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【発明の名称】 分布センサ
【発明者】 【氏名】佐藤 明生

【氏名】片山 晶雅

【氏名】日比野 真吾
【要約】 【課題】圧力，力，荷重等の分布を高密度かつ高感度に測定することができ、しかも、製造が簡単で、製造コストを低く抑えることのできる分布センサを提供する。

【解決手段】シート状の可撓性基板の両面に沿って圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極層８が複数個、任意の配置で取り付けられてなる圧電素子１と、この圧電素子１の各電極層８に接する電極部５１とそこから延びる端子部５２とが互いに接しないよう形成された電極フィルム５とを備え、上記圧電素子１と電極フィルム５とが積層一体化されて全体が一枚のシート状になっている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シート状の可撓性基板の片面もしくは両面に沿って圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極が複数個、任意の配置で取り付けられてなる圧電素子と、この圧電素子の各電極に接する電極部とそこから延びる端子部とが互いに接しないよう形成された電極フィルムとを備え、上記圧電素子と電極フィルムとが積層一体化されて全体が一枚のシート状になっ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１〜５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水熱合成によって形成されたものである請求項１〜６のいずれか一項に記載の分布センサ。
【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，荷重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、例えば自動車の座席シートの表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または歪みゲージ式センサを座席シートの表面に取り付け、それぞれの圧電式センサ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。
【０００４】しかしながら、上記圧電式センサ（焼結ＰＺＴ使用）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、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（空気等の流体の圧力，固体の接触圧，音圧等），力，荷重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】これに対し、本出願人は、圧力，力，荷重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センサとして、つぎのようなセンサを開発した。
【０００７】すなわち、図１６に示すように、まず、平面視四角形状の可撓性基板８３の両面に圧電結晶薄膜８４を形成し、この圧電結晶薄膜８４の表面に圧電結晶薄膜８４よりもひとまわり小さく電極層（電極）８５を形成することにより、圧電素子８１を製造する。また、絶縁フィルム６６の表面に、複数の電極部６７および各電極部６７から延びる端子部（図示せず）を互いに接しないように所要のパターンに形成することにより、電極フィルム６２を製造する。このような電極フィルム６２を２枚準備する。ついで、一方の電極フィルム６２の電極部６７と圧電素子８１の電極層８５とが接するように、一方の電極フィルム６２上に圧電素子８１を１素子ずつ並べたのち、他方の電極フィルム６２の電極部６７と並べた圧電素子８１の電極層８５とが接するように、他方の電極フィルム６２をラミネートする。このようにして製造されたセンサを用いると、上記問題を解決することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記センサは、圧電素子８１を１素子ずつ電極フィルム６２上に並べて製造しなければならず、その作業が煩雑で多くの時間を要するため、製造コストが高くなることが判明した。
【０００９】本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、圧力，力，荷重等の分布を高密度かつ高感度に測定することができ、しかも、製造が簡単で、安価に製造することのできる分布センサの提供をその目的とする。
【００１０】
【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、シート状の可撓性基板の片面もしくは両面に沿って圧電結晶薄膜が形成され、この圧電結晶薄膜に電極が複数個、任意の配置で取り付けられてなる圧電素子と、この圧電素子の各電極に接する電極部とそこから延びる端子部とが互いに接しないよう形成された電極フィルムとを備え、上記圧電素子と電極フィルムとが積層一体化されて全体が一枚のシート状になっているという構成をとる。
【００１１】すなわち、本発明の分布センサは、圧力，力，荷重等の分布を測定しようとする物体の表面に、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，荷重等の分布測定を行うことができる。しかも、上記分布センサの全体としての圧電素子は、複数の小さい圧電素子を並べたものと同等であるため、分布センサの製造が簡単で、製造コストが低くなる。
【００１２】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品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１素子の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１素子の圧電素子が変位し、センサ出力がより安定化する。
【００１３】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分布センサ、そして、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成した分布センサは、特に優れた性能を備えている。
【００１４】
【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。
【００１５】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１と、この圧電素子１の表裏面にラミネートされた２枚の電極フィルム５とを備え、これら圧電素子１と電極フィルム５とは、一体積層化されて全体が一枚のシート状になっている。
