JPH02267978A - 圧電素子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子に関し、特にバイモルフ等の面状振動
板として面方向に対して縦効果を発揮する圧電素子に関
する。

〔従来の技術〕

一般に、圧電性のセラミックスに二つの電極を被着し、
この電極間に高電圧を与えて分極処理することは圧電技
術として知られでいる。しかも、この分極が破壊されな
い程度の電界を加えると、圧電材に歪が発生するので、
この歪みを利用した電気・音響機器としてのデバイスが
数多く実現されている。

例えば、圧電ブザーや圧電スピーカー等がその例である
。これらは、薄い圧電セラミックの両面に電極を形成し
、これを支持板に貼り付けたものであり、圧電セラミッ
クの面方向への伸縮によってたわみ振動となるものであ
る。また、薄い圧電材の未焼成シートに電極を形成し、
対向電極が形成されるように積層と電極接続を行うこと
により、積層型の圧電アクチュエータを構成することも
でき、これらはプリンタの印字ヘッド、リレー、モータ
等として利用されている。

このような圧電発音体や圧電アクチュエータにおいては
、圧電材の分極方向に対する変位を取り出す方向として
、縦効果（分極方向と同一）と横効果（分極方向に直角
）とがある。一般に、圧電発音体は面方向の伸縮を用い
る横効果が用いられ、また圧電アクチュエータは積層型
の縦効果と、リレーやプリンタヘッド等のユニモルフお
よびバイモルフとしての横効果が用いられている。

第６図は従来の一例を示す積層型の圧電素子の断面図で
ある。

第６図に示すようにかかる素子は積層型圧電アクチュエ
ータであり、内部電極２１はその両端部において１層お
きに絶縁ガラス２２が形成されている。さらに、これら
絶縁ガラス上から外部電極２３が形成されている。この
ような構成をとることにより、リード線２４及び２５の
間に電界を加えて分極処理した後、アクチュエータとし
てのパルス電圧や直流電圧を与えて用いている。

一方、第７図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来のユニモル
フ構造圧電素子の電界を加えない状態および電界を加え
た状態の分極と変位の方向を示す断面図である。

第７図（ａ）に示すように、この素子は支持板２６の一
方の面に電極２７を形成した圧電材料２８を接着して得
るユニモルフ構造の振動板であり、矢印２９は分極方向
を示している。

また、第７図（ｂ）に示すように、電界を加えることに
よって分極方向２つに直角な方向への伸びを示す矢印３
０が生じる。この伸びが支持板２６との接着の関係から
たわみ変形を生じるので、圧電素子としてはこの先端部
での変位りを利用するものである。

また、ユニモルフ構造の他の例としては円形に加工され
た圧電材を支持板に貼り付けて得られる圧電型発音体が
ある。この場合に要求される点は、小型化と共に低電圧
で音圧レベルの高いものが７才れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

旧述した従来の圧電セラミックスの応用において、まず
積層型アクチュエータは縦効果を用いているため、電気
−機械の変換効率が高い。このためインバク１〜プリン
タのヘッドとして変位拡大機構を付加した場合には、ア
クチュエータとしての力が強く、２〜３枚のコピー（加
圧による複数枚の印字）の可能なプリンターが得られて
いる。しかしながら、積層構造で対向電極を形成して行
くことは、交互に電極接続をしなければならず、同時に
１層での歪が累積されることから、特殊な方法（Ｍ層コ
ンデンサのように単純に接続できない）で電極を接続し
なければならず、信頼性が低くなるという欠点がある。

一方、ユニモルフやバイモルフのアクチュエータや発音
体としての振動板は横効果を用いているため、電気−機
械の変換効率が縦効果の３０〜４０％と低く、この結果
ユニモルフではあまり大きな変位は得られず、アクチュ
エータとしての小型化は十分ではないという欠点がある
。

