JP2000275114A

JP2000275114A - センサ

Info

Publication number: JP2000275114A
Application number: JP11078581A
Authority: JP
Inventors: Akio Sato; 明生佐藤; Akimasa Katayama; 晶雅片山; Shingo Hibino; 真吾日比野
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】感知面が柔軟で、圧力変化に対し優れた感度と
応答性を有し、しかもコンパクトな薄膜形状のセンサを
安価に提供する。【解決手段】圧電積層体２が、裏面側に設けられた、支
持スペーサ３と下地基材４とで構成される支持部材によ
って、０．１〜２０ｍｍの厚み分だけ持ち上げ保持され
ており、衝撃荷重に対しても安定した出力電圧が得られ
るようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力や歪みを感知
することのできるセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧力センサ、力センサの開発が進
み、民生用電子機器，家電・住設用電子機器，セキュリ
ティ機器，健康器具，オートメーションファクトリ，自
動車，事務機器等、様々な用途に用いることが検討さ
れ、一部使用されている。

【０００３】例えば、物体の接触圧を感知するセンサ
は、バリ取り，研削作業，組み立て作業等の力制御を行
うことが可能なロボット、病人の体表面と寝具の間に生
じる接触による床ずれ現象を防止するためのマット，エ
アマットの設計およびその接触圧を測定する装置、自動
車の座席シート，スポーツシューズの設計等に使用され
ている。また、流体・気体圧を感知するセンサは、流量
計，自動車の燃焼センサ，掃除機の真空度を制御する圧
力センサ等に使用されている。

【０００４】このように、微妙な圧力や変位，歪み等を
感知する圧力センサ，力センサ，荷重センサとしては、
焼結ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電式セ
ンサや、歪みゲージ式センサ、感圧導電ゴム式センサ、
水熱合成法やスパッタリング法等により基材上に圧電薄
膜を積層した圧電素子を利用した圧電式センサ等があげ
られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
電式センサ（焼結ＰＺＴ使用）は、焼結ＰＺＴが脆く、
薄膜化も５０μｍが限界で、それ以上薄く形成すること
が困難であるという問題がある。そして、製造工程が複
雑で、製造日数が２週間もかかるため、高価で経済的で
ないという問題もある。また、上記歪みゲージ式センサ
は、出力が小さいためアンプ、特に１０００〜１０００
０倍のアンプを用いなければならず、やはり高価になる
という問題がある。さらに、感圧導電ゴム式センサは、
繰り返し使用によりセンサ性能が変化するという問題が
ある。また、水熱合成法やスパッタリング法によって得
られる圧電素子を利用した圧電式センサは、圧力を受け
た場合にできるだけ薄膜ピエゾの変位が大きくなるよ
う、薄膜ピエゾが片持ちで保持された構造になっている
が、片持ち状態で先端部に荷重がかかると、一定方向に
変位しないためどうしても安定した出力が得られないと
いう問題や、本来感知すべき圧力とは違う方向からの衝
撃で電荷を出力してしまうという問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、低荷重でも増幅器を必要としない１０ｍＶ以上
の出力レベルで、しかも感知面が柔軟で、圧力変化に対
し優れた感度と応答性を有するとともに、コンパクトで
薄型の形状を維持しており、安価で経済的な圧力セン
サ，力センサ等となるセンサの提供をその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のセンサは、可撓性基板の片面もしくは両面
に圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極が
取り付けられた圧電素子が、上記圧電素子の裏面側に設
けられた支持部材によって０．１〜２０ｍｍの厚み分だ
け持ち上げ保持されているという構成をとる。

【０００８】すなわち、本発明のセンサは、圧電素子と
して、可撓性基板上に圧電結晶薄膜を形成したものを用
い、しかも上記圧電素子の取り付け面となる裏面を、支
持部材によって０．１〜２０ｍｍの厚み分だけ持ち上げ
保持するようにしたものであるため、感知面が柔軟で、
対象物品の表面を損傷せず、しかも圧力変化に対し優れ
た感度と応答性を発揮する。そして、得られる出力電圧
ピーク値が安定している。また、形状が薄型で嵩張ら
ず、安価で経済的である、という利点も備えている。

