JP2000337971A

JP2000337971A - 柔軟センサ

Info

Publication number: JP2000337971A
Application number: JP14883899A
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: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】感知面が非常に柔軟で、ごく微妙な圧力変化に
対し優れた感度と応答性を有する柔軟センサを提供す
る。【解決手段】樹脂フィルム１６の片面に、厚み１００〜
２００００Åのチタン薄膜１８が蒸着形成され、このチ
タン薄膜１８の上に厚み０．５〜５０μｍの圧電結晶薄
膜１９が形成され、さらにその上に電極層２０が形成さ
れてなる圧電積層体２を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力や歪みを敏感
に感知することのできる柔軟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。

【０００３】例えば、物体の接触圧を感知するセンサ
は、バリ取り，研削作業，組み立て作業等の力制御を行
うことが可能なロボット、病人の体表面と寝具の間に生
じる接触による床ずれ現象を防止するためのマット，エ
アマットの設計およびその接触圧を測定する装置、自動
車の座席シート，スポーツシューズの設計等に使用され
ている。また、流体・気体圧を感知するセンサは、流量
計，自動車の燃焼センサ，掃除機の真空度を制御する圧
力センサ等に使用されている。

【０００４】このように、微妙な圧力変化や変位，歪み
等を感知する圧力センサ，力センサ，荷重センサとして
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、水熱合成法やスパッタリング法等により基材上に圧
電薄膜を積層した圧電素子を利用した圧電式センサ等が
あげられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のセンサは、いずれも、まだまだ圧電積層体の厚みが厚
いため、ごく微妙な圧力変化等に追従して変位させるこ
とができず、したがって、そのようなごく微妙な圧力変
化を正確に感知することができないという問題を有して
いる。

【０００６】そこで、上記問題を解決するため、本出願
人は、低荷重でも必ずしも増幅器を必要としない１０ｍ
Ｖ以上の出力レベルでしかも感知面が柔軟で、圧力変化
に対し優れた感度と応答性を有し、しかもコンパクトで
薄型形状を維持しており、安価で経済的な圧力センサ，
力センサとして、例えばつぎのようなセンサを開発し
た。

【０００７】すなわち、図１４に示すように、まず、平
面視四角形状の可撓性基板１５の両面に圧電結晶薄膜１
９を形成し、この圧電結晶薄膜１９の表面に電極層（電
極）２０を取り付けることにより、圧電素子２１を形成
する。ついで、この圧電素子２１を、図１５に示すよう
に、銅箔等の金属材料からなる電極フィルム２２で挟ん
だ状態で、上下方向から、保護フィルム（絶縁フィル
ム）２３をラミネートすることにより、圧電積層体２を
形成する。なお、２２ａは端子、２４は電極フィルム２
２固定用の粘着剤層である。つぎに、上記圧電積層体２
を、図１６に示すように（図１６では積層構造および側
方に延びる端子等を省略している）、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する。このようにして作製さ
れた圧力検知部５をセンサとして用いると、上記問題を
解決することができる。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、感知面が非常に柔軟で、ごく微妙な圧力変化に
対し優れた感度と応答性を有する柔軟センサの提供をそ
の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の柔軟センサは、樹脂フィルムの片面もしく
は両面に、厚み１００〜２００００Åのチタン薄膜が蒸
着形成され、このチタン薄膜の上に厚み０．５〜５０μ
ｍの圧電結晶薄膜が形成され、さらにその上に電極層が
形成されてなる圧電積層体を備えているという構成をと
る。

【００１０】すなわち、本発明の柔軟センサは、従来の
圧電式センサのように、圧電薄膜を支受する基材として
金属基板を用いるのではなく、樹脂フィルム上に蒸着形
成された、厚み１００〜２００００Åという非常に薄い
チタン薄膜を用いるようにしたものである。したがっ
て、このチタン薄膜上に厚み０．５〜５０μｍの圧電結
晶薄膜を形成して得られる圧電積層体も非常に薄いもの
となり、従来実現することのできなかった、極めて柔軟
な特性を示す。このため、ごく微妙な圧力変化等にも追
従して変位を生じさせることができ、これを電圧として
安定して出力させることができる。

