JP2535570B2 - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
- Publication number
- JP2535570B2 JP2535570B2 JP62319604A JP31960487A JP2535570B2 JP 2535570 B2 JP2535570 B2 JP 2535570B2 JP 62319604 A JP62319604 A JP 62319604A JP 31960487 A JP31960487 A JP 31960487A JP 2535570 B2 JP2535570 B2 JP 2535570B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- axis
- rotation angle
- single crystal
- piezoelectric body
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は圧電横効果の利用により外部からの圧力を検
出する圧力センサ等に使用する圧電素子に関し、 ニオブ酸リチウム単結晶から圧電体を切り出し、圧力
の検出特性に優れた新規圧電素子の提供を目的とし、 駆動電極を形成する対向主面に対し側方からの圧力を
圧電横効果の利用で検出するニオブ酸リチウム単結晶の
圧電体が、 該単結晶のＺ軸まわりに０度±10度の範囲,X′軸まわ
りに50度±10度の範囲で回転した回転板から切り出した
構成とする。
出する圧力センサ等に使用する圧電素子に関し、 ニオブ酸リチウム単結晶から圧電体を切り出し、圧力
の検出特性に優れた新規圧電素子の提供を目的とし、 駆動電極を形成する対向主面に対し側方からの圧力を
圧電横効果の利用で検出するニオブ酸リチウム単結晶の
圧電体が、 該単結晶のＺ軸まわりに０度±10度の範囲,X′軸まわ
りに50度±10度の範囲で回転した回転板から切り出した
構成とする。
本発明は圧電横効果の利用により外部からの圧力を検
出するデバイス、例えば圧力センサ，アコースティック
・エミッション・センサ（Acoustic Emission Sensor）
に使用する圧電素子に関する。
出するデバイス、例えば圧力センサ，アコースティック
・エミッション・センサ（Acoustic Emission Sensor）
に使用する圧電素子に関する。
圧電体を利用し圧力を検出するデバイスには、圧電体
の対向主面に垂直方向（厚さ方向）に圧力を付加して電
荷の発生する圧電縦効果を利用するものと、圧電体の側
面に圧力を付加して電荷の発生する圧電横効果を利用す
るものがあり、本発明は、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）
単結晶から切り出した圧電体の圧電横効果を利用し、圧
力等の検出に使用する圧電素子の高性能化を実現したも
のである。
の対向主面に垂直方向（厚さ方向）に圧力を付加して電
荷の発生する圧電縦効果を利用するものと、圧電体の側
面に圧力を付加して電荷の発生する圧電横効果を利用す
るものがあり、本発明は、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）
単結晶から切り出した圧電体の圧電横効果を利用し、圧
力等の検出に使用する圧電素子の高性能化を実現したも
のである。
従来、圧電体を利用し圧力やアコースティック・エミ
ッション（AE）等を検出するデバイスは、広く知られて
おり使用されているが、それらの圧電体には水晶また
は、圧電セラミックを利用していた。
ッション（AE）等を検出するデバイスは、広く知られて
おり使用されているが、それらの圧電体には水晶また
は、圧電セラミックを利用していた。
このような圧電体は、それ自体が圧力を電気量に変換
し出力するため、小型かつメンテナンスフリーであると
共に、圧力制御装置の圧力検出手段等に利用し極めて有
力であり、さらに微小な力を高精度に検出したいという
需要が強まるに従って、新規圧電素子が要望されるよう
になった。
し出力するため、小型かつメンテナンスフリーであると
共に、圧力制御装置の圧力検出手段等に利用し極めて有
力であり、さらに微小な力を高精度に検出したいという
需要が強まるに従って、新規圧電素子が要望されるよう
になった。
従来の圧力検出用圧電素子において、水晶を使用した
ものは出力が小さく外部ノイズに弱いという問題点があ
り、セラミックスを使用したものは温度特性およびヒス
テリシスが大きいという問題点があり、それらを高性能
および高精度にすることが不可能である。
ものは出力が小さく外部ノイズに弱いという問題点があ
り、セラミックスを使用したものは温度特性およびヒス
テリシスが大きいという問題点があり、それらを高性能
および高精度にすることが不可能である。
一方、最近の圧電振動素子には、ニオブ酸リチウム
（LiNbO3）やタンタル酸リチウム（LiTaO3）の単結晶か
ら切り出した圧電体を利用したものがあり、結晶軸の方
向によって圧電特性に異方性を有するそれらの単結晶か
らなる圧電体は、切り出し方向を選択し、水晶および圧
電セラミックよりも圧電定数および電気−機械結合係数
の大きくできるため、水晶および圧電セラミックでは不
可能とされた領域の振動子が使用されるようになった。
（LiNbO3）やタンタル酸リチウム（LiTaO3）の単結晶か
ら切り出した圧電体を利用したものがあり、結晶軸の方
向によって圧電特性に異方性を有するそれらの単結晶か
らなる圧電体は、切り出し方向を選択し、水晶および圧
電セラミックよりも圧電定数および電気−機械結合係数
の大きくできるため、水晶および圧電セラミックでは不
可能とされた領域の振動子が使用されるようになった。
そこで、圧力検出用圧電素子にLiTaO3単結晶およびLi
NbO3単結晶の使用が考えられるが、圧電体の対向主面に
駆動電極を形成し該電極に適当な電界を付加する振動子
の圧電体に対し、圧力検出用に使用する圧電体は、外か
らの力を加えることによって生じる電荷を対向主面に形
成した電極より出力させることになるため、振動子の圧
電体とは異なる最適の切り出し条件がある筈であり、従
来はかかる条件が明らかでないという問題点があった。
NbO3単結晶の使用が考えられるが、圧電体の対向主面に
駆動電極を形成し該電極に適当な電界を付加する振動子
の圧電体に対し、圧力検出用に使用する圧電体は、外か
らの力を加えることによって生じる電荷を対向主面に形
成した電極より出力させることになるため、振動子の圧
電体とは異なる最適の切り出し条件がある筈であり、従
来はかかる条件が明らかでないという問題点があった。
上記問題点の除去を目的とした本発明は、第１図によ
れば、駆動電極2,3を形成する対向主面に対し側方から
の圧力を圧電横効果の利用で検出するニオブ酸リチウム
単結晶の圧電体１が、 該単結晶のＺ軸まわりに０度±10度の範囲,X′軸まわ
りに50度±10度の範囲で回転した回転板から切り出して
なることを特徴とする。
れば、駆動電極2,3を形成する対向主面に対し側方から
の圧力を圧電横効果の利用で検出するニオブ酸リチウム
単結晶の圧電体１が、 該単結晶のＺ軸まわりに０度±10度の範囲,X′軸まわ
りに50度±10度の範囲で回転した回転板から切り出して
なることを特徴とする。
上記手段によれば、圧電横効果を利用する圧電体に対
して、LiNbO3の単結晶を使用し、圧電定数が優れる回転
角度に該単結晶を切断した回転板から切り出した圧電体
を使用することにより、特に出力定数の優れた圧電素子
を提供することができるようになる。
して、LiNbO3の単結晶を使用し、圧電定数が優れる回転
角度に該単結晶を切断した回転板から切り出した圧電体
を使用することにより、特に出力定数の優れた圧電素子
を提供することができるようになる。
〔実施例〕 以下に、図面を用いて本発明による圧電素子を説明す
る。
る。
第１図は本発明による圧電体の結晶軸を説明するため
の斜視図、第２図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用し
た圧電定数d32の特性図、第３図はLiNbO3単結晶の圧電
横効果を利用した圧電定数g32の特性図、第４図はLiNbO
3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数g32の一次温度
係数特性を示す図、第５図は回転角度φ＝０度における
圧電定数g32またはd32と回転角度θとの関係を示す図で
ある。
の斜視図、第２図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用し
た圧電定数d32の特性図、第３図はLiNbO3単結晶の圧電
横効果を利用した圧電定数g32の特性図、第４図はLiNbO
3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数g32の一次温度
係数特性を示す図、第５図は回転角度φ＝０度における
圧電定数g32またはd32と回転角度θとの関係を示す図で
ある。
第１図において、X,Y,ZはLiNbO3単結晶の結晶軸、
Ｘ′,Y′,Z′はそれぞれ他の軸まわりの回転により変化
した結晶軸、φはＺ軸まわりの回転角度、θはＸ軸
（Ｘ′軸）まわりの回転角度であり、LiNbO3単結晶のＺ
軸まわりに０度±10度回転し、Ｘ軸まわりに50度±10度
回転した回転板から切り出した圧電体１は、Ｚ′軸が直
交する対向主面の一方（図中の斜線書き込み面）に電極
２を形成し、対向主面の他方（図中の破斜線書き込み
面）に電極３を形成してなる。
Ｘ′,Y′,Z′はそれぞれ他の軸まわりの回転により変化
した結晶軸、φはＺ軸まわりの回転角度、θはＸ軸
（Ｘ′軸）まわりの回転角度であり、LiNbO3単結晶のＺ
軸まわりに０度±10度回転し、Ｘ軸まわりに50度±10度
回転した回転板から切り出した圧電体１は、Ｚ′軸が直
交する対向主面の一方（図中の斜線書き込み面）に電極
２を形成し、対向主面の他方（図中の破斜線書き込み
面）に電極３を形成してなる。
このような圧電体１は、側方（横方向）からの圧力Ｆ
が加わると、圧力Ｆの大きさに応じて変化する電荷が圧
電体１内に発生し、その電荷量を一対の電極2,3を介し
て検出し、圧力Ｆの大きさを知ることができる。
が加わると、圧力Ｆの大きさに応じて変化する電荷が圧
電体１内に発生し、その電荷量を一対の電極2,3を介し
て検出し、圧力Ｆの大きさを知ることができる。
第２図において、円弧軸はＺ軸まわりの回転角度φ
（度）、該円弧軸の半径方向の直線軸はＸ軸（Ｘ′軸）
まわりの回転角度θ（度）であり、円弧軸の中心点を回
転角度θの90度とし、回転角度θとφの零点を一致させ
たとき、LiNbO3単結晶より切り出した圧電体１の圧電定
数d32特性は、図中に圧電定数（×10-11m/V）を添書き
した複数の曲線で示すようになる。
（度）、該円弧軸の半径方向の直線軸はＸ軸（Ｘ′軸）
まわりの回転角度θ（度）であり、円弧軸の中心点を回
転角度θの90度とし、回転角度θとφの零点を一致させ
たとき、LiNbO3単結晶より切り出した圧電体１の圧電定
数d32特性は、図中に圧電定数（×10-11m/V）を添書き
した複数の曲線で示すようになる。
このような圧電定数d32特性は、回転角度θ＝49度，
回転角度φ＝０度をほぼ中心とした半円形の圧電定数−
3.0×10-11m/Vが最大値曲線であり、図中の斜線領域の
回転板から切り出した圧電体１、即ち回転角度θ＝50度
±10度（40〜60度），回転角度φ＝０度±10度（＋10〜
−10度）とした回転板から切り出した圧電体１は、圧電
定数d32特性に優れ出力が大きいものとなる。
回転角度φ＝０度をほぼ中心とした半円形の圧電定数−
3.0×10-11m/Vが最大値曲線であり、図中の斜線領域の
回転板から切り出した圧電体１、即ち回転角度θ＝50度
±10度（40〜60度），回転角度φ＝０度±10度（＋10〜
−10度）とした回転板から切り出した圧電体１は、圧電
定数d32特性に優れ出力が大きいものとなる。
円弧軸および直線軸が第２図のそれと同じである第３
図において、圧電定数（×10-2Vm/N）を添書きした複数
本の曲線は、LiNbO3単結晶より切り出した圧電体１の圧
電定数g32特性であり、図中の圧電定数が最大である−
3.5の中心はほぼ回転角度θ＝49度，回転角度φ＝０度
の点となる。従って、図中の斜線領域の回転板から切り
出した圧電体１、即ち回転角度θ＝50度±10度（40〜60
度），回転角度φ＝０度±10度（＋10〜−10度）とした
回転板から切り出した圧電体１は、圧電定数g32に優れ
出力が大きいものとなる。
図において、圧電定数（×10-2Vm/N）を添書きした複数
本の曲線は、LiNbO3単結晶より切り出した圧電体１の圧
電定数g32特性であり、図中の圧電定数が最大である−
3.5の中心はほぼ回転角度θ＝49度，回転角度φ＝０度
の点となる。従って、図中の斜線領域の回転板から切り
出した圧電体１、即ち回転角度θ＝50度±10度（40〜60
度），回転角度φ＝０度±10度（＋10〜−10度）とした
回転板から切り出した圧電体１は、圧電定数g32に優れ
出力が大きいものとなる。
円弧軸および直線軸が第２図のそれと同じである第４
図において、圧電体１の圧電定数d32の温度特性は、図
中に温度特性値（×10-6/℃）を添えた複数本の曲線で
示す如くなり、前述した圧電特性より回転角度θ＝40〜
60度，回転角度φ＝＋10〜−10度とした圧電体１の温度
特性値は−155〜−180×10-6/℃程度になる。
図において、圧電体１の圧電定数d32の温度特性は、図
中に温度特性値（×10-6/℃）を添えた複数本の曲線で
示す如くなり、前述した圧電特性より回転角度θ＝40〜
60度，回転角度φ＝＋10〜−10度とした圧電体１の温度
特性値は−155〜−180×10-6/℃程度になる。
第５図は横軸が回転角度θ（度），縦軸が圧電定数で
あり、回転角度φ＝０度とした圧電定数g32の特性Ａを
示す第５図（イ）および、回転角度φ＝０度とした圧電
定数d32の特性Ｂを示す第５図（ロ）において、特性Ａ
の最大値は約3.6×10-2Vm/N,特性Ｂの最大値は約3.0×1
0-11m/Vであり、図中の斜線で示すように本発明による
回転角度θの指定領域は、特性ＡおよびＢのピークがほ
ぼ中心に位置し、特性Ａが−3.2×10-2Vm/N以上，特性
Ｂが−2.8×10-11m/V以上になる。
あり、回転角度φ＝０度とした圧電定数g32の特性Ａを
示す第５図（イ）および、回転角度φ＝０度とした圧電
定数d32の特性Ｂを示す第５図（ロ）において、特性Ａ
の最大値は約3.6×10-2Vm/N,特性Ｂの最大値は約3.0×1
0-11m/Vであり、図中の斜線で示すように本発明による
回転角度θの指定領域は、特性ＡおよびＢのピークがほ
ぼ中心に位置し、特性Ａが−3.2×10-2Vm/N以上，特性
Ｂが−2.8×10-11m/V以上になる。
以上説明したように本発明によれば、特許請求の範囲
に記載した如くLiNbO3単結晶の回転板の回転角度を規定
し、該回転板から切り出した圧電体の圧電横効果を利用
した圧力検出用圧電素子は、圧電定数d32,g32による出
力特性に優れ、水晶および圧電セラミックを使用した従
来の圧力検出用圧電素子より高出力であるため、圧力や
アコースティック・エミッション等を検出する能力およ
び精度を向上し得たと共に、該圧力およびアコースティ
ック・エミッション等の制御装置の高性能化を可能にし
た効果がある。
に記載した如くLiNbO3単結晶の回転板の回転角度を規定
し、該回転板から切り出した圧電体の圧電横効果を利用
した圧力検出用圧電素子は、圧電定数d32,g32による出
力特性に優れ、水晶および圧電セラミックを使用した従
来の圧力検出用圧電素子より高出力であるため、圧力や
アコースティック・エミッション等を検出する能力およ
び精度を向上し得たと共に、該圧力およびアコースティ
ック・エミッション等の制御装置の高性能化を可能にし
た効果がある。
第１図は本発明による圧電体の結晶軸を説明するための
斜視図、 第２図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
D32特性図、 第３図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
G32特性図、 第４図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
の一次温度係数特性を示す図、 第５図は回転角度φ＝０度における圧電定数g32,d32と
回転角度θとの関係を示す図、 である。 図中において、 １は圧電体、 2,3は電極、 X,Y,Z,X′,Y′,Z′は結晶軸、 φはＺ軸まわりの回転角度、 θはＸ′軸まわりの回転角度、 を示す。
斜視図、 第２図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
D32特性図、 第３図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
G32特性図、 第４図はLiNbO3単結晶の圧電横効果を利用した圧電定数
の一次温度係数特性を示す図、 第５図は回転角度φ＝０度における圧電定数g32,d32と
回転角度θとの関係を示す図、 である。 図中において、 １は圧電体、 2,3は電極、 X,Y,Z,X′,Y′,Z′は結晶軸、 φはＺ軸まわりの回転角度、 θはＸ′軸まわりの回転角度、 を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】駆動電極（2,3）を形成する対向主面に対
し側方からの圧力を圧電横効果の利用で検出するニオブ
酸リチウム単結晶の圧電体（１）が、 該単結晶のＺ軸まわりに０度±10度の範囲,X′軸まわり
に50度±10度の範囲で回転した回転板から切り出してな
ることを特徴とする圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62319604A JP2535570B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62319604A JP2535570B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01160068A JPH01160068A (ja) | 1989-06-22 |
| JP2535570B2 true JP2535570B2 (ja) | 1996-09-18 |
Family
ID=18112127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62319604A Expired - Lifetime JP2535570B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2535570B2 (ja) |
-
1987
- 1987-12-16 JP JP62319604A patent/JP2535570B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01160068A (ja) | 1989-06-22 |
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