【０００９】なお、本発明において、「出力電圧ピーク
値が安定している」とは、出力電圧ピーク値を１０回測
定して、その測定値の標準偏差が０．３以下であること
をいう。

【００１０】そして、本発明において、上記圧電素子と
して、圧電定数０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０
×１０^-2〜１．０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を示すものを
用いたセンサは、とりわけ優れた出力性能を備えてい
る。

【００１１】また、本発明において、上記支持部材が、
下地基材と、この下地基材上に設けられ上記圧電素子裏
面を部分的に支持する支持スペーサとで構成されている
センサは、特に感圧応答性に優れており、そのなかでも
特に、上記支持スペーサが上記圧電素子裏面の周縁部
を、所定間隔で離れた複数の個所で支持するよう設けら
れているもの、上記支持スペーサが上記圧電素子裏面の
周縁部全体を環状に支持するよう設けられているもの等
が、優れた性能を備えている。

【００１２】さらに、本発明において、上記のような支
持スペーサを用いず、それに代えて、上記圧電素子裏面
全面に弾性体を貼着して所定厚みに持ち上げ保持したも
のも、上記支持スペーサを用いたものと同様、優れた性
能を備えており、そのなかでも、上記弾性体が、貯蔵弾
性率１．０×１０⁵〜１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²の
ものである場合、特に優れた性能を備えている。

【００１３】また、本発明において、上記圧電結晶薄膜
として鉛を含有する複合酸化物薄膜を用いたセンサ、そ
して、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成したセ
ンサも、特に優れた性能を備えている。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を説
明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施の形態を示してい
る。すなわち、このセンサ１は、圧電素子の両面を、電
極フィルムで被覆し、さらにその上を保護フィルムでラ
ミネートしてなる平面視四角形状の圧電積層体２（図１
では積層構造および側方に延びる端子等を省略してい
る）を、その裏面の四隅に設けられた支持スペーサ３に
よって、下地基材４上に、所定厚みだけ持ち上げ保持し
た構成になっている。

【００１６】上記圧電積層体２に用いられる圧電素子
は、どのようにして得られるものであってもよいが、特
に、水熱合成法によって可撓性基板表面に圧電結晶薄膜
を形成して得られるものが好適である。

【００１７】上記可撓性基板としては、可撓性を備え、
水熱合成時の加熱加圧条件に耐えうるものが好適であ
り、通常、金属製の、薄板，箔，フィルム等が用いられ
る。上記金属の例としては、ステンレス，鉄，アルミニ
ウム，チタン，鉛等の金属、またはこれらの金属を含む
合金があげられる。ただし、可撓性基板上に形成される
圧電結晶薄膜を基板と強固に接合させるには、上記可撓
性基板の最表面にチタン成分が含有されていることが好
ましい。そこで、可撓性基板として、チタン製のものを
用いるか、チタン製以外のものである場合には、その表
面に、チタン成分を析出させるか塗布する等の手段を講
じることが好ましい。

【００１８】なお、上記可撓性基板の厚みは、２〜２０
０μｍ、なかでも５〜１５０μｍに設定することが好適
である。すなわち、厚みが２μｍ未満では、水熱合成法
で圧電結晶薄膜を得る場合に、上記可撓性基板が水熱合
成中に変形するおそれがあり、逆に厚みが２００μｍを
超えると、センサ表面の柔軟性が乏しくなり、センサか
らの大きな出力が得られなくなるおそれがあるからであ
る。

【００１９】また、圧電結晶薄膜の組成は、圧電特性を
備えるものであれば、どのようなものであっても差し支
えないが、上記水熱合成によって得るのに適した組成に
設定することが好適である。このような組成としては、
ペロブスカイト（ＡＢＯ₃）構造の複合酸化物があげら
れる。そして、上記Ａサイトとしては、通常、Ｐｂ、Ｂ
ａ、Ｃａ、Ｓｒ、ＬａおよびＢｉから選択される少なく
とも１種の元素があげられ、上記Ｂサイトとしては、Ｔ
ｉ単独か、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｗ、Ｎｂ、
Ｓｂ、ＴａおよびＦｅから選択される少なくとも１種の
元素とＴｉとの複合物があげられる。このような複合酸
化物の例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃等があげられる。

【００２０】水熱合成は、通常、上記組成を構成しうる
金属元素を含む金属塩の水溶液をアルカリ性に調整して
なる水溶液と、可撓性基板とを、オートクレーブに装入
し加圧下で加熱することにより行う。これにより、可撓
性基板の表裏面に、圧電結晶薄膜が形成される（バイモ
ルフ型）。なお、ユニモルフ型を得る場合には、可撓性
基板の片面を耐熱，耐アルカリ性のレジスト材で被覆し
て水熱合成を行うか、あるいは可撓性基板の表裏面に形
成された圧電結晶薄膜の片面を削り落とすようにする。

【００２１】このようにして得られる圧電結晶薄膜の厚
みは、通常、０．５〜１００μｍ、特に１〜３０μｍに
設定することが好適である。すなわち、厚みが０．５μ
ｍ未満では充分なセンサ出力が得られにくく、逆に１０
０μｍを超えるとせっかく可撓性基板を用いているにも
かかわらず、センサ表面の柔軟性が乏しくなるおそれが
あるからである。

【００２２】なお、上記水熱合成は、特開平４−３４２
４８９号公報に開示されているように、結晶核生成と結
晶成長の２段階に分けて行うようにしてもよいし、ある
いは、特開平９−２１７１７８号公報，特開平９−２７
８４３６号公報に開示されているように、１段階のみで
合成を行ってもよい。また、特開平９−２７８４３６号
公報に開示されているように、上記オートクレーブを、
鉛直方向に振動させながら行うようにしてもよい。この
場合、例えば図２に示すように、加熱手段（図示せず）
と攪拌手段１１を備えた耐熱容器（オイルバス等）１２
内に、オートクレーブ１０を、支受手段１３，１４によ
って上下可動に支受し、鉛直方向に１Ｈｚ以上、特に３
〜５０Ｈｚの振動をかけながら水熱合成を行うようにす
ることが好適である。

【００２３】さらに、上記水熱合成によって得られた可
撓性基板−圧電結晶薄膜積層体の表面を封孔処理しても
よい（特願平８−２７７８２６号）。上記封孔処理は、
（ａ）樹脂、セラミック等の絶縁材料を用いて圧電結晶
薄膜の多孔質部分およびピンホールを絶縁物で埋める方
法、（ｂ）上記積層体を高温酸化性雰囲気下に置き、薄
膜による被覆がされていないか、あるいは被覆が不充分
なピンホール部分に絶縁性酸化物皮膜を形成する方法、
のいずれかの方法により行うことができる。この封孔処
理により、得られる圧電素子の性能を向上させることが
できる。

【００２４】上記封孔処理に使用する絶縁材料またはそ
の前駆材料は、有機系、無機系のいずれでもよい。有機
系材料としては、例えばポリ塩化ビニル，ポリエチレ
ン，ポリプロピレン，ポリエステル，ポリカーボネー
ト，ポリアミド，ポリイミド，エポキシ樹脂，フェノー
ル樹脂，尿素樹脂，アクリル樹脂，ポリアセタール，ポ
リサルフォン，液晶ポリマー，ＰＥＥＫ（ポリエーテル
エーテルケトン）等があげられる。また、無機系材料と
しては、例えばアルミナ，ジルコニア，シリカ，チタニ
ア等の材料をベースにしたセラミックコーティング材
料、金属アルコキシドやポリシラザン等のセラミック前
駆体等があげられる。

【００２５】このようにして、可撓性基板両面（もしく
は片面）に圧電結晶薄膜を形成したのち、例えば図３に
示すように、その両面（もしくは片面）に、電極層２０
を形成することにより、圧電素子２１を得ることができ
る。１５は可撓性基板、１６は圧電結晶薄膜である。

【００２６】上記電極層２０の形成は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐ
ｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の導電材料を、上記圧電結晶薄
膜１６の表面に堆積させるか、これを被覆することによ
って行われる。その方法は、特に限定するものではな
く、例えば導電ペーストの塗布、無電解メッキ法、スパ
ッタリング法、化学蒸着法等を用いることができる。そ
して、上記電極層２０の厚みは、通常、１μｍ以下、特
に０．１μｍ以下に設定することが好適である。

