JPH0264616A - 圧電素子および圧電素子を用いた変換装置 - Google Patents
圧電素子および圧電素子を用いた変換装置Info
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- JPH0264616A JPH0264616A JP63217690A JP21769088A JPH0264616A JP H0264616 A JPH0264616 A JP H0264616A JP 63217690 A JP63217690 A JP 63217690A JP 21769088 A JP21769088 A JP 21769088A JP H0264616 A JPH0264616 A JP H0264616A
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
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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
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、電気機械変換装置あるいは機械電気変換装置
等に用いられる圧電素子に関するものである。
等に用いられる圧電素子に関するものである。
[従来の技術]
従来より知られている圧電素子には、PZT(チタン酸
鉛(PbTi03)とジルコン酸鉛(PbZr03)と
の固溶体)等のセラミック材料を用いたものや、PVD
F (ポリフッ化ビニリデン)等の高分子材料を用いた
もの等がある。これらの圧電素子は、可聴域から超音波
域の発音体、アクチュエータ、モーター等の電気機械変
換装置や、圧力センサー等の機械電気変換装置等に広く
利用されている。
鉛(PbTi03)とジルコン酸鉛(PbZr03)と
の固溶体)等のセラミック材料を用いたものや、PVD
F (ポリフッ化ビニリデン)等の高分子材料を用いた
もの等がある。これらの圧電素子は、可聴域から超音波
域の発音体、アクチュエータ、モーター等の電気機械変
換装置や、圧力センサー等の機械電気変換装置等に広く
利用されている。
[解決しようとする課題]
セラミック材料を用いた圧電素子の場合、1000〜1
500℃で高温焼成しなければならず、寸法精度が出し
ずらい。また、非常にもろいために、割れ易く、薄くす
ることが難しい。
500℃で高温焼成しなければならず、寸法精度が出し
ずらい。また、非常にもろいために、割れ易く、薄くす
ることが難しい。
高分子材料を用いた圧電素子の場合も、フィルム状に形
成した高分子材料を機械的に延伸処理するため、寸法精
度が出しずらく、薄くすることが難しい。
成した高分子材料を機械的に延伸処理するため、寸法精
度が出しずらく、薄くすることが難しい。
このように、従来の圧電素子は、種々の制約から任意の
形状に形成することが困難であった。
形状に形成することが困難であった。
さらに、従来の圧電素子では、圧電性を発現するために
ポーリング処理(キュリー温度以上の温度で直流高電界
を印加し、そのままキュリー温度以下まで冷却して、電
気双極子の向きをそろえる処理。)が必要であり、製造
工程が煩雑なものであった。
ポーリング処理(キュリー温度以上の温度で直流高電界
を印加し、そのままキュリー温度以下まで冷却して、電
気双極子の向きをそろえる処理。)が必要であり、製造
工程が煩雑なものであった。
本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり
、容易に任意の形状に形成することができ、しかもポー
リング処理を必ずしも必要としない、全く新規な圧電素
子およびこの圧電素子を用いた変換装置を提供すること
を目的としている。
、容易に任意の形状に形成することができ、しかもポー
リング処理を必ずしも必要としない、全く新規な圧電素
子およびこの圧電素子を用いた変換装置を提供すること
を目的としている。
[課題を解決するための手段]
本発明は、これまで表示あるいは光シャッタ等の光学素
子としてのみ用いられていた強誘電性液晶素子を、圧電
素子として用いることを特徴とし、強誘電性液晶の流動
体としての特性を活用した圧電素子により、上記目的を
達成している。
子としてのみ用いられていた強誘電性液晶素子を、圧電
素子として用いることを特徴とし、強誘電性液晶の流動
体としての特性を活用した圧電素子により、上記目的を
達成している。
この圧電素子は、第1の電極と、この第1の電極と対向
した第2の電極と、上記第1の電極と第2の電極間に介
在した強誘電性液晶と、上記第1の電極および/または
第2の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と
からなるものである。
した第2の電極と、上記第1の電極と第2の電極間に介
在した強誘電性液晶と、上記第1の電極および/または
第2の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と
からなるものである。
上記の圧電素子は、以下に示すような特徴を有している
ことが好ましい。
ことが好ましい。
(1)上記配向層が、上記強誘電性液晶を上記第1の電
極および/または第2の電極に対して水平方向に配向さ
せるホモジニアス配向処理されたものであること。
極および/または第2の電極に対して水平方向に配向さ
せるホモジニアス配向処理されたものであること。
(n)上記配向層が、互いに平行または反平行からずら
してホモジニアス配向処理されたものであること。
してホモジニアス配向処理されたものであること。
(II[)上記第1の電極と上記強誘電性液晶間に形成
された配向層と、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間
に形成された配向層とが、互いに異なった材料により形
成されていること。
された配向層と、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間
に形成された配向層とが、互いに異なった材料により形
成されていること。
(IV)上記第1の電極と上記強誘電性液晶間に形成さ
れた配向層は、上記強誘性電液晶の自発分極を吸引する
