応力センサー
【課題】温度補償範囲を広くすることが可能であり、かつ、幅広い用途に適用することが可能である構成の応力センサーを提供する。
【解決手段】イオン導電体１３と、このイオン導電体１３に電気的に接続された電極１１，１５とを含む応力センサー１０を構成する。
【解決手段】イオン導電体１３と、このイオン導電体１３に電気的に接続された電極１１，１５とを含む応力センサー１０を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の引張応力、圧縮応力、曲げ応力等の応力の情報を検知する、応力センサーに係わる。
【背景技術】
【０００２】
対象物の引張応力、圧縮応力、曲げ応力等の力の情報を検知する素子として、「応力センサー」が用いられる。
応力センサーには、力によって生ずる弾性変形を利用するものと、被測定体に加わる力と既知の大きさの力を平衡させるものがある。
現在利用されている応力センサーには、弾性変形を利用したものが多い。
【０００３】
弾性変形を利用した応力センサーとしては、（１）金属抵抗体歪ゲージを用いたもの、（２）ピエゾ効果を利用したもの、（３）圧電性を利用したもの、（４）磁気歪効果を利用したものが挙げられる。
【０００４】
（１）金属抵抗体型センサー
多くの金属は、機械的な伸び又は縮み等の寸法変化を与えると、その電気抵抗が変化する。
金属抵抗体歪みゲージは、この歪みを電気抵抗の変化に置き換え、ブリッジ回路によって電気抵抗の変化を電圧変化に置き換えるものである。金属抵抗線材料としては、アドバンス、コンスタンタン、マンガニン、ニクロム、Ｐｔ−Ｉｒ等がある（例えば、特許文献１を参照）。
この種のセンサーとして代表的なものに、ロードセル（load cell）がある。
【０００５】
この構成の問題点は、まず、価格が数万円から十数万円と高価であることである。
しかも、構造上セルの小型化（マイクロセンサー化）が難しく、超小型といわれるものでさえ数ｃｍあり、小型のものほど高価になる。
さらに、被測定物に取り付けるために必要となる寸法が比較的大きい。
また、作動させるためには、電源とμＶ級の分解能を持つ電圧計とが必要となる、という短所もある。
さらにまた、温度補償範囲が−１０〜５０℃程度と、使用できる温度範囲が狭い。
【０００６】
（２）半導体型センサー
ピエゾ抵抗効果の原理を利用したものには、半導体型センサーが挙げられる。
シリコンやゲルマニウム等のある種の半導体は、力を受けるとその歪みに応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を示す。この抵抗変化をブリッジ回路で電気信号に変換し検出するものである。
【０００７】
この構成の問題点は、まず、抵抗やピエゾ抵抗係数が温度変化によって大きく変化するため、広範囲の温度領域で使用するためには、温度補償が必要になるということである。
また、この構成のセンサーには、結晶シリコンが多く用いられており、薄膜化する場合には、基板に制限がある。
さらに、温度補償範囲が−１〜５０℃程度と、使用できる温度範囲が狭い。
さらにまた、力の測定限界が比較的小さく、数十Ｎｃｍ２程度である。
【０００８】
（３）圧電型センサー
圧電型センサーの代表的なものに動的歪センサーが挙げられる。これは、水晶、ロッシェル塩、チタン酸バリウム、ＰＺＴ等の誘電体単結晶に動的な力が作用したときに発生する分極を利用したものであり、静的応力には応答しない。
また、表面弾性波素子を応用した素子も知られている。これは圧電材料基板の上に電極をつけた発振器で構成されており、電極に一定の周波数の電圧を印加し、応力により基板が歪むと、表面弾性波の伝播速度が変化し、周波数が変化する現象を利用したものである。
【０００９】
この構成の問題点は、素子及び装置の構成が単純ではなく、基板に制限があることである。
また、温度補償範囲は、−５０〜１２０℃が標準で、特殊なものでも±２００℃程度である。
【００１０】
（４）磁歪型センサー
強磁性体が磁化されると、寸法変化を示す。これが磁歪効果であり、逆に強磁性体に歪みを与えると、磁化が変化する（逆磁歪効果）。
このときの磁気特性−応力の関係から、歪みを検出するのが磁歪型センサー（例えば、特許文献２を参照）であり、構造的には磁気ヘッドのような精密磁気センサーと同じである。
この構成の問題点は、素子の構造が複雑であることや、基板に制限があることである。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３３３４０８号公報
【特許文献２】特開２００７−４０９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、既存の応力センサーは、高価であったり、基板に制限があったり、温度補償範囲があまり広くなかったりと、様々な問題点があるために、適用可能な用途が限られてしまっていた。
【００１３】
上述した問題の解決のために、本発明においては、温度補償範囲を広くすることが可能であり、かつ、幅広い用途に適用することが可能である構成の応力センサーを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の応力センサーは、イオン導電体と、このイオン導電体に電気的に接続された電極とを含むものである。
この本発明の応力センサーの基本構成は、電極／イオン導電体／電極である。
【００１５】
ここで言う「イオン導電体」とは、固体でありながらイオン伝導を示す物質である。
固体内のイオン伝導は、物質を構成している元素の結合により構築される「骨組み」（フレームワーク）内を伝導イオンが移動することによって生じる。即ち、イオン伝導は、フレームワークと伝導イオンとの強い相互作用のもとでの物質移動現象であるため、極めて構造敏感な物性である。
従って、イオン導電体に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化する。
本発明は、このイオン導電体の構造敏感な物性に着目し、応力センサーへ応用したものである。
【００１６】
イオン導電体を応力センサーに応用した例は、今までにはなく、本発明はイオン導電体型応力センサーの最初の発明となるものである。
従って、本発明は、今後のイオン導電体の応力センサーにおける先行技術となりうるものである。
【００１７】
イオン導電体は、水溶液のような液体電解質と同じようにイオンを通す。
イオン導電体のフレームワークを構成する原子はそのままの状態で、それらの原子の間の空間を、イオン（例えば、水素イオンやリチウムイオン等）が通過していく。
これにより、イオン導電体は、イオンをキャリアとして電流を発生させることができる。
【００１８】
また、イオン導電体がイオンを通す性質を有するので、イオン導電体に正負の電極をつけて電池を構成すれば、電池を固体化することが可能になる。
そのため、イオン導電体は、電池の材料として注目されている。
【００１９】
イオン導電体としては、ほとんど全てのイオン導電体、即ち各種のイオン導電体を使用することが可能である。
例えば、Ｌｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３（略称:ＬＬＴ）、Ｌｉ２ＳｉＯ３、ヨウ化銀、ヨウ化銅、ハロゲン化アルカリ等が挙げられる。
【００２０】
また、イオン導電体の性状は、特に限定されるものではなく、バルクのイオン導電体や、イオン導電体の薄膜を使用することができる。
そして、バルクのイオン導電体を使用する場合には、イオン導電体の形状は特に問わない。
【００２１】
また、イオン導電体と電極とは、直接或いは他の導電層を介して、電気的に接続されていれば良く、特にこれらイオン導電体及び電極の構成が限定されるものではない。
他の導電層を介して接続する場合としては、例えば、電極とイオン導電体との間に他の導電層を設けて、イオン導電体との伝導イオンの挿入・脱離性能の向上を図ったり、界面抵抗を低減したり、イオン導電体との密着性を向上したりすることが考えられる。
【００２２】
また、イオン導電体に電極を接続する位置は、特に限定されるものではない。
例えば、イオン導電体の層の一方の主面及び他方の主面に、それぞれ１つずつ電極を設けた構成や、イオン導電体の層の一方の主面に、独立して２つの電極を設けた構成等が、可能である。
例えば、イオン導電体の薄膜を使用する場合には、電極層の薄膜とイオン導電体の薄膜とを含む、積層膜を形成することが可能である。
【００２３】
イオン導電体を形成する基板としては、無機誘電体、有機誘電体（高分子・樹脂、フィルムやバルク）、金属、半導体等、幅広い範囲の各種の基板を用いることができる。
【００２４】
さらに、イオン導電体には、１００℃以上の高温においても、良好な特性を示すものが多いので、従来のセンサーでは測定できない環境にも対応が可能である。
【００２５】
なお、応力が加わっていないときのイオン導電体の抵抗率の値から、被測定対象物の温度を知ることも可能である。
例えば、予め、被測定対象物の温度とイオン導電体の抵抗率の値との関係を求めておく。そして、応力が加わっていないときにイオン導電体の抵抗率を測定することにより、その測定時の被測定対象物の温度を検知することが可能である。
【００２６】
上述の本発明の応力センサーによれば、イオン導電体の外部応力に対するイオン伝導応答を利用して、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になる。
【００２７】
また、イオン導電体と電極とを含んで応力センサーを構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサーを実現することが可能である。
【発明の効果】
【００２８】
上述の本発明の応力センサーによれば、イオン導電体に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化するので、被測定対象物に加わった応力を検出することができる。
これにより、応答性の良好な応力センサーを実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、比較的簡単な構成で応力センサーを実現することが可能であるため、応力センサーの構造の単純化及びマイクロデバイス化を図ることができる。
従って、本発明により、小型の応力センサーや、比較的低コストの応力センサーを実現することが可能になる。
【００３０】
本発明の応力センサーは、高分子フィルム、金属、無機誘電体、半導体等、適応できる基板の種類が多岐にわたるため、従来技術では装着できなかった被測定物にも適用することが可能になる。
【００３１】
イオン導電体、即ち、固体内イオン伝導を示す物質群は、全て応力センサー材料になりうるため、本発明により、目的や使用環境に応じたセンサーの作製が可能である。
【００３２】
さらにまた、イオン導電体の多くは、数百度以上の高温領域で良好なイオン伝導特性を示すものが少なくない。
そのため、本発明の応力センサーによれば、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサーを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の応力センサーの一実施の形態の概略構成図を、図１及び図２に示す。図１は、一部内部を示した上面図であり、図２は断面図である。
この応力センサー１０は、基板１上に、第１の電極（下部電極）１１、可逆電極１２、イオン導電体１３、可逆電極１４、第２の電極（上部電極）１５を、それぞれ薄膜で積層形成して成る。
【００３４】
第１の電極（下部電極）１１は、可逆電極１２を介してイオン導電体１３に電気的に接続され、イオン導電体１３よりも図中左側に延長して形成されている。
第２の電極（上部電極）１５は、可逆電極１４を介してイオン導電体１３に電気的に接続され、イオン導電体１３よりも図中右側に延長して形成されている。
【００３５】
イオン導電体１３としては、ほぼ全てのイオン導電体を使用することが可能である。
【００３６】
第１の電極（下部電極）１１及び第２の電極（上部電極）１５には、金属や、金属とイオン導電体とを混合した混合イオン導電体を使用することができる。
【００３７】
可逆電極１２，１４には、イオン導電体１３の伝導イオン種をＸとしたときに、金属Ｘ又は、Ｘを含む混合イオン導電体を使用することができる。
なお、イオン導電体１３の材料によっては、可逆電極が不要となる場合もある。
【００３８】
基板１は、特に材料が限定されるものではなく、無機誘電体、有機誘電体、導電体等、各種の基板を使用することができる。
金属等の導電体を基板に使用する場合には、下部電極を基板によって兼用することも可能である。
【００３９】
本実施の形態の応力センサー１０は、例えば、以下に説明するようにして、使用することができる。
【００４０】
まず、応力センサー１０を、被測定対象物に直接作製する、或いは、被測定対象物に接着する等の方法で、被測定対象物に装着する。
そして、応力センサー１０の２つの電極１１，１５を介して、直流抵抗又はインピーダンスを測定する。
このとき、応力センサー１０の変形（変位）に対応して、測定される抵抗又はインピーダンスの値が変化するので、抵抗又はインピーダンスの値から、被測定対象物に加わる応力又は変位を検出することができる。
【００４１】
上述の本実施の形態の応力センサー１０の構成によれば、イオン導電体１３の外部応力に対するイオン伝導応答を利用して、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になる。そして、イオン導電体１３に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化するので、応答性の良好な応力センサー１０を実現することができる。
【００４２】
また、イオン導電体１３と電極１１，１５とを含んで応力センサー１０を構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサー１０を実現することが可能である。
従って、小型の応力センサー１０や、比較的低コストの応力センサー１０を実現することが可能になる。
【００４３】
さらにまた、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサー１０を実現することができる。
【００４４】
上述の実施の形態では、薄膜のイオン導電体１３を使用していたが、バルクのイオン導電体を使用しても、同様に応力センサーを構成することが可能である。
【００４５】
また、上述の実施の形態では、イオン導電体１３の両面に電極１１，１５を設けていたが、イオン導電体の片面に独立して２つの電極を設けても構わない。
【００４６】
本発明の他の実施の形態として、そのような構成の応力センサーの概略構成図（平面図）を、図３に示す。
図３に示す応力センサー２０は、イオン導電体２１の上に、それぞれ独立して、第１の櫛型電極２２と、第２の櫛形電極２３とを形成している。
第１の櫛形電極２２と第２の櫛形電極２３とは独立しているので、これら２つの電極２２，２３の間を、下方のイオン導電体２１を介して流れる電流を測定することにより、イオン導電体２１に加わっている応力を検知することができる。
【００４７】
本実施の形態の応力センサー２０によれば、図１及び図２に示した先の実施の形態の応力センサー１０と同様に、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になり、そして、応答性の良好な応力センサー２０を実現することができる。
【００４８】
また、イオン導電体２１と櫛型電極２２，２３とを含んで応力センサー２０を構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサー２０を実現することが可能である。
従って、小型の応力センサー２０や、比較的低コストの応力センサー２０を実現することが可能になる。
【００４９】
さらにまた、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサー２０を実現することができる。
【００５０】
本発明の応力センサーは、引っ張り、曲げ、圧縮等、各種応力の測定に適用することができる。
【００５１】
なお、例えば、図１及び図２の応力センサー１０を引っ張り応力の測定に適用する場合には、図中左右方向を、被測定対象物が引っ張られる方向と合わせると良い。
これは、電極１１，１５と外部の配線との接続が取りやすくなるためである。さらにイオン導電体１３の層の長手方向を被測定対象物が引っ張られる方向と合わせることにより、抵抗やインピーダンスの変化が大きくなり、変化を検出しやすくなるからである。
【００５２】
また、図３の応力センサー２０を引っ張り応力の測定に適用する場合には、図中左右方向を、被測定対象物が引っ張られる方向と合わせると良い。
これは、櫛形電極２２，２３と外部の配線との接続が取りやすくなるためである。
【００５３】
＜実施例＞
ここで、実際に、本発明の応力センサーを作製して、応力センサーに応力を加えたときの抵抗値の変化を調べた。
【００５４】
（サンプル１）
基板１としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体１３としてＬｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３（略称:ＬＬＴ）薄膜を、レーザアブレーション法により、膜厚４．８３μｍで形成した。
また、電極１１，１５とイオン導電体１３との接触部分の面積は、１５０ｍｍ２とした。
このようにして、図１及び図２に示した応力センサー１０を作製して、これをサンプル１とした。
【００５５】
（サンプル２）
基板１としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体１３としてＬｉ２ＳｉＯ３（略称ＬＳＯ）薄膜を、レーザアブレーション法により、膜厚２．１μｍで形成した。
また、電極１１，１５とイオン導電体１３との接触部分の面積は、１５０ｍｍ２とした。
このようにして、図１及び図２に示した応力センサー１０を作製して、これをサンプル２とした。
【００５６】
（サンプル３）
基板としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体２１としてＡｇＩ（ヨウ化銀）薄膜を形成した。具体的には、蒸着によりＡｇ薄膜を形成した後、Ｉ（ヨウ素）を反応させてＡｇＩ（ヨウ化銀）薄膜とした。形成されたイオン導電体２１のＡｇＩ薄膜の膜厚は、１．８５μｍであった。
また、イオン導電体２１の断面積Ｓは、Ｓ＝０．１８５ｍｍ２とした。
このようにして、図３に示した応力センサー２０を作製して、これをサンプル３とした。
【００５７】
サンプル１及びサンプル２において、電極１１，１５に配線を接続して、イオン導電体１３を流れる電流を測定できるように、回路を構成した。
サンプル３において、櫛形電極２２，２３に配線を接続して、イオン導電体２１のインピーダンスを測定できるように、回路を構成した。
【００５８】
＜引っ張り応力試験＞
サンプル１及びサンプル２の各応力センサー１０に対して、基板のＰＥＴフィルムに引っ張り応力Ｆを加えて、抵抗値Ｒの変化を調べた。この抵抗値Ｒは、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。引っ張り応力Ｆは、０から大きくしていくように変化させた後に、最大値から０へ小さくしていくように変化させた。
【００５９】
サンプル３の応力センサー２０に対して、基板のＰＥＴフィルムに引っ張り応力Ｆを加えて、イオン導電体２１の周波数１００ＨｚにおけるインピーダンスＺの変化を調べた。引っ張り応力Ｆは、０から大きくしていくように変化させた後に、最大値から０へ小さくしていくように変化させる、という過程を３回繰り返し行った。
【００６０】
サンプル１の応力センサー１０に対する、引っ張り応力の変化による抵抗値の変化を、図４に示す。
サンプル２の応力センサー１０に対する、引っ張り応力の変化による抵抗値の変化を、図５に示す。
サンプル３の応力センサー２０に対する、引っ張り応力の変化による、周波数１００Ｈｚにおけるインピーダンスの変化を、図６に示す。図６中、１ｓｔ ｕｐ及び１ｓｔ ｄｏｗｎは、繰り返しの１回目の変化を示しており、２ｎｄ ｕｐ及び２ｎｄ ｄｏｗｎは、繰り返しの２回目の変化を示しており、３ｒｄ ｕｐ及び３ｒｄ ｄｏｗｎは、繰り返しの３回目の変化を示している。
【００６１】
図４〜図６からわかるように、サンプル１〜サンプル３の全てのデータにおいて、引っ張り応力Ｆの増加及び引っ張り応力Ｆの減少のサイクルで履歴が観測された。
これは、基板であるＰＥＴフィルムの塑性変形によるものである。
図６の２ｎｄ ｄｏｗｎ〜３ｒｄ ｄｏｗｎのように、弾性限界内であれば、再現性を示す。
【００６２】
図４〜図６に示されているように、それぞれの応力センサーの抵抗及びインピーダンスは、引っ張り応力の増加に伴い、単調に増加する。
また、応力範囲によっては、良好な線形性を示す。特に、イオン導電体によって異なるが、線形性を示す領域内で、ＬＬＴで約１０％、ＬＳＯで１〜２％、ＡｇＩで２〜３％の抵抗変化率が観測された。
【００６３】
このように、イオン導電体の抵抗・インピーダンスが外部からの応力に対して敏感に変化するのは、固体内のイオン伝導が構造敏感な物性であるためと考えられる。
従って、固体内のイオン伝導を示す物質群は、全て応力センサーの材料になりうる。
また、適切な基板の種類・寸法を選択することにより、測定可能な範囲を制御することが可能である。
【００６４】
＜曲げ応力試験＞
サンプル１の応力センサー１０に対して、基板１のＰＥＴフィルムに曲げ応力を加えて、抵抗値Ｒの変化を調べた。この抵抗値は、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。
曲げ応力は、曲がっていない状態からイオン導電体１３の薄膜の側が凹に曲がっている状態に変化させ（過程１）、その後イオン導電体１３の薄膜の側が凸に曲がっている状態まで変化させ（過程２）、曲がっていない状態に戻す（過程３）、というように変化させた。
【００６５】
サンプル３の応力センサー２０に対して、基板のＰＥＴフィルムに曲げ応力を加えて、イオン導電体２１の周波数１００ＨｚにおけるインピーダンスＺの変化を測定した。
曲げ応力は、曲がっていない状態からイオン導電体２１の薄膜の側が凹に曲がっている状態に変化させ（過程１）、その後イオン導電体２１の薄膜の側が凸に曲がっている状態まで変化させ（過程２）、曲がっていない状態に戻す（過程３）、というように変化させた。
【００６６】
サンプル１の応力センサー１０に対する、曲げ応力の変化による抵抗値Ｒの変化を、図７に示す。図７の横軸のHeight/Widthは、図７の右下の挿入図に示すように、イオン導電体を含む薄膜を形成した部分について、高さ（Height）の幅（Width）に対する比を示したものである。なお、高さの符号は、イオン導電体を含む薄膜の側が凸に曲がっている場合を正、イオン導電体を含む薄膜の側が凹に曲がっている状態を負とした。また、図７において、前述の過程１、過程２、過程３をそれぞれ→で示した。
サンプル３の応力センサー２０に対する、曲げ応力の変化によるインピーダンスの変化を、図８に示す。図８の横軸のHeight/Widthは、図８の右下の挿入図に示すように、イオン導電体を含む薄膜を形成した部分について、高さ（Height）の幅（Width）に対する比を示したものである。なお、高さの符号は、イオン導電体を含む薄膜の側が凸に曲がっている場合を正、イオン導電体を含む薄膜の側が凹に曲がっている状態を負とした。また、図８においては、前述の過程１、過程２、過程３の図示は省略した。
【００６７】
図７からわかるように、曲げ応力に依存して直流抵抗が変化する。そして、イオン導電体を含む薄膜の側が凹のときと凸のときとで、逆方向に直流抵抗が変化する。
また、高さ／幅の比の範囲を−０．４〜＋０．４とした測定範囲で、直流抵抗が約９％変化している。これにより、曲げ応力に対して、直流抵抗が敏感に応答している。
【００６８】
図８からわかるように、曲げ応力に依存してインピーダンスが変化する。そして、イオン導電体を含む薄膜の側が凹のときと凸のときとで、逆方向にインピーダンスが変化する。
また、高さ／幅の比の範囲を−０．３〜＋０．３とした測定範囲で、インピーダンスが約１０％変化している。これにより、曲げ応力に対して、インピーダンスが敏感に応答している。
【００６９】
これらの結果から、イオン導電体の抵抗やインピーダンスが、曲げ応力に対して敏感に反応することがわかる。
従って、本発明の応力センサーを、曲げ応力の応力センサーとしても使用することが可能である。
【００７０】
＜圧縮応力試験＞
サンプル１及びサンプル２の各応力センサー１０に対して、イオン導電体を含む薄膜の側にピストン３１で膜面に垂直な方向に一軸性の圧縮応力を加えて、抵抗値Ｒを測定した（図９及び図１０の挿入図を参照）。
この抵抗値Ｒは、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。圧縮応力は、２５０〜５６０ｋｇＷ／ｃｍ２の範囲で変化させ、各圧縮応力について、１回〜５回の抵抗値の測定を行った。
【００７１】
サンプル１の応力センサー１０に対する、圧縮応力と抵抗値との関係を、図９に示す。
サンプル２の応力センサー１０に対する、圧縮応力と抵抗値との関係を、図１０に示す。
図９及び図１０において、同じ圧縮応力で２回以上測定を行った場合には、測定値の平均値（■印と●印）と測定値の範囲（エラーバー）とを示している。
【００７２】
図９及び図１０からわかるように、圧縮応力の変化により、抵抗値が変化している。
図９のサンプル１（ＬＬＴ薄膜）の場合、約４％の抵抗変化がある。図１０のサンプル２（ＬＳＯ薄膜）の場合、約３０％の抵抗変化がある。
【００７３】
また、いずれのサンプルでも、圧縮応力の増大に伴い、抵抗値が減少する傾向を示している。
これは、恐らくは、一軸性の応力を加えているために、イオン導電体１３の薄膜の変形が、圧縮応力の方向である、膜面に垂直な方向においては縮むが、膜面に沿った水平方向（面内方向）においては伸びているためではないかと考えられる。
このように変形するために、イオン伝導のパス（伝導イオンが通過するための骨組み元素で構築された狭い障壁：ボトルネック）が膜面に沿った面内方向に広がって、その結果として、膜面に垂直な方向の伝導がしやすくなったと考えられる。
【００７４】
そして、特に、３００ｋｇＷ／ｃｍ２以下の応力の低い領域において、抵抗値の変化率が大きくなっている。
【００７５】
なお、図９及び図１０に測定値を示した試料では、実験の都合上、イオン導電体１３の薄膜に近い箇所で、電極１１，１５に配線となるリード線を接続していた。そのため、抵抗値の測定値に、ばらつきが生じている。
抵抗値の測定値のばらつきを低減するためには、電極と配線との接続部を、イオン導電体１３が応力を受ける部分から離して設け、電極と配線との接続部が応力を受けにくくすれば良いと考えられる。
例えば、図１及び図２に示した応力センサー１０では、電極１１，１５を図中左右方向に延長して、応力を受ける部分から離して、配線と接続すれば良い。
また例えば、図３に示した応力センサー２０では、櫛形電極２２，２３の図中左右の幹の部分をイオン導電体２１から離して、その幹の部分で電極２２，２３と配線とを接続すれば良い。
【００７６】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明による応力センサーは、曲げ、引っ張り、圧縮等の応力が加わる部分の応力を測定又は検出するためのセンサーとして、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の応力センサーの一実施の形態の概略構成図（一部内部を示した上面図）である。
【図２】図１の応力センサーの断面図である。
【図３】本発明の応力センサーの他の実施の形態の概略構成図（平面図）である。
【図４】サンプル１の応力センサーの引っ張り応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図５】サンプル２の応力センサーの引っ張り応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図６】サンプル３の応力センサーの引っ張り応力の大きさとインピーダンスとの関係を示す図である。
【図７】サンプル１の応力センサーの曲げ応力の大きさと抵抗値との関係を示す図ある。
【図８】サンプル３の応力センサーの曲げ応力の大きさとインピーダンスとの関係を示す図である。
【図９】サンプル１の応力センサーの圧縮応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図１０】サンプル２の応力センサーの圧縮応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板、１１ 第１の電極（下部電極）、１２，１４ 可逆電極、１３，２１ イオン導電体、１５ 第２の電極（上部電極）、１０，２０ 応力センサー、２２ 第１の櫛形電極、２３ 第２の櫛形電極、３１ ピストン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の引張応力、圧縮応力、曲げ応力等の応力の情報を検知する、応力センサーに係わる。
【背景技術】
【０００２】
対象物の引張応力、圧縮応力、曲げ応力等の力の情報を検知する素子として、「応力センサー」が用いられる。
応力センサーには、力によって生ずる弾性変形を利用するものと、被測定体に加わる力と既知の大きさの力を平衡させるものがある。
現在利用されている応力センサーには、弾性変形を利用したものが多い。
【０００３】
弾性変形を利用した応力センサーとしては、（１）金属抵抗体歪ゲージを用いたもの、（２）ピエゾ効果を利用したもの、（３）圧電性を利用したもの、（４）磁気歪効果を利用したものが挙げられる。
【０００４】
（１）金属抵抗体型センサー
多くの金属は、機械的な伸び又は縮み等の寸法変化を与えると、その電気抵抗が変化する。
金属抵抗体歪みゲージは、この歪みを電気抵抗の変化に置き換え、ブリッジ回路によって電気抵抗の変化を電圧変化に置き換えるものである。金属抵抗線材料としては、アドバンス、コンスタンタン、マンガニン、ニクロム、Ｐｔ−Ｉｒ等がある（例えば、特許文献１を参照）。
この種のセンサーとして代表的なものに、ロードセル（load cell）がある。
【０００５】
この構成の問題点は、まず、価格が数万円から十数万円と高価であることである。
しかも、構造上セルの小型化（マイクロセンサー化）が難しく、超小型といわれるものでさえ数ｃｍあり、小型のものほど高価になる。
さらに、被測定物に取り付けるために必要となる寸法が比較的大きい。
また、作動させるためには、電源とμＶ級の分解能を持つ電圧計とが必要となる、という短所もある。
さらにまた、温度補償範囲が−１０〜５０℃程度と、使用できる温度範囲が狭い。
【０００６】
（２）半導体型センサー
ピエゾ抵抗効果の原理を利用したものには、半導体型センサーが挙げられる。
シリコンやゲルマニウム等のある種の半導体は、力を受けるとその歪みに応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を示す。この抵抗変化をブリッジ回路で電気信号に変換し検出するものである。
【０００７】
この構成の問題点は、まず、抵抗やピエゾ抵抗係数が温度変化によって大きく変化するため、広範囲の温度領域で使用するためには、温度補償が必要になるということである。
また、この構成のセンサーには、結晶シリコンが多く用いられており、薄膜化する場合には、基板に制限がある。
さらに、温度補償範囲が−１〜５０℃程度と、使用できる温度範囲が狭い。
さらにまた、力の測定限界が比較的小さく、数十Ｎｃｍ２程度である。
【０００８】
（３）圧電型センサー
圧電型センサーの代表的なものに動的歪センサーが挙げられる。これは、水晶、ロッシェル塩、チタン酸バリウム、ＰＺＴ等の誘電体単結晶に動的な力が作用したときに発生する分極を利用したものであり、静的応力には応答しない。
また、表面弾性波素子を応用した素子も知られている。これは圧電材料基板の上に電極をつけた発振器で構成されており、電極に一定の周波数の電圧を印加し、応力により基板が歪むと、表面弾性波の伝播速度が変化し、周波数が変化する現象を利用したものである。
【０００９】
この構成の問題点は、素子及び装置の構成が単純ではなく、基板に制限があることである。
また、温度補償範囲は、−５０〜１２０℃が標準で、特殊なものでも±２００℃程度である。
【００１０】
（４）磁歪型センサー
強磁性体が磁化されると、寸法変化を示す。これが磁歪効果であり、逆に強磁性体に歪みを与えると、磁化が変化する（逆磁歪効果）。
このときの磁気特性−応力の関係から、歪みを検出するのが磁歪型センサー（例えば、特許文献２を参照）であり、構造的には磁気ヘッドのような精密磁気センサーと同じである。
この構成の問題点は、素子の構造が複雑であることや、基板に制限があることである。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３３３４０８号公報
【特許文献２】特開２００７−４０９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、既存の応力センサーは、高価であったり、基板に制限があったり、温度補償範囲があまり広くなかったりと、様々な問題点があるために、適用可能な用途が限られてしまっていた。
【００１３】
上述した問題の解決のために、本発明においては、温度補償範囲を広くすることが可能であり、かつ、幅広い用途に適用することが可能である構成の応力センサーを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の応力センサーは、イオン導電体と、このイオン導電体に電気的に接続された電極とを含むものである。
この本発明の応力センサーの基本構成は、電極／イオン導電体／電極である。
【００１５】
ここで言う「イオン導電体」とは、固体でありながらイオン伝導を示す物質である。
固体内のイオン伝導は、物質を構成している元素の結合により構築される「骨組み」（フレームワーク）内を伝導イオンが移動することによって生じる。即ち、イオン伝導は、フレームワークと伝導イオンとの強い相互作用のもとでの物質移動現象であるため、極めて構造敏感な物性である。
従って、イオン導電体に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化する。
本発明は、このイオン導電体の構造敏感な物性に着目し、応力センサーへ応用したものである。
【００１６】
イオン導電体を応力センサーに応用した例は、今までにはなく、本発明はイオン導電体型応力センサーの最初の発明となるものである。
従って、本発明は、今後のイオン導電体の応力センサーにおける先行技術となりうるものである。
【００１７】
イオン導電体は、水溶液のような液体電解質と同じようにイオンを通す。
イオン導電体のフレームワークを構成する原子はそのままの状態で、それらの原子の間の空間を、イオン（例えば、水素イオンやリチウムイオン等）が通過していく。
これにより、イオン導電体は、イオンをキャリアとして電流を発生させることができる。
【００１８】
また、イオン導電体がイオンを通す性質を有するので、イオン導電体に正負の電極をつけて電池を構成すれば、電池を固体化することが可能になる。
そのため、イオン導電体は、電池の材料として注目されている。
【００１９】
イオン導電体としては、ほとんど全てのイオン導電体、即ち各種のイオン導電体を使用することが可能である。
例えば、Ｌｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３（略称:ＬＬＴ）、Ｌｉ２ＳｉＯ３、ヨウ化銀、ヨウ化銅、ハロゲン化アルカリ等が挙げられる。
【００２０】
また、イオン導電体の性状は、特に限定されるものではなく、バルクのイオン導電体や、イオン導電体の薄膜を使用することができる。
そして、バルクのイオン導電体を使用する場合には、イオン導電体の形状は特に問わない。
【００２１】
また、イオン導電体と電極とは、直接或いは他の導電層を介して、電気的に接続されていれば良く、特にこれらイオン導電体及び電極の構成が限定されるものではない。
他の導電層を介して接続する場合としては、例えば、電極とイオン導電体との間に他の導電層を設けて、イオン導電体との伝導イオンの挿入・脱離性能の向上を図ったり、界面抵抗を低減したり、イオン導電体との密着性を向上したりすることが考えられる。
【００２２】
また、イオン導電体に電極を接続する位置は、特に限定されるものではない。
例えば、イオン導電体の層の一方の主面及び他方の主面に、それぞれ１つずつ電極を設けた構成や、イオン導電体の層の一方の主面に、独立して２つの電極を設けた構成等が、可能である。
例えば、イオン導電体の薄膜を使用する場合には、電極層の薄膜とイオン導電体の薄膜とを含む、積層膜を形成することが可能である。
【００２３】
イオン導電体を形成する基板としては、無機誘電体、有機誘電体（高分子・樹脂、フィルムやバルク）、金属、半導体等、幅広い範囲の各種の基板を用いることができる。
【００２４】
さらに、イオン導電体には、１００℃以上の高温においても、良好な特性を示すものが多いので、従来のセンサーでは測定できない環境にも対応が可能である。
【００２５】
なお、応力が加わっていないときのイオン導電体の抵抗率の値から、被測定対象物の温度を知ることも可能である。
例えば、予め、被測定対象物の温度とイオン導電体の抵抗率の値との関係を求めておく。そして、応力が加わっていないときにイオン導電体の抵抗率を測定することにより、その測定時の被測定対象物の温度を検知することが可能である。
【００２６】
上述の本発明の応力センサーによれば、イオン導電体の外部応力に対するイオン伝導応答を利用して、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になる。
【００２７】
また、イオン導電体と電極とを含んで応力センサーを構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサーを実現することが可能である。
【発明の効果】
【００２８】
上述の本発明の応力センサーによれば、イオン導電体に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化するので、被測定対象物に加わった応力を検出することができる。
これにより、応答性の良好な応力センサーを実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、比較的簡単な構成で応力センサーを実現することが可能であるため、応力センサーの構造の単純化及びマイクロデバイス化を図ることができる。
従って、本発明により、小型の応力センサーや、比較的低コストの応力センサーを実現することが可能になる。
【００３０】
本発明の応力センサーは、高分子フィルム、金属、無機誘電体、半導体等、適応できる基板の種類が多岐にわたるため、従来技術では装着できなかった被測定物にも適用することが可能になる。
【００３１】
イオン導電体、即ち、固体内イオン伝導を示す物質群は、全て応力センサー材料になりうるため、本発明により、目的や使用環境に応じたセンサーの作製が可能である。
【００３２】
さらにまた、イオン導電体の多くは、数百度以上の高温領域で良好なイオン伝導特性を示すものが少なくない。
そのため、本発明の応力センサーによれば、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサーを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の応力センサーの一実施の形態の概略構成図を、図１及び図２に示す。図１は、一部内部を示した上面図であり、図２は断面図である。
この応力センサー１０は、基板１上に、第１の電極（下部電極）１１、可逆電極１２、イオン導電体１３、可逆電極１４、第２の電極（上部電極）１５を、それぞれ薄膜で積層形成して成る。
【００３４】
第１の電極（下部電極）１１は、可逆電極１２を介してイオン導電体１３に電気的に接続され、イオン導電体１３よりも図中左側に延長して形成されている。
第２の電極（上部電極）１５は、可逆電極１４を介してイオン導電体１３に電気的に接続され、イオン導電体１３よりも図中右側に延長して形成されている。
【００３５】
イオン導電体１３としては、ほぼ全てのイオン導電体を使用することが可能である。
【００３６】
第１の電極（下部電極）１１及び第２の電極（上部電極）１５には、金属や、金属とイオン導電体とを混合した混合イオン導電体を使用することができる。
【００３７】
可逆電極１２，１４には、イオン導電体１３の伝導イオン種をＸとしたときに、金属Ｘ又は、Ｘを含む混合イオン導電体を使用することができる。
なお、イオン導電体１３の材料によっては、可逆電極が不要となる場合もある。
【００３８】
基板１は、特に材料が限定されるものではなく、無機誘電体、有機誘電体、導電体等、各種の基板を使用することができる。
金属等の導電体を基板に使用する場合には、下部電極を基板によって兼用することも可能である。
【００３９】
本実施の形態の応力センサー１０は、例えば、以下に説明するようにして、使用することができる。
【００４０】
まず、応力センサー１０を、被測定対象物に直接作製する、或いは、被測定対象物に接着する等の方法で、被測定対象物に装着する。
そして、応力センサー１０の２つの電極１１，１５を介して、直流抵抗又はインピーダンスを測定する。
このとき、応力センサー１０の変形（変位）に対応して、測定される抵抗又はインピーダンスの値が変化するので、抵抗又はインピーダンスの値から、被測定対象物に加わる応力又は変位を検出することができる。
【００４１】
上述の本実施の形態の応力センサー１０の構成によれば、イオン導電体１３の外部応力に対するイオン伝導応答を利用して、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になる。そして、イオン導電体１３に外力が作用して変形すると、イオン伝導が大きく変化するので、応答性の良好な応力センサー１０を実現することができる。
【００４２】
また、イオン導電体１３と電極１１，１５とを含んで応力センサー１０を構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサー１０を実現することが可能である。
従って、小型の応力センサー１０や、比較的低コストの応力センサー１０を実現することが可能になる。
【００４３】
さらにまた、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサー１０を実現することができる。
【００４４】
上述の実施の形態では、薄膜のイオン導電体１３を使用していたが、バルクのイオン導電体を使用しても、同様に応力センサーを構成することが可能である。
【００４５】
また、上述の実施の形態では、イオン導電体１３の両面に電極１１，１５を設けていたが、イオン導電体の片面に独立して２つの電極を設けても構わない。
【００４６】
本発明の他の実施の形態として、そのような構成の応力センサーの概略構成図（平面図）を、図３に示す。
図３に示す応力センサー２０は、イオン導電体２１の上に、それぞれ独立して、第１の櫛型電極２２と、第２の櫛形電極２３とを形成している。
第１の櫛形電極２２と第２の櫛形電極２３とは独立しているので、これら２つの電極２２，２３の間を、下方のイオン導電体２１を介して流れる電流を測定することにより、イオン導電体２１に加わっている応力を検知することができる。
【００４７】
本実施の形態の応力センサー２０によれば、図１及び図２に示した先の実施の形態の応力センサー１０と同様に、被測定対象物に加わった応力を検出することが可能になり、そして、応答性の良好な応力センサー２０を実現することができる。
【００４８】
また、イオン導電体２１と櫛型電極２２，２３とを含んで応力センサー２０を構成することが可能であるため、比較的簡単な構成で応力センサー２０を実現することが可能である。
従って、小型の応力センサー２０や、比較的低コストの応力センサー２０を実現することが可能になる。
【００４９】
さらにまた、温度補償範囲を広くすることが可能になり、従来のセンサーでは計測できない、高温領域における応力計測が可能な応力センサー２０を実現することができる。
【００５０】
本発明の応力センサーは、引っ張り、曲げ、圧縮等、各種応力の測定に適用することができる。
【００５１】
なお、例えば、図１及び図２の応力センサー１０を引っ張り応力の測定に適用する場合には、図中左右方向を、被測定対象物が引っ張られる方向と合わせると良い。
これは、電極１１，１５と外部の配線との接続が取りやすくなるためである。さらにイオン導電体１３の層の長手方向を被測定対象物が引っ張られる方向と合わせることにより、抵抗やインピーダンスの変化が大きくなり、変化を検出しやすくなるからである。
【００５２】
また、図３の応力センサー２０を引っ張り応力の測定に適用する場合には、図中左右方向を、被測定対象物が引っ張られる方向と合わせると良い。
これは、櫛形電極２２，２３と外部の配線との接続が取りやすくなるためである。
【００５３】
＜実施例＞
ここで、実際に、本発明の応力センサーを作製して、応力センサーに応力を加えたときの抵抗値の変化を調べた。
【００５４】
（サンプル１）
基板１としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体１３としてＬｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３（略称:ＬＬＴ）薄膜を、レーザアブレーション法により、膜厚４．８３μｍで形成した。
また、電極１１，１５とイオン導電体１３との接触部分の面積は、１５０ｍｍ２とした。
このようにして、図１及び図２に示した応力センサー１０を作製して、これをサンプル１とした。
【００５５】
（サンプル２）
基板１としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体１３としてＬｉ２ＳｉＯ３（略称ＬＳＯ）薄膜を、レーザアブレーション法により、膜厚２．１μｍで形成した。
また、電極１１，１５とイオン導電体１３との接触部分の面積は、１５０ｍｍ２とした。
このようにして、図１及び図２に示した応力センサー１０を作製して、これをサンプル２とした。
【００５６】
（サンプル３）
基板としてＰＥＴフィルムを使用して、イオン導電体２１としてＡｇＩ（ヨウ化銀）薄膜を形成した。具体的には、蒸着によりＡｇ薄膜を形成した後、Ｉ（ヨウ素）を反応させてＡｇＩ（ヨウ化銀）薄膜とした。形成されたイオン導電体２１のＡｇＩ薄膜の膜厚は、１．８５μｍであった。
また、イオン導電体２１の断面積Ｓは、Ｓ＝０．１８５ｍｍ２とした。
このようにして、図３に示した応力センサー２０を作製して、これをサンプル３とした。
【００５７】
サンプル１及びサンプル２において、電極１１，１５に配線を接続して、イオン導電体１３を流れる電流を測定できるように、回路を構成した。
サンプル３において、櫛形電極２２，２３に配線を接続して、イオン導電体２１のインピーダンスを測定できるように、回路を構成した。
【００５８】
＜引っ張り応力試験＞
サンプル１及びサンプル２の各応力センサー１０に対して、基板のＰＥＴフィルムに引っ張り応力Ｆを加えて、抵抗値Ｒの変化を調べた。この抵抗値Ｒは、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。引っ張り応力Ｆは、０から大きくしていくように変化させた後に、最大値から０へ小さくしていくように変化させた。
【００５９】
サンプル３の応力センサー２０に対して、基板のＰＥＴフィルムに引っ張り応力Ｆを加えて、イオン導電体２１の周波数１００ＨｚにおけるインピーダンスＺの変化を調べた。引っ張り応力Ｆは、０から大きくしていくように変化させた後に、最大値から０へ小さくしていくように変化させる、という過程を３回繰り返し行った。
【００６０】
サンプル１の応力センサー１０に対する、引っ張り応力の変化による抵抗値の変化を、図４に示す。
サンプル２の応力センサー１０に対する、引っ張り応力の変化による抵抗値の変化を、図５に示す。
サンプル３の応力センサー２０に対する、引っ張り応力の変化による、周波数１００Ｈｚにおけるインピーダンスの変化を、図６に示す。図６中、１ｓｔ ｕｐ及び１ｓｔ ｄｏｗｎは、繰り返しの１回目の変化を示しており、２ｎｄ ｕｐ及び２ｎｄ ｄｏｗｎは、繰り返しの２回目の変化を示しており、３ｒｄ ｕｐ及び３ｒｄ ｄｏｗｎは、繰り返しの３回目の変化を示している。
【００６１】
図４〜図６からわかるように、サンプル１〜サンプル３の全てのデータにおいて、引っ張り応力Ｆの増加及び引っ張り応力Ｆの減少のサイクルで履歴が観測された。
これは、基板であるＰＥＴフィルムの塑性変形によるものである。
図６の２ｎｄ ｄｏｗｎ〜３ｒｄ ｄｏｗｎのように、弾性限界内であれば、再現性を示す。
【００６２】
図４〜図６に示されているように、それぞれの応力センサーの抵抗及びインピーダンスは、引っ張り応力の増加に伴い、単調に増加する。
また、応力範囲によっては、良好な線形性を示す。特に、イオン導電体によって異なるが、線形性を示す領域内で、ＬＬＴで約１０％、ＬＳＯで１〜２％、ＡｇＩで２〜３％の抵抗変化率が観測された。
【００６３】
このように、イオン導電体の抵抗・インピーダンスが外部からの応力に対して敏感に変化するのは、固体内のイオン伝導が構造敏感な物性であるためと考えられる。
従って、固体内のイオン伝導を示す物質群は、全て応力センサーの材料になりうる。
また、適切な基板の種類・寸法を選択することにより、測定可能な範囲を制御することが可能である。
【００６４】
＜曲げ応力試験＞
サンプル１の応力センサー１０に対して、基板１のＰＥＴフィルムに曲げ応力を加えて、抵抗値Ｒの変化を調べた。この抵抗値は、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。
曲げ応力は、曲がっていない状態からイオン導電体１３の薄膜の側が凹に曲がっている状態に変化させ（過程１）、その後イオン導電体１３の薄膜の側が凸に曲がっている状態まで変化させ（過程２）、曲がっていない状態に戻す（過程３）、というように変化させた。
【００６５】
サンプル３の応力センサー２０に対して、基板のＰＥＴフィルムに曲げ応力を加えて、イオン導電体２１の周波数１００ＨｚにおけるインピーダンスＺの変化を測定した。
曲げ応力は、曲がっていない状態からイオン導電体２１の薄膜の側が凹に曲がっている状態に変化させ（過程１）、その後イオン導電体２１の薄膜の側が凸に曲がっている状態まで変化させ（過程２）、曲がっていない状態に戻す（過程３）、というように変化させた。
【００６６】
サンプル１の応力センサー１０に対する、曲げ応力の変化による抵抗値Ｒの変化を、図７に示す。図７の横軸のHeight/Widthは、図７の右下の挿入図に示すように、イオン導電体を含む薄膜を形成した部分について、高さ（Height）の幅（Width）に対する比を示したものである。なお、高さの符号は、イオン導電体を含む薄膜の側が凸に曲がっている場合を正、イオン導電体を含む薄膜の側が凹に曲がっている状態を負とした。また、図７において、前述の過程１、過程２、過程３をそれぞれ→で示した。
サンプル３の応力センサー２０に対する、曲げ応力の変化によるインピーダンスの変化を、図８に示す。図８の横軸のHeight/Widthは、図８の右下の挿入図に示すように、イオン導電体を含む薄膜を形成した部分について、高さ（Height）の幅（Width）に対する比を示したものである。なお、高さの符号は、イオン導電体を含む薄膜の側が凸に曲がっている場合を正、イオン導電体を含む薄膜の側が凹に曲がっている状態を負とした。また、図８においては、前述の過程１、過程２、過程３の図示は省略した。
【００６７】
図７からわかるように、曲げ応力に依存して直流抵抗が変化する。そして、イオン導電体を含む薄膜の側が凹のときと凸のときとで、逆方向に直流抵抗が変化する。
また、高さ／幅の比の範囲を−０．４〜＋０．４とした測定範囲で、直流抵抗が約９％変化している。これにより、曲げ応力に対して、直流抵抗が敏感に応答している。
【００６８】
図８からわかるように、曲げ応力に依存してインピーダンスが変化する。そして、イオン導電体を含む薄膜の側が凹のときと凸のときとで、逆方向にインピーダンスが変化する。
また、高さ／幅の比の範囲を−０．３〜＋０．３とした測定範囲で、インピーダンスが約１０％変化している。これにより、曲げ応力に対して、インピーダンスが敏感に応答している。
【００６９】
これらの結果から、イオン導電体の抵抗やインピーダンスが、曲げ応力に対して敏感に反応することがわかる。
従って、本発明の応力センサーを、曲げ応力の応力センサーとしても使用することが可能である。
【００７０】
＜圧縮応力試験＞
サンプル１及びサンプル２の各応力センサー１０に対して、イオン導電体を含む薄膜の側にピストン３１で膜面に垂直な方向に一軸性の圧縮応力を加えて、抵抗値Ｒを測定した（図９及び図１０の挿入図を参照）。
この抵抗値Ｒは、電極１１，１５を通じてイオン導電体１３に電流を流して、電位差と電流量とから求めた。圧縮応力は、２５０〜５６０ｋｇＷ／ｃｍ２の範囲で変化させ、各圧縮応力について、１回〜５回の抵抗値の測定を行った。
【００７１】
サンプル１の応力センサー１０に対する、圧縮応力と抵抗値との関係を、図９に示す。
サンプル２の応力センサー１０に対する、圧縮応力と抵抗値との関係を、図１０に示す。
図９及び図１０において、同じ圧縮応力で２回以上測定を行った場合には、測定値の平均値（■印と●印）と測定値の範囲（エラーバー）とを示している。
【００７２】
図９及び図１０からわかるように、圧縮応力の変化により、抵抗値が変化している。
図９のサンプル１（ＬＬＴ薄膜）の場合、約４％の抵抗変化がある。図１０のサンプル２（ＬＳＯ薄膜）の場合、約３０％の抵抗変化がある。
【００７３】
また、いずれのサンプルでも、圧縮応力の増大に伴い、抵抗値が減少する傾向を示している。
これは、恐らくは、一軸性の応力を加えているために、イオン導電体１３の薄膜の変形が、圧縮応力の方向である、膜面に垂直な方向においては縮むが、膜面に沿った水平方向（面内方向）においては伸びているためではないかと考えられる。
このように変形するために、イオン伝導のパス（伝導イオンが通過するための骨組み元素で構築された狭い障壁：ボトルネック）が膜面に沿った面内方向に広がって、その結果として、膜面に垂直な方向の伝導がしやすくなったと考えられる。
【００７４】
そして、特に、３００ｋｇＷ／ｃｍ２以下の応力の低い領域において、抵抗値の変化率が大きくなっている。
【００７５】
なお、図９及び図１０に測定値を示した試料では、実験の都合上、イオン導電体１３の薄膜に近い箇所で、電極１１，１５に配線となるリード線を接続していた。そのため、抵抗値の測定値に、ばらつきが生じている。
抵抗値の測定値のばらつきを低減するためには、電極と配線との接続部を、イオン導電体１３が応力を受ける部分から離して設け、電極と配線との接続部が応力を受けにくくすれば良いと考えられる。
例えば、図１及び図２に示した応力センサー１０では、電極１１，１５を図中左右方向に延長して、応力を受ける部分から離して、配線と接続すれば良い。
また例えば、図３に示した応力センサー２０では、櫛形電極２２，２３の図中左右の幹の部分をイオン導電体２１から離して、その幹の部分で電極２２，２３と配線とを接続すれば良い。
【００７６】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明による応力センサーは、曲げ、引っ張り、圧縮等の応力が加わる部分の応力を測定又は検出するためのセンサーとして、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の応力センサーの一実施の形態の概略構成図（一部内部を示した上面図）である。
【図２】図１の応力センサーの断面図である。
【図３】本発明の応力センサーの他の実施の形態の概略構成図（平面図）である。
【図４】サンプル１の応力センサーの引っ張り応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図５】サンプル２の応力センサーの引っ張り応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図６】サンプル３の応力センサーの引っ張り応力の大きさとインピーダンスとの関係を示す図である。
【図７】サンプル１の応力センサーの曲げ応力の大きさと抵抗値との関係を示す図ある。
【図８】サンプル３の応力センサーの曲げ応力の大きさとインピーダンスとの関係を示す図である。
【図９】サンプル１の応力センサーの圧縮応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【図１０】サンプル２の応力センサーの圧縮応力の大きさと抵抗値との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板、１１ 第１の電極（下部電極）、１２，１４ 可逆電極、１３，２１ イオン導電体、１５ 第２の電極（上部電極）、１０，２０ 応力センサー、２２ 第１の櫛形電極、２３ 第２の櫛形電極、３１ ピストン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電体と、
前記イオン導電体に電気的に接続された電極とを含む
応力センサー。
【請求項２】
前記イオン導電体の薄膜が、２つの前記電極に挟まれて構成されている、請求項１に記載の応力センサー。
【請求項１】
イオン導電体と、
前記イオン導電体に電気的に接続された電極とを含む
応力センサー。
【請求項２】
前記イオン導電体の薄膜が、２つの前記電極に挟まれて構成されている、請求項１に記載の応力センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２８７９７４（Ｐ２００９−２８７９７４Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３８４２３（Ｐ２００８−１３８４２３）
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
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