JPH06140683A

JPH06140683A - 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH06140683A
Application number: JP29033492A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ishimori; 正樹石森; Kenji Kumamoto; 憲二熊本; Kazumasa Asumi; 一将阿隅
Original assignee: Onoda Cement Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1992-10-28
Publication date: 1994-05-20
Anticipated expiration: 2014-09-20
Also published as: JP2951129B2

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、露出する内部電極の側端部を、
全部または一部が除去されて絶縁された積層型圧電アク
チュエータとその製造方法を特徴としている。【構成】圧電セラミックスと内部電極が交互に積層さ
れて、内部電極が外部電極と一層置きに接続されたこの
発明の積層型圧電アクチュエータは、内部電極と一層
置きに接続される外部電極が形成されない素子側面にお
ける内部電極の露出を少なくとも一層置きに成るように
内部電極の側端部を、チタン酸鉛を主とする絶縁物で構
成して、異なる電位が印加される内部電極間の絶縁を保
つことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、積層型圧電アクチュ
エータおよびその製造方法、特に外部電極が形成されな
い素子側面の、内部電極が素子外部に露出する内部電極
の側端部を、チタン酸鉛を主とする絶縁物で形成して成
る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。

【０００２】

【従来の技術】従来、積層型圧電アクチュエータ１０
は、図８に示される様に内部電極層１５と絶縁部分１６
が設けられた圧電セラミックスのグリーンシート１４を
図９および図１０に示される如くセラミックス層１３と
内部電極層１５とを交互に積層して、内部電極層１５と
外部電極１７とを一層置きに接続する構造に成ってい
る。積層型圧電アクチュエータ１０は、積層型圧電アク
チュエータ１０の上下両端面を除く四側面を外装樹脂等
で被う構造に成っているのが一般的であるが、外部電極
１７の形成されていない側面には、極性の異なる電圧が
印加される内部電極層１５が露出した構造に成ってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】積層型圧電アクチュエ
ータ１０のセラミックス層１３部分がグリーンシート法
などの厚膜形成法等で形成された積層型圧電アクチュエ
ータ１０は、セラミックス層１３部分の厚みが１００ミ
クロン以下と薄く、積層型圧電アクチュエータ１０の素
子自体の小型化、低電圧駆動が可能なデバイスとして注
目されている。セラミックスは、図１１に示す様にセラ
ミックスの厚みが薄くなると単位厚み当たりに印加可能
な電圧が高くなる特性がある。そのために、積層型圧電
アクチュエータにおいて、セラミックス層の厚みを薄く
することによって、より大きな電界をセラミックス層に
印加することが可能に成る。ところが、図１０に示され
る様に、外部電極１７の形成されていない側面に極性の
異なる電圧が印加される内部電極層１５が露出した構造
に成っていると、外装樹脂等で側面がたとえ被覆されて
いても、異なる極性の電圧が印加される内部電極層１５
間の沿面距離はセラミックス層１３の厚みしかないため
に、電圧が印加されると、異なる極性の電圧が印加され
る内部電極層１５間で放電が生じて積層型圧電アクチュ
エータ１０素子自体が破壊するという現象を生じ、積層
型圧電アクチュエータ素子の製造段階で高電圧を印加す
る試験工程等での歩留まりが悪く、且つ信頼性が悪い等
の問題点がある。特に、製造工程において、ゴミなどが
付着すると、付着したゴミが微小なゴミでも、電極間間
隔が１００ミクロン以下と小さいために、付着した処が
起点と成って内部電極層１５間の放電が生じて、絶縁不
良の原因と成る。

【０００４】この様な内部電極層１５間での絶縁不良、
および放電を防ぐためには、露出した内部電極層１５を
無くしたり、或は露出している内部電極層１５の沿面距
離を長くすることが有効である。露出する内部電極層１
５の側端部を、全部、若しくは、選択的に一部が、機械
的な方法で除去する等の方法が考えられているが、特
に、セラミックス層１３部分がグリーンシート法などの
厚膜法で形成された積層型圧電アクチュエータ１０素子
は、セラミックス層１３の厚みが１００ミクロン以下と
薄いために、内部電極層１５の側面露出部分を機械的な
加工法等により、除去することは困難である。また、内
部電極層１５の側端部を空孔にすることは、１００ミク
ロン以下と薄いセラミックス層１３を積層した構造を持
つ積層型圧電アクチュエータ１０では、強度的な問題が
出てくる。

【０００５】従って、この発明の目的は、この様な従来
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、特に、内部電極間隔が１００ミクロン
以下の超小型の積層型圧電アクチュエータおよびその製
造方法において、１００ミクロン以下の内部電極間隔を
持つ積層焼結体においても露出する内部電極の側端部
を、全部、若しくは、選択的に一部が除去されて絶縁さ
れた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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明は、側面に露出する内部電極の側端部の
少なくとも１つを圧電アクチュエータが変位する時にそ
の変位の妨げにならない絶縁物で構成することにより、
側面に露出する内部電極層の側端部を除去して絶縁する
方法、乃至は極性の異なる電圧が印加される内部電極の
沿面距離を長くする方法を提案するものである。

【０００７】すなわち、この発明に依れば、圧電セラミ
ックスと内部電極が交互に積層されて内部電極が外部電
極と一層置きに接続された積層型圧電アクチュエータ
は、内部電極と一層置きに接続される外部電極が形成さ
れない素子側面における内部電極の露出を少なくとも一
層置きになるように内部電極の側端部を、チタン酸鉛を
主とする絶縁物で構成して、異なる電位が印加される内
部電極間の絶縁を保つことを特徴としている。

【０００８】また、この発明に依れば、積層型圧電アク
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、外
部電極が形成されない素子側面に露出する内部電極の少
なくとも１つの側端部を含むよう導体ペーストと隣接す
るように印刷した後に、内部電極と一層置きに接続され
る外部電極が形成されない素子側面における内部電極の
露出を少なくとも一層置きに成るように積層し、次い
で、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。

【０００９】本発明者らは、先に、特願平３−１５３２
１９号明細書において、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
成される方法を提供しているが、この発明によれば、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
極が形成されていない側面に露出する内部電極の端部
を、内部電極間の沿面距離を広げ且つ絶縁を保ち且つ変
位の妨げにならないように、チタン酸鉛で構成されるこ
とを特徴としている。

【００１０】更にまた、この発明に依れば、積層型圧電
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、積層型圧電アクチュエータを作
成することを特徴としている。

【００１１】チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）は、積層型圧
電アクチュエータに使用されるチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）等と同じペロブスカイト型化合物で、５００
℃付近にキュ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℃付近のキュリー温度を通
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
部電極の側面に露出する側端部の絶縁部分として利用す
ることによって構成されている。

【００１２】すなわち、内部電極の側面に露出する端部
の絶縁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、絶縁部分とし
てセラミックス層との馴みが良い。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（Ｐ
ＺＴ）と同じ様に焼結して、焼成時の降温過程で５００
℃付近のキュリー点で微細化する、特性を利用したもの
である。形成された絶縁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
がない。

【００１３】積層型圧電アクチュエータに使用される変
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整してやらない
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蒸発を抑えることができ
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
誘起する特性に影響を与えることも少ない。

【００１４】また、絶縁部分として、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
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、十分結晶化していること等が重
要である。

【００１５】

【実施例】以下、実施例を挙げて、この発明の積層型圧
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。

【００１６】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成分として複合ペ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１ミクロン以下の粒径にする。この粉末にバ
インダー、分散剤、活性剤、消泡剤を加え真空脱泡した
のちドクタブレード法を用いグリーンシート４を作製す
る。得られたグリーンシート４の厚みは９５ミクロンで
あった。このグリーンシート４上に、スクリーン印刷法
を用いて内部電極層５（白金）を印刷した（図１）。次
に、同じグリーンシート４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を印刷
して絶縁部分６を形成する（図２）。この絶縁部分６を
形成する絶縁ペーストは、９９.９％のチタン酸鉛粉末
を固形分（７０ｗｔ％）とし、エチルセルロースをバイ
ンダーとし、ブチルカルビトール、α−テルピネオール
を溶剤として構成される。絶縁ペーストの印刷厚みは内
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、積層焼結体２の焼結時に同じ厚みに成る必
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。実施例では、
内部電極層５のペースト印刷厚みを１８ミクロン、絶縁
部分６の層の絶縁ペースト印刷厚みを８ミクロンとし
た。

【００１７】次に、内部電極層５の印刷していないグリ
ーンシート４を３０枚、内部電極層５とチタン酸鉛から
構成される絶縁ペーストから成る絶縁部分６の印刷して
あるグリーンシート４を図３に示す様に交互に１２０
枚、更に、内部電極層５の印刷していないグリーンシー
ト４を３０枚、積層して加熱圧着し、脱脂して、１２０
０℃で焼成して図４のような積層焼結体２を得た。積層
焼結体２のセラミックス層３の厚みは５０ミクロン、内
部電極層５とチタン酸鉛から構成される絶縁ペーストか
ら成る絶縁部分６の厚みは共に５ミクロンであった。

【００１８】次に、この積層焼結体２の４側面を研磨
し、内部電極層５とチタン酸鉛から構成される絶縁部分
６の露出する相対する端面に銀ペーストを焼き付けた外
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Ｗ５×Ｄ７×Ｈ９mmの積層型圧電
アクチュエータ１を得た。

【００１９】また、比較例として、図８に示す印刷パタ
ーンで印刷して、図９および図１０に示す様な従来型の
構造の積層型圧電アクチュエータ１０も作製した。

【００２０】作製した積層型圧電アクチュエータ素子各
々１００個に４００Ｖの電圧を５秒間印加し耐圧試験を
行ったところ、この発明の第１の実施例に依る図４の様
な構造を持つ積層型圧電アクチュエータ１素子が９８％
の合格率であったのに対し、比較例の図９の様な従来構
造の積層型圧電アクチュエータ１０素子は合格率が６３
％しかなく、不良の原因は、その殆どが、異なる極性の
電圧が印加される内部電極層１５間で放電が生じたゝめ
であった。

【００２１】この発明に従って作製した積層型圧電アク
チュエータ素子の絶縁抵抗を調べたところ１００ＭΩ以
上有って十分に絶縁されていること、また、変位を測定
したところ１５０Ｖで１０ミクロン以上変位して積層型
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。

【００２２】更に、この発明に従って作製した積層型圧
電アクチュエータ素子に１５０Ｖ，１ｋＨｚ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
壊は起こらず十分耐久性も有ることも解かった。

【００２３】この発明の第１の実施例では、図４に示す
ように外部電極７の形成されていない積層型圧電アクチ
ュエータ素子側面に露出する内部電極層５全ての側端部
をチタン酸鉛で構成された積層型圧電アクチュエータ素
子を示しているが、この発明の主旨からすると、図６お
よび図７に示す様に、極性の同じ電圧が印加される内部
電極層５’のみの側端部をチタン酸鉛の絶縁部分６’で
構成されるものでも同様の効果が期待される。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明により、
１００ミクロン以下の内部電極間隔をもつ積層焼結体に
おいても、露出する内部電極の側端部を、全部、もしく
は、選択的に一部を除去して絶縁することができ、製造
工程での歩留まりが良く、充分耐電圧があり、信頼性の
高い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。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の積層型圧電アクチュエータの製造工
程の第１段階を示す説明図である。

【図２】この発明の積層型圧電アクチュエータの製造工
程の第２段階を示す説明図である。

【図３】この発明の積層型圧電アクチュエータの製造工
程の第３段階を示す説明図である。

【図４】この発明の積層型圧電アクチュエータの製造工
程の第４段階を示す説明図である。

【図５】この発明の積層型圧電アクチュエータの製造工
程の最終段階を示す説明図である。

【図６】この発明の積層型圧電アクチュエータの第２の
実施例を示す図２に相当する説明図である。

【図７】図６の第２の実施例を示す図４に相当する説明
図である。

【図８】比較例としての従来の積層型圧電アクチュエー
タのセラミックス層の１つを示す説明図である。

【図９】図８の従来のセラミックス層の積層を示す説明
図である。

【図１０】図９の従来の積層型圧電アクチュエータを示
す説明図である。

【図１１】積層型圧電アクチュエータにおける絶縁破壊
電圧とセラミックス厚さの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１積層型圧電アクチュエータ２積層焼結体３セラミックス層４グリーンシート５内部電極層５’ 内部電極層６絶縁部分６’ 絶縁部分７外部電極１１積層型圧電アクチュエータ１２積層焼結体１３セラミックス層１４グリーンシート１５内部電極層１６絶縁部分１７外部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【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、内部電極と一層置きに接続される外部電極が形成されな
い素子側面における内部電極の露出を少なくとも一層置
きに成るように内部電極の側端部を、チタン酸鉛を主と
する絶縁物で構成して、異なる電位が印加される内部電
極間の絶縁を保つことを特徴とする積層型圧電アクチュ
エータ。
【請求項２】外部電極が形成されない素子両側面に露
出する内部電極の両側端部を、チタン酸鉛を主とする絶
縁物で構成して、異なる電位が印加される内部電極間の
絶縁を保つことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電
アクチュエータ。
【請求項３】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、外部電極が形
成されない素子側面に露出する内部電極の少なくとも１
つの側端部を含むよう導体ペーストと隣接するように印
刷した後に、内部電極と一層置きに接続される外部電極
が形成されない素子側面における内部電極の露出を少な
くとも一層置きに成るように積層し、次いで、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。
【請求項４】チタン酸鉛を主とする絶縁物から成る絶
縁ペーストを、外部電極が形成されない素子両側面に露
出する内部電極の側端部を含むよう導体ペーストと隣接
して圧電セラミックスグリーンシート上に印刷したこと
を特徴とする請求項３記載の積層型圧電アクチュエータ
の製造方法。