JP4756309B2

JP4756309B2 - 高感度圧電素子

Info

Publication number: JP4756309B2
Application number: JP2004241495A
Authority: JP
Inventors: 守人秋山; 敏浩蒲原; 直広上野; 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: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP2006058180A

Description

本発明は圧力素子に関し、更に詳しくは、圧力、歪などの計測に用いられるセンサとしてその感度を大きく向上させることができる圧力素子に関する。

従来、プロセス制御等では圧力の計測は重要なパラメーターであり、流量、温度、液面など様々な流体の状態計測に用いられ、具体的には圧力、差圧センサとして用いられている。
この他、産業用、自動車用、医療用、家電など多種の分野で応用が実施されている。

圧力センサには、例えば、歪を起電力に変える圧電式、歪による抵抗変化を利用する歪ゲージ式、静電容量の変化を利用した静電効果式、等の種類がある。
このうち、圧電式のセンサは圧電体と電極を一体化したもので、比較的、簡単な構造形態を有していることから種々の分野の応用が可能である。

これまで、圧電式のセンサ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た。
特にＰＺＴ系の圧電体は圧電定数が大きいために、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くなるからである。

しかし、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できない。
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きである。

このような高温特性、応答の線形性を考えると、ＡｌＮやＺｎＯ等の圧電体が有効であるが、これらの圧電体は圧電定数がＰＺＴ系に比べ数１００分の１と極めて小さいため、出力が落ちる。
その結果として電気的に増幅するとＳ／Ｎ比の低下となる。

そこで上述したような強誘電体材料を用いなくても機械的信号を電気的信号に変換する際の感度を向上させるための技術が提案されている。
例えば可撓性基板に圧電体を形成した圧電素子において、スペーサーを裏面に設けて持ち上げ保持する技術（例えば、特許文献１参照）、圧電素子を片持ち梁、或いは両端固定梁構造にすることにより圧電横効果を利用する技術（例えば、特許文献２参照）がされている。
特開２０００−２７５１１４号公報（第３頁〔００１５〕，図１、第５頁〔００４２〕，図６）特開平１１−１３２８７３号公報（第２頁〔発明の属する技術分野〕、第５頁〔００３１〕，図４（ｃ））

しかしながら、スペーサーを裏面に設けて持ち上げ保持する方法も、片持ち梁あるいは両端固定梁構造にする方法も、圧電素子の構造を複雑にし製作工数や部品の点数が増え、生産性やコストの面からみて不利である。
また、構造が複雑になることにより繰り返し使用した場合に故障の原因にもなり易い。

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、歪などの計測に用いられる圧電素子において、単純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、湾曲した基板の少なくとも一方の面に圧電体層及び電極層を形成し、外から圧力等の機械的信号を入力すると素子全体が変形し、圧電体層に対し膜厚方向及び面方向への歪が発生し、結果として複合的な出力が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

また、本発明は、（１）、湾曲した基板と、湾曲した圧電体層と、湾曲した電極層とを有し、電極層が基板の両面に形成され、圧電体層が該基板の両面に形成された電極層のぞれぞれの上面に形成され、電極層が該圧電体層のそれぞれの上面に更に形成され、圧電体層は、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とするものであり、湾曲した基板は、高分子材料を主成分とする圧電素子に存する。

また、本発明は、（２）、高分子材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッカビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のうちの少なくとも１種を含む上記（１）記載の圧電素子に存する。

また、本発明は、（３）、湾曲した基板は、任意の曲率を有する凹形状である上記（１）又は（２）に記載の圧電素子に存する。

また、本発明は、（４）、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うち少なくとも１種を含む上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の圧電素子に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記請求項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、圧電素子全体を湾曲させたので、圧電素子が変形し易くなり、結果的に、電気的出力信号を大きく向上させることができる。

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。
本発明の圧電素子は、湾曲下した基板、湾曲した圧電体層及び歪曲した電極層を有するものであり、この湾曲度は任意の曲率を有する。

（第１参考形態）
図１（Ａ）は、本発明の第１参考形態に係る圧電素子を示している。
この第１参考形態の圧電素子には、湾曲した基板１の凸面に、順に圧電体層２、電極層３が形成されている。
基板１上に圧電体層２を形成するに当たっては、通常、基板１と同じ大きさで、圧電体層２、電極層３を設けるが、図では、便宜的にそれぞれが異なった大きさに表示した。
もっとも、図のように圧電素子を形成しても当然良いことはいうまでもない。
なお、圧電素子は、図１（Ｂ）に示すように、逆に湾曲するように凹面に圧電体層２及び電極層３を形成しても良い。

基板１は、圧電体層２或いは電極層３を湾曲した状態で支持する機能を有するものであり、その機能を有する限り材質や厚さは特に限定されるものではない。
厚さについては基板１の上に形成される圧電体層２の形成し易さに応じて適宜選択し、その上で高感度な出力が得られるように決定すると良い。

また基板１の材質としては、金属材料を主成分とする材料を用いる場合には、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銅、チタン、タングステン、シリコン、マグネシウム、亜鉛、スズ、モリブデン、ニオブ、ジルコニア、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、イットリウム、ステンレス、黄銅又は青銅のうち少なくともいずれか１種を含むようにすると良い。

また、セラミック材料を主成分とする材料を用いる場合には、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、ケイ化モリブデン、ホウ化モリブデン、窒化ホウ素、炭化ホウ素、ホウ化チタン又はサイアロンのうちの少なくともいずれか１種を含むようにすると良い。

更に、高分子材料を主成分とする場合には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッカビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のうちの少なくとも１種を含むようにすると良い。

この第１参考形態の圧電素子において電位差を取る場合、電極層３が１層しか形成されていないため、基板１を導電性の材料にし、電極としての役割を果たさせることができる。
圧電素子に対して荷重を加え変形させることで、この電極層３と基板１との間で電位差を発生させてセンサとしての機能を得る。
また逆に、電極層３と基板１との間で電位差を発生させることで、圧電素子を変形させることができる。

ところで圧電体層２の材質としては圧電性を有するものであれば特に限定されないが、一例としてペロブスカイト構造（ＡＢＯ_３）の複合酸化物が挙げられる。
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種の元素が採用される。
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種の元素が採用される。
具体例としては、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うち少なくとも１種を主成分として含むようにすると良い。

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としても良い。
ウルツ鉱型構造の化合物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種以上を主成分とすれば良い。

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法及びＭＯＣＶＤ法等が知られており、その中から好ましいものを適宜選択する。
圧電体層２の膜厚は、基板や電極の厚みとの関係により異なるが、通常、０．１〜１００μｍが好ましく、特に０．５〜３０μｍが好ましい。
すなわち、厚みが０．１μｍ未満では圧電センサ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。

電極層３の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の金属若しくは合金の導電材料、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、又は金属ホウ化物の導電材料を用いることができる。
電極層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。

（第２参考形態）
図２（Ａ）は、本発明の第２参考形態に係る圧電素子を示している。
この第２参考形態の圧電素子には、湾曲した基板１の凸面に電極層３、圧電体層２が順に形成さされており、第１参考形態と較べると、電極層３、圧電体層２の順が異なって形成されているものである。
基板１、圧電体層２及び電極層３に使用される材料や作製方法は第１参考形態の場合と同様である。
なお、圧電素子は、この参考の形態でも図２（Ｂ）に示すように、逆に湾曲するように凹面に電極層３及び圧電体層２を形成しても良い。

