JPH04206668A

JPH04206668A - 積層型圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04206668A
Application number: JP2334086A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Tanaka; 繁田中
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-28
Anticipated expiration: 2013-11-05
Also published as: JP2820791B2

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】

本発明は電歪効果を利用した素子に係るものであり、詳
しくは圧電セラミックス等の圧電板と電極板とを積層し
てなる積層型圧電素子ならびにその製造方法に関する。

【従来の技術】

従来から、エレクトロメカニカル部品の駆動源として積
層型圧電アクチュエーターか知られている。この圧電アクチュエーターとして用いる、電歪縦効果を
利用した素子の一種に、圧電セラミ、クスのグリーンシ
ートや圧電セラミックス板等電歪材料になる圧電板の表
面に金属電極面を形成して多数枚積層した後、焼結ある
いは接着して一体化したものがある。このような圧電板
と電極板とを順次積層した積層型圧電素子をアクチュエ
ーターとして駆動するには、各圧電体の間に介在する電
極板か一層おきに電気的に接続されている必要がある。各電極板を接続するための素子の構成として、例えば、
第３図に示すように、圧電素子３の断層面において、電
極板３２の一端を圧電板３１に比へて僅かに短く形成し
たものかある。すなわち、平板状の圧電体の薄板表面に
形成する電極板を、薄板表面の一辺側たけは作成せずに
、また逆に、他方の一辺側は積層したときに素子の側面
に電極板の縁か露出するように電極板の形成面を薄板の
表面に対して小さく設けている。そして、電極板３２か
一層おきに露出するように交互に積層し、素子側面に露
出した電極板を利用して一層おきに外部電極３４ａ、３
４ｂて並列に接続したものである。また、素子の歪み特性上の改善から、第４図に示すよう
に、圧電素子４か、圧電板の表面全面に電極板を形成し
、圧電板４１と電極板４２とか交互に積み重なるように
順次積層したものか知られている。この場合、電極板の
縁か素子の両側面で各層とも露出しているので、この電
極板４２の縁部を一層おきに、両側面交互に絶縁物質４
３を塗布し、その上に外部電極４４ａ、４．４ｂを形成
した素子構成となっている（特公昭６３　１７３３４号
）。

【発明か解決しようとする課題】

これら従来の積層型圧電素子にあって、第３図に示した
ような、電極板を素子の両側面で一層おきに交互に露出
させた、すなわち、圧電板の表面より電極面を素子の一
側面側でその縁を若干短く形成したものにおいては、外
部電極の構成が極めて簡単で、電極板を容易に、−層お
きに交互に接続できるという利点かあった。しかしなか
ら、このような圧電素子をアクチュエーターとして駆動
させた場合、両性部電極付近の素子内部に圧電的に伸縮
しないような不変位部分か存在することとなり、この不
変位部分か歪みの発生を抑制すると同時に、応力の集中
から素子か破壊される原因となっていた。そこで、第４図に示したような、圧電板の表面全面に内
部電極板を形成し、積層した素子の外部で交互に電気的
に接続する構造であれば、前述のような素子内部の不変
位部分の存在もなくなる。従って、歪みの発生か抑制されることがなく応力の集中
を防くことかてきるのて、変位量等の電気機械変換効率
のよい素子を構成することができるのである。反面、このような圧電板の表面全面に電極板を形成した
素子には以下のような問題点があった。通常、圧電素子を製造するには、概略、セラミックス粉
体を主成分とするスリ、プを成膜機で成膜後、スリップ
中の溶媒を乾燥して薄板状のグリーンシートをつくり、
このグリーンシートに電極面をスクリーン印刷して電極
板を作成する。そして、多数枚を積層圧着して成形した
ものを焼結して素子を得る。このとき、グリーンシート
に印刷される電極面には、銀、パラジウム、白金などの
ペースト状インクを電極材料として用い、−枚の電極板
として作成するが、セラミックスとの密着が悪いために
、電極材料にあらかしめセラミックスとなじみのよい物
質を混入させるなどして、電極材料とセラミックスとの
密着強度の向上を計ることもあった。しかしながら、電極材料に上記のような不純物を多く混
入させると電極板での内部抵抗の増加を招く一方、電極
材料の純度を上げると、圧電板の表面全面に電極面を設
けているので、密着強度か低く、長時間もしくは長期の
繰り返し印加や高電圧印加によって電極板と圧電板との
剥離か生じるという問題点を有していた。そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、圧電体内部に不変位部分がなく
、従って応力集中による素子の破壊も発生せず、しかも
、長時間の印加や長期の繰り返し印加、または、高電圧
印加による電極板と圧電板との剥離が生じることのない
、改良された積層型圧電素子およびその製法を提供すこ
とにある。

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するために、本発明の積層型圧電素子で
は、圧電板と電極板とか交互に積層されてなる積層型圧
電素子において、前記電極板は、複数の電極片か並置さ
れ、互いの電極片の間の間隙に充填された圧電電歪材に
より厚さ方向に隣接する圧電仮か相互に結合されて構成
されていることを特徴としている。そして、前記電極板の積層型圧電素子の製造方法では、
圧電板上に、帯状に複数の電極層を形成する工程と、次
いで、前記電極片の上から圧電電歪材を塗布する工程と
、さらに、前記圧電電歪材の上から複数の電極層を形成
する工程とからなることを特徴としている。

【作用】

圧電板の表面に設けられる電極板は、平面的に分割され
たパターンの第１の電極片と、該第１の電極片に対して
補完的なパターンに作成される第２の電極片とて形成さ
れるので、積層する上下の圧電仮に対して電極の不在部
分かない−様な電極板となり、素子駆動時に電圧を印加
すると、各電極板の間には−様な電界が生ずる。また、
第１の電極層と第２の電極層との間に充填されて介在す
る圧電電歪材からなる結合層は、各電極片の間隙に入り
込み、積層する上下の圧電体薄板を一体的に強固に結合
する。

【実施例】

本発明の積層型圧電素子の製造方法、ならびに、それに
よって得られる積層型圧電素子の実施例について、第１
図および第２図を参照して説明する。圧電素子１は、圧電セラミックスからなる圧電板１１と
電極板１２とか交互に、多層に積層された状態に形成さ
れている。図面では誇張して示されているが、圧電板１
１は、薄板もしくは薄膜に形成された方形状、あるいは
、図示しないか円形状のもので、該圧電板１１の表面に
電極板１２か設けられて多数枚積層されたものである。まず、圧電板（圧電セラミックス）１１は、Ｐ　ｂ　（
Ｍ　ｇ　＋／ＩＮｂｔｚ３）０３を主成分とするセラミ
ックス粉体に溶媒、分散剤、ノ＼インタ、可塑剤とを混
合したスリップ（泥漿）を積層コンデンサの製造に用い
る成膜機により薄膜状に形成する。そして、この薄膜中
のｌ容媒を蒸発乾燥させてグリーンノートを得る。得ら
れたグリーンノートは、所定影状に成型されたものを圧
電板１１として用いる。次に、この圧電板１１の表面に電極板１２を設ける。８
極板１２は、電極材料として銀、バランラム、白金など
とガラスフリットとを混合したペースト状インクが用い
られ、スクリーン印刷機により印刷作成する。本発明では、電極板１２を形成するにあたって、第２図
（ｂ）に示すように、先に、第１の電極片１２１、・、
を作成する。第１の電極片１２１は、圧電板１１表面に
、ある−辺に平行に、帯状に複数本設け、各帯状の電極
片は互いに間隙を有するようなパターンに作成する。第
１の電極片１２１゜・−１を作成した後、圧電板１１と
同質もしくは近質の圧電セラミックスになるペースト状
の圧電材もしくは電歪材からなる圧電電歪材を、圧電板
１１の表面全体に、第１の電極片１２１の上から塗布し
て結合層１２３を形成する。この結合層１２３は、当初
は、圧電電歪材の焼成温度て熱処理された電歪材または
圧電材粉末とカラスフリットとを混合した軟質のペース
ト状のものであり、圧電板を積層圧着したときに幾分か
の流動性を呈する充填材である。次に、第２図（ａ、　）に示されるように、この圧電電
歪材からなる結合層１２３の被膜の上に、第２の電極片
１２２．・・、を第１の電極片１２１と同様にして印刷
作成する。このとき、第２の電極片１２２は、第１の電
極片１２１の複数の帯状パターンの間隙１２４上に補完
的に形成する。すなわち、圧電電歪材充填結合層１２３
を中間に介して、第１の電極片１２１の電極パターンと
第２の電極片１２２の電極パターンとは、形成される電
極板１２の厚さ方向上下面から交互に補完的に配列され
ているわけである。そして、積層圧着したときに、前記
圧電電歪材充填結合層１２３か流動的に移行して、電極
片１２１と１２２とで圧電板１１の表面に対して全面に
、隙間なく電極が配置されたように構成される。圧電板１１の表面に第１の電極片１２１１第２の電極片
１２２を設けて電極板１２を形成した後、この圧電板１
１を用途に応して所定枚数たけ多数枚積層し、熱プレス
により圧着する。その後、この積層体を所定寸法に切断
し、焼結する。焼結にあたっては、バインタ類の除去の
ための予焼に次いで、本焼結を行う。続いて、得られた積層体の外側面に外部電極１４ａ、１
４ｂを設ける。それには、該積層体の両側面に露出して
いる電極板Ｉ２の縁に、作成される外部電極１４ａ（１
４，ｂ）と電極板１２とを絶縁するための絶縁帯１３と
、各電極板１２の板肉ごとに電極片１２１，１２２の各
パターンを接続し、かつ、外部電極１４ａ（１４ｂ）と
その電極板１２とを接続するための導電帯１５を設ける
。この絶縁帯１３と導電帯１５とは、−層おきに交互に、
また、両側面では互い違いとなるように設ける。続いて
、絶縁帯１３、導電帯１５の上から両側面各々、積層方
向に外部電極１４ａ、１４ｂを作成する。絶縁帯１３、
導電帯１５、または、外部電極１４ａ、１４ｂの絶縁材
料や導電材料の塗布にあたっては、電極板１２と同様に
、スクリーン印刷等により行うことかできる。また、素子の分極処理は通常行われるように、電極板１
２．・・、に対して積層方向で交互に極性が異なるよう
に、外部電極１４ａ、１４ｂに各々異なる極性の電圧を
印加すればよい。このようにして、製造される本発明の圧電素子１は、圧
電板１１上に電極板１２か設けられて多数枚積層されて
おり、該電極板〕２は、各板肉に第１の電極片１２１と
第２の電極片１２２とを有して構成されている。そして
、各電極片のパターンは補完的であって、第１の電極片
１２１と第２の電極片１２２とは、その間隙を充填する
圧電電歪材充填結合層１２３を介して配列されたものと
なっている。次に、以上のように構成される圧電素子１の作用につい
て説明すると、圧電板１１の表面上に設けられる電極板
１２は、第１の電極片１２１と、第２の電極片１２２と
で作成され、素子を駆動する際、電圧を印加したときに
は、一体になる電極板と同様に、電極板１２．１２間に
は全体に−様な電界を生ずる。すなわち第２図（ｂ）、
（ａ）に示されるように、電極板１２を形成をするのに
、第１の電極片１２１を作成した後、第１の電極片１２
１の上面から圧電板１１の全面に圧電電歪材充填結合層
１２３を形成し、その後、第２の電極片１２２を作成し
て圧電板を積層圧着するので、ペースト状の結合層１２
３は、第１の電極片１２１の電極パターンの間隙１２４
と、第２の電極片の電極パターンの間隙１２５に入り込
む。しがも、印刷作成された電極片１２１，１２２が微
かながら圧延されるので、積層する上下の圧電板に対し
て電極の不在部分か発生せず、上述したように−様な電
極板になる。さらに、圧電電歪材充填結合層１２３は、第１の電極片
１２１の電極パターンと第２の電極片１２２の電極パタ
ーンとに微かな重複部分が生じても、完全に分断される
ことがなく、焼成された圧電素子１において、上下の圧
電板１．１．１１を一体的に強固に結合するのである。以上は本発明のグリーンシート法による実施例であるか
、次に、本発明の圧着接合法による実施例を第１図およ
び第２図を用いて説明する。まず、焼成された圧電材または電歪材のブロックを研磨
して圧電１ｆＬＩを形成する。この圧電板１１の表面に
ガラスフリットを添加したペースト状の電極材をスクリ
ーン印刷等の手段により印刷し、第１の電極片１２１を
作成する。次に、ガラスフリ、トと電歪材または圧電材
の焼成温度で熱処理された電歪材、または、圧電材粉末
の入ったペーストで圧電電歪材充填結合層１２３を形成
する。さらに、第２の電極片１２２を前記電極材にて、
第１の電極片１２１を補完するパターンで作成する。そ
の後、圧電板】１を積層し、熱プレスにより圧着接合し
、積層体を形成する。続いて、上述のグリーンシート法
と同様に絶縁帯１３と導電帯１５、および、外部電極１
４ａ、１４ｂとを作成する。尚、本発明の実施例では、電極板１２に設けられる電極
片１２１．１２２のパターンか図面上で各々２本帯状に
示されているか、複数本、所望するたけ設けることも可
能であり、また、パターン形状も多種のものが実施可能
である。さらに、実施例中の圧電板１１の製造方法にお
いては、所謂グリーンノート法および圧着接合法による
ものであるか、本発明の特徴から、他の接着法を用いる
ものとしてもよい。そして、圧電板１１には、履歴性の
ある電歪材でも、履歴性のない圧電材を用いてもよい。

【効果】

本発明は、以上水したように構成されるので、以下に記
載する効果を奏する。 ■本発明の積層型圧電素子をアクチュエーターとして駆
動させた場合、素子内部に圧電的に伸縮しないような不
変位部分か存在することかなり、−様な電歪効果か得ら
れ、応力集中による素子の破壊かない。 ■また、電極板の密着強度の問題による、長時間の印加
や長期の繰り返し印加、または、高電圧印加における電
極板と圧電体薄板との剥離の発生かない。 ■電極板と圧電板の熱膨張係数の差による高・低温時ま
たは焼成後の冷却時の応力集中に対しても、この構造で
は分散され、ヒートンヨノクによる電極板と圧電板との
剥離の発生かない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の積層型圧電素子の
実施例を示す側面図、第２図（ａ）および（ｂ）は電極
板の構成の実施例を示す図、第３図および第４図は従来
の積層型圧電素子の側面図である。１１・・・・・圧電板、１２・・・電極板、１２１・　第１の電極片、１２２・・・・第２の電極片、１２３・・・・・圧電電歪材充填結合層、１２４、．１
２５・・・間隙、１３　・・・絶縁帯、１４ａ、１４ｂ−−外部電極、１５　・・導電帯。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電板と電極板とが交互に積層されてなる積層型
圧電素子において、前記電極板は、複数の電極片が並置され、互いの電極片の間の間隙に充填された圧電電歪材により
厚さ方向に隣接する圧電板が相互に結合されて構成され
ていることを特徴とする積層型圧電素子。
（２）前記電極板のパターンは、該電極板の上面側に露
出した帯状の電極片と電極板の下面側に露出した帯状の
電極片とが、重合部分を有して交互に配列されたパター
ンであることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素
子。
（３）圧電板上に、帯状に複数の電極片を形成する工程
と、次いで、前記電極片の上から圧電電歪材を塗布する工程
と、さらに、前記圧電電歪材の上から複数の電極片を形成す
る工程とからなることを特徴とする請求項１または２記
載の積層型圧電素子の製造方法。