JPH04103668U - 圧電積層体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導電ペーストの周縁部へのはみ出しを防止
し、短絡による絶縁破壊を防止して耐久性、信頼性を向
上させる。 【構成】 圧電板と電極板とが導電ペースト層を介して
交互に複数枚積層された圧電積層体において、圧電板及
び電極板の少なくとも一方は表面外周部にリング状溝を
もつことを特徴とする。このリング状溝に加圧・加熱時
に追いやられた導電ペーストが溜まり、外周部へのはみ
出しが防止される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、圧電効果を利用した圧電アクチュエータとして用いられる圧電積層 体に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年、電磁力を利用したアクチュエータに代わって、例えば特開昭６２−２９ １１８７号公報、実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているように、 圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用されている。この圧電アクチュエ ータは発熱が少なく、また小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子 として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変位は本質的に極めて小さ いので、大きな変位量を得るために圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁 保護層で被覆された構造の圧電積層体として提供されている。

【０００３】 ところで圧電板と電極板とを交互に積層する場合、位置ずれを防止するために 圧電板と電極板を接合することが望ましい。また圧電板と電極板との導通を確実 とすることも望まれる。そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などには、圧電 板と電極板の間に導電性の銀ペーストなどを介在させ、このペーストの結合力を 利用して接合された圧電積層体が開示されている。すなわち、例えば圧電板の両 表面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着させ、電極板と交互に積層した後 加熱・加圧することで、銀ペースト中のガラス成分が溶融し接着剤として機能し て、圧電板と電極板とが一体的に接合される。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

導電ペーストを利用して接合する場合、積層体の加熱・加圧時に導電ペースト が積層体の外周表面にはみ出すという現象が生じる場合があった。このように導 電ペーストが外周表面まではみ出すと、電圧印加時にマイグレーションが発生し 短絡に到る。すると圧電板に絶縁破壊が生じることから耐久性・信頼性に劣ると いった不具合が発生する。

【０００５】 そこで導電ペーストのはみ出しを防止する方法として、外周部から内側に塗布 する方法がある。しかし導電ペーストが付着していない部分が生じると、圧電特 性が低下するため、導電ペーストは極力大きな面積に付着させることが望まれる 。また他の方法として、加圧力を低くすることが考えられる。ところが加圧力を 低くすると、加熱により導電ペースト中のガラス成分が溶融した時に生じるポア を潰すことができず、導電ペースト層の緻密化及び圧電板と電極板の密着力の確 保を図ることが困難となる。したがって少なくとも１００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の 力で加圧する必要がある。

【０００６】 さらに導電ペーストの塗布厚さを薄くしても限度があり、所定量塗布した場合 には加圧力が１００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上であればペーストのはみ出す幅は一定で あり、はみ出しを防止できないことも経験からわかっている。 本考案はこのような事情に鑑みてなされたものであり、必要な圧力で加圧して も導電ペーストのはみ出しを防止できる構造とすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決する本考案の圧電積層体は、圧電板と電極板とが導電ペースト 層を介して交互に複数枚積層された圧電積層体において、圧電板及び電極板の少 なくとも一方は表面外周部にリング状溝をもつことを特徴とする。 圧電板は、電圧の印加により歪みや応力を生じる圧電体から形成されている。 例えばペロブスカイト結晶構造のＢａＴｉＯ₃ とＰｂＴｉＯ₃ 又はＣａＴｉＯ₃ との固溶体（ＰＺＴ）などの圧電体セラミックスから円板形状に形成された、従 来と同様のものが用いられる。

【０００８】 電極板は外部電極を取り出すために用いられ、銅などの導電性金属から形成さ れる。電極取り出し用の舌片部などが、通常外周部あるいは中心に設けられた中 心孔に突出して設けられる。電極板の厚さは０．１〜０．１５ｍｍが適当であり 、０．１ｍｍより薄いとリング状溝の部分の強度が確保できず、０．１５ｍｍよ り厚くなると電気抵抗が増大し発熱が生じたりサイズが大きくなるといった不具 合が生じる。

【０００９】 そして圧電板と電極板とは、導電性金属を主とする導電ペースト層を介して一 体的に接合されている。 本考案の最大の特徴は、圧電板及び電極板の少なくとも一方は、表面外周部に リング状溝をもつところにある。加圧時にはこのリング状溝に導電ペーストが流 れ込み、リング状溝の外側へ導電ペーストがはみ出すのが防止される。したがっ てこのリング状溝の容積は、加圧によりはみ出す導電ペーストの体積よりも大き くするのが好ましい。リング状溝は圧電板と電極板のどちらか一方に設けてもよ いし、両方に設けることもできる。

【００１０】 圧電板に設ける場合には、リング状溝の深さが０．０３〜０．０７ｍｍ、幅が ０．３〜０．７ｍｍの形状とすることが望ましい。深さや幅がこの範囲より小さ いと容積が足らず導電ペーストのはみ出しが生じ、絶縁破壊が生じるようになる 。また深さや幅がこの範囲より大きくなると、強度に不足し使用時に溝部からク ラックが発生するようになる。また電極板に設ける場合には、深さが０．０２〜 ０．０３ｍｍ、幅が０．５〜０．７ｍｍとすることが望ましい。

【００１１】

【考案の作用及び効果】

本考案の圧電積層体を製造する場合、圧電板または電極板の表裏両表面にスク リーン印刷などで導電ペーストを塗布し、圧電板と電極板とを導電ペースト層を 介して交互に積層する。所定枚数積層後、軸方向に加圧しながら加熱すると、導 電ペーストは溶融し加圧力により外周方向へ流れる。しかし外周部分にはリング 状溝が存在しているため、押しやられた過剰の導電性ペーストはリング状溝内に 流れ込み、リング状溝の外側へ流れ出るのが防止される。そして冷却されると導 電ペーストが接着剤として作用し、圧電板と電極板とが一体的に接合される。そ の後一対の外部電極が形成され、絶縁コーティングなどで絶縁されて圧電積層体 となる。

【００１２】 したがって本考案の圧電積層体によれば、周縁部に導電ペーストのはみ出しが ないので、短絡による絶縁破壊が防止され、耐久性及び信頼性が向上する。さら に導電ペーストのはみ出しがないので絶縁コーティングの密着性が向上し、絶縁 性が向上する。そして付随効果として、絶縁コーティングの密着性が向上したた め、絶縁コーティング層の厚さを薄くすることができ、全体の形状がコンパクト となるとともに冷却性能も向上する。

【００１３】

【実施例】

以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１） 図６に本考案の一実施例の圧電積層体を示す。この圧電積層体は、圧電板１と 、電極板２と、銀ペースト層３と、一対の外部電極板４と、絶縁コーティング５ とから構成されている。以下、製造方法を説明することにより、構成の詳細な説 明に代える。

【００１４】 圧電板１はＰＺＴ系セラミックスから形成され、図２、図３に示すように直径 １５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板形状をなしている。そしてその両表面外周部に は、周縁部に沿うリング状溝１０が形成されている。また、電極板２は図４に示 すように、銅から直径１４．５ｍｍ、厚さ約３０μｍの円板形状に形成され、法 線方向に突出する１個の舌片部２０をもつ。

【００１５】 まず圧電板１の両表面に、スクリーン印刷により直径１３ｍｍ、厚さ１５μｍ となるように銀ペースト３０を塗布する。このとき銀ペースト３０はリング状溝 １０より内側に塗布する。そして電極板２と交互に積層するが、舌片部２０はそ の向きが交互に１８０度逆向きとなるようにする。所定枚数積層後、図５に示す ように軸方向に１００ｋｇｆ／ｃｍ² の力で加圧しながら、４５０〜７００℃で ５〜３０分加熱する。これにより銀ペースト３０が溶融し、加圧力により外周方 向へ追いやられてリング状溝１０内に溜まる。したがって図１に示すように、銀 ペースト層３はリング状溝１０の外部には形成されておらず、はみ出しがない。

【００１６】 そして同じ側の舌片部２０どうしを外部電極板４で接続し、リード線４０をハ ンダ付けした後、外周部をシリコン樹脂からなる絶縁コーティング５で被覆して 本実施例の圧電積層体が形成される。この圧電積層体は、１００℃のシリコンオ イル中に浸漬されリード線４０に１ｋｖの高電圧を３０分間印加して分極処理さ れた。そして−２００〜１０００Ｖの電圧でパルス駆動させる試験を行った。

【００１７】 ここで本実施例では、リング状溝１０の形状を種々変更してそれぞれ圧電積層 体を形成し、同様のパルス駆動試験を行った。リング状溝１０の形状とそれぞれ の圧電積層体の試験結果を表１に示す。なお、１０⁸ 回以上の駆動に耐えたもの をＡ、１０⁷ 回の駆動で圧電板１が破損したものをＢ、１０⁶ 回の駆動で圧電板 １にクラックが生じたものをＣで表す。

【００１８】

【表１】 表１より、深さが０，０３〜０．０７ｍｍ、幅が０．３〜０．７ｍｍの範囲に あれば（Ａ群）１０⁸ 回のパルス駆動に耐えることがわかる。

【００１９】 なお、表１のＡ群、Ｂ群及びＣ群の圧電積層体について、上記試験後の外周部 の状態を電子顕微鏡で観察した。その結果、Ａ群については銀ペーストのはみ出 しもクラックも観察されなかったが、Ｂ群では銀ペーストが最大で厚さ約２０μ ｍ、幅約４０μｍにわたってはみ出し、マイグレーションと短絡が観察された。 またＣ群では銀ペーストのはみ出しとマイグレーションは観察されなかったが、 リング状溝１０の隅部からクラックが発生していた。これは圧電板１の厚さに対 してリング状溝１０の幅が大きいために、銀ペーストの付着している部分と付着 していない部分との内部応力の差に起因して発生したクラックと推察される。

【００２０】 ちなみに銀ペースト層３の厚さは、加圧する前の銀ペースト３０の厚さに比べ て約３０％減少しているので、銀ペースト３０の約３０体積％がリング状溝１０ に流入したと考えられる。計算によると、Ａ群とＣ群のリング状溝１０の体積は 上記３０体積％以上の値であるが、Ｂ群では上記３０体積％未満であり、この原 因によりＢ群で銀ペーストのはみ出しが生じたものと考えられる。

【００２１】 なお、圧電板１の直径を４〜１０ｍｍの範囲で変更したり、加圧圧力を２００ 〜６００ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲で変更して同様の試験を行ったが、上記と同様の 結果が得られた。 （実施例２） 本実施例は、リング状溝を電極板に設け圧電板には設けなかったこと以外は実 施例１と同様である。すなわち実施例１と同様の電極板の両表面に、表２に示す ように種々の形状のリング状溝を形成する。そして直径１３ｍｍ、厚さ５〜１０ μｍの形状に銀ペーストが塗布されリング状溝がないこと以外は実施例１と同様 の圧電板と交互に積層し、実施例１と同様にして圧電積層体を形成する。そして 実施例１と同様にパルス駆動試験を行い、結果を表２に示す。なお、１０⁸ 回以 上の駆動に耐えたものをＤ、１０⁷ 回の駆動で圧電板が破損したものをＥ、２× １０⁷ 回の駆動で圧電板が破損したものをＦで表す。

【００２２】

【表２】 表２より、深さが０，０２〜０．０３ｍｍ、幅が０．５〜０．７ｍｍの範囲に あれば（Ｄ群）１０⁸ 回のパルス駆動に耐えることがわかる。

【００２３】 なお、表２のＤ群、Ｅ群及びＦ群の圧電積層体について、上記試験後の外周部 の状態を電子顕微鏡で観察した。その結果、Ｄ群については銀ペーストのはみ出 しもクラックも観察されなかったが、Ｅ群では銀ペーストが最大で厚さ約２０μ ｍ、幅約４０μｍにわたってはみ出し、マイグレーションと短絡が観察された。 またＦ群では、電極板のリング状溝の外側の外周部分が外方へ曲がっており、そ こから銀ペーストがはみ出し、マイグレーションと短絡が観察された。これはリ ング状溝の外周部分の強度が弱く、加圧・加熱時に耐えきれず曲がったものと推 察される。

【００２４】 なお、圧電板の直径を４〜１０ｍｍの範囲で変更したり、加圧圧力を２００〜 ６００ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲で変更して同様の試験を行ったが、上記と同様の結 果が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の圧電積層体の要部拡大断面
図である。

【図２】実施例で用いた圧電板の平面図である。

【図３】実施例で用いた圧電板の断面図である。

【図４】実施例で用いた電極板の平面図である。

【図５】圧電板と電極板を積層して加圧している状態を
示す説明図である。

【図６】本考案の一実施例の圧電積層体の断面図であ
る。

【符号の説明】

１：圧電板 ２：電極板 ３：銀ペースト層
４：外部電極板 ５：絶縁コーティング １０：リング状溝
２０：舌片部 ３０：銀ペースト ４０：リード線

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板と電極板とが導電ペースト層を介
   して交互に複数枚積層された圧電積層体において、該圧
   電板及び該電極板の少なくとも一方は表面外周部にリン
   グ状溝をもつことを特徴とする圧電積層体。