JP3250918B2

JP3250918B2 - 積層型圧電素子

Info

Publication number: JP3250918B2
Application number: JP26652094A
Authority: JP
Inventors: 克彦鬼塚; 修一福岡; 一隆内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH0878747A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、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に使用される
積層型圧電体に関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、圧電板を複数枚積層して、積層
型圧電体（積層型のアクチュエーター）を作製する方法
が多数開示されている（例えば特公昭５６ー５０４３４
号公報参照）。特に圧電板の接合方法により接合状態が
大きく変化し、積層後の特性の変動が大きく、素子間で
の特性ばらつきが大きくなるため様々な信頼性向上の方
法が示されている。

【０００３】積層型の圧電アクチュエータを作製する方
法としては、同時焼成による方法がある。この同時焼成
による方法では、圧電板の厚みを薄く作製することが比
較的容易であり、印加電界を高くできるために低電圧高
変位が可能であるが、圧電板材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ
Ｔｉ）Ｏ₃等のセラミックスからなる）と同時焼成を行
なうための内部電極材料としては、ＰｄやＰｔ等の貴金
属を使用する必要があり、積層数が増すにしたがってコ
スト高になるという問題点があった。

【０００４】そこで、コストを低減するために、圧電板
を何らかの導電性接着材を使用して積層接合する方法
が、例えば、特開昭６０−１２１７８４号公報に開示さ
れている。この公報には、圧電板間に圧電板と同一形状
の電極用金属板を挟み込み、銀ペースト等の導電性ペー
ストの接着力により接合する方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、この
方法では、圧電板間にこの圧電板と同一形状の電極用金
属板を挟み込むために、電極用金属板と圧電板との接合
が不十分になるという問題があった。このため、圧電板
の積層数を増加するにしたがって接合界面での剥離等の
発生確率が増加するという問題があった。この結果、圧
電アクチュエータとして使用中に接合界面で剥離し、使
用不能になるという問題があった。

【０００６】また、圧電板の積層中に導電性ペーストが
電極用金属板により押し出されて圧電板の側面にはみ出
し、圧電板の間にそれぞれ介装された正電極と負電極を
構成する金属板同士が短絡するという問題があった。

【０００７】本発明は、圧電板同士の接合を確実に行う
ことができるとともに、電極同士の短絡を防止すること
ができる積層型圧電体を提供することを目的とする。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明の積層型圧電体
は、積層された複数の圧電板と、これらの圧電板の間に
それぞれ複数介装されるとともに接続用突起部を有する
細長金属板と、前記圧電板の間に介装されるとともに前
記細長金属板を埋設する導電性接着層とを有する積層型
圧電体であって、前記圧電体の両側に配置された細長金
属板をそれぞれ正電極用細長金属板および負電極用細長
金属板とするとともに、前記正電極用細長金属板の接続
用突起部同士を電気的に接続し、前記負電極用細長金属
板の接続用突起部同士を電気的に接続してなるものであ
る。

【０００９】参考例として、積層された複数の圧電板
と、これらの圧電板の間にそれぞれ介装されるとともに
接続用突起部を有する金属メッシュと、前記圧電板の間
に介装されるとともに前記金属メッシュを埋設する導電
性接着層とを有する積層型圧電体であって、前記圧電板
の両側に配置された金属メッシュをそれぞれ正電極用金
属メッシュおよび負電極用金属メッシュとするととも
に、前記正電極用金属メッシュの接続用突起部同士を電
気的に接続し、前記負電極用金属メッシュの接続用突起
部同士を電気的に接続してなるものもある。

【００１０】このような積層型圧電体は、例えば、複数
の圧電板の両面にそれぞれ導電性ペーストを塗布し、こ
の導電性接着層用ペーストを乾燥した後、複数の圧電板
の間に接続用突起部を有する金属メッシュを介装して積
層し、この後加熱しながら加圧し前記複数の圧電板を相
互に接合し、前記圧電板の間に金属メッシュを埋設する
導電性接着層を形成し、前記圧電板の両側に配置された
金属メッシュを正電極用金属メッシュおよび負電極用金
属メッシュとするとともに、前記正電極用金属メッシュ
の接続用突起部同士を電気的に接続し、前記負電極用金
属メッシュの接続用突起部同士を電気的に接続すること
により製造される。

