JPH05275764A - 圧電積層体 - Google Patents
圧電積層体Info
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- JPH05275764A JPH05275764A JP4066292A JP6629292A JPH05275764A JP H05275764 A JPH05275764 A JP H05275764A JP 4066292 A JP4066292 A JP 4066292A JP 6629292 A JP6629292 A JP 6629292A JP H05275764 A JPH05275764 A JP H05275764A
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- Japan
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- piezoelectric
- electrode
- piezoelectric element
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Abstract
(57)【要約】
【目的】高荷重・高電圧条件で駆動された場合において
も圧電素子のクラックを防止する。 【構成】電極板は両表面が凸状の第一電極板２と両表面
が凹状の第二電極板３とからなり、第一電極板２と第二
電極板３とが圧電素子１を介して交互に積層され、それ
ぞれの第一電極板２と第二電極板３の間の圧電素子１
は、分極時にプラス極が印加されて形成された凹状表面
が第一電極板２に対向し、マイナス極が印加されて形成
された凸状表面が第二電極板３に対向するように積層さ
れていることを特徴とする。分極後、圧電素子と電極板
が密着するので、圧電素子に過大な引張応力が作用する
のが防止される。
も圧電素子のクラックを防止する。 【構成】電極板は両表面が凸状の第一電極板２と両表面
が凹状の第二電極板３とからなり、第一電極板２と第二
電極板３とが圧電素子１を介して交互に積層され、それ
ぞれの第一電極板２と第二電極板３の間の圧電素子１
は、分極時にプラス極が印加されて形成された凹状表面
が第一電極板２に対向し、マイナス極が印加されて形成
された凸状表面が第二電極板３に対向するように積層さ
れていることを特徴とする。分極後、圧電素子と電極板
が密着するので、圧電素子に過大な引張応力が作用する
のが防止される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータなどに
用いられる圧電積層体に関する。
用いられる圧電積層体に関する。
【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素子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圧電積層体と
して提供されている。
に代わって、例えば実開昭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素子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圧電積層体と
して提供されている。
【０００３】圧電素子と電極板とを交互に積層する場
合、圧電素子と電極板との導通を確実とすることが望ま
しい。そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などに
は、圧電板の両表面に導電性の銀ペーストなどからなる
内部電極層を形成した圧電素子が積層された圧電積層体
が開示されている。この内部電極層は、圧電素子の表裏
両面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着させ、７
００〜８００℃で焼成して形成される。そして室温〜１
５０℃の雰囲気中で内部電極層を介して圧電素子に６０
０〜１０００Ｖの電圧を印加し分極した後、電極板と交
互に積層して圧電積層体としている。また電極板と交互
に積層した後に、それらの電極板に電圧を印加して複数
の圧電素子を同時に分極し、そのまま圧電積層体とする
方法もある。
合、圧電素子と電極板との導通を確実とすることが望ま
しい。そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などに
は、圧電板の両表面に導電性の銀ペーストなどからなる
内部電極層を形成した圧電素子が積層された圧電積層体
が開示されている。この内部電極層は、圧電素子の表裏
両面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着させ、７
００〜８００℃で焼成して形成される。そして室温〜１
５０℃の雰囲気中で内部電極層を介して圧電素子に６０
０〜１０００Ｖの電圧を印加し分極した後、電極板と交
互に積層して圧電積層体としている。また電極板と交互
に積層した後に、それらの電極板に電圧を印加して複数
