JPH01114086A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、 タンタル酸リチウム単結晶の回転Ｙ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側方からの圧力を圧
電縦効果の利用で検出するタンタル酸リチウム単結晶の
圧電体が、 Ｘ軸まわりに４５度〜６５度回転したタンタル酸リチウ
ム単結晶の回転Ｙ板から切り出した構成とする。

〔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（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥ＋ｗｉｓｓ
ｉｏｎ　５ｅｎｓｏｒ）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　　　生ずる圧電横効果を
利用するものがあり、本発明は、タンタル酸リチウム（
Ｌ　ｉ　Ｔａ　Ｏｓ）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存力
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（
ＬｉＴａＯｚ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ：＋）
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、ＬｉＴａ０．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る最適切
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〕

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
らの圧力を圧電縦効果の利用で検出するタンタル酸リチ
ウム単結晶の圧電体１が、Ｘ軸まわりに４５度〜６５度
回転したタンタル酸リチウム単結晶の回転Ｙ板から切り
出してな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、ＬｉＴａ０．の単結晶を使用し、−次温度係数が零
となる温度特性を含みＸ軸まわりの回転角度を規定した
回転Ｙ板から切り出した圧電体を使用することにより、
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
。

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ＬｉＴａ０．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。

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、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、ＬｉＴａＯ
３単結晶のＺ軸またはＸ軸の少なくとも一方について回
転した回転Ｙ仮から切り出した圧電体１は、Ｙ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（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φ（度）
であり、中心点を回転角度θの９０度とし、回転角虞θ
とφ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（ＸｉＯ””／’Ｃ）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φ＝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回転Ｙ板から切り出す。

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（Ｘ　
１０−”クーロン／ニュートン）とその特性曲線であり
、前述の円弧Ｒ，とＲ２に挟まれた領域の回転Ｙ板から
切り出した圧電体１は、圧電定数がほぼｌＯ〜１４Ｘ１
０−”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Ｒ，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回
転Ｙ板から切り出した圧電体１は、第２図に示す如く零
温度特性がほぼ±１００　ｘｌＯ−’／℃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本発明によれば、特許請求の範囲に
記載した如＜　ＬｉＴａＯ３単結晶の回転Ｙ板の回転角
度を規定し、該回転Ｙ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、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、かつ、温度に対し高安定であるため、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。

【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ＬｉＴａ
０＝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、φはＺ軸まわ
りの回転角度、 θはＸ軸まわりの回転角度、 ＲＩ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。 Ｃ度）ｔ。 Ｌｉ丁α０３単＃＆　、ノｆ電岩【タオ果哀刹ｔｎｔ　
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　駆動電極（２，３）を形成する対向主面に対し側方か
   らの圧力を圧電縦効果の利用で検出するタンタル酸リチ
   ウム単結晶の圧電体（１）が、 Ｘ軸まわりに４５度〜６５度回転したタンタル酸リチウ
   ム単結晶の回転Ｙ板から切り出してなることを特徴とす
   る圧電素子。