JP2000277825A

JP2000277825A - 圧電素子

Info

Publication number: JP2000277825A
Application number: JP11078582A
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】圧電性の指標となる圧電定数と、柔軟性の指標
となる曲げ剛性を、特定の範囲内に限定することによ
り、センサ等の電子部品として使用可能なレベルの圧電
素子を提供する。【解決手段】可撓性基板１５の両面に圧電結晶薄膜１６
が形成され、この圧電結晶薄膜１６に電極層２０が取り
付けられた圧電素子２１であって、圧電定数が０．１〜
２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性が１．０×１０^-2〜１．０×１
０³Ｎ・ｍｍに設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、その上に電極
が取り付けられた圧電素子に関し、特に、センサ，アク
チュエータ，ブザー等の電子部品に用いるのに最適な圧
電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電素子を用いた圧力センサ、力
センサ、荷重センサ、アクチュエータ、ブザー等の開発
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】上記圧電素子に用いられる圧電結晶薄膜の
製造方法としては、スパッタリング法，イオンプレーテ
ィング法，レーザーアブレージョン法，ＣＶＤ法，ＭＯ
ＣＶＤ法，アルコキシドを用いたゾル−ゲル法，水熱合
成法等が知られている。特に、上記水熱合成法によれ
ば、可撓性基板に圧電結晶薄膜を形成することが容易
で、圧電性能と柔軟性を兼ね備えた圧電素子を製造する
ことができ、好適である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
電素子をセンサ等の電子部品に用いた場合、圧電素子の
電気的，物理的特性によっては、センサ等としての性能
を充分に発揮できない場合があり、使用の幅が制限され
ることがある。このため、圧電素子の圧電特性や柔軟性
を、予め充分に吟味することにより、センサ等への使用
に支障のない圧電素子を提供することが強く望まれてい
る。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、圧電性の指標となる圧電定数と、柔軟性の指標
となる曲げ剛性を、特定の範囲内に限定することによ
り、センサ等の電子部品として使用可能なレベルの圧電
素子を提供することをその目的とする。

【０００６】

【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であって、圧電定数が０．１〜
２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性が１．０×１０^-2〜１．０×１
０³Ｎ・ｍｍに設定されているという構成をとる。

【０００７】すなわち、本発明の圧電素子は、可撓性基
板上に圧電結晶薄膜を形成し、その上に電極を取り付け
たものであって、特に、圧電定数と曲げ剛性が所定の範
囲内になるようにしたものであるため、センサ等の電子
部品に用いることにより、優れた特性を発揮することが
できる。例えば、圧力センサや力センサに用いた場合、
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備えたセンサを提供
することができる。また、薄型で嵩張らない形状に設定
することができるとともに、安価で経済的であるという
利点を有する。

【０００８】そして、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圧電素
子、あるいは上記圧電結晶薄膜を水熱合成で形成した圧
電素子は、とりわけ優れた出力性能を備えている。

【０００９】しかも、上記圧電結晶薄膜を水熱合成で形
成した圧電素子のなかでも特に、上記圧電結晶薄膜が、
水熱合成時に、鉛直方向に３〜５０Ｈｚの振動をかけな
がら形成された圧電素子は、例えばセンサやアクチュエ
ータ，ブザー等の製品に用いた場合、非常に優れた出力
性能を示す。

【００１０】

【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。

【００１１】図１は、本発明の一実施の形態を示してい
る。すなわち、この圧電素子２１は可撓性基板１５と、
その両面に、水熱合成によって形成された圧電結晶薄膜
１６と、さらにその上に取り付けられた電極層２０とを
備えている。

【００１２】上記圧電素子２１は、水熱合成法等、どの
ようにして得られるものであってもよいが、その圧電定
数が０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性が１．０×１０^-2
〜１．０×１０³Ｎ・ｍｍとなるよう設定されたもので
なければならない。

【００１３】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２（ａ），（ｂ）
および図３に示すように、電極層２０′が形成された圧
電素子２１を、固定具４０で支受し、図３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２（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。

【００１４】

【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２（ａ），（ｂ）に示す。

【００１５】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。

【００１６】

【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）

【００１７】上記特性を備えた圧電素子２１を得るに
は、水熱合成法によって可撓性基板１５表面に圧電結晶
薄膜１６を形成することが好適である。

【００１８】上記可撓性基板１５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１５上に形成
される圧電結晶薄膜１６を可撓性基板１５と強固に接合
させるには、上記可撓性基板１５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
１５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。

