JP6252678B2 - 圧電センサおよび圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサおよび圧電素子に関する。

従来、たわみを検出する圧電センサとして、たとえば特開２００７−１６３２３０号公報（特許文献１）に記載の圧電センサが知られている。この圧電センサは、可撓制を有するポリイミドなどの高分子材料からなるフィルム状の平板の一方の主面に、窒化アルミニウムなどの薄膜状の圧電体を形成し、かつ、圧電体が形成された平板の両主面に電極層を設けることで構成されている。

この圧電センサは、極めて薄いフィルム状で柔軟性に富んでおり、タイヤ内面などの曲面部分に密着配置して用いられる。これにより、タイヤの空気圧の変動などによるタイヤの変形を検出することができる。

特開２００７−１６３２３０号公報

しかしながら、上記特開２００７−１６３２３０号公報に記載の圧電センサにおいては、次のような問題があった。

当該公報に記載の圧電センサは、薄膜状の圧電体を備え、接着剤で、タイヤに直接貼り付けて用いられていた。よって、空気圧の変動によるタイヤの変形による信号以外にも、タイヤから直接的に伝わる外部衝撃や振動などさまざまな信号も同時に検出しやすかった。そのため、空気圧変動による変形だけを正確に検出するには、複雑な信号処理回路が必要であった。

さらに、当該公報に記載の圧電センサは、接着剤でタイヤに直接貼り付けて用いられているので、圧電センサ周辺に取り付けられる信号処理回路などの周辺回路装置は、多数のリード線などで接続されていた。これより、タイヤ内部の配線数が多く、また配線が長いために複雑になり、他の電子部品（たとえばＩＣなど）を実装して使用することが困難であった。

また、フィルム状の圧電センサは非常に薄い構造をとることが可能であるが、一方で、感度をあげるために圧電センサ自体の面積を大きくし、大型化しなければならなかった。そのため、タイヤに釘などの鋭利なものが刺さった場合、圧電センサ自体や周辺回路装置が傷つけられる可能性が高く、傷つけられた場合、タイヤの変形を検出することができなくなった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明の圧電センサは、基板と、圧電素子とを備え、基板は、一方の主面に実装用電極が形成され、圧電素子は、積層体と、積層体の互いに異なる端面に設けられた第１端子電極と第２端子電極とを備え、積層体は、圧電体と、圧電体を挟むように設けられた第１検出用電極、第２検出用電極、更に少なくとも一方の外側に積層された外装体とを備え、第１検出用電極は第１端子電極に接続され、第２検出用電極は第２端子電極に接続され、第１端子電極および第２端子電極が、接合剤により、それぞれ実装用電極に接合されて、圧電素子が基板に実装されるようにした。

なお、第１検出用電極は、積層体の一方の端面およびその端面に接する２つの側面から引き出されて、第１端子電極に接続され、第２検出用電極は、積層体の他方の端面およびその端面に接する２つの側面から引き出されて、第２端子電極に接続されることが好ましい。この場合には、検出用電極と端子電極との接続が確実になる。

また、基板と圧電素子との間に隙間が形成されることが好ましい。この場合には、隙間が、圧電センサが、タイヤ等から直接的に伝わる外部衝撃や振動などのノイズを検出するのを抑制ため、基板のたわみを高感度に検出することが可能になる。なお、隙間には、ゴムまたは樹脂を充填しても良い。この場合には、基板と圧電素子との接合強度が向上する。

また、本発明は、圧電素子にも向けられる。具体的には、圧電素子は、積層体と、積層体の互いに異なる端面に設けられた第１端子電極と第２端子電極とを備え、積層体は、圧電体と、圧電体を挟むように設けられた第１検出用電極、第２検出用電極、更に少なくとも一方の外側に積層された外装体とを備え、第１検出用電極は第１端子電極に接続され、第２検出用電極は第２端子電極に接続されるようにした。

本発明によれば、感度が高く、振動などのノイズを検出しにくく、小型化が容易で、モジュール化することにより周辺回路を一体化することも容易な圧電センサを提供することができる。

実施形態１にかかる圧電センサを示す側面図である。 実施形態１にかかる圧電センサの圧電素子の要部断面図である。 実施形態１にかかる圧電センサの要部分解斜視図である。 実施形態１にかかる圧電センサをタイヤに設置した場合を示す説明図である。 実施形態１にかかる圧電センサの変形状態と電位とを模式化して示した説明図であり、（ａ）は、たわみが作用していない状態、（ｂ）は、たわみが作用している状態を示す。 実施形態１にかかる圧電センサの等価回路図である。 実施形態２にかかる圧電センサの側面図である。 実施形態２にかかる圧電センサの変形状態と電位とを模式化して示した説明図であり、（ａ）は、たわみが作用していない状態、（ｂ）は、たわみが作用している状態を示す。 実施形態３にかかる圧電センサの側面図である。 実施形態３にかかる圧電センサの変形状態と電位とを模式化して示した説明図であり、（ａ）は、たわみが作用していない状態、（ｂ）は、たわみが作用している状態を示す。 実施形態４にかかる圧電センサの側面図である。

以下において、本発明の実施形態にかかる圧電センサについて、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１に、実施形態１にかかる圧電センサ１００を示す。圧電センサ１００は、基板１０と、基板１０に実装された圧電素子１１とを備えている。

圧電素子１１は、直方体状をなしており、積層体１７と、積層体１７の両端面に設けられた第１端子電極１５ａおよび第２端子電極１５ｂとを有する。第１端子電極１５ａおよび第２端子電極１５ｂは、それぞれ接合材であるはんだ１９ａ，１９ｂによって基板１０に実装されており、実装箇所以外の部分の基板１０と圧電素子１１との間には、はんだ実装の高さ分の隙間１３が形成されている。

圧電素子１１の積層体１７は、図２に示すように、上から順に、外装体１４ａ、第１検出用電極１６ａ、圧電体１２ａ、第２検出用電極１６ｂ、圧電体１２ｂ、第１検出用電極１６ｃ、外装体１４ｂが積層され、一体化された構造からなる。

より具体的には、外装体１４ａと、一方の主面に第１検出用電極１６ａが形成され、他方の主面に第２検出用電極１６ｂが形成された圧電体１２ａと、一方の主面に第１検出用電極１６ｃが形成された圧電体１２ｂと、外装体１４ｂとが、接着剤（図示せず）により接着されて一体化されている。

なお、圧電体１２ａ，１２ｂは、例えば、圧電性を備えたセラミック材料により形成されている。また、外装体１４ａ，１４ｂは、例えば、チタン酸マグネシウム等のセラミック材料や、ガラスエポキシ等の樹脂材料といった絶縁性をもった材料により形成されている。圧電体１２ａ，１２ｂおよび外装体１４ａ，１４ｂは、それぞれ矩形平板状である。また、圧電体１２ａ，１２ｂには、それぞれ分極処理が施されている。

本実施形態では、圧電体１２ａ，１２ｂの上下両主面が外装体１４ａ，１４ｂによって保持されている構造を採用している。これにより、圧電体１２ａ，１２ｂの厚み方向の変位が抑制されるため、加速度を伴う衝撃を受けた場合でも、加速度の検出を抑え、たわみをより精度よく検出することが可能になる。圧電体１２ａ，１２ｂの一方の主面が全面で保持されていれば、他方の主面は部分的な保持であっても良いし、更には他方の主面の保持は省略しても良い。

なお、たわみ検出の感度を上げ、更により精度よく検出するためには、外装体１４ａ，１４ｂとして、圧電体１２ａ，１２ｂよりもヤング率の高いものを用いることが好ましい。

本実施形態の圧電センサ１００においては、第１検出用電極１６ａ，１６ｃが、積層体１７の一方の端面、および、その両側に続く２つの側面から外部に引き出されている。同様に、第２検出用電極１６ｂが、積層体１７の他方の端面、および、その両側に続く２つの側面から外部に引き出されている。

すなわち、図３に示すように、第１検出用電極１６ａ，１６ｃ、および第２検出用電極１６ｂは、それぞれ、Ｔ字状に、積層体１７の３つの面から外部に引き出されている。

したがって、第１検出用電極１６ａ，１６ｃと第１端子電極１５ａとは、端面だけでなく側面の一部でも接続されているため、電気的な接続信頼性が高い。また、第２検出用電極１６ｂと第２端子電極１５ｂとは、端面だけでなく側面の一部でも接続されているため、電気的な接続信頼性が高い。また、第１検出用電極１６ａ，１６ｃ、および第２検出用電極１６ｂは、それぞれ、Ｔ字状であるため、第１端子電極１５ａおよび第２端子電極１５ｂとの接続部以外では積層体１７の外表面に露出しない。そのため、湿気等の外部環境の影響を受けにくい。

図４は、タイヤ３８に基板１０側で取り付けられた圧電センサ１００が、タイヤの変形を検出している状態を示す。圧電センサ１００は、主に、空気圧変動によるタイヤ３８の変形や路面状態におけるタイヤの変形によって生じる基板のたわみを検知する。

図４に示すように、タイヤ３８を地面に接地させた場合には、タイヤ３８が変形するため、基板１０が地面から垂直上向き方向にたわみ、そのたわみが圧電素子１１を地面から垂直上向き方向にたわませる。基板１０および圧電素子１１のたわみの大きさは、タイヤ３８の変形の大きさに依存する。

なお、タイヤ３８は取り付けられた自動車などの進行に合わせて回転し、圧電センサ１００の取り付けられた部分は周期的に接地する。したがって、圧電センサ１００は、周期的なタイヤの変形を検出することが可能である。

図１に示すように、圧電センサ１００は、圧電素子１１が、第１端子電極１５ａと第２端子電極１５ｂとの二ヵ所で基板１０に実装されている。そして、平面方向に見た場合、基板１０の大きさは圧電素子１１の大きさよりも大きい。したがって、圧電センサ１００では、基板１０のたわみが、増幅されて圧電素子１１をたわませる。そして、圧電素子１１のたわみの大きさを、第１検出用電極１６ａ，１６ｃ、および第２検出用電極１６ｂから電気信号として検出する。圧電センサ１００は、基板１０のたわみが増幅されて圧電素子１１がたわみ、その圧電素子１１のたわみを電気信号として検出するため感度が高い。

また、図１に示すように、圧電センサ１００は、基板１０と圧電素子１１との間に隙間１３が形成されている。この隙間１３は、圧電センサ１００が、タイヤ３８から直接的に伝わる外部衝撃や振動などのノイズを検出しないようにする機能を果たす。圧電センサ１００は、外部衝撃や振動などのノイズを検出せず、たわみのみを高感度に検出することが可能になっている。

圧電センサ１００は、感度が高いので、小型に形成することができる。また、基板１０に他の電子部品を実装することで、周辺回路を一体化してモジュール化することも容易である。

次に、たわみの有無における電荷の発生の理論について、図５と図６とを用いて説明する。

図５（ａ）は、圧電センサ１００に、たわみが作用していない状態を示す。本実施形態のような圧電センサは、苛酷な温度変化が生じる環境で使用されることが多い。その為、熱によって、電荷が発生する現象、すなわち焦電が起きることがあり、この焦電によって発生した電荷が、たわみによって発生した電荷と混合されてしまうことがある。その為、焦電による影響は、少なくすることが好ましい。

そこで、本実施形態の圧電センサ１００では、図５（ａ）に示すように、端子電極１５ａ，１５ｂと、検出用電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、を設け、２層で検出することにより、図６に示すような回路を構成し、焦電による影響を受けないようにしている。すなわち、この回路は、２層の検知部分を並列に接続することにより、焦電による電荷を打ち消すようにしている。したがって、たわみによる電荷のみを検出することが可能になっている。

一方で、たわみが作用している場合の圧電センサ１００には、図５（ｂ）に示すような変形が生じる。図５（ｂ）に示すように、圧電体１２ａ，１２ｂには引っ張り応力Ｐｔが発生する。圧電体１２ａでは、検出用電極１６ａが設けられている側と、検出用電極１６ｂが設けられている側とには、分極方向と引っ張り応力Ｐｔとの関係に基づいて正（＋）および負（−）の電荷が発生する。同様に、圧電体１２ｂでは、検出用電極１６ｂが設けられている側と、検出用電極１６ｃが設けられている側とには、分極方向と引っ張り応力Ｐｔとの関係に基づいて、正および負電荷が発生する。

これより、端子電極１５ａには、検出用電極１６ａが設けられている側に発生した正電荷と、検出用電極１６ｃが設けられている側に発生した負電荷とが伝わるが、検出用電極１６ｃが設けられている側に発生した負電荷は比較的小さいために、検出用電極１６ａが設けられている側に発生した正電荷と打ち消しあい、結果として正電荷が端子電極１５ａに伝わる。同様に、端子電極１５ｂには、検出用電極１６ｂが設けられている側に発生した負電荷と正電荷とが伝わるが、正電荷は比較的小さいために、負電荷と打ち消しあい、結果として残りの負電荷が端子電極１５ｂに伝わる。これより、両端面に電位差が生じ、基板のたわみを検知することが可能となる。

以上の構造からなる実施形態１にかかる圧電センサ１００は、例えば、以下の手順に従って作製することができる。

まず、セラミックなどの圧電体１２ａに検出用電極１６ａ，１６ｂを、またセラミックなどの圧電体１２ｂに検出用電極１６ｃを、それぞれスクリーン印刷によって形成する。

次に、圧電体１２ａ，１２ｂを一体焼成した後、分極方向が所望の向きとなる分極処理を施す。

その後、一体焼成された圧電体１２ａ，１２ｂの両主面にエポキシ樹脂などの接着剤を塗り、外装体１４ａと、圧電体１２ａ，１２ｂと、外装体１４ｂとを、積層して一体に接合する。これより、積層体１７が作製される。

次に、積層体１７の両端面に、スパッタリング法などにより、例えばＡｇなどの薄膜を形成し、その薄膜上に金属めっきを施すなどして、端子電極１５ａ，１５ｂを形成する。これより、圧電素子１１が得られる。

最後に、圧電素子１１を基板１０にはんだで実装することで圧電センサ１００を完成させる。

本実施形態においては、第１検出用電極および第２検出用電極をＴ字状としたが、必ずしもそのように構成する必要はなく、変形例としては、Ｉ字状など他の形状とすることができる。

（実施形態２）
図７に、実施形態２にかかる圧電センサ２００を示す。

圧電センサ２００は、実施形態１の圧電素子１１に代えて、一枚の圧電体２２からなる圧電素子２１を備えている。圧電素子２１は、実施形態１と同様に、積層体２７と、第１端子電極２５ａおよび第２端子電極２５ｂとを有する。積層体２７は、図８（ａ）に示すように、上から順に、外装体２４ａ、第１検出用電極２６ａ、圧電体２２、第２検出用電極２６ｂ、外装体２４ｂが積層され、一体化された構造からなる。第１端子電極２５ａおよび第２端子電極２５ｂは、それぞれ接合材であるはんだ２９ａ、２９ｂによって基板２０に実装されており、実装箇所以外の部分の基板２０と圧電素子２１との間には、はんだ実装の高さ分の隙間２３が形成されている。

より具体的には、外装体２４ａと、一方の主面に第１検出用電極２６ａが形成され、他方の主面に第２検出用電極２６ｂが形成された圧電体２２と、外装体２４ｂとが、接着剤（図示せず）により接着されて一体化されている。

以上よりなる圧電センサ２００は、実施形態１と比較すると、使用する圧電体や検出用電極の数が少ない為、低コストかつ簡単に圧電センサ２００を作成することが可能である。

（実施形態３）
図９に、実施形態３にかかる圧電センサ３００を示す。

圧電センサ３００は、実施形態１の圧電素子１１に代えて、三枚の圧電体３２ａ，３２ｂ，３２ｃからなる圧電素子３１を備えている。圧電素子３１は、実施形態１と同様に、積層体３７と、第１端子電極３５ａおよび第２端子電極３５ｂとを有する。積層体３７は、図１０（ａ）に示すように、上から順に、外装体３４ａ、第１検出用電極３６ａ、圧電体３２ａ、第２検出用電極３６ｂ、圧電体３２ｂ、第２検出用電極３６ｃ、圧電体３２ｃ、第１検出用電極３６ｄ、外装体３４ｂが積層され、一体化された構造からなる。第１端子電極３５ａおよび第２端子電極３５ｂは、それぞれ接合材であるはんだ３９ａ、３９ｂによって基板３０に実装されており、実装箇所以外の部分の基板３０と圧電素子３１との間には、はんだ実装の高さ分の隙間３３が形成されている。

より具体的には、外装体３４ａと、一方の主面に第１検出用電極３６ａが形成され、他方の主面に第２検出用電極３６ｂが形成された圧電体３２ａと、一方の主面に第２検出用電極３６ｃが形成された圧電体３２ｂと、一方の主面に第１検出用電極３６ｄが形成された圧電体３２ｃと、外装体３４ｂとが、接着剤（図示せず）により接着されて一体化されている。

圧電体３２ａ，３２ｂ，３２ｃには、それぞれ分極処理が施されている。ここで、圧電体３２ａ，３２ｃに挟まれた圧電体３２ｂは、圧電体として機能しないため、圧電体３２ｂは分極処理していない圧電体、または絶縁体を用いることもできる。

なお、圧電センサ３００も、第１実施形態にかかる圧電センサ１００と同様に、焦電による電荷を打ち消すことができる。

本実施形態にかかる圧電センサ３００は、実施形態１にかかる圧電センサ１００と比較して、圧電体３２ｂ分だけ圧電素子３１の背が高い。この為、実施形態１の基板１０と同程度に基板３０がたわんだ際に、圧電体３２ａのたわみは圧電体１２ａのたわみよりも大きくなる。これにより、たわみを検出する感度が高くなっている。

（実施形態４）
図１１に、実施形態４にかかる圧電センサ４００を示す。

圧電センサ４００は、実施形態１にかかる圧電センサ１００の隙間１３に、樹脂４３が充填されている。樹脂４３は、シリコーン系樹脂やゴムなどを用いることが可能である。

本実施形態にかかる圧電センサ４００は、実施形態１ないし３にかかる圧電センサ１００，２００，３００と比較して、基板４０と圧電素子４１との接合強度が向上している。

（実施形態の要約）
以上において例示した種々の実施形態にかかる圧電センサの特徴的な構成を要約すると、以下のとおりとなる。

圧電センサは、基板と、圧電素子と、を備える。上記基板は、一方の主面に一対の実装用電極が形成される。上記圧電素子は、積層体と、上記積層体の互いに異なる端面に設けられた第１端子電極および第２端子電極とを有する。上記積層体は、圧電体と、上記圧電体を挟むように設けられた第１検出用電極および第２検出用電極と、上記第１検出用電極および上記第２検出用電極の少なくとも一方の外側に積層された絶縁性の外装体とを含む。上記第１検出用電極は、上記第１端子電極に接続され、上記第２検出用電極は、上記第２端子電極に接続される。上記第１端子電極は、接合材によって上記一対の実装用電極の一方に接合されるとともに、上記第２端子電極は、接合材によって上記一対の実装用電極の他方に接合される。これにより、上記圧電素子は、上記基板に実装される。

また、上記圧電センサにあっては、上記第１検出用電極が、上記積層体の一方の端面および当該端面に接する２つの側面から引き出されることにより、上記第１端子電極に接続されてもよく、上記第２検出用電極が、上記積層体の他方の端面および当該端面に接する２つの側面から引き出されることにより、上記第２端子電極に接続されてもよい。

また、上記圧電センサにあっては、上記基板と上記圧電素子との間に隙間が形成されてもよい。

また、上記圧電センサにあっては、上記基板と上記圧電素子との間にゴムまたは樹脂が充填されてもよい。

また、以上において例示した種々の実施形態にかかる圧電素子の特徴的な構成を要約すると以下のとおりとなる。

圧電素子は、積層体と、上記積層体の互いに異なる端面に設けられた第１端子電極および第２端子電極と、を備える。上記積層体は、圧電体と、上記圧電体を挟むように設けられた第１検出用電極および第２検出用電極と、上記第１検出用電極および上記第２検出用電極の少なくとも一方の外側に積層された絶縁性の外装体と、を含む。上記第１検出用電極は、上記第１端子電極に接続され、上記第２検出用電極は、上記第２端子電極に接続さる。

今回開示した上記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。本発明の技術的範囲は請求の範囲によって画定され、また請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１００，２００，３００，４００ 圧電センサ、１０，２０，３０，４０ 基板、１１，２１，３１，４１ 圧電素子、１２ａ，１２ｂ，２２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，４２ａ，４２ｂ 圧電体、１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂ 外装体、１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ 端子電極、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，４６ａ，４６ｂ，４６ｃ 検出用電極、１７，２７，３７，４７ 積層体、３８ タイヤ、１９ａ，１９ｂ，２９ａ，２９ｂ，３９ａ，３９ｂ，４９ａ，４９ｂ はんだ、１３，２３，３３ 隙間、４３ 樹脂。

Claims (5)

1. 相対して位置する第１端面および第２端面を含む積層体と、
   前記第１端面に設けられた第１端子電極と、
   前記第２端面に設けられた第２端子電極と、を備え、
   前記積層体は、圧電体と、前記第１端面および前記第２端面を結ぶ方向と直交する方向において前記圧電体を挟むように前記圧電体に積層された第１検出用電極および第２検出用電極と、前記第１検出用電極および前記第２検出用電極の少なくとも一方の外側に位置するようにさらに積層された絶縁性の外装体とを含み、
   前記第１検出用電極が、前記第１端子電極に接続されているとともに、前記第２検出用電極が、前記第２端子電極に接続されており、
   前記外装体のヤング率が、前記圧電体のヤング率よりも高く、
   前記圧電体として、前記積層体における積層方向において積層された第１圧電体および第２圧電体を含み、
   前記第１検出用電極および前記第２検出用電極として、前記積層体における積層方向において前記第１圧電体を挟む第１圧電体側第１検出用電極および第１圧電体側第２検出用電極と、前記積層体における積層方向において前記第２圧電体を挟む第２圧電体側第１検出用電極および第２圧電体側第２検出用電極とを含み、
   前記第１圧電体側第２検出用電極が、前記第２圧電体が位置する側に配置されているとともに、前記第２圧電体側第２検出用電極が、前記第１圧電体が位置する側に配置されており、
   前記第１圧電体の分極方向と前記第２圧電体の分極方向とが、同一の方向を向いており、
   前記第１圧電体側第２検出用電極と前記第２圧電体側第２検出用電極との間に、これら第１圧電体側第２検出用電極および第２圧電体側第２検出用電極を相互に分離する層が設けられている、圧電素子。
2. 前記積層体は、当該積層体における積層方向と前記第１端面および前記第２端面を結ぶ方向とのいずれにも直交する方向に位置する一対の側面を含み、
   前記第１検出用電極が、前記第１端面と前記一対の側面とに引き出されて前記第１端子電極に接続されているとともに、前記第２検出用電極が、前記第２端面と前記一対の側面とに引き出されて前記第２端子電極に接続されている、請求項１に記載の圧電素子。
3. 請求項１または２に記載の圧電素子と、
   前記圧電素子が実装された基板と、を備え、
   前記基板は、前記圧電素子が位置する側の主面に一対の実装用電極を有し、
   前記第１端子電極が、前記一対の実装用電極の一方に接合材を介して接合されているとともに、前記第２端子電極が前記一対の実装用電極の他方に接合材を介して接合されている、圧電センサ。
4. 前記圧電素子と前記基板との間に隙間が形成されている、請求項３に記載の圧電センサ。
5. 前記圧電素子と前記基板との間にゴムまたは樹脂が充填されている、請求項３に記載の圧電センサ。