JPS62165380A - 積層圧電素子 - Google Patents
積層圧電素子Info
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- JPS62165380A JPS62165380A JP61006831A JP683186A JPS62165380A JP S62165380 A JPS62165380 A JP S62165380A JP 61006831 A JP61006831 A JP 61006831A JP 683186 A JP683186 A JP 683186A JP S62165380 A JPS62165380 A JP S62165380A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/101—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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、圧電セラミック層と金属導電層を積層して構
成される圧電効果を利用した圧電素子に関し、特に、圧
電効果を利用した感圧素子と逆圧電効果を利用した圧電
アクチ異エータ累子を組み合わした構成によって感圧機
能と圧電駆動機能を兼ね備えた積層圧電素子に関する。
成される圧電効果を利用した圧電素子に関し、特に、圧
電効果を利用した感圧素子と逆圧電効果を利用した圧電
アクチ異エータ累子を組み合わした構成によって感圧機
能と圧電駆動機能を兼ね備えた積層圧電素子に関する。
従来、圧電性のセラミック材料からなる圧電アクチェエ
ータ素子は、圧電セラミック層が厚いものが多く、シた
がって駆動電圧を高くしなければ所定の変位量を得るこ
とができず、その使用例も限定され、広く使用されてい
なかった。また、特殊な分野にのみ使用されたとしても
、圧電アクチェエータ素子をｌ！！、ｗＪ累子としたの
み単独に使用していた。最近、薄層の圧電セラミシフ層
と導電層を積層して構成される圧電アクチ具エータ累子
が開発されはじめ、比較的低電圧１例えば１００Ｖ以下
でも、所定の変位量が得られるようになシ、その応用例
も比較的多くなった。しかし、圧電アクチェエータ素子
を、例えば、精密なロボットなどの駆動に利用する場合
には、単なる駆動だけでは精密な動きがコントロールで
きず、素子の応用には一足の限界が生じた。そこで、圧
電アクチュエータ素子の駆動に伴なう反力を感知し、素
子の応力や変位量をコントロールする機構が必要である
が、従来、このコントロール機能は大変複雑とな９実用
化されていないのが実状である。
ータ素子は、圧電セラミック層が厚いものが多く、シた
がって駆動電圧を高くしなければ所定の変位量を得るこ
とができず、その使用例も限定され、広く使用されてい
なかった。また、特殊な分野にのみ使用されたとしても
、圧電アクチェエータ素子をｌ！！、ｗＪ累子としたの
み単独に使用していた。最近、薄層の圧電セラミシフ層
と導電層を積層して構成される圧電アクチ具エータ累子
が開発されはじめ、比較的低電圧１例えば１００Ｖ以下
でも、所定の変位量が得られるようになシ、その応用例
も比較的多くなった。しかし、圧電アクチェエータ素子
を、例えば、精密なロボットなどの駆動に利用する場合
には、単なる駆動だけでは精密な動きがコントロールで
きず、素子の応用には一足の限界が生じた。そこで、圧
電アクチュエータ素子の駆動に伴なう反力を感知し、素
子の応力や変位量をコントロールする機構が必要である
が、従来、このコントロール機能は大変複雑とな９実用
化されていないのが実状である。
本発明の目的は、かかる従来の欠点を除去した積層圧電
素子を提供することにある。
素子を提供することにある。
本発明によれば、圧電セラミック層と金属導電層を積層
して構成された圧電感圧素子の力［］圧力同と圧電セラ
ミック層と金属導′醒層を積層して構成された圧電アク
チュエータ素子の変位方向が同一方向になるように、−
上記圧電感圧素子と上記圧電アクチュエータ素子と全接
合させたことを特徴とする積層圧電素子が得られる。
して構成された圧電感圧素子の力［］圧力同と圧電セラ
ミック層と金属導′醒層を積層して構成された圧電アク
チュエータ素子の変位方向が同一方向になるように、−
上記圧電感圧素子と上記圧電アクチュエータ素子と全接
合させたことを特徴とする積層圧電素子が得られる。
一般に、圧電層の上下面に金属専′五層を形成し、この
金属導電層を電極とした構成において、金属導電層の上
面よシ垂直方回に応力など機械的エネルギーを付加する