【００１１】なお、本発明において、「電圧が安定した
出力を行う」とは、本発明にかかる柔軟センサを用いて
出力電圧ピーク値を１０回測定して、その測定値の標準
偏差が０．３以下であることをいう。

【００１２】そして、本発明において、上記チタン薄膜
がスパッタリングによって形成されたものは、チタン薄
膜が均一な厚みで形成されているため、好適である。

【００１３】また、本発明において、上記チタン薄膜が
形成される樹脂フィルム表面が、コロナ処理もしくはプ
ラズマ処理されているものは、特にチタン薄膜と樹脂フ
ィルムとが剥離しにくく、長期にわたって良好に使用す
ることができる。

【００１４】そして、本発明において、上記電極層を、
電極パターンが形成された接着層または粘着層付の樹脂
フィルムを圧電結晶薄膜上に重ねることによって形成し
たものは、複数の電極層を形成する場合等に、これを簡
単に形成することができ、好適である。

【００１５】さらに、本発明において、上記圧電積層体
の裏面側に、支持部材が設けられて圧電積層体が持ち上
げ保持されている場合には、圧力変化に対し、より優れ
た感度と応答性を発揮する。また、そのなかでも特に、
上記支持部材が、上記圧電積層体の裏面全体に貼着され
る弾性体で構成されているものや、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積層体裏
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
ものが好適である。

【００１６】また、本発明において、上記圧電積層体の
表面側に、一枚のカバーが設けられており、上記カバー
下面に、上記圧電積層体の表面を部分的に押圧する凸部
が突設されたものは、上記凸部で集中的に圧電積層体を
押圧することができるため、より大きく、しかも偏りな
く圧電積層体を変位させることができ、出力がより大き
くなるため、好ましい。

【００１７】さらに、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もの、上記圧電結晶薄膜を
水熱合成によって形成したものは、膜厚が一定で非常に
薄い圧電結晶薄膜が得られ、しかもこのものは非常に圧
電性能が高いため、非常に柔軟なセンサとなり、好適で
ある。そして、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形
成する場合、特に、チタン薄膜が形成される表面をコロ
ナ処理もしくはプラズマ処理したものは、水熱合成時に
チタンが基板表面から剥離しにくく、安定した成膜を得
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を説
明する。

【００１９】図１は，本発明の一実施の形態を示してい
る。すなわち、このセンサ１は、樹脂フィルム１６の片
面に、蒸着によってチタン薄膜１８を形成し、さらにそ
の上に、圧電結晶薄膜１９を形成したのち、その上に、
電極層２０を介して、樹脂フィルム１７を被覆して得ら
れる圧電積層体２からなり、全体がごく薄い柔軟なシー
ト状になっている。

【００２０】上記樹脂フィルム１６，１７は、ともに、
一定の強度を有し、内部の積層構造を保護しうるもので
あれば、どのような材質の樹脂フィルムであっても差し
支えはないが、圧電結晶薄膜１９を水熱合成によって形
成する場合には、絶縁性，耐熱性，耐薬品性等の点か
ら、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、
ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、液晶高分子（ＬＣ
Ｐ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリス
ルフォン（ＰＳＦ）等が用いられ、なかでも特に、ＰＥ
ＥＫが好適である。

【００２１】上記樹脂フィルム１６，１７の材質は、互
いに同一であっても異なっていてもよいが、通常、取扱
いの便から、同一のものが用いられる。そして、その厚
みは、通常、ともに１０〜１５０μｍに設定することが
好適である。すなわち、１０μｍより薄いと、製品（例
えばセンサ）として使用する場合、製造時に破れる可能
性が大きくなり、逆に１５０μｍより厚いと、得られる
圧電積層体２が厚くなり、柔軟性が乏しくなるおそれが
あるからである。

【００２２】そして、上記樹脂フィルム１６の片面への
チタン薄膜１８の形成は、化学蒸着（ＣＶＤ），真空蒸
着，スパッタリング等の蒸着技術によって行われるが、
なかでも、スパッタリングを用いることが、均一に薄膜
を形成することができる点で好適である。なお、上記樹
脂フィルム１６とチタン薄膜１８の接合強度を高めるた
めに、上記樹脂フィルム１６の、チタン薄膜１８を形成
する面に対し、予めコロナ処理，プラズマ処理等を施し
ておくことが好適である。

【００２３】上記チタン薄膜１８の厚みは、１００〜２
００００Åに設定することが必要である。すなわち、１
００Åより薄いと、このチタン薄膜１８の上に圧電結晶
薄膜１９を形成することが困難となり、逆に２００００
Åを超えると、薄膜形成に時間がかかり、経済的でない
とともに、得られる圧電積層体２が厚くなって柔軟性が
損なわれるからである。なお、このチタン薄膜１８は、
圧電結晶薄膜１９を形成するための基板として機能する
だけでなく、圧電結晶薄膜１９に対する裏面電極として
の機能を果たす。

【００２４】また、上記チタン薄膜１８の上に形成され
る圧電結晶薄膜１９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形成される
ものが好適である。

【００２５】上記圧電結晶薄膜１９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。

【００２６】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、上記チタン薄膜１８が形成された樹脂フ
ィルム１６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、チタン薄膜１８の表面
に、圧電結晶薄膜１９が形成される（ユニモルフ型）。

【００２７】このようにして得られる圧電結晶薄膜１９
の厚みは、０．５〜５０μｍに設定することが必要で、
なかでも１〜３０μｍに設定することが好適である。す
なわち、厚みが０．５μｍ未満では充分なセンサ出力が
得られにくく、逆に５０μｍを超えるとせっかく蒸着さ
れたごく薄いチタン薄膜１８を用いているにもかかわら
ず、得られる圧電積層体２の柔軟性が乏しくなるからで
ある。

【００２８】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２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。

【００２９】さらに、上記水熱合成によって得られたチ
タン薄膜１８−圧電結晶薄膜１９の積層体表面を封孔処
理してもよい（特願平８−２７７８２６号）。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１９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、薄膜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、得られる圧電積層体２の性能
を向上させることができる。

【００３０】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。

【００３１】このようにして、チタン薄膜１８の上に圧
電結晶薄膜１９を形成したのち、その上に電極層２０を
形成し、さらに電極層２０が形成されていない部分も含
めて、表面全体を樹脂フィルム１７で被覆し一体化する
ことにより、圧電積層体２を得ることができる。なお、
上記樹脂フィルム１７には、予めその接合面に粘着層
（接着層）が形成しておくようにする。また、上記樹脂
フィルム１７には、上記電極層２０に接続される端子
（図示せず）も設けておくことが望ましい。

【００３２】上記電極層２０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１９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２０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。

【００３３】なお、上記電極層２０は、上記のように、
圧電結晶薄膜１９の上に形成する以外に、つぎのように
して形成してもよい。すなわち、予め樹脂フィルム１７
上に、スクリーン印刷やエッチング等により、電極層２
０となる部分と端子となる部分とで構成された電極パタ
ーンを形成しておき、この電極パターン付の樹脂フィル
ム１７で、上記圧電結晶薄膜１９が形成された表面を被
覆するようにしてもよい。この方法によれば、適宜の電
極パターンを簡単に形成することができ、しかも電極層
２０と樹脂フィルム１７とを同時に積層することができ
るため、製造効率がよい。

【００３４】このようにして得られる柔軟センサ１は、
全体が、非常に柔軟で、微妙な圧力変化に対し優れた感
度と応答性を発揮するため、ごく小さな圧力変化を読み
取る必要のある風向センサとして用いたり、きめ細かな
圧力制御や流量制御等を必要とする制御装置等のセンサ
部分に用いるのに最適である。また、ロボットハンドの
動作部や、バーチャルゲームのグローブ部分等、所定の
動作に追従して変形しながらその圧力を感知する部分に
も、好適に用いられる。

【００３５】なお、上記の例では、圧電積層体２を、ユ
ニ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、バイモルフ型であっても差し支えない。

【００３６】そして、上記圧電積層体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、０．５μｍ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、圧電性能
に優れる圧電積層体２を得ることが、優れたセンサ性能
を得る上で、好適である。

