CN113167565A - 复合压电元件、轮胎状态测定装置、轮胎传感器模块、轮胎传感器装置以及压电传感器 - Google Patents

复合压电元件、轮胎状态测定装置、轮胎传感器模块、轮胎传感器装置以及压电传感器 Download PDF

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CN113167565A
CN113167565A CN201980078032.4A CN201980078032A CN113167565A CN 113167565 A CN113167565 A CN 113167565A CN 201980078032 A CN201980078032 A CN 201980078032A CN 113167565 A CN113167565 A CN 113167565A
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Abstract

为了提供能够高灵敏度且高精度地对在特定方向上发生的变形进行测定的复合压电元件以及具备复合压电元件的轮胎状态测定装置，复合压电元件(10)具备：第一电极层(12)；压电体层(13)，配置于第一电极层(12)；以及第二电极层(14)，配置于压电体层(13)，复合压电元件(10)在俯视观察时具备：测定部(15)，设置有第一电极层(12)、压电体层(13)及第二电极层(14)；以及缓冲部(16)，未设置有压电体层(13)。

Description

复合压电元件、轮胎状态测定装置、轮胎传感器模块、轮胎传 感器装置以及压电传感器
技术领域
本发明涉及各种传感器等所使用的复合压电元件、使用复合压电元件的轮胎状态测定装置、具有检测轮胎的变形的片状的压电传感器的轮胎传感器模块、具备该轮胎传感器模块的轮胎传感器装置以及压电传感器。
背景技术
压电元件具有将电能与机械能进行变换的功能，作为各种致动器、传感器而被使用。例如，为了使用因变形而产生的电能来测定轮胎的状态，有时使用具备挠性的薄膜状的压电元件。在专利文献1中记载了如下方法：在轮胎内配置压电薄膜来推定轮胎的姿势角、路面状态。另外，在该文献中，记载了作为通过检测轮胎的变形来推定轮胎的设置状态的装置，在轮胎的胎面的内侧面配置有压电传感器的路面状态推定装置。
作为用于检测路面状态、轮胎的状态的轮胎传感器装置，提出了由在轮胎的胎面的内侧面设置的容器(container)和能够安装于该容器的轮胎传感器模块构成的装置。轮胎传感器装置使用设置于轮胎传感器模块的加速度传感器来检测传递至轮胎的振动，并通过对该振动波形进行解析来检测路面状态。例如，在专利文献2中记载有如下安装传感器(轮胎传感器模块)：在将加速度传感器、电路基板以及天线密封的模制树脂部设置突起部，使加速度检测方向的识别变得容易。但是，并未提出在其一部分组装有片型的压电传感器(压电元件)的轮胎传感器模块。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-234038号公报
专利文献2：日本特开2017-114438号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1所记载的方法中，为了测定不同方向的变形，将具有长短的形状的压电薄膜改变方向而在轮胎内配置多个。但是，由于构成压电薄膜的压电元件被形成为一体，因此在测定对象发生了变形的情况下，压电元件作为整体而发生变形。因此，在压电薄膜对特定方向的变形进行测定时，会受到特定方向以外的方向的变形的影响。因此，难以高灵敏度且高精度地对在特定方向上发生的变形进行测定。
另外，若如轮胎传感器模块中的加速度传感器等那样、片状的压电传感器被模制树脂部密封，则压电传感器的变形被较硬的模制树脂部妨碍，压电传感器针对轮胎变形的检测灵敏度降低。即，在将片状的压电传感器组装于轮胎传感器模块的一部分的情况下，若与加速度传感器同样地利用模制树脂部进行密封，则存在压电传感器的检测灵敏度降低的问题。
因此，本发明的目的在于，提供一种能够高灵敏度且高精度地对在特定方向上发生的变形进行测定的复合压电元件、具备复合压电元件的轮胎状态测定装置、具备轮胎变形的检测灵敏度良好的压电膜的轮胎传感器模块、具备该轮胎传感器模块的轮胎传感器装置以及压电传感器。
用于解决技术问题的手段
本发明的复合压电元件具备：第一电极层；压电体层，配置于所述第一电极层；以及第二电极层，配置于所述压电体层，在所述复合压电元件中，在俯视观察时，具备：测定部，设置有所述第一电极层、所述压电体层以及所述第二电极层；以及缓冲部，未设置有所述压电体层。通过设置未设置有所述压电体层的缓冲部，能够对测定部的测定灵敏度赋予各向异性，能够高灵敏度且高精度地对在特定方向上发生的变形进行测定。
优选的是，所述压电体层在俯视观察时具有多个带状部。所述带状部的纵横比例如设为1000∶1～10∶5即可。优选的是，多个所述带状部以长边方向大致平行的方式配置。优选的是，所述缓冲部在相邻的所述带状部之间沿着所述带状部的长边方向形成。另外，优选的是，所述缓冲部在俯视观察时具备沿所述测定部的长边方向设置的切口部。优选的是，所述切口部是在俯视观察时沿着所述带状部的长边方向连续的狭缝。通过这些结构，能够增大复合压电元件的测定灵敏度的各向异性。
也可以是，本发明的复合压电元件具备基膜，所述第一电极层配置于所述基膜。通过使用基膜，在保持复合压电元件的形状的状态下，容易配置于轮胎等测定对象。在该情况下，优选的是，所述基膜在俯视观察时形成于所述测定部以及所述缓冲部，由此所述缓冲部的杨氏模量比所述测定部的杨氏模量小。通过该结构，能够增大复合压电元件的测定灵敏度的各向异性。
本发明的轮胎状态测定装置具备本发明的复合压电元件。
本发明的轮胎传感器模块，其特征在于，具备：片状的压电传感器，能够对轮胎的变形进行计测；以及控制部，能够对所述压电传感器的计测结果进行运算处理，在所述压电传感器与所述控制部之间具备缓冲部。
通过在压电传感器与控制部之间设置缓冲部，从而能够抑制追随于轮胎的片状的压电传感器的变形被控制部所妨碍，即，片状的压电传感器能够以追随于轮胎的变形而容易挠曲的状态被组装于轮胎传感器模块。
也可以是，所述缓冲部具备杨氏模量比所述控制部小的柔软部，所述柔软部与所述压电传感器以及所述控制部接触。所述柔性段的杨氏模量可以为10MPa～1000MPa。
对压电传感器的变形进行吸收的柔软部与压电传感器和控制部这两者接触，由此能够维持两者的位置关系。由此，测定条件变得恒定，压电传感器的测定精度提高。
也可以是，所述缓冲部具备所述柔软部和空隙部，所述柔软部也可以具备狭缝。
通过在缓冲部设置未设置有柔软部的空隙部，或者在柔软部设置狭缝，从而柔软部在缓冲部容易变形，因此压电传感器更容易变形。
也可以是，所述柔软部具备狭缝，并且所述控制部具备固定件(anchor)，所述固定件插入于所述狭缝。
通过设置狭缝，柔软部变得容易变形，并且通过固定件能够稳定地维持柔软部与控制部的位置关系。由此，测定条件变得恒定，压电传感器的测定精度提高。
也可以是，所述控制部具备通信部。另外，也可以是，所述控制部具备磁传感器、加速度传感器或磁铁。
本发明的轮胎传感器装置，其特征在于，具备：上述的轮胎传感器模块；以及能够弹性变形的容器，能够内含所述轮胎传感器模块被，固定于轮胎的内侧。
也可以是，所述容器具备容器侧固定件，该容器侧固定件用于将所述轮胎传感器模块的所述压电传感器保持在规定的位置。
上述的轮胎传感器模块也可以是，所述缓冲部具备杨氏模量比所述控制部小的柔软部，所述柔软部与所述压电传感器以及所述控制部接触。
本发明的压电传感器，其特征在于，是片状的压电传感器，且在从片的法线方向俯视观察时为圆形，所述压电传感器检测轮胎的变形。
通过设为圆形，无论设置压电传感器的方向如何，都能够在同一条件下进行测定，因此将压电传感器设置于轮胎的作业变得容易。
发明效果
本发明的复合压电元件，能够通过缓冲部来缓冲在特定方向以外发生的测定对象的变形对压电体层的影响。因此，能够高灵敏度且高精度地对特定方向的变形进行测定。
本发明的轮胎传感器模块，通过在片状的压电传感器与控制部之间设置有缓冲部，由此片状的压电传感器容易追随轮胎的变形而变形，因此能够高灵敏度地检测轮胎的变形。因此，能够提供检测灵敏度良好的轮胎传感器模块以及轮胎传感器装置。
附图说明
图1中(a)是示意性地表示第一实施的复合压电元件的结构的俯视图，(b)是图1的(a)的A-A向视剖视图，(c)是图1的(a)的B-B向视剖视图。
图2中(a)是示意性地表示第一实施方式的变形例的复合压电元件的结构的俯视图，(b)是图2的(a)的A-A向视剖视图，(c)是图2的(a)的B-B向视剖视图。
图3中(a)是示意性地表示第二实施方式的复合压电元件的结构的俯视图，(b)是图3的(a)的A-A向视剖视图，(c)是图3的(a)的B-B向视剖视图。
图4中(a)是示意性地表示第二实施方式的变形例的复合压电元件的结构的俯视图，(b)是图4的(a)的A-A向视剖视图，(c)是图4的(a)的B-B向视剖视图。
图5是示意性地表示第三实施方式的轮胎状态测定装置进行的轮胎状态的测定的、(a)在驻停车中轮胎不旋转的状态的俯视图、(b)在行驶中轮胎旋转的状态的俯视图。
图6中(a)是表示第四实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的剖视图，(b)是图6的(a)的B-B向视剖视图。
图7是表示第四实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。
图8是表示第五实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的剖视图。
图9是表示第五实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。
图10中(a)是表示第五实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图，(b)是图10的(a)的B-B向视剖视图。
图11中(a)是表示第五实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图，(b)是图11的(a)的B-B向视剖视图。
图12是表示第五实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。
图13是表示压电传感器的(a)俯视图，(b)是图13的(a)的C-C向视剖视图。
图14是表示构成轮胎传感器装置的、轮胎传感器模块与容器分离的状态的立体图。
图15是表示轮胎传感器装置安装于轮胎的状态的局部剖视立体图。
具体实施方式
以下，参照图对本发明的实施方式进行说明。在各图中，对相同的部件标注相同的编号，并适当地省略说明。
(第一实施方式)
图1的(a)是示意性地表示本实施方式的复合压电元件10的结构的俯视图，图1的(b)是图1的(a)的A-A向视剖视图，图1的(c)是图1的(a)的B-B向视剖视图。如这些图所示，复合压电元件10具备基膜11、配置于基膜11的第一电极层12、配置于上述第一电极层的压电体层13、以及配置于压电体层13的第二电极层14。
首先，对俯视观察时的复合压电元件10的各部件的配置、形状进行说明。如图1的(a)～图1的(c)所示，复合压电元件10具备：测定部15，是将第一电极层12、压电体层13以及第二电极层14依次在Z方向上层叠设置而得到的；以及未设置有压电体层13的缓冲部16。不是将复合压电元件10的大致整体设为测定部15，而是在其一部分设置缓冲部16，从而能够使对测定部15的压电体层13施加的力根据测定对象变形的方向而变化，而对复合压电元件10的测定灵敏度赋予各向异性。
在X方向上连续地设置有测定部15，因此在测定对象在X方向上发生了变形的情况下，该变形直接原样地传递至测定部15的压电体层13。相对于此，在Y方向上交替地设置有测定部15和缓冲部16。即，在测定部15之间设置有缓冲部16，因此在测定对象在Y方向上发生了变形的情况下，测定部15间的缓冲部16先变形，由此该变形被缓冲而被传递至测定部15的压电体层13。因此，能够提高针对X方向的变形的测定灵敏度，降低针对Y方向的变形的测定灵敏度。因此，通过对复合压电元件10设置缓冲部16，由此能够根据XY平面中的方向使灵敏度不同，能够高灵敏度且高精度地测定在特定方向上发生的测定对象的变形。
复合压电元件10的测定部15构成为，在俯视观察时，具有形成为大致矩形形状的多个带状部13a、13b、13c(以下，适当地记为带状部13a～c)的压电体层13被形成为梳齿状的第一电极层12和第二电极层14所夹持。如图1的(a)所示，多个带状部13a～c以其长边方向大致平行的方式配置。另外，带状部13a～c只要是正交的方向的宽度不同的形状即具有各向异性的形状即可。
压电体层13设为在俯视观察时不是一体的形状，而是被分为在短边方向(Y方向)上隔开规定的间隔地分离地配置的3个带状部13a～c的形状。通过该结构，复合压电元件10能够提高长边方向(X方向)的测定灵敏度，并且能够缓冲短边方向(Y方向)的变形对长边方向(X方向)造成的影响，能够高灵敏度且高精度地测定长边方向(X方向)的变形。另外，只要能够通过缓冲部16对短边方向(Y方向)的变形的影响进行缓冲即可，因此压电体层13也可以是具有一部分连续的部分的形状。
在相邻的带状部13a与带状部13b之间、以及相邻的带状部13b与带状部13c之间，分别沿着带状部13a～c的长边方向而形成有缓冲部16，在各缓冲部16形成有切口部17。
切口部17例如能够通过在形成复合压电元件10之后，使用激光将带状部13a～c间的基膜11去除而形成。切口部17是没有形成基膜11、第一电极层12、压电体层13以及第二电极层14中的任一个的部分。因此，在轮胎等测定对象在带状部13a～c的短边方向上发生了变形的情况下，切口部17先于带状部13a～c变形。切口部17先变形，由此能够缓冲对压电体层13的影响，能够抑制压电体层13的变形。因此，复合压电元件10的针对带状部13a～c的短边方向的变形的测定灵敏度变低。
各切口部17被设置为在俯视观察时沿着带状部13a～c的长边方向(X方向)连续的狭缝状。通过将切口部17设为分别连续的狭缝状，由此在测定对象在带状部13a～c的短边方向上发生了变形的情况下，能够通过切口部17有效地缓冲对压电体层13的影响。即，测定对象的变形是在带状部13a～c的短边方向上发生的情况下，会被狭缝状的切口部17吸收而传递至压电体层13。与此相对，在测定对象在带状部13a～c的长边方向上发生了变形的情况下，切口部17不缓冲对压电体层13的影响。即，测定对象的变形是在带状部13a～c的长边方向上产生的情况下，不被狭缝状的切口部17吸收而传递至压电体层13。因此，复合压电元件10能够对在带状部13a～c的长边方向的变形的测定中的短边方向的变形的影响进行缓冲，能够高灵敏度且高精度地测定长边方向的变形。
如以上那样，通过在带状部13a～c之间设置具有切口部17的缓冲部16，由此能够根据测定对象变形的方向是带状部13a～c的短边方向和长边方向的哪一个，使测定灵敏度大幅地不同。因此，复合压电元件10能够高灵敏度且高精度地测定在特定方向上被施加的力。换言之，通过使针对在特定方向以外的方向(例如与特定方向正交的方向)上被施加的力的检测灵敏度不敏锐，从而能够使噪声(特定方向以外的成分)难以拾取。
基膜11配置有第一电极层12，由具有挠性的合成树脂的膜形成。作为合成树脂，例如列举出聚酰亚胺(PI、PolyImide)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET、PolyEthyleneTerephthalate)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN、PolyEthylene Naphthalate)、聚苯硫醚(PPS、Poly Phenylene Sulfide)、聚乙烯(PE、PolyEthylene)、芳纶树脂(芳香族聚酰胺、Aromatic polyamid)等。上述的合成树脂可以含有固化剂等添加剂、无机填料等，也可以是具有绝缘性的绝缘性膜。基膜11的厚度例如设为25μm～125μm左右即可。
第一电极层12如图1的(a)～图1的(c)所示，层叠设置在基膜11的单面侧，使用在合成树脂的基体(matrix)中分散有导电性粉体的层。作为合成树脂，例如列举出酚醛树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等、聚酯树脂、丙烯酸树脂等。另外，作为导电性粉体，例如列举出银、铜、镍等金属粉、石墨、纳米碳等碳粉等。导电性粉体例如以5～70(体积％)左右被分散于合成树脂中。第一电极层12的厚度例如为5μm～15μm左右。
第二电极层14如图1的(a)～图1的(c)所示，在基膜11的单面侧以在第一电极层12与第二电极层14之间夹着压电体层13的方式层叠于压电体层13而形成。另外，第二电极层14与第一电极层12同样，是在合成树脂的基体中分散有导电性粉体的层，其厚度例如为5μm～20μm左右。
第一电极层12及第二电极层14例如能够如下这样形成：在酚醛树脂等合成树脂中添加固化剂，将甲醇乙酸酯等溶剂与导电性的粉体混合而作为导电性糊剂，并使用网板印刷等方法来形成。第一电极层12能够将该导电性糊剂涂布在基膜11上，进行加热，并使其干燥及固化而形成。另外，第二电极层14能够将该导电性糊剂涂布于压电体层13，进行加热，并使其干燥及固化而形成。
第一电极层12及第二电极层14分别具备端子部121及端子部141。这些端子部121及端子部141以一直被引出至基膜11的端部为止的方式形成，因此电压的供给、测定结果的取出是容易的。
压电体层13如图1的(a)～图1的(c)所示，设置在基膜11的单面侧，层叠于第一电极层12而形成。在图1的(a)中，为了表示俯视观察时的位置，使用粗虚线示出了压电体层13(带状部13a、13b、13c、测定部15)的位置。另外，在第一电极层12与第二电极层14之间的没有压电体层13的部分，也可以为了防止第一电极层12与第二电极层14的导通，而形成绝缘体层等。
从使长边方向的灵敏度良好的观点出发，带状部13a～c的纵横比(长度L：宽度W1)优选为1000：1以上且10：5以下，更优选为100：1以上且10：4以下，进一步优选为10：1以上且10：3以下。
在俯视观察时，将压电体层13与缓冲部16设为一体的轮廓形状(以下，适当称为“压电体层13的形状”)的纵横比(长度L：宽度W2)，为了高灵敏度且高精度地测定在特定方向上被施加的力并且增大输出，而优选为10：1以上且10：10以下，更优选为10：3以上且10：8以下，进一步优选为10：4以上且10：6以下。
在将复合压电元件10安装于轮胎的情况下，压电体层13的长边方向的长度L优选为10mm～20mm左右。因此，作为优选的压电体层13的形状(长度L×宽度W2)，例如列举出15mm×7mm、10mm×5mm等。
在本实施方式中，对具备3个带状部13a～c和2个缓冲部16的压电体层13进行了说明，但带状部13a～c以及缓冲部16的数量并不限定于此。但是，从制造效率的观点出发，优选将带状部13a～c的宽度W1设为1mm以上。因此，通常，带状部13a～c的数量为2～4左右，缓冲部16的数量为1～3左右。
压电体层13是在合成树脂的基体中分散有压电粒子而成的层。从形成使压电体层13的压电性能提高且输出性能优异的复合压电元件10的观点出发，作为压电粒子，优选为钙钛矿结构的晶体结构的强电介质粒子。作为强电介质粒子，优选铌酸钾(KNbO3)、铌酸钠钾、钛酸钡。
铌酸钾优选例如平均粒径(中值粒径、D50)为400nm～500nm、斜方晶-正方晶的转变点温度为223℃以上且228℃以下、正方晶-立方晶的转变点温度为420℃以上且430℃以下的铌酸钾。由此，能够提供进一步提高压电体层13的压电性能、输出性能更优异的复合压电元件10。
压电体层13是合成树脂与压电粒子的复合材料，具有挠性。从抑制由压电体层13的变形引起的裂纹等的产生的观点出发，在常温下具有适度的柔软性的合成树脂是优选的。作为这样的合成树脂，优选非晶性聚酯树脂或聚氨酯树脂。另外，非晶性聚酯树脂及聚氨酯树脂通常被广泛使用，在能够容易且廉价地获得的方面也是优选的。
在图1的(b)以及图1的(c)中，示出了由单层构成压电体层13的例子，但也可以由多层构成压电体层13。例如，也可以由2个第一压电体层和配置在2个第一压电体层之间的第二压电体层构成压电体层13。在该情况下，优选2个第一压电体层中的压电粒子的体积百分比浓度比其间的第二压电体层中的压电粒子的体积百分比浓度高。例如，在使用铌酸钾作为压电粒子的情况下，第一压电体层中的压电粒子的体积百分比浓度优选为50vol％～65vol％。第二压电体层中的压电粒子的体积百分比浓度优选为0.01vol％～60vol％，更优选为10vol％～50vol％。
通过降低第二压电体层的压电粒子的体积百分比浓度，由此针对弯曲的耐性即弯曲耐性提高。通过该第二压电体层的弯曲耐性的提高，由此与由压电粒子的体积百分比浓度高的压电体的单层构成的情况相比，作为压电体层13整体的弯曲耐性提高。而且，通过采用由压电粒子的体积百分比浓度高的第一压电体层夹着第二压电体层的结构，从而基于第一压电体层的性能优先，作为压电体层13整体而压电性能不会大幅降低。由此，能够提供维持压电性能并且针对弯曲的弯曲耐性提高的复合压电元件10。另外，通过夹着压电粒子的体积百分比浓度低的第二压电体层，从而能够构成减少高价的压电粒子的使用量并且维持了压电性能的压电体层13。
压电体层13例如能够以如下方式制造。
首先，使用可溶于溶剂的非晶性聚酯树脂或聚氨酯树脂，将该粘合剂树脂、甲醇乙酸酯等溶剂、铌酸钾的颗粒以期望的配合比混合，利用3根辊等混合机分别使它们均匀地分散，制作电介质糊剂。
接着，使用网板印刷等方法，将电介质糊剂以在俯视观察时重叠的方式涂布以将基膜11的单面侧的第一电极层12覆盖，并使其干燥及硬化而形成压电体层13。在图1的(a)中，如虚线所示，示出了在俯视观察时在形成为梳齿状的第一电极层12的3个齿的部分形成有带状部13a～c的例子，但也可以以包含将3个齿的部分连结的部分在内地与第一电极层12整体重叠的方式形成压电体层13。固化后的压电体层13的厚度优选为5μm～100μm，更优选为15μm～50μm。
另外，在上述的电介质糊剂中，既可以适当使用少量的固化剂，也可以添加消泡剂。另外，也可以进行使铌酸钾的颗粒体的表面承担硅烷偶联剂的处理。特别是通过进行消泡剂的添加、硅烷偶联剂处理，从而能够防止压电体层13产生气泡等缺陷，能够减少压电体层13的厚度方向的导通不良。
最后，对所形成的压电体层13进行极化处理。极化处理为，将所形成的压电体层13加热至居里点附近的温度后，从图1的(a)所示的第一电极层12的端子部121以及第二电极层14的端子部141向压电体层13施加1～10(V/μm)左右的与压电体层13的厚度相应的直流电压。然后，在返回到常温之后，使第一电极层12与第二电极层14之间短路而去除多余的电容并结束。另外，直流电压的施加优选为4～6(V/μm)。这样，压电体层13能够从初始状态向极化的状态简单地进行处理。
如上所述，由于在基膜11表面设置的第一电极层12的、压电体层13以及第二电极层14是在合成树脂中分散有填料而成的，因此复合压电元件10整体具有挠性。
另外，图1的复合压电元件10不具备外涂层(overcoat)部件，但也可以设置相对于外部环境进行保护的外涂层部件。外涂层部件例如使用以含有颜料的绝缘性的聚氨酯树脂为基础的绝缘性糊剂，使用网板印刷等方法，以覆盖第二电极层14整体的方式进行涂布并层叠绝缘性糊剂，并进行加热，使其干燥及固化。该固化后的外涂层部件的厚度为10μm～100μm左右。另外，除了聚氨酯树脂以外，也可以使用丙烯酸树脂、聚酯树脂、环氧树脂等。
如以上那样，复合压电元件10使用简单且廉价的网板印刷法形成，因此能够容易且廉价地制作。
图2的(a)是示意性地表示本实施方式的变形例即复合压电元件20的结构的俯视图，图2的(b)是图2的(a)的A-A向视剖视图，图2的(c)是图2的(a)的B-B向视剖视图。如图2的(a)所示，复合压电元件20的缓冲部16沿着带状部13a～c的长边方向具有多个切口部17。这样，通过在缓冲部16断续地设置有多个切口部17的结构，能够对测定部15的测定灵敏度赋予各向异性。因此，复合压电元件20与复合压电元件10同样，能够高灵敏度且高精度地测定带状部13a～c的长边方向的变形。
(第二实施方式)
图3的(a)是示意性地表示本实施方式的复合压电元件30的结构的俯视图，图3的(b)是图3的(a)的A-A向视剖视图，图3的(c)是图3的(a)的B-B向视剖视图。如这些图所示，本实施方式的复合压电元件30在俯视观察时，在包含缓冲部16的复合压电元件30整体形成有基膜11的结构上，与第一实施方式的复合压电元件10不同。
在上述的第一实施方式的复合压电元件10中，为了增大带状部13a～c的短边方向与长边方向的测定灵敏度的差，在缓冲部16设置有切口部17。与此相对，在本实施方式的复合压电元件30中，为如下结构：虽然在缓冲部16未设置有切口部17，但缓冲部16与测定部15相比杨氏模量相对小，而在带状部13a～c的短边方向上容易变形。因此，在测定对象在短边方向上发生了变形的情况下，缓冲部16先于测定部15变形，从而能够缓冲对测定部15施加的短边方向的力。因此，复合压电元件30能够高灵敏度且高精度地测定带状部13a～c的长边方向的变形。
从高灵敏度且高精度地测定在特定方向上发生的变形的观点出发，缓冲部16的杨氏模量，优选小于测定部15的杨氏模量，更优选为测定部15的杨氏模量的1/2以下，进一步优选为测定部15的杨氏模量的1/10以下。测定部15及缓冲部16的杨氏模量是指图3的(a)中的XY平面中的杨氏模量。另外，测定部15的杨氏模量是作为由基膜11、第一电极层12、压电体层13以及第二电极层14构成的层叠体的杨氏模量，缓冲部16的杨氏模量是基膜11的杨氏模量。
图4的(a)是示意性地表示本实施方式的变形例的复合压电元件40的结构的俯视图，图4的(b)是图4的(a)的A-A向视剖视图，图4的(c)是图4的(a)的B-B向视剖视图。如这些图所示，复合压电元件40在俯视观察时，在包含缓冲部16的复合压电元件40整体除了形成有基膜11之外还形成有第一电极层12。因此，缓冲部16由基膜11和第一电极层12通过层叠体构成。
在缓冲部16形成有基膜11以外的情况下也是，通过使缓冲部16的杨氏模量比测定部15的杨氏模量低，从而缓冲部16先于测定部15而优先变形。因此，能够缓冲对测定部15施加的带状部13a～c的短边方向的力。因此，复合压电元件40能够高灵敏度且高精度地测定带状部13a～c的长边方向的变形。
(第三实施方式)
以下，对将本发明实施为具备复合压电元件的轮胎状态测定装置的情况进行说明。
图5的(a)及图5的(b)是示意性地表示由具备复合压电元件10的本实施方式的轮胎状态测定装置50测定的轮胎60的状态的俯视图。
图5的(a)表示安装于汽车等的轮胎60未旋转的状态。如该图所示，在轮胎60不旋转的汽车的驻停车中，由于汽车的重量，轮胎60的接地部61即与路面70接触的部分在轮胎的周向上延伸。
图5的(b)表示安装于汽车等的轮胎60向箭头所示的方向旋转的状态。如该图所示，在汽车行驶过程中的正在旋转的轮胎60中，在轮胎60的周向上，在与路面70接触的接地部61发生伸长，在接地部61附近的上游部62以及下游部63发生收缩。轮胎60随着伴随着该旋转的周期性的伸缩而变形的速度，根据轮胎60的状态而变化。
因此，轮胎状态计测装置50通过使用复合压电元件10来测定该变形速度，由此测定轮胎60的状态。作为成为使用复合压电元件10进行测定的对象的轮胎60的状态，例如列举出磨损、轮胎胎面的硬度、摩擦(抓地(grip)状态)等。另外，也能够经由轮胎60的状态来测定路面70的状态。由于能够使用复合压电元件10直接求出轮胎60的变形速度，因此能够容易地评价轮胎60的状态。
另外，本发明的复合压电元件10能够在特定方向上高灵敏度且高精度地进行测定，因此适合于轮胎60的旋转方向(周向)、与旋转方向正交的方向等特定方向的变形(伸缩)的测定。例如，若以压电体层13的带状部13a～c的长边方向(X方向，参照图1)成为轮胎60的周向的方式配置复合压电元件10时，则能够高灵敏度且高精度地测定轮胎60的旋转方向的变形。
通过将轮胎状态测定装置50的复合压电元件10安装于轮胎60的里侧(与路面70的接地面的相反侧)，由此能够测定轮胎60的状态。例如，能够使用环氧树脂等粘接剂将复合压电元件10粘贴在轮胎60上，而安装轮胎状态测定装置50。
由轮胎状态测定装置50得到的与轮胎60的状态相关的信息，可以单独使用，也可以与从其他装置获得的信息组合使用。作为其他装置，列举出监视汽车的轮胎气压的TPMS(Tire Pressure Monitoring System)等装置。
(第四实施方式)
以下，对将具备复合压电元件的轮胎状态测定装置实施为具备轮胎传感器模块和容器的轮胎传感器装置的方式进行说明。
图14是表示分离状态的轮胎传感器装置的立体图，图15是表示轮胎传感器装置安装于轮胎的状态的局部剖视立体图。如图14所示，轮胎传感器装置100具备轮胎传感器模块80和能够内含轮胎传感器模块80的容器85。如图15所示，轮胎传感器装置100以在轮胎60的内侧面64所安装的容器8中5内包有轮胎传感器模块80的状态，测定轮胎60的状态。
容器85能够根据轮胎60的变形而变形，例如，使用杨氏模量与轮胎60相同的10MPa～1000MPa左右的树脂来构成。将容器85安装于轮胎60的内侧面64的方法并不限定，例如列举出使用环氧粘接剂、氰基丙烯酸酯瞬间粘接剂等粘接剂进行粘贴的方法。
图6的(a)是表示本实施方式的轮胎传感器模块的构造的剖视图，示意性地表示将图14的轮胎传感器装置100在用单点划线表示的部分切断并沿A-A向视方向观察的A-A向视剖面的构造。图6的(b)是图6的(a)的B-B向视剖视图。
轮胎传感器模块80具备片状的压电传感器81、控制部82以及缓冲部83。压电传感器81通过将在轮胎60发生的变形(变形速度)变换为电压，由此对轮胎60(参照图15)的变形进行电检测。例如，两个电极夹着压电体而构成，能够使用具备与图1～4所示的复合压电元件同样的结构的压电传感器作为压电传感器81。压电传感器81经由能够追随于轮胎60而变形的容器85来检测轮胎60的变形。压电传感器81与轮胎传感器模块80的控制部82电连接，由控制部82控制。
压电传感器81通过追随轮胎60而变形，由此能够直接检测轮胎60的状态。作为压电传感器81检测(测定)的对象，例如列举出轮胎60的磨损、轮胎胎面的硬度、摩擦(抓地状态)等。另外，压电传感器81还能够经由轮胎60的状态来测定路面70(参照图5)的状态。
控制部82的基板821、通信部822以及电源823被硬质树脂824密封。控制部82的杨氏模量是指构成控制部82外壳的部分的杨氏模量，因此硬质树脂824的杨氏模量是控制部82的杨氏模量。此外，在控制部82未被硬质树脂824密封的情况下，将在压电传感器81所设置的部件中的杨氏模量最大的部件的杨氏模量设为控制部82的杨氏模量。但是，构成控制部82的基板821、通信部822以及电源823通常被设计为成为与硬质树脂824同等程度的杨氏模量。
基板821具备运算处理部、存储部等，进行压电传感器81的计测结果的运算处理等各种运算以及轮胎传感器模块80的控制。也可以在基板821上设置有磁传感器、加速度传感器等那样的片型的压电传感器81以外的传感器、磁铁等。
通信部822经由无线通信向外部的装置发送轮胎传感器模块80的测定结果，或者从外部的装置接收对基板821中的运算处理部的输入。作为外部的装置，例如列举出对与汽车相关的各种系统进行控制的电子电路的装置(单元)即ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)、位于汽车内的智能手机等移动电子设备、通过无线通信线路连接的服务器装置等。
电源823是向轮胎传感器模块80供给电力的电池等。
硬质树脂824用于对控制部82的基板821、通信部822以及电源823等进行保护，使用比容器85硬(杨氏模量大)的、例如杨氏模量为1GPa～5GPa左右的树脂。因此，若在控制部82设置压电传感器81并利用硬质树脂824进行密封，则压电传感器81的变形被硬质树脂824妨碍。即，若片状的压电传感器81与基板821、通信部822以及电源823等一起被硬质树脂824密封，则追随于轮胎60的变形被硬质树脂824制约，因此难以高灵敏度地检测轮胎60的变形。
因此，轮胎传感器模块80在压电传感器81与控制部82之间设置有缓冲部83。通过设置缓冲部83，由此压电传感器81容易追随轮胎60的变形而变形。在图6的(a)以及图6的(b)所示的实施方式中，控制部82具备沿着与容器85接触的外周面呈圆环状突出的保持部82R。并且，以保持部82R的端部82E与圆形的压电传感器81的圆周的附近接触、并包围压电传感器81的方式设置有片状的压电传感器81。由此，将压电传感器81与控制部82之间的大部分占据的空间作为缓冲部83发挥功能，因此压电传感器81容易追随于轮胎60而变形。另外，由于保持部82R包围压电传感器81，因此能够稳定地将压电传感器81保持在规定位置。但是，保持部82R只要是能够保持压电传感器81的形状即可，例如，也可以采用如下构成：将保持部82R设为棒状，并沿着图6的(b)所示的保持部82R所形成的圆形配置多根，且各端部82E与压电传感器81接触。
这样，通过在压电传感器81与控制部82之间设置缓冲部83，由此如图6的(a)中以虚线所示那样，压电传感器81不会与控制部82干涉，能够追随于轮胎60(参照图15)的变形而变形。即，在轮胎传感器模块80中，通过在压电传感器81与控制部82之间设置有缓冲部83的结构，压电传感器81的变形变得容易，能够高灵敏度地检测轮胎60的变形。
压电传感器81将伴随着轮胎60的旋转的周期性的变形作为测定对象(参照图5的(a)、图5的(b))，但也可能产生在轮胎60压到了异物时等、从轮胎60瞬间施加过大的力的情况。在这样的情况下，若对轮胎传感器模块80的控制部82施加过大的力，则可能成为故障的原因。
在轮胎传感器模块80中，在压电传感器81与控制部82之间设置的缓冲部83抑制对控制部82施加过大的力。例如，如果轮胎60压到了异物时的轮胎60的变形收敛于缓冲部83的范围内，则不会对控制部82施加过大的力。另外，即使在轮胎60的变形超过缓冲部83的范围的情况下，也能够通过缓冲部83减弱对控制部82施加的力。这样，缓冲部83能够使压电传感器81的变形变得容易，并且抑制从轮胎60向控制部82施加过大的力，防止控制部82的故障，由此也起到使轮胎传感器模块80的可靠性提高的效果。
从高灵敏度地检测轮胎60的变形并且使轮胎传感器模块80的可靠性提高的观点出发，缓冲部83的高度h优选为2mm以上，更优选为5mm以上。另外，从使轮胎传感器模块80小型化的观点出发，缓冲部83的高度h优选为5mm以下，更优选为3mm以下。因此，为了兼顾可靠性和小型化，优选将缓冲部83的高度h设为2mm～3mm左右。另外，如图6的(a)所示，缓冲部83的高度h是指压电传感器81与控制部82之间的距离，在两者的距离不是恒定的情况下是指最接近的部分的距离。
图7是表示轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。轮胎传感器装置100如该图所示，也可以在与压电传感器81相接触的容器85的底内侧面86具备保持压电传感器81的容器侧固定件87。通过容器侧固定件87，能够更稳定地保持压电传感器81与容器85的底内侧面86接触的状态。因此，将压电传感器81与底内侧面86的位置关系维持为恒定，压电传感器81能够高精度地检测轮胎60的变形。如图7所示，利用容器侧固定件87保持压电传感器81的情况下，不需要用于保持压电传感器81的圆环状的保持部82R(参照图6的(a)、图6的(b))。
图13的(a)及图13的(b)表示本发明的压电传感器，图13的(a)为俯视图，图13的(b)为图13的(a)的C-C向视剖视图。压电传感器81为片状，如图13的(a)所示，从相对于轮胎60的面的俯视观察即从片的法线方向俯视观察时为圆形。通过使俯视观察的形状为圆形，从而无论设置压电传感器81的方向如何，测定条件都相同，因此无论压电传感器81变形的方向如何，如果变形速度以及大小都相同，则输出变得相同。因此，向轮胎60的设置作业中的安装方向的确认变得容易(参照图15)。即，即使向容器85内插入、安装轮胎传感器模块80(压电传感器81)时相对于轮胎60的朝向稍微偏离，输出也不易产生较大的偏差。假设压电传感器81为长方形的情况下，针对长方形的短边方向的变形的灵敏度比针对长方形的长边方向的变形的灵敏度高。因此，若将轮胎传感器模块80(压电传感器81)相对于轮胎60安装的方向偏移，则对输出也容易出现影响。
压电传感器81的尺寸没有特别限定，但从得到高输出的观点出发，直径优选为5mm以上，更优选为8mm以上。从小型化的观点出发，直径优选为20mm以下，更优选为15mm以下。
在本实施方式中，对使用了在从片的法线方向的俯视观察时为圆形的压电传感器的情况进行了说明，但压电传感器的形状不限于此。例如，也可以使用在上述的实施方式中使用的图1～图4所示的复合压电元件作为压电传感器。通过使用具备缓冲部的复合压电元件，由此能够形成规定方向的灵敏度良好的轮胎传感器模块。
(第五实施方式)
图8是表示本实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的剖视图。本实施方式的轮胎传感器装置200的轮胎传感器模块90，在缓冲部83设置有杨氏模量比控制部82的硬质树脂824小(柔软)的柔软部93的结构上，与第一实施方式的轮胎传感器装置100的轮胎传感器模块80不同。在本发明中，材料的柔软度通过杨氏模量进行评价，杨氏模量越小则越柔软(越大则越硬)。
设置于缓冲部83的柔软部93比硬质树脂824柔软。因此，压电传感器81与被硬质树脂824密封的情况相比，伴随着轮胎60的变形而容易变形。另外，通过在缓冲部83设置柔软部93，由此保护控制部82的效果也提高。进而，通过使柔软部93与压电传感器81和控制部82双方相接触，由此能够维持压电传感器81与控制部82的相对的位置关系，因此能够将压电传感器81的测定条件设为规定的状态来提高测定精度。
柔软部93中使用的材料只要比控制部82柔软即可，优选比容器85柔软的材料，例如列举出聚氨酯树脂、天然橡胶、合成橡胶、丁二烯橡胶、丁基橡胶、乙烯丁二烯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、丙烯酸橡胶等。柔软部93的杨氏模量优选为10MPa～1000MPa，更优选为10MPa～500MPa，进一步优选为10MPa～100MPa。
图9是表示本实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。如该图所示，轮胎传感器装置200也可以在与压电传感器81相接触的容器85的底内侧面86具备保持压电传感器81的容器侧固定件88。通过容器侧固定件88，能够维持压电传感器81与容器85的底内侧面86接触的状态。因此，压电传感器81能够经由容器85的底内侧面86高灵敏度地检测轮胎60的变形。另外，图9所示的容器侧固定件88与图7的容器侧固定件87不同，不是贯穿压电传感器81，而是沿着容器侧固定件88的表面使压电传感器81定位并进行保持。
图10的(a)及图10的(b)是表示本实施方式的轮胎传感器模块的构造的变形例的剖视图。如该图所示，轮胎传感器装置200的缓冲部83也可以具备未设置有柔软部93的空隙部94。通过具备空隙部94，柔软部93在缓冲部83内更容易变形，因此压电传感器81容易追随于轮胎60的变形而变形，轮胎传感器模块90的检测灵敏度提高。另外，通过在压电传感器81上形成被柔软部93按压的部位和未被按压的部位，从而轮胎传感器模块90的检测灵敏度提高。
如图10的(b)所示，压电传感器81在俯视观察时为圆形，不论方向如何都适于检测轮胎60的变形。另外，如该图所示，空隙部94以包围柔软部93的外周面的方式以均匀的宽度设置。通过该结构，对于向全部方向的轮胎60的变形，压电传感器81同样地容易追随，无论变形方向如何，轮胎传感器模块90的检测灵敏度都变得良好。
图11的(a)是表示本实施方式的轮胎传感器模块的构造的变形例的剖视图。如该图所示，轮胎传感器模块90的柔软部93也可以具备狭缝95。狭缝95是指将柔软部93断开的细长的间隙。通过具备狭缝95，与空隙部94(参照图10的(a)、图10的(b))同样，柔软部93在缓冲部83内容易变形，因此轮胎传感器装置200的检测灵敏度提高。
如图11的(b)所示，通过将多个狭缝95沿着一个方向平行地设置，从而能够通过与设置狭缝95的方向的关系而使柔软部93的变形容易度不同。因此，即使是俯视观察时呈圆形的压电传感器81，也能够通过轮胎60变形的方向来调整检测灵敏度。例如，如果以轮胎60的旋转方向(参照图5的(b))与狭缝95的长边方向正交的方式设置轮胎传感器装置200，则柔软部93容易沿轮胎60的旋转方向伸缩。因此，能够得到轮胎60的旋转方向的变形的检测灵敏度良好的轮胎传感器模块90。
如图10的(a)、图10的(b)、图11的(a)及图11的(b)所示，通过设置空隙部94、狭缝95，由此在缓冲部83内柔软部93更容易变形。因此，压电传感器81更容易追随于轮胎60而变形，压电传感器81的检测灵敏度提高。另外，通过空隙部94、狭缝95的结构，能够使压电传感器81的检测灵敏度与轮胎60变形的方向无关地相同，或者根据变形的方向而改变。此外，空隙部94、柔软部93所具备的狭缝95的形状、数量并不限定于上述的例子。例如，若采用将柔软部93以平行的多个狭缝95正交的方式设置为格子状的结构，则压电传感器81的检测灵敏度与轮胎60的变形方向无关而相同。
图12是表示本实施方式的轮胎传感器模块及轮胎传感器装置的变形例的剖视图。如该图所示，轮胎传感器模块90的控制部82在缓冲部83侧具备固定件84。通过将固定件84插入到柔软部93的狭缝95，由此能够抑制柔软部93以及压电传感器81与控制部82之间的位置关系的变化。因此，能够将压电传感器81的测定条件维持为恒定，高精度地检测轮胎60的变形。
产业上的利用可能性
本发明作为对磨损等轮胎的状态、路面的状态进行测定的装置是有用的。
附图标记说明
10、20、30、40：复合压电元件
11：基膜
12、14：第一电极层
121、141：端子部
13：压电体层
13a、13b、13c：带状部
15：测定部
16：缓冲部
17：切口部
50：轮胎状态测定装置
60：轮胎
61：接地部
62：上游部
63：下游部
64：内侧面
70：路面
80、90：轮胎传感器模块
81：压电传感器
82：控制部
82R：保持部
82E：端部
821：基板
822：通信部
823：电源
824：硬质树脂
83：缓冲部
84：固定件
85：容器
86：底内侧面
87、88：容器侧固定件
93：柔软部
94：空隙部
95：狭缝
100、200：轮胎传感器装置(轮胎状态测定装置)
h：高度
L：长度
W1、W2：宽度

Claims (22)

1.一种复合压电元件，具备：第一电极层；压电体层，配置于所述第一电极层；以及第二电极层，配置于所述压电体层，
所述复合压电元件的特征在于，
在俯视观察时具备：测定部，设置有所述第一电极层、所述压电体层以及所述第二电极层；以及缓冲部，未设置有所述压电体层。
2.根据权利要求1所述的复合压电元件，其中，
所述压电体层在俯视观察时具有多个带状部。
3.根据权利要求2所述的复合压电元件，其中，
所述带状部的纵横比为1000∶1～10∶5。
4.根据权利要求2所述的复合压电元件，其中，
多个所述带状部以长边方向大致平行的方式配置。
5.根据权利要求4所述的复合压电元件，其中，
所述缓冲部在相邻的所述带状部之间沿着所述带状部的长边方向形成。
6.根据权利要求5所述的复合压电元件，其中，
所述缓冲部具备在俯视观察时沿着所述带状部的长边方向设置的切口部。
7.根据权利要求6所述的复合压电元件，其中，
所述切口部是在俯视观察时沿着所述带状部的长边方向连续的狭缝。
8.根据权利要求1所述的复合压电元件，其中，
所述复合压电元件具备基膜，
所述第一电极层配置于所述基膜。
9.根据权利要求8所述的复合压电元件，其中，
所述基膜在俯视观察时形成于所述测定部及所述缓冲部，
所述缓冲部的杨氏模量比所述测定部的杨氏模量小。
10.一种轮胎状态测定装置，
具备权利要求1～9中任一项所述的复合压电元件。
11.一种轮胎传感器模块，具备：
能够对轮胎的变形进行计测的片状的压电传感器；以及
能够对所述压电传感器的计测结果进行运算处理的控制部，
所述轮胎传感器模块的特征在于，
在所述压电传感器与所述控制部之间具备缓冲部。
12.根据权利要求11所述的轮胎传感器模块，其中，
所述缓冲部具备与所述控制部相比杨氏模量小的柔软部，
所述柔软部与所述压电传感器及所述控制部接触。
13.根据权利要求12所述的轮胎传感器模块，其中，
所述柔软部的杨氏模量为10MPa～1000MPa。
14.根据权利要求12所述的轮胎传感器模块，其中，
所述缓冲部具备所述柔软部和空隙部。
15.根据权利要求12所述的轮胎传感器模块，其中，
在所述柔软部具备狭缝。
16.根据权利要求15所述的轮胎传感器模块，其中，
所述控制部具备固定件，
所述固定件被插入到所述狭缝。
17.根据权利要求11所述的轮胎传感器模块，其中，
所述控制部具备通信部。
18.根据权利要求11所述的轮胎传感器模块，其中，
所述控制部具备磁传感器、加速度传感器或者磁铁。
19.一种轮胎传感器装置，其特征在于，具备：
权利要求11所述的轮胎传感器模块；以及
能够弹性变形的容器，能够内包所述轮胎传感器模块，且被固定于轮胎的内侧。
20.根据权利要求19所述的轮胎传感器装置，其中，
所述容器具备容器侧固定件，该容器侧固定件用于将所述轮胎传感器模块的所述压电传感器保持在规定的位置。
21.根据权利要求20所述的轮胎传感器装置，其中，
所述轮胎传感器模块为，
所述缓冲部具备与所述控制部相比杨氏模量小的柔软部，
所述柔软部与所述压电传感器及所述控制部接触。
22.一种检测轮胎的变形的压电传感器，其特征在于，是片状的压电传感器，在从片的法线方向俯视观察时为圆形。
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