の圧電素子を同時に分極し、そのまま圧電積層体とする
方法もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電積層体
に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高電圧
の条件で駆動すると圧電素子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。この原因としては、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。
に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高電圧
の条件で駆動すると圧電素子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。この原因としては、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】本発明者らは、この駆動時のクラックの発
生原因について鋭意研究したところ、圧電素子の反りが
原因の一つであることを見出した。すなわち圧電積層体
内の圧電素子に僅かな反りが生じていることが明らかと
なり、荷重を付与すると径方向及び周方向の引張り応力
が圧電素子内部に作用することが明らかとなったのであ
る。圧電素子に反りが無く平坦であればこのような応力
は作用せず、クラックも防止される。
生原因について鋭意研究したところ、圧電素子の反りが
原因の一つであることを見出した。すなわち圧電積層体
内の圧電素子に僅かな反りが生じていることが明らかと
なり、荷重を付与すると径方向及び周方向の引張り応力
が圧電素子内部に作用することが明らかとなったのであ
る。圧電素子に反りが無く平坦であればこのような応力
は作用せず、クラックも防止される。
【０００６】そこで本発明者は圧電素子の反りの原因に
ついて研究を進めた結果、精密に平坦に形成された圧電
素子であっても分極処理後に反りが生じることが明らか
となり、分極処理時に反りが生じることを突き止めたの
である。例えば直径１７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、内部電
極層の直径１５ｍｍのＰＺＴセラミックからなる圧電素
子について、１００℃のシリコンオイル中にて１ｋｖ／
ｍｍの電圧を印加して２０分間保持する分極処理を行う
と、プラス極側で中心部が約３μｍ凹み、マイナス極側
で約３μｍ膨らんだ断面湾曲形状となることが分かっ
た。
ついて研究を進めた結果、精密に平坦に形成された圧電
素子であっても分極処理後に反りが生じることが明らか
となり、分極処理時に反りが生じることを突き止めたの
である。例えば直径１７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、内部電
極層の直径１５ｍｍのＰＺＴセラミックからなる圧電素
子について、１００℃のシリコンオイル中にて１ｋｖ／
ｍｍの電圧を印加して２０分間保持する分極処理を行う
と、プラス極側で中心部が約３μｍ凹み、マイナス極側
で約３μｍ膨らんだ断面湾曲形状となることが分かっ
た。
【０００７】しかも圧電素子を積層する場合には、分極
時にプラス極が印加された表面どうし及びマイナス極が
印加された表面どうしが対向するように積層するのが通
常である。また積層後に分極する場合は必然的にこのよ
うになる。したがって反りの生じた圧電素子の凹状表面
どうし及び凸状表面どうしが対向することとなり、荷重
付与時に半径方向及び周方向の大きな引張応力が圧電素
子内部に作用することが明らかとなったのである。
時にプラス極が印加された表面どうし及びマイナス極が
印加された表面どうしが対向するように積層するのが通
常である。また積層後に分極する場合は必然的にこのよ
うになる。したがって反りの生じた圧電素子の凹状表面
どうし及び凸状表面どうしが対向することとなり、荷重
付与時に半径方向及び周方向の大きな引張応力が圧電素
子内部に作用することが明らかとなったのである。
【０００８】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、圧電素子のクラックを防止できる構造と
することを目的とする。
たものであり、圧電素子のクラックを防止できる構造と
することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電積層体は、板状の圧電素子と電極板とを交互に
複数枚積層してなる圧電積層体において、電極板は両表
面が凸状の第一電極板と両表面が凹状の第二電極板とか
らなり、第一電極板と第二電極板とが圧電素子を介して
交互に積層され、それぞれの第一電極板と第二電極板の
間の圧電素子は、分極時にプラス極が印加されて形成さ
れた凹状表面が第一電極板に対向し、マイナス極が印加
されて形成された凸状表面が第二電極板に対向するよう
に積層されていることを特徴とする。
明の圧電積層体は、板状の圧電素子と電極板とを交互に
複数枚積層してなる圧電積層体において、電極板は両表
