JP6811485B2 - Application method - Google Patents
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Description
本願発明は、噴射システムに関し、特に、対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムに関する。 The present invention relates to an injection system, and more particularly to an injection system in which a piezoelectric material solution is spray-coated to construct a piezoelectric film on the surface of an object.
非特許文献１には、圧電材料を用いて対象物の表面に密着するセンサを形成するため、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末との複合体をスプレー塗布する圧電膜形成法が記載されている。 Non-Patent Document 1 describes a piezoelectric film forming method in which a composite of a piezoelectric sol-gel solution and a piezoelectric powder is spray-coated in order to form a sensor that adheres to the surface of an object by using a piezoelectric material. ..
しかしながら、非特許文献１記載の手法は、単純に、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末との複合体を保持し、スプレー塗布するものであり、沈殿等が生じる前にスプレー塗布を終了する必要があった。そのため、非特許文献１記載の手法では、数ｍｌ程度しかスプレー塗布できなかった。 However, the method described in Non-Patent Document 1 simply holds a composite of the piezoelectric sol-gel solution and the piezoelectric powder and spray-applies it, and it is necessary to finish the spray coating before precipitation or the like occurs. there were. Therefore, in the method described in Non-Patent Document 1, only about several ml could be spray-coated.
確かに、非特許文献１記載の手法により、圧電材料を用いた表面密着センサの実用化に対する期待は高まった。しかし、非特許文献１記載の手法によっては、スプレー塗布を自動化することはできず、かつ、塗布可能な範囲が極めて狭い。そのため、非特許文献１記載の手法は、多様な形状・サイズの対象へ再現性よくスプレー塗布を実現することができず、実用化へ歩みを進めることが難しいと予想されていた。 Certainly, the method described in Non-Patent Document 1 has raised expectations for the practical application of a surface adhesion sensor using a piezoelectric material. However, the spray coating cannot be automated by the method described in Non-Patent Document 1, and the applicable range is extremely narrow. Therefore, the method described in Non-Patent Document 1 cannot realize spray coating with good reproducibility on objects of various shapes and sizes, and it is expected that it will be difficult to proceed to practical use.
そこで、本願発明は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体をスプレー塗布することが可能な面積を大きくしたり、スプレー塗布を自動化したりすることに適した噴射システムを提案することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to propose an injection system suitable for increasing the area where a composite of a piezoelectric sol-gel solution and a piezoelectric powder can be spray-coated and for automating spray coating. And.
本願発明の第１の観点は、対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムであって、前記圧電材料溶液は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体であり、前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、前記圧電材料溶液を保持する保持部と、前記保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、前記保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて前記保持部が保持する前記圧電材料溶液を前記噴射部に供給する循環部を備え、前記循環部は、前記噴射部において噴射しないときに前記噴射部から前記保持部に至る回収経路を用いて前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収するものである。 The first aspect of the present invention is an injection system in which a piezoelectric material solution is spray-coated to construct a piezoelectric film on the surface of an object, and the piezoelectric material solution is a composite of a piezoelectric solgel solution and a piezoelectric powder. An injection unit that is a body and injects the piezoelectric material solution onto the surface of the object, a holding unit that holds the piezoelectric material solution, and a stirring unit that stirs the piezoelectric material solution held in the holding unit. A circulation unit for supplying the piezoelectric material solution held by the holding unit to the injection unit by using a supply path from the holding unit to the injection unit is provided, and the circulation unit is said to be described when the injection unit does not inject. The piezoelectric material solution supplied to the injection section is recovered by using the recovery path from the injection section to the holding section.
本願発明の第２の観点は、第１の観点の噴射システムであって、前記回収経路を開閉する弁部を備え、前記循環部は、前記噴射部において噴射するときは前記弁部を閉じることにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、前記噴射部において噴射しないときは前記弁部を開くことにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収するものである。 The second aspect of the present invention is the injection system of the first aspect, which includes a valve portion that opens and closes the recovery path, and the circulation portion closes the valve portion when injecting at the injection portion. As a result, the circulation unit does not collect the piezoelectric material solution supplied to the injection unit, the injection unit injects the entire amount of the supplied piezoelectric material solution, and when the injection unit does not inject, the valve unit. By opening, the circulation unit recovers the entire amount of the piezoelectric material solution supplied to the injection unit.
本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の噴射システムであって、搬送速度を設定する設定部を備え、前記循環部は、前記設定部が設定した搬送速度で、前記噴射部に対して前記圧電材料溶液を供給し、前記噴射部において噴射するときは、前記循環部は前記回収経路を遮断して前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、前記噴射部において噴射しないときは、前記回収経路を用いて前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収するものである。 The third aspect of the present invention is the injection system according to the first or second aspect, which includes a setting unit for setting the transfer speed, and the circulation unit is the injection at the transfer speed set by the setting unit. When the piezoelectric material solution is supplied to the unit and injected at the injection unit, the circulation unit blocks the recovery path and does not collect the piezoelectric material solution, and the injection unit supplies the piezoelectric material. When the entire amount of the material solution is injected and not injected at the injection section, the circulation section recovers the entire amount of the piezoelectric material solution supplied to the injection section using the recovery path.
本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の噴射システムであって、前記圧電材料溶液は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であり、前記圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることにより、前記攪拌部による攪拌及び前記循環部による循環を用いた塗布処理を実現するものである。 A fourth aspect of the present invention is an injection system according to any one of the first to third aspects, wherein the piezoelectric material solution is a composite of a lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder. In the piezoelectric material solution, when the PZT powder mass ratio to the PZT sol-gel solution is 1.25 or less, the coating process using the stirring by the stirring section and the circulation by the circulation section is realized.
本願発明の各観点によれば、攪拌部及び循環部を用いることにより、噴射部から噴射しても噴射しなくても、保持部、供給部及び循環部における圧電材料の沈殿等を防止して、噴射するときには噴射部による連続噴射を可能にして、大面積のスプレー塗布を可能にし、かつ、自動化をも可能にする。 According to each viewpoint of the present invention, by using the stirring part and the circulating part, precipitation of the piezoelectric material in the holding part, the supply part and the circulating part can be prevented regardless of whether the injection part is injected or not. When injecting, continuous injection by the injection part is possible, large area spray application is possible, and automation is also possible.
さらに、第２の観点によれば、回収経路に弁部を設けることにより、噴射部が噴射するときには弁部を閉じて供給された全量を噴射するために噴射量を調整でき、噴射しないときには弁部を開いて供給された全量を回収して沈殿等を防止することができる。さらに、本願発明の第３の観点によれば、設定部が設定した搬送速度で規定される液量の圧電材料溶液が保持部から噴射部に供給されることにより、膜厚をコントロールし、用途に応じて、感圧センサの性能（感度・測定レンジ）等を調整することが可能である。 Further, according to the second aspect, by providing the valve portion in the recovery path, the injection amount can be adjusted in order to close the valve portion and inject the entire supplied amount when the injection portion injects, and the valve when not injecting. It is possible to open the part and collect the entire supplied amount to prevent precipitation and the like. Further, according to the third aspect of the present invention, the film thickness is controlled by supplying the piezoelectric material solution of the liquid amount specified by the transfer speed set by the setting unit from the holding unit to the injection unit. It is possible to adjust the performance (sensitivity / measurement range) of the pressure-sensitive sensor according to the above.
特に、本願発明の第４の観点にあるように、発明者らは、実験により、少なくとも、ＰＺＴゾルゲル溶液とＰＺＴ粉体とを混合した複合体において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であれば、攪拌部による攪拌及び循環部による循環によって連続的な塗布を実現することができることを確認した。 In particular, as in the fourth aspect of the present invention, the inventors have experimentally determined that at least in a composite in which a PZT sol-gel solution and a PZT powder are mixed, the mass ratio of the PZT powder to the PZT sol-gel solution is 1. When it was 25 or less, it was confirmed that continuous coating could be realized by stirring by the stirring part and circulation by the circulation part.
