CN106461486B - 压电传感器及压电元件 - Google Patents

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Abstract

压电传感器(100)具备基板(10)和压电元件(11)。在基板(10)的一个主面形成有至少一对安装用电极。压电元件(11)具备层叠体(17)、第一端子电极(15a)以及第二端子电极(15b)。第一端子电极(15a)和第二端子电极(15b)分别通过接合材料(19a、19b)与安装用电极接合。

Description

压电传感器及压电元件
技术领域
本发明涉及压电传感器及压电元件。
背景技术
以往，作为检测挠曲的压电传感器，已知有例如日本特开2007-163230号公报(专利文献1)记载的压电传感器。该压电传感器通过如下方式构成，即，在由具有可挠性的聚酰亚胺等高分子材料构成的膜状的平板的一个主面形成氮化铝等的薄膜状的压电体，且在形成了压电体的平板的两个主面设置电极层。
该压电传感器为极薄的膜状且富有柔软性，紧贴配置于轮胎内表面等曲面部分进行使用。由此，能够检测由轮胎的空气压的变动等造成的轮胎的变形。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-163230号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述日本特开2007-163230号公报记载的压电传感器中，存在如下的问题。
该公报记载的压电传感器具备薄膜状的压电体，用粘接剂直接粘附于轮胎进行使用。因此，除了基于由空气压的变动造成的轮胎的变形的信号以外，还容易同时检测到从轮胎直接传递的外部冲击、振动等各种各样的信号。因此，为了只准确地检测由空气压变动造成的变形，需要复杂的信号处理电路。
进而，因为该公报记载的压电传感器用粘接剂直接粘附于轮胎进行使用，所以装配在压电传感器周边的信号处理电路等周边电路装置通过许多引线等进行连接。由此，轮胎内部的布线数多且布线长，因此变得复杂，难以安装其它电子部件(例如，IC等)进行使用。
此外，虽然膜状的压电传感器能够做成非常薄的构造，但是另一方面，为了提高灵敏度必须增大压电传感器自身的面积而使其大型化。因此，在钉子等锋利的东西扎入到轮胎的情况下，压电传感器自身、周边电路装置受损的可能性高，在受损的情况下，将不能检测轮胎的变形。
用于解决课题的技术方案
因此，为了解决上述课题，本发明的压电传感器具备基板和压电元件，基板在一个主面形成安装用电极，压电元件具备层叠体以及设置在层叠体的彼此不同的端面的第一端子电极和第二端子电极，层叠体具备压电体、设置为夹着压电体的第一检测用电极和第二检测用电极、以及进一步层叠在至少一个的外侧的外装体，第一检测用电极与第一端子电极连接，第二检测用电极与第二端子电极连接，第一端子电极和第二端子电极通过接合剂分别与安装用电极接合，压电元件安装在基板。
另外，优选是，第一检测用电极从层叠体的一个端面以及与该端面相接的两个侧面引出，并与第一端子电极连接，第二检测用电极从层叠体的另一个端面以及与该端面相接的两个侧面引出，并与第二端子电极连接。在该情况下，能够可靠地连接检测用电极和端子电极。
此外，优选在基板与压电元件之间形成间隙。在该情况下，间隙能够抑制压电传感器检测到从轮胎等直接传递的外部冲击、振动等噪声，因此能够以高灵敏度检测基板的挠曲。另外，也可以在间隙中填充橡胶或树脂。在该情况下，基板与压电元件的接合强度提高。
此外，本发明还面向压电元件。具体地，压电元件具备层叠体以及设置在层叠体的彼此不同的端面的第一端子电极和第二端子电极，层叠体具备压电体、设置为夹着压电体的第一检测用电极和第二检测用电极、以及进一步层叠在至少一个的外侧的外装体，第一检测用电极与第一端子电极连接，第二检测用电极与第二端子电极连接。
发明效果
根据本发明，能够提供一种灵敏度高、难以检测到振动等噪声、容易小型化、且容易通过模块化而将周边电路一体化的压电传感器。
附图说明
图1是示出实施方式1涉及的压电传感器的侧视图。
图2是实施方式1涉及的压电传感器的压电元件的主要部分剖视图。
图3是实施方式1涉及的压电传感器的主要部分分解立体图。
图4是示出将实施方式1涉及的压电传感器设置于轮胎的情况的说明图。
图5是示意性地示出实施方式1涉及的压电传感器的变形状态和电位的说明图，图5(a)示出挠曲未起作用的状态，图5(b)示出挠曲起作用的状态。
图6是实施方式1涉及的压电传感器的等效电路图。
图7是实施方式2涉及的压电传感器的侧视图。
图8是示意性地示出实施方式2涉及的压电传感器的变形状态和电位的说明图，图8(a)示出挠曲未起作用的状态，图8(b)示出挠曲起作用的状态。
图9是实施方式3涉及的压电传感器的侧视图。
图10是示意性地示出实施方式3涉及的压电传感器的变形状态和电位的说明图，图10(a)示出挠曲未起作用的状态，图10(b)示出挠曲起作用的状态。
图11是实施方式4涉及的压电传感器的侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的压电传感器进行说明。
(实施方式1)
在图1示出实施方式1涉及的压电传感器100。压电传感器100具备基板10和安装在基板10的压电元件11。
压电元件11构成长方体状，具有层叠体17以及设置在层叠体17的两个端面的第一端子电极15a和第二端子电极15b。第一端子电极15a和第二端子电极15b分别通过作为接合材料的焊料19a、19b安装在基板10，在安装位置以外的部分的基板10与压电元件11之间形成有与焊料安装的高度对应的间隙13。
如图2所示，压电元件11的层叠体17由从上开始依次层叠外装体14a、第一检测用电极16a、压电体12a、第二检测用电极16b、压电体12b、第一检测用电极16c、外装体14b并一体化的构造构成。
更具体地，外装体14a、在一个主面形成第一检测用电极16a并在另一个主面形成第二检测用电极16b的压电体12a、在一个主面形成第一检测用电极16c的压电体12b、以及外装体14b通过粘接剂(未图示)粘接并一体化。
另外，压电体12a、12b例如由具备压电性的陶瓷材料形成。此外，外装体14a、14b例如由钛酸镁等陶瓷材料、玻璃环氧树脂等树脂材料这样的具有绝缘性的材料形成。压电体12a、12b以及外装体14a、14b分别为矩形平板状。此外，对压电体12a、12b分别实施了极化处理。
在本实施方式中，采用了压电体12a、12b的上下两个主面被外装体14a、14b保持的构造。由此，可抑制压电体12a、12b的厚度方向上的位移，因此，即使在受到伴随着加速度的冲击的情况下，也能够抑制加速度的检测，能够以更高精度检测挠曲。如果压电体12a、12b的一个主面的整个面被保持，则另一个主面可以部分保持，进而，也可以省略对另一个主面的保持。
另外，为了提高挠曲检测的灵敏度而以更高精度进行检测，作为外装体14a、14b，优选使用杨氏模量比压电体12a、12b的杨氏模量高的材料。
在本实施方式的压电传感器100中，第一检测用电极16a、16c从层叠体17的一个端面以及在该一个端面的两侧延续的两个侧面引出到外部。同样地，第二检测用电极16b从层叠体17的另一个端面以及在该另一个端面的两侧延续的两个侧面引出到外部。
即，如图3所示，第一检测用电极16a、16c以及第二检测用电极16b分别呈T字状从层叠体17的3个面引出到外部。
因此，第一检测用电极16a、16c以及第一端子电极15a不仅在端面连接，还在侧面的一部分连接，因此电连接可靠性高。此外，第二检测用电极16b和第二端子电极15b不仅在端面连接，还在侧面的一部分连接，因此电连接可靠性高。此外，第一检测用电极16a、16c以及第二检测用电极16b分别为T字状，因此在与第一端子电极15a和第二端子电极15b的连接部以外不会露出到层叠体17的外表面。因此，不易受到湿气等外部环境的影响。
图4示出在基板10侧装配于轮胎38的压电传感器100检测轮胎的变形的状态。压电传感器100主要感测由于由空气压变动造成的轮胎38的变形、由路面状态造成的轮胎的变形产生的基板的挠曲。
如图4所示，在使轮胎38与地面接触的情况下，轮胎38会变形，因此基板10会向从地面垂直向上方向挠曲，该挠曲会使压电元件11向从地面垂直向上方向挠曲。基板10和压电元件11的挠曲的大小取决于轮胎38的变形的大小。
另外，轮胎38会配合装配了轮胎38的汽车等的行进而旋转，装配了压电传感器100的部分会周期性地与地面接触。因此，压电传感器100能够检测周期性的轮胎的变形。
如图1所示，在压电传感器100中，压电元件11在第一端子电极15a和第二端子电极15b这两处安装于基板10。而且，在俯视方向上进行观察的情况下，基板10的大小大于压电元件11的大小。因此，在压电传感器100中，基板10的挠曲会被放大而使压电元件11挠曲。而且，从第一检测用电极16a、16c以及第二检测用电极16b，检测压电元件11的挠曲的大小作为电信号。在压电传感器100中，基板10的挠曲被放大而使压电元件11挠曲，并且作为电信号检测该压电元件11的挠曲，因此灵敏度高。
此外，如图1所示，压电传感器100在基板10与压电元件11之间形成有间隙13。该间隙13发挥使压电传感器100不会检测从轮胎38直接传递的外部冲击、振动等噪声的功能。压电传感器100能够不检测外部冲击、振动等噪声，而只以高灵敏度检测挠曲。
压电传感器100的灵敏度高，因此能够形成为小型。此外，通过在基板10安装其它电子部件，从而也容易将周边电路一体化而进行模块化。
接着，使用图5和图6对存在挠曲和不存在挠曲时的产生电荷的原理进行说明。
图5(a)示出挠曲未作用于压电传感器100的状态。像本实施方式那样的压电传感器在产生严酷的温度变化的环境中使用的情况较多。因此，有时会引起由于热而产生电荷的现象，即，热电，由该热电产生的电荷有时会与由挠曲产生的电荷混合。因此，希望减小热电造成的影响。
因此，在本实施方式的压电传感器100中，如图5(a)所示，设置端子电极15a、15b以及检测用电极16a、16b、16c，通过两层进行检测，从而构成如图6所示的电路，使得不受热电的影响。即，该电路通过并联地连接两层的感测部分，从而抵消由热电造成的电荷。因此，能够只检测由挠曲产生的电荷。
另一方面，在挠曲起作用的情况下的压电传感器100中，会产生如图5(b)所示的变形。如图5(b)所示，在压电体12a、12b会产生拉伸应力Pt。在压电体12a中，在设置有检测用电极16a的一侧和设置有检测用电极16b的一侧会基于极化方向和拉伸应力Pt的关系而产生正(+)和负(-)的电荷。同样地，在压电体12b中，在设置有检测用电极16b的一侧和设置有检测用电极16c的一侧基于极化方向和拉伸应力Pt的关系产生正电荷和负电荷。
由此，在设置有检测用电极16a的一侧产生的正电荷和在设置有检测用电极16c的一侧产生的负电荷会传递到端子电极15a，因为在设置有检测用电极16c的一侧产生的负电荷比较少，因此与在设置有检测用电极16a的一侧产生的正电荷抵消，其结果是正电荷传递到端子电极15a。同样地，在设置有检测用电极16b的一侧产生的负电荷和正电荷传递到端子电极15b，因为正电荷比较少，因此与负电荷抵消，其结果是剩余的负电荷传递到端子电极15b。由此，在两个端面产生电位差，能够感测基板的挠曲。
由以上的构造构成的实施方式1涉及的压电传感器100例如能够按照以下的顺序来制作。
首先，通过丝网印刷在陶瓷等的压电体12a形成检测用电极16a、16b，此外，通过丝网印刷在陶瓷等的压电体12b形成检测用电极16c。
接着，将压电体12a、12b一体烧成，然后实施极化方向成为所希望的方向的极化处理。
此后，在一体烧成的压电体12a、12b的两个主面涂上环氧树脂等粘接剂，层叠外装体14a、压电体12a、12b、以及外装体14b并接合为一体。由此，制作层叠体17。
接着，通过溅射法等在层叠体17的两个端面形成例如Ag等的薄膜，并在该薄膜上实施金属镀覆等，形成端子电极15a、15b。由此，得到压电元件11。
最后，用焊料将压电元件11安装到基板10，从而完成压电传感器100。
虽然在本实施方式中将第一检测用电极和第二检测用电极做成为T字状，但是未必一定构成为这样，作为变形例，能够做成为I字状等其它形状。
(实施方式2)
在图7示出实施方式2涉及的压电传感器200。
在压电传感器200中，代替实施方式1的压电元件11具备由一个压电体22构成的压电元件21。与实施方式1同样地，压电元件21具有层叠体27、第一端子电极25a以及第二端子电极25b。如图8(a)所示，层叠体27由从上开始依次层叠外装体24a、第一检测用电极26a、压电体22、第二检测用电极26b、外装体24b并一体化的构造构成。第一端子电极25a和第二端子电极25b分别通过作为接合材料的焊料29a、29b安装在基板20，在安装位置以外的部分的基板20与压电元件21之间形成有与焊料安装的高度对应的间隙23。
更具体地，外装体24a、在一个主面形成第一检测用电极26a并在另一个主面形成第二检测用电极26b的压电体22、以及外装体24b通过粘接剂(未图示)粘接并一体化。
与实施方式1相比较，像以上那样构成的压电传感器200所使用的压电体、检测用电极的数目少，因此能够以低成本且简单地制作压电传感器200。
(实施方式3)
在图9示出实施方式3涉及的压电传感器300。
在压电传感器300中，代替实施方式1的压电元件11具备由三个压电体32a、32b、32c构成的压电元件31。与实施方式1同样地，压电元件31具有层叠体37、第一端子电极35a以及第二端子电极35b。如图10(a)所示，层叠体37由从上开始依次层叠外装体34a、第一检测用电极36a、压电体32a、第二检测用电极36b、压电体32b、第二检测用电极36c、压电体32c、第一检测用电极36d、外装体34b并一体化的构造构成。第一端子电极35a和第二端子电极35b分别通过作为接合材料的焊料39a、39b安装在基板30，在安装位置以外的部分的基板30与压电元件31之间形成有与焊料安装的高度对应的间隙33。
更具体地，外装体34a、在一个主面形成第一检测用电极36a并在另一个主面形成第二检测用电极36b的压电体32a、在一个主面形成第二检测用电极36c的压电体32b、在一个主面形成第一检测用电极36d的压电体32c、外装体34b通过粘接剂(未图示)粘接并一体化。
对压电体32a、32b、32c分别实施了极化处理。在此，被压电体32a、32c夹着的压电体32b不作为压电体发挥功能，因此压电体32b能够使用未进行极化处理的压电体或使用绝缘体。
另外，与第一实施方式涉及的压电传感器100同样地，压电传感器300也能够抵消由热电造成的电荷。
与实施方式1涉及的压电传感器100相比较，在本实施方式涉及的压电传感器300中，压电元件31的高度高出与压电体32b对应的量。因此，在基板30挠曲与实施方式1的基板10相同程度时，压电体32a的挠曲大于压电体12a的挠曲。由此，检测挠曲的灵敏度提高。
(实施方式4)
在图11示出实施方式4涉及的压电传感器400。
在压电传感器400中，在实施方式1涉及的压电传感器100的间隙13填充有树脂43。树脂43能够使用硅酮类树脂、橡胶等。
与实施方式1至3涉及的压电传感器100、200、300相比较，在本实施方式涉及的压电传感器400中，基板40与压电元件41的接合强度提高。
(实施方式的概括)
对以上例示的各种实施方式涉及的压电传感器的特征性的结构进行概括如下。
压电传感器具备基板和压电元件。上述基板在一个主面形成有一对安装用电极。上述压电元件具有层叠体以及设置在上述层叠体的彼此不同的端面的第一端子电极和第二端子电极。上述层叠体包括压电体、设置为夹着上述压电体的第一检测用电极和第二检测用电极、以及层叠在上述第一检测用电极和上述第二检测用电极中的至少一个的外侧的绝缘性的外装体。上述第一检测用电极与上述第一端子电极连接，上述第二检测用电极与上述第二端子电极连接。上述第一端子电极通过接合材料与上述一对安装用电极中的一个接合，并且上述第二端子电极通过接合材料与上述一对安装用电极中的另一个接合。由此，上述压电元件安装在上述基板。
此外，可以是，在上述压电传感器中，上述第一检测用电极从上述层叠体的一个端面以及与该端面相接的两个侧面引出，从而与上述第一端子电极连接，上述第二检测用电极从上述层叠体的另一个端面以及与该端面相接的两个侧面引出，从而与上述第二端子电极连接。
此外，可以是，在上述压电传感器中，在上述基板与上述压电元件之间形成有间隙。
此外，可以是，在上述压电传感器中，在上述基板与上述压电元件之间填充有橡胶或树脂。
此外，对以上例示的各种实施方式涉及的压电元件的特征性的结构进行概括如下。
压电元件具备层叠体、以及设置在上述层叠体的彼此不同的端面的第一端子电极和第二端子电极。上述层叠体包括压电体、设置为夹着上述压电体的第一检测用电极和第二检测用电极、以及层叠在上述第一检测用电极和上述第二检测用电极中的至少一个的外侧的绝缘性的外装体。上述第一检测用电极与上述第一端子电极连接，上述第二检测用电极与上述第二端子电极连接。
此次公开的上述实施方式在所有的方面都是例示性的，并不是限制性的。本发明的技术范围由权利要求书划定，并且包括与权利要求书的记载等同的意思和范围内的所有的变更。
附图标记说明：
100、200、300、400：压电传感器；
10、20、30、40：基板；
11、21、31、41：压电元件；
12a、12b、22、32a、32b、32c、42a、42b：压电体；
14a、14b、24a、24b、34a、34b、44a、44b：外装体；
15a、15b、25a、25b、35a、35b、45a、45b：端子电极；
16a、16b、16c、26a、26b、36a、36b、36c、36d、46a、46b、46c：检测用电极；
17、27、37、47：层叠体；
38：轮胎；
19a、19b、29a、29b、39a、39b、49a、49b：焊料；
13、23、33：间隙；
43：树脂。

Claims (5)

1.一种压电元件，具备：
层叠体，包括位于相对位置的第一端面和第二端面；
第一端子电极，设置在所述第一端面；以及
第二端子电极，设置在所述第二端面，
所述层叠体包括：压电体；第一检测用电极和第二检测用电极，层叠在所述压电体，使得在与连结所述第一端面和所述第二端面的方向正交的方向上夹着所述压电体；以及绝缘性的外装体，进一步层叠为位于所述第一检测用电极和所述第二检测用电极中的至少一个的外侧，
所述第一检测用电极与所述第一端子电极连接，并且所述第二检测用电极与所述第二端子电极连接，
作为所述压电体，包含在所述层叠体中的层叠方向上层叠的第一压电体以及第二压电体，
作为所述第一检测用电极以及所述第二检测用电极，包含：在所述层叠体中的层叠方向上夹着所述第一压电体的第一压电体侧第一检测用电极以及第一压电体侧第二检测用电极；和在所述层叠体中的层叠方向上夹着所述第二压电体的第二压电体侧第一检测用电极以及第二压电体侧第二检测用电极，
所述第一压电体侧第二检测用电极配置在所述第二压电体的位置一侧，并且所述第二压电体侧第二检测用电极配置在所述第一压电体的位置一侧，
所述第一压电体的极化方向与所述第二压电体的极化方向朝向同一方向，
在所述第一压电体侧第二检测用电极与所述第二压电体侧第二检测用电极之间，设有将这些第一压电体侧第二检测用电极以及第二压电体侧第二检测用电极彼此分离的层。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，
所述层叠体包括一对侧面，所述一对侧面位于与该层叠体的层叠方向和连结所述第一端面和所述第二端面的方向均正交的方向上，
所述第一检测用电极被引出到所述第一端面和所述一对侧面并与所述第一端子电极连接，并且所述第二检测用电极被引出到所述第二端面和所述一对侧面并与所述第二端子电极连接。
3.一种压电传感器，具备：
权利要求1或2所述的压电元件；以及
基板，安装有所述压电元件，
所述基板在所述压电元件所处的一侧的主面具有一对安装用电极，
所述第一端子电极经由接合材料与所述一对安装用电极中的一个接合，并且所述第二端子电极经由接合材料与所述一对安装用电极中的另一个接合。
4.根据权利要求3所述的压电传感器，其中，
在所述压电元件与所述基板之间形成有间隙。
5.根据权利要求3所述的压电传感器，其中，
在所述压电元件与所述基板之间填充有橡胶或树脂。
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