特開 2024-42989 感圧センサ、感圧センサの製造方法および導電膜

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042989

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】感圧センサ、感圧センサの製造方法および導電膜

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/20 20060101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

G01L1/20 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022147950

(22)【出願日】2022-09-16

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

(71)【出願人】

【識別番号】304036754

【氏名又は名称】国立大学法人山形大学

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】吉田 綾子

(72)【発明者】

【氏名】ワン イーフェイ

(72)【発明者】

【氏名】時任 静士

(57)【要約】

【課題】広い圧力範囲を精度よく測定可能な感圧センサを提供する。
【解決手段】
本発明にかかる感圧センサ１は、樹脂１１ａと加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセル１１ｂと導電性粒子１１ｃとを含む多孔質導電膜である高抵抗層１１と、圧力により変化する抵抗値を測定するために形成された一対の電極１２ａ，１２ｂと、樹脂１１ａと熱膨張性マイクロカプセル１１ｂと高抵抗層１１以上の量の導電性粒子１１ｃとを含む多孔質導電膜である低抵抗層１３と、を備える。そして、第１の基板１４上に高抵抗層１１および電極１２ａ，１２ｂが形成された回路基板を第１の感圧抵抗体１５とし、第２の基板１６上に低抵抗層１３が形成された回路基板を第２の感圧抵抗体１７とし、第１の感圧抵抗体１５の高抵抗層１１と第２の感圧抵抗体１７の低抵抗層１３とを対向させて貼り合わせた構造とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧力の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する感圧センサにおいて、
樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと導電性粒子とを含む多孔質導電膜である第１の抵抗層と、
前記樹脂と前記熱膨張性マイクロカプセルと前記第１の抵抗層以上の量の導電性粒子とを含む多孔質導電膜である第２の抵抗層と、
圧力により変化する抵抗値を測定するために形成された一対の電極と、
を備え、
前記第１の抵抗層と前記第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせた構造とする、
ことを特徴とする感圧センサ。

【請求項2】

第１の基板上に前記第１の抵抗層および前記電極が形成された回路基板を第１の感圧抵抗体とし、
第２の基板上に前記第２の抵抗層が形成された回路基板を第２の感圧抵抗体とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。

【請求項3】

前記樹脂を熱可塑性樹脂とする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の感圧センサ。

【請求項4】

前記導電性粒子をカーボンブラック（ＣＢ）とする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の感圧センサ。

【請求項5】

加熱膨張後の前記熱膨張性マイクロカプセルの直径を５０μｍ～２００μｍとする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の感圧センサ。

【請求項6】

前記第１の感圧抵抗体を、前記第１の基板上に前記第１の抵抗層および前記電極がアレイ状に形成された回路基板とし、
前記第２の感圧抵抗体を、前記第２の基板上に前記第２の抵抗層がアレイ状に形成された回路基板とし、
アレイ状に形成された前記第１の抵抗層とアレイ状に形成された前記第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせた構造とする、
ことを特徴とする請求項２に記載の感圧センサ。

【請求項7】

圧力の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する感圧センサの製造方法において、
一方で、樹脂と膨張前の熱膨張性マイクロカプセルと第１の量の導電性粒子とを混合することにより第１の導電性樹脂ペーストを生成し、他方で、前記第１の量の導電性粒子に換えて第２の量（≧第１の量）の導電性粒子を混合することにより、前記第１の導電性樹脂ペーストより低抵抗または前記第１の導電性樹脂ペーストと同一の第２の導電性樹脂ペーストを生成するペースト生成工程と、
第１の基板上に、導電性ペーストを使用して電極パターンを印刷し、さらに、当該電極パターンを覆うように、前記第１の導電性樹脂ペーストを使用して第１の抵抗層パターンを印刷する第１の印刷工程と、
第２の基板上に、前記第２の導電性樹脂ペーストを使用して第２の抵抗層パターンを印刷する第２の印刷工程と、
アニーリングにより前記熱膨張性マイクロカプセルを膨張させ、前記第１の基板上に電極および多孔質導電膜である第１の抵抗層が形成された第１の感圧抵抗体と、前記第２の基板上に多孔質導電膜である第２の抵抗層が形成された第２の感圧抵抗体と、を作製するアニーリング工程と、
前記第１の抵抗層と前記第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせる貼り合わせ工程と、
を含むことを特徴とする感圧センサの製造方法。

【請求項8】

前記各パターンの印刷方式をスクリーン印刷とする、
ことを特徴とする請求項７に記載の感圧センサの製造方法。

【請求項9】

樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと導電性粒子とを含む第１の多孔質導電膜と、
前記樹脂と前記熱膨張性マイクロカプセルと前記第１の多孔質導電膜以上の量の導電性粒子とを含む第２の多孔質導電膜と、
を有し、
前記第１の多孔質導電膜と前記第２の多孔質導電膜とを貼り合わせた、
ことを特徴とする導電膜。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力（荷重）の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する感圧センサ、および当該感圧センサの製造方法、に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、軽量で薄型かつ柔軟性を有する感圧センサの開発が進められており、特に、呼吸状態や心拍数といった生体情報の取得や、ロボットハンドへの適応等、医療の分野においては、より検出精度の高いフレキシブルな感圧センサが求められている。

【0003】

フレキシブルな感圧センサとしては、様々なタイプのものがあるが、たとえば、導電性粒子を含む導電層および電極を有し、導電層に対する圧力の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する、抵抗膜式の感圧センサ等が一般的に知られている（下記特許文献１～３参照）。

