JP3358669B2 - 積層型圧電セラミックアクチュエータ - Google Patents
積層型圧電セラミックアクチュエータInfo
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的入力エネルギー
を変位や力の機械的エネルギーに変換する積層型圧電セ
ラミックアクチュエータに関するものである。
を変位や力の機械的エネルギーに変換する積層型圧電セ
ラミックアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】積層型圧電セラミックアクチュエータ
は、圧電性セラミックスの電界誘起歪を利用したデバイ
スで、図４に示すように、内部電極１、２の層と圧電セ
ラミック５の層とを多層積層した構造で、積層セラミッ
クコンデンサーと類似した構造が一般的である。従来の
積層型圧電セラミックアクチュエータの構造は、内部電
極１、２と外部電極３、４の接続のため内部電極１、２
の引き出し部周辺が圧電的に不活性とならないように同
一側面上に露出する構造となっている。そのため、一層
毎に正電極と負電極となる対向内部電極を構成するよう
交互にガラス絶縁部７を設け、その上に外部電極３、４
を形成している。斯かる構造の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、積層方向に圧電縦効果で変位や発生力
を得ている。従って、低い印加電圧で大きな変位を得た
い場合には、薄い圧電セラミック５と内部電極１、２の
積層数を多くして、積層方向に長い構造とすればよい
が、積層数を多くすると脱バインダーや焼結において層
剥離やひび・割れなどの欠陥が生ずるため積層方向の長
さ寸法では、２０ｍｍ程度が限界という問題があった。
近年、この問題を解消するため、圧電セラミック層と内
部電極層の積層方向に直交する方向に圧電縦効果で変位
する積層型圧電セラミックアクチュエータが提案され、
これは積層方向と直角な方向の長さ寸法を大きくするこ
とにより大きな変位を得ることが出来るので、各種の構
造の提案がなされている。一例として図５、図６及び図
７に示すように、圧電セラミック５の層と内部電極層が
交互に積層された角柱状の積層型圧電セラミックアクチ
ュエータ１０で、図５及び図６に示すように前記内部電
極層は圧電セラミック５の層の長さ方向と直交する方向
の細長な帯状の内部電極１４、１５から成り、しかも、
内部電極層は、前記角柱の長さ方向に内部電極１４、１
５が繰り返し形成された構造で、第１の内部電極層と第
２の内部電極層からなり、前記第１の内部電極層の内部
電極１４は、角柱の側面で第１の外部電極３と接続し
（図７参照）、また、前記第２の内部電極層は、第１の
内部電極層の内部電極１４間のほぼ中央に、圧電セラミ
ック５層を挟んで位置する帯状の内部電極１５より成
り、しかも、前記第１の外部電極３を有する角柱の側面
と対向する側面で第２の外部電極４に接続する（図７参
照）構造の積層型圧電セラミックアクチュエータであ
る。しかしながら、前記構造の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、外部電極３、４と内部電極１４、１５
の接続のため内部電極引き出し部９の周辺の圧電セラミ
ック５が圧電的に不活性となり、分極や使用時の高電圧
印加時に圧電的に不活性な内部電極の引き出し部９周辺
に応力が集中して、クラック等の欠陥が生じるという問
題があり、著しくは積層型圧電セラミックアクチュエー
タが破壊するとう問題がある。
は、圧電性セラミックスの電界誘起歪を利用したデバイ
スで、図４に示すように、内部電極１、２の層と圧電セ
ラミック５の層とを多層積層した構造で、積層セラミッ
クコンデンサーと類似した構造が一般的である。従来の
積層型圧電セラミックアクチュエータの構造は、内部電
極１、２と外部電極３、４の接続のため内部電極１、２
の引き出し部周辺が圧電的に不活性とならないように同
一側面上に露出する構造となっている。そのため、一層
毎に正電極と負電極となる対向内部電極を構成するよう
交互にガラス絶縁部７を設け、その上に外部電極３、４
を形成している。斯かる構造の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、積層方向に圧電縦効果で変位や発生力
を得ている。従って、低い印加電圧で大きな変位を得た
い場合には、薄い圧電セラミック５と内部電極１、２の
積層数を多くして、積層方向に長い構造とすればよい
が、積層数を多くすると脱バインダーや焼結において層
剥離やひび・割れなどの欠陥が生ずるため積層方向の長
さ寸法では、２０ｍｍ程度が限界という問題があった。
近年、この問題を解消するため、圧電セラミック層と内
部電極層の積層方向に直交する方向に圧電縦効果で変位
する積層型圧電セラミックアクチュエータが提案され、
これは積層方向と直角な方向の長さ寸法を大きくするこ
とにより大きな変位を得ることが出来るので、各種の構
造の提案がなされている。一例として図５、図６及び図
７に示すように、圧電セラミック５の層と内部電極層が
交互に積層された角柱状の積層型圧電セラミックアクチ
ュエータ１０で、図５及び図６に示すように前記内部電
極層は圧電セラミック５の層の長さ方向と直交する方向
の細長な帯状の内部電極１４、１５から成り、しかも、
内部電極層は、前記角柱の長さ方向に内部電極１４、１
５が繰り返し形成された構造で、第１の内部電極層と第
２の内部電極層からなり、前記第１の内部電極層の内部
電極１４は、角柱の側面で第１の外部電極３と接続し
（図７参照）、また、前記第２の内部電極層は、第１の
内部電極層の内部電極１４間のほぼ中央に、圧電セラミ
ック５層を挟んで位置する帯状の内部電極１５より成
り、しかも、前記第１の外部電極３を有する角柱の側面
と対向する側面で第２の外部電極４に接続する（図７参
照）構造の積層型圧電セラミックアクチュエータであ
る。しかしながら、前記構造の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、外部電極３、４と内部電極１４、１５
の接続のため内部電極引き出し部９の周辺の圧電セラミ
ック５が圧電的に不活性となり、分極や使用時の高電圧
印加時に圧電的に不活性な内部電極の引き出し部９周辺
に応力が集中して、クラック等の欠陥が生じるという問
題があり、著しくは積層型圧電セラミックアクチュエー
タが破壊するとう問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
問題点を解消した、分極時や駆動時に破壊することが少
なく信頼性の高い積層型圧電セラミックアクチュエータ
を提供することにある。
問題点を解消した、分極時や駆動時に破壊することが少
なく信頼性の高い積層型圧電セラミックアクチュエータ
を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電セラミッ
クと複数の帯状の内部電極が積層された積層型圧電セラ
ミックアクチュエータであって、前記帯状の内部電極は
第１の内部電極層内の複数の第１の帯状電極と第２の内
部電極層内の複数の第２の帯状電極からなり、前記第１
の帯状電極と第２の帯状電極とは圧電セラミック層を挟
んで対抗して配置され、第１の帯状電極が第２の内部電
極層内の隣接する第２の帯状電極のアクチュエータ長手
方向の中間に位置する一方、第２の帯状電極が第１の内
部電極層内の隣接する第１の帯状電極のアクチュエータ
長手方向の中間に位置する関係にあり、前記第１の帯状
電極は第１の外部電極に外部接続し、前記第２の帯状電
極は第２の外部電極に外部接続する積層型圧電セラミッ
クアクチュエータにおいて、前記第１、２の帯状電極の
前記第１、２の外部電極にそれぞれ接続する側の端部の
幅寸法が前記第１、２の外部電極に接続しない側の端部
の幅寸法より大きいことを特徴とする積層型圧電セラミ
ックアクチュエータである。
クと複数の帯状の内部電極が積層された積層型圧電セラ
ミックアクチュエータであって、前記帯状の内部電極は
第１の内部電極層内の複数の第１の帯状電極と第２の内
部電極層内の複数の第２の帯状電極からなり、前記第１
の帯状電極と第２の帯状電極とは圧電セラミック層を挟
んで対抗して配置され、第１の帯状電極が第２の内部電
極層内の隣接する第２の帯状電極のアクチュエータ長手
方向の中間に位置する一方、第２の帯状電極が第１の内
部電極層内の隣接する第１の帯状電極のアクチュエータ
長手方向の中間に位置する関係にあり、前記第１の帯状
電極は第１の外部電極に外部接続し、前記第２の帯状電
極は第２の外部電極に外部接続する積層型圧電セラミッ
クアクチュエータにおいて、前記第１、２の帯状電極の
前記第１、２の外部電極にそれぞれ接続する側の端部の
幅寸法が前記第１、２の外部電極に接続しない側の端部
の幅寸法より大きいことを特徴とする積層型圧電セラミ
ックアクチュエータである。
【０００５】
【作用】積層型圧電セラミックアクチュエータには、そ
の構造上外部電極と内部電極の接続のため内部電極の引
き出し部分の周辺の圧電セラミックが圧電的に不活性と
なり、その部分に応力が集中するため、外部電極と接続
する側の内部電極幅寸法を大きくすることにより、内部
電極の引き出し部周辺の圧電セラミックの電極間距離が
小さくなり、印加される電界強度が強まるため、圧電的
に活性となり、応力の集中を緩和すると考えられ、又、
本発明は、内部電極層を印刷成膜する際の内部電極のパ
ターンを変更するだけで応力集中を緩和できる構造にで
きる。
の構造上外部電極と内部電極の接続のため内部電極の引
き出し部分の周辺の圧電セラミックが圧電的に不活性と
なり、その部分に応力が集中するため、外部電極と接続
する側の内部電極幅寸法を大きくすることにより、内部
電極の引き出し部周辺の圧電セラミックの電極間距離が
小さくなり、印加される電界強度が強まるため、圧電的
に活性となり、応力の集中を緩和すると考えられ、又、
本発明は、内部電極層を印刷成膜する際の内部電極のパ
ターンを変更するだけで応力集中を緩和できる構造にで
きる。
【０００６】
【実施例】本発明の積層型圧電セラミックアクチュエー
タの構造について図１、図２、図３及び図７で説明す
る。図１は、本発明の実施例の積層型圧電セラミックア
クチュエータの積層状態を模式的に説明する部分外観斜
視図、図２は、本発明の実施例の積層型圧電セラミック
アクチュエータの外部電極形成前の部分正面図、図３
は、本発明の実施例の積層型圧電セラミックアクチュエ
ータの外部電極形成後の外観斜視図、図７は、図３の中
央断面側面図である。本発明の実施例では、圧電セラミ
ックとして化学組成式がＰｂＴｉＺｒＯ3で表されるチ
タン酸ジルコン酸鉛系を用いた圧電セラミック５の層と
銀−パラジウム系の内部電極１、２の層を用いて、断面
寸法５ｍｍ×５ｍｍ、長さ７０ｍｍで積層数が１００層
の積層型圧電セラミックアクチュエータを用いた。圧電
セラミック５層の厚さは５０μｍとし、内部電極１、２
が外部に露出しない側の幅寸法即ち外部電極３、４と接
続していない側の帯状の内部電極の幅寸法１１を２００
μｍ、長さ３．５ｍｍで、内部電極１、２が外部に露出
する側の幅寸法即ち外部電極と接続する側の帯状の内部
電極の引き出し部の幅寸法１２を４００μｍ、引き出し
部分の長さ１３を０．７５ｍｍの台形状の引き出し部９
とし、内部電極１、２の間隔を内部電極が外部に露出し
ない側で６００μｍ、圧電セラミック５の層の長さ方向
の内部電極の繰り返し数を８０本とし、各内部電極層内
の帯状の内部電極１、２は互いに対向する内部電極層内
の帯状内部電極の中間に位置するように配置して積層し
た。外部電極３、４は、積層型圧電セラミックアクチュ
エータ１０の長さ方向の側面で、内部電極１、２の引き
出し部９が露出している向かい合った側面に形成した
（図３、図７参照）。上記により作成された積層型圧電
セラミックアクチュエータをＤＣ３５０Ｖでの分極工程
と、耐湿負荷試験を実施した時の不良発生状況を調べ
た。比較例として、図５、図６、図７に示すように外部
電極３、４と接続する側の帯状の内部電極１４、１５の
引き出し部分９の幅寸法を大きくしていない積層型圧電
セラミックアクチュエータで、他の条件は実施例と同一
として作成し、これを同時に耐湿負荷試験を行い不良の
発生状況を調べた、その結果を表１に示す。試験条件と
しては、試験環境４０℃−９０％ＲＨ、印加電圧ＤＣ３
００Ｖとし各々５０個の試料について試験した。
タの構造について図１、図２、図３及び図７で説明す
る。図１は、本発明の実施例の積層型圧電セラミックア
クチュエータの積層状態を模式的に説明する部分外観斜
視図、図２は、本発明の実施例の積層型圧電セラミック
アクチュエータの外部電極形成前の部分正面図、図３
は、本発明の実施例の積層型圧電セラミックアクチュエ
ータの外部電極形成後の外観斜視図、図７は、図３の中
央断面側面図である。本発明の実施例では、圧電セラミ
ックとして化学組成式がＰｂＴｉＺｒＯ3で表されるチ
タン酸ジルコン酸鉛系を用いた圧電セラミック５の層と
銀−パラジウム系の内部電極１、２の層を用いて、断面
寸法５ｍｍ×５ｍｍ、長さ７０ｍｍで積層数が１００層
の積層型圧電セラミックアクチュエータを用いた。圧電
セラミック５層の厚さは５０μｍとし、内部電極１、２
が外部に露出しない側の幅寸法即ち外部電極３、４と接
続していない側の帯状の内部電極の幅寸法１１を２００
μｍ、長さ３．５ｍｍで、内部電極１、２が外部に露出
する側の幅寸法即ち外部電極と接続する側の帯状の内部
電極の引き出し部の幅寸法１２を４００μｍ、引き出し
部分の長さ１３を０．７５ｍｍの台形状の引き出し部９
とし、内部電極１、２の間隔を内部電極が外部に露出し
ない側で６００μｍ、圧電セラミック５の層の長さ方向
の内部電極の繰り返し数を８０本とし、各内部電極層内
の帯状の内部電極１、２は互いに対向する内部電極層内
の帯状内部電極の中間に位置するように配置して積層し
た。外部電極３、４は、積層型圧電セラミックアクチュ
エータ１０の長さ方向の側面で、内部電極１、２の引き
出し部９が露出している向かい合った側面に形成した
（図３、図７参照）。上記により作成された積層型圧電
セラミックアクチュエータをＤＣ３５０Ｖでの分極工程
と、耐湿負荷試験を実施した時の不良発生状況を調べ
た。比較例として、図５、図６、図７に示すように外部
電極３、４と接続する側の帯状の内部電極１４、１５の
引き出し部分９の幅寸法を大きくしていない積層型圧電
セラミックアクチュエータで、他の条件は実施例と同一
として作成し、これを同時に耐湿負荷試験を行い不良の
発生状況を調べた、その結果を表１に示す。試験条件と
しては、試験環境４０℃−９０％ＲＨ、印加電圧ＤＣ３
００Ｖとし各々５０個の試料について試験した。
【０００７】
【表１】
【０００８】表１より明かなように、本発明による積層
型圧電セラミックアクチュエータは、比較例の従来品と
比較して分極時の不良率が約１／３に低下し、耐湿負荷
試験の不良率が著しく改善されていることがわかる。更
に、この構成とすることにより外部電極との接続部の面
積が従来のものより増大しているので断線不良の低減に
も効果があり、信頼性を向上できた。
型圧電セラミックアクチュエータは、比較例の従来品と
比較して分極時の不良率が約１／３に低下し、耐湿負荷
試験の不良率が著しく改善されていることがわかる。更
に、この構成とすることにより外部電極との接続部の面
積が従来のものより増大しているので断線不良の低減に
も効果があり、信頼性を向上できた。
【０００９】
【発明の効果】本発明により、分極時や駆動時に破壊す
ることが少なく、信頼性の高い積層型圧電セラミックア
クチュエータを提供することができる。
ることが少なく、信頼性の高い積層型圧電セラミックア
クチュエータを提供することができる。
【図１】本発明の実施例の積層型圧電セラミックアクチ
ュエータの積層状態を模式的に説明する部分外観斜視
図。
ュエータの積層状態を模式的に説明する部分外観斜視
図。
【図２】本発明の実施例の積層型圧電セラミックアクチ
ュエータの外部電極形成前の部分正面図。
ュエータの外部電極形成前の部分正面図。
【図３】本発明の実施例の積層型圧電セラミックアクチ
ュエータの外部電極形成後の外観斜視図。
ュエータの外部電極形成後の外観斜視図。
【図４】従来の積層方向駆動型の積層型圧電セラミック
アクチュエータの外観斜視図。
アクチュエータの外観斜視図。
【図５】従来の積層方向と直交する方向に駆動する積層
型圧電セラミックアクチュータの積層状態を模式的に説
明する部分外観斜視図。
型圧電セラミックアクチュータの積層状態を模式的に説
明する部分外観斜視図。
【図６】従来の積層方向と直交する方向に駆動する積層
型圧電セラミックアクチュータの部分正面図。
型圧電セラミックアクチュータの部分正面図。
【図７】図１の実施例及び図５の従来の例の積層型圧電
セラミックアクチュエータの外部電極加工後の断面側面
図。
セラミックアクチュエータの外部電極加工後の断面側面
図。
１ （第１の）内部電極 ２ （第２の）内部電極 ３ （第１の）外部電極 ４ （第２の）外部電極 ５ 圧電セラミック ６ 保護層 ７ ガラス絶縁部 ８ リード線 ９ （内部電極の）引き出し部 １０ 積層型圧電セラミックアクチュエータ １１ 外部電極と接続していない側の帯状の内部電極
の幅寸法 １２ 外部電極と接続する側の帯状の内部電極の引き
出し部の幅寸法 １３ 引き出し部分の長さ １４ （第１の）内部電極 １５ （第２の）内部電極 １６ 帯状の内部電極の幅寸法
の幅寸法 １２ 外部電極と接続する側の帯状の内部電極の引き
出し部の幅寸法 １３ 引き出し部分の長さ １４ （第１の）内部電極 １５ （第２の）内部電極 １６ 帯状の内部電極の幅寸法
Claims (1)
- 【請求項１】 圧電セラミックと複数の帯状の内部電極
が積層された積層型圧電セラミックアクチュエータであ
って、前記帯状の内部電極は第１の内部電極層内の複数
の第１の帯状電極と第２の内部電極層内の複数の第２の
帯状電極からなり、前記第１の帯状電極と第２の帯状電
極とは圧電セラミック層を挟んで対抗して配置され、第
１の帯状電極が第２の内部電極層内の隣接する第２の帯
状電極のアクチュエータ長手方向の中間に位置する一
方、第２の帯状電極が第１の内部電極層内の隣接する第
１の帯状電極のアクチュエータ長手方向の中間に位置す
る関係にあり、前記第１の帯状電極は第１の外部電極に
外部接続し、前記第２の帯状電極は第２の外部電極に外
部接続する積層型圧電セラミックアクチュエータにおい
て、前記第１、２の帯状電極の前記第１、２の外部電極
にそれぞれ接続する側の端部の幅寸法が前記第１、２の
外部電極に接続しない側の端部の幅寸法より大きいこと
を特徴とする積層型圧電セラミックアクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35839592A JP3358669B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 積層型圧電セラミックアクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35839592A JP3358669B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 積層型圧電セラミックアクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06204581A JPH06204581A (ja) | 1994-07-22 |
| JP3358669B2 true JP3358669B2 (ja) | 2002-12-24 |
Family
ID=18459072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35839592A Expired - Lifetime JP3358669B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 積層型圧電セラミックアクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3358669B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5786655A (en) * | 1994-05-26 | 1998-07-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Strain element and vibration device |
| EP1850403B1 (en) * | 2005-02-15 | 2011-12-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Multilayer piezoelectric device |
-
1992
- 1992-12-25 JP JP35839592A patent/JP3358669B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06204581A (ja) | 1994-07-22 |
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