JP5792529B2 - Piezoelectric element - Google Patents
Piezoelectric element Download PDFInfo
- Publication number
- JP5792529B2 JP5792529B2 JP2011146409A JP2011146409A JP5792529B2 JP 5792529 B2 JP5792529 B2 JP 5792529B2 JP 2011146409 A JP2011146409 A JP 2011146409A JP 2011146409 A JP2011146409 A JP 2011146409A JP 5792529 B2 JP5792529 B2 JP 5792529B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- stress relaxation
- relaxation layer
- stress
- piezoelectric
- 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.)
- Active
Links
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 53
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 4
- NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium;lead(2+) Chemical compound [Pb+2].[O-][Ti]([O-])=O NKZSPGSOXYXWQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000002003 electrode paste Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- OAYXUHPQHDHDDZ-UHFFFAOYSA-N 2-(2-butoxyethoxy)ethanol Chemical compound CCCCOCCOCCO OAYXUHPQHDHDDZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MQIUGAXCHLFZKX-UHFFFAOYSA-N Di-n-octyl phthalate Natural products CCCCCCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCCCCCC MQIUGAXCHLFZKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
本発明は、矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element that is formed in a rectangular shape and expands and contracts when a voltage is applied.
従来、積層型圧電アクチュエータは、電圧印加時、内部電極付近に応力が発生することが知られている。この応力は積層型圧電アクチュエータの耐久性に悪影響を与えるため、これを緩和しようと、応力緩和層と呼ばれる空隙層を設ける発明がなされた。この空隙層により、積層型圧電アクチュエータの不良品発生率が減少する等の効果が得られた。 Conventionally, it is known that a multilayer piezoelectric actuator generates stress in the vicinity of an internal electrode when a voltage is applied. Since this stress adversely affects the durability of the multilayer piezoelectric actuator, an invention has been made to provide a void layer called a stress relaxation layer in order to relieve the stress. This void layer has the effect of reducing the defective product generation rate of the multilayer piezoelectric actuator.
たとえば、特許文献1記載の積層型圧電アクチュエータは、内部電極が1層毎にそれぞれ外部電極に接続されており、応力緩和層を、隣接する内部電極間であって、10層から40層の内部電極の間に1層ほど形成している。このようにして、耐久性に優れ、低コストで作製することができる積層型圧電アクチュエータを提案している。 For example, in the multilayer piezoelectric actuator described in Patent Document 1, the internal electrodes are connected to the external electrodes for each layer, and the stress relaxation layer is arranged between adjacent internal electrodes, and has an inner layer of 10 to 40 layers. About one layer is formed between the electrodes. In this way, a multilayer piezoelectric actuator that has excellent durability and can be manufactured at low cost has been proposed.
上記のように、従来はアクチュエータの圧電活性部と圧電不活性部との間に発生する応力を、応力緩和層により緩和することができた。しかしながら、図2に示すように、素子200の変位に応じて空隙層240が開くと、空隙層240の薄さにより層の根元の角部分242に応力が集中し、アクチュエータが破壊する場合がある。
As described above, conventionally, the stress generated between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion of the actuator can be relaxed by the stress relaxation layer. However, as shown in FIG. 2, when the
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、応力緩和層の根元にかかる応力を分散させ、破壊を防止できる圧電素子を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the piezoelectric element which can disperse | distribute the stress concerning the base of a stress relaxation layer and can prevent destruction.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、前記素子本体の外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層と、を備え、前記応力緩和層は、角が取れた矩形の内周を有することを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric element of the present invention is a laminated piezoelectric element that is formed in a rectangular shape and expands and contracts by application of voltage, and the piezoelectric layers and the internal electrodes are alternately laminated. An element main body and a stress relaxation layer provided in contact with the outer periphery of the element main body and formed along the laminated surface, and the stress relaxation layer has a rectangular inner periphery with a rounded corner It is characterized by.
これにより、応力緩和層の根元への応力集中を回避し、破壊を防止できる。すなわち、圧電素子の変位に応じて応力緩和層が開いたときでも、応力緩和層の根元にかかる応力を分散でき、圧電素子の破壊を防止できる。 Thereby, stress concentration at the base of the stress relaxation layer can be avoided and destruction can be prevented. That is, even when the stress relaxation layer opens according to the displacement of the piezoelectric element, the stress applied to the root of the stress relaxation layer can be dispersed, and the piezoelectric element can be prevented from being broken.
(2)また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、前記内周の隅角部がR状であることを特徴としている。これにより、応力集中を回避する効果を向上できる。 (2) Further, in the piezoelectric element of the present invention, the stress relaxation layer is characterized in that a corner portion of the inner periphery is R-shaped. Thereby, the effect which avoids stress concentration can be improved.
(3)また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、前記内周の隅角部のRと外周の一辺との比が0.1以上0.2以下であることを特徴としている。これにより、圧電素子の外力に対する破壊強度を高く維持しつつ、応力集中を回避する効果を高めることができる。 (3) Further, in the piezoelectric element of the present invention, the stress relaxation layer is characterized in that a ratio of R at the corner portion of the inner periphery to one side of the outer periphery is 0.1 or more and 0.2 or less. . Thereby, the effect which avoids stress concentration can be heightened, maintaining the fracture strength with respect to the external force of a piezoelectric element high.
