JP2003197993A - Laminated type piezoelectric actuator - Google Patents
Laminated type piezoelectric actuatorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット素
子、ＨＤＤヘッドの精密位置制御、半導体製造装置のス
テッパ精密制御等に用いられる積層型圧電アクチュエー
タに関する。本発明は特に、同時焼成法により低コスト
で形成することができる、横方向変位 (積層方向と垂直
の変位) を利用した積層型圧電アクチュエータに関する
が、それに制限されるものではない。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator used for precise position control of ink jet elements, HDD heads, stepper precision control of semiconductor manufacturing equipment, and the like. The present invention particularly relates to, but is not limited to, a laminated piezoelectric actuator that utilizes lateral displacement (displacement perpendicular to the laminating direction) that can be formed at low cost by the co-firing method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】圧電アクチュエータには、分極した圧電
材料の分極軸と同一方向に電界を印加して分極軸と同一
方向の伸縮変位を得る縦方向変位モード（33モード）
と、分極軸と垂直方向に伸縮変位する横方向変位モード
（31モード）等がある。いずれのモードでも、大きい変
位を得るため、圧電材料層と内部電極層が交互に積層さ
れた積層型圧電アクチュエータが多く用いられている。
積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミック材料
（例、PZT)のグリーンシート上に導体ペーストをスクリ
ーン印刷などにより塗布し、これを所定枚数だけ積層し
て焼成する手法、即ち、圧電材料層と内部電極層の同時
焼成により、低コストで製造可能である。2. Description of the Related Art A piezoelectric actuator has a longitudinal displacement mode (33 mode) in which an electric field is applied in the same direction as the polarization axis of a polarized piezoelectric material to obtain expansion / contraction displacement in the same direction as the polarization axis.
And, there is a lateral displacement mode (31 mode) that expands and contracts in the direction perpendicular to the polarization axis. In any mode, in order to obtain a large displacement, a laminated piezoelectric actuator in which piezoelectric material layers and internal electrode layers are alternately laminated is often used.
A laminated piezoelectric actuator is a method in which a conductor paste is applied on a green sheet of a piezoelectric ceramic material (eg, PZT) by screen printing, and a predetermined number of these are laminated and fired, that is, the piezoelectric material layer and the internal electrode layer. By co-firing, it is possible to manufacture at low cost.
【０００３】この種の積層型圧電アクチュエータは、小
さな電圧で、高速、高精度の制御が可能である。しか
し、この圧電アクチュエータを駆動部に実装した場合、
アクチュエータの作動端に応力が集中するため、端部の
割れや欠けが発生しやすい。この割れや欠けは、製品の
信頼性の低下につながる。This type of laminated piezoelectric actuator is capable of high-speed and high-precision control with a small voltage. However, when this piezoelectric actuator is mounted in the drive section,
Since stress concentrates on the working end of the actuator, cracks and chips are likely to occur at the end. These cracks and chips lead to a decrease in product reliability.
【０００４】この端部の割れや欠けの問題を解決する手
段として、圧電アクチュエータの両端の圧電材料層の外
面と端部に、この圧電材料層とほぼ等しい熱膨張係数を
有する硼珪酸亜鉛・鉛系のガラスフリットを含有する金
属ペーストでメタライズしたもの（特開平3-7076号公
報）や、圧電アクチュエータに予め負荷荷重を付与（予
備加圧）したもの（特開平3-145775号、特開平6-331053
号公報）などが提案されている。As a means for solving the problem of cracking or chipping of the end portion, zinc borosilicate lead having a coefficient of thermal expansion substantially equal to that of the piezoelectric material layer is formed on the outer surface and the end portion of the piezoelectric material layer at both ends of the piezoelectric actuator. Metallized with a metal paste containing a glass frit of the system (JP-A-3-7076), or a piezoelectric actuator to which a load is applied (pre-pressurized) in advance (JP-A-3-145775, JP-A-6145775). -331053
No. gazette) is proposed.
【０００５】しかし、ガラスフリットを含有する金属ペ
ーストによるメタライズ構造を導入したものは、メタラ
イズ用金属ペーストの焼成温度が550 ℃と低いため、そ
れに添加できる材料が限定され、メタライズ部の強度を
上げることが難しい。また、メタライズ部は、焼成温度
が低すぎて、圧電材料層や内部電極層と同時焼成できな
い。一方、積層型圧電アクチュエータに予め負荷荷重を
付与したものは、そのための特別な機構を要する。従っ
て、これらの手段は、いずれも製造コストが高くなる。However, in the case of introducing a metallized structure of a metal paste containing glass frit, since the firing temperature of the metallizing metal paste is as low as 550 ° C., the materials that can be added to it are limited, and the strength of the metallized portion should be increased. Is difficult. Further, the metallized portion cannot be fired at the same time as the piezoelectric material layer and the internal electrode layer because the firing temperature is too low. On the other hand, a laminated piezoelectric actuator to which a load is applied in advance requires a special mechanism therefor. Therefore, the manufacturing cost of each of these means is high.
【０００６】特開平3-145775号公報には、圧電セラミッ
クス保護板を用いることが記載されている。しかし、こ
の圧電セラミックス保護板は、圧電セラミックス板の表
面に塗布・焼付けにより形成された内部電極層を保護す
るためのもので、圧電セラミックス板と同材料であると
推測される。もともと圧電セラミックスは強度の高い材
料ではないため、上記の圧電セラミックス保護板は、作
動端の割れや欠けの防止には必ずしも十分でないと考え
られる。Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 3-145775 describes the use of a piezoelectric ceramics protective plate. However, this piezoelectric ceramics protective plate is for protecting the internal electrode layers formed by coating and baking on the surface of the piezoelectric ceramics plate, and is presumed to be the same material as the piezoelectric ceramics plate. Since piezoelectric ceramics are not originally high-strength materials, it is considered that the above-mentioned piezoelectric ceramics protective plate is not always sufficient to prevent cracks and chips at the working end.
【０００７】横方向変位モードの圧電アクチュエータの
場合、図５に示すように、アクチュエータに衝撃などが
加わり、曲げ応力が発生した場合にも、割れや欠けが発
生しやすいという問題がさらに加わる。In the case of the piezoelectric actuator of the lateral displacement mode, as shown in FIG. 5, even if a shock is applied to the actuator and bending stress is generated, a problem that cracks or chips are likely to occur is further added.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、長時
間駆動した場合や大きな変位を得るために高電界を印加
した場合でも、圧電アクチュエータの作動端に割れや欠
け等が発生しにくい、或いは衝撃が加わりやすい環境下
で使用されたとしても、割れや欠け等が発生しにくい、
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。The object of the present invention is to prevent cracks or chips from occurring at the working end of a piezoelectric actuator even when it is driven for a long time or when a high electric field is applied to obtain a large displacement. Or, even if it is used in an environment where shock is easily applied, cracks and chips are less likely to occur,
An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric actuator having excellent reliability.
【０００９】本発明のより具体的な課題は、このような
信頼性に優れた積層型圧電アクチュエータを、従来と同
様の圧電材料層と内部電極層の同時焼成技術を利用し
て、低コストで製造できるようにすることである。A more specific object of the present invention is to provide such a highly reliable laminated piezoelectric actuator at a low cost by utilizing the same simultaneous firing technology for a piezoelectric material layer and an internal electrode layer. It is to be able to manufacture.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明者は、圧電材料そ
のものの機械的強度を向上させて、応力による割れや欠
け等の問題を解決することに着目して検討した。その結
果、圧電材料としてそのような高強度を付与することは
困難であったが、圧電材料と収縮挙動が似ていて、同時
焼成可能な、高強度の材料を強化部として設け、同時焼
成することで、積層型圧電アクチュエータの変位量を大
きく低下させずに、内部応力による割れや欠け等の発生
を抑制し得る高強度を付与できることを見出した。DISCLOSURE OF THE INVENTION The inventors of the present invention have conducted an examination focusing on improving the mechanical strength of the piezoelectric material itself to solve problems such as cracking and chipping due to stress. As a result, it was difficult to impart such high strength as a piezoelectric material, but a high-strength material that has similar contraction behavior to that of the piezoelectric material and can be co-fired is provided as a strengthening portion, and co-firing is performed. As a result, it has been found that high strength capable of suppressing the occurrence of cracks or chips due to internal stress can be imparted without significantly reducing the displacement amount of the laminated piezoelectric actuator.
【００１１】ここに、本発明は、圧電材料層と内部電極
層とを交互に積層してなる積層型圧電アクチュエータで
あって、前記圧電材料層と前記内部電極層に加えて、前
記圧電材料層と同時焼成された強化部が設けられている
ことを特徴とする、積層型圧電アクチュエータである。According to the present invention, there is provided a laminated piezoelectric actuator in which piezoelectric material layers and internal electrode layers are alternately laminated. In addition to the piezoelectric material layers and the internal electrode layers, the piezoelectric material layers are provided. The laminated piezoelectric actuator is characterized in that a reinforced portion co-fired with is provided.
