JPH06249706A

JPH06249706A - 圧電型振動センサ

Info

Publication number: JPH06249706A
Application number: JP5039104A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kunimura; 智國村; Katsuhiko Takahashi; 克彦高橋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】良好な温度特性をもつとともに、耐衝撃性に
優れ、また大量生産が可能な圧電型振動センサを提供す
る。【構成】圧電体の上下両面にそれぞれ電極が固定さ
れ、これら電極の外面にそれぞれ支持板が接着され、こ
れら支持板のうち下方の支持板が台座上に固定されると
ともに、上方の支持板上に荷重体が接着された構成の圧
電型振動センサにおいて、電極１１ａ、１１ｂが、圧電
体１０の上下両面にスパッタリングや加熱蒸着等の物理
的気相成膜法によって直接形成された金属薄膜であり、
この金属薄膜は、その膜厚が５００オングストローム以
下のクロムまたはチタンからなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工場における回転体の
異常振動の検知や、自動車の姿勢制御等を行なう際に用
いられる圧電型振動センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の無機圧電体を使用した圧電型振動
センサは、精度が良く、使用可能温度範囲が広い等の利
点がある。そして、この圧電型振動センサの検知部は、
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（Ｐ
Ｔ）、チタン酸バリウム（ＢＡＴ）等の粉体を押し固め
て板状や円板状に焼成し、その焼成体の両面に接着剤を
塗布し、電極を接着させることによって作成されてい
た。このような無機圧電体を使用した圧電型振動センサ
には、センサの方式として圧縮型やせん断型があるが、
これらセンサの方式によらず、その検知部は前記焼成体
を一個ずつ作成するという効率の悪い方法によって製造
されていた。

【０００３】そこで、前記のような圧電型振動センサ検
知部の低い生産性を改善するために、その大量生産方式
として、圧電体の両面に誘電性の接着剤を塗布して各電
極を固着させ、使用用途によっては前記電極の外面にそ
れぞれ支持板を固定させた積層シートを作成した後、こ
の積層シートをダイシングソー等の切断装置によって、
チップ状に切断することにより前記検知部を大量生産す
る方法が考案された。

【０００４】前記の方法により作成される圧電型振動セ
ンサは以下に示す構成になっている。図２は従来の圧電
型振動センサを示す図であるが、この圧電型振動センサ
１は、図２（ａ）に示すように、被測定物に剛に取り付
けられる台座２と、この台座２の検知軸Ｇに垂直な測定
面に固着された検知部３と、この検知部３上に固着され
慣性質量部として作用する剛体からなる荷重体４とを有
しており、前記検知部３は、図２（ｂ）に示すように、
圧電体５の表裏両面に接着層６ａ、６ｂを介して形成さ
れた板状電極７ａ、７ｂと、場合によっては前記板状電
極７ａ、７ｂの表面に板状の剛体からなる支持板８ａ、
８ｂが形成された構成からなっている。また、前記圧電
体５の平面形状は、前記測定面に平行な面において検知
軸Ｇを対称の中心とする点対称となっており、前記荷重
体４は、この荷重体４の検知部３に接する面の平面形状
が検知軸Ｇを対称の中心とする点対称であるとともに、
この荷重体４を検知軸Ｇを通り前記測定面に垂直な無数
の平面で切断したときに、すべての断面について検知軸
Ｇを対称軸とする線対称となっている。よって、前記の
構成の圧電型振動センサ１は、軽量小型で、耐衝撃性に
すぐれ、出力を簡便に調整可能なものであり、かつ製造
効率が良好なものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記のよう
な圧電型振動センサにおいて、前記検知部の圧電体層に
無機圧電体を使用した場合、前記圧電体と板状電極との
間に形成された接着層の温度特性が、前記圧電体の温度
特性に影響を及ぼし、電圧出力における温度特性の低下
を招くという問題を有していた。

【０００６】このような現象の原因は以下のような理由
によって説明される。たとえば、前記の方法により製造
された各チップにおける圧電体およびこの両面に塗布さ
れた接着剤が形成する接着層からなる３層がなす総電気
容量をＣとすると、この総電気容量Ｃは、前記圧電体層
の電気容量Ｃ_p 、接着層の電気容量Ｃ_aより、以下の式
によって表わされる。Ｃ＝１／｛（１／Ｃ_p）＋（２／Ｃ_a）｝＝Ｃ_pＣ_a／（Ｃ
_a＋２Ｃ_p）

