JPH02150082A - 積層型圧電素子 - Google Patents
積層型圧電素子Info
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- JPH02150082A JPH02150082A JP63303561A JP30356188A JPH02150082A JP H02150082 A JPH02150082 A JP H02150082A JP 63303561 A JP63303561 A JP 63303561A JP 30356188 A JP30356188 A JP 30356188A JP H02150082 A JPH02150082 A JP H02150082A
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- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010008 shearing Methods 0.000 abstract 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
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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３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１１とが交互に積層された
積層体の両端に電極層１１を介して電気絶縁材料からな
る保護層１２を設けて構成され、電極層１１は一層おき
に外部電極１３Ａ及び１３Ｂに電気的に接続されている
。 ここで、外部電極１３Ａ、１３Ｂに異なる極性電圧が印
加されると、圧電材料Ｎ１０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Ｓｌが
生じる。
８０号公報に記載されているが、第３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１１とが交互に積層された
積層体の両端に電極層１１を介して電気絶縁材料からな
る保護層１２を設けて構成され、電極層１１は一層おき
に外部電極１３Ａ及び１３Ｂに電気的に接続されている
。 ここで、外部電極１３Ａ、１３Ｂに異なる極性電圧が印
加されると、圧電材料Ｎ１０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Ｓｌが
生じる。
一方、上記電界により、各圧電材料層１０には同時に圧
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層１２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
ｉｌｉ層１２内には電界の発生がなく縦横いずれの効果
による歪も発生しないため、保護層１２に近いものほど
この収縮歪Ｓ２は抑制される。 この状態を第４図に破線で示す。すなわち、収縮歪Ｓ２
は保護層１２と圧電材料層ＩＯとの境界面に近いほど小
さくなっている。この保護層１２による収縮歪Ｓ２の抑
制は、保護層１２と圧電材料層１０との間に機械的なせ
ん断部力（σ、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ものである。 しかし、保護層１２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（すことはできない。したがって、
この保護層１２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。 そこで、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層１２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
ｉｌｉ層１２内には電界の発生がなく縦横いずれの効果
による歪も発生しないため、保護層１２に近いものほど
この収縮歪Ｓ２は抑制される。 この状態を第４図に破線で示す。すなわち、収縮歪Ｓ２
は保護層１２と圧電材料層ＩＯとの境界面に近いほど小
さくなっている。この保護層１２による収縮歪Ｓ２の抑
制は、保護層１２と圧電材料層１０との間に機械的なせ
ん断部力（σ、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ものである。 しかし、保護層１２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（すことはできない。したがって、
この保護層１２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。 そこで、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。
保護層に接する電極層の次の電極層以降の少なくとも一
層の電極層を外部電極から電気的に切り離し、これらの
電極層を挟んで隣接する主桟層間に電圧を印加すれば、
保護層に隣接する圧電材料層の有効電極間厚さが増加す
ることになる。その結果、この部分の電界の強さが低下
して圧電横効果による収縮歪が他の圧電材料層より小さ
くなり、保護層との境界面近傍に生じるせん断心力集中
が緩和される。
層の電極層を外部電極から電気的に切り離し、これらの
電極層を挟んで隣接する主桟層間に電圧を印加すれば、
保護層に隣接する圧電材料層の有効電極間厚さが増加す
ることになる。その結果、この部分の電界の強さが低下
して圧電横効果による収縮歪が他の圧電材料層より小さ
くなり、保護層との境界面近傍に生じるせん断心力集中
が緩和される。
以下、第１図及び第２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、同じ厚さの圧電
材料層２０と、電極層２１とが交互に積層された積層体
の両端に、電極１ｉ２１を介して電気絶縁材料（この場
合は圧電材料層２０と同質の圧電材料を用いている。）
からなる保護層２２を設けて構成されている。そして、
電極層２１には、保護層２２に接する電極層２１ （特
に、２１１の符号を付けである。）の次の電極層（特に
、２１２の符号を付けである。）を除いて、−層おきに
外部電極２３Ａ及び２３Ｂに電気的に接続されている。 このように構成された積層型圧電素子において、外部電
極２３Ａと２３Ｂとの間に電圧を印加すると各圧電材料
層２０内に電界が生じ、第３図で説明したと同様に積層
方向に伸び歪Ｓ、が生じ、これと直角の方向に収縮歪Ｓ
ｔが生じる。その際、保護層２２は変形しないため、圧
電材料層２０の収縮歪は抑制され、保護層２２と圧電材
料層２０との境界面にはせん断心力集中が発生する。 ここで、電極Ｎ２１２は外部電極から電気的に切り離さ
れされているため、保８Ｉ層２２に隣接する圧電材料層
２０（特に、２０１の符号を付けである。）とその次の
圧電材料層２０（特に、２０２の符号を付けである。）
には、電極層２１２を挟んで、電極層２１１とこれから
数えて３番目の電極層（特に、２１３の符号を付けであ
る。）との間に印加される電圧に基づく電界が作用し、
圧電材料層２０１及び２０２においては有効電極間距離
が見掛は上２倍になっている。そのため、圧電材料層２
０１及び２０２における電界の強さは他の圧電材料層２
０の１／２になり、圧電横効果による収縮歪も他の圧電
材料Ｎ２０の１／２となる。つまり、圧電材料層２０１
及び２０２では収縮歪が他の圧電材料層２０より小さく
、他の圧電材料層２０がそのまま保護層２２に隣接する
場合に比べて上記せん断心力集中は少なくなる。すなわ
ち、第１図で斜線を施した圧電材料層２０１゜２０２部
分は応力緩和層として働いている。 第２図はせん断心力の解析結果を示すもので、第２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
ｌ（ｍｍ）に対するせん断心力（×１０７Ｎ／％）の計
算値を示し、第２図（１３）はその解析モデルを示す。 これは、直径１０ｍｍ、厚さ０゜５胴の圧電材料層３０
を１０層積層し、更にその両端に直径１０ｍｍ、厚さ４
ｍｍの保護層３２を積層した積層型圧電素子の１／４
モデルを考え、保護層３２と応力緩和層３０１，３０２
との間に生じるせん断心力を有限要素法で解析し、従来
構成と比較したものである。 この結果によれば、従来構成では最大ぜん断心力は２．
６ Ｘｌ０７Ｎ／ｒｒｉであるが、実施例の場合には最
大せん断心力は約１／２となり、せん断心力が緩和され
ることがわかる。 図示実施例では外部電極から電気的に切り離す電極層を
片側１層のみとしたが、特に−層に限る必要はなく、更
に多くの層について外部電極から切り離すことにより、
より滑らかに応力の緩和を行うことが可能となる。 なお、保護層に隣接する応力緩和層内に電極層を設けず
、単に応力緩和層を他の圧電材料層より厚くするだけで
も電界の強さを小さくして収縮歪を抑えることができる
。しかし、応力緩和層だけ層厚を大きくしたり、あるい
は同一厚さのものを電極層を形成せずに積層したりする
と、その部分の製作工程が他の部分と相違し、全体とし
て製作工数が増えてコストアップの要因となる。その点
、実施例の構成によれば同一の圧電材料層を電極層と交
互に積層し、外部電極形成時に特定の電極層のみ外部電
極から切り離せばよいので、製作工程にほとんど影響が
生じない。更に、応力緩和層内の電極層は応力緩和層内
の電気力線を中継して電界を整える役目をする。したが
って、応力緩和層内に電極層を設けておくことにより、
実質的に層厚の大きくなった応力緩和層の歪が均一化さ
れるという利点がある。
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、同じ厚さの圧電
材料層２０と、電極層２１とが交互に積層された積層体
の両端に、電極１ｉ２１を介して電気絶縁材料（この場
合は圧電材料層２０と同質の圧電材料を用いている。）
からなる保護層２２を設けて構成されている。そして、
電極層２１には、保護層２２に接する電極層２１ （特
に、２１１の符号を付けである。）の次の電極層（特に
、２１２の符号を付けである。）を除いて、−層おきに
外部電極２３Ａ及び２３Ｂに電気的に接続されている。 このように構成された積層型圧電素子において、外部電
極２３Ａと２３Ｂとの間に電圧を印加すると各圧電材料
層２０内に電界が生じ、第３図で説明したと同様に積層
方向に伸び歪Ｓ、が生じ、これと直角の方向に収縮歪Ｓ
ｔが生じる。その際、保護層２２は変形しないため、圧
電材料層２０の収縮歪は抑制され、保護層２２と圧電材
料層２０との境界面にはせん断心力集中が発生する。 ここで、電極Ｎ２１２は外部電極から電気的に切り離さ
れされているため、保８Ｉ層２２に隣接する圧電材料層
２０（特に、２０１の符号を付けである。）とその次の
圧電材料層２０（特に、２０２の符号を付けである。）
には、電極層２１２を挟んで、電極層２１１とこれから
数えて３番目の電極層（特に、２１３の符号を付けであ
る。）との間に印加される電圧に基づく電界が作用し、
圧電材料層２０１及び２０２においては有効電極間距離
が見掛は上２倍になっている。そのため、圧電材料層２
０１及び２０２における電界の強さは他の圧電材料層２
０の１／２になり、圧電横効果による収縮歪も他の圧電
材料Ｎ２０の１／２となる。つまり、圧電材料層２０１
及び２０２では収縮歪が他の圧電材料層２０より小さく
、他の圧電材料層２０がそのまま保護層２２に隣接する
場合に比べて上記せん断心力集中は少なくなる。すなわ
ち、第１図で斜線を施した圧電材料層２０１゜２０２部
分は応力緩和層として働いている。 第２図はせん断心力の解析結果を示すもので、第２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
ｌ（ｍｍ）に対するせん断心力（×１０７Ｎ／％）の計
算値を示し、第２図（１３）はその解析モデルを示す。 これは、直径１０ｍｍ、厚さ０゜５胴の圧電材料層３０
を１０層積層し、更にその両端に直径１０ｍｍ、厚さ４
ｍｍの保護層３２を積層した積層型圧電素子の１／４
モデルを考え、保護層３２と応力緩和層３０１，３０２
との間に生じるせん断心力を有限要素法で解析し、従来
構成と比較したものである。 この結果によれば、従来構成では最大ぜん断心力は２．
６ Ｘｌ０７Ｎ／ｒｒｉであるが、実施例の場合には最
大せん断心力は約１／２となり、せん断心力が緩和され
ることがわかる。 図示実施例では外部電極から電気的に切り離す電極層を
片側１層のみとしたが、特に−層に限る必要はなく、更
に多くの層について外部電極から切り離すことにより、
より滑らかに応力の緩和を行うことが可能となる。 なお、保護層に隣接する応力緩和層内に電極層を設けず
、単に応力緩和層を他の圧電材料層より厚くするだけで
も電界の強さを小さくして収縮歪を抑えることができる
。しかし、応力緩和層だけ層厚を大きくしたり、あるい
