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WO2015041049A1 - 圧電センサ - Google Patents

圧電センサ Download PDF

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WO2015041049A1
WO2015041049A1 PCT/JP2014/073141 JP2014073141W WO2015041049A1 WO 2015041049 A1 WO2015041049 A1 WO 2015041049A1 JP 2014073141 W JP2014073141 W JP 2014073141W WO 2015041049 A1 WO2015041049 A1 WO 2015041049A1
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WO
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electrode layer
piezoelectric
amplifier
signal electrode
signal
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/073141
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English (en)
French (fr)
Inventor
靖浩 近藤
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to JP2015537633A priority Critical patent/JP6103068B2/ja
Publication of WO2015041049A1 publication Critical patent/WO2015041049A1/ja
Priority to US15/074,430 priority patent/US10305017B2/en

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    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric sensor.
  • a structure in which a piezoelectric layer is sandwiched between two electrode layers is known.
  • a physical signal such as stress applied to the piezoelectric element is converted into an electrical signal (positive piezoelectric effect) and output from an electrode, or an electrical signal input to the piezoelectric element is physically Is converted into a target signal (inverse piezoelectric effect).
  • piezoelectric elements used for sensors and the like are also required to be small and light.
  • development of a piezoelectric element in which a thin piezoelectric layer is formed on a film-like base material, or a piezoelectric element made of a film material having piezoelectricity is in progress.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-253416
  • piezoelectric layers 3 and 3 ′ and substrates 2 and 2 ′ are laminated on both sides of an internal electrode layer 4, and these are external electrodes.
  • a switching element piezoelectric element having a structure shielded by layers 5 and 5 'is disclosed.
  • a hole is formed in the external electrode layer 5 'or the like to open a signal from the internal electrode layer 4 (FIG. 2 etc.).
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-75575
  • electrodes 10 and 11 are provided on both surfaces of the piezoelectric material 9, and these are protective layers 12 and 13, shield layers 14 and 15, and insulating layers 16 and 17, respectively.
  • a piezoelectric sensor having a laminated shielded structure is disclosed.
  • the signal of the piezoelectric element Since the signal of the piezoelectric element is small, it is usually necessary to amplify the electric signal output from the signal electrode of the piezoelectric element with an amplifier. According to the study of the present inventor, even if noise is mixed in the signal after being amplified by the amplifier, the influence on the measurement accuracy of the sensor is small. On the other hand, if electromagnetic noise is mixed in a signal that is output from the signal electrode and before being amplified by the amplifier, the measurement value includes a large error, which may greatly affect the measurement accuracy of the sensor.
  • an object of the present invention is to provide a highly sensitive piezoelectric sensor in which mixing of electromagnetic noise into a signal output from a piezoelectric element is suppressed.
  • the present invention relates to an insulating film, and a piezoelectric film including a piezoelectric layer laminated on one main surface of the insulating film, or a piezoelectric film made of a piezoelectric material, and A piezoelectric element including a signal electrode layer laminated on one main surface of the piezoelectric film; An amplifier electrically connected to the signal electrode layer; A shield body that is not electrically connected to the signal electrode layer and is composed of a grounded conductor; In the piezoelectric sensor, the piezoelectric film, the signal electrode layer, and the amplifier are accommodated in the shield body.
  • the piezoelectric element further includes a ground electrode layer that is composed of a grounded conductor that is not electrically connected to the signal electrode layer and covers at least a part of the piezoelectric film and the signal electrode layer,
  • the piezoelectric sensor further includes an amplifier case that covers at least a part of the amplifier, is not electrically connected to the signal electrode layer, and includes a grounded conductor;
  • the shield body preferably includes the ground electrode layer and the amplifier case.
  • the amplifier is stacked on the piezoelectric element on the opposite side of the signal electrode layer from the piezoelectric film,
  • the ground electrode layer preferably has an opening or a notch for electrically connecting the signal electrode layer and the amplifier.
  • the amplifier is preferably stacked on the piezoelectric element via a printed board.
  • the printed circuit board has a main surface on the piezoelectric element side, A signal input terminal electrically connected to the signal electrode layer; A ground input terminal electrically connected to the ground electrode layer; In the in-plane direction of the main surface, the signal input terminal is preferably surrounded by the ground input terminal.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to a second embodiment. 6 is a schematic diagram for explaining another configuration of the piezoelectric sensor of Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a configuration of a piezoelectric sensor according to a fifth embodiment.
  • the piezoelectric sensor of the present invention includes a piezoelectric element and an amplifier, both of which are electromagnetically shielded (constituted by a grounded conductor that is not electrically connected to the signal electrode layer of the piezoelectric element). It is housed inside the shield body).
  • the signal electrode of the piezoelectric element and the amplifier are connected by a conductor (amplifier connection conductor)
  • the amplifier connection conductor is also electromagnetically shielded (accommodated inside the shield body).
  • electromagnetic noise is prevented from being mixed not only in the signal generated in the piezoelectric layer but also in the signal output from the signal electrode of the piezoelectric element and before being amplified by the amplifier.
  • a piezoelectric sensor can be provided.
  • the piezoelectric element is laminated on at least one of the main surface of the piezoelectric film and a “piezoelectric film” including at least an insulating film and a piezoelectric layer laminated on one main surface of the insulating film. “Signal electrode layer”.
  • the “piezoelectric film” may be made of a film material having piezoelectricity.
  • the piezoelectric film used for the piezoelectric sensor is a thin (film-like) member, and the piezoelectric element including it is preferably thin (film-like).
  • the overall piezoelectric sensor is preferably a thin (film-like) piezoelectric sensor.
  • Piezoelectric sensors are used as sensors for measuring physical signals such as displacement signals and audio signals, for example.
  • the piezoelectric sensor preferably has a high shielding property in order to eliminate electromagnetic noise and increase sensitivity.
  • the human body is an insulator and has induction noise. Therefore, it is particularly desirable to improve the shielding property of the piezoelectric sensor.
  • a member having the same configuration as that of the piezoelectric sensor of the present invention can be used as an actuator.
  • the insulating film is usually a flexible film, and is preferably a film mainly composed of a polymer having characteristics such as light weight and easy handling.
  • the polymer used as the main component of the insulating film is not particularly limited, and examples thereof include polyimide resins, polyamide resins, polyester resins, and polyolefin resins, preferably heat resistance and dielectric breakdown. It is a polyimide resin excellent in strength and mechanical strength.
  • the constituent material of the piezoelectric layer is not particularly limited as long as it is a substance having piezoelectricity.
  • a compound having a wurtzite structure or a composite oxide having a perovskite structure (ABO 3 ) (perovskite composite) A material whose main component is an oxide) can be used.
  • Examples of the compound having a wurtzite structure include aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, beryllium oxide, zinc oxide, cadmium sulfide, zinc sulfide, or silver iodide.
  • a site of the perovskite structure (ABO 3 ) of the perovskite-based composite oxide for example, at least one element selected from Pb, Ba, Ca, Sr, La, Li, and Bi can be adopted.
  • B site of the perovskite structure (ABO 3 ) for example, at least one element selected from Ti, Zr, Zn, Ni, Mg, Co, W, Nb, Sb, Ta and Fe is adopted. .
  • perovskite-based composite oxides include lead zirconate titanate [Pb (Zr, Ti) O 3 ] (also referred to as PZT) and potassium tantalate niobate [K (Ta, Nb) O 3 ]. , Barium titanate (BaTiO 3 ), (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 [lead titanate (PbTiO 3 ), etc.], and the like.
  • a method for forming the piezoelectric layer for example, a sputtering method, a vacuum deposition method, a laser ablation method, an ion plating method, a coating method, a chemical vapor deposition method such as a CVD method, an MOCVD method, and the like are known. Preferred ones can be selected as appropriate.
  • the film thickness of the piezoelectric layer is preferably 0.1 to 100 ⁇ m, more preferably 0.5 to 30 ⁇ m. That is, when the thickness is less than 0.1 ⁇ m, it is difficult to obtain a sufficient output when used for, for example, a sensor or an actuator. On the other hand, when the thickness exceeds 100 ⁇ m, the flexibility is poor and cracking or peeling may occur.
  • the signal electrode layer is a film-like layer composed of electrodes for outputting an electric signal generated in the piezoelectric layer, and is electrically connected to the amplifier.
  • a conductive material composed of a metal such as Al, Ni, Pt, Au, Ag, Ti, Cu or Sn or an alloy thereof, or a metal oxide or a metal nitride is used.
  • a conductive material can be used. These conductive materials can also be used as a conductor material constituting the shield body (the ground electrode layer and the amplifier case).
  • the formation method of the signal electrode layer is not particularly limited, and for example, a physical vapor deposition method such as a coating process, a plating method, a sputtering method, or a vacuum vapor deposition method can be used.
  • the ground electrode layer can also be formed by the same method, and the ground electrode layer may also be formed by laminating thin films made of the above materials, for example.
  • the amplifier electrically connected to the signal electrode layer has a function of amplifying an electric signal from the signal electrode layer, and various known amplifiers (amplifiers) used for electronic circuits can be used.
  • the shield body is not electrically connected to the signal electrode layer and is composed of a grounded conductor.
  • the “grounded conductor” means a conductor (electric conductor) connected to a reference potential point.
  • the shape of the shield body is not particularly limited as long as it can accommodate the piezoelectric film, the signal electrode layer, and the amplifier therein, but is preferably a thin shape.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric sensor according to the first embodiment.
  • a piezoelectric element 200 constituting a part of the piezoelectric sensor of the present embodiment is A piezoelectric film 100 composed of an insulating film 11 and a piezoelectric layer 12 laminated on one main surface of the insulating film 11; A signal electrode layer 13 laminated on one main surface of the piezoelectric film 100; A first ground electrode layer 14 laminated on the other surface of the piezoelectric film 100, a second ground electrode layer 31 laminated (electrically connected) to the first ground electrode layer 14 via the conductive adhesive layer 21, and It includes a “ground electrode layer” composed of a second ground electrode layer 31 and a third ground electrode layer 32 electrically connected via the conductive adhesive layer 21. Insulating layers 41 and 42 are further laminated on the surfaces of the second ground electrode layer 31 and the third ground electrode layer 32.
  • the signal electrode layer 13 and the third ground electrode layer 32 are laminated via the insulating pressure-sensitive adhesive layer 22 and are not electrically connected to the signal electrode layer 13.
  • the piezoelectric element is not electrically connected to the signal electrode layer so as to cover at least a part of the piezoelectric film and the signal electrode layer in addition to the piezoelectric film and the signal electrode layer.
  • a “ground electrode layer” composed of grounded conductors (the ground electrode layers 14, 31, 32 and the conductive adhesive layer 21) is provided.
  • a part of the surface of the signal electrode layer 13 and the amplifier 52 are electrically connected via the conductive adhesive layer 23a, the signal input terminal 33a, and the via conductor 431a, but the third ground electrode layer 32 (and The insulating layer 42) has an opening therefor.
  • the amplifier 52 is electrically connected to the signal output terminal 34 a via a wiring (not shown) in the printed circuit board 43, and the signal output terminal 34 a is electrically connected to the inner conductor 61 of the coaxial cable 6.
  • the signal amplified in step 1 is output through the coaxial cable 6.
  • the third ground electrode layer 32 is electrically connected to the ground input terminal 33b via the conductive adhesive layer 23b.
  • the ground input terminal 33b is electrically connected to an amplifier case 51 that covers the amplifier 52 via a via conductor 431b, and further electrically connected to the ground output terminal 34b via a wiring (not shown) in the printed circuit board 43. It is connected to the.
  • the ground output terminal 34b is electrically connected to the outer conductor 63 of the coaxial cable 6 and grounded.
  • the coaxial cable 6 is insulated by insulators 62 and 64. Since the signal amplified by the amplifier is not easily affected by noise, other various wirings may be used instead of the coaxial cable 6.
  • the amplifier 52 is not electrically connected to the signal electrode layer 13 and is covered with the amplifier case 51 formed of a grounded conductor.
  • the “ground electrode layer” composed of the ground electrode layers 14, 31, 32 and the conductive adhesive layer 21, the amplifier case 51, and the “ground electrode layer” and the amplifier case 51.
  • the piezoelectric film 100, the signal electrode layer 13, and the amplifier 52 are accommodated in a “shield body” composed of members (conductive adhesive layer 23b, ground input terminal 33b, and via conductor 431b) that electrically connect the electrodes. ing. This prevents electromagnetic noise from being mixed not only in the signal generated in the piezoelectric layer but also in the signal output from the signal electrode of the piezoelectric element and before being amplified by the amplifier.
  • the piezoelectric film 100 and the signal electrode layer 13 need not be entirely covered only by the ground electrode layers 14, 31, and 32, and the entire amplifier 52 need not be covered only by the amplifier case 51, It is only necessary that the piezoelectric film 100, the signal electrode layer 13, and the amplifier 52 are accommodated in the “shield body” including the ground electrode layers 14, 31, 32 and the amplifier case 51.
  • the shield body becomes large.
  • the piezoelectric element and the amplifier having the above-described configuration are stacked and printed.
  • a separate signal line is not required, and a small (thin) shield-integrated piezoelectric sensor can be provided at low cost.
  • the shielding property is further improved.
  • the conductive adhesive layer 23a is connected to a signal input terminal 33a provided on a rigid printed board. Since the ground input terminal 33b is provided so as to surround the signal input terminal 33a, there is an advantage that stress is relieved in the signal line composed of the conductive adhesive layer 23a and the signal input terminal 33a, and the risk of disconnection is reduced. is there.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a longitudinal section including the opening 101 of FIG.
  • the signal electrode layer 13, the piezoelectric layer 12, the insulating film 11, and the ground electrode layer 14 are laminated in this order.
  • the piezoelectric element 200 (FIG. 2 (b)) manufactured by bending so that the signal electrode layers 13 are in contact with each other is used.
  • the laminate has an opening 101, and in a state after being bent, a part of the signal electrode layer 13 is exposed through the opening 101 (FIG. 2B).
  • the piezoelectric film (the piezoelectric layer 12 and the insulating film 11) and the signal electrode layer 13 are covered with a ground electrode layer.
  • the ground electrode layer 14 is grounded by the conductive adhesive layer 23b, the ground wiring 53b and the via conductor 431b provided on the printed circuit board 43.
  • the outer ground electrode layer 14 includes the piezoelectric film (the insulating film 11 and the piezoelectric layer 12) and the signal electrode.
  • piezoelectric element 200 obtained by bending a laminated body having the opening 101 as shown in FIG. 2A, it is cut at the end as shown in FIG.
  • a piezoelectric element 200 (FIG. 3B) obtained by similarly bending a laminated body having a notch can also be used.
  • the ground electrode layer 14 and the insulating film 11 having the opening 101 as shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric sensor according to the third embodiment.
  • a piezoelectric element similar to the piezoelectric element 200 described in Embodiment 2 with reference to FIG. 2 is used.
  • conductive bumps 44 are provided on the printed circuit board 43 on which the amplifier case 51 including the amplifier 52 is mounted, at a portion corresponding to the opening 101 of the piezoelectric element 200.
  • the bumps 44 also serve as signal input terminals for the printed circuit board 43.
  • the printed circuit board 43 is laminated on one surface of the piezoelectric element 200, the conductive adhesive tape 7 is laminated on the other surface, and thermocompression bonded with a thermocompression bonding machine. Thereby, the signal electrode layer inside the piezoelectric element 200 and the bump 44 are electrically connected, and the ground electrode layer outside the piezoelectric element 200 and the ground input terminal (or ground wiring) of the printed circuit board 43 are connected. Are electrically connected via the conductive adhesive tape 7.
  • the signal electrode layer of the piezoelectric element similar to that of the second embodiment can be electrically connected to the amplifier through the conductive bump. Further, the ground electrode layer can be connected to the amplifier case via a conductive adhesive tape.
  • This embodiment has an advantage that a thermal stress related to connection is small and a piezoelectric film having low heat resistance can be used as compared with the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric sensor according to the fourth embodiment.
  • a piezoelectric element similar to the piezoelectric element 200 described in Embodiment 2 with reference to FIG. 2 is used. Then, as shown in FIG. 6, a printed circuit board 43 on which an amplifier case 51 incorporating an amplifier 52 is mounted is laminated on one surface of the piezoelectric element 200. The printed circuit board 43 and the piezoelectric element 200 are caulked 9a, It is firmly fixed by 9b.
  • the signal wiring 53a of the printed circuit board 43 is electrically connected to the signal electrode layer 13 of the piezoelectric element 200 through the caulking 9a.
  • the ground wiring 53b of the printed circuit board 43 is electrically connected to the ground electrode layer 14 of the piezoelectric element 200 through the caulking 9b.
  • 6 is a cross-sectional view, the amplifier case 51 is drawn so as to be separated from the printed circuit board 43. However, the amplifier case 51 is connected to the ground wiring 53b of the printed circuit board 43 in other portions. It is connected.
  • a shield case 54 similar to the amplifier case 51 is laminated on the other surface of the piezoelectric element 200.
  • 6 is a cross-sectional view, the shield case 54 is drawn so as to be separated from the printed circuit board 43.
  • the shield case 54 is formed on the ground electrode layer 14 of the piezoelectric element 200 in other portions. It is connected.
  • the signal electrode layer of the piezoelectric element similar to that of the second embodiment can be electrically connected to the amplifier via caulking.
  • the ground electrode layer can also be connected to the amplifier case via caulking.
  • the present embodiment has an advantage that the strength of the connecting portion is improved as compared with the first and third embodiments.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric sensor of the fifth embodiment.
  • a piezoelectric element similar to the piezoelectric element 200 described in Embodiment 2 with reference to FIG. 2 is used.
  • the piezoelectric sensor of this embodiment is obtained by laminating such a piezoelectric element on a resin multilayer substrate in which a plurality of printed circuit boards 43 are laminated as shown in FIG. It is what
  • the amplifier 52 built in the resin multilayer substrate is electrically connected to the signal electrode layer of the piezoelectric element via the signal wiring 53a and the via conductor 431a. Further, the ground electrode layer of the piezoelectric element is electrically connected to the ground wiring 53b and the via conductor 431b of the resin multilayer substrate, and is grounded.
  • the piezoelectric sensor can be further reduced in size and thickness.

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Abstract

　本発明は、圧電素子から出力された信号への電磁ノイズの混入が抑制された高感度な圧電センサを提供する。本発明は、絶縁性フィルム、および、前記絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層を含む圧電フィルム、ならびに、前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層を含む圧電素子と、前記信号電極層に電気的に接続されたアンプと、前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるシールド体とを備え、前記シールド体の内部に、前記圧電フィルム、前記信号電極層および前記アンプが収容されていることを特徴とする、圧電センサである。

Description

圧電センサ
　本発明は、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、センサ等に用いられる圧電素子も小型化、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、または圧電性をもつフィルム材料による圧電素子の開発が進められている。
　このような圧電素子はインピーダンスが高く、ノイズの影響を受け易いため、電磁ノイズを排除して感度を高めるために、圧電素子のシールド性を高めることが提案されている。
　例えば、特許文献１（特開２００６－２５３４１６号公報）では、圧電体層３、３’および基板２、２’（絶縁性フィルム）を内部電極層４の両側に積層して、それらを外部電極層５、５’でシールドする構造を有するスイッチング素子（圧電素子）が開示されている。なお、外部電極層５’等に穴（通電用窓６）を開けてあけて内部電極層４から信号を引き出している（図２等）。
　また、特許文献２（特開平８－７５５７５号公報）では、圧電材９の両面に電極１０，１１が設けられ、それらが保護層１２，１３、シールド層１４，１５および絶縁層１６，１７でラミネート状にシールドされた構造を有する圧電センサが開示されている。
特開２００６－２５３４１６号公報 特開平８－７５５７５号公報
　圧電素子の信号は小さいので、通常、圧電素子の信号電極から出力された電気信号をアンプ(増幅器)で増幅する必要がある。本発明者の検討によると、アンプで増幅された後の信号にノイズが混入しても、センサの測定精度に与える影響は少ない。それに対して、信号電極から出力された後、アンプで増幅される前の信号に電磁ノイズが混入すると、測定値は大きな誤差を含んでしまい、センサの測定精度に大きな影響を与え得る。
　そこで、本発明は、圧電素子から出力された信号への電磁ノイズの混入が抑制された高感度な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、および、前記絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層を含む圧電フィルム、または、圧電性素材によって作られた圧電フィルム、ならびに、
　前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層
　を含む圧電素子と、
　前記信号電極層に電気的に接続されたアンプと、
　前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるシールド体とを備え、
　前記シールド体の内部に、前記圧電フィルム、前記信号電極層および前記アンプが収容されていることを特徴とする、圧電センサである。
　前記圧電素子は、さらに、前記圧電フィルムおよび前記信号電極層の少なくとも一部を覆う、前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される接地電極層を含み、
　前記圧電センサは、さらに、前記アンプの少なくとも一部を覆う、前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるアンプケースとを備え、
　前記シールド体は、前記接地電極層と前記アンプケースとを含むことが好ましい。
　前記アンプは、前記信号電極層の前記圧電フィルムと反対側において前記圧電素子に積層されており、
　前記接地電極層は、前記信号電極層と前記アンプとを電気的に接続するための開口または切り欠きを有することが好ましい。
　前記アンプは、プリント基板を介して前記圧電素子に積層されていることが好ましい。
　前記プリント基板は、前記圧電素子側の主面に、
　前記信号電極層と電気的に接続される信号入力端子と、
　前記接地電極層と電気的に接続される接地入力端子とを備え、
　前記主面の面内方向において、前記信号入力端子の周囲が前記接地入力端子で囲われていることが好ましい。
　本発明によれば、圧電素子から出力された信号への電磁ノイズの混入が抑制された高感度な圧電センサを提供することができる。
実施形態１の圧電センサの構成を説明するための模式図である。 実施形態２の圧電センサの構成を説明するための模式図である。 実施形態２の圧電センサの別の構成を説明するための模式図である。 実施形態２の圧電センサの構成を説明するための模式図である。 実施形態３の圧電センサの構成を説明するための模式図である。 実施形態４の圧電センサの構成を説明するための模式図である。 実施形態５の圧電センサの構成を説明するための模式図である。
　本発明の圧電センサは、圧電素子とアンプとを備え、その両者が電磁的にシールドされている（圧電素子の信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるシールド体の内部に収容されている）ことを特徴とする。なお、圧電素子の信号電極とアンプとが導体（アンプ接続導体）によって接続されている場合は、このアンプ接続導体も電磁的にシールドされている（シールド体の内部に収容されている）。これにより、圧電体層で生じる信号だけでなく、圧電素子の信号電極から出力された後、アンプで増幅される前の信号にも、電磁ノイズが混入することが抑止されるため、高感度な圧電センサを提供することができる。
　本発明において、圧電素子は、少なくとも、絶縁性フィルム、および、絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層を含む「圧電フィルム」と、圧電フィルムの一方の主面に積層された「信号電極層」とを含む。「圧電フィルム」は圧電性を持つフィルム素材によって作られたものでもよい。
　圧電センサに用いられる圧電フィルムは薄型（フィルム状）の部材であり、それを含む圧電素子も薄型（フィルム状）であることが好ましい。圧電センサ全体としても、薄型（フィルム状）の圧電センサであることがより好ましい。
　圧電センサは、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として用いられる。圧電センサは、電磁ノイズを排除し感度を高めるために、シールド性の高いものであることが好ましいが、特に、人体で生じる物理信号を計測する場合は、人体が絶縁体であり誘導雑音を帯びているため、特に圧電センサのシールド性を高めることが望ましい。なお、本発明の圧電センサと同様の構成を有する部材をアクチュエータとして用いることもできる。
　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。
　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（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。
　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。
　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。
　信号電極層は、圧電体層で発生した電気信号を出力するための電極からなる膜状の層であり、アンプに電気的に接続される。
　信号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性材料、または、金属酸化物や金属窒化物を含む導電性材料を用いることができる。これらの導電性材料は、シールド体（接地電極層およびアンプケース）を構成する導体の材料としても用いることができる。
　信号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。また、接地電極層も同様の方法で形成することができ、接地電極層は、他にも、例えば、上記材料からなる薄膜を積層することで形成してもよい。
　信号電極層に電気的に接続されているアンプは、信号電極層からの電気信号を増幅する機能を有しており、電子回路に用いられる種々公知のアンプ（増幅器）を用いることができる。
　シールド体は、信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される。なお、「接地された導体」とは、基準電位点に接続された導体（電気伝導体）をいう。シールド体の形状は、内部に、圧電フィルム、信号電極層およびアンプを収容することのできる形状であれば特に限定されないが、薄型の形状であることが好ましい。
　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の圧電センサの構成を説明するための模式図である。
　図１を参照して、本実施形態の圧電センサの一部を構成する圧電素子２００は、
　絶縁性フィルム１１、および、絶縁性フィルム１１の一方の主面に積層された圧電体層１２から構成される圧電フィルム１００と、
　圧電フィルム１００の一方の主面に積層された信号電極層１３と、
　圧電フィルム１００の他方の面に積層された第１の接地電極層１４、それに導電性粘着剤層２１を介して積層された（電気的に接続された）第２の接地電極層３１、および、第２の接地電極層３１と導電性粘着剤層２１を介して電気的に接続された第３の接地電極層３２から構成される「接地電極層」とを含んでいる。なお、第２の接地電極層３１および第３の接地電極層３２の表面には、さらに、絶縁層４１，４２が積層されている。
　信号電極層１３と第３の接地電極層３２とは、絶縁性粘着剤層２２を介して積層されており、信号電極層１３と電気的に接続されていない。
　このように、本実施形態では、圧電素子は、圧電フィルムおよび信号電極層以外に、さらに、圧電フィルムおよび信号電極層の少なくとも一部を覆うように、信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体（接地電極層１４，３１，３２および導電性粘着剤層２１）から構成される「接地電極層」が設けられている。
　信号電極層１３の表面の一部とアンプ５２とは、導電性粘着剤層２３ａ、信号入力端子３３ａおよびビア導体４３１ａを介して電気的に接続されるが、第３の接地電極層３２（および絶縁層４２）は、そのための開口を有している。アンプ５２は、プリント基板４３内の配線（図示せず）を介して信号出力端子３４ａに電気的に接続され、信号出力端子３４ａが同軸ケーブル６の内部導体６１に電気的に接続され、アンプ５２で増幅された信号が同軸ケーブル６を通して出力される。
　一方、第３の接地電極層３２は、導電性粘着剤層２３ｂを介して接地入力端子３３ｂに電気的に接続されている。接地入力端子３３ｂは、ビア導体４３１ｂを介してアンプ５２を覆うアンプケース５１と電気的に接続されており、さらにプリント基板４３内の配線（図示せず）を介して接地出力端子３４ｂに電気的に接続されている。接地出力端子３４ｂは同軸ケーブル６の外部導体６３に電気的に接続され、接地される。同軸ケーブル６は絶縁体６２，６４により絶縁されている。なお、アンプで増幅された後の信号はノイズの影響を受けにくいため、同軸ケーブル６に代えて他の種々の配線を用いてもよい。
　このように、本実施形態において、アンプ５２は、信号電極層１３と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるアンプケース５１で覆われている。
　以上のとおり、本実施形態においては、接地電極層１４，３１，３２および導電性粘着剤層２１から構成される「接地電極層」、アンプケース５１、および、「接地電極層」とアンプケース５１を電気的に接続する部材（導電性粘着剤層２３ｂ、接地入力端子３３ｂおよびビア導体４３１ｂ）から構成される「シールド体」の内部に、圧電フィルム１００、信号電極層１３およびアンプ５２が収容されている。これにより、圧電体層で生じる信号だけでなく、圧電素子の信号電極から出力された後、アンプで増幅される前の信号にも、電磁ノイズが混入することが抑止される。
　なお、接地電極層１４，３１，３２のみで圧電フィルム１００および信号電極層１３の全体が覆われている必要はなく、また、アンプケース５１のみでアンプ５２全体が覆われている必要はなく、接地電極層１４，３１，３２とアンプケース５１とを含む「シールド体」の内部に、圧電フィルム１００、信号電極層１３およびアンプ５２が収容されていればよい。
　別途、圧電素子とアンプとを信号線（ワイヤ等）で接続する場合は、シールド体が大きくなってしまうが、本実施形態では、上述のような構成の圧電素子とアンプとを積層してプリント基板４３を介して接続することにより、別途の信号線が必要がなく、安価に、小型（薄型）のシールド一体型の圧電センサを提供することができる。
　なお、別々にシールドされた圧電素子とアンプとを用いることも考えられるが、シールドを保ったまま両者を接続するために、電磁シールド効果を有する同軸ケーブルを用いる必要がある。これに対して、本発明では、圧電素子とアンプとの全体(圧電素子とアンプとの接続導体を含む）が電磁的にシールドされているため、圧電素子とアンプとの接続に同軸ケーブル等の特別な配線を用いる必要がなく、プリント基板を介した接続などの多様な形態の接続が可能となり、圧電センサの構成の選択の幅が広がる利点がある。
　また、本実施形態では、プリント基板４３の主面の面内方向において、信号入力端子３３ａの周囲が前記接地入力端子３３ｂで囲われているため、よりシールド性が高められる。
　また、導電性粘着剤層２３ａは、リジッドなプリント基板に設けられた信号入力端子３３ａと接続している。接地入力端子３３ｂが信号入力端子３３ａを囲むように設けられているので、導電性粘着剤層２３ａおよび信号入力端子３３ａからなる信号線に応力が緩和され、断線する危険性が減少するという利点がある。
　（実施形態２）
　図２は、実施形態２の圧電センサの構成を説明するための模式図である。また、図４は、図２の開口１０１を含む縦断面を示す模式図である。
　本実施形態では、図２（ａ）に示されるように、信号電極層１３、圧電体層１２、絶縁性フィルム１１および接地電極層１４がこの順で積層された積層体を、信号電極層１３が内側となるように（信号電極層１３同士が接触するように）折り曲げることで作製される圧電素子２００（図２（ｂ））を用いる。
　ここで、上記積層体は開口１０１を有しており、折り曲げた後の状態で、信号電極層１３の一部が開口１０１により露出した状態となっている（図２（ｂ））。また、圧電フィルム（圧電体層１２および絶縁性フィルム１１）と信号電極層１３は、接地電極層１４に覆われている。
　図２（ｂ）に示されるように、この圧電素子に、アンプを内蔵したアンプケース５１が搭載されたプリント基板４３を積層することで、図４に示されるように、アンプケース５１内のアンプ５２と、信号電極層１３の開口１０１での露出面とが、導電性粘着剤層２３ａと、プリント基板４３に設けられた信号用配線５３ａおよびビア導体４３１ａとによって、接続される。
　一方、接地電極層１４は、導電性粘着剤層２３ｂと、プリント基板４３に設けられた接地用配線５３ｂおよびビア導体４３１ｂとによって、接地される。
　本実施形態においても実施形態１と同様の効果が奏される。また、本実施形態のように、圧電フィルムと電極層を含む積層体を折り曲げた後の圧電素子において、外側の接地電極層１４が圧電フィルム（絶縁性フィルム１１および圧電体層１２）と信号電極層１３とを覆うような構造を採用することで、圧電素子２００の製造における部品点数や組立工数を抑え、製造コストを抑えることができる。
　なお、図２（ａ）に示されるような開口１０１を有する積層体を折り曲げて得られる圧電素子２００（図２（ｂ））に代えて、図３（ａ）に示すような端部に切り欠きを有する積層体を同様に折り曲げて得られる圧電素子２００（図３（ｂ））を用いることもできる。ただし、信号電極層１３とアンプとの接続部におけるシールド性をより高めるためには、図２に示すような開口１０１を有する接地電極層１４（および絶縁性フィルム１１）を用いることが好ましい。
　（実施形態３）
　図５は、実施形態３の圧電センサの構成を説明するための模式図である。
　本実施形態では、例えば、実施形態２で図２を用いて説明した圧電素子２００と同様の圧電素子が用いられる。図５に示されるように、アンプ５２を内蔵したアンプケース５１が搭載されたプリント基板４３には、圧電素子２００の開口１０１に対応する部分に、導電性のバンプ４４が設けられている。バンプ４４は、プリント基板４３の信号入力端子を兼ねている。
　このプリント基板４３を圧電素子２００の一方の面に積層し、他方の面に導電性粘着テープ７を積層して、熱圧着機で熱圧着する。これにより、圧電素子２００の内部の信号電極層とバンプ４４とが電気的に接続され、また、圧電素子２００の外側の接地電極層とプリント基板４３の接地入力端子（または、接地用配線）とが導電性粘着テープ７を介して電気的に接続される。
　このように、実施形態２と同様の圧電素子の信号電極層は、導電性のバンプを介して、アンプに電気的に接続させることができる。また、接地電極層は、導電性粘着テープを介してアンプケースと接続させることができる。
　本実施形態は、実施形態１に比べて、接続にかかわる熱的なストレスが小さく、圧電フィルムとして耐熱性が低いものでも使用することができるという利点を有している。
　（実施形態４）
　図６は、実施形態４の圧電センサの構成を説明するための模式図である。
　本実施形態では、例えば、実施形態２で図２を用いて説明した圧電素子２００と同様の圧電素子が用いられる。そして、図６に示されるように、アンプ５２を内蔵したアンプケース５１が搭載されたプリント基板４３が、圧電素子２００の一方の面に積層され、プリント基板４３と圧電素子２００とはカシメ９ａ，９ｂにより強固に固定されている。
　プリント基板４３の信号用配線５３ａが、カシメ９ａを介して、圧電素子２００の信号電極層１３に電気的に接続されている。また、プリント基板４３の接地用配線５３ｂは、カシメ９ｂを介して、圧電素子２００の接地電極層１４に電気的に接続されている。なお、図６は、断面図であるため、アンプケース５１がプリント基板４３と離間しているように描かれているが、アンプケース５１は、他の部分でプリント基板４３の接地用配線５３ｂに接続されている。
　さらに、本実施形態では、図６に示すように、アンプケース５１と同様のシールドケース５４が、圧電素子２００の他方の面に積層されている。なお、図６は、断面図であるため、シールドケース５４がプリント基板４３と離間しているように描かれているが、シールドケース５４は、他の部分で圧電素子２００の接地電極層１４に接続されている。
　このように、実施形態２と同様の圧電素子の信号電極層は、カシメを介して、アンプに電気的に接続させることもできる。また、接地電極層も、カシメを介してアンプケースと接続させることができる。
　本実施形態は、実施形態１や実施形態３と比べて、接続部の強度が向上するという利点を有している。
　（実施形態５）
　図７は、実施形態５の圧電センサの構成を説明するための模式図である。
　本実施形態では、例えば、実施形態２で図２を用いて説明した圧電素子２００と同様の圧電素子が用いられる。そして、本実施形態の圧電センサは、このような圧電素子を、図７に示されるような、アンプ５２を内蔵した、複数のプリント基板４３が積層されてなる樹脂多層基板に積層することにより得られるものである。
　樹脂多層基板に内蔵されたアンプ５２は、信号用配線５３ａおよびビア導体４３１ａを介して、圧電素子の信号電極層に電気的に接続される。また、圧電素子の接地電極層は、樹脂多層基板の接地用配線５３ｂおよびビア導体４３１ｂに電気的に接続され、接地される。
　本実施形態のように、アンプが内蔵された樹脂多層基板を用いることで、圧電センサをさらに小型化および薄型化することができる。
　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　圧電素子、１ａ　開口、１１　絶縁性フィルム、１２　圧電体層、１３　信号電極層、１４　（第１の）接地電極層、２１，２３ａ，２３ｂ　導電性粘着剤層、２２　絶縁性粘着剤層、３１　（第２の）接地電極層、３２　（第３の）接地電極層、３３ａ　信号入力端子、３３ｂ　接地入力端子、３４ａ　信号出力端子、３４ｂ　接地出力端子、４１，４２　絶縁層、４３　プリント基板、４３１ａ，４３１ｂ　ビア導体、４４　導電性バンプ、５１　アンプケース、５２　アンプ、５３ａ　信号用配線、５３ｂ　接地用配線、５４　シールドケース、６　同軸ケーブル、６１　内部導体、６２，６４　絶縁体、６３　外部導体、７　導電性粘着テープ、８　熱圧着機、９ａ，９ｂ　カシメ、１００　圧電フィルム、１０１　開口、２００　圧電素子。

Claims (5)

  1. 　絶縁性フィルム、および、前記絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層を含む圧電フィルム、ならびに、
    　前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層
    　を含む圧電素子と、
    　前記信号電極層に電気的に接続されたアンプと、
    　前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるシールド体とを備え、
    　前記シールド体の内部に、前記圧電フィルム、前記信号電極層および前記アンプが収容されていることを特徴とする、圧電センサ。
  2. 　前記圧電素子は、さらに、前記圧電フィルムおよび前記信号電極層の少なくとも一部を覆う、前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される接地電極層を含み、
    　前記圧電センサは、さらに、前記アンプの少なくとも一部を覆う、前記信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成されるアンプケースとを備え、
    　前記シールド体は、前記接地電極層と前記アンプケースとを含む、請求項１に記載の圧電センサ。
  3. 　前記アンプは、前記信号電極層の前記圧電フィルムと反対側において前記圧電素子に積層されており、
    　前記接地電極層は、前記信号電極層と前記アンプとを電気的に接続するための開口または切り欠きを有する、請求項２に記載の圧電センサ。
  4. 　前記アンプは、プリント基板を介して前記圧電素子に積層されている、請求項３に記載の圧電センサ。
  5. 　前記プリント基板は、前記圧電素子側の主面に、
    　前記信号電極層と電気的に接続される信号入力端子と、
    　前記接地電極層と電気的に接続される接地入力端子とを備え、
    　前記主面の面内方向において、前記信号入力端子の周囲が前記接地入力端子で囲われている、請求項４に記載の圧電センサ。
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