JP2005347364A

JP2005347364A - 伸縮可能な圧電素子

Info

Publication number: JP2005347364A
Application number: JP2004162802A
Authority: JP
Inventors: Morihito Akiyama; 守人秋山; Naohiro Ueno; 直広上野; Toshihiro Kanbara; 敏浩蒲原; Kazuhiro Nonaka; 一洋野中
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】伸縮弾性を有する基板を伸長させても電極層が容易に切断することなく、高い信頼性を持って圧力の検出ができる伸縮可能な圧電素子を提供すること。
【解決手段】伸縮弾性を有する基板２の片面側又は両面側に基板を伸長させた状態で、電極層３及び圧電体結晶薄膜１が形成されている伸縮可能な圧電素子Ａである。
また、伸縮弾性を有する基板２の片面側又は両面側に、伸縮弾性を有する電極層３及び圧電体結晶薄膜１が形成された伸縮可能な圧電素子Ａである。
そして、電極層３は、導電ペースト、導電性ゴム、導電性高分子等が採用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に圧電体結晶薄膜や電極層が形成された伸縮可能な圧電素子に関する。
特に、圧力の検出、アクチュエータ、ロボットの人工皮膚等に用いるのに適した伸縮可能な圧電素子に関する。

従来、圧力センサーとして、圧力によって形状が変化する性質を利用したものが多く用いられている。
具体的には、金属ダイヤフラムの表面に歪ゲージを貼り付け抵抗値の変化を検出するものや、ダイヤフラムと歪ゲージをシリコーン半導体で一体形成したものがある。
更に高分子中に導電性粒子を分散させ変形による抵抗値変化を検出するものや、また圧電効果（ピエゾ効果）を利用した圧電素子が知られている。

ところでこのうちの圧電素子は、圧電体と電極を一体化したもので比較的、簡単な構造であることから、圧力センサーとして種々の分野で利用されている。
しかし、変形しない剛直化した圧電素子は、例えば人体やロボット等の複雑な形状をした被検体に十分適用することはできない。
そのために、いわゆる可撓性を有する圧電素子が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特に、可撓性機能を与えるために可撓性を有する基板に圧電体結晶薄膜が形成された圧電素子も提供されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２６４０９号公報特開２０００−２７７８２５号公報

しかしながら、上述したような基板に可撓性を持たせた従来の圧電素子では、比較的複雑な形状の被検体には適用可能であるが、伸縮変形等の動きのある被検体に対しての適用が困難であった。圧電素子が伸長した場合には、特に電極が十分に追従できず、極端には断線してしまう危険があった。
すなわち、従来の圧電素子では、伸縮変形が生じ易い被検体の圧力センサーとしては高い信頼性を持って適用することが困難であったのである。

本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、伸縮弾性を有する基板を伸長させても電極層が容易に切断することなく、高い信頼性を持って圧力の検出ができる伸縮可能な圧電素子を提供することを目的とする。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に伸縮弾性を有する電極層を形成することにより、或いは伸縮弾性を有する基板を伸長させた状態で電極層を形成することにより、上記の問題点を解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に基板を伸長させた状態で、電極層及び圧電体結晶薄膜が形成されている伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（２）、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に、伸縮弾性を有する電極層及び圧電体結晶薄膜が形成された伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（３）、前記伸縮弾性を有する基板は、合繊樹脂を主成分として含むものである上記（１）又は（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（４）、前記伸縮弾性を有する基板は、エラストマーを主成分として含む上記（１）又は（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（５）、前記エラストマーとして、シリコーンゴムを使用する上記（３）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（６）、前記圧電体結晶薄膜は、複合酸化物を主成分として含むものである上記（１）又は（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（７）、前記複合酸化物として、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、又はチタン酸バリウムのいずれか１種である上記（５）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（８）、前記圧電体結晶薄膜は、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分として含むものである上記（１）又は（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（９）、前記ウルツ鉱型構造の化合物として、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ヨウ化銀、硫化亜鉛、硫化カドミウム、窒化ガリウムのいずれか１種である上記（７）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（１０）、前記電極層は、金属又は金属酸化物を主成分として含む上記（１）又は（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

また、本発明は、（１１）、前記電極層は、導電ペースト、導電性ゴム、又は導電性高分子いずれか１種を主成分として含むものよりなる上記（２）に記載の伸縮可能な圧電素子に存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記（１）から（１１）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明の圧電素子によれば、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に基板を伸長させた状態で、電極層及び圧電体結晶薄膜が形成されているので、通常の状態において電極層及び圧電体結晶薄膜は圧縮荷重を受けており、圧電素子の基板が伸長しても、圧縮荷重が解放されるだけであり、電極層や圧電体結晶薄膜が切断されるようなことはなく、高い信頼性を持って圧力の検出を行うことができる。

また、本発明の圧電素子によれば、伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に、伸縮弾性を有する電極層及び圧電体結晶薄膜が形成されているので、同様に、圧電素子の基板が伸長しても、圧電体結晶薄膜や電極層が追従して伸縮することができ、電極層が容易に切断されることはなく、高い信頼性を持って圧力の検出を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第１実施形態の圧電素子Ａは、伸縮弾性を有する基板２上に圧電体１である圧電体結晶薄膜が形成されている。
圧電体結晶薄膜１の両面には電極層３が形成されている。
基板２として圧電素子Ａの伸縮性を発現する礎となる部分であり、その基板２の材料には、伸縮弾性の顕著な高分子物質であるエラストマーを用いることが好ましい。
エラストマーの具体例としては、例えば、架橋した天然ゴムや合成ゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。

この圧電体結晶薄膜１を基板２上に形成するに当たっては、先ず、基板２をその面方向に伸ばした状態で基板２上に電極層３を形成する。
次いで、電極層３を形成した後、基板２を伸長させたままの状態で、圧電体結晶薄膜１を形成する。
この圧電体結晶薄膜１の上面にも、同様の方法で電極層３を形成する。

圧電体結晶薄膜１の形成方法としては、スパッタリング法、レーザーアブレージョン法、イオンプレーティング法、或いはＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、水熱合成法等が知られており、その中から好ましいものを選ぶ。
例えば水熱合成法によれば、伸縮弾性を有する基板２に圧電体結晶薄膜１を形成することが容易に可能であり、伸縮性に加え圧電性能の優れた圧電素子Ａが提供される。

圧電体結晶薄膜１としては、圧電特性を備えるものであれば種々のものが採用されるが、水熱合成法を用いる場合は、ペロブスカイト（ＡＢＯ３）構造の複合酸化物がある。

そして、上記Ａサイトとしては、通常、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｂｉの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
上記Ｂサイトとしては、Ｔｉ単独か、或いはＺｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｆｅの中から選択される少なくとも１種の元素とＴｉとの複合物が挙げられる。
このような複合酸化物の具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＬｉＮｂＯ３等が挙げられる。

また、圧電体結晶薄膜１は、上述した材料とは異なり、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする材料にしても良い。
ウルツ鉱型構造としては具体的には、例えば、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ヨウ化銀、硫化亜鉛、硫化カドミウム、窒化ガリウム等があり、これらの中から１種選択すればよい。
ところで圧電体結晶薄膜１の厚みは、通常、０．１〜１００μｍ、特に０．５〜３０μｍに設定することが好適である。
すなわち、厚みが０．１μｍ未満では、例えばセンサーやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると弾性を有する基板２を用いているにもかかわらず、柔軟性が乏しくなり出力が小さくなる恐れがある。

さて電極層３の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の金属製の導電材料を用いることができ、またそれらの酸化物（金属酸化物）も採用できる。
特に、伸縮弾性を有する電極層３としては、導電ペースト、導電性ゴム、又は導電性合成樹脂が採用される。
この電極層３は、基板２又は圧電体結晶薄膜１の表面に被覆することで形成する。

その方法は、特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、無電解メッキ法、スパッタリング法、及び化学蒸着法等を用いることができる。
そして、電極層３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。

上述した圧電素子Ａは、外部から圧力を加えられると電極層３間の電位差Ｖや電荷が変化し、この電位差Ｖや電荷を計測することにより加えられた圧力を求めることができる。
このように外部から圧力を加えられた場合、基板２が伸縮弾性を有しているために、硬い基板上に形成された圧電素子に比べ圧電体結晶薄膜１は大きな歪を生じ、電極層３間に発生する電位差や電荷が大きくなるという長所がある。