は同一厚さのものを電極層を形成せずに積層したりする
と、その部分の製作工程が他の部分と相違し、全体とし
て製作工数が増えてコストアップの要因となる。その点
、実施例の構成によれば同一の圧電材料層を電極層と交
互に積層し、外部電極形成時に特定の電極層のみ外部電
極から切り離せばよいので、製作工程にほとんど影響が
生じない。更に、応力緩和層内の電極層は応力緩和層内
の電気力線を中継して電界を整える役目をする。したが
って、応力緩和層内に電極層を設けておくことにより、
実質的に層厚の大きくなった応力緩和層の歪が均一化さ
れるという利点がある。
この発明によれば、保護層に隣接する圧電材料層の収縮
歪が小さく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緩和され、積層型圧電素子の寿命
信頬性が向上する。また、積層される圧電材料層や電極
層は全て同一構成となるため製作が容易である。更に、
応力緩和層内に一層以上の電極層が存在するため、この
部分の電界が整えられて均一な歪が得られる。
歪が小さく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緩和され、積層型圧電素子の寿命
信頬性が向上する。また、積層される圧電材料層や電極
層は全て同一構成となるため製作が容易である。更に、
応力緩和層内に一層以上の電極層が存在するため、この
部分の電界が整えられて均一な歪が得られる。
第１図はこの発明の実施例の継断面図、第２図（Ａ）は
積層型圧電素子の保護層と圧電材料層との間に生じるせ
ん断心力の解析例をこの発明の実施例と従来構成とを比
較して示す説明図、第２図（Ｂ）はその解析モデルを示
す説明図、第３図は従来例の縦断面図、第４図は第３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、２１：電極層、２１１・・・保護層
に接する電極層、２１２・・・保護層に接する電極層の
次の電極層、２２：保護層、２３Ａ、２３Ｂ・・・外部
電極。 第１図 ノ （ｍｍ） 弔 図 第 図
積層型圧電素子の保護層と圧電材料層との間に生じるせ
ん断心力の解析例をこの発明の実施例と従来構成とを比
較して示す説明図、第２図（Ｂ）はその解析モデルを示
す説明図、第３図は従来例の縦断面図、第４図は第３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、２１：電極層、２１１・・・保護層
に接する電極層、２１２・・・保護層に接する電極層の
次の電極層、２２：保護層、２３Ａ、２３Ｂ・・・外部
電極。 第１図 ノ （ｍｍ） 弔 図 第 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電気絶縁材料からなる保護層が設
けられ、前記電極層間に外部電極から電圧が印加される
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、保護層に接する電極層の次の電極層以降の少な
くとも一層の電極層を外部電極から電気的に切り離した
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 |
|---|---|---|---|
| JP63303561A JP2676393B2 (ja) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | 積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63303561A JP2676393B2 (ja) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | 積層型圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02150082A true JPH02150082A (ja) | 1990-06-08 |
| JP2676393B2 JP2676393B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=17922496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63303561A Expired - Lifetime JP2676393B2 (ja) | 1988-11-30 | 1988-11-30 | 積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2676393B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013157355A1 (ja) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | 京セラ株式会社 | 圧電振動素子ならびにそれを用いた圧電振動装置および携帯端末 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6086880A (ja) * | 1983-10-19 | 1985-05-16 | Nec Corp | 電歪効果素子 |
| JPS622267U (ja) * | 1985-06-19 | 1987-01-08 |
-
1988
- 1988-11-30 JP JP63303561A patent/JP2676393B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6086880A (ja) * | 1983-10-19 | 1985-05-16 | Nec Corp | 電歪効果素子 |
| JPS622267U (ja) * | 1985-06-19 | 1987-01-08 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013157355A1 (ja) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | 京セラ株式会社 | 圧電振動素子ならびにそれを用いた圧電振動装置および携帯端末 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2676393B2 (ja) | 1997-11-12 |
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