JPH01226186A - 積層型圧電素子 - Google Patents
積層型圧電素子Info
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- JPH01226186A JPH01226186A JP63053118A JP5311888A JPH01226186A JP H01226186 A JPH01226186 A JP H01226186A JP 63053118 A JP63053118 A JP 63053118A JP 5311888 A JP5311888 A JP 5311888A JP H01226186 A JPH01226186 A JP H01226186A
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- piezoelectric
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、電界により圧電材料に誘起される伸縮歪を
利用してアクチュエータとして用いられる積層型圧電素
子に関する。
利用してアクチュエータとして用いられる積層型圧電素
子に関する。
この種の積層型圧電素子は、例えば特開昭６０−８６８
８０号公報に記載されているが、第４図に改めて従来の
積層型圧電素子を示す。この積層型圧電素子は、ジルコ
ンチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛などの圧電材料層１
０と、金属膜よりなる電極層１１Ａ、ＩＩＢとが交互に
積層された積層体の両端に電極層１１Ａを介して圧電材
料からなる保護層１３を設けて構成され、電極層１１Ａ
及びＩＩＢには一層置きに外部リード１２Ａ及び１２Ｂ
が電気的に接続されている。 ここで、外部リード１２Ａ、１２Ｂに異なる極性電圧が
印加されると、圧電材料層１０内に生じた電界でこの圧
電材料層１０に圧電縦効果による伸び歪が積層方向に生
じ、各層の歪は相加されて積層体全体として伸び歪Ｓ１
が生じる。
８０号公報に記載されているが、第４図に改めて従来の
積層型圧電素子を示す。この積層型圧電素子は、ジルコ
ンチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛などの圧電材料層１
０と、金属膜よりなる電極層１１Ａ、ＩＩＢとが交互に
積層された積層体の両端に電極層１１Ａを介して圧電材
料からなる保護層１３を設けて構成され、電極層１１Ａ
及びＩＩＢには一層置きに外部リード１２Ａ及び１２Ｂ
が電気的に接続されている。 ここで、外部リード１２Ａ、１２Ｂに異なる極性電圧が
印加されると、圧電材料層１０内に生じた電界でこの圧
電材料層１０に圧電縦効果による伸び歪が積層方向に生
じ、各層の歪は相加されて積層体全体として伸び歪Ｓ１
が生じる。
一方、各圧電材料層１０にはこの電界により同時に、圧
電横効果による積層方向と直角方向の収縮歪Ｓ２が生じ
る。この収縮歪Ｓ２は、積層体の両端の保護Ｍ１３がな
ければどの部分でも均一になるはずのものであるが、保
護層１３内には電界の発生がな（縦横いずれの効果によ
る歪も発生しないため、保護層１３に近い圧電材料層１
０の収縮歪Ｓ２が最も抑制されることになる。 この状態を第５図に破線で示す。すなわち、収縮歪Ｓ２
は保護層１３と圧電材料層１０との境界面に近いほど小
さくなっている。この保護層１３による収縮歪Ｓ２の抑
制は、保護層１３と圧電材料層１０との間に機械的なせ
ん断心力（σ１．σ２）集中を発生させ、両者の境界面
での割れなどの機械的な破壊の原因となる。 しかし保護層１３は、積層型圧電素子をアクチュエータ
として使用する場合に、外部との絶縁を保ち、また他の
部分への取付部として利用されるなど必要不可欠のもの
であり、これをなくすことはできない。したがって、こ
の保護層１３によるせん断心力集中は、従来の積層型圧
電素子における大きな問題点となっている。 この発明は、機械的な破壊の原因となる保護層と圧電材
料層との境界面近傍のせん断心力集中を緩和し、寿命信
頼性の高い積層型圧電素子を提供することを目的とする
ものである。
電横効果による積層方向と直角方向の収縮歪Ｓ２が生じ
る。この収縮歪Ｓ２は、積層体の両端の保護Ｍ１３がな
ければどの部分でも均一になるはずのものであるが、保
護層１３内には電界の発生がな（縦横いずれの効果によ
る歪も発生しないため、保護層１３に近い圧電材料層１
０の収縮歪Ｓ２が最も抑制されることになる。 この状態を第５図に破線で示す。すなわち、収縮歪Ｓ２
は保護層１３と圧電材料層１０との境界面に近いほど小
さくなっている。この保護層１３による収縮歪Ｓ２の抑
制は、保護層１３と圧電材料層１０との間に機械的なせ
ん断心力（σ１．σ２）集中を発生させ、両者の境界面
での割れなどの機械的な破壊の原因となる。 しかし保護層１３は、積層型圧電素子をアクチュエータ
として使用する場合に、外部との絶縁を保ち、また他の
