JPH05206534A - 積層型圧電素子 - Google Patents
積層型圧電素子Info
- Publication number
- JPH05206534A JPH05206534A JP4014010A JP1401092A JPH05206534A JP H05206534 A JPH05206534 A JP H05206534A JP 4014010 A JP4014010 A JP 4014010A JP 1401092 A JP1401092 A JP 1401092A JP H05206534 A JPH05206534 A JP H05206534A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- porosity
- piezoelectric element
- piezoelectric plate
- insulating material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】高荷重・高電圧下での連続駆動時などにおける
圧電板の破壊を防止し、かつ変位量も確保する。 【構成】圧電板と電極板とを交互に複数枚積層してなる
積層型圧電素子において、圧電板は１０〜３０％の空孔
率を占める空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充填され
ていることを特徴とする。空孔率が１０％以上の空孔内
の絶縁物質によりクラックの進展が阻止され、空孔率を
３０％未満とすることにより変位量も確保される。
圧電板の破壊を防止し、かつ変位量も確保する。 【構成】圧電板と電極板とを交互に複数枚積層してなる
積層型圧電素子において、圧電板は１０〜３０％の空孔
率を占める空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充填され
ていることを特徴とする。空孔率が１０％以上の空孔内
の絶縁物質によりクラックの進展が阻止され、空孔率を
３０％未満とすることにより変位量も確保される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータなどに
用いられる積層型圧電素子に関する。
用いられる積層型圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の積層型圧電素子として提供されてい
る。
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の積層型圧電素子として提供されてい
る。
【０００３】この圧電板は、一般にＰｂＯ2 、Ｚｒ
Ｏ2 、ＴｉＯ2 などの酸化物の粉末を混粉し、ポリビニ
ルアルコールなどのバインダーを添加して円板状に成形
し、焼成後所定形状に加工して形成されている。そして
圧電板と電極板との導通を確実とするために、圧電板の
表裏両面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着さ
せ、７００〜８００℃で焼成して内部電極層を形成して
いる。
Ｏ2 、ＴｉＯ2 などの酸化物の粉末を混粉し、ポリビニ
ルアルコールなどのバインダーを添加して円板状に成形
し、焼成後所定形状に加工して形成されている。そして
圧電板と電極板との導通を確実とするために、圧電板の
表裏両面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着さ
せ、７００〜８００℃で焼成して内部電極層を形成して
いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、積層型圧電
素子に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高
電圧の条件で連続駆動すると、圧電板内にクラックが生
じる場合があった。このようにクラックが生じそれが進
行すると、所望の変位量が得られなくなったり、短絡が
生じたりする場合がある。なお、このクラックの発生原
因としては、発生応力のばらつき、温度のばらつきによ
る体積変化のばらつき、などが考えられている。
素子に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高
電圧の条件で連続駆動すると、圧電板内にクラックが生
じる場合があった。このようにクラックが生じそれが進
行すると、所望の変位量が得られなくなったり、短絡が
生じたりする場合がある。なお、このクラックの発生原
因としては、発生応力のばらつき、温度のばらつきによ
る体積変化のばらつき、などが考えられている。
【０００５】また、上記製法で製造されたセラミック圧
電板には、焼成の過程でバインダーが焼失しその跡に空
孔が生じる。このように空孔が生じると、空孔を介して
圧電板の両側の電極間で放電が起こり、短絡が生じる場
合がある。そこで本願出願人は特開平２−１８８０７４
号公報に、空孔中に絶縁物質が含浸された圧電板をもつ
積層型圧電素子を開示している。このような積層型圧電
素子によれば、短絡が防止されるため素子の耐電圧性が
向上する。
電板には、焼成の過程でバインダーが焼失しその跡に空
孔が生じる。このように空孔が生じると、空孔を介して
圧電板の両側の電極間で放電が起こり、短絡が生じる場
合がある。そこで本願出願人は特開平２−１８８０７４
号公報に、空孔中に絶縁物質が含浸された圧電板をもつ
積層型圧電素子を開示している。このような積層型圧電
素子によれば、短絡が防止されるため素子の耐電圧性が
向上する。
【０００６】しかしながら、空孔中に絶縁物質を含浸さ
せた素子であっても、高荷重・高電圧下での連続駆動時
にはクラックが発生する場合があり、一旦クラックが生
じると短絡を防止することは困難であった。またクラッ
クが進展して圧電板が破壊される場合もある。そこで本
発明者は、特開平２−１８８０７４号公報に開示された
積層型圧電素子の耐クラック性を改良するべく鋭意検討
した結果、圧電板中の空孔率がクラックの発生と変位特
性に大きく影響していることを発見し本発明を完成した
ものである。
せた素子であっても、高荷重・高電圧下での連続駆動時
にはクラックが発生する場合があり、一旦クラックが生
じると短絡を防止することは困難であった。またクラッ
クが進展して圧電板が破壊される場合もある。そこで本
発明者は、特開平２−１８８０７４号公報に開示された
積層型圧電素子の耐クラック性を改良するべく鋭意検討
した結果、圧電板中の空孔率がクラックの発生と変位特
性に大きく影響していることを発見し本発明を完成した
ものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電素子
は、圧電板と電極板とを交互に複数枚積層してなる積層
型圧電素子において、圧電板は１０〜３０％の空孔率を
占める空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充填されてい
ることを特徴とする。本発明にいう空孔率とは、圧電板
の見掛けの体積に対する全空孔合計容積の占める割合を
いう。
は、圧電板と電極板とを交互に複数枚積層してなる積層
型圧電素子において、圧電板は１０〜３０％の空孔率を
占める空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充填されてい
ることを特徴とする。本発明にいう空孔率とは、圧電板
の見掛けの体積に対する全空孔合計容積の占める割合を
いう。
【０００８】特開平２−１８８０７４号公報に開示され
たような従来の製法で形成された圧電板の空孔率は、一
般に１％前後と小さい値であった。しかし本発明では、
圧電板の空孔率を１０〜３０％としている。このように
空孔率を大きくすることにより、空孔内に充填された絶
縁物質がクラックを効果的に防止する。したがって空孔
率が１０％より小さいと、クラックの発生を防止するこ
とが困難となる。
たような従来の製法で形成された圧電板の空孔率は、一
般に１％前後と小さい値であった。しかし本発明では、
圧電板の空孔率を１０〜３０％としている。このように
空孔率を大きくすることにより、空孔内に充填された絶
縁物質がクラックを効果的に防止する。したがって空孔
率が１０％より小さいと、クラックの発生を防止するこ
とが困難となる。
【０００９】一方、空孔率が３０％より大きくなると相
対的に圧電材料が減少し、変位量が低下する。また絶縁
物質の量が増大することにより変位を吸収する作用が生
じ、変位量が極端に低下することが明らかとなってい
る。空孔率を上記範囲に制御するには、セラミック粉末
の混粉時に樹脂などの有機物粉末を所定量範囲で混合し
て成形し、焼成時に焼失させることで容易に行うことが
できる。また絶縁物質としては、樹脂、シリコンオイル
など従来と同様のものを利用できる。
対的に圧電材料が減少し、変位量が低下する。また絶縁
物質の量が増大することにより変位を吸収する作用が生
じ、変位量が極端に低下することが明らかとなってい
る。空孔率を上記範囲に制御するには、セラミック粉末
の混粉時に樹脂などの有機物粉末を所定量範囲で混合し
て成形し、焼成時に焼失させることで容易に行うことが
できる。また絶縁物質としては、樹脂、シリコンオイル
など従来と同様のものを利用できる。
【００１０】
【作用】本発明の積層型圧電素子では、圧電板は１０〜
３０％の空孔率の空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充
填されている。したがって高荷重・高電圧下での連続駆
動時にマイクロクラックが発生しても、１０％以上の空
孔率の空孔内の絶縁物質でクラックの進展が阻止される
ため、大きなクラックに成長するのが阻止され、破壊が
防止される。
３０％の空孔率の空孔をもち、空孔内には絶縁物質が充
填されている。したがって高荷重・高電圧下での連続駆
