WO2021049149A1

WO2021049149A1 - 圧電センサ

Info

Publication number: WO2021049149A1
Application number: PCT/JP2020/026815
Authority: WO
Inventors: 下田　和人
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: US20220293848A1; JP7464056B2; JPWO2021049149A1

Abstract

可撓性基材の一面に、第１の電極と第２の電極に挟まれて圧電膜が配置され、第１の電極、第２の電極と圧電膜は、保護膜に被覆され、複数の圧電膜が、第１の電極と第２の電極とを介して、直列に接続され、可撓性基材が曲折され、複数の圧電膜が積層されるように配置された、圧電センサである。図３

Description

圧電センサ

　本技術は、圧電センサに関する。

　圧電センサには様々な用途があるが、その一例として、弱い振動を検知するのにも用いられている。圧電センサが比較的弱い振動を検知するためには、圧電センサの検出感度が高いことが必要である。１つの圧電膜の出力電圧は、圧電定数と膜厚との積に比例することが知られているから、１つの圧電膜でより高い検出感度を得る方法には、圧電膜の厚膜化が考えられるが、厚膜化すると圧電膜の結晶性が低下するため、効果的に高い検出感度は得られない。そのため、高い検出感度を得るためには、複数の圧電膜について直列接続する必要があった。

　特許文献１は、高分子圧電フィルムの上下に電極を形成して折り曲げ一つのユニットとし、複数のユニットを直列に接続することで、検出感度が高い圧電センサを開示している。

特開２０１９－００７７４９号公報

　しかしながら、特許文献１の圧電センサを実現するためには、作製すべきパーツ数が多く、それらを接続し組み立てる工程数も多いことから、製造コストが高くなるという問題があった。

　従って、本技術は、製造コストが低く、検出感度が高い、圧電センサを提供することを目的の一つとする。

　上述した課題を解決するために、本技術は、可撓性基材の一面に、第１の電極と第２の電極に挟まれて圧電膜が配置され、
　第１の電極、第２の電極と圧電膜は、保護膜に被覆され、
　複数の圧電膜が、第１の電極と第２の電極とを介して、直列に接続され、
　可撓性基材が曲折され、複数の圧電膜が積層されるように配置された、圧電センサである。

図１Ａは、一実施の形態に係る圧電センサの平面図と中央断面図であり、図１Ｂは、両端を加工した圧電センサの平面図である。図２Ａから図２Ｄは、一実施の形態に係る圧電センサの作製過程を示す図である。図３は、実施例の圧電センサの断面図である。図４Ａから図４Ｄは、実施例の結果を模式的に示す図である。図５Ａ及び図５Ｂは、比較例１の結果を模式的に示す図である。図６Ａから図６Ｃは、で比較例２の結果を模式的に示す図である。

　以下、本技術の実施の形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞
　以下に説明する実施の形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。

＜１．一実施の形態＞
「構造」
　一実施の形態の圧電センサ１は自在に曲折させることができる。そのために、圧電センサ１は可撓性基材を基板としている。可撓性基材は例えば、金属箔１１である。金属箔１１の素材は例えば、４２アロイやコバールなどのような、線膨張係数が後述する圧電膜１４になるべく近いものが好ましいが、その他の金属材料でもよい。金属箔１１の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下である。縁応力低減による対屈曲性向上の観点から、金属箔１１の厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

　金属箔１１それ自体は電気伝導性が有り、そのまま圧電センサ１などの素子を成膜するとショートする恐れがある。そこで、金属箔１１の表面を絶縁膜１２で被覆することで、金属箔１１の表面は電気的に絶縁されている。絶縁膜１２は、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化膜、Ｓｉ₃Ｎ₄などの窒化膜、ＳｉＯＮなどの酸窒化膜である。可撓性基材に金属箔１１を用いた場合は、圧電膜の作製プロセスで、高温の条件を用いることができる利点がある。

　図１Ａに、一実施の形態における圧電センサ１の一例を示す。図１Ａのように、金属箔１１の一面に絶縁膜１２が被覆され、絶縁膜１２の表面には、所定の間隔をあけて繰り返し、第１の電極１３が被覆されている。第１の電極１３の素材は、圧電膜１４の結晶化に有利なものが望ましく、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒである。第１の電極１３の膜厚は５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍから２００ｎｍ程度がより好ましい。

　第１の電極１３の一部は、圧電膜１４で被覆されている。圧電膜１４の素材は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ＡｌＮ、ＺｎＯ、又は、金属をドープしたＰＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯなどであり、よりｃ軸配向を高めることで圧電定数を高めることが好ましい。圧電膜１４のパターンサイズは、量産性を上げるために、１～１０ｍｍ角程度であることが好ましく、圧電膜１４の厚さは１００ｎｍ～１０μｍ程度が好ましい。圧電膜１４の結晶性を良くするために、第１の電極１３と圧電膜１４との間には、バッファ層（不図示）が形成されていることが好ましい。バッファ層は、例えば、ＳｒＲｕＯ₃、ＺｒＯ₂、ＡｌＮなどである。

　第１の電極１３の長さと間隔により、圧電膜の配置が制御される。第１の電極１３の表面の一部に圧電膜１４が被覆されている。第２の電極１５は、圧電膜１４の表面上から、圧電膜１４が被覆された第１の電極１３と隣接する第１の電極１３の表面上の一部までに被覆されている。図１Ａの圧電膜１４は第１の電極１３の一方の端面にも被覆されている。図１Ａのように、第１の電極１３と第２の電極１５により圧電膜１４の両主面を挟むように接続し、第２の電極１５が隣接する（図１Ａでは右隣にある）別の第１の電極１３に接続することで、直列接続を実現している。図１Ａでは、４つの圧電膜１４が直列に接続されているので、４直列（４Ｓ）である。

　圧電センサ１の一番上の層には、保護膜１６が被覆されている。保護膜１６の材質は、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化膜、Ｓｉ₃Ｎ₄などの窒化膜、ＳｉＯＮなどの酸窒化膜である。保護膜１６の役割は外部との絶縁であり、例えば、圧電膜１４同士を積層したときに他の圧電膜１４と絶縁することである。保護膜１６は、圧電センサ１の両端にある第１の電極１３の一部には被覆されていない。圧電センサ１の両端にある第１の電極１３は検出信号の取り出し電極として使用される。取出し電極として利用しやすいように、図１Ｂのように、圧電センサ１の両端にある第１の電極１３の一部をレーザ加工などで切断して、リードのように細い形状に加工してもよい。

「作製方法」
　一実施形態の圧電センサ１の作製方法について説明する。まず、可撓性基材として、金属箔１１を用意した。金属箔１１の一主面の全部に絶縁膜１２を成膜した。絶縁膜１２は酸化膜、窒化膜、酸窒化膜などの絶縁材料である。そして、図２Ａに示すように、第１の電極１３を周期的に成膜した。隣り合う第１の電極１３同士に一定の間隔を隔てて隣接している。第１の電極１３は上述のように金属材料である。

　次に、図２Ｂに示すように、第１の電極１３と絶縁膜１２との表面上に、圧電膜１４を成膜した。圧電膜１４は第１の電極の１３の主面の一部と片側の端面に被覆されている。それから、図２Ｃに示すように、圧電膜１４と絶縁膜１２と第１の電極１３との表面上に、第２の電極１５を成膜した。第２の電極１５は圧電膜１４と隣接する第１の電極１３とを電気的に接続する役割を担う。圧電膜１４の材質は上述の通りであり、第２の電極１５は、第１の電極１３と同様に金属材料である。

　最後に、図２Ｄに示すように、両端にある第１の電極１３の一部を除いた表面全体の上に保護膜１６を成膜した。保護膜１６の素材は、金属箔上の絶縁膜１２の素材と同様である。保護膜１６の役割は他と電気的に絶縁するためである。以上、全ての成膜をスパッタ法により行った。

　以下、上記のようにして作製した圧電センサを用いて、圧電センサに圧力を掛けながら振動を与えて試験した実施例に基づいて、本技術を具体的に説明する。なお、本技術は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

「実施例」
　図３のように、圧電膜１４が３つある圧電センサ２を用意し、圧電膜１４のない部分（圧電膜１４と当該圧電膜１４に隣接する圧電膜１４との間の第１の電極１３がある部分）を曲折させて、圧電膜１４が図３に示される一点鎖線上のほぼ同じ位置に積層されるように配置した。３つの圧電膜１４は直列接続（３直列）である。ほぼ同じ位置に積層された圧電膜１４について、圧電膜１４の上に錘を載せ１２００Ｎの力を掛けながら、錘の上からＡＥセンサにて正弦波振動を与えて、圧電センサ２から発生する電圧の波形を計測した。正弦波振動の周波数は２７０ｋＨｚとした。ＡＥセンサから圧電センサ２までの距離は錘を挟んで約１０ｃｍとした。さらに、積層させた状態のまま、３つの圧電膜１４一つひとつについて、同様に圧力を掛けながら、正弦波振動を与えて、圧電膜１４一つひとつから出力される個別の電圧の波形を計測した。