【００２７】このようにして得られた圧電素子２１は、
例えば図４に示すように、銅箔等の金属材料によって任
意のパターンが形成された電極フィルム２２を挟んだ状
態で、上下方向から、保護フィルム（絶縁フィルム）２
３でラミネートされ、本発明に用いられる圧電積層体２
となる（図１参照）。なお、電極フィルム２２は、保護
フィルム２３と別個に準備する必要はなく、保護フィル
ム２３上に、スクリーン印刷法やスパッタリング法等に
より、直接電極パターンを形成するようにしても差し支
えはない。そして、図４において、２２ａは端子で、２
４は、圧電素子２１，電極フィルム２２，保護フィルム
２３を固定するための粘着剤層（または接着剤層）であ
る。

【００２８】本発明において、上記圧電積層体２を支受
する支持スペーサ３および下地基材４（図１に戻る）
は、樹脂、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ゴム、金
属、無機材料等、ある程度強度を有するものであればど
のような材質であっても差し支えない。そして、その成
形方法も、単に下地基材４と支持スペーサ３とを接着さ
せる方法だけでなく、材質に応じて適宜の方法を採用す
ることができる。

【００２９】例えば、樹脂やＴＰＥ、ゴムを用いる場
合、プレス成形やトランスファー成形、インジェクショ
ン成形等によって、上記支持スペーサ３と下地基材４を
一体的に成形することができる。

【００３０】また、下地基材４上の、支持スペーサ３を
形成する予定部分に、レジストを塗工して硬化させるこ
とにより、支持スペーサ３を形成することができる。あ
るいは、下地基材４と銅箔を積層した積層体を準備し、
銅箔の不用部分を溶剤等によってエッチング除去するこ
とにより、銅箔残部を支持スペーサ３とすることができ
る。

【００３１】上記支持スペーサ３および下地基材４から
なる支持部材と、前記圧電積層体２との一体化は、通
常、上記支持スペーサ３の上面と圧電積層体２の下面
を、接着剤を介して接合することによって行われる。

【００３２】なお、上記支持スペーサ３の厚み、すなわ
ち、下地基材４から圧電積層体２を持ち上げ保持する高
さ（図１においてＴで示す）は、０．１〜２０ｍｍに設
定する必要がある。すなわち、Ｔが０．１ｍｍより小さ
いと、圧電積層体２を持ち上げ保持する効果が小さく、
圧力測定範囲が小さくなり、逆に、Ｔが２０ｍｍより大
きいと、形状が薄型にならず、実用的でないからであ
る。

【００３３】このようにして得られたセンサ１は、圧電
素子２１が、可撓性基板１５と、水熱合成によって形成
された圧電結晶薄膜１６と、電極層２０とからなり（図
３参照）、しかも上記圧電素子２１を含む圧電積層体２
が、支持スペーサ３によって０．１〜２０ｍｍの厚み分
だけ持ち上げ保持されているため、感知面が柔軟で対象
物品の表面を損傷しないだけでなく、圧力変化に対し優
れた感度と応答性を発揮する。そして、全体形状が非常
に薄くて嵩張らず、また簡単な構成であることから安価
で経済的である、という利点も備えている。

【００３４】なお、上記の例では、圧電素子２１の表裏
面を、電極フィルム２２、保護フィルム２３の順でラミ
ネートしたが、これは、圧電素子２１が繰り返し応力を
受けると、可撓性基板１５と圧電結晶薄膜１６とが剥離
するおそれがあることを考慮したものである。ただし、
本発明のセンサ１において、必ずしも上記のように保護
フィルム２３によるラミネートを行う必要はない。した
がって、本発明において、「圧電素子の裏面側に支持部
材を設ける」とは、圧電素子の裏面に、直接、支持部材
を接合する場合と、上記保護フィルム等を介して接合す
る場合の両方を含む趣旨で用いている。

