JPH09148638A

JPH09148638A - 積層圧電アクチュエータおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH09148638A
Application number: JP30396695A
Authority: JP
Inventors: Masako Inagawa; 昌子稲川; Kazumasa Oya; 和政大家
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】使用に応じた種々形状を作成する事、および
素子の小型化を可能にする。【解決手段】積層圧電アクチュエータにおいて、素子
の内部に２ヶ所穴を開け、１ヶ所ごとに互い違いに絶縁
層を設け、空隙部内に導電性の樹脂などを埋めこむ事に
より、素子内部から電圧を取り出す事ができる。これに
より、外部より半田付けなどでリード線を設ける必要が
なくなる為、使用に応じた種々の形状を作成する事およ
び、素子の小型化を可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層圧電アクチュ
エータおよびその製造方法に関し、特に絶縁体が形成さ
れた２つの円筒状空隙部を設けた積層圧電アクチュエー
タおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の積層圧電アクチュエータについて
図８を用いて説明する。

【０００３】図８は従来の積層圧電アクチュエータの一
例の構造を示す斜視図である。同図を参照すると、この
積層圧電アクチュエータは、圧電効果を示す圧電セラミ
ック１と内部電極２とが交互に積層された積層構造とな
っており、この積層体３の上下にリード線１３の半田付
け部１５となる保護層１６が設けられている。

【０００４】内部電極２は、積層体３の４つの側面に露
出しているが、これら４つの側面のうち対向している２
つの側面（図では、手前側の側面と奥側の側面）では、
内部電極２の露出部とその近傍の圧電セラミック１上に
ガラスなどの絶縁体６ｃが形成され、更にその上に外部
電極４が積層方向（図中、上下方向）に帯状に連続して
設けられている。

【０００５】この場合、絶縁体６ｃは、内部電極２の露
出部を一層おきに覆うように、しかも上述の２つの側面
では互い違いになるように形成されている。この外部電
極４上に半田付けによりリード線１３が取り付けられ、
リード線１３の両端に電圧を印加すると、内部電極２に
挟まれたそれぞれの圧電セラミック１が変位し、積層体
３は積層方向に変位するものである。

【０００６】上述のような構造の積層圧電アクチュエー
タでは、電圧を印加する為のリード取り出し部（外部電
極４）が必要であるが、内部電極２が側面に露出した構
造となっている為に、内部電極２に一層おきに絶縁体６
ｃを設ける必要があるので、使用に応じて種々の形状
（例えば真円など）を製造する事が困難であった。

【０００７】さらに、電圧印加部を素子の側面からリー
ド線１３を半田付けして取っていた為に、生産にかなり
手間がかかっていた他、半田付けする為のスペース（保
護層１６）を信頼性上設ける必要がある為に素子の積層
方向の小型化も困難であった。

【０００８】上記の問題を解決する手段の一つとして、
図９に示すように、素子内部に２ヶ所空隙部５を設けた
積層圧電アクチュエータの構造が考えられる（特開平３
−１５１６７７号公報参照）。

【０００９】図１０に同公報記載の積層圧電アクチュエ
ータの製造工程図を示す。

【００１０】同図を参照して、この積層圧電アクチュエ
ータを作製するには、まず、ＰｂＯ，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ
₂，Ｓｒ₂Ｏ₃などを混粉し、この混粉を２ヶ所の空隙
部５（孔径１〜２ｍｍφ）を形成するピンを有する金型
で円板上に加圧成形後、８００℃で仮焼する。

【００１１】こうして得られた圧電セラミック素子を所
定の寸法に研磨後、Ａｇ−Ｐｄペーストを印刷塗布す
る。

【００１２】印刷時に図１１を参照すると、圧電セラミ
ック素子１４の一方の空隙５には孔の縁まで延在するよ
うに内部電極２を塗布し、もう一方の空隙５には、これ
と同心で若干大きめの空白部１７を設けて内部電極２を
塗布する。

【００１３】また、同じ圧電セラミック素子１４の裏面
にも同様に内部電極２を印刷する。

【００１４】この時、表面側が孔の縁まで内部電極２が
延在する空隙５の裏面側は、空隙５と同心で若干大きめ
の空白部１５を設けて内部電極２を塗布し、逆に表面側
が空白部１５を設けて絶縁されている空隙５の裏面側
は、孔の縁まで延在させて内部電極２を印刷する。

【００１５】このようにして印刷を終えた圧電セラミッ
ク素子１４を図９の縦断面図に示す如く、交互に表面と
裏面とを逆にして積層し、加圧しながら１１５０℃で焼
結させ積層体３を得る。

