JP3095155B2 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents
圧電素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、積層型圧電アクチュエ
ータに用いられる圧電素子に関する。
ータに用いられる圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の圧電積層体として提供されている。
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが多用さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の圧電積層体として提供されている。
【０００３】圧電板と電極板とを交互に積層する場合、
圧電板と電極板との導通を確実とすることが望ましい。
そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などには、圧電
板の両表面に導電性の銀ペーストなどからなる内部電極
層を形成した圧電素子が積層された圧電積層体が開示さ
れている。この内部電極層は、圧電板の表裏両面にスク
リーン印刷などで銀ペーストを付着させ、７００〜８０
０℃で焼成して形成される。そして室温〜１５０℃の雰
囲気中で内部電極層を介して圧電板に６００〜１０００
Ｖの電圧を印加し、分極して圧電素子とした後、電極板
と交互に積層して圧電積層体としている。また、積層後
に複数の圧電素子を同時に分極する方法もある。
圧電板と電極板との導通を確実とすることが望ましい。
そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などには、圧電
板の両表面に導電性の銀ペーストなどからなる内部電極
層を形成した圧電素子が積層された圧電積層体が開示さ
れている。この内部電極層は、圧電板の表裏両面にスク
リーン印刷などで銀ペーストを付着させ、７００〜８０
０℃で焼成して形成される。そして室温〜１５０℃の雰
囲気中で内部電極層を介して圧電板に６００〜１０００
Ｖの電圧を印加し、分極して圧電素子とした後、電極板
と交互に積層して圧電積層体としている。また、積層後
に複数の圧電素子を同時に分極する方法もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電積層体
に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高電圧
の条件で駆動すると圧電体内にクラックが生じる場合が
あった。このようにクラックが生じそれが進行すると、
所望の変位量が得られなくなったり、短絡が生じたりす
る場合がある。なおこの原因としては、発生応力のばら
つき、温度のばらつきによる体積変化のばらつき、など
が考えられている。
に電圧を印加して駆動する場合、例えば高荷重・高電圧
の条件で駆動すると圧電体内にクラックが生じる場合が
あった。このようにクラックが生じそれが進行すると、
所望の変位量が得られなくなったり、短絡が生じたりす
る場合がある。なおこの原因としては、発生応力のばら
つき、温度のばらつきによる体積変化のばらつき、など
が考えられている。
【０００５】本発明者らは、この駆動時のクラックの発
生原因について鋭意研究したところ、圧電板の反りも原
因の一つであることを見出した。すなわち圧電素子に僅
かな反りが生じていることが明らかとなり、荷重を付与
すると径方向及び周方向の引張り応力が圧電素子内部に
作用することが明らかとなったのである。圧電素子に反
りが無く平坦であればこのような応力は作用せず、クラ
ックも防止される。
生原因について鋭意研究したところ、圧電板の反りも原
因の一つであることを見出した。すなわち圧電素子に僅
かな反りが生じていることが明らかとなり、荷重を付与
すると径方向及び周方向の引張り応力が圧電素子内部に
作用することが明らかとなったのである。圧電素子に反
りが無く平坦であればこのような応力は作用せず、クラ
ックも防止される。
【０００６】そこで本発明者は圧電素子の反りの原因に
