JP2006084396A

JP2006084396A - 圧電検出装置

Info

Publication number: JP2006084396A
Application number: JP2004271342A
Authority: JP
Inventors: Morihito Akiyama; 守人秋山; Toshihiro Kanbara; 敏浩蒲原; Naohiro Ueno; 直広上野; Kazuhiro Nonaka; 一洋野中
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP4803633B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、圧力、力、加速度等の計測に用いられる圧電検出装置において、簡単な構造でありながら機械的信号を電気的信号に変換することを提供する。
【解決手段】それぞれ曲面状の基板１、圧電体層２及び電極層３を有する圧電素子と、前記電極層と接続されたチャージアンプ４と、を備えている圧電検出装置である。
また、前記圧電素子を球弧状としても良い。
前記圧電素子に用いられる圧電体層２は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのいずれか１種の材料から採用される。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧力、歪等の計測に用いられる圧電検出装置に関し、特に機械的信号を電気的信号に変換する際の感度を大きく向上させた圧電検出装置に関する。

従来、圧電素子は圧力、力、加速度など様々な物理量の計測手段として用いられており、その応用分野も産業用、自動車用、医療用、及び家電用等多岐にわたっている。
一般に圧電素子は、圧電体と電極を一体化して機能するようになっており構造が極めて簡単である。
そのため小型化でき且つ生産性も高く、検知機能としての感度も優れたものである。
これまで、圧電式のセンサーとしては、圧電体にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を代表とする鉛を含んだ複合酸化物系の強誘電体材料が多く用いられている。
特にＰＺＴ系の圧電体は圧電特性に優れているため、圧力等の物理量の入力に対する、電荷又は電位差等の出力が大きい。

しかしながら、ＰＺＴを代表とする強誘電体材料は、キュリー温度以上では圧電性が消失するために高温での使用は困難である。
また、強誘電体材料は歪−電界特性にヒステリシスを示すために精密な測定には不向となっている。
このようなことから、高温特性及び応答の線形性の観点を考慮すると、強誘電体ではない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電体が有効である（例えば、特許文献１，２参照）。

特許第２９０９５３２号公報特開平８−３０７９９３号公報

しかしながら、これらの圧電体は圧電特性がＰＺＴ系に比べ数１００分の１程度しかないために出力が小さく感度が低い。
その結果、電気的に増幅するとＳ／Ｎ比の低下につながる。

本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、圧力、力、加速度等の計測に用いられる圧電検出装置において、簡単な構造でありながら機械的信号を電気的信号に変換する際の感度を大きく向上させることができる圧電検出装置（圧力センサー）を提供するものである。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、応力によって変形し易い形状の圧電素子を作製し、圧電体の面内応力等を利用し、発生電荷をチャージアンプにより電圧信号に変換することにより、出力が大きく向上することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、それぞれ曲面状の基板、圧電体層及び電極層を有する圧電素子と、前記電極層と接続されたチャージアンプと、を備えている圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（２）、前記圧電体層と電極層との接合割合が５０％〜１００％である上記（１）に記載の圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（３）、前記圧電素子が球弧状である上記（１）に記載の圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（４）、前記圧電素子に用いられる圧電体層が複合酸化物を主成分とする上記（１）ないし上記（３）のいずれかに記載の圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（５）、前記複合酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのいずれか１種である上記（５）に記載の圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（６）、前記圧電素子に用いられる圧電体層がウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする上記（１）ないし上記（３）のいずれかに記載の圧電検出装置に存する。

また、本発明は、（７）、前記ウルツ鉱型構造の化合物は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛又はヨウ化銀のいずれか１種である上記（６）に記載の圧電検出装置に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記（１）〜（７）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明によれば、基板自体を変形し易くし且つチャージアンプにより圧電素子からの電荷の移動を電圧に変換して出力するようにしたので、圧電素子に圧力等の機械的信号を入力することによって感度良く圧電効果による電荷信号を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電検出装置を示している。
なお、各層は便宜的に大きさが異なっているものとして示した。
この第１実施形態の圧電検出装置は、それぞれ曲面状の基板１、圧電体層２及び電極層３を有する圧電素子Ａと、基板１及び電極層３と接続されたチャージアンプ４と、を有している。
圧電素子Ａは、曲面状に形成された基板１の凸面に沿って圧電体層２が形成され、その圧電体層２に沿って電極層３が順に形成されている。

この圧電素子Ａは薄板状のものであり、その基板１を、例えば対象となる被取付け面上に接着剤等により固定して用いることができる。
圧電素子Ａは各構成層が曲面状に形成されているため、構成層の一つである圧電体層自体も変形し易くなり後述するように電気出力信号を大きく取ることができる。
基板１としては導電性があれば特に限定されるものではないが、その上に形成される圧電体層２の形成し易さや、目的とする圧力や力の範囲に応じて、あるいは使用環境に応じて適宜選択することができる。

また圧電体層２としては圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えば、ペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）の複合酸化物を用いることができる。
ペロブスカイト系複合酸化物の上記Ａサイトとしては通常、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｂｉの中から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。
上記ＢサイトとしてはＴｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｆｅの中から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。
このような複合酸化物の具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＰｂＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，（ＰＢ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＬｉＮｂＯ３等が挙げられる。

また、圧電体層２は、上述した材料とは異なり、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする材料を使っても良い。
ウルツ鉱型構造としては具体的には窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛又はヨウ化銀等があり、これらの中から１種選択すれば良い。
圧電体層２の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法又はＭＯＣＶＤ法等が知られており、その中から好ましいもの適宜選択することができる。

圧電体層２の膜厚は通常、０．０５〜１００μｍが好ましく、中でも特に０．５〜３０μｍが好ましい。
すなわち、厚みが０．０５μｍ未満では圧電センサーとして用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。

さて電極３の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の金属や合金の導電材料、又は金属酸化物若しくは金属窒化物の導電材料を用いることができる。
電極３の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、メッキ法、スパッタリング法又は真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。

ところで、上述したように、基板１として導電性を有することを必要としたのは、電極層３と同様に基板１を他方の電極として利用するためである。
第１実施形態の圧電検出装置は、少なくとも圧電素子とそれに接続されたチャージアンプ４を有している。
具体的には図に示すようにアースされた基板１と電極層３との間の出力をチャージアンプ４を用いて増幅させる構成を備えている。
チャージアンプ４を用いたことにより感度が向上して、必ずしもピックアップ容量やケーブル容量に依存する必要がなくなる利点がある。

本発明の圧電素子は、通常、図２に示すように、基板１、圧電体層２及び電極層３の各層同士が全面で接合されているものであるが、必ずしも各層の大きさ（すなわち、この場合は面積をいう）は同じでなくてもよい。
そのため圧電体層と電極層との接合割合（すなわち、圧電体層全面積に対する電極層の面積）を、適宜選択することができ、例えはセンサーとしての感度を変えることができる。
この接合割合は、接合強度の観点から３０％〜１００％とすることが好ましい。
図３に示す圧電素子は、圧電体層と電極層との接合割合が５０％のものである。
このように圧電体層と電極層との接合面積が５０％の場合は、接合面積が１００％の場合に較べて圧電素子としての感度は半減することとなる。

逆に、圧電素子としての感度を上下させるためには、圧電体層と電極層との接合面積を変えることで簡単に調整が可能にとなる。
ここで、本発明の圧電素子は、上面から見た場合の形状として、上述したように必ずしも長方形とは限らず、例えば、球形の一部であっても良い。
図４は球形の一部（球弧状）とした形状の圧電素子を示したものであり、いわゆる、お碗を逆にしたような形となっている。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した一実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
以下、実施例を挙げて説明するが、本発明は、当然、これらの実施例によっても限定されるものではない。

図５は、本発明の圧電検出装置の動作確認をするための実験装置を示している。
図に示すように、この圧電検出装置は圧電素子（基板、圧電体層及び電極層）とチャージアンプ４とを備える。
圧電素子としては、基板として厚さ０．１ｍｍのステンレス板５、圧電体層として１μｍの窒化アルミニウム６、及び電極層として○○μｍの銅電極を有するものである（各層は大きさが同じであるが便宜的に異なった大きさで示した）。
また、圧電素子の作製に当たっては、ステンレス板５の表面に窒化アルミニウム６をＲＦマグネトロンスパッタリング法により形成し、更にその上に銅電極６を真空蒸着により形成した。
実験としては、図に示すように、ロードセル９が取り付けてある加振機８を用いて、上方から圧電素子に正弦的な荷重を負荷した。
また、この加振機８によって加えた負荷された正弦荷重に対応して出力された圧電出力信号をチャージアンプで増幅し、オシロスコープ１０でモニターした。

実施例により測定された結果を図６（横軸；時間、縦軸；電圧）に示す。
結果は、図に示されるように、負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
ロードセル出力電圧の振幅から荷重を、チャージアンプ出力電圧の振幅から電荷を計算すると、それぞれ０．０１７１Ｎおよび４１４ｐＣであった。
窒化アルミニウムの圧電ｄ定数はｄ_３３が約５ｐＣ／Ｎ、ｄ_３１が約−２ｐＣ／Ｎといわれている。
なお、圧電ｄ定数とは、圧電体に電界（Ｖ／ｍ）を印加した場合に、どれだけ変位するかを表す係数を示し、

電界方向と変位方向の関係によってｄ_３３、ｄ_３１、ｄ_１５（ｍ／Ｖ，Ｃ／Ｎ）で表現される。通常、分極処理をした軸を３で表し、他の軸を１，２とし、分極処理をしたセラミックスでは独立なｄ定数はｄ_３３、ｄ_３１、ｄ_１５で表される。
本実施例の荷重、電荷から単純に圧電ｄ定数を計算するとｄ_３１は約２４０００ｐＣ／Ｎとなり、一般的にいわれている値に比べ桁違いの大きな値となった。
このことから本発明の圧電検出装置の優れた有用性が分かる。

本発明の圧電検出装置は、圧力、歪等の計測に用いられる圧電検出装置に関し、特に機械的信号を電気的信号に変換する際の感度を大きく向上させた圧電検出装置に関するが、この原理を応用する限り、例えば、民生用電子機器、家電・住宅用電子機器、セキュリティー機器、健康器具、オートメーションファクトリ、ロボット、自動車、事務機器、その他様々な分野で圧力センサー、荷重センサー若しくは加速度センサー等の物理センサーとして、又はタッチパネル等のスイッチとして利用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電検出装置を示す説明図である。図２は、各層の大きさが同一の圧電素子を示す説明図である。図３は、圧電体層と電極層との接合割合が５０％の圧電素子を示す説明図である。図４は、球弧状の圧電素子を示した説明図である。図５は、本発明の圧電検出装置の動作確認をするための実験装置を示している。図６は、本発明の実験装置における測定結果を示す説明図である。

符号の説明

１基板
２圧電体層
３電極層
４チャージアンプ
５ステンレス板
６窒化アルミニウム
７銅電極
８加振機
９ロードセル
１０オシロスコープ
Ｇ被取付け面
Ｓ支持部

Claims

それぞれ曲面状の基板、圧電体層及び電極層を有する圧電素子と、前記電極層と接続されたチャージアンプと、を備えていることを特徴とする圧電検出装置。
前記圧電体層と電極層との接合割合が５０％〜１００％であることを特徴とする請求項１に記載の圧電検出装置。
前記圧電素子が球弧状であることを特徴とする請求項１記載の圧電検出装置。
前記圧電素子に用いられる圧電体層が複合酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧電検出装置。
前記複合酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムのいずれか１種であることを特徴とする請求項５に記載の圧電検出装置。
前記圧電素子に用いられる圧電体層がウルツ鉱型構造の化合物を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧電検出装置。
前記ウルツ鉱型構造の化合物は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛又はヨウ化銀のいずれか１種であることを特徴とする請求項６に記載の圧電検出装置。