JPH0443685A

JPH0443685A - 積層バイモルフ型圧電素子

Info

Publication number: JPH0443685A
Application number: JP2152270A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Saigo; 宏明西郷; Yoshihisa Ushida; 善久牛田
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1992-02-13

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〕本発明は積層バイモルフ型圧電素子に関する。

〔従来の技術〕

電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するＰＺＴ
などの圧電体を利用した屈曲変位型圧電素子として、従
来、バイモルフ型圧電素子が知られている。

バイモルフ型圧電素子は、例えば、第２図のように、２
枚の矩形状の圧電体１０．１１を分極方向が同方向とな
るように、金属板などによって形成された弾性基板１２
の両面に張り合わせ、基板１２を境に互いに反対方向の
電界を印加することで、一方の圧電体１０を分極方向と
垂直に収縮させ、他方の圧電体１１を分極方向と垂直に
伸張させ、その結果、屈曲変位するようになってＱ％る
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし　このようなバイモルフ型では、一方の圧電体に
はその分極方向と同一方向に電界が印加されるカζ　他
方の圧電体にはその分極方向と逆方向の電界が印加され
るため、この逆向きの印加電界が圧電体の抗電界に近く
なると分極反転が起こり、変位量や発生力が著しく低下
するという問題があり、また、逆方向に電界をかけてい
るので、長期に使用していると分極が弱まってしまう。

これに対し　従来技術として特開昭５９−６３７８２に
見られるように分極方向と逆方向の電圧を印加する側の
セラミックスを抗電界の高い材料を用い、分極反転が起
こらないようにして、耐久性を向上する例がある。ただ
し　この方法では変位量や発生力を大きくすることはあ
まり望めず、逆に特性が低下する場合もある。一般に素
子の変位特性を上げるため、分極方向と同方向に電圧が
かかる側のセラミックスは、抗電界Ｅｃが小さくとも分
極反転は起こり得ないので圧電定数ｄ３１の大きな材料
が用いられる。

本発明はこのような背景の下になされたもので、長期に
使用しても分極反転が起こりにくく耐久性に便法　かつ
、変位量や発生力も大きいバイモルフ型圧電素子を提供
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、基板の一方の面に、厚さｔ、の第
１の板状圧電セラミックスＡ、　　を設け、この第１の
板状圧電セラミックスＡ、の面上に、さらに厚さｔ２の
第２の板状圧電セラミックスＡ２を設けて、順次、板状
圧電セラミックスをｎ枚積層するものとし（ｎは２以上
の自然数であり、好ましくは２〜４である）、第ｎ番目
の板状圧電セラミックスＡ。の厚さをｔ。とじた場合、
各板状圧電セラミックスの厚さが相互にｔ１１ｔ６＋１＞０となる関係とし、さらに、基板の他方の面に、厚さｔ８　の板状圧電セラ
ミックスＢを積層獣また、前記各板状圧電セラミックスは面方向と垂直に分
極さ汰　各板状圧電セラミックスＡ、〜Ａ１には分極方
向と同一方向に電界を印加し、板状圧電セラミックスＢ
には分極方向と逆方向に電界を印可するよう構成し、前記板状圧電セラミックスＢの抗電界ＥＣ，が前記第１
の板状圧電セラミックスＡ、〜Ａｎの抗電界Ｅｃ、より
も大きい積層バイモルフ型圧電素子である。

ここで、基板は可撓性、もしくは、弾性を有することが
必要であり、また、電界が印加されたときの状態で、圧
電的に不活性、即ち、伸縮しないものが選ばれる。基板
自体を電極とする場合には基板は金属である必要がある
が、圧電セラミックスと基板との間に薄膜状電極を形成
する場合には金属でなく、セラミックス、合成樹脂など
でもよい。基板の厚さは好ましくは、　ＩＯμｍ〜１　
ｍ　ｍ。

特に好ましくは３０μｍ〜２００μｍである。

次に、板状圧電セラミックスは、ＰＺＴに代表されるが
、これに限定されるものではない。この板状圧電セラミ
ックスは、その面方向に対して垂直すなわち厚さ方向に
分極されている。

圧電セラミックスの１枚あたりの厚さは、好ましくは１
０μｍ〜１ｍｍ、特に好ましくは３０μｍ〜２００μｍ
がよい。

本発明ではこのよう板状圧電セラミックスが積層されて
構成される。基板の一方の面に積層される各板状圧電セ
ラミックスのそれぞれは、そのＪ７さが基板から離れる
につれて薄くなるよう構成される。すなわち、基板に積
層される第１の板状圧電セラミックスのＨさを【、とし
、第２、第３・・第ｎ番Ｕノの厚さをｔ２、　ｔｌ、　
・・１．、とした場合、　ｔ、−ｔｎ、＞Ｏとされる。

板状圧電セラミックスの厚さが基板がら離れωにつれて
薄くすることにより、各板状圧電セラミックスに分極方
向と同一方向に同一の電圧を印加した場合、１極間隔の
狭い第ｎ＋１＠目の板状圧電セラミックスにががる電界
（−電圧／／！Ｊさ）が、電極間隔の広い第ｎ番目の板
状圧電セラミックスにかかる電界よりも大きくなる。し
たがって、分極と垂直方向の収縮率は、第ｎ＋１番目の
板状圧電セラミックスについてのそれが、第ｎ番目の板
状圧電セラミックスについてのそれより太きくなる。

板状圧電セラミックスの積層にあたっては、基板側から
積層順で奇数番目と偶数番目とでそれぞれ分極方向が逆
となるように積層するの力（以下の理由で好適である。

すなわち、積層にあたっては、各層間に電極を介挿して
、この電極を介して板状圧電セラミックスに電界を印加
する八　奇数番目と偶数番目とで分極が同一であると、
奇数番目に取り付けられる正極と、偶数番目に取り付け
られる負極とが板状圧電セラミックス間で、隣接するこ
ととなり、両者間に絶縁層を設けなければならない。こ
れに対し奇数番目と偶数番目とでそれぞれ分極方向が逆
となるように積層すると板状圧電セラミックス間に一つ
の電極を設けるだけで、その電極を隣接する板状圧電セ
ラミックス双方用の負極あるいは正極として共用できる
というメリットがあり、回路が簡略化できる。

このような電極は、焼結した板状圧電セラミックスの両
面に金属ペーストを印刷塗布したのち焼付ける方法、あ
るいはスパッタ゛リングなどのＰＶＤ法による圧電セラ
ミックス面への金属蒸着などによる方法で形成される。

さらに、基板の他方の面に板状圧電セラミックスＢを設
ける力＼　その抗電界Ｅｃ、は、第１から第ｎ番目の板
状圧電セラミックスＡ、〜Ａｎの抗電界Ｅｃ、よりも大
きい。

この結果、基板の他方の面に板状圧電セラミックスＡ、
を設けた場合に比べて、分極方向と逆方向に印加される
ことにより誘起される分極反転が起こりにくくなり、耐
久性に優れると同時に素子全体としてより高い電圧の印
加が可能となるという利点が生じる。

ここで、抗電界とは、分極方向と逆方向の電界を印加す
る場合、ある一定の電界を越えると分極反転が起こるが
、その時の電界をいう。

また、板状圧電セラミックスＢと前記第１の板状圧電セ
ラミックスＡ、の分極方向を同一方向とするのが、回路
構成を容易にする上で好適である。

〔作用〕

本発明では、板状圧電セラミックスを複数枚積層したこ
とで、大きな変位量と、発生力を得ることが可能である
。また、圧電セラミックスＡには電界を分極方向と同一
・方向に印加するので、分極反転という問題は起こり得
す、また、圧電セラミックスＢの抗電界が大きいため、
素子全体としては、大きな電圧を印加できる。

本発明の素子は、例えば、圧電アクチュエータ、振動子
などとして使用できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。

リン青銅からなる基板１の一方の面に、第１の板状圧電
セラミックスＡ、が設けら帳　さらに第１の板状圧電セ
ラミックス２に第２の板状圧電セラミックスＡ２が設け
られている。

また、基板ｌの他方の面に第３の板状圧電セラミックス
Ｂが設けられている。この板状圧電セラミックスＢの抗
電界Ｅｃ−よ１０　ｋ　Ｖ　／　ｃ　ｍ、　　前記第１
．２の板状圧電セラミックスＡｎ　　Ａ、の筑電界Ｅｃ
、は５ｋＶ／ｃｍで、ＥＣｂ＞ＥＣ＠を満たしている。

ここで、第１１　　第２の板状圧電セラミックスＡＡ２
はいずれも、Ｐｂ　（Ｍｇ＋７Ｊｂ２、ｓ）　ｓ、ｘｔｓＴｉｓ　ａ
ｖｓＺｒｓ、ｔａＯｘを↓成分とする化合物の焼結体か
らなり、圧電定数ｄ、−３８０ｘ　１０−１２　ｍ／Ｖ
で、−力板状圧電セラミックスＢの主成分は、Ｐｂ　（Ｍｇ＋７３Ｎｂ２，３）　＠　１ｔ５Ｔｉｓ、
ｚｔｓＺｒｓ、ａｓｏｘ＋ｓ、５２Ｍｎ０２で、圧電定数ｄ３．＝２４０ｘ　１１”ｍ／Ｖである。

いずれも両面に銀ペーストを印刷塗布し焼付けた後、面
方向と垂直に分極を施しである。

そして、基板１１　　第１の板状圧電セラミックスＡ２
、第２の板状圧電セラミックスＡ８、第３の板状圧電セ
ラミックスＢはそれぞれ接着剤で接着される。

積層にあたり第１の板状圧電セラミックスＡ。

でＩＬ　　分極の＋側が基板１側となるようにし、第２
の板状圧電セラミックスＡ２では、分極の一側が第１の
板状圧電セラミックスＡ、側となるようにしｔ４　　ま
た、第３の板状圧電セラミックスＢは分極の一側が基板
ｌ側となるようにし、この結果、分極方向が第１の板状
圧電セラミックスＡ、と第３の板状圧電セラミックスＢ
の分極方向が同方向となっている。

そして、第１の板状圧電セラミックスＡＩと第２の板状
圧電セラミックスＡ２との間の電極Ｓｌと、第３の板状
圧電セラミックスＢの基板とは反対側の電極Ｓ、とをそ
れぞれ電源４の負極に接続し、電極を兼ねた基板１と、
第２の板状圧電セラミックスＡ２における第１の板状圧
電セラミックス２とは反対側の面の電極Ｓ２にそれぞれ
電源４の正極を接続し　各板状圧電セラミックスＡｎ　
　Ａ、には分極方向と同一方向に、板状圧電セラミック
スＢには分極方法と逆方向に電界を印加したこれにより、各板状圧電セラミックスＡｎ　　Ａ。

が収縮し、板状圧電セラミックスＢが伸張するため、素
子全体が屈曲変位しな基板１の厚さ１．μへ　第１の板状圧電セラミックスＡ
、の厚さｔ、μ瓜　第２の板状圧電セラミックスＡ２の
厚さｔ２μへ　第３の板状圧電セラミックスＢの厚さｔ
８μｍを適宜選択し、変位量δμｍ、発生力Ｆ　（ｇ）
を測定した　なお、印加電圧Ｖは、圧電セラミックスＢ
に印加される電界が抗電界の５０％となるように設定し
た　結果を第１表に示す。なお、　ｔ、は、素子全体の
厚さであり、素子の幅は１０ｍｍ、　　駆動長さは２０
ｍｍと一定とした。

（本頁、以下余白）第１表ここで比較例１は従来技術のひとつで分極方向と逆方向
に電界が印加されるセラミックスに抗電界の高い材料を
用いた改良バイモルフの測定（Ｌである。

これに対し、本発明による積層バイモルフ型圧電素ｆの
実施例１は、比較例２に比べて、大きな変位量と発生力
を示し、圧電セラミックスＡ２のＪ７さを適当な厚さに
変えた実施例２は、さらに大きな変位量と発生力を示す
ことが判る。

〔発明の効果〕

本発明では、従来のパイモルフル圧電素子−に比較して
、板状圧電セラミックスを複数枚積層したことで、大き
な変位量と、発生力を得ることができる。

しかも、本発明では、基板の一方の面において板状圧電
セラミックスの厚さが基板から離れるにつれて薄＜シた
ため、各板状圧電セラミックスに同じ電圧を印加した場
合、電極間隔の狭い第ｎ十１番目の板状圧電セラミック
スにかがる電界（＝電圧／Ｊ’！さ）が、電極間隔の広
い第ｎ番目の板状圧電セラミックスにかかる電界よりも
大きくなる。

したがって、分極と垂直方向の収縮率は、第ｎ＋１番目
の板状圧電セラミックスについてのそれが、第ｎ番目の
板状圧電セラミックスについてのそれより大きくなる。

また、前記板状圧電セラミックスＢの抗電界ＥＣ５が前
記第１から第ｎ番目の板状圧電セラミックスＡ、〜Ａ、
の抗電界Ｅｃ、よりも大きいため、分極方向と逆方向に
電界が印加されるセラミックスＢの分極反転が起こらず
、耐久性に優れた素子を得ることが出来る。また、素子
全体に印加する電圧を上げることが可能となることから
、より大きな変位量、発生力が得られる。

という効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層バイモルフ型圧電素子の一例を示
した断面図、第２図は従来のバイモルフ型圧電素子の一
例を示した断面図である。Ａ。Ｂ　・Ｓ、　ふ。第１の板状圧電セラミックス第２の板状圧電セラミックス第３の板状圧電セラミックス電源Ｓ３　　電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板の一方の面に、厚さｔ＿１の第１の板状圧電
セラミックスＡ＿１を設け、この第１の板状圧電セラミ
ックスＡ＿１の面上に、さらに厚さｔ＿２の第２の板状
圧電セラミックスＡ＿２を設けて、順次、板状圧電セラ
ミックスをｎ枚積層するものとし（ｎは２以上の自然数
）、第ｎ番目の板状圧電セラミックスＡ＿ｎの厚さをｔ
＿ｎとした場合、各板状圧電セラミックスの厚さが相互
にｔ＿ｎ−ｔ＿ｎ＿＋＿１＞０となる関係とし、さらに、基板の他方の面に、厚さｔ＿Ｂの板状圧電セラ
ミックスＢを設け、また、前記各板状圧電セラミックスは面方向と垂直に分
極され、板状圧電セラミックスＡ＿１〜Ａ＿ｎには分極
方向と同一方向に電界を印加するようにし、板状圧電セ
ラミックスＢには分極方向と逆方向に電界を印加するよ
うに構成し、前記板状圧電セラミックスＢの抗電界Ｅｃ＿ｂが前記第
１から第ｎ番目の板状圧電セラミックスＡ＿１〜Ａ＿ｎ
の抗電界Ｅｃ＿ａよりも大きいことを特徴とする積層バ
イモルフ型圧電素子。