JP2019216203A - Piezoelectric element, vibration waveform sensor, and vibration waveform sensor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子,それを用いた振動波形センサー,及び振動波形センサーモジュールに関するものであり、例えば、脈拍などの各種の振動波形の検出に好適な圧電素子,振動波形センサー,及び振動波形センサーモジュールの改良に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a vibration waveform sensor using the same, and a vibration waveform sensor module. For example, the present invention relates to a piezoelectric element, a vibration waveform sensor, and a vibration waveform sensor suitable for detecting various vibration waveforms such as a pulse. Regarding module improvement.
IoT(Internet of Things)が急速に普及する現代では、センサーの必要数が加速的に増加し、各種のセンサーをより低いコストで、環境にやさしく、かつ大量に製造する技術が求められる。例えば、下記特許文献1には、音波や脈波などを効率よく検知することを目的とした広帯域センサーが開示されており、絶縁基板の表面に圧電素子を設け、この圧電素子2を囲んで、開口を有する筒状部材を設ける構成としている。従来の広帯域向けの振動波形センサーは、低周期の振動を検知するために片持ち梁構造とするなど大掛かりであったが、この背景技術によれば、前記開口を体表に当接させて密閉キャビティを形成することで、コンパクトに、かつ、低ノイズで微小振動を広帯域で検知することが可能となっている。
In the modern age of the Internet of Things (IoT), the required number of sensors is increasing at an accelerating pace, and there is a need for technologies for manufacturing various sensors at lower cost, environmentally friendly, and in large quantities. For example,
下記特許文献2には、電気機械結合係数ないし圧電定数が大きく、音速やSAW速度が小さい圧電単結晶組成物を用いることにより、圧電フィルター、圧電共振子、圧電ジャイロ等の体積弾性波を利用した圧電振動子及び圧電フィルター、センサーなどの弾性表面波デバイスの小型化を可能にする点が開示されている。 Patent Literature 2 below uses a bulk acoustic wave of a piezoelectric filter, a piezoelectric resonator, a piezoelectric gyro, or the like by using a piezoelectric single crystal composition having a large electromechanical coupling coefficient or a piezoelectric constant and a small sound speed or a small SAW speed. It is disclosed that a surface acoustic wave device such as a piezoelectric vibrator, a piezoelectric filter, and a sensor can be miniaturized.
ところで、電気機械結合係数kが高い圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛(PT)に代表される圧電単結晶が知られており、広く使用されているが、鉛を含むことから、環境安全面において懸念がある。また、圧電単結晶組成物を圧電層に利用するとなると、製造コストの面でも好ましいとは言えない。 By the way, as a piezoelectric material having a high electromechanical coupling coefficient k, a piezoelectric single crystal represented by lead zirconate titanate (PZT) or lead titanate (PT) is known and widely used. Therefore, there are concerns about environmental safety. Further, if the piezoelectric single crystal composition is used for the piezoelectric layer, it cannot be said that the manufacturing cost is preferable.
本発明は、かかる点に着目したもので、その目的は、鉛を含むセラミックス及び単結晶材料を使用することなく、高い感度で振動検出を行うことである。他の目的は、環境負荷を低減するとともに、コスト的にも有利に振動検出を行うことである。 The present invention focuses on this point, and an object thereof is to perform vibration detection with high sensitivity without using lead-containing ceramics and single crystal materials. Another object is to reduce vibrations and to detect vibrations advantageously in terms of cost.
本発明の圧電素子は、複数の内部電極層と、非鉛の圧電材料によって形成されており、前記内部電極層に分極用の電圧を印加して、積層方向に分極した複数の圧電層と、該複数の圧電層を、前記複数の内部電極層を挟んで積層した積層体の表裏に積層されたカバー層と、を含むことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記圧電素子の長辺方向の両端にそれぞれ形成されており、前記内部電極層を交互に接続した外部接続用の外部電極とを備えたことを特徴とする。 The piezoelectric element of the present invention is formed of a plurality of internal electrode layers and a lead-free piezoelectric material, applying a voltage for polarization to the internal electrode layers, and a plurality of piezoelectric layers polarized in the stacking direction, And a cover layer laminated on the front and back sides of the laminate in which the plurality of piezoelectric layers are laminated with the plurality of internal electrode layers interposed therebetween. According to one of the main modes, the piezoelectric element includes external electrodes for external connection, which are formed at both ends in the long side direction of the piezoelectric element and alternately connect the internal electrode layers. .
本発明の振動波形センサーは、前記圧電素子を、その分極方向が実装面に対して垂直になるように実装した基板を備えたことを特徴とする。 The vibration waveform sensor according to the present invention includes a substrate on which the piezoelectric element is mounted so that the polarization direction is perpendicular to the mounting surface.
本発明の振動波形センサーモジュールは、前記振動波形センサーと、該振動波形センサーの圧電素子に生じた電荷量に比例する電圧を出力するチャージアンプとを備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的,特徴,利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。 A vibration waveform sensor module according to the present invention includes the vibration waveform sensor, and a charge amplifier that outputs a voltage proportional to the amount of charge generated in a piezoelectric element of the vibration waveform sensor. The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
本発明によれば、非鉛の圧電材料を内部電極層を挟んで複数積層して圧電素子を構成するとともに、チャージアンプを使用して検出出力を得ることとしたので、単結晶圧電材料を使用する場合と同様の感度を得ることができるとともに、環境負荷も低減され、製造時や使用時における温度条件も緩和されるようになる。 According to the present invention, a plurality of lead-free piezoelectric materials are laminated with an internal electrode layer interposed therebetween to constitute a piezoelectric element, and a detection output is obtained by using a charge amplifier. As a result, the same sensitivity can be obtained, the environmental load is reduced, and the temperature conditions during manufacturing and use are eased.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on examples.
最初に、図1及び図2(A)を参照しながら、本発明の実施例1について説明する。図1には、本実施例にかかる圧電素子が示されており、同図(A)は主要断面構造を示し、同図(B)は積層構造を示している。これらの図に示すように、圧電素子100は、圧電層102と内部電極層104,106を交互に複数層積層し、更に、それらにカバー層ないし保護層108を積層した構成となっており、例えば、積層セラミックコンデンサ(MLCC)と同様の積層構造となっている。圧電層102としては、非鉛ないし鉛フリーの圧電材料、例えばアルカリナイオベート系の圧電材料を使用し、厚さは20μmとする。内部電極層104,106としては、例えばAg、Ag−Pd合金、Ni、Cu、Ni−Cu合金などの導電性材料を使用し、厚さは例えば3μmとする。カバー層108としては、絶縁性材料を使用するが、本実施例では、前記圧電層102と同じ材料を使用している。カバー層108の厚さは、振動による屈曲を妨げないようにする関係から、それぞれ50μm未満が好ましい。
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 shows a piezoelectric element according to the present example. FIG. 1A shows a main cross-sectional structure, and FIG. 1B shows a laminated structure. As shown in these drawings, the
非鉛の圧電材料の例として挙げられるアルカリナイオベート系の圧電材料は、以下に示す一般式(1)で表される圧電材料が好適に用いられる。
(K1−w−xNawLix)a(SbyTazNb1−y−z)O3 ・・・・(1)
ただし、前記w,x,y,z,aは、
0≦w≦1,
0.02<x≦0.1,
0.02<w+x≦1,
0≦y≦0.1,
0≦z≦0.4,
1<a≦1.1
である。
A piezoelectric material represented by the following general formula (1) is preferably used as the alkali niobate-based piezoelectric material, which is an example of a lead-free piezoelectric material.
(K 1-w-x Na w Li x) a (Sb y Ta z Nb 1-y-z) O 3 ···· (1)
Where w, x, y, z, and a are
0 ≦ w ≦ 1,
0.02 <x ≦ 0.1,
0.02 <w + x ≦ 1,
0 ≦ y ≦ 0.1,
0 ≦ z ≦ 0.4,
1 <a ≦ 1.1
It is.
積層数は、適宜設定してよいが、例えば圧電層102が10層となるように積層体を作製する。圧電素子100の外形寸法としては、例えば、長辺の長さを3.2mm,短辺の長さ(幅)を1.6mm,厚みを0.3mmとする。製造方法としては、圧電層102,内部電極層104,106を交互に複数積層し、更にカバー層108を積層し、次に焼成を行う。そして、積層体の長辺方向の端部のうち、内部電極層104が露出する端面には外部電極120を形成し、内部電極層106が露出する端面には外部電極122を形成する。すなわち、内部電極層104,106は、交互に長辺側の端面に引き出されており、外部接続用の外部電極120,122にそれぞれ接続されている。
次に、これら外部電極120,122間に高電圧を印加して、圧電層102の分極処理を行い、圧電性を付与する。圧電層102の分極方向は、内部電極層104,106の積層方向、すなわち厚さ方向となる。
The number of stacked layers may be set as appropriate. For example, the stacked body is manufactured so that the
Next, a high voltage is applied between the
以上のようにして得た圧電素子100は、例えば、図1(A)に示すように、長辺方向の両端の外部電極120,122を、ハンダないし導電性樹脂130,132によって基板140の電気的接続部上に固定する。なお、チャージアンプ50については後述する。
In the
本実施例によれば、鉛を含有しない圧電材料を使用しているために、電気機械結合係数がPZTなどの圧電セラミックス及び単結晶組成物などと比較して低くなってしまうが、圧電層と電極層を交互に複数積層することで、十分な振動の検出感度を得ることができる。図2(A)には、使用する材料による振幅が示されている。PZT系セラミックスの振幅に対して、アルカリナイオベート(AN)系セラミックスの振幅は10分の1程度と低いが、これを積層することで、ほぼ同等の振幅が得られている。加えて、アルカリナイオベート系セラミックスは、PZT系セラミックスと比較してキュリー温度が高く、PZT系セラミックスが300℃程度であるのに対し、アルカリナイオベート系セラミックスは400℃以上ある。このため、製造工程や使用状況における熱的条件が緩和されるようになるといった利点もある。 According to the present embodiment, since a piezoelectric material containing no lead is used, the electromechanical coupling coefficient is lower than that of a piezoelectric ceramic such as PZT or a single crystal composition. By alternately stacking a plurality of electrode layers, sufficient vibration detection sensitivity can be obtained. FIG. 2A shows the amplitude depending on the material used. The amplitude of alkali niobate (AN) ceramics is as low as one-tenth that of PZT ceramics, but by stacking these, almost the same amplitude is obtained. In addition, alkali niobate ceramics have a higher Curie temperature than PZT ceramics, while PZT ceramics are about 300 ° C., whereas alkali niobate ceramics are 400 ° C. or higher. For this reason, there also exists an advantage that the thermal conditions in a manufacturing process or a use condition come to be eased.
次に、図2(B)及び図3も参照しながら、上述した圧電素子を利用する振動波形センサーおよび振動波形センサーモジュールの実施例について説明する。図3には、本実施例の振動波形センサーの基本的な構成が示されており、同図(A)は振動波形センサー10の断面を示し、同図(B)は分解した様子を示し、同図(C)は底面側から見た様子を示している。これらの図において、振動波形センサー10は、基板20の主面上に圧電素子100が配置されており、この圧電素子100を、振動導入体として作用する振動リング40で覆った構造となっている。
Next, embodiments of a vibration waveform sensor and a vibration waveform sensor module using the above-described piezoelectric element will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a basic configuration of the vibration waveform sensor of the present embodiment. FIG. 3A shows a cross section of the
以上の各部のうち、基板20は、圧電素子100を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのものである。基板20の主面には、中央付近に一対の電極ランド22,23が設けられており、その周囲にはグランド導体24が形成されている。電極ランド22,23は、基板20の裏面側にスルーホール22A,23Aによって引き出されている。電極ランド22,23には、図1(A)に示したように、圧電素子100の外部電極120,122がハンダないし導電性樹脂130,132によって実装されている。このように、電極ランド22,23及びスルーホール22A,23Aによって、基板20の裏面側に設けられたアンプなどと圧電素子100とが接続されている。電極ランド22,23を覆うように絶縁性の樹脂を設けてもよいし、更に圧電素子100も樹脂で覆ってよい。
Among the above-mentioned parts, the
次に、前記圧電素子100には、それを囲むように振動リング40が設けられており、振動リング40はグランド導体24と電気的に接合している。また、グランド導体24は、スルーホール24A,24B(図3(A)のみ図示)によって基板20の裏面側に引き出されている。振動リング40は、例えばステンレスによって形成されて導電性を有しており、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通にするとともに、生体、例えば皮膚の微小振動を導入して、更に基板20に伝達する振動導入体として機能する。
Next, the
同図(D)には、振動波形センサーモジュール200の回路構成が示されており、振動波形センサー10の出力が、チャージアンプ(電荷増幅器)50に入力されて増幅されるようになっている。チャージアンプ50は、上述した基板20に実装されており、圧電素子100に生ずる電荷に比例した電圧が出力されるようになっている。チャージアンプ50の出力は、A/Dコンバータ(図示せず)によりデジタル信号に変換されて出力される。
FIG. 4D shows the circuit configuration of the vibration
以上のような振動波形センサーモジュール200は、例えば、図3(E)に示すように、人体の指などの適宜位置に、医療用の固定テープ12などによって、振動リング40が人体の皮膚BDに当たるように装着される。一方、心臓の拍動に伴う血液の流入によって生ずる容積変化である脈波は、皮膚BDの微小振動として振動波形センサーモジュール200の振動リング40に伝わる。振動リング40の振動は、更に、振動体ないし起歪体としても機能する基板20を振動させ、振動リング40から伝達された微小振動が圧電素子100に伝達される。これにより、例えば皮膚BDの微小振動が電圧信号として検出される。
In the vibration
ところで、この場合において、本実施例では、圧電素子100において圧電層102が多数積層された構造となっている。このため、コンデンサとしてみると、面積が大きくなり、蓄積される電荷量も増大することとなり、電荷量に比例した電圧を出力するチャージアンプ50の出力も増大するようになる。
Incidentally, in this case, in this embodiment, the
図2(B)は、PZT系圧電材料を1層有する従来の圧電素子を使用した振動波形センサーモジュールと、非鉛のアルカリナイオベート系圧電材料を10層積層した本実施例の圧電素子を使用した振動波形センサーモジュールによる脈波波形の検出出力を比較して示すものである。いずれも、圧電素子の形状寸法は、長辺3.2mm×短辺1.6mm×厚み0.3mmである。このグラフに示すように、PZT系の従来構造と、本実施例とも、ほぼ近似した出力が得られており、本実施例のように、電気機械結合係数が小さい非鉛の圧電材料を使用したとしても、積層構造とすることで、良好な波形検出を行うことができることが分かる。 FIG. 2B shows a vibration waveform sensor module using a conventional piezoelectric element having one layer of a PZT-based piezoelectric material and a piezoelectric element of the present embodiment in which 10 layers of a lead-free alkaline niobate-based piezoelectric material are laminated. FIG. 7 shows a comparison between pulse wave waveform detection outputs obtained by the vibration waveform sensor module described above. In any case, the shape dimension of the piezoelectric element is 3.2 mm long side × 1.6 mm short side × 0.3 mm thickness. As shown in this graph, the PZT-based conventional structure and this example both have almost similar outputs, and as in this example, lead-free piezoelectric materials with a small electromechanical coupling coefficient were used. However, it can be seen that good waveform detection can be performed by using a laminated structure.
なお、本発明は、上述した実施例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内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した各部の材料は一例であり、公知の各種の材料を使用してよい。例えば、前記実施例では、圧電層102として、非鉛のアルカリナイオベート系圧電材料を使用したが、その他各種の非鉛の圧電材料、例えばチタン酸バリウムを使用してよい。圧電素子100の形状寸法や、圧電層102の積層数についても、同様に適宜設定してよい。
(2)前記実施例で示した脈波検出は一例であり、各種の振動の検出に適用してよい。
(3)前記実施例では、チャージアンプ50を基板20に実装した例を示したが、チャージアンプ50を振動波形センサー10の外部に設けてもよい。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the following are also included.
(1) The material of each part shown in the said Example is an example, You may use various well-known materials. For example, in the above embodiment, a lead-free alkaline niobate piezoelectric material is used as the
(2) The pulse wave detection shown in the above embodiment is an example, and may be applied to detection of various vibrations.
(3) Although the
本発明によれば、非鉛の圧電材料を内部電極層を挟んで複数積層して圧電素子を構成するととするとともに、チャージアンプを使用して検出出力を得ることとしたので、単結晶圧電材料を使用する場合と同様の感度を得ることができるとともに、環境負荷も低減され、製造時や使用時における温度条件も緩和されるようになることから、脈波センサーなど、各種の振動波形センサーに好適である。 According to the present invention, a plurality of non-lead piezoelectric materials are laminated with an internal electrode layer interposed therebetween to constitute a piezoelectric element, and a detection output is obtained using a charge amplifier. The same sensitivity can be obtained as when using a sensor, the environmental load is reduced, and the temperature conditions during manufacturing and use are eased. It is suitable.
10:振動波形センサー
12:固定テープ
20:基板
22,23:電極ランド
22A,23A:スルーホール
24:グランド導体
24A,24B:スルーホール
40:振動リング
50:チャージアンプ
100:圧電素子
102:圧電層
104,106:内部電極層
108:カバー層
120,122:外部電極
130,132:導電性樹脂
140:基板
200:振動波形センサーモジュール
10: Vibration waveform sensor 12: Fixed tape 20:
Claims (4)
非鉛の圧電材料によって形成されており、前記内部電極層に分極用の電圧を印加して、積層方向に分極した複数の圧電層と、
該複数の圧電層を、前記複数の内部電極層を挟んで積層した積層体の表裏に積層されたカバー層と、
を含むことを特徴とする圧電素子。 A plurality of internal electrode layers;
Formed of a lead-free piezoelectric material, applying a voltage for polarization to the internal electrode layer, and a plurality of piezoelectric layers polarized in the stacking direction;
A cover layer laminated on the front and back of the laminate in which the plurality of piezoelectric layers are laminated with the plurality of internal electrode layers interposed therebetween;
A piezoelectric element comprising:
を備えたことを特徴とする請求項1記載の圧電素子。 Formed on both ends of the piezoelectric element in the long side direction, and external electrodes for external connection in which the internal electrode layers are alternately connected;
The piezoelectric element according to claim 1, further comprising:
を備えたことを特徴とする振動波形センサー。 A substrate on which the piezoelectric element according to claim 2 is mounted so that its polarization direction is perpendicular to the mounting surface;
A vibration waveform sensor characterized by comprising:
該振動波形センサーの圧電素子に生じた電荷量に比例する電圧を出力するチャージアンプと、
を備えたことを特徴とする振動波形センサーモジュール。 A vibration waveform sensor according to claim 3,
A charge amplifier that outputs a voltage proportional to the amount of charge generated in the piezoelectric element of the vibration waveform sensor;
A vibration waveform sensor module comprising:
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