JP3043387B2

JP3043387B2 - 積層型変位素子

Info

Publication number: JP3043387B2
Application number: JP2264689A
Authority: JP
Inventors: 孝博染次; 茂定村; 渡辺　　純一; 嘉幸渡部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 2000-05-22
Anticipated expiration: 2015-05-22
Also published as: JPH04142085A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は電気エネルギ−と機械エネルギ−との変換に
使用する積層型変位素子に関するものである。

［従来の技術］積層型変位素子は積層技術により、圧電材料からなる
薄板と内部電極とを積層し一体焼結した変位素子であ
る。上述のような積層型変位素子は従来より種々提案さ
れてきた。従来の積層型変位素子は、例えば第６図
（ａ）に示す構造の積層型圧電素子である。圧電効果層
1aは、例えばジルコン酸チタン酸鉛その他の圧電材料に
より、10mm×10mm×0.1mmの板状に形成する。内部電極2
aは、導電性の金属膜を厚膜印刷法などで前記圧電効果
層1aの片側表面に形成し、その外周は積層型圧電素子の
外表面に露出している。内部電極2aを形成した圧電効果
層1aを複数枚積層して駆動層を形成し、その積層方向の
両端部に例えば絶縁材料からなる保護層５を形成し、内
部電極2aは一層おきに外部電極３、４と接続する。なお
前記圧電効果層1aの積層数を例えば100層として、積層
型圧電素子としての厚さを10mmに形成する。以上の構成
により、外部電極端子３、４に正負の電圧を印加する
と、前記内部電極2a間に電界が発生し圧電効果層1aは圧
電材料の縦効果により厚さ方向に伸びて歪を発生する。
一方上記電界の発生により圧電材料の横効果のため圧電
効果層1aは面に沿う方向に縮むため横歪も同時に発生す
る。

［発明が解決しようとする問題点］従来の積層型圧電素子においては、前記のように両端
部の内部電極2aの外方に保護層を形成した構成となって
いるため、上記横方向変位が抑制されてしまう。すなわ
ち、保護層５と隣接している圧電効果層1aにおいては、
電界の印加によって圧電材料の横効果による縮みが発生
し、圧電効果層1aの面に沿う方向に縮もうとするが、保
護層５においては電界の印加がないため、前記圧電材料
の縦効果及び横効果による伸び歪みや縮み歪み（圧電歪
み）を発生しない。保護層５はこれと隣接する圧電効果
層1aの横効果による縮み変位を抑制するので、積層型圧
電素子は第６図（ｂ）に鎖線で示したようなたわみ変形
となる。この結果圧電効果層1aと保護層５との界面に剪
断応力が発生し、積層型圧電素子の分極工程における電
圧印加時または実際の駆動時において割れその他の非所
望な現象発生の原因となり、信頼性を低下させるという
問題点がある。

上記問題点を解決するため、保護層５と圧電効果層1a
との間に圧電効果層の厚さより厚さを大にした圧電効果
層を含む緩衝層を挿入したものが提案されている（特公
昭63−10596号公報参照）。前記緩衝層は圧電効果層の
厚さを大にすることで圧電歪みを小さくし、保護層と圧
電効果層との間に発生する剪断応力を減少させている。
しかしながら上記のものにおけるような圧電効果層の厚
さの異なるものを組み合わせて構成することは、製造工
程を別個にする必要があるほか、圧電材料のように分極
時の残留歪が残るものでは、圧電効果層の厚さを変化さ
せて歪み量を連続的に変化させることは困難であるた
め、細かな歪量の制御は不可能である。

また別の方法として、圧電効果層の厚さは一様でも、
駆動層における内部電極面積をすべて一様に小さくして
歪を抑制したり（特開昭58−196076号公報参照）、さら
に、素子端部ほど内部電極面積を小さくして歪み量を連
続的に変化させる方法も提案されている（セラミックス
21（1986）No.3雑誌参照）。

しかしながら前者の方法では、保護層と駆動層の間の
剪断応力を小さくすると、素子の変位量も小さくなって
しまうという欠点がある。一方後者の方法では、内部電
極面積がすべて異なる圧電効果層を用意しなくてはなら
ず、製造工程上部品管理、その他が極めて煩雑になると
いう欠点がある。

