JPH03181186A - 積層圧電アクチュエータ及びその製法 - 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〕 本発明は圧電セラミックスを用いた圧電アクチュエータ
、更に詳しくはセラミックタイル層と電極層を交互に層
状にした積層板をプレスしそして焼結して作る積層形ア
クチュエータに関する。本発明はかかる積層体を製造す
る方法にも関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕セラミ
ック材料は剛性イオンモデルで表すことができる、すな
わち陰イオンと陽イオンはスプリングで結合されて結晶
格子を形成する。電圧を結晶にかけると、陽イオンは電
場の方向に、また陰イオンは反対の方向にひかれる。こ
の力が格子変形をおこすことになる。非中心対称セラミ
ックス内のイオン変位は軟と剛のスプリングでおこり電
歪効果を生む。元の長さに対する変位（ΔＬ）の比（Δ
Ｌ／Ｌ）によって定義される誘発歪は印加電圧に比例す
る。一方、スプリングの非調和性は二次電歪効果を生じ
るためには必須である。誘発される歪は印加電圧の２乗
に比例する。

圧電／電歪アクチュエータの最近の関心は新しい材料の
開発にある。従来、圧電セラミックはブザー、スピーカ
ー、そして超音波発生機のような振動子、すなわち電子
部品用にだけに使われてきた。しかし、アクチュエータ
の用途として１ｋＶ／ｍａ＋の高電界を材料に印加する
ことで大きな応力と歪を生じることができる。それ放電
気的な絶縁強度と機械的剛性が材料特性すなわち十分な
電歪として必要である。

圧電アクチュエータ材料は基本的にジルコン酸鉛とチタ
ン酸鉛の固溶体（Ｐ２Ｔ）である。これらのソフト強誘
電体は、１００Ｖ／ｍｍより低い印加電圧と歪とはほぼ
直線関係を示すが、高電界では電位の上昇と降下にとも
なって無視できないヒステリシスが存在する。このヒス
テリシスはしばしばす−ボ機構による制御をむずかしく
する。

新しく開発された電歪性をもつ材料は鉛とマグネシウム
のニオブ酸塩（ＰＭＮ）をベースにしたセラミックスで
ある。一般に、電気機械的カップリングの二次現象であ
る電歪は小さな無視できる効果であると考えられて実用
の見地からは研究されなかった。一方、ＰＭＮセラミッ
クスはヒステリシスなしに０．１％まで（すなわちｌ　
ｃｍのサンプルが１０印まで伸びることができる）の大
きな歪を示す。

それ故、新しい材料で製造した圧電／電歪アクチュエー
タは多くの利点を提供し、そのうちいくつかを次に示す
。

１）高い精度（±０．０１．ＡＩＩｎ）で数十−迄の変
位範囲の制御 ２）高応答速度（ご１０μ５） ３）高発生力（＝４００ｋｇｆ／ｃ＋＋ｆ）４）電磁モ
ーターより一桁小さい駆動力超微粉セラミックスの最新
製造技術は信頼性と耐久性があるセラミックアクチュエ
ータの製造に非常に有効となった。金属アルコキシド、
水溶液からの水酸化物の共沈、そしてスプレー乾燥法等
は、化学的に均質な均一細粒粉末を調製するのに使われ
る。ＰＬＺＴ　（９／６５　／３５　’）は粒度を下げ
ると、一般に粒径が＜１．３印では機械的破壊靭性が増
加することを示している。

圧電／電歪アクチュエータ（！多くの工業的用途がある
が下表にその一部を示す。

剛性　サーボ　　　光学 剛性　サーボ　　　光学 剛性　サーボ　　　光学 剛性　サーボ　　　光学 剛性　サーボ　　　光学 剛性　サーボ　　　機械 高性能干渉膨張針 双安定光学素子 変形ミラー 変形光学グリッド 顕微鏡ステージ 高精密ガイド機構 剛性　サーボ　　　機械 剛性　サーボ　　　機械 剛性　オン／　　　光学 オフ 油圧サーボバルブ ＶＴＲヘッド スウィングＣＣＤ イメージセンサ− 剛性　オン／ オフ 機械 ドツトマトリック ス印刷ヘッド 共鳴 適応制御 エネルギ ー伝達 超音波外科用ナイ フ 共鳴 適応制御 エネルギ ー伝達 圧電ファン 共鳴 適応制御 エネルギ ー伝達 圧電ポンプ 共鳴 共鳴 適応制御 適応制御 光学／ 機械 光学／ 機械 超音波モーター 超音波リニアモー ター 圧電アクチュエータに関する文献は、Ｃｅｒａｒｎｉｃ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎｅ　６５（１９８６）、　１１５６−
１１５７、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ−ｒｉｃｓ　５０（１
９８３）及びＣｅｒａｍｉｃ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎｅ　６
５（１９８６）。

６４７−６５２がある。

一般に、積層形アクチュエータは圧電タイル層と電極層
を交互に積重ねたプリズム形ラミネートブロックからな
る。−級に、このブロックは正方形あるいは長方形であ
るが円形としてもよい。各電極は一対のセラミック層で
サンドウィッチ状に重ね合わせたものであり、偶数番と
奇数番の電極のグループはそれぞれ集電極に接続されて
いる。

一般に、集電極はラミネートに垂直でブロックの向かい
合った両側面に取付けた外部の導電ストリップ又は層で
ある。奇数グループの電極がブロックの反対側にある偶
数グループの集電極と短絡しないために、この逆も同じ
であるが、電極を櫛歯をからませた千鳥形とすることが
できる。各グループの電極の長さはブロックの巾より短
かくしているので、各電極のチップは反対側の集電極か
らは分離して不連続となっている。すなわち、２つのセ
ラミック層間の電極のない領域は電歪的にあるいは圧電
気的に不活性である。また一対のセラミック層の向かい
合う両面は圧電アクチュエータでブロックを焼結する間
は接触してもよいし、またお互に付着してもよい。

しかし、この種の構造は内部千鳥電極の不連続な個所で
機械的脆性のために故障がおこる。電圧を印加すると、
櫛歯をかませた形の電極は引張応力を生み、電歪的にあ
るいは圧電的に活性と不活な部分の境界周辺の電極板上
に亀裂が発生する。

