JPH11121820A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】応答性と信頼性とが両立する積層型の圧電素子
を提供する。 【解決手段】積層型の圧電素子１は、圧電セラミック２
に積層して焼結される内部電極３の組成が、銀70〜50
(重量％)−パラジウム30〜50(重量％)の範囲にある銀パ
ラジウム合金材に銀パラジウム合金材と圧電用セラミッ
クス材の総量に対して２〜１２(重量％)の範囲にある圧
電用セラミックス材を添加したものであり、内部電極３
と圧電セラミック２との収縮特性が近づき界面剥離が回
避され、内部電極３の抵抗値がほどほどで圧電素子１と
しての応答性も確保されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な積層型圧電
アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の圧電アクチュエータについて
は、特開昭62−165380号公報,特開平2−94484号公報号
公報などに開示された技術があり、 内部電極材として
銀−パラジウム合金を用いる技術が記載されている。こ
の圧電アクチュエータの構成について、その外観図を示
す図３及び図４を参照して説明する。図３に示すよう
に、積層型圧電アクチュエータ１の作製途中のブロック
は、共にシート形状からなって交互に積層され焼結一体
化された圧電セラミックス２と内部電極３との積層体か
ら構成される。そして、該積層体の対向位置にある一対
の積層端面に、該内部電極３を一層置きに絶縁する絶縁
被覆体４が、両積層端面で積層方向にずらして且つ非対
象の形で設けられると共に、内部電極３の一層置きに接
続した外部電極５が絶縁被覆体４の上に設けられ、外部
電極５にリード線６が接続されて、図４に示すような積
層型圧電アクチュエータを構成している。

【０００３】上記構成の積層型圧電アクチュエータ１の
作製は、次の通りである。圧電用セラミックス材からな
るグリーンシート表面に内部電極ペーストを塗布・印刷
して形成した内部電極を重ねて積層体を形成する。次
に、グリーンシートや内部電極に含まれるバインダーを
除去するために該積層体を脱バインダー処理し、その後
焼結して積層体を作成する。さらに、絶縁被覆体４，外
部電極５及びリード線６を形成するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の圧電アクチュエータには、焼結した後の積層体
の表面から鉛銀パラジウムからなる溶出物が滲みだす点
とセラミックの焼結温度で内部電極ペーストが溶解する
点に関して問題があった。

【０００５】一方、上記脱バインダー処理や焼結工程
で、グリーンシートと内部電極の界面で収縮特性差から
剥離が生じたり積層体に亀裂が発生する、更には、完成
品を厳しい環境下で繰返し使用した時に界面剥離が発生
するなどの問題がある。そこで特開平2−164085号公報
に開示されている圧電アクチュエータの技術によれば、
セラミック混合材の中間収縮層をグリーンシートと内部
電極との間に設けて収縮特性差を縮めて界面の剥離や亀
裂を防止しているが、中間収縮層を設けた該従来技術に
は、最近の圧電アクチュエータが要求されているニーズ
に対応できない点がある。すなわち、中間収縮層を設け
ると部品点数や製作工数の増加ばかりでなく、本来の積
層方向のひずみ特性が悪くなり、積層型圧電アクチュエ
ータとしての適用に問題があった。

【０００６】従って、本発明の目的は、鉛銀パラジウム
の溶出や内部電極ペーストの溶解がなく生産性や製品信
頼性の高い積層型圧電アクチュエータを提供するにあ
る。また、本発明の他の目的は、ひずみ特性を確保しつ
つ剥離等を防止するという性能と信頼性が両立する積層
型圧電アクチュエータを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明による積層型圧電アクチュエータの特徴は、圧電用セ
ラミック材を主成分とするグリーンシートと、銀パラジ
ウム合金材を主成分とする内部電極とを交互に積層して
焼結した積層型圧電アクチュエータであって、前記内部
電極の組成が、 銀７０〜５０(重量％)及びパラジウム
３０〜５０(重量％)の範囲にあるところにある。

【０００８】また、他の特徴は、圧電用セラミック材を
主成分とするグリーンシートと、銀パラジウム合金材を
主成分とする内部電極とを交互に積層して焼結した積層
型圧電アクチュエータであって、前記内部電極は、前記
銀パラジウム合金材に前記圧電用セラミックス材を加え
たものであり、その組成は、銀７０〜５０(重量％)及び
パラジウム３０〜５０(重量％)の範囲にある前記銀パラ
ジウム合金材と、総量に対して２〜１２(重量％)の範囲
にある前記圧電用セラミックス材とを有する点にある。

【０００９】本発明によれば、パラジウムの配合量を３
０〜５０(重量％)の範囲に抑えることによって、鉛銀パ
ラジウムの溶出やペーストの溶解を回避する。また、内
部電極自体に、圧電用のセラミックス材を２〜１２(重
量％)添加してグリーンシートとの収縮特性差を縮めて
剥離等を解消し、かつ中間収縮層がなく積層方向の寸法
当たりのひずみ特性が確保される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明によ
る一実施例の積層型圧電アクチュエータを示す断面図で
ある。図において、積層型圧電アクチュエータ(以下、
圧電素子)１は、圧電セラミック２と、内部電極３と、
両側端の絶縁被覆体４と、両側端の外部電極５と、両側
端のリード線６とから構成される。即ち、圧電素子１
は、作製途中において共にシート形状からなって交互に
積層され、その後焼結一体化された圧電セラミックス２
と内部電極３との積層体から構成される。そして、該積
層体の対向位置にある一対の積層端面に、該内部電極３
を一層置きに絶縁する絶縁被覆体４が、両積層端面で積
層方向にずらして且つ非対象の形で設けられると共に、
内部電極３の一層置きに接続した外部電極５が絶縁被覆
体４の上に設けられ、外部電極５にリード線６が半田７
にて接続されて、図に示すような積層型圧電アクチュエ
ータを構成している。

【００１１】上記構成の圧電素子１の動作は、両リード
線６間に電圧を印加すると、各一対の内部電極３の間の
圧電セラミックス２に電界が掛かり、圧電セラミックス
２が積層方向に伸縮する、すなわち、積層方向にひずみ
を生じるものである。そして、上記圧電素子に要求され
る第一事項として、鉛銀パラジウムの溶出やペーストの
溶解を防止することがある。さらに、第二事項としての
圧電素子に要求される性能、特に、積層型圧電アクチュ
エータに要求されるひずみ特性は、積層方向の寸法当た
りのひずみが大きいことにある。換言すれば、積層方向
寸法を出来るだけ抑えつつ大きな積層方向のひずみを得
ることが重要と言える。

【００１２】上記要求に応えられる本実施例の積層型圧
電アクチュエータの特徴とする構成は、圧電用セラミッ
ク材を主成分とするグリーンシートと、銀パラジウム合
金材を主成分とする内部電極とを交互に積層して焼結し
た積層型圧電アクチュエータであって、 内部電極の組
成が、 銀７０〜５０(重量％)−パラジウム３０〜５０
(重量％)の範囲にあるところにある。 即ち、 パラジウ
ムの配合量を３０〜５０(重量％)の範囲に抑えることに
よって、鉛銀パラジウムの溶出や内部電極ペーストの溶
解を回避したところにある。

【００１３】また、他の特徴とする構成は、焼結されて
内部電極３を形成する内部電極が、銀パラジウム合金材
に圧電用セラミックス材を加えたものであり、該組成
は、銀７０〜５０(重量％)−パラジウム３０〜５０(重
量％)の範囲にある銀パラジウム合金材と、総量に対し
て２〜１２(重量％)の範囲にある圧電用セラミックス材
とを有するものである。

【００１４】即ち、内部電極自体に圧電用セラミックス
材を２〜１２(重量％)添加して、かつ、前述の中間収縮
層を設けない構成とすることよって、(1) 内部電極とグ
リーンシートとの収縮特性差を縮めて剥離等の問題を解
消する。(2) 許容積層方向寸法が押さえられた場合で
あれば、中間収縮層が無い分だけ圧電セラミックス２の
積層方向寸法が増えるので、増えた分の積層方向のひず
みを大きく得ることができる、換言すれば、中間収縮
層が無い分だけ積層方向寸法を小さくしつつ、従来技術
と同等の積層方向のひずみを確保することができるとい
うことに繋がるものである。

【００１５】以下、上記構成に関して、当発明者らが検
討した内容から補足説明する。まず、積層型圧電アクチ
ュエータの作製について説明する。グリーンシートは、
ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミッ
ク材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレ
ート，分散剤にポリカルボン酸アンモニウム塩，溶剤に
イソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、
このスラリーをドクターブレード法によりキャリアフ
ィルム上に、厚さ200μｍのシート形状にて作製した。

【００１６】一方、 内部電極ペーストを、 後掲する表
１および表２の組み合わせからなる配合量(組成)で作製
した。即ち、銀２０〜８０(重量％)およびパラジウム８
０〜２０(重量％)の範囲にある銀−パラジウム合金の粉
末から内部電極ペーストを作製した。さらに、銀２０〜
８０(重量％)及びパラジウム８０〜２０(重量％)の範囲
にある銀−パラジウム合金の粉末と、２〜１６(重量％)
の範囲にある圧電用のセラミックス材の粉末を、別々に
有機バインダー及び有機溶剤を含むビヒクルで混合し、
その後に両者を充分に混練して、内部電極ペーストを作
製した。またさらに、２０〜６０(重量％)の銀粉末と８
０〜４０(重量％)のパラジウム粉末を用いて、合金粉末
のペーストの条件と同じ条件で内部電極ペーストを作製
した。

【００１７】そして、グリーンシートの表面に上記内部
電極ペーストを、厚さ１０μｍで印刷し、内部電極を形
成した。更に、内部電極が印刷された面を上向きにして
グリーンシートの２００枚を積層し、また、最上端部と
最下端部に内部電極ペーストを印刷しないグリーンシー
トを各々５枚ずつ積層して、その部分のみを厚く形成
し、温度130℃,圧力１０ＭＰａ,５分の条件で、加圧プ
レスした。 そして、脱バインダー処理をし
た後に、1200℃で２時間保持し焼結して、圧電セラミッ
ク２と内部電極３とからなる積層体を作製した。最後
に、良好な該積層体を任意の大きさに切断し、内部電極
３が露出した４つの側面のうち、一対の相対する２側面
に内部電極３の一相毎の交互に絶縁被覆体４を形成し、
更に、それらの両側面の上から外部電極５を形成した。
そして、両側面の外部電極５にリード線６を半田７で接
続し、上下面を除く４つの側面を外装樹脂で外装して、
図１に示すような形状の圧電素子１を完成した。

【００１８】次に、鉛銀パラジウムの溶出やペーストの
溶解などの点から検討した圧電素子の生産性や製品信頼
性について説明する。表１は、各種供試品とその検討結
果について取り纏めて示したものである。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１において、 脱バインダー処理後の積
層体の外観検査では、２０〜６０(重量％)の銀粉末と
８０〜４０(重量％)のパラジウム粉末からなる混合粉末
の供試品は全て不合格の×印であった。また、焼結後の
積層体の外観検査から、パラジウムの配合量が５０(重
量％)を越えると、積層体の表面から鉛銀パラジウムか
らなる溶出物が滲みだすことが分かった。 そして、パ
ラジウムの配合量が３０(重量％)未満になると、ペース
トが溶解することも分かった。 一方、他の配合組み合
わせの供試品は全て合格の〇印であった。 これら
の検討結果から、パラジウムの配合量を３０〜５０(重
量％)の範囲に抑えることが、積層型圧電アクチュエー
タの生産性や製品信頼性を高めることが判明した。

【００２１】次に、圧電セラミックス２と内部電極３と
の剥離等の防止について説明する。図２は、本実施例の
積層型圧電アクチュエータの内部電極材及び圧電用セラ
ミックス材の温度−収縮率特性を示す図である。以下、
圧電用セラミックス材をＰＺＴとも表現する。 図
において、本発明による「銀５０:パラジウム５０合金
(重量％)とＰＺＴ２〜１６(重量％)」(実線表示)と、
「銀５０:パラジウム５０合金(重量％)」(一点鎖線表示)
の各焼結収縮曲線を示している。 また、圧電用セラミ
ックス材(ＰＺＴ)の焼結収縮曲線(破線表示)を併記して
いる。

【００２２】図２に示すように、 「銀５０:パラジウム
５０合金(重量％)」に比べて、特に、「銀５０:パラジウ
ム５０(重量％)とＰＺＴ２〜１６(重量％)」 からなる内
部電極材は、圧電用セラミックス材の焼結温度である12
00(℃)付近の収縮率が「ＰＺＴ」の収縮率２０％により近
づき、 内部電極としての「銀５０:パラジウム５０(重量
％)とＰＺＴ２〜１６(重量％)」からなる内部電極材とグ
リーンシートとしての圧電用セラミックス材との収縮率
差が縮まることが分かる。この結果から圧電用セラミッ
クス材を添加した内部電極を採用すると、脱バインダー
処理や焼結工程ばかりでなく、高温多湿強振動の厳しい
環境下での繰り返し使用において、剥離や亀裂などを回
避することが可能になることが分かった。なお、図示省
略したが、「銀６０〜７０:パラジウム４０〜３０(重量
％)とＰＺＴ２〜１６(重量％)」 の内部電極材の焼結収
縮曲線は、ほとんど図示した「銀５０:パラジウム５０
(重量％）とＰＺＴ２〜１６（重量％)」の焼結収縮曲線
と同じであった。

【００２３】次に、製作途中の積層体の外観ならびに完
成品の応答性の評価検討について説明する。表２は、各
種供試品とその検討結果について取り纏めて示したもの
である。

【００２４】

【表２】

【００２５】まず、表２における供試品の組み合わせ配
合量(組成)について説明する。第１群の供試品は、銀４
０〜２０(重量％)：６０〜８０(重量％)の範囲にある銀
パラジウム合金材に２〜１６(重量％)の範囲にある圧電
用セラミックス材を添加した組成である。第２群は、銀
５０(重量％)：５０(重量％)の銀パラジウム合金材に２
〜１６(重量％)の範囲にある圧電用セラミックス材を添
加した組成である。第３群は、銀６０(重量％)：４０
(重量％)の銀パラジウム合金材に２〜１６(重量％)の範
囲にある圧電用セラミックス材を添加した組成である。
第４群は、銀７０(重量％)：３０(重量％)の銀パラジウ
ム合金材に２〜１６(重量％)の範囲にある圧電用セラミ
ックス材を添加した組成である。そして、第５群の供試
品は、銀８０(重量％)：２０(重量％)の銀パラジウム合
金材に２〜１６(重量％)の範囲にある圧電用セラミック
ス材を添加した組成である。なお、上記組成において、
銀パラジウム合金材＋圧電セラミック材＝１００(重量
％)であり、(圧電セラミック材／銀パラジウム合金を含
む総量)＝２〜１６(重量％)である。

