JP2000283869A

JP2000283869A - センサ

Info

Publication number: JP2000283869A
Application number: JP11087194A
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: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】経時的過程における圧力の負荷除荷の状況をよ
り正確かつ簡単に把握することができるセンサを提供す
る。【解決手段】圧力検知部５と、この圧力検知部５に接続
される検知結果変換部６とを備えている。そして、上記
圧力検知部５は、圧電積層体２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。また、
上記検知結果変換部６は、Ａ／Ｄ変換回路７と演算処理
回路８とを有している。

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】しかしながら、上記圧電式センサ（焼結Ｐ
ＺＴ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１０００〜１００００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】そこで、上記問題を解決するため、本出願
人は、低荷重でも必ずしも増幅器を必要としない１０ｍ
Ｖ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し、しかもコンパクトで
薄型な形状を維持しており、安価で経済的な圧力セン
サ，力センサとして、例えばつぎのようなセンサを開発
した。

【０００７】すなわち、図２に示すように、まず、平面
視四角形状の可撓性基板１５の両面に圧電結晶薄膜１６
を形成し、この圧電結晶薄膜１６の表面に電極層（電
極）２０を取り付けることにより、圧電素子２１を形成
する。ついで、この圧電素子２１を、図３に示すよう
に、銅箔等の金属材料からなる電極フィルム２２で挟ん
だ状態で、上下方向から、保護フィルム（絶縁フィル
ム）２３をラミネートすることにより、圧電積層体２を
形成する。なお、２４は電極フィルム２２固定用の粘着
剤層である。つぎに、上記圧電積層体２を、図１９に示
すように（図１９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）、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
ち上げ保持する。このようにして作成された圧力検知部
５をセンサとして用いると、上記問題を解決することが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の圧力
センサは、センサへの負荷除荷に対応した電圧値を出力
するよう設定されており、上記出力値の経時的変化をグ
ラフにすると波形になり、その波形のピーク高さを最大
荷重とみなしてデータをとることが行われている。

【０００９】しかしながら、上記図１９に示す構成のセ
ンサについても、このような出力処理を適用すると、せ
っかく高感度な圧力検知部５を備えているにもかかわら
ず、そのセンサからの出力値（出力電圧値）が圧力に略
比例した値になっていないため、経時的過程における圧
力の負荷除荷の状況を正確に把握することが困難とな
る。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、経時的過程における圧力の負荷除荷の状況をよ
り正確かつ簡単に把握することができるセンサの提供を
その目的とする。

【００１１】

【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、圧力検知部と検知結果変換部と
を備え、上記圧力検知部が、可撓性基板の片面もしくは
両面に形成した圧電結晶薄膜に電極を取り付けた圧電素
子と、この圧電素子の裏面側に設けられ圧電素子を持ち
上げ保持する支持部材とを有し、上記検知結果変換部
が、入力値を時間で積分する演算処理手段を有してお
り、上記圧力検知部から出力される検知結果が、上記演
算処理手段により圧力に略比例するよう変換されて出力
されるようになっているという構成をとる。

【００１２】すなわち、本発明のセンサは、上記圧力検
知部が、可撓性基板の片面もしくは両面に形成した圧電
結晶薄膜に電極を取り付けた圧電素子と、この圧電素子
の裏面側に設けられ圧電素子を持ち上げ保持する支持部
材とを有しているため、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。さらに、上記検知結果変換部が、入
力値を時間で積分する演算処理手段を有しており、上記
圧力検知部から出力される検知結果が、上記演算処理手
段により圧力に略比例するよう変換されて出力電圧とし
て出力されるようになっているため、経時的過程におけ
る圧力の負荷除荷の状況をより正確かつ簡単に把握する
ことができる。

【００１３】また、本発明において、上記支持部材とし
て、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いる。そのなか
でも特に、上記圧電素子の表面側に、カバーが設けら
れ、上記カバー下面に、持ち上げ保持された圧電素子の
表面を部分的に押圧しうる凸部が所定間隔で突設されて
いる場合には、上記凸部で集中的に圧電素子を押圧する
ことができるため、より大きく、しかも偏りなく圧電素
子が変位し、より優れた感度と応答性を発揮する。

