JPH0448663A - 積層縦効果圧電素子 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、圧電式アクチュエータ等に使用される積層縦
効果圧電素子に関するものである。

［従来技術］ 従来、この種の積層縦効果圧電素子としては、チタン酸
ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックス層と内部
電極層とを伸縮方向に交互に積層した構造のものが提案
されている。このような積層縦効果圧電素子は、内部電
極層に印加される電圧の極性によって伸縮するために、
その変位を利用して圧電式ドツトインパクトプリンター
ヘッドやＶＴＲヘッド等のアクチュエータとして、又超
音波モータ等の振動子として用いられている。なかでも
積層型セラミックコンデンサの製法を応用した一体積層
型セラミックスアクチュエータは量産性、信頼性が優れ
ている点で注目されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような積層縦効果圧電素子は、駆動時に積層縦効
果圧電素子自身の発熱等により素子の温度が上昇するが
、温度上昇による分極残留歪の解放のため小さな、ある
いは負の線膨張係数を示す。

従って、正の線膨張係数を持つ金属材料より構成される
変位機構等にアクチュエータとして利用するときには、
駆動時に生じる構成部材との熱膨張差を補正する必要が
あった。このため、インバー合金など線膨張係数の小さ
い材料を変位機構等の構成部材として用いて、線膨張係
数の大きい材料を温度補償材料として積層縦効果圧電素
子に接合する等、様々な工夫がなされていた。しかしな
がら、温度補償材を用意し組み付ける工程が必要であり
製造コストが高くなる。また、積層縦効果圧電素子の熱
伝導の悪さから、素子と温度補償材との間に温度差を生
じるために、上述の温度補償効果が十分得られない。ま
た、積層縦効果圧電素子と温度補償材との接合強度が弱
く、駆動中に破壊する等の問題があった。

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、その目的は圧電あるいは電歪縦効果の寸法歪
を生じる積層体部分と、線膨張係数の大きな温度補償付
部分とを、各々１個以上、交互に配置し、一体焼結によ
り接合することにより製造コストを安くし、また、積層
体部分と温度補償付部分の温度差を従来よりも減らして
温度補償効果の信頼性を向上し、積層体と温度補償材と
の接合強度を高め、強度的にも信頼性の高い積層縦効果
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］ この目的を達成するために、本発明の積層縦効果圧電素
子は、電圧の印加によって圧電あるいは電歪縦効果の寸
法歪を発生する積層縦効果圧電素子であって、圧電セラ
ミックス層と内部電極層とを交互に積層してなる積層体
部分と、温度補償付部分とを、各々１個以上交互に配置
し、一体焼結により接合して構成したことを特徴とする
ものである。

［作用コ 上記の構成を有する本発明の積層縦効果圧電素子によれ
ば、圧電あるいは電歪特性を持つ積層体部分と、温度補
償付部分とを焼成工程に於て、−体焼結し接合されるの
で、組み付は部品の点数を減らし、且つ界面の接合強度
を高めることができる。これにより、製造コストの低減
、強度的な信頼性の向上を図ることができる。また、前
記積層体部分と前記温度補償付部分とを、各々１個以上
、交互に配置したことは、前記積層体部分と前記温度補
償付部分との駆動時の温度差を従来よりも少なくし、温
度補償効果の信頼性を向上することができる。

［実施例］ 本発明をプリンタの印字ワイヤを駆動するための圧電ア
クチュエータに具体化した第１の実施例を、図面を参照
して説明する。

第２図において本体フレーム２は、室温から１００℃に
おける線膨張係数が２．Ｏｐｐｍ／℃であるＵ字形のイ
ンバー合金を用いる。そしてそのＵ字形の一方の腕部に
板ばね６が取り付けられている。この板ばね６はその板
ばね６と平行に取り付けられた板ばね７及び傾動体８と
によりＵ字形に一体形成されている。そしてその板ばね
７は可動子５に接続されている。可動子５の下部には本
発明の適用された積層縦効果圧電素子１が取り付けられ
、その下部に該積層縦効果圧電素子１に予圧を与えるく
さび形の予圧部材１２が取り付けられている。また傾動
体８には傾動アーム１ｏが取り付けられ、その先端に印
字ワイヤ１１が取り付けられている。

この圧電アクチュエータにおいて、積層縦効果圧電素子
１の圧電あるいは電歪効果による縦方向への膨張により
、前記可動子５が上方に移動する。

すると両板ばね６，７が変形し、傾動体８が反時計回り
に傾く。すると傾動アーム１０が同方向に傾き、印字ワ
イヤ１１か上方に突き出される。

上記圧電アクチュエータにおいて、積層縦効果圧電素子
１の縦方向の線膨張率は、前記本体フレーム２に用いら
れるインバー合金と同率であることが望ましい。そこで
本積層縦効果圧電素子１は次のようにして形成する。

積層縦効果圧電素子１の拡大した斜視図を第１図に示す
。積層縦効果圧電素子１は、圧電あるいは電歪縦効果の
寸法歪を発生する５個の積層体部分４０と、素子全体の
温度膨張率を補償するための６個の温度補償付部分４４
とを交互に接合してなる。前記積層体部分４０の各々は
、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ　Ｚ　Ｔ）系セラミックス
材料からなる厚みが１００μｍの圧電セラミックス層４
２と、銀パラジウム系金属材料からなる厚みが約４μｍ
の内部電極層４１とを交互に複数枚積層して２ｍｍの厚
さとしたものである。前記温度補償付部分４４の各々は
、各種添加物によってチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
系セラミックス材料と焼結温度及び収縮率を近づけたジ
ルコニア系セラミックス材料からなる厚みが１００μｍ
の温度補償材セラミックス層４３を１３枚積層して１．
３ｍｍの厚さとしたものである。前記圧電セラミックス
層４２と前記内部電極層４１と前記温度補償材セラミッ
クス層４３は、ドクターブレード法によるグリーンシー
ト成形、厚膜法による印刷、積層、熱圧着、脱バインダ
等の工程を経た後、１１００〜１３００℃の熱処理にて
一体焼結され、縦３×横３×高さ１７．８ｍｍの寸法を
持つ前記積層縦効果圧電素子１を構成する。この積層縦
効果圧電素子１に、１５０℃、３ｋＶ／ｍｍ、１０分間
の分極処理を施すことにより、積層縦効果圧電素子１に
圧電あるいは電歪特性が付与される。

ここで、前記積層体部分４０の室温から１００℃におけ
る線膨張係数は、−４，Ｏｐｐｍ／℃であり、前記温度
補償付部分４４の室温から１００℃における線膨張係数
は、１０．０　ｐ　ｐ　ｍ／℃である。本実施例の積層
縦効果圧電素子１の線膨張係数は、（−４，０ｐｐｍ／
Ｔ：Ｘ　（２ｍｍＸ３）十１０．Ｏｐｐｍ／’ＣＸ　（
１，３ｍｍＸ６））　／１７．８ｍｍ＝２．ｌｐｐｍ／
℃の線膨張係数となり、圧電あるいは電歪縦効果の寸法
歪を発生する積層体部分４０単独の場合の線膨張係数に
比べて大きな値を示し前記本体フレームを形成するイン
バー合金との熱膨張差を少なくすることができる。また
、本実施例の積層縦効果圧電素子１は、圧電あるいは電
歪縦効果の寸法歪を発生する積層体部分４０と、温度補
償付部分４４とが一体焼結により接合されており、接合
強度の信頼性は極めて高く、かつ温度補償材を接合する
工程も必要としないので製造コストの低減も実現できる
。

また、本実施例の積層縦効果圧電素子１は、駆動時の積
層体部分４０からの発熱により生ずる該積層体部分４０
と、温度補償付部分４４との温度差が２６Ｃ前後と小さ
くなり、温度補償の効果の信頼性が極めて高い。

次に本発明を具体化した第２実施例を第１実施例と同様
に第１図を参照して説明する。積層縦効果圧電素子の斜
視略図を示した第１図に於て、積層縦効果圧電素子１は
、圧電あるいは電歪縦効果の寸法歪を発生する５個の積
層体部分４０と、素子全体の線膨張係数を補償するため
の６個の温度補償付部分４４とを交互に接合してなる。

前記積層体部分４ｏの各々は、チタン酸ジルコン酸鉛（
ＰＺＴ）系セラミックス材料からなる厚みが１００μｍ
の圧電セラミックス層４２と、銀パラジウム系金属材料
からなる厚みが約４μｍの内部電極層４１とを交互に複
数枚積層して２ｍｍの厚さとしたものである。前記温度
補償付部分４４の各々は、前記圧電セラミックス層と同
一組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミック
ス材料からなる厚みが１００μｍの温度補償材セラミッ
クス層４３を２０枚積層して２ｍｍの厚さとしたもので
ある。前記圧電セラミックス層４２と前記内部電極層４
１と前記温度補償材セラミックス層４３は、ドクターブ
レード法によるグリーンシート成形、厚膜法による印刷
、積層、熱圧着、脱バインダ等の工程を経た後、１１ｏ
Ｏ〜１３００°Ｃの熱処理にて一体焼結され、縦３×横
３×高さ２２ｍｍの寸法を持つ前記積層縦効果圧電素子
１を構成する。この積層縦効果圧電素子１に、１５０℃
、３ｋＶ／ｍｍ、１０分間の分極処理を施すことにより
、積層縦効果圧電素子１に圧電あるいは電歪特性が付与
される。この時前記温度補償材セラミックス層４３には
、分極電圧を印加しないので該温度補償材セラミックス
層４３は、未分極の圧電セラミックスであり圧電あるい
は電歪縦効果の寸法歪を発生しない。

ここで、前記積層体部分４ｏの室温から１００℃におけ
る線膨張係数は、−４，Ｏｐｐｍ／’Ｃであり、前記温
度補償付部分４４の室温から１００℃における線膨張係
数は、分極残留歪の温度上昇による解放がないため７．
Ｏｐｐｍ／’Ｃである。

本第２実施例の積層縦効果圧電素子１の線膨張係数は、
　（−４，０ｐｐｍ／℃ｘ　（２ｍｍＸ５）＋７．０ｐ
ｐｍ／℃Ｘ　（２ｍｍｘ６））／２２ｍｍ＝２．０ｐｐ
ｍ／’Ｃの線膨張係数となり、圧電あるいは電歪縦効果
の寸法歪を発生する積層体部分４０単独の場合の線膨張
係数−に比べて大きな値を示し、前記本体フレーム２を
形成するインバー合金との熱膨張差を少なくすることが
できる。また、本第２実施例の積層縦効果圧電素子１は
、上記第１実施例で示した効果に加えて、圧電セラミッ
クス層４２と温度補償材セラミックス層４３とが同一組
成のセラミックスであるためグリーンシート成形、及び
一体焼結が極めて容易にでき、大幅な製造コストの低減
が実現でき、また接合強度も極めて高いという効果が得
られる。

また、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、用途に応じた変更
が可能であり、変位機構を構成する他の材料の線膨張係
数や、素子に要求される変位量に応じて、積層体部分４
０及び温度補償材部分４４等の寸法、圧電セラミックス
層４２、温度補償材セラミックス層４４、内部電極層４
１の材質を選択することができる。従って他の材料によ
り本体フレームを形成した場合でも容易に対応できる。

また本発明は上記プリンタの圧電アクチュエータに限定
されるものではなく、従来技術の欄で示した他の用途等
、すべての圧電あるいは電歪素子を用いた装置に適用で
きる。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の積層縦
効果圧電素子によれば、圧電あるいは電歪縦効果の寸法
歪を発生する積層体部分と温度補償材部分とを一体焼結
にて接合するので、製造コストの低減、強度的な信頼性
の向上を図ることができる。また、前記積層体部分と温
度補償材部分との駆動時の温度差が少なく温度補償効果
の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した実施例を示すもので、積層
縦効果圧電素子を拡大してその概略をしめず斜視図、第
２図は本実施例の圧電アクチュエータを示す正面図であ
る。 １・・・積層縦効果圧電素子、４０・・・積層体部分４
１・・・内部電極層、４２・・・圧電セラミ・ソクス層
４４・・・温度補償材部分

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電圧の印加によって圧電あるいは電歪縦効果の寸法
   歪を発生する積層縦効果圧電素子に於いて、 圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層してな
   る積層体部分と、 温度補償材部分とを、各々１個以上、交互に配置し、 一体焼結により接合してなることを特徴とする積層縦効
   果圧電素子。 ２、請求項１記載の積層縦効果圧電素子であって、前記
   温度補償材部分が前記圧電セラミックス層と同一組成の
   セラミックスからなることを特徴とする積層縦効果圧電
   素子。