JPH046884A - 積層ユニモルフ型圧電素子 - 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〕 本発明は積層ユニ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
東　バイモルフを圧電素子や、ユニ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鷹　例えは　第２図のようく　２
枚の矩形状の圧電体１０．１１を分極方向が同方向とな
るようをミ　金属板などによって形成された弾性基板１
２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いる
。

一方、ユニモルフ型圧電素子頃　第３図のように基板１
５の片面にのべ　分極された圧電体１６を張り合わせた
構造で、分極方向と同一方向の電界を印加して圧電体１
６を分極方向と垂直に収縮させ、その結策　屈曲変位す
るようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし　バイモルフ型でミ　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が、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。

この点、分極方向と逆方向の電界を印加することがなく
、分極反転のないユニモルフ型が有利であるが、ユニモ
ルフ型は分極と同一方向のみに電界を印加し　圧電体を
収縮させるだけであるから、圧電体の収縮と伸張を組み
合わせたバイモルフ型に比較Ｌ−変位量が少ない。

本発明はこのような背景の下になされたもので、ユニモ
ルフ型の利点を活かし、その欠点を改良して、変位量も
発生力も大きいユニ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、基板の片面に、面方向と垂直に分
極された板状圧電セラミックスを複数枚積層し　電界を
分極方向と同一方向に印加するよつ構成したユニモルフ
型の圧電素子である。

ここで、基板は可撓性、もしく頃　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、伸縮あるは伸張しないことが望ま
しい。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２５ζ、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１
０μｍ〜１ｍｍ、　　特に好ましくは３０μｍ〜２００
μｍがよい。

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〜２００
μｍがよい。

板状圧電セラミックスの積層にあたっては、基板側から
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
うに積層するのが、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ｔ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
する力τ、奇数番目と偶数番目とで分極方向が同一であ
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、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。また
、焼結前の圧電セラミックスのグリーンシートの片面に
金属ペーストを印刷塗布したものを３枚以上槽層したの
ち、圧電セラミックスの焼結と同時に電極を焼付けて形
成させることもできる。この場合、外側の２枚の圧電セ
ラミックスのうちの１枚１戴　外表面に電極が形成され
ず、圧電的に不活性なため、基板として作用させること
ができる。

なお、圧電セラミックスを積層した圧電素子としては、
特開昭６０−１７８６７７号、特開昭６１−１２７８号
、特開昭６１−１９１０８５号、特開昭６３−２３９０
などが知られているが、これらは、バイモルフ型であり
、ユニモルフ型で積層とした点に特徴を有する本発明と
は異なる。

〔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、ユニモルフ型であっても、大きな変位量と、発生
力を得ることが可能である。また、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、大きな電界を印加できる。

本発明の素子は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の片面＆へ　第１の板状圧電セ
ラミックス２が積層さ札　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３が積層されて
いる。

第１及び第２の板状圧電セラミックス２．３はいずれも
、 Ｐｂ　（Ｍｇ１−３Ｎｂ２−３）　ａ３７ｓＴｉｓ、５
ｔ５Ｚｒｓ、ｚｓｏ３を主成分とする化合物の焼結体か
らなり、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１、第１の板状圧電セラミックス２、第２
の板状圧電セラミックス３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２では、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３で頃　分極の一側が第１の板状圧電セラミ
ックス２側となるようにした そして、第１の板状圧電セラミックス２と第２の板状圧
電セラミックス３との間の電極Ｓ、を電源４の負極に、
基板１と、第２の板状圧電セラミックス３における第１
の板状圧電セラミックス２の反対側の電極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２．
３の分極方向と同一方向に電界を印加し九　これにより
、各板状圧電セラミックス２，３が収縮獣　基板１が収
縮しないため、素子全体が屈曲変位した 基板１の厚さｔ５、第１の板状圧電セラミックス２の厚
さはｔｌ、　　第２の板状圧電セラミックス３の厚さｔ
２を適宜選択し　印加電圧を１００Ｖとし変位量δμ瓜
　発生力Ｆ　（ｇ）を測定しμ　結果を第１〜３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１８ｍｍと一定とした。

（本頁、以下余白） 第１表 比較例１および２から明らかなように、従来のユニモル
フ型圧電素子において、圧電セラミックスの厚さを一定
にし、基板の厚さを厚くする（素子全体の厚さも厚くな
る）と、変位量が低下し、発生力が増加する。これに対
し、本発明による積層ユニモルフ型圧電素子の実施例１
（戴　比較例２に比べて、大きな変位量と発生力を示す
ことが判る。また、実施例２は、比較例１に比べて、同
一電圧を印加した場合、大きな変位量と発生力を示し、
半分の印加で、はぼ同等の変位量と発生力を示すことが
判る。

また、バイモルフ型、従来のユニモルフ型、本発明の積
層ユニモルフ型の各種性能を比較すると、以下の第２表
のような結果となる。

（本頁、以下余白） 第２表 〔発明の効果〕 本発明で憾　バイモルフ型圧電素子に比較して、電界を
分極方向と逆方向に印加する必要がないので、電界の印
加による分極反転が起こることがなく、安定した変位量
と発生力を得ることができる。

また、何等かの要因で分極が弱くなっても、駆動に際し
ては分極方向に電界を印加するので、分極を再度強化す
ることができるという復元作用をも有する。

そして、従来のユニモルフ型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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層ユニモルフ型圧電素子の一例を示
した断面は　第２図は従来のバイモルフ型圧電素子の一
例を示した断面鳳　第３図は従来のユニモルフ型圧電素
子の断面図である。 １　　基板 ２　　第１の板状圧電セラミックス ３・・　第２の板状圧電セラミックス ４・　電源 ５、　５２・・電極 特許出願人　　　　　三井石油化学工業株式会社代理人
　　　　　　　　弁理士　佐　藤　宗　徳同　　　遠　
　山　　　　　勉 同　松倉秀実 変化方向 セラミ・ンクスのイ申び 第２図 第１図 変イ１ラテ【０ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　基板の片面に、面方向と垂直に分極された板状
   圧電セラミックスを複数枚積層し、電界を分極方向と同
   一方向に印加するよう構成した積層ユニモルフ型圧電素
   子。