(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の感圧膜と、
前記感圧膜に対向する位置に設けられたセンサ電極と、
前記感圧膜および前記センサ電極を互いに離間させるための所定の距離を確保する絶縁層と、を有し、
前記感圧膜が、カーボン粒子を含有する樹脂フィルムであり、
前記感圧膜を構成する樹脂が、ポリイミドまたはポリアミドイミドを主材とし、
前記感圧膜の厚みの前記センサ電極に対向する面の表面粗さＲｚが、０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下であることを特徴とする感圧素子。
【請求項２】
初期状態かつ前記感圧膜が略平坦な状態において測定される前記所定の距離が、５μｍ以上２５μｍ以下である請求項１に記載の感圧素子。
【請求項３】
前記感圧膜の厚みが、６．５μｍ以上４０μｍ以下である請求項１または２に記載の感圧素子。
【請求項４】
前記感圧膜のヤング率が、５ＧＰａ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項５】
前記感圧膜の表面抵抗率が、７ｋΩ／ｓｑ以上３０ｋΩ／ｓｑ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項６】
前記感圧膜が、耐熱性２６０℃以上である請求項１から５のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項７】
前記感圧膜のヤング率が、前記感圧膜を構成する樹脂からなり前記感圧膜と同厚さの膜のヤング率よりも小さい請求項１から６のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項８】
前記感圧膜と、前記センサ電極と、が対向する圧力センサ部が複数設けられ、
一枚の前記感圧膜が、複数の前記センサ電極と対向している請求項１から７のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項９】
前記一枚の感圧膜の前記センサ電極に対向する面は、外面から肉厚方向の中間部まで到達するスリットを有し、
前記スリットが、平面視上、複数の前記センサ電極間に位置する請求項８に記載の感圧素子。
【請求項１０】
可撓性の基板を有し、
前記基板の少なくとも一方側の面に前記センサ電極が形成され、可撓性を有する請求項１から９のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項１１】
前記感圧膜と、前記絶縁層と、を接合する接着層を有し、
前記絶縁層が、前記感圧膜と前記センサ電極とを中空部を介して対向させるための第一開口を有し、
前記接着層が、平面視上、前記第一開口を包含する第二開口を有する請求項１から１０のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の感圧素子と、
前記感圧素子と電気的に接続されて感圧膜とセンサ電極との接触抵抗を検知する検知部と、を備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１３】
前記感圧素子が、曲率半径１５ｍｍ以下に湾曲している請求項１２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧素子および圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療や福祉、ロボット、バーチャルリアリティなどの各分野で触覚センシングの重要性が急拡大している。【０００３】
たとえば自動車分野では、感圧素子が座席に内蔵されることが主流となっている。これは、搭乗者が車両に乗り込み座席に座った際に、シートベルトの着用を促すことを目的としている。具体的には、搭乗者が車両座席に座ることで、一定以上の荷重（体重）が感圧素子に加わる。これにより、該感圧素子を備える圧力センサが、搭乗者の存在を検知し、搭乗者にシートベルトの着用を促すよう機能する。【０００４】
また別の用途として、圧力センサの採用は、医療または介護の分野でも期待されている。
より具体的には、たとえば、ベッドのマットレスに感圧素子を内在させ、当該マットレスに対する、ベッドに横たわった患者や高齢者（以下、患者等ともいう）の体重の掛かり具合をモニタリングすることが期待される。上記モニタリングにより、患者等が長時間同じ姿勢で横たわっていることを把握することが可能である。上記モニタリングにより、床ずれの発生を防止するため、ベッドに横たわる患者等の姿勢を適度に変更させるタイミングを第三者が把握可能である。
また、圧力センサを、患者等の歩行支持具に利用することも可能である。具体的には、感圧素子を内在する支持具を用いて歩行等を行っている高齢者がバランスを崩した場合、圧力センサは、当該高齢者の体重の不均衡を圧力分布の変化として検知可能である。これにより高齢者の転倒防止、または転倒の把握が期待される。【０００５】
従来の感圧素子として、樹脂フィルムなどの可撓性のフィルム上に導電性の感圧抵抗体が形成されているとともに、当該感圧抵抗体と対向する位置にセンサ電極が設けられた態様が広く知られる。かかる態様の感圧素子は、使用者に接触の違和感を与え難いため、好ましい。具体的な例としては、例えば特許文献１から４を挙げることができる。特許文献１から４に開示される感圧素子は、樹脂フィルム上に、導電材料を印刷することにより形成された感圧抵抗体を備える。以下に、印刷形成された感圧抵抗体を、感圧抵抗体Ｉともいう。【０００６】
即ち、特許文献１には、導電粒子と弾性粒子とバインダとを溶剤に溶解し、分散して得たインキ上組成物をポリエチレンテレフタレート等のフィルム上に印刷、乾燥して形成された膜状感圧抵抗体を備える感圧センサが開示されている。
特許文献２には、ベースポリマー、カーボンブラックなどの導電材料、および充填剤を含む感圧抵抗ペーストが、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエーテルイミド等のフィルム上に印刷されてなる感圧抵抗体を備えた感圧センサが開示されている。
特許文献３には、ポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートの裏面に金（Ａｕ）などの金属の感圧抵抗体（導電膜）が蒸着形成された対向電極フィルムを備える面圧分布センサが開示されている。
特許文献４には、熱硬化樹脂にカーボンを分散させた材料を、ベースフィルム上にスクリーン印刷してなる感圧抵抗体を備える圧力センサシートが開示されている。【０００７】
また特許文献５には、ポリイミドフィルムからなるカバーフィルム上に、酸化銅などを含む感圧抵抗体（感圧用薄膜）が形成された感圧部を備える圧力センサが開示されている。同文献には、上記感圧抵抗体の形成方法として、ポリイミドフィルムに酸化銅などをスパッタリングまたは蒸着などをする方法、またはポリイミドフィルム上に貼り合せた銅箔を酸化することで表面を酸化銅にする方法などが記載されている。以下、スパッタリングまたは蒸着等で形成された感圧抵抗体を、感圧抵抗体ＩＩともいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１５８１０３
【特許文献２】特開２００１−１５９５６９
【特許文献３】特開２００３−３４４１９５
【特許文献４】特開２００４−０２８８８３
【特許文献５】特開２０１２−２４７３７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１から４に記載されるように、感圧抵抗体Ｉは、繰り返し屈曲性、微小屈曲径での折り曲げ、または人体の体重などの大きな荷重により生じる変形に対し充分な耐久性が発揮されない。これは印刷形成された部材に特有の課題である。即ち、感圧抵抗体Ｉは、繰り返しの使用、または過度の屈曲により、クラックが生じ易い。クラックが生じた感圧抵抗体Ｉは、最悪の場合に断線しセンサ出力を成しえない虞もある。したがって、感圧抵抗体Ｉは、長期間、安定した電気信頼性を発揮することが困難である。また感圧抵抗体Ｉは、センサ電極との接触が繰り返されるうちに、導電粒子が脱落する場合がある。脱落した導電粒子は、センサ電極に対する導電性異物となり短絡を引き起こし、圧力センサの誤検知の原因となる虞がある。【００１０】
また特許文献５に示される感圧抵抗体ＩＩは、製造手法の特殊性から、感圧抵抗体Ｉに比べ膜厚が非常に薄く、製膜時にピンホールの発生が不可避である。そのため感圧抵抗体ＩＩは、電気信頼性に劣る場合がある。また感圧抵抗体ＩＩは、薄膜であるため、センサ電極との繰り返しの接触により、摩耗し、またはクラックが生じて劣化する可能性がある。【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、可撓性をそなえつつも、長期間、安定した電気信頼性を発揮する感圧素子、および上記感圧素子を備える圧力センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の感圧素子は、導電性の感圧膜と、上記感圧膜に対向する位置に設けられたセンサ電極と、上記感圧膜および上記センサ電極を互いに離間させるための所定の距離を確保する絶縁層と、を有し、上記感圧膜が、カーボン粒子を含有する樹脂フィルムであることを特徴とする。【００１３】
本発明の圧力センサは、本発明の感圧素子と、上記感圧素子と電気的に接続されて感圧膜とセンサ電極との接触抵抗を検知する検知部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の感圧素子は、カーボン粒子が離散的に配合された樹脂フィルムを用いてなる感圧膜を備えることにより可撓性が発揮される上、長期間、安定した電気信頼性を発揮する。【００１５】
本発明の圧力センサは、可撓性の良好な感圧素子を備えることから、屈曲を要する技術分野にも好適に使用可能であるとともに、当該感圧素子の優れた電気信頼性が反映されて、長期間、良好な触覚センシングを発揮可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１７】
【図１】（ａ）は、本発明の第一実施形態にかかる圧力センサの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線断面図である。
【図２】（ａ）は、図１（ａ）のII-II線断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のII-II線断面図の変形例である。
【図３】（ａ）から（ｃ）は、センサ電極の変形例を示す平面図である。
【図４】第一実施形態にかかる感圧素子の初期検知感度とダイナミックレンジを説明する説明図である。
【図５】本発明の第二実施形態にかかる感圧素子の平面図である。
【図６】（ａ）は、図５のＡ部の部分拡大図であり、（ｂ）は、図５のＢ部の部分拡大図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、感圧膜が図示省略された図５のＡ部の部分拡大図である。
【図８】（ａ）は、感圧膜のセンサ電極に対向する側からみた平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIII-VIII断面図である。
【図９】直径Ｘの円筒の表面に配置された感圧素子を備える圧力センサの斜視図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる感圧素子の製造工程フローである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜に省略する。
本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、１つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
本明細書において、初期状態とは、感圧膜が外部から押圧力を受けていない状態をいう。ダイナミックレンジとは、センサ電極と感圧膜との接触抵抗の変更幅をいう。初期検知感度とは、感圧初期荷重を検知する感度をいう。感圧初期荷重とは、感圧膜が外部から押圧されて感圧膜とセンサ電極とが接触することによるセンサ電極の導通が検知される最小の押圧力をいう。ここで導通が検知されるとは、所定の閾値以上の電流もしくは電圧が検知されること、または電流または電圧が零を超えて実質的に検知されることのいずれかをいう。感圧初期荷重が小さいほど、初期検知感度は高く、感圧初期荷重が大きいほど、初期検知感度は低い。一般的に、初期検知感度は、所定の範囲であることが好ましい。初期検知感度が低すぎると、充分な検知ができず、また初期検知感度が高すぎると、検知を予定しない小さい荷重でも検知してしまい、誤検知の原因となり得るからである。
【００１９】
＜第一実施形態＞
以下に、第一実施形態にかかる感圧素子および圧力センサについて図１から図４、および図１０を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の第一実施形態にかかる圧力センサ２００の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI-I線断面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）のII-II線断面図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）のII-II線断面図の変形例である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、センサ電極１２の変形例を示す平面図である。図４は、第一実施形態にかかる感圧素子１００（図１参照）の初期検知感度とダイナミックレンジを説明する説明図である。図４に示すカーブ１１０は、感圧素子１００のダイナミックレンジの傾向を示すものであって、本発明を何ら限定するものではない。図１０は、第一実施形態にかかる感圧素子１００の製造工程フローである。
本実施形態にかかる感圧素子１００は、一つのセンサ電極１２と感圧膜１４とが対向してなる圧力センサ部１５を１つ備える１チャンネルタイプである。
はじめに、本実施形態の感圧素子１００および圧力センサ２００の概要について説明する。
【００２０】
図１に示すとおり、感圧素子１００は、導電性の感圧膜１４と、感圧膜１４に対向する位置に設けられたセンサ電極１２と、感圧膜１４およびセンサ電極１２を互いに離間させるための所定の距離Ａを確保する絶縁層１３と、を有している。感圧膜１４は、カーボン粒子１４０を含有する樹脂フィルムである。
【００２１】
また図１（ａ）に示すとおり、圧力センサ２００は、感圧素子１００と、検知部２１０と、を備える。検知部２１０は、感圧素子１００と電気的に接続されて感圧膜１４とセンサ電極１２との接触抵抗を検知する。
【００２２】
本実施形態の感圧素子１００は、外部からの押圧力の負荷によって計測可能な物理量が変動するデバイスである。本実施形態の感圧素子１００は、押圧力によって感圧膜１４とセンサ電極１２との接触抵抗が変動する。感圧素子１００における接触抵抗の変動量は押圧力と相関しており、圧力センサ２００は、接触抵抗を定量的に検知することで押圧力を定量化することが可能である。なお、押圧力を定量的に検知する、とは、押圧力を連続的に検知することのほか、押圧力を所定の荷重で段階的に検知することを含む。
【００２３】
感圧膜１４は、外部から押圧されることによって、センサ電極１２に導通可能である膜である。感圧膜１４が導電性であるとは、感圧膜１４を外部から押圧することにより感圧膜１４を介してセンサ電極１２が通電可能な程度に感圧膜１４が電気伝導性を有することを意味する。図示省略するが、感圧素子１００には、センサ電極１２に電圧を印加する電圧印加部が適宜設けられる。
【００２４】
本実施形態の圧力センサ２００は、原理として接触抵抗変化を利用した抵抗変化型のセンサであり、圧力を連続的に検知できる分布センサである。
【００２５】
上述のとおり感圧膜１４は、樹脂フィルムであるとともに、内部にカーボン粒子１４０を多数含むことによって導電性となるよう構成されている。そのため感圧膜１４は、印刷、スパッタリングまたは蒸着等の手法でフィルム上に形成された従来の感圧抵抗体に比べて、可撓性があり、繰り返しの使用および屈曲性に優れる。また、感圧膜１４は、印刷形成された感圧抵抗体のように導電粒子が脱落することがなく、または蒸着手法などで製膜された場合に発生するピンホールを有しない。上述のとおり優れた感圧膜１４を備える感圧素子１００は、電気信頼性および耐久性に優れる。
【００２６】
感圧膜１４は、導電部材として高抵抗であるカーボン粒子を含むとともに、樹脂フィルムから構成される。そのため、感圧膜１４は、従来の感圧抵抗体Ｉ、ＩＩと比較して、可撓性に優れるとともに膜強度が高く、屈曲され、または繰り返しタッチされてもクラックが発生し難い。また、感圧膜１４は、上述のとおり樹脂フィルムで構成されるため、所望の厚みに設計することができ、また表面粗さの精度にも優れる。そのため、従来の印刷または蒸着などの手法により成形された感圧抵抗体では達成困難であった最適な設計を可能とする。
【００２７】
圧力センサ２００は、上述する優れた感圧素子１００を備え、感圧素子１００の効果を享受する優れた耐久性および電気信頼性を発揮可能である。
【００２８】
圧力センサ２００に設けられた検知部２１０は、電圧印加部（不図示）に電圧を印加する電源部（不図示）と、感圧膜１４を介してセンサ電極１２に負荷された押圧力を算出する処理部（不図示）と、を適宜含む。本実施形態のセンサ電極１２は、一対の第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂの組み合わせからなり、感圧膜１４を介してセンサ電極１２に押圧力が負荷されることで第一電極１２ａと第二電極１２ｂとが導通して引出配線１２ｃに電流が流れる。
【００２９】
即ち、圧力センサ２００の原理は以下のとおりである。図１（ａ）に示す第一電極１２ａ、および第二電極１２ｂは、不図示の電流源に接続されている。感圧膜１４に対し押圧力が付加されない状態では、図１（ｂ）に示すとおり感圧膜１４とセンサ電極１２とは、互いに離間しており、導通していない。図示省略するが、外部（紙面上方）から感圧膜１４に対し押圧力が負荷されると、感圧膜１４は、センサ電極１２側に撓み変形して第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂに接触し導電する。
【００３０】
本実施形態における感圧素子１００の優れた特徴の一つとしてセンサ電極１２と感圧膜１４との接触抵抗の変更幅（ダイナミックレンジともいう）が大きく、かつ初期検知感度が高いということが挙げられる。図４において、カーブ１１０は、感圧素子１００（図１参照）のダイナミックレンジおよび初期検知感度の傾向を示し、カーブ５１０およびカーブ５２０は、望ましくないダイナミックレンジまたは初期検知感度の傾向を示す。縦軸は、感圧膜１４とセンサ電極１２との接触抵抗［Ω］を表し、横軸は押圧力［ＭＰａ］を表す。縦軸は対数表示している。
【００３１】
感圧素子１００は、カーブ１１０に示すとおり、高感度域にて押圧力の初期検知が示されるとともに、ダイナミックレンジを充分に大きく設計することが可能である。そのため、外部から感圧膜１４にタッチされた荷重（押圧力）が良好に検知されるとともに、定量的に検知され得る。比較として示すカーブ５１０は、初期の検知感度は高いが、ダイナミックレンジが小さい。また同様に比較として示すカーブ５２０は、ダイナミックレンジは大きいが、初期の検知感度が悪い。
【００３２】
本実施形態においてカーブ１１０が実現される理由は、感圧膜１４が樹脂フィルムより構成されていること、および感圧膜１４に導電性を付与するための材料としてカーボン粒子１４０が選択されたことによる。即ち、感圧膜１４は、導電材料としては高抵抗のカーボン粒子１４０を適当量含有するため、感圧膜１４の表面抵抗率を望ましい範囲に設計することが容易である。また、感圧膜１４は、樹脂フィルムからなるため可撓性に優れ、初期の押圧力を敏感に検知可能である。そのためカーブ１１０は、初期検知感度が良好である。加えて、外部から感圧膜１４に負荷された押圧量の増大に伴い感圧膜１４の撓み量が増大し、その結果、センサ電極１２と感圧膜１４との接触量が連続的に増大する。これにより、感圧膜１４は大きなダイナミックレンジを実現可能とする。
【００３３】
感圧膜１４に負荷される押圧力が大きくなるほど、センサ電極１２と感圧膜１４との接触抵抗は小さくなる。そのため、引出配線１２ｃに流れる電流値が大きくなる。検知部２１０に設けられた図示省略する処理部は、かかる電流値に基づいてセンサ電極１２に負荷された押圧力を定量的に算出する。これにより、本実施形態の感圧素子１００を圧力センサ２００として用いることができる。
【００３４】
なお、本実施形態における圧力センサ２００は、外部から負荷された押圧力を定量的に検知して出力するデバイスとすることができる。圧力センサ２００が出力する検知結果の情報は特に限定されず、押圧力もしくは面圧の分布、またはこれらから換算可能な他の物理量とすることができる。たとえば、圧力センサ２００で検知された面圧を、当該圧力センサ２００に衝突する気流や水流の流速に換算して出力してもよい。
【００３５】
次に、本実施形態の感圧素子１００について詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の感圧素子１００は、センサ電極１２を支持する支持基板１１を有している。支持基板１１の一方の面には、センサ電極１２が形成されるとともに、開口１３ａが形成された絶縁層１３と、感圧膜１４と、が積層されている。センサ電極１２は、開口１３ａの内側に配置されている。絶縁層１３およびセンサ電極１２は、支持基板１１の上面に設けられている。絶縁層１３の最大厚みは、センサ電極１２の最大厚みよりも大きい。より具体的には本実施形態では、センサ電極１２および絶縁層１３は、同一平面に設けられており、かつ絶縁層１３の厚みがセンサ電極１２の厚みよりも大きい。感圧膜１４は、絶縁層１３を介して支持基板１１に積層されており、感圧膜１４とセンサ電極１２とは、絶縁層１３の厚みとセンサ電極１２の厚みとの差分だけ、離間している。即ち、絶縁層１３は、センサ電極１２と感圧膜１４とを所定の距離Ａ（図１（ｂ）参照）で離間させるためのスペーサをなす。外部から押圧力を受けない初期状態において、センサ電極１２と感圧膜１４とは、離間しており、センサ電極１２は導通していない。センサ電極１２とこれに対向する感圧膜１４とにより圧力センサ部１５が構成されている。
【００３６】
図１（ａ）、（ｂ）および図２（ａ）、（ｂ）に示すとおり、感圧素子１００の内部には、支持基板１１、絶縁層１３、および感圧膜１４で囲まれる中空部Ｓが形成されている。  絶縁層１３には、適宜、中空部Ｓと感圧素子１００の外部とを連通する通気孔１１２（図１（ａ）、（ｂ）参照）が設けられてもよい。通気孔１１２を有することにより、感圧素子１００は、中空部Ｓの内圧と、外圧との気圧差を解消可能である。通気孔１１２の幅寸法は特に限定されないが、たとえば、５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲の幅寸法とすることで、充分に圧力調整機能を発揮し得る。また通気孔１１２の高さは特に限定されないが、絶縁層１３の厚みと同等とすることで、開口１３ａと同時形成が可能であり製造効率の点で有利である。また、絶縁層１３は、空気透過性の高い絶縁素材で構成されることにより、通気孔１１２を有しなくとも上記圧力調整機能を発揮可能である。
【００３７】
なお、本実施形態において膜、シート、およびフィルムは、同義であって互いに区別せず、いわゆる板状やプレート状も含む。
【００３８】
感圧膜１４は、センサ電極１２と接触することによりセンサ電極１２を構成する一対の第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂを導通させる部材である。具体的には、外部より押圧力が負荷された感圧膜１４が、第一電極１２ａと第二電極１２ｂとに跨って当接することで第一電極１２ａと第二電極１２ｂとが導通する。
【００３９】
感圧膜１４は、カーボン粒子１４０を含有する樹脂フィルムから構成されている。樹脂フィルムである感圧膜１４が導電性を備え押圧領域であるため、外部から感圧膜１４にタッチする使用者に異物感を与え難い。
センサ電極１２の導通は、外部から押圧力が負荷された感圧膜１４の弾性変形により実現される。感圧膜１４が可撓性の樹脂フィルムから構成されるため、繰り返しの使用（タッチ）によるクラックの発生が防止される。
【００４０】
感圧素子１００は、初期状態かつ上記感圧膜が略平坦な状態において測定される所定の距離Ａは、５μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。距離Ａが５μｍ以上であることにより、感圧素子１００を屈曲または湾曲させた場合であっても、初期状態において感圧膜１４とセンサ電極１２とが接触して短絡が生じることを充分に回避し得る。また距離Ａは２５μｍ以下であることにより、感圧素子１００の初期の検知感度が損なわれない。
ここで初期状態とは、感圧膜１４が外部から押圧力を受けていない状態をいう。
【００４１】
本実施形態における感圧膜１４は、一対の第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂに対向する一枚成形の膜状体である。
本実施形態の感圧素子１００は、押圧されていない初期状態で、絶縁層１３により感圧膜１４とセンサ電極１２とが非接触に離間している。このため、押圧力が負荷されて感圧膜１４とセンサ電極１２とが接触することで、両者の接触面積を零からセンサ電極１２の全面積まで大幅に変化させることができる。これにより、感圧膜１４とセンサ電極１２との接触抵抗が大きく低下する。感圧膜１４とセンサ電極１２との接触面積の増大量と接触抵抗の低下量とは正の相関をもつ。感圧膜１４がカーボン粒子１４０を含有する樹脂フィルムであるため、さらに押圧力が増大すると、既に接触している部分の接触状態が改善して接触抵抗がより減少していく。ここで接触している部分とは、感圧膜１４の表面側に存在するカーボン粒子１４０とセンサ電極１２との接触部分、および感圧膜１４に含まれる隣接する複数のカーボン粒子１４０との接触部分を含む。すなわち、本実施形態の感圧素子１００は、接触面積の増大というマクロ要因と、接触状態の改善というミクロ要因とが相俟って相乗的に接触抵抗が低下する。このようにして、押圧力の大小に起因して発生する大きな抵抗変化を利用することで、押圧力を精度よく検知することができる。即ち、感圧素子１００は、図４に示すとおり、ダイナミックレンジが大きい。
【００４２】
感圧膜１４を構成する樹脂フィルムは、本発明の趣旨に逸脱しない範囲において、適宜、公知の樹脂を用いて構成することができる。たとえば、具体的な樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、環状ポリオレフィンなどのポリエステル；ポリカーボネート；ポリイミド；ポリアミドイミド；液晶ポリマーなどを挙げることができる。上記の樹脂のうち１種または複数の樹脂材料を混合して感圧膜１４を構成することができる。
【００４３】
たとえば感圧素子１００は、感圧膜１４を耐熱性２６０℃以上に構成することが好ましい。このように耐熱性の高い部材で感圧素子１００を構成することにより、感圧素子１００を備える圧力センサ２００をリフロープロセスに適合させることができる。これにより、圧力センサ２００への部品実施等の対応範囲が広がり、圧力センサ２００の用途や仕様の範囲を広げることができる。
【００４４】
かかる耐熱性の観点からは、感圧膜１４を構成する樹脂は、ポリイミドまたはポリアミドイミドを主材とすることが好ましい。ポリイミドまたはポリアミドは、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用の樹脂と比較して、耐熱性に優れる。具体的には、ポリイミドまたはポリアミドイミドを主材とする樹脂フィルムは、２６０℃以上の耐熱性を示すことが可能である。ここで主材とは、感圧膜１４を構成する樹脂１００質量％において、５０質量％以上、さらには７０質量％以上、特には９０質量％以上を占める樹脂を意味する。たとえば感圧膜１４に含まれる樹脂は、ポリイミドまたはポリアミドイミドのいずれか、または組み合わせが実質的に１００質量％であってもよい。
【００４５】
次に、感圧膜１４に含有されるカーボン粒子１４０について説明する。カーボン粒子１４０は、感圧膜１４に導電性を付与するための部材である。カーボン粒子１４０は、粒子状の炭素材料であって、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック（ケッチェンブラック）、チャンネルブラック、もしくはサーマルブラックなどのカーボンブラック、またはグラファイトなどの１種または２種以上の組み合わせを挙げることができるが、これに限定されない。
感圧膜１４におけるカーボン粒子１４０の含有量、カーボン粒子１４０の形状および粒径は、本発明の趣旨に逸脱しない範囲において特に限定されない。これらは、感圧膜１４とセンサ電極１２との接触抵抗によりセンサ電極１２が導通する範囲において適宜決定することができる。
【００４６】
ところで、従来の感圧素子は、上述するとおり、樹脂フィルムと、当該樹脂フィルム上に印刷形成等された感圧抵抗体と、を備える感圧部位が、センサ電極に対向してなる構成を有していた。そのため、当該感圧部位の厚みの調整や、センサ電極側の面の表面粗さの精度が不充分であった。これに対し、本実施形態における感圧素子１００は、カーボン粒子を含有する樹脂フィルム自体が感圧膜１４をなすため、膜厚みおよびセンサ電極１２側の表面粗さの精度が高い。上記膜厚みや表面粗さは、センサ電極１２に対する感圧膜１４の接触抵抗の均一性に貢献する。したがって感圧素子１００は、センサ出力が安定し電気信頼性が高い。また、従来、樹脂フィルムと当該樹脂フィルム表面に形成された感圧抵抗体とを備えて構成されていた部位を、感圧素子１００は、樹脂フィルムのみで構成することができる。そのため、当該部位の薄膜化が図られる。当該部位の薄膜化により、感圧素子１００に対する使用者の違和感が低減され、また感圧素子１００を曲面に沿わせて配置することが容易となる。
【００４７】
より具体的には、たとえば感圧膜１４の厚みは、６．５μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。上記厚みが６．５μｍ以上であることにより、感圧膜１４の耐久性が担保される。また上記厚みが４０μｍ以下であることにより、感圧膜１４が押圧されたときの初期検知感度が良好であり、かつ大きいダイナミックレンジを確保可能である。
なお、感圧膜１４の厚みは、ハイトゲージまたはアップライトゲージなどの一般的な厚み測定手段を用いて測定することができる。
【００４８】
感圧膜１４の表面抵抗率は、７ｋΩ／ｓｑ以上３０ｋΩ／ｓｑ以下であることが好ましい。表面抵抗率が上記範囲であることにより、感圧膜１４は、大荷重が負荷された場合にセンサ抵抗のバラつきが小さく、高い電気信頼性を示し得る。ここで大荷重とは、１．１ＭＰａ程度（たとえば４ｍｍ２の圧力センサ部１５に対し、４５０ｇｆの押圧力をかける程度）を目安とする。
また、表面抵抗率が上記範囲であることにより、図４に示すカーブ１１０のように、初期検知感度が良好であり、かつ大きいダイナミックレンジを実現することが可能である。即ちより具体的には、感圧素子１００は、初期検知感度を０．２５ＭＰａ以下、さらには０．１７ＭＰａ以下といった高感度域に設計することが可能であるとともに、押圧の初期検知荷重から最大荷重までのセンサ出力の変化を緩やかに示し得る。
【００４９】
所望の範囲の感圧膜１４の表面抵抗率は、感圧膜１４に含有されるカーボン粒子１４０の配合量によって調整することができる。換言すると、感圧膜１４に含有されるカーボン粒子１４０の配合量は、感圧膜１４の表面抵抗率が上記範囲となることを視標として、決定してもよい。
【００５０】
感圧膜１４などの膜状体では、電気は主として膜状体の表面を流れる。そのため、本明細書では、厚み寸法を考慮しない単位面積あたりのシート抵抗を単位として膜状体の抵抗が定義され、具体的にはΩ／□やΩ／ｓｑなどと表記する。
【００５１】
感圧素子１００は、感圧膜１４の厚みのセンサ電極１２に対向する面の表面粗さＲｚが、０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下となるよう調整してもよい。これにより、感圧膜１４の膜形成性が良好であり、また接触抵抗の検知感度が安定する。
【００５２】
感圧膜１４の表面粗さＲｚは、一般的な表面粗さ計による計測、またはレーザ顕微鏡を用いた表面粗さ分析により測定される。一般的な表面粗さ計としては、たとえば、四探針測定装置を挙げることができ、具体的な装置としては、三菱化学アナリテック社製抵抗率計を挙げることができるが、これに限定されない。
【００５３】
ダイナミックレンジを充分に大きくするという観点からは、感圧膜１４のヤング率は、５ＧＰａ以下であることが好ましい。これによって、感圧膜１４に充分な可撓性をもたらすことができ、感圧膜１４に負荷される押圧力の増大に伴い、接触抵抗を良好に定量することができる。
特に、感圧膜１４は、厚みが６．５μｍ以上４０μｍ以下の範囲であり、ヤング率が、５ＧＰａ以下であり、かつ感圧膜１４およびセンサ電極１２を離間させるための所定の距離Ａが５μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。かかる態様の感圧膜１４を備える感圧素子１００は、曲率半径の小さい曲面に沿って配置された場合であっても、初期状態におけるセンサ電極１２の短絡を防止し、初期検知感度が良好で、かつ大きいダイナミックレンジを示し得る。即ち、かかる感圧素子１００は、曲面搭載の使用に優れる。曲率半径の小さい曲面とは、特に限定されないが、たとえばφ３０ｍｍ以下の範囲である。
【００５４】
上述する感圧膜１４のヤング率は、たとえば、感圧膜１４を構成する樹脂からなり感圧膜１４と同厚さの膜のヤング率よりも小さい。
かかる態様を実現するには、たとえば、感圧膜１４を構成する樹脂としてポリイミドまたはポリアミドイミドを選択するとよい。ポリイミド樹脂等にカーボン粒子１４０を含有させて形成された感圧膜１４のヤング率は、ポリイミド樹脂等からなる膜のヤング率よりも小さくなる傾向にある。かかる傾向は、樹脂フィルムに、感圧抵抗体が形成されてなる従来の感圧部と比較して、顕著に感圧膜１４が可撓性に優れることを意味する。これにより、感圧素子１００は、優れた初期検知感度および大きいダイナミックレンジを示し得る。
【００５５】
本実施形態における感圧膜１４の作製方法は特に限定されず、たとえば、原料となる１種または２種以上の樹脂に、カーボン粒子１４０を混合し、適宜混練し、フィルム状に成膜することによって作製することができる。
【００５６】
次にセンサ電極１２について説明する。
本実施形態において、センサ電極１２は、面方向に所定の距離を空けて並列する一対の電極対である。センサ電極１２は、支持基板１１の上に所望のパターン形状で形成されている。図１（ａ）に示すとおり、本実施形態におけるセンサ電極１２は、矩形状の第一電極１２ａと、第一電極１２ａと略同形状の第二電極１２ｂとが所定の距離を空けて平行に隣接配置されて構成されている。ただし、センサ電極１２のパターンはこれに限定されず、たとえば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すとおり、第一電極１２ａと第二電極１２ｂとが互いが組み合う櫛歯形状またはスパイラル形状であってもよい。または、図３（ｃ）に示すとおり、第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂは、互いに同心円上に配列されていてもよい。具体的には、第一電極１２ａまたは第二電極１２ｂの一方が円形であり、他方が当該円形を所定の距離を空けて取り囲むリング形状であってもよい。上記円形とは、真円、楕円、および長円を含む。
【００５７】
第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂの対向間距離は、特に限定されない。たとえば、センサ電極１２と感圧膜１４との所定の距離Ａが５μｍ以上２５μｍ以下である場合には、上記対向感距離は、５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で設計することで、所望の感圧特性と製造安定性を両立することができる。
【００５８】
センサ電極１２は、導電性の部材から構成される。本実施形態においてセンサ電極１２は、低抵抗の金属材料から構成されている。本実施形態では、感圧膜１４の表面抵抗率よりも、よりセンサ電極１２の表面抵抗率の方が小さい。具体的には、銅、銀、銅もしくは銀を含む金属材料、またはアルミニウムなどからセンサ電極１２を形成することが好ましいが、これに限定されない。また材料の形態は、箔、またはペーストなど、センサ電極１２の製造方法との組み合わせで適宜決定することができる。
【００５９】
センサ電極１２の作製方法は特に限定されない。たとえば、センサ電極１２は、ＣＣＬ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｃｌａｄ  Ｌａｍｉｎａｔｅ）を用い、フォトリソグラフィ・エッチング手法により、第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂがパターン加工されて作製される。上記パターニングの際に、後述する引出配線１２ｃまたは外部端子電極１２ｄを同時に形成してもよい。上記ＣＣＬとは、所望の厚みを有する銅箔を支持基板１１に接着剤または粘着剤によって貼り合せてなる積層体または、銅箔に絶縁樹脂のワニスをキャスト・塗工することで得られる積層体、または支持基板１１に湿式メッキで銅箔を形成してなる積層体などが例示される。上述で用いる銅箔の厚みは特に限定されないが、フレキシブルプリントサーキット（ＦＰＣ）の技術分野で標準的に使用されている９μｍ以上３５μｍ以下の範囲から選択することで、センサ電極１２の仕上がりが良好となる。
【００６０】
センサ電極１２の厚みや幅寸法の精度、センサ出力特性などの観点から、上述する銅箔を用いて形成されたセンサ電極１２が好ましい。ただし感圧膜１４との接触により導電性が確保可能であれば、センサ電極１２の素材は、Ｃｕ箔に限定されることはなく、例えば当該素材として、アルミニウム箔、銀ペーストなどを用いてもよい。
【００６１】
上述のとおり作製されたセンサ電極１２は、さらに所定の領域にメッキ処理がなされることが好ましい。具体的には、センサ電極１２の感圧膜１４に対向する面において、メッキ処理がなされる。これにより、センサ電極１２の酸化や劣化を防止し、また感圧膜１４が繰り返して押圧されることによる耐摩耗性を向上させる。メッキ処理は、センサ電極１２の成膜時または成膜後の後工程で行うことができる。具体的なメッキ処理としては、厚み２μｍ以上１０μｍ以下の程度のニッケルメッキ、または厚み０．０２μｍ以上０．２０μｍ以下の程度の金メッキなどを挙げることができるが、これに限定されない。
【００６２】
第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂには、それぞれ引出配線１２ｃが接続されている。本実施形態では引出配線１２ｃは、第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂと一体的に形成されており、外部端子電極１２ｄまで引き出されている。外部端子電極１２ｄはフレキシブル配線２０２を介して検知部２１０に接続されている。
引出配線１２ｃは、図２（ａ）に示すとおり、センサ電極１２が形成された支持基板１１の面と同じ面に形成されている。引出配線１２ｃの他の態様としては、図２（ｂ）に示すとおり、引出配線１２ｃのいずれかまたは全部が、センサ電極１２が形成された支持基板１１の面とは反対側の面にスルーホール（ＴＨ）を介して引き出されてもよい。反対側の面に引き出された引出配線１２ｃは、外部端子電極１２ｄの手前で、再度スルーホール（ＴＨ）を介して、センサ電極１２が形成された面に引き出されている。このように１２ｃが支持基板１１の両面に配置される両面基板は、支持基板１１のスペースを有効に使用し圧力センサ２００の小型化を図ることができる。また、１枚の支持基板１１に複数のセンサ電極１２が設けられた所謂アレイ型の圧力センサを構成する場合に、上記両面基板は、引出配線１２ｃの複雑化に対応することができる。図２（ｂ）に示す両面基板では、上記反対側の面に引き出された引出配線１２ｃを覆って保護するカバー１７が設けられている。カバー１７は、たとえば保護フィルムとして用いられる樹脂製のカバーフィルムなどを挙げることができるがこれに限定されない。
【００６３】
支持基板１１の上面には絶縁層１３が積層されている。絶縁層１３は、センサ電極１２を収容する開口１３ａを有している。図１（ａ）および図２（ａ）に示すとおり、絶縁層１３は、センサ電極１２の形成領域およびその周囲を除き、支持基板１１および引出配線１２ｃ（図２を参照）の略全面を覆って保護して耐環境性を向上させる。
【００６４】
絶縁層１３は、感圧膜１４に外部からの押圧力が負荷されていない初期状態において、センサ電極１２と、感圧膜１４とを離間させるスペーサをなす。絶縁層１３は、素材が感光性のシートまたは塗材など絶縁材料から構成されている。支持基板１１およびセンサ電極１２および引出配線１２ｃを覆うように、上記絶縁材料を被覆させた後、露光、現像のプロセスを経て開口１３ａが形成される。絶縁材料として感光性材料を用いることで、開口１３ａの寸法や位置精度が優れた絶縁層１３が形成される。別の方法としては、予め開口１３ａが設けられた粘着シートまたは接着シートを支持基板１１の上面に貼り合せてもよい。
【００６５】
上記感光性材料として、たとえば、ウレタン変性などの公知の手段によって適度に可撓性が付加されたエポキシ系樹脂を挙げることができる。当該エポキシ樹脂を用いることにより、適度な柔軟と、リフロープロセスに投入可能な耐熱性を有する絶縁層１３を形成することができる。
また、絶縁層１３の高さは、支持基板１１の表面から１５μｍ以上７０μｍ以下の範囲、より好ましくは、１５μｍ以上４０μｍ以下に設計すると良い。感光性材料が７０μｍ以下とすることで、開口１３ａの形成における露光時に、照射光を感光性材料の深部にまで到達されることができ、開口１３ａを精度よく成形することができる。また絶縁層１３の作製時の露光感度をより良好なものとするために、感光性材料は、全光線透過率を３０％以上の半透明状に調整されることが好ましい。尚、開口１３ａを形成する際に、併せて通気孔１１２を形成してもよい。
【００６６】
図１（ｂ）および図２（ａ）に示すとおり、絶縁層１３の上面（支持基板１１とは反対側の面）に接して感圧膜１４が設けられている。たとえば絶縁層１３の高さを上記範囲にするとともに、同一面に作製されるセンサ電極１２の高さを１５μｍ以上４５μｍ以下の範囲とするとよい。これにより、センサ電極１２と感圧膜１４とを離間させる所定の距離Ａ（図１（ｂ）参照）を５μｍ以上２５μｍ以下に容易に調整することができる。ここで所定の距離Ａとは、センサ電極１２の上面から感圧膜１４の下面までの距離である。ここでいう上下は、相対的に支持基板１１を下方とし感圧膜１４を上方としたときの上下方向をいう。所定の距離Ａを５μｍ以上２５μｍ以下の範囲とすることにより、感圧素子１００を屈曲させ、または湾曲させた場合であっても、初期状態においてセンサ電極１２の短絡を防止することができる。
【００６７】
本実施形態における開口１３ａは、図１（ａ）に示すとおり、矩形状である。ただし、開口１３ａの形状は、内部に収容するセンサ電極１２の形状により、適宜、円形状、多角形状、または不定形状に変更することが可能である。
【００６８】
図１（ｂ）および図２（ａ）に示すとおり、絶縁層１３の上面には、感圧膜１４が形成されている。本実施形態では、絶縁層１３と感圧膜１４とは、接着層３０を介して互いに接合している。接着層３０は、粘着剤、接着剤、または粘着シート、接着シートなど、絶縁層１３と感圧膜１４とを接合できるものであればいずれのものを用いてもよい。接着層３０は、センサ電極１２と感圧膜１４の接触抵抗を妨げないよう、開口１３ａと略同等の形状で開口されるとよい。たとえば、接着層３０を、絶縁層１３または感圧膜１４のいずれか一方の側に設け、その後に、他方を当該一方の側に位置合わせしながら貼合せてもよい。
【００６９】
次に支持基板１１について説明する。支持基板１１は、本実施形態におけるセンサ電極１２を支持することのできる基板であれば特に限定されない。たとえば、本実施形態ではフィルム状の支持基板１１を用いているが、フィルム状以外の形状の任意の面を支持基板としてもよい。
【００７０】
例えば本実施形態の感圧素子１００は、可撓性の基板（支持基板１１）を有し、基板（支持基板１１）の少なくとも一方側の面にセンサ電極１２が形成され、感圧素子１００自体が可撓性を有するよう、構成されている。これによって感圧素子１００を曲面や周面に配置して用いることが容易である。一般的には、支持基板１１は絶縁性である。
【００７１】
本実施形態における支持基板１１は、可撓性かつ絶縁性のフィルムである。上記絶縁性フィルムの材料の例としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、アラミド樹脂、ポリイミド、ポリイミドワニス、ポリアミドイミド、ポリアミドイミドワニス、またはフレキシブルシートガラス等が挙げることができるが、これに限定されない。
圧力センサ２００の使用環境上の高温耐久性を考慮するならば、支持基板１１の材料は、耐熱性の高いポリカーボネート、アラミドフィルム、ポリイミド、ポリイミドワニス、ポリアミドイミド、ポリアミドイミドワニス、またはフレキシブルシートガラス等がより好ましい。圧力センサ２００の製造上、はんだ付け等のプロセスを提供する場合には、支持基板１１の材料は、ポリイミドフィルム、ポリイミドワニスフィルム、ポリアミドイミドフィルムまたはポリアミドイミドワニスフィルムであることがさらに好ましい。支持基板１１の厚みは特に限定されないが、たとえば１２．５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とすることができる。支持基板１１の厚みが、１２．５μｍを上回る場合、圧力センサ２００の製造工程または使用の際に良好な耐久性を発揮し、また５０μｍを下回る場合、良好な可撓性が発揮され、感圧素子１００を曲面へ配置し、または屈曲させて良好に使用することができる。支持基板１１は、上述したように、予めフィルム状に成形されたものでもよいし、またはセンサ電極１２の素材であるＣｕ箔等に対しポリイミド系等の絶縁用ワニスをキャスト・塗工することで形成されたものであってもよい。たとえば、感圧素子１００の耐久性および高感度特性のいずれも良好にするという観点からは、支持基板１１の厚みは、感圧膜１４の厚みよりも大きく設計するとよい。
【００７２】
上述する感圧素子１００を備える圧力センサ２００は、可撓性、高感度特性、および電気信頼性に優れ、種々の用途に用いることができる。たとえば、任意の物体表面に感圧素子１００を貼りつけて、表面に働く圧力を検知する簡易な計測に用いることができる。特に、曲面形状や球面のような湾曲した表面に感圧素子１００を装着してタッチ操作に供することができ、さらに押圧力の強弱によって種々の機能を切り替えて実行させることも可能である。また、従来のタッチパネルのように二次元平面でのタッチ入力ができることに加え、電子黒板や電子ペーパーに応用して三次元入力が可能なユーザインターフェイスとして使用することができる。
【００７３】
たとえば、圧力センサ２００は、感圧素子１００が、曲率半径１５ｍｍ以下に湾曲させて用いることができる。特に感圧膜１４および支持基板１１のいずれもが可撓性の部材から構成されている場合には、このように曲率半径の小さい物体の表面にも圧力センサ２００を適用することができる。
圧力センサ２００における感圧素子１００は、その全体が曲率半径１５ｍｍ以下となるよう用いられることもできるし、部分的に曲率半径１５ｍｍ以下となるよう用いられることもできる。したがって、圧力センサ２００は、規則的に凹凸が繰り返される面、または不規則な凹凸を備える面など、複雑な曲面にも適用可能である。
【００７４】
次に図１０を用いて、感圧素子１００の製造方法の例について説明する。ただし、以下に述べる製造方法は、本発明を何ら制限するものではない。以下に説明するステップ１から１５は、適宜その順番を変更し、一部の工程を省略し、または一部の工程を変更してもよい。
【００７５】
［ステップ１］ＣＣＬの準備
ＣＣＬを準備する。以降のステップにおいて位置合わせが必要となる場合に備え、ＣＣＬに対し適宜ガイド穴を形成してよい。ＣＣＬは、支持基板１１上に銅箔を有する。
［ステップ２］ドライフィルムラミネート工程
上述で準備したＣＣＬを酸洗いした後、ＣＣＬに対しドライフィルムをロールラミネートする。
［ステップ３］露光工程
上記ステップ２で得られたＣＣＬを露光機に投入し、センサ電極１２、引出配線１２ｃ、外部端子電極１２ｄの所定形状に従ってパターン露光を行う。このとき、一回で処理ができる露光面積対して、一つの感圧素子１００の面積が十分に小さい場合には、一度の露光で複数の感圧素子１００を多面取りし、任意のステップにおいて裁断してもよい。
［ステップ４］現像工程
露光済のＣＣＬを、現像装置に供してパターン現像する。現像液は一般的には弱アルカリ溶液である。現像後に得られたＣＣＬ上のドライフィルムパターンは、後述するエッチング工程におけるエッチングレジストとしての役割を担う。現像後、適宜、エッチングレジストのパターンニングが完了した後は、ＣＣＬやエッチングレジストに付着した現像液を除去するため、水洗処理を実施する。
［ステップ５］エッチング工程
ドライフィルムパターンによってエッチングレジストが形成されたＣＣＬに対しエッチング処理を行う。エッチング液は、一般的には塩化銅系の液が用いられるが、これに限定されず、Ｃｕ箔をエッチング可能な薬液を適宜選択してよい。上記エッチング処理により、ＣＣＬにおいて、センサ電極１２、引出配線１２ｃ、および外部端子電極１２ｄが所定形状のパターンでパターンニングされる。本工程終了後、各パターン表面には、ドライフィルムが残存した状態である。尚、センサ電極１２は、第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂを含む。
［ステップ６］ドライフィルム剥離工程
エッチング工程後、各パターン表面に残存するドライフィルムを剥離除去する。一般的に、上記剥離除去は、弱アルカリに調整された剥離液でドライフィルムを膨潤させ剥離させる手法で実施する。ドライフィルムの剥離後、ＣＣＬを水洗し、露出状態にあるＣｕパターンの防錆のため防錆処理が施される。以上により、ＣＣＬに、センサ電極１２、および引出配線１２ｃが形成される。
［ステップ７］感光性塗材の塗工工程
次に、ステップ６で得られたＣＣＬに絶縁層１３を形成する。具体的には、ＣＣＬにおける支持基板１１、センサ電極１２、および引出配線１２ｃを覆うように、感光性塗材を所定の厚みで被覆し、乾燥して絶縁層１３を形成する。この被覆にあたっては、バーコートまたはスクリーン印刷などの一般的な塗工技術を適用することが可能である。
［ステップ８］感光性塗材への露光工程
上述のとおり形成された絶縁層１３において、開口１３ａの形成箇所を除く領域に対して露光を行う。このとき、上記感光性塗材の露光感度に合わせた光の照射を行うことで、光が照射された箇所のみが光重合される。
［ステップ９］感光性塗材の現像工程
ステップ８において、露光がなされていない箇所（即ち、開口１３ａの形成箇所）のみを除去するため、弱アルカリ溶液によって現像を行う。これにより、絶縁層１３に開口１３ａが形成され、開口１３ａの内側にセンサ電極１２が露出する。支持基板１１を基準として、絶縁層１３の少なくとも開口１３ａ周囲の高さは、開口１３ａに収容されたセンサ電極１２の高さよりも高い。現像後、感光性塗材の性質によって、絶縁層１３の膜強度を向上させるために、所定温度および所定時間で、追加の加熱処理を施してもよい。
［ステップ１０］表面処理工程
支持基板１１上に設けられたセンサ電極１２、引出配線１２ｃ、および外部端子電極１２ｄのうち、絶縁層１３によって覆われず露出した領域は、Ｎｉ／Ａｕめっきによる表面処理が施される。これらのめっき処理は、電解めっきまたは無電解めっきを適宜使い分けてもよい。
［ステップ１１］接着層の形成工程
次に、絶縁層１３の形状に合わせて接着層３０を形成する。たとえば、接着層３０は、開口１３ａに対応する箇所を抜き加工した接着剤シートを準備し、開口１３ａに対し位置合わせしながら絶縁層１３の表面に貼り合せて形成することができる。または、開口１３ａを備える絶縁層１３に対し位置合わせを行い、スクリーン印刷等の印刷手段で接着剤を絶縁層１３上に塗工して接着層３０を形成しても良い。または、開口１３ａに相当する箇所を抜き加工した接着剤シートを感圧膜１４に貼り合せて接着層３０を形成し、後述のとおり接着層３０を介して絶縁層１３に貼り付けてもよい。いずれの場合にも開口１３ａに対応する領域には接着層３０が形成されない。
［ステップ１２］感圧膜の貼合工程
絶縁層１３の表面に対し、感圧膜１４を貼り合せる。たとえばフレキシブルプリントサーキット（ＦＰＣ）製造で一般的に使用される真空プレスを用いて、真空状態において絶縁層１３と感圧膜１４とを接着層３０を介して加熱圧着すると、層間にエアを混入させることなく良好に貼り合わせることができる。以上により、感圧膜１４は、開口１３ａに対応する領域の除いた絶縁層１３に接合される。支持基板１１を基準として開口１３ａの周囲の絶縁層１３の高さより、センサ電極１２の高さが低いため、センサ電極１２と感圧膜１４とは外的圧力が加わらない初期状態では離間する。
［ステップ１３］外部端子電極に対する補強板形成工程
感圧素子１００の外部端子電極１２ｄが、コネクタへの挿抜や異方性導電性フィルム（ＡＣＦ；Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）接合等に適用される場合には、以下の工程を適宜実施する。即ち、外部端子電極１２ｄに適度な剛性を持たせるために外部端子電極１２ｄに対し補強板（不図示）の形成を行う。一般的に補強板は、所望の厚みを有するステンレスもしくはアルミなどの金属板、またはポリイミドもしくはポリエチレンテレフタレートなどのフィルムを素材とし、粘着剤や接着剤によって外部端子電極１２ｄに対しラミネートすることで製作される。
［ステップ１４］外部端子電極の高精度打ち抜き工程
感圧素子１００の外部端子電極１２ｄは、一般的に、外部の基板や機器への接続の際に、コネクタ挿抜や、ＡＣＦ接合の手段を適用する場合が多い。そのため、接続に寄与する部位の外形打ち抜き工程は、高い寸法精度を要求されることがある。具体的には、高精度で製作された金型を用いて上記打ち抜き工程を実施し、外部端子電極１２ｄが要求される寸法精度を確保する。
［ステップ１５］感圧素子の外形打ち抜き工程
外部端子電極１２ｄの高精度打ち抜き工程の後、感圧素子１００の全体的な外形加工のため外形打ち抜き工程を実施する。
【００７６】
以上のとおりステップ１から１５の工程を経て感圧素子１００が製造される。その後、製造された感圧素子１００は、各部位の寸法、センサ電極１２および引出配線１２ｃの導通性能、加圧抵抗特性等を検査され、一定の規格満たしたものが合格品として出荷される。または、上述のとおり得た感圧素子１００と、検知部２１０と、を電気的に接続し、圧力センサ２００を製造してもよい。尚、以上のとおり製造される感圧素子１００が、図２（ａ）のごとく片面にのみセンサ電極１２および引出配線１２ｃを備える態様である場合には、ステップ１から１５において、支持基板１１を備えるＣＣＬは、ロール状態で各工程を流動されてもよい。
【００７７】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態の感圧素子３００および圧力センサ４００について、図５から図９を用いて説明する。本実施形態の感圧素子３００は、センサ電極１２を複数備える点で第一実施形態の感圧素子１００と相違している。圧力センサ４００は、感圧素子１００の替りに感圧素子３００を備える点で、圧力センサ２００と相違している。
図５は、本発明の第二実施形態にかかる感圧素子３００の平面図である。図６（ａ）は、図５のＡ部の部分拡大図であり、図６（ｂ）は、図５のＢ部の部分拡大図である。尚、図６（ａ）は、感圧膜１４を図示省略している。図７（ａ）、（ｂ）は、感圧膜１４が図示省略された図５のＡ部の部分拡大図であり、接着層３０を視認容易のために斜線で表している。図８（ａ）は、感圧膜１４のセンサ電極１２に対向する側からみた平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のVIII-VIII断面図である。図９は、直径Ｘの円筒１６０の表面に配置された感圧素子３００を備える圧力センサ４００の斜視図である。図９において、検知部２１０は図示省略する。
【００７８】
感圧素子３００は、図５に示すとおり、一枚の支持基板１１に複数の圧力センサ部１５が設けられた多チャンネルタイプである。１つの圧力センサ部１５には、図示省略するセンサ電極１２とこれに対向する感圧膜１４を備える。圧力センサ部１５の構成は第一実施形態における感圧素子１００が適宜参照される。感圧素子３００は、各センサ電極１２から引き出された引出配線１２ｃが外部端子電極１２ｄに接続されている。感圧素子３００の構成は、圧力センサ部１５が複数であること、ならびに複数の圧力センサ部１５に対応する引出配線１２ｃおよび外部端子電極１２ｄを備えること以外は、適宜感圧素子１００と同様に構成されている。
【００７９】
即ち、図５と図６（ａ）との内容から理解されるとおり、感圧素子３００は、感圧膜１４と、センサ電極１２と、が対向する圧力センサ部１５が複数設けられている。感圧素子３００では、一枚の感圧膜１４が、複数のセンサ電極１２と対向している。感圧膜１４は、複数のセンサ電極１２を包含する広域領域に亘って配置されている。換言すると、複数のセンサ電極１２が一枚の感圧膜１４を共有している。本実施形態における感圧膜１４は、一枚で複数のセンサ電極１２を覆っており、たとえば図５に示すとおり、一枚の感圧膜１４は、全てのセンサ電極１２を覆っている。
【００８０】
このように、一枚の感圧膜１４を複数のセンサ電極１２に対向させて圧力センサ部１５を構成することにより、感圧膜１４のパターニングまたは位置合わせの工程を軽減させることができ、また感圧素子３００の構成を単純化することができる。加えて、一般的にフィルム材料は５００ｍｍ幅や、１０００ｍｍ幅等の幅広の規格で製造されることが多い。そのため、アレイ型の感圧素子３００を製造する場合には、一枚の大判の感圧膜１４を複数のセンサ電極１２に対向させて配置することで、感圧膜１４を島状に配置する態様に比べて、製造効率を飛躍的に向上させることができる。なお、本明細書においてアレイ型とは、複数のセンサ電極１２を規則的に配列させてなるセンサ群を備えるタイプを意味する。
【００８１】
本実施形態の感圧素子３００は、アレイ型の圧力センサ４００（図９参照）の提供を可能とする。本実施形態は、複数のセンサ電極１２に一枚の感圧膜１４が対向することによって、複数の圧力センサ部１５が形成されている。本実施形態の変形例は、各センサ電極１２に対し、個別の感圧膜１４をそれぞれ対向させて複数の圧力センサ部１５を構成する態様を包含する。即ち、各センサ電極１２に対し島状に感圧膜１４が配置されていてもよい。
【００８２】
感圧素子３００は、図６（ａ）に示すとおり、一対の第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂを備えるセンサ電極１２が複数設けられている。各第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂには、それぞれ引出配線１２ｃが接続されており、図示省略する電圧印加部を通じて電圧が印加される。外部から感圧膜１４に対し押圧力が負荷されると、感圧膜１４が第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂを跨いでセンサ電極１２に接触し、これによって第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂが導通し、引出配線１２ｃに電流が流れる。
【００８３】
隣接するセンサ電極１２どうしの間隔は、感圧素子３００の用途により適宜設定することができる。一例として、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。図５では複数のセンサ電極１２が支持基板１１において縦横方向に整然と配列され態様を例示しているが、本実施形態はこれに限られない。複数のセンサ電極１２は、格子状または千鳥状に配列されてもよく、またはランダムに配置されてもよい。
【００８４】
感圧素子３００は、感圧膜１４と、絶縁層１３と、を接合する接着層３０（図７参照）を有している。絶縁層１３は、感圧膜１４とセンサ電極１２とを中空部Ｓを介して対向させるための第一開口（開口１３ａ）を有している。本実施形態では、接着層３０が、第二開口（開口３０ａ）を有している。第二開口は、平面視上、第一開口（開口１３ａ）を包含する。即ち、本実施形態において、平面視上、第二開口（開口３０ａ）は、第一開口（開口１３ａ）よりも大きく、第一開口（開口１３ａ）を包含している。これによって、第二開口（開口３０ａ）から接着層３０を構成する接着剤が中空部Ｓに入り込むことを回避することができる。
【００８５】
図７（ａ）は、各センサ電極１２をそれぞれ取り囲む第一開口（開口１３ａ）および第二開口（開口３０ａ）を備える態様を示している。図７（ｂ）は、複数（例えば全て）のセンサ電極１２を取り囲む第二開口（開口３０ａ）を有している。１つの第二開口（開口３０ａ）の内側において、センサ電極１２は、それぞれ第一開口（開口１３ａ）の内側に配置されている。
【００８６】
図８（ａ）に示すとおり、本実施形態では、複数のセンサ電極１２に対向する一枚の感圧膜１４のセンサ電極１２に対向する面に、外面から肉厚方向の中間部まで到達するスリット１５０、１５２が設けられている。スリット１５０、１５２は、平面視上、複数のセンサ電極１２間に位置するよう形成されている。本実施形態では、縦横に整然配列された複数のセンサ電極１２に対応して、列方向に延在するスリット１５０と、行方向に延在するスリット１５２とが、交差して設けられている。平面視上、スリット１５０とスリット１５２とで囲まれる格子の内部に一つのセンサ電極１２が位置するよう、スリット１５０、１５２が設けられている。
【００８７】
本実施形態においてスリット１５０は、図８（ｂ）に示すとおり、感圧膜１４の一方側の面の外面から肉厚方向の中間部まで到達し終端している。たとえば、スリット１５０は、感圧膜１４の厚みの略２分の１程度まで到達し終端する。本実施形態におけるスリット１５０は、上記外面から肉厚方向に切り込まれた切れ目であり、切れ目を構成して対向する切断面は実質的に互いに当接している。図示省略するが、スリット１５０は、上記外面から肉厚方向に凹む凹溝であってもよい。凹溝は、所定のラインをＶ字カッターまたはダイシングソーなどで彫り込まれて形成される。なお、本段落におけるスリット１５０に関する説明は、適宜スリット１５２にも適用される。
【００８８】
本実施形態は、上述のとおり複数のセンサ電極１２に対し一枚の感圧膜１４を対向させて複数の圧力センサ部１５を構成することができる。かかる態様において、同じタイミングでいずれか２点の圧力センサ部１５に押圧力が負荷されたとき、感圧膜１４が共通であるため、当該感圧膜１４を介してその２点間に導通が確認される場合がある。かかる場合に、本来の検出信号にノイズが載る虞がある。これに対し、感圧膜１４に上記スリット１５０、１５２を設けることにより、当該ノイズの発生を好適に防止することができる。これは、一枚の感圧膜１４において、スリット１５０、１５２が一の圧力センサ部１５と他の圧力センサ部１５との間の電流の導通に対する電気抵抗になるためであると思われる。
【００８９】
以上に説明する感圧素子３００は、感圧素子１００と同様に可撓性に優れ、屈曲した状態であっても高い電気信頼を示し得る。したがって感圧素子３００を備える圧力センサ４００は、図９に示すとおり湾曲した物体面に配置されて利用することができる。たとえば、本実施形態にかかる圧力センサ４００は、感圧素子３００が、曲率半径１５ｍｍ以下に湾曲している。全体の設計寸法にもよるが、たとえば、感圧素子３００は、センサ電極１２と感圧膜１４との離間距離である所定の距離Ａが５μｍ以上２５μｍ以下であり、かつ、感圧膜１４の厚みが６．５μｍ以上４０μｍ以下であるとよい。これにより感圧素子３００は、曲率半径は１０ｍｍ以下、さらには７ｍｍ以下といったごく小さい曲率半径まで屈曲させて使用することが可能である。図９では、単純な細状の円筒の表面に圧力センサ４００を用いた例を示したが、圧力センサ４００は、さらに曲面の凹凸が複雑な物体の表面にも適応させることができる。たとえば、人間の手の形状の一部または全部に沿って、圧力センサ４００を配置して、手型状または手袋状の感圧センサを実現することができる。尚、一つのセンサ電極１２からなる感圧素子１００を備える圧力センサ２００についても圧力センサ４００と同様に複雑な凹凸面に配置して使用することができる。
【００９０】
また圧力センサ４００、例えば、図示省略するベッドマットの面方向に配置されることによって、当該ベッドに横たわった人間の体重の掛かり具合をセンシングすることができる。また圧力センサ４００は、タブレット端末やＰＣ、電子ペーパーなどのディスプレー下に搭載されることで、当該ディスプレーを押圧（タイピング）した際の荷重または複数で同時に押圧された箇所を検知することができる。
【００９１】
以上に本発明の第一実施形態および第二実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
たとえば、上述する実施形態ではいずれも、支持基板１１の片面にセンサ電極１２が設けられた例を示したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、支持基板１１の両面にセンサ電極１２および感圧膜１４が設けられた態様を包含する。また、本発明は、センサ電極１２が形成される基板としてフィルム状の支持基板１１に限定されるものではない。本発明は、センサ電極１２を支持し、絶縁層１３、および感圧膜１４が積層形成可能な種々の基板上において、感圧素子１００を実施することができる。
【実施例】
【００９２】
以下に本発明の実施例、比較例、および参考例を示す。
各実施例、比較例、および参考例の基本構成は第一実施形態の圧力センサ２００に倣って作製した。具体的には、支持基板１１としてポリイミドフィルム（厚み２５μｍ）上に、一対の第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂを備えるセンサ電極１２、引出配線１２ｃ、ならびに外部端子電極１２ｄを形成した。以上により得られた感圧素子１００に検知部２１０を接続し、基本構成を備える圧力センサ２００を得た。第一電極１２ａおよび第二電極１２ｂは、高さ２０μｍ、ライン幅はそれぞれ１０００μｍ、および互いの離間距離を１００μｍとした。引出配線１２ｃは、高さ１３μｍ、ライン幅は１００μｍとした。次いで、開口１３ａが設けられた絶縁層１３を形成した。次いで絶縁層１３の表面に接着層３０を形成し、接着層３０を介してカーボン粒子を含有するポリイミドフィルムである感圧膜１４を積層して圧力センサ部１５を形成し、感圧素子１００とした。圧力センサ部１５の面積は、４ｍｍ２とした。外部端子電極１２ｄと検知部２１０とをフレキシブル配線２０２で電気的に接続し圧力センサ２００を作製した。
各実施例、比較例、または参考例における感圧素子１００に関し、絶縁層１３から感圧膜１４までの距離Ａ、感圧膜１４の厚み、表面抵抗率Ｒｓおよび表面粗さＲｚを、表１に示すとおり変更した。各実施例、比較例、または参考例において、感圧膜１４に含まれるカーボン粒子の含有量は、表１に示す表面抵抗率Ｒｓおよび表面粗さＲｚとなるよう、それぞれ調整した。【００９３】
上述のとおりの基本構成を有し、表１に示す内容にて、各実施例、比較例、および参考例を作製し、以下のとおり感圧特性評価を行った。評価は、各実施例、比較例、および参考例ごとに、サンプルを５個準備してそれぞれ評価した。後述する初期検知感度評価および大荷重検知感度評価について、５つのサンプルのうち最小値および最大値を表１に示す。後述する短絡試験について、５つのサンプルの全てにおいて短絡が確認されなかった場合に短絡なしと評価し、いずれか１つでも短絡が確認された場合に短絡ありと評価した。上記評価結果は表１に示す。【００９４】
［初期検知感度評価］
各実施例、比較例、および参考例を平坦面に設置し、感圧膜１４の外側から圧力センサ部１５を徐々に荷重を与えていき、導通が最初に検知された荷重を初期検知荷重（Ｎ）として測定した。
［大荷重検知感度評価］
各実施例、比較例、および参考例を平坦面に設置し、４ｍｍ２の面積の圧力センサ部１５に対し１．１ＭＰａ（１１２．５ｇｆ／ｍｍ２）の荷重を与えたときの抵抗値（Ω）を測定した。
［短絡試験］
各実施例、比較例、および参考例をφ１０ｍｍのガラス棒に巻き付け、圧力センサ部１５に対し外側から荷重を与えない状態（即ち、初期状態）において、短絡を確認した。【００９５】
【表１】
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【００９６】
表１に示すとおり、全ての実施例において初期検知感度および大荷重検知感度が実測され、実用に足る構成であることが確認された。
各実施例の評価結果をみると以下の傾向があることが分かった。即ち、感圧膜とセンサ電極との距離Ａ、感圧膜の厚み、表面抵抗率、および表面粗さのいずれも、好適な範囲で設計された実施例１６、１７は、初期検知感度およびダイナミックレンジがいずれも特に良好であった。
距離Ａが５μｍ未満である実施例１は、厳しい条件で屈曲させたときに短絡する虞があることがわかった。また距離Ａが２５μｍを超えた実施例６は、初期検知感度が、１０００Ｎを超えており、他の実施例よりも高い傾向にあった。
感圧膜の厚みが４０μｍを超えた実施例１０は、初期検知感度が、１０００Ｎを超えており、他の実施例よりも高い傾向にあった。
感圧膜の表面抵抗率が３００００Ωを超えた実施例１３は、大荷重検知感度において最大値と最小値との差異が大きく、５つのサンプルの値に大きなばらつきがあった。これは、他の実施例と比較して感圧膜に添加するカーボン粒子の量を少なくしたために分散性が不十分であったことが示唆された。なお、感圧膜の表面抵抗率が７０００Ω未満であった参考例１は、抵抗率を下げるために実施例と比較して感圧膜のカーボン粒子の含有量を著しく増大させたために、測定に値するフィルム成形性が得られなかった。
尚、参考例２は、感圧膜の表面粗さを顕著に大きく設計したが、測定に値するフィルム成形性が得られなかった。【００９７】
一方、比較例１は、感圧膜とセンサ電極との距離Ａが零であり、平坦な状態で短絡が確認された。【００９８】
上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）導電性の感圧膜と、前記感圧膜に対向する位置に設けられたセンサ電極と、
前記感圧膜および前記センサ電極を互いに離間させるための所定の距離を確保する絶縁層と、を有し、前記感圧膜が、カーボン粒子を含有する樹脂フィルムであることを特徴とする感圧素子。
（２）初期状態かつ前記感圧膜が略平坦な状態において測定される前記所定の距離が、５μｍ以上２５μｍ以下である上記（１）に記載の感圧素子。
（３）前記感圧膜の厚みが、６．５μｍ以上４０μｍ以下である上記（１）または（２）に記載の感圧素子。
（４）前記感圧膜のヤング率が、５ＧＰａ以下である上記（１）から（３）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（５）前記感圧膜の表面抵抗率が、７ｋΩ／ｓｑ以上３０ｋΩ／ｓｑ以下である上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（６）前記感圧膜の厚みの前記センサ電極に対向する面の表面粗さＲｚが、０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下である上記（１）から（５）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（７）前記感圧膜が、耐熱性２６０℃以上である上記（１）から（６）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（８）前記感圧膜を構成する樹脂が、ポリイミドまたはポリアミドイミドを主材とする上記（１）から（７）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（９）前記感圧膜のヤング率が、前記感圧膜を構成する樹脂からなり前記感圧膜と同厚さの膜のヤング率よりも小さい上記（８）に記載の感圧素子。
（１０）前記感圧膜と、前記センサ電極と、が対向する圧力センサ部が複数設けられ、
一枚の前記感圧膜が、複数の前記センサ電極と対向している上記（１）から（９）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（１１）前記一枚の感圧膜の前記センサ電極に対向する面は、外面から肉厚方向の中間部まで到達するスリットを有し、
前記スリットが、平面視上、前記複数の前記センサ電極間に位置する上記（１０）に記載の感圧素子。
（１２）可撓性の基板を有し、
前記基板の少なくとも一方側の面に前記センサ電極が形成され、可撓性を有する上記（１）から（１１）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（１３）前記感圧膜と、前記絶縁層と、を接合する接着層を有し、
前記絶縁層が、前記感圧膜と前記センサ電極とを中空部を介して対向させるための第一開口を有し、
前記接着層が、平面視上、前記第一開口を包含する第二開口を有する上記（１）から（１２）のいずれか一項に記載の感圧素子。
（１４）上記（１）から（１３）のいずれか一項に記載の感圧素子と、
前記感圧素子と電気的に接続されて感圧膜とセンサ電極との接触抵抗を検知する検知部と、を備えることを特徴とする圧力センサ。
（１５）前記感圧素子が、曲率半径１５ｍｍ以下に湾曲している上記（１４）に記載の圧力センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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