【００１４】そして、本発明において、上記検知結果変
換部に、上記演算処理手段による積分の前または後にＡ
／Ｄ変換手段が備えられている場合には、コンピュータ
と接続する際に、Ａ／Ｄ変換ボードを使用しなくてよい
という利点がある。

【００１５】さらに、本発明において、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の特性を示すものであ
る場合には、とりわけ優れた出力性能を備えている。

【００１６】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。

【００１７】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて詳しく説明する。

【００１８】図１は、本発明のセンサの一実施の形態を
示している。この実施の形態では、センサは、圧力検知
部５と、この圧力検知部５に接続される検知結果変換部
６とを備えている。そして、上記圧力検知部５は、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。また、上記検知結果
変換部６は、Ａ／Ｄ変換回路７（Ａ／Ｄ変換手段）と演
算処理回路８（演算処理手段）とを有している。

【００１９】上記圧電積層体２は、図２に示す圧電素子
２１を、図３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で挟んだ
状態で、上下方向から、保護フィルム（絶縁フィルム）
２３をラミネートしたものである。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３において、２２
ａは端子で、２４は、圧電素子２１，電極フィルム２
２，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。

【００２０】そして、上記圧電素子２１は、図２に示す
ように、平面視四角形状の可撓性基板１５と、この可撓
性基板１５の両面に形成された圧電結晶薄膜１６と、こ
の圧電結晶薄膜１６の表面に取り付けられた電極層（電
極）２０とで構成されている。

【００２１】また、検知結果変換部６（図１に戻る）に
おいて、上記Ａ／Ｄ変換回路７は、電圧読み取り回路
（図示せず）を介して上記圧電素子２１に接続されてお
り、圧電素子２１から出力される出力電圧値をデジタル
値に変換して出力する装置である。そして、上記演算処
理回路８は、上記Ａ／Ｄ変換回路７に接続されており、
Ａ／Ｄ変換回路７により出力されたデジタル値を入力値
とし、この入力値を時間で積分し、その演算処理結果を
出力する装置であり、演算処理した値を電気信号（電
圧）に変換する回路も含まれている。そして、上記出力
電圧値およびデジタル値は、上記圧電素子２１の変形速
度に対応した値となっているため、そのデジタル値を時
間で積分した積分値（演算処理結果）は、圧電素子２１
の変位に略比例する値になる。圧電素子２１の変位と圧
力とは、略比例関係にあることから、上記積分値（演算
処理結果）は、圧力に略比例する値となる。また、上記
Ａ／Ｄ変換回路７と演算処理回路８とは接続が逆になっ
てもよい。すなわち、圧電素子２１から出力される出力
電圧値を時間で積分したのち、その積分値をデジタル値
に変換してもよい。この場合も、上記デジタル値は、圧
力に略比例する値となる。

【００２２】なお、図２に示す圧電素子２１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１５の表面に圧電結晶薄膜１６
を形成して得られるものが好適である。

【００２３】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、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を基板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。

【００２４】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、圧力検知部５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。

【００２５】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等があげられる。

【００２６】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。

【００２７】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未満では充分なセンサ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、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。

【００２８】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。

【００２９】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、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。

【００３０】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。

【００３１】このようにして、図２に示すように、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、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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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、
銅箔の不用部分をエッチング液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。

【００３６】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。

【００３７】なお、上記支持スペーサ３の厚み（下地基
材４から圧電積層体２を持ち上げ保持する高さ）Ｔは、
０．１〜２０ｍｍに設定する必要がある。すなわち、支
持スペーサ３の厚み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、支持スペーサ３の厚みＴが２０
ｍｍ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。

【００３８】このようにして得られたセンサは、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２
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。

【００３９】また、上記センサの演算処理回路８により
出力された演算処理結果は、圧力に略比例するよう変換
されている。このため、経時的過程における圧力の負荷
除荷の状況をより正確かつ簡単に把握することができ
る。

【００４０】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２１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２３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。

【００４１】また、上記の例では、圧電素子２１を、バ
イモルフ型薄膜ピエゾ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。

【００４２】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１６を形成す
るには、上記の例のように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。

