JPS5935112A - 積層圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電素子の共振周波数を変動させることな（
任意の機械的品質係数を有するようにした積層圧電素子
に関する。

圧電素子の機械的品質係数は電気機械変換の際の感痕を
表わす値であり、振動センサを設計する」二において重
要なパラメータである。

ところで、従来この機械的品質係数を任意の値に設定す
る圧電素子を得るためには、圧電素子の−１− 材質を変化させる必要があった。このため、例えば圧電
レラミックスからなる圧電素子においては、要求される
機械的品質係数を得るために、それに適した成分及び組
成比を有する材料を開発しなければならなかった。

そこで本発明は、従来のこの様な欠点を改良づるために
成されたものであって、従来の様に必ずしも機械的品質
係数に応じた材質を開発する必要はなく、相異なる機械
的品質係数を有する平板状の圧電物質を多層に積層する
ことによって、積層圧電素子全体として所望する機械的
品質係数を得ることを目的とする。

即ち、本発明は異なる機械的品質係数を有する平板状圧
電物質の両面にメタライズ層を形成し、該メタライズ層
を有する圧電物質を多層に接合してなる積層圧電素子か
ら成る。

圧電素子は機械的振動によって、その素子の両端面に電
荷を発生する。従って、この機械系を等価電気回路で表
現すると第１図の様になる。ここでり、Ｃ，Ｒはそれぞ
れ等価インダクタンス、等−２− 価容ｆｆｌ、ＩＮ械損失を表ねづ等価抵抗である。ＣＯ
は圧電素子の両極間に存在する電気的な静電容量である
。この等価電気回路によれば、圧電素子の直列共振周波
数ｆｏ、反共振周波数ｆｓ、及び機械的品質係数Ｑｍは
、それぞれ次式で表わすことができる。

・・・・・・・・・（２） Ｑｍ　＝　（１／Ｒ）　Ｘ厘・・・・・・（３）第２図
（１））は、同一方向に偏極した圧電素子層５１及び５
２を接合し、両端面に配設された金属層でできた電極５
１ａ及び５２ｂから電圧を取り出すようにした直列型の
積層圧電素子の一例を図示したものである。圧電素子層
５１は機械的品質係数０１を有し、圧電素子層５２はＱ
ｌと異なる機械的品質係数０２を有する。すると、上述
のことから、この積層圧電素子の全体の電気的等価回路
は第２図（ａ）に示す様になる。即ち機械的品質係数Ｑ
１及び機械的品質係数Ｑ２を有するぞ−３− れぞれの共振回路の直列接続と等価になり積層圧電素子
全体の機械的品質係数ＱはＱｌ及びＣ２の間の値となる
。ここで、それぞれの圧電素子層の共振周波数（よ同じ
値をとるように層の厚さを適正に選定して等価インダク
タンス「１及び１２、等価容ｆｆ１ｃ１及びＣ２の値を
設定することができる。

一方、積層圧電素子は、相互に反対方向に偏極した圧電
素子層５１及び５２を第３図（ｂ）のように積層接合し
、端面電極５１ａと接合層電極５１ｂとから、振動にに
って誘起された電圧■を取り出づ並列型の積層圧電素子
であっても良い。ここにおいても圧電素子層５１は機械
的品質係数０１を有し、圧電素子層５２はこれと異なる
機械的品質係数０２を有している。この並列形の圧電素
子の等価回路は、第３図（ａ）４こ示ずようになる。

即ち第１の圧電素子層の機械的、粘質係数０１を有する
共振回路と第２の機械的品質係数Ｑ２を有する共振回路
との並列回路と等価である。従って全体の積層圧電素子
の右づる機械的品質系数は、各素子の有する機械的品質
係数の中間値が得られる。

＝　　４　一 本発明は以上説明した圧電素子層の形状及び層数には限
定されない。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳しく；ボベる
。

本実施例は、機械的品質係数０１を有する圧電素子層△
（５１）と機械的品質係数０２を有する圧電素子層Ｂ（
５２）を第２図（１））の如く直列型に接合したバイモ
ルフ型の積層圧電素子に関する。

圧電素子層Ａは、ジルコンチタン酸鉛Ｐｂ（Ｔｉ、Ｚｒ
）０３を９９重置部、ＮｂｚＯｓを１重量部１を合した
セラミックス粉末を有機バインダーと渥練し、平板状に
成形し、１３００℃で２時間焼結させて得た。一方圧型
素子層Ｂは、Ｐｂ　　（Ｔｉ、Ｚｒ）０３を９９重小部
、Ｃｒ２Ｏ３を０゜５）重量部混合したレラミックス粉
末を上記と同様に処理して得た。この様にして得たそれ
ぞれの圧電層の両面に、銀を主成分に、はうけい酸ガラ
スのフリットを間合してペースト状にしたものをスクリ
ーン印刷し、約８００℃で焼成し銀金底層を−　　５　
− 形成した。次に両面に金属層を有する圧電素子層△及び
１Ｂを２層積層し、その間に銀ろうを介在させて、７０
０℃に加熱し、数百ｋｃＩ／　Ｃｍ　２の圧ノＪを加え
てろう伺【ノ固着した。その後、この積層素子を約３０
０℃のキコリ一点温度から２ｋｖ／ｍｍの直流電界を加
えて、電界冷却法によって分極処理を行なった。この段
階で、各圧電素子岡単体の機械的品質係数をそれぞれ測
定し、Ｑｌ−８２（３９ｄ　Ｂ＞、Ｃ２＝１９２　（４
４ｄ　Ｂ）を得た。

この様に２層の圧Ｎ層をろう付【ノ固着してバイモルフ
型の圧電素子を形成した。

次に、第２図＜ｂ）に示す様に、積層圧電素子の両端面
電極を検出電極として、積層圧電素子全体の機械的品質
係数を測定し、Ｑ’＝１１２（４１ｄＢ＞を得た。この
値はＱｌ　＜Ｑ＜０２を満３ことが分る。

以上の様に機械的品質係数の相異なる圧電素子層を接合
することによって、両者のほぼ中間値の機械的品質係数
を得ることができる。

本実施例では、直列型接合について述べたが、＝　　６
　− 第３図（１）〉に図示づ−る如き並列型の接合について
も同様に本発明を適用できる。さらには機械的品質係数
の異なる圧電素子層を多層に積層して構成する場合も同
様に適用できる。

上記接合層には、コバール等の補強金属板を設（プても
良い。

次に本発明による接合層を形成したバイモルフ型の圧電
素子をエンジンのノツクセンザとしで使用する場合の検
出素子の具体例を第４図および第５図に記載する。第４
図はノツクセンザの縦断面図であり、第５図はその横断
面図である。圧電索子５は、その支持部５−において、
表面に銀の電極層を有ザるアルミナで作成された絶縁基
板３おにび金属製の支持プレー１−〇によって、挟持さ
れている。支持プレーｉ−〇はビス７により、ベース２
に固着されて圧電素子５を支持している。ベース２は六
角チコーブ１２の開口部に配設されている。一方六角チ
ューブ１２の他の端部は、該ゼンリ〜をエンジンブロッ
クに取り付りるためのネジ部１３に接合し、六角チュー
ブ１２とネジ部１３は−７− 一体となりハウジング１を形成している。又、ベース２
の上端部には、樹脂製コネクター９がインサート成形に
にり配設されでいる。圧電索子の両端で発生する出力は
、ＪＴ雷索子５の一端面金属層が接合する基板３上の電
極を介して係合金属４およびリード線１４を介してター
ミナル１０から外部に取り出される様になっている。又
、圧電素子５の他端面金属層は、これに接触する支持プ
レー１〜６およびビス７、ベース２およびハウジング１
を介してエンジンにアースされている。

以上の様にしてバイモルフ型の圧電素子を用いてエンジ
ンのノックセンザを構成することができる。

以上、要するに、本発明は、機械的品質係数の相異なる
圧電物質を２以上の多層に積層して、所望する機械的品
質係数を１ｑるものである。従ってそれに応じて個々に
圧電物質を開発する必要がない。既知の機械的品質係数
を有する圧電素子を積層接合して、その中間の機械的品
質係数を冑ることができるので、きめこまかく、検出周
波数帯域−８− 及び感度を調整できるという効果を有する。さらには、
特別な圧電物質を特に開発づ−る必要はないため、生産
が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子の電気的等価回路を示したものである
。第２図（ａ　）は圧電素子層を直列型に接続した場合
の等価電気回路である。第２図（ｂ）は圧電素子を直列
型に接続する場合の構成図である。第３図（ａ　）は圧
電素子を並列型に接続した場合の等価電気回路である。 第３図（ｂ）は圧電素子を並列型に接続する場合の構成
図である。第４図は本発明に係る積層圧電素子を用いて
構成したー具体的ノックセンサの縦断面図である。第５
図は同ノックセンザの横断面図を示すものである。 ５・・・積層圧電素子 ５１．５２・・・圧Ｎ索子層 ５１ａ　、５１ｂ　、５２ａ　、５２ｂ　−・・金属層
−〇　　− 第１図 ＣＲ Ｃ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１〉異なる機械的品質係数を有する平板状圧電物質の
   両面にメタライズ層を形成し、該メタライズ層を有する
   圧電物質を多層に接合してなる積層圧電素子。 （２）前記圧電物質は圧電セラミックスから成ることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の積層圧電素子。