さらに、ユニモルフ構造の圧電型発音体は、小型化して
低電圧且つ高音圧レベルを得るのが困難であり、しかも
高い音圧レベルを実現するには、昇圧コイルを用いたり
、あるいは電磁型の方式にたよらなければならないとい
う欠点がある。

すわわち、第６図に示す積層型圧電アクチュエータでは
、大きな変位を得るには積層数を多くしなければならず
、また基本的に外部電極を形成する部分では、過大な応
力を発生するので、絶縁形成部のクラック発生などによ
り信頼性が低下してしまう。

また、第７図に示すユニモルフ構造の圧電素子によるア
クチュエータは、分極方向と直角の方向の変位を利用す
るものであるので、分極方向の歪みに対して３０〜４０
％の歪みにしがならず、長さしを十分にとらなければ変
位りを大きく得られない。この結果、アクチュエータと
しての用途は限定されてしまうため、分極方向に対して
互いに逆に電界が加わるように接着又は積層するパイモ
ルフ構造の振動板としなければならず、コスト高となっ
てしまう。

更に、ユニモルフ構造になる圧電型発音体は、たわみ振
動を生じさせるのが分極方向に対して直角方向に生じる
歪みを利用しているため、効率が低くなってしまう。従
って、低い電圧で高い音圧レベルを発生する発音体は得
られにくい。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電素子は、厚み方向に導電材が埋込まれて形
成される複数の電極柱を有する圧電セラミックスの薄板
に、前記複数の電極柱が隣り合う位置で対向電極となる
ように、前記圧電セラミックスの薄板の少なくとも一方
の面の面内に電極接続パターンを形成していることを特
徴としている９また、本発明の圧電素子は複数の電極柱
がある圧電セラミックスの薄板が互いに対向電極となる
極を同一として積層され、この積層された上下面の少な
くとも一方の面の面内かあるいは積層される内部の面の
面内に電極接続パターンを形成していることを特徴とし
ている。

〔作用〕

本発明は、薄い圧電セラミックスを厚み方向に貫通する
導電体の柱を複数設け、この導電体の柱を対向電極とし
て形成するために、貫通する導電体の柱を隣り合うもの
を対として上下面にこれらの接続パターンを形成する。

これにより、上下面に形成した接続パターンに高い電圧
を与えれば、この薄板内では厚み方向に貫通する導電体
の対となる柱間で分極が行われる。このとき、分極方向
は厚み方向に直角方向となるなめ、ユニモルフやバイモ
ルフのアクチュエーターとしたときにも縦効果の圧電素
子が得られる。

また、このような厚み方向に貫通する導電体の柱が複数
形成された圧電セラミックスのグリーンシートが積層さ
れ、この導電体の柱を対向電極として形成するために貫
通する導電体の柱を隣り合うものを対として上下面又は
内層面にこれらの接続パターンを形成する。これにより
、上下面又は内層面に形成した接続パターンに前記同様
に分極が形成できる。このため、積層方向に対して横方
向に変位をとり出すアクチュエータとしても、縦効果の
圧電素子となり、電極の接続も積層時に得られてしまう
簡単なものとなる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の第一の実施例を示す薄板状圧電素子の
一部切欠き断面を含む斜視図である。

第１図に示すように、本実施例は圧電セラミックスの薄
板１１に厚み方向に貫通する導電体１２が複数形成され
ている。この薄板１１の上下面には、それぞれ導電体１
２が交互に対となるように電極接続パターン１３及び１
４が形成される。これらの電極を形成するにあたっては
、まず圧電材のグリーンシートに一定間隔で複数の穴を
あけ、この穴のあいたグリーンシートにスクリーン印刷
機を用いて両面に電極パターン１３および１４を印刷形
成する。このとき、前記穴の中にも電極材１２がつめ込
まれる。しかる後これを焼結することにより、複数の導
電体１２の柱が形成された圧電セラミックスの薄板１１
が得られる。

