JP6614242B2 - 圧電たわみセンサ及び検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板などのたわみを検出するための圧電たわみセンサ及び検出装置に関する。

従来、基板などのたわみを検出するセンサとして、例えば、下記の特許文献１に記載されているようなｄ３１モードを利用している圧電センサが知られている。

特許文献１に記載の圧電センサは、バイモルフ構造を有する。この圧電センサは、上層の圧電薄膜と下層の圧電薄膜とを有する。たわみを検出するに際しては、上層の圧電薄膜による出力及び下層の圧電薄膜による出力を測定し、例えば上層の出力を補正している。それによって、圧電センサの焦電効果により生じる上層の電荷と下層の電荷とが相殺されている。

特開昭６２−１５６５０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電センサでは、上層の出力と下層の出力とを測定する必要があり、さらに、補正回路を設けなければならなかった。従って、検出効率が悪かった。

本発明の目的は、高い検出効率でたわみを検出することができる、圧電たわみセンサ及び検出装置を提供することにある。

本発明に係る圧電たわみセンサは、平面形状が矩形または正方形であり、第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面とを有し、分極軸方向が前記第１及び第２の主面に平行であり、かつ前記矩形または正方形のいずれかの辺に沿う方向である第１の圧電板と、前記第１の圧電板の前記第１の主面に設けられており、前記第１の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第１の電極非形成領域を隔てて、前記第１の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第１，第２の分割電極と、前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられており、前記第１の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第２の電極非形成領域を隔てて、前記第１の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第３，第４の分割電極とを備え、前記第１の圧電板及び前記第１〜第４の分割電極を有し、対向し合う第１，第２の主面、対向し合う第１，第２の側面及び対向し合う第１，第２の端面を有する圧電素子が構成されており、前記第１の分割電極と前記第３の分割電極とが前記第１の圧電板を介して対向し合っており、前記第２の分割電極と前記第４の分割電極とが前記第１の圧電板を介して対向し合っており、前記第１の分割電極と前記第４の分割電極とが電気的に接続されており、前記第２の分割電極と前記第３の分割電極とが電気的に接続されている。

本発明に係る圧電たわみセンサのある特定の局面では、前記第１の分割電極と前記第４の分割電極とを電気的に接続している第１の外部電極と、前記第２の分割電極と前記第３の分割電極とを電気的に接続している第２の外部電極とがさらに備えられている。

本発明に係る圧電たわみセンサの他の特定の局面では、前記第１，第２の電極非形成領域が、前記第１の圧電板の分極軸方向と直交する方向に延びている。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに他の特定の局面では、前記第１〜第４の分割電極が、前記圧電素子の前記第１，第２の側面に露出していない。この場合には、第１〜第４の分割電極及び第１〜第４の分割電極の間に不純物が付着し難い。よって、絶縁抵抗が低くなり難い。

本発明に係る圧電たわみセンサの別の特定の局面では、前記圧電素子が、前記第１の圧電板に積層された第２の圧電板を有し、前記第２の圧電板の分極軸方向が、前記第１の圧電板の分極軸方向とは逆方向であり、前記第２の圧電板の、前記第１の圧電板側の面とは反対側の面に、前記第２の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第３の電極非形成領域を隔てて、前記第２の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第５，第６の分割電極が設けられている。この場合には、圧電たわみセンサの電荷感度をより一層高めることができる。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに別の特定の局面では、前記圧電素子の前記第１の主面及び前記第２の主面の内の少なくとも一方に、パッケージ基板が積層されている。この場合には、圧電たわみセンサの強度を高めることができる。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに別の特定の局面では、前記パッケージ基板が第１，第２のパッケージ基板を有し、前記圧電素子の前記第１の主面に前記第１のパッケージ基板が積層されており、前記圧電素子の前記第２の主面に前記第２のパッケージ基板が積層されている。この場合には、圧電たわみセンサの強度をより一層高めることができる。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに別の特定の局面では、平面視したときに、前記第２の電極非形成領域の少なくとも一部に重なる位置において、前記第２のパッケージ基板に前記第１の圧電板の分極軸方向と交差する方向に延びる溝が設けられている。この場合には、検出対象のたわみによる応力が、効率よく第１の圧電板に加わる。従って、圧電たわみセンサによるたわみの検出効率をより一層高めることができ、かつ電荷感度を高めることができる。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに別の特定の局面では、前記溝が、前記第１の圧電板の分極軸方向と直交する方向に延びている。

本発明に係る圧電たわみセンサのさらに別の特定の局面では、前記溝が、前記第２のパッケージ基板において、前記第１の圧電板の分極軸方向における中央に位置している。この場合には、検出対象のたわみによる応力が、第１の圧電板に対してより一層効率的に加わる。よって、圧電たわみセンサによるたわみの検出効率をより一層高めることができる。

本発明に係る検出装置は、第１，第２の入力端と出力端とを有する演算増幅器を含むセンサ回路と、本発明に従って構成された圧電たわみセンサとを備え、前記圧電たわみセンサが前記演算増幅器の前記第１の入力端に接続されている。この場合には、静電容量が大きい圧電たわみセンサを用いているため、より一層低い周波数域の信号を検出することができる。

本発明に係る圧電たわみセンサ及び検出装置によれば、圧電たわみセンサ及び検出装置が固定される基板のたわみの検出効率を高めることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電たわみセンサの分解斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態における第１の圧電板の模式的平面図であり、図３（ｂ）は、第１の圧電板を透かして示す模式的平面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電たわみセンサの斜視図である。 図５は、たわみの検出対象である基板の電極構造の一例を示す模式的平面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る圧電たわみセンサの模式的正面断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る圧電たわみセンサの分解斜視図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例における実装基板の電極構造を示す模式的平面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例における積層体の分解斜視図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態の第６の変形例に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１３は、本発明の第１の実施形態の第７の変形例に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１５は、本発明の第３の実施形態に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。 図１６は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る圧電たわみセンサにおける溝の構成を説明するための、第２のパッケージ基板の底面図である。 図１７は、本発明の第４の実施形態に係る検出装置の回路図である。 図１８は、本発明の第５の実施形態に係る検出装置の回路図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電たわみセンサの分解斜視図である。図２は、第１の実施形態に係る圧電たわみセンサをたわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。

図１に示すように、圧電たわみセンサ１は、圧電素子２、第１，第２のパッケージ基板３，４及び第１，第２の接合材層５，６を有する。圧電素子２は、対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂ、対向し合う第１，第２の側面２ｇ，２ｈ及び対向し合う第１，第２の端面２ｅ，２ｆを有する。

圧電素子２は、平面形状が矩形である第１の圧電板１１を有する。第１の圧電板１１は、ＰＺＴなどの圧電セラミックスあるいは圧電単結晶からなる。なお、第１の圧電板１１の平面形状は、正方形であってもよい。

図２に示すように、第１の圧電板１１は、対向し合っている第１，第２の主面１１ａ，１１ｂを有する。第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐ１は、第１の圧電板１１の長さ方向に沿っている。すなわち、分極軸方向Ｐ１は、第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂに平行であり、上記矩形形状の長さ方向に延びている辺に沿う方向とされている。なお、第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐ１はこれに限定されない。分極軸方向Ｐ１は、第１の圧電板１１の平面形状である矩形形状または正方形形状のいずれかの辺に沿う方向であればよい。

なお、本実施形態では、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａは、図１に示した圧電素子２の第１の主面２ａである。第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂは、圧電素子２の第２の主面２ｂである。

圧電たわみセンサ１は、第２のパッケージ基板４側から、後述する基板１８に実装される。従って、下方に位置しているパッケージ基板を第２のパッケージ基板４とし、第１の圧電板１１において、第２のパッケージ基板４に積層されている側の主面すなわち下面を第２の主面１１ｂとする。

図３（ａ）は、第１の実施形態における第１の圧電板の模式的平面図である。図３（ｂ）は、第１の圧電板を透かして示す模式的平面図である。

図３（ａ）に示すように、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａ上には、第１，第２の分割電極１２，１３が設けられている。第１の分割電極１２と第２の分割電極１３とは、第１の電極非形成領域１１ｃを隔てて、分極軸方向Ｐ１に沿って配置されている。第１の電極非形成領域１１ｃとは、第１の分割電極１２と第２の分割電極１３とで挟まれた第１の主面１１ａ上の領域をいうものとする。この第１の電極非形成領域１１ｃは、分極軸方向Ｐ１と交差する方向、本実施形態では直交する方向に延びている。

図３（ｂ）に示すように、第２の主面１１ｂには、第３，第４の分割電極１４，１５が設けられている。第３の分割電極１４と第４の分割電極１５とは、第２の電極非形成領域１１ｄを隔てて、分極軸方向Ｐ１に沿って配置されている。第２の電極非形成領域１１ｄは、分極軸方向Ｐ１と交差する方向、本実施形態では直交する方向に延びている。第１，第２の分割電極１２，１３及び第３，第４の分割電極１４，１５は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどの金属もしくは合金からなる。

第１の分割電極１２と第３の分割電極１４とは、第１の圧電板１１を介して対向し合っている。第２の分割電極１３と第４の分割電極１５とは、第１の圧電板１１を介して対向し合っている。