【００３５】また、上記の例では、圧電素子２１を、バ
イモルフ型によって構成しているが、これに限らず、ユ
ニモルフ型であっても差し支えない。

【００３６】そして、上記圧電素子２１の形成方法は、
水熱合成法に限らず、どのような方法によっても差し支
えないが、１μｍ以上の均一な圧電結晶膜を形成するに
は、上記の例のように、特開平９−２１７１７８号公報
および特開平９−２７８４３６号公報に開示されている
ような水熱合成法を用いることが最適である。そして、
なかでも、水熱合成時に、オートクレーブ１０への鉛直
方向の振動を、３〜５０Ｈｚの範囲内でかけ、金属塩
（硝酸鉛、オキシ塩化ジルコニウム、四塩化チタン）お
よびアルカリ（水酸化カリウム）の混合水溶液中の各々
の濃度を下記のように設定することにより、圧電定数
０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×１０^-2〜１．
０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を示す圧電素子２１を得るこ
とが、優れたセンサ性能を得る上で、好適である。

【００３７】〔水熱合成時の金属塩、アルカリの好適濃度〕硝酸鉛０．１〜１．０ｍｏｌ／リットルオキシ塩化ジルコニウム０．０５〜２．０ｍｏｌ／リットル四塩化チタン０〜０．５ｍｏｌ／リットル水酸化カリウム２．５〜８．０ｍｏｌ／リットル

【００３８】なお、上記圧電定数は、つぎのようにして
求められるものである。すなわち、まず、図１３
（ａ），（ｂ）および図１４に示すように、電極層２
０′が形成された圧電素子２１を、固定具４０で支受
し、図１４において矢印で示すように、片持ちの先端部
中央（Ｐで示す）に荷重をかける。そして、上記点Ｐか
ら１．５ｍｍだけ内側の測定点Ｑの変位量をレーザー変
位計で測定するとともに、片側の圧電結晶薄膜からの出
力電圧をＡ／Ｄ変換器で測定する。このようにして得ら
れた測定値（＝出力電圧ピーク値と変位量の比、１０回
測定して最小二乗法により算出）と、図１３（ａ），
（ｂ）に示す構成上のファクターを用い、下記の式
（１）によって算出することができる。

【００３９】

【数１】圧電定数（ｄ₃₁）＝４Ｌ³ＣＶ／〔３ｂｔＥｄ（Ｌ₂ ²−Ｌ₁ ²）〕…（１）Ｖ：出力電圧ｄ：変位量Ｃ：インピーダンス＊インピーダンスアナライザーにより、片側の圧電結晶
薄膜部分の周波数１００Ｈｚにおけるインピーダンスを
測定。Ｅ：ヤング率＊ＪＩＳＺ２２４１に従って測定後、弾性領域の応力
−歪みの傾きから算出。Ｌ，ｂ，ｔ，Ｌ₁，Ｌ₂：図１３（ａ），（ｂ）に示
す。

【００４０】また、上記曲げ剛性は、上記測定値等を用
いて下記の式（２）によって求めることができる。

【００４１】

【数２】曲げ剛性（Ｄ）＝Ｅｔ³／〔１２（１−υ²）〕…（２）Ｅ，ｔ：式（１）と同じ υ：ポアソン比（＝０．３）

【００４２】一方、圧電積層体２を持ち上げ保持する支
持部材の形態も、図１の形態に限らず、種々の形態に設
定することができる。例えば、支持スペーサ３によっ
て、圧電積層体２の裏面を、四隅で支持するのではな
く、図６に示すように、下地基材４上に、左右２本の帯
状の支持スペーサ３ａを設け、圧電積層体２の左右両端
部を支持するようにしてもよい。

【００４３】また、図７に示すように、下地基材４上の
周縁部全体に、環状に支持スペーサ３ｃを設け、圧電積
層体２の周縁部全体を支持するようにしてもよい。

【００４４】そして、様々な形状の対象物品、センサ設
置空間に合わせて、圧電積層体２を適宜の形状にするこ
とができ、その形状に合わせて、支持部材の形状も適宜
変更することができる。例えば、図８に示すように、三
角形状の圧電積層体２′に対しては、その三つの角部を
支持スペーサ３ｄで支持するとともに、下地基材４の形
状も、それに合わせて三角形状にすることができる。も
ちろん、図９示すように、その周縁部全体を、環状スペ
ーサ３ｅで支持することもできる。