ものであり、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形
成された配向層は上記強誘性電液晶の自発分極を反発す
るものであること。
れた配向層は、上記強誘性電液晶の自発分極を吸引する
ものであり、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形
成された配向層は上記強誘性電液晶の自発分極を反発す
るものであること。
(V)上記配向層が、ストロングラビング法によるホモ
ジニアス配向処理されていること。
ジニアス配向処理されていること。
また、上記の圧電素子は、電気的エネルギーを機械的エ
ネルギーに変換する電気機械変換手段、あるいは機械的
エネルギーを電気的エネルギーに変換する機械電気変換
手段として使用することができる。
ネルギーに変換する電気機械変換手段、あるいは機械的
エネルギーを電気的エネルギーに変換する機械電気変換
手段として使用することができる。
さらに、本発明では、上記の圧電素子を使用して、以下
のような装置を提供している。
のような装置を提供している。
(1)上記圧電素子と、上記第1の電極および/または
第2の電極に電気信号を供給する電気信号発生手段とを
有する圧電装置。
第2の電極に電気信号を供給する電気信号発生手段とを
有する圧電装置。
(n) 1!気機械変換手段として用いる上記圧電素子
と、この圧電素子の第1の電極および/または第2の電
極に電気信号を供給する電気信号発生手段とを有する電
気機械変換装置。
と、この圧電素子の第1の電極および/または第2の電
極に電気信号を供給する電気信号発生手段とを有する電
気機械変換装置。
(m)上記圧電素子と、上記第1の電極および/または
第2の電極の電気信号を検出する電気信号検出手段とを
有する圧電装置。
第2の電極の電気信号を検出する電気信号検出手段とを
有する圧電装置。
(IV)機械電気変換手段として用いる上記圧電素子と
、この圧電素子の第1の電極および/または第2の電極
の電気信号を検出する電気信号検出手段とを有する機械
電気変換装置。
、この圧電素子の第1の電極および/または第2の電極
の電気信号を検出する電気信号検出手段とを有する機械
電気変換装置。
[実施例コ
以下、図面に基き、本発明における一実施例の説明を行
う。
う。
(1)圧電素子の実施例
′!J、1図は、本発明における圧電素子の一実施例を
示したものである。
示したものである。
同図において、1および2は導電性を有する第1の電極
および第2の電極であり、ITO(インジウム ティン
オキサイド)、AI(アルミニウム)、Cr(クロム
)、Niにッケル)等により形成されるものである。
および第2の電極であり、ITO(インジウム ティン
オキサイド)、AI(アルミニウム)、Cr(クロム
)、Niにッケル)等により形成されるものである。
3は上記第1の電極1と第2の電極2間に介在した強誘
電性液晶である。
電性液晶である。
4は上記第1の電極1および第2の電極2と上記強誘電
性液晶3間に形成された配向層であり、これは、ポリイ
ミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド、テフロン、
アクリル系樹脂等の有機材料、S i02 、AI20
3等の無機材料等を基材として形成されたものである。
性液晶3間に形成された配向層であり、これは、ポリイ
ミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド、テフロン、
アクリル系樹脂等の有機材料、S i02 、AI20
3等の無機材料等を基材として形成されたものである。
なお、この配向層は、第1の電極1または第2の電極2
と強誘電性液晶3間の、いずれか一方にのみ形成されて
いてもよい。
と強誘電性液晶3間の、いずれか一方にのみ形成されて
いてもよい。
5はガラス等を用いた支持体であり、6は上記強誘電性
液晶3を封止するシール材である。
液晶3を封止するシール材である。
なお、例えば、りん青銅等の板材により、上記第1の電
極1および/または第2の電極2と、上記支持体5とを
共用することもできる。
極1および/または第2の電極2と、上記支持体5とを
共用することもできる。
また、強誘電性液晶3を上記シール材6等により封止す
ることは必ずしも必要ではない。
ることは必ずしも必要ではない。
上記のように、本発明における圧電素子では、変形自在
な強誘電性液晶をその基本構成要素としているため、容
易に任意の形状に形成することができる。また、製造に
際し、基本的に数百度以上での高温処理を必要としない
ため、寸法精度の高い素子を形成することができる。さ
らに、機械的強度に優れた素子を得ることができる。
な強誘電性液晶をその基本構成要素としているため、容
易に任意の形状に形成することができる。また、製造に
際し、基本的に数百度以上での高温処理を必要としない
ため、寸法精度の高い素子を形成することができる。さ
らに、機械的強度に優れた素子を得ることができる。
次に、パラメータを変えたときの上記圧電素子の圧電特
性を、各周波数での音圧により評価した測定結果を示す
。
性を、各周波数での音圧により評価した測定結果を示す
。
各測定図の、横軸は圧電素子に印加される交流電圧の周
波数、縦軸は音圧である。
波数、縦軸は音圧である。
なお、圧電素子には第1図に示したようなものを用いて
おり、測定条件は以下の通りである。
おり、測定条件は以下の通りである。
測定方法
第1の電極と第2の電極間に交流電圧
(駆動周波数は200Hz 〜20KHz)を印加し、
第1の電極または第2の電極の上方約15(mm)の位
置で、マイクロフォンにより音圧(単位はdB)を測定
し、これにより圧電効果の大きさを判定した。
第1の電極または第2の電極の上方約15(mm)の位
置で、マイクロフォンにより音圧(単位はdB)を測定
し、これにより圧電効果の大きさを判定した。
素子サイズ
70 (mm)X80 (mm)
支持体材料
ガラス(厚さ1.0 (mm))
強誘電性液晶の種類
ZLI−3774(メルク社製)
測定例1
配向層の配向処理を以下のように変えて測定した。なお
、第1の電極と第2の電極との間隔は8(μm)である
。
、第1の電極と第2の電極との間隔は8(μm)である
。
