JP2001094164A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 トラブルの起きにくい信頼性に優れた積層型
圧電アクチュエータを提供することである。特に、活性
部と不活性部との界面に、損傷の原因となるような応力
が発生しない積層型圧電アクチュエータを提供すること
である。 【解決手段】 圧電材と内部電極とが交互に積層されて
なる活性部１と、この活性部における前記圧電材と前記
内部電極との積層方向に沿って、前記活性部の一端側お
よび他端側に配設された、内部電極を持たない不活性部
２とを具備してなる積層型圧電アクチュエータであっ
て、前記不活性部の弾性率を前記活性部の弾性率より低
くしてなる積層型圧電アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、各種機器
の駆動手段として利用される積層型圧電アクチュエータ
に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】各種機器の駆動手段と
して用いられている積層型圧電アクチュエータ（以下、
単に圧電アクチュエータと言う）は、次のような構造を
有する（図４参照）。すなわち同圧電アクチュエータ
は、図４（ａ）に示すごとく、活性部１１（電圧印加時
に伸縮変形する部分）と、この活性部１１の上下に積重
された不活性部（伸縮変形しない部分。通常「保護層」
と呼ばれる）１２と、活性部１１の対向する側面に形成
された一対の外部電極（片方は図示せず）１３とからな
る。

【０００３】このうち活性部１１は、図４（ｂ）に示す
ごとく、内部電極１４が形成（正確には内部電極ベース
トが塗布）された原料シート１５を多数積層させ、圧着
後、焼成処理して得られたものである。ちなみに、上記
一対の外部電極１３には、内部電極１４が交互に接続さ
れる。一方、不活性部１２も、同図（ｂ）に示すごと
く、上記原料シート１５と同じ組成であって内部電極が
形成されていない原料シート１６を積層させ、圧着後、
焼成処理して得られたものである。但し、言うまでもな
く、活性部１１と不活性部１２とは一体となっている
（同時に圧着・焼成されるため）。

【０００４】こうした構造の圧電アクチュエータでは、
外部電極１３を用いて電圧が印加されると、活性部１１
が原料シート１５，１６の積層方向（焼結した原料シー
トからなる圧電材の積層方向）に伸長する。その一方
で、活性部１１は、原料シート積層方向と直交する方向
に収縮する。この状態は、図５に示すとおりである。と
ころで、同図から判るように、活性部１１の上下両端に
積層された不活性部１２は、活性部１１に電圧が印加さ
れても変形しない。このため図５の状態では活性部１１
と不活性部１２との界面には、この面に沿った大きな応
力が発生している。そして、実際、この応力によって圧
電アクチュエータが破壊されることがある。

【０００５】なお、こうした問題を解決するため、活性
部の内部電極間隔を不均一にする技術が提案されてい
る。更に詳しく言うと、この技術は、不活性部近傍にお
ける内部電極の間隔を、他の位置のそれよりも大きくす
るものである。そして、この技術を採用すれば、不活性
部近傍における活性部の変形が抑えられ、活性部と不活
性部との界面に生じる応力が緩和される。

【０００６】しかし、上記構造を得るには、圧電アクチ
ュエータ（特に活性部）製造の際、内部電極が形成され
た原料シート間に、内部電極が形成されていない原料シ
ートを適宜挟み込ませる必要がある。だが、これは、原
料シートの積層工程（積層体形成工程）を複雑化させ、
生産性を低下させる。その上、活性部における伸縮に寄
与しない部分の割合が増えるので、圧電アクチュエータ
の変位量が減少するといった問題もある。それゆえ、上
記手法は現実的とは言えず、これに代わる技術の開発が
待たれていた。

【０００７】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、トラブルの起きにくい信頼性に優れた積層型圧電
アクチュエータを提供することである。特に、活性部と
不活性部との界面に、損傷の原因となるような応力が発
生しない積層型圧電アクチュエータを提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題は、圧電材と内
部電極とが交互に積層されてなる活性部と、この活性部
における前記圧電材と前記内部電極との積層方向に沿っ
て、前記活性部の一端側および他端側に配設された、内
部電極を持たない不活性部とを具備してなる積層型圧電
アクチュエータであって、前記不活性部の弾性率を前記
活性部の弾性率より低くしてなることを特徴とする積層
型圧電アクチュエータによって解決される。

【０００９】なお、本発明の積層型圧電アクチュエータ
においては、不活性部の原料として活性部を構成する圧
電材の原料と同じ組成のものを用い、かつ、前記不活性
部の密度（嵩密度）を前記活性部の密度より低くするこ
とで、前記不活性部の弾性率を前記活性部の弾性率より
低くすることができる。更に言うと、本発明の積層型圧
電アクチュエータでは、不活性部の原料に有機物を添加
し、焼成処理によって前記有機物を焼失させて空隙を形
成することで、前記不活性部の密度を前記活性部の密度
より低くしてなることが好ましい。こうすることで、焼
成処理と同時に、活性部より低弾性率の不活性部を得る
ことができ、生産性の向上が図れる。

【００１０】あるいは、活性部を構成する圧電材の原料
および不活性部の原料が共に粉末状のものである場合、
前記不活性部の原料として、前記活性部を構成する圧電
材の原料よりも平均粒径の大きなものを用いることで、
前記不活性部の密度を前記活性部の密度より低くしても
よい（平均粒径が大きくなるほど焼結性が低下するた
め）。こうすることでも、効率よく、活性部より低弾性
率の不活性部を得ることができる。

【００１１】さて、上述したように本発明では、活性部
と不活性部とを備えた積層型圧電アクチュエータを、不
活性部の弾性率が活性部の弾性率よりも低くなるよう構
成した。ところで、電圧印加により活性部が変形、特に
圧電材の積層方向と直交する方向に収縮すると、活性部
と、電圧印加によって変形しない不活性部との界面に
は、その面に沿った応力が生じる。しかしながら、本発
明の積層型圧電アクチュエータでは、上述したように、
不活性部の弾性率が活性部のそれよりも低くなってい
る。つまり、不活性部が変形しやすくなっているので、
同不活性部における活性部近傍の部分は、この活性部の
収縮に追従して比較的容易に変形する。よって、上記界
面に沿った応力は、従来に比べて大幅に緩和される。言
い換えれば、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、
作動中、活性部と不活性部との界面に自己損傷の原因と
なるような応力は発生しない。ゆえに、本発明の積層型
圧電アクチュエータは、トラブルが起きにくく、信頼性
に優れる。

【００１２】ちなみに、不活性部の弾性率と活性部の弾
性率との比であるが、前者は後者の７０〜９５％程度で
あるのが望ましい。なぜなら、この比が７０％より小さ
くなると不活性部が急に脆弱になり、逆に、比が９５％
より大きくなると、十分な界面応力緩和効果が得られな
くなるからである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下で本発明の第１実施形態とし
て説明する積層型圧電アクチュエータは、圧電材と内部
電極とが交互に積層されてなる活性部と、この活性部に
おける上記圧電材と上記内部電極との積層方向に沿っ
て、活性部の一端側および他端側に配設された、内部電
極を持たない不活性部とを具備してなるものであって、
上記不活性部の弾性率を上記活性部の弾性率よりも低く
してなることを特徴とする。特に本実施形態では、不活
性部の原料として、活性部を構成する圧電材の原料と同
じ組成のものを用いると共に、不活性部の密度を活性部
の密度よりも低くすることで、不活性部の弾性率を活性
部の弾性率よりも低くしている。更に言えば、本実施形
態では、不活性部の原料に有機物を添加し、焼成処理に
よって、この有機物を焼失させて空隙を形成すること
で、不活性部の密度を活性部の密度よりも低くしてい
る。

【００１４】次に、図１および図２を用い、本発明の第
１実施形態を更に詳しく説明する。なお、図１は本実施
形態に係る積層型圧電アクチュエータの外観図、図２は
積層される原料シートおよび不活性部原料片の斜視図で
ある。本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ（以
下、単に本圧電アクチュエータと言う）は、図１に示す
ごとく、電圧印加時に伸縮変形する活性部１、この活性
部１の上下に設けられた、保護層とも呼ばれる伸縮変形
しない部分すなわち不活性部２、そして活性部１の対向
する側面に形成された一対の外部電極（片方は図示せ
ず）３を具備してなる。

【００１５】このうち活性部１は、図２からも判るよう
に、内部電極４が形成（正確には内部電極ペーストの塗
膜が形成）された原料シート５を多数積層させ、圧着
後、焼成処理して得られたものである。つまり、活性部
１は、焼結した原料シート５からなる圧電材と内部電極
４とが、交互に積層された構造となっている。ちなみに
上記一対の外部電極３には、内部電極４が交互に接続さ
れる。すなわち、ある内部電極４については、図１に示
した手前側の外部電極３に、一方、この内部電極４の上
下に位置する内部電極４に関しては、奥側の外部電極３
にそれぞれ接続されることになる。

【００１６】これに対して不活性部２は内部電極を持っ
ておらず、上記活性部１における内部電極４と原料シー
ト（圧電材）５との積層方向に沿って、活性部１を挟む
ようその上端側および下端側に配設されている。なお、
言うまでもなく、図１に示す完成状態にあっては、活性
部１と不活性部２とは完全に一体化されている。しか
し、図２に示す焼成処理前の状態では、最終的に不活性
部２となる部分すなわち不活性部原料片６は、原料シー
ト５の積層体とは別体である。

【００１７】そして本実施形態では、活性部１を構成す
る圧電材の原料および不活性部２の原料として、同じ組
成のものを用いており、更に不活性部２の密度を活性部
１の密度よりも低くすることで、不活性部２の弾性率を
活性部１の弾性率よりも低くしている。より詳しく言う
と、不活性部２の原料に有機物を添加し、焼成処理によ
って、この有機物を焼失させて空隙を形成することで、
不活性部２の密度を活性部１の密度よりも低くしてい
る。

【００１８】さて、ここで、本積層型圧電アクチュエー
タの製造手順について、その概要を説明する。まず活性
部１についてであるが、この活性部１を得るには、初め
に上記原料シート５が製造される。具体的には、酸化
鉛、酸化ジルコニア、および酸化チタンの粉末を十分に
混合し、乾燥させる。この後、こうして得た圧電材の原
料粉末を９００℃程度の温度にて仮焼する。次いで、こ
の仮焼済みの粉末に、水、バインダ、分散剤、消泡剤な
どを所定量ずつ加えて混合・脱泡し、スラリーを得る。
そして、更にドクターブレード装置を用いて、このスラ
リーを所定厚み（例えば１００μｍ）を有するシート状
のものとする。これを乾燥させたのが、上記原料シート
５である。

【００１９】このようにして形成された原料シート５の
一面には、続いて、内部電極ペースト（例えば銀−パラ
ジウム系のペースト）が塗布される。より詳しくは、ス
クリーン印刷にて、原料シート５の一面に、内部電極ペ
ーストの塗膜（内部電極４）を形成する。最後に、こう
して得た原料シート５を所定の枚数（例えば１００枚程
度）積層し、更に上記不活性部原料片６（製造手順は後
に詳述）を、この原料シート積層体の上下に配置して圧
着する。そして、脱脂後、所定の温度で焼成処理するこ
とにより、原料シート５の積層体は上記活性部１とな
る。また、不活性部原料片６については、活性部１と完
全に一体化した不活性部２となる。更に言えば、焼成処
理して得たものに寸法調整加工を施し、外部電極３を形
成することで、本圧電アクチュエータとなる。

【００２０】一方、不活性部原料片６が焼成処理されて
できる、不活性部２についてであるが、本実施形態で
は、上述したように、この不活性部２の原料として、活
性部１を構成する圧電材の原料と同じ組成のものを用い
ている（但し不活性部２の原料には有機物が添加され
る）。つまり、不活性部原料片６は圧電材と同じ原料か
ら構成されている。

【００２１】ちなみに、上記不活性部原料片６は次のよ
うにして製造される。すなわち、まず原料シート５の不
良品を乾式粉砕し、粉末化する。なお、不活性部原料片
６の製造用に別途材料を準備してもよいが、材料の無駄
を低減できるので、原料シート５の不良品を再利用する
のが望ましい。続いて、原料シート５を乾式粉砕して得
た粉末に、有機物（例えば小麦粉）を添加し、乾燥状態
のまま混合する。但し、有機物の添加割合は、原料シー
ト５の粉末に対して、５ｖｏｌ％程度である。

【００２２】次に、こうして得た有機物含有粉末を、プ
レス成形にて厚さ２ｍｍ程度のブロック状に形成する。
これが、焼成処理後に活性部１を保護する役割を果たす
不活性部２となる上記不活性部原料片６である。なお、
この不活性部原料片６は、上述したように有機物を含有
する。よって、焼成処理の際、この有機物が焼失して空
隙が形成される。この結果、不活性部２の密度は活性部
１の密度よりも低くなり、ひいては不活性部２の弾性率
が、活性部１の弾性率よりも低くなる。

【００２３】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。但し、本実施形態に関してもその基本的な技術思
想や機能は、上記第１実施形態と同じである。よって、
以下では、第１実施形態との相違点を中心に記述する。
本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータも、上記第
１実施形態のものと同様の外観・基本構造を有する。す
なわち、活性部の上下に不活性部を一体的に配設した構
造となっている。そして、特に活性部については、上記
第１実施形態と同じ材料・手順にて構成されている。

【００２４】これに対して、不活性部（正確には不活性
部原料片）は、上記第１実施形態とは異なる手法にて製
造されている。すなわち、活性部を構成する圧電材の原
料および不活性部の原料は、共に粉末状であるが、本実
施形態では、不活性部の原料として、活性部を構成する
圧電材の原料よりも平均粒径の大きなものを用いてい
る。更に詳しく言うと、不活性部の原料を得るには、ま
ず活性部（圧電材）と同組成の原料を、圧電材原料の仮
焼温度よりも高い温度（例えば１０００℃程度）にて仮
焼する（これによって圧電材原料粉末よりも平均粒径が
大きくなる）。次に、こうして得られた原料粉末に所定
量（例えば８ｗｔ％程度）のバインダを加え、更にそれ
をメッシュ（例えば目開き０．５ｍｍ）に通して整粒す
る。これをプレス成形したものが上記不活性部原料片で
ある。

【００２５】こうして得られた不活性部原料片も、原料
シート積層体の上下に配置され、この原料シート積層体
と共に圧着される。そして、脱脂後、所定の温度で焼成
処理されて積層型圧電アクチュエータとなる。なお、こ
の積層型圧電アクチュエータの不活性部は、上記のとお
り、活性部を構成する圧電材の原料粉末よりも平均粒径
の大きな、したがって焼結性の低い粉末から構成されて
いる。よって、不活性部の密度は活性部の密度よりも低
くなっており、この結果、不活性部の弾性率は活性部の
弾性率よりも低くなっている。

【００２６】さて、上述したように本実施形態では、活
性部と不活性部とを備えた積層型圧電アクチュエータ
を、不活性部の弾性率が活性部の弾性率よりも低くなる
よう構成した。ところで、電圧印加により活性部１が図
３（電圧印加時の積層型圧電アクチュエータの変形状態
を示す概略図）に示すごとく変形、特に圧電材の積層方
向と直交する方向に収縮すると、活性部１と、電圧印加
によって変形しない不活性部２との界面に、その面に沿
った応力が生じる。しかし、本圧電アクチュエータで
は、上記のとおり、不活性部２の弾性率が活性部１のそ
れよりも低くなっている。つまり、不活性部２が変形し
やすくなっているので、不活性部２における活性部１の
近傍の部分は、同じく図３に示すごとく、この活性部１
の収縮に追従して比較的容易に変形する。よって、両者
の界面に沿った応力は、従来に比べて大幅に緩和され
る。言い換えれば、本圧電アクチュエータでは、作動
中、活性部１と不活性部２との界面に、自己損傷の原因
となるような応力は発生しない。ゆえに、本圧電アクチ
ュエータは、トラブルが起きにくく、信頼性に優れる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、トラブルの起きにくい
信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを提供でき
る。特に、活性部と不活性部との界面に、自己損傷の原
因となるような応力が発生しない積層型圧電アクチュエ
ータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る積層型圧電アクチ
ュエータの外観図

【図２】積層される原料シートおよび不活性部原料片の
斜視図

【図３】電圧印加時の積層型圧電アクチュエータ（本実
施形態）の変形状態を示す概略図

【図４】（ａ）は従来の積層型圧電アクチュエータの外
観図、（ｂ）は積層される原料シートの斜視図

【図５】電圧印加時の積層型圧電アクチュエータ（従来
品）の変形状態を示す概略図

【符号の説明】

１ 積層型圧電アクチュエータの活性部 ２ 積層型圧電アクチュエータの不活性部 ３ 外部電極 ４ 内部電極（内部電極ペーストの塗膜） ５ 原料シート ６ 不活性部原料片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 孝宏 東京都江東区清澄１−２−23 太平洋セメ ント株式会社研究本部内 (72)発明者 松野 晋 千葉県東金市小沼田1568−４ 太平洋セメ ント株式会社研究本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材と内部電極とが交互に積層されて
   なる活性部と、 この活性部における前記圧電材と前記内部電極との積層
   方向に沿って、前記活性部の一端側および他端側に配設
   された、内部電極を持たない不活性部とを具備してなる
   積層型圧電アクチュエータであって、 前記不活性部の弾性率を前記活性部の弾性率より低くし
   てな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】 不活性部の原料として、活性部を構成す
   る圧電材の原料と同じ組成のものが用いられてなり、 かつ、前記不活性部の密度を前記活性部の密度より低く
   することで、前記不活性部の弾性率を前記活性部の弾性
   率より低くしてなることを特徴とする請求項１に記載の
   積層型圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 不活性部の原料に有機物を添加し、焼成
   処理によって前記有機物を焼失させて空隙を形成するこ
   とで、前記不活性部の密度を前記活性部の密度より低く
   してなることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電
   アクチュエータ。
4. 【請求項４】 活性部を構成する圧電材の原料および不
   活性部の原料は共に粉末状であって、前記不活性部の原
   料として、前記活性部を構成する圧電材の原料よりも平
   均粒径の大きなものを用いることで、前記不活性部の密
   度を前記活性部の密度より低くしてなることを特徴とす
   る請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ。