JP3470994B2 - Piezoelectric ceramic element - Google Patents
Piezoelectric ceramic elementInfo
- Publication number
- JP3470994B2 JP3470994B2 JP17289997A JP17289997A JP3470994B2 JP 3470994 B2 JP3470994 B2 JP 3470994B2 JP 17289997 A JP17289997 A JP 17289997A JP 17289997 A JP17289997 A JP 17289997A JP 3470994 B2 JP3470994 B2 JP 3470994B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- electrode
- electrodes
- piezoelectric ceramic
- piezoelectric element
- 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
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims description 29
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 26
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 15
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 12
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータ、圧
電トランス、圧電アクチュエータ等を構成する圧電セラ
ミックス素子に関し、さらに詳しくは、この圧電セラミ
ックス素子の表面に形成される電極（表面電極）の表面
隅角部の形状に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ceramic element that constitutes an ultrasonic motor, a piezoelectric transformer, a piezoelectric actuator, and the like, and more specifically, the surface of an electrode (surface electrode) formed on the surface of this piezoelectric ceramic element. It relates to the shape of the corner portion.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、この種の圧電セラミックス素子と
しては、例えば図８にその一例を示すように、圧電セラ
ミックス材料による圧電素子基材８２の表裏面に電極
（表面電極）８４を形成し（図８では、表面側の電極の
みを図示）、両電極間に直流高電圧を印加して分極処理
を施している。そして、電極８４間に電圧を印加するこ
とにより圧電素子基材８２にその分極に比例した内部歪
が発生し（逆圧電効果）、電圧の印加を解除することに
よりその歪が元に戻り、これの繰り返しにより圧電セラ
ミックス素子８０が圧電駆動（アクチュエート）される
ものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as a piezoelectric ceramic element of this type, as shown in an example in FIG. 8, electrodes (surface electrodes) 84 are formed on the front and back surfaces of a piezoelectric element substrate 82 made of a piezoelectric ceramic material ( In FIG. 8, only the electrode on the front surface side is shown), and a high DC voltage is applied between both electrodes to perform polarization treatment. Then, when a voltage is applied between the electrodes 84, an internal strain proportional to the polarization is generated in the piezoelectric element substrate 82 (inverse piezoelectric effect), and the strain is restored by canceling the voltage application. The piezoelectric ceramic element 80 is piezoelectrically driven (actuated) by repeating the above.
【０００３】ところでその圧電セラミックス素子８０の
表裏面に形成される電極８４（表面電極）は、従来一般
にその隅角部が角張った矩形形状をしていた。そのため
に、表裏面の電極８４間に電圧が印加されて圧電セラミ
ックス素子８０がアクチュエートされると、圧電素子基
材８２の電極８４が形成された領域部分と、その周辺の
電極８４が形成されていない領域部分との境界部分にせ
ん断応力が作用し、その境界部分に逆圧電効果による内
部歪が集中するという問題があった。By the way, the electrodes 84 (front surface electrodes) formed on the front and back surfaces of the piezoelectric ceramics element 80 have conventionally been generally in the shape of a rectangle with angular corners. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes 84 on the front and back surfaces to actuate the piezoelectric ceramics element 80, a region portion of the piezoelectric element base material 82 where the electrode 84 is formed and the electrode 84 around it are formed. There is a problem that shear stress acts on the boundary with the non-exposed region and the internal strain due to the inverse piezoelectric effect concentrates on the boundary.
【０００４】また、このように電極８４の隅角部が角張
った矩形形状をしていると、矩形電極の隣合う二つの隅
角部から圧電素子基材の電極が形成されていない部分の
中心部へ向かって亀裂８６が発生し、圧電素子の疲労強
度の低下を招来し、繰り返し使用によってその耐用寿命
を短縮させるという問題があった。Further, when the corners of the electrodes 84 are thus formed in a rectangular shape, the center of the portion of the piezoelectric element substrate where no electrodes are formed is formed from two adjacent corners of the rectangular electrode. There is a problem in that a crack 86 is generated toward the portion, which causes a decrease in the fatigue strength of the piezoelectric element and shortens its useful life by repeated use.
【０００５】一方このような問題を解消するものとして
特開昭５４−４３４９１号公報に開示された圧電形トラ
ンスジューサが知られている。この圧電形トランスジュ
ーサ９０は、図９に示したように、圧電基材９２の表裏
面に駆動電極９４，９４を設け、圧電基材９２の片端面
に発電部電極９６を形成し、駆動電極９４の駆動部と発
電部との境界線の形状を波状にしたもので、こうするこ
とにより分極処理時に発生するせん断歪力の減少を図
り、分極処理時またはその後に生じる圧電素子基材の破
損またはクラックを減少させるようにしたものである。On the other hand, a piezoelectric transducer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-43491 is known to solve such a problem. In this piezoelectric transducer 90, as shown in FIG. 9, drive electrodes 94, 94 are provided on the front and back surfaces of a piezoelectric base material 92, and a power generation section electrode 96 is formed on one end surface of the piezoelectric base material 92. The wavy shape of the boundary line between the drive part and the power generation part is used to reduce the shear strain force generated during the polarization process, and damage or damage to the piezoelectric element substrate that occurs during or after the polarization process. It is designed to reduce cracks.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この特
開昭５４−４３４９１号公報に開示されたもののよう
に、圧電基材９２表面の駆動電極９４の駆動部と発電部
との境界線の形状を波状にしても、波の先端部や境界線
の角の部分においては、分極処理の際に内部歪が集中す
ることになり、やはり繰り返し使用によって亀裂の発生
や圧電素子の疲労強度の低下を招来し、耐用寿命を短縮
させていた。However, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 54-43491, the shape of the boundary line between the drive portion and the power generation portion of the drive electrode 94 on the surface of the piezoelectric substrate 92 is changed. Even if it is wavy, internal strain is concentrated at the tip of the wave and the corners of the boundary line during the polarization treatment, which again causes cracks and reduction in the fatigue strength of the piezoelectric element due to repeated use. However, the service life was shortened.
【０００７】また例えば、超音波モータ用の素子では、
モータ素子基材の表面に複数の電極を等間隔に設け、こ
れらの電極を交互に逆向きに分極しておき、位相の異な
る２種類の交流電圧で駆動することによって進行波を起
こし、モータを回転駆動させるものであるが、その時に
一方の電極領域では圧電材料が伸長し、もう一方では収
縮する動作を行わせるので、大きなせん断歪力が発生
し、亀裂が発生する可能性が高かった。そこでこの超音
波モータ素子に上述の特開昭５４−４３４９１号公報の
技術を応用することを考え、各表面電極間の境界線を波
状とし応力の集中を避けようとしたが、やはり波の先端
部や境界線の角の部分では亀裂を避けることが難しかっ
た。Further, for example, in an element for an ultrasonic motor,
A plurality of electrodes are provided at equal intervals on the surface of the motor element base material, these electrodes are alternately polarized in opposite directions, and a traveling wave is generated by driving with two types of AC voltages having different phases, thereby driving the motor. It is driven by rotation, but at that time, the piezoelectric material expands in one electrode region and contracts in the other electrode region, so that a large shear strain force is generated and a crack is likely to occur. Therefore, in consideration of applying the technique of Japanese Patent Laid-Open No. 54-43491 mentioned above to this ultrasonic motor element, the boundary line between the surface electrodes was made wavy to avoid the concentration of stress, but the tip of the wave was still formed. It was difficult to avoid cracks at the corners and corners of the boundaries.
【０００８】本発明の解決しようとする課題は、圧電セ
ラミックス素子基材の表面に設けられる表面電極に電圧
を印加して圧電駆動を繰り返すに際し、その繰り返し使
用による疲労強度の低下を抑制することにより、耐用寿
命の長い圧電セラミックス素子を提供することにある。The problem to be solved by the present invention is to suppress a decrease in fatigue strength due to repeated use when a voltage is applied to a surface electrode provided on the surface of a piezoelectric ceramics element substrate and piezoelectric driving is repeated. , To provide a piezoelectric ceramic element having a long service life.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の圧電セラミックス素子は、圧電セラミックス
材料からなる厚さ０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の圧電素子
基材の表面に平面多角形状の電極が形成されたものであ
って、前記電極の隅角部を曲率半径が０．３ｍｍ以上
１．５ｍｍ以下の円弧形状としたことを要旨とするもの
である。In order to achieve this object, a piezoelectric ceramic element of the present invention comprises a piezoelectric element substrate made of a piezoelectric ceramic material and having a thickness of 0.5 mm or more and 2 mm or less. be those but formed, corner radius of curvature of the electrode is more than 0.3mm
The gist is that the shape of the arc is 1.5 mm or less .
【００１０】この場合に表面電極が形成される圧電セラ
ミックス材料としては、ジルコンチタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ
・Ｔｉ）Ｏ3 系材料（ＰＺＴ材料）が代表的なものとし
て挙げられ、予め分極処理が施されたものが適用され
る。表面電極としては、一般に銀ペースト材料が用いら
れる。また電極の平面形状としては、正方形、長方形、
台形あるいは直線と曲線で構成された形状等を問わな
い。ただし、圧電素子の厚さが０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度
の場合は、その電極の隅角部に施される円弧形状の半径
が０．３ｍｍ以上であることが望ましい。その円弧形状
が半径０．３ｍｍより小さいと、電圧を印加したときの
内部歪が十分に分散されず、その隅角部に応力が集中す
ることになって望ましくない。一方、圧電素子の厚さが
０．５ｍｍより薄いような素子の場合は、半径０．３ｍ
ｍより小さい円弧を電極の隅角部に設けることによって
も内部歪を緩和することができる。In this case, as the piezoelectric ceramic material on which the surface electrode is formed, lead zirconate titanate Pb (Zr
A typical example is Ti) O 3 based material (PZT material), and a material that has been subjected to polarization treatment in advance is applied. A silver paste material is generally used for the surface electrode. The planar shape of the electrode is a square, a rectangle,
It does not matter whether it is a trapezoid or a shape composed of straight lines and curves. However, when the thickness of the piezoelectric element is about 0.5 mm to 2 mm, it is desirable that the radius of the arc shape applied to the corner portion of the electrode is 0.3 mm or more. If the radius of the arc is smaller than 0.3 mm, the internal strain when a voltage is applied is not sufficiently dispersed, and stress concentrates at the corners, which is not desirable. On the other hand, if the piezoelectric element is thinner than 0.5 mm, the radius is 0.3 m.