面が凸状の第一電極板と両表面が凹状の第二電極板とか
らなり、第一電極板と第二電極板とが圧電素子を介して
交互に積層され、それぞれの第一電極板と第二電極板の
間の圧電素子は、分極時にプラス極が印加されて形成さ
れた凹状表面が第一電極板に対向し、マイナス極が印加
されて形成された凸状表面が第二電極板に対向するよう
に積層されていることを特徴とする。
【００１０】
【作用】板状の圧電素子に対して電圧を印加して分極処
理を行うと、プラス極が印加された一表面が凹状に、マ
イナス極が印加された他表面が凸状に変形し、略球面状
に湾曲した形状となる。そこで本発明では、圧電素子ど
うしの間に介在される電極板を両表面が凸状の第一電極
板と両表面が凹状の第二電極板とから構成し、圧電素子
の凹状表面が第一電極板に対向し凸状表面が第二電極板
に対向するように積層されている。したがって圧電素子
の両表面とそれぞれの電極板の表面との間隙が従来に比
べて小さくなり、高荷重・高電圧の条件で駆動した場合
に発生する引張応力が小さくなる。
理を行うと、プラス極が印加された一表面が凹状に、マ
イナス極が印加された他表面が凸状に変形し、略球面状
に湾曲した形状となる。そこで本発明では、圧電素子ど
うしの間に介在される電極板を両表面が凸状の第一電極
板と両表面が凹状の第二電極板とから構成し、圧電素子
の凹状表面が第一電極板に対向し凸状表面が第二電極板
に対向するように積層されている。したがって圧電素子
の両表面とそれぞれの電極板の表面との間隙が従来に比
べて小さくなり、高荷重・高電圧の条件で駆動した場合
に発生する引張応力が小さくなる。
【００１１】そして第一電極板及び第二電極板を、その
表面の曲率が分極後の圧電素子表面の曲率と一致するよ
うに形成すれば、圧電素子と電極板との間隙をほとんど
無くすことができ、発生する引張応力を極めて小さくす
ることができる。
表面の曲率が分極後の圧電素子表面の曲率と一致するよ
うに形成すれば、圧電素子と電極板との間隙をほとんど
無くすことができ、発生する引張応力を極めて小さくす
ることができる。
【００１２】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。図１
に本発明の一実施例の圧電積層体の要部断面図を、図３
にその構成説明図を示す。この圧電積層体は、ＰＺＴセ
ラミックよりなる圧電素子１と、隣接する圧電素子１の
間に交互に介在された第一電極板２及び第二電極板３と
から構成されている。以下、この圧電積層体を製造する
方法を詳細に説明し、構成の詳細な説明に代える。 （１）圧電素子の製作 （原料調製工程）ＰｂＯ粉末が６０質量％と、ＺｒＯ2
粉末が２２質量％と、ＴｉＯ2 粉末が１３質量％に、焼
結助剤としてのＳｒＣＯ3 粉末を５質量％加え、水３５
リットルとともに混粉装置中に投入して４時間粉砕し
た。そして真空下１２０℃に加熱して乾燥させ、原料粉
末とした。 （成形工程）上記原料粉末に１０質量％のＰＶＡ水溶液
を加え、これを乾燥させた後篩いにかけて造粒した。こ
の造粒粉２．５ｇを直径１８ｍｍの円柱状キャビティを
もつ金型に入れ、９８ＭＰａの面圧をかけて円板状の成
形体を形成した。 （焼成・加工工程）この成形体を坩堝に入れ、３００℃
／ｈｒの昇温速度で加熱し１２００℃で２時間保持して
焼成した。その後研削加工して可能な限り平面度を向上
させ、外径が１７ｍｍとなるように周端面も研削して圧
電素子とした。 （電極形成工程）この圧電素子を洗浄した後乾燥させ、
両表面に周縁部を残して銀ペーストを直径１５ｍｍの円
形にスクリーン印刷し、５００℃で３０分加熱して焼き
付けて内部電極層１０を形成した。 （２）電極板の製作 厚さ０．０２ｍｍのステンレス板から、打ち抜き又はエ
ッチングなどにより舌片部２０，３０をもつ円板状に形
成する。これを５００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力でプレス成
形し、両表面に凸状の球状表面２１をもつ第一電極板２
と、両表面に凹状の球状表面３１をもつ第二電極板３を
形成した。なお、第一電極板２と第二電極板３のそれぞ
れの球状表面２１，３１の曲率半径は、それぞれ９７５
０ｍｍとした。 （３）圧電積層体の製作 （積層工程）両表面に内部電極層１０が形成された圧電
素子１と、第一電極板２及び第二電極板３を交互に積層
する。ここで第一電極板２と第二電極板３は、図１及び
図２に示すようにそれぞれ交互の位置関係となるよう
に、また舌片部２０，３０がそれぞれ６０度ずつずれた
位置となるように積層する。この状態では、図３に示す
ように圧電素子１は平坦であるため第一電極板２及び第
二電極板３との間には間隙が生じている。 （分極工程）上記積層体を１００℃のシリコンオイル中
に浸漬し、図３に示すように第一電極板２がプラス極、
第二電極板３がマイナス極となるように２０ｋＶの電圧
を印加し、２０分間保持して分極を行う。この分極によ
り、圧電素子１は第一電極板２の凸状の球状表面２１に
対向する表面が凹状に、第二電極板３の凹状の球状表面
３１に対向する表面が凸状に変形する。
に本発明の一実施例の圧電積層体の要部断面図を、図３
にその構成説明図を示す。この圧電積層体は、ＰＺＴセ
ラミックよりなる圧電素子１と、隣接する圧電素子１の
間に交互に介在された第一電極板２及び第二電極板３と
から構成されている。以下、この圧電積層体を製造する
方法を詳細に説明し、構成の詳細な説明に代える。 （１）圧電素子の製作 （原料調製工程）ＰｂＯ粉末が６０質量％と、ＺｒＯ2
粉末が２２質量％と、ＴｉＯ2 粉末が１３質量％に、焼
結助剤としてのＳｒＣＯ3 粉末を５質量％加え、水３５
リットルとともに混粉装置中に投入して４時間粉砕し
た。そして真空下１２０℃に加熱して乾燥させ、原料粉
末とした。 （成形工程）上記原料粉末に１０質量％のＰＶＡ水溶液
を加え、これを乾燥させた後篩いにかけて造粒した。こ
の造粒粉２．５ｇを直径１８ｍｍの円柱状キャビティを
もつ金型に入れ、９８ＭＰａの面圧をかけて円板状の成
形体を形成した。 （焼成・加工工程）この成形体を坩堝に入れ、３００℃
／ｈｒの昇温速度で加熱し１２００℃で２時間保持して
焼成した。その後研削加工して可能な限り平面度を向上
させ、外径が１７ｍｍとなるように周端面も研削して圧
電素子とした。 （電極形成工程）この圧電素子を洗浄した後乾燥させ、
両表面に周縁部を残して銀ペーストを直径１５ｍｍの円
形にスクリーン印刷し、５００℃で３０分加熱して焼き
付けて内部電極層１０を形成した。 （２）電極板の製作 厚さ０．０２ｍｍのステンレス板から、打ち抜き又はエ
ッチングなどにより舌片部２０，３０をもつ円板状に形
成する。これを５００ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力でプレス成
形し、両表面に凸状の球状表面２１をもつ第一電極板２
と、両表面に凹状の球状表面３１をもつ第二電極板３を
形成した。なお、第一電極板２と第二電極板３のそれぞ
れの球状表面２１，３１の曲率半径は、それぞれ９７５
０ｍｍとした。 （３）圧電積層体の製作 （積層工程）両表面に内部電極層１０が形成された圧電
素子１と、第一電極板２及び第二電極板３を交互に積層
する。ここで第一電極板２と第二電極板３は、図１及び
図２に示すようにそれぞれ交互の位置関係となるよう
に、また舌片部２０，３０がそれぞれ６０度ずつずれた
位置となるように積層する。この状態では、図３に示す
ように圧電素子１は平坦であるため第一電極板２及び第
二電極板３との間には間隙が生じている。 （分極工程）上記積層体を１００℃のシリコンオイル中
に浸漬し、図３に示すように第一電極板２がプラス極、
第二電極板３がマイナス極となるように２０ｋＶの電圧
を印加し、２０分間保持して分極を行う。この分極によ
り、圧電素子１は第一電極板２の凸状の球状表面２１に
対向する表面が凹状に、第二電極板３の凹状の球状表面
３１に対向する表面が凸状に変形する。
【００１３】ここで上記分極条件によれば、圧電素子１
の変形した両表面の曲率半径は９７５０ｍｍであり、第
一電極板２と第二電極板３のそれぞれの球状表面２１，
３１の曲率半径と同一である。したがって圧電素子１
は、図１に示すように変形により第一電極板２及び第二
電極板３と密着し、間隙が解消される。 （４）耐久試験上記により得られた圧電積層体は、第一
電極板２どうし及び第二電極板３どうしが電気的に接続
されて電極取り出し部とされ、以下の条件で耐久試験に
供された。
の変形した両表面の曲率半径は９７５０ｍｍであり、第
一電極板２と第二電極板３のそれぞれの球状表面２１，
３１の曲率半径と同一である。したがって圧電素子１
は、図１に示すように変形により第一電極板２及び第二
電極板３と密着し、間隙が解消される。 （４）耐久試験上記により得られた圧電積層体は、第一
電極板２どうし及び第二電極板３どうしが電気的に接続
されて電極取り出し部とされ、以下の条件で耐久試験に
供された。
【００１４】 電圧 ：０〜８００Ｖ プリセット面圧：２８ＭＰａ 雰囲気温度 ：２５℃ 作動回数 ：１×１０7 回 その後圧電積層体から圧電素子１を取り出し、透過Ｘ線
により観察したところ、クラックの発生は認められなか
った。 （５）比較例 両表面が平坦な電極板を用いたこと以外は実施例と同様
にして圧電積層体を形成し、同様に耐久試験を行った。
その結果、圧電素子にクラックの発生が認められた。 （６）実施例の他の態様 上記実施例では、積層体を形成した後分極したが、それ
ぞれ分極された湾曲形状の圧電素子を、凹状の一表面が
上記第一電極板２に対向し、凸状の他表面が上記第二電
極板３に対向するように交互に積層しても、同様の効果
をもつ圧電積層体を形成することができる。
により観察したところ、クラックの発生は認められなか
った。 （５）比較例 両表面が平坦な電極板を用いたこと以外は実施例と同様
にして圧電積層体を形成し、同様に耐久試験を行った。
その結果、圧電素子にクラックの発生が認められた。 （６）実施例の他の態様 上記実施例では、積層体を形成した後分極したが、それ
ぞれ分極された湾曲形状の圧電素子を、凹状の一表面が
上記第一電極板２に対向し、凸状の他表面が上記第二電
極板３に対向するように交互に積層しても、同様の効果
をもつ圧電積層体を形成することができる。
【００１５】
【発明の効果】すなわち本発明の圧電積層体によれば、
高荷重・高電圧の条件で駆動した場合のクラックの発生
を防止することができ、長期間使用することができる。
そして駆動時に発生する荷重は圧電素子の全面で伝達す
ることができるため、ロスが少なく変位量、発生荷重な
どの基本的特性が向上する。
高荷重・高電圧の条件で駆動した場合のクラックの発生
を防止することができ、長期間使用することができる。
そして駆動時に発生する荷重は圧電素子の全面で伝達す
ることができるため、ロスが少なく変位量、発生荷重な
どの基本的特性が向上する。
【００１６】さらに、電極板と圧電素子とは湾曲した状
態で密接して積層されているため、半径方向のずれが防
止されている。このためプリセット荷重を加えても偏荷
重の発生が少なく、クラックの発生が一層防止されてい
る。
態で密接して積層されているため、半径方向のずれが防
止されている。このためプリセット荷重を加えても偏荷
重の発生が少なく、クラックの発生が一層防止されてい
る。
【図１】本発明の一実施例の圧電積層体の要部断面図で
ある。
ある。
【図２】本発明の一実施例の圧電積層体の構成説明図で
ある。
ある。
【図３】本発明の一実施例の圧電積層体の分極前の要部
断面図である。
断面図である。
１：圧電素子 ２：第一電極板
３：第二電極板 １０：内部電極層 ２０：舌片部 ３
０：舌片部 ２１：凸状の球状表面 ３１：凹状の球
状表面
３：第二電極板 １０：内部電極層 ２０：舌片部 ３
０：舌片部 ２１：凸状の球状表面 ３１：凹状の球
状表面
Claims (1)
- 【請求項１】 板状の圧電素子と電極板とを交互に複数
枚積層してなる圧電積層体において、 前記電極板は両表面が凸状の第一電極板と両表面が凹状
の第二電極板とからなり、該第一電極板と該第二電極板
が前記圧電素子を介して交互に積層され、それぞれの該
第一電極板と該第二電極板の間の該圧電素子は、分極時
にプラス極が印加されて形成された凹状表面が該第一電
極板に対向し、マイナス極が印加されて形成された凸状
表面が該第二電極板に対向するように積層されているこ
とを特徴とする圧電積層体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4066292A JPH05275764A (ja) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | 圧電積層体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4066292A JPH05275764A (ja) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | 圧電積層体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05275764A true JPH05275764A (ja) | 1993-10-22 |
Family
ID=13311606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4066292A Pending JPH05275764A (ja) | 1992-03-24 | 1992-03-24 | 圧電積層体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05275764A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003046158A (ja) * | 2001-07-27 | 2003-02-14 | Kyocera Corp | 圧電素子用部材 |
| JP2003069102A (ja) * | 2001-08-29 | 2003-03-07 | Kyocera Corp | 圧電素子用部材 |
| KR20160005221A (ko) * | 2014-07-04 | 2016-01-14 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 폴리이미드 유기 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기 |
-
1992
- 1992-03-24 JP JP4066292A patent/JPH05275764A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003046158A (ja) * | 2001-07-27 | 2003-02-14 | Kyocera Corp | 圧電素子用部材 |
| JP2003069102A (ja) * | 2001-08-29 | 2003-03-07 | Kyocera Corp | 圧電素子用部材 |
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