図１に戻り、第１のパッケージ基板３は、対向し合っている第１，第２の主面３ａ，３ｂを有する。第２のパッケージ基板４も、対向し合っている第１，第２の主面４ａ，４ｂを有する。第１，第２のパッケージ基板３，４の平面形状は、特に限定されないが、本実施形態では、第１の圧電板１１の平面形状と等しくされている。第１，第２のパッケージ基板３，４は、アルミナなどの適宜の絶縁性セラミックスからなる。もっとも、絶縁性セラミックス以外の半導体セラミックスや圧電体セラミックスなどにより形成されてもよい。

第１のパッケージ基板３は、第１の接合材層５により、圧電素子２の第１の主面２ａに接合されている。より具体的には、第１のパッケージ基板３の第２の主面３ｂと圧電素子２の第１の主面２ａとが接合されている。第２のパッケージ基板４は、第２の接合材層６により、圧電素子２の第２の主面２ｂに接合されている。より具体的には、第２のパッケージ基板４の第１の主面４ａと圧電素子２の第２の主面２ｂとが接合されている。第１，第２の接合材層５，６は、エポキシ系接着剤などの接着剤からなる。使用する接着剤は特に限定されない。

圧電素子２及び第１，第２のパッケージ基板３，４からなる積層体には、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂが設けられている。詳細は後述するが、第１の分割電極１２と第４の分割電極１５とは、第１の外部電極１９ａを介して電気的に接続されている。第２の分割電極１３と第３の分割電極１４とは、第２の外部電極１９ｂを介して電気的に接続されている。

本実施形態の特徴は、以下の構成にある。１）第１の分割電極１２と、第１の分割電極１２と分極軸方向Ｐ１において隔てられた第２の分割電極１３に対向している第４の分割電極１５とが電気的に接続されている。２）第２の分割電極１３と、第１の分割電極１２に対向している第３の分割電極１４とが電気的に接続されている。それによって、圧電たわみセンサ１により、高い検出効率でたわみを検出することができる。これを、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂの具体的な構成とともに、以下において説明する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る圧電たわみセンサの斜視図である。

図４（ａ）に示すように、圧電たわみセンサ１は、第１の圧電板１１及び第１，第２のパッケージ基板３，４が積層されてなる積層体１０を有する。積層体１０は、長さ方向において対向し合っている第１，第２の端面１０ｅ，１０ｆを有する。ここで、長さ方向及び厚み方向に直交する方向を幅方向とする。このとき、積層体１０は、幅方向において対向し合っている第１，第２の側面１０ｇ，１０ｈを有する。

第１の端面１０ｅを覆うように、第１の外部電極１９ａが設けられている。第１の側面１０ｇにも、厚み方向に連続して第１の外部電極１９ａが設けられている。より具体的には、積層体１０の第１の側面１０ｇを構成している圧電素子２及び第１，第２のパッケージ基板３，４の部分に、第１の外部電極１９ａが連続して設けられている。積層体１０の第１の端面１０ｅ及び第１の側面１０ｇに設けられた第１の外部電極１９ａを接続するように、第１のパッケージ基板３の第１の主面３ａに、第１の外部電極１９ａが設けられている。

図１に示すように、第１の分割電極１２は、図４（ａ）に示した積層体１０の第１の側面１０ｇに引き出されている。それによって、第１の分割電極１２は、第１の外部電極１９ａに接続されている。図２に示すように、第４の分割電極１５も、第１の端面１０ｅに設けられた第１の外部電極１９ａに接続されている。このように、第１の分割電極１２と第４の分割電極１５とは、第１の外部電極１９ａを介して接続されている。

他方、図４（ｂ）に示すように、第２の外部電極１９ｂは、積層体１０の第２の端面１０ｆ、第２の側面１０ｈ及び第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂに設けられている。この第２の外部電極１９ｂを介して、図２に示した第２の分割電極１３と第３の分割電極１４とが電気的に接続されている。

第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂには、積層体１０の第１，第２の端面１０ｅ，１０ｆに設けられた第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂにそれぞれ連なるように、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂが設けられている。なお、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂの電極パターンは上記に限定されない。

図２を参照して、圧電たわみセンサ１のたわみ検出動作を説明する。

圧電たわみセンサ１は、第２のパッケージ基板４側からたわみの検出対象としての基板１８上に面実装されている。より具体的には、接合材層１６，１７を介して、圧電たわみセンサ１が、基板１８上に面実装されている。接合材層１６，１７としては、接着剤や半田などの適宜の接合材を用いることができる。

基板１８において、矢印Ｂ１，Ｂ２で示すように基板１８がたわんだとする。この場合、長さ方向一端側では、矢印Ｂ１で示す方向に基板１８が伸長する。長さ方向他端側では、矢印Ｂ２で示すように基板１８が伸長する。このようなたわみが発生した場合、上記たわみによる応力が、第２のパッケージ基板４を介して、第１の圧電板１１に加わる。このとき、矢印Ｂ１で示す方向に基板１８が伸長している部分の上方における第２のパッケージ基板４の部分が、同じ方向に伸長する。

第２のパッケージ基板４が矢印Ｂ１で示す方向に伸長する部分は、平面視において、第１の分割電極１２と第３の分割電極１４とが対向している領域を含む。従って、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂにおける第３の分割電極１４が設けられている部分は、矢印Ａ３で示す方向に伸長する。

上記たわみの発生に際し、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａにおける第１の分割電極１２が設けられている部分は、矢印Ａ３と逆方向、すなわち矢印Ａ１で示す方向に収縮する。

他方、平面視において第２の分割電極１３と第４の分割電極１５とが対向している領域では、基板１８は矢印Ｂ２で示す方向に伸長する。従って、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂにおける第４の分割電極１５が設けられている部分は、矢印Ｂ２と同じ方向である、矢印Ａ４で示す方向に伸長する。第１の主面１１ａにおける第２の分割電極１３が設けられている部分は、矢印Ａ４と逆方向である矢印Ａ２で示す方向に収縮する。

従って、第１の圧電板１１では、第１，第３の分割電極１２，１４が対向している領域と、第２，第４の分割電極１３，１５が対向している領域とでは、逆方向の応力が生じる。よって、第１の圧電板１１において第１の分割電極１２が設けられている部分では正の電荷が発生し、第２の分割電極１３が設けられている部分では負の電荷が発生する。第１の圧電板１１において第３の分割電極１４が設けられている部分では負の電荷が発生し、第４の分割電極１５が設けられている部分では正の電荷が発生する。

ここで、第１の分割電極１２と第４の分割電極１５とは第１の外部電極１９ａにより電気的に接続されており、第２の分割電極１３と第３の分割電極１４とは第２の外部電極１９ｂにより電気的に接続されている。よって、第１の外部電極１９ａと第２の外部電極１９ｂとから、基板１８のたわみに応じた電位を出力することができる。

本実施形態では、第１，第３の分割電極１２，１４の対向部と第２，第４の分割電極１３，１５の対向部とが並列に接続されている。よって、静電容量を効果的に大きくすることができ、かつ圧電たわみセンサ１の電荷感度を効果的に高めることができる。従って、圧電たわみセンサ１による基板１８のたわみの検出効率を効果的に高めることができる。

しかも、第１〜第４の分割電極１２〜１５の出力により、上記たわみを検出することができるので、複雑な補正回路も必要としない。加えて、静電容量が大きいため、圧電たわみセンサ１を回路に接続した場合には、回路からのノイズの影響を受け難い。

本実施形態では、第１，第２のパッケージ基板３，４を有するため、圧電たわみセンサ１の強度を高めることができる。第１，２のパッケージ基板３，４の弾性率は、第１の圧電板１１の弾性率よりも高いことが好ましい。それによって、圧電たわみセンサ１の強度をより一層高めることができる。

図３（ａ）に示すように、第１の分割電極１２は、圧電素子２の第１の側面２ｇに引き出されているが、図４（ａ）に示したように、第１の外部電極１９ａに接続され、かつ覆われている。第１の分割電極１２の上記引き出されている部分以外は、第１，第２の側面２ｇ，２ｈに至っていない。よって、第１の分割電極１２は、圧電素子２の第１，第２の側面２ｇ，２ｈに露出していない。同様に、第２の分割電極１３も、圧電素子２の第１，第２の側面２ｇ，２ｈに露出していない。さらに、図３（ｂ）に示す第３，第４の分割電極１４，１５も、第１，第２の側面２ｇ，２ｈに露出していない。それによって、第１〜第４の分割電極１２〜１５に不純物が付着し難い。よって、絶縁抵抗が低くなり難い。

同様に、第１〜第４の分割電極１２〜１５は、第１，第２の端面２ｅ，２ｆにも露出していない。よって、絶縁抵抗がより一層低くなり難い。

ところで、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂの電極パターンや外部との接続の形態は、特に限定されない。以下において、第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂの外部との接続の例を示す。

例えば、下記の図５に示すように、検出対象である基板１８に、外部に接続される電極ランドが構成されていてもよい。

図５は、たわみの検出対象である基板の電極構造の一例を示す模式的平面図である。

基板１８上には、第１，第２の電極ランド７ａ，７ｂが設けられている。第１，第２の電極ランド７ａ，７ｂはそれぞれ外部に接続される。一点鎖線で示す位置に、圧電たわみセンサ１が固定される。図２に示した第１の外部電極１９ａは、圧電たわみセンサ１の基板１８への固定に際し、第１の電極ランド７ａに接続される。第２の外部電極１９ｂは第２の電極ランド７ｂに接続される。

例えば、図２に示した接合材層１６，１７に半田や導電性接着材などを用いる場合には、接合材層１６，１７により第１，第２の外部電極１９ａ，１９ｂと第１，第２の電極ランド７ａ，７ｂとがそれぞれ電気的に接続される。

あるいは、検出対象としての基板１８には、第１，第２の電極ランド７ａ，７ｂは設けられていなくともよい。例えば、図６に示す第１の実施形態の第１の変形例のように、積層体１０が、第１，第２の電極ランド７ａ，７ｂを有する実装基板６８に実装されていてもよい。実装基板６８の材料は特に限定されないが、ガラスエポキシ基板が好適に用いられる。

この場合には、積層体１０は、実装基板６８を介して検出対象に固定される。平面視において、実装基板６８は積層体１０よりも長さ方向及び幅方向の寸法が大きい。よって、実装基板６８がたわみ易いので、第１の圧電板１１を容易に変形させることができる。従って、圧電たわみセンサ６１によるたわみの検出効率を効果的に高めることができる。

下記の第１の実施形態の第２〜第７の変形例においても、第１の実施形態と同様に、圧電たわみセンサによるたわみの検出効率を高めることができる。

第１，第２の外部電極は、例えば、下記に示す第１の実施形態の第２の変形例のようにパターニングされていてもよい。より具体的には、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す圧電たわみセンサ７１のように、第１，第２の外部電極７９ａ，７９ｂのいずれも、上記積層体の第１，第２の側面の両方に設けられていてもよい。第１の分割電極１２は、第１，第２の側面の両方に引き出されており、第１，第２の側面において第１の外部電極７９ａに接続されている。同様に、第２の分割電極１３も、第１，第２の側面において第２の外部電極７９ｂに接続されている。

第１の外部電極７９ａは、積層体の第１の端面にも設けられている。第１，第２の側面及び第１の端面に設けられた第１の外部電極７９ａは、第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂに設けられた第１の外部電極７９ａにより接続されている。他方、第２の外部電極７９ｂは、積層体の第２の端面にも設けられている。第１，第２の側面及び第２の端面に設けられた第２の外部電極７９ｂは、第１のパッケージ基板３の第１の主面３ａに設けられた第２の外部電極７９ｂにより接続されている。

各第１の外部電極または各第２の外部電極は、必ずしも上記積層体において接続されていなくともよい。例えば、第１の実施形態の第３の変形例に係る圧電たわみセンサは、図８に示す実装基板８８を有する。この実装基板８８が、第１の外部電極同士を接続する接続配線８７ｃを有していてもよい。この場合には、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように第１，第２の外部電極８９ａ，８９ｂが構成されていてもよい。

より具体的には、第１の外部電極８９ａは、上記積層体の第１，第２の端面に設けられており、第１，第２の側面には設けられていない。第１，第４の分割電極１２，１５は、それぞれ第１，第２の端面に引き出されており、第１の外部電極８９ａに接続されている。第１，第２の端面に設けられた第１の外部電極８９ａに連なるように、第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂにも第１の外部電極８９ａが設けられている。

上記積層体は、第２のパッケージ基板４側から、図８に示した実装基板８８に実装されている。第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂに設けられた各第１の外部電極８９ａは、第１の電極ランド８７ａ１，８７ａ２にそれぞれ接続されている。第１の電極ランド８７ａ１，８７ａ２は、接続配線８７ｃにより接続されている。よって、各第１の外部電極８９ａは、接続配線８７ｃにより接続されている。

他方、第２の外部電極８９ｂは、積層体の第１，第２の側面に設けられている。第１，第２の側面に設けられた第２の外部電極８９ｂ同士をそれぞれ接続するように、第１のパッケージ基板３の第１の主面３ａ及び第２のパッケージ基板４の第２の主面４ｂにも第２の外部電極８９ｂが設けられている。第２の外部電極８９ｂは、図８に示した実装基板８８の第２の電極ランド８７ｂに接続されている。

第１の実施形態では、図２に示すように、第１，第２のパッケージ基板３，４を有するが、これに限られず、例えば、下記の図１０〜図１２に示す構成であってもよい。なお、図１０〜図１２においては、第１，第２の外部電極を省略している。

図１０に示す第１の実施形態の第４の変形例に係る圧電たわみセンサ９１Ａのように、第２のパッケージ基板が設けられておらず、かつ第１のパッケージ基板３が設けられていてもよい。あるいは、図１１に示す第１の実施形態の第５の変形例に係る圧電たわみセンサ９１Ｂのように、第１のパッケージ基板が設けられておらず、かつ第２のパッケージ基板４が設けられていてもよい。第４，第５の変形例においては、圧電たわみセンサ９１Ａ，９１Ｂを低背化することができる。さらに、用いる部材を少なくすることができるため、生産性を高めることができる。

図１２に示す第１の実施形態の第６の変形例に係る圧電たわみセンサ９１Ｃのように、第１，第２のパッケージ基板が設けられておらずともよい。この場合には、圧電たわみセンサ９１Ｃをより一層低背化することができ、かつ生産性を高めることができる。もっとも、図２に示す第１の実施形態のように、第１，第２のパッケージ基板３，４を有することが好ましい。それによって、圧電たわみセンサ１の強度を効果的に高めることができる。

図１３に示す第１の実施形態の第７の変形例のように、積層体１０は、基板１８に固定される面以外が樹脂層１０８により覆われていてもよい。それによって、圧電たわみセンサ１０１の強度をより一層高めることができる。加えて、外部環境の影響を受け難くすることができる。なお、例えば、図１０及び図１１に示した、第１，第２のパッケージ基板３，４の内の一方を有しない場合においても、樹脂層１０８が設けられていてもよい。図１２に示した、第１，第２のパッケージ基板３，４のいずれも有しない場合においても、樹脂層１０８が設けられていてもよい。

図１４は、第２の実施形態に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。

圧電たわみセンサ２１は、圧電素子２２が第１の圧電板１１に積層された第２の圧電板２３を有する点で、第１の実施形態と異なる。上記以外の点においては、圧電たわみセンサ２１は、第１の実施形態の圧電たわみセンサ１と同様の構成を有する。

より具体的には、第２の圧電板２３は、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａ側に積層されている。なお、第２の圧電板２３は、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂ側に積層されていてもよい。

第２の圧電板２３の分極軸方向Ｐ２は、第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐ１とは逆方向である。第２の圧電板２３の、第１の圧電板１１側とは反対側の主面２３ａには、第５，第６の分割電極２４，２５が設けられている。第５，第６の分割電極２４，２５は、第３の電極非形成領域２３ｃを隔てて、分極軸方向Ｐ２に沿って配置されている。第３の電極非形成領域２３ｃは、分極軸方向Ｐ２と交差する方向、本実施形態では直交する方向に延びている。

第５の分割電極２４は、第１，第３の分割電極１２，１４と厚み方向において対向するように設けられている。第６の分割電極２５は、第２，第４の分割電極１３，１５と厚み方向において対向するように設けられている。

第２の圧電板２３の第５の分割電極２４が設けられている部分では、検出対象である基板１８にたわみが生じたとき、矢印Ａ３とは逆方向である矢印Ａ５に示す方向に収縮する。よって、第２の圧電板２３における第５の分割電極２４が設けられている部分では、負の電荷が発生する。第５の分割電極２４は、第３の分割電極１４と同様に、第２の外部電極１９ｂに接続されている。

他方、第２の圧電板２３の第６の分割電極２５が設けられている部分では、矢印Ａ４とは逆方向である矢印Ａ６で示す方向に収縮する。よって、第２の圧電板２３における第６の分割電極２５が設けられている部分では、正の電荷が発生する。第６の分割電極２５は、第４の分割電極１５と同様に、第１の外部電極１９ａに接続されている。

本実施形態においても、圧電たわみセンサ２１によるたわみの検出効率を高めることができる。さらに、圧電素子２２が上述したような積層構造を有するため、静電容量をより一層大きくすることができ、圧電たわみセンサ２１の電荷感度をより一層高めることができる。

第２の実施形態においては、圧電素子が第１，第２の圧電体を有する２層の積層体である場合を示したが、圧電素子は３層以上の積層体であってもよい。

図１５は、第３の実施形態に係る圧電たわみセンサを、たわみの検出対象である基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。

圧電たわみセンサ４１は、第２のパッケージ基板４４が、第１の分割パッケージ基板４４Ａと第２の分割パッケージ基板４４Ｂとに溝８を隔てて分割されている点で、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、圧電たわみセンサ４１は、第１の実施形態の圧電たわみセンサ１と同様の構成を有する。

溝８は、平面視したときに、上記第２の電極非形成領域１１ｄの少なくとも一部に重なる位置において、分極軸方向Ｐ１と交差する方向、本実施形態では直交する方向に延びている。

溝８は、厚み方向において第２のパッケージ基板４４の全厚みに至っている。さらに、溝８は、幅方向において第２のパッケージ基板４４の全幅に至っている。従って、第２のパッケージ基板４４が、第１の分割パッケージ基板４４Ａと、第２の分割パッケージ基板４４Ｂとに分割されている。

溝８が設けられているため、上記基板１８のたわみによる応力が、効率よく第１の圧電板１１に加わる。従って、圧電たわみセンサ４１によるたわみの検出効率をより一層高めることができ、かつ電荷感度をより一層高めることができる。

溝８は、第２のパッケージ基板４４において、分極軸方向Ｐ１における中央に位置していることが好ましい。それによって、基板１８のたわみによる応力が、第１の圧電板１１に対してより一層効率的に加わる。

本実施形態では、溝８は第２のパッケージ基板４４を分割するように幅方向において全幅に至っている。しかしながら、溝８は、第２のパッケージ基板４４の幅方向寸法よりも短くてもよい。すなわち、溝８の一端及び他端が、第２のパッケージ基板４４の幅方向一端及び他端よりも幅方向において内側に位置していてもよい。また、図１６に示す第３の実施形態の変形例のように、第２のパッケージ基板４４の幅方向一端から延びる溝８Ａと、幅方向他端から延びる溝８Ｂとを設けてもよい。

さらに、溝８は第２のパッケージ基板４４において、第２のパッケージ基板４４の圧電素子２側の主面に至らないように設けられていてもよい。すなわち、溝８は、第２のパッケージ基板４４の基板１８側の主面から、圧電素子２に向かう方向に延びる任意の深さに形成することができる。

図１７は、第４の実施形態に係る検出装置の回路図である。

検出装置５０Ａはセンサ回路を有する。該センサ回路は、演算増幅器５９を有する。演算増幅器５９は、第１，第２の入力端５９ａ，５９ｂ及び出力端５９ｃを有する。第１の入力端５９ａとグラウンド電位との間には、圧電たわみセンサ１が接続されている。圧電たわみセンサ１に並列に抵抗Ｒが接続されている。第２の入力端５９ｂは出力端５９ｃに接続されている。検出装置５０Ａでは、圧電たわみセンサ１の出力が演算増幅器５９により増幅されて、出力端５９ｃから取り出される。

本実施形態では、圧電たわみセンサ１を用いているため、検出装置５０Ａによるたわみの検出効率を高めることができる。

検出装置５０Ａのセンサ回路では、圧電たわみセンサ１の静電容量が大きいほど、検出装置５０Ａのカットオフ周波数が低くなる。よって、静電容量が大きい圧電たわみセンサ１を用いることにより、より一層低い周波数域の信号を検出することができる。従って、検出装置５０Ａは、速度が遅いたわみを検出することができる。

検出装置５０Ａは補正回路を必要としない。さらに、検出装置５０Ａの上記センサ回路は、圧電たわみセンサ１、抵抗Ｒ及び演算増幅器５９により構成されている。従って、検出装置５０Ａの部品数を削減することができる。

図１８は、第５の実施形態に係る検出装置の回路図である。

検出装置５０Ｂのセンサ回路においては、演算増幅器５９の第１の入力端５９ａとグラウンド電位との間には、圧電たわみセンサ１が接続されている。第２の入力端５９ｂと出力端５９ｃとの間には、コンデンサＣ及び抵抗Ｒが互いに並列に接続されている。

本実施形態においても、第４の実施形態と同様に圧電たわみセンサ１を用いているため、検出装置５０Ｂによるたわみの検出効率を高めることができる。

検出装置５０Ｂのセンサ回路においては、低域側のカットオフ周波数が圧電たわみセンサ１の静電容量及び絶縁抵抗の影響を受けない。よって、より一層低い周波数域の信号を検出することができる。従って、検出装置５０Ｂは、より一層速度が遅いたわみを検出することができる。

１…圧電たわみセンサ
２…圧電素子
２ａ，２ｂ…第１，第２の主面
２ｅ，２ｆ…第１，第２の端面
２ｇ，２ｈ…第１，第２の側面
３，４…第１，第２のパッケージ基板
３ａ，４ａ…第１の主面
３ｂ，４ｂ…第２の主面
５，６…第１，第２の接合材層
７ａ，７ｂ…第１，第２の電極ランド
８，８Ａ，８Ｂ…溝
１０…積層体
１０ｅ，１０ｆ…第１，第２の端面
１０ｇ，１０ｈ…第１，第２の側面
１１…第１の圧電板
１１ａ，１１ｂ…第１，第２の主面
１１ｃ，１１ｄ…第１，第２の電極非形成領域
１２，１３…第１，第２の分割電極
１４，１５…第３，第４の分割電極
１６，１７…接合材層
１８…基板
１９ａ，１９ｂ…第１，第２の外部電極
２１…圧電たわみセンサ
２２…圧電素子
２３…第２の圧電板
２３ａ…主面
２３ｃ…第３の電極非形成領域
２４，２５…第５，第６の分割電極
４１…圧電たわみセンサ
４４…第２のパッケージ基板
４４Ａ，４４Ｂ…第１，第２の分割パッケージ基板
５０Ａ，５０Ｂ…検出装置
５９…演算増幅器
５９ａ，５９ｂ…第１，第２の入力端
５９ｃ…出力端
６１…圧電たわみセンサ
６８…実装基板
７１…圧電たわみセンサ
７９ａ，７９ｂ…第１，第２の外部電極
８７ａ１，８７ａ２…第１の電極ランド
８７ｂ…第２の電極ランド
８７ｃ…接続配線
８８…実装基板
８９ａ，８９ｂ…第１，第２の外部電極
９１Ａ〜９１Ｃ…圧電たわみセンサ
１０１…圧電たわみセンサ
１０８…樹脂層

Claims (10)

1. 平面形状が矩形または正方形であり、第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面と、を有し、分極軸方向が前記第１及び第２の主面に平行であり、かつ前記矩形または正方形のいずれかの辺に沿う方向である第１の圧電板と、
   前記第１の圧電板の前記第１の主面に設けられており、前記第１の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第１の電極非形成領域を隔てて、前記第１の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第１，第２の分割電極と、
   前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられており、前記第１の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第２の電極非形成領域を隔てて、前記第１の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第３，第４の分割電極と、
   を備え、
   前記第１の圧電板及び前記第１〜第４の分割電極を有し、対向し合う第１，第２の主面、対向し合う第１，第２の側面及び対向し合う第１，第２の端面を有する圧電素子が構成されており、
   前記第１の分割電極と前記第３の分割電極とが前記第１の圧電板を介して対向し合っており、前記第２の分割電極と前記第４の分割電極とが前記第１の圧電板を介して対向し合っており、
   前記第１の分割電極と前記第４の分割電極とが電気的に接続されており、前記第２の分割電極と前記第３の分割電極とが電気的に接続されており、
   前記圧電素子が、前記第１の圧電板に積層された第２の圧電板を有し、
   前記第２の圧電板の分極軸方向が、前記第１の圧電板の分極軸方向とは逆方向であり、前記第２の圧電板の、前記第１の圧電板側の面とは反対側の面に、前記第２の圧電板の分極軸方向に交差する方向に延びる第３の電極非形成領域を隔てて、前記第２の圧電板の分極軸方向に沿って配置された第５，第６の分割電極が設けられており、
   前記第１の分割電極と前記第５の分割電極とが前記第２の圧電板を介して対向し合っており、前記第２の分割電極と前記第６の分割電極とが前記第１の圧電板を介して対向し合っており、
   前記第１の分割電極と前記第４の分割電極と前記第６の分割電極とが電気的に接続されており、前記第２の分割電極と前記第３の分割電極と前記第５の分割電極とが電気的に接続されている、圧電たわみセンサ。
2. 前記第１の分割電極と前記第４の分割電極とを電気的に接続している第１の外部電極と、
   前記第２の分割電極と前記第３の分割電極とを電気的に接続している第２の外部電極と、
   をさらに備える、請求項１に記載の圧電たわみセンサ。
3. 前記第１，第２の電極非形成領域が、前記第１の圧電板の分極軸方向と直交する方向に延びている、請求項１または２に記載の圧電たわみセンサ。
4. 前記第１〜第４の分割電極が、前記圧電素子の前記第１，第２の側面に露出していない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
5. 前記圧電素子の前記第１の主面及び前記第２の主面の内の少なくとも一方に、パッケージ基板が積層されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
6. 前記パッケージ基板が第１，第２のパッケージ基板を有し、
   前記圧電素子の前記第１の主面に前記第１のパッケージ基板が積層されており、前記圧電素子の前記第２の主面に前記第２のパッケージ基板が積層されている、請求項５に記載の圧電たわみセンサ。
7. 平面視したときに、前記第２の電極非形成領域の少なくとも一部に重なる位置において、前記第２のパッケージ基板に前記第１の圧電板の分極軸方向と交差する方向に延びる溝が設けられている、請求項６に記載の圧電たわみセンサ。
8. 前記溝が、前記第１の圧電板の分極軸方向と直交する方向に延びている、請求項７に記載の圧電たわみセンサ。
9. 前記溝が、前記第２のパッケージ基板において、前記第１の圧電板の分極軸方向における中央に位置している、請求項８に記載の圧電たわみセンサ。
10. 第１，第２の入力端と出力端とを有する演算増幅器を含むセンサ回路と、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサと、
    を備え、
    前記圧電たわみセンサが前記演算増幅器の前記第１の入力端に接続されている、検出装置。

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