以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、この実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. The invention of the present application is not limited to this embodiment.
図１は、本願発明の実施の形態に係る噴射システムの構成の一例を示す。噴射システム１は、対象物３（例えばロボットなど）の表面に圧電材料溶液をスプレー塗布することで、任意の自由曲面形状の対象物３の表面に、大面積圧力分布センサを構築することができる。これにより、ロボットや自動車、情報機器、日用品等の筐体や部品等の自由曲面形状を持つ物体の表面に密着して装着・被覆され、人体などの柔軟物や環境中の構造体、その他の物体などの剛体、あるいは空気・水等の流体に接触した際に生じる表面圧力分布を取得する圧電体薄膜感圧センサを実現することができる。 FIG. 1 shows an example of a configuration of an injection system according to an embodiment of the present invention. The injection system 1 can construct a large-area pressure distribution sensor on the surface of an object 3 having an arbitrary free-form surface shape by spray-coating a piezoelectric material solution on the surface of the object 3 (for example, a robot). .. As a result, it is attached and covered in close contact with the surface of objects with a free curved shape such as housings and parts of robots, automobiles, information devices, daily necessities, etc., and flexible objects such as the human body, structures in the environment, and others. It is possible to realize a piezoelectric thin film pressure-sensitive sensor that acquires the surface pressure distribution generated when it comes into contact with a rigid body such as an object or a fluid such as air or water.
噴射システム１は、噴射部５（本願請求項の「噴射部」の一例）と、噴出口７と、供給部９と、供給管１３（本願請求項の「供給経路」の一例）と、回収管１５（本願請求項の「回収経路」の一例）と、弁部１６（本願請求項の「弁部」の一例）を備える。供給部９は、設定部１７（本願請求項の「設定部」の一例）と、循環部１９（本願請求項の「循環部」の一例）と、保持部２１（本願請求項の「保持部」の一例）と、攪拌部２３（本願請求項の「攪拌部」の一例）を備える。 The injection system 1 includes an injection unit 5 (an example of the "injection unit" of the present claim), an outlet 7, a supply unit 9, a supply pipe 13 (an example of the "supply path" of the present claim), and collection. It includes a pipe 15 (an example of the "recovery route" of the present invention) and a valve portion 16 (an example of the "valve portion" of the present invention). The supply unit 9 includes a setting unit 17 (an example of the “setting unit” of the present application claim), a circulation unit 19 (an example of the “circulation unit” of the present application claim), and a holding unit 21 (an example of the “holding unit” of the present application claim). (Example) and a stirring unit 23 (an example of the “stirring unit” according to the claim of the present application).
保持部２１は、圧電材料溶液を保持する。圧電材料溶液は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体である。以下では、圧電材料溶液が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体である場合を例に説明する。攪拌部２３は、保持部２１に保持された圧電溶液を攪拌する。 The holding unit 21 holds the piezoelectric material solution. The piezoelectric material solution is a composite of a piezoelectric sol-gel solution and a piezoelectric powder. In the following, a case where the piezoelectric material solution is a composite of a lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder will be described as an example. The stirring unit 23 stirs the piezoelectric solution held in the holding unit 21.
設定部１７は、利用者の入力等に応じて、搬送速度を設定する。 The setting unit 17 sets the transport speed according to the input of the user or the like.
循環部１９は、供給管１３を用いて、設定部１７が設定した搬送速度で、保持部２１が保持する圧電材料溶液を噴射部５に供給する。噴射部５は、噴出口７より、供給された圧電材料溶液を噴射する。 The circulation unit 19 supplies the piezoelectric material solution held by the holding unit 21 to the injection unit 5 at a transfer speed set by the setting unit 17 using the supply pipe 13. The injection unit 5 injects the supplied piezoelectric material solution from the injection port 7.
循環部１９は、噴射部５が噴射するときには弁部１６を閉じ、回収管１５を遮断する。そのため、噴射部５は、供給された圧電材料溶液の全量を噴出する。これにより、設定部１７に搬送速度を設定して、噴射量を調整することができる。循環部１９は、噴出部５が噴出しないときには弁部１６を開き、回収管１５を開放する。噴出部５に供給された圧電材料溶液は保持部２１に戻る。そのため、沈殿等が生じることを防止することができる。 The circulation unit 19 closes the valve unit 16 and shuts off the recovery pipe 15 when the injection unit 5 injects. Therefore, the injection unit 5 ejects the entire amount of the supplied piezoelectric material solution. As a result, the transfer speed can be set in the setting unit 17 to adjust the injection amount. The circulation portion 19 opens the valve portion 16 and opens the recovery pipe 15 when the ejection portion 5 does not eject. The piezoelectric material solution supplied to the ejection portion 5 returns to the holding portion 21. Therefore, it is possible to prevent precipitation and the like from occurring.
従来の圧力分布センサは、主に二つの手法が挙げられる。一つ目は多数のセンサ素子を表面に配置する方法である。これは、一つ一つのセンサ素子を高機能なものにできるという利点がある。他方、各素子の位置決めや配線数の多さなどには課題もある。二つ目はシート状センサを張り付ける方法である。これは、表面に貼り付けるだけで圧力分布センサを構成できる。他方、楕円体や自由曲面などの非可展面を隙間なく被覆するには十分な伸縮性が必要である。 There are two main methods for conventional pressure distribution sensors. The first is a method of arranging a large number of sensor elements on the surface. This has the advantage that each sensor element can be made highly functional. On the other hand, there are problems in the positioning of each element and the large number of wires. The second method is to attach a sheet-shaped sensor. This can form a pressure distribution sensor simply by sticking it on the surface. On the other hand, sufficient elasticity is required to cover non-developed surfaces such as ellipsoids and free-form surfaces without gaps.
図１の噴射システム１を利用すると、圧電体や配線、電極など、対象物３の表面上に構成されるセンサの要素は全てスプレーによる吹き付けのみで作成される。そのため、非可展面を含むあらゆる表面形状に完全に一致した圧力分布センサを作成することができる。 When the injection system 1 of FIG. 1 is used, all the sensor elements formed on the surface of the object 3, such as the piezoelectric body, wiring, and electrodes, are created only by spraying. Therefore, it is possible to create a pressure distribution sensor that perfectly matches any surface shape including non-developed surfaces.
図１（ｂ）及び（ｃ）は、図１（ａ）の噴出システム１により（ｂ）平面上及び（ｃ）円筒面上に作成された大面積圧電膜の一例を示す。 1 (b) and 1 (c) show an example of a large-area piezoelectric film formed on a plane (b) and a cylindrical surface (c) by the ejection system 1 of FIG. 1 (a).
図１（ｂ）を参照して、図１（ａ）の噴射システム１により平面上に大面積圧電膜を作成する手法について説明する。図１（ｂ）の圧電膜を作成するため、図１の噴射システム１において、噴射部５をスプレーコーター装置（旭サナック社製rCoater）に取り付け、平面への連続的な噴射を行った。スプレーコーター装置はＸ、Ｙの直行する２軸の移動機構を持ち、Ｘ軸方向の移動機構に噴射部７を、Ｙ軸方向の移動機構に対象物３を設置する。Ｙ軸方向に一定の速度で往復運動するごとにＸ軸方向に一定のピッチでスプレーガンが移動することで、対象表面全体に連続的な塗布を実現する。 A method of forming a large-area piezoelectric film on a plane by the injection system 1 of FIG. 1A will be described with reference to FIG. 1B. In order to prepare the piezoelectric film of FIG. 1 (b), in the injection system 1 of FIG. 1, the injection unit 5 was attached to a spray coater device (rCoater manufactured by Asahi Sanac Co., Ltd.), and continuous injection was performed on a flat surface. The spray coater device has a two-axis moving mechanism that is orthogonal to X and Y, and the injection unit 7 is installed in the moving mechanism in the X-axis direction, and the object 3 is installed in the moving mechanism in the Y-axis direction. The spray gun moves at a constant pitch in the X-axis direction each time it reciprocates at a constant speed in the Y-axis direction, thereby realizing continuous coating on the entire target surface.
