JPS62249600A - 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】 〔技術分野〕 この発明は、超音波センサなどに用いられる、圧電セラ
ミックスを備えた圧電素子に関する。

〔背景技術〕

圧電素子の材料としては種々のものが知られているが、
最近、主として性能上の理由からセラミックスが多く用
いられるようになっている。このような圧電セラミック
スを圧電素子に用いた超音波センサも実用化されており
、各種工業計器、自動車部品、観測計器などに広く用い
られている。

超音波センサに圧電セラミックスがこのように多く利用
されるようになったのは、圧電セラミックスを用いた圧
電素子の変換効率が高いこと、比較的高温まで安定であ
ること、送波、受波が兼用できることなどの優れた特性
によるものである。

超音波センサに備えられた圧電素子は、一般に圧電セラ
ミックスの薄板を金属板に張りつける（ユニモルフ型）
か、２枚の圧電セラミックスを張り合わせた（バイモル
フ型）構造となっている。

いずれの場合も、このような超音波センサは、圧電セラ
ミックスの屈曲振動を振動源とし、その屈曲振動の共振
特性によって超音波を発生し、あるいは、超音波を受け
て電圧に変換することにより送受波するようになってい
る。このときの超音波の送波、受波感度は、圧電セラミ
ックスの厚みに反比例して高くなる。一方、超音波セン
サの音圧特性については、圧電セラミックスに生じる歪
みが大きいほど、発生する音圧も大きくなる。このとき
の圧電セラミックスに発生する歪みＳは、次式であられ
される。

５ｏｃ（ｄ／ｌ）Ｖｓ ここに、ｄは圧電セラミックスの圧電定数、ｔは圧電セ
ラミックの厚み、Ｖｓは印加電圧である。したがって、
ｔを小さくできれば歪みＳを大きくすることができるの
で、結局、圧電セラミックスの厚みを薄くできれば、こ
れを用いた超音波センサの音圧を大きくすることができ
ることとなる。そして、音圧を一定にするとすれば、圧
電セラミックスの厚みを薄くするほど、超音波センサを
駆動するための印加電圧６才小さくてすむこととなる。

したがって、超音波センサの性能を改善するため、これ
まで圧電セラミックスの厚みを薄くする努力もなされ、
この方面からも超音波センサとしての感度の向上および
低電圧駆動の実現がはかられてきた。しかし、圧電セラ
ミックスの厚みを薄くすることは、必然的に圧電素子と
しての強度を弱いものにし、製造工程の上からも困難性
が増すようになるので、その厚みはたかだか２００　Ｉ
！ｍ程度にするのが限度であった。一方において、より
低電圧で駆動することができ、しかも高性能な超音波セ
ンサの出現に対する要求は、依然として強いものがあっ
た。

〔発明の目的〕

以上の点に鑑み、この発明は、超音波センサに用いれば
、その送受波感度を高くし、より低電圧で駆動させるこ
とができる圧電素子を提供することを目的とする。

〔発明の開示〕

上記目的を達成するため、この発明は、圧電セラミック
スを備えた圧電素子において、前記圧電セラミックスが
、電極層の介在により複数の薄層からなる積層構造を有
していることを特徴とする圧電素子を要旨とする。

以下にこれを、その一実施例をあられす図面を参照しつ
つ詳しく説明する。

第１図は、圧電素子１の構造をあられしている。この圧
電素子１の圧電セラミックス部分は、圧電セラミックス
薄層２とそれよＪ／Ｊ薄い電極層３とが交互に積層され
た円板状の３層構造となっている。すなわち、圧電セラ
ミックスが、電極層３の介在により、３Ｎの薄層２．２
．２からなる積層構造を有しているのである。そのため
、圧電素子１における圧電セラミックス部分の全体の厚
みは従来のものと同程度であって強度上問題はなく、し
かも、各圧電セラミックス薄層２の厚みが積層数に応じ
て薄くなっていることにより、前述の関係式における厚
みｔの減少を達成できている。

圧電素子の形状は、同図にみるような円板状に限定され
るものではなく、厚みが均一なものであれば、角状、楕
円状などであってもよい。層構造についても、もとより
３層に限られるものではなく、目的、用途に応じ適宜の
数だけ積層される。

その場合、電極層３と圧電セラミックス薄層２は交互に
積層されることが必要である。このような構造にするこ
とによって、圧電素子としての機能である電気、機械エ
ネルギ変換を効率よく行わせることができるのである。

圧電素子１の厚みは、全体では従来の厚みとほぼ同じ程
度であるので、各圧電セラミックス薄層２を十分薄いも
のとしても、全体の強度が問題となることはない。

つぎに、上にみたような圧電素子１の製法を述べる。

まず、純度９９．５％以上のＰｂＯ，ＴｉＯ□、ＺｒＯ
２を用いて、組成がＰｂ　（Ｚｒｏ、ｓ　Ｔｌ。、５）
Ｏｚとなるように各化合物を秤量し、混合する。これら
をボールミルによって粉砕した後、８００℃で仮焼した
。生成した仮焼物を、再度ボールミルを用いて粉砕し、
微粉末とした。この粉末に適量のバインダを加え、印刷
用のペーストとした。ついで、べつに用意した印刷基板
の上に、この圧電セラミックス薄層となるペーストと電
極層となるｐｔペーストを交互になるよう印刷し、圧電
セラミックス薄層の３層構造体とした。このような積層
体を、焼成し、第１図に示すような円板状の圧電セラミ
ックスからなる圧電素子を作成した。得られた圧電素子
の直径は８．５　ｖｎｓであり、各圧電セラミックス薄
層の厚みは約６０　ｐｍで、全体の厚みは１９０μｍで
あった。上にみたように、このような薄い圧電セラミッ
クス層を備えた圧電素子の製法は、従来の印刷手法をそ
のまま用いることができるので、工程上、とくに困難性
はない。

なお、この実施例では圧電セラミックスの材料として、
チタン酸ジルコン酸鉛系、いわゆるＰＺＴを用いたが、
もとよりこれに限定されるものではな（、圧電性を有す
るセラミックスであればどのようなものでもよい。電極
についても、ｐｔペーストを焼成したものに限られない
ことは言うまでもない。

このようにして作成された圧電素子１を用いて、第２図
に示すような超音波センサを組み立てた。この超音波セ
ンサは、圧電素子１の側面に外部電極４を取りつけた後
、その表面に振動板となる直径１２酊、厚み０．２ｆｉ
の金属板（この場合、洋白）５を張りつけ、これをホル
ダ６に固定したものである。このような超音波センサに
２５Ｖの電圧を印加し、周波数を変化させた場合の出力
特性を調べてみた。その結果を、第３図にＡで示す。

同図には、比較例Ｂとして、この発明にかかる圧電素子
と同一成分および同一形状を有し、従来の構造（単層構
造）を有する圧電素子を備えた超音波センサを用いた。

比較例Ｂは、同図におけるＡと同程度の出力特性を発揮
するためには、印加電圧として４８Ｖを要した。このよ
うに、この発明にかかる圧電素子を用いた超音波センサ
は、従来の圧電素子を用いたものに比べて、特性が同じ
であればより低電圧で駆動することが可能となるのであ
る。一方、受波特性も、上記ＡとＢでは差異が認められ
なかった。

なお、この圧電素子は、超音波センサにのみ使用される
ものではない。たとえば、マイクロフォン、ピックアッ
プ、スピーカなどの音響素子、アクチュエータなどとし
ても使用できるものである〔発明の効果〕 この発明にかかる圧電素子は、以上のような構成になっ
ているので、これを超音波センサなどに用いると、圧電
セラミックスに生じる歪みが大きいものとなって、発生
する超音波の音圧を大きいものとすることができ、その
結果、従来の超音波センサに比べ格段に送受波感度の高
いものが得られることとなる。発生する音圧を従来程度
とすると、超音波センサを駆動するための印加電圧を著
しく低下させることができるので、駆動電源として電池
を用いることも可能となり、配線をコードレスにするこ
ともできて、とくに、最近発展の百覚ましいカーエレク
トロニクス用として好適なものとなる。しかも、このよ
うな圧電素子を作成するのに、従来の手法を採用するこ
とができるので、製法上とくに困難な問題はない。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明にかかる圧電素子の一実施例をあられ
す斜視図、第２図は同上の圧電素子を用いた超音波セン
サをあられす断面図、第３図は同上の超音波センサの特
性をあられすグラフである１・・・圧電素子　２・・・
圧電セラミックス薄層　３・・・電極層 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電セラミックスを備えた圧電素子において、前
   記圧電セラミックスが、電極層の介在により複数の薄層
   からなる積層構造を有していることを特徴とする圧電素
   子。