【００１１】使用する金属メッシュは、導電性を有する
もので、例えば、真鍮、銅、ステンレス等の金属が好ま
しい。金属メッシュの厚さは、接合後の状態で導電性接
着層用ペースト中に隙間なく金属メッシュが埋設するよ
うになるのが好ましく、このためには、金属メッシュの
厚みは導電性接着層用ペーストの厚さと同程度か、もし
くは、それ以下が望ましい。また、金属メッシュのメッ
シュ径は、メッシュ内へのペーストの充填の点および圧
電板の接合力の点から３００μｍ以下であれば使用で
き、特に１００μｍ以下のものが望ましい。

【００１２】また、圧電板を構成する圧電材料は、例え
ば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クス材料などが使用されるが、これに限定されるもので
はなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも
良い。この圧電体を構成する圧電材料としては、圧電歪
み定数ｄ₃₃が高いものが望ましい。

【００１３】細長金属板としては、圧電板の幅よりも小
さい幅を有するものであり、その材料および厚みは、金
属メッシュと同様の理由により同様の材料、厚みが望ま
しい。

【００１４】

【作用】本発明の積層型圧電体では、電極としての複数
の細長金属板を圧電板の間に介装するため、積層時に加
圧すると導電性接着層用ペーストが細長金属板の回りに
入り込み、圧電板同士を強固に接合する。

【００１５】また、導電性接着層用ペーストが細長金属
板の回りに入りこむため、圧電板の積層中に導電性接着
層用ペーストの圧電板側面へのはみ出しを抑制すること
ができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図を用いて説明する。

【００１７】図１は参考例の積層型圧電体を示すもの
で、符号１１は円板状の圧電板を示している。これらの
圧電板１１はＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略
す）を主成分とする焼結体であり、直径２０ｍｍ、厚み
０．５ｍｍの円板状とされている。

【００１８】そして、複数の圧電板１１が積層されてお
り、その間には、例えば、ガラス成分を含むＡｇからな
る導電性接着層１３が形成され、導電性接着層１３内に
は、例えば、真鍮製の金属メッシュ１５が埋設されてい
る。これらの金属メッシュ１５には、図２に示すよう
に、接続用突起部１７が形成されており、圧電板１１の
径方向に突出している。また、接続用突起部１７は、図
１に示したように交互に１８０度反対を向くように、金
属メッシュ１５が圧電板１１の間に介装されており、こ
れらの金属メッシュ１５は、その接続用突起部１７の位
置により正電極用金属メッシュ１９，負電極用金属メッ
シュ２１とされている。そして、正電極用金属メッシュ
１９の接続用突起部１７が折曲され、相互に電気的に接
続され、また、負電極用金属メッシュ２１の接続用突起
部１７が折曲され、相互に電気的に接続されている。

【００１９】このような積層型圧電体は、圧電板１１の
両面にそれぞれ導電性ペーストを塗布し、この導電性接
着層用ペーストを乾燥した後、複数の圧電体１１の間、
即ち、ペースト間に接続用突起部１７を有する金属メッ
シュ１５を介装して積層し、この後加熱しながら加圧
し、複数の圧電板１１を相互に接合し、圧電板１１の間
に、金属メッシュ１５を埋設する導電性接着層１３を形
成することにより形成される。

【００２０】そして、圧電板１１を挟持している正電極
用金属メッシュ１９および負電極用金属メッシュ２１の
接続用突起部１７をそれぞれ接続する。即ち、正電極用
金属メッシュ１９の接続用突起部１７同士を電気的に接
続し、負電極用金属メッシュ２１の接続用突起部１７同
士を電気的に接続することにより製造される。

【００２１】以上のように構成された積層型圧電体は、
電極としての金属メッシュ１５を圧電板１１の間に介装
するため、積層時に加圧すると導電性接着層用ペースト
が金属メッシュ１５のメッシュ間に入り込み、圧電板１
１同士を強固に接合し、高電界の繰り返し印加によって
発生する界面での剥離等を防止することができ、積層型
圧電体の信頼性を向上することができる。

【００２２】また、導電性接着層用ペーストが金属メッ
シュ１５の間に入り込むため、圧電板１１の積層中に導
電性接着層用ペーストが圧電板１１により押し出されて
側面にはみ出すことがなく、正電極用金属メッシュ１９
の接続用突起部１７と負電極用金属メッシュ２１の接続
用突起部１７の電気的な導通を防止し、正電極用金属メ
ッシュ１９と負電極用金属メッシュ２１との短絡を防止
することができる。

【００２３】さらに、接合部における機械的損失を小さ
くすることができるため、電界印加時に発生する変位ヒ
ステリシスが小さく、繰り返し使用後の変位量の低下が
小さく、寿命の長い積層型圧電体を提供することができ
る。

【００２４】参考例１ＰＺＴを主成分とする焼結体の両面を研磨して直径２０
ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円板状の圧電板１１を形成し
た。この圧電板１１の両主面にガラス成分を含む電気伝
導性のＡｇペーストを４０〜６０μｍの厚みになるよう
に印刷した後、１００℃にて乾燥した。厚さ５０μｍ、
メッシュ径１００μｍの真鍮製メッシュを、図２に示し
たような２ｍｍ×２ｍｍの接続用突起部１７を有する直
径２０ｍｍの円形に打ち抜き、金属メッシュ１５とし、
この金属メッシュ１５を圧電板１１の間に挟み込み、圧
電板１１を１００層積層して積層型圧電体を形成した。

【００２５】尚、金属メッシュ１５の接続用突起部１７
は一層おきに同じ位置にくるように、他方は１８０度反
対側に来るように配置した。圧電板１１を１００層積層
した圧電体は、位置ずれが生じないように軽く圧力を加
えた後、積層体の上部に約４ｋｇの重りを乗せて、６５
０℃、１時間で加圧接合した。

【００２６】次に、図１に示したように、圧電板１１の
径方向に突出した接続用突起部１７を軸方向に折曲げ、
一層おいた隣の接続用突起部１７と接続し、正電極用金
属メッシュ１９の接続用突起部１７同士を電気的に接続
するとともに、負電極用金属メッシュ２１の接続用突起
部１７同士を電気的に接続した。これを８０℃のシリコ
ンオイル中で３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加し
て分極処理を行なった。

【００２７】得られた積層型圧電体に２００Ｖの直流電
圧を印加した結果、１５μｍの変位量が得られた。更に
この積層型圧電体に０Ｖから＋２００Ｖの交流電界を１
０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数３×１０⁸
回までこの変位量を維持した。これに対して、圧電板と
同一形状の金属板を電極として挿入した従来例において
は、０Ｖから＋２００Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数
にて印加した回数が５×１０⁶回で積層界面に剥離が生
じ、変位量に変化が生じた。

【００２８】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザ
ー変位計により、素子の中心部及び周囲部３箇所で測定
した値の平均値で評価した。

【００２９】参考例２ＰＺＴを主成分とする焼結体の両面を研磨して直径１５
ｍｍ、厚み０．３５ｍｍの円板状の圧電板１１を形成し
た。この圧電板１１の両主面にガラス成分を含む電気伝
導性のＡｇペーストを２０μｍの厚みになるように印刷
した後、１２０℃にて乾燥した。厚さ２０μｍ、メッシ
ュ径２００μｍの真鍮製メッシュを図２に示したような
２ｍｍ×２ｍｍの接続用突起部１７を有する直径１５ｍ
ｍの円形に打ち抜き、金属メッシュ１５を作成した。該
金属メッシュ１５を圧電板１１の間に挟み込み、圧電板
１１を２００層積層して積層型圧電体を形成した。

【００３０】尚、金属メッシュ１５の接続用突起部１７
は一層おきに同じ位置に来るように、他方は１８０度反
対側に来るように配置した。圧電板１１を２００層積層
した圧電体は、位置ずれが生じないように軽く圧力を加
えた後、積層体の上部に約３ｋｇの重りを乗せて、６０
０℃、１時間で加圧接合した。次に、図１に示したよう
に、圧電板１１から外側に出た接続用突起部１７を軸方
向に折曲げ、一層おいた隣の接続用突起部１７と接続
し、正電極用金属メッシュ１９の接続用突起部１７同士
を電気的に接続するとともに、負電極用金属メッシュ２
１の接続用突起部１７同士を電気的に接続した。これを
８０℃のシリコンオイル中で２ｋｖ／ｍｍの直流電圧を
３０分間印加して分極処理を行なった。

【００３１】得られた積層型圧電体に２００Ｖの直流電
圧を印加した結果、３１μｍの変位量が得られた。更に
この積層型圧電体に０Ｖから＋２００Ｖの交流電界を１
０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数が３×１０
⁸回までこの変位量を維持した。これに対して、圧電板
と同一形状の金属板を電極として挿入した従来例におい
ては、０Ｖから＋２００Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波
数にて印加した回数が１×１０⁶回で積層界面に剥離が
生じ、変位量に変化が生じた。変位量の測定について
は、上記参考例１と同様にして測定した。