【００２６】次に、脱バインダー処理と焼結した後の積
層体を目視により外観検査した。この結果、表２に示す
ように、第１群の供試品は全て不合格の×印であった。
この原因は、パラジウムの配合量が５０(重量％)を越え
ると、焼結した後の積層体の表面に、鉛銀パラジウムか
らなる溶出物が滲みだして電極として作製することがで
きないからであった。また、第５群の供試品も全て×印
であった。原因はパラジウムの配合量が３０(重量％)未
満になると、セラミックの焼結温度1200℃が供試品の内
部電極ペーストの固相温度以上になって、該ペーストが
溶解して電極として作製することができないからであっ
た。一方、第２〜４群の供試品は、全て合格の○印であ
って、亀裂や剥離や変形がなく、また鉛銀パラジウムの
溶出やペーストの溶解もなく、良好であった。

【００２７】次に、応答性の評価結果について説明す
る。完成した圧電素子に対する応答速度に関して、高周
波対応型光ファイバー方式非接触変位計を用いて測定し
た。まず、第１群及び第５群の供試品では圧電素子とし
て完成することが不可であり、評価不可(−印表示)であ
った。そして、第２〜４群の供試品の中にあって、圧電
用セラミックス材の量が１６重量％(１２重量％を越え
る量)の配合量のものは、内部電極の電気抵抗が大きく
なり、積層型圧電アクチュエータとしての応答性が悪く
なる(×印表示)ことが判明した。

【００２８】以上の検討から、内部電極３が前述した銀
パラジウム合金材に圧電用セラミックス材を加えた構成
であれば、内部電極３と圧電セラミック２との収縮特性
が近づき剥離等が回避され、内部電極３の抵抗値がほど
ほどで圧電素子１としての応答性も確保される積層型圧
電アクチュエータが提供される。即ち、応答性に影響を
与えずセラミック材との接着強度を大きくし、厳しい環
境下での繰返し使用にも耐えて、性能と信頼性が両立す
る積層型圧電アクチュエータを提供することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、銀パラジウム合金のパ
ラジウム配合量が明確化され、鉛銀パラジウムの溶出や
内部電極ペーストの溶解がなく生産性や製品信頼性の高
い積層型圧電アクチュエータが提供される。また、銀５
０〜７０(重量％)−パラジウム５０〜３０(重量％)の銀
パラジウム合金材に２〜１２(重量％)の圧電用セラミッ
ク材を添加したペーストから作製した内部電極を採用す
ることにより、ひずみ特性が良く信頼性に優れた積層型
圧電アクチュエータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の積層型圧電アクチュエ
ータを示す断面図である。

【図２】図１に示す積層型圧電アクチュエータの内部電
極材及び圧電用セラミックス材の温度−収縮率特性を示
す図である。

【図３】従来技術の積層型圧電アクチュエータの製造途
中のブロックを説明する外観図である。

【図４】従来技術の積層型圧電アクチュエータを説明す
る外観図である。

【符号の説明】

１…圧電素子、２…圧電セラミック、３…内部電極、４
…絶縁被覆体、５…外部電極、６…リード線、７…半
田。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 素之 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 林原 光男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電用セラミック材を主成分とするグリー
   ンシートと、銀パラジウム合金材を主成分とする内部電
   極とを交互に積層して焼結した積層型圧電アクチュエー
   タであって、 前記内部電極の組成が、 銀７０〜５０(重量％)及びパ
   ラジウム３０〜５０(重量％)の範囲にあることを特徴と
   する積層型圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】圧電用セラミック材を主成分とするグリー
   ンシートと、銀パラジウム合金材を主成分とする内部電
   極とを交互に積層して焼結した積層型圧電アクチュエー
   タであって、 前記内部電極は、前記銀パラジウム合金材に前記圧電用
   セラミックス材を加えたものであり、その組成は、銀７
   ０〜５０(重量％)およびパラジウム３０〜５０(重量％)
   の範囲にある前記銀パラジウム合金材と、 総量に対し
   て２〜１２(重量％)の範囲にある前記圧電用セラミック
   ス材と を有することを特徴とする積層型圧電アクチュ
   エータ。