JPH04337682A - 圧電効果素子および電歪効果素子 - Google Patents
圧電効果素子および電歪効果素子Info
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- JPH04337682A JPH04337682A JP3110072A JP11007291A JPH04337682A JP H04337682 A JPH04337682 A JP H04337682A JP 3110072 A JP3110072 A JP 3110072A JP 11007291 A JP11007291 A JP 11007291A JP H04337682 A JPH04337682 A JP H04337682A
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- Japan
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- piezoelectric effect
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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
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は圧電効果素子および電歪
効果素子に関し、特に積層型の圧電効果素子および電歪
効果素子に関する。
効果素子に関し、特に積層型の圧電効果素子および電歪
効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電効果素子および電歪効果素子
について、図４から図５を参照して説明する。なお以下
の説明は圧電効果素子を例にして説明するが、「圧電」
を「電歪」に読み替えれば電歪効果素子についても成り
立つものである。圧電効果と電歪効果との違いは、固体
に電界を掛けた時に発生する歪が、電界に比例するかあ
るいは電界の二乗に比例するかの違いだけだからである
。
について、図４から図５を参照して説明する。なお以下
の説明は圧電効果素子を例にして説明するが、「圧電」
を「電歪」に読み替えれば電歪効果素子についても成り
立つものである。圧電効果と電歪効果との違いは、固体
に電界を掛けた時に発生する歪が、電界に比例するかあ
るいは電界の二乗に比例するかの違いだけだからである
。
【０００３】圧電効果素子とは固体の圧電効果を利用し
て、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するトラン
スデューサである。具体的には圧電効果の大きな固体の
対向する表面に金属膜などの電極を形成し、電極間に電
位差を与えたときに発生する固体の歪を利用する。電界
と平行方向に発生する歪（縦効果歪）は垂直方向に生じ
る歪（横効果歪）より一般には大きいので、前者を利用
する方がエネルギー変換効率は高い。このエネルギー変
換効率の高い縦効果を利用した圧電効果素子では電界強
度が大きくなるほど発生する歪が大きくなるため、大き
な変位量を得るには電界強度が低下しないように、印加
電圧を大きくすることが必要である。しかし、電圧を大
きくするためには大型でかつ高価を電源が必要になり、
取り扱いに対する危険度も増す。
て、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するトラン
スデューサである。具体的には圧電効果の大きな固体の
対向する表面に金属膜などの電極を形成し、電極間に電
位差を与えたときに発生する固体の歪を利用する。電界
と平行方向に発生する歪（縦効果歪）は垂直方向に生じ
る歪（横効果歪）より一般には大きいので、前者を利用
する方がエネルギー変換効率は高い。このエネルギー変
換効率の高い縦効果を利用した圧電効果素子では電界強
度が大きくなるほど発生する歪が大きくなるため、大き
な変位量を得るには電界強度が低下しないように、印加
電圧を大きくすることが必要である。しかし、電圧を大
きくするためには大型でかつ高価を電源が必要になり、
取り扱いに対する危険度も増す。
【０００４】以上の欠点を改善するために積層チップコ
ンデンサ型構造が提案されている。この構造の圧電効果
素子の断面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）において
、圧電材料１の内部には内部電極２ａおよび２ｂが一定
の間隔で形成されており、一つおきに外部電極３ａまた
は３ｂに接続されている。内部電極２ａと２ｂとの間隔
は通常のチップコンデンサの技術で数１０μｍ程度にま
で薄くすることができる。この構造を採用すると電極間
距離が狭くなるため低電圧でも大きな歪が発生する縦効
果利用の圧電効果素子が実現できる。
ンデンサ型構造が提案されている。この構造の圧電効果
素子の断面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）において
、圧電材料１の内部には内部電極２ａおよび２ｂが一定
の間隔で形成されており、一つおきに外部電極３ａまた
は３ｂに接続されている。内部電極２ａと２ｂとの間隔
は通常のチップコンデンサの技術で数１０μｍ程度にま
で薄くすることができる。この構造を採用すると電極間
距離が狭くなるため低電圧でも大きな歪が発生する縦効
果利用の圧電効果素子が実現できる。
【０００５】ところで積層方向からみた投影図図４（ｂ
）から明らかなように、この構造では内部電極の重なる
面積（同図中、最内側の矩形部分）は素子の断面積（最
外側の矩形部分）に比較して小さい。ところが内部電極
の重なった部分は電界に応じて積層方向に変形するが、
他の部分は変形しないので、この圧電効果素子には基本
的に、変形する部分と変形しない部分とが共存している
ことになる。このため高い電圧を印加して大きな歪を発
生させると変形する部分と変形しない部分との境界（図
４（ａ）中に破線で囲った部分）に大きな応力の集中が
起こり、圧電効果素子が機械的に破壊することがある。
）から明らかなように、この構造では内部電極の重なる
面積（同図中、最内側の矩形部分）は素子の断面積（最
外側の矩形部分）に比較して小さい。ところが内部電極
の重なった部分は電界に応じて積層方向に変形するが、
他の部分は変形しないので、この圧電効果素子には基本
的に、変形する部分と変形しない部分とが共存している
ことになる。このため高い電圧を印加して大きな歪を発
生させると変形する部分と変形しない部分との境界（図
４（ａ）中に破線で囲った部分）に大きな応力の集中が
起こり、圧電効果素子が機械的に破壊することがある。
【０００６】このような従来の圧電効果素子の欠点を改
善するために、積層チップコデンサ型構造の圧電効果素
子において、その積層方向に平行な側面上に各内部電極
に平行に溝（以降スリットと称す）５を設けた構造のも
のがある。この圧電効果素子は、特開昭５８−１９６０
７７号公報に記載されているものであって、図５に断面
図を示すように、圧電効果素子の積層方向に垂直な断面
において、圧電効果素子の変形に関与しない周辺部の一
部を溝状に取り除くことにより応力集中を緩和させて、
繰り返しパルス電圧を印加した時の機械的破壊に至るま
での寿命を延ばし、さらに圧電効果素子の変位を増大さ
せることもできるものである。外部電極３ａおよび３ｂ
は、スリット５によって分断されるので、リード線４ａ
および４ｂで接続されている。
善するために、積層チップコデンサ型構造の圧電効果素
子において、その積層方向に平行な側面上に各内部電極
に平行に溝（以降スリットと称す）５を設けた構造のも
のがある。この圧電効果素子は、特開昭５８−１９６０
７７号公報に記載されているものであって、図５に断面
図を示すように、圧電効果素子の積層方向に垂直な断面
において、圧電効果素子の変形に関与しない周辺部の一
部を溝状に取り除くことにより応力集中を緩和させて、
繰り返しパルス電圧を印加した時の機械的破壊に至るま
での寿命を延ばし、さらに圧電効果素子の変位を増大さ
せることもできるものである。外部電極３ａおよび３ｂ
は、スリット５によって分断されるので、リード線４ａ
および４ｂで接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の圧電効
果素子は、大きな変位量を取り出そうとして高い電圧を
加えると絶縁破壊が生じやすくなることがあり、この絶
縁破壊現象を避けるためには印加電圧を低く抑えなけれ
ばならず大きな変位量を取り出せないという欠点がある
。以下にその説明を行う。
果素子は、大きな変位量を取り出そうとして高い電圧を
