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JP2012019178A - Piezoelectric element and piezoelectric element manufacturing method - Google Patents

Piezoelectric element and piezoelectric element manufacturing method Download PDF

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JP2012019178A
JP2012019178A JP2010157384A JP2010157384A JP2012019178A JP 2012019178 A JP2012019178 A JP 2012019178A JP 2010157384 A JP2010157384 A JP 2010157384A JP 2010157384 A JP2010157384 A JP 2010157384A JP 2012019178 A JP2012019178 A JP 2012019178A
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Japan
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region
piezoelectric element
regions
voltage
thickness
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JP2010157384A
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Japanese (ja)
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Takashi Yoshida
崇 吉田
Mikio Takimoto
幹夫 滝本
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Nikko Co Ltd
Nikko KK
Original Assignee
Nikko Co Ltd
Nikko KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element having higher durability.SOLUTION: A piezoelectric element 1 includes two or more first regions 3 whose shapes change when a voltage is applied and a second region 5 whose variation of the shape when the voltage is applied is less than the variation of the shape of the first region 3 when the voltage is applied. The second region 5 is laminated so that it is positioned between the first regions 3. The first regions 3 are formed of a ceramic material sandwiched between a positive electrode and a negative electrode. The second region 5 is formed of a ceramic material sandwiched between electrodes of the same polarity.

Description

本発明は、圧電素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element.

印加する電圧の大きさに応じて変形する圧電素子が知られている。
例えば、下記特許文献1には、側面に極性の異なる一対の外部電極を有する圧電アクチュエータであって、複数の圧電体と内部電極層とが積層され、各内部電極層に接続される外部電極の極性が一層ごとに異なるように作られている圧電アクチュエータが開示されている。この圧電アクチュエータでは、一方の外部電極に接続された内部電極と他方の外部電極とを離間する必要があるので、かかる内部電極と外部電極との間付近には、圧電体のうち、電圧印加時に変形しない(電位差が生じない)領域が存在する。
A piezoelectric element that deforms in accordance with the magnitude of a voltage to be applied is known.
For example, the following Patent Document 1 discloses a piezoelectric actuator having a pair of external electrodes with different polarities on the side surface, in which a plurality of piezoelectric bodies and internal electrode layers are stacked, and external electrodes connected to each internal electrode layer. A piezoelectric actuator is disclosed that is made so that the polarity is different for each layer. In this piezoelectric actuator, it is necessary to separate the internal electrode connected to one external electrode and the other external electrode. There is a region that does not deform (no potential difference occurs).

特開2005−5680号公報JP 2005-5680 A

しかし、特許文献1の形式の圧電アクチュエータでは、例えば圧電体のうちの変形する領域と変形しない領域との境界部分に圧力がかかるので、破損し易いという問題がある。
本発明は、より耐久性の高い圧電素子を提供することを目的とする。
However, the piezoelectric actuator of the type disclosed in Patent Document 1 has a problem that it easily breaks because, for example, pressure is applied to a boundary portion between a deforming region and a non-deforming region of the piezoelectric body.
An object of this invention is to provide a highly durable piezoelectric element.

本発明の圧電素子は、電圧を印加することにより形状が変化する2以上の第1の領域と、形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域と、を有し、前記第1の領域及び前記第2の領域は、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層されている、ことを特徴とする。   The piezoelectric element of the present invention includes two or more first regions whose shape changes when a voltage is applied, and a second region whose shape change amount is smaller than the first region. The one region and the second region are stacked such that the second region is located between the first regions.

本発明の実施態様では、前記第2の領域は、前記圧電素子に電圧を印加しても形状が変化しない不活性層を積層して作ることができる。
また別の実施態様では、前記第2の領域は、それぞれ前記圧電素子の厚みの3%以上の厚みに作るのがよい。圧電素子の厚みとは、第1及び第2の領域を積層する方向の長さをいう。
また別の実施態様では、前記第2の領域は、それぞれ前記圧電素子の厚みの4%以上の厚みに作るとより好ましい。
In an embodiment of the present invention, the second region can be formed by laminating an inactive layer whose shape does not change even when a voltage is applied to the piezoelectric element.
In another embodiment, each of the second regions is preferably formed to a thickness of 3% or more of the thickness of the piezoelectric element. The thickness of the piezoelectric element refers to the length in the direction in which the first and second regions are stacked.
In another embodiment, it is more preferable that each of the second regions has a thickness of 4% or more of the thickness of the piezoelectric element.

