JP2000337979A

JP2000337979A - 分布センサ

Info

Publication number: JP2000337979A
Application number: JP11148837A
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: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力，力，荷重等の分布を高密度かつ高感度に
測定することができ、しかも、製造が簡単で、製造コス
トを低く抑えることのできる分布センサを提供する。【解決手段】シート状の可撓性基板の両面に沿って圧電
結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極層８が複
数個、任意の配置で取り付けられてなる圧電素子１と、
この圧電素子１の各電極層８に接する電極部５１とそこ
から延びる端子部５２とが互いに接しないよう形成され
た電極フィルム５とを備え、上記圧電素子１と電極フィ
ルム５とが積層一体化されて全体が一枚のシート状にな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力（空気等の流
体の圧力，固体の接触圧，音圧等），力，荷重等の分布
を測定することのできる分布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。また一方で、圧力分布等の分
布測定についても、設計・開発分野等で色々利用され、
正確に分布を測定でき、安価で取り付けやすい分布セン
サの要求が高まっている。このような圧力分布を測定で
きるセンサとしては、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、発色剤式センサ等があげられる。

【０００３】そして、例えば自動車の座席シートの表面
に作用する圧力の分布を知りたい場合には、複数の圧電
式センサまたは歪みゲージ式センサを座席シートの表面
に取り付け、それぞれの圧電式センサまたは歪みゲージ
式センサに作用する圧力を測定することにより、圧力の
分布を知ることができる。

【０００４】しかしながら、上記圧電式センサ（焼結Ｐ
ＺＴ使用）および歪みゲージ式センサは、高価なため経
済的でなく、しかも、１素子の面積が大きいため、高密
度に分布させることが困難である。このため、上記圧電
式センサおよび歪みゲージ式センサを用いて圧力の分布
を高密度に測定することは困難であるという問題があ
る。また、これらのセンサを、所定間隔で１個ずつ取り
付けることは煩雑で、適正な間隔に設定しにくいという
問題がある。そして、このような取り付け形態では、あ
る程度広い面全体にわたって与えられる圧力（空気等の
流体の圧力，固体の接触圧，音圧等），力，荷重等を正
確に測定することができない。

【０００５】また、上記感圧導電ゴム式センサや発色剤
式センサでは、マトリックス状に圧力分布が測定できる
センサが開発されている。しかしながら、感圧導電ゴム
式センサは、リニア精度に劣り、繰り返し使用により性
能が劣化するという問題がある。さらに、発色剤式セン
サは、使い捨てであるため、１回しか使用できないとい
う問題がある。

【０００６】これに対し、本出願人は、圧力，力，荷重
等の分布を高密度かつ高感度に測定することができ、ま
た、繰り返し使用でき、しかも一枚のシート状に形成さ
れたセンサとして、つぎのようなセンサを開発した。

【０００７】すなわち、図１６に示すように、まず、平
面視四角形状の可撓性基板８３の両面に圧電結晶薄膜８
４を形成し、この圧電結晶薄膜８４の表面に圧電結晶薄
膜８４よりもひとまわり小さく電極層（電極）８５を形
成することにより、圧電素子８１を製造する。また、絶
縁フィルム６６の表面に、複数の電極部６７および各電
極部６７から延びる端子部（図示せず）を互いに接しな
いように所要のパターンに形成することにより、電極フ
ィルム６２を製造する。このような電極フィルム６２を
２枚準備する。ついで、一方の電極フィルム６２の電極
部６７と圧電素子８１の電極層８５とが接するように、
一方の電極フィルム６２上に圧電素子８１を１素子ずつ
並べたのち、他方の電極フィルム６２の電極部６７と並
べた圧電素子８１の電極層８５とが接するように、他方
の電極フィルム６２をラミネートする。このようにして
製造されたセンサを用いると、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】しかしながら、上記セ
ンサは、圧電素子８１を１素子ずつ電極フィルム６２上
に並べて製造しなければならず、その作業が煩雑で多く
の時間を要するため、製造コストが高くなることが判明
した。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、圧力，力，荷重等の分布を高密度かつ高感度に
測定することができ、しかも、製造が簡単で、安価に製
造することのできる分布センサの提供をその目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の分布センサは、シート状の可撓性基板の片
面もしくは両面に沿って圧電結晶薄膜が形成され、この
圧電結晶薄膜に電極が複数個、任意の配置で取り付けら
れてなる圧電素子と、この圧電素子の各電極に接する電
極部とそこから延びる端子部とが互いに接しないよう形
成された電極フィルムとを備え、上記圧電素子と電極フ
ィルムとが積層一体化されて全体が一枚のシート状にな
っているという構成をとる。

【００１１】すなわち、本発明の分布センサは、圧力，
力，荷重等の分布を測定しようとする物体の表面に、面
として取り付けたり、物体の内部に埋め込んだりして、
簡単に、高密度かつ高感度で圧力，力，荷重等の分布測
定を行うことができる。しかも、上記分布センサの全体
としての圧電素子は、複数の小さい圧電素子を並べたも
のと同等であるため、分布センサの製造が簡単で、製造
コストが低くなる。

【００１２】また、本発明において、上記圧電素子の裏
面側に、支持部材が設けられており、上記支持部材によ
って圧電素子が持ち上げ保持されている場合には、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。そのなか
でも特に、上記圧電素子の表面側に、一枚のシート状カ
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１素子
の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１素子の圧電素子が変位し、センサ出力
がより安定化する。

【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分布セン
サ、そして、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成
した分布センサは、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図
面にもとづいて詳しく説明する。

【００１５】図１は、本発明の分布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、分布センサは、
平面視四角形状の圧電素子１と、この圧電素子１の表裏
面にラミネートされた２枚の電極フィルム５とを備え、
これら圧電素子１と電極フィルム５とは、一体積層化さ
れて全体が一枚のシート状になっている。

【００１６】上記圧電素子１は、図２に示すように、平
面視四角形状のシート状の可撓性基板６と、この可撓性
基板６の両面全体に形成された圧電結晶薄膜７と、この
圧電結晶薄膜７の表面に縦３列・横３列のマトリックス
状に配設された電極層（電極）８とで構成されている。
この状態において、上記各電極層８は、互いに接してお
らず、また、可撓性基板６の両面の電極層８は、可撓性
基板６を挟んで相対向した位置にある。すなわち、上記
圧電素子１は、図１６に示す圧電素子８１が９素子、一
体となったものと同等である。なお、図１では、圧電素
子１の可撓性基板６と圧電結晶薄膜７との積層構造を省
略している。

【００１７】また、上記各電極フィルム５は、絶縁フィ
ルム５０の表面に、電極部５１が上記各電極層８に接す
るように形成され、さらに、端子部５２が各電極部５１
から延びるように形成されているものである。この状態
において、電極部５１および各電極部５１から延びる端
子部５２は、互いに接していない。また、電極部５１お
よび端子部５２は、エッチングやスクリーン印刷等によ
り形成される。なお、図１では、電極部５１および端子
部５２の厚みを省略している。

【００１８】そして、上記各電極フィルム５の表面を上
記圧電素子１に重ねた状態で電極フィルム５がラミネー
トされている。すなわち、上記圧電素子１と電極フィル
ム５とは、電極層８（電極部５１）が形成されていない
部分で粘着剤または接着剤を介して密着されている。

【００１９】また、上記圧電素子１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６の表面全体に圧電結晶薄膜７を形成し
て得られるものが好適である。

【００２０】上記可撓性基板６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６上に形成される圧電
結晶薄膜７をこの可撓性基板６と強固に接合させるに
は、可撓性基板６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６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。

【００２１】なお、上記可撓性基板６の厚みは、２〜２
００μｍ、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７を得る場合に、上記可撓性基板６が
水熱合成中に変形するおそれがあり、逆に厚みが２００
μｍ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。また、上記可撓性基板６の縦横の長さは、セ
ンサが使用される対象物に応じて、自由に設定すること
ができる。

