JPH01295169A - Composite diaphragm and its production and piezoelectric acceleration sensor formed by using composite diaphragm - Google Patents
Composite diaphragm and its production and piezoelectric acceleration sensor formed by using composite diaphragmInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は、長時間に亙って安定した出力と周波数特性
に優れた複合振動板とその製造方法およびこの複合振動
板を圧電素子として用いた圧電型加速度センサに関する
ものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides a composite diaphragm with stable output and excellent frequency characteristics over a long period of time, a method for manufacturing the same, and a method for using this composite diaphragm as a piezoelectric element. This relates to piezoelectric acceleration sensors.
[従来技術とその課題]
ポリフッ化ビニリデン等の高分子系圧電材料は、P b
(Z r、T i)03系(PZTと略称される)やP
bT i O3、B aT io 、 (P b、L
a)(Z r、T i)03(P LZTと略称される
)セラミックス系圧電材料に比べて、
■可撓性に優れている。[Prior art and its problems] Polymer-based piezoelectric materials such as polyvinylidene fluoride have P b
(Z r, Ti) 03 series (abbreviated as PZT) and P
bT i O3, B aT io , (P b, L
a) (Z r, Ti) 03 (abbreviated as P LZT) Compared to ceramic-based piezoelectric materials, (1) Excellent flexibility.
■加工性に富み薄膜化、大面積化が可能である。■It has excellent processability and can be made into thin films and large areas.
■誘電率が小さいために、電圧出力定数(g)が大きい
。■Since the dielectric constant is small, the voltage output constant (g) is large.
■絶縁性に優れている。■Excellent insulation.
という特徴があり、圧電素子や音響部品の振動板として
の用途に適している。This feature makes it suitable for use as a diaphragm for piezoelectric elements and acoustic components.
しかしながら、高分子圧電フィルムを単独で圧電素子や
振動板として用いた場合、共振周波数が低くなるととも
に、周波数の変化に伴い出ツノが変化するという問題が
あった。この問題を解決するために、高分子圧電フィル
ムに弾性率の高い金属箔を接着して使用することが試み
られてきたが、金属箔と高分子圧電フィルムとの間に接
着層が介在するため、接着層の粘弾性による出力低下、
接着層の不均一性による出力のばらつきや、剥離による
耐久性の低下等の新たな問題が生じる。However, when a polymeric piezoelectric film is used alone as a piezoelectric element or a diaphragm, there are problems in that the resonant frequency becomes low and the protrusion changes as the frequency changes. In order to solve this problem, attempts have been made to use a metal foil with a high elastic modulus bonded to a polymer piezoelectric film, but this method requires an adhesive layer between the metal foil and the polymer piezoelectric film. , a decrease in output due to the viscoelasticity of the adhesive layer,
New problems arise, such as variations in output due to non-uniformity of the adhesive layer and decreased durability due to peeling.
この発明は、」1記問題を解決するためになされたもの
で、長時間に亙って安定した出力と優れた周波数特性が
得られるような複合振動板とその製造方法、およびこの
複合振動板を用いた圧電型加速度センサを提供すること
を目的としている3、「課題を解決するための手段]
この発明の請求項第1項記載の複合振動板は、膜厚10
0人以4二のクロムまたはチタンからなる第1の金属層
と、任意の金属からなる第2の金属層とからなる密着層
を、高分子圧電フィルムからなる圧電体層上の片面もし
くは両面に形成し、−方の密着層上に振動膜を形成して
なることを解決手段とし、この複合振動板を製造するに
は、圧電体層上の片面もしくは両面に、析出速度500
Å/s以下のスパッタリング法を用いて第146よび第
2の金属層を、気密を破ることなく連続形成して密着層
とし、一方の密着層上に電気めっき法により振動膜を形
成すること、または圧電体層上の片面もしくは両面に、
圧電体層と蒸発源との距離を20cm以上50cm以下
、圧力2 X l O−5Torr以下の真空蒸着法を
用いて第1および第2の金属層を、気密を破ることなく
連続形成して密着層とし、一方の密着層上に電気めっき
法により振動膜を形成することをその解決手段とした。This invention was made in order to solve the problem described in item 1, and provides a composite diaphragm that can provide stable output and excellent frequency characteristics over a long period of time, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing the composite diaphragm. 3. ``Means for Solving the Problems'' The composite diaphragm according to claim 1 of the present invention has a film thickness of 10
An adhesion layer consisting of a first metal layer made of 0 or more chromium or titanium and a second metal layer made of any metal is placed on one or both sides of the piezoelectric layer made of a polymeric piezoelectric film. In order to manufacture this composite diaphragm, a deposition rate of 500% is applied to one or both sides of the piezoelectric layer.
Forming a 146th metal layer and a second metal layer consecutively without breaking airtightness using a sputtering method of Å/s or less to form an adhesive layer, and forming a vibrating membrane on one of the adhesive layers by an electroplating method; or on one or both sides of the piezoelectric layer,
The first and second metal layers are successively formed and adhered without breaking airtightness using a vacuum evaporation method with a distance between the piezoelectric layer and the evaporation source of 20 cm or more and 50 cm or less and a pressure of 2 X l O-5 Torr or less. The solution was to form a vibrating membrane on one of the adhesion layers by electroplating.
=3−
さらにこの発明の請求項第4項記載の圧電型加速度セン
サは、請求項第1項記載の複合振動板を有することをそ
の解決手段とした。=3- Furthermore, the piezoelectric acceleration sensor according to claim 4 of the present invention has a composite diaphragm according to claim 1 as a means for solving the problem.
