JPH10185727A

JPH10185727A - 圧電変換器

Info

Publication number: JPH10185727A
Application number: JP8350904A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Saitou; 康善斎藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた圧電変換感度をもつ圧電変換器を実現す
る。【解決手段】圧電素子に直流バイアス電圧を印加すると
いう回路的な工夫により圧電素子の圧電ｇ定数ｇ₃₃（厚
さ方向に印加される圧力と誘起信号電圧との関係を示す
定数）を改善できることを発見した。すなわち、圧電素
子に圧力印加方向に直流バイアス電圧を印加することに
より、おそらくその結果として圧電素子の内部に圧力印
加方向へ内部電界が生じて圧電材料にストレスが生じる
ために、圧電材料の圧電ｇ定数ｇ₃₃が無バイアス状態時
に比べて格段に増大するのであると思われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力を電圧に変換
する圧電変換器に関する。本発明の圧電変換器は、たと
えば電圧検出型のノックセンサ、加速度センサ、超音波
センサに適用されることができる。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子の厚さ方向に印加される圧力に
応じて信号電圧を発生する従来のノックセンサあるいは
加速度センサのような圧電変換器（以下、本明細書で
は、単に圧電変換器という）では、その出力電圧Ｖ
₃は、Ｖ₃＝ーｇ₃₃×Ｔ₃×Ｌ（Ｖ₃：出力電圧、ｇ₃₃：圧電ｇ定数、Ｔ₃：印加応
力、Ｌ：圧電材料の厚さ）という理論式で規定される出
力電圧を発生するため、従来、圧電ｇ定数ｇ₃₃が大きい
圧電材料を開発するために多大な努力が払われてきた。
たとえば、特開昭５７ー８７１８８号は均一な空孔を設
けることにより、見掛けの圧電ｇ定数ｇ₃₃を改善するこ
とを提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報記載の感度改善方法では、材料自身の強度が低下する
ため、エンジンなど激しい振動のある環境には使用でき
ず、更に大きな荷重領域では使用できないという問題が
あった。本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであ
り、優れた圧電変換感度をもつ圧電変換器を実現するこ
とをその第一の目的としている。また、本発明は、耐振
性に優れた圧電変換器を提供することをその第二の目的
としている。更に、本発明は、大荷重領域で使用可能な
圧電変換器を提供することをその第三の目的としてい
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の構成にお
いて、我々は、圧電素子に直流バイアス電圧を印加する
という回路的な工夫により圧電素子の圧電ｇ定数ｇ
₃₃（厚さ方向に印加される圧力と誘起信号電圧との関係
を示す定数）を改善できることを発見した。すなわち、
圧電素子に圧力印加方向に直流バイアス電圧を印加する
ことにより、おそらくその結果として圧電素子の内部に
圧力印加方向へ内部電界が生じて圧電材料にストレスが
生じるために、圧電材料の圧電ｇ定数ｇ₃₃が無バイアス
状態時に比べて格段に増大することを発見した。

【０００５】直流バイアス電圧はこの圧力材料に圧力印
加方向へ内部電界を持続的に生じさせるものであり、従
来の製造段階における分極処理と同様の作用によりこの
感度増大が生じるものと考えられる。ただ、従来の分極
処理では、処理後における分極程度の低下などの問題か
ら十分な分極の付与が困難であるのに対し、本発明の構
成によれば、経時的に不変の内部バイアス電界を圧力印
加方向に簡単に印加することができる。

【０００６】なお、圧電材料自体はきわめて高抵抗値を
もつので、この直流バイアス電圧の印加は、何らかの方
法により圧電素子の電極層にバイアス電荷を注入するこ
とによりなすことができる。本発明の圧電変換器は、次
に示す形態をとることができる。（１）請求項１記載の圧電変換器において、前記圧電素
子は、正方晶系の結晶相を有する圧電材料を主成分とす
ることを特徴とする圧電変換器。

【０００７】（２）上記（１）記載の圧電変換器におい
て、前記圧電素子は、Ｐｂ（Ｚｒ_XＴｉ_1-X）Ｏ₃（０
＜ｘ＜１）を主成分とすることを特徴とする圧電変換
器。（３）上記（１）または（２）記載の圧電変換器におい
て、前記圧電材料は、厚さ方向に分極されていることを
特徴とする圧電変換器。

【０００８】（４）上記（１）〜（３）のうちのいずれ
か記載の圧電変換器において、前記バイアス電圧印加手
段は、高インピーダンス成分を通じて前記両電極層間に
前記バイアス電圧を印加することを特徴とする圧電変換
器。（５）上記（１）〜（３）のうちのいずれか記載の圧電
変換器において、前記バイアス電圧印加手段は、圧力検
出期間に遮断され、その他の期間の少なくとも一部にお
いて導通するスイッチを有し、前記スイッチを通じて前
記両電極層間に前記バイアス電圧を印加することを特徴
とする圧電変換器。

【０００９】（６）上記（１）〜（５）のうちのいずれ
か記載の圧電変換器において、前記バイアス電圧印加手
段は、印加される圧力範囲において前記バイアス電圧と
前記信号電圧との合計が前記圧電素子の絶縁耐圧の１０
〜６０％になるように前記バイアス電圧を出力すること
を特徴とする圧電変換器。（７）上記（１）〜（６）のうちのいずれか記載の圧電
変換器において、前記バイアス電圧印加手段は、前記圧
電素子が出力する信号電圧を増幅するセンスアンプに電
源電圧を給電する定電圧電源回路から給電されることを
特徴とする圧電変換器。

【００１０】上記（１）記載の圧電変換器によれば、圧
電素子は、正方晶系の結晶相を有する圧電材料を主素材
として作製される。実験によれば、正方晶系の結晶相を
有する圧電材料に直流バイアス電圧を印加することによ
り特に優れた圧電ｇ定数ｇ33を得ることができた。上記
（２）記載の圧電変換器によれば、圧電素子は、Ｐｂ
（Ｚｒ_XＴｉ_1-X）Ｏ₃（０＜ｘ＜１）を主素材として
作製される。実験によれば、Ｐｂ（Ｚｒ_XＴｉ_1-X）Ｏ
₃（０＜ｘ＜１）に直流バイアス電圧を印加することに
より特に優れた圧電ｇ定数ｇ₃₃を得ることができた。

【００１１】上記（３）記載の圧電変換器によれば、圧
電素子は、厚さ方向に分極された圧力材料を主素材とし
て作製される。実験によれば、厚さ方向に分極された圧
電材料に直流バイアス電圧を印加することにより特に優
れた圧電ｇ定数ｇ33を得ることができた。上記（４）記
載の圧電変換器によれば、バイアス電圧印加手段は、高
インピーダンス成分を通じて両電極層間にバイアス電圧
を印加する。このようにすれば、圧電素子の両端に発生
した信号電圧が直流バイアス電圧印加手段への放電によ
り減衰することがなく、信号電圧を増大することができ
る。なお、上記高インピーダンス成分はバイアス電源自
体の出力インピーダンスとしてもよいことは当然であ
る。

【００１２】上記（５）記載の圧電変換器によれば、バ
イアス電圧印加手段は、スイッチを通じて圧電素子にバ
イアス電圧を印加し、バイアス電圧印加手段は、圧力検
出期間に遮断され、その他の期間の少なくとも一部にお
いて導通される。このようにすれば、圧力検出期間中に
おける並列抵抗成分による放電によって信号電圧が減衰
することがほとんどないので信号電圧を増大することが
できる。

【００１３】上記（６）記載の圧電変換器によれば、バ
イアス電圧印加手段は、印加される圧力範囲において直
流バイアス電圧と信号電圧との合計電圧が圧電素子の絶
縁耐圧の１０〜６０％になるようにバイアス電圧を圧電
素子に印加する。合計電圧が上記範囲未満の場合、圧電
ｇ定数ｇ₃₃の減少により信号電圧が小さくなり、合計電
圧が上記範囲を超える場合、信頼性が低下する。

【００１４】上記（７）記載の圧電変換器によれば、バ
イアス電圧印加手段は、圧電素子が出力する信号電圧を
増幅するセンスアンプに電源電圧を給電する定電圧電源
回路から給電されるので、回路構成及び配線が簡素とな
る。

【００１５】

【発明を実施するための形態】圧電素子に用いる圧電材
料としては、正方晶系の結晶相を有する圧電材料、たと
えばＰｂ（Ｚｒ_XＴｉ_1-X）Ｏ₃のようなＰＺＴ（チタ
ン酸ジルコン酸塩）などが好適であるが、本発明の原理
が圧力印加方向へ内部電界を持続的に付与することによ
り分極処理同様の感度改善を図るものであることから、
正方晶系の結晶相を有する圧電材料以外の他の圧電材料
にも当然、有効である。これら圧電材料は従来同様、ス
パッタリングなどの薄膜形成方法で薄膜形状に形成して
もよく、さらにはホットプレスしたりして薄板形状に形
成してもよい。

【００１６】圧電素子は、厚さ０．１〜２０μｍ、特に
厚さ０．２〜１０μｍとすることが好ましい。厚さが
０．１μｍ未満であれば良好な圧電性を有する膜が得ら
れないという問題や強度が弱く破壊し易いという問題が
生じ、厚さが２０μｍを超えるとバイアス電圧印加手段
の高電圧化がコスト増加の要因となる。この厚さの制約
から、本発明の圧電変換器は薄膜作製法で作製すること
が特に好ましい。

【００１７】薄膜を作製する基板には、ガラス基板、セ
ラミックス基板、マグネシア単結晶基板、チタン酸スト
ロンチウム基板、シリコン単結晶基板など、圧電材料を
結晶化して作製できる基板であればよい。検出感度を上
げるために、薄膜形成後、基板をエッチング除去してダ
イヤフラムを形成してもよく、この場合にはエッチング
しやすいマグネシアやシリコン基板を採用することがで
きる。

【００１８】特に、シリコン基板を薄膜形成基板とすれ
ば、その上にセンスアンプを集積することができ、放電
抵抗やバイアス電圧印加手段、さらにはそれらに定電源
電圧を給電する定電圧電源回路なども集積することがで
き、配線引き回しが少なくローノイズ化された圧電変換
器を実現することができる。薄膜作製法としては、スパ
ッタ、蒸着、ＣＶＤ、レーザースパッタ、ゾルゲル法の
どれでもよく、圧電材料を結晶相として形成できればよ
い。薄膜の微構造は、無配向膜でよい。ただし配向膜、
単結晶膜であってもバイアス電圧印加により上記と同様
の感度向上効果を奏することができる。

【００１９】バイアス電圧印加手段は高インピーダンス
成分を通じてバイアス電圧を印加することが重要であ
る。すなわち、圧電素子に生じる信号電荷は小量であ
り、バイアス電圧印加手段が低インピーダンス成分を通
じて圧電素子に接続されていると、圧電素子に発生した
信号電荷がこの低インピーダンス成分を通て放電するた
め、得られる信号電圧が減衰してしまう。

【００２０】好適例において、圧電素子からみて、バイ
アス電圧印加手段及びアンプを含む次段回路は１０Ｍオ
ーム以上の抵抗を持つことが望ましい。なお、圧電素子
からみたこの次段回路のインピーダンスのばらつきは感
度ばらつきを生じるので、アンプの入力インピーダンス
より小さい所定の抵抗値をもつ放電抵抗を圧電素子と並
列に接続してもよい。

【００２１】バイアス電圧印加手段がスイッチを通じて
圧電素子にバイアス電圧を印加し、このスイッチを圧力
検出期間に遮断信号電荷、それ以外の期間の少なくとも
一部の期間に導通させることもできる。このようにすれ
ば、圧力検出期間すなわち信号電圧発生期間において、
信号電荷がバイアス電圧印加手段へリークするのを防止
する事ができる。

【００２２】センスアンプは高入力インピーダンスをも
つ必要があり、誘導ノイズの重畳を低減し、信号電圧の
増大を図るという点から、圧電素子とセンスアンプとを
接続する配線をできるだけ短縮して、そのインダクタン
ス及び寄生容量を低減することが好ましい。また、同様
の理由により、バイアス電圧印加手段をなすバイアス電
圧印加回路と圧電素子とを接続する配線もできるだけ短
縮することが好ましい。

【００２３】この点から、圧電素子が形成されるシリコ
ンなどの半導体基板にセンスアンプ、定電圧電源回路、
バイアス電圧印加回路を集積し、この定電圧電源回路よ
りバイアス電圧印加回路及びセンスアンプに電源電圧を
給電することが好ましい。上記したノイズ低減及び信号
電圧増大のための各種方策を取ることにより、圧電変換
素子を小型化しても十分なＳＮ比をもつ信号電圧を出力
する圧電変換器を実現することができる。

【００２４】

【実施例】本発明の好適な態様である実施例を図１を参
照して説明する。ガラス基板１上に白金電極２をマグネ
トロンスパッタ法にて２００ｎｍの厚みに作製した。次
に、ＰｂＴｉＯ₃ーＰｂＺｒＯ₃ーＰｂ（Ｎｉ_1/3Ｎｂ
_2/3）Ｏ ₃組成の原料をマグネトロンスパッタ法で厚み
１μｍに蒸着して圧電薄膜３を形成した。形成した膜
は、正方晶の結晶相を有する多結晶無配向膜であった。

【００２５】この上部に厚み２００ｎｍの白金電極４を
上記と同じプロセスで作製した。次に、両電極層２、４
を回路部６の入力端に接続した。薄膜の分極は、１００
℃で１０ｋＶ／ｍｍの電界を加えて１０分間行なった。
回路部６の一例を図２に示す。回路部６は、定電圧電源
回路６０と、ＦＥＴ入力のオペアンプ６１と、バイアス
抵抗回路６２、６３とからなる。バイアス抵抗回路６２
は、抵抗６４、６５を直列接続した分圧回路であって定
電圧電源回路６０から１２Ｖを給電されてその接続点か
ら所定定電圧のバイアス電圧を圧電素子５に印加してい
る。バイアス抵抗回路６３は、抵抗６６、６７を直列接
続した分圧回路であって定電圧電源回路６０から１２Ｖ
を給電されてその接続点から所定定電圧の参照バイアス
電圧をオペアンプ６１の負入力端に印加している。バイ
アス抵抗回路６２は、その接続点から所定定電圧のバイ
アス電圧を圧電素子５に印加している。オペアンプ６１
は定電圧電源回路６０から正負の電源電圧を給電される
とともに、正入力端に信号電圧が印加されている。

【００２６】バイアス抵抗回路６２、６３の各抵抗６４
〜６７は、１０Ｍオーム以上とされ、圧電素子５に直流
バイアス電圧を印加する。当然、抵抗６４，６６は等し
い抵抗値に設定され、抵抗６５、６７は等しい抵抗値に
設定されている。圧電素子５を加振機に取り付けて１Ｇ
の加速度を与え、各抵抗６４〜６７の抵抗値を上記最小
抵抗値以上で種々変更して、または、定電圧電源回路６
０のかわりに出力電圧変更可能な定電圧電源回路を用い
て、圧電素子５に印加する直流バイアス電圧を種々変更
し、上記圧電ｇ定数ｇ₃₃を測定した。その結果を、図３
に示す。ただし、直流バイアス電圧は分極方向と同一方
向へ印加した。

【００２７】図３から、圧電ｇ定数ｇ₃₃（厚さ方向への
印加圧力に対する信号電圧の大きさを示す定数）は、無
バイアス時に比べてバイアス電圧が２ｋＶ／ｍｍの場合
において約１．６５倍となることがわかった。更に、バ
イアス電圧を２ｋＶ／ｍｍ以上６ｋＶ／ｍｍまで増加し
たところ直流バイアス電圧の増大とともに圧電ｇ定数ｇ
₃₃が増大することがわかった。

【００２８】次に、上記圧電素子５に、分極方向及びそ
れと逆方向にバイアス電圧を値を変えて印加した場合に
おける圧電ｇ定数ｇ₃₃の変化を測定した。その結果を図
４に示す。図４から、直流バイアス電圧は分極方向と同
一方向、つまり分極処理により圧電素子５の内部に生じ
た内部電界を増強する方向に印加する方が一層有効であ
ることがわかる。すなわち、印加される直流バイアス電
圧による内部電界と分極処理により残留する内部電界と
が同一方向であると、両者が加算されて強力な内部電界
が圧電素子５の内部に生じ、これにより高い圧電ｇ定数
ｇ₃₃（圧電縦効果定数）が得られることがわかった。

【００２９】さらに、高電圧を印加した場合の圧電素子
５の強度を微小強度試験法（丸圧子押しつけ法）で測定
したところ、電界を印加しない場合と同じ、１００ＭＰ
ａの強度が得られた。（変形態様１）回路部６の変形態様を図５に示す。

【００３０】この態様では、ボルテージホロワ回路６１
ａを用いることにより、図２のバイアス抵抗回路６３を
省略している。抵抗素子の省略はそれに発生する抵抗雑
音の減少を実現できるので、ＳＮ比を一層向上すること
ができる。（変形態様２）回路部６の変形態様を図６に示す。

【００３１】この態様は、図５においてバイアス抵抗回
路６２も省略したものであり、バイアス電圧は定電圧電
源回路６０から、ＭＯＳトランジスタ６８またはＪＦＥ
Ｔからなるスイッチ６８を通じて圧電素子５に印加さ
れ、スイッチ６８は電子制御ユニットＥＣＵ（図示せ
ず）からのクロック電圧Ｖｃにより断続制御される。Ｃ
ｓは寄生容量である。この圧電変換器を４気筒エンジン
のノック検出用に用いた例を図７に示す。

【００３２】Ｃ１は第１気筒のサイクルを示し、Ｃ２は
第２気筒のサイクルを示し、Ｃ３は第３気筒のサイクル
を示し、Ｃ４は第４気筒のサイクルを示す。Ｖｃ１は第
１気筒に設けられる圧電変換器のスイッチ６８のゲート
電極に印加するクロック電圧であり、Ｖｃ２は第２気筒
に設けられる圧電変換器のスイッチ６８のゲート電極に
印加するクロック電圧であり、Ｖｃ３は第３気筒に設け
られる圧電変換器のスイッチ６８のゲート電極に印加す
るクロック電圧であり、Ｖｃ４は第４気筒に設けられる
圧電変換器のスイッチ６８のゲート電極に印加するクロ
ック電圧である。各クロック電圧は、それぞれの気筒の
圧縮期間の後半部分を含む期間に遮断され、それ以外の
期間に導通される。

【００３３】このようにすれば、気筒圧力を検出すべき
圧縮期間の後半において、各スイッチ６８は遮断される
ので、ＫＴＣ雑音と呼ばれるリセット雑音がわずかに重
畳するものの、この信号検出期間において抵抗雑音やバ
イアス電圧変動に起因するノイズが信号電圧に重畳せ
ず、優れたＳＮ比をもつ信号電圧を得ることができる。
なお、この場合においても、たとえばボルテージホロワ
回路などのセンスアンプで増幅された信号電圧はローパ
スフィルタにより高周波数のサンプリング電圧成分をカ
ットすることができるほか、上記スイッチ６８の導通期
間に信号電圧をサンプリングしてもよく、回路処理が複
雑化することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の圧電素子５の部分縦断面図である。

【図２】図１の回路部６の一例を示す回路図である。

【図３】図１の圧電素子５の圧電ｇ定数ｇ₃₃（分極方向
にバイアス電界を印加した場合）を示す特性図である。

【図４】図１の圧電素子５の圧電ｇ定数ｇ₃₃（分極方向
及びその反対方向にバイアス電界を印加した場合）を示
す特性図である。

【図５】図２の回路部６の変形例を示す回路図である。

【図６】図５の回路部６の変形例を示す回路図である。

【図７】図６の回路部６を４気筒エンジンのノックセン
サに適用した場合のクロック電圧波形を示すタイミング
チャートである。

【符号の説明】

１は基板、２、４は白金電極、３は圧電薄膜、５は圧電
素子、６は回路部（本発明でいうバイアス電圧印加手
段）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両主面にそれぞれ電極層を有し、圧力が
厚さ方向に印加される薄膜状または薄板状の圧電素子
と、前記圧電素子の両電極層間にバイアス電圧を印加す
るバイアス電圧印加手段と、前記圧電素子の両端間に生
じた電圧を増幅する増幅手段と、を有することを特徴と
する圧電変換器。