(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する基板と、前記基板上に形成された圧電膜とを備える圧電型センサであって、
前記基板の厚みをｔｓ、前記圧電膜の厚みをｔｐ、前記圧電膜の長手方向の長さをＬ、前記基板の前記厚みｔｓと前記圧電膜の前記厚みｔｐの合計の厚みをｔとした場合に、前記圧電膜の前記厚みｔｐ及び前記基板の前記厚みｔｓはｔｓ／ｔｐ＞１を満たしており、前記圧電膜の前記厚みｔｐは５μｍ以上２０μｍ以下であり、前記合計の厚みｔと前記圧電膜の前記長手方向の前記長さＬはＬ／ｔ＞１００を満たしており、
前記圧電膜は、平均結晶粒径が７０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のチタン酸バリウムからなる
圧電型センサ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電型センサであって、
前記基板は金属製である
圧電型センサ。
【請求項３】
請求項２記載の圧電型センサであって、
前記基板はＡｌを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面に酸化アルミニウムからなる拡散バリア層を有している
圧電型センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧電型センサであって測定対象である拍動に応じた拍動信号を生成する圧電型センサと、前記圧電型センサを支持する支持体と、前記圧電型センサに接続されて前記拍動信号を送信する通信部とを備える拍動センサ。
【請求項５】
請求項４記載の拍動センサであって、
前記支持体は、リストバンドである
拍動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電型センサとその新たな用途としての拍動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電膜を有する圧電デバイスは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の圧電デバイスは、基板上に形成された圧電膜に電圧を印加することにより生ずる変位を利用して物体の駆動を行う圧電膜型アクチュエータである。なお、特許文献１の圧電デバイスは、金属製の基板に対してエアロゾルデポジション法により製膜されたチタン酸バリウム膜を圧電膜として有している。
【０００３】
一方、一般的な圧電センサは、基板上にセラミック板を張り付けてなるものであり、基板の変形に応じて圧電膜に生じた電圧を検知するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１２９７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、圧電型センサの新たな用途と、その用途に適用可能な構造的特徴を有する圧電センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の圧電型センサとして、
可撓性を有する基板と、前記基板上に形成された圧電膜とを備える圧電型センサであって、前記基板の厚みをｔｓ、前記圧電膜の厚みをｔｐ、前記圧電膜の長手方向の長さをＬ、前記基板の前記厚みｔｓと前記圧電膜の前記厚みｔｐの合計の厚みをｔとした場合に、前記圧電膜の前記厚みｔｐ及び前記基板の前記厚みｔｓはｔｓ／ｔｐ＞１を満たしており、前記圧電膜の前記厚みｔｐは２０μｍ以下であり、前記合計の厚みｔと前記圧電膜の前記長手方向の前記長さＬはＬ／ｔ＞１００を満たしている、圧電型センサを提供する。
【０００７】
また、本発明は、第２の圧電型センサとして、第１の圧電型センサであって、
前記基板は金属製である
圧電型センサを提供する。
【０００８】
また、本発明は、第３の圧電型センサとして、第２の圧電型センサであって、
前記基板はＡｌを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面に酸化アルミニウムからなる拡散バリア層を有している
圧電型センサを提供する。
【０００９】
また、本発明は、第４の圧電型センサとして、第１乃至第３のいずれかの圧電型センサであって、
前記圧電膜は、非鉛系圧電セラミック材料からなる
圧電型センサを提供する。
【００１０】
また、本発明は、第５の圧電型センサとして、第４の圧電型センサであって、
前記圧電膜は、平均結晶粒径が５００ｎｍ以下のチタン酸バリウムからなる
圧電型センサを提供する。
【００１１】
また、本発明は、第１の拍動センサとして、第１乃至第５のいずれかの圧電型センサであって測定対象である拍動に応じた拍動信号を生成する圧電型センサと、前記圧電型センサを支持する支持体と、前記圧電型センサに接続されて前記拍動信号を送信する通信部とを備える拍動センサを提供する。
【００１２】
また、本発明は、第２の拍動センサとして、第１の拍動センサであって、
前記支持体は、リストバンドである
拍動センサを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
可撓性を有する基板上に対して、２０μｍ以下の厚みを有し且つｔｓ／ｔｐ＞１及びＬ／ｔ＞１００を満たす圧電膜を形成してなる圧電型センサは、可撓性を有している。そのため、平面ではなく曲面を形成しているような対象物に対して、圧電型センサを取り付けることができる。
【００１４】
例えば、人体、特に、手首や首、胸などに圧電型センサを接した状態で使用することにより拍動（脈拍、心拍）を電圧信号として検出することができる。即ち、本発明によれば、圧電型センサを利用した拍動センサ（脈拍センサ又は心拍センサ）を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態による圧電型センサを模式的に示す図である。
【図２】図１の圧電型センサを含む拍動センサと測定系を模式的に示す図である。
【図３】圧電型センサの出力試験及び可撓性検証試験の試験系を示す図である。
【図４】拍動センサの出力波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照すると、本発明の実施の形態による圧電型センサ１は、可撓性を有する基板１０と、基板１０上に形成された圧電膜２０とを備えている。
【００１７】
基板１０は、金属製であり、厚みｔｓを有している。厚みｔｓは、基板１０の材料にもよるが、センサ感度と可撓性の確保とのバランスを考慮すると、２０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。基板１０は、可撓性を有するものであれば、例えば、有機フィルムからなるものであってもよいが、圧電膜２０が破損し難く、圧電型センサ１の耐熱性が高くなることから、基板１０は金属製であることが望ましい。
【００１８】
具体的には、本実施の形態の基板１０は、Ａｌを含有している耐熱性ステンレス鋼からなり、表面には酸化アルミニウムからなる拡散バリア層が形成されている。拡散バリア層が設けられていることから、後述する９００℃以上の高温での熱処理の際に基板１０と圧電膜２０の反応を防ぐことができる。
【００１９】
基板１０の上面には、下部電極３２が形成されている。本実施の形態において、下部電極３２は、Ｐｔ膜からなるものであり、厚みは０．５μｍ程度である。下部電極３２は、例えば、スパッタ法により形成される。下部電極３２はＰｔ膜に限定されるものではなく、例えば、他の貴金属（Ｉｒなど）からなる金属膜であってもよい。
【００２０】
圧電膜２０は、非鉛系圧電セラミック材料からなるものであり、厚みｔｐを有している。また、圧電膜２０の長手方向の長さはＬである。圧電膜２０が非鉛系圧電セラミック材料からなるため、生体に装着する用途に適しており、また、廃棄の際に環境に与える負荷も小さい。
【００２１】
具体的には、本実施の形態の圧電膜２０は、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法で形成されたチタン酸バリウムからなるものである。ＡＤ法による膜形成は、例えば粒径が１μｍ程度のセラミック粉末（本実施の形態において、具体的には、チタン酸バリウム粉末）を真空中においてノズルから噴射して基板１０に衝突させることにより行われる。ＡＤ法により形成されたままの膜は、最終的な圧電膜２０と区別するため、以下においてはアズデポ膜という。アズデポ膜は、基板１０に対してアンカー効果により強固に接合される。この強固な接合は、最終的な圧電膜２０においても保たれる。そのため、圧電型センサ１を曲げ変形させた際に圧電膜２０が割れたり基板１０から剥がれたりすることを低減することができる。このように、ＡＤ法は、可撓性を有する圧電膜２０を得るために適した方法であると言える。
【００２２】
アズデポ膜の微細組織は、ＡＤ法に使用した粉末の粒径よりも小さく、数十ｎｍ程度まで微細化されているが、粒径が小さいと圧電性が低いという問題がある。そのため、適切な温度条件で熱処理を行い、結晶粒を成長させる必要がある。一方、セラミックの破壊は一般的に粒界面で発生するため、圧電膜２０の強度を向上させるには粒界面が多い微結晶組織の方が望ましい。本実施の形態においては、圧電膜２０の強度の確保のため、圧電膜２０を構成する結晶の平均結晶粒径が５００ｎｍ以下となるようにアズデポ膜に対して熱処理を行うこととする。更に、圧電特性の向上のためには、圧電膜２０を構成する結晶の平均結晶粒径が７０ｎｍ以上となるようにアズデポ膜に対して熱処理を行うことが望ましい。説明の便宜上、以下においては、アズデポ膜を熱処理して得られる膜を熱処理後膜という。
【００２３】
アズデポ膜や熱処理後膜は多結晶組織であるため、そのままでは、電気分極の向きがランダムである。そこで、分極の向きを揃えるために分極反転する電界強度以上の電圧（所定の電圧）を熱処理後膜に印加する。
【００２４】
分極処理の前に、熱処理後膜上に上部電極３４を形成する。本実施の形態における上部電極３４は、Ａｕ膜からなるものであり、０．５μｍ程度の厚みを有している。Ａｕ膜は例えばスパッタ法や蒸着により形成することができる。上部電極３４は、Ａｕ膜に限定されるものではなく、他の金属からなる金属膜であってもよい。
【００２５】
熱処理後膜を挟むようにして形成された下部電極３２と上部電極３４とを用いて、熱処理後膜に対して所定の電圧を印加して分極処理を行うことで熱処理後膜を圧電膜２０として機能させることができる。
【００２６】
本実施の形態において、圧電膜２０の厚みｔｐは２０μｍ以下である。圧電膜２０の厚みｔｐが２０μｍより厚い場合、面積が広くなるにつれて、内部応力のために成膜時や曲げ変形させたときに基板１０から剥がれてやすくなる。したがって、圧電型センサ１に可撓性を持たせたい場合、圧電膜２０の厚みｔｐは２０μｍ以下であることが求められる。
【００２７】
圧電膜２０の厚みｔｐは５μｍ以上であることが好ましい。厚みｔｐが５μｍ未満であると、静電容量が大きくなり、出力電圧が小さくなってしまうという問題がある。また、圧電膜２０に部分的なピンホールが生じてしまうおそれがあり、圧電型センサ１の製造歩留りが下がってしまう可能性がある。
【００２８】
圧電膜２０の厚みｔｐ及び基板１０の厚みｔｓはｔｓ／ｔｐ＞１を満たしており、更に、基板１０の厚みｔｓと圧電膜２０の厚みｔｐの合計の厚みをｔとした場合に、厚みｔと圧電膜２０の長手方向の長さＬはＬ／ｔ＞１００を満たしている。これらの要件を満たしていない場合、圧電膜２０が基板１０から剥がれたり、圧電膜２０の破損が生じる可能性がある。これに対して、上述した要件を満たした圧電膜２０は可撓性を有している。本実施の形態においては、基板１０も可撓性を有していることから、圧電型センサ１は全体として可撓性を有している。
【００２９】
圧電型センサ１が可撓性を有していることから、形状の自由度が高く、圧電型センサ１を取り付ける対象物は平面を有するものには限定されない。即ち、本実施の形態の圧電型センサ１は、様々な形状を有する対象物に取り付けることができる。具体的には、圧電型センサ１は、手首や首、胸などに接触させて使用することができる。
【００３０】
図２に示されるように、本実施の形態においては、圧電型センサ１の可撓性を利用して、拍動センサ５を構成している。具体的には、拍動センサ５は、測定対象である拍動に応じた拍動信号を生成する圧電型センサ１と、圧電型センサ１を支持する支持体５０と、圧電型センサ１に接続されて拍動信号を送信する無線通信部４０とを備える。
【００３１】
本実施の形態において、支持体５０は、リストバンドであり、圧電型センサ１はリストバンドの内側に設けられている。これにより、圧電型センサ１は、使用時においては手首に押し付けられ、拍動（具体的には脈拍）を測定することができる。圧電型センサ１は、手首に直接接触している方が良好な測定感度を得ることができるが、拍動を測定できるように設けられているのであれば、例えば、手首と圧電型センサ１との間に有機フィルムなどを介在させることにより、圧電型センサ１を手首に直接接触させなくてもよい。また、手首への圧電型センサ１の押付を強めて測定感度を上げるためにリストバンドと手首との間にスペーサを挟み込むこととしてもよい。
【００３２】
無線通信部４０は、オシロスコープなどを備える測定系６０に対して拍動信号を送信するための手段である。通信手段は無線に限らず、有線であってもよいが、利便性を考慮すると、無線の方が好ましい。
【００３３】
上述した実施の形態において、圧電型センサ１を支持する支持体５０はリストバンドからなるものであったが、本発明は、これに限定されるわけではなく、例えば、粘着テープを支持体とし、その粘着テープからなる支持体を生体に貼付することで、圧電型センサ１を生体に取り付けて拍動（拍動や心拍）を測定することとしてもよい。
【実施例】
【００３４】
上述した実施の形態による圧電型センサ１及びそれを使用した拍動センサ５を作製し、圧電型センサ１の可撓性確認試験や拍動センサ５による拍動の測定を行った。
【００３５】
圧電膜２０を形成するための材料としては、平均粒径が１μｍ以下で水熱合成法で製造された非鉛圧電セラミック材料であるチタン酸バリウム粉末を選択した。
【００３６】
基板１０は、長さが５，１０，１５，２０，３０ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さ２０，５０，１００μｍの矩形状形状を有しているものを用意した。基板１０の材質はＡｌを５％含有している耐熱性ステンレス鋼とした。また、基板１０としては圧電膜２０形成後の熱処理温度により、２種類用意した。具体的には、熱処理温度が９００℃未満の場合はステンレス鋼をそのまま基板として用い、熱処理温度が９００℃以上の場合は、予めステンレス鋼単体を大気中、１０００℃で熱処理を行い、熱酸化によりＡｌの酸化皮膜を拡散バリア層として形成し、その拡散バリア層上に下部電極３２としてＰｔ層をスパッタ法で形成した。ステンレス鋼をそのまま基板として用いる場合、即ち、熱処理温度が９００℃未満の場合には、ステンレス鋼自体を下部電極として使用した。
【００３７】
これらの基板１０上にＡＤ法でチタン酸バリウム膜を膜厚が５，１０，２０，３０μｍとなるように形成し、それぞれ６００℃から１００℃の間隔で１２００℃まで熱処理を行った。
【００３８】
その後、チタン酸バリウム膜の表面にメタルマスクをつけ、上部電極３４としてＡｕ層をスパッタ法で形成した。
【００３９】
以上のような構成で、チタン酸バリウム膜に対して２Ｖ／μｍの電界強度が加えられるように、上部電極３４のＡｕ膜と下部電極（Ｐｔ膜又はステンレス鋼自体）との間に電圧を印加して分極処理を行った。分極処理後、インピーダンスアナライザを使用して１ｋＨｚ、０．５Ｖで圧電膜２０の誘電率を測定した。また電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて圧電膜２０の表面を観察し、そのＳＥＭ像から結晶粒径を測定した。結晶粒径はステレオジーの形態係数を１．５としたコード長さの平均値から算出した。
【００４０】
圧電型センサ１の出力試験及び可撓性検証試験には、図３に示されるような試験系を用いた。図３に示されるように、圧電型センサ１の基板１０の一部を固定手段７０に固定することにより、圧電型センサ１を片持ち梁状に支持した。この状態において、上下方向における先端の変位量Ｈが５ｍｍとなるまで圧電型センサ１を撓ませても（曲げ変形させても）圧電膜２０に破損が見られなかったものを可撓性があると判断した。また、先端に荷重を加えて変位量Ｈが５ｍｍとなるように圧電型センサ１を撓ませた後に当該荷重を開放することで発生した電圧のピーク値を出力（Ｓ）とし、何の負荷も加えずに自立させた状態で発生している電圧出力幅（Ｖｐｐ）をノイズ（Ｎ）として、そのＳＮ比が５以上であるものを合格とした。
【００４１】
このようにして得られた評価結果を「圧電膜の厚さ」、「結晶粒径」及び「圧電膜の長さと厚さ」の３つの観点で以下に示す。
【００４２】
〔圧電膜の厚さ〕
板厚２０，１００μｍ、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍの基板１０に対して膜厚が５，１０，２０，３０μｍである圧電膜２０を成膜し１０００℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を下記表１に示す。表１から理解されるように、基板１０の板厚が１００μｍの場合、圧電膜２０の膜厚が３０μｍのサンプルについては膜割れが発生した。また、基板１０の板厚が２０μｍの場合、圧電膜２０の膜厚が２０μｍ及び３０μｍのサンプルについては膜割れが発生した。一方、圧電膜２０の膜厚が、基板１０の板厚よりも薄く（ｔｓ／ｔｐ＞１）、且つ、２０μｍ以下であるサンプルについては膜割れは発生しなかった。
【００４３】
【表１】
0006453019.tif 000002
【００４４】
〔結晶粒径〕
板厚５０μｍ、幅５ｍｍ、長さ３０ｍｍの基板１０に対して膜厚が５，１０μｍである圧電膜２０を成膜し、６００，７００，８００，９００，１０００，１１００，１２００℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を下記表２に示す。表２から理解されるように、１２００℃で熱処理を行ったサンプルでは、結晶粒径が５００ｎｍよりも大きくなっており、膜割れが発生した。また、６００℃及び７００℃で熱処理を行ったサンプルでは、結晶粒径が７０ｎｍに満たず、望ましい出力感度が得られなかった。これに対して、結晶粒径が５００ｎｍ以下であるサンプルでは膜割れは発生せず、更に、そのうち、結晶粒径が７０ｎｍ以上であるサンプルでは良好な出力感度が得られた。
【００４５】
【表２】
0006453019.tif 000003
【００４６】
〔圧電膜の長さと厚さ〕
板厚１００μｍ、幅５ｍｍ、長さ５，１０，１５，２０，３０ｍｍの基板１０に対して膜厚が１０μｍの圧電膜２０を製膜し、１０００℃で熱処理を行い、可撓性試験を行った。結果を表３に示す。表３から理解されるように、圧電膜２０の長さＬと圧電膜２０及び基板１０の厚みの総和ｔとの比が１００以下（Ｌ／ｔ≦１００）のサンプルでは、膜割れが発生した。一方、Ｌ／ｔ＞１００のサンプルでは、膜割れは発生しなかった。
【００４７】
【表３】
0006453019.tif 000004
【００４８】
以上のように可撓性、感度性能の基準をクリアした圧電型センサ１をリストバンド（支持体５０）に取り付け、手首に装着して、脈拍をオシロスコープで測定した結果を図４に示す。このように、本発明の実施例による拍動センサ５が機能することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、曲げ変形や、振動、音響などを計測モニターするセンサとして利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１        圧電型センサ
５        拍動センサ
１０        基板
２０        圧電膜
３２        下部電極
３４        上部電極
４０        無線通信部
５０        支持体（リストバンド）
６０        測定系
７０        固定手段
【図１】
0006453019.tif 000005
【図２】
0006453019.tif 000006
【図３】
0006453019.tif 000007
【図４】
0006453019.tif 000008