JP6141598B2

JP6141598B2 - 圧力センサー

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Publication number: JP6141598B2
Application number: JP2012007465A
Authority: JP
Inventors: 哲郎松本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: JP2013148394A

Description

本発明に係るいくつかの態様は、電解質を含むアクチュエーターを用いる圧力センサーに関する。

従来、この種のアクチュエーターの一つとして、高分子アクチュエーターが知られている。この高分子アクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、電圧を加えるのをやめると元に戻る特性を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平４−２７５０７８号公報や特開平１１−１６９３９３号公報に記載されている。

特開平４−２７５０７８号公報特開平１１−１６９３９３号公報

ところで、前述のような電解質膜を有するアクチュエーターでは、電解質膜に外部から力（外的応力）を加えると電解質膜に電位差（電圧）が発生する。発生した電圧は電解質膜の湾曲（曲がり加減）に関係している。この電圧を電解質膜の両側の電極で検出することにより、電解質膜を有するアクチュエーターは、加えられる力（圧力）を検出する圧力センサーとして使用することが可能となる。

しかしながら、このアクチュエーターに発生する電圧のレベルは、例えば、２［ｍＶ］程度であり、最大でも数［ｍＶ］程度である。そのため、このアクチュエーターを圧力センサーとして用いる場合に、アクチュエーターに発生する電圧は、加えられる圧力を検出する信号（検出信号）としては信号レベルが低い、という問題があった。

本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、電解質を含むアクチュエーターを用いて、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることのできる圧力センサーを提供することを目的の１つとする。

本発明に係る圧力センサーは、平面視における形状がそれぞれ異なる第１のアクチュエーターと第２のアクチュエーターとが積層された、錐体の形状を有する積層構造体を備え、第１のアクチュエーターおよび第２のアクチュエーターのそれぞれは、第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された電解質を含む層を有し、第１のアクチュエーターの第２の電極が、第２のアクチュエーターの第１の電極と接するように積層されており、積層構造体の一端であって圧力を検出する積層構造体の頭頂面に設けられている電極と、積層構造体の他端に設けられている電極と、の間で積層構造体の電位差を検出する。

かかる構成によれば、積層されて錐体の形状を有する積層構造体を形成する、平面視における形状がそれぞれ異なる複数のアクチュエーターのそれぞれが電解質を含む層を有し、積層構造体の一端であって圧力を検出する積層構造体の頭頂面に設けられている電極と、積層構造体の他端に設けられている電極と、の間で積層構造体の電位差を検出する。これにより、加えられる圧力に対する圧力センサーの検出信号（圧力検出信号）として、単体のアクチュエーターに発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。したがって、電解質を含む層を有するアクチュエーターを用いて、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。
また、電解質を含む層を有するアクチュエーターは、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力が加わると即座に応答して電圧（電位差）生じ、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。したがって、異なる大きさを有する複数のアクチュエーターが積層された積層構造体を備える本発明の圧力センサーは、これらの特徴のうち少なくとも１つを要件とする用途に、好適に適用することができる。
また、各アクチュエーターが電解質を含む層の互いに対応する面にそれぞれ設けられる第１および第２の電極を有し、一のアクチュエーターは、他のアクチュエーターの対向する面の一方に積層されている。このように、第１および第２の電極を有する面の一方にアクチュエーターを積み重ねることで、最上層のアクチュエーターの電極、例えば積層構造体の一端であって圧力を検出する積層構造体の頭頂面に設けられている電極と、最下層のアクチュエーターの電極、例えば積層構造体の他端に設けられている電極と、が、積層構造体の検出電極となる。したがって、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる本発明の圧力センサーを、簡略な構成（構造）のアクチュエーターで容易に実現（構成）することができる。
また、平面視における形状がそれぞれ異なる複数のアクチュエーターが積層された、錐体の形状を有する積層構造体は、錐体の形状を有する。これにより、積層構造体の頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。したがって、積層構造体の頂点（頭頂点）側を圧力の接触部（印加部）とすることで、微小な圧力を検出しやすくなり、センシング感度を高めることができる。

好ましくは、異なる大きさを有する複数のアクチュエーターが積層された積層構造体の電位差のレベルを増幅可能な増幅回路をさらに備える。

好ましくは、平面視における形状がそれぞれ異なる複数のアクチュエーターが積層された、錐体の形状を有する積層構造体の電位差のレベルを増幅可能な増幅回路をさらに備える。

