JP3138190B2 - 複合圧電体および複合圧電振動子 - Google Patents

複合圧電体および複合圧電振動子

Info

Publication number
JP3138190B2
JP3138190B2 JP07195212A JP19521295A JP3138190B2 JP 3138190 B2 JP3138190 B2 JP 3138190B2 JP 07195212 A JP07195212 A JP 07195212A JP 19521295 A JP19521295 A JP 19521295A JP 3138190 B2 JP3138190 B2 JP 3138190B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
composite
composite piezoelectric
zirconia
zirconia fibers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP07195212A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH0946792A (ja
Inventor
修一 福岡
一隆 内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP07195212A priority Critical patent/JP3138190B2/ja
Publication of JPH0946792A publication Critical patent/JPH0946792A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3138190B2 publication Critical patent/JP3138190B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合圧電体および
複合圧電振動子に関するもので、例えば、圧力,超音波
などを検出するセンサー、ラジュバン型変成器、フィル
ター、発振子、及びブザー,ポンプ,スピーカー,バイ
モルフ,ユニモルフなどの印加電圧に応じて収縮振動す
るアクチュエータなどに用いられる複合圧電体および複
合圧電振動子に関するものである。
【0002】
【従来技術】従来から、圧電センサやラジュバン型変成
器などに用いられる複合圧電振動子としては、圧電粒子
とポリマーなどの高分子材料とを複合させた複合圧電振
動子などが知られていた。
【0003】また、圧電素子をフィルターとして使用す
る場合、保証減衰量を大きくしなければならないことか
ら、並列共振子に比べ直列共振子の容量を小さくするた
めに、直列共振子の電極を部分電極構造としていた。
【0004】さらに、ユニモルフやバイモルフ等のアク
チュエータは、金属板や特定のセラミックス基板上の少
なくとも一方の面上に圧電素子を形成して構成してい
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の圧電粒子と高分子とを複合させた複合圧電振動子
は、容量が小さくなることから比較的大きな圧電出力定
数を有するが、圧電歪定数が著しく小さくなるため、信
号を出し、信号を検出する両方の機能を同時に満足する
ことはできなかった。また、音響インピーダンスが小さ
くなることから、ハイパワー用として使えないなどの問
題があり、さらに、高分子を使用するが故、高温下にお
ける特性劣化などが問題視されていた。
【0006】次に、圧電素子をフィルターとして用いる
場合、保証減衰量を大きくしなければならないため、容
量が大きく異なる2種類の振動子が必要となる。そのた
め一方の振動子の容量を小さくするため部分電極構造と
していた。その結果、スプリアスやリップルが発生しフ
ィルターとしての所定の特性が得られないなどの問題が
あった。また、材料組成を異ならせ容量比を獲得する場
合、共振,反共振などの温度特性が非常に悪くなった
り、電気機械結合係数,機械的品質係数Qmなどの材料
物性が異なることによるフィルター波形の対象性が無く
なるなどの問題があり、単に容量のみを小さくすること
はできなかった。
【0007】また、バイモルフ,ユニモルフなどのアク
チュエータやラジュバン型変成器においては、金属ある
いはセラミックス基板上に接着剤を介して、圧電素子を
接合する方法が知られているが、金属板上に圧電素子を
形成する場合、圧電素子の焼成温度が約1200℃であ
ることから厚膜形成法による作製はできず、樹脂系の接
着剤による接合を行なわなければならないことから、小
型化が進むに従い、圧電素子の駆動時における振動の吸
収が接着層により起こり、所定の変位や高周波での駆動
ができないなどの問題があった。さらに、ハイパワー用
として使用する場合、接着強度が弱いという問題があっ
た。これを改善するため基板にアルミナやジルコニアな
どのセラミックスを用い、その上に圧電素子を熱接合す
る例が特開平3−128681号公報などによって開示
されている。しかしながら、このようなセラミックス基
板を用いる場合、金属に比べ弾性係数の一種である弾性
スティフネスが約2〜7倍も大きいため変位しにくく、
変位を大きくするには基板を著しく薄くしなければなら
ず、そのため作製が難しく取扱が非常に困難になり、ま
た大型化ができないなどの欠点を有していた。
【0008】本発明は、かかる従来の問題点に鑑み、圧
電素子の本来の機能を失うことなく容量のみを小さくす
ることで、大きな圧電出力定数と圧電歪定数を兼ね備え
た振動子を得ると共に、さらに圧電素子とほぼ同等な弾
性スティフネスを持ち、高い破壊靭性を有する複合圧電
体および複合圧電振動子を提供しようとするものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の複合圧電体は、
ジルコニア繊維と、該ジルコニア繊維間に分散された圧
電粒子とからなるものである。また、本発明の複合圧電
振動子は、ジルコニア繊維と、該ジルコニア繊維間に分
散された圧電粒子とからなる複合圧電体の両面に、それ
ぞれ電極を形成してなるものである。また、ジルコニア
繊維と、該ジルコニア繊維間に分散された圧電粒子とか
らなる複合圧電体の表面に、圧電体層とこれを挟持する
一対の電極とからなる圧電素子を設けたものである。
【0010】
【作用】本発明の複合圧電体および複合圧電振動子で
は、ジルコニア繊維間にPbZrTiO3 (PZT)や
PbTiO3 (PT)などの圧電粒子を分散させ焼き固
めてコンポジットを作製したため、全体に占めるジルコ
ニア量の増加に従い、誘電率を著しく小さくすることが
でき、フィルターとして用いた場合に補償減衰量を大き
くでき、共振,反共振などの温度特性を向上することが
できる。
【0011】また、圧電粒子の含有量が適量である場
合、電気機械結合係数をさほど低減させることなく誘電
率を小さくできることから、圧電センサやフィルターの
直列共振子などに有用な特性、例えば全面電極が可能と
なり、帯域内でのスプリアス等の発生を抑制することが
できる。
【0012】さらに、繊維ジルコニアと圧電粒子とをコ
ンポジットとした複合圧電体の場合、複合圧電体の持つ
比較的小さい弾性スティフネスとジルコニアの持つ高い
破壊靭性との組合せにより、バイモルフ,ユニモルフな
どのアクチュエータにおける圧電素子を載置するための
基板(シム板)として非常に優れた特性、例えば、撓み
やすく壊れにくい等の特性を示すようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の複合圧電振動子を図面を
用いて詳細に説明する。図1において、符合1は複合圧
電体であり、この複合圧電体1の両面には、例えば、
金,銀,銅等からなる電極2がそれぞれ形成され、本発
明の複合圧電振動子が構成されている。複合圧電体1
は、直径1〜30μmで、アスペクト比が5以上のジル
コニア繊維3と、このジルコニア繊維3間に分散された
平均結晶粒径0.5〜10μmの圧電粒子4とから構成
されている。
【0014】このような複合圧電振動子は、例えば、ジ
ルコニア繊維がランダムに絡み合った所定の厚みの繊維
集合体を作製し、そのジルコニア繊維集合体の上に、P
ZTを主成分とした圧電ペーストを塗布して繊維集合体
の間隙に圧電ペーストを含浸させた後、これを乾燥し、
1100〜1300℃で焼成し、複合圧電体を作製す
る。この複合圧電体は、例えば、ジルコニア繊維集合体
をPZTを主成分とする溶液中に浸し、冷間静水圧成形
法(CIP)により加圧成形して作製しても良い。
【0015】本発明では、ジルコニア繊維と圧電粒子と
を複合して複合圧電振動子を構成したため、ジルコニア
繊維の増加に伴い誘電率を小さくすることができるた
め、フィルターとして用いた場合に補償減衰量を大きく
でき、共振,反共振などの温度特性を向上することがで
きるとともに、圧電センサやフィルターの直列共振子な
どに有用な特性、例えば全面電極が可能となり、帯域内
でのスプリアス等の発生を抑制することができる。そし
て、圧電粒子の含有量を適量とすることにより、電気機
械結合係数をさほど低減させることなく誘電率を小さく
することができ、圧電センサやフィルターの直列共振子
などに有用な特性を得ることができる。
【0016】また、ジルコニア繊維と圧電粒子とをコン
ポジットとした複合圧電体の場合、複合圧電体の持つ比
較的小さな弾性スティフネスとジルコニアの持つ高い破
壊靭性との組合せにより、バイモルフ,ユニモルフなど
のシム板として、撓み易く壊れにくい等の非常に優れた
特性を示すことができる。
【0017】また、図2に示すように、ジルコニア繊維
と、このジルコニア繊維間に分散された圧電粒子とから
なる複合圧電体1の表面に、例えば、電極膜5により圧
電膜6を挟持してなる圧電素子7を設けると、ユニモル
フとして用いることができる。
【0018】さらに、図3に示すように、ジルコニア繊
維と、このジルコニア繊維間に分散された圧電粒子とか
らなる圧電材料により流体通路11を有するポンプ本体
13を形成し、上下の薄い複合圧電体1の表面に、例え
ば、電極膜5により圧電膜6を挟持してなる圧電素子7
を設けると、圧電ポンプとして用いることができる。
【0019】上下の薄い複合圧電体1のみをジルコニア
繊維と、このジルコニア繊維間に分散された圧電粒子と
からなる圧電材料により形成しても良い。尚、上記ユニ
モルフと圧電ポンプでは、電極膜5により圧電膜6を挟
持してなる圧電素子7を設けた例について説明したが、
必ずしも膜である必要はない。
【0020】
【実施例】
実施例1 直径が10μm、アスペクト比が10以上のジルコニア
繊維がランダムに絡み合った厚み150μmのジルコニ
ア繊維集合体を作製し、そのジルコニア繊維集合体上に
PZTを主成分とした圧電ペーストを塗布して、ジルコ
ニア繊維集合体の隙間に圧電ペーストを充填させた後、
これを乾燥し、1250℃で焼成し、複合圧電体を作製
した。
【0021】この後、両面に銀電極を焼付け分極処理を
施し、図1に示すような複合圧電振動子を作製した。こ
こで、複合圧電体のジルコニア繊維と圧電粒子との体積
比率を、ジルコニア繊維/圧電粒子=0/10,3/
7,6/4とした。これらの試料について、電子材料工
業会(EMAS)の規格化された測定法に基づき、比誘
電率,電気機械結合係数,圧電出力定数および弾性ステ
ィフネスを求めるとともに、破壊靱性を予亀裂導入破壊
試験法(SEPB)により測定し、その結果を表1に示
す。
【0022】
【表1】
【0023】この結果から明かなように、ジルコニア繊
維と圧電粒子との複合振動子を形成することで、大きな
圧電出力定数が得られ、さらに高い電気機械結合係数を
有しながら小さな比誘電率となることから、圧電センサ
やフィルターの直列共振子などの振動子用として、上記
したように、補償減衰量や温度特性の向上並びにスプリ
アスの発生の抑制等、有用な特性が得られることがわか
る。
【0024】また、圧電粒子の割合が少なくなるに伴い
基板の弾性スティフネスが12×1010N/m2 から1
7×1010N/m2 となり、また、破壊靱性値は0.8
MPa・m1/2 から3.2MPa・m1/2 と大きくな
り、圧電素子の比較的小さい弾性スティフネスを維持し
ながら破壊靭性を大幅に向上させることができたことが
わかる。
【0025】実施例2 実施例1の試料No.2と同様にして作製したジルコニア
繊維と圧電粒子からなる厚さ50μmの複合圧電体上
に、下部電極となる銀とパラジウムの混合ペーストを塗
布し、その上部にPZTを主成分とした圧電ペーストを
厚膜形成法により作製後、1200℃で焼成した。その
後、上部銀電極を蒸着により取り付けた後、分極処理を
行ない、図2に示すようなユニモルフを作製し、ユニモ
ルフとしての評価を行なった。評価はレーザー変位計に
より電圧印加時の変位量と1010回駆動後の変位量の変
化率(耐久性)とを測定することにより行った。
【0026】比較のため、厚さ50μmのY2 3 を3
モル%含有した部分安定化ジルコニア焼結体(YSZ)
の表面に、上記と同様の下部電極,圧電膜,上部電極か
らなる圧電素子を形成したものに対して、上記と同様に
評価を行った。
【0027】
【表2】
【0028】この表2により、圧電体をジルコニア(Y
SZ)としたときより、ジルコニア繊維と圧電粒子との
複合基板としたときのほうが、繰り返し駆動による耐久
性を劣化させることなく大きな変位が得られることがわ
かった。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ジルコニ
ア繊維中に圧電粒子を分散させ焼き固めたコンポジット
を構成することで、電気機械結合係数などの圧電性をさ
ほど劣化させることなく、誘電率を大きく低下させるこ
とができる。さらに圧電セラミックスとほぼ同等の弾性
スティフネスを保ちながら破壊靭性を大きく向上させる
ことができる。また、高分子などを用いないことから、
音響インピーダンスが高くハイパワー用振動子に有用な
特性が得られる。従って、センサー,フィルター,発振
子などの振動子として、さらにブザー,バイモルフ,ユ
ニモルフ,ポンプなどの基板用シム材として、優れた特
性を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合圧電振動子の断面模式図である。
【図2】本発明の複合圧電振動子を用いたユニモルフの
斜視図である。
【図3】本発明の複合圧電振動子を用いた圧電ポンプの
断面模式図である。
【符号の説明】
1・・・複合圧電体 2・・・電極 3・・・ジルコニア繊維 4・・・圧電粒子 5・・・電極膜 6・・・圧電膜 7・・・圧電素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H03H 9/17 H01L 41/18 101Z (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04R 17/00 G01L 1/16 H01L 41/09 H01L 41/18 H02N 2/00 H03H 9/17

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジルコニア繊維と、該ジルコニア繊維間に
    分散された圧電粒子とからなる複合圧電体。
  2. 【請求項2】ジルコニア繊維と、該ジルコニア繊維間に
    分散された圧電粒子とからなる複合圧電体の両面に、そ
    れぞれ電極を形成してなる複合圧電振動子。
  3. 【請求項3】ジルコニア繊維と、該ジルコニア繊維間に
    分散された圧電粒子とからなる複合圧電体の表面に、圧
    電体層とこれを挟持する一対の電極とからなる圧電素子
    を設けた複合圧電振動子。
JP07195212A 1995-07-31 1995-07-31 複合圧電体および複合圧電振動子 Expired - Fee Related JP3138190B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07195212A JP3138190B2 (ja) 1995-07-31 1995-07-31 複合圧電体および複合圧電振動子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07195212A JP3138190B2 (ja) 1995-07-31 1995-07-31 複合圧電体および複合圧電振動子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0946792A JPH0946792A (ja) 1997-02-14
JP3138190B2 true JP3138190B2 (ja) 2001-02-26

Family

ID=16337331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP07195212A Expired - Fee Related JP3138190B2 (ja) 1995-07-31 1995-07-31 複合圧電体および複合圧電振動子

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3138190B2 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103843365B (zh) * 2011-09-30 2016-08-17 富士胶片株式会社 电声转换膜、柔性显示器、声带麦克风以及乐器传感器
JP2014209730A (ja) * 2013-03-29 2014-11-06 富士フイルム株式会社 スピーカシステム
JP6071932B2 (ja) * 2013-04-01 2017-02-01 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム
JP6237456B2 (ja) * 2014-05-13 2017-11-29 株式会社豊田中央研究所 感歪抵抗ペーストおよび力学量センサ素子

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0946792A (ja) 1997-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1659643B1 (en) Piezoelectric/Electrostrictive device
US6515402B2 (en) Array of ultrasound transducers
JP4758998B2 (ja) 多重作用振動子を備えた圧電振動子
US6217979B1 (en) Piezoelectric/electrostrictive film element
US6208063B1 (en) Surface acoustic wave device having polycrystalline piezoelectric ceramic layers
CN108140723A (zh) 压电元件、压电传声器、压电谐振子以及压电元件的制造方法
JP3388176B2 (ja) 圧電センサ装置とそれを用いた電気的定数変化の検出方法
WO2003092915A2 (en) Array of membrane ultrasound transducers
JP3138190B2 (ja) 複合圧電体および複合圧電振動子
KR20050114163A (ko) 압전성 단결정을 이용한 압전형 패널 스피커
Yamada et al. Equivalent network representation for thickness vibration modes in piezoelectric plates with a linearly graded parameter
JP3419327B2 (ja) 磁器材料及び超音波探触子及び圧電振動子及びそれらの製造方法
Muralt Piezoelectrics in micro and nanosystems: solutions for a wide range of applications
JPH10173476A (ja) 音叉型圧電振動子
Hackenberger et al. Advanced piezoelectric materials for medical ultrasound transducers
Moffett et al. The effect of electrode stiffness on the piezoelectric and elastic constants of a piezoelectric bar
US6515401B1 (en) Piezoelectric resonator
CN209947874U (zh) 一种压电传感器
JP4605879B2 (ja) 圧電振動子
JP2001250995A (ja) 圧電体薄膜素子
Ichihashi et al. Design of (K, Na) NbO 3-Based Lead-Free Piezoelectric Sounder by Utilizing Different Material Properties from Pb (Zr, Ti) O 3
Ochoa et al. Vibration characteristic of cymbal type transducers
JP4578176B2 (ja) 圧電共振子及びフイルタ
JP6321562B2 (ja) 圧電磁器組成物、圧電素子および圧電振動装置
Gwirc et al. Characterization of porous thick film PZT composite for bilayer ultrasonic transducers

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081208

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091208

Year of fee payment: 9

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees