JPH03106082A - 積層形圧電アクチュエータ素子 - Google Patents

積層形圧電アクチュエータ素子

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JPH03106082A
JPH03106082A JP1243684A JP24368489A JPH03106082A JP H03106082 A JPH03106082 A JP H03106082A JP 1243684 A JP1243684 A JP 1243684A JP 24368489 A JP24368489 A JP 24368489A JP H03106082 A JPH03106082 A JP H03106082A
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JP
Japan
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thickness
internal electrode
piezoelectric ceramic
electrode layer
ceramic plate
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Application number
JP1243684A
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English (en)
Inventor
Hiroteru Kamataki
鎌滝 裕輝
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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〕 本発明は電゛界によって圧電材料に誘起される伸縮歪を
利用したアクチュエータとして、各種マイクロメカトロ
ニクス機器に用いられる積層形圧電アクチュエータ素子
に関する。
〔従来の技術〕
近年メカトロニクス機器が急速に発展し、これに伴なっ
て例えばロボットなどを駆動し、微小な変位や発生力を
利用した制御装置として用いられる圧電アクチュエータ
の開発も盛んである。特1こ厚さ方向{こ分極された圧
電セラミックスをその分極方向が互いに対向するように
スタックとして積み重ね、圧電セラミ1クスの電界誘起
歪を発生させる積層形圧電アクチュエータ素子は、小さ
な電圧によって大きな変位を得ることができるのでその
有用性が注目されている。
この種の積層形圧電アクチェエータ素子(以下積層lE
1tCffi子と略称する)は例えば第3図をこその構
造を模式断面図で示したものが知られている。
第3図においてこの積層圧[素子はジルコン酸チタン酸
鉛などの圧電セラミックス板1と、この圧電セラミック
ス板1の厚さの1/100程度の厚さを有する導電性の
内部電極層2とが交互1こ多数積層された積層体の上下
両端面に、内St極層2を介して圧電セラミックス板1
の厚さの1.1倍以上の厚さを持つ圧電セラミックス板
3およびこれと同じ組或の保護r54を設けてあり、各
内都電極層2は積層体の中心軸に関して互いに反対側に
ある平行側面端部において、1層おきに機械加工により
明けたスリット(こ縦方向で左右非対称となるように絶
縁層5を充填することにより電気的1こ絶縁し、さらに
平行側面]こ露出している各部材を連結する外部電極6
を取り付け、この電極61こより直流電源の極性の異な
る端子7,7atこ電気的に並列に接続した構造となっ
ている。そして直流電源端子7,7aに異なる極性の電
圧を印訓したとき、圧電セラミックス板1内に生じた電
界で圧電セラミックス板1に圧1Il縦効果(こよる伸
び歪が積層方同1こ発生し、各圧電セラミックス板1の
歪が相加されて積層体全体としてこの積層圧電素子に大
きな伸び歪が生ずるのである。
このような構造の積層圧電素子に圧電セラミックス板3
を用いるのは、積層圧電素子(こ電界がかけられたとき
、各圧電セラミックス板1は縦方向に伸び横方向は縮み
、保護層4は固定されたままであるから各圧電セラミッ
クス板1の伸縮作用によって、この積層圧1!素子は第
3図{こ示した点線のように変形し、圧電セラミックス
板1と保護層4との間に剪断応力集中が超きるので、保
護層4(こ接する個所をこは圧電セラミックス板1の1
.1倍以上の厚さを持つ圧電セラミ,クス板3を配置す
ることにより、その応力集中を緩和し解消しようとして
いるのである。しかし、電圧印加時に生ずる剪断応力集
中に関してはなお次のような問題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
積層圧IK素子の大きさが従来の直径5頷Φ,高さ15
 +n程度のものでは、厚さのより大きな圧電セラミッ
クス板3を挿入することにより、保護層4との間に発生
する剪断応力集中を緩和することはできるとしても、直
径20 xsΦ,高さ50雪富という大きい積層圧電素
子で印加電圧が200v以上をこなると、この剪断応力
集中に起因する素子の不良発生率は80%以上φこも達
する。これは積層圧t素子が大面積で積層数が増し、印
710[圧が大きくなると電界強度も高くなり、その結
果圧電セラミフクス鈑3と保静層4との間に発生する大
きな剪断応力集中のためCこ、積層圧電素子に機械的な
クラックを伴ない、絶縁性が破壊されるからである。
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は大きな形状のものでも電圧印加時に剪断応力集中に
起困する破損を生ずることのない槓層圧1lt素子を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題を解決するためをこ本発明の積層形圧電アク
チェエータ素子は、圧電セラミックス板の間Cこ埋め込
まれる内部電極層の厚さを圧t−hラミックス板の厚さ
の1 /50 = I AOとし、保護層1こ接する内
部電極層の厚さを圧電セラミックス板の淳さυ) l.
/10〜1/5となるように構成したものである。
〔作用〕
本発明の積層圧!素子は上記のように、上下両端都]こ
厚さの大きい圧電セラミック板を備える代わりに圧電セ
ラミック板の間に埋め込まれる内部電極層を従来より厚
い範囲に設定し、特1こ保護層に接する個所ではさらに
厚い範囲を定めてこれら内部電極層の組み合わせを適5
lこ決めることにより、直流電圧印カ日時の電界で発生
する剪断応力集中を電界強度を低下させることなく各内
部IE極層に吸収させ、応力集中を緩和することが可能
となるから、素子の動作回数が大幅に増し耐久性を著し
く向上させることができる。
〔実施例〕
以下本発明を実施例に基づき説明する。
第1図は本発明の積層圧電素子の構或を示す模式断面図
であり、第3図と共通部分を同一符号で表わしてある。
第1図と第3図の比較からわかるように、不発明の積層
圧1!素子が構造上従来素子と異なる所は、圧電セラミ
ックス&3を用いていないこと、および圧電セラミック
ス板1の厚さを変えることなく内部電極層2の厚さを圧
電セラミックス板1の厚さの1 4 〜1 /10とし
、特{こ保護層4に接する内部電極層2aは圧電セラミ
ックス板1の厚さの1/10〜1/5となるように各内
部′這極層を厚く形成したことである。即ち本発明の積
層圧t−a子は圧電セラミックス板3を用いる代わりに
、各内部逼極層2を従来より厚くし、特に絶縁層4に接
看する内部電極層2aはさらに厚さを増して、電圧印カ
日時に発生する剪断応力集中をこれら内部電極層2,2
aにより吸収させるように構成したものであり、なかで
も内部電極層2aに効果的にその吸収効果を持たせてい
る。
次(こ本発明の積層圧IE素子を製造する手順;こつい
てその概要をのべる。
先ず圧電セラミックス板1を成形,焼結,研磨して直径
20wmΦ,厚さ0.5mmとした後、この圧這セラミ
ックス板1の上下両面に銀ペーストを塗布して焼き付け
る。銀ペーストはガラスフ’J y トを数%,銀を6
0〜70%含むものを使用する。このとき1回に焼き付
ける銀ペーストの厚さは片面で0.0 1 111であ
るから、焼き付け後に得られる内部電極層2,2aの厚
さに応じて1回以上繰り返し行ない、内都電極/il2
となるものの厚さは圧電セラミックス板1の厚さCl)
 1/50 〜1,40 ( 10 〜5Q pm )
 ,内都電極層2aとなるものの厚さは圧電セラミック
ス板1の厚さの1/10 − 1/5 (50 〜10
0 pm )となるよう(こする。この状態でさらに銀
ペーストを塗布した後、圧電セラミックス板1を所定の
枚数槓層して嗅ぎ付けることにより槓層体を得るが、そ
の際内部電極層2aを持つ圧電セラミックス板1は積層
体上下の端部に位置するように槓み重ね、さらにその上
に積層体の上下両最端部となるように同じく銀ペースト
を一面{こ塗布した保護層4を重ね、全体を締め付けて
重なり合った銀ペースト同士を焼き付ける。なおこの積
層圧1iE素子の製造方法1こおいては、圧電セラミッ
クス1の厚さに対する内部電極層2,2aの厚さ割合を
1/5より厚くすることは困雛であり、!JR/’* 
IE!素子としても変位量と発生力とが比例関係からの
ずれを生ずるなど不都合が多いので内部電極層2aの厚
さ割合は1/5までとしている。
次いでこの積層体の二つの平行側面lこおける各内部電
極層2,2aの端部イこ、l層おき{こ縦方向で左右非
対称となるスIJット加工を施し、これらス1,トに絶
縁材料を充填し絶縁層5を形成し、二つの平行側面では
それぞれ各絶縁層5,各FE!セラミックス板1,各内
部電極層2,2aの露出面が同一平面となるようにする
。次にこの平行側面にそれぞれ外部電極6を取り付ける
こと1こより第1図と同様の積層圧電素子を得ることが
できる。
次に以上のようにして得られる直径20慴膠Φ,高さ5
[nの積層圧X累子の作製過程で、圧電セラミックス板
1の厚さに対する内s1I1極層2の厚さの比率を1/
looから1/10まで変え、内部電極層2aの厚ざO
比率を1/10としてこれらの組み合わせによる積層圧
電素子を作製し、それぞれにi′lr流電圧400vを
印加したとき、この素子に発生する最大剪断応力を測定
して得られた結果を第2図に示す。
第2図は横軸を圧電セラミックス板I IJ)厚さに対
する内部電極層2の厚さの割合とし、縦軸の最大剪断応
力との関係を示した線図である。第2図において、圧電
セラミックス板lの厚さに対して内部電極層2の厚さ割
合が1 /1 00程度となっている従来の積層圧電素
子に相当するものと、その厚さ割合を1/20以上とし
て内部電極層2を厚くした積層圧電素子を比較すると、
最大剪断応力は44¥iから22贅と1/2に減少して
いることがわかる。
第1表は圧′峨セラミックス板1の厚さ(こ対じて、内
都電極層2は以上のように厚さを変え、内部電極層2a
も1/10〜1/5に厚くした組み合わせによる槓層圧
m素子について、耐久試験として不良発生までの動作回
数を調べその結来を趨めたも0である。
第1表から圧電セラミックス板の厚さに対して内部電極
層2の厚さ比率が1/100では内部電極層2aの厚さ
比率の如何に拘らず耐久性試験の結果は良くない。内部
電極層2の埠さ比率を1/50〜1/10とし内部電極
層2aの厚さ比率をl/10〜1/5とするこれらの組
み合わせζこよって、積層圧iig子の動作回数を10
回のオーダーまで確保することができる。保み層4に接
着される内部電極層2a近傍の圧電セラミックス板1は
、応力集中を受けやすい所であるから内部電極層2より
厚くするのがよいが、なかでも内部電極層2と2aの双
方の最も薄い組み合わせとなる第1表の煮5とするのが
製造上の点からも好ましい。
〔発明の効果〕
小型の積層圧電素子では内部電極層の厚さが圧電材料で
あるセラミックス板D厚さの17100程度であっても
、積層体の両端に大きな厚さのセラミックス板を設けて
、直流電圧を印加したときlこ発生する剪断的な応力集
中に対処することができたが、積層圧電素子が大型にな
るとその応力集中を緩和することが不可能となり、多く
の不良品が生ずるのを避けられなかったのに対しで、本
発明によれば実施例で述べた如く、積層体の両端に大き
な厚さのセラミックス板を設ける代わりに、多数のセラ
ミックス板の間1こ埋め込まれる内都電極層の厚さはセ
ラミックス板の厚さの1/!50〜I/10とし、保護
層に接する内部電極層の厚さはセラミックス板の厚さの
1/10〜1/5として、これらの厚さ範囲で両者を組
み合わせ配置した素子構成としたために、大型積層圧電
素子に発生する剪断応力集中をよく吸収することが可能
となり、その結果素子の破損や絶縁不良を起こすことな
く、製造歩留まりの向上に大きく寄与することができた
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の積層形圧電アクチュエータ素子の要部
構或を示す模式断面図、第2図は圧電セラミ,クス板の
厚さに対する内部電極層の厚さ割合と積層形圧電アクデ
ュエータ累子1こ発生する最大剪断応力との関係を示す
線図、第3図は従来の積層形圧電アクチュエータ素子の
要部構成を示す模式断面図である。 l,3:圧電セラミックス板、2.2a: 内部電極層
、4:保護層、5:絶縁層、6:外部電極、第1図 +00 50 20 1o ,圧電乞ラミ.7クス刀iダ1;丈すする円−p皇極層
屡のτ・1合

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)積層された複数個の圧電セラミックス板の間にそ
    れぞれ埋め込まれた同径の内部電極層を有し上下両端に
    内部電極層を介して保護層を設けた積層体と、この積層
    体の二つの平行側面と同一平面をもつように内部電極層
    側端部で交互に形成された絶縁層を含む二つの平行側面
    の双方に接続され、内部電極層と一層おきに電気的な導
    通を可能とする二つの外部電極とを備えた積層形圧電ア
    クチュエータ素子であって、圧電セラミックス板の間に
    埋め込まれる内部電極層の厚さを圧電セラミックス板の
    厚さの1/50〜1/10とし、保護層に接する内部電
    極層の厚さを圧電セラミックス板の厚さの1/10〜1
    /5とすることを特徴とする積層形圧電アクチュエータ
    素子。
JP1243684A 1989-09-20 1989-09-20 積層形圧電アクチュエータ素子 Pending JPH03106082A (ja)

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