一つの解決法は電歪的に不活性な領域を除いて引張り応
力をなくするために、重なり形装置になる修正電極パタ
ーン（いわゆる“めっきスルー”形電極）を使用するこ
とである。しかし、この構造は長手方向の異方性（平ら
なセラミック層と電極層のくり返し）を無くするもので
はないし、更に相対する電極のグループに結合した集電
極と干渉しないように、各グループの電極チップをそれ
ぞれ絶縁しなければならないが、これは構造を複雑にす
る。この方法にはＮｅｗ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　＆　Ｎ
ｅｗＰｒｏｃｅｓｓｅｓ　３（１９８５）、　６３−６
８が参考となる。別の解決法は、機械的剛性を改善する
ために金属電極に代ってセラミック電極を使う方法であ
る。しかし、一般にセラミック電極は符合する金属電極
よりも厚くなり、またかなりな量の異物の混入が中間に
入れた圧電層の動的効率を防げることになる。

この方法には巳１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｓ５ｅｎｔｉ
ａｌ　５ｅｒｉｅｓ　３（Ｔｏｋｙｏ、　１９８４）が
参考となる。

〔課題を解決するための手段、作用及び発明の効果〕

２つの連続した圧電セラミック層を電歪的に又は圧電的
に不活性な領域でお互に接触しないようにすることで、
上述の欠点を部分的にあるいは完全に除くことができる
。例えば、電極製造工程で電極パターンを不連続にした
あとに残った空間を、積層体をプレスしたり又圧電アク
チュエータを操作したりする時に生じる圧力に耐える材
料で埋めることで達成できる。さらに必要であれば電極
の表面に局部的な切れ目や穴を与えて全体の剛性が保証
できるし、この不連続な個所は圧電セラミック例えばア
クチュエータそれ自身を構成する圧電セラミックで充填
される。

上述の不連続な個所は、中間の電極層をまたいでお互に
局部的に結合する一種のセラミック支柱を構成する、す
なわち１つの圧電セラミック層が次の層と結合して積層
体全体の機械的性質を強化する。この種の構造は第６回
ＩＥＥＥ国際シンポジウム（１９８６，ｐ、６５２−６
５５）及び英国特許第２．１１５．２２３号に開示され
ている。

添付図面により本発明を更に詳細に説明する。

圧電アクチュエータブロックはその一部を第１図に示し
であるように、複数の積重ねた圧電セラミックタイル又
は層１とこの圧電セラミックタイル１間に差込んだ電極
２ａ及び２ｂを含んでなる。

電極は印刷塗布で析出する例えば白金のような耐熱金属
で作るか、あるいは低融解合金を浸透したサーメット又
は多孔質圧電セラミックで作ることができる。電極２ａ
（偶数番の電極）はグループ（Ａ）を懲戒しそしてこれ
らすべての電極をアクチュエータブロックの片側にある
集電極３ａに結合する。電極２ｂ（奇数番の電極）は別
のグループ（Ｂ）を懲戒しそしてブロックの反対側にあ
る別の集電極３ｂに結合する。図面で明らかなように、
電極はブロックの金山にわたって伸びていない。例えば
、偶数番の電極２ａはブロックの巾全体には伸びず、電
極で印加した電界をうけないスペース４ａを残している
。この空間は２つの連続する圧電セラミックタイル間の
ギャップを懲戒する。先行技術の圧電アクチュエータで
は、このギャップが製造中に消滅してしまう。すなわち
、積層ブロックをプレスし焼結するために焼成する場合
、まだプラスチック状の圧電材料は押しつけられてこの
ギャップを埋めてしまうので、上下のタイルはこの部分
で接合してしまう。これが電気機械的アンバランスの原
因であり、この構造体中に内部応力が生じる。本発明で
はブロックをプレスする際の圧力に耐える材料でこのギ
ャップを埋めるので、焼結の際に２つのタイルはお互に
結合することはない。スペース４ａに埋める材料は、ア
クチュエータの使用時にこの電歪的に又は圧電的に不活
性な領域に発生する機械的アンバランスを相殺する弾力
性のあるものが好ましい。好ましい材料はエポキシ樹脂
、過弗素化ポリアルキレン樹脂、又はポリイミド樹脂の
ような耐熱有機樹脂である。

第２Ａ、２Ｂ、３．４図は本発明に従って圧電アクチュ
エータを製造する方法を示す。

第２Ａ、２Ｂ図は、アクチュエータ製造に際して他の同
じ層と積み重ねた圧電セラミック５６をなす２つの連続
するエレメント又は層ＡとＢを上から見た略図である。

第３図は、連続する一対の層ＡとＢを積重ねて完成する
実際の積層体の一部（第２Ｂ図の線Ｖｌ−ＶＩについて
の）断面図を示す。

エレメントＡとＢは後述するテープキャスティング法で
作り種重ねるためにカットしたプラスチック状の圧電セ
ラミックのタイルである。これらのエレメントを積重ね
た後プレスしてブロックとし、このブロックを点線にそ
って垂直に切断すればアクチーエータフォーマットをし
た個々の小さなブロックが得られる。

一時的なパターンであるスクリーン印刷した平行なスト
ライプ５１をシートＡ上に、またストライプ５２をシー
トＢ上に付ける。これらのストライプは巾を約１０〜１
００＃ｌ、そして高さを数−又は数十μすなわちストラ
イプ間の電極構成部５４とほぼ同じ高さとすることがで
きる。この電極構成部をＰｔ配合物でスクリーン印刷し
てもよいし、また導電サーメットとすることができるし
、あるいは燃やすと無くなりあとで可融合金を浸透でき
る多孔性を与える一時的な物質と混和するセラミックと
することができる。

第２Ａ、２Ｂ図から明らかなように、ストライプ５１と
５２の位置は点線で示した切断線に対して中心線を外れ
ている、すなわちストライプ５１は切断線の右側にスト
ライプ５２は左側にある。したがってニレメン）ＡとＢ
を連続して積重ねた後、圧着するためにプレスし焼成し
そして一時的なペイントを燃やして次いでこのブロック
を第４図に示す実際のアクチュエータサイズに切断する
。消滅したストライプは予備成形したアクチュエータの
向かい合う両側に千鳥配置の空の側面溝を残すことにな
る。この溝は第１図の実施態様で述べたギャップ４ａと
符合する。図中で番号５６は圧電セラミックタイルを表
す。図において溝の深さは説明の都合上かなり誇張しで
ある。実際の深さは敷用から数十−又は数百−１すなわ
ち原ストライプ５１と５２の巾に相当する値である。