本発明は上記問題点を解決し、製造が容易であると共
に、分極時または駆動時においても割れの発生の無い高
信頼性を有する積層型圧電素子を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］上記の問題点を解決するために鋭意研究の結果、発明
者らは著しく構造を改善した積層型変位素子に想到した
ものである。これは内部電極に複数の孔部を形成するこ
とで応力緩和を図る事が出来、なおかつ付随する各種の
効果による信頼性向上に寄与しうることを見出したもの
である。

即ち第１の発明は、駆動層と緩衝層と保護層とからな
る積層型変位素子において、前記緩衝層は複数の孔部を
有する内部電極と圧電材料とからなる積層型変位素子で
ある。

第２の発明は、第１の発明において複数の孔部の面積
を内部電極の外形の面積の30〜80％とした積層型変位素
子である。

第３の発明は、第１ないし第2n発明において前記孔部
に内接する円の直径ｒが前記内部電極の間隔ｔの0.5〜
５倍とした積層型変位素子である。

［作用］本発明にかかる積層型変位素子によれば、内部電極に
積層方向に貫通する複数の穴を設けることにより、圧電
不活性な部分を作ることが出来、前記貫通孔の大きさあ
るいは個数を変えて内部電極の面積を変化させることに
より、圧電活性な部分と不活性な部分との比率を変化さ
せて、圧電横効果による縮み歪を自由に変化させること
が出来る。さらに上記手段を緩衝層に用いて、緩衝層に
おける内部電極面積を駆動層におけるそれよりも小さく
することにより緩衝層の横方向歪が小さくなり、保護層
と駆動層間に発生する剪断応力を緩和することが出来る
ため、電極界面からの剥離などの機械的破壊の発生を防
止することが出来るのである。

第１図は本発明における貫通孔の大きさ及び分布状態
を決定するための解析に用いた図である。この素子は前
記圧電材料1aと内部電極2aより成る。内部電極2aは素子
の輪郭とほぼ同一形状で、その外周の少なくとも一部は
素子の外表面に露出している。また内部電極2aは内部電
極の間隔ｔのａ倍の直径の貫通孔６を有している。内部
電極2aは一つおきに各々外部電極端子3,4に接続されて
おり、外部電極端子3,4に正負の電圧が印加されると内
部電極2aにはさまれた圧電材料内には電界が発生し、圧
電活性部分７となるため、積層方向に伸び積層方向と垂
直な方向には縮もうとするが、前記貫通孔部分は圧電不
活性部分８となり、圧電歪が生じないため圧電不活性部
分８内に積層方向に引っ張り応力が発生することにな
る。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）の圧電素子の斜線部分即
ち1/4区間を示すもので、前記圧電不活性部分８内に生
じる引っ張り応力を求めるための解析モデルである。圧
電効果層1aの厚さｔ＝100μｍ、内部電極における貫通
孔６の直径をｒ＝５×ｔ＝500μｍとし、外部電極端子
３、４間に直流電圧150Vを印加するとき、内部電極2aの
積層数ｎを変化させたときの素子中央部の貫通孔6a内に
発生する積層方向の引っ張り応力を第２図（ａ）に示
す。引っ張り応力は積層枚数が増加すると共に単調に増
加しており、積層枚数が少ないほど小さいことは明かで
ある。圧電材料の引っ張り強度は100MPa程度であり第２
図（ａ）より内部電極の貫通孔６の重なりは20層以下が
よいことがわかる。

第２図（ｂ）は第１図（ｂ）において圧電効果層1aの
厚さｔ＝100μｍ、積層枚数ｎ＝20とし、外部電極端子
３、４間に直流電圧150Vを印加したときに、内部電極に
おける貫通孔６の直径をｒ＝ａ×ｔとしたときの貫通孔
の直径と内部電極2aの間隔ｔとの比ａを変化させたとき
に素子中央部の貫通孔6a内に発生する積層方向の引っ張
り応力を示したものである。貫通孔６の直径ｒが内部電
極2aの間隔ｔに比べて小さすぎると、すなわちr/t比が
0.5より小の場合は貫通孔６内に電界が回り込むため
に、圧電不活性部８も圧電活性となり貫通孔の効果がな
くなってしまう。貫通孔６の直径ｒが内部電極間隔ｔに
比べて大きすぎると、すなわちr/t比が５より大の場
合、貫通孔６内の圧電不活性な部分８の引っ張り応力が
大きくなりすぎて素子の破壊を招く恐れがある。また内
部電極間隔ｔが大の場合では圧電活性部でも歪みにくく
なるので、圧電活性部と圧電不活性部との歪み量の差が
相対的に小さくなり、内部電極間隔ｔが小の場合では圧
電活性部は歪み易く、相対的に圧電活性部と圧電不活性
部との歪み量の差が大きくなるので貫通孔6aに発生する
引張り応力は大きくなる。このように内部電極間隔ｔで
前記比ａを変化させる場合も貫通孔6aに発生する剪断応
力は第２図（ｂ）と同様の傾向を示す。したがって内部
電極2aにおける貫通孔６の大きさｒは圧電効果層1aの厚
さｔの0.5〜５倍がよい。