The internal strain can also be relaxed by providing an arc smaller than m at the corner of the electrode.
【００１１】上記構成を有する圧電セラミックス素子に
よれば、表面電極を介して圧電素子基材に電圧が印加さ
れた時に、その圧電素子基材には電気分極に比例した内
部歪が生じるが、その内部歪は、円弧形状をしている表
面電極の隅角部に集中することなく分散される。したが
って、繰り返し使用しても疲労強度の低下がその隅角部
に生じるようなことは回避される。According to the piezoelectric ceramic element having the above structure, when a voltage is applied to the piezoelectric element substrate via the surface electrode, an internal strain proportional to electric polarization is generated in the piezoelectric element substrate. The internal strain is distributed without being concentrated at the corners of the arc-shaped surface electrode. Therefore, even if it is repeatedly used, it is avoided that the fatigue strength is lowered in the corner portion.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を参照して具体的に詳細に説明する。図１は、本発明
の圧電セラミックス素子を超音波モータ素子に適用した
例を示している。図において、超音波モータ素子１０
は、外径６５ｍｍ、内径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのリ
ング状のジルコンチタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ3 系
材料（ＰＺＴ材料）による圧電素子基材１２の表面に銀
ペースト材料による複数の電極（分割電極）１４，１４
…がスクリーン印刷機により約０．８ｍｍの間隔で形成
されたものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example in which the piezoelectric ceramic element of the present invention is applied to an ultrasonic motor element. In the figure, the ultrasonic motor element 10
Is a ring-shaped lead zirconate titanate Pb (Zr.Ti) O 3 -based material (PZT material) having an outer diameter of 65 mm, an inner diameter of 50 mm, and a thickness of 0.5 mm. Electrodes (split electrodes) 14, 14
Are formed by a screen printing machine at intervals of about 0.8 mm.
【００１３】この電極１４，１４…の平面形状として
は、２本の円弧と２本の直線で構成された四角形状が採
用され、四つの隅角部１６，１６…は、半径１．５ｍｍ
（Ｒ＝１．５ｍｍ）の円弧形状に形成されている。電極
パターンの分割数としては、要求特性に応じて８〜１８
程度の偶数値が選択されている。The planar shape of the electrodes 14, 14 ... Is a quadrilateral shape composed of two arcs and two straight lines, and the four corners 16, 16 ... Have a radius of 1.5 mm.
It is formed in an arc shape of (R = 1.5 mm). The number of divisions of the electrode pattern is 8 to 18 depending on the required characteristics.
An even number of degrees is selected.
【００１４】電極１４，１４…が形成された圧電素子基
材１２には、図示せぬ分極処理用治具により、電極１
４，１４…の形成部位に対応してプラス極（＋極）とマ
イナス極（−極）とが交互に並ぶように分極処理が施さ
れる。この分極処理は、液温８０〜１００℃の絶縁油の
中に分極治具を浸し交互に逆向きの高電圧（約４〜５ｋ
Ｖ）を１０〜１５分程度印加することによりなされる。
これにより超音波モータ素子１０の隣合う電極１４，１
４…は、プラス極（＋極）とマイナス極（−極）が交互
に形成されたものとなる。The piezoelectric element substrate 12 on which the electrodes 14, 14 ... Are formed is attached to the electrode 1 by a polarization treatment jig (not shown).
Polarization treatment is performed so that the positive poles (+ poles) and the negative poles (− poles) are alternately arranged corresponding to the formation sites of 4, 14, ... This polarization treatment is performed by immersing the polarization jig in insulating oil having a liquid temperature of 80 to 100 ° C. and alternately alternating high voltage (about 4 to 5 k).
V) is applied for about 10 to 15 minutes.
As a result, the adjacent electrodes 14, 1 of the ultrasonic motor element 10 are
4 ... A plus pole (+ pole) and a minus pole (-pole) are alternately formed.
【００１５】このように構成された超音波モータ素子１
０の隣合う電極１４，１４…は、２つの領域に分けら
れ、一方が例えばＣｓｉｎωｔで、他方がＣｃｏｓωｔ
で励振され、これにより所定の方向に伝播する進行波が
発生される。このときに分極と逆極性の電圧を印加した
電極領域には圧電素子基材１２が収縮し、同極性の電圧
を印加した電極領域では圧電素子基材１２が伸長するた
め、両電極間にせん断歪力が生じるが、各電極の各隅角
部は、円弧形状とされているので、その隅角部に応力が
集中することが回避されるものである。The ultrasonic motor element 1 thus constructed
0 adjacent electrodes 14, 14 ... Are divided into two regions, one of which is, for example, Csinωt and the other of which is Ccosωt.
Is generated, and a traveling wave propagating in a predetermined direction is generated. At this time, the piezoelectric element substrate 12 contracts in the electrode region to which a voltage having a polarity opposite to that of the polarization is applied, and the piezoelectric element substrate 12 expands in the electrode region to which a voltage having the same polarity is applied. Although a strain force is generated, each corner of each electrode is formed in an arc shape, so that stress is prevented from being concentrated on the corner.
【００１６】次に、この超音波モータ素子について４点
曲げ疲労試験を行った。この疲労試験に際しては、図１
に示したリング状の超音波モータ素子１０から二つの電
極１４，１４を含んだ領域（破線部Ａ）を切り出して供
試試料（実施例１）とした。そして図２に示したよう
に、この供試試料（実施例１）の電極１４の境界部（矢
示Ｂ）に引張応力が作用するように、この供試試料の上
下面に治具１８を添当し電源部２０に接続して疲労試験
装置を構成した。Next, a 4-point bending fatigue test was conducted on this ultrasonic motor element. In this fatigue test,
A region (broken line portion A) including the two electrodes 14 and 14 was cut out from the ring-shaped ultrasonic motor element 10 shown in (3) to obtain a test sample (Example 1). Then, as shown in FIG. 2, jigs 18 were provided on the upper and lower surfaces of the test sample (Example 1) so that tensile stress acts on the boundary portion (arrow B) of the electrode 14. The fatigue test apparatus was constructed by connecting to the power supply unit 20.
【００１７】４点曲げ疲労試験は、最大応力６３ＭＰ
ａ、応力比０．２５の片振りの条件で、超音波モータで
の実駆動状態を模倣して応力と位相とを約９０度ずらし
た電圧（２００Ｖｒｍｓ）を治具１８を通じて供試試料
（実施例１）に印加し、疲労破壊にいたる応力の繰り返
し回数を測定することにより行った。この際に、実施例
１との比較のために、従来の表面電極の隅角部を直角と
した素子（比較例１）と、表面電極の境界部を波長１ｍ
ｍ、振幅０．２５ｍｍの波状とした素子（比較例２）を
供試試料として作製し、比較例１，２についても実施例
１と同じ条件で４点曲げ疲労試験を行った。The four-point bending fatigue test was conducted with a maximum stress of 63MP.
a, under the condition of one-sided swing with a stress ratio of 0.25, a voltage (200 Vrms) in which the stress and the phase are shifted by about 90 degrees by imitating the actual driving state of the ultrasonic motor is passed through the jig 18 and the test sample (implemented) It was applied to Example 1), and the number of repeated stresses leading to fatigue failure was measured. At this time, for comparison with Example 1, the boundary between the element (Comparative Example 1) in which the corner portion of the conventional surface electrode is a right angle and the boundary portion of the surface electrode has a wavelength of 1 m.
A wavy element with m and an amplitude of 0.25 mm (Comparative Example 2) was prepared as a test sample, and in Comparative Examples 1 and 2, a 4-point bending fatigue test was performed under the same conditions as in Example 1.
【００１８】図３は、実施例及び比較例について行った
４点曲げ疲労試験により得られた平均疲労寿命を比較し
て示した図である。この図に示したように、実施例１の
平均疲労寿命が５．９×１０6 回であったのに対して、
比較例１の平均疲労寿命が２．９×１０6回、比較例２
の平均疲労寿命が１．１×１０6回であった。このよう
に、実施例１の平均疲労寿命は、比較例１の約２倍、比
較例２の約５．４倍になった。このことから、表面電極
の隅角部を円弧形状とすることにより内部歪がその隅角
部に集中することなく分散され、圧電セラミックス素子
の疲労強度の低下が大幅に抑制されたことが判明した。FIG. 3 is a diagram showing a comparison of average fatigue lives obtained by the four-point bending fatigue test conducted in Examples and Comparative Examples. As shown in this figure, while the average fatigue life of Example 1 was 5.9 × 10 6 times,
The average fatigue life of Comparative Example 1 was 2.9 × 10 6 times, Comparative Example 2
The average fatigue life was 1.1 × 10 6 times. Thus, the average fatigue life of Example 1 was about twice that of Comparative Example 1 and about 5.4 times that of Comparative Example 2. From this, it was found that by making the corner portion of the surface electrode into an arc shape, the internal strain was dispersed without being concentrated in the corner portion, and the decrease in the fatigue strength of the piezoelectric ceramic element was significantly suppressed. .
【００１９】また、従来の電極形状では、加工段階で形
成された電極の隅角部の傷や損傷に、駆動により発生す
る電極隅角部の内部歪が作用して、亀裂伝播等が生じこ
れが一因となって低疲労寿命になったのに対し、実施例
によれば、電極隅角部を円弧形状として隅角部の内部歪
を緩和したために電極の隅角部に存在する傷や損傷に作
用する内部歪が減少する。このことも本実施例の疲労寿
命の延長を促している要因と推察される。Further, in the conventional electrode shape, internal strain of the electrode corner portion generated by driving acts on scratches or damage of the corner portion of the electrode formed in the processing stage, and crack propagation or the like occurs. In contrast to the fact that the fatigue life was reduced due to one factor, according to the example, scratches and damages existing in the corners of the electrode due to the arc shape of the electrode corners and relaxing the internal strain of the corners. The internal strain acting on is reduced. This is also presumed to be a factor promoting the extension of the fatigue life of this example.
【００２０】図４は、本発明の圧電セラミックス素子を
圧電トランス素子に適用した例を示している。図におい
て、圧電トランス素子３０は、矩形形状のＰＺＴ材料に
よる圧電素子基材３２の上下両方の表面に銀ペースト材
料による四角形状の電極３４が形成されている。この電
極３４の平面形状としては、四角形状（長方形状）が採
用され、電極が形成されていない圧電素子基材との境界
線上にある２つの隅角部３６，３６…は、半径１．５ｍ
ｍ（Ｒ＝１．５ｍｍ）の円弧形状に形成されている。FIG. 4 shows an example in which the piezoelectric ceramic element of the present invention is applied to a piezoelectric transformer element. In the figure, in the piezoelectric transformer element 30, rectangular electrodes 34 made of a silver paste material are formed on both upper and lower surfaces of a piezoelectric element substrate 32 made of a rectangular PZT material. A square shape (rectangular shape) is adopted as the planar shape of the electrode 34, and the two corner portions 36, 36, ... On the boundary line with the piezoelectric element substrate on which no electrode is formed have a radius of 1.5 m.
It is formed in an arc shape of m (R = 1.5 mm).
【００２１】次に、この圧電トランス素子について４点
曲げ疲労試験を行った。この疲労試験に際しては、図４
の圧電トランス素子３０を供試試料（実施例２）とし
た。そしてこの実施例２の電極３４の境界部に引張応力
が作用するように、図示はしないが、この実施例２に治
具を添当し電源部に接続して疲労試験装置を構成した。
４点曲げ疲労試験は、上述した供試試料（実施例１）に
ついて行った試験と同じ条件で行われた。この際に、実
施例２との比較のために、従来の表面電極の隅角部を直
角とした素子（比較例３）を作製し、比較例３について
も実施例２と同じ条件で４点曲げ疲労試験を行った。Next, a four-point bending fatigue test was conducted on this piezoelectric transformer element. In this fatigue test,
The piezoelectric transformer element 30 was used as a test sample (Example 2). Although not shown so that tensile stress acts on the boundary portion of the electrode 34 of the second embodiment, a jig was affixed to the second embodiment and connected to the power supply unit to construct a fatigue test apparatus.
The 4-point bending fatigue test was carried out under the same conditions as the test carried out on the sample under test (Example 1) described above. At this time, for comparison with Example 2, an element (Comparative Example 3) in which the corners of the conventional surface electrode were made right angles was prepared (Comparative Example 3). A bending fatigue test was conducted.
【００２２】図５は、実施例及び比較例について行った
４点曲げ疲労試験により得られた平均疲労寿命を比較し
て示した図である。この図に示したように、実施例２の
平均疲労寿命が６．４×１０6 回であったのに対して、
比較例３の平均疲労寿命が３．４×１０6 回であった。
このように、実施例２の平均疲労寿命は、比較例３の約
１．９倍になった。このことから、上述と同様に表面電
極の隅角部を円弧形状とすることにより飛躍的に疲労強
度の低下が抑制されたことが判明した。FIG. 5 is a graph showing a comparison of the average fatigue lives obtained by the four-point bending fatigue tests conducted on the examples and comparative examples. As shown in this figure, while the average fatigue life of Example 2 was 6.4 × 10 6 times,
The average fatigue life of Comparative Example 3 was 3.4 × 10 6 times.
Thus, the average fatigue life of Example 2 was about 1.9 times that of Comparative Example 3. From this, it was found that the fatigue strength was drastically reduced by forming the corners of the surface electrode into an arc shape as in the above.
【００２３】図６Ａは、本発明の圧電セラミックス素子
をノックセンサ素子に適用した例を示した平面図、図６
Ｂはその側面図及び図６Ｃはその裏側を示したものであ
る。これらの図において、ノックセンサ素子６０は、外
径２４ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ２．０ｍｍのリング状
のＰＺＴ材料による圧電素子基材６２の表面に銀ペース
ト材料による一対の半割リング状の電極６４，６４が対
向して形成されている。この電極６４，６４の平面形状
としては、半割リング状の半割部分の内側と外側とを緩
やかな曲線で連結してできる形状が採用され、曲率が最
大となる部分、すなわち四つの隅角部６６，６６…は、
半径０．３〜１．５ｍｍの円弧形状に形成されている。FIG. 6A is a plan view showing an example in which the piezoelectric ceramics element of the present invention is applied to a knock sensor element.
B is the side view and FIG. 6C is the back side. In these figures, a knock sensor element 60 comprises a pair of half-divided ring electrodes made of a silver paste material on the surface of a piezoelectric element substrate 62 made of a ring-shaped PZT material having an outer diameter of 24 mm, an inner diameter of 16 mm and a thickness of 2.0 mm. 64, 64 are formed facing each other. As the planar shape of the electrodes 64, 64, a shape formed by connecting the inside and the outside of a half ring-shaped half part with a gentle curve is adopted, and the part having the maximum curvature, that is, the four corner angles. The parts 66, 66 ...
It is formed in an arc shape with a radius of 0.3 to 1.5 mm.
【００２４】すなわち、隅角部の円弧形状の半径を０．
３ｍｍとしたもの（実施例４）、円弧形状の半径を０．
５ｍｍとしたもの（実施例５）、円弧形状の半径を０．
８ｍｍとしたもの（実施例６）、円弧形状の半径を１．
５ｍｍとしたもの（実施例７）を供試試料として作製し
た。また、これらとの比較のために隅角部に円弧形状を
形成しなかった図７に示した圧電セラミックス素子（比
較例４）を作製した。That is, the radius of the arc shape of the corner is 0.
3 mm (Example 4), the radius of the arc shape is 0.
5 mm (Example 5), the radius of the arc shape is 0.
8 mm (Example 6), the radius of the arc shape is 1.
A sample having a size of 5 mm (Example 7) was prepared. Further, for comparison with these, the piezoelectric ceramics element (Comparative Example 4) shown in FIG. 7 in which an arc shape was not formed in the corner portion was produced.
【００２５】次に、これらの圧電素子（実施例４〜７，
比較例４）を１．２〜３．５ｋＶ／ｍｍの電圧で分極処
理した。その後、これらの圧電素子の表面に形成された
電極を除去し、圧電素子表面に発生したマイクロクラッ
クの発生数を観察した。その結果を表１に示す。Next, these piezoelectric elements (Examples 4 to 7,
Comparative Example 4) was polarized with a voltage of 1.2 to 3.5 kV / mm. After that, the electrodes formed on the surfaces of these piezoelectric elements were removed, and the number of microcracks generated on the surface of the piezoelectric elements was observed. The results are shown in Table 1.
【００２６】[0026]
【表１】 [Table 1]
【００２７】表中の分数表示の分母は試験素子数、分子
はマイクロクラック発生素子数を示す。実施例４〜７の
圧電素子には亀裂が発生しない、もしくは発生数が少な
かったが、すべての比較例４の圧電素子には、図７に示
したように電極の形状を直線状にした部分にマイクロク
ラック７２，７２…が発生した。In the table, the denominator of the fraction display indicates the number of test elements, and the numerator indicates the number of microcrack-generating elements. No cracks were generated or the number of cracks was small in the piezoelectric elements of Examples 4 to 7, but in all of the piezoelectric elements of Comparative Example 4, the electrode had a linear shape as shown in FIG. Microcracks 72, 72 ...
【００２８】以上説明した本実施例１〜７による電極を
圧電素子に適用すれば、隅角部に形成された円弧形状に
より、電圧が印加されても圧電素子への内部歪が一点に
集中することなく分散される。そのため、繰り返し使用
をしても疲労強度の低下が抑制される。また、圧電素子
の加工時に圧電素子基材の表面に電極を形成する際にお
いても、その電極の隅角部が円弧形状とされるため圧電
素子基材に傷やマイクロクラックが従来に較べて遥かに
形成されにくくなる。そのため、その傷や損傷に起因し
た疲労強度の低下が回避されるのみならず、疲れ亀裂伝
播等の現象も回避される。When the electrodes according to the first to seventh embodiments described above are applied to the piezoelectric element, the internal strain on the piezoelectric element is concentrated at one point even if a voltage is applied due to the arc shape formed in the corner portion. Distributed without. Therefore, even if it is repeatedly used, the decrease in fatigue strength is suppressed. Further, even when an electrode is formed on the surface of the piezoelectric element substrate during processing of the piezoelectric element, the corners of the electrode are arcuate, so that scratches and microcracks on the piezoelectric element substrate are far greater than before. Is less likely to form. Therefore, not only the decrease in fatigue strength due to the scratch or damage is avoided, but also the phenomenon such as fatigue crack propagation is avoided.
【００２９】本発明は、上記した実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。上記した実施例においては、圧電
素子基材としてＰＺＴ材料を適用したが、これに限定さ
れることなく、ＰＺＴを含む三成分系、ＰｂＴｉＯ
3（ＰＴ）系、（Ｂｉ1/2Ｎａ1/2）ＴｉＯ3（ＢＮＴ）系
なども用いてもよい。The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Although the PZT material is applied as the piezoelectric element base material in the above-described examples, the present invention is not limited to this, and a three-component system containing PZT, PbTiO 3, is used.
3 (PT) type, (Bi 1/2 Na 1/2 ) TiO 3 (BNT) type, etc. may also be used.
【００３０】[0030]
【発明の効果】本発明の圧電セラミックス素子は、圧電
セラミックス材料による圧電素子基材の表面に形成され
る平面多角形状の電極の隅角部を円弧形状としたので、
圧電駆動を繰り返すに際し、該電極を介して圧電素子基
材に電圧が印加されても圧電素子基材の隅角部付近に発
生する内部歪が分散される。これにより、電極が形成さ
れる圧電素子基材の亀裂の発生が解消され、疲労強度の
低下が抑制される。このような圧電セラミックス素子に
よれば、繰り返し使用に対する疲労寿命が延長されるか
らその利用分野がさらに広範囲なものとなり、産業上極
めて有益である。According to the piezoelectric ceramic element of the present invention, the corner portions of the planar polygonal electrode formed on the surface of the piezoelectric element substrate made of the piezoelectric ceramic material are arc-shaped.
When the piezoelectric driving is repeated, even if a voltage is applied to the piezoelectric element substrate through the electrode, the internal strain generated near the corners of the piezoelectric element substrate is dispersed. This eliminates the occurrence of cracks in the piezoelectric element substrate on which the electrodes are formed, and suppresses the reduction in fatigue strength. According to such a piezoelectric ceramics element, the fatigue life after repeated use is extended, so that the field of application thereof is further widened, which is extremely useful in industry.
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧電セラミックス
素子を超音波モータ素子に適用した例を示した図であ
る。FIG. 1 is a diagram showing an example in which a piezoelectric ceramics element according to an embodiment of the present invention is applied to an ultrasonic motor element.
【図２】図１に示した表面電極が形成された超音波モー
タ素子について行った４点曲げ疲労試験の外観構成を示
した図である。FIG. 2 is a diagram showing an appearance configuration of a four-point bending fatigue test performed on the ultrasonic motor element having the surface electrode shown in FIG.
【図３】実施例及び比較例について行った４点曲げ疲労
試験により得られた平均疲労寿命を比較して示した図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing a comparison of average fatigue lives obtained by a four-point bending fatigue test conducted for Examples and Comparative Examples.
【図４】本発明の一実施の形態に係る圧電セラミックス
素子を圧電トランス素子に適用した例を示した図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing an example in which the piezoelectric ceramics element according to one embodiment of the present invention is applied to a piezoelectric transformer element.
【図５】実施例及び比較例について行った４点曲げ疲労
試験により得られた平均疲労寿命を比較して示した図で
ある。FIG. 5 is a diagram showing a comparison of average fatigue lives obtained by a four-point bending fatigue test conducted in Examples and Comparative Examples.
【図６Ａ】本発明の一実施の形態に係る圧電セラミック
ス素子を圧電素子に適用した例を示した平面図である。FIG. 6A is a plan view showing an example in which a piezoelectric ceramics element according to an embodiment of the present invention is applied to a piezoelectric element.
【図６Ｂ】その側面図である。FIG. 6B is a side view thereof.
【図６Ｃ】その裏面図である。FIG. 6C is a rear view of the same.
【図７】比較例として用いた圧電素子に亀裂が発生した
状態を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a state in which a crack has occurred in a piezoelectric element used as a comparative example.
【図８】従来の圧電セラミックス素子を圧電素子に適用
することにより圧電素子基材に亀裂が発生した例を示し
た図である。FIG. 8 is a diagram showing an example in which a crack is generated in a piezoelectric element base material by applying a conventional piezoelectric ceramics element to a piezoelectric element.
【図９】従来の圧電セラミックス素子を圧電素子に適用
した例を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing an example in which a conventional piezoelectric ceramic element is applied to a piezoelectric element.
１０ 超音波モータ素子 ３０ 圧電トランス素子 ６０ ノックセンサ素子 １２、３２、６２ 圧電素子基材 １４、３４、６４ 電極 １６、３６、６６ 隅角部 10 Ultrasonic motor element 30 Piezoelectric transformer element 60 knock sensor element 12, 32, 62 Piezoelectric element substrate 14, 34, 64 electrodes 16, 36, 66 corners
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長屋 年厚 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (72)発明者 向井 寛克 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (56)参考文献 特開 平７−177765（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshiya Nagaya 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi prefecture, Denso Co., Ltd. (72) Inventor Hirokatsu Mukai 1-1-1-1, Showa-machi, Kariya city, Aichi prefecture DENSO CORPORATION (56) References JP-A-7-177765 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 41/09
Claims (6)
５ｍｍ以上２ｍｍ以下の圧電素子基材の表面に平面多角
形状の電極が形成されたものであって、前記電極の隅角
部を曲率半径が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の円弧形
状としたことを特徴とする圧電セラミックス素子。1. A piezoelectric ceramic material having a thickness of 0.
