JPS63102384A - 積層圧電アクチュエ−タ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は積層圧電アクチュエータ素子の構造、なかん
ず＜ｆＲ層圧電アクチュエータ素子の内部電極と、外部
電極の淡続部の構造に関する。

〔従来技術とその問題点〕

メカトロニクス機器の急速な発展に伴い、この分野で使
用されるアクチュエータが注目されてきている。現在、
運半のアクチュエータは電磁力で駆動されているため、
消費電力が大きい上に発熱や電磁ノイズ発生があり、こ
れに変わるアクチュエータの開発が望まれている。これ
に対し、固体の圧電効果を応用したアクチュエータは本
質的に電磁式アクチュエータの有する欠点を克服できる
ばかりか、小型、軽量で振動衝繋に対しても強く、さら
にセンサー機能も兼備可能という特長を有している。

圧電式アクチュエータとしては、古くから２枚の圧電板
を貼り合わせた圧電バイモルフが知られており、スピー
カのトランジューサやＶＴＲヘッドのポジショナ−等と
して利用されている。バイモルフは比較的低電圧で数１
００μｍの大きな変位が得られ、また容易に構造できる
という利点をもつが、その反面発生力が小さく応答速度
もあまり速くない。また、圧電バイモルフは基本的には
圧′Ｗ！を横効果を利用しているために電気−機械のエ
ネルギー変換効率も低い。このため、最近の高度に発達
したメカトロニクスあるいはエレクトロニクス用アクチ
ーエータとしては特性的に不十分なものである。これを
改良したものとして、多数の圧電板を層状に桔み重ねた
圧電縦効果駆動のアクチェエータも提案されている。こ
の粘層型アクチーエータ（スタ、り型）の駆動に必要な
電圧は、各圧電板の板厚で決定されてくるが、加工およ
び組Ｖて上の制約から、板厚は０．５７１１１より薄（
することは困難であるため通常５００■以上の駆動電圧
が必要となる。このため！、、ｇ　Ｊｆｊ回路をＩＣで
構成することがむずかしくなり、その応用分野が限定さ
れてしまうという欠点がある。

最近においては、クリーンシート法と呼ばれる積層セラ
ミックスコンデンサの調造技術を応用した積層圧電アク
チーエータ素子が提案されている。

本アクチーエータ≠子は従来のスタック壓圧電アクデー
エータに比べて超小型で安価であり、バイモルフ形に比
べて応答速度が速く、発生応力も大きく、かつ位置決め
精度が高いなどのすぐれた特徴をもっているので、各分
野での応用が期待されている。

グリーンシート法を利用した接層圧電アクチュエータ素
子は通常第２図に示す工程によって製造される。まず、
圧電セラミック材料の仮焼粉末に適量のバインダー、可
塑剤２分散剤を添加し、有機溶剤中で混合してスラリー
を得る。このスラリーをドクターブレード容器（ト流し
込み、スラリーをブレードと下部とのすき間から走行す
る有機フィルム上にキャスティングして成膜する。これ
を乾燥したのちフィルム上から剥離せしめてグリーンシ
ートとなし、このグリーンシートを適量な寸法に切断し
たのち、グリーンシートの片側表面に白金、金もしくは
銀−パラジウムなどからなる金属ペーストを数μｍの厚
さに印刷する。この後、所望の必要枚数だけ重ね合せて
１００℃８度に加熱しながら圧力を加えて一体積層化す
る。この積層体を電気炉に入れ、まず数百℃の低い温度
で長時間保持してグリ−ンシートに含有されている有機
物を熱分解させる。その後、セラミックスの組成に応じ
た焼成温度まで昇温して完全に一体化した圧電セラミッ
クス積層体を得る。焼成によって得らねた積層体を所望
の寸法に切断し、各内部電極層を１層おきに電気的に並
列接続し、かつ絶縁を施すことにより積層圧電アクチー
エータ素子が調製される。

第３図は上記工程で得られた積層圧電アクチュエータ素
子の断面構造を示したものである。第３図のｌａｌにお
いて、１は圧電セラミックス層であり、２は圧電セラミ
ックス層の表面に形成された内部東ｆＬ、Ｍである。３
Ａ、３Ｂは内部電極層２の１層おきに塗布、形成された
？縁周であり４Ａ、４Ｂは絶縁層３Ａ、３Ｂの上に塗布
、形成された導電層であり、これは圧電セラミックス層
の端部に露出した内部電極Ｎ２と電気的に接続されて外
部電極となっている。一方、第３図（ｂｌは第３図１ａ
ｌの構造を簡略化したものであり、圧電セラミックス膚
の端部に露出した内部電極層２にリード線５Ａ、５Ｂを
］−ンダ付けなどの方法で接合し、これを外部電極とし
ているものである。

かかる１層圧電アクチーエータ素子においては、駆！＊
１ｌ１１！ｃ圧の低減を図るため、圧電セラミック層１
の厚さは通常０．１〜０．３龍の範囲である。そして内
部電極層２の１層おきに形成する？縁周３Ａ、３Ｂはス
クリーン印刷法、スプレー法あるいはハケ塗りなどの方
法で塗布される。しかし、いずれの方法でも圧電セラミ
ック層の板厚が薄いため、必要部分に塗布できなかった
り、もしくは必要部分以外にも塗布されてしまい、電気
的な不導通あるいはｔ気的シ、−トを発生する要因とな
って、積層圧電アクチュエータ素子の壌造歩留りおよび
信頼性を低下させるという欠点がある。なお、第３図（
ｂｌに示す構造は絶縁物質を塗布する必要はないが内部
電極層の１１−おきに内部電極層２とリード線５Ａ、５
Ｂをハンダづけするのは、内部電極層の厚さが高々１０
μｍ前後以下であることと圧電セラミックス層が０．１
〜０．３ｍ１ｉであることから量産性、信頼性の点で問
題がある。

〔発明の目的〕

この発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、積層圧電アクチュエータ素子の構
造の歩留り、を産性、信頼性を向上させる素子構造を提
供するにある。

〔発明の要点〕

この発明は圧電セラミックスの内部に離間して平行に埋
込まれた複数個の平面状内部電極層と、該内部電極層の
露出した端面のうち対向する２面に設けられた絶縁層と
、該？縁周に前記内部電極層と１層おきに当接するよう
穿設された複数個のスリットと、該絶縁ノー上に形成さ
れかつ前記スリットを介して内部電極層と電気的に接続
する外部電極とを備えるのでその目的を達する。

すなわち内部電極層の露出した端面に形成された？縁層
に精度の高いスリット加工技術を施して、Ｐ縁周の内部
電極層と交叉する位置にスリットを形成し、このスリッ
トを内部電極層と外部電極の電気的接続部にするもので
、要するに先ず絶縁層により全体を絶縁状態にしておき
、必要な内部電極層のみ８精度の高いスリット加工によ
り露出しようとするものである。

〔発明の実施例〕

次にこの発明の実施例を図面にもとすいて説明する。積
層圧電アクチュエータ素子の構造の１実施例を第１図ｉ
ｄｌに示す。この素子は四角の形状を有する圧′αセラ
ミックス層１（５ＯＮ、図では６層）と、この圧電セラ
ミックスＮ１にサンドイワナされた複数個の平行な平面
状内部電極Ｎ２と、この内部電極層２の露出する上下の
端面に設けられた絶縁層１０Ａ、ＩＯＢと、この絶縁層
１０Ａ　、　ＩＯＨ０８層に内部電極層２に平行かつ内
部電極層２に１層おきに当接するよう穿設され、たスリ
ットｎＡ、１】Ｈ（？線層１０入内のスリットＩＩＡと
ＩＯＢ内のスリットＬＩＨの位置は互いに１電極層ずれ
ている）と、この絶縁層１０Ａ、ＩＯＨのそれぞれに設
けられた外部電極１２Ａ。

１２Ｂとから構成されている。スリットｌｌＡ、ＩＩＢ
はそれぞれ外部電極１２Ａと１２１３と内部電極層２と
を電気的に接続する。スＩＪ　、　ト１】Ａ　、　ＩＩ
Ｂの溝の底には内部電極層２が露出しており、またこの
スリットｌｌＡ、１１Ｂには外部電極１２Ａ　、　１２
Ｂがそれぞれ入り込んで電気的接続が行なわれる。

このような構成においては、内部電極層２は１層おきに
並列接続されて、電極層の組を２個形成することになり
、この電極層の絹にはプラスとマイナスの直流電圧が印
加される。このようにして内部電極層２には交互にプラ
スとマイナスの電圧が印加されるので圧電セラミックス
層１は電圧の印加方向ニ機械的な歪を生じてアクチュエ
ータトして機卵することになる。この８１層圧電アクチ
ュエータ素子は圧電縦効果駆動型に属するが、圧電セラ
ミックス層の厚さがスタック型に比して薄くできるので
、駆動電圧をスタック型よりも小さくすることができる
０　０１龍厚の圧電セラミックス層１を用いるときは例
えば１００　Ｖの直流電圧を使用することができ、この
とき後述の材料を用いて０．０６μｍ位の歪が生じる。

第１図（ｄｉに示すような積層圧電アクチーエータ票子
は例えば次のような方法を用いてこれを調製することが
できる。圧電セラミックス材料としては圧電ひずみ定数
（ｄ定数）の大きな）’ｂＺｒ０３−ＰｂＴｉ０３−　
Ｐｂ　（Ｎｉ　、　Ｎｂ　）　０３　系（Ｄ材料ヲ用イ
ル。／ｌ）粉末とシテ試＝ＬＩ９級（７）　ＰｂＯ，Ｚ
ｒＯ２，ＴｉＯ２，Ｎｉｐ。

Ｎｂ２Ｏ５を用い次の配合組成とした。Ｐｂ０７ｏ、ｏ
％。

ＺｒＯ２６，６％、　　ＴｉＯ２８，４％、Ｎｉ０４．
０％、　　Ｎｂ２０５１４．０％（いずれも重量％）。

上記の圧電セラミックス原料１００部に対し、バインダ
としてポリビニルブチラールを２部、可塑剤としてフタ
ル酸ジオクチルとポリエチレングリコールを含量で２部
、分散剤としてトリオレインを３〜５部、溶媒としてト
ルエンとイソプロピルアルコールの混合物を８部秤量し
、ボールミルでよく分散混合させた。得られたスラリー
を減圧脱泡したのち、ドクターブレード法でポリエステ
ルのキャリアテープ上にキャストしｓ　Ｏ−３０ｍｍ厚
に成膜した。これを自然乾燥、赤外線乾燥したあと剥離
を行ない、５０ｍ冨×５０１菖のサイズにパンチしてグ
リーンシートを得た。

内部電極層用の金属ペーストとしてＡｇ　−Ｐｄ合金ペ
ーストを用い、これを５ｏｍＮｘ５ｏＴｎ鳳のグリーン
シートの光面に約７μｍ厚にスクリーン印ｉ’６！Ｉ　
した。金属ペーストの印刷されたグリーンシートを５０
枚積層し、１２０℃、２００”、Ｇの条件で熱プレスし
て圧着し、次に６１（タテ）×６市（横）　：＜　１３
ｍｍ　（厚さ。

積層方向に該当する）のサイズに切断してチップ状素子
を得た。チップ状素子を１０℃／時間の速度で昇温し、
５００℃で５時間保持して脱バインダー処理を行ない、
さらに５℃／時間の速度で昇温し１２７０℃で２時間保
持して焼成を行なった。以上の工程で第１図１ａｌに示
す積層体が得られる。第１図（ａｔにおいて１は圧電セ
ラミックス廖であり約０．２５１１℃厚である。２はＡ
ｇ−）’ｄからなる内部電極層である。

次に第１図１ｂｌに示すように内部電極層２の露出する
積層体の上下の端面に絶縁層１０Ａ　、　ＩＯＢを形成
する。絶縁材料としてはエポキシ樹脂などの有機材料ま
たはガラスなどの無機材料のいずれでもよく、表面に対
する塗布は浸漬、ハケ塗り、スプレー、蒸着などの方法
を用いることができる。絶縁Ｊ０の厚さとしてはヌ）μ
ｍ前後が適当である。

絶１１４を形成したのち、第１図（ｃｌに示すようなス
リブｌ−１１Ａ、ＩＩＢをダイシングソーを用いて絶縁
層１０Ａ　、　ＩＯＨにそれぞれ穿つ。このスリットは
内部電極）ｆＪ　２に平行であり、内部電極層２の１層
おきにこれと突き当たる。スリットのサイズは巾１０μ
ｍないし刃μｍに加工可能である。深さはこの場合５０
μｍをや＼越えたものとなる。ピッチは０．２５１ｍ　
である。スリットの溝の底には内部電極層２が全長にわ
たり露出する。スリット１】ＡとＩＩＢとは内部電極層
２に関してＩＮだけ互いにずれる。このスリット加工は
高精度であるので後述のようにこのスリットを電気的接
続部とするときは、１ル気的接続部を簡易かつ高精度に
形成することができ、第３図１ａｌ　、　（ｂｌに示す
ような短絡、導通不良などの問題が絶無でありそのため
に積層圧電アクチュエータ素子の内部電極層２と外部電
極１２Ａ　、　１２Ｂの電気的接続工程の歩留りが高く
なるうえ電気的接続工程の能率が良（なり、かつ素子の
信頼性も向上する。

スリット加工が終ってから、第１図（ｄｉに示すように
絶縁層１０Ａ　、　ＩＯＨの上に導電性物質を塗布して
、外部電極１２Ａ　、　１２Ｂを形成する。導を付物質
はＡｇ。

Ａｕ　、　Ａ、ｇ　、　Ｃｕおよびその合金などが使用
でき、塗布方法は絶縁層の場合と同様の方法が用いられ
る。

この導電性物質を塗布するときスリット１１Ａ、１１Ｂ
に導電性物質が充てんさね、これによって内部電極層２
と外部電極１２Ａ　、　１２Ｂとが電気的に接続する。

この場合内部電極２スリツト加工によって必要な部分し
かｕｔｆ＋していないから内部電極同士の短絡というト
ラブルは完全にこれを防止することができるのである。

以上の方法で製造した積南圧電アクチーエータ素子に１
００Ｖの直流電圧を印加して変位を調べたところ、その
値は３．０μｍであった。この変位量は同一の印加電圧
で比較すると、従来の積層圧電アクチーエータ素子と同
等かそれ以上であった。ま能も使用上問題がないことを
実験的に確認した。

〔発明の効果〕

この発明によれば、圧電セラミックスの内部に離間して
平行に埋込まれた複数個の平面状内部電極層と、該内部
電極層の露出した端面のうち対向する２面に設けられた
絶縁層と、該絶縁層に内部電極層と１層おきに当接する
ように穿設された複数個のスリットと、該絶縁層上に形
成されかつ前記スリットを介して内部電極層と電気的に
接続する外部電極とを備えたので、絶縁層とそれに精度
良く穿設されたスリットとにより、必要な内部電極層の
みが確実に露出されてこれが外部電極と電気的に接続す
ることとなり、その結果短絡、導通不良などがなくなっ
て素子製造の歩留りが向上し、同時に素子のｔ産性、信
頼性も高まった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　、　ｆｂｌ　、　（ｃｌ　、　ｉｄｌは
この発明の実施例の積層圧電アクチーエータ素子の組π
工程および素子構造（ｄｌを示す斜視図、ｇｇ２図は従
来の積層圧電アクチーエータ素子の製造のフローチャー
ト、第３図は従来の積層圧電アクチュエーター素子の断
面図を示し、（ａｔは絶縁層で不要な内部電極層を被〜
する形式、（ｂ）は内部電極層に直接的にハンダつけす
る形式である。 １・・・圧電セラミックス層、２・・・内部電極層、１
０Ａ、１０Ｂ・・・絶縁層、１１Ａ、１１Ｂ・・・スリ
ット、１２Ａ　、　１２　Ｂ・・・外部電極。 第１図 第１図 第２図 ζＱ　’Ｉ　−に＋蟇き （ｂ）　　”″’ｏｉＰＷｉ層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）圧電セラミックスの内部に離間して平行に埋込まれ
   た複数個の平面状内部電極層と、該内部電極層の露出し
   た端面のうち対向する２面に設けられた絶縁層と、該絶
   縁層に前記内部電極層と１層おきに当接するように穿設
   された複数個のスリットと、該絶縁層上に形成されかつ
   前記スリットを介して内部電極層と電気的に接続する外
   部電極とを備えることを特徴とする積層圧電アクチュエ
   ータ素子。