【００１６】次いで、導電性弾性体を数気圧の圧力で、
積層体３の空隙５に圧入し、隙間なく充てんし、積層圧
電アクチュエータを完成する。

【００１７】この積層圧電アクチュエータは、積層圧電
アクチュエータ素子内部に２ヶ所空隙５を設け、空隙５
内に導電性弾性体を充てんすることにより、電気的に並
列接続されるため積層圧電アクチュエータの側面にリー
ド線１３を半田付け１５することなどにより素子の側面
から電圧印加部を設ける必要がなくなるので、側面に絶
縁体６ｃを設ける必要もなくなる。

【００１８】従って、左右の側面に一層おきに絶縁体６
ｃを設ける必要がなくなる為に、積層圧電アクチュエー
タの使用に応じて例えば、真円などの種々の形状を製造
する事が可能となる。

【００１９】また、電圧印加部を側面から設ける必要が
なくなるために、生産性の向上を図ることができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】第１の問題点は、従来
の技術において、積層圧電アクチュエータを作製する上
で生産性の向上が困難であるということである。その理
由は、上記公報記載の積層圧電アクチュエータでは、積
層体３一つを作成する為に、１個ずつ圧電セラミック素
子１４を作り、それを所定の大きさに研磨した後、表裏
面に複雑なパターンの内部電極２を塗布し、この圧電セ
ラミック素子１４を１つずつ空隙５を合わせながら積層
し、一体加圧焼成して作成しているからである。

【００２１】第２の問題点は、従来の技術において、積
層圧電アクチュエータを作製する上で、内部電極２と外
部電極４を確実に接続できるように作ることが製造上か
なり困難なことである。

【００２２】その理由は、上記公報記載の積層圧電アク
チュエータでは、素子内部に空隙５を設け、その空隙５
部より電圧印加部を形成しているので使用に応じた形状
を作成できるように小さな空隙５（１〜２ｍｍφ）を加
圧成形時に一緒に設けた後、反り防止のために８００℃
で仮焼することになっている。

【００２３】この仮焼の温度は８００℃と本焼時の１１
１５℃より低い温度に設定されているが、セラミック系
の材料はだいたい６００℃付近から収縮が始まってい
る。

【００２４】このセラミック系の収縮については、同一
粉末を使用していても、種々の酸化物の混合状態、ある
いは、寸法のバラツキなどによって収縮状態が変わる可
能性が大きく、収縮状態にある一定のバラツキが生じる
ことを防ぐことはできない。

【００２５】従って、この仮焼時の収縮の違いにより空
隙５が埋まってしまうまでいかなくとも、空隙の径の大
きさ、形状にバラツキが生じる可能性や、さらに、その
後の内部電極２を塗布して積層する際に、重なりあう空
隙５の位置がずれてしまう可能性が有るからである。

【００２６】第３の問題点は、長さ方向の小型化および
低電圧化が難しいということである。

【００２７】この理由は、上記公報記載の積層圧電アク
チュエータでは、ＰｂＯなどの酸化物を混粉し、この混
粉を２ヶ所の空隙５を形成するピンを有する金型で円板
状に加圧成形後、８００℃で仮焼して圧電セラミック素
子１４を作成し、所定の寸法に研磨するが、研磨するに
は、一層間の距離をある一定以上の大きさにする事が必
要となるからである。

【００２８】本発明は、かかる従来の問題点を解決する
ためになされたもので、その目的は、生産性の向上を図
り、さらに効率よく小型化でき、使用に応じて種々の形
状を容易に作成することのできる積層圧電アクチュエー
タを提供することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の積層圧電アクチ
ュエータは、薄板状圧電セラミック膜と内部電極膜とが
交互に複数積層された素子であって、この素子内部に円
筒状空隙部が２ヶ所設けられ（図１中の５）、かつ円筒
状空隙間部壁面に各空隙間部内の内部電極露出部が互い
違いになるように絶縁体が形成され（図３中の６）、空
隙間内に導電性の弾性な部材を充てんすることによって
（図１中４）積層圧電アクチュエータ素子を電気的に接
続している。

【００３０】さらに、素子内部の円筒状空隙部間の距離
（図１中Ａ）が０．５ｍｍ以上離れていること、円筒状
空隙部の大きさが（図１中Ｂ）、直径１．５ｍｍ以上で
あること、２ヶ所の円筒状空隙部の中心を通る外形寸法
（図１中Ｃ）が、５ｍｍ以上であること等をも特徴とす
る。

