JP5210274B2 - 感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物、感圧センサ用ポリウレタン成形体、感圧センサおよびタッチパネル - Google Patents
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Description
そのようなタッチパネルの方式として、例えば、抵抗膜式、静電容量方式、光学方式、超音波式などの各種方式が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
さらに、超音波式のタッチパネルでは、超音波発生装置が必要であり、重量が増大して、コストが増大するという不具合がある。
本発明の目的は、耐湿性、耐水性、耐電気ノイズ性および耐電磁波性に優れ、薄型化および軽量化を図ることができ、コストを低減することのできる、感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物、感圧センサ用ポリウレタン成形体、感圧センサおよびタッチパネルを提供することにある。
また、本発明の感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物では、芳香環濃度が15〜25重量%であることが好適である。
また、本発明の感圧センサ用ポリウレタン成形体では、−20〜60℃における光弾性定数の最高値が、1000×10−12Pa−1以上であることが好適である。
また、本発明の感圧センサ用ポリウレタン成形体では、ガラス転移温度が、−10〜35℃であることが好適である。
また、本発明のタッチパネルは、上記した感圧センサを備えることを特徴としている。
そのため、感圧センサ用ポリウレタン成形体を備える本発明の感圧センサでは、軽薄化および軽量化を図りながら、応力歪みのセンシングによって、感圧センサ用ポリウレタン成形体における応力発生箇所を確実に特定することができる。
ポリイソシアネートとしては、例えば、芳香族ポリイソシアネート、芳香脂肪族ポリイソシアネート、脂環族ポリイソシアネート、脂肪族ポリイソシアネートなどが挙げられる。
脂環族ポリイソシアネートとしては、例えば、3−イソシアナトメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルイソシアネート(イソホロンジイソシアネート、IPDI)、4,4′−、2,4′−または2,2′−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネートもしくはその混合物(H12MDI)、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサンもしくはその混合物(水添キシリレンジイソシアネート、H6XDI)、2,5−または2,6−ビス(イソシアナトメチル)ノルボルナンもしくはその混合物(NBDI)、1,3−シクロペンタンジイソシアネート、1,4−または1,3−シクロヘキサンジイソシアネートもしくはその混合物、メチル−2,4−シクロヘキサンジイソシアネート、メチル−2,6−シクロヘキサンジイソシアネートなどの脂環族ジイソシアネートが挙げられる。
これらポリイソシアネートのうち、好ましくは、芳香族ポリイソシアネート、芳香脂肪族ポリイソシアネート、脂環族ポリイソシアネートが挙げられ、さらに好ましくは、ポリウレタン樹脂組成物における芳香環濃度を所定範囲に設定する観点から、芳香族ポリイソシアネート、芳香脂肪族ポリイソシアネートが挙げられる。
活性水素基含有化合物は、平均活性水素基価(活性水素基が水酸基である場合には、水酸基価)が、30〜550mgKOH/gであり、好ましくは、35〜350mgKOH/g、さらに好ましくは、40〜250mgKOH/g、とりわけ好ましくは、140〜230mgKOH/gである。
なお、各活性水素基含有化合物の活性水素基価は、単位重量(g)当りの活性水素基のモル数に56100(mgKOH)を乗じた値(mgKOH/g)として算出される。
また、平均活性水素基価は、複数の活性水素基含有化合物が併用される場合には、各活性水素基含有化合物の活性水素基価に、活性水素基含有化合物の配合部数を乗じて、それらを加算し、活性水素基含有化合物の配合部数の総量で割った値として算出される。
平均活性水素基価=[(AH1×M)+(AH2×N)]/(M+N)
AH1 :活性水素基含有化合物AH1の活性水素基価
M :活性水素基含有化合物AH1の配合部数
AH2 :活性水素基含有化合物AH2の活性水素基価
N :活性水素基含有化合物AH2の配合部数
平均活性水素基価が上記した範囲を超えると、感圧センサ用ポリウレタン成形体において、所望の光弾性を得ることができず、一方、平均活性水素基価が上記した範囲に満たないと、ガラス転移温度が過度に低くなり、加工性が低下する。
