JPH0610638B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は積層型圧電素子に関し、特に、その電圧一力間
の変換効率を上げるように改良した積層型圧電素子に関
する。

〔従来の技術〕

焼結して圧電性を有する材料に電極を印刷形成し、これ
らを積層し焼結することで得る積層型圧電素子は、対向
電極が対となるように接続することで、この電極間に電
圧を印加することによって生じる歪を利用した圧電アク
チューターとしてプリンターヘッド、小型リレー，モー
ター等への応用があり、又、反対に外部からの歪の入力
によって生じる電圧出力を利用したセンサー等への利用
が進められている。この中で、後者の場合のセンサーへ
の応用では圧力等の外部からの入力に対して出力が小さ
いと検出された信号を増幅しなければならず、Ｓ／Ｎ比
等の応用面が限定されてしまう。

従来、この圧力等の外部からの入力に対して、その状態
を検出するような圧力センサーとしての応用では、積層
数を増加したからといって、その出力が必ずしも増加す
るものではなく、反対に電極間容量の増加によって増幅
器の発振や不安定を生じ易くし、検出された出力信号の
処理に問題を生じ易い。

このようなことから、単板状の圧電素子を分極後に、極
の方向を合わせて直列に接続したり、互いに分極方向を
逆にして張り合わせた、いわゆるバイモルフ型の圧電素
子に利用される。しかし、前者の場合には、分極時に必
要な接続とセンサーとしての接続が異なるため、再分極
を要するときなどでは、素子の接続を一度分解して並列
に接続しなければならない。このような素子の分解を不
要とするには、各素子の接続間に絶縁物を配置し、各電
極からとり出したリード線だけの組み合わせを変更する
ことで得る方法があるが、単板１個の厚みは加工の面か
ら、あまり薄くすることはできず、素子と絶縁板の厚み
が直列接続する数だけ増加するため小型化が困難であ
る。

一方、後者のバイモルフ型の圧電素子では、分極方向を
互いに逆とする必要があるため、外側になる分極を接続
して内側となった極との間に電圧を加えれば良く、セン
サーとして出力をとり出す場合には、単に外側の極間だ
けから出力を得れば、外部からこの素子に力が加えられ
たときに生じる出力は直列接続の状態が得られる。しか
し、このバイモルフ構造は、外部から加えられた圧力が
伸び方向に加わる側と縮み方向に加わる側に互いに背合
わせて接続してあるため、この境界面では互いにその力
を押えようとし、効率良く素子自体に歪が加わらない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第５図(a)は従来例の模式図であり、外部からの力Ｆに
よって、その出力信号を得るような圧力センサーとして
の応用では、例えば対向する電極５１，５２間に発生
し、リード線５３，５４でとり出される出力電圧Ｖ_OUT
は外部からの力Ｆによって第５図(b)のように得られ
る。ところが、外部からの力Ｆによって得られる出力電
圧Ｖ_OUTの値は、積層数を増加しても必ずしも大きくな
らず、電極間の容量は積層数に比例するため、素子から
の出力電圧Ｖ_OUTを増幅・処理する回路において、発振
あるいはレベルの不安定などの問題を生じ易い。

出力電圧Ｖ_OUTを大きく得るための方法として電極間の
接続を直列に接続する方法があるが、単に直列に接続し
たのでは分極するための電圧が高電圧となってしまい、
分極自体が困難となってしまう。このようなことを除去
するために第６図に示すように、圧電材６３上に形成さ
れ、直列接続とする電極６１間に絶縁物６２を入れるこ
とで、各電極からリード線をとり出し、この接続の変更
を可能にする方法があるが、絶縁物との交互の組合わせ
から小型化が困難であった。さらに、このようなことを
解決しようとするために積層する各内部電極からの取出
しをスルホール等で積層体の一方の面に出し、分極時の
接続とセンサーとして利用するときの接続を変更可能に
させる方法が考えられる。

第７図(a)，(b)，(c)は、この方法を示したものであ
り、同図(a)は分極状態、同図(b)は直列接続状態をそれ
ぞれ示す。同図(c)に示されるように圧力Ｆが加わった
場合に生じる電荷は、各対向する電極間で生じるが、積
層体自体の誘電率（圧電材料のε_ｒは１０００以上）が
大きいため、隣接する電極間との容量も大きくなり、こ
の結果、前記対向する電極間に生じた電荷は、この隣接
する電極間の容量Ｃが並列に接続された状態となり、低
インピーダンスで短絡されるため、結局出力端子には第
１極目の出力しか得られず、直列接続とはならない。第
８図は、これらの構成を等価回路で示したものであり、
多数の極が直列となっても第１極以外は、すべて隣接す
る電極との間の容量が並列となってしまうことになる。
本発明の目的は、これら従来の問題点を解決した積層型
圧電素子を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の積層型圧電素子は、表裏面に少なくとも１対の
電極を有する第１、第２の圧電体と、前記第１、第２の
圧電体の間に形成される空洞内の中心部分に前記第１、
第２の圧電体のそれぞれの一部を接続支持する第１の支
持体とを具備し、かつ前記空洞の外側には前記第１、第
２の圧電体を外縁部で一体とするための第２の支持体を
設けることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の積層型圧電素子は１対の電極で挿まれた少なく
とも２枚の圧電対が外縁部で一体固定されるとともに、
この２枚の圧電体の間に空間を作り、さらにこの空間の
中心部に前記２枚の圧電体が接続される中央支持体をも
うけたものである。このため、この空間があることで、
一方の圧電体に形成した電極ともう一方の圧電体に形成
した電極の間の容量はずっと小さくなり、さらに空間の
両面の圧電体は機械的接続状態となり、一方を変形させ
れば、もう一方も変形する状態が得られる。従って、空
間の上下の圧電体が一体固定されている外縁部を固定面
として、この中央支持体のある部分を入力面として力を
加えると、押した面の圧電体は変形し、これが面方向の
伸びの力となって加わる。又、中央支持体があるため加
わられた力は空間の反対側の圧電素子にも加えられる。
このとき、この面の圧電体も面方向に伸びの力が加わ
る。このように空間に対して上下の面の圧電体に力を加
えることができるから、この圧電体の分極方向を合わせ
ておき、出力の向きが同じになるように、直列に接続す
れば、圧力の入力に対して応答する信号が得られる。

第８図で示したような隣接する極との間の容量が、各圧
電体の電極間に並列になることはなく、各圧電体から生
じた圧力に対する信号電圧は直列接続の数量倍だけ大き
くすることが出来る。このとき、素子自体は一体焼結構
造であるため内部の圧電体の厚さは、グリーンシートと
して可能な厚さ３０μｍ〜１００μｍと充分薄くでき、
空間の形成も２０〜１００μｍ程度と薄いため、直列接
続としての構造体の形状は小型なものと成り得る。

〔実施例〕 以下、本発明の積層型圧電素子の実施例について説明す
る。

第１図(a)，(b)は、本発明の積層型圧電素子の実施例を
示す断面図，平面図である。積層体の内部には各層の圧
電体間を分離するための空洞１１があり、この空洞の両
側に電極１２及び１３を持つ圧電体１４がある。さら
に、この空洞に対して上下の圧電体１４及び１５は中央
支持体１６で接続されており、この部分で前記電極１２
及び１３がにげている。又、積層体の外縁部１７は前記
再下段となる圧電体の電極面より低くなっている。又、
この外縁部１７には、各層の電極を接続するための取出
し電極１８が形成されている。なお、電極間はワイヤー
１９で接続されている。このような構造によって、空洞
１１の上側の圧電体１４を圧力入力面とし、圧力Ｆを加
えると外縁部１７によって圧電体１４が固定されている
ため、この圧電体１４は径方向に伸び方向の力（図中矢
印）が加わる。同図に中央支持体１６が別の層の圧電体
１５を押すため、これら別の層の圧電体１５も径方向に
伸び方向の力（図中矢印）が加わる。したがって、上下
それぞれ圧電体を厚み方向に分極しておけば、電極１２
と１３の間及び別の層の電極の間には圧力入力面から加
えた圧力Ｆに応答した出力信号が得られる。

第２図は、第１図に示す積層型圧電素子の積層構成例を
示すものであり、裏及び表にドーナツ状の電極２２及び
２３と取り出し端子２４及び２５を形成した圧電材グリ
ーンシート２１ａの上に所望の空洞の厚さに相当する空
洞パターン形成用のドーナツ状のフィルム２６を置く。
さらにこのドーナツ状のフィルム２６の内側には、フィ
ルムの同じ厚さで、かつ電極２２の内径より外径を小さ
くした圧電体グリーンチップ２７（グリーンシートと同
一材料）を置き、前記フィルムの外側にはフィルムに相
当する部分を抜いた穴２８を持つシート２９を置く。こ
の上に、裏及び表にドーナツ状の電極２２及び２３と取
り出し端子２４及び２５を形成したもう一つの圧電体グ
リーンシート２１ａを置く。一方、これら構成の最下段
には、前記ドーナツ状の電極の外径より大きくした穴３
０を形成した、外縁部固定のためのシート２１ｂを置
く。積層体の構成にずれが生じないようにボンド等の接
着剤で仮止めしておく。

このように構成した複数のグリーンシートを第３図に示
したように、積層構成の最下段のシートにもうけと穴３
０対応した形状の凸板状のゴム板３１と平板状のゴム板
３２で挿み込み、プレス金型３３及び３４の内部へセッ
トし、１００℃前後温度で加熱しながら２５０kg／cm²
程度の圧力で圧着して積層体を得る。次に、この積層体
を脱バインダー工程を経て焼結することで第１図で示し
た積層型圧電素子が得られる。

なお、この例で示した積層構成では、空洞の上下に位置
する圧電体グリーンシートは電極を形成した単体で示し
たが、グリーンシートの厚みとの関係で補強が必要な場
合には、それぞれの電極面の上に、さらに１枚のグリー
ンシートを配置すれば、圧力入力時の圧電体の補強にな
り、又、電極面の保護などを行うことができることは明
らかである。一方、積層構成の最下段に配置した外縁部
固定のためのシートもグルーンシートの厚みとの関係か
ら複数枚で形成しても良く、同様なシートを最上層側に
積み重ねてもよい。

ここで用いたグリーンシートはマクネシウム・ニオブ酸
鉛Ｐｂ（Ｍｇ₁/₃・Ｎｂ₂/₃）Ｏ_３を主成分とする電歪材
料の粉末を有機バインダーとともに溶媒中に分散しスラ
リー状とする。これをドクターブレードを用いたキャス
ティング法によって、厚さ３０μｍ〜２００μｍの均一
な厚みのセラミック生シートとする。このセラミック生
シートを規定の大きさに打ち抜き、取り出し端子として
層間の接続が必要な部分には、パンチ及びダイによって
スルホールのための穴あけ加工を行う。次に、この穴あ
けを含む加工されたグリーンシートにスクリーン印刷機
を用いて電極ペーストを印刷する。このとき、同時にス
ルホール内部にも電極ベーストがうめ込まれる。

一方、各層の圧電体の間のギャップ形成には焼成過程に
おいて燃えてガス化し空洞が形成されるもので（特願昭
６０−２４３２１８号，同６０−２４３２１９号参
照）、その１つとして感光性樹脂を露光し、現象するこ
とでパターンニングしたフィルムを前記圧電体グリーン
シートに圧着形成する。このとき、空洞の厚さに相当す
る中央支持体を形成するために、ファイルはこの中央支
持体部分で抜けており、この部分にあらかじめ打ち抜い
た圧電体グリーンチップをうめ込む。この空洞形成の方
法には、カーボン等のペーストをスクリーン印刷機を用
いて行う方法もあり、前記同様にし、中心部に前記圧電
体グリーンチップを圧着すれば良い。

このようにして得た電極パターン及び空洞のパターンを
有するグリーンシートを積み重ね１００℃前後の温度で
加熱し、２５０kg／cm²程度の圧力で圧着して積層等を
得る。このとき、空洞形成位置及び外縁部に対応して、
積層体が成形できるように、圧着に用いるプレス金型を
積層体の間にゴム板を介してプレスするか、プレス金型
自体を空洞形成の形状に対応して凸及び凹板状にしてお
けば良い。

このようにして得た積層体を必要に応じて所定の寸法に
切断した後、まず空洞パターンやセラミックグリーンシ
ート中の存在する有機物を脱バインダー工程において酸
化雰囲気中でゆっくりと加熱し、分解・消失させる。通
常これらの有機物は５００℃〜６００℃までには完全に
分解・酸化するが、急激に温度を分解温度まで上げると
積層体が破損するため、２５℃／時間あるいは、これよ
りもゆっくりとした温度上昇スピードで温度を上げ、５
００℃〜６００℃に充分長い時間保持することで有機物
を完全に消失させる。この脱バインダー工程を経た後の
積層体中には有機物は残留していないため空洞パターン
の部分は空洞として積層体中に形成されることになる。
この後、９００℃〜１２００℃の温度で焼成すること
で、前記説明で述べたような各層の圧電体間で空間が形
成された積層型圧電素子が得られる。