動時にマイクロクラックが発生しても、１０％以上の空
孔率の空孔内の絶縁物質でクラックの進展が阻止される
ため、大きなクラックに成長するのが阻止され、破壊が
防止される。
【００１１】また空孔率は３０％未満に制御されている
ため、素子の変位量が確保されている。
ため、素子の変位量が確保されている。
【００１２】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （積層型圧電素子の製造）ＰｂＯ：６０重量部、ＺｒＯ
2 ：２２重量部、ＴｉＯ2 ：１３重量部、焼結助剤とし
てのＳｒＣＯ3 ：５重量部に、平均粒径３０〜５０μｍ
のポリメチルメタクリレート粉末（ＰＭＭＡ）を加えて
混粉した。ＰＭＭＡ粉末の混合量は、酸化物粉末全体に
対して０〜１５重量％の範囲で変化させ、複数種類の圧
電板原料粉末を調製した。
2 ：２２重量部、ＴｉＯ2 ：１３重量部、焼結助剤とし
てのＳｒＣＯ3 ：５重量部に、平均粒径３０〜５０μｍ
のポリメチルメタクリレート粉末（ＰＭＭＡ）を加えて
混粉した。ＰＭＭＡ粉末の混合量は、酸化物粉末全体に
対して０〜１５重量％の範囲で変化させ、複数種類の圧
電板原料粉末を調製した。
【００１３】それぞれの圧電板原料粉末に対して０．１
重量％のポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を加え、スプ
レードライヤにて造粒後、金型プレス装置にて面圧１０
０ＭＰａをかけて直径２０ｍｍ、厚さ１．１〜１．２ｍ
ｍの円板状成形体をそれぞれ形成した。それぞれの成形
体を、ＰｂＯを１０重量％含有する１００メッシュのＺ
ｒＯ2 粉末中に埋設し、図３に示す焼成パターンで加熱
して大気中で焼成した。その後直径１５．０ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍとなるように研削加工し、それぞれの圧電板
を形成した。得られたそれぞれの圧電板は、その寸法と
重量及び真比重から空孔率が算出され、結果を表１に示
す。
重量％のポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を加え、スプ
レードライヤにて造粒後、金型プレス装置にて面圧１０
０ＭＰａをかけて直径２０ｍｍ、厚さ１．１〜１．２ｍ
ｍの円板状成形体をそれぞれ形成した。それぞれの成形
体を、ＰｂＯを１０重量％含有する１００メッシュのＺ
ｒＯ2 粉末中に埋設し、図３に示す焼成パターンで加熱
して大気中で焼成した。その後直径１５．０ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍとなるように研削加工し、それぞれの圧電板
を形成した。得られたそれぞれの圧電板は、その寸法と
重量及び真比重から空孔率が算出され、結果を表１に示
す。
【００１４】それぞれの圧電板を、粘度５０ｃｐのアク
リル樹脂系含浸剤（「ＳＫダイン１７２０」綜研化学
（株）製）中に浸漬し、１００Ｐａ以下の減圧下で５分
間保持して、アクリル樹脂系含浸剤を空孔中に完全に含
浸させた。常圧に戻した後引き上げて表面を拭い、９０
℃で加熱して含浸剤を熱硬化させた。そして硬化後表面
を片面１０〜２０μｍ程度研磨して、空孔中に絶縁物質
が充填された圧電板を形成した。得られた圧電板の模式
的断面図を図２に示す。この圧電板１は、ＰＺＴ圧電材
料からなる基部１０と、基部１０中に所定の空孔率で存
在する空孔１１と、空孔１１内を充填する絶縁物質１２
とから構成されている。
リル樹脂系含浸剤（「ＳＫダイン１７２０」綜研化学
（株）製）中に浸漬し、１００Ｐａ以下の減圧下で５分
間保持して、アクリル樹脂系含浸剤を空孔中に完全に含
浸させた。常圧に戻した後引き上げて表面を拭い、９０
℃で加熱して含浸剤を熱硬化させた。そして硬化後表面
を片面１０〜２０μｍ程度研磨して、空孔中に絶縁物質
が充填された圧電板を形成した。得られた圧電板の模式
的断面図を図２に示す。この圧電板１は、ＰＺＴ圧電材
料からなる基部１０と、基部１０中に所定の空孔率で存
在する空孔１１と、空孔１１内を充填する絶縁物質１２
とから構成されている。
【００１５】次に圧電板の両表面に銀ペーストを印刷
し、焼き付けて内部電極層を形成した。印刷パターン
は、外周端部から０．５ｍｍほど無印刷部をリング状に
残すようにした。これは電圧印加時の縁面放電を防止す
るためである。内部電極層が形成された圧電板１は、そ
れぞれ１００℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの直
流電圧を１０分間印加され、分極された。これを直径１
５ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍの銅製電極板２とともに交互
に５０層積層し、電極板２が一つおきに同極となるよう
に一対の外部電極３を形成して、図１に示すような積層
型圧電素子を空孔率の異なるそれぞれの圧電板について