ポリオールとしては、例えば、低分子量ポリオールおよびマクロポリオールが挙げられる。
低分子量ポリオールは、水酸基を2つ以上有する数平均分子量40以上350未満の化合物であって、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブチレングリコール、1,3−ブチレングリコール、1,2−ブチレングリコール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2,6−ジメチル−1−オクテン−3,8−ジオール、アルカン(炭素数7〜22)ジオール、シクロヘキサンジメタノール、水素化ビスフェノールA、1,4−ジヒドロキシ−2−ブテン、ビスヒドロキシエトキシベンゼン、キシレングリコール、ビスヒドロキシエチレンテレフタレート、ビスフェノールA、ジエチレングリコール、トリオキシエチレングリコール、テトラオキシエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリオキシプロピレングリコール、テトラオキシプロピレングリコールなどの2価アルコール、例えば、グリセリン、2−メチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール、2,4−ジヒドロキシ−3−ヒドロキシメチルペンタン、1,2,6−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパン、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)−3−ブタノールおよびその他の脂肪族トリオール(炭素数8〜24)などの3価アルコール、例えば、テトラメチロールメタン(ペンタエリスリトール)、ジグリセリンなどの4価アルコール、例えば、キシリトールなどの5価アルコール、例えば、ソルビトール、マンニトール、アリトール、イジトール、ダルシトール、アルトリトール、イノシトール、ジペンタエリスリトールなどの6価アルコール、例えば、ペルセイトールなどの7価アルコール、例えば、ショ糖などの8価アルコールなどが挙げられる。
マクロポリオールは、水酸基を2つ以上有する数平均分子量350以上の化合物であって、例えば、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリウレタンポリオール、ポリオキシアルキレンポリエステルブロック共重合体ポリオール、アクリルポリオール、エポキシポリオール、天然油ポリオール、シリコーンポリオール、フッ素ポリオール、ポリオレフィンポリオールなどが挙げられる。
ポリプロピレンポリオールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオールを開始剤とする、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなどのアルキレンオキサイドの付加重合物(2種以上のアルキレンオキサイドのランダムおよび/またはブロック共重合体を含む)が挙げられる。
ポリエステルポリオールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオールと、多塩基酸またはその酸無水物あるいはその酸ハライドとの反応により得られるポリエステルポリオールが挙げられる。
さらに、ポリエステルポリオールとして、例えば、上記した低分子量ポリオールと、水酸基含有植物油脂肪酸(例えば、リシノレイン酸を含有するひまし油脂肪酸、12−ヒドロキシステアリン酸を含有する水添ひまし油脂肪酸など)などのヒドロキシカルボン酸とを、公知の条件下、縮合反応させて得られる植物油系ポリエステルポリオールなどが挙げられる。
ポリウレタンポリオールとしては、上記により得られたポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオールおよび/またはポリカーボネートポリオールを、イソシアネート基に対する水酸基の当量比(OH/NCO)が1を超過する割合で、上記したポリイソシアネートと反応させることによって、ポリエステルポリウレタンポリオール、ポリエーテルポリウレタンポリオール、ポリカーボネートポリウレタンポリオール、あるいは、ポリエステルポリエーテルポリウレタンポリオールなどとして得ることができる。
一般式(1)中、R1で示される2価の炭化水素基としては、例えば、飽和脂肪族または芳香族ポリカルボン酸残基、R2で示される2価の炭化水素基としては、例えば、環状エーテル基をもつ化合物が開裂した残基が挙げられ、nは、好ましくは1〜20の数である。
マクロポリオールの数平均分子量は、例えば、350〜20000、好ましくは、600〜15000である。