【００３２】参考例３ＰＺＴを主成分とする焼結体の両面を研磨して一辺１０
ｍｍ、厚み０．３ｍｍの正方形状の角板からなる圧電板
１１を形成した。この圧電板１１の両主面に電気伝導性
を有するペースト、例えばガラス成分を含むＡｇペース
トを４０乃至５０μｍの厚みになるように印刷した後、
１２０℃にて乾燥した。厚さ４０μｍ、メッシュ径５０
μｍの真鍮製メッシュを図３に示すような２ｍｍ×２ｍ
ｍの接続用突起部１７を有する一辺１０ｍｍの正方形状
に打ち抜き、該金属メッシュ１５を圧電板１１の間に挟
み込み、圧電板を３００層積層して積層型圧電体を形成
した。

【００３３】尚、金属メッシュ１５の接続用突起部１７
は一層おきに同じ位置に来るように、他方は１８０度反
対側に来るように配置した。圧電板を３００層積層した
積層型圧電体は、位置ずれが生じないように軽く圧力を
加えた後、積層体の上部に約２ｋｇの重りを乗せて、６
００℃、１時間で加圧接合した。次に、図１に示したよ
うに、これらの外側に出た接続用突起部１７を軸方向に
折曲げ、一層おいた隣の接続用突起部１７と接続し、正
電極用金属メッシュ１９の接続用突起部１７同士を電気
的に接続するとともに、負電極用金属メッシュ２１の接
続用突起部１７同士を電気的に接続した。これを８０℃
のシリコンオイル中で２ｋｖ／ｍｍの直流電圧を３０分
間印加して分極処理を行なった。

【００３４】得られた積層型圧電体に５０Ｖの直流電圧
を印加した結果、１２μｍの変位量が得られた。更にこ
の積層型圧電体に０Ｖから＋５０Ｖの交流電界を１０Ｈ
ｚの周波数にて印加した結果、印加回数が７×１０⁸回
までこの変位量を維持した。

【００３５】これに対して、圧電板と同一形状の金属板
を電極として挿入した従来例においては、０Ｖから＋５
０Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数にて印加した回数が
２×１０⁶回で積層界面に剥離が生じ、変位量に変化が
生じた。変位量の測定につていは、上記参考例１と同様
にして測定した。

【００３６】参考例４ＰＺＴを主成分とする焼結体の両面を研磨して直径１２
ｍｍ、厚み０．３ｍｍの円板状の圧電板１１を形成し
た。この圧電板１１の両主面にガラス成分を含む電気伝
導性のＡｇペーストを１０〜２０μｍの厚みになるよう
に印刷した後、１００℃にて乾燥した。厚さ２０μｍ、
メッシュ径１００μｍの真鍮製メッシュを、図２に示し
たような２ｍｍ×２ｍｍの接続用突起部１７を有する直
径１２ｍｍの円形に打ち抜き、金属メッシュ１５とし、
この金属メッシュ１５を圧電板１１の間に挟み込み、圧
電板１１を１００層積層して積層型圧電体を形成した。

【００３７】尚、金属メッシュ１５の接続用突起部１７
は一層おきに同じ位置にくるように、他方は１８０度反
対側に来るように配置した。圧電板１１を１００層積層
した圧電体は、位置ずれが生じないように軽く圧力を加
えた後、積層体の上部に約２ｋｇの重りを乗せて、６５
０℃、３０分間で加圧接合した。

【００３８】次に、図１に示したように、圧電板１１の
径方向に突出した接続用突起部１７を軸方向に折曲げ、
一層おいた隣の接続用突起部１７と接続し、正電極用金
属メッシュ１９の接続用突起部１７同士を電気的に接続
するとともに、負電極用金属メッシュ２１の接続用突起
部１７同士を電気的に接続した。これを８０℃のシリコ
ンオイル中で３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加し
て分極処理を行なった。

【００３９】得られた積層型圧電体に１００Ｖの直流電
圧を印加した結果、６μｍの変位量が得られた。更にこ
の積層型圧電体に０Ｖから＋１００Ｖの交流電界を１０
Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数５×１０⁸回
までこの変位量を維持した。

【００４０】これに対して、圧電板と同一形状の金属板
を電極として挿入した従来例においては、０Ｖから＋１
００Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数にて印加した回数
が２×１０⁶回で積層界面に剥離が生じ、変位量に変化
が生じた。

【００４１】実施例図４は本発明の実施例を示すもので、ＰＺＴを主成分と
する焼結体の両面を研磨して直径１８ｍｍ、厚み０．３
５ｍｍの円板状の圧電板３１を形成した。

【００４２】この圧電板３１の両主面にガラス成分を含
む電気伝導性のＡｇペーストを２５μｍの厚みになるよ
うに印刷した後、１００℃にて乾燥した。幅２ｍｍ、厚
さ２５μｍ、長さ２０ｍｍの細長金属板３３を、図４に
示すように、圧電板３１のペースト３２の上に２本平行
に配置し、圧電板３１の間に挟み込み、圧電板３１を１
５０層積層して積層型圧電体を形成した。

【００４３】尚、細長金属板３３の端部は、図１に示し
たように、接続用突起部３７は一層おきに同じ位置にく
るように、他方は１８０度反対側に来るように配置し
た。圧電板３１を１５０層積層した圧電板３１は、位置
ずれが生じないように軽く圧力を加えた後、積層体の上
部に約３ｋｇの重りを乗せて、６５０℃、１時間で加圧
接合した。

【００４４】次に、図１に示したように、圧電板３１の
径方向に突出した接続用突起部３７を軸方向に折曲げ、
一層おいた隣の接続用突起部３７と接続し、正電極用金
属メッシュ１９の接続用突起部１７同士を電気的に接続
するとともに、負電極用金属メッシュ２１の接続用突起
部１７同士を電気的に接続した。これを８０℃のシリコ
ンオイル中で３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加し
て分極処理を行なった。

【００４５】このような積層型圧電体では、上記参考例
とほぼ同様の効果を得ることができる。さらに、この場
合には、細長金属板３３を２本平行に配置したため、圧
電板３１同士を平行に積層することができる。

【００４６】得られた圧電積層体に３００Ｖの直流電圧
を印加した結果、３５μｍの変位量が得られた。更にこ
の積層体に０Ｖから＋３００Ｖの交流電界を１０Ｈｚの
周波数にて印加した結果、印加回数が２×１０⁸回まで
この変位量を維持した。これに対して、圧電板と同一形
状の金属板を電極として挿入した従来例においては、０
Ｖから＋３００Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数にて印
加した回数が１×１０⁶回で積層界面に剥離が生じ、変
位量に変化が生じた。変位量の測定につていは、上記参
考例１と同様にして測定した。

【００４７】尚、上記実施例では、圧電板３１の間に細
長金属板３３を２枚平行に配置した例について説明した
が、本発明では上記実施例に限定されるものではなく、
圧電板の間に細長金属板を３枚以上配置しても良い。ま
た、細長金属板は必ずしも平行に配置する必要はない。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、圧
電体の幅よりも小さい幅を有する電極としての細長金属
板を圧電板の間に介装するため、積層時に加圧すると導
電性接着層用ペーストが細長金属板の間に入り込み、圧
電板同士を強固に接合し、高電界の繰り返し印加によっ
て発生する界面での剥離等を防止することができ、積層
型圧電体の信頼性が向上することができる。

【００４９】また、導電性接着層用ペーストが細長金属
板のまわりに入り込むため、圧電板の積層中に導電性接
着層用ペーストが圧電板により押し出されて側面にはみ
出すことがなく、細長金属板同士の短絡を防止すること
ができる。

【００５０】さらに、本発明では、接合部における機械
的損失を小さくすることができるため、電界印加時に発
生する変位ヒステリシスが小さく、繰り返し使用後の変
位量の低下が小さく、寿命の長い積層型圧電体を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例の円柱状の積層型圧電体を示す側面図で
ある。

【図２】図１の金属メッシュを示す平面図である。

【図３】正方形状の金属メッシュを示す平面図である。

【図４】圧電板の上に細長金属板を２本平行に配置した
状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１１，３１・・・圧電板１３・・・導電性接着層１５・・・金属メッシュ１７，３７・・・接続用突起部１９・・・正電極用金属メッシュ２１・・・負電極用金属メッシュ３３・・・細長金属板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の圧電板と、これらの圧電
板の間にそれぞれ複数介装されるとともに接続用突起部
を有する細長金属板と、前記圧電板の間に介装されると
ともに前記細長金属板を埋設する導電性接着層とを有す
る積層型圧電体であって、前記圧電体の両側に配置され
た細長金属板をそれぞれ正電極用細長金属板および負電
極用細長金属板とするとともに、前記正電極用細長金属
板の接続用突起部同士を電気的に接続し、前記負電極用
細長金属板の接続用突起部同士を電気的に接続してなる
ことを特徴とする積層型圧電体。