【0004】

このような感圧センサは、間隔を開けて対向する基板（シート、フィルム等）に加わる圧力の増加に比例して導電層の接触面積が増加するように構成されている。これにより、接触面積の変化に応じた抵抗値の変化を安定的に検出することができるため、結果として、圧力の測定精度を高めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－５７９９２号公報

【特許文献2】特開２００１－１３０１５号公報

【特許文献3】特開２０１５－５９９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したように、従来の感圧センサは、導電層に対する圧力の変化（導電層の接触面積の増減）に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定している。

【0007】

しかしながら、比較的軟質の基板（シート、フィルム等）を用いた場合には、小さな圧力で大きく抵抗値が変化するため、センサ感度は高いものの、比較的小さな圧力で導電層の全面が接触することとなり、その結果、測定可能な圧力の範囲が狭くなる。一方、測定可能な圧力の範囲を広くとるために比較的硬質の基板（シート、フィルム等）を用いた場合には、小さな圧力では変形が少なくなるため、小さな圧力を測定しづらくなる。

【0008】

また、従来の感圧センサは、導電層の表面粗さ（凹凸）が小さいことから、圧力の変化に対して導電層の接触面積の変化が急峻になる。そのため、比較的小さな圧力でも抵抗値が大きく低下し、その後、圧力を加え続けても抵抗値変化は微小となり、その結果、測定可能な圧力の範囲が狭くなる。

【0009】

すなわち、従来の感圧センサは、上記それぞれの観点から、圧力の測定範囲を広くとることができない点について、改善の余地がある。

【0010】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、圧力の変化に対する抵抗値変化を緩やかにすることができ、かつ圧力の測定範囲を十分に広く確保可能な感圧センサ、およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明にかかる感圧センサは、圧力の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する感圧センサであって、たとえば、樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと導電性粒子とを含む多孔質導電膜である第１の抵抗層（後述する高抵抗層１１に相当）と、樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと第１の抵抗層以上の量の導電性粒子とを含む多孔質導電膜である第２の抵抗層（後述する低抵抗層１３に相当）と、圧力により変化する抵抗値を測定するために形成された一対の電極と、を備え、第１の抵抗層と第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせた構造とすることを特徴とする。

【0012】

本発明にかかる感圧センサにおいては、第１の抵抗層および第２の抵抗層として多孔質導電膜を形成することにより、双方の接触面に凹凸を形成し、接触面の面積を大きくするようにした。これにより、初期状態においては、凹凸面の先端部分どうしが接触した状態となるが、この状態から徐々に圧力を加えると、凸凹面の先端部分以外の部分も徐々に接触し始め、最終的には、双方の凸凹面のすべての表面が接触した状態となる。すなわち、本発明にかかる感圧センサは、従来の感圧センサと比較して接触面の面積を大きくする構造としたので、圧力の変化に対する接触面積の変化を緩やかにすることができ、その結果、抵抗値変化を緩やかにすることができる。そのため、本発明にかかる感圧センサにおいては、圧力の測定範囲を十分に広く確保することができる。

【0013】

また、本発明にかかる感圧センサによれば、第１の抵抗層および第２の抵抗層に含ませる導電性粒子の配合量を調整することにより、測定可能な抵抗値の範囲を任意に設定可能である。さらに、本発明にかかる感圧センサによれば、第１の抵抗層および第２の抵抗層に含ませる熱膨張性マイクロカプセルの配合量を調整し、双方の接触面の面積（凹凸）を任意に設定することにより、測定可能な圧力範囲を自由に制御することが可能である。このように、本発明にかかる感圧センサは、圧力の測定範囲や抵抗値変化範囲を自由に制御することが可能であるため、所望の圧力範囲を高い感度で測定することができる。

【0014】

また、本発明にかかる感圧センサにおいては、樹脂と膨張前の熱膨張性マイクロカプセルと第１の量の導電性粒子とを混合することにより第１の導電性樹脂ペースト（後述する高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａに相当）を生成し、当該第１の量の導電性粒子に換えて第２の量（≧第１の量）の導電性粒子を混合することにより、第１の導電性樹脂ペーストより低抵抗または第１の導電性樹脂ペーストと同一の第２の導電性樹脂ペースト（後述する低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂに相当）を生成し、一方では、第１の基板上に、一対の電極として、導電性ペーストを使用して電極パターンを印刷し、さらに、当該電極パターンを覆うように、第１の導電性樹脂ペーストを使用して第１の抵抗層パターン（後述する高抵抗層パターン２３ａに相当）を印刷し、他方では、第２の基板上に、第２の導電性樹脂ペーストを使用して第２の抵抗層パターン（後述する低抵抗層パターン２３ｂに相当）を印刷し、その後、アニーリングにより熱膨張性マイクロカプセルを膨張させ、第１の基板上に電極および多孔質導電膜である第１の抵抗層が形成された第１の感圧抵抗体と、第２の基板上に多孔質導電膜である第２の抵抗層が形成された第２の感圧抵抗体と、を作製することとした。そして、上述したように、第１の抵抗層と第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせることにより、本発明にかかる感圧センサを作製することができる。

【0015】

また、本発明にかかる感圧センサにおいては、樹脂をスチレン－ブタジエン－スチレン（ＳＢＳ）とすることが望ましく、また、導電性粒子をカーボンブラック（ＣＢ）とすることが望ましく、さらに、加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルの直径を５０μｍ～２００μｍとすることが望ましい。また、本発明にかかる感圧センサは、第１の感圧抵抗体を、第１の基板上に第１の抵抗層および電極がアレイ状に形成された回路基板とし、第２の感圧抵抗体を、第２の基板上に第２の抵抗層がアレイ状に形成された回路基板とし、アレイ状に形成された第１の抵抗層とアレイ状に形成された第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせた構造とすることも可能である。

【0016】

また、本発明にかかる感圧センサの製造方法においては、一方で、樹脂と膨張前の熱膨張性マイクロカプセルと第１の量の導電性粒子とを混合することにより第１の導電性樹脂ペーストを生成し、他方で、第１の量の導電性粒子に換えて第２の量（≧第１の量）の導電性粒子を混合することにより、第１の導電性樹脂ペーストより低抵抗または第１の導電性樹脂ペーストと同一の第２の導電性樹脂ペーストを生成するペースト生成工程と、第１の基板上に、導電性ペーストを使用して電極パターンを印刷し、さらに、当該電極パターンを覆うように、第１の導電性樹脂ペーストを使用して第１の抵抗層パターンを印刷する第１の印刷工程と、第２の基板上に、第２の導電性樹脂ペーストを使用して第２の抵抗層パターンを印刷する第２の印刷工程と、アニーリングにより熱膨張性マイクロカプセルを膨張させ、第１の基板上に電極および多孔質導電膜である第１の抵抗層が形成された第１の感圧抵抗体と、第２の基板上に多孔質導電膜である第２の抵抗層が形成された第２の感圧抵抗体と、を作製するアニーリング工程と、第１の抵抗層と第２の抵抗層とを対向させて貼り合わせる貼り合わせ工程と、を含むことを特徴とする。

【0017】

また、本発明にかかる感圧センサの製造方法においては、各パターンの印刷方式をスクリーン印刷とすることが望ましい。

【0018】

また、本発明にかかる導電膜は、樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと導電性粒子とを含む第１の多孔質導電膜と、樹脂と加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセルと第１の多孔質導電膜以上の量の導電性粒子とを含む第２の多孔質導電膜と、を有し、第１の多孔質導電膜と第２の多孔質導電膜とを貼り合わせたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、圧力に対する抵抗値変化を緩やかにすることができ、広い圧力範囲を精度よく測定可能な感圧センサ、およびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、本発明にかかる感圧センサの概要を示す模式図である。

【図2】図２は、本発明にかかる感圧センサの形状の一例を示す図である。

【図3】図３は、本発明にかかる感圧センサの抵抗－圧力特性の一例を示す図である。

【図4】図４は、本発明にかかる感圧センサの製造方法の一例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、印刷パターンの一例を示す図である。

【図6】図６は、アニーリングにより得られる成形体（感圧抵抗体）の一例を示す図である。

【図7】図７は、本発明にかかる感圧センサの製造方法により作製された感圧センサの一例を示す図である。

【図8】図８は、その他の感圧センサの一例を示す図である。

【図9】図９は、実施例として作成した感圧センサの感度を示す図である。

【図10】図１０は、実施例として作成した感圧センサの感度の再現性を示す図である。

【図11】図１１は、ＣＢ比率別の感度を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明にかかる感圧センサ、感圧センサの製造方法および導電膜の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0022】

＜概要＞
図１は、本実施形態の感圧センサの概要を示す模式図であり、（ａ）は初期状態（圧力を加える前の状態）を示す図であり、（ｂ）は圧力を加えた状態を示す図である。

【0023】

図１に示すとおり、本実施形態の感圧センサは、圧力（荷重）の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する感圧センサ１であって、樹脂１１ａと加熱膨張後の熱膨張性マイクロカプセル（ＴＥＭ：Thermal Expansion Material）１１ｂと導電性粒子１１ｃとを含む多孔質導電膜である高抵抗層１１と、圧力により変化する抵抗値を測定するために形成された一対の電極１２（１２ａ，１２ｂ）と、樹脂１１ａと加熱膨張後のＴＥＭ１１ｂと高抵抗層１１以上の量の導電性粒子１１ｃとを含む多孔質導電膜である低抵抗層１３と、を備える。

【0024】

そして、第１の基板１４上に高抵抗層１１および取り出し電極としての電極１２が形成された回路基板を第１の感圧抵抗体１５とし、第２の基板１６上に低抵抗層１３が形成された回路基板を第２の感圧抵抗体１７とし、本実施形態の感圧センサ１は、第１の感圧抵抗体１５の高抵抗層１１と第２の感圧抵抗体１７の低抵抗層１３とを対向させて貼り合わせた構造とする（図１（ａ）参照）。

【0025】

すなわち、本実施形態の感圧センサ１は、高抵抗層１１および低抵抗層１３を挟んで対向する第１の基板１４と第２の基板１６との少なくとも一方に加わる圧力の増加に応じて各抵抗層（１１，１３）の接触面積が増加するように構成され（図１（ｂ）参照）、接触面積の変化に応じた抵抗値の変化に基づいて圧力を測定する。

【0026】

図２は、本実施形態の感圧センサ１の形状の一例を示す図である。この感圧センサ１は、たとえば、第１の基板１４上に円形状の高抵抗層１１および一対の電極１２（１２ａ，１２ｂ）が形成された第１の感圧抵抗体１５と、第２の基板１６上に高抵抗層１１と略同一形状の低抵抗層１３が形成された第２の感圧抵抗体１７とを、高抵抗層１１と低抵抗層１３とを対向させて貼り合わせることによって作製したものである。なお、図２に示す感圧センサ１の形状は、イメージを例示したものであり、これに限るものではなく任意である。

