JP2007093530A

JP2007093530A - 感圧センサ素子及び感圧センサ

Info

Publication number: JP2007093530A
Application number: JP2005286446A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukami; 龍夫深海; Toshiyuki Sakuma; 敏幸佐久間
Original assignee: Koa Corp; Shinshu University NUC
Current assignee: Koa Corp; Shinshu University NUC
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】一定圧力下で静電容量が変化せず、しかも小型で汎用性の高い感圧センサ素子を提供する。
【解決手段】誘電体材料を加圧した際に静電容量が変化するピエゾ誘電効果を利用した感圧センサ素子１において、誘電体材料として反強誘電体セラミックス板２若しくは反強誘電体単結晶板を用いた。前記反強誘電体セラミックス板２としてニオブ酸ナトリウムが用いられ、ナトリウムとニオブの混合比を１：１．００５〜１：１．０４となるようにニオブを過剰に配合して焼成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板を用いた感圧センサ素子及び感圧センサに関する。

従来、感圧センサとして実用化されているものは、ダイヤフラム上に感圧素子（例えばピエゾ素子）を併設したものが用いられているが、ダイヤフラムの変位を検出することから小型化するには限界がある。また、感圧センサは圧力差を測定するものであるから、基準となる圧力（例えば大気圧）を加える必要がある。例えば圧電セラミックが積層されたアクチュエータを用いて圧力差を測定する際には、圧電セラミック積層方向両側が固体間に挟まれている場合には使用できない。

そこで、固体間に挿入して圧力変化を検出する小型の感圧センサとして、チタン酸バリウム、ジルコンチタン酸鉛等の強誘電体が用いられ、該強誘電体の誘電率が圧力変動によって変化し、静電容量が変化することを利用して圧力を検出する感圧センサが提案されている（特許文献１参照）。この強誘電体の静電容量の変化を利用した感圧センサは基本的には１枚のセラミック板であるので、極めて単純な構造であり、しがたって両側より挟み込む加圧システム中に組み込みが容易であり、圧力を迅速かつ正確に測定できる特徴がある。
特許第３６４１４７０号

しかしながら、強誘電体を用いた感圧センサに一定の圧力を加えたときの静電容量は厳密には一定にならないで、時間と共に静電容量が変化するドリフト現象が存在することが判明している。このため、静電容量に基づいて一義的に圧力が決められなくなる。とりわけ測定対象となる荷重が一定若しくは極めてゆっくり変化する場合には上述した強誘電体を用いた感圧センサは利用できないことになる。

強誘電体の自発分極の様子を図８（ａ）の模式図を参照して説明する。
強誘電体を用いた感圧センサに加わる圧力が一定の値に変化したとき、センサの静電容量は一定値とならず、少しずつ変化する。これは、強誘電体が自発分極する際に静電エネルギーが最小になろうとし、自発分極によって形成される電界によって分極電荷と逆符号の可動イオン（不純物イオン）によって電荷量が相殺される（補償される）ためと考えられる。この強誘電体に外部から応力が加わると自発分極の大きさが変わり静電容量が減少する。このとき自発分極の大きさが変わるので、補償する可動イオンも追従して変化することになる。一般に、室温では可動イオンが動き難く、その時定数は数日から数ヶ月にわたるという極めて長いものになる。この緩慢な可動イオンの動きが静電容量を漸進変化させる要因である。

これに対して、反強誘電体の自発分極の様子を図８（ｂ）の模式図を参照して説明する。反強誘電体では単位結晶格子の大きさでは自発分極を有するが、隣接する結晶格子はこれと逆向きの自発分極を有する。自発分極した符号が異なる電荷量は等しいので、可動イオンによって補償されなくても静電的に安定したエネルギー状態にある。外部から応力が加わると、自発分極が変化するため静電容量が変わるが、可動イオンの緩慢な動きに伴う静電容量の変化は生じない。よって、一定圧力の下では一定静電容量となるように反強誘電体材料を用いたセンサ素子を見出すことにより本願発明を完成するに至った。