この第２参考形態の圧電素子は、電極層３が１層しか形成されていないため、基板１を導電性の材料にし、電極としての役割を果たさせることができる。

（第３参考形態）
図３は、本発明の第３参考形態に係る圧電素子を示している。
この第３参考形態の圧電素子は、湾曲した基板１の凸面に電極層３、圧電体層２、電極層３が順に形成されている。
なお、図３（Ｂ）に示すように、逆に湾曲するように凹面に電極層３、圧電体層２及び電極層３を順次形成しても良い。
基板１、圧電体層２及び電極層３に使用される材料や作製方法は第１参考形態の場合と同様である。

この第３参考形態の圧電素子では、電極層３が２層形成され、その間に圧電体層２が挟みこまれているので、電極層３と圧電体層２の接触面積が第１参考の形態及び第２参考の形態に較べて２倍となり感度を更に向上（２倍）することができる。

（第４参考形態）
図４は、本発明の第４参考形態に係る圧電素子を示している。
この第４参考形態の圧電素子は、湾曲した基板１の凸面及び凹面の両面に、順次、圧電体層２、電極層３が順に形成されている。
そのため、電極層３間には２層の圧電体層２が形成されているため、電極層３と圧電体層２の接触面積が第１参考の形態及び第２参考の形態に較べて２倍となり、圧力センサとしての感度を更に向上（２倍）することができる。
基板１、圧電体層２及び電極層３に使用される材料や作製方法は第１参考形態の場合と同じである。

（第５参考形態）
図５は、本発明の第５参考形態に係る圧電素子を示している。
この第５参考形態の圧電素子は、第４参考形態と電極層３及び圧電体層２の順序が異なっているもので、湾曲した基板１の凸面及び凹面の両面に電極層３、圧電体層２が順に形成されている。
そのため、電極層３と圧電体層２の接触面積が第１参考の形態及び第２参考の形態に較べて２倍となり、圧力センサとしての感度を更に向上（２倍）することができる。

基板１、圧電体層２及び電極層３に使用される材料や作製方法は第１参考形態の場合と同じである。

（実施形態）
図６は、本発明の実施形態に係る圧電素子を示している。
この実施形態の圧電素子は、湾曲した基板１の凸面及び凹面の両面に、順次、電極層３、圧電体層２、電極層３が形成されている。
基板１、圧電体層２及び電極層３に使用される材料や作製方法は第１参考形態の場合と同じである。

この実施の形態の圧電素子では、電極３が４層あるために、電位差を取る場合、図７に示すように、複数の取り方の自由度がある。
例えば、電極３Ａと電極３Ｄとの間で電位差を取る場合、電極３Ｂと電極３Ｃとの間で電位差を取る場合があるが、前者では電極層３と圧電体層２との接触面積は、電極層３Ａと圧電体層２Ａ、電極層３Ｄと圧電体層２Ｂとの接触面積の合計である。
また後者では電極層３と圧電体層２との接触面積は、電極層３Ｂと圧電体層２Ａ、電極層３Ｃと圧電体層２Ｂとの接触面積の合計である。

このように、電極層３と圧電体層２との接触面積が第１参考の形態及び第２参考の形態に較べて２倍となり、圧力センサとしての感度を更に向上（２倍）することができる。
電位差を取る他の場合として、電極層３Ａと電極層３Ｃとを同体の電極とし、且つ電極層３Ｂと電極層３Ｄを同体の電極として、それらを相互に別の電極とする場合がある。
この場合は、電極層３と圧電体層２との接触面積は、電極層３Ａと圧電体層２Ａ、電極層３Ｃと圧電体層２Ｂ、電極層３Ｂと圧電体層２Ａ、電極層３Ｄと圧電体層２Ｂ、との接触面積の合計となる。
そのため電極層３と圧電体層２との接触面積が第１参考の形態及び第２参考の形態に較べて４倍となり、圧力センサとしての感度を更に向上（４倍）することができる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した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。
例えば、基板と圧電体層、電極層をそれぞれ湾曲して積層するものであれば、その各層の数は原則とて問わない。
また例えば、上述した第１ないし第５参考形態、本発明の実施形態では、基板１、圧電体層２及び電極層３をその長手方向に沿って湾曲させた例について説明したが、その幅方向に沿って湾曲させることも当然可能である。
また、圧電素子の形態としては積層された湾曲した円盤状のものとすることも可能である。

以下、参考例を挙げて説明するが、本発明は、当然、これらの参考例によって限定されるものではない。

（参考例）
図８は、本発明の圧電素子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、この実験装置で用いる圧電素子は第１参考形態と同様のものである（ステンレス板４、窒化アルミニウム層５、銅電極層６は同じ大きさであるが、便宜的に異なる大きさで表示した）
基板としては、１０ｍｍ×１５ｍｍ、厚さが０．１ｍｍのステンレス板４を用いた。
このステンレス板４の凸面には、圧電体層として１μｍの窒化アルミニウム層５をＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。
この窒化アルミニウム５の凸面には、電極として銅電極層６を真空蒸着により形成した。

このようにして作製した圧電素子に、加振機７を用いて正弦的な荷重を負荷した。
それによる電位差を銅電極６とステンレス板４との間で測定した。
すなわち加振機の先端にはロードセル８が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ１０でモニターした。
圧電素子から出力された信号は、チャージアンプ９で増幅してオシロスコープ１０でモニターした。

参考例により測定された結果を図９に示す。
この図９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とチャージアンプ出力電圧の振幅から荷重と電荷を求めると、０．０１７１Ｎの荷重に対し４１４ｐＣの電荷が発生しており、一般的にいわれている値に比べ桁違いに大きな信号が得られた。
なお、他の参考の形態及び実施の形態の様な構造の圧電素子においても、同様な実験結果を得ている。

本発明は圧力、歪などの計測に用いられるセンサとしてその感度を大きく向上させることができる圧力素子に関するものであり、その原理を適用する限りにおいて、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、荷重センサ、加速度センサ等の物理センサ、タッチパネル等のスイッチ等、種々の分野で利用価値がある。

図１は、本発明の第１参考形態に係る圧電素子を示す説明図である。（Ａ）は凸面側に圧電体層及び電極層が形成されたものであり、（Ｂ）は凹面側に圧電体層及び電極層が形成されたものである。図２は、本発明の第２参考形態に係る圧電素子を示す説明図である。（Ａ）は凸面側に圧電体層及び電極層が形成されたものであり、（Ｂ）は凹面側に圧電体層及び電極層が形成されたものである。図３は、本発明の第３参考形態に係る圧電素子を示す説明図である。（Ａ）は凸面側に圧電体層及び電極層が形成されたものであり、（Ｂ）は凹面側に圧電体層及び電極層が形成されたものである。図４は、本発明の第４参考形態に係る圧電素子を示す説明図である。図５は、本発明の第５参考形態に係る圧電素子を示す説明図である。図６は、本発明の実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図７は、本発明の実施形態における電位差の取り方の例を示す図である。図８は、本発明の圧電素子の動作確認をするための参考例の説明図である。図９は、本発明の圧電素子の動作確認をするための参考例の応答曲線を示す説明図である。

符号の説明

１基板
２２Ａ，２Ｂ圧電体層
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ電極層
４ステンレス板
５窒化アルミニウム層
６銅電極層
７加振機
８ロードセル
９チャージアンプ
１０オシロスコープ

Claims

湾曲した基板と、湾曲した圧電体層と、湾曲した電極層とを有し、
前記電極層が前記基板の両面に形成され、
前記圧電体層が該基板の両面に形成された該電極層のぞれぞれの上面に形成され、
電極層が該圧電体層のそれぞれの上面に更に形成され、
前記圧電体層は、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とするものであり、
前記湾曲した基板は、高分子材料を主成分とすることを特徴とする圧電素子。
前記高分子材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッカビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記湾曲した基板は、任意の曲率を有する凹形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
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うち少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子。