JPH114025A - 圧電セラミックス素子 - Google Patents
圧電セラミックス素子Info
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Abstract
表面電極に電圧を印加して圧電駆動を繰り返すに際し、
その繰り返し使用による疲労強度の低下を抑制すること
により、耐用寿命の長い圧電セラミックス素子を提供す
ること。 【解決手段】外径65mm、内径50mm、厚さ0.5
mmのリング状のジルコンチタン酸鉛(PZT材料)に
よる超音波モータ素子10の表面に銀ペースト材料によ
る電極14,14…を形成するに際し、この電極14,
14…を四角形状にするとともに、この電極14,14
…の隅角部を半径1.5mmの円弧形状に形成する。
Description
電トランス、圧電アクチュエータ等を構成する圧電セラ
ミックス素子に関し、さらに詳しくは、この圧電セラミ
ックス素子の表面に形成される電極(表面電極)の表面
隅角部の形状に関するものである。
しては、例えば図8にその一例を示すように、圧電セラ
ミックス材料による圧電素子基材82の表裏面に電極
(表面電極)84を形成し(図8では、表面側の電極の
みを図示)、両電極間に直流高電圧を印加して分極処理
を施している。そして、電極84間に電圧を印加するこ
とにより圧電素子基材82にその分極に比例した内部歪
が発生し(逆圧電効果)、電圧の印加を解除することに
よりその歪が元に戻り、これの繰り返しにより圧電セラ
ミックス素子80が圧電駆動(アクチュエート)される
ものである。
表裏面に形成される電極84(表面電極)は、従来一般
にその隅角部が角張った矩形形状をしていた。そのため
に、表裏面の電極84間に電圧が印加されて圧電セラミ
ックス素子80がアクチュエートされると、圧電素子基
材82の電極84が形成された領域部分と、その周辺の
電極84が形成されていない領域部分との境界部分にせ
ん断応力が作用し、その境界部分に逆圧電効果による内
部歪が集中するという問題があった。
った矩形形状をしていると、矩形電極の隣合う二つの隅
角部から圧電素子基材の電極が形成されていない部分の
中心部へ向かって亀裂86が発生し、圧電素子の疲労強
度の低下を招来し、繰り返し使用によってその耐用寿命
を短縮させるという問題があった。
特開昭54−43491号公報に開示された圧電形トラ
ンスジューサが知られている。この圧電形トランスジュ
ーサ90は、図9に示したように、圧電基材92の表裏
面に駆動電極94,94を設け、圧電基材92の片端面
に発電部電極96を形成し、駆動電極94の駆動部と発
電部との境界線の形状を波状にしたもので、こうするこ
とにより分極処理時に発生するせん断歪力の減少を図
り、分極処理時またはその後に生じる圧電素子基材の破
損またはクラックを減少させるようにしたものである。
開昭54−43491号公報に開示されたもののよう
に、圧電基材92表面の駆動電極94の駆動部と発電部
との境界線の形状を波状にしても、波の先端部や境界線
の角の部分においては、分極処理の際に内部歪が集中す
ることになり、やはり繰り返し使用によって亀裂の発生
や圧電素子の疲労強度の低下を招来し、耐用寿命を短縮
させていた。
モータ素子基材の表面に複数の電極を等間隔に設け、こ
れらの電極を交互に逆向きに分極しておき、位相の異な
る2種類の交流電圧で駆動することによって進行波を起
こし、モータを回転駆動させるものであるが、その時に
一方の電極領域では圧電材料が伸長し、もう一方では収
縮する動作を行わせるので、大きなせん断歪力が発生
し、亀裂が発生する可能性が高かった。そこでこの超音
波モータ素子に上述の特開昭54−43491号公報の
技術を応用することを考え、各表面電極間の境界線を波
状とし応力の集中を避けようとしたが、やはり波の先端
部や境界線の角の部分では亀裂を避けることが難しかっ
た。
ラミックス素子基材の表面に設けられる表面電極に電圧
を印加して圧電駆動を繰り返すに際し、その繰り返し使
用による疲労強度の低下を抑制することにより、耐用寿
命の長い圧電セラミックス素子を提供することにある。
に本発明の圧電セラミックス素子は、圧電セラミックス
材料による圧電素子基材の表面に平面多角形状の電極が
形成されたものであって、該表面電極の隅角部を円弧形
状としたことを要旨とするものである。
ミックス材料としては、ジルコンチタン酸鉛Pb(Zr
・Ti)O3 系材料(PZT材料)が代表的なものとし
て挙げられ、予め分極処理が施されたものが適用され
る。表面電極としては、一般に銀ペースト材料が用いら
れる。また電極の平面形状としては、正方形、長方形、
台形あるいは直線と曲線で構成された形状等を問わな
い。ただし、圧電素子の厚さが0.5mm〜2mm程度
の場合は、その電極の隅角部に施される円弧形状の半径
が0.3mm以上であることが望ましい。その円弧形状
が半径0.3mmより小さいと、電圧を印加したときの
内部歪が十分に分散されず、その隅角部に応力が集中す
ることになって望ましくない。一方、圧電素子の厚さが
0.5mmより薄いような素子の場合は、半径0.3m
mより小さい円弧を電極の隅角部に設けることによって
も内部歪を緩和することができる。
よれば、表面電極を介して圧電素子基材に電圧が印加さ
れた時に、その圧電素子基材には電気分極に比例した内
部歪が生じるが、その内部歪は、円弧形状をしている表
面電極の隅角部に集中することなく分散される。したが
って、繰り返し使用しても疲労強度の低下がその隅角部
に生じるようなことは回避される。
面を参照して具体的に詳細に説明する。図1は、本発明
の圧電セラミックス素子を超音波モータ素子に適用した
例を示している。図において、超音波モータ素子10
は、外径65mm、内径50mm、厚さ0.5mmのリ
ング状のジルコンチタン酸鉛Pb(Zr・Ti)O3 系
材料(PZT材料)による圧電素子基材12の表面に銀
ペースト材料による複数の電極(分割電極)14,14
…がスクリーン印刷機により約0.8mmの間隔で形成
されたものである。
は、2本の円弧と2本の直線で構成された四角形状が採
用され、四つの隅角部16,16…は、半径1.5mm
(R=1.5mm)の円弧形状に形成されている。電極
パターンの分割数としては、要求特性に応じて8〜18
程度の偶数値が選択されている。
材12には、図示せぬ分極処理用治具により、電極1
4,14…の形成部位に対応してプラス極(+極)とマ
イナス極(−極)とが交互に並ぶように分極処理が施さ
れる。この分極処理は、液温80〜100℃の絶縁油の
中に分極治具を浸し交互に逆向きの高電圧(約4〜5k
V)を10〜15分程度印加することによりなされる。
これにより超音波モータ素子10の隣合う電極14,1
4…は、プラス極(+極)とマイナス極(−極)が交互
に形成されたものとなる。
0の隣合う電極14,14…は、2つの領域に分けら
れ、一方が例えばCsinωtで、他方がCcosωt
で励振され、これにより所定の方向に伝播する進行波が
発生される。このときに分極と逆極性の電圧を印加した
電極領域には圧電素子基材12が収縮し、同極性の電圧
を印加した電極領域では圧電素子基材12が伸長するた
め、両電極間にせん断歪力が生じるが、各電極の各隅角
部は、円弧形状とされているので、その隅角部に応力が
集中することが回避されるものである。
曲げ疲労試験を行った。この疲労試験に際しては、図1
に示したリング状の超音波モータ素子10から二つの電
極14,14を含んだ領域(破線部A)を切り出して供
試試料(実施例1)とした。そして図2に示したよう
に、この供試試料(実施例1)の電極14の境界部(矢
示B)に引張応力が作用するように、この供試試料の上
下面に治具18を添当し電源部20に接続して疲労試験
装置を構成した。
a、応力比0.25の片振りの条件で、超音波モータで
の実駆動状態を模倣して応力と位相とを約90度ずらし
た電圧(200Vrms)を治具18を通じて供試試料
(実施例1)に印加し、疲労破壊にいたる応力の繰り返
し回数を測定することにより行った。この際に、実施例
1との比較のために、従来の表面電極の隅角部を直角と
した素子(比較例1)と、表面電極の境界部を波長1m
m、振幅0.25mmの波状とした素子(比較例2)を
供試試料として作製し、比較例1,2についても実施例
1と同じ条件で4点曲げ疲労試験を行った。
4点曲げ疲労試験により得られた平均疲労寿命を比較し
て示した図である。この図に示したように、実施例1の
平均疲労寿命が5.9×106 回であったのに対して、
比較例1の平均疲労寿命が2.9×106回、比較例2
の平均疲労寿命が1.1×106回であった。このよう
に、実施例1の平均疲労寿命は、比較例1の約2倍、比
較例2の約5.4倍になった。このことから、表面電極
の隅角部を円弧形状とすることにより内部歪がその隅角
部に集中することなく分散され、圧電セラミックス素子
の疲労強度の低下が大幅に抑制されたことが判明した。
成された電極の隅角部の傷や損傷に、駆動により発生す
る電極隅角部の内部歪が作用して、亀裂伝播等が生じこ
れが一因となって低疲労寿命になったのに対し、実施例
によれば、電極隅角部を円弧形状として隅角部の内部歪
を緩和したために電極の隅角部に存在する傷や損傷に作
用する内部歪が減少する。このことも本実施例の疲労寿
命の延長を促している要因と推察される。
圧電トランス素子に適用した例を示している。図におい
て、圧電トランス素子30は、矩形形状のPZT材料に
よる圧電素子基材32の上下両方の表面に銀ペースト材
料による四角形状の電極34が形成されている。この電
極34の平面形状としては、四角形状(長方形状)が採
用され、電極が形成されていない圧電素子基材との境界
線上にある2つの隅角部36,36…は、半径1.5m
m(R=1.5mm)の円弧形状に形成されている。
曲げ疲労試験を行った。この疲労試験に際しては、図4
の圧電トランス素子30を供試試料(実施例2)とし
た。そしてこの実施例2の電極34の境界部に引張応力
が作用するように、図示はしないが、この実施例2に治
具を添当し電源部に接続して疲労試験装置を構成した。
4点曲げ疲労試験は、上述した供試試料(実施例1)に
ついて行った試験と同じ条件で行われた。この際に、実
施例2との比較のために、従来の表面電極の隅角部を直
角とした素子(比較例3)を作製し、比較例3について
も実施例2と同じ条件で4点曲げ疲労試験を行った。
4点曲げ疲労試験により得られた平均疲労寿命を比較し
て示した図である。この図に示したように、実施例2の
平均疲労寿命が6.4×106 回であったのに対して、
比較例3の平均疲労寿命が3.4×106 回であった。
このように、実施例2の平均疲労寿命は、比較例3の約
1.9倍になった。このことから、上述と同様に表面電
極の隅角部を円弧形状とすることにより飛躍的に疲労強
度の低下が抑制されたことが判明した。
をノックセンサ素子に適用した例を示した平面図、図6
Bはその側面図及び図6Cはその裏側を示したものであ
る。これらの図において、ノックセンサ素子60は、外
径24mm、内径16mm、厚さ2.0mmのリング状
のPZT材料による圧電素子基材62の表面に銀ペース
ト材料による一対の半割リング状の電極64,64が対
向して形成されている。この電極64,64の平面形状
としては、半割リング状の半割部分の内側と外側とを緩
やかな曲線で連結してできる形状が採用され、曲率が最
大となる部分、すなわち四つの隅角部66,66…は、
半径0.3〜1.5mmの円弧形状に形成されている。
3mmとしたもの(実施例4)、円弧形状の半径を0.
5mmとしたもの(実施例5)、円弧形状の半径を0.
8mmとしたもの(実施例6)、円弧形状の半径を1.
5mmとしたもの(実施例7)を供試試料として作製し
た。また、これらとの比較のために隅角部に円弧形状を
形成しなかった図7に示した圧電セラミックス素子(比
較例4)を作製した。
比較例4)を1.2〜3.5kV/mmの電圧で分極処
理した。その後、これらの圧電素子の表面に形成された
電極を除去し、圧電素子表面に発生したマイクロクラッ
クの発生数を観察した。その結果を表1に示す。
はマイクロクラック発生素子数を示す。実施例4〜7の
圧電素子には亀裂が発生しない、もしくは発生数が少な
かったが、すべての比較例4の圧電素子には、図7に示
したように電極の形状を直線状にした部分にマイクロク
ラック72,72…が発生した。
圧電素子に適用すれば、隅角部に形成された円弧形状に
より、電圧が印加されても圧電素子への内部歪が一点に
集中することなく分散される。そのため、繰り返し使用
をしても疲労強度の低下が抑制される。また、圧電素子
の加工時に圧電素子基材の表面に電極を形成する際にお
いても、その電極の隅角部が円弧形状とされるため圧電
素子基材に傷やマイクロクラックが従来に較べて遥かに
形成されにくくなる。そのため、その傷や損傷に起因し
た疲労強度の低下が回避されるのみならず、疲れ亀裂伝
播等の現象も回避される。
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。上記した実施例においては、圧電
素子基材としてPZT材料を適用したが、これに限定さ
れることなく、PZTを含む三成分系、PbTiO
3(PT)系、(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)系
なども用いてもよい。
セラミックス材料による圧電素子基材の表面に形成され
る平面多角形状の電極の隅角部を円弧形状としたので、
圧電駆動を繰り返すに際し、該電極を介して圧電素子基
材に電圧が印加されても圧電素子基材の隅角部付近に発
生する内部歪が分散される。これにより、電極が形成さ
れる圧電素子基材の亀裂の発生が解消され、疲労強度の
低下が抑制される。このような圧電セラミックス素子に
よれば、繰り返し使用に対する疲労寿命が延長されるか
らその利用分野がさらに広範囲なものとなり、産業上極
めて有益である。
素子を超音波モータ素子に適用した例を示した図であ
る。
タ素子について行った4点曲げ疲労試験の外観構成を示
した図である。
試験により得られた平均疲労寿命を比較して示した図で
ある。
素子を圧電トランス素子に適用した例を示した図であ
る。
試験により得られた平均疲労寿命を比較して示した図で
ある。
ス素子を圧電素子に適用した例を示した平面図である。
状態を示した図である。
することにより圧電素子基材に亀裂が発生した例を示し
た図である。
した例を示した図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 圧電セラミックス材料による圧電素子基
材の表面に平面多角形状の電極が形成されたものであっ
て、該表面電極の隅角部を円弧形状としたことを特徴と
する圧電セラミックス素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17289997A JP3470994B2 (ja) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | 圧電セラミックス素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17289997A JP3470994B2 (ja) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | 圧電セラミックス素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH114025A true JPH114025A (ja) | 1999-01-06 |
JP3470994B2 JP3470994B2 (ja) | 2003-11-25 |
Family
ID=15950409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17289997A Expired - Fee Related JP3470994B2 (ja) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | 圧電セラミックス素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3470994B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010278288A (ja) * | 2009-05-29 | 2010-12-09 | Nhk Spring Co Ltd | 電極付き圧電素子及びヘッドサスペンション |
JP2014085547A (ja) * | 2012-10-24 | 2014-05-12 | Ricoh Co Ltd | 圧電光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 |
JP2018156092A (ja) * | 2013-08-12 | 2018-10-04 | 株式会社リコー | 圧電光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 |
DE102018209132A1 (de) | 2017-06-12 | 2018-12-13 | Yazaki Corporation | Batteriepack |
-
1997
- 1997-06-12 JP JP17289997A patent/JP3470994B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010278288A (ja) * | 2009-05-29 | 2010-12-09 | Nhk Spring Co Ltd | 電極付き圧電素子及びヘッドサスペンション |
JP2014085547A (ja) * | 2012-10-24 | 2014-05-12 | Ricoh Co Ltd | 圧電光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 |
JP2018156092A (ja) * | 2013-08-12 | 2018-10-04 | 株式会社リコー | 圧電光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 |
DE102018209132A1 (de) | 2017-06-12 | 2018-12-13 | Yazaki Corporation | Batteriepack |
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JP3470994B2 (ja) | 2003-11-25 |
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