【００３１】また素子内部の円筒状空隙部内に形成する
絶縁体（図３中６ａ，６ｂ）が電気泳動法（図５）で被
着形成することをも特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の
第１の実施形態による積層圧電アクチュエータの構造を
示す斜視図であり、図２は、その製造方法を説明するた
めの工程図である。

【００３３】また、この積層圧電アクチュエータの製造
方法を図３と図４に示す。

【００３４】図３は、図４の工程をＡ−Ａ′断面で示し
たものである。

【００３５】図３を参照すると、本実施例の積層圧電ア
クチュエータが図９に示す従来の積層圧電アクチュエー
タと異なるのは、素子内部の２ヶ所の空隙５内に絶縁体
６ａ，６ｂが設けられていることである。

【００３６】この場合、上記の絶縁体６ａ，６ｂは、内
部電極２の露出部を一層おきに覆うように、しかも上述
の２つの空隙５部では互い違いになるように形成されて
いる。

【００３７】従って、右側の空隙５内の外部電極４は、
上から偶数番目の内部電極４を全て同電位になるように
接続し、左側の空隙５内の外部電極４は奇数番目の内部
電極２が同電位になるように接続している。

【００３８】ここに、例えば半田付けにより一対のリー
ド線１３が取り付けられ、リード線１３の両端に電圧を
印加すると内部電極２に挟まれたそれぞれの圧電セラミ
ック１が変位し、積層体３は積層方向に変位するもので
ある。

【００３９】また、図２を参照すると、本実施例の製造
方法が、図１０に示す従来の製造方法と異なるのは、焼
成後に、素子内部の空隙５を超音波加工などの機械的方
法で形成している点と、圧電セラミック１をシート状に
作成し積層した後に焼成して数１０個の積層体を一度に
作成して最後に個々に分けている点と、２ヶ所の空隙５
部内の内部電極露出部がお互いに互い違いになるように
絶縁体６ａ，６ｂを設けている点である。

【００４０】以下に本発明の実施例について図２，図
３，図４を参照しながら順をおって説明する。

【００４１】本発明の積層圧電アクチュエータは、図３
（ａ），図４（ａ）に示すように、まず銀パラジウムの
導体ペーストを印刷した圧電セラミックシートを複数枚
積層し、プレス脱バインダー焼結を行い圧電セラミック
１と内部電極２が積層された積層体３を得る。

【００４２】積層体３は、向いあう１組の側面には全て
の内部電極２が露出しており別の向いあう１組の側面に
は、内部電極２が一層おきに露出し、たがいに同じ内部
電極２が露出していないようになっている。

【００４３】この一層おきに内部電極２の露出した面に
は銀ペースト、あるいは導電性樹脂で仮電極８ａ，８ｂ
を形成する。

【００４４】超音波加工等により、空隙５を形成する。

【００４５】この空隙５の内壁には図３（ａ）のように
内部電極２が露出していることになる。

【００４６】次に図４（ｂ）の積層体３の隣り合った２
列の空隙５のうち１列分を粘着テープやマスキング剤な
どの被覆材７で覆い、電気泳動法により絶縁体６ａを形
成する。

【００４７】この絶縁体６ａは、図５に示すように、容
器１１中のガラスやセラミック等の無機物やポリアミ
ド、ポリイミド、フッ素系樹脂、エポキシ等の高分子等
の絶縁物よりなる粉子を分散させた懸濁液１０に浸漬
し、同様に浸漬してある参照極９と、積層体３の一方の
仮電極８ａ，８ｂとの間に電圧を印加する。

【００４８】また、他方の仮電極８ｂは参照極９と接続
させる。こうしておき、仮電極８ａと参照極９との間に
電源１２を接続し、電圧を印加すると、懸濁液１０中の
絶縁物の粒子は電界によって移動し、図３（ｂ）および
図４（ｂ）のように積層体３の内部電極２のうち仮電極
８ａに接続しているもののみ付着し、絶縁体６ａを形成
する。

【００４９】本方法による絶縁体形成方法を一般に電気
泳動法と呼ぶ。

【００５０】絶縁体６ａの付着した積層体３を懸濁液１
０より取出し、被覆材７を剥す。

【００５１】次に、図３（ｃ）および図４（ｃ）に示す
ように、絶縁体６ａが形成された空隙の列に被覆材７ｂ
を形成し、先ほどとは逆の仮電極４ｂと参照極９との間
に電圧を印加し、絶縁体６ｂを形成、被覆材７をはがし
たのち加熱して絶縁体６ａ，６ｂを積層体に固着させ
る。