又、ここで示した圧電素子の形状は、円板の広がり方向
の歪を利用したが、この形状は円板に限定されることな
く、例えば、長方形などとする場合には電極パターンを
その形状とするとともに、空洞形成のためのフィルムも
同様に形成して積層すれば良く、このとき、プレス時の
ゴム板も、この空洞形状に合わせれば容易にその積層体
を得ることができる。

空洞形成のために用いたフィルムも所望の空洞の厚さと
なるように複数枚重ねても良く、又、単体で所望の厚さ
となるフィルムを圧着しても良い。

以上のような積層型圧電素子では、まず分極処理を行う
ために、上下の圧電素子の取り出し端子を並列に接続、
直流電源へ接続し、数百ボルトの電圧を与える。次に、
前記並列に接続した取り出し端子の接続を圧電素子の分
極方向が同一方向となるように直列に接続すれば、積層
体の一方の面の中心部分を圧力入力面とすることで圧力
検出デバイスとなる。

なお、前記実施例で示した各層の圧電体及び空洞を平面
で示したが、プレス成形時のゴム板を湾曲したゴム板の
凸板および凹板を用いれば第４図(a)および(b)に示す形
状の積層型圧電素子となり、この場合圧力の入力面から
加えた力Ｆは各層の圧電体１１４を面方向に縮みの力と
なって加えられる素子となる。

このような応用において、各層の圧電体の間の空間１１
１は、隣接する電極１１２との間の容量をずっと小さな
値にし、この結果、各層で生じた圧力の入力に対する出
力信号が消滅するようなことはない。従って直列に接続
された各層間での出力信号は加算され、大きな出力信号
得られる。なお、第１図の同様、１１７は外縁部、１１
８は取出し電極、１１６は中央部支持対である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば上下の圧
電体の間にもうけた空洞形成によって得た空間によって
隣接する圧電体の電極との間の容量がずっと小さな値と
なり、さらに、この上下の圧電体が中央支持体で接続さ
れているため、最上層の中心部から圧力を加えれば、各
層の圧電体は面方向に伸びの力が加わる。このとき、各
層の圧電体の電極を有する主となる部分では空間がある
ため、隣接する電極との間に生ずる容量は小さく、この
容量によって各層で得られる出力信号が消滅してしまう
ことはない。従って、分極方向を一致させて取り出し端
子を直列に接続すれば圧力の入力に対して得られる出力
電圧は大きくなる。又、本発明の積層型圧電素子は空洞
形成から圧力入力デバイスとしての積層体が一体焼結に
よって得られるので小型化が可能であり、外縁部を固定
端としてケーシングすることなく単体で圧力デバイスと
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)，(b)は本発明の一実施例の断面図，平面図、
第２図は第１図の積層型圧電素子の構成例を示す分解斜
視図、第３図は第２図の積層型圧電素子の製造方法を模
式的に示す分解断面図、第４図(a)，(b)は本発明の他の
実施例の断面図，平面図、第５図(a)，(b)は従来例の模
式図，特性図、第６図，第７図は別の従来例の模式図、
第８図は第７図(c)の等価回路図である。 １１……空洞、１２及び１３……電極、１４及び１５…
…圧電体、１６……中央支持体、１７……外縁部、１８
……取出し電極、Ｆ……圧力、２１ａ，２１ｂ……圧電
材グリーンシート、２２及び２３……電極、２４及び２
５……取り出し端子、２６……フィルム、２７……圧電
体グリーンチップ、２８……穴、２９……シート、３０
……穴、３１……凸板状ゴム板、３２……平板状ゴム
板、３３及び３４……プレス金型。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表裏面に少なくとも１対の電極を有する第
   １、第２の圧電体と、前記第１、第２の圧電体の間に形
   成される空洞内の中心部分に前記第１、第２の圧電体の
   それぞれの一部を接続支持する第１の支持体とを具備
   し、かつ前記空洞の外側には前記第１、第２の圧電体を
   外縁部で一体とするための第２の支持体を設けることを
   特徴とする積層型圧電素子。