JP2003046155A

JP2003046155A - 積層型圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003046155A
Application number: JP2001230875A
Authority: JP
Inventors: Takami Sakamoto; 隆己坂元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-14
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP4109433B2

Abstract

(57)【要約】【課題】積層型圧電素子に電圧を印加した時に積層方向
の伸びに加え、積層方向に垂直な方向の振れがわずかな
がら発生するため、本来の変位量が減少するとともに、
積層型圧電素子に片荷重が加わり、結果として曲げ応力
が発生するようになり、これが長期に亘ると圧電素子が
破損するという問題があった。【解決手段】電圧印加時における前記積層体の積層方向
の伸び量ΔＬに対し、前記積層体端部に設置された不活
性部の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比を１０％以下と
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、自動車用燃料噴射
弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動
素子等に用いられる積層型圧電素子およびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電歪効果を利用して大きな変
位量を得るために、圧電体と内部電極を交互に積層した
積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータが提案され
ている。このような積層型の圧電アクチュエータには、
同時焼成タイプと焼結した圧電磁器と内部電極板を交互
に積層したスタックタイプの２種類に分類されており、
低電圧化、製造コストの低減の面から考慮すると、同時
焼成タイプの積層型の圧電アクチュエータが薄層化およ
び加工性に対して有利であるために、その優位性を増し
つつある。

【０００３】図６に、従来の同時焼成タイプの積層型圧
電素子の構造を示した。図６のように圧電体１と内部電
極２が交互に積層され、その積層方向端部は不活性層５
を備えている。内部電極２はその一方の端部が左右交互
に絶縁体３で被覆され、その上から外部電極４が内部電
極２と左右各々一層おきに導通するように形成されてい
る。そしてさらに外部電極４上には、リード線６がハン
ダ７により固定されている。

【０００４】同時焼成タイプの積層型圧電素子として、
例えば、特開平４−２３７１７２号公報には、アクチュ
エータ本体の側面に露出した内部電極の端部に一層おき
にガラスからなる絶縁層を被覆し、Ｎｉ、Ａｇ等の耐酸
化性良好な金属からなる外部電極には、絶縁層と同じピ
ッチで、且つ絶縁層の断面よりやや大きい凹部を形成
し、この凹部内に絶縁層を収容するようにして、且つ、
凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない内部電極の
端部を導電材＋ガラスフリット等からなる導電性ペース
トで接合することにより、外部電極と一方の内部電極と
の電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶縁を確保
した積層型圧電アクチュエータが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におい
ては、小型の圧電アクチュエータに対して、大きな圧力
下で大きな変位量を確保するために高い電界を印加し、
しかも長期間連続駆動させるということが行われてい
る。このように厳しい使用環境で使用されるため、圧電
アクチュエータに電圧を印加した際の伸びの方向が圧電
アクチュエータの積層方向からずれると、圧電アクチュ
エータを保持する周囲の構造部に片当たりして、その際
の応力集中により圧電アクチュエータが破壊する恐れが
ある。

【０００６】この点に関して、スタックタイプの圧電ア
クチュエータの場合、均一な厚みとなるように機械加工
した圧電磁器を積層するため、電圧印加時の積層方向に
垂直な方向の振れはほとんどない。

【０００７】しかしながら、同時焼成タイプの積層型圧
電素子の場合、圧電材料をテープ成形し、得られたセラ
ミックグリーンシートを所定のサイズに切断後、該セラ
ミックグリーンシートの表面に内部電極をプリントし、
積層、加圧密着させ、さらに脱脂焼成することにより積
層体を形成するため、圧電材料からなるセラミックグリ
ーンシートの厚みや生密度のバラツキにより、焼成後の
圧電磁器が微妙に変形してしまう。このため、電圧印加
時に積層方向の伸びに加え、積層方向に垂直な方向の振
れがわずかながら発生する。このため、本来の変位量が
減少するとともに、積層型圧電素子に片荷重が加わり、
結果として曲げ応力が発生するようになり、これが長期
に亘ると圧電素子が破損するという問題があった。

【０００８】また、分極前に積層型圧電素子の上下端面
を加工し、上下端面の平行度の精度を上げ、駆動時に片
荷重が発生しないように加工しても圧電磁器の厚みバラ
ツキ等により、分極後、この平行度がくずれてしまう。
結果として、そのまま駆動させると積層型圧電素子に片
荷重が加わり、曲げ応力が発生し、更にこれが長期に渡
ると圧電素子が破壊し、安定した耐久性を示さないとい
う問題があった。

【０００９】本発明は、本来の変位量を減少させずに長
期間安定に使用できる耐久性の高い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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の圧電体
と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を
備えてなる積層型圧電素子であって、電圧印加時の積層
方向の伸び量ΔＬに対しする、前記不活性部の積層方向
に垂直な振れ量ΔＲの比が１０％以下であることを特徴
とする。

【００１１】また、複数の圧電体と複数の内部電極とを
交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電
素子を分極した後に、電圧印加時の積層体の積層方向の
伸び量ΔＬに対する前記不活性部の積層方向に垂直な振
れ量ΔＲの比を検出し、この値が１０％以下となるよう
に前記積層型圧電素子の側面を研削し、この面を基準と
して残りの面をそれぞれ直角となるように加工すること
を特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。

【００１３】図１は本発明の積層型圧電素子の一実施例
を示す斜視図、図２は図１のＡ―Ａ’線断面図である。

【００１４】図１、２示すように、本発明の積層型圧電
素子１０は、複数の圧電体１と複数の内部電極とを交互
に積層してなる積層体１ａの側面において、内部電極２
の端部に一層おきに絶縁体３を形成し、絶縁体３を形成
していない内部電極２の端部を一対の外部電極４の各々
に接続し、各外部電極層４にリード線６を接続固定し、
端部に不活性層５を備えてなる。

【００１５】本発明の積層型圧電素子１０は、図３に示
すように、電圧印加時に積層方向の伸び量ΔＬに対する
不活性部５の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比を１０％
以下としたものである。振れ量ΔＲが前記伸び量ΔＬの
１０％を越えると、本来の変位量が減少するとともに、
積層型圧電素子１０に片荷重が加わり、結果として曲げ
応力が発生するようになり、これが長期に亘ると圧電素
子が破損するという問題が発生する。

【００１６】以下、振れ量ΔＲの比を１０％以下とする
ための前記積層型圧電素子１０の加工方法を具体的に説
明する。

【００１７】まず、作製した積層型圧電素子１０の振れ
量ΔＲを検出し、図４（ａ）に示すように、前記積層型
圧電素子１０を積層方向の平行度が調整できるジグ１１
に貼り付ける。この時、触れΔＲの振れ方向が上向きに
なるようにセットする。この後、このジグを平面研削盤
にセットし、ダイヤルインジケーターで前記積層型圧電
素子１１の上面の振れ量ΔＲが１μｍ以下になるように
ジグ１１を上下方向に仮調整する。その後、（ｂ）に示
すように、振れΔＲ分だけ前記積層型圧電素子１０を傾
け、両端不活性部に差ができるようにジグ１１を精密に
調整する。次に、（ｃ）に示すように、平面研削盤１２
にて積層型圧電素子１０の側面が全面加工されるまで研
削する。そして、ジグ１１から前記積層型圧電素子１０
を取り外し、（ｄ）に示すように、全面加工した側面を
基準にして、他の側面を平行度１μｍ以下になるように
加工する。最後に、（ｅ）のように不活性部の両端面を
加工する。

【００１８】次に外部電極を再度形成し、評価装置にて
伸び量ΔＬおよび振れ量ΔＲを再測定し、振れ量ΔＲが
伸び量ΔＬに対して１０％以下になっていることを確認
する。そして、もし振れ量ΔＲが１０％以下になってい
ない場合は、上記の操作を繰り返す。

【００１９】このように、電圧印加時に積層型圧電素子
１０の積層方向の伸び量ΔＬに対し、前記積層体端部に
設置された不活性部５の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの
比が１０％以下であるように積層型圧電素子１０を加工
し調整することにより、長時間駆動してもその耐久性に
バラツキが生じず、安定した耐久性をしめす高信頼性の
アクチュエータを提供することが出来る。

【００２０】また、本発明では、図１に示すように、左
右交互に形成されている内部電極２の取出し部に５０〜
２００μｍ程度の深さの絶縁層３を埋設していることに
より、上記のように側面加工を施しても、絶縁体３が除
去されることはない。

【００２１】前記圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコ
ン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）あ
るいは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を主成分とする
圧電セラミックス材料等で形成されている。この圧電セ
ラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ₃₃が
高いものが望ましい。

【００２２】また、圧電体の厚み、つまり内部電極２間
の距離は、５０〜２５０μｍが好ましい。積層型圧電素
子１０は電圧を印加した際により大きな変位量を得るた
めに、積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を
増加させた場合には圧電体１の厚みが厚すぎるとアクチ
ュエータの小型化、薄型化ができなくなり、一方、圧電
体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊する。従って、圧電体
１の厚みは５０〜２５０μｍとすることが望ましい。

【００２３】前記圧電体１は、上下に多数積層されてお
り、その間に内部電極２が配されている。前記内部電極
２は銀、パラジウム、銀−パラジウム合金等の金属材料
で形成されており、各圧電体１に所定の電圧を印加し、
圧電体１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用をな
す。

【００２４】前記、複数の圧電体１と複数の内部電極２
とを交互に積層してなる積層体１ａは、先ず、ＰＺＴ等
の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラ
ール系等の有機高分子から成るバインダーと、ＤＢＰ
（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）等
の可塑剤とを混合してスラリーを作製するとともに、該
スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロー
ル法等のテープ成型法により圧電体１となるセラミック
グリーンシートを作製する。

【００２５】次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、
可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これ
を前記各セラミックシートの上面にスクリーン印刷等に
よって１〜４０μｍの厚みに印刷する。

【００２６】そして、最後に上面に導電性ペーストが印
刷されたセラミックグリーンシートを上下に積層、所定
の温度で脱バインダーを行った後、９００〜１２００℃
で焼成することによって作製される。

【００２７】さらに、前記積層体１ａのすべての側面に
は、前記内部電極２が露出しているが、少なくとも一つ
の側面において内部電極２の端部を含む圧電体１の端部
に一層おきに深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅５０
〜３００μｍの溝が形成されており、該溝部にガラス、
エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹
脂、シリコーンゴム等の絶縁体３が充填されている。

【００２８】このような構造とすることにより、内部電
極を交互に取出すことが可能となり、また、電界の不均
一により発生する応力を低減することができる。

【００２９】前記内部電極２は絶縁体３によって端部が
互い違いに一層おきに絶縁され、内部電極２の絶縁され
ていない他方の端部は後述する積層体１ａの側面に形成
される正極および負極を成す一対の外部電極４に接続さ
れる。

【００３０】なお、前記絶縁体３は積層体１ａとの接合
を強固とするために積層体１ａの変位に対し、追従する
弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等が好適
である。

【００３１】また、前記積層体１ａの側面に一対の外部
電極４が被着形成されており、該外部電極４には、積層
されている内部電極２が一層おきに電気的に接合されて
いる。また、前記外部電極４はそれに接続されている各
内部電極２に圧電体１を逆圧電効果により変位させるに
必要な電圧を共通に供給する作用をなす。さらに、前記
外部電極４にはリード線６が接続固定されている。この
リード線６は外部電極４を外部の電圧供給部に接続する
作用をなす。そして、前記積層体１ａの積層方向の両端
面には、積層体１ａを機械的に保持し、発生する力を外
部へ伝達するための不活性部５が積層され、接合されて
いる。この後、外部電極４に０．１〜３ｋＶの分極電圧
を印加することにより積層体１ａ全体を分極処理するこ
とで、最終的な積層型圧電素子１０を得る。

【００３２】このようにして得られた積層型圧電素子１
０を、上下面の平行度が１μｍ以下、側面との直角度が
１μｍ以下になるように加工し、図５に示す評価用装置
にセットする。

【００３３】図５に示す評価用装置は、所定の予荷重が
印加できるようになっており、且つ積層方向の変位を測
定するために非接触型の変位計２１が２個、また積層型
圧電素子１０の端部にある不活性部５のラジアル方向の
振れΔＲが測定できるように非接触型の変位計２２が複
数個装備されている。

【００３４】

【実施例】チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子
からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを
作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０
μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

【００３５】このグリーンシートの片面に、内部電極２
となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストを
スクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導電性
ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された
複数のグリーンシートを４００枚積層し、この積層体の
積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていな
いグリーンシートを１０枚積層した。この導電性ペース
トが塗布されていないグリーンシートの部分が不活性部
となる。

【００３６】次に、この積層体を１００℃で加熱を行い
ながら加圧を行い、積層体を一体化し、１０ｍｍ×１０
ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バ
インダー処理を実施し、１１００℃で２時間の本焼成す
ることにより積層型圧電素子本体となる積層焼結体を得
た。その後、該積層焼結体の外周４面を研磨し、互いに
向き合う面の平行度が２μｍ以下になるように加工し
た。その後、前記積層焼結体の上下端面を外周面に対し
て直角度が２μｍ以下、上下端面の平行度が２μｍ以下
になるように加工した。

【００３７】次に、素子本体の２つの側面において、内
部電極２端部を含む圧電体１の端部に、該２側面におい
て互い違いになるように、１層おきに深さ１００μｍ、
積層方向の幅５０μｍの溝を形成し、絶縁体３を充填し
た。この後、絶縁されていない内部電極２の他方の端面
は、予め塗布しておいた導電性耐熱接着剤に厚み０．５
ｍｍの導電性部材の銀箔を密着させた状態で２００℃に
加熱し、加熱硬化させることにより、外部電極４を形成
し、この外部電極に１ｋＶの分極電圧を印加し、素子全
体を分極処理して積層型圧電素子１０を作製した。同様
な手法により積層型圧電素子を２０本作製した。

【００３８】次に、積層型圧電素子１０を図５に示す評
価用装置にセットし、２０ＭＰａの予荷重を加えた後、
表１に示すように１５０〜２００Ｖの電圧を印加し、積
層方向の伸び量ΔＬ、及び不活性部５のラジアル方向の
振れ量ΔＲおよびその方向を測定した。その後、図４に
示すように、前記積層型圧電素子１０を積層方向の平行
度が調整できるジグ１１に振れ量ΔＲが上向きになるよ
うに張り付け、平面研削盤にセットする。そして、張り
付けた積層型圧電素子１０面の振れ量ΔＲを伸び量ΔＬ
の１０％以下となるように平行度を調整した。その後、
振れ量ΔＲの分だけ積層型圧電素子１０の端部が上昇す
るように平行度を調整した。そして、平面研削盤にて側
面全面を平面加工する。次に他の側面を全面加工した側
面を基準にして平面研削盤にて加工し、平行度１μｍ以
下に仕上げた。この後、側面を基準にし、直角度１μｍ
以下に不活性部５の端面を仕上げる。次に、前記評価装
置にて伸び量ΔＬおよび振れ量ΔＲを再測定し、振れ量
ΔＲが伸び量ΔＬに対し１０％以下になっていることを
確認した。

【００３９】このようにして、不活性部５の上下端面を
再加工し、種々のΔＲ／ΔＬの比をもつ積層型圧電アク
チュエータを作製した。

【００４０】次に、これら積層型圧電素子１０の耐久性
を比較するために、０Ｖから＋２００Ｖの直流電界を２
００Ｈｚの周波数にて印加する耐久試験を行った。結果
を表１に示した。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１からも判るように、振れ量ΔＲが伸び
量ΔＬに対し１０％を越える試料１１〜２０はその耐久
性にバラツキがあり、安定した耐久性を示さない。ま
た、駆動しなくなった試料を観察した結果、試料にクラ
ックが発生しており、この部位を起点に両極間にてショ
ートしているのが確認された。

【００４３】これに対し、振れ量ΔＲが伸び量ΔＬに対
し１０％以下である試料１〜１０は１×１０⁹回まで問
題なく駆動することが判る。また耐久試験終了後に、こ
れら試料１〜１０の外観を観察したが、長期駆動による
クラック等の発生がなく、安定した耐久性を示した。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
素子では、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積
層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子であ
って、電圧印加時の積層方向の伸び量ΔＬに対しする前
記不活性部の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比が１０％
以下積層型圧電素子とすることにより、積層型圧電素子
の本来の変位をロスすることなく、かつ片当たり等によ
る曲げ応力が発生せず、耐久性が良好で、且つ高信頼性
のアクチュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】本発明の積層型圧電素子の触れ量を示す図であ
る。

【図４】（ａ）〜（ｅ）は本発明の積層型圧電素子の振
れ量の調整方法を示す図である。

【図５】本発明の積層型圧電素子の変位量及び振れ量を
測定する評価装置である。

【図６】従来の積層型圧電素子を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１：圧電体２：内部電極３：絶縁体４：外部電極５：不活性層６：リード線７：ハンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に
積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子で
あって、電圧印加時の積層方向の伸び量ΔＬに対する、
前記不活性部の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比が１０
％以下であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に
積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子を
分極した後に、電圧印加時の積層方向の伸び量ΔＬに対
する前記不活性部の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比を
検出し、この値が１０％以下となるように前記積層型圧
電素子の側面を研削し、この面を基準として残りの面を
それぞれ直角となるように加工することを特徴とする積
層型圧電素子の製造方法。