JP2000275123A

JP2000275123A - 分布センサ

Info

Publication number: JP2000275123A
Application number: JP11082448A
Authority: JP
Inventors: Akio Sato; 明生佐藤; Akimasa Katayama; 晶雅片山; Shingo Hibino; 真吾日比野
Original assignee: Tokai Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力，力等の分布を高密度かつ高感度に測定す
ることができ、また、繰り返し使用でき、しかも、一枚
のシート状に形成された分布センサを提供する。【解決手段】可撓性基板の両面に圧電結晶薄膜が形成さ
れ、この圧電結晶薄膜に電極層８が取り付けられた圧電
素子２を、マトリックス状に並べて一枚のシート状に形
成した圧電素子集合体１と、この圧電素子集合体１の両
面をラミネートする絶縁フィルム５とからなっており、
この絶縁フィルム５には、上記電極層８に接続される端
子９が所要のパターンに形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力（空気等の流
体の圧力，固体の接触圧，音圧等），力等の分布を測定
することのできる分布センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧力センサ、力センサの開発が進
み、民生用電子機器，家電・住設用電子機器，セキュリ
ティ機器，健康器具，オートメーションファクトリ，自
動車，事務機器等、様々な用途に用いることが検討さ
れ、一部使用されている。また一方で、圧力分布等の分
布測定についても、設計・開発分野等で色々利用され、
正確に分布を測定でき、安価で取り付けやすい分布セン
サの要求が高まっている。このような圧力分布を測定で
きるセンサとしては、焼結ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）を用いた圧電式センサや、歪みゲージ式センサ、感
圧導電ゴム式センサ、発色剤式センサ等があげられる。

【０００３】そして、図２２に示すように、例えばスポ
ーツシューズ５１の中の底面に作用する圧力の分布を知
りたい場合には、複数の圧電式センサ５２または歪みゲ
ージ式センサをスポーツシューズ５１の中の底面に取り
付け、それぞれの圧電式センサ５２または歪みゲージ式
センサに作用する圧力を測定することにより、圧力の分
布を知ることができる。また、図２３に示すように、自
動車の座席シート５３の表面に作用する圧力の分布を知
りたい場合にも、同様にして圧力の分布を知ることがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
電式センサ（焼結ＰＺＴ使用）５２および歪みゲージ式
センサは、高価なため経済的でなく、しかも、１素子の
面積が大きいため、高密度に分布させることが困難であ
る。このため、上記圧電式センサ５２および歪みゲージ
式センサを用いて圧力の分布を高密度に測定することは
困難であるという問題がある。また、これらのセンサ
を、上記図２２や図２３に示すように、所定間隔で１個
ずつ取り付けることは煩雑で、適正な間隔に設定しにく
いという問題がある。そして、このような取り付け形態
では、ある程度広い面全体にわたって与えられる圧力，
力等を正確に測定することができない。

【０００５】また、上記感圧導電ゴム式センサや発色剤
式センサでは、マトリックス状に圧力分布が測定できる
センサが開発されている。しかしながら、感圧導電ゴム
式センサは、リニア精度に劣り、繰り返し使用により性
能が劣化するという問題がある。さらに、発色剤式セン
サは、使い捨てであるため、１回しか使用できないとい
う問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、圧力（空気等の流体の圧力，固体の接触圧，音
圧等），力等の分布を高密度かつ高感度に測定すること
ができ、また、繰り返し使用でき、しかも一枚のシート
状に形成された分布センサの提供をその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の分布センサは、可撓性基板の片面もしくは
両面に圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電
極が取り付けられた圧電素子が複数個、任意に並べられ
て一枚のシート状に形成され、各電極に端子が接続され
ているという構成をとる。

【０００８】すなわち、本発明の分布センサは、圧力，
力等の分布を測定しようとする対象物体の表面に沿うよ
うに取り付けたり、物体の内部に埋め込んだりして、簡
単に、高密度かつ高感度で圧力，力等の分布測定を行う
ことができる。しかも、安価で経済的であり、また、繰
り返し使用しても性能が変化しない。なお、本発明にお
いて、「一枚のシート状」とは、一枚の板状だけでな
く、対象物体の表面形状に沿うように（例えば曲面状
に）薄く装着することができる状態を含む意味である。

【０００９】また、本発明において、上記圧電素子の裏
面側に、支持部材が設けられており、上記支持部材によ
って各圧電素子が持ち上げ保持されている場合には、感
知面が柔軟で対象物体の表面を損傷しないだけでなく、
圧力変化に対し優れた感度と応答性を発揮する。そのな
かでも特に、上記圧電素子の表面側に、一枚のシート状
カバーが設けられ、上記カバー下面に、持ち上げ保持さ
れた各圧電素子の表面を部分的に押圧しうる凸部が所定
間隔で突設されている場合には、上記凸部で集中的に圧
電素子を押圧することができるため、より大きく、しか
も偏りなく圧電素子が変位し、センサ出力がより安定化
する。

