JPH0779023A

JPH0779023A - 圧電素子

Info

Publication number: JPH0779023A
Application number: JP5247535A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Matoba; 和夫的場; Shigeo Okuma; 重男大隈; Masao Ishitani; 誠男石谷; Hideyoshi Harashima; 栄喜原島; Kunihiro Nagata; 邦裕永田
Original assignee: Furuuchi Kagaku Kk; Unisia Jecs Corp
Current assignee: Furuuchi Kagaku Kk; Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】圧力が作用して内部ひずみが生じると、電圧
信号を発生する圧電素子で、周囲温度が変化しても温度
依存性の少ない電圧信号を出力する圧電素子を提供す
る。【構成】温度上昇と共に正の温度特性をもって静電容
量が増加する圧電体粉と、温度上昇と共に負の温度特性
をもって静電容量が減少する誘電体粉とを混合して素子
本体１２を成型し、素子本体１２の両端面に一対の電極
１３，１３を設けて圧電素子１１を構成する。温度変化
によって圧電体粉の静電容量が変化しても、圧電体粉に
混合した誘電体粉の静電容量が圧電体粉の静電容量とは
逆の特性をもって変化するため、圧電体粉の静電容量の
変化分を誘電体粉の静電容量の変化分で相殺でき、素子
本体から各電極１３を介して温度依存性の低い電圧信号
を出力でき、温度変化の激しい環境下でも正確に圧力を
検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば圧力センサ、ト
ルクセンサ、ひずみセンサ等として用いて好適な圧電素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ダイヤフラム式の圧力センサは
ダイヤフラムに外力が作用してひずむとき、該ダイヤフ
ラムに設けられた圧電素子から電荷が発生するようにな
っている。

【０００３】そこで、従来技術による圧電素子を、図１
４ないし図１７により説明する。

【０００４】図中、１はチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電
材料からなる素子本体を示し、該素子本体１の上下面に
は導電性ペースト等からなる一対の電極２，２が形成さ
れている。ここで、該素子本体１は製造時に各電極２を
介して高電界が加えられることにより、自発分極の向き
がある程度揃えられて分極軸Ｐが上下方向（軸方向）に
形成されている。そして、該分極軸Ｐに対して平行な応
力軸Ｆから圧力（応力）が作用すると、素子本体１の内
部にひずみが生じ、この圧力に応じた電荷（電圧信号）
を各電極２を介して信号軸Ｖの方向に出力するように構
成されている。

【０００５】このような構成をもった従来技術による圧
電素子は、ダイヤフラムと接した状態で取付けられて圧
力センサとして広く用いられ、ダイヤフラムで外力を受
承するとき、ダイヤフラムの変位に応じた検出信号（電
圧）をコントロールユニット等に出力する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による圧電素子は図１５に示すような等価回路で
表すことができる。即ち、素子本体１を構成する圧電体
の微細な粒子（図示せず）のひとつひとつが、三次元的
に配列されるため、内部容量Ｃ0 ，Ｃ１および内部抵抗
Ｒ１、自己インダクタンスＬ１の成分を有している。

【０００７】ここで、圧電素子に作用する圧力と検出信
号との関係を示す圧電ｄ33定数および圧電ｇ33定数を考
えると、前記圧電素子の内部容量Ｃ0 ，Ｃ１、内部抵抗
Ｒ１、自己インダクタンスＬ１との間に、次のような関
係が成り立つ。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】然るに、内部容量Ｃ0 ，Ｃ１、自己インダ
クタンスＬ１の値は圧電素子の温度変化に伴って大きく
変化するため、圧電素子の温度が上昇したときには、圧
電ｄ33定数，圧電ｇ33定数が図１６，図１７に示す特性
線３，４の如く大きく変動してしまい、圧力センサの出
力から温度変化分を補正しない限り、作用した外力を正
確に検出することができないという問題がある。

【００１１】本発明は上述した従来技術による問題に鑑
みなされたもので、本発明は温度が変化した場合でも、
温度依存性の小さい安定した検出信号を出力できるよう
にした圧電素子を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成の特徴は、素子本体を一
方の温度特性をもって静電容量が変化する圧電体材料
と、該圧電体材料とは逆の温度特性をもって静電容量が
変化する誘電体材料とを混合して成型したことにある。

