JPH0453176A - 電気機械変換素子とその製造方法 - 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〕 本発明は積層型圧電素子等の電気機械変換素子と、その
製造方法に係わり、特に圧電アクチエーターとして大き
な変位発生が可能な電気機械変換素子に係わる。

〔従来の技術〕

従来の積層型圧電素子は第６図に示すように構成され、
焼結して圧電性を有する材料１０に電極４を形成し、こ
れらを積層し、対向電極が対になるように外部電極３０
を形成する事で得られている。

〔解決しようとする問題点〕

従来技術では、圧電素子の変位発生量は、例えば１０ｍ
ｍにつき数μと極めて小さいものであった。従って何等
かの変位拡大する機械的構造体と組合せる必要を生ずる
場合が多く、又その場合に於ても変位が小さいがゆえに
高い加工精度、高い組立精度が必要であり、アクチエー
ター等への応用の妨げになっていた。

〔問題を解決するための手段〕

本発明では、電気機械変換材料より成り表裏両面にそれ
ぞれ電極が形成され形状が平板状である第一の電気機械
変換材料板と、表裏両面にそれぞれ電極が形成され形状
が波板状にしゆう曲し、一周期以上のしゅう曲回数を有
する第二の電気機械変換材料板とを交互に一組以上積層
した構造を特徴とする。

電気機械変換材料としては、圧電材料若しくは圧電材料
と電歪材料を組合せて使用する。

第一の電気機械変換材料板及び第二の電気機械変換材料
板に圧電材料を使用する場合は、両者の分極処理の方向
は、同一にするのが望ましい。

各層の電極の結線は、第一の電気機械変換材料板の下面
電極と第二の電気機械変換材料板の上面電極は各層共に
共通に接続し、第一の電気機械変換材料板の上面電極と
第二の電気機械変換材料板の下面電極は各層共に共通に
接続するのが望ましい。

積層体の一端面（以下Ａ端面と表す）に波板状である第
二の電気機械変換材料板の谷部が位置し、対する他の端
面（以下Ｂ端面と表す）に第二の電気機械変換材料板の
山部が位置する位相関係で積層するのが望ましく、また
この場合は第一の電気機械変換材料板が、波板状である
第二の電気機械変換材料板と同じ位相及び周期でわずか
にしゅう曲している事が望ましい。

第一の電気機械変換材料板の上側電極及び第二の電気機
械変換材料板の下側電極はＡ端面側の部分に於て、第一
の電気機械変換材料板の下側電極及び第二の電気機械変
換材料板の上側電極はＢ端面側の部分に於て、その端面
に露出しないように小さく形成し、Ａ端面及びＢ端面の
第一の電気機械変換材料板と第二の電気機械変換材料板
が接合している部分に、導電性樹脂、はんだ、めっき法
による金属等の電導体を被着し、Ａ端面に於て第一の電
気機械変換材料板の下側電極と第二の電気機械変換材料
板の上側電極、Ｂ端面に於ては第一の電気機械変換材料
板の上側電極と第二の電気機械変換材料板の下側電極を
電気的に接続するのが望ましい。

本発明の電気機械変換素子の製法の一つである電気機械
変換セラミックスグリーンシートの表裏両面にＡｇ−Ｐ
ｄ、Ａｕ等の電極バ０タンが形成され平板状と成る第一
のグリーンシートと、波板状に成る第二のグリーンシー
トとを、その一方又は両方に高温で分解、飛散するカー
ボンペースト、感光性樹脂等から成る所定のパタンを形
成し、交互に積層、加熱圧着した後に焼成する製法に於
て前記加熱圧着する温度に於て第一のグリーンシートは
第二のグリーンシートよりも剛性が大であることを特徴
とし、当該温度に於ける第一のグリーンシートの剛性を
高めるには、第二のグリーンシートに比してバインダー
の融点がよりたがいものを使用する、あるいは可塑剤の
量をより少なくする等の方法を使用できる。

又、特に積層数が多い場合は、セラミックスグリーンシ
ートの表裏両面に電極ペーストパタンを形成し、平板状
と成る第一のグリーンシートと、表裏両面に電極ペース
トパタン及び高温で分解・飛散するカーボンペースト、
感光性樹脂等の所定のパタンを形成した後にあらかじめ
平板状にプレス整形した第二のグリーンシートとを、交
互に積層圧着し焼成するのが望ましい。

又、焼成済であり、表裏両面に電極が形成されている平
板状及び波板状の電気機械変換材料板を、エポキシ接着
剤、アクリル接着剤等の接着剤を所定位置に塗布し積層
硬化してもよい。

尚、積層体の上下面に積層体の各層よりも厚さの大なる
電気機械変換材料と同一の組成の板、あるいは他の素材
の板を一体に形成あるいは接着し、その一方又はその両
方にリード端子を形成し、リード線の引出しを容易にす
るのが望ましい。

〔作用〕

本発明の電気機械変換素子は電気機械変換材料の横効果
子（電界と直角方向の歪）を利用し、その横効果子を積
層方向の変位、歪に変換する機能をもっている。

すなわち、平板状である第一の電気機械変換材料板が収
縮する時は波板状である第二の電気機械変換材料板が伸
長し、この時第二の電気機械変換材料板の形状が波形の
振幅を増大させるように変形する。逆に第一の電気機械
変換材料板が伸長する時は第二の電気機械変換材料板が
収縮し、この時第二の電気機械変換材料板の形状が波形
の振幅を縮小させるように変形する。この波形の振幅変
化量は、横効果歪単独或いは縦効果歪単独の場合の歪量
の数十倍に達し、積層方向に大きな変位を発生する。

本発明では、第一の電気機械変換材料板の下面電極と第
二の電気機械変換材料板の上面電極が各層共に例えば（
＋）極とし第一の電気機械変換材料板の上面電極と第二
の電気機械変換材料板の下面電極を各層共に例えば（−
）極とする事により、又積層体のＡ端面に波板状である
第二の電気機械変換材料板の谷部が位置し、対するＢ端
面に第二の電気機械変換材料板の山部が位置する位相関
係で積層する事により各層の電極間の接続を容易にする
事ができる。

電気機械変換セラミックスを使用し、グリーンシートを
積層する製造方法に於て第一の電気機械変換材料板とな
るグリーンシートの剛性が、第二の其よりも高い状態で
圧着する事により第二の電気機械変換材料板となるグリ
ーンシートの変形を容易ならしめ、容易に目的とする本
発明の構造を得る事ができる。

又、電極パタンを形成したグリーンシートにカーホンペ
ースト、感光性樹脂等の高温で分解飛散するパタンを、
上面と下面て相補的位置関係に形成した後にプレス整形
し平板状にした第二の電気機械変換材料板となるグリー
ンシートを使用する事により容易に積層数を増大する事
ができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の電気機械変換素子であり、第
２図はその断面図である。１は積層構造体であり、表裏
両面に電極が形成された平板状の第一の電気機械変換材
料板１１と波板状の第二の電気機械変換材料板１２の積
層構造になっている２１及び２２は外板であり、その外
板２２にリード端子５１及び５２を形成しである。

積層体１のＡ端面ては、第二の電気機械変換材料板１２
の谷部が位置し、反対側のＢ端面ては山部が位置してい
る。

Ａ端面及びＢ端面に於て、第一の電気機械変換材料板１
１と第二の電気機械変換材料板１２が接している面のそ
れぞれの電極は、端面に露出しないように小さく形成さ
れ、第一の電気機械変換材料板１１と第二の電気機械変
換材料板１２の接合部に電導体３を被着しである。

第一の電気機械変換材料板１１と第二の電気機械変換材
料板１２は、絶縁層を介する事なく積層しであるから第
一の電気機械変換材料板１１の下面電極４１と第二の電
気機械変換材料板１２の上面電極４４は電気的に導通し
リード端子５２に導出され、第一の電気機械変換材料板
１１の上面電極４２と第二の電気機械変換材料板１２の
下面電極４３は電気的に導通しリード端子５１に導出さ
れている。

第一の電気機械変換材料板１１と第二の電気機械変換材
料板１２の厚さは約１００μ、第一の電気機械変換材料
板１１と第二の電気機械変換材料板１２とて形成される
空洞の高さは約１００μ。

積層部の総厚は約１０ｍｍである。

以下製造工程順に説明する。

ジルコン酸鉛（Ｐｂ　Ｚｒ　０３　）とチタン酸鉛（Ｐ
ｂＴｉ０３）のほぼ等量の固溶体を主成分とする粉末を
ペースト化し圧電セラミックスグリーンシー）ＩＩＧを
作製し、重量比で７＝３のＡｇ−Ｐｄペーストを約５μ
の厚さにスクリーン印刷し、第３図に示す電極ペースト
パタンを形成し第一のグリーンシートを作成した。

第３図の電極スリット６１，６２，６３，６４は、第一
の電気機械変換材料板１１と第二の電気機械変換材料板
１２が接する部分に形成し電極金属を介さずに電気機械
変換材料同士が結合する部分を形成する事により機械的
強度を向上するためのものであり編目状であってもよい
。

波板状になる第二のグリーンシートは圧電セラミックス
グリーンシー）１２Ｇの表裏両面に電極ペーストパタン
４３ｐ、４４ｐを形成した後に、第４図に示すように、
表面と裏面でその繰り返し周期を１８０度ずらして１、
カーボンペーストをスクリーン印刷により順次小さなパ
タンを重ねて断面を山形に印刷し、カーボンペーストパ
タン７１．７２を形成し、熱プレスにより第５図のよう
に平板状に予備整形した。

前記カーボンペーストは、高温で分解飛散して空洞と成
るものであり、ポリエチレン、ポリスチレン、アクリル
樹脂等のプラスチックスや、アクリル系、エポキシ系等
の感光性樹脂を使用するこができる。

外板２２と成る圧電セラミックスグリーンシートの上面
に電極パタンを、下面にリード端子パタンを形成し、そ
の上に、前記第二のグリーンシート、次に第一のグリー
ンシートと交互に積層し、最上層に外板２１となるグリ
ーンシートをかさね、加熱加圧し一体化した。

以上の工程では、多数個分の面積に所定処理したグリー
ンシートを積層一体化し、焼成の前又は後に個々の素子
に切断する事により生産性を高める事ができる。

次に、空気中で１０°Ｃ／時間の昇温速度で６００°Ｃ
まて加熱しその温度で２時間保持し、グリーンシートに
含まれているバインダー等の有機物及びカーボンペース
トをゆっくりと分解消失させた。

更に１１５０°Ｃで２時間保持し焼結した。

次に、８０°Ｃ乃至１００°Ｃのシリコンオイル中で分
極用電極に挟持し積層方向に電界を印加し分極処理を行
った。この段階では積層体の各電極は、単なる等電位面
としてしか作用せず分極処理に支障せず、各層の圧電セ
ラミックスは同一方向に分極される。分極電圧は各層の
圧電セラミックスの厚さの累計に対して４ＫＶ／ｍｍで
行った次に、Ａ端面及びＢ端面に銀エポキシペーストを
スクリーン印刷し導体３を被着し所定の温度・時間で硬
化した。

次に、シリコーン樹脂ワニスを厚さ２乃至５μコーテイ
ングし乾燥した。この時、空洞内に表面張力により保持
された余分のワニスを遠心力あるいは高圧Ａｉｒ等によ
り除去した後に乾燥硬化するのが望ましい。

更に空洞が開孔している自り端面にｔｏ、１ｍｍのシリ
コーンゴムシートを接着し耐候性を高めると共に塵　の
侵入を防止した。

この電気機械変換素子は、±２０Ｖの入力端子に対して
±６０μの変位が得られた。

一方、比較のために、第６図に示す従来の素子を、各層
の電気機械変換セラミックスの厚さを１００μとし１０
０層積層して１０ｍｍの厚さとして制作した。±２０Ｖ
の入力電圧に対して±１６７μの変位であった。

すなわち、当実施例の変位量は、従来のものの約３５倍
の大きさであった。

〔実施例２〕 実施例１における、カーボンペーストパタン７１を第一
のグリーンシートの上面に形成し、カーボンペーストパ
タン７２を第二のグリーンシートの下面に形成するよう
にした。

又、セラミックスグリーンシートに使用するバインダー
がＰＶＡを主成分とするものを第一のグリーンシート、
ＰＶＡの約２０％ブチラール化物を主成分にするものを
第二のグリーンシートに使用し、可塑剤をエチレングリ
コールとしてその含量を第二のグリーンシートに使用す
るセラミックスグリーンシートの方を多くし、熱軟化温
度が第二のグリーンシートの方が低くなるようにした。

積層）加熱・加圧し、第二のグリーンシートをしゅう曲
させると共に一体化した。

〔実施例３〕 前記実施例１における圧電セラミックスグリーンシート
を、０．９Ｐｂ　（Ｍｇｌ／３Ｎｂ２／３）０３・０、
ｌＰｂＴｉＯ３を主成分とする電歪セラミックスグリー
ンシートと、０．６５Ｐｂ　（Ｍｇｌ／３Ｎｂ２／３）
　０３・０．３５ＰｂＴｉ０３を主成分とする圧電セラ
ミックスグリーンシートとに置き換え、前者を第一のグ
リーンシートに使用し後者を第二のグリーンシートに使
用し、他の工程等は同一にして実施した。

この電気機械変換素子は、第一の電気機械変換材料板１
１に電歪材料を使用しているので印加電圧の正負に対し
て非対称の特性を有し積層方向の厚さを増大させる動作
だけを利用する用途に適している。

尚、第一の電気機械変換材料板と第二の電気機械変換材
料板のセラミックスグリーンシートを互いに置き換える
と積層方向の厚さを縮小させる動作だけを利用する用途
に適する電気機械変換素子が得られる。

〔発明の効果〕

本発明の電気機械変換素子は、従来のものよりもはるか
に大きな変位が得られ各種アクチエーターへの応用を容
易ならしむるものであり、又、高感度のセンサーとして
の応用を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気機械変換素子の斜視図であり１は
積層構造部、２１及び２２は外板、３は電導体である。 第２図は第１図の電気機械変換素子の部分拡大断面図で
あり１１は第一の電気機械変換材料板、１２は第二の電
気機械変換材料板、４１及び４２は第一の電気機械変換
材料板の下面電極及び上面電極、４３及び４４は第二の
電気機械変換材料板の下面電極及び上面電極、５１及び
５２はリード端子である。 第３図は第一のグリーンシートの拡大平面図であり、Ｉ
ＩＧはセラミックスグリーンシート６１及び６２は上部
電極ペーストパタン４２ｐに設けたスリット、６３及び
６４は下部電極ペーストパタン４１ｐのスリットである
。 第４図は中間工程における第二のグリーンシートの断面
図であり、１２Ｇはセラミックスグリーンシート、４３
ｐ及び４４ｐは下部及び上部電極ペーストパタン、７１
及び７２は下部及び上部カーボンペーストパタンである
。 第５図は、第４図のグリーンシートを加熱加圧し平板状
に予備整形したものの断面図であり、図中の二点鎖線は
後に切断される位置である。第６図は、従来の電気機械
変換素子であり４は内部電極、１０は電気機械変換材料
、９は絶縁体、３゜は外部導体である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）積層構造を有する電気機械変換素子の少なくとも
   最上層と最下層を除く部分に於て、電気機械変換材料よ
   り成り、表裏両面にそれぞれ電極が形成され形状が平板
   状である第一の電気機械変換材料板と、表裏両面にそれ
   ぞれ電極が形成され形状が波板状にしゆう曲し、一周期
   以上のしゅう曲回数を有する第二の電気機械変換材料板
   とが交互に一組以上積層して成る電気機械変換素子。
2. （２）前記電気機械変換材料が圧電材料である請求項（
   １）の電気機械変換素子。
3. （３）請求項（２）に於て、第一の電気機械変換材料板
   と第二の電気機械変換材料板の分極処理の方向が、同一
   方向である電気器械変換素子。
4. （４）前記第一の電気機械変換材料板と第二の電気機械
   変換材料板に於て、一方が圧電材料、他方が電歪材料よ
   り成る請求項（１）の電気機械変換素子。
5. （５）請求項（１），（２），（３）又は（４）におい
   て、積層体の一端面（以下Ａ端面と表す）に波板状であ
   る第二の電気機械変換材料板の谷部が位置し、対する他
   の端面（以下Ｂ端面と表す）に第二の電気機械変換材料
   板の山部が位置する位相関係で積層して成る電気機械変
   換素子。
6. （６）請求項（５）に於て、第一の電気機械変換材料板
   が、波板状である第二の電気機械変換材料板と同じ位相
   及び周期でわずかにしゅう曲して成る電気機械変換素子
   。
7. （７）請求項（１），（２），（３），（４），（５）
   又は（６）に於て、第一の電気機械変換材料板の下面電
   極と第二の電気機械変換材料板の上面電極は各層共に共
   通に接続し、第一の電気機械変換材料板の上面電極と第
   二の電気機械変換材料板の下面電極は各層共に共通に注
   ）パタン、パターンは原文どうり 接続して成る電気機械変換素子。
8. （８）請求項（５）又は（６）に於て、第一の電気機械
   変換材料板の上側電極及び第二の電気機械変換材料板の
   下側電極はＡ端面側の部分に於て、第一の電気機械変換
   材料板の下側電極及び第二の電気機械変換材料板の上側
   電極はＢ端面側の部分に於て、その端面に露出しないよ
   うに小さく形成し、Ａ端面及びＢ端面の第一の電気機械
   変換材料板と第二の電気機械変換材料板が接合している
   部分に、導電性樹脂，はんだ，めつき法による金属等の
   導電体を被着し、Ａ端面に於て第一の電気機械変換材料
   板の下側電極と第二の電気機械変換材料板の上側電極、
   Ｂ端面に於ては第一の電気機械変換材料板の上側電極と
   第二の電気機械変換材料板の下側電極を電気的に接続し
   た電気機械変換素子。
9. （９）電気機械変換材料がセラミックスであり、セラミ
   ックスグリーンシートの表裏両面に電極ペーストパタン
   を形成し、平板状と成る第一のグリーンシートと、波板
   状と成る第二のグリーンシートとを、その一方又は両方
   に高温で分解・飛散するカーボンペースト，感光性樹脂
   等から成る所定のパターンを形成し、交互に積層し、加
   熱圧着した後に焼成する製造法に於て、前記加熱圧着す
   る温度で第一のグリーンシートは、第二のグリーンシー
   トよりも硬度，剛性が大である事を特徴とする請求項（
   １）乃至（８）の電気機械変換素子の製造方法。
10. （１０）電気機械変換材料がセラミックスであり、セラ
    ミックスグリーンシートの表裏両面に電極ペーストパタ
    ンを形成し、平板状と成る第一のグリーンシートと、表
    裏両面に電極ペーストパタン及び高温で分解・飛散する
    カーボンペースト，感光性樹脂等の所定のパタンを形成
    した後に平板状にプレス整形した第二のグリーンシート
    とを、交互に積層圧着し焼成する請求項（１）乃至（８
    ）の電気機械変換素子の製造方法。