加えると絶縁破壊が生じやすくなることがあり、この絶
縁破壊現象を避けるためには印加電圧を低く抑えなけれ
ばならず大きな変位量を取り出せないという欠点がある
。以下にその説明を行う。
【０００８】図５において、スリット５をはさむ位置に
ある２枚の内部電極２ｃおよび２ｄの間の間隔と、スリ
ット５をはさまない位置にある２枚の内部電極２ａおよ
び２ｂの間の間隔とは同じである。圧電効果素子におい
ては、変位量は電圧に比例して大きくなる。従って大き
な変位量を取り出すためには高い電圧を印加することに
なるが、その際に生ずる歪により、スリット５の先端に
は引っ張り応力が生じる。この応力が圧電材料１の機械
的強度を越えると、スリット５の先端から亀裂が生じ、
やがて内部電極２ｃまたは２ｄにまで到達する。高電圧
がかかった状態で亀裂が入るために、この内部電極２ｃ
，２ｄ間では絶縁破壊が起こりやすくなる。
ある２枚の内部電極２ｃおよび２ｄの間の間隔と、スリ
ット５をはさまない位置にある２枚の内部電極２ａおよ
び２ｂの間の間隔とは同じである。圧電効果素子におい
ては、変位量は電圧に比例して大きくなる。従って大き
な変位量を取り出すためには高い電圧を印加することに
なるが、その際に生ずる歪により、スリット５の先端に
は引っ張り応力が生じる。この応力が圧電材料１の機械
的強度を越えると、スリット５の先端から亀裂が生じ、
やがて内部電極２ｃまたは２ｄにまで到達する。高電圧
がかかった状態で亀裂が入るために、この内部電極２ｃ
，２ｄ間では絶縁破壊が起こりやすくなる。
【０００９】上述の通り従来の圧電効果素子では、絶縁
破壊を生じさせないように印加電圧を低く抑える必要が
あることから、大きな変位量を取り出せない、という欠
点がある。
破壊を生じさせないように印加電圧を低く抑える必要が
あることから、大きな変位量を取り出せない、という欠
点がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電効果素子は
、圧電効果を示す材料と内部電極とが交互に積層され、
それぞれの内部電極が二つの外部電極のいずれか一方に
接続され、前記圧電効果材料の層を挟んで向い合う内部
電極同志が互いに対向電極として動作する型の圧電効果
素子であって、積層方向に平行な側面に、長さ方向が前
記内部電極に平行な溝が所定の間隔をもって形成されて
いる圧電効果素子において、溝をはさんで対向する内部
電極の間の間隔が、溝をはさまずに対向する内部電極の
間の間隔より大なることを特徴とする。ここで、前記溝
をはさんで対向する内部電極の間の間隔が、前記溝をは
さまずに対向する内部電極の間の間隔に対して１．３倍
以上であるようにすると特に効果が顕著である。
、圧電効果を示す材料と内部電極とが交互に積層され、
それぞれの内部電極が二つの外部電極のいずれか一方に
接続され、前記圧電効果材料の層を挟んで向い合う内部
電極同志が互いに対向電極として動作する型の圧電効果
素子であって、積層方向に平行な側面に、長さ方向が前
記内部電極に平行な溝が所定の間隔をもって形成されて
いる圧電効果素子において、溝をはさんで対向する内部
電極の間の間隔が、溝をはさまずに対向する内部電極の
間の間隔より大なることを特徴とする。ここで、前記溝
をはさんで対向する内部電極の間の間隔が、前記溝をは
さまずに対向する内部電極の間の間隔に対して１．３倍
以上であるようにすると特に効果が顕著である。
【００１１】
【実施例】次に本発明の最適な実施例について図面を参
照にして説明する。本発明の実施例による圧電効果素子
をチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電効果を示す材料を用い
て作り、絶縁破壊電圧を調べた。本実施例の製造方法，
製造工程は従来の圧電効果素子におけるものと同様であ
り、先ず前述の圧電材料の予焼粉末に有機系の溶剤，バ
インダおよび可塑材を添加して、ドクター・ブレード法
で約１３０μｍの厚さのグリーンシートを作製した。こ
のグリーンシートを乾燥したのち、グリーンシート上の
所定部分に銀−パラジウム合金粉末を主成分とする内部
電極用ペーストをスクリーン印刷し、さらにカーボンを
主成分とするスリット用空孔形成材ペーストをスクリー
ン印刷した後、所定の形状に切断し、所定枚数を積層し
て熱圧着した。これを１１００℃で焼成した。この焼成
の際に空孔形成材が飛散することにより、スリットが形
成される。焼成後、外部電極用銀ペーストを焼き付けた
後、電圧印加用のリード線を接続した。
照にして説明する。本発明の実施例による圧電効果素子
をチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電効果を示す材料を用い
て作り、絶縁破壊電圧を調べた。本実施例の製造方法，
製造工程は従来の圧電効果素子におけるものと同様であ
り、先ず前述の圧電材料の予焼粉末に有機系の溶剤，バ
インダおよび可塑材を添加して、ドクター・ブレード法
で約１３０μｍの厚さのグリーンシートを作製した。こ
のグリーンシートを乾燥したのち、グリーンシート上の
所定部分に銀−パラジウム合金粉末を主成分とする内部
電極用ペーストをスクリーン印刷し、さらにカーボンを
主成分とするスリット用空孔形成材ペーストをスクリー
ン印刷した後、所定の形状に切断し、所定枚数を積層し
て熱圧着した。これを１１００℃で焼成した。この焼成
の際に空孔形成材が飛散することにより、スリットが形
成される。焼成後、外部電極用銀ペーストを焼き付けた
後、電圧印加用のリード線を接続した。
【００１２】図１に本実施例の断面図を示す。本実施例
ではスリット５をはさむ位置にある２枚の内部電極２ｃ
および２ｄの間の間隔を約２００μｍとしたのに対し、
スリット５をはさまない位置にある２枚の内部電極２ａ
および２ｂの間の間隔を約１００μｍとし、その比率を
２．０倍に設定した。本実施例では、圧電効果素子の横
断面図の形状を４×４ｍｍ、内部電極２ａおよび２ｃと
内部電極２ｂおよび２ｄとの重なる部分を３×３ｍｍ、
スリット５の素子側面からの深さを０．５ｍｍとした。 また、素子高さは１０ｍｍ、スリット５の配置間隔は約
０．５ｍｍとした。内部電極２ａ，２ｂ，２ｃおよび２
ｄは総数で８０枚形成した。
ではスリット５をはさむ位置にある２枚の内部電極２ｃ
および２ｄの間の間隔を約２００μｍとしたのに対し、
スリット５をはさまない位置にある２枚の内部電極２ａ
および２ｂの間の間隔を約１００μｍとし、その比率を
２．０倍に設定した。本実施例では、圧電効果素子の横
断面図の形状を４×４ｍｍ、内部電極２ａおよび２ｃと
内部電極２ｂおよび２ｄとの重なる部分を３×３ｍｍ、
スリット５の素子側面からの深さを０．５ｍｍとした。 また、素子高さは１０ｍｍ、スリット５の配置間隔は約
０．５ｍｍとした。内部電極２ａ，２ｂ，２ｃおよび２
ｄは総数で８０枚形成した。
【００１３】このような構造の本実施例の圧電効果素子
と従来の構造の圧電効果素子のそれぞれ２０個ずつにつ
いて、１５０ＶＤＣで１分間の分極処理を施した後、１
００ＶＤＣ／分の昇圧速度で電圧を印加した場合の変化
を調査した。なお、従来の圧電効果素子は、図５に示す
ようにスリット５をはさむ位置にある２枚の内部電極２
ｃおよび２ｄの間隔が１００μｍであり、内部電極２ａ
，２ｂ，２ｃおよび２ｄの総数が８０枚であり、素子高
さ以外の構造は本実施例と同じである。結果を図２に示
す。図２を参照すると、従来の圧電効果素子が平均２１
０Ｖで絶縁破壊を起こしたのに対し、本実施例による圧
電効果素子は平均５１０Ｖまで絶縁破壊が生じなかった
。その結果、従来の圧電効果素子に較べて大きな変位量
が得られた。
と従来の構造の圧電効果素子のそれぞれ２０個ずつにつ
いて、１５０ＶＤＣで１分間の分極処理を施した後、１
００ＶＤＣ／分の昇圧速度で電圧を印加した場合の変化
を調査した。なお、従来の圧電効果素子は、図５に示す
ようにスリット５をはさむ位置にある２枚の内部電極２
ｃおよび２ｄの間隔が１００μｍであり、内部電極２ａ
，２ｂ，２ｃおよび２ｄの総数が８０枚であり、素子高
さ以外の構造は本実施例と同じである。結果を図２に示
す。図２を参照すると、従来の圧電効果素子が平均２１
０Ｖで絶縁破壊を起こしたのに対し、本実施例による圧
電効果素子は平均５１０Ｖまで絶縁破壊が生じなかった
。その結果、従来の圧電効果素子に較べて大きな変位量
が得られた。
【００１４】さらに、スリット５をはさむ位置にある２
枚の内部電極２ｃおよび２ｄの間の間隔を変えた圧電効
果素子について上述の調査と同じ調査を行なった結果を
図３に示す。なおそれぞれの試料の構造は、内部電極２
ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄの総数が８０枚であり、素子
高さ以外の構造は上記の実施例と同じである。試料数は
各２０個である。図３において、横軸は内部電極２ｃお
よび２ｄの間の間隔と内部電極２ａおよび２ｂの間の間
隔との比率を示し、縦軸は破壊電圧を示す。図３を参照
すると２つの間隔の比率が１．３倍以上になると破壊電
圧が著しく向上し、大きな変位量を得ることができるこ
とが分る。
枚の内部電極２ｃおよび２ｄの間の間隔を変えた圧電効
果素子について上述の調査と同じ調査を行なった結果を
図３に示す。なおそれぞれの試料の構造は、内部電極２
ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄの総数が８０枚であり、素子
高さ以外の構造は上記の実施例と同じである。試料数は
各２０個である。図３において、横軸は内部電極２ｃお
よび２ｄの間の間隔と内部電極２ａおよび２ｂの間の間
隔との比率を示し、縦軸は破壊電圧を示す。図３を参照
すると２つの間隔の比率が１．３倍以上になると破壊電
圧が著しく向上し、大きな変位量を得ることができるこ
とが分る。
【００１５】次に圧電効果素子の横断面の寸法を変えた
素子についても上述したと同じ調査を行なったが同様の
結果が得られた。また本実施例では圧電効果素子につい
て述べたが、電歪効果素子についても、全く同様の効果
が得られた。
素子についても上述したと同じ調査を行なったが同様の
結果が得られた。また本実施例では圧電効果素子につい
て述べたが、電歪効果素子についても、全く同様の効果
が得られた。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
リットをはさむ位置にある２枚の内部電極の間の間隔を
、スリットをはさまない位置にある２枚の内部電極の間
の間隔よりも大きくすることにより高い電圧を印加した
ときの絶縁破壊を防止することができるために、絶縁破
壊電圧が高くより大きな変位量を取り出すことのできる
構造の圧電効果素子および電歪効果素子が得られるとい
う効果がある。この効果は前述の２つの間隔の比を１．
３倍以上にすると特に顕著である。
リットをはさむ位置にある２枚の内部電極の間の間隔を
、スリットをはさまない位置にある２枚の内部電極の間
の間隔よりも大きくすることにより高い電圧を印加した
ときの絶縁破壊を防止することができるために、絶縁破
壊電圧が高くより大きな変位量を取り出すことのできる
構造の圧電効果素子および電歪効果素子が得られるとい
う効果がある。この効果は前述の２つの間隔の比を１．
３倍以上にすると特に顕著である。
【図１】本発明の一実施例による圧電効果素子の断面図
である。
である。
【図２】圧電効果素子に電圧を印加した時の変位の様子
を示す図である。
を示す図である。
【図３】図１に示す圧電効果素子において、内部電極２
ｃおよび２ｄの間の間隔と、内部電極２ａおよび２ｂの
間の間隔との比率を変えた時の、絶縁破壊電圧の変化の
様子を示す図である。
ｃおよび２ｄの間の間隔と、内部電極２ａおよび２ｂの
間の間隔との比率を変えた時の、絶縁破壊電圧の変化の
様子を示す図である。
【図４】分図（ａ）は、従来の積層チップコンデンサ型
構造の圧電効果素子の一例の断面図である。分図（ｂ）
は、分図（ａ）における内部電極２ａおよび２ｂの、積
層方向からみた投影図である。
構造の圧電効果素子の一例の断面図である。分図（ｂ）
は、分図（ａ）における内部電極２ａおよび２ｂの、積
層方向からみた投影図である。
【図５】従来の積層チップコンデンサ型構造の圧電効果
素子の他の例の断面図である。
素子の他の例の断面図である。
１ 圧電材料
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 内部電極３ａ，３ｂ
外部電極 ４ａ，４ｂ リード線 ５ スリット
外部電極 ４ａ，４ｂ リード線 ５ スリット
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電効果を示す材料と内部電極とが交
互に積層され、それぞれの内部電極が二つの外部電極の
いずれか一方に接続され、前記圧電効果材料の層を挟ん
で向い合う内部電極同志が互いに対向電極として動作す
る型の圧電効果素子であって、積層方向に平行な側面に
、長さ方向が前記内部電極に平行な溝が所定の間隔をも
って形成されている圧電効果素子において、溝をはさん
で対向する内部電極の間の間隔が、溝をはさまずに対向
する内部電極の間の間隔より大なることを特徴とする圧
電効果素子。 - 【請求項２】 電歪効果を示す材料と内部電極とが交
互に積層され、それぞれの内部電極が二つの外部電極の
いずれか一方に接続され、前記電歪効果材料の層を挟ん
で向い合う内部電極同志が互いに対向電極として動作す
る型の電歪効果素子であって、積層方向に平行な側面に
、長さ方向が前記内部電極に平行な溝が所定の間隔をも
って形成されている電歪効果素子において、溝をはさん
で対向する内部電極の間の間隔が、溝をはさまずに対向
する内部電極の間の間隔より大なることを特徴とする電
歪効果素子。 - 【請求項３】 前記溝をはさんで対向する内部電極の
間の間隔が、前記溝をはさまずに対向する内部電極の間
の間隔に対して１．３倍以上であることを特徴とする請
求項１記載の圧電効果素子または前記請求項２記載の電
歪効果素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3110072A JPH04337682A (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 圧電効果素子および電歪効果素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3110072A JPH04337682A (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 圧電効果素子および電歪効果素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04337682A true JPH04337682A (ja) | 1992-11-25 |
Family
ID=14526337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3110072A Pending JPH04337682A (ja) | 1991-05-15 | 1991-05-15 | 圧電効果素子および電歪効果素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04337682A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001267646A (ja) * | 2000-03-17 | 2001-09-28 | Taiheiyo Cement Corp | 積層型圧電アクチュエータ |
| JP2006286774A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Taiheiyo Cement Corp | 積層型圧電アクチュエータおよび積層型圧電アクチュエータ接着体 |
| JP2009200359A (ja) * | 2008-02-22 | 2009-09-03 | Denso Corp | 積層型圧電素子 |
| JP2011181958A (ja) * | 2011-05-23 | 2011-09-15 | Taiheiyo Cement Corp | 積層型圧電アクチュエータの製造方法 |
| JP2013519223A (ja) * | 2010-02-02 | 2013-05-23 | エプコス アーゲー | 圧電コンポーネント |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0353572A (ja) * | 1989-07-21 | 1991-03-07 | Nec Corp | 電歪効果素子 |
-
1991
- 1991-05-15 JP JP3110072A patent/JPH04337682A/ja active Pending
Patent Citations (1)
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| JPH0353572A (ja) * | 1989-07-21 | 1991-03-07 | Nec Corp | 電歪効果素子 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19971007 |