JP2002353529A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電セラミックのクラックの発生や、絶縁膜
の位置ずれの少ない、高変位、高信頼性の積層型圧電ア
クチュエータを提供する。 【解決手段】 圧電セラミック１１と内部電極層１２と
を交互に複数枚積層して形成した小単位圧電アクチュエ
ータ１３を絶縁板１４を介して接着剤を用いて複数個連
結し、しかも複数の絶縁板１４及び小単位圧電アクチュ
エータ１３に配設した外部電極１６ａ、１６ｂを用いて
電気的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型の圧電アク
チュエータに関し、より詳細には、多数枚の圧電セラミ
ックの積層によるひずみ等によって発生するクラック等
を防止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】圧電アクチュエータは、電気エネルギー
を圧電効果によって機械的変位に変換する特性を利用し
て、光学機器、精密機械、工作機械、小型モータ等のさ
まざまな装置の駆動源として用いられている。一般的
に、圧電現象を示すＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等
の圧電セラミックは、圧電セラミック層の両面に、電圧
を印加するための導体層（電極層）を設けて形成する。
しかしながら、このような１層構造では得られる変位量
が小さいため、大きい変位量を必要とする場合には、圧
電セラミック層と電極層とを交互に多数重ね合わせた多
層構造にして、変位量を拡大するようにしている。な
お、このような積層型の圧電アクチュエータを製造する
場合には、焼成前の圧電セラミック層（セラミックグリ
ーンシート）の片面に導体ペーストで電極層を印刷し、
複数の圧電セラミック層を積層した後、これら圧電セラ
ミック層と電極層とを同時焼成するようにして形成した
り、又は、圧電セラミックを焼成してから、圧電セラミ
ックの片面あるいは両面に、めっき、スパッタ等で電極
層を形成し、複数枚を接着剤を用いて接合して形成して
いる。

【０００３】図２（Ａ）、（Ｂ）は、従来技術における
積層型圧電アクチュエータの斜視図を示している。積層
型圧電アクチュエータ５０は、圧電セラミック５１と、
圧電セラミック５１間に形成される内部電極５２と、内
部電極５２に交互に接続するために形成された絶縁膜５
３を設けて、絶縁膜５３の形成されていない内部電極５
２に接続される左右１本ずつの外部電極５４と、外部電
極５４に接続される外部接続端子５５とを有している。
上下方向に隣り合う内部電極５２は、絶縁膜５３によっ
て交互に被覆され左右が互い違いになっているので、１
つの内部電極５２は一方の外部電極５４にのみに接続さ
れ、他方の外部電極５４には接続されない。これによ
り、上下方向に隣り合う内部電極５２どうしは異極を形
成し、それぞれの外部電極５４に電圧を印加すること
で、内部電極５２間にある圧電セラミック５１に変位が
生じ、駆動源（アクチュエータ）となる。なお、外部電
極５４への外部接続端子５５の接続は、半田による熱に
よって圧電セラミック５１にクラックを発生させたり、
変位量の劣化が発生しやすいので、低温半田を用いて接
合したり、積層型圧電アクチュエータ５０の上に絶縁板
等を設けて、そこで半田接合している。また、通常外部
電極５４の導体ペーストには、導通抵抗の小さい銅ペー
ストを用いている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来の積層型圧電アクチュエータには、次のよ
うな課題がある。 （１）積層型圧電アクチュエータの変位量を大きくする
には、圧電セラミックの厚みを薄くして圧電セラミック
と内部電極の積層数を増やす必要があるが、多数枚数の
積層は、歪等によって圧電セラミックにクラックを発生
させ、変位不足や絶縁抵抗低下等の不具合を発生させた
りする。従って、駆動時の信頼性が低く、駆動試験によ
って不良品が発生し、歩留の低下となっている。 （２）圧電セラミックを薄くして圧電セラミックと内部
電極の積層数を増加させると、絶縁膜は狭いピッチの形
成が必要となり、しかも形成数が増加する。このような
狭いピッチで絶縁膜を多数形成するには高い位置精度が
要求されるが、位置ずれが避けられず、外部電極との接
続が取れなかったり、異極に接続されたりする。従っ
て、電圧を印加しても変位しない圧電セラミックが部分
的に含まれたり、短絡を引き起こして、電圧印加時の初
期不良及び長時間の電圧印加による劣化等の不良品が発
生している。 （３）外部電極への外部接続端子の接続において、半田
の種類が限定されたり、積層型圧電アクチュエータの上
に余分な絶縁板を形成する必要があり、作業条件が限定
されたり、価格の上昇をきたしている。 （４）外部電極に用いる銅ペーストは、半田濡れ性が悪
く、半田引っ張り強度が弱いため、外部接続端子の脱落
等が発生している。本発明は、かかる事情に鑑みてなさ
れたものであって、圧電セラミックのクラックの発生
や、絶縁膜の位置ずれの少ない、高変位、高信頼性の積
層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミックと内
部電極層とを交互に複数枚積層して形成した小単位圧電
アクチュエータを絶縁板を介して接着剤を用いて複数個
連結し、しかも複数の絶縁板及び小単位圧電アクチュエ
ータに配設した外部電極を用いて電気的に接続する。こ
れにより、小単位に分けて形成した複数の小単位圧電ア
クチュエータ毎に予め電圧印加試験を行うことができ、
圧電セラミックのクラックや変位量の劣化等の発生のな
いことを確認した後、絶縁板を介して接着剤を用いて連
結して形成されるので、積層枚数を増加させた高変位、
高信頼性の積層型圧電アクチュエータを得ることができ
る。また、積層数の少ない小単位圧電アクチュエータを
使用するので、絶縁膜を位置精度よく形成することが可
能であり、電圧を印加しても変位しない圧電セラミック
の部分や、短絡の発生がない、初期及び長時間の電圧印
加に対応する高変位、高信頼性の積層型圧電アクチュエ
ータを得ることができる。

【０００６】ここで、絶縁板に外部接続端子の半田付け
用パッド部を設けるのがよい。これにより、小単位圧電
アクチュエータ間に設けた絶縁板に設けた外部電極に外
部接続端子が接続できるので、低温半田以外にも多様な
半田の使用が可能となる。また、積層型圧電アクチュエ
ータの上に余分な絶縁板を形成する必要がないので、安
価な積層型圧電アクチュエータを得ることができる。

【０００７】また、外部電極は表面を銀コートした銅粒
子からなるペーストを用いて形成するのがよい。これに
より、外部電極への外部接続端子の接続において、半田
の濡れ性がよくなり、外部接続端子の脱落がなく、接合
部の半田の引っ張り強度の強い積層型圧電アクチュエー
タを得ることができる。

【０００８】更に、小単位圧電アクチュエータは予め検
査を行った良品が用いられるのがよい。これにより、予
め長時間の電圧印加試験を行い、圧電セラミックのクラ
ック、及び絶縁膜形成不良による変位量の低下や短絡が
ないことを確認した小単位圧電アクチュエータのみを用
いることができ、歩留よく高変位、高信頼性の積層型圧
電アクチュエータを得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本
発明の理解に供する。ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそ
れぞれ本発明の一実施の形態に係る積層型圧電アクチュ
エータの斜視図、部分拡大斜視図である。図１（Ａ）、
（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る積層
型圧電アクチュエータ１０は、一層の厚みが、例えば、
０．０５〜０．３０ｍｍである、ＰＺＴ系の圧電セラミ
ック１１と、厚さが０．１〜２μｍ程度のニッケルめっ
きからなる内部電極層１２とを交互に複数（例えば、圧
電セラミック１１の積層数が１５０層となるように）積
層して形成された複数の小単位圧電アクチュエータ１３
を有している。更に、それぞれの小単位圧電アクチュエ
ータ１３は、セラミックからなる絶縁板１４を介して、
例えば、エポキシ系樹脂からなる接着剤を用いて連結し
て接合されている。積層型圧電アクチュエータ１０の一
側面には、上下方向に延びる左右１本ずつの外部電極１
６ａ、１６ｂが形成され、外部電極１６ａ、１６ｂはそ
れぞれ各小単位圧電アクチュエータ１３の上下方向に隣
り合う内部電極層１２の１つおきに（左右は互い違い
に）設けた絶縁体ペーストからなる絶縁膜１５上を通過
し、絶縁膜１５の形成されていない内部電極層１２と導
通し、絶縁板１４上を通過している。これにより、上下
方向に隣り合う内部電極層１２どうしは異極となる。外
部電極１６ａ、１６ｂは、銅粒子の表面を銀でコートさ
れた銅粒子を用いて作製されたペーストを用いて形成さ
れている。

【００１０】絶縁板１４に形成された外部電極１６ａ、
１６ｂには、それぞれ外部接続端子１７を半田付けする
ための半田付け用パッド部１８が設けられている。な
お、半田付け用パッド部１８は、外部接続端子１７を接
合するのに必要な面積が外部電極１６ａ、１６ｂの幅で
確保できるのであれば、実質的に外部電極１６ａ、１６
ｂと同程度の面積であってよい。