[作用 ]
圧電体層上にクロムまたはチタンからなる第1の金属層
と、任意の金属からなる第2の金属層とからなる密着層
を形成し、この上に振動膜を形成して複合振動板とした
ので、圧電体層と振動膜との密着性を高くすることがで
きるとともに、接着剤を用いていないので、圧電体層の
特性が低下することがなく、複合振動板の共振周波数を
高くすることができ、測、定周波数領域を広げることが
できる。[Operation] An adhesive layer consisting of a first metal layer made of chromium or titanium and a second metal layer made of any metal is formed on the piezoelectric layer, and a vibrating membrane is formed on this to generate complex vibration. Since it is made of a plate, it is possible to increase the adhesion between the piezoelectric layer and the diaphragm, and since no adhesive is used, the characteristics of the piezoelectric layer do not deteriorate, and the resonant frequency of the composite diaphragm can be increased. It is possible to increase the frequency range for measurement and measurement.
また圧電体層上に、第1および第2の金属層とからなる
密着層を真空蒸着法またはスパッタリング法によって、
気密を破ることなく連続して形成したので、各層間に酸
化物層が形成されることがす<、各層間の密着性を高く
することができる。Further, an adhesive layer consisting of the first and second metal layers is formed on the piezoelectric layer by vacuum evaporation or sputtering.
Since the layers are formed continuously without breaking airtightness, an oxide layer can be formed between each layer, and the adhesion between each layer can be increased.
さらに密着層は穏やかな条件下での真空蒸着法またはス
パッタリング法によって形成されるので、−4=
製造時に圧電体層が熱により変質することがない。Furthermore, since the adhesion layer is formed by vacuum evaporation or sputtering under mild conditions, -4 = the piezoelectric layer is not altered by heat during manufacture.
さらに振動膜を電気めっきにより形成すると、ピットの
少ない均一な振動膜を容易に得ることができるとともに
、振動膜を常温で形成することができ、圧電体層の熱的
変形や圧電特性の低下を招くことがない。Furthermore, if the vibrating membrane is formed by electroplating, a uniform vibrating membrane with few pits can be easily obtained, and the vibrating membrane can be formed at room temperature, thereby preventing thermal deformation of the piezoelectric layer and deterioration of piezoelectric properties. I'm never invited.
また周波数特性および圧電特性に優れた複合振動板を用
い、この複合振動板の歪に伴って発生ずる電気量から加
速度を検出するので、感度の高い測定が可能な圧電型加
速度センサとすることができる。In addition, a composite diaphragm with excellent frequency and piezoelectric characteristics is used, and acceleration is detected from the amount of electricity generated as the composite diaphragm is distorted, making it possible to use a piezoelectric acceleration sensor that can perform highly sensitive measurements. can.
[実施例] 以下、この発明の詳細な説明する。[Example] The present invention will be explained in detail below.
第1図はこの発明の複合振動板1の一例を示したもので
ある。この複合振動板1は、図示しない電極上に形成さ
れた圧電体層2」二に、第1の金属層4と第2の金属層
5とからなる密着層3を形成し、この密着層3上に振動
膜6を積層してなるものである。FIG. 1 shows an example of a composite diaphragm 1 of the present invention. This composite diaphragm 1 includes a piezoelectric layer 2 formed on an electrode (not shown) and an adhesion layer 3 made of a first metal layer 4 and a second metal layer 5. A vibrating membrane 6 is laminated thereon.
この圧電体層2は、高分子圧電フィルムからなリ、その
+N月としては、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ヒニリ
デン(PVDF)、ポリ塩化ビニル、ナイロン9、ナイ
ロン11、ポリカーボネート、ポリ(m−フェニレンイ
ソフタルアミド)フン化ビニリデン−四フッ化エヂレノ
共重合体、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、
フッ化ビニリデン−三フッ化エヂレン共重合体、シアン
化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体、あるいはこれらの
2種以上の混合物、あるいはこれらと他の熱可塑性樹脂
との混合物が好適である。またこの他に、P b(Z
r、 T i)03、PbTiO3、(P b、 L
a)(Z r、 Ti)03、BaTiO2、B a(
Z r、T i)03、(B a、 S r)T103
等の無機圧電材料の微粉末を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹
脂等の高分子中に混合したものを用いてもよい。This piezoelectric layer 2 is made of a polymeric piezoelectric film, and its +N material includes polyvinyl fluoride, polyhynylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride, nylon 9, nylon 11, polycarbonate, poly(m-phenylene isophthalate). (amide) vinylidene fluoride-edileno tetrafluoride copolymer, vinylidene fluoride-vinyl fluoride copolymer,
Vinylidene fluoride-ethylene trifluoride copolymer, vinylidene cyanide-vinyl acetate copolymer, a mixture of two or more thereof, or a mixture of these and other thermoplastic resins are suitable. In addition to this, P b(Z
r, T i)03, PbTiO3, (P b, L
a) (Z r, Ti)03, BaTiO2, Ba(
Z r, T i) 03, (B a, S r) T103
A mixture of a fine powder of an inorganic piezoelectric material such as a thermoplastic resin or a thermosetting resin in a polymer such as a thermoplastic resin or a thermosetting resin may also be used.