ついて研究を進めた結果、平坦に形成された圧電素子で
あっても分極時に反りが生じることを突き止めたのであ
る。例えば直径１７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、内部電極層
の直径１５ｍｍのＰＺＴセラミックからなる圧電素子に
ついて、１００℃のシリコンオイル中にて２ｋｖ／ｍｍ
の電圧を印加して２０分間保持する分極処理を行うと、
プラス極側で中心部が約３μｍ凹んだ断面湾曲形状とな
ることが分かった。しかも圧電素子を積層する場合に
は、隣接する圧電素子の分極時の電圧の方向がプラス極
どうし及びマイナス極どうしを互いに対向するように積
層するのが通常である。また積層後に分極する場合は必
然的にこのようになる。したがって反りの生じた圧電素
子の凹部どうし及び凸部どうしが対向することとなり、
荷重付与時の変形量が大きくなるため、作用する応力も
大きくなっていることが明らかとなったのである。
ついて研究を進めた結果、平坦に形成された圧電素子で
あっても分極時に反りが生じることを突き止めたのであ
る。例えば直径１７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、内部電極層
の直径１５ｍｍのＰＺＴセラミックからなる圧電素子に
ついて、１００℃のシリコンオイル中にて２ｋｖ／ｍｍ
の電圧を印加して２０分間保持する分極処理を行うと、
プラス極側で中心部が約３μｍ凹んだ断面湾曲形状とな
ることが分かった。しかも圧電素子を積層する場合に
は、隣接する圧電素子の分極時の電圧の方向がプラス極
どうし及びマイナス極どうしを互いに対向するように積
層するのが通常である。また積層後に分極する場合は必
然的にこのようになる。したがって反りの生じた圧電素
子の凹部どうし及び凸部どうしが対向することとなり、
荷重付与時の変形量が大きくなるため、作用する応力も
大きくなっていることが明らかとなったのである。
【０００７】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、分極後の圧電素子の反りを無くすことを
目的とする。
たものであり、分極後の圧電素子の反りを無くすことを
目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電素子の製造方法は、一表面が凸状で他表面が凹
状の断面湾曲形状をなし厚さが一定の圧電板を形成し、
一表面及び他表面にそれぞれ電極を形成した後、一表面
側がプラス極他表面側がマイナス極となるように電圧を
印加して分極することを特徴とする。
明の圧電素子の製造方法は、一表面が凸状で他表面が凹
状の断面湾曲形状をなし厚さが一定の圧電板を形成し、
一表面及び他表面にそれぞれ電極を形成した後、一表面
側がプラス極他表面側がマイナス極となるように電圧を
印加して分極することを特徴とする。
【０００９】
【作用】本発明の圧電素子の製造方法では、予め反った
断面湾曲形状に圧電板を形成し、その両表面に内部電極
層を形成後、凸形状の一表面がプラス極、凹形状の他表
面がマイナス極となるように電圧を印加して分極処理を
行う。するとプラス極側では凹みマイナス極側では出っ
張るような変形が生じるので、分極処理後の変形は処理
前の圧電板の反り形状と相殺され、得られる圧電素子は
ほぼ平坦な形状となる。
断面湾曲形状に圧電板を形成し、その両表面に内部電極
層を形成後、凸形状の一表面がプラス極、凹形状の他表
面がマイナス極となるように電圧を印加して分極処理を
行う。するとプラス極側では凹みマイナス極側では出っ
張るような変形が生じるので、分極処理後の変形は処理
前の圧電板の反り形状と相殺され、得られる圧電素子は
ほぼ平坦な形状となる。
【００１０】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１）＜原料調製工程＞ＰｂＯ：６０重量部、Ｚ
ｒＯ2 ：２２重量部、ＴｉＯ2 ：１３重量部に、焼結助
剤としてのＳｒＣＯ3：５重量部を加え、混粉装置中に
水３５リットルと合わせて投入し、４時間粉砕した。そ
の後１２０℃で真空乾燥して圧電体原料を得た。 ＜成形工程＞上記圧電体原料９０重量部に対して、１０
重量部のポリビニルアルコール水溶液（濃度３重量％）
を加えて混合した。これを乾燥させ、篩いに通した後造
粒を行った。得られた造粒粉を金型に２．５ｇ投入し、
９８ＭＰａの面圧をかけて直径２１ｍｍ、厚さ１ｍｍの
円板状の成形体を得た。 ＜焼成工程＞この成形体をるつぼに入れ、昇温速度３０
０℃／ｈで１２００℃まで加熱し、１２００℃で２時間
保持して焼成した。 ＜加工工程＞得られた焼成体を研削して外径を１７ｍｍ
とした。さらに曲率半径１８７５０ｍｍの凸面及び凹面
をもつ砥石を用い、焼成体の両表面をそれぞれ研磨して
厚さが０．５ｍｍの均一な圧電板を形成した。この曲率
半径１８７５０ｍｍは、直径１５ｍｍで約３μｍの反り
に相当する。
ｒＯ2 ：２２重量部、ＴｉＯ2 ：１３重量部に、焼結助
剤としてのＳｒＣＯ3：５重量部を加え、混粉装置中に
水３５リットルと合わせて投入し、４時間粉砕した。そ
の後１２０℃で真空乾燥して圧電体原料を得た。 ＜成形工程＞上記圧電体原料９０重量部に対して、１０
重量部のポリビニルアルコール水溶液（濃度３重量％）
を加えて混合した。これを乾燥させ、篩いに通した後造
粒を行った。得られた造粒粉を金型に２．５ｇ投入し、
９８ＭＰａの面圧をかけて直径２１ｍｍ、厚さ１ｍｍの
円板状の成形体を得た。 ＜焼成工程＞この成形体をるつぼに入れ、昇温速度３０
０℃／ｈで１２００℃まで加熱し、１２００℃で２時間
保持して焼成した。 ＜加工工程＞得られた焼成体を研削して外径を１７ｍｍ
とした。さらに曲率半径１８７５０ｍｍの凸面及び凹面
をもつ砥石を用い、焼成体の両表面をそれぞれ研磨して
厚さが０．５ｍｍの均一な圧電板を形成した。この曲率
半径１８７５０ｍｍは、直径１５ｍｍで約３μｍの反り
に相当する。
【００１１】得られた圧電板の模式的断面図を図２に示
す。この圧電板１は、一表面１０が凸状で他表面１１が
凹状の断面湾曲形状をなし、厚さは一定である。 ＜電極形成工程＞この圧電板１を洗浄後乾燥し、スクリ
ーン印刷により銀ペーストを一表面１０及び他表面１１
の中央に直径１５ｍｍの円形に塗布し、５００℃で３０
分保持して焼き付けて図１に示すように一対の内部電極
層２，２’を形成した。 ＜分極工程＞得られた圧電素子を１００℃のシリコンオ
イル中に浸漬した状態で、図１に示すように一表面１０
側がプラス極、他表面１１側がマイナス極となるように
２ｋｖ／ｍｍの電圧を印加し、２０分間保持した。
す。この圧電板１は、一表面１０が凸状で他表面１１が
凹状の断面湾曲形状をなし、厚さは一定である。 ＜電極形成工程＞この圧電板１を洗浄後乾燥し、スクリ
ーン印刷により銀ペーストを一表面１０及び他表面１１
の中央に直径１５ｍｍの円形に塗布し、５００℃で３０
分保持して焼き付けて図１に示すように一対の内部電極
層２，２’を形成した。 ＜分極工程＞得られた圧電素子を１００℃のシリコンオ
イル中に浸漬した状態で、図１に示すように一表面１０
側がプラス極、他表面１１側がマイナス極となるように
２ｋｖ／ｍｍの電圧を印加し、２０分間保持した。
【００１２】得られた圧電素子の反りを測定したとこ
ろ、一表面１０側及び他表面１１側の両方とも平均で０
μｍとなり、ほぼ平坦となっていた。なお、図１は電圧
印加前の状態を示している。 ＜耐久試験＞上記で分極された圧電素子を、図４に示す
ように一表面１０どうし及び他表面１１どうしが対向す
るようにしてステンレス製電極板３と交互に積層し、公
知の方法で圧電積層体を形成した。圧電素子の積層枚数
は５０枚である。電極板３からは均等に３方向へ舌片部
３０が突出し、角度６０度ずつずらせながら積層する。
そして軸方向に並んだ舌片部３０を軸方向に延びる導電
リボン３１で接続し、リード線を形成する。これにより
それぞれの圧電素子の一表面１０と他表面１１とは、そ
れぞれ同一極に接続可能となる。
ろ、一表面１０側及び他表面１１側の両方とも平均で０
μｍとなり、ほぼ平坦となっていた。なお、図１は電圧
印加前の状態を示している。 ＜耐久試験＞上記で分極された圧電素子を、図４に示す
ように一表面１０どうし及び他表面１１どうしが対向す
