JP6112210B2 - 圧電素子および圧電センサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子および圧電センサに関する。
センサおよびアクチュエータ等に用いられる一般的な圧電素子の構造としては、圧電体層を2つの電極層で挟んだ構造が知られている。圧電素子では、圧電素子に加えられた応力等の物理的信号が電気的信号に変換されて(正圧電効果)、電極から出力されるか、あるいは、圧電素子に入力された電気的信号が物理的信号に変換される(逆圧電効果)。
近年、電子機器の小型化に伴い、センサ等の圧電素子も小型化、軽量化が求められている。この要求に応えるものとして、フィルム状の基材に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子の開発が進められている。
このような圧電素子では、圧電体層の薄膜化に伴い、電極層間の絶縁性が低下し、短絡の可能性が大きくなっていた。このような短絡の発生を防止するために、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を介在させる提案がなされている(例えば、特許文献1:特開平11−334062号公報)。
また、例えば、特許文献2(特開2006−66901号公報)では、支持体としての絶縁性基板、電極層、圧電体層および電極層がこの順で積層されてなる従来の圧電素子に代えて、電極層、絶縁性基板、圧電体層および電極層をこの順で積層することにより、別途に短絡防止膜を形成することなく、また部品点数等を増やすことなく、信頼性の高いセンサ等に用いられる圧電素子を提供できる旨が記載されている。
しかし、特許文献2の圧電素子では、電極と装置はケーブルを介して接続しているが、積層構造であるため引き出しケーブルは同一平面上に形成できない。このため、センサの電極をアンプや接地電位に接続するためのケーブルを電極に取り付ける際に、センサの異なる主面(非同一面)のそれぞれに形成された電極にケーブルを取り付ける必要があるため、一方の主面に全ての電極が設けられる場合に比べ、製造の工程が増える等の理由から製作コストが高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、小型化、軽量化の要求に応えつつ、部品点数や組立工数を削減でき、製造コストを抑えることのできる圧電センサを提供することを目的とする。
本発明は、絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の主面に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の前記絶縁性フィルムと反対側の表面に設けられた第1電極層と、
前記絶縁性フィルムの他方の主面に設けられた第2電極層とを含む積層体を、
少なくとも1つの折り曲げ線に沿って折り曲げてなる圧電素子であって、
前記圧電素子の一方の主面において、前記第1電極層の一部および前記第2電極層の一部が露出していることを特徴とする、圧電素子である。
前記絶縁性フィルムの一方の主面に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の前記絶縁性フィルムと反対側の表面に設けられた第1電極層と、
前記絶縁性フィルムの他方の主面に設けられた第2電極層とを含む積層体を、
少なくとも1つの折り曲げ線に沿って折り曲げてなる圧電素子であって、
前記圧電素子の一方の主面において、前記第1電極層の一部および前記第2電極層の一部が露出していることを特徴とする、圧電素子である。
前記圧電素子は、前記第1電極層が内側になるように前記積層体が折り曲げられてなることが好ましい。また、前記絶縁性フィルムおよび前記圧電体層は、切り欠きまたは開口を有していてもよい。
さらに、前記第1電極層の前記圧電体層と反対側の表面に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の前記第1電極層と反対側の表面に設けられた導電膜とを備えていてもよい。
また、本発明は、上記の圧電素子を備える、圧電センサにも関する。前記第1電極層に接続される第1ケーブルと、前記第2電極層に接続される第2ケーブルとが、同一面側に設けられていることが好ましい。
本発明によれば、小型化、軽量化の要求に応えつつ、部品点数や組立工数を削減でき、製造コストを抑えることのできる圧電センサを提供することができる。
本発明の圧電素子は、
絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の主面に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の前記絶縁性フィルムと反対側の表面に設けられた第1電極層と、
前記絶縁性フィルムの他方の主面に設けられた第2電極層と
を含む積層体(すなわち、第1電極層、圧電体層、絶縁性フィルム、第2電極層をこの順で含む積層体)を、
少なくとも1つの折り曲げ線に沿って折り曲げてなる圧電素子である。
絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の主面に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の前記絶縁性フィルムと反対側の表面に設けられた第1電極層と、
前記絶縁性フィルムの他方の主面に設けられた第2電極層と
を含む積層体(すなわち、第1電極層、圧電体層、絶縁性フィルム、第2電極層をこの順で含む積層体)を、
少なくとも1つの折り曲げ線に沿って折り曲げてなる圧電素子である。
本発明の圧電素子は、その一方の主面(同一面側)において、第1電極層の一部と第2電極層の一部とが共に表面に露出していることを特徴とする。
この特徴により、圧電素子の一方の主面側のみにおいて電極(第1電極層および第2電極層)をケーブルまたは基板と接合することが可能であるため、圧電素子の製造における部品点数や組立工数を削減でき、製造コストを抑えることができる。
絶縁性フィルムは、通常は可撓性を有するフィルムであり、軽量で、取り扱い易いといった特徴を有する高分子を主成分とするフィルムであることが好ましい。絶縁性フィルムの主成分として用いられる高分子は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂であり、好ましくは、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系樹脂である。
圧電素子は、好ましくは薄型(フィルム状)の圧電素子である。圧電素子は、例えば、センサおよびアクチュエータ等に用いられるものである。センサとしては、例えば、変位信号、音声信号などの物理信号を計測するためのセンサが挙げられる。
圧電体層の構成材料は、圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えば、ウルツ鉱型構造を有する化合物やペロブスカイト構造(ABO3)を有する複合酸化物(ペロブスカイト系複合酸化物)を主成分とする材料を用いることができる。
ウルツ鉱型構造を有する化合物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛またはヨウ化銀が挙げられる。
ペロブスカイト系複合酸化物のペロブスカイト構造(ABO3)のAサイトとしては、例えば、Pb,Ba,Ca,Sr,La,LiおよびBiの中から選択される少なくとも1種の元素を採用することができる。ペロブスカイト構造(ABO3)のBサイトとしては、例えば、Ti,Zr,Zn,Ni,Mg,Co,W,Nb,Sb,TaおよびFeの中から選択される少なくとも1種の元素が採用される。
このようなペロブスカイト系複合酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3](PZTともいう)、ニオブ酸タンタル酸カリウム[K(Ta,Nb)O3]、チタン酸バリウム(BaTiO3)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3[チタン酸鉛(PbTiO3)など]等が挙げられる。
圧電体層の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、コーティング法や、CVD法、MOCVD法等の化学蒸着法が知られており、その中から好ましいものを適宜選択することができる。
圧電体層の膜厚は、好ましくは0.1〜100μmであり、より好ましくは0.5〜30μmである。すなわち、厚みが0.1μm未満では、例えばセンサやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に100μmを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
第1電極層および第2電極層の材料としては、例えば、Al,Ni,Pt,Au,Ag、Ti、CuまたはSn等の金属やこれらの合金から構成される導電材料、または、金属酸化物や金属窒化物を含む導電材料を用いることができる。
第1電極層および第2電極層の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、塗布処理、メッキ法またはスパッタリング法や、真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。
以下、本発明の圧電素子の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
(実施形態1)
図1は、実施形態1の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図1(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図1(b)は、該積層体のA1−A1断面(図1(a))における断面図である。図1(c)は、図1(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図1(d)および図1(e)は、本実施形態の圧電素子を図1(a)と同じ方向から見た上面図である。
図1は、実施形態1の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図1(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図1(b)は、該積層体のA1−A1断面(図1(a))における断面図である。図1(c)は、図1(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図1(d)および図1(e)は、本実施形態の圧電素子を図1(a)と同じ方向から見た上面図である。
図1(a)〜(c)に示される積層体は、絶縁性フィルム1と、絶縁性フィルム1の一方の主面に設けられた圧電体層2と、圧電体層2の絶縁性フィルム1と反対側の表面に設けられた第1電極層3と、絶縁性フィルム1の他方の主面(圧電体層2と反対側の主面)に設けられた第2電極層4とから構成される。
この積層体を、折り曲げ線5(図1(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(第1電極層3同士が接触するように)折り曲げることで、図1(d)に示される実施形態1の圧電素子が得られる。この圧電素子の一方の主面(図1(d)の上面側)において、第1電極層3の一部および第2電極層4の一部が露出している。
これにより、本実施形態の圧電素子を備える圧電センサを作製する際には、図1(d)に示すように、第1電極層に接続される第1ケーブル61と、前記第2電極層に接続される第2ケーブル62とを、圧電素子の同一面側に設けることができる。
圧電素子の両面に電極が配置されている場合、ケーブルを接続する際に、圧電素子の一方の面にケーブル端部を接合し、圧電素子を反転させてから圧電素子の他方の面に別のケーブル端部を接合するといった複雑な工程が必要となる。また、かしめ構造等により、圧電素子の一方の面の電極を他方の面に引き出すことで、その他方の面のみで電極とケーブルを接続できるようにすることも考えられるが、部品点数や組立工数が増加してしまう。これに対して、本実施形態では、部品点数や組立工数を増加させることなく、圧電素子の同一面上の電極のみにケーブルを接続すればよく、製造工程を簡略化することが可能となる。
また、図1(d)および図1(e)に示すように、ケーブル61,62の引き出し方向として、様々な方向を選択することができる。また、ケーブルの代わりに、ケーブルと同様の機能を果たす配線基板を積層してもよい。このため、配線設計の自由度が高められる利点がある。
また、本実施形態のように、積層体を折り曲げた後の圧電素子において、外側の電極層(本実施形態では第2電極層)が圧電体層および内側の電極層(本実施形態では第1電極層)を覆うような構造を採用することで、内側の電極層(出力側電極層)を電磁的にシールドする効果(シールド性)が高められ、外部の雑音(ノイズ)を遮断する効果が得られるため、圧電素子の特性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、積層体を構成する部材が全て単純な矩形状であり、部材の加工が容易である。
また、本実施形態では第1電極層3が内側になるように折り曲げたが、必ずしも第1電極層3が内側になる必要はなく、第2電極層が内側になるように折り曲げてもよい。ただし、本実施形態のように第1電極層3が内側になるように折り曲げた場合、積層体を折り曲げた後の圧電素子の全体に曲げ応力が加えられたときでも、圧電体層に生じる歪みが小さいため、圧電素子が破壊に対して強くなるという利点がある。
第1電極層および第2電極層は、どちらを出力側電極(圧電体層で発生した電圧を増幅するためのアンプ等へ接続される信号出力側の電極。通常は、陽極)または接地電極(接地電位に接続される電極。通常は陰極)としてもよい。ただし、出力側電極のシールド性をより高めるために、内側の第1電極層3を出力側電極とし、外側の第2電極層4を接地電位に接続することが好ましい。
(実施形態2)
図2は、実施形態2の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図2(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。
図2は、実施形態2の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図2(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。
本実施形態では、絶縁性フィルム1および圧電体層2が切り欠き101(図2(a)および図2(b)参照)を有し、折り曲げた積層体の重ね合わせられる部分(図2(a)の折り曲げ線5より右側の部分)の面積が小さい点で、実施形態1とは異なる。
この積層体を、折り曲げ線5(図2(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(圧電体層2同士が接触するように)折り曲げることで、図2(c)に示される実施形態2の圧電素子が得られる。
なお、第1電極層3のケーブル61に接続される部分は、ケーブルの接続に必要な範囲で面積が小さくなるように設計されているが、これに限定されるものではない。第2電極層4のケーブル62と接続される部分についても、同様である。
実施形態2では、折り曲げた積層体の重ね合わせられる部分の面積が小さいため、圧電素子の厚みを薄くすることができる。なお、実施形態2では、実施形態1と同様の効果が奏されるが、シールド性は高くない。実施形態2と同様の効果を得つつ、シールド性も高めるための形態が次の実施形態3である。
(実施形態3)
図3は、実施形態3の圧電素子の構成を説明するための模式図である。本実施形態では、図2(c)に示される実施形態2の圧電素子の第1電極層3側(図2(c)の紙面手前側)の面に、図3(a)に示される絶縁膜71および導電膜81が積層されてなる第1シールド膜が、その絶縁膜71側がその面に接するように積層される。さらに、図2(c)に示される実施形態2の圧電素子の第2電極層4側(図2(c)の紙面奥側)の面には、図3(b)に示される絶縁膜72および導電膜82が積層されてなる第2シールド膜が、その絶縁膜72側がその面に接するように積層される。
図3は、実施形態3の圧電素子の構成を説明するための模式図である。本実施形態では、図2(c)に示される実施形態2の圧電素子の第1電極層3側(図2(c)の紙面手前側)の面に、図3(a)に示される絶縁膜71および導電膜81が積層されてなる第1シールド膜が、その絶縁膜71側がその面に接するように積層される。さらに、図2(c)に示される実施形態2の圧電素子の第2電極層4側(図2(c)の紙面奥側)の面には、図3(b)に示される絶縁膜72および導電膜82が積層されてなる第2シールド膜が、その絶縁膜72側がその面に接するように積層される。
そして、導電膜82の周縁部82a,82b,82cを絶縁膜72が内側となるように折り曲げることで、図3(c)に示される実施形態3の圧電素子が得られる。
実施形態3の圧電素子では、図3(c)に示されるように、第1電極層3の一部および第2電極層4の一部の露出面積が非常に小さく、それ以外の大部分は導電膜81,82で覆われている。これにより、シールド性が高められ、圧電素子の特性を向上させることができる。
図3(d)は、実施形態3の圧電素子のA3−A3断面(図3(c))における断面図である。また、図3(e)は、実施形態3の圧電素子のB3−B3断面(図3(c))における断面図である。図3(c)では省略しているが、図3(e)に示すように、導電膜82の周縁部82a,82b,82cの端部に沿って、導電膜82と導電膜81を電気的に接続するための導電性シール9が貼り付けられている。このようにして導電膜81,82の全体が電気的に接続されることで、シールド性がより高められる。
(実施形態4)
図4は、実施形態4の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図4(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
図4は、実施形態4の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図4(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
この積層体を、折り曲げ線5(図4(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(第1電極層3同士が接触するように)折り曲げることで、図4(b)に示される実施形態4の圧電素子が得られる。
実施形態4では、実施形態1と同様に、別途シールド膜等を設けることなく、第2電極層4により内側の第1電極層3(出力側電極層)のシールド性が高められる。また、実施形態1よりも第1電極層3の露出面積が小さく、第1電極層3の周囲が全て第2電極層4で囲われているため、実施形態1よりもシールド性が高い。
(実施形態5)
図5は、実施形態5の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図5(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。実施形態5では、絶縁性フィルム1および圧電体層2は開口102を有している点で、実施形態4とは異なっている。
図5は、実施形態5の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図5(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。実施形態5では、絶縁性フィルム1および圧電体層2は開口102を有している点で、実施形態4とは異なっている。
この積層体を、折り曲げ線5(図5(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(第1電極層3同士が接触するように)折り曲げることで、図5(b)に示される実施形態5の圧電素子が得られる。
実施形態5では、実施形態1と同様に、別途シールド膜等を設けることなく、第2電極層4により内側の第1電極層3(出力側電極層)のシールド性が高められる。また、実施形態1よりも第1電極層3の露出面積が小さく、第1電極層3の周囲が全て第2電極層4で囲われているため、実施形態1よりもシールド性が高い。
(実施形態6)
図6は、実施形態6の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図6(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図6(b)は、図6(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図6(a)および図6(b)に示されるように、絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
図6は、実施形態6の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図6(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図6(b)は、図6(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図6(a)および図6(b)に示されるように、絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
この積層体を、折り曲げ線51(図6(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(圧電体層2同士が接触するように)折り曲げることで、図6(c)に示される状態とする。さらに、折り曲げ線52(図6(c)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(第1電極層3同士が接触するように)折り曲げることで、図6(d)に示される実施形態6の圧電素子が得られる。
実施形態6では、実施形態2のように別途シールド膜等を設けることなく、第2電極層4により内側の第1電極層3(出力側電極層)のシールド性が高められる。実施形態1よりも圧電体層2の露出面積が小さいため、実施形態1よりもシールド性が高い。なお、シールド性をより一層高めるために、第2電極層4の端部4a,4bに沿って導電性シールを貼り付けること等により、圧電素子の両面の第2電極層4が電気的に接続されていることが好ましい。導電性接着剤を用いて電気的に接続してもよい。
(実施形態7)
図7は、実施形態7の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図7(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図7(b)は、図7(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図7(a)および図7(b)に示されるように、絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
図7は、実施形態7の圧電素子の構成を説明するための模式図である。図7(a)は、折り曲げる前の状態の第1電極層3、圧電体層2、絶縁性フィルム1、第2電極層4がこの順で積層されてなる積層体を、第1電極層3側から見た上面図である。図7(b)は、図7(a)の積層体を反対側(第2電極層4側)から見た上面図である。図7(a)および図7(b)に示されるように、絶縁性フィルム1および圧電体層2は切り欠き101を有している。
この積層体を、折り曲げ線5(図7(a)参照)に沿って、第1電極層3が内側になるように(第1電極層3同士が接触するように)折り曲げることで、図7(c)に示される実施形態4の圧電素子が得られる。
実施形態7では、実施形態2のように別途シールド膜等を設けることなく、第2電極層4により内側の第1電極層3(出力側電極層)のシールド性が高められる。実施形態1よりも圧電体層2の露出面積が小さいため、実施形態1よりもシールド性が高い。なお、シールド性をより一層高めるために、第2電極層4の端部4a,4bに沿って導電性シールを貼り付けること等により、圧電素子の両面の第2電極層4が電気的に接続されていることが好ましい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 絶縁性フィルム、2 圧電体層、3 第1電極層、4 第2電極層、4a,4b 端部、5 折り曲げ線、61 (第1)ケーブル、62 (第2)ケーブル、71,72 絶縁膜、81,82 導電膜、82a,82b,82c 周縁部、9 導電性シール、101 切り欠き、102 開口。
Claims (5)
- 絶縁性フィルムと、
前記絶縁性フィルムの一方の主面に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の前記絶縁性フィルムと反対側の表面に設けられた第1電極層と、
前記絶縁性フィルムの他方の主面に設けられた第2電極層とを含む積層体を備える圧電素子であって、
前記第2電極層が第1電極層より大きく、かつ前記積層体を鉛直方向から見た時、前記第1電極層が第2電極層に覆われており、
前記積層体は、少なくとも1つの折り曲げ線に沿って、前記第1電極層が内側になるように折り曲げられて
いることを特徴とする、圧電素子。 - 前記絶縁性フィルムおよび前記圧電体層は、切り欠きまたは開口を有する、請求項1に記載の圧電素子。
- さらに、前記第1電極層の前記圧電体層と反対側の表面に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記第1電極層と反対側の表面に設けられた導電膜とを備える、
請求項1または2に記載の圧電素子。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電素子を備える、圧電センサ。
- 前記第1電極層と前記第2電極層は同一面側に露出し、前記第1電極層に接続される第1ケーブルと、前記第2電極層に接続される第2ケーブルとが、前記同一面側に設けられた、請求項4に記載の圧電センサ。
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