この溝を絶縁材料、例えばポリイミド樹脂のような耐熱
樹脂で埋めるが代案として絶縁体は無機質とすることが
できる。本発明のこの製造の実施態様が“めっきスルー
”電極を用いる先行技術にと比較してそのすぐれている
点は精密さと効率にある。めっきスルー電極の場合はア
クチュエータブロックの両側面上の電極端を覆うガラス
ス）　ＩＪツブで端面を絶縁する必要がある。表面に窪
んだ領域を簡単に埋めることよりもガイドマークなしに
平らな平面上に絶縁帯を位置づけすることの方がはるか
にむずかしい。その上本発明の方法は絶縁したあとブロ
ックの表面は平らであるから集電極の取付けで容易であ
るが、一方先行技術ではブロックの表面は波形状である
。

第５図は、本発明の別の実施態様に従う圧電セラミック
アクチュエータの略部分断面図である。

第５図では複数の圧電セラミック層又はタイル１１がこ
のセラミック中に埋封した電極１３　、１５で分離され
ている。電極は非常に細かい金属のワイヤーグリッド、
例えば５〜５０坤ゲージでできている。

第５図の電極は断面で示した横フィラメントと縦フィラ
メン）１５ａで示される。偶数番の電極１３は集電極１
６に結合する群を形成し、そして奇数番の電極１５は積
層ブロックの反対側の面にある別の集電極１７と結合す
る群を形成する。電極１３と１５の位置は積層体内で交
互になっている、すなわち一方の群の電極１３の次は他
方の群の電極１５がくることに注目すべきである。

この千鳥配置では、１つの群の各電極を他の群の電極の
集電極から距離１８をおいて止め電極が短絡しないよう
にしている。この不連続部１８は連続する圧電セラミッ
クタイル間にギャップを作り、このギャップに圧電アク
チュエータ作動時に伸張のアンバランスに基づく内部応
力を補整し釣合いを取る物質をそう人する。この物質は
無機質又は有機質でよいが、ある程度弾性があるのが好
ましい。

積層品をワイヤーメツシュ電極層と圧電セラミック層を
内部で重ね合わせてグリーンプラスチックフオームとし
次いでこの積層品をプレスして焼成する場合には、ワイ
ヤーメツシュの金属は耐熱金属、例えば白金とすること
ができる。電極を浸透で作る場合、すなわち消耗材料で
一時的な電極を作れば、この材料を焼成して除きそして
生じた空隙にあとで金属を浸透させる。この場合電極の
金属は低融点金属、例えば錫、鉛又は銀及びこれらの合
金とすることができる。

第６図は本発明の別な実施態様の略図を示す。

連続する圧電セラミック層３２を分離する電極３３を、
開放した空隙をもつ多孔質構造層に金属を浸透して作る
。これは一時的な材料を使って製造することができる。

すなわち熱分解できる材料、例えば有機バインダー又は
カーボン粒子を一部含んでいる層を圧電セラミックタイ
ル間にそう人し、焼成すれば燃焼して所望の開放した空
隙のある構造体となり次いで金属を浸透させて製造する
。セラミック中のカーボン粒子のサイズと比率を、カー
ボン除去のあとセラミックブリッジ３５の部分が積層体
内のトラス構造を支えるに十分であるように決めること
ができる。この関連からして、カーボン粒子（あるいは
他の消耗材料）の平均サイズは大よそ電極の厚さに符合
し、そしてセラミック中の一時的な電極の比率は全積層
体の電気的連続性を保証するに十分であればよい。代り
にもっと細かいカーボン粒子を使うことができる。

第６図の実施態様において、層３２　、３３で作る積層
板をプレスしてアクチュエータブロックを製造する際の
圧力でつぶれないだけの、十分な密度をもつ材料で埋め
たギャップ３６を各電極層はその末端に有する。

本発明はアクチュエータ積層体を製造する方法にも関す
る。２つの主要な方法を述べることにする。最初の方法
では、電極材料を焼成して直接電極金属とするので、電
極材料は金属自身であってもよいし先駆物質でもよい。

金属自身の場合は高温酸化に耐える必要があるのでＡｇ
−Ｐｄ合金、白金あるいは別の貴金属のような耐火性で
なければならない。さもなければ、スクリーン印刷する
導電インキを使用し、このインキは焼成によって部分的
に分解する。この方法は特に第１図の実施態様に適し、
電極パターンの例えば格子パターンの被膜を圧電セラミ
ックの各層にスクリーン印刷して、境界領域を圧力に耐
える一時的な材料でコーティングして非導電面となるよ
うにする。次いでグリーンフオームの各層を積重ねてプ
レスしそして出来た積層ブロックを焼結する。プレスの
過程で．一時的な材料の境界領域を除いてセラミック面
間の空隙をセラミックが満たす。焼成後、この境界領域
は空のギャップとして残りあとで圧電に不活性な物質を
詰める。

次の方法では、まず一時的な電極パターン、例えば熱分
解する材料を含んだ層を作る。この材料は焼成によって
空隙を残すので、あとで金属を埋めることができる。第
５．６図の実施態様は特にこの方法が適しており、例え
ば熱分解できるポリマー生地又はカーボン粉末を使う。

本発明では、原形積層体の各エレメント（タイル又は薄
片）は１つのあるいは複数のアクチュエータのエレメン
トと考えることができる。即ちこの場合、グリーンの段
階又は焼結した段階で積重ねたブロックを横断的に切断
すれば最終的にはその断面積が原形ブロックの一部であ
るアクチュエータブロックに分割されることに注目すべ
きである。

例えば第５図の実施態様をおこなうためには、電極の不
連続部１８を最終的には不活性な物質で埋めることを考
え、ナイロン又はポリエステルモノフィラメント生地（
２０〜３０岬フイラメント）を圧電セラミック間に埋封
することができる。これは非常に簡単におこなうことが
できる。すなわちテープキャスティング法でテープ上に
圧電セラミックペースト層を付着させ、次いで乾燥前に
このテープよりわずかに巾のせまい、セラミックスラリ
−を含浸したナイロン生地ストリップを被膜としてこれ
に貼るが、被覆しない細長い裸のトラックをテープ側端
に残すように正しく符合させ、このトラックを一時的な
材料例えばカーボン粉末スラリーでコーティングする。

この集成体を例えば熱板間で貼合せ、そして乾燥して塑
性稠度を与える。

次いでナイロン生地に埋封したセラミックを数Ｃｌ１１
までの適当なサイズの薄片に切断し、この薄片を交互に
すなわち偶数番の薄片のカーボンコーティングした側を
奇数番の薄片のカーボンコーティングした側とは反対側
に合わせて積重ねる。次いでセラミックの完全な均一性
と結合性を一体で保証するためにこの積層体をプレスし
、そして普通の条件下で空気中で焼結する。この処理の
間、カーボンコーティングした側端のストリップとナイ
ロンメツシュをセラミック内に符合する空隙を残すよう
に、すなわち多孔質構造部と互に存在する側端の溝を残
すように燃やす。次いでこの溝を不活性物質．一時的な
レジスト又は最終の耐火有機質又は無機質充填剤で埋め
る。このレジストは溶融金属を多孔質構造部に浸透させ
る間に耐えそしてその後溶解又はブラッシングで容易に
除去することができる充填剤である。レジストは、ＵＶ
硬化性有機レジン及びハロゲン化物、燐酸塩、及び硫酸
塩又は粘土、タルク、ベントナイト等の粉状無機質のよ
うな溶融あるいは溶解状態で用いることができる水に可
溶性無機質を含む。

次いでこの多孔構造部に溶融金属（又は液状の金属誘導
体でその後金属に分解するもの）を、通常セラミックコ
ンデンサーの分野で用いている方法（英国特許第２．１
０３．４２２号；米国特許第３、６７９．９５０号参照
）を使って浸透させる。最後に集電極材料例えば導電ペ
イント又は銀ベースインキのようなインキの状態で集電
極を両側に塗布する。

第６図の実施態様においては、等しい巾の２本のテープ
（Ａ）と（Ｂ）を使う。純粋な圧電セラミック層をテー
プ（Ａ）の金山にわたってキャストし、圧電セラミック
とカーボン粉末の混合物で巾がせまい層をテープ（Ｂ）
上にキャストし、このテープ側端のフリースペースを一
時的な材料例えばカーボンスラリーで塗布する。次いで
完全乾燥の前に、テープ（Ａ）と（Ｂ）をお互にひっく
り返して集成すれば、両方のキャスティングがお互に貼
合わさり、外側に残っている支持テープを乾燥後に分離
する。２つのキャスティングをお互に貼合わす場合、前
述したと同じ符合をさせる必要がある。すなわち、両方
のセラミック部分を一方の側端でフラッシュとし、一方
他方の側端でキャスティング（Ｂ）の一時的なストリッ
プの端を純粋なセラミックのキャスティング（Ａ）の他
端とフラッシュする。この後工程は前述した通りであり
、すなわちこの積層板を薄片又はタイルのサイズに切断
して交互に積重ねる。次いでこの圧着ブロックをプレス
し焼成して固め、そしてカーボン粒子を燃やすと積層ブ
ロックが得られ圧電セラミックタイルが多孔質セラミッ
ク層と交互になり、その縁は第４図に示すようにブロッ
クの両側面に溝を形成する。この溝を不活性な、好まし
くは弾性の物質を詰め、多孔質層を金属で浸透しそして
このブロックに２個の集電極と連続端子を付ける。

この実施態様において、浸透できる多孔質電極構造部を
例えばＡｇ−Ｐｄ合金又はＰｔのような焼成条件下で酸
化に耐える耐熱金属のサーメット粉末で置き換える場合
、同等な性質をもつアクチュエータが得られ、出来たサ
ーメット電極層の構造は浸透層の構造と機能的には同じ
であって、違いと云えば浸透した低融点金属を耐熱金属
の粒子で置換えること位であることに注目すべきである
。

それ故この変形においては浸透の必要はなくなる。

めっきスルータイプの電極をもつアクチュエータを製造
する場合の電極のチップを個々に絶縁するという問題点
に関して、アクチュエータ両側面の絶縁すべき電極の棟
端をカバーする補助的な絶縁ストリップを正確に据える
という問題を本発明で代表的に用いた製造技術はいとも
簡単化してしまうことに注目する必要がある。

以下に示す実施例で本発明を説明する。

〔実施例〕

（実施例１〉 この例では第２Ａ、２Ｂ、３．４図を参照する。

３種類の異なるスラリー組成物を用いた。次の配合剤を
ジルコニア球を用いて２４時間微粉砕し第１の圧電セラ
ミックスラリ− （Ａ） を調製した。

バインダー（ポリビニルブチラール）１４ｇ可塑剤（ポ
リエチレングリコール）５ｇ可塑剤（ジオクチルフタレ
ート）３ｇ 有機解膠剤（トリエチルホスフェート）１ｇ第２のスラ
リー（Ｂ）を上述の圧電粉末をカーボン粉末（Ｎｏ、１
００４、カーボンロレイン（（：ａｒｂｏｎＬｏｒｒａ
ｉｎｅ）社製、平均粒度３０両）に換えて調製した。

第３のスラＩＪ−（ｃ）を上述のスラリ　（Ａ）のうち
、圧電セラミック粉末の４Ｑｗｔ％を非常に細かい（平
均粒度が約ＩＩＩｒｎ）耐熱合金（Ａｇ／Ｐｄ　３０／
７０）の粉末に換えて調製した。すべての粒子のサイズ
を平均約１−の範囲とするためにこの組成物を微粉砕し
た。微粉砕用ボールを除いたあと、濃厚スラリー（Ａ）
を３０＋＋＋ｍ巾のマイラー（Ｍｙｌａｒ）テープ（Ｄ
ｕＰｏｎｔ製）上に約１５０ハ厚さの層にドクターブレ
ードでキャストした。このキャスティングを空気中で乾
燥し、柔軟になったら支持テープを分離した。この可塑
性キャスティングを３０Ｘ３０ｍｍの正方形シート又は
タイルに切断した。

