JP6520470B2

JP6520470B2 - フィルム型圧力センサ及びその製造方法

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Publication number: JP6520470B2
Application number: JP2015129728A
Authority: JP
Inventors: シャオユウミイ; 勝木　隆史; 隆史勝木; 文彦中澤
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Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2019-05-29
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Description

本発明は、フィルム型圧力センサ及びその製造方法に関するもので、例えば、血圧や脈拍等の圧力を測定するフィルム型ポリマエレクトレットデバイス等のフィルム型圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

圧力は重要な触覚の一つであり、感圧デバイスが医療分野の触診センサやウェアラブル生体センサ、ゲーム端末やモバイル端末の触覚センサ、ロボットの指先の握力／接触センサとして幅広い分野に応用されている。特に、計測時に相手の形状への適合性が要求される場合は柔らかいデバイスが必要になる。また、端末機器の場合ではデバイスの薄さ、小型化、軽量化が重視される。また、ウェアラブルセンサの場合も柔軟性や軽量化などが要求される。

従来の圧力センサとしては、水晶やＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）等の圧電結晶、ＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）等の有機圧電性フィルム等の圧電材料を用いたものがある。また、圧力による抵抗体の抵抗値が変化する歪ゲージや感圧ゴム、圧力の変化を上下電極間の変位による容量値の変化として検出する容量検出型センサ、ポリマエレクトレット材料を利用したもの等がある。

柔軟性、軽量化、薄さが要求される場合は、有機圧電膜やポリマエレクトレット材料が優位になる。有機圧電膜を含む圧電材料は一般的に焦電性を持っているため、温度特性が悪い欠点がある。また、多くの圧電材料は正応力の他にせん断力応力に対しても高い感度を持っている。一方、正圧力を測る場合は歪ゲージやポリマエレクトレット材料が有利になる（例えば、非特許文献１参照）。

特表２００７−５１５０７３号公報

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｂａｙａｓｈｉ-ｒｉｋｅｎ．ｏｒ．ｊｐ／Ｎｏ９８／９８＿４．ｈｔｍ

脈診センサの場合、脈動の大小を判断するために、微小なエリアに複数のセンシングドットを配置して、微小な圧力である脈動の分布を測定する必要がある。例えば、７ｍｍ×７ｍｍにエリアに１ｍｍピッチでマトリックスセンサを構成する必要がある。

図１３は、一般的な脈診装置の説明図であり、図１５（ａ）は、脈診装置の要部外観図であり、図１５（ｂ）は単位脈診センサの側面図である。図１５（ａ）に示すように、脈診センサ８２は、７ｍｍ×７ｍｍのセンシングエリア８３に７個の単位脈診センサ８４を１ｍｍピッチで配置した構造になっており、全体のサイズが５０ｍｍ×２０ｍｍとなる。図１５（ｂ）に示すように、１本の単位脈診センサ８４は中央の接触部８５からの両側に伸びるビーム部８６の裏側に歪センサ８７を貼り付けた構造を有している。なお、図における符号８１は筐体である。

このような脈診センサをより小型化すためには、圧電材料やポリマエレクトレットの使用が考えられる。しかし、圧電材料は圧力の変化に対して応答するものであり、静圧力に対する電圧応答が維持できない欠点がある。また、図１３に示すように、圧電材料は、正圧力に対する感度が低いとう欠点もあり、脈診センサに使えないという問題がある。

そこで、分極を逆にした圧電エリアを直列に接続することで圧電センサの感度を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１４は、圧電材料を用いた圧電センサの問題点の説明図である。圧電体層１０１に分極を互いに逆にした第１分極領域１０２と第２分極領域１０３エリアを形成して共通電極１０４直列に接続し、裏面に１対の端子電極１０５，１０６を設けて圧電センサを形成している。この場合、圧電体層１０１の分極方向を規定するには、分極方向が揃うように数ｋＶ／ｍｍのポーリング電界をかける必要がある（ポーリングプロセス）。

しかし、電界の漏れがあるので、隣接する第１分極領域１０２と第２分極領域１０３の間に分極方向がバラバラになった遷移エリアが生じて、感度が落ちる不安定なエリアとなる。電界の漏れエリアが圧電体層１０１の厚みの３倍と評価すると、厚み１００μｍの膜の場合、遷移エリアの幅は、
１００μｍ×３＋１００μｍ×３＝６００μｍ
となる。

その結果、全体のセンシングエリアが１０００μｍ（＝１ｍｍ）の場合、６００μｍもの不安定な遷移エリアが発生するので安定したセンシング特性が得られない。したがって、静圧力に対する電圧応答が維持できないという欠点も含めて、圧電材料は１ｍｍピッチの微小エリアにおける微小の力の測定するための圧力センサに適用できない。

一方、正圧力に対して圧電材料の１０倍以上感度を有するポリマエレクトレット材料を用いても、センシング感度が脈診センサの実現にまだ足りないという問題がある。因みに、センシング層の厚さを１００μｍにしたポリマエレクトレットの感度は６ｍＶ／ｇである。しかし、０．２ｇ以下の力を精度良く測定するためには、現在の感度を更に、４倍乃至１０倍程度向上させる必要がある。

図１５は、ポリマエレクトレットの原理の説明図である。ポリマエレクトレット材料は一般的に、ポリマフィルム１１０を二軸延伸して空洞１１１を含む層状構造の多孔質ポリマを形成し、高電圧印加で電荷をフィルム内部の層状構造に撃込むことにより初期分極が形成される。層状構造に撃ち込まれた電荷が双極子となり、上下両表面に電極１１２，１１３が形成されたポリマフィルム１１０に圧力を印加すると、内部の双極子の分極が変化する。その結果、上下の電極１１２，１１３の間の電圧の変化を生じ、出力回路１１４から電圧変化が出力される仕組みとなる（例えば、非特許文献１参照）。

このようなエレクトレットフィルムは、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンや、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン(４フッ化)）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(４．６フッ化)）ＡＦ（アモルファスフルオロポリマ）等のテフロン（登録商標）や、ポリエチレン、ＣＯＣｓ（シクロオレフィンポリマ）などの有機材料から形成できる。

このような有機材料を用いる場合、二軸延伸プロセスなどの方法で上述材料のフィルムに空洞構造を形成した後、空洞に電荷を注入する。センサの感度はエレクトレット材料の内部の空洞に注入された電荷の密度に依存する。注入された電荷の密度に関しては、エレクトレット材料の絶縁性を保つ前提で最大化する制約があるため限界がある。

したがって、フィルム型圧力センサにおいて、注入電荷密度を過度に増やすことなく感度を向上することを目的とする。

開示する一観点からは、ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により第１の方向に初期分極された第１のエレクトレット要素と、ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により前記第１の方向と逆方向に初期分極された第２のエレクトレット要素と、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを電気的に分離する絶縁要素と、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを初期分極方向が交互に逆になるように直列接続する電極とを有することを特徴とするフィルム型圧力センサが提供される。

また、開示する別の観点からは、ポリマフィルム中に複数の空洞を形成する工程と、前記ポリマフィルムの空洞に所定のピッチで電荷を注入して初期分極したエレクトレット要素を形成する工程と、前記所定のピッチで形成したエレクトレット要素を、互いの初期分極方向が逆になるように電極を形成して直列接続する工程とを有することを特徴とするフィルム型圧力センサの製造方法が提供される。

開示のフィルム型圧力センサ及びその製造方法によれば、注入電荷密度を過度に増やすことなく感度を向上することが可能になる。

本発明の実施の形態のフィルム型圧力センサの説明図である。本発明の実施の形態におけるエレクトレット要素の形成方法の説明図である。本発明の実施の形態の作用効果の説明図である。本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの要部断面図である。本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの製造工程の図６以降の説明図である。本発明の実施例２の圧力センシング装置の説明図である。本発明の実施例３のフィルム型圧力センサの説明図である。本発明の実施例４のフィルム型圧力センサの要部断面図である。本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの製造工程の説明図である。従来の脈診装置の説明図である。圧電材料とエレクトレット材料の特性の説明図である。圧電材料を用いた圧力センサの問題点の説明図である。ポリマエレクトレットの原理の説明図である。

ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態のフィルム型圧力センサを説明する。図１は、本発明の実施の形態のフィルム型圧力センサの説明図であり、ポリマフィルム１中に複数の空洞部２を有するとともに、空洞部２に注入された電荷により第１の方向に初期分極された第１のエレクトレット要素３と、第１の方向と逆方向に初期分極された第２のエレクトレット要素４とを形成する。この第１のエレクトレット要素３と第２のエレクトレット要素４とを絶縁要素5により電気的に分離する。第１のエレクトレット要素３と第２のエレクトレット要素４とを初期分極方向が交互に逆になるように電極８により直列接続するとともに、端子電極となる電極９を設ける。なお、端子電極となる電極９は、裏面側に設けることが望ましく、実装の際の電極接続が容易になる。

ポリマフィルム１としては、従来と同様に、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンや、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン(４フッ化)）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(４．６フッ化)）ＡＦ（アモルファスフルオロポリマ）等のテフロンや、ポリエチレン、ＣＯＣｓ（シクロオレフィンポリマ）などの有機材料を用いる。

第１のエレクトレット要素３、第２のエレクトレット要素４及び絶縁要素５の表面及び裏面と、電極８，９との間に絶縁性接着剤となる絶縁樹脂層７を設ける。この絶縁樹脂層７は、両者の間の絶縁性を高めるために比抵抗がポリマフィルム１の比抵抗より大きいものが望ましい。また、出力電圧は容量に反比例するので、容量を小さくして出力電圧を大きくするために、絶縁樹脂層７は、比誘電率がポリマフィルム１の比誘電率より小さいものが望ましい。例えば、絶縁樹脂層７にはポリオレフィン系、ポリエステル系やアクリル系の材料を用い、比抵抗は１×１０^１５Ωｃｍ以上が望ましい。

また、第１のエレクトレット要素３及び第２のエレクトレット要素４の表面及び裏面には、絶縁樹脂層７との密着性を高めるために、プラズマ処理等により、数分子層程度の厚さの密着層６を設けても良い。

絶縁要素５としては、初期分極が中性のポリマフィルムとして第１のエレクトレット要素３及び第２のエレクトレット要素４と一体形成しても良い。この場合には、ポリマフィルム１自体の比抵抗を１×１０^１４Ωｃｍ以上とすることが望ましい。或いは、個別に第１のエレクトレット要素３及び第２のエレクトレット要素４を形成して、両者を接合する絶縁膜を絶縁要素５としても良い。この場合の絶縁膜は、絶縁樹脂層７と同様に、ポリマフィルム１より比抵抗が大きく且つ比誘電率が小さな絶縁膜であることが望ましい。

このようなフィルム型圧力センサを用いて圧力センシング装置を形成するためには、フィルム型圧力センサを配線基板に固定し、端子電極となる電極９を配線基板に設けた電極端子及び内部配線と接続する。この配線基板からの出力をフレキシブルケーブルを介してコネクタ部から取り出すようにすれば良い。

或いは、フィルム型圧力センサを第１の配線基板に固定し、端子電極となる電極９を配線基板に設けた電極端子及び内部配線と接続し、この第１の配線基板をより大きな第２の配線基板に実装する。第２の配線基板からの出力をフレキシブルケーブルを介してコネクタ部から取り出すようにすれば良い。この時、フィルム型圧力センサのポリマフィルム１の両端の延在部を、第２の配線基板に設けた固定用溝に挿入するようにしても良い。

このようなフィルム型圧力センサを製造するためには、ポリマフィルム１中に複数の空洞部２を形成し、ポリマフィルム１の空洞２に所定のピッチで電荷を注入して初期分極したエレクトレット要素３，４を形成する。次いで、所定のピッチで形成したエレクトレット要素３，４を、互いの初期分極方向が逆になるように電極８を形成して直列接続すれば良い。ポリマフィルム１中に複数の空洞部２を形成するためには、ポリマフィルム１を二軸延伸すれば良い。形成される空洞部２のサイズは、平面形状における直径がサブμｍ〜数μｍ、典型的には２μｍ〜３μｍの扁平形状となる。

ここで、図２を参照して、本発明の実施の形態エレクトレット要素の形成方法を説明する、ここでは、コロナ放電を用いて電荷を注入する場合を説明する。図２は、本発明の実施の形態エレクトレット要素の形成方法の説明図である。まず、図２（ａ）に示すように、空洞部（２）を形成したポリマフィルム１の表面及び裏面を開口部を有する一対のマスク１１，１２により、開口部が揃うように挟んだ状態で、電荷を注入する。この時、放電電極１３,１４に切り替えスイッチ１６を介して電源１５により電圧を印加することによって、コロナ放電を発生させる。ここでは、電極１３に正電圧を印加して正極性コロナ１７を発生させ、電極１４に負電圧を印加して負極性コロナ１８を発生させる。この時、図１の左側に示すように、空洞部２の上側は正に帯電し、下側は負に帯電した初期分極状態の第１のエレクトレット要素３が形成される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、放電電極１３,１４をポリマフィルム１に対して相対的に所定ピッチで移動させるとともに、切り替えスイッチ１６により印加電圧の極性を反転してコロナ放電を発生させる。この時、図１の右側に示すように、空洞部２の上側は負に帯電し、下側は正に帯電した初期分極状態の第２のエレクトレット要素４が形成される。なお、マスク１１，１２の材料は、テフロン或いはナイロン等を用い、十分に注入電荷を遮断できるように、厚さを２００μｍ以上にする。

或いは、放電工程をポリマフィルム１の全面に一括して行ったのち、所定の大きさに分割して、そのうちの一部を第１のエレクトレット要素３とし、その上下を反転させたものを第２のエレクトレット要素４とする。この第１のエレクトレット要素３と第２のエレクトレット要素４を絶縁膜で貼り合せるようにしても良い。

なお、電荷注入方法はコロナ放電に限られるものではなく、接触放電（Ｃｏｎｔａｃｔ−ｃｈａｒｇｉｎｇ）或いは電子ビームを用いても良い。コロナ放電及び接触放電の場合には１０ｋＶ〜４０ｋＶの電圧を印加する。電子ビームの場合には、５ｅＶ〜３０ｋＶの加速電圧を用いる。放電時間は１秒〜１０秒程度とする。

なお、第１のエレクトレット要素３及び第２のエレクトレット要素４の平面形状は円形状でも矩形状でも良く、マスクを使って交互に分極する場合には、マスクに設けた開口部の形状に依存し、一括分極後に分割する場合には矩形状になる。具体的には、第１のエレクトレット要素３及び第２のエレクトレット要素４の平面サイズは、直径１ｍｍ以下、或いは、１ｍｍ角以下とする。

電極及び電気信号線の材料としては、銅、アルミ、ニッケル、クロムから選択される少なくとも１種類の金属を用いれば良く、厚さは、０．５μｍ〜３５μｍ程度とする。パターン形成は金属層をエッチングしても良く、或いは、レーザ加工でも良く、さらには、メッキ法で形成しても良い。このエレクトレット材料を用いた製造プロセスは１００℃以下で行うことが望ましく、接着工程においては、ホットメルト接着剤もしくはホットメルト接着シートを用いることが望ましい。

次に、図３を参照して、本発明の実施の形態の作用効果を説明する。図３は、本発明の実施の形態の作用効果の説明図であり、図３（ａ）は従来のポリマエレクトレットの説明図であり、左図は上面図であり、右図は断面図である。また、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態のポリマエレクトレットの説明図であり、左図は上面図であり、右図は断面図である。図３（ａ）に示すように、従来のポリマエレクトレットの平面積をＳ、ポリマフィルム３の厚さをｔ、印加される圧力をＰ、容量をＣとする。
この時、発生する電圧Ｖは、分極率をσ、圧電率をｇ、真空の誘電率をε_０、ポリマフィルムの比誘電率をεとすると、
Ｖ＝σ／Ｃ
＝ｇ×Ｐ×Ｓ／Ｃ
＝ｇ×Ｐ×ｔ／（ε_０×ε）
となる。なお、Ｃ＝（Ｓ／ｔ）×ε_０×εである。

図３（ｂ）は、本発明の実施の形態のポリマエレクトレットの説明図であり、初期分極方向が互いに逆で平面積がＳ_１の第１のエレクトレット要素３と平面積がＳ_２の第２のエレクトレット要素４を絶縁要素５を介して近接配置し、電極８により電気的に直列接続している。この時、両側の電極９の間に表れる電圧Ｖ′は、ポリマフィルム３の厚さをｔ、印加される圧力をＰ、容量をＣ_１及びＣ_２、分極率をσ、圧電率をｇ、真空の誘電率をε_０、ポリマフィルムの比誘電率をεとすると、
Ｖ′＝Ｖ_１＋Ｖ_２
＝σ_１／Ｃ_１＋σ_２／Ｃ_２
＝ｇ×Ｐ×Ｓ_１／Ｃ_１＋ｇ×Ｐ×Ｓ_２／Ｃ_２
＝ｇ×Ｐ×ｔ／（ε_０×ε）＋ｇ×Ｐ×ｔ／（ε_０×ε）
＝Ｖ＋Ｖ＝２Ｖ
となる。

したがって、従来のポリマエレクトレットの２倍の出力を得ることができる。エレクトレット要素の数をｎにして、それらを電気的に直列接続するとｎ倍のｎＶの出力を得ることができる。

本発明の実施の形態においては、互いに分極方向が逆の第１のエレクトレット要素３と第２のエレクトレット要素４を交互に電気的に直列接続しているので、接続数に応じた倍数の出力電圧を得ることができる微小な圧力センサを実現することができる。なお、表面側の電極８を覆うように絶縁性保護膜を設け、その上に導電体膜を設けて帯電を防止するようにしても良い。

次に、図４乃至図７を参照して、本発明の実施例１のフィルム型圧力センサを説明する。図４は、本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの要部断面図である。空洞２２を有する厚さが１００μｍのポリプロピレンからなるポリマフィルム２１に第１の方向に初期分極された直径が５００μｍのエレクトレットエリア２７と、第１の方向と逆方向に初期分極された直径が５００μｍのエレクトレットエリア２８とを形成する。このエレクトレットエリア２７とエレクトレットエリア２８との間に、エレクトレットエリア２７とエレクトレットエリア２８との間の内部放電を防ぐために、１０μｍ〜１００μｍの幅の中性エリア２９を設ける。なお、ここでは、中性エリアの幅を５０μｍとする。

このポリマフィルム２１の表裏の表面に密着層３１を形成した後、表面側には絶縁性接着剤３２によって接続電極３４を貼り付け、裏面側には絶縁性接着剤３２によって一対の端子電極３５を貼り付ける。この構造によって２つのエレクトレットエリア２７,２８を電気的に直列接続したポリマエレクトレットが得られる。

次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施例１のフィルム型圧力センサの製造工程を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、厚さが１００μｍのポリプロピレンからなるポリマフィルム２１を用意する。次いで、図５（ｂ）に示すように、ポリマフィルム２１に対して二軸延伸を行って、ポリマフィルム２１の内部に複数の空洞２２を形成する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、直径が５００μｍの開口部を有する一対のテフロン製のマスク２３，２４により、開口部が一致するようにしてポリマフィルム２１を挟み込む。この状態で放電電極を用いてコロナ放電を行う。ここでは、２０ｋＶの電圧を５秒間印加して正極性コロナ１７及び負極性コロナ１８を発生させて開口部に露出するポリマフィルム２１に含まれる空洞に電荷を注入してエレクトレットエリア２７を形成する。

次いで、図６（ｄ）に示すように、放電電極を次の開口部に移動させるとともに、印加する電圧の極性を反対にして放電を行う。この時、正極性コロナ１７と負極性コロナ１８の照射方向が反対になるので、初期分極方向がエレクトレットエリア２７とは反対のレクトレットエリア２８が形成される。

次いで、図６（ｅ）に示すように、放電電極を次の開口部に移動させるとともに、印加する電圧の極性を反対にして放電を行う。この時、正極性コロナ１７と負極性コロナ１８の照射方向が反対になるので、初期分極方向がエレクトレットエリア２８とは反対のレクトレットエリア２７が形成される。

このような放電工程を順次繰り返すことで、図６（ｆ）に示すように、エレクトレットエリア２７と分極方向が反対のエレクトレットエリア２８が交互に配置されたポリマフィルム２１が得られる。

次いで、図７（ｇ）に示すように、一対のマスク１１，１２を外した後、Ｎ_２ガスを用いたプラズマによって、プラズマ処理することによって、厚さが数分子層程度の密着層３１を形成する。

次いで、図７（ｈ）に示すように、ポリオレフィン系の絶縁性接着剤３２を用いてポリマフィルム２１の表裏面に金属フォイル３３を貼り付ける。ここでは、金属フォイル３３としてＣｕフォイルを用いる。次いで、図７（ｉ）に示すように、金属フォイル３３をエッチングして、表面側には接続電極３４を形成し、裏面側には一対の端子電極３５を形成する。なお、ここでは、３対のセンサ単位が形成された例として示しているが、図１２に示したような脈診センサを形成するためには、５対〜１０対のセンサ単位を形成すれば良い。

次いで、図７（ｊ）に示すように、表面側の接続電極３４をポリオレフィン系、ポリエステル系或いはアクリル系の材料からなる絶縁性保護膜３６で覆ったのち、導電体膜３７で覆って帯電を防止する。なお、ここでは、絶縁性保護膜３６としては、ポリオレフィン系の材料を用い、導電体膜としてはＣｕを用いる。