【００１９】なお、上記可撓性基板１５の厚みは、２〜
２００μｍ、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１６を得る場合に、上記可撓性基板
１５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、柔軟性が乏しくなり、例えばセ
ンサやアクチュエータ等に用いた場合に大きな出力が得
られなくなるおそれがあるからである。

【００２０】また、圧電結晶薄膜１６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（ＡＢＯ ₃）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、Ｐ
ｂ、Ｂａ、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、Ｔｉ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、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｐｂ，Ｌ
ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃等があげられ、特にＰｂを含有
する圧電結晶薄膜１６が好適である。

【００２１】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１５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１５の表裏面に、圧電結晶薄膜１６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１５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１５の表裏面に形成された圧電結晶薄膜１６の片面
を削り落とすようにする。

【００２２】このようにして得られる圧電結晶薄膜１６
の厚みは、通常、０．５〜１００μｍ、特に１〜３０μ
ｍに設定することが好適である。すなわち、厚みが０．
５μｍ未満では、例えばセンサやアクチュエータ等に用
いた場合に充分な出力が得られにくく、逆に１００μｍ
を超えるとせっかく可撓性基板１５を用いているにもか
かわらず、柔軟性が乏しくなり出力が小さくなるおそれ
があるからである。

【００２３】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４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。

【００２４】さらに、上記水熱合成によって得られた可
撓性基板１５−圧電結晶薄膜１６の積層体表面を封孔処
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１６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、圧電結晶薄膜１６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
２１の性能を向上させることができる。

【００２５】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。

【００２６】このようにして、可撓性基板１５の両面
（もしくは片面）に圧電結晶薄膜１６を形成したのち、
その両面（もしくは片面）に、圧電結晶薄膜１６より一
まわり小さく電極層２０を形成することにより、図１に
示す圧電素子２１を得ることができる。

【００２７】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。

【００２８】このようにして得られた圧電素子２１は、
その圧電定数および曲げ剛性が特定の範囲内に設定され
たものであるため、圧力センサ，力センサ，荷重センサ
等に用いた場合、低荷重でも必ずしも増幅器を必要とし
ない１０ｍＶ以上の出力レベルを有し、しかも感知面が
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有するセンサとなる。そ
して、非常に薄くて嵩張らない形状に設定することがで
き、また簡単な構成であることから安価で経済的であ
る、という利点を有している。

【００２９】したがって、上記圧電素子２１は、圧力セ
ンサ等以外に、風速センサ，流量センサ，超音波セン
サ，加速度センサ（カーナビ等で利用される振動ジャイ
ロ、ＨＤＤ，自動車や金庫の盗難防止装置等で利用され
る衝撃センサ等）等のセンサ類や、精密位置決め，スキ
ャナ，バーコードリーダ，インクジェット式記録ヘッド
等に用いられるアクチュエータ類等に、好適に用いられ
る。また、フィルタ，発振子，共振子等の通信制御用途
や、圧電スピーカ，圧電ブザー等の音響関連用途、超音
波振動子，着火素子等の動力関連用途、圧電トランス、
アクチュエータとセンサを兼ねたアクティブコントロー
ル用途等に、適宜用いることができる。

【００３０】なお、上記圧電素子２１の表裏面を、電極
フィルム、保護フィルムの順でラミネートすることもで
きる。これにより、圧電素子２１が繰り返し応力を受け
ても、可撓性基板１５と圧電結晶薄膜１６とが剥離せ
ず、長期にわたって良好に使用することができる。

【００３１】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。そして、ユニモル
フ型の場合は、金属基板（チタン基板等）を裏面電極と
して利用することができ、その場合は圧電結晶薄膜１６
の表面のみに電極層２０を形成すれば足りる。

【００３２】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
（例えば硝酸鉛、オキシ塩化ジルコニウム、四塩化チタ
ン）およびアルカリ（例えば水酸化カリウム）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が、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
得る上で、特に好適である。

【００３３】〔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

【００３４】すなわち、硝酸鉛が上記範囲を下回ると、
圧電素子２１の圧電定数が小さくなり、例えばセンサや
アクチュエータ等に用いた場合の出力が小さくなる傾向
がみられ、逆に、上記範囲を超えても、圧電素子２１の
圧電定数は大きくならず、逆に、材料コストが高くな
る，副生成物が多くなり後工程の洗浄工程に負担がかか
る，等のデメリットが大きくなる傾向がみられる。

【００３５】また、オキシ塩化ジルコニウムが上記範囲
を下回ると、上記の場合と同様、圧電素子２１の圧電定
数が小さくなり、例えばセンサやアクチュエータ等に用
いた場合の出力が小さくなる傾向がみられ、逆に、上記
範囲を超えても、圧電素子２１の圧電定数は大きくなら
ず、逆に、材料コストが高くなる，副生成物が多くなり
後工程の洗浄工程に負担がかかる，等のデメリットが大
きくなる傾向がみられる。

【００３６】さらに、水酸化カリウムが上記範囲を外れ
る場合も、上記と同様の傾向がみられる。

【００３７】なお、四塩化チタンは、可撓性基板から充
分にチタンが溶出する場合は必ずしも用いる必要はない
が、チタンの溶出量が不足する場合には、０．５ｍｏｌ
／リットルを超えない範囲で配合することが好ましい。
すなわち、四塩化チタンをそれ以上多くしても、圧電素
子２１の圧電定数は大きくならず、逆に、材料コストが
高くなる，副生成物が多くなり後工程の洗浄工程に負担
がかかる，等のデメリットが大きくなる傾向がみられる
からである。

【００３８】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００３９】

【実施例１〜１１】硝酸鉛、オキシ塩化ジルコニウムお
よび水酸化カリウムを、後記の表１〜表３に示す割合で
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、表
１〜表３に示す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１０
ｎｍの白金電極層を形成して、圧電素子を得た。

【００４０】そして、上記圧電素子を用いた製品例とし
て、センサを想定し、センサ特性をつぎのようにして評
価した。

【００４１】すなわち、まず、これらの実施例品を、図
２および図３に示す場合と同様に、固定具４０によって
片持ち梁構造に支受し、支受された側と反対側の端縁部
（図３においてＰで示す位置）に、５ｃｍ上方から直径
１０．０ｍｍの鋼球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以上の圧電素子を、低荷重で
も高出力であるとして、○と判定した。また、その他の
基準（材料コスト、副生成物の量等）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。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【実施例１２〜１５】用いる可撓性基板として、下記の
表４に示すとおり厚みの異なるチタン基板を用いた。そ
れ以外は、上記実施例４と同様にして、目的とする圧電
素子を得た。これらについても、上記と同様、センサの
形にして出力電圧を測定し、センサ特性を評価した。こ
れらの結果を、下記の表４に併せて示す。

【００４６】

【表４】

【００４７】

【実施例１６〜１８】水熱合成に用いる水溶液に、四塩
化チタンを、下記の表５に示す割合で配合するようにし
た。それ以外は、上記実施例４と同様にして、目的とす
る圧電素子を得た。これらについても、上記と同様、セ
ンサの形にして出力電圧を測定し、センサ特性を評価し
た。これらの結果を、下記の表５に併せて示す。

【００４８】

【表５】

【００４９】

【比較例１〜４】水熱合成に用いる水溶液の組成、条件
等を、下記の表６に示すように変えた。それ以外は、上
記実施例１〜１２に準じて、比較例となる圧電素子を得
た。これらについて、上記と同様、センサの形にして出
力電圧を測定し、センサ特性を評価した。これらの結果
を、下記の表６に併せて示す。

【００５０】

【表６】

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電素子は、可
撓性基板と圧電結晶薄膜および電極からなり、しかも上
記圧電素子が、圧電定数０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛
性１．０×１０^-2〜１．０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を備
えているため、例えば圧力センサ，力センサ等に用いる
と、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、薄型で嵩張らない形状に設定することができる
とともに、安価で経済的であるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す説明図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は圧電素子の出力電圧測定法の
説明図である。

【図３】圧電素子の出力電圧測定法の説明図である。

【図４】上記実施例の圧電素子の製法の説明図である。

【符号の説明】

１５可撓性基板１６圧電結晶薄膜２０電極２１圧電素子

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月２４日（１９９９．６．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】

【比較例１〜３】水熱合成に用いる水溶液の組成、条件
等を、下記の表６に示すように変えた。それ以外は、上
記実施例１〜１２に準じて、比較例となる圧電素子を得
た。これらについて、上記と同様、センサの形にして出
力電圧を測定し、センサ特性を評価した。これらの結果
を、下記の表６に併せて示す。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】

【表６】

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
られた圧電素子であって、圧電定数が０．１〜２０ｐＣ
／Ｎ、曲げ剛性が１．０×１０^-2〜１．０×１０³Ｎ・
ｍｍに設定されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】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記載の圧電素子。
【請求項３】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または２に記載の圧電素
子。
【請求項４】上記圧電結晶薄膜が、水熱合成時に、鉛
直方向に３〜５０Ｈｚの振動をかけながら形成されたも
のである請求項３記載の圧電素子。