JP2006066901A - 圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 絶縁性基板1の両面に圧電体層2が形成され、一方の圧電体層上に第1電極層3Aが形成され、他方の圧電体層上に第2電極層3Bが形成された圧電素子Aである。
また、圧電素子Aを該圧電素子の幅方向に沿って1回以上折り返して重ねることも可能である圧電素子。
【選択図】 図14
Description
特に、センサー及びアクチュエータ等に用いられる圧電素子において、部品点数と作業工数の増大を招くことなく、圧電素子の品質安定性を向上させるものである。
これに応えるものとしてフィルム状の基板に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子の開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。
この圧電素子の構造を具体的に、図18に示す。
図に示すように、絶縁性基板100上には電極層101Aが形成され、この電極層101A上に圧電体層102が形成され、更にこの圧電体層102上に電極層101Bが形成されている。
そのため、このような問題、すなわち絶縁性の低下及び短絡の問題を克服するために、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を介在させる提案(例えば、特許文献2参照)がされている。
また、基板が可撓性を有する場合には、絶縁層自体のクラックや剥離の問題が生じ、結果として絶縁性の低下及び短絡の原因となる。
すなわち、本発明は、部品点数や製造時の組立工数が増加することなく、高い信頼性を持って絶縁性の低下又は短絡の防止を可能とした圧電素子を提供することを目的とする。
体層と絶縁性基板とを挟み込むように第1電極層及び第2電極層が形成された圧電素子に存する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係る圧電素子Aを示している。
この第1実施形態の圧電素子Aでは、絶縁性基板1の片面に圧電体層2が形成され、該圧電体層2上に第1電極層3Aが形成され、絶縁性基板1の第1電極層3Aが形成された面と反対側の面上に第2電極層3Bが形成されている。
この場合、後述する実施例に示すようにチャージアンプで増幅しオシロスコープ6で測定する方法もある(以下他の実施の形態も同様)。
尚、第1電極層3A及び第2電極層3Bのどちらが陰極とするか陽極とするかは当然自由である。
特に、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系のフィルムが好ましい。
ペロブスカイト系複合酸化物の上記Aサイトとしては通常、Pb,Ba,Ca,Sr,La,Li,Biの中から選択される少なくとも1種の元素が採用される。
上記BサイトとしてはTi,Zr,Zn,Ni,Mg,Co,W,Nb,Sb,Ta,Feの中から選択される少なくとも1種の元素が採用される。
このような複合酸化物の具体例としては、Pb(Zr,Ti)O3(PZTともいう),PbTiO3,BaTiO3,SrTiO3,(Pb,La)(Zr,Ti)O3,LiNbO3、TaNbO3等が挙げられる。
ウルツ鉱型構造としては具体的には窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀等があり、これらの中から1種選択すれば良い。
圧電体層2の膜厚は通常、0.1〜100μmが好ましく、更に0.5〜30μmが特に好ましい。
すなわち、厚みが0.1μm未満では、例えばセンサーやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に100μmを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
第1及び第2電極層3A,3Bの形成方法は特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、メッキ法、スパッタリング法、又は真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。
そのため、近年の圧電体膜の薄膜化の要求に応じて、電極の絶縁性が低下してきており、また短絡の可能性が大きくなってきていた。
また、絶縁性基板1を用いて基板を絶縁層としたことで、従来のように、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を形成する必要がなくなり、部品点数や組立工数を削減することができる。
図2は本発明の第2実施形態に係る圧電素子Aを示している。
この第2実施形態の圧電素子Aは、絶縁性基板1の両面に圧電体層2が形成され、一方の圧電体層2上に第1電極層3Aが形成され、他方の圧電体層2上に第2電極層3Bが形成されている。
そして、圧電素子Aを圧力センサーとして使う形態の場合は、例えば、第1電極層3A及び第2電極層3Bによって、圧電体層2が発生した電圧を電圧計Vで測定することとなる。
更に、第2実施形態では、絶縁性基板1の両面に圧電体層2が形成されるので、素子を圧力センサとして用いた場合、2倍の感度で圧力などの物理量を検知できる。
また、素子をアクチュエータとして用いた場合、2倍の変位量を発生させることができる。
図3は本発明の第3実施形態に係る圧電素子Aを示している。
