JP2002318163A - 圧力センサ、及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定可能な圧力の範囲が広く、長期間の使用
に耐えうる耐久性と機械的強度の優れた圧力センサ、及
び、このような圧力センサの製造方法を提供する。 【解決手段】 ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミ
ド、ＰＴＦＥ、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポ
リスルフォン、ポリビニリデンフロライド、ポリアクリ
ロニトリル、ポリアミド、酢酸セルロース等から構成さ
れており、無数の細孔を含んだ板状の絶縁性多孔質シー
ト２の上下両面に金属層を形成し、前記絶縁性多孔質シ
ート２を介して対向配置された一組の電極３，４を配設
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力センサに係り、
更に詳細には、押圧力を検知してこの押圧力の大きさに
対応する強さの電気信号に変換する圧力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、押圧力を検知し、押圧力を電
気信号に変換して知らせる圧力センサが知られている。
この圧力センサとしては、ピエゾ素子などの圧電材料を
用いた圧電素子を用いたものや、空気を含むガス或いは
真空を介在させて２枚の電極を対向配置した静電容量式
のものが広く知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電素子型の
圧力センサは検知できる圧力の測定幅が小さいという問
題があり、また対向電極による静電容量方式の圧力セン
サは電極の振動に対する金属疲労の問題や、過剰な圧力
が作用したときに電極どうしが接触して圧力センサ自体
が破壊されるという耐久性の問題がある。

【０００４】本発明は上記従来の問題を解決するために
創作された発明である。即ち本発明は、測定可能な圧力
の範囲が広く、長期間の使用に耐えうる耐久性と過剰な
圧力が作用しても圧力センサ自体が破壊されることのな
い機械的強度の優れた圧力センサ、及び、このような圧
力センサの製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本質明の圧力センサは、
絶縁性多孔質シートからなる絶縁体層と、前記絶縁体層
を介して対向配置され、前記絶縁性多孔質シートの少な
くとも細孔表面を覆う金属層からなる一組の電極とを具
備する。

【０００６】上記圧力センサにおいて、前記絶縁性多孔
質シートの例として、有機高分子材料からなる絶縁性多
孔質シートを挙げることができる。上記有機高分子材料
の例として、ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミ
ド、ＰＴＦＥ、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポ
リスルフォン、ポリビニリデンフロライド、ポリアクリ
ロニトリル、ポリアミド、酢酸セルロースなどが挙げら
れる。

【０００７】上記圧力センサにおいて、前記有機高分子
材料の例として、ポリイミドからなる絶縁性多孔質シー
トを挙げることができる。上記圧力センサにおいて、前
記電極の例として、前記絶縁性多孔質シートの細孔表面
に析出させたメッキ金属層を挙げることができる。上記
圧力センサにおいて、前記電極の例として、前記絶縁性
多孔質シートの細孔表面に形成されたスパッタリング層
を挙げることができる。本発明の圧力センサの製造方法
は、親水性を有する絶縁性多孔質シートを撥水性溶液に
浸漬する工程と、前記絶縁性多孔質シート表面の撥水性
溶液を除去して前記絶縁性多孔質シートの表面を露出さ
せる工程と、前記露出させた前記絶縁性多孔質シート表
面に金属層を形成する工程とを具備する。

【０００８】本発明では、絶縁性多孔質シート表面から
ごく浅い部分にかけて形成した金属層を電極として用い
ており、対向する一組の電極の間には前記絶縁性多孔質
シートが介挿されているので、この電極の間の前記絶縁
性多孔質シートの厚さを調節することにより、検出でき
る圧力の幅を所望の範囲に設定することができる。更
に、対向する一組の電極の間には前記絶縁性多孔質シー
トが介挿されているので、圧力センサの電極が配列した
方向に過剰の圧力が作用しても、前記電極の間に介挿さ
れた前記絶縁性多孔質シートが障壁となり、電極どうし
が接触して圧力センサ自体が破壊されることが防止され
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る圧
力センサについて説明する。図１は本実施形態に係る圧
力センサの斜視図であり、図２は同圧力センサの垂直断
面図である。図１〜図３に示すように、本実施形態に係
る圧力センサ１は、板状の絶縁性多孔質シート２の上下
両面に二つの電極３，４が対向配置された構造となって
いる。

【００１０】本実施形態に係る絶縁性多孔質シート（以
下、単に「多孔質シート」という。）２は、有機高分子
材料、例えば、ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミ
ド、ＰＴＦＥ、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポ
リスルフォン、ポリビニリデンフロライド、ポリアクリ
ロニトリル、ポリアミド、酢酸セルロース等から構成さ
れており、無数の細孔を含んだ多孔質シートを構成して
おり、細孔中に捕捉された空気により適度の弾性を備え
ている。また多孔質シートは、膜厚が２０〜５０μｍ、
空孔率が５０〜８０％、耐熱温度が８０〜２００℃又は
それ以上、及び、見掛け比重が０．２５〜０．７の物性
値を備えているものが好ましい。更にこれらの有機材料
の中では特にポリイミドが好ましい。

【００１１】本実施形態に係る圧力センサ１は上記多孔
質シートを板状に成形したものの上下両面に金属層を形
成し、前記多孔質シート２を介して対向配置された一組
の電極３，４を配設することにより構成されている。こ
れらの電極３，４は前記多孔質シート２の上下両面に配
設されている。更に正確には、前記多孔質シート２の上
下両面の表面から内部にわたって金属を析出させて形成
されており、多孔質シート２の上下両面から所定の深さ
の多孔質シートを構成する繊維状の有機材料の表面に金
属が付着して表面を覆った状態をなすように金属層が形
成されている。

【００１２】次に本発明係る圧力センサ１の作動原理に
ついて説明する。図２（ａ）に示したように、本実施形
態に係る圧力センサ１は多孔質シート２の上下両面に一
組の電極３，４が対向配置されている。この圧力センサ
１では電極３と電極４との間に多孔質シート２が配設さ
れており、この多孔質シート２は絶縁体であるため、圧
力センサ１の構造は一つのコンデンサーを形成してい
る。

【００１３】コンデンサの静電容量Ｃ（Ｆ）は、Ｃ＝ε
・Ａ／ｄ（Ｆ）｛式中、εは誘電率、Ａは電極の面積
（ｍ^２）、ｄは電極間の距離（ｍ）をそれぞれ示す。｝
で表されるため、図２（ａ）に示したような、押圧力が
作用する前の圧力センサ１では電極３，４の面積をＡ１
（ｍ^２）、電極３と４との距離をｄ１（ｍ）とすると、
圧力センサ１の静電容量Ｃ１は、Ｃ１＝ε・Ａ１／ｄ１
（Ｆ）｛式中、εは誘電率を示す。｝となる。

【００１４】この圧力センサ１にある程度の押圧力Ｐが
作用すると、圧力センサ１の多孔質シート２は弾性を備
えているため、図２（ｂ）に示したように収縮し、電極
間の距離はｄ２まで小さくなる（ｄ１＞ｄ２）。この押
圧力が作用したときの圧力センサ１の静電容量Ｃ２は、
Ｃ２＝ε・Ａ１／ｄ２（Ｆ）｛式中、εは誘電率を示
す。｝となる。従って、これら静電容量Ｃ１、Ｃ２の値
の変化を監視することにより電極間距離ｄの変化を感知
することができ、ひいては圧力センサ１に対する押圧力
の有無や押圧力の強弱を検出することができる。

【００１５】このように本実施形態に係る圧力センサ１
では、弾性を備えた多孔質シート２の上下両面に電極
３，４を配設した構造となっているので、多孔質シート
２の弾性を適宜選択したり、電極間距離ｄを適宜選択す
ることにより、所望の検知圧力範囲を有する圧力センサ
を形成することができる。

【００１６】また、電極３，４の間には多孔質シート２
が介挿されているため、圧力センサ１に過剰の圧力が作
用しても電極３と電極４とが直接接触して短絡し、圧力
センサ１自体が破壊される心配がない。

【００１７】更に、電極３，４は多孔質シート２の両表
面から内部に向かって多孔質シート２を構成する繊維状
の有機材料表面に析出した金属層で形成されているた
め、電極３，４自体に可撓性があり、金属板のような金
属疲労が起き難い。そのため、長期間の使用にわたり安
定した圧力検知能力を維持することかできる。

【００１８】以下、本実施形態に係る圧力センサ１の製
造方法について説明する。図３は本実施形態に係る圧力
センサ１の製造方法のフローチャートであり、図４及び
図５は本実施形態に係る圧力センサ１の製造途中の垂直
断面図である。

【００１９】本実施形態に係る圧力センサ１を製造する
には、まず図４（ａ）に示したように、ポリエチレン、
ポリエステル、ポリイミド、ＰＴＦＥ、ポリプロピレ
ン、ポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリビニリデ
ンフロライド、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、酢
酸セルロース等の有機絶縁材料から構成されており、無
数の細孔を含んだ板状の多孔質シート２を用意する。こ
の多孔質シート２を、例えば図４（ｂ）に示すように、
シリコーンオイルを有機溶媒に溶かした溶液のような、
撥水剤の入ったバス１０中に浸漬することにより、多孔
質シート２の表面に撥水剤を薄く塗布する（ステップ
１）。

【００２０】撥水剤バス１０から多孔質シート２を取り
出すと、図４（ｃ）に示したように、多孔質シート２の
表面が撥水剤１１で覆われている。但し、多孔質シート
２は微細な細孔を無数に備えており、これらの細孔には
空気が入り込んでいるため、多孔質シート２を図４
（ｂ）のように撥水剤バス１０中に浸漬しても、撥水剤
１１は多孔質シート２の表面を覆うだけであり、多孔質
シート２内部の細孔には撥水剤１１は殆ど進入していか
ず、多孔質シート２の表層のごく薄い部分だけが撥水剤
１１と接触する。

【００２１】次いで撥水剤１１が表面に付着した多孔質
シート２の表面を図４（ｄ）で示したように、親油性溶
剤、例えばトルエンの入ったバス２０中に短時間漬ける
ことで洗い流す。この親油性溶剤で表面を洗い流すと、
表面に付着した撥水剤１１が除去され、図４（ｅ）に示
したように多孔質シート２の表面が露出する（ステップ
２）。多孔質シート２としてポリイミドからなる多孔質
シート２を使用する場合には、ポリイミド自体が元々親
水性であるため、多孔質シート２表面に親水性の表面が
露出する。

【００２２】金属層を形成しようとする表面の撥水剤１
１を取り除いたら、表面に親水性表面が露出した多孔質
シート２の表面に対して、例えば無電解メッキを施すこ
とにより金属層を析出させ、電極３，４を形成する（ス
テップ３）。

【００２３】電極３，４の形成を無電解メッキにより行
う場合には、上記のように親水性表面を露出させた多孔
質シート２を硝酸銀やパラジウムなどの無電解メッキ液
１２が入ったバス中３０に浸漬して前記露出した親水性
表面に無電解メッキ液１２を付着させる（図４
（ｆ））。次いで無電解メッキ液１２を付着させた多孔
質シート２をバス３０から出して、還元性溶液１３のバ
ス４０中に浸漬する（図５（ａ））。ここで前記無電解
メッキ液１３中の銀などの金属が析出し、金属層が成長
する。所定時間無電解メッキを施すことにより、図５
（ｂ）に示したように、多孔質シート２の両面に所定厚
さの金属層が形成され、電極３，４が形成される。

【００２４】なお、電極３，４の形成には多孔質シート
２の両面にスパッタリング等を施すことにより、直接金
属層を形成してもよい。

【００２５】以上説明したように、本実施形態の圧力セ
ンサの製造方法によれば、多孔質シート２の両面に金属
層を析出させることにより、多孔質シート２と電極３，
４が一体化した圧力センサ１を得ることができる。ま
た、上下両面の面積の大きい多孔質シート２を用いてそ
の両面に電極３，４を形成し、しかる後に小さく切断し
て多数の圧力センサ１を一度に製造できるので、製造コ
ストを低減し、品質の揃った複数の圧力センサ１を大量
生産することができる。更に多孔質シート２の材質、厚
さ、空孔率などを適宜選択することにより、容易に測定
対象に対応する検出精度の圧力センサを得ることができ
る。

【００２６】（実施例１）以下、本発明の実施例につい
て説明する。まず空孔率５５％、平均空孔径５０ｎｍ、
膜厚３０μｍの多孔質ポリイミド膜２をスピノ−ダル分
解法で形成した。このようにして得られたポリイミドシ
ート２は全体が親水性を持つため、その後にこの多孔質
シート２を分子量１０００以下のジメチル型シリコーン
オイルの１％トルエン溶液に浸漬し、更に引き上げて乾
燥させることにより多孔質構造全面にシリコーンの撥水
性被膜を形成した。この状態ではシリコーンオイルはポ
リイミド多孔質シート２の表面に非常に薄く付着してお
り、多孔質シート２の空孔率は殆ど５５％のまま変化し
ていない。この多孔質シート２を次いでトルエン中に１
秒浸漬することでシート表面近傍のシリコーンオイルの
みを洗い流し、再び親水性表面を露出させた。

【００２７】次にこの多孔質シート２を１０〜１５％硝
酸銀水溶液に浸漬し、更に１〜５％苛性ソーダ水溶液に
浸漬して硝酸銀を酸化銀に変え、沈析させた。このと
き、多孔質シート２の内部はシリコーンオイルで被着さ
れたままであるため、撥水性であり、硝酸銀水溶液は浸
透しない。さらにこの多孔質シート２をホルムアルデヒ
ド１〜５％水溶液に浸漬して銀を還元して析出させ、多
孔質シート２の両面近傍にそれぞれ電極３，４を形成し
た。

【００２８】確認のために多孔質シート２の断面を観察
したところ、両表面から約５μｍほどの部分はポリイミ
ド多孔質シート２の空孔部に銀が充填されており、中間
部約２０μｍほどはポリイミド多孔質体がそのままの状
態で残存しているのが確認された。また、このようにし
て形成した圧力センサ１の両電極３，４からそれぞれリ
ード線を引き出し、静電容量を測定したところ、押圧力
に応じて静電容量が変化するのが検知され、圧力センサ
として機能することが確認された。

【００２９】（実施例２）本実施例では、実施例１のポ
リイミド多孔質シート２の代わりに延伸フッ素系樹脂シ
ート（空孔率７０％、平均空孔径８０ｎｍ、膜厚４０μ
ｍ）を用いて実施例１と同様に作成した多孔質シート２
の両電極３，４からリード線を引き出し、圧力センサの
静電容量を測定したところ、押圧力に応じて静電容量が
変化するのが検知され、圧力センサとして機能し得るこ
とが確認された。

【００３０】（実施例３）本実施例では実施例１と同様
のポリイミド多孔質シート２を使用し、実施例１の銀メ
ッキの代わりに銅を析出させて電極３，４を形成した。
実施例１と同様に作成された圧力センサ１の両電極３，
４からリード線を引き出し、静電容量を測定したとこ
ろ、押圧力に応じて静電容量が変化するのが検知され、
圧力センサとして機能し得ることが確認された。

【００３１】（実施例４）本実施例では、多孔質シート
２の上下両面に配設する電極３，４を碁盤目状に多数の
セグメント３１，３１，…及び、４１，４１，…に分割
し、各セグメントどうし３１，４１を対向配置した構造
とした。各セグメント３１，４１にはそれぞれリード線
（図示省略）が接続されており、複数の微小な圧力セン
サが束ねられた状態に形成されている。本実施例に係る
圧力センサでは、各セグメントが独立した圧力センサで
あり、各セグメントの配置データと各圧力センサからの
信号データを関連付けて処理することにより、圧力セン
サ１のどのセグメントに押圧力が作用したかを検出でき
るため、例えばタッチセンサとして用いることができ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、多孔質シートの両表面
に析出させた金属層で対向する一組の電極を形成し、多
孔質シートの厚さ方向の中間部分は金属が析出していな
い絶縁性多孔質シート部分を残存させており、圧力セン
サに押圧力が加わり押圧されることで前記両面の電極間
の静電容量が変化することで電気的信号を出力する圧力
センサが安価に得られる。また、その圧力センサは過剰
な圧力が作用しても電極どうしが直接接触して短絡する
ことがなく、多孔質シートの材質、厚さ、空孔率等を制
御することにより容易に測定対象に対応した検出精度の
圧力センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力センサの斜視図である。

【図２】本発明に係る圧力センサの垂直断面図である。

【図３】本発明に係る圧力センサの製造方法のフローチ
ャートである。

【図４】本発明に係る圧力センサの製造途中の垂直断面
図である。

【図５】本発明に係る圧力センサの製造途中の垂直断面
図である。

【図６】本発明に係る圧力センサの斜視図である。

【符号の説明】

１…圧力センサ、２…絶縁性多孔質シート、３…電極、
４…電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性多孔質シートからなる絶縁体層
   と、 前記絶縁体層を介して対向配置され、前記絶縁性多孔質
   シートの少なくとも細孔表面を覆う金属層からなる一組
   の電極と、を具備する圧力センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧力センサであって、前
   記絶縁性多孔質シートが、有機高分子材料からなること
   を特徴とする圧力センサ。
3. 【請求項３】 請求項２記載の圧力センサであって、前
   記有機高分子材料が、ポリイミドであることを特徴とす
   る圧力センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項記載の圧力
   センサであって、前記電極が、前記絶縁性多孔質シート
   の細孔表面に析出させたメッキ金属層であることを特徴
   とする圧力センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれか１項記載の圧力
   センサであって、前記電極が、前記絶縁性多孔質シート
   の細孔表面に形成されたスパッタリング層であることを
   特徴とする圧力センサ。
6. 【請求項６】 親水性を有する絶縁性多孔質シートを撥
   水性溶液に浸漬する工程と、前記絶縁性多孔質シート表
   面の撥水性溶液を除去して前記絶縁性多孔質シートの表
   面を露出させる工程と、 前記露出させた前記絶縁性多孔質シート表面に金属層を
   形成する工程とを具備する圧力センサの製造方法。