JPH0258384A - 積層型圧電素子 - Google Patents
積層型圧電素子Info
- Publication number
- JPH0258384A JPH0258384A JP63209841A JP20984188A JPH0258384A JP H0258384 A JPH0258384 A JP H0258384A JP 63209841 A JP63209841 A JP 63209841A JP 20984188 A JP20984188 A JP 20984188A JP H0258384 A JPH0258384 A JP H0258384A
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- Japan
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- internal electrode
- electrode layers
- piezoelectric material
- material layer
- piezoelectric
- Prior art date
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- 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
この発明は、アクチュエータとして用いられる積層型圧
電素子に関する。
電素子に関する。
メカトロニクス機器の急速な発展に伴い、この分野で使
用されるアクチュエータが注目されてきている。 現在、過半のアクチュエータは電磁力で駆動されている
ため、消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズの発生が
あり、これに代わるアクチュエータの開発が望まれてい
る。これに対し、固体の圧電効果を利用したアクチュエ
ータは、本質的に電磁式のアクチュエータの有する欠点
を克服できるばかりか、小型軽量でかつ振動、衝撃に対
して強いという利点がある。 この圧電アクチュエ°−夕として、多数の圧電板を層状
に積み重ねた圧！縦効果駆動の積層型圧電素子がある。 この積層型圧電素子は、圧電縦効果を直接的に利用して
いるため応答速度が速く、発生力が大きいなどの優れた
特長を有し、刻印などの加工を高速で行うなどの利用方
法が提案されている。 第３図は、このような積層型圧電素子の従来の一般的な
構成を示すものである。第３図において、１１は圧電セ
ラミックスからなる圧電材料層、１２Ａ、１２Ｂは内部
電極層、１３Ａ、１３Ｂは外部電極層である。このよう
な積層型圧電素子において、外部電極ｊｉＪ１３Ａ、１
３Ｂを介して各圧電材料Ｊｉｌｌｌの内部電極層１２Ａ
、１２Ｂ間に電圧を印加すると、各圧電材料層１１は圧
電縦効果により伸縮し、その総和として積層型圧電素子
が縫方向に変位する。
用されるアクチュエータが注目されてきている。 現在、過半のアクチュエータは電磁力で駆動されている
ため、消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズの発生が
あり、これに代わるアクチュエータの開発が望まれてい
る。これに対し、固体の圧電効果を利用したアクチュエ
ータは、本質的に電磁式のアクチュエータの有する欠点
を克服できるばかりか、小型軽量でかつ振動、衝撃に対
して強いという利点がある。 この圧電アクチュエ°−夕として、多数の圧電板を層状
に積み重ねた圧！縦効果駆動の積層型圧電素子がある。 この積層型圧電素子は、圧電縦効果を直接的に利用して
いるため応答速度が速く、発生力が大きいなどの優れた
特長を有し、刻印などの加工を高速で行うなどの利用方
法が提案されている。 第３図は、このような積層型圧電素子の従来の一般的な
構成を示すものである。第３図において、１１は圧電セ
ラミックスからなる圧電材料層、１２Ａ、１２Ｂは内部
電極層、１３Ａ、１３Ｂは外部電極層である。このよう
な積層型圧電素子において、外部電極ｊｉＪ１３Ａ、１
３Ｂを介して各圧電材料Ｊｉｌｌｌの内部電極層１２Ａ
、１２Ｂ間に電圧を印加すると、各圧電材料層１１は圧
電縦効果により伸縮し、その総和として積層型圧電素子
が縫方向に変位する。
ところで、このような構成の積層型圧電素子では、変位
量をできるだけ大きくするために、電圧印加時の変位量
に直接関係するパラメータとしての誘電率の大きなセラ
ミックス材料が選択される。 その結果、圧電性を示さなくなる温度、いわゆるキュリ
ー温度の低いセラミックス材料が用いられることになる
。 一方、誘電率が大きいと、高速で駆動した場合に発熱が
大きくなるが、圧電セラミックスは一般に結晶格子が柔
らかいため熱伝導性が悪く、発生熱は内部に蓄積されて
素子自体の温度上昇を招き易い。ところが、積層型圧電
素子は上述した通りキュリー温度の低いセラミックス材
料を用いて構成されているため、素子の温度上昇は変位
量の低下につながるという問題がある。 第４図はこのような状況を示すもので、第３図の積層型