【００１２】本発明の積層型圧電アクチュエータの強化
部は、組成としては、PbO:SiO2モル比＝10：90〜30：70
のPbO およびSiO2からなる主成分と、この主成分に対し
て10〜40モル％のAl2O3 および40〜130 モル％のZrO2と
を含有するガラスからなることが好ましい。The reinforced portion of the laminated piezoelectric actuator of the present invention has a composition of PbO: SiO 2 molar ratio = 10: 90 to 30:70.
It is preferable that the glass contains PbO and SiO 2 as a main component, and 10 to 40 mol% Al 2 O 3 and 40 to 130 mol% ZrO 2 with respect to the main component.
【００１３】この強化部の配置・構成は、次のいずれか
とすることが好ましい：
(1) 積層方向と垂直の横方向変位を利用する積層型圧電
アクチュエータの場合は、(a) 強化部が前記圧電材料層
に積層方向に積層された１層または２層以上の強化層と
して配置され、この強化層が圧電材料層と強化層の合計
体積の５〜30％の体積比率を有する、および／または
(b) 強化部が作動端に配置され、その厚みが500 μm 〜
５mmである。It is preferable that the arrangement and configuration of the strengthening portion be one of the following: (1) In the case of a laminated piezoelectric actuator utilizing lateral displacement perpendicular to the stacking direction, (a) Arranged as one or more reinforcing layers laminated in the stacking direction on the piezoelectric material layer, the reinforcing layer having a volume ratio of 5 to 30% of the total volume of the piezoelectric material layer and the reinforcing layer, and / or
(b) Reinforcement is placed at the working end and its thickness is 500 μm ~
It is 5 mm.
【００１４】(2) 積層方向の縦方向変位を利用する積層
型圧電アクチュエータの場合は、(a) 強化部が作動端に
配置され、その厚みが500 μm 〜５mmである。(2) In the case of the laminated piezoelectric actuator utilizing the longitudinal displacement in the laminating direction, (a) the reinforcing portion is arranged at the working end, and the thickness thereof is 500 μm to 5 mm.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】本発明に係る積層型圧電アクチュ
エータは、交互に積層される圧電材料層と内部電極層に
加えて、圧電材料層と同時焼成された強化部を備えるこ
とを特徴とする。この強化部の配置により、応力に起因
する、特に圧電材料層の割れや欠けを防止することがで
きる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A laminated piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that, in addition to alternately laminated piezoelectric material layers and internal electrode layers, it is provided with a reinforced portion co-fired with the piezoelectric material layers. . By arranging the reinforced portion, it is possible to prevent cracks and cracks in the piezoelectric material layer, which are caused by the stress.
【００１６】圧電材料層および内部電極層の材料は、従
来より積層型圧電アクチュエータに用いられているもの
と同様でよい。圧電材料は、通常は圧電セラミックであ
る。その代表例は、チタンジルコン酸鉛 (PZT)、および
それに他成分（例、酸化ニオブ）を加えて変性した材料
である。The materials of the piezoelectric material layer and the internal electrode layer may be the same as those used in the conventional laminated piezoelectric actuator. The piezoelectric material is usually a piezoelectric ceramic. A typical example thereof is lead titanium zirconate (PZT), and a material modified by adding another component (eg, niobium oxide) thereto.
【００１７】内部電極層の材料は、導電性に優れた金属
または合金であり、通常は、Ag、Ag−Pd合金、Ptなどが
使用される。中でも、Ag−Pd合金が、他に比べると安価
で、1150℃程度まで使用できることから好ましい。The material of the internal electrode layer is a metal or alloy having excellent conductivity, and Ag, Ag-Pd alloy, Pt, etc. are usually used. Among them, Ag-Pd alloys are preferable because they are cheaper than others and can be used up to about 1150 ° C.
【００１８】同時焼成型の積層型圧電アクチュエータの
場合、圧電セラミック材料は、1150℃以下で焼成できる
ものが望ましい。焼成温度が1150℃より高くなると、同
時焼成される内部電極に、白金等の高価な材料が必要に
なるのに対し、1150℃以下で焼成できれば、内部電極に
Ag−Pd合金を使用でき、材料コストを飛躍的に抑制でき
るからである。In the case of a co-firing laminated piezoelectric actuator, the piezoelectric ceramic material is preferably one that can be fired at 1150 ° C. or lower. When the firing temperature is higher than 1150 ° C, expensive materials such as platinum are required for the internal electrodes that are fired at the same time.
This is because the Ag-Pd alloy can be used and the material cost can be dramatically reduced.
【００１９】本発明に係る積層型圧電アクチュエータ
は、圧電材料層と内部電極層とを同時焼成することによ
り製造される。同時焼成法は、エネルギーコストのかか
る焼成工程が一度で済むことから、低コストで積層型圧
電アクチュエータを製造することができる。その場合、
強化部についても同時焼成可能な材料を選べば、圧電材
料層の一部を強化部となる強化層に置き換えるだけで、
従来と同様の作業工程により、本発明に係る積層型圧電
アクチュエータを同時焼成法により低コストを製造でき
る。The laminated piezoelectric actuator according to the present invention is manufactured by simultaneously firing the piezoelectric material layer and the internal electrode layer. The co-firing method requires only one firing step, which requires energy, so that the laminated piezoelectric actuator can be manufactured at low cost. In that case,
For the strengthening part, if you select a material that can be fired at the same time, just replace a part of the piezoelectric material layer with the strengthening layer that will be the strengthening part,
The multilayer piezoelectric actuator according to the present invention can be manufactured at a low cost by the co-firing method by the same working process as the conventional one.
【００２０】強化部を構成する材料は、圧電性に著しい
悪影響を及ぼさず、高強度な材料であれば、特に制限さ
れるものではない。強化部の材料は、圧電材料や内部電
極材料と一緒に同時焼成するため、同時焼成温度におい
て焼結可能で、溶解しない材料であることが必要であ
る。さらに、強化部の材料は、焼成時の収縮挙動が圧電
材料とほぼ一致するものであることが望ましい。また、
強化部は、絶縁性であることが好ましい。従って、強化
部は一般にセラミックまたはガラスから作製することに
なる。The material forming the reinforced portion is not particularly limited as long as it does not significantly affect the piezoelectricity and has high strength. Since the material of the strengthening portion is co-fired together with the piezoelectric material and the internal electrode material, it is necessary that the material is sinterable at the co-firing temperature and does not dissolve. Furthermore, it is desirable that the material of the reinforced portion be one whose shrinkage behavior during firing is substantially the same as that of the piezoelectric material. Also,
It is preferable that the reinforcing portion is insulative. Therefore, the reinforcement will generally be made of ceramic or glass.
【００２１】上記各特性を備え、本発明において強化部
を構成するのに最適な材料として、PbO:SiO2モル比＝1
0：90〜30：70のPbO とSiO2からなる主成分と、この主
成分に対して10〜40モル％のAl2O3 および40〜130 モル
％のZrO2からなる副成分とを含有するガラス材料を挙げ
ることができる。このガラス材料は、代表的な圧電材料
であるPZT とある程度反応するものの、この圧電材料に
対する収縮挙動の一致性に優れ、かつこれを同時焼成す
ることができる。As a material having the above-mentioned properties and being the most suitable material for constructing the strengthened portion in the present invention, the molar ratio of PbO: SiO 2 is 1
Main component consisting of 0:90 to 30:70 PbO and SiO 2 and subcomponents consisting of 10 to 40 mol% Al 2 O 3 and 40 to 130 mol% ZrO 2 with respect to this main component The glass material can be mentioned. Although this glass material reacts with PZT, which is a typical piezoelectric material, to some extent, it has excellent conformity of shrinkage behavior to this piezoelectric material and can be co-fired.
【００２２】このガラス材料に副成分として添加された
アルミナ(Al2O3) は、圧電アクチュエータの強度を向上
させる効果がある。アルミナの形態が特にウイスカや微
粒子であると、強度向上効果がより高まる。このガラス
材料は、主成分のPbO/SiO2比および／または副成分のZr
O2添加量を調整することにより、焼成時の収縮挙動を圧
電材料とほぼ一致させることができる。即ち、PbO/SiO2
比が小さいほど、またZrO2添加量を少ないほど、焼成時
に収縮率が大きくなる傾向がある。Alumina (Al 2 O 3 ) added to this glass material as a subcomponent has the effect of improving the strength of the piezoelectric actuator. If the form of alumina is whiskers or fine particles, the strength improving effect is further enhanced. This glass material has a PbO / SiO 2 ratio of the main component and / or a Zr of the accessory component.
By adjusting the amount of O 2 added, the shrinkage behavior during firing can be made to approximately match that of the piezoelectric material. That is, PbO / SiO 2
The smaller the ratio and the smaller the amount of ZrO 2 added, the larger the shrinkage ratio tends to be during firing.
【００２３】上記ガラス材料において、主成分のPbO:Si
O2モル比が10：90〜30：70の範囲内であると、1050〜11
50℃の温度で焼成可能となり、強化部も一緒に同時焼成
した、低コストの積層型圧電アクチュエータの製造が可
能となる。この主成分のモル比は、好ましくは15：85〜
25：75の範囲内である。In the above glass material, the main component PbO: Si
When the O 2 molar ratio is within the range of 10:90 to 30:70, 1050 to 11
It becomes possible to fire at a temperature of 50 ° C, and it becomes possible to manufacture a low-cost laminated piezoelectric actuator in which the strengthening portion is also fired at the same time. The molar ratio of this main component is preferably 15: 85-
It is within the range of 25:75.
【００２４】Al2O3 は上記のように強度増大効果がある
ので、Al2O3 の添加量が少なすぎると強度が不足し、強
化部の役割を十分に果たすことができなくなる。Al2O3
の添加量が多すぎると、焼成時の収縮が小さくなり、同
時焼成時に圧電材料との収縮の不一致により、割れやク
ラックが発生したり、強化部が圧電材料層から剥離する
ことがある。Since Al 2 O 3 has the effect of increasing the strength as described above, if the amount of Al 2 O 3 added is too small, the strength will be insufficient and the role of the strengthened portion cannot be fully fulfilled. Al 2 O 3
If the addition amount is too large, shrinkage during firing becomes small, and cracks or cracks may occur due to inconsistency in shrinkage with the piezoelectric material during simultaneous firing, or the strengthened portion may peel off from the piezoelectric material layer.
【００２５】ZrO2は、上述したように、強化部の焼成時
の収縮挙動を圧電材料と一致させるのに有効である。Zr
O2の添加量が少なすぎると収縮が大きすぎ、多すぎると
収縮が小さすぎて、いずれも圧電材料との収縮の不一致
により、焼成時に上述した割れ、クラック、剥離等が生
ずることがある。As described above, ZrO 2 is effective in matching the shrinkage behavior of the reinforced portion during firing with that of the piezoelectric material. Zr
If the amount of O 2 added is too small, the shrinkage is too large, and if it is too large, the shrinkage is too small. In both cases, the above-mentioned cracks, cracks, and peeling may occur during firing due to the mismatch of the shrinkage with the piezoelectric material.
【００２６】これらの副成分の添加量は、主成分(PbOと
SiO2の合計量）に対して、Al2O3 が10〜40モル％、好ま
しくは20〜30モル％、ZrO2が40〜130 モル％、好ましく
は60〜90モル％である。The amounts of these sub-components added are such that the main components (PbO and
Al 2 O 3 is 10 to 40 mol%, preferably 20 to 30 mol%, and ZrO 2 is 40 to 130 mol%, preferably 60 to 90 mol%, based on the total amount of SiO 2 .
【００２７】このガラス材料を使用して強化部を作製す
る場合、この材料は焼成中に内部電極材料と反応する可
能性がある。この反応により、強化部に内部電極材料が
拡散して短絡が起こることがある。従って、この短絡を
避けるため、強化部は、内部電極層と接触しない、つま
り、圧電材料層だけに接触する、ように配置することが
好ましい。If this glass material is used to make the reinforcement, then this material may react with the internal electrode material during firing. Due to this reaction, the internal electrode material may diffuse into the reinforced portion to cause a short circuit. Therefore, in order to avoid this short circuit, it is preferable to arrange the reinforcing portion so as not to contact the internal electrode layer, that is, to contact only the piezoelectric material layer.
【００２８】例えば、強化部を積層方向に配置する場合
は、圧電材料層と内部電極層とを交互に積層した積層体
の外面 (作動端) が圧電材料層となるようにし、この圧
電材料層の上に強化部を強化層として積層する。強化部
を、積層体の縁部に、積層方向とは異なる方向、例えば
垂直方向、に配置する場合には、強化層と内部電極層と
の接触面積が小さいため、上記原因による短絡の危険性
は小さい。従って、特に短絡防止のための対策をとらな
くてもよいが、強化部を配置する積層体の縁部に内部電
極が露出しないよう、この縁部では内部電極層を圧電材
料層より奥に引っ込めてもよい。For example, when the reinforced portions are arranged in the stacking direction, the outer surface (operating end) of the stacked body in which the piezoelectric material layers and the internal electrode layers are alternately stacked is the piezoelectric material layer. The reinforcing portion is laminated as a reinforcing layer on the above. When arranging the reinforced portion at the edge of the laminated body in a direction different from the laminating direction, for example, in the vertical direction, the contact area between the reinforced layer and the internal electrode layer is small, so the risk of short circuit due to the above causes Is small. Therefore, it is not necessary to take any measures to prevent a short circuit, but the internal electrode layer is retracted deeper than the piezoelectric material layer at this edge so that the internal electrode is not exposed at the edge of the laminate in which the strengthening part is arranged. May be.
【００２９】本発明の積層型圧電アクチュエータにおけ
る強化部の配置（位置および方向）は、特に制限される
ものではないが、内部応力による割れや欠けを防止する
のに有効な配置を選択することが好ましい。The arrangement (position and direction) of the strengthened portions in the laminated piezoelectric actuator of the present invention is not particularly limited, but it is possible to select an arrangement effective for preventing cracks and chips due to internal stress. preferable.
【００３０】例えば、強化部の配置は、割れや欠けが起
こり易い、アクチュエータの作動端、好ましくは両端そ
れぞれ、に強化部を配置することが好ましい。アクチュ
エータの作動端に強化部を置けば、アクチュエータの作
動による応力集中で発生する端部の割れや欠けを低減で
きる。このような強化部は、横方向変位と縦方向変位の
いずれのモードの積層型圧電アクチュエータでも適用す
ることができる。応力集中による割れや欠けを防止する
上で、強化部の厚みは500 μm 〜５mm程度とするのが好
ましく、500 μm 〜２mm程度とするのがより好ましい。
厚い方がよいが、寸法上の制約がある。もちろん、端部
に加えて、他の位置に強化部を配置することも可能であ
る。For example, regarding the arrangement of the strengthening portion, it is preferable to dispose the strengthening portion at the working end of the actuator, preferably at each of the both ends, where cracking or chipping easily occurs. If the reinforced portion is placed at the working end of the actuator, cracks or chips at the end portion caused by stress concentration due to the actuation of the actuator can be reduced. Such a strengthened portion can be applied to the laminated piezoelectric actuator in any mode of lateral displacement and vertical displacement. In order to prevent cracking or chipping due to stress concentration, the thickness of the reinforced portion is preferably about 500 μm to 5 mm, more preferably about 500 μm to 2 mm.
The thicker the better, but there are dimensional restrictions. Of course, in addition to the ends, it is possible to place the reinforcements in other positions.
【００３１】積層方向と垂直の横方向変位モードの積層
型圧電アクチュエータでは、圧電材料層と内部電極層に
加えて、１層または２層以上の強化層を積層するかたち
で強化部を構成することができる。この構成とすること
により、曲げ強度を飛躍的に向上させ、衝撃による割れ
や欠けを低減できる。この強化部を構成する強化層の体
積は、圧電材料層と強化層の合計体積に基づいて５〜30
％の範囲内とすることが好ましく、より好ましくは10〜
25％の範囲内である。強化部の体積が少なすぎては、強
化の目的が十分に果たせない。強化層の体積比率が30％
を超えると、変位量（圧電歪み量）の低下が著しくな
る。In a laminated piezoelectric actuator of a lateral displacement mode perpendicular to the laminating direction, the reinforced portion is formed by laminating one or more reinforced layers in addition to the piezoelectric material layer and the internal electrode layer. You can With this structure, the bending strength can be dramatically improved and cracks and chips due to impact can be reduced. The volume of the reinforcing layer constituting this reinforcing portion is 5 to 30 based on the total volume of the piezoelectric material layer and the reinforcing layer.
%, And more preferably 10 to
It is within the range of 25%. If the volume of the strengthened portion is too small, the purpose of strengthening cannot be sufficiently fulfilled. Volume ratio of the reinforcing layer is 30%
When it exceeds, the displacement amount (piezoelectric strain amount) is significantly reduced.
【００３２】強化部を強化層として積層方向に配置する
場合は、上述の通り、圧電材料層および内部電極層と同
様に積層し、焼成すればよい。一方、積層方向とは異な
る方向（例、積層方向と垂直の方向）に配置する場合
は、強化部ブロックを、圧電材料層と内部電極層を積層
したブロックに接着剤などを利用して圧着した後、焼成
するようにすればよい。When the reinforcing portion is arranged as the reinforcing layer in the stacking direction, it may be stacked and fired in the same manner as the piezoelectric material layer and the internal electrode layer as described above. On the other hand, when arranging in a direction different from the stacking direction (eg, a direction perpendicular to the stacking direction), the reinforcing block is pressure-bonded to the block in which the piezoelectric material layer and the internal electrode layer are stacked by using an adhesive or the like. After that, baking may be performed.
【００３３】また、本発明に従った強化部の配置という
改善に加えて、従来技術の割れや欠けの防止策である、
予備加圧や全面内部電極などの改善も併用することによ
り、一層の強度向上が可能である。Further, in addition to the improvement of the arrangement of the strengthened portion according to the present invention, it is a measure for preventing cracks and chips of the prior art.
It is possible to further improve the strength by using the pre-pressurization and the improvement of the internal electrodes on the entire surface.
【００３４】本発明の積層型圧電アクチュエータは、強
化部の形成を除いて、従来と同様に製造することができ
る。以下には、圧電材料層の積層方向に強化層を積層し
て、強化部を構成する場合を例にとり、製造方法につい
て説明するが、製造方法や各構成部材の材料はここに例
示するものに限られない。The laminated piezoelectric actuator of the present invention can be manufactured in the same manner as the conventional one except for the formation of the reinforced portion. The manufacturing method will be described below by taking an example of forming a reinforcing portion by stacking reinforcing layers in the stacking direction of the piezoelectric material layers, but the manufacturing method and the material of each constituent member are the same as those illustrated here. Not limited.
【００３５】圧電材料層の形成のため、圧電セラミック
材料 (例、PZT)の粉末をバインダー溶液と混合して得た
スラリをシート成形 (テープ成形) して、グリーンシー
トを作製する。所定の大きさに切断したグリーンシート
の上面に、内部電極となる導電材料を含有する導体ペー
スト (例、Ag−Pd合金ペースト) を、スクリーン印刷等
により塗布する。別に、強化層の材料 (例えば、上記ガ
ラス材料) も、同様にスラリ化およびシート成形して、
強化層材料のグリーンシート (以下、ガラスシートとい
う) を作製する。For forming the piezoelectric material layer, a slurry obtained by mixing a powder of a piezoelectric ceramic material (eg, PZT) with a binder solution is sheet-formed (tape-formed) to produce a green sheet. A conductor paste (eg, Ag—Pd alloy paste) containing a conductive material to be the internal electrodes is applied to the upper surface of the green sheet cut into a predetermined size by screen printing or the like. Separately, the material of the reinforcing layer (for example, the above glass material) is similarly slurried and sheet-formed,
A green sheet of the reinforcing layer material (hereinafter referred to as a glass sheet) is prepared.
【００３６】積層は、導体ペーストを印刷したグリーン
シートを所定枚数だけ積層し、通常は加熱加圧して、各
層を熱圧着させることにより行われる。この時に導体ペ
ーストの印刷パターンや、積層時の各グリーンシートの
配置方法は、強化層の積層を除いて、従来と同様でよ
い。本発明では、この積層時に、圧電材料層となるグリ
ーンシートの一部を、強化層となるガラスシートに置換
する。The lamination is carried out by laminating a predetermined number of green sheets printed with a conductor paste, and usually by heating and pressurizing each layer by thermocompression. At this time, the printing pattern of the conductor paste and the method of arranging each green sheet at the time of stacking may be the same as the conventional one except for the stacking of the reinforcing layer. In the present invention, at the time of this lamination, a part of the green sheet to be the piezoelectric material layer is replaced with the glass sheet to be the reinforcing layer.
【００３７】例えば、積層方向の両端の最外層に強化層
を配置する場合、導体ペーストを塗布したグリーンシー
トを積層した後、導体ペーストが露出している側の表面
に、導体ペーストを塗布していないグリーンシートを１
層だけ重ねる。こうして得られた、両側とも表面が圧電
材料のグリーンシートになっている積層体の両側に、強
化層用のガラス−シートを所定枚数だけ重ねる。それに
より、強化層となるガラスシートが、内部電極層となる
導体ペーストと接触していない積層体が得られ、焼成中
の強化層材料 (ガラス) と内部電極材料 (例、Ag−Pd合
金) との反応が避けられる。For example, when arranging the reinforcing layers on the outermost layers at both ends in the stacking direction, after stacking the green sheets coated with the conductor paste, the conductor paste is coated on the surface where the conductor paste is exposed. No green sheet 1
Stack only layers. A predetermined number of glass sheets for the reinforcing layer are laminated on both sides of the laminate thus obtained, both surfaces of which are green sheets of piezoelectric material. Thereby, a glass sheet to be the strengthening layer, a laminate not obtained in contact with the conductor paste to be the internal electrode layer is obtained, the reinforcing layer material (glass) and internal electrode material during firing (eg, Ag-Pd alloy) Reaction with is avoided.
【００３８】その後、得られた積層体を焼成する。焼成
は導体ペースト (内部電極) の種類により異なり、内部
電極がAg−Pd合金である場合には、1050〜1150℃の範囲
が適当である。この焼成の前に、グリーンシート、ガラ
スシート、および導体ペースト中の有機分 (バインダー
等) を熱分解させて除去する脱脂を実施してもよい。脱
脂温度は通常は600 ℃以下である。焼成により、ガラス
シートとグリーンシートと導体ペーストが同時に焼結
し、強化層と圧電材料層と内部電極層が一度の焼成で形
成される。上記のように強化層を配置した場合には、強
化層は最外層の圧電材料層に接合される。Then, the obtained laminated body is fired. Firing depends on the type of conductor paste (internal electrode), and when the internal electrode is an Ag-Pd alloy, the temperature range of 1050 to 1150 ° C is appropriate. Before this firing, degreasing may be carried out by thermally decomposing and removing organic components (binder and the like) in the green sheet, the glass sheet, and the conductor paste. The degreasing temperature is usually below 600 ° C. By firing, the glass sheet, the green sheet and the conductor paste are simultaneously sintered, and the reinforcing layer, the piezoelectric material layer and the internal electrode layer are formed by firing once. When the reinforcing layer is arranged as described above, the reinforcing layer is bonded to the outermost piezoelectric material layer.
【００３９】最後に、端部に露出した内部電極を相互に
接続するように外部電極を形成し、分極可能にする。外
部電極は、導電性接着剤やメッキなどによって形成する
ことができる。Finally, the external electrodes are formed so as to connect the internal electrodes exposed at the ends to each other to make them polarizable. The external electrodes can be formed by a conductive adhesive or plating.
【００４０】このように、圧電材料層の積層方向に強化
層を積層し、強化部を構成する積層型圧電アクチュエー
タは、強化材料のガラスシートを用意しておけば、従来
の同時焼成型の積層型圧電アクチュエータの製造法にお
ける積層工程において、圧電材料のグリーンシートの一
部を強化材料のガラスシートに置き換えるだけで製造す
ることができる。即ち、強化部形成のための特別の工程
を必要とせずに、従来の同時焼成型の積層型圧電アクチ
ュエータの製造工程をそのまま利用して、低コストで本
発明の積層型圧電アクチュエータを製造できる。As described above, in the laminated piezoelectric actuator in which the reinforcing layers are laminated in the laminating direction of the piezoelectric material layers to form the strengthening portion, if a glass sheet of the reinforcing material is prepared, the conventional co-firing type laminate is used. In the laminating step in the method for manufacturing the piezoelectric actuator, it is possible to manufacture by simply replacing a part of the green sheet of the piezoelectric material with the glass sheet of the reinforcing material. That is, the laminated piezoelectric actuator of the present invention can be manufactured at low cost by directly utilizing the conventional manufacturing process of a co-firing type laminated piezoelectric actuator without requiring a special process for forming the strengthened portion.
【００４１】上記方法は、積層方向と垂直の横方向変位
を利用する積層型圧電アクチュエータにおいて、作動端
ではなく、積層体の上面および／または下面に強化層と
して強化部を形成する場合、ならびに積層方向と同方向
の縦方向変位を利用する積層型圧電アクチュエータにお
いて、作動端となる積層体の上面および／または下面に
強化部を形成する場合のいずれにも採用できる。The above method is a laminated piezoelectric actuator utilizing lateral displacement perpendicular to the laminating direction, when the reinforcing portion is formed as the reinforcing layer on the upper surface and / or the lower surface of the laminated body, not on the working end, and In the laminated piezoelectric actuator that utilizes the vertical displacement in the same direction as the direction, the laminated piezoelectric actuator can be used for forming the reinforced portion on the upper surface and / or the lower surface of the laminated body serving as the operating end.
【００４２】積層方向とは異なる垂直方向に強化部を配
置する場合 (例えば、横方向変位を利用する積層型圧電
アクチュエータにおいて、作動端となる積層体の側面に
強化部を形成する場合) には、圧電材料層と内部電極層
とが積層された積層ブロックを上記のように形成した
後、この積層ブロックの少なくとも一方の作動端、好ま
しくは両方の作動端、となる側面に、上記ガラス材料等
から作製した強化部ブロックを接着剤などを利用して仮
固定し、焼成すればよい。この焼成により、強化部ブロ
ックは積層ブロックの側面に焼結により結合される。従
って、この場合でも、従来の同時焼成型の積層型圧電ア
クチュエータの製造工程をほぼそのまま利用でき、低コ
ストで本発明の積層型圧電アクチュエータを製造でき
る。In the case of arranging the strengthening portion in a vertical direction different from the stacking direction (for example, in the case of forming the strengthening portion on the side surface of the stacked body which is the working end in a stacked piezoelectric actuator utilizing lateral displacement) After forming a laminated block in which a piezoelectric material layer and an internal electrode layer are laminated as described above, the glass material or the like is formed on the side surface of at least one working end, preferably both working ends, of the laminated block. The reinforced block manufactured from 1. may be temporarily fixed using an adhesive or the like and baked. By this firing, the reinforcement block is bonded to the side surface of the laminated block by sintering. Therefore, even in this case, the manufacturing process of the conventional co-firing type laminated piezoelectric actuator can be used almost as it is, and the laminated piezoelectric actuator of the present invention can be manufactured at low cost.
【００４３】[0043]
【実施例】(実施例１)原料粉末としてPbO, ZrO2, TiO2,
NiO, Nb2O5 の各酸化物粉末を使用し、組成がPb[Zr0.4
Ti0.4(Ni1/3Nb2/3)0.2]O3 の圧電セラミックが得られる
ような割合でこれらの原料粉末を秤取した。これらの粉
末を湿式ボールミルで混合し、混合粉末を乾燥し、900
℃で仮焼し、再びボールミルで粉砕した後、乾燥して、
圧電材料 (圧電セラミック) の粉末を得た。この圧電セ
ラミックの粉末を有機バインダの溶液と混合してスラリ
状とし、ドクターブレード法により、約50μm の乾燥厚
さにテープ成形して、未焼成のセラミックテープ (セラ
ミックグリーンシート)を得た。Example 1 As a raw material powder, PbO, ZrO 2 , TiO 2 ,
NiO and Nb 2 O 5 oxide powders were used, and the composition was Pb [Zr 0.4
These raw material powders were weighed in such a ratio that a piezoelectric ceramic of Ti 0.4 (Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0.2 ] O 3 was obtained. Mix these powders in a wet ball mill, dry the mixed powders, and
Calcination at ℃, crush with ball mill again, then dry,
A powder of piezoelectric material (piezoelectric ceramic) was obtained. This piezoelectric ceramic powder was mixed with a solution of an organic binder to form a slurry, which was tape-formed by a doctor blade method to a dry thickness of about 50 μm to obtain an unfired ceramic tape (ceramic green sheet).
【００４４】一方、強化部となる強化層を構成するガラ
ス材料としては、PbO, SiO2, Al2O3, ZrO2の各酸化物粉
末を所定の比率となるように秤取し、圧電材料と同様に
混合と乾燥、800 ℃での仮焼および粉砕と乾燥を行って
得たガラス粉末を使用した。なお、Al2O3 原料について
は、強度への影響を調査するため、通常の粉末以外に、
ウィスカ（直径10μm)と微粒子粉末（粒径約0.2 μm)も
原料として使用した。表１に記載のない場合は通常の粉
末である。このガラス粉末を、圧電材料と同様に、50μ
m の乾燥厚さにテープ成形して、未焼成のガラステープ
を得た。On the other hand, as the glass material forming the strengthening layer which becomes the strengthening portion, oxide powders of PbO, SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 are weighed out in a predetermined ratio to obtain a piezoelectric material. Glass powder obtained by mixing and drying, calcining at 800 ° C., crushing and drying was used in the same manner as in. Regarding the Al 2 O 3 raw material, in order to investigate the influence on the strength, in addition to ordinary powder,
Whiskers (diameter 10 μm) and fine powder (particle diameter about 0.2 μm) were also used as raw materials. If it is not shown in Table 1, it is a normal powder. This glass powder, like the piezoelectric material, is
It was tape-formed into a dry thickness of m 2 to obtain an unfired glass tape.
【００４５】圧電材料のセラミックテープと、強化層用
のガラステープを、それぞれ約40×50 mm に切断し、位
置決め穴をパンチした。その後、圧電材料のセラミック
テープには、内部電極層を形成するために、Ag：Pd＝7
0：30のAg−Pd合金粉末を含む導体ペーストを、所定パ
ターン (図１参照) にスクリーン印刷した。A ceramic tape made of a piezoelectric material and a glass tape for a reinforcing layer were each cut into about 40 × 50 mm, and a positioning hole was punched. Then, on the ceramic tape of piezoelectric material, in order to form the internal electrode layer, Ag: Pd = 7
A conductor paste containing 0:30 Ag-Pd alloy powder was screen-printed in a predetermined pattern (see FIG. 1).
【００４６】上記の圧電材料のセラミックテープと強化
層用のガラステープを用いて、図１および図２に示す構
造の横方向変位を利用する積層型圧電アクチュエータを
作製した。図１において、１は圧電セラミック層、２は
内部電極層、３は外部電極、４は強化層 (強化部) を示
す。即ち、本例で作製した積層型圧電アクチュエータに
おいて、両側の最外層が強化層であり、この強化層のす
ぐ内側に圧電セラミック層が配置され、内部は圧電セラ
ミック層と内部電極層とが交互に積層されている。従っ
て、強化層は内部電極層とは接触しておらず、圧電セラ
ミック層だけに接触している。A laminated piezoelectric actuator utilizing the lateral displacement of the structure shown in FIGS. 1 and 2 was produced by using the ceramic tape of the above piezoelectric material and the glass tape for the reinforcing layer. In FIG. 1, 1 is a piezoelectric ceramic layer, 2 is an internal electrode layer, 3 is an external electrode, and 4 is a reinforced layer (reinforced portion). That is, in the laminated piezoelectric actuator manufactured in this example, the outermost layers on both sides are the reinforcing layers, the piezoelectric ceramic layers are arranged immediately inside the reinforcing layers, and the piezoelectric ceramic layers and the internal electrode layers are alternately arranged inside. It is stacked. Therefore, the reinforcing layer does not contact the internal electrode layers, but only the piezoelectric ceramic layers.
【００４７】積層は、導体ペーストを印刷した圧電材料
のセラミックテープを所定枚数だけ積層し (導体ペース
トの印刷面を上にして) 、その上に、導体ペーストを塗
布していない圧電セラミックテープを１枚だけ重ねて、
積層体の上下面にして導体ペーストの印刷面が露出しな
いようにした。導体ペーストを印刷した圧電セラミック
テープは、図１に示すように、交互に外部電極と接続す
る構造となるよう、交互に向きを変えて積層した。この
積層体の上下に、強化層が所定の体積比となるように、
強化層用のガラステープを配置し、最外層を強化層用の
ガラステープである積層体を得た。この積層体の圧電セ
ラミックテープとガラステープ (いずれも厚みは50μm)
の合計の積層枚数は40枚とした。従って、未焼成の積層
体の厚みは2000μm である。The lamination is carried out by laminating a predetermined number of ceramic tapes of a piezoelectric material printed with a conductor paste (with the printed surface of the conductor paste facing upwards), and one piezoelectric ceramic tape on which the conductor paste is not applied. Stack only one sheet,
The upper and lower surfaces of the laminate were made so that the printed surface of the conductor paste was not exposed. As shown in FIG. 1, the piezoelectric ceramic tape printed with the conductor paste was laminated by changing its direction alternately so as to have a structure in which it is alternately connected to external electrodes. Above and below this laminated body so that the reinforcing layers have a predetermined volume ratio,
A glass tape for the reinforcing layer was arranged, and a laminated body having the outermost layer as the glass tape for the reinforcing layer was obtained. Piezoelectric ceramic tape and glass tape of this laminated body (both have a thickness of 50 μm)
The total number of laminated sheets was 40 sheets. Therefore, the thickness of the unfired laminate is 2000 μm.
【００４８】例えば、強化層の体積比10％の場合、40枚
のうち、上下各２枚 (計４枚) をガラステープ、残り36
枚は圧電セラミックテープを積層した。但し、36枚の圧
電セラミックテープのうち、１枚は導体ペーストを塗布
していないものであるので、焼成後の積層型圧電アクチ
ュエータの内部電極層の数は35層となり、両側が内部電
極層で挟まれた、電圧印加により駆動される圧電材料層
は34層になる。強化層の体積比が０％の比較例は、上下
の最外層が圧電材料層であり、その内部に39層の内部電
極層が存在するので、駆動される圧電材料層は38層とな
る。従って、本発明の積層型圧電アクチュエータで、強
化層の積層枚数だけ、駆動される圧電材料層は減少す
る。For example, when the volume ratio of the reinforcing layer is 10%, of the 40 sheets, the upper and lower two sheets (four sheets in total) are the glass tapes and the remaining 36 sheets.
The sheets were laminated with piezoelectric ceramic tapes. However, since one of the 36 piezoelectric ceramic tapes is not coated with a conductor paste, the number of internal electrode layers of the laminated piezoelectric actuator after firing is 35, and both sides are internal electrode layers. The sandwiched piezoelectric material layer driven by voltage application becomes 34 layers. In the comparative example in which the volume ratio of the reinforcing layer is 0%, the upper and lower outermost layers are piezoelectric material layers, and 39 internal electrode layers are present therein, so that 38 piezoelectric material layers are driven. Therefore, in the laminated piezoelectric actuator of the present invention, the number of piezoelectric material layers to be driven is reduced by the number of laminated reinforcing layers.
【００４９】なお、強化層のガラステープの枚数は、強
化層の体積比５％で上下各１枚、20％で上下各４枚、30
％で上下各６枚、35％で上下各７枚であり、その残りが
圧電セラミックテープになる。但し、強化層の体積比３
％の例では、厚さ30μm のガラステープを用意し、上下
各１枚を、この厚さ30μm ガラステープ、残り38枚を厚
さ50μm の圧電材料テープとした。この場合は、積層体
の合計厚みが1960μmとなる。The number of glass tapes for the reinforcing layer is 5% of the volume of the reinforcing layer, one for each upper and lower side, 20% for each of 4 upper and lower sides, 30
% Is 6 upper and lower, 35% is 7 upper and lower, and the rest is piezoelectric ceramic tape. However, the volume ratio of the reinforcing layer is 3
%, A glass tape having a thickness of 30 μm was prepared, one upper and one lower glass tape was used as the 30 μm glass tape, and the remaining 38 tapes were piezoelectric material tapes having a thickness of 50 μm. In this case, the total thickness of the laminated body is 1960 μm.
【００５０】積層体を約100 ℃で熱圧着させ、600 ℃で
脱脂し、1100℃で焼成した。焼成後の各層の層厚は、強
化層と圧電セラミック層のいずれも約35μm であり、有
効長（内部電極が交差している長さ）約10 mm であっ
た。焼成品の両端を研磨し、形成した内部電極を一層お
きに露出させた。次に、図１に示すように、露出させた
内部電極と焼成体の上下面の一部を接続するように、外
部電極を無電解メッキにより形成し、同時焼成型の積層
型圧電アクチュエータを完成させた。The laminate was thermocompression bonded at about 100 ° C., degreased at 600 ° C., and fired at 1100 ° C. The thickness of each layer after firing was about 35 μm for both the reinforcing layer and the piezoelectric ceramic layer, and the effective length (the length at which the internal electrodes intersect) was about 10 mm. Both ends of the fired product were polished, and the formed internal electrodes were exposed every other layer. Next, as shown in FIG. 1, external electrodes are formed by electroless plating so as to connect the exposed internal electrodes to a part of the upper and lower surfaces of the fired body, and a simultaneous firing type laminated piezoelectric actuator is completed. Let
【００５１】この積層型圧電アクチュエータを70 V (約
２kV/mm)で分極した後、幅４mmに切断し、７Ｖp-p （＋
200 V/mm〜−200 V/mmの交番電界）、１kHz の正弦波を
印加したときのアクチュエータの長手方向の伸縮量を、
レーザドップラ変位計により測定し、変位量とした。This laminated piezoelectric actuator was polarized at 70 V (about 2 kV / mm) and then cut to a width of 4 mm to obtain 7 V pp (+
(An alternating electric field of 200 V / mm to -200 V / mm)) The amount of expansion and contraction in the longitudinal direction of the actuator when a 1 kHz sine wave is applied,
The amount of displacement was measured by a laser Doppler displacement meter.
【００５２】抗折強度は、長さ30 mm 、幅５mm、厚み３
mmの積層アクチュエータを作成し、スパン20 mm の３点
曲げ方式で、積層面に対し垂直な方向に力を加えた時の
破断時の最大荷重を測定した。The bending strength is 30 mm in length, 5 mm in width and 3 in thickness.
A laminated actuator of mm was prepared, and the maximum load at break when a force was applied in a direction perpendicular to the laminated surface was measured by a three-point bending method with a span of 20 mm.
【００５３】以上の試験結果を、強化層のガラス組成
(主成分のモル比および主成分に対する副成分の添加モ
ル％) および強化層の体積比率と共に、表１に示す。The above test results are used to show the glass composition of the strengthening layer.
It is shown in Table 1 together with (molar ratio of main component and added mol% of subcomponent with respect to main component) and volume ratio of the reinforcing layer.
【００５４】[0054]
【表１】 [Table 1]
【００５５】表１からわかるように、強化層を備えてい
ないNo.1の比較例の積層型圧電アクチュエータは、変位
量は0.45μｍと大きいが、抗折強度が83 MPaと小さい。
これに対し、５〜30％の体積比で強化層を配置した積層
型圧電アクチュエータは、変位量の低減を半分以内に抑
えて (即ち、No.1の変位量の半分以上を確保しながら)
、抗折強度を 112〜171 MPa と著しく増大させること
ができる。変位量の低減が半分以内であれば、耐久性が
重視される精密駆動用途では、積層型圧電アクチュエー
タとしての機能に実質的な悪影響は少ない。従って、本
発明により、アクチュエータとして有効に機能し、内部
応力による割れや欠けが防止でき、耐久性と信頼性に優
れた積層型圧電アクチュエータが得られる。As can be seen from Table 1, the laminated piezoelectric actuator of Comparative Example No. 1 having no reinforcing layer has a large displacement amount of 0.45 μm but a small bending strength of 83 MPa.
On the other hand, the laminated piezoelectric actuator in which the reinforcing layer is arranged at a volume ratio of 5 to 30% suppresses the reduction of displacement within half (that is, while securing more than half of the displacement of No. 1).
, The bending strength can be remarkably increased to 112 to 171 MPa. If the amount of displacement reduction is less than half, in a precision drive application where durability is important, the function as a laminated piezoelectric actuator is not substantially adversely affected. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a laminated piezoelectric actuator that effectively functions as an actuator, can prevent cracking or chipping due to internal stress, and is excellent in durability and reliability.
【００５６】しかし、強化層の体積比が５％未満では強
度向上の効果がほとんどみられず、逆に30％を超える
と、変位量が著しく小さくなる。強化層を構成するガラ
スについては、Al2O3 原料としてウィスカまたは微粒子
を使用すると、No.4とNo.10, 11 との比較から明らかな
ように、同じAl2O3 添加量で強度向上の効果がさらに大
きくなる。ガラス中のAl2O3 は強度向上効果があるが、
その添加量が10モル％未満では、この効果がほとんどな
く、逆にAl2O3 添加量が40％を超えると、収縮率が小さ
くなりすぎ、収縮率を大きくするためZrO2無添加にして
も、強化層と圧電層が剥離し、焼結体が得られなかっ
た。Al2O3 を変化させた例ではZrO2量を変更している
が、これは圧電材料と収縮率を同一にするためである。However, when the volume ratio of the reinforcing layer is less than 5%, the effect of improving the strength is hardly seen, and when it exceeds 30%, the displacement amount is remarkably reduced. As for the glass that constitutes the strengthening layer, when whiskers or fine particles are used as the Al 2 O 3 raw material, as is clear from the comparison between No. 4 and No. 10 and 11, the strength is improved with the same Al 2 O 3 addition amount. The effect of becomes even greater. Al 2 O 3 in glass has the effect of improving strength,
If the addition amount is less than 10 mol%, this effect is almost nonexistent, and conversely, if the addition amount of Al 2 O 3 exceeds 40%, the shrinkage rate becomes too small and the ZrO 2 addition is not performed to increase the shrinkage rate. However, the reinforcing layer and the piezoelectric layer were peeled off, and a sintered body could not be obtained. In the example in which Al 2 O 3 was changed, the amount of ZrO 2 was changed, but this is to make the contraction rate the same as that of the piezoelectric material.
【００５７】(実施例２)前述したように、内部電極層が
比較的安価なAg−Pd合金である場合、同時焼成温度は10
50〜1150℃の温度範囲が適切である。この焼成温度にお
けるPZT 系圧電セラミック材料の収縮率 (厚みに対して
垂直方向の収縮率) は約10〜30％の範囲である。従っ
て、強化層も同様に、1050℃〜1150℃の温度範囲での収
縮率が10〜30％であることが望ましい。そこで、本実施
例では、強化層用のガラス組成と上記温度範囲での収縮
率との関係を調べた。(Example 2) As described above, when the internal electrode layer is a relatively inexpensive Ag-Pd alloy, the co-firing temperature is 10
A temperature range of 50 to 1150 ° C is suitable. The shrinkage rate (shrinkage rate in the direction perpendicular to the thickness) of the PZT-based piezoelectric ceramic material at this firing temperature is in the range of about 10 to 30%. Therefore, it is desirable that the reinforcing layer also has a shrinkage ratio of 10 to 30% in the temperature range of 1050 ° C to 1150 ° C. Therefore, in this example, the relationship between the glass composition for the strengthening layer and the shrinkage ratio in the above temperature range was investigated.
【００５８】実施例１と同様にして、ガラス組成を変更
したガラス粉末を調製し、このガラス粉末を用いて、乾
燥厚み50μｍのガラステープを作製した。このガラステ
ープを５×10 mm の大きさの正確に切断し、1050℃およ
び1150℃で焼成した。焼成したガラスの長手方向の寸法
を測定して、焼成前の寸法に対する収縮量として、収縮
率を算出した。結果をガラス組成と共に表２に示す。Glass powders having different glass compositions were prepared in the same manner as in Example 1, and a glass tape having a dry thickness of 50 μm was prepared using this glass powder. The glass tape was accurately cut to a size of 5 × 10 mm and fired at 1050 ° C. and 1150 ° C. The dimension of the fired glass in the longitudinal direction was measured, and the shrinkage rate was calculated as the amount of shrinkage with respect to the dimension before firing. The results are shown in Table 2 together with the glass composition.
【００５９】[0059]
【表２】 [Table 2]
【００６０】表２からわかるように、PbO とSiO2の合計
量に対して、ZrO2添加量が40モル％未満であると、1050
℃で既に溶解が始まるため、実用に適さない。逆に、Zr
O2添加量が140 モル％を超えると、1150℃でも収縮率が
小さすぎる。一方、PbO 含有量が30モル％を超えると、
ZrO2添加量を多くして収縮を抑制しても1050℃では溶解
してしまい、逆に10モル％未満では、1150℃でも収縮率
が小さい。As can be seen from Table 2, when the added amount of ZrO 2 is less than 40 mol% with respect to the total amount of PbO and SiO 2 , 1050
It is not suitable for practical use because it already begins to dissolve at ℃. Conversely, Zr
When the amount of O 2 added exceeds 140 mol%, the shrinkage rate is too small even at 1150 ° C. On the other hand, if the PbO content exceeds 30 mol%,
Even if the amount of ZrO 2 added is increased to suppress the shrinkage, it melts at 1050 ° C, and conversely, if it is less than 10 mol%, the shrinkage rate is small even at 1150 ° C.
【００６１】(実施例３）図３に示す構造の横方向変位
を利用する積層型圧電アクチュエータを、次に述べるよ
うにして作製した。本例で作製した積層型圧電アクチュ
エータでは、作動端（両側）に強化部が配置され、外部
電極と内部電極は端部ではなく側面で接続された構造で
ある。Example 3 A laminated piezoelectric actuator utilizing the lateral displacement of the structure shown in FIG. 3 was manufactured as described below. The laminated piezoelectric actuator manufactured in this example has a structure in which the reinforced portions are arranged at the actuation ends (both sides), and the external electrodes and the internal electrodes are connected not at the ends but at the side surfaces.
【００６２】実施例１と同様にして、圧電材料のセラミ
ックテープと強化層用のガラステープ（いずれも厚みは
50μｍ）を作製し、それぞれ約40×50 mm に切断し、位
置決め穴をパンチした。圧電セラミックテープとガラス
テープは、1150℃で焼成した際に面方向および厚み方向
の収縮挙動が一致するように選定した。In the same manner as in Example 1, the ceramic tape of the piezoelectric material and the glass tape for the reinforcing layer (both of which have a thickness of
50 μm) was prepared, each of which was cut into about 40 × 50 mm, and positioning holes were punched. The piezoceramic tape and the glass tape were selected so that the shrinkage behavior in the plane direction and the thickness direction would be the same when fired at 1150 ° C.
【００６３】圧電材料のセラミックテープには、内部電
極層を形成するために、Ag：Pd＝70：30のAg−Pd合金粉
末を含む導体ペーストを、所定パターン（図３参照）に
スクリーン印刷した。On the ceramic tape of piezoelectric material, a conductor paste containing Ag: Pd = 70: 30 Ag-Pd alloy powder was screen-printed in a predetermined pattern (see FIG. 3) in order to form an internal electrode layer. .
【００６４】積層は、圧電セラミックテープ部分とガラ
ステープ部分を別に行い、その後圧着する手法により行
った。圧電セラミックテープ部分の積層は、実施例１と
同様にして、導体ペーストを印刷した圧電セラミックテ
ープを交互に向きを変えて積層した。その結果、二つの
側面には交互に内部電極が露出する構造となる。圧電セ
ラミックテープの積層枚数は40枚であり、焼成後の積層
型圧電アクチュエータの内部電極層の数は39層、電圧印
加により駆動される圧電材料層は38層になる。次に、内
部電極を塗布した部分（長辺15 mm ×幅2.5 mm）および
内部電極の周囲500 μm を残して（外部電極と接続する
部分を除く）、16 mm ×3.5 mmにカットした。The lamination was performed by a method in which the piezoelectric ceramic tape portion and the glass tape portion were separately formed and then pressure-bonded. The piezoelectric ceramic tape portion was laminated in the same manner as in Example 1 by laminating piezoelectric ceramic tapes printed with a conductor paste in alternating directions. As a result, the internal electrodes are alternately exposed on the two side surfaces. The number of laminated piezoelectric ceramic tapes is 40, the number of internal electrode layers of the laminated piezoelectric actuator after firing is 39, and the number of piezoelectric material layers driven by voltage application is 38. Next, the part coated with the internal electrode (long side 15 mm × width 2.5 mm) and the periphery of the internal electrode of 500 μm (excluding the part connected to the external electrode) were cut into 16 mm × 3.5 mm.
【００６５】ガラステープ部分の積層は、テープを42層
積層し、この積層体を圧電セラミックテープ積層体と同
じ高さになるように、積層した上面をサンドペーパーを
用いて研磨した後、幅3.5 mm×1.5 mmのブロックにカッ
トした。The glass tape portion was laminated by laminating 42 layers of tape, polishing the laminated upper surface with sandpaper so that the laminated body was at the same height as the piezoelectric ceramic tape laminated body, and then forming the laminated tape with a width of 3.5. Cut into blocks of mm x 1.5 mm.
【００６６】圧電セラミックテープ積層体の長辺方向の
両端に、各１個ずつガラステープのブロックを、トルエ
ン等の溶剤を塗布して接着した。トルエンは圧電セラミ
ックテープおよびガラステープの両方に含有されるた
め、接着剤として有効に作用する。A block of glass tape was attached to each end of the piezoelectric ceramic tape laminate in the long-side direction by applying a solvent such as toluene and adhering the blocks. Since toluene is contained in both the piezoelectric ceramic tape and the glass tape, it effectively acts as an adhesive.
【００６７】このようにして作製した積層体を600 ℃で
脱脂し、1150℃で焼成した。焼成品は、圧電セラミック
部分とガラス部分とが剥離していなかった。この焼成体
の側面を研磨し、内部電極を確実に露出させた後、焼成
体の側面に露出させた内部電極と焼成体の上下面の一部
を接続するように、外部電極を無電解メッキにより形成
し、積層型圧電アクチュエータを完成させた。この積層
型圧電アクチュエータを70 V (約２kV/mm)で分極した。The laminate thus produced was degreased at 600 ° C. and baked at 1150 ° C. In the fired product, the piezoelectric ceramic part and the glass part were not separated. After polishing the side surface of the fired body and exposing the internal electrode securely, electroless plating of the external electrode is performed so that the internal electrode exposed on the side surface of the fired body and a part of the upper and lower surfaces of the fired body are connected. To complete the laminated piezoelectric actuator. The laminated piezoelectric actuator was polarized at 70 V (about 2 kV / mm).
【００６８】比較のため、圧電セラミック部分のみでガ
ラス部分を接着しない積層圧電アクチュエータも作製し
た。作製した２つのサンプル（両端にガラス強化部を付
加したサンプルと付加しないサンプル）の強度の評価
は、振動試験によって行った。すなわち、これらのアク
チュエータの長辺方向をステンレス製のバネで挟んで、
５N の圧縮力を付与し、これに１kHz 、17.5 V (約500
V/mm) の交流電界を106回繰り返し、試料の破壊の度合
い、特に端部の様子を注意して観察した。For comparison, a laminated piezoelectric actuator in which only the piezoelectric ceramic portion and the glass portion were not bonded was also manufactured. The strength evaluation of the two produced samples (the sample in which the glass reinforced portion was added at both ends and the sample in which the glass reinforced portion was not added at both ends) was performed by a vibration test. That is, sandwich the long side direction of these actuators with stainless steel springs,
Applying a compressive force of 5N, 1kHz, 17.5 V (about 500
The alternating electric field (V / mm) was repeated 10 6 times, and the degree of destruction of the sample, particularly the state of the edge, was observed carefully.
【００６９】その結果、ガラス強化部を付加したサンプ
ルではガラス強化部および圧電セラミック部分のいずれ
にも破壊は見られなかったが、ガラス強化部を付加しな
かったサンプルでは、各端部にクラックが発生してい
た。このことから、ガラス強化部を作動端に付加するこ
とによって、積層圧電アクチュエータを駆動した際の耐
久性が向上することがわかった。As a result, in the sample to which the glass reinforced portion was added, neither the glass reinforced portion nor the piezoelectric ceramic portion was broken, but in the sample to which the glass reinforced portion was not added, cracks were found at each end. Had occurred. From this, it was found that the addition of the glass reinforced portion to the working end improves the durability when the laminated piezoelectric actuator is driven.
【００７０】(実施例４）図４は、作動端に強化層を有
する構造の縦方向変位を利用する積層型圧電アクチュエ
ータを示す。縦方向変位を利用する積層型圧電アクチュ
エータにおいても、このように作動端に強化部を設ける
ことにより、作動端におけるクラックの発生を減少させ
ることができる。(Embodiment 4) FIG. 4 shows a laminated piezoelectric actuator utilizing the longitudinal displacement of a structure having a reinforcing layer at the working end. Also in the laminated piezoelectric actuator that utilizes the longitudinal displacement, by providing the reinforced portion at the working end in this manner, the occurrence of cracks at the working end can be reduced.
【００７１】[0071]
【発明の効果】本発明に係る積層型圧電アクチュエータ
は、アクチュエータに必要な圧電性能を維持しながら、
強度が著しく改善されているため、長時間駆動した場合
や、大きな変位を得るために高電界を印加した場合で
も、圧電アクチュエータの作動端に割れや欠け等が発生
しにくい、あるいは衝撃が加わりやすい環境下で使用さ
れたとしても割れや欠け等が発生しにくく、耐久性およ
び信頼性に優れている。また、同時焼成可能な強化部の
材料を選択することにより、本発明の積層型圧電アクチ
ュエータを、従来とほぼ同様の同時焼成プロセスによ
り、追加工程をあまり必要とせずに、低コストで製造す
ることができる。The laminated piezoelectric actuator according to the present invention maintains the piezoelectric performance required for the actuator,
Since the strength is remarkably improved, even if it is driven for a long time or a high electric field is applied to obtain a large displacement, cracks or chips are unlikely to occur at the working end of the piezoelectric actuator, or a shock is easily applied. Even when used in an environment, cracks and chips are unlikely to occur, resulting in excellent durability and reliability. Further, by selecting a material for the strengthened portion that can be co-fired, the multilayer piezoelectric actuator of the present invention can be manufactured at a low cost with almost no additional steps by a co-firing process almost similar to the conventional one. You can
【図１】実施例で作成した横方向変位型積層型圧電アク
チュエータの模式的外観図。FIG. 1 is a schematic external view of a lateral displacement type laminated piezoelectric actuator created in an example.
【図２】実施例で作成した横方向変位型の積層型圧電ア
クチュエータの製造時の積層の構成を示した説明図。FIG. 2 is an explanatory view showing a laminated structure at the time of manufacturing the lateral displacement type laminated piezoelectric actuator created in the example.
【図３】実施例で作成した横方向変位型積層型圧電アク
チュエータの模式的概観図。FIG. 3 is a schematic view of a lateral displacement type laminated piezoelectric actuator created in an example.
【図４】本発明に係る縦方向変位型積層型圧電アクチュ
エータの模式的概観図。FIG. 4 is a schematic view of a vertical displacement type laminated piezoelectric actuator according to the present invention.
【図５】アクチュエータに衝撃による応力が働いている
場合を示す説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a case where stress due to impact is applied to the actuator.
1：圧電セラミック層、 2：内部電極層、 3：外部電
極、 4：強化部（強化層）1: Piezoelectric ceramic layer, 2: Internal electrode layer, 3: External electrode, 4: Reinforcement part (reinforcement layer)
Claims (5)
してなる積層型圧電アクチュエータであって、前記圧電
材料層と前記内部電極層に加えて、前記圧電材料層と同
時焼成された強化部が設けられていることを特徴とする
積層型圧電アクチュエータ。1. A laminated piezoelectric actuator in which piezoelectric material layers and internal electrode layers are alternately laminated, wherein the piezoelectric material layers and the internal electrode layers are co-fired with the piezoelectric material layers. A laminated piezoelectric actuator comprising a reinforced portion.
〜30：70のPbO およびSiO2からなる主成分と、この主成
分に対して10〜40モル％のAl2O3 および40〜130 モル％
のZrO2とを含有するガラスからなる、請求項１記載の積
層型圧電アクチュエータ。2. The strengthened portion has a PbO: SiO 2 molar ratio of 10:90.
30: 70 and a principal component composed of PbO and SiO 2 of 10 to 40 mol% of Al 2 O 3 and 40 to 130 mol% relative to the main component
The laminated piezoelectric actuator according to claim 1, which is made of a glass containing ZrO 2 .
請求項１または２記載の積層型圧電アクチュエータであ
って、前記強化部が前記圧電材料層に積層方向に積層さ
れた１層または２層以上の強化層として構成され、この
強化層が圧電材料層と強化層の合計体積の５〜30％の体
積比率を有する、積層型圧電アクチュエータ。3. The laminated piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a lateral displacement perpendicular to the laminating direction is used, wherein the reinforcing portion is laminated on the piezoelectric material layer in the laminating direction. A laminated piezoelectric actuator, which is configured as one or more reinforcing layers, and the reinforcing layer has a volume ratio of 5 to 30% of a total volume of the piezoelectric material layer and the reinforcing layer.
請求項１または２記載の積層型圧電アクチュエータであ
って、前記強化部が作動端に配置され、その厚みが500
μm 〜５mmである、積層型圧電アクチュエータ。4. The laminated piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, which utilizes a lateral displacement perpendicular to the stacking direction, wherein the reinforced portion is arranged at the working end and has a thickness of 500.
A laminated piezoelectric actuator with a thickness of μm to 5 mm.
たは２記載の積層型圧電アクチュエータであって、前記
強化部が作動端に配置され、その厚みが500μm 〜５mm
である、積層型圧電アクチュエータ。5. The laminated piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, which utilizes a longitudinal displacement of a laminated body, wherein the strengthening portion is arranged at an actuating end and has a thickness of 500 μm to 5 mm.
Is a laminated piezoelectric actuator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001396954A JP2003197993A (en) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | Laminated type piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001396954A JP2003197993A (en) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | Laminated type piezoelectric actuator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003197993A true JP2003197993A (en) | 2003-07-11 |
Family
ID=27602890
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001396954A Withdrawn JP2003197993A (en) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | Laminated type piezoelectric actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003197993A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006001334A1 (en) * | 2004-06-24 | 2008-04-17 | 京セラ株式会社 | Multilayer electronic component and injection device using the same |
| CN100426547C (en) * | 2006-04-11 | 2008-10-15 | 中北大学 | Acuminium-base laminated high-over load piezoelectric driver |
-
2001
- 2001-12-27 JP JP2001396954A patent/JP2003197993A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006001334A1 (en) * | 2004-06-24 | 2008-04-17 | 京セラ株式会社 | Multilayer electronic component and injection device using the same |
| JP4925825B2 (en) * | 2004-06-24 | 2012-05-09 | 京セラ株式会社 | Multilayer electronic component and injection device using the same |
| CN100426547C (en) * | 2006-04-11 | 2008-10-15 | 中北大学 | Acuminium-base laminated high-over load piezoelectric driver |
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