压电元件以及压电传感器的制作方法

本发明涉及压电元件以及具备其的压电传感器。

背景技术：

以往，作为检测物体的变形等的传感器，已知利用了压电现象的压电传感器。

例如，在jp特开昭62-156503号公报(专利文献1)中，记载了对机器人的指尖、人类的关节等对象物的弯曲进行检测的压电传感器。该公报中所述的压电传感器具有：具有上层的膜状的压电薄膜和下层的膜状的压电薄膜的双压电晶片构造。具体而言，将由于上层的压电薄膜伸长、下层的压电薄膜缩小这一压电体的变形而产生的电荷检测为弯曲。

如上述公报中所提到的那样，压电体具有由于温度变化而产生电荷的热电性。因此，若压电传感器在温度变化的环境下使用，则不仅检测由于压电体的变形而产生的电荷，还检测由于基于温度变化的热量梯度而产生的电荷。由于热量梯度而产生的电荷在弯曲检测时成为噪声。因此，在上述公报的压电传感器中，通过研究压电体的极化方向、引出电极的极性等，从而能够在上层的压电体和下层的压电体将由于热量梯度而产生的电荷抵消，仅进行由于压电体的变形而产生的电荷的检测。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开昭62-156503号公报

技术实现要素：

-发明要解决的课题-

然而，在产生对象物挠曲时那种上层的压电体和下层的压电体都被向对象物拉伸(或者收缩)的变形的情况下，不能使用上述公报中所述的压电传感器。原因是，由于上述公报中所述的压电传感器在上层的压电体伸长且下层的压电体缩短这一变形中被使用，因此压电传感器的变形与此不同，正电荷和负电荷的产生方式不同。

因此，若将抵消由于热量梯度而产生的电荷的设计的上述公报中所述的压电传感器用于对象物的挠曲检测，则即使热电的问题能够解决，基于挠曲的电荷也被上层的压电体和下层的压电体抵消，面对难以进行挠曲检测的问题。此外，若优先作为挠曲检测的功能而设为上层的压电体与下层的压电体的电荷不能抵消的电极设计，则不能抵消基于热量梯度的电荷，产生噪声。这样，在现有的压电传感器中，难以兼顾抵消由于热量梯度而产生的电荷、并且高灵敏度地检测由于挠曲而产生的电荷。

-解决课题的手段-

因此，为了解决上述课题，本发明的压电元件具备：层叠体，具有将厚度方向设为极化方向的第1及第2压电体层、和被设置于第1压电体层与第2压电体层之间的弹性体层；第1及第2端子电极，被设置于层叠体的外表面；第1检测用电极，被设置于第1压电体层的正的极性面；第2检测用电极，被设置于第1压电体层的负的极性面；第3检测用电极，被设置于第2压电体层的正的极性面；和第4检测用电极，被设置于第2压电体层的负的极性面。第1检测用电极和第4检测用电极连接于第1端子电极，第2检测用电极和第3检测用电极连接于第2端子电极。

此外，本发明的压电传感器通过压电元件被安装于对象物，从而根据通过弹性体层而产生的第1压电体层与第2压电体层的伸长的差异，检测对象物的挠曲。

-发明效果-

根据本发明，能够抵消由于热量梯度而产生的电荷，并且高灵敏度地检测由于挠曲而产生的电荷。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式所涉及的压电元件的立体图。

图2是相当于沿着图1中的a-a线的部分的、本发明的第1实施方式所涉及的压电元件的剖视图。

图3是本发明的第1实施方式所涉及的压电传感器的等效电路图。

图4是使用了本发明的第1实施方式所涉及的压电元件的压电传感器的剖视图。

图5是本发明的第2实施方式所涉及的压电元件的剖视图。

图6是本发明的第3实施方式所涉及的压电元件的立体图。

图7是本发明的第4实施方式所涉及的压电元件的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图来对本发明的实施方式所涉及的压电元件以及压电传感器进行说明。

(第1实施方式)

图1是本发明的第1实施方式所涉及的压电元件1的立体图。参照图1，加工x轴方向定义为长度方向，将y轴方向定义为厚度方向，将z轴方向定义为宽度方向。

如图1所示，压电元件1呈长方体状，具有：位于厚度方向的两端的第1主面1a以及第2主面1b、位于长度方向的两端的第1端面1c以及第2端面1d、位于宽度方向的两端的第1侧面1e以及第2侧面1f。压电元件1具备将第1外装体3a、第1压电体层2a、弹性体层8、第2压电体层2b以及第2外装体3b在厚度方向层叠而成的层叠体12。另外，在本第1实施方式中，层叠体12的长度方向上的尺寸比层叠体12的宽度方向上的尺寸大。

此外，在层叠体12的第1端面1c，设置第1端子电极5a，在层叠体12的第2端面1d，设置第2端子电极5b。另外，第1端子电极5a以及第2端子电极5b分别形成为也绕回到层叠体12的第1主面1a的一部分、第2主面1b的一部分、第1侧面1e的一部分以及第2侧面1f的一部分。

图2是相当于沿着图1中的a-a线的部分的、压电元件1的剖视图。

如图2所示，第1压电体层2a具有第1主表面2aa以及第2主表面2ab，第2压电体层2b具有第1主表面2ba以及第2主表面2bb。第1压电体层2a以及第2压电体层2b均由锆钛酸铅等压电陶瓷构成。

对第1压电体层2a以及第2压电体层2b均进行极化处理，分别将其厚度方向设为极化方向。更具体而言，第1压电体层2a的极化方向和第2压电体层2b的极化方向都朝向从各自的第2主表面2ab、2bb向第1主表面2aa、2ba的方向。这里，在通过箭头来表示极化方向的情况下，将位于起点的主表面设为负的极性面，将位于终点的主表面设为正的极性面。

在本第1实施方式中，第1压电体层2a的第1主表面2aa和第2压电体层2b的第1主表面2ba为正的极性面，第1压电体层2a的第2主表面2ab和第2压电体层2b的第2主表面2bb为负的极性面。这里，优选第1压电体层2a的极化方向和第2压电体层2b的极化方向朝向相同的方向。

另外，极化方向也可以是从第1主表面2aa、2ba朝向第2主表面2ab、2bb的方向。在该情况下，同样地，第1压电体层2a的第2主表面2ab和第2压电体层2b的第2主表面2bb为正的极性面，第1压电体层2a的第1主表面2aa和第2压电体层2b的第1主表面2ba为负的极性面。

在第1压电体层2a与第2压电体层2b之间，设置弹性体层8。更具体而言，第1压电体层2a的第2主表面2ab和第2压电体层2b的第1主表面2ba经由粘接剂7而与板状的弹性体层8接合。

弹性体层8由聚氨酯树脂、硅酮树脂等弹性材料构成。另外，在弹性体层8中，也能够取代聚氨酯树脂、硅酮树脂，使用橡胶等。优选弹性体层8的杨氏模量比第1压电体层2a以及第2压电体层2b中任意一个的杨氏模量都低。此外，优选弹性体层8的杨氏模量比粘接剂7的杨氏模量低。进一步地，弹性体层8也可以不使用粘接剂7，直接与第1压电体层2a的第2主表面2ab和第2压电体层2b的第1主表面2ba接合。

在本第1实施方式所涉及的压电元件1的第1压电体层2a的第1主表面2aa接合第1外装体3a，在第2压电体层2b的第2主表面2bb接合第2外装体3b。另外，第1外装体3a以及第2外装体3b的双方或者一方也可以不被设置。但是，由于能够防止第1压电体层2a以及第2压电体层2b的损坏，因此优选在压电元件1设置第1外装体3a以及第2外装体3b。

第1检测用电极4a被设置于第1压电体层2a的正的极性面，第2检测用电极4b被设置于第1压电体层2a的负的正极面。此外，第3检测用电极4c被设置于第2压电体层2b的正的极性面，第4检测用电极4d被设置于第2压电体层2b的负的极性面。

这里，重要的是，被设置于第1压电体层2a的正的极性面的第1检测用电极4a和被设置于第2压电体层2b的负的极性面的第4检测用电极4d电连接于第1端子电极5a。此外，被设置于第1压电体层2a的负的极性面的第2检测用电极4b和被设置于第2压电体层2b的正的极性面的第3检测用电极4c电连接于第2端子电极5b也同样重要。

图3是本发明的第1实施方式所涉及的压电传感器的等效电路图。

图3所示的等效电路表示在压电元件1中，第1压电体层2a与第2压电体层2b被并联连接以使得相互的极化方向相反。因此，在压电元件1中，能够将由于热量梯度而产生的电荷抵消。

这里，第2检测用电极4b和第3检测用电极4c都连接于第2端子电极5b。由于第2检测用电极4b与第3检测用电极4c夹着弹性体层8而被相互接近设置，都连接于第2端子电极5b，因此不会夹着弹性体层8产生电场。

图4是使用了本发明的第1实施方式所涉及的压电元件1的压电传感器11的剖视图。

如图4所示，压电传感器11是通过接合部9来将压电元件1安装于作为对象物6的基板的传感器。第2压电体层2b被设置于比第1压电体层2a更靠对象物6一侧。

在图4中，如箭头e所示，若对象物6在平面方向伸长，则分别具有与箭头e相同的方向的拉伸应力通过接合部9而被施加给压电元件1。由此，被设置于对象物6一侧的第2压电体层2b伸长。

此时，弹性体层8具有吸收被施加的拉伸应力的功能。因此，难以对隔着弹性体层8而被设置于与对象物6相反的一侧的第1压电体层2a施加拉伸应力，第1压电体层2a的变形比第2压电体层2b的变形小。换言之，在对象物6伸长时，通过弹性体层8，在第1压电体层2a与第2压电体层2b之间产生伸长的差异。

压电传感器11根据通过该弹性体层8而产生的基于第1压电体层2a与第2压电体层2b的变形的伸长的差异，检测对象物6的挠曲。如上所述，由于压电传感器11被设计为将由于热量梯度而在第1压电体层2a和第2压电体层2b产生的电荷抵消，因此能够在不受到由于热量梯度而产生的电荷的影响的情况下，对由于第1压电体层2a以及第2压电体层2b的变形而产生的电荷进行检测。

假设在压电元件1未设置有弹性体层8的情况下，第1压电体层2a以及第2压电体层2b的变形为相同程度，伸长的差异变小。因此，分别从第1压电体层2a以及第2压电体层2b产生的电荷的多数被抵消，压电传感器难以高灵敏度地检测对象物6的挠曲。因此，弹性体层8的存在使得能够高灵敏度地检测对象物6的挠曲。

在图4中，接合部9在对应于压电元件1的第1端面1c以及第2端面1d的部分，形成到设置有第2压电体层2b的高度位置。这里，优选接合部9形成为未达到第1压电体层2a的高度。此外，更优选接合部9形成为未达到弹性体层8的高度。这是由于如上所述，由于对象物6的挠曲而产生的拉伸应力经由接合部9而被施加给压电元件1。

此外，如图4所示，在压电传感器11中，优选在对象物6与压电元件1之间形成接合部9的安装部分的缝隙。该缝隙通过压电元件1不与对象物6直接接触，从而起到使得难以检测从外部传来的冲击、振动等的噪声的功能。另外，接合部9由焊料、粘接剂等构成。

接下来，对本发明的第1实施方式所涉及的压电元件1以及使用其的压电传感器11的制造方法进行说明。

首先，通过丝网印刷在由压电陶瓷等构成的第1压电体层2a形成第1检测用电极4a以及第2检测用电极4b，在对此进行烧成后，对其实施极化处理以使得极化方向为厚度方向。此外，同样地，通过丝网印刷在由压电陶瓷等构成的第2压电体层2b形成第3检测用电极4c以及第4检测用电极4d，在对此进行烧成后，对其实施极化处理以使得极化方向为厚度方向。

然后，在被烧成的第1压电体层2a以及第2压电体层2b的主表面涂敷环氧树脂等粘接剂7，将第1外装体3a、第1压电体层2a、弹性体层8、第2压电体层2b和第2外装体3b层叠并一体地接合，制造层叠体12。

此外，也可以在压电体层集合的母基板的状态下形成检测用电极，实施极化处理，通过将弹性体层和外装体接合后将其切断为切片，一并制造多个层叠体。

接下来，在层叠体12的两端面，通过溅射法等，形成例如ag等的薄膜，在该薄膜上实施金属镀覆等，来形成第1端子电极5a以及第2端子电极5b。由此，制造压电元件1。

最后，通过利用接合部9来将压电元件1安装于作为对象物6的基板来完成压电传感器11。

(第2实施方式)

图5是本发明的第2实施方式所涉及的压电元件21的剖视图。

如图5所示，在压电元件21中，在第1压电体层22a与第2压电体层22b之间的长度方向上的端面附近设置一对弹性体层28(一方相应于第1弹性体层，另一方相应于第2弹性体层)。此外，在压电元件21中，在第1压电体层2a与第2压电体层2b之间的长度方向上的中央部设置粘接层20。

在上述的第1实施方式所涉及的压电元件1中，通过在弹性体层8的两面设置粘接剂7，从而在第1压电体层2a与第2压电体层2b之间的整面设置弹性体层8。但是，在这样构成的情况下，在弹性体层8与第1压电体层2a之间以及弹性体层8与第2压电体层2b之间可能产生剥离。

因此，如图5所示，在本第2实施方式中，设置粘接层20以使得在第1压电体层22a与第2压电体层22b之间并且一对弹性体层28之间，将这些第1压电体层22a以及第2压电体层22b粘接。由此，能够防止在第1压电体层22a与弹性体层28之间产生剥离、以及在第2压电体层22b与弹性体层28之间产生剥离，能够增强密接强度。

将压电元件21用作为压电传感器时施加于压电元件21的拉伸应力在左右的应力均等地施加的压电元件21的中央部变小。因此，即使压电元件21的长度方向上的中央部从弹性体层28置换为粘接层20，端面附近的一对弹性体层28也具有产生第1压电体层22a与第2压电体层22b的伸长的差异的效果。因此，优选在第1压电体层22a与第2压电体层22b之间的长度方向上的端面附近设置一对弹性体层28，并且，在第1压电体层22a与第2压电体层22b之间的长度方向上的中央部设置粘接层20。

根据以上所述，与上述的第1实施方式相比，在本第2实施方式中，用作为压电传感器时，能够制作弹性体层28与第1压电体层22a的密接强度以及弹性体层28与第2压电体层22b的密接强度较强、难以剥离的压电元件21。

(第3实施方式)

图6是本发明的第3实施方式所涉及的压电元件31的立体图。

如图6所示，在压电元件31中，第1端子电极35a具备用于将图中未表示的第1检测用电极34a以及第4检测用电极34d引出的第1引出电极35c，第2端子电极35b具备用于将第2检测用电极34b以及第3检测用电极34c引出的第2引出电极35d。

第2检测用电极34b以及第3检测用电极34c通过第2引出电极35d，被引出到第1侧面31e以使得覆盖弹性体层38的长度方向上的中央部，进一步被引出到第1主面31a并连接于第2端子电极35b。同样地，虽然一部分在图中并未表现，但第1检测用电极34a以及第4检测用电极34d通过第1引出电极35c，被引出到第2侧面31f以使得覆盖弹性体层38的长度方向上的中央部，进一步被引出到第1主面31a并连接于第1端子电极35a。

弹性体层38通过吸收拉伸应力，提高压电传感器的灵敏度，另一方面，容易变形，此外，热膨胀也容易产生。因此，被设置于弹性体层38上的第1检测用电极34a以及第4检测用电极34d与第1端子电极35a之间容易产生断线。此外，同样地，第2检测用电极34b以及第3检测用电极34c与第2端子电极35b之间容易产生断线。

因此，在本第3实施方式中，通过第1引出电极35c，将第1检测用电极34a以及第4检测用电极34d与第1端子电极35a连接，此外，通过第2引出电极35d，将第2检测用电极34b以及第3检测用电极34c与第2端子电极35b连接，从而能够减少由于断线而产生的不良。换言之，即使在端面侧产生断线，也能够在侧面确保端子电极与检测用电极的电连接。

此外，即使在如上述的第2实施方式所涉及的压电元件21那样，在第1压电体层22a与第2压电体层22b之间的长度方向上的中央部具有粘接层20的情况下，也优选设置第1引出电极35c以及第2引出电极35d以使得覆盖粘接层20。由于粘接层20与弹性体层38相比，难以变形，热膨胀也难以产生，因此在该情况下，能够进一步减少由于断线而产生的不良。

因此，本第3实施方式所涉及的压电元件31与上述的第1以及第2实施方式所涉及的压电元件1、21相比，在用作为压电传感器时，能够减轻由于检测用电极与端子电极之间的剥离所导致的断线而产生的不良。

(第4实施方式)

图7是本发明的第4实施方式所涉及的压电元件41的剖视图。

如图7所示，在压电元件41中，对第1压电体层42a以及第2压电体层42b进行极化处理，分别将其厚度方向设为极化方向。更具体而言，第1压电体层42a的极化方向被设为从第1压电体层42a的第2主表面42ab朝向第1压电体层的第1主表面42aa的方向，第2压电体层42b的极化方向被设为从第2压电体层42b的第1主表面42ba朝向第2压电体层42b的第2主表面42bb的方向。在该情况下，第1压电体层42a的第1主表面42aa和第2压电体层42b的第2主表面42bb为正的极性面，第1压电体层42a的第2主表面42ab和第2压电体层的第1主表面42ba为负的极性面。

另外，也可以第1压电体层42a的极化方向被设为从第1压电体层42a的第1主表面42aa朝向第1压电体层42a的第2主表面42ab的方向，并且第2压电体层42b的极化方向被设为从第2压电体层42b的第2主表面42bb朝向第2压电体层42b的第1主表面42ba的方向。在该情况下，第1压电体层42a的第2主表面42ab和第2压电体层42b的第1主表面42ba为正的极性面，第1压电体层42a的第1主表面42aa和第2压电体层42b的第2主表面42bb为负的极性面。

在压电元件41中，第1检测用电极44a被设置于第1压电体层42a的正的极性面，第2检测用电极44b被设置于第1压电体层42a的负的正极面。此外，在压电元件41中，第3检测用电极44c被设置于第2压电体层42b的正的极性面，第4检测用电极44d被设置于第2压电体42b的负的极性面。

进一步地，在压电元件41中，第1检测用电极44a和第4检测用电极44d电连接于第1端子电极45a，第2检测用电极44b和第3检测用电极44c电连接于第2端子电极45b。

这里，在本第4实施方式所涉及的压电元件41中，也形成与上述的第1实施方式中的图6相同的等效电路，因此能够将由于热而产生的电荷抵消。

另外，在本第4实施方式中，第2检测用电极44b与第4检测用电极44d接近。因此，优选弹性体层48由具有绝缘性的材料构成。

若将上述的第1至第4实施方式所涉及的压电元件以及具备其的压电传感器的特征性构成摘要化，如以下那样。

压电元件具备：层叠体，包含沿着厚度方向层叠的第1压电体层、第2压电体层以及弹性体层；和第1端子电极以及第2端子电极，被设置于上述层叠体的外表面。上述弹性体层位于上述第1压电体层与上述第2压电体层之间，上述第1压电体层以及第2压电体层均将厚度方向设为极化方向。上述层叠体还包含：被设置于上述第1压电体层的正的极性面的第1检测用电极、被设置于上述第1压电体层的负的极性面的第2检测用电极、被设置于上述第2压电体层的正的极性面的第3检测用电极、和被设置于上述第2压电体层的负的极性面的第4检测用电极。上述第1检测用电极以及上述第4检测用电极连接于上述第1端子电极，上述第2检测用电极以及上述第3检测用电极连接于上述第2端子电极。

此外，在上述压电元件中，优选上述第1压电体层的极化方向和上述第2压电体层的极化方向朝向相同的方向。

此外，在上述压电元件中，也可以上述层叠体具有：在上述厚度方向位于相对的第1主面以及第2主面、在与上述厚度方向正交的长度方向位于相对的第1端面以及第2端面、和在与上述厚度方向以及上述长度方向这两方正交的宽度方向位于相对的第1侧面以及第2侧面，在该情况下，优选上述层叠体的上述长度方向上的尺寸比上述层叠体的上述宽度方向上的尺寸大。

此外，在上述压电元件中，优选上述弹性体层包含：被设置于上述第1端面的附近的第1弹性体层、和被设置于上述第2端面的附近的第2弹性体层，在该情况下，优选在上述第1弹性体层与上述第2弹性体层之间设置粘接层。

此外，在上述压电元件中，也可以上述第1检测用电极以及上述第4检测用电极分别达到上述第1端面以及上述第1侧面，并且上述第2检测用电极以及上述第3检测用电极分别达到上述第2端面以及上述第2侧面，在该情况下，优选上述第1端子电极被设置于上述第1侧面之中上述第1检测用电极以及上述第4检测用电极所位于的部分和上述第1端面，并且上述第2端子电极被设置于上述第2侧面之中上述第2检测用电极以及上述第3检测用电极所位于的部分和上述第2端面。

此外，在上述压电元件中，优选上述第1检测用电极以及上述第4检测用电极在上述第1侧面的上述长度方向上的中央部，连接于上述第1端子电极，并且上述第2检测用电极以及上述第3检测用电极在上述第2侧面的上述长度方向上的中央部，连接于上述第2端子电极。

压电传感器具备：应检测变形的对象物、和上述压电元件的任意一个，是上述压电元件被安装于上述对象物而成的。

此外，在上述压电传感器中，也可以上述第2压电体层位于比上述第1压电体层更靠上述对象物一侧，在该情况下，基于通过在上述层叠体中包含上述弹性体层而产生的上述第1压电体层与上述第2压电体层的伸长的差异，上述对象物的变形被检测。

此外，上述压电传感器也可以还具备将上述对象物和上述压电元件连接的接合部，在该情况下，优选上述接合部在上述层叠体的上述第1端面以及上述第2端面所对应的部分，形成为未达到上述第1压电体层的高度。

本发明并不限定于上述的第1至第4实施方式的记载。例如，作为变形例，作为第1压电体层以及第2压电体层的材料，也可以使用压电单晶。此外，也可以具备3个以上的压电体层，在第1压电体层以及第2压电体层的基础上，也可以具备第3压电体层，进一步具备第4压电体层。此外，在弹性体层与第1压电体层之间、弹性体层与第2压电体层之间，也可以设置另外的新的层。

这样，这次公开的上述实施方式在全部方面为示例，并不是限制性的。本发明的技术范围通过权利要求书来划分，此外，包含与权利要求书的记载均等的意思以及范围内的全部变更。

-符号说明-

1、21、31、41压电元件，1a、21a、31a、41a第1主面，1b、21b、31b、41b第2主面，1c、21c、41c第1端面，1d、21d、41d第2端面，1e、31e第1侧面，1f、31f第2侧面，2a、22a、32a、42a第1压电体层，2b、22b、32b、42b第2压电体层，2aa、22aa、42aa第1主表面，2ab、22ab、42ab第2主表面，2ba、22ba、42ba第1主表面，2bb、22bb、42bb第2主表面，3a、23a、33a、43a第1外装体，3b、23b、33b、43b第2外装体，4a、24a、34a、44a第1检测用电极，4b、24b、34b、44b第2检测用电极，4c、24c、34c、44c第3检测用电极，4d、24d、34d、44d第4检测用电极，5a、25a、35a、45a第1端子电极，5b、25b、35b、45b第2端子电极，35c第1引出电极，35d第2引出电极，6对象物，7、27、37、47粘接剂，8、28、38、48弹性体层，9接合部，11压电传感器，12层叠体，20粘接层。