それぞれ形成した。 （試験・評価）それぞれの積層型圧電素子について、５
００Ｖ−１００Ｈｚの矩形電圧を印加し、圧電素子に加
わる圧力を１０〜１５ＭＰａの間で変化させた。この時
のそれぞれの圧電素子の変位量を計測し、結果を表１に
示す。また、その後それぞれ１×１０7 回駆動し、圧電
板１のクラックの有無を表面から観察した。その結果も
表１に併せて示す。また空孔率と変位量の関係をグラフ
化して図４に示す。
し、焼き付けて内部電極層を形成した。印刷パターン
は、外周端部から０．５ｍｍほど無印刷部をリング状に
残すようにした。これは電圧印加時の縁面放電を防止す
るためである。内部電極層が形成された圧電板１は、そ
れぞれ１００℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの直
流電圧を１０分間印加され、分極された。これを直径１
５ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍの銅製電極板２とともに交互
に５０層積層し、電極板２が一つおきに同極となるよう
に一対の外部電極３を形成して、図１に示すような積層
型圧電素子を空孔率の異なるそれぞれの圧電板について
それぞれ形成した。 （試験・評価）それぞれの積層型圧電素子について、５
００Ｖ−１００Ｈｚの矩形電圧を印加し、圧電素子に加
わる圧力を１０〜１５ＭＰａの間で変化させた。この時
のそれぞれの圧電素子の変位量を計測し、結果を表１に
示す。また、その後それぞれ１×１０7 回駆動し、圧電
板１のクラックの有無を表面から観察した。その結果も
表１に併せて示す。また空孔率と変位量の関係をグラフ
化して図４に示す。
【００１６】
【表１】 表１及び図４より、空孔率が増大するにつれて変位量が
減少し、空孔率が３０％を超えると変位量が急激に低下
して一桁となっていることがわかる。また空孔率が１０
％より小さいと圧電板にクラックが発生している。した
がってクラックの発生が無く、変位量も満足できる範囲
としては、空孔率が１０〜３０％の範囲であることが明
らかである。
減少し、空孔率が３０％を超えると変位量が急激に低下
して一桁となっていることがわかる。また空孔率が１０
％より小さいと圧電板にクラックが発生している。した
がってクラックの発生が無く、変位量も満足できる範囲
としては、空孔率が１０〜３０％の範囲であることが明
らかである。
【００１７】
【発明の効果】すなわち本発明の積層型圧電素子によれ
ば、高荷重・高電圧下での連続駆動時においても大きな
クラックの発生がないので、耐久性に優れ長期間の使用
に耐え得る。また変位量が小さくなり過ぎるような不具
合もない。さらに、積層型圧電素子を製造する場合など
に圧電板を床面に落とした場合には、従来の圧電板では
衝撃で破損する場合が多かった。しかし本発明の素子に
よれば、絶縁物質により衝撃が緩衝され破損が防止され
る。ちなみに圧電板を１ｍの高さからコンクリート面に
落下させた場合には、従来のものでは必ず破損するが本
発明のものではほとんど破損しない。このように本発明
の積層型圧電素子によれば、圧電板の歩留りを向上させ
る効果もある。
ば、高荷重・高電圧下での連続駆動時においても大きな
クラックの発生がないので、耐久性に優れ長期間の使用
に耐え得る。また変位量が小さくなり過ぎるような不具
合もない。さらに、積層型圧電素子を製造する場合など
に圧電板を床面に落とした場合には、従来の圧電板では
衝撃で破損する場合が多かった。しかし本発明の素子に
よれば、絶縁物質により衝撃が緩衝され破損が防止され
る。ちなみに圧電板を１ｍの高さからコンクリート面に
落下させた場合には、従来のものでは必ず破損するが本
発明のものではほとんど破損しない。このように本発明
の積層型圧電素子によれば、圧電板の歩留りを向上させ
る効果もある。
【図１】本発明の一実施例の積層型圧電素子の模式的な
構造図である。
構造図である。
【図２】実施例で用いた圧電板の模式的拡大断面図であ
る。
る。
【図３】実施例における焼成条件を示す線図である。
【図４】空孔率と変位量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】 １：圧電板 ２：電極板 ３：外部電
極 １０：基部 １１：空孔 １２：絶縁
物質
極 １０：基部 １１：空孔 １２：絶縁
物質
Claims (1)
- 【請求項１】 圧電板と電極板とを交互に複数枚積層し
てなる積層型圧電素子において、 該圧電板は１０〜３０％の空孔率を占める空孔をもち、
該空孔内には絶縁物質が充填されていることを特徴とす
る積層型圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4014010A JPH05206534A (ja) | 1992-01-29 | 1992-01-29 | 積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4014010A JPH05206534A (ja) | 1992-01-29 | 1992-01-29 | 積層型圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05206534A true JPH05206534A (ja) | 1993-08-13 |
Family
ID=11849236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4014010A Pending JPH05206534A (ja) | 1992-01-29 | 1992-01-29 | 積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05206534A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004266260A (ja) * | 2003-02-12 | 2004-09-24 | Denso Corp | 積層型圧電体素子 |
| JP2005333105A (ja) * | 2004-04-23 | 2005-12-02 | Seiko Epson Corp | 強誘電体膜積層体、強誘電体メモリ、圧電素子、液体噴射ヘッドおよびプリンタ |
| JP2006041007A (ja) * | 2004-07-23 | 2006-02-09 | Fuji Xerox Co Ltd | 圧電素子及び圧電素子の製造方法 |
| JP2006518934A (ja) * | 2003-02-24 | 2006-08-17 | エプコス アクチエンゲゼルシャフト | 電気的な多層構成部材及び層スタック |
| JP2008546206A (ja) * | 2005-06-09 | 2008-12-18 | エプコス アクチエンゲゼルシャフト | 圧電多層素子 |
| JP2009283950A (ja) * | 2004-04-23 | 2009-12-03 | Seiko Epson Corp | 圧電素子、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 |
| US20100187953A1 (en) * | 2009-01-29 | 2010-07-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive element and manufacturing method of the same |
| KR20220007153A (ko) * | 2019-06-28 | 2022-01-18 | 후지필름 가부시키가이샤 | 고분자 복합 압전체 및 압전 필름 |
-
1992
- 1992-01-29 JP JP4014010A patent/JPH05206534A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP4635439B2 (ja) * | 2003-02-12 | 2011-02-23 | 株式会社デンソー | 積層型圧電体素子及びその製造方法 |
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| JP2012216874A (ja) * | 2003-02-24 | 2012-11-08 | Epcos Ag | 電気的な多層構成部材及び層スタック |
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| US9153765B2 (en) | 2005-06-09 | 2015-10-06 | Epcos Ag | Piezoelectric multilayer component |
| US20100187953A1 (en) * | 2009-01-29 | 2010-07-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive element and manufacturing method of the same |
| US8476805B2 (en) * | 2009-01-29 | 2013-07-02 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive element having a specific coverage area of electrode on substrate, and manufacturing method of the same |
| KR20220007153A (ko) * | 2019-06-28 | 2022-01-18 | 후지필름 가부시키가이샤 | 고분자 복합 압전체 및 압전 필름 |
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