【００３７】〔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

【００３８】なお、本発明の柔軟センサ１は、上記の例
のように、圧電積層体２のみで構成したものであっても
よいし、圧電積層体２の裏面側に支持部材を設け、この
支持部材によって圧電積層体２を一定の高さに持ち上げ
保持したものであってもよい。

【００３９】例えば、上記支持部材を用いた例として、
図３に示すように、圧電積層体２の裏面全体に、所定厚
みの弾性体３０を貼着した構造の柔軟センサをあげるこ
とができる。上記弾性体３０としては、ゴム，熱可塑性
エラストマー（ＴＰＥ），ゲル，発泡体等、各種の弾性
材を用いることができるが、上記圧電積層体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
１．０×１０⁵〜１．０×１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ ²である
ことが好適である。そして、上記弾性体３０の厚みは、
柔軟センサの取り付け条件等によるが、通常、０．１〜
２０ｍｍ、なかでも０．５〜２０ｍｍ程度に設定するこ
とが好適である。

【００４０】また、圧電積層体２を持ち上げ保持する他
の支持部材として、例えば、図４に示すように、長方形
状の圧電積層体２（図示せず）の四隅を、４個の支持ス
ペーサ３によって持ち上げて支持する構造のもの（図１
６参照）があげられる。４は下地基材である。

【００４１】上記支持スペーサ３および下地基材４は、
樹脂、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。

【００４２】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。

【００４３】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、
銅箔の不用部分を溶剤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。

【００４４】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、前記圧電積層体２との一体化は、通
常、上記支持スペーサ３の上面と圧電積層体２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。

【００４５】なお、上記支持スペーサ３および下地基材
４からなる支持部材の厚みは、図３の構造の場合と同
様、０．１〜２０ｍｍ、なかでも０．５〜２０ｍｍ程度
に設定することが好適である。

【００４６】また、支持スペーサ３によって、圧電積層
体２の裏面を、四隅で支持するのではなく、図５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、圧電積層体２の左右両端部を支持するよ
うにしてもよい。

【００４７】また、図６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、圧電積
層体２の周縁部全体を支持するようにしてもよい。

【００４８】そして、様々な形状の対象物品、センサ設
置空間に合わせて、圧電積層体２自身を適宜の形状にす
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７に示すよう
に、三角形状の圧電積層体２′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８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。

【００４９】また、図９に示すように、円形状の圧電積
層体２″に対しては、円環状スペーサ３ｆで支持するこ
ともできる。

【００５０】さらに、本発明において、柔軟センサの出
力をより安定化させるために、例えば図１０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、
柔軟センサの上に重ねて一体化することができる。この
ようにすると、全体が柔軟な弾性体３０で支持された構
造の柔軟センサ（図３参照）、あるいは支持スペーサ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柔
軟センサ（図４〜図９参照）に対し、上方から荷重がか
かった場合に、図１１に示すように、上記凸部３１で集
中的に圧電積層体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積層体２が変位する。

【００５１】上記凸カバー３２において、凸部３１は、
圧電積層体２と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
積層体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。

【００５２】なお、上記凸カバー３２は、上記の例に限
らず、本発明の、各種支持形態の柔軟センサと組み合わ
せて用いることができる。

【００５３】また、本発明において、図１の柔軟センサ
１は、圧電積層体２が１素子を構成するものであるが、
広い面積の圧電積層体において、圧電素子を多数、マト
リックス状に分布形成させた構造にすることもできる。
すなわち、例えば図１２に示すように、樹脂フィルム１
６上に、縦横複数列のマトリックス状にチタン薄膜１８
を形成し、各チタン薄膜１８上に、水熱合成等によって
圧電結晶薄膜１９をそれぞれ形成する。一方、樹脂フィ
ルム１７上に、上記各圧電結晶薄膜１９の表面と接する
電極層２０とそこから端面まで延びる端子とを有する電
極パターンを形成し、その電極パターン形成面を上記圧
電結晶薄膜１９形成面に重ねるようにして樹脂フィルム
１７を被せる。これにより、圧電素子が規則正しくマト
リックス状に並んだ柔軟センサを、簡単に得ることがで
きる。この柔軟センサは、微妙な圧力が面としてかかる
場合に各部位における圧力分布を測定する分布センサ５
０として用いることが好適である。

【００５４】そして、上記分布センサ５０の構造をとる
場合、例えば図１３に示すように、前述の支持部材に相
当するものとして、下地基材６０と、圧電素子と圧電素
子との間に裏面側から格子状に当接するよう設けられた
凸条の支持スペーサ６１とを有するシート状支持部材６
２を用意し、前述の凸カバー３２に相当するものとし
て、一枚のシート６３の下面に、所定間隔で押圧用の凸
部６４が圧電素子の数だけ形成された凸カバー６５を用
意し、これらを図示のように上記分布センサに組み合わ
せて用いることが好適である。もちろん、上記シート状
支持部材６２に代えて、例えば図３〜図９に示すような
各種の支持構造を、圧電素子の配置に合わせて連続的に
設けたものを用いることができる。

【００５５】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００５６】

【実施例１〜８】樹脂フィルムとして厚み５０μｍのＰ
ＥＥＫフィルムを用い、その片面に、スパッタリング法
により、所定厚みのチタン薄膜（２５ｍｍ×２５ｍｍ）
を蒸着形成した。また、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１６４２ｍｍｏｌ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。そして、上記チタン薄膜が形成された樹脂フィルム
（３０ｍｍ×３０ｍｍ）を上記オートクレーブ内に装入
して密閉し、オイルバス中で、加圧下、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、上記チタン薄膜の表面に、厚み
５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶層を形
成した。そして、その上に、スパッタリング法により、
厚み１００Åの白金電極を形成した。一方、上記樹脂フ
ィルムと同様の樹脂フィルム（３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚
み５０μｍのＰＥＥＫフィルム）の表面に、アクリル系
ポリマーからなる厚み５μｍの粘着層（接着層）を形成
し、銅箔からなる電極および端子を形成してして電極フ
ィルムとした。

【００５７】そして、チタン薄膜上にＰＺＴ結晶薄膜が
形成された樹脂フィルムの薄膜形成面と、上記電極フィ
ルムの電極パターン形成面とを重ねて接合一体化するこ
とにより、圧電積層体を得た。そして、この圧電積層体
の裏面に、厚み３ｍｍの発泡シリコーンゴムを支持部材
として接合して、目的とする柔軟センサを得た。なお、
実施例７品については、チタン薄膜の形成に先立ち、樹
脂フィルム表面にコロナ処理を施し、実施例８品につい
ては、同じくチタン薄膜の形成に先立ち、樹脂フィルム
表面にプラズマ処理を施した。

【００５８】

【比較例１，２】また、上記実施例１〜８の作製方法に
準じて、チタン薄膜の厚みが本発明の範囲外となる２種
類の柔軟センサを作製した。

【００５９】

【比較例３，４】さらに、樹脂フィルム上にチタン薄膜
をスパッタリングで形成したものを用いるのではなく、
所定厚みのチタン箔を用意し、このチタン箔表面に水熱
合成によってＰＺＴ結晶薄膜を形成させるようにした。
そして、片面のＰＺＴ結晶薄膜を削り落としてユニモル
フ型としたのち、上記実施例１〜８と同様にして形成し
た電極パターンフィルムの間に上記ユニモルフ型を挟み
込み、圧電積層体を得た。それ以外は、上記実施例１〜
８と同様にして、２種類の柔軟センサを得た。

【００６０】これらの実施例品、比較例品に対し、その
中央部に向かって、５ｃｍ上方から直径１０．０ｍｍの
鋼球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、センサ特性については、ピーク出力電圧
が１０ｍＶ以上で規則性のある波形を示すセンサを○と
判定した。また、センサ表面の感触から、充分な柔軟性
を備えているセンサを、柔軟性○と判定した。さらに、
その他の因子についても判定し、全てが○の場合にの
み、総合判定を○とした。これらの結果を、下記の表１
〜表３に示す。

【００６１】

【表１】

【００６２】

【表２】

【００６３】

【表３】

【００６４】

【実施例９〜１２】チタン薄膜を形成する樹脂フィルム
と、電極パターンを形成する樹脂フィルムを、ともにＰ
ＥＥＫではなく、下記の表４に示すとおり、ポリエーテ
ルサルホン（ＰＥＳ）、液晶高分子（ＬＣＰ）、ポリフ
ェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルフォン（Ｐ
ＳＦ）に代えた。それ以外は、上記実施例１〜８と同様
にして４種類の柔軟センサを得た。そして、上記と同様
にして出力電圧等を測定し、同様の評価を行った。その
結果を下記の表４に併せて示す。

【００６５】

【表４】

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明の柔軟センサは、
圧電結晶薄膜を形成するための基板として、単なる基板
や箔を用いるのではなく、樹脂フィルム上に所定厚みの
チタン薄膜を形成したものを用いているため、全体が、
非常に柔軟で、ごく微妙な圧力変化に対しても優れた感
度と応答性を発揮するようになっている。しかも、その
出力電圧が非常に安定しているため、センサ特性が良好
である。そして、全体が簡単な構成で、製造も容易であ
ることから、安価で経済的である、という利点も備えて
いる。したがって、ごく小さな圧力変化を読み取る必要
のある部分に、広く用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す部分的な断面図であ
る。

【図２】上記実施例に用いる圧電積層体の製法の説明図
である。

【図３】本発明の他の実施例を示す説明図である。

【図４】上記実施例における支持部材の変形例の説明図
である。

【図５】上記支持部材の他の変形例の説明図である。

【図６】上記支持部材の他の変形例の説明図である。

【図７】上記支持部材の他の変形例の説明図である。

【図８】上記支持部材の他の変形例の説明図である。

【図９】上記支持部材の他の変形例の説明図である。

【図１０】本発明において、組み合わせて用いることの
できる凸カバーの説明図である。

【図１１】上記凸カバーを取り付けた状態を示す説明図
である。

【図１２】本発明を分布センサに適用した例の説明図で
ある。

【図１３】上記分布センサに、凸カバーを組み合わせた
例の説明図である。

【図１４】本発明に先立って開発されたセンサに用いら
れる圧電素子の説明図である。

【図１５】上記圧電素子を用いて圧電積層体を得る方法
の説明図である。

【図１６】上記圧電積層体を用いてセンサを得る方法の
説明図である。

【符号の説明】

１柔軟センサ２圧電積層体１６樹脂フィルム１８チタン薄膜１９圧電結晶薄膜２０電極層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂フィルムの片面もしくは両面に、厚
み１００〜２００００Åのチタン薄膜が蒸着形成され、
このチタン薄膜の上に厚み０．５〜５０μｍの圧電結晶
薄膜が形成され、さらにその上に電極層が形成されてな
る圧電積層体を備えていることを特徴とする柔軟セン
サ。
【請求項２】上記チタン薄膜がスパッタリングによっ
て形成されたものである請求項１記載の柔軟センサ。
【請求項３】上記樹脂フィルムのチタン薄膜形成面
が、コロナ処理もしくはプラズマ処理されている請求項
１または２に記載の柔軟センサ。
【請求項４】上記電極層が、電極パターンが形成され
た接着層または粘着層付の樹脂フィルムを、圧電結晶薄
膜上に重ねることによって形成されている請求項１〜３
のいずれか一項に記載の柔軟センサ。
【請求項５】上記圧電積層体の裏面側に、支持部材が
設けられており、上記支持部材によって、圧電積層体が
持ち上げ保持されている請求項１〜４のいずれか一項に
記載の柔軟センサ。
【請求項６】上記支持部材が、上記圧電積層体の裏面
全体に貼着される弾性体で構成されている請求項５記載
の柔軟センサ。
【請求項７】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積層体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５記載の柔軟
センサ。
【請求項８】上記圧電積層体の表面側に、一枚のカバ
ーが設けられており、上記カバー下面には、持ち上げ保
持された圧電積層体の表面を部分的に押圧しうる凸部が
突設されている請求項５〜７のいずれか一項に記載の柔
軟センサ。
【請求項９】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１〜８のいずれか一項に記載の柔
軟センサ。
【請求項１０】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１〜９のいずれか一項に記
載の柔軟センサ。