JPH02119190A

JPH02119190A - 積層型圧電電歪素子

Info

Publication number: JPH02119190A
Application number: JP63270876A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kumamoto; 憲二熊本; Masaki Ishimori; 正樹石森; Mineo Ishii; 峰雄石井; Mutsuo Munekata; 宗片　睦雄
Original assignee: Onoda Cement Co Ltd
Current assignee: Onoda Cement Co Ltd
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1990-05-07
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: JP2779182B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は内部電極層形状に特徴を有する積層型圧電電歪
素子に関する。

［従来の技術・課題］本明細書に記載する圧電電歪素子は電界中で歪みを誘起
する誘電体、強誘電体の変位素子である。

一般に、圧電体に歪を誘起させるためには、１ｍｍ当た
り数千ボルトにも及ぶ大きな電界が必要である。このた
め圧電焼結体を数百ミクロンまで薄肉化し、この両面に
内部電極層を配して大きな電界強度を得ている。

しかしながら、このような大きな電界でも、誘起される
歪による変位量は素子の厚みの０．１％程度に過ぎない
。このため、ｇｌＦＩ化した圧電焼結体を多数積層して
変位量を大きくしている。

積層型圧電電歪素子を内部電極層構造で大別すると、エ
ンドマージンの有無により積層コンデンサー型と特開昭
５８−１９６０７４号公報に開示されるような全面内部
電極型に分かれる。

全面内部電極型は内部電極層材料である銀、パラジウム
、白金等の柔らかい金属で接合しているために、積層素
子の引張り強度が小さく、破壊され易い、また、内部電
極層が両端に露出しているため、長期間使用している間
に端面で金属がマイグレーションを起こし、絶縁不良を
生じ易い。

更に、外部電極を形成する際には、内部電極層を−層お
きに電気泳動法、スクリーン印刷法によりガラス等で絶
縁処理する必要がある。しかし、これらの方法では隣接
する内部電極層の間隔が１００μ輪以下になると、−層
おきに絶縁処理するのが非常に困難となり、絶縁不良、
外部電極との接続不良が急増する。

一方、積層コンデンサー型の素子は上述のような欠点は
無く、引張り強度が大きく、マイグレーションも起こら
ない、また、圧電素子の薄肉化（１００μ−以下）への
対応が可能である。

しかしながら、積層コンデンサー型の内部電極層で積層
型圧電歪素子を作製すると、内部電極周辺部で電極の存
在する部分と、不在の部分により歪みが生ずる部分と生
じない部分ができ、その境界で大きな応力が発生する。

これが反復されると、圧電電歪素子が疲労破壊に至ると
いう欠点を有している。

また、積層コンデンサー型の素子では、内部電極層がな
い周辺部は歪が生じないなめ、これが積層型圧電電歪素
子の変位を抑制してしまう。

従って、本発明の目的は前述の欠点をなくし、電界誘起
歪による内部応力を緩和することにより、疲労破壊が起
こらず、圧電電歪特性にも優れた積層コンデンサー型の
内部電極層形状を有する積層型圧電電歪素子を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段〕即ち、本発明は圧電体層と内部電極層とを交互に有する
積層型圧電電歪素子において、内部電極層周辺部で電界
強度が連続的に小さくなる部分を設けたことを特徴とす
る積層型圧電電歪素子に係る。

［作　用］本発明の８層層型圧電電歪素子（以下、積層型素、子と
記載する）は内部電極層周辺部で電界強度が連続的に小
さくなる部分を設けたことに特徴があり、内部電極層周
辺部で電界強度が連続的に小さくなる部分を設けるには
、内部電極の外周形状が三角波状、サイン波状またはの
こぎり波状の周期性を有し、隣接する内部電極層がそれ
ぞれ互いの波の頂点と谷部で重なり合うようにするのが
好ましい。

以下、本発明の積層型素子を内部電極層が三角波状の周
期性を有し、隣接する内部電極層がそれぞれ互いの波の
頂点と谷部で重なり合うようにし、内部電極周辺部で電
界強度を連続的に小さくした例につき更に説明する。

まず、任意の圧電材料のグリーンシート（厚さ１０〜１
００μｍ程度）を作製する０本発明の積層型素子の構成
材料は特に限定されるものではなく、慣用の任意の圧電
材料を使用することができる。

次に、前記グリーンシート上に慣用の方法により内部電
極層のパターンを印刷する。内部電極層のパターンは外
周形状が三角波状の周期性を有し且つこのパターンを１
８００回転させて重ねると、一方のパターンの波の頂点
が他方のパターンの波の谷部と、一方のパターンの波の
谷部と他方のパターンの波の頂点が重なり合うような形
状でとなっている。また、各内部電極層のパターン中に
は外部電極を取り出すための部位を設ける必要がある。

なお、内部電極層のパターンの１例を以下の実施例１及
び２に使用する第１図に記載する。

内部電極層の材質は特に限定されるものではなく、例え
ば白金、銀−パラジウム等の材質を使用することができ
る。また、内部電極の厚さは通常５〜１５μｍ程度であ
る。

次に、内部電極層を印刷した圧電材料のグリーンシート
を所定の寸法に切断し、該グリーンシートを所定枚数積
層し、圧着する。この際に、隣接する各層の内部電極層
のパターンが１８０°の角度で相対するように配置する
（例えば第２図参照）。

このようにして積層した積層体を慣用の操作により焼成
して積層焼結体とする。得られた積層焼結体には例えば
第３図に示すように１層おきに相対する位置に積層焼結
体の側面まで内部電極層が延び、外部電極を取り出せる
ようになっている。

この部分を例えば銀等を焼き付けることにより外部電極
を形成して内部電極層を１７１おきに接続すれば本発明
の積層型素子を得ることができる。

このような内部電極層構造をもつ積層型素子は内部電極
層周辺部で電界強度が連続的に小さくなリ、これに対応
して誘起される歪量が連続的に小さくなるため、積層型
素子を破壊するような大きな内部応力が境界部で発生し
なくなり、素子の耐久性を向上させることができる。

また、従来、変位が生じなかった内部電極層の周辺部に
も歪が誘起されるため、素子の変位を抑制する力が緩和
され、圧電電歪特性も向上する。

［実　施　例］以下、本発明の積層型圧電電歪素子を実施例により更に
説明する。

丸１１Ｌチタン酸ジルコン酸鉛の鉛の一部をストロンチウムで置
換した圧電材料を用いて積層型圧電電歪素子を作製した
。この圧電材料は圧電特性、絶縁性に優れ且つ脱分極し
にくいため積層型の圧電変位素子に適した材料である。

なお、この圧電材料の組成は（Ｐｂ、５ｒ）（Ｚｒ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ）Ｏｚである。この材料の仮焼成粉末を約１μ
輪まで扮砕した後、有機バインダー、消泡剤及び解膠剤
を加えてスラリーとした。

このスラリーを真空脱泡後、有機フィルム上にドクター
ブレード法により４０μｍ厚に成形した。

得られたグリーンシートをフィルムから剥離し、白金ペ
ーストで第１図に示す形状の内部電極層を印刷した後、
５Ｘ５ｍｍの形状に打抜いた。

ここで、第１図に示す内部電極層はその周辺部が三角波
状となっており、１８０°回転させて重ね会わせると、
隣接する内部電極層の波の頂点と谷部が重なり合うよう
になっている。なお、波長（λ）は１．０ｍｍ、振幅（
Ｄ）は０．５Ｉ、また、エンドマージン（ｅ）は０．５
−輪とした。

内部電極層を印刷したシートを第２図に示す如く２００
枚積層重、圧着した後、１２００℃で２時間焼結させる
と、第３図に記載する形状の内部電極を有する積層焼結
体が得られた。

得られた積層焼結体は第３図に示す如く、内部電極層は
両側電極部（ａ）、片側電極部（ｂ）及び無電極部（ｅ
）の３種の状態に大別することができる。

両側電極部（ａ）は積層焼結体の全ての部分において内
部電極が重なり合っている部分であり、片側電極部（ｂ
）は−層おきに内部電極が存在する部分であり、無電極
部（ｃ）は積層焼結体全体にわたり内部電極が不在の部
分である。

第３図に示す積層焼結体においては、−層おきに片側電
極部（ｂ）が積層焼結体の側面まで延びているので、こ
の部分に銀を積層方向に焼き付けることにより外部電極
部（ｄ）を形成することができる。

このような内部電極層形状を有する積層型圧電電歪素子
は、素子中央部より内部電極が両面電極部（ａ）、片側
電極部（ｂ）、無電極部（ｃ）の順となっており、周辺
部での電界強度を連続的に小さくすることができる。

比較のために１、第４図に示す形状の内部電極を有する
シートを交互に１８０°回転させて積層することにより
積層コンデンサー型の積層型圧電電素子を作製した。

実施側孔の積層型圧電電歪素子と比較孔の積層コンデン
サー型の積層型圧電電歪素子の印加電圧−変位特性を第
５図に示す。

実施側孔の素子の変位量は比較孔の素子に比べて同一電
圧で２０〜３０％も大きいことが分かる。

また、この２種類の素子に１　ｋ　Ｖ　／　ｍｍの電界
を１ｋＨｚのサイン波で印加し、素子をモノポーラ駆動
させ、寿命試験を行なったところ、比較孔の素子は１０
６回程度の変位回数で破壊したが、実施側孔の素子は１
０１回変泣きせても破壊は起こらなかった。

丸Ｉ燵ｉ実施例１と同様に、本発明の積層型圧電電歪素子と全面
型の積層素子を銀−パラジウム系の内部電極層材料を用
いて作製した。

得られた積層素子を９０℃、９０％ＲＨの環境におき、
内部電極間に１　ｋ　Ｖ　／　ｍ、ｍの直流電界を１０
００時間印加した後に絶縁抵抗を調べた。

全面電極型の積層素子では絶縁抵抗が１０′３Ωｅ１１
から１０”Ωｃ膣まで低下し、圧電変位素子としては使
用できなくなった。一方、本発明の素子では絶縁抵抗の
低下は見られなかった。

また、全面電極型の積層素子と本発明による積層型素子
との引張り強度の比較を行なったところ、本発明による
積層型素子及び全面電極型の積層素子の破壊強度はそれ
ぞれ１　、０　ｋｇ／　＋ｓｓ＋’、０．４ｋｇ／麺餉
２であり、本発明による積層型素子の方が２倍以上大き
な強度を示した。

なお、上述には三角波状の周期性を有するものにつき説
明してきたが、例えば第６図に示すサイン波状の周期性
を有する印刷パターンのものを内部電極層とし、これを
隣接する内部電極層がそれぞれ互いの波の頂点と谷部で
重なり合うようにして内部電極層周辺部で電界強度が連
続的に小さくなる部分を設けるようにもすることができ
る。

［発明の効果］本発明によれば、耐久性、耐環境特性に優れ、且つ圧電
電歪特性にも優れた積層型圧電電歪素子の作製が可能と
なる。

また、１１１Ｍコンデンサーと同様に外部電極の形成が
行なえるため、内部電極間隔を１０μ−にすることも可
能である。

内部電極間隔が１０μ醜の積層型圧ｔｔ歪素子では１０
〜２０Ｖの電圧で圧電電歪体に歪を誘起させるのに必要
な電界が得られるため、圧電電歪変位素子駆動用の高電
圧電源を必要としない。

よって、本発明による積層型圧電電歪素子は光学ヘッド
、光変調等に用いられる小型で低電圧駆動の変位素子と
しての利用も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１及び２で用いた内部電極の印刷パター
ンを示す図であり、第２図は本発明による積層型圧電電
歪素子のセラミックスシートの積層方向を示す図であり
、第３図は本発明による積層焼結体の内部電極の状態を
示す図であり、第４図は比較品の積層コンデンサー型素
子の内部電極層のパターンを示す図であり、第５図は実
施例１で得られた本発明による積層型圧電電歪素子と積
層コンデンサー型積層素子比較品の印加電圧と変位量の
関係を示すグラフであり、第６図はサイン波状の周期性
を有する内部電極層のパターンを示す図である０図中、
ａ・・・両面電極部、ｂ・・・片面電極部、Ｃ・・・無
電極部、ｄ・・・外部電極部、ｅ・・・エンドマージン
、λ・・・波長、Ｄ・・・振幅。第１図Ｉｅｉ− ＩＤＩ− 第３図第５図叩圧電圧（Ｖｏｌｔ）

Claims

【特許請求の範囲】

１．　圧電体層と内部電極層とを交互に有する積層型圧
電電歪素子において、内部電極層周辺部で電界強度が連
続的に小さくなる部分を設けたことを特徴とする積層型
圧電電歪素子。
２．　内部電極の外周形状が三角波状、サイン波状また
はのこぎり波状の周期性を有し、隣接する内部電極層が
それぞれ互いの波の頂点と谷部で重なり合うようにした
請求項１記載の積層型圧電電歪素子。