JPH04142085A - 積層型変位素子 - 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］ 本発明は電気エネルギーと機械エネルギーとの変換に使
用する積層型圧電素子に関するものである。

［従来の技術］ 従来の積層型圧電素子は、例えば第６図（ａ）に示すよ
うな構造のものか一般的である。同図において１ａは圧
電効果層であり、例えばジルコン酸チタン酸鉛その他の
圧電材料により、１０ｍ＋ｎＸ１０ｍｍＸ０．１ｍｍの
板状に形成する。２ａは内部電極であり、導電性の金属
膜により前記圧電効果層１ａと接触させると共に、積層
型圧電素子の側面に露出するように形成する。上記圧電
効果層１ａと内部電極２ａとを交互に積層し、内部電極
２ａを一層おきに外部電極端子３．４ζ接続する。

こうして両端部の内部電極２ａの外方には保護層５を接
触させて、積層型圧電素子と外部との絶縁を保護すると
共に、他の部材との境界として利用できるようにする。

なお前記圧電効果層１ａの積層数を例えば１００層とし
て、積層型圧電素子としての厚さを１０ｍ［ｌｌに形成
する。以上の構成により、外部電極端子３．４に正負の
電圧を印加すると、前記内部電極２ａ間に電界が発生し
圧電効果層１ａは圧電材料の縦効果により厚さ方向に伸
びて歪を発生する。一方上記電界の発生により圧電材料
の横効果のため圧電効果層１ａは面に沿う方向に縮むた
め横歪も同時に発生する。

［発明が解決しようとする問題点コ 従来の積層型圧電素子においては、前記のように両端部
の内部電極２ａの外方に保護層を接着した構成となって
いるため、上記横方向変位が抑制されてしまう。すなわ
ち、保護層５と隣接している圧電効果層１ａにおいては
、電界の印加によって圧電材料の横方向による力が発生
し、圧電効果層１ａの面に沿う方向に縮もうとするが、
保護層Ｓにおいては電界の印加がないため、前記圧電材
料の縦効果及び横効果による伸び歪及び縮み歪を発生し
ないため、保護層５と隣接している圧電効果層１ａに発
生する横効果による縮み変位を抑制することになり、前
記第６図（ｂ）に鎖線で示したようなたわみ変形となる
。この結果圧電効果層１ａと保護層５との界面に剪断応
力が発生し、積層型圧電素子の分極工程における電圧印
加時または実際の駆動時において割れその他の非所望な
現象発生の原因となり、信頼性を低下させるという問題
点がある。

上記問題点を解決するため、保護層５と圧電効果層１ａ
との間に圧電効果層の厚さより厚さを大にした圧電効果
層を含む緩衝層を挿入したものが提案されている（特公
昭６３−１０５９６号公報参照）。しかしながら上記の
ものにおけるような圧電効果層の厚さの異なるものを組
み合わせて構成することは、製造工程を別個にする必要
があるほか、圧電材料のように分極時の残留歪が残るも
のでは、圧電効果層の厚さを変化させて歪み量を連続的
に変化させることは困難であるため、細かな歪量の制御
は不可能である。

また別の方法として、圧電効果層の厚さは一様でも、駆
動層における内部電極面積をすべて一様に小さくして歪
を抑制したり（特開昭５８−１９６ｏ７６公報参照）、
さらに、素子端部はと内部電極面積を小さくして歪み量
を連続的に変化させる方法も提案されている（セラミッ
クス２１　（１９８６）Ｎｏ、３雑誌参照）。

しかしながら前者の方法では、保護層と駆動層の間の剪
断応力を小さくすると、素子の変位量も小さくなってし
まうという欠点がある。一方後者の方法では、内部電極
面積かすべて異なる圧電効果層を用意しなくてはならず
、製造工程上部品管理、その他が極めて煩雑になるとい
う欠点がある。

本発明は上記問題点を解決し、製造が容易であると共に
、分極時または駆動時においても割れの発生の恐れの無
い高信頼性を有する積層型圧電素子を提供することを目
的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するため、本発明においては、はぼ同
一の輪郭形状に形成した圧電効果層と内部電極とを交互
に積層し、両端部の内部電極の外方にこれらとほぼ同一
の輪郭形状に形成した圧電材料からなる保護層を接触さ
せ、前記内部電極を介して前記圧電効果層に電界を印加
するように構成した積層型圧電素子において、前記圧電
効果層とほぼ同一の輪郭形状を有する圧電効果層と、前
記圧電効果層の厚さの０．　５〜５倍の直径の最小内接
円を有する積層方向に貫通する複数の六を適宜設けるこ
とにより前記内部電極の面積の最大値の０．３〜０．８
倍で前記圧電効果層とほぼ同一の輪郭形状を有する内部
電極を交互に積層した緩衝層を配設するという技術的手
段を採用したのである。

さらに、前記内部電極における貫通孔の積層方向への重
なりを２０層以内とする事により、圧電不活性な部分に
おける応力集中を避けるという技術的手段を採用したの
である。

［作用コ 本発明にかかる積層型圧′屯素子によれば、内部電極に
積層方向に貫通する複数の六を設けることにより、圧電
不活性な部分を作ることが出来、前記貫通孔の大きさあ
るいは個数を変えて内部電極の面積を変化させることに
より、圧電活性な部分と不活性な部分との比率を変化さ
せて、圧電横効果による縮み歪を自由に変化させること
か出来る。

さらに上記手段を緩衝層に用いて、緩衝層における内部
電極面積を駆動層におけるそれよりも小さくすることに
より緩衝層の横方面歪が小さくなり、保護層と駆動層間
に発生する剪断応力を緩和することが出来るため、電極
界面からの剥離などの機械的破壊の発生を防止すること
が出来るのである。

第１図は本発明における貫通孔の大きさ及び分布状態を
決定するための解析に用いた図である。

この素子は前記圧電材料１ａより成り、内部に金属膜よ
り成る集子の輪郭とほぼ同一形状で、端面の少なくとも
一部かこの素子の側面に露出しており、素子中央部に内
部電極間隔ｔのａ倍の直径を有する一つの貫通孔６を有
している内部電極２ａを有している。内部電極２ａは一
つおきに各々外部電極端子３．４に接続されており、外
部電極端子３，４に正負の電圧が印加されると内部電極
２ａにはさまれた圧電材料内には電界が発生し、圧電活
性部分７となるため、積層方向に伸び積層方向と垂直な
方向には縮もうとするか、前記貫通孔部分は圧電不活性
部分８となり、圧電歪が生じないため圧電不活性部分８
内に積層方向に引っ張り応力が発生することになる。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）の圧電素子の斜線部分即ち
１／４区間を示すもので、前記圧電不活性部分８内に生
じる引っ張り応力を求めるための解析モデルである。圧
電効果層１ａの厚さｔ＝１００μｍ、内部電極における
貫通孔６の直径をｒ＝５Ｘｔ＝５００μｍとし、外部電
極端子３．４間に直流電圧１５０Ｖを印加したときに、
積層枚数ｎを変化させたときの素子中央部の貫通孔６ｄ
内に発生する積層方向の引っ張り応力を第２図（ａ）に
示す。引っ張り応力は積層枚数が増加すると共に単調に
増加しており、積層枚数か少ないほど小さいことは明か
である。圧電材料の引っ張り強度は１００ＭＰ　ａ程度
てあり第２図（ａ）より内部電極の貫通孔６の重なりは
２０層以下がよいことがわかる。

第２図（ｂ）は第１図（ｂ）において圧電効果層１ａの
厚さｔ＝１００μｍ、積層枚数ｎ＝２０とし、外部電極
端子３．４間に直流電圧１５０Ｖを印加したときに、内
１ｌｌｌｌｌ電極における貫通孔６の直径をｒ＝ａＸｔ
としたときの貫通孔の直径と圧電効果層厚さｔとの比ａ
を変化させたときに素子中央部の貫通孔６ａ内に発生す
る積層方向の引っ張り応力を示したものである。貫通孔
６の直径ｒが圧電効果層１ａの厚さｔに比べて小さすぎ
ると貫通孔６の直径ｒが圧電効果層１ａの厚さｔに比べ
て大きすぎると貫通孔６内の圧電不活性な部分８の引っ
張り応力が大きくなりすぎて素子の破壊を招く恐れかあ
る。一方、貫通孔６内に電界か回り込むために、圧電不
活性であるべき部分８も圧電活性となり貫通孔の効果が
なくなってしまう。

したかって内部電極２ａにおける貫通孔６の大きさｒは
圧電効果層１ａの厚さＬの０．５〜５倍かよい。

第３図は本発明を積層型圧電素子の駆動層と保護層の間
に発生する剪ｍｌ応力を緩和するための緩衝層として応
用した場合の例を示す。この素子は圧電材料１ａ、ｌｂ
よりなり内部に金属膜より成る素子の断面と同一の輪郭
形状で端面かこの素子の側面に露出している内部電極２
ａ及び２ｂを有している。内部電極２ａ及び２ｂは一つ
おきに各外部電極端子３及び４に接続されている。この
積層型圧電素子は、上端部及び下端部にそれぞれ電界の
かからない保護層５を有しており、保護層５に隣接して
いる緩衝層１０の圧電効果層１ｂにそれぞれ電界を印加
するための内部電極２ｂの面積Ｓ１は、貫通孔６の数を
変えることにより、駆動層９の圧電効果層１ａにそれぞ
れ電界を印加するだめの内部電極２ｄの面積Ｓ○より小
さくしである。

電圧か印加されると、圧電効果層１ａ及びｌｂは圧電材
料の縦効果によりこの積層型圧電素子の積層方向にそれ
ぞれ伸び歪を発生すると同時に圧電材料の横効果により
積層方向と垂直な方向に縮み歪を発生するか、保護層５
は電界が印加されないため圧電材料の縦効果及び横効果
による伸び歪及び縮み歪を発生しない。このため、駆動
層９に発生する前記横効果による縮み歪を抑制し、駆動
層９と保護層５との界面に剪断応力集中が発生するが、
保護層５に隣接する緩衝層１０の圧電効果層１ｂに電界
を印加するための内部電極２ｂの面積ｓｉを他の内８１
１１電極２ａの面積ＳＯより小さくしであるため、前記
緩衝層１０の横効果による縮み歪が小さくなり駆動層９
と保護層５との界面に発生する剪断応力集中を緩和する
ことが可能となる。

第４図（ａ）は第３図（ｂ）の積層型圧電素子の斜線部
即ち１／４区間を示すもので、駆動層９と保護層５との
界面に発生する剪断応力を求めるための解析モデルであ
る。圧電効果層１ａ及び１ｂの厚さｔ、＝１００μｍ、
保護層５の層ｇｈ＝０５韮、外部電極端子３，４・＼の
印加電圧を１５０■とし、緩衝層１０における内部′電
極２ｂの面積５１と駆動層９における内部電極２ａの面
積ＳＯの比率を変化させた場合の保護層５と緩衝層１０
、及び緩衝層１０と駆動層９の界面に発生する剪断応力
の値を第４図（ｂ）に示す。第４図（ｂ）において、Ｓ
Ｌ／５Ｏ＝１の場合が従来の積層型圧電素子、即ち内部
電極２ａ及び２ｂの面積かすべて等しい場合に相当し、
二の場合の駆動層９と保護層５との界面に発生する剪断
応力の最大値は２５ＭＰａ程度である。ここに、積層型
圧電素子の剪断応力による疲労強度は、安全係数を６と
すると実測値より約１５ＭＰａ程度となり、緩衝層１０
と駆動層９の内部電極の面積比率Ｓｌ／Ｓ○を約０．３
〜０．８とする事により、剪断応力を１５〜ｉＰａ以下
とする事が可能となる。ここで、駆動層９における内部
電極２ａの面積と、緩衝層１Ｑにおける内部電極２ｂの
面積の比ＳＬ／Ｓ。

か０．３よりも小さい場合は緩衝層１０と駆動層９に発
生する剪断応力が大きくなり、またＳｌ／Ｓ○か０．８
よりも太きいと保護層５と緩衝層１０に発生する剪断応
力か大きくなり、前記実施例に記述したような剪断応力
の緩和効果か十分に得られない。

「実施例」 第５図は、本発明の積層型圧電素子に対する駆動回数と
変位量との関係を示す図である。

まず本発明における積層型圧′駐素子の作成方法を説明
する。重量比でＰ　ｂ　Ｏ６２，３６％、ＳｒＣ○３４
．５４％、ＴｌＯ２１１，３８％、ＺｒＯ２２０，６０
％。

５ｂ２０３１．１２％からなる原料を２４時間ボールミ
ルて混合後、ｓｏｏ’ｃで１時間仮焼する。仮焼粉末を
粉砕後、この仮焼粉末にポリビニルブチラールを添加し
、トリクレン中に分散させてスラリー化し、この混合材
料をドクターブレード法により厚さ１００μｍのシート
状の薄板に形成する。

秋にこの薄板の表面に白金導電ペースト若しくは銀−バ
ラシュームペーストをスクリーン印刷により塗布し、内
部電極２ａ、２ｂを形成した。この場合、駆動層９にお
ける内部電極２ａの面積と、緩衝層１ｏにおける内部電
極２ｂの面積の比Ｓ１／Ｓｏを０．６にするため、スク
リーン印刷により前記内部電極２ｂにφ０．２ｍｍの穴
を所定量形成した。上記のように形成した内部電極２ａ
、２ｂを有する薄板を第３図（ａ）に示すように例えば
１００枚積層して圧着した後、所定の寸法に切断して積
層体とし、５００　’Ｃて脱バインダーを行った後、酸
素中１０５０〜１２００°Ｃで１〜５時間焼結して積層
体を作成した。この積層体の寸法は１０ｍｍＸ　１０ｎ
＋ｍＸ　１００１１１１である。

前記のようにして得られた積層型圧電素子を１５０Ｖ、
１０Ｈｚのパルス電圧を印加し駆動耐久テストを行った
。比較のために従来の構造のものを併記して有る。第５
図から明らかなように従来のものにおいては駆動回数か
１０７回弱で駆動不能となるのに対して、本発明のもの
は、変位量が若干低下するものの駆動可能回数か飛躍的
に増大している。これは前記緩衝層１０を設けたことに
より、剪断応力か緩和される結果、割れその他の積層型
圧電素子の機能喪失現象発生か大幅に低減されるためと
考えられる。

本実施例においては、保護層５、緩衝層１０、駆動層９
の輪郭形状が正方形で、緩衝層１０を駆動層９と保護層
５の間に各々２層のみ設けた例を示したか、駆動層９、
緩衝層１０及び保護層５の輪郭形状は正方形以外にも他
の幾何学的形状を自由に選定することができると共に、
各々の層の肉厚及び積層数もまた適宜選定し得ることは
勿論である。また、緩衝層における電極面積は、必要に
応じて除々に変化させても良いことは勿論である。

さらに前記の実施例においては、電気機械変換材料が圧
電材料である場合について記述したが、キュリー温度が
室温よりも低いため、分極の必要がなく、かつ変位量か
大であると共にヒステリシスが少ない等の特徴を有する
電歪材料についても、前記と全く同様な作用を期待てき
る。

［発明の効果］ 本発明は上記のような構成及び作用であるがら、積層型
圧電素子を構成する部材若しくは素子に発生する剪断応
力を緩和し、割れその他の機械的破壊の発生を阻止し、
寿命及び信頼性を飛躍的に向上させるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明における貫通孔の大きさ、
分布を決めるための解析に用いたモデル図、第２図（ａ
）（ｂ）は第１図の解析結果、第３図（ａ）（ｂ）は本
発明の積層型圧電素子を示す斜視図と断面図、第４図（
ａ）（、ｂ）は本発明の実施例を示す説明図、第５図は
本発明の実施例を示す特性図、第６図（ａ）（ｂ）は従
来の積層型圧電素子を示す斜視図と断面図である。 ｌａ、ｌｂ−一一圧電効果層、２ａ、２ｂ−内部電極、
３．４−−−一外部電極端子、５−保護層、６−−−貫
通孔、７一−−圧電活性部分、８−ｍ−圧電不活性部分
、９−ｍ−駆動層、１０−ｍ−緩衝層 （ａ） （ｂ） 第１図 積層枚数（枚） （ａ） ａ　（＝ｒ／１） （ｂ） 第２図 ［ｂ） 第３図 系千図 （ａ） 内部電極面積比率（Ｓｔ／ＳＯ） 第キ図 （ｂ） 、駆動回数 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気機械変換材料からなる薄板とこれとほぼ同じ
   輪郭形状を有する内部電極を交互に積層して駆動層を形
   成し、両端部の内部電極の外方にこれらとほぼ同じ輪郭
   形状に形成した絶縁材料からなる保護層を接触させ、前
   記内部電極を介して前記薄板に電界を印加するように構
   成した積層型変位素子において、前記保護層近傍の内部
   電極に貫通孔を設け、前記駆動層部の内部電極面積の０
   ．３〜０．８倍で、前記薄板とほぼ同一の輪郭形状とす
   ることにより緩衝層を形成したことを特徴とする積層型
   変位素子。
2. （２）電気機械変換材料からなる薄板とこれとほぼ同じ
   輪郭形状を有する内部電極を交互に積層して駆動層を形
   成し、両端部の内部電極の外方にこれらとほぼ同じ輪郭
   形状に形成した絶縁材料からなる保護層を接触させ、前
   記内部電極を介して前記薄板に電界を印加するように構
   成した積層型変位素子において、前記保護層近傍の内部
   電極に最小内接円の直径か前記薄板の厚さの０．５〜５
   倍にした貫通孔を設けた前記薄板とほほ同一形状の内部
   電極を有する緩衝層を設けたことを特徴とする積層型変
   位素子。
3. （３）電気機械変換材料からなる薄板とこれとほぼ同じ
   輪郭形状を有する内部電極を交互に積層して駆動層を形
   成し、両端部の内部電極の外方にこれらとほぼ同じ輪郭
   形状に形成した絶縁材料からなる保護層を接触させ、前
   記内部電極を介して前記薄板に電界を印加するように構
   成した積層型変位素子において、前記保護層近傍の内部
   電極に最小内接円の直径が前記薄板の厚さの０．５〜５
   倍にした貫通孔を設け、かつ、貫通孔の形状または個数
   を変えることにより、前記駆動層部の内部電極面積の０
   ．３〜０．８倍で、前記薄板とほぼ同じ輪郭形状とする
   ことにより緩衝層を形成したことを特徴とする積層型変
   位素子。
4. （４）請求項１支給３のいずれかに及至３のいずれかに
   記載の積層型変位素子において、駆動層と緩衝層の電気
   機械変換材料からなる薄板の厚さがほば等しい厚さであ
   ることを特徴とする積層型変位素子。
5. （５）請求項１及至３のいずれかに記載の積層型変位素
   子において、連続して隣接する内部電極における貫通孔
   の積層方向への重なりを２０層以内としたことを特徴と
   する積層型変位素子。