このように、本発明の実施例１においては、マスクを用いたコロナ放電によりエレクトレットエリア２７，２８を形成しているので、感度の高い微小な圧力センサを実現することができる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例２の圧力センシング装置の概念的構成を説明する。図８は、本発明の実施例２の圧力センシング装置の説明図であり、図８（ａ）は、全体構成図であり、図８（ｂ）は、フィルム型圧力センサの固定状態を示す断面図である。ここでは、上記の実施例１のフィルム型圧力センサ２０を用いた圧力センシング装置として説明する。

図８（ａ）に示すように、本発明の実施例２の圧力センシング装置は、フィルム型圧力センサ２０を小型の配線基板４０に実装したのち、配線基板４０をより大型の配線基板５０に実装する。また、フィルム型圧力センサ２０の端部は配線基板５０に設けたセンサ固定用溝５１に挿入して固定する。フィルム型圧力センサ２０からの検出電圧は、配線基板４０、配線基板５０及びフレキシブルケーブル６１を介してコネクタ６２から取り出される。

図８（ｂ）に示すように、フィルム型圧力センサ２０は配線基板４０に実装されて、端子電極３５と内部配線４１とが電気的に接続される。この時、端子電極３５がフィルム型圧力センサ２０の裏面側に配置されているので、実装が容易になる。この配線基板４０をさらに配線基板５０上に実装して内部配線４１と内部配線５２とを電気的に接続する。

この時、フィルム型圧力センサ２０の端部を配線基板５０に設けたセンサ固定用溝５１に挿入して固定ヒート５３により固定する。また、センサ固定用溝５１において、フィルム型圧力センサ２０の最表面に設けた導電体層３７に配線基板５０に設けた接地配線５４を接触させて帯電を防止する。

このように、本発明の実施例２においては、配線基板５０に設けたセンサ固定用溝５１を用いてフィルム型圧力センサを固定しているので、安定した固定が可能になる。また、センサ固定用溝５１を用いて導電体層３７と配線基板５０とを接触させているので、簡単な構造により帯電を防止して精度の高い検出出力を得ることができる。また、微細なサイズのセンサ単位を形成しているので、ポリマエレクトレットを用いて従来の脈診センサと同等以上の感度を有する脈診センサを実現することができる。なお、構造を簡単にするのであれば、センサ固定用溝による固定をやめて、一つの配線基板のみを用いるようにしても良い。

次に、図９を参照して、本発明の実施例３のフィルム型圧力センサを説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、センサ単位のみを説明する。図９は、本発明の実施例３のフィルム型圧力センサの説明図であり、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ-Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。

図９（ａ）に示すように、対角位置に配置されたエレクトレットエリア２７_１，２７_２，２８_１，２８_２の初期分極方向が同じになり、隣接するエレクトレットエリア２７_１，２７_２，２８_１，２８_２の初期分極方向が互いに反対になるようにマトリクス状に配置する。次いで、接続電極３４により、隣接するエレクトレットエリア２７_１，２７_２，２８_１，２８_２を交互に接続して電気的に直列接続構造とし、両端のエレクトレットエリア２７_１，２８_２に端子電極３５を設ける。

この場合の出力電圧は、図３で示した原理と同様の原理により、４つのエレクトレットエリア２７_１，２７_２，２８_１，２８_２からの出力の和になるので４Ｖの出力が得られる。このエレクトレットエリアの数を増やすほど高い電圧が得られるので。一個一個のエレクトレットエリアの感度は低くてもフィルム型圧力センサとしては高い感度が得られる。

次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例４のフィルム型圧力センサを説明する。図１０は、本発明の実施例４のフィルム型圧力センサの要部断面図である。空洞７２を有する厚さが１００μｍのポリプロピレンからなるポリマフィルム７１に第１の方向に初期分極された５００μｍ角のエレクトレット要素７６_１と、第１の方向と逆方向に初期分極された５００μｍ角のエレクトレット要素７６_２とを用意する。このエレクトレット要素エ７６_１とエレクトレット要素７６_２とを絶縁性接着剤７７で接続する。この場合の絶縁性接着剤７７の比抵抗は１×１０^１５Ωｃｍ以上とし、比誘電率はポリマフィルム７１の比誘電率以下とする。

このポリマフィルム７１の表面側には絶縁樹脂層７８によって接続電極７９を貼り付け、裏面側には絶縁樹脂層性７８によって一対の端子電極８０を貼り付ける。この構造によって２つのエレクトレット要素７６_１，７６_２を電気的に直列接続したポリマエレクトレットが得られる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例４のフィルム型圧力センサの製造工程を説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、厚さが１００μｍのポリプロピレンからなるポリマフィルム７１を用意して、ポリマフィルム７１に対して二軸延伸を行って、ポリマフィルム７１の内部に複数の空洞７２を形成する。次いで、放電電極を用いてコロナ放電を発生させて一括して電荷を注入する。ここでは、図における上側を正極性コロナ７３とし、下側を負極性コロナ７４としている。したがって、図１１（ｂ）に示すように、図３のエレクトレットエリア２７と同じ初期分極特性を有するエレクトレットが得られる。

次いで、このエレクトレット７５を５００μ角のサイズのエレクトレット要素７６_１に分割する。この時、エレクトレット要素７６_１の半数を右図に示すように上下を反転させることによって、図３のエレクトレット要素２８と同じ初期分極特性を有するエレクトレット要素７６_２となる。

次いで、このエレクトレット要素エ７６_１とエレクトレット要素７６_２とを絶縁性接着剤７７で接続する。次いで、ポリマフィルム７１の表裏面に絶縁樹脂層７８によって金属フォイルを貼り付け、エッチングによって、表面側には接続電極７９を形成し、裏面側には一対の端子電極８０を形成する。

このように、本発明の実施例４においては、一括して電荷を注入しているので、電荷注入工程を短時間で行うことが可能になる。また、高比抵抗の絶縁性接着剤７７で接合しているので、絶縁要素としてポリマフィルムの中性エリアを用い場合に比べてエレクトレット要素間の間隔を狭くすることができるので、より小型化が可能になる。

ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により第１の方向に初期分極された第１のエレクトレット要素と、ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により前記第１の方向と逆方向に初期分極された第２のエレクトレット要素と、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを電気的に分離する絶縁要素と、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを初期分極方向が交互に逆になるように直列接続する電極とを有することを特徴とするフィルム型圧力センサ。
（付記２）前記第１のエレクトレット要素、前記第２のエレクトレット要素及び前記絶縁要素の表面及び裏面と、前記電極との間に絶縁樹脂層を有することを特徴とする付記１に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記３）前記絶縁樹脂層の比抵抗は、前記ポリマフィルムの比抵抗より大きく、且つ、前記絶縁樹脂層の比誘電率が、前記ポリマフィルムの比誘電率より小さいことを特徴とする付記２に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記４）前記電極が、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素の表面側に設けられた接続電極と、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素の裏面側に設けられた引出電極とを有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記５）前記第１のエレクトレット要素及び前記第２のエレクトレット要素の表面及び裏面に密着層を有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記６）前記絶縁要素が、初期分極が中性の前記ポリマフィルムであることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記７）前記絶縁要素が、前記ポリマフィルムより比抵抗が大きく且つ比誘電率が小さな絶縁膜である特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサ。
（付記８）付記１乃至付記７のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサと、前記フィルム型圧力センサを固定するとともに、前記引出電極と接続する電極端子及び内部配線を有する配線基板と前記配線基板からの出力を取り出すコネクタ部と、前記コネクタ部と前記配線基板とを接続するフレキシブルケーブルとを有することを特徴とする圧力センシング装置。
（付記９）付記１乃至付記６のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサと、前記フィルム型圧力センサを固定するとともに、前記引出電極と接続する電極端子及び内部配線を有する第１の配線基板と前記第１の配線基板を支持固定し、前記第１の配線基板より平面積が大きな第２の配線基板と、前記第２の配線基板からの出力を取り出すコネクタ部と、前記コネクタ部と前記第２の配線基板とを接続するフレキシブルケーブルとを有し、前記フィルム型圧力センサの前記ポリマフィルムの両端の延在部が、前記第２の配線基板に設けた固定用溝に挿入されていることを特徴とする圧力センシング装置。
（付記１０）ポリマフィルム中に複数の空洞部を形成する工程と、前記ポリマフィルムの空洞部に所定のピッチで電荷を注入して初期分極したエレクトレット要素を形成する工程と、前記所定のピッチで形成したエレクトレット要素を、互いの初期分極方向が逆になるように電極を形成して直列接続する工程とを有することを特徴とするフィルム型圧力センサの製造方法。
（付記１１）前記ポリマフィルムの空洞部に所定のピッチで電荷を注入して初期分極したエレクトレット要素を形成する工程が、前記ポリマフィルムの表面及び裏面を開口部を有する一対のマスクにより、前記開口部が揃うように挟んだ状態で、前記開口部毎に電荷の注入方向を交互に逆方向にして電荷を直接に注入する工程であることを特徴とする付記９に記載のフィルム型圧力センサの製造方法。
（付記１２）前記開口部毎に電荷の注入方向を交互に逆方向にして電荷を直接に注入する工程が、一対の電極を備えた放電電極を前記開口部毎に相対的に移動させながら、印加電圧の極性を反転させて放電する工程であることを特徴とする付記１１に記載のフィルム型圧力センサの製造方法。
（付記１３）前記電極を形成する工程が、絶縁樹脂層によって金属フォイルを貼り付け端のち、前記金属フォイルをパターン加工して前記電極を形成する工程であることを特徴とする付記１１または付記１２に記載のフィルム型圧力センサの製造方法。
（付記１４）前記電極を形成する工程の前に、前記ポリマフィルムの表面をプラズマ処理して密着層を形成する工程を有することを特徴とする付記１０乃至付記１３のいずれか１に記載のフィルム型圧力センサの製造方法。
（付記１５）ポリマフィルム中に複数の空洞部を形成する工程と、前記ポリマフィルムの空洞部に電荷を一括注入して初期分極したエレクトレットフィルムを形成する工程と、前記初期分極したエレクトレットフィルムを分割してエレクトレット要素を形成する工程と、複数の前記エレクトレット要素を、互いの初期分極方向が逆になるように絶縁性接着剤で接着する工程と、前記接着したエレクトレット要素を、互いの初期分極方向が逆になるように直列接続する電極を形成する工程とを有することを特徴とするフィルム型圧力センサの製造方法。

１ポリマフィルム
２空洞部
３第１のエレクトレット要素
４第２のエレクトレット要素
５絶縁要素
６密着層
７絶縁樹脂層
８電極
９電極
１１，１２マスク
１３，１４放電電極
１５電源
１６切り替えスイッチ
１７正極性コロナ
１８負極性コロナ
２０フィルム型圧力センサ
２１ポリマフィルム
２２空洞
２３，２４マスク
２５正極性コロナ
２６負極性コロナ
２７，２７_１，２７_２，２８、２８_１，２８_２エレクトレットエリア
２９中性エリア
３０プラズマ
３１密着層
３２絶縁性接着剤
３３金属フォイル
３４接続電極
３５端子電極
３６絶縁性保護膜
３７導電体膜
４０配線基板
４１内部配線
５０配線基板
５１センサ固定用溝
５２内部配線
５３固定シート
５４設置配線
６１フレキシブルケーブル
６２コネクタ
７０ポリマフィルム
７２空洞部
７３正極性コロナ
７４負極性コロナ
７５エレクトレット
７６_１，７６_２エレクトレット要素
７７絶縁性接着剤
７８絶縁樹脂層
７９接続電極
８０端子電極
８１筐体
８２脈診センサ
８３センシングエリア
８４単位脈診センサ
８５接触部
８６ビーム部
８７歪センサ
１０１圧電体層
１０２第１分極領域
１０３第２分極領域
１０４共通電極
１０５端子電極
１１０ポリマフィルム
１１１空洞部
１１２，１１３電極
１１４出力回路

Claims

ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により第１の方向に初期分極された第１のエレクトレット要素と、
ポリマフィルム中に複数の空洞部を有するとともに、前記空洞部に注入された電荷により前記第１の方向と逆方向に初期分極された第２のエレクトレット要素と、
前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを電気的に分離する絶縁要素と、
前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素とを初期分極方向が交互に逆になるように直列接続する電極と
を有することを特徴とするフィルム型圧力センサ。
前記電極が、前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素の表面側に設けられた接続電極と、
前記第１のエレクトレット要素と前記第２のエレクトレット要素の裏面側に設けられた引出電極と
を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルム型圧力センサ。
前記絶縁要素が、初期分極が中性の前記ポリマフィルムであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフィルム型圧力センサ。
前記絶縁要素が、前記ポリマフィルムより比抵抗が大きく且つ比誘電率が小さな絶縁膜である特徴とする請求項１または請求項２に記載のフィルム型圧力センサ。
ポリマフィルム中に複数の空洞部を形成する工程と、
前記ポリマフィルムの空洞部に所定のピッチで電荷を注入して初期分極したエレクトレット要素を形成する工程と、
前記所定のピッチで形成したエレクトレット要素を、互いの初期分極方向が逆になるように電極を形成して直列接続する工程と
を有することを特徴とするフィルム型圧力センサの製造方法。