JP2679762B2 - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
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Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (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、 使用する圧電体の高出力化と温度に対する安定化およ
び高性能化を目的とし、 駆動電極を形成する対向主面に対し垂直な圧力を、圧
電縦効果を利用して検出するためタンタル酸リチウム単
結晶から切り出した圧電体（１）の切り出し結晶方位
が、Ｘ軸まわりの回転角度θとＺ軸まわりの回転角度ψ
とで表したとき、該回転角度ψの０度〜60度において該
回転角度θが45度〜65度であり、該対向主面の双方の全
領域に該駆動電極（2,3）が形成されてなることを特徴
とする。 〔産業上の利用分野〕 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。 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、タンタル酸リチウム（LiTa
O3）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。 〔従来の技術〕 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。 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、従来より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。 〔発明が解決しようとする問題点〕 水晶または圧電セラミックを使用した従来の圧力検出
用圧電素子は、水晶および圧電セラミック自体が有する
圧電定数等の物性によって、さらに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、タンタル酸リチウム
（LiTaO3）やニオブ酸リチウム（LiNbO3）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、LiTaO3やLiNbO3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り最適切り出し条
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。 〔問題点を解決するための手段〕 駆動電極2,3を形成する対向主面に対し垂直な圧力
を、圧電縦効果を利用して検出するためタンタル酸リチ
ウム単結晶の圧電体１の切り出し結晶方位が、Ｘ軸まわ
りの回転角度θとＺ軸まわりの回転角度ψとで表したと
き、該回転角度ψの０度〜60度において回転角度θが45
度〜65度であることを特徴とする。 〔作用〕 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、LiTaO3の単結晶を使用し、一次温度係数が零とな
る温度特性を含む領域を、Ｘ軸まわりの回転角度θとＺ
軸まわりの回転角度ψの相関のもとに設定することで、
圧電体の温度特性および圧電定数の優れた圧電素子を提
供可能にする。 〔実施例〕 以下、図面を用いて本発明による圧電素子を説明す
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LiTaO3単結晶の圧電縦効果を利用し
た圧電定数の一次温度係数特性を示す図、第３図はLiTa
O3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数の圧電定数特
性を示す図である。 第１図において、X,Y,ZはLiTaO3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、ψ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、LiTaO3単結晶のＺ
軸またはＸ軸の少なくとも一方について回転した結晶方
位で切り出した圧電体１は、Ｙ軸と直交する対向主面の
一方の全領域に斜線で示す電極２を形成し、対向主面の
他方の全領域に破斜線で示す電極３を形成してなる。 このような圧電体１は、電極2,3を形成した圧電体１
の主面に垂直方向（縦方向）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。 第２図において、横軸はＸ軸（Ｘ′軸）まわりの回転
角度θ（度）、円弧軸はＺ軸まわりの回転角度ψ（度）
であり、中心点を回転角度θの90度とし、回転角度θと
ψの零点を一致させたとき、圧電体１の一次温度特性は
図中に温度係数（×10-6/℃）を添書きした曲線で示す
ようになる。 このような温度係数特性を示す圧電体１において、温
度係数が零になる特性は、回転角度θ＝55度の円弧に近
似する円弧状となる。 そこで圧電体１は、回転角度ψ＝０〜60度の範囲と
し、回転角度θ＝45度の円弧R1と65度の円弧R2に挟まれ
た領域に入るような結晶方位で切り出す。 横軸および円弧軸が第２図のそれと同じである第３図
において、数字を添えた複数本の曲線は各圧電定数（×
10-12クーロン／ニュートン）とその特性曲線であり、
前述の円弧R1とR2に挟まれた領域の結晶方位で切り出し
た圧電体１は、圧電定数がほぼ10〜14×10-12クーロン
／ニュートン（C/N）になる。 第１図〜第３図において、Ｚ軸まわりおよびＸ軸まわ
りの少なくとも一方について回転し、Ｘ軸まわりの回転
角度θが45度である円弧R1と、Ｘ軸まわりの回転角度θ
が65度である円弧R2とに挟まれる領域に納まる結晶方位
で切り出した圧電体１は、第２図に示す如く零温度特性
がほぼ±100×10-6/℃以内であり、かつ、その温度特性
曲線の間隔が広いため、温度特性に優れ，温度特性のば
らつきが小さいという利点があり、しかも第３図から明
らかなように、圧電定数が大きいため高出力である。 〔発明の効果〕 以上説明したように、圧電縦効果を利用する圧電体に
LiTaO3単結晶を使用し、かつ、そのLiTaO3単結晶から圧
電体を切り出す結晶方位を該単結晶のＸ軸廻りの回転角
度が45度〜65度となるようにすることで、一次温度係数
は零に近付くようになる。 その結果、水晶または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、かつ、温度に対する
高安定化を可能にし、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が向上すると共に、
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得られた。
出する圧力センサ等に使用する圧電素子に関し、 使用する圧電体の高出力化と温度に対する安定化およ
び高性能化を目的とし、 駆動電極を形成する対向主面に対し垂直な圧力を、圧
電縦効果を利用して検出するためタンタル酸リチウム単
結晶から切り出した圧電体（１）の切り出し結晶方位
が、Ｘ軸まわりの回転角度θとＺ軸まわりの回転角度ψ
とで表したとき、該回転角度ψの０度〜60度において該
回転角度θが45度〜65度であり、該対向主面の双方の全
領域に該駆動電極（2,3）が形成されてなることを特徴
とする。 〔産業上の利用分野〕 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。 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、タンタル酸リチウム（LiTa
O3）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。 〔従来の技術〕 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。 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、従来より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。 〔発明が解決しようとする問題点〕 水晶または圧電セラミックを使用した従来の圧力検出
用圧電素子は、水晶および圧電セラミック自体が有する
圧電定数等の物性によって、さらに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、タンタル酸リチウム
（LiTaO3）やニオブ酸リチウム（LiNbO3）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、LiTaO3やLiNbO3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り最適切り出し条
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。 〔問題点を解決するための手段〕 駆動電極2,3を形成する対向主面に対し垂直な圧力
を、圧電縦効果を利用して検出するためタンタル酸リチ
ウム単結晶の圧電体１の切り出し結晶方位が、Ｘ軸まわ
りの回転角度θとＺ軸まわりの回転角度ψとで表したと
き、該回転角度ψの０度〜60度において回転角度θが45
度〜65度であることを特徴とする。 〔作用〕 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、LiTaO3の単結晶を使用し、一次温度係数が零とな
る温度特性を含む領域を、Ｘ軸まわりの回転角度θとＺ
軸まわりの回転角度ψの相関のもとに設定することで、
圧電体の温度特性および圧電定数の優れた圧電素子を提
供可能にする。 〔実施例〕 以下、図面を用いて本発明による圧電素子を説明す
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LiTaO3単結晶の圧電縦効果を利用し
た圧電定数の一次温度係数特性を示す図、第３図はLiTa
O3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数の圧電定数特
性を示す図である。 第１図において、X,Y,ZはLiTaO3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、ψ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、LiTaO3単結晶のＺ
軸またはＸ軸の少なくとも一方について回転した結晶方
位で切り出した圧電体１は、Ｙ軸と直交する対向主面の
一方の全領域に斜線で示す電極２を形成し、対向主面の
他方の全領域に破斜線で示す電極３を形成してなる。 このような圧電体１は、電極2,3を形成した圧電体１
の主面に垂直方向（縦方向）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。 第２図において、横軸はＸ軸（Ｘ′軸）まわりの回転
角度θ（度）、円弧軸はＺ軸まわりの回転角度ψ（度）
であり、中心点を回転角度θの90度とし、回転角度θと
ψの零点を一致させたとき、圧電体１の一次温度特性は
図中に温度係数（×10-6/℃）を添書きした曲線で示す
ようになる。 このような温度係数特性を示す圧電体１において、温
度係数が零になる特性は、回転角度θ＝55度の円弧に近
似する円弧状となる。 そこで圧電体１は、回転角度ψ＝０〜60度の範囲と
し、回転角度θ＝45度の円弧R1と65度の円弧R2に挟まれ
た領域に入るような結晶方位で切り出す。 横軸および円弧軸が第２図のそれと同じである第３図
において、数字を添えた複数本の曲線は各圧電定数（×
10-12クーロン／ニュートン）とその特性曲線であり、
前述の円弧R1とR2に挟まれた領域の結晶方位で切り出し
た圧電体１は、圧電定数がほぼ10〜14×10-12クーロン
／ニュートン（C/N）になる。 第１図〜第３図において、Ｚ軸まわりおよびＸ軸まわ
りの少なくとも一方について回転し、Ｘ軸まわりの回転
角度θが45度である円弧R1と、Ｘ軸まわりの回転角度θ
が65度である円弧R2とに挟まれる領域に納まる結晶方位
で切り出した圧電体１は、第２図に示す如く零温度特性
がほぼ±100×10-6/℃以内であり、かつ、その温度特性
曲線の間隔が広いため、温度特性に優れ，温度特性のば
らつきが小さいという利点があり、しかも第３図から明
らかなように、圧電定数が大きいため高出力である。 〔発明の効果〕 以上説明したように、圧電縦効果を利用する圧電体に
LiTaO3単結晶を使用し、かつ、そのLiTaO3単結晶から圧
電体を切り出す結晶方位を該単結晶のＸ軸廻りの回転角
度が45度〜65度となるようにすることで、一次温度係数
は零に近付くようになる。 その結果、水晶または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、かつ、温度に対する
高安定化を可能にし、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が向上すると共に、
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得られた。
【図面の簡単な説明】
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LiTaO3単結晶の圧電縦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３図はLiTaO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
の圧電定数特性を示す図、 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、 ψはＺ軸まわりの回転角度、 θはＸ軸まわりの回転角度、 R1は回転角度θ＝45度の円弧、 R2は回転角度θ＝65度の円弧、 を示す。
斜視図、 第２図はLiTaO3単結晶の圧電縦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３図はLiTaO3単結晶の圧電縦効果を利用した圧電定数
の圧電定数特性を示す図、 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、 ψはＺ軸まわりの回転角度、 θはＸ軸まわりの回転角度、 R1は回転角度θ＝45度の円弧、 R2は回転角度θ＝65度の円弧、 を示す。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．駆動電極（2,3）を形成する対向主面に対し垂直な
圧力を、圧電縦効果を利用して検出するためタンタル酸
リチウム単結晶から切り出した圧電体（１）の切り出し
結晶方位が、Ｘ軸まわりの回転角度θとＺ軸まわりの回
転角度ψとで表したとき、該回転角度ψの０度〜60度に
おいて該回転角度θが45度〜65度であり、該対向主面の
双方の全領域に該駆動電極（2,3）が形成されてなるこ
とを特徴とする圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62272069A JP2679762B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62272069A JP2679762B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01114086A JPH01114086A (ja) | 1989-05-02 |
| JP2679762B2 true JP2679762B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=17508663
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62272069A Expired - Lifetime JP2679762B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2679762B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS52130585A (en) * | 1976-04-27 | 1977-11-01 | Seiko Epson Corp | Electronic watch |
| JPS6068712A (ja) * | 1983-09-26 | 1985-04-19 | Fujitsu Ltd | 高結合圧電振動子 |
-
1987
- 1987-10-28 JP JP62272069A patent/JP2679762B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01114086A (ja) | 1989-05-02 |
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