【0027】

図３は、本実施形態の感圧センサ１の抵抗－圧力特性の一例を示す図である。一例として、高抵抗層１１の抵抗値が５ｋΩ、低抵抗層１３の抵抗値が１ｋΩとなるように導電性粒子１１ｃを配合した感圧センサ１（図１、図２参照）の、抵抗－圧力特性を示す。この感圧センサ１は、初期状態（圧力なし）の時点では高抵抗層１１が導通しているため、電極１２ａと電力１２ｂとの間の抵抗値は５ｋΩを計測する。その後、徐々に圧力を加えると、低抵抗層１３に導通パスが形成され、それに伴って、緩やかに抵抗値が下がり、最終的には測定可能な最大圧力を加えた時点において１ｋΩまで抵抗値が低下する。すなわち、この感圧センサ１における測定可能な抵抗値の範囲は、５ｋΩ～１ｋΩである。

【0028】

また、本実施形態の感圧センサ１においては、高抵抗層１１および低抵抗層１３にＴＥＭ１１ｂを含ませることにより、すなわち、多孔質導電膜を形成することにより、双方の接触面に凹凸を形成し、高抵抗層１１と低抵抗層１３の接触面の面積を大きくするようにした（図１参照）。これにより、初期状態においては、凹凸面の先端部分どうしが接触した状態となるが（図１（ａ）参照）、この状態から徐々に圧力を加えると、凸凹面の先端部分以外の部分も徐々に接触し始め、最終的には、双方の凸凹面のすべての表面が接触した状態となる（図１（ｂ）参照）。

【0029】

すなわち、本実施形態の感圧センサ１においては、導電層の表面粗さ（凹凸）が小さく接触面積の変化が急峻となる従来の感圧センサと比較して、各抵抗層（１１，１３）双方の接触面の面積を大きくする構造としたので、圧力の変化に対する接触面積の変化を緩やかにすることができる。そして、接触面積の変化を緩やかにすることによって、抵抗値変化を緩やかにすることができる。

【0030】

このように、本実施形態の感圧センサ１においては、圧力の変化に対する抵抗値変化を緩やかにすることができることから、たとえば、圧力を加え続けても、測定可能な最大圧力まで抵抗値変化は緩やかに継続される。そのため、圧力の測定範囲を十分に広く確保することができる。

【0031】

また、上記では、一例として、高抵抗層１１の抵抗値を５ｋΩとし、低抵抗層１３の抵抗値を１ｋΩとすることによって、測定可能な抵抗値の範囲を５ｋΩ～１ｋΩとしたが、これに限るものではなく、測定可能な抵抗値の範囲は、各抵抗層（１１，１３）に混ぜ込む導電性粒子１１ｃの配合量を調整することにより任意に設定可能である。たとえば、測定可能な抵抗値の範囲を高抵抗方向に広げたい場合には、高抵抗層１１内の導電性粒子１１ｃの配合量を減らすことで広げることができ、一方で、測定可能な抵抗値の範囲を低抵抗方向に広げたい場合には、低抵抗層１３内の導電性粒子１１ｃの配合量を増やすことで広げることができる。

【0032】

さらに、本実施形態においては、高抵抗層１１および低抵抗層１３に含ませるＴＥＭ１１ｂの配合量を調整し、双方の接触面の面積（凹凸）を任意に設定することにより、測定可能な圧力範囲を制御することが可能である。たとえば、圧力の測定範囲を広げたい場合には、ＴＥＭ１１ｂの量を増やすことによって接触面の面積を増大させる等、各抵抗層（１１，１３）におけるＴＥＭ１１ｂの配合量の調整により自由に圧力の測定範囲を制御できる。

【0033】

このように、本実施形態の感圧センサ１においては、仕様や用途に応じて、圧力の測定範囲や抵抗値変化範囲を自由に制御することが可能であるため、所望の圧力範囲を高い感度で測定することができる。

【0034】

＜感圧センサの製造＞
つづいて、本実施形態の感圧センサの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図４は、本実施形態の感圧センサの製造方法の一例を示すフローチャートである。

【0035】

本実施形態の感圧センサの製造方法においては、まず、樹脂と導電性粒子とＴＥＭ（膨張前のＴＥＭ１１ｂ’）を混合することにより、樹脂中に導電性粒子とＴＥＭ１１ｂ’が分散して形成された導電性樹脂ペーストを生成する（ステップＳ１）。この際、導電性粒子の配合量を調整することにより、高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａと低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂを別々に生成する。

【0036】

つぎに、第１の基板１４上に、取り出し電極（一対の電極１２（１２ａ，１２ｂ））として、導電性ペーストを使用して電極パターン２２を印刷し、さらに、電極パターン２２を覆うように、上記で生成した高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａを使用して高抵抗層パターン２３ａを印刷する（ステップＳ２）。また、第２の基板１６上に、上記で生成した低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂを使用して、高抵抗層パターン２３ａと略同一形状の低抵抗層パターン２３ｂを印刷する（ステップＳ２）。図５は、印刷パターンの一例を示す図であり、（ａ）は電極パターン２２および高抵抗層パターン２３ａを示し、（ｂ）は低抵抗層パターン２３ｂを示す。なお、高抵抗層パターン２３ａ（電極パターン２２を含む）と低抵抗層パターン２３ｂの印刷順は任意とする。

【0037】

つぎに、アニーリング（加熱処理）により、高抵抗層パターン２３ａとして形成された高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａ中のＴＥＭ１１ｂ’（図５（ａ）参照）、および低抵抗層パターン２３ｂとして形成された低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂ中のＴＥＭ１１ｂ’（図５（ｂ）参照）、をそれぞれ膨張させる（ステップＳ３）。図６は、アニーリングにより得られる成形体（感圧抵抗体）の一例を示す図であり、（ａ）はアニーリングにより得られる第１の感圧抵抗体１５であり、（ｂ）はアニーリングにより得られる第２の感圧抵抗体１７である。たとえば、図６（ａ）に示すように、アニーリングによりＴＥＭ１１ｂ’が膨張し（熱膨張後のＴＥＭ１１ｂ）、第１の基板１４上に電極１２（１２ａ，１２ｂ）および多孔質導電膜である高抵抗層１１が形成された第１の感圧抵抗体１５が得られる。また、図６（ｂ）に示すように、アニーリングによりＴＥＭ１１ｂ’が膨張し（熱膨張後のＴＥＭ１１ｂ）、第２の基板１６上に多孔質導電膜である低抵抗層１３が形成された第２の感圧抵抗体１７が得られる。

