(57)【要約】【課題】高温時における低荷重領域で高感度に計測する面圧センサを提供する。【解決手段】基板（１）の表面（６）に対して、垂直となる基板（１）の側面（５、５’）に薄膜抵抗体（３）を形成し、基板（１）の表面（６）に垂直方向の荷重に対して、前記薄膜抵抗体（３）の歪を計測する面圧センサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）の表面（６）に対して垂直となる、基板（１）の側面（５、５’）に、薄膜抵抗体（３）を形成し、基板（１）の表面（６）にかかる荷重に対する、前記側面（５、５’）における歪を計測する面圧センサ。
【請求項２】
前記薄膜抵抗体（３）が、前記基板に設けられたスルーホール（２）、又は、止まり穴の側面（５）に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の面圧センサ。
【請求項３】
前記薄膜抵抗体（３）が、前記基板の端面（５’）に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の面圧センサ。
【請求項４】
前記基板に設けられたスルーホール（２）、又は、止まり穴が、該スルーホール（２）、又は、止まり穴と同形状の部材で埋められたことを特徴とする請求項２に記載の面圧センサ。
【請求項５】
前記基板が、弾性体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面圧センサ。
【請求項６】
前記基板が、ポリイミドシートであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面圧センサ。
【請求項７】
前記薄膜抵抗体（３）がサーメット抵抗体であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度で計測する面圧センサに関するもので、特に、高温時における低荷重領域の面圧を計測する面圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ポリイミドシート基材上に配線を形成して、感圧導電性インクをセンサ部とし、荷重による抵抗値変化を検出する感圧センサが開示されている。この感圧センサにおいて、感圧導電性インクは低荷重領域での計測に適するが、インクは樹脂成分を含有しているため、耐熱性が低く使用温度範囲が−４０〜８５℃と限定される。
特許文献２には、金属基板上に薄膜抵抗体を形成し、荷重による抵抗値変化を検出する面圧センサが開示されている。この面圧センサにおいて、金属基板上に形成したセンサは、薄膜抵抗体でサーメットもしくは金属であるため、耐熱性は高いが、センサの圧力感度が小さく低荷重領域の計測に適さない。これは、金属基板上にサーメットが形成されており、このサーメットが直接圧縮されるときのわずかな抵抗値変化を捉えていることによる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７４５４９号公報
【特許文献２】特開平８−１５９８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑み、高感度で計測する面圧センサに関するもので、特に、高温時における低荷重領域の面圧を計測する面圧センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板（１）の表面（６）に対して垂直となる、基板（１）の側面（５、５’）に、薄膜抵抗体（３）を形成し、基板（１）の表面（６）にかかる荷重に対する、前記側面（５、５’）における歪を計測する面圧センサである。これにより、広い荷重領域の面圧を、荷重による圧縮を側面壁の歪として、検出することで、高精度で計測することが可能である。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記薄膜抵抗体（３）が、前記基板に設けられたスルーホール（２）、又は止まり穴の側面（５）に形成されたことを特徴とする。これにより、広い荷重領域の面圧を、荷重による圧縮を側面壁の歪として、検出することで、高精度で計測することが可能である。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記薄膜抵抗体（３）が、前記基板の端面（５’）に形成されたことを特徴とする。これにより、荷重による圧縮を側面壁の歪として、検出することで、高精度で計測することが可能である。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記基板に設けられたスルーホール（２）、又は、止まり穴が、該スルーホール（２）、又は、止まり穴と同形状の部材で埋められたことを特徴とする。これにより、サーメットゲージ形成後、スルーホールが埋られているので、垂直歪のみを計測し、計測精度が向上する。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１から４の発明において、前記基板が、弾性体であることを特徴とする。これにより、柔軟に撓む弾性体により、荷重による圧縮を側面壁の歪として、検出することで、より大きな薄膜抵抗体の抵抗値変化として計測することができる。弾性体のヤング率を適宜選定することにより、広い荷重領域、特に低荷重領域の面圧を計測することができる。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項１から４の発明において、前記基板が、ポリイミドシートであることを特徴とする。これにより、柔軟に撓む耐熱樹脂シートのため、耐熱性があり、かつ、荷重による圧縮を側面壁の歪として検出することで、より大きな薄膜抵抗体の抵抗値変化として計測することができる。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項１から６の発明において、前記薄膜抵抗体（３）がサーメット抵抗体であることを特徴とする。これにより、耐熱性が高く、低荷重領域でも感度良く計測可能である。
【００１２】
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す説明図である
【図２】本発明の一実施形態を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態の計測の状況を模式的に示す図である。
【図４】特許文献２の計測の状況を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１５】
図１、図２は、本発明の一実施形態を示す説明図である。図１に示すように、ベースとなる基材は、柔軟性に富む耐熱性樹脂シート１を使用する。耐熱性樹脂シート１には、スルーホール２が、加工してあり、低荷重時の小さな圧縮荷重でもスルーホール２の側面壁が柔軟に撓む構造となっている。スルーホール２の側面壁には、薄膜抵抗体３を形成し、圧縮荷重によるシートの歪を、シート側面壁に形成した薄膜抵抗体の抵抗値変化として検知する構成となっている。
【００１６】
基材としての耐熱性樹脂シート１としては、耐熱性が高くヤング率の低い基材を選定するとよい。基材の耐熱温度（ポリイミド３５０℃）まで耐熱を確保可能である。耐熱性の条件によっては、ポリイミドのみならず、ヤング率のより低い基材（液晶ポリマー：２８０℃、ＰＰ：１２０℃、ＰＥＴ：１０５℃、ＰＥ：１００℃程度）などや、それらを組み合わせてもよい。スルーホール２や止まり穴の側面がきれいに加工できない材料では、薄膜抵抗体を形成できないので、スルーホール２や止まり穴加工が可能な材料が選定される。
【００１７】
この薄膜抵抗体３は、基材１の荷重面（表面）に対して、垂直となる側面壁５の歪を計測する。圧縮荷重Ｐに対して同一方向の歪を計測することになる。側面壁５が樽形状につぶれると、歪がキャンセルされることから、あくまでも基板が垂直につぶれる歪を計測することが必要である。
【００１８】
薄膜抵抗体３の信号は、耐熱樹脂シート１の表面に形成した薄膜配線４で外部に取り出しを行う。本実施形態は、角形の穴加工としているが、基板に垂直側面を形成できれば、止まり穴でもよく、形状は限定しない。基板において直接圧縮された歪を計測できれば、スルーホール形状について特別な加工制限はなく、円、角、止まり穴などいずれも可能である。基板端面に薄膜抵抗体を形成してもよい。
【００１９】
スルーホールは、薄膜抵抗体のサーメットゲージ形成後、同じポリイミド樹脂等でスルーホールを埋めたほうが、樽形状につぶれることをおさえ、感度を高く計測精度が向上する。基板端面であれ、スルーホールであれ、垂直歪を計測することがポイントとなる。
【００２０】
薄膜抵抗体は、Ｃｒ‐Ａｌ‐Ｏのサーメットだけに限らない。サーメット以外でも、センサとして本実施形態に含まれる。薄膜抵抗体であり、Ｎｉ‐Ｃｒなど、その他の金属薄膜でも可能である。歪の検知に関してはサーメットが最も感度が良好である。
【００２１】
図２を参照して、以下に本センサの感度について述べる。垂直側面に形成したセンサの圧力感度Ｓは、次の式で表せる。
Ｓ＝ＧＦ（歪ゲージ率）×Ｐ（圧力）／Ｅ（基材のヤング率）
上記式においては、圧力感度Ｓは、仮に１Ｍｐａで押したときに、サーメットの抵抗値が何ｐｐｍ変化したかを表すもの[ΔＲ／Ｒ］である。歪ゲージ率ＧＦは、歪εに対する抵抗変化率[（ΔＲ／Ｒ）／ε］であるので、材質によって数値は変わる。
よって、より大きな歪ゲージ率をもった薄膜抵抗体を選定することが有利であり、Ｅのヤング率は、よりひずみやすい材料を選定するほど圧力感度が上がるので、ヤング率の低い材料を選定するとよい。
【００２２】
図３は、本発明の一実施形態の計測の状況を模式的に示す図である。図４は、特許文献２の計測の状況を模式的に示す図である。図４において、１１は金属基板であり、１０はサーメットである。特許文献２では、薄膜抵抗体にＣｒ‐Ａｌ‐Ｏのサーメットを用いているが、図４に示すように、サーメット抵抗体を直接圧縮した場合には、圧力に対する感度変化は１００ｐｐｍ／ＭＰａ前後とわずかな抵抗値変化を捕らえる必要がある。この場合には、１００ＭＰａレベルの高圧の計測には適するが、１０ＭＰａ以下の比較的圧力の低い計測では十分な精度を得るのは難しい。
【００２３】
これに対して本実施形態では、図３に示すように、同じＣｒ-Ａｌ-Ｏのサーメット３を耐熱の高いポリイミドシート１に薄膜抵抗体としてスルーホール２の側面に形成した場合で比較すると、感度Ｓ＝８（サーメットの歪ゲージ率）×１ＭＰａ（圧力）／３．４ＧＰａ（ポリイミドのヤング率）＝２３５０ｐｐｍ／ＭＰａとなり、およそ２３倍の感度が得られ、１０ＭＰａ以下の、より低荷重領域の計測が可能となる。
【００２４】
次に本センサの耐熱について述べる。耐熱性に於いては、特許文献１では感圧導電性インクに樹脂成分が含有されており耐熱性は８５℃となる。これに対し、本実施形態の薄膜抵抗体３は、金属薄膜を用いた抵抗値変化を利用しており、基材より高い耐熱を有する。
よって、基材の耐熱温度（ポリイミド３５０℃）まで耐熱を確保可能である。耐熱性の条件によっては、ヤング率のより低い基材（ＰＰ、ＰＥ）などの組み合わせで５０〜２００倍と、より高感度な設計も可能となる。
【００２５】
基材端面やスルーホールに薄膜抵抗体３を形成する方法について述べる。基材端面には、スパッタリングによりＣｒ‐Ａｌ‐Ｏのサーメット薄膜を形成する。これを、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、薄膜抵抗体のゲージ形状（図示されたものに限らず、様々な形状が可能）にエッチングして完成する。このＦＩＢ加工は、イオンビームが照射された部分のみ選択的にエッチングすることができ、マスクレス加工が実現できる。よって、従来では薄膜抵抗体の加工ができなかった、基材の端面、スルーホールの側面部のような、狭いスペースにも薄膜抵抗体の形成を実現することができる。
スルーホールの場合について述べると、サイズは、一例として、０．５ｍｍ、深さも０．５ｍｍ程度の場合が挙げられる。スルーホールのＦＩＢは、４５度方向等から加工するとよい。
以上述べたように、基板１の表面６に対して、垂直となる基板１の側面５、５’に、薄膜抵抗体）を形成し、基板１の表面６に垂直方向の荷重に対する、側面５、５’における歪を計測する面圧センサを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の別の実施態様として、スルーホールを、薄膜抵抗体のサーメットゲージ形成後、同じポリイミド樹脂等でスルーホールを埋めた実施態様が挙げられる。この場合は、垂直歪のみを計測し、より計測精度が向上する。
【符号の説明】
【００２７】
１    基板、耐熱性樹脂シート
２    スルーホール
３    薄膜抵抗体
４    薄膜配線
５    側面
【図１】
2010204034.tif 000003
【図２】
2010204034.tif 000004
【図３】
2010204034.tif 000005
【図４】
2010204034.tif 000006