この第3実施形態の圧電素子Aは、第1実施形態の圧電素子Aを折り返して重ねた構造(2つ折り)をしている。
より具体的には、第1電極層3Aが内側になるようにし、第1電極層3Aの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Aの外側に位置する第2電極層3Bは接地電位に接続され、第1電極層3Aが陽極とされている。
更に、第3実施形態では外側の第2電極層3Bが接地電位に接続されているために、圧電素子Aを電磁的にシールドする機能を果たし、外部の雑音(ノイズ)を遮断する効果もある。
このようにすれば、第1電極層3Aや絶縁性基板1等の曲率半径を大きくすることができ、曲がり部で折損してしまうのを防ぐことができる。
図4は本発明の第4実施形態に係る圧電素子Aを示している。
この第4実施形態の圧電素子Aは、第1実施形態の圧電素子Aを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第2電極層3Bが内側になるようにし、第2電極層3Bの上面同士が接触するように折り返されている。
すなわち、第3実施形態の圧電素子Aと反対側に折り返されている。
そして、圧電素子Aの外側に位置する第1電極層3Aは接地電位に接続され、第2電極層3Bが陽極とされている。
なお、第1電極層3Aの上面同士を当接させるのでなく、該上面間に他の部材を介在させても良いことは当然である。
図5は本発明の第5実施形態に係る圧電素子Aを示している。
この第5実施形態の圧電素子Aは、第2実施形態の圧電素子Aを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第1電極層3Aが内側になるようにし、第1電極層3Aの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Aの外側に位置する第2電極層3Bは接地電位に接続され、第1電極層3Aが陽極とされている。
なお、第2電極層3Bが内側になるようにし、第2電極層3Bの上面同士が接触するように折り返しても良い。
この場合は、圧電素子Aの外側に位置する第1電極層3Aを接地電位に接続し、第2電極層3Bが陽極になるようにすると良い。
このような構成にしても外側の層が接地電位に接続されるため、電磁シールドの機能を果たすことができる。
この実施の形態の場合は、どちら側に折り返しても機能的には等価となり、折り曲げ操作に自由度がある。
例えば、第3〜第5実施形態では、圧電素子Aは、その幅方向に沿って1回だけ折り返して重ねているが、図6〜図8に示すように2回折り返して重ねても良い(外三つ折り)。
このように、1回以上折り返して重ねることが可能である。
また図16(b)〜(d)に示すように、圧電素子Aをその幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたものでも採用可能である。
ところで、このような幅方向に沿って折り返して重ねること、或いは幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねることにより形成される圧電素子Aは、重ねる数が多くなるに応じて、圧力センサーとしての容量が大きくなる上、感度も向上する。
また、折り返しの回数が奇数の場合は、電極層によってシールドされる構造となるために、圧力センサーとしてのノイズが小さくなる利点がある。
図12は、本発明の圧電素子Aが作動することを確認するための実験装置を示している。
図に示すように、絶縁性基板1(80mm×50mm)として厚さ25μmのポリイミドフィルムを用い、その上面に圧電体層2として、1μmの窒化アルミニウム、第1電極層3Aとして200nmの白金を順次RFマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。
また、下面にも第2電極層3Bとして200nmの白金をRFマグネトロンスパッタリング法を用いて形成することで、圧電素子Aを作製した。
この圧電素子Aは第1実施形態の圧電素子Aと同様のものである。
窒化アルミニウム及び白金はポリイミドフィルムに対し薄いので、上下の電極である白金同士は端面でも完全に絶縁されている。
加振機4の先端にはロードセル5が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ6でモニターした。
また圧電素子Aから出力された信号はチャージアンプ7で増幅されオシロスコープ6でモニターした。
図13に示されるように、120Hzの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが乗った状態で、−0.2V〜0.2Vの間を行き来している。
図14は、本発明の圧電素子Aが作動することを確認するための実験装置を示している。
この圧電素子Aは第1実施形態の圧電素子Aをその幅方向に沿って3回折り返したものである。
そして、この圧電素子Aに、加振機4を用いて正弦的な荷重を負荷した。
加振機4の先端にはロードセル5が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ6でモニターした。
また圧電素子Aから出力された信号はチャージアンプ7で増幅されオシロスコープ6でモニターした。
なお、図15には、ロードセル出力が等しい第1実施例のグラフも比較のために併せて記載した。
図15に示されるように、第1実施例と同様に、120Hzの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが第1実施例と比べてほとんど乗らない状態で、−0.5V〜0.5Vの間を行き来している。
この結果、第1実施例と比べて電圧の変動幅が大きく、圧力センサとしての感度が良いことと、ノイズがほとんど乗らない点から接地された第1電極層3Aがノイズシールドの役割を果たすことが確認された。
この圧電素子Aは第1実施形態の圧電素子Aをその幅方向及び又は該幅方向と垂直方向に沿って折
り曲げて重ねたものである。
圧電素子Aは絶縁性基板1(100mm×60mm)が厚さ8.5μmである以外は、上記実施例1と同じ構造の圧電素子Aを用いた。
図16(a)は、圧電素子Aをその幅方向に沿って1回折り曲げて重ねたものである。
この折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この場合は、図3の圧電素子Aの構造と同じである。
図16(b)は、圧電素子Aをその幅方向に沿って1回、該幅方向と直角方向に沿って1回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
図16(d)は、圧電素子Aをその幅方向に沿って1回、該幅方向と直角方向に沿って1回、また幅方向に沿って1回、更にまた該幅方向と直角方向に沿って1回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
実施例により測定された結果を図17に示す。
図17は、縦軸に電荷量(pC)と横軸に荷重(N)をグラフ化したものである。
図中、黒丸印は折り曲げない場合の圧電素子のデータを示している。
同様に、白丸印は1回目折り曲げの場合〔図16(a)参照〕、黒三角印は2回目折り曲げの場合 、〔図16(b)の場合〕、白三角印は3回目折り曲げ〔図16(c)〕、黒菱形印は4回目折り曲げ〔図16(d)の場合〕の各データを示している。
また、図16に示すように折り曲げて重ねると、電極の端部が封鎖されるような状態になり、その結果、シールド効果が増大する利点がある。
更に、スピーカー、マイク、圧電リレー、超音波加工、及びマイクロアクチュエータ等への応用も、当然、可能である。
2 圧電体層
3A 第1電極層
3B 第2電極層
4 加振機
5 ロードセル
6 オシロスコープ
7 チャージアンプ
100 絶縁性基板
101A,101B 電極層
102 圧電体層
A 圧電素子
V 電圧計
Claims (13)
- 絶縁性基板の少なくとも一方の面に圧電体層が形成され、
該圧電体層と絶縁性基板とを挟み込むように第1電極層及び第2電極層が形成されたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の片面に圧電体層が形成され、
該圧電体層上に第1電極層が形成され、
前記絶縁性基板の第1電極層が形成された面と反対側の面上に第2電極層が形成されたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の両面に圧電体層が形成され、
一方の圧電体層上に第1電極層が形成され、
他方の圧電体層上に第2電極層が形成されたことを特徴とする圧電素子。 - 前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 請求項4に記載の圧電素子を該圧電素子の幅方向に沿って1回以上折り返して重ねたことを特徴とする圧電素子。
- 請求項4に記載の圧電素子を該圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたことを特徴とする圧電素子。
- 前記折り曲げが真半分になるようにしたことを特徴とする請求項6に記載の圧電素子。
- 前記絶縁性基板が高分子を主成分とするフィルムからなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 前記高分子はポリイミド系であることを特徴とする請求項8に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が複合酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 前記複合酸化物が、チタン酸ジルコン酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3]、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸タンタル酸カリウム[K(Ta,Nb)O3]、チタン酸バリウム(BaTiO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)であることを特徴とする請求項10に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とすることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1項記載の圧電素子。
- 前記ウルツ鉱型構造の化合物が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀であることを特徴とする請求項12に記載の圧電素子。
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