次いでこのシート３０枚にパターンＡのストライブ５１
（第２Ａ図参照）をスクリーン印刷した。このストライ
ブは巾５００−１高さ５μで間隔６　ｍｍであった。こ
のストライブをカーボン粒子を含む第２のスラリー（Ｂ
）で作った。圧電セラミックの２番目のシリーズ３０枚
に第２Ｂ図のパターンＢをスクリーン印刷し、そしてス
トライブ間の中間部５４に恒久的な導電材料である第３
のスラＩＪ−（ｃ）をスクリーンコーティングした。こ
れはシートＡとＢ、すなわちそれぞれパターンＡとＢの
シートに関する。（パターンＡ、ｌ！：Ｂを原キャステ
ィング上にロール印刷してからテープを除去してサイズ
に切断することもできることにも注目すべきである。） 次いでプリントを乾燥したのち、シートＡとＢを交互に
積重ねて積層物にした。この積層物を以下のようにホッ
トプレス（２０ＭＰａ、８０℃）シ、焼威しそして焼結
した。

一体式積層物を熱分解炉に据えてゆっくり８００℃に加
熱した（５℃／ｈｒ）。冷却後、この積層物を酸化鉛と
酸化ジルコニウム（プレスディスク）を供給材料として
含む焼結炉に据え、そして１３００℃で２時間焼結した
。この温度では鉛とジルコニウムの酸化物ペレットは一
部分が蒸発し、この蒸気が焼結過程の間に圧電セラミッ
クの起こりうる損失を補うことになる。上述の操作で一
体式正方形断面のブロックができ（焼結過程の収縮で一
辺約２５ｍｍとなる。）、ブロック内でカーボンの原ス
トライブは燃えてそしてブロック内に埋封した導電サー
メット領域５４の周りに開放溝ができる。次に第２Ａ、
２Ｂ、３図に示すように点線■と■にそってこのブロッ
クをダイヤモンドのこでアクチュエータの形にのこ引き
し、切断でできたブロック上の千鳥配置の溝５５を耐熱
ポリイミド樹脂で充填し、できたサーメット電極板を絶
縁して使用中にくっつかないようにした。樹脂を硬化さ
せたのち、ブロックの両側をペーパー仕上げして非絶縁
電極の縁をきれいにし導電性ペイントを塗布して側面集
電極とした。すなわち１つの集電極を奇数番の電極に、
他の集電極を偶数番の電極に接続した。

次いで電気端子を集電極にはんだ付けしてアクチュエー
タを完威し、最後に樹脂中にシールした。

コンディショニングのために通常の分極をおこなったの
ち、アクチュエータをテストしすぐれた性能と使用寿命
をｖ１認した。

（実施例２） 次の組成物を調製しジルコニアボールで２４時間微粉砕
した。

圧電粉末Ｐ２Ｔ　５）１　：バーニトロン社製　１００
ｇバインダー（ポリビニルブチラール〉１４ｇ可塑剤（
ポリエチレングリコール）５ｇ可塑剤（ジオクチルフタ
レート）３ｇ 有機解膠剤（トリエチルホスフェート）１ｇ溶剤（トリ
クロロエチレンと エタノールの混合物１：１）　　７５ｇ微粉砕用ボール
を除いたのち、この濃厚スラリーを巾３００ｍｍのマイ
ラーテープ上に４００−厚さの層にドクターブレードで
キャストした。このキャスティングを空気中で乾燥し、
柔軟になったら支持テープを分離した。この可塑性キャ
スティングを１０Ｘ１０１１１［Ｄの正方形に切断し、
この上にカーボンベースのペイント　（ε１ｅｃｔｒｏ
−５ｃｉｅｎｃｅ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ社製）を用い
てパターンをスクリーン印刷した。

通常、パターンは５０メツシユスクリーン、すなわちク
ロスラインの巾５０−１高さ２０ハまでで間隔が５０ｍ
であった。一方の側に巾５００ハのストライプをつけた
。

このプリントを乾燥し、そしてストライブをつけた側を
左右交互にしてこの正方形のキャスティングをモールド
内に６０ユニント積重ねた。圧力（２０ＭＰａ、　３Ｑ
℃）をかけて一体式ブロックに成形した。この操作で可
塑性セラミックはパターンメツシュ内に流れて圧電セラ
ミック層を互に完全に結合する、すなわちスクリーンパ
ターンをそのボディ内に埋封する。

次いでこの一体式積層物を熱分解炉に据えて８００℃に
ゆっくり加熱した（５℃／ｈｒ）。冷却後、鉛とジルコ
ニウムの酸化物の混合物（プレスディスク）を供給材料
として含む焼結炉に据えて１３００℃で２時間焼結した
。この温度では鉛とジルコニウムの酸化物ペレットは一
部分が蒸発し、この蒸気が焼結過程の間圧型セラミック
の起こりうる損失を補う。

熱分解と焼結の後、一体式圧電セラミックスの積層ブロ
ックは連続した圧電セラミックタイルの層を含んでなり
、そして層間には印刷した原スクリーンパターンが空の
溝のグリッドとなって残る。

各グリッドは深さ５００坤の溝で縁をとってあり、これ
らの溝はブロックの両側面上に交互に配置されている。

濃縮してなりに２Ｃ０３の水溶液をこれらの溝に一時的
に塗布して埋めそして５００〜８００℃で空気中ですば
やく乾燥する。

次にこの焼結ブロックを８５０℃の溶融合金のポット上
にある容器内に据えた。合金はＡｇが６８．４％、Ｃｕ
が２６．６％でＰｄが５％であった。このブロックをま
ず真空下（４０ｍｂａｒ）　に置き多孔質構造部の内部
チャンネル内にある残存大気を除いた。

次いでこのブロックをゆっくり溶融合金中に浸漬し、そ
して不活性ガスで圧力１５ＭＰａを約１５〜３０分間か
けて溶融金属をブロック内の空隙に押込んだ。

金属は加圧下で凝固し、次いでブロックを容器から取出
して冷却し、そして水で洗ってに、ＣＯ３のプラグを除
去した。この溝はあとでエポキシ樹脂で埋めた。

次にアクチュエータの両側面に銀ベースのペイント層を
塗布して２つの集電極とした。すなわち１つの集電極を
奇数番の電極に、他の集電極を偶数番の電極に接続した
。最後に電気端子を集電極にはんだ付けしてアクチュエ
ータを完成し、樹脂中にシールした。コンディショニン
グのために通常の分極をおこなったのち、アクチュエー
タをテストしすぐれた性能と使用寿命を確認した。