【0038】

最後に、第１の感圧抵抗体１５の高抵抗層１１と第２の感圧抵抗体１７の低抵抗層１３とを対向させて貼り合わせることにより、感圧センサ１を作製する（図１参照）。図７は、本実施形態の製造方法により作製された感圧センサ１の一例を示す図であり、（ａ）は第１の感圧抵抗体１５側から見た感圧センサ１であり、（ｂ）は第２の感圧抵抗体１７側から見た感圧センサ１である。

【0039】

このように、本実施形態の製造方法においては、材料の混合といった簡易な操作で導電性樹脂ペースト（高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａ，低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂ）を生成でき、また、ペーストを印刷してアニーリングを行うという簡単な作業で感圧抵抗体（第１の感圧抵抗体１５、第２の感圧抵抗体１７）を作製することができ、さらに、第１の感圧抵抗体１５と第２の感圧抵抗体１７を貼り合わせるという簡単な作業で安定的に感圧センサ１を作製することができる。したがって、本実施形態の製造方法によれば、感圧センサ１を作製する際の製造コストの上昇を大幅に抑制することができる。

【0040】

＜詳細な説明＞
つづいて、本実施形態の感圧センサ１および感圧センサ１の製造方法についてさらに詳細に説明する。

【0041】

＜樹脂材料＞
本実施形態において使用可能な樹脂（樹脂１１ａ）については、加熱して多孔質導電膜を形成可能であれば特に制限はないが、たとえば、熱可塑性樹脂（たとえば、スチレン－ブタジエン－スチレン（ＳＢＳ）、スチレン－イソプレン－スチレン（ＳＩＳ）等）や、シリコーン系樹脂（たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリフェニルメチルシロキサン（ＰＭＰＳ）、ポリジフェニルシロキサン（ＰＤＰＳ）等）等の伸縮性樹脂が好ましく使用可能であり、本実施形態においてはＳＢＳを特に好ましく使用する。

【0042】

＜導電性粒子＞
本実施形態において、導電性粒子（導電性粒子１１ｃ）は、特に限定するものではないが、たとえば、カーボンブラック（ＣＢ）、グラフェン（Ｇｒ）、グラファイト（ＧＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノワイヤ（ＣＮＷ）、炭素繊維、黒鉛等の炭素系の粒子が好ましく使用され、これらを２種以上含んでもいてもよい。

【0043】

また、導電性粒子は、金、銀、銅、クロム、チタン、白金、ニッケル、錫、亜鉛、鉛、タングステン、鉄、アルミニウム等の金属からなる金属粒子、これらの金属を含む化合物からなる粒子、導電性樹脂からなる粒子、樹脂製の粒子に無電解ニッケル等の導電性を有する金属を被覆した粒子等の複合粒子等、または、金属ナノワイヤ（ＭＮＷ）、金属繊維等であってもよい。

【0044】

なお、導電性粒子の大きさ（粒子径）は、ＴＥＭよりも小さければ特に制限はなく、たとえば、２０ｎｍ～５０μｍであることが好ましい。

【0045】

＜熱膨張性マイクロカプセル＞
また、ＴＥＭ（１１ｂ，１１ｂ’）としては、たとえば、熱膨張性マイクロカプセルの１つであるマツモトマイクロスフェアー（登録商標）Ｆ、ＦＮシリーズ等が使用可能である。

【0046】

＜導電性樹脂ペーストの生成＞
本実施形態では、上記ＳＢＳをテトラリンで溶解した液体に、導電性粒子とＴＥＭ１１ｂ’を投入し、ＴＨＩＮＫＹ（シンキー）にて所定の時間にわたり攪拌する（たとえば、攪拌５分＋デガス２分）ことにより、樹脂中に導電性粒子とＴＥＭ１１ｂ’が分散して形成された導電性樹脂ペーストを生成する。この際、導電性粒子の配合量を調整することにより、高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａと低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂを別々に生成する。

【0047】

＜基板材料＞
本実施形態において使用する第１の基板１４および第２の基板１６の材料としては、たとえば、ＰＥＮ（Polyethylene Naphthalate）やＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）が好ましいが、これに限定されず他の材料であってもよく、たとえば、Ｐｌ（Polyimide）やＰＣ（Polycarbonate）等でもよく、さらに、伸縮性のあるＰＵやＰＤＭＳ等を使用することとしてもよい。また、ガラスのようなリジッドな基板材料も使用可能である。

【0048】

＜電極の印刷＞
本実施形態では、第１の基板１４上に、取り出し電極（１対の電極１２（１２ａ，１２ｂ））として、導電性ペーストを使用して電極パターン２２（たとえば、図７（ａ）に示す印刷パターン参照）をスクリーン印刷する。導電性ペーストとしては、たとえば、銀（Ａｇ）ペーストを使用することが好ましい。

【0049】

具体的には、一対の電極１２の一方の電極１２ａは、円弧状電極部１２ａ₁と、円弧状電極部１２ａ₁と一体に形成されかつ円弧状電極部１２ａ₁の延伸方向に間隔を開けて配設された複数の直線状電極部１２ａ₂とを備える。もう一方の電極１２ｂも同様に、円弧状電極部１２ｂ₁と、円弧状電極部１２ｂ₁と一体に形成されかつ円弧状電極部１２ｂ₁の延伸方向に間隔を開けて配設された複数の直線状電極部１２ｂ₂とを備える。そして、電極１２ａおよび電極１２ｂのそれぞれの円弧状電極部が、円形状に形成された高抵抗層１１に沿ってそれぞれ対向するように第１の基板１４上に印刷され、それぞれの直線状電極部が各円弧状電極部の内側に交互に並ぶように印刷されている。これにより、一対の電極１２は、略円形状の輪郭となる。

【0050】

なお、電極１２（電極パターン２２）のパターン形状は、感圧センサ１において、圧力に応じた抵抗値変化を感度良く測定できる形状であればよく、これに限るものではなく任意である。また、本実施形態においては、導電性ペーストとして銀ペーストを使用することとしたが、これに限るものではなく、たとえば、銅ペーストやカーボンペースト等も使用可能である。また、必ずしも導電性ペーストを使用しなくてもよく、たとえば、従来の真空成膜技術を用いることとしてもよい。また、電極１２の印刷は、上記のとおりスクリーン印刷が好ましいが、第１の基板１４に電極１２を印刷可能であればどのような印刷方式であってもよい。

【0051】

＜高抵抗層パターンの印刷＞
本実施形態では、たとえば、スクリーン印刷等の印刷法により、第１の基板１４上において電極パターン２２を覆うように、高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａを使用して高抵抗層パターン２３ａを印刷することとした（図５（ａ）参照）。これにより、第１の基板１４上に、銀ペーストの層である電極パターンと高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａの層である高抵抗層パターン２３ａが形成される。

【0052】

なお、この高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａの層の形成は、スクリーン印刷により形成するものに限定されず、他の印刷方式によって形成することとしてもよい。

【0053】

＜低抵抗層パターンの印刷＞
本実施形態では、たとえば、スクリーン印刷等の印刷法により、第２の基板１６上に、低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂを使用して低抵抗層パターン２３ｂを印刷することとした（図５（ｂ）参照）。

【0054】

なお、この低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂの層の形成についても、上記同様、スクリーン印刷により形成するものに限定されず、他の印刷方式によって形成することとしてもよい。

【0055】

また、高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａおよび低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂは、印刷が可能であることから、たとえば、任意のパターン印刷を容易に行うことができる。

【0056】

＜アニーリング＞
本実施形態においては、２段階のアニーリング（加熱処理）を行う。具体的には、プリアニーリング（前段の加熱処理）により、溶媒（テトラリン）を揮発させる。その後、ポストアニーリング（後段の加熱処理）により、高抵抗層パターン２３ａとして形成された高抵抗導電性樹脂ペースト２１ａ中のＴＥＭ１１ｂ’、および低抵抗層パターン２３ｂとして形成された低抵抗導電性樹脂ペースト２１ｂ中のＴＥＭ１１ｂ’、をそれぞれ膨張させる。

【0057】

プリアニーリングの温度は、たとえば、溶媒（テトラリン）が揮発する温度である６０℃～８０℃であることが好ましく、また、プリアニーリングの時間は、１０分～６０分であることが好ましい。たとえば、溶媒としてテトラリンを使用する場合においては、たとえば、プリアニーリングの温度は７０℃、プリアニーリングの時間は３０分であってよい。

【0058】

また、ポストアニーリングの温度は、使用するＴＥＭによるが、たとえば、マツモトマイクロスフェアー（登録商標）：ＨＦ－３６Ｄを使用する場合においては、このＴＥＭ（ＴＥＭ１１ｂ’）が膨張する温度である１００℃～１５０℃であることが好ましく、また、ポストアニーリングの時間は、１分～１０分であることが好ましい。ＨＦ－３６Ｄを使用する場合においては、たとえば、ポストアニーリングの温度は１２０℃、ポストアニーリングの時間は５分であってよい。

【0059】

上記アニーリングを行うことにより、ＴＥＭ１１ｂ’が膨張し（ＴＥＭ１１ｂが形成され）、多孔質導電膜である高抵抗層１１および低抵抗層１３が形成される。すなわち、図６に示すような凹凸形状の接触面が形成された高抵抗層１１および低抵抗層１３を作製することができる。

【0060】

＜その他＞
なお、本実施形態において、熱膨張後のＴＥＭ１１ｂの直径は、特に限定するものではないが、たとえば、直径が５０μｍ～２００μｍであることが好ましく、直径が８０μｍ～１２０μｍであることが特に好ましい。

【0061】

また、本実施形態の製造方法により作製された感圧センサ１において、高抵抗層１１および低抵抗層１３の厚みは、特に限定されないが、たとえば、５０μｍ～３００ｍｍであることが好ましい。

【0062】

＜その他の実施形態（１）＞
また、上述した実施形態を応用したその他の実施形態として、たとえば、周辺の複数箇所において圧力を測定することができる感圧センサを作製することとしてもよい。図８は、感圧センサ１を応用したその他の感圧センサの一例を示す図である。

【0063】

図８において、感圧センサ１’は、複数の感圧センサ１がアレイ状に配置された形状を有する。具体的には、第１の基板１４’上に複数の高抵抗層１１（電極１２を含む）がアレイ状に形成された回路基板を第１の感圧抵抗体１５’とし、第２の基板１６’上に複数の低抵抗層１３がアレイ状に形成された回路基板を第２の感圧抵抗体１７’とし、感圧センサ１’は、第１の感圧抵抗体１５’における複数の高抵抗層１１と第２の感圧抵抗体１７’における複数の低抵抗層１３とを対向させて貼り合わせた構造とする。

