JPH06281473A - 積層型圧電セラミックアクチュエータ - Google Patents

積層型圧電セラミックアクチュエータ

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JPH06281473A
JPH06281473A JP5071375A JP7137593A JPH06281473A JP H06281473 A JPH06281473 A JP H06281473A JP 5071375 A JP5071375 A JP 5071375A JP 7137593 A JP7137593 A JP 7137593A JP H06281473 A JPH06281473 A JP H06281473A
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piezoelectric ceramic
electrode
ceramic actuator
electrode layer
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Yoshiaki Fuda
良明 布田
Junichi Ohashi
淳一 大橋
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Tokin Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電的に不活性な部分が無く、しかも分極時
や駆動時に破壊され難い積層型圧電セラミックアクチュ
エータを提供するものである。 【構成】 このアクチュエータは、それぞれ外部電極用
の接続部となる屈曲部12cの端部を別向きに有するよ
うに位置された放射型内部電極12を含む第1の種の電
極層,第2の種の電極層を圧電セラミックシート11と
の間で交互に積層した長角柱として構成される。第1の
種の電極層の接続部と第2の種の電極層の接続部とは、
それぞれ長角柱の長手方向に平行する一方の側面と他方
の側面とに設けられた外部電極14a,14bにそれぞ
れ接続されている。放射型内部電極12は、各側面にそ
れぞれ露出する複数の伸展部12aと、これらに交わる
ように長手方向に延在した直行部12bと、直行部12
bから長手方向に対して直交する方向に屈曲して延在し
た屈曲部12cとから一体的に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的エネルギーを機
械的エネルギー(駆動力を生じて微小に変位する)に変
換する積層型圧電セラミックアクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、圧電セラミックの電界誘起歪みを利用
したデバイスであり、圧電セラミックシートと電極を含
む電極層とが多層積層されることによって構成されてい
る。このような構造は一般に積層型セラミックコンデン
サと類似している。
【0003】図4は、従来の積層型圧電セラミックアク
チュエータの基本構成を示したものである。この積層型
圧電セラミックアクチュエータの場合、内部電極42と
外部電極44との接続に際して内部電極42の引き出し
部が圧電的に不活性とならないように、積層過程で各側
面に露出する内部電極42上に一層おきにガラス絶縁部
43を設け、そのガラス絶縁部43上に外部電極44を
配置させている。
【0004】この積層型圧電セラミックアクチュエータ
は、駆動回路より電気的エネルギーを供給すると、圧電
縦効果により圧電セラミックシート41と内部電極42
との積層方向に生じる変位や駆動力を利用できる。
【0005】このタイプの積層型圧電セラミックアクチ
ュエータにおいて、大きな変位量を得ようとすれば、理
論的には圧電セラミックシート41と内部電極42との
積層数を多くし、その積層方向を長くする構成とすれば
良い。
【0006】しかしながら、積層数を増加させると脱バ
インダーや焼結工程においてデラミネーションやクラッ
ク等のトラブルが発生して欠陥を生じる危険があるの
で、積層方向の長手寸法には実質的に限界がある。通常
このタイプの積層型圧電セラミックアクチュエータの長
手は20mm程度が限界になっている。
【0007】そこで、圧電セラミックシートと内部電極
とを積層した方向に対して直交する方向を長手方向とす
れば、寸法の長い積層型圧電セラミックアクチュエータ
を構成することができる。このようなタイプの積層型圧
電セラミックアクチュエータは既に幾つかのものが提案
されている。
【0008】例えば、特願平3−271913号記載の
積層型圧電セラミックアクチュエータの場合は、図5に
示すように、圧電セラミックシート51と電極層とを交
互に積層した長角柱として構成される。ここでの電極層
は、長角柱の長手方向と直交する方向に延在し、且つそ
の長手方向に沿って繰り返し位置された複数の帯状内部
電極52を含んでいる。又、この電極層は、各帯状内部
電極52の直交方向における一方向に延在した外部電極
用の接続部を含む第1の種の電極層と、各帯状内部電極
52の直交方向における他方向に延在した外部電極用の
接続部を含む第2の種の電極層とに区別される。
【0009】ここで、第1の種の電極層が含む複数の帯
状内部電極52は、それぞれが第2の種の電極層が含む
各帯状内部電極52の相互間隔の間に置かれると共に、
第2の種の電極層が含む各帯状内部電極52と平行する
ように配されている。又、第1の種の電極層の各帯状内
部電極52は、長角柱の長手方向に平行する一方の側面
に設けられた外部電極54aと接続され、第2の種の電
極層の各帯状内部電極52は、長角柱の長手方向に平行
する他方の側面に設けられた外部電極54bと接続され
ている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述した図5に示す積
層型圧電セラミックアクチュエータの場合、各帯状内部
電極52と外部電極54a,54bとにおける接続箇所
が各帯状内部電極52の一方側に存在し、各帯状内部電
極52の他方側が空所となっているため、この空所部分
が圧電的に不活性となってしまう。
【0011】このように圧電的な不活性部分があると、
分極工程や駆動時等にて高電圧を印加した場合にその部
分に応力が集中してクラック等のトラブルを発生し、場
合によっては積層型圧電セラミックアクチュエータが破
壊されこともある。
【0012】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたもので、その技術的課題は、圧電的に不活性な部分
が無く、しかも分極時や駆動時に破壊され難い積層型圧
電セラミックアクチュエータを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミックシートと電極層とを所定方向に交互に積層した
積層型圧電セラミックアクチュエータにおいて、電極層
は、所定方向と直交する平面内に延在した電極部と該電
極部から該平面内でセラミックシートの一端部まで延在
した接続部とを含む第1の種の電極層と、所定方向と直
交する平面内に延在した電極部と該電極部から該平面内
でセラミックシートの他端部まで延在した接続部とを含
む第2の種の電極層とに区別され、電極部の各々は複数
の内部電極と該内部電極間を結合した結合部とを有し、
第1の種の電極層の各々の接続部を第1の外部電極に接
続し、第2の種の電極層の各々の接続部を第2の外部電
極に接続した積層型圧電セラミックアクチュエータが得
られる。
【0014】又、本発明によれば、上記積層型圧電セラ
ミックアクチュエータにおいて、所定方向と平行に延び
た互いに対向する側面を有し、第1の外部電極は互いに
対向する側面のうちの一方の側面に沿って延び、第2の
外部電極は互いに対向する側面のうちの他方の側面に沿
って延びた積層型圧電セラミックアクチュエータが得ら
れる。
【0015】更に、本発明によれば、上記積層型圧電セ
ラミックアクチュエータにおいて、複数の内部電極にお
ける一方の側面と他方の側面とに向かう部分は、それぞ
れ平面の中心側に向かって延在する部分よりも細く形成
された積層型圧電セラミックアクチュエータが得られ
る。
【0016】加えて、本発明によれば、上記何れかの積
層型圧電セラミックアクチュエータにおいて、第1の種
の電極層と第2の種の電極層とにおける各々の複数の内
部電極は、互いに間隔をもって平行に配された積層型圧
電セラミックアクチュエータが得られる。
【0017】
【作用】不活性部分の無い長角柱として構成される本発
明の積層型圧電セラミックアクチュエータにおいては、
放射型内部電極における外部電極との接続部を積層型圧
電セラミックアクチュエータの機械的変位量や応力の出
力面を避けて長角柱の長手方向と平行な側面に存在する
圧電的に不活性な部分に設けている。放射型内部電極は
長角柱の長手方向の端部付近か、又は中央付近で長角柱
の長手方向と平行する側面に向かって屈曲された屈曲部
を有し、この屈曲部の端部の外部電極用接続部が外部電
極との間で接続される。このような放射型内部電極に
は、長手方向と平行する直行部と屈曲部とを合わせた局
部的な形状において、L字型やT字型の部分が存在す
る。
【0018】
【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明の積層型圧電セ
ラミックアクチュエータについて、図面を参照して詳細
に説明する。
【0019】図1は、本発明の第1の実施例に係る積層
型圧電セラミックアクチュエータの基本構成を斜視図に
より示したものである。
【0020】この積層型圧電セラミックアクチュエータ
も、圧電セラミックシート11と電極層とを交互に積層
した長角柱として構成される。ここで、電極層は長角柱
の長手方向と直交する方向に延在し、且つその長手方向
に沿って繰り返し位置された放射型内部電極12を含ん
でいる。更に、この電極層は放射型内部電極12の直交
方向における一方向に延在した外部電極用の接続部を含
む第1の種の電極層と、放射型内部電極12の直交方向
における他方向に延在した外部電極用の接続部を含む第
2の種の電極層とに区別される。
【0021】即ち、この積層型圧電セラミックアクチュ
エータにおいては、第1の種の電極層,第2の種の電極
層が圧電セラミックシート11との間で交互に積層さ
れ、第1の種の電極層における接続部は長角柱の長手方
向に平行する一方の側面に露出し、且つこの一方の側面
に設けられた外部電極14aとの間で接続され、第2の
種の電極層における接続部は長角柱の長手方向に平行す
る他方の側面に露出し、且つこの他方の側面に設けられ
た外部電極14bとの間で接続された構成になってい
る。
【0022】具体的に云えば、第1及び第2の種の電極
層における各放射型内部電極12は、一方の側面と他方
の側面とにそれぞれ露出する複数の伸展部12aと、こ
れら各伸展部12aのほぼ中央にて交わり、且つ長手方
向に延在した直行部12bと、この直行部12bから直
交方向に屈曲して延在する屈曲部12cとから一体的に
形成されている。ここで屈曲部12cの端部は、上述し
た如く各側面に露出し、外部電極14a,14bに対す
る接続部となる。
【0023】このような構成の積層型圧電セラミックア
クチュエータは、放射型内部電極12と外部電極14
a,14bとの接続箇所が第1及び第2の種の電極層の
それぞれにおいて一箇所となっているので、圧電的な不
活性部分が最小限に抑制されたものとなる。
【0024】因みに、図1に示す積層型圧電セラミック
アクチュエータにおいては、屈曲部12cの端部と外部
電極14a,14bとの接続箇所を長角柱の長手方向の
一端側となるようにしているが、この接続箇所を図2に
示す本発明の第2の実施例に係る積層型圧電セラミック
アクチュエータにおける屈曲部22cと外部電極24
a,24bとの場合のように、長角柱のほぼ中央となる
ようにしても良い。又、放射型内部電極12,22にお
ける伸展部12a,22aを帯状内部電極とみなした場
合、直行部12b及び屈曲部12cと直行部22b及び
屈曲部22cとは、それぞれ帯状内部電極間を結合した
結合部とみなすことができる。
【0025】次に、このような各積層型圧電セラミック
アクチュエータの製造方法について具体的に説明する。
【0026】第1の実施例に係る積層型圧電セラミック
アクチュエータの場合、圧電性セラミックシート11の
原材料は、化学組成式がPb(Ni・Nb)0.5 Ti
0.35Zr0.153 で表わされるチタン酸ジルコン酸鉛系
磁器である。
【0027】積層型圧電セラミックアクチュエータとな
る長角柱は、断面寸法が5mm×5mm,長さが70m
mである。又、圧電セラミックシート11の一層の厚さ
は50ミクロンであり、アクチュエータを構成するため
の積層数は100層である。放射型内部電極12におい
て、各伸展部12aは圧電セラミックシート11の一層
毎に1/2ピッチずらして形成されている。各伸展部1
2aの寸法は幅が200ミクロン,長さが5.0ミリメ
ートルであり、各伸展部12aの相互の間隔は600ミ
クロンである。又、各伸展部12aの長手方向の繰り返
し数は80本となっている。
【0028】直行部12bは、各伸展部12aの中央を
結んで長手方向と平行に、幅が300ミクロン,長さが
66ミリメートルで形成されている。この直行部12b
より長角柱の側面側へと屈曲して延在する位置には、屈
曲部12cが形成されている。ここで直行部12b及び
屈曲部12cは合わせて伸展部12aに対してL字状に
形成される。但し、放射型内部電極12はスクリーン印
刷により一意的(同時)に形成されるものである。
【0029】引き続き、長角柱の側面より露出した屈曲
部12cの端部(接続部)上に銀の外部電極14a,1
4bを焼き付け、屈曲部12cの接続部と外部電極14
a,14bとを接続する。尚、この積層型圧電セラミッ
クアクチュエータは、放射型内部電極12にL字状部を
含むので、L字型積層型圧電セラミックアクチュエータ
と呼ばれても良い。
【0030】一方、第2の実施例に係る積層型圧電セラ
ミックアクチュエータの場合は、同様な手順で放射型内
部電極22の伸展部22aを圧電セラミックシート21
の一層毎に1/2ピッチずらして形成するときに、繰り
返し方向のほぼ中央部に2mmの寸法で伸展部22aの
無い間隔を設ける。
【0031】次に、各伸展部22aの中央を結んで長手
方向と平行に、幅が300ミクロン,長さが68ミリメ
ートルの直行部22bを形成するときに、伸展部22a
の無い2mmの間隔にて直行部22bより長角柱の側面
側へと屈曲して延在するように屈曲部22cを形成す
る。ここで、直行部22b及び屈曲部22cは伸展部2
2aに対してT字状に形成される。
【0032】引き続き、長角柱の側面より露出した屈曲
部22cの端部(接続部)上に銀の外部電極24a,2
4bを焼き付け、屈曲部22cの接続部と外部電極24
a,24bとを接続する。尚、この積層型圧電セラミッ
クアクチュエータは、放射型内部電極22にT字状部を
含むため、T字型積層型圧電セラミックアクチュエータ
と呼ばれても良い。
【0033】そこで、このようにして得られる各積層型
圧電セラミックアクチュエータを対象に、DC350ボ
ルトの高電圧を印加して分極処理を施し、更に40℃−
90%RH環境下で300ボルトの一定電圧を印加して
エージングを施した。表1は、このときの各処理に際し
ての不良発生率に関する測定結果を、図5に示した従来
の積層型圧電セラミックアクチュエータのものと比較し
て示したものである。
【0034】
【表1】
【0035】表1から明らかなように、本発明のL字型
やT字型の積層型圧電セラミックアクチュエータは、放
射型内部電極12,22の屈曲形状に係わり無く、従来
のものに較べて分極工程におけるクラックの発生が少な
く、又エージング百時間後,及びエージング千時間後の
不良率も低くなり、耐湿負荷特性が向上していることが
判る。即ち、第1及び第2の実施例に係る積層型圧電セ
ラミックアクチュエータは、圧電的に不活性な部分が少
なく、結果として分極時や駆動時に破壊され難いものと
なる。
【0036】ところで、このように圧電的な不活性部分
を有しない長角柱の積層型圧電セラミックアクチュエー
タであっても、長角柱の側面に沿って放射型内部電極1
2,22の各伸展部12a,22a及び屈曲部12c,
22cの端部が露出して設けられるため、駆動時に表面
漏れによる電気的短絡が生じることがある。
【0037】そこで、このような表面漏れを対策し、図
3に示す如く本発明の第3の実施例に係る電気的に安定
した積層型圧電セラミックアクチュエータを構成するこ
ともできる。
【0038】この積層型圧電セラミックアクチュエータ
は、図1に示した第1の実施例に係る積層型圧電セラミ
ックアクチュエータと構成面で比較した場合、放射型内
部電極32において、複数の伸展部32aの長角柱にて
一方の側面と他方の側面とに向かう部分がそれぞれ直行
部32bに向かって延在する部分よりも細く形成された
点のみが相違している。この積層型圧電セラミックアク
チュエータの場合、放射型内部電極32の各伸展部32
aの端部の露出面積が小さくなるので、駆動時に表面漏
れによる電気的短絡が生じ難くなる。
【0039】この積層型圧電セラミックアクチュエータ
の製造も、上述した第1の実施例の場合と同様な手順で
行う。
【0040】即ち、この放射型内部電極32において、
各伸展部32aは圧電セラミックシート31の一層毎に
1/2ピッチずらして形成されている。各伸展部32a
の寸法は幅が100ミクロン,長さが0.75ミリメー
トルで、各伸展部32aの相互の間隔は600ミクロン
である。又、各伸展部32aの長手方向の繰り返し数は
80本となっている。
【0041】直行部32bは各伸展部32aの中央を結
んで長手方向と平行に、幅が200ミクロン,長さが6
6ミリメートルで形成されている。この直行部32bよ
り長角柱の側面側へと屈曲して延在する位置には、屈曲
部32cが形成されている。但し、この放射型内部電極
32もスクリーン印刷により一意的に形成されるもので
ある。
【0042】引き続き、長角柱の側面より露出した屈曲
部32cの端部(接続部)上に銀の外部電極34a,3
4bを焼き付け、屈曲部32cの接続部と外部電極34
a,34bとを接続する。尚、この積層型圧電セラミッ
クアクチュエータもL字型のものとなる。
【0043】そこで、このようにして得られた積層型圧
電セラミックアクチュエータを対象に、DC350ボル
トの高電圧を印加して分極処理を施し、更に40℃−9
0%RH環境下で300ボルトの一定電圧を印加してエ
ージングを施した。表2は、このときの各処理に際して
の不良発生率に関する測定結果を、図5に示した従来の
積層型圧電セラミックアクチュエータのものと比較して
示したものである。
【0044】
【表2】
【0045】表2から明らかなように、この積層型圧電
セラミックアクチュエータは、従来のものに較べて分極
工程における不良の発生が約1/3程度にまで減少さ
れ、又エージング百時間後,及びエージング千時間後の
不良率も低くなり、耐湿負荷特性が向上していることが
判る。即ち、第3の実施例に係る積層型圧電セラミック
アクチュエータは、結果として駆動時の表面漏れが少な
く、電気的に安定なものとなる。
【0046】尚、上述した第1及び第2の実施例に係る
積層型圧電セラミックアクチュエータに第3の実施例に
係る構成,即ち、各伸展部12a,22aの長角柱にて
一方の側面と他方の側面とに向かう部分をそれぞれ直行
部12b,22bに向かって延在する部分よりも細く形
成する構成を導入することもできる。従って、本発明は
各実施例に限定されない。
【0047】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明によれば、
内部電極と外部電極との接続に際して圧電的に不活性な
部分が無く、しかも分極時や駆動時に破壊され難いと共
に、駆動時に表面漏れが少ない電気的に安定な積層型圧
電セラミックアクチュエータが得られるようになる。こ
れにより、積層型圧電セラミックアクチュエータの製造
工程においては、不良率が顕著に改善されるようにな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る積層型圧電セラミ
ックアクチュエータの基本構成を示した斜視図である。
【図2】本発明の第2の実施例に係る積層型圧電セラミ
ックアクチュエータの基本構成を示した斜視図である。
【図3】本発明の第3の実施例に係る積層型圧電セラミ
ックアクチュエータの基本構成を示した斜視図である。
【図4】従来の積層型圧電セラミックアクチュエータの
一例を示した斜視図である。
【図5】従来の積層型圧電セラミックアクチュエータの
他例を示した斜視図である。
【符号の説明】
11,21,31,41,51 圧電セラミックシート 12,22,32 放射型内部電極 12a,22a,32a 伸展部 12b,22b,32b 直行部 12c,22c,32c 屈曲部 14a,14b,24a,24b,34a,34b 外
部電極 43 ガラス絶縁部 42 板状内部電極 52 帯状内部電極

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電セラミックシートと電極層とを所定
    方向に交互に積層した積層型圧電セラミックアクチュエ
    ータにおいて、前記電極層は、前記所定方向と直交する
    平面内に延在した電極部と該電極部から該平面内で前記
    セラミックシートの一端部まで延在した接続部とを含む
    第1の種の電極層と、前記所定方向と直交する平面内に
    延在した電極部と該電極部から該平面内で前記セラミッ
    クシートの他端部まで延在した接続部とを含む第2の種
    の電極層とに区別され、前記電極部の各々は複数の内部
    電極と該内部電極間を結合した結合部とを有し、前記第
    1の種の電極層の各々の接続部を第1の外部電極に接続
    し、前記第2の種の電極層の各々の接続部を第2の外部
    電極に接続したことを特徴する積層型圧電セラミックア
    クチュエータ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の積層型圧電セラミックア
    クチュエータにおいて、前記所定方向と平行に延びた互
    いに対向する側面を有し、前記第1の外部電極は前記互
    いに対向する側面のうちの一方の側面に沿って延び、前
    記第2の外部電極は前記互いに対向する側面のうちの他
    方の側面に沿って延びていることを特徴とする積層型圧
    電セラミックアクチュエータ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の積層型圧電セラミックア
    クチュエータにおいて、前記複数の内部電極における前
    記一方の側面と前記他方の側面とに向かう部分は、それ
    ぞれ前記平面の中心側に向かって延在する部分よりも細
    く形成されたことを特徴とする積層型圧電セラミックア
    クチュエータ。
  4. 【請求項4】 請求項1,2,3の何れか一つに記載の
    積層型圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記第
    1の種の電極層と前記第2の種の電極層とにおける各々
    の複数の内部電極は、互いに間隔をもって平行に配され
    ていることを特徴とする積層型圧電セラミックアクチュ
    エータ。
  5. 【請求項5】 圧電セラミックシートと電極層とを交互
    に積層した長角柱状の積層型圧電セラミックアクチュエ
    ータにおいて、前記電極層は、前記長角柱の長手方向と
    直交する方向に延在し、且つ該長手方向に沿って繰り返
    し位置された放射型内部電極を含むと共に、該放射型内
    部電極が有する該直交方向における一方向に延在した外
    部電極用の接続部を含む第1の種の電極層と、該放射型
    内部電極が有する該直交方向における他方向に延在した
    外部電極用の接続部を含む第2の種の電極層とに区別さ
    れ、前記第1の種の電極層と前記第2の種の電極層と
    は、前記圧電セラミックシートに対して交互に積層さ
    れ、前記第1の種の電極層におけるそれぞれの接続部
    は、前記長角柱の長手方向に平行する一方の側面に露出
    し、且つ該一方の側面に設けられた外部電極との間で接
    続され、前記第2の種の電極層におけるそれぞれの接続
    部は、前記長角柱の長手方向に平行する他方の側面に露
    出し、且つ該他方の側面に設けられた外部電極との間で
    接続されて成ることを特徴とする積層型圧電セラミック
    アクチュエータ。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の積層型圧電セラミックア
    クチュエータにおいて、前記放射型内部電極は、前記一
    方の側面と前記他方の側面とにそれぞれ露出する複数の
    伸展部と、前記複数の伸展部のほぼ中央にて交わり、且
    つ前記長手方向に延在した直行部と、前記直行部から前
    記直交方向に屈曲して延在する屈曲部とから一体的に形
    成され、前記屈曲部の端部は前記外部電極用の接続部で
    あることを特徴とする積層型圧電セラミックアクチュエ
    ータ。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の積層型圧電セラミックア
    クチュエータにおいて、前記複数の伸展部の前記一方の
    側面と前記他方の側面とに向かう部分は、それぞれ前記
    直行部に向かって延在する部分よりも細く形成されたこ
    とを特徴とする積層型圧電セラミックアクチュエータ。
  8. 【請求項8】 請求項5,6,7の何れか一つに記載の
    積層型圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記第
    1の種の電極層と前記第2の種の電極層とにおける各々
    の複数の内部電極は、互いに間隔をもって平行に配され
    ていることを特徴とする積層型圧電セラミックアクチュ
    エータ。
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