JP2535571B2 - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
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- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 20
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は圧電縦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の回転板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垂直方向の圧力を
圧電縦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60度±10度の範囲,X′軸まわ
りに55度±15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の回転板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垂直方向の圧力を
圧電縦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60度±10度の範囲,X′軸まわ
りに55度±15度の範囲で回転した回転板から切り出した
構成とする。
本発明は圧電縦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縦効果を利用し、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縦効果を利用し、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LiNbO3やLiTaO3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。
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垂直方向
からの圧力を圧電縦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60度±10度の範囲,X′軸まわ
りに55度±15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である。
れば、駆動電極2,3を形成する対向主面に対し垂直方向
からの圧力を圧電縦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60度±10度の範囲,X′軸まわ
りに55度±15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である。
上記手段によれば、圧電縦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。
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単結晶の圧電縦効果を利用し
た圧電定数g33の特性図、第３図はLiNbO3単結晶の圧電
縦効果を利用した圧電定数d33の特性図、第４図はLiNbO
3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数g33の一次温度
係数特性を示す図、第５図は回転角度φ＝60度における
圧電定数d33,g33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単結晶の圧電縦効果を利用し
た圧電定数g33の特性図、第３図はLiNbO3単結晶の圧電
縦効果を利用した圧電定数d33の特性図、第４図はLiNbO
3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数g33の一次温度
係数特性を示す図、第５図は回転角度φ＝60度における
圧電定数d33,g33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60度±10度回転し、Ｘ軸まわりに55度±15度
回転した回転板から切り出した圧電体１は、Ｚ′軸と直
交する対向主面の一方に斜線で示す電極２を形成し、対
向主面の他方には破斜線で示す電極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60度±10度回転し、Ｘ軸まわりに55度±15度
回転した回転板から切り出した圧電体１は、Ｚ′軸と直
交する対向主面の一方に斜線で示す電極２を形成し、対
向主面の他方には破斜線で示す電極３を形成してなる。
このような圧電体１は、電極2,3に垂直方向からの圧
力Ｆを加えると、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。
力Ｆを加えると、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g33特性は、図中に圧電定数（×10-2Vm/N）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g33特性は、図中に圧電定数（×10-2Vm/N）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g33特性は、ほぼ回転角度θ＝55
度，回転角度φ＝60度を中心とした半円形に描かれた圧
電定数4.0×10-2Vm/N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
＝55度±15度（40〜70度），回転角度φ＝60度±10度
（50〜70度）とした回転板から切り出した圧電体１は、
圧電定数g33がほぼ4.0×10-2Vm/N以上である。
度，回転角度φ＝60度を中心とした半円形に描かれた圧
電定数4.0×10-2Vm/N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
＝55度±15度（40〜70度），回転角度φ＝60度±10度
（50〜70度）とした回転板から切り出した圧電体１は、
圧電定数g33がほぼ4.0×10-2Vm/N以上である。
従って、圧電縦効果の圧電定数g33を利用する圧電体
１は、θ＝55度±15度，φ＝60度±10度の回転板から切
り出し、出力特性に優れたものが得られることになる。
１は、θ＝55度±15度，φ＝60度±10度の回転板から切
り出し、出力特性に優れたものが得られることになる。
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（×10-11m/V）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d33特性であり、図中の圧電定数が最大である3.0
曲線は、中心はほぼ回転角度θ＝57度，回転角度φ＝60
度を中心とした半円形であり、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±65
度，回転角度φ＝60度±10度（50〜70度）とした回転板
から切り出した圧電体１は、圧電定数d33がほぼ3.0×10
-11m/V以上である。
図において、圧電定数（×10-11m/V）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d33特性であり、図中の圧電定数が最大である3.0
曲線は、中心はほぼ回転角度θ＝57度，回転角度φ＝60
度を中心とした半円形であり、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±65
度，回転角度φ＝60度±10度（50〜70度）とした回転板
から切り出した圧電体１は、圧電定数d33がほぼ3.0×10
-11m/V以上である。
従って、圧電縦効果の圧電定数d33を利用する圧電体
１は、θ＝50度乃至65度，φ＝60度±10度の回転板から
切り出し、出力特性に優れたものが得られることにな
る。
１は、θ＝50度乃至65度，φ＝60度±10度の回転板から
切り出し、出力特性に優れたものが得られることにな
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g33の温度特性は、図
中に温度特性値（×10-6/℃）を添書きした複数本の曲
線で示す如くなり、第２図より回転角度θ＝45〜65度，
回転角度φ＝55〜65度とした領域における圧電体１の圧
電定数g33の温度特性値は、−70〜＋60×10-6/℃程度に
なる。
図において、圧電体１の圧電定数g33の温度特性は、図
中に温度特性値（×10-6/℃）を添書きした複数本の曲
線で示す如くなり、第２図より回転角度θ＝45〜65度，
回転角度φ＝55〜65度とした領域における圧電体１の圧
電定数g33の温度特性値は、−70〜＋60×10-6/℃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＝60度とした圧電定数g33の特性Ａを
示す第５図（イ）において、特性Ａの最大値は約4.8×1
0-2Vm/Nとなり、第２図より回転角度φ＝40〜70度とし
た領域において特性Ａは、4.3×10-2Vm/N以上である。
回転角度φ＝60度とした圧電定数d33特性Ｂを示す第５
図（ロ）において、特性Ｂの最大値は約3.5×10-11m/V
となり、第３図より回転角度θ＝45〜65度とした領域に
おいて特性Ｂは3.3×10-11m/V以上となる。
あり、回転角度φ＝60度とした圧電定数g33の特性Ａを
示す第５図（イ）において、特性Ａの最大値は約4.8×1
0-2Vm/Nとなり、第２図より回転角度φ＝40〜70度とし
た領域において特性Ａは、4.3×10-2Vm/N以上である。
回転角度φ＝60度とした圧電定数d33特性Ｂを示す第５
図（ロ）において、特性Ｂの最大値は約3.5×10-11m/V
となり、第３図より回転角度θ＝45〜65度とした領域に
おいて特性Ｂは3.3×10-11m/V以上となる。
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縦効果を利用
した圧力検出用圧電素子は、特に出力特性に優れ、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縦効果を利用
した圧力検出用圧電素子は、特に出力特性に優れ、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単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
g33特性図、 第３図はLiNbO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
d33特性図、 第４図はLiNbO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
g33の一次温度係数特性を示す図、 第５図は回転角度φ＝60度における圧電定数d33,g33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単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
g33特性図、 第３図はLiNbO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
d33特性図、 第４図はLiNbO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
g33の一次温度係数特性を示す図、 第５図は回転角度φ＝60度における圧電定数d33,g33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 (3)
- 【請求項１】駆動電極（2,3）を形成する対向主面に対
し垂直方向の圧力を圧電縦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60度±10度の範囲,X′軸まわり
に55度±15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。 - 【請求項２】前記圧電体（１）が圧電定数g33を利用す
るものであり、前記単結晶のＺ軸まわりに60度±10度の
範囲,X′軸まわりに55度±15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前記特許請求の範
囲第１項記載の圧電素子。 - 【請求項３】前記圧電体（１）が圧電定数d33を利用す
るものであり、前記単結晶のＺ軸まわりに60度±10度の
範囲,X′軸まわりに50度乃至65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前記特許請求の
範囲第１項記載の圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62319609A JP2535571B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62319609A JP2535571B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01160069A JPH01160069A (ja) | 1989-06-22 |
| JP2535571B2 true JP2535571B2 (ja) | 1996-09-18 |
Family
ID=18112186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62319609A Expired - Lifetime JP2535571B2 (ja) | 1987-12-16 | 1987-12-16 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2535571B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6448436B2 (ja) * | 2015-03-27 | 2019-01-09 | シチズン時計株式会社 | 圧電素子および圧力センサ |
-
1987
- 1987-12-16 JP JP62319609A patent/JP2535571B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01160069A (ja) | 1989-06-22 |
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