JPH04162785A - 積層圧電素子の製造方法 - 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］ 本発明は、圧電式アクチュエータ等に使用される積層圧
電素子の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来この種の積層圧電素子としては、例えば第６図に示
すようなものがある。この積層縦効果圧電素子は、チタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ’Ｔ）系の圧電セラミックス層
１５と内部電極層１６とを伸縮方向に交互に積層し一体
焼結をした後、この内部電極層１６の両端面に交互に一
層おきに絶縁体１７が塗布されるとともに、その上に導
電体製のリボン状外部電極１８が形成されている。この
ような積層圧電素子は、内部電極層に印加される電圧の
極性によって圧電縦効果の伸縮をするために、その変位
を利用して圧電式ドツトインバクドブ型ンターヘッドや
ＶＴＲヘッドなとのアクチュエータとして用いられてい
る。

しかしながら圧電縦効果による変位は数μｍ乃至数１０
μｍであり、実際にアクチュエータとして用いるときに
変位が少ないために、各種の拡大機構により変位を拡大
する必要かある。そのために、発生力、エネルギー変換
効率及び応答速度の点で多少の問題があるとはいえ、構
造が簡単で数１００μｍ程度の変位が容易に得られるユ
ニモルフまたはバイモルフ構造の素子を集積し必要な変
位量を得られるようにした積層圧電素子もある。

第７図に示すのはユニモルフタイプの積層圧電素子であ
り、圧電活性層１ａ、２ａ、３ａ、４ａと圧電不活性層
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂと電極層５ａ、！５ｂからなる
複数のユニモルフ型圧電素子部１０．２０．３０．４０
を、各々の圧電素子部に電圧を印加し変形させた際の変
形孤が、互いに隣接するユニモルフ型圧電素子部に於い
て逆向きとなるように構成し、かつ隣接する該ユニモル
フ型圧電素子部間に、伸縮方向と直行する方向の両端部
、または中央部を接合部材８を介して集積したものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のようなユニモルフタイプの積層圧電素子は、低電
圧駆動化を実現するために、圧電セラミックス層の厚み
を薄くし、ユニモルフ型圧電素子部の積み重ね個数を増
すことが要求されている。

しかしながら従来のユニモルフタイプの積層圧電素子は
圧電セラミックスの薄板等を接着剤で複数接合して製造
しているが、加工の制約上、圧電セラミックスの厚みは
あまり薄くできないという問題かあった。

また積層個数が増えると接合部分も必然的に増え製造工
程が多くなり、生産性の低下、コストアップにつながり
、あまり積層個数を多くできないという問題もあった。

更に１つ１つのユニモルフ型圧電素子部の小型化が困難
であることから、集積数が多いと、素子全体の大きさが
非常に大きくなってしまうという問題や、接合部分の強
度が低いため、駆動中に接合部分にて破壊が起こり易く
、素子の信頼性か低いという問題もあった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的は、複数のユニモルフ型圧電素子部
間の密着性に優れ、信頼性、量産性、低電圧駆動性が良
好な積層圧電素子の製造方法を提供することを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の積層圧電素子の製造
方法は、圧電活性層と圧電不活性層と電極層からなる複
数のユニモルフ型圧電素子部の集積体であり、各々のユ
ニモルフ型圧電素子部に電圧を印加したときの変形の変
形孤が、互いに隣接するユニモルフ型圧電素子部に於い
て逆向きとなるように構成し、かつ隣接する該ユニモル
フ型圧電素子部間に、部分的にスリット部を有する積層
圧電素子の製造方法であって、前記圧電活性層と前記圧
電不活性層を構成するセラミックス材料からなるグリー
ンシートを作製する工程と、該グリーンシート上に前記
内部電極層を構成する電極ペースト及び前記スリットを
形成するための樹脂ペーストを印刷する工程と、該グリ
ーンシートを積層、熱圧着しグリーン積層体とする工程
と、該グリーン積層体からバインダーを除去し、かつ前
記樹脂ペーストを分解する工程と、該グリーン積層体を
一体に焼結する工程と、前記圧電活性層に分極を施す工
程とを備えている。

［作用コ 上記の構成を有する本発明の積層圧電素子の製造方法に
よれば、グリーン積層体を一体焼結することにより、−
層の厚みの薄い複数のユニモルフ型圧電素子部を高い接
合強度で集積した積層圧電素子が容易に得られる。また
、隣接するユニモルフ型圧電素子部間に、部分的に形成
するスリット部は、樹脂ペーストを分解する工程で生じ
、焼結後でも相似形のまま保存されるので、ユニモルフ
型圧電素子部間の接合強度、素子の変位量などの要求に
応じてスリット部の形状、大きさか任意に設計できる。

［実施例］ 本発明を具体化した一実施例を第１図乃至第５図を参照
して説明する。尚、図面の簡略化のために、図面では圧
電特性を有する層を４層のみとして示しているが、実際
には更に無数の層が後述する順序に従い積層されている
。

本発明の一実施例としての方法により形成された積層圧
電素子５０の側面図を示す第１図に於て、積層圧電素子
５０はユニモルフ型圧電素子部１０．２０．３０．４０
の集積体であり各々のユニモルフ型圧電素子部は、上下
面に負電極層５ａと正電極層５ｂを有し分極方向７の向
きに分極処理を施した圧電活性層１ａ、２ａ、３ａ、４
ａと該圧電活性層に１対１で対応する圧電不活性層１ｂ
、２ｂ、３ｂ、４ｂとが、前記負電極層５ａを介して接
合されている。第１のユニモルフ型圧電素子部１０と第
２のユニモルフ型圧電素子部２０、および第３のユニモ
ルフ型圧電素子部３０と第４のユニモルフ型圧電素子部
４０とは第１図の左右方向の両端部にて各々正電極層５
ｂを介して接合されている。この両端部の接合部を除い
て、隣あうユニモルフ型圧電素子部間には閉スリット部
６ａか形成されている。また第２のユニモルフ型圧電素
子部２０と第３のユニモルフ型圧電素子部３０とは、前
記圧電不活性層２ｂ、３ｂの第１図における左右方向の
中央部にて接合されている。この中央部の接合部を除い
て、隣あうユニモルフ型圧電素子部間には開スリット６
ｂが形成されている。

駆動電圧が印加されたときの各ユニモルフ型圧電素子部
の動作を第５図を参照して説明する。負電極層５ａ、正
電極層５ｂを介して圧電活性層１ａに電圧が印加される
と、該圧電活性層１ａは厚み方向で伸び、厚み方向とは
垂直方向、すなわち第５図の左右方向では縮もうとする
が、圧電不活性層１ｂは圧電性を持たず、上記方向で縮
まないために、ユニモルフ型圧電素子は矢印の方向への
曲げ変位を生じる。従ってこのようなユニモルフ型圧電
素子部の集積体である上記積層圧電素子５０は、第２図
に示すように電圧を印加すると集積方向に伸びの変位を
生じる。この伸び変位量は単純な圧電縦効果による変位
量に比べてけた違いに大きい。

次に第１図及び第３乃至第４図を参照しながら上述した
積層圧電素子５０の製造工程を説明する。

第３図は本実施例に於けるグリーンシート積層体の側面
図であり、第４図はグリーンシート組み立て斜視図であ
る。

まず、ドクターブレード法などの周知の方法でチタン酸
ジルコン酸鉛系の圧電セラミックス材料からなる圧電セ
ラミックスグリーンシート１１を複数枚形成する（第１
工程）。

そしてその圧電セラミックスグリーンシート１１の上下
全面に銀パラジウム系の電極ペースト１２をスクリーン
印刷法などにより印刷した電極形成グリーンシート１４
ｂを形成する。そして該電極形成グリーンシート１４ｂ
の上面の前記電極ペースト１２上に左右方向の両端部を
残して樹脂ペースト１３をスクリーン印刷法などにより
印刷した電極、樹脂形成グリーンシート１４ｃを形成す
る。更に前記圧電セラミックスグリーンシート１１の上
面に左右方向の中央部を残して樹脂ペースト１３をスク
リーン印刷法などにより印刷した樹脂形成グリーンシー
ト１４ｅを形成する。（第２工程）。

次に前記グリーンシート１１のみからなる無形成グリー
ンシート１４ａと、電極形成グリーンシート１４ｂと、
電極、樹脂形成グリーンシート１４Ｃと、樹脂形成グリ
ーンシート１４ｅとを第４図に示すような順序（下から
１４ａ、１４ｃ、１４ｂ、１４ｅを一単位として繰り返
す。但し最上層は１４ｅの代わりに１４ａとする。）に
て重ねる。

積み重ねられたグリーンシート１４ａ、１４ｂ。

１４　ｃ、　１４　ｄ、　１４　ｅを熱圧着して第３図
に示すようなグリーンシート積層体を構成する（第３工
程）。

次に、得られた前記グリーン積層体を脱脂炉を用いて大
気中３０℃／ｍｉｎ、程度のゆっくりした昇温速度にて
樹脂の分解温度、例えば５００℃まで昇温し、数時間そ
の温度にて保持することにより脱脂処理する（第４工程
）。この脱脂工程に於て前記グリーンシート１１中のバ
インダー成分や前記電極ペースト１２中の有機溶媒成分
等が取り除かれ、同時に前記樹脂ペースト１３が完全に
分解され該樹脂ペースト１３の存在していた部分か空隙
と成る。

次にこの積層体を焼結する（第５工程）。この空隙の形
状は次の焼結工程後も相似系に保存され第１図に示した
ような閉スリット部６ａ、開スリット部６ｂを有する積
層圧電素子焼結体が得られる。

この積層圧電素子焼結体に負電極層５ａ、正電極層５ｂ
を介して高電界を印加することにより圧電活性層１ａ、
２ａ、　３ａ、４ａに圧電特性が付与される（第６エ程
）。この時圧電不活性層１ｂ。

２ｂ、３ｂ、４ｂには電界が印加されず従って圧電特性
も付与されない。

このように、本実施例では、圧電活性層１ａ、２ａ、３
ａ、４ａと圧電不活性層１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂを構成
するセラミックス材料と負電極層５ａ、正電極層５ｂを
構成する電極材料と閉スリット６ａ、開スリット６ｂを
形成するための樹脂材料を積層し一体に焼結して、その
後分極して積層圧電素子５０を製造するようになってい
るため、第７図に示したような圧電セラミックスの薄板
を接合部材を介して複数接合して製造する従来の積層圧
電素子の製造方法に場合に比べて構造が簡略化され、製
造工数が少なくなって製造コストが低減し、生産性か大
幅に向上する。また、このような製造方法を採用するこ
とにより、圧電活性層１ａ、２ａ、３ａ、４ａの厚さを
従来品に比較して薄くすることが可能となり、低駆動電
圧化することが可能であるとともに、素子全体を小型化
することができる。更に、本実施例の製造方法によれば
ユニモルフ型圧電素子部１０．２０，３０，４０間の接
合が、一体焼結により行われるので結合強度が高く、接
着剤で接合していた従来品に比較して接合強度の劣化が
少なくなり、優れた耐久性が得られ、信頼性が向上する
。

上記の方法により構成された積層圧電素子は例えばドツ
トインパクトプリンタの印字ヘッドの印字素子に利用で
きる。上記印字素子では、一般にてこの原理を利用した
アームを用いて変位を拡大している。しかしながら従来
の縦効果を用いた積層圧電素子では変位量が少ないので
長いアームを用いる必要があり、そのことが印字ヘッド
の大型化を招いていた。しかしながら本実施例の方法を
用いて作成された積層圧電素子では変位量か大きいので
、拡大機構のアームか短いものや、あるいは拡大機構無
しで直接印字する印字素子を作成でき、印字ヘッドを小
型化及び低重量化することが容易である。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一興体例であり
、例えば圧電不活性層１ｂ、２ｂ、３ｂ。

４ｂを構成する材料に、圧電活性層１ａ、２ａ、３ａ、
４ａを構成する材料とは異なる材料を用いるなど、本発
明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた
様態で実施することかできる。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の積層圧
電素子の製造方法によれば、一体焼結にて積層圧電素子
を作製するので、量産性の向上、低コスト化が図れ、ま
たユニモルフ型圧電素子部間の密着性に優れ、信頼性の
向上も図れる。また圧電セラミックス層の厚みを薄くす
ることも容易であり、駆動電圧の低減、素子の小型化が
図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の方法で作成された積層圧電
素子を示す側面図、第２図は上記積層圧電素子の動作の
説明する図、第３図は上記積層圧電素子の製造途上にお
けるグリーンシート積層体の側面図であり、第４図はグ
リーンシートの積層順を示す斜視図であり、第５図はユ
ニモルフ型圧電素子の動作を示す図である。 また第６図及至第７図は従来の積層圧電素子を示す図で
、第６図は積層縦効果圧電素子の側面図第７図はユニモ
ルフ型圧電素子を用いた積層圧電素子の側面図である。 図中、１ａは第１の圧電活性層、６ａは閉スリット、１
ｂは第１の圧電不活性層、６ｂは開スリット、２ａは第
２の圧電活性層、１０は第１のユニモルフ型圧電素子部
、２ｂは第２の圧電不活性層、２０は第２のユニモルフ
型圧電素子部、３ａは第３の圧電活性層、３０は第３の
ユニモルフ型圧電素子部、３ｂは第３の圧電不活性層、
４ｏは第４のユニモルフ型圧電素子部、４ａは第４の圧
電活性層、１１は圧電セラミックスグリーンシート、４
ｂは第４の圧電不活性層、１２は電極ペースト、５ａは
負電極層、１３は樹脂ペースト、５ｂは正電極層、５０
は積層圧電素子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電活性層と圧電不活性層と電極層からなる複数の
   ユニモルフ型圧電素子部の集積体であり、各々のユニモ
   ルフ型圧電素子部に電圧を印加したときの変形形状が孤
   状であるとともに、その変形孤が互いに隣接するユニモ
   ルフ型圧電素子部に於いて逆向きとなるように構成し、 且つ隣接する該ユニモルフ型圧電素子部間に部分的にス
   リット部を有する積層圧電素子の製造方法であって、 前記圧電活性層と前記圧電不活性層を構成するセラミッ
   クス材料からなるグリーンシートを作製する工程と、 該グリーンシート上に前記電極層を構成する電極ペース
   ト及び前記スリットを形成するための樹脂ペーストを印
   刷する工程と、 該グリーンシートを積層、熱圧着しグリーン積層体とす
   る工程と、 該グリーン積層体からバインダーを除去し、かつ前記樹
   脂ペーストを分解する工程と、 該グリーン積層体を一体に焼結する工程と、前記圧電活
   性層に分極処理を施す工程と、 を備えることを特徴とする積層圧電素子の製造方法。