JP2553613B2 - 感圧素子 - Google Patents
感圧素子Info
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- JP2553613B2 JP2553613B2 JP63051893A JP5189388A JP2553613B2 JP 2553613 B2 JP2553613 B2 JP 2553613B2 JP 63051893 A JP63051893 A JP 63051893A JP 5189388 A JP5189388 A JP 5189388A JP 2553613 B2 JP2553613 B2 JP 2553613B2
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- Japan
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- pressure
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- sensitive element
- tetrapod
- zinc oxide
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、荷重，圧力，歪などの機械量を電気量へ変
換する感圧素子に関する。さらに詳しくは、テトラポッ
ド状酸化亜鉛ウィスカーを用いた高感度の画期的な感圧
素子に関する。
換する感圧素子に関する。さらに詳しくは、テトラポッ
ド状酸化亜鉛ウィスカーを用いた高感度の画期的な感圧
素子に関する。
本発明の応用範囲は広く、種々の圧力計，重量計，加
速度計，気圧計，血圧計，加速度計，ほとんど変化が不
要で電気接点のない優れたスイッチ，ディジタイザー、
それにマイクロホンやピックアップなど、あらゆる感圧
素子として応用できる。
速度計，気圧計，血圧計，加速度計，ほとんど変化が不
要で電気接点のない優れたスイッチ，ディジタイザー、
それにマイクロホンやピックアップなど、あらゆる感圧
素子として応用できる。
従来の技術 従来より感圧素子には以下のものがあった。
まず、金属抵抗線を受感素子とした金属抵抗歪ゲージ
である。次に平行平板電極系で、圧力（荷重）がかかっ
た場合に電極間距離が小さくなることを利用して、静電
容量の変化で圧力の大きさを評価する平行平板−容量形
のものがあった。
である。次に平行平板電極系で、圧力（荷重）がかかっ
た場合に電極間距離が小さくなることを利用して、静電
容量の変化で圧力の大きさを評価する平行平板−容量形
のものがあった。
その他、半導体の各種特性を利用した、半導体ピエゾ
抵抗歪ゲージ，感圧ダイオード（ｐ−ｎ接合ダイオー
ド，ツェナーダイオード，エサキダイオード，金属−半
導体障壁ダイオード），感圧トランジスタなどがあっ
た。
抵抗歪ゲージ，感圧ダイオード（ｐ−ｎ接合ダイオー
ド，ツェナーダイオード，エサキダイオード，金属−半
導体障壁ダイオード），感圧トランジスタなどがあっ
た。
発明が解決しようとする課題 前記の金属抵抗歪ゲージ，平行平板−容量形，半導体
ピエゾ抵抗歪ゲージは、特に感度が小さいため比較的大
きな増幅器が必要となり、一方、残りの半導体を利用し
た素子は、製造的に高度な半導体技術を駆使して作成す
る必要から自ずと製造歩留まりが低く高価となり、特性
的にも耐衝撃性や信頼性に問題があった。また、従来技
術では、高感度で、しかも電圧（バイアス）一つで感度
と感圧範囲が調整でき、２次元,3次元的に任意な感圧部
形状をとることが容易で、さらに、量産性に富んで安価
な感圧素子は無かった。
ピエゾ抵抗歪ゲージは、特に感度が小さいため比較的大
きな増幅器が必要となり、一方、残りの半導体を利用し
た素子は、製造的に高度な半導体技術を駆使して作成す
る必要から自ずと製造歩留まりが低く高価となり、特性
的にも耐衝撃性や信頼性に問題があった。また、従来技
術では、高感度で、しかも電圧（バイアス）一つで感度
と感圧範囲が調整でき、２次元,3次元的に任意な感圧部
形状をとることが容易で、さらに、量産性に富んで安価
な感圧素子は無かった。
課題を解決するための手段 本発明は、核部と、この核部から異なる４軸方向に伸
びた針状結晶部からなる酸化亜鉛ウィスカーを集合して
受感部として感圧素子を構成する。
びた針状結晶部からなる酸化亜鉛ウィスカーを集合して
受感部として感圧素子を構成する。
ここで、針状結晶部の基部の径が0.7〜14μｍであ
り、前記針状結晶部の基部から先端までの長さが３〜20
0μｍである場合に特に極立った効果が得られる。
り、前記針状結晶部の基部から先端までの長さが３〜20
0μｍである場合に特に極立った効果が得られる。
作用 本発明の感圧素子は、テトラポッド状酸化亜鉛ウィス
カー集合体を受感部にしており、酸化亜鉛ウィスカー
（ひげ状結晶）同志の接触界面の効果と酸化亜鉛結晶の
圧電効果があいまって高感度の感圧素子が得られている
ものと考えられる。また、テトラポッド状ウィスカーの
集合体は、極めて疎な集合状態を作り、また、等価的に
等方的となるため、いずれの方向からの圧力に対して
も、直接強い応力の働く針状結晶が存在し、そのため高
感度が得られる。
カー集合体を受感部にしており、酸化亜鉛ウィスカー
（ひげ状結晶）同志の接触界面の効果と酸化亜鉛結晶の
圧電効果があいまって高感度の感圧素子が得られている
ものと考えられる。また、テトラポッド状ウィスカーの
集合体は、極めて疎な集合状態を作り、また、等価的に
等方的となるため、いずれの方向からの圧力に対して
も、直接強い応力の働く針状結晶が存在し、そのため高
感度が得られる。
また、テトラポッド状酸化亜鉛ウィスカーは本来大き
な弾力性があるため、その集合体は耐衝撃性が極めて高
く、従来の半導体を使った感圧素子の欠点を完全に克服
することとなり、信頼性の高い感圧素子が提供されるこ
ととなった。
な弾力性があるため、その集合体は耐衝撃性が極めて高
く、従来の半導体を使った感圧素子の欠点を完全に克服
することとなり、信頼性の高い感圧素子が提供されるこ
ととなった。
また、テトラポッド状酸化亜鉛ウィスカーの製造は、
例えば表面に酸化皮膜を有する金属亜鉛粉末を酸素を含
む雰囲気下で加熱処理するだけで簡単に得られるため、
製造歩留りが高く、安価な感圧素子が提供できる。
例えば表面に酸化皮膜を有する金属亜鉛粉末を酸素を含
む雰囲気下で加熱処理するだけで簡単に得られるため、
製造歩留りが高く、安価な感圧素子が提供できる。
実 施 例 以下に実施例を用いて具体的に説明する。
実施例１ 金属亜鉛粉末を水共存下で、乳鉢式擂潰機で擂潰処理
した後、水中に３日間放置し、しかる後乾燥してアルミ
ナ磁器製るつぼに入れ、1000℃の炉内へ入れて１時間熱
処理して酸化亜鉛ウィスカーを得た。その代表的な電子
顕微鏡写真を図に示す。
した後、水中に３日間放置し、しかる後乾燥してアルミ
ナ磁器製るつぼに入れ、1000℃の炉内へ入れて１時間熱
処理して酸化亜鉛ウィスカーを得た。その代表的な電子
顕微鏡写真を図に示す。
このウィスカーの針状結晶部の基部の径は平均８μｍ
で、基部から先端までの長さが平均100μｍであった。
大部分が異なる４軸方向に針状結晶が伸びたテトラポッ
ド状を示していたが、一部にはテトラポッド状ウィスカ
ーが壊れたと考えられる、１軸方向,2軸方向,3軸方向に
伸びたウィスカーが混入していた。
で、基部から先端までの長さが平均100μｍであった。
大部分が異なる４軸方向に針状結晶が伸びたテトラポッ
ド状を示していたが、一部にはテトラポッド状ウィスカ
ーが壊れたと考えられる、１軸方向,2軸方向,3軸方向に
伸びたウィスカーが混入していた。
このウィスカーを少量平行平板電極間に挟み、プレス
圧（有効電極部に対して）8Kgでプレスして成形し、厚
さ約200μｍの受感素子を得た。このとき有効電極径は2
8mmφであった。電極材質は、硬質クロムメッキした鉄
である。
圧（有効電極部に対して）8Kgでプレスして成形し、厚
さ約200μｍの受感素子を得た。このとき有効電極径は2
8mmφであった。電極材質は、硬質クロムメッキした鉄
である。
この受感素子を平行平板電極に挟んだまま、電極間に
直流のバイアス電圧をかけながら圧力−電流特性を評価
した。その結果を第２図に示す。さらに、同一試料の抵
抗値変化をデイジタルマルチメータ（ナショナルVP−26
60A）で測定したところ、０〜10Kgで抵抗値が３桁以上
変化した。
直流のバイアス電圧をかけながら圧力−電流特性を評価
した。その結果を第２図に示す。さらに、同一試料の抵
抗値変化をデイジタルマルチメータ（ナショナルVP−26
60A）で測定したところ、０〜10Kgで抵抗値が３桁以上
変化した。
実施例２ 実施例１と同様の試験をプレーナ形の電極構成で実施
したところ、高感度の結果が得られた。
したところ、高感度の結果が得られた。
実施例３ 実施例１と同一のテトラポッド状酸化亜鉛ウィスカー
を、一般的なバリスタの焼結手法により焼結し、銀ペー
ストを焼き付けてサンドイッチ状電極を構成し、圧力−
電流特性を評価したところ、高感度の感圧素子であるこ
とがわかった。
を、一般的なバリスタの焼結手法により焼結し、銀ペー
ストを焼き付けてサンドイッチ状電極を構成し、圧力−
電流特性を評価したところ、高感度の感圧素子であるこ
とがわかった。
実施例４ 基部の径の平均が0.7μｍより小さく、基部から先端
までの長さが３μｍより小さな微細なテトラポッド状ウ
ィスカーを用いて、実施例１と同様の評価をしたとこ
ろ、この大きさから急に感度が悪くなったが、感圧性は
はっきりしていた。
までの長さが３μｍより小さな微細なテトラポッド状ウ
ィスカーを用いて、実施例１と同様の評価をしたとこ
ろ、この大きさから急に感度が悪くなったが、感圧性は
はっきりしていた。
比 較 例 一般試薬（関東化学社製）の酸化亜鉛粉末（粒状、平
均粒径約１μｍ）を用いて実施例１と同様の評価を実施
したが、感圧性は全く認められなかった。結果を第３図
に示す。
均粒径約１μｍ）を用いて実施例１と同様の評価を実施
したが、感圧性は全く認められなかった。結果を第３図
に示す。
以上の実施例では、テトラポッド状ウィスカーの寸法
が比較的揃った例で示したが、あえて分布させて、適切
な感圧素子を得ることができるのは当然である。
が比較的揃った例で示したが、あえて分布させて、適切
な感圧素子を得ることができるのは当然である。
電極材料としては、他に、アルミニウム，亜鉛，金，
銀，銅，鉄，ニッケル，クロル，コバルト，リチウム，
ベリリウム，ナトリウム，マグネシウム，チタン，バナ
ジウム，マンガン，ガリウム，スズ，アンチモン，イン
ジウム，カドミウム，パラジウム，ロジウム，ルテニウ
ム，テクネチウム，モリブデン，ニオブ，ジルコニウ
ム，イットリウム，ストロンチウム，ルビジウム，スカ
ンジウム，カリウム，カルシウム，アスタチン，ポロニ
ウム，ビスマス，鉛，タリウム，水銀，白金，イリジウ
ム，オスミウム，レニウム，タングステン，タンタル，
ハフニウム，バリウム，セシウム，フランシウム，ラジ
ウム，ランタン、およびランタン系元素，アクチニウ
ム、およびアクチニウム系元素、などの単体あるいは複
数の合金あるいは混合物を用いることができる。
銀，銅，鉄，ニッケル，クロル，コバルト，リチウム，
ベリリウム，ナトリウム，マグネシウム，チタン，バナ
ジウム，マンガン，ガリウム，スズ，アンチモン，イン
ジウム，カドミウム，パラジウム，ロジウム，ルテニウ
ム，テクネチウム，モリブデン，ニオブ，ジルコニウ
ム，イットリウム，ストロンチウム，ルビジウム，スカ
ンジウム，カリウム，カルシウム，アスタチン，ポロニ
ウム，ビスマス，鉛，タリウム，水銀，白金，イリジウ
ム，オスミウム，レニウム，タングステン，タンタル，
ハフニウム，バリウム，セシウム，フランシウム，ラジ
ウム，ランタン、およびランタン系元素，アクチニウ
ム、およびアクチニウム系元素、などの単体あるいは複
数の合金あるいは混合物を用いることができる。
また、焼結には、バリスタや磁器コンデンサに一般に
用いられる、Bi2O3,CoO,MnO,TiO2,Sb2O3,Cr2O3,Fe2O3,P
bO,ZrO2,SiO2,Dy2O3,Y2O3,Sn2O3,SrO,Al2O3,MnO2,Cu2O,
Ti2O3,Co3O4,La2O3,Pr6O11,BaOや前記電極材料の単体や
その酸化物を一種類または、複数種類、適当量添加する
ことができる。
用いられる、Bi2O3,CoO,MnO,TiO2,Sb2O3,Cr2O3,Fe2O3,P
bO,ZrO2,SiO2,Dy2O3,Y2O3,Sn2O3,SrO,Al2O3,MnO2,Cu2O,
Ti2O3,Co3O4,La2O3,Pr6O11,BaOや前記電極材料の単体や
その酸化物を一種類または、複数種類、適当量添加する
ことができる。
その他、焼結する場合あるいはしない場合においても
無機質や、有機質を適当量添加して、特性を安定化する
ことが可能である。特に、各種材料をウィスカー中にド
ープすることにより、抵抗値を大きく変えることがで
き、適切な設計上の設定に有用である。
無機質や、有機質を適当量添加して、特性を安定化する
ことが可能である。特に、各種材料をウィスカー中にド
ープすることにより、抵抗値を大きく変えることがで
き、適切な設計上の設定に有用である。
電極系は、サンドイッチ形，プレーナ形，くし形，積
層形等のいずれでもよい。
層形等のいずれでもよい。
電極面積も、実施例では28mmφの例で示したが、構成
上、小面積から限りなく大面積まで適用でき、また、任
意の形状はもとより、任意の３次元的凹凸をもった感圧
素子が容易に得られる。
上、小面積から限りなく大面積まで適用でき、また、任
意の形状はもとより、任意の３次元的凹凸をもった感圧
素子が容易に得られる。
さらに、テトラポッド状針状結晶の基部から先端まで
の長さが３〜200μｍの範囲のウィスカーが高感度で安
定性の高い感圧特性を示すが、長さの範囲はこれに限定
するものではない。
の長さが３〜200μｍの範囲のウィスカーが高感度で安
定性の高い感圧特性を示すが、長さの範囲はこれに限定
するものではない。
とりわけ基部から先端までの長さが、50〜150μｍの
テトラポッド状ウィスカーが、特性面，ウィスカーの壊
れにくさ，ハンドリングのし易さ，コスト面から最も好
ましい。
テトラポッド状ウィスカーが、特性面，ウィスカーの壊
れにくさ，ハンドリングのし易さ，コスト面から最も好
ましい。
一方、テトラポッド状針状結晶部の基部の径が0.7〜1
4μｍの範囲のウィスカーが高感度で安定性の高い感圧
特性を示すが、径の大きさの範囲はこれに限定するもの
ではない。とりわけ基部の径が２〜10μｍのテトラポッ
ド状ウィスカーが、特性面，ウィスカーの壊れにくさ，
ハンドリングのし易さ，コスト等の面から最も好まし
い。
4μｍの範囲のウィスカーが高感度で安定性の高い感圧
特性を示すが、径の大きさの範囲はこれに限定するもの
ではない。とりわけ基部の径が２〜10μｍのテトラポッ
ド状ウィスカーが、特性面，ウィスカーの壊れにくさ，
ハンドリングのし易さ，コスト等の面から最も好まし
い。
受感部の厚さは、感度や、感圧範囲を考えて設計され
る。また、受感部の厚さは成形プレス圧に依存するが、
これは、テトラポッド状ウィスカーの大きさ等を考慮し
て、テトラポッド状ウィスカーが完全に壊れない範囲で
設定される。
る。また、受感部の厚さは成形プレス圧に依存するが、
これは、テトラポッド状ウィスカーの大きさ等を考慮し
て、テトラポッド状ウィスカーが完全に壊れない範囲で
設定される。
さらに、感圧素子の感度と感圧範囲は、バイアス電圧
の大きさだけで容易に大きく変え得る特長をもっている
ことは本発明の感圧素子の特筆すべき点の１つである。
の大きさだけで容易に大きく変え得る特長をもっている
ことは本発明の感圧素子の特筆すべき点の１つである。
発明の効果 本発明は、高感度でしかも電圧（バイアス）一つで、
感度と、感圧範囲を容易に調整できる感圧素子を提供す
るとともに、２次元,3次元的に任意な感圧部形状をとる
ことが容易であり、しかも量産性に富み安価である点
で、産業性が極めて大なるものがある。
感度と、感圧範囲を容易に調整できる感圧素子を提供す
るとともに、２次元,3次元的に任意な感圧部形状をとる
ことが容易であり、しかも量産性に富み安価である点
で、産業性が極めて大なるものがある。
第１図はテトラポッド状酸化亜鉛ウィスカーの結晶の構
造を示す電子顕微鏡写真、第２図は同ウィスカー集合体
の圧力−電流特性図、第３図は酸化亜鉛粉末の圧力−電
流特性図である。
造を示す電子顕微鏡写真、第２図は同ウィスカー集合体
の圧力−電流特性図、第３図は酸化亜鉛粉末の圧力−電
流特性図である。
フロントページの続き (72)発明者 北野 基 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 ▲吉▼田 英行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−6597（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−252599（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−252600（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】核部と、この核部から異なる４軸方向に伸
びた針状結晶部からなる酸化亜鉛ウィスカーを集合して
受感部とした感圧素子。 - 【請求項２】酸化亜鉛ウィスカーの針状結晶部の基部の
径が0.7〜14μｍであり、前記針状結晶の基部から先端
までの長さが３〜200μｍである請求項１記載の感圧素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63051893A JP2553613B2 (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | 感圧素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63051893A JP2553613B2 (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | 感圧素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01225382A JPH01225382A (ja) | 1989-09-08 |
| JP2553613B2 true JP2553613B2 (ja) | 1996-11-13 |
Family
ID=12899561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63051893A Expired - Lifetime JP2553613B2 (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | 感圧素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2553613B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008125848A (ja) * | 2006-11-21 | 2008-06-05 | Okumura Yu-Ki Co Ltd | パチンコ機 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6810575B1 (en) | 1998-04-30 | 2004-11-02 | Asahi Kasai Chemicals Corporation | Functional element for electric, electronic or optical device and method for manufacturing the same |
| GB2352562B (en) * | 1998-04-30 | 2003-10-08 | Asahi Chemical Ind | Functional element for use in an electric, an electronic or an optical device and method for producing the same |
| JP4615656B2 (ja) * | 2000-01-26 | 2011-01-19 | 雅介 高田 | 酸化亜鉛単結晶およびその製造方法 |
-
1988
- 1988-03-04 JP JP63051893A patent/JP2553613B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008125848A (ja) * | 2006-11-21 | 2008-06-05 | Okumura Yu-Ki Co Ltd | パチンコ機 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01225382A (ja) | 1989-09-08 |
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