JP2001078471A - Piezoelectric transducer element - Google Patents

Piezoelectric transducer element

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JP2001078471A
JP2001078471A JP25213199A JP25213199A JP2001078471A JP 2001078471 A JP2001078471 A JP 2001078471A JP 25213199 A JP25213199 A JP 25213199A JP 25213199 A JP25213199 A JP 25213199A JP 2001078471 A JP2001078471 A JP 2001078471A
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piezoelectric
electrode
piezoelectric element
sheet
piezoelectric transducer
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Satoshi Araya
聡 新家
Koji Katsuragi
廣治 葛城
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Minolta Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the drive efficiency of a piezoelectric transducer element by eliminating element sections which do not contribute to the drive of the element by forming the element in a nearly solid columnar body. SOLUTION: First and second electrodes 11a and 12a are respectively formed on the surfaces of sheet-like first and second piezoelectric elements 11 and 12. The first and second piezoelectric elements 11 and 12 are laminated upon another, by facing the electrode nonforming surface of the element 11 opposite to the electrode forming surface of the element 12, and a nearly solid columnar body is formed by winding the laminate, so that spaces are hardly left in the central part. Then a piezoelectric transducer element 10 is obtained by baking the columnar body and polarizing the electrodes 11a and 12a by supplying a voltage across the electrodes 11a and 12a. Since spaces which do not contribute to the drive of the element 10 scarcely exist in the central part, the drive efficiency of the element 10 is improved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は圧電変換素子、特
にシート状の圧電材料を巻き上げて中実柱状体に形成し
た圧電変換素子の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric transducer, and more particularly to a structure of a piezoelectric transducer formed by winding a sheet-shaped piezoelectric material into a solid columnar body.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電変換素子を使用したアクチエータ
は、供給される電気エネルギを駆動力に変換する変換効
率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大き
く、また、駆動力を容易に制御できるため、カメラ、計
測機器、その他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決
めに利用されるようになつてきた。
2. Description of the Related Art An actuator using a piezoelectric conversion element has a high conversion efficiency for converting supplied electric energy into driving force, is small in size and light in weight, generates a large driving force, and easily controls the driving force. As a result, it has been used for driving and positioning of driven members of cameras, measuring instruments, and other precision machines.

【0003】このようなアクチエータで使用される駆動
源である圧電変換素子には、単位の圧電素子を複数枚積
層して構成したものがある。これは、単位の圧電素子に
発生する厚み方向の変位をできるだけ大きくして取り出
すためである。
Some of the piezoelectric transducers, which are driving sources used in such actuators, include a plurality of unitary piezoelectric elements stacked. This is because the displacement in the thickness direction generated in the unit piezoelectric element is taken out as large as possible.

【0004】単位の圧電素子を複数枚積層して構成した
圧電変換素子は、単位素子それぞれの表面に電極を設け
る工程、積層して接着する工程、各層の電極を結線する
工程という繁雑な作業を経て製造されるので、コストの
高いものであつた。
[0004] Piezoelectric transducers composed of a plurality of unitary piezoelectric elements laminated require the complicated steps of providing electrodes on the surface of each unit element, laminating and bonding, and connecting the electrodes of each layer. It is expensive because it is manufactured after passing through.

【0005】このため、表面に電極が形成された2枚の
薄板状の圧電素子を積層した積層体を中空筒状に巻いて
構成した圧電変換素子が提案されている。
[0005] For this reason, there has been proposed a piezoelectric conversion element formed by winding a laminate in which two thin plate-shaped piezoelectric elements each having electrodes formed on the surface thereof are stacked in a hollow cylindrical shape.

【0006】図13は、このような2枚の薄板状の圧電
素子を積層して筒状に形成した圧電変換素子の一例を示
す斜視図で、図14の(a)及び(b)は、その電極形
成面と積層状態を説明する図、図15は、円筒状に形成
された圧電変換素子の円筒軸方向の端面の状態を説明す
る平面図である。
FIG. 13 is a perspective view showing an example of a piezoelectric transducer formed by laminating such two thin plate-shaped piezoelectric elements into a cylindrical shape. FIGS. FIG. 15 is a plan view for explaining a state of an end face in a cylindrical axis direction of a piezoelectric transducer formed in a cylindrical shape.

【0007】圧電変換素子の製造工程を説明する。ま
ず、図14の(a)に示すように、薄板状に形成された
圧電セラミックスからなる第1の圧電素子101及び第
2の圧電素子102を準備する。ここで、第2の圧電素
子102の巻き取り方向の長さを第1の圧電素子101
よりも寸法dだけ長くしておく。
The manufacturing process of the piezoelectric transducer will be described. First, as shown in FIG. 14A, a first piezoelectric element 101 and a second piezoelectric element 102 made of a piezoelectric ceramic formed in a thin plate shape are prepared. Here, the length in the winding direction of the second piezoelectric element 102 is set to the first piezoelectric element 101.
Longer than the dimension d.

【0008】第1の圧電素子101の表面には第1電極
103を形成し、裏面は電極非形成面とする。また、第
2の圧電素子102の表面には第2電極104を形成
し、裏面は電極非形成面とする(図14の(a)参
照)。
A first electrode 103 is formed on the front surface of the first piezoelectric element 101, and the back surface is a surface on which no electrode is formed. Further, a second electrode 104 is formed on the front surface of the second piezoelectric element 102, and the back surface is an electrode non-formed surface (see FIG. 14A).

【0009】次に、図14の(b)に示すように、第1
の圧電素子101の電極非形成面と第2の圧電素子10
2の電極形成面が対向するように積層し、この積層体を
セルロースなどで作成した作業用の巻取り軸などを使用
して巻き取り、図13に示すような筒状体に構成する。
この後、所定の温度で焼成し、さらに分極処理して圧電
変換素子が焼成し完成する。焼成により作業用の巻取り
軸は焼失するから、筒状体の最も内側の部分に筒状の空
間が残ることになる。
Next, as shown in FIG.
Of the piezoelectric element 101 on which the electrode is not formed and the second piezoelectric element 10
The two electrodes are stacked so that the electrode forming surfaces face each other, and the stacked body is wound using a work winding shaft made of cellulose or the like to form a cylindrical body as shown in FIG.
Thereafter, the piezoelectric element is fired at a predetermined temperature and further subjected to a polarization treatment to fire and complete the piezoelectric transducer. Since the work take-up shaft is burned off by firing, a cylindrical space remains in the innermost part of the cylindrical body.

【0010】第1の圧電素子101の巻き取り方向の長
さを第2の圧電素子102の巻き取り方向の長さよりも
短くすることで、筒状に形成したとき、第1電極103
と第2電極104の端部がずれ、容易にそれ等の電極に
リード線103a及び104aを接続することができ
る。
By making the length of the first piezoelectric element 101 in the winding direction shorter than the length of the second piezoelectric element 102 in the winding direction, the first piezoelectric element
And the ends of the second electrodes 104 are shifted, and the lead wires 103a and 104a can be easily connected to those electrodes.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上記した構成の筒状体
の圧電変換素子では、図15に示すように、その構造か
ら筒状体の最も内側の部分に筒状の空間が残るため、第
2の圧電素子102は第1電極103と第2電極104
に挟まれない部分Xが生じる。この部分は圧電変換素子
の第1電極103と第2電極104の間に電圧を印加し
た場合も伸縮変位が発生せず、その外側に接触している
伸縮変位が発生する素子部分の伸縮変位を阻害するか
ら、圧電変換素子全体の伸縮変位性能を低下させる結果
となる。
In the cylindrical piezoelectric transducer having the above-described structure, as shown in FIG. 15, a cylindrical space remains in the innermost portion of the cylindrical body due to its structure. The second piezoelectric element 102 includes a first electrode 103 and a second electrode 104.
A portion X that is not sandwiched is generated. This portion does not cause expansion and contraction displacement even when a voltage is applied between the first electrode 103 and the second electrode 104 of the piezoelectric transducer, and the expansion and contraction displacement of the element portion in contact with the outside and where expansion and contraction occurs. As a result, the expansion / contraction performance of the entire piezoelectric conversion element is reduced.

【0012】この課題への対処としては、筒状体の最も
内側に位置する圧電素子102の両面に電極を形成する
ことで解決することができるが、その分だけ製造工程が
増えるという不都合が発生する。
This problem can be solved by forming electrodes on both surfaces of the piezoelectric element 102 located on the innermost side of the cylindrical body. However, there is a disadvantage that the number of manufacturing steps increases accordingly. I do.

【0013】また、筒状体の外径に比較して内側空間部
分の直径が大きい、即ち筒状体の外径に比較して筒状体
の厚みが薄い場合は、圧電変換素子に軸方向の負荷が加
わつた場合の座屈破壊や圧縮破壊に対する強度が不足す
るという不都合がある。
When the diameter of the inner space portion is larger than the outer diameter of the cylindrical body, that is, when the thickness of the cylindrical body is smaller than the outer diameter of the cylindrical body, the piezoelectric transducer is axially moved in the axial direction. However, there is an inconvenience that the strength against buckling fracture and compression fracture when a load of 1) is applied is insufficient.

【0014】さらに、圧電素子の表面に設けた電極は伸
縮変位を行うものではないから圧電素子の伸縮変位を阻
害するように作用する。圧電素子の厚みは薄いほど低電
圧で高い電界強度を得ることができるから駆動回路を構
成する上では有利となるが、圧電素子の厚みがその表面
に形成された電極の厚みに比較して薄い場合には、圧電
素子の伸縮変位が電極により阻害され、圧電変換素子全
体の伸縮変位性能を低下させる結果となる。この発明
は、上記課題を解決することを目的とするものである。
Further, since the electrodes provided on the surface of the piezoelectric element do not cause the expansion and contraction displacement, they act to inhibit the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element. The thinner the thickness of the piezoelectric element, the higher the electric field strength can be obtained at a lower voltage, which is advantageous in forming a drive circuit.However, the thickness of the piezoelectric element is thinner than the thickness of the electrodes formed on its surface. In this case, the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element is hindered by the electrode, resulting in a reduction in the expansion and contraction displacement performance of the entire piezoelectric conversion element. An object of the present invention is to solve the above problems.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するもので、請求項1の発明は、表面に電極が形成さ
れたセラミックス系圧電材料からなるシート状の圧電素
子を巻き上げ、中実柱状体に形成したことを特徴とする
圧電変換素子である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems. According to the first aspect of the present invention, a sheet-like piezoelectric element made of a ceramic-based piezoelectric material having electrodes formed on its surface is wound up, A piezoelectric conversion element formed in a columnar body.

【0016】そして、前記シート状の圧電素子は、表面
に第1電極が形成されたセラミックス系圧電材料からな
るシート状の第1の圧電素子と表面に第2電極が形成さ
れたセラミックス系圧電材料からなるシート状の第2の
圧電素子とから構成し、第1の圧電素子の電極非形成面
と第2の圧電素子の電極形成面とが対向するように積層
した積層体を巻き上げ、中実柱状体に形成するとよい。
The sheet-like piezoelectric element comprises a sheet-like first piezoelectric element made of a ceramic-based piezoelectric material having a first electrode formed on the surface thereof and a ceramic-based piezoelectric material having a second electrode formed on the surface thereof. A second piezoelectric element in the form of a sheet, and laminating the laminated body such that the electrode-free surface of the first piezoelectric element and the electrode-formed surface of the second piezoelectric element face each other, It is good to form in a columnar body.

【0017】また、前記シート状の圧電素子は、両面に
それぞれ第1電極及び第2電極が形成されたセラミック
ス系圧電材料からなるシート状の圧電素子から構成し、
これを巻取り方向の長さの略中央部で2つ折りした積層
体をその折り部を中心にして巻き上げ、中実柱状体に形
成してもよい。
Further, the sheet-shaped piezoelectric element comprises a sheet-shaped piezoelectric element made of a ceramic piezoelectric material having a first electrode and a second electrode formed on both surfaces, respectively.
The laminate may be folded into two at a substantially central portion of the length in the winding direction and wound up around the folded portion to form a solid columnar body.

【0018】そして、前記中実柱状体の中心部に僅かに
残る空間部の直径の中実柱状体の外径に対する比率を
0.15以下にするとよい。
The ratio of the diameter of the space portion slightly remaining at the center of the solid pillar to the outer diameter of the solid pillar is preferably 0.15 or less.

【0019】また、前記シート状の圧電素子の厚みに対
する表面に形成された電極の厚みの比率を0.1以下に
するとよい。
It is preferable that the ratio of the thickness of the electrode formed on the surface to the thickness of the sheet-like piezoelectric element is 0.1 or less.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を説
明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0021】[第1の実施の形態]図1は第1の実施の
形態の圧電変換素子の構成を示す斜視図、図2はその断
面図で、説明の都合上、圧電素子の厚みを拡大して示し
てある。
[First Embodiment] FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a piezoelectric transducer according to a first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof. For convenience of explanation, the thickness of the piezoelectric element is enlarged. Is shown.

【0022】第1の実施の形態の圧電変換素子10は、
薄板状に形成された圧電セラミックス系圧電材料からな
るシート状の第1の圧電素子11及び第2の圧電素子1
2の表面にそれぞれ第1電極11a及び第2電極12a
を形成し、第1の圧電素子11の電極非形成面と第2の
圧電素子12の電極形成面とを対向させて積層し、中心
部に殆ど空間の無いように巻き上げて略中実柱状体に形
成したものである。
The piezoelectric transducer 10 of the first embodiment is
Sheet-shaped first and second piezoelectric elements 11 and 1 made of a piezoelectric ceramic-based piezoelectric material formed in a thin plate shape
A first electrode 11a and a second electrode 12a
Are formed, and the electrode non-formed surface of the first piezoelectric element 11 and the electrode formed surface of the second piezoelectric element 12 are laminated so as to face each other. It is formed in.

【0023】圧電変換素子10の製造工程を説明する。
まず、第1の圧電素子11及び第2の圧電素子12の材
料としては、PZT(PbZrO3 ・PbTiO3 )を
主成分とする圧電セラミックスを使用する。このセラミ
ックス粉体を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合
し、ブレード等を使用して均一な平面に作成して一定の
厚さ、例えば20〜100μmの厚さに引き伸ばす。溶
剤を蒸発させて乾燥すると、グリーンシートと呼ばれる
柔軟性のあるシートを得ることができる。
The manufacturing process of the piezoelectric transducer 10 will be described.
First, as a material of the first piezoelectric element 11 and the second piezoelectric element 12, a piezoelectric ceramic mainly composed of PZT (PbZrO 3 .PbTiO 3 ) is used. This ceramic powder is mixed with a solvent, a dispersant, a binder, a plasticizer and the like, formed into a uniform plane using a blade or the like, and stretched to a certain thickness, for example, a thickness of 20 to 100 μm. When the solvent is evaporated and dried, a flexible sheet called a green sheet can be obtained.

【0024】次に、このグリーンシート(圧電素子)の
表面に、スクリーン印刷等の手段でペースト状の電極材
料、例えば白金(Pt)系、銀−パラジウム(Ag−P
d)系の電極材料を適当な樹脂バインダでペースト状に
した電極材料を、3〜7μmの厚さに印刷し(焼成後は
樹脂バインダが揮発して1〜3μm程度になる)、電極
を形成する。
Next, a paste-like electrode material, for example, platinum (Pt) -based, silver-palladium (Ag-P) is formed on the surface of the green sheet (piezoelectric element) by screen printing or the like.
d) An electrode material obtained by converting the system electrode material into a paste with an appropriate resin binder is printed to a thickness of 3 to 7 μm (after firing, the resin binder volatilizes to about 1 to 3 μm) to form an electrode. I do.

【0025】表面に電極の形成されたグリーンシートを
所定の大きさに切断し、表面に第1電極11aが形成さ
れた第1の圧電素子11と、表面に第2電極12aが形
成された第2の圧電素子12とを作成する。
The green sheet having the electrode formed on the surface is cut into a predetermined size, and the first piezoelectric element 11 having the first electrode 11a formed on the surface and the first piezoelectric element 11 having the second electrode 12a formed on the surface. Then, two piezoelectric elements 12 are formed.

【0026】第1の圧電素子11の電極非形成面と第2
の圧電素子12の第2電極12aが形成された面を対向
させて積層し、この積層体の端部を図3に示すように小
さく折り返し、折り返し部13を内側として、中心部に
殆ど空間が残らないように巻き上げて略中実柱状体に形
成する。
The electrode-free surface of the first piezoelectric element 11 and the second
The piezoelectric element 12 is laminated with the surfaces on which the second electrodes 12a are formed facing each other, and the end of the laminated body is folded back small as shown in FIG. It is wound up so that it does not remain and formed into a substantially solid columnar body.

【0027】図4は上記積層体を巻き上げるに適した巻
上装置の一例を示す断面図で、巻上装置15は円弧面1
6aを有する台16の上に、この円弧面16aに向けて
ばね等の適宜の付勢手段により押し付けられているロー
ラ17が配置された構造を備えている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a hoisting device suitable for winding the above-mentioned laminated body.
There is provided a structure in which a roller 17 which is pressed by a suitable urging means such as a spring toward the circular arc surface 16a is arranged on a base 16 having 6a.

【0028】図4に示すように、前記した第1の圧電素
子11と第2の圧電素子12からなる積層体の端部に形
成された折り返し部13を台16の円弧面16aとロー
ラ17との間に挟み、ローラ17を矢印w方向に回転す
ると、ローラ17が積層体を円弧面16aに押し付けて
いるので、積層体はその中心部に殆ど空間が残らずに巻
き上げられる。折り返し部13の内径は積層体の厚み以
下とし、可能な限り小さくする。
As shown in FIG. 4, the folded portion 13 formed at the end of the laminate composed of the first piezoelectric element 11 and the second piezoelectric element 12 is connected to the arcuate surface 16a of the base 16, the roller 17 and When the roller 17 is rotated in the direction of the arrow w and the roller 17 presses the laminate against the arcuate surface 16a, the laminate is wound up with little space left in the center thereof. The inner diameter of the folded portion 13 is equal to or less than the thickness of the laminate, and is as small as possible.

【0029】なお、積層体の端部に折り返し部13を形
成するに代えて、セルロースや合成樹脂など、積層体の
焼成と共に焼失する材料で構成した作業用の巻取り軸を
積層体の端部に接着或いは圧接して取り付け、巻き上げ
ることもできる。この場合、作業用の巻取り軸の直径は
出来るだけ小さくする。
Instead of forming the folded portion 13 at the end of the laminate, a work take-up shaft made of a material such as cellulose or synthetic resin, which is burned off when the laminate is fired, is connected to the end of the laminate. It can also be attached or pressed into contact with and wound up. In this case, the diameter of the working winding shaft is made as small as possible.

【0030】次に、この巻き上げられた積層体を所定の
温度条件で焼成し、第1電極11a及び第2電極12a
にそれぞれリード線11b及び12bを接続して所定の
直流高電圧を印加して分極させると、圧電変換素子10
が完成する。
Next, the rolled-up laminate is fired under a predetermined temperature condition, and the first electrode 11a and the second electrode 12a are fired.
Are connected to lead wires 11b and 12b, respectively, and are polarized by applying a predetermined high DC voltage.
Is completed.

【0031】焼成する温度条件は、例えば、図5に示す
ように、5時間程度かけて500℃まで序々に温度を高
め、500℃で一定時間焼成した後、最初から9時間後
に1200℃まで序々に温度を高める。さらに、120
0℃で約0.3時間焼成した後、6時間程度かけて常温
まで冷却する。
As shown in FIG. 5, for example, as shown in FIG. 5, the temperature is gradually increased up to 500 ° C. in about 5 hours, and after baking at 500 ° C. for a certain time, 9 hours after the beginning, it is gradually increased to 1200 ° C. To increase the temperature. In addition, 120
After baking at 0 ° C. for about 0.3 hours, it is cooled to room temperature over about 6 hours.

【0032】分極の方向はシート状の圧電素子の厚み方
向とし、例えば、60℃の環境において、第1電極11
a及び第2電極12aの間に1.5kV/mmの電圧を
20分間印加して分極させる。圧電素子を分極させるこ
とで、圧電変換素子10に筒状軸方向の変位を発生させ
ることができる。
The direction of polarization is the thickness direction of the sheet-like piezoelectric element.
A voltage of 1.5 kV / mm is applied between the first electrode a and the second electrode 12a for 20 minutes for polarization. By polarizing the piezoelectric element, displacement of the piezoelectric conversion element 10 in the cylindrical axial direction can be generated.

【0033】図6は、上記した圧電変換素子の中心部分
に残存した伸縮に関与しない空間部分(残存空間部)の
直径、即ち非伸縮部の直径と圧電変換素子の外径との比
率D(%)と変位量d(μm)との関係を調べた実験結
果を示す図である。なお、圧電変換素子の電極間には一
定電圧を印加して実験した。
FIG. 6 shows the diameter D of the space portion (remaining space portion) remaining in the center portion of the piezoelectric transducer and not involved in expansion and contraction, that is, the ratio D () between the diameter of the non-stretchable portion and the outer diameter of the piezoelectric transducer. FIG. 6 is a diagram showing an experimental result obtained by examining a relationship between%) and a displacement d (μm). The experiment was performed by applying a constant voltage between the electrodes of the piezoelectric transducer.

【0034】この実験結果から明らかなように、中心部
分に残存した非伸縮部の直径と圧電変換素子の外径との
比率Dが小さいほど、即ち圧電変換素子の外径に対して
中心部分の残存空間部が小さい程大きな変位量dが得ら
れ、印加電圧に対する発生変位の大きさを示す変換効率
が良いことがわかる。
As is clear from the experimental results, the smaller the ratio D between the diameter of the non-stretchable portion remaining in the central portion and the outer diameter of the piezoelectric transducer, that is, the smaller the ratio of the outer diameter of the piezoelectric transducer to the center of the piezoelectric transducer. It can be seen that a larger displacement d is obtained as the remaining space is smaller, and that the conversion efficiency indicating the magnitude of the generated displacement with respect to the applied voltage is better.

【0035】[第2の実施の形態]図7は第2の実施の
形態の圧電変換素子の構成を示す斜視図、図8はその断
面図で、説明の都合上、圧電素子の厚みを拡大し、また
積層体相互の間に僅かの間隔を設けて示してあるが、実
際には積層体相互は密着している。
[Second Embodiment] FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a piezoelectric conversion element according to a second embodiment, and FIG. 8 is a cross-sectional view thereof. For convenience of explanation, the thickness of the piezoelectric element is enlarged. Although a small space is provided between the laminates, the laminates are actually in close contact with each other.

【0036】第2の実施の形態の圧電変換素子20は、
薄板状に形成された圧電セラミックス系圧電材料からな
る1枚のシート状の圧電素子21の表裏両面にそれぞれ
第1電極21aと第2電極21bを形成し、この圧電素
子を長手方向の略中央部分で折り返して積層し、折り返
し部23を中心として中心部分に殆ど空間が残らないよ
うに巻き上げて略中実柱状体に形成したものである。
The piezoelectric transducer 20 of the second embodiment is
A first electrode 21a and a second electrode 21b are respectively formed on the front and back surfaces of a single sheet-shaped piezoelectric element 21 made of a piezoelectric ceramics-based piezoelectric material formed in a thin plate shape. And is wound up so that almost no space remains in the center portion around the folded portion 23 to form a substantially solid columnar body.

【0037】従つて、積層部分では圧電素子21の第1
電極21aと折り返された圧電素子21の第1電極21
aとが相互に対向して接触し、同様に第2電極21bも
相互に対向して接触することになる。
Therefore, the first portion of the piezoelectric element 21
The electrode 21a and the first electrode 21 of the folded piezoelectric element 21
a and oppose each other, and similarly, the second electrode 21b also opposes and contacts each other.

【0038】圧電素子21の材料やグリーンシートの作
成、及び電極材料や電極の形成等は第1の実施の形態の
ものと同じであるから、ここでは説明を省略する。
Since the material of the piezoelectric element 21 and the formation of the green sheet and the formation of the electrode material and the electrode are the same as those of the first embodiment, the description is omitted here.

【0039】表裏両面に第1電極21aと第2電極21
bの形成されたグリーンシートを所定の大きさに切断
し、圧電素子21を作成する。
The first electrode 21a and the second electrode 21
The green sheet on which b is formed is cut into a predetermined size, and the piezoelectric element 21 is formed.

【0040】圧電素子21を、その長手方向の略中央部
分で折り返して積層し、折り返し部23を中心として中
心部分に殆ど空間が残らないように巻き上げて略中実柱
状体に形成する。巻き上げ作業は、第1の実施の形態の
場合と同じく、図4に示すような巻上装置15を使用す
ることができる。
The piezoelectric element 21 is folded and laminated at a substantially central portion in the longitudinal direction, and wound up so as to leave almost no space in the central portion with the folded portion 23 as a center, thereby forming a substantially solid columnar body. For the hoisting operation, a hoisting device 15 as shown in FIG. 4 can be used as in the case of the first embodiment.

【0041】次に、この巻き上げられた積層体を所定の
温度条件で焼成し、第1電極21a及び第2電極21b
にそれぞれリード線22a及び22bを接続して所定の
直流高電圧を印加して分極させると、圧電変換素子20
が完成する。
Next, the rolled-up laminate is fired under a predetermined temperature condition, and the first electrode 21a and the second electrode 21b are fired.
Are connected to lead wires 22a and 22b, respectively, and a predetermined DC high voltage is applied to polarize them.
Is completed.

【0042】第2の実施の形態の圧電変換素子20は中
心部分に伸縮に関与しない部分が存在しないから、巻き
上げの際に中心部分に残存空間部が生じても、印加電圧
に対する発生変位の大きさを示す変換効率には影響しな
いが、機械的強度の点からは中心部分に残存空間部のな
い中実柱状体構造が良い。
In the piezoelectric transducer 20 according to the second embodiment, since there is no portion not involved in expansion and contraction at the center portion, even if a residual space portion occurs at the center portion during winding, the magnitude of the displacement generated with respect to the applied voltage is large. Although it does not affect the conversion efficiency, which is a measure of mechanical strength, a solid columnar structure having no residual space at the center is preferred from the viewpoint of mechanical strength.

【0043】図9は、第2の実施の形態の圧電変換素子
20を半径方向に押圧して機械的強度を試験した実験結
果を示す図で、横軸は圧電変換素子の外径に対する中心
部分の巻残部の径との比率D(%)を、縦軸は押圧力T
(ニュートン)を示す。なお、実験に使用した圧電素子
の厚みは約40μm、電極の厚さは約3μmである。
FIG. 9 is a diagram showing the results of an experiment in which mechanical strength was tested by pressing the piezoelectric transducer 20 of the second embodiment in the radial direction. The abscissa represents the central portion with respect to the outer diameter of the piezoelectric transducer. And the vertical axis represents the pressing force T.
(Newton). The thickness of the piezoelectric element used in the experiment was about 40 μm, and the thickness of the electrode was about 3 μm.

【0044】この図から明らかなように、中心部分の巻
残空間部の径が圧電変換素子の外径に対し0.15倍よ
りも小さければ中実柱状体構造と同等の機械的強度が得
られることがわかる。
As is clear from this figure, if the diameter of the unwound space at the center is smaller than 0.15 times the outer diameter of the piezoelectric transducer, mechanical strength equivalent to that of the solid columnar structure can be obtained. It is understood that it is possible.

【0045】図10は、圧電変換素子の素材の厚みが変
位量に及ぼす影響を調べた実験結果を示す図で、横軸は
圧電素子の厚さに対する電極の厚さの比率、即ち電極厚
/圧電素子厚G(%)を、縦軸は変位量d(μm)を示
す。なお、圧電変換素子の印加電圧は圧電素子内で電界
強度が一定になるように調整した。
FIG. 10 is a diagram showing the results of an experiment in which the effect of the thickness of the material of the piezoelectric transducer on the amount of displacement was examined. The horizontal axis represents the ratio of the thickness of the electrode to the thickness of the piezoelectric element, ie, electrode thickness / electrode thickness. The piezoelectric element thickness G (%) is shown, and the vertical axis shows the displacement d (μm). The voltage applied to the piezoelectric transducer was adjusted so that the electric field strength was constant in the piezoelectric transducer.

【0046】この図から明らかなように、電極の厚さが
圧電素子の厚さの10%以下では、電極による変位阻害
がなく、大きな変位量が得られることが分かる。
As is apparent from this figure, when the thickness of the electrode is 10% or less of the thickness of the piezoelectric element, no displacement is hindered by the electrode, and a large displacement can be obtained.

【0047】次に、上記した圧電変換素子を使用したア
クチエータの構成を、図11及び図12を参照して説明
する。以下の説明では第1の実施の形態の圧電変換素子
10を使用したアクチエータで説明するが、第2の実施
の形態の圧電変換素子20を使用した場合も同様であ
る。
Next, the structure of an actuator using the above-described piezoelectric transducer will be described with reference to FIGS. In the following description, an actuator using the piezoelectric transducer 10 of the first embodiment will be described, but the same applies to a case where the piezoelectric transducer 20 of the second embodiment is used.

【0048】図11はアクチエータの構成を示す断面図
である。図11において、31は基台、32、33、3
4は支持ブロツク、35は駆動軸で、駆動軸35は、圧
電変換素子10に発生する軸方向の変位により軸方向
(矢印a方向、及びこれと反対方向)に変位可能に支持
ブロツク33と支持ブロツク34により移動自在に支持
されている。
FIG. 11 is a sectional view showing the structure of the actuator. In FIG. 11, 31 is a base, 32, 33, 3
Reference numeral 4 denotes a support block, and reference numeral 35 denotes a drive shaft. The drive shaft 35 is supported by the support block 33 so as to be displaceable in the axial direction (the direction of the arrow a and the direction opposite thereto) by the axial displacement generated in the piezoelectric transducer 10. It is movably supported by a block 34.

【0049】10は中実柱状体の圧電変換素子である。
圧電変換素子10の一端は支持ブロツク32に接着固定
され、他端は駆動軸35の一端に接着固定される。
Reference numeral 10 denotes a solid columnar piezoelectric transducer.
One end of the piezoelectric transducer 10 is adhesively fixed to the support block 32, and the other end is adhesively fixed to one end of the drive shaft 35.

【0050】なお、符号40は緩やかな立上がり部と急
速な立下がり部、或いは急速な立上がり部と緩やかな立
下がり部を有する鋸歯状波パルスを発生する駆動パルス
発生回路を示す。駆動パルス発生回路40は、圧電変換
素子10の電極11aと12aとの間に駆動パルスを供
給し、圧電変換素子10を駆動するものである。
Reference numeral 40 denotes a drive pulse generating circuit for generating a sawtooth pulse having a gentle rising portion and a rapid falling portion, or a rapid rising portion and a gentle falling portion. The drive pulse generation circuit 40 supplies a drive pulse between the electrodes 11 a and 12 a of the piezoelectric conversion element 10 to drive the piezoelectric conversion element 10.

【0051】36はスライダで、スライダ36と駆動軸
35とは適当な摩擦力で摩擦結合している。図12は、
スライダ36と駆動軸35との摩擦結合部の構成を示す
断面図で、スライダ36には駆動軸35が貫通してお
り、スライダ36の駆動軸35が貫通している下部に
は、開口部36aが形成され、駆動軸35の下半分が露
出している。また、この開口部36aには駆動軸35の
下半分に当接するパツド37が嵌挿され、パツド37は
板ばね38により押し上げられていて、駆動軸35とス
ライダ36及びパツド37は板ばね38の付勢力Fによ
り圧接され、適当な摩擦力で摩擦結合している。また、
スライダ36には、図示しないテーブル等の被駆動部材
が結合されているものとする。
Numeral 36 denotes a slider, and the slider 36 and the drive shaft 35 are frictionally coupled by an appropriate frictional force. FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a frictional coupling portion between the slider and the drive shaft 35. A drive shaft 35 penetrates the slider 36, and an opening 36a is formed in a lower portion of the slider 36 through which the drive shaft 35 penetrates. Are formed, and the lower half of the drive shaft 35 is exposed. A pad 37 which is in contact with the lower half of the drive shaft 35 is inserted into the opening 36a, and the pad 37 is pushed up by a leaf spring 38, and the drive shaft 35, the slider 36 and the pad 37 are connected to the leaf spring 38. They are pressed against each other by the urging force F, and are frictionally coupled by an appropriate frictional force. Also,
It is assumed that a driven member such as a table (not shown) is connected to the slider 36.

【0052】その動作を説明する。圧電変換素子10の
第1電極11aと第2電極12aを駆動パルス発生回路
40に接続し、第1電極11aと第2電極12aとの間
に数10kHzの鋸歯状波駆動パルスを印加すると、圧
電変換素子10には軸方向に伸縮変位が生じるので、圧
電変換素子10に結合した駆動軸35には軸方向に速度
の異なる往復振動が発生する。これにより駆動軸35に
摩擦結合したスライダ36は、駆動軸35上を滑りなが
ら駆動軸の往復振動の非対称性により速度の遅い振動方
向に移動し、スライダに結合されたテーブル等の被駆動
部材を移動させることができる。
The operation will be described. When the first electrode 11a and the second electrode 12a of the piezoelectric conversion element 10 are connected to the drive pulse generation circuit 40 and a sawtooth wave drive pulse of several tens of kHz is applied between the first electrode 11a and the second electrode 12a, Since the expansion and contraction displacement occurs in the conversion element 10 in the axial direction, reciprocating vibrations having different speeds in the axial direction occur in the drive shaft 35 coupled to the piezoelectric conversion element 10. As a result, the slider 36 frictionally coupled to the drive shaft 35 moves in the direction of slow vibration due to the asymmetry of the reciprocating vibration of the drive shaft while sliding on the drive shaft 35, thereby moving a driven member such as a table coupled to the slider. Can be moved.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の圧電変
換素子は、表面に電極が形成されたセラミックス系圧電
材料からなるシート状の圧電素子を巻き上げて構成した
ものであつて、その中心部分に殆ど空間が残らないよう
に巻き上げ、略中実柱状体に形成したことを特徴とする
ものである。
As described above, the piezoelectric transducer of the present invention is formed by winding up a sheet-like piezoelectric element made of a ceramic-based piezoelectric material having electrodes formed on the surface thereof. It is rolled up so that almost no space remains, and is formed into a substantially solid columnar body.

【0054】圧電変換素子を略中実柱状体に形成するこ
とにより、中心部分に伸縮変位に寄与しない空間部分が
殆どないから、圧電変換素子全体の伸縮変位性能を高め
ることができる。
By forming the piezoelectric conversion element in a substantially solid columnar shape, there is almost no space portion that does not contribute to expansion and contraction displacement at the center portion, so that the expansion and contraction displacement performance of the entire piezoelectric conversion element can be improved.

【0055】さらに、圧電変換素子を略中実柱状体に形
成することにより、外部から加わる荷重による座屈破壊
や圧縮破壊に対する強度を高めることができるなど、顕
著な作用効果を奏するものである。
Furthermore, by forming the piezoelectric conversion element in a substantially solid columnar body, a remarkable operational effect can be obtained, for example, the strength against buckling breakage and compression breakage due to an externally applied load can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す
斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a piezoelectric conversion element according to a first embodiment.

【図2】第1の実施の形態の圧電変換素子の断面図。FIG. 2 is a sectional view of the piezoelectric conversion element according to the first embodiment.

【図3】圧電素子積層体の端部に形成する折り返し部を
説明する斜視図。
FIG. 3 is a perspective view illustrating a folded portion formed at an end of the piezoelectric element laminate.

【図4】積層体を巻き上げる巻上装置の一例を示す断面
図。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a hoisting device that winds a laminate.

【図5】圧電変換素子の焼成温度条件の一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of firing temperature conditions for a piezoelectric conversion element.

【図6】圧電変換素子の中心部分の非伸縮部の直径と圧
電変換素子の外径との比率と変位量との関係を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the ratio of the diameter of the non-stretchable portion at the center of the piezoelectric transducer to the outer diameter of the piezoelectric transducer and the amount of displacement.

【図7】第2の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す
斜視図。
FIG. 7 is an exemplary perspective view showing the appearance of a piezoelectric transducer according to a second embodiment;

【図8】第2の実施の形態の圧電変換素子の断面図。FIG. 8 is a sectional view of a piezoelectric transducer according to a second embodiment.

【図9】圧電変換素子の機械的強度に関する実験結果を
示す図。
FIG. 9 is a diagram showing an experimental result regarding mechanical strength of a piezoelectric transducer.

【図10】圧電変換素子の素材の厚みと変位量に関する
実験結果を示す図。
FIG. 10 is a view showing experimental results regarding the thickness and displacement of the material of the piezoelectric transducer.

【図11】圧電変換素子を使用したアクチエータの構成
を示す断面図。
FIG. 11 is a sectional view showing a configuration of an actuator using a piezoelectric transducer.

【図12】アクチエータのスライダと駆動軸との摩擦結
合部の構成を示す断面図。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a frictional coupling portion between a slider of an actuator and a drive shaft.

【図13】従来の2枚の薄板状の圧電素子を積層して筒
状に形成した圧電変換素子の一例を示す斜視図。
FIG. 13 is a perspective view showing an example of a conventional piezoelectric transducer formed by laminating two thin plate-shaped piezoelectric elements into a cylindrical shape.

【図14】図13に示す従来の圧電変換素子の電極形成
面と積層状態を説明する図。
FIG. 14 is a view for explaining an electrode forming surface and a laminated state of the conventional piezoelectric transducer shown in FIG.

【図15】図13に示す従来の圧電変換素子の円筒軸方
向の端面を説明する平面図。
FIG. 15 is a plan view illustrating an end face of the conventional piezoelectric transducer shown in FIG. 13 in a cylindrical axis direction.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 圧電変換素子 11 第1の圧電素子 12 第2の圧電素子 11a 第1電極 12a 第2電極 13 折り返し部 15 巻上装置 16 台 16a 円弧面 17 ローラ 20 圧電変換素子 21 圧電素子 21a 第1電極 21b 第2電極 23 折り返し部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric conversion element 11 1st piezoelectric element 12 2nd piezoelectric element 11a 1st electrode 12a 2nd electrode 13 Folding part 15 Hoisting device 16 units 16a Arc surface 17 Roller 20 Piezoelectric conversion element 21 Piezoelectric element 21a First electrode 21b The second electrode 23 folded part

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面に電極が形成されたセラミックス系
圧電材料からなるシート状の圧電素子を巻き上げ、中実
柱状体に形成したことを特徴とする圧電変換素子。
1. A piezoelectric conversion element wherein a sheet-like piezoelectric element made of a ceramic-based piezoelectric material having electrodes formed on its surface is wound up and formed into a solid columnar body.
【請求項2】 前記シート状の圧電素子は、表面に第1
電極が形成されたセラミックス系圧電材料からなるシー
ト状の第1の圧電素子と、表面に第2電極が形成された
セラミックス系圧電材料からなるシート状の第2の圧電
素子とからなり、第1の圧電素子の電極非形成面と第2
の圧電素子の電極形成面とが対向するように積層した積
層体を巻き上げ、中実柱状体に形成したことを特徴とす
る請求項1記載の圧電変換素子。
2. The sheet-like piezoelectric element has a first surface on its surface.
A first piezoelectric element in the form of a sheet made of a ceramic piezoelectric material having electrodes formed thereon, and a second piezoelectric element in the form of a sheet made of a ceramic piezoelectric material having a second electrode formed on the surface thereof have a first shape. Of the piezoelectric element having no electrode and the second
2. The piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein the laminated body is wound up and formed into a solid columnar body so that the electrode forming surface of the piezoelectric element faces the electrode.
【請求項3】 前記シート状の圧電素子は、両面にそれ
ぞれ第1電極及び第2電極が形成されたセラミックス系
圧電材料からなるシート状の圧電素子からなり、これを
巻取り方向の長さの略中央部で2つ折りした積層体をそ
の折り部を中心にして巻き上げ、中実柱状体に形成した
ことを特徴とする請求項1記載の圧電変換素子。
3. The sheet-shaped piezoelectric element comprises a sheet-shaped piezoelectric element made of a ceramic-based piezoelectric material having a first electrode and a second electrode formed on both surfaces thereof, and has a length in a winding direction. 2. The piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein the laminated body folded in two substantially at the center is wound up around the folded portion to form a solid columnar body.
【請求項4】 前記中実柱状体の中心部に僅かに残る空
間部の直径の中実柱状体の外径に対する比率が0.15
以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のい
ずれかに記載の圧電変換素子。
4. The ratio of the diameter of the space portion slightly remaining at the center of the solid columnar body to the outer diameter of the solid columnar body is 0.15.
The piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein:
【請求項5】 前記シート状の圧電素子の厚みに対する
表面に形成された電極の厚みの比率が0.1以下である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記
載の圧電変換素子。
5. The piezoelectric device according to claim 1, wherein the ratio of the thickness of the electrode formed on the surface to the thickness of the sheet-shaped piezoelectric element is 0.1 or less. Conversion element.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005312230A (en) * 2004-04-23 2005-11-04 Konica Minolta Holdings Inc Roll electromechanical conversion element

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