JP2002357490A - 圧電歪みセンサとこの製造方法及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１及び第２の電極間付近の圧電セラミック
の分極方向に起因する縦振動モードの影響を抑制し、被
検知物の歪みを高精度に検知できる圧電歪みセンサとこ
の製造方法及びそれを用いた電子機器を提供することを
目的とする。 【解決手段】 圧電セラミック１１と、この圧電セラミ
ック１１の表面に設けた第１の電極１２ａと、圧電セラ
ミック１１の表面から裏面に至るように設けた第２の電
極１２ｂとを備え、第１の電極１２ａと第２の電極１２
ｂの間の圧電セラミック１１には溝１３を有するもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電現象を利用した
微小な歪みを検知する圧電歪みセンサとこの製造方法及
びそれを用いた電子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電部品及びその製造方法は、特
許第３１６３６３６号公報に記載されているものが知ら
れている。図７は従来の圧電部品の断面図、図８は同要
部拡大断面図である。図７、図８において１はチタン酸
ジルコン酸鉛系（以下ＰＺＴ系とする）の圧電セラミッ
ク、２ａ，２ｂは銅等を用いて圧電セラミック１の表裏
面及び側面に設けた第１、第２の電極である。

【０００３】この圧電部品の製造方法について説明す
る。

【０００４】まず板状の圧電セラミック１の表面全体に
めっきにより金属層を形成する。次に第１及び第２の電
極２ａ，２ｂとなる金属層の表面に保護膜を形成した後
エッチング処理を行うことにより不要な金属層を除去す
る。次いで保護膜を除去し、第１の電極２ａ及び第２の
電極２ｂを得る。その後得られた第１の電極２ａと第２
の電極２ｂ間に電圧を印加して分極処理を行って圧電部
品を得る。

【０００５】この分極処理により、図８にて矢印で示す
ように第１の電極２ａと第２の電極２ｂが対向している
部分の圧電セラミック１では、圧電セラミック１の表面
に対し垂直な方向に分極される。また圧電セラミック１
の表面で第１の電極２ａ、第２の電極２ｂが対向してい
る領域、即ちエッチングにより第１の電極２ａ、第２の
電極２ｂ間の圧電セラミック１が露出している領域付近
では、分極方向が圧電セラミック１の表面で平行に、内
部では放射状になる。

【０００６】この構成の圧電部品を例えば歪みセンサと
して用いる場合について説明する。

【０００７】圧電部品の表面を被検知物に接着剤などで
固定し、被検知物に発生した面方向の収縮歪みと同じ収
縮歪みが圧電部品にも発生するようにする。圧電部品で
はこの発生した収縮歪みを横振動モードとして検知す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この構成によると、第
１の電極２ａ、第２の電極２ｂ間の圧電セラミック１が
露出している付近では、分極方向が圧電セラミック１の
表面に垂直ではないため、対象物の一方向の伸縮歪みを
横振動モードと縦振動モードの２つのモードで検知する
こととなる。この圧電歪みセンサは、横振動モードで検
知することにより、被検知物の収縮歪みを測定するもの
であるのにもかかわらず、縦振動モードでも検知してし
まうため、被検知物の収縮歪みを高精度に検知できない
という問題点を有していた。

【０００９】本発明は第１及び第２の電極間付近の圧電
セラミックの分極方向に起因する縦振動モードの影響を
抑制し、被検知物の歪みを高精度に検知できる圧電歪み
センサとこの製造方法及びそれを用いた電子機器を提供
することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、以下の構成を有するものである。

【００１１】本発明の請求項１に記載の発明は、特に、
第１の電極と第２の電極の間の圧電セラミックに溝を設
けたものであり、これにより、分極方向が前記圧電セラ
ミックの表面に垂直でない方向の領域の形成は抑制さ
れ、縦振動モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被
検知物の歪みを検知できる圧電歪みセンサを得ることが
できる。

【００１２】本発明の請求項２に記載の発明は、特に、
第１の電極及び第２の電極の表面を平坦とするものであ
り、これにより被検知物に接着剤等を用いて圧電歪みセ
ンサを固定する場合、前記圧電歪みセンサの一部への応
力集中を防止でき、その結果電極表面の凹凸に起因する
前記圧電歪みセンサの破損を抑制することができる。

【００１３】本発明の請求項３に記載の発明は、特に、
溝の幅を圧電セラミックの厚みより大きくしたものであ
り、これにより分極工程において、前記圧電セラミック
の厚み方向に発生する電界強度より前記溝を介して発生
する第１と第２の電極間の電界強度を小さくすることが
でき、またさらに沿面距離も長くなるため、分極時のリ
ークなどを防止することができる。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、特に、
圧電セラミックの表裏面において、溝不形成部の全体に
第１の電極及び第２の電極を設けたものであり、これに
より、最も効率的に静電容量を有することができ、その
結果検知する振動モードの範囲を大きくすることができ
る。

【００１５】本発明の請求項５に記載の発明は、特に、
第１及び第２の電極と溝を圧電セラミックの表面に設け
た金属層の一部及びその下方の圧電セラミックを機械的
に切削することにより形成するものであり、これにより
圧電歪みセンサの性能を低下させることなく溝を形成す
ることが可能になり、分極方向が前記圧電セラミックの
表面に垂直でない方向の領域が小さくなるので、縦振動
モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被検知物の歪
みを検知できる圧電歪みセンサを得ることができる。

【００１６】本発明の請求項６記載の発明は、特に、圧
電セラミックの表面に第１の電極を、表面から裏面に至
る第２の電極を有し、圧電セラミックの表面において第
１の電極と第２の電極の間の圧電セラミックに溝を有す
る圧電歪みセンサの表面あるいは裏面を被検知物に固定
したものであり、これにより分極方向が前記圧電セラミ
ックの表面に垂直でない方向の領域の形成は抑制され、
縦振動モードによる歪み検知を抑制し、高精度に被検知
物の歪みを検知できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下実施の形態
１を用いて、本発明の請求項１から５に記載の発明につ
いて説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施の形態における圧電
歪みセンサの斜視図、図２は図１のＡ−Ｂ断面図であ
る。

【００１９】図において１１は圧電セラミック、１２ａ
は第１の電極、１２ｂは第２の電極、１３は溝を示す。

【００２０】また図３は図２の溝１３付近の拡大図であ
り、矢印は分極軸を示している。

【００２１】以上のように構成された圧電歪みセンサに
ついて、以下にその製造方法を説明する。

【００２２】まず、第１の工程として、平均粒径１μｍ
程度に粉砕したＰＺＴ（ＰｂＴｉＺｒＯ₃）を主成分と
した圧電セラミックス粉体に有機結合材を溶かした水を
加え、乳鉢で混練しながら造粒を行い、その後メッシュ
パスをして整流し、造粒粉を得る。得られた造粒粉と金
型を用いて１００ＭＰａ程度の圧力で成形し、ブロック
状の成形体を得る。得られた成形体を一度５００℃程度
の温度で熱処理し、成形体の有機成分を熱分解（脱脂）
し、その後８５０℃〜１３００℃の温度で本焼成を実施
する。得られた焼結体ブロックを厚み０．３ｍｍ程度に
ワイヤーソーなどを用いてスライスし、ダイシングマシ
ンなどを用いて所定の寸法に長さ、幅方向を切断する。

【００２３】第２の工程として、精密平面研磨機を用い
て厚み０．１０ｍｍになるまで加工し薄板状の圧電セラ
ミック１１を得る。

【００２４】第３の工程として、圧電セラミック１１を
触媒溶液に浸漬処理する。この浸漬処理はまず塩化第１
錫溶液に浸漬した後、塩化パラジウム溶液に浸漬する。
これにより、触媒溶液の塩化第１錫、塩化パラジウムの
一部が圧電セラミック１１の表面に付着することとな
る。

【００２５】第４工程として、圧電セラミック１１をニ
ッケルメッキ溶液に浸漬して無電解メッキを行い、圧電
セラミック１１の表面に第１及び第２の電極１２ａ，１
２ｂとなるニッケル薄膜を形成する。

【００２６】第５の工程として、メッキにより形成され
た電極の強度を向上するため２００℃程度の温度で熱処
理を行う。

【００２７】第６の工程として、ダイシングマシンを用
いて圧電セラミック１１の一方の端部側にニッケル薄膜
及びこのニッケル薄膜下部の圧電セラミック１１を切削
することにより溝１３を形成し、他方の端部を切断す
る。

【００２８】この溝１３により、ニッケル薄膜が二つに
分割され、表面が平坦な第１及び第２の電極１２ａ，１
２ｂが形成される。またこの溝１３の形成部以外の圧電
セラミック１１の表裏面全体が第１及び第２の電極１２
ａ，１２ｂで覆われている。さらに溝１３の幅は、圧電
セラミック１１の厚みよりも大きくする。

【００２９】第７の工程として、機械加工で得られた第
１の電極１２ａと第２の電極１２ｂ間に、１００℃程度
のシリコンオイル中で圧電セラミック１１の厚み１ｍｍ
当たり２〜４ｋＶの電圧を２０〜３０分程度印加し、圧
電セラミック１１の厚み方向に飽和分極処理を行う。

【００３０】第８の工程として、この圧電セラミック１
１をダイシングマシンなどで幅方向に切断し、図１、図
２に示すような圧電歪みセンサを得る。

【００３１】以上のように本実施の形態１における圧電
歪みセンサは、第１及び第２の電極１２ａ，１２ｂの圧
電セラミック１１の表面に溝１３を設けることにより、
分極方向が前記圧電セラミック１１の表面に垂直でない
方向の領域が小さくなるので、縦振動モードによる歪み
検知を抑制し、高精度に被検知物の歪みを検知できる圧
電歪みセンサを得ることができる。

【００３２】また第１の電極１２ａ及び第２の電極１２
ｂをメッキにより設けることにより、印刷等に比べて電
極表面が平坦になる。従って被検知物に接着剤等を用い
て圧電歪みセンサを固定する場合に圧電歪みセンサの一
部に応力が集中することを防止でき、その結果第１及び
第２の電極１２ａ，１２ｂの表面の凹凸に起因する圧電
歪みセンサの破損を抑制することができるという効果も
奏する。

【００３３】また特に溝１３の幅を圧電セラミック１１
の厚みより大きくすることにより、分極工程において、
圧電セラミック１１の厚み方向に発生する電界強度よ
り、溝１３を介して発生する第１の電極１２ａと第２の
電極１２ｂ間の電界強度を小さくすることができ、また
さらに沿面距離も長くなるため、分極時のリークなどを
防止することができるという効果も奏する。

【００３４】また特に圧電セラミック１１の表裏面にお
いて、溝１３の不形成部の全体に第１の電極１２ａ及び
第２の電極１２ｂを設けることにより、最も効率的に静
電容量を有することができ、その結果検知できる振動モ
ードの範囲も大きくすることができるという効果も奏す
る。

【００３５】また圧電セラミック１１の表面をメッキし
て金属層を形成し、その後エッチング処理を行うことに
より不要な金属層を除去して、第１及び第２の電極を得
る従来の製造方法では、圧電セラミックの表面に付着し
た触媒溶液中の塩化第１錫、塩化パラジウムが十分除去
できない場合があるが、機械的な切削で圧電セラミック
１１まで切削することにより、圧電セラミック１１の表
面に付着した触媒溶液中の塩化第１錫、塩化パラジウム
を確実に除去することができ、その結果、圧電セラミッ
ク１１の表面の前記第１の電極１２ａと前記第２の電極
１２ｂ間の絶縁に対する信頼性が向上するという効果も
奏する。

【００３６】尚本実施の形態１において、電極形成はニ
ッケルメッキによるものを説明したが、他の金属でも良
い。

【００３７】（実施の形態２）以下実施の形態２を用い
て、本発明の請求項６に記載の発明について説明する。
ここでは特に実施の形態１との差のみ記載する。

【００３８】図４、図５、図６は本発明の実施の形態２
における三種類の電子機器の断面図を示し、図において
１４は被検知物、１５はリード線を示す。

【００３９】以上のように構成された各電子機器につい
て以下にその製造方法を説明する。

【００４０】例えば被検知物１４の圧電歪みセンサが取
付けられる部分が導電性で無い場合、図４に示すように
第２の電極１２ｂを形成した圧電セラミック１１の裏面
が被検知物１４に接するように図中には省略しているが
例えばエポキシ系接着剤等を薄く塗布して取付ける。こ
の場合圧電セラミック１１の表面または側面の第１の電
極１２ａ及び第２の電極１２ｂに例えばリード線１５を
半田付けして外部回路と電気的接続が取れるようにす
る。

【００４１】また、被検知物１４の圧電歪みセンサが取
付けられる部分に例えば第１及び第２の電極１２ａ，１
２ｂに対応する金属配線パターンがある場合、図５に示
すように溝１３のある圧電セラミック１１の表面を被検
知物１４側にして、図中には省略しているが例えばエポ
キシ系接着剤等を薄く塗布して電気的接続がとれるよう
に接着する。この場合、被検知物１４の金属配線パター
ンを介して圧電歪みセンサと外部回路との電気的接続を
とる。

【００４２】また、被検知物１４の圧電歪みセンサが取
付けられる部分が例えば金属板のように導電性ではある
が、第１及び第２の電極１２ａ，１２ｂに対応する金属
配線パターンが存在しない場合、図６に示すように圧電
セラミック１１の裏面を被検知物１４に図中には省略し
ているが例えばエポキシ系接着剤等を薄く塗布して第２
の電極１２ｂと被検知物１４との電気的接続がとれるよ
うに接着する。この場合第１の電極１２ａには例えばリ
ード線１５を半田付けし、被検知物１４とリード線１５
を介して圧電歪みセンサと外部回路との電気的接続をと
る。

【００４３】さらに図４〜図６のいずれの場合も、被検
知物１４と圧電歪みセンサとの接着の信頼性を向上する
ため、取付け後に圧電歪みセンサ全体をさらに接着剤で
覆うように固定することで接着の信頼性を向上させるこ
とができる。

【００４４】以上のように本実施の形態２における電子
機器は、圧電歪みセンサの電極形成面を被検知物１４の
表面に取付けた電子機器であり、圧電歪みセンサとして
圧電セラミック１１と、この圧電セラミック１１の表面
に設けた第１の電極１２ａと、圧電セラミック１１の表
面から裏面に至るように設けた第２の電極１２ｂと、圧
電セラミック１１の表面において第１の電極１２ａと第
２の電極１２ｂの間の圧電セラミック１１に溝を有する
ものである。これにより圧電セラミック１１の表面に垂
直でない方向に分極された圧電セラミック１１の領域を
減少させることにより、不要振動モードである縦振動モ
ードの影響を抑制し、高精度に被検知物１４の歪みを検
知することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電セラミック
と、この圧電セラミックの表面に設けた第１の電極と、
前記圧電セラミックの表面から裏面に至るように設けた
第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極
の間の前記圧電セラミックには溝を有する圧電歪みセン
サであり、分極方向が前記圧電セラミックの表面に垂直
でない方向の領域の形成は抑制され、縦振動モードによ
る歪み検知を抑制し、高精度に被検知物の歪みを検知で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における圧電歪みセンサ
の斜視図

【図２】図１に示す圧電歪みセンサのＡ−Ｂ間の断面図

【図３】図２に示す圧電歪みセンサの溝部分の拡大図

【図４】本発明の実施の形態２における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図５】本発明の実施の形態２における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図６】本発明の実施の形態２における圧電歪みセンサ
を用いた電子機器の要部の断面図

【図７】従来の圧電部品の断面図

【図８】図７に示す圧電部品の要部の拡大断面図

【符号の説明】

１１ 圧電セラミック １２ａ 第１の電極 １２ｂ 第２の電極 １３ 溝 １４ 被検知物 １５ リード線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックと、この圧電セラミック
   の表面に設けた第１の電極と、前記圧電セラミックの表
   面から裏面に至るように設けた第２の電極とを備え、前
   記第１の電極と前記第２の電極の間の前記圧電セラミッ
   クには溝を有する圧電歪みセンサ。
2. 【請求項２】 第１の電極及び第２の電極の表面は平坦
   である請求項１に記載の圧電歪みセンサ。
3. 【請求項３】 溝の幅は圧電セラミックの厚みより大き
   くした請求項１に記載の圧電歪みセンサ。
4. 【請求項４】 圧電セラミックの表裏面において、溝不
   形成部の全体に第１の電極及び第２の電極を設けた請求
   項１に記載の圧電歪みセンサ。
5. 【請求項５】 圧電セラミックの表面から裏面に至るよ
   うに金属層を形成し、次に前記圧電セラミックの表面の
   金属層及びこの金属層の下方の圧電セラミックの一部を
   機械的に切削することにより、表面の第１の電極と表面
   から裏面に至る第２の電極を形成する第２の工程とを備
   えた圧電歪みセンサの製造方法。
6. 【請求項６】 被検知物と、この被検知物の表面に設け
   た圧電歪みセンサとを備え、前記圧電歪みセンサは、圧
   電セラミックと、この圧電セラミックの表面に設けた第
   １の電極と、前記圧電セラミックの表面から裏面に至る
   ように設けた第２の電極と、前記第１の電極と前記第２
   の電極の間の前記圧電セラミックに溝を有するものであ
   り、前記圧電セラミックの表面あるいは裏面を前記被検
   知物に固定した電子機器。