JPH0587579A

JPH0587579A - 角速度センサ用圧電素子

Info

Publication number: JPH0587579A
Application number: JP3276709A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kachi; 地敏晃加; Toshihiko Kikko; 高敏彦橘; Yasunobu Yoneda; 田康信米
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】雰囲気温度が変化しても、特性にばらつきが
生じにくい角速度センサを得ることができる角速度セン
サ用圧電素子を得る。【構成】角速度センサ用圧電素子１０は、圧電体基板
１２を含む。圧電体基板１２は、複数の気孔率を有する
圧電セラミック層１４，１６，１８で形成される。この
圧電体基板１２の厚み方向の中央部の圧電セラミック層
１６には、緻密なものが使用される。そして、圧電セラ
ミック層１６の両側の圧電セラミック層１４，１８とし
ては、気孔率の大きいものが使用される。さらに、圧電
体基板１２の両面には、電極２０，２２が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は角速度センサ用圧電素
子に関し、特にたとえば、振動ジャイロなどの角速度セ
ンサに用いられる角速度センサ用圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６はこの発明の背景となる従来の圧電
素子を用いた角速度センサを示す図解図である。角速度
センサ１は、たとえばエリンバなどの機械的な振動を生
じる材料で形成される振動体２を含む。振動体２は３角
柱状に形成され、その側面には３つの圧電素子３ａ，３
ｂ，３ｃが形成される。これらの圧電素子３ａ〜３ｃと
しては、圧電セラミックの両面に電極を形成したもの
や、内部電極を介して圧電セラミック層が積層された積
層型のものなどがある。

【０００３】この角速度センサ１を使用する場合、たと
えば圧電素子３ａ，３ｂと圧電素子３ｃとの間に発振回
路出力源が接続される。この発振回路出力源からの出力
信号によって、振動体２は圧電素子３ｃの形成された面
に直交する方向に屈曲振動する。この角速度センサ１の
軸を中心として回転すると、圧電素子３ａ，３ｂに出力
電圧が発生する。この圧電素子３ａ，３ｂからの出力電
圧の差を測定することにより、角速度センサ１に加わっ
た回転角速度が測定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな角速度センサに用いられる圧電素子では、圧電素子
と振動体との間に熱膨張係数の差があるため、雰囲気温
度の変化により接着面積が変動し、特性にばらつきが生
じやすいという問題があった。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、雰
囲気温度が変化しても、特性にばらつきが生じにくい角
速度センサを得ることができる角速度センサ用圧電素子
を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、複数の気孔
率を有する圧電セラミック層からなる圧電体基板と、圧
電体基板の表面に形成される電極とを含み、圧電体基板
の厚み方向の中央部には緻密な圧電セラミック層が配置
され、かつその両側に気孔率の大きい圧電セラミック層
が配置される、角速度センサ用圧電素子である。

【０００７】

【作用】圧電体基板が複数の気孔率を有する圧電セラミ
ック層からなり、中央部の緻密な圧電セラミック層の両
側に気孔率の大きい圧電セラミック層が配置されている
ため、角速度センサ用圧電素子と振動体との間の熱膨張
係数の差が緩和される。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、角速度センサ用圧電
素子と振動体との間の熱膨張係数の差が緩和されるた
め、雰囲気温度が変化しても、角速度センサ用圧電素子
の接着面積の変動が少ない。そのため、雰囲気温度の変
化による出力電圧変化率の小さい角速度センサを得る事
ができる。

【０００９】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の角速度センサ用圧電素子の
一例を示す断面図である。角速度センサ用圧電素子１０
は、圧電体基板１２を含む。圧電体基板１２は、たとえ
ば３つの圧電セラミック層１４，１６，１８を積層する
ことによって形成されている。中央部の圧電セラミック
層１６は、緻密層で形成されている。また、緻密層１６
の両側の圧電セラミック層１４，１８は、１０〜１００
μｍの径の気孔を有するポーラス層で形成されている。
そして、圧電体基板１２の両面には、電極２０，２２が
形成されている。

【００１１】このような角速度センサ用圧電素子１０を
作製するために、通常のドクターブレード法で作製した
複数枚の第１のセラミックグリーンシート３０が準備さ
れる。さらに、圧電セラミック粉末に、等体積の溶剤に
不溶な有機物粉末を混合して得られたスラリーを用い
て、ドクターブレード法で作製した第２のセラミックグ
リーンシート３２が準備される。ここで、有機物粉末と
しては、セラミック焼結体の焼成温度で飛散し得るもの
が使用される。第１のセラミックグリーンシート３０を
焼結することにより、緻密な圧電セラミック層１６が得
られる。また、第２のセラミックグリーンシート３２を
焼結することにより、ポーラスな圧電セラミック層１
４，１８が得られる。

【００１２】次に、第１のセラミックグリーンシート３
０および第２のセラミックグリーンシート３２は、図２
に示すように、所望の厚みとなるように重ね合わされ
る。そして、これらのセラミックグリーンシート３０，
３２を圧着したのち、焼成することによって、圧電体基
板１２が得られる。

【００１３】なお、複数のセラミックグリーンシート３
０，３２を積層するには、たとえば図３に示すような積
層装置４０が用いられる。この積層装置４０は、矢印Ｘ
方向に回転する２つのローラ４２，４４を含む。これら
のローラ４２，４４は、その一方を他方に押圧するよう
に配置される。そして、ローラ４２，４４間に第１のセ
ラミックグリーンシート３０および第２のセラミックグ
リーンシート３２を供給し、加圧することによって積層
シート４６が得られる。図３では、１枚の第１のセラミ
ックグリーンシート３０と２枚の第２のセラミックグリ
ーンシート３２とを図示しているが、実際には積層枚数
に応じたセラミックグリーンシートが圧着される。な
お、第１のセラミックグリーンシート３０および第２の
セラミックグリーンシート３２は、予めシート状に成形
し乾燥しておく必要があるが、使用されるバインダが水
溶性のものである場合、その表面に水を塗布しておくこ
とによって、圧着を容易にすることができる。

【００１４】もっとも、気孔率の異なるセラミックグリ
ーンシートを積層するには、必ずしも図３に示すような
積層装置を使用する必要はない。たとえば、図２に示す
ように、所定の大きさに切断した第１のセラミックグリ
ーンシート３０および第２のセラミックグリーンシート
３２を積層し、上下から加圧装置によって圧着して成形
してもよい。これらの方法で得られた積層体を焼成し、
電極を形成することによって、角速度センサ１０が得ら
れる。

【００１５】（実施例１）チタン酸ジルコン酸鉛系圧電
セラミック粉末に、メチルセルロース・バインダを４重
量％，可塑剤としてグリセリンを３重量％，純水を１０
重量％混合し、３本ロールで混練を行った。そののち、
真空押出装置により、０．２ｍｍの第１のグリーンシー
トを押出成形し、フィルム・ドライヤで乾燥させてロー
ルに巻き取った。

【００１６】次に、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミ
ック粉末に、上述と同種同量のバインダ，グリセリン，
純水を加えたのち、不溶性セルロースを３重量％混合
し、３本ロールで混練を行った。そして、第１のグリー
ンシートと同様にして、厚み０．２ｍｍの第２のグリー
ンシートを押出成形してロールに巻き取った。

【００１７】得られた第１および第２のグリーンシート
を、上述の積層装置４０のロール４２，４４間において
圧着，積層し、積層シートを得た。なお、積層に際して
は、予め各グリーンシートの表面に水を塗布しておい
た。また、積層装置のロール間には、１０ｋｇ／ｃｍ²
の圧力が加わるようにして、両セラミックグリーンシー
トを圧着した。得られた積層グリーンシートを３０ｍｍ
角に打ち抜き、アルミナ製の匣に収納し、１１６０℃の
温度で２時間焼成した。得られた焼結体の表面に銀ペー
ストを塗布し、８００℃の温度で０．５時間焼き付け
て、電極を形成した。さらに、３ｋＶ／ｍｍの直流電界
により分極を施し、１５０℃で０．５時間枯化して、角
速度センサ用圧電素子を得た。

【００１８】得られた角速度センサ用圧電素子を、図４
に示すように、正３角柱状の振動体５０に接着した。こ
のようにして、角速度センサ５２を得た。この角速度セ
ンサ５２の特性を調べるために、図５に示すように、角
速度センサ用圧電素子１０ａ，１０ｂと角速度センサ用
圧電素子１０ｃとの間に、発振回路出力源６０を接続し
た。そして、発振回路出力源６０からの信号によって、
振動体５０を振動させた。この場合、振動体５０は、圧
電素子１０ｃが接着された面に直交する方向に屈曲振動
する。そして、振動体５０の軸を中心として回転させ、
差動回路６２を用いて、角速度センサ用圧電素子１０
ａ，１０ｂの出力電圧の差を測定した。ここでは、得ら
れた角速度センサについて、雰囲気温度を変化させて出
力電圧変化率を調べた。

【００１９】（実施例２）チタン酸ジルコン酸鉛系圧電
セラミック粉末に、メチルセルロース・バインダを４重
量％，可塑剤としてグリセリンを３重量％，水を１０重
量％混合し、混練した。そののち、真空押出機で０．３
ｍｍのグリーンシートを押出成形し、乾燥させた後ロー
ルに巻回した。他方、メチルセルロース５重量％水溶液
に、水不溶性のセルロースを一定重量混練し、シート接
着剤とした。水不溶性セルロースを混合したのは、焼結
体中に気孔率の高い層を形成するためである。

【００２０】上述のセラミックグリーンシートを２枚準
備し、シート接着剤を各グリーンシートの表面にスキー
ジ印刷などによって塗布し、加圧ローラを用いて１ｔｏ
ｎ／ｃｍ²の圧力で加圧，圧着することにより、積層シ
ートを得た。得られた積層シートを３０ｍｍ角に切り抜
き、アルミナ製の匣を用いて、１１６０℃の温度で２時
間焼成し、厚み５００μｍで中央に２０〜３０μｍ厚の
緻密層が形成された焼結体を得た。この焼結体の表面に
銀ペーストを塗布し、７６０℃の温度で３０分間焼き付
け、電極を形成した。次に、３ｋＶ／ｍｍの直流電界に
より、３０分間厚み方向に分極処理し、１５０℃で３０
分間枯化して角速度センサ用圧電素子を得た。得られた
角速度センサ用圧電素子を用いて角速度センサをつく
り、実施例１と同様にして、出力電圧変化率を測定し
た。

【００２１】実施例１および実施例２で得られた結果を
表１に示す。さらに、比較例として、従来の角速度セン
サ用圧電素子を用いて角速度センサをつくり、出力電圧
変化率を測定した結果を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１からわかるように、この発明の角速度
センサ用圧電素子を使用すると、出力電圧変化率が小さ
くなっている。しかも、この角速度センサ用圧電素子
は、緻密な圧電セラミック層１６の両側をポーラスな圧
電セラミック層１４，１８で挟んでいるため、圧電体基
板１２全体がポーラスなものに比べて機械的強度が大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】図１に示す角速度センサ用圧電素子を作製する
一過程を示す図解図である。

【図３】複数のセラミックグリーンシートを積層するた
めの積層装置の一例を示す図解図である。

【図４】図１に示す角速度センサ用圧電素子を用いた角
速度センサの図解図である。

【図５】図４に示す角速度センサの測定回路を示すブロ
ック図である。

【図６】この発明の背景となる従来の角速度センサ用圧
電素子を用いた角速度センサの図解図である。

【符号の説明】

１０角速度センサ用圧電素子１２圧電体基板１４ポーラスな圧電セラミック層１６緻密な圧電セラミック層１８ポーラスな圧電セラミック層２０電極２２電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の気孔率を有する圧電セラミック層
からなる圧電体基板と、前記圧電体基板の表面に形成さ
れる電極とを含み、前記圧電体基板の厚み方向の中央部には緻密な圧電セラ
ミック層が配置され、かつその両側に気孔率の大きい圧
電セラミック層が配置される、角速度センサ用圧電素
子。