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JP6596310B2 - Piezoelectric sensor, sensor system, and piezoelectric element - Google Patents
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JP6596310B2 - Piezoelectric sensor, sensor system, and piezoelectric element - Google Patents

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Description

本発明は圧電体を備える圧電センサ、センサシステム、および圧電素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric sensor including a piezoelectric body, a sensor system, and a piezoelectric element.

圧電センサに用いられる従来の典型的な圧電素子は図17及び図18に示すような構造である。図17は従来の典型的な圧電素子の上面図であり、図18は図17に示すAA線で切断した従来の典型的な圧電素子の断面図である。   A conventional typical piezoelectric element used for a piezoelectric sensor has a structure as shown in FIGS. 17 is a top view of a conventional typical piezoelectric element, and FIG. 18 is a cross-sectional view of the conventional typical piezoelectric element cut along line AA shown in FIG.

図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子は、基板101、下部電極102、圧電体層103、及び上部電極104を有している。   The conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. 17 and 18 includes a substrate 101, a lower electrode 102, a piezoelectric layer 103, and an upper electrode 104.

基板101は本体部101Aからカンチレバー101Bが延出する形状に加工されている。カンチレバー101B上に下部電極102、圧電体層103、及び上部電極104がその順番で積層されている。   The substrate 101 is processed into a shape in which the cantilever 101B extends from the main body 101A. A lower electrode 102, a piezoelectric layer 103, and an upper electrode 104 are stacked in that order on the cantilever 101B.

このような構造によってカンチレバー101Bに曲げ応力が作用すると、圧電体層103に電荷が発生して圧電体層103が分極し、下部電極102と上部電極104との間に電圧が発生する。   When bending stress acts on the cantilever 101B with such a structure, electric charges are generated in the piezoelectric layer 103, the piezoelectric layer 103 is polarized, and a voltage is generated between the lower electrode 102 and the upper electrode 104.

そして、能動回路を接続して圧電素子から電圧信号または電流信号を取り出すことで圧電センサとして利用することができる。   And it can utilize as a piezoelectric sensor by connecting an active circuit and taking out a voltage signal or a current signal from a piezoelectric element.

J0ng Cheol Park、他2名、“Modeling and Characterization ofPiezoelectric d33-Mode MEMS Energy Harvester”、JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS、2010年10月、第19巻、第5号、p.1215-1222J0ng Cheol Park, 2 others, “Modeling and Characterization of Piezoelectric d33-Mode MEMS Energy Harvester”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, October 2010, Vol. 19, No. 5, p. 1215-1222

しかしながら、図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子を用いた圧電センサは高い出力が得られないという問題を有している。本発明は、上記の状況に鑑み、高出力な圧電センサ並びに当該圧電センサを備えたセンサシステム及び当該圧電センサに利用可能な圧電素子を提供することを目的とする。   However, the piezoelectric sensor using the conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. 17 and 18 has a problem that a high output cannot be obtained. In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a high-output piezoelectric sensor, a sensor system including the piezoelectric sensor, and a piezoelectric element that can be used for the piezoelectric sensor.

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電センサは、第1電極、第2電極、及び圧電体層を備え前記圧電体層のd33モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生する圧電素子と、入力端が前記第1電極に接続される能動回路と、を有する構成(第1の構成)とする。 In order to achieve the above object, a piezoelectric sensor according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric layer, and the first electrode and the second electrode according to a d 33 mode displacement of the piezoelectric layer. And a piezoelectric element that generates a voltage between them and an active circuit whose input terminal is connected to the first electrode (first configuration).

上記第1の構成である圧電センサにおいて、前記圧電素子はカンチレバーを備え、前記カンチレバー上に前記圧電体層が形成され、前記圧電体層上に前記第1電極及び前記第2電極が形成される構成(第2の構成)にしても良い。   In the piezoelectric sensor having the first configuration, the piezoelectric element includes a cantilever, the piezoelectric layer is formed on the cantilever, and the first electrode and the second electrode are formed on the piezoelectric layer. A configuration (second configuration) may be used.

上記第2の構成である圧電センサにおいて、 前記第1電極及び前記第2電極は、それぞれ櫛歯状電極であり、互いに噛み合うように配置され、前記第1電極及び前記第2電極の各櫛が前記カンチレバーの長手方向と交差する方向に延びるように形成されている構成(第3の構成)にしても良い。   In the piezoelectric sensor having the second configuration, each of the first electrode and the second electrode is a comb-like electrode, and is arranged so as to mesh with each other, and each comb of the first electrode and the second electrode is arranged. You may make it the structure (3rd structure) formed so that it might extend in the direction which cross | intersects the longitudinal direction of the said cantilever.

上記第2又は第3の構成である圧電センサにおいて、前記圧電体層は第1圧電体層であり、前記圧電素子は第2圧電体層をさらに備え、前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とで前記第1電極及び前記第2電極が挟まれ、前記第1圧電体層及び前記第2圧電体層のd33モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生する構成(第4の構成)にしても良い。 In the piezoelectric sensor having the second or third configuration, the piezoelectric layer is a first piezoelectric layer, the piezoelectric element further includes a second piezoelectric layer, and the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The first electrode and the second electrode are sandwiched by the piezoelectric layer, and the first and second piezoelectric layers are displaced between the first electrode and the second electrode by the d 33 mode displacement of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. Alternatively, a configuration in which a voltage is generated (fourth configuration) may be used.

上記第4の構成である圧電センサにおいて、前記第2圧電体層の層厚は前記第1圧電体層の層厚より厚い構成(第5の構成)にしても良い。   In the piezoelectric sensor having the fourth configuration, the layer thickness of the second piezoelectric layer may be greater than the layer thickness of the first piezoelectric layer (fifth configuration).

上記第2〜5いずれかの構成である圧電センサにおいて、前記圧電素子は前記カンチレバーの自由端側に設けられる重りをさらに備える構成(第6の構成)にしても良い。   In the piezoelectric sensor having any one of the second to fifth configurations, the piezoelectric element may further include a weight (sixth configuration) provided on a free end side of the cantilever.

上記目的を達成するために、本発明に係るセンサシステムは、上記第1〜第6いずれかの構成である圧電センサと、前記圧電センサのアナログ出力信号を処理するアナログ信号処理回路と、を有する構成(第7の構成)とする。   In order to achieve the above object, a sensor system according to the present invention includes the piezoelectric sensor having any one of the first to sixth configurations, and an analog signal processing circuit that processes an analog output signal of the piezoelectric sensor. The configuration (seventh configuration) is assumed.

上記第7の構成であるセンサシステムにおいて、前記能動回路及び前記アナログ信号処理回路が集積化されている構成(第8の構成)にしても良い。   In the sensor system having the seventh configuration, the active circuit and the analog signal processing circuit may be integrated (eighth configuration).

上記第7又は第8の構成であるセンサシステムにおいて、前記圧電センサを収納する筐体をさらに有し、前記圧電センサが上記第2〜第6いずれかの構成である圧電センサであって、前記筐体の前記カンチレバーに対向する部分に開口が設けられている構成(第9の構成)にしても良い。
Sensor system is the configuration of the seventh or eighth, further comprising a housing for accommodating the piezoelectric sensor, the piezoelectric sensor is a piezoelectric sensor which is configured either the second to sixth, wherein You may make it the structure (9th structure) by which the opening is provided in the part facing the said cantilever of a housing | casing.

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子は、第1電極、第2電極、第1圧電体層、第2圧電体層、及びカンチレバーを備え、前記カンチレバー上に前記第1圧電体層が形成され、前記第1圧電体層上に前記第1電極及び前記第2電極が形成され、前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とで前記第1電極及び前記第2電極が挟まれ、前記第1圧電体層及び前記第2圧電体層のd33モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生する構成(第10の構成)とする。 In order to achieve the above object, a piezoelectric element according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, a first piezoelectric layer, a second piezoelectric layer, and a cantilever, and the first piezoelectric body on the cantilever. A layer is formed, and the first electrode and the second electrode are formed on the first piezoelectric layer, and the first electrode and the second electrode are formed by the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. Is configured such that a voltage is generated between the first electrode and the second electrode by the d 33 mode displacement of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer (tenth configuration). .

上記第10の構成である圧電素子において、前記第2圧電体層の層厚は前記第1圧電体層の層厚より厚い構成(第11の構成)にしても良い。   In the piezoelectric element having the tenth configuration, the layer thickness of the second piezoelectric layer may be greater than the layer thickness of the first piezoelectric layer (an eleventh configuration).

本発明によれば、高出力な圧電センサ並びに当該圧電センサを備えたセンサシステム及び当該圧電センサに利用可能な圧電素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high output piezoelectric sensor, the sensor system provided with the said piezoelectric sensor, and the piezoelectric element which can be utilized for the said piezoelectric sensor can be provided.

力が作用したときの圧電体の変形を示す図Diagram showing deformation of piezoelectric body when force is applied 第1実施形態に係る圧電センサが備える圧電素子の上面図Top view of a piezoelectric element included in the piezoelectric sensor according to the first embodiment 第1実施形態に係る圧電センサが備える圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element with which the piezoelectric sensor which concerns on 1st Embodiment is provided 第2実施形態に係る圧電センサが備える圧電素子の上面図Top view of a piezoelectric element included in a piezoelectric sensor according to a second embodiment 第2実施形態に係る圧電センサが備える圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element with which the piezoelectric sensor which concerns on 2nd Embodiment is provided センサシステムの構成例を示す図Diagram showing a configuration example of a sensor system インピーダンス変換回路の一例を示す図The figure which shows an example of the impedance conversion circuit インピーダンス変換回路の他の例を示す図The figure which shows the other example of an impedance conversion circuit センサシステムの他の構成例を示す図The figure which shows the other structural example of a sensor system I−V変換回路の他の例を示す図The figure which shows the other example of an IV conversion circuit センサシステムの概略斜視図Schematic perspective view of sensor system センサシステムの概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of a sensor system. センサシステムの変形例の概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the modification of a sensor system. センサシステムの変形例の概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the modification of a sensor system. 第1実施形態の変形例に係る圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る圧電素子の断面図Sectional drawing of the piezoelectric element which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る圧電素子の上面図Top view of a piezoelectric element according to a modification of the first embodiment 従来の典型的な圧電素子の上面図Top view of a typical conventional piezoelectric element 従来の典型的な圧電素子の断面図Sectional view of a typical conventional piezoelectric element

<圧電体の変位モード>
本発明者等は、圧電体の変位モードに着目し、高出力な圧電センサに適した圧電素子の構造について検討した。
<Displacement mode of piezoelectric body>
The present inventors have focused on the displacement mode of the piezoelectric body and studied the structure of a piezoelectric element suitable for a high output piezoelectric sensor.

ここで、圧電体の変位モードについて図1を参照して説明する。なお、図1における点線は力が作用していないときの圧電体P1の外形を示している。圧電体P1に引張力F1が作用すると、引張力F1と垂直な方向に収縮E1が生じるとともに引張力F1と平行な方向に伸長E2が生じる。一方、圧電体P1に圧縮力F2が作用すると、圧縮力F2と垂直な方向に伸長E3が生じるとともに圧縮力F2と平行な方向に収縮E4が生じる。   Here, the displacement mode of the piezoelectric body will be described with reference to FIG. In addition, the dotted line in FIG. 1 has shown the external shape of the piezoelectric material P1 when force is not acting. When the tensile force F1 acts on the piezoelectric body P1, contraction E1 occurs in a direction perpendicular to the tensile force F1, and elongation E2 occurs in a direction parallel to the tensile force F1. On the other hand, when the compression force F2 acts on the piezoelectric body P1, the expansion E3 is generated in the direction perpendicular to the compression force F2, and the contraction E4 is generated in the direction parallel to the compression force F2.

圧電体P1に作用する力F(F1又はF2)に垂直な伸縮(収縮E1又は伸長E3)によって圧電体P1に発生する電荷Q1すなわちd31モードの変位によって圧電体P1に発生する電荷Q1は、d31モードの圧電定数d31を用いて下記(1)式のように表すことができる。
1=d31×F ・・・(1)
Perpendicular stretch the force F (F1 or F2) which acts on the piezoelectric P1 (shrinkage E1 or elongation E3) by generated in the piezoelectric element P1 charge Q 1 or charge Q 1 generated in the piezoelectric element P1 by the displacement of the d 31 mode Can be expressed by the following equation (1) using the piezoelectric constant d 31 of the d 31 mode.
Q 1 = d 31 × F (1)

また、圧電体P1に作用する力F(F1又はF2)に平行な伸縮(伸長E2又は収縮E4)によって圧電体P1に発生する電荷Q2すなわちd33モードの変位によって圧電体P1に発生する電荷Q2は、d33モードの圧電定数d33を用いて下記(2)式のように表すことができる。
2=d33×F ・・・(2)
Further, the charge Q 2 generated in the piezoelectric body P 1 by expansion / contraction (extension E 2 or contraction E 4) parallel to the force F (F 1 or F 2) acting on the piezoelectric body P 1, that is, the charge generated in the piezoelectric body P 1 due to the d 33 mode displacement. Q 2 can be expressed by the following equation (2) using the piezoelectric constant d 33 of the d 33 mode.
Q 2 = d 33 × F (2)

力Fと同じ方向の変位によって発生する電荷Q2の方が力Fと異なる方向の変位によって発生する電荷Q1よりも発生効率が良い。例えば、圧電定数d33は圧電定数d31のおよそ2倍程度になる。 The charge Q 2 generated by the displacement in the same direction as the force F is better generated than the charge Q 1 generated by the displacement in the direction different from the force F. For example, the piezoelectric constant d 33 is about twice the piezoelectric constant d 31 .

圧電素子は、一対の電極とそれらの電極間に介在する圧電体とを備えるキャパシタ構造である。このため、一対の電極間に発生する電圧Vは下記(3)式のように表すことができる。ただし、Qは圧電体で発生する電荷であり、Cは圧電体の静電容量である。
V=Q/C ・・・(3)
The piezoelectric element has a capacitor structure including a pair of electrodes and a piezoelectric body interposed between the electrodes. For this reason, the voltage V generated between the pair of electrodes can be expressed as the following equation (3). However, Q is a charge generated in the piezoelectric body, and C is a capacitance of the piezoelectric body.
V = Q / C (3)

ここで、上述した図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子について考察する。カンチレバー101Bに曲げ応力が作用すると、圧電体層103にはカンチレバー101Bの長手方向に平行な力が作用する。そして、圧電体層103に作用する力に垂直な伸縮によって圧電体層103に発生する電荷に比例する電圧が下部電極102と上部電極104との間に発生している。すなわち、図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子はd31モードを用いる構造である。 Here, the conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. 17 and 18 will be considered. When bending stress acts on the cantilever 101B, a force parallel to the longitudinal direction of the cantilever 101B acts on the piezoelectric layer 103. A voltage proportional to the charge generated in the piezoelectric layer 103 due to expansion and contraction perpendicular to the force acting on the piezoelectric layer 103 is generated between the lower electrode 102 and the upper electrode 104. That is, the conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. 17 and 18 has a structure using the d 31 mode.

したがって、圧電素子においてd33モードを用いることで、図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子よりも上記(3)式における電荷Qひいては電圧Vを大きくすることができる。また、図17及び図18に示す従来の典型的な圧電素子では上記(3)式における静電容量を小さくするためには圧電体層103の層厚を厚くする必要があり、静電容量の大幅な低減は困難であった。 Therefore, by using the d 33 mode in the piezoelectric element, the charge Q and thus the voltage V in the above equation (3) can be made larger than the conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. In addition, in the conventional typical piezoelectric element shown in FIGS. 17 and 18, in order to reduce the capacitance in the above equation (3), it is necessary to increase the thickness of the piezoelectric layer 103. Significant reduction was difficult.

したがって、本発明者等は、圧電素子の構造として、圧電体のd33モードの変位によって一対の電極間に電圧が発生する構造を採用し、その構造の圧電素子を圧電センサに応用することで圧力センサの高出力化を図ることにした。 Accordingly, the present inventors have adopted a structure in which a voltage is generated between a pair of electrodes by the displacement of the d 33 mode of the piezoelectric body as a structure of the piezoelectric element, and the piezoelectric element having the structure is applied to the piezoelectric sensor. We decided to increase the output of the pressure sensor.

なお、d33モードを用いる圧電素子の一例は非特許文献1に開示されている。しかしながら、非特許文献1では、d33モードを用いる圧電素子をエナジーハーベスタとして利用しているので、d33モードを用いる圧電素子は単純に負荷(受動素子)に接続され、d33モードを用いる圧電素子の出力が負荷で消費されるだけである。このように圧電素子を発電装置に応用することは非特許文献1に開示されている電力密度から考えておよそ現実的でない。すなわち、非特許文献1では、d33モードを用いる圧電素子の現実的な応用例を何ら示していなかった。 An example of a piezoelectric element using the d 33 mode is disclosed in Non-Patent Document 1. However, in Non-Patent Document 1, since a piezoelectric element using the d 33 mode is used as an energy harvester, the piezoelectric element using the d 33 mode is simply connected to a load (passive element), and the piezoelectric element using the d 33 mode is used. Only the output of the element is consumed by the load. In this way, it is not practical to apply the piezoelectric element to the power generation device in view of the power density disclosed in Non-Patent Document 1. That is, Non-Patent Document 1 does not show any practical application example of the piezoelectric element using the d 33 mode.

<第1実施形態>
第1実施形態に係る圧電センサは、図2及び図3に示す圧電素子11と、入力端が圧電素子11の第1電極1に接続される能動回路(図2及び図3において不図示)と、を有している。
<First Embodiment>
The piezoelectric sensor according to the first embodiment includes a piezoelectric element 11 shown in FIGS. 2 and 3, and an active circuit (not shown in FIGS. 2 and 3) whose input end is connected to the first electrode 1 of the piezoelectric element 11. ,have.

図2は圧電素子11の上面図であり、図3は図2に示すAA線で切断した圧電素子11の断面図である。圧電素子11は、第1電極1、第2電極2、圧電体層3、及び基板4を有している。   2 is a top view of the piezoelectric element 11, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 11 cut along line AA shown in FIG. The piezoelectric element 11 includes a first electrode 1, a second electrode 2, a piezoelectric layer 3, and a substrate 4.

基板4は本体部4Aからカンチレバー4Bが延出する形状に加工されている。カンチレバー4B上に圧電体層3が形成され、圧電層3上に第1電極1及び第2電極2が形成されている。なお、圧電体層3の一部はカンチレバー4Bを越えて本体部4Aまで延びており、第1電極1の一部及び第2電極2の一部は圧電体層3を越えて、本体部4Aの圧電体層3が形成されていない部分まで延びている。   The substrate 4 is processed into a shape in which the cantilever 4B extends from the main body 4A. The piezoelectric layer 3 is formed on the cantilever 4 </ b> B, and the first electrode 1 and the second electrode 2 are formed on the piezoelectric layer 3. A part of the piezoelectric layer 3 extends to the main body 4A beyond the cantilever 4B, and a part of the first electrode 1 and a part of the second electrode 2 extend beyond the piezoelectric layer 3 to the main body 4A. It extends to a portion where the piezoelectric layer 3 is not formed.

第1電極1及び第2電極2はそれぞれ櫛歯状電極である。第1電極1及び第2電極2は、互いに噛み合うように、すなわち一方の電極の櫛と櫛の間に他方の電極の櫛が位置するように、配置されている。また、第1電極1と第2電極2との間に発生する電圧を最大化するために、第1電極1及び第2電極2は、第1電極1及び第2電極2の各櫛がカンチレバー4Bの長手方向と略直交する方向に延びるように形成されている。   Each of the first electrode 1 and the second electrode 2 is a comb-like electrode. The 1st electrode 1 and the 2nd electrode 2 are arrange | positioned so that it may mutually mesh | engage, ie, the comb of the other electrode is located between the combs of one electrode. Further, in order to maximize the voltage generated between the first electrode 1 and the second electrode 2, the first electrode 1 and the second electrode 2 are each composed of a cantilever in which each comb of the first electrode 1 and the second electrode 2 is a cantilever. It is formed to extend in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of 4B.

圧電素子11の各部サイズの一例としては、基板1の長手方向長さL1(図2参照)が最大1mm、第1電極1及び第2電極2の各櫛の幅L2(図2参照)が最大10μm、隣接する櫛間の距離L3(図2参照)が最大10μmとする設計が考えられる。   As an example of the size of each part of the piezoelectric element 11, the longitudinal length L1 of the substrate 1 (see FIG. 2) is 1 mm at the maximum, and the width L2 of each comb of the first electrode 1 and the second electrode 2 (see FIG. 2) is the maximum. A design in which the distance L3 (see FIG. 2) between adjacent combs is 10 μm at the maximum is 10 μm.

なお、第1電極1及び第2電極2の配置及び形状は本実施形態に限定されず、圧電体層3のd33モードの変位によって第1電極1と第2電極2との間に電圧が発生するような配置及び形状であれば良い。 The arrangement and shape of the first electrode 1 and the second electrode 2 are not limited to this embodiment, and a voltage is generated between the first electrode 1 and the second electrode 2 due to the displacement of the d 33 mode of the piezoelectric layer 3. Any arrangement and shape may be used.

以上説明した本実施形態に係る圧電センサは、圧電体層3のd33モードの変位によって第1電極1と第2電極2との間に電圧が発生する構造である圧電素子11を備えているため、高出力化を図ることができる。 The piezoelectric sensor according to the present embodiment described above includes the piezoelectric element 11 having a structure in which a voltage is generated between the first electrode 1 and the second electrode 2 by the displacement of the d 33 mode of the piezoelectric layer 3. Therefore, high output can be achieved.

<第2実施形態>
第2実施形態に係る圧電センサは、図4及び図5に示す圧電素子12と、入力端が圧電素子12の第1電極1に接続される能動回路(図4及び図5において不図示)と、を有している。
Second Embodiment
The piezoelectric sensor according to the second embodiment includes a piezoelectric element 12 shown in FIGS. 4 and 5, and an active circuit (not shown in FIGS. 4 and 5) whose input end is connected to the first electrode 1 of the piezoelectric element 12. ,have.

図4は圧電素子12の上面図であり、図5は図4に示すAA線で切断した圧電素子12の断面図である。なお、図4及び図5において図2及び図3と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。   4 is a top view of the piezoelectric element 12, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 12 cut along line AA shown in FIG. 4 and 5, the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

圧電素子12は、第1実施形態で用いた圧電素子11に対して圧電体層5を追加した構成である。   The piezoelectric element 12 has a configuration in which a piezoelectric layer 5 is added to the piezoelectric element 11 used in the first embodiment.

圧電素子12は、圧電体層3と圧電体層5とで第1電極1及び第2電極2とが挟まれる構造である。圧電素子12では、圧電体層3及び5のd33モードの変位によって第1電極1と第2電極2との間に電圧が発生する。 The piezoelectric element 12 has a structure in which the first electrode 1 and the second electrode 2 are sandwiched between the piezoelectric layer 3 and the piezoelectric layer 5. In the piezoelectric element 12, a voltage is generated between the first electrode 1 and the second electrode 2 by the displacement of the d 33 mode of the piezoelectric layers 3 and 5.

圧電体層3は、カンチレバー4Bに接している部分がカンチレバー4Bによる拘束の影響を受けるため、カンチレバー4Bの長手方向に平行な力が作用したときに分極方向が揃いにくいと考えられる。一方、圧電体層5は、カンチレバー4Bに接しておらずカンチレバー4Bによって拘束されないため、カンチレバー4Bの長手方向に平行な力が作用したときに分極方向が揃い易いと考えられる。   Since the piezoelectric layer 3 has a portion in contact with the cantilever 4B that is influenced by the restraint by the cantilever 4B, it is considered that the polarization direction is not easily aligned when a force parallel to the longitudinal direction of the cantilever 4B is applied. On the other hand, since the piezoelectric layer 5 is not in contact with the cantilever 4B and is not restrained by the cantilever 4B, it is considered that the polarization directions are easily aligned when a force parallel to the longitudinal direction of the cantilever 4B is applied.

したがって、圧電素子に圧電体層5を設けることで圧電センサの更なる高出力化が期待できる。さらに、圧電体層5の層厚を圧電体層3の層厚よりも厚くすることで、圧電体層5のd33モードの変位による電荷の発生を圧電体層3のd33モードの変位による電荷の発生よりも支配的にできるため、圧電センサのより一層の高出力化が期待できる。 Therefore, further increase in output of the piezoelectric sensor can be expected by providing the piezoelectric layer 5 in the piezoelectric element. Furthermore, by increasing than the thickness of the piezoelectric layer 3 the layer thickness of the piezoelectric layer 5, by d 33 mode of the displacement of the piezoelectric layer 3 the generation of charges due to d 33 mode of the displacement of the piezoelectric layer 5 Since it can dominate the generation of electric charge, it can be expected that the output of the piezoelectric sensor will be higher.

圧電素子12は第1実施形態で用いた圧電素子11よりも発生電荷及び電極間電圧が大きくなるので、圧電センサ以外への応用の可能性を秘めている。つまり、圧電素子12及びこれに類する構造(圧電体による電極の挟み込み構造)の圧電素子の応用範囲は、本実施形態すなわち圧電センサに限定されない。   Since the generated electric charge and the inter-electrode voltage of the piezoelectric element 12 are larger than those of the piezoelectric element 11 used in the first embodiment, there is a possibility of application to other than the piezoelectric sensor. That is, the application range of the piezoelectric element 12 and a piezoelectric element having a structure similar to this (electrode sandwiching structure by a piezoelectric body) is not limited to the present embodiment, that is, the piezoelectric sensor.

以上説明した本実施形態に係る圧電センサは、圧電体層3及び5のd33モードの変位によって第1電極1と第2電極2との間に電圧が発生する構造である圧電素子12を備えているため、高出力化を図ることができる。 The piezoelectric sensor according to this embodiment described above includes the piezoelectric element 12 having a structure in which a voltage is generated between the first electrode 1 and the second electrode 2 by the displacement of the d 33 mode of the piezoelectric layers 3 and 5. Therefore, high output can be achieved.

<センサシステム>
上述した圧電センサと、当該圧電センサのアナログ出力信号を処理するアナログ信号処理回路とを組み合わせることによって、センサシステムを得ることができる。
<Sensor system>
A sensor system can be obtained by combining the above-described piezoelectric sensor and an analog signal processing circuit that processes an analog output signal of the piezoelectric sensor.

図6はセンサシステムの構成例を示す図である。図6に示すセンサシステムは、圧電素子11と、能動回路であるインピーダンス変換回路13と、ゲインアンプ14と、アナログフィルタ15と、A/D変換器16と、を有するマイクロフォンである。   FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the sensor system. The sensor system shown in FIG. 6 is a microphone that includes a piezoelectric element 11, an impedance conversion circuit 13 that is an active circuit, a gain amplifier 14, an analog filter 15, and an A / D converter 16.

圧電素子11及びインピーダンス変換回路13によって圧電センサが構成される。ゲインアンプ14は圧電センサの出力(インピーダンス変換回路13の出力)を増幅する。アナログフィルタ15はゲインアンプ14の出力(増幅信号)から不要帯域成分を除去或いは抑制する。A/D変換器16はアナログフィルタ15の出力(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。   The piezoelectric element is constituted by the piezoelectric element 11 and the impedance conversion circuit 13. The gain amplifier 14 amplifies the output of the piezoelectric sensor (output of the impedance conversion circuit 13). The analog filter 15 removes or suppresses unnecessary band components from the output (amplified signal) of the gain amplifier 14. The A / D converter 16 converts the output (analog signal) of the analog filter 15 into a digital signal.

A/D変換器16の出力(デジタル信号)は例えば不図示のDSP(Digital Signal Processor)に送られ、音声認識処理や音声圧縮処理等が施される。   The output (digital signal) of the A / D converter 16 is sent to, for example, a DSP (Digital Signal Processor) (not shown) and subjected to speech recognition processing, speech compression processing, and the like.

ここではインピーダンス変換回路13、ゲインアンプ14、アナログフィルタ15、及びA/D変換器16は一つのASIC(Application Specific Integrated Circuit)17に集積化されているが、これに限定されるものではない。   Here, the impedance conversion circuit 13, the gain amplifier 14, the analog filter 15, and the A / D converter 16 are integrated in one ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 17, but the present invention is not limited to this.

図7はインピーダンス変換回路13の一構成例を示す図である。図7の構成例では、インピーダンス変換回路13は、プルアップ抵抗R1及びNMOSトランジスタQ1によって構成されるオープンドレイン回路であって、圧電素子11の第1電極1がNMOSトランジスタQ1のゲート(インピーダンス変換回路13の入力端)に接続されている。   FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the impedance conversion circuit 13. In the configuration example of FIG. 7, the impedance conversion circuit 13 is an open drain circuit configured by a pull-up resistor R1 and an NMOS transistor Q1, and the first electrode 1 of the piezoelectric element 11 is the gate of the NMOS transistor Q1 (impedance conversion circuit). 13 input terminals).

図8はインピーダンス変換回路13の一構成例を示す図である。図8の構成例では、インピーダンス変換回路13は、オペアンプA1によって構成されるバッファアンプであって、圧電素子11の第1電極1がオペアンプA1の非反転入力端子(インピーダンス変換回路13の入力端)に接続されている。   FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the impedance conversion circuit 13. In the configuration example of FIG. 8, the impedance conversion circuit 13 is a buffer amplifier configured by an operational amplifier A1, and the first electrode 1 of the piezoelectric element 11 is a non-inverting input terminal of the operational amplifier A1 (input terminal of the impedance conversion circuit 13). It is connected to the.

図9はセンサシステムの他の構成例を示す図である。なお、図9において図6と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図9に示すセンサシステムは、図6に示すセンサシステムにおいてインピーダンス変換回路13をチャージアンプ18に置き換えた構成である。ここではチャージアンプ18、ゲインアンプ14、アナログフィルタ15、及びA/D変換器16は一つのASIC19に集積化されているが、これに限定されるものではない。   FIG. 9 is a diagram showing another configuration example of the sensor system. In FIG. 9, the same parts as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The sensor system shown in FIG. 9 has a configuration in which the impedance conversion circuit 13 is replaced with a charge amplifier 18 in the sensor system shown in FIG. Here, the charge amplifier 18, the gain amplifier 14, the analog filter 15, and the A / D converter 16 are integrated in one ASIC 19, but the present invention is not limited to this.

図10はチャージアンプ18の一構成例を示す図である。図10の構成例では、チャージアンプ18は、オペアンプA2と、オペアンプA2の非反転入力端子と出力端子との間に設けられるキャパシタC1及び抵抗R2の並列回路と、によって構成されており、圧電素子11の第1電極1がオペアンプA2の非反転入力端子(チャージアンプ18の入力端)に接続されている。   FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of the charge amplifier 18. In the configuration example of FIG. 10, the charge amplifier 18 includes an operational amplifier A2, and a parallel circuit of a capacitor C1 and a resistor R2 provided between a non-inverting input terminal and an output terminal of the operational amplifier A2, and includes a piezoelectric element. 11 first electrodes 1 are connected to the non-inverting input terminal (input terminal of the charge amplifier 18) of the operational amplifier A2.

上述したセンサシステムは圧電素子11を有する構成であるが、圧電素子11の代わりに圧電素子12を用いることも当然の事ながら可能である。   Although the sensor system described above has a configuration including the piezoelectric element 11, it is naturally possible to use the piezoelectric element 12 instead of the piezoelectric element 11.

上述したセンサシステムの概略構造例について図6に示すセンサシステムを例に挙げて説明する。   A schematic structural example of the above-described sensor system will be described by taking the sensor system shown in FIG. 6 as an example.

図11はセンサシステムの概略斜視図である。センサシステムは筐体20を備えている。筐体20は、ベース部20Aと、ベース部20Aを覆うカバー部20Bとによって構成されている。カバー部20Bには音圧を筐体20に導入するための開口(音響孔)20Cが形成されている。   FIG. 11 is a schematic perspective view of the sensor system. The sensor system includes a housing 20. The housing 20 includes a base portion 20A and a cover portion 20B that covers the base portion 20A. An opening (acoustic hole) 20 </ b> C for introducing sound pressure into the housing 20 is formed in the cover portion 20 </ b> B.

図12はセンサシステムの概略縦断面図である。開口(音響孔)20Cはカバー部20Bのカンチレバー4Bに対向する部分に形成されている。これにより、開口(音響孔)20Cから筐体20に導入された音圧によってカンチレバー5Bが変形しやすくなるため、圧電センサの感度が向上する。   FIG. 12 is a schematic longitudinal sectional view of the sensor system. The opening (acoustic hole) 20C is formed in a portion of the cover portion 20B that faces the cantilever 4B. Thereby, the cantilever 5B is easily deformed by the sound pressure introduced into the housing 20 from the opening (acoustic hole) 20C, so that the sensitivity of the piezoelectric sensor is improved.

ASIC17の端子(インピーダンス変換回路13の入力端子に繋がっている端子)と第1電極1の端部とはボンディングワイヤ21によって電気的に接続される。また、ASIC17の端子(A/D変換器16の出力端子に繋がっている端子)とベース部20Aに配設されている配線パターンとはボンディングワイヤ21’によって電気的に接続される。   A terminal of the ASIC 17 (terminal connected to the input terminal of the impedance conversion circuit 13) and the end of the first electrode 1 are electrically connected by a bonding wire 21. Further, the terminal of the ASIC 17 (terminal connected to the output terminal of the A / D converter 16) and the wiring pattern disposed in the base portion 20A are electrically connected by a bonding wire 21 '.

ベース部20Aに配設されている配線パターンはベース部20Aに形成されているスルーホールに電気的に接続されており、ベース部20Aのスルーホールによってベース部20Aの底面に電気接点(端子)が設けられる。   The wiring pattern disposed in the base portion 20A is electrically connected to a through hole formed in the base portion 20A, and an electrical contact (terminal) is connected to the bottom surface of the base portion 20A by the through hole of the base portion 20A. Provided.

なお、上述した構造例とは異なり、図13Aに示すようにベース部20Aのカンチレバー4Bに対向する部分に開口(音響孔)2を形成してもよい。また、上述した構造例とは異なり、図13Bに示すようにASIC17の上に圧電素子を載置してもよい。また、ベース部20A及びカバー部20Bの形状は上述した構造例に限定されない。例えば、ベース部20Aを蓋のない箱形状とし、カバー部20Bを蓋形状(板形状)にしてもよい。   Unlike the structure example described above, an opening (acoustic hole) 2 may be formed in a portion of the base portion 20A facing the cantilever 4B as shown in FIG. 13A. Further, unlike the above-described structural example, a piezoelectric element may be placed on the ASIC 17 as shown in FIG. 13B. Further, the shapes of the base portion 20A and the cover portion 20B are not limited to the above-described structural examples. For example, the base portion 20A may have a box shape without a lid, and the cover portion 20B may have a lid shape (plate shape).

<その他の変形例>
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
<Other variations>
The configuration of the present invention can be variously modified within the scope of the present invention in addition to the above embodiment.

また例えば上記第1実施形態の変形例として、図14に示すように基板4の形状を変更してカンチレバー4Bの自由端側に重し4Cを設けるようにしてもよい。   For example, as a modification of the first embodiment, the shape of the substrate 4 may be changed as shown in FIG. 14 to provide a weight 4C on the free end side of the cantilever 4B.

また、図15に示すように基板4とは別の部材で重し22を形成しカンチレバー4Bの自由端側に設けるようにしてもよい。この場合、例えば重し22を第1電極1及び第2電極2と同じ材料として製造時に重し形成プロセスと電極形成プロセスを同じプロセスで実行してもよい。   Further, as shown in FIG. 15, a weight 22 may be formed by a member different from the substrate 4 and provided on the free end side of the cantilever 4B. In this case, for example, the weight forming process and the electrode forming process may be executed in the same process by using the weight 22 as the same material as the first electrode 1 and the second electrode 2 at the time of manufacture.

このように重しを設けることでカンチレバー5Bが変形する際の変形量が大きくなるため、圧電センサの感度が向上する。なお、上記第2実施形態に対してもこれらの変形例と同様の変形を適用することができる。   By providing the weight in this manner, the amount of deformation when the cantilever 5B is deformed is increased, so that the sensitivity of the piezoelectric sensor is improved. It should be noted that modifications similar to these modifications can be applied to the second embodiment.

また例えば上記第1実施形態の変形例として、カンチレバー5Bの変形は固定端側が大きいことに着目して、図16に示すように第1電極1及び第2電極2を、カンチレバー5Bの固定端から、カンチレバー5Bの長手方向長さaの半分長さa/2の手前まで延びている形状としてもよい。すなわち、カンチレバー5Bの自由端側半分には第1電極1及び第2電極2が形成されていない。上記第2実施形態に対してもこの変形例と同様の変形を適用することができる。   Further, for example, as a modification of the first embodiment, paying attention to the fact that the deformation of the cantilever 5B is large on the fixed end side, the first electrode 1 and the second electrode 2 are moved from the fixed end of the cantilever 5B as shown in FIG. The cantilever 5B may have a shape that extends to a length half the length a / 2 of the longitudinal length a. That is, the first electrode 1 and the second electrode 2 are not formed on the free end half of the cantilever 5B. The same modification as this modification can be applied to the second embodiment.

上述した説明では圧電センサの応用としてマイクロフォンを採り上げたが、圧電センサの応用はこれに限定されない。例えば、圧電センサの検出対象を可聴音から超音波に変更することで、圧電センサは超音波センサとして機能する。この超音波センサと超音波発信器と組み合わせたシステムとすることで、例えば、測距装置、超音波診断装置等に応用することができる。   In the above description, the microphone is taken as an application of the piezoelectric sensor, but the application of the piezoelectric sensor is not limited to this. For example, the piezoelectric sensor functions as an ultrasonic sensor by changing the detection target of the piezoelectric sensor from an audible sound to an ultrasonic wave. By adopting a system in which this ultrasonic sensor and ultrasonic transmitter are combined, it can be applied to, for example, a distance measuring device, an ultrasonic diagnostic device, and the like.

このように、上記実施形態は、全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り、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。   As described above, the above embodiments are examples in all respects and should not be considered to be restrictive, and the technical scope of the present invention is not the description of the above embodiments, but the claims. It is to be understood that all changes that come within the scope of the claims, are equivalent in meaning to the claims, and fall within the scope of the claims.

本発明は、例えばマイクロフォン、超音波診断装置、測距装置などに応用することができる。   The present invention can be applied to, for example, a microphone, an ultrasonic diagnostic apparatus, and a distance measuring apparatus.

1 第1電極
2 第2電極
3、5 圧電体層
4 基板
4A 本体部
4B カンチレバー
4C 重し
11、12 圧電素子
13 インピーダンス変換回路
14 ゲインアンプ
15 アナログフィルタ
16 A/D変換器
17、19 ASIC
18 チャージアンプ
20 筐体
20A ベース部
20B カバー部
20C 開口
21、21’ ボンディングワイヤ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode 2 2nd electrode 3, 5 Piezoelectric layer 4 Board | substrate 4A Main body part 4B Cantilever 4C Weight 11,12 Piezoelectric element 13 Impedance conversion circuit 14 Gain amplifier 15 Analog filter 16 A / D converter 17, 19 ASIC
18 Charge amplifier 20 Housing 20A Base part 20B Cover part 20C Opening 21, 21 'Bonding wire

Claims (7)

第1電極、第2電極、及び圧電体層を備え前記圧電体層のd33モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生する圧電素子と、
入力端が前記第1電極に接続される能動回路と、を有し、
前記圧電素子はカンチレバーを備え、
前記カンチレバー上に前記圧電体層が形成され、前記圧電体層上に前記第1電極及び前記第2電極が形成され、
前記圧電体層は第1圧電体層であり、
前記圧電素子は第2圧電体層をさらに備え、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とで前記第1電極及び前記第2電極が挟まれ、
前記第1圧電体層及び前記第2圧電体層のd 33 モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生し、
前記第2圧電体層の層厚は前記第1圧電体層の層厚より厚いことを特徴とする圧電センサ。
A piezoelectric element comprising a first electrode, a second electrode, and a piezoelectric layer, wherein a voltage is generated between the first electrode and the second electrode by displacement of a d 33 mode of the piezoelectric layer;
Possess an active circuit whose input terminal is connected to the first electrode,
The piezoelectric element includes a cantilever,
The piezoelectric layer is formed on the cantilever, and the first electrode and the second electrode are formed on the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is a first piezoelectric layer;
The piezoelectric element further includes a second piezoelectric layer,
The first electrode and the second electrode are sandwiched between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
A voltage is generated between the first electrode and the second electrode by the d 33 mode displacement of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer ,
The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein a thickness of the second piezoelectric layer is larger than a thickness of the first piezoelectric layer .
前記第1電極及び前記第2電極は、それぞれ櫛歯状電極であり、互いに噛み合うように配置され、前記第1電極及び前記第2電極の各櫛が前記カンチレバーの長手方向と交差する方向に延びるように形成されている請求項に記載の圧電センサ。 Each of the first electrode and the second electrode is a comb-like electrode, and is arranged so as to mesh with each other, and each comb of the first electrode and the second electrode extends in a direction intersecting with a longitudinal direction of the cantilever. The piezoelectric sensor according to claim 1 , which is formed as described above. 前記圧電素子は前記カンチレバーの自由端側に設けられる重りをさらに備える請求項1又は請求項2に記載の圧電センサ The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric element further includes a weight provided on a free end side of the cantilever . 請求項1〜のいずれか一項に記載の圧電センサと、
前記圧電センサのアナログ出力信号を処理するアナログ信号処理回路と、を有することを特徴するセンサシステム。
The piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
An analog signal processing circuit for processing an analog output signal of the piezoelectric sensor.
前記能動回路及び前記アナログ信号処理回路が集積化されている請求項に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 4 , wherein the active circuit and the analog signal processing circuit are integrated. 前記圧電センサを収納する筐体をさらに有し、
前記圧電センサが請求項のいずれか一項に記載の圧電センサであって、前記筐体の前記カンチレバーに対向する部分に開口が設けられている請求項又は請求項に記載のセンサシステム。
A housing that houses the piezoelectric sensor ;
It said piezoelectric sensor is a piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 3, according to claim 4 or claim 5 opening is provided in a portion facing the cantilever of the housing Sensor system.
第1電極、第2電極、第1圧電体層、第2圧電体層、及びカンチレバーを備え、
前記カンチレバー上に前記第1圧電体層が形成され、前記第1圧電体層上に前記第1電極及び前記第2電極が形成され、
前記第1圧電体層と前記第2圧電体層とで前記第1電極及び前記第2電極が挟まれ、
前記第1圧電体層及び前記第2圧電体層のd33モードの変位によって前記第1電極と前記第2電極との間に電圧が発生し、
前記第2圧電体層の層厚は前記第1圧電体層の層厚より厚いことを特徴とする圧電素子。
A first electrode, a second electrode, a first piezoelectric layer, a second piezoelectric layer, and a cantilever;
The first piezoelectric layer is formed on the cantilever, the first electrode and the second electrode are formed on the first piezoelectric layer;
The first electrode and the second electrode are sandwiched between the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer,
A voltage is generated between the first electrode and the second electrode by the d 33 mode displacement of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer ,
The piezoelectric element according to claim 1, wherein a thickness of the second piezoelectric layer is greater than a thickness of the first piezoelectric layer .
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