第３図は本発明を積層型圧電素子の駆動層と保護層の
間に発生する剪断応力を緩和するための緩衝層として応
用した場合の例を示す。この素子は圧電材料1a,1bより
なり内部に金属膜より成る素子の断面と同一の輪郭形状
で端面がこの素子の側面に露出している内部電極2a及び
2bを有している。内部電極2a及び2bは一つおきに各外部
電極端子３及び４に接続されている、この積層型圧電素
子は、上端部及び下端部にそれぞれ電界のかからない保
護層５を有しており、保護層５に隣接している緩衝層10
の圧電効果層1bにそれぞれ電界を印加するための内部電
極2bの面積S1は、貫通孔６の数を変えることにより、駆
動層９の圧電効果層1aにそれぞれ電界を印加するための
内部電極2aを面積S0より小さくしてある。

電圧が印加されると、圧電効果層1a及び1bは圧電材料
の縦効果によりこの積層型圧電素子の積層方向にそれぞ
れ伸び歪を発生すると同時に圧電材料の横効果により積
層方向と垂直な方向に縮み歪を発生するが、保護層５は
電界が印加されないため圧電材料の縦効果及び横効果に
よる伸び歪及び縮み歪を発生しない。このため、駆動層
９に発生する前記横効果による縮み歪を抑制し、駆動層
９と保護層５との界面に剪断応力集中が発生するが、保
護層５に隣接する緩衝層10の圧電効果層1bに電界を印加
するための内部電極2bの面積S1を他の内部電極2aの面積
S0より小さくしてあるため、前記緩衝層10の横効果によ
る縮み歪が小さくなり駆動層９と保護層５との界面に発
生する剪断応力集中を緩和することが可能となる。

第４図（ａ）は第３図（ｂ）の積層型圧電素子の斜線
部即ち1/4区間を示すもので、駆動層９と保護層５との
界面に発生する剪断応力を求めるための解析モデルであ
る。圧電効果層1a及び1bの厚さｔ＝100μｍ、保護層５
の層厚ｈ＝0.5mm、外部電極端子3,4への印加電圧を150V
とし、緩衝層10における内部電極2bの面積S1と駆動層９
における内部電極2aの面積S0の比率を変化させた場合の
保護層５と緩衝層10、及び緩衝層10と駆動層９の界面に
発生する剪断応力の値を第４図（ｂ）に示す。第４図
（ｂ）において、S1/S0＝１の場合が従来の積層型圧電
素子、即ち内部電極2a及び2bの面積がすべて等しい場合
に相当し、この場合の駆動層９と保護層５との界面に発
生する剪断応力の最大値は25MPa程度である。ここに、
積層型圧電素子の剪断応力による疲労強度は、安全係数
を６とすると実測値より約15MPa程度であって、駆動層
９における内部電極2aの面積S0と緩衝層10における内部
電極2bの面積S1の比S1/S0が0.3よりも小さい場合、緩衝
層10と駆動層９に発生する剪断応力が疲労強度よりも大
きくなり、前記比S1/S0が0.8よりも大きい場合、保護層
５と緩衝層10に発生する剪断応力が疲労強度よりも大き
くなる。したがって緩衝層10と駆動層９の内部電極面積
比S1/S0を0.3〜0.8とすることで、剪断応力を15MPa以下
とし、駆動時の疲労破壊を発生を無くすることができ
る。

［実施例］以下、本発明に係る積層型変位素子の実施例について
詳細に説明する。実施例は10mm×10mm×10mmの積層型圧
電素子である。重量比でPbO 62.36％,SrCO3 4.54％,TiO
2 11.38％,ZrO2 20.60％,Sb2O3 1.12％からなる原料を2
4時間ボールミルで混合後、800℃で１時間仮焼する。仮
焼粉末を粉砕後、この仮焼粉末にポリビニルブチラール
を添加し、トリクレン中に分散させてスラリー化し、こ
の混合材料をドクターブレード法により厚さ100μｍの
シート状の薄板に形成する。

次に前記シート状の薄板を方形状に切断する。この切
断したシート状の薄板を精密印刷機の作業テーブルに吸
着固定し薄板の片側表面の略全面に白金導体ペースト若
しくは銀−パラジュウムペーストをスクリーン印刷し、
内部電極2a、2bを形成した。尚、内部電極2bにはスクリ
ーン印刷により焼結後直径02mmとなる孔を形成し、駆動
層９における内部電極2aの面積S1と緩衝層10における内
部電極2bの面積S0の比S1/S0を0.6とした。前記薄板と上
記のように形成した内部電極2a、2bを有する薄板を、積
層方向下側より薄板を４枚、その上に内部電極2bを形成
した薄板を３枚、その上に内部電極1aを形成した薄板95
枚、その上に内部電極2bを有する薄板を３枚、その上に
薄板を５枚、順に積層し中央部に駆動層を86層、その積
層方向外側に緩衝層を２層、その外側に保護層を５層と
なるようにした後、所定の寸法に切断して積層体とし、
500℃で脱バインダーを行った後、酸素中1050〜1200℃
で１〜５時間焼結して積層体を作製した。前記のように
して得られた積層型圧電素子を150V,10Hzのパルス電圧
を印核し駆動耐久テストを行った。第５図は、本発明に
係る一実施例の駆動回数と変位量との関係図である。第
５図は実施例のほかに緩衝層を有していない構造の従来
例の駆動耐久テスト結果を併記している。従来例と実施
例のどちらも駆動回数に対して変位量の変化は無く、実
施例の変位量は従来例よりも0.5μｍ程度小さいがほぼ
同等である。しかし従来例では駆動回数が10の７乗回弱
で駆動不能となるのに対して、実施例では10の８乗回弱
駆動しても積層型変位素子は破壊せず、駆動回数が飛躍
的に増大した。これは駆動層と保護層の間に貫通孔を形
成した内部電極を有する緩衝層を設けたことで、保護層
とこれと隣接する圧電効果層との界面に発生する剪断応
力が大きく減少することにより、割れやひびなどの不良
減少が発生しないからである。

本実施例においては、保護層５、緩衝層10、駆動層９
の輪郭形状が正方形で、緩衝層10を駆動層９と保護層５
の間に各々２層のみ設けた例を示したが、駆動層９、緩
衝層10及び保護層５の輪郭形状は正方形以外にも他の幾
何学的形状を自由に選定することができると共に、各々
の層の肉厚及び積層数もまた適宜選定し得ることは勿論
である。また、緩衝層における内部電極面積S1は、必要
に応じて保護層に近いほど徐々に小さくなるよう変化さ
せても良いことは勿論である。さらに前記の実施例にお
いては、薄板が圧電材料である場合について記述した
が、キュリー温度が室温よりも低いため、分極の必要が
なく、かつ変位量が大であると共にヒステリシスが少な
い等の特徴を有する電歪材料についても、前記と全く同
様な作用を期待できる。

［発明の効果］本発明は上記のような構成及び作用であるから、積層
型圧電素子を構成する部材若しくは素子に発生する剪断
応力を緩和し、割れその他の機械的破壊の発生を阻止
し、寿命及び信頼性を飛躍的に向上させるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明における貫通孔の大きさ、
分布を決めるための解析に用いたモデル図、第２図
（ａ）（ｂ）は第１図の解析結果、３図（ａ）（ｂ）は
本発明の積層型圧電素子を示す斜視図と断面図、第４図
（ａ）（ｂ）は本発明の実施例を示す説明図、第５図は
本発明の実施例を示す特性図、第６図（ａ）（ｂ）は従
来の積層型圧電素子を示す斜視図と断面図である。 1a,1b……圧電効果層、2a,2b……内部電極、3,4……外
部電極端子、５……保護層、６……貫通孔、７……圧電
活性部分、８……圧電不活性部分、９……駆動層、 10……緩衝層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/083

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動層と緩衝層と保護層とからなる積層型
変位素子において、前記緩衝層は複数の孔部を有する内
部電極と圧電材料からなることを特徴とする積層型変位
素子。
【請求項２】同一層面に形成する前記複数の孔部の面積
は内部電極面積の30〜80％であることを特徴とする請求
項１に記載の積層型変位素子。
【請求項３】前記孔部に内接する円の直径ｒが前記内部
電極の間隔ｔの0.5〜５倍であることを特徴とする請求
項１ないし請求項２に記載の積層型変位素子。