かかる構成によれば、平面視における形状がそれぞれ異なる複数のアクチュエーターが積層された、錐体の形状を有する積層構造体の電位差（電圧）のレベルを増幅可能な増幅回路を備える。これにより、積層構造体に発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。ここで、平面視における形状がそれぞれ異なる複数のアクチュエーターが積層された、錐体の形状を有する積層構造体は、単体のアクチュエーターの場合と比較して、圧力検出信号（電圧）のレベルを高めることができるので、増幅回路の増幅率を低くすることが可能となり、増幅回路の消費電力量を低減させることができる。

好ましくは、前述の錐体は角錐である。

かかる構成によれば、積層構造体は、角錐の形状を有する。ここで、例えば、平面視における形状がそれぞれ寸法（サイズ）の異なる、同一の多角形である複数のアクチュエーターを積層することで、角錐の形状を有する積層構造体を形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体を、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーターで容易に実現（構成）することができる。

好ましくは、前述の錐体は円錐である。

かかる構成によれば、積層構造体は、円錐の形状を有する。ここで、例えば、平面視における形状がそれぞれ直径の長さの異なる円形である、複数のアクチュエーターを積層することで、円錐の形状を有する積層構造体を形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体を、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーターで容易に実現（構成）することができる。

本発明に係る圧力センサーの一例を説明する斜視図である。図１に示したアクチュエーターの一例を説明する斜視図である。、図１および図２に示したアクチュエーターに電圧を印加した場合の動作を説明する説明図である。図１および図２に示したアクチュエーターに力を加えた場合の動作を説明する説明図である。図１および図２に示したアクチュエーターに加える力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図５に示したアクチュエーターにおける変位量と電圧との関係を示すグラフである。金属板に設置したアクチュエーターに加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図７に示したアクチュエーターにおける圧力と電圧との関係を示すグラフである。図１に示した圧力センサーに加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図７に示したアクチュエーターと図９に示した圧力センサーにおける電圧の関係を示すグラフである。図１に示した圧力センサーの変形例を説明するブロック図である。錐体の形状を有する積層構造体の一例を説明する斜視図である。錐体の形状を有する積層構造体の他の例を説明する斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」、紙面の手前側を「前」、奥側を「後」、という。

図１ないし図１３は、本発明に係る圧力センサーの一実施形態を示すためのものである。図１は、本発明に係る圧力センサーの一例を説明する斜視図である。図１に示すように、圧力センサー１００は、積層構造体１００Ａを備える。積層構造体１００Ａは、２つのアクチュエーター１０および２０が積層されたものであり、アクチュエーター２０がアクチュエーター１０の上に積み重ねられて積層構造体１００Ａを形成している。

また、圧力センサー１００は、積層構造体１００Ａの積層方向（図１において上下方向）の第１の面、すなわち、下面に設けられる検出電極１０１と、積層方向（図１において上下方向）の第１の面に対向する第２の面、すなわち、上面に設けられる検出電極１０２と、をさらに備える。圧力センサー１００は、検出電極１０１と検出電極１０２との間で、積層構造体１００Ａに発生する後述の電位差（電圧）を検出する。

図２は、図１に示したアクチュエーター１０の一例を説明する斜視図である。図２に示すように、アクチュエーター１０は、電解質膜１５と、電極１１と、電極１２と、を備える。なお、アクチュエーター２０は、アクチュエーター１０と同様に、電解質膜２５と、電極２１と、電極２２と、を備える。よって、以下の説明では、特に明示した場合を除き、アクチュエーター１０のみを説明し、アクチュエーター２０はその説明を省略する。

電極１１は、電解質膜１５の一方の面（図２において前面）に設けられ、電極１２は、電解質膜１５の他方の面（図２において後面）に設けられている。

電解質膜１５は、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用することができ、より詳細には、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができる。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。

本実施形態では、電解質膜１５として、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標）を使用している。また、電解質膜１５の形状は、短辺が２［ｃｍ］、長辺が５［ｃｍ」、厚さが２００［μｍ］〜１［ｍｍ］程度の長方形に形成されている。

なお、電解質膜１５としてパーフルオロスルホン酸膜の例を示したが、これに限定されず、他の材料、例えば、パーフルオロカルボン酸膜（商品名「フレミオン」、旭化成（株）登録商標）など、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。また、電解質膜１５の形状および寸法も同様に、前述した例に限定されるものではない。

電極１１および１２は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することができる。電極１１および１２の電解質膜１５への接合には、化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などが適宜に使用される。

本実施形態では、電極１１および１２は、電解質膜１５に金メッキを施すことによって形成している。電解質膜１５への金メッキは、まず、塩化ジクロロフェナントロリン金（III）［Ａｕ(phen)Ｃｌ₂］Ｃｌ水溶液に浸潤し、イオン交換反応で金錯イオンを吸着させる。次に、吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₃）水溶液に浸漬させ、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンが外側に析出する。これによって膜の両面に金メッキを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面１〜２［ｍｇ／ｃｍ²］である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、４回〜８回程度メッキを繰り返すと、片面１０［ｍｇ／ｃｍ²］程度の金が析出する。この場合、金層（電極）の膜厚はおおよそ１〜５［μｍ］程度である。

なお、電極１１および１２の材料は、前述した例に限定されるものではなく、他の材料を使用してもよい。また、電極１１および１２の電解質膜１５への接合も同様に、前述した例に限定されるものではない。

アクチュエーター１０の電解質膜１５は、電界が与えられると変形する。電圧の印加によって電解質膜１５が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。

図３は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に電圧を印加した場合の動作を説明する説明図である。図３の左図に示すように、直流電源からアクチュエーター１０の電極１１および１２にそれぞれ正電圧と負電圧とが印加されると、電解質膜１５中の陽イオンは電極１２側に移動する。この陽イオンの移動に伴って水分子（溶媒）も移動するので、電極１２側の水分が相対的に増大し、電極１１側の水分が相対的に減少する。このため、電解質膜１５の正電極側と負電極側とでは、電解質膜１５中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜１５中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ（膨潤し）、水分量が減った側では電解質膜が収縮するので、アクチュエーター１０は電極１１側（図３において左側）に湾曲して曲がる。

一方、図３の右図に示すように、直流電源から電極１１および１２にそれぞれ負電圧と正電圧とが印加されると、電解質膜１５中の陽イオンは電極１１側に移動する。この陽イオンの移動に伴って水分子（溶媒）も移動するので、電極１１側の水分が相対的に増大し、電極１１側の水分が相対的に減少する。このため、電解質膜１５の正電極側と負電極側とでは、電解質膜１５中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜１５中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ（膨潤し）、水分量が減った側では電解質膜が収縮するので、アクチュエーター１０は電極１２側（図３において右側）に湾曲して曲がる。

また、アクチュエーター１０の電解質膜１５は、力（外的応力）が加えられると電位差（電圧）が発生する。力を加えることによって電解質膜１５に電圧が発生する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。

図４は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に力を加えた場合の動作を説明する説明図である。図４の左図に示すように、アクチュエーター１０の電極１２に外部から力（外的応力）が加わると、アクチュエーター１０は左側に湾曲して曲がる。このとき、電解質膜１５中の水分子（溶媒）は電極１２側に移動する。この水分子（溶媒）の移動に伴って陽イオンも移動するので、電極１２側の陽イオン密度が相対的に高くなり、電極１１側の陽イオン密度が相対的に低くなる。このため、電解質膜１５の電極１２側と電極１１側とでは、電解質膜１５中の電位に差が生じ、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ負電位と正電位になる電位差（電圧）が発生する。

一方、図４の右図に示すように、アクチュエーター１０の電極１１に外部から力（外的応力）が加わると、アクチュエーター１０は右側に湾曲して曲がる。このとき、電解質膜１５中の水分子（溶媒）は電極１１側に移動する。この水分子（溶媒）の移動に伴って陽イオンも移動するので、電極１１側の陽イオン密度が相対的に高くなり、電極１２側の陽イオン密度が相対的に低くなる。このため、電解質膜１５の電極１１側と電極１２側とでは、電解質膜１５中の電位に差が生じ、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位になる電位差（電圧）が発生する。

図５は、図１および図２に示したアクチュエーター１０に加える力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図５に示すように、アクチュエーター１０の電極１２に外部から力Ｆ₀が加わると、アクチュエーター１０は加えられた力Ｆ₀に比例する変位量ｄ₀だけ下側に変位する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ負電位と正電位となる電圧Ｖ₀が発生する。図示を省略するが、同様に、アクチュエーター１０の電極１１に外部から力Ｆ₀が加わると、アクチュエーター１０は変位量ｄ₀だけ上側に変位する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位となる電圧Ｖ₀が発生する。

図６は、図５に示したアクチュエーター１０における変位量と電圧との関係を示すグラフである。なお、図６のグラフは、横軸が時間、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が変位量を示し、図５に示すように、電圧は電極１１および１２がそれぞれ正電位と負電位になる場合を正、変位量はアクチュエーター１０が下側に変位する場合を正として表したものである。また、実線Ｌ１が電圧Ｖ₀、破線Ｌ２が変位量ｄ₀を表している。電極１２側および電極１１側に、経時的に変化する力Ｆ₀を交互に加える場合に、アクチュエーター１０の変位量ｄ₀と、アクチュエーター１０の電極１１および１２に発生する電圧Ｖ₀とを測定すると、図６に示すようなグラフになる。図６に示すように、アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ₀は、そのレベルがアクチュエーター１０の変位量ｄ₀に比例しており、アクチュエーター１０の変位量ｄ₀の変化に応答する応答性を有していることが分かる。

図７は、金属板Ａに設置したアクチュエーター１０に加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図７に示すように、アクチュエーターの電極１１側を金属板Ａの上に載置して固定した上で、アクチュエーター１０の電極１２の中央部に外部から圧力（力）Ｆ₀が加わると、アクチュエーター１０は上側に反って湾曲する。このとき、前述したように、アクチュエーター１０の電極１１および１２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧（電位差）が発生する。

図８は、図７に示したアクチュエーター１０における圧力と電圧との関係を示すグラフである。なお、図８のグラフは、横軸が時間、左側の縦軸が電圧、右側の縦軸が圧力を示し、四角でプロットした実線Ｌ３が電圧Ｖ₀、菱形でプロットした破線Ｌ４が圧力Ｆ₀を表している。アクチュエーター１０に所定時間の間、圧力Ｆ₀を加えた後、加えていた圧力Ｆ₀を取り除く場合に、アクチュエーター１０の電極１１および１２に発生する電圧Ｖ₀を測定すると、図８に示すようなグラフになる。図８に示すように、アクチュエーターに発生する電圧Ｖ₀は、そのレベルが圧力Ｆ₀の大きさに比例しており、圧力Ｆ₀の変化に応答する応答性を有していることが分かる。また、アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ₀は、圧力Ｆ₀が加えられている間は発生し続け、圧力Ｆ₀が除去されるとそのレベルがゼロになることが分かる。

このように、電解質膜１５を有するアクチュエーター１０は、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力を加えると即座に応答して電圧（電位差）が発生し、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。

一方、アクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ₀は、例えば、２［ｍＶ］程度であり、最大でも数［ｍＶ］程度である。圧力センサーとしてアクチュエーター１０を用いる場合に、アクチュエーター１０に発生する電圧は、加えられる圧力を検出する信号（圧力検出信号）としては、信号レベルが低い。このため、アクチュエーター１０には、圧力の検出感度が低い、駆動信号やノイズの影響を受けやすい、信号レベルの増幅が必要であり、増幅による消費電力量が増加する、などの課題が存在する。

図９は、図１に示した圧力センサー１００に加える圧力と発生する電圧との関係を説明する説明図である。図９に示すように、積層構造体１００Ａの検出電極１０１側を金属板Ａの上に載置して固定した上で、積層構造体１００Ａの検出電極１０２の中央部に外部から圧力（力）Ｆ₀が加わると、積層構造体１００Ａは上側に反って湾曲する。このとき、アクチュエーター１０には、電極１１および１２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧Ｖ₁が発生し、アクチュエーター２０には、電極２１および２２がそれぞれ負電圧と正電圧になる電圧Ｖ₂が発生する。

図１０は、図７に示したアクチュエーター１０と図９に示した圧力センサー１００における電圧の関係を示すグラフである。なお、図１０のグラフは、横軸が圧力、縦軸が電圧を示し、四角のプロットが図９に示した圧力センサー１００に発生する電圧、菱形のプロットが図７に示したアクチュエーター１０に発生する電圧、を表している。図１０に示すように、加えられる圧力Ｆ₀の全ての範囲において、圧力センサー１００に発生する電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）は、図７に示した単体のアクチュエーター１０に発生する電圧Ｖ₀より高いレベルであり、２倍または略２倍となることが分かる（Ｖ₁＋Ｖ₂≒２×Ｖ₀）。

このように、積層されて積層構造体１００Ａを形成する、複数、例えば２つのアクチュエーター１０および２０のそれぞれが電解質膜を有し、検出電極１０１と検出電極１０２との間で積層構造体１００Ａの電位差を検出することにより、加えられる圧力に対する圧力センサー１００の検出信号（圧力検出信号）として、単体のアクチュエーター１０に発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。

また、圧力センサー１００は、アクチュエーター１０が電解質膜１５の互いに対応する面にそれぞれ設けられる電極１１および１２を有し、アクチュエーター２０が電解質膜２５の互いに対応する面にそれぞれ設けられる電極２１および２２を有し、アクチュエーター２０は、アクチュエーター１０の上面、すなわち、対向する面の一方に積層されている。このように、電極を有する面の一方にアクチュエーターを積み重ねることで、最下層のアクチュエーターの電極、例えばアクチュエーター１０の電極１１と、最上層のアクチュエーターの電極、例えばアクチュエーター２０の電極２２とが、積層構造体１００Ａの検出電極１０１および１０２となる。

本実施形態では、アクチュエーター１０が電極１１および１２を有し、アクチュエーター２０が電極２１および２２を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、アクチュエーター１０が電極１１のみを有し、アクチュエーター２０が電極２２のみを有していてもよい。また、アクチュエーター１０および２０は、電極を有さずに、積層構造体１００Ａを形成した後に、積層方向の互いに対向する面に検出電極１０１および１０２を設けるようにしてもよい。

図１１は、図１に示した圧力センサー１００の変形例を説明するブロック図である。図１１に示すように、圧力センサー１００は、積層構造体１００Ａの検出電極１０１および１０２に電気的に接続される増幅回路１０５を備えるようにしてもよい。増幅回路１０５は、検出電極１０１および１０２の間に発生する積層構造体１００Ａの電位差（電圧）のレベルを、所定の増幅率で増幅可能であり、増幅した信号を外部に出力する。これにより、積層構造体１００Ａに発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。

本実施形態では、直方体の形状を有する積層構造体１００Ａを示しが、これに限定されない。積層構造体１００Ａは、例えば、錐体の形状を有することが好ましい。これにより、積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。

図１２は、錐体の形状を有する積層構造体１００Ａの一例を説明する斜視図である。図１２に示すように、積層構造体１００Ａは角錐の形状を有している。なお、図１２に示す積層構造体１００Ａは、厳密には（数学的に）角錐ではないが、本願における「角錐」は、図１２に示すような略角錐の形状を含むものとする。

積層構造体１００Ａは、アクチュエーター１０、２０、および３０を順に積み重ねて形成されている。なお、アクチュエーター３０は、前述したアクチュエーター１０および２０と同様に、電解質膜と電解質膜の対向する面に設けられる２つの電極とを有する。また、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、それぞれ一辺の長さが４［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］の正方形である。

図１２では、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状が正方形の例を示したが、これに限定されない。積層構造体１００Ａの形状が略角錐を含む「角錐」であればよく、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、長方形であっても、三角形であっても、あるいは多角形であってもよい。

このように、平面視における形状がそれぞれ寸法（サイズ）の異なる同一の多角形である、複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、角錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。

図１３は、錐体の形状を有する積層構造体１００Ａの他の例を説明する斜視図である。図１３に示すように、積層構造体１００Ａは円錐の形状を有している。なお、図１３に示す積層構造体１００Ａは、厳密には（数学的に）円錐ではないが、本願における「円錐」は、図１３に示すような略円錐の形状を含むものとする。

積層構造体１００Ａは、アクチュエーター１０、２０、および３０を順に積み重ねて形成されている。また、アクチュエーター１０、２０、および３０の平面形状は、それぞれ半径の長さが４［ｍｍ］、２［ｍｍ］、１［ｍｍ］の円形である。

このように、平面視における形状がそれぞれ直径の長さの異なる円形である、複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、円錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。

本実施形態では、圧力センサー１００が２つまたは３つのアクチュエーターを備える例を示したが、これに限定されない。圧力センサー１００は４つ以上の複数のアクチュエーターを備え、当該複数のアクチュエーターが積層されて積層構造体１００Ａを形成してもよい。

このように、本実施形態の圧力センサー１００によれば、積層されて積層構造体１００Ａを形成する、複数、例えば２つのアクチュエーター１０および２０のそれぞれが電解質膜を有し、検出電極１０１と検出電極１０２との間で積層構造体１００Ａの電位差を検出する。これにより、加えられる圧力に対する圧力センサー１００の検出信号（圧力検出信号）として、単体のアクチュエーター１０に発生する電圧より高いレベルの電圧を得ることが可能となる。したがって、電解質膜１５，２５を有するアクチュエーター１０，２０を用いて、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる。

また、電解質膜１５および２５を有するアクチュエーター１０および２０は、軽量で、弾力性（弾性）を有し、密着性に優れ、加工が容易で、動作時（作動時）に振動がなく、圧力が加わると即座に応答して電圧（電位差）生じ、圧力が続く限り信号（電圧）を出力して、圧力が取り除かれると信号（電圧）の出力が停止する、という特徴を有する。したがって、アクチュエーター１０および２０が積層された積層構造体１００Ａを備える本発明の圧力センサー１００は、これらの特徴のうち少なくとも１つを要件とする用途に、好適に適用することができる。

また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、アクチュエーター１０が電解質膜１５の互いに対応する面にそれぞれ設けられる電極１１および１２を有し、アクチュエーター２０が電解質膜２５の互いに対応する面にそれぞれ設けられる電極２１および２２を有し、アクチュエーター２０は、アクチュエーター１０の上面、すなわち、対向する面の一方に積層されている。このように、電極を有する面の一方にアクチュエーターを積み重ねることで、最下層のアクチュエーターの電極、例えばアクチュエーター１０の電極１１と、最上層のアクチュエーターの電極、例えばアクチュエーター２０の電極２２とが、積層構造体１００Ａの検出電極１０１および１０２となる。したがって、加えられる圧力に対する検出信号のレベルを高めることができる圧力センサー１００を、簡略な構成（構造）のアクチュエーター１０および２０で容易に実現（構成）することができる。

また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、積層構造体１００Ａの電位差（電圧）のレベルを増幅する増幅回路１０５を備える。これにより、積層構造体１００Ａで発生する圧力検出信号（電圧）のレベルが増幅される。ここで、アクチュエーター１０および２０が積層された積層構造体１００Ａは、単体のアクチュエーター１０の場合と比較して、圧力検出信号のレベルを高めることができるので、増幅回路１０５の増幅率を低くすることが可能となり、増幅回路１０５の消費電力量を低減させることができる。

また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、積層構造体１００Ａは、錐体の形状を有する。これにより、積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）部分が細く小さくなり、可動しやすくなる。したがって、積層構造体１００Ａの頂点（頭頂点）側を圧力の接触部（印加部）とすることで、微小な圧力を検出しやすくなり、センシング感度を高めることができる。

また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、積層構造体１００Ａは、角錐の形状を有する。ここで、例えば、平面視における形状がそれぞれ寸法（サイズ）の異なる、同一の多角形である複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、角錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体１００Ａを、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーター１０、２０、および３０で容易に実現（構成）することができる。

また、本実施形態の圧力センサー１００によれば、積層構造体１００Ａは、円錐の形状を有する。ここで、例えば、平面視における形状がそれぞれ直径の長さの異なる円形である、複数のアクチュエーター１０、２０、および３０を積層することで、円錐の形状を有する積層構造体１００Ａを形成することが可能となる。したがって、センシング感度を高めることができる積層構造体１００Ａを、簡略な形状、寸法（サイズ）の複数のアクチュエーター１０、２０、および３０で容易に実現（構成）することができる。

なお、前述した実施形態の構成を組み合わせたり、あるいは、一部の構成部分を入れ替えたりしてもよい。また、本発明の構成は、前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

１０，２０，３０…アクチュエーター、１１，１２，２１，２２…電極、１５，２５…電解質膜、１００…圧力センサー、１００Ａ…積層構造体、１０１，１０２…検出電極、１０５…増幅回路

Claims

平面視における形状がそれぞれ異なる第１のアクチュエーターと第２のアクチュエーターとが積層された、錐体の形状を有する積層構造体を備え、
前記第１のアクチュエーターおよび前記第２のアクチュエーターのそれぞれは、第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された電解質を含む層と、を有し、
前記第１のアクチュエーターの前記第２の電極が、前記第２のアクチュエーターの前記第１の電極と接するように積層されており、
前記積層構造体の一端であって圧力を検出する前記積層構造体の頭頂面に設けられている電極と、前記積層構造体の他端に設けられている電極と、の間で前記積層構造体の電位差を検出する
ことを特徴とする圧力センサー。
前記積層構造体の電位差のレベルを増幅可能な増幅回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
前記錐体は角錐である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサー。
前記錐体は円錐である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサー。