JPH046885A - 積層ユニモルフ型圧電素子 - 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〕 本発明は積層ユニ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
東　バイモルフ型圧電素子や、ユニ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、その結策　屈曲変位するようになっている。

一方、ユニモルフ型圧電素子（戴　第３図のように基板
１５の片面にのべ　分極された圧電体１６を張り合わせ
た構造で、分極方向と同一方向の電界を印加して圧電体
１６を分極方向と垂直に収縮させ、その給気　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、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が、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くなると分極反
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。

この点、分極方向と逆方向の電界を印加することがなく
、分極反転のないユニモルフ型が有利である力τ、ユニ
モルフ型は分極と同一方向のみに電界を印加−獣　圧電
体を収縮させるだけであるから、圧電体の収縮と伸張を
組み合わせたバイモルフ型に比較し　変位量が少ない。

本発明はこのような背景の下になされたもので、ユニモ
ルフ型の利点を活かし　その欠点を改良して、変位量も
発生力も大きいユニ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、本発明頃　基板の片面＆ミ　厚さｔ。

の第１の板状圧電セラミックスを積層し　この第１の板
状圧電セラミックスの面上！、　　さらに厚さｔ２の第
２の板状圧電セラミックスを積層して、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の厚さをｔゎ
　とした場合、各板状圧電セラミックスの厚さが相互に １、−１．。１〉０ となる関係とし　さら＆ミ　各板状圧電セラミックスは
面方向と垂直に分極さ枳　各板状圧電セラミックスの分
極方向と同一方向に電界を印加するよう構成した積層ユ
ニモルフ型圧電素子である。

ここで、基板は可撓性、もしく代　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、伸縮あるは伸張しないことが望ま
しい。基板自体を電極とする場合には基板は金属である
必要があるハ　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１１０μｍ
−１ｍｍ、　　特に好ましくは３０μｍ〜２００μｍで
ある。

次番二　板状圧電セラミックスは、ＰＺＴに代表される
が、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
０μｍ〜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。積層される各板状圧電セラミックスのそれ
ぞれＩＬ　　その厚さが基板から雛れるにつれて薄くな
るよう構成される。すなわち、基板に積層される第１の
板状圧電セラミックスの厚さをｔｌとし　第２、第３・
・第ｎ番目の厚さをｔ２、ｔ３、　・・ｔ。とした場合
、　１．−１．。１〉０とされる。

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
薄くすることにより、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ががる電界（＝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
ついてのそれハ　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り、その結果、従来のユニモル
フ型圧電素子と比較して、大きな変位量と、大きな発生
力を得ること可能になる。

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＆　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＋１　　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
。

また、焼結前の圧電セラミックスのグリーンシートの片
面に金属ペーストを印刷塗布したものを３枚以上積層し
たのち、圧電セラミックスの焼結と同時に電極を焼付け
て形成させることもできる。

この場合、外側の２枚の圧電セラミックス焼結体のうち
の１枚（戯　外表面に電極が形成されず、圧電的に不活
性なため、基板として作用させることができる。

なお、圧電セラミックスを積層した圧電素子としては、
特開昭６０−１７８６７７号、特開昭６１−１２７８号
、４１１開昭６１−１９１０８５号、特開昭６３〜２３
９０などが知られているが、これらは、バイモルフ型で
あり、ユニモルフ型で積層とした点に特徴を有する本発
明とは異なる。

〔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、ユニモルフ型であっても、大きな変位量と、発生
力を得ることが可能である。また、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、大きな電界を印加できる。

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。

リン青銅からなる基板１の片面に　　第１の板状圧電セ
ラミックス２が積層さ瓢　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３が積層されて
いる。

第１及び第２の板状圧電セラミックス２．３はいずれも
、 Ｐｂ　（Ｍｇ＋ｚｓＮｂａｚｓ）　ｉ、５ｖｓＴｉｓ、
ｚｔｓＺｒｓ、２ｓ（ｈを主成分とする化合物の焼結体
からなり、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２、第２
の板状圧電セラミックス３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２で＋ｉ、
分極の＋側が基板！側となるように獣　第２の板状圧電
セラミックス３で＋Ｌ　　分極の一側が第１の板状圧電
セラミックスＺ側となるようにした そして、第１の板状圧電セラミックス２と第２の板状圧
電セラミックス３との間の電極Ｓ１を電源４の負極１　
基板ｌと、第２の板状圧電セラミックス３における第１
の板状圧電セラミックス２の反対側の電極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２．３
の分極方向と同一方向に電界を印加しへ　これにより、
各板状圧電セラミックス２．３が収縮し　基板１が収縮
しないため、素子全体が屈曲変位しへ 基板１の厚さｔ６、第１の板状圧電セラミックス２の厚
さはｊ＋、第２の板状圧電セラミックス３の厚さｔ２を
適宜選択し　印加電圧を１００ｖとし変位量δμ四　発
生力Ｆ　（ｇ）を測定し九　結果を第１〜３表に示す。

なお、　ｔ、は、素子全体の厚さであり、素子の幅は１
０ｍｍ、　　駆動長さは１８ｍｍと一定とした。

Ｃ本頁、以下余白） 第１表 スの厚さを一定にし　基板の厚さを厚くする（素子全体
の厚さも厚くなる）と、変位量が低下し発生力が増加す
る。これに対し　本発明による積層ユニモルフ型圧電素
子の実施例１１戴　　比較例２に比べて、大きな変位量
と発生力を示し　実施例２Ｉ戴　　比較例１および２の
いずれに比べても、大きな変位量と発生力を示すことが
判る。

また、バイモルフ敷　従来のユニモルフ型、本発明の積
層ユニモルフ型の各種性能を比較すると、以下の第２表
のような結果となる。

ここで、一般に絶縁破壊電界〉〉抗電界である。

（本頁、以下余白） 第２表 〔発明の効果〕 本発明で１戴　バイモルフ型圧電素子に比較して、電界
を分極方向と逆方向く　電界の印加による分極反転が起
こることがなく、安定した変位量と発生力を得ることが
できる。また、何等かの要因で分極が弱くなっても、駆
動に際しては分極方向に電界を印加するので、分極を再
度強化することができるという復元作用をも有する。

そして、従来のユニ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（戴　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することにより、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）力＆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重代　第ｎ＋１番目の板状
圧電セラミックスについてのそれ２５−　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り、そ
の結果　従来のユニモルフ型圧電素子と比較して、大き
な変位量と、大きな発生力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層ユニモルフ型圧電素子の一例を示
した断面艮　第２図は従来のバイモルフ型圧電素子の一
例を示した断面民　第３図は従来のユニモルフ型圧電素
子の断面図である。 １・・・　基板 ２・・・　第１の板状圧電セラミックス３・・　第２の
板状圧電セラミックス ４・・・　電源 ＆、Ｓ２・・・電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　基板の片面に厚さｔ＿１の第１の板状圧電セラ
   ミックスを積層し、この第１の板状圧電セラミックスの
   面上にさらに厚さｔ＿２の第２の板状圧電セラミックス
   を積層して、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、各板状圧電セラミックスは面
   方向と垂直に分極され、各板状圧電セラミックスの分極
   方向と同一方向に電界を印加するよう構成した積層ユニ
   モルフ型圧電素子。