JP2909532B2 - 高温薄膜型振動センサー - Google Patents
高温薄膜型振動センサーInfo
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Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
と圧電性セラミックス薄膜とからなり、特に、小型およ
び高温下での高振動数の測定が要求される部位に使用す
るのに適した振動センサーに関するものである。
と圧電性セラミックス薄膜とからなり、特に、小型およ
び高温下での高振動数の測定が要求される部位に使用す
るのに適した振動センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高温ガスにさらされながら高速回転する
ガスタービンの羽翼、新幹線や自動車の車輪及び高温雰
囲気を生じるエンジンなどの異常を検知するためには、
小型で高温に耐え、しかも、測定振動数の上限が高い振
動センサーが要求される。このような要求を満たす振動
センサーとして、現在は、バルクセラミックスからなる
圧電体を用いた振動センサーが使用されているが、圧電
体がバルク状で、その両側から電極の役割を果たす金属
のブロック体で挟むような構造をとるために、センサー
全体の小型化には限界があり、高振動数の検知も難し
い。また、高いキュリー点を持つ化合物は単結晶体でな
ければ圧電特性が得られず、作製が困難でコストがかか
るなどの難点がある。したがって、現在では分極処理が
できる強誘電体のバルク体を使用し、その結果、振動セ
ンサーの作動温度は３００℃程度が限界である。
ガスタービンの羽翼、新幹線や自動車の車輪及び高温雰
囲気を生じるエンジンなどの異常を検知するためには、
小型で高温に耐え、しかも、測定振動数の上限が高い振
動センサーが要求される。このような要求を満たす振動
センサーとして、現在は、バルクセラミックスからなる
圧電体を用いた振動センサーが使用されているが、圧電
体がバルク状で、その両側から電極の役割を果たす金属
のブロック体で挟むような構造をとるために、センサー
全体の小型化には限界があり、高振動数の検知も難し
い。また、高いキュリー点を持つ化合物は単結晶体でな
ければ圧電特性が得られず、作製が困難でコストがかか
るなどの難点がある。したがって、現在では分極処理が
できる強誘電体のバルク体を使用し、その結果、振動セ
ンサーの作動温度は３００℃程度が限界である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、小型で
高温に耐え、高振動数が検知可能な振動センサーについ
て調べてきたが、電極を片側から取り出し、単結晶が得
られにくい高いキュリー点を持つ圧電体を薄膜化するこ
とにより、小型で、高温下で使用でき、高振動数の検知
が可能であることを見出した。本発明は、かかる知見に
基づくものであり、その技術的課題は、より小型でより
作動温度が高いうえに、高振動数の検知が可能な振動セ
ンサーを提供することである。
高温に耐え、高振動数が検知可能な振動センサーについ
て調べてきたが、電極を片側から取り出し、単結晶が得
られにくい高いキュリー点を持つ圧電体を薄膜化するこ
とにより、小型で、高温下で使用でき、高振動数の検知
が可能であることを見出した。本発明は、かかる知見に
基づくものであり、その技術的課題は、より小型でより
作動温度が高いうえに、高振動数の検知が可能な振動セ
ンサーを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の高温用薄膜型振動センサーは、酸化物系、炭
化物系、窒化物系またはホウ化物系セラミックスの燒結
体からなる基板上に、圧電性セラミックス薄膜を形成
し、圧電効果により発生する電圧及び／または電気容量
変化を取り出すための一対の電極を圧電性セラミックス
薄膜の片側にのみ付設したことを特徴とするものであ
る。上記高温薄膜型振動センサーにおいては、圧電性セ
ラミックス薄膜を、ペロブスカイト型酸化物、ＬｉＮｂ
Ｏ3 型酸化物またはウルツァイト型化合物のいずれかと
し、または、ｃ軸方向に配向した酸化亜鉛薄膜あるいは
ｃ軸方向に配向した窒化アルミニウム薄膜とするのがよ
り好ましい。
の本発明の高温用薄膜型振動センサーは、酸化物系、炭
化物系、窒化物系またはホウ化物系セラミックスの燒結
体からなる基板上に、圧電性セラミックス薄膜を形成
し、圧電効果により発生する電圧及び／または電気容量
変化を取り出すための一対の電極を圧電性セラミックス
薄膜の片側にのみ付設したことを特徴とするものであ
る。上記高温薄膜型振動センサーにおいては、圧電性セ
ラミックス薄膜を、ペロブスカイト型酸化物、ＬｉＮｂ
Ｏ3 型酸化物またはウルツァイト型化合物のいずれかと
し、または、ｃ軸方向に配向した酸化亜鉛薄膜あるいは
ｃ軸方向に配向した窒化アルミニウム薄膜とするのがよ
り好ましい。
【０００５】上記高温薄膜型振動センサーにおける圧電
性セラミックスとしては、キュリー点が１０００℃以上
であり、振動数が数１０００ＭＨｚ以上であるものが望
しい。このようにキューリー点が高いので、加工時や作
動時における温度上昇による電気分極の消滅を防ぐこと
ができる。バルクの薄膜化に加えて、圧電効果により発
生する電圧及び／または電気容量変化を取り出すための
一対の電極を圧電性セラミックス薄膜の片側にのみ付設
してあるので、一段と小型化に対処しやすい。上記電極
３を通じて取り出した電圧及び／または電気容量変化に
基づき、以下に示す実施例（図２）からわかるように、
振動数を検知することができる。
性セラミックスとしては、キュリー点が１０００℃以上
であり、振動数が数１０００ＭＨｚ以上であるものが望
しい。このようにキューリー点が高いので、加工時や作
動時における温度上昇による電気分極の消滅を防ぐこと
ができる。バルクの薄膜化に加えて、圧電効果により発
生する電圧及び／または電気容量変化を取り出すための
一対の電極を圧電性セラミックス薄膜の片側にのみ付設
してあるので、一段と小型化に対処しやすい。上記電極
３を通じて取り出した電圧及び／または電気容量変化に
基づき、以下に示す実施例（図２）からわかるように、
振動数を検知することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明の高温薄膜型振動センサー
においては、酸化物系、炭化物系、窒化物系またはホウ
化物系セラミックスの燒結体からなる基板を用いること
ができ、特にＳｉＣ（多結晶炭化ケイ素）を材料とする
基板が望ましいが、そのほかの炭化物系セラミックス基
板、例えば、Ｂ4 Ｃ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ，
ＨｆＣからなる基板や、酸化物系セラミックス基板、例
えば、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2 ，ＴｉＯ2 ，ＳｉＯ2 から
なる基板を使用でき、さらに、窒化物系セラミックス基
板、例えば、ｃＢＮ，ＡｌN ，ｉＴＮからなる基板、ま
た、ホウ化物系セラミックス基板、例えば、ＴｉＢ2 ，
ＺｒＢ2 ，ＣｒＢ2 ，ＭｏＢからなる基板を使用するこ
とができる。これらのセラミックス材料としては、耐熱
性に優れ、製造が容易で安価であるほか、硬度が高く、
緻密な特性を有するものが望まれる。
においては、酸化物系、炭化物系、窒化物系またはホウ
化物系セラミックスの燒結体からなる基板を用いること
ができ、特にＳｉＣ（多結晶炭化ケイ素）を材料とする
基板が望ましいが、そのほかの炭化物系セラミックス基
板、例えば、Ｂ4 Ｃ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ，
ＨｆＣからなる基板や、酸化物系セラミックス基板、例
えば、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2 ，ＴｉＯ2 ，ＳｉＯ2 から
なる基板を使用でき、さらに、窒化物系セラミックス基
板、例えば、ｃＢＮ，ＡｌN ，ｉＴＮからなる基板、ま
た、ホウ化物系セラミックス基板、例えば、ＴｉＢ2 ，
ＺｒＢ2 ，ＣｒＢ2 ，ＭｏＢからなる基板を使用するこ
とができる。これらのセラミックス材料としては、耐熱
性に優れ、製造が容易で安価であるほか、硬度が高く、
緻密な特性を有するものが望まれる。
【０００７】また、上記基板上に薄膜として形成する圧
電性セラミックスは、１０００℃以上の高キュリー点を
有し、且つ数１０００ＭＨｚ以上の高振動数にも対応で
きることが必要であるが、それらの特性を有するものを
圧電性セラミックスの材料から適宜選択することがで
き、具体的には、ペロブスカイ型酸化物、ＬｉＮｂＯ3
型酸化物、ウルツァイト型化合物がある。上記ペロブス
カイ型酸化物としては、ＰＺＴに金属酸化物を添加した
もの等があり、また、ウルツァイト型化合物としては、
ＡｌＮ，ＺｎＯ等がある。特に、ウルツァイト型化合物
であるＺｎＯ（酸化亜鉛）あるいはＡｌＮ（窒化アルミ
ニウム）で、ｃ軸方向に配向された薄膜は、基板が燒結
体であっても作製可能という点で有利なものである。
電性セラミックスは、１０００℃以上の高キュリー点を
有し、且つ数１０００ＭＨｚ以上の高振動数にも対応で
きることが必要であるが、それらの特性を有するものを
圧電性セラミックスの材料から適宜選択することがで
き、具体的には、ペロブスカイ型酸化物、ＬｉＮｂＯ3
型酸化物、ウルツァイト型化合物がある。上記ペロブス
カイ型酸化物としては、ＰＺＴに金属酸化物を添加した
もの等があり、また、ウルツァイト型化合物としては、
ＡｌＮ，ＺｎＯ等がある。特に、ウルツァイト型化合物
であるＺｎＯ（酸化亜鉛）あるいはＡｌＮ（窒化アルミ
ニウム）で、ｃ軸方向に配向された薄膜は、基板が燒結
体であっても作製可能という点で有利なものである。
【０００８】上記圧電性セラミックスの薄膜形成法とし
ては、物理的気相成長法（ＰＶＤ）に属するスパッタリ
ング法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティ
ング法、レーザー蒸着法、イオンビーム蒸着法及び真空
蒸着法などを利用することができる。また、化学的気相
成長法（ＣＶＤ）、ＭＯＣＶＤ法、溶射法やメッキ法、
ゾルゲル法とも呼ばれる塗布法などもある。更に、圧電
効果により発生する電圧等を取り出すための一対の電極
を圧電性セラミックス薄膜に付設するが、この電極は圧
電性セラミックス薄膜の片側にのみ付設すればよく、こ
れにより高温薄膜型振動センサーの小型化を達成するこ
とができる。
ては、物理的気相成長法（ＰＶＤ）に属するスパッタリ
ング法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティ
ング法、レーザー蒸着法、イオンビーム蒸着法及び真空
蒸着法などを利用することができる。また、化学的気相
成長法（ＣＶＤ）、ＭＯＣＶＤ法、溶射法やメッキ法、
ゾルゲル法とも呼ばれる塗布法などもある。更に、圧電
効果により発生する電圧等を取り出すための一対の電極
を圧電性セラミックス薄膜に付設するが、この電極は圧
電性セラミックス薄膜の片側にのみ付設すればよく、こ
れにより高温薄膜型振動センサーの小型化を達成するこ
とができる。
【０００９】図１は、本発明に係る高温薄膜振動センサ
ーの構成例を示すもので、１はセラミックス基板、２は
その上に形成した圧電性セラミックス薄膜、３は圧電効
果により発生する電圧及び電気容量変化を取り出すため
に圧電性セラミックス薄膜の片側のみに付設した一対の
電極を示している。
ーの構成例を示すもので、１はセラミックス基板、２は
その上に形成した圧電性セラミックス薄膜、３は圧電効
果により発生する電圧及び電気容量変化を取り出すため
に圧電性セラミックス薄膜の片側のみに付設した一対の
電極を示している。
【００１０】検知すべき振動数の範囲は、圧電性セラミ
ックス薄膜の膜厚によって調整することができ、その膜
厚が薄ければ薄いほど、高周波数まで対応させることが
できる。例えば、ＡｌＮの場合には、１μｍの膜厚でほ
ぼ６０００ＭＨｚまでの高振動数の検知が可能である。
また、圧電性セラミック薄膜を用いるので、十分に高温
での作動を期待することができる。
ックス薄膜の膜厚によって調整することができ、その膜
厚が薄ければ薄いほど、高周波数まで対応させることが
できる。例えば、ＡｌＮの場合には、１μｍの膜厚でほ
ぼ６０００ＭＨｚまでの高振動数の検知が可能である。
また、圧電性セラミック薄膜を用いるので、十分に高温
での作動を期待することができる。
【００１１】
【実施例】縦横が１７×１７mm，厚さが１mmの多結晶Ｓ
ｉＣ（炭化ケイ素）からなる燒結体の基板の表面を鏡面
研磨したうえで、十分に洗浄し、その基板上に、厚さ約
１ミクロンのＡｌＮ（窒化アルミニウム）の薄膜をスパ
ッタリング法により作製した。薄膜のＸ線回折パターン
から、それが結晶性に優れ、ｃ軸方向に配向しているこ
とがわかった。図２は、上記高温薄膜振動センサーを用
いて振動検知測定を行った結果を示すものである。薄膜
は振動周波数に対応して電圧を発生した。また、上記窒
化アルミニウム薄膜に代えて酸化亜鉛薄膜を用いた場合
も、ほぼ同様な結果が得られた。
ｉＣ（炭化ケイ素）からなる燒結体の基板の表面を鏡面
研磨したうえで、十分に洗浄し、その基板上に、厚さ約
１ミクロンのＡｌＮ（窒化アルミニウム）の薄膜をスパ
ッタリング法により作製した。薄膜のＸ線回折パターン
から、それが結晶性に優れ、ｃ軸方向に配向しているこ
とがわかった。図２は、上記高温薄膜振動センサーを用
いて振動検知測定を行った結果を示すものである。薄膜
は振動周波数に対応して電圧を発生した。また、上記窒
化アルミニウム薄膜に代えて酸化亜鉛薄膜を用いた場合
も、ほぼ同様な結果が得られた。
【００１２】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の高温用
薄膜型振動センサーによれば、小型で高温に耐え、高振
動数が検知可能な高周波数対応型の振動センサーを提供
することができる。
薄膜型振動センサーによれば、小型で高温に耐え、高振
動数が検知可能な高周波数対応型の振動センサーを提供
することができる。
【図１】本発明の高温用薄膜型振動センサーの構成例を
示す概略断面図である。
示す概略断面図である。
【図２】上記振動センサーを用いて振動検知測定を行っ
た結果を示すグラフである。
た結果を示すグラフである。
１ 基板 ２ 圧電性セラミックス薄膜 ３ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 忠彦 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地１ 工業技術院九州工業技術研究所内 (56)参考文献 特開 平７−257326（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−294920（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259472（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−31298（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01H 11/08 H01L 41/08
Claims (4)
- 【請求項１】酸化物系、炭化物系、窒化物系またはホウ
化物系セラミックスの燒結体からなる基板上に、圧電性
セラミックス薄膜を形成し、圧電効果により発生する電
圧及び／または電気容量変化を取り出すための一対の電
極を圧電性セラミックス薄膜の片側にのみ付設したこと
を特徴とする高温薄膜型振動センサー。 - 【請求項２】請求項１に記載の振動センサーにおいて、
圧電性セラミックス薄膜が、ペロブスカイト型酸化物、
ＬｉＮｂＯ3 型酸化物またはウルツァイト型化合物のい
ずれかであることを特徴とする高温薄膜型振動センサ
ー。 - 【請求項３】請求項１に記載の振動センサーにおいて、
圧電性セラミックス薄膜を、ｃ軸方向に配向した酸化亜
鉛薄膜としたことを特徴とする高温薄膜型振動センサ
ー。 - 【請求項４】請求項１に記載の振動センサーにおいて、
圧電性セラミックス薄膜を、ｃ軸方向に配向した窒化ア
ルミニウム薄膜としたことを特徴とする高温薄膜型振動
センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8298228A JP2909532B2 (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 高温薄膜型振動センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8298228A JP2909532B2 (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 高温薄膜型振動センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10122948A JPH10122948A (ja) | 1998-05-15 |
| JP2909532B2 true JP2909532B2 (ja) | 1999-06-23 |
Family
ID=17856897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8298228A Expired - Lifetime JP2909532B2 (ja) | 1996-10-21 | 1996-10-21 | 高温薄膜型振動センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2909532B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006058180A (ja) * | 2004-08-20 | 2006-03-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 高感度圧電素子 |
| JP2006084396A (ja) * | 2004-09-17 | 2006-03-30 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 圧電検出装置 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3706903B2 (ja) * | 2000-08-10 | 2005-10-19 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | フレキシブル高感度セラミックスセンサー |
| JPWO2004015385A1 (ja) * | 2002-08-09 | 2005-12-02 | ボッシュ株式会社 | 圧力センサー、圧力センサーの製造方法および内燃機関の筒内圧検出構造 |
| US7152482B2 (en) | 2002-10-01 | 2006-12-26 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Piezoelectric sensor and input device including same |
| JP4328853B2 (ja) | 2003-01-22 | 2009-09-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 圧電素子およびその製造方法 |
| US7642693B2 (en) | 2003-05-15 | 2010-01-05 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Wurtzite thin film, laminate containing wurtzite crystalline layer and their manufacturing methods |
| US8004423B2 (en) | 2004-06-21 | 2011-08-23 | Siemens Energy, Inc. | Instrumented component for use in an operating environment |
| JP5311728B2 (ja) * | 2005-08-23 | 2013-10-09 | キヤノン株式会社 | 圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド、及び液体吐出装置 |
-
1996
- 1996-10-21 JP JP8298228A patent/JP2909532B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006058180A (ja) * | 2004-08-20 | 2006-03-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 高感度圧電素子 |
| JP2006084396A (ja) * | 2004-09-17 | 2006-03-30 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 圧電検出装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10122948A (ja) | 1998-05-15 |
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