活性水素基含有化合物は、単独使用または2種以上併用することができる。好ましくは、マクロポリオールの単独使用、または、低分子量ポリオールおよびマクロポリオールの併用が挙げられる。
そして、上記したポリイソシアネートと活性水素基含有化合物とを調製することにより、本発明の感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物を得る。
ポリウレタン樹脂組成物の芳香環濃度が上記した範囲内にあれば、光弾性定数を高めることができる。
そして、本発明の感圧センサ用ポリウレタン成形体は、このようにして得られる本発明の感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物から、ポリイソシアネートと活性水素基含有化合物とを反応させて、ポリウレタン樹脂組成物を硬化および成形することにより、得ることができる。
ワンショット法では、例えば、ポリイソシアネートと活性水素基含有化合物とを、イソシアネートインデックス(活性水素基濃度に対するイソシアネート基濃度の比に100を乗じた値、NCO濃度/活性水素基濃度×100)が、例えば、70〜400、好ましくは、80〜150となるように処方(混合)して、それらを成形型に注入して、例えば、0℃〜250℃、好ましくは、室温(20℃)〜150℃で、例えば、1分間〜7日間、好ましくは、10分間〜2日間、硬化反応させる。
また、上記した硬化反応は、公知の溶媒の存在下で実施することもできる。
そして、成形型に注入して硬化反応させた後、脱型すれば、所定形状に成形された感圧センサ用ポリウレタン成形体を得ることができる。
また、上記したイソシアネート基末端プレポリマーの合成後に、例えば、薄膜蒸留法などの蒸留法、例えば、液−液抽出法などの抽出法などの除去方法によって、未反応のポリイソシアネートを除去することもできる。
次いで、得られたイソシアネート基末端プレポリマーと、活性水素基含有化合物の残部とを反応させるには、イソシアネート基末端プレポリマーと、活性水素基含有化合物の残部とを、イソシアネートインデックス(NCO濃度/活性水素基濃度×100)が、例えば、50〜200、好ましくは、75〜125となるように処方(混合)し、成形型に注入して、例えば、0〜60℃、好ましくは、室温〜50℃で、例えば、5分〜72時間、好ましくは、1〜24時間、硬化反応させる。
そして、成形型に注入して硬化反応させた後、脱型すれば、所定形状に成形された感圧センサ用ポリウレタン成形体を得ることができる。
具体的には、感圧センサ用ポリウレタン成形体は、−20〜60℃における光弾性定数の最高値が、例えば、1000×10−12Pa−1以上、好ましくは、2000×10−12Pa−1以上、さらに好ましくは、3000×10−12Pa−1以上であり、通常、100000×10−12Pa−1以下である。つまり、光弾性定数は、−20〜60℃の温度範囲において、例えば、ピークトップ(最高値)が、上記した範囲にあればよく、−20〜60℃の温度範囲すべてにわたって、上記した範囲になくてもよい。
光弾性定数が上記した範囲にあることにより、優れた光弾性を確保することができる。
また、感圧センサ用ポリウレタン成形体のガラス転移温度は、例えば、−10〜35℃、好ましくは、−5〜30℃、さらに好ましくは、0〜25℃である。
ガラス転移温度が上記した範囲にあることにより、光弾性定数を高めることができる。
なお、このようなポリウレタン樹脂組成物または感圧センサ用ポリウレタン成形体には、必要に応じて、例えば、消泡剤、可塑剤、レベリング剤、艶消し剤、難燃剤、揺変剤、粘着付与剤、増粘剤、滑剤、帯電防止剤、界面活性剤、反応遅延剤、脱水剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、加水分解防止剤、耐候安定剤などの公知の添加剤を適宜配合することができる。
次に、上記した感圧センサ用ポリウレタン成形体を備える感圧センサおよびそれを備えるタッチパネルを、図1を参照して説明する。なお、図1において、紙面上下方向を「縦方向」、紙面左右方向を「横方向」とする。
感圧センサ2は、感圧センサ用ポリウレタン成形体4と、感圧センサ用ポリウレタン成形体4における応力発生を検知するための応力発生検知部15とを備えている。
感圧センサ用ポリウレタン成形体4は、所定形状の成形型(注形型)によりシート状に形成されているか、あるいは、脱型後の裁断によって所定形状のシート状に形成されている。具体的には、感圧センサ用ポリウレタン成形体4は、平面視略矩形平板シート形状に形成されている。感圧センサ用ポリウレタン成形体4の厚みは、特に限定されず、例えば、0.005〜50mm、好ましくは、0.01〜10mm、さらに好ましくは、0.1〜5mmである。
