JP2009130151A

JP2009130151A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2009130151A
Application number: JP2007303941A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchiumi; 博行内海; Shigeki Shimizu; 茂樹志水
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】積層型圧電アクチュエータ素子に貫通穴を有する積層圧電アクチュエータであって、積層体の貫通穴側面の絶縁性を高めると供に、積層体の貫通穴の入り口面と出口面の平行度が高く、劣化の少ない積層型圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】積層型圧電アクチュエータ素子の積層体１は、圧電セラミックス層２と内部電極層３が交互に積層される。この積層体１には積層体１の積層方向と平行な方向に貫通穴６が設けられ、この貫通穴６の側面に露出している内部電極層３の露出近傍付近にガラス絶縁層５が被覆される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧を加えて変位または力を生じさせる積層型圧電アクチュエータに係り、特に、積層型圧電アクチュエータの構造に関する。

近年、積層型圧電アクチュエータは、電気エネルギーを駆動力に変換する変換効率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大きいため、その利用方法として、カメラ、計測機器、その他の精密機器の駆動や、位置決め用としての需要が高まっている。そのため、積層型圧電アクチュエータの素子部の開発が盛んに行われている。

図３は、従来の積層型圧電アクチュエータ素子の積層体の斜視図である。従来の積層体３０１（例えば、特許文献１）は、圧電セラミックス層３０２と内部電極層３０３が交互に積層される。図３に示す積層体３０１は、積層体３０１の側面に内部電極層３０３が露出するように圧電セラミックス層３０２と内部電極層３０３が積層される。

内部電極層３０３は交互に別の外部電極３０４に接続され、対向電極構造となっている。内部電極層３０３が対向電極構造となるように、積層体３０１の一側面では、図３に示すように、内部電極層３０３が一層おきにガラス絶縁層３０５の被覆にて絶縁され、その絶縁された内部電極層３０３とそれ以外の露出された内部電極層３０３上に印刷および焼付けにより外部電極３０４が取り付けられている。

また、同様に他方の側面においても、内部電極層３０３が一層おきにガラス絶縁層３０５の被覆にて絶縁され、その絶縁された内部電極層３０３とそれ以外の露出された内部電極層３０３上に印刷および焼付けにより外部電極３０４が取り付けられている。また、外部電極３０４を設けない側面も内部電極層３０３が露出したままであると、積層方向に隣り合う内部電極層３０３とで絶縁不良等を起こす可能性があるため、内部電極層３０３は絶縁被膜にて覆われる。

図４は、従来の積層型圧電アクチュエータ素子の積層方向に貫通穴を有する積層体の斜視図である。図４の積層体４０１は、図３の積層体３０１の積層方向に貫通穴４０６を機械加工により設けている。この貫通穴４０６は、例えば、特許文献２の図１や図３に示すように、ハーフミラーを貫通穴４０６の入り口と出口に取り付けて、光を通過させるために必要となっている。この貫通穴を有する積層圧電アクチュエータ素子は、このような光の入出力の位相変調用等の他、精密分注器等と、精密制御用の応用部品としての利用が拡がりつつある。

特開２００３−３４７６１４号公報特開２００２−２５２３８８号公報

この貫通穴を有する積層圧電アクチュエータ素子の積層体の貫通穴側面には、外側面と同様に内部電極層が露出するが、従来は、図４の積層体の積層方向の一側面で内部電極層３０３を被覆するようなガラス絶縁層３０５による絶縁はなされていない。従って、外側面のガラス絶縁層と比較すると内側面は絶縁性が低い。

また、積層体の外側面にはガラス絶縁層で被覆されているのに対し、積層体の貫通穴側面にはガラス絶縁層での被覆がないために、長期に渡る繰り返し使用により貫通穴の入り口面と出口面の平行度が悪くなったり、駆動による変位量に片よりが起こると、例えば、積層体の端面にハーフミラーを取り付けた場合、ハーフミラーの角度調整にずれが生じ、光伝送機能が損なわれるなどの問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、積層型圧電アクチュエータ素子に貫通穴を有する積層圧電アクチュエータであって、積層体の貫通穴側面の絶縁性を高めると供に、積層体の貫通穴の入り口面と出口面の平行度が高く、劣化の少な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。

本発明は、複数枚の圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層した積層体を有する積層型圧電アクチュエータであって、前記積層体には前記積層体自体に前記積層体の積層方向に平行な貫通穴を有し、前記貫通穴の側面に露出する前記内部電極層が絶縁層で覆われたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータである。

本発明によれば、積層型圧電アクチュエータ素子に貫通穴を有する積層圧電アクチュエータであって、積層体の貫通穴側面の絶縁性が高く、積層体の貫通穴の入り口面と出口面の平行度が高く、劣化が少ない積層型圧電アクチュエータを提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子の斜視図である。積層体１は、圧電セラミックス層２と内部電極層３が交互に積層される。これらの圧電セラミックス層２と内部電極層３は、図１に示すように、積層体１の側面に内部電極層３が露出するように積層される。積層型圧電アクチュエータ素子の上下面の平行度を保ったまま変位させるためには、不感帯を設けないで済む全面電極構造の方が望ましい。

内部電極層３は交互に別の外部電極４に接続され、対向電極構造となっている。内部電極層３が対向電極構造となるように、積層体１の一側面では、従来例である図３と同様に、内部電極層３が一層おきにガラス絶縁層５の被覆にて絶縁され、その絶縁された内部電極層３とそれ以外の露出された内部電極層３上に印刷および焼付けにより外部電極４が取り付けられる。

また、同様に他方の側面においても、内部電極層３が一層おきにガラス絶縁層５の被覆にて絶縁され、その絶縁された内部電極層３とそれ以外の露出された内部電極層３上に印刷および焼付けにより外部電極４が取り付けられる。積層体１は、積層体１の積層方向に貫通穴６が機械加工等により設けられる。また、外部電極を取り付けない側面も内部電極層３が露出したままであると、積層方向に隣り合う内部電極層３とで絶縁不良等を起こす可能性があるため、内部電極層３は絶縁被膜にて覆われる。積層型圧電アクチュエータ素子の利用方法によっては、積層体１の貫通穴６の入り口面と出口面にハーフミラー９を取り付けて積層型圧電アクチュエータとする。

圧電セラミックス層２は、チタン酸ジルコン酸鉛やニッケル・ニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミック粉末等と有機樹脂等のバインダーを、有機溶剤中に分散混合させてスラリーを作製し、ドクターブレード法等で３０〜１００μｍの厚みに成膜し、グリーンシートとする。内部電極層３は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ等からなる内部電極のペーストを作製し、上記のグリーンシート上に印刷する。圧電セラミックス層２と、内部電極層３とが交互になるように積層され、１０５０〜１３００℃の範囲で焼結される。積層体１の貫通穴は、焼結して一体の積層構造体となった積層体１を超音波ホーニング加工等にて設ける。

図２は、本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子のＡ−Ａ断面図である。この積層型圧電アクチュエータ素子の積層体１の貫通穴６の側面に露出している内部電極層３を、電気泳動法等の電気的な手法を用いて、ガラス材や電着樹脂等のガラス絶縁層５にて被覆する。電気的な手法を用いると、圧電セラミックス層２はガラス絶縁層５に被覆されず、内部電極層３の露出部近傍のみがガラス絶縁層５により被覆されるようにできる。このようにすると、全面被膜しないのでガラス絶縁層５により変位が拘束されることが少なく、変位の片よりの恐れも少ない。貫通穴６が設けられた積層体１の内側面に露出した内部電極層３をガラス絶縁層５で全て被覆するため、積層体１の内側面である貫通穴６の側面での絶縁性が高く、積層体の貫通穴の入り口面と出口面の平行度が高い積層型圧電アクチュエータ素子を提供することができる。

ここで、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子を焼結された積層体からの主な作製方法として次の４つの方法を述べる。

まず、１つ目の方法として、焼結された積層体を、複数個の積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位の積層体が一列に並ぶよう短冊状の切断片に切断する。各切断片の最小単位ごとに貫通穴６を形成する。短冊状の切断片のそれぞれをガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬させ、電気泳動法により、貫通穴６の側面に露出した内部電極層３の各層に、また短冊状の切断片の側面に露出した内部電極層３には一層おきにガラス粉末層にて被膜する。ガラス粉末層にて被膜された短冊状の切断片の側面に対向電極となるように、積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位の積層体ごとに外部電極４を取り付け、短冊状の切断片からその最小単位がそれぞれの積層型圧電アクチュエータ素子となるように切断し、さらに切断面を絶縁被膜で覆って製品とする。

２つ目の方法として、複数個の積層型圧電アクチュエータ素子が取れるだけの大きさに焼結された積層体に、積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位部分にそれぞれ貫通穴６を形成する。この貫通穴６が形成された最小単位部分が１つの切断片となるように切断する。切断されたそれぞれの切断片をガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬させ、電気泳動法により、貫通穴６の側面に露出した内部電極層３の各層に、また切断片の側面に露出した内部電極層３には一層おきにガラス粉末層にて被膜する。ガラス粉末層にて被膜されたそれぞれの切断片に対向電極となるように外部電極４を取り付けて製品としてもよい。

３つ目の方法として、焼結された積層体を、複数個の積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位の積層体が一列に並ぶよう短冊状の切断片に切断する。短冊状の切断片のそれぞれをガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬させ、電気泳動法により、短冊状の切断片の側面に露出した内部電極層３には一層おきにガラス粉末層にて被膜する。各切断片の積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位ごとに、対向電極となるように外部電極４を取り付け、さらにその最小単位ごとに貫通穴６を形成する。その後さらに電気泳動法により、貫通穴６の側面に露出した内部電極層３の各層にガラス粉末層にて被膜し、短冊状の切断片からその最小単位がそれぞれの積層型圧電アクチュエータ素子となるように切断して製品としてもよい。

４つ目の方法として、焼結された積層体を、複数個の積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位の積層体が一列に並ぶよう短冊状の切断片に切断する。短冊状の切断片のそれぞれをガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬させ、電気泳動法により、短冊状の切断片の側面に露出した内部電極層３には一層おきにガラス粉末層にて被膜する。各短冊状の切断片の側面に積層型圧電アクチュエータ素子となる最小単位ごとに、対向電極となるように外部電極４を取り付け、さらにその最小単位ごとに貫通穴６を形成する。短冊状の切断片からその最小単位がそれぞれの積層型圧電アクチュエータ素子となるように切断し、その後さらに電気泳動法により、貫通穴６の側面に露出した内部電極層３の各層にガラス粉末層にて被膜して製品としてもよい。

以上、積層型圧電アクチュエータ素子の積層体の主な作製方法について説明したが、係る例にのみ限定されるものではない。また、図面を参照しながら、本発明に係る積層型圧電アクチュエータの好適な実施の形態について説明したが、本発明は、係る例にのみ限定されるものではなく、例えば、貫通穴の断面形状は、円形状、楕円形状、方形状、多角形状等の空洞部を有する積層型圧電アクチュエータであっても、本実施の形態と同様の効果を有する。

実施例として、ニッケル・ニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス粉末を５０μｍのグリーンシートとする。このグリーンシートに、Ａｇ／Ｐｄからなる内部電極となるペーストを印刷・乾燥する。内部電極が印刷されたグリーンシートを機械的に打ち抜いて、金型内に積層・充填し、熱圧着後、１１００℃で焼結し、さらに高さ２０ｍｍ、縦横長さを５０ｍｍ×５０ｍｍに加工して積層体を得た。

この積層体を縦方向で平行に、短冊形状に切断して１０個の矩形の切断片を得た。これらの切断片の長手方向に均一間隔で、各切断片に超音波ホーニング加工にて１０個の貫通穴を形成し、貫通穴が形成された各切断片をガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬した。電気泳動法により、貫通穴の側面で内部電極層が露出している箇所とその近傍付近、および切断片の積層体の側面で内部電極層が露出している箇所とその近傍付近を一層おきにガラス粉末を析出させてガラス粉末層を形成した後、焼き付け処理をすることで、露出している内部電極層を数十μｍの厚みのガラス絶縁層で被覆した。この際、側面では、一層おきに内部電極層は露出したままとした。

こうしてできた短冊形状の切断片の積層体に、各貫通穴を中央にして挟み込むように、貫通穴ごとに対向する２個の外部電極を印刷・焼付けした上で、切断片の積層体を切断加工し、１０個のアクチュエータ素子を得る。最後に、この切断加工によって積層体の側面に露出した内部電極層を粉体塗装にて絶縁樹脂被覆し、本実施例の積層型圧電アクチュエータ素子とした。

積層体の貫通穴の側面に露出している内部電極層が絶縁層で被覆されていない従来例と、本実施例としての積層型圧電アクチュエータ素子を、加速度試験にて比較した。温度４０℃、湿度９０％、空気雰囲気の恒温層中で、時間１０００ｈｒの駆動を行ったところ、従来例は１００個中１０個の故障数だったのに対し、本実施例では１００個中２個の故障数であった。これは、従来から比較すると、故障数は１／５に減少しており、絶縁耐久性に優れた積層型圧電アクチュエータ素子の需要がある現在では、非常に効果のあることである。

本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子の斜視図。本発明の実施の形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子のＡ−Ａ断面図。従来の積層型圧電アクチュエータ素子の積層体の斜視図。従来の積層型圧電アクチュエータ素子の積層方向に貫通穴を有する積層体の斜視図。

符号の説明

１，３０１，４０１積層体
２，３０２，４０２圧電セラミックス層
３，３０３，４０３内部電極層
４，３０４，４０４外部電極
５，３０５，４０５ガラス絶縁層
６，４０６貫通穴
７，４０７入力光
８，４０８出力光
９ハーフミラー

Claims

複数枚の圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層した積層体を有する積層型圧電アクチュエータであって、
前記積層体には前記積層体自体に前記積層体の積層方向に平行な貫通穴を有し、
前記貫通穴の側面に露出する前記内部電極層が絶縁層で覆われたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。