JP2000275114A - Sensor - Google Patents

Sensor

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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
Authority
JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric element
sensor
thin film
support
Prior art date
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Pending
Application number
JP11078581A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akio Sato
明生 佐藤
Akimasa Katayama
晶雅 片山
Shingo Hibino
真吾 日比野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Riko Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Riko Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Riko Co Ltd filed Critical Sumitomo Riko Co Ltd
Priority to JP11078581A priority Critical patent/JP2000275114A/en
Publication of JP2000275114A publication Critical patent/JP2000275114A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make flexible a sensitive surface and to achieve improved sensitivity and response by lifting a piezoelectric element where a piezoelectric crystal thin film is formed on one surface or both the surfaces of a flexible substrate by a specific thickness for retention with a supporting member on a reverse side. SOLUTION: In a sensor 1 for sensing the contact pressure or the like of an object, a piezoelectric lamination body 2 where both the surfaces of a piezoelectric element are covered with an electrode film and further an area on it is laminated by a protection film is lifted by a specific thickness ranging from 0.1 to 20 mm on the ground base by a support spacer 3 or a specific elastic body being provided on a reverse side. In the piezoelectric element, a piezoelectric crystal thin film made of a compound oxide containing lead or the like in Perovskite structure is preferably formed by hydrothermal synthesis on a flexible substrate surface that is made of a metal thin film or the like containing a titanium constituent, for example, on the uppermost surface. The piezoelectric element preferably has a piezoelectric constant of 0.1-20 pC/N and a bending stiffness of 0.1×102-0.1×103 N.mm to obtain improved sensor performance.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a sensor capable of sensing pressure and strain.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In recent years, the development of pressure sensors and force sensors has progressed, and they are used for various purposes such as consumer electronic devices, home and home electronic devices, security devices, health appliances, automation factories, automobiles, office equipment, and the like. It has been considered and partially used.

【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。
For example, a sensor that senses the contact pressure of an object is a robot capable of performing force control such as deburring, grinding work, and assembling work, and a bed slippage phenomenon caused by contact between a body surface of a sick person and bedding. It is used in the design of mats and air mats for prevention and devices for measuring the contact pressure, and in the design of automobile seats and sports shoes. Sensors for detecting fluid / gas pressures are used in flow meters, combustion sensors of automobiles, pressure sensors for controlling the degree of vacuum of a vacuum cleaner, and the like.

【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。
As described above, a pressure sensor, a force sensor, and a load sensor that sense subtle pressure, displacement, distortion, and the like are:
Piezoelectric sensors using sintered PZT (lead zirconate titanate), strain gauge sensors, pressure-sensitive conductive rubber sensors,
Examples include a piezoelectric sensor using a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film is laminated on a substrate by a hydrothermal synthesis method, a sputtering method, or the like.

【0005】[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。
However, in the above piezoelectric sensor (using sintered PZT), sintered PZT is brittle,
There is a problem that the thickness of a thin film is limited to 50 μm, and it is difficult to form a thinner film. In addition, there is a problem that the manufacturing process is complicated and it takes two weeks to manufacture, which is expensive and not economical. In addition, the above-mentioned strain gauge type sensor has a small output, and therefore has an amplifier, particularly 1000 to 1000.
There is a problem that an amplifier of 0 times must be used, which is also expensive. In addition, the pressure-sensitive conductive rubber sensor
There is a problem that the sensor performance changes due to repeated use. In addition, a piezoelectric sensor using a piezoelectric element obtained by a hydrothermal synthesis method or a sputtering method has a structure in which the thin film piezo is held in a cantilever manner so that the displacement of the thin film piezo is as large as possible under pressure. and has, but the output when the load on the tip portion in a cantilever state such, or a problem that the output was absolutely stable because it does not displace in a given direction can not be obtained, the charge by the impact from different directions to the pressure to be detected originally There is a problem of doing it.

【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。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has an output level of 10 mV or more which does not require an amplifier even with a low load, has a flexible sensing surface, and has excellent sensitivity and responsiveness to pressure changes. It is another object of the present invention to provide a sensor that is inexpensive and economical, such as a pressure sensor or a force sensor, while maintaining a compact and thin shape.

【0007】[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。
In order to achieve the above object, a sensor according to the present invention comprises a piezoelectric substrate having a piezoelectric crystal thin film formed on one or both surfaces of a flexible substrate, and an electrode attached to the piezoelectric crystal thin film. The element is lifted and held by a thickness of 0.1 to 20 mm by a support member provided on the back surface side of the piezoelectric element.

【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。
That is, the sensor according to the present invention uses a piezoelectric element in which a piezoelectric crystal thin film is formed on a flexible substrate, and the back surface on which the piezoelectric element is mounted is 0.1 to 0.1 mm by a support member. Because it is designed to be lifted and held by the thickness of 20 mm, the sensing surface is flexible,
It does not damage the surface of the target article and exhibits excellent sensitivity and responsiveness to pressure changes. Then, the obtained output voltage peak value is stable. It also has the advantage of being thin and bulky, inexpensive and economical.

【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。
In the present invention, "the output voltage peak value is stable" means that the output voltage peak value is measured ten times and the standard deviation of the measured value is 0.3 or less. .

【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。
In the present invention, the piezoelectric element has a piezoelectric constant of 0.1 to 20 pC / N and a flexural rigidity of 1.0.
A sensor using a material exhibiting a characteristic of × 10 −2 to 1.0 × 10 3 N · mm has particularly excellent output performance.

【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。
In the present invention, the support member may be
A sensor composed of a base material and a support spacer provided on the base material and partially supporting the back surface of the piezoelectric element has particularly excellent pressure-sensitive response. The support spacer is provided to support the peripheral portion of the back surface of the piezoelectric element at a plurality of locations separated by a predetermined distance, and the support spacer is provided to support the entire peripheral portion of the back surface of the piezoelectric element in an annular shape. Are provided with excellent performance.

【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
ものである場合、特に優れた性能を備えている。
Further, in the present invention, the above-mentioned supporting spacer is not used, and instead, an elastic body is stuck on the entire back surface of the piezoelectric element and held up to a predetermined thickness. As in the case of the above, it has excellent performance. Among them, when the elastic body has a storage elastic modulus of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 10 dyn / cm 2 , it is particularly excellent. It has excellent performance.

【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。
In the present invention, the sensor using the lead-containing composite oxide thin film as the piezoelectric crystal thin film, and the sensor in which the piezoelectric crystal thin film is formed by hydrothermal synthesis also have particularly excellent performance. I have.

【0014】[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。
Next, an embodiment of the present invention will be described.

【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。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. That is, the sensor 1 has a piezoelectric laminate 2 (see FIG. 1) in which a piezoelectric element is covered on both sides with an electrode film, and further laminated thereon with a protective film.
In this embodiment, the laminated structure and the terminals extending sideways are omitted), and the supporting spacers 3 provided at the four corners on the back surface thereof lift and hold the base material 4 by a predetermined thickness.

【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。
The piezoelectric element used in the piezoelectric laminate 2 may be obtained by any method. In particular, the piezoelectric element is formed by forming a piezoelectric crystal thin film on the surface of a flexible substrate by hydrothermal synthesis. Are preferred.

【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。
The flexible substrate has flexibility,
Those that can withstand the heating and pressurizing conditions during hydrothermal synthesis are suitable, and usually, metal thin plates, foils, films and the like are used. Examples of the above metals include metals such as stainless steel, iron, aluminum, titanium, and lead, and alloys containing these metals. However, in order to strongly bond the piezoelectric crystal thin film formed on the flexible substrate to the substrate, it is preferable that the outermost surface of the flexible substrate contains a titanium component. Therefore, it is preferable to use a titanium substrate as the flexible substrate or, if the substrate is not made of titanium, to take measures such as depositing or coating a titanium component on the surface.

【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。
The thickness of the flexible substrate is 2 to 20.
It is preferable to set the thickness to 0 μm, especially 5 to 150 μm. That is, if the thickness is less than 2 μm, the flexible substrate may be deformed during hydrothermal synthesis when obtaining a piezoelectric crystal thin film by hydrothermal synthesis. Conversely, if the thickness exceeds 200 μm, the surface of the sensor may be deformed. This is because flexibility may be poor, and a large output from the sensor may not be obtained.

【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
3 、BaTiO3 、SrTiO3 、(Pb,La)
(Zr,Ti)O3 等があげられる。
The composition of the piezoelectric crystal thin film may be any composition as long as it has piezoelectric characteristics, but it is preferable to set the composition to a composition suitable for obtaining by the above-mentioned hydrothermal synthesis. It is. As such a composition,
A composite oxide having a perovskite (ABO 3 ) structure is exemplified. And, as the above-mentioned site A, usually, Pb, B
a, Ca, Sr, La and Bi at least one element selected from the group consisting of T
i alone or Zr, Zn, Ni, Mg, Co, W, Nb,
A composite of Ti with at least one element selected from Sb, Ta and Fe can be used. Examples of such a composite oxide include Pb (Zr, Ti) O 3 , PbTi
O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 , (Pb, La)
(Zr, Ti) O 3 and the like.

【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。
In the hydrothermal synthesis, usually, an aqueous solution prepared by adjusting an aqueous solution of a metal salt containing a metal element capable of constituting the above composition to alkaline, and a flexible substrate are charged into an autoclave and heated under pressure. It is done by doing. Thereby, a piezoelectric crystal thin film is formed on the front and back surfaces of the flexible substrate (bimorph type). In order to obtain a unimorph type, one side of the flexible substrate is coated with a heat-resistant and alkali-resistant resist material and hydrothermally synthesized, or a piezoelectric crystal thin film formed on the front and back surfaces of the flexible substrate is used. And scrape off one side.

【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。
The thickness of the piezoelectric crystal thin film thus obtained is usually set to 0.5 to 100 μm, preferably 1 to 30 μm. That is, the thickness is 0.5μ
m, it is difficult to obtain a sufficient sensor output.
If the thickness exceeds 0 μm, the flexibility of the sensor surface may be poor even though the flexible substrate is used.

【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。
The above-mentioned hydrothermal synthesis is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-342.
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 489/1989, it may be performed in two stages of crystal nucleus generation and crystal growth, or disclosed in JP-A-9-217178 and JP-A-9-27.
As disclosed in Japanese Patent No. 8436, synthesis may be performed in only one step. Further, as disclosed in JP-A-9-278436, the above-mentioned autoclave is
It may be performed while vibrating in the vertical direction. In this case, for example, as shown in FIG. 2, a heating means (not shown)
And heat-resistant container (oil bath or the like) 12 provided with stirring means 11
Inside, the autoclave 10 is vertically movably supported by supporting means 13 and 14, and is 1 Hz or more in the vertical direction, particularly 3 Hz.
It is preferable to perform the hydrothermal synthesis while applying vibration of 50 Hz.

【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。
Further, the surface of the flexible substrate-piezoelectric crystal thin film laminate obtained by the above hydrothermal synthesis may be subjected to a sealing treatment (Japanese Patent Application No. 8-277826). The sealing process,
(A) a method of filling a porous portion and a pinhole of a piezoelectric crystal thin film with an insulating material using an insulating material such as a resin or ceramic; and (b) placing the laminate in a high-temperature oxidizing atmosphere and coating with a thin film. A method of forming an insulating oxide film on pinholes that are not covered or have insufficient coating,
Can be performed by any of the methods described above. By this sealing treatment, the performance of the obtained piezoelectric element can be improved.

【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。
The insulating material or its precursor used for the above-mentioned sealing treatment may be either organic or inorganic. Examples of the organic material include polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polyester, polycarbonate, polyamide, polyimide, epoxy resin, phenol resin, urea resin, acrylic resin, polyacetal, polysulfone, liquid crystal polymer, and PEEK (polyetheretherketone). Is raised. Examples of the inorganic material include a ceramic coating material based on a material such as alumina, zirconia, silica, and titania, and a ceramic precursor such as a metal alkoxide and polysilazane.

【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。
After the piezoelectric crystal thin film is formed on both sides (or one side) of the flexible substrate in this manner, for example, as shown in FIG.
Is formed, the piezoelectric element 21 can be obtained. Reference numeral 15 denotes a flexible substrate, and reference numeral 16 denotes a piezoelectric crystal thin film.

【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。
The electrode layer 20 is formed of Al, Ni, P
This is performed by depositing or coating a conductive material such as t, Au, Ag, or Cu on the surface of the piezoelectric crystal thin film 16. The method is not particularly limited, and for example, application of a conductive paste, electroless plating, sputtering, chemical vapor deposition, or the like can be used. The thickness of the electrode layer 20 is usually preferably set to 1 μm or less, particularly preferably 0.1 μm or less.

【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。
The piezoelectric element 21 thus obtained is
For example, as shown in FIG. 4, a protective film (insulating film) 2 is placed from above and below with an electrode film 22 having an arbitrary pattern formed of a metal material such as copper foil sandwiched therebetween.
3 and the piezoelectric laminate 2 used in the present invention.
(See FIG. 1). It is not necessary to prepare the electrode film 22 separately from the protective film 23, and the electrode pattern may be directly formed on the protective film 23 by a screen printing method, a sputtering method, or the like. In FIG. 4, reference numeral 22a denotes a terminal.
Reference numeral 4 denotes an adhesive layer (or an adhesive layer) for fixing the piezoelectric element 21, the electrode film 22, and the protective film 23.

【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。
In the present invention, a support spacer 3 for supporting the piezoelectric laminate 2 and a base material 4 (return to FIG. 1)
May be any material having a certain level of strength, such as resin, thermoplastic elastomer (TPE), rubber, metal, and inorganic material. As the molding method, not only a method of simply adhering the base substrate 4 and the support spacer 3 but also an appropriate method according to the material can be adopted.

【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。
For example, when a resin, TPE, or rubber is used, the support spacer 3 and the base substrate 4 can be integrally formed by press molding, transfer molding, injection molding, or the like.

【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。
Further, the support spacer 3 can be formed by applying a resist to a portion of the base substrate 4 where the support spacer 3 is to be formed and curing the resist. Alternatively, a laminate in which the base material 4 and the copper foil are laminated is prepared,
By removing unnecessary portions of the copper foil by etching with a solvent or the like, the remaining copper foil can be used as the support spacer 3.

【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。
In general, the support member composed of the support spacer 3 and the base material 4 is integrated with the piezoelectric laminate 2 by bonding the upper surface of the support spacer 3 and the lower surface of the piezoelectric laminate 2 with an adhesive. It is performed by joining.

【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。
The thickness of the support spacer 3, that is, the height (indicated by T in FIG. 1) at which the piezoelectric laminate 2 is lifted from the base substrate 4 and held must be set to 0.1 to 20 mm. . That is, when T is smaller than 0.1 mm, the effect of lifting and holding the piezoelectric laminate 2 is small,
This is because the pressure measurement range becomes small, and conversely, if T is larger than 20 mm, the shape does not become thin and is not practical.

【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。
In the sensor 1 thus obtained, the piezoelectric element 21 is composed of the flexible substrate 15, the piezoelectric crystal thin film 16 formed by hydrothermal synthesis, and the electrode layer 20 (see FIG. 3). Moreover, the piezoelectric laminate 2 including the piezoelectric element 21
However, since it is lifted and held by the thickness of 0.1 to 20 mm by the supporting spacer 3, the sensing surface is flexible and does not damage the surface of the target article, and also exhibits excellent sensitivity and responsiveness to pressure changes. I do. In addition, it has the advantage that the overall shape is very thin, not bulky, and simple and inexpensive and economical.

【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。
In the above example, the front and back surfaces of the piezoelectric element 21 are laminated in the order of the electrode film 22 and the protective film 23. However, when the piezoelectric element 21 is repeatedly subjected to stress, the flexible substrate 15 And the piezoelectric crystal thin film 16 may be separated. However,
In the sensor 1 of the present invention, it is not always necessary to perform the lamination with the protective film 23 as described above. Therefore, in the present invention, "providing the support member on the back surface side of the piezoelectric element" means that both the case where the support member is directly joined to the back surface of the piezoelectric element and the case where the support member is joined via the protective film or the like It is used for the purpose including.

【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。
Further, in the above example, the piezoelectric element 21 is constituted by a bimorph type, but is not limited thereto, and may be a unimorph type.

【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。
The method for forming the piezoelectric element 21 is as follows.
The method is not limited to the hydrothermal synthesis method, and any method may be used. However, in order to form a uniform piezoelectric crystal film of 1 μm or more, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. It is optimal to use a hydrothermal synthesis method as disclosed in JP-A-278436. And
Above all, at the time of hydrothermal synthesis, a vertical vibration to the autoclave 10 is applied within a range of 3 to 50 Hz, and a mixed aqueous solution of a metal salt (lead nitrate, zirconium oxychloride, titanium tetrachloride) and an alkali (potassium hydroxide) is used. By setting the respective concentrations in the following manner, a piezoelectric constant of 0.1 to 20 pC / N and a bending rigidity of 1.0 × 10 -2 to 1.
It is preferable to obtain the piezoelectric element 21 having a characteristic of 0 × 10 3 N · mm in order to obtain excellent sensor performance.

【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[Preferred Concentrations of Metal Salt and Alkali at Hydrothermal Synthesis] Lead nitrate 0.1 to 1.0 mol / l Zirconium oxychloride 0.05 to 2.0 mol / l Titanium tetrachloride 0 to 0.5 mol / l Potassium hydroxide 2.5 to 8.0 mol / l

【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。
The above-mentioned piezoelectric constant is determined as follows. That is, first, FIG.
As shown in FIGS. 14A and 14B and FIG.
The piezoelectric element 21 on which 0 'is formed is supported by the fixture 40, and a load is applied to the center (indicated by P) of the cantilevered tip as shown by the arrow in FIG. Then, the displacement of the measurement point Q 1.5 mm inside from the point P is measured by the laser displacement meter, and the output voltage from the piezoelectric crystal thin film on one side is measured by the A / D converter. The measured values (= the ratio between the output voltage peak value and the displacement amount, measured 10 times and calculated by the least squares method) obtained in this manner, and FIG.
It can be calculated by the following equation (1) using the structural factors shown in (b).

【0039】[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。
[Number 1] piezoelectric constant (d 31) = 4L 3 CV / [3btEd (L 2 2 -L 1 2 ) ] ... (1) V: output voltage d: displacement C: The impedance * impedance analyzer, one side of the piezoelectric The impedance of the crystal thin film portion at a frequency of 100 Hz was measured. E: Young's modulus * Calculated from the gradient of stress-strain in the elastic region after measurement according to JIS Z2241. L, b, t, L 1 , L 2 : shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b).

【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。
The bending stiffness can be obtained by the following equation (2) using the measured values and the like.

【0041】[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)## EQU2 ## Flexural rigidity (D) = Et 3 / [12 (1-υ 2 )] (2) E, t: Same as in equation (1)): Poisson's ratio (= 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。
On the other hand, the form of the supporting member for lifting and holding the piezoelectric laminate 2 is not limited to the form shown in FIG. 1, but may be set to various forms. For example, instead of supporting the back surface of the piezoelectric laminate 2 at the four corners with the support spacers 3, two left and right strip-shaped support spacers 3 a are provided on the base material 4 as shown in FIG. The left and right ends of the laminate 2 may be supported.

【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。
As shown in FIG. 7, a support spacer 3c may be provided annularly on the entire periphery of the base substrate 4 to support the entire periphery of the piezoelectric laminate 2.

【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。
The piezoelectric laminate 2 can be formed into an appropriate shape according to the target articles having various shapes and the sensor installation space, and the shape of the support member can be appropriately changed according to the shape. . For example, as shown in FIG. 8, with respect to the triangular piezoelectric laminate 2 ', the three corners are supported by the support spacer 3d, and the shape of the base material 4 is also triangular. can do. Of course, as shown in FIG. 9, the entire peripheral portion can be supported by the annular spacer 3e.

【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。
As shown in FIG. 10, the circular piezoelectric laminate 2 ″ can be supported by an annular spacer 3f.

【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。
Further, instead of using the above-described series of support spacers 3 and the like, as shown in FIG.
May be entirely supported by an elastic body 30 made of an elastic material such as rubber, TPE, gel, or foam. In that case, the base material 4 may or may not be present. And
The elastic body 30 preferably follows the deformation of the piezoelectric laminate 2 as much as possible, and for that purpose, the storage elastic modulus (measured by a dynamic viscoelasticity measurement method) is 1.0 × 10 5
It is preferable to use an elastic body of 6 to 1.0 × 10 10 dyn / cm 2 . However, the thickness must be set to 0.1 to 20 mm, more preferably 0.5 to 20 mm, as in the above-described series of support spacers 3 and the like.

【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。
In the present invention, in order to further stabilize the output of the sensor, a convex cover 32 having a convex portion 31 formed in the center of the lower surface as shown in FIG. Can be integrated. In this manner, the sensor 1 (see FIG. 1 and the like) having a structure in which the center portion is formed as a gap by the support spacer 3 or the like or a sensor having a structure in which the whole is supported by the flexible elastic body 30 (see FIG. 11) On the other hand, when a load is applied from above, as shown in FIG. 18, the piezoelectric laminate 2 can be intensively pressed by the protrusions 31, so that the piezoelectric laminate 2 is larger and is not biased. Is displaced.

【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。
In the convex cover 32, the convex portion 31
It suffices to contact or adhere to the piezoelectric laminate 2, and the shape may be any shape such as a sphere, a hemisphere, or a rectangular parallelepiped. Also, the dimensions may be any size as long as the piezoelectric laminate 2 can be pressed smoothly when pressed. The convex cover 32 can be manufactured in the same manner as the method of manufacturing a support member including the base material 4 and the support spacer 3.

【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。
The above-mentioned convex cover 32 can be used in combination with sensors of various types of support according to the present invention.

【0050】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。
Next, examples will be described together with comparative examples.

【0051】[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。
Examples 1 to 10 120 mmol of lead nitrate, 58.3 mmol of zirconium oxychloride and potassium hydroxide 1
360 ml of a solution of 642 mmol in water was placed in a Teflon-lined autoclave vessel. Further, the titanium foil was cut into a predetermined shape, washed and dried, then charged into the above-mentioned autoclave and sealed. Then, by applying a vibration of 30 Hz in the vertical direction at about 150 ° C. for about 48 hours under pressure in an oil bath and performing hydrothermal synthesis treatment, lead zirconate titanate having a predetermined thickness is formed on both surfaces of the titanium foil. A (PZT) crystal layer was formed. Then, by forming a platinum electrode layer having a thickness of 10 nm on the surface of the PZT layer by RF sputtering,
A piezoelectric element was obtained.

【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。
Then, the piezoelectric element was sandwiched from above and below by a protective film having an electrode pattern formed of a copper foil, thereby producing a piezoelectric laminate. The thickness of the copper foil is 18 μm, the material of the protective film is polyethylene terephthalate resin (PET), and the thickness is 25 μm. The pressure-sensitive adhesive layer (adhesive layer) formed on the back surface of the protective film is formed of an acrylic polymer, and has a thickness of 5 μm.

【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。
On the other hand, the support member shown in FIG. 5 was manufactured as follows. That is, using a polycarbonate resin (PC) as a material, the support member was integrally molded by injection molding. However, the thickness of the support spacer,
The contact area with the piezoelectric laminate and the spacer interval are as shown in Tables 1 and 2 below. And it joined with the said piezoelectric laminated body, and manufactured ten types of sensors of the structure shown in FIG.

【0054】[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。
Comparative Examples 1 and 2 Two types of piezoelectric laminates were produced in accordance with the production methods of Examples 1 to 10 described above. 12
As shown in (1), the end was clamped from above and below by a fixture 40 and fixed to a cantilever. 41 is a piezoelectric laminated body.

【0055】[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。
Comparative Examples 3 and 4 Further, a piezoelectric laminate was obtained in the same manner as in Example 7, except that the thickness of the supporting spacer was set as shown in Table 3 below to provide a sensor having a configuration deviating from the present invention. 2
Kinds were made.

【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。
FIG. 1 shows a comparison between these examples and comparative examples.
As shown in FIG. 5, an impact load was applied by dropping a hard sphere 50 having a diameter of 10.0 mm from above by 5 cm toward the center thereof, and the output voltage was measured by an A / D converter (measured value was 10 times). Average). Regarding the sensor characteristics, a sensor having a peak output voltage of 10 mV or more and exhibiting a regular waveform was determined to be good. Further, other criteria (whether or not thinning was achieved, etc.) were also determined, and only when both of them were ○, the overall judgment was ○. The results are shown in Tables 1 to 3 below. The output voltage waveform of the product of Example 7 is shown in FIG.

【0057】[0057]

【表1】 [Table 1]

【0058】[0058]

【表2】 [Table 2]

【0059】[0059]

【表3】 [Table 3]

【0060】[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。
Examples 11 to 20 A support member having the structure shown in FIG. 6 was manufactured and joined to the piezoelectric laminate obtained in the same manner as in Examples 1 to 10. However, the thickness of the support spacer, the contact area with the piezoelectric laminate, and the spacer interval are shown in Tables 4 and 5 below.
As shown in FIG. Then, the output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Tables 4 and 5 below. The output voltage waveform of the product of Example 17 is shown in FIG.

【0061】[0061]

【表4】 [Table 4]

【0062】[0062]

【表5】 [Table 5]

【0063】[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。
Examples 21 to 26 A support member having the structure shown in FIG. 7 was manufactured and joined to the piezoelectric laminate obtained in the same manner as in Examples 1 to 10. However, the thickness of the support spacer and the contact area with the piezoelectric laminate are as shown in Tables 6 and 7 below. Then, the output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Tables 6 and 7 below. The output voltage waveform of the product of Example 26 is shown in FIG.

【0064】[0064]

【表6】 [Table 6]

【0065】[0065]

【表7】 [Table 7]

【0066】[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。
Embodiments 27 to 32 A support member having the structure shown in FIG. 8 is produced and joined to a piezoelectric laminate obtained in the same manner as in Embodiments 1 to 10 except that the planar shape is a right isosceles triangle. did. However, the thickness of the support spacer, the contact area with the piezoelectric laminate, and the spacer interval are as shown in Tables 8 and 9 below. Then, the output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Tables 8 and 9 below. Example 32
The output voltage waveform of the product is shown in FIG.

【0067】[0067]

【表8】 [Table 8]

【0068】[0068]

【表9】 [Table 9]

【0069】[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。
Embodiments 33 to 36 A support member having the structure shown in FIG. 9 was manufactured and joined to the piezoelectric laminate obtained in the same manner as in Embodiments 27 to 32 (Examples 33 and 34). Further, a support member having a configuration shown in FIG. 10 was formed and joined to a piezoelectric laminate having a circular planar shape (Examples 35 and 36). However, the thickness of the support spacer and the contact area with the piezoelectric laminate are as shown in Table 10 below. Then, the output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Table 10 below. The output voltage waveform of the product of Example 33 is shown in FIG.
FIG. 16E shows the output voltage waveform of the product of Example 35 in FIG.
(F).

【0070】[0070]

【表10】 [Table 10]

【0071】[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。
Embodiments 37 to 40 A support member having the structure shown in FIG. 11 was manufactured and joined to a piezoelectric laminate obtained in the same manner as in Embodiments 1 to 10. However, the material, Young's modulus, and thickness of the support member are as shown in Table 11 below. Then, the output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. These results are shown in Table 11 below.
Are shown together. The output voltage waveform of the product of Example 39 was
As shown in FIG.

【0072】[0072]

【表11】 [Table 11]

【0073】[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。
Embodiments 41 to 43 Piezoelectric laminates were obtained in the same manner as in Embodiments 1 to 10, but the thickness constitutions were different as shown in Table 12 below.
It became a kind of piezoelectric element. Using these, three types of sensors having the same configuration as that of the seventh embodiment were obtained. The output voltage was measured in the same manner as above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Table 12 below. For reference, Examples 6 and 7 are also shown, including the values of the piezoelectric constant and the bending rigidity.

【0074】[0074]

【表12】 [Table 12]

【0075】[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。
Embodiments 44 to 46 As shown in Table 13 below, three types of sensors were manufactured in the same manner as in the above embodiments, and each was fitted with a convex cover 32 shown in FIG. The output voltage was measured in the same manner as described above, and the sensor characteristics and the like were evaluated. The results are shown in Table 13 below. The output voltage waveform of the working example 44 is shown in FIG.

【0076】[0076]

【表13】 [Table 13]

【0077】[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。
As described above, in the sensor of the present invention, the piezoelectric element is composed of a flexible substrate and a piezoelectric crystal thin film, and the piezoelectric element is formed by a special support member for 0.5 to 20 m.
As the sensing surface is lifted and held by the thickness of m, the sensing surface is not only flexible and does not damage the surface of the target article, but also exhibits excellent sensitivity and responsiveness to pressure changes, and a stable output voltage peak of 10 mV or more. The value is obtained. In addition, since the overall shape is very thin, not bulky, and has a simple configuration, it has the advantage of being inexpensive and economical.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for manufacturing a piezoelectric element used in the above embodiment.

【図3】上記実施例に用いる圧電素子の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a piezoelectric element used in the embodiment.

【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。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a configuration of a piezoelectric laminate used in the above embodiment.

【図5】上記実施例に用いる支持部材の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a support member used in the embodiment.

【図6】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 6 is an explanatory view of a modification of the support member.

【図7】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 7 is an explanatory view of a modified example of the support member.

【図8】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 8 is an explanatory view of a modification of the support member.

【図9】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 9 is an explanatory view of a modification of the support member.

【図10】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 10 is an explanatory view of a modification of the support member.

【図11】上記支持部材の変形例の説明図である。FIG. 11 is an explanatory view of a modification of the support member.

【図12】比較例の支持構造の説明図である。FIG. 12 is an explanatory view of a support structure of a comparative example.

【図13】(a),(b)は圧電素子の出力電圧測定法
の説明図である。
FIGS. 13A and 13B are explanatory diagrams of a method of measuring an output voltage of a piezoelectric element.

【図14】圧電素子の出力電圧測定法の説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of a method of measuring an output voltage of a piezoelectric element.

【図15】センサの出力電圧測定法の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of a sensor output voltage measuring method.

【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。
FIGS. 16A to 16G are diagrams illustrating output voltage waveforms according to the embodiment.

【図17】本発明に用いられる凸カバーの説明図であ
る。
FIG. 17 is an explanatory diagram of a convex cover used in the present invention.

【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。
FIG. 18 is an explanatory view showing a state where the convex cover is attached.

【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。
FIG. 19 is a diagram showing an output voltage waveform of the embodiment in which the convex cover is attached.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 センサ 2 圧電積層体 3 支持スペーサ 4 下地基材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor 2 Piezoelectric laminated body 3 Support spacer 4 Base material

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A piezoelectric element having a piezoelectric crystal thin film formed on one or both sides of a flexible substrate, and a piezoelectric element having an electrode attached to the piezoelectric crystal thin film is supported by a support member provided on the back side of the piezoelectric element. A sensor lifted and held by a thickness of 1 to 20 mm.
【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
・mmの特性を示すものである請求項1記載のセンサ。
2. The method according to claim 1, wherein the piezoelectric element has a piezoelectric constant of 0.1 to 20.
pC / N, flexural rigidity 1.0 × 10 -2 to 1.0 × 10 3 N
The sensor according to claim 1, wherein the sensor has a characteristic of mm.
【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。
3. The sensor according to claim 1, wherein the support member includes a base substrate and a support spacer provided on the base substrate and partially supporting a back surface of the piezoelectric element.
【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。
4. The sensor according to claim 3, wherein the support spacer is provided to support a peripheral portion of the back surface of the piezoelectric element at a plurality of locations separated by a predetermined interval.
【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。
5. The sensor according to claim 3, wherein the support spacer is provided so as to annularly support the entire periphery of the back surface of the piezoelectric element.
【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。
6. The piezoelectric device according to claim 1, wherein the support member is formed of an elastic body attached to the entire back surface of the piezoelectric element.
A sensor according to claim 1.
【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。
7. The elastic body has a storage elastic modulus of 1.0 × 10.
7. The sensor according to claim 6, wherein the sensor has a density of 5 to 1.0 × 10 10 dyn / cm 2 .
【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。
8. The sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric crystal thin film is a composite oxide thin film containing lead.
【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。
9. The sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric crystal thin film is formed by hydrothermal synthesis.
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