るようにしてステンレス製電極板３と交互に積層し、公
知の方法で圧電積層体を形成した。圧電素子の積層枚数
は５０枚である。電極板３からは均等に３方向へ舌片部
３０が突出し、角度６０度ずつずらせながら積層する。
そして軸方向に並んだ舌片部３０を軸方向に延びる導電
リボン３１で接続し、リード線を形成する。これにより
それぞれの圧電素子の一表面１０と他表面１１とは、そ
れぞれ同一極に接続可能となる。
【００１３】この圧電積層体を、一表面１０がプラス極
で他表面１１がマイナス極となるように接続し、電圧：
０〜８００Ｖ、プリセット面圧：２８ＭＰａ、雰囲気温
度：２５℃の条件で１×１０7 回作動させる耐久試験を
行った。耐久試験後のそれぞれの圧電素子について透過
Ｘ線による観察を行ったところ、クラックの発生は認め
られなかった。 （実施例２）実施例１と同様にして、凸状の一表面１０
と凹状の他表面１１とをもつ圧電板１を形成し、同様に
内部電極層２，２’を形成して圧電素子を得た。この圧
電素子を、図３に示すように、一表面１０どうし及び他
表面１１どうしが対向するようにしてステンレス製電極
板３と交互に積層し、積層体とした。
で他表面１１がマイナス極となるように接続し、電圧：
０〜８００Ｖ、プリセット面圧：２８ＭＰａ、雰囲気温
度：２５℃の条件で１×１０7 回作動させる耐久試験を
行った。耐久試験後のそれぞれの圧電素子について透過
Ｘ線による観察を行ったところ、クラックの発生は認め
られなかった。 （実施例２）実施例１と同様にして、凸状の一表面１０
と凹状の他表面１１とをもつ圧電板１を形成し、同様に
内部電極層２，２’を形成して圧電素子を得た。この圧
電素子を、図３に示すように、一表面１０どうし及び他
表面１１どうしが対向するようにしてステンレス製電極
板３と交互に積層し、積層体とした。
【００１４】この積層体を１００℃のシリコンオイル中
に浸漬し、一表面１０がプラス極で他表面１１がマイナ
ス極となるように電圧を印加して全部の圧電素子を同時
に分極した。分極後の圧電素子の反りは平均で０μｍで
あり、ほぼ平坦となっていた。得られた圧電積層体につ
いて実施例１と同様に耐久試験を行ったが、実施例１と
同様にクラックの発生は認められなかった。
に浸漬し、一表面１０がプラス極で他表面１１がマイナ
ス極となるように電圧を印加して全部の圧電素子を同時
に分極した。分極後の圧電素子の反りは平均で０μｍで
あり、ほぼ平坦となっていた。得られた圧電積層体につ
いて実施例１と同様に耐久試験を行ったが、実施例１と
同様にクラックの発生は認められなかった。
【００１５】この実施例２の製造方法によれば、複数の
圧電素子を同時に分極でき、かつ反りを無くすことがで
きるので、工数が低減され特に好ましい。 （比較例）実施例１と同様の圧電体原料から、直径２１
ｍｍ、厚さ１ｍｍの平坦な成形体を形成した。そして実
施例１と同様に焼成し、研削加工して直径１７ｍｍ、厚
さ０．５ｍｍの平坦な円板状の圧電体を形成した。
圧電素子を同時に分極でき、かつ反りを無くすことがで
きるので、工数が低減され特に好ましい。 （比較例）実施例１と同様の圧電体原料から、直径２１
ｍｍ、厚さ１ｍｍの平坦な成形体を形成した。そして実
施例１と同様に焼成し、研削加工して直径１７ｍｍ、厚
さ０．５ｍｍの平坦な円板状の圧電体を形成した。
【００１６】そして同様に内部電極層を形成し、同様に
分極処理を行って反りを測定したところ、分極時にプラ
ス極側の表面が平均で−３μｍ凹み、マイナス極側の表
面が平均で＋３μｍ出っ張った断面湾曲形状となってい
た。この圧電素子を実施例１と同様に積層して圧電積層
体とし、同様に耐久試験を行ったところ、圧電板にクラ
ックの発生が認められた。なお、分極処理前の平坦な圧
電素子を図４のように実施例１と同様に積層し、その後
に全部の圧電素子を同時に分極した場合でも、耐久試験
後にクラックの発生が認められた。
分極処理を行って反りを測定したところ、分極時にプラ
ス極側の表面が平均で−３μｍ凹み、マイナス極側の表
面が平均で＋３μｍ出っ張った断面湾曲形状となってい
た。この圧電素子を実施例１と同様に積層して圧電積層
体とし、同様に耐久試験を行ったところ、圧電板にクラ
