JP6380684B2 - 感圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、感圧センサに関する。

従来、長手方向に沿って中空部を有する筒状の弾性絶縁体と、弾性絶縁体の中空部の内周面に沿って配置され、かつ相互に接触しないように配置された複数の電極線と、を備えた感圧センサが知られている。

感圧センサは、外力を受けた際に内部の電極線同士が接触し導通状態となることにより、スイッチ機能を果たすものであり、例えば、車両のスライドドアにおける挟み込み検知の用途等で用いられている。

特許文献１では、弾性絶縁体の最外層に熱可塑性ウレタンを用いた感圧センサが記載されている。弾性絶縁体の最外層に熱可塑性ウレタンを用いることで、感圧センサの耐熱性、耐油性、耐寒性、耐摩耗性を低コストで向上させることができる。

特開２０１１−５２４３３号公報

ところで、感圧センサの端末には、電極線の導通状態を検出する検出器が取り付けられ、センサユニットとして用いられる。この際、感圧センサの弾性絶縁体の除去（被覆ストリップ）、電極線の導体のはんだ付け、端末部分の樹脂モールド等の多くの工程が端末加工として行われことになる。この端末加工の際には、複数本（例えば１００〜２００本）の感圧センサをまとめて前工程から次工程に受け渡すのが通常である。

しかしながら、弾性絶縁体の最外層に熱可塑性ウレタンを用いた感圧センサでは、最外層の熱可塑性ウレタン同士が粘着しやすく、例えば１００〜２００本の束から１本だけを抜き取ろうとすると、複数本の感圧センサが粘着して絡まってしまい、作業性が著しく低下してしまうという問題があった。

また、量産性を向上させる観点から、被覆ストリップの工程は自動加工機を用いることが望ましいが、弾性絶縁体の最外層に熱可塑性ウレタンを用いた感圧センサでは、最外層の熱可塑性ウレタンの粘着により、除去した弾性絶縁体が自動加工機に付着してしまうため、自動加工機の使用が困難である、という問題もあった。

そこで、本発明は、表面粘着を抑制した端末加工性の良好な感圧センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、長手方向に沿って中空部を有する筒状の弾性絶縁体と、前記弾性絶縁体の前記中空部の内周面に沿って配置され、かつ相互に接触しないように配置された複数の電極線と、を備え、前記弾性絶縁体は、少なくとも、熱可塑性ウレタンからなる最外層を備え、前記最外層の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上である、感圧センサを提供する。

本発明によれば、表面粘着を抑制した端末加工性の良好な感圧センサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る感圧センサの断面図である。 （ａ）は実施例１の感圧センサにおける最外層の表面の写真、（ｂ）はその表面粗さの測定結果を示すグラフ図である。 （ａ）は実施例３の感圧センサにおける最外層の表面の写真、（ｂ）はその表面粗さの測定結果を示すグラフ図である。 （ａ）は比較例１の感圧センサにおける最外層の表面の写真、（ｂ）はその表面粗さの測定結果を示すグラフ図である。 （ａ），（ｂ）は、自動加工機による感圧センサの端末加工を説明する図である。 本発明の他の実施の形態に係る感圧センサの断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る感圧センサの断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る感圧センサの断面図である。

図１に示すように、感圧センサ１は、長手方向に沿って中空部２ａを有する筒状の弾性絶縁体２と、弾性絶縁体２の中空部２ａの内周面に沿って配置され、かつ相互に接触しないように配置された複数の電極線３と、を備えている。

（電極線３の説明）
電極線３は、導体６の周囲に導電体７を被覆して構成されている。本実施の形態では、２本の電極線３を用いる場合を説明するが、電極線３の数は３本以上であってもよい。２本の電極線３は、中空部２ａの内周面に沿って螺旋状に配置されており、断面視で中空部２ａを挟んで（感圧センサ１の断面視における中心を挟んで）対向するように配置されている。

導体６としては、優れた屈曲性を得るため、金属素線を複数本撚り合わせた金属撚線を用いるとよい。導体６としては、例えば、２６〜３０ＡＷＧの銀めっき軟銅線の撚り線を用いることができる。