（実施例３） この実施例では、実施例２で用いたと同じ３０ｍｍ巾の
キャスティングテープ及びこれと同じ巾のナイロンモノ
フィラメント生地ストリップを使った。

このナイロン生地は厚さ３０−のモノフィラメントで織
った８２絢メツシユゲージであった。ストリップとテー
プをお互に符合するように貼り、そして同じ圧電ＰＺＴ
セラミックスラリー層をテープで支持したストリップ上
にキャストした。

乾燥後、下部に埋封したナイロン生地を含む可塑性複合
キャスティング（厚さ１３１ｈａ−）を取りはずして３
０ｍｍ正方形薄片に切断した。この正方形薄片（６０枚
）をモールド内に積重ねて、得られた積層体を上述の実
施例のようにプレスしてナイロン生地メツシュによって
セラミックのブリッヂを形成して各層を完全に結合させ
た。

次いでこの積層品を焼成し実施例■に述べたように焼結
した。これによって一時的なナイロンフィラメントは蒸
発して生地の原パターンをした空の十字形チャンネルを
連続してはめ込んだ層がブロック内にできた。

次に、実施例２で開示したと同じ技法を用いて３１０℃
で溶融鉛−銀合金（９０／　５　）をこの一体式ブロッ
クに浸透させ、そして最後に横断的に切断して５　ｍｍ
巾のアクチュエータ積層体とした。各アクチュエータは
圧電セラミック中に埋封した６０個の平行金属電極の積
層体で構成される。この６０個の電極のうち、偶数番の
電極をアクチュエータの１番目の側面上にある第１の集
電極に、そして奇数番の電極をブロックの反対側に付け
た第２集電極に接続した。それ故、ブロックの１番目の
側面上に第１集電極を付けるので、この第１集電極と接
続しないように第１集電極側にある奇数番の電極をそれ
ぞれ絶縁しなければならない。この絶縁をエツチングで
おこなう。すなわち、まずスクリーン印刷技法（又はフ
ォトマスクによる照射）でブロックの１番目の側面上に
レジスト層を塗布し、このレジスト層はブロックの１番
目の側面とフラッシュである奇数番の電極の縁を除いた
表面を覆う。次いでこの塗布しなかった面を弗化水素酸
水溶液で１００〜２００ＪＩｒｎの深さにエツチングし
た。同じ処理を偶数番の電極の縁がある反対側面にもお
こなった。出来た溝を弾性のある耐熱ポリイミド樹脂（
ＥＰＯ−ＴＥＫ６００　：　Ｅｐｏｘｙ　Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ　Ｉｎｃ、）で埋めた。１５０℃で１時間そし
て２７５℃で３０分間加熱して重合させた。

次いで、電子部品の製造で通常用いている方法により、
このレジスト層を溶剤で除去し、そして溝を埋めたポリ
イミドを含むブロックの両側面上に導電硬化性ペイント
を使って外部集電極を形成し、端子リード線を導電性グ
ルーで結合した。次いでアクチュエータを保護樹脂中に
シールして分極でコンディショニングした。この実施態
様をテストしてきわめて満足すべき結果を得た。この変
更態様として、電極の縁を絶縁する側面溝をエツチング
の代りにダイヤモンドのこで掘ることもできる。

この実施例の変形に従って、例えば１０ｍｍ巾のテープ
と、そして９　ｍｍ巾の５０−メツシュ生地部と中心線
を合わせて両端に０．５　ｍ＋ｎ巾のメツシュのないヘ
リ部をつけた１０ｍｍ巾のナイロンストリップとを使う
ことができる。キャストしそしてテープを除去したあと
、この柔軟な構造体を軸方向に切りそして得られたセグ
メントをアクチュエータの辺の長さ、例えば３０ｍｍの
長さに切ることができる。これらの薄片を交互に、すな
わち新しいセグメントのヘリの位置を相対的に反対にし
て元のヘリの位置に付けて積重ねることができる。次い
でこの集成体を圧密し、焼成し、焼結して、ナイロンの
ヘリが蒸発したあと残った０、　５　ｍｍの溝を耐熱フ
ィラーレジストで保護し、溶融金属で浸透しそして最後
にアクチュエータブロックに切断することができる。ア
クチュエータブロック内の各電極は、アクチュエータの
反対側面から約０．５　ａ＋ｍのところで終わる。それ
故、前述したようにフィラーレジストを溶解しそして耐
熱樹脂に換えたあと、１つの群の各電極を他の群の集電
極から絶縁する。最後に、集電極側面に電極端子を構成
する導電ペイントの層を析出させアクチュエータが完成
する。

（実施例４） 実施例３で開示した技法を用いて、次の配合剤スラリー
から作ったテープキャストを可塑性圧電正方形薄片（３
０×３０［Ｉ１ｍ×２５０１！ｍ）に切断した。

圧電粉末ＰＺＴ　５Ｈ：バーニトロン社製　　７０ｇ黒
鉛粉末Ｎα１００４　：カーボンロレイン製　３０ｇバ
インダー（ポリビニルブチラール）１６ｇ可塑剤（ポリ
エチレングリコール）５ｇ可□剤（ジオクチルフタレー
ト〉３ｇ 解膠剤（トリエチルホスフェート）１ｇ上記配合剤の混
合物を使用前にジルコニアボールで２４時間微粉砕した
。

実施例１に開示したスラ！Ｊ−（Ａ）から同じ可塑性状
態にある別の３０×３０ｍｍ正方形薄片を作った。

上記の正方形薄片を、まず純粋なセラミックタイルから
はじめ、次いで黒鉛含有タイルと純粋なセラミック含有
タイルを交互に連続して積重ねて積層品を作った。次い
で黒鉛を揮発させ且つ効果的に圧着するためにこの積層
品をプレスし、焼成しそして焼結した。プレスの過程で
純粋なセラミック層の可塑性圧電材料は黒鉛を含む層の
セラミック粒子とよく結合した。次に黒鉛成分の分解に
よってできた空隙を、実施例３に示した様に溶融Ａｇ／
Ｐｂ合金で浸透した。最後にこの固めたラミネートを約
５　ｍｍ正方形のアクチュエータ積層体に切断した。電
極層を交互に不連続とするための溝を薄刃のこで正確に
機械加工し、そして積層体の両側面上で交互に絶縁した
電極端とするために、この溝を弾性ポリイミド樹脂で埋
める。したがって、このアクチュエータ構造は前述の実
施例に示すような不連続な領域をもつ。

〈実施例５〉 実施例１と同じ手順を用いたが、スラ！Ｊ−（ｃ）の耐
熱金属粉末をカーボン粉末置き換えた（圧電セラミック
粉末６０％、カーボン粉末４０％）。実施例１のように
プリント印刷、積重ね、プレス及び焼結操作をおこなっ
て圧密したラミネートブロックを作り、横断的にのこ引
きしてアクチュエータのサイズとした（第２Ａ、２Ｂ、
３．４図参照）。

切断したブロック上の千鳥配置の溝５５を耐熱ポリイミ
ド樹脂で埋め、そして残された気孔を実施例２で開示し
たように２４０℃の賜／鉛／銀の溶融合金で浸透した。

冷却後アクチュエータを実施例２のように完成させた。

（実施例６） 以下の違いを除いてこの実施態様は実施例１と同じであ
る。まず実施例１に従って３０Ｘ３０ｍｍ圧電セラミッ
ク薄片をスラリー（Ａ＞で作った。次に圧電セラミック
粉末を全部Ａｇ／　Ｐｄ（３０／７０）粉末に置き換え
て（ｃ）と同様なスラリーを作った。

可塑性圧電薄片上に導電パターンをスクリーン印刷する
ためにこのスラリーを用いた。このパターンハお互に約
４００！ｌＴｎのスペースをおいた径約２００絢の穴を
含んでなる厚さ５坤の付着層であった。実施例１と同様
に一時的なストライブもスラリー（Ｂ）で印刷した。

この印刷した薄片を積重ねて一体式ブロックにホットプ
レスすることにより、セラミックが穴に流れ込んで構造
体を強化した。次いで焼結してアクチュエータの形に切
断した。溝を樹脂で埋め、そしてこの切断ブロックを実
施例１に開示したような機能的なアクチュエータとした
。

【図面の簡単な説明】

第１図は最初の実施態様として本発明の原理の略図、第
２ＡｒＩＡ及び第２Ｂ図は本発明に従う圧電アクチュエ
ータの製造に用いる圧電セラミックタイルエレメントの
略平面図、第３図は第２Ａ。 ２Ｂ図に示したタイプの積層エレメントの第２Ｂ図の線
ＶＴ−ＶＩについての略縦断面図、第４図は第３図の積
層ブロックを線Ｖｌ−ＶＩ及び■−■で切断して得られ
る圧電アクチュエータブロックの略斜視図、第５図はア
クチュエータブロックの態様の略断面図、第６図は別な
態様の略断面図を示す。 １・・・圧電セラミックタイル、 ２ａ、２ｂ−・・電極、　３ａ、３ｂ−・・集電極、４
ａ・・・スペース、５１．５２・・・ストライプ、５４
・・・電極構成部、　　５５・・・溝、５６・・・圧電
セラミックタイル。 Ｗ Ｖπ 手 続 補 正 書 （方式） ％式％ 事件の表示 平底２年特許願第３０４２１、 発明の名称 積層圧電アクチュエータ及びその製法 補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　パテルメモリアルインスティチュート４６代理人 住所　〒１０５ 東京都港区虎ノ門二丁目８番１０号 補正の対象 明細書（金工） 補正の内容 明細書の浄書（内容に変更なし） 添附書類の目録 浄書明細書 １通

