JPH0387079A - 積層型圧電素子 - 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〕 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、アクチエエータとして用いられる積層型圧電素子
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、これに伴い例
えば微小位置決め装置などの制御装置に、微小な変位や
発生力を利用される圧電アクチュエータの開発も盛んで
ある。特に、厚さ方向に分極された圧電材料を、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
、圧電材料層に電界誘起歪を発生させる積層型圧電素子
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。

この積層型圧電素子は例えば第５図（ａｌ、（ｂｌにそ
の構造模式図で示したものが知られている。第５図（ａ
ｌは平面図、第５図（ｂ）は第５図（ａｌのＡ−に断面
を表わす図である。第５図ｆａ）、ｆｂ）において、こ
の積層型圧電素子はジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材
料層ｌと、金属を主成分とする導電性の内部電極層２と
が交互に積層された積層体の上下両端面に、内部電極層
２を介して圧電材料層１と同質の材料からなる保護層３
を設けてあり、互いに平行な平面を形成した積層体の両
側面では、内部電極層２を１層おきに機械加工により形
成したスリットに、絶縁材料４を充填することにより電
気的に絶縁し、さらにその外部で積層体の両側面にそれ
ぞれ取り付けた外部電極５によって、内部電極層２が電
気的に並列接続された構造となっている。

そして二つの外部電極５にはそれぞれリード６ａと６ｂ
を接続し、このリード６ａと６ｂに異なる極性の電圧を
印加したとき、圧電材料層１内に生じた電界によって圧
電効果の伸び歪が積層方向に発生し、各圧電材料層１の
歪は相加されて、積層体全体として大きな伸び歪が生ず
るのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、以上のような構造を有する積層型圧電素
子には、なお次の問題がある。第５図（ｂｌに示すよう
に、各内部電極層２の側端面は、一方はスリットに、充
填された絶縁材料４によって電気的に絶縁され、他方は
積層体の側面に露出したままの状態でその上から外部電
極５を取り付けである。したがって、内部電極層２と外
部電極５とは内部電極層２の露出端面で接触し電気的に
接続される。この露出端面の縦方向寸法は、内部電極層
２の厚さに相当し、その厚さは通常この種の積層型圧電
素子では１０〜２０μ程度である。即ち、内部電極層２
と外部電極５は、積層体両側面で１層おきに縦方向は１
０〜２０Ｊｌ１１程度で接続されることになる。またス
リット内に充填する絶縁材料４には、素子の伸縮に対し
て追従性のよい可撓性のある有機系絶縁材料を用いるた
めに、これに見合う外部電極５の材料としては、高温で
焼き付けるタイプの導電性ペーストを使用することがで
きず、有機系のバインダーを含む導電性ペーストが使わ
れているが、一般にこの種の導電性ペーストは、ガラス
フリットの入った高温焼き付けタイプのものにくらべて
接着力が弱いので、素子の駆動に対して部分的な剥離を
起こしやすい、したがって、前に述べた内部電極層２と
外部電極５との接続が縦方向で１０〜２０ｎ程度しかな
いことと共に、素子の縦方向の伸縮駆動中に外部電極５
が内部電極層２から剥離する可能性が高く、僅かな剥離
が生じても、このとき内部電極層２は外部電極５との電
気的接続が断たれ、積層型圧電素子の伸縮特性を低下さ
せる原因となるという外部電極５の接続性についての問
題がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は伸！１駆動中に外部電極が剥離を生ずることなく、
安定に長寿命を保つことができ、高信頼性を有する積層
型圧電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に、本発明の積層型圧電素子
は、複数個積み重ねた圧電材料層の間に内部電極層を埋
め込み、上下両端に内部電極層を介して保護層を形成し
た積層体の両側面に取り付けたガラスフリント入り焼き
付けタイプ導電性ペーストの二つの電極表面から、各内
部電極層端面を通ってこれらの１層おきに交互にあけた
スリットに充填した各ｖｊＡｍ材料と、このスリットに
よって形成される接続用電極表面とからなる同一平面上
にそれぞれ高温焼き付けタイプ導電性ペーストの外部電
極を接着するか、もしくは接続用電極表面に、金属系外
部電極を低融点合金を用いて接合する構造としたもので
ある。

即ち、本発明の積層型圧電素子は、積層体の両側面では
、各絶縁材料が内部電極層の露出面より外方に突出して
おり、この絶縁材料の間にこれと同一平面を形成する接
続用電極を設けて、この接続用電極を介して外部電極を
取り付けることにより、内部電極層と外部電極が電気的
に接続されるように構成したことに特徴をもつものであ
る。

〔作用〕

以上のように本発明の積層型圧電素子は、積層体側面で
内部電極層と外部電極との接続がこれらの間に設けた接
続用電極を介して行われており、この接続用電極は内部
電極層と同種のガラスフリット入りの焼き付けタイプの
導電性ペーストを用い、この接続用電極が外部電極と広
い面積で接続されているので、内部電極層と外部電極と
の電気的接続が確実に行なわれ、また接続用電極は圧電
材料層にも強固に接着し、積層型圧電素子の伸縮駆動に
対して、外部電極が剥離するのを防ぐ補強の役割を果た
している。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

去」を廻」− 第１＠（ａ）、（ｂ）は本発明の積層型圧電素子の構造
を示す模式図であり、第１図＋ａｌは平面図、第１図中
）は第１図（Ａ）のＡ　−Ａ’断面図である。第１図（
ａ）。

山）では第５図（ａｌ、（ｂｌと共通部分を同一符号で
表わしである０本実施例の積層型圧電素子が構造上従来
素子と異なる所は、第１図（ａｌ、（ｂｌと第５図（ａ
）。

０）との比較かられかるように、積層体両側面にそれぞ
れ接続用電極７を設けてあり、各絶縁材料４は積層体の
側面から接続用電極７の厚さ分だけ外方に突出し、各絶
縁材料４の積層体の縦方向自由面に取り付けた外部電極
５と積層体側面との間に接続用電極７が配置されるよう
にして、内部電極層２の露出端面と外部電極５との電気
的な接続をこの接続用電極７を介して行なっていること
である。

本発明の積層型圧電素子は、圧電材料層１に例えばＰｂ
ＺｒＯｓ　・ＰｂＴｉＯｓ　・Ｐｂ（Ｎｉｌ／３　・Ｎ
ｂ２／３）Ｏｓ系の直径２０ｆｉ、厚さ５００μの圧電
セラミックスを用い、この表面にガラスフリット入りの
銀ペーストを塗布して約６００℃で焼き付けて内部電極
層２とし、これを８０〜１００枚同心状に積み重ね、上
下両面に圧電材料Ｎ１と同じ組成を持つ同径の厚さ３〜
４鰭の保護層３を形成することにより、まず積層体を作
製するが、この積層体の中心と対称位置にある二つの側
面に、それぞれ絶縁材料４．接続用電極７および外部電
極５を設ける方法については、第２図（Ｊｌ）〜（ｄ）
を参照して述べる。

第２図ｆａ）〜＋ｄｌは上記のようにして得た積層体の
側面加工の手順を示したものであり、積層体の一方の側
面を横にして見た部分断面図として表わし、第１図（ｂ
ｌと共通部分には同一符号を用いである。

積層体のもう一方の側面加工についても第２図（ａｌ〜
（ｄ）と全く同じ手順で行なうのでその説明は省略する
。

まず圧電材料層１と内部電極層２とが交互に積み重ねら
れた積層体の側面を所定の幅に平面研削し、その上に内
部電極層２と同じガラスフリット入りの銀ペーストを均
一に塗布して約６００℃で焼き付け、電極７ａを形成す
る〔第２図（ａｌ）、次にこの電極７ａの表面から、内
部電極層２の端部の一部を削り取るように、カッティン
グマシンのダイアモンドブレードを用いて、内部電極層
２の１層おきにスリット８をあけ、このスリット８の大
きさを深さ５００μ、積層体の縦方向寸法で５００１ｎ
ａとする、このとき同時に接続用電極７が形成される〔
第２図（ｂｌ）、Ｍいて各スリット８の中にエポキシ系
樹脂を充填して絶縁材料４として固着し、接続用電極７
と絶縁材料４とが積層体側面で同一平面を持つように絶
縁材料４を形成する〔第２図（Ｃ１）。

次いでその平面上にエポキシ系樹脂のバインダーを含む
銀ペーストを塗布し、６００℃に加熱硬化させてこれを
外部電極５とする〔第２図（ｄ））。

以上のようにして得られた外部電極５は、積層体のこの
側面では絶縁材料４のない個所の内部電極層２と接続用
電極７を介して電気的接続が行なわれる。なおこれと反
対側の積層体側面においても、これらの部材を形成する
手順は全く同じであるが、絶縁材料４を形成する個所は
、内部電極層２に関して、この側面と互い違いとなるよ
うにすることは第１図（ｂＪに示した通りである。

その後第１図（＆）、（ｂ）の如く、リード６ａ、　６
ｂを半田付けして、本発明の積層型圧電素子を得ること
ができる。この積層型圧電素子に、図示してない電源を
用いてリード６ａ、６ｂにより、二つの外部電極５の間
に４００ｖの直流電圧パルスを周期的に印加して、素子
の寿命を測定した結果、１０’回を経過した後も伸縮特
性は低下することなく安定性を保持している。これは従
来素子が１０ｈ回程度で接続不良をおこすことが多かっ
たのに対して１桁以上寿命が延びたことになる。

裏東且１ 第３図（ａｌ、　（ｂｌは内部電極Ｎ２と外部電極５を
接続用１１１７を用いて接続する本発明の積層型圧電素
子について、実施例１とは異なる構成を示した模式図で
あり、第１図に倣ってｆａ）は平面図、　（ｂｌは断面
図で表わしである。第３図（ａ）、　（ｂ）が第１図（
ａ）。

中）と異なる所は、外部電極５としてＮｉ箔などの金Ｍ
薄板を用い、これを接続用電極７０表面で半田などの低
融点合金９により接合している点にあり、内部電極層２
の露出端面から外部電極５に至る電気的接続経路をより
強固にし、安定にさせたものである。

これら部材の接続方法も第２図ｆａｌ〜（ｄｌに倣って
第４図ｔａ＋　〜（ｄ）に示すが、第４図（ａｌ、（ｂ
ｌまでは第２図ｆａ１．（ｂ）と全く同じであるから、
その説明は省略する。続いて、各スリット８の中にエポ
キシ系樹脂を充填して絶縁材料４を固着し、接続用電極
７と絶縁材料４とが積層体側面で同一平面を持つように
絶縁材料４を形成した後、接続用電極７の表面に、例え
ば融点が１５０〜２００℃のＰｂ−５ｎ半田のような低
融点合金９を、融点近くの温度で均一な厚さに融着する
〔第４図（Ｃ１）、ここでは外部電極５に、例えば厚さ
２０−程度のＮｉ箔を用いて、これにも上記の低融点合
金９の膜を形成しておき、先に形成した接続用電極７上
の低融点合金９に重ね合わせ、低融点合金９の融点以上
の温度に短時間加熱することにより接続用電極７と外部
電極５とが接合される〔第４図Ｆｄｌ）。

なお、ここで用いる外部電極５はＮ　Ｉ　Ｐａのほかに
、Ｃｕ箔やバターニングされたフレキシブルプリント板
などでもよく、低融点合金９は１５０〜２００℃の融点
を有するＰｂ−５ｎ系半田に限ることなく、この範囲の
融点を持ち必要な接合強度の得られるものであれば、そ
の他の金属、合金などを用いてもよい。

その後、第３図（１１１，（ｂｌのようにリード６ａ、
６ｂを半田付けして得られた本発明の積層型圧電素子に
、実施例１と同しく　４００Ｖの直流電圧を印加したと
き、やはり実施例１と同様に１０１回の安定した素子の
伸縮特性を得ることができた。

〔発明の効果〕

積層型圧電素子は、従来その両側面で内部電極層と外部
電極が極めて狭い領域で接続されていることから、素子
の伸縮駆動時に、外部電極が剥離する可能性が大きかっ
たが、本発明では実施例で述べたように、内部電極層と
同種のガラスフリント入り焼き付けタイプの導電性ペー
ストの接続用電極を設けて、この接続用電極を介して内
部電極層と導電性ペーストの外部電極とを接続するか、
または外部電極として金属薄板を用い、これを半田など
により接続用電極に接合するように素子を１威したため
、外部電極の接続領域が拡大し、これらの電気的接続が
確実になされるとともに、外部電極が素子の伸ｗｉ駆動
に対して剥離を生ずることもなく、長期間安定な伸縮特
性を持続する信頼性の高い積層型圧電素子を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の積層型圧電素子の構造を示す模
式平面図、第１図（ｂｌは同じく模式断面図、第２図（
ａ）〜（ｄ）は第１図ｆａ）、ｔｂ）の積層型圧電素子
の側面に形成する接続用電極、絶縁材料および外部電極
の製造工程図、第３図（８１は第１図とは異なる構造を
持つ本発明の積層型圧電素子の模式平面図、第３図（ｂ
ｌは同しく模式断面図、第４図＋ａｌ〜Ｆｄｌは第３図
＋ＩＩ）、（ｂ）の積層型圧電素子の側面に形成する接
続用電極、絶縁材料および低融点合金を用いて外部電極
を接合する製造工程図、第５図（Ｍｌは従来の積層型圧
電素子の模式平面図、第５図〜）は同じく模式断面図で
ある。 １：圧電材料層、２：内部電極層、３：保護層、４：絶
縁材料、５：外部電極、６．６ａ：リード、７：接続用
電極、７ａ：電極、８ニスリツト、９：（ａ） （’ｂ） 第１図 第２０ （Ｑ＞ ３イ呆言１ヒ眉１ （１）） 第３図 第４図 （０”） （ｂ） 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　ａ）板状の圧電材料を複数個積み重ねた各圧電材
   料層の間に、これら圧電材料層と互いに密接して埋め込
   んだ複数個の内部電極層を有し、上下両端の前記圧電材
   料層に前記内部電極層の介在する保護層と、所定幅の互
   いに平行な平面を呈する二つの側面とを形成した積層体
   ， ｂ）この積層体の前記二つの側面で前記内部電極層の１
   層おきに、前記積層体の中心と非対象位置となる前記各
   内部電極層の側端面から前記積層体内部に所定の深さに
   埋め込み、前記積層体の前記二つの側面の外方に所定長
   さの突出部をもつ複数個の絶縁材料， ｃ）それぞれ前記積層体の前記二つの側面に接して前記
   各絶縁材料の前記突出部の間を埋め、前記各絶縁材料の
   前記突出部端面と同一平面を形成するガラスフリット入
   り焼き付けタイプ導電性ペーストからなる接続用電極， ｄ）前記各絶縁材料の前記突出部端面と前記各接続用電
   極とのなす前記同一平面上の全面に接着した高温焼き付
   けタイプ導電性ペーストからなる二つの外部電極 を有することを特徴とする積層型圧電素子。 ２）　ａ）板状の圧電材料を複数個積み重ねた各圧電材
   料層の間に、これら圧電材料層と互いに密接して埋め込
   んだ複数個の内部電極層を有し、上下両端の前記圧電材
   料層に前記内部電極層の介在する保護層と、所定幅の互
   いに平行な平面を呈する二つの側面とを形成した積層体
   ， ｂ）この積層体の前記二つの側面で前記内部電極層の１
   層おきに、前記積層体の中心と非対象位置となる前記各
   内部電極層の側端面から前記積層体内部に所定の深さに
   埋め込み、前記積層体の前記二つの側面の外方に所定長
   さの突出部をもつ複数個の絶縁材料， ｃ）それぞれ前記積層体の前記二つの側面に接して前記
   各絶縁材料の前記突出部の間を埋め、前記各絶縁材料の
   前記突出部端面と同一平面を形成するガラスフリット入
   り焼き付けタイプ導電性ペーストからなる接続用電極， ｄ）前記各絶縁材料の前記突出部端面と前記各接続用電
   極とのなす前記同一平面上の前記各接続用電極に、低融
   点合金を用いて接合した金属系の二つの外部電極 を有することを特徴とする積層型圧電素子。