この圧電体層2上に形成された密着層3は圧電体層2と
振動膜6とを接着するためのものであって、第1の金属
層4と第2の金属層5とにより構成されている。この第
1の金属層4は、振動膜6の振動に悪影響を及ぼさない
よう質量が小さく、複合振動板1の耐久性向上のために
機械強度の大きな材料であるチタンまたはクロムからな
り、その膜厚は100Å以上が好適である。この膜厚が
100人未満であると圧電体層2と振動膜6とを充分に
密着する強度が得られない。第2の金属層5は電気抵抗
の大きなチタンまたはクロムからなる第1の金属層4上
に電気めっきにより振動膜6を形成する際の電極とする
ためのものであって、任意の金属からなるものであるが
、特に比較的導電性が高く、めっき液に腐食されないニ
ッケル、銅、銀、白金、金等の金属が好適である。第2
の金属層5を設けずに、第1の金属層4上に直接振動膜
6を電気めっき法により形成すると、第1の金属層4を
構成するチタンまたはクロムの電気抵抗により、電気め
っきにより振動膜6を形成する際に電流密度を大きくす
ることができず、形成される振動膜6は粒子が粗く、密
着性にも欠けるものとなる。The adhesive layer 3 formed on the piezoelectric layer 2 is for bonding the piezoelectric layer 2 and the vibrating membrane 6, and is composed of a first metal layer 4 and a second metal layer 5. ing. This first metal layer 4 is made of titanium or chromium, which is a material with a small mass so as not to adversely affect the vibration of the diaphragm 6, and has high mechanical strength in order to improve the durability of the composite diaphragm 1. The thickness is preferably 100 Å or more. If the film thickness is less than 100 mm, it will not be possible to obtain sufficient strength to bring the piezoelectric layer 2 and the vibrating membrane 6 into close contact. The second metal layer 5 is used as an electrode when forming the vibrating membrane 6 by electroplating on the first metal layer 4 made of titanium or chromium having high electrical resistance, and is made of any metal. However, metals such as nickel, copper, silver, platinum, and gold, which have relatively high conductivity and are not corroded by plating solutions, are particularly suitable. Second
If the vibrating membrane 6 is formed directly on the first metal layer 4 by electroplating without providing the metal layer 5, the electric resistance of titanium or chromium constituting the first metal layer 4 will cause vibrations to be caused by the electroplating. It is not possible to increase the current density when forming the membrane 6, and the vibrating membrane 6 thus formed has coarse particles and lacks adhesion.
密着層3上に積層された振動膜6は、ヤング率が比較的
高く、かつ衝撃力に強い材料からなり、これらを例示す
れば鉄、銅、ニッケル、クロム、金、銀、スズ等の単一
金属あるいは銅−スズ合金、ニッケル合金等である。The vibrating membrane 6 laminated on the adhesive layer 3 is made of a material that has a relatively high Young's modulus and is strong against impact. Examples of these materials include iron, copper, nickel, chromium, gold, silver, and tin. One metal, copper-tin alloy, nickel alloy, etc.
この例では、圧電体層2の片面にのみ密着層3を形成し
たが、第2図に示したように圧電体層2の両面に密着層
3を形成し、この一方の密着層3」二に振動膜6を積層
して複合振動板1とすると、従来の電極材料に比べて圧
電体層2との密着性および耐食性に優れた電極として、
振動膜6が積層されていない方の密着層3を使用するこ
とができ、複合振動板lの耐食性および強度向上に好適
である。In this example, the adhesive layer 3 was formed only on one side of the piezoelectric layer 2, but as shown in FIG. When a composite diaphragm 1 is obtained by laminating a diaphragm 6 on the diaphragm 6, it becomes an electrode with superior adhesion to the piezoelectric layer 2 and corrosion resistance compared to conventional electrode materials.
The adhesion layer 3 on which the diaphragm 6 is not laminated can be used, which is suitable for improving the corrosion resistance and strength of the composite diaphragm 1.
このような複合振動板1を製造するには、まず圧電体層
2を用意し、この圧電体層2上にスパッタリング法ある
いは真空蒸着法によって気密を破ることなく第1の金属
層4と第2の金属層5とを連続して形成する。密着層3
を構成する第1の金属層4と第2の金属層5とを、気密
を破ることなく連続してスパッタリング法あるいは真空
蒸着法ににって形成するのは、第1の金属層4を形成し
〜8−
ているクロムまたはチタンがめつき法等の化学的手法に
よって析出させることが困難であること、そしてこれら
の金属の融点近くの温度では圧電体層2を構成する高分
子圧電フィルムの特性劣化が生じるので、常温に近い温
度での形成が好ましいためである。このような理由によ
り、スパッタリング法を用いた場合には、析出速度は5
00Å/s以下が望ましく、これ以上の析出速度にする
とスパッタされる金属粒子が大きく粗くなり、圧電体層
2との密着性が低下して剥離する恐れがあるので好まし
くない。また真空蒸着法を用いた場合には、圧力を2
X I 0−5Torr以下に保ち、蒸発源と試料との
距離は20cm以上50cm未満であるのが望ましく、
圧力をさらに高くしたり、蒸発源との距離を短くすると
、蒸着される金属粒子の熱によって圧電体層2が熱変性
するので好ましくないとともに、蒸発源との距離を50
cm以上にすると、金属粒子の蒸着速度が著しく小さく
なり好ましくない。さらに第1の金属層4と第2の金属
層5とが、気密を破ることなく連続して形成されること
によって、各層間に酸化物層が形成されることがなくな
るので、各層間の密着性を良好にすることができる。To manufacture such a composite diaphragm 1, a piezoelectric layer 2 is first prepared, and a first metal layer 4 and a second metal layer are deposited on this piezoelectric layer 2 by sputtering or vacuum deposition without breaking the airtightness. The metal layer 5 is formed continuously. Adhesion layer 3
Forming the first metal layer 4 and the second metal layer 5 constituting the first metal layer 4 continuously by a sputtering method or a vacuum evaporation method without breaking airtightness is a method for forming the first metal layer 4. 8- It is difficult to deposit chromium or titanium by chemical methods such as plating, and the characteristics of the polymer piezoelectric film constituting the piezoelectric layer 2 are difficult to deposit at temperatures close to the melting points of these metals. This is because formation at a temperature close to room temperature is preferable since deterioration occurs. For these reasons, when using the sputtering method, the deposition rate is 5
A deposition rate of 00 Å/s or less is desirable; if the deposition rate is higher than this, the sputtered metal particles will become large and coarse, and the adhesion with the piezoelectric layer 2 may deteriorate, resulting in peeling, which is not preferable. In addition, when using the vacuum evaporation method, the pressure is
It is desirable to maintain the X I at 0-5 Torr or less, and the distance between the evaporation source and the sample to be 20 cm or more and less than 50 cm,
If the pressure is further increased or the distance to the evaporation source is shortened, the piezoelectric layer 2 will be thermally denatured by the heat of the metal particles being evaporated, which is undesirable.
If it is more than cm, the deposition rate of the metal particles will become extremely low, which is not preferable. Furthermore, since the first metal layer 4 and the second metal layer 5 are formed continuously without breaking airtightness, an oxide layer is not formed between each layer, so that the adhesion between each layer is improved. It can improve the properties.
ついて上記工程により密着層3が形成された圧電体層2
を、振動膜6を構成する金属イオンを含有するめっき液
内に浸漬し、第2の金属層5を陰極として電気めっきを
施して振動膜6を第2の金属層5上に形成することがで
きる。この際のめっき条件は、例えば振動膜6をニッケ
ルめっきにより形成するには、スルファミン酸ニッケル
浴を用い、電解を定電流法で行い、電流密度I (mA
/am2)と電極金属の厚さt(μm)との間に式(1
)の関係が成り立つようにすることが望ましい。A piezoelectric layer 2 with an adhesive layer 3 formed thereon by the above process.
The vibrating membrane 6 can be formed on the second metal layer 5 by immersing the vibrating membrane 6 in a plating solution containing metal ions constituting the vibrating membrane 6 and performing electroplating using the second metal layer 5 as a cathode. can. The plating conditions at this time are, for example, to form the vibrating membrane 6 by nickel plating, a nickel sulfamate bath is used, electrolysis is performed by a constant current method, and the current density I (mA
/am2) and the thickness t (μm) of the electrode metal using the equation (1
) is desirable.
■≦50×t ・・・(1)
電流密度lがこの条件を越えると、形成されためっき膜
に焼けが生じるとともにその表面にピットが多発する。■≦50×t (1) If the current density l exceeds this condition, the formed plating film will be burnt and many pits will appear on its surface.
この発明の複合振動板1ではめっきにより振動膜6を形
成しているので、めっき時の焼けによる振動膜lの変質
やピットの多発による膜の不均一性が、複合振動板lの
特性劣化に直接つながるために避けることが望ましい。In the composite diaphragm 1 of the present invention, the diaphragm 6 is formed by plating, so deterioration of the diaphragm 1 due to burns during plating and non-uniformity of the diaphragm due to a large number of pits may deteriorate the characteristics of the composite diaphragm 1. Preferably avoided in order to connect directly.
またこの振動膜6を無電解めっき法により形成すると、
密着層3との密着性が低下し、剥離する恐れがあるので
好ましくない。Furthermore, if this vibrating membrane 6 is formed by electroless plating,
This is not preferable since the adhesion with the adhesive layer 3 may deteriorate and peeling may occur.
このようにして形成された複合振動板lは、密着層3に
よって圧電体層2と振動膜6とを密着させてなるもので
あるので、接着剤を用いて圧電体層と振動膜とを接着し
てなる従来の振動板に比べて、低周波領域での出力低下
がなくなり、出力のばらつきも減少し、共振周波数が高
くなるので、結果的に測定周波数領域が広くなる。また
密着層3を構成する第1の金属層4と第2の金属層5と
を気密を破らずに一括形成した後、密着層3上に電気め
っき法により振動膜6を形成したので、各層間に酸化物
層が形成されることがなくなり、圧電体層2と密着層3
との密着性および密着層3と振動膜6との密着性が高ま
り、剥離を防ぐことができ、耐久性の高い複合振動板を
得ることができる。さらに第2図に示した複合振動板1
にあっては、圧電体層2の両面に密着層3を設け、振動
膜6が形成されていない方の密着層3を電極として用い
ることができ、従来の振動板に比へて耐久性を向上させ
ることができる。Since the composite diaphragm l formed in this way is made by adhering the piezoelectric layer 2 and the diaphragm 6 to each other through the adhesive layer 3, the piezoelectric layer and the diaphragm are bonded together using an adhesive. Compared to conventional diaphragms made of diaphragms, there is no output drop in the low frequency range, output variation is reduced, and the resonant frequency is higher, resulting in a wider measurement frequency range. Furthermore, after forming the first metal layer 4 and the second metal layer 5 constituting the adhesion layer 3 all at once without breaking airtightness, the vibrating membrane 6 was formed on the adhesion layer 3 by electroplating. No oxide layer is formed between the layers, and the piezoelectric layer 2 and adhesive layer 3
The adhesion between the adhesion layer 3 and the diaphragm 6 is increased, separation can be prevented, and a highly durable composite diaphragm can be obtained. Further, the composite diaphragm 1 shown in FIG.
In this case, adhesive layers 3 are provided on both sides of the piezoelectric layer 2, and the adhesive layer 3 on which the diaphragm 6 is not formed can be used as an electrode, resulting in improved durability compared to conventional diaphragms. can be improved.
第3図および第4図はこの発明の複合振動板1を用いた
圧電型加速度センサ7の検知部8を示すものである。こ
の検知部8は径りのこの発明の複合振動板lの中心に同
心円状で径dの円形孔9を形成して円環状とし、その周
縁部を同じく円環状の固定枠1O1lOによって挟着し
てなるもので、複合振動板1は、図示しない円環状の電
極上に形成された高分子圧電フィルムからなる圧電体層
2と、この圧電体層2上に、膜厚100Å以上のチタン
またはクロムからなる第1の金属層4と任意の金属層5
とからなる密着層3を気密を破ることなく連続して形成
し、ついでこの密着層3上に電気めっき法により振動膜
6を形成してなるものであり、第2の金属層5は電極と
しても作用している。そして上記構成による検知部8は
、第5図に示すように、導電性を有するシールドケース
11内に収納されているとともに、圧電体層2が形成さ
れている図示しない電極と第2の金属層5とには、複合
振動板lが振動することによって生じる電気信号を取り
出すための図示しない端子が取り付けられており、この
端子からの出力信号は、インピーダンス変換回路12を
介して測定されるようになっている。また検知部8の端
子とインピーダンス変換回路12とは、ローノイズケー
ブル13によって接続され、前記シールドケース11は
アースされている。3 and 4 show a detection section 8 of a piezoelectric acceleration sensor 7 using the composite diaphragm 1 of the present invention. This detection part 8 is formed by forming a concentric circular hole 9 with a diameter d in the center of the composite diaphragm l of the present invention to form an annular shape, and the peripheral edge thereof is sandwiched by a fixed frame 1O11O, which is also annular. The composite diaphragm 1 consists of a piezoelectric layer 2 made of a polymer piezoelectric film formed on an annular electrode (not shown), and a titanium or chromium film with a thickness of 100 Å or more on the piezoelectric layer 2. A first metal layer 4 and an arbitrary metal layer 5 consisting of
The second metal layer 5 is formed by forming an adhesion layer 3 continuously without breaking airtightness, and then forming a vibrating membrane 6 on this adhesion layer 3 by electroplating, and the second metal layer 5 is used as an electrode. is also working. As shown in FIG. 5, the detection unit 8 having the above configuration is housed in a conductive shield case 11, and includes an electrode (not shown) on which a piezoelectric layer 2 is formed and a second metal layer. 5 is attached with a terminal (not shown) for extracting an electrical signal generated by the vibration of the composite diaphragm l, and the output signal from this terminal is measured via the impedance conversion circuit 12. It has become. Further, the terminal of the detection section 8 and the impedance conversion circuit 12 are connected by a low noise cable 13, and the shield case 11 is grounded.
このような構成の圧電型加速度センサ7は、外力を受け
ると、複合振動板1の固定枠10.10で固定された内
側部分が、外力の加速度に比例した歪を生じるとともに
、この歪によって圧電体層2が電荷を発生する。この場
合、振動膜6は電気めっき法によって密着層3上に形成
されるので、その厚さを均一に保ちながら任意に変化さ
せることができ、複合振動板1が最も振動、歪を生じや
すいような膜厚を選択することができる。また振動膜6
と圧電体層2との間に接着層が介在しないので、特に5
Hz以下の低周波領域での出ツノの安定化がはかれ、周
波数特性の経時変化の少ない圧電型加速度センサが得ら
れる。When the piezoelectric acceleration sensor 7 having such a configuration receives an external force, the inner portion of the composite diaphragm 1 fixed by the fixed frame 10.10 generates a strain proportional to the acceleration of the external force, and this strain causes the piezoelectric Body layer 2 generates an electric charge. In this case, since the diaphragm 6 is formed on the adhesive layer 3 by electroplating, its thickness can be changed arbitrarily while keeping it uniform, so that the composite diaphragm 1 is most susceptible to vibration and distortion. You can select the desired film thickness. Also, the vibrating membrane 6
Since there is no adhesive layer between the piezoelectric layer 2 and the piezoelectric layer 2,
A piezoelectric acceleration sensor whose output angle is stabilized in a low frequency region of Hz or less and whose frequency characteristics change little over time can be obtained.
なおこの例ては、円板状の圧電体層の中心に円形孔を設
げ円環状とし、これに密着層と振動膜を積層して複合振
動板とし、これを用いて圧電型加速度センサとしたが、
この発明の圧電型加速度センサに用いられる複合振動板
はこの例に限られるものではなく、円形孔を設けない円
板状の複合振動板からなるものであっても良い。In this example, a circular hole is provided in the center of a disc-shaped piezoelectric layer to form an annular shape, and an adhesive layer and a diaphragm are laminated on this to form a composite diaphragm. This is used to create a piezoelectric acceleration sensor. However,
The composite diaphragm used in the piezoelectric acceleration sensor of the present invention is not limited to this example, and may be a disc-shaped composite diaphragm without circular holes.
[実験例]
(剥離試験)
第1表に示したような製造条件で、厚さ30μmのポリ
フッ化ビニリデン上に、第1の金属層と第2の金属層と
振動膜とを積層して複合振動板を形成し、実験例1ない
し比較例13とした。[Experiment example] (Peeling test) Under the manufacturing conditions shown in Table 1, a first metal layer, a second metal layer, and a vibrating membrane were laminated on polyvinylidene fluoride with a thickness of 30 μm to form a composite. A diaphragm was formed and designated as Experimental Examples 1 to Comparative Examples 13.
なお第1および第2の金属層を形成する際の蒸着条件は
、真空蒸着法では圧力1.5X10−5T。Note that the vapor deposition conditions for forming the first and second metal layers are a pressure of 1.5×10 −5 T in the vacuum vapor deposition method.
rr、試料と蒸発源との距離は25cmとし、スパッタ
リング法では圧力5 X 10−3 Torr、析出速
度350Å/sとし、振動膜を形成する際の電気めつき
法の条件は、高濃度スルファミン酸ニッケル浴を用い、
温度50°C1電流密度1 = 2.5 mA/cm2
とした。また比較例7は第1の金属層を形成後に気密を
破り、第1の金属層が形成された圧電体層を空気中に放
置し、こののち第2の金属層を形成したもの、比較例8
は真空蒸着時に試料と蒸発源との距離を15cmとして
形成したもの、比較例9は蒸着時の圧力を3 X 10
−5Torrとして形成したもの、比較例12はスパッ
タリング時の析出速度を750Å/sとして形成したも
のであり、それ以外の比較例は実験例1ないし5と同様
の条件により製造したものである。rr, the distance between the sample and the evaporation source was 25 cm, the sputtering method had a pressure of 5 x 10-3 Torr, a deposition rate of 350 Å/s, and the electroplating conditions for forming the vibrating membrane were high concentration sulfamic acid. Using a nickel bath,
Temperature 50°C1 Current density 1 = 2.5 mA/cm2
And so. In Comparative Example 7, the airtightness was broken after forming the first metal layer, the piezoelectric layer on which the first metal layer was formed was left in the air, and then the second metal layer was formed. 8
was formed with a distance of 15 cm between the sample and the evaporation source during vacuum evaporation, and Comparative Example 9 was formed with a pressure of 3 x 10 during evaporation.
-5 Torr, Comparative Example 12 was formed with a deposition rate of 750 Å/s during sputtering, and the other Comparative Examples were manufactured under the same conditions as Experimental Examples 1 to 5.
これら実験例1ないし比較例13の各複合振動板の振動
膜表面に、表面粘着テープを接着したのち剥離する、表
面剥離試験を行った。この試験結果を第1表に併せて示
した。この結果、請求項第2項または第3項記載のこの
発明の製造方法に従って形成された実験例1ないし5は
いずれも剥離の起きにくい密着性の良好な複合振動板で
あることがわかった。A surface peeling test was conducted in which a surface adhesive tape was adhered to the surface of the diaphragm of each of the composite diaphragms of Experimental Examples 1 to Comparative Example 13 and then peeled off. The test results are also shown in Table 1. As a result, it was found that all of Experimental Examples 1 to 5, which were formed according to the manufacturing method of the present invention as set forth in claim 2 or 3, were composite diaphragms with good adhesion that hardly caused peeling.
(周波数特性試験)
厚さ30μmのポリフッ化ビニリデンからなる圧電体層
上に、蒸着条件を圧力]、5XIO−5T。(Frequency characteristic test) Vapor deposition conditions were [pressure], 5XIO-5T on a piezoelectric layer made of polyvinylidene fluoride having a thickness of 30 μm.
rr、試料と蒸発源との距離を25cmとした真空蒸着
法により、膜厚500人のクロムからなる第1の金属層
と、膜厚2500人のニッケルからなる第2の金属層と
を気密を破ることなく連続して形成し、ついで高濃度ス
ルファミン酸ニッケル浴中で、温度50℃、電流密度I
=2.5mAへの条件で膜厚30μmの振動膜を形成し
て複合振動板を製造し、これを実験例14とした。rr, the first metal layer made of chromium with a thickness of 500 mm and the second metal layer made of nickel with a thickness of 2500 mm were made airtight using a vacuum evaporation method with a distance of 25 cm between the sample and the evaporation source. Formed continuously without breaking, then heated in a high concentration nickel sulfamate bath at a temperature of 50°C and a current density of I.
A composite diaphragm was manufactured by forming a 30 μm thick diaphragm under conditions of 2.5 mA, and this was designated as Experimental Example 14.
一方、厚さ30μmのポリフッ化ビニリデンからなる圧
電体層に膜厚30μmの銅箔をエボキノ樹脂を用いて接
着して複合振動板として、これを比較例15とした。On the other hand, a composite diaphragm was prepared by bonding a 30 μm thick copper foil to a 30 μm thick piezoelectric layer made of polyvinylidene fluoride using evokino resin, and this was designated as Comparative Example 15.
この実験例14と比較例15に1000μbarの一定
音量の正弦波を周波数を変化させて加えた。A sine wave with a constant volume of 1000 μbar was applied to Experimental Example 14 and Comparative Example 15 while changing the frequency.
この時の実験例I4と比較例15の各周波数における出
力を第6図に示す。また実験例14と比較例15におけ
る出力のばらつきは、周波数200Hz、音圧1000
71barの正弦波を加えた時、実験例14では試料数
10個の平均値1.3Vに対して105以内であるのに
対し、比較例I5では試料数IQ個の平均値1.5Vに
対して100%を越えるものがあり、非常に大きくなっ
た。The output at each frequency of Experimental Example I4 and Comparative Example 15 at this time is shown in FIG. Furthermore, the output variations in Experimental Example 14 and Comparative Example 15 are as follows: frequency 200Hz, sound pressure 1000Hz
When a 71 bar sine wave is applied, in Experimental Example 14, the average value of 1.3V for 10 samples is within 105, whereas in Comparative Example I5, the average value of 1.5V for IQ samples is within 105V. Some of them exceeded 100%, making them extremely large.
この結果より密着層と振動膜を圧電体層」−に形成して
なるこの発明の振動複合板は、エボキノ樹脂等の接着剤
を用いて振動膜と圧電体層とを接着してなる従来の振動
板に比べて、接着剤の粘弾性が振動膜に悪影響を及はず
ことがなくなるので、広い領域に亙って安定して高出力
が得られ、特に低周波数にお+−Jる特性に優れている
ことがわかった。As a result, the vibrating composite plate of the present invention in which the adhesion layer and the vibrating membrane are formed into a piezoelectric layer is different from the conventional vibrating membrane and piezoelectric layer in which the vibrating membrane and the piezoelectric layer are bonded using an adhesive such as evokino resin. Compared to a diaphragm, the viscoelasticity of the adhesive will not have a negative effect on the diaphragm, so high output can be obtained stably over a wide range, and the characteristics of +-J especially at low frequencies. I found it to be excellent.
(圧電型加速度センサの性能評価)
厚さ9μmのポリフッ化ビニリデンで直径7mmの円板
を作成し、この円板の中心に直径4mmの円形孔を形成
して円環状の圧電体層を作成した。この圧電体層−にに
第2表に示したような製造条件で、第1の金属層と第2
の金属層と振動膜とをそれぞれ積層して複合振動板を形
成し、実験例16ないし比較例22とした。なお比較例
I8以外のものの密着層は、蒸着条件を圧力1.5 X
10−5Torr。(Performance evaluation of piezoelectric acceleration sensor) A disk with a diameter of 7 mm was created from polyvinylidene fluoride with a thickness of 9 μm, and a circular hole with a diameter of 4 mm was formed in the center of this disk to create an annular piezoelectric layer. . This piezoelectric layer was manufactured under the manufacturing conditions shown in Table 2.
A composite diaphragm was formed by laminating the metal layer and the diaphragm, respectively, to form Experimental Example 16 to Comparative Example 22. For adhesive layers other than Comparative Example I8, the vapor deposition conditions were set to a pressure of 1.5
10-5 Torr.
試料と蒸発源との距離は25cmとした真空蒸着法を用
いて、気密を破らずに第1の金属層と第2の金属層とを
連続して形成し、比較例18は第1の金属層を形成した
のち、第1の金属層が形成された圧電体層を空気中に放
置したのち、第2の金属層を形成した。また振動膜は、
実験例16ないし比較例20については高濃度スルファ
ミン酸ニッケル浴、温度50℃、電流密度I = 2.
5 mA/cm2とした電気めっき法を用いて形成し、
比較例21および22についてはニッケル箔をエボキン
樹脂で接着して形成した。Using a vacuum evaporation method with a distance between the sample and the evaporation source of 25 cm, the first metal layer and the second metal layer were successively formed without breaking airtightness. After forming the layers, the piezoelectric layer on which the first metal layer was formed was left in the air, and then the second metal layer was formed. In addition, the vibrating membrane is
For Experimental Example 16 to Comparative Example 20, high concentration nickel sulfamate bath, temperature 50° C., current density I = 2.
Formed using an electroplating method at 5 mA/cm2,
Comparative Examples 21 and 22 were formed by bonding nickel foil with Evokin resin.
(以下、余白)
このようにして形成された各複合振動板を用いて、第5
図に示したような圧電型加速度センサを製造し、これら
の圧電型加速度センサに1.5 G。(Hereinafter, blank space) Using each composite diaphragm formed in this way, the fifth
Piezoelectric acceleration sensors as shown in the figure were manufactured and 1.5 G was applied to these piezoelectric acceleration sensors.
2001(zの正弦波を2000時間与えて、その時の
出力の低下率を測定して耐久性を調べた。この結果を第
3表および第7図に示す。Durability was investigated by applying a sine wave of 2001 (z) for 2000 hours and measuring the rate of decrease in output at that time. The results are shown in Table 3 and FIG.
さらに実験例16と比較例22についてはIGの正弦振
動を周波数を変化させて加えて、各周波数での出力を測
定して周波数特性を調べた。この結果を第8図に示す。Further, for Experimental Example 16 and Comparative Example 22, the frequency characteristics were investigated by applying sinusoidal vibration of the IG while changing the frequency and measuring the output at each frequency. The results are shown in FIG.
この結果より、この発明の圧電型加速度センサは長時間
の使用に耐え、安定した出力が得られるるとともに、従
来のものでは高い出力が得られなかった低周波数領域に
おいて高い出力が得られる周波数特性の良好なものであ
ることがわかった。From these results, the piezoelectric acceleration sensor of the present invention can withstand long-term use, provide stable output, and has frequency characteristics that allow high output to be obtained in the low frequency range, where conventional devices could not provide high output. It was found to be of good quality.
(以下、余白)
[発明の効果]
以上説明したように、この発明の請求項第1項記載の複
合振動板は膜厚100Å以上のクロムまたはチタンから
なる第1の金属層と任意の金属からなる第2の金属層と
からなる密着層を、高分子圧電フィルムからなる圧電体
層上に形成し、この密着層上に振動膜を形成してなるも
のであるので、圧電体層と振動膜との密着性を高くする
ことができ、耐久性を高くすることができるとともに、
接着剤を用いていないので、接着層の粘弾性による出力
低下や出力のばらつき等を少なくし、高性能の複合振動
板とすることができる。(Hereinafter, blank space) [Effects of the Invention] As explained above, the composite diaphragm according to claim 1 of the present invention comprises a first metal layer made of chromium or titanium with a thickness of 100 Å or more and an arbitrary metal layer. An adhesion layer consisting of a second metal layer made of It is possible to improve the adhesion with the material and the durability, and
Since no adhesive is used, a reduction in output and variations in output due to the viscoelasticity of the adhesive layer can be reduced, and a high-performance composite diaphragm can be obtained.
このような複合振動板は、請求項第2項記載のように圧
電体層上の片面もしくは両面に、析出速度500Å/s
以下のスパッタリング法を用いて第1および第2の金属
層を、気密を破ることなく連続形成して密着層とし、一
方の密着層上に電気めっき法により振動膜を形成する、
または請求項第3項記載のように圧電体層上の片面もし
くは両面に、圧電体層と蒸発源との距離を20cm以上
50cm以下、圧ノJ 2 X 10−5Toor以下
の真空蒸着法を用いて第1および第2の金属層を、気密
を破ることなく連続形成して密着層とし、一方の密着層
上に電気めっき法により振動膜を形成するものであるの
で、各層間に酸化物層を形成されることがなく、各層間
の密着性を高くすることができる。さらに密着層は穏や
かな条件下での真空蒸着法またはスパッタリング法によ
って形成されるので、製造時に圧電体層が熱により変質
することがなく、共振周波数領域が高くなり、測定周波
数領域の広い複合振動板を製造することができる。さら
に振動膜を電気めっき法により形成するので、ビットの
少ない均一な振動膜を所望の膜厚で容品に得ることがで
きるとともに、常温で形成することができるので、圧電
体層の熱的変形や圧電特性の低下がない優れた複合振動
板を製造することができる。Such a composite diaphragm has a deposition rate of 500 Å/s on one or both sides of the piezoelectric layer as described in claim 2.
The following sputtering method is used to continuously form a first and second metal layer without breaking airtightness to form an adhesive layer, and a vibrating membrane is formed on one of the adhesive layers by electroplating.
Alternatively, as described in claim 3, a vacuum evaporation method is used on one or both sides of the piezoelectric layer with a distance between the piezoelectric layer and the evaporation source of 20 cm or more and 50 cm or less and a pressure of J 2 X 10-5 Toor or less. The first and second metal layers are continuously formed to form an adhesive layer without breaking airtightness, and the vibrating membrane is formed on one of the adhesive layers by electroplating, so there is no oxide layer between each layer. The adhesion between each layer can be improved. Furthermore, since the adhesion layer is formed by vacuum evaporation or sputtering under mild conditions, the piezoelectric layer will not be altered by heat during manufacturing, and the resonant frequency range will be high, allowing complex vibrations to be measured over a wide frequency range. Boards can be manufactured. Furthermore, since the vibrating membrane is formed by electroplating, it is possible to obtain a uniform vibrating membrane with a desired film thickness in a package with few bits, and since it can be formed at room temperature, thermal deformation of the piezoelectric layer can be avoided. It is possible to manufacture an excellent composite diaphragm with no deterioration in piezoelectric properties.
またこの発明の請求項4記載の圧電型加速度センサは、
請求項1記載の複合振動板を有するものであって、上記
複合振動板の歪に伴って発生する電気量から加速度を検
出するものであるので、周波数特性と圧電特性に優れ、
広範囲に亙って感度の高い測定が可能なものとなる。Furthermore, the piezoelectric acceleration sensor according to claim 4 of the present invention includes:
The device has the composite diaphragm according to claim 1, and since acceleration is detected from the amount of electricity generated due to distortion of the composite diaphragm, it has excellent frequency characteristics and piezoelectric characteristics,
It becomes possible to perform highly sensitive measurements over a wide range.
第1図はこの発明の請求項1記載の複合振動板の一例を
示した概略断面図、第2図は請求項1記載の複合振動板
の他の例を示した概略断面図、第3図は請求項4記載の
圧電型加速度センサの検知部の一例を示した概略断面図
、第4図はその概略正面図、第5図はその概略構成図、
第6図はこの発明の請求項第3項記載の製造方法によっ
て形成された複合振動板の周波数特性を示したグラフ、
第7図はこの発明の請求項第4項記載の圧電型加速度セ
ンサの耐久性を示したグラフ、第8図はその周波数特性
を示したグラフである。
1 複合振動板、 2 圧電体層、
3・・密着層、 4・・第1の金属層、5 ・第
2の金属層、 6・・・振動膜、7・圧電型加速度セ
ンサ。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the composite diaphragm according to claim 1 of the present invention, FIG. 2 is a schematic sectional view showing another example of the composite diaphragm according to claim 1, and FIG. is a schematic sectional view showing an example of a detection part of the piezoelectric acceleration sensor according to claim 4, FIG. 4 is a schematic front view thereof, and FIG. 5 is a schematic configuration diagram thereof,
FIG. 6 is a graph showing the frequency characteristics of a composite diaphragm formed by the manufacturing method according to claim 3 of the present invention;
FIG. 7 is a graph showing the durability of the piezoelectric acceleration sensor according to claim 4 of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing its frequency characteristics. 1 Composite diaphragm, 2 Piezoelectric layer, 3 Adhesive layer, 4 First metal layer, 5 Second metal layer, 6 Vibration membrane, 7 Piezoelectric acceleration sensor.
Claims (4)
第1の金属層と、任意の金属からなる第2の金属層とか
らなる密着層を、高分子圧電フィルムからなる圧電体層
上の片面もしくは両面に形成し、一方の密着層上に振動
膜を形成してなる複合振動板(1) An adhesive layer consisting of a first metal layer made of chromium or titanium with a thickness of 100 Å or more and a second metal layer made of an arbitrary metal is placed on one side or on a piezoelectric layer made of a polymer piezoelectric film. Composite diaphragm formed on both sides with a diaphragm formed on one adhesive layer.
0Å/s以下のスパッタリング法を用いて第1および第
2の金属層を、気密を破ることなく連続形成して密着層
とし、一方の密着層上に電気めっき法により振動膜を形
成することを特徴とする請求項1記載の複合振動板の製
造方法(2) Deposition rate 50 on one or both sides of the piezoelectric layer
The first and second metal layers are successively formed using a sputtering method of 0 Å/s or less to form an adhesive layer without breaking airtightness, and a vibrating membrane is formed on one of the adhesive layers by electroplating. A method for manufacturing a composite diaphragm according to claim 1, characterized in that:
発源との距離を20cm以上50cm以下、圧力2×1
0^−^5Torr以下の真空蒸着法を用いて第1およ
び第2の金属層を、気密を破ることなく連続形成して密
着層とし、一方の密着層上に電気めっき法により振動膜
を形成することを特徴とする請求項1記載の複合振動板
の製造方法(3) On one or both sides of the piezoelectric layer, the distance between the piezoelectric layer and the evaporation source is set at 20 cm or more and 50 cm or less, and the pressure is 2×1.
Using a vacuum evaporation method at 0^-^5 Torr or less, the first and second metal layers are successively formed without breaking the airtightness to form an adhesive layer, and a vibrating membrane is formed on one of the adhesive layers by electroplating. The method for manufacturing a composite diaphragm according to claim 1, characterized in that:
センサ(4) A piezoelectric acceleration sensor having the composite diaphragm according to claim 1
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12541588A JPH01295169A (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Composite diaphragm and its production and piezoelectric acceleration sensor formed by using composite diaphragm |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12541588A JPH01295169A (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Composite diaphragm and its production and piezoelectric acceleration sensor formed by using composite diaphragm |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01295169A true JPH01295169A (en) | 1989-11-28 |
Family
ID=14909539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP12541588A Pending JPH01295169A (en) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | Composite diaphragm and its production and piezoelectric acceleration sensor formed by using composite diaphragm |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01295169A (en) |
-
1988
- 1988-05-23 JP JP12541588A patent/JPH01295169A/en active Pending
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