JPH0955547A - 圧電センサ - Google Patents
圧電センサInfo
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- JPH0955547A JPH0955547A JP7208892A JP20889295A JPH0955547A JP H0955547 A JPH0955547 A JP H0955547A JP 7208892 A JP7208892 A JP 7208892A JP 20889295 A JP20889295 A JP 20889295A JP H0955547 A JPH0955547 A JP H0955547A
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- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 8
- HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N lead nickel Chemical compound [Ni].[Pb] HEPLMSKRHVKCAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 abstract description 6
- 230000002336 repolarization Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】圧電センサにおいて、分極状態の劣化に基づく
センサ特性の劣化による、性能の変動を防止する。 【解決手段】ソフト系圧電セラミック層と内部の電極間
の距離を縮めた構造の圧電体１と、分極用電源８とを搭
載することにより、必要なときにスイッチ９，１０を切
り換えて再分極処理が短時間で行えるため、センサ特性
の変動を防止できる。
センサ特性の劣化による、性能の変動を防止する。 【解決手段】ソフト系圧電セラミック層と内部の電極間
の距離を縮めた構造の圧電体１と、分極用電源８とを搭
載することにより、必要なときにスイッチ９，１０を切
り換えて再分極処理が短時間で行えるため、センサ特性
の変動を防止できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ペン入力等ＯＡ機
器や小型産業機器用の圧電センサに関するものである。
器や小型産業機器用の圧電センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術による圧電センサについて、
図面を用いて説明する。図３（ａ）は従来の圧電センサ
の構造を示す。図３（ｂ）は、この圧電センサ製造時の
分極の処理手順を示す。図３（ａ）に示す様に、従来の
圧電センサは、圧電体１に対向する正電極２Ａと負電極
２Ｂとを形成した構造を有する。さらに、正負それぞれ
の電極２Ａ，２Ｂから電荷を取り出すためのリード線３
Ａ，３Ｂが接続された構造を持つ。
図面を用いて説明する。図３（ａ）は従来の圧電センサ
の構造を示す。図３（ｂ）は、この圧電センサ製造時の
分極の処理手順を示す。図３（ａ）に示す様に、従来の
圧電センサは、圧電体１に対向する正電極２Ａと負電極
２Ｂとを形成した構造を有する。さらに、正負それぞれ
の電極２Ａ，２Ｂから電荷を取り出すためのリード線３
Ａ，３Ｂが接続された構造を持つ。
【０００３】圧電センサは使用する前に高電界を印加し
て、分極処理が必要となるが、図３（ｂ）に示す様に５
０℃以上（通常は、１００℃以上）の温度下で、約１ｋ
Ｖ／ｍｍ以上の電界強度を１時間以上印加して分極処理
を施すのが通例である。この際、正負電極２Ａ，２Ｂの
距離ｔは５００μｍ以上あるのが通例であるので、電圧
としては５００Ｖ以上の高い電圧を必要とする。
て、分極処理が必要となるが、図３（ｂ）に示す様に５
０℃以上（通常は、１００℃以上）の温度下で、約１ｋ
Ｖ／ｍｍ以上の電界強度を１時間以上印加して分極処理
を施すのが通例である。この際、正負電極２Ａ，２Ｂの
距離ｔは５００μｍ以上あるのが通例であるので、電圧
としては５００Ｖ以上の高い電圧を必要とする。
【０００４】ところで、上記の圧電体１としては通常、
圧電性セラミックが用いられるのであるが、その圧電性
セラミックには良く知られているように、キュリー点Ｔ
C が３００℃以上の「ハード系」圧電性セラミックと、
それより低い「ソフト系」圧電性セラミックとがある。
両者の違いは、単純化すれば、ハード系圧電性セラミッ
クは分極させるのが困難である替りに分極が戻り難く、
ソフト系圧電性セラミックは逆に、分極させるのが容易
である替りに分極が戻り易いという点にある。従来の技
術による圧電センサの特徴は、圧電体１にハード系圧電
性セラミックを用い、圧電センサの製造時に分極を施し
て製品として出荷した後は、再度分極を施すことをしな
いということにあり、従来の圧電センサはそのような再
分極のための機能を備えていない。これは、上述のハー
ド系圧電性セラミックの分極が戻り難いことを前提とし
た考え方に基づく、製品の基本構造に起因するものであ
る。
圧電性セラミックが用いられるのであるが、その圧電性
セラミックには良く知られているように、キュリー点Ｔ
C が３００℃以上の「ハード系」圧電性セラミックと、
それより低い「ソフト系」圧電性セラミックとがある。
両者の違いは、単純化すれば、ハード系圧電性セラミッ
クは分極させるのが困難である替りに分極が戻り難く、
ソフト系圧電性セラミックは逆に、分極させるのが容易
である替りに分極が戻り易いという点にある。従来の技
術による圧電センサの特徴は、圧電体１にハード系圧電
性セラミックを用い、圧電センサの製造時に分極を施し
て製品として出荷した後は、再度分極を施すことをしな
いということにあり、従来の圧電センサはそのような再
分極のための機能を備えていない。これは、上述のハー
ド系圧電性セラミックの分極が戻り難いことを前提とし
た考え方に基づく、製品の基本構造に起因するものであ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上の手順で、圧電セ
ンサとして使えるわけであるが、このセンサを室温で使
用した場合は、２，０００〜５，０００時間程度ならば
センサ特性の劣化はほとんど生じない。しかし、それ以
上、たとえば１０，０００時間以上の使用となると徐々
にセンサ特性が劣化し始める。
ンサとして使えるわけであるが、このセンサを室温で使
用した場合は、２，０００〜５，０００時間程度ならば
センサ特性の劣化はほとんど生じない。しかし、それ以
上、たとえば１０，０００時間以上の使用となると徐々
にセンサ特性が劣化し始める。
【０００６】これは、分極した状態はエネルギー・ポテ
ンシャルとしては不安定であるので、徐々に安定状態で
ある未分極の状態に戻ろうとするために生じる現象であ
る。このような脱分極の現象は温度が高くなったり、外
部から荷重がかかったりすると加速される。従って従来
の圧電センサの場合、５０℃以上の温度にさらされた
り、３０００Ｎ／ｃｍ2 程度の力が加わると、著しくセ
ンサ特性が劣化する。
ンシャルとしては不安定であるので、徐々に安定状態で
ある未分極の状態に戻ろうとするために生じる現象であ
る。このような脱分極の現象は温度が高くなったり、外
部から荷重がかかったりすると加速される。従って従来
の圧電センサの場合、５０℃以上の温度にさらされた
り、３０００Ｎ／ｃｍ2 程度の力が加わると、著しくセ
ンサ特性が劣化する。
【０００７】このような脱分極したセンサを分極状態に
戻すには、上述の分極処理が必要となるのであるが、そ
のような再分極機能を備えていないので、ＯＡ機器など
の装置に組み込んだままで再分極処理を施すことはでき
ない。このように従来の圧電センサは、ハード系圧電性
セラミックを用いてはいるものの、長時間使用すると圧
電特性が劣化しやすくなり、また高温下での使用や荷重
の印加によって、センサ特性の劣化が加速される。しか
も、劣化を挽回するための再分極が不可能であるため、
ひとたび劣化すると装置に組み込んだままでは修復がき
かない、という欠点があった。
戻すには、上述の分極処理が必要となるのであるが、そ
のような再分極機能を備えていないので、ＯＡ機器など
の装置に組み込んだままで再分極処理を施すことはでき
ない。このように従来の圧電センサは、ハード系圧電性
セラミックを用いてはいるものの、長時間使用すると圧
電特性が劣化しやすくなり、また高温下での使用や荷重
の印加によって、センサ特性の劣化が加速される。しか
も、劣化を挽回するための再分極が不可能であるため、
ひとたび劣化すると装置に組み込んだままでは修復がき
かない、という欠点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電センサは、
外部から加えられた圧力に応じて発生した電圧を電圧出
力用の一対の電極間に出力する圧電素子と、直流電源回
路と、前記圧電素子の電圧出力用の電極を、外部との接
続のための外部端子と前記直流電源回路の電圧出力端子
とに切り換えて接続する手段とを備えることを特徴とす
る。
外部から加えられた圧力に応じて発生した電圧を電圧出
力用の一対の電極間に出力する圧電素子と、直流電源回
路と、前記圧電素子の電圧出力用の電極を、外部との接
続のための外部端子と前記直流電源回路の電圧出力端子
とに切り換えて接続する手段とを備えることを特徴とす
る。
【０００９】本発明の圧電センサは上記の圧電センサに
おいて、前記圧電素子が、キュリー点が３００℃以下
の、ソフト系圧電性セラミックを用いて構成されている
ことを特徴とする。
おいて、前記圧電素子が、キュリー点が３００℃以下
の、ソフト系圧電性セラミックを用いて構成されている
ことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の第
１の実施の形態における圧電体部の外観斜視図、図１
（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の回路図である。
図２は、圧電体部の積層構造を示す分解斜視図である。
て、図面を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の第
１の実施の形態における圧電体部の外観斜視図、図１
（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の回路図である。
図２は、圧電体部の積層構造を示す分解斜視図である。
【００１１】図１及び図２に示す通り、圧電体部は、圧
電体１中に正負の内部電極４Ａ，４Ｂを交互に積層した
構造を持ち、それぞれの内部電極４Ａ，４Ｂと電気的導
通をとるための外部電極５Ａ，５Ｂが配置されている。
本実施の形態では、外形形状をＬ＝Ｗ＝３ｍｍ，ｔ＝１
ｍｍとした。内部電極４Ａ，４Ｂ間の距離は約１００μ
ｍ、内部電極層数は９層とした。圧電体としては、ニッ
ケル・ニオブ酸鉛−チタン酸鉛−ジルコン酸鉛を主成分
とする、キュリー点ＴC ＝１４５℃、圧電定数ｇ33＝１
３×１０-3Ｖｍ／Ｎの材料を用いた。本圧電材料はソフ
ト系圧電性セラミックであり、−２５〜４０℃の温度下
で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で約１００μｓｅｃの時間の
電界印加操作で、完全分極の約９５％以上の分極状態が
得られる。完全分極に対する分極状態の程度と、センサ
としての出力特性とはほぼ正比例する。よって、本圧電
材料を使用した場合、上述の操作で約９５％以上のセン
サ出力特性が得られることになる。
電体１中に正負の内部電極４Ａ，４Ｂを交互に積層した
構造を持ち、それぞれの内部電極４Ａ，４Ｂと電気的導
通をとるための外部電極５Ａ，５Ｂが配置されている。
本実施の形態では、外形形状をＬ＝Ｗ＝３ｍｍ，ｔ＝１
ｍｍとした。内部電極４Ａ，４Ｂ間の距離は約１００μ
ｍ、内部電極層数は９層とした。圧電体としては、ニッ
ケル・ニオブ酸鉛−チタン酸鉛−ジルコン酸鉛を主成分
とする、キュリー点ＴC ＝１４５℃、圧電定数ｇ33＝１
３×１０-3Ｖｍ／Ｎの材料を用いた。本圧電材料はソフ
ト系圧電性セラミックであり、−２５〜４０℃の温度下
で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で約１００μｓｅｃの時間の
電界印加操作で、完全分極の約９５％以上の分極状態が
得られる。完全分極に対する分極状態の程度と、センサ
としての出力特性とはほぼ正比例する。よって、本圧電
材料を使用した場合、上述の操作で約９５％以上のセン
サ出力特性が得られることになる。
【００１２】図１（ｂ）に示す通り、本圧電センサは図
１（ａ）の構造を持つ圧電体素子７と、分極用電源８
と、分極用スイッチ９及び出力用スイッチ１０と、出力
端子１１Ａ，１１Ｂとを所有する。以下に、使用方法に
ついて述べる。まず、使用前の分極処理には、出力用ス
イッチ１０を切り分極用スイッチ９を入れる。スイッチ
を入れた直後に圧電体素子７に電界が加わり、分極がな
される。本実施の形態では、上述の通り、内部電極４
Ａ，４Ｂの距離は約１００μｍであるので、電界強度１
ｋＶ／ｍｍを加えるには、１００ＶＤＣの電圧印加でよ
い。続いて、分極用スイッチ９を切り出力用スイッチ１
０を入れることにより、センサとして使用可能な状態と
なる。この状態で、圧電体素子７において、内部電極と
直角の方向に力に対して、電気的な出力が得られる。
１（ａ）の構造を持つ圧電体素子７と、分極用電源８
と、分極用スイッチ９及び出力用スイッチ１０と、出力
端子１１Ａ，１１Ｂとを所有する。以下に、使用方法に
ついて述べる。まず、使用前の分極処理には、出力用ス
イッチ１０を切り分極用スイッチ９を入れる。スイッチ
を入れた直後に圧電体素子７に電界が加わり、分極がな
される。本実施の形態では、上述の通り、内部電極４
Ａ，４Ｂの距離は約１００μｍであるので、電界強度１
ｋＶ／ｍｍを加えるには、１００ＶＤＣの電圧印加でよ
い。続いて、分極用スイッチ９を切り出力用スイッチ１
０を入れることにより、センサとして使用可能な状態と
なる。この状態で、圧電体素子７において、内部電極と
直角の方向に力に対して、電気的な出力が得られる。
【００１３】本実施の形態のような材料を用いた場合、
従来の圧電センサに比較して、脱分極は生じ易い。２５
℃で無荷重の状態で置いても、１０００時間で約１０％
程度のセンサ特性の劣化が生じる。さらに高温に上げた
り、大きな荷重を加えたりすると、より劣化が進む。し
かし劣化が進んでも、上述のような分極処理を再度施せ
ば、初期値と同等の分極状態かつセンサ特性が簡単に得
られる。本実施の形態の圧電センサを小型産業危機に組
み込んで、装置起動の際に同時に分極処理を施すような
回路構成としたところ、１日１回の起動すなわち分極処
理によって、センサ特性の変動は２％以下であり、かつ
約８，０００時間後も同様の出力特性を示した。
従来の圧電センサに比較して、脱分極は生じ易い。２５
℃で無荷重の状態で置いても、１０００時間で約１０％
程度のセンサ特性の劣化が生じる。さらに高温に上げた
り、大きな荷重を加えたりすると、より劣化が進む。し
かし劣化が進んでも、上述のような分極処理を再度施せ
ば、初期値と同等の分極状態かつセンサ特性が簡単に得
られる。本実施の形態の圧電センサを小型産業危機に組
み込んで、装置起動の際に同時に分極処理を施すような
回路構成としたところ、１日１回の起動すなわち分極処
理によって、センサ特性の変動は２％以下であり、かつ
約８，０００時間後も同様の出力特性を示した。
【００１４】次に、本発明の第２の実施の形態について
述べる。本実施の形態２の圧電センサは、第１の実施の
形態と同様の材料、外形、回路構成を持ち、内部電極間
４Ａ，４Ｂ間の距離を５μｍ、内部電極層数を１６０層
とした。本実施の形態のような圧電センサの分極には、
１ｋＶ／ｍｍの電界強度を印加するには、約５ＶＤＣの
電圧印加でよい。この電圧は、小型ＯＡ機器の電源部か
ら昇圧することなく直接供給可能となる。出力特性とし
ては、第１の実施の形態と同等の性能を示した。
述べる。本実施の形態２の圧電センサは、第１の実施の
形態と同様の材料、外形、回路構成を持ち、内部電極間
４Ａ，４Ｂ間の距離を５μｍ、内部電極層数を１６０層
とした。本実施の形態のような圧電センサの分極には、
１ｋＶ／ｍｍの電界強度を印加するには、約５ＶＤＣの
電圧印加でよい。この電圧は、小型ＯＡ機器の電源部か
ら昇圧することなく直接供給可能となる。出力特性とし
ては、第１の実施の形態と同等の性能を示した。
【００１５】
【発明の効果】上述の通り本発明によれば、センサ特性
の劣化を挽回するための再分極が装置に組み込んだまま
簡単に行えるため、長時間使用しても、また高温化での
使用や荷重の印加があっても、安定したセンサ出力が確
保できるような圧電センサが得られる。
の劣化を挽回するための再分極が装置に組み込んだまま
簡単に行えるため、長時間使用しても、また高温化での
使用や荷重の印加があっても、安定したセンサ出力が確
保できるような圧電センサが得られる。
【図１】本発明の第１の実施の形態の圧電体部の外観斜
視図および、第１の実施の形態の回路図である。
視図および、第１の実施の形態の回路図である。
【図２】図１の圧電体部の積層構造を示す分解斜視図で
ある。
ある。
【図３】従来の圧電センサの外形図および、従来の圧電
センサにおける分極の処理手順を示すフローチャート図
である。
センサにおける分極の処理手順を示すフローチャート図
である。
１ 圧電体 ２Ａ，２Ｂ 電極 ３Ａ，３Ｂ リード線 ４Ａ，４Ｂ 内部電極 ５Ａ，５Ｂ 外部電極 ６ はんだ ７ 圧電体素子 ８ 分極用電源 ９ 分極用スイッチ １０ 出力用スイッチ １１Ａ，１１Ｂ 出力端子
Claims (5)
- 【請求項１】 圧電体に再分極を施す手段を備えること
を特徴とする圧電センサ。 - 【請求項２】 外部から加えられた圧力に応じて発生し
た電圧を電圧出力用の一対の電極間に出力する圧電素子
と、 直流電源回路と、 前記圧電素子の電圧出力用の電極を、外部との接続のた
めの外部端子と前記直流電源回路の電圧出力端子とに切
り換えて接続する手段とを備えることを特徴とする圧電
センサ。 - 【請求項３】 請求項２記載の圧電センサにおいて、 前記圧電素子が、キュリー点が３００℃以下の、ソフト
系圧電性セラミックを用いて構成されていることを特徴
とする圧電センサ。 - 【請求項４】 請求項３記載の圧電センサにおいて、 前記圧電素子が前記圧電性セラミックの薄層を少なくと
も二層以上備える積層構造のものであり、前記圧電性セ
ラミックの薄層と、その圧電性セラミック層が発生する
電圧を取り出すための内部電極とを交互に積層し、前記
内部電極を一層毎に、前記電圧出力用の二つの電極の一
方及び他方に交互に接続した構造であることを特徴とす
る圧電センサ。 - 【請求項５】 請求項３又は請求項４記載の圧電センサ
において、 前記圧電性セラミックの薄層が、ニッケル・ニオブ酸鉛
−チタン酸鉛−ジルコン酸鉛を主成分とするセラミック
からなり、温度−２５乃至４０℃、電界強度１ｋＶ／ｍ
ｍ、電圧印加時間１．０秒で完全分極の９５％以上の分
極状態が得られる特性を有すると共に、電圧発生方向の
最大厚さが１００μｍであることを特徴とする圧電セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7208892A JPH0955547A (ja) | 1995-08-16 | 1995-08-16 | 圧電センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7208892A JPH0955547A (ja) | 1995-08-16 | 1995-08-16 | 圧電センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0955547A true JPH0955547A (ja) | 1997-02-25 |
Family
ID=16563862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7208892A Pending JPH0955547A (ja) | 1995-08-16 | 1995-08-16 | 圧電センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0955547A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010201538A (ja) * | 2009-03-02 | 2010-09-16 | Yaskawa Electric Corp | 多指ハンドおよびロボット並びに多指ハンドの把持方法 |
-
1995
- 1995-08-16 JP JP7208892A patent/JPH0955547A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010201538A (ja) * | 2009-03-02 | 2010-09-16 | Yaskawa Electric Corp | 多指ハンドおよびロボット並びに多指ハンドの把持方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19980721 |