JPH063403B2

JPH063403B2 - 積層型圧電素子

Info

Publication number: JPH063403B2
Application number: JP61274720A
Authority: JP
Inventors: 輝幸池田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1994-01-12
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: JPS63127134A

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−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
チュエータ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
等の面から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
子が利用される。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、外側になる電極を接続し
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に、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４図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、積層された対向する外部電極４１，４２間に発
生し、とり出しリード線４３，４４間に得られる出力電
圧Ｖ_OUTは外部からの力Ｆによって第５図のように得ら
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、直列接続とする電極６
１間に絶縁物６３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。なお、６２は圧電材である。

一方、前記方法とは別に、第７図に示すように分極方向
が互いに逆となる圧電材料７１，７２を張り合わせ、こ
の一端を固定することでいわゆるバイモルフ型圧電素子
となり、もう一方の端部に力Ｆを加えれば図中点線で示
したように変形する。この結果、張り合わせられた圧電
材料７１，７２は一方が伸び方向への歪となり、もう一
方が縮み方向への歪となる。このとき、出力電圧Ｖ_OUT
を電極７３及び７４から得れば、張り合わせられた各電
圧材料からの出力が加算された状態で得られる。しか
し、このような構成での圧電素子は伸び方向の歪を受け
る圧電材料と縮み方向への歪を受ける圧電材料は、前記
張り合わせられた状態であるため、この境界面では互い
に歪を押える状態となり、外部から加える力に対して材
料に加わる歪が小さくなり、その分、出力電圧Ｖ_OUTは
小さくなってしまう。又、一端を固定しなければならな
いので、積層・焼結した材料をそのまま圧力変化等の検
出デバイス等にすることはできず、何らかのケースにア
センブリしなけらば利用できない。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、表面を凸面状にし裏面を凹
面状にし表裏面に少なくとも１対の電極を有する第１の
圧電体と、平面状の表裏面に少なくとも１対の電極を有
し前記第１の圧電体の外縁部に外縁部で一体となる第２
の圧電体と、前記第１，第２の圧電体の間に形成される
空洞内に前記第１，第２の圧電体のそれぞれのほぼ中央
部を接続支持する中央支持体とを具備することを特徴と
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枚の圧電体が外縁部で一対固定されるとともに、
この２枚の圧電体の間に、この一部でギャップが最大と
なるように空間を作り、さらにこの空間のギャップ最大
点に前記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、このギャップ最大となる空間
があることで、空間の両面の圧電体は平行ではなく、一
方の面が凸面状態となる。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、この凸面状
態となっている側の面の圧電体を入力面として力を加え
ると凸面側の圧電体は、面方向に縮みの力が加わる。
又、中央支持体があるため凸面側に加えられた力は空間
の反対側の圧電素子にも加えられる。このとき、この面
の圧電素子は面方向に伸びの力が加える。このように空
間に対して上下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。このとき、従来用いられ
てきたバイモルフ型の圧電素子のように縮もうとする力
の加わる圧電体と伸びようとする圧電体が接しているの
ではないため、外部からの力が効率良く、２つの圧電体
の縮みと伸びの力に分割される。したがって、従来のバ
イモルフ型の圧電素子に加える力と本発明の圧電素子に
加える力を同じに考えれば、本発明の圧電素子の効率が
良いことから、圧力に対して応答する出力電圧は大きく
なる。

〔実施例〕

以下、図示の実施例により、本発明の積層型圧電素子に
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
施例を示す平面図，断面図である。積層体の内部には中
心部で最大のキャップとなる空洞１１があり、この空洞
の両側に電極１２〜１５を持つ圧電体１６及び１７があ
る。さらに、この空洞に対して上下の圧電体１６及び１
７は中央支持体１８で接続されており、この部分で前記
電極１２〜１５がにげている。又、積層体の外縁部１９
は前記下側の圧電体の電極面より低くなっている。この
ような構造によって、空洞１１の上側の圧電体１６は湾
曲し、凸面状態となるので、この面を圧力入力面２０と
し、圧力Ｆを加えると外縁部１９によって固定されてい
るため上側圧電体１６は径方向に縮み方向の力（図中矢
印）が加わる。同時に中央支持体１８が下側電体１７を
押すため、下側圧電体１７は径方向に伸び方向の力（図
中矢印）が加わる。したがって、上下それぞれの圧電体
を厚み方向に分極しておけば、電極１２と１３の間及び
電極１４と１５の間には圧力入力面２０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２１ｂの上に空洞パターン形成用に外径を順
次小さくさせたドーナツ状のフィルム２６ａ，２６ｂ，
２６ｃを置く。さらに、このドーナツ状のフィルムの内
側には、フィルムの合計の厚さで、かつ前記電極２２の
内径より小さくした厚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、この上に、裏及び表にド
ーナツ状の電極２８及び２９と取り出し端子３０及び３
１を形成した圧電材グリーンシート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３２を形成した外縁部固定のための
圧電材グリーンシート２１ｃ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た穴３
２に対応した形状の凸板状のゴム板３３と、形成しよう
とする空洞の形状に対応した凹板状のゴム板３４で挿み
込み、プレス金型３５及び３６の内部へセットし、１０
０℃前後の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
圧電体が得られる。