本発明の目的は、一定圧力下で静電容量が変化せずしかも小型で汎用性の高い感圧センサ素子及び感圧センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
誘電体材料を加圧した際に静電容量が変化するピエゾ誘電効果を利用した感圧センサ素子において、誘電体材料として反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板を用いたことを特徴とする。
また、反強誘電体セラミック板としてニオブ酸ナトリウムが用いられ、ナトリウムとニオブの混合比を１：１．００５〜１：１．０４となるようにニオブを過剰に配合して焼成されることを特徴とする。
また感圧センサとしては、上述した反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板の両面に電極部を一体に形成したことを特徴とする。

上述した感圧センサ素子を用いれば、誘電体材料として反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板を用いたので、誘電体材料は自発分極してもドリフト現象が発生することなく静電的に安定したエネルギー状態にある。よって、外部から応力が加わると、自発分極が変化するため静電容量が変わるが、可動イオンの緩慢な動きに伴う静電容量の変化は生じないため、安定したセンシングが行なえる。
特に反強誘電体セラミック板としてニオブ酸ナトリウムが用いられ、ナトリウムとニオブの混合比を１：１．００５〜１：１．０４となるようにニオブを過剰に配合して焼成すると、時間の経過にかかわらず静電容量が安定するため、センシング感度のよい感圧センサ素子を提供できる。
また、感圧センサとしては、上述した反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板の両面に電極部を一体に形成することで得られるため、部品点数が少なく簡易な構造で小型化低コスト化が図れる。また。感圧センサは一端側を固定した流体圧の測定のみならず、両端側より挟み込む加圧システム中に組み込んで荷重測定することも可能であり、汎用性が向上するうえに圧力を迅速かつ正確に測定できる。

以下、本発明に係る感圧センサ素子及び感圧センサの最良の実施形態について添付図面とともに詳細に説明する。
図１は感圧センサの外観構成を示す。感圧センサ１は感圧板材に荷重を加えた際に静電容量が変化する感圧センサ素子が用いられる。本実施の形態では誘電体材料として反強誘電体セラミック板２（若しくは単結晶板）が用いられる。反強誘電体セラミック板２の一例としてニオブ酸ナトリウムが用いられる。反強誘電体セラミック板２の両面には銀電極３が焼き付けられて一体に形成されている。これらの電極面には、薄い燐青銅板よりなる取り出し用電極板４が導電性接着剤により接着されている。

以下に反強誘電体セラミック材料としてニオブ酸ナトリウムを選び焼成した実施例について述べる。
(実施例１)
原料として、炭酸ナトリウムＮａＣＯ₃およびＮｂ₂Ｏ₅を用い、所望の割合に秤量し、２４時間ボールミルで湿式混合する。乾燥後大気圧中１０００℃で２時間仮焼し、その後粉砕して微量のＰＶＡ（ポリビニールアルコール）をバインダとして加えた。次いで直径２０ｍｍの金型で、１ton／ｃｍ²の圧力のもとで加圧成形し、大気圧中１２５０℃で５時間焼成した。その後、厚さを１mmに研磨し、両面に銀ペーストを焼き付け測定に供した。

本焼成を終えた試料について、外形寸法から嵩密度を測定すると表１の結果が得られた。
ナトリウムとニオブの比が１：１の場合はほとんど焼成が進まず、素子として利用することができなかった。

０．５％ニオブを過剰にすると著しく焼成が進み、嵩密度も大きくなった。さらにニオブを増加すると、２％過剰とした試料で嵩密度は最大となり、それを超えると再び徐々に減少し始めた。

