JPH1168182A - 積層型圧電磁器アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクチュエータ素子１００の駆動時に発生す
る内部応力の集中を緩和し、繰り返し駆動における信頼
性を向上させる。 【解決手段】 内部電極層１ａ、１ｂの角部６が、内部
電極層１ａ、１ｂの角部６を直角であると仮定した場合
の内部電極層１ａ、１ｂの矩形の短い方の１辺に対し
０．０６６倍以上の曲率を有する構成であるので、積層
型圧電磁器アクチュエータ素子１００の駆動時の応力集
中による剪断応力を軽減することが可能で、繰り返し駆
動寿命の向上効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電磁器ア
クチュエータ素子の繰り返し駆動時における、信頼性の
高い積層型圧電磁器アクチュエータ素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の積層型圧電磁器アクチュエ
ータ素子に関するものであり、（Ａ）は積層手順を示す
斜視図、（Ｂ）は積層焼成後の構成を示す斜視図、
（Ｃ）は（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図、
（Ｄ）は（Ｃ）中のVI部分の構成を示す拡大断面図であ
る。

【０００３】また、図３は別のタイプの従来の積層型圧
電磁器アクチュエータ素子に関するものであり、（Ａ）
は積層手順を示す斜視図、（Ｂ）は積層焼成後の構成を
示す斜視図、（Ｃ）は（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面
構成図である。従来から、積層型圧電磁器アクチュエー
タ素子１００は圧電体層５と内部電極層１ａ、１ｂが交
互に積層されており、大別して図２に示すように圧電体
層５と内部電極層１ａ、１ｂの大きさが等しく、電気泳
動等の手法で絶縁物７を形成し外部もしくは内部的な絶
縁を維持する構造のものと、図３に示すように圧電体層
５よりも全ての辺が小さく形成された内部電極層１ａ、
１ｂを交互に積層し、対向した外部電極４に内部電極層
１ａ、１ｂが互い違いに接続されることで、内部電極層
１ａ、１ｂが接続されていない、対向する他の外部電極
４から離れて配置されることで外部との絶縁を維持する
構造のものがあった。

【０００４】前者はその構造上、圧電体面の全てが有効
駆動層となり、駆動時に局部的な応力集中が少ないた
め、繰り返し駆動における信頼性が高い反面、図２
（Ｄ）に示すように電極材料が駆動時の電界に誘起され
て前記の絶縁物７内へ移動するいわゆるマイグレーショ
ンによる絶縁低下が問題となる。後者は圧電体層５によ
って高い絶縁性を持つ反面、圧電体面の中で電界印加に
より駆動する有効駆動層部分（内部電極層１ａ、１ｂに
接し積層方向に重なり合う部分）と、駆動しない無効駆
動層部分（重なり合わない部分）とが存在するため、素
子１００の中心部よりも表層部に、単層内では内部電極
印刷部の境界部分、特に角部６に駆動に伴う応力の集中
が起こり、繰り返し駆動により素子１００は破壊され
る。

【０００５】この問題を解決するために、例えば特開平
７−３０１６５は最上層及び最下層の近傍の内部電極面
積を他の部分の内部電極面積の５０％以下にすることに
より、最上層及び最下層の近傍での応力集中を回避する
方法を開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところがこの方法だと
圧電効果に伴う発生力が低下し、アクチュエータとして
の駆動力が不足する。また、この特開平７−３０１６５
は内部電極パターンに孔を設けているが、前記応力集中
は有効駆動層と無効駆動層の境界部分、特に内部電極の
角部付近で起こるのだから、アクチュエータ素子の最上
層及び最下層の近傍以外の点における応力集中に対する
対策とはなっていない。

【０００７】本発明はこのような状況を鑑み、アクチュ
エータ素子１００の駆動時に発生する内部応力の集中を
緩和し、繰り返し駆動における信頼性を向上させること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は請求項１に記載の構成を採用する。請求項
１によれば、内部電極層の角部が、内部電極層の角部を
直角であると仮定した場合の内部電極層の矩形の短い方
の１辺に対し０．０６６倍以上の曲率を有する構成であ
るので、積層型圧電磁器アクチュエータ素子の駆動時の
応力集中による剪断応力を軽減することが可能で、繰り
返し駆動寿命の向上効果がある。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電磁器ア
クチュエータ素子に関するものであり、（Ａ）は積層手
順を示す斜視図、（Ｂ）は積層焼成後の構成を示す斜視
図、（Ｃ）は（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図で
ある。図１（Ａ）に示すように、上部に１枚ないしは複
数の絶縁層をなす上部ダミー層２を配置し、内部電極層
１ａ、１ｂを交互に積層して所望の厚さに積層し、図１
（Ｂ）に示すように、焼成後内部電極に互い違いに接続
するように外部電極４を形成しアクチュエータ素子１０
０を得る。この際、下部に０枚ないしは複数のダミー層
３を配置する。下部ダミー層３が０枚でもよいのは、内
部電極が片面印刷であるから、０枚でも絶縁が維持され
るからである。得られたアクチュエータ素子１００の図
１（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図を図１（Ｃ）
に示す。

【００１０】この実施形態の積層型圧電磁器アクチュエ
ータ素子１００は、圧電体層５間に設置された内部電極
層１ａ、１ｂと、互い違いの内部電極層１ａ、１ｂと各
々導通する対向する外部電極４を備え、内部電極層１
ａ、１ｂが圧電体層５よりも小さいために外部電極４の
２極間以外の外部との絶縁を維持する構造の積層型圧電
磁器アクチュエータ素子１００において、全ての内部電
極層１ａ、１ｂが、その形状中の角部６に、前記内部電
極層１ａ、１ｂの角部６が直角であると仮定した場合の
内部電極層１ａ、１ｂの矩形の短い方の一辺に対し０．
０６６倍以上の曲率を付けることにより、駆動時に応力
集中の著しい角部６の厚み方向における応力集中を緩和
し、信頼性を向上させている。

【００１１】この実施形態の積層型圧電磁器アクチュエ
ータ素子１００においては、例えば積層電子部品製造法
の一つであるドクターブレード法を用いて製造した場
合、曲率をつけたスクリーンパターンを用いて内部電極
層１ａ、１ｂを形成し、焼成することにより内部電極層
１ａ、１ｂの角部６に曲率を付けることができる。前記
工程で、曲率を付けないスクリーンパターンを用いても
焼成により微視的な曲率は付与されるが、このような小
さい曲率ではアクチュエータ素子１００駆動時の内部応
力は、特に内部電極層１ａ、１ｂの角部６付近の内部電
極層１ａ、１ｂに接し積層方向に重なり合う有効駆動層
と重なり合わない無効駆動層を分かつ微小の境界ないし
は点に集中しアクチュエータ素子１００の信頼性は向上
しないし、本発明の効果も得られない。

【００１２】本発明により得られるアクチュエータ素子
１００は、その内部電極層１ａ、１ｂの角部６付近の有
効駆動層と無効駆動層の境界部分の総延長距離が大きく
なることで、駆動時に発生した内部応力が分散し、駆動
時、とりわけ繰り返し駆動時の信頼性を向上させること
ができる。なお、本発明の効果が得られる内部電極層１
ａ、１ｂの角部６の曲率の大きさは、アクチュエータ素
子１００に使用する圧電材料の弾性定数、圧電定数、駆
動電圧等により異なるが前記請求項１に示した範囲であ
れば本発明の効果が得られる。但し、どれだけ大きな曲
率をとっても矩形の短い方の一辺に対し０．５倍以上の
曲率は付かないので、もとの内部電極層１ａ、１ｂを正
方形と仮定しても内部電極層１ａ、１ｂの重なりの面積
の大きさは正方形の面積の０．７８５倍なので発生力の
低下も少ない。例えば矩形の短い方の一辺に対し曲率の
大きさ０．０６６倍の場合内部電極層１ａ、１ｂの面積
の大きさは対策前の約９９．６％であり、以下の実施例
でも示すが発生力はもちろんアクチュエータ素子１００
としての変位量の低下は皆無に等しい。

【００１３】

【実施例】以下この発明の実施形態に具体的な数値を当
てはめて作成した実施例を示して詳しく説明する。但
し、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるもの
ではない。〔実施例１〕 圧電材料の原料を所望の組成
比に混合し、ドクターブレード法により磁器グリーンシ
ートを得た。その後、図１（Ａ）に示すようにグリーン
シート上にスクリーン印刷法により導電性ペーストの内
部電極層１ａ、１ｂを形成した。この時、内部電極層１
ａ、１ｂの形状は、角部６に半径０．４ｍｍの曲率をつ
けた、内部電極層１ａ、１ｂの角部６が直角であると仮
定したときの一辺の長さ６．０ｍｍの正方形とした。こ
の後内部電極層１ａ、１ｂが交互に露出するように交互
に位置をずらしつつ積層し、脱脂、焼成して図１（Ｂ）
に示すような積層型圧電磁器アクチュエータ素子１００
を得た。得られた焼成後のアクチュエータ素子１００は
上面投影寸法が５×５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、内部電極層１
ａ、１ｂの角部６の曲率半径０．３ｍｍ、１辺の長さ
４．５ｍｍの正方形であった。

【００１４】〔実施例２〕 スクリーン印刷により形成
された内部電極層１ａ、１ｂの角部６が曲率半径０．８
ｍｍであること以外は実施例１と同一である。この時得
られた焼成後のアクチュエータ素子１００は上面投影寸
法が５×５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、内部電極層１ａ、１ｂの
角部６の曲率半径０．６ｍｍ、１辺の長さ４．５ｍｍの
正方形であった。

【００１５】〔実施例３〕 スクリーン印刷により形成
された内部電極層１ａ、１ｂの角部６が曲率半径１．２
ｍｍであること以外は実施例１と同一である。この時得
られた焼成後のアクチュエータ素子１００は上面投影寸
法が５×５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、内部電極層１ａ、１ｂの
角部６の曲率半径０．９ｍｍ、１辺の長さ４．５ｍｍの
正方形であった。

【００１６】〔比較例１〕 スクリーン印刷により形成
された内部電極層１ａ、１ｂの角部６が曲率半径０ｍｍ
であること以外は実施例１と同一である。この時得られ
たアクチュエータ素子１００は上面投影寸法が５×５ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍ、内部電極層１ａ、１ｂの角部６の曲率
半径０．１ｍｍ、１辺の長さ４．５ｍｍの正方形であっ
た。

【００１７】〔比較例２〕 スクリーン印刷により形成
された内部電極層１ａ、１ｂの角部６が曲率半径０．１
ｍｍであること以外は実施例１と同一である。この時得
られたアクチュエータ素子１００は上面投影寸法が５×
５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、内部電極層１ａ、１ｂの角部６の
曲率半径０．２ｍｍ、一辺の長さ４．５ｍｍの正方形で
あった。

【００１８】これらの実施例及び比較例についてアクチ
ュエータ素子１００の特性評価実験をおこなった。これ
らから得られたアクチュエータ素子１００の初期変位量
を測定した実験結果を表１に示す。表１に示すように、
本発明の対策をおこなった場合と、おこなわなかった場
合とで変位量に有意差はなかった。なお、駆動電圧は１
００Ｖで実験をおこなった。

【００１９】更に、得られたアクチュエータ素子１００
の駆動時発生力として初期発生力を測定した結果を表２
に示す。表２に示すように、本発明の対策をおこなった
場合と、おこなわなかった場合とで発生力に有意差はな
かった。なお、駆動電圧は１００Ｖで実験をおこなっ
た。前記初期特性を測定した後、アクチュエータ素子１
００の繰り返し駆動耐久試験をおこなった結果である破
壊に至るまでの駆動回数を表３に示す。表３に示すよう
に本発明の対策をおこなうことによって、繰り返し駆動
による寿命が概ね２倍以上となる。なお、駆動電圧は１
００Ｖ、繰り返し周波数は２５０Ｈｚで実験をおこなっ
た。

【００２０】

【表１】 初期変位量（μｍ）

【００２１】

【表２】 初期発生力（Ｎ／ｃｍ² ）

【００２２】

【表３】 破壊に至るまでの駆動回数（×１０⁸ 回） 図４は内部電極層１ａ、１ｂに接し積層方向に重なり合
う有効駆動層と重なり合わない無効駆動層の境界部に生
ずる剪断応力を求めるための解析モデルについての解析
結果を示すグラフである。図４より、内部電極層１ａ、
１ｂの各々の短い方の一辺の長さに対する曲率が０．０
４４倍、すなわち比較例２の場合の剪断応力は比較例１
に対し約２分の１に、曲率が０．０６６倍、すなわち実
施例１の場合は剪断応力は約３分の１になることが分か
る。但し、前述の特性評価実験の結果から、表３に示す
ように繰り返し駆動寿命の向上効果がみられるのは、曲
率が０．０６６倍以上の場合である。

【００２３】これらの解析例、実施例から明らかなよう
に、本発明の構造を有するアクチュエータ素子１００
は、前記剪断応力を軽減することが可能で繰り返し駆動
寿命の向上効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電磁器アクチュエータ素子に
関するものであり、（Ａ）は積層手順を示す斜視図、
（Ｂ）は積層焼成後の構成を示す斜視図、（Ｃ）は
（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図である。

【図２】従来の積層型圧電磁器アクチュエータ素子に関
するものであり、（Ａ）は積層手順を示す斜視図、
（Ｂ）は積層焼成後の構成を示す斜視図、（Ｃ）は
（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図、（Ｄ）は
（Ｃ）中のVI部分の構成を示す拡大断面図である。

【図３】別のタイプの従来の積層型圧電磁器アクチュエ
ータ素子に関するものであり、（Ａ）は積層手順を示す
斜視図、（Ｂ）は積層焼成後の構成を示す斜視図、
（Ｃ）は（Ｂ）中の断面Ｖ−Ｖを示す断面構成図であ
る。

【図４】内部電極層１ａ、１ｂに接する有効駆動層と接
しない無効駆動層の境界部に生ずる剪断応力を求めるた
めの解析モデルについての解析結果を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 内部電極層 ４ 外部電極 ５ 圧電体層 ６ 角部 １００ 積層型圧電磁器アクチュエータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体層と、該圧電体層よりも全ての辺
   が小さく形成された内部電極層を交互に積層し、対向し
   た外部電極に内部電極層が互い違いに接続され、該内部
   電極層が接続されていない、対向する他の前記外部電極
   から離れているために外部との絶縁を維持する構成の積
   層型圧電磁器アクチュエータ素子であって、前記内部電
   極層の角部が、前記内部電極層の角部を直角であると仮
   定した場合の内部電極層の矩形の短い方の１辺に対し
   ０．０６６倍以上の曲率を有することを特徴とする積層
   型圧電磁器アクチュエータ素子。