と応力に相応した電気エネルギーが発生する（これ全圧
電効果という）。１だ、上Ｈ［シと同一構成体において
電圧など電気エネルギーを与えると、この電圧に応じた
１、−６カや変位など機械的エネルギーが金属層′市層
に対して垂直力量に発生する（これを逆圧電効果という
）。このように、本発明では圧電層の上下面に金属導電
層を形成した同一構成体において、応力を付加すると電
気信号が得られる。すなわち圧電感圧機能と。
金属導電層を電極とした構成において、金属導電層の上
面よシ垂直方回に応力など機械的エネルギーを付加する
と応力に相応した電気エネルギーが発生する（これ全圧
電効果という）。１だ、上Ｈ［シと同一構成体において
電圧など電気エネルギーを与えると、この電圧に応じた
１、−６カや変位など機械的エネルギーが金属層′市層
に対して垂直力量に発生する（これを逆圧電効果という
）。このように、本発明では圧電層の上下面に金属導電
層を形成した同一構成体において、応力を付加すると電
気信号が得られる。すなわち圧電感圧機能と。
電気エネルギーを付与すると変位や応力などの機械エネ
ルギーが発生する。すなわち圧電アクチュエータ機械の
両機能が得られることを活用したところに特徴がある。
ルギーが発生する。すなわち圧電アクチュエータ機械の
両機能が得られることを活用したところに特徴がある。
七−圧電層と金属４電層の層数を多くした多層の積層構
造によって圧電感圧機能を高感度にし、また圧電アクチ
ュエータ機能の変位量や応力など発生する機械的エネル
ギーを大きくしたこと全特徴とする。さらに、圧電セラ
ミック層の膜厚を約１００μｍ以下の薄層化することに
よって圧電感圧機能の感＃を一層大きくすることと、圧
電アクチュエータ磯へ目の発生する機械エネルギーを低
電圧の駆動電圧で一層大きくする特徴を狙ったものであ
る。
造によって圧電感圧機能を高感度にし、また圧電アクチ
ュエータ機能の変位量や応力など発生する機械的エネル
ギーを大きくしたこと全特徴とする。さらに、圧電セラ
ミック層の膜厚を約１００μｍ以下の薄層化することに
よって圧電感圧機能の感＃を一層大きくすることと、圧
電アクチュエータ磯へ目の発生する機械エネルギーを低
電圧の駆動電圧で一層大きくする特徴を狙ったものであ
る。
以下、本発明について図面を参照して説明する。
第１図は本発明の第１の実施例の斜視図で、圧電感圧素
子部９と圧電アクチュエータ素子部ＩＯとをそれぞれ閏
別に形成し、この画素子部９．１０を接看剤に工って接
合した積層圧′屯素子である。
子部９と圧電アクチュエータ素子部ＩＯとをそれぞれ閏
別に形成し、この画素子部９．１０を接看剤に工って接
合した積層圧′屯素子である。
第２図は本発明の第２の実施例の斜視図で、圧′覗感圧
素子部９と圧電アクチェエータ素子部１０’に接合層１
１會介して同時焼成して前述の画素子部９ 、１０全接
合した積層圧電素子である。
素子部９と圧電アクチェエータ素子部１０’に接合層１
１會介して同時焼成して前述の画素子部９ 、１０全接
合した積層圧電素子である。
第３図は本発明の積層圧電素子全構成する圧電素子（す
なわち画素子部９．１０）の斜視図であり、圧電セラミ
ック層の層数が異なることを除いて同一構造である画素
子部全ボす。
なわち画素子部９．１０）の斜視図であり、圧電セラミ
ック層の層数が異なることを除いて同一構造である画素
子部全ボす。
（実施例１）
本発明の第１の実施例を第１図、第３図を参照して説明
する。図中、ｌは厚さ約１００μｍのチタン酸ジルコニ
ウム酸鉛系からなる圧電セラミック層、２は厚さ約５μ
ｍの銀−パラジウム合金を用いた圧電素子の内部電極と
なる金属導電層、３は金属導電層２の端面を一層おきに
絶縁させた厚さ約２０μｍ のガラス皮膜からなる絶縁
保護膜、４は金属導電層２の端面を一層おきに瀬続する
銀ペーストを被着させた帯状の外部電極、５は直径０２
ｍｍφ のポリウレタン被接銅線などのリード線。
する。図中、ｌは厚さ約１００μｍのチタン酸ジルコニ
ウム酸鉛系からなる圧電セラミック層、２は厚さ約５μ
ｍの銀−パラジウム合金を用いた圧電素子の内部電極と
なる金属導電層、３は金属導電層２の端面を一層おきに
絶縁させた厚さ約２０μｍ のガラス皮膜からなる絶縁
保護膜、４は金属導電層２の端面を一層おきに瀬続する
銀ペーストを被着させた帯状の外部電極、５は直径０２
ｍｍφ のポリウレタン被接銅線などのリード線。
６は外部電極４とリード線５を電気的に接続する共晶半
田などの半田、７は圧電素子の上下の少なくとも一方の
而に存在するセラミック層からなる保吟層である。
田などの半田、７は圧電素子の上下の少なくとも一方の
而に存在するセラミック層からなる保吟層である。