【００４５】また、図１０に示すように、円形状の圧電
積層体２″に対しては、円環状スペーサ３ｆで支持する
こともできる。

【００４６】さらに、上記一連の支持スペーサ３等を用
いるのに代えて、図１１に示すように、圧電積層体２
を、ゴム，ＴＰＥ，ゲル，発泡体等の弾性材で構成され
た弾性体３０で全面的に支持するようにしてもよい。そ
の場合、下地基材４はあってもなくてもよい。そして、
上記弾性体３０は、圧電積層体２の変形にできるだけ追
従するものであることが好ましく、そのためには、貯蔵
弾性率（動的粘弾性測定法により測定）が１．０×１０
⁶〜１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²の弾性体を用いるこ
とが好適である。ただし、その厚みは、上記一連の支持
スペーサ３等と同様、０．１〜２０ｍｍに設定する必要
があり、より好ましくは０．５〜２０ｍｍである。

【００４７】また、本発明において、センサの出力をよ
り安定化させるために、例えば図１７に示すような、下
面中央に凸部３１が形成された凸カバー３２を、センサ
１の上に重ねて一体化することができる。このようにす
ると、支持スペーサ３等によって中央部が空隙となるよ
う支持された構造のセンサ１（図１等参照）、あるいは
全体が柔軟な弾性体３０で支持された構造のセンサ（図
１１参照）に対し、上方から荷重がかかった場合に、図
１８に示すように、上記凸部３１で集中的に圧電積層体
２を押圧することができるため、より大きく、しかも偏
りなく圧電積層体２が変位する。

【００４８】上記凸カバー３２において、凸部３１は、
圧電積層体２と接触もしくは接着すれば足りるのであ
り、その形状は、球状、半球状、直方体状等、どのよう
な形状であっても差し支えはない。また、寸法も、圧電
積層体２を押圧する際、これをスムーズに押すことがで
きれば、どのような寸法であっても差し支えはない。そ
して、上記凸カバー３２は、下地基材４と支持スペーサ
３からなる支持部材を作製する方法と同様にして作製す
ることができる。

【００４９】なお、上記凸カバー３２は、本発明の、各
種支持形態のセンサと組み合わせて用いることができ
る。

【００５０】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００５１】

【実施例１〜１０】硝酸鉛１２０ｍｍｏｌ、オキシ塩化
ジルコニウム５８．３ｍｍｏｌおよび水酸化カリウム１
６４２ｍｍｏｌを水に溶解した溶液３６０ミリリットル
を、テフロン内張りオートクレーブ容器内に入れた。ま
た、チタン箔を、所定形状に切断し、洗浄，乾燥したの
ち、上記オートクレーブ内に装入して密閉した。そし
て、オイルバス中で、加圧下、約１５０℃で約４８時
間、鉛直方向に３０Ｈｚの振動を加えて水熱合成処理を
行うことにより、チタン箔の両面に、所定厚みでチタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶層を形成した。そし
て、ＲＦスパッタリング法により、上記ＰＺＴ層の表面
に、厚み１０ｎｍの白金電極層を形成することにより、
圧電素子を得た。

【００５２】そして、上記圧電素子を、銅箔による電極
パターンが形成された保護フィルムで上下から挟むこと
により、圧電積層体を作製した。なお、上記銅箔の厚み
は１８μｍ、保護フィルムの材質はポリエチレンテレフ
タレート樹脂（ＰＥＴ）で、その厚みは２５μｍであ
る。また、保護フィルムの裏面に形成される粘着層（接
着層）はアクリル系ポリマーで形成されており、その厚
みは５μｍである。

【００５３】一方、図５に示す支持部材をつぎのように
して作製した。すなわち、材料としてポリカーボネート
樹脂（ＰＣ）を用い、インジェクション成形により、支
持部材を一体成形した。ただし、支持スペーサの厚み、
圧電積層体との接触面積、スペーサ間隔は、後記の表
１、表２に示すとおりである。そして、上記圧電積層体
と接合して、図１に示す構成のセンサを、１０種類作製
した。

【００５４】

【比較例１，２】また、上記実施例１〜１０の作製方法
に準じて、２種類の圧電積層体を作製し、これには支持
部材をつけることなく、従来の固定方法に準じ、図１２
に示すように、端部を固定具４０で上下方向から挟持し
て片持ち梁に固定した。４１が圧電積層体である。

【００５５】

【比較例３，４】さらに、実施例７と同様にして圧電積
層体を得たが、支持スペーサの厚みを、後記の表３に示
すように設定して、本発明から外れる構成のセンサを２
種類作製した。

【００５６】これらの実施例品、比較例品に対し、図１
５に示すように、その中央部に向かって、５ｃｍ上方か
ら直径１０．０ｍｍの剛球５０を落下させることにより
衝撃荷重を加え、Ａ／Ｄ変換器により出力電圧を測定し
た（測定値は１０回の平均値）。そして、センサ特性に
ついては、ピーク出力電圧が１０ｍＶ以上で規則性のあ
る波形を示すセンサを○と判定した。また、その他の基
準（薄型化が達成されているか否か等）についても判定
し、その両方が○の場合のみ、総合判定を○とした。こ
れらの結果を、下記の表１〜表３に示す。なお、実施例
７品の出力電圧波形を、図１６（ａ）に示す。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【表２】

【００５９】

【表３】

【００６０】

【実施例１１〜２０】実施例１〜１０と同様にして得ら
れた圧電積層体に対し、図６に示す構成の支持部材を作
製して接合した。ただし、支持スペーサの厚み、圧電積
層体との接触面積、スペーサ間隔は、下記の表４，表５
に示すとおりである。そして、上記と同様にして出力電
圧を測定するとともに、センサ特性等を評価した。これ
らの結果を、下記の表４，表５に併せて示す。なお、実
施例１７品の出力電圧波形を、図１６（ｂ）に示す。

【００６１】

【表４】

【００６２】

【表５】

【００６３】

【実施例２１〜２６】実施例１〜１０と同様にして得ら
れた圧電積層体に対し、図７に示す構成の支持部材を作
製して接合した。ただし、支持スペーサの厚み、圧電積
層体との接触面積は、下記の表６，表７に示すとおりで
ある。そして、上記と同様にして出力電圧を測定すると
ともに、センサ特性等を評価した。これらの結果を、下
記の表６，表７に併せて示す。なお、実施例２６品の出
力電圧波形を、図１６（ｃ）に示す。

【００６４】

【表６】

【００６５】

【表７】

【００６６】

【実施例２７〜３２】平面形状を直角二等辺三角形にす
る以外は、実施例１〜１０と同様にして得られた圧電積
層体に対し、図８に示す構成の支持部材を作製して接合
した。ただし、支持スペーサの厚み、圧電積層体との接
触面積、スペーサ間隔は、下記の表８，表９に示すとお
りである。そして、上記と同様にして出力電圧を測定す
るとともに、センサ特性等を評価した。これらの結果
を、下記の表８，表９に併せて示す。なお、実施例３２
品の出力電圧波形を、図１６（ｄ）に示す。

【００６７】

【表８】

【００６８】

【表９】

【００６９】

【実施例３３〜３６】上記実施例２７〜３２と同様にし
て得られた圧電積層体に対し、図９に示す構成の支持部
材を作製して接合した（実施例３３，３４）。また、平
面形状が円形の圧電積層体に対し、図１０に示す構成の
支持部材を作製して接合した（実施例３５，３６）。た
だし、支持スペーサの厚み、圧電積層体との接触面積
は、下記の表１０に示すとおりである。そして、上記と
同様にして出力電圧を測定するとともに、センサ特性等
を評価した。これらの結果を、下記の表１０に併せて示
す。なお、実施例３３品の出力電圧波形を、図１６
（ｅ）に示し、実施例３５品の出力電圧波形を、図１６
（ｆ）に示す。

【００７０】

【表１０】

【００７１】

【実施例３７〜４０】前記実施例１〜１０と同様にして
得られた圧電積層体に対し、図１１に示す構成の支持部
材を作製して接合した。ただし、支持部材の材質、ヤン
グ率、厚みは、下記の表１１に示すとおりである。そし
て、上記と同様にして出力電圧を測定するとともに、セ
ンサ特性等を評価した。これらの結果を、下記の表１１
に併せて示す。なお、実施例３９品の出力電圧波形を、
図１６（ｇ）に示す。

【００７２】

【表１１】

【００７３】

【実施例４１〜４３】前記実施例１〜１０と同様にして
圧電積層体を得たが、その厚み構成は下記の表１２に示
すように異なっており、圧電定数と曲げ剛性の異なる３
種類の圧電素子となった。これらを用いて、前記実施例
７と同様の構成の、３種類のセンサを得た。そして、上
記と同様にして出力電圧を測定するとともに、センサ特
性等を評価し、その結果を、下記の表１２に併せて示し
た。なお、参考のために、実施例６と実施例７について
も、圧電定数と曲げ剛性の値を含め、併せて示した。

【００７４】

【表１２】

【００７５】

【実施例４４〜４６】下記の表１３に示すように、上記
実施例と同様にして、３種類のセンサを作製し、それぞ
れ図１８に示す凸カバー３２を取り付けた。そして、上
記と同様にして出力電圧を測定するとともに、センサ特
性等を評価し、その結果を、下記の表１３に併せて示し
た。なお、実施例４４の出力電圧波形を、図１９に示
す。

【００７６】

【表１３】

【００７７】

【発明の効果】以上のように、本発明のセンサは、圧電
素子が、可撓性基板と圧電結晶薄膜からなり、しかも上
記圧電素子が、特殊な支持部材によって０．５〜２０ｍ
ｍの厚み分だけ持ち上げ保持されているため、感知面が
柔軟で対象物品の表面を損傷しないだけでなく、圧力変
化に対し優れた感度と応答性を発揮し、１０ｍＶ以上の
安定した出力電圧ピーク値が得られるようになってい
る。そして、全体形状が非常に薄くて嵩張らず、また簡
単な構成であることから、安価で経済的である、という
利点も備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】上記実施例に用いる圧電素子の製法の説明図で
ある。

【図３】上記実施例に用いる圧電素子の説明図である。

【図４】上記実施例に用いる圧電積層体の構成の説明図
である。

【図５】上記実施例に用いる支持部材の説明図である。

【図６】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図７】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図８】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図９】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１０】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１１】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１２】比較例の支持構造の説明図である。

【図１３】（ａ），（ｂ）は圧電素子の出力電圧測定法
の説明図である。

【図１４】圧電素子の出力電圧測定法の説明図である。

【図１５】センサの出力電圧測定法の説明図である。

【図１６】（ａ）〜（ｇ）はいずれも実施例の出力電圧
波形を示す線図である。

【図１７】本発明に用いられる凸カバーの説明図であ
る。

【図１８】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１９】上記凸カバーを取り付けた実施例の出力電圧
波形を示す線図である。

【符号の説明】

１センサ２圧電積層体３支持スペーサ４下地基材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可撓性基板の片面もしくは両面に圧電結
晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極が取り付け
られた圧電素子が、上記圧電素子の裏面側に設けられた
支持部材によって０．１〜２０ｍｍの厚み分だけ持ち上
げ保持されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】上記圧電素子が、圧電定数０．１〜２０
ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×１０^-2〜１．０×１０³Ｎ
・ｍｍの特性を示すものである請求項１記載のセンサ。
【請求項３】上記支持部材が、下地基材と、この下地
基材上に設けられ上記圧電素子裏面を部分的に支持する
支持スペーサとで構成されている請求項１または２記載
のセンサ。
【請求項４】上記支持スペーサが、上記圧電素子裏面
の周縁部を、所定間隔で離れた複数の個所で支持するよ
う設けられている請求項３記載のセンサ。
【請求項５】上記支持スペーサが、上記圧電素子裏面
の周縁部全体を、環状に支持するよう設けられている請
求項３記載のセンサ。
【請求項６】上記支持部材が、上記圧電素子裏面全面
に貼着される弾性体で構成されている請求項１または２
に記載のセンサ。
【請求項７】上記弾性体が、貯蔵弾性率１．０×１０
⁵〜１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²のものである請求項
６記載のセンサ。
【請求項８】上記圧電結晶薄膜が鉛を含有する複合酸
化物薄膜である請求項１〜７のいずれか一項に記載のセ
ンサ。
【請求項９】上記圧電結晶薄膜が水熱合成によって形
成されたものである請求項１〜８のいずれか一項に記載
のセンサ。