【０００７】よって、上式より明らかなことは、Ｃ_p の
値がＣ_a の値より十分大きい場合、総電気容量Ｃは、前
記Ｃ_a の値に左右されやすくなるということである。し
たがって、この場合には、チップとしての温度特性が、
前記接着層の電気容量の温度特性を強く反映したものと
なり、これは接着剤の材質、接着層の厚さ等によって大
きな影響を受けてしまう。つまり、出力を電圧出力Ｖと
して取り出す場合には、電荷をＱとすると、Ｖ＝Ｑ／Ｃ
より、電気容量Ｃの温度特性は出力に直接反映すること
になるのである。ところが、圧電体を有機圧電体で形成
した場合、前記Ｃ_p はＣ_a に比較してそれほど大きくな
らない。そのため、有機圧電体を用いた圧電型振動セン
サでは、前記のような検知部の大量生産方式を用いても
問題とはならないことが多く、この問題は無機圧電体を
用いたときに特に顕著になる。

【０００８】そこで、前記の接着層による温度特性の低
下の問題を解決するためには、電極を導電性の接着剤で
圧電体に固着させる方法や、銀ペーストを電極として圧
電体の表面に直接塗布する方法などが考えられるが、こ
の場合は、導電性の接着剤の接着力不足、または銀ペー
ストと圧電体の間の剥離力不足によって、チップが横方
向に強い衝撃を受けた際に破壊してしまうという欠点が
あった。すなわち、従来、種々の製法および構成からな
る圧電型振動センサが考案されてきたが、センサの性能
として、良好な温度特性と耐衝撃性の二つの目的を同時
に満足する圧電型振動センサを得ることは困難であっ
た。

【０００９】本発明は前記の事情に鑑みてなされたもの
であって、良好な温度特性をもつとともに、耐衝撃性に
優れ、また大量生産が可能な圧電型振動センサを提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の圧電型振動センサは、圧電体の上
下両面にそれぞれ電極が固定され、これら電極の外面に
それぞれ支持板が接着され、これら支持板のうち下方の
支持板が台座上に固定されるとともに、上方の支持板上
に荷重体が接着されてなる圧電型振動センサにおいて、
前記電極が、前記圧電体の上下両面に物理的気相成膜法
により形成された金属薄膜であることを特徴とするもの
である。

【００１１】また、請求項２記載の圧電型振動センサ
は、請求項１記載の圧電型振動センサにおける電極とな
る金属薄膜の膜厚が５００オングストローム以下である
ことを特徴とするものである。

【００１２】また、請求項３記載の圧電型振動センサ
は、請求項１または請求項２記載の圧電型振動センサに
おける電極となる金属薄膜がクロムまたはチタンである
ことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】請求項１記載の圧電型振動センサによれば、圧
電体表面に物理的気相成膜法により金属電極を形成する
ので、圧電体表面に直接金属原子が飛来して積み重なり
薄膜が形成される。またこの時、金属原子は、圧電体表
面の凹凸部に向かってほぼ一方向から飛来するので、圧
電体表面の凹部の面内のうち、金属原子の飛来する方向
とほぼ平行な面には金属原子が付着しにくく、圧電体の
凹凸状態を保持しつつ、多数の孔を有する薄膜となる。
従って、前記圧電体表面凹部の金属原子が付着しない部
分では、圧電体表面が直接接着剤と接触する。

【００１４】請求項２記載の圧電型振動センサによれ
ば、圧電体表面の深さ５００オングストローム以上の凹
凸部に膜厚５００オングストローム以下の金属薄膜を形
成するので、前記凹凸部が金属膜によって埋められてし
まうことがなく、凹凸状態を保持するとともに、前記の
ように凹部の面内には金属が付着しない部分ができる。

【００１５】請求項３記載の圧電型振動センサによれ
ば、前記金属薄膜が無機圧電体材料との付着力の強いク
ロムまたはチタンなので、金属薄膜は圧電体に堅固に付
着する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の圧電型振動センサの一実施例
を図面に基づいて説明する。なお、この圧電型振動セン
サの基本構成は、従来例として示した図２（ａ）の構成
と同一であって、図２（ｂ）に示した検知部の構成のみ
が異なるので、以下、検知部について詳細に説明する。
図１は、圧電型振動センサの検知部９を示す図であっ
て、符号１０は、圧電体である。この圧電体１０は、チ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の無機圧電体材料を板状
に焼成したものであり、その表面は、その深さが５００
オングストローム以上の凹凸のある面となっている。こ
の圧電体１０の上下両面には、膜厚５００オングストロ
ーム以下のクロムの薄膜で構成された電極１１ａ、１１
ｂが形成されている。そして、前記電極１１ａ、１１ｂ
の両方の外面には、それぞれエポキシ系接着剤からなる
接着層１２ａ、１２ｂを介して、ガラスエポキシ製の支
持板１３ａ、１３ｂが接着されている。

【００１７】前記構成の検知部９を作成するには、板状
に焼成した圧電体１０の表面にクロムの薄膜をスパッタ
リングによって直接成膜する。その際には、膜厚を適切
に制御して５００オングストローム以下となるようにす
る。このようにすると、圧電体１０表面の凹凸部に対し
て、その凹部の面内には符号１４、１４…で示す金属が
付着しない部分ができるような状態で金属薄膜が形成さ
れるので、その金属薄膜は、圧電体１０表面の凹凸状態
を保持しつつ、多数の孔を有する電極１１ａ、１１ｂと
なる。そこで、この金属薄膜の表面上に接着剤を塗布
し、前記支持板１３ａ、１３ｂを接着した積層シートを
作成した後、この積層シートをダイシングソーで切断し
てチップ状の検知部９を作成するのである。

【００１８】なお、前記実施例においては、金属電極と
してクロムの薄膜をスパッタリングによって成膜すると
したが、この金属はチタンを用いてもよく、成膜の方法
として加熱蒸着等の他の物理的気相成膜法を用いてもよ
い。また、無機圧電体材料としてチタン酸鉛やチタン酸
バリウムを用いてもよい。

【００１９】そこで、本実施例の圧電型振動センサの具
体例を作成し、この具体例を用いて以下のような試験を
行なった。（実施例１）厚さ０．５ｍｍ、一辺１０ｍｍの正方形状
のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）シートの上下両面
に、膜厚５００オングストロームのクロムの薄膜をスパ
ッタリングによって形成した積層シートを作成した後、
これをダイシングソーで一辺５ｍｍの正方形状に切断し
て検知部を作成した。ついで、この検知部をエポキシ系
接着剤を用いて一辺１０ｍｍのアルミブロック製台座の
上面に接着した。さらに、この検知部の上面に、厚さ２
ｍｍ、一辺６ｍｍの直方体状の鉄製荷重体をエポキシ系
接着剤によって接着してセンサを作成し、これを実施例
１の圧電型振動センサとした。

【００２０】（実施例２）金属薄膜を膜厚３００オング
ストロームのクロムとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを実施例２の圧電型振動センサ
とした。

【００２１】（実施例３）金属薄膜を膜厚５００オング
ストロームのチタンとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを実施例３の圧電型振動センサ
とした。

【００２２】（実施例４）金属薄膜を膜厚２５０オング
ストロームのチタンとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを実施例４の圧電型振動センサ
とした。

【００２３】（比較例１）金属薄膜を膜厚８００オング
ストロームのクロムとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを比較例１の圧電型振動センサ
とした。

【００２４】（比較例２）金属薄膜を膜厚１２００オン
グストロームのクロムとした以外は、実施例１と同様に
してセンサを作成し、これを比較例２の圧電型振動セン
サとした。

【００２５】（比較例３）金属薄膜を膜厚６００オング
ストロームのチタンとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを比較例３の圧電型振動センサ
とした。

【００２６】（比較例４）金属薄膜を膜厚１０００オン
グストロームのチタンとした以外は、実施例１と同様に
してセンサを作成し、これを比較例４の圧電型振動セン
サとした。

【００２７】（比較例５）金属薄膜を膜厚４００オング
ストロームの金とした以外は、実施例１と同様にしてセ
ンサを作成し、これを比較例５の圧電型振動センサとし
た。

【００２８】（比較例６）金属薄膜を膜厚３００オング
ストロームのアルミとした以外は、実施例１と同様にし
てセンサを作成し、これを比較例６の圧電型振動センサ
とした。

【００２９】（比較例７）実施例１と同様のＰＺＴシー
トの上下両面に、電極として膜厚３０μｍの銅箔をエポ
キシ系接着剤で接着する従来の製造方法による検知部を
作成した。これ以外の構成は実施例１と同様にしてセン
サを作成し、これを比較例７の圧電型振動センサとし
た。

【００３０】そして、実施例１〜４および比較例１〜７
の圧電型振動センサのそれぞれについて、次のような評
価を行なった。電気的特性の評価としては、圧電型振動
センサをインピーダンス変換回路に接続し、種々の温度
でのセンサの感度を測定した。また、機械的強度の評価
としては、前記圧電型振動センサを１ｍの高さからコン
クリートブロック上へ落下させ、耐衝撃性を測定した。
その結果を表１に示す。

【表１】

【００３１】表１中、耐衝撃性の値は、１００個の圧電
型振動センサを試験した時に破壊したものの個数であ
る。また、温度特性の値は、２５℃でのセンサの感度を
１とした時の−２０〜１００℃間での感度の変動幅をパ
ーセントで表したものである。なお、金属膜厚の単位
は、オングストロームである。

【００３２】表１に示した結果から、比較例１〜４のよ
うに、電極金属としてクロムやチタンを用いても膜厚が
５００オングストローム以上になると、圧電体表面の凹
凸部を金属が全て埋めてしまうために電極と接着層間の
付着性が低くなり、また、比較例５または６のように、
電極金属が無機圧電体材料との付着力の弱い金やアルミ
になると、圧電体と電極との付着性が低くなるので、ど
ちらの場合も衝撃に対して弱いセンサであることがわか
る。また、従来の製造方法で作成した比較例７のセンサ
では、圧電体と電極との間に接着層が介在するので、こ
の接着層の影響で温度の変化に対する感度の変動幅が大
きくなることがわかる。これらの例に比較して、実施例
１〜４のセンサは、耐衝撃性、温度特性の両方に優れた
ものであることがこの結果から実証されている。なお、
この実施例１〜４のセンサは、大量生産方式で作成した
ものであり、前記の良好な性能はこの製造方法によって
十分実現できるものである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、請求項１記載の圧電型振動センサによれば、電極と
して用いる金属薄膜を、圧電体表面に物理的気相成膜法
によって直接成膜するので、電極と圧電体とが堅固に固
着されるとともに、接着層の影響がないために良好な温
度特性を得ることができる。

【００３４】また、請求項２記載の圧電型振動センサに
よれば、前記金属薄膜の膜厚が５００オングストローム
以下とされているので、この金属薄膜は圧電体表面の凹
部に付着しない部分を作り、圧電体表面に直接接触する
接着剤を介して電極と支持板とが堅固に固着される。

【００３５】さらに、請求項３記載の圧電型振動センサ
によれば、前記金属薄膜が無機圧電体材料との付着力が
高いクロムやチタンであるので、電極と圧電体とが堅固
に固着される。

【００３６】従って、本発明の圧電型振動センサは、良
好な温度特性と優れた耐衝撃性の両方を兼ね備え、また
大量生産方式によって生産することができるセンサとし
て好適なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電型振動センサの検知部の一実施
例を示す拡大視した側断面図である。

【図２】（ａ）従来の圧電型振動センサの基本構成を
示す斜視図である。（ｂ）従来の圧電型振動センサの検
知部を分解した状態を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…圧電型振動センサ、２…台座、３、９…検知部、４
…荷重体、１０…圧電体、１１ａ、１１ｂ…電極、１２
ａ、１２ｂ…接着層、１３ａ、１３ｂ…支持板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の上下両面にそれぞれ電極が固定
され、これら電極の外面にそれぞれ支持板が接着され、
これら支持板のうち下方の支持板が台座上に固定される
とともに、上方の支持板上に荷重体が接着されてなる圧
電型振動センサにおいて、前記電極が、前記圧電体の上
下両面に物理的気相成膜法により形成された金属薄膜で
あることを特徴とする圧電型振動センサ。
【請求項２】請求項１記載の圧電型振動センサにおい
て、前記金属薄膜の膜厚が５００オングストローム以下
であることを特徴とする圧電型振動センサ。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の圧電型振
動センサにおいて、前記金属薄膜がクロムまたはチタン
であることを特徴とする圧電型振動センサ。