次に画素子部の製造方法について説明する。
先ず、チタン酸鉛などからなる圧電セラミックの仮焼粉
末を準備し、少量のポリブチラール樹脂などの有機バイ
７ダーおよびフタル酸ジオクチルなどの可塑剤とともに
エチルセロソルブなどの有機溶媒中に分散させ、泥漿を
作製する。この泥漿をドクタープレイドを用いたスリヴ
ブキャステング法により厚さ１００μｍのポリエステル
フィルム上に流動塗布し、厚さ７０μｍの圧電セラミッ
クスからなるグリーンシートを被着形成する。次に、ポ
リエステルフィルムからグリーンシートを剥離したのち
銀−パラジウムペーストなどの（金属）導電ペーストを
スクリーン印刷により所定の形状に金属導電層２を形成
する。
末を準備し、少量のポリブチラール樹脂などの有機バイ
７ダーおよびフタル酸ジオクチルなどの可塑剤とともに
エチルセロソルブなどの有機溶媒中に分散させ、泥漿を
作製する。この泥漿をドクタープレイドを用いたスリヴ
ブキャステング法により厚さ１００μｍのポリエステル
フィルム上に流動塗布し、厚さ７０μｍの圧電セラミッ
クスからなるグリーンシートを被着形成する。次に、ポ
リエステルフィルムからグリーンシートを剥離したのち
銀−パラジウムペーストなどの（金属）導電ペーストを
スクリーン印刷により所定の形状に金属導電層２を形成
する。
このグリーンシートを所望の枚数だけ積層し。
熱プレスで上下から圧着してグリーンシートの積層体を
形成する。このグリーンシートの積層時に金属導電層２
を形成したグリーンシートの上下にそれぞれ１０〜３０
枚の金属導電層２が形成されていないグリーンシートｉ
積み重ねてダミ一層としての保護層７を形成して積層体
を形成する。
形成する。このグリーンシートの積層時に金属導電層２
を形成したグリーンシートの上下にそれぞれ１０〜３０
枚の金属導電層２が形成されていないグリーンシートｉ
積み重ねてダミ一層としての保護層７を形成して積層体
を形成する。
次に、この積層体に含まれる有機バインダーを高温で分
解して蒸発除去させたのち、上昇スピード５℃／分で温
度１１２０℃まで上昇させ、温度１１２０℃で約２時間
保持した焼結を行なう。
解して蒸発除去させたのち、上昇スピード５℃／分で温
度１１２０℃まで上昇させ、温度１１２０℃で約２時間
保持した焼結を行なう。
焼結させた積層体を切断機で切断して所望の寸法形状の
圧電素子を形成する。圧電素子の切断面には、全組導体
層２の端部が露出しているので一層おきに電気的接続を
とるために、これとは逆に電気絶縁させる金属導電層２
の端部を一層おきに電気的に取り出し、これを電極とし
て電気泳動法によシガラス粉体を電極とした金属導電層
２の端部に付着させ、その後加熱してガラス粉体を溶融
させてガラスからなる絶縁保護膜３を形成する。
圧電素子を形成する。圧電素子の切断面には、全組導体
層２の端部が露出しているので一層おきに電気的接続を
とるために、これとは逆に電気絶縁させる金属導電層２
の端部を一層おきに電気的に取り出し、これを電極とし
て電気泳動法によシガラス粉体を電極とした金属導電層
２の端部に付着させ、その後加熱してガラス粉体を溶融
させてガラスからなる絶縁保護膜３を形成する。
次に、第３図のように、金属導体層２と絶縁保護層３と
に直焚させてこの両層２．３上から積層体の両端面に銀
ペーストをスクリーン印刷法にょ多帯状に塗布し、焼成
して外部電極４を形成する。
に直焚させてこの両層２．３上から積層体の両端面に銀
ペーストをスクリーン印刷法にょ多帯状に塗布し、焼成
して外部電極４を形成する。
次に保護層７上に形成された外部電極４上に半田付けに
より直径Ｑ、５ｍｍφのリード線５を接続して圧電素子
を形成した。
より直径Ｑ、５ｍｍφのリード線５を接続して圧電素子
を形成した。
以上のような製造方法で形成した圧電素子のうち、圧電
セラミック層１の層数を２０層に形成したものを圧電感
圧素子部９，１００層に形成したものを圧電アクチェエ
ータ素子部としてそれぞれ個別に作製した。この圧電感
圧素子部９と圧電アクチェエータ素子部１０を第１図の
ように、接合部８を介して接合し罠。接合部８は、セラ
ミック系の接着剤、あるいは、エポキシ樹脂などの有機
高分子系の接着剤を用いて画素子９．１（ｌ接層して形
成した。
セラミック層１の層数を２０層に形成したものを圧電感
圧素子部９，１００層に形成したものを圧電アクチェエ
ータ素子部としてそれぞれ個別に作製した。この圧電感
圧素子部９と圧電アクチェエータ素子部１０を第１図の
ように、接合部８を介して接合し罠。接合部８は、セラ
ミック系の接着剤、あるいは、エポキシ樹脂などの有機
高分子系の接着剤を用いて画素子９．１（ｌ接層して形
成した。
（実施例２）