また別の実施態様では、前記第2の領域は、前記圧電素子を二等分、三等分、又は四等分するように設けられている。
本発明の圧電素子は、電圧印加時に形状が変化する2以上の第1の領域と、形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域とを、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層することにより作られる、ことを特徴とする。
In another embodiment, the second region is provided so as to divide the piezoelectric element into two equal parts, three equal parts, or four equal parts.
The piezoelectric element of the present invention includes two or more first regions whose shape changes when a voltage is applied, a second region whose shape change amount is smaller than the first region, and the second region is the first region. It is made by laminating | stacking so that it may be located between 1 area | regions, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の圧電素子製造方法は、電圧印加時に形状が変化する2以上の第1の領域と、形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域とを、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層して圧電素子を形成する、ことを特徴とする。   The piezoelectric element manufacturing method of the present invention includes two or more first regions whose shapes change when a voltage is applied, and a second region whose shape change amount is smaller than the first region. A piezoelectric element is formed by stacking so as to be positioned between the first regions.

本発明によれば、形状の変化量が第1の領域より小さい第2の領域を圧電素子中に設けることにより、圧電素子に電圧を印加した場合に生ずる形状の変化に基づく物理的な損傷を軽減することができるので、第2の領域に相当する領域を有しない従来の圧電素子に比べて、より高い耐久性を実現することができる。   According to the present invention, by providing a second region in the piezoelectric element whose shape change amount is smaller than the first region, physical damage based on the shape change caused when a voltage is applied to the piezoelectric element is prevented. Since it can be reduced, higher durability can be realized as compared with a conventional piezoelectric element having no region corresponding to the second region.

(A)は実施形態の圧電素子を模式的に示す図であり、(B)は実施形態の圧電素子の一部を拡大して示す図である。(A) is a figure which shows typically the piezoelectric element of embodiment, (B) is a figure which expands and shows a part of piezoelectric element of embodiment. インピーダンスアナライザで計測した波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveform measured with the impedance analyzer. 実施例1、実施例2、及び比較例1それぞれの構成と試験結果を示す図である。It is a figure which shows the structure and test result of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, respectively. 比較例2、実施例3、及び実施例4それぞれの構成と試験結果を示す図である。It is a figure which shows each structure and test result of the comparative example 2, Example 3, and Example 4. FIG. 実施例5乃至11それぞれの構成と試験結果を示す図である。It is a figure which shows the structure and test result of each of Examples 5-11. 4分割構成の圧電素子についての電圧印加時の変形量を示す図である。It is a figure which shows the deformation amount at the time of the voltage application about the piezoelectric element of 4 division structure.

以下、本発明の実施形態の圧電素子1について、図面を参照して説明する。
図1(A)は、圧電素子1を模式的に示し、図1(B)は、圧電素子1の一部を拡大して示す。
圧電素子1は、図1(A)に示すように、電圧を印加することにより形状が変化する2以上の第1の領域3と、形状の変化量が第1の領域3より小さい第2の領域5とを有し、第1の領域3及び第2の領域5を、第2の領域5が第1の領域3の間に位置するように積層して作られている。
第1の領域3は、図1(B)に示すように、極性の異なる内部電極7a,7bが交互に積層されるように、内部電極7a又は内部電極7bと該内部電極7a,7bのいずれかに接続された外部電極9a,9bとを有する圧電体(例えば、圧電セラミックスなど)11を重ね合わせて作られる。例えば、圧電体11は、いずれも同じ厚み(例えば100μm厚)で作られている。
Hereinafter, a piezoelectric element 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A schematically shows the piezoelectric element 1, and FIG. 1B shows an enlarged part of the piezoelectric element 1.
As shown in FIG. 1A, the piezoelectric element 1 includes two or more first regions 3 whose shape changes by applying a voltage, and a second amount whose shape change amount is smaller than the first region 3. The first region 3 and the second region 5 are stacked so that the second region 5 is located between the first regions 3.
As shown in FIG. 1B, the first region 3 includes either the internal electrode 7a or the internal electrode 7b and the internal electrodes 7a and 7b so that the internal electrodes 7a and 7b having different polarities are alternately stacked. A piezoelectric body (for example, piezoelectric ceramics) 11 having external electrodes 9a and 9b connected to each other is overlapped. For example, the piezoelectric bodies 11 are all made with the same thickness (for example, 100 μm thickness).