A:ホモジニアス配向処理(ポリイミド膜をスピンコー
ド後ベーキングし、これをラビング法により配向した。
ド後ベーキングし、これをラビング法により配向した。
)
B:ホメオトロピック配向処理(シランカップリング剤
をディッピングによりコートした後ベーキングした。) C;配向処理なしくポリイミド膜をスピンコード後ベー
キングした。) 以上の測定結果を第2図に示す。
をディッピングによりコートした後ベーキングした。) C;配向処理なしくポリイミド膜をスピンコード後ベー
キングした。) 以上の測定結果を第2図に示す。
ホメオトロピック配向処理(B)を行ったものでも圧電
効果を示すが、ホモジニアス配向処理(A)を行ったも
のが特に強い圧電効果を示している。この圧電性は、温
度を上げていったとき、強誘電性液晶の強誘電性を示す
相からスメクテイックA相への転移温度付近で急激に低
下することから、強誘電性を示す相に特有なものと考え
られる。なお、配向処理なしくC)の測定では、ノイズ
のため、圧電効果の程度は判然としなかった。
効果を示すが、ホモジニアス配向処理(A)を行ったも
のが特に強い圧電効果を示している。この圧電性は、温
度を上げていったとき、強誘電性液晶の強誘電性を示す
相からスメクテイックA相への転移温度付近で急激に低
下することから、強誘電性を示す相に特有なものと考え
られる。なお、配向処理なしくC)の測定では、ノイズ
のため、圧電効果の程度は判然としなかった。
以上のことから、ホモジニアス配向処理により、有効な
圧電性を得ることができる。
圧電性を得ることができる。
測定例2
配向層のホモジニアス配向処理を以下のように変えて測
定した。なお、ホモジニアス配向処理は、上記の測定例
1のAの場合と同様である。また、第1の電極と第2の
電極との間隔は10(μm)である。
定した。なお、ホモジニアス配向処理は、上記の測定例
1のAの場合と同様である。また、第1の電極と第2の
電極との間隔は10(μm)である。
D:配向層を互いに平行または反平行からずらしてホモ
ジニアス配向処理したちの (配向処理方向の角度は100度) E:配向層を互いに反平行にホモジニアス配向処理した
もの(配向処理方向の角度は180度) Fニ一方の配向層のみホモジニアス配向処理した゛もの 以上の測定結果を第3図に示す。
ジニアス配向処理したちの (配向処理方向の角度は100度) E:配向層を互いに反平行にホモジニアス配向処理した
もの(配向処理方向の角度は180度) Fニ一方の配向層のみホモジニアス配向処理した゛もの 以上の測定結果を第3図に示す。
同図から明らかなように、圧電効果の大きさは、D>E
>Fとなっている。なお、同図には示していないが、配
向層を互いに平行にホモジニアス配向処理したものの圧
電効果は、配向層を互いに反平行にホモジニアス配向処
理したものの圧電効果と同等と考えられる。
>Fとなっている。なお、同図には示していないが、配
向層を互いに平行にホモジニアス配向処理したものの圧
電効果は、配向層を互いに反平行にホモジニアス配向処
理したものの圧電効果と同等と考えられる。
以上のことから、配向層を互いに平行または反平行から
ずらしてホモジニアス配向処理すれば、有効な圧電性を
得ることができる。
ずらしてホモジニアス配向処理すれば、有効な圧電性を
得ることができる。
測定例3
配向層のホモジニアス配向処理の度合いを以下のように
変えて測定した。なお、ホモジニアス配向処理およびホ
メオトロピック配向処理は、上記の測定例1のAおよび
Bの場合と同様である。また、第1の電極と第2の電極
との間隔は8(μm)である。
変えて測定した。なお、ホモジニアス配向処理およびホ
メオトロピック配向処理は、上記の測定例1のAおよび
Bの場合と同様である。また、第1の電極と第2の電極
との間隔は8(μm)である。
Gニストロングラビング法によるホモジニアス配向処理
(ラビング回数10回以上、配向処理方向の角度は10
0度) H:ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理(
ラビング回数2〜3回、配向処理方向の角度は100度
) l:ホメオトロピック配向処理 以上の測定結果を第4図に示す。
(ラビング回数10回以上、配向処理方向の角度は10
0度) H:ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理(
ラビング回数2〜3回、配向処理方向の角度は100度
) l:ホメオトロピック配向処理 以上の測定結果を第4図に示す。
同図から明らかなように、圧電効果の大きさは、ストロ
ングラビング法によるホモジニアス配向処理CG)の方
が、ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理(
H)よりも大きいことがわかる。
ングラビング法によるホモジニアス配向処理CG)の方
が、ウィークラビング法によるホモジニアス配向処理(
H)よりも大きいことがわかる。
以上のことから、ストロングラビング法によるホモジニ
アス配向処理を行えば、有効な圧電性を得ることができ
る。
アス配向処理を行えば、有効な圧電性を得ることができ
る。
測定例4
第1の電極と第2の電極間に印加する電圧(Peak
−Peak)を以下のように変えて測定した。なお、配
向処理はいずれもホモジニアス配向処理(配向処理角度
は100度)であり、第1の電極と第2の電極との間隔
は8(μm)である。
−Peak)を以下のように変えて測定した。なお、配
向処理はいずれもホモジニアス配向処理(配向処理角度
は100度)であり、第1の電極と第2の電極との間隔
は8(μm)である。
に印加電圧30(Vp−p)
K:印加電圧10(Vp−p)
L:印加電圧0 (V)
以上の測定結果を第5図に示す。
同図から明らかなように、印加電圧が高いほど圧電効果
が大きいことがわかる。
が大きいことがわかる。
測定例5
強誘電性液晶が強誘電相からスメクティックA相へ転移
する転移温度(62℃のものを使用)近傍で、温度を以
下のように変えて測定した。配向処理はいずれもホモジ
ニアス配向処理(配向処理角度は100度)であり、第
1の電極と第2の電極との間隔は8(μm)である。な
お、本測定では、圧電素子を一定温度に保つために、圧
電素子をホットプレート上に保持したまま測定を行った
ので、理想的な無響雰囲気での測定はなされていない。
する転移温度(62℃のものを使用)近傍で、温度を以
下のように変えて測定した。配向処理はいずれもホモジ
ニアス配向処理(配向処理角度は100度)であり、第
1の電極と第2の電極との間隔は8(μm)である。な
お、本測定では、圧電素子を一定温度に保つために、圧
電素子をホットプレート上に保持したまま測定を行った
ので、理想的な無響雰囲気での測定はなされていない。
従って、ホットプレートからの反射成分等も含まれてい
る。また、ホットプレート上の温度を測定温度としたの
で、強誘電性液晶の正確な温度は多少異なったものと考
えられる。
る。また、ホットプレート上の温度を測定温度としたの
で、強誘電性液晶の正確な温度は多少異なったものと考
えられる。
M;温度57(”C)
N:温度67(’C)
以上の測定結果を第6図に示す。
同図かられかるように、臨界温度以下の強誘電性を示す
相でははっきりと圧電性を示しているのに対し、臨界温
度以上の強誘電性を示さない相では明確な圧電性を示し
ていない。
相でははっきりと圧電性を示しているのに対し、臨界温
度以上の強誘電性を示さない相では明確な圧電性を示し
ていない。
以上のことから、強誘電性を示す相(M)で有効な圧電
性を得ることができる。
性を得ることができる。
以上述べた事項の他に、本発明における圧電素子では、
以下のようにしても良好な圧電性を得ることが可能であ
る。。
以下のようにしても良好な圧電性を得ることが可能であ
る。。
ホモジニアス配向処理には、上記のラビング法以外にも
、酸化シリコン等の斜め蒸着法、ポリイミ ド等のL−
B(Langmuir Blodgett)膜を用
いる方法等でもよい。
、酸化シリコン等の斜め蒸着法、ポリイミ ド等のL−
B(Langmuir Blodgett)膜を用
いる方法等でもよい。
第1の電極と第2の電極との間隔は、狭い方が好ましい
。第1の電極と第2の電極との間隔は1(μm)程度ま
で狭くすることができるが、間隔が狭いほど強誘電性晶
に加わる電界が強くなり、より大きな圧電効果を得るこ
とができる。
。第1の電極と第2の電極との間隔は1(μm)程度ま
で狭くすることができるが、間隔が狭いほど強誘電性晶
に加わる電界が強くなり、より大きな圧電効果を得るこ
とができる。
第1の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配向層と
、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配
向層とが、互いに異なった材料により形成されていても
よい。このとき、一方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を吸引する材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液
晶の自発分極を反発する材料で形成すれば、強誘電性液
晶の各分子がそろい易いので、有効な圧電性を得ること
ができる。
、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形成された配
向層とが、互いに異なった材料により形成されていても
よい。このとき、一方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を吸引する材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液
晶の自発分極を反発する材料で形成すれば、強誘電性液
晶の各分子がそろい易いので、有効な圧電性を得ること
ができる。
強誘電性液晶は、自発分極が大きいものを使用すること
が好ましい。本願特許の発明者らは、種々の強誘電性液
晶について、圧電効果に対する測定を行ったが、その結
果、自発分極が大きい強誘電性液晶を用いたときほど、
圧電素子は大きな圧電性を生じる傾向があることを確認
した。
が好ましい。本願特許の発明者らは、種々の強誘電性液
晶について、圧電効果に対する測定を行ったが、その結
果、自発分極が大きい強誘電性液晶を用いたときほど、
圧電素子は大きな圧電性を生じる傾向があることを確認
した。
強誘電体を用いた圧電素子では、自発分極の向きをそろ
えるためにポーリング処理を行うことがあるが、本発明
における圧電素子の場合、ポーリング処理を行っても行
わなくてもよい。ポーリング処理を行う場合には、強誘
電液晶がスメクティックA相にある温度から行うよりも
、スメクティックA相よりも高い温度範囲にあるネマテ
ィック相やアイソトロピック相の温度から行った方が、
ポーリング処理の印加電界を小さくできるので、好まし
い。
えるためにポーリング処理を行うことがあるが、本発明
における圧電素子の場合、ポーリング処理を行っても行
わなくてもよい。ポーリング処理を行う場合には、強誘
電液晶がスメクティックA相にある温度から行うよりも
、スメクティックA相よりも高い温度範囲にあるネマテ
ィック相やアイソトロピック相の温度から行った方が、
ポーリング処理の印加電界を小さくできるので、好まし
い。
配向層には、先に述べたポリイミド等以外に、PVDF
等の強誘電体の配向層を用いてもよい。
等の強誘電体の配向層を用いてもよい。
このとき、上記の強誘電体の配向層はポーリング処理を
行うことが好ましいが、このポーリング処理は、強誘電
性液晶のポーリング処理と同時に行えば、圧電素子の製
造工程を簡略化することができる。
行うことが好ましいが、このポーリング処理は、強誘電
性液晶のポーリング処理と同時に行えば、圧電素子の製
造工程を簡略化することができる。
以上のことから、本発明における圧電素子において、圧
電性を高くするためには、以下に示すこと、あるいはこ
れらのことを組み合わせたものが好ましい。
電性を高くするためには、以下に示すこと、あるいはこ
れらのことを組み合わせたものが好ましい。
これにより有効な圧電性を得ることができ、効果的であ
る。
る。
(1)配向層が、ホモジニアス配向処理をしたものであ
ること。
ること。
(2)配向層が、互いに平行または反平行からずらして
ホモジニアス配向処理したものであること。
ホモジニアス配向処理したものであること。
(3)配向膜が、ストロングラビング法によるホモジニ
アス配向処理したものであること。
アス配向処理したものであること。
(4)強誘性電液晶に印加する電圧は、状況が許す限り
できるだけ高いこと。
できるだけ高いこと。
(5)強誘性電液晶が、強誘電性を示す相であること。
(6)第1の電極と第2の電極との間隔は、できるだけ
狭いこと。
狭いこと。
(7)一方の配向層を強誘電性液晶の自発分極を吸引す
る材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を反発する材料で形成すること。
る材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を反発する材料で形成すること。
(8)強誘電性液晶に、自発分極が大きいものを使用す
ること (9)ポーリング処理を行う場合には、強誘電性液晶が
ネマティック相やアイソトロピック相にある温度から行
うこと。
ること (9)ポーリング処理を行う場合には、強誘電性液晶が
ネマティック相やアイソトロピック相にある温度から行
うこと。
(II)圧電装置の実施例
次に、本発明における圧電素子を用いた圧電装置につい
て述べる。
て述べる。
本発明における圧電装置は、基本的に次の二つに分類す
ることができる。
ることができる。
(II−1)本発明における圧電素子と、この圧電素子
の第1の電極および/または第2の電極に電気信号を供
給する電気信号発生手段とを有する圧電装置。
の第1の電極および/または第2の電極に電気信号を供
給する電気信号発生手段とを有する圧電装置。
この圧電装置を使用することにより、発音装置、アクチ
ュエータ、モーター等を構成することができる。
ュエータ、モーター等を構成することができる。
これらの−例として、上記第1の電極および/または第
2の電極を、ITO等の透明電極で形成したものをあげ
る。これによれば、圧電素子を液晶表示素子と共用する
ことにより、発音装置と表示装置を同一の素子で形成し
たものや、圧電素子を、ポスターやデイスプレィ装置と
積層したもの等を構成することができ、コンパクトな装
置を得ることができる。
2の電極を、ITO等の透明電極で形成したものをあげ
る。これによれば、圧電素子を液晶表示素子と共用する
ことにより、発音装置と表示装置を同一の素子で形成し
たものや、圧電素子を、ポスターやデイスプレィ装置と
積層したもの等を構成することができ、コンパクトな装
置を得ることができる。
(It −2)本発明における圧電素子と、この圧電素
子の第1の電極および/または第2の電極の電気信号を
検出する電気信号検出手段とを有する圧電装置。
子の第1の電極および/または第2の電極の電気信号を
検出する電気信号検出手段とを有する圧電装置。
この圧電装置を使用することにより、後述の圧電センサ
ー等を構成することができる。
ー等を構成することができる。
上記の(If−1)および(II−2)に示した本発明
における圧電装置では、圧電素子が、容易に任意の形状
に高い寸法精度で形成でき、しかも機械的強度に優れた
ものであるため、効果の大きい装置を得ることができる
。
における圧電装置では、圧電素子が、容易に任意の形状
に高い寸法精度で形成でき、しかも機械的強度に優れた
ものであるため、効果の大きい装置を得ることができる
。
(m)電気機械変換装置の実施例
第7図は、本発明における電気機械変換装置を示したも
のである。
のである。
これは、電気機械変換手段として用いる本発明における
圧電素子11と、この圧電素子11の第1の電極1およ
び/または第2の電極2に電気信号を供給する電気信号
発生手段12とからなるものである。
圧電素子11と、この圧電素子11の第1の電極1およ
び/または第2の電極2に電気信号を供給する電気信号
発生手段12とからなるものである。
本発明における電気機械変換装置では、圧電素子が、容
易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械
的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を得
ることができる。
易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械
的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を得
ることができる。
以下、上記の電気機械変換装置の具体的な利用例につい
て説明する。
て説明する。
(■−1利用例1)
本利用例は、上記の電気機械変換装置を、電気音響変換
装置とするものである。
装置とするものである。
本発明の圧電素子を、単独で発音体等の電気音響変換手
段として用いたとき、用途によっては充分な音響出力を
得ることができないことがある。
段として用いたとき、用途によっては充分な音響出力を
得ることができないことがある。
このときには、圧電素子の固有振動に対応する共振手段
22を第7図のように設ければよい。
22を第7図のように設ければよい。
共振手段としては、発泡スヂロールや発泡アルミ板等の
振動板、あるいはへルムホルツの共鳴箱等を用いること
ができる。このとき、圧電素子の固有振動と共振手段の
固有振動を対応させ、両者を共振状態にすれば大きな音
響出力を得ることができる。
振動板、あるいはへルムホルツの共鳴箱等を用いること
ができる。このとき、圧電素子の固有振動と共振手段の
固有振動を対応させ、両者を共振状態にすれば大きな音
響出力を得ることができる。
(■−1利用例2)
本利用例は、上記の電気機械変換装置に、本発明におけ
る圧電素子の圧電振動を回転運動に変換する動力変換手
段を設けたものである。
る圧電素子の圧電振動を回転運動に変換する動力変換手
段を設けたものである。
以下この例として、圧電モーターに関する説明を行う。
圧電素子の縦方向振動を円運動に変換する圧電モーター
には、基本的に二つの方式があるが、本発明の圧電素子
を用いても、上記二つの方式の圧電モーターを作成する
ことができる。これらについても、既に述べた電気機械
変換装置の基本的な効果を当然得ることができる。
には、基本的に二つの方式があるが、本発明の圧電素子
を用いても、上記二つの方式の圧電モーターを作成する
ことができる。これらについても、既に述べた電気機械
変換装置の基本的な効果を当然得ることができる。
以下、図面に基き具体例の説明を行う。
第9図は、上記の圧電モーターの第1の方式の一例を示
したものである。(日経エレクトロニクス、1985年
−9月23日号、115〜116ページを参考) 同図において、11は電気機械変換手段として用いる本
発明の圧電素子であるが、本例では、この圧電素子を2
個設け、一方の圧電素子の第1の電極1と他方の圧電素
子の第2の電極2とを密着させたものである。12は上
記圧電素子11の各電極に電気信号を供給する電気信号
発生手段であり、本例では、二つの圧電素子の振動方向
が同じになるように、逆位相の2種類の交流信号を発生
して、それぞれ二つの圧電素子に信号を供給している。
したものである。(日経エレクトロニクス、1985年
−9月23日号、115〜116ページを参考) 同図において、11は電気機械変換手段として用いる本
発明の圧電素子であるが、本例では、この圧電素子を2
個設け、一方の圧電素子の第1の電極1と他方の圧電素
子の第2の電極2とを密着させたものである。12は上
記圧電素子11の各電極に電気信号を供給する電気信号
発生手段であり、本例では、二つの圧電素子の振動方向
が同じになるように、逆位相の2種類の交流信号を発生
して、それぞれ二つの圧電素子に信号を供給している。
21は動力変換手段であり、上記圧電素子の圧電振動を
回転運動に変換するものである。31は回転運動をする
ロータである。32および33はそれぞれ上側円板およ
び下側円板である。34は上記動力変換手段21の中心
を固定するボルトである。
回転運動に変換するものである。31は回転運動をする
ロータである。32および33はそれぞれ上側円板およ
び下側円板である。34は上記動力変換手段21の中心
を固定するボルトである。
電気信号発生手段12からの交流信号により、二つの圧
電素子11には縦振動(a)が生じ、この縦振動は動力
変換手段21に伝わる。このとき力が加わるのは動力変
換手段21の二つの足部21bである。動力変換手段2
1の中心はボルトで固定されているので、動力変換手段
21は屈曲運動(b)する。本例では、動力変換手段2
1の突起部21aが足部21bに対して斜めになってい
るので、突起部21aはねじり振動(C)する。
電素子11には縦振動(a)が生じ、この縦振動は動力
変換手段21に伝わる。このとき力が加わるのは動力変
換手段21の二つの足部21bである。動力変換手段2
1の中心はボルトで固定されているので、動力変換手段
21は屈曲運動(b)する。本例では、動力変換手段2
1の突起部21aが足部21bに対して斜めになってい
るので、突起部21aはねじり振動(C)する。
このねじり振動のうち、突起部21aがロータ31の面
に平行な変位をしている期間を利用して、ロータ31を
回転運動(d)させている。
に平行な変位をしている期間を利用して、ロータ31を
回転運動(d)させている。
本例によれば、ボルト34を締めるときに圧電素子11
に力が加わっても、圧電素子11が割れたりすることが
なく、ボルト34をしっかりと締めることができ、安定
した動作を行うことができる。
に力が加わっても、圧電素子11が割れたりすることが
なく、ボルト34をしっかりと締めることができ、安定
した動作を行うことができる。
次に、圧電モーターの第2の方式について述べる。
第10図および第11図は、この第2の方式による従来
の圧電モーターの一例を示したものである。
の圧電モーターの一例を示したものである。
同図において、11はセラミックを用いた圧電素子、4
1は下側電極、42は上側電極、43はロータ、44は
スライダー 45は軸受、46はシャフトである。
1は下側電極、42は上側電極、43はロータ、44は
スライダー 45は軸受、46はシャフトである。
これは第11図に示すように、逆方向に分極した圧電素
子11を1/2波長(λ/2)ごとに接続した圧電素子
列を2組設け、互いの圧電素子列の両端部をそれぞれλ
/4および3λ/4離して、全体を円形に構成したもの
である。2組の圧電素子列には、位相が90度ずれた交
流電圧が印加されて表面進行波が生じ、これをロータ4
3に伝えることにより、ロータ43の回転運動を得るこ
とができる。
子11を1/2波長(λ/2)ごとに接続した圧電素子
列を2組設け、互いの圧電素子列の両端部をそれぞれλ
/4および3λ/4離して、全体を円形に構成したもの
である。2組の圧電素子列には、位相が90度ずれた交
流電圧が印加されて表面進行波が生じ、これをロータ4
3に伝えることにより、ロータ43の回転運動を得るこ
とができる。
上記従来の圧電モーターの圧電素子を本発明の圧電素子
に置き換えれば、従来のように、圧電素子列を形成する
各圧電素子を1個1個張り合せて形成するようなことは
不要で、バターニングした電極間に強誘電性液晶を注入
するだけで全ての圧電素子列が同時に形成でき、しかも
、それぞれの高さを調整したりする必要もない。また、
圧電素子が割れたりすることがなく、機械的強度に優れ
た圧電モーターを得ることができる。
に置き換えれば、従来のように、圧電素子列を形成する
各圧電素子を1個1個張り合せて形成するようなことは
不要で、バターニングした電極間に強誘電性液晶を注入
するだけで全ての圧電素子列が同時に形成でき、しかも
、それぞれの高さを調整したりする必要もない。また、
圧電素子が割れたりすることがなく、機械的強度に優れ
た圧電モーターを得ることができる。
なお、上記の圧電モーターに本発明の圧電素子を用いる
場合、互いに逆向きの分極を得るためには次のようにす
るのが効果的である。すなわち、一方の分極の向きに対
しては、圧電素子の第1の電極および第2の電極に対応
した配向層の林料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極を
吸引および反発するものとし、他方の分極の向きに対し
ては、圧電素子の第1の電極および第2の電極に対応し
た配向層の材料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極を反
発および吸引するものとすればよい。このとき配向処理
は各配向層ごとに行わずに、同時に行うことが好ましい
。
場合、互いに逆向きの分極を得るためには次のようにす
るのが効果的である。すなわち、一方の分極の向きに対
しては、圧電素子の第1の電極および第2の電極に対応
した配向層の林料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極を
吸引および反発するものとし、他方の分極の向きに対し
ては、圧電素子の第1の電極および第2の電極に対応し
た配向層の材料を、それぞれ強誘電液晶の自発分極を反
発および吸引するものとすればよい。このとき配向処理
は各配向層ごとに行わずに、同時に行うことが好ましい
。
また、逆方向に分極した圧電素子11を1/2波長(λ
/2)ごとに配置することは必ずしも必要ない。例えば
、第12図に示すように、各圧電素子11の分極方向は
同一とし、隣り合った各圧電素子に180度位相のずれ
た交流電圧を印加すればよい。
/2)ごとに配置することは必ずしも必要ない。例えば
、第12図に示すように、各圧電素子11の分極方向は
同一とし、隣り合った各圧電素子に180度位相のずれ
た交流電圧を印加すればよい。
本発明における圧電素子を用いれば、上記の圧電モータ
ー以外にも第13図に示すような圧電モーターを構成す
ることが可能である。
ー以外にも第13図に示すような圧電モーターを構成す
ることが可能である。
第13図において、11は本発明における圧電素子であ
り、これは、圧電素子の第1の電極1、ロータ43と一
体形成され上側電極を兼ねた第2の電極2、強誘電性液
晶3等により構成されている。41は下側電極、45は
軸受、46はシャフト、47は強誘電性液晶3を保持す
る保持壁である。第1の電極の構成、この第1の電極に
印加する交流電圧およびその接続は、第12図のように
すればよい。
り、これは、圧電素子の第1の電極1、ロータ43と一
体形成され上側電極を兼ねた第2の電極2、強誘電性液
晶3等により構成されている。41は下側電極、45は
軸受、46はシャフト、47は強誘電性液晶3を保持す
る保持壁である。第1の電極の構成、この第1の電極に
印加する交流電圧およびその接続は、第12図のように
すればよい。
本例によれば、圧電素子が割れたりすることがなく、機
械的強度に優れた圧電モーターを得ることができ、また
複数の圧電素子を同時に形成でき、さらに、ロータ43
を強誘電性液晶に浮かした構造となるため、ロータ43
や圧電素子11が摩耗するようなことがなく、高信頼性
の圧電モーターを得ることができる。
械的強度に優れた圧電モーターを得ることができ、また
複数の圧電素子を同時に形成でき、さらに、ロータ43
を強誘電性液晶に浮かした構造となるため、ロータ43
や圧電素子11が摩耗するようなことがなく、高信頼性
の圧電モーターを得ることができる。
(IV)機械電気変換装置の実施例
第8図は、本発明における機械電気変換装置を示したも
のである。
のである。
これは、本願発明者らが、本発明における圧電素子に機
械的な力を加えたとき、二つの電極間に起電力が生じる
ことを見出したことによる。
械的な力を加えたとき、二つの電極間に起電力が生じる
ことを見出したことによる。
この機械電気変換装置は、機械電気変換手段として用い
る本発明における圧電素子11と、この圧電素子11の
第1の電極1および/または第2の電極2からの電気信
号を検出する電気信号検出手段13とからなるものであ
る。
る本発明における圧電素子11と、この圧電素子11の
第1の電極1および/または第2の電極2からの電気信
号を検出する電気信号検出手段13とからなるものであ
る。
本発明における機械電気変換装置では、圧電素子が、容
易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械
的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を得
ることができる。
易に任意の形状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械
的強度に優れたものであるため、効果の大きい装置を得
ることができる。
この機械電気変換装置の一例として、圧電センサーをあ
げる。
げる。
これは、圧電素子11により電気信号に変換された圧電
素子11に加わる圧力を、電気信号検出手段13により
検出して、圧力を読取るものである。
素子11に加わる圧力を、電気信号検出手段13により
検出して、圧力を読取るものである。
本発明の圧電素子は、機械的強度に優れているため、大
きな圧力を受けても破損することのない圧電センサーを
得ることができる。また、フォトエツチング法等により
複数の電極をパターニングすることで、複数のセンサー
を同時にかつ均一に形成することができる。
きな圧力を受けても破損することのない圧電センサーを
得ることができる。また、フォトエツチング法等により
複数の電極をパターニングすることで、複数のセンサー
を同時にかつ均一に形成することができる。
[効果]
本発明における圧電素子では、変形自在な強誘電性液晶
をその基本構成要素としているため、容易に任意の形状
に形成することができる。製造に際しては、基本的に数
百度量上での高温処理を必要としないため寸法精度の高
い素子を形成することができるとともに、圧電性の発現
のためポーリング処理も不要である。また、機械的強度
に優れた素子を得ることができる。さらに、複数の圧電
素子を同時にかつ均一に形成することができる。
をその基本構成要素としているため、容易に任意の形状
に形成することができる。製造に際しては、基本的に数
百度量上での高温処理を必要としないため寸法精度の高
い素子を形成することができるとともに、圧電性の発現
のためポーリング処理も不要である。また、機械的強度
に優れた素子を得ることができる。さらに、複数の圧電
素子を同時にかつ均一に形成することができる。
また、本発明における圧電素子では、以下に示すこと、
あるいはこれらのことを組み合わせることにより、高い
圧電性を得ることができる。
あるいはこれらのことを組み合わせることにより、高い
圧電性を得ることができる。
(1)配向層が、ホモジニアス配向処理をしたものであ
ること。
ること。
(2)配向層が、互いに平行または反平行からずらして
ホモジニアス配向処理したものであること。
ホモジニアス配向処理したものであること。
(3)一方の配向層を強誘電性液晶の自発分極を吸引す
る材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を反発する材料で形成すること。
る材料で形成し、他方の配向層を強誘電性液晶の自発分
極を反発する材料で形成すること。
(4)配向膜が、ストロングラビング法によるホモジニ
アス配向処理したものであること。
アス配向処理したものであること。
本発明における圧電装置、電気機械変換装置、機械電気
変換装置、電気機械変換装置に共振手段あるいは動力変
換手段を設けたものでは、圧電素子が、容易に任意の形
状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械的強度に優れ
たものであるため、効果の大きい装置を得ることができ
る。
変換装置、電気機械変換装置に共振手段あるいは動力変
換手段を設けたものでは、圧電素子が、容易に任意の形
状に高い寸法精度で形成でき、しかも機械的強度に優れ
たものであるため、効果の大きい装置を得ることができ
る。
特に、電気機械変換装置に動力変換手段を設けたもので
は、上記の効果の他に、圧電素子が割れたりすることが
ないため、機械的強度に優れた装置を得ることができる
。
は、上記の効果の他に、圧電素子が割れたりすることが
ないため、機械的強度に優れた装置を得ることができる
。
第1図は本発明の圧電素子の一例を示した断面図、第2
図〜第6図は実験による圧電素子の圧電特性の一例を示
した特性図、第7図は本発明の電気機械変換装置の説明
図、第8図は本発明の機械電気変換装置の説明図、第9
図、第12図およびtJ13図は本発明の機械電気変換
装置の一例である圧電モーターの説明図、第10図およ
び11図は従来の圧電モーターの説明図である。 1・・・第1の電極 2・・・第2の電極 3・・・強誘電液晶 4・・・配向層 11・・・圧電素子 12・・・電気信号発生装置 13・・・電気信号検出装置 21・・・動力変換手段 22・・・共振手段 第1図 第3図 問 ラLl(Hz) 、%動量X!L肛(Hz) 第4図 1に 1.5K 2に 5に 10K 15K 20K m蛎牧(Hz) 第6図 四憬観()4z) 第5図 第7図 第8図 13 [AイIJtJj9cgヒーターkL第9図 第10図 第13図
図〜第6図は実験による圧電素子の圧電特性の一例を示
した特性図、第7図は本発明の電気機械変換装置の説明
図、第8図は本発明の機械電気変換装置の説明図、第9
図、第12図およびtJ13図は本発明の機械電気変換
装置の一例である圧電モーターの説明図、第10図およ
び11図は従来の圧電モーターの説明図である。 1・・・第1の電極 2・・・第2の電極 3・・・強誘電液晶 4・・・配向層 11・・・圧電素子 12・・・電気信号発生装置 13・・・電気信号検出装置 21・・・動力変換手段 22・・・共振手段 第1図 第3図 問 ラLl(Hz) 、%動量X!L肛(Hz) 第4図 1に 1.5K 2に 5に 10K 15K 20K m蛎牧(Hz) 第6図 四憬観()4z) 第5図 第7図 第8図 13 [AイIJtJj9cgヒーターkL第9図 第10図 第13図
Claims (14)
- (1)第1の電極と、この第1の電極と対向した第2の
電極と、上記第1の電極と第2の電極間に介在した強誘
電性液晶と、上記第1の電極および/または第2の電極
と上記強誘電性液晶間に形成された配向層とからなるこ
とを特徴とする圧電素子。 - (2)上記配向層が、ホモジニアス配向処理されたもの
であることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。 - (3)上記配向層が、互いに平行または反平行からずら
してホモジニアス配向処理されたものであることを特徴
とする請求項2記載の圧電素子。 - (4)上記第1の電極と上記強誘電性液晶間に形成され
た配向層と、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形
成された配向層とが、互いに異なった材料により形成さ
れていることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載
の圧電素子。 - (5)上記第1の電極と上記強誘電性液晶間に形成され
た配向層は、上記強誘電性液晶の自発分極を吸引するも
のであり、上記第2の電極と上記強誘電性液晶間に形成
された配向層は、上記強誘電性液晶の自発分極を反発す
るものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか
に記載の圧電素子。 - (6)上記配向層が、ストロングラビング法によるホモ
ジニアス配向処理されていることを特徴とする請求項1
〜5のいずれかに記載の圧電素子。 - (7)請求項1〜6のいずれかに記載の圧電素子と、上
記第1の電極および/または第2の電極に電気信号を供
給する電気信号発生手段とを有することを特徴とする圧
電装置。 - (8)請求項1〜6のいずれかに記載の圧電素子を、電
気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械
変換手段として用いたことを特徴とする電気機械変換装
置。 - (9)請求項8において、この圧電素子の第1の電極お
よび/または第2の電極に電気信号を供給する電気信号
発生手段を設けたことを特徴とする電気機械変換装置。 - (10)請求項9記載の電気機械変換装置に、上記圧電
素子の固有振動に対応する共振手段を設けたことを特徴
とする電気機械変換装置。 - (11)請求項9記載の電気機械変換装置に、上記圧電
素子の圧電振動を回転運動に変換する動力変換手段を設
けたことを特徴とする電気機械変換装置。 - (12)請求項1〜6のいずれかに記載の圧電素子と、
上記第1の電極および/または第2の電極の電気信号を
検出する電気信号検出手段とを有することを特徴とする
圧電装置。 - (13)請求項1〜6のいずれかに記載の圧電素子を、
機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する機械電
気変換手段として用いたことを特徴とする機械電気変換
装置。 - (14)請求項13において、この圧電素子の第1の電
極および/または第2の電極の電気信号を検出する電気
信号検出手段を設けたことを特徴とする機械電気変換装
置。
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