部分への取付部として利用されるなど必要不可欠のもの
であり、これをなくすことはできない。したがって、こ
の保護層１３によるせん断心力集中は、従来の積層型圧
電素子における大きな問題点となっている。 この発明は、機械的な破壊の原因となる保護層と圧電材
料層との境界面近傍のせん断心力集中を緩和し、寿命信
頼性の高い積層型圧電素子を提供することを目的とする
ものである。
この発明は、圧電材料層と電極層とが交互に積層された
積層体の両端に電極層を介して圧電材料からなる保護層
が設けられ、前記電極層間に電圧が印加されることによ
り前記圧電材料層が伸縮する積層型圧電素子において、
横効果電圧歪定数が比較的小さい圧電材料からなる応力
緩和層を保護層に隣接させて設けるものである。
積層体の両端に電極層を介して圧電材料からなる保護層
が設けられ、前記電極層間に電圧が印加されることによ
り前記圧電材料層が伸縮する積層型圧電素子において、
横効果電圧歪定数が比較的小さい圧電材料からなる応力
緩和層を保護層に隣接させて設けるものである。
この発明によれば、保護層に隣接する応力緩和層は横効
果電圧歪定数が比較的小さく設定されているため、圧電
材料層とおなし電界が作用しても横効果による収縮歪は
抑制され、保護層との境界面近傍に生じる廿ん断心力集
中が緩和される。
果電圧歪定数が比較的小さく設定されているため、圧電
材料層とおなし電界が作用しても横効果による収縮歪は
抑制され、保護層との境界面近傍に生じる廿ん断心力集
中が緩和される。
以下、第１図〜第３図に基づいてこの発明の詳細な説明
する。 第１図はこの発明の実施例の積層型圧電素子の断面を示
すものである。この積層型圧電素子は、圧電材料層２０
．２０Ａと、電極層２１Ａ、２１Ｂとが交互に積層され
た積層体の両端に電極層２１Ａを介して圧電材料からな
る保護層２３を設けて構成され、電極層２１Ａ、２１Ｂ
には一層置きに外部リード２２Ａ、２２Ｂが電気的に接
続されている。ここで、保護層２３に隣接する圧電材料
層２ＯＡは、圧電材料層２０と同種の材料であるが横効
果電圧歪定数が圧電材料層２０より小さい値を有する応
力緩和層として構成されている。 第２図は、この実施例に用いた圧電材料の組成と横効果
電圧歪定数ｄ３１との関係を示したものである。圧電材
料の組成は、ｚｐｂＴｉｏ３・（０，５−ｒ）ｐｂＺｒ
ｏ３・０．５ｐｂ（Ｎｉ＋ｚａＮｂｚｚ３） ０３で、
Ｘにより成分割合が異なる。第２図から分かる通り、こ
の圧電材料の横効果電圧歪定数ｄ３１の値は、Ｘの値を
僅かに変えるだけで大きく変化する。 この実施例においては、圧電材料層２０の組成をｘ−０
，３５付近く横効果電圧歪定数ｄ３＋＝３２０ Ｘ１０
− ’ ” ｍ ／ ｖ ）とし、応力緩和層２ＯＡの
組成をｒ＝０．４５付近く横効果電圧歪定数ｄ：＋＋ａ
＝１６０ Ｘ１０− ’ ２ｍ ／ ｖ ）とした。 なお、圧電材料層の厚さはとこでも同じで、外部リード
２１Ａ、２１Ｂ間に直流電圧を印加すると、圧電材料層
２０と応力緩和層２ＯＡには共に同じ強さの電界が発生
する。 このように構成された積層型圧電素子は、電界が加わる
と、圧電縦効果により積層方向に伸び歪ＳＩが生じ、積
層方向と直角の方向に横効果により収縮歪Ｓ２が生じる
（第１図）。保護層２３は変形しないため、保護層２３
近傍の圧電材料Ｎ２０Ａの収縮歪は抑制されるが、この
圧電材料層２０Ａは応力緩和層として横効果電圧歪定数
が他の圧電材料層２０の約１／２になっているため、同
じ電界が加わっても抑制される収縮歪は約１／２となる
。したがって、保護層２３と応力緩和層２０Ａとの境界
面近傍のせん断心力集中は緩和されることになる。 第３図はせん断心力の解析結果を示すもので、第３図（
Ａ）は積層型圧電素子の中心から半径方向に向かう距離
１（＋＋ｏ）に対するせん断心力（×１０’ Ｎ／ｒｆ
）の計算値を示し、第３図（Ｂ）はその解析モデルを示
す。これは、直径１０Ｍｍ 、厚さ０゜５ｍｍの圧電材
料層３０を８層、その両端に同形状の応力緩和層３０Ａ
を各１層、さらにその両側に直径１０胴、厚さ４論の保
護層３３を各１層積層した積層型圧電素子の１／４モデ
ルを考え、保護層３３と応力緩和層３０Ａとの間に生じ
るせん断心力を有限要素法で解析したものである。 この結果によれば、応力緩和層を挿入しない場合（ｄ３
＋Ａ＝ｄ：＋＋）は、最大せん断心力は２．６３１０’
Ｎ／％であるが、応力緩和層を挿入した場合（ｄ３１Ａ
＝ １／２ｄｘ＋）には、最大せん断心力は約１／２
となり、せん断心力が緩和されることが分かる。 上述実施例では保護層に隣接する圧電材料層は１層のみ
横効果電圧歪定数を小さくしたが、特にＩＮに限る必要
はなく、さらに多（の層について横効果電圧歪定数を変
化させることにより、より滑らかに応力の緩和を行うこ
とが可能である。 【発明の効果］ この発明によれば、保護層に隣接する圧電材料層の収縮
歪が小さ（なるため保護層と圧電材料層との境界面に生
じるせん断心力集中が軽減され、積層型圧電素子の寿命