【００５２】本実施例では、絶縁体６ａ，６ｂとなる絶
縁体粒子にガラス粉末を分散したエタノールと電解質の
混合液を懸濁液１０とし、２０Ｖの電圧を５分間印加し
た後６５０℃を２０分間保持するプロファイルで加熱し
て厚さ約５０μｍの絶縁体６ａ，６ｂを固着させた。

【００５３】以上の操作によって、図１に示すように積
層体３の素子内部に設けられている２ヶ所の空隙内の露
出した内部電極２は、一層おきに、互い違いに絶縁体６
ａ，６ｂで覆われることになる。

【００５４】次に、積層体３の２ヶ所の空隙内に弾性の
銀ペーストあるいは導電性樹脂を数気圧の圧力で注入し
すき間なく充てんして焼成した後、所定の形状に切断し
て図１に示すような積層圧電アクチュエータを得る。
尚、空隙５内の外部電極４は、無電界メッキなどにより
作成することもできる。［実施例１］以下に、上述のようにして作製した本実施
形態の積層圧電アクチュエータと、図９に示す従来の積
層圧電アクチュエータとに対して、２００Ｖの直流電圧
を印加し最高変位量を測定した結果について述べる。

【００５５】単位電界あたりの変位量の理論値を１００
％として図６に示した。

【００５６】サンプルは、圧電セラミック１の厚さが５
００μｍ、内部電極２の層数が２０層、空隙の大きさφ
１．５ｍｍ、変位方向に垂直な断面の形状が外径５ｍ
ｍ、変位方向の長さが１５ｍｍの構造を持つ。

【００５７】圧電セラミック１は、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎ
ｂ２／３）_0.50Ｚｒ_0.15Ｔｉ_0.35Ｏ₃系のペロブスカイ
ト構造複合化合物であり、内部電極２は、銀７０％、パ
ラジウム３０％の銀・パラジウム混合電極である。

【００５８】外部電極４は、銀を導体として形成した。

【００５９】図６を参照すると、従来例と比較して本発
明の方が理論値に近い変位量を示していることが分か
る。

【００６０】従来方法で作成した積層圧電アクチュエー
タの方が、変位量が少なかったのは、圧電セラミック素
子１４の仮焼（８００℃）時の収縮状態のバラツキによ
り、空隙５の大きさ、空隙５の位置にバラツキが発生
し、内部電極２と外部電極４の接続が悪くなったためと
考えられる。［実施例２］次に、本発明の第２の実施例について図１
を参照して説明する。

【００６１】積層圧電アクチュエータの製造方法は、実
施例１と同様である。

【００６２】ただし、サンプルの圧電セラミック１の厚
さは１０５μｍとする。

【００６３】本実施例では、隣り合う空隙の間隔Ａは
０．３ｍｍ，０．４ｍｍ，０．４５ｍｍ，０．５０ｍ
ｍ，０．６ｍｍ，０．８ｍｍとした。

【００６４】そして各積層圧電アクチュエータについて
信頼性試験を実施した。

【００６５】信頼性試験は、１５０Ｖ，１ｋＨｚで繰り
返し耐久試験で行った。

【００６６】表１を参照すると、実施例において、隣り
合う空隙５の間隔が０．５ｍｍ未満では１０¹⁰サイクル
以下で絶縁破壊したのに対して、０．５ｍｍ以上では１
０¹²サイクル以上でも作動可能であった。

【００６７】これは、２ヶ所の空隙５間の距離があまり
短いと２ヶ所の空隙５は一度に開けるが、開ける時の振
動などによる衝撃のためにマイクロクラックが発生し、
それが可動中あるいは外部電極４用の導電体を圧入する
際に伸長し、ショートしてしまうためであると考える。

【００６８】

【表１】尚、本実施例では積層体３の断面形状が円形のものを挙
げたが、他の形状（例えば、四角形や三角形など）でも
同様の結果を得た。［実施例３］次に、本発明の第３の実施例である積層圧
電アクチュエータの構造を示す斜視図を図１に示す。積
層圧電アクチュエータの製造方法は実施例２と同様であ
る。

【００６９】本実施例では、積層体３内部の空隙５の大
きさＢは、０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．５ｍｍ，２．０ｍ
ｍ，５ｍｍとした。

【００７０】そして、各積層圧電アクチュエータについ
て、変位量の測定を前述の実施例１におけると同様に実
施した。

【００７１】図７を参照すると、実施例において、空隙
５の大きさが１．５ｍｍ以上でほぼ理論値に近い変位量
を示した。

【００７２】１．５ｍｍ未満で変位量が少なかったの
は、空隙５の大きさが小さすぎると、絶縁体６ａ，６ｂ
を電気泳動法で被着させた際、１層ごとに選択的につか
ず、隣の内部電極２上まで覆ってしまいきちんと導通が
とれないためと考える。

【００７３】尚、本実施例では、積層体３の断面形状が
円形のものを一例として挙げたが、他の形状（例えば、
四角や三角など）でも同様の結果を得た。［実施例４］次に、本発明の第４の実施例について説明
する。

【００７４】積層圧電アクチュエータの製造方法および
構造は、実施例２，３と同様である。

【００７５】本実施例では、積層体３内部の２ヶ所の空
隙５の中心を通る外形寸法Ｃが４．０ｍｍ，４．５ｍ
ｍ，５．０ｍｍ，６．０ｍｍ，１０ｍｍとした。

【００７６】そして各積層圧電アクチュエータについて
信頼性試験を実施した。

【００７７】信頼性試験は、実施例２と同様に行った。

【００７８】表２を参照すると、実施例において、外形
寸法Ｃの大きさが５．０ｍｍ未満では１０¹⁰サイクル以
下で絶縁破壊したのに対して、５．０ｍｍ以上では１０
¹²サイクル以上でも作動可能であった。

【００７９】これは、外形寸法Ｃが小さいと、つまり、
素子の外形から空隙５までの距離が短いと、切断時の切
断精度±５０μｍから空隙部５と側面との距離がかなり
短くなるためであると推測される。また、積層体３を駆
動させた場合、素子の中心から外にいく程、素子にかか
る応力は大きくなる為、あまり薄いと、耐久応力に耐え
る事が難しいからであると考える。

【００８０】

【表２】尚、本実施例では、積層体３の断面形状が円形のものを
挙げたが、他形状でも同様の結果を得た。

【００８１】

【発明の効果】第１の効果は、わずかな組み立て工数で
生産性よく使用に応じて種々の形状の積層圧電アクチュ
エータが作成できることである。その理由は、一度に数
１０個の積層体３を作成することができるからである。

【００８２】第２の効果は、内部電極部２と外部電極４
を確実に接続できるように作る事が、わずかな工数で生
産性よく実現できる。その理由は、空隙部５を積層一体
焼成後に機械的に設け、その空隙５内に現状の技術で容
易に、かつ、選択的に絶縁体６ａ，６ｂを形成すること
が可能であるため、一層おきに確実に絶縁することがで
きるからである。

【００８３】第３の効果は、長さ方向の小型化および低
電圧化が生産性よく容易にできるということである。そ
の理由は、圧電セラミック１をシート状に作成し、内部
電極２を印刷後、焼成前に積層しているため、一層あた
りの距離を薄くする事ができるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層圧電アクチュエータの斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施例の製造方法を示す工程図であ
る。

【図３】本発明の製造工程毎の積層体の縦断面図であ
る。

【図４】本発明の製造工程毎の積層体の斜視図である。

【図５】本発明の電気泳動法による絶縁体形成のための
装置である。

【図６】本発明実施例２の積層圧電アクチュエータの単
位電界強度当りの変位量を示す図である。

【図７】本実施例４の積層圧電アクチュエータの単位電
界強度当りの変位量を示す図である。

【図８】従来の積層圧電アクチュエータの斜視図であ
る。

【図９】従来の積層圧電アクチュエータの縦断面図であ
る。

【図１０】従来の製造方法を示す工程図である。

【図１１】従来の積層体を構成する積層セラミック素子
の三面図（（ａ）平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）裏面
図）である。

【符号の説明】

１圧電セラミック２内部電極３積層体４外部電極５空隙６ａ，６ｂ，６ｃ絶縁体７被覆材８ａ，８ｂ仮電極９参照極１０懸濁液１１容器１２電源１３リード線１４圧電セラミック素子１５半田付け部１６保護層１７空白部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄板状圧電セラミック膜と内部電極膜と
が交互に複数積層された素子であって、該素子内部に円筒状空隙部が２ヶ所設けられ、かつ該円
筒状空隙部間壁面に各空隙部間内の内部電極露出部が互
い違いになるように絶縁体が形成され、該空隙間内に導電性の弾性部材を充てんすることによっ
て積層圧電アクチュエータ素子を電気的に接続している
ことを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記素子内部の円筒状空隙部間の距離が
０．５ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記
載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記素子内部の円筒状空隙部の大きさが
直径１．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記
載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項４】前記素子内部の２ヶ所の円筒状空隙部の
中心を通る外形寸法が５ｍｍ以上であることを特徴とす
る請求項１記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項５】前記絶縁体が電気泳動法で被着形成され
ることを特徴とする請求項１記載の積層圧電アクチュエ
ータの製造方法。