WO2017082104A1 - 圧電たわみセンサ - Google Patents

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進悟 千田
裕也 源明
正幸 市丸
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric deflection sensor for detecting deflection of a substrate or the like.
  • the piezoelectric sensor described in Patent Document 1 has a bimorph structure having an upper piezoelectric thin film and a lower piezoelectric thin film.
  • the output of the upper layer and the lower layer is measured, and for example, the output of the upper layer is corrected.
  • the corrected upper layer output and lower layer output are added.
  • the upper layer charge and the lower layer charge generated by the pyroelectric effect of the piezoelectric sensor are offset.
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric deflection sensor that can detect the deflection of a mounting board mounted with high detection efficiency.
  • the piezoelectric deflection sensor has a rectangular or square planar shape, has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and a polarization axis direction is A first piezoelectric plate that is parallel to the first and second main surfaces and that is in a direction along one of the sides of the rectangle or square; and provided on the first main surface of the first piezoelectric plate A piezoelectric element having a first electrode formed thereon and a second electrode provided on the second main surface of the first piezoelectric plate; and laminated on the first main surface of the piezoelectric element.
  • the first and second divided electrodes are arranged along the polarization axis direction, and the other of the first electrode and the second electrode is the first and second divided electrodes and the second divided electrode.
  • the first package substrate at a position that is opposed to at least a part of the first electrode non-formation region when viewed from above and opposed to the first electrode non-formation region via the first piezoelectric plate Is provided with a groove extending in a direction crossing the polarization axis direction.
  • the first electrode non-formation region extends in a direction orthogonal to the polarization axis direction. In this case, the deflection can be detected with higher efficiency.
  • the groove extends in a direction orthogonal to the polarization axis direction.
  • the deflection of the mounting substrate on which the piezoelectric deflection sensor is mounted can be detected with higher sensitivity.
  • the first and second divided electrodes are provided on the first main surface of the first piezoelectric plate.
  • the first and second divided electrodes are provided on the second main surface of the first piezoelectric plate.
  • the groove is positioned at the center of the first package substrate in the polarization axis direction. In this case, the deflection of the mounting substrate on which the piezoelectric deflection sensor is mounted can be detected with higher sensitivity.
  • the groove is provided so as to reach the piezoelectric element from the first package substrate.
  • the groove reaches the second package substrate.
  • the piezoelectric deflection sensor includes a second piezoelectric plate laminated on the second main surface of the first piezoelectric plate, and the polarization of the second piezoelectric plate.
  • An axial direction is opposite to the polarization axis direction of the first piezoelectric plate, and a second electrode is formed on the surface of the second piezoelectric plate on the second package substrate side in the polarization axis direction.
  • Third and fourth divided electrodes arranged with a non-formation region therebetween are provided. In this case, the sensitivity of the deflection sensor can be further increased.
  • the deflection detection efficiency of the mounting board on which the piezoelectric deflection sensor is mounted can be increased.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment of the present invention excluding external electrodes.
  • FIG. 2 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • FIG. 3A and FIG. 3B show the second main surface of the first piezoelectric plate used in the piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment and the second main surface on the first main surface. It is each typical top view for demonstrating an electrode and a 1st electrode, and a typical top view which shows the 1st piezoelectric plate through.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment of the present invention excluding external electrodes.
  • FIG. 2 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • FIG. 4 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the second embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the third embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the fourth embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • FIG. 9 is a bottom view of the first package substrate for explaining a modification of the groove in the piezoelectric deflection sensor of the present invention.
  • FIG. 10 is a bottom view of the first package substrate for explaining another modified example of the groove in the piezoelectric deflection sensor of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment of the present invention excluding external electrodes.
  • FIG. 2 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the first embodiment is mounted on a mounting substrate.
  • the piezoelectric deflection sensor 1 includes a piezoelectric element 2, first and second package substrates 3 and 4, and first and second bonding material layers 5 and 6.
  • the piezoelectric element 2 has a first piezoelectric plate 11 whose planar shape is rectangular or square. In the present embodiment, the planar shape of the first piezoelectric plate 11 is a rectangle.
  • the first piezoelectric plate 11 is made of a piezoelectric ceramic such as PZT or a piezoelectric single crystal.
  • the polarization axis direction P of the first piezoelectric plate 11 is along the length direction of the first piezoelectric plate 11. That is, the polarization axis direction P is parallel to the first main surface 11a and the second main surface 11b, and is a direction along a side extending in the length direction of the rectangular shape.
  • the piezoelectric deflection sensor 1 is mounted on a mounting board described later from the first package board 3 side. Therefore, the lower package substrate is the first package substrate 3, and the first piezoelectric plate 11 has a main surface on the side laminated on the first package substrate 3, that is, the lower surface as the first main surface. 11a.
  • the second electrode 12 is provided on the second main surface 11 b of the first piezoelectric plate 11. Further, as shown in FIG. 3B, the first main surface 11a is provided with first and second divided electrodes 13 and.
  • the first divided electrode 13 and the second divided electrode 14 constitute a first electrode facing the second electrode 12.
  • the second electrode 12 and the first and second divided electrodes 13 and 14 are made of a metal or alloy such as Cu, Ag, Al, or Au.
  • the first and second divided electrodes 13 and 14 are provided so as to face the second electrode 12 with the first piezoelectric plate 11 in between.
  • the first divided electrode 13 and the second divided electrode 14 are separated from each other in the polarization axis direction P via the first electrode non-formation region 11c.
  • region 11c shall mean the area
  • the first electrode non-formation region 11c extends in a direction crossing the polarization axis direction P, that is, a direction orthogonal to the present embodiment.
  • the lengthwise dimension of the second electrode 12, that is, the dimension along the polarization axis direction P is the length
  • the dimension perpendicular to the polarization axis direction P is the width.
  • the width of the second electrode 12 is narrower than the width of the first piezoelectric plate 11. That is, one end in the width direction and the other end in the width direction of the second electrode 12 are located inside the one end in the width direction and the other end in the width direction of the first piezoelectric plate 11.
  • One end in the width direction and the other end in the width direction of the first divided electrode 13 and the second divided electrode 14 are also wider than the one end in the width direction and the other end in the width direction of the first main surface 11a of the first piezoelectric plate 11. At the inside.
  • the one end in the length direction and the other end in the length direction of the second electrode 12 are located inside the one end in the length direction and the other end in the length direction of the first piezoelectric plate 11.
  • the first package substrate 3 is bonded to the piezoelectric element 2, that is, the first main surface 11 a side of the first piezoelectric plate 11 through the first bonding material layer 5. Yes.
  • the first package substrate 3 is divided into a first divided package substrate 3A and a second divided package substrate 3B with a groove 10 therebetween.
  • the dimensions along the width direction of the piezoelectric element 2 described above of the first divided package substrate 3A and the second divided package substrate 3B are the same as those of the piezoelectric element 2.
  • the groove 10 extends in a direction crossing the polarization axis direction P, that is, a direction orthogonal in the present embodiment, at a position overlapping at least a part of the first electrode non-formation region 11c described above in plan view. .
  • the groove 10 reaches the entire width of the first package substrate 3 in the width direction described above. Therefore, the first package substrate 3 is divided into a first divided package substrate 3A and a second divided package substrate 3B.
  • the first package substrate 3 is made of an appropriate insulating ceramic such as alumina or magnesium titanate. However, it may be formed of semiconductor ceramics or piezoelectric ceramics other than insulating ceramics.
  • the planar shape of the second package substrate 4 is the same as that of the first piezoelectric plate 11.
  • the second package substrate 4 can also be formed of the same material as the first package substrate 3.
  • the second package substrate 4 is bonded to the second main surface 11 b of the first piezoelectric plate 11 by the second bonding material layer 6.
  • the first and second bonding material layers 5 and 6 are made of an adhesive such as an epoxy adhesive.
  • the adhesive to be used is not particularly limited.
  • a first external electrode 18 is provided on one end face in the longitudinal direction of the laminate including the piezoelectric element 2 and the first and second package substrates 3 and 4.
  • the first external electrode 18 is electrically connected to the first divided electrode 13.
  • a second external electrode 19 is provided on the other end surface in the length direction of the laminate.
  • the second external electrode 19 is electrically connected to the second divided electrode 14.
  • the piezoelectric deflection sensor 1 is surface-mounted on a mounting substrate 15. More specifically, the piezoelectric deflection sensor 1 is surface-mounted on the mounting substrate 15 via the bonding material layers 16 and 17. As the bonding material layers 16 and 17, an appropriate bonding material such as an adhesive or solder can be used.
  • the first package substrate 3 of the piezoelectric deflection sensor 1 is bonded to the center of the mounting substrate 15 via the bonding material layers 16 and 17.
  • the mounting board 15 is bent in the mounting board 15 as indicated by arrows A1 and -A1.
  • the mounting substrate 15 extends from the lower side of the groove 10 in the direction indicated by the arrow A1 on one end side in the length direction, and the mounting substrate 15 extends on the other end side in the length direction as indicated by the arrow -A1.
  • the stress due to the deflection is applied to the first piezoelectric plate 11 via the first package substrate 3.
  • the first divided package substrate 3A extends in the same direction above the portion where the mounting substrate 15 extends in the direction indicated by the arrow A1.
  • the first piezoelectric plate 11 extends in the direction indicated by the arrow A2.