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．積層化した圧電セラミックタイルと、そしてその間
   にサンドウイッチ状にするタブをデザインした櫛歯をか
   らませた形の導電材料からなる電極層との、多面的なあ
   るいは円筒状の形をした焼結積層ブロックから本質的に
   なり、該導電材料がない領域又はスペースを該電極層の
   端部に作り、それによって該領域が圧電アクチュエータ
   作動時に電気的活性化を受けないようにするために、該
   電極層を包む符号する該タイルより該電極層の長さが短
   かい圧電アクチュエータにおいて、 タイル間の該領域がギャップを形成するので、該タイル
   が該領域でくっつき合うことがなく、従って該領域に電
   気的活性化がない理由から機械的なアンバランスによる
   内部応力を減ずることを特徴とする圧電アクチュエータ
   。
2. ２．該ギャップを不活性な耐圧性物質で埋める請求項１
   記載の圧電アクチュエータ。
3. ３．該耐圧性物質が耐熱性樹脂である請求項２記載の圧
   電アクチュエータ。
4. ４．該電極層を圧電セラミックに埋封した金属スクリー
   ンで構成する請求項１記載の圧電アクチュエータ。
5. ５．該電極層を多孔質圧電セラミック層に含浸させた金
   属で構成する請求項１記載の圧電アクチュエータ。
6. ６．該電極層を圧電セラミックと耐熱金属粉末を含んで
   なるサーメットで作る請求項１記載の圧電アクチュエー
   タ。
7. ７．該スクリーン電極層の金属がＡｇ−Ｐｄ合金、Ｐｔ
   及び他の貴金属から選んだ耐熱非酸化性金属あるいはＳ
   ｎ，Ｐｂ，Ｃｕ，Ａｇ及びＡｌ、そしてこれらの合金か
   ら選んだ浸透によって導入する低融点金属である請求項
   ４記載の圧電アクチュエータ。
8. ８．（ａ）テープキャスティング法で可塑性の圧電セラ
   ミック薄片又はタイルを作り、 （ｂ）該圧電セラミックタイル間にはさむ電極層を一時
   的な又は恒久的な状態で作り、該電極層は該タイル間に
   電極材料のない領域である境界不連続部を設けた任意の
   パターンであり、 （ｃ）該圧電セラミックタイル間に互違いにはさむ偶数
   番と奇数番の電極を含んでなる積層体とするために、複
   数の該タイルと該電極層を互違いに積重ねて、すべての
   偶数番の電極が最初の群を形成し、すべての奇数番の電
   極が別の群を形成し、そして最終のアクチュエータ構造
   においては、電極の境界不連続部をもつ１つの群の電極
   パターンが他の群の電極要素とは相互に逆となる配置で
   あり、 （ｄ）該積重ねたタイルを圧着ブロックにプレスし、該
   積層体内のタイルを一体で結合し、 （ｅ）該圧着ブロックを焼成し焼結して積層ブロックと
   し、そして電極材料が一時的なものであれば一時的な該
   電極材料を蒸発させ、そして該積層ブロック内に該電極
   パターンの形をした空隙を作り、 （ｆ）該不連続部を耐圧性物質で埋めて電極のない領域
   とし、そして該電極パターンの形をした空隙が存在する
   場合は、該空隙に溶融金属を浸透させて所要のパターン
   と一致する最終電極を完成し、（ｇ）偶数番の電極を共
   通集電極に、奇数番の電極を別の共通集電極にそれぞれ
   接続して、両方の集電極を該積層ブロックの両側に付け
   る 工程を含んでなる多層圧電セラミックアクチュエータ積
   層体を製造する方法。
9. ９．セラミックを含浸させたワイヤー又はフィラメント
   生地のリボンを支持するテープ上にセラミックの層をキ
   ャストし、テープとリボンの少なくとも一端を互にフラ
   ッシュにし、該リボンと該テープキャストしたセラミッ
   ク層を互に積層し、出来た積層板を乾燥し、そして切断
   して薄片又はタイルとすることで前記工程（ａ）及び（
   ｂ）をおこなう請求項８記載の方法。
10. １０．該生地が金属ワイヤメッシュであり、それによっ
    て電極材料が恒久的である請求項９記載の方法。
11. １１．該生地が有機ポリマーのモノフィラメントであり
    、それによって焼成中に該ポリマーを蒸発させ、次いで
    出来た空隙パターンに金属を浸透させて埋める請求項９
    記載の方法。
12. １２．セラミックの最初の層を最初のテープ上にキャス
    トし、そして粉末状のセラミックと電極材料とのブレン
    ドである２番目の層を２番目のテープ上にキャストし、
    次いで最初と２番目の層を一緒に積層し、それぞれの少
    なくとも片方の縁を互にフラッシュにし、出来た積層板
    を乾燥しそして積重ねるために薄片に切断することで前
    記工程（ａ）及び（ｂ）をおこなう請求項８記載の方法
    。
13. １３．該電極材料が耐熱金属であり、それによって電極
    層をサーメットで作る請求項１２記載の方法。
14. １４．一時的な電極材料を熱分解できる材料の粒子、例
    えばカーボンで作り、圧着した積層体の焼成によって該
    電極材料を揮発させ、開放した空隙のある多孔質電極パ
    ターン層を作り、次いで該電極層の空隙に溶融金属を浸
    透させる請求項１２記載の方法。
15. １５．前記工程（ｄ）又は（ｅ）のあとで、該積層ブロ
    ックを縦方向に横断的に切断し、原ブロックの断面積よ
    り狭い断面積のアクチュエータ形状をした複数のブロッ
    クとし、次いで該狭い断面積の各ブロックを前記工程（
    ｆ）及び（ｇ）に従って完全なアクチュエータとする請
    求項８記載の方法。
16. １６．該積層ブロックの切断方向が直角に交差する２対
    の平行線と符合し、切断したアクチュエータブロックの
    断面積が正方形又は長方形である請求項１５記載の方法
    。
17. １７．該切断線のセットのうち１つのセットの線にそっ
    て各圧電セラミック薄片上に一時的な材料のストライプ
    を塗布し、該圧着ブロックの切断及び該一時的な材料の
    焼成によって千鳥配置の溝を該アクチュエータブロック
    の両側面上に作り、次いでこれらの溝を耐圧性絶縁材料
    で埋めてアクチュエータのそれぞれ符合する電極層のチ
    ップ端で個々の絶縁をおこなう工程を前記工程（ｂ）が
    含む講求項１６記載の方法。
18. １８．該電極層を開放した空隙のある多孔質非圧電セラ
    ミック層で作り、該開放した空隙を導電性低融点金属で
    埋める請求項５記載の圧電アクチュエータ。
19. １９．（ｉ）テープキャスティング法で圧電セラミック
    のグリーンタイルを作り、 （ｉｉ）該タイルの境界に電極のない領域を定めるパタ
    ーンをもつ電極形成材料を該タイル間にはさみ、そして
    該領域を耐圧性絶縁材料を塗布して保護し、（ｉｉｉ）
    該タイル間に電極材料をはさんだ複数の該タイルを積重
    ね、偶数番及び奇数番の電極を互違いにして、該電極の
    ない境界領域が相互に逆となる位置合せになるよう千鳥
    配置に積上げて、（ｉｖ）該積層したタイルを圧着ブロ
    ックにプレスし、焼成して電極を作りそして該耐圧力性
    塗料で保護した部分を除いて該タイル全体を焼結し、（
    ｖ）該圧電ブロックの両側面に導電集電極材料を塗布し
    、該偶数番の電極を一方の側面上の共通集電極に接続し
    、奇数番の電極を他方の側面上の共通集電極に接続する 工程を含んでなる、タブをデザインした櫛歯をからませ
    た形の電極をもつ多層圧電アクチュエータ積層体を製造
    する方法。
20. ２０．該タイル間の電極のない領域に塗布する該耐圧性
    材料が一時的な物質であり、そして前記工程（ｉｖ）の
    焼成過程で蒸発させ、そして該領域のタイル間にギャッ
    プを作り、次いで耐熱性樹脂で埋める請求項１９記載の
    方法。
21. ２１．該電極形成材料がサーメット又はペイントを含む
    熱分解できる金属である請求項１９記載の方法。
22. ２２．該電極形成材料が圧電セラミックと前記工程（ｉ
    ｖ）の焼成の過程で蒸発する一時的な物質との均質混合
    物であり、従って多孔質構造体を作りその後溶融金属を
    浸透させる請求項１９記載の方法。
23. ２３．該耐圧性材料が水に可溶性であり、そして該多孔
    質構造体に浸透させる金属の融点より高い融点をもち、
    従って該タイル間の該電極のない領域を該溶融金属での
    浸透に対して保護する請求項２２記載の方法。
24. ２４．該耐圧性材料が一時的な物質であり、そして前記
    工程（ｉｖ）の焼成過程で蒸発させ、それによって該タ
    イル間にできたギャップを該溶融浸透金属の融点より高
    い融点をもつ物質で埋める請求項２２記載の方法。