(57)【要約】【課題】  単結晶や、薄膜プロセスを使用することなく、圧電素子の感度の向上を図るとともに、ノイズの影響も受けにくい振動波形センサー及び振動波形センサーモジュールを提供する。【解決手段】  圧電素子１００は、単層の圧電シートないし圧電層１０２の表裏に電極層１０４，１０６をそれぞれ形成し、更に、それらにカバー層ないし保護層１０８，１１０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）を単層とした構造となっている。圧電素子１００の外形寸法としては、例えば、長辺の長さＬ＝３．２ｍｍ，短辺の長さ（幅）Ｗ＝０．６〜１．６ｍｍ，厚みＴ＝０．３〜１．８ｍｍとし、細長い棒状（ビーム状）とする。圧電素子１００の長辺方向の両端に外部電極１２０，１２２を形成し、これら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。【選択図】図１
2019202004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層の圧電層と、
該圧電層の表裏面にそれぞれ形成された一対の電極層と、
該電極層の上にそれぞれ形成されたカバー層と、
を含み、
素子の長辺長さをＬ，短辺長さをＷ，厚さをＴとしたとき、
Ｌ／Ｗを３以上，かつ、Ｌ／Ｔを５以上であり、
前記電極層が対向する方向に分極されている
圧電素子と、
前記圧電素子がその分極方向が実装面に対して垂直になるように実装された基板と
を備える振動波形センサー。
【請求項２】
Ｌ／Ｗを５以上，かつ、Ｌ／Ｔを１０以上としたことを特徴とする請求項１記載の振動波形センサー。
【請求項３】
Ｌ2／(ＷＴ)を１５以上としたことを特徴とする請求項１又は２記載の振動波形センサー。
【請求項４】
前記圧電素子の長辺方向の両端に、外部接続用の外部電極を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動波形センサー。
【請求項５】
請求項４記載の振動波形センサーと、
該振動波形センサーで発生した出力電圧を増幅する計装アンプと、
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】
しかしながら、圧電素子を用いて高精度に振動を検知するためには、上述した背景技術のように圧電単結晶組成物を圧電体として使用するとなると、結晶育成や薄膜プロセスを必要とし、製造コストの面で不利である。他方、圧電体として、単結晶あるいはセラミックスバルク体を用いた場合には、素子の表面に外部電極ないし表面電極が広く露出することになり、圧電素子の基板への実装時に工程数が増加するといった課題がある。更に、圧電素子の静電容量成分は、一般的にノイズの原因となるため、容量を下げる目的で、バルク厚みないし電極間距離が厚い設計となるが、分極処理時に例えば１kV以上の高い電圧が必要であり、分極処理が困難となる。この他、従来の圧電素子では、高出力が得られず、回路上のＳＮの影響を受けるといった課題もある。
【０００６】
本発明は、かかる点に着目したもので、単結晶や、薄膜プロセスを使用することなく、圧電素子の感度の向上を図るとともに、分極処理が容易でありながらノイズの影響も受けにくく、更には基板への実装が容易となる振動波形センサー及び振動波形センサーモジュールを提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の振動波形センサーは、単層の圧電層と、該圧電層の表裏面にそれぞれ形成された一対の電極層と、該電極層の上にそれぞれ形成されたカバー層と、を含み、素子の長辺長さをＬ，短辺長さをＷ，厚さをＴとしたとき、Ｌ／Ｗを３以上，かつ、Ｌ／Ｔを５以上であり、前記電極層が対向する方向に分極されている圧電素子と、前記圧電素子がその分極方向が実装面に対して垂直になるように実装された基板とを備える。
【０００８】
主要な形態の一つによれば、前記Ｌ／Ｗを５以上，かつ、Ｌ／Ｔを１０以上としたことを特徴とする。更には、Ｌ2／(ＷＴ)を１５以上としたことを特徴とする。更に他の形態によれば、前記圧電素子の長辺方向の両端に、外部接続用の外部電極を形成したことを特徴とする。
【０００９】
本発明の振動波形センサモジュールは、前記振動波形センサーと、該振動波形センサーで発生した出力電圧を増幅する計装アンプと、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、単層の圧電層の表裏面にそれぞれ電極層を形成するとともに、更にカバー層を形成し、素子の長辺長さＬ，短辺長さＷ，厚さＴを一定の比率とすることとしたので、単結晶材料および薄膜プロセスを必要とすることなく、感度の向上を図ることができ、ノイズの影響も低減することができる。
【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)は外観、(B)は圧電層と電極層の重なり具合を示す平面、(C)は(A)の＃１―＃１線に沿って矢印方向に見た断面、(D)は基板に対する実装の様子をそれぞれ示す。
【図２】(A)は、Ｌ／Ｗを横軸、Ｌ／Ｔを縦軸として、各サンプルをプロットしたグラフであり、(B)は、乗算値Ｌ2／(ＷＴ)を横軸とし、発生電圧を縦軸としたグラフである。
【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を参照しながら、本発明の振動波形センサーに用いる圧電素子の実施例について説明する。図１には、本実施例の圧電素子１００が示されており、(A)は外観、(B)は圧電層と電極層の重なり具合を示す平面，(C)は(A)の＃１―＃１線に沿って矢印方向に見た断面を、それぞれ示す。これらの図において、圧電素子１００は、単層の圧電シートないし圧電層１０２の表裏に電極層１０４，１０６をそれぞれ形成し、更に、それらにカバー層ないし保護層１０８，１１０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）を単層とした構造となっている。圧電層１０２としては、例えばPZT系の圧電材料を使用し、厚さないし電極間距離を１６μｍとした圧電層を使用する。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１０８，１１０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。電極間距離ｄは、分極処理の関係から、２００μｍ未満が好ましい。また、カバー層１０８，１１０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、２００μｍ未満が好ましい。
【００１４】
圧電素子１００の外形寸法としては、例えば、長辺の長さＬ＝３．２ｍｍ，短辺の長さ（幅）Ｗ＝０．６〜１．６ｍｍ，厚みＴ＝０．３〜１．８ｍｍとし、細長い棒状（ビーム状）となっている。製造方法としては、まず、圧電層１０２に電極層１０４，１０６，カバー層１０８，１１０を積層し、次に焼成を行い、電極層１０４，１０６が露出する両端面に外部電極を形成する。そして、これらの電極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、電極層１０４，１０６の積層方向、すなわち厚さＴ方向となる。
【００１５】
以上のようにして得た圧電素子１００は、例えば、図１(D)に示すように、長辺方向の両端に外部電極１２０，１２２を形成し、これら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。
【００１６】
次に、上述した圧電素子１００の寸法条件について説明する。表１には、形状寸法を変化させて作成した複数のサンプルを、ピエゾメータにて５Ｎの力で挟んで発生電荷Ｑを計測して得た各サンプルの静電容量Ｃ（ｎＦ）と、Ｑ＝Ｃ・Ｖの関係から算出した発生電圧Ｖが示されている。
【表１】
2019202004.tif 000003
【００１７】
表１に示すように、圧電素子１００の長辺の長さＬは、いずれのサンプルも３．２ｍｍとなっている。短辺の長さＷは、サンプルＡ，Ｂ，Ｐでは１．６ｍｍ，サンプルＣ，Ｄ，Ｅは０．６ｍｍとなっている。厚みＴは、サンプルＡ，Ｃ，Ｐでは１．８ｍｍ，サンプルＢ，Ｄは０．６ｍｍ，サンプルＥは０．３ｍｍとなっている。電極間距離ｄは、サンプルＡ〜Ｅは１６ｍｍ，サンプルＰは８００ｍｍとなっている。サンプルＰは、電極間距離が大きい従来技術のサンプルである。発生電圧を見ると、サンプルＡが最も低く、サンプルＥが最も高い。
【００１８】
この表１から、以下の知見を得ることができる。
ａ，サンプルＡ，Ｂと、サンプルＣ，Ｄ，Ｅを比較すると、短辺長さＷが小さいほうが発生電圧が高い（Ｌ／Ｗの値も参照）。
ｂ，サンプルＣ，Ｄ，Ｅを比較すると、厚みＴが小さいほうが発生電圧が高い。
ｃ，Ｌ／ＷとＬ／Ｔの乗算値Ｌ2／(ＷＴ)が大きいほど、発生電圧は高くなっている。
ｅ，サンプルＰの発生電圧に対し、サンプルＣはほぼ同等であるが、サンプルＤ，Ｅは高い発生電圧が得られている。
【００１９】
図２(A)には、Ｌ／Ｗを横軸とし、Ｌ／Ｔを縦軸として、各サンプルをプロットしたグラフが示されており、各サンプルの寸法比率の関係が示されている。サンプルＡとＰは同じ比率である。上述したように、長辺長さＬは、各サンプル共通であることから、
ａ，横方向に並ぶサンプルＡないしＰ，Ｃは、厚みＴは同じである。サンプルＢ，Ｄも、厚みＴは同じである。
ｂ，縦方向に並ぶサンプルＡないしＰ，Ｂは、短辺長さＷは同じである。サンプルＣ，Ｄ，Ｅも、短辺長さＷは同じである。
【００２０】
同図(B)には、前記乗算値Ｌ2／(ＷＴ)を横軸とし、発生電圧を縦軸としたグラフが示されている。これからすると、
ａ，従来技術のサンプルＰに対し、サンプルＡ，Ｂ，Ｃは、従来以下か、同程度の発生電圧となっている。
ｂ，しかし、サンプルＤ，Ｅは、従来のほぼ倍もしくはそれ以上の発生電圧となっている。
【００２１】
以上のような結果からすると、
ａ，短辺長さＷは、小さいほど発生電圧が高い。
ｂ，厚みＴも、小さいほど発生電圧が高い。
ｃ，すなわち、Ｌ／Ｗ，Ｌ／Ｔのアスペクト比は、ともに高い方が、高い電圧出力を得ることができる。より具体的には、
ａ，Ｌ／Ｗが３以上で、かつ、Ｌ／Ｔが５以上
ｂ，より好ましくは、Ｌ／Ｗが５以上で、かつ、Ｌ／Ｔが１０以上
ｃ，あるいは、Ｌ2／(ＷＴ)が、１５以上
とする。
【００２２】
このように、本実施例の圧電素子１００によれば、圧電層１０２を単層とするとともに、短辺長さＷや、電極間距離ｄ及び厚さＴを小さくすることで、全体が湾曲しやすくなり、感度が向上する。また、電極層１０４，１０６の面積を小さくすることで、コンデンサとして見たときの静電容量も小さくすることができ、ノイズの影響が低減されてＳＮ比の向上を図ることができる。また、製造時の負担につながる単結晶材料および薄膜プロセスが不要であり、コストの削減効果も得られる。更に、電極間距離ｄが小さいことから、圧電層１０２の分極も低い電圧で行うことができる。
【実施例２】
【００２３】
次に、図３を参照しながら、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。
【００２４】
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(D)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。
【００２５】
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（同図(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。
【００２６】
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、計装アンプ５０に入力されて増幅されるようになっている。計装アンプ５０は、上述した基板２０に実装されており、圧電素子１００に生ずる電圧が増幅されるようになっている。
【００２７】
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。上述したように、本実施例の圧電素子１００は、感度が高く、ノイズにも強いので、脈波のような微小振動であっても、良好に検出することができる。
【００２８】
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、PZT系材料の他、鉛フリーのアルカリナイオベート系材料が好適である。
(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、計装アンプ５０を基板２０に実装した例を示したが、計装アンプ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】
【００２９】
本発明によれば、単層の圧電層の表裏面にそれぞれ電極層を形成するとともに、更にカバー層を形成し、素子の長辺長さＬ，短辺長さＷ，厚さＴを一定の比率とすることとしたので、単結晶材料および薄膜プロセスを必要とすることなく、感度の向上を図ることができ、ノイズの影響も低減することができるので、脈波センサなど、各種の振動波形センサーに好適である。
【符号の説明】
【００３０】
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：計装アンプ
１００：圧電素子
１０２：圧電層
１０４，１０６：電極層
１０８，１１０：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
Ｌ：長辺長さ
Ｔ：厚み
Ｗ：短辺長さ
ｄ：電極間距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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