JP2001267646A

JP2001267646A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001267646A
Application number: JP2000075094A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Kato; 友好加藤; Kenji Kumamoto; 憲二熊本; Takahiro Yamakawa; 孝宏山川; Susumu Matsuno; 晋松野
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-28
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP4854831B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐久性に優れ、低コストで作製することがで
きる積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電セラミックス層１１と内部電極１２
ａ・１２ｂが交互に積層され、内部電極１２ａ・１２ｂ
が１層毎にそれぞれ外部電極１３ａ・１３ｂに接続され
た積層型圧電アクチュエータ１０において、応力緩和層
１４を、隣接する内部電極１２ａ・１２ｂ間であって、
１０層から４０層の内部電極１２ａ・１２ｂの間に１層
ほど形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐久性に優れ、低
コストで作製することができる積層型圧電アクチュエー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型圧電アクチュエータは、駆動応答
性に優れ、発生力が大きく、サブミクロンオーダーの微
小変位を高速制御することができる等の優れた特徴を有
することから、機械加工ステージや光学ステージ等の位
置決め機構として、また、流量計の絞り制御等として、
種々の分野で使用されている。

【０００３】積層型圧電アクチュエータとして、図４に
示すような、圧電セラミックス層２と内部電極１が交互
に積層されて、内部電極１が交互に素子側面に露出して
外部電極４と接続され、積層方向から投影して内部電極
１が重なり合わない部分において、内部電極１とその内
部電極１が接続されていない外部電極４との間に空乏層
（スリット）等の応力緩和層５が形成された構造のもの
が知られている。

【０００４】このような図４に示した積層型圧電アクチ
ュエータにおける圧電セラミックス層２においては、積
層方向から投影して内部電極１が重なり合う部分におい
て内部電極１に挟まれた圧電セラミックスは圧電活性と
なって印加された電界に応じて変位するが、内部電極１
が重なり合わない部分の圧電セラミックスは変位せず、
圧電不活性となる。このような圧電活性部と圧電不活性
部との境界には、応力が発生するが、応力緩和層５がこ
うして生じた応力を解放するために、素子の破壊が抑制
される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような応力緩和層
５を設ける方法としては、カーボンペースト等の焼成後
に焼失する材料を所定パターンで印刷したセラミックス
グリーンシートを、積層方向の所定位置に配置しておく
方法や、ワイヤーソー等を用いて機械的に微細な加工を
行う方法が知られている。

【０００６】しかしながら、カーボンペースト等を用い
た場合であっては、焼失温度が低いために、焼成時にグ
リーンシートどうしが融着して応力緩和層が良好に形成
されない場合があり、ワイヤーソー等を用いた加工で
は、圧電セラミックス層の厚みが薄くなると対応が困難
となり、加工コストも高くなるという問題があった。ま
た、応力緩和層そのものは、空隙である場合が殆どであ
り、その場合には、外気の水分が容易に応力緩和層に浸
入して耐湿性が低下し、その結果、応力緩和層を挟んで
の内部電極１と外部電極４間での放電による絶縁破壊
や、圧電セラミックス層２を挟んでの絶縁破壊を引き起
こす等の問題があった。

【０００７】そこで、特開平８−２７４３８１号公報に
は、耐湿性を向上させるために、図５に示すように、内
部電極１間、つまり圧電セラミック層２内に、応力緩和
層５を形成することについて開示されている。しかしな
がら、特開平８−２７４３８１号公報に開示の構造およ
び応力緩和層の形成方法では、図４に示した構造の積層
型圧電アクチュエータを製造する際に使用されるグリー
ンシートの半分の厚みのグリーンシートを用いる必要が
あり、また、内部電極を印刷したグリーンシートと応力
緩和層を形成するためのグリーンシートが同数ほど必要
となり、積層工数が倍増する等、製造コストの増大の問
題があったことから、この解決が望まれるところであっ
た。

【０００８】本発明は上述した従来技術の有する課題に
鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、
素子寿命を低下させることなく信頼性を維持し、しかも
製造コストの低減が図られる積層型圧電アクチュエータ
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、圧電セラミックス層と内部電極が交互に積層され、
前記内部電極が１層毎に外部電極に接続された積層型圧
電アクチュエータであって、応力緩和層が、隣接する内
部電極間であって、１０層から４０層の内部電極の間に
１層形成されていることを特徴とする積層型圧電アクチ
ュエータ、が提供される。

【００１０】また、本発明によれば、圧電セラミックス
層と内部電極が交互に積層され、前記内部電極が１層毎
に外部電極に接続された積層型圧電アクチュエータであ
って、応力緩和層が、隣接する内部電極間であって、積
層方向長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に１層形成
されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエー
タ、が提供される。

【００１１】これらの積層型圧電アクチュエータにおい
ては、応力緩和層は、チタン酸鉛を主成分とする粉末で
形成されていることが好ましく、積層方向から投影して
内部電極が重なり合わない圧電不活性部に形成されてい
ることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明するが、本発明が以下の実
施の形態に限定されるものでないことはいうまでもな
い。

【００１３】図１は、本発明の積層型圧電アクチュエー
タの一実施形態を示す断面図であり、積層型圧電アクチ
ュエータ１０は、圧電セラミックス層１１と内部電極１
２ａ・１２ｂが交互に積層され、内部電極１２ａ・１２
ｂが１層毎に、それぞれ外部電極１３ａ・１３ｂに接続
された構造を有する。このような積層型圧電アクチュエ
ータ１０は、種々の製造方法を用いて作製することがで
きるが、後述するように、本発明は、特に、生産性に優
れるセラミックスグリーンシートを用いた一体焼成法に
より製造される積層型圧電アクチュエータに好適に適用
される。

【００１４】圧電セラミックス層１１に用いられる圧電
セラミックスに限定はなく、例えば、チタン酸ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）やマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、
チタン酸バリウム等の種々の公知材料を用いることがで
きる。また、内部電極１２ａ・１２ｂは、銀（Ａｇ）／
パラジウム（Ｐｄ）合金、Ｐｄ、白金（Ｐｔ）等の金属
材料を用いて形成され、使用される圧電セラミックスの
焼成温度を考慮して、適宜、適切な材料および組成のも
のが選択される。なお、外部電極１３ａ・１３ｂとして
は、Ａｇが好適に用いられる。

【００１５】積層型圧電アクチュエータ１０には、隣接
する内部電極間、つまり隣接する内部電極１２ａと内部
電極１２ｂの間であって、１０層から４０層の内部電極
１２ａ・１２ｂの間に１層の応力緩和層１４が形成され
ている。換言すれば、１０層から４０層の圧電セラミッ
クス層１１の中に、その層内に応力緩和層１４が形成さ
れた圧電セラミックス層が存在する構造を有する。従っ
て、応力緩和層１４が、内部電極１２ａ・１２ｂと同一
面内において隣接して形成されていないことから、外部
からの水分の浸入等によって内部電極１２ａ・１２ｂが
劣化し、絶縁特性が低下するといった問題が回避され
る。

【００１６】また、このような所定内部電極数の範囲内
に１層の応力緩和層を形成することにより、応力緩和効
果を失うことなく積層工数を低減して、生産コストを低
減することが可能となる。例えば、圧電セラミックス層
１１の厚みが１００μｍで、全ての圧電セラミックス層
１１に応力緩和層１４を形成する場合には、グリーンシ
ートとして、焼成後に５０μｍとなるような薄いグリー
ンシートを用いる必要があるが、厚みのばらつきを抑え
た薄いグリーンシートの製造には、細かな機械調整や作
業慣れが必要であり、また、薄いグリーンシートはハン
ドリング性が悪く、積層数が多いと位置ずれ等の問題も
生じやすくなる等、種々の問題を有する。

【００１７】しかし、本発明によれば、上記例の場合に
は、グリーンシートとして焼成後に１００μｍとなる厚
みのものを使用することができる。この場合には、グリ
ーンシートの製造が容易となって、グリーンシートのハ
ンドリング性が向上する。また、積層数も低減すること
から積層時のグリーンシートの位置ずれも起こり難くな
る。さらに、１枚のグリーンシートから１層の圧電セラ
ミックス層１１を形成する場合には、圧電セラミックス
層１１の薄層化も容易となる。

