JPH0738166A - 積層型圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と熱硬化性樹
脂とを含んだ外部電極１４が形成されている積層型圧電
アクチュエータ。 【効果】 耐マイグレーション性、導電性、積層圧電体
との接着性等に優れた外部電極１４を有する耐久性に優
れた積層型圧電アクチュエータを提供することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層型圧電アクチュエー
タ及びその製造方法に関し、より詳細には耐候性に優
れ、精密工作機械や記録ヘッド等における精密位置決め
機構等として使用される積層型圧電アクチュエータ及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より応力を加えるとその応力に比例
した電界を生じ、反対に電界を加えて分極させると電界
に比例した歪みを生じ、あるいは機械的応力が発生す
る、いわゆる圧電効果を有する圧電材料は、その特性を
利用して振動子、フィルタ、アクチュエータ等の種々の
用途に使用されている。そのなかでも、印加した電界に
比例して機械的歪みが生じることを利用したアクチュエ
ータの１種である積層型圧電アクチュエータは、変位量
が大きいこと、圧電体の積層枚数で変位量が自由に選べ
ること、耐荷重特性が優れていること等の優れた特性を
有することから、精密工作機械、精密磁気ディスク、記
録再生ヘッド、リニアステップモータ等における精密位
置決め機構として多用されている。

【０００３】図３は、従来より積層型圧電アクチュエー
タに使用されている積層圧電体の一例を示す斜視図であ
り、図中、１１は圧電磁器基板を示している。分極処理
が施された圧電磁器基板１１の積層面には、金属メッキ
層より構成される内部電極１２ａ、１２ｂが形成され、
一層おきにその分極方向が対向するように圧電磁器基板
１１が樹脂製の接着剤により接着、積層されている。内
部電極１２ａ、１２ｂの端部は、積層圧電体２０ａの対
向する二つの側面で一層おきに半円柱状の絶縁部材２３
により交互に絶縁されてその上から帯状の外部電極２４
が形成され、圧電磁器基板１１の分極方向が対向する積
層面に形成された内部電極１２ａ同士、及びそれ以外の
積層面に形成された内部電極１２ｂ同士がそれぞれ接続
されており、外部電極２４はリード端子１５により外部
に導出された構成となっている。

【０００４】上記のような構成の積層圧電体２０ａは、
その表面に樹脂等が塗布されて耐候性を付与され、又は
密閉性の容器に封入されて積層型圧電アクチュエータと
して使用されている。

【０００５】また、前記積層型圧電アクチュエータと異
なるタイプのものとして、図４に示したように一対の外
部電極２４が積層圧電体２０ｂの一つの側面に平行に形
成されているものもある。この場合、側面に露出した内
部電極１２ａ、１２ｂの端部は、側面の幅の半分の長さ
の絶縁被膜１３により側面の左半分と右半分とが交互に
絶縁されてその上から帯状の外部電極２４が形成され、
圧電磁器基板１１の分極方向が対向する積層面に形成さ
れた内部電極１２ａ同士、及びそれ以外の積層面に形成
された内部電極１２ｂ同士がそれぞれ接続されている。

【０００６】前記した積層型圧電アクチュエータの外部
電極２４には、一般的に銀ペースト、銀パラジウムペー
ストなどがよく用いられている。これらの金属材料を含
む導電性ペーストはセラミックス表面とのなじみが良
く、電気的性能を発揮するには良好な材料である。

【０００７】しかしこれらの材料は、実際に前記積層型
圧電アクチュエータを長時間使用した場合、特に高湿度
下で使用するとマイグレーションを起こし易く、故障等
の原因となるという問題点があった。

【０００８】一方、白金や金等の材料を外部電極２４と
して使用した場合には前記のようなマイグレーションの
問題はないが、従来より銀や銀パラジウムのように金属
を含むペーストを塗布するだけでは導電性に優れた外部
電極２４を形成することは難しいと考えられ、白金や金
を含む導体ペーストを塗布することにより外部電極２４
が形成された積層型圧電アクチュエータは存在していな
い。

【０００９】一般的には、前記白金等を電極に使用する
場合は、前記白金や金等を含む導体ペーストを塗布した
後、約７００℃くらいに昇温して前記導体ペーストに含
まれる樹脂等を分解、消失させ、かつ前記金属をセラミ
ックス表面に焼き付けることにより電極を形成する方法
をとっている。しかし、積層型圧電アクチュエータの場
合には、圧電磁器基板１１を積層、接着するために樹脂
を使用しており、また前記加熱で圧電体の性能が劣化す
るため、このような高温に加熱することはできない。

