JPH0372684A - 積層型圧電素子 - 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〕 本発明は電界によって圧電材料に誘起される伸縮歪を利
用し、アクチュエータとして用いられる積層型圧電素子
の構造に関する。

〔従来の技術〕

近年メカトロニクス機器が急速に発展し、これに伴なっ
て例えばロポソトなどを駆動し、微小な変位や発生力を
利用した制御装置として用いられる圧電アクチュエータ
の開発も盛んである。特に厚さ方向に分極された圧電材
料をその分極方向が互いに対向するようにスタフクとし
て積み重ね、圧電材料層に電界誘起歪を発生させる積層
型圧電素子は、小さな電圧により大きな変位を得ること
ができるのでその有用性が注目されている。

この種の積層型圧電素子は例えば第６図（ａ）、　（ｂ
）にその構造を模式断面図により示したものが知られて
いる。第６図（ａ）は平面図、第６図（ｂ）は第６図ｉ
ａ）のＡ−Ａ’断面図である。第６図ｉａ）、（ｂｌに
おいて、この積層型圧電素子はジルコン酸チタン酸鉛な
どの圧電セラミックス板１と、金属を主成分とする導電
性の内部電極層２とが交互に多数積層された積層体の上
下両端面に、内部電極層２を介して圧電セラミックス板
１と同質の材料からなる保護層３を設けてあり、各内部
電極層２は積層体の中心軸に関して互いに反対位置にあ
る外周部において、−層おきに機械加工により部分的に
除去して設けたスリットに縦方向で左右非対称となるよ
うに絶縁層４を充填して電気的に絶縁し、側面に一層お
きに露出している各部材を連結する外部電極５を取り付
け、この外部電極５からリード線６を介して図示しない
直流電源の極性の異なる端子７，７ａに電気的に並列接
続する構造となっている。さらに積層体の外周面は、二
つの外部電極５．５の間の電極の設けられない部分が表
面保護層８により被覆され、積層体の外周面に露出する
各内部電極層２間の沿面絶縁と、この積層型圧電素子の
環境汚染からの保護がなされている。そして直流電源端
子７，７ａに異なる極性の電圧を印加したとき、圧電セ
ラミソクス板ｌ内に生じた電界による圧電縦効果の伸び
歪が積層方向に発生し、各圧電セラミソクス板ｌの歪が
相加されて積層体全体としてこの積層型圧電素子に大き
な伸び歪が生ずるのである。

このような積層型圧電素子は概ね次のようにして製造さ
れる。まず高い圧電歪定数を有するＰｂＴｉ０ａＰｂＺ
ｒＯｓ　　Ｐｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）０３　もしくはＰｂＴｉ
Ｏｓ　　ＰｂＺｒ０ｓＰ　ｂ　（Ｍ　ｇ　＋　Ｎ　ｒ　
）　Ｏｓからなる圧電セラミツクスの原料粉末を底形、
１１５０〜１２００℃で焼成、研磨などの過程によって
厚さ０．５ｆｉ、直径２５重富程度の円板状の圧電セラ
ごンクスＦｉＩとなし、この圧電セラミックス板１の表
裏両面に銀ペーストをスクリーン印刷し、６００℃、１
０分間の焼き付けを行ない内部電極層２を形成する。こ
の状態で再度表面に銀ペーストを塗布した後、別途作製
した保護層３とともに圧電セラ箋ソクス板１を８０〜１
００枚積層し、約ＩＫｇ／ｃ＋ＩＩの圧力を加えながら
６００℃で３０分間焼き付けることにより、内部電極層
２が交互に積み重ねられた多層の柱状積層体が得られる
。次にこの積層体の中心に対して互いに反対側に位置す
る外周面に内部電極層２の外周を部分的に機械的に削り
とったスリットを設けである。このスリットを設ける個
所は、各内部電極層２の一層おきに対向する側面で互い
違いとなっており、各スリットの中に数１００℃程度で
焼き付は可能な無機系セラミックス材料を充填して絶縁
層４を形成する。そして積層体の側面に付着したセラミ
ンクス材を研削除去し、各内部電極層２の端面を１層お
きに露出させ、各圧電セラミックス板１と各内部電極層
２と各絶縁層４との露出面となっている積層体両側面に
、無機系銀ペーストを塗布、坑底して外部電極５を設け
た後、リード線６を半田付けし、さらに積層体側面の外
部電極５以外の部分に熱硬化型のシリコーン樹脂を塗布
、硬化させて表面保護層８を設けることにより、第６図
＋ａ＋、（ｂ）に示した積層型圧電素子を得ることがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、以上のような構造を持つ積層型圧電素子
には、絶縁層４と外部電極５に関して次の問題がある。

第一の問題は、この積層型圧電素子に用いられる圧電セ
ラ旦ツクス板１は、その製造過程におけるセラ契ツクス
底形上の技術的な制約と、積層体の外形加工の容易なこ
とから、その形状を一般に円板状としているために、円
板状となった積層体は絶縁層４を形成するためのスリッ
ト加工や、外部電極５の塗布を積層体側面の円弧部分で
行なわねばならないことである。即ち、スリット加工時
に基準となる面がないため加工効率が悪く、深さ方向の
寸法精度も低下し、またスクリーン印刷による外部電極
５の塗布も不均一になりやすい。

第二の問題は、外部電極は当然のことながらワイヤーを
用いて内部電極層２を接続することもできるが、ワイヤ
ーでは多数の点接合が難しい上に、積層体の外側に突出
して周囲の物体に接触しやすく短絡の可能性を生ずるの
で、その点第６図（ａ）。

中）のような外部電極５を用いた方が有利であり、この
外部電極５と絶縁層４に係わることである。

外部電極５は、これに直接リード線６を半田付けするた
めには、無機系の銀ペーストを用い、この銀ペーストの
焼き付けに耐えるように、絶縁層４はセラミックスなど
の無機系絶縁材料を用いる。

しかし、電圧印加による素子駆動時の伸縮に対して、無
機系絶縁材料は追従性が十分でなく、絶縁層４の周辺に
隙間が生じてこれが拡大し、遂には絶縁層４の剥離に起
因する絶縁不良から外部電極５と内部絶縁層２が短絡す
るに至り、素子の伸縮回数は１００万回程度になってし
まう。したがって、素子駆動時の伸縮に絶縁層４をよく
追従させるためには、絶縁層４および外部電極５にいず
れも有機系の柔軟な材料を用い、これに適した構造の積
層型圧電素子とするのが好ましい。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、積層体をスリット加工や外部電極塗布を容易に行
なうことができる形状とすると同時に、絶縁層が素子の
伸縮駆動に対してよく追従し積層体から剥離することな
く、耐久性の高い積層型圧電素子を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、本発明の積層型圧電素子
は、複数個の圧電セラミックス板の形状を、いずれも側
面が外方にふくらむ二つの円弧面と、側面が互いに平行
な二つの平面とで囲まれた四辺形となし、このような形
状の圧電セラミックス板を同心状に所定数積み重ねて、
各圧電セラごックス板の間には内部電極層を埋め込んで
形成した積層体の外周が二つの円弧面と二つの平行面と
を有する柱状積層体として構威し、この積層体の各平面
となる側面において各内部電極層の露出部に交互に１層
おきに設けたスリットに絶縁材を充填して形成した絶縁
層と、積層体の各円弧状となる側面に形成する表面保護
層とにいずれも同じ熱硬化型の絶縁性樹脂を用い、積層
体の各平面側面に設ける各外部電極は常温硬化型の導電
性樹脂で形成し、さらに各外部電極の全面に導電性金属
薄板を接着して、この金属薄板の一部にリード線を半田
付けする構造としたものであり、またはその構成部材の
うち外部電極と導電性金属薄板との双方の役割を兼ねる
ものとして、これらの代わりに導電性樹脂を網目に充填
した平網導体を用いたものである。

〔作用〕

上記のように本発明の積層型圧電素子は、積層体の作製
を容易にするために、積層体の中心線に関して対称とな
る二つの平行側面と二つの円弧状側面を持つように、各
圧電セラミックス板を形成してこれらを同心状に積み重
ね、絶縁層と表面保護層との双方に同一の熱硬化型絶縁
性樹脂を用いているので、これらが一体となって共有す
る連結部が形成され、絶縁層は素子の伸縮に対して剥離
し難く、しかも弾力性を持っているから素子の伸縮によ
く追従する。外部電極には常温硬化型の導電性樹脂を用
いているので、これを形成するとき絶縁層を劣化させる
こともない。

また、外部電極と導電性金属薄板に代わって、導電性樹
脂を網目に充填した平網導体を用いるときは、取り付け
が簡単であり、リード線の半田付けも容易に行なうこと
ができ、素子の伸縮作用に対してよく追従する。

以上のことから、本発明の積層型圧電素子は、駆動中に
部材の剥離などを生ずることなく、安定に作動し素子の
耐久性も増大する。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

第１図（１１１，（ｂ）および第２図ｉａ＋、（ｂｌは
本発明の積層型圧電素子の槽底を示す模式図であり、第
６図Ｔａ）、（ｂｌと共通部分を同一符号で表わしであ
る。第１図Ｔａ）は平面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ
）のＡ−へ゛断面図で表わし、そして第２図（ａｌ、　
（ｂｌは第１図（ａ）。

（ｂｌの直角方向からみた図として、第２図（ａｌが平
面０ 図、第２図（ｂｌは第２図ｔａ＋のＡ−Ａ’断面図を示
したものである。以下、第１図（ａ）、（ｂ）および第
２図（ａ）。

ｌｂ）を併用参照して説明する。第１図！８＞、Ｔｏ）
と第６図ｔａｌ、（ｂ）との比較かられかるように、本
発明の積層型圧電素子が構造上従来素子と異なる所は、
積層体の形状に関して、外部電極５の取り付は部分が縦
方向に互いに平行な平面を形成していることと、外部電
極５の外側に導電性金属薄板１０を取り付けたことであ
り、そのほか絶縁層４と表面保護層８とを同じ熱硬化型
樹脂を用いて形成したことである。

本発明の積層型圧電素子は次のようにして作製すること
ができる。圧電セラくソクス板１の組成および焼結体と
した後に、内部電極層２を焼き付けて円柱状の積層体を
形成する過程までは、既に述べた第６図（ａ）、（ｂ）
の場合と同様である。その後本発明では、この積層体の
中心に対して反対側に位置する二つの外周側面を、互い
に平行な平面となるように研削し、後にこの面に取り付
ける外部電極５の幅寸法と同程度またはそれより大きい
幅を有する二つの平面を形成する。即ちこの積層体は第
１図（ａ）に見られる形状の圧電セラもソクス板１と内
部電極層２を交互に所定の数だけ積み重ねたものとなる
。次に積層体の二つの平行な平面を呈する側面における
各内部電極層２の外周部に、１層おきにスリット加工を
行なうが、スリットを設ける個所は第６図ｆａ１．　（
ｂｌの場合と同しである。

ここで積層体の全外周面に絶縁材料を刷毛などを用いて
塗布する。絶縁層４を形成する絶縁材料としては、例え
ば長潮チバ社製の商品名ＸＮ１０６３．　ＸＮ１０７５
の２液性の熱硬化型エポキシ樹脂などが線膨脹係数が小
さく、弾力性に冨み、積層型圧電素子の伸縮によく耐え
るものとして適している。この絶縁材料は流動性がある
から、これを塗布するとき流れ落ちないように積層体を
横にして行なうが、スリットの中によく充填させるため
にも、積層体の絶縁層４が位置する部分を平面として形
成しておくことが必要となる。絶縁材料塗布後は１２０
℃で２時間加熱し硬化させることにより、積層体の平面
部分に各スリットに埋め込まれた絶縁層４が形成され、
積層体の外周の円弧面部分に表面保護層８が形成される
。しかし、この状態では積層体の外周は、全周が絶縁材
料で覆われているので、平面部分の方は、圧電セラミッ
クス板１．内部電極層２および絶縁層４の各外周面が同
一平面上に露出するように、これらを覆っている余分の
絶縁材料を研削除去する。かくして絶縁層４が完成され
るが、このとき各絶縁層４は、いずれも表面保護層８と
一体となって連結している。

この様子を示したのが第３図ｔａ）、−（ｂ）であり、
第３図ｔａ）はこの積層体の内部電極層２の床面に平行
な横断面図で表わし、第３図（ｂ）は第３図１８）の内
部電極層２の一つ上、もしくは一つ下に位置する内部電
極層２の同じく積層体の床面に平行な横断面図として表
わしたものである。第３図（ａ）、　（ｂｌかられかる
ように、絶縁層４は各内部電極層２についてその端面で
左右交互に、即ち絶縁層４の縦方向列に関し”ζは、積
層体の外周の二つの平行な平面部分で、いずれも１層お
きに表面保護層８と一体となって形成され露出している
。

Ｑ 再び第１回出）に戻って述べると、その後は余分の絶縁
材料を除去した積層体の各平面部分にそれぞれの外部電
極５を取り付けるが、この材料は先に用いた熱硬化型絶
縁材料に影響を及ぼさないよう、例えば常温硬化型のエ
ポキシ樹脂系の導電性接着剤を塗布する。しかし、これ
に直接半田付けを行なうことはできないから、リード線
６を半田９を用いて予め接続しておいた例えば銅などの
導電性金属薄板１０を外部電極５の外側から接着して仮
止めした後、熱収縮チューブなどを被せて加熱圧着させ
る。

なお、第１図ｆａ）、（ｂ）および第２図ｆａ＋、　（
ｂ）では、第６図（ａｌ、（ｂ）で述べに保護層３と電
源端子７，７ａは、説明の便宜上、図示を省略しである
。

次に以上のようにして得られた本発明の積層型圧電素子
につき、室温ないし８０°Ｃにおいて無負荷で直流４０
０ｖを印加し、１秒間に２回駆動させることにより耐久
性試験を行なった。その結果従来素子が１０６回程度の
伸縮回数で絶縁不良を起こしていたのに対して、本発明
の素子は５Ｘ１０６回駆４ 動径もなんら異常を生ずることなく、長時間安定性を保
っていることが認められた。

次に第４図（ａ）、（ｂ）は外部電極５と導電性金属薄
板１０の代わりに、これらを兼備したものとして、平網
導体Ｕを用いた場合の積層型圧電素子を示す模式図であ
り、第４図（ａ）は平面図、第４図（ｂ）は第４図ｉａ
）のＡ−Ａ’断面図である。この素子の構成は基本的に
は第１図ｔａ）、（ｂ）に対応するものであるから、便
宜上第２図（ＩＩ）、（ｂ）に相当する図は省き、また
表面保護層８．リード線６なども図示を省略しである。

第５図はその平網導体旦の形状を示した模式平面図であ
る。第５図に示したように、平網導体Ｕはいずれも３０
０〜４０〇−程度の線径を有するＣｕまたはＭ線を用い
て、これらをメソシュ状または液状に編んだ編線部１２
とその長さ方向両端に接続したＣｕまたはＭ板の二つの
端子部１３とからなり、長さハｍ　！１１部１２カフ０
〜８０■、端子部１３カソレソレ５朝程度である。

第４図（ａ）、（ｂ）に示した積層型圧電素子を作製す
る方法は、前述の第１図Ｔａｌ、（ｂｌに示したものと
、絶縁層４５表面保護層８を形成するまでの過程は同じ
であるからその説明は省略し、ここではその後の手順の
み述べる。即ち絶縁層４９表面保護層８を形成した後は
、各圧電セラ電ンクス板１．各内部電極層２および各絶
縁層４の両端面が露出している積層体の外周の二つの平
行な平面部分に、それぞれ第５図に示した平網導体旦を
取り付ける。

その取り付は方は、一方の平面部分の長手方向に平綱導
体旦の長手方向を接触させた状態で、Ｗ４＃ａ部１２の
網目から導電性接着剤の樹脂を押し込んで外部電極に相
当する部分を形成し、これと同様にしてもう一方の平面
部分にも、網目に導電性接着剤を充填した平網導体Ｕを
取り付ける。その後は各平網導体旦の一方が正極、他方
が負極となるように、これらの端子部１３の一つにここ
では図示を省略したリード線を半田付けすればよい。し
たがって、この積層型圧電素子には第１図（ａ）、（ｂ
）に見られるような導電性金属薄板１０は不要となる。

以上のようにして得られた本発明の積層型圧電素子の各
平網導体ｕ間に直流４００Ｖを印加したとき、この素子
は３０〜４０Ｉ１ｍの変位と１０００Ｋｇの発生力を示
し、良好な特性値を示した。さらに３００万回の連続電
圧印加後の特性値も初期値と変わることなく、高い信頼
性を持っていることが認められた。

なお、上記の二つの実施例に共通することであるが、積
層体の外周に設けた平面部分の幅を、この面に形成する
外部電極の幅より大きくしておくと、外部電極がこの平
面部分から円弧面部分にはみ出すことがなくなるので、
絶縁上の信頼性が高くなり有利である。

〔発明の効果〕

■　圧電セラ逅ツクス板を多数積み重ねた円柱状の積層
体をそのまま用いていた従来の積層型圧電素子は、絶縁
層を形成するためのスリット加工や外部電極の塗布を積
層体の円弧面で行なわねばならなかったので、スリット
加工精度が悪く、外部電極の塗布形成も不均一であった
のに対し、本発明では積層体の外周の対向する二つの位
置に、少なくとも絶縁層の露出幅より太きい幅寸法を持
つ互いに軸線に平行な平面を二つ設けて、これらの面上
に露出する圧電セラ旦・ノクス板、内部電極層、絶縁層
の各端面に外部電極を塗布する構造としたため、スリッ
ト加工の際に基準となる面があるので加工が極めて容易
となる上に、スリット深さ方向の寸法が均一となり、塗
布された外部電極も厚さの−様なものが得られる。

■　積層型圧電素子は、従来絶縁層に無機系のセラミッ
クス材を用いており、これが素子の伸縮駆動に十分追従
することができず、剥離などを起こし絶縁不良の原因と
なっていたが、本発明では絶縁層と表面保護層の双方に
、同じ熱硬化型樹脂の線膨脹係数が小さくて弾性に富む
絶縁材料を使用したため、絶縁層と表面保護層は、これ
らが交わる所で一体となって連結し、絶縁層は内部電極
層からの剥離や劣化を生ずることがない。このように、
本発明の積層型圧電素子は、槽底部材の形成が効率よく
容易に行なわれ、絶縁材料と導電材料の使い分けも効果
的である。

■　さらに外部電極に有機系の導電性樹脂を用いたこと
から、これに直接リード線を半田付けすることができず
、導電性金属薄板を接続しなければならないことに関し
ては、本発明ではこれらの代わりに平網導体を使用して
、その網目から導電性樹脂を充填固定し、平網導体の端
子部に半田付けすることも可能であり、このようにすれ
ば、製造が簡単で導電性金属薄板が不要となり、平網導
体が素子の伸縮作用によく追従し剥離などの不都合を生
ずる事もない。

以上の点を総合すると、本発明の積層型圧電素子は長時
間の使用に十分耐え、素子の安定性を増し、高い信頼性
を得ることができるという大きな効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌは本発明の積層型圧電素子の構造を示す模
式平面図、第１図（ｂｌは同じく模式縦断面図、第２図
（ａ）は第１図（ａ）の直角方向からみた模式平面図、
第２図（ｂ）は第１図（ｂｌの直角方向からみた模式縦
断面図、第３図（ａ）は本発明の積層型圧電素子の内部
電極層の模式横断面図、第３図（ｂｌは第３図ｉａｌの
内部電極層の一つ上もしくは一つ下に位置する内部電極
層の模式横断面図、第４図（ａｌ、（ｂｌは第１図（ａ
ｌ、　（ｂ）とは異なる本発明の積層型圧電素子の構造
を示し、第４図（ａ）は模式平面図、第４図［ｂｌは同
しく模式縦断面図、第５図は平８ｓ導体の模式平面図、
第６図（ａｌは従来の積層型圧電素子の模式平面図、第
６図（１））は同しく模式縦断面図である。 １：圧電セラ逅ツクス板、２：内部電極層、３：保護層
、４：絶縁層、５：外部電極、６：リド線、１．１ａ：
電源端子、８：表面保護層、９：半田、ｌＯ：導電性金
属薄板、Ｕ：平網導体、第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　（ａ）　側面がいずれも外方にふくらむ二つの円
   弧面と、側面が互いに平行な二つの平面とで囲まれた四
   辺形を呈した圧電セラミックス板を複数個積み重ねた積
   層体、 （ｂ）　前記積層体の各圧電セラミックス板の間に、各
   圧電セラミックス板の表面に密接して埋め込んだ内部電
   極層、 （ｃ）　積層体の二つの平行な平面を呈する部分に露出
   する内部電極層の外周に、これら内部電極層の１層おき
   に二つの平面部分で互い違いとなるように設けたスリッ
   トの中にそれぞれの熱硬化型絶縁樹脂を埋め込んで形成
   した絶縁層、 （ｄ）　積層体の二つの円弧面を呈する側面を前面覆い
   前記絶縁層と一体に形成され、この絶縁層と同一の熱硬
   化型絶縁樹脂からなる表面保護層、（ｅ）　各圧電セラ
   ミックス板、各内部電極層および各絶縁層が露出する積
   層体の二つの平行な平面を呈する側面のそれぞれの全面
   に接着された常温硬化型導電性樹脂からなる外部電極、 （ｆ）　各外部電極の表面の全面に圧着した導電性金属
   薄板 を有することを特徴とする積層型圧電素子。 ２）　請求項１記載の積層型圧電素子であって、外部電
   極と導電性金属薄板の代わりに長手方向の両端に金属端
   子を備えた平網導体の網目内に導電性樹脂を充填したも
   のを用いたことを特徴とする積層型圧電素子。