JP2023098756A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の削減と厚みの薄型化が図れ、また各構成要素間に組み立てによるずれが生じる虞もない感圧センサを提供すること。【解決手段】基板１０上に第１の接点パターン２１及び第１の接点パターン２１に接続する第１の配線パターン３１を形成する。第１の接点パターン２１上に第１の接点パターン２１の一部を露出させる開口部７３を有する絶縁層７１を形成する。開口部７３を含む絶縁層７１上に圧力に応じて抵抗値が変化する感圧抵抗体４１を形成する。感圧抵抗体４１上の第１の接点パターン２１に対向する位置に第２の接点パターン５１を形成する。さらに第２の接点パターン５１に接続する第２の配線パターン６１を基板１０上に引き出す。【選択図】図１

Description

本発明は、押圧力に応じて抵抗値が変化する感圧センサに関するものである。

従来、押圧力に応じて抵抗値が変化する感圧センサは、例えば特許文献１に示すように、下側電極を設けた下側回路基板と、上側電極を設けた上側回路基板とを、スペーサを介して積層し、その際スペーサに設けた開口部内において前記上側電極と下側電極とを対向させ、上側電極の背面側の上側回路基板を押圧してこれを下降させることで上側電極を下側電極に当接させ、当該当接力（荷重）の大きさ（当接面積）に応じて上側電極と下側電極間の抵抗値を変化させるように構成されていた。

特開２０１７－４５６２９号公報

しかし従来の感圧センサは、上述のように、２枚の回路基板とスペーサとを用いて構成されるので部品点数が多くなり、また製品の厚み寸法が厚くなり、さらに２枚の回路基板とスペーサの組み立て時のずれによって下側電極に対してスペーサの開口部や上側電極の位置がずれてしまう虞があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、部品点数の削減と厚みの薄型化が図れ、また各構成要素間に組み立てによるずれが生じる虞もない感圧センサを提供することにある。

本発明は、押圧力に応じて抵抗値が変化する感圧センサにおいて、基板上に、第１の接点パターン及び当該第１の接点パターンに接続する第１の配線パターンを形成し、前記第１の接点パターン上に、当該第１の接点パターンの一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成し、前記開口部を含む絶縁層上に、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧抵抗体を形成し、前記感圧抵抗体上の前記第１の接点パターンに対向する位置に第２の接点パターンを形成し、さらに前記第２の接点パターンに接続する第２の配線パターンを前記基板上に引き出してなることを特徴としている。
本発明によれば、１枚の基板上に各種パターンを形成することで感圧センサを構成できるので、部品点数の削減と厚みの薄型化が図れ、また第１，第２の接点パターンや感圧抵抗体や絶縁層間に組み立てによるずれが生じる虞もない。
また従来のように第１の接点パターンと第２の接点パターン間にスペーサによる空間を設けないので、軽い力を印加するだけで抵抗値の変化が始まる。従って、軽い力で抵抗値の変化が始まって押圧力が大きくなるに伴ってさらに抵抗値が変化していく特性が要求される感圧センサとして用いて好適となる。
また感圧抵抗体の厚みは薄いために、第１，第２の接点パターンは、絶縁層に設けた開口部を介して上下（真上真下）に対向している部分のみで導通するので（抵抗値の変化が生じるので）、当該開口部の面積や形状を調整することで、容易且つ正確に抵抗値の調整（例えば開口部の面積を小さくすると抵抗値が大きくなる）を行うことができる。

また本発明は、上記特徴に加え、前記感圧抵抗体は、前記絶縁層の開口部の内部に充填され、且つ当該開口部からその周囲の絶縁層表面の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、絶縁層に設けた開口部の内部に感圧抵抗体を充填するので、その分感圧抵抗体の厚みを厚くすることができ、その分感圧抵抗体による抵抗値を高くすることができ、分解能の高い感圧センサとすることができる。

また本発明は、上記特徴に加え、前記第２の配線パターンは、前記感圧抵抗体の上面もしくは側面、及び前記絶縁層の上面もしくは側面に接触して前記基板上に引き出されていることを特徴としている。
これによって第２の配線パターンを基板上に引き出すことができる。

また本発明は、上記特徴に加え、前記第１の接点パターンと前記第１の配線パターン、及び前記絶縁層、及び前記感圧抵抗体、及び前記第２の接点パターンと前記第２の配線パターンは、前記基板上に印刷によって積層して形成されていることを特徴としている。
これによって、１枚の基板上に各種パターンを容易且つ正確な位置に形成することができ、部品点数の削減と製造コストの低減化と厚みの薄型化とが図れる。また第１，第２の接点パターンや絶縁層の開口部の位置などに組み立てによるずれが生じる虞もなくなる。

本発明によれば、部品点数の削減と厚みの薄型化が図れる。また各構成要素間に組み立てによるずれが生じる虞もなくなり、製品特性の安定した感圧センサを得ることができる。

感圧センサ１の概略断面図である。 感圧センサ１の概略平面図である。 感圧センサ１の製造方法説明図である。 感圧センサ１の動作説明図である。 感圧センサ１の一具体例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる感圧センサ１の概略断面図（図２のＡ－Ａ概略断面図）、図２は感圧センサ１の概略平面図である。これらの図に示すように、感圧センサ１は、基板１０上に第１の接点パターン２１及び当該第１の接点パターン２１に接続する第１の配線パターン３１を形成し、前記第１の接点パターン２１上に開口部７３を有する絶縁層７１を形成し、前記開口部７３を含む絶縁層７１上に圧力に応じて抵抗値が変化する感圧抵抗体（感圧抵抗層、感圧抵抗パターン）４１を形成し、前記感圧抵抗体４１上の前記第１の接点パターン２１に対向する位置に第２の接点パターン５１を形成し、さらに第２の接点パターン５１に接続する第２の配線パターン６１を前記感圧抵抗体４１の上面及び側面及び前記絶縁層７１の上面及び側面に接触させた後に基板１０上に引き出して構成されている。なお以下の説明において、「上」とは基板１０から第１の接点パターン２１などを形成した面側を見る方向をいい、「下」とはその反対方向をいうものとするが、これは、感圧センサ１を使用する際の方向を限定する趣旨ではない。

次に、上記感圧センサ１の構成を、その製造方法と共に説明する。図３は、感圧センサ１の製造方法説明図である。まず、図３（ａ）に示す基板１０を用意する。基板１０は可撓性を有する合成樹脂フィルムによって構成されており、この例ではポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いている。

次に、図３（ａ）に示すように、上記基板１０上に第１の接点パターン２１と第１の配線パターン３１とを、導電ペースト（この例では銀ペースト）をスクリーン印刷することによって同時に形成する。第１の接点パターン２１は、この例では円形（他の各種形状であっても良い）であり、その外周辺の一部に接続するように線状（他の各種形状であっても良い）の第１の配線パターン３１が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、上記第１の接点パターン２１の上面と、これに接続する第１の配線パターン３１の一部を覆うように、絶縁層７１を、樹脂ペーストをスクリーン印刷することによって形成する。絶縁層７１は、この例では、円形（他の各種形状であっても良い）であり、その中央には円形（他の各種形状であっても良い）の開口部７３が設けられている。絶縁層７１の外形（外径）寸法は、前記第１の接点パターン２１の外形（外径）寸法よりも大きく形成され、また開口部７３の内周（内径）寸法は、前記第１の接点パターン２１の外形（外径）寸法よりも小さく形成されている。従って、第１の接点パターン２１は、その外周全てが絶縁層７１によって覆われ、また開口部７３の内部全体に第１の接点パターン２１が露出している。

次に、図３（ｃ）に示すように、上記絶縁層７１の上に、感圧抵抗体４１を、カーボンペーストをスクリーン印刷することによって形成する。感圧抵抗体４１は、この例では円形（他の各種形状であっても良い）であり、その外形（外径）寸法は上記第１の接点パターン２１の外形（外径）寸法よりも大きく、前記絶縁層７１の外形（外径）寸法よりも小さく形成されている。カーボンペーストは、硬化しても柔軟性を有する合成樹脂とカーボン粉と溶剤を混合した導電性塗料を用いて構成されている。