発光部5は、感圧センサ用ポリウレタン成形体4における縦方向一方側に配置され、横方向に沿って複数並列配置される縦側発光部6と、感圧センサ用ポリウレタン成形体4における横方向一方側に配置され、縦方向に沿って複数並列配置される横側発光部7とを備えている。
受光部8は、各発光部5に対応して設けられており、縦側発光部6および横側発光部7と感圧センサ用ポリウレタン成形体4を挟むように対向配置される、縦側受光部9および横側受光部10を備えている。
横側受光部10は、感圧センサ用ポリウレタン成形体4の横方向他方側において、縦方向に沿って複数並列配置されている。つまり、横側受光部10は、第4発光部5D、第5発光部5Eおよび第6発光部5Fに対応し、縦方向一方側から他方側に向かって順次配置される、第4受光部8D、第5受光部8Eおよび第6受光部8Fを備えている。
まず、応力発生検知部15において、発光部5から受光部8に向けて、感圧センサ用ポリウレタン成形体4の内部を通過するように、レーザー光を出射する。このとき、感圧センサ用ポリウレタン成形体4においては、レーザー光に複屈折が生じていないため、偏光フィルム13により、レーザー光が遮断されており、受光部8では、受光されていない。
すると、検知部11において複屈折が生じるので、複屈折したレーザー光が、受光部8によって受光される。
より具体的には、検知部11aの縦方向他方側および横方向他方側にそれぞれ配置される第1受光部8Aおよび第4受光部8Dが、検知部11aにおける複屈折の有無を検知する。
また、その他の検知部11(11b〜11i)についても、上記と同様にして、応力発生箇所を検知する。
そのため、感圧センサ用ポリウレタン成形体4を備える感圧センサ2では、軽薄化および軽量化を図りながら、応力歪みのセンシングによって、感圧センサ用ポリウレタン成形体4における応力発生箇所を確実に特定することができる。
なお、上記した説明では、発光部5および受光部8をともに、平面視において、感圧センサ用ポリウレタン成形体4の外側に設けているが、その配置は、特に限定されず、例えば、図2に示すように、感圧センサ用ポリウレタン成形体4の内側に設けることもできる。
受光部8は、感圧センサ用ポリウレタン成形体4の下側において、下部ミラー面19と内側(縦方向一方側および横方向一方側、図1参照)に、偏光板13を挟んで対向配置されている。
このタッチパネル1では、発光部5および受光部8が感圧センサ用ポリウレタン成形体4の内側に設けられているので、装置のコンパクト化を図ることができる。
なお、実施例、参考例および比較例および表1〜表5において記載する略号の詳細を記載する。
トリオール8500:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量8500、水酸基価20mgKOH/g
トリオール5000:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量5000、水酸基価34mgKOH/g
トリオール3000:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量3000、水酸基価56mgKOH/g
トリオール1500:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量1500、水酸基価112mgKOH/g
トリオール1000:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量1000、水酸基価168mgKOH/g
トリオール700:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量700、水酸基価240mgKOH/g
トリオール300:ポリプロピレントリオール、開始剤:グリセリン、数平均分子量300、水酸基価560mgKOH/g
ジオール1000:ポリプロピレンジオール、開始剤:エチレングリコール、数平均分子量1000、水酸基価110mgKOH/g
ジオール400:ポリプロピレンジオール、開始剤:エチレングリコール、数平均分子量400、水酸基価280mgKOH/g
1,4−BG:1,4−ブチレングリコール、水酸基価1245mgKOH/g
DPG:ジプロピレングリコール、水酸基価836mgKOH/g
3P−56M:ポリオキシアルキレンポリエステルブロック共重合体ポリオール、平均官能基数約3、水酸基価:56mgKOH/g
1,3−H6XDI:1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン
1,3−XDI:1,3−キシリレンジイシソアネート
H12MDI:ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート
TDI−100:2,4−トリレンジイソシアネート
TDI−80:2,4−および2,6−トリレンジイソシアネートの異性体混合物(2,4/2,6異性体混合比80:20)
TDI−65:2,4−および2,6−トリレンジイソシアネートの異性体混合物(2,4/2,6異性体混合比65:35)
4,4’−MDI:4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート
2,2’−MDI:2,2’−ジフェニルメタンジイソシアネート
プレポリマーXDI−1:トリオール3000および1,3−XDIの反応により得られるイソシアネート基末端プレポリマー(配合割合:50重量部/29.37重量部)
プレポリマーPH−1:トリオール3000および4,4’−MDIの反応により得られるイソシアネート基末端プレポリマー(配合割合:50重量部/39.3重量部)
オクチル酸鉛:商品名「ヘキソエート鉛24%」、触媒、東栄化工社製
オクチル酸錫:商品名「ダブコT−9」、触媒、エアプロダクツ アンド ケミカルズ社製BYK−070:破泡性ポリマーおよびポリシロキサンの溶液、ビックケミー・ジャパン社製
参考例1〜13、実施例14、参考例15、16、実施例17、18、参考例19、実施例24〜26および比較例1〜3
表1〜表5に基づいて、ポリイソシアネートと活性水素基含有化合物と触媒と(必要により配合される消泡剤と)を処方して、参考例1〜13、実施例14、参考例15、16、実施例17、18、参考例19、実施例24〜26および比較例1〜3の感圧センサ用ポリウレタン成形体を成形した。
その後、これを、注形型の空隙に流し込み、100℃にて、24時間、硬化させた。これにより、厚み2.0mmのシート状の感圧センサ用ポリウレタン成形体を得た。なお、注形型は、厚み方向に対向する2枚の平坦な金属板と、それらの周端部の間(空隙)に挟み込まれた切片状のスペーサーとから形成されている。
まず、プレポリマーXDI−1を調製した。
すなわち、プレポリマーXDI−1は、1,3−XDI 29.37重量部およびトリオール3000 50重量部を配合(イソシアネートインデックス:625)して、80℃で、5時間反応させることにより、調製した。
実施例22および23
まず、プレポリマーPH−1を調製した。
その後、表4に基づいて、プレポリマーPH−1と活性水素基含有化合物と触媒と消泡剤とを処方して、参考例1と同様に、硬化させることにより、実施例22および23の感圧センサ用ポリウレタン成形体を成形した。
(1)光弾性定数
各実施例、各参考例および各比較例の−20〜60℃における感圧センサ用ポリウレタン成形体の光弾性定数を、「築地光雄、高和宏行、田實佳郎著“光学フィルム用・光弾性定数測定システムの開発”、精密学会誌73、253−258(2007)」の「光弾性定数測定方法」の記載に準拠して測定し、その最高値を得た。その結果を、表1〜表5に記載する。
(2)ガラス転移温度
各実施例、各参考例および各比較例の感圧センサ用ポリウレタン成形体のガラス転移温度(Tg)は、動的粘弾性測定装置(VES−F−III、VISCO−ELASTICSPECTROMETER、岩本製作所社製)を用いて、長さ10.0cm、幅5.0mm、厚み2.0mmの短冊状に裁断したサンプル片を、昇温速度3℃/分、振動数10Hz、振幅±0.01mmの温度分散モードにて測定し、得られたデータのtanδのピーク値として算出した。その結果を、表1〜表5に記載する。
(3)外観
各実施例、各参考例および各比較例の感圧センサ用ポリウレタン成形体の透明の度合いを、肉眼にて観察した。その結果を、表1〜表5に記載する。
2 感圧センサ
4 感圧センサ用ポリウレタン成形体
Claims (6)
- 感圧センサに用いられるポリウレタン樹脂組成物であって、
ポリイソシアネートと、
平均活性水素基価が30〜550mgKOH/gである活性水素基含有化合物と
を含有し、
芳香環濃度が15〜25重量%であることを特徴とする、感圧センサ用ポリウレタン樹脂組成物。 - 請求項1に記載のポリウレタン樹脂組成物を成形することにより得られ、
光弾性を有することを特徴とする、感圧センサ用ポリウレタン成形体。 - −20〜60℃における光弾性定数の最高値が、1000×10−12Pa−1以上で
あることを特徴とする、請求項2に記載の感圧センサ用ポリウレタン成形体。 - ガラス転移温度が、−10〜35℃であることを特徴とする、請求項2または3に記載
の感圧センサ用ポリウレタン成形体。 - 請求項2〜4のいずれかに記載の感圧センサ用ポリウレタン成形体を備えることを特徴
とする、感圧センサ。 - 請求項5に記載の感圧センサを備えることを特徴とする、タッチパネル。
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