【００２２】また、圧電結晶薄膜７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、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。

【００２３】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６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６の表裏面に、圧電結晶薄膜７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６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
６の表裏面に形成された圧電結晶薄膜７のうち片面側の
圧電結晶薄膜７を削り落とすようにする。

【００２４】このようにして得られる圧電結晶薄膜７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０．５
μｍ未満では充分なセンサ出力が得られにくく、逆に１
００μｍを超えるとせっかく可撓性基板６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。

【００２５】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３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。

【００２６】さらに、上記水熱合成によって得られた可
撓性基板６−圧電結晶薄膜７積層体の表面を封孔処理し
てもよい（特願平８−２７７８２６号公報）。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７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７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１の
性能を向上させることができる。

【００２７】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。

【００２８】このようにして、可撓性基板６の両面全体
に圧電結晶薄膜７を形成したのち、図１および図２に示
すように、その両面に、上記電極層８を形成することに
より、圧電素子１を得ることができる。

【００２９】上記電極層８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７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８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。

【００３０】このようにして得られた圧電素子１の両面
に、圧電素子１の電極層８と上記電極フィルム５の電極
部５１とが接するようにして、電極フィルム５がラミネ
ートされ、分布センサを得ることができる。

【００３１】このようにして得られた分布センサは、圧
力，力，荷重等の分布を測定することを目的として、対
象となる物体の表面に取り付けられる。あるいは、物体
の内部に埋め込まれる。そして、圧電素子１が感知する
圧力等を検知することにより、圧力等の分布を測定する
ことができる。したがって、上記分布センサは、スポー
ツシューズや自動車の座席シートの設計関連、工作機
械、製造システム、物流システム等に使用される。

【００３２】また、上記分布センサは、従来の焼結ＰＺ
Ｔを用いた圧電式センサおよび歪みゲージ式センサと比
較すると、増幅器が不要となるため、製造工程が短く、
低コストが可能となり、さらに、厚みが薄くなるため、
高密度化（１素子の小型化）に対応しやすく、高密度か
つ高感度な測定が可能となる。また、従来の感圧導電ゴ
ム式センサと比較すると、ゴムの変形を利用したセンサ
ではないため、リニア精度に優れ、繰り返し使用により
性能が変化しない。また、従来の発色剤式センサと異な
り、繰り返し使用することができる。

【００３３】さらに、上記分布センサは、圧電素子８１
（図１６参照）を１素子ずつ電極フィルム６２（図１６
参照）上に並べて製造するものではなく、１枚の圧電素
子１を２枚の電極フィルム５で挟むようにラミネートし
て製造するものであるため、製造が簡単で、製造コスト
が低くなる。

【００３４】なお、圧電素子１は、電極層８を上記縦３
列・横３列のマトリックス状に配設したものに限らず、
複数個の電極層８をどのように配設してもよい。また、
分布センサ（圧電素子１および電極フィルム５）は、ど
のような曲面であってもよい。例えば、分布センサを、
ロボットハンド表面の曲面に沿う形状にしてもよい。

【００３５】また、上記の例では、圧電素子１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。

【００３６】そして、上記圧電素子１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素子１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】図４は、本発明の分布センサの他の実施の
形態を示している。この実施の形態では、分布センサ
は、圧電素子１が支持部材によって持ち上げ保持されて
いる。すなわち、この分布センサは、上記一実施の形態
の分布センサにおける１素子の圧電素子に相当する部分
２が、電極フィルム（図示せず）を介して、それぞれそ
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された構成に
なっている。それ以外の部分は、上記一実施の形態と同
様であり、同様の部分には同じ符号を付している。な
お、図４では、１素子の圧電素子に相当する部分２の積
層構造および端子等を省略している。

【００３９】上記支持スペーサ３および下地基材４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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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、上記圧電素子１との一体化は、通常、
上記支持スペーサ３の上面と上記電極フィルム５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。

