JP2003258328A

JP2003258328A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003258328A
Application number: JP2002052245A
Authority: JP
Inventors: Takuya Gendoshi; 拓哉源通
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電セラミック層と電極層とを交互に積層した
積層型圧電アクチュエータにおいて、長期駆動において
もクラックの発生がなく、かつ変位特性の劣化のない、
信頼性及び耐久性に優れた積層型圧電アクチュエータを
提供する。【解決手段】圧電セラミック層１１と電極層１２とを交
互に積層した積層型圧電アクチュエータ１０の圧電セラ
ミック層１１間に挟まれた電極層１２の平均厚みＴを１
μｍ〜５μｍとするとともに、電極層１２中に圧電セラ
ミック粒子１４を５重量％〜２０重量％の範囲で含有さ
せ、さらに上記電極層１２中に部分的に形成される貫通
孔１５内に圧電セラミック粒子１４を充填するようにす
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、インクジェットプ
リンタヘッドや超音波モータなどに応用される、積層型
圧電アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス機器に用いられる積層
型圧電アクチュエータは、微小な圧電素子で大きな変位
を得ることが要求されている。

【０００３】例えば、インクジェットプリンタヘッドで
は、弾性変形可能な振動板に、図７に示すような、厚み
方向に分極処理を施した圧電セラミック層３１と電極層
３２とを交互に積層し、その端面に各電極層３２と電気
的に接続される端面電極３３を備えた積層型圧電アクチ
ュエータ３０を接合して圧電素子を構成したものが用い
られている。そして、隣り合う電極層３２間に異なる極
性の電圧を印加すると、圧電セラミック層３１が厚み方
向に伸縮運動し、積層型圧電アクチュエータ３０全体も
伸縮運動をするのに対し、積層型圧電アクチュエータ３
０の片面には振動板が接合されているため、この振動板
によって上記伸縮運動を撓み運動に変換させるようにな
っていた。

【０００４】その為、この撓み運動する圧電素子をイン
クジェットプリンタヘッドのインク室を構成する壁とし
て用いれば、圧電素子の撓み運動によってインク室内の
インクを加圧することができるため、インク室に連通す
るインク吐出孔よりインク滴を吐出させることができる
ようになっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アクチュエ
ータとして積層型圧電アクチュータを用いる場合、電極
層と電界の作用によって変形する圧電セラミック層とは
できるだけ強固に密着していることが必要であるが、従
来の積層型圧電アクチュータ３０は、圧電セラミック層
３１と電極層３２の表面の凹凸によるアンカー効果でも
って接合されているだけであるため、変形の繰り返しに
よって応力を加え続けると、密着性が低下してその界面
に部分的な剥離が発生し、剥離が進行すると、所望の変
位が得られなくなるといった課題があった。

【０００６】しかも、図８に示すように、薄型の積層型
圧電アクチュータ３０においては、電極層３２にピンホ
ールと呼ばれる多数の貫通孔３４が形成され、この貫通
孔３４に応力が集中し易いことから、貫通孔３４を起点
として亀裂が発生し、電極層３２を断線させたり、圧電
セラミック層３１と電極層３２との間の剥離を発生させ
易いといった課題もあった。

【０００７】このように、従来の積層型圧電アクチュー
タ３０は信頼性及び耐久性の点で問題があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は、圧電セラミック層の変
形が繰り返されたとしても電極層との強固な密着力が得
られ、剥離やクラックが生じ難い、信頼性及び耐久性に
優れた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】そこで、本発明は、上記
課題に鑑み、圧電セラミック層と電極層とを交互に積層
した積層型圧電アクチュエータにおいて、上記圧電セラ
ミック層間に挟まれた電極層の平均厚みを１μｍ〜５μ
ｍとするとともに、上記電極層中に圧電セラミック粒子
を５重量％〜２０重量％の範囲で含有させ、さらに上記
電極層中に部分的に形成される貫通孔内に圧電セラミッ
ク粒子を充填するようにしたこと特徴とする。

【００１０】なお、上記圧電セラミック層及び圧電セラ
ミック粒子としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニ
オブ酸鉛（ＰＮＮ）のうち少なくとも１種を主成分とす
る圧電セラミックスを用いることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１２】図１は本発明の積層型圧電アクチュエータ
の一例を示す断面図である。

【００１３】この積層型圧電アクチュエータ１０は、圧
電セラミック層１１と電極層１２とを交互に積み重ねた
積層体１６を焼成にて接合一体化したもので、隣り合う
電極層１２は互いにずらして配置してあり、一つおきに
配置された電極層１２を積層体１６の一方端面に露出さ
せるとともに、残りの電極層１２を積層体１６の他方端
面に露出させ、積層体１６の両端面に被着した端面電極
１３によりそれぞれ通電するようになっている。

【００１４】積層型圧電アクチュエータ１０を形成する
圧電セラミック層１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッ
ケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）のうち少なくとも１種を主成
分とする圧電セラミックスを用いることができ、その厚
み方向に予め分極処理を施してある。

【００１５】また、積層型圧電アクチュエータ１０を形
成する電極層１２としては、圧電セラミック層１１と一
体的に焼成することができ、圧電セラミック層１１と反
応することなく、熱膨張係数が近似したものを用いるこ
とが好ましく、例えば、白金、金、銀のいずれか１種の
金属又は白金系合金、金系合金、銀系合金のいずれか１
種の合金を用いることができる。

【００１６】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タ１０は、図２に電極層の一部を拡大した断面図を示す
ように、電極層１２中には圧電セラミック粒子１４を含
有させてある。その為、圧電セラミック層１１と電極層
１２とを焼成にて一体化するにあたり、圧電セラミック
層１１と電極層１２のアンカー効果以外に、電極層１２
の表面に存在する圧電セラミック粒子１４と、圧電セラ
ミック層１１とを焼結させることができるため、圧電セ
ラミック層１１と電極層１２との間の密着力を大幅に向
上させることができる。

【００１７】また、本件発明者の研究によれば、電極層
１２中に圧電セラミック粒子１４を含有させることによ
り、図２のＡ部に示すように、電極層１２中に部分的に
形成される貫通孔１５内に圧電セラミック粒子１４が充
填され、電極層１２を挟む圧電セラミック層１１と焼結
させることができるため、圧電セラミック層１１の変形
によって亀裂の起点となり易い貫通孔１５（ピンホー
ル）を大幅に低減することができる。

【００１８】この理由としては明らかではないが、電極
層１２中に圧電セラミック粒子１４を含有させることに
より、圧電セラミック層１１と電極層１２とを焼成にて
一体化する際、電極層１２中に部分的に形成される貫通
孔１５（ピンホール）内に電極層１２中の圧電セラミッ
ク粒子１４が押し出され、貫通孔１５（ピンホール）内
に圧電セラミック粒子１４が充填されるものと考えられ
る。

【００１９】その為、本発明の積層型圧電アクチュエー
タ１０によれば、隣り合う電極層１２間に異なる極性の
電圧を印加して圧電セラミック層１１を繰り返し変形さ
せたとしても圧電セラミック層１１と電極層１２との間
に剥離を発生させたり、電極層１２を断線させるような
ことがないため、信頼性及び耐久性に優れたものとする
ことができる。

【００２０】ところで、電極層１２中に含有させる圧電
セラミック粒子１４としては、電極層１２を形成する材
質と反応することがなく、かつ圧電セラミック層１１を
形成する材質の特性に悪影響を与えることがないよう、
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ
酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）のうち
少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスを用い
ることが良く、さらに密着性を高めるためには、圧電セ
ラミック層１１を形成する材質と同種の圧電セラミック
スを用いることが好ましく、望ましくは圧電セラミック
層１１を形成する材質と同一の圧電セラミックスを用い
ることが良い。

【００２１】なお、本発明において、圧電セラミック層
１１を形成する材質と同種の圧電セラミックスからなる
とは、主成分が同じセラミックスからなることを指す。

【００２２】ただし、電極層１２中に含有する圧電セラ
ミック粒子１４の含有量が５重量％未満では、電極層１
２の圧電セラミック層１１との接合面に存在する圧電セ
ラミック粒子１４の量が少ないため、密着力を高める効
果が小さく、また、電極層１２中に部分的に形成される
貫通孔１５（ピンホール）中に充填される圧電セラミッ
ク粒子１４の量も少ないために、貫通孔１５（ピンホー
ル）を圧電セラミック粒子１４で完全に埋めることがで
きないため、亀裂の発生を抑える効果が小さくなり、逆
に、電極層１２中に含有する圧電セラミック粒子１４の
含有量が２０重量％を超えると、電極層１２内の抵抗が
高くなり過ぎ、電極としての機能が損なわれる。

【００２３】その為、電極層１２中に含有させる圧電セ
ラミック粒子１４の含有量は５重量％〜２０重量％とす
ることが好ましい。

【００２４】また、電極層１２中に含有させる圧電セラ
ミック粒子１４は、その粒度が電極層１２の平均厚みＴ
よりも小さいものを用いることが良い。

【００２５】即ち、圧電セラミック粒子１４の粒度が電
極層１２の平均厚みＴより大きいと、電極層１２中に圧
電セラミック粒子１４が占める割合が多くなり過ぎ、電
極層１２の抵抗が大きくなって電極としての機能を果た
さなくなるからである。

【００２６】さらに、電極層１２中に圧電セラミック粒
子１４を含有させるにあたり、電極層１２の平均厚みＴ
は１μｍ〜５μｍとすることが好ましい。

【００２７】なぜなら、電極層１２の平均厚みＴが１μ
ｍより小さくなると、電極層１２の抵抗が大きくなり、
電極としての機能が損なわれるからであり、逆に電極層
１２の平均厚みＴが５μｍを超えると、圧電セラミック
層１１の変形が阻害され、所望の変位量が得られ難くな
るからである。

【００２８】ただし、本発明において電極層１２の平均
厚みＴとは、積層型圧電アクチュエータ１０の断面に現
れる電極層１２のうち、その最大厚みと最小厚みを測定
し、両者の平均値のことを言う。

【００２９】次に、図１に示す積層型圧電アクチュエー
タ１０の製造方法について説明する。

【００３０】まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、
マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸
鉛（ＰＮＮ）のうち少なくとも１種を主成分とする圧電
セラミック粉末を用意し、これに少量の有機バインダー
と有機可塑剤を加えて、有機溶剤中に分散、混合させて
スラリーを製作する。そして、このスラリーを用いて例
えばテープキャスティング法により未焼結の圧電セラミ
ック層を複数枚製作する。

【００３１】次に、得られた未焼結の圧電セラミック層
の表面にスクリーン印刷法にて圧電セラミック粒子１４
を添加した金属ペーストを電極層１２の形状に印刷す
る。

【００３２】金属ペーストには、白金、金、銀のうちい
ずれか１種の金属又は白金系合金、金系合金、銀系合金
のうちいずれか１種の合金に対し、チタン酸ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニ
ッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）のうち少なくとも１種を主
成分とする圧電セラミック粒子１４を５重量％〜２０重
量％の範囲で添加したものを有機溶剤中に分散させたも
のを用いる。

【００３３】この時、焼成後の圧電セラミック粒子１４
の粒度が電極層１４の平均厚みＴより小さくなるように
するため、添加する圧電セラミック粒子１４はできるだ
け粒度の揃ったものを用いることが好ましい。

【００３４】次いで、金属ペーストを印刷した未焼結の
圧電セラミック層を複数層積層し、熱圧着させた後、脱
脂処理を施し、しかる後、圧電セラミック粉末を焼結さ
せることができる温度にて焼成することにより、圧電セ
ラミック層１１と電極層１２とが交互に積層一体化さ
れ、圧電セラミック層１１間に挟まれた電極層１２の平
均厚みＴが１μｍ〜５μｍ、電極層１２中に圧電セラミ
ック粒子１４を５重量％〜２０重量％の範囲で含有する
とともに、電極層１２中に部分的に形成される貫通孔１
５内に圧電セラミック粒子１４が充填された積層体１６
を製作する。

【００３５】しかる後、電極層１２が露出する積層１６
体の端面に、端面電極１３を形成した後、隣り合う電極
層１２間に電圧を印加して圧電セラミック層１１の厚み
方向に分極処理を施すことにより、本発明の積層型圧電
アクチュエータ１０を得ることができる。

【００３６】以上、本発明の実施形態について示した
が、本発明はこの実施形態だけに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更したも
のにも適用できることは言うまでもない。

【００３７】

【実施例】チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分と
する圧電セラミック粉末を用意し、これに少量の有機バ
インダーと有機可塑剤を加えて、有機溶剤中に分散、混
合させてスラリーを製作した後、テープキャスティング
法により、厚さ５０μｍの未焼結の圧電セラミック層を
複数枚製作した。

【００３８】次に、得られた未焼結の圧電セラミック層
を３０ｍｍ角に切断した後、その表面にスクリーン印刷
法にて圧電セラミック粒子を添加した金属ペーストを焼
成後の厚みが１μｍ〜５μｍとなるように電極層の形状
に印刷した。

【００３９】この時、金属ペースト中の金属には、銀７
０重量％−パラジウム３０重量％の合金を用いるととも
に、圧電セラミック粒子には、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミック粒子を用い
た。また、金属ペースト中に添加する圧電セラミック粒
子の粒度及び添加量をそれぞれ異ならせるようにした。

【００４０】次いで、金属ペーストを印刷した未焼結の
圧電セラミック層を積層し、熱圧着にて一体化した後、
電気炉内で室温から８００℃まで徐々に加熟して有機成
分を加熱分解させた後、さらにマグネシア密閉容器内に
て１２００℃の温度で３時間焼成することにより、圧電
セラミック層と電極層とが交互に積層された積層体を得
た。この時、積層体の端面に露出する電極層の平均厚み
Ｔが１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍであるものを製作
した。ただし、いずれも圧電セラミック層の厚みは３５
μｍとなるようにした。

【００４１】なお、各積層体の端面に露出する電極層を
見ると、電極層には部分的に貫通孔を有するものの、こ
の貫通孔内にはセラミック粒子が充填されており、この
セラミック粒子の組成についてＩＣＰ分析にて測定した
ところ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とす
る圧電セラミック粒子であった。

【００４２】そして、得られた積層体をダイシングソー
を用いて約１０ｍｍ角の大きさに切り出した後、電極層
が露出する積層体の端面に、銀とガラスフリットからな
る電極ペーストを印刷し、約６００℃で１時間熱処理を
行い、端面電極を形成した。

【００４３】そして、端面電極にリード線を接続し、厚
み1ｍｍ当たり約１．５ｋＶの直流電圧を約８０℃のシ
リコン油中にて印加して圧電セラミック層に分極処理を
施し、積層型圧電アクチュエータを製作した。

【００４４】そして、得られた積層型圧電アクチュエー
タの電気容量の測定をインピーダンスアナライザーにて
計測を行った。ただし、電極層中に圧電セラミック粒子
を含有していない従来の積層型圧電アクチュエータの電
気容量を１００％とし、これを基準試料とした。

【００４５】電極層の平均厚みが１μｍの時の圧電セラ
ミック粒子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気
容量変化との関係は図３に、電極層の平均厚みが２μｍ
の時の圧電セラミック粒子の含有量と積層型圧電アクチ
ュエータの電気容量変化との関係は図４に、電極層の平
均厚みが３μｍの時の圧電セラミック粒子の含有量と積
層型圧電アクチュエータの電気容量変化との関係は図５
に、電極層の平均厚みが５μｍの時の圧電セラミック粒
子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気容量変化
との関係は図６にそれぞれ示す通りである。

【００４６】これらの結果、いずれも電極層中に含有さ
せる圧電セラミック粒子の粒度が電極層の平均厚みＴよ
りも小さい範囲では、その添加量を２０重量％以下とす
ることで、積層型圧電アクチュエータの電気容量の低下
を２７％以下に抑えられることが判る。

【００４７】次に、圧電セラミック粒子の粒度と含有量
及び電極層の平均厚みをそれぞれ異ならせ、積層型圧電
アクチュエータを駆動させた時の変位量をレーザー変位
計にて測定し、電極層中へ圧電セラミック粒子を含有さ
せていない従来の積層型圧電アクチュエータの変位量を
１００％としてその割合を測定するとともに、２０億回
振動させた後に積層型圧電アクチュエータを切断し、ク
ラックの有無について電子顕微鏡にて測定した。

【００４８】ただし、いずれも積層型圧電アクチュエー
タの端面電極間には２０Ｖの矩形波を印加して駆動させ
るようにした。

【００４９】結果は表１に示す通りである。

【００５０】

【表１】

【００５１】この結果、表１より判るように、電極層中
に圧電セラミック粒子を含有させることで基準試料と比
較して変位量の低下が見られるものの、基準試料では駆
動に伴ってクラックの発生が見られた。

【００５２】これに対し、電極層中に圧電セラミック粒
子を含有させたものにはクラックの発生は見られず、密
着力の改善が見られた。ただし、圧電セラミック粒子の
含有量が２０重量％を超えると、基準試料に対して変位
量が大幅に低下していることが判る。

【００５３】その為、電極層中に、粒度が電極層の平均
厚みより小さくかつ５重量％〜２０重量％の範囲で含有
させることにより、変位量を大きく劣化させることな
く、長期駆動においてもクラック等の破損のない積層型
圧電アクチュエータが得られることが判る。

【００５４】

【発明の効果】以上のように、本発明の積層型圧電アク
チュエータによれば、圧電セラミック層間に挟まれた電
極層の平均厚みを１μｍ〜５μｍとするとともに、電極
層中に圧電セラミック粒子を５重量％〜２０重量％の範
囲で含有させ、さらに上記電極層中に部分的に形成され
る貫通孔内に圧電セラミック粒子を充填するようにした
ことによって、変位量を大きく劣化させることなく、長
期駆動においてもクラック等の破損のない、信頼性及び
耐久性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供するこ
とができる。

【００５５】また、上記圧電セラミック層及び圧電セラ
ミック粒子として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、
マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸
鉛（ＰＮＮ）のうち少なくとも１種を主成分とする圧電
セラミックスを用いることにより、圧電セラミック層と
電極層との密着力を高めることができ、信頼性及び耐久
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の積層型圧電アクチュエータの一例を示
す断面図である。

【図２】図１の電極層の一部を拡大した断面図である。

【図３】電極層の平均厚みが１μｍの時の圧電セラミッ
ク粒子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気容量
変化との関係を示す線図である。

【図４】電極層の平均厚みが２μｍの時の圧電セラミッ
ク粒子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気容量
変化との関係を示す線図である。

【図５】電極層の平均厚みが３μｍの時の圧電セラミッ
ク粒子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気容量
変化との関係を示す線図である。

【図６】電極層の平均厚みが５μｍの時の圧電セラミッ
ク粒子の含有量と積層型圧電アクチュエータの電気容量
変化との関係を示す線図である。

【図７】従来の積層型圧電アクチュエータの一例を示す
断面図である。

【図８】図７の電極層の一部を拡大した断面図である。

【符号の説明】

１０，３０：積層型圧電アクチュエータ１１，３１：
圧電セラミック層１２，３２：内部電極１３，３３：端面電極１４：
圧電セラミック粒子１５，３４：貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック層と電極層とを交互に積層
した積層型圧電アクチュエータにおいて、上記圧電セラ
ミック層間に挟まれた電極層の平均厚みが１μｍ〜５μ
ｍであるとともに、上記電極層中に圧電セラミック粒子
を５重量％〜２０重量％の範囲で含有し、かつ上記電極
層中に部分的に形成される貫通孔内に圧電セラミック粒
子が充填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】上記圧電セラミック層及び圧電セラミック
粒子が、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸
鉛、ニッケルニオブ酸鉛のうち少なくとも１種を主成分
とする圧電セラミックスからなることを特徴とする請求
項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。