JPH02272781A - 積層形圧電アクチュエータ素子 - Google Patents
積層形圧電アクチュエータ素子Info
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- JPH02272781A JPH02272781A JP1094814A JP9481489A JPH02272781A JP H02272781 A JPH02272781 A JP H02272781A JP 1094814 A JP1094814 A JP 1094814A JP 9481489 A JP9481489 A JP 9481489A JP H02272781 A JPH02272781 A JP H02272781A
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- crystal grain
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- piezoelectric ceramic
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
不発明は各種メカトロニクス機器に用いられる槓層形圧
電アクデュエータ素子に関する。
電アクデュエータ素子に関する。
近年メカトロニクス機器が急速に発展し、これに伴い例
えばロボットなどを駆動し、微小な変位や発生力を利用
した制御装置として用いられる圧電アクチエータタの開
発も盛んである。とくに厚さ方向に分極された圧電セラ
ミックスをその分也方向が互に対向するようにスタック
として積み重ね、圧電セラミックスの電界誘起歪を発生
させる積層形圧電アクチュエータ素子は、小さな電圧ｆ
こよつで大きな変位を得ることができるのでその有用性
が注目されている。
えばロボットなどを駆動し、微小な変位や発生力を利用
した制御装置として用いられる圧電アクチエータタの開
発も盛んである。とくに厚さ方向に分極された圧電セラ
ミックスをその分也方向が互に対向するようにスタック
として積み重ね、圧電セラミックスの電界誘起歪を発生
させる積層形圧電アクチュエータ素子は、小さな電圧ｆ
こよつで大きな変位を得ることができるのでその有用性
が注目されている。
第４図は積層形圧電アクチュエータ素子の構造を示す模
式図であり、第４図（ωは平面図、第４１慟）は第４図
（ａｌのＡ−λ断面を表わす図である。第４図（ａｔ
、 （ｂｌのように積層形圧電アクチュエータ素子１の
構造は、圧電セラミックス体２の内部に内部電極層３が
多数理め込まれており、各内部ｔｆｆ１層３閣の接続は
１層おきに側端部に絶縁Ｗｊ４を介在させて、その上か
ら外部電極５を設けることにより、外部で電気的に並列
に接続している。
式図であり、第４図（ωは平面図、第４１慟）は第４図
（ａｌのＡ−λ断面を表わす図である。第４図（ａｔ
、 （ｂｌのように積層形圧電アクチュエータ素子１の
構造は、圧電セラミックス体２の内部に内部電極層３が
多数理め込まれており、各内部ｔｆｆ１層３閣の接続は
１層おきに側端部に絶縁Ｗｊ４を介在させて、その上か
ら外部電極５を設けることにより、外部で電気的に並列
に接続している。
この積層形圧電アクチュエータ素子のＭ造は概ね次のよ
うにして行なわれる。高い圧電歪定数（ｄ３３）を有す
るＰｂＴ １０３− ＰｂＺｒＯｓ −Ｐｂ （Ｎｉ
、 Ｎｂ ）ＯｓもしくはＰｂＰｂＴ１０３−ＰｂＺｒ
０３Ｐｂ（、Ｎ１）０３糸の圧電セラミックスの原料粉
末を成形、焼成、研磨などの過程によって厚さ９．５１
１ｓ程度の薄板状の圧電セラミックス体２となし、この
圧電セラミックス体２に内部電極極層３の銀ペーストを
塗布して積層し、この積層体の側端部に交互に一層置き
にスリットを穿削した後、そのスリット内に絶縁層４を
形放し、その後外部電極５をとりつけることｆこより第
４図に示した積層形圧電アクチュエータ素子１を得るこ
とができる。
うにして行なわれる。高い圧電歪定数（ｄ３３）を有す
るＰｂＴ １０３− ＰｂＺｒＯｓ −Ｐｂ （Ｎｉ
、 Ｎｂ ）ＯｓもしくはＰｂＰｂＴ１０３−ＰｂＺｒ
０３Ｐｂ（、Ｎ１）０３糸の圧電セラミックスの原料粉
末を成形、焼成、研磨などの過程によって厚さ９．５１
１ｓ程度の薄板状の圧電セラミックス体２となし、この
圧電セラミックス体２に内部電極極層３の銀ペーストを
塗布して積層し、この積層体の側端部に交互に一層置き
にスリットを穿削した後、そのスリット内に絶縁層４を
形放し、その後外部電極５をとりつけることｆこより第
４図に示した積層形圧電アクチュエータ素子１を得るこ
とができる。
このようにして得られる積層形圧電アクチュエータ素子
１の緒特性例えば変位量や発生力を向上させるためには
、製造条件を設定するに当たつて最も好ましい条件を採
用するように行なわれるのが普通である。
１の緒特性例えば変位量や発生力を向上させるためには
、製造条件を設定するに当たつて最も好ましい条件を採
用するように行なわれるのが普通である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、良好な特性を有する圧電アクチーエータ
素子を得るために好ましい製造条件を見出すには、数多
くの条件の中からこれらの組み合わせを適確に行なわな
ければならず、このことは実施上かなり複雑な要因を含
むことから、圧電アクチュエータ素子についてさらに効
率よく特性評価を行なうことが可能な要件を定めること
が望ましい。
素子を得るために好ましい製造条件を見出すには、数多
くの条件の中からこれらの組み合わせを適確に行なわな
ければならず、このことは実施上かなり複雑な要因を含
むことから、圧電アクチュエータ素子についてさらに効
率よく特性評価を行なうことが可能な要件を定めること
が望ましい。
所で一般にセラミックス焼結体は、焼結状態が同じであ
れば結晶粒径の小さい方が強度が高く、特性も良好であ
り、通常は微細な粒径の原料粉末を用いて焼成するのが
よいとされている。そこで本発明者らは、圧電セラミッ
クス体の場合、良好な特性を得るための効果的な要件と
して結晶粒径の大きさに着目し、結晶粒径と圧電特性と
の関係を求め、結晶粒径によって圧電セラミックスの特
性評価を行なうのが有効であるとの観点から、結晶粒径
を小さくしたとき、圧電特性がどのように変るかを実験
的に知ることにした。
れば結晶粒径の小さい方が強度が高く、特性も良好であ
り、通常は微細な粒径の原料粉末を用いて焼成するのが
よいとされている。そこで本発明者らは、圧電セラミッ
クス体の場合、良好な特性を得るための効果的な要件と
して結晶粒径の大きさに着目し、結晶粒径と圧電特性と
の関係を求め、結晶粒径によって圧電セラミックスの特
性評価を行なうのが有効であるとの観点から、結晶粒径
を小さくしたとき、圧電特性がどのように変るかを実験
的に知ることにした。
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は圧電セラミックス体の最適結晶粒径を設定し、良好
な特性を有する積層形圧電アクチュエータ素子を提供す
ることにある。
的は圧電セラミックス体の最適結晶粒径を設定し、良好
な特性を有する積層形圧電アクチュエータ素子を提供す
ることにある。
上記課題を解決するために、本発明の積層形圧電アクチ
ュエータ素子は、この素子を構成する圧電セラミックス
体の結晶粒径を２〜４．５μｍの範囲としたものである
。
ュエータ素子は、この素子を構成する圧電セラミックス
体の結晶粒径を２〜４．５μｍの範囲としたものである
。
本発明では圧電セラミックス体の結晶粒径が２〜４．５
μｍの範囲となるようにしたために、多くの製造条件の
うち、焼成φ件のみを制御すればよく、しかも最適結晶
粒径範囲を決定することにより、圧電特性９機械的強度
の良好な圧電セラミックス体を得ることができ、組み立
て後の積層形圧電アクチュエータ素子は、最大変位量、
最大発生量ともすぐれた値を示し、信頼性も増すように
なる。
μｍの範囲となるようにしたために、多くの製造条件の
うち、焼成φ件のみを制御すればよく、しかも最適結晶
粒径範囲を決定することにより、圧電特性９機械的強度
の良好な圧電セラミックス体を得ることができ、組み立
て後の積層形圧電アクチュエータ素子は、最大変位量、
最大発生量ともすぐれた値を示し、信頼性も増すように
なる。
以下本発明を実施例に基づき説明する。
本発明の積層形圧電アクチュエータ素子の作製は、前述
した通常の方法を用いて行なったものであり、まず所定
の混合比となるようにＰｂ Ｔ １０ｓ ＊ＰｂＺｒ０
３ｅ ｐｂ （Ｎｔ ％ ｔ ＮｂＭ ） ０３の原材
料をボールミルにより粉砕し、微細な粉末を得、これを
焼成し２０雷藤φ、厚さＱ、５？１ｍに研磨して銀ペー
ストの内部電極層を形成した後、この圧電セラミックス
体を帥枚積層し、絶縁層と外部電極を設けて第４図に示
した構造をもつ積層形圧電アクチュエータ素子を作製し
た。
した通常の方法を用いて行なったものであり、まず所定
の混合比となるようにＰｂ Ｔ １０ｓ ＊ＰｂＺｒ０
３ｅ ｐｂ （Ｎｔ ％ ｔ ＮｂＭ ） ０３の原材
料をボールミルにより粉砕し、微細な粉末を得、これを
焼成し２０雷藤φ、厚さＱ、５？１ｍに研磨して銀ペー
ストの内部電極層を形成した後、この圧電セラミックス
体を帥枚積層し、絶縁層と外部電極を設けて第４図に示
した構造をもつ積層形圧電アクチュエータ素子を作製し
た。
以上の過程で本発明者らの着目した圧電セラミックス体
の結晶粒径の大きさは、混合粉砕された原料微粉末の焼
成温度と保持時間により決定されるので、焼成温度を１
０５０〜１２５０℃、保持時間を２〜４８時間として、
両者の組み合わせによるス条件の圧電セラミックス体を
作製し、それらの結晶粒径を測定した。第１図は縦軸を
焼成温度、横軸を保持時間とし、この両者の組み合わせ
に対応して得られる圧電セラミックス体の結晶粒径の大
きさを示した関係図であり、各結晶粒径の範囲を区分す
る等高線を点線で記入しである。
の結晶粒径の大きさは、混合粉砕された原料微粉末の焼
成温度と保持時間により決定されるので、焼成温度を１
０５０〜１２５０℃、保持時間を２〜４８時間として、
両者の組み合わせによるス条件の圧電セラミックス体を
作製し、それらの結晶粒径を測定した。第１図は縦軸を
焼成温度、横軸を保持時間とし、この両者の組み合わせ
に対応して得られる圧電セラミックス体の結晶粒径の大
きさを示した関係図であり、各結晶粒径の範囲を区分す
る等高線を点線で記入しである。
かくして得られた圧電セラミック体の結晶粒径と圧電特
性の関係を示したのが第２図の線図である。第２図は縦
軸を比誘電１；＝ （１／ｌ ｏ ）および電気機械結
合係数（Ｋｒ）、横軸を結晶粒径として両者の関係をプ
ロットした線図であり、曲線（イ）は比誘電率（ε／ｇ
ｏ）＝ 曲線（ロ）は電気機械結合係数（Ｋｒ）を表
わしている。第２図から比誘電率（ｓ／ｇｏ）が５７０
０以上、電気機械結合係数（Ｋｒ）が０．５５以上の得
られる圧電セラミックス体の結晶粒径は２〜４．５μｍ
の範囲にあることがわかる。
性の関係を示したのが第２図の線図である。第２図は縦
軸を比誘電１；＝ （１／ｌ ｏ ）および電気機械結
合係数（Ｋｒ）、横軸を結晶粒径として両者の関係をプ
ロットした線図であり、曲線（イ）は比誘電率（ε／ｇ
ｏ）＝ 曲線（ロ）は電気機械結合係数（Ｋｒ）を表
わしている。第２図から比誘電率（ｓ／ｇｏ）が５７０
０以上、電気機械結合係数（Ｋｒ）が０．５５以上の得
られる圧電セラミックス体の結晶粒径は２〜４．５μｍ
の範囲にあることがわかる。
例えばより具体的には、再び第１図から焼成温度１１５
０℃、保持時間ス時間の３．３５ｐｍの結晶粒径をもつ
圧電セラミックス体、焼成温度１１７５℃。
０℃、保持時間ス時間の３．３５ｐｍの結晶粒径をもつ
圧電セラミックス体、焼成温度１１７５℃。
保持時間冴時間の３．７４ｐｍの結晶粒径をもつ圧電セ
ラ・ミックス体および焼成温度１２００℃、保持時間１
０時間の３．９２Ｐｔｎの結晶粒径をもつ圧電セラミッ
クス体について圧電特性を示すとＷＪ１表に示す結果が
得られる。
ラ・ミックス体および焼成温度１２００℃、保持時間１
０時間の３．９２Ｐｔｎの結晶粒径をもつ圧電セラミッ
クス体について圧電特性を示すとＷＪ１表に示す結果が
得られる。
ｔｌＩ！Ｊ１表
次に圧電セラミックス体の機械的強度を評価するために
、ビッカース硬度計の荷重によりて生ずる圧痕のクラッ
ク長から破壊じん性値（Ｋｔｃ） を求めた。第３図
は縦軸を圧電セラミックス体の破壊しん性値（Ｋｓｃ）
−横軸を結晶粒径とし両者の関係を表わした線図であり
、ｌ！３図から強度の点からも圧電セラミックス体の結
晶粒径の大きさは、破壊しん性値（ＫＩＣ）の極大附近
で高い値を示す範囲が２〜４．５ｐｍであることがわか
る。
、ビッカース硬度計の荷重によりて生ずる圧痕のクラッ
ク長から破壊じん性値（Ｋｔｃ） を求めた。第３図
は縦軸を圧電セラミックス体の破壊しん性値（Ｋｓｃ）
−横軸を結晶粒径とし両者の関係を表わした線図であり
、ｌ！３図から強度の点からも圧電セラミックス体の結
晶粒径の大きさは、破壊しん性値（ＫＩＣ）の極大附近
で高い値を示す範囲が２〜４．５ｐｍであることがわか
る。
以上第２図、第３図の巌図によれば、圧電特性。
機械的強度のいずれをも十分に満足する圧電セラミック
ス体の結晶粒径の大きさは２ ｐｍまで小さくすること
はできるが、その上限の大きさは４．５ｐｍにとどめる
のが最適であり、焼成条件は第１図から焼成温度１０５