JPS63127134A - 積層型圧電素子 - Google Patents

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。

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、その電圧一方間
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ｆｆａ造は、外部から加えられた圧力
か伸び方向に加わる側と縮み方向に加わる側に互いに背
合わせて接続しであるために、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。ＵＴ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ＶＯＵ↑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ＶＯＵＴ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ＶＯＬＪＴ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６１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ＶＯＵＴを電極７３及び７４
から得れば、張り合わせられた各圧電材料からの出力が
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。ＵＴ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れば
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９１ｈ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
の面の圧電体に力を加えることができるから、この圧−
８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
電体と伸びょ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。積層木の内部には中
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かにげている。又、積層体の外縁部１つ
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ＬＭ　Ｍによって、空洞］１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１つによって固定
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が下側圧
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１
３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、この上に、裏及び表にドーナツ状の電極
２８及び２つと収り出し端子３０及び３１を形成した圧
電材グリーンシー　ｌ−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
した六３２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ｌ〜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六
３２に対応した形状の曲板状のゴム板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の内部へセラｌ−Ｌ、
１００℃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ｆａ層
体を脱バインダ一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、この例で示な積層構成では、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Ｉ・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Ｉ・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Ｉ・を最上層側に積み重ね
ても良い。

ここで、用いた圧電材グリーンシー１〜は、マグネシウ
ム・ニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇｌ／３　・Ｎ　ｂ　２／３）
０３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Ｉ・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６０−２４３
２１９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ｌ〜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−シー
Ｉ・中に存在する有機物を脱バインダ一工程において酸
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。この脱バインダ一工程を経た後の
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°Ｃ〜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
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、数百ポル１〜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、これを応用したア
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
成によって分離しで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、」１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
びを生じるなめ、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に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楕成例を示す
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、２
７・・・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・・・白板状ゴム板、３４・・・凹板状ゴム板、３
５及び３６・・・プレス金型、７１及び７２・・・圧電
材、７３及び７４・・・電ヅ 手　／　図 へ　　　　　　　　　　　　　　　　　　玉ニー人 ＄３ＷＪ ロデラデテテテｉ罎３３ｅｙＪハユ゛ム販Ｕ　　　　　
　　　−昨閂

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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圧電素子。