ックの発生が認められた。なお、分極処理前の平坦な圧
電素子を図４のように実施例１と同様に積層し、その後
に全部の圧電素子を同時に分極した場合でも、耐久試験
後にクラックの発生が認められた。
【００１７】
【発明の効果】すなわち本発明の製造方法によれば、分
極処理後には両表面がほぼ平坦な圧電素子が得られる。
したがってその圧電素子が積層された圧電積層体は、荷
重付与時の引張り応力の発生が小さいので、使用中のク
ラックの発生が防止され長寿命とすることができる。
極処理後には両表面がほぼ平坦な圧電素子が得られる。
したがってその圧電素子が積層された圧電積層体は、荷
重付与時の引張り応力の発生が小さいので、使用中のク
ラックの発生が防止され長寿命とすることができる。
【００１８】また反りが少ないので、圧電積層体の変位
のばらつきが少なく、基本的特性が安定するとともに特
性の劣化も少ない。
のばらつきが少なく、基本的特性が安定するとともに特
性の劣化も少ない。
【図１】本発明の一実施例で得られた圧電素子の分極処
理方法を示し分極処理前の断面図である。
理方法を示し分極処理前の断面図である。
【図２】本発明の一実施例で得られた圧電板の断面図で
ある。
ある。
【図３】本発明の第二の実施例における積層体の分極処
理方法を示し分極処理前の断面図である。
理方法を示し分極処理前の断面図である。
【図４】本発明の第一の実施例で得られた圧電素子の積
層方法を説明する斜視図である。
層方法を説明する斜視図である。
１：圧電板 ２，２’：内部電極層
３：電極板 １０：一表面 １１：他表面
３：電極板 １０：一表面 １１：他表面
Claims (1)
- 【請求項１】 一表面が凸状で他表面が凹状の断面湾曲
形状をなし厚さが一定の圧電板を形成し、該一表面及び
該他表面にそれぞれ電極を形成した後、該一表面側がプ
ラス極該他表面側がマイナス極となるように電圧を印加
して分極することを特徴とする圧電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33512691A JP3095155B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 圧電素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33512691A JP3095155B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 圧電素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05167126A JPH05167126A (ja) | 1993-07-02 |
| JP3095155B2 true JP3095155B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=18285067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33512691A Expired - Fee Related JP3095155B2 (ja) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | 圧電素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3095155B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5471426B2 (ja) * | 2009-12-25 | 2014-04-16 | ブラザー工業株式会社 | 圧電アクチュエータの製造方法 |
-
1991
- 1991-12-18 JP JP33512691A patent/JP3095155B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05167126A (ja) | 1993-07-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |