(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電膜と絶縁性フィルムとを積層してなる圧電体層と、
前記圧電体層の一方の主面に設けられた内部電極層と、
前記圧電体層の他方の主面に設けられた外部電極層とを含む積層体を備え、
前記積層体は、前記内部電極層が内側となるように、少なくとも１つの折り曲げ線に沿って折り曲げられており、
前記内部電極層の前記外部電極層で覆われていない部分の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記外部電極層と電気的に接続された導電性部材をさらに備え、
前記絶縁性フィルムは、前記圧電膜、前記内部電極層および前記外部電極層の少なくともいずれかと重ならない端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚い、圧電素子。
【請求項２】
前記折り曲げ線に沿って折り曲げられた前記積層体は、平面視したときの全体の形状が矩形であり、
前記矩形の１辺が前記折り曲げ線に対応し、
少なくとも前記矩形の他の３辺に対応する前記積層体の側面に前記導電性部材が設けられている、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記内部電極層の端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚い、請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記外部電極層の端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記内部電極層はスリットを有し、該スリットに対応する前記折り曲げ線に沿って前記積層体が折り曲げられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電素子を備える、圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子および圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。【０００３】
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（圧電フィルム）を用いた圧電素子の開発が進められている。特に人体に使用する圧電センサなどに用いられる圧電素子は、体動に合わせて追従する必要があるため、薄型化およびフレキシブル化が求められる。【０００４】
このような圧電素子では、圧電体の薄膜化に伴い、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。【０００５】
さらに、例えば、特許文献１（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し、その積層体を幅方向に沿って折り返して重ねることにより、別途に短絡防止膜を形成することなく、短絡の発生を防止できる圧電素子の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−６６９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、圧電フィルムで得られた信号を検出装置へ送る場合、送信ケーブルやケーブルとセンサとの間の接続部分において信号へノイズが混入する場合もあるが、センサ内部において信号へノイズが混入する場合もある。センサ内部において混入したノイズはそのまま検出装置に伝達されてしまい、正確な信号を送信する上で障害となる。特許文献１の圧電素子では、内側の電極層が外側の電極層に覆われており、外側の電極層がノイズに対するシールドとして働くが、内側の電極層は圧電体の幅方向の端部において露出しているため、この端部から信号にノイズが混入して信号の精度を低下させる虞があった。【０００８】
そこで、本発明は、薄型化およびフレキシブル化の要求に応えつつ、部品点数や組立工数を削減できる圧電素子であって、出力信号へのノイズの混入が抑制され、高精度の信号を出力することのできる圧電素子、および、それを用いた圧電センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、圧電膜と絶縁性フィルムとを積層してなる圧電体層と、
前記圧電体層の一方の主面に設けられた内部電極層と、
前記圧電体層の他方の主面に設けられた外部電極層とを含む積層体を備え、
前記積層体は、前記内部電極層が内側となるように、少なくとも１つの折り曲げ線に沿って折り曲げられており、
前記内部電極層の前記外部電極層で覆われていない部分の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記外部電極層と電気的に接続された導電性部材をさらに備える、圧電素子である。【００１０】
前記折り曲げ線に沿って折り曲げられた前記積層体は、平面視したときの全体の形状が矩形であり、
前記矩形の１辺が前記折り曲げ線に対応し、
少なくとも前記矩形の他の３辺に対応する前記積層体の側面に前記導電性部材が設けられていることが好ましい。【００１１】
前記絶縁性フィルムは、前記圧電膜、前記内部電極層および前記外部電極層の少なくともいずれかと重ならない端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚いことが好ましい。【００１２】
前記内部電極層の端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚いことが好ましい。
前記外部電極層の端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚いことが好ましい。【００１３】
前記内部電極層はスリットを有し、該スリットに対応する前記折り曲げ線に沿って前記積層体が折り曲げられていることが好ましい。【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、薄型化およびフレキシブル化の要求に応えつつ、部品点数や組立工数を削減できる圧電素子であって、出力信号へのノイズの混入が抑制され、高精度の信号を出力することのできる圧電素子、および、それを用いた圧電センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１の圧電素子の構成を説明するための概略斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面での概略断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面での概略断面図である。
【図４】図１に示す圧電素子を構成する積層体を説明するための概略断面図である。
【図５】実施形態２の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。
【図６】実施形態３の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。
【図７】実施形態４の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の圧電素子は、圧電膜と絶縁性フィルムとを積層してなる圧電体層と、圧電体層の一方の主面に設けられた内部電極層と、圧電体層の他方の主面に設けられた外部電極層とを含む積層体を備えている。この積層体は、内部電極層が内側となるように、少なくとも１つの折り曲げ線に沿って折り曲げられている。なお、圧電体層の絶縁性フィルム側および圧電膜側のいずれに積層されていていてもよく、外部電極層は圧電体層の内部電極層の反対側に積層される。そして、折り曲げられた際に内側となるのが内部電極層であり、外側となるのが外部電極層である。
【００１８】
本発明の圧電素子は、外部電極層と電気的に接続された導電性部材をさらに備え、該導電性部材が、内部電極層の外部電極層で覆われていない部分の少なくとも一部を覆うように設けられていることを特徴とする。
【００１９】
この特徴により、薄型化およびフレキシブル化の要求に応えつつ、部品点数や組立工数を削減できる圧電素子において、圧電素子の出力信号へのノイズの混入が抑制され、高精度の信号を出力することが可能となる。
【００２０】
絶縁性フィルムは、絶縁性を有するフィルムであり、通常は可撓性を有するフィルムである。さらに、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、ポリオレフィン系樹脂、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であり、汎用材料としてポリオレフィン系樹脂であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を好適に用いることができる。なお、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れる点では、ポリイミド系樹脂が好ましい。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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（ＡｌＮ）、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
内部電極層および外部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。なお、特に外部電極の材料は、絶縁体層および圧電体層との密着性が良く、生体適合性が良く（アレルギーが発症する危険性が少ない）、耐食性が高いといった理由から、Ｔｉであることが好ましい。
【００２９】
内部電極層および外部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。
【００３０】
導電性部材の材料としては、上述の内部電極層および外部電極層と同様の導電材料を用いることができるが、電気抵抗率が低い材料であることが好ましい。電気抵抗率が低い材料としては、特にＣｕを用いることが好ましい。
【００３１】
導電性部材の形状は、特に限定されないが、好ましくはフィルム状である。フィルム状の導電性部材の厚みは、好ましくは２０〜１００μｍである。
【００３２】
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。
【００３３】
（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概略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面での概略断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’断面での概略断面図である。また、図４は、図１に示す圧電素子を構成する積層体（折り曲げる前の状態）を説明するための概略断面図である。
【００３４】
図１に示される圧電素子では、積層体１００の側面を覆うよう導電性部材５，５ａ，５ｂが設けられている。このように、内部電極層の外部電極層で覆われていない部分（例えば、積層体の側面）の少なくとも一部が導電性部材５で覆われることにより、内部電極層における出力信号へノイズの混入が抑制され、高精度の信号を出力することができる。
【００３５】
なお、図１を参照して、導電性部材５ａの上部には外部電極層用のケーブル６２が接続されている。また、導電性部材５ａ、外部電極層３２、圧電膜２および絶縁性フィルム１の上側の一部はカットされ、内部電極層３１が露出した状態となっており、この部分に内部電極用のケーブル６１が接続されている。ケーブル６１，６２は、半田、導電性接着剤などを用いて、それぞれ導電性部材５ａおよび内部電極層３１と電気的に接続することができる。
【００３６】
図４を参照して、積層体１００は、絶縁性フィルム１、および、絶縁性フィルム１の一方の主面に設けられた圧電膜２からなる圧電体層１０と、圧電膜２（圧電体層１０）の絶縁性フィルム１と反対側の表面に設けられた内部電極層３１と、絶縁性フィルム１の他方の主面（圧電膜２と反対側の主面）に設けられた外部電極層３２とから構成される。
【００３７】
内部電極層３１にはスリット３１ｂが幅方向に形成されており（図４）、このスリット３１ｂを折り曲げ線として、内部電極層３１が内側となるように、積層体１００が折り曲げられる。これにより、折り曲げ加工を容易に行うことができ、折り曲げ部における内部電極層の破損や他の層（圧電体層、外部電極層）の破損も抑制される。
【００３８】
このようにして折り曲げられた積層体１００に導電性部材５を設けることで、図２および図３に示されるような層構成を有する実施形態１の圧電素子を得ることができる。ここで、導電性部材５は外部電極層３２と導電性接着剤などを用いて電気的に接続されている。また、内部電極層３１同士が接触する部分は、導電性接着剤４によって接着されている。
【００３９】
また、本実施形態のように、折り曲げた後の積層体１００においては、外部電極層３２が圧電体層１０（圧電膜２）および内部電極層３１を覆うような構造を有していることから、電磁的なシールド効果を有している。これに加えて、導電性部材５によって圧電素子の側面などのシールドがない部分が減少するため、さらにシールド性が高められ、外部の雑音（ノイズ）を遮断する効果がより顕著となり、圧電素子の電気特性をより向上させることができる。
【００４０】
内部電極層および外部電極層は、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）としてもよいが、出力側電極のシールド性をより高めるために、内部電極層３１を出力側電極とし、外部電極層３２を接地電位に接続することが好ましい。
【００４１】
さらに、積層体を幅方向に沿って折り返して重ねることにより、別途に短絡防止膜を形成することなく、短絡の発生を防止できる圧電素子を製造することができ、コスト面で有利である。
【００４２】
また、圧電素子の外周部の厚みが増すため、外力によるねじれに起因する破れなどが生じやすい外周部の剛性が向上するため、圧電素子の破損のリスクが低減される。
【００４３】
また、導電性部材５が外部電極層３２と電気的に接続されていることにより、表裏の電極の抵抗値を下げる効果があるため、商用電源等のノイズの影響を受け難くなり、Ｓ／Ｎ比の大きなセンサを得ることができる。
【００４４】
また、圧電素子の外周部の剛性が高められるため、中央部分の各層を薄くでき、フレキシブル性が向上する。これにより、例えば、人体等へ貼着して使用される圧電センサに用いる場合は、圧電素子と人体等との密着性が良くなるため、センサの感度を向上させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、内部電極層３１が外部電極層３２で覆われている側面（図２の右側）にも導電性部材５ｂを設けているが、この導電性部材５ｂは、圧電素子の外周部の剛性等を向上させるためのものであり、内部電極層３１のシールドのためのものではないため、必ずしも設ける必要はない。すなわち、折り曲げ線に沿って折り曲げられた矩形状の積層体において、折り曲げ線に対応する１辺以外の３辺に対応する前記積層体の側面には、前記導電性部材５，５ａが設けられていることが好ましい。
【００４６】
（実施形態２）
図５は、実施形態２の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。（ａ）は、折り曲げる前の積層体１００の層構成を示す概略断面図であり、（ｂ）が圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【００４７】
本実施形態は、絶縁性フィルム１は、圧電膜、内部電極層３１および外部電極層３２の少なくともいずれかと重ならない端部の厚みが、該端部以外の部分よりも厚い（すなわち、該絶縁性フィルム１の主面に垂直な方向の一方または両方に突出している）点で実施形態１と異なるが、それ以外の点は実施形態１と同様である。
【００４８】
本実施形態では、実施形態１よりもさらに圧電素子の外周部の剛性が高められるため、中央部分の各層を薄くでき、よりフレキシブル性が向上する。
【００４９】
また、内部電極層３１と、外部電極層３２に接続された導電性部材５との間の絶縁性を高める効果も得られる。
【００５０】
（実施形態３）
図６は、実施形態３の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。（ａ）は、折り曲げる前の積層体１００の層構成を示す概略断面図であり、（ｂ）が圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【００５１】
本実施形態は、外部電極層３２の端部の３２ａの厚みが、該端部３２ａ以外の部分よりも厚い点で実施形態１と異なるが、それ以外の点は実施形態１と同様である。
【００５２】
本実施形態では、圧電素子の外周部の厚みがさらに増すため、外周部の剛性がさらに向上し、圧電素子の破損のリスクが低減される。
【００５３】
（実施形態４）
図７は、実施形態４の圧電素子の構成を説明するための概略断面図である。（ａ）は、折り曲げる前の積層体１００の層構成を示す概略断面図であり、（ｂ）が圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【００５４】
本実施形態は、内部電極層３１の端部３１ａの厚みが、該端部３１ａ以外の部分よりも厚い点で実施形態１と異なるが、それ以外の点は実施形態１と同様である。
【００５５】
実施形態１および３と同様の効果に加えて、外部電極層３２と導電性部材５との接触が外部電極層３２の幅方向の端部３２ａにおいて確実に行われ、接触不良等を抑制する効果も得ることができる。
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
１  絶縁性フィルム、１ａ  端部、２  圧電膜、１０  圧電体層、３１  内部電極層、３１ａ  端部、３１ｂ  スリット、３２  外部電極層、３２ａ  端部、４  導電性接着剤、５，５ａ，５ｂ  導電性部材、６１，６２  ケーブル、１００  積層体。
【図１】
0005958665.tif 000002
【図２】
0005958665.tif 000003
【図３】
0005958665.tif 000004
【図４】
0005958665.tif 000005
【図５】
0005958665.tif 000006
【図６】
0005958665.tif 000007
【図７】
0005958665.tif 000008