JP7128506B2 - 圧力センサ - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 １．発行日：平成２９年１２月１１日 刊行物：国際学会Ｂｉｏ４Ａｐｐｓ ２．発表日：平成２９年１２月１１日（開催期間 平成２９年１２月１１日～１３日） 集会名：Ｂｉｏ４Ａｐｐｓ ２０１７ ３．発行日：平成２９年１０月２４日 刊行物：平成２９年電気学会センサ・マイクロマシン部門大会 第３４回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集 ４．発表日：平成２９年１０月３１日（開催期間 平成２９年１０月３１日～１１月０２日） 集会名：第３４回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム ５．公開日：平成２９年１１月１８日 公開場所：学会事務局Ｓｈｉｒｌｅｙ Ｇａｌｌｏｗａｙ氏から発表者へ配信されたメール媒体 内容：国際学会ＭＥＭＳ２０１８のＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｇｒａｍにおけるアブストラクト（発表者のチェック用） ６．ウェブサイトからダウンロードした日：平成２９年１１月２９日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｍｓ２０１８．ｏｒｇ／ｐｒｏｇｒａｍ／ＭＥＭＳ２０１８＿ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙＰｒｏｇｒａｍ．ｐｄｆ 内容：国際学会ＭＥＭＳ２０１８のＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｇｒａｍにおけるアブストラクト ７．ウェブ掲載日：平成３０年１月１１日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｍｓ２０１８．ｏｒｇ／ｐｒｏｇｒａｍ／ＭＥＭＳ２０１８＿ＦｉｎａｌＰｒｏｇｒａｍ．ｐｄｆ 内容：国際学会ＭＥＭＳ２０１８のＦｉｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｒｏｇｒａｍにおけるアブストラクト ８．発表日：平成３０年１月２２日 集会名：国際学会ＭＥＭＳ２０１８における口頭発表

本発明は、圧力センサに関する。

近年、センサの活用シーンは飛躍的に広がり、平面のみならず様々な曲率の曲面にもセンサを固定する場面が増えている。このため、フレキシブルな配線やセンサ素子の研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１）。
特に、フレキシブルなセンサ素子に注目すると、ＣＮＴなどの材料を混ぜ込んだ導電性ポリマーのピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサなどが研究開発されている（例えば、非特許文献２）。

特開２０１７－０９６８６３号公報 特開２０１７－０５０３５５号公報

J. van den Brand, M. de Kok, M. Koetse, M. Cauwe, R. Verplancke, F. Bossuyt, et al., "Flexible and stretchable electronics for wearable health devices," Solid-State Electronics, 2015, vol. 113, pp. 116-120 M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K. Kuribara, T. Tokuhara, et al., "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics" Nature, 2013, vol. 499, pp. 458-463

しかし、導電性ポリマーを用いた圧力センサは、シリコンをベースとした半導体センサよりも、センサの感度が劣るという問題があった。また、フレキシブルな圧力センサを、曲面上に固定すると、曲面に追従するために曲げが生じる。このようにして生じた曲げ由来の歪みは、圧力由来の歪みと合成されて検出される。このため、圧力センサの感度が悪化するおそれがあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。フレキシブルで感度が高い圧力センサの提供を課題とする。

すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の態様の圧力センサを提供する。

（１）本発明の一態様にかかる圧力センサは、フレキシブル基板と、上記フレキシブル基板上に形成された弾性層と、上記弾性層上に形成された第１歪検出膜とを備える。

（２）上記（１）の圧力センサにおいて、前記弾性層は、弾性材料からなる層または気体あるいは液体が封入された層でもよい。

（３）上記（１）または（２）の圧力センサは、上記フレキシブル基板上に、第２歪検出膜を有する歪みセンサをさらに備えてもよい。

（４）上記（１）～（３）のいずれかの圧力センサにおいて、上記第２歪検出膜は、上記フレキシブル基板と上記弾性層との間に配置されてもよい。

（５）上記（１）～（４）のいずれかの圧力センサにおいて、上記第２歪検出膜は、上記弾性層および上記第１歪検出膜の積層体に隣接して配置されてもよい。

（６）上記（５）の圧力センサは、上記フレキシブル基板と上記第２歪検出膜との間に支持層をさらに備え、上記支持層が、その表面の一部に上記第２歪検出膜の下面の一部に接触する突起部を有し、その第２歪検出膜が上記圧力センサに印可されたせん断力を検出可能であってもよい。

（７）上記（３）～（６）のいずれかの圧力センサは、複数の上記歪みセンサからなる第１歪みセンサ群を備え、上記第１歪みセンサ群の上記複数の歪みセンサは、各々が有する歪み検出方位が、互いに直交するように配置されてもよい。

（８）上記（７）の圧力センサは、上記第１歪みセンサ群と、複数の前記歪みセンサからなる第２歪みセンサ群とを備え、上記第１歪みセンサ群の歪みセンサに、上記第２歪みセンサ群の歪みセンサが重なるようにして配置されてもよい。

（９）上記（８）の圧力センサにおいて、上記第１歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位と、上記第２歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位とが、互いに４５°をなす方向に配置されてもよい。

（１０）上記（１）～（９）のいずれかの圧力センサは、複数の上記第１歪検出膜を備え、上記第１歪検出膜が有する検出方位が互いに直交するように配置されてもよい。

（１１）上記（１）～（１０）のいずれかの圧力センサは、上記弾性層の一側に、上記弾性層とヤング率の異なる、上記第１歪検出膜を支持する他の支持層をさらに備え、その第１歪検出膜が片持ち梁構造を有してもよい。

本発明の圧力センサによれば、フレキシブルであるため、曲面上に固定することができ、さらに、高い感度で圧力を測定することができる。

第１実施形態の圧力センサを示した断面概略図である。（ａ）は、弾性層と離すようにして、第２歪検出膜を配置した場合、（ｂ）は、フレキシブル基板と弾性層との間に、第２歪検出膜を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。 本実施形態の圧力センサの断面概略図の要部を拡大した図である。（ａ）は圧力が印加されていない状態、（ｂ）は圧力が印加された状態を示す。 圧力を検出することができる箇所について要部を示した、圧力センサの断面概略図である。（ａ）は保護層に圧力が加えられた場合を示す。（ｂ）はフレキシブル基板に圧力が加えられた場合を示す。 圧力センサの中立軸が第１歪検出膜を通過するようにして、第１歪検出膜を配置した圧力センサの断面概略図である。 複数個の第１歪検出膜を備えた圧力センサの上面からの平面模式図である。 弾性層とは離すようにして、歪みセンサを配置した圧力センサが、曲面に固定された場合に、圧力に応答する模様を示した断面概略図である。 複数の歪みセンサが配置された圧力センサの上面からの平面模式図である。 （ａ）は第２実施形態の圧力センサについて示した断面概略図である。（ｂ）はせん断力検出部の上面からの平面模式図である。 （ａ）は第２実施形態の圧力センサについて、圧力が加えられた際の変形について示した平面模式図である。（ｂ）は第２実施形態の圧力センサについて、せん断力が加えられた際の変形について示した平面模式図である。 せん断力検出部が備える第２歪検出膜支持層６１の様々な好適な例を示した断面概略図である。 実施例１の圧力センサを作製したフローを示す断面概略図である。 実施例１に用いた、ポリイミド板に銅電極が形成されたフレキシブル基板を撮影した写真である。 実施例１において、シリコーンゴムによる弾性層をフレキシブル基板上に作製した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。 実施例１において、シリコンピエゾ抵抗素子を弾性層上に転写した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。 実施例１において、シリコンピエゾ抵抗素子を、露出したフレキシブル基板に直接転写した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。 実施例１において、導電性接着剤を用いてフレキシブル基板上の電極とシリコンピエゾ抵抗素子を結線した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。 実施例１において作製した圧力センサを指で曲げた際の写真である。 実施例１で用いられた、シリコンピエゾ抵抗素子を撮影した写真である。 実施例１の圧力センサを平面及び曲面上に固定し、圧力負荷試験を行うことで、圧力に対する抵抗変化率を計測した結果を示すグラフである。 平面上に固定した場合の、圧力センサの表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を示すグラフである。 曲面上に固定した場合の、圧力センサの表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を示すグラフである。

以下、本発明の圧力センサについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。さらに、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１～６を参照して、第１実施形態の圧力センサについて説明する。

図１は、本実施形態の圧力センサについて断面概略図を示したものである。図１（ａ）は、弾性層２０と離すようにして、第２歪検出膜４０を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。図１（ｂ）は、フレキシブル基板１０と弾性層２０との間に、第２歪検出膜４０を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。
図２は、本実施形態の圧力センサの断面概略図の要部を拡大したものである。図２（ａ）は圧力が印加されていない状態、図２（ｂ）は圧力が印加された状態を示す。

第１実施形態の圧力センサ１００は、フレキシブル基板１０と、弾性層２０と、第１歪検出膜３０と、第２歪検出膜４０と、保護層５０と、第１電極Ｅａ１と、第２電極Ｅｂ１とを備える。フレキシブル基板１０と第１歪検出膜３０との間に弾性層２０が設けられている。第１電極Ｅａ１は第１歪検出膜３０に、電気的に接続されている。また、第２電極Ｅｂ１は第２歪検出膜４０に、電気的に接続されている。

センサ表面に圧力が印可された場合、弾性層２０と保護層５０とのヤング率の違いによって、これらの間に配置された第１歪検出膜３０がフレキシブル基板１０の方向へ、凸形状に変形する（図２（ｂ））。これにより第１歪検出膜３０に歪み（長さの変化）が生じる。後述するように、第１歪検出膜３０は、内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として変換する。これらを計測（測定）することで、圧力センサ１００の表面に加えられた圧力を検出（測定）することができる。

フレキシブル基板１０は可撓性を有する基板である。例えば、プラスチック基板、紙、布、ガラス薄膜、シリコン薄膜などをその範疇に含む。フレキシブル基板１０の材料には、プラスチックとして、例えば、極性基のついたポリノルボルネン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミドなどを用いることができる。ガラス薄膜、またはシリコン薄膜の厚さは５０μｍ以下であることが好ましい。フレキシブル基板として、実用上十分な可撓性を有することができる。

弾性層２０は弾性を有する層である。弾性層２０は、例えば弾性材料からなる層を用いることができる。弾性材料として、公知の材料を用いることができる。例えば、シリコーンゴム、弾性プラスチックなどが挙げられる。シリコーンゴムは二液混合式の材料で主剤と硬化剤の混合比でヤング率を調整可能なため、弾性層２０の材料に好ましく用いることができる。
また、弾性層２０に、気体あるいは液体が封入された層を用いることができる。気体として、例えば、空気、窒素、アルゴンを用いることができる。窒素およびアルゴンは材料の酸化を防ぐため、弾性層２０に封入する材料として、好ましく用いることができる。また液体として、水、シリコンオイル、イオン液体などが挙げられる。シリコンオイルやイオン液体は蒸気圧が低く、真空中でも蒸発せずに液体として保持される。このため、真空雰囲気かで行われることが多い半導体プロセスと相性が良い。よって、弾性層２０に封入する材料として、弾性層２０に好ましく用いることができる。

弾性層２０の層の厚さが、後述する第１歪検出膜３０の長さの５％以上、２０％以下であると好ましい。弾性層２０の層の厚さが第１歪検出膜３０の長さの５％以上であると、第１歪検出膜３０に圧力がかかった際に、フレキシブル基板１０の方向へ歪む範囲が大きくなる。よって、より良好な感度で圧力を検出することができる。また、弾性層２０の層の厚さが第１歪検出膜３０の長さの２０％以下であると、フレキシブル基板の歪み量と第１歪検出膜３０の歪みとが、実用上十分な程度に同等であるとみなすことができる。このため、歪み量の補正を精度よく行うことができる。よって、より良好な感度で圧力を検出することができる。

歪検出膜とは、内部に発生した歪みにより、電気的な性質が変化する材料からなる膜を指す。これにより、圧力やせん断力などの外部から加えられた力を電気的な信号として検出することができる。

例えば、ピエゾ抵抗特性を有する材料を、ピエゾ抵抗膜として、第１歪検出膜３０及び第２歪検出膜４０に用いることができる。歪みにより変化した抵抗値を測定することにより、外部から加えられた力を検出することができる。ピエゾ抵抗特性を有する公知の材料を歪検出膜に用いることができる。シリコンからなるピエゾ抵抗膜は静的な歪みに対して感度が高いため、好ましく用いることができる。シリコンピエゾ抵抗素子としては、例えばｐ型シリコンにＰ（リン）またはＡｓ（ヒ素）をイオン注入したものを好ましく用いることができる。銅やニッケル系合金などを用いた歪みゲージではゲージ率が２程度であるのに比べ、５０～１００程度の非常に高いゲージ率が得られるため好ましい。また例えば、圧電性を有する材料を、圧電膜として、第１歪検出膜３０及び第２歪検出膜４０に用いることができる。これにより動的な歪みを好適に測定することができる。また、歪みにより生じた起電力を測定することにより、外部から加えられた力を検出することができる。圧電性を有する公知の材料を歪検出膜に用いることができる。例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を好適に用いることができる。

第１歪検出膜は、膜厚が５０μｍ以下であると好ましい。膜厚が５０μｍより大きいと、歪み検出膜が曲げにより破断するおそれが生じる。

弾性層２０の上に、第１歪検出膜３０が配置されている。これにより、センサ表面に圧力が印可された場合、弾性層２０と保護膜５０とのヤング率の違いによって、これらの間に配置された第１歪検出膜３０がフレキシブル基板１０の方向へ、凸形状に変形する（図２（ｂ））。これにより第１歪検出膜３０に歪み（長さの変化）が生じる。第１歪検出膜３０は、内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として変換する。例えば、第１歪検出膜３０がピエゾ抵抗膜である場合は、歪みは抵抗変化に変換される。また例えば、第１歪検出膜３０が圧電膜の場合は、歪みは起電力に変換される。これらを計測（測定）することで、圧力センサ１００の表面に加えられた圧力を検出（測定）することができる。

第２歪検出膜４０は、フレキシブル基板１０上に配置される。これにより第２歪検出膜４０（歪みセンサ）は、圧力センサ１００に生じた曲げ由来の歪みを、圧力由来の歪みと峻別して、検出することができる。また、第２歪検出膜４０（歪みセンサ）は、圧力センサ１００に生じた曲げ由来の歪みを用いて、第１歪検出膜３０が検出した圧力を補正することができる。これにより、圧力センサ１００はより良い精度で圧力を検出することができる。

第２歪検出膜４０（歪みセンサ）を、例えば、弾性層２０と離すようにして配置することができる（図１（ａ））。これにより、フレキシブル基板１０と第１歪検出膜３０との間の距離を、フレキシブル基板１０と弾性層２０との間に第２歪検出膜４０を配置する場合よりも、小さくすることができる。よって、フレキシブル基板１０が曲げによって歪んだ際に生じる、第１歪検出膜３０の歪み量とフレキシブル基板１０の歪み量とがより近いものとなる。このため、圧力センサ１００に生じた曲げ由来の歪みを、歪みセンサによって圧力由来の歪みから補正する場合において、圧力の検出精度の悪化を防ぐことができる。

また例えば、フレキシブル基板１０と弾性層２０との間に、第２歪検出膜４０を配置することもできる（図１（ｂ））。これにより、フレキシブル基板１０上に、第１歪検出膜３０と、第２歪検出膜４０とを重ね合わすことができる。よって、単位面積当たりの第１歪検出膜３０および第２歪検出膜４０の数を大きくすることができる。従って、圧力を検出する範囲を細密化することができる。

図３に圧力を検出することができる箇所を示した、圧力センサ１００の断面概略図を示す。なお図３は圧力センサ１００の要部を示す。（ａ）は保護層５０に圧力が加えられた場合を示す。（ｂ）はフレキシブル基板１０に圧力が加えられた場合を示す。例えば、外部から保護層５０に加えられた圧力を好適に検出することができる（図３（ａ））。また例えば、外部からフレキシブル基板１０に加えられた圧力も好適に検出することができる（図３（ｂ））。

フレキシブルな部材を曲げるように力を加えた場合、圧縮応力が生じる箇所と、引張応力が生じる箇所と、および圧縮応力と引張応力が釣り合うことで歪みが生じない箇所（中立軸）とが存在する。圧力センサ１００の中立軸が、圧力センサ１００が備える素子や配線を通過するように配置することが好ましい。例えば、圧力センサ１００の中立軸が第１歪検出膜３０を通過するようにして、第１歪検出膜３０を配置することができる。これにより、第１歪検出膜３０に発生する応力を減少することができる（図４）。よって、第１歪検出膜３０に破断やクラックが生じることを抑制することができる。ここでは、第１歪検出膜３０を例として挙げたが、その他の素子、電極、配線等を、圧力センサ１００の中立軸に配置することもできる。

圧力センサ１００に、複数個の第１歪検出膜３０を好ましく備えることができる。圧力センサに第１歪検出膜３０が配置される範囲を拡大することができ、圧力を検出する範囲を広げることが出来る。また、配置される第１歪検出膜３０の数を、圧力センサの単位面積に対して大きくすることにより、圧力を検出する範囲を細密化することができる。
また、第１歪検出膜３０の方位を様々にとって配置することができる。例えば、図５に示すように、長方形を有する第１歪検出膜３０について、その長辺方向を垂直に交差するように、複数個配置してもよい。

図６（ａ）～（ｃ）は、弾性層２０とは離すようにして、歪みセンサを配置した圧力センサ１００が、曲面に固定された場合に、圧力に応答する模様を示した断面概略図である。第１歪検出膜３０から得られた歪みに対して、第２歪検出膜４０から得られた曲げ由来の歪みを補償することにより、圧力センサ１００に加えられた圧力の検出精度を上げることができる。

第２歪検出膜４０の膜厚は５０μｍ以下であると、好ましい。膜厚が５０μｍより大きいと、歪み検出膜が曲げにより破断するおそれが生じる。

保護層５０には、フレキシブル性（可撓性）を有する材料を好ましく用いることができる。例えば、プラスチック基板、紙、布などをその範疇に含む。フレキシブル基板１０の材料には、プラスチックとして、例えば、極性基のついたポリノルボルネン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミドなどを用いることができる。保護層５０には、公知のフレキシブル性（可撓性）を有する材料を用いることができる。
保護層５０の材料のヤング率が、弾性層２０の材料よりも高いことが好ましい。また、保護層５０と弾性層２０との間の硬軟（ヤング率）の差が大きいほど、第１歪み検出膜の圧力に対する歪み量が大きくなるため、圧力センサの感度が高くすることができる。

保護層５０の厚さは、第１歪検出膜３０の長さの１０倍以下であると好ましい。厚さが第１歪検出膜３０の膜厚の１０倍以下であると、圧力センサ１００に印加された圧力の分散を抑制し、第１歪検出膜３０に圧力を十分に伝えることができる。このため、歪の検出精度が向上できる。

保護層５０をフレキシブル基板の片側の面に設けることができる（図１）。また、フレキシブル基板の両面に設けることもできる。

複数個の第１電極Ｅａ１が、１個の第１歪検出膜３０に電気的に接続するように形成されている。これにより、第１歪検出膜３０を回路に組み込むことができる。また、複数個の第１電極Ｅａ１の各々を、外部の信号処理装置に電気的に接続することができる。これにより、外部の信号処理装置にて、第１歪検出膜３０から発生した信号を処理することができる。
第１電極Ｅａ１は導電性を有する材料からなるものであればよい。公知の導電性を有する材料を用いることができる。また、第１電極Ｅａ１を作製する方法も公知の方法を用いることができる。例えばストレッチャブル導電性接着剤を塗布することで作製することができる。また、銀ペーストをスクリーン印刷する方法を用いて作製することもできる。

複数個の第２電極Ｅｂ１が、１個の第２歪検出膜４０に電気的に接続するように形成されている。これにより、第２歪検出膜４０を回路に組み込むことが出来る。また、複数個の第２電極Ｅｂ１の各々を、外部の信号処理装置に電気的に接続することができる。これにより、外部の信号処理装置にて、第２歪検出膜４０から発生した信号を処理することができる。

１個の第２歪検出膜４０当たり、第２電極Ｅｂ１が２個接触している場合、歪みセンサ４０は、各々の第２電極Ｅｂ１を結ぶ方向（歪み検出方位）に発生した、曲げ由来の歪みを検出する。このため、歪みセンサ４０は、圧力センサ内の様々な方位に、複数の歪みセンサ４０が配置されることが好ましい。図７は、複数の歪みセンサ４０が配置された圧力センサ１００の一例を示す図である。例えば、図７（ａ）に示すように、歪み検出方位が互いに直交するように、複数の歪みセンサ４０（歪みセンサ群）を配置することができる。この場合、図７（ａ）の上下方向および左右方向に発生した歪みを検出することができる。また、例えば、複数の歪みセンサ群を、各々が備える歪みセンサが上下に重なるようにして配置することができる。図７（ｂ）に、第１歪センサ群の上に第２歪センサ群を、各々が備える歪みセンサの歪み検出方位を一致させて、重ね合わせた場合の模式図を示した。複数の歪みセンサ群の各々が備える、歪み検出方位を、例えば、直交、平行、４５°方向とすることが出来る。また必要に応じて、任意に歪み検出方位を調整することができる。さらに、例えば、図７（ａ）に示した歪みセンサ群と、図７（ｂ）に示した複数重ね合わせた歪みセンサ群を組み合わせることができる（図７（ｃ））。図７（ｃ）に示した歪みセンサ群は、図７（ａ）に示した複数の歪みセンサと、歪みセンサ４０が有する歪み検出方向が互い直交し、かつ上下に重なるように配置した歪みセンサ群とを、互いの歪み検出方向（図７（ａ）の上下方向および左右方向）が４５度回転方向に位置するように、重ね合わせたものである。このような歪センサ群は、曲げ方向に加えて、ねじり方向の歪みを測定することができる。加えて、例えば、図７（ｃ）に示した歪みセンサ群と、第１歪検出膜３０を組み合わせることもできる（図７（ｄ））。これにより、圧力センサ１００は、曲げ方向及びねじれ方向の歪みを補償することができ、より精度よく圧力を検出することができる。図７（ｄ）には、複数の第１歪検出膜３０の方位が互いに直交した場合を示したが、必要に応じて任意に方位を調整することができる。例えば、互いに直交、平行および４５°に回転した方向とすることができる。

（第２実施形態）
図８～１０を参照して、第２実施形態の圧力センサについて説明する。図８（ａ）は、本実施形態の圧力センサについて断面概略図を示したものである。図８（ｂ）は本実施形態の圧力センサが備えるせん断力検出部について、上面からの平面模式図を示したものである。
第２実施形態の圧力センサ１０１は、フレキシブル基板１１と、弾性層２１と、第１歪検出膜３１と、第２歪検出膜４１と、保護層５１と、第２歪検出膜支持層６１と、第１電極Ｅａ２と、第２電極Ｅｂ２とを備える。
フレキシブル基板１１と第１歪検出膜３１との間に、弾性層２１が設けられている。また、弾性層２１、第１歪検出膜３１、およびフレキシブル基板１１により形成される空隙を、保護層５１が充填するようにして、第１歪検出膜３１の一方の側を支持する第１歪検出膜支持層５１ａが設けられている。
フレキシブル基板１１と第２歪検出膜４１との間に、第２歪検出膜支持層６１が設けられている。
第１電極Ｅａ２は第１歪検出膜３１に、電気的に接続されている。また、第２電極Ｅｂ２は第２歪検出膜４１に、電気的に接続されている。

フレキシブル基板１１と第１歪検出膜３１との間に、弾性層２１および第１歪検出膜支持層５１ａの双方を設けることができる。この構成により、第１歪検出膜３１が弾性層２１および第１歪検出膜支持層５１ａに支持されることができる。弾性層２１と第１歪検出膜支持層５１ａとの間に硬軟（ヤング率）の差を設けることにより、第１歪検出膜３１を好適に片持ち梁として用いることができる。この構造を有することにより、第１歪検出膜３１は、圧力センサ１０１に印加された圧力を検出することができる。
第１歪検出膜３１は、硬軟（ヤング率）が異なる弾性層２１と第１歪検出膜支持層５１ａとによって支持されている。このため、圧力によって、軟らかい層によって支持された第１歪検出膜３１の部位が、フレキシブル基板１１の方向へ近づくようにして、第１歪検出膜３１はたわむ。図９（ａ）は、弾性層２１が第１歪検出膜支持層５１ａよりも軟らかい（ヤング率が低い）例として示している。このようにして、第１歪検出膜３１は片持ち梁として機能し、片持ち梁の根元に相当する部位に歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、圧力に由来した歪みを検出することができる。第１歪検出膜３１の内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として計測（測定）することで、圧力センサ１０１の表面に加えられた圧力を検出（測定）することができる。

第２歪検出膜支持層６１はその表面の一部に突起部６１ａを有しており、突起部６１ａが第２歪検出膜４１の下面に接触している。第２歪検出膜４１の端部４１Ａは、突起部６１ａを支点として起き上がった片持ち梁構造を有している。また、複数の第２電極Ｅｂ２は互いの間に、第２歪検出膜の端部４１Ａが組み込まれた回路を構成する様に設けられている。例えば、複数の第２電極Ｅｂ２の間に絶縁層を設けることにより、このような回路を構成できる（図８（ｂ））。これにより、第２歪検出膜４１は圧力センサ１０１に印可されたせん断力を検出することができる。以上の構成を有することによって、第２歪検出膜４１および突起部６１ａは、圧力センサ１０１のせん断力検出部として機能する。

図９（ａ）に示すように、圧力センサ１０１に紙面上から下方に圧力が印可されると弾性層２１が圧縮されて変形する。上述したように、第１歪検出膜３１は、片持ち梁として機能し、その先端が下方に曲がりその根元に歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、圧力に由来した歪みを検出することができる。また、第１歪検出膜３１が発した電気的な信号を、例えば信号処理装置にて処理することにより、圧力を検出することができる。一方、第２歪検出膜４１の全体が下方に移動するので、その内部に歪みが発生するのが抑えられる。このため、第２歪検出膜４１は、圧力センサ１０１に圧力が印加された場合には、実用上十分な程度に応答しない。

図９（ｂ）に示すように、圧力センサ１０１に紙面左方向から右方向にせん断力が印可された場合、第１歪検出膜３１は、全体が水平方向に移動するので、その内部に局所的な歪みが発生するのが抑えられる。このため、第１歪検出膜３１は、圧力センサ１０１にせん断力が印加された場合には、実用上十分な程度に応答しない。
一方、第２歪検出膜４１は、印可されたせん断力によって、その起き上がった先端部が紙面右方向に移動するように変形し、先端部に近づくほど、水平方向の移動量が大きい。このため、第２歪検出膜４１は、先端部に作用した力が突起部６１ａを支点を介して根元付近の部位に作用し歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、外部から加えられたせん断力に由来した歪みを検出することができる。また、第２歪検出膜４１が発した電気的な信号を、例えば信号処理装置にて処理することにより、せん断力を検出することができる。

第２歪検出膜支持層６１には、フレキシブル性（可撓性）を有する公知の材料を好ましく用いることができる。例えば、弾性層２１と同じ材料を好適に用いることができる（図１０（ａ））。また例えば、保護層５１と同じ材料を好適に用いることができる（図１０（ｂ））。さらに例えば、突起部１１ａを設けたフレキシブル基板１１を、突起部６１ａを有する第２歪検出膜支持層６１として用いることもできる（図１０（ｃ））。

（実施例１）
図１１に示すフローによりフレキシブル圧力センサを作製した。作製中、及び作製したフレキシブル圧力センサを撮影した写真を図１２～１７に示す。図１１（ａ）に示したポリイミド板に銅電極（図１１中、Ｅｃ）が形成されたフレキシブル基板の上（図１１）に、図１１（ｂ）に示すように厚さ０．３ｍｍのシリコーンゴムによる弾性層を作製した（図１３）。次いで、図１１（ｃ）に示すように弾性層をメスで切り出し、銅電極を露出させた。次いで、図１１（ｄ）に示すように弾性層の上に、シリコンピエゾ抵抗素子を転写した（図１４）。なお、シリコンピエゾ抵抗素子には、幅が１ｍｍ、奥行きが５ｍｍ、厚さ５μｍの極薄シリコンピエゾ抵抗素子（図１８）を用いた。次いで、弾性層の一部をメスで切り落とし、フレキシブル基板の一部を露出させた。次いで、歪み補償のための歪みセンサとして、極薄シリコンピエゾ抵抗素子を、露出したフレキシブル基板に直接転写した（図１５）。次いで、図１１（ｅ）に示すように、導電性接着剤（セメダイン株式会社製、低温硬化型フレキシブル導電性接着剤［ＳＸ―ＥＣＡ４８］１２０％）を用いてフレキシブル基板上の電極とシリコンピエゾ抵抗素子を結線した。次いで、図１１（ｆ）に示すように、フレキシブル基板の面上に、０．３ｍｍのシリコーンゴムによる保護層を形成した（図１６）。以上のフローにより、柔軟な素材のみで構成されたシリコンの高感度を持つ圧力センサを作製した。作製した圧力センサは、厚さが０．７ｍｍ程度と非常に薄いものであった。さらに、フレキシブルな材料のみで構成されているため、図１７に示すように、指で曲げても配線やセンサ素子は破断・断線等が起こらなかった。

作製した圧力センサを平面及び曲面上に固定し、圧力負荷試験を行うことで、圧力に対する抵抗変化率を計測した。なお、曲面として、直径５．５ｃｍのアクリルパイプの周壁を用いた。図１９に抵抗変化率を平面及び曲面上の各々で計測した、圧力に対する抵抗変化率を示した。平面上に固定した場合（図１９中、「平面上固定時」）、及び曲面に固定した場合（図１９中、「曲面上固定時」）の双方で、印可した圧力に対して線形に、抵抗変化率は応答を示した。さらに、平面でも曲面でも、圧力に対して同じ感度を示していることが計測により確認された。また、曲面に固定した圧力センサは、平面に固定したセンサに比べて、センサが歪曲して生じた歪みの分だけ抵抗変化率が大きくなっていることが分かった。これにより、圧力センサに近接する位置に製作した歪みセンサの応答を用いて、歪み補償を行うことで、曲面上に固定した場合においても、センサにかかる圧力を正しく計測することができることを確認した。

また、平面上に固定した圧力センサを用いて、センサを指で押した際の圧力センサおよび歪みセンサの応答を計測した。また、直径５．５ｃｍのアクリルパイプの周壁（曲面）上に固定した圧力センサを用いて、センサを指で押した際の圧力センサおよび歪みセンサの応答を計測した。センサ表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を、平面上に固定した場合を図２０に、曲面上に固定した場合を図２１に示す。どちらの場合も、圧力センサは指の接触に応じた出力を示した。また、曲面上に固定した場合、歪みセンサは定常的に出力した。これは、曲面に追従する様に曲げられることによって生じた歪みによるものである。これにより、平面上に固定した場合、および曲面上に固定した場合の双方に共通して、歪みセンサが圧力に対して不感であることが確認された。以上から、作製した圧力センサは、平面上に固定した場合、および曲面上に固定した場合のどちらでも加えられた圧力を確実に検出できることを確認した。

本発明の圧力センサは、フレキシブルであるため、曲面上に固定することができ、さらに、高い感度で圧力を測定することができる。

１００、１０１、１００Ａ：圧力センサ
１０、１１、１０Ａ：フレキシブル基板
１１ａ：突起部
２０、２１、２０Ａ：弾性層
３０、３１、３０Ａ：第１歪検出膜
４０、４１、４０Ａ：第２歪検出膜
５０、５１、５０Ａ：保護層
５１ａ：第１歪検出膜支持層
６１ａ：第２歪検出膜支持層
Ｅａ１、Ｅａ２、ＥａＡ：第１電極
Ｅｂ１、Ｅｂ２、ＥｂＡ：第２電極
Ｅｃ：銅電極

Claims (8)

1. フレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板上に形成された弾性層と、
   前記弾性層上に形成された第１歪検出膜と、を備え、
   前記フレキシブル基板上に、第２歪検出膜を有する歪みセンサをさらに備え、
   前記第２歪検出膜は、前記フレキシブル基板と前記弾性層との間に配置される、圧力センサ。
2. フレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板上に形成された弾性層と、
   前記弾性層上に形成された第１歪検出膜と、を備え、
   前記フレキシブル基板上に、第２歪検出膜を有する歪みセンサをさらに備え、
   前記第２歪検出膜は、前記弾性層および前記第１歪検出膜の積層体に隣接して配置され、
   前記フレキシブル基板と前記第２歪検出膜との間に支持層をさらに備え、
   前記支持層が、その表面の一部に前記第２歪検出膜の下面の一部に接触する突起部を有し、該第２歪検出膜が当該圧力センサに印可されたせん断力を検出可能である、圧力センサ。
3. 前記弾性層は、弾性材料からなる層または気体あるいは液体が封入された層である、請求項１又は２のいずれかに記載の圧力センサ。
4. 複数の前記歪みセンサからなる第１歪みセンサ群を備え、
   前記第１歪みセンサ群の前記複数の歪みセンサは、各々が有する歪み検出方位が、互いに直交するように配置される、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記第１歪みセンサ群と、複数の前記歪みセンサからなる第２歪みセンサ群とを備え、
   前記第１歪みセンサ群の歪みセンサに、前記第２歪みセンサ群の歪みセンサが重なるようにして配置される、請求項４記載の圧力センサ。
6. 前記第１歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位と、前記第２歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位とが、互いに４５°をなす方向に配置される、請求項５に記載の圧力センサ。
7. 複数の前記第１歪検出膜を備え、
   前記第１歪検出膜が有する検出方位が互いに直交するように配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
8. 前記弾性層の一側に、前記弾性層とヤング率の異なる、前記第１歪検出膜を支持する他の支持層をさらに備え、該第１歪検出膜が片持ち梁構造を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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