(57)【要約】【課題】  圧電材料溶液のスプレー塗布をすることが可能な面積を大きくしたり、スプレー塗布を自動化したりすることに適した噴射システムを提案する。【解決手段】  噴射システム１は、対象物３の表面に触覚センサを構築するために、圧電材料溶液をスプレー塗布する。保持部２１は、圧電材料溶液を保持する。攪拌部２３は、保持部２１に保持された圧電材料溶液を攪拌する。噴射部５は、圧電材料溶液を噴射する。循環部１９は、保持部２１が保持する圧電材料溶液を噴射部５に供給し、噴射部５において噴射されなかった圧電材料溶液を回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムであって、
前記圧電材料溶液は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体であり、
前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、
前記圧電材料溶液を保持する保持部と、
前記保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、
前記保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて前記保持部が保持する前記圧電材料溶液を前記噴射部に供給する循環部を備え、
前記循環部は、前記噴射部において噴射しないときに前記噴射部から前記保持部に至る回収経路を用いて前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収する、噴射システム。
【請求項２】
前記回収経路を開閉する弁部を備え、
前記循環部は、
前記噴射部において噴射するときは前記弁部を閉じることにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、
前記噴射部において噴射しないときは前記弁部を開くことにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収する、請求項１記載の噴射システム。
【請求項３】
搬送速度を設定する設定部を備え、
前記循環部は、前記設定部が設定した搬送速度で、前記噴射部に対して前記圧電材料溶液を供給し、
前記噴射部において噴射するときは、前記循環部は前記回収経路を遮断して前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、
前記噴射部において噴射しないときは、前記回収経路を用いて前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収する、請求項１又は２に記載の噴射システム。
【請求項４】
前記圧電材料溶液は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であり、
前記圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることにより、前記攪拌部による攪拌及び前記循環部による循環を用いた塗布処理を実現する請求項１から３のいずれかに記載の噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、噴射システムに関し、特に、対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、圧電材料を用いて対象物の表面に密着するセンサを形成するため、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末との複合体をスプレー塗布する圧電膜形成法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M.Kobayashi, T.R.Olding, M.Sayer, C.-K.Jen, “Piezoelectric thick film ultrasonic transducers fabricated by a sol-gel spray technique”, Proceedings of Ultrasonics, Volume 39, Issue 10, October 2002, PP. 675-680
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１記載の手法は、単純に、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末との複合体を保持し、スプレー塗布するものであり、沈殿等が生じる前にスプレー塗布を終了する必要があった。そのため、非特許文献１記載の手法では、数ｍｌ程度しかスプレー塗布できなかった。
【０００５】
確かに、非特許文献１記載の手法により、圧電材料を用いた表面密着センサの実用化に対する期待は高まった。しかし、非特許文献１記載の手法によっては、スプレー塗布を自動化することはできず、かつ、塗布可能な範囲が極めて狭い。そのため、非特許文献１記載の手法は、多様な形状・サイズの対象へ再現性よくスプレー塗布を実現することができず、実用化へ歩みを進めることが難しいと予想されていた。
【０００６】
そこで、本願発明は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体をスプレー塗布することが可能な面積を大きくしたり、スプレー塗布を自動化したりすることに適した噴射システムを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の第１の観点は、対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムであって、前記圧電材料溶液は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体であり、前記圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、前記圧電材料溶液を保持する保持部と、前記保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、前記保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて前記保持部が保持する前記圧電材料溶液を前記噴射部に供給する循環部を備え、前記循環部は、前記噴射部において噴射しないときに前記噴射部から前記保持部に至る回収経路を用いて前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収するものである。
【０００８】
本願発明の第２の観点は、第１の観点の噴射システムであって、前記回収経路を開閉する弁部を備え、前記循環部は、前記噴射部において噴射するときは前記弁部を閉じることにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、前記噴射部において噴射しないときは前記弁部を開くことにより、前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収するものである。
【０００９】
本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の噴射システムであって、搬送速度を設定する設定部を備え、前記循環部は、前記設定部が設定した搬送速度で、前記噴射部に対して前記圧電材料溶液を供給し、前記噴射部において噴射するときは、前記循環部は前記回収経路を遮断して前記圧電材料溶液を回収せず、前記噴射部は供給された前記圧電材料溶液の全量を噴射し、前記噴射部において噴射しないときは、前記回収経路を用いて前記循環部は前記噴射部に供給された前記圧電材料溶液の全量を回収するものである。
【００１０】
本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の噴射システムであって、前記圧電材料溶液は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であり、前記圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることにより、前記攪拌部による攪拌及び前記循環部による循環を用いた塗布処理を実現するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明の各観点によれば、攪拌部及び循環部を用いることにより、噴射部から噴射しても噴射しなくても、保持部、供給部及び循環部における圧電材料の沈殿等を防止して、噴射するときには噴射部による連続噴射を可能にして、大面積のスプレー塗布を可能にし、かつ、自動化をも可能にする。
【００１２】
さらに、第２の観点によれば、回収経路に弁部を設けることにより、噴射部が噴射するときには弁部を閉じて供給された全量を噴射するために噴射量を調整でき、噴射しないときには弁部を開いて供給された全量を回収して沈殿等を防止することができる。さらに、本願発明の第３の観点によれば、設定部が設定した搬送速度で規定される液量の圧電材料溶液が保持部から噴射部に供給されることにより、膜厚をコントロールし、用途に応じて、感圧センサの性能（感度・測定レンジ）等を調整することが可能である。
【００１３】
特に、本願発明の第４の観点にあるように、発明者らは、実験により、少なくとも、ＰＺＴゾルゲル溶液とＰＺＴ粉体とを混合した複合体において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であれば、攪拌部による攪拌及び循環部による循環によって連続的な塗布を実現することができることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）本願発明の実施の形態に係る噴射システムの構成の一例と、（ｂ）平面上及び（ｃ）円筒面上に作成された大面積圧電膜の一例を示す。
【図２】電極が１つである試作センサを用いた実験結果を示す図である。
【図３】アレイ型の試作センサを用いた実験結果を示す図である。
【図４】塗液である圧電材料溶液中のＰＺＴゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の質量比の変化と噴射及び圧電膜の性質への影響に関する実験結果を示す図である。
【図５】試作センサの膜厚を評価するための実験結果を示す図である。
【図６】図１の噴射システム１の構成の具体例を示す図である。
【図７】成膜再現性・膜厚均一性の検証実験の結果を示す図である。
【図８】圧電膜の感圧センサとしての有用性を示す図である。
【図９】圧電膜の超音波トランスデューサーとしての有用性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。なお、本願発明は、この実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本願発明の実施の形態に係る噴射システムの構成の一例を示す。噴射システム１は、対象物３（例えばロボットなど）の表面に圧電材料溶液をスプレー塗布することで、任意の自由曲面形状の対象物３の表面に、大面積圧力分布センサを構築することができる。これにより、ロボットや自動車、情報機器、日用品等の筐体や部品等の自由曲面形状を持つ物体の表面に密着して装着・被覆され、人体などの柔軟物や環境中の構造体、その他の物体などの剛体、あるいは空気・水等の流体に接触した際に生じる表面圧力分布を取得する圧電体薄膜感圧センサを実現することができる。
【００１７】
噴射システム１は、噴射部５（本願請求項の「噴射部」の一例）と、噴出口７と、供給部９と、供給管１３（本願請求項の「供給経路」の一例）と、回収管１５（本願請求項の「回収経路」の一例）と、弁部１６（本願請求項の「弁部」の一例）を備える。供給部９は、設定部１７（本願請求項の「設定部」の一例）と、循環部１９（本願請求項の「循環部」の一例）と、保持部２１（本願請求項の「保持部」の一例）と、攪拌部２３（本願請求項の「攪拌部」の一例）を備える。
【００１８】
保持部２１は、圧電材料溶液を保持する。圧電材料溶液は、圧電体ゾルゲル溶液と圧電体粉末の複合体である。以下では、圧電材料溶液が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体である場合を例に説明する。攪拌部２３は、保持部２１に保持された圧電溶液を攪拌する。
【００１９】
設定部１７は、利用者の入力等に応じて、搬送速度を設定する。
【００２０】
循環部１９は、供給管１３を用いて、設定部１７が設定した搬送速度で、保持部２１が保持する圧電材料溶液を噴射部５に供給する。噴射部５は、噴出口７より、供給された圧電材料溶液を噴射する。
【００２１】
循環部１９は、噴射部５が噴射するときには弁部１６を閉じ、回収管１５を遮断する。そのため、噴射部５は、供給された圧電材料溶液の全量を噴出する。これにより、設定部１７に搬送速度を設定して、噴射量を調整することができる。循環部１９は、噴出部５が噴出しないときには弁部１６を開き、回収管１５を開放する。噴出部５に供給された圧電材料溶液は保持部２１に戻る。そのため、沈殿等が生じることを防止することができる。
【００２２】
従来の圧力分布センサは、主に二つの手法が挙げられる。一つ目は多数のセンサ素子を表面に配置する方法である。これは、一つ一つのセンサ素子を高機能なものにできるという利点がある。他方、各素子の位置決めや配線数の多さなどには課題もある。二つ目はシート状センサを張り付ける方法である。これは、表面に貼り付けるだけで圧力分布センサを構成できる。他方、楕円体や自由曲面などの非可展面を隙間なく被覆するには十分な伸縮性が必要である。
【００２３】
図１の噴射システム１を利用すると、圧電体や配線、電極など、対象物３の表面上に構成されるセンサの要素は全てスプレーによる吹き付けのみで作成される。そのため、非可展面を含むあらゆる表面形状に完全に一致した圧力分布センサを作成することができる。
【００２４】
図１（ｂ）及び（ｃ）は、図１（ａ）の噴出システム１により（ｂ）平面上及び（ｃ）円筒面上に作成された大面積圧電膜の一例を示す。
【００２５】
図１（ｂ）を参照して、図１（ａ）の噴射システム１により平面上に大面積圧電膜を作成する手法について説明する。図１（ｂ）の圧電膜を作成するため、図１の噴射システム１において、噴射部５をスプレーコーター装置（旭サナック社製rCoater）に取り付け、平面への連続的な噴射を行った。スプレーコーター装置はＸ、Ｙの直行する２軸の移動機構を持ち、Ｘ軸方向の移動機構に噴射部７を、Ｙ軸方向の移動機構に対象物３を設置する。Ｙ軸方向に一定の速度で往復運動するごとにＸ軸方向に一定のピッチでスプレーガンが移動することで、対象表面全体に連続的な塗布を実現する。
【００２６】
図１（ｂ）は１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス平板に、ＰＺＴゾルゲル溶液に対しＰＺＴ粉末を質量比２／３で混合した圧電材料溶液を搬送速度７．５ｍｌ／ｍｉｎでスプレーガンに供給し、Ｘ軸移動ピッチ５ｍｍ、Ｙ軸移動速度４００ｍｍ／ｓでスプレー塗布した。塗布後、電気炉内で１５０℃、１０分の仮焼成、６５０℃、５分の焼結を行い、コロナ放電により強電界下で分極処理を実施した。作成された圧電膜は吹き付けムラ等無く、良好な膜を基材であるステンレス板上全体で実現できている。
【００２７】
図１（ｃ）を参照して、図１の噴射システム１により円筒面上に大面積圧電膜を作成する手法について説明する。図１（ｃ）の圧電膜を作成するため、図１の噴射システム１において、対象物３を回転機構に取り付けスプレー塗布を行った。直径４０ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミパイプを回転機構に取り付け、パイプの軸を中心に回転させながらから対象表面に、ＰＺＴゾルゲル溶液に対しＰＺＴ粉末を質量比２／３で混合した圧電材料溶液を搬送速度７．５ｍｌ／ｍｉｎでスプレーガン（噴射部５の一例）に供給しスプレー塗布した。塗布後、電気炉内で１５０℃、１０分の仮焼成、５００℃、５分の焼結を行い、コロナ放電により強電界下で分極処理を実施した。作成された圧電膜は吹き付けムラ等無く、良好な膜を基材であるアルミパイプ上全体で実現できている。
【００２８】
図２を参照して、電極が１つであるセンサの場合について説明する。
【００２９】
図２（ａ）のセンサは、図２（ｂ）に示すように、ステンレス板上に圧電膜と上部電極が重なる構成を持つ。圧電膜は、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーターを用いたスプレー塗布及び焼成・分極後に、銀コロイド溶液を塗布し上部電極を作成した。基材であるステンレス板が導体であるためこれを下部電極とし、上部電極との間に生じる電荷の局在を読み出すことでセンサにかかる圧力を取得することでできる。基材と銀電極には、導電性の接着剤を使い導線を接続した。
【００３０】
図２（ｃ）は、チャージアンプを用いた検出回路を示す。今回の実験においては、オペアンプ（AD823AN）と負帰還抵抗（Rf1=100MΩ）と負帰還コンデンサー（Cf1=0.2μF）を有するチャージアンプに、チャージアンプと同一のオペアンプを用いた増幅率約１０倍の増幅回路をつなげて回路を構成した。
【００３１】
図２（ｄ）は、試作センサの有効性を評価するため、図２（ａ）の試作センサに対して力を加えた際の出力の測定結果を示す。試作センサの表面を指で押下した際に、上部電極とステンレス板間の電圧変化をオシロスコープで観察した。図２（ｄ）は、この実験により得られた波形を示す。圧電材料の特性として、その出力は印加応力の時間微分に対応するため、指を押しこんだ時刻および指を離した時刻に電圧変動が見られる。
【００３２】
図２（ｅ）は、図２（ａ）試作センサ及び図２（ｃ）検出回路による測定結果を示す。感圧センサとして使用するためには、変動する応力だけでなく静的な力も取得する必要がある。図２（ｄ）の信号を計算機に取り込んだ後に、数値積分するなどの処理では誤差が蓄積し正確な値の検出ができないことは想像に難くない。そこで、図２（ｃ）の検出回路を利用して、静的な力の検出についても検証する。図２（ｅ）は、検出回路を通過した後のセンサ出力をオシロスコープで観察した結果を示す。作成した検出回路を用いることで、圧力を加えている間電圧が上昇しており、静的な圧力を測定できていることが確認された。応答性やドリフト等はチャージアンプの時定数を使用するセンサに合わせ適宜調節することで改善できる。
【００３３】
図２の単一電極による電荷検出実験では、検出回路であるチャージアンプと増幅回路を用いて、指でセンサに力を加えることによって発生する電荷を、それに応じた電圧に変換し測定を行った。その結果、力を加えることによって電圧が上昇し、力を加えることをやめると、電圧が低下し力を加える前の電圧値に近づいていくことが確認できた。このことにより、図２の試作センサが、検出回路を用いることで、外力の測定を行うことが可能であることを示すことができた。
【００３４】
図３を参照して、アレイ型センサの場合について説明する。図２では、本願発明の噴射システムにより形成した圧電膜上に電極を一つだけ持つセンサを用いて行った実験を説明した。しかし、実際の感圧センサでは、ロボット等の表面の大面積を覆うセンサにより表面に印可される圧力の分布を取得する必要がある。そのため、電極をアレイ状に配置し、帯状につなげ、各電極からの信号を取得する必要がある。
【００３５】
図３（ａ）は、複数の信号の取得や各電極間の干渉を確認するために試作した、５つの電極を一方向に並べたアレイ型センサを示す。試作したアレイ型センサは、１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス平板に、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーターを用いた走査吹き付けにより均一に圧電材料溶液をスプレー塗布し、焼結・分極を行った。分極方法は、図１（ｂ）の圧電膜の作成で用いたコロナ放電による強電界印可ではなく、上部電極と下部電極間に高電圧パルスを複数回印可することにより行った。図２（ａ）の単一電極をもつセンサと同じように、ステンレス基材を下部電極とみなし、銀コロイド溶液を吹き付けて作成した１０ｍｍ×１０ｍｍの上部電極を５つ持っている。また、信号読み出しのために電極からは配線パターンが伸びており、その先はケーブルと圧着される。
【００３６】
圧電膜及び電極の上には、シリコン透明塗料を塗布し絶縁と圧電層および銀電極の保護を行っている。また、力を加えた際に基材が変形すると圧電層も一緒に変形し、力を加えた部分以外にも応力が生じてしまう。これにより本実験における目的の一つである電極間の電気的干渉を検討する際に、機械的応力の伝播と電気的干渉が弁別できなくなる。そこで基材の下に厚いアクリル板を置き、基材とともに固定をすることで、基材が変形することを防いでいる。
【００３７】
図３（ｂ）は、５つの電極からの出力に、図２（ｃ）でも用いたチャージアンプを有する検出回路をそれぞれ取り付け、その出力をオシロスコープにより観察したときの出力結果の一例を示す。
【００３８】
図３（ｂ）中のラインＬ1で示される信号は、図３（ａ）の右端の電極からの出力である。ラインＬ2で示される信号は、その隣の電極からの出力である。右端の電極を２回押下した後、その隣の電極を押下した際の各信号の時間変化を示している。検出回路は、図２で使用したものと同パラメータのものを用いたが、センサの膜厚や電極サイズが異なるため応答性が悪化している。しかし、それぞれ加えられた力に応じた出力が見られ、隣接する電極間の電気的な干渉も確認されなかった。実際に大面積センサを作成する際にも、検出回路のパラメータを調整することで良好な結果を得ることが期待される。
【００３９】
図３（ｃ）は、圧電膜の上下に縦方向・横方向に導電材料を設置し、それぞれをマルチプレクサ等で高速に切り替えながら信号を取得することで、縦・横の配線の交点における応力を測定する例を示す。このような構成にすることにより、電極を密に配置し、それぞれに配線を行い、例えばロボットのように大きな面積の表面上でも、十分な空間解像度で応力分布を取得することができる。
【００４０】
図４を参照して、図１の噴射システム１において、塗液である圧電材料溶液中のＰＺＴゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の質量比の変化と噴射及び圧電膜の性質への影響について説明する。実験では、図１（ｂ）の圧電膜を作成したときの噴射システムを利用した。
【００４１】
図４（ａ）は、１００ｍｍ×５０ｍｍのステンレス板上にマスクを設置し、図１（ｂ）の圧電膜と同様に、スプレーコーター装置の走査により連続的に対象表面に圧電材料溶液をスプレー塗布し、焼成・分極を実施して作成した圧電膜の一例である。図４（ａ）に示すような圧電膜を、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が異なる圧電材料溶液を用いて複数作成した。この際、溶液・粉末質量比以外の条件である圧電材料溶液の搬送速度（７．５ｍｌ／ｍｉｎ）、スプレーコーター装置のＹ軸移動速度（４００ｍｍ／ｓ）、Ｘ軸移動ピッチ（５ｍｍ）、焼成方法（１５０℃、１０分の仮焼成、６５０℃、５分の焼結）、コロナ放電による分極方法は同一である。ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比は１／３、２／３、１、１．２５、１．３、１．４、１．５、２を試した。
【００４２】
図４（a）に示すような圧電膜形成に用いた圧電材料溶液のうち、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．３以上のものについては溶液中の粉末が過多のため噴射システムの攪拌、供給、循環が正常に行われず、スプレー塗布に至らなかった。
【００４３】
圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液の場合、少なくとも、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下である場合には、攪拌等を行うことができ、スプレー塗布することができた。
【００４４】
図４（ｂ）及び（ｃ）は、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下である場合の圧電膜について、（ｂ）膜厚と（ｃ）圧電係数（ｄ３３）を測定した結果を示す。膜厚については、粉末質量比が大きくなるほど厚くなることが予想され、この予想と一致する傾向が見られた。圧電係数については粉末質量比が小さいほど増加する傾向が見られた。
【００４５】
図５を参照して、膜厚を評価するために行った実験について説明する。
【００４６】
膜厚の測定は、次のように行った。まず、１００ｍｍ×８０ｍｍのステンレス板にマスクをかけて図１（ｂ）に示す圧電膜形成と同じシステムで圧電材料を吹き付け、圧電膜上の９か所（図５（ａ）の上側の丸印）において膜厚を測定した。また、膜厚のリファレンスとして、1か所（図５（ａ）の下側の丸印）にて板厚を測定した。そして、上側の丸印と下側の丸印との差分を膜厚とする。上側の丸印（９か所）の測定位置は、１０ｍｍ間隔(軸上で１０ｍｍ〜９０ｍｍ)であり、すべての測定において同位置で測定できるよう治具を作成した。同一の測定点で１０回の測定を行い、平均・標準偏差を取得した。
【００４７】
図５（ｂ）は、塗液搬送速度と膜厚の関係を示す。塗液搬送速度を５ｍｌ／ｍｉｎ、７．５ｍｌ／ｍｉｎ、１０ｍｌ／ｍｉｎと変化させ、３つのサンプルについて評価した。塗液搬送速度を変化させることで膜厚のコントロールが可能であることが確認できる。そのため、用途に応じて、感圧センサの性能（感度・測定レンジ）を調整することができる。
【００４８】
図５（ｃ）は、膜を重ね塗りして各層ごとの膜厚を評価したものである。上記の塗液搬送速度の調整と合わせ膜を重ね塗りすることで、１０ｕｍから数十ｕｍ程度で膜厚を制御できることが示されている。
【００４９】
図５（ｄ）は、スプレーコーターによる吹き付けと、手吹きによる吹き付けとの膜厚のばらつきの比較を示す。スプレーコーターによる吹き付けは、同一の塗液搬送速度（７．５ｍｌ／ｍｉｎ）で計４枚の圧電膜を作成した。手吹きの圧電膜についても同一の塗液搬送速度で計３枚の圧電膜を作成した。スプレーコーターによる吹き付けは、手吹きと比較して、膜厚のばらつき（サンプル内の位置ごとのばらつき、サンプル間のばらつき）が減少している。そのため、成膜工程の安定性が向上し、自動化による利点が大きいことが確認できる。
【００５０】
なお、保持部２１には、図示を省略する追加部が、継続的に圧電材料溶液を供給することにより、保持部２１に最初に保持された圧電材料溶液を超えて継続してスプレー塗布をすることができ、大面積のスプレー塗布を実現することができる。
【００５１】
また、平面への吹き付けでは、吹き付けのスプレーガンを吹き付け対象に対し２次元的に走査することで均一な塗膜形成を行ってもよい。また、円筒への吹き付けでは吹き付け対象である円筒を軸を中心に回転させながら軸方向にスプレーガンを操作することで、平面と同等の吹き付け工程を実現することができる。さらに、自由局面への吹き付けにおいては平面への吹き付けで確立した塗布パラメータをもとに６軸塗装ロボットを制御し吹き付けを行うことができる。
【実施例２】
【００５２】
図６〜図９を参照して、図１の噴射システム１の構成の具体例と、実験結果を説明する。
【００５３】
図６を参照して、図１の噴射システム１の構成の具体例を説明する。図６（ａ）を参照して、スプレーガン、二方弁、攪拌容器及び攪拌装置は、それぞれ、図１の噴射部５、弁部１６、保持部２１及び攪拌部２３の一例である。送液装置は、例えばポンプであり、送液チューブを用いて、攪拌装置内の液体をスプレーガンに送液する。スプレーガンが噴射しているときは二方弁が閉じ、液体はスプレーガンから攪拌容器に戻らない。スプレーガンが噴射していないときは二方弁が開き、液体は二方弁を経由してスプレーガンから攪拌容器へと戻る。
【００５４】
図６（ｂ）は、塗布対象搭載ワークにおいて平面状に塗布する場合の構成の一例を示す。異なる方向であるＸ方向とＹ方向のそれぞれに、違う高さに単軸ステージを設ける。図６（ｂ）では、Ｘ方向が高く、Ｙ方向が低いようにし、スプレーガンが、下に噴射し、塗布対象搭載ワークの上を移動できるようにする例を示す。Ｘ方向及びＹ方向の単軸ステージにより、それぞれ、スプレーガンと塗布対象搭載ワークを移動させることによって、スプレーガンと塗布対象搭載ワークの相対的な位置を変更する。これにより、塗布対象搭載ワークの平面の任意の位置に塗布することができる。
【００５５】
以下の実験では、下記のものを使用した。スプレーガン及びスプレーコーター装置として、旭サナック製の低圧霧化スプレイノズル及び旭サナック製のrCoaterを使用した。ギアポンプユニット（循環部１９の一例）として、旭サナック製のギアポンプGPN050を使用した。ギアポンプコントローラ（設定部１７の一例）として、旭サナック製のギアポンプ制御盤ET9282E0を使用した。攪拌部２３及び保持部２１の一例として、それぞれ、スターラー及びバイアル瓶を使用した。エアオペレイトバルブ（弁部１６の一例）として、CKD製AMDZ2-6-2を使用した。
【００５６】
図７を参照して、図６の装置を使用した成膜再現性・膜厚均一性の検証実験を説明する。圧電膜は１００×１００×０．５[ｍｍ]のステンレスの板にスプレーをそれぞれ１回・２回・３回吹き付けて計３枚作成した。作った圧電膜基板はアクリルのガイドの中で固定し、膜厚計を用いてＸとＹ方向にそれぞれ２０[ｍｍ]間隔で計２５点の膜厚を測定した。各測定ポイントでは１０回測定し、その平均を測定値としている。
【００５７】
図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、１、２及び３回の吹き付けによる測定結果を示す。横軸に圧電膜のＸ方向の距離、縦軸に膜厚を取り、Ｙ方向の距離はグラフ上の点の形で表している。これらの図の測定値の分布に注目して比較すると、重ね塗りの回数によって膜厚が約１０[μｍ]変化していることが分かる。図７（ｄ）は、測定結果の平均値と標準偏差をまとめた表である。膜厚の均一性については、標準偏差の約１．５[μｍ]は膜厚計の測定精度と同程度であることから均一な圧電膜が形成されている。また、グラフからもいずれの膜もＸ方向、Ｙ方向ともに同程度の均一性が確認できる。本願発明による長時間塗布が可能にする面的な塗布により、１００[ｍｍ]四方という従来と比較して大面積の膜において均一な分布の膜厚が得られている。
【００５８】
図８を参照して、本願発明を実現するシステムを使用して作成した圧電膜の感圧センサとしての有用性検証を説明する。実験に使用した圧電膜は１００[ｍｍ]×５０[ｍｍ]、０．５[ｍｍ]厚のステンレス板に、システムにより塗布した平均膜厚約１０[μｍ]のものである。分極は針電極を用いたコロナ放電によって形成した電界下で実施し、膜厚方向の圧電性を有する。
【００５９】
この圧電膜をセンサとして使用するためには上下を電極で挟む必要がある。下部電極は基材として用いたステンレス板とした。上部電極は圧電膜上に銀ペーストを塗布して作製した。図８（ａ）に示すように、銀ペースト塗布により作製した上部電極層は５電極分であり、それぞれ１０[ｍｍ]角のセンサ部と２０[ｍｍ]×４[ｍｍ]の配線部を持つ。５つの電極は、５[ｍｍ]間隔で圧電膜上に配置されている。
【００６０】
圧電膜センサの感度・周波数特性評価は、電極のセンサ部をハンマーで叩いてインパルス状の印加力を与えることで行った。打撃力はインパルスハンマー（小野測器-GK-2110-）を用いて手動で与え、オシロスコープでインパルスハンマーの出力および圧電膜センサの信号（上下電極間電位差）を観察した。打撃時には、圧電膜センサをセンサよりサイズ・質量ともに十分に大きな木材上に固定している。なお、サンプリング周波数は１０[ＭＨｚ]である。
【００６１】
インパルスハンマー先端には力センサが設置されており、ハンマー出力信号は打撃時にハンマー先端に生じた力に対応している。作用反作用の法則により圧電膜センサにも同じ撃力が印加されていると考えることができる。なおハンマー出力信号は力に対応しているのに対して圧電センサは力の時間変化に対応すること、両者の形状や質量・設置状況による機械的特性の違いには注意が必要である。
【００６２】
図8（ｂ）は、ハンマーで叩いた直後のハンマーおよびセンサの出力信号を示す。ハンマー信号が複数回発現しているのは叩いた反動によるものである。図８（ｂ）の時間波形から、ハンマーの出力（打撃力）に対して圧電センサが出力を示していることが分かる。それぞれの信号のピーク時間の時間差は約２３[μｓ]である。
【００６３】
図８（ｃ）は、それぞれの振幅スペクトルを示す。図８（ｃ）より、センサは数十[ｋＨｚ]程度までの周波数帯域に出力があることが分かる。なお、ハンマー出力は数[ｋＨｚ]程度までしか帯域を持たないが、これはハンマーに内蔵の力センサ及びプリアンプの特性（〜２０[ｋＨｚ]）によるものであり、実際にはより高周波数までの成分が発生していると予想される。
【００６４】
図８（ｄ）は、センサの電圧感度を示す。センサの電圧感度は、インパルスハンマーの電圧感度が既知（２０．６[ｍＶ／Ｎ]）であるため、それを基に算出した。なお、ハンマーの周波数帯域が２０[ｋＨｚ]付近までしかないため、１２[ｋＨｚ]までの成分のみ感度を求めている。提唱されている完全触覚センサでは、ロボットスキン等に使用される触覚センサ（力センサ）の仕様として１[ｋＨｚ]程度の帯域が要求されている。本実験で用いた圧電膜センサでは、周波数特性においてこの仕様を十分に満たす性能を持つことが示唆されている。
【００６５】
図９を参照して、本願発明を実現するシステムを使用して作成した圧電膜の超音波トランスデューサーとしての有用性検証を説明する。本願発明を用いる塗布システムにより作製した圧電膜デバイスを用いて超音波パルスエコー波形の観察を行った。図９（ａ）を参照して、評価に用いた素子は、基材であるステンレス材を下部電極、銀電極を上部電極とし、圧電膜を挟んだものである。基材は、厚さ３[ｍｍ]のステンレス板である。洗浄・表面処理を施した基材上におよそ３０[μｍ]厚の圧電膜塗布を行い、乾燥・焼成・分極後に電極形成を行っている。
【００６６】
評価には超音波パルスエコー法を用い、パルサーレシーバを用いて電圧を印加し、膜の振動によって生じる超音波パルスが塗布基材であるステンレス板内を伝搬・反射して生じるエコー波形を観察した。図９（ｂ）は、評価実験の構成を示す。
【００６７】
図９（ｃ）は、電極にパルサーレシーバで超音波の帯域を含むパルス状電圧を印加し、上部銀電極とステンレス板間での電圧の変化をオシロスコープで観察したものを示す。パルスの印加によって電極と基材間の圧電膜が変形し超音波が発生する。発生した超音波パルスは、ステンレス基材内を伝搬し境界面で反射し再び圧電膜に到達する。この反射波が圧電膜を振動させることで電極間の電位差に信号が生じる。反射波は圧電膜と基材の境界面でも反射するためステンレス基材内で生じる多重反射の様子を観察することができる。伝搬及び反射による減衰で観察されるパルス波形の振幅は徐々に減少する。図９（ｃ）では、当初パルス電圧を印加した時刻後に大きな振動が発生するためノイズが見られるものの、その後は多重反射波のパルス波形がはっきりと観察される。パルス間の時間間隔はおよそ１[μｓ]であった。多重反射が生じしているステンレス基材の厚みは３[ｍｍ]であり、ステンレス中を伝搬する音波の音速を５７４０[ｍ／ｓ]とすると超音波パルスの往復に要する時間はおよそ１．０５[μｓ]である。これは上述のパルス間時間間隔とおよそ一致する。このことからもこの圧電膜デバイスが超音波送受振素子として機能していることがわかる。これにより大面積・曲面上に圧電膜形成を可能とする本願発明を用いても超音波送受振デバイスとして使用可能な膜を作製できることが確認された。
【符号の説明】
【００６８】
１  噴射システム、３  対象物、５  噴射部、７  噴出口、９  供給部、１３  供給管、１５  回収管、１６  弁部、１７  設定部、１９  循環部、２１  保持部、２３  攪拌部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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