導電体７を構成する導電性樹脂組成物としては、ゴム材料または弾性プラスチック材料に、カーボン等の導電性充填剤を配合したものを用いることができる。また、導電体７としては、スチレン系熱可塑性エラストマ及びカーボンを含む導電性樹脂組成物を用いることもできる。スチレン系熱可塑性エラストマは、成形の際に架橋の必要がないため、成形の際に架橋を必要とする材料を用いる場合よりも、導電体７の製造工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。

スチレン系熱可塑性エラストマとは、分子の両端にスチレンブロックを有する熱可塑性エラストマである。スチレン系熱可塑性エラストマとしては、例えば、ＥＢ（エチレン−ブチレン）の両端にスチレンブロックを有するＳＥＢＳ、ＥＰ（エチレン−プロピレン）の両端にスチレンブロックを有するＳＥＰＳ、又はＥＥＰ（エチレン−エチレン−プロピレン）の両端にスチレンブロックを有するＳＥＥＰＳが挙げられる。

導電体７に配合するカーボンは、導電体７に導電性を付与するために添加される。カーボンは、カーボンブラック等の粒子状のカーボンであることが好ましい。粒子状以外の形状、例えば線状や面状のカーボンを用いた場合、導電体７の電気抵抗の大きさが方向によって変化し、感圧センサ１の動作に悪影響を与えるおそれがある。ここで、カーボンブラックは、油やガスを不完全燃焼させること等により得られる直径３〜５００ｎｍ程度の炭素の微粒子である。特に、カーボン一次粒子が連結したストラクチャーと呼ばれる構造が発達した導電性カーボンブラックが好ましい。

導電体７を構成する導電性樹脂組成物におけるカーボンの質量パーセント濃度は、１８質量％以上であることが好ましい。これにより、導電体７の体積抵抗率が十分に小さくなる。カーボンの質量パーセント濃度は、カーボンの質量を導電性樹脂組成物全体の質量（導電体７の質量）で除した値に１００を乗ずることにより算出される。

（弾性絶縁体２の説明）
弾性絶縁体２は、少なくとも、熱可塑性ウレタン（熱可塑性ウレタンエラストマ）からなる最外層５を備えている。つまり、弾性絶縁体２は、少なくともその外表面が熱可塑性ウレタンから構成されている。

本実施の形態では、弾性絶縁体２は、長手方向に直交する断面における外周面が円形状に形成された管状部材４と、管状部材４の周囲に形成された熱可塑性ウレタンからなる最外層５と、から構成されている。

管状部材４は、外力が加わることにより変形し、外力がなくなれば直ちに復元する弾性（復元性）を有している。２本の電極線３は、管状部材４のもつ弾性力のみによって互いに離間し、外力が加わっていない状態において非接触の状態が保たれている。

管状部材４を構成する絶縁性樹脂組成物としては、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、又はクロロプレンゴム等のゴム材料や、弾性プラスチックを用いることができる。

管状部材４は、押出機による押出成形により形成される。環状部材４を形成する際には、２本の電極線３と複数本（例えば５本）のスペーサ（ダミー線）とを撚り合わせ、その周囲に押出成形により管状部材４を被覆する。その後（最外層５を形成した後）に、スペーサ（ダミー線）を引き抜くことで、中空部２ａが形成される。

最外層５は、管状部材４を保護し、耐傷性、耐久性、耐候性を高めるためのものである。本実施の形態では、最外層５として、耐熱性、耐油性、耐寒性、耐摩耗性に優れた熱可塑性ウレタンからなるものを用いる。

本実施の形態に係る感圧センサ１では、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上とされる。最外層５の表面を、算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上の荒れた表面とすることにより、表面粘着を抑制し、端末加工時に感圧センサ１が複数本粘着して絡まってしまうことを抑制することが可能になる。なお、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ未満の場合、最外層５の表面が光沢を帯びた状態となり、表面粘着が発生してしまう。

より表面粘着を抑制するという観点から、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａは４μｍ以上であることがより好ましい。また、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが大きすぎると最外層５の機械的強度が低下してしまうおそれがあり、また外観が明らかに劣化してしまうため、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａは７μｍ以下であることがより好ましい。つまり、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａは、４μｍ以上７μｍ以下であることがより好ましいといえる。

ここで、算術平均表面粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３）に準拠したパラメータ計算式により得られるものである。算術平均表面粗さＲａを演算する際には、予め輪郭曲線の測定を行う必要があるが、本実施の形態では、輪郭曲線の測定を共焦点顕微鏡などによる非接触式輪郭曲線測定により行う。

非接触式輪郭曲線測定を行う際には、１００Ｘ／ＮＡ０．９５（１００倍、開口数０．９５）の対物レンズを使用した際に、少なくとも下記の分解能を有する装置を用いる。このような装置として、例えばレーザーテック社製コンフォーカル顕微鏡Ｈ３００などが挙げられる。なお、σは標準偏差である。
（線幅測定機能：Ｘ軸方向）
最小測定分解能：０．００１μｍ
繰り返し測定精度：（３σ）０．０１μｍ
（高さ測定機能：Ｚ軸方向）
最小測定分解能：０．００１μｍ
繰り返し測定精度：（σ）０．０１μｍ

すなわち、本明細書における算術平均表面粗さＲａとは、少なくとも上述の分解能を有する装置による非接触式輪郭曲線測定の結果を基に、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３）に準拠したパラメータ計算式により演算したものである。

最外層５は押出機を用いた押出成形により形成される。この押出成形時の条件、すなわち押出成形時の設定温度とライン速度（樹脂の流れる速度）により、最外層５の表面粗さをコントロールすることができる。例えば、押出成形時の設定温度をより低くして樹脂の粘度を高くすることにより、最外層５の表面粗さをより大きくすることができる。また、ライン速度をより速く設定することにより、樹脂に作用するせん断応力をより大きくして、最外層５の表面粗さをより大きくすることができる。押出成形時の設定温度とライン速度は、押出機のサイズ等に応じて適宜設定可能であり、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上（より好ましくは４μｍ以上７μｍ以下）となる条件にて押出成形を行うとよい。

ここで、最外層５の押出成形時の設定温度とライン速度を変化させたときの最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａの測定結果について説明する。

ここでは、電極線３を２条とし、両電極線３の導電体７を、カーボンブラックを配合した架橋導電ゴムで構成すると共に、その外径を０．６ｍｍとした。また、管状部材４としては、架橋ＥＰＤＭからなる外径３．５ｍｍのものを用い、最外層５としては、硬度８５の熱可塑性ウレタンを用い、最外層５の厚さを０．３ｍｍとした。最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａの測定には、上述のレーザーテック社製コンフォーカル顕微鏡Ｈ３００を用いた。押出成形時の条件と最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａの測定結果をまとめて表１に示す。

表１に示すように、押出機サイズを６５ｍｍとした場合、シリンダ設定温度とヘッド設定温度を２０４℃とした際には、ライン速度を３５〜６０ｍ／ｍｉｎとすることで、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａを３μｍ以上の４．３μｍ〜７．０μｍとすることができる（実施例１〜３）。他方、シリンダ設定温度を２２０℃、ヘッド設定温度を２１５℃とし、ライン速度を１８ｍ／ｍｉｎとした比較例２では、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ未満の１．８μｍとなった。

押出機サイズを２０ｍｍとした場合、シリンダ設定温度を１９０℃、ヘッド設定温度を１８０℃とし、ライン速度を１５ｍ／ｍｉｎとした実施例４では、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上の３．３μｍとなった。他方、シリンダ設定温度を１９０℃、ヘッド設定温度を１８５℃とし、ライン速度を１．８ｍ／ｍｉｎとした比較例１では、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ未満の０．５μｍとなった。

なお、押出機サイズが大きいほど、押出機のスクリューの径が大きくなり、樹脂の自己発熱が大きくなる。そのため、押出機サイズが大きいほど、比較的低い設定温度でも実際の樹脂温度が高くなり、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが小さくなる場合がある。よって、押出機サイズ等に応じて、適宜な設定温度を選定し、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上となる条件で最外層５を形成する必要がある。

実施例１、実施例３、および比較例１の最外層５の表面の顕微鏡写真を図２（ａ），図３（ａ），図４（ａ）にそれぞれ示し、また、実施例１、実施例３、および比較例１の表面粗さの測定結果を、図２（ｂ），図３（ｂ），図４（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図２（ｂ），図３（ｂ），図４（ｂ）の測定結果において、横軸は測定位置（基準位置からの距離）を表し、縦軸は表面の高さ（基準位置からの高さ）を表している。

図２，３に示すように、実施例１，３では最外層５の表面は荒れた状態となっており、粘着が発生し難い状態となっているが、図４に示すように、比較例１では最外層５の表面は滑らかな状態となっており、粘着が発生し易い状態となっていることが分かる。

次に、実施例１〜４および比較例１，２の感圧センサ１を用いて、端末加工の作業性について検討を行った。ここでは、作成した感圧センサ１を長さ１３００ｍｍに切断し、切断した感圧センサ１を自動加工機にセットして端末の自動加工を行った際の作業性について検討した。

自動加工機では、図５（ａ）に示すように、感圧センサ１の端末から１５ｍｍの位置で、感圧センサ１を対向方向から挟み込むように２枚のＶ字型の熱刃５１を進出させ、熱刃５１により管状部材４と最外層５とを切断する。このとき、電極線３を傷つけないように熱刃５１の進出量（スライド量）が調整されている。その後、図５（ｂ）に示すように、感圧センサ１をクランプ５２で保持した状態で、熱刃５１により切断した弾性絶縁体２の端末部５４を把持し引き抜くことで、弾性絶縁体２を除去する。その後、マニピュレータ５３の把持を解除して引き抜いた弾性絶縁体２の端末部５４をマニピュレータ５３から落下させる。このとき、端末部５４における熱可塑性ウレタンからなる最外層５がマニピュレータ５３に粘着して落下しない場合、自動加工が中断されることになる。ここでは、２０００本の感圧センサ１の自動加工を行い、１度でも自動加工作業が中断されたものを作業性×（不合格）、全て問題なく作業できたものを作業性○（合格）とした。結果を表１にあわせて示す。

表１に示すように、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上（３．３μｍ〜７．０μｍ）の実施例１〜４では、２０００本の感圧センサ１の自動加工を行った際に１度も自動加工作業が中断されなかった。他方、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ未満（０．５μｍ〜１．８μｍ）の比較例１，２では、感圧センサ１の自動加工作業が中断されてしまい、作業性の観点で問題があることが確認された。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る感圧センサ１では、熱可塑性ウレタンからなる最外層５を備え、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上である。

最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａを３μｍ以上とすることで、耐熱性、耐油性、耐寒性、耐摩耗性、および経済性に優れた熱可塑性ウレタンを最外層５に用いつつも、表面粘着を抑制することが可能になり、端末加工性を向上することが可能になる。

また、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａを３μｍ以上とすることで、引き抜いた弾性絶縁体２の端末部５４がマニピュレータ５３に付着することを抑制でき、自動加工機による自動加工が可能となる。その結果、感圧センサ１の量産性を向上することが可能になる。

さらに、最外層５の表面の算術平均表面粗さＲａを３μｍ以上とすることで、表面の光沢を抑えてつや消し状の外観とすることが可能になり、外観の向上を図ることも可能になる。

（他の実施の形態）
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図６に示す感圧センサ６１は、基本的に図１の感圧センサ１と同じ構成であり、最外層５の形状のみが異なっている。

感圧センサ６１では、最外層５の外周面には、長手方向に沿って、車両のスライドドア等の取付対象物に接着固定するための平坦な接着面６２が形成されている。感圧センサ６１は、この接着面６２を取付対象物に両面テープや接着剤等により接着することにより、取付対象物に直接接着固定される。これにより、従来のようにプロテクタゴムやセンサガイド等の部材を用いることなく、容易に感圧センサ６１を取付対象物に取り付けることが可能になる。

感圧センサ６１では、接着面６２を含む最外層５の全体において、その表面の算術平均表面粗さＲａを３μｍ以上とされ、表面が荒れた状態となっている。そのため、感圧センサ６１を取付対象物に接着固定する際に、アンカー効果により接着性を向上することが可能になる。

感圧センサ６１では、最外層５は、接着面６２の周縁に、幅方向（長手方向および接着面６２の法線方向と垂直な方向、図示左右方向）に突出したフランジ状の舌片部６３を一体に有している。舌片部６３は、幅方向に沿って突き出た形成された突片であり、幅方向の両側に突出するように対称に形成され、また最外層５の長手方向の全体に形成されている。

舌片部６３を形成することで、接着面６２の面積を大きくして感圧センサ６１を取付対象物に強固に固定することが可能になる。また、舌片部６３を形成することで、接着面６２に対して平行な方向から圧力を受けた場合にも、圧力を受けた側とは反対側の舌片部６３が踏ん張ることによって管状部材４を変形させ、両電極線３を接触させることができる。よって、管状部材４の延伸方向に直交する断面における圧力の検出角度範囲を１８０°以上とすることができ、この検出角度範囲内において適切に検知対象物との接触を検知することが可能になる。

図７に示す感圧センサ７１は、最外層５の長手方向に直交する断面の形状をＤ字状に形成することで、接着面６２を形成したものである。感圧センサ７１のように最外層５を断面Ｄ字状に形成した場合も、図６の感圧センサ６１と同様に、両面テープや接着剤等により容易に感圧センサ７１を取付対象物に取り付けることが可能になる。また、接着面６２の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上とされているため、アンカー効果により接着性を向上することが可能になる。

なお、図７の感圧センサ７１では、接着面６２に対して平行な方向から圧力を受けた場合に、当該圧力を受けた側の接着面６２の端部に剥離する方向の力が発生し易く、比較的取付対象物から剥離し易い。よって、取付対象物からの剥離を抑制するという観点からは、図６の感圧センサ６１のように舌片部６３を形成することがより望ましいといえる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］長手方向に沿って中空部（２ａ）を有する筒状の弾性絶縁体（２）と、前記弾性絶縁体（２）の前記中空部（２ａ）の内周面に沿って配置され、かつ相互に接触しないように配置された複数の電極線（３）と、を備え、前記弾性絶縁体（２）は、少なくとも、熱可塑性ウレタンからなる最外層（５）を備え、前記最外層（５）の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上である、感圧センサ（１）。

［２］前記最外層（５）の表面の算術平均表面粗さＲａが４μｍ以上７μｍ以下である、［１］に記載の感圧センサ（１）。

［３］前記電極線（３）は、スチレン系熱可塑性エラストマ及びカーボンを含む導電性樹脂組成物からなる導電体（７）を有する、［１］または［２］に記載の感圧センサ（１）。

［４］前記最外層（５）の外周面には、長手方向に沿って、取付対象物に接着固定するための平坦な接着面（６２）が形成されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の感圧センサ（６１，７１）。

［５］前記最外層（５）は、前記接着面（６２）の周縁に、長手方向および前記接着面（６２）の法線方向と垂直な方向である幅方向に突出したフランジ状の舌片部（６３）を一体に有している、［４］に記載の感圧センサ（６１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、一例として、車両のスライドドアに適用する場合を説明したが、これに限らず、本発明は、例えば、車両のバックドアやパワーウィンド、エレベータ、シャッタ、自動ドア、窓等、あらゆる物理的な挟み込みを検知するセンサに適用可能である。

１…感圧センサ
２…弾性絶縁体
２ａ…中空部
３…電極線
４…管状部材
５…最外層
６…導体
７…導電体

Claims (5)

1. 長手方向に沿って中空部を有する筒状の弾性絶縁体と、
   前記弾性絶縁体の前記中空部の内周面に沿って配置され、かつ相互に接触しないように配置された複数の電極線と、を備え、
   前記弾性絶縁体は、少なくとも、熱可塑性ウレタンからなる最外層を備え、前記最外層の表面の算術平均表面粗さＲａが３μｍ以上である、
   感圧センサ。
2. 前記最外層の表面の算術平均表面粗さＲａが４μｍ以上７μｍ以下である、
   請求項１に記載の感圧センサ。
3. 前記電極線は、スチレン系熱可塑性エラストマ及びカーボンを含む導電性樹脂組成物からなる導電体を有する、
   請求項１または２に記載の感圧センサ。
4. 前記最外層の外周面には、長手方向に沿って、取付対象物に接着固定するための平坦な接着面が形成されている、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の感圧センサ。
5. 前記最外層は、前記接着面の周縁に、長手方向および前記接着面の法線方向と垂直な方向である幅方向に突出したフランジ状の舌片部を一体に有している、
   請求項４に記載の感圧センサ。