信頼性が向上する。また、挿入する応力緩和層は形状が
他の層と同じであるため、製作の工数も従来と変わりが
ないという利点もある。
する。 第１図はこの発明の実施例の積層型圧電素子の断面を示
すものである。この積層型圧電素子は、圧電材料層２０
．２０Ａと、電極層２１Ａ、２１Ｂとが交互に積層され
た積層体の両端に電極層２１Ａを介して圧電材料からな
る保護層２３を設けて構成され、電極層２１Ａ、２１Ｂ
には一層置きに外部リード２２Ａ、２２Ｂが電気的に接
続されている。ここで、保護層２３に隣接する圧電材料
層２ＯＡは、圧電材料層２０と同種の材料であるが横効
果電圧歪定数が圧電材料層２０より小さい値を有する応
力緩和層として構成されている。 第２図は、この実施例に用いた圧電材料の組成と横効果
電圧歪定数ｄ３１との関係を示したものである。圧電材
料の組成は、ｚｐｂＴｉｏ３・（０，５−ｒ）ｐｂＺｒ
ｏ３・０．５ｐｂ（Ｎｉ＋ｚａＮｂｚｚ３） ０３で、
Ｘにより成分割合が異なる。第２図から分かる通り、こ
の圧電材料の横効果電圧歪定数ｄ３１の値は、Ｘの値を
僅かに変えるだけで大きく変化する。 この実施例においては、圧電材料層２０の組成をｘ−０
，３５付近く横効果電圧歪定数ｄ３＋＝３２０ Ｘ１０
− ’ ” ｍ ／ ｖ ）とし、応力緩和層２ＯＡの
組成をｒ＝０．４５付近く横効果電圧歪定数ｄ：＋＋ａ
＝１６０ Ｘ１０− ’ ２ｍ ／ ｖ ）とした。 なお、圧電材料層の厚さはとこでも同じで、外部リード
２１Ａ、２１Ｂ間に直流電圧を印加すると、圧電材料層
２０と応力緩和層２ＯＡには共に同じ強さの電界が発生
する。 このように構成された積層型圧電素子は、電界が加わる
と、圧電縦効果により積層方向に伸び歪ＳＩが生じ、積
層方向と直角の方向に横効果により収縮歪Ｓ２が生じる
（第１図）。保護層２３は変形しないため、保護層２３
近傍の圧電材料Ｎ２０Ａの収縮歪は抑制されるが、この
圧電材料層２０Ａは応力緩和層として横効果電圧歪定数
が他の圧電材料層２０の約１／２になっているため、同
じ電界が加わっても抑制される収縮歪は約１／２となる
。したがって、保護層２３と応力緩和層２０Ａとの境界
面近傍のせん断心力集中は緩和されることになる。 第３図はせん断心力の解析結果を示すもので、第３図（
Ａ）は積層型圧電素子の中心から半径方向に向かう距離
１（＋＋ｏ）に対するせん断心力（×１０’ Ｎ／ｒｆ
）の計算値を示し、第３図（Ｂ）はその解析モデルを示
す。これは、直径１０Ｍｍ 、厚さ０゜５ｍｍの圧電材
料層３０を８層、その両端に同形状の応力緩和層３０Ａ
を各１層、さらにその両側に直径１０胴、厚さ４論の保
護層３３を各１層積層した積層型圧電素子の１／４モデ
ルを考え、保護層３３と応力緩和層３０Ａとの間に生じ
るせん断心力を有限要素法で解析したものである。 この結果によれば、応力緩和層を挿入しない場合（ｄ３
＋Ａ＝ｄ：＋＋）は、最大せん断心力は２．６３１０’
Ｎ／％であるが、応力緩和層を挿入した場合（ｄ３１Ａ
＝ １／２ｄｘ＋）には、最大せん断心力は約１／２
となり、せん断心力が緩和されることが分かる。 上述実施例では保護層に隣接する圧電材料層は１層のみ
横効果電圧歪定数を小さくしたが、特にＩＮに限る必要
はなく、さらに多（の層について横効果電圧歪定数を変
化させることにより、より滑らかに応力の緩和を行うこ
とが可能である。 【発明の効果］ この発明によれば、保護層に隣接する圧電材料層の収縮
歪が小さ（なるため保護層と圧電材料層との境界面に生
じるせん断心力集中が軽減され、積層型圧電素子の寿命
信頼性が向上する。また、挿入する応力緩和層は形状が
他の層と同じであるため、製作の工数も従来と変わりが
ないという利点もある。
第１図はこの発明の実施例の縦断面図、第２図は第１図
の積層型圧電素子に用いた圧電材料の組成による横効果
電圧歪定数ｄ３１の変化を示す線図、第３図はこの発明
の積層型圧電素子の保護層と応力緩和層との間に生じる
せん断心力の解析例を示す説明図、第４図は従来例の縦
断面図、第５図は第４図の積層型圧電素子に電界を加え
た際の歪を示す説明図である。 ２０：圧電材料層、２０Ａ：応力緩和層、２１Ａ、２１
Ｂ：電極層、２３：保護層。 ｓ１ 第１ 図 Ｘ Ｍ２ 図 第３図
の積層型圧電素子に用いた圧電材料の組成による横効果
電圧歪定数ｄ３１の変化を示す線図、第３図はこの発明
の積層型圧電素子の保護層と応力緩和層との間に生じる
せん断心力の解析例を示す説明図、第４図は従来例の縦
断面図、第５図は第４図の積層型圧電素子に電界を加え
た際の歪を示す説明図である。 ２０：圧電材料層、２０Ａ：応力緩和層、２１Ａ、２１
Ｂ：電極層、２３：保護層。 ｓ１ 第１ 図 Ｘ Ｍ２ 図 第３図
Claims (1)
- １）圧電材料層と電極層とが交互に積層された積層体の
両端に電極層を介して圧電材料からなる保護層が設けら
れ、前記電極層間に電圧が印加されることにより前記圧
電材料層が伸縮する積層型圧電素子において、横効果電
圧歪定数が比較的小さい圧電材料からなる応力緩和層を
保護層に隣接させて設けたことを特徴とする積層型圧電
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63053118A JPH01226186A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63053118A JPH01226186A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01226186A true JPH01226186A (ja) | 1989-09-08 |
Family
ID=12933887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63053118A Pending JPH01226186A (ja) | 1988-03-07 | 1988-03-07 | 積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01226186A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0430481A (ja) * | 1990-05-28 | 1992-02-03 | Nec Corp | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
| US5260723A (en) * | 1989-05-12 | 1993-11-09 | Ricoh Company, Ltd. | Liquid jet recording head |
| DE19738407A1 (de) * | 1997-09-03 | 1999-03-11 | Daimler Benz Ag | Elektrostriktiver Stellantrieb |
| JP2002252386A (ja) * | 2001-02-15 | 2002-09-06 | Ceramtec Ag Innov Ceramic Eng | 圧電セラミック多層アクチュエーター |
| JP2009503834A (ja) * | 2005-07-26 | 2009-01-29 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 移行領域において極化方向が回転するモノリシックピエゾアクチュエータ並びにピエゾアクチュエータの使用 |
-
1988
- 1988-03-07 JP JP63053118A patent/JPH01226186A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5260723A (en) * | 1989-05-12 | 1993-11-09 | Ricoh Company, Ltd. | Liquid jet recording head |
| JPH0430481A (ja) * | 1990-05-28 | 1992-02-03 | Nec Corp | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
| DE19738407A1 (de) * | 1997-09-03 | 1999-03-11 | Daimler Benz Ag | Elektrostriktiver Stellantrieb |
| DE19738407C2 (de) * | 1997-09-03 | 1999-11-04 | Daimler Chrysler Ag | Elektrostriktiver Stellantrieb |
| US5986386A (en) * | 1997-09-03 | 1999-11-16 | Daimlerchrysler Ag | Electrostrictive or piezoelectric actuator device |
| JP2002252386A (ja) * | 2001-02-15 | 2002-09-06 | Ceramtec Ag Innov Ceramic Eng | 圧電セラミック多層アクチュエーター |
| JP2012134528A (ja) * | 2001-02-15 | 2012-07-12 | Ceramtec Ag Innovative Ceramic Engineering | 圧電セラミック多層アクチュエーター |
| JP2009503834A (ja) * | 2005-07-26 | 2009-01-29 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 移行領域において極化方向が回転するモノリシックピエゾアクチュエータ並びにピエゾアクチュエータの使用 |
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