本発明によれば、圧電素子の応力緩和層の根元にかかる応力を分散させ、その破壊を防止できる。 According to the present invention, it is possible to disperse the stress applied to the root of the stress relaxation layer of the piezoelectric element and prevent its destruction.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(圧電素子の構成)
図1(a)、(b)は、それぞれ圧電素子100を示す斜視図、応力緩和層140の位置の断面図である。圧電素子100の素子本体は、圧電層110と内部電極120とが積層方向Zについて交互に積層され、矩形体状に形成されている。圧電層110は、たとえばPZTのような圧電材料で構成され、厚み方向の互い違いの向きに分極されている。内部電極120は、対向する圧電素子100の側面上で外部電極130に取り出されており、隣り合う内部電極120に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極120へ電圧を印加することで各圧電層110が歪み、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電アクチュエータとして圧電素子100を説明するが、本発明は必ずしもこれに限定されない。
(Configuration of piezoelectric element)
FIGS. 1A and 1B are a perspective view showing the
圧電素子100は、積層方向Zの両端側に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極120の積層方向Zへの投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極120が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子100において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。
The
圧電素子100は、応力緩和層140を有している。応力緩和層140は、活性領域の周囲の領域に形成されている。応力緩和層140は、空隙層として形成されているが、密度の低い材料が充填された層として形成されていてもよい。各応力緩和層140は、積層面上で外周に接して形成されている。その結果、応力を外に逃がし、圧電素子100の駆動による応力を緩和することができる。
The
応力緩和層140の内周141は、応力緩和層140の根元になっており、駆動の際には応力が集中しやすい。応力緩和層140の内周141は、角が取れた矩形状である。これにより、応力緩和層140の根元への応力集中を回避し、破壊を防止できる。すなわち、圧電素子の変位に応じて応力緩和層140が開いたときでも、応力緩和層140の根元にかかる応力を分散でき、圧電素子の破壊を防止できる。
The
特に、応力緩和層140の内周141の隅角部142は、R状であるのが好ましい。これにより、応力集中を回避する効果を向上できる。たとえば、6×6mm断面の圧電素子100において、内周141の隅角部142のRは、0.6mm以上1.2mm以下であることが好ましい。すなわち、隅角部142のRと外周の一辺との比が、0.1以上0.2以下であることが好ましい。これにより、圧電素子100の外力に対する破壊強度を高く維持しつつ、応力集中を回避する効果を高めることができる。なお、応力緩和層140の外周とは、その積層面上への正射影において圧電素子100の側面に沿った境界線であり、内周141とは、圧電体が繋がっている根元の境界線である。また、応力緩和層140の内周141の隅角部142は、多角形状であってもよい。
In particular, the
(圧電素子の製造方法)
次に、上記のように構成された圧電素子100の製造方法について説明する。まず、圧電体の粉体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。グリーンシートには内部電極120用および応力緩和層140用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極120用として電極ペースト(Ag−Pd合金等)を塗布し、その後、乾燥させて焼成前の電極膜を形成する。
(Piezoelectric element manufacturing method)
Next, a method for manufacturing the
そして、さらに応力緩和層140用として非焼結材料(チタン酸鉛等)のペーストを塗布する。その際には、応力緩和層140の内周がR状のような角の取れた形状になるように設計し、塗布する。非焼結材料は、圧電素子100の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。たとえば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで応力緩和層140を形成するものが含まれる。
Further, a paste of non-sintered material (lead titanate or the like) is applied for the
次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。 Next, a plurality of green sheets on which an electrode film and a non-sintered material film are formed are laminated, press-molded, and then heated to degrease the organic components in the green sheet, the electrode paste, and the non-sintered material paste. . The organic component is decomposed by heating to become a gas and escapes from the green sheet or paste film.
このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、チタン酸鉛は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層140が形成される。焼成後に適宜加工することで分極前の焼成体が得られる。そして、焼結体を適宜加工し、積層方向Zの端面で接着して多連化する。そして、多連化した焼成体を分極処理することで、各圧電素子100とこれらにより構成されたポジショナ用アクチュエータを作製できる。
The laminated body thus degreased is fired. At this time, the lead titanate is not sintered, and the
(実施例1)
上記のように構成された圧電素子100についてFEM解析を行った。使用した圧電素子のモデルは、断面が6×6mm、高さ10mmの圧電素子の1/8分割モデルで、断面が3×3mm、高さ5mm、応力緩和層140の内周141の隅角部142のRを1mmとして要素を構成したものである。なお、1/8分割モデルとした際の分割面には、対称拘束を設定し、重力や上下面での拘束を一切無くす設定とした。このようなモデルを駆動させ、各部に発生する応力を解析した。その結果、応力緩和層140の内周141の応力が従来の160MPaから120MPaへ緩和されたのを確認できた。
Example 1
FEM analysis was performed on the
(実施例2)
また、断面が6×6mm、高さ10mm、R=0.7の圧電素子100を4つ積み重ねて作製して連結し、連結型の圧電アクチュエータとしてポジショナを作製した。そして、ファンクションジェネレータ+アンプで、0−150V、周期6sの矩形波を生成し、突入電流保護用の抵抗34kΩを介してポジショナに印加し、圧電アクチュエータを長時間駆動した。その結果、破壊までの平均駆動回数は、従来構造の素子では約100万回であったのに対し、圧電素子100では150万回以上であり、圧電素子100が破壊し難いことを確認できた。
(Example 2)
In addition, four
100 圧電素子
110 圧電層
120 内部電極
130 外部電極
140 応力緩和層
141 内周
142 隅角部
Z 積層方向
DESCRIPTION OF
Claims (1)
圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、
前記素子本体の外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層と、を備え、
前記応力緩和層は、角が取れた矩形の内周を有し、前記内周の隅角部がR状であり、前記内周の隅角部のRと外周の一辺との比が0.1以上0.2以下であることを特徴とする圧電素子。 A laminated piezoelectric element that is formed in a rectangular shape having a square cross-section perpendicular to the stacking direction, and expands and contracts by application of voltage,
An element body in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked;
Provided in contact with the outer periphery of the element body, and a stress relaxation layer formed along the laminated surface,
It said stress relaxing layer, have a inner circumference of the rectangle corners are taken, corners of the inner circumference is R-shaped, the ratio of the side of the R and the outer circumference of the inner periphery of the corner portion is 0. 1 or more and 0.2 or less, The piezoelectric element characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011146409A JP5792529B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Piezoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011146409A JP5792529B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Piezoelectric element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013016548A JP2013016548A (en) | 2013-01-24 |
JP5792529B2 true JP5792529B2 (en) | 2015-10-14 |
Family
ID=47688961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011146409A Active JP5792529B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Piezoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5792529B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150032132A (en) | 2013-09-17 | 2015-03-25 | 삼성전기주식회사 | Multilayer Piezoelectric Element |
CN113707801A (en) * | 2021-08-26 | 2021-11-26 | 黑龙江迪米电陶科技有限公司 | Laminated piezoelectric ceramic electrode structure and its manufacturing process |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0353572A (en) * | 1989-07-21 | 1991-03-07 | Nec Corp | Electrostrictive effect element |
JPH08274381A (en) * | 1995-03-31 | 1996-10-18 | Chichibu Onoda Cement Corp | Stacked piezoelectric actuator and its manufacture |
JP4658280B2 (en) * | 1999-11-29 | 2011-03-23 | 太平洋セメント株式会社 | Multilayer piezoelectric actuator |
JP4479271B2 (en) * | 2003-04-15 | 2010-06-09 | 株式会社デンソー | Multilayer piezoelectric element |
-
2011
- 2011-06-30 JP JP2011146409A patent/JP5792529B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013016548A (en) | 2013-01-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH04214686A (en) | Electrostrictive effect element | |
JP2007157849A (en) | Manufacturing method of stacked piezoelectric element | |
JP2006203070A (en) | Lamination piezoelectric element | |
JP5792529B2 (en) | Piezoelectric element | |
JP2013197250A (en) | Piezoelectric element, manufacturing method therefor and manufacturing method of piezoelectric actuator | |
JP5135674B2 (en) | Multilayer piezoelectric element | |
JP5635319B2 (en) | Piezoelectric element and manufacturing method thereof | |
JP5643561B2 (en) | Piezoelectric element and manufacturing method thereof | |
JP2005223014A (en) | Multilayer piezoelectric element and its fabrication method | |
JP6274393B2 (en) | Piezoelectric element | |
JP2005340388A (en) | Multilayer electronic component | |
JP5409703B2 (en) | Manufacturing method of multilayer piezoelectric actuator | |
JP6226451B2 (en) | Piezoelectric element and piezoelectric actuator | |
JP5890676B2 (en) | Multilayer piezoelectric actuator and manufacturing method thereof | |
JP6047317B2 (en) | Piezoelectric element | |
JP2010199271A (en) | Multilayer piezoelectric element, manufacturing method thereof, and vibrator | |
JPH03138987A (en) | Electrostrictive effect element | |
JPH0353572A (en) | Electrostrictive effect element | |
JP2007266468A (en) | Laminated piezoelectric element | |
JP2014187061A (en) | Piezoelectric element and manufacturing method therefor | |
JP6159986B2 (en) | Piezoelectric element | |
JP6035773B2 (en) | Multilayer piezoelectric actuator and manufacturing method thereof | |
JP6898167B2 (en) | Laminated piezoelectric element | |
JP2005005656A (en) | Ceramic laminating type electromechanical converting element, and manufacturing method thereof | |
JP5859755B2 (en) | Piezoelectric element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140425 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150317 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150319 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20150327 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150511 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150804 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150806 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5792529 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |