JPH02180082A - Laminated piezoelectric element - Google Patents
Laminated piezoelectric elementInfo
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- JPH02180082A JPH02180082A JP63335612A JP33561288A JPH02180082A JP H02180082 A JPH02180082 A JP H02180082A JP 63335612 A JP63335612 A JP 63335612A JP 33561288 A JP33561288 A JP 33561288A JP H02180082 A JPH02180082 A JP H02180082A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
この発明は、アクチュエータとして用いられる積層型圧
電素子に関する。The present invention relates to a laminated piezoelectric element used as an actuator.
メカトロニクス機器の象、速な発展に伴い、この分野で
使用されるアクチュエータが注目されてきている。
現在、過半のアクチュエータは電磁力で駆動されている
ため、消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズの発生が
あり、これに代わるアクチュエータの開発が望まれてい
る。これに対し、固体の圧電効果を利用したアクチュエ
ータは、木質的に電磁式のアクチュエータの有する欠点
を克服できるばかりか、小型軽量でかつ振動、衝撃に対
して強いという利点がある。
この圧電アクチュエータとして、多数の圧電板を層状に
積み重ねた圧電縦効果駆動の積層型圧電素子がある。こ
の積層型圧電素子は、応答速度が速く、発生力が大きい
などの優れた特長を有し、各分野での応用が期待されて
いる。
第4図は、このような積層型圧電素子の従来の一般的な
構成を示すものである。第4図において、1は圧電セラ
ミックスからなる圧電材料層、2A、2Bは内部電極層
、3A、3Bは外部電極層である。このような積層型圧
電素子において、外部電極層3A、3Bを介して各圧電
材料層1の内部電極層2A、2B間に電圧を印加すると
、各圧電材料層1は圧電縦効果により伸縮し、その総和
とじて積層型圧電素子が縦方向に変位する。With the rapid development of mechatronic equipment, the actuators used in this field are attracting attention. Currently, the majority of actuators are driven by electromagnetic force, which not only consumes a large amount of power but also generates heat and electromagnetic noise.Therefore, there is a desire to develop actuators that can replace this. On the other hand, an actuator that utilizes the piezoelectric effect of a solid material not only can overcome the disadvantages of a wooden and electromagnetic actuator, but also has the advantage of being small and lightweight, and strong against vibrations and shocks. As this piezoelectric actuator, there is a laminated piezoelectric element driven by a piezoelectric longitudinal effect, in which a large number of piezoelectric plates are stacked in layers. This multilayer piezoelectric element has excellent features such as fast response speed and large generated force, and is expected to be applied in various fields. FIG. 4 shows a conventional general configuration of such a laminated piezoelectric element. In FIG. 4, 1 is a piezoelectric material layer made of piezoelectric ceramics, 2A and 2B are internal electrode layers, and 3A and 3B are external electrode layers. In such a laminated piezoelectric element, when a voltage is applied between the internal electrode layers 2A and 2B of each piezoelectric material layer 1 via the external electrode layers 3A and 3B, each piezoelectric material layer 1 expands and contracts due to the piezoelectric longitudinal effect. As a result of the sum total, the laminated piezoelectric element is displaced in the vertical direction.
ところで、このような構成の積層型圧電素子は圧電縦効
果を直接的に利用しているが、圧電材料の印加電圧に対
する変位量は木質的にヒステリシスを持つものであり、
積層型圧電素子をサーボ素子として用いるときにはこの
ヒステリシスが問題になる。
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、ヒスプリ
シスを小さくした積層型圧電素子を提供することを目的
とするものである。By the way, the laminated piezoelectric element with such a configuration directly utilizes the piezoelectric longitudinal effect, but the amount of displacement of the piezoelectric material with respect to the applied voltage has hysteresis due to wood quality.
This hysteresis becomes a problem when using a laminated piezoelectric element as a servo element. This invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a laminated piezoelectric element with reduced hysteresis.
上記目的を達成するために、この発明は、圧電材料層と
内部電極層とが交互に積層され、前記内部電極層間に外
部電極層を介して電圧が印加されることにより前記圧電
材料層が伸縮する積層型圧電素子において、圧電縦効果
を利用した圧電縦効果変位素子部と圧電横効果を利用し
た圧電横効果変位素子部とを重ね合わせて構成するもの
とする。
ここで、圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の
圧電セラミックスなど、電圧−歪み特性、温度−歪み特
性、クリープ特性、応答性などの良好な材料を用いるの
がよい。内部電極としては銀電極、導電性接着剤などが
用いられる。圧電材料層の積層は、焼結された圧電セラ
ミックス板1や成形された圧電セラミックス板1の積層
により行われる。成形された圧電セラミックスグリーン
シートを積層してもよい。In order to achieve the above object, the present invention has piezoelectric material layers and internal electrode layers stacked alternately, and a voltage is applied between the internal electrode layers via an external electrode layer to cause the piezoelectric material layers to expand and contract. The laminated piezoelectric element is constructed by overlapping a piezoelectric longitudinal effect displacement element section that utilizes a piezoelectric longitudinal effect and a piezoelectric transverse effect displacement element section that utilizes a piezoelectric transverse effect. Here, as the piezoelectric material, it is preferable to use a material with good voltage-strain characteristics, temperature-strain characteristics, creep characteristics, responsiveness, etc., such as lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramics. As the internal electrodes, silver electrodes, conductive adhesives, etc. are used. The piezoelectric material layers are laminated by laminating sintered piezoelectric ceramic plates 1 or molded piezoelectric ceramic plates 1. Molded piezoelectric ceramic green sheets may be laminated.
圧電縦効果を利用した圧電縦効果変位素子部と圧電横効
果を利用した圧電横効果変位素子部とを同一積層体内で
組み合わせることにより、圧電縦効果の伸び方向のヒス
テリシスが圧電横効果の縮み方向のヒステリシスで相殺
され、全体としてヒステリシスが低減する。By combining a piezoelectric longitudinal effect displacement element section that utilizes a piezoelectric longitudinal effect and a piezoelectric transverse effect displacement element section that utilizes a piezoelectric transverse effect in the same laminate, hysteresis in the elongation direction of the piezoelectric longitudinal effect is reduced in the contraction direction of the piezoelectric transverse effect. This is offset by the hysteresis of , reducing the hysteresis as a whole.
第1図はこの発明の実施例を示す模式断面図である。第
1図に示した図示積層型圧電素子は、圧電縦効果を利用
した圧電縦効果変位素子部10及び圧電横効果変位素子
部20の2つの部分を一体に積層して構成されている。
圧電縦効果変位素子部10はアクチュエータとして本来
の変位量を得るための部分であり、圧電横効果変位素子
部20はヒステリシスを低減させるために設けられた部
分である。
圧電縦効果変位素子部10の構成は木質的に従来のもの
と同じで、1は圧電セラミックスからなる圧電材料層、
2人及び2Bは内部電極層、3A及び3Bは内部電極層
2A及び2Bにそれぞれ接続された外部電極層である。
内部電極層2A、2B間には外部電極層3A及び3Bを
介して電圧が印加される。
圧電横効果変位素子部20も積層体としての構成は圧電
縦効果変位素子部10と同じであるが、外部電極層3C
を一方の側にのみ形成し、この外部電極層3Cを上にし
て積層体を横倒しにしたもので、これを圧電縦効果変位
素子部10の」二部に積層して一体化しである。すなわ
ち、圧電圧電横効果素子部20において、1は圧電セラ
ミックスからなる圧電材料層、2C及び2Dは内部電極
層、3Cは内部電極層2Cに接続された外部電極層であ
る。なお、内部電極層2Dは内部電極層2Aを介して外
部電極層3Aに接続されており、内部電極層2C,2B
間には外部電極層3C及び3Aを介して電圧が印加され
る。
このような積層型圧電素子は次のようにして形成される
。まず、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの原
料粉末をポリビニルアルコールなどのバインダを含む溶
液によく分散させ、次にこれをスプレドライ法で乾燥し
、約100μmの粒径のプレス用粉体を得る。そこで、
このプレス用粉体を用いてプレス成型し、−辺25mm
、厚さl mmの正方形の圧電セラミックス成形体を得
る。
この成形体を温度1200°Cで2時間焼成し、次に研
磨して厚ざ0.5mmの圧電セラミックス板1を得る。
そこで、厚さ0.5mmの圧電セラミックス板1の表裏
両面に銀電極ペーストを塗布して内部電極層2A、2B
を形成する。内部電極層2A、2Bは、それぞれ圧電セ
ラミックス板1の側面にその一部を露出する。この露出
した部分は圧電セラミックス板1の表と裏で逆方向にな
るようにする。
内部電極層2A、2Bを形成した圧電セラミックス板1
は、1層ごとに表と裏を逆にして積層する。この積層体
を圧力1kg/cII!、温度600°Cで10分間熱
圧着して圧電セラミックス板1間の接合を行う。更に、
この積層体の側面に露出した内部電極層2A、2Bに導
電性接着剤を塗布乾燥し、外部電極層3A、3B及を形
成し、圧電縦効果変位素子部10を得る。同様に、−辺
25mm、厚さ0.5mmの正方形の圧電セラミックス
板1に内部電極層2C,2Dを形成して積層し、更にこ
の積層体の一方の側面に外部電極層3Cを形成して圧電
横効果変位素子部20を得る。
このようにして積層された圧電縦効果変位素子部10の
上部に、圧電横効果変位素子部20を外部電極層3Cを
上にして横倒しに重ね合わせ、圧電セラミックス板1の
積層方向が互いに直交する図示積層型圧電素子を構成す
る。
この積層型圧電素子の外部電極層2A、2B間及び3A
、3C間に電圧を印加すると、圧電縦効果変位素子部1
0及び圧電横効果変位素子部20の変位量は第2図に示
すようになる。すなわち、圧電縦効果変位素子部10の
変位量は圧電縦効果により+側に、圧電横効果変位素子
部20の変位量は圧電横効果により一側になる。圧電縦
効果に比較して圧電横効果の変位量の絶対値は1層3程
度で、ヒステリシスの大きさはほぼ同じである。
この2種類の変位量が同時に発生した積層型圧電素子の
変位量及びヒステリシスは、第2図の+側と一例が重畳
されて第3図に示すようになる。第3図から明らかな通
り、図示実施例の積層型圧電素子では、圧電縦効果変位
素子部10と圧電横効果変位素子部層20のヒステリシ
スが相殺されて低ヒステリシスとなっている。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of the invention. The illustrated laminated piezoelectric element shown in FIG. 1 is constructed by integrally laminating two parts, a piezoelectric longitudinal effect displacement element part 10 and a piezoelectric transverse effect displacement element part 20, which utilize the piezoelectric longitudinal effect. The piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10 is a section for obtaining the original amount of displacement as an actuator, and the piezoelectric transverse effect displacement element section 20 is a section provided for reducing hysteresis. The structure of the piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10 is the same as the conventional one in terms of wood quality, and 1 is a piezoelectric material layer made of piezoelectric ceramics;
2 and 2B are internal electrode layers, and 3A and 3B are external electrode layers connected to the internal electrode layers 2A and 2B, respectively. A voltage is applied between the internal electrode layers 2A and 2B via the external electrode layers 3A and 3B. The piezoelectric transverse effect displacement element section 20 also has the same structure as the piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10, but the external electrode layer 3C
is formed only on one side, and the laminate is laid down horizontally with the external electrode layer 3C facing upward, and this is laminated and integrated on the second part of the piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10. That is, in the piezoelectric transverse effect element section 20, 1 is a piezoelectric material layer made of piezoelectric ceramics, 2C and 2D are internal electrode layers, and 3C is an external electrode layer connected to the internal electrode layer 2C. Note that the internal electrode layer 2D is connected to the external electrode layer 3A via the internal electrode layer 2A, and the internal electrode layer 2C, 2B
A voltage is applied between them via external electrode layers 3C and 3A. Such a laminated piezoelectric element is formed as follows. First, raw material powder for lead zirconate titanate piezoelectric ceramics is well dispersed in a solution containing a binder such as polyvinyl alcohol, and then this is dried by a spray drying method to obtain powder for pressing with a particle size of approximately 100 μm. . Therefore,
Using this pressing powder, press molding is performed, and the − side is 25 mm.
, a square piezoelectric ceramic molded body with a thickness of 1 mm is obtained. This molded body is fired at a temperature of 1200° C. for 2 hours, and then polished to obtain a piezoelectric ceramic plate 1 having a thickness of 0.5 mm. Therefore, silver electrode paste was applied to both the front and back surfaces of the piezoelectric ceramic plate 1 with a thickness of 0.5 mm to form internal electrode layers 2A and 2B.
form. Internal electrode layers 2A and 2B each have a portion exposed on the side surface of piezoelectric ceramic plate 1. The exposed portions are arranged in opposite directions on the front and back sides of the piezoelectric ceramic plate 1. Piezoelectric ceramic plate 1 on which internal electrode layers 2A and 2B are formed
Laminate each layer with the front and back sides reversed. Pressure of this laminate is 1kg/cII! , the piezoelectric ceramic plates 1 are bonded together by thermocompression bonding at a temperature of 600° C. for 10 minutes. Furthermore,
A conductive adhesive is applied to the internal electrode layers 2A and 2B exposed on the side surfaces of the laminate and dried to form external electrode layers 3A and 3B, thereby obtaining the piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10. Similarly, internal electrode layers 2C and 2D are formed and laminated on a square piezoelectric ceramic plate 1 with a side of 25 mm and a thickness of 0.5 mm, and an external electrode layer 3C is further formed on one side of this laminate. A piezoelectric transverse effect displacement element section 20 is obtained. The piezoelectric transverse effect displacement element part 20 is stacked on top of the piezoelectric longitudinal effect displacement element part 10 laminated in this way with the external electrode layer 3C facing upward, so that the lamination directions of the piezoelectric ceramic plates 1 are orthogonal to each other. The illustrated laminated piezoelectric element is constructed. Between the external electrode layers 2A and 2B and 3A of this laminated piezoelectric element
, 3C, the piezoelectric longitudinal effect displacement element part 1
0 and the amount of displacement of the piezoelectric lateral effect displacement element section 20 are as shown in FIG. That is, the displacement amount of the piezoelectric longitudinal effect displacement element section 10 is on the positive side due to the piezoelectric longitudinal effect, and the displacement amount of the piezoelectric transverse effect displacement element section 20 is on the one side due to the piezoelectric transverse effect. Compared to the piezoelectric longitudinal effect, the absolute value of the displacement amount of the piezoelectric transverse effect is about 3 per layer, and the magnitude of the hysteresis is almost the same. The displacement amount and hysteresis of the laminated piezoelectric element in which these two kinds of displacement amounts occur simultaneously are as shown in FIG. 3, with an example of the + side of FIG. 2 being superimposed. As is clear from FIG. 3, in the laminated piezoelectric element of the illustrated embodiment, the hysteresis of the piezoelectric longitudinal effect displacement element part 10 and the piezoelectric transverse effect displacement element part layer 20 are offset, resulting in low hysteresis.