  • the layer portion on the second main surface 11b side of the first piezoelectric plate 11 extends in the direction opposite to the arrow A2, that is, in the direction indicated by the arrow A4.
  • the mounting substrate 15 extends in the direction indicated by the arrow -A1. Accordingly, in the portion located on the second divided package substrate 3B, the layer on the first main surface 11a side of the first piezoelectric plate 11 extends in the direction indicated by the arrow A3. On the other hand, due to the reaction, the layer on the second main surface 11b side extends in the direction indicated by the arrow A5.
  • the first piezoelectric plate 11 a reverse stress is generated in the upper part of the first divided package substrate 3A and the upper part of the second divided package substrate 3B. Therefore, positive charges are generated in the first divided electrode 13, and negative charges are generated in the second divided electrode 14.
  • a negative charge is generated above the portion extending in the direction indicated by the arrow A4, and a positive charge is generated above the portion extending in the direction indicated by the arrow A5. . Therefore, potentials generated at one end side and the other end side in the length direction of the first piezoelectric plate 11 are connected in series. Therefore, a potential corresponding to the deflection of the mounting substrate 15 can be output from the first divided electrode 13 and the second divided electrode 14.
  • the groove 10 is provided, the stress due to the deflection of the mounting substrate 15 is efficiently applied to the first piezoelectric plate 11. Therefore, detection efficiency can be increased and sensitivity can be increased. In addition, since the deflection can be detected by the outputs of the first and second divided electrodes 13 and 14, a complicated correction circuit is not required.
  • FIG. 4 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the second embodiment of the present invention is mounted on a mounting substrate.
  • the first electrode 12A is provided on the first main surface 11a.
  • the first and second divided electrodes 13 and 14 are provided on the second main surface 11b. Accordingly, the first electrode non-formation region 11c is located on the second main surface 11b.
  • the piezoelectric deflection sensor 21 of the second embodiment is the same as the piezoelectric deflection sensor 1 according to the first embodiment.
  • the first electrode 12A may be provided on the first main surface 11a, and the first and second divided electrodes 13 and 14 may be provided on the second main surface 11b side. .
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the third embodiment is mounted on a mounting substrate.
  • the second piezoelectric plate 32 is laminated on the first piezoelectric plate 11.
  • the second piezoelectric plate 32 is made of the same piezoelectric material as that of the first piezoelectric plate 11.
  • the polarization axis direction P ⁇ b> 1 is opposite to the polarization axis direction P of the first piezoelectric plate 11.
  • the first piezoelectric plate 11 and the second piezoelectric plate 32 may be integrated by an appropriate method.
  • the first piezoelectric plate 11 and the second piezoelectric plate 32 may be bonded together by an adhesive such as an epoxy resin.
  • the second piezoelectric plate 32 has a first main surface 32a on the first piezoelectric plate 11 side and a second main surface 32b on the second package substrate 4 side.
  • Third and fourth divided electrodes 33 and 34 are provided on the second main surface 32b.
  • the third and fourth divided electrodes 33 and 34 are provided at positions overlapping the first and second divided electrodes 13 and 14 in plan view. Accordingly, the second electrode non-forming region 32c is provided between the third and fourth divided electrodes 33 and 34.
  • the piezoelectric deflection sensor 31 is the same as the piezoelectric deflection sensor 1 of the first embodiment except that the structure of the piezoelectric element is configured as described above.
  • the mounting substrate 15 is bent in the same manner as in FIG. In that case, stress in the direction indicated by the arrow A2 is generated on the first piezoelectric plate 11 above the first divided package substrate 3A, and the first piezoelectric plate 11 extends in the direction of the arrow A2.
  • the second piezoelectric plate 32 extends in the direction of arrow A4.
  • the first piezoelectric plate 11 extends in the direction of arrow A3
  • the second piezoelectric plate 32 extends in the direction indicated by arrow A5.
  • positive charges are generated in the first divided electrode 13.
  • Negative charges are generated in the second divided electrode 14.
  • positive charges are generated in the third divided electrode 33.
  • a positive charge is generated in the first electrode 12 and a negative charge is generated in the fourth divided electrode 34 above the second divided package substrate 3B.
  • the first divided electrode 13 and the third divided electrode 33 are electrically connected by the first external electrode 18. Further, the second divided electrode 14 and the fourth divided electrode 34 are electrically connected by the second external electrode 19.
  • the output corresponding to the deflection of the mounting substrate 15 can be taken out from the first and second external electrodes 18 and 19. Also in this embodiment, since the groove 10 is provided, the detection efficiency can be increased. Furthermore, since it has the structure which laminated
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a piezoelectric deflection sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic front sectional view showing a state in which the piezoelectric deflection sensor according to the fourth embodiment is mounted on a mounting substrate.
  • the first piezoelectric plate 11 is divided by the groove 10. That is, as shown in FIG. 8, the groove 10 extends upward beyond the first package substrate 3 and is provided so as to divide the first piezoelectric plate 11. As described above, the groove 10 may extend beyond the first package substrate 3 to the first piezoelectric plate 11 side. Further, as indicated by a broken line E in FIG. 8, the groove 10 may be provided so as to reach the second package substrate 4.
  • the first piezoelectric plate 11 is divided into a first divided piezoelectric plate 11A and a second divided piezoelectric plate 11B.
  • a first divided electrode 13 is provided on the first main surface 11A1 of the first divided piezoelectric plate 11A.
  • a second divided electrode 14 is provided on the first main surface 11B1 of the second divided piezoelectric plate 11B.
  • a second electrode 12 is provided on the second main surface 11A2 of the first divided piezoelectric plate 11A.
  • the second electrode 12 is further provided so as to reach the second main surface 11B2 of the second divided piezoelectric plate 11B via the lower surface of the second package substrate 4.
  • the second electrode 12 reaching the second main surface 11B2 is opposed to the second divided electrode 14 via the second divided piezoelectric plate 11B.
  • the piezoelectric deflection sensor 41 is the same as the piezoelectric deflection sensor 1 except that the groove 10 is provided so as to divide the first piezoelectric plate as described above. Accordingly, also in the present embodiment, when the mounting substrate 15 is bent, stress is generated in the directions indicated by the arrows A2, A3, A4, and A5 in the first and second divided piezoelectric plates 11A and 11B. Therefore, charges are generated as shown by the positive and negative symbols in the figure. Therefore, the output corresponding to the deflection of the mounting substrate 15 can be taken out from the first and second external electrodes 18 and 19 connected to the first and second divided electrodes 13 and 14. In particular, since the groove 10 is provided so as to reach the first piezoelectric plate 11, the detection efficiency can be increased and the sensitivity can be further increased.
  • the first electrode 12 is provided so as to reach the inside of the groove or outside the groove.
  • the electrode portion on the first divided piezoelectric plate 11A and the electrode portion on the second divided piezoelectric plate 11B may be electrically connected.
  • the groove 10 reaches the full width in the width direction so as to divide the first package substrate 3.
  • the groove 10 may be shorter than the width dimension of the first package substrate 3. That is, one end and the other end of the groove 10 may be located on the inner side in the width direction with respect to the width direction one end and the other end of the first package substrate 3.
  • a groove 10A extending from one end in the width direction of the first package substrate 3 and a groove 10B extending from the other end in the width direction may be provided. As described above, the groove 10 does not have to penetrate the first package substrate 3 in the width direction.
  • the groove 10 may be provided in the first package substrate 3 up to the position indicated by the broken line C in FIG. 2, that is, not to reach the main surface of the first package substrate 3 on the piezoelectric element 2 side. Good. That is, the groove 10 can be formed at an arbitrary depth extending from the main surface of the first package substrate 3 on the mounting substrate 15 side in a direction away from the mounting substrate.
  • 2nd division electrode 15 mounting substrate 16, 17 ... bonding material layers 18 and 19 ... first and second external electrodes 21, 31 and 41 ... piezoelectric deflection sensor 32 ... second piezoelectric plates 32a and 32b ... first and second main surfaces 32c ... second Electrode non-formation regions 33, 34 ... third and fourth divided electrodes

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Abstract

実装される実装基板のたわみを高い検出効率で検出し得る、圧電たわみセンサを提供する。　平面形状が矩形または正方形である第１の圧電板１１の第１の主面１１ａに第１の接合材層５を介して第１のパッケージ基板３が接合されており、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂに第２の接合材層６を介して第２のパッケージ基板４が接合されている、圧電たわみセンサ１。第１の圧電板１１の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂの一方に第２の電極１２が、他方に第１，第２の分割電極１３，１４が設けられている。第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐは、第１及び第２の主面１１ａ，１１ｂに平行であり、かつ矩形または正方形のいずれかの辺に沿う方向である。平面視したときに、第１の分割電極１３と第２の分割電極１４との間の第１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、第１のパッケージ基板３に、分極軸方向Ｐと交差する方向に延びる溝１０が設けられている。

Description

圧電たわみセンサ
　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、上層の圧電薄膜と下層の圧電薄膜とを有するバイモルフ構造を有する。たわみを検出するに際しては、上層と下層の出力を測定し、例えば上層の出力を補正する。次に、補正された上層の出力と下層の出力とを加算する。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が相殺されている。
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、上層と下層の出力を測定する測定器及び上層または下層の出力を補正する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、高い検出効率で実装される実装基板のたわみを検出することができる、圧電たわみセンサ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の主面に設けられた第１の電極と、前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられた第２の電極とを有する圧電素子と、前記圧電素子の第１の主面に積層されている第１のパッケージ基板と、前記圧電素子の第２の主面に積層されている第２のパッケージ基板と、前記第１のパッケージ基板を前記第１の圧電板の前記第１の主面に接合している第１の接合材層と、前記第２のパッケージ基板を前記第１の圧電板の前記第２の主面に接合している第２の接合材層と、を備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の内の一方が、前記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分極軸方向に沿って配置された第１及び第２の分割電極を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の内の他方が、前記第１，第２の分割電極及び前記第１の電極非形成領域と前記第１の圧電板を介して対向しており、平面視したときに、前記第１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１のパッケージ基板に前記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。
　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の電極非形成領域が、前記分極軸方向と直交する方向に延びている。この場合には、たわみをより高い効率で検出することができる。
　本発明に係る圧電たわみセンサの他の特定の局面では、前記溝が、前記分極軸方向と直交する方向に延びている。この場合には、圧電たわみセンサが実装される実装基板のたわみをより高い感度で検出することができる。
　本発明に係る圧電たわみセンサの別の特定の局面では、前記第１及び第２の分割電極が、前記第１の圧電板の前記第１の主面に設けられている。
　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及び第２の分割電極が、前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられている。
　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、前記溝が、前記分極軸方向において前記第１のパッケージ基板の中央に位置している。この場合には、圧電たわみセンサが実装される実装基板のたわみをより高い感度で検出することができる。
　本発明に係る圧電たわみセンサのさらに他の特定の局面では、前記溝が、前記第１のパッケージ基板から前記圧電素子に至るように設けられている。
　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、前記溝が、前記第２のパッケージ基板に達している。
　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の圧電板の前記第２の主面に積層された第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の圧電板の前記分極軸方向と逆方向とされており、前記第２の圧電板の前記第２のパッケージ基板側の面に、前記分極軸方向において第２の電極非形成領域を隔てて配置された第３，第４の分割電極が設けられている。この場合には、たわみセンサの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によれば、圧電たわみセンサが実装される実装基板のたわみの検出効率を高めることができる。
図１は、外部電極を除いた本発明の第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実装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）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る圧電たわみセンサで用いられている第１の圧電板の第２の主面及び第１の主面上の第２の電極及び第１の電極を説明するための各模式的平面図及び第１の圧電板を透かして示す模式的平面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装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５は、本発明の第３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６は、本発明の第３の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装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７は、本発明の第４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８は、本発明の第４の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装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９は、本発明の圧電たわみセンサにおける溝の変形例を説明するための第１のパッケージ基板の底面図である。 図１０は、本発明の圧電たわみセンサにおける溝の他の変形例を説明するための第１のパッケージ基板の底面図である。
　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、外部電極を除いた本発明の第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実装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、平面形状が矩形もしくは正方形である第１の圧電板１１を有する。本実施形態では、第１の圧電板１１の平面形状は矩形である。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。
　第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐ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Ｐ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、圧電たわみセンサ１は、第１のパッケージ基板３側から、後述する実装基板に実装される。従って、下方に位置しているパッケージ基板を第１のパッケージ基板３とし、第１の圧電板１１において、第１のパッケージ基板３に積層されている側の主面すなわち下面を第１の主面１１ａとする。
　図１及び図３（ａ）に示すように、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂ上には、第２の電極１２が設けられている。また、図３（ｂ）に示すように、第１の主面１１ａには、第１，第２の分割電極１３，１４が設けられている。第１の分割電極１３及び第２の分割電極１４により、第２の電極１２と対向している第１の電極が構成されている。第２の電極１２及び第１，第２の分割電極１３，１４は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどの金属もしくは合金からなる。
　第１，第２の分割電極１３，１４は、第１の圧電板１１を介して第２の電極１２と対向するように設けられている。
　また、図３（ｂ）に示すように、第１の分割電極１３と第２の分割電極１４とは、上記分極軸方向Ｐにおいて第１の電極非形成領域１１ｃを介して隔てられている。第１の電極非形成領域１１ｃとは、第１の分割電極１３と第２の分割電極１４とで挟まれた第１の圧電板１１の第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、上記分極軸方向Ｐ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１において、上記第２の電極１２の長さ方向寸法、すなわち分極軸方向Ｐに沿う寸法を長さ、分極軸方向Ｐと直交する方向の寸法を幅とする。上記第２の電極１２の幅は、第１の圧電板１１の幅よりも狭くなっている。すなわち、第２の電極１２の幅方向一端及び幅方向他端は、第１の圧電板１１の幅方向一端及び幅方向他端よりも内側に位置している。第１の分割電極１３及び第２の分割電極１４の幅方向一端及び幅方向他端も、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａの幅方向一端及び幅方向他端よりも幅方向において内側に位置している。
　第２の電極１２の長さ方向一端及び長さ方向他端は、第１の圧電板１１の長さ方向一端及び長さ方向他端よりも内側に位置している。
　図１に示すように、第１の接合材層５を介して、第１のパッケージ基板３が、圧電素子２に、すなわち第１の圧電板１１の第１の主面１１ａ側に接合されている。第１のパッケージ基板３は、第１の分割パッケージ基板３Ａと、第２の分割パッケージ基板３Ｂに溝１０を隔てて分割されている。
　第１の分割パッケージ基板３Ａ及び第２の分割パッケージ基板３Ｂの前述した圧電素子２の幅方向に沿う寸法は、圧電素子２と同一とされている。
　上記溝１０は、平面視したときに、前述した第１の電極非形成領域１１ｃの少なくとも一部に重なる位置において、分極軸方向Ｐ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。
　上記溝１０は、前述した幅方向において、第１のパッケージ基板３の全幅に至っている。従って、第１のパッケージ基板３が、第１の分割パッケージ基板３Ａと、第２の分割パッケージ基板３Ｂとに分割されている。上記第１のパッケージ基板３は、アルミナやチタン酸マグネシウム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２のパッケージ基板４は、その平面形状は、第１の圧電板１１と等しくされている。第２のパッケージ基板４も、第１のパッケージ基板３と同様の材料で形成され得る。第２のパッケージ基板４は、第２の接合材層６により、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂに接合されている。
　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。
　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。上記圧電素子２及び第１，第２のパッケージ基板３，４を含む積層体の長さ方向一方端面に第１の外部電極１８が設けられている。第１の外部電極１８は、第１の分割電極１３に電気的に接続されている。また、上記積層体の長さ方向他方端面に第２の外部電極１９が設けられている。第２の外部電極１９は、第２の分割電極１４に電気的に接続されている。第１，第２の外部電極１８，１９を利用して外部と電気的に接続することにより、たわみによる出力を検出することができる。
　図２に示すように、圧電たわみセンサ１は、実装基板１５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、実装基板１５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。
　また、圧電たわみセンサ１の第１のパッケージ基板３が実装基板１５中央に上記接合材層１６，１７を介して接合されている。
　実装基板１５において、矢印Ａ１，－Ａ１で示すように実装基板１５が撓んだとする。この場合、溝１０の下方から長さ方向一端側では、矢印Ａ１で示す方向に伸長し、長さ方向他端側では、矢印－Ａ１で示すように実装基板１５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１のパッケージ基板３を介して、第１の圧電板１１に加わる。このとき、矢印Ａ１で示す方向に実装基板１５が伸長している部分の上方では、第１の分割パッケージ基板３Ａが同じ方向に伸長する。従って、第１の分割パッケージ基板３Ａ上の位置では、第１の圧電板１１は、矢印Ａ２で示す方向に伸長する。その結果、反作用として、第１の圧電板１１の第２の主面１１ｂ側の層部分では、矢印Ａ２と逆方向、すなわち矢印Ａ４で示す方向に伸長する。
　他方、第２の分割パッケージ基板３Ｂ側においては、実装基板１５は矢印－Ａ１で示す方向に伸長する。従って、第２の分割パッケージ基板３Ｂ上に位置している部分では、第１の圧電板１１の第１の主面１１ａ側の層は、矢印Ａ３で示す方向に伸長する。他方、その反作用で、第２の主面１１ｂ側の層は矢印Ａ５で示す方向に伸長する。
　従って、第１の圧電板１１では、第１の分割パッケージ基板３Ａの上方の部分と、第２の分割パッケージ基板３Ｂの上方の部分では、逆方向の応力が生じる。よって、第１の分割電極１３には、正の電荷が発生し、第２の分割電極１４では、負の電荷が発生する。第２の電極１２においては、上記矢印Ａ４で示す方向に伸長している部分の上方では負の電荷が発生し、矢印Ａ５で示す方向に伸長している部分の上方では正の電荷が発生する。従って、第１の圧電板１１の長さ方向一端側及び他端側で発生する電位が直列に接続される。よって、第１の分割電極１３と第２の分割電極１４とから、実装基板１５のたわみに応じた電位を出力することができる。
　しかも、溝１０が設けられているため、上記実装基板１５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、検出効率が高められ、かつ感度を高めることができる。しかも、上記第１及び第２の分割電極１３，１４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。
　図４は、本発明の第２の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。第２の実施形態の圧電たわみセンサ２１では、第１の主面１１ａに第１の電極１２Ａが設けられている。第２の主面１１ｂ上に、第１及び第２の分割電極１３，１４が設けられている。従って、第１の電極非形成領域１１ｃは、第２の主面１１ｂ上に位置している。
　その他の構成は、第２の実施形態の圧電たわみセンサ２１は、第１の実施形態に係る圧電たわみセンサ１と同様である。
　このように、第１の主面１１ａ上に、第１の電極１２Ａが設けられてもよく、第２の主面１１ｂ側に第１及び第２の分割電極１３，１４が設けられてもよい。
　図５は、本発明の第３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６は、第３の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。
　第３の実施形態の圧電たわみセンサ３１では、第１の圧電板１１上に、第２の圧電板３２が積層されている。第２の圧電板３２は、第１の圧電板１１と同様の圧電材料からなる。第２の圧電板３２では、分極軸方向Ｐ１は、第１の圧電板１１の分極軸方向Ｐと逆方向とされている。なお、第１の圧電板１１と、第２の圧電板３２とは、適宜の方法で一体化されておればよい。例えば、エポキシ系樹脂などの接着剤により、第１の圧電板１１と、第２の圧電板３２とが貼り合わされていてもよい。
　第２の圧電板３２は、第１の圧電板１１側の第１の主面３２ａと、第２のパッケージ基板４側の第２の主面３２ｂとを有する。第２の主面３２ｂ上に、第３，第４の分割電極３３，３４が設けられている。第３，第４の分割電極３３，３４は、平面視において、第１，第２の分割電極１３，１４と重なる位置に設けられている。従って、第３，第４の分割電極３３，３４間に、第２の電極非形成領域３２ｃが設けられている。
　圧電たわみセンサ３１は、圧電素子の構造が上記のように構成されていることを除いては、第１の実施形態の圧電たわみセンサ１と同様とされている。
　実装基板１５が図２の場合と同様に撓んだとする。その場合、第１の分割パッケージ基板３Ａの上方において、第１の圧電板１１には矢印Ａ２で示す方向の応力が生じ、矢印Ａ２方向に伸長する。第２の圧電板３２は、矢印Ａ４の方向に伸長する。他方、第２の分割パッケージ基板３Ｂの上方においては、第１の圧電板１１は、矢印Ａ３方向に伸長し、第２の圧電板３２においては、矢印Ａ５に示す方向に伸長する。
　従って、図６に記号で示すように、第１の分割電極１３には、正の電荷が発生する。第２の分割電極１４には負の電荷が発生する。第１の分割パッケージ基板３Ａの上方においては、浮き電極である第２の電極１２に負の電荷が発生し、第３の分割電極３３においては正の電荷が生じる。また、第２の分割パッケージ基板３Ｂの上方においては、第１の電極１２に正の電荷が発生し、第４の分割電極３４において負の電荷が発生することとなる。
　本実施形態では、第１の外部電極１８により、第１の分割電極１３と第３の分割電極３３とが電気的に接続されている。また、第２の外部電極１９により、第２の分割電極１４と第４の分割電極３４とが電気的に接続されている。
　従って、第１，第２の外部電極１８，１９から、実装基板１５のたわみに応じた出力を取り出すことができる。本実施形態においても、溝１０が設けられているため、検出効率を高めることができる。さらに、第１，第２の圧電板１１，３２を積層した構造を有するため、感度をより一層高めることができる。
　図７は、本発明の第４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８は、第４の実施形態に係る圧電たわみセンサを実装基板上に実装した状態を示す模式的正面断面図である。
　第４の実施形態の圧電たわみセンサ４１では、第１の圧電板１１が、溝１０により分割されている。すなわち、図８に示すように、溝１０は、第１のパッケージ基板３を越えて上方に延びており、第１の圧電板１１を分割するように設けられている。このように、溝１０は、第１のパッケージ基板３を越え、第１の圧電板１１側に至っていてもよい。また、図８に破線Ｅで示すように、第２のパッケージ基板４に至るように溝１０を設けてもよい。
　圧電たわみセンサ４１では、溝１０が上記のように設けられているので、第１の圧電板１１は第１の分割圧電板１１Ａと、第２の分割圧電板１１Ｂとに分割されている。第１の分割圧電板１１Ａの第１の主面１１Ａ１に第１の分割電極１３が設けられている。また、第２の分割圧電板１１Ｂの第１の主面１１Ｂ１に第２の分割電極１４が設けられている。第１の分割圧電板１１Ａの第２の主面１１Ａ２上に、第２の電極１２が設けられている。第２の電極１２は、さらに、第２のパッケージ基板４の下面上を経て、第２の分割圧電板１１Ｂの第２の主面１１Ｂ２に至るように設けられている。第２の主面１１Ｂ２上に至っている第２の電極１２は、第２の分割圧電板１１Ｂを介して、第２の分割電極１４と対向している。
　圧電たわみセンサ４１は、上記のように溝１０が第１の圧電板を分割するように設けられていることを除いては、圧電たわみセンサ１と同様である。従って、本実施形態においても、実装基板１５が撓んだ場合、各第１，第２の分割圧電板１１Ａ，１１Ｂにおいて、矢印Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５で示す方向に応力が生じる。よって、図示の正及び負の記号で示すように、電荷が発生する。よって、第１，第２の分割電極１３，１４に接続されている第１，第２の外部電極１８，１９から、実装基板１５のたわみに応じた出力を取り出すことができる。特に、溝１０が、第１の圧電板１１にも至るように設けられているため、検出効率を高めることができ、感度をより一層高めることが可能とされている。
　なお、図８において破線Ｅで示したように溝１０を第２のパッケージ基板４に至るように設ける場合には、第１の電極１２は溝内に至るように、あるいは溝外の部分で、第１の分割圧電板１１Ａ上の電極部分と、第２の分割圧電板１１Ｂ上の電極部分とを電気的に接続すればよい。
　前述した第１～第４の実施形態では、溝１０は第１のパッケージ基板３を分割するように幅方向に全幅に至っていた。しかしながら、図９に底面図で示すように、溝１０は、第１のパッケージ基板３の幅方向寸法よりも短くてもよい。すなわち、溝１０の一端及び他端が、第１のパッケージ基板３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１０に示すように、第１のパッケージ基板３の幅方向一端から延びる溝１０Ａと、幅方向他端から延びる溝１０Ｂを設けてもよい。このように溝１０は、幅方向において第１のパッケージ基板３を貫いておらずともよい。
　さらに、溝１０は第１のパッケージ基板３において、図２において、破線Ｃで示す位置まで、すなわち、第１のパッケージ基板３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１０は、第１のパッケージ基板３の実装基板１５側の主面から、実装基板から遠ざかる方向に延びる任意の深さに形成することができる。
１…圧電たわみセンサ
２…圧電素子
３…第１のパッケージ基板
３Ａ，３Ｂ…第１，第２の分割パッケージ基板
４…第２のパッケージ基板
５…第１の接合材層
６…第２の接合材層
１０，１０Ａ，１０Ｂ…溝
１１…第１の圧電板
１１ａ，１１ｂ…第１，第２の主面
１１ｃ…第１の電極非形成領域
１１Ａ，１１Ｂ…第１，第２の分割圧電板
１１Ａ１，１１Ｂ１…第１の主面
１１Ａ２，１１Ｂ２…第２の主面
１２…第２の電極
１２Ａ…第１の電極
１３…第１の分割電極
１４…第２の分割電極
１５…実装基板
１６，１７…接合材層
１８，１９…第１，第２の外部電極
２１，３１，４１…圧電たわみセンサ
３２…第２の圧電板
３２ａ，３２ｂ…第１，第２の主面
３２ｃ…第２の電極非形成領域
３３，３４…第３，第４の分割電極

Claims (9)

  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の主面に設けられた第１の電極と、前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられた第２の電極とを有する圧電素子と、
    　前記圧電素子の第１の主面に積層されている第１のパッケージ基板と、
    　前記圧電素子の第２の主面に積層されている第２のパッケージ基板と、
    　前記第１のパッケージ基板を前記第１の圧電板の前記第１の主面に接合している第１の接合材層と、
    　前記第２のパッケージ基板を前記第１の圧電板の前記第２の主面に接合している第２の接合材層と、
    を備え、
    　前記第１の電極及び前記第２の電極の内の一方が、前記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分極軸方向に沿って配置された第１及び第２の分割電極を有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の内の他方が、前記第１，第２の分割電極及び前記第１の電極非形成領域と前記第１の圧電板を介して対向しており、
    　平面視したときに、前記第１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１のパッケージ基板に前記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、圧電たわみセンサ。
  2. 　前記第１の電極非形成領域が、前記分極軸方向と直交する方向に延びている、請求項１に記載の圧電たわみセンサ。
  3. 　前記溝が、前記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及び第２の分割電極が、前記第１の圧電板の前記第１の主面に設けられている、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. 　前記第１及び第２の分割電極が、前記第１の圧電板の前記第２の主面に設けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
  6. 　前記溝が、前記分極軸方向において前記第１のパッケージ基板の中央に位置している、請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
  7. 　前記溝が、前記第１のパッケージ基板から前記圧電素子に至るように設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
  8. 　前記溝が、前記第２のパッケージ基板に達している、請求項１～６のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
  9. 　前記第１の圧電板の前記第２の主面に積層された第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の圧電板の前記分極軸方向と逆方向とされており、前記第２の圧電板の前記第２のパッケージ基板側の面に、前記分極軸方向において第２の電極非形成領域を隔てて配置された第３，第４の分割電極が設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の圧電たわみセンサ。
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