【００１３】この場合、前記圧電体材料と誘電体材料
は、共に粒径が０．５〜５０μｍの粒子とすることが好
ましい。

【００１４】また、前記素子本体は、圧電体材料と誘電
体材料の混合割合を２０〜８０wt%とすることが好まし
い。

【００１５】

【作用】上記構成により、素子本体を構成する圧電体材
料の静電容量が温度変化によって、正または負の温度特
性のうち一方の特性をもって変化しても、圧電体材料に
混合した誘電体材料の静電容量が圧電体材料の静電容量
とは逆の特性をもって変化するため、圧電体材料の静電
容量の変化分を誘電体材料の静電容量の変化分で相殺で
き、圧電素子の出力が温度変化に影響されて変動するの
を防止することができる。

【００１６】また、前記圧電体材料と誘電体材料を共に
粒径が０．５〜５０μｍの粒子とすることにより、圧電
体材料および誘電体材料を焼結して素子本体を形成する
場合に、素子本体に十分な強度を持たせることができる
と共に、焼結によって圧電体材料の粒子と誘電体材料の
粒子が反応（溶融）して電気特性を悪化させるのを防止
することができる。

【００１７】さらに、素子本体は圧電体材料を２０〜８
０wt% とし、残りの８０〜２０wt%を誘電体材料とする
ように混合する構成とすれば、圧電体材料の温度特性の
影響を誘電体材料によって好適に相殺し、圧力に対する
電圧信号のバランスをとることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１３に
基づき詳述する。

【００１９】図において、１１は本実施例による圧電素
子を示し、該圧電素子１１は従来技術で述べた圧電素子
とほぼ同様に、素子本体１２と、該素子本体１２の上，
下面に設けられた一対の電極１３，１３とから構成され
ている。しかし、本実施例による素子本体１２は、圧電
体材料としての圧電体粉と、誘電体材料としての誘電体
粉とを混合して形成されるもので、圧電体粉製造工程、
誘電体粉製造工程、混合工程、成型工程、焼結工程、電
極形成工程および分極工程からなる製造方法によって製
造されるものである。

【００２０】そこで、本実施例によって構成される圧電
素子１１の製造方法について図３に基づいて説明する。

【００２１】まず、圧電体粉製造工程では、仮焼成す
ることによって、４１．５mol%のPbZrO ₃、４８．５mol
%のPbTiO₃、１０mol%のPb(Mn_1/3,Sb_2/3)O₃ をもった
成分となるように、PbO ， ZrO₂ ， TiO₂ ，MnCO₃ ，Sb
₂O₃ の基本原料１０１を秤量し、この基本原料１０１全
体に対して０．１wt% の NiOを添加し、アセトンを加え
てボールミルにて２０時間の湿式混合を行い、加熱炉１
０２によって大気雰囲気中で８５０℃，２〜５時間の仮
焼成を行って圧電体粉を得る。

【００２２】そして、この圧電体粉を自動乳鉢１０３お
よびボールミルで粉砕し、平均粒径５μｍの粒子からな
る粉体を得る。ここで、上記成分からなる圧電体粉は、
温度の上昇に伴ってその静電容量が増加する正の温度特
性を有するものである。

【００２３】次に、誘電体粉製造工程では、仮焼成す
ることによって、８１〜８７mol%のPb(Mg_1/3,Nb_2/3)O₃
，９〜１４mol%のBaTiO₃，４〜６mol%のPb(Co_1/3,Nb
_2/3)O₃ をもった成分となるように、PbO , TiO₂，MgO
，Nb₂O₅ ,BaCO₃, CoO ,SrCO₃ の基本原料１０４を秤
量し、この基本原料１０４全体に対して２wt% の SrTiO
₃ を添加し、アセトンを加えてボールミルにて２０時間
の湿式混合を行い、加熱炉１０５によって大気雰囲気中
で８５０〜９５０℃，２〜５時間の焼成を行って誘電体
粉を得る。

【００２４】そして、この誘電体粉を自動乳鉢１０６お
よびボールミルで粉砕し、平均粒径５μｍの粒子からな
る粉体を得る。ここで、上記成分からなる誘電体粉は、
温度の上昇に伴ってその静電容量が減少する負の温度特
性を有するものである。

【００２５】次に、混合工程では、前記圧電体粉が２
０〜８０wt% 、残りの２０〜８０wt% が誘電体粉となる
ように、自動乳鉢１０７にて圧電体粉と誘電体粉とを均
一に混合し、この混合物にさらにバインダーとしてポリ
ビニルアルコール（ＰＶＡ）を加える。

【００２６】次に、成型工程では、均一に混合された
混合物をプレス成型機１０８によって厚さ１〜５ｍｍの
ペレット状体１０９に加圧成型する。

【００２７】次に、焼結工程では、ペレット状体１０
９に成型された圧電体粉と誘電体粉との混合物をMgO 製
の坩堝に密閉し、加熱炉１１０により１２００〜１２５
０℃で４時間焼成して焼結体１１１を形成する。

【００２８】次に、電極形成工程（図示せず）では、焼
結工程で得られた焼結体１１１の両端面を８００番の
SiC 研磨剤で研磨し、円周側面を１２００番の紙やすり
を用いて研磨した後、該焼結体１１１の両端面に例えば
金薄膜等からなる電極を形成する。

【００２９】さらに、分極工程（図示せず）では、前記
焼結体１１１をシリコンオイル中で１１０℃に保ちなが
ら、各電極１３に２０KV/cm の直流電界を加えて分極処
理を行うことにより、図２に示す如く上下方向に分極軸
Ｐを形成する。

【００３０】本実施例による圧電素子１１は以上に述べ
た如き構成を有するもので、圧電素子１１の素子本体１
２に図２に示す応力軸Ｆ方向の圧力が作用すると、該素
子本体１２の内部にひずみが生じて圧力に対応した電荷
が発生し、この電荷は信号軸Ｖ方向両端の各電極１３か
ら出力されるようになっている。

【００３１】而して、本実施例による素子本体１２は、
温度の上昇に伴ってその静電容量が増加する圧電体粉
と、温度の上昇に伴ってその静電容量が減少する誘電体
粉とを混合して成型している。この結果、圧電体粉の各
粒子に対し、直列かつ並列に該各圧電体粉の粒子とは逆
の温度特性をもったコンデンサを接続したのと同じ作用
を与えることができる。

【００３２】即ち、周囲の温度が上昇し、素子本体１２
を構成する圧電体粉の静電容量が上昇した場合には、該
素子本体１２に混合された誘電体粉の静電容量が減少
し、素子本体１２全体として圧電ｄ33定数を一定に保持
することができる。一方、圧電素子１１の温度が低下
し、素子本体１２を構成する圧電体粉の静電容量が低下
した場合には、該素子本体１２に混合された誘電体粉の
静電容量が増加し、素子本体１２全体として圧電ｄ33定
数を一定に保持することができる。

【００３３】従って、圧電素子１１は図４中の特性線１
４，図５中の特性線１５としてそれぞれ示す如く、従来
技術による圧電素子の特性線３，４に比し、温度依存性
の小さな安定した圧電ｄ33定数と圧電ｇ33定数を示すよ
うになる。この結果、素子本体１２からは各電極１３を
介して温度依存性の低い検出信号を出力でき、温度変化
の激しい環境下でも正確に圧力を検出することができ
る。

【００３４】さて、本発明では、圧電体粉と誘電体粉の
双方の粒径を０．５〜５０μｍとし、最良な形態として
平均粒径が５μｍとなるような粒径をもった粉体を使用
することにより、温度依存性の少ない優れた電気特性を
もった圧電素子を製造しうる。

【００３５】即ち、図６中の斜線の範囲Ａよりも右側の
矢示Ｂで示す範囲では、圧電体粉および誘電体粉が共に
５０μｍ以上の粒径を有するため、これらの粒子間に大
きな隙間が介在し、焼結工程で各圧電体粉および誘電体
粉が十分に焼結されず、素子本体１２に十分な強度を持
たせることが困難となる。

【００３６】また、図６中で、斜線の範囲Ａよりも左側
の矢示Ｃで示す範囲、即ち圧電体粉粒子と誘電体粉粒子
が共に０．５μｍ以下となるような範囲では、図７に示
す如く、圧電体粉粒子１６，誘電体粉粒子１７の接触面
積が大きくなる。このため、焼結工程で圧電体粉粒子１
６と誘電体粉粒子１７が反応（溶融）し、図８に示す如
く新たなガラス状物質１８を生成してしまい、圧電ｄ33
定数、圧電ｇ33定数等の電気特性が悪化するようにな
る。

【００３７】但し、圧電体粉および誘電体粉の双方の粒
径を揃える必要はなく、誘電体粉粒子と圧電体粉粒子の
粒径が、それぞれ０．５〜５０μｍの範囲にあれば、例
えば図９に示す如く、誘電体粉粒子１９の粒径が圧電体
粉粒子２０よりも小さくてもよい。

【００３８】即ち、誘電体粉粒子１９の粒径が小さくて
も、焼結工程で焼成した状態は図１０に示す如くであっ
て、誘電体粉粒子１９が焼結して圧電体粉粒子２０を包
み込み、圧電体粉粒子２０同士を結合させることによ
り、素子本体１２に十分な強度を与えることができ、圧
電ｄ33定数、圧電ｇ33定数の電気特性から温度依存性を
除くことができる。

【００３９】一方、本発明では圧電体粉と誘電体粉の混
合割合を２０〜８０wt% とし、最良な形態として圧電体
粉と誘電体粉をそれぞれ５０wt% ずつの割合で混合する
ことにより、温度依存性の少ない優れた電気特性をもっ
た圧電素子を製造することができる。

【００４０】即ち、図６中の斜線の範囲Ａよりも上側の
矢示Ｄで示す範囲では圧電体粉と誘電体粉との混合割合
が８０wt% 以上となり、この圧電体粉に誘電体粉を混入
して素子本体１２を形成しても、該素子本体１２は圧電
体粉の温度特性に影響されて温度と共に圧電ｄ33定数が
上昇し、温度依存性を解消することができなくなる。

【００４１】また、斜線の範囲Ａよりも下側の矢示Ｅで
示す範囲では圧電体粉と誘電体粉の混合割合が２０wt%
以下となり、圧電ｄ33定数が従来技術による圧電素子の
１／１０以下となって圧電素子１１からの電圧信号出力
が小さく、使用が困難になる。

【００４２】なお、最良な形態として、図１１に示す如
く、圧電体粉粒子２１と誘電体粉粒子２２を共に平均粒
径が５μｍの粒子を用い、両者を５０wt% ずつの割合で
混合した場合、焼結工程後には図１２に示す状態で結合
し、これらの粒子２１，２２が緻密に焼結し、素子本体
１２に十分な強度をもたせると共に、良好な電気特性を
もたせることができる。

【００４３】以上のことから、圧電体粉および誘電体粉
の粒径と両者の混合割合は圧電素子の使用目的によって
様々な条件が考えられるが、一般的には図６中の斜線の
範囲Ａ内の条件に従う必要がある。

【００４４】図１３により、圧電体粉製造工程における
仮焼成の温度条件と、誘電体粉の組成を（イ），
（ロ），（ハ）として変え、粒径が５μｍである圧電体
粉と誘電体粉をそれぞれ５０wt% ずつの割合で混合し、
この混合物を焼結することにより製造した素子本体の焼
結状態を調べた結果を示す。

【００４５】ここで、焼結状態を示す枠の中で、○は焼
結体が緻密に焼結して十分な強度を有する状態、△は多
孔質で強度不足な状態、×は粒子が溶融してガラス化し
た状態または焼結しなかった場合を示している。また、
焼結状態の良かったものについては、圧電ｄ33定数，圧
電ｇ33定数等の電気特性を調べ、電気特性を示す枠の中
で特性の良いものから順に○，△，×の評価を付けた。

【００４６】この結果、焼結状態と電気特性が共に最も
優れたもの、即ち圧電体の仮焼成温度が９００℃で、誘
電体粉成分の組成が（ハ）の組合わせによって製造され
た素子本体を用い、圧電圧電ｄ33特性を求めたものが図
４中の特性線１４であり、圧電ｇ33特性を求めたものが
図５中の特性線１５である。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明による圧電素
子では、その素子本体を、一方の温度特性をもって静電
容量が変化する圧電体材料と、該圧電体材料とは逆の負
の温度特性をもって静電容量が変化する誘電体材料とを
混合することによって構成したから、圧電体材料の静電
容量が温度変化によって例えば正の温度特性で変化して
も、圧電体材料に混合した誘電体材料の静電容量が圧電
体の静電容量とは逆の温度特性をもって変化することに
より、圧電体材料の静電容量の変化分を誘電体の静電容
量の変化分で相殺できる。

【００４８】従って、素子本体から各電極を介して温度
依存性の低い検出信号を出力でき、温度変化の激しい環
境下でも正確に圧力を検出することができる圧電素子と
することができる。

【００４９】また、前記圧電体材料と誘電体材料を、共
に粒径が０．５〜５０μｍの粒子とすれば、圧電体材料
と誘電体材料を焼結して素子本体を形成する場合に、各
圧電体材料と誘電体材料の粒子間に焼結によって十分な
強度をもたせることができると共に、圧電体材料と誘電
体材料の粒子が一体的に焼結しガラス化するように反応
するのを防止でき、圧電素子の電気特性を良好に保つこ
とができる。

【００５０】さらに、素子本体中の圧電体材料と誘電体
材料の混合割合を２０〜８０wt% とすれば、素子本体が
圧電体材料の温度特性に影響されて大きな温度依存性を
示したり、圧電素子の圧力検出感度が極端に小さくなる
のを防止でき、温度依存性と検出信号出力とのバランス
がとれた使い易い圧電素子とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による圧電素子を示す斜視図で
ある。

【図２】実施例による圧電素子を示す縦断面図である。

【図３】圧電素子の製造方法を示す説明図である。

【図４】実施例の圧電素子の温度と圧電ｄ33定数との関
係を従来技術による圧電素子との対比で示す特性線図で
ある。

【図５】実施例の圧電素子の温度と圧電ｇ33定数との関
係を従来技術による圧電素子との対比でを示す特性線図
である。

【図６】圧電素子が良好な特性をもつ範囲を圧電体粉と
誘電体粉の粒径および両者の混合割合の関係で示した説
明図である。

【図７】圧電体粉と誘電体粉の粒径が共に小さ過ぎる場
合の混合状態を示す説明図である。

【図８】図７に示す圧電体粉と誘電体粉を焼結した後の
状態を示す説明図である。

【図９】圧電体粉と誘電体粉の粒径が共に適正範囲内
で、両者の粒径が不揃いの場合の混合状態を示す説明図
である。

【図１０】図９に示す圧電体粉と誘電体粉を焼結した後
の状態を示す説明図である。

【図１１】圧電体粉と誘電体粉の粒径および混合割合が
図６中の斜線の範囲Ａ内にある場合の混合状態を示す説
明図である。

【図１２】図１１に示す圧電体粉と誘電体粉を焼結した
後の状態を示す説明図である。

【図１３】圧電体粉の仮焼成温度と誘電体粉成分の組成
を変え、焼結状態を調べた結果を示す説明図である。

【図１４】従来技術による圧電素子を示す縦断面図であ
る。

【図１５】圧電素子の電気的な等価回路図である。

【図１６】従来技術による圧電素子の温度と圧電ｄ33定
数との関係を示す特性線図である。

【図１７】従来技術による圧電素子の温度と圧電ｇ33定
数との関係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１１圧電素子１２素子本体１３電極１６，２０，２１圧電体粉粒子（圧電体材料）１７，１９，２２誘電体粉粒子（誘電体材料）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 41/187 (72)発明者石谷誠男神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内 (72)発明者原島栄喜東京都大田区大森北２丁目７番12号フルウチ化学株式会社内 (72)発明者永田邦裕神奈川県横須賀市鴨居３−65−４

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力に応じた電荷を発生する素子本体
と、該素子本体の両端に設けられ、前記電荷を導出する
一対の電極とからなる圧電素子において、前記素子本体
は、一方の温度特性をもって静電容量が変化する圧電体
材料と、該圧電体材料と逆の温度特性をもって静電容量
が変化する誘電体材料とを混合して成型したことを特徴
とする圧電素子。
【請求項２】前記圧電体材料と誘電体材料は、共に粒
径が０．５〜５０μｍの粒子からなる請求項１に記載の
圧電素子。
【請求項３】前記素子本体は、圧電体材料と誘電体材
料の混合割合が２０〜８０wt% としてなる請求項１また
は請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】前記圧電体材料は正の温度特性を有し、
前記誘電体材料は負の温度特性を有するものである請求
項１に記載の圧電素子。