この発明によれば、圧電縦効果を利用した圧電縦効果変
位素子部と圧電横効果を利用した圧電横効果変位素子部
とを重ね合わせて積層型圧電素子を構成することのより
、上記2つの変位素子部のヒステリシスを互いに相殺さ
せ、積層型圧電素子全体としてのヒステリシスを小さく
抑えることができる。According to this invention, by configuring a laminated piezoelectric element by overlapping a piezoelectric longitudinal effect displacement element section that utilizes a piezoelectric longitudinal effect and a piezoelectric lateral effect displacement element section that utilizes a piezoelectric transverse effect, the above two effects can be achieved. The hysteresis of the displacement element portions can be canceled out, and the hysteresis of the laminated piezoelectric element as a whole can be kept small.
第1図はこの発明の実施例の模式的断面図、第2図は第
1図の積層型圧電素子における2つの変位素子部の印加
電圧と変位量との関係を分けて示す線図、第3図は第1
図の積層型圧電素子の印加電圧と変位量との関係を示す
線図、第4図は従来例の模式的断面図である。
■・・・圧電材料層、2A、2B、2C・・・内部電極
層、3A、3B、3C・・・外部電極層、10・・・圧
電縦効果変位素子部、20・・・圧電横効果変位素子部
。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram separately showing the relationship between the applied voltage and the displacement amount of the two displacement element parts in the multilayer piezoelectric element of FIG. 1, and FIG. Figure 3 is the first
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between applied voltage and displacement amount of the laminated piezoelectric element shown in the figure, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional example. ■... Piezoelectric material layer, 2A, 2B, 2C... Internal electrode layer, 3A, 3B, 3C... External electrode layer, 10... Piezoelectric longitudinal effect displacement element part, 20... Piezoelectric transverse effect Displacement element part.
Claims (1)
内部電極層間に外部電極層を介して電圧が印加されるこ
とにより前記圧電材料層が伸縮する積層型圧電素子にお
いて、圧電縦効果を利用した圧電縦効果変位素子部と圧
電横効果を利用した圧電横効果変位素子部とを重ね合わ
せて構成したこととを特徴とする積層型圧電素子。1) In a laminated piezoelectric element in which piezoelectric material layers and internal electrode layers are alternately laminated, and the piezoelectric material layers expand and contract by applying a voltage between the internal electrode layers via an external electrode layer, the piezoelectric longitudinal effect 1. A laminated piezoelectric element characterized in that it is constructed by overlapping a piezoelectric longitudinal effect displacement element section using a piezoelectric longitudinal effect and a piezoelectric lateral effect displacement element section using a piezoelectric transverse effect.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63335612A JPH02180082A (en) | 1988-12-29 | 1988-12-29 | Laminated piezoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63335612A JPH02180082A (en) | 1988-12-29 | 1988-12-29 | Laminated piezoelectric element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02180082A true JPH02180082A (en) | 1990-07-12 |
Family
ID=18290534
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63335612A Pending JPH02180082A (en) | 1988-12-29 | 1988-12-29 | Laminated piezoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02180082A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3340324B1 (en) | 2016-12-13 | 2019-06-19 | Piezocryst Advanced Sensorics GmbH | Measuring element stack for measuring forces or pressures and method for producing such a measuring element stack |
-
1988
- 1988-12-29 JP JP63335612A patent/JPH02180082A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3340324B1 (en) | 2016-12-13 | 2019-06-19 | Piezocryst Advanced Sensorics GmbH | Measuring element stack for measuring forces or pressures and method for producing such a measuring element stack |
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