JPH0443684A

JPH0443684A - 積層バイモルフ型圧電素子

Info

Publication number: JPH0443684A
Application number: JP2152269A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Saigo; 宏明西郷; Yoshihisa Ushida; 善久牛田
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1992-02-13

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〕本発明は積層バイモルフ型圧電素子に関する。

〔従来の技術〕

電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するＰＺＴ
などの圧電体を利用した屈曲変位型圧電素子として、従
来、バイモルフ型圧電素子が知られている。

バイモルフ型圧電素子は、例えば、第２図のように、２
枚の矩形状の圧電体１０．１１を分極方向が同方向とな
るように、金属板などによって形成された弾性基板１２
の両面に張り合わせ、基板１２を境に互いに反対方向の
電界を印加することで、一方の圧電体１０を分極方向と
垂直に収縮させ、他方の圧電体１１を分極方向と垂直に
伸張させ、その結果、屈曲変位するようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし　このようなバイモルフ型では、一方の圧電体に
はその分極方向と同一方向に電界が印加されるカζ　他
方の圧電体にはその分極方向と逆方向の電界が印加され
るため、この逆向きの印加電界が圧電体の抗電界に近（
なると分極反転が起こり、変位量や発生力が著しく低下
するという問題があり、また、逆方向に電界をかけてい
るので、長期に使用していると分極が弱まってしまう。

従来技術として、特開昭５９−３２１８３に見られるよ
うに、分極方向と逆方向の電圧を印加する側のセラミッ
クスを厚くして分極反転を起こしにくクシて、耐久性を
向上する例がある八　この方法では、変位量や発生力を
大きくすることはあまり望めず、逆に特性が低下する場
合もある。

本発明はこのような背景の下になされたもので、長期に
使用しても分極反転しにくく、耐久性に優瓢　かつ変位
量や発生力も大きいバイモルフ型圧電素子を提供するも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、基板の一方の面に、厚さｔ、の第
１の板状圧電セラミックスＡ、を設け、この第１の板状
圧電セラミックスＡ１の面上＆ミさらに厚さｔ２の第２
の板状圧電セラミックスＡ２を設けて、順次、板状圧電
セラミックスをｎ枚積層するものとし（ｎは２以上の自
然数であり、好ましくは２〜４である）、第ｎ番目の板
状圧電セラミックスＡｎの厚さをｔ、、とした場合、各
板状圧電セラミックスの厚さが相互にｔＬｌ−ｔ、１．ｌ＞０となる関係と１さらに、基板の他方の面に、厚さｔ８の板状圧電セラミ
ックスＢを設け、この板状圧電セラミックスＢと前記第
１の板状圧電セラミックスＡ１　の厚さカーｔｏ　　　ｔ＋）０となる関係とし、また、前記各板状圧電セラミックスは面方向と垂直に分
極さ汰　そして、板状圧電セラミックスＡ、〜Ａ、には
分極方向と同一方向に電界を印加するようにし、板状圧
電セラミックスＢには、分極方向と逆方向に電界を印加
するよう構成した積層バイモルフ型圧電素子である。

ここで、基板は可撓性、もしくは、弾性を有することが
必要であり、また、電界が印加されたときの状態で、圧
電的に不活性、即ち、伸縮しないものが選ばれる。基板
自体を電極とする場合には基板は金属である必要がある
八　圧電セラミックスと基板との間に薄膜状電極を形成
する場合には金属でなく、セラミックス、合成樹脂など
でもよい。基板の厚さは好ましくは、　１０μｍ　−１
ｍ　ｍ。

特に好ましくは３０μｍ〜２００．ｕｍである。

次に、板状圧電セラミックスは、ＰＺＴに代表されるカ
ー　これに限定されるものではない。この板状圧電セラ
ミックスは、その面方向に対して垂直すなわち厚さ方向
に分極されている。

圧電セラミックスの１枚あたりの厚さは、好ましくは１
０ｐｍ〜１ｍｍ、　　特に好ましくは３０μｍ〜２００
μｍがよい。

本発明ではこのよう板状圧電セラミックスが積層されて
構成される。基板の一方の面に設けられる各板状圧電セ
ラミックスのそれぞれは、その厚さが基板から離れるに
つれて薄くなるよう構成される。すなわち、基板に設け
られる第１の板状圧電セラミックスの厚さを１．　　と
し、第２、第３・・第０番［１のＶさをｔ２、（８、・
・１．とした場合、　１．−１．、、、＞０とされる。

板状圧電セラミックスの１７かが基板から離れるにつれ
て薄くすることにより、各板状圧電セラミックスに分極
方向と同一方向に同一の電圧を印加した場合、電極間隔
の狭い第ｎ＋１番目の板状圧電セラミックスにかかる電
界（−電圧／厚さ）が、電極間隔の広い第ｎ番目の板状
圧電セラミックスにかかる電界よりも大きくなる。した
がって、分極と垂直方向の収縮率は、第ｎ＋１番目の板
状圧電セラミックスについてのそれが、第ｎ番目の板状
圧電セラミックスについてのそれより大きくなる。

板状圧電セラミックスの積層にあたっては、基板側から
積層順で奇数番目と偶数番目とでそれぞれ分極方向が逆
となるように積層するのが、以下の理由で好適である。

すなわち、積層にあたっては、各層間に電極を介挿して
、この電極を介して板状圧電セラミックスに電界を印加
するカζ　奇数番目と偶数番目とで分極が同一であると
、奇数番目に取り付けられる正極と、偶数番目に取り付
けられる負極とが板状圧電セラミックス間で、隣接する
こととなり、両者間に絶縁層を設けなければならない。

これに対し奇数番目と偶数番目とでそれぞれ分極方向が
逆となるように積層すると板状圧電セラミックス間に一
つの電極を設けるだけで、その電極を隣接する板状圧電
セラミックス双方用の負極あるいは正極として共用でき
るというメリットがあり、回路が簡略化できる。

このような電極は、焼結した板状圧電セラミックスの両
面に金属ペーストを印刷塗布したのち焼付ける方法、あ
るいはスパッタリングなどのＰＶＤ法による圧電セラミ
ックス面への金属蒸着などによる方法で形成される。

さらに、基板の他方の面に設けた厚さ【、の板状圧電セ
ラミックスＢと、第１の板状圧電セラミックスＡ１の厚
さは、ｔｅ　　Ｊ＞０となる関係である。

この結果、圧電セラミックスＢに印加される電菰　すな
わち分極方向と逆方向に印加される電界は、圧電セラミ
ックスＡに印加される電界より小さくなる。このため分
極反転が起こりにくくなり、耐久性に優れると同時に、
素子全体としてより高い電圧の印加が可能となる。

また、板状圧電セラミックスＢと前記第１の板状圧電セ
ラミックスＡ、の分極方向を同一方向とするのが、特に
基板自体を電極とする場合には回路構成を容易にする上
で好適である。

〔作用〕

本発明では、板状圧電セラミックスを複数枚積層したこ
とで、大きな変位量と、発生力を得ることが可能である
。また、圧電セラミックスＡには電界を分極方向と同一
方向に印加するので、分極反転という問題は起こり得す
、圧電セラミックスＢには、圧電セラミックスＡに印加
される電界より小さい電界しか印加されないため、素子
全体としては、大きな電圧を印加できる。

本発明の素子は圧電アクチュエータ、振動子などとして
使用できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。

ノン青銅からなる基板１の一方の面に、第１の板状圧電
セラミックスＡ、が設けら瓢　さらに第１の板状圧電セ
ラミックス２に第２の板状圧電セラミックスＡ２が設け
られている。

また、基板の他方の面に、厚さｔｌｌの第３の板状圧電
セラミックスＢを設けである。そして、この第３の板状
圧電セラミックスＢの厚さは１４０μｍと１８０μｍで
、前記第１の板状圧電セラミックスＡ１の厚さは１２０
μｍで、相互に、ｔｅ　　　ｔ＋＞０となる関係を満足している。

ここで、第１、第２及び第３の板状圧電セラミックスＡ
、、Ａ２．　　Ｂはいずれも、Ｐｂ　（Ｍｇ＋７Ｊｂ２
／３）　ｅ、５７５Ｔｉ＊、ｚｔｅ、Ｚｒｍ２ｓＯｓを
主成分とする化合物の焼結体がらなり、いずれも両面に
銀ペーストを印刷塗布し焼付けた後、面方向と垂直に分
極を施しである。

そして、基板１、第１の板状圧電セラミックスＡ１、第
２の板状圧電セラミックスＡ２、第３の板状セラミック
スＢはそれぞれ接着剤で接着される。

積層にあたり、第１の板状圧電セラミックスＡでは、分
極の＋側が基板１側となるようにし、第２の板状圧電セ
ラミックスＡ２では、分極の一側が第１の板状圧電セラ
ミックスＡ１側となるようにしμ　また、第３の板状セ
ラミックスＢは分極の一側が基板１側となるようにし、
この結果、分極方向が第１の板状セラミックスＡ、と第
３の板状セラミックスＢの分極方向が同方向となってい
る。

そして、第１の板状圧電セラミックスＡ１と第２の板状
圧電セラミックスＡ２との間の電極Ｓ、と、第３の板状
圧電セラミックスＢの基板とは反対側の電極Ｓ３とをそ
れぞれ電源４の負極に接続し　電極を兼ねた基板１と、
第２の板状圧電セラミックスＡ２における第１の板状圧
電セラミックス２とは反対側の面の電極Ｓ２にそれぞれ
電源４の正極を接続し　各板状圧電セラミックスＡ、、
Ａ２には分極方向と同一方向に、板状圧電セラミックス
Ｂには分極方向と逆方向に電界を印加し九これにより、各板状圧電セラミックスＡ、、　　Ａｎが
収縮し、板状圧電セラミックスＢが伸張するため、素子
全体が屈曲変位した基板ｌの厚さｔ６μｍ１　第１の板状圧電セラミックス
Ａ、の厚さｔｌＩｌｍ、　　第２の板状圧電セラミック
スＡ２の厚さｔ２μｍ１　　第３の板状圧電セラミック
スＢの厚さｔ＠μｍを適宜選択して、変位量δμへ　発
生力Ｆ　（ｇ）を測定し九　なお、印加電圧■は圧電セ
ラミックスＢに印加される電界が材料の抗電界（５Ｋ　
Ｖ　／　ｃ　ｍ　）の５０％すなわち２、　５ＫＶ／ｃ
ｍとなるように設定し九　今回実施例で用いたセラミッ
クスはこの電界では分極反転を起こさず、特性は低下し
なかった　結果を第１表に示す。なお、ｔ、は、素子全
体の厚さであり、素子の幅は１０ｍｍ、　　駆動長さは
２０ｍｍと一定とした。

（本頁、以下余白）第１表ここで、比較例１は通常のバイモルフ、比較例２は従来
技術の一つで分極方向と逆方向に電界が印加されるセラ
ミックスの厚さを厚くした改良型バイモルフである。

比較例１および２がら明らがなように、従来のバイモル
フ型圧電素子において、圧電セラミックスＡ１　の厚さ
［、を一定にし、圧電セラミックスＢの厚さｔ８　を厚
くする　（累Ｔ全体の厚さも厚くなる）と、素子に印加
できる電圧を上げることが可能となり、発生力は増加す
るものの変位量はわずかに減少する。

これに対し、本発明による積層バイモルフ型圧電素子の
実施例１は、比較例１．２に比べて、大きな変位量と発
生力を示し、さらに圧電セラミックスＢの厚さｔ、を厚
くした印加電圧を上げた実施例２は、大きな変位量と発
生力を示すことが判る。

〔発明の効果〕

本発明では、従来のバイモルフ型圧電素子に比較して、
板状圧電セラミックスを複数枚積層したことで、大きな
変位量と、発生力を得ることができる。

しかも、本発明では、基板の一方の面ばおいて板状圧電
セラミックスの厚さが基板から離れるにつれて薄くした
ため、各板状圧電セラミックスに同じ電圧を印加した場
合、電極間隔の狭い第ｎ＋１番目の板状圧電セラミック
スにかかる電界（＝電圧／厚さ）が、電極間隔の広い第
ｎ番目の板状圧電セラミックスにかかる電界よりも大き
くなる。

したがって、分極と垂直方向の収縮率は、第ｎ＋１番目
の板状圧電セラミックスについてのそれカー第ｎ番目の
板状圧電セラミックスについてのそれより大きくなる。

また、分極方向と逆方向に電界が印加される板状圧電セ
ラミックスＢの厚さｔ８　力ｔ１　　第１の板状圧電セ
ラミックスＡ、　　の厚さｔ、に対し、ｔＢ　ｔ＋＞０となる関係であるため、分極方向と逆方向にかかる電界
を下げることができ、その結果素子全体により高い電圧
を印加することが可能となり、太きな変位量と発生力を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層バイモルフ型圧電素子の一例を示
した断面は　第２図は従来のバイモルフ型圧電素子の一
例を示した断面図である。１　・Ａ１・・Ｂ　　・４　・・＆、＄。基板第１の板状圧電セラミックス第２の板状圧電セラミックス第３の板状圧電セラミックス電源Ｓ、・・電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板の一方の面に、厚さｔ＿１の第１の板状圧電
セラミックスＡ＿１を設け、この第１の板状圧電セラミ
ックスＡ＿１の面上にさらに厚さｔ＿２の第２の板状圧
電セラミックスＡ＿２を設けて、順次、板状圧電セラミ
ックスをｎ枚積層するものとし（ｎは２以上の自然数）
、第ｎ番目の板状圧電セラミックスＡ＿ｎの厚さをｔ＿
ｎとした場合、各板状圧電セラミックスの厚さが相互にｔ＿ｎ−ｔ＿ｎ＿＋＿１＞０となる関係とし、さらに、基板の他方の面に、厚さｔ＿Ｂの板状圧電セラ
ミックスＢを設け、この板状圧電セラミックスＢと前記
第１の板状圧電セラミックスＡ＿１の厚さが、ｔ＿Ｂ−ｔ＿１＞０となる関係とし、また、前記各板状圧電セラミックスは面方向と垂直に分
極され、そして、各板状圧電セラミックスＡ＿１〜Ａ＿
ｎには分極方向と同一方向に電界を印加するようにし、
板状圧電セラミックスＢには分極方向と逆方向に電界を
印加するように構成した積層バイモルフ型圧電素子。