【００１０】従って従来、白金や金を外部電極２４とし
て使用する場合は、蒸着法等の薄膜形成方法により外部
電極２４を形成する方法をとってきていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記薄膜法に
より外部電極２４を形成する方法では、真空容器等の内
部に積層圧電体２０ａ、２０ｂを載置して蒸着を行う必
要があるため蒸着のための設備が必要となり、また蒸着
を行う作業も手間がかかり、製造原価が高くなるという
課題があった。

【００１２】そこで銀等を使用した場合のように、金又
は白金を含む導電性ペーストを調製し、これを塗布して
外部電極２４を形成する方法が再度検討されているが、
単純に金の粉末を樹脂に混ぜただけでは十分な導通抵抗
が得られず、また導通抵抗を下げようとして金の粒子を
多く入れるとセラミックス表面との接着性能が劣化する
という課題があった。

【００１３】また、樹脂の硬化温度を上げると接着性能
等、電極自体の性能は改善されるが、硬化温度が１５０
℃を超えると圧電基板のキュリー温度に近付く場合が多
いので、肝心な圧電性能の劣化を誘発してしまう虞れが
あるという課題があった。

【００１４】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、耐マイグレーション性、導電性、積層圧電体との
接着性等に優れた外部電極が形成された積層型圧電アク
チュエータ、及び外部電極を形成する際の熱処理によっ
ても圧電アクチュエータの性能が劣化しない前記積層型
圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的と
している。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る積層型圧電アクチュエータは、金のフレ
ーク７０〜９０ｗｔ％と熱硬化性樹脂とを含んで外部電
極が構成されていること特徴としている。

【００１６】また本発明に係る前記積層型圧電アクチュ
エータの製造方法は、金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と
熱硬化性樹脂とを含む導電性ペーストを塗布し、１５０
℃以下の温度で硬化させて外部電極を形成することを特
徴としている。

【００１７】本発明に係る積層型圧電アクチュエータで
は、圧電磁器基板として、例えば積層面にＮｉ等の金属
からなる内部電極がメッキ法により一様に形成された圧
電磁器基板で、その厚さが１００〜３００μｍ程度のＰ
ＺＴ系圧電セラミックスが用いられ、前記積層面にエポ
キシ樹脂等の接着剤が塗布された前記圧電磁器基板が５
０〜４００枚程度接着、積層されている。またこの積層
体の側面の内部電極が露出している部分は、左半分と右
半分とに分けた形で、側面の幅の半分の長さの絶縁被膜
が左右交互に形成されて絶縁され、前記積層面の左半分
と右半分とにそれぞれ帯状の外部電極が形成され、前記
圧電磁器基板の分極方向が対向する積層面に形成された
内部電極同士、及びそれ以外の積層面に形成された内部
電極同士が選択的に接続されている。また前記外部電極
にはリード端子が接続されている。前記絶縁被膜は、例
えばエポキシ系やアクリル系の樹脂により形成されてお
り、その厚さは１０〜５０μｍ程度である。前記絶縁被
膜の代わりに、「従来の技術」の欄で記載した絶縁部材
２３が使用されていてもよい。

【００１８】また前記外部電極として、金のフレークを
７０〜９０ｗｔ％と熱硬化性樹脂とを含んだ硬化体が使
用されている。

【００１９】前記硬化体中の熱硬化性樹脂としては、例
えばビスフェノールとエピクロルヒドリン等の重合物に
脂肪族又は芳香族のアミン、ポリアミドないしは酸無水
物等の硬化剤を混合し架橋されたエポキシ樹脂、又はポ
リオール、アミン等の硬化剤を含むウレタン樹脂、さら
にシリコン樹脂、ビニール共重合体、シアノアクリレー
ト等が挙げられ、その含有量は、通常は１０〜３０ｗｔ
％が好ましい。

【００２０】また本発明で用いられる金のフレークは、
平均粒径が数μｍ以下、厚さが数μｍ以下の薄い板状体
であり、広い面の形状が島状をしており、樹脂中に均一
に分散していることが好ましい。 本発明の積層型圧電
アクチュエータは、耐候性を付与するために、通常上記
構成の圧電基板の積層体の表面に樹脂等が塗布される
か、または前記圧電基板の積層体が密閉性の容器に封入
されて構成されている。

【００２１】また本発明に係る積層型圧電アクチュエー
タの製造方法においては、内部電極が形成された圧電磁
器基板の積層面に接着剤を塗布して、前記圧電磁器基板
を接着、積層する。次に、積層体の側面の内部電極が露
出している部分に、絶縁被膜を左右交互に半分ずつ形成
して内部電極を絶縁し、その上から帯状の外部電極を形
成する。

【００２２】この外部電極の形成工程は積層型圧電アク
チュエータの組立工程の最後に近い工程であるので、そ
れまでの工程で作製された積層圧電体を破壊したり、ダ
メージを与えたりしないようにする必要がある。本発明
では、金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と熱硬化性樹脂
と、必要に応じて混合される粒径２０μｍ以下の硬化剤
と粘度調整のための揮発性溶剤とを含有する導電性ペー
ストを塗布し、１５０℃以下の温度で硬化させて外部電
極を形成する。前記した金のフレークと熱硬化性樹脂と
を含有する導電性ペーストを調製するには、ミキサー、
ローラーミル等の均一分散混合のための装置を用いて十
分に攪拌し、分散混合する。その後、通常行っている公
知の方法、例えば圧電基板の積層体の表面に樹脂等を塗
布し、又は圧電基板の積層体を密閉性の容器に封入する
等して、積層型圧電アクチュエータの製造が完了する。

【００２３】上記した積層型圧電アクチュエータでは、
積層圧電体の一側面に１対の外部電極が形成されたもの
について説明したが、例えば図３で説明した積層型圧電
アクチュエータのように積層圧電体の二つの側面にそれ
ぞれ１個ずつ外部電極が形成されているものでもよい。

【００２４】

【作用】本発明で外部電極に用いられている前記金のフ
レークは、貴金属の中でも耐マイグレーション性が高
く、白金などと比べてもそのマイグレーション特性はほ
とんど変わらないので、本発明に係る積層型圧電アクチ
ュエータでは、前記金のフレークを含有する耐マイグレ
ーション特性に優れた外部電極が形成される。

【００２５】次に、形成される外部電極の積層圧電体と
の接着性、及び導電性について説明する。

【００２６】図１は熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を
用い、粒径数μｍ程度の硬化剤と、アルコール系の溶剤
と、金のフレークとを種々の割合で混合して導電性接着
剤を調製し、これを使用して外部電極を形成した場合
の、導電性ペースト中の金のフレークの含有量に対する
接着強度と電気抵抗率との関係を示したグラフである。
この場合、硬化温度は１５０℃、硬化時間は１時間であ
る。

【００２７】図１によりわかるように、金のフレークの
含有量が全体の７０ｗｔ％以上で、９０ｗｔ％以下の場
合に、接着強度が１００ｋｇ／ｃｍ² 以上及び電気抵抗
率が０．１Ω／ｃｍ² 以下の値を有する外部電極が得ら
れている。

【００２８】積層型圧電磁器基板の外部電極として必要
な具体的特性は、導電性に関しては電圧降下等が生じる
ことなく積層型圧電アクチュエータが円滑に作動するた
めには電気抵抗率が０．１Ω／ｃｍ² 程度以下である必
要があり、また接着性に関しては外部電極が作動中に剥
れないために接着強度が１００ｋｇ／ｃｍ² 程度以上必
要である。本発明では、導電ペースト中でお互いの接触
面積を大きくとることができ、導電ペーストを形成した
場合に導電性に優れる金のフレークが使用され、かつ熱
硬化性樹脂を含んだ前記導体ペースト中の金のフレーク
の含有量が７０〜９０ｗｔ％の範囲であるので、上記し
た外部電極として要求される特性値を満足している。

【００２９】このように、本発明に係る積層型圧電アク
チュエータによれば、金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と
熱硬化性樹脂とを含んで外部電極が構成されているの
で、耐マイグレーション性、導電性、積層圧電体との接
着性等に優れた外部電極を有する耐久性に優れた積層型
圧電アクチュエータとなる。

【００３０】また本発明に係る前記積層型圧電アクチュ
エータの製造方法によれば、金のフレーク７０〜９０ｗ
ｔ％と熱硬化性樹脂とを含む導電性ペーストを塗布し、
１５０℃以下の温度で硬化させて外部電極を形成するの
で、前記外部電極形成の際の熱処理により圧電アクチュ
エータの性能が低下せず、耐マイグレーション性、導電
性、積層圧電体との接着性等に優れた外部電極が形成さ
れ、耐久性に優れた前記積層型圧電アクチュエータが製
造されることとなる。

【００３１】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る積層型圧電ア
クチュエータ及びその製造方法の実施例を図面に基づい
て説明する。

【００３２】図２に実施例に係る積層型圧電アクチュエ
ータを構成する積層圧電体の模式的な斜視図を示してい
る。

【００３３】この積層圧電体１０は、図４に示した従来
のものと外部電極１４を除いては全く同様であるので、
その構成については特に説明せず、その製造工程を以下
に説明する。

【００３４】まず本実施例において使用した圧電磁器基
板１１は、その厚みが１１０μｍでＮｉメッキによる内
部電極１２ａ、１２ｂを有している。この圧電磁器基板
１１をエポキシ樹脂を接着剤に用いて１５０枚接着、積
層し、その両端に厚さが２ｍｍの絶縁板１６をさらに接
着して積層体を作製した。作製された積層体は、縦が
５．２ｍｍ、横が４．５ｍｍ、高さが２１ｍｍであっ
た。

【００３５】次に、この積層体の側面を左半分と右半分
とに分け、内部電極１２ａ、１２ｂが露出している部分
に、側面の幅の半分の長さのエポキシ樹脂等からなる絶
縁被膜１３を左右交互に形成した。

【００３６】次に、前記積層面の左半分と右半分とに、
金のフレーク８０％ｗｔとエポキシ樹脂とを含有する導
体ペーストを塗布することにより、それぞれ外部電極１
４を形成して圧電磁器基板１１の分極方向が対向する積
層面に形成された内部電極１２ａ同士、及びそれ以外の
積層面に形成された内部電極１２ｂ同士を選択的に接続
した。この後、１５０℃で１時間乾燥させて硬化処理を
行い、さらに外部電極１４のリード端子接合部に同じく
エポキシ樹脂を塗布してリード端子１５を取りつけ、同
じく１５０℃で１時間乾燥させて、硬化処理を行って、
積層圧電体１０を作製した。そして最後に、主としてこ
の積層圧電体１０の側面に樹脂によるコーティングを施
して、積層型圧電アクチュエータを完成させた。

【００３７】次に、前記方法で製造された積層型圧電ア
クチュエータの基本的電気性能を１０個のサンプルにつ
いて測定した。

【００３８】なお、比較例として従来の銀ペーストを外
部電極として塗布した積層型圧電アクチュエータについ
ても同様に基本的電気性能を測定した。その結果を下記
の表１に示している。

【００３９】

【表１】

【００４０】上記した表１の結果から明らかなように、
実施例に係る積層型圧電アクチュエータでは、銀で外部
電極を形成している従来の積層型圧電アクチュエータと
比較しても基本的電気性能において遜色のないものが得
られた。また、導体部分の電気抵抗率は０．０７６（Ω
／ｃｍ² ）であり、電極としての特性も十分満足できる
ものが得られていることが確認された。

【００４１】次に、最も重要である耐久性におけるテス
トとして、温度が４０℃、相対湿度が９０％の環境下で
定格電圧を連続して通電する試験を行い、２０００時間
が経過するまでに破壊したものを調べた。

【００４２】その結果、実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータでは、テストした２５個のサンプルのうち１個
だけが破壊したのに対し、比較例に係る積層型圧電アク
チュエータではテストした２５個全てが破壊し、実施例
に係る積層型圧電アクチュエータが極めて耐久性に優れ
ていることが実証された。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る積層型
圧電アクチュエータにあっては、金のフレーク７０〜９
０ｗｔ％と熱硬化性樹脂とを含んで外部電極が構成され
ているので、耐マイグレーション性、導電性、積層圧電
体との接着性等に優れた外部電極を有する耐久性に優れ
た積層型圧電アクチュエータを提供することができる。

【００４４】また本発明に係る前記積層型圧電アクチュ
エータの製造方法にあっては、金のフレーク７０〜９０
ｗｔ％と熱硬化性樹脂とを含む導電性ペーストを塗布
し、１５０℃以下の温度で硬化させて外部電極を形成す
るので、前記外部電極形成の際の熱処理により圧電アク
チュエータの性能を低下させずに、耐マイグレーション
性、導電性、積層圧電体との接着性等に優れた外部電極
を形成することができ、従って耐久性に優れた前記積層
型圧電アクチュエータを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】金のフレーク及びエポキシ樹脂を含有する導電
性ペーストを用いて、外部電極を形成した際の、金のフ
レークの含有量に対する積層圧電体との接着強度及び電
気抵抗率の関係を示したグラフである。

【図２】実施例に係る積層型圧電アクチュエータに使用
される積層圧電体を模式的に示した斜視図である。

【図３】従来より積層型圧電アクチュエータに使用され
ている積層圧電体の一例を示した斜視図であ。

【図４】従来より積層型圧電アクチュエータに使用され
ている積層圧電体の他の一例を示した斜視図である。

【符合の説明】

１４ 外部電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と熱硬化
   性樹脂とを含んで外部電極が構成されていること特徴と
   する積層型圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 金のフレーク７０〜９０ｗｔ％と熱硬化
   性樹脂とを含む導電性ペーストを塗布し、１５０℃以下
   の温度で硬化させて外部電極を形成することを特徴とす
   る請求項１記載の積層型圧電アクチュエータの製造方
   法。