JPWO2015041016A1

JPWO2015041016A1 - 圧電素子および圧電センサ

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Publication number: JPWO2015041016A1
Application number: JP2015537620A
Authority: JP
Inventors: 尚弥松岡; 靖浩近藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP6112210B2; WO2015041016A1

Abstract

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。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。

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。

特開平１１−３３４０６２号公報特開２００６−６６９０１号公報

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。

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。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。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。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。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。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。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。

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。

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（ＡＢＯ_３）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（ＡＢＯ_３）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（ＡＢＯ_３）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）Ｏ_３］（ＰＺＴともいう）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３［チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）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（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。
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、請求項１に記載の圧電素子。
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または２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１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子。
請求項１〜４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た、請求項５に記載の圧電センサ。