【0064】

また、感圧センサ１’は、以下のように作製する。たとえば、図４に示すペースト生成処理（ステップＳ１）を実施後、電極パターン２２、高抵抗層パターン２３ａおよび低抵抗層パターン２３ｂを印刷する処理（ステップＳ２）を複数回にわたり繰り返し実行する。これにより、第１の基板１４’上に、高抵抗層パターン２３ａ（電極パターン２２を含む）をアレイ状に形成し、第２の基板１６’上に、低抵抗層パターン２３ｂをアレイ状に形成する。その後、図４に示す加熱処理（ステップＳ３）および貼り合わせ処理（ステップＳ４）を実施する。これにより、複数の感圧センサ１がアレイ状に配置された形状を有する感圧センサ１’を得ることができる。なお、アレイ状に配置される感圧センサ１の数は、図８に示す１６個に限るものではなく、たとえば、センサの仕様に応じて任意に設定可能である。

【0065】

図８に示す感圧センサ１’によれば、周辺の複数個所において圧力を測定することができるため、より詳細な圧力測定が可能となり、圧力の分布も測定可能である。

【0066】

なお、この実施形態においては、ステップＳ２の処理（印刷処理）を複数回にわたって繰り返し実行することとしたが、この方法に限るものではなく、たとえば、複数の印刷パターンを同時に印刷可能なステンシルマスク（スクリーンマスク）を使用することによって、パターン毎に一括でスクリーン印刷を行うこととしてもよい。これにより、複数の感圧センサ１がアレイ状に形成された感圧センサ１’を、短い作業時間で簡単に得ることができる。

【0067】

＜その他の実施形態（２）＞
また、上述した感圧センサ１および感圧センサ１’は、抵抗値の変化を測定するための測定回路およびその測定結果を無線送信するための送信回路をさらに含む構成としてもよい。測定回路としては、たとえば、一般的なブリッジ回路にて構成可能であり、この場合、抵抗値の変化を電圧の変化に置き換えて測定する。また、送信回路の送信方式は、たとえば、近距離無線通信であるＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）、ＮＦＣ（Near Field Communication）、無線ＬＡＮ（WI-FI）、赤外線通信等、既知の無線通信方式を使用することが好ましく、送信回路は、上記測定回路による測定結果を無線通信により外部に送信する。

【0068】

これにより、圧力の変化に応じた抵抗値の変化を受信側（受信回路側）で知ることができるようになるため、たとえば、遠隔においても圧力変化を把握することができる。

【実施例0069】

つづいて、本発明にかかる感圧センサの実施例について説明する。なお、本発明は下記実施例により制限されるものではない。

【0070】

＜１．本実施例の感圧センサ＞
図４に示す製造方法に従い、本実施例の感圧センサを作製した。

【0071】

具体的には、まず、高抵抗導電性樹脂ペースト用の材料として、ＳＢＳ：３０ｍｇ、粒子径３４ｎｍのＣＢ：１．５ｍｇ（ＳＢＳに対して５％の量）、ＴＥＭ（マツモトマイクロスフェアー（登録商標）：ＨＦ－３６Ｄ）：１．５ｍｇ（ＳＢＳに対して５％の量）、をそれぞれ準備した。その他、溶解液としてテトラリン：１７０ｍｇも準備した。

【0072】

また、低抵抗導電性樹脂ペースト用の材料として、ＳＢＳ：３０ｍｇ、粒子径３４ｎｍのＣＢ：３ｍｇ（ＳＢＳに対して１０％の量）、ＴＥＭ（マツモトマイクロスフェアー（登録商標）：ＨＦ－３６Ｄ）：１．５ｍｇ（ＳＢＳに対して５％の量）、をそれぞれ準備した。同様に、溶解液としてテトラリン：１７０ｍｇも準備した。

【0073】

そして、ＳＢＳ：３０ｍｇをテトラリン：１７０ｍｇで溶解した液体に、ＣＢ：１．５ｍｇとＴＥＭ：１．５ｍｇを投入し、ＴＨＩＮＫＹ（自転・公転攪拌器）にて５分間にわたり攪拌し、その後、デガスを２分間実施し、樹脂中にＣＢとＴＥＭが分散して形成された高抵抗導電性樹脂ペーストを生成した。

【0074】

同様に、ＳＢＳ：３０ｍｇをテトラリン：１７０ｍｇで溶解した液体に、ＣＢ：３ｍｇとＴＥＭ：１．５ｍｇを投入し、ＴＨＩＮＫＹにて５分間にわたり攪拌し、その後、デガスを２分間実施し、樹脂中にＣＢとＴＥＭが分散して形成された低抵抗導電性樹脂ペーストを生成した。

【0075】

つぎに、スクリーン印刷機と、高抵抗層用の基板（ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム Ｑ８３シリーズ：東洋紡）を準備し、高抵抗層用基板上に、取り出し電極（１対の電極）として、銀ペースト（ＸＡ－３６０９：藤倉化成）を使用して図７（ａ）に示す電極パターン（略円形状の輪郭を有する電極パターン）をスクリーン印刷した。

【0076】

つぎに、同じくスクリーン印刷機および上記で生成した高抵抗導電性樹脂ペーストを使用して、電極パターン２２を覆うように、高抵抗層用基板上に略円形状の高抵抗層パターンをスクリーン印刷した。

【0077】

さらに、低抵抗層用の基板（ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム Ｑ８３シリーズ：東洋紡）を準備し、同じくスクリーン印刷機および上記で生成した低抵抗導電性樹脂ペーストを使用して、低抵抗層用基板上に高抵抗層パターンと略同一形状の低抵抗層パターンをスクリーン印刷した。

【0078】

つぎに、２段階のアニーリング処理を行った。具体的には、７０℃、３０分のプリアニーリングにより、テトラリンを揮発させた。その後、１２０℃、５分のポストアニーリングにより、高抵抗層パターンとして形成された高抵抗導電性樹脂ペーストのＴＥＭ、および低抵抗層パターンとして形成された低抵抗導電性樹脂ペースト中のＴＥＭ、をそれぞれ膨張させた。

【0079】

上記２段階のアニーリングにより、高抵抗層用基板上に取り出し電極および多孔質導電膜である高抵抗層が形成された第１の感圧抵抗体が得られた。また、低抵抗層用基板上に多孔質導電膜である低抵抗層が形成された第２の感圧抵抗体が得られた。

【0080】

最後に、第１の感圧抵抗体の高抵抗層と第２の感圧抵抗体の低抵抗層とを対向させて貼り合わせることにより、本実施例の感圧センサを作製した。なお、ＳＢＳは粘着性が弱い樹脂のため、粘着シート（３Ｍ製：テガダーム）でカバーした。これにより、図７に示す感圧センサが得られた。

【0081】

＜２．感度＞
図９は、本実施例の感圧センサの感度を示す図であり、ここでは、圧力（Ｎ）に対する電気抵抗変化率（感度）：Ｒ／Ｒ₀（％）が示されている。Ｒ₀は圧力（荷重）をかける前（初期状態）の抵抗値であり、Ｒは加圧後の抵抗値である。

【0082】

本実施例の感圧センサは、徐々に圧力を大きくしていくと、電気抵抗変化率：Ｒ／Ｒ₀（％）が徐々に下降していった。また、圧力の増加時と減少時において、電気抵抗変化率：Ｒ／Ｒ₀（％）が略一致し、ヒステリシスが小さいことがわかった。以上のことから、本実施例の感圧センサは、圧力の増減に対して良好な感度および応答性を示すことがわかった。

【0083】

＜３．再現性＞
図１０は、本実施例の感圧センサの感度の再現性を示す図であり、下の波形Ａは全体波形であり、上の波形Ａ’は部分拡大波形（９２０秒～１０２０秒）である。ここでは、本実施例の感圧センサに対して、「０Ｎ（圧力なし）→２Ｎ→０Ｎ」を１サイクルとする加圧を１００サイクル（約１５００秒間）にわたって繰り返し実施し、感度の再現性を検証した。

【0084】

その結果、図１０の波形Ａに示すとおり、１００サイクルにわたって電気抵抗変化率：Ｒ／Ｒ₀（％）が略一定であり、また、図１０の波形Ａ’に示すとおり、各サイクルの波形が略同一形状であった。この検証により、本実施例の感圧センサは、再現性が良好であるといえる。

【0085】

＜４．感度の制御＞
図１１は、ＣＢ比率：ＳＢＳに対するＣＢの量（＝ＣＢ(ｍｇ)／ＳＢＳ(ｍｇ)）×１００）別の感度を示す図である。ここでは、高抵抗層（Bottom layer：Ｂ）のＣＢ比率と低抵抗層（Top layer：Ｔ）のＣＢ比率とを調整し、上述した本実施例の製造方法により、６種類の感圧センサを作製した。そして、それぞれの感圧センサに対して個別に圧力（Ｎ）を加え、各感圧センサの電気抵抗変化率：Ｒ／Ｒ₀（％）の変化を評価した。

【0086】

なお、図１１（ａ）において、Ｂ３は高抵抗層（Ｂ）のＣＢ比率が３であることを示し、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ１０は低抵抗層（Ｔ）のＣＢ比率がそれぞれ３、５、１０であることを示す。また、図１１（ｂ）において、Ｂ５は高抵抗層（Ｂ）のＣＢ比率が５であることを示し、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ１０は低抵抗層（Ｔ）のＣＢ比率がそれぞれ３、５、１０であることを示す。

【0087】

図１１に示すとおり、ＣＢ比率を調整することにより、感度をコントロールできることを確認することができた。

【0088】

また、低抵抗層（Ｔ）のＣＢ比率が高抵抗層（Ｂ）のＣＢ比率以上の場合には、ＣＢ比率の差によって感度に差は見られるが、加圧を継続することによって電気抵抗変化率：Ｒ／Ｒ₀（％）が徐々に下降する傾向を確認することができた。すなわち、高抵抗層（Ｂ）の抵抗値が低抵抗層（Ｔ）の抵抗値以上であれば、感圧センサとして使用可能であることがわかった。たとえば、低抵抗層（Ｔ）と高抵抗層（Ｂ）でＣＢ比率が同一の場合には、低抵抗層（Ｔ）と高抵抗層（Ｂ）の作製時に同一のペーストを使用することができるので、感圧センサの製造コストを抑えることができる。

【0089】

また、高抵抗層（Ｂ）のＣＢ比率が一定の場合、低抵抗層（Ｔ）のＣＢ比率が高いほど高い感度が得られることを確認することができた。

【符号の説明】

【0090】

１，１’ 感圧センサ
１１ 高抵抗層
１１ａ 樹脂
１１ｂ，１１ｂ’ ＴＥＭ（熱膨張性マイクロカプセル）
１１ｃ 導電性粒子
１２，１２ａ，１２ｂ 電極
１３ 低抵抗層
１４，１４’ 第１の基板
１５，１５’ 第１の感圧抵抗体
１６，１６’ 第２の基板
１７，１７’ 第２の感圧抵抗体
２１ａ 高抵抗導電性樹脂ペースト
２１ｂ 低抵抗導電性樹脂ペースト
２２ 電極パターン
２３ａ 高抵抗層パターン
２３ｂ 低抵抗層パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】