　図４Ａ～図４Ｃに、積層しない状態での圧電膜から出力される電圧の波形を個別に計測した結果を模式的に示す。積層しない場合の圧電膜から出力される個別の電圧はそれぞれ、７００ｍＶ（図４Ａ）、８００ｍＶ（図４Ｂ）、１０００ｍＶ（図４Ｃ）であった。図３のように、ほぼ同じ位置に積層した場合の圧電膜から出力される電圧は、図４Ｄに示すように、２５００ｍＶであった。

「比較例１」
　直列接続をした２つの圧電膜を並置した圧電センサを用意し、１つの錘で２つの圧電膜１４に力を掛けながら実施例と同様の正弦波振動を与えて、圧電センサから発生する電圧の波形を計測した。さらに、２つの圧電膜を並置したまま、実施例と同様に力を掛けながら、正弦波振動を与えて、圧電膜１４一つひとつから出力される個別の電圧の波形を計測した。

　図５Ａと図５Ｂに、比較例１の圧電膜から出力される電圧の波形を個別に計測した結果を模式的に示す。圧電膜から出力される個別の電圧値はそれぞれ、３００ｍＶ（図５Ａ）と２００ｍＶ（図５Ｂ）であり、安定した電圧波形が得られた。２つの圧電膜を並置し、１つの錘で２つの圧電膜に圧力を掛けた場合の電圧波形は乱れてしまい、電圧値は一定とならなかった（不図示）。

「比較例２」
　並列接続をした２つの圧電膜１４を、圧電膜１４が実施例のようにほぼ同じ位置に積層されるように配置した圧電センサを用意し、実施例と同様に力を掛けながら正弦波振動を与えて、圧電センサから発生する電圧の波形を計測した。さらに、並列接続をせずに、ほぼ同じ位置に積層されるように配置したまま、実施例と同様に圧力を掛けながら、正弦波振動を与えて、圧電膜１４一つひとつから出力される個別の電圧の波形を計測した。

　図６Ａと図６Ｂに、比較例２の圧電膜１４から出力される電圧の波形を個別に計測した結果を模式的に示す。圧電膜１４から出力される個別の電圧値はそれぞれ、２００ｍＶ（図６Ａ）と３００ｍＶ（図６Ｂ）であった。並列接続をした２つの圧電膜１４を、圧電膜１４がほぼ同じ位置に積層されるように配置した場合、図６Ｃに示すように、電圧値は２００ｍＶであった。

　実施例の圧電センサ２の電圧値は、圧電膜１４の個別の電圧値をほぼ積算したものに等しかったのに対し、比較例２では圧電膜１４の個別の電圧値を積算したものとはならなかった。また、比較例１では、電圧値が安定しなかった。実施例の圧電センサ２は、比較例１よりも電圧の波形が安定していて、比較例２よりも検出感度が高いと言える。したがって、本技術は、被測定物に対する信号発生部の位置が重ね合わせにより同じになるため、出力信号を高めながら、ばらつきが抑えられる。

　圧電センサ１と圧電センサ２は圧電膜１４の厚膜化をすることなく、５回程度の成膜プロセスで完成していて、圧電センサ２は曲折により、圧電膜１４の積層を直列接続で実現している。したがって、本技術は、圧電膜を無理に厚膜化することなく、最小となる成膜プロセス回数で、複数の積層化を直列接続で実現できることから、製造プロセスが簡易になり、低コスト化が実現できる。

　説明した実施の形態によれば、パーツ数や工程数が少ないため安価であり、検出感度が高い圧電センサを実現することができる。なお、本明細書で例示された効果により本技術の内容が限定して解釈されるものではない。

＜２．変形例＞
　以上、本技術の一実施の形態について具体的に説明したが、本技術の内容は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

　上述した一実施の形態においては、４つの圧電膜が直列に接続されていたが、４つ以外の個数の圧電膜が直列に接続されていてもよい。実施例の圧電センサ２では３つの圧電膜が積層されるように配置していたが、圧電膜が積層される数は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

　第１の電極１３を取出し電極として扱う場合、実施例の圧電センサ２の場合は、両端の取出し電極が反対側を向いていたが、圧電センサ２の圧電膜１４がもし偶数（２，４，６，・・・）個ある場合は、奇数（２－１，４－１，６－１，・・・）箇所を曲折することによって取出し電極を同じ向きに揃えて出すことができる。また、実施例のように、圧電膜１４が３つなどの奇数個ある場合は、圧電センサ２の片端にある圧電膜１４のない部分を長くして、曲折箇所を１箇所増やして奇数箇所とし、取出し電極を同じ向きに揃えて出すことができる。

　さらに、可撓性基材は厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下のポリイミド樹脂であってもよい。この場合、ポリイミド樹脂自体に絶縁性があるので、ポリイミド樹脂の表面に絶縁膜１２を作製する必要はない。圧電膜１４の作製プロセスに高温条件が課されない場合に好適である。

　さらに、圧電センサ１の成膜方法をスパッタ法としていたが、塗布法、蒸着法やその他の方法により成膜してもよい。

　また、本技術は以下の構成を採用することもできる。
（１）
　可撓性基材の一面に、第１の電極と第２の電極に挟まれて圧電膜が配置され、
　前記第１の電極、前記第２の電極と前記圧電膜は、保護膜に被覆され、
　複数の前記圧電膜が、前記第１の電極と前記第２の電極とを介して、直列に接続され、
　前記可撓性基材が曲折され、複数の前記圧電膜が積層されるように配置された、圧電センサ。
（２）
　可撓性基材の一面に、前記第１の電極は間隔をあけて繰り返し被覆され、
　前記第１の電極の一部に、前記圧電膜が被覆され、
　前記圧電膜に被覆された前記第１の電極に隣接する第１の電極と、前記圧電膜とに前記第２の電極が被覆された（１）に記載の圧電センサ。
（３）
　前記可撓性基材が曲折された箇所は、前記圧電膜と当該圧電膜に隣接する圧電膜との間の前記第１の電極がある部分である（１）又は（２）に記載の圧電センサ。
（４）
　前記圧電膜の数が奇数の場合、前記圧電センサの片端にある圧電膜が覆われていない部分が曲折され、取出し電極が同じ向きに揃えられた（１）から（３）の何れかに記載の圧電センサ。
（５）
　前記圧電膜の素材は、ＰＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯの何れか、又は、金属をドープしたＰＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯの何れかである（１）から（４）の何れかに記載の圧電センサ。
（６）
　前記圧電膜の厚さは、１００ｎｍから１０μｍである（１）から（５）の何れかに記載の圧電センサ。
（７）
　前記可撓性基材は、厚さが１０μｍ以上１００μｍ以下であり、表面に絶縁膜を成膜した金属箔である（１）から（６）の何れかに記載の圧電センサ。
（８）
　前記可撓性基材は、厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下のポリイミド樹脂である（１）から（６）の何れかに記載の圧電センサ。
（９）
　前記保護膜は、酸化膜又は窒化膜若しくは酸窒化膜である（１）から（８）の何れかに記載の圧電センサ。

１，２・・・圧電センサ、１１・・・金属箔、１２・・・絶縁膜、１３・・・第１の電極、１４・・・圧電膜、１５・・・第２の電極、１６・・・保護膜

Claims

　可撓性基材の一面に、第１の電極と第２の電極に挟まれて圧電膜が配置され、
　前記第１の電極、前記第２の電極と前記圧電膜は、保護膜に被覆され、
　複数の前記圧電膜が、前記第１の電極と前記第２の電極を介して、直列に接続され、
　前記可撓性基材が曲折され、複数の前記圧電膜が積層されるように配置された、圧電センサ。
　可撓性基材の一面に、前記第１の電極が間隔をあけて繰り返し被覆され、
　前記第１の電極の一部に、前記圧電膜が被覆され、
　前記圧電膜に被覆された前記第１の電極に隣接する第１の電極と、前記圧電膜とに前記第２の電極が被覆された請求項１に記載の圧電センサ。
　前記可撓性基材が曲折された箇所は、前記圧電膜と当該圧電膜に隣接する圧電膜との間の前記第１の電極がある部分である請求項１に記載の圧電センサ。
　前記圧電膜の数が奇数の場合、前記圧電センサの片端にある圧電膜が覆われていない部分が曲折され、取出し電極が同じ向きに揃えられた請求項１に記載の圧電センサ。
　前記圧電膜の素材は、ＰＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯの何れか、又は、金属をドープしたＰＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯの何れかである請求項１に記載の圧電センサ。
　前記圧電膜の厚さは、１００ｎｍから１０μｍである請求項１に記載の圧電センサ。
　前記可撓性基材は、厚さが１０μｍ以上１００μｍ以下であり、表面に絶縁膜を成膜した金属箔である請求項１に記載の圧電センサ。
　前記可撓性基材は、厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下のポリイミド樹脂である請求項１に記載の圧電センサ。
　前記保護膜は、酸化膜又は窒化膜若しくは酸窒化膜である請求項１に記載の圧電センサ。