なお、この例で示た積層構成では、空洞の上下に位置す
る圧電材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リ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
重ねていても良い。

ここで、用いた圧電材グリーンシートは、マグネシウム
・ニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ1/3・Ｎｂ2/3）Ｏ₃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〜２００
μｍ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ペーストがうめ込まれ
る。

一方、上側圧電体と下側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
であって（特願昭60-243218,同60-243219号参照）その
１つとして感光性樹脂を露光し、現像することでパター
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
形成し、このとき、空洞の厚さを中心部で最大とするた
めに、大きさを順次小さくさせたパターンを積み重ねて
行く。又、この空洞形成の別な方法には、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、
このときの印刷パターンを印刷を重ねる順番で小さくさ
せて行けば中心部で厚さが最大となる。

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体を
得る。このとき、空洞形成位置に対応して、積層体が変
形できるように、圧着に用いるプレス金型と積層体の間
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
ート中に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
積層体が破壊するため、２５℃／時間あるいは、これよ
りもゆっくりした温度上昇スピードで温度を上げ、５０
０℃〜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ギャップ最大となる空間が形成
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を中
心部へ向って、その長さが短かくなるように形成して積
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寸法を順次小さくし
たものを積み重ねて用いたが、これを一体のもので始め
てから凸面状となる樹脂板を用いて積層時にうめ込んで
も良い。

以上のような積層型圧電素子は、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し、
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上下の圧電素
子の分極方向が互いに逆になるように直列に接続すれ
ば、積層体の凸面状の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。

一方、分極した方向が互いに逆になるように並列に接続
して、分極電圧以下の直流電圧を与えれば上下の圧電素
子の関係から一方向へ変位が発生し、これを応答したア
クチェーターが得られる。

このような２つの応用において、上下の圧電体の間の空
間は、互いに逆方向へ働く力を分離しており、圧力の入
力に対する出力信号の大きさは大きくなる。又、電圧に
対する変位を利用するアクチェーターとしての応用でも
従来のバイモルフ型では互いに張り合わせ面で逆方向の
力となって生じる歪も、この積層型圧電素子では空洞形
成によって分離してあるため互いに逆方向となって生じ
る歪が効率良く生じ従来のバイモルフ型圧電素子より大
きな変位となる。

〔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凸面状の空洞形成によって得た空
間によって上側の圧電体が湾曲し、下側圧電体が平面と
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、湾曲した凸面側から圧力を加えれば、上
側圧電体は面方向に縮みの力が加わり、下側圧電体は面
方向に伸びの力が加わる。このとき、上下の圧電体の電
極を有する主となる部分では空間があるため、互いに逆
方向に加えられる力を打ち消すことはない。従って分極
方向と逆になり取り出し端子を直列に接続されば圧力の
入力に対して得られる出力電圧は大きくなる。又、分極
方向が逆になるように並列に接続し、電圧を加えれば上
下の圧電素子は、一方が縮み、もう一方が伸びを生じる
ため、これが軸方向では変位となって生じ、この変位も
上下の圧電素子間の空間があるため打ち消し合うことは
なく、大きな変位を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の一実施例の平面図，断
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
法を示す分解断面図、第４図，第５図は従来例の模式
図，特性図、第６図，第７図は別の従来例の模式図であ
る。１１…空洞、１２〜１５…電極、１６及び１７…圧電
体、１８…中央支持体、１９…外縁部、２０…圧力入力
面、Ｆ…圧力、２１…圧電材グリーンシート、２２及び
２３…電極、２４及び２５…取り出し端子、２６…フィ
ルム、２７…圧電体グリーンチップ、２８及び２９…電
極、３０及び３１…取り出し端子、３２…穴、３３…凸
板状ゴム板、３４…凹板状ゴム板、３５及び３６…プレ
ス金型、７１及び７２…圧電材、７３及び７４…電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面を凸面状にし裏面を凹面状にし表裏面
に少なくとも１対の電極を有する第１の圧電体と、平面
状の表裏面に少なくとも１対の電極を有し前記第１の圧
電体の外縁部に外縁部で一体となる第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に前記第
１，第２の圧電体のそれぞれのほぼ中央部を接続支持す
る中央支持体とを具備することを特徴とする積層型電圧
素子。