【００４３】なお、上記支持スペーサ３の厚み（下地基
材４から圧電素子１を持ち上げ保持する高さ）Ｔは、
０．１〜２０ｍｍに設定することが好ましい。すなわ
ち、支持スペーサ３の厚みＴが０．１ｍｍより小さい
と、圧電素子１を持ち上げ保持する効果が小さく、測定
範囲が小さくなり、逆に、支持スペーサ３の厚みＴが２
０ｍｍ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。

【００４４】このようにして得られた分布センサは、圧
電素子１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。また、圧電素子
１と支持スペーサ３と下地基材４とは一体で製造するこ
とができるため、高密度化（１素子の小型化）に対応し
やすく、高密度かつ高感度な測定が可能となる。さら
に、上記一実施の形態と同様の作用・効果を奏する。

【００４５】また、圧電素子１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、１
素子の圧電素子に相当する部分２の裏面を、四隅で支持
するのではなく、図５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、１素子の圧
電素子に相当する部分２（図４参照）の左右両端部を支
持するようにしてもよい。

【００４６】また、図６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、１素子
の圧電素子に相当する部分２（図４参照）の周縁部全体
を支持するようにしてもよい。

【００４７】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、１素子の圧電素子に相当する部分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７に示すように、三角形状をした１素子の圧電素子に
相当する部分２′（図７では積層構造および端子等を省
略している）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
８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。

【００４８】また、図９に示すように、円形状をした１
素子の圧電素子に相当する部分２″（図９では積層構造
および端子等を省略している）に対しては、円環状スペ
ーサ３ｆで支持することもできる。

【００４９】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１０に示すように、１素子の圧電素
子に相当する部分２（図１０では積層構造および端子等
を省略している）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、１素子の圧電素子
に相当する部分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１．０×１０⁵〜１．０×１
０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²の高分子シート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。

【００５０】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１１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、図１２
に示すように、１素子の圧電素子に相当する部分２の上
に、電極フィルム（図示せず）を介して、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（図４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１０参照）に対し、上方
から荷重がかかった場合に、上記凸部３１で集中的に１
素子の圧電素子に相当する部分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１素子の圧電素子
に相当する部分２が変位する。

【００５１】上記凸カバー３２において、凸部３１は、
１素子の圧電素子に相当する部分２と上記電極フィルム
（図示せず）を介して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、
１素子の圧電素子に相当する部分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製造す
る方法と同様にして製造することができる。

【００５２】この場合も、圧電素子１と支持スペーサ３
と下地基材４と凸カバー３２とは一体で製造することが
できるため、高密度化（１素子の小型化）に対応しやす
く、高密度かつ高感度な測定が可能となる。さらに、上
記一実施の形態と同様の作用・効果を奏する。

【００５３】なお、上記図４〜図１０に示す支持部材
は、一枚のシート状のように一体に形成されることが好
ましい。すなわち、一枚の広い下地基材４上に、１素子
の圧電素子に相当する部分２それぞれに当接する配置で
支持スペーサ３または弾性体３０が形成されていること
が好ましい。また、上記凸カバー３２も、一枚のシート
状に形成されることが好ましい。すなわち、一枚の広い
凸カバー３２の下面に、１素子の圧電素子に相当する部
分２それぞれの中央部に当接する配置で凸部３１が形成
されていることが好ましい。その一例を図１３に示す。

【００５４】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００５５】

【実施例１】実施例１の分布センサは、図１４に示す圧
電素子６１と電極フィルム６２とを備えており、つぎの
ようにして製造された。すなわち、まず、硝酸鉛１２０
ｍｍｏｌ、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、厚み５０μｍのチタン箔（可
撓性基板）６３を、一辺の長さ３０ｍｍの正方形状に切
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（シリコーンオイル）
バス中で、加圧下で約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６３の両面に、それぞれ厚み５μｍのチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶層（圧電結晶薄膜）
６４を形成し、薄膜ピエゾセラミックスを得た。そし
て、スパッタ蒸着により、上記ＰＺＴ層の表面に、厚み
１００Å，一辺の長さ６ｍｍの正方形状の白金電極層６
５を縦３列・横３列のマトリックス状に配設することに
より、圧電素子６１を得た。この状態において、上記電
極層６５は互いに接していない。

【００５６】一方、絶縁フィルム６６の表面に、上記各
電極層６５に接するように一辺の長さ６ｍｍの正方形状
の電極部６７を形成し、さらに、各電極部６７から延び
るように端子部（図示せず）を形成することにより、電
極フィルム６２を得る。この状態において、電極部６７
および各電極部６７から延びる端子部は、互いに接して
いない。このような電極フィルム６２を２枚製造する。
なお、上記電極部６７および端子部は銅箔からなり、そ
の厚みは１８μｍであり、電極フィルム６２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。

【００５７】そして、一方の電極フィルム６２の表面の
うち電極部６７以外の部分に接着剤を塗布し、この上に
上記圧電素子６１を載せる。さらに、他方の電極フィル
ム６２の表面のうち電極部６７以外の部分に接着剤を塗
布し、これを上記圧電素子６１の上に載せる。このと
き、圧電素子６１の電極層６５と電極フィルム６２の電
極部６７とが接するようにする。そののち、上下方向か
ら圧力をかけ、圧電素子６１と電極フィルム６２とを密
着させることにより、圧電積層体６０を得た。なお、電
極フィルム６２の表面に形成される接着剤層はアクリル
系ポリマーで形成されており、その厚みは５μｍであ
る。

【００５８】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素子の圧電素子に相当する部分の裏面を、四
隅で支持するように成形されている。

【００５９】さらに、凸カバーを上記支持部材と同様に
して一体成形した。この凸カバーは、１素子の圧電素子
に相当する部分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６０と支持部
材と凸カバーとを接合することにより、実施例１の分布
センサを得た。

【００６０】

【実施例２】実施例２の分布センサは、図１５に示す圧
電素子７１と上記電極フィルム６２と樹脂フィルム６８
とを備えており、つぎのようにして製造された。すなわ
ち、実施例１と同様にして薄膜ピエゾセラミックスを
得、その片面のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶
層（圧電結晶薄膜）６４を削り落とし、他方の片面のＰ
ＺＴ層の表面に、実施例１と同様の白金電極層６５を配
設することにより、圧電素子７１を得た。そして、この
圧電素子７１を、白金電極層６５側を上記電極フィルム
６２で、チタン箔６３側を樹脂フィルム６８で密着させ
ることにより、圧電積層体７０を得、さらに、この圧電
積層体７０と上記支持部材と上記凸カバーとを接合する
ことにより、実施例２の分布センサを得た。

【００６１】

【比較例１】比較例１の分布センサは、図１６に示す圧
電素子８１と上記電極フィルム６２とを備えており、つ
ぎのようにして製造された。すなわち、実施例１におい
て、チタン箔（可撓性基板）８３を厚み５０μｍ，一辺
の長さ１０ｍｍの正方形状とし、１素子が一辺の長さ１
０ｍｍの正方形状である圧電素子８１を９素子得る。そ
して、これら圧電素子８１を上記電極フィルム６２の各
電極部６７上に１素子ずつ並べたのち、他方の電極フィ
ルム６２で密着させることにより、圧電積層体８０を
得、さらに、この圧電積層体８０と上記支持部材と上記
凸カバーとを接合することにより、比較例１の分布セン
サを得た。

【００６２】これらの実施例１，２および比較例１の分
布センサに対し、図１７に示すように、１素子の圧電素
子８１またはそれに相当する部分（図１７では積層構造
および端子等を省略している）９１それぞれの中央部に
向かって、５ｃｍ上方から直径１０．０ｍｍの剛球９０
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、各圧電素子８１またはそれに相当する部
分９１からのピーク出力電圧の平均値を算出した。

【００６３】その結果、上記平均値が１０ｍＶ以上かつ
すべての１素子の圧電素子で規則性のある波形（図１８
参照）を示すセンサを○と判定した。また、作業性につ
いては、対象物体への取り付け時間が短時間である場合
を○、長時間である場合を×と判定した。また、利便性
については、端子の数から判断して、端子の数が少なく
なる場合を○、従来と同じ数である場合を△と判定し
た。また、製造コストについては、製造時間から判断し
て、製造時間が短くて済む場合を○、少し時間がかかる
場合を△、大幅に時間がかかる場合を×と判定した。さ
らに、総合判定として、センサ特性が○で、なおかつ、
その他の特性のうち２つ以上が○のものを○、それ以外
のものを×と判定した。その結果を下記の表１に併せて
示す。

【００６４】

【表１】

【００６５】上記表１より、センサ性能は、実施例１と
比較例１の分布センサ品とではほとんど変わらないこと
ががわかる。また、実施例２は、若干出力が小さいが、
センサ性能としてはほとんど問題ないレベルである。

【００６６】また、上記実施例２の分布センサでは、端
子を少なくすることができるため、より高集積化するこ
とができる。

【００６７】

【発明の効果】以上のように、本発明の分布センサによ
れば、圧力，力，荷重等の分布を測定しようとする物体
の表面に、面として取り付けたり、物体の内部に埋め込
んだりして、簡単に、高密度かつ高感度で圧力，力，荷
重等の分布測定を行うことができる。しかも、上記分布
センサの全体としての圧電素子は、複数の小さい圧電素
子を並べたものと同等であるため、分布センサの製造が
簡単で、製造コストが低くなる。

【００６８】また、本発明において、上記圧電素子の裏
面側に、支持部材が設けられており、上記支持部材によ
って圧電素子が持ち上げ保持されている場合には、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。そのなか
でも特に、上記圧電素子の表面側に、一枚のシート状カ
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１素子
の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１素子の圧電素子が変位し、センサ出力
がより安定化する。

【００６９】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分布セン
サ、そして、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成
した分布センサは、特に優れた性能を備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分布センサの一実施例を示す分解斜視
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素子の製法の説明図で
ある。

【図４】本発明の分布センサの他の実施例を示す斜視図
である。

【図５】上記支持部材の変形例の説明図である。

【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】本発明に用いられる凸カバーの説明図であ
る。

【図１２】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１３】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１４】実施例における圧電積層体を示す説明図であ
る。

【図１５】実施例における圧電積層体を示す説明図であ
る。

【図１６】比較例における圧電積層体を示す説明図であ
る。

【図１７】実施例および比較例におけるセンサの出力電
圧測定法を示す説明図である。

【図１８】実施例および比較例における出力電圧波形を
示す線図である。

【符号の説明】１圧電素子５電極フィルム８電極層５１電極部５２端子部

───────────────────────────────────────────────────── 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） 2F051 AA01 AA21 AB08 BA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シート状の可撓性基板の片面もしくは両
面に沿って圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜
に電極が複数個、任意の配置で取り付けられてなる圧電
素子と、この圧電素子の各電極に接する電極部とそこか
ら延びる端子部とが互いに接しないよう形成された電極
フィルムとを備え、上記圧電素子と電極フィルムとが積
層一体化されて全体が一枚のシート状になっていること
を特徴とする分布センサ。
【請求項２】上記圧電素子の裏面側に、支持部材が設
けられており、上記支持部材によって圧電素子が持ち上
げ保持されている請求項１記載の分布センサ。
【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２記載の分布セ
ンサ。
【請求項４】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記載の分
布センサ。
【請求項５】上記圧電素子の表面側に、一枚のシート
状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
部が所定間隔で突設されている請求項２〜４のいずれか
一項に記載の分布センサ。
【請求項６】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１〜５のいずれか一項に記載の分
布センサ。
【請求項７】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１〜６のいずれか一項に記載
の分布センサ。