この第１実施形態では、伸縮弾性を有する基板２の片面側に基板２を伸ばした状態で、電極層３及び圧電体結晶薄膜１が形成されたので、通常の状態において電極層３及び圧電体結晶薄膜１は圧縮荷重を受けており、圧電素子Ａを使用中に基板２が多少伸長しても、圧縮荷重が解放されるだけである。
そのため電極層３としても伸縮弾性を有するものではなくてもよい。
電極層３や圧電体結晶薄膜１が切断されるようなことはなく、高い信頼性を持って圧力の検出を行うことができる。
以上述べたものは、伸縮弾性を有する基板２を伸長した状態で、基板２の片面側又は両面側に電極層３や圧電体結晶薄膜１を形成したものである。
しかし、伸縮弾性を有する基板２を伸長しない状態、すなわち通常の状態で基板２の片面側又は両面側に電極層３や圧電体結晶薄膜１を形成することも可能である。
その場合は電極層３としては、導電性ゴム又は導電性合成樹脂等の伸縮弾性を有する電極層３を使うこととなる。
尚、圧電体結晶薄膜１は、その構造上、基板２の伸長にも追従していくことができる。
以下、第２実施の形態から第６実施の形態においても同様である。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第２実施形態の圧電素子Ａは、上記第１実施の形態における圧電体結晶薄膜１及び電極層３が基板２を介して対称的に反対面にも形成されている構造を有する。
具体的には、基板２の上下面の各々に電極層３が形成され、この各電極層３上に更に圧電体結晶薄膜１及びもう１層の電極層３が形成されている。

この第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果を奏する。
更に、この第２実施形態では、基板２の両面に圧電体である圧電体結晶薄膜１を形成するようにしたので、基板２の上下方向に同程度の振動を加えることができ、左右対称に振動を伝播させることが望まれる装置にとって好適である。
また、一方の圧電体結晶薄膜１にクラック等が生じて機能が低下しても、他方の圧電体結晶薄膜１が機能するために、フェールセーフとなり安全性が向上する。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第３実施形態の圧電素子Ａは第１及び第２実施形態の圧電素子と比べて、電極層３が１層少ない点で相違する。
すなわち、圧電素子Ａに外部から圧力を加えられると、電極層３と接地電位部との間の電位差Ｖや
電荷は変化し、この電位差Ｖや電荷を計測することにより加えられた圧力を求めることができるのである。

（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第４実施形態の圧電素子Ａは、上記第３実施の形態における圧電体結晶薄膜１及び電極層３が基板２を介して対称的に反対面にも形成されている構造を有する。
具体的には、基板２の上下面の各々に電極層３が形成され、この各電極層３上に更に圧電体結晶薄膜１が形成されている。

一方の圧電体結晶薄膜１や電極３にクラック等が生じて機能が低下しても、他方の圧電体結晶薄膜１や電極３が機能するために安全性が向上する。

（第５実施形態）
図５は、本発明の第５実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第５実施形態の圧電素子Ａは第３実施形態の圧電素子と比べて、電極層３と圧電体結晶薄膜１との位置が入れ替わっている点で相違する。
圧電素子Ａに外部から圧力を加えられると、電極層３と接地電位部と間の電位差Ｖや電荷が変化し、この電位差Ｖや電荷を計測することにより加えられた圧力を求めることができる。

（第６実施形態）
図６は、本発明の第６実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第６実施形態の圧電素子Ａは、上記第５実施の形態における圧電体結晶薄膜１及び電極層３が基板２を介して対称的に反対面にも形成されている構造を有する。
具体的には、基板２の上下面の各々に圧電体結晶薄膜１が形成され、この各圧電体結晶薄膜１上に更に電極層３が形成されている。
一方の圧電体結晶薄膜１や電極３にクラック等が生じて機能が低下しても、他方の圧電体結晶薄膜１や電極３が機能するために安全性が向上する。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した第１〜第６実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、弾性を有する基板２の片面側又は両面側に基板２を伸ばした状態で、伸縮弾性を有する電極層３を形成することも当然可能である。

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

図７は、本発明の圧電素子８が作動することを確認するための第１の実験装置を示している。
図に示すように、伸縮弾性を有する基板であるシリコーンゴムシート５上には、該シリコーンゴムシート５を伸長させた状態にして白金電極層６と圧電体結晶薄膜である窒化アルミニウム薄膜７を順次ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて成膜し圧電素子８を形成した。
窒化アルミニウム薄膜７は白金電極層６を完全には覆っておらず、一部露出した状態にされている。

このようにして作成した圧電素子８の白金電極層６の部分に、質量１．２ｇの錘９を高さ５ｃｍの所から落下させ、白金電極層６と接地電位部との間の電荷を変化させた。
この変化の電気的出力をチャージアンプ１０で増幅させ、オシロスコープ１１により測定した結果、４４０ｐＣの電荷が検出された。
またシリコーンゴムシート５に繰り返し引っ張り力を加えて（２００回）圧電素子８を観察したところ、白金電極層６や窒化アルミニウム薄膜７には亀裂が全く生じていないことが分かった。

図８は、本発明の圧電素子が作動することを確認するための第２の実験装置を示している。
図に示すように、シリコーンゴムチューブ５Ａ上には、導電性ゴム電極層６Ａと窒化アルミニウム薄膜７Ａを順次ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて成膜し圧電素子８を形成した。

窒化アルミニウム薄膜７Ａは導電性ゴム電極層６Ａを完全には覆っておらず、一部露出した状態にされている。
このようにして作製した圧電素子８Ａに空気をダイヤフラム式エアーポンプを用いて流した。
導電性ゴム電極層６Ａと接地電位部との間で変化した電荷をチャージアンプ１０で増幅させ、オシロスコープ１１により測定したところ、空気圧に対応した信号が検出された。
またシリコーンゴムゴムチューブ５Ａに繰り返し引っ張り力を加えて（２５０回）圧電素子８Ａを観察したところ、導電性ゴム電極層６Ａや窒化アルミニウム薄膜７Ａには亀裂が全く生じていないことが分かった。

本発明の圧電素子は、民生用電子機器、家電・住宅用電子機器、セキュリティー機器、健康器具、オートメーションファクトリ、ロボット、自動車、事務機器、その他様々な分野で圧力センサーとして利用することができる。
また、原理から見て、スピーカー、圧電リレー、超音波加工等への応用も可能である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図２は、本発明の第２実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図３は、本発明の第３実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図４は、本発明の第４実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図５は、本発明の第５実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図６は、本発明の第６実施形態に係る圧電素子を示す説明図である。図７は、本発明の圧電素子が作動することを確認するための第１の実験装置を示す説明図である。図８は、本発明の圧電素子が作動することを確認するための第２の実験装置を示す説明図である。

符号の説明

Ａ圧電素子
１圧電体（圧電体結晶薄膜）
２基板
３電極層
５，５Ａシリコーンゴムシート
６白金電極層
６Ａ導電性ゴム電極層
７，７Ａ窒化アルミニウム薄膜
８，８Ａ圧電素子
９錘
１０チャージアンプ
１１オシロスコープ
Ｖ電源

Claims

伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に基板を伸長させた状態で、電極層及び圧電体結晶薄膜が形成されていることを特徴とする伸縮可能な圧電素子。
伸縮弾性を有する基板の片面側又は両面側に、伸縮弾性を有する電極層及び圧電体結晶薄膜が形成されたことを特徴とする伸縮可能な圧電素子。
前記伸縮弾性を有する基板は、合繊樹脂を主成分として含むものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記伸縮弾性を有する基板は、エラストマーを主成分として含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記エラストマーとして、シリコーンゴムを使用することを特徴とする請求項３に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記圧電体結晶薄膜は、複合酸化物を主成分として含むものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記複合酸化物として、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、又はチタン酸バリウムのいずれか１種であることを特徴とする請求項５に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記圧電体結晶薄膜は、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分として含むものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記ウルツ鉱型構造の化合物として、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ヨウ化銀、硫化亜鉛、硫化カドミウム、窒化ガリウムのいずれか１種であることを特徴とする請求項７記載の伸縮可能な圧電素子。
前記電極層は、金属又は金属酸化物を主成分として含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。
前記電極層は、導電ペースト、導電性ゴム、又は導電性高分子のいずれか１種を主成分として含むものよりなることを特徴とする請求項２に記載の伸縮可能な圧電素子。