JPH01161882A - 積層圧電アクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は積層圧電アクチュエータ素子の製造方法に係
り、特に生産性、信頼性に優れる積層圧電アクチュエー
タ素子の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

メカトロニクス機器の急速な発展に伴い、この分野で使
用されるアクチュエータが注口されてきている。現在過
半のアクチュエータは電磁力で駆動されているため消費
電力が大きい１発熱する１電磁ノイズを発生するなどの
問題があり、これに変わるアクチュエータの開発が望ま
れている。これに対し圧電セラミックスの電界誘起歪み
を利用するアクチュエータは、本質的に電磁式アクチュ
エータの有する欠点を克服できるばかりか、小形。

軽量化が可能であり、さらにセンサ機能も兼備できると
いう特徴をもっている。

圧電式アクチュエータとしては、バイモルフ型が古くか
ら知られている。バイモルフ変位素子は圧電板を２枚貼
り合わせた構造で、圧電板を接着剤で貼り合わせるだけ
という容易な製造工程に加えて変位量が大であるので、
従来量も汎用されている形式であるが応答周波数が低い
１発生力が小さいなどの欠点がある。このため最近のマ
イクロメカトロニクスおよびエレクトロニクス分野で使
用するアクチュエータとしては特性的に不十分なもので
ある。

これを改良したものとしてその両面に電極を形成した多
数の圧電セラミックス板を積層し、電圧を板を電気的に
並列接続した形状の積層圧電アクチュエータ素子（スタ
ック型）が提案されている。

このアクチュエータ素子は、バイモルフ型に比べて応答
速度が速い２発生力も大きく取れる。かつ位置決めの精
度が高いなどのすぐれた特徴をもっており各分野での応
用が期待されている。

本アクチュエータ素子は、通常以下の工程で製造される
。まず高い圧電歪定数（ｄｓ３）を有するＰｂＴｉ０ｓ
−ＰｂＺｒＯｓ−Ｐｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）０＊あるいはＰｂ
Ｔｉ０ｓ−ＰｂＺｒＯ３−Ｐｂ（ンｇ、Ｎ１）Ｏ，系圧
電セラミックス等の粉末を原料として成形・焼成・研磨
などによって厚さ０．５ｆ１前後の圧電セラミックス薄
板を得、この圧電セラミックス薄板の表裏面に銀ペース
トを塗布後焼成して銀電極を形成させる。このあと内部
電極としての金属薄板と両面に電極を有する圧電セラミ
ックス薄板を交互に所要枚数積層し、これをボルト締め
などの手段によって固定して積層体とする。

さらに前記金属薄板の一部を圧電セラミックス板の一層
おきに側面にとり出し、これをハンダ付けなどによって
接続し、電圧印加用の外部電極とすることにより積層圧
電アクチュエータ素子を得ていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記のような積層圧電アクチュエータ素子
の製造方法にあっては次のような問題点がある。

（１）内部電極として金属薄板を使用しているため、圧
電セラミックスで生じた発生力が緩和しやすい。

また金属薄板を折曲げこれを接続して外部電極としてい
るためそれが接触して短絡を生じやすい。

（２）ボルト締めなどの手段によって、圧電セラミック
ス仮と金属薄板の積層体を固定するため、その締付力の
相違によってアクチュエータとしての特性が変化し、か
つ締付不良によって圧電セラミックス板が破損しやすく
製造歩留りが低下しやすい。

この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は圧電セ
ラミックス体の積層方法や、積層された圧電セラミック
ス体への電圧供給方法に改良を加えて生産性、信頼性に
優れる積層圧電アクチュエータ素子の製造方法を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

１）積層された圧電セラミックス体とその間に埋込まれ
た平行な複数個の平面状内部電極層とを備えるとともに
この内部電極層に交互に異なる極性の電圧を印加して内
部電極層間の圧電セラミックス体を機械的に伸縮させる
積層圧電アクチュエータ素子の製造方法において、 （イ）圧電セラミックス体の片面または両面の全表面に
導電材料を被着させたものを所定枚数積層して熱処理を
行い、圧電セラミックス体間に内部電極層が挟持されか
つその周縁部が露出する積層された圧電セラミックス体
を形成する工程と、（ロ）露出した内部電極層の一層お
きに内部電極層の露出部分を部分的に穿削してスリット
の列を形成する工程と、 （ハ）前記工程で形成されたスリットの列を含む積層さ
れた圧電セラミックス体の表面に電気絶縁材料を被着さ
せて表面被覆層を形成する工程と、（ニ）表面被覆層を
研磨して、露出した内部電極層とスリットに埋込まれた
絶縁層とが圧電セラミックス体を介して交互に並ぶ外部
１！極用下地面を形成する工程と、 （ホ）外部電極用下地面の上に導電材料を被着させ、研
磨により露出した内部電極層と電気的に接続する外部電
極を形成する工程とを備えることにより達成される。

圧電セラミックス材料としてはＰｂＴｉ０ｓ−ＰｂＺｒ
Ｏｓ−Ｐｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）Ｏｓ系セラミックスやＰｂＰ
ｂＴｉ０５−ＰｂＺｒ０ｓ−Ｐｂ（、Ｎ１）０３系セラ
ミツクス等が使用される。圧電セラミックス体は円板状
、方形板状等、形状を問わない、積層された圧電セラミ
ックス体は円板状あるいは方形板状等の板状の圧電セラ
ミックス焼結体の片面または両面の全面にわたり例えば
銀ペーストのような導電材料を塗布乾燥し、これを所定
枚数積層して焼成することによって形成することができ
る。導電材料としては導電性テープも用いることができ
る。このとき内部電極層は積層された圧電セラミックス
体の表面にその周縁部が相互に平行な状態で露出する。

内部電極層の周縁部の露出した部分につきその周縁方向
の一部が穿削されスリットが形成される。スリットの穿
設は積層された圧電セラミックス体の表面上において内
部電極層の一層おきになされ、スリットの列が形成され
る。スリットの穿設は積層された圧電セラミックス体の
積層方向に直角に形成される。

このようにして形成されるスリットの列は分離して２系
列設けられる。この２系列は相異なる外部電極に対応す
る。この２系列は内部電極層に関して相互に一層だけず
れる形で形成される。

２つのスリットの系列の分離の形態は、積層された圧電
セラミックス体の表面上で分離しておればよく、必ずし
も対向した位置に設けることは必要でない。列が相互に
交錯していなければよい。

表面被覆層は例えばエポキシ樹脂等の有機高分子電気絶
縁材料を用い浸漬、ハケ塗り、スプレー等の手法を用い
て形成することができる０表面被覆層は積層された圧電
セラミックス体の全表面に形成してもよく、スリットの
列が形成されている部分だけでもよい、この際スリット
の列にはさまれた露出した内部電極層も電気材料で被覆
される。

表面被覆層の形成に際して、スリットの内部にも電気絶
縁材料が埋込まれる。表面被覆層を研磨してい（と、や
がて圧電セラミックス体の表面があられれる。このとき
スリットを穿設した部分は埋込まれた絶縁体が絶縁層と
して露出するのみで内部電極層はあられれない、スリッ
トを穿設しなかった内部電極層の部分は内部電極層があ
られれる。

このようにして圧電セラミックス体を介してスリットに
埋込まれた絶縁層と、露出した内部電極層とが交互に並
ぶ面が形成される。この面は外部電極用下地面となる。

この外部電極用下地面は、表面被覆層によって囲まれて
いてもよい、外部電極は例えば導電ペーストの塗布によ
ってこれを形成することができる。外部電極は表面被覆
層の研磨によって露出した内部電極層と電気的に接続す
る。

このような外部電極は２つ設けられる。それぞれの外部
電極には異なった極性の電圧が印加されるので圧電セラ
ミックス体の内部電極層には交互に異なった極性の電圧
を印加されるようになる。

〔作用〕

圧電セラミックス体に被着させた導電材料は内部電極層
として機能するとともに熱処理により圧電セラミックス
体を相互に接着させる。積層された圧電セラミックス体
に表面被覆層を設けると、スリット内部へ電気絶縁材料
が埋込まれる。表面被覆層を所定厚さで研磨するとスリ
ットの形成されない内部電極層のみが露出され、スリッ
トの形成された内部電極層は絶縁層によって被覆された
状態となる。２つの外部電極が積層された圧電セラミッ
クス体の表面に分離固定されるので外部電極相互の接触
はおこらない。

（実施例〕 次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する０本発
明で使用する圧電セラミックス材料はｐｂＴＩＯｓ　　
ＰｂＺｒＯｓ　　Ｐｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）Ｏｓの組成を有す
るセラミックスである。このセラミックス材料の粉末を
プレス成形し１２５０℃の温度で２時間焼成する。得ら
れた焼結体を研磨して０，５鶴の厚さにする。形状は１
５ｕｘ１５Ｍの方形状薄板である。

上記の方法で得られた圧電セラミックス体１１の片面ま
たは両面に第１図のｆａ）に示すように、全面にわたっ
て導電性テープ１０を貼着する０次に導電性テープの貼
着された圧電セラミックス体１１を所要枚数（例えば７
０枚）積層し、２００℃の温度で３０分間熱処理する。

この工程で導電性テープは硬化して内部Ｔ４極Ｎ１２に
なると共に各圧電セラミックス体は強固に接合され、第
１図の伽）に示すような積層された圧電セラミックス体
が得られる。導電性テープの貼着と熱処理による内部電
極の形成は短時間にかつ簡易になされ、アクチュエータ
素子製造の生産性と経済性を高める。また末法による圧
電セラミックス体１１の接合の歩留りは良好でこれも素
子製造の生産性と経済性を高める。

熱処理に続いて第１図の（Ｃ１に示すように、積層され
た圧電セラミックス体の上面に対して内部電極層１２の
一層おきに内部電極層の露出した部分を穿削してスリッ
ト１３Ａを設ける。スリットのサイズは幅が１０μ乃至
５０ｎ、深さは約５０−である。ピンチは約１鶴である
。スリットの形成はグイシングソウを用いて行なうこと
ができる。積層された圧電セラミックス体の下面にも同
様にしてスリット１３Ｂが設けられる。スリット１３Ｂ
の列はスリット１３Ａの列と内部電極層１２に関し一層
だけ互いにずれる。このスリットの穿削は高精度にこれ
を行うことができるので電気的接続を要しない内部電極
層の露出部分を確実になくすことができ、内部電極層同
志の短絡の問題を回避させ、アクチュエータ素子製造の
信鎖性を向上させる。

スリットの穿削に続いて第１図の（ｄ）に示すように表
面被覆層１４Ａ、　１４Ｂが設けられる。表面被覆層１
４Ａ、　１４Ｂはスリット１３Ａ、　１３Ｂに電気絶縁
材料を埋込むために行われる。この埋込は前述のスリッ
トサイズにより確実で、内部電極層の短絡を防ぎ素子の
信頌性を増す１表面被覆層１４Ａ、　１４Ｂは積層され
た圧電セラミックス体の上面と下面に全表面にわたって
形成される０表面被覆層の材料としては例えばエポキシ
樹脂が用いられる。これは刷毛塗で約５０ｕ厚に形成さ
れる。樹脂硬化は１５０℃、３０分間の熱処理により行
われる。

表面被覆層を形成したあと、表面被覆層１４Ａ、１４Ｂ
の平面研磨が行われる。この研磨は厚さ約７０　ｐｆｆ
Ｉ行われる。このときスリット１３Ａ、　１３Ｂ内に埋
込まれたエポキシ樹脂からなる絶縁層１５Ａ、　１５Ｂ
が露出する。圧電セラミックス体とスリットの穿設され
なかった内部電極層１２も露出した状態となる。このよ
うにして第１図の＋ｅ）に示すような外部電極用下地面
１６Ａ、１６Ｂ（１６Ｂは図示しない）が形成される。

外部電極用下地面１６Ａは絶縁層１５Ａと圧電セラミッ
クス体１１と内部電極層１２とが露出する面である。

外部電極用下地面１６Ｂは絶縁層１５Ｂと圧電セラミッ
クス体１１と内部電極層１２が露出する面である。

外部電極用下地面１６Ａ、１６Ｂに対して第１図のｆｆ
ｌに示すようにそれぞれ外部電極１７Ａ、　１７Ｂが形
成される。外部電極１７Ａ、　１７Ｂはｌｌｕ、　Ａｇ
、Ｐｔ、　Ｐｄ、　Ｃｕまたはこれらの合金を含んだ導
電ペーストを塗布乾燥して焼付けることによって形成さ
れる。導電ペーストの塗布は、印刷、刷毛塗りなどの方
法を用いることができる。この際外部電極は表面被覆層
の研磨により露出した内部電極層とのみ電気的に接続す
る。絶縁層１５Ａ、　１５Ｂは電気的接続を要しない内
部電極層を確実に電気的に絶縁し、内部電極層同志の短
絡を完全に防止する。また外部電極１７Ａ。

１７Ｂは圧電セラミックス体１１の表面に固定されるの
で外部電極１７Ａ、１７Ｂ間の短絡もなくなりアクチュ
エータ素子の信転性が向上する。このようにして内部電
極層１２の一層おきに所定の極性の電圧を確実に印加す
ることが可能となる。

以上の方法で製造した積層圧電アクチュエータ素子に４
００■の直流電圧を印加して変位を調べると、２３−で
あることがわかる、またこの際の発生力は２１０Ｋｇで
ある。この変位量１発生力は同一の印加電圧で比較する
と従来のものと同等乃至それ以上である。さらにアクチ
ュエータ素子として具備すべき誘導損失、引張強度、抗
折強度、温度特性、静電容量等の性能も使用上問題がな
いことが確認された。

なお以上の実施例においては圧電セラミックス体は方形
のものを使用しているが円板状のものを用いてもよく、
この際表面被覆層の研磨は円筒研磨によって行うことが
できる。第２図の（ａｌに円板状の圧電セラミックス体
を使用したアクチュエータ素子の平面図、　（ｂｌに模
式中央切断面図を示す。

〔発明の効果〕

この発明によれば積層された圧電セラミックス体とその
間に埋込まれた平行な複数個の平面状内部電極層とを備
えるとともにこの内部電極層に交互に異なる極性の電圧
を印加して内部電極層間の圧電セラミックス体を機械的
に伸縮させる積層圧電アクチュエータ素子の製造方法に
おいて、（イ）圧電セラミックス体の片面または両面の
全表面に導電材料を被着させたものを所定枚数積層して
熱処理を行い、圧電セラミックス体間に内部電極層が挟
持されかつその周縁部が露出する積層された圧電セラミ
ックス体を形成する工程と、（ロ）露出した内部電極層
の一層おきに内部電極層の露出部分を部分的に穿削して
スリットの列を形成する工程と、 （ハ）前記工程で形成されたスリットの列を含む積層さ
れた圧電セラミックス体の表面に電気絶縁材料を被着さ
せて表面被覆層を形成する工程と、（ニ）表面被覆層を
研磨して、露出した内部電極層とスリットに埋込まれた
絶縁層とが圧電セラミックス体を介して交互に並ぶ外部
電極用下地面を形成する工程と、 捧）外部電極用下地面の上に導電材料を被着させ、研磨
により露出した内部電極層と電気的に接続する外部電極
を形成する工程とを備えるので導電材料の焼付は時の接
着作用により圧電セラミックス体を歩留りよく積層する
ことができ素子の生産性が向上する。また露出した内部
電極層に対して選択的にスリットを穿設すること、露出
した内部電極層とスリットを含む面に対して電気絶縁材
料からなる表面被覆層を形成しかつ研磨することにより
スリットを形成した内部電極層はこれを確実に絶縁する
ことができ、スリットを形成しない内部電極層には外部
電極と導通させ、所望の電圧を供給できる。外部電極は
これを積層された圧電セラミックス体表面に分離固定す
るので外部電極相互の接触がなくなり素子の信頼性が高
まる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ〜（ｆｌは夫々この発明の実施例に係る積
層圧電アクチュエータ素子の製造工程を示す説明図、第
２図は圧電セラミックス体の形状を異にする積層圧電ア
クチュエータ素子の２面図である。 １１：圧電セラミックス体、１２：内部電極層、１３Ａ
。 １３Ｂニスリツト、１４Ａ、　１４Ｂ：表面被覆層、１
５Ａ。 １５Ｂ：絶縁層、１６Ａ、　１６８：外部電極用下地面
、１７Ａ、　１７Ｂ：外部電極。 １１　圧電ｔ２ミｙ７スイト く 第１図 第１図 第１図 ／１４Ａ東面７椋−覆漫 ＼ ＼１、 ゛＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）積層された圧電セラミックス体とその間に埋込まれ
   た平行な複数個の平面状内部電極層とを備えるとともに
   この内部電極層に交互に異なる極性の電圧を印加して内
   部電極層間の圧電セラミックス体を機械的に伸縮させる
   積層圧電アクチュエータ素子の製造方法において、 （イ）圧電セラミックス体の片面または両面の全表面に
   導電材料を被着させたものを所定枚数積層して熱処理を
   行い、圧電セラミックス体間に内部電極層が挟持されか
   つその周縁部が露出する積層された圧電セラミックス体
   を形成する工程と、 （ロ）露出した内部電極層の一層おきに内部電極層の露
   出部分を部分的に穿削してスリットの列を形成する工程
   と、 （ハ）前記工程で形成されたスリツトの列を含む積層さ
   れた圧電セラミックス体の表面に電気絶縁材料を被着さ
   せて表面被覆層を形成する工程と、（ニ）表面被覆層を
   研磨して、露出した内部電極層とスリットに埋込まれた
   絶縁層とが圧電セラミックス体を介して交互に並ぶ外部
   電極用下地面を形成する工程と、 （ホ）外部電極用下地面の上に導電材料を被着させ、研
   磨により露出した内部電極層と電気的に接続する外部電
   極を形成する工程とを備えることを特徴とする積層圧電
   アクチュエータ素子の製造方法。