【００１８】一方で、上記例の場合に、焼成後に厚みが
５０μｍとなるグリーンシートが準備されれば、圧電セ
ラミックスの変位量は印加される電界の大きさに比例す
るので、積層型圧電アクチュエータを小型化したり、ま
た、低電圧駆動化を図ることも可能となる。

【００１９】このような応力緩和層１４の形成数につい
ては、４０層超の内部電極１２ａ・１２ｂの間に１層の
応力緩和層１４を設けた場合には、応力緩和の効果が十
分に得られず、そのため素子にクラックが発生し易くな
り、駆動によって素子が破壊に至る。つまり、使用寿命
が短くなるという問題を生ずる。一方、１０層未満の内
部電極１２ａ・１２ｂの間に１層の応力緩和層１４を設
けた場合には、積層工数の低減の効果はあまり大きなも
のではなく、十分な生産コストの低減の効果が得られな
い。また、１０層未満に１層の応力緩和層の形成は、応
力緩和の効果の面からは好ましいものであるが、素子寿
命等の観点から、必ずしも必要なものではない。

【００２０】このような応力緩和層１４としては、チタ
ン酸鉛を主成分とする粉末が充填された構造を有するも
のが好適に用いられる。チタン酸鉛は難焼結性であり、
高温で焼成すると降温過程で５００℃付近で微細に破壊
され、その結果微粉状となる。セラミックスグリーンシ
ートにチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを
印刷して、積層し、焼成することにより、上下のセラミ
ックスグリーンシートの融着が防止され、確実にチタン
酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層１４が
形成される。

【００２１】積層型圧電アクチュエータ１０において、
応力緩和層１４は、積層方向から投影して内部電極１２
ａ・１２ｂが重なり合わない圧電不活性部に形成されて
いる。本発明における圧電不活性部は、一方の外部電極
１３ａに接続された内部電極１２ａと、他方の外部電極
１３ｂに接続された内部電極１２ｂとが、積層方向から
見て重なり合わず、一方の内部電極のみがある部分のみ
ならず、積層方向からみて全く内部電極が存在しない部
分が存在する場合には、その部分をも含む。このような
圧電不活性部での応力緩和層１４の形成は、十分な応力
緩和効果を得るために不可欠である。

【００２２】なお、一方の外部電極１３ａに接続された
内部電極１２ａと、他方の外部電極１３ｂに接続された
内部電極１２ｂとが、積層方向から見て重なり合う部分
が圧電活性部となるが、本発明においては、圧電不活性
部から僅かに圧電活性部へ入った部分においても、応力
緩和層１４が形成されていてもよい。

【００２３】上述した構造を有する積層型圧電アクチュ
エータ１０の外部電極１３ａ・１３ｂに電圧を印加する
と、圧電活性部では圧電セラミックスが電界を受けて変
位して積層方向に伸びるが、圧電不活性部では圧電セラ
ミックスは変位しない。従って、このような変位部分と
不変位部分との境界で応力が発生することとなるが、積
層型圧電アクチュエータ１０においては、このような応
力が集中する部分に応力緩和層１４が形成されているこ
とから、応力発生が抑えられ、機械的な破壊が起こり難
く、耐久性に優れたものとなる。しかも、応力緩和層１
４が粉体を充填した構造であることから、圧電セラミッ
クスの変位を拘束せず、良好な変位特性が得られる。

【００２４】ところで、上述の通り、積層型圧電アクチ
ュエータにおける応力緩和層の形成の条件については、
形成された内部電極数を基準として定めることができる
が、積層型圧電アクチュエータを駆動させたときに、圧
電活性部と圧電不活性部との境界に生ずる応力は、積層
方向の単位長さ当たりの変位量にも関係しているものと
考えられる。

【００２５】このような観点から、本発明においては、
応力緩和層を、隣接する内部電極間であって、積層方向
長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に１層の割合で形
成することが、好ましい。積層方向長さ０．５ｍｍ未満
に１層の応力緩和層を形成する場合において、厚みの薄
いグリーンシートを用いると積層数が増大する問題があ
り、一方、厚みの厚いグリーンシートを用いると駆動電
圧が高くなる等の問題がある。また、積層方向長さ２．
５ｍｍ超に１層の応力緩和層を設けた場合には、十分な
応力緩和効果が得られずに、素子寿命が短くなる問題を
生ずる。

【００２６】次に、上述した本発明にかかる積層型圧電
アクチュエータの製造方法について触れながら、実施例
により、本発明をより詳細に説明することとする。

【００２７】

【実施例】圧電セラミックス材料としてＰＺＴ粉末を準
備し、このＰＺＴ粉末に、水または有機溶剤、有機バイ
ンダ、分散剤、消泡剤を加えて十分に攪拌・混合してス
ラリーを作製し、真空脱泡した後に、ドクターブレード
法により、所定厚み、例えば、１００μｍのグリーンシ
ートを成形した。なお、グリーンシートの成形方法とし
ては、押出成形法、カレンダロール法等、公知である種
々のシート成形法を用いることができる。

【００２８】得られたグリーンシートを切断または打ち
抜き等して所定の形状とし、これに例えば、Ａｇ／Ｐｄ
ペーストを用いて、スクリーン印刷法により所定パター
ンにて内部電極を印刷し、内部電極形成用シートとす
る。一方、所定形状とされたグリーンシートに、チタン
酸鉛を主成分として含むペーストを所定パターンにて印
刷し、応力緩和層形成用シートとした。

【００２９】図２は、こうして形成された内部電極形成
用シート２１と応力緩和層形成用シート２２の積層順序
を示した説明図であり、図２に示されるように、内部電
極形成用シート２１に印刷された内部電極の外部電極と
接続される部分２１ａが、１層毎に積層体の対向する側
面に露出するように交互に積層し、２０枚の内部電極形
成用シート２１を積層した後、応力緩和層形成用シート
２２を１枚積層する作業を６回繰り返し、その後に熱プ
レスを用いて熱圧着した。

【００３０】なお、積層体の上下には、数枚から十数枚
程度の何も印刷されていないグリーンシート２３を積層
して、変位しない厚みの厚い圧電セラミックス層（保護
層）を形成した。また、内部電極や応力緩和層の形状
（印刷）パターンは、図２に示されるものに限定される
ものではない。図２では、内部電極が外部電極に接続さ
れる部分を除いて素子側面に露出することがなく、素子
の周縁に沿った圧電不活性部に応力緩和層が形成される
パターンとなっている。このようなパターンを用いるこ
とにより、耐湿性に優れた素子を得ることができ、ま
た、各パターンのエッジ部に曲率を設けることによって
応力集中を回避することができる。

【００３１】こうして、内部電極が１２０層、応力緩和
層が２０層の内部電極について１層の割合で計６層形成
された積層体を得た。このような積層体においては、応
力緩和層を挟んで対向する内部電極間の圧電セラミック
ス層の厚みは、応力緩和層が形成されていない部分の内
部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有
することとなる。従って、応力緩和層形成用シートと、
応力緩和層形成用シートの直下の内部電極形成用シート
として、他の内部電極形成用シートの半分の厚みのグリ
ーンシートを用い、全ての圧電セラミックス層の厚みを
同じものとしても構わない。

【００３２】次に、得られた積層体を所定の温度、雰囲
気において、例えば、大気雰囲気中、１１００℃で焼成
し、得られた焼成体を、機械加工により所定の寸法（本
実施例では、３ｍｍ×３ｍｍ×高さ１０ｍｍ）に加工し
た。次いで、外部電極を、Ａｇペーストを塗布、焼成す
ることにより形成して、外部電極にリード線を半田付け
等により取り付け、外部直流電源を用いて分極処理を行
い、実施例に係る積層型圧電アクチュエータを得た。

【００３３】上述した実施例に係る積層型圧電アクチュ
エータの製造方法と同様の方法を用いて、６０枚の内部
電極形成用シートを積層した後に、１枚の応力緩和層形
成用シートを積層することにより、合計で１２０層の内
部電極と２層の応力緩和層が形成されてなる比較例１に
係る積層型圧電アクチュエータを製造した。

【００３４】また、図６に示すように、１枚のグリーン
シートに、内部電極パターン３２をＡｇ／Ｐｄペースト
を用いて印刷するとともに、内部電極パターン３２の外
周に応力緩和層パターン３３を印刷してなるシート３１
を用いて、内部電極パターン３２の外部電極と接続され
る部分３２ａが一層毎に対向する側面に露出するように
積層することにより、図４に示される構造を有する積層
型圧電アクチュエータを、比較例２として製造した。

【００３５】これら、実施例、比較例１および比較例２
に係る積層型圧電アクチュエータ各１０個について、気
温４０℃、湿度７０％の環境下で、１５０Ｖの直流電圧
を連続通電することにより、絶縁抵抗特性の劣化特性を
調べた。電圧印加開始から絶縁破壊（素子内短絡）が生
ずるまでの時間は、比較例２に係る積層型圧電アクチュ
エータでは全ての試料で２４時間未満であり、比較例１
に係る積層型圧電アクチュエータでは、６個の素子が２
４時間未満であったが、残る４個については２００時間
経過しても絶縁破壊は起こらなかった。これに対して、
実施例に係る積層型圧電アクチュエータは、全数につい
て２００時間以内に絶縁破壊することはなかった。

【００３６】次に、実施例および比較例１および比較例
２に係る積層型圧電アクチュエータ各１０個について、
３点曲げ試験により破壊強度を測定した。図３は試験方
法を示す説明図であり、積層型圧電アクチュエータ５０
の積層方向端部を２点支持して、その中間点から積層型
圧電アクチュエータ５０に加重を加えて、積層型圧電ア
クチュエータ５０が破壊に至る印加加重を測定した。

【００３７】結果を表１に示す。比較例２と実施例に係
る積層型圧電アクチュエータは、試料間の特性ばらつき
も小さく、また、高い強度が得られたが、比較例１に係
る積層型圧電アクチュエータは、試料間の特性ばらつき
が大きく、そのために平均すると強度が低くなり、信頼
性に劣るものであった。従って、以上の結果から明らか
なように、耐湿性および機械的強度の両特性に優れるも
のは、実施例に係る積層型圧電アクチュエータのみであ
った。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】上述した通り、本発明の積層型圧電アク
チュエータは、応力緩和層が、応力緩和効果が十分に発
揮される範囲で少数に設定されていることから、従来の
ように、内部電極間に内部電極数と同数の応力緩和層を
設ける場合と比較して、厚みの厚いハンドリング性に優
れるグリーンシートを用いることができ、また、積層工
数が低減されることから、不良品発生率の減少、積層作
業時間の短縮等が図られ、総じて、生産コストの低減が
図られるという顕著な効果を奏する。また、セラミック
スグリーンシート１枚の厚みが圧電セラミックス層の厚
みとなることから、圧電セラミックス層の薄層化が容易
であり、駆動電圧を小さく抑えたり、素子の小型化も容
易となるといった効果をも奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータの一実施形
態を示す断面図。

【図２】本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法
におけるグリーンシートの積層順を示す説明図。

【図３】積層型圧電アクチュエータの機械的強度の測定
方法を示す説明図。

【図４】従来の積層型圧電アクチュエータの一例を示す
断面図。

【図５】従来の積層型圧電アクチュエータの別の例を示
す断面図。

【図６】図４に記載の従来の積層型圧電アクチュエータ
の製造におけるグリーンシートの積層順を示す説明図。

【符号の説明】

１０；積層型圧電アクチュエータ１１；圧電セラミックス層１２ａ・１２ｂ；内部電極１３ａ・１３ｂ；外部電極１４；応力緩和層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山川孝宏東京都江東区清澄一丁目２番23号太平洋セメント株式会社研究本部内 (72)発明者松野晋千葉県東金市小沼田1568−４太平洋セメント株式会社研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミックス層と内部電極が交互に
積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続され
た積層型圧電アクチュエータであって、応力緩和層が、隣接する内部電極間であって、１０層か
ら４０層の内部電極の間に１層形成されていることを特
徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】圧電セラミックス層と内部電極が交互に
積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続され
た積層型圧電アクチュエータであって、応力緩和層が、隣接する内部電極間であって、積層方向
長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に１層形成されて
いることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記応力緩和層が、チタン酸鉛を主成分
とする粉末で形成されていることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項４】前記応力緩和層が、積層方向から投影し
て前記内部電極が重なり合わない圧電不活性部に形成さ
れていることを特徴とする請求項１から請求項３のいず
れか１項に記載の積層型圧電アクチュエータ。