このような構成をとることにより、表面の接続パターン
１３及び裏面の接続パターン１４に直流の高い電圧を加
えれば、このパターンを通じて薄板１１の上下に貫通す
る対となる導電体１２の柱の間で分極処理が行われる。

第２図は第１図に示す圧電素子の分極方向を示す断面図
である。

第２図に示すように、圧電セラミック薄板１１の導電材
１２間に形成される分極方向１５は厚み方向に対して直
角方向となり、ユニモルフやバイモルフとして面方向へ
の伸縮を利用するアクチュエータとしたときも効率の良
い縦効果の圧電素子となる。

第３図は本発明の第二の実施例を示す積層型圧電素子の
一部切欠き断面を含む斜視図である。

第３図に示すように、本実施例は圧電材コ１の各層内に
上下に貫通した複数の導電体１２が形成されており、こ
れが位置を同じにして上下に積層せれている。また、こ
の圧電材１１の上下面には導電体１２が交互に対となる
ように接続パターン１３及び１４が形成される。これら
の電極を形成する手順は、前述した第一の実施例と同様
であるが、このとき最上段及び最下段となるシートにの
み接続パターン１３あるいは１４が形成されていれば良
く、中間の層としては穴の内部に導電体がうめられるよ
うに穴と同一のパターンで印刷を行う。そして、これら
圧電材を形成する複数のシートを積層し、焼結すること
により、厚み方向に複数の導電体１２の柱が形成された
圧電セラミックスの積層体が得られる。

このような構成をとることにより、上下面の接続パター
ン１３及び１４に直流の高い電圧を加えれば、このパタ
ーンを通じて積層体の厚み方向に形成された対となる導
電体１２の柱の間で分極処理が行われる。この分極方向
は、第２図に示したものと同じように、厚み方向（積層
方向）に対して直角方向となる。従って、上下面の接続
パターンに分極が破壊されない範囲の直流電圧又はパル
ス電圧を与えれば、加えた電圧値に比例した変位が取り
出せる。このとき得られる変位の方向は、電極柱１２を
方形の面内に均一に配置したときには、等方性となる。

また−辺の長さを他の辺に対して長く作れば、この長い
方向への変位が主に有効な変位となって取り出せる。

このように、取り出せる変位の方向が従来の積層型とは
異なり、変位を取り出す端面を電極未形成状態にするこ
とができる。このなめ、アクチュエータとしての変位伝
達媒体（ロッド等）との絶縁を考慮する必要が無くなり
、実装構造が簡単になる。また、従来の積層型アクチュ
エータでは積層した端面で１層おきに絶縁処理をし、こ
の上から外部電極を形成していたが、本実施例の圧電素
子では最上部と最下部のグリーンシートにすでに対向電
極が対となるように電極接続パターンが形成されている
ため、後処理での電極接続がまったく不要となる。さら
に、従来の積層型アクチュエータでは、アクチュエータ
としての変位が積層方向となるため、外部電極形成部で
の応力が絶縁処理部の破壊を起こし、この結果信頼性の
低下となっているが、本実施例の圧電素子では変位を生
じる方向に対して電極接続パターン１３．１４を同一極
を結ぶ方向に形成しており、この方向にはほとんど変位
を生じない。この結果、電極接続パターン１３および１
４に応力を生じることはなく、しかも対向する電極１２
も表と裏など完全に分離できるなめ、信頼性の高いアク
チュエータが得られる。

次に、かかる圧電材の製造について少しく詳細に説明す
る。

まず、マグネシウム・ニオブ酸鉛Ｐｂ　（Ｍｇ１／３・
Ｎｂ２／３）０３を主成分とする電歪材料の粉末を有機
バインダーとともに溶媒中に分散し、これらをスラリー
状とする。これをドクターブレードを用いたスリップキ
ャスティング法により、厚さ４０〜１００μｍ程度の均
一な厚みの圧電材グリーンシートとする。次に、この圧
電材グリーンシートを規定の大きさに打ち抜き、厚み方
向に貫通する電極の柱を形成するための穴をパンチ及び
ダイによって形成する。次に、この穴あけを行った圧電
材グリーンシートの両面にスクリーン印刷機を用いて電
極ペーストを印刷するが、積層タイプでは、内層となる
グリーンシートに穴うめのパターンを印刷し、最上層及
び最下層となる面に接続と穴うめを含むパターンを印刷
する。また、１枚の圧電材として得るときは、両面に接
続と穴うめを含むパターンを印刷する。

さらに、この電極パターンが印刷された圧電材グリーン
シートをプレス金型にセットし、１００℃前後の温度で
加熱するとともに、２５０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力を加
えて密度を高めた圧電材グリーンシートや積層体とする
。

次に、プレスした圧電材グリーンシートや積層体を所定
の寸法に切断した後、セラミックグリーンシート中に依
存する有機物をとるための脱バインダー工程において酸
化雰囲気中でゆっくりと加熱し、分解・消失させる。通
常これらの有機物は５００℃〜６００℃までには完全に
分解・酸化する。しかし、急激に温度を分解温度まで上
げると圧電材が破損するので、２５℃／時間あるいは、
これよりもゆっくりとした昇温スピードで温度を上げ、
５００℃〜６００°Ｃに充分長い時間保持する。これに
より有機物は完全に消失する。しかる後、９００℃〜１
２００℃の温度で焼成すると、前述した説明のとおり、
厚み方向に電極柱が形成された圧電材平板あるいはｆａ
層梨型圧電素子得られる。

上述した二つの実施例においては、圧電素子を得るのに
、グリーンシートに穴あけを行い、この穴にスクリーン
印刷機を用いて電極ペーストをつめ込んでいたが、この
他にも種々の変形が考えられる。

例えば、グリーンシートの状態で穴あけと焼結を行なっ
た後に、穴の内部および上下面の接続パターンを形成す
るのに、無電解メツキによる電極形成を行ってもよく、
また別な方法として穴の内部に電極ペーストをつめ込む
圧入方法も利用できる。更に、電極の柱となる穴を実施
例では丸穴を形成しているが、この穴の形状も丸穴に限
定されることはなく、角穴や十字型の穴でも良い。

さらに、前述した実施例において、上下電極接続パター
ンは同一極を対角線状に接続しているが、この対角線の
位置では変位が無く、接続パターン形成には最適である
が、内部ではこの変位を生じないことから内部応力が少
し発生してしまう。そこで、かかる内部応力を零にする
実施例を次に説明する。

第４図は本発明の第三の実施例を示す内部応力をほぼ零
にできる圧電素子の上面図である。

第４図に示すように、本実施例は圧電材グリーンシート
１６において、対向電極を形成する第一および第二の電
極柱１７及び１８がそれぞれ対角線状に結ぶ位置の中央
に穴１９を形成し、接続パターン２０をこの穴１９の周
囲を迂回するように形成する。このような構造とするこ
とにより、変位の生じない部番が無くなり、内部応力は
ほぼ零近くになる。この結果、ユニモルフやバイモルフ
のアクチュエータとしても信頼性の高いものが得られる
。尚、上述した圧電素子を用いてユニモルフやバイモル
フのアクチュエータが得られることを述べたが、ユニモ
ルフでは金属などの支持板に直接貼り付けるか部分接着
による方法が利用できるし、またバイモルフでは、支持
板の両面に貼り付けることができる。

第５図は本発明の第四の実施例を説明するための３枚の
グリーンシートで構成したバイモルフの断面図である。

第５図に示すように、本実施例は３枚の圧電材グリーン
シート１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを用いた例である。この
グリーンシート１６Ｂで形成される中間層に一方の極と
なる電極１７だけを除いた積層構成をとることにより、
分極方向を互いに逆にしたバイモルフを構成することが
できる。尚、反対の電極１８は上下に貫通している。こ
のときも、電界を加えて伸縮をする方向は分極方向と同
一になる縦効果となるため、アクチュエータとしての変
位りは従来のものよりずっと大きなものとなる。また、
積層タイプでの上下面に形成した接続パターンは、上下
面に限定されることはない。

すなわち、内層となるグリーンシートに形成しておいて
、上下面のどちらか一方でリード線接続端子のみを形成
しても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の圧電素子は厚み方向に貫
通する電極の柱を複数形成し、この複数の電極の柱の中
から隣り合う電極の柱を対向電極となるように厚み方向
の上下面で電極接続パターンを形成することにより、分
極方向が厚み方向と直角の面方向となっている。従って
、支持板の片面に貼り付けるユニモルフや支持板の両面
に貼り付けるバイモルフあるいは分極方向に対して互い
に逆方向に電圧が加えられるようにしたバイモルフ等の
面方向への変位を利用するような場合、この変位が分極
方向と一致する縦効果となるため、加える電圧に対して
得られる変位の値が大きく、しかも電気−機械変換効率
の高いものとなる。この結果、ユニモルフやバイモルフ
のアクチュエータとしての変位は大きなものとなり、発
音体として利用するときにも低電圧でも音圧レベルの高
いものが得られ、さらにリレーや空冷用ファンあるいは
ポンプなどの振動子としても効率や信頼性の高いものが
得られるという効果がある。

また、本発明の圧電素子は厚み方向に貫通する複数の電
極の柱を形成したグリーンシートを積層し、この複数の
電極の柱の中から隣り合う電極の柱を対向電極となるよ
うに厚み方向の上下面で電極接続パターンを形成するこ
とにより、分極方向が厚み方向（積層方向）と直角の面
方向となる。

従って、ＭＭ力方向対して直角方向への変位が得られる
ため、変位の大きなものを得る場合には、この変位を収
り出す方向に対して長さを長くすれば良く、従来の積層
型アクチュエータのように積層数を増加させなくても良
く、コストの低減化が可能になるという効果がある。才
な、対向電極としての同一極相互の接続も単に上下面に
なるグリーンシートへの電極パターン形成のみで得られ
るので、この電極接続は積層・焼成の過程のみで得られ
、後処理がまったく不要となる上、この電極接続部では
応力を生じないため、電極の断線や絶縁破壊による信頼
性の低下を生じないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す板状圧電素子の一
部切欠き断面を含む斜視図、第２図は第１図に示す圧電
素子の分極方向を示す断面図、第３図は本発明の第二の
実施例を示す積層型の一部切欠き断面を含む斜視図、第
４図は本発明の第三の実施例を示す内部応力をほぼ零に
できる圧電素子の上面図、第５図は本発明の第四の実施
例を説明するための３枚のグリーンシートで構成したバ
イモルフの断面図、第６図は従来の一例を示す積層型圧
電素子の断面図、第７図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従
来のユニモルフ構造圧電素子の電界を加えない状態およ
び電界を加えた状態の分極と変位の方向を示す断面図で
ある。 １１・・・圧電セラミックスの薄板、１２・・・導電体
、１３・・・表面接続パターン、１４・・・裏面接続パ
ターン、１５・・−分極方向、１６．１６Ａ〜１６Ｃ・
・・圧電材グリーンシート、１７．１８・・・電極柱（
対向電極）、１９・・・穴、２０・・・接続パターン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．厚み方向に導電材が埋込まれて形成される複数の電
   極柱を有する圧電セラミックスの薄板に、前記複数の電
   極柱が隣り合う位置で対向電極となるように、前記圧電
   セラミックスの薄板の少なくとも一方の面の面内に電極
   接続パターンを形成していることを特徴とする圧電素子
   。
2. ２．複数の電極柱がある圧電セラミックスの薄板が互い
   に対向電極となる極を同一として積層され、この積層さ
   れた上下面の少なくとも一方の面の面内かあるいは積層
   される内部の面の面内に電極接続パターンを形成してい
   ることを特徴とする圧電素子。