【００１０】さらに、本発明において、上記圧電素子
が、圧電定数０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×
１０^-2〜１．０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を示すものであ
る場合には、とりわけ優れた出力性能を備えている。

【００１１】また、本発明において、上記圧電結晶薄膜
として鉛を含有する複合酸化物薄膜を用いたセンサ、そ
して、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成したセ
ンサも、特に優れた性能を備えている。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて詳しく説明する。

【００１３】図１は、本発明の分布センサの一実施の形
態を示している。この実施の形態では、分布センサは、
平面視四角形状の圧電素子２を縦６列・横６列の平面的
なマトリックス状に並べて一枚のシート状に形成した圧
電素子集合体１（図２参照）と、この圧電素子集合体１
の両面をラミネートする絶縁フィルム５とからなってい
る。

【００１４】上記圧電素子２は、図３に示すように、平
面視四角形状の可撓性基板６と、この可撓性基板６の両
面に形成された圧電結晶薄膜７と、この圧電結晶薄膜７
の表面に圧電結晶薄膜７よりもひとまわり小さく形成さ
れた電極層（電極）８とで構成されている。また、上記
圧電結晶薄膜７は、可撓性基板６よりもひとまわり小さ
く形成されてもよい。なお、図１および図２では、圧電
素子２の可撓性基板６と圧電結晶薄膜７との積層構造を
省略している。

【００１５】また、上記絶縁フィルム５の表面には、端
子９（図１参照）が所要のパターンに形成されており、
そのうち端子９の先端部分は、上記絶縁フィルム５の裏
面に貫通し、電極９ａとして上記圧電素子２の電極層８
に接続されている。

【００１６】そして、上記絶縁フィルム５の裏面を上記
圧電素子集合体１に重ねた状態で絶縁フィルム５がラミ
ネートされている。すなわち、上記圧電素子集合体１と
絶縁フィルム５とは、電極層８が形成されていない部分
で粘着剤または接着剤を介して密着されている。また、
端子９が形成された絶縁フィルム５の表面には、端子９
を保護するための保護フィルムが設けられることが好ま
しい。

【００１７】また、上記圧電素子２は、どのようにして
得られるものであってもよいが、特に、水熱合成法によ
って可撓性基板６の表面に圧電結晶薄膜７を形成して得
られるものが好適である。

【００１８】上記可撓性基板６としては、可撓性を備
え、水熱合成時の加熱加圧条件に耐えうるものが好適で
あり、金属の、薄板，箔，フィルム等が用いられる。上
記金属の例としては、ステンレス，鉄，アルミニウム，
チタン，鉛等の金属、またはこれらの金属を含む合金が
あげられる。ただし、可撓性基板６上に形成される圧電
結晶薄膜７をこの可撓性基板６と強固に接合させるに
は、可撓性基板６の最表面にチタン成分が含有されてい
ることが好ましい。そこで、可撓性基板６として、チタ
ン製のものを用いるか、チタン製以外のものである場合
には、その表面に、チタン成分を析出させるか塗布する
等の手段を講じることが好ましい。

【００１９】なお、上記可撓性基板６の厚みは、２〜２
００μｍ、なかでも５〜１５０μｍに設定することが好
適である。すなわち、厚みが２μｍ未満では、水熱合成
法で圧電結晶薄膜を得る場合に、上記可撓性基板６が水
熱合成中に変形するおそれがあり、逆に厚みが２００μ
ｍを超えると、センサ表面の柔軟性が乏しくなり、セン
サからの大きな出力が得られなくなるおそれがあるから
である。また、上記可撓性基板６の縦横の長さは、セン
サが使用される対象物の大きさに応じて、自由に設定す
ることができる。

【００２０】また、圧電結晶薄膜７の組成は、圧電特性
を備えるものであれば、どのようなものであっても差し
支えないが、上記水熱合成によって得るのに適した組成
に設定することが好適である。このような組成として
は、ペロブスカイト（ＡＢＯ₃）構造の複合酸化物があ
げられる。そして、上記Ａサイトとしては、通常、Ｐ
ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、ＬａおよびＢｉから選択される
少なくとも１種の元素があげられ、上記Ｂサイトとして
は、Ｔｉ単独か、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｗ、
Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＦｅから選択される少なくとも
１種の元素とＴｉとの複合物があげられる。このような
複合酸化物の例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｐ
ｂＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｐｂ，Ｌ
ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃等があげられる。

【００２１】水熱合成は、通常、上記組成を構成しうる
金属元素を含む金属塩の水溶液をアルカリ性に調整して
なる水溶液と、可撓性基板６とを、オートクレーブに装
入し加圧下で加熱することにより行う。これにより、可
撓性基板６の表裏面に、圧電結晶薄膜７が形成される
（バイモルフ型）。なお、ユニモルフ型を得る場合に
は、可撓性基板６の片面を耐熱，耐アルカリ性のレジス
ト材で被覆して水熱合成を行うか、あるいは可撓性基板
６の表裏面に形成された圧電結晶薄膜７のうち片面側の
圧電結晶薄膜７を削り落とすようにする。

【００２２】このようにして得られる圧電結晶薄膜７の
厚みは、通常、０．５〜１００μｍ、特に１〜３０μｍ
に設定することが好適である。すなわち、厚みが０．５
μｍ未満では充分なセンサ出力が得られにくく、逆に１
００μｍを超えるとせっかく可撓性基板６を用いている
にもかかわらず、センサ表面の柔軟性が乏しくなるおそ
れがあるからである。

【００２３】なお、上記水熱合成は、特開平４−３４２
４８９号公報に開示されているように、結晶核生成と結
晶成長の２段階に分けて行うようにしてもよいし、ある
いは、特開平９−２１７１７８号公報，特開平９−２７
８４３６号公報に開示されているように、１段階のみで
合成を行ってもよい。また、特開平９−２７８４３６号
公報に開示されているように、上記オートクレーブを、
鉛直方向に振動させながら行うようにしてもよい。この
場合、例えば図４に示すように、加熱手段（図示せず）
と攪拌手段１１を備えた耐熱容器（オイルバス等）１２
内に、オートクレーブ１０を、支受手段１３，１４によ
って上下可動に支受し、鉛直方向に１Ｈｚ以上、特に３
〜５０Ｈｚの振動をかけながら水熱合成を行うようにす
ることが好適である。

【００２４】さらに、上記水熱合成によって得られた可
撓性基板６−圧電結晶薄膜７積層体の表面を封孔処理し
てもよい（特願平８−２７７８２６号公報）。上記封孔
処理は、（ａ）樹脂、セラミック等の絶縁材料を用いて
圧電結晶薄膜７の多孔質部分およびピンホールを絶縁物
で埋める方法、（ｂ）上記積層体を高温酸化性雰囲気下
に置き、圧電結晶薄膜７による被覆がされていないか、
あるいは被覆が不充分なピンホール部分に絶縁性酸化物
皮膜を形成する方法、のいずれかの方法により行うこと
ができる。この封孔処理により、得られる圧電素子２の
性能を向上させることができる。

【００２５】上記封孔処理に使用する絶縁材料またはそ
の前駆材料は、有機系、無機系のいずれでもよい。有機
系材料としては、例えばポリ塩化ビニル，ポリエチレ
ン，ポリプロピレン，ポリエステル，ポリカーボネー
ト，ポリアミド，ポリイミド，エポキシ樹脂，フェノー
ル樹脂，尿素樹脂，アクリル樹脂，ポリアセタール，ポ
リサルフォン，液晶ポリマー，ＰＥＥＫ（ポリエーテル
エーテルケトン）等があげられる。また、無機系材料と
しては、例えばアルミナ，ジルコニア，シリカ，チタニ
ア等の材料をベースにしたセラミックコーティング材
料、金属アルコキシドやポリシラザン等のセラミック前
駆体等があげられる。

【００２６】また、センサを対象物体に沿わせた形状
（例えば曲面状）にした場合には、予め、可撓性基板６
をその形状にし、水熱合成により圧電結晶薄膜７を形成
させる。

【００２７】このようにして、可撓性基板６の両面に圧
電結晶薄膜７を形成したのち、図３に示すように、その
両面に、電極層８を形成することにより、圧電素子２を
得ることができる。

【００２８】上記電極層８の形成は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐ
ｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の導電材料を、上記圧電結晶薄
膜７の表面に堆積させるか、これを被覆することによっ
て行われる。その方法は、特に限定するものではなく、
例えば導電ペーストの塗布、無電解メッキ法、スパッタ
リング法、化学蒸着法等を用いることができる。そし
て、上記電極層８の厚みは、通常、１μｍ以下、特に
０．１μｍ以下に設定することが好適である。

【００２９】このようにして得られた圧電素子２は、図
２に示すように、例えば縦６列・横６列のマトリックス
状に並べられて一枚のシート状に形成され、圧電素子集
合体１とされる。そして、図１に示すように、この圧電
素子集合体１の両面に、上記絶縁フィルム５の裏面が当
接され、絶縁フィルム５の裏面に貫通した端子９の先端
部分の電極９ａが上記圧電素子２の電極層８に接続され
るようにして、絶縁フィルム５がラミネートされる。

【００３０】このようにして得られた分布センサは、圧
力，力等の分布を測定することを目的として、対象とな
る物体の表面に取り付けられる。あるいは、物体の内部
に埋め込まれる。そして、各圧電素子２が感知する圧力
等を検知することにより、圧力等の分布を測定すること
ができる。したがって、上記分布センサは、スポーツシ
ューズや自動車の座席シートの設計関連、工作機械、製
造システム、物流システム等に使用される。

【００３１】また、上記分布センサは、従来の焼結ＰＺ
Ｔを用いた圧電式センサ５２（図２２参照）および歪み
ゲージ式センサと比較すると、増幅器が不要となるた
め、製造工程が短く、低コストが可能となり、さらに、
厚みが薄くなるため、高密度化（１素子の小型化）に対
応しやすい。また、従来と比較して１つ１つ圧力センサ
を並べていく作業が不要となる。また、従来の感圧導電
ゴム式センサと比較すると、ゴムの変形を利用したセン
サではないため、リニア精度に優れ、繰り返し使用によ
り性能が変化しない。また、従来の発色剤式センサと異
なり、繰り返し使用することができる。

【００３２】なお、圧電素子集合体１は、圧電素子２を
上記縦６列・横６列の平面的なマトリックス状に形成し
たものに限らず、複数個の圧電素子２をどのような曲面
に沿って並べたものであってもよい。例えば、圧電素子
２を並べた圧電素子集合体１を、ロボットハンド表面の
曲面に沿う形状にしてもよい。

【００３３】また、上記の例では、圧電素子集合体１の
表裏面を絶縁フィルム５でラミネートしたが、これは、
圧電素子集合体１の圧電素子２が繰り返し応力を受ける
と、可撓性基板６と圧電結晶薄膜７とが剥離するおそれ
があることを考慮したものである。ただし、本発明の分
布センサにおいて、必ずしも上記のように絶縁フィルム
５によるラミネートを行う必要はない。

【００３４】また、上記の例では、圧電素子２を、バイ
モルフ型薄膜ピエゾによって構成しているが、これに限
らず、ユニモルフ型であっても差し支えない。

【００３５】そして、上記圧電素子２の形成方法は、水
熱合成法に限らず、どのような方法によっても差し支え
ないが、１μｍ以上の均一な圧電結晶膜を形成するに
は、上記の例のように、特開平９−２１７１７８号公報
および特開平９−２７８４３６号公報に開示されている
ような水熱合成法を用いることが最適である。そして、
なかでも、水熱合成時に、オートクレーブ１０への鉛直
方向の振動を、３〜５０Ｈｚの範囲内でかけ、金属塩
（硝酸鉛、オキシ塩化ジルコニウム、四塩化チタン）お
よびアルカリ（水酸化カリウム）の混合水溶液中の各々
の濃度を下記のように設定することにより、圧電定数
０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×１０ ^-2〜１．
０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を示す圧電素子２を得ること
が、優れた分布センサ性能を得る上で、好適である。

【００３６】〔水熱合成時の金属塩、アルカリの好適濃度〕硝酸鉛０．１〜１．０ｍｏｌ／リットルオキシ塩化ジルコニウム０．０５〜２．０ｍｏｌ／リットル四塩化チタン０〜０．５ｍｏｌ／リットル水酸化カリウム２．５〜８．０ｍｏｌ／リットル

【００３７】このようにして得られた圧電素子２は、そ
の圧電定数および曲げ剛性が特定の範囲内に設定された
ものであるため、圧力センサ，力センサ，荷重センサ等
に用いた場合、低荷重でも必ずしも増幅器を必要としな
い１０ｍＶ以上の出力レベルを有し、しかも感知面が柔
軟で対象物体の表面を損傷しないだけでなく、圧力変化
に対し優れた感度と応答性を有するセンサとなる。そし
て、非常に薄くて嵩張らない形状に設定することがで
き、また簡単な構成であることから安価で経済的であ
る、という利点を有している。

【００３８】なお、上記圧電定数は、つぎのようにして
求められるものである。すなわち、まず、図５（ａ），
（ｂ）および図６に示すように、電極層２０′が形成さ
れた圧電素子２１を、固定具４０で支受し、図６におい
て矢印で示すように、片持ちの先端部中央（Ｐで示す）
に荷重をかける。そして、上記点Ｐから１．５ｍｍだけ
内側の測定点Ｑの変位量をレーザー変位計で測定すると
ともに、片側の圧電結晶薄膜からの出力電圧をＡ／Ｄ変
換器で測定する。このようにして得られた測定値（＝出
力電圧ピーク値と変位量の比、１０回測定して最小二乗
法により算出）と、図５（ａ），（ｂ）に示す構成上の
ファクターを用い、下記の式（１）によって算出するこ
とができる。

【００３９】

【数１】圧電定数（ｄ₃₁）＝４Ｌ³ＣＶ／〔３ｂｔＥｄ（Ｌ₂ ²−Ｌ₁ ²）〕…（１）Ｖ：出力電圧ｄ：変位量Ｃ：インピーダンス＊インピーダンスアナライザーにより、片側の圧電結晶
薄膜部分の周波数１００Ｈｚにおけるインピーダンスを
測定。Ｅ：ヤング率＊ＪＩＳＺ２２４１に従って測定後、弾性領域の応力
−歪みの傾きから算出。Ｌ，ｂ，ｔ，Ｌ₁，Ｌ₂：図５（ａ），（ｂ）に示す。

【００４０】また、上記曲げ剛性は、上記測定値等を用
いて下記の式（２）によって求めることができる。

【００４１】

【数２】曲げ剛性（Ｄ）＝Ｅｔ³／〔１２（１−υ²）〕…（２）Ｅ，ｔ：式（１）と同じ υ：ポアソン比（＝０．３）

【００４２】図７は、本発明の分布センサの他の実施の
形態を示している。この実施の形態では、分布センサ
は、圧電素子集合体１（図２参照）が支持部材によって
持ち上げ保持されている。すなわち、この分布センサ
は、上記一実施の形態の分布センサにおける各圧電素子
２が、端子が所要のパターンに形成された絶縁フィルム
（図示せず）を介して、その裏面の四隅に設けられた支
持スペーサ３によって、下地基材４上に、所定厚みだけ
持ち上げ保持された構成になっている。それ以外の部分
は、上記一実施の形態と同様であり、同様の部分には同
じ符号を付している。なお、図７では、圧電素子２の積
層構造および端子等を省略している。

【００４３】上記支持スペーサ３および下地基材４は、
樹脂、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ゴム、金属、
無機材料等、ある程度強度を有するものであればどのよ
うな材質であっても差し支えない。そして、その成形方
法も、単に下地基材４と支持スペーサ３とを接着させる
方法だけでなく、材質に応じて適宜の方法を採用するこ
とができる。

【００４４】例えば、樹脂やＴＰＥ、ゴムを用いる場
合、プレス成形やトランスファー成形、インジェクショ
ン成形等によって、上記支持スペーサ３と下地基材４を
一体的に成形することができる。

【００４５】また、下地基材４上の、支持スペーサ３を
形成する予定部分に、レジストを塗工して硬化させるこ
とにより、支持スペーサ３を形成することができる。あ
るいは、下地基材４と銅箔を積層した積層体を準備し、
銅箔の不用部分をエッチング液等によってエッチング除
去することにより、銅箔残部を支持スペーサ３とするこ
とができる。

【００４６】上記支持スペーサ３および下地基材４から
なる支持部材と、上記圧電素子２との一体化は、通常、
上記支持スペーサ３の上面と上記絶縁フィルムの下面
を、接着剤を介して接合することによって行われる。

【００４７】なお、上記支持スペーサ３の厚み（下地基
材４から圧電素子２を持ち上げ保持する高さ）Ｔは、
０．１〜２０ｍｍに設定することが好ましい。すなわ
ち、支持スペーサ３の厚みＴが０．１ｍｍより小さい
と、圧電素子２を持ち上げ保持する効果が小さく、測定
範囲が小さくなり、逆に、支持スペーサ３の厚みＴが２
０ｍｍより大きいと、形状が薄型にならず、実用的でな
いからである。

【００４８】このようにして得られた分布センサは、各
圧電素子２が、支持スペーサ３によって０．１〜２０ｍ
ｍの厚み分だけ持ち上げ保持されているため、感知面が
柔軟で対象物体の表面を損傷しないだけでなく、圧力変
化に対し優れた感度と応答性を発揮する。また、圧電素
子２と支持スペーサ３と下地基材４とは一体で製造する
ことができるため、高密度化（１素子の小型化）に対応
しやすい。また、従来と比較して１つ１つ圧力センサを
並べていく作業が不要となる。さらに、上記一実施の形
態と同様の作用・効果を奏する。

【００４９】なお、この実施の形態においても、必ずし
も上記のように絶縁フィルムによるラミネートを行う必
要はない。したがって、本発明において、「圧電素子２
の裏面側に支持部材を設ける」とは、圧電素子２の裏面
に、直接、支持部材を接合する場合と、上記絶縁フィル
ム等を介して接合する場合の両方を含む趣旨で用いてい
る。

【００５０】また、圧電素子２を持ち上げ保持する支持
部材の形態も、上記の例に限らず、種々の形態に設定す
ることができる。例えば、支持スペーサ３によって、圧
電素子２の裏面を、四隅で支持するのではなく、図８に
示すように、下地基材４上に、左右２本の帯状の支持ス
ペーサ３ａを設け、圧電素子２（図７参照）の左右両端
部を支持するようにしてもよい。

【００５１】また、図９に示すように、下地基材４上の
周縁部全体に、環状に支持スペーサ３ｃを設け、圧電素
子２（図７参照）の周縁部全体を支持するようにしても
よい。

【００５２】そして、様々な形状の対象物体、センサ設
置空間に合わせて、圧電素子２を適宜の形状にすること
ができ、その形状に合わせて、支持部材の形状も適宜変
更することができる。例えば、図１０に示すように、三
角形状の圧電素子２′（図１０では積層構造および端子
等を省略している）に対しては、その三つの角部を支持
スペーサ３ｄで支持するとともに、下地基材４の形状
も、それに合わせて三角形状にすることができる。もち
ろん、図１１に示すように、その周縁部全体を、環状ス
ペーサ３ｅで支持することもできる。

【００５３】また、図１２に示すように、円形状の圧電
素子２″（図１２では積層構造および端子等を省略して
いる）に対しては、円環状スペーサ３ｆで支持すること
もできる。

【００５４】さらに、上記一連の支持スペーサ３等を用
いるのに代えて、図１３に示すように、圧電素子２（図
１３では積層構造および端子等を省略している）を、ゴ
ム，ＴＰＥ，ゲル，発泡体等の弾性材で構成された弾性
体３０で全面的に支持するようにしてもよい。その場
合、下地基材４はあってもなくてもよい。そして、上記
弾性体３０は、圧電素子２の変形にできるだけ追従する
ものであることが好ましく、そのためには、貯蔵弾性率
（動的粘弾性測定法により測定）が１．０×１０ ⁵〜
１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ²の弾性材を用いることが
好適である。ただし、その厚みは、上記一連の支持スペ
ーサ３等と同様、０．１〜２０ｍｍに設定する必要があ
り、より好ましくは０．５〜２０ｍｍである。

【００５５】また、本発明において、センサの出力をよ
り安定化させるために、例えば図１４に示すような、下
面中央に凸部３１が形成された凸カバー３２を、図１５
に示すように、圧電素子２の上に、端子が所要のパター
ンに形成された絶縁フィルム（図示せず）を介して、重
ねて一体化することができる。このようにすると、支持
スペーサ３等によって中央部が空隙となるよう支持され
た構造のセンサ（図７等参照）、あるいは全体が柔軟な
弾性体３０で支持された構造のセンサ（図１３参照）に
対し、上方から荷重がかかった場合に、上記凸部３１で
集中的に圧電素子２を押圧することができるため、より
大きく、しかも偏りなく圧電素子２が変位する。

【００５６】上記凸カバー３２において、凸部３１は、
圧電素子２と上記絶縁フィルム（図示せず）を介して接
触もしくは接着すれば足りるのであり、その形状は、球
状、半球状、直方体状等、どのような形状であっても差
し支えはない。また、寸法も、圧電素子２を押圧する
際、これをスムーズに押すことができれば、どのような
寸法であっても差し支えはない。そして、上記凸カバー
３２は、下地基材４と支持スペーサ３からなる支持部材
を作製する方法と同様にして作製することができる。

【００５７】この場合も、圧電素子２と支持スペーサ３
と下地基材４と凸カバー３２とは一体で製造することが
できるため、高密度化（１素子の小型化）に対応しやす
い。さらに、上記一実施の形態と同様の作用・効果を奏
する。

【００５８】なお、上記図７〜図１３に示す支持部材
は、一枚のシート状のように一体に形成されることが好
ましい。すなわち、一枚の広い下地基材４上に、各圧電
素子２に当接する配置で支持スペーサ３または弾性体３
０が形成されていることが好ましい。また、上記凸カバ
ー３２も、一枚のシート状に形成されることが好まし
い。すなわち、一枚の広い凸カバー３２の下面に、各圧
電素子２の中央部に当接する配置で凸部３１が形成され
ていることが好ましい。その一例を図１６に示す。

【００５９】また、センサを対象物体に沿わせた形状
（例えば曲面状）にした場合には、下地基材４や凸カバ
ー３２についても同様の形状にするのが好ましい。

【００６０】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００６１】

【実施例１】硝酸鉛１２０ｍｍｏｌ、オキシ塩化ジルコ
ニウム５８．３ｍｍｏｌおよび水酸化カリウム１６４２
ｍｍｏｌを水に溶解した溶液３６０ミリリットルを、テ
フロン内張りオートクレーブ容器内に入れた。また、チ
タン箔（可撓性基板）を、所定形状に切断し、洗浄，乾
燥したのち、上記オートクレーブ内に装入して密閉し
た。そして、オイル（シリコーンオイル）バス中で、加
圧下で約１５０℃で約４８時間、鉛直方向に３０Ｈｚの
振動を加えて水熱合成処理を行うことにより、チタン箔
の両面に、所定厚みでチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
の結晶層（圧電結晶薄膜）を形成した。そして、ＲＦス
パッタリング法により、上記ＰＺＴ層の表面に、厚み１
０ｎｍの白金電極層を形成することにより、圧電素子６
２（図１７参照。なお、図１７では、圧電素子６２の可
撓性基板と圧電結晶薄膜との積層構造を省略している）
を得た。

【００６２】そして、図１７に示すように、上記圧電素
子６２を縦２列・横２列の平面的なマトリックス状に並
べて一枚のシート状に形成した圧電素子集合体６１を作
製し、この圧電素子集合体６１を銅箔による電極６３お
よび端子６４が所要のパターンに形成された絶縁フィル
ム（保護フィルム）６５で上下から挟むことにより、圧
電積層体６０を作製した。なお、上記銅箔（電極６３お
よび端子６４）の厚みは１８μｍ、絶縁フィルム６５の
材質はポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）で、
その厚みは２５μｍである。また、絶縁フィルム６５の
裏面に形成される粘着剤層（接着剤層）はアクリル系ポ
リマーで形成されており、その厚みは５μｍである。

【００６３】一方、図１８に示す支持部材６６（下地基
材６６ａおよび支持スペーサ６６ｂ）をつぎのようにし
て作製した。すなわち、材料としてポリカーボネート樹
脂（ＰＣ）を用い、インジェクション成形により、支持
部材６６を一体成形した。そして、上記圧電積層体６０
と支持部材６６とを接合することにより実施例１のセン
サを得た。

【００６４】

【実施例２】さらに、図１９に示す凸カバー６７を上記
支持部材６６（図１８参照）と同様にして一体成形し
た。そして、上記実施例１品の各圧電素子６２（図１７
参照）の中央部に凸部６８が位置するように凸カバー６
７を接合することにより実施例２のセンサを得た。

【００６５】

【比較例１】上記実施例と同様にして得た各圧電素子６
２（図１７参照）を、銅箔による電極および端子が形成
された絶縁フィルム（保護フィルム）で上下から挟むこ
とにより、圧電積層体を作製した。また、図１８に示す
支持部材６６と同様な製法により図７に示すような４点
支持の支持部材を作製した。そして、これら圧電積層体
と支持部材とを接合することにより比較例１のセンサを
得た。さらに、これらセンサを一枚のシート状に形成せ
ずに、１つ１つ縦２列・横２列の平面的なマトリックス
状に並べた。

【００６６】

【比較例２】図１４に示す凸カバー３２を上記支持部材
６６（図１８参照）と同様にして一体成形した。そし
て、上記比較例１品の各圧電素子６２（図１７参照）の
中央部に凸部３１が位置するように凸カバー３２を接合
することにより実施例２のセンサを得た。さらに、これ
らセンサを一枚のシート状に形成せずに、１つ１つ縦２
列・横２列の平面的なマトリックス状に並べた。

【００６７】これらの実施例品および比較例品に対し、
図２０に示すように、各圧電素子６２（図２０では積層
構造および端子等を省略している）の中央部に向かっ
て、５ｃｍ上方から直径１０．０ｍｍの剛球６９を落下
させることにより衝撃荷重を加え、Ａ／Ｄ変換器により
出力電圧を測定した（測定値は１０回の平均値）。そし
て、各圧電素子６２からのピーク出力電圧の平均値およ
び標準偏差を算出した。その結果、センサ特性について
は、上記平均値が１０ｍＶ以上、標準偏差が０．５以下
かつすべての圧電素子６２で規則性のある波形（図２１
参照）を示すセンサを○と判定した。また、作業性につ
いては、対象物体への取り付け時間が短時間である場合
を○、長時間である場合を×と判定した。さらに、総合
判定として、センサ特性および作業性の判定が両方とも
○のものを○、それ以外のものを×と判定した。その結
果を下記の表１に併せて示す。

【００６８】

【表１】

【００６９】上記表１より、実施例の分布センサが１つ
１つ並べた比較例の分布センサと同様のセンサ性能をも
つことがわかる。なお、比較例品では、センサを高密度
化すればするほど取り付け時間がかかるようになる。

【００７０】

【発明の効果】以上のように、本発明の分布センサによ
れば、圧力，力等の分布を測定する際、その対象となる
物体の表面に、面として取り付けたり、物体の内部に埋
め込んだりして、簡単に、高密度かつ高感度で圧力，力
等の分布測定を行うことができる。また、安価で経済的
であり、しかも、繰り返し使用しても性能が変化しな
い。

【００７１】また、本発明において、上記圧電素子の裏
面側に、支持部材が設けられており、上記支持部材によ
って各圧電素子が持ち上げ保持されている場合には、感
知面が柔軟で対象物体の表面を損傷しないだけでなく、
圧力変化に対し優れた感度と応答性を発揮する。そのな
かでも特に、上記圧電素子の表面側に、一枚のシート状
カバーが設けられ、上記カバー下面に、持ち上げ保持さ
れた各圧電素子の表面を部分的に押圧しうる凸部が所定
間隔で突設されている場合には、上記凸部で集中的に圧
電素子を押圧することができるため、より大きく、しか
も偏りなく圧電素子が変位し、より優れた感度と応答性
を発揮する。

【００７２】さらに、本発明において、上記圧電素子
が、圧電定数０．１〜２０ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×
１０^-2〜１．０×１０³Ｎ・ｍｍの特性を示すものであ
る場合には、とりわけ優れた出力性能を備えている。

【００７３】また、本発明において、上記圧電結晶薄膜
として鉛を含有する複合酸化物薄膜を用いたセンサ、そ
して、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成したセ
ンサは、特に優れた性能を備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分布センサの一実施例を示す分解斜視
図である。

【図２】上記実施例に用いる圧電素子集合体の説明図で
ある。

【図３】上記実施例に用いる圧電素子の説明図である。

【図４】上記実施例に用いる圧電素子の製法の説明図で
ある。

【図５】（ａ），（ｂ）は圧電素子の出力電圧測定法の
説明図である。

【図６】圧電素子の出力電圧測定法の説明図である。

【図７】本発明の分布センサの他の実施例を示す斜視図
である。

【図８】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図９】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１０】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１１】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１２】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１３】上記支持部材の変形例の説明図である。

【図１４】本発明に用いられる凸カバーの説明図であ
る。

【図１５】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１６】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１７】実施例における圧電積層体を示す分解斜視図
である。

【図１８】実施例における支持部材を示す斜視図であ
る。

【図１９】実施例における凸カバーを示す斜視図であ
る。

【図２０】実施例におけるセンサの出力電圧測定法を示
す説明図である。

【図２１】実施例における出力電圧波形を示す線図であ
る。

【図２２】従来の圧力の分布を知る方法を示す説明図で
ある。

【図２３】従来の圧力の分布を知る方法を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１圧電素子集合体２圧電素子５絶縁フィルム８電極層９端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日比野真吾愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地東海ゴム工業株式会社内Ｆターム(参考） 2F051 AA01 AA18 AA19 AA21 AB08 AC01 BA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可撓性基板の片面もしくは両面に圧電結
晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極が取り付け
られた圧電素子が複数個、任意に並べられて一枚のシー
ト状に形成され、各電極に端子が接続されていることを
特徴とする分布センサ。
【請求項２】上記圧電素子の裏面側に、支持部材が設
けられており、上記支持部材によって各圧電素子が持ち
上げ保持されている請求項１記載の分布センサ。
【請求項３】上記支持部材が、下地基材と、この下地
基材上に設けられ上記圧電素子裏面を部分的に支持する
支持スペーサとで構成されている請求項２記載の分布セ
ンサ。
【請求項４】上記支持部材が、上記圧電素子裏面全面
に貼着される弾性体で構成されている請求項２記載の分
布センサ。
【請求項５】上記圧電素子の表面側に、一枚のシート
状カバーが設けられており、上記カバー下面には、持ち
上げ保持された各圧電素子の表面を部分的に押圧しうる
凸部が所定間隔で突設されている請求項２〜４のいずれ
か一項に記載の分布センサ。
【請求項６】上記圧電素子が、圧電定数０．１〜２０
ｐＣ／Ｎ、曲げ剛性１．０×１０^-2〜１．０×１０³Ｎ
・ｍｍの特性を示すものである請求項１〜５のいずれか
一項に記載の分布センサ。
【請求項７】上記圧電結晶薄膜が鉛を含有する複合酸
化物薄膜である請求項１〜６のいずれか一項に記載の分
布センサ。
【請求項８】上記圧電結晶薄膜が水熱合成によって形
成されたものである請求項１〜７のいずれか一項に記載
の分布センサ。