圧電素子を、例えば５０セ程度の周波数で駆動した場合
、わずか２０秒程度で素子温度が上昇し、変位量が初期
値Ｘ０から大きく低下することを示している。 この発明は、積層型圧電素子の温度上昇を抑え、高速で
駆動した場合にも安定した変位量の得られる積層型圧電
素子を提供することを目的とするものである。
量をできるだけ大きくするために、電圧印加時の変位量
に直接関係するパラメータとしての誘電率の大きなセラ
ミックス材料が選択される。 その結果、圧電性を示さなくなる温度、いわゆるキュリ
ー温度の低いセラミックス材料が用いられることになる
。 一方、誘電率が大きいと、高速で駆動した場合に発熱が
大きくなるが、圧電セラミックスは一般に結晶格子が柔
らかいため熱伝導性が悪く、発生熱は内部に蓄積されて
素子自体の温度上昇を招き易い。ところが、積層型圧電
素子は上述した通りキュリー温度の低いセラミックス材
料を用いて構成されているため、素子の温度上昇は変位
量の低下につながるという問題がある。 第４図はこのような状況を示すもので、第３図の積層型
圧電素子を、例えば５０セ程度の周波数で駆動した場合
、わずか２０秒程度で素子温度が上昇し、変位量が初期
値Ｘ０から大きく低下することを示している。 この発明は、積層型圧電素子の温度上昇を抑え、高速で
駆動した場合にも安定した変位量の得られる積層型圧電
素子を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、この発明は、圧電材料層と
内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層間に外
部電極層を介して電圧が印加されることにより前記圧電
材料層が伸縮する積層型圧電素子において、内部電極層
を金属箔で形成するとともに、この内部電極層を圧電材
料層の外周面から張り出させるものとする。
内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層間に外
部電極層を介して電圧が印加されることにより前記圧電
材料層が伸縮する積層型圧電素子において、内部電極層
を金属箔で形成するとともに、この内部電極層を圧電材
料層の外周面から張り出させるものとする。
内部電極層を金属箔で形成することにより、圧電材料層
で発生した熱を効率よく内部電極層に伝え、さらにこの
内部電極層を圧電材料層の外周面から張り出させことに
より放熱板の役割をさせて熱を積極的に外部に放散させ
ることができる。
で発生した熱を効率よく内部電極層に伝え、さらにこの
内部電極層を圧電材料層の外周面から張り出させことに
より放熱板の役割をさせて熱を積極的に外部に放散させ
ることができる。
第１図はこの発明の実施例を示す模式断面図である。第
１図において、１は圧電セラミックスからなる円板状の
圧電材料層、また２Ａ及び２Ｂは金属箔からなり、圧電
材料Ｎ１の外周面から張り出すように圧電材料層１より
も大径に形成された円板状の内部電極層で、これらは図
示の通り交互に積層されて積層型圧電素子を構成してい
る。３Ａ及び３Ｂは外部電極層で、内部電極Ｎ２Ａ、２
Ｂに左右交互に開けられた穴を通して一層おきに、内部
電極層２Ａ及び２Ｂにそれぞれ接続されている。内部電
極層２Ａ、２Ｂ間には外部電極層３Ａ。 ３Ｂを介して電圧が印加される。 このような積層型圧電素子は次のようにして形成される
。まず、キュリー温度を１３０°Ｃ付近に持ち、室温で
の変位量が１ｋＶ／ｍｍの電界強度に対して０．１％で
あるチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの原料粉
末をポリビニルアルコールなどのバインダを含む溶液に
よく分散させ、次にこれをスプレドライ法で乾燥し、約
１００μｍの粒径のプレス用粉体を得る。そこで、この
プレス用粉体を用いてプレス成型し、直径４０ｍ、厚さ
２ｍｍの圧電セラミックス成形体を得る。 この成形体を温度１２００°Ｃで２時間焼成し、次に研
磨して直径３０ｍｍ、厚さ１胴の圧電セラミンクス板を
得る。そこで、圧電セラミックス板の表裏両面に銀電極
ペーストを塗布して焼き付け、圧電材料層１とする。次
に、内部電極層２Ａ、２Ｂとなる直径５０ｍｍ、厚さ０
．２ｍｍで一部に穴の開いた金属箔の円板を用意し、圧
電セラミックス板と交互に積層する。その際、外部電極
層３Ａ、３Ｂを通すために金属箔に開いている穴は一層
おきに向きを反対にして揃える。最後に、外部電極層３
Ａ、３Ｂとなる導体で金属箔を一層おきに連結する。 このように構成された積層型圧電素子は、圧電材料層１
を１００枚積層したものに、１ｋＶの電圧を印加した場
合、約１００μｍの変位を発生する。ここで、電圧を５
０Ｈｚの正弦波とした場合の時間に対する素子の温度変
化と変位量の関係を第２図に示す。 第２図によれば、内部電極Ｎ２Ａ、２Ｂの放熱効果によ
り、素子の温度上昇が抑えられ、変位量の変動が少なく
なっていることがわかる。
１図において、１は圧電セラミックスからなる円板状の
圧電材料層、また２Ａ及び２Ｂは金属箔からなり、圧電
材料Ｎ１の外周面から張り出すように圧電材料層１より
も大径に形成された円板状の内部電極層で、これらは図
示の通り交互に積層されて積層型圧電素子を構成してい
る。３Ａ及び３Ｂは外部電極層で、内部電極Ｎ２Ａ、２
Ｂに左右交互に開けられた穴を通して一層おきに、内部
電極層２Ａ及び２Ｂにそれぞれ接続されている。内部電
極層２Ａ、２Ｂ間には外部電極層３Ａ。 ３Ｂを介して電圧が印加される。 このような積層型圧電素子は次のようにして形成される
。まず、キュリー温度を１３０°Ｃ付近に持ち、室温で
の変位量が１ｋＶ／ｍｍの電界強度に対して０．１％で
あるチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの原料粉
末をポリビニルアルコールなどのバインダを含む溶液に
よく分散させ、次にこれをスプレドライ法で乾燥し、約
１００μｍの粒径のプレス用粉体を得る。そこで、この
プレス用粉体を用いてプレス成型し、直径４０ｍ、厚さ
２ｍｍの圧電セラミックス成形体を得る。 この成形体を温度１２００°Ｃで２時間焼成し、次に研
磨して直径３０ｍｍ、厚さ１胴の圧電セラミンクス板を
得る。そこで、圧電セラミックス板の表裏両面に銀電極
ペーストを塗布して焼き付け、圧電材料層１とする。次
に、内部電極層２Ａ、２Ｂとなる直径５０ｍｍ、厚さ０
．２ｍｍで一部に穴の開いた金属箔の円板を用意し、圧
電セラミックス板と交互に積層する。その際、外部電極
層３Ａ、３Ｂを通すために金属箔に開いている穴は一層
おきに向きを反対にして揃える。最後に、外部電極層３
Ａ、３Ｂとなる導体で金属箔を一層おきに連結する。 このように構成された積層型圧電素子は、圧電材料層１
を１００枚積層したものに、１ｋＶの電圧を印加した場
合、約１００μｍの変位を発生する。ここで、電圧を５
０Ｈｚの正弦波とした場合の時間に対する素子の温度変
化と変位量の関係を第２図に示す。 第２図によれば、内部電極Ｎ２Ａ、２Ｂの放熱効果によ
り、素子の温度上昇が抑えられ、変位量の変動が少なく
なっていることがわかる。
この発明によれば、内部電極層を金ｇＩ４箔で形成する
とともに、この内部電極層を圧電材料層の外周面から張
り出させて素子自体に放熱板を持たせる構造とすること
により、積層型圧電素子の高速駆動により発生する熱を
容易に外部に放散させて素子の温度上昇を抑え、素子の
温度上昇に伴う変位量の低下を小さくすることができる
。
とともに、この内部電極層を圧電材料層の外周面から張
り出させて素子自体に放熱板を持たせる構造とすること
により、積層型圧電素子の高速駆動により発生する熱を
容易に外部に放散させて素子の温度上昇を抑え、素子の
温度上昇に伴う変位量の低下を小さくすることができる
。
第１図はこの発明の実施例を示す模式的断面図、第２図
は第１図の積層型圧電素子における時間と温度及び変位
量との関係を説明する線図、第３図は従来例の模式的断
面図、第４図は従来例における時間と温度及び変位量と
の関係を説明する線図である。 ■・・・圧電材料層、２Ａ、２Ｂ・・・内部電極層、３
Ａ、３Ｂ・・・外部電極層。 第１図 第 ３ｅＴ１１（抄） 吟 （抄） 第 ２ 図 第
は第１図の積層型圧電素子における時間と温度及び変位
量との関係を説明する線図、第３図は従来例の模式的断
面図、第４図は従来例における時間と温度及び変位量と
の関係を説明する線図である。 ■・・・圧電材料層、２Ａ、２Ｂ・・・内部電極層、３
Ａ、３Ｂ・・・外部電極層。 第１図 第 ３ｅＴ１１（抄） 吟 （抄） 第 ２ 図 第
Claims (1)
- １）圧電材料層と内部電極層とが交互に積層され、前記
内部電極層間に外部電極層を介して電圧が印加されるこ
とにより前記圧電材料層が伸縮する積層型圧電素子にお
いて、内部電極層を金属箔で形成するとともに、この内
部電極層を圧電材料層の外周面から張り出させたことを
特徴とする積層型圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63209841A JPH0258384A (ja) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | 積層型圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63209841A JPH0258384A (ja) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | 積層型圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0258384A true JPH0258384A (ja) | 1990-02-27 |
Family
ID=16579509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63209841A Pending JPH0258384A (ja) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | 積層型圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0258384A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5545942A (en) * | 1994-11-21 | 1996-08-13 | General Electric Company | Method and apparatus for dissipating heat from a transducer element array of an ultrasound probe |
| DE19626671C1 (de) * | 1996-07-03 | 1997-10-16 | Fraunhofer Ges Forschung | Piezoelektrischer Leistungsaktor mit Kühlung und Verfahren zu seiner Herstellung |
| DE19648545A1 (de) * | 1996-11-25 | 1998-05-28 | Ceramtec Ag | Außenelektrode für einen monolithischen Vielschichtaktor |
| JP2002261345A (ja) * | 2000-12-28 | 2002-09-13 | Denso Corp | 積層一体焼成型の電気機械変換素子 |
| WO2003009401A3 (en) * | 2001-07-21 | 2003-10-16 | Intelp Limited Of Regency Ffr | Piezoelectric transducers |
| JP2008311700A (ja) * | 2007-06-12 | 2008-12-25 | Fujifilm Corp | 複合圧電材料、超音波探触子、超音波内視鏡、及び、超音波診断装置 |
| US7505283B2 (en) | 2005-03-28 | 2009-03-17 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Reinforcing structure for metal core board and electric connection box |
-
1988
- 1988-08-24 JP JP63209841A patent/JPH0258384A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5545942A (en) * | 1994-11-21 | 1996-08-13 | General Electric Company | Method and apparatus for dissipating heat from a transducer element array of an ultrasound probe |
| DE19626671C1 (de) * | 1996-07-03 | 1997-10-16 | Fraunhofer Ges Forschung | Piezoelektrischer Leistungsaktor mit Kühlung und Verfahren zu seiner Herstellung |
| DE19648545A1 (de) * | 1996-11-25 | 1998-05-28 | Ceramtec Ag | Außenelektrode für einen monolithischen Vielschichtaktor |
| DE19648545B4 (de) * | 1996-11-25 | 2009-05-07 | Ceramtec Ag | Monolithischer Vielschichtaktor mit Außenelektroden |
| JP2002261345A (ja) * | 2000-12-28 | 2002-09-13 | Denso Corp | 積層一体焼成型の電気機械変換素子 |
| WO2003009401A3 (en) * | 2001-07-21 | 2003-10-16 | Intelp Limited Of Regency Ffr | Piezoelectric transducers |
| US7505283B2 (en) | 2005-03-28 | 2009-03-17 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Reinforcing structure for metal core board and electric connection box |
| JP2008311700A (ja) * | 2007-06-12 | 2008-12-25 | Fujifilm Corp | 複合圧電材料、超音波探触子、超音波内視鏡、及び、超音波診断装置 |
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