(57)【要約】【課題】電極形成と圧電セラミックと電極との接触を同時に行い、連続的に安定して製造のできる可撓性に富むフィルム状の圧力センサーを提供する。【解決手段】加熱時に流動する樹脂に圧電セラミック粉末を混入し、金属箔上に流延塗布し、別の金属箔を加熱圧着することによって、樹脂を流動させて、圧電セラミック粉末を金属箔と接触させた圧力センサーであり、用いられる樹脂はシリコーン変性ポリイミド、ポリアミドイミドまたは低弾性率のエポキシ樹脂であることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム状の絶縁樹脂中に圧電セラミック粉末が埋め込まれ、フィルム状の絶縁樹脂の表裏に金属箔からなる電極を有し、圧電セラミック粉末が絶縁樹脂を貫通して金属箔と接触している圧力センサー。
【請求項２】
圧電セラミックがチタン酸ジルコン酸鉛である請求項１記載の圧力センサー。
【請求項３】
絶縁樹脂がシリコーン変性ポリイミドである請求項１または請求項２記載の圧力センサー。
【請求項４】
絶縁樹脂がポリアミドイミドである請求項１または請求項２記載の圧力センサー。
【請求項５】
絶縁樹脂が２５℃における弾性率が１ＧＰａ以下であるエポキシ樹脂である請求項１または請求項２記載の圧力センサー。
【請求項６】
金属箔が、表面が粗化された銅箔である請求項１〜５いずれか１項に記載の圧力センサー。
【請求項７】
（Ａ）絶縁樹脂中に圧電セラミック粉末を分散させる工程、（Ｂ）該絶縁樹脂を金属箔上に直接流延塗布し加熱してフィルム形成する工程、（Ｃ）該フィルム上に金属箔を重ねて加熱圧着する工程を含んでなる圧力センサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサーおよびその製造方法に関するものである。更に詳しくは、フィルム状の圧力センサーおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックは、圧力を加えることによって電圧を発生するので、圧力センサーとしての利用が期待できるが、セラミックは可撓性が無く、割れやすく、厚みの薄いものを作製することが困難である。また、形状を自由に作ることも困難である。
【０００３】
圧電セラミックを用いて、フィルム状の圧力センサーを得る手段として、圧電セラミックの粉末を樹脂内に分散させたものが特許文献１に開示されている。特許文献１では、セラミック圧電微粉材料をフッ素系高分子樹脂と混合した高分子圧電樹脂液で薄膜上に形成したセラミック圧電素体が開示されているが、この方法では、高分子樹脂をベースとした薄膜なので可撓性には優れるが、セラミック粉末が高分子樹脂中に埋設されているので、圧電セラミック粒子の圧電性能が十分に発揮できない。また特許文献１には電極の形成方法は言及されていない。
【０００４】
圧電セラミックの性能を最大限に発揮させる為には、セラミック粒子が電極と直接接続されていることが好ましく、このような圧力センサーの製造方法として、セラミック粉末を樹脂に埋め込んだ後に表面を研削してセラミックを露出させ、その後表面にスパッタ蒸着によって電極を形成する方法が考えられるが、研削中にセラミック粒子が樹脂から脱落したり、樹脂とセラミック粉末の界面が剥離して隙間が出来る危険性があった。スパッタ蒸着によって電極を形成する工程で、これらの空隙が蒸着金属によって充填され、表裏が導通してしまうために、圧電セラミックを分極することが出来ないという問題点があった。また、蒸着時に導通しなかった場合でも、これらの空隙には水分がたまりやすく、高電圧を掛けた時にこれらの空隙を通して絶縁破壊が起こり、分極することが出来ないという問題点があった。また、表面研削時に樹脂が剥離したり破壊するなど薄いフィルム状のセンサーを形成することは著しく困難であった。さらに、スパッタ蒸着は真空中で行うため、連続生産することが出来ないという問題点があった。使用する樹脂は、研削が出来るように、弾性率の高い樹脂が好まれる為、可撓性を得ることが難しかった。
【０００５】
また、特許文献２には、樹脂フィルム上にチタン薄膜を形成し、この上に厚み０．５〜５０ミクロンの圧電結晶薄膜を形成し、さらにその上に電極層を形成する圧電積層体からなる柔軟センサーが開示されている。しかし、この方法で得られたセンサーは少量撓ませることはできるものの、圧電結晶薄膜が割れてしまうので折り曲げることは出来ない。また、チタン層や電極層はスパッタ蒸着で形成し、圧電結晶は水熱合成で形成する為、連続的に生産することは出来ない。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５９−２１５７７８号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３７９７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は圧電セラミックを用いた圧力センサーの上記のような問題点を解決し、容易に厚みを薄くすることが出来、可撓性を有し、連続的に生産が出来る圧力センサーを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］  フィルム状の絶縁樹脂中に圧電セラミック粉末が埋め込まれ、フィルム状の絶縁樹脂の表裏に金属箔からなる電極を有し、圧電セラミック粉末が絶縁樹脂を貫通して金属箔と接触している圧力センサー、
［２］  圧電セラミックがチタン酸ジルコン酸鉛である［１］項記載の圧力センサー、
［３］  絶縁樹脂がシリコーン変性ポリイミドである［１］または［２］項記載の圧力センサー、
［４］  絶縁樹脂がポリアミドイミドである［１］または［２］項記載の圧力センサー、
［５］  絶縁樹脂が２５℃における弾性率が１ＧＰａ以下であるエポキシ樹脂である［１］または［２］項記載の圧力センサー、
［６］  金属箔が、表面が粗化された銅箔である［１］〜［５］項のいずれか１項に記載の圧力センサー、
［７］  （Ａ）絶縁樹脂中に圧電セラミック粉末を分散させる工程、（Ｂ）該絶縁樹脂を金属箔上に直接流延塗布し加熱してフィルム形成する工程、（Ｃ）該フィルム上に金属箔を重ねて加熱圧着する工程を含んでなる圧力センサーの製造方法
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる圧電セラミック粉末は、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどの圧電性を示すセラミックが広く使用できる。特にチタン酸ジルコン酸鉛は、圧電セラミックの性能を示す圧電定数が大きく、本発明の圧力センサーに好適である。
これらの圧電セラミックは粉体状のものを使用するが、板状や塊状に成形して焼結されたものを粉砕して適当な粒度にそろえたものを使用しても良い。
【００１０】
本発明に用いる圧電セラミック粉末の粒径は、目的とする圧電センサーの絶縁層厚みの９０％以上１１０％以下に入るものを用いることが好ましい。９０％以上１１０％以下の範囲から外れた粒子が多少含まれていても、本発明の圧力センサーを製造することは可能である。しかし、９０％未満のものが含まれていると、金属箔を加熱圧着した時にその圧電セラミック粉末は、金属箔に接触できず導通を得ることが出来ないので圧力センサーとして機能出来ず、１１０％を超えるものが含まれた場合には、その粒子の周囲にある１１０％以下の粒径の圧電セラミック粉末が金属箔と接触できないので、圧力センサーとして機能できないため、圧力センサーの性能が低下する。従って出来るだけ９０％以上１１０％以下の範囲に入るようにしたほうが有利である。
【００１１】
本発明で用いる絶縁樹脂には、絶縁性を有する樹脂が広く使用できるが、耐湿信頼性や耐熱信頼性の点から、シリコーン変性ポリイミド、ポリアミドイミド、低弾性率エポキシが好ましい。
特に、シリコーン変性ポリイミドは弾性率が低く、可撓性に富むので好ましい。また、エポキシ樹脂は２５℃での弾性率が１ＧＰａ以下であるものが可撓性に富み、本発明の圧力センサーに好適である。
【００１２】
本発明の圧力センサーの製造方法としては、まず、絶縁樹脂の溶液中に圧電セラミックの粉末を分散させる。分散させる方法としては、絶縁樹脂の粘度によるが、スクリュー攪拌、ディスパーザー、ロール混練、ミル攪拌などの方法が使用できる。分散時に剪断力がかかるような方法を用いる場合には、圧電セラミック粉末が必要以上に粉砕されないように攪拌速度やロールギャップなどの分散条件を考慮する必要がある。
【００１３】
次に、圧電セラミック粉末が分散された樹脂を、金属箔上に流延塗布して、次いで加熱してフィルム形成する。この時、シリコーン変性ポリイミドやポリアミドイミドのような熱可塑性樹脂の場合は、金属箔を重ねて樹脂のガラス転移温度以上で熱圧着することによって樹脂が流動して、圧電セラミック粉末を両面の金属箔に接触させることが出来るので、フィルム化時に十分に加熱してよい。エポキシ樹脂の場合は、完全に硬化すると熱圧着時に流動せず、圧電セラミック粉末を金属箔に接触させることが出来ないため、フィルム形成時には、通常Ｂステージと呼ばれている半硬化状態で止めておくことが必要である。このような樹脂を使用することによって、金属箔の熱圧着時に樹脂が流動して、圧電セラミック粉末が樹脂を貫通するので、両面の金属箔に接触させることが出来る。従って、圧電セラミック粉末を樹脂に埋め込んだ後に表面研磨してセラミックを露出させる必要が無く、また、金属箔を圧着するので電極の形成をスパッタ蒸着などによって行う必要もないので、薄いフィルム状のセンサーを連続的に製造することが出来る。金属箔を熱圧着するという一回の工程で、圧電セラミック粉末と両面の電極との接触を得ることと、電極の形成という２つの工程を同時に行うことが出来るので、生産速度も早くできる。
【００１４】
本発明で用いる金属箔には、銅箔、ステンレス箔、アルミ箔、ニッケル箔など、導電性の金属箔が使用できるが、エッチングによって容易に回路加工ができることから銅箔が好ましい。さらに好ましくは、表面が粗化された銅箔である。
金属箔上に絶縁樹脂を流延塗布する方法としては、ロールコータ、ダイコータ、コンマコータ、グラビアコータ、ドクターブレード、などが使用できる。
【００１５】
金属箔を圧着する方法は、平板プレスや、ロールラミネータによる方法が使用できる。平板プレスでは、油圧プレスで加圧する方法や、熱盤プレスで加熱しながら加圧する方法が使用できる。真空プレスによって減圧下でプレスしてもよい。ロールラミネータでも加熱を併用するほうがよく、真空ラミネータを使用して、減圧下で加熱しながら加圧してもよい。真空ロールラミネータを使用して、真空と加熱を併用する方法が、連続的に空隙無く金属箔を圧着することが出来、本発明の製造方法に好適である。
【００１６】
本発明に用いる金属箔として表面が粗化された銅箔を用いる場合、表面が粗化された銅箔の粗化面を内にして圧着することが好ましい。粗化面を内にすることによって、絶縁樹脂と銅箔の密着強度が高くなり、また、圧電セラミック粉末との接触点も多くなって、より多くのセラミック粉末を有効に機能させることが出来る。
【００１７】
次いで、表裏の金属板を電極として、高電圧を印加して樹脂中に分散された圧電セラミック粒子を分極させて圧電性を発現させる。高電圧を印加するので、放電を防止するために全体をオイルバスに浸漬することが好ましい。このとき、全体を加熱してもよく、加熱することによって分極に要する時間を短縮することが出来る。
【００１８】
このようにして得られた圧力センサーの使用方法としては、両面の電極である銅箔に、エッチングによって、対向するセンサー用電極とそれに接続される任意の回路を形成して、外部の電気回路網や装置と接続して使用する。
金属板の材質が銅の場合、塩化第二鉄溶液、塩化第二銅溶液などのエッチング液を使用することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００２０】
[実施例１]
圧電セラミック薄板（トーキン製ネペックＮ２１）を乳鉢で粉砕後、篩によって１２５ミクロンから１４０ミクロンに分粒して圧電セラミック粉末を得た。４，４’−オキシジフタル酸二無水物、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン、α，ω−ビス（３−アミノプロピル）ポリジメチルシロキサンをアニソール溶媒中で反応させて得られた固形分濃度２５％のシリコーン変性ポリイミド樹脂のアニソール溶液１００グラムに、上記の圧電セラミック粉末１００グラムを添加し攪拌した。
【００２１】
以下、図２に基づいて説明する。
得られたセラミック粉末入りシリコーン変性ポリイミド樹脂溶液を、表面を粗化処理した１８μｍ厚の電解銅箔（銅箔１０１・三井金属製  ３ＥＣ−ＶＬＰ１８：商品名）の粗化面上に、バーコータによって塗布した。熱風乾燥機で、１２０℃１０分、１５０℃１０分、１８０℃３０分乾燥させて、銅箔上に厚み約１５０μｍのフィルムを得た（図２（ａ））。次に、上記と同じ１８μｍ厚の電解銅箔（銅箔１０６）の粗化面を上記で得られたフィルム面に重ねて（図２（ｂ））、真空プレスを用いて４０ｋｇｆ／ｃｍ2で１８０℃３０分加熱圧着した（図２（ｃ））。圧着後の樹脂厚みは１３０μｍであった。両面の電解銅箔を対向する電極として、直流電源から７００ボルトの電圧を室温で１時間印加して、圧電セラミックを分極させた（図２（ｄ））。両面の銅箔にエッチングによって対向する５ｍｍ角のパターンと接続用の配線を形成した。得られた圧力センサーに荷重をかけて出力電圧をオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｃｓ社製２２４６Ａ型）によって測定したところ、１ｋｇｆの荷重をかけたときにピーク電圧が２．１Ｖであった（図２（ｅ））。
【００２２】
[実施例２]
圧電セラミック薄板（トーキン製ネペックＮ２１）を乳鉢で粉砕後、篩によって１２５ミクロンから１４０ミクロンに分粒して圧電セラミック粉末を得た。低弾性エポキシ樹脂（住友ベークライト株式会社製  ＣＲＰ−４３２４Ａ）２０グラムに、上記の圧電セラミック粉末１００グラムを添加し、攪拌した。
得られたセラミック粉末入り低弾性率エポキシ樹脂を、表面を粗化処理した１８μｍ厚の電解銅箔（三井金属製  ３ＥＣ−ＶＬＰ１８：商品名）の粗化面上に、バーコータによって塗布した。熱風乾燥機で、１１０℃６０分乾燥させて、銅箔上に厚み１５０μｍの半硬化フィルムを得た。次に、上記と同じ１８μｍ厚の電解銅箔の粗化面を上記で得られたフィルム面に重ねて、真空プレスを用いて４０ｋｇｆ／ｃｍ2で１８０℃３０分加熱圧着した。圧着後の樹脂厚みは１３５μｍであった。両面の電解銅箔を電極として、直流電源から７００ボルトの電圧を室温で１時間印加して、圧電セラミックを分極させた。両面の銅箔にエッチングによって対向する５ｍｍ角のパターンと接続用の配線を形成した。得られた圧力センサーに荷重をかけて出力電圧をオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｃｓ社製２２４６Ａ型）によって測定したところ、１ｋｇｆの荷重をかけたときにピーク電圧が１．５Ｖであった。
【００２３】
[比較例１]
平均粒径５００ミクロンの圧電セラミック（トーキン製ネペックＮ２１）１００グラムを上記実施例１と同じシリコーン変性ポリイミド溶液１００グラムに添加し攪拌した。ついでガラス板上に流延塗布して厚み８００ミクロンのフィルムを得た。これを、研削盤を用いて両面を別々に表面研削して厚み３００ミクロンのフィルムを得た。得られたフィルムの表面には圧電セラミックが表面に研削面を露出していた。両面に銅をスパッタ蒸着して電極を形成した（図１）。表裏の電極に直流電源から５００ボルトの電圧を供給して圧電セラミックを分極させようとしたが、研削時に抜け落ちたセラミック部分がスパッタ蒸着時に銅で導通してしまい、電圧をかけることが出来なかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、安定して電極が形成でき、圧電セラミックと電極の接触も良好で、しかも可撓性に優れたフィルム状の圧力センサーを容易に得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の圧力センサーの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による圧力センサーの製造方法の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１      銅箔
１０２      絶縁樹脂
１０３      圧電セラミック粉末
１０４      熱盤
１０５      電源
１０６      銅箔
１０７      蒸着金属膜
【図１】
2004191207.tif 000003
【図２】
2004191207.tif 000004