【００４３】〔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

【００４４】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。

【００４５】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５（ａ），
（ｂ）および図６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６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５（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。

【００４６】

【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５（ａ），（ｂ）に示す。

【００４７】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。

【００４８】

【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）

【００４９】さらに、上記の例では、検知結果変換部６
に、上記演算処理回路８による積分の前に出力電圧値を
デジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路７が備えられてい
るため、コンピュータと接続する場合、Ａ／Ｄ変換器を
使用しなくてよいという利点がある。なお、上記Ａ／Ｄ
変換回路７は、備えられなくてもよい。また、圧力検知
部５と演算処理回路８との間に増幅回路やフィルタを備
えてもよい。

【００５０】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、上記の例に限らず、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
７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。

【００５１】また、図８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。

【００５２】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９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１０に示すように、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。

【００５３】また、図１１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。

【００５４】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１２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
⁵〜１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²の弾性材を用いるこ
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。

【００５５】また、本発明において、圧力検知部５の出
力をより安定化させるために、例えば図１３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、
圧力検知部５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（図１等参照）によ
って中央部が空隙となるよう支持された構造の圧力検知
部５、あるいは全体が柔軟な弾性体３０（図１２参照）
で支持された構造の圧力検知部５に対し、上方から荷重
がかかった場合に、図１４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。

【００５６】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。

【００５７】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００５８】

【実施例１および比較例１】実施例１は、上記実施の形
態におけるセンサにおいて、圧電積層体２の上に凸カバ
ー３２を重ねて一体化したものであり、比較例１は、従
来の技術におけるセンサにおいて、圧電積層体２の上に
凸カバー３２を重ねて一体化したものである。すなわ
ち、実施例１および比較例１のセンサの圧力検知部５０
は、図１５に示すように、圧電積層体２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、また、下面中央に
凸部３１が形成された凸カバー３２を上記圧電積層体２
の上に重ねて一体化した構成になっている。

【００５９】そして、これら実施例品および比較例品に
おける圧電素子，圧電積層体２，支持部材および凸カバ
ー３２は、つぎのようにして得た。

【００６０】すなわち、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１６４２ｍｍｏｌ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。

【００６１】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。

【００６２】一方、支持部材（下地基材および支持スペ
ーサ）をつぎのようにして製造した。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。この支持
部材は、１素子の圧電素子の裏面を、四隅で支持するよ
うに成形されている。

【００６３】さらに、凸カバー３２を上記支持部材と同
様にして一体成形した。この凸カバー３２は、１素子の
圧電素子の表面の中央部に凸部が位置するように成形さ
れている。そして、上記圧電積層体２と支持部材と凸カ
バー３２とを接合することにより、実施例１のセンサを
得た。

【００６４】これら実施例品および比較例品に対して、
まず、図１６に示すように、各センサの圧力検知部５０
を固定部６１に固定したのち、１００ｍｍ／ｍｉｎの一
定速度で圧縮治具６２により圧縮し、センサから出力さ
れる出力値を測定した。このときの圧縮荷重は、上記圧
縮治具６２に設けられたロードセル６３からの出力値を
Ａ／Ｄ変換器６４により出力電圧として検知されてい
る。また、比較例品からの出力値は、出力電圧値であ
り、その単位はｍＶである。一方、実施例品は、演算処
理回路８から出力値が出力され、その出力値は、圧力検
知部５０から出力される圧力電圧値を時間で積分した積
分値（ここでは計算値を用いているが、実際には出力電
圧値）であり、その単位はｍＶ・ｓである。そして、そ
の結果を、上記ロードセル６３により検知される荷重
（圧縮荷重）を横軸にし、センサからの出力値を縦軸に
し、図１７に示した。

【００６５】図１７の結果より、実施例品による積分値
は、その圧力検知部５０に加えられる荷重すなわち圧力
に略比例することがわかる。

【００６６】つぎに、上記実施例品および比較例品に対
して、図１５に示すように、各センサの圧力検知部５０
の中央部に向かって、球体７０を落下させることにより
衝撃荷重を加え、センサから出力される出力値を測定し
た。そして、その結果を、時間を横軸にし、センサから
の出力値を縦軸にし、図１８（ａ），（ｂ）に示した。

【００６７】図１８（ａ），（ｂ）の結果より、実施例
品では、経時的過程における圧力の負荷除荷の状況をよ
り正確かつ簡単に把握することができる。

【００６８】

【発明の効果】以上のように、本発明のセンサによれ
ば、圧力検知部と検知結果変換部とを備えており、上記
圧力検知部が、可撓性基板の片面もしくは両面に形成し
た圧電結晶薄膜に電極を取り付けた圧電素子と、この圧
電素子の裏面側に設けられ圧電素子を持ち上げ保持する
支持部材とを有しているため、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。さらに、上記検知結果変換部
が、入力値を時間で積分する演算処理手段を有してお
り、上記圧力検知部から出力される検知結果が、上記演
算処理手段により圧力に略比例するよう変換されて出力
されるようになっているため、経時的過程における圧力
の負荷除荷の状況をより正確かつ簡単に把握することが
できる。

【００６９】また、本発明において、上記支持部材とし
て、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いる。そのなか
でも特に、上記圧電素子の表面側に、カバーが設けら
れ、上記カバー下面に、持ち上げ保持された圧電素子の
表面を部分的に押圧しうる凸部が所定間隔で突設されて
いる場合には、上記凸部で集中的に圧電素子を押圧する
ことができるため、より大きく、しかも偏りなく圧電素
子が変位し、より優れた感度と応答性を発揮する。

【００７０】そして、本発明において、上記検知結果変
換部に、上記演算処理手段による積分の前または後にＡ
／Ｄ変換手段が備えられている場合には、コンピュータ
と接続する際に、Ａ／Ｄ変換器を使用しなくてよいとい
う利点がある。

【００７１】さらに、本発明において、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の特性を示すものであ
る場合には、とりわけ優れた出力性能を備えている。

【００７２】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサの一実施例を示す説明図であ
る。

【図２】上記実施例に用いる圧電素子の説明図である。

【図３】上記実施例に用いる圧電積層体の説明図であ
る。

【図４】上記実施例に用いる圧電素子の製法の説明図で
ある。

【図５】（ａ），（ｂ）は圧電素子の出力電圧測定法の
説明図である。

【図６】圧電素子の出力電圧測定法の説明図である。

【図７】上記実施例に用いる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】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１３】本発明に用いられる凸カバーの説明図であ
る。

【図１４】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１５】圧力検知部に衝撃荷重を加えた際の出力値測
定法を示す説明図である。

【図１６】圧力検知部を一定速度で圧縮した際の出力値
測定法を示す説明図である。

【図１７】上記出力値測定結果を示すグラフ図である。

【図１８】（ａ），（ｂ）は上記出力値測定結果を示す
グラフ図である。

【図１９】従来の圧力検知部を示す説明図である。

【符号の説明】

２圧電積層体３支持スペーサ４下地基材５圧力検知部６検知結果変換部７Ａ／Ｄ変換回路８演算処理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日比野真吾愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地東海ゴム工業株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC11 DD09 EE23 FF11 FF43 GG01 GG11 HH11 HH19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力検知部と検知結果変換部とを備え、
上記圧力検知部が、可撓性基板の片面もしくは両面に形
成した圧電結晶薄膜に電極を取り付けた圧電素子と、こ
の圧電素子の裏面側に設けられ圧電素子を持ち上げ保持
する支持部材とを有し、上記検知結果変換部が、入力値
を時間で積分する演算処理手段を有しており、上記圧力
検知部から出力される検知結果が、上記演算処理手段に
より圧力に略比例するよう変換されて出力されるように
なっていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】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記載のセン
サ。
【請求項３】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２記載のセ
ンサ。
【請求項４】上記圧電素子の表面側に、カバーが設け
られており、上記カバー下面には、持ち上げ保持された
圧電素子の表面を部分的に押圧しうる凸部が突設されて
いる請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】上記検知結果変換部に、上記演算処理手
段による積分の前または後にＡ／Ｄ変換手段が備えられ
ている請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】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１〜５のいずれか
一項に記載のセンサ。
【請求項７】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１〜６のいずれか一項に記載のセ
ンサ。
【請求項８】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１〜７のいずれか一項に記載
のセンサ。