【００１６】上記圧電素子１は、図２に示すように、平面視四角形状のシート状の可撓性基板６と、この可撓性基板６の両面全体に形成された圧電結晶薄膜７と、この圧電結晶薄膜７の表面に縦３列・横３列のマトリックス状に配設された電極層（電極）８とで構成されている。この状態において、上記各電極層８は、互いに接しておらず、また、可撓性基板６の両面の電極層８は、可撓性基板６を挟んで相対向した位置にある。すなわち、上記圧電素子１は、図１６に示す圧電素子８１が９素子、一体となったものと同等である。なお、図１では、圧電素子１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。
【００１７】また、上記各電極フィルム５は、絶縁フィルム５０の表面に、電極部５１が上記各電極層８に接するように形成され、さらに、端子部５２が各電極部５１から延びるように形成されているものである。この状態において、電極部５１および各電極部５１から延びる端子部５２は、互いに接していない。また、電極部５１および端子部５２は、エッチングやスクリーン印刷等により形成される。なお、図１では、電極部５１および端子部５２の厚みを省略している。
【００１８】そして、上記各電極フィルム５の表面を上記圧電素子１に重ねた状態で電極フィルム５がラミネートされている。すなわち、上記圧電素子１と電極フィルム５とは、電極層８（電極部５１）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。
【００１９】また、上記圧電素子１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の表面全体に圧電結晶薄膜７を形成して得られるものが好適である。
【００２０】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。
【００２１】なお、上記可撓性基板６の厚みは、２〜２００μｍ、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７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２００μｍ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に応じて、自由に設定することができる。
【００２２】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、Ｐｂ、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 、ＰｂＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 等があげられる。
【００２３】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。
【００２４】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０．５μｍ未満では充分なセンサ出力が得られにくく、逆に１００μｍ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。
【００２５】なお、上記水熱合成は、特開平４−３４２４８９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９−２７８４３６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３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。
【００２６】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１の性能を向上させることができる。
【００２７】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（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。
【００２８】このようにして、可撓性基板６の両面全体に圧電結晶薄膜７を形成したのち、図１および図２に示すように、その両面に、上記電極層８を形成することにより、圧電素子１を得ることができる。
【００２９】上記電極層８の形成は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、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。
【００３０】このようにして得られた圧電素子１の両面に、圧電素子１の電極層８と上記電極フィルム５の電極部５１とが接するようにして、電極フィルム５がラミネートされ、分布センサを得ることができる。
【００３１】このようにして得られた分布センサは、圧力，力，荷重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、圧電素子１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。
【００３２】また、上記分布センサは、従来の焼結ＰＺＴを用いた圧電式センサ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）に対応しやすく、高密度かつ高感度な測定が可能となる。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。
【００３３】さらに、上記分布センサは、圧電素子８１（図１６参照）を１素子ずつ電極フィルム６２（図１６参照）上に並べて製造するものではなく、１枚の圧電素子１を２枚の電極フィルム５で挟むようにラミネートして製造するものであるため、製造が簡単で、製造コストが低くなる。
【００３４】なお、圧電素子１は、電極層８を上記縦３列・横３列のマトリックス状に配設したものに限らず、複数個の電極層８をどのように配設してもよい。また、分布センサ（圧電素子１および電極フィルム５）は、どのような曲面であってもよい。例えば、分布センサを、ロボットハンド表面の曲面に沿う形状にしてもよい。
【００３５】また、上記の例では、圧電素子１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。
【００３６】そして、上記圧電素子１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素子１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】図４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１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１素子の圧電素子に相当する部分２が、電極フィルム（図示せず）を介して、それぞれ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４では、１素子の圧電素子に相当する部分２の積層構造および端子等を省略している。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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１との一体化は、通常、上記支持スペーサ３の上面と上記電極フィルム５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。
【００４３】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１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１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２０ｍｍ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。
【００４４】このようにして得られた分布センサは、圧電素子１が、支持スペーサ３によって０．１〜２０ｍｍ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品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１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）に対応しやすく、高密度かつ高感度な測定が可能となる。さらに、上記一実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
【００４５】また、圧電素子１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、１素子の圧電素子に相当する部分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、１素子の圧電素子に相当する部分２（図４参照）の左右両端部を支持するようにしてもよい。
【００４６】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、１素子の圧電素子に相当する部分２（図４参照）の周縁部全体を支持するようにしてもよい。
【００４７】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、１素子の圧電素子に相当する部分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７に示すように、三角形状をした１素子の圧電素子に相当する部分２′（図７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。
【００４８】また、図９に示すように、円形状をした１素子の圧電素子に相当する部分２″（図９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。
【００４９】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１０に示すように、１素子の圧電素子に相当する部分２（図１０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、１素子の圧電素子に相当する部分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／ｃｍ2 の高分子シート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。
【００５０】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１１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１２に示すように、１素子の圧電素子に相当する部分２の上に、電極フィルム（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４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１０参照）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１素子の圧電素子に相当する部分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１素子の圧電素子に相当する部分２が変位する。
【００５１】上記凸カバー３２において、凸部３１は、１素子の圧電素子に相当する部分２と上記電極フィルム（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、１素子の圧電素子に相当する部分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製造する方法と同様にして製造することができる。
【００５２】この場合も、圧電素子１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）に対応しやすく、高密度かつ高感度な測定が可能となる。さらに、上記一実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
【００５３】なお、上記図４〜図１０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、１素子の圧電素子に相当する部分２それぞれに当接する配置で支持スペーサ３または弾性体３０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、１素子の圧電素子に相当する部分２それぞれ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１３に示す。
【００５４】つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００５５】
【実施例１】実施例１の分布センサは、図１４に示す圧電素子６１と電極フィルム６２とを備えており、つぎのようにして製造された。すなわち、まず、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。また、厚み５０μｍのチタン箔（可撓性基板）６３を、一辺の長さ３０ｍｍの正方形状に切断し、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６３の両面に、それぞれ厚み５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶層（圧電結晶薄膜）６４を形成し、薄膜ピエゾセラミックスを得た。そして、スパッタ蒸着により、上記ＰＺＴ層の表面に、厚み１００Å，一辺の長さ６ｍｍの正方形状の白金電極層６５を縦３列・横３列のマトリックス状に配設することにより、圧電素子６１を得た。この状態において、上記電極層６５は互いに接していない。
【００５６】一方、絶縁フィルム６６の表面に、上記各電極層６５に接するように一辺の長さ６ｍｍの正方形状の電極部６７を形成し、さらに、各電極部６７から延びるように端子部（図示せず）を形成することにより、電極フィルム６２を得る。この状態において、電極部６７および各電極部６７から延びる端子部は、互いに接していない。このような電極フィルム６２を２枚製造する。なお、上記電極部６７および端子部は銅箔からなり、その厚みは１８μｍであり、電極フィルム６２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。
【００５７】そして、一方の電極フィルム６２の表面のうち電極部６７以外の部分に接着剤を塗布し、この上に上記圧電素子６１を載せる。さらに、他方の電極フィルム６２の表面のうち電極部６７以外の部分に接着剤を塗布し、これを上記圧電素子６１の上に載せる。このとき、圧電素子６１の電極層６５と電極フィルム６２の電極部６７とが接するようにする。そののち、上下方向から圧力をかけ、圧電素子６１と電極フィルム６２とを密着させることにより、圧電積層体６０を得た。なお、電極フィルム６２の表面に形成される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。
【００５８】一方、支持部材（下地基材および支持スペーサ）をつぎのようにして製造した。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、支持部材を一体成形した。この支持部材は、１素子の圧電素子に相当する部分の裏面を、四隅で支持するように成形されている。
【００５９】さらに、凸カバーを上記支持部材と同様にして一体成形した。この凸カバーは、１素子の圧電素子に相当する部分の表面の中央部に凸部が位置するように成形されている。そして、上記圧電積層体６０と支持部材と凸カバーとを接合することにより、実施例１の分布センサを得た。
【００６０】
【実施例２】実施例２の分布センサは、図１５に示す圧電素子７１と上記電極フィルム６２と樹脂フィルム６８とを備えており、つぎのようにして製造された。すなわち、実施例１と同様にして薄膜ピエゾセラミックスを得、その片面のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の結晶層（圧電結晶薄膜）６４を削り落とし、他方の片面のＰＺＴ層の表面に、実施例１と同様の白金電極層６５を配設することにより、圧電素子７１を得た。そして、この圧電素子７１を、白金電極層６５側を上記電極フィルム６２で、チタン箔６３側を樹脂フィルム６８で密着させることにより、圧電積層体７０を得、さらに、この圧電積層体７０と上記支持部材と上記凸カバーとを接合することにより、実施例２の分布センサを得た。
【００６１】
【比較例１】比較例１の分布センサは、図１６に示す圧電素子８１と上記電極フィルム６２とを備えており、つぎのようにして製造された。すなわち、実施例１において、チタン箔（可撓性基板）８３を厚み５０μｍ，一辺の長さ１０ｍｍの正方形状とし、１素子が一辺の長さ１０ｍｍの正方形状である圧電素子８１を９素子得る。そして、これら圧電素子８１を上記電極フィルム６２の各電極部６７上に１素子ずつ並べたのち、他方の電極フィルム６２で密着させることにより、圧電積層体８０を得、さらに、この圧電積層体８０と上記支持部材と上記凸カバーとを接合することにより、比較例１の分布センサを得た。
【００６２】これらの実施例１，２および比較例１の分布センサに対し、図１７に示すように、１素子の圧電素子８１またはそれに相当する部分（図１７では積層構造および端子等を省略している）９１それぞれの中央部に向かって、５ｃｍ上方から直径１０．０ｍｍの剛球９０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８１またはそれに相当する部分９１からのピーク出力電圧の平均値を算出した。
【００６３】その結果、上記平均値が１０ｍＶ以上かつすべての１素子の圧電素子で規則性のある波形（図１８参照）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。また、利便性については、端子の数から判断して、端子の数が少なくなる場合を○、従来と同じ数である場合を△と判定した。また、製造コストについては、製造時間から判断して、製造時間が短くて済む場合を○、少し時間がかかる場合を△、大幅に時間がかかる場合を×と判定した。さらに、総合判定として、センサ特性が○で、なおかつ、その他の特性のうち２つ以上が○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。
【００６４】
【表１】

【００６５】上記表１より、センサ性能は、実施例１と比較例１の分布センサ品とではほとんど変わらないことががわかる。また、実施例２は、若干出力が小さいが、センサ性能としてはほとんど問題ないレベルである。
【００６６】また、上記実施例２の分布センサでは、端子を少なくすることができるため、より高集積化することができる。
【００６７】
【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，荷重等の分布を測定しようとする物体の表面に、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，荷重等の分布測定を行うことができる。しかも、上記分布センサの全体としての圧電素子は、複数の小さい圧電素子を並べたものと同等であるため、分布センサの製造が簡単で、製造コストが低くなる。
【００６８】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品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１素子の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１素子の圧電素子が変位し、センサ出力がより安定化する。
【００６９】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分布センサ、そして、上記圧電結晶薄膜を水熱合成によって形成した分布センサは、特に優れた性能を備えている。
【出願人】 【識別番号】０００２１９６０２
【氏名又は名称】東海ゴム工業株式会社
【出願日】 平成１１年５月２７日（１９９９．５．２７）
【代理人】 【識別番号】１０００７９３８２
【弁理士】
【氏名又は名称】西藤 征彦
【公開番号】 特開２０００−３３７９７９（Ｐ２０００−３３７９７９Ａ）
【公開日】 平成１２年１２月８日（２０００．１２．８）
【出願番号】 特願平１１−１４８８３７