内部電極7a,7b及び外部電極9a,9bは、印刷技術を用いて圧電体11の表面に形成することができる。また例えば、図1(B)の例では、左側の外部電極9a及び該外部電極9aに接続されている内部電極7aを正極とし、右側の外部電極9b及び該外部電極9bに接続されている内部電極7bを負極とする。
より詳細には、内部電極7a,7bは、圧電体11を重ね合わせた場合に極性の異なる外部電極9b,9aと接触しないように、図1(B)に示すように、圧電体11の一方の端とは離間するように圧電体11の表面に形成される。例えば、正極の内部電極7aは、圧電体11を重ね合わせた場合に負極の外部電極9bと接触しないように、圧電体11の右端(図において右端)から離間されている。なお、かかる第1の領域3の形成方法は、従来の圧電素子の製造方法と同様である。
The internal electrodes 7a and 7b and the external electrodes 9a and 9b can be formed on the surface of the piezoelectric body 11 using a printing technique. Also, for example, in the example of FIG. 1B, the left external electrode 9a and the internal electrode 7a connected to the external electrode 9a are used as the positive electrode, and the right external electrode 9b and the internal connected to the external electrode 9b. The electrode 7b is a negative electrode.
More specifically, as shown in FIG. 1 (B), the internal electrodes 7a and 7b are arranged so as not to contact the external electrodes 9b and 9a having different polarities when the piezoelectric bodies 11 are overlapped. It is formed on the surface of the piezoelectric member 11 so as to be separated from the end of the piezoelectric member 11. For example, the positive internal electrode 7a is separated from the right end (right end in the figure) of the piezoelectric body 11 so as not to contact the negative external electrode 9b when the piezoelectric bodies 11 are overlapped. In addition, the formation method of this 1st area | region 3 is the same as the manufacturing method of the conventional piezoelectric element.

第2の領域5は、第1の領域3より形状の変化量が小さく、圧電素子1に対する電圧印加時における形状の変化(例えば膨張)に基づく損傷を緩和するための領域であり、例えば圧電素子1に電圧を印加しても形状が変化しない不活性層13を積層して作られる。圧電素子1中に第2の領域5を設けることにより、圧電素子1に電圧が印加され、各圧電素子11が変形した場合でも、後述の試験結果に示すように、物理的損傷を軽減することができる。
第2の領域5を形成する不活性層13としては、例えば圧電体11と同様の材料を用いることができる。図示の例では、第2の領域5は、圧電体を用いて形成されるものとするが、第1の領域3とは異なり、その上面に内部電極を有していない。また、図1(B)に示すように、第2の領域5の上端と下端とに同じ極性の内部電極(図では内部電極7a)がそれぞれ配置されるように、第1の領域3が形成されている。これにより、かかる同じ極性の内部電極7a間に配置された圧電体(第2の領域5)は、圧電素子1に電圧を印加しても電圧の影響を受けない(電圧が印加されない)ので、形状が変化しない。
The second region 5 has a smaller amount of change in shape than the first region 3, and is a region for alleviating damage based on a change in shape (for example, expansion) when a voltage is applied to the piezoelectric element 1, for example, a piezoelectric element. 1 is formed by laminating an inactive layer 13 whose shape does not change even when a voltage is applied to 1. By providing the second region 5 in the piezoelectric element 1, even when a voltage is applied to the piezoelectric element 1 and each piezoelectric element 11 is deformed, physical damage is reduced as shown in the test results described later. Can do.
As the inactive layer 13 forming the second region 5, for example, the same material as that of the piezoelectric body 11 can be used. In the illustrated example, the second region 5 is formed using a piezoelectric body. However, unlike the first region 3, the second region 5 does not have an internal electrode on its upper surface. Further, as shown in FIG. 1B, the first region 3 is formed such that internal electrodes having the same polarity (internal electrode 7a in the figure) are respectively disposed at the upper end and the lower end of the second region 5. Has been. Accordingly, the piezoelectric body (second region 5) disposed between the internal electrodes 7a having the same polarity is not affected by the voltage even when a voltage is applied to the piezoelectric element 1 (no voltage is applied). The shape does not change.

また、図1(A)の例では、第2の領域5は、圧電素子1を四分割(例えば四等分)するように、3箇所に形成されているが、第1の領域3それぞれの厚み(図では、上下方向の厚みであり、第2の領域5間のピッチともいえる)D1、圧電素子1の分割数(第1の領域3の個数)、及び第2の領域5それぞれの厚み(図では、上下方向の厚み)D2等の種々のパラメータについては適宜変更することができる。より好ましいパラメータの設定値については、実施例及び試験結果を参照して後述する。   In the example of FIG. 1A, the second region 5 is formed at three locations so as to divide the piezoelectric element 1 into four parts (for example, equally divided into four). Thickness (in the figure, the thickness in the vertical direction, which can also be called the pitch between the second regions 5) D1, the number of divisions of the piezoelectric element 1 (the number of the first regions 3), and the thickness of each of the second regions 5 Various parameters such as D2 (thickness in the vertical direction in the figure) can be appropriately changed. More preferable parameter setting values will be described later with reference to examples and test results.

上記実施形態で説明したように、第2の領域5が第1の領域3の間に位置するように第1の領域3及び第2の領域5を積層することにより、圧電素子1に電圧を印加した場合に第1の領域3が変形しても、第2の領域5が物理的な損耗を軽減し、圧電素子1の耐久性が高まるという優れた効果が得られる。   As described in the above embodiment, a voltage is applied to the piezoelectric element 1 by stacking the first region 3 and the second region 5 so that the second region 5 is located between the first regions 3. Even if the first region 3 is deformed when it is applied, the second region 5 reduces physical wear and the excellent effect that the durability of the piezoelectric element 1 is increased can be obtained.

以下、具体的な実施例、比較例、及び試験結果を参照して本発明について詳細に説明する。
[試験方法]
圧電素子の実施例及び比較例に対し、下記の試験を実施した。
(1)DC電源(KENWOOD PA500−0.1A)を用いて一定の電圧(70〜200V)を3秒間印加する。
(2)3秒間の電圧印加が終了する度にインピーダンスアナライザ(hp 4294A)で波形を確認して、波形異常が認められない場合は合格とし、波形異常(例えば、図2における破線で囲った部分を参照)が認められる場合はマイクロクラック(破壊)が発生したものと推定し、不合格とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples, comparative examples, and test results.
[Test method]
The following test was implemented with respect to the Example and comparative example of the piezoelectric element.
(1) A constant voltage (70 to 200 V) is applied for 3 seconds using a DC power supply (KENWOOD PA500-0.1A).
(2) The waveform is checked with an impedance analyzer (hp 4294A) every time the voltage application for 3 seconds is completed, and if no waveform abnormality is recognized, it is accepted and the waveform abnormality (for example, a portion surrounded by a broken line in FIG. 2) )), It is presumed that microcracks (destruction) have occurred, and is rejected.

図3は、圧電素子の実施例1、実施例2、及び比較例それぞれの構成と試験結果とを示す。この試験は、圧電素子中に不活性層を設けることの効果と、不活性層の厚みの合計(第2の領域5の厚みD2)を大きくすることの効果とを検証するために行った。
まず、実施例1、実施例2、及び比較例それぞれの構成について説明する。
[実施例1]
(1)全長=10mm、
(2)分割数(第1の領域3の個数)=2(第2の領域5を1つ有する)、
(3)圧電体の厚み=100μm、
(4)不活性層13の厚みの合計(第2の領域5の厚み)D2=400μm(例えば、100μm×4層)、
(5)供試体の数=10個、
(6)印加電圧=70V、100V、120V、150V。
FIG. 3 shows the configurations and test results of Example 1, Example 2, and Comparative Example of the piezoelectric element. This test was performed to verify the effect of providing an inactive layer in the piezoelectric element and the effect of increasing the total thickness of the inactive layer (thickness D2 of the second region 5).
First, the configurations of Example 1, Example 2, and Comparative Example will be described.
[Example 1]
(1) Total length = 10 mm,
(2) Number of divisions (number of first regions 3) = 2 (having one second region 5),
(3) Piezoelectric thickness = 100 μm,
(4) Total thickness of inactive layer 13 (thickness of second region 5) D2 = 400 μm (for example, 100 μm × 4 layers),
(5) Number of specimens = 10,
(6) Applied voltage = 70V, 100V, 120V, 150V.

[実施例2]
(1)全長=10mm、
(2)分割数(第1の領域3の個数)=2(第2の領域5を1つ有する)、
(3)圧電体の厚み=100μm、
(4)不活性層13の厚みの合計(第2の領域5の厚み)D2=800μm(例えば、100μm×8層)、
(5)供試体の数=10個、
(6)印加電圧=70V、100V、120V、150V。
[Example 2]
(1) Total length = 10 mm,
(2) Number of divisions (number of first regions 3) = 2 (having one second region 5),
(3) Piezoelectric thickness = 100 μm,
(4) Total thickness of inert layer 13 (thickness of second region 5) D2 = 800 μm (for example, 100 μm × 8 layers),
(5) Number of specimens = 10,
(6) Applied voltage = 70V, 100V, 120V, 150V.

[比較例]
(1)全長=10mm、
(2)分割数(第1の領域3の個数)=1(第2の領域5を有しない)、
(3)圧電体の厚み=100μm、
(4)供試体の数=10個、
(5)印加電圧=70V、80V、90V、100V、110V、120V。
[Comparative example]
(1) Total length = 10 mm,
(2) Number of divisions (number of first regions 3) = 1 (no second region 5),
(3) Piezoelectric thickness = 100 μm,
(4) Number of specimens = 10,
(5) Applied voltage = 70V, 80V, 90V, 100V, 110V, 120V.

図3に示す試験結果によれば、不活性層を一切有していない比較例1の圧電素子(従来の圧電素子)は、80Vを印加した時点で半数が破壊しており、120Vに耐えられるものは存在しないことがわかる。なお、比較例1の圧電素子は、70Vの電圧印加に対して合格率90%を示しているので、突発的な電圧増加が発生する可能性を考慮すると、せいぜい50V程度の低い電圧の下で使用するのが限度であると思われる。
一方、不活性層を有する実施例1と実施例2それぞれの圧電素子は、100Vの電圧印加に対する合格率が90%であり、比較例の圧電素子より明らかに電圧印加(詳細には、電圧印加時に生ずる変形に基づく物率的な損傷)に対する耐久性が高いことがわかる。さらに、150Vの電圧を印加した場合、実施例1の圧電素子の合格率は50%であるのに対し、実施例2の圧電素子の合格率は80%である。
この試験により、圧電素子中に不活性層を設けることにより、圧電素子の耐久性が高まるという傾向が確認された。また、不活性層の厚みの合計(第2の領域5の厚み)を大きくすることにより、圧電素子の耐久性がより高まるという傾向が確認された。
図4は、圧電素子の比較例2(実施例1)、実施例3、及び実施例4それぞれの構成と試験結果とを示す。この試験は、第2の領域5の数を増やすことの効果を検証するために行った。なお、比較例2(実施例1)の構成及び試験結果は、図3を参照して説明したものと同じである。
According to the test results shown in FIG. 3, half of the piezoelectric element of Comparative Example 1 (conventional piezoelectric element) that does not have any inactive layer is broken when 80V is applied and can withstand 120V. You can see that there is nothing. The piezoelectric element of Comparative Example 1 shows a pass rate of 90% with respect to a voltage application of 70 V. Therefore, in consideration of the possibility of a sudden increase in voltage, the piezoelectric element is under a low voltage of about 50 V at most. It seems to be the limit to use.
On the other hand, each of the piezoelectric elements of Example 1 and Example 2 having an inactive layer has a pass rate of 90% with respect to a voltage application of 100 V, which is clearly higher than that of the piezoelectric element of the comparative example. It can be seen that it is highly durable against material damage (which is sometimes caused by deformations). Furthermore, when a voltage of 150 V is applied, the pass rate of the piezoelectric element of Example 1 is 50%, whereas the pass rate of the piezoelectric element of Example 2 is 80%.
By this test, the tendency that durability of a piezoelectric element increases by providing an inert layer in a piezoelectric element was confirmed. Further, it was confirmed that the durability of the piezoelectric element was further increased by increasing the total thickness of the inert layers (thickness of the second region 5).
FIG. 4 shows the configuration and test results of Comparative Example 2 (Example 1), Example 3, and Example 4 of the piezoelectric element. This test was conducted to verify the effect of increasing the number of second regions 5. The configuration and test results of Comparative Example 2 (Example 1) are the same as those described with reference to FIG.

まず、実施例3及び実施例4それぞれの構成について説明する。
[実施例3]
(1)全長=10mm、
(2)分割数(第1の領域3の個数)=3(第2の領域5を2つ有する)、
(3)圧電体の厚み=100μm、
(4)不活性層13の厚みの合計(第2の領域5の厚み)D2=400μm(例えば、100μm×4層)、
(5)供試体の数=10個、
(6)印加電圧=100V、120V、150V、200V。
First, the configurations of the third and fourth embodiments will be described.
[Example 3]
(1) Total length = 10 mm,
(2) Number of divisions (number of first regions 3) = 3 (having two second regions 5),
(3) Piezoelectric thickness = 100 μm,
(4) Total thickness of inactive layer 13 (thickness of second region 5) D2 = 400 μm (for example, 100 μm × 4 layers),
(5) Number of specimens = 10,
(6) Applied voltage = 100V, 120V, 150V, 200V.

[実施例4]
(1)全長=10mm、
(2)分割数(第1の領域3の個数)=4(第2の領域5を3つ有する)、
(3)圧電体の厚み=100μm、
(4)不活性層13の厚みの合計(第2の領域5の厚み)D2=400μm(例えば、100μm×4層)、
(5)供試体の数=10個、
(6)印加電圧=100V、120V、150V、200V。
[Example 4]
(1) Total length = 10 mm,
(2) Number of divisions (number of first regions 3) = 4 (having three second regions 5),
(3) Piezoelectric thickness = 100 μm,
(4) Total thickness of inactive layer 13 (thickness of second region 5) D2 = 400 μm (for example, 100 μm × 4 layers),
(5) Number of specimens = 10,
(6) Applied voltage = 100V, 120V, 150V, 200V.

図4に示す試験結果によれば、150Vの電圧を印加した場合の合格率は、比較例(実施例1)が50%、実施例3が80%、実施例4が100%であり、200Vの電圧を印加した場合の合格率は、実施例3が70%、実施例4が100%である。この試験により、第2の領域5の数を増やすことにより、圧電素子の耐久性がより高まるという傾向が確認された。   According to the test results shown in FIG. 4, the pass rate when a voltage of 150V is applied is 50% for the comparative example (Example 1), 80% for Example 3, and 100% for Example 4, and 200V. The pass rate when the voltage is applied is 70% in Example 3 and 100% in Example 4. From this test, it was confirmed that the durability of the piezoelectric element was further increased by increasing the number of the second regions 5.

図5は、圧電素子の実施例5乃至11それぞれの構成と試験結果とを示す。この試験は、図3に示す試験結果において2分割品の圧電素子については第2の領域5の厚みが大きいほど耐久性が向上するという傾向が確認されたが、念のために、図4に示す試験で最も良い結果を示した4分割構成の圧電素子について、不活性層の厚みの合計(第2の領域5の厚み)D2と耐久性との関係を検証するために行った。具体的には、不活性層の厚みの合計D2を100μm、200μm、300μm、又は400μmとし、分極電圧を1.0kV/mm又は1.5kV/mmとした。なお、この試験では、図3及び図4の試験とは異なり、まず始めに分極を行い、インピーダンスアナライザで分極後の波形についても確認した。
図5に示す試験結果によれば、1.5kV/mmの分極電圧を印加した場合には、分極後の合格率がいずれも高くないものの、1.0kv/mmの分極電圧を印加した場合には、分極後の合格率は実施例9(90%)を除き、いずれも100%である。また、150Vの電圧を印加した場合の合格率は、実施例9が70%、実施例11が100%であり、200Vの電圧を印加した場合の合格率は、実施例9が20%、実施例11が100%である。この試験により、第2の領域5の厚みD2を大きくすることにより、圧電素子の耐久性が高まるという傾向がより明確に確認された。また、実施例11の構成によれば、150〜200Vの電圧にも耐えられるため、通常時に100〜150Vの電圧が印加され得る環境で利用することができる。
FIG. 5 shows configurations and test results of Examples 5 to 11 of the piezoelectric element. In this test, it was confirmed in the test results shown in FIG. 3 that the durability of the two-part piezoelectric element increases as the thickness of the second region 5 increases. The piezoelectric element having a four-part configuration that showed the best results in the test shown was performed in order to verify the relationship between the total thickness of the inactive layer (the thickness of the second region 5) D2 and the durability. Specifically, the total thickness D2 of the inactive layer was set to 100 μm, 200 μm, 300 μm, or 400 μm, and the polarization voltage was set to 1.0 kV / mm or 1.5 kV / mm. In this test, unlike the tests in FIGS. 3 and 4, polarization was first performed, and the waveform after polarization was also confirmed by an impedance analyzer.
According to the test results shown in FIG. 5, when a polarization voltage of 1.5 kV / mm is applied, the pass rate after polarization is not high, but when a polarization voltage of 1.0 kv / mm is applied. The pass rate after polarization is 100% in all cases except Example 9 (90%). Moreover, the pass rate when a voltage of 150 V is applied is 70% in Example 9, and 100% in Example 11, and the pass rate when a voltage of 200 V is applied is 20% in Example 9. Example 11 is 100%. By this test, the tendency of increasing the durability of the piezoelectric element by increasing the thickness D2 of the second region 5 was confirmed more clearly. Moreover, according to the structure of Example 11, it can endure the voltage of 150-200V, Therefore It can utilize in the environment where the voltage of 100-150V can be applied at normal time.

図6は、4分割構成の圧電素子1についての電圧印加時の変形量を示す。なお、第2の領域5の厚みD2と分極電圧の組み合わせについて6種類のパターンを用意した。この図に示すように、圧電素子1に電圧を印加した場合の変形量は、第2の領域5の厚みD2を変化させても、ほとんど同じであることが確認できた。
以上のように、実施形態の圧電素子1によれば、電圧を印加することにより形状が変化する2以上の第1の領域3と、形状の変化量が第1の領域3より小さい第2の領域5とを、第2の領域5が第1の領域3の間に位置するように積層することにより、従来の圧電素子と比較して電圧印加時の変形に基づく物理的損傷に対してより高い耐久性を得ることができる。
より詳細には、前述の試験結果を踏まえると、第2の領域5を、それぞれ圧電素子1の厚みの3%以上の厚み、より好ましくは4%以上の厚みに作ることにより、圧電素子1の耐久性がより高くなる傾向があるといえる。また、第2の領域5は、圧電素子1を二等分するよりも三等分するように、より好ましくは四等分するように設けることにより、より高い耐久性を得ることができる。
以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
FIG. 6 shows the amount of deformation when a voltage is applied to the piezoelectric element 1 having a four-part configuration. Six types of patterns were prepared for combinations of the thickness D2 of the second region 5 and the polarization voltage. As shown in this figure, it was confirmed that the deformation amount when a voltage was applied to the piezoelectric element 1 was almost the same even when the thickness D2 of the second region 5 was changed.
As described above, according to the piezoelectric element 1 of the embodiment, the two or more first regions 3 whose shape changes when a voltage is applied, and the second amount whose shape change amount is smaller than the first region 3. By laminating the region 5 so that the second region 5 is located between the first regions 3, it is more resistant to physical damage due to deformation during voltage application than the conventional piezoelectric element. High durability can be obtained.
More specifically, based on the test results described above, the second region 5 is formed to have a thickness of 3% or more, more preferably 4% or more of the thickness of the piezoelectric element 1, respectively. It can be said that the durability tends to be higher. Further, by providing the second region 5 so as to divide the piezoelectric element 1 into three equal parts, more preferably into four equal parts, it is possible to obtain higher durability.
Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above and can be applied in various modifications.

[変形例]
例えば、実施形態では、第2の領域5を形成する不活性層13として、第1の領域3を形成する圧電体11と同じ材料を用いているが、圧電素子1に対する電圧印加時の変形量が第1の領域3より小さい任意の材料を用いることができる。或いは、不活性層13として、そもそも電圧を印加しても変形(膨張)しない材料を用いてもよい。
[Modification]
For example, in the embodiment, as the inactive layer 13 that forms the second region 5, the same material as that of the piezoelectric body 11 that forms the first region 3 is used. Any material that is smaller than the first region 3 can be used. Alternatively, a material that does not deform (expand) even when a voltage is applied may be used as the inactive layer 13.

1…圧電素子、3…第1の領域、5…第2の領域、7a,7b…内部電極、9a,9b…外部電極、11…圧電体、13…不活性層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric element, 3 ... 1st area | region, 5 ... 2nd area | region, 7a, 7b ... Internal electrode, 9a, 9b ... External electrode, 11 ... Piezoelectric body, 13 ... Inactive layer

Claims (8)

電圧を印加することにより形状が変化する2以上の第1の領域と、
形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域と、
を有し、前記第1の領域及び前記第2の領域は、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層されている、ことを特徴とする圧電素子。
Two or more first regions whose shapes change by applying a voltage;
A second region whose shape change amount is smaller than the first region;
The piezoelectric element is characterized in that the first region and the second region are stacked such that the second region is located between the first regions.
前記第2の領域は、前記圧電素子に電圧を印加しても形状が変化しない不活性層を積層して作られている請求項1に記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second region is formed by laminating an inactive layer whose shape does not change even when a voltage is applied to the piezoelectric element. 前記第1の領域は、正極電極及び負極電極に挟まれたセラミックス材料からなり、
前記第2の領域は、同じ極の電極に挟まれたセラミックス材料からなる
請求項2に記載の圧電素子。
The first region is made of a ceramic material sandwiched between a positive electrode and a negative electrode,
The piezoelectric element according to claim 2, wherein the second region is made of a ceramic material sandwiched between electrodes of the same polarity.
前記第2の領域は、それぞれ前記圧電素子の厚みの3%以上の厚みに作られている請求項1又は2に記載の圧電素子。   3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein each of the second regions has a thickness of 3% or more of the thickness of the piezoelectric element. 前記第2の領域は、それぞれ前記圧電素子の厚みの4%以上の厚みに作られている請求項1又は2に記載の圧電素子。   3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein each of the second regions has a thickness of 4% or more of the thickness of the piezoelectric element. 前記第2の領域は、前記圧電素子を二等分、三等分、又は四等分するように設けられている請求項4又は5に記載の圧電素子。   6. The piezoelectric element according to claim 4, wherein the second region is provided so as to divide the piezoelectric element into two equal parts, three equal parts, or four equal parts. 電圧印加時に形状が変化する2以上の第1の領域と、形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域とを、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層することにより作られる、ことを特徴とする圧電素子。   Two or more first regions whose shape changes when a voltage is applied, and a second region whose shape change amount is smaller than the first region, and the second region is located between the first regions. A piezoelectric element characterized by being made by laminating so as to. 電圧印加時に形状が変化する2以上の第1の領域と、形状の変化量が前記第1の領域より小さい第2の領域とを、該第2の領域が該第1の領域の間に位置するように積層して圧電素子を形成する、ことを特徴とする圧電素子製造方法。   Two or more first regions whose shape changes when a voltage is applied, and a second region whose shape change amount is smaller than the first region, and the second region is located between the first regions. A piezoelectric element manufacturing method, characterized in that a piezoelectric element is formed by laminating in such a manner.
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