JP2000275114A - センサ - Google Patents
センサInfo
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- JP2000275114A JP2000275114A JP11078581A JP7858199A JP2000275114A JP 2000275114 A JP2000275114 A JP 2000275114A JP 11078581 A JP11078581 A JP 11078581A JP 7858199 A JP7858199 A JP 7858199A JP 2000275114 A JP2000275114 A JP 2000275114A
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- Japan
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- piezoelectric
- piezoelectric element
- sensor
- thin film
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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。
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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
×10-2〜1.0×103 N・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。
して、圧電定数0.1〜20pC/N、曲げ剛性1.0
×10-2〜1.0×103 N・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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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.
0×103 N・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。
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.
0×103 N・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。
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)=4L3 CV/〔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 *JIS Z2241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。
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 *JIS Z2241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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
波形を示す線図である。
1 センサ 2 圧電積層体 3 支持スペーサ 4 下地基材
Claims (9)
- 【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1.0×10-2〜1.0×103 N
・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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11078581A JP2000275114A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11078581A JP2000275114A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000275114A true JP2000275114A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13665887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11078581A Pending JP2000275114A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000275114A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110064268A (ko) * | 2009-12-07 | 2011-06-15 | 엘지이노텍 주식회사 | 차량의 안전관리 장치 및 방법 |
JP2016176798A (ja) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | 大日本印刷株式会社 | 重量計測装置 |
JP2016176796A (ja) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | 大日本印刷株式会社 | 重量計測装置 |
US9739671B2 (en) | 2012-07-26 | 2017-08-22 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressing force sensor |
US10024739B2 (en) | 2012-04-17 | 2018-07-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressing force sensor |
WO2019244594A1 (ja) * | 2018-06-20 | 2019-12-26 | 株式会社村田製作所 | 押圧センサ及び押圧検出装置 |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP11078581A patent/JP2000275114A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110064268A (ko) * | 2009-12-07 | 2011-06-15 | 엘지이노텍 주식회사 | 차량의 안전관리 장치 및 방법 |
US10024739B2 (en) | 2012-04-17 | 2018-07-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressing force sensor |
US9739671B2 (en) | 2012-07-26 | 2017-08-22 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressing force sensor |
US10175126B2 (en) | 2012-07-26 | 2019-01-08 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressing force sensor |
JP2016176798A (ja) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | 大日本印刷株式会社 | 重量計測装置 |
JP2016176796A (ja) * | 2015-03-19 | 2016-10-06 | 大日本印刷株式会社 | 重量計測装置 |
WO2019244594A1 (ja) * | 2018-06-20 | 2019-12-26 | 株式会社村田製作所 | 押圧センサ及び押圧検出装置 |
JPWO2019244594A1 (ja) * | 2018-06-20 | 2020-06-25 | 株式会社村田製作所 | 押圧センサ及び押圧検出装置 |
US11846551B2 (en) | 2018-06-20 | 2023-12-19 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Press sensor and press detection device with specific elastic moduli components |
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