JPS60209285A - 圧電体振動発生器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電体振動発生器に関し、４１ｉｉ−に局部的
な振動試鹸を精度よく可能にする圧電体素子を用いた圧
電体振動発生器に関する。

（従来技術） 材料９部品、デバイス、システム等ノいわゆる物体の特
性全駒する場合、それらの振動特性は欠かすことのでき
なｈｍ要な性能の一つである。材料および部品の場合は
あらゆる応用を想定して検討されるし、デバイス、シス
テムの場合は構成部品の振動特性のほかに集合体として
の見地からの振動特性が重要になる。

以上述べた物体の振動特性上検討する場合、物性論やシ
ミエレーシ冒ンあるｉは経験論のｉわゆる机上的検討か
ら判明する場合も多いが、不確定要素がある場合は夾験
を伴った検討が必要になる。

振動発生器としては低周波から高周波にいたるまで機械
的強度も可変な振動発生器が開発され笑用に供されてい
る。これらの振動器をもちいて、たとえば不均一な刀が
ガラス面や接着面に加わった場合、どのような歪が生ず
るかを解明することがガラスや接着剤の特性改善や用途
の拡張をはかる上で欠かすことはできない。そしてそれ
らの特性が判明するにつれて実験条件が厳しくなってい
くのが通例である。その厳しさは、たとえば飛行機や自
動車の実物やモデルを用いて耐振動試験を行う場合のよ
うな比較的パワーが大ｔｋ−場合を問題とする厳しさと
は性格を異にする。すなわち振動の振幅はより小さくて
高周波なものをガラス面や接着面の一部に加えることが
必要であるし、かつその場合の歪がどのようになってい
るかを検出できる必要がある。微小な歪を検出する手段
としては光干渉やホログラフィを用いて高精度に検出で
きる。振動発生源としては磁性材料の磁歪現象を利用す
るものと圧電材料の圧電現象を利用したものが検討され
ている。

（従来技術の問題） 上に述べた磁歪現象とは磁性材料に磁場を加えたと１！
磁場の大きさと磁性材料の寸法に比例して伸びる現象で
あり磁場のオンオフに応じて伸縮する。−万電歪現象と
は圧電材料に電場を加えたとき電場の大きさと電歪材料
の寸法に比例して伸びる現象をいう。

同一寸法の磁性材料と圧電材料を用いて同一の歪を生じ
させるためのドライバ回路は圧電材料の方が得やすい。

またオンオフの間隔金短くした時。

すなわち周波数の追随性は圧電材料の方がはるかによい
。その主な理由としては磁性材料のうず電流積があげら
れる。以上の理由で圧電材料は従来技術の項で述べた振
動発生源として有望な材料としてみなされている。従来
の圧電体振動発生器は第１図に示すように電極１１に有
する圧電素子１と、これに電圧を与える電源Ｅと電界を
制御するスイッチ８１　より形成される。

この圧電材料を用いた振動発生器の開発において問題に
なるのは圧電材料の伸縮量を大きくする上での技術上の
制約である。圧電材料の伸縮率は電界強度にほぼ比例す
るため第１図に示す圧電素子の肉厚を大キくシて伸縮量
を稼ごうとすれば大きな印加電圧を必要とする。印加電
圧と伸び量の大体の目ｆ？述べれば肉厚１ｍｍのセラミ
ック素子に６００ｖ程度印加した場合伸縮量は１μｍ程
度である。一方、セラミック素子の印加電圧をさらに大
きくして、伸縮量を稼ぐことは、より高速で微動装置を
動作させる上で好ましくない。すなわち前に記した圧電
現象の説明かられかるように。

圧電素子金よシ高遠に伸縮するには第１図のスイッチＳ
１が高スピードで動作することが必要であり、この高ス
ピードスイッチとしてはトランジスタが用いられる。セ
ラミック素子の印加電圧を大きくすることは１等価的に
高電圧で高スピードで動作するトランジスタの開発が必
要ということになる。

第２図（ａ）および（ｂ）は高スピードで動作するスイ
ッチ８１　として好適な電力用の合金形接合トランジス
タの構造で、エミッタ３．コレクタ５の電流面積をでき
るだけ大きくして、電流密度が過大にならないよう工夫
されている。なお、４はベースである。スイッチング速
度が早くなればなるほど。

表皮効果の影響で、電極表面の近傍しか電流が流れなく
なるため２名らに電極の表面積を大きくする工夫が必要
である。従って高速度で高耐圧のトランジスタになれば
なるほど、半導体および電極の表面積も大きくなり、低
耐圧のものに比べて歩留りも悪く高価になる。また複数
個の低耐圧のトランジスタを用いて高電圧を分割してス
イッチングさせる方法もあるが、ディレィの問題や各ト
ランジスタのバランスの問題全解決するための調整時間
を必要とする。

以上述べた理由で、セラミック素子の印加電圧をさらに
大キくシて、伸縮量を稼ぐことはこれに使用するスイッ
チングトランジスタの面からも装置の小型化の面からし
て、より高速で圧電素子を駆動する上で好ましくなく、
圧電体振動発生器の廉価小を化を計る上で大きな障害と
なっている。

−万、低電圧印加駆動による高歪発生を達成するために
薄板状素子の厚み方向の表裏面に電極を設定し、これを
多数枚積層して一体化した素子に電圧全並列に印加する
ことにより、一層当りの電界強度を大にして全体として
高歪を採り出す積層載圧電素子が開発されているが、各
薄片をあまり薄くすることが出来ないため、それでも高
い駆動電圧が必要である。薄板全積層するのに接着剤を
使用するため、生産性が悪く、コスト高である。

更に接着層が介在するために純粋な圧電素子としての一
様な歪が採り出せない。寿砧等の信頼性に欠ける。更に
寸法が大君い等の理由で電子部品用素子としては充分に
満足の出来るものではなかった。

しかし、最近類小形圧電セラミック素子が開発され、電
子通信学会、超音波研究会資料ＵＳ８３−８１頁５５〜
５９．昭和５８年５月に発表された。この超小形圧電セ
ラミック素子は接着剤を使用しないで圧電セラミック板
を積層一体化したもので上記問題点の多くを解決するこ
とができた。

（発明の目的） 本発明の目的は、従来の圧電素子を使った圧電体振動発
生器の欠点ｔ−除去し、低電圧で駆動でき、高スピード
で高歪を発生できる圧電体振動発生器を提供することに
ある。

（発明の構成） 本発明の圧電体振動発生器は、圧電逆効果を呈する積層
型圧電素子と該積層を圧電素子に軸方向の伸縮作用を生
じさせるために、該積層を圧電素子内に電界を付与する
手段と、この電界強度を変化させるための電界付加手段
と、該積層型圧電素子を格納固定するハウジングとを具
備してなり。

前記積層型圧電素子に付与する電界の大きさと。

該電界の接断を制御することにより該積層型圧電素子の
変位量と伸縮の周期を制御することにより構成される。

（５Ａ施例） 以下、本発明の一実施例について１図面ｔ−診照して説
明する。

第３図は本発明の一実施例の一部平面断面図。

第４図は本発明装置に使用する積層型圧電素子の要部断
面図である。第４図を参照すると積層型圧電素子１０は
多数の内部電極層２５がセラｉｓ７り内部に層状に埋め
込まれており素子端面で露出している。この露出してい
る内部電極層を一層おきに絶縁体２６で覆い、この上か
ら外部電極２７゜２８が被着せしめられているため、各
内部電極層は互に電気的に並列に接続されることになる
。ま　−＼たこれらの素子は厚み方向に分極処理が施さ
れているために、外部電極間に電圧が印加されると。

その厚み方向に印加電圧の大きさに比例して伸びる。積
層型圧電素子は３９ｍｍφで積層体の長さが５　ｆ３　
ｍｍであり電極間隔は５０μｍのものがもちいである。

１００　Ｖの印加電圧にした場合は素子だけで１０８μ
ｍ伸びる。積層圧電素子にはハウジング６に嵌合するた
めの５ｍｍφＸ２０ｍｍの空隙７が設けであるが積層型
圧電素子の伸縮量には影響しない。積層型圧電素子の底
面は接着剤８を用いてハウジング６に固定され、上面に
は半球形に近いセラミック素子９が接着剤８を用いて連
結されている。電源１１およびスイッチ１２はコンピュ
ータ制御される。

以上説明したように１本夾施例によれば、接着剤全使用
しない一体焼成タイブの積層型圧電素子を利用している
ため量産性、信頼性に優れ、しかも本実施例のように１
枚の薄膜相当厚さを５０＾ｍとすることも出来る。また
、内部電極を一層おきに端面で絶縁し外部電極をつけて
いるので従来１ｍｍ厚の素子に６００Ｖの印加電圧が必
要であったが上記構造により個々の薄板相当部には並列
に電圧が印加できるので１００ｖで駆動することができ
る。また個々の薄板が薄く形成されているので、単位尚
９の印加電圧を大にして伸縮量を稼ぐことも可能である
。従ってスイッチとして必要とされる高耐圧・高速度の
トランジスタを使用する困難性は解消される。

また積層型圧電素子の固定は素子の下方中心部に空隙を
設は接着剤により固定しているので確実な固定が可能で
ある。

また上面には半球形に近いセラミック素子が接着剤で固
定しであるので被接触物との接触が良好に実施できる。

以上のような理由により装置、駆動回路の不酸化、コン
パクト化が可能となる。

（発明の効果） 以上説明したように１本発明によれば振動発生器の駆動
源に積層型圧電素子を用いたことにより（１）　低電圧
駆動化が可能である。

（４一体焼成タイブの積層素子のため量産性、信頼性が
高い。

（３）　上記理由により装置、駆動回路の小蟹化、コン
パクト化が可能である。

等の効果があハその経済的１機能的、信頼性的波及効果
は甚大である。

【図面の簡単な説明】

の構成図、第３図は本発明の一実施例の一部平面断面図
、第４図は積層壁圧電素子の要部断面図である。 １・・・・・・圧電素子、ｌａ・・・・・・電極、２・
・・・・・半導体。 ３・・・・・・エミッタ、４・・・・・・ペース、５・
・・・・・コレクタ、６・・・・・・ハウジング、７・
・・・・・空隙、８・・・・・・接着剤。 ９・・・・・・セラミック、１０・・・・・・積層型圧
電素子。 １１・・・・・・可変電源、１２・・・・・・スイヴチ
、２５・・・・・・内部電極層、２６・・・・・・絶縁
体、２７，２８・・・・・・電早１＠ （久ｉ 竿２回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電逆効果を呈する積層型圧電素子と、該積層型圧電素
   子に軸方向の伸縮作用を生じさせるために該積層型圧電
   素子内に電界を付与する手段と、この電界の強度を変化
   させるための電界付加手段と、該積層型圧電素子を格納
   固定するハウジングと’！１−Ａ備してなり、前記積層
   を圧電素子に付与する電界の大きさと咳電界の接断を制
   御することに