JPS62239800A - 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】 〔技術分野〕 この発明は、圧電セラミックスを備える圧電素子に関す
る。

〔背景技術〕

超音波の空気中を伝わる速度は、電磁波に比べて極めて
遅く、３３４　ｍ１ｓｅｃ程度である。この超音波は、
媒体さえあれば、液体、気体、固体を問わず伝播し、こ
の伝播速度が遅いために、時間計測用途では分解能が相
対的に上げられ、容易に短い波長の音をつくりだすこと
もできる。したがって、精度の高い測定ができるように
なっている。

超音波を利用したトランスデユーサの送受波素子として
は、圧電セラミックスを備える圧電素子が主として用い
られている。この圧電セラミックスに交流電圧を印加す
れば、この圧電セラミ７クスが振動し、外力を加えれば
電圧を発生するようになっている。したがって、前記送
受波素子（圧電素子）は、振動子ともいわれ、電歪型、
圧電型。

磁歪型、静電型および動電型に区分される。上記のよう
に、圧電セラミックスが使用されたものは、高感度、高
音圧、低消費電流などの利点があり、物体検知、距離測
定などに利用されている。

上記のような送受波素子となる圧電素子は、薄い圧電セ
ラミックスが２枚貼り合わされてなるバイモルフ型、ま
たは、前記圧電セラミックスが金属板に貼り合わされて
なるユニモルフ型として超音波センサに備えられる。こ
のような超音波センサは、前記圧電セラミックスの屈曲
振動を振動源として超音波を発生し送受波するようにな
っている。この場合、前記超音波センサの送信出力は、
前記圧電セラミックスの屈曲振動の共振周波数において
最大になる。しかしながら、この共振周波数は、温度に
よって変化してしまい、その変化割合は、　５０ｐｐｍ
／’Ｃ程度となっていた。

また、圧電特性を求めるのに必要とされるｄ定数（圧電
ひずみ定数）およびｇ定数（圧電応力定数）の温度変化
が大きいという問題もある。このｄ定数により前記超音
波センサの送信特性が決定され、ｇ定数により受信特性
が決定される。このため、超音波センサの送受信能力が
その雰囲気温度によって大きく変化するということにな
り、その雰囲気温度によっては、物体の形状、速度等の
測定値が確かでない場合がある。

〔発明の目的〕 この発明は、以上の事情に鑑みてなされたもので、雰囲
気温度の変化による特性の変化を極めて少なくし、超音
波センサなどとして計測に用いれば、この計測によりあ
られれた測定値をより確かなものとする圧電素子を提供
することを目的とし′ζいる。

〔発明の開示〕

前記目的を達成するため、この発明は、電圧が印加され
れば歪み、外力が加えられると電圧を発生する圧電セラ
ミックスを備える圧電素子において、前記圧電セラミッ
クスを一定温度に保持するためのヒータを備えているこ
とを特徴とする圧電素子をその要旨としている。

以下に、この発明にかかる圧電素子を使用して超音波セ
ンサとし、この超音波センサの１実施例をあられす図面
を参照しながら詳しく説明する。

第１図は、上記のように、この発明にががる圧電素子を
超音波センサとして用いた実施例をあられしている。図
にみるように、この超音波センサ１は、超音波を受けて
その音圧により振動する金属板２と、この金属板２の超
音波を受ける面とは反対面に貼着されている圧電セラミ
ックス３とを備えている。この圧電セラミックス３の金
属板２と接する面とは反対面には、板状の正特性サーミ
スタヒータ（以下、ｒＰＴＣヒータ」と記す）４が貼着
されている。この金属板２．圧電セラミックス３および
ＰＣＴヒータ４は、保持台６によって支持されている。

この保持台６には、金属板２と圧電セラミックス３およ
びＰＴＣヒータ４に接続されている電極端子５．５′お
よびヒータ用電極７が取り付けられている。ＰＴＣヒー
タ４には、直流電圧電源９に接続されているヒータ用電
極７と電極端子５′から直流電圧が供給されるようにな
っている。前記金属板２が超音波の音圧によって振動す
ることにより、この金属板２に貼着されている圧電セラ
ミックス３もともに振動することとなる。つまり、圧電
セラミックス３に外力が加えられることとなるのである
。したがって、この圧電セラミックス３は電圧を発生す
る。この電圧は、前記電極端子５，５′から電圧検出回
路８に導かれるようになっている。この電圧検出回路８
によって、前記超音波の強さ、速さ等が検出されるので
ある。

電圧検出回路８が、たとえば、交流電圧電源である場合
、この超音波センサ１は、超音波発生器として利用され
る。

前記ＰＴＣヒータ４は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ（
Ｌ＋）系半＞ｙ体などが主成分とされて形成されている
。ＰＴＣヒータ４は、温度が上昇すると、ごの温度に比
例してその抵抗値も増加するようになっている。したが
って、このＰＴＣヒータ４の発熱量が雰囲気温度に反比
例して減少、または、増加する。雰囲気温度が低ければ
、ＰＴＣヒータ４による発熱量が多くなり、雰囲気温度
が高ければ、ＰＴＣヒータ４の発熱■が少なくなって前
記圧電セラミックス３の温度を雰囲気温度にかかわらず
安定させることができるようになっている。

このことによって、圧電セラミックス３の圧電特性を決
定するｄ定数およびｇ定数の温度変化が減少する。すな
わち、この発明にかかる圧電素子が用いられた前記超音
波センサ１は、雰囲気温度に関わりなく安定した送信、
受（３特性を有するものとなる。しかも、複雑な温度補
償機構を設けなくても前記圧電セラミックス３を一定温
度に保つことができるため、この圧電素子および超音波
センサ１は、製造コストが非常に低くてずみ、その施工
工程も容易でありつつ、非常に精度がよいものとなる。

つぎに、上記超音波センサの送波、受波器の具体的な作
成に関して詳しく説明する。

Ｐ　　ｂ　　（Ｍ　ＦＸ　Ｉ／ｓ　　Ｎ　　ｂｚ／３　
）　　ｏ、ｚｔｓ　　Ｔ　　ｉｏ、＋ｔｓ　　Ｚｒｏ、
ｚ５０．＋０．５ｗｔ％ＮｉＯの組成分を一般的な粉末
焼結法により、圧電セラミックスを作成した。この圧電
セラミックスから直径８．５ｍｍ、Ｊ！３Ｅみ０、２關
の円板を得た。この円板の両面に銀ペーストを塗布し、
焼き付けた。

Ｂａｏ、＋ｉ　Ｓ　ｒｏ、＋　Ｔ　！＋　０３　＋　０
．０１Ｗ　ｔ％Ｓｉ　Ｏｘ　＋　０．０３ｗ　ｔ％Ｍ　
ｕ　Ｏｔを組成分とするＰＴＣヒータを一般的な粉末焼
結法で作成した。このＰＴＣヒータは、キュリ一点を約
８０℃に調整されている。つまり、キュリ一点を超える
とＰＴＣヒータの発熱量が急激に減少するようになって
いるのである。このｐ　’ｒ　ｃヒータを直径８．５ｍ
ｍ。

厚み０．２　ａｍの円板に加工したのち、Ｎｉメッキを
施した。このＮｉメッキの上にＡｇ−Ｐｂベーストを塗
布し、焼き付けた。

このｐ　′ｒ　ｃヒータと前記圧電セラミックスを貼り
付けて、第１図にみられるような、超音波センサを作成
した。なお、電極端子間に、電圧検出回路を設けて超音
波センサの受波器とし、または、交流電圧電源を設けて
送波器とした。

この超音波センサの共振周波数の温度特性（％）、送波
器としてその送信特性（ｄＢ）、受波器としてその受信
感度（ｄＢ）を−３０〜８０℃の温度において測定し、
その結果を第２図ないし第４図に破線Ｂとして示す。

（比較例） 圧電セラミックスにＰＴＣヒータを貼着しない以外は実
施例と共通とし、実施例と同様に測定してその結果を第
２図ないし第４図に実線Ａとして示す。

第２図にみるように、この発明にかかる圧電素子を利用
して作成された超音波センサの「共振周波数の温度特性
」は、比較例に比べて、雰囲気温度に影古されにくいと
いうことがわかった。また、第３図および第４図にあら
れされているように、この実施例の［送信特性ｊ、「受
信特性」も雰囲気温度に影響されにくいということがわ
かったしたがって、この圧電素子が用いられた前記超音
波センサは、精度が非常によくなるということがわかっ
た。

なお、この圧電素子は、超音波センサにのみ使用される
ものではない。この圧電素子は、たとえば、圧電振動子
、マイクロフォン、ピックアンプ、圧電バイモルフ、圧
電ユニモルフおよびアクチュエータなどの多岐にわたっ
て活用される。

〔発明の効果〕

以上に詳述したように、この発明にかかる圧電素子は、
電圧が印加されれば歪み、外力が加えられると電圧を発
生する圧電セラミックスを備える圧電素子において、前
記圧電セラミックスを一定温度に保持するためのヒータ
を備えているので、雰囲気温度の変化による特性の変化
を極めて少なくし、超音波センサなどとして計測に用い
れば、この計測によりあられれた測定値をより確かなも
のとする。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる圧電素子を使用した超音波セ
ンサの実施例をあられす断面図、第２図は前記実施例と
比較例の共振周波数の温度特性を百分率であられすグラ
フ、第３図は前記実施例と比較例の送信特性の温度変化
を音の強さであられずグラフ、第４図は前記実施例と比
較例の受信特性の温度変化を音の強さであられすグラフ
である３・・・圧電セラミックス　４・・・正特性サー
ミスタヒータ（ＰＴＣヒータ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧が印加されれば歪み、外力が加えられると電
   圧を発生する圧電セラミックスを備える圧電素子におい
   て、前記圧電セラミックスを一定温度に保持するための
   ヒータを備えていることを特徴とする圧電素子。
2. （２）ヒータが正特性サーミスタヒータである特許請求
   の範囲第１項記載の圧電素子。