次に本発明の第２の実施例を第２図の積層圧電素子の斜
視図を参照して説明する。
視図を参照して説明する。
第１の実施例では、圧電感圧素子部９と圧電アクチュエ
ータ素子部１０とをそれぞれ個別に形成し、この画素子
９．１０’ｉ接着剤によって接合した場合について述べ
たが、本実施例では、接着剤で接合するのではなく、第
２図に示すように圧電感圧部９と圧電アクチュエータ部
１０をそれぞれの一部のセラミック層からなる接合層１
１によって上下一体に焼結（体の）構成したことに特徴
がある。すなわち（第２図のように）焼結された積層圧
電素子の一部に、圧電感圧部９と圧電アクチュエータ部
１０が設けられ、この両機能部をセラミックスからなる
接合層１１によって一体化焼成した構造にある。
ータ素子部１０とをそれぞれ個別に形成し、この画素子
９．１０’ｉ接着剤によって接合した場合について述べ
たが、本実施例では、接着剤で接合するのではなく、第
２図に示すように圧電感圧部９と圧電アクチュエータ部
１０をそれぞれの一部のセラミック層からなる接合層１
１によって上下一体に焼結（体の）構成したことに特徴
がある。すなわち（第２図のように）焼結された積層圧
電素子の一部に、圧電感圧部９と圧電アクチュエータ部
１０が設けられ、この両機能部をセラミックスからなる
接合層１１によって一体化焼成した構造にある。
本実施例の積層圧電素子の製造方法は、第１の実施例の
製造方法に２いて、（Ｉ）グリーンシートの積層工程で
、積層体の甲間部に金属導電層２が形成されていないグ
リーンシートのダミ一層からなる保護層を約１０〜２０
枚積層して接合層１１を形成する工程と、 ＴＩ＋１外
部電＋Ｍ、４を形成する工程で、＝９− 外部電極４全接合ノー１１上で切断されたよう罠。
製造方法に２いて、（Ｉ）グリーンシートの積層工程で
、積層体の甲間部に金属導電層２が形成されていないグ
リーンシートのダミ一層からなる保護層を約１０〜２０
枚積層して接合層１１を形成する工程と、 ＴＩ＋１外
部電＋Ｍ、４を形成する工程で、＝９− 外部電極４全接合ノー１１上で切断されたよう罠。
銀ペーストの印刷スクリーンのパターンを使用して形成
する工程が異なるのみで、その他の製造方法は、実施例
１とほとんど同一で形成し罠。
する工程が異なるのみで、その他の製造方法は、実施例
１とほとんど同一で形成し罠。
以上説明した工うに本発明は、積層圧電素子に圧電感圧
機能と圧電アクチニエータ機能の両機能を兼ね備えた構
成でめる罠め、圧電アクチュエータの駆動に伴なう反力
を圧電感圧素子部か感知し、感知した電気信号を圧電ア
クチェエ〜り素子部にフィールドバックする機構が極め
て簡単に得られるため積層圧電素子の応力や変位量金谷
易にコントロールする効果がある。また、本発明による
積層圧電素子は、圧電セラミック層１が約１００μｍ以
下の薄層であることと、圧電セラミック層ｌと金属導電
層２が多層積層された偵層桐造であるため、圧電感圧機
能は極めて高い感度を発現し、また圧電アクチュエータ
機能としては１００ Ｖ以下の低電圧の駆Ｓ電圧で極め
て犬さな歪量と応力など機械エネルギーが発現できる効
果かめる。
機能と圧電アクチニエータ機能の両機能を兼ね備えた構
成でめる罠め、圧電アクチュエータの駆動に伴なう反力
を圧電感圧素子部か感知し、感知した電気信号を圧電ア
クチェエ〜り素子部にフィールドバックする機構が極め
て簡単に得られるため積層圧電素子の応力や変位量金谷
易にコントロールする効果がある。また、本発明による
積層圧電素子は、圧電セラミック層１が約１００μｍ以
下の薄層であることと、圧電セラミック層ｌと金属導電
層２が多層積層された偵層桐造であるため、圧電感圧機
能は極めて高い感度を発現し、また圧電アクチュエータ
機能としては１００ Ｖ以下の低電圧の駆Ｓ電圧で極め
て犬さな歪量と応力など機械エネルギーが発現できる効
果かめる。
第１図および第２図は、本発明積層圧電素子の第１′＆
よび第２の実施例それぞれの斜視図、第３図は％第１図
、第２図の本発明主要部の圧電感圧素子および圧電アク
チュエータ素子の斜視図である。 ｌ・・・・・・圧電セラミック層、２・・・・・・金属
′４１！Ｌ層、３・・・・・・絶縁法ｍｌ航４・−・・
−外部電極、５・・・・・・リード線、６・・・・・・
半田、７・・・・・・保護層、８・・・・・・接合部、
９・・・・・・圧電感圧素子部、１０・・・・・圧電ア
クチェエータ累子部、１１・・・・・・接合層。 第２図 第３図
よび第２の実施例それぞれの斜視図、第３図は％第１図
、第２図の本発明主要部の圧電感圧素子および圧電アク
チュエータ素子の斜視図である。 ｌ・・・・・・圧電セラミック層、２・・・・・・金属
′４１！Ｌ層、３・・・・・・絶縁法ｍｌ航４・−・・
−外部電極、５・・・・・・リード線、６・・・・・・
半田、７・・・・・・保護層、８・・・・・・接合部、
９・・・・・・圧電感圧素子部、１０・・・・・圧電ア
クチェエータ累子部、１１・・・・・・接合層。 第２図 第３図
Claims (1)
- 圧電セラミック層と金属導電層を積層して構成された
圧電感圧素子の加圧方向と圧電セラミック層と金属導電
層を積層して構成された圧電アクチュエータ素子の変位
方向が同一方向になるように、前記圧電感圧素子と前記
圧電アクチェータ素子とを上下に接合させたことを特徴
とする積層圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61006831A JPS62165380A (ja) | 1986-01-14 | 1986-01-14 | 積層圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61006831A JPS62165380A (ja) | 1986-01-14 | 1986-01-14 | 積層圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62165380A true JPS62165380A (ja) | 1987-07-21 |
Family
ID=11649171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61006831A Pending JPS62165380A (ja) | 1986-01-14 | 1986-01-14 | 積層圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62165380A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6459975A (en) * | 1987-08-31 | 1989-03-07 | Tokin Corp | Piezoelectric actuator |
| JPH0193184A (ja) * | 1987-10-05 | 1989-04-12 | Tokin Corp | 積層型圧電アクチュエータ |
| US5382865A (en) * | 1990-09-28 | 1995-01-17 | Cookson Group Plc | Composite multilayer ceramic structure |
| US5828160A (en) * | 1994-11-25 | 1998-10-27 | U.S. Philips Corporation | Piezoelectric transducer |
| EP0963527A1 (en) * | 1997-02-26 | 1999-12-15 | GTE Internetworking Incorporated | Active vibration mount |
| JP2003501810A (ja) * | 1999-06-01 | 2003-01-14 | リ、ホンギ | 拡張振動式の多出力復合構造の圧電トランス |
| US7268473B2 (en) * | 2004-06-07 | 2007-09-11 | Delphi Technologies, Inc. | Piezoelectric actuator |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55120186A (en) * | 1979-03-09 | 1980-09-16 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Piezoelectric element displacement control system |
| JPS57138189A (en) * | 1981-01-30 | 1982-08-26 | Daimler Benz Ag | Piezoelectric controller |
| JPS60259347A (ja) * | 1984-06-02 | 1985-12-21 | Canon Inc | 圧電型微動変位素子及びこれを使用した微少位置決め方法 |
-
1986
- 1986-01-14 JP JP61006831A patent/JPS62165380A/ja active Pending
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