(57)【要約】【課題】  鉛を含むセラミックス材料ないし単結晶材料を使用することなく、高い感度で振動検出を行うとともに、環境負荷を低減する。【解決手段】  圧電素子１００は、圧電層１０２と内部電極層１０４，１０６を交互に複数積層し、更にカバー層１０８を積層している。圧電層１０２としては、非鉛の圧電材料、例えばアルカリナイオベート系の圧電材料を使用する。内部電極層１０４，１０６が露出する端面に、外部電極１２０，１２２を形成し、これらに高電圧を印加して圧電層１０２の分極処理を行う。外部電極１２０，１２２は、ハンダないし導電性樹脂１３０，１３２によって基板１４０の電気的接続部上に固定する。鉛を含有しない圧電材料を使用しているために、単結晶圧電材料と比較して電気機械結合係数が低くなるが、圧電層を多数積層することで、十分な振動の検出感度を得ることができ、環境負荷も低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の内部電極層と、
非鉛の圧電材料によって形成されており、前記内部電極層に分極用の電圧を印加して、積層方向に分極した複数の圧電層と、
該複数の圧電層を、前記複数の内部電極層を挟んで積層した積層体の表裏に積層されたカバー層と、
を含むことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電素子の長辺方向の両端にそれぞれ形成されており、前記内部電極層を交互に接続した外部接続用の外部電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
請求項２記載の圧電素子を、その分極方向が実装面に対して垂直になるように実装した基板と、
を備えたことを特徴とする振動波形センサー。
【請求項４】
請求項３記載の振動波形センサーと、
該振動波形センサーの圧電素子に生じた電荷量に比例する電圧を出力するチャージアンプと、
を備えたことを特徴とする振動波形センサーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子，それを用いた振動波形センサー，及び振動波形センサーモジュールに関するものであり、例えば、脈拍などの各種の振動波形の検出に好適な圧電素子，振動波形センサー，及び振動波形センサーモジュールの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
IoT（Internet of Things）が急速に普及する現代では、センサーの必要数が加速的に増加し、各種のセンサーをより低いコストで、環境にやさしく、かつ大量に製造する技術が求められる。例えば、下記特許文献１には、音波や脈波などを効率よく検知することを目的とした広帯域センサーが開示されており、絶縁基板の表面に圧電素子を設け、この圧電素子２を囲んで、開口を有する筒状部材を設ける構成としている。従来の広帯域向けの振動波形センサーは、低周期の振動を検知するために片持ち梁構造とするなど大掛かりであったが、この背景技術によれば、前記開口を体表に当接させて密閉キャビティを形成することで、コンパクトに、かつ、低ノイズで微小振動を広帯域で検知することが可能となっている。
【０００３】
下記特許文献２には、電気機械結合係数ないし圧電定数が大きく、音速やＳＡＷ速度が小さい圧電単結晶組成物を用いることにより、圧電フィルター、圧電共振子、圧電ジャイロ等の体積弾性波を利用した圧電振動子及び圧電フィルター、センサーなどの弾性表面波デバイスの小型化を可能にする点が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開WO2013/145352号公報
【特許文献２】特開2006-282433号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電気機械結合係数kが高い圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）やチタン酸鉛（PT)に代表される圧電単結晶が知られており、広く使用されているが、鉛を含むことから、環境安全面において懸念がある。また、圧電単結晶組成物を圧電層に利用するとなると、製造コストの面でも好ましいとは言えない。
【０００６】
本発明は、かかる点に着目したもので、その目的は、鉛を含むセラミックス及び単結晶材料を使用することなく、高い感度で振動検出を行うことである。他の目的は、環境負荷を低減するとともに、コスト的にも有利に振動検出を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電素子は、複数の内部電極層と、非鉛の圧電材料によって形成されており、前記内部電極層に分極用の電圧を印加して、積層方向に分極した複数の圧電層と、該複数の圧電層を、前記複数の内部電極層を挟んで積層した積層体の表裏に積層されたカバー層と、を含むことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記圧電素子の長辺方向の両端にそれぞれ形成されており、前記内部電極層を交互に接続した外部接続用の外部電極とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の振動波形センサーは、前記圧電素子を、その分極方向が実装面に対して垂直になるように実装した基板を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の振動波形センサーモジュールは、前記振動波形センサーと、該振動波形センサーの圧電素子に生じた電荷量に比例する電圧を出力するチャージアンプとを備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、非鉛の圧電材料を内部電極層を挟んで複数積層して圧電素子を構成するとともに、チャージアンプを使用して検出出力を得ることとしたので、単結晶圧電材料を使用する場合と同様の感度を得ることができるとともに、環境負荷も低減され、製造時や使用時における温度条件も緩和されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の圧電素子を示す図であり、(A)は主要断面を示し、(B)は積層状態を示す図である。
【図２】(A)は前記実施例による脈波検出の例における出力を比較するグラフを示し、(B)は従来と本発明の増幅率を比較するグラフである。
【図３】本発明の実施例２の振動波形センサーの構成と、そのモジュールの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
最初に、図１及び図２(A)を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１には、本実施例にかかる圧電素子が示されており、同図(A)は主要断面構造を示し、同図(B)は積層構造を示している。これらの図に示すように、圧電素子１００は、圧電層１０２と内部電極層１０４，１０６を交互に複数層積層し、更に、それらにカバー層ないし保護層１０８を積層した構成となっており、例えば、積層セラミックコンデンサ（MLCC）と同様の積層構造となっている。圧電層１０２としては、非鉛ないし鉛フリーの圧電材料、例えばアルカリナイオベート系の圧電材料を使用し、厚さは２０μｍとする。内部電極層１０４，１０６としては、例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｕ合金などの導電性材料を使用し、厚さは例えば３μｍとする。カバー層１０８としては、絶縁性材料を使用するが、本実施例では、前記圧電層１０２と同じ材料を使用している。カバー層１０８の厚さは、振動による屈曲を妨げないようにする関係から、それぞれ５０μｍ未満が好ましい。
【００１４】
非鉛の圧電材料の例として挙げられるアルカリナイオベート系の圧電材料は、以下に示す一般式(1)で表される圧電材料が好適に用いられる。
（Ｋ１−ｗ−ｘＮａｗＬｉｘ）ａ（ＳｂｙＴａｚＮｂ１−ｙ−ｚ）Ｏ３    ・・・・（１）
ただし、前記ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，ａは、
０≦ｗ≦１，
０．０２＜ｘ≦０．１，
０．０２＜ｗ＋ｘ≦１，
０≦ｙ≦０．１，
０≦ｚ≦０．４，
１＜ａ≦１．１
である。
【００１５】
積層数は、適宜設定してよいが、例えば圧電層１０２が１０層となるように積層体を作製する。圧電素子１００の外形寸法としては、例えば、長辺の長さを３．２ｍｍ，短辺の長さ（幅）を１．６ｍｍ，厚みを０．３ｍｍとする。製造方法としては、圧電層１０２，内部電極層１０４，１０６を交互に複数積層し、更にカバー層１０８を積層し、次に焼成を行う。そして、積層体の長辺方向の端部のうち、内部電極層１０４が露出する端面には外部電極１２０を形成し、内部電極層１０６が露出する端面には外部電極１２２を形成する。すなわち、内部電極層１０４，１０６は、交互に長辺側の端面に引き出されており、外部接続用の外部電極１２０，１２２にそれぞれ接続されている。
次に、これら外部電極１２０，１２２間に高電圧を印加して、圧電層１０２の分極処理を行い、圧電性を付与する。圧電層１０２の分極方向は、内部電極層１０４，１０６の積層方向、すなわち厚さ方向となる。
【００１６】
以上のようにして得た圧電素子１００は、例えば、図１(A)に示すように、長辺方向の両端の外部電極１２０，１２２を、ハンダないし導電性樹脂１３０，１３２によって基板１４０の電気的接続部上に固定する。なお、チャージアンプ５０については後述する。
【００１７】
本実施例によれば、鉛を含有しない圧電材料を使用しているために、電気機械結合係数がPZTなどの圧電セラミックス及び単結晶組成物などと比較して低くなってしまうが、圧電層と電極層を交互に複数積層することで、十分な振動の検出感度を得ることができる。図２(A)には、使用する材料による振幅が示されている。PZT系セラミックスの振幅に対して、アルカリナイオベート（AN）系セラミックスの振幅は１０分の１程度と低いが、これを積層することで、ほぼ同等の振幅が得られている。加えて、アルカリナイオベート系セラミックスは、PZT系セラミックスと比較してキュリー温度が高く、PZT系セラミックスが３００℃程度であるのに対し、アルカリナイオベート系セラミックスは４００℃以上ある。このため、製造工程や使用状況における熱的条件が緩和されるようになるといった利点もある。
【実施例２】
【００１８】
次に、図２(B)及び図３も参照しながら、上述した圧電素子を利用する振動波形センサーおよび振動波形センサーモジュールの実施例について説明する。図３には、本実施例の振動波形センサーの基本的な構成が示されており、同図(A)は振動波形センサー１０の断面を示し、同図(B)は分解した様子を示し、同図(C)は底面側から見た様子を示している。これらの図において、振動波形センサー１０は、基板２０の主面上に圧電素子１００が配置されており、この圧電素子１００を、振動導入体として作用する振動リング４０で覆った構造となっている。
【００１９】
以上の各部のうち、基板２０は、圧電素子１００を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのものである。基板２０の主面には、中央付近に一対の電極ランド２２，２３が設けられており、その周囲にはグランド導体２４が形成されている。電極ランド２２，２３は、基板２０の裏面側にスルーホール２２Ａ，２３Ａによって引き出されている。電極ランド２２，２３には、図１(A)に示したように、圧電素子１００の外部電極１２０，１２２がハンダないし導電性樹脂１３０，１３２によって実装されている。このように、電極ランド２２，２３及びスルーホール２２Ａ，２３Ａによって、基板２０の裏面側に設けられたアンプなどと圧電素子１００とが接続されている。電極ランド２２，２３を覆うように絶縁性の樹脂を設けてもよいし、更に圧電素子１００も樹脂で覆ってよい。
【００２０】
次に、前記圧電素子１００には、それを囲むように振動リング４０が設けられており、振動リング４０はグランド導体２４と電気的に接合している。また、グランド導体２４は、スルーホール２４Ａ，２４Ｂ（図３(A)のみ図示）によって基板２０の裏面側に引き出されている。振動リング４０は、例えばステンレスによって形成されて導電性を有しており、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通にするとともに、生体、例えば皮膚の微小振動を導入して、更に基板２０に伝達する振動導入体として機能する。
【００２１】
同図(D)には、振動波形センサーモジュール２００の回路構成が示されており、振動波形センサー１０の出力が、チャージアンプ（電荷増幅器）５０に入力されて増幅されるようになっている。チャージアンプ５０は、上述した基板２０に実装されており、圧電素子１００に生ずる電荷に比例した電圧が出力されるようになっている。チャージアンプ５０の出力は、Ａ／Ｄコンバータ（図示せず）によりデジタル信号に変換されて出力される。
【００２２】
以上のような振動波形センサーモジュール２００は、例えば、図３(E)に示すように、人体の指などの適宜位置に、医療用の固定テープ１２などによって、振動リング４０が人体の皮膚ＢＤに当たるように装着される。一方、心臓の拍動に伴う血液の流入によって生ずる容積変化である脈波は、皮膚ＢＤの微小振動として振動波形センサーモジュール２００の振動リング４０に伝わる。振動リング４０の振動は、更に、振動体ないし起歪体としても機能する基板２０を振動させ、振動リング４０から伝達された微小振動が圧電素子１００に伝達される。これにより、例えば皮膚ＢＤの微小振動が電圧信号として検出される。
【００２３】
ところで、この場合において、本実施例では、圧電素子１００において圧電層１０２が多数積層された構造となっている。このため、コンデンサとしてみると、面積が大きくなり、蓄積される電荷量も増大することとなり、電荷量に比例した電圧を出力するチャージアンプ５０の出力も増大するようになる。
【００２４】
図２(B)は、PZT系圧電材料を１層有する従来の圧電素子を使用した振動波形センサーモジュールと、非鉛のアルカリナイオベート系圧電材料を１０層積層した本実施例の圧電素子を使用した振動波形センサーモジュールによる脈波波形の検出出力を比較して示すものである。いずれも、圧電素子の形状寸法は、長辺３．２ｍｍ×短辺１．６ｍｍ×厚み０．３ｍｍである。このグラフに示すように、PZT系の従来構造と、本実施例とも、ほぼ近似した出力が得られており、本実施例のように、電気機械結合係数が小さい非鉛の圧電材料を使用したとしても、積層構造とすることで、良好な波形検出を行うことができることが分かる。
【００２５】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した各部の材料は一例であり、公知の各種の材料を使用してよい。例えば、前記実施例では、圧電層１０２として、非鉛のアルカリナイオベート系圧電材料を使用したが、その他各種の非鉛の圧電材料、例えばチタン酸バリウムを使用してよい。圧電素子１００の形状寸法や、圧電層１０２の積層数についても、同様に適宜設定してよい。
(2)前記実施例で示した脈波検出は一例であり、各種の振動の検出に適用してよい。
(3)前記実施例では、チャージアンプ５０を基板２０に実装した例を示したが、チャージアンプ５０を振動波形センサー１０の外部に設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、非鉛の圧電材料を内部電極層を挟んで複数積層して圧電素子を構成するととするとともに、チャージアンプを使用して検出出力を得ることとしたので、単結晶圧電材料を使用する場合と同様の感度を得ることができるとともに、環境負荷も低減され、製造時や使用時における温度条件も緩和されるようになることから、脈波センサーなど、各種の振動波形センサーに好適である。
【符号の説明】
【００２７】
１０：振動波形センサー
１２：固定テープ
２０：基板
２２，２３：電極ランド
２２Ａ，２３Ａ：スルーホール
２４：グランド導体
２４Ａ，２４Ｂ：スルーホール
４０：振動リング
５０：チャージアンプ
１００：圧電素子
１０２：圧電層
１０４，１０６：内部電極層
１０８：カバー層
１２０，１２２：外部電極
１３０，１３２：導電性樹脂
１４０：基板
２００：振動波形センサーモジュール
【図１】
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【図２】
2019216203.tif 000004
【図３】
2019216203.tif 000005