JP4667036B2

JP4667036B2 - 積層型圧電振動子及びその製造方法、並びに圧電アクチュエータ

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Publication number: JP4667036B2
Application number: JP2004375429A
Authority: JP
Inventors: 誠金子
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006187067A

Description

本発明は積層型圧電振動子及びその製造方法、並びにユニモルフ型もしくはバイモルフ型の圧電アクチュエータに関する。

圧電効果を利用して屈曲変形する圧電振動子は広く使用され、その一例として、ダイヤフラムに用いられる場合がある。このようなダイヤフラムには様々な使用法があり、例えばスピーカー、ポンプ、流体弁等ですでに実用化されている。圧電セラミクス板２枚でシムと呼ばれる中間層板を挟み込む形で構成した圧電バイモルフ構造のタイプは屈曲変形量が大きくよく用いられている。また、最近の電子機器の低電圧化に伴い圧電セラミクス板を積層化し、より低電圧で大きな屈曲変形を得る試みもなされている。

従来の積層型圧電振動子では圧電セラミクス板内部に形成した電極の一部を延長し外部に露出させ、圧電セラミクス板外部に形成した電極の一部を延長し、さらに素子の外周部に内部電極と外部電極を接続する電極を設けて両電極を接続し積層型圧電振動子を構成する構造が一般的である。その内部電極を積層接続する場合、一般的にはどちらかの側から奇数番目の層を一方に露出させ、偶数番目の層を反対側の一方に露出させることが多く、この電極を露出させた面に電極材を塗布し導通させる。例えば、特許文献１に記載された電極接続構造などのようである。この構造を積層セラミックコンデンサ構造と呼ぶことがある。

例えば内部電極が２層で円板状の圧電セラミクス板が３枚積層された場合について、従来型の積層型圧電振動子の断面図を図７に示す。５は圧電セラミクス層であり、電極を下から１の圧電セラミクス下面表面電極、２の内部電極第１層、３の内部電極第２層、４の上面表面電極と定めると、圧電セラミクス下面表面電極１と内部電極第２層３の間、内部電極第１層２と上面表面電極４の間をそれぞれ導通させる必要がある。従来の方法では内部電極第１層２と内部電極第２層３はそれぞれ別方向に圧電セラミクス板側面方向に延長し圧電セラミクス板側面に露出させ圧電セラミクス下面表面電極１と内部電極第２層３を接続する延長電極７を表面電極から延長して構成し、同様にして圧電セラミクスの上面表面電極４と内部電極第１層２を繋ぐ延長電極６を表面電極から延長して構成する方法が多く用いられている。すなわち、両極の電極のいずれにおいても、圧電振動子の側面を用いて、内部電極と表面電極間の接続を行う構造となっている。

特開２００４−０１４７７７号公報

しかしながら、上記の積層型圧電振動子を用いて、圧電バイモルフ構造のアクチュエータを作製する場合、シムと呼ばれる中間層板の両側にその積層型圧電振動子を接着剤等を用いて接着するが、この中間層板は導体で構成されることが多く、積層型圧電振動子の内部電極の一部を露出させて互いに接続するための電極材を塗布した圧電振動子の側面部と接触すると電極間でショート状態となり、圧電振動子として機能しない。これを防止するため通常シム材にはその電極材を塗布した圧電振動子の側面部と接触しないように切りかきや逃げを付ける場合が多い。例えば円形の圧電バイモルフのシム材は円形の一部がくびれた形状になっている。このシム材がくびれた部分に前記の内部電極を露出させ電極材を塗布した側面部の一部が合うようにすることで、シム材と内部電極を露出させ電極材を塗布した電極面とを絶縁することが多い。また、矩形板状の圧電バイモルフの場合でも内部電極の一部を露出させ互いに接続するために電極材を塗布した面が導体であるシム材と接触しないようにシム材側に逃げを作る場合が多い。

しかしながら、シム材にこのような逃げを形成した場合、この部分の圧電セラミック板が露出した状態になり強度的に弱い状態になってしまう。これを防ぐためエポキシなどの充填材を注入硬化させるなどの追加加工が必要となる。また、この部分はシム材と圧電セラミクスの外部に形成した電極との接着部での他の部分に比べ、異極間の距離を短くせざるを得ない場合が多く、絶縁距離が短くなるため電界集中を生じやすく、特に耐湿性等の長期信頼性で不具合を生じやすいという問題があった。

また製造面でも、内部電極を露出させ電極材を塗布した面とシム材の逃げの位置を一致させて接着しなければならないため、特に円板状のバイモルフでは位置合わせが非常に難しくなるという問題があった。このように、従来型の積層型圧電振動子ではバイモルフにするための接着工程で非常に精度の高い位置決め精度が要求され、歩留まりの向上やコストダウンの妨げになっていた。

そこで、本発明では、信頼性が高く、製造が容易で、安価な積層型圧電振動子及びその製造方法、並びにそれを用いた圧電アクチュエータを提供することを課題とする。

本発明の積層型圧電振動子は、電極が形成された円板状の圧電板を積層し、表面に露出した上面表面電極と、前記上面表面電極が形成された面と対向する面に設けられた下面表面電極と、内部に閉じ込められた複数の内部電極を形成してなる積層型圧電振動子において、前記圧電板の中央部に形成されたビアホール内に充填された電極材により、前記上面表面電極と前記複数の内部電極のうち一部の内部電極との間が導通され、前記下面表面電極が圧電板の側面へ延長した電極を設けるとともに、前記延長した電極と前記複数の内部電極のうち残部の内部電極が接続されたことを特徴とする。このように、表面に形成された電極と内部に形成された電極を接続させる方法として、圧電板の中央部にビアホールを設け、電極材を注入し外周以外の部分で導通を得ている。

また本発明のバイモルフ型圧電アクチュエータは、本発明の積層型圧電振動子を弾性板の両面に接合してなることを特徴とする。

また本発明のユニモルフ型圧電アクチュエータは、本発明の積層型圧電振動子を弾性板の一方の面に接合してなることを特徴とする。

また本発明の積層型圧電振動子の製造方法は、電極が形成された円板状の圧電板を積層し、表面に露出した上面表面電極と、前記上面表面電極が形成された面と対向する面に設けられた下面表面電極と、内部に閉じ込められた複数の内部電極を形成する積層型圧電振動子の製造方法において、前記円板状の圧電板を形成する工程と、ビアホールとなる穴を中央部に有する前記円板状の圧電板を形成する工程と、前記圧電板に前記内部電極を形成する工程と、前記圧電板を積層し、前記ビアホールに電極材を注入し前記上面表面電極と前記複数の内部電極のうち一部の内部電極との間を導通し、前記下面表面電極が圧電板の側面へ延長した電極を設けるとともに、前記延長した電極と前記複数の内部電極のうち残部の内部電極を接続する工程とを有することを特徴とする。この工程により、積層工程での位置合わせを容易にして工程の簡素化をはかる。

以上説明したように本発明によれば、従来品に比べより容易な方法で積層型圧電素子を製造することができ、より安価で積層型圧電素子を提供できる。また、異極間距離（＋電極と−電極の接近部分の距離）を接着精度によらずコントロールでき長期使用でもショート不良が起きにくく信頼性の高い積層型圧電素子を提供することができる。

本発明の一実施の形態の積層型圧電振動子の断面図を図１に示す。本実施の形態では圧電セラミクスの上面表面電極１１と内部電極第１層９の間の圧電セラミクス層５５にビアホール１２を空けこの空間に銀ペーストなどの電極材を注入して導通を得る。このとき内部電極第２層１０は絶縁する必要があるため、このビアホール１２と接しないようにドーナツ状の電極を形成しておく。次に内部電極第２層１０と圧電セラミクス下面表面電極８を導通する際には、内部電極第２層１０は、圧電セラミクスの上面表面電極１１と内部電極第１層９の間の導通のためのビアホール１２の逃げの部分を確保しながら、一部または全部を圧電セラミクスの側面外側まで延長する。その上で圧電セラミクス下面表面電極８を延長して圧電セラミクス側面に露出している内部電極第２層１０に接続する。

このように圧電セラミクスの上面表面電極１１と内部電極第１層９とはセラミクス中央付近のビアホール１２内で接続し、内部電極第２層１０と圧電セラミクス下面表面電極８は圧電セラミクスの側面の表面電極から延長した電極で接続することでセラミック側面部に異極同士が混在しないようにすることができる。このため導体であるシム材に接着した場合に異極間の接触を防ぐためのシム材の逃げや電極の逃げを作る必要がなく、そのための位置決めが不要で工程が簡素化される。また、内部電極第２層１０をビアホール部以外では全面電極にした場合には圧電セラミック側面のどの部分からでも圧電セラミクス下面表面電極８と接続するための延長電極１３を形成することができるので延長電極１３の形成時の位置合わせが不要になり工程が簡素化される。さらに、側面に異極が混在せず電位的に等しいことで電界集中に伴う電気的疲労劣化や湿気の影響などによるイオンマイグレーションなどの絶縁低下を防ぐことができ信頼性も向上する。

次に本発明の一実施の形態のバイモルフ型圧電アクチュエータについて、上記の実施の形態の積層型圧電振動子２枚を使用して円板状バイモルフを構成する場合で説明する。内部電極が２層の円板状圧電振動子の場合、図１に示すように電極は、下から、（１）圧電セラミクス下面表面電極（図１の符号８に対応）、（２）内部電極第１層（符号９に対応）、（３）内部電極第２層（符号１０に対応）、（４）上面表面電極（符号１１に対応）のように構成されている。

圧電バイモルフは通常、シム材と呼ばれる弾性板を挟むようにして圧電振動子を貼り付ける構成である。本実施の形態の構成では弾性板に対して、上記の実施の形態の積層型圧電振動子を２枚用い、その(1)圧電セラミクス下面表面電極の側を、それぞれ、シム材に貼り付ける。この構成にすることで、２枚の圧電セラミクスの側面部分とシム材が同電位になるため、電極側面部分が短絡故障に至る確率が減り信頼性が向上する。圧電セラミクスの分極処理に関しては貼り付ける前に行っても、貼り付けた後に行っても良く、圧電材料の性質に合わせ、作業のやりやすい方法で行うことが望ましい。こうして、従来のバイモルフより容易に製造でき、信頼性の高いバイモルフ型圧電アクチュエータを得る。

次に本発明のユニモルフ型圧電アクチュエータの一実施の形態を説明する。上記の実施の形態の積層型圧電振動子を使用して円板状ユニモルフを構成する場合である。内部電極が２層の円板状圧電振動子の場合、図１のように電極を下から圧電セラミクス下面表面電極８、内部電極第１層９、内部電極第２層１０、上面表面電極１１とするように構成している。圧電ユニモルフは通常、シム材と呼ばれる弾性板に圧電振動子を貼り付ける構成であり、本実施の形態の構成では弾性板に対して、上記の実施の形態の積層型圧電振動子の圧電セラミクス下面表面電極８の側を貼り付ける。この構造にすることで、圧電セラミクスの側面部分とシム材が同電位になるため、電極側面部分が短絡故障に至る確率が減り信頼性が向上する。なお圧電セラミクスの分極処理に関しては貼り付ける前に行っても、貼り付けた後に行っても良く、圧電材料の性質に合わせ、作業のやりやすい方法で行うことが望ましい。こうして、従来のユニモルフより高信頼で製造が容易なユニモルフ型圧電アクチュエータを作製できる。

次に本発明の積層型圧電振動子の製造方法について、その一実施の形態を説明する。本発明の積層型圧電振動子の製造工程は、表面に形成された電極と内部に形成された電極を接続させる方法として、中心部にビアホールを設け、電極材を注入し導通を得る積層型圧電振動子の製造方法である。

内部電極が２層の積層型圧電セラミクス振動子を例に挙げて説明する。内部電極が２層の円板状圧電振動子を製造する場合、圧電セラミクス層は３層になる。図２に本発明の積層型圧電振動子の分解斜視図を示す。圧電セラミクス層を下から１４の第１層、１５の第２層、１６の第３層のように呼ぶ。各セラミック層は圧電セラミック粉末を溶剤と混合しスラリーにし、これをドクターブレード法でシート状に形成したものから円形に打ち抜いたものである。

第１層１４には外周径より少し小さくした内部電極第１層１７を形成する。第２層１５には中央部に電極材を注入するビアホール１９を構成する。またこのビアホール１９に接しないようにマージン（逃げ部分）を持たせた上で内部電極第２層１８を形成する。第２層１５の電極はセラミック外周まで達するサイズにする。第３層１６は電極を塗布していない圧電セラミック板で中央部にビアホール２０を空けている。各電極は円形に打ち抜いてから印刷しても、シートの状態で印刷し円形に打ち抜いても良い。

第１層１４、第２層１５、第３層１６を重ねて加熱しながら加圧し１枚の円板状の板にする。その後、高温で溶剤を揮発させ、さらに高温で焼成し圧電セラミック板を作製する。このセラミック板の上下面に電極を形成する。通常はＡｇペーストなどのペースト状の電極をスクリーン印刷などで塗布する。第３層１６の側の電極はビアホール２０が形成されておりこの内部にも電極材が充填されている必要がある。スクリーン印刷時に電極材が同時に充填される条件で製造されるのが望ましいが、充填が不十分な場合、別途電極材を注入する必要がある。さらに、第１層１４の外部の電極と、第２層１５に形成された内部電極第２層１８との接続を行うのに、まず第１層１４の外部（下面）の電極を延長して第２層１５のセラミック側面に内部電極第２層１８が露出している部分に接続させる。このセラミック板に塗布した電極を高温の焼成炉で焼き付けを行う。

次にこのセラミックをシム材に貼り付ける。シム材は一般的には金属板などを使用することが多く、その金属板にセラミック板を接着する。このとき、２枚のセラミック板ともビアホールの空いていない側の面をシム材に接着する。その後、上下の電極表面、シム材に電線を半田付けする。最後に上部電極表面〜シム材、シム材〜下部電極表面間にそれぞれ直流電圧を印加し分極処理を行う。

従来型の積層型圧電振動子の製造方法では、圧電セラミクス板内部に形成した電極の一部を延長し外部に露出させ、圧電セラミクス板外部に形成した電極の一部を延長し、さらに素子の外周部に内部電極と外部電極を接続する電極を設けて両電極を接続するが、その製造方法に比べ、一方の内部電極との接続はビアホールに電極材を注入して行うことで位置決め不要であり、もう一方の内部電極との接続は圧電セラミクス外周のいずれの部分からも接続可能で位置決め不要であり、焼成完了時点で内部電極の素子側面への露出位置を揃えたり研削したりする必要がないため製造上有効である。

次に本発明の実施例を挙げてさらに説明する。図３は、本発明のバイモルフ型圧電アクチュエータの実施例１の断面図であって、外形寸法は直径φ３５ｍｍ、厚さ０．９７ｍｍであり、２１及び２２は積層型圧電振動子である。圧電セラミクスにはＮＥＣトーキン製Ｎ−１７材を使用した。比誘電率は４２００、圧電定数はｄ_３１＝−２８０×１０^−１２ｍ／Ｖである。２３はシム材と呼ばれる中間層板であり本実施例では厚み０．２５ｍｍのリン青銅板を用いた。２４は圧電セラミクス下面表面電極、２７は上面表面電極でいずれも直径３３ｍｍのＡｇ電極が形成されている。２５は内部電極第１層で直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成されている。２６は内部電極第２層で円の中心部の直径φ３ｍｍを除き全面にＡｇ／Ｐｄ電極が形成されている。２８は上面表面電極と内部電極第１層を接続する電極材でビアホール内に充填されている。２９は圧電セラミクス下面表面電極と内部電極第２層２６を接続する延長電極で圧電セラミクス下面表面電極２４からＡｇ電極を延長して形成している。またシム材２３を挟んで対称となるようにもう一つの積層型圧電振動子が接着されている。上面表面電極２７には駆動電圧を供給するための電線３０ａが半田付けされている。同様にシム材を挟んで対称となる素子にも電線３０ｂが取り付けられ、シム材２３にも電線３１が取り付けられている。今回使用した積層型圧電振動子は３２に示す分極方向に分極処理がなされている。本実施例１では３０ａ，３０ｂの端子間を短絡し、３０ａ，３０ｂと３１間に交流電圧を印加するとバイモルフ全体が屈曲変形する。

引き続き本発明の実施例１の製造工程を説明する。まず図４は本発明の実施例１の積層型圧電振動子の分解斜視図である。本実施例では３層の圧電セラミックシートを積層して構成するがそれぞれの厚みは焼成上がりの寸法で１２０μｍの厚さになっている。図４の下から順に圧電シート第１層、第２層、第３層と定めると、圧電シート第１層目には２５の内部電極第１層として直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成されている。圧電シート第２層には２６の内部電極第２層が円の中心部の直径φ３ｍｍを除き全面にＡｇ／Ｐｄ電極が形成されており、この内側に直径１ｍｍの穴が空いている。圧電シート第３層には中央部に直径１ｍｍの穴が空いている。この３層を加熱加圧すると熱接着された状態になる。これを５５０℃、６時間で脱バインダ処理、１２００℃で２時間焼成を行うと円板状の圧電セラミクス板になる。

図５は本実施例１での焼成上がりの圧電セラミクスを示す斜視図である。この焼成上がりの圧電セラミクスに下面表面電極２４と上面表面電極２７を塗布する。この上面表面電極塗布時に前記圧電シート第３層、圧電シート第２層に空けた穴に電極が流れ込み上面表面電極２７と内部電極第１層が接続される。さらに下面表面電極から電極を延長させ圧電素子側面に回し込み内部電極第２層２６（図４参照）に接続させる。内部電極第２層２６は圧電セラミクス板全周に露出しているためどの部分からでも取り出しが可能である。こうして、本実施例１の積層型圧電振動子を作製した。

図６は本発明の実施例１のバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図である。３５はシム材であり直径φ３７ｍｍ、厚み２５０μｍのリン青銅板である。このシム材に前記の実施例１の積層型圧電セラミクス振動板（積層型圧電振動子）を接着する。積層型圧電セラミクス振動板の下面表面電極側をそれぞれシム材に接着する。圧電セラミクス振動板のθ方向の位置合わせは不要で側面の延長電極の位置はどの方向でもかまわない。今回はエポキシ系の接着剤を塗布し２ｋｇ／ｃｍ^２で加圧しながら１３０℃、１時間熱硬化させ接着した。接着剤の種類は今回の実施例１で用いた熱硬化型の接着剤だけでなく、瞬間接着剤や嫌気型接着剤など他のものでも構わない。

（比較例）ここで比較のために作製した従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータについて説明する。図８は従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの断面図であって、本発明の実施例１と同様に外形寸法は直径φ３５ｍｍ、厚さ０．９７ｍｍであり、３３及び３４は従来型の積層型圧電振動子である。圧電セラミクスにはＮＥＣトーキン製Ｎ−１７材を使用した。比誘電率は４２００、圧電定数はｄ_３１＝−２８０×１０^−１２ｍ／Ｖである。３５はシム材と呼ばれる中間層板であり、厚み０．２５ｍｍのリン青銅板を用いた。３６は圧電セラミクス下面表面電極、３７は上面表面電極でいずれも直径３３ｍｍのＡｇ電極が形成されている。３８は内部電極第１層であり直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成され、その一部はセラミック側面方向に延長されている。３９は内部電極第２層であり直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成され、その一部は３８の内部電極第１層の場合とは反対方向のセラミック側面方向に延長されている。４０は圧電セラミクス下面表面電極と内部電極第２層を導通させる延長電極で下面表面電極からＡｇ電極を延長して形成している。同様に４１はセラミクス板の上面表面電極３７と内部電極第１層３８を導通させる延長電極で上面表面電極３７からＡｇ電極を延長して形成している。またシム材３５を挟んで対称となるように、もう一つの積層型圧電振動子が接着されている。上面表面電極３７には駆動電圧を供給するための電線４２ａが半田付けされている。同様にシム材３５を挟んで対称となる素子部にも電線４２ｂが取り付けられている。さらにシム材３５にも電線４３が取り付けられている。今回使用した積層型圧電振動子は４４に示す分極方向に分極処理がなされている。この構成で電線４２ａ，４２ｂの端子間を短絡し、電線４２ａ，４２ｂと電線４３との間に交流電圧を印加するとバイモルフ全体が屈曲変形する。

従来型の積層型圧電振動子に使用するシム材３５はその周辺の一部に逃げ凹部４５を設けている。これは上面表面電極３７と内部電極第１層３８を接続するための延長電極４１が、導体であるシム材３５を介して圧電セラミクス下面表面電極３６と接触し、表面電極間が短絡し圧電振動子として機能しなくなることを防ぐためである。

さらに比較のために、従来型の積層型圧電振動子の製造工程を説明する。図９は、従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図である。本例は３層の圧電セラミックシートを積層して構成するがそれぞれの厚みは焼成上がりの寸法で１２０μｍの厚さになっている。図９の下から順に圧電シート第１層、第２層、第３層と定めると、圧電シート第１層目には内部電極第１層３８として直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成されている。圧電シート第２層目には内部電極第２層３９として直径φ３３ｍｍのＡｇ／Ｐｄ電極が形成されている。圧電シート第３層には電極は印刷されていない。これらの圧電シートを加熱加圧すると熱接着された状態になる。これを５５０℃、６時間で脱バインダ処理後、１２００℃で２時間焼成を行うと円板状の圧電セラミクス板になる。この焼成上がりの圧電セラミクス板に下面表面電極と上面表面電極を塗布する。さらに圧電セラミクス下面表面電極３６（図８参照）のセラミック側面方向への延長した露出部分から電極を延長させ圧電素子側面に回し込み内部電極第２層３９に接続させる。同様にして、上面表面電極３７（図８参照）のセラミック側面方向への延長した露出部分から電極を延長させ圧電素子側面に回し込み内部電極第１層３８に接続させる。この電極の側面への露出部分の確認は目視の判断によるか、積層工程時に露出部の向きが分かるような目印を付けておく等の必要があり工程を煩雑にしている。

図１０は従来型の積層型圧電振動子を用いたバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図である。３５はシム材であり直径φ３７ｍｍ、厚み２５０μｍのリン青銅板である。このシム材には上面表面電極からの接続用延長電極とシム材との接触・導通を回避するために４５の逃げ凹部を設けている。このシム材３５の両側に従来型の積層型圧電振動子を接着する。圧電セラミクス振動板（積層型圧電振動子）の上面表面電極側から側面への延長電極がシム材３５と接触、導通することを回避するために設けた逃げ凹部４５に一致するようにθ方向の位置合わせが必要になる。下側に接着する積層型圧電振動子についても同様の位置合わせが必要である。今回はエポキシ系の接着剤を塗布し２ｋｇ／ｃｍ²で加圧しながら１３０℃、１時間熱硬化させ接着した。

表１に本発明の実施例１と従来型の積層型圧電振動子の性能を比較して示す。それぞれバイモルフ形状に構成した状態で比較すると、素子の形状は全く同等である。それぞれのバイモルフを直径φ３５ｍｍのＯリングで上下から周辺固定する。それぞれの積層型圧電振動子の表面電極同士を短絡し、表面電極〜シム材間に３５Ｖｒｍｓ／５０Ｈｚの交流電圧を印加して圧電バイモルフの中心変位量を測定した。

この結果、中心変位量は従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータも本発明の実施例１のものも同等であり、性能に違いがないことが確認された。

次に本発明の実施例１と従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの工程歩留まりと信頼性の比較を行った。本発明の実施例１と従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータをそれぞれ５００個ずつ製造し、工程歩留まりを比較した。表２にその結果を示す。

積層型圧電振動子までの素子製造工程では差が見られないが従来型の積層型圧電振動子ではバイモルフに接着した後ショート不良が発生していた。原因は貼り付け時の位置ずれ等による側面延長電極とシム材の短絡であった。より精度の高い位置決めを行うことで改善の余地はあるが、加熱硬化時の治具が大型になったり高価になったりと問題が大きく、本発明の位置決め不要な構造が有利なことが確認された。

次に本発明の実施例１と従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの信頼性の比較を行った。本発明の実施例１と従来型のサンプルをそれぞれ１０個ずつ８５℃、８５％ＲＨの恒温高湿槽に入れ、２つの積層型圧電振動子の表面電極同士を短絡し、表面電極〜シム材間に３５Ｖｒｍｓ／５０Ｈｚの交流電圧を印加して圧電バイモルフを連続動作させ特性劣化を確認した。表３にその結果を示す。

従来型のサンプルでは１０００時間後では半分以上で電極間のショート故障が発生し動作しなくなった。本発明の実施例１のサンプルでは不具合は確認されなかった。故障したサンプルの調査を行うとシム材の逃げ凹部と延長電極近傍でショート痕が確認された。これはこの部分の絶縁距離が部分的に短くなっており、この部分に電界が集中し絶縁抵抗の低下をもたらし、最終的にショート故障を起こしたものと考えられる。これに対し本発明の実施例１では電位差が生じているのは上面表面電極と下面表面電極から延長した側面電極部分との間であるが上面表面電極と側面部分で十分な絶縁距離を持たせることができコントロールが容易で、目視の確認も容易なことから構造面からも検査の面からも同種の不具合に対して強固な構造であるといえる。

上記のように従来型の積層型圧電振動子ではバイモルフにするための接着工程で非常に高い位置決め精度が要求され、歩留まりの向上やコストダウンの妨げになっていたが、本発明によれば微妙な位置決めが不要で安価で信頼性の高いバイモルフ型圧電アクチュエータを提供できる。ところで、ユニモルフ型圧電アクチュエータの場合にも、本発明の積層型圧電振動子を用いその下面表面電極を接着面としてシム材との接着を行えば、シム材を介した電極間の短絡を防止できるので、歩留まりの向上やコストダウンに寄与できる。

本発明の積層型圧電振動子の断面図。本発明の積層型圧電振動子の分解斜視図。実施例１のバイモルフ型圧電アクチュエータの断面図。実施例１の積層型圧電振動子の分解斜視図。実施例１での焼成上がりの圧電セラミクスを示す斜視図。実施例１のバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図。従来型の積層型圧電振動子の断面図。従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの断面図。従来型のバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図。従来型の積層型圧電振動子を用いたバイモルフ型圧電アクチュエータの分解斜視図。

符号の説明

１，８，２４，３６圧電セラミクス下面表面電極
２，９，１７，２５，３８内部電極第１層
３，１０，１８，２６，３９内部電極第２層
４，１１，２７，３７上面表面電極
５，５５圧電セラミクス層
６，７，１３，２９，４０，４１延長電極
１２，１９，２０ビアホール
１４第１層
１５第２層
１６第３層
２１，２２，３３，３４積層型圧電振動子
２３，３５シム材
２８電極材
３０ａ，３０ｂ，３１，４２ａ，４２ｂ，４３電線
３２，４４分極方向
４５逃げ凹部

Claims

電極が形成された円板状の圧電板を積層し、表面に露出した上面表面電極と、前記上面表面電極が形成された面と対向する面に設けられた下面表面電極と、内部に閉じ込められた複数の内部電極を形成してなる積層型圧電振動子において、前記圧電板の中央部に形成されたビアホール内に充填された電極材により、前記上面表面電極と前記複数の内部電極のうち一部の内部電極との間が導通され、前記下面表面電極が圧電板の側面へ延長した電極を設けるとともに、前記延長した電極と前記複数の内部電極のうち残部の内部電極が接続されたことを特徴とする積層型圧電振動子。
請求項１記載の積層型圧電振動子を弾性板の両面に接合してなることを特徴とするバイモルフ型圧電アクチュエータ。
請求項１記載の積層型圧電振動子を弾性板の一方の面に接合してなることを特徴とするユニモルフ型圧電アクチュエータ。
電極が形成された円板状の圧電板を積層し、表面に露出した上面表面電極と、前記上面表面電極が形成された面と対向する面に設けられた下面表面電極と、内部に閉じ込められた複数の内部電極を形成する積層型圧電振動子の製造方法において、前記円板状の圧電板を形成する工程と、ビアホールとなる穴を中央部に有する前記円板状の圧電板を形成する工程と、前記圧電板に前記内部電極を形成する工程と、前記圧電板を積層し、前記ビアホールに電極材を注入し前記上面表面電極と前記複数の内部電極のうち一部の内部電極との間を導通し、前記下面表面電極が圧電板の側面へ延長した電極を設けるとともに、前記延長した電極と前記複数の内部電極のうち残部の内部電極を接続する工程とを有することを特徴とする積層型圧電振動子の製造方法。