感圧抵抗体４１の厚みは、前記絶縁層７１の厚み（例えば１０μｍ）よりも厚く形成されている。感圧抵抗体４１は、前記絶縁層７１の開口部７３の内部に充填されており、このため感圧抵抗体４１の厚みは、開口部７３の部分についてはその深さ寸法分だけ厚くなっている。即ち感圧抵抗体４１は、この実施形態では、絶縁層７１の開口部７３の内部に充填され且つ当該開口部７３からその周囲の絶縁層７１表面の一部を覆うように形成されている。

次に、図２に示すように、前記感圧抵抗体４１の上面を含む上記基板１０上に、第２の接点パターン５１と第２の配線パターン６１とを、銀ペーストをスクリーン印刷することによって同時に形成する。第２の接点パターン５１は、この例では円形（他の各種形状であっても良い）であり、その外周辺の一部に接続するように線状（他の各種形状であっても良い）の第２の配線パターン６１が形成されている。第２の接点パターン５１は前記第１の接点パターン２１に対向する位置に形成されている。また第２の接点パターン５１の外径寸法は、前記絶縁層７１の開口部７３の内径寸法よりも大きい面積で形成されている。第２の配線パターン６１は、感圧抵抗体４１の上面から感圧抵抗体４１の側面に接触し、さらに絶縁層７１の上面から絶縁層７１の側面に接触して前記基板１０上に引き出されるように形成されている。

以上の製造方法によって感圧センサ１が完成する。なお上記製造手順はその一例であり、他の各種異なる製造手順を用いて製造しても良いことはいうまでもない。

以上のように構成された感圧センサ１は、感圧抵抗体４１が、第１，第２の接点パターン２１，５１の間に、絶縁層７１の開口部７３を介して介在することで、第１，第２の接点パターン２１，５１間に所定の抵抗値を生じさせている。なお第２の接点パターン５１の少なくとも一部は、開口部７３を介して第１の接点パターン２１の真上に位置していなければ、互いに導通しない。そのため第２の接点パターン５１の少なくとも一部は、開口部７３を介して第１の接点パターン２１の真上に位置する必要がある。

そして基板１０を図示しない基台上に載置し、第２の接点パターン５１をその上側から指またはキートップなどの押圧体によって押圧すると、柔軟性を有する感圧抵抗体４１が圧縮され、その厚みが薄くなって、感圧抵抗体４１中のカーボン粉同士が強く接触することでカーボン粒子間の接触面積が増大し、これによって第１，第２の接点パターン２１，５１間の抵抗値が小さくなる。一方前記押圧を解除していけば、感圧抵抗体４１の厚みがその弾性復帰力によって元の厚みに戻ってゆき、抵抗値は大きくなっていく。つまり、前記押圧する力（押圧力）の大きさに応じて、第１，第２の接点パターン２１，５１間の抵抗値が異なり、これによって前記押圧力に応じた異なる出力が得られ、当該押圧力の大きさを検知することができる。

このとき従来のように第１の接点パターン２１と第２の接点パターン５１間にスペーサによる空間を設けないので、軽い力を印加するだけで抵抗値の変化が始まる。従って、軽い力で抵抗値の変化が始まって押圧力が大きくなるに伴ってさらに抵抗値が変化していく特性が要求される感圧センサ１として用いて好適となる。

また感圧センサ１は絶縁層７１を設けているので、この絶縁層７１がクッション代わりになり、この感圧センサ１を押下した際に、よりゴム状弾性を持たせることができる。これによって前記抵抗値の変化が押圧力の強さに対応して、よりリニアに変化するようになり、押圧力に応じた出力値の分解能を向上させることができる。

ここで図４は、第１，第２の接点パターン２１，５１間に電圧を印可した場合の電流経路を示した図である。同図に示すように、電流は、第１の配線パターン３１⇔第１の接点パターン２１⇔感圧抵抗体４１⇔第２の接点パターン５１⇔第２の配線パターン６１の経路で流れる。

このとき、感圧抵抗体４１の厚みは薄いので、電圧が印加された第１，第２の接点パターン２１，５１間において電流が流れるのは、感圧抵抗体４１全体中の絶縁層７１の開口部７３内において第１，第２の接点パターン２１，５１が上下（真上真下）に対向している面の部分Ｘだけである。即ち、第１，第２の配線パターン３１，６１間の抵抗値は、第１，第２の配線パターン３１，６１と第１，第２の接点パターン２１，５１の抵抗値がゼロであると仮定して、感圧抵抗体４１の開口部７３の真上の部分Ｘのみによる抵抗値となる。

即ち、第１，第２の接点パターン２１，５１は、絶縁層７１に設けた開口部７３を介して上下（真上真下）に対向している部分のみで導通するので（抵抗値の変化が生じるので）、当該開口部７３の面積や形状を調整することで、容易且つ正確に抵抗値の調整（例えば開口部７３の面積を小さくすると抵抗値が大きくなる）を行うことが可能になる。

ところで、上記感圧センサ１を押圧していないときの抵抗値は、より大きい方がこれを押下したときの抵抗値の変化量が大きくなるので、押圧力に応じた出力値の分解能を向上する上で、より好ましい。そして上記感圧センサ１においては、絶縁層７１に設けた開口部７３の内部に感圧抵抗体４１を充填しているので、その分感圧抵抗体４１の厚みが厚くなり、その分感圧抵抗体４１を押圧していないときの抵抗値を大きくすることができる。この点からも分解能の高い感圧センサ１とすることができる。

もちろん上記感圧センサ１において、感圧抵抗体４１の開口部７３以外に位置する部分を含む感圧抵抗体４１全体の厚みを第１，第２の接点パターン２１，５１の厚みよりも厚く形成しておくことで抵抗値を高くすることも、より好ましいが、本発明はこれに限られず、第１，第２の接点パターン２１，５１の厚みと同一又は薄い厚みとしても良い。

感圧抵抗体４１は、この感圧センサ１のように、絶縁層７１の開口部７３内全体に確実に充填されるように（印刷ずれなどを考慮して）、その外形寸法を開口部７３の内径寸法よりも大きく形成しておくことが望ましい。即ち感圧抵抗体４１は、絶縁層７１の開口部７３の内部に充填され且つ当該開口部７３からその周囲の絶縁層７１表面の少なくとも一部を覆うように形成されていることが望ましい。

同様に、第１の接点パターン２１の外径寸法と第２の接点パターン５１の外径寸法も、絶縁層７１の開口部７３全体に対向するように（印刷ずれなどを考慮して）、開口部７３の内径寸法よりも大きく形成しておくことが望ましい。

また感圧センサ１は、絶縁層７１の外周を、感圧抵抗体４１の外周よりも大きく形成しているので、感圧抵抗体４１の真下または真上を通る第１の配線パターン３１または第２の配線パターン６１から直接感圧抵抗体４１を介して他方の電極パターンに微小な電流が流れることを防止でき、出力電圧のばらつきをより確実に防止することができる。

図５は、感圧センサ１の一具体例を示す平面図である。同図に示すように、基板１０は、センサ本体形成部１１と、センサ本体形成部１１の外周に接続されて帯状に延びる出力引出部１３とを具備して構成されている。そしてセンサ本体形成部１１には前記第１，第２の接点パターン２１，５１と絶縁層７１と感圧抵抗体４１と前記第１，第２の接点パターン２１，５１にそれぞれ接続した第１，第２の配線パターン３１，６１の一部とが印刷形成され、出力引出部１３には第１，第２の配線パターン３１，６１の残りの部分が印刷形成されてそれらの先端に出力端子パターン３３，６３が印刷形成されている。これによって、容易に第１，第２の接点パターン２１，５１間に電圧を印可し、出力を得ることができる。

なお上記感圧センサ１では、第２の配線パターン６１を、感圧抵抗体４１の上面及び側面（外周側面）と、絶縁層７１の上面及び側面（外周側面）に接触させた後に基板１０上に引き出しているが、例えば第２の接点パターン５１の外周辺の一部と感圧抵抗体４１の外周辺の一部と絶縁層７１の外周辺の一部とを一致させ、一致させた部分において第２の配線パターン６１を接続することで、第２の配線パターン６１を感圧抵抗体４１の側面と絶縁層７１の側面のみに接触して（感圧抵抗体４１の上面と絶縁層７１の上面に接触させないで）基板１０上に引き出す構成とすることも出来る。また感圧抵抗体４１の外形を絶縁層７１の外形よりも大きく（または一部大きく）して絶縁層７１を覆う構成とすれば、第２の配線パターン６１は絶縁層７１に接触せずに感圧抵抗体４１の上面と側面（または側面のみ）のみに接触して基板１０上に引き出す構成とすることもできる。

以上説明したように、感圧センサ１は、基板１０上に、第１の接点パターン２１及び第１の接点パターン２１に接続する第１の配線パターン３１を形成し、前記第１の接点パターン２１上に、第１の接点パターン２１の一部を露出させる開口部７３を有する絶縁層７１を形成し、前記開口部７３を含む絶縁層７１上に、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧抵抗体４１を形成し、前記感圧抵抗体４１上の前記第１の接点パターン２１に対向する位置に第２の接点パターン５１を形成し、さらに前記第２の接点パターン５１に接続する第２の配線パターン６１を基板１０上に引き出して形成しているので、１枚の基板１０上に各種パターンを形成することで感圧センサ１を構成できる。このため部品点数の削減と厚みの薄型化が図れ、また第１，第２の接点パターン２１，５１や感圧抵抗体４１や絶縁層７１間に組み立てによるずれが生じる虞もなくなる。

また上記感圧センサ１は、第１の接点パターン２１と第１の配線パターン３１、及び絶縁層７１、及び感圧抵抗体４１、及び第２の接点パターン５１と第２の配線パターン６１を、基板１０上に印刷によって積層して形成したので、１枚の基板１０上に各種パターンを容易且つ正確な位置に形成することができ、この点からも部品点数の削減と製造コストの低減化と厚みの薄型化とが図れ、また第１，第２の接点パターン２１，５１や絶縁層７１の開口部７３の位置などに組み立てによるずれが生じる虞もなくなる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記基板１０、第１の接点パターン２１、第１の配線パターン３１、感圧抵抗体４１、第２の接点パターン５１、第２の配線パターン６１、絶縁層７１、開口部７３の形状や配置位置に種々の変更が可能であることはいうまでもない。

また上記実施形態では、感圧抵抗体４１を絶縁層７１の開口部７３内全体に充填したが、所望の抵抗値が得られるのであれば、必ずしも開口部７３内全体に充填させる必要はなく、一部のみに充填しても良い。

また上記例では、各種パターンの形成にスクリーン印刷を用いたが、他の各種印刷方法（例えばオフセット印刷、インクジェット印刷）、さらには印刷以外の各種パターン形成方法（例えばエッチング方法）を用いて形成しても良い。また上記実施形態では、基板１０としてフレキシブル基板を用いたが、硬質の基板を用いても良い。また第２の接点パターン５１の上に別途絶縁層や絶縁フィルムを設置し、その上から押圧体によって押圧するように構成してもよい。

また、上記記載及び各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、上記記載及び各図の記載内容は、その一部であっても、それぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は上記記載及び各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１０ 基板
２１ 第１の接点パターン
３１ 第１の配線パターン
４１ 感圧抵抗体
５１ 第２の接点パターン
６１ 第２の配線パターン
７１ 絶縁層
７３ 開口部

Claims (4)

1. 押圧力に応じて抵抗値が変化する感圧センサにおいて、
   基板上に、第１の接点パターン及び当該第１の接点パターンに接続する第１の配線パターンを形成し、
   前記第１の接点パターン上に、当該第１の接点パターンの一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成し、
   前記開口部を含む絶縁層上に、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧抵抗体を形成し、
   前記感圧抵抗体上の前記第１の接点パターンに対向する位置に第２の接点パターンを形成し、
   さらに前記第２の接点パターンに接続する第２の配線パターンを前記基板上に引き出してなることを特徴とする感圧センサ。
2. 請求項１に記載の感圧センサであって、
   前記感圧抵抗体は、前記絶縁層の開口部の内部に充填され、且つ当該開口部からその周囲の絶縁層表面の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする感圧センサ。
3. 請求項１又は２に記載の感圧センサであって、
   前記第２の配線パターンは、前記感圧抵抗体の上面もしくは側面、及び前記絶縁層の上面もしくは側面に接触して前記基板上に引き出されていることを特徴とする感圧センサ。
4. 請求項１又は２又は３に記載の感圧センサであって、
   前記第１の接点パターンと前記第１の配線パターン、及び前記絶縁層、及び前記感圧抵抗体、及び前記第２の接点パターンと前記第２の配線パターンは、前記基板上に印刷によって積層して形成されていることを特徴とする感圧センサ。

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