Be one electrode of the planar polygonal shape is formed in 2mm below the surface of the piezoelectric element substrate than 5 mm, the corner radius of curvature of the electrode is set to 1.5mm or less arcuate than 0.3mm A piezoelectric ceramics element characterized by:
上１．５ｍｍ以下である請求項１に記載の圧電セラミッThe piezoelectric ceramic according to claim 1, which has an upper diameter of 1.5 mm or less.
クス素子。Cous element.
上１．５ｍｍ以下である請求項１に記載の圧電セラミッThe piezoelectric ceramic according to claim 1, which has an upper diameter of 1.5 mm or less.
クス素子。Cous element.
求項１から３までのいずれかに記載の圧電セラミックスPiezoelectric ceramics according to any one of claims 1 to 3
素子。element.
面には、平面多角形状の偶数個の電極が形成されているAn even number of planar polygonal electrodes are formed on the surface.
請求項１から４までのいずれかに記載の圧電セラミックThe piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 4.
ス素子。S element.
の領域が交互に逆方向に分極されている請求項１から５6. The regions of 1 are alternately polarized in opposite directions.
までのいずれかに記載の圧電セラミックス素子。The piezoelectric ceramic element according to any one of 1 to 3 above
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17289997A JP3470994B2 (en) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Piezoelectric ceramic element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17289997A JP3470994B2 (en) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Piezoelectric ceramic element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH114025A JPH114025A (en) | 1999-01-06 |
| JP3470994B2 true JP3470994B2 (en) | 2003-11-25 |
Family
ID=15950409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17289997A Expired - Fee Related JP3470994B2 (en) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Piezoelectric ceramic element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3470994B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5500872B2 (en) * | 2009-05-29 | 2014-05-21 | 日本発條株式会社 | Piezoelectric element with electrode and head suspension |
| JP6003529B2 (en) * | 2012-10-24 | 2016-10-05 | 株式会社リコー | Piezoelectric light deflector, optical scanning device, image forming device, and image projection device |
| JP2015057625A (en) * | 2013-08-12 | 2015-03-26 | 株式会社リコー | Piezoelectric optical deflector, optical scanner, image forming apparatus, and image projection device |
| JP6647738B2 (en) | 2017-06-12 | 2020-02-14 | 矢崎総業株式会社 | Battery pack |
-
1997
- 1997-06-12 JP JP17289997A patent/JP3470994B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH114025A (en) | 1999-01-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110098317A (en) | Stacked piezoelectric ceramic component and piezoelectric device | |
| JP3470994B2 (en) | Piezoelectric ceramic element | |
| JPH08242023A (en) | Piezoelectric element and piezoelectric actuator using it | |
| JP2005123554A (en) | Stacked piezoelectric element and its manufacturing method | |
| JP3370178B2 (en) | Multilayer piezoelectric element and method of manufacturing the same | |
| JP5713444B2 (en) | Lamb wave resonance piezoelectric drive type optical scanning device | |
| JP2000133852A (en) | Stacked piezoelectric element and its manufacture | |
| JP3342180B2 (en) | Sliding element and vibration device | |
| KR980012653A (en) | Piezoelectric transformer | |
| JP2602402Y2 (en) | Piezoelectric transformer | |
| JP3323642B2 (en) | Distortion element or vibration device using distortion element | |
| JP2816851B2 (en) | Piezoelectric torsional displacement element, piezoelectric expansion / contraction displacement element, and piezoelectric composite displacement element | |
| JP3070087B2 (en) | Ferroelectric thin film element | |
| JP3122881B2 (en) | Ultrasonic motor | |
| JP2910095B2 (en) | Piezoelectric element and method of manufacturing piezoelectric element | |
| JPH0458575A (en) | Piezoelectric vibrator | |
| JPH0377338A (en) | Wire bonding apparatus | |
| JPH03112376A (en) | Torsional piezoelectric element and polarizing method thereof | |
| JP2508334B2 (en) | Piezoelectric substrate polarization method | |
| JPH0132748Y2 (en) | ||
| JPH0677549A (en) | Piezoelectric element and manufacturing method thereof | |
| JPS6148299A (en) | Manufacture of ultrasonic probe | |
| JP2001044524A (en) | Laminated piezoelectric body | |
| JPH0522964A (en) | Ultrasonic motor | |
| JPH11163432A (en) | Piezoelectric transducer and its manufacture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070912 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080912 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080912 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090912 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100912 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110912 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110912 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120912 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120912 Year of fee payment: 9 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120912 Year of fee payment: 9 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130912 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |