JPH053349A - 積層型圧電アクチユエータおよびその製造方法 - Google Patents
積層型圧電アクチユエータおよびその製造方法Info
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Abstract
接続される積層型圧電アクチュエータにおいて、外部電
極と内部電極が接続されていない端部における外部電極
と内部電極との絶縁を保ち且つ内部応力を緩和する部分
がチタン酸鉛で構成されることを特徴としている。 【構成】この発明は、圧電セラミックスグリーンシート
上に導体ペーストを印刷して内部電極を形成し、チタン
酸鉛を主とする絶縁物からなる絶縁ペーストを導体ペー
ストと隣接するように印刷した後に、積層、圧着、脱
脂、焼成して、内部電極と外部電極を一層置きに接続し
て積層型圧電アクチュエータを製造することを特徴とし
ている。
Description
エータおよびその製造方法、特に内部電極と外部電極を
一層置きに交互に接続する際の絶縁および内部応力を緩
和する部分が形成された圧電アクチュエータおよびその
製造方法に関するものである。
セラミックス積層素子10は一般に図5に示される様
に、セラミックス層11と内部電極層12が交互に積層
し、内部電極層12と外部電極14とを一層置きに接続
する構造になっている。併し、積層型圧電アクチュエー
タ素子の場合、図5の様な構造にすると、内部電極層1
2と外部電極14が接続されないセラミックス層11に
内部応力が発生するために、変位量が拘束されてしま
う。また、接続されないセラミックス層11部分には応
力が集中するために、亀裂が入るという問題が生じる。
子20においては、一般に図6に示されるような圧電セ
ラミックス層21と内部電極層22が交互に積層し、内
部電極層22が一層置きに外部電極24によって電気的
に接続された構造が提案されている。この様な方法にお
いては、図6から理解される様に、積層型圧電アクチュ
エータ素子20は、外部電極24を形成する前に側面に
露出した内部電極層22に一層置きに絶縁体25を形成
する必要がある。
気泳動法やスクリーン印刷法が用いられている。併し乍
ら、いずれの方法においても積層体の内部電極層間隔が
70ミクロン前後よりも薄くなると、絶縁体の形成が不
可能になる。これに対して、積層型圧電アクチュエータ
素子を小型化、低電圧駆動化すると、積層体の内部電極
層間隔を70ミクロン以下にする必要があり、この時
に、内部電極層22と外部電極24の層を一層置きに確
実に接続することができる方法が必要とされている。
決するために、積層するセラミックスグリーンシート上
に内部電極用導体ペーストを印刷し、内部電極と外部電
極を一層置きに接続した際に、接続しない内部電極と外
部電極の絶縁を保つための空孔を形成するためのカーボ
ンペーストを同時に印刷して積層する方法などが、例え
ば特開昭61−142780号、特開昭62−2547
5号、特開昭63ー174380号公報に記載されるよ
う提案されている。
縁を保つ方法として、図8に示される様に圧電アクチュ
エータ素子の外側に絶縁物を設けるのではなく、図4に
示される様に圧電アクチュエータ素子の内部に絶縁部を
設けて、これ等の絶縁部を空孔にして絶縁物を詰つめる
という方法である。併し乍ら、この様な空孔を設ける方
法では、セラミックス層の厚みが100μm以下と薄く
なる場合では、焼成時に空孔が融着してしまうという問
題や、空孔が設けられている側面が脆くなる等の問題点
が見られる。
における問題点を解決するために、グリーンシートを積
層して一体焼結することによって作成される積層型圧電
アクチュエータにおいて、内部電極と外部電極が一層置
きに接続される積層型圧電アクチュエータおよびその製
造方法を提供することにある。特に、内部電極間隔が7
0μm以下の超小型の積層型圧電アクチュエータにおい
て、70μm以下の内部電極積層間隔を持つ積層焼結体
においても、内部電極層と外部電極層が一層置きに接続
される積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法を
提供することにある。
成するために、この発明に依れば、積層型圧電アクチュ
エータは、圧電セラミックスと内部電極が交互に積層さ
れ、内部電極が外部電極と一層置きに接続される積層型
圧電アクチュエータにおいて、外部電極と内部電極が接
続されていない端部における外部電極と内部電極との絶
縁を保ち且つ内部応力を緩和する部分がチタン酸鉛で構
成されることを特徴としている。
アクチュエータの製造方法は、圧電セラミックスグリー
ンシート上に導体ペーストを印刷して内部電極を形成
し、チタン酸鉛を主とする絶縁物から成る絶縁ペースト
を導体ペーストと隣接するように印刷した後に、積層、
圧着、脱脂、焼成して、内部電極と外部電極を一層置き
に接続することを特徴としている。
アクチュエータに使用されるチタン酸ジルコン酸鉛(P
ZT)等と同じペロブスカイト型化合物で、500℃付
近にキユリー温度を持っている。純粋なチタン酸鉛は、
高温で焼結しても500℃付近のキユリー温度を通過し
た時に起きる相転移による軸比の変化が大きいために、
大きな内部応力が発生し、微細に破壊して焼結しない。
この発明は、この現象に着目し、チタン酸鉛を、内部電
極を一層置きに外部電極と接続する際に、接続しない側
の絶縁および内部応力を緩和する部分として利用するこ
とによって、構成されている。
部分として使用されるチタン酸鉛は変位を誘起するセラ
ミックス層のチタン酸ジルコン酸鉛と同じペロブスカイ
ト型結晶構造を持つ化合物であり、絶縁および内部応力
を緩和する部分としてセラミックス層との馴じみが良
い。また、焼成時の昇温過程では、セラミックス層のチ
タン酸ジルコン酸鉛(PZT)と同じ様に焼結して、焼
成時の降温過程で500℃付近のキユリー点で相転移に
より微細化する、特性を利用したものである。形成され
た絶縁および内部応力を緩和する部分は微細化したチタ
ン酸鉛が入っているので、十分に絶縁を示し、且つ積層
型圧電アクチュエータに電圧を印加した時に変位を拘束
することがなく、また、変位時に応力集中によって積層
型圧電アクチュエータ素子に亀裂が入ることを防ぐこと
が出来る。
る変位を誘起するセラミックスは、先に述べた様に、ペ
ロブスカイト型構造のチタン酸ジルコン酸鉛系の化合物
が殆どである。この化合物はAサイトに鉛(Pb)を含
む化合物であるが、焼成時に鉛雰囲気を調節してやらな
いと、Aサイトの鉛が蒸発してセラミックスの特性に悪
影響を与えるという問題がある。従って、この発明にお
いて、絶縁および内部応力を緩和する部分に使用される
チタン酸鉛は、その点でも同じペロブスカイト化合物で
あってAサイトに鉛が入っているので、セラミックス層
の鉛の蒸発を抑えることが出来る。また、チタン酸鉛
は、鉛化合物の中では、特に変位を誘起するチタン酸ジ
ルコン酸鉛(PZT)と比べて、安定な化合物であり、
セラミックス層と反応して変位を誘起する特性に悪影響
を与えることも少ない。
として、使用するチタン酸鉛は、焼成時に変位を誘起す
る圧電セラミックスと反応しないことが必要であり、ま
た、焼結後に、冷却過程での相転移による破砕が起きる
ように、軸比の変化が十分起きる程度の純度が望まし
い。このためには、チタン酸鉛が、高純度であること
ゝ、十分結晶化していること等が重要である。
電アクチュエータおよびその製造方法を、図を追って更
に詳細に説明する。まず、一体焼成可能な積層型圧電ア
クチュエータ用材料として好適であるPb(Zr,Ti)
O3に第3成分として複合ベロブスカイト化合物を加
え、ストロンチウムで変性したセラミックス粉体を、サ
ンドミルで粉砕して1ミクロン以下の粒径にする。この
粉砕した粉末にバインダー、分散剤、活性剤、消泡剤を
加えて真空脱泡した後にドクタブレード法を用いてグリ
ーンシートを作製する。得られたグリーンシートの厚み
は55ミクロンであった。このグリーンシート4の上
に、スクリーン印刷法を用いて白金の内部電極層5を印
刷した(図1)。次に、同じグリーンシート4の上に内
部電極層5に隣接するように、チタン酸鉛から構成され
る絶縁ペーストすなわち絶縁および内部応力を緩和する
部分6を印刷する(第2図)。この絶縁ペーストから成
る絶縁および内部応力を緩和する部分6は、99.9%
のチタン酸鉛粉末を固形分(70重量%)とし、エチル
セルロースをバインダーとして、ブチルカルビトール、
α−テルビネオールを溶剤として構成される。絶縁ペー
ストの絶縁および内部応力を緩和する部分6の印刷厚み
は内部電極層5の印刷厚みを考慮した上で決定する必要
がある。つまり、積層体焼結時に同じ厚みになる必要が
ある。積層圧着時や焼結時に厚みの差があると、デラミ
ネーションやクラックの原因となる。図示の実施例で
は、内部電極層5のペースト印刷厚みを18μm、絶縁
および内部応力を緩和する部分6の絶縁ペースト印刷厚
みを8μmとした。次に、内部電極層5の印刷していな
いグリーンシートを30枚、内部電極層とチタン酸鉛で
構成される部分の印刷してあるグリーンシートを120
枚、更に、内部電極層の印刷していないグリーンシート
を30枚宛、積層して加熱圧着し、脱脂した後に、12
00℃で焼成して図3に示される様な積層焼結体2を得
た。この積層焼結体2のセラミックス層3の厚みは25
μm、内部電極層5とチタン酸鉛で構成される部分、す
なわち絶縁および内部応力を緩和する部分6の厚みは共
に5μmであった。
磨して、内部電極層5とチタン酸鉛で構成される部分、
すなわち絶縁および内部応力を緩和する部分6の露出す
る相対する側面に銀ペーストを焼き付けて外部電極7を
形成する。この外部電極7にリード線を半田付けし、外
装を施して図4に示される様な幅2×直径3×高さ5mm
の積層型圧電アクチュエータ素子1を得ることが出来
た。
ュエータ素子の絶縁抵抗を調べたところ100MΩ以上
もあり十分絶縁されていること、また、変位を測定した
ところ70Vで3μm以上変位し、積層型圧電アクチュ
エータ素子として十分機能することが解かった。また、
この積層型圧電アクチュエータ素子に70V、1kHzの
サイン波電圧を印加して積層型圧電アクチュエータ素子
を駆動させ、寿命試験を行ったところ、108回変位さ
せても破壊は起こらず十分に耐久性も有ることも解かっ
た。
製造された積層型圧電アクチュエータにおいては、70
μm以下の内部電極間隔を持った積層焼結体において
も、内部電極層と外部電極層を一層置きに確実に接続す
ることができ、内部電極間隔70μm以下の小型で、低
電圧駆動可能な積層型圧電アクチュエータ素子を製造す
ることが出来る等の効果が得られる。
程の第1段階を示す説明図である。
である。
である。
説明図である。
示す説明図である。
を示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 圧電セラミックスと内部電極が交互に積
層され、内部電極が外部電極と一層置きに接続される積
層型圧電アクチュエータにおいて、外部電極と内部電極
が接続されていない端部における外部電極と内部電極と
の絶縁を保ち且つ内部応力を緩和する部分がチタン酸鉛
で構成されることを特徴とする積層型圧電アクチュエー
タ。 - 【請求項2】 圧電セラミックスグリーンシート上に導
体ペーストを印刷して内部電極を形成し、チタン酸鉛を
主とする絶縁物からなる絶縁ペーストを導体ペーストと
隣接するように印刷した後に、積層、圧着、脱脂、焼成
して、内部電極と外部電極を一層置きに接続することを
特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15321991A JP2994492B2 (ja) | 1991-06-25 | 1991-06-25 | 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP15321991A JP2994492B2 (ja) | 1991-06-25 | 1991-06-25 | 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH053349A true JPH053349A (ja) | 1993-01-08 |
JP2994492B2 JP2994492B2 (ja) | 1999-12-27 |
Family
ID=15557659
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15321991A Expired - Lifetime JP2994492B2 (ja) | 1991-06-25 | 1991-06-25 | 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2994492B2 (ja) |
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JP2994492B2 (ja) | 1999-12-27 |
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