ナトリウムとニオブとの比を変えた一連の試料を電界放射走査電子顕微鏡で観察した画像（ＳＥＭ像）の写真図を図２に示す。本焼成した試料（反強誘電体セラミック板）を鏡面研磨し、続いて１１００℃で３０分サーマルエッチングして観察した。図２（a）のナトリウムとニオブの比が１：１の場合にはほとんど焼結が進んでいないことがわかる。図２（ｂ）はニオブを１％過剰に加えた場合であるが、ほとんど空孔も観察されず結晶粒径の大きさもそろっており、良好な焼結体の構造を示している。図２（ｃ）〜図２（ｅ）は次第にニオブの過剰量を増やした試料であるが、図２（ｆ）では３．７５％過剰にした試料である。この程度の過剰量になると空孔が次第に増え始め、また結晶粒成長も抑えられ気味となる。最終的には、表１にあるようにニオブの過剰量が０．５％〜４％程度が実用的であることが判明している。

(実施例２)
ニオブ酸ナトリウムを用いた反強誘電体セラミック板２をセンサ素子として用いた感圧センサ１の測定回路について図３を参照して説明する。反強誘電体セラミック板２は公知のタイマーＩＣ５を用いた発振回路６に接続されている。タイマーＩＣ５は、コンパレータ７、８、フリップフロップ９、分圧抵抗回路１０及びトランジスタＱ１で構成されている。発振回路６は、印加電圧が０Ｖ−５Ｖ間で発振するようになっている。発振回路６には、電源電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）が印加される。タイマーＩＣ５は外付けされた抵抗器１１（ＲＡ、ＲＢ）の抵抗値および感圧センサ１の静電容量で決まる周波数の矩形波で発信するから、その周波数から感圧センサ１の静電容量の大きさ、即ち荷重（圧力）の大きさを知ることができる。なお、コンデンサ１２および抵抗器１３はタイマーＩＣ５の安定化のために挿入され、ダイオード１４（Ｄ１）は矩形波のオン／オフ比（デューティ比）を設定するために用いられる。

エアープレスによりセンサ素子に圧力を加え、そのときのタイマーIC発振回路６の発信周波数より逆誘電率１／ε［m/F］を測定し圧力が０［Pa］の時を１として圧力を変化させたときの逆誘電率の変化を相対的に示すと図４のようになる。０．５％ニオブ過剰のニオブ酸ナトリウムでの逆誘電率すなわち静電容量の変化は少ないが、２％や３％過剰のニオブ酸ナトリウムは圧力に応じて逆誘電率すなわち静電容量が顕著に変化している。しかし４％過剰のニオブ酸ナトリウムでは再び感度が悪くなる。

荷重を安定に測定するためには一定の圧力印加に対して逆誘電率の変化は一定である必要がある。５ＭＰａの一定圧力を印加したときの経過時間に対する安定度を現す特性の一例を図５に示す。ここでは２％および３％ニオブ過剰のニオブ酸ナトリウムの例を示したが、時間の経過によって静電容量が変化する現象は、その原因が先に述べたように可動イオンによるものであり、かつ反強誘電体では可動イオンによる自発分極の補償は必要とされないので、いずれの試料においても時間とともに変動することはなかった。

(実施例３)
前述したように強誘電体セラミック板の静電容量の変化によって荷重を検出できることは公知であるが、経過時間により静電容量が徐々に変化するドリフト現象が生ずる。このドリフト現象の有無について強誘電体セラミック板と反強誘電体セラミック板と比較する実験を行った。マンガン（Ｍｎ）を２％添加したチタン酸バリウムを１３５０℃で２時間焼成したセラミックをニオブ酸ナトリウムと同じように電極を設け、エアープレスで5MＰaの圧力を印加したときの逆誘電率の経過時間に伴う変化を観察した。参照試料としてニオブを２％過剰にしたニオブ酸ナトリウムも再度測定し、併せて図６に図示した。静電容量の変化する原理は前述したように自発分極の電荷を補償するための可動イオンの移動にあるのであるから、図６において自発分極のあるチタン酸バリウムでは時間経過とともに静電容量の変化が生じる。一方、反強誘電体のニオブ酸ナトリウムでは反平行の自発分極が互いに補償し合い、正味の自発分極は０であるから、可動イオンによる補償の必要はなく、荷重印加後の時間経過によってはその値が変動することはなかった。

次に、感圧センサの応用例として、圧力調整器の構成を図７に示す。
感圧アクチュエータは、感圧センサ１とアクチュエータ１５を積層してなる。感圧センサ素子は、ニオブ酸ナトリウム等の反強誘電体からなる。積層アクチュエータ１５は、印加された入力電圧に応じた圧力を発生する。圧力調整器１６は一次室１７から二次室１８へ流入する液体若しくは気体などの流体圧を減圧調整する。一次室１７には、シート１９がスプリング２０に付勢されて弁２１を閉止している。二次室１８には弁２１を通過した流体の二次圧力を受けるダイヤフラム２２が設けられている。このダイヤフラム２２の動きはステム２３を介してシート１９に伝達され、締結系２４を介してアクチュエータ１５に伝達されるようになっている。

制御部（マイクロコンピュータ）２５は、設定入力部２６より応力（圧力）設定値が入力されると、内部演算部２７で必要な駆動電圧値に変換されてアクチュエータ１５に印加する。これにより、アクチュエータ１５は長さ方向に変位を生じさせ、ステム２３を押し下げるようになっている。このとき、アクチュエータ１５が長さ方向に変位すると変位量に応じて感圧センサ部１の静電容量が変化し、発振回路６の発振周波数が変化して発振周波数を周波数カウンタ２９によりカウントすることにより、累積カウント値の変化分を求めて荷重に換算される。この荷重検出信号は、内部演算部２７で設定入力部２６から入力された圧力設定値と比較されて、差分が電力増幅部２８通じてアクチュエータ１５に印加され、二次室１８の圧力が所望の値となるように制御される。

上述した反強誘電体セラミック板２を用いた感圧センサ１を用いれば、センサ構造が極めて単純で、低コスト化や小型化が可能となり、かつ安定で早い応答特性が得られる。
また、圧力調整器１６のほかに、重量の測定、ロボットハンドの把持力の検出などロボット、自動制御システム、精密機器、微小位置制御、医療機器など幅広い用途で利用が可能である。

反強誘電体セラミック板を用いた感圧センサの斜視説明図である。電界放射走査電子顕微鏡で観察した試料（反強誘電体セラミック板）の写真図である。感圧センサの静電容量検出用のタイマーIC発振回路の構成図である。ニオブ酸ナトリウムセラミック板の圧力による逆誘電率の変化を示すグラフ図である。ニオブ酸ナトリウムセラミック板の圧力印加後の経過時間による逆誘電率の変化を示すグラフ図である。ニオブ酸ナトリウムセラミック板とチタン酸バリウムセラミック板との経過時間に伴う逆誘電率の変化を比較したグラフ図である。反強誘電体の静電容量の変化を利用してアクチュエータの圧力を検出することによって制御する圧力調整器の構成図である。強誘電体及び反強誘電体の電荷補償の違いを説明する原理図である。

符号の説明

１感圧センサ
２反強誘電体セラミック板
３銀電極
４取り出し用電極
５タイマーＩＣ
６発振回路
７、８コンパレータ
９フリップフロップ
１０分圧抵抗回路
１１、１３抵抗器
１２コンデンサ
１４ダイオード
１５アクチュエータ
１６圧力調整器
１７一次室
１８二次室
１９シート
２０スプリング
２１弁
２２ダイヤフラム
２３ステム
２４締結系
２５制御部
２６設定入力部
２７内部演算回路
２８電力増幅部
２９周波数カウンタ

Claims

誘電体材料を加圧した際に静電容量が変化するピエゾ誘電効果を利用した感圧センサ素子において、
誘電体材料として反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板を用いたことを特徴とする感圧センサ素子。
前記反強誘電体セラミック板としてニオブ酸ナトリウムが用いられ、ナトリウムとニオブの混合比を１：１．００５〜１：１．０４となるようにニオブを過剰に配合して焼成してなることを特徴とする請求項１記載の感圧センサ素子。
請求項１または２記載の反強誘電体セラミック板若しくは反強誘電体単結晶板の両面に電極部を一体に形成したことを特徴とする感圧センサ。