JP2007067125A - 単板型圧電バイモルフ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のバイモルフは２枚の圧電セラミックスを貼り付けるか、または積層法で一体焼結する工程が必要なので、コストと工数が掛かったが、これらの問題を解決する。
【解決手段】 Sr−Bi−Nb系圧電セラミック基板からなり、当該圧電セラミック板は厚み方向に交流電圧が印加されて、厚み方向の中央部を境に分極方向が逆方向となっており、当該基板の表裏面にそれぞれ電極が形成される。これによって、圧電バイモルフ素子や、厚み縦振動の２次高調波モードが励振される振動子等として利用することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は圧電バイモルフ素子の構造に係るもので、単板の圧電バイモルフ素子の構造に関するものである。

圧電バイモルフは屈曲振動子や、大変位アクチュエーター、ショックセンサ、微小電力発電機、圧電ジャイロなど幅広い分野に使われている。図11は従来用いられている直列型バイモルフの構造を示すものである。これは、ともに板状とされた一対の圧電セラミック板１からなり、圧電セラミック板１同士が中間電極４を介したうえで対面して接合され、主表面のそれぞれ上に電極２、３が形成されたものとなっている。なお、各々の板厚方向に他方側とは逆となる向き（図中、矢印で示す）に厚み方向に沿って分極されたものである。従来の圧電バイモルフ素子は２枚の圧電セラミックスを中間電極を介して貼り付けるか、または積層法で内部にＰｔなどの耐熱貴金属電極を一体焼結する工程が必要となるので、コストと工数が掛かる。
特開平６−１７７４４８ 特開平８−２９３６３２

従来のバイモルフは２枚の圧電セラミックスを貼り付けるか、または積層法で一体焼結する工程が必要なので、コストと工数が掛かる。本発明は、これらの問題を回避して単板のセラミックスで構成されたバイモルフの提供を目的としている。

本発明は、材料と分極方法を選択することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、層状結晶構造を有するSr−Bi−Nb系圧電セラミック基板からなり、当該圧電セラミック板は厚み方向に交流電圧が印加されて、厚み方向の中央部を境に分極方向が逆方向となっており、当該基板の表裏面にそれぞれ電極が形成されたことに特徴を有するものである。

本発明によれば、ビスマス層状構造強誘電体を用いて、単板で屈曲振動を励振させることでき、２枚の単板を貼り合わせたり、内部電極を形成したりすることを必要とせず、工数やコストを削減し、屈曲振動子や、大変位アクチュエーター、ショックセンサ、微小電力発電機、圧電ジャイロなどを作製することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。まず、本発明による圧電単板基板の製造方法について説明する。ＳｒＣＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５等の原料粉末を所定の組成となるように秤量し、ボールミル等を用いて２０時間湿式混合した。これらの混合粉末を７５０〜１０００℃で仮焼し、この仮焼物を平均粒径が１μｍ以下となるように粉砕した。この粉砕物を乾燥した後、これにバインダーを加えて造粒し、これを成形し、焼成することにより本発明による材料を得た。本発明による圧電単板基板は、焼成した22ｍｍ角板状の磁器を厚さが192μｍになる様に研磨した後、両面に全面Ａｇ電極を形成し、次いで、絶縁オイル中において、温度が120〜250℃、電界が７〜15ｋＶ／ｍｍ、時間が５分〜３時間の条件で厚み方向に交流印加を施すことで得られる。

図１にＸＲＤ波形を示す。ビスマス層状構造強誘電体のＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックス単一ピークであることが確認できる。なお、ビスマス層状強誘電体が主結晶構造であればよく、一部，ペロブスカイト構造やパイロクロア構造が副結晶構造として含まれていてもよい。本発明による圧電単板基板において、従来のＤＣ分極の場合、図２に示すように、厚み縦振動の基本振動（1次厚みモード）が励振され、厚み縦振動の２次高調波振動（２次厚みモード）が励振されないが、ＡＣで分極すると、図３に示すように１次厚みモードが消えると同時に２次厚みモードが強く励振された。

ここで、圧電解析の結果より、１次厚みモードがなく、２次厚みモードが生じるのは、図４に示すように、厚みの真中あたりを境にドメイン方向（分極方向）が対向するようになっているほかに得られないことが分かる。反転ドメインの場合、厚み方向の半分は、分極方向が同一であり、半分の部に関しては，厚み縦振動モードが従来のＤＣ分極の場合と同じはずである。ここで、厚み＝192μｍのＡＣ分極素子の片面を研磨することで半分の96μｍとし、無加熱スパッタ法で金電極を付けた。その結果、図５に示すように、２次厚みモードが消えると同時に１次厚みモードが励振され、厚み方向の半分はＤＣ分極品と同じように分極方向が同一であるを明らかになった。反転するドメインは構造上、直列型バイモルフと同じとなるので、屈曲振動が励振されるはずである。逆に、屈曲振動を励振できれば、それはドメイン反転の証拠となる。

シミュレーションの結果より、厚み192μｍ、辺長22ｍｍの正方形板の屈曲振動は１．９ｋＨｚの周辺にある。図６は実測のインピーダンス特性を示す。ＤＣ分極品には共振が見られなかったが、ＡＣ分極品には共振が現れた。それが屈曲振動かどうかを確認するために、圧電素子の表面に1500＃のＳｉＣ粉末を載せて、20〜25Ｖｐｐの電圧で駆動してみた。図７に示す粉末の振動パターンはシミュレーションと一致する環状節点が現れ、最大振幅点は中央にあり、屈曲振動であることが間違いないことが分かった。一方、圧電解析の結果より、Ｌ22ｍｍＷ５ｍｍＴ192μｍの長方形板の屈曲振動は１．７ｋＨｚ周辺にある。図８に実測のインピーダンス特性を示す。ＤＣ分極品にはその辺共振が見られなかったが、ＡＣ分極品には共振が現れた。図９に示す粉末の振動パターンから、最大振幅点は中央にあり、中央部の両側に二つの振動節点が現れ、これは長方形板の屈曲振動であることが確認された。

上記屈曲振動の逆効果とし、サンプルを機械的に曲げることにより発電することができる。図10はＡＣで分極したサンプル（Ｌ22ｍｍＷ５ｍｍＴ192μｍ）を湾曲させた時の上部電極の出力電位方向を示す。ＡＣ分極品は僅かの湾曲で電圧が発生したのに対し、ＤＣ分極品はほとんど出力しなかった。また、湾曲方向と生じた電位差方向の関係から、ＡＣ分極による逆方向分極は図4（ｂ）に示すend-to-end構造であることが分かった。

本発明は、屈曲振動子や、大変位アクチュエーター、ショックセンサ、微小電力発電機、圧電ジャイロ等広範に利用することができる。

材料のＸＲＤ波形図 ＤＣ分極の場合の厚み縦振動のインピーダンス特性の説明図 ＡＣ分極の場合の厚み縦振動のインピーダンス特性の説明図 本発明による圧電バイモルフの構造の説明図 ＡＣ分極のものの片側を削った場合の厚み縦振動のインピーダンス特性の説明図 正方形板の屈曲振動のインピーダンス特性の説明図 その屈曲振動パターンの写真 長方形板の屈曲振動のインピーダンス特性の説明図 その屈曲振動パターンの写真 湾曲時の出力電圧の説明図 従来の圧電バイモルフの構造の説明図

符号の説明

１：圧電セラミック板
２，３：電極
４：中間電極

Claims (4)

1. 層状結晶構造を有するSr−Bi−Nb系圧電セラミック基板からなり、
   厚み方向の中央部を境に分極方向が逆方向となっており、
   当該基板の表裏面にそれぞれ電極が形成された単板型圧電バイモルフ素子。
2. 層状結晶構造を有するSr−Bi−Nb系圧電セラミック基板からなり、
   当該圧電セラミック板は厚み方向に交流電圧が印加されて、厚み方向の中央部を境に分極方向が逆方向となっており、
   当該基板の表裏面にそれぞれ電極が形成された単板型圧電バイモルフ素子。
3. 圧電セラミック基板の材料の主組成がSrBi₂Nb₂O₉である請求項１記載の単板型圧電バイモルフ素子。
4. 逆方向分極構造を有する単板型厚み縦振動2次高調波モード共振子となる請求項１、請求項2ないし請求項３記載の圧電バイモルフ素子。

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