JPS63268279A - 圧電バイモルフ素子 - Google Patents
圧電バイモルフ素子Info
- Publication number
- JPS63268279A JPS63268279A JP62101568A JP10156887A JPS63268279A JP S63268279 A JPS63268279 A JP S63268279A JP 62101568 A JP62101568 A JP 62101568A JP 10156887 A JP10156887 A JP 10156887A JP S63268279 A JPS63268279 A JP S63268279A
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- JP
- Japan
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- dielectric constant
- electrodes
- piezoelectric
- piezo
- ceramics
- Prior art date
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- Pending
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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
【発明の詳細な説明】
く技術分野の概要〉
本発明は、圧電材料の逆圧電効果で発生する歪みを利用
する圧電バイモルフ素子に関する。
する圧電バイモルフ素子に関する。
圧電を利用するアクチュエータは、圧電材料が発生する
歪量が絶対的小さいため、圧電材料の単体をそのまま使
用することは少ない。
歪量が絶対的小さいため、圧電材料の単体をそのまま使
用することは少ない。
また現在一般的に用いられているものは、積層型圧電ア
クチュエータとバイモルフ型圧電アクチュエータとの２
つに分類でき、いずれも圧電定数が大きい圧電セラミッ
クス材料が多く用いられている。 前者は縦効果（分極
方向と同じ方向の伸び縮み）を用いるもので、両面に電
極を施し厚み方向に分極処理したセラミックス板を単位
とし、これを複数個厚み方向に積層し、各単位素子は電
気的に並列接続したもので、これに電圧を印加した場合
、各単位素子が発生する歪みは厚み方向に加算されるた
め、単体の圧電セラミックス棒の縦効果で発生する歪量
に比して積層数倍の歪が得られるものである。
クチュエータとバイモルフ型圧電アクチュエータとの２
つに分類でき、いずれも圧電定数が大きい圧電セラミッ
クス材料が多く用いられている。 前者は縦効果（分極
方向と同じ方向の伸び縮み）を用いるもので、両面に電
極を施し厚み方向に分極処理したセラミックス板を単位
とし、これを複数個厚み方向に積層し、各単位素子は電
気的に並列接続したもので、これに電圧を印加した場合
、各単位素子が発生する歪みは厚み方向に加算されるた
め、単体の圧電セラミックス棒の縦効果で発生する歪量
に比して積層数倍の歪が得られるものである。
一方、圧電バイモルフは、圧電セラミックスの横効果（
分極方向と同じ方向の伸び縮み）を用いるもので、両面
に電極を形成して厚み方向に分極処理した２枚の矩形圧
電セラミックス板を中間電極層として、導電性のある薄
片シム板を挟んで２枚貼り合わせ、一端を固定し２枚の
圧電セラミックスのうち、一方には分極と同じ方向の電
圧を印加して長さ方向に縮みを、他方には分極と逆の方
向に電圧を印加して長さ方向に伸びの歪みを夫々発生さ
せて、自由端が大きく屈曲させるものである。
分極方向と同じ方向の伸び縮み）を用いるもので、両面
に電極を形成して厚み方向に分極処理した２枚の矩形圧
電セラミックス板を中間電極層として、導電性のある薄
片シム板を挟んで２枚貼り合わせ、一端を固定し２枚の
圧電セラミックスのうち、一方には分極と同じ方向の電
圧を印加して長さ方向に縮みを、他方には分極と逆の方
向に電圧を印加して長さ方向に伸びの歪みを夫々発生さ
せて、自由端が大きく屈曲させるものである。
この構造は、そのものに変位の拡大機構を備えており、
比較的大きな歪みを発生させることができる。
比較的大きな歪みを発生させることができる。
積層型圧電アクチュエータは、変位量は少ないが大きな
力を発生させることができる。また、バイモルフをアク
チュエータは、変位量は大ぎいが構造上発生できる力は
少ない。各々特徴に応じて用いられている。
力を発生させることができる。また、バイモルフをアク
チュエータは、変位量は大ぎいが構造上発生できる力は
少ない。各々特徴に応じて用いられている。
〈従来技術の問題点〉
ところで、この種の圧電バイモルフ型アクチュエータは
、基本的には２枚の圧電セラミックス板を接合してなる
構造のため、■接着工程の中間がコストアンプとなる。
、基本的には２枚の圧電セラミックス板を接合してなる
構造のため、■接着工程の中間がコストアンプとなる。
■接着のばらつきによる性能のばらつきを生ずる。■接
着工程でセラミックスにひび割れを生ずる危険があり信
頼度が低い等の欠点がある。
着工程でセラミックスにひび割れを生ずる危険があり信
頼度が低い等の欠点がある。
〈本発明の目的〉
本発明はかかる点に鑑み、単一の焼成体の両面に電極を
形成し分極処理するとき、中立線を境界にした２つのセ
ラミックス層の誘電率が弧となるため電界強度に差を生
じ、一方の誘電率が高いセラミックス層に加わる電界強
度がその部分を充分分極するには不足し、他方の誘電率
の低いセラミックス層のみ充分な分極電界が印加される
ようにすることにより、分極程度に大鰺な差を生ザしぬ
、結果的に圧電歪み定数に差を持たせた構造であり、電
極間に電圧を印加した場合に圧電歪定数の差を誘電率の
差による電界強度の差によって、一方は歪みを発生する
が他方はほとんど歪みを発生しないことに起因して、一
端を固定したとき他方の自由端を大きく屈曲ならしめる
ことができ、製造が簡便で低価格かつ信頼度の高い圧電
バイモルフ素子を提案することを主たる目的とする。
形成し分極処理するとき、中立線を境界にした２つのセ
ラミックス層の誘電率が弧となるため電界強度に差を生
じ、一方の誘電率が高いセラミックス層に加わる電界強
度がその部分を充分分極するには不足し、他方の誘電率
の低いセラミックス層のみ充分な分極電界が印加される
ようにすることにより、分極程度に大鰺な差を生ザしぬ
、結果的に圧電歪み定数に差を持たせた構造であり、電
極間に電圧を印加した場合に圧電歪定数の差を誘電率の
差による電界強度の差によって、一方は歪みを発生する
が他方はほとんど歪みを発生しないことに起因して、一
端を固定したとき他方の自由端を大きく屈曲ならしめる
ことができ、製造が簡便で低価格かつ信頼度の高い圧電
バイモルフ素子を提案することを主たる目的とする。
く本発明の実施例〉
以下本発明の一実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。
に説明する。
圧電セラミックスは、配合組織によって特性を幅広く調
整し得ることが知られている。第１図及＝３− び第２図は圧電セラミックスとしては代表的なＰＺＴ系
圧電セラミンクスの一例であるＰ ｂ（Ｍ ｎ、、。
整し得ることが知られている。第１図及＝３− び第２図は圧電セラミックスとしては代表的なＰＺＴ系
圧電セラミンクスの一例であるＰ ｂ（Ｍ ｎ、、。
Ｎ ｂ２．、）０３Ｐ ｂ Ｚ ｒ Ｏ３Ｐ ｂ Ｔ
＋ Ｏｖ ｊ１％の三成分系圧電セラミックスの配合組
成と誘電率及び電気機械結合係数との関係を示す三元マ
ツプである。誘電率及び電気機械係合係数の大きい配合
は、ＰｂＺ「０．とＰ ｂ Ｔ ＩＯ３の配合が等モル
に近い線上に存在する。この部分は圧電的に最も活性で
あり、圧電ｄ定数も最も大きい部分である。また、この
線からいずれかの方向にずれても誘電率、電気機械係合
係数も小さくなり圧電ｄ定数も小さくなっている。
＋ Ｏｖ ｊ１％の三成分系圧電セラミックスの配合組
成と誘電率及び電気機械結合係数との関係を示す三元マ
ツプである。誘電率及び電気機械係合係数の大きい配合
は、ＰｂＺ「０．とＰ ｂ Ｔ ＩＯ３の配合が等モル
に近い線上に存在する。この部分は圧電的に最も活性で
あり、圧電ｄ定数も最も大きい部分である。また、この
線からいずれかの方向にずれても誘電率、電気機械係合
係数も小さくなり圧電ｄ定数も小さくなっている。
そこで、一つの組成はこの誘電率が高く、かつ電気機械
結合係数の高い部分から池の誘電率が同じレベルかそれ
以上でかつ電気機械係合係数の低い部分から選定し、こ
の粉末に有機バインダを混ぜて所定の処理をしてスラリ
ー化し、ドクターブレード法等によってシート化した２
組成のシートを熱圧着によって２枚を一定の厚さと大き
さに積層した＠矩形に打ち抜き、バインダ類の分解する
４一 温度約６００℃で数時間処理した後、１２００℃前後の
温度で数時間焼成して複合積層セラミックス板を得るも
のである。
結合係数の高い部分から池の誘電率が同じレベルかそれ
以上でかつ電気機械係合係数の低い部分から選定し、こ
の粉末に有機バインダを混ぜて所定の処理をしてスラリ
ー化し、ドクターブレード法等によってシート化した２
組成のシートを熱圧着によって２枚を一定の厚さと大き
さに積層した＠矩形に打ち抜き、バインダ類の分解する
４一 温度約６００℃で数時間処理した後、１２００℃前後の
温度で数時間焼成して複合積層セラミックス板を得るも
のである。
重要な点は、２組成の粉末から成るシートの焼成過程に
おいて収縮率に差を生ぜしめないことであり、この調整
のため若干の添加物とシートの製造条件でグリーンシー
トの密度をコントロールする必要がある。
おいて収縮率に差を生ぜしめないことであり、この調整
のため若干の添加物とシートの製造条件でグリーンシー
トの密度をコントロールする必要がある。
この複合積層板は、この両面に銀ペーストの焼き付は又
は蒸着、スパッタリング等で電極を形成した後、一定温
度下で電極間に直流電圧を印加することにより、分極処
理されるものである。
は蒸着、スパッタリング等で電極を形成した後、一定温
度下で電極間に直流電圧を印加することにより、分極処
理されるものである。
便宜上、以上の製造工程を抜粋すると、■粉末製造（秤
量、仮焼、粉砕）、■シート形成、■熱圧着、■打ち抜
き、■バインダ処理、■焼結、■電極形成、■分極のよ
うになる。
量、仮焼、粉砕）、■シート形成、■熱圧着、■打ち抜
き、■バインダ処理、■焼結、■電極形成、■分極のよ
うになる。
第３図は本発明の基本構造を示す図である。１゜２は誘
電率の異なる圧電セラミックス層を示し、相互に接合さ
れている。そして上下面に電極３が形成され、その−万
端は固定具４，４により固定されて使用される。各電極
３にはリード端子５が接続され、一定の電圧が印加され
ることになる。
電率の異なる圧電セラミックス層を示し、相互に接合さ
れている。そして上下面に電極３が形成され、その−万
端は固定具４，４により固定されて使用される。各電極
３にはリード端子５が接続され、一定の電圧が印加され
ることになる。
この２つの組成のセラミックスよりなる層に加わる電界
強度の意味については、第４図を用いて説明する。両電
極間に電圧Ｖを印加したとき、電極間で電束密度りは不
変であるため（１）式が成り立つ。
強度の意味については、第４図を用いて説明する。両電
極間に電圧Ｖを印加したとき、電極間で電束密度りは不
変であるため（１）式が成り立つ。
Ｄ＝εＩＥ、＝ε２Ｅ２・・・・・・（１）（但し、ε
１．ε２は２つのセラミックス層の誘電率、Ｅ、、Ｅ２
は電界強度） また印加電圧■との関係は（２）式が成り立つ。
１．ε２は２つのセラミックス層の誘電率、Ｅ、、Ｅ２
は電界強度） また印加電圧■との関係は（２）式が成り立つ。
Ｖ＝ＥＩＬ１＋Ｅ２ｔ２・・・・・・（２）（但し、Ｌ
ｌ、Ｉ２は２つのセラミックス層の厚み） よって、（１）式及び（２）式よ１） Ｅｌ＝Ｖ／ｌｌ＋（ε１／ε２）ｔ。
ｌ、Ｉ２は２つのセラミックス層の厚み） よって、（１）式及び（２）式よ１） Ｅｌ＝Ｖ／ｌｌ＋（ε１／ε２）ｔ。
Ｅ２；＝Ｖ／（ε１／ε２）Ｊ＋ｔ、・・・・・・（３
）ｔ＋＝ｔ２とすると、 Ｅ、＝Ｖ／ｌ・ １／１＋（ε １／ε２）Ｅ ２＝
Ｖ ／ｌ・１／（ε２／ε１）＋１・・・（３′）式（
３′）によれば、ε２／ε１の比が２であればＥ、／Ｅ
２の比も２つになることがわかる。従って、双方の誘電
率の所定の比を選ぶことによって、一方のセラミックス
には分極に充分な電界が与えられ、他方には分極するに
不足の電界となる分極条件が設定できることになる。従
って、所定の温度、電圧によって分極処理した複合セラ
ミックス板は境界層を境にして圧電性を有する部分と圧
電性の無い部分とで構成することがでトる。
）ｔ＋＝ｔ２とすると、 Ｅ、＝Ｖ／ｌ・ １／１＋（ε １／ε２）Ｅ ２＝
Ｖ ／ｌ・１／（ε２／ε１）＋１・・・（３′）式（
３′）によれば、ε２／ε１の比が２であればＥ、／Ｅ
２の比も２つになることがわかる。従って、双方の誘電
率の所定の比を選ぶことによって、一方のセラミックス
には分極に充分な電界が与えられ、他方には分極するに
不足の電界となる分極条件が設定できることになる。従
って、所定の温度、電圧によって分極処理した複合セラ
ミックス板は境界層を境にして圧電性を有する部分と圧
電性の無い部分とで構成することがでトる。
したがって、構成するセラミックスとしては、誘電率が
ε１、ε２の２相からなるものとなる。ヤング率は等し
くＹ、、ｒ−とし、一端を固定している矩形板の形状は
５ＸＷＸ２ｔの両電極間に電圧■を印加したときの自由
端のたわみδを求めてみる。
ε１、ε２の２相からなるものとなる。ヤング率は等し
くＹ、、ｒ−とし、一端を固定している矩形板の形状は
５ＸＷＸ２ｔの両電極間に電圧■を印加したときの自由
端のたわみδを求めてみる。
ε２〈ε１としてε、側に蓄えられるエネルギＵ１は、
Ｕ、＝１／２Ｅ、・Ｄ、・Ｗ （ｌ ｔ＝１７２・ＷＩ
２７ｔ・ε１／（１＋ε１／ε２）２・Ｖ２ε１側のセ
ラミックスに蓄えられる機械エネルギＵｍは、 Ｕ拍＝３／４に、、２・Ｕｌ ＝３７４に、、２・１／２Ｗ （１／ｌ・ε１／（１＋
ε１／ε２）２・ Ｖ２ 矩形板が反りを発生するエネルギ源はＵｍである。反り
を生じているときの曲率半径をＲとすると、反りの弾性
エネルギＵｍ’は、 Ｕｍ’ ＝ （ｌ Ｙ Ｉｚ／２ Ｒ２Ｕｍ’はＵｍそ
のものであり、 ｆｆＹＩｚ／２Ｒ２＝３７４に３．２・Ｗ、１７／２１
ε＋７（１＋ε１／ε２）２・■２ バイモルフ先端の変位δと曲率Ｒとの関係は第５図によ
り簡単な幾何学的考察より、 δ＝Ｒｃｏｓθ＝Ｒ（１ｃｏｓθ） 中Ｒ（１（１−θ２／２１＋・・・・・・））＝Ｒθ２
／’２＝Ｒ／２・Ｉ２２／２Ｒ＝ρ２／２Ｒ 従って、 δ＝３／４ＪＴ−ａ２／（１＋ε１／ε２）・ｄ３１Ｖ
／１２今、ε１＝ε。×３０００、ε２−ε、Ｘ ６０
００、ｄ３１＝２５０×１０−１２ｍ／■、（１＝ ５
０ ｍｍ、 ｔ＝０．２５ｍｍ、Ｖ＝１００Ｖの場合に
は、δ＝０．３５ｍｍの変位が得られることになる。
Ｕ、＝１／２Ｅ、・Ｄ、・Ｗ （ｌ ｔ＝１７２・ＷＩ
２７ｔ・ε１／（１＋ε１／ε２）２・Ｖ２ε１側のセ
ラミックスに蓄えられる機械エネルギＵｍは、 Ｕ拍＝３／４に、、２・Ｕｌ ＝３７４に、、２・１／２Ｗ （１／ｌ・ε１／（１＋
ε１／ε２）２・ Ｖ２ 矩形板が反りを発生するエネルギ源はＵｍである。反り
を生じているときの曲率半径をＲとすると、反りの弾性
エネルギＵｍ’は、 Ｕｍ’ ＝ （ｌ Ｙ Ｉｚ／２ Ｒ２Ｕｍ’はＵｍそ
のものであり、 ｆｆＹＩｚ／２Ｒ２＝３７４に３．２・Ｗ、１７／２１
ε＋７（１＋ε１／ε２）２・■２ バイモルフ先端の変位δと曲率Ｒとの関係は第５図によ
り簡単な幾何学的考察より、 δ＝Ｒｃｏｓθ＝Ｒ（１ｃｏｓθ） 中Ｒ（１（１−θ２／２１＋・・・・・・））＝Ｒθ２
／’２＝Ｒ／２・Ｉ２２／２Ｒ＝ρ２／２Ｒ 従って、 δ＝３／４ＪＴ−ａ２／（１＋ε１／ε２）・ｄ３１Ｖ
／１２今、ε１＝ε。×３０００、ε２−ε、Ｘ ６０
００、ｄ３１＝２５０×１０−１２ｍ／■、（１＝ ５
０ ｍｍ、 ｔ＝０．２５ｍｍ、Ｖ＝１００Ｖの場合に
は、δ＝０．３５ｍｍの変位が得られることになる。
したがって、第３図に示す如と構造の圧電バイモルフの
両電極間に直流電圧を分極と同じ方向に加えると２つの
層とも長さ方向には縮みの歪みが発生するが、一方は大
きく他方は小さいため、結果として、歪みの大とい方に
引かれて自由端は屈曲する電圧を逆に加える場合も同じ
で伸びの歪み量の差によって反対の方向に屈曲すること
になる。
両電極間に直流電圧を分極と同じ方向に加えると２つの
層とも長さ方向には縮みの歪みが発生するが、一方は大
きく他方は小さいため、結果として、歪みの大とい方に
引かれて自由端は屈曲する電圧を逆に加える場合も同じ
で伸びの歪み量の差によって反対の方向に屈曲すること
になる。
そのため、この自由端の動きは従来の圧電バイモルフと
同じく、力・変位の発生源として圧電アクチュエータに
応用することが可能である。
同じく、力・変位の発生源として圧電アクチュエータに
応用することが可能である。
尚、本発明の応用で終る分野としては、圧電ファンの７
クチユエータ、圧電ポンプ、圧電リレー、その他自動販
売機の硬貨の処理等である。
クチユエータ、圧電ポンプ、圧電リレー、その他自動販
売機の硬貨の処理等である。
〈本発明の構成及び作用効果〉
以上述べたごとく本発明によれば、誘電率の異なる２１
１成の圧電セラミックスの原料粉末に、有機系バインダ
を混入してシート化し、各々を熱圧着した積層体を焼成
してなる複合セラミックス板の両面に、電極を形成して
分極処理をする際、中立線を境界にした２つのセラミッ
クス層の誘電率の相異による夫々の誘電率比を構成して
２つの相の分極程度の差を形成して圧電歪定数に差を持
たせたので、 単一の焼結体の両面に電極形成並びに分極処理を行なう
事で圧電アクチュエータが構成できるため、■製造が簡
単で低価格、■接着のプロセスがないため高信頼度の圧
電アクチュエータが得られる効果を有する。
１成の圧電セラミックスの原料粉末に、有機系バインダ
を混入してシート化し、各々を熱圧着した積層体を焼成
してなる複合セラミックス板の両面に、電極を形成して
分極処理をする際、中立線を境界にした２つのセラミッ
クス層の誘電率の相異による夫々の誘電率比を構成して
２つの相の分極程度の差を形成して圧電歪定数に差を持
たせたので、 単一の焼結体の両面に電極形成並びに分極処理を行なう
事で圧電アクチュエータが構成できるため、■製造が簡
単で低価格、■接着のプロセスがないため高信頼度の圧
電アクチュエータが得られる効果を有する。
すなわち本発明による圧電アクチュエータは、発生でき
る変位もしくは発生力は、従来の圧電バイモルフに比較
すると、その性能は１／２以下になるが、製造並びに構
造の単純さから、低価格と高信頼性という有利な利点か
あり、したがって、製造が簡単で信頼度の高く、低価格
の利点を持った圧電アクチュエータの提供が可能になる
。
る変位もしくは発生力は、従来の圧電バイモルフに比較
すると、その性能は１／２以下になるが、製造並びに構
造の単純さから、低価格と高信頼性という有利な利点か
あり、したがって、製造が簡単で信頼度の高く、低価格
の利点を持った圧電アクチュエータの提供が可能になる
。
第１図及び第２図は圧電セラミックスの一例たるＰＺＴ
系圧主圧電セラミックス合組成と誘電率及び電気機械結
合係数との関係を示す三元マツプ、第３図は本発明方法
により構成したバイモルフ素子め一例を示す構成図、第
４図は本発明の電界強度の説明に供する図、第５図は本
発明バイモルフの反りの説明に供する図である。
系圧主圧電セラミックス合組成と誘電率及び電気機械結
合係数との関係を示す三元マツプ、第３図は本発明方法
により構成したバイモルフ素子め一例を示す構成図、第
４図は本発明の電界強度の説明に供する図、第５図は本
発明バイモルフの反りの説明に供する図である。
Claims (1)
- 誘電率の異なる２組成の圧電セラミックスの原料粉末
に、有機系バインダを混入してシート化し、各々を熱圧
着した積層体を焼成してなる複合セラミックス板の両面
に、電極を形成して分極処理をする際、中立線を境界に
した２つのセラミックス層の誘電率の相異による夫々の
誘電率比を構成して２つの相の分極程度の差を形成して
圧電歪定数に差を持たせたことを特徴とする圧電バイモ
ルフ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62101568A JPS63268279A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 圧電バイモルフ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62101568A JPS63268279A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 圧電バイモルフ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63268279A true JPS63268279A (ja) | 1988-11-04 |
Family
ID=14304011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62101568A Pending JPS63268279A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 圧電バイモルフ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63268279A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5032158A (en) * | 1988-03-02 | 1991-07-16 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Method of manufacturing thermal printer head |
| CN115454249A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-09 | 北京京东方技术开发有限公司 | 压电元件、压电振动器及电子设备 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5568687A (en) * | 1978-11-17 | 1980-05-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fabrication of composite piezo-electric ceramics |
| JPS59121889A (ja) * | 1982-12-28 | 1984-07-14 | Toshiba Corp | 圧電バイモルフの製造方法 |
-
1987
- 1987-04-24 JP JP62101568A patent/JPS63268279A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5568687A (en) * | 1978-11-17 | 1980-05-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fabrication of composite piezo-electric ceramics |
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| CN115454249A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-09 | 北京京东方技术开发有限公司 | 压电元件、压电振动器及电子设备 |
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