図１（ｂ）は１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス平板に、ＰＺＴゾルゲル溶液に対しＰＺＴ粉末を質量比２／３で混合した圧電材料溶液を搬送速度７．５ｍｌ／ｍｉｎでスプレーガンに供給し、Ｘ軸移動ピッチ５ｍｍ、Ｙ軸移動速度４００ｍｍ／ｓでスプレー塗布した。塗布後、電気炉内で１５０℃、１０分の仮焼成、６５０℃、５分の焼結を行い、コロナ放電により強電界下で分極処理を実施した。作成された圧電膜は吹き付けムラ等無く、良好な膜を基材であるステンレス板上全体で実現できている。 FIG. 1B shows a piezoelectric material solution obtained by mixing PZT powder with a PZT sol-gel solution at a mass ratio of 2/3 on a 100 mm × 50 mm stainless steel plate and supplying it to a spray gun at a transport speed of 7.5 ml / min. The spray was applied at a moving pitch of 5 mm and a Y-axis moving speed of 400 mm / s. After coating, it was calcined at 150 ° C. for 10 minutes, sintered at 650 ° C. for 5 minutes in an electric furnace, and polarized under a strong electric field by corona discharge. The produced piezoelectric film has no uneven spraying, and a good film can be realized on the entire stainless steel plate as the base material.
図１（ｃ）を参照して、図１の噴射システム１により円筒面上に大面積圧電膜を作成する手法について説明する。図１（ｃ）の圧電膜を作成するため、図１の噴射システム１において、対象物３を回転機構に取り付けスプレー塗布を行った。直径４０ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミパイプを回転機構に取り付け、パイプの軸を中心に回転させながらから対象表面に、ＰＺＴゾルゲル溶液に対しＰＺＴ粉末を質量比２／３で混合した圧電材料溶液を搬送速度７．５ｍｌ／ｍｉｎでスプレーガン（噴射部５の一例）に供給しスプレー塗布した。塗布後、電気炉内で１５０℃、１０分の仮焼成、５００℃、５分の焼結を行い、コロナ放電により強電界下で分極処理を実施した。作成された圧電膜は吹き付けムラ等無く、良好な膜を基材であるアルミパイプ上全体で実現できている。 A method of forming a large-area piezoelectric film on a cylindrical surface by the injection system 1 of FIG. 1 will be described with reference to FIG. 1 (c). In order to prepare the piezoelectric film of FIG. 1 (c), in the injection system 1 of FIG. 1, the object 3 was attached to the rotating mechanism and spray-coated. An aluminum pipe with a diameter of 40 mm and a length of 50 mm is attached to a rotating mechanism, and while rotating around the axis of the pipe, a piezoelectric material solution in which PZT powder is mixed with PZT solgel solution at a mass ratio of 2/3 is transported to the target surface. It was supplied to a spray gun (an example of the injection unit 5) at a speed of 7.5 ml / min and spray-coated. After coating, calcination was performed at 150 ° C. for 10 minutes, sintering at 500 ° C. for 5 minutes in an electric furnace, and polarization treatment was performed under a strong electric field by corona discharge. The produced piezoelectric film has no uneven spraying, and a good film can be realized on the entire aluminum pipe as the base material.
図２を参照して、電極が１つであるセンサの場合について説明する。 A case of a sensor having one electrode will be described with reference to FIG.
図２（ａ）のセンサは、図２（ｂ）に示すように、ステンレス板上に圧電膜と上部電極が重なる構成を持つ。圧電膜は、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーターを用いたスプレー塗布及び焼成・分極後に、銀コロイド溶液を塗布し上部電極を作成した。基材であるステンレス板が導体であるためこれを下部電極とし、上部電極との間に生じる電荷の局在を読み出すことでセンサにかかる圧力を取得することでできる。基材と銀電極には、導電性の接着剤を使い導線を接続した。 As shown in FIG. 2B, the sensor of FIG. 2A has a structure in which the piezoelectric film and the upper electrode are overlapped on the stainless steel plate. As for the piezoelectric film, similarly to the piezoelectric film of FIG. 1 (b), a silver colloidal solution was applied after spray coating using a spray coater and firing / polarization to prepare an upper electrode. Since the stainless steel plate as the base material is a conductor, this can be used as the lower electrode, and the pressure applied to the sensor can be obtained by reading the localization of the electric charge generated between the lower electrode and the upper electrode. Conductive wires were connected to the base material and the silver electrode using a conductive adhesive.
図２（ｃ）は、チャージアンプを用いた検出回路を示す。今回の実験においては、オペアンプ（AD823AN）と負帰還抵抗（Rf1=100MΩ）と負帰還コンデンサー（Cf1=0.2μF）を有するチャージアンプに、チャージアンプと同一のオペアンプを用いた増幅率約１０倍の増幅回路をつなげて回路を構成した。 FIG. 2C shows a detection circuit using a charge amplifier. In this experiment, a charge amplifier with an operational amplifier (AD823AN), a negative feedback resistor (Rf1 = 100MΩ), and a negative feedback capacitor (Cf1 = 0.2μF) was used with the same operational amplifier as the charge amplifier, and the amplification factor was about 10 times. The circuit was constructed by connecting the amplifier circuits.
図２（ｄ）は、試作センサの有効性を評価するため、図２（ａ）の試作センサに対して力を加えた際の出力の測定結果を示す。試作センサの表面を指で押下した際に、上部電極とステンレス板間の電圧変化をオシロスコープで観察した。図２（ｄ）は、この実験により得られた波形を示す。圧電材料の特性として、その出力は印加応力の時間微分に対応するため、指を押しこんだ時刻および指を離した時刻に電圧変動が見られる。 FIG. 2D shows the measurement result of the output when a force is applied to the prototype sensor of FIG. 2A in order to evaluate the effectiveness of the prototype sensor. When the surface of the prototype sensor was pressed with a finger, the voltage change between the upper electrode and the stainless steel plate was observed with an oscilloscope. FIG. 2D shows the waveform obtained by this experiment. As a characteristic of the piezoelectric material, since its output corresponds to the time derivative of the applied stress, voltage fluctuations can be seen at the time when the finger is pushed in and the time when the finger is released.
図２（ｅ）は、図２（ａ）試作センサ及び図２（ｃ）検出回路による測定結果を示す。感圧センサとして使用するためには、変動する応力だけでなく静的な力も取得する必要がある。図２（ｄ）の信号を計算機に取り込んだ後に、数値積分するなどの処理では誤差が蓄積し正確な値の検出ができないことは想像に難くない。そこで、図２（ｃ）の検出回路を利用して、静的な力の検出についても検証する。図２（ｅ）は、検出回路を通過した後のセンサ出力をオシロスコープで観察した結果を示す。作成した検出回路を用いることで、圧力を加えている間電圧が上昇しており、静的な圧力を測定できていることが確認された。応答性やドリフト等はチャージアンプの時定数を使用するセンサに合わせ適宜調節することで改善できる。 FIG. 2 (e) shows the measurement results by the prototype sensor of FIG. 2 (a) and the detection circuit of FIG. 2 (c). In order to use it as a pressure sensor, it is necessary to acquire not only fluctuating stress but also static force. It is not difficult to imagine that after the signal shown in FIG. 2D is taken into a computer, errors are accumulated in processing such as numerical integration and accurate values cannot be detected. Therefore, the detection circuit of FIG. 2C is used to verify the detection of static force. FIG. 2E shows the result of observing the sensor output after passing through the detection circuit with an oscilloscope. By using the created detection circuit, it was confirmed that the voltage increased while the pressure was applied and that the static pressure could be measured. Responsiveness, drift, etc. can be improved by adjusting the time constant of the charge amplifier according to the sensor to be used.
図２の単一電極による電荷検出実験では、検出回路であるチャージアンプと増幅回路を用いて、指でセンサに力を加えることによって発生する電荷を、それに応じた電圧に変換し測定を行った。その結果、力を加えることによって電圧が上昇し、力を加えることをやめると、電圧が低下し力を加える前の電圧値に近づいていくことが確認できた。このことにより、図２の試作センサが、検出回路を用いることで、外力の測定を行うことが可能であることを示すことができた。 In the charge detection experiment using a single electrode in FIG. 2, using a charge amplifier and an amplifier circuit, which are detection circuits, the charge generated by applying force to the sensor with a finger was converted into a corresponding voltage for measurement. .. As a result, it was confirmed that the voltage rises when the force is applied, and when the force is stopped, the voltage drops and approaches the voltage value before the force is applied. This made it possible to show that the prototype sensor of FIG. 2 can measure the external force by using the detection circuit.
図３を参照して、アレイ型センサの場合について説明する。図２では、本願発明の噴射システムにより形成した圧電膜上に電極を一つだけ持つセンサを用いて行った実験を説明した。しかし、実際の感圧センサでは、ロボット等の表面の大面積を覆うセンサにより表面に印可される圧力の分布を取得する必要がある。そのため、電極をアレイ状に配置し、帯状につなげ、各電極からの信号を取得する必要がある。 The case of the array type sensor will be described with reference to FIG. In FIG. 2, an experiment performed using a sensor having only one electrode on the piezoelectric film formed by the injection system of the present invention was described. However, in an actual pressure-sensitive sensor, it is necessary to acquire the distribution of pressure applied to the surface by a sensor that covers a large area of the surface of a robot or the like. Therefore, it is necessary to arrange the electrodes in an array, connect them in a band shape, and acquire signals from each electrode.
図３（ａ）は、複数の信号の取得や各電極間の干渉を確認するために試作した、５つの電極を一方向に並べたアレイ型センサを示す。試作したアレイ型センサは、１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス平板に、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーターを用いた走査吹き付けにより均一に圧電材料溶液をスプレー塗布し、焼結・分極を行った。分極方法は、図１（ｂ）の圧電膜の作成で用いたコロナ放電による強電界印可ではなく、上部電極と下部電極間に高電圧パルスを複数回印可することにより行った。図２（ａ）の単一電極をもつセンサと同じように、ステンレス基材を下部電極とみなし、銀コロイド溶液を吹き付けて作成した１０ｍｍ×１０ｍｍの上部電極を５つ持っている。また、信号読み出しのために電極からは配線パターンが伸びており、その先はケーブルと圧着される。 FIG. 3A shows an array type sensor in which five electrodes are arranged in one direction, which is prototyped for acquiring a plurality of signals and confirming interference between each electrode. The prototype array-type sensor uniformly sprays a piezoelectric material solution onto a 100 mm × 50 mm stainless steel plate by scanning and spraying with a spray coater in the same manner as the piezoelectric film shown in FIG. 1 (b) to perform sintering and polarization. went. The polarization method was performed by applying a high voltage pulse a plurality of times between the upper electrode and the lower electrode, instead of applying a strong electric field by corona discharge used in the preparation of the piezoelectric film of FIG. 1 (b). Similar to the sensor having a single electrode of FIG. 2 (a), the stainless steel base material is regarded as a lower electrode, and has five 10 mm × 10 mm upper electrodes prepared by spraying a silver colloid solution. Further, a wiring pattern extends from the electrode for signal reading, and the tip is crimped with the cable.
圧電膜及び電極の上には、シリコン透明塗料を塗布し絶縁と圧電層および銀電極の保護を行っている。また、力を加えた際に基材が変形すると圧電層も一緒に変形し、力を加えた部分以外にも応力が生じてしまう。これにより本実験における目的の一つである電極間の電気的干渉を検討する際に、機械的応力の伝播と電気的干渉が弁別できなくなる。そこで基材の下に厚いアクリル板を置き、基材とともに固定をすることで、基材が変形することを防いでいる。 A transparent silicone paint is applied on the piezoelectric film and electrodes to insulate and protect the piezoelectric layer and silver electrodes. In addition, if the base material is deformed when a force is applied, the piezoelectric layer is also deformed, and stress is generated in areas other than the portion to which the force is applied. This makes it impossible to discriminate between the propagation of mechanical stress and the electrical interference when examining the electrical interference between the electrodes, which is one of the purposes of this experiment. Therefore, a thick acrylic plate is placed under the base material and fixed together with the base material to prevent the base material from being deformed.
図３（ｂ）は、５つの電極からの出力に、図２（ｃ）でも用いたチャージアンプを有する検出回路をそれぞれ取り付け、その出力をオシロスコープにより観察したときの出力結果の一例を示す。 FIG. 3B shows an example of the output result when a detection circuit having a charge amplifier used in FIG. 2C is attached to each of the outputs from the five electrodes and the output is observed with an oscilloscope.
図３（ｂ）中のラインＬ1で示される信号は、図３（ａ）の右端の電極からの出力である。ラインＬ2で示される信号は、その隣の電極からの出力である。右端の電極を２回押下した後、その隣の電極を押下した際の各信号の時間変化を示している。検出回路は、図２で使用したものと同パラメータのものを用いたが、センサの膜厚や電極サイズが異なるため応答性が悪化している。しかし、それぞれ加えられた力に応じた出力が見られ、隣接する電極間の電気的な干渉も確認されなかった。実際に大面積センサを作成する際にも、検出回路のパラメータを調整することで良好な結果を得ることが期待される。 Signal represented by the line L 1 in FIG. 3 (b) in an output from the right end of the electrode of FIG. 3 (a). The signal shown on line L 2 is the output from the electrode next to it. It shows the time change of each signal when the rightmost electrode is pressed twice and then the electrode next to it is pressed. The detection circuit used had the same parameters as that used in FIG. 2, but the responsiveness deteriorated because the film thickness and electrode size of the sensor were different. However, the output was observed according to the applied force, and no electrical interference between adjacent electrodes was confirmed. Even when actually producing a large area sensor, it is expected that good results can be obtained by adjusting the parameters of the detection circuit.
図３（ｃ）は、圧電膜の上下に縦方向・横方向に導電材料を設置し、それぞれをマルチプレクサ等で高速に切り替えながら信号を取得することで、縦・横の配線の交点における応力を測定する例を示す。このような構成にすることにより、電極を密に配置し、それぞれに配線を行い、例えばロボットのように大きな面積の表面上でも、十分な空間解像度で応力分布を取得することができる。 In FIG. 3C, conductive materials are placed above and below the piezoelectric film in the vertical and horizontal directions, and signals are acquired while switching each at high speed with a multiplexer or the like to obtain stress at the intersections of vertical and horizontal wiring. An example of measurement is shown. With such a configuration, the electrodes can be densely arranged and wired to each of them, and the stress distribution can be obtained with sufficient spatial resolution even on a surface having a large area such as a robot.
図４を参照して、図１の噴射システム１において、塗液である圧電材料溶液中のＰＺＴゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の質量比の変化と噴射及び圧電膜の性質への影響について説明する。実験では、図１（ｂ）の圧電膜を作成したときの噴射システムを利用した。 In the injection system 1 of FIG. 1, the change in the mass ratio of the PZT sol-gel solution and the PZT powder in the piezoelectric material solution which is the coating liquid, and the influence on the injection and the properties of the piezoelectric film will be described with reference to FIG. In the experiment, the injection system when the piezoelectric film of FIG. 1B was prepared was used.
図４（ａ）は、１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス板上にマスクを設置し、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーター装置の走査により連続的に対象表面に圧電材料溶液をスプレー塗布し、焼成・分極を実施して作成した圧電膜の一例である。図４（ａ）に示すような圧電膜を、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が異なる圧電材料溶液を用いて複数作成した。この際、溶液・粉末質量比以外の条件である圧電材料溶液の搬送速度（７．５ｍｌ／ｍｉｎ）、スプレーコーター装置のＹ軸移動速度（４００ｍｍ／ｓ）、Ｘ軸移動ピッチ（５ｍｍ）、焼成方法（１５０℃、１０分の仮焼成、６５０℃、５分の焼結）、コロナ放電による分極方法は同一である。ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比は１／３、２／３、１、１．２５、１．３、１．４、１．５、２を試した。 In FIG. 4A, a mask is placed on a 100 mm × 50 mm stainless steel plate, and a piezoelectric material solution is continuously spray-coated on the target surface by scanning with a spray coater device in the same manner as in the piezoelectric film of FIG. 1B. This is an example of a piezoelectric film produced by firing and polarization. A plurality of piezoelectric films as shown in FIG. 4A were prepared using piezoelectric material solutions having different PZT powder mass ratios with respect to the PZT sol-gel solution. At this time, the transfer speed of the piezoelectric material solution (7.5 ml / min), the Y-axis movement speed of the spray coater device (400 mm / s), the X-axis movement pitch (5 mm), and firing, which are conditions other than the solution / powder mass ratio. The method (150 ° C., 10-minute calcining, 650 ° C., 5-minute sintering) and the polarization method by corona discharge are the same. The mass ratio of PZT powder to the PZT sol-gel solution was 1/3, 2/3, 1, 1.25, 1.3, 1.4, 1.5, and 2.
図４（a）に示すような圧電膜形成に用いた圧電材料溶液のうち、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．３以上のものについては溶液中の粉末が過多のため噴射システムの攪拌、供給、循環が正常に行われず、スプレー塗布に至らなかった。 Among the piezoelectric material solutions used for forming the piezoelectric film as shown in FIG. 4A, those having a PZT powder mass ratio of 1.3 or more to the PZT sol-gel solution are agitated by the injection system because the powder in the solution is excessive. , Supply and circulation were not performed normally, and spray application was not achieved.
圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液の場合、少なくとも、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下である場合には、攪拌等を行うことができ、スプレー塗布することができた。 When the piezoelectric material solution is a lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution, at least when the mass ratio of PZT powder to the PZT sol-gel solution is 1.25 or less, stirring or the like can be performed and spray coating is performed. Was made.
図４（ｂ）及び（ｃ）は、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下である場合の圧電膜について、（ｂ）膜厚と（ｃ）圧電係数（ｄ３３）を測定した結果を示す。膜厚については、粉末質量比が大きくなるほど厚くなることが予想され、この予想と一致する傾向が見られた。圧電係数については粉末質量比が小さいほど増加する傾向が見られた。 FIGS. 4 (b) and 4 (c) show the results of measuring (b) film thickness and (c) piezoelectric coefficient (d33) for a piezoelectric film when the mass ratio of PZT powder to the PZT sol-gel solution is 1.25 or less. Is shown. Regarding the film thickness, it was expected that the larger the powder mass ratio, the thicker the film thickness, and there was a tendency to agree with this expectation. The piezoelectric coefficient tended to increase as the powder mass ratio decreased.
図５を参照して、膜厚を評価するために行った実験について説明する。 An experiment performed to evaluate the film thickness will be described with reference to FIG.
膜厚の測定は、次のように行った。まず、１００ｍｍ×８０ｍｍのステンレス板にマスクをかけて図１（ｂ）に示す圧電膜形成と同じシステムで圧電材料を吹き付け、圧電膜上の９か所（図５（ａ）の上側の丸印）において膜厚を測定した。また、膜厚のリファレンスとして、1か所（図５（ａ）の下側の丸印）にて板厚を測定した。そして、上側の丸印と下側の丸印との差分を膜厚とする。上側の丸印（９か所）の測定位置は、１０ｍｍ間隔(軸上で１０ｍｍ〜９０ｍｍ)であり、すべての測定において同位置で測定できるよう治具を作成した。同一の測定点で１０回の測定を行い、平均・標準偏差を取得した。 The film thickness was measured as follows. First, a 100 mm × 80 mm stainless steel plate is masked and the piezoelectric material is sprayed by the same system as the piezoelectric film formation shown in FIG. 1 (b), and nine places on the piezoelectric film (circles on the upper side of FIG. 5 (a)). ), The film thickness was measured. Moreover, as a reference of the film thickness, the plate thickness was measured at one place (the circle on the lower side of FIG. 5A). Then, the difference between the upper circle mark and the lower circle mark is defined as the film thickness. The measurement positions of the circles (9 points) on the upper side are at 10 mm intervals (10 mm to 90 mm on the axis), and a jig was created so that all measurements could be performed at the same position. The measurement was performed 10 times at the same measurement point, and the average and standard deviation were obtained.
図５（ｂ）は、塗液搬送速度と膜厚の関係を示す。塗液搬送速度を５ｍｌ／ｍｉｎ、７．５ｍｌ／ｍｉｎ、１０ｍｌ／ｍｉｎと変化させ、３つのサンプルについて評価した。塗液搬送速度を変化させることで膜厚のコントロールが可能であることが確認できる。そのため、用途に応じて、感圧センサの性能（感度・測定レンジ）を調整することができる。 FIG. 5B shows the relationship between the coating liquid transfer speed and the film thickness. The coating liquid transport speed was changed to 5 ml / min and 7.5 ml / min, and 10 ml / min, and three samples were evaluated. It can be confirmed that the film thickness can be controlled by changing the coating liquid transport speed. Therefore, the performance (sensitivity / measurement range) of the pressure-sensitive sensor can be adjusted according to the application.
図５（ｃ）は、膜を重ね塗りして各層ごとの膜厚を評価したものである。上記の塗液搬送速度の調整と合わせ膜を重ね塗りすることで、１０ｕｍから数十ｕｍ程度で膜厚を制御できることが示されている。 FIG. 5C shows an evaluation of the film thickness of each layer by overcoating the films. It has been shown that the film thickness can be controlled in the range of 10 um to several tens of um by adjusting the coating liquid transport speed and applying the combined film repeatedly.
図５（ｄ）は、スプレーコーターによる吹き付けと、手吹きによる吹き付けとの膜厚のばらつきの比較を示す。スプレーコーターによる吹き付けは、同一の塗液搬送速度（７．５ｍｌ／ｍｉｎ）で計４枚の圧電膜を作成した。手吹きの圧電膜についても同一の塗液搬送速度で計３枚の圧電膜を作成した。スプレーコーターによる吹き付けは、手吹きと比較して、膜厚のばらつき（サンプル内の位置ごとのばらつき、サンプル間のばらつき）が減少している。そのため、成膜工程の安定性が向上し、自動化による利点が大きいことが確認できる。 FIG. 5D shows a comparison of film thickness variations between spraying by a spray coater and spraying by hand. By spraying with a spray coater, a total of four piezoelectric films were prepared at the same coating liquid transfer rate (7.5 ml / min). For the hand-blown piezoelectric films, a total of three piezoelectric films were prepared at the same coating liquid transfer rate. The spray coater spraying has less variation in film thickness (variation at each position in the sample, variation between samples) as compared with hand spraying. Therefore, it can be confirmed that the stability of the film forming process is improved and the advantage of automation is great.
なお、保持部２１には、図示を省略する追加部が、継続的に圧電材料溶液を供給することにより、保持部２１に最初に保持された圧電材料溶液を超えて継続してスプレー塗布をすることができ、大面積のスプレー塗布を実現することができる。 An additional part (not shown) continuously supplies the piezoelectric material solution to the holding part 21, so that the holding part 21 is continuously spray-coated beyond the piezoelectric material solution initially held in the holding part 21. It is possible to realize a large area spray coating.
また、平面への吹き付けでは、吹き付けのスプレーガンを吹き付け対象に対し２次元的に走査することで均一な塗膜形成を行ってもよい。また、円筒への吹き付けでは吹き付け対象である円筒を軸を中心に回転させながら軸方向にスプレーガンを操作することで、平面と同等の吹き付け工程を実現することができる。さらに、自由局面への吹き付けにおいては平面への吹き付けで確立した塗布パラメータをもとに６軸塗装ロボットを制御し吹き付けを行うことができる。 Further, in the spraying on a flat surface, a uniform coating film may be formed by two-dimensionally scanning the spraying target with a spray gun. Further, in the spraying to the cylinder, the spraying process equivalent to that of a flat surface can be realized by operating the spray gun in the axial direction while rotating the cylinder to be sprayed about the axis. Further, in the spraying on the free phase, the 6-axis coating robot can be controlled and sprayed based on the coating parameters established by the spraying on the flat surface.
図６〜図９を参照して、図１の噴射システム１の構成の具体例と、実験結果を説明する。 A specific example of the configuration of the injection system 1 of FIG. 1 and experimental results will be described with reference to FIGS. 6 to 9.
図６を参照して、図１の噴射システム１の構成の具体例を説明する。図６（ａ）を参照して、スプレーガン、二方弁、攪拌容器及び攪拌装置は、それぞれ、図１の噴射部５、弁部１６、保持部２１及び攪拌部２３の一例である。送液装置は、例えばポンプであり、送液チューブを用いて、攪拌装置内の液体をスプレーガンに送液する。スプレーガンが噴射しているときは二方弁が閉じ、液体はスプレーガンから攪拌容器に戻らない。スプレーガンが噴射していないときは二方弁が開き、液体は二方弁を経由してスプレーガンから攪拌容器へと戻る。 A specific example of the configuration of the injection system 1 of FIG. 1 will be described with reference to FIG. With reference to FIG. 6A, the spray gun, the two-way valve, the stirring container and the stirring device are examples of the injection unit 5, the valve unit 16, the holding unit 21 and the stirring unit 23 of FIG. 1, respectively. The liquid feeding device is, for example, a pump, and a liquid feeding tube is used to feed the liquid in the stirring device to the spray gun. When the spray gun is spraying, the two-way valve closes and the liquid does not return from the spray gun to the stirring vessel. When the spray gun is not spraying, the two-way valve opens and the liquid returns from the spray gun to the agitator via the two-way valve.
図６（ｂ）は、塗布対象搭載ワークにおいて平面状に塗布する場合の構成の一例を示す。異なる方向であるＸ方向とＹ方向のそれぞれに、違う高さに単軸ステージを設ける。図６（ｂ）では、Ｘ方向が高く、Ｙ方向が低いようにし、スプレーガンが、下に噴射し、塗布対象搭載ワークの上を移動できるようにする例を示す。Ｘ方向及びＹ方向の単軸ステージにより、それぞれ、スプレーガンと塗布対象搭載ワークを移動させることによって、スプレーガンと塗布対象搭載ワークの相対的な位置を変更する。これにより、塗布対象搭載ワークの平面の任意の位置に塗布することができる。 FIG. 6B shows an example of a configuration in which the workpiece to be coated is coated in a plane. Single-axis stages are provided at different heights in the X and Y directions, which are different directions. FIG. 6B shows an example in which the X direction is high and the Y direction is low so that the spray gun can spray downward and move on the work to be coated. The relative positions of the spray gun and the workpiece to be coated are changed by moving the spray gun and the workpiece to be coated, respectively, by the uniaxial stages in the X and Y directions. As a result, the coating can be applied to an arbitrary position on the flat surface of the workpiece to be coated.
以下の実験では、下記のものを使用した。スプレーガン及びスプレーコーター装置として、旭サナック製の低圧霧化スプレイノズル及び旭サナック製のrCoaterを使用した。ギアポンプユニット（循環部１９の一例）として、旭サナック製のギアポンプGPN050を使用した。ギアポンプコントローラ（設定部１７の一例）として、旭サナック製のギアポンプ制御盤ET9282E0を使用した。攪拌部２３及び保持部２１の一例として、それぞれ、スターラー及びバイアル瓶を使用した。エアオペレイトバルブ（弁部１６の一例）として、CKD製AMDZ2-6-2を使用した。 In the following experiments, the following were used. As a spray gun and a spray coater device, a low-pressure atomizing spray nozzle manufactured by Asahi Sanac and an rCoater manufactured by Asahi Sanac were used. As a gear pump unit (an example of the circulation unit 19), a gear pump GPN050 manufactured by Asahi Sanac was used. As a gear pump controller (an example of setting unit 17), a gear pump control panel ET9282E0 manufactured by Asahi Sanac was used. A stirrer and a vial were used as examples of the stirring unit 23 and the holding unit 21, respectively. AMD Z2-6-2 manufactured by CKD was used as an air operated valve (an example of valve portion 16).
図７を参照して、図６の装置を使用した成膜再現性・膜厚均一性の検証実験を説明する。圧電膜は１００×１００×０．５[ｍｍ]のステンレスの板にスプレーをそれぞれ１回・２回・３回吹き付けて計３枚作成した。作った圧電膜基板はアクリルのガイドの中で固定し、膜厚計を用いてＸとＹ方向にそれぞれ２０[ｍｍ]間隔で計２５点の膜厚を測定した。各測定ポイントでは１０回測定し、その平均を測定値としている。 A verification experiment of film thickness reproducibility and film thickness uniformity using the apparatus of FIG. 6 will be described with reference to FIG. 7. A total of three piezoelectric films were prepared by spraying a stainless steel plate of 100 × 100 × 0.5 [mm] once, twice, and three times, respectively. The produced piezoelectric film substrate was fixed in an acrylic guide, and a total of 25 film thicknesses were measured at intervals of 20 [mm] in the X and Y directions using a film thickness meter. Each measurement point is measured 10 times, and the average is used as the measured value.
図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、１、２及び３回の吹き付けによる測定結果を示す。横軸に圧電膜のＸ方向の距離、縦軸に膜厚を取り、Ｙ方向の距離はグラフ上の点の形で表している。これらの図の測定値の分布に注目して比較すると、重ね塗りの回数によって膜厚が約１０[μｍ]変化していることが分かる。図７（ｄ）は、測定結果の平均値と標準偏差をまとめた表である。膜厚の均一性については、標準偏差の約１．５[μｍ]は膜厚計の測定精度と同程度であることから均一な圧電膜が形成されている。また、グラフからもいずれの膜もＸ方向、Ｙ方向ともに同程度の均一性が確認できる。本願発明による長時間塗布が可能にする面的な塗布により、１００[ｍｍ]四方という従来と比較して大面積の膜において均一な分布の膜厚が得られている。 7 (a) to 7 (c) show the measurement results by spraying 1, 2 and 3 times, respectively. The horizontal axis represents the distance of the piezoelectric film in the X direction, the vertical axis represents the film thickness, and the distance in the Y direction is represented by points on the graph. Comparing the distribution of the measured values in these figures, it can be seen that the film thickness changes by about 10 [μm] depending on the number of times of recoating. FIG. 7D is a table summarizing the average value and standard deviation of the measurement results. Regarding the uniformity of the film thickness, the standard deviation of about 1.5 [μm] is about the same as the measurement accuracy of the film thickness meter, so that a uniform piezoelectric film is formed. Further, from the graph, it can be confirmed that all the films have the same degree of uniformity in both the X direction and the Y direction. By the surface coating that enables long-term coating according to the present invention, a film thickness having a uniform distribution is obtained in a film having a large area of 100 [mm] square as compared with the conventional one.
図８を参照して、本願発明を実現するシステムを使用して作成した圧電膜の感圧センサとしての有用性検証を説明する。実験に使用した圧電膜は１００[ｍｍ]×５０[ｍｍ]、０．５[ｍｍ]厚のステンレス板に、システムにより塗布した平均膜厚約１０[μｍ]のものである。分極は針電極を用いたコロナ放電によって形成した電界下で実施し、膜厚方向の圧電性を有する。 With reference to FIG. 8, verification of usefulness of the piezoelectric membrane as a pressure-sensitive sensor produced by using the system that realizes the present invention will be described. The piezoelectric film used in the experiment was a stainless steel plate having a thickness of 100 [mm] × 50 [mm] and 0.5 [mm] and having an average film thickness of about 10 [μm] applied by the system. The polarization is carried out under an electric field formed by corona discharge using a needle electrode, and has piezoelectricity in the film thickness direction.
この圧電膜をセンサとして使用するためには上下を電極で挟む必要がある。下部電極は基材として用いたステンレス板とした。上部電極は圧電膜上に銀ペーストを塗布して作製した。図８（ａ）に示すように、銀ペースト塗布により作製した上部電極層は５電極分であり、それぞれ１０[ｍｍ]角のセンサ部と２０[ｍｍ]×４[ｍｍ]の配線部を持つ。５つの電極は、５[ｍｍ]間隔で圧電膜上に配置されている。 In order to use this piezoelectric film as a sensor, it is necessary to sandwich the top and bottom with electrodes. The lower electrode was a stainless steel plate used as a base material. The upper electrode was prepared by applying a silver paste on a piezoelectric film. As shown in FIG. 8A, the upper electrode layer prepared by applying silver paste has 5 electrodes, and each has a 10 [mm] square sensor portion and a 20 [mm] × 4 [mm] wiring portion. .. The five electrodes are arranged on the piezoelectric film at intervals of 5 [mm].
圧電膜センサの感度・周波数特性評価は、電極のセンサ部をハンマーで叩いてインパルス状の印加力を与えることで行った。打撃力はインパルスハンマー（小野測器-GK-2110-）を用いて手動で与え、オシロスコープでインパルスハンマーの出力および圧電膜センサの信号（上下電極間電位差）を観察した。打撃時には、圧電膜センサをセンサよりサイズ・質量ともに十分に大きな木材上に固定している。なお、サンプリング周波数は１０[ＭＨｚ]である。 The sensitivity and frequency characteristics of the piezoelectric film sensor were evaluated by hitting the sensor portion of the electrode with a hammer to apply an impulse-like applied force. The striking force was manually applied using an impulse hammer (Ono Sokki -GK-2110-), and the output of the impulse hammer and the signal of the piezoelectric film sensor (potential difference between the upper and lower electrodes) were observed with an oscilloscope. At the time of impact, the piezoelectric film sensor is fixed on wood that is sufficiently larger in size and mass than the sensor. The sampling frequency is 10 [MHz].
インパルスハンマー先端には力センサが設置されており、ハンマー出力信号は打撃時にハンマー先端に生じた力に対応している。作用反作用の法則により圧電膜センサにも同じ撃力が印加されていると考えることができる。なおハンマー出力信号は力に対応しているのに対して圧電センサは力の時間変化に対応すること、両者の形状や質量・設置状況による機械的特性の違いには注意が必要である。 A force sensor is installed at the tip of the impulse hammer, and the hammer output signal corresponds to the force generated at the tip of the hammer during striking. It can be considered that the same impact force is applied to the piezoelectric film sensor according to the law of action and reaction. It should be noted that the hammer output signal corresponds to the force, whereas the piezoelectric sensor corresponds to the time change of the force, and it is necessary to pay attention to the difference in mechanical characteristics depending on the shape, mass, and installation condition of the two.
図8（ｂ）は、ハンマーで叩いた直後のハンマーおよびセンサの出力信号を示す。ハンマー信号が複数回発現しているのは叩いた反動によるものである。図８（ｂ）の時間波形から、ハンマーの出力（打撃力）に対して圧電センサが出力を示していることが分かる。それぞれの信号のピーク時間の時間差は約２３[μｓ]である。 FIG. 8B shows the output signals of the hammer and the sensor immediately after hitting with the hammer. The hammer signal appears multiple times due to the recoil of the hit. From the time waveform of FIG. 8B, it can be seen that the piezoelectric sensor indicates the output with respect to the output (impacting force) of the hammer. The time difference between the peak times of each signal is about 23 [μs].
図８（ｃ）は、それぞれの振幅スペクトルを示す。図８（ｃ）より、センサは数十[ｋＨｚ]程度までの周波数帯域に出力があることが分かる。なお、ハンマー出力は数[ｋＨｚ]程度までしか帯域を持たないが、これはハンマーに内蔵の力センサ及びプリアンプの特性（〜２０[ｋＨｚ]）によるものであり、実際にはより高周波数までの成分が発生していると予想される。 FIG. 8C shows each amplitude spectrum. From FIG. 8C, it can be seen that the sensor has an output in a frequency band up to about several tens [kHz]. The hammer output has a band only up to a few [kHz], but this is due to the characteristics of the force sensor and preamplifier built into the hammer (~ 20 [kHz]), and actually up to higher frequencies. It is expected that the components are generated.
図８（ｄ）は、センサの電圧感度を示す。センサの電圧感度は、インパルスハンマーの電圧感度が既知（２０．６[ｍＶ／Ｎ]）であるため、それを基に算出した。なお、ハンマーの周波数帯域が２０[ｋＨｚ]付近までしかないため、１２[ｋＨｚ]までの成分のみ感度を求めている。提唱されている完全触覚センサでは、ロボットスキン等に使用される触覚センサ（力センサ）の仕様として１[ｋＨｚ]程度の帯域が要求されている。本実験で用いた圧電膜センサでは、周波数特性においてこの仕様を十分に満たす性能を持つことが示唆されている。 FIG. 8D shows the voltage sensitivity of the sensor. The voltage sensitivity of the sensor was calculated based on the known voltage sensitivity of the impulse hammer (20.6 [mV / N]). Since the frequency band of the hammer is only around 20 [kHz], the sensitivity is obtained only for the components up to 12 [kHz]. In the proposed complete tactile sensor, a band of about 1 [kHz] is required as a specification of the tactile sensor (force sensor) used for robot skins and the like. It is suggested that the piezoelectric film sensor used in this experiment has a performance that sufficiently satisfies this specification in terms of frequency characteristics.
図９を参照して、本願発明を実現するシステムを使用して作成した圧電膜の超音波トランスデューサーとしての有用性検証を説明する。本願発明を用いる塗布システムにより作製した圧電膜デバイスを用いて超音波パルスエコー波形の観察を行った。図９（ａ）を参照して、評価に用いた素子は、基材であるステンレス材を下部電極、銀電極を上部電極とし、圧電膜を挟んだものである。基材は、厚さ３[ｍｍ]のステンレス板である。洗浄・表面処理を施した基材上におよそ３０[μｍ]厚の圧電膜塗布を行い、乾燥・焼成・分極後に電極形成を行っている。 With reference to FIG. 9, verification of usefulness of the piezoelectric film produced by using the system realizing the present invention as an ultrasonic transducer will be described. The ultrasonic pulse echo waveform was observed using the piezoelectric membrane device produced by the coating system using the present invention. With reference to FIG. 9A, the element used for the evaluation has a stainless steel material as a base material as a lower electrode and a silver electrode as an upper electrode, sandwiching a piezoelectric film. The base material is a stainless steel plate with a thickness of 3 [mm]. A piezoelectric film having a thickness of about 30 [μm] is applied onto the washed and surface-treated substrate, and electrodes are formed after drying, firing, and polarization.
評価には超音波パルスエコー法を用い、パルサーレシーバを用いて電圧を印加し、膜の振動によって生じる超音波パルスが塗布基材であるステンレス板内を伝搬・反射して生じるエコー波形を観察した。図９（ｂ）は、評価実験の構成を示す。 The ultrasonic pulse echo method was used for the evaluation, a voltage was applied using a pulsar receiver, and the echo waveform generated by the ultrasonic pulse generated by the vibration of the film propagating and reflecting in the stainless plate, which is the coating base material, was observed. .. FIG. 9B shows the structure of the evaluation experiment.
図９（ｃ）は、電極にパルサーレシーバで超音波の帯域を含むパルス状電圧を印加し、上部銀電極とステンレス板間での電圧の変化をオシロスコープで観察したものを示す。パルスの印加によって電極と基材間の圧電膜が変形し超音波が発生する。発生した超音波パルスは、ステンレス基材内を伝搬し境界面で反射し再び圧電膜に到達する。この反射波が圧電膜を振動させることで電極間の電位差に信号が生じる。反射波は圧電膜と基材の境界面でも反射するためステンレス基材内で生じる多重反射の様子を観察することができる。伝搬及び反射による減衰で観察されるパルス波形の振幅は徐々に減少する。図９（ｃ）では、当初パルス電圧を印加した時刻後に大きな振動が発生するためノイズが見られるものの、その後は多重反射波のパルス波形がはっきりと観察される。パルス間の時間間隔はおよそ１[μｓ]であった。多重反射が生じしているステンレス基材の厚みは３[ｍｍ]であり、ステンレス中を伝搬する音波の音速を５７４０[ｍ／ｓ]とすると超音波パルスの往復に要する時間はおよそ１．０５[μｓ]である。これは上述のパルス間時間間隔とおよそ一致する。このことからもこの圧電膜デバイスが超音波送受振素子として機能していることがわかる。これにより大面積・曲面上に圧電膜形成を可能とする本願発明を用いても超音波送受振デバイスとして使用可能な膜を作製できることが確認された。 FIG. 9C shows a pulsed voltage applied to the electrodes by a pulsar receiver including an ultrasonic band, and the change in voltage between the upper silver electrode and the stainless steel plate observed with an oscilloscope. The application of the pulse deforms the piezoelectric film between the electrode and the base material, and ultrasonic waves are generated. The generated ultrasonic pulse propagates in the stainless steel base material, is reflected at the interface, and reaches the piezoelectric film again. This reflected wave vibrates the piezoelectric film, and a signal is generated in the potential difference between the electrodes. Since the reflected wave is also reflected at the interface between the piezoelectric film and the base material, the state of multiple reflection occurring in the stainless steel base material can be observed. The amplitude of the pulse waveform observed due to propagation and reflection attenuation gradually decreases. In FIG. 9C, noise is observed because a large vibration is generated after the time when the pulse voltage is initially applied, but the pulse waveform of the multiple reflected wave is clearly observed after that. The time interval between pulses was approximately 1 [μs]. The thickness of the stainless steel base material in which multiple reflections occur is 3 [mm], and assuming that the speed of sound of sound waves propagating in stainless steel is 5740 [m / s], the time required for the reciprocation of ultrasonic pulses is approximately 1.05. [Μs]. This is approximately consistent with the inter-pulse time interval described above. From this, it can be seen that this piezoelectric membrane device functions as an ultrasonic wave transmitting / receiving element. As a result, it was confirmed that a film that can be used as an ultrasonic vibration transmitting / receiving device can be produced even by using the present invention that enables the formation of a piezoelectric film on a large area / curved surface.
１ 噴射システム、３ 対象物、５ 噴射部、７ 噴出口、９ 供給部、１３ 供給管、１５ 回収管、１６ 弁部、１７ 設定部、１９ 循環部、２１ 保持部、２３ 攪拌部 1 Injection system, 3 Object, 5 Injection part, 7 Injection port, 9 Supply part, 13 Supply pipe, 15 Recovery pipe, 16 Valve part, 17 Setting part, 19 Circulation part, 21 Holding part, 23 Stirring part
Claims (3)
前記噴射システムは、
噴射部と、
前記圧電材料溶液を保持する保持部と、
前記保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、
前記保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて前記保持部が保持する前記圧電材料溶液を前記噴射部に供給する循環部を備え、
前記噴射部が前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する場合に前記噴射部が前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射し、
前記噴射部が前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射しない場合に前記循環部が前記噴射部から前記保持部に至る回収経路を用いて前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収するステップを含み、
前記圧電材料溶液は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であり、
前記圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることにより、前記攪拌部による攪拌及び前記循環部による循環を用いた塗布処理を実現する、塗布方法。 It is a coating method using an injection system in which a piezoelectric material solution is spray-coated to construct a piezoelectric film on the surface of an object.
The injection system
With the injection part
A holding portion for holding the piezoelectric material solution and
A stirring unit that stirs the piezoelectric material solution held in the holding unit, and a stirring unit.
A circulation unit for supplying the piezoelectric material solution held by the holding unit to the injection unit using a supply path from the holding unit to the injection unit is provided.
When the injection unit injects the piezoelectric material solution onto the surface of the object, the injection unit injects the piezoelectric material solution onto the surface of the object.
Recovering said piezoelectric material solution supplied to the injection unit by using a recovery path to the holding portion and the circulation unit when the injector is not injecting the piezoelectric material solution on the surface of the object from the jet unit Including the steps to
The piezoelectric material solution is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder.
A coating method for realizing a coating process using stirring by the stirring section and circulation by the circulation section when the mass ratio of PZT powder to the PZT sol-gel solution is 1.25 or less in the piezoelectric material solution .
前記循環部は、
前記噴射部において噴射するときは前記弁部を閉じることにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、
前記噴射部において噴射しないときは前記弁部を開くことにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収する、請求項１記載の塗布方法。 The injection system includes a valve portion that opens and closes the recovery path.
The circulation part
By closing the valve portion when injecting at the injection unit, the circulation unit does not collect the piezoelectric material solution supplied to the injection unit, and the injection unit collects the entire amount of the supplied piezoelectric material solution. Jet and
The coating method according to claim 1, wherein when the injection portion does not inject, the valve portion is opened so that the circulation portion recovers the entire amount of the piezoelectric material solution supplied to the injection portion.
前記循環部は、前記設定部が設定した搬送速度で、前記噴射部に対して前記圧電材料溶液を供給し、
前記噴射部において噴射するときは、前記循環部は前記回収経路を遮断して前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、
前記噴射部において噴射しないときは、前記回収経路を用いて前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収する、請求項１又は２に記載の塗布方法。 The injection system includes a setting unit for setting a transfer speed.
The circulation unit supplies the piezoelectric material solution to the injection unit at a transfer speed set by the setting unit.
When injecting at the injection unit, the circulation unit blocks the recovery path and does not collect the piezoelectric material solution, and the injection unit injects the entire amount of the supplied piezoelectric material solution.
The coating method according to claim 1 or 2, wherein when the injection unit does not inject, the circulation unit recovers the entire amount of the piezoelectric material solution supplied to the injection unit using the recovery path.
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