JP2018179805A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電材料を圧電材料として用い、感度の高い圧電センサを実現する。【解決手段】圧電材料１３ａによりなる圧電体層１３と、当該圧電体層１３を挟持する第１電極１１および第２電極１２と、により圧電部１０を構成する。そして、圧電部１０を物理的に変位させる際に、あらかじめ電圧供給部２０により第１電極１１に直流バイアス電圧を印加して、圧電体層１３の分極方向を第１電極１１と第２電極１２との間の電圧方向と合わせる。これにより、圧電部１０全体の分極度合いが向上することで、正圧電効果が高められ、感度の高い圧電センサとなる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電材料として強誘電体を用い、電界印加処理により正圧電効果を高めた圧電センサに関する。

従来、強誘電体を圧電材料として用いた圧電素子を備える圧電センサとして、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の圧電センサは、例えば、超音波センサ素子や振動センサ素子などであって、所定の共振周波数を有して超音波などを検出する圧電共振型センサ素子と、当該素子から得られる信号を制御する制御手段を備える。

具体的には、特許文献１に記載の圧電センサは、強誘電体によりなる圧電体層および当該圧電体層を挟む一対の電極によりなる圧電素子と、可変直流電圧電源と、電流増幅手段と、周波数計測手段と、周波数入力手段と、電圧制御手段とを備える。

上記の圧電センサでは、振動波などを受けた圧電素子が圧電体層の変位に応じた出力信号を出力し、この出力信号に可変直流電圧電源から所定の直流バイアス電圧を印加する。そして、電流増幅手段により、所定の直流バイアス電圧を印加が印加された出力信号の電流を増幅し、この出力信号が検出信号として出力されると共に、周波数計測手段により、検出信号の周波数が計測される。その後、周波数入力手段により所定の共振周波数が入力され、この共振周波数と上記周波数計測手段により得られた周波数との比較が行われる。そして、電圧制御手段により、これら２つの周波数が一致するように可変直流電圧電源から所定の直流バイアス電圧が制御されることで、圧電素子の共振周波数を所定の範囲に制御することができる。

これにより、製造後に圧電素子の共振周波数を電圧制御手段により制御可能となるため、共振周波数を調整した圧電素子を製造する必要がなくなり、製造コストの低い圧電センサとなる。

特開２００６−３３２９９１号公報

近年、電界がかかっていなくても自発分極をしている強誘電体を圧電材料として使用した圧電センサにおいて、感度を高めることが検討されている。このような圧電センサでは、物理的な力を受けて圧電材料が変形すると、圧電効果により電荷が生じる。そのため、理論的には、この圧電材料の変形により得られる電荷量を増加させることで、感度の高い圧電センサとなる。

ここで、特許文献１に記載の圧電センサのように、圧電素子から出力された電荷量に基づく信号に対してバイアス電圧を印加し、当該信号を増幅後に得られる周波数検出に基づき、当該バイアス電圧を制御して圧電素子の共振周波数を制御することも考えられる。しかしながら、この手法は、圧電センサの共振周波数の制御に主眼が置かれたものであり、共振周波数の制御なしに、圧電材料の変形する量、すなわち変位量に対して圧電体から得られる電荷量自体を増加させるものではない。また、共振周波数の検出等の回路が別途必要となるため、複雑化してしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、強誘電体を圧電材料として用いた圧電素子を備え、従来の圧電センサに比べて感度の高い圧電センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の圧電センサは、圧電材料（１３ａ）によりなる圧電体層（１３）と、圧電体層に接して形成され、圧電体層を隔てて互いに向き合うように配置された第１電極（１１）および第２電極（１２）と、を有してなる圧電部（１０）と、圧電体層の変位により生じる電荷を検出する際に、当該変位前にあらかじめ圧電材料の分極方向を揃えるための直流バイアス電圧を第１電極に印加するための電圧供給部（２０、３１）と、を備える。

これにより、圧電部に直流バイアス電圧を印加することで、圧電体層を構成する圧電材料の分極の向きをある程度一定に揃えた状態とすることができ、この状態のまま圧電部を変位させて生じる電荷を検出できる構成となる。その結果、圧電材料の分極方向がある程度揃う状態、すなわち圧電体層全体の分極の度合いが高まった状態とされることで、圧電部を変位させた際の正圧電効果が高められ、従来の圧電センサに比べて、感度の高い圧電センサとなる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の圧電センサの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の圧電センサの回路構成を示すブロック図である。 バイアス電圧を印加する前後の圧電体層における強誘電体の分極の方向と当該バイアス電圧印加による電界の方向との関係を示す図である。 電界印加処理時におけるバイアス電圧と圧電定数との予想特性を示す図である。 第２実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。 第２実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。 第３実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。 第３実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。 第４実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。 第４実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。 第５実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。 第５実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。 他の実施形態の圧電センサの回路構成を示すブロック図である。 バイアス電圧の調整による圧電特性の制御について示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態の圧電センサについて、図１ないし図３を参照して述べる。図２では、本実施形態の圧電センサ全体の構成を分かり易くするために、後述する電荷検出部３０のうちオペアンプ３１に接続される他の回路については省略している。図３では、後述する圧電材料１３ａの多結晶により構成された圧電体層１３を備える圧電部１０に、直流バイアス電圧を印加する前後における圧電体層１３の分極の様子を示している。また、図３では、後述する圧電材料１３ａの結晶ごとの分極の方向を矢印で示すと共に、圧電部１０および電圧供給部２０以外の構成要素については省略している。

本実施形態の圧電センサは、図１に示す圧電部１０のうち圧電体層１３が変形した量、すなわち変位量に応じて生じる電荷を検出信号として出力し、当該信号に基づき圧電部１０にかかった物理量などを検出するセンサとして用いられる。本実施形態の圧電センサは、例えば、ジャイロセンサなどに適用されると好適である。

本実施形態の圧電センサは、図１に示すように、互いに向き合う第１電極１１および第２電極１２と両電極に挟まれた圧電体層１３とを有してなる圧電部１０と、第１電極１１に接続された電圧供給部２０および電荷検出部３０と、を備える。

本実施形態の圧電センサは、電圧供給部２０から所定の直流バイアス電圧が印加された圧電部１０に物理的な力、例えばコリオリ力などが作用した際の圧電体層１３の変形により生じる電荷量に応じた信号を電荷検出部３０で検出する構成とされている。これにより、本実施形態の圧電センサは、圧電部１０に作用した所定の物理量を検出できる。

圧電部１０は、本実施形態では、図１に示すように、第２電極１２、圧電体層１３、第１電極１１がこの順で図示しないシリコンなどによる基板上に積層された構成とされ、圧電体層１３の変位量に応じた電荷を信号として出力する働きを果たす。圧電部１０は、本実施形態では、圧電部１０の変形に伴って生じる電荷を信号として出力する構成とされている。

第１電極１１は、図１に示すように、圧電体層１３の上面に形成される上部電極であり、電圧供給部２０に接続されている。第２電極１２は、図１もしくは図２に示すように、圧電体層１３の下面に形成されると共に、基準電位とされる下部電極であり、本実施形態では、グランド電極である。

圧電体層１３は、図３に示すように、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛の略）などの強誘電体によりなる圧電材料１３ａの薄膜で構成されている。圧電体層１３は、何らかの要因で変形すると圧電効果が生じ、その変位量に応じた電荷を発生させるものである。この電荷は、検出信号として出力され、第１電極１１を通じて電荷検出部３０に伝達される。

電圧供給部２０は、本実施形態では、強誘電体により構成される圧電体層１３における正圧電効果を高めるため、第１電極１１と第２電極１２との間に例えば数十Ｖ／μｍ程度の電界を生じさせる直流バイアス電圧を第１電極１１に印加する電源である。電圧供給部２０の果たす役割については、後ほど詳しく説明する。

電荷検出部３０は、本実施形態では、図１もしくは図２に示すように、電圧供給部２０により直流バイアス電圧が印加された圧電部１０が変形した際の電荷を検出するチャージアンプを備える。電荷検出部３０は、本実施形態では、チャージアンプとしてオペアンプ３１を備えた構成とされている。

具体的には、図１もしくは図２に示すように、圧電部１０のうち第１電極１１が電圧供給部２０とオペアンプ３１の反転入力端子に電気的に接続され、圧電部１０のうち第２電極１２がグランド電極とされている。そして、オペアンプ３１の非反転入力端子については電荷供給部２０と別の可変の直流電圧源に接続され、オペアンプ３１の出力端子については抵抗３２を介して反転入力端子にフィードバックされている。

物理的な力が加わって圧電部１０が変形すると電荷が生じ、これがオペアンプ３１の反転入力端子に信号として伝わり、オペアンプ３１の出力端子から増幅された信号が出力される。そして、オペアンプ３１の出力端子から出力された信号は、図示しない物理量を検出する回路部に伝わり、圧電部１０にかかる物理量を検出する。

なお、本実施形態では、オペアンプ３１の非反転入力端子に印加する電圧については、電圧供給部２０により第１電極１１と共に反転入力端子に印加される電圧と同じとされている。つまり、オペアンプ３１の反転入力端子と非反転入力端子との電位差が、圧電部１０の変位量に応じた電荷量の出力分となるように調整されている。また、図示しない回路部については、例えば、圧電センサを振動センサとする場合、周波数検出回路とされるなど、圧電センサの用途に応じて適宜変更される。

以上が本実施形態の圧電センサの構成である。次に、本実施形態の圧電センサの製造方法について説明する。なお、本実施形態の圧電センサは、一般的な圧電素子の製造方法で得られる圧電部１０に、公知の電源や回路により構成された電圧供給部２０および電荷検出部３０を接続することで製造される。そのため、ここでは、主に圧電部１０の製造方法について簡単に説明する。

まず、例えば、シリコンなどによる基板を用意し、熱酸化などによって基板表面に絶縁層を形成する。続けて、例えば、マスクを用いたスパッタリングなどにより第２電極１２となるパターニングされた下部電極を形成する。必要に応じて、基板表面の全面に第２電極１２を形成した後に、フォトリソグラフィエッチング法などによりパターニングを行ってもよい。

その後、第２電極１２の全面を覆うＰＺＴを、例えば、スパッタリングやゾルゲル法などにより成膜し、圧電体層１３を形成する。そして、圧電体層１３上に第１電極１１となる上部電極を、例えば、マスクを用いたスパッタリングなどにより、第２電極１２と向き合うように形成する。なお、上記の構成の他、必要に応じて、後述する電圧供給部２０および電荷検出部３０に接続するための回路配線などを、第１電極１１や第２電極１２の形成の際に形成してもよい。このようにして、本実施形態の圧電センサに用いる圧電部１０を製造することができる。

次に、電圧供給部２０による圧電部１０の電界印加処理およびこれによる正圧電効果の向上について、図３を参照して説明する。

なお、以下でいう「分極の方向」とは、分極により結晶格子中に生じる負の電荷中心から正の電荷中心へ向かう方向をいう。また、後述する「電界の方向」とは、圧電部１０において基準電位とされた第２電極１２と直流バイアス電圧が印加された第１電極１１との間における高電位の電極から低電位の電極へと向かう方向をいう。さらに、後述する「正の直流バイアス電圧」とは、第１電極１１に印加する直流バイアス電圧のうち、圧電体層１３の分極方向と電極１１、１２間の電界の方向とが一致する極性の電圧をいう。また、厳密には、圧電材料１３ａの１つの結晶中にも多方向の分極が生じるが、図３では便宜的に、結晶ごとに１つの結晶全体の分極の方向を矢印で示しており、矢印の長さが図示の関係上異なる部分があるが、結晶ごとの分極の度合いの強弱を示すものではない。

図３（ａ）では、直流バイアス電圧を印加する前の圧電部１０の状態を示している。圧電体層１３は、例えばＰＺＴなどの強誘電体により構成され、図３（ａ）に示すように、その層内にＰＺＴの結晶を有し、多結晶により構成されている。

ここで、一般的に、強誘電体の結晶は、電界がかかっていない状態においても分極、すなわち自発分極しており、結晶それぞれが別個の分極の方向を有している。そのため、電圧供給部２０による正の直流バイアス電圧が印加されていない状況では、圧電体層１３は、図３（ａ）で示す矢印のように、強誘電体の結晶それぞれが１つの結晶ごとに分極の方向を有した状態となっている。ただし、圧電体層１３を構成する強誘電体の多結晶は、ある程度分極の方向が揃っている一方で、多結晶のうち一部の結晶が、当該圧電体層１３を構成する強誘電体の他の結晶の分極の方向と異なる方向を指す状態である。言わば、圧電体層１３は、二以上の異なる多方向を指す分極の方向を包含する状態である。

この状態においても、圧電体層１３が何らかの作用により変形すると、層内での電荷の偏りによる電荷の発生、すなわち正圧電効果が生じる。しかしながら、図３（ａ）に示すように、圧電体層１３は、層内における多結晶のうち一部の結晶の分極の方向が他の結晶の分極の方向と異なる多方向を向いている状態となっている。そのため、圧電体層１３内で異なる分極の方向を多数有することから、圧電体層１３全体としての分極の度合いがまだ十分でない。この影響により、圧電部１０は、圧電体層１３の変位により得られる電荷の量、すなわち正圧電効果が抑えられてしまう。

これに対して、図３（ｂ）では、例えば正の直流バイアス電圧が第１電極１１に印加された圧電部１０の状態を示している。

ここで、強誘電体の結晶は、電界がかかると自発分極の方向が電界の向きに沿って変化する。この現象を利用して、使用前に熱や電界を強誘電体に印加してその分極の方向を揃えるポーリング処理が知られているが、ポーリング処理により分極の方向が変化した結晶の一部は、この電界が消えると電界を印加する前の状態に戻ってしまう。このポーリング処理後に、強誘電体の結晶のうちポーリング処理前の分極の方向に戻ってしまったものを、ポーリング処理によって変化したまま維持されている他の分極の方向と揃えることで、強誘電体の正圧電効果がより高まると考えられる。

そこで、図３（ｂ）に示すように、第１電極１１に正の直流バイアス電圧を印加する電界印加処理により、圧電体層１３を圧電材料１３ａの結晶ごとの分極の方向が揃った状態のままにする。すなわち、圧電体層１３内の多結晶のうち他の結晶と異なる分極の方向を有していた結晶の分極の向きが、電界印加処理により当該他の結晶の分極の向きと揃った状態のまま維持されるため、圧電体層１３内の電荷の偏りが大きくなる。

なお、ここでいう「分極の方向が揃った状態」とは、圧電材料１３ａの結晶ごとの分極の方向が完全に一致した状態だけを指すのではない。具体的には、「分極の方向が揃った状態」とは、図３（ｂ）に示すように、圧電材料１３ａの結晶ごとの分極の方向が、第１電極１１と第２電極１２との間に印加された電界の方向Ｘ（以下、単に「電界の方向Ｘ」という）にある程度沿った状態を含む意味である。

言い換えると、「分極の方向が揃った状態」とは、圧電材料１３ａの結晶ごとの分極の方向が、電界の方向Ｘとある程度揃った状態となって、直流バイアス電圧が印加される前の状態に比べて、圧電体層１３全体としての分極の度合いが向上した状態である。

このような状態とされた圧電体層１３が変形した場合、直流バイアス電圧が印加される前の状態（以下「初期状態」という）に比べて、分極度合い、すなわち電荷の偏りが大きいため、同じ変位量に対して得られる電荷量が増えることとなる。つまり、電圧供給部２０により圧電部１０に直流バイアス電圧を印加した状態においては、初期状態に比べて圧電部１０の正圧電効果が向上する。

具体的には、図４に示す直流バイアス電圧に対する圧電体層１３の圧電定数の予想特性のグラフを参照して説明する。なお、図４の予想特性は、電界印加処理により強誘電体の結晶の分極方向が揃うことで圧電体層１３全体の分極度合いが増すことを考慮すると、理論的には当然に導き出されると予想されるものである。

図４では、例えば、直方体状とされた圧電体層１３と、圧電体１３のうち面積が最も大きい面とこれに向き合う面に形成された直方体状の第１電極１１および第２電極１２と、によりなる圧電部１０の例を示している。具体的には、図４における「バイアス電圧」については、上記の圧電部１０のうち第１電極１１に印加する直流バイアス電圧（単位：Ｖ）を指し、「圧電定数」については、上記の圧電部１０のうち圧電体層１３の圧電定数ｄ₃₃（単位：Ｃ／Ｎ）を指す。

バイアス電圧がゼロ、すなわち圧電部１０に電圧を印加していない場合では、圧電体層１３内の多結晶のうち一部の結晶の分極の方向が他の結晶の分極の方向と揃っていないため、圧電体層１３の変位量に対して生じる電荷量は、抑えられることとなる。しかし、強誘電体により構成された圧電体層１３が正圧電効果を生じるため、図４の左端に示すように、バイアス電圧がゼロ、すなわち初期状態であっても圧電体層１３の圧電定数は、所定の値となる。

そして、バイアス電圧を上げていくと、上記で説明したように電界印加処理により圧電体層１３内の結晶ごとの分極の方向が徐々に揃っていくため、圧電体層１３の圧電定数は初期状態に比べて徐々に上昇する。ただし、バイアス電圧をさらに上げると、圧電体層１３内の多結晶のうち分極の方向が変化していないものがほぼなくなるため、図４の右端に示すように、圧電体層１３の圧電定数は一定の値で頭打ちになると考えられる。

言い換えると、第１電極１１にバイアス電圧を印加して圧電材料１３ａの電界印加処理をすることにより圧電体層１３の圧電定数が増加し、圧電部１０の正圧電効果が向上する。つまり、圧電部１０に所定のバイアス電圧を印加した状態で使用することにより、強誘電体を圧電材料として使用した従来の圧電センサ（以下、単に「従来の圧電センサ」という）に比べて、圧電部１０の変位量に対して得られる電荷量が向上すると考えられる。

本実施形態によれば、圧電部１０が所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされることで、従来の圧電センサに比べて、圧電体層１３の変位量に対して得られる電荷量が向上した、すなわち感度の高い圧電センサとなる。

（第２実施形態）
第２実施形態の圧電センサについて、図５、図６を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図５では、圧電部１０以外の構成要素を省略し、図６では、圧電部１０および電圧供給部２０以外の構成要素を省略している。

本実施形態の圧電センサは、図５に示すように、圧電部１０が基板５０の一面５０ａ上に第２電極１２、圧電体層１３、第１電極１１の順に形成され、さらに第１電極１１上に反り抑制層４０が積層された構成とされている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

反り抑制層４０は、第１電極１１上に形成され、第１電極１１に正圧電効果の向上の目的で印加される直流バイアス電圧を印加した際に、圧電部１０の反りを抑制するために設けられる層である。

具体的には、第１電極１１に直流バイアス電圧を印加された時（以下「バイアス電圧印加時」という）において、圧電体層１３には、逆圧電効果により、圧電体層１３のなす平面内の方向（以下「面内方向」という）に収縮変形する。

このような圧電体層１３の面内方向の収縮応力により、圧電部１０には、全体として基板５０側が凸となるように、すなわち図６（ａ）に示すように、基板５０の一面５０ａから他面５０ｂに向かうＹ１方向へ反る作用が生じる。そのため、反り抑制層４０が形成されていない場合には、圧電部１０は、バイアス電圧印加時において、基板５０側が凸となるように反ってしまい得る。このように圧電部１０が反った状態では、圧電部１０にかかる物理量の測定が正確に行えないおそれがある。

そこで、図６（ｂ）に示すように、バイアス電圧印加時の圧電体層１３の収縮応力と反対方向の内部応力が働き、圧電部１０全体として基板５０側と反対側が凸となる方向へ反る作用が生じる反り抑制層４０が第１電極１１上に形成された構造とする。これにより、図６（ｂ）に示すように、圧電部１０は、バイアス電圧印加時において圧電体層１３にＹ１方向への反りの作用が生じても、反り抑制層４０によるＹ１方向と反対のＹ２方向への反りの作用により相殺される。

具体的には、第１電極１１へのバイアス電圧印加時には、圧電体層１３のうち一面５０ａ側には収縮応力が生じ、一面５０ａの反対側には引張り応力が生じる。そこで、圧電体層１３側で収縮応力が生じ、圧電体層１３の反対側で引張り応力が生じる反り抑制層４０が圧電体層１３上に形成された構成とする。これにより、圧電体層１３の引張り応力が反り抑制層４０の収縮応力により相殺され、圧電部１０は、バイアス電圧印加時に、物理量の検出に支障が出るほどの反りが生じることが抑制されることとなる。

反り抑制層４０は、例えば、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの公知の半導体装置の製造プロセスで一般的に用いられる材料により構成され、スパッタリングなどの真空成膜法などにより形成される。反り抑制層４０の内部応力、すなわち面内方向に伸展する力については、上記材料の成膜条件を調整することにより制御でき、例えば、成膜温度や膜厚の調整などの公知の方法により調整できる。

なお、反り抑制層４０は、本実施形態では、第１電極１１上に形成されているが、バイアス電圧印加時に圧電体層１３が反る方向と反対方向に反るような内部応力を有する膜が形成されていればよいため、例えば他面５０ｂ上や他の部位に形成されていてもよい。また、反り抑制層４０の材料、膜厚などについては、任意であり、圧電体層１３の構成に応じて適宜調整される。

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、圧電部１０に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされることで、感度の高い圧電センサとなる。また、バイアス電圧印加時の圧電部１０の反りを抑制でき、安定して圧電部１０に作用した物理量を検出できる圧電センサとなる。

（第３実施形態）
第３実施形態の圧電センサについて、図７、図８を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図７では、圧電部１０以外の構成要素を省略し、図８では、圧電部１０および電圧供給部２０以外の構成要素を省略している。

本実施形態の圧電センサは、図７に示すように、圧電部１０が、上記第２実施形態の圧電部１０のうち反り抑制層４０が、反り抑制層４１と第３電極４３とに置き換えられた構造とされている点で上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

反り抑制層４１は、バイアス電圧印加時において圧電体層１３に生じる反りの作用と反対側に反る作用を生じさせ、圧電部１０全体として反ることを抑制するために設けられる。反り抑制層４１は、強誘電体と異なる任意の圧電材料、例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯやＳｃＡｌＮなどにより構成される。

反り抑制層４１上には、第３電極４３が形成されている。そして、第１電極１１、圧電体層１３および第２電極１２を便宜的に第１圧電部として、第１電極１１、反り抑制層４１および第３電極４３が第２圧電部を構成している。第２圧電部は、上記第２実施形態における反り抑制層４０と同様に、第１圧電部へのバイアス電圧印加時において、第１圧電部の反り方向であるＹ１方向と反対方向のＹ２方向側が凸になるように反る作用が生じる構成とされている。これにより、圧電部１０は、バイアス電圧印加時の反りが抑制される構造となる。

具体的には、圧電体層１３は、上記第２実施形態での説明と同様にバイアス電圧印加時において、面内方向に向かって収縮変形する結果、基板５０側が凸となるように、すなわち図８に示すＹ１方向側が凸となるように反る作用が生じる。そのため、バイアス電圧印加時に圧電部１０が全体として反ることを抑制するためには、図８に示すように、第２圧電部を第１圧電部が反るＹ１方向と反対のＹ２方向側が凸になるように反る作用が働くように駆動させればよい。つまり、第２圧電部のうち反り抑制層４１内に第１圧電部の応力と反対方向の応力を働かせ、第１圧電部の応力を相殺することで、圧電部１０の反りが抑制される。

反り抑制層４１は、本実施形態では、強誘電体と異なる圧電材料とされる。強誘電体は、抗電界を越える電圧を印加するとその分極の方向が反転する性質を有していることから、強誘電体による層の面内方向に収縮する変形をするものの、当該面内方向に伸展する変形をしないためである。つまり、第２圧電部を面内方向に伸展する力が働く構成とするためには、反り抑制層４１を面内方向に伸展する圧電材料、すなわち強誘電体と異なる誘電材料とする必要がある。

なお、反り抑制層４１の材料や膜厚については、任意であり、第１圧電部の構成に応じて適宜変更される。また、第３電極４３は、第２圧電部を駆動させるために、電圧供給部２０と異なる駆動電源に接続されている。さらに、本実施形態では、第２圧電部を駆動させるための一対の電極として第３電極４３と第１電極１１を使用しているが、第１電極１１と別に電極を形成し、これを第３電極４３と共に用いてもよい。

本実施形態によれば、上記第２実施形態と同様、圧電部１０に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部１０の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。

（第４実施形態）
第４実施形態の圧電センサについて、図９、図１０を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図９では、圧電部１０以外の構成要素を省略し、図１０では、圧電部１０および電圧供給部２０以外の構成要素を省略している。

本実施形態の圧電センサは、図９に示すように、圧電部１０が基板５０と、基板５０の一面５０ａ上に形成された第１圧電部と、該一面５０ａの反対側の他面５０ｂ上に形成された反り抑制層４２とにより構成されている点で上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

反り抑制層４２は、反り抑制層４０、４１と同様の目的で形成される層であり、図９に示すように、基板５０の他面５０ｂ上に第４電極４２１、圧電体膜４２３、第５電極４２２の順に積層された構成とされている。

反り抑制層４２は、本実施形態では、例えば、第１圧電部と同じ構成とされている。具体的には、圧電体膜４２３は、圧電体層１３と同じ強誘電材料により構成されている。そして、反り抑制層４２は、第１圧電部へのバイアス電圧印加時において、第４電極４２１が基準電位とされ、第５電極４２２に直流バイアス電圧が印加されることで、面内方向に収縮変形する。つまり、反り抑制層４２は、第１圧電部へのバイアス電圧印加時において、第１圧電部と同時に駆動され、図１０に示すように、圧電体層１３のＹ１方向側が凸になるように反る作用と反対のＹ２方向側が凸になるように反る作用が働く第３圧電部に相当する。これにより、圧電部１０は、バイアス電圧印加時の反りが抑制される構造となる。

なお、反り抑制層４２では、第１圧電部と同様に、圧電体膜４２３を構成する強誘電体の分極の方向が、第４電極４２１と第５電極４２２との間の電界の方向と揃うように調整されると共に、当該電界の方向が第１圧電部の電界の方向と逆の方向とされる。これにより、第１圧電部と第３圧電部である反り抑制層４２とには、互いに逆方向に反る作用が生じ、第１圧電部の応力が第３圧電部の応力により相殺されることで、圧電部１０のバイアス電圧印加時における反りが抑制される。

また、第５電極４２２には、電圧供給部２０と異なる別の直流バイアス電圧電源が接続される。さらに、第４電極４２１、圧電体膜４２３、第５電極４２２のそれぞれは、第１圧電部の第１電極１１、圧電体層１３、第２電極１２に対応し、これらと同じ材料、膜厚などの構成とされてもよいし、異なる構成とされてもよい。第４電極４２１、圧電体膜４２３、第５電極４２２の構成については、任意であり、第１圧電部の構成に応じて適宜変更される。

本実施形態によれば、上記第２実施形態と同様、圧電部１０に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部１０の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。

（第５実施形態）
第５実施形態の圧電センサについて、図１１、図１２を参照して述べる。図１１、図１２では、構成を分かり易くするため、圧電部１０以外の構成部分については省略している。

本実施形態の圧電センサは、圧電部１０が、基板５０と、基板５０の一面５０ａ上に長手方向を揃えた状態で並べて配置されるように形成された第１圧電部および反り抑制層４４とにより構成されている。また、第１圧電部と反り抑制層４４は、図１１に示すように、第１圧電部へのバイアス電圧印加時において、一面５０ａのなす面内方向であって、第１圧電部の長手方向であるＺ１方向に対して垂直なＺ２方向に沿って反る作用が生じる構成とされている。

具体的には、第１圧電部は、図１２に示すように、バイアス電圧印加時にＺ２方向に沿って第１圧電部から反り抑制層４４へ向かう方向であるＺ３方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。より具体的には、第１圧電部は、本実施形態では、図１２の白抜き矢印で示すように、長手方向の中心位置においてＺ３方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。一方、反り抑制層４４は、図１２の白抜き矢印で示すように、その長手方向の中心位置においてＺ３方向と反対のＺ４方向側が凸になるように反る作用が生じる構成とされている。本実施形態の圧電センサは、これらの点で上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

反り抑制層４４は、第１圧電部へのバイアス電圧印加時に圧電部１０のうちＺ３方向側が凸となるように反ることを抑制するために設けられる。反り抑制層４４は、一対の電極４４１、４４２と強誘電材料によりなり、当該一対の電極に挟まれた圧電体膜４４３とにより構成されている。

具体的には、図１２に示すように、第１圧電部は、本実施形態では、バイアス電圧印加時に圧電体層１３が、長手方向の中心位置においてＺ３方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。そして、反り抑制層４４は、図１２に示すように、圧電部１０の反り抑制のために、長手方向を第１圧電部の長手方向と揃えるように配置されている。そして、反り抑制層４４は、図示しない別の直流バイアス電圧を印加すると、長手方向の中心位置においてＺ４方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。これにより、第１圧電部へのバイアス電圧印加時において第１圧電部に生じる応力が、反り抑制層４４に生じる応力により相殺され、バイアス電圧印加時の圧電部１０全体の反りが抑制される構造となる。

なお、上記の例においては、第１圧電部がその長手方向の中心位置においてＺ３方向側が凸になるように反る作用が生じ、反り抑制層４４がその長手方向の中心位置においてＺ４方向側が凸になるように反る作用が生じる例について説明した。しかし、反り抑制層４４は、バイアス電圧印加時に、第１圧電部と逆方向が凸になるように反る作用が生じる構成とされていればよい。そのため、第１圧電部の反りの作用方向と反り抑制層４４の反りの作用方向とが、上記の逆であってもよい。また、このどちらの構成とされていても、第１圧電部は、バイアス電圧印加時において、見かけ上ほとんど変形していない状態、すなわちその長手方向に沿った辺が直線状となる。ここでいう「ほとんど変形していない状態」とは、第１圧電部がバイアス電圧印加時において全く反っていない状態だけを指すのではなく、物理量の検出に支障がない程度にわずかに反った状態も含む。

また、反り抑制層４４は、本実施形態では、圧電部１０が何らかの力により基板５０の一面５０ａに対する法線方向（以下、単に「法線方向」という）に沿って反ることを抑制する作用が小さい。そのため、圧電部１０が法線方向に沿って反ることを抑制するため、必要に応じて、圧電部１０は、法線方向における基板５０の板厚を厚くした構成とされてもよい。

また、反り抑制層４４の一対の電極４４１、４４２および圧電体膜４４３の材料、膜厚については、任意であり、第１圧電部の構成に応じて適宜変更される。さらに、図１２では、反り抑制層４４が第１圧電部と完全に独立して形成された例を示しているが、反り抑制層４４は、これに限られず、例えば、圧電体膜４４３を圧電体層１３と一体で構成し、一対の電極だけを第１圧電部から独立した構成とされてもよい。この場合、反り抑制層４４のうち基板５０側の電極４４２に直流バイアス電圧を印加し、基板５０と反対側の電極４４１をグランド電極とすることで、第１圧電部と反対側に反る力が作用する構成となる。

本実施形態によれば、上記第２実施形態と同様、圧電部１０に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部１０の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した圧電センサは、本発明の圧電センサの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

（１）例えば、上記第１実施形態では、圧電部１０の第１電極１１に直流バイアス電圧を印加する電圧供給部２０として電源を直接接続し、図２に示す回路構成とした例について説明した。しかし、第１電極１１に直流バイアス電圧を印加される回路構成とされていればよいため、例えば図１３に示す回路構成とされてもよい。

具体的には、オペアンプ３１の仮想短絡を想定し、非反転入力端子にのみ直流バイアス電圧を印加する電源を接続し、出力端子が抵抗を介して反転入力端子にフィードバックされた回路とする。すると、オペアンプ３１が、その非反転入力端子と反転入力端子との電位差をゼロにするように働く結果（仮想短絡）、反転入力端子に電気的に接続された第１電極１１に直流バイアス電圧が印加されることとなる。これにより、オペアンプ３１が電圧供給部２０としての役割を果たし、第１電極１１に直流バイアス電圧を印加する電源を接続する必要がなくなるものの、圧電部１０の正圧電効果を高めた圧電センサとなる。

（２）上記各実施形態の圧電センサは、図１４に示すように、第１電極１１に印加する直流バイアス電圧を適宜調整することにより、圧電体層１３の経時劣化による圧電定数変化や製造バラツキによる圧電定数の変動に対応することができる。なお、図１４では、実線で示した（ａ）の圧電特性が製造直後の状態、すなわち初期の状態の圧電体層１３の圧電特性を示し、破線で示した（ｂ）の圧電特性が他の製造ロットの圧電部１０の圧電体層１３もしくは経時劣化後の圧電体層１３の圧電特性を示している。

具体的には、図１４に示すように、圧電体層１３は、初期の状態では実線で示す（ａ）の圧電特性を示すが、時間経過に伴ってその圧電特性が低下し、破線で示す（ｂ）の圧電特性となる。この場合、図１４に示すように、電圧供給部２０により同じ直流バイアス電圧Ｖ１を印加しても、得られる圧電定数α１が圧電特性の低下に伴ってα２へと低下するため、正圧電効果の向上の度合いも低下する。そこで、直流バイアス電圧をＶ１からＶ２へ上げる調整を行い、得られる圧電定数をα１に保つことで、圧電部１０の変位量に基づいて得られる電荷量が初期状態と同程度になり、圧電定数の変動に対応できる。また、製造バラツキにより圧電体層１３の圧電定数が異なる場合にも同様に対応することができる。

なお、この直流バイアス電圧の調整を行うに際して、圧電センサの構成と別に、公知の圧電特性の測定手段を用いる必要がある。

（３）上記各実施形態では、電圧供給部２０に可変のバイアス電圧電源を用いた場合について説明したが、電圧供給部２０は必ずしも圧電センサと一体とされている必要はなく、直流バイアス電圧を印加できる配線とされ、別途電源を接続する構成とされてもよい。

（４）上記第１実施形態では、圧電センサを例えばジャイロセンサに適用すると好適である旨を記載したが、単に物理量を検出するセンサとせずに発電に用いる素子とすれば、エネルギーハーベスタなどにも適用可能である。また、本発明の圧電センサは、ジャイロセンサなどに限られず、超音波センサや振動センサなどにも適用可能であり、他のデバイスに適用されてもよい。

（５）上記各実施形態では、電圧供給部２０による直流バイアス電圧を印加する第１電極１１を基板と反対側に、第２電極１２を基板側に配置した構成とされているが、この逆の配置とされてもよい。

１０ 圧電部
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 圧電体層
１３ａ 圧電材料
２０ 電圧供給部
３０ 電荷検出部
３１ オペアンプ
４０、４１、４２、４４ 反り抑制層

Claims (10)

1. 圧電材料（１３ａ）によりなる圧電体層（１３）と、前記圧電体層に接して形成され、前記圧電体層を隔てて互いに向き合うように配置された第１電極（１１）および第２電極（１２）と、を有してなる圧電部（１０）と、
   前記圧電体層の変位により生じる電荷を検出する際に、当該変位前にあらかじめ前記圧電材料の分極方向を揃えるための直流バイアス電圧を前記第１電極に印加するための電圧供給部（２０、３１）と、を備える圧電センサ。
2. 前記圧電部のうち前記第１電極は、前記電圧供給部に接続され、
   前記圧電部のうち前記第２電極は、基準電位とされ、
   前記電圧供給部は、前記圧電部が前記圧電体層の変位により生じる電荷量に応じた信号を出力する電荷検出部（３０）の一部を構成するオペアンプ（３１）の反転入力端子に接続され、
   前記オペアンプの非反転入力端子は、可変の直流電圧電源が接続され、
   前記オペアンプの出力端子に生じる電位に基づいて前記圧電体層の変位により生じる電荷を検出する構成とされており、
   前記電圧供給部により前記第１電極に印加される電位と前記直流電圧電源により前記非反転入力端子に印加される電位とが同じである請求項１に記載の圧電センサ。
3. 前記圧電部のうち前記第１電極は、前記圧電部が前記圧電体層の変位により生じる電荷量に応じた信号を出力する電荷検出部（３０）の一部を構成するオペアンプ（３１）の反転入力端子に接続され、
   前記圧電部のうち前記第２電極は、基準電位とされ、
   前記オペアンプの非反転入力端子は、可変の直流電圧電源が接続されており、
   前記オペアンプは、前記非反転入力端子に印加された電圧に起因して生じる出力端子の電位を前記第１電極に印加する前記電圧供給部として機能する構成とされた請求項１に記載の圧電センサ。
4. 前記圧電材料は、強誘電材料である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧電センサ。
5. 前記圧電体層は、前記圧電体層を構成する前記圧電材料の自発分極の方向が複数存在し、かつ、複数の自発分極の方向が異なる二以上の方向を向く構成とされている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧電センサ。
6. 前記圧電部は、基板（５０）の一面（５０ａ）上に前記第２電極、前記圧電体層、前記第１電極の順に形成された構成を有すると共に、前記第１電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記圧電体層には前記一面に対する法線方向に沿って反る力が働き、
   前記圧電体層は、薄膜状とされ、
   前記第１電極上もしくは前記一面の反対側の他面（５０ｂ）上には、前記直流バイアス電圧が前記第１電極に印加された際において前記圧電体層が反る方向の反対方向に反る力を発生させる反り抑制層（４０、４１、４２）が形成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧電センサ。
7. 前記反り抑制層（４０）は、前記第１電極上もしくは前記他面上に形成されると共に、前記直流バイアス電圧が前記第１電極に印加された際の前記圧電体層の反りの方向と反対の方向に反る圧縮応力を有する層である請求項６に記載の圧電センサ。
8. 前記反り抑制層（４１）上には、第３電極（４３）が形成されており、
   前記反り抑制層は、前記第１電極上に形成され、かつ強誘電材料と異なる誘電材料により構成されると共に、前記第１電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記第３電極に所定の電圧が印加されることにより前記圧電体層の反りの方向と反対方向に反る層である請求項６に記載の圧電センサ。
9. 前記反り抑制層（４２）は、前記基板のうち前記圧電部の反対側の面に形成されると共に、互いに向き合う一対の電極（４２１、４２２）および前記一対の電極に挟まれた強誘電材料によりなる圧電体膜（４２３）により構成とされると共に、前記第１電極に前記直流バイアス電圧を印加した際、前記圧電体層の反りの方向と反対方向に反るように駆動する層である請求項６に記載の圧電センサ。
10. 前記圧電部は、基板（５０）の一面（５０ａ）上に前記第２電極、前記圧電体層、前記第１電極の順に形成された領域を備え、前記第１電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記圧電体層には前記一面の属する平面の面内方向に沿って反る力が働き、
    前記圧電体層は、薄膜状とされ、
    前記一面上であって前記圧電体層と並ぶ位置には、反り抑制層（４４）が形成されており、
    前記反り抑制層（４４）は、互いに向き合う一対の電極（４４１、４４２）および前記一対の電極に挟まれた強誘電材料によりなる圧電体膜（４４３）により構成とされ、かつ、その長手方向が前記圧電体層の長手方向と平行になるように配置されると共に、前記第１電極に前記直流バイアス電圧を印加した際、前記圧電体層の反りの方向と反対方向に反るように駆動する層であり、
    前記第１電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記圧電体層のうちその長手方向に沿った辺が直線状となる請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧電センサ。
    

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