【００１１】次いで、本発明の一実施の形態に係る積層
型圧電アクチュエータ１０の製造方法を説明する。セラ
ミックの粉末材料である、例えば、ＰｂＯ、ＺｒＯ₂ 、
ＴｉＯ₂ 及びその他の添加物の粉末原料を所望する組成
になるように秤量し、水を加えてボールミルで所定時間
粉砕混合する。次に、混合粉末を乾燥機で乾燥させて水
分を除去し、乾燥粉末を６００℃〜１０００℃程度で仮
焼成し、ＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃系圧電セラミック
の仮焼成粉末を製造する。この仮焼成粉末を水と共にボ
ールミル中で粉砕して粒度をそろえた後、更に、ＰＶＡ
又はアクリル系等のバインダーを加えてスプレードライ
ヤーで造粒し紛体原料とする。この紛体原料を用いて紛
体プレス成形によって所定の大きさのブロック体を形成
し、大気中で１０００〜１３００℃で焼成する。焼成し
たブロック体を切断し、研磨加工をして所望の厚み、
０．０５〜０．３０ｍｍの圧電セラミック１１を製造す
る。

【００１２】次に、この圧電セラミック１１に無電解ニ
ッケルめっきを施し、内部電極層１２を形成し、１〜４
ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して分極を行い、エポキシ系樹
脂からなる接着剤を用いて複数枚、例えば１５０枚の圧
電セラミック１１を接合し、積層体を形成する。

【００１３】次に、この積層体の、アクチュエータとし
て機能した時に変位方向に対して直角をなす面に、銅粒
子に銀がコートされた銅ペーストを用いて左右１本ずつ
の外部電極１６ａ、１６ｂの部分を形成することで小単
位圧電アクチュエータ１３を製造する。外部電極１６
ａ、１６ｂの形成に当たっては、先ず内部電極層１２が
圧電セラミック１１の端面から露出している部分に圧電
セラミック１１の１層おきに左右は交互となるように、
絶縁樹脂等を用いて絶縁膜１５を被覆する。そして、絶
縁膜１５上及び絶縁膜１５で覆われていない内部電極層
１２上に上下方向に外部電極１６ａ、１６ｂをそれぞれ
形成して、１層おきの全ての内部電極層１２が接続した
外部電極１６ａ、１６ｂを形成する。外部電極１６ａ、
１６ｂは、それぞれ正負電極となる異極電極を形成す
る。なお、外部電極１６ａ、１６ｂは、１面側にそれぞ
れ正負電極を形成したが、１層おきの内部電極層を相対
向する面にそれぞれ露出させ、それぞれの面に独立させ
て、外部電極を形成することもできる。また、この場合
には、絶縁膜を形成しなくてもよい。

【００１４】次に、複数個作製した小単位圧電アクチュ
エータ１３それぞれに長時間の電圧印加（１０００時
間、１５０Ｖ）試験を行い、圧電セラミック１１にクラ
ックの発生や、特性劣化による変位量の劣化、あるいは
短絡等の不良の発生が無いかを確認し、良品のみを選択
する。

【００１５】一方、絶縁板１４は、上述の圧電セラミッ
ク１１の製造と同様に、紛体プレス成形し、所定（平面
視した外形寸法は小単位圧電アクチュエータ１３の外形
寸法と同じ）の大きさのブロック体を形成し、焼成後切
断研磨加工を行い、所望の厚み、例えば１ｍｍになるよ
うに製造する。

【００１６】次に、良品の小単位圧電アクチュエータ１
３の内部電極層１２と平行する面と、絶縁板１４とをエ
ポキシ樹脂等の接着剤を用いて接続し、複数個を連結す
る。接合後、絶縁板１４に小単位圧電アクチュエータ１
３に形成されている外部電極１６ａ、１６ｂをそれぞれ
導通させる外部電極（外部電極１６ａ、１６ｂの部分と
なる）を銅粒子に銀がコートされた銅ペーストを用いて
形成する。この絶縁板１４への外部電極形成において
は、外部接続端子１７を接続するための半田付け用パッ
ド部１８を設けている。半田付け用パッド部１８には、
各々入出力端子となる外部接続端子１７が半田を用いて
接続される。

【００１７】なお、圧電セラミックは、ＰＺＴに限定さ
れるものではなく、マグネシウムニオブ酸−チタン酸鉛
系、ニッケルニオブ酸−チタン酸−ジルコン酸鉛系、チ
タン酸バリウム系、チタン酸鉛系等の他の圧電セラミッ
クを用いてもよい。

【００１８】

【実施例】本発明者は、本発明の一実施例に係る積層型
圧電アクチュエータと、比較例及び従来例の積層型圧電
アクチュエータについて、長時間の電圧印加試験による
変位量の低下や短絡等の不良の発生数の比較を行った。 （１）試料 実施例：厚み０．１０ｍｍの圧電セラミックに内部電極
を形成し、１５０枚を積層した小単位圧電アクチュエー
タ３個のそれぞれの間に、厚み１ｍｍの絶縁板を接続し
て積層型圧電アクチュエータを形成し、外部接続端子を
絶縁板壁面の外部電極で半田付け接合した。 比較例：厚み０．１０ｍｍの圧電セラミックに内部電極
を形成し、１５０枚を積層した小単位圧電アクチュエー
タ３個のそれぞれの間に、厚み１ｍｍの絶縁板を接続し
て積層型圧電アクチュエータを形成し、外部接続端子を
小単位圧電アクチュエータの圧電セラミック壁面の外部
電極で半田付け接合した。 従来例：厚み０．１０ｍｍの圧電セラミックに内部電極
を形成し、４５０枚を積層して積層型圧電アクチュエー
タを形成し、外部接続端子を圧電セラミック壁面の外部
電極で半田付け接合した。 （２）試験方法及び結果 １５０Ｖの電圧を１０００時間印加して、変位量の低下
及び短絡等の不良の発生数を計数した結果を表１に示
す。実施例には、不良の発生がないことが確認できた。

【００１９】

【表１】

【００２０】また、前記実施例と従来例の積層型圧電ア
クチュエータについて、外部電極に使用する銅ペースト
の、外部接続端子を半田付け接合した後の引っ張り強度
で比較を行った結果を表２に示す。なお、本実施例で使
用した銅粒子の表面を銀コートした銅ペーストは、タツ
タ電線製のＳＡＰ２５を用いた。銅粒子の表面に銀コー
トした銅ペーストは、従来例の通常の銅ペーストを用い
た外部電極の半田引っ張り強度より強いことが確認でき
た。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】請求項１〜４記載の積層型圧電アクチュ
エータにおいては、圧電セラミックと内部電極層とを交
互に複数枚積層して形成した小単位圧電アクチュエータ
を絶縁板を介して接着剤を用いて複数個連結し、しかも
複数の絶縁板及び小単位圧電アクチュエータに配設した
外部電極を用いて電気的に接続するので、小単位圧電ア
クチュエータ毎に予め電圧印加試験を行うことができ、
圧電セラミックのクラックや変位量の劣化等の発生のな
いことを確認した後、積層型圧電アクチュエータが形成
できる。また、小単位圧電アクチュエータ毎の内部電極
に位置精度よく絶縁膜の形成が可能であり、初期及び長
時間の電圧印加に対応する高変位、高信頼性の積層型圧
電アクチュエータが形成できる。

【００２３】特に、請求項２記載の積層型圧電アクチュ
エータにおいては、絶縁板に外部接続端子の半田付け用
パッド部を設けるので、小単位圧電アクチュエータ間に
設けた絶縁板の外部電極に外部接続端子が接続でき、低
温半田以外にも多様な半田の使用が可能となる。また、
積層型圧電アクチュエータの上に余分な絶縁板を形成す
る必要がなく、安価な積層型圧電アクチュエータを得る
ことができる。

【００２４】また、請求項３記載の積層型圧電アクチュ
エータにおいては、外部電極は表面を銀コートした銅粒
子からなるペーストを用いて形成するので、外部電極へ
の外部接続端子の接続において、半田の濡れ性がよくな
り、外部接続端子の脱落のない、接合部の半田の引っ張
り強度の強い積層型圧電アクチュエータを得ることがで
きる。

【００２５】更に、請求項４記載の積層型圧電アクチュ
エータにおいては、小単位圧電アクチュエータは予め検
査を行った良品が用いられるので、圧電セラミックのク
ラック、及び絶縁膜形成不良による変位量の低下や短絡
がないことを確認した良品のみの小単位圧電アクチュエ
ータを用いることができ、歩留よく高変位、高信頼性の
積層型圧電アクチュエータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形
態に係る積層型圧電アクチュエータの斜視図、部分拡大
斜視図である。

【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の積層型圧電ア
クチュエータの斜視図、部分拡大斜視図である。

【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、１２：内部電極層、１３：小単位圧電アクチュエー
タ、１４：絶縁板、１５：絶縁膜、１６ａ、１６ｂ：外
部電極、１７：外部接続端子、１８：半田付け用パッド
部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックと内部電極層とを交互に
   複数枚積層して形成した小単位圧電アクチュエータを絶
   縁板を介して接着剤を用いて複数個連結し、しかも複数
   の前記絶縁板及び前記小単位圧電アクチュエータに配設
   した外部電極を用いて電気的に接続することを特徴とす
   る積層型圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の積層型圧電アクチュエー
   タにおいて、前記絶縁板に外部接続端子の半田付け用パ
   ッド部を設けることを特徴とする積層型圧電アクチュエ
   ータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の積層型圧電アクチ
   ュエータにおいて、前記外部電極は表面を銀コートした
   銅粒子からなるペーストを用いて形成することを特徴と
   する積層型圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の積
   層型圧電アクチュエータにおいて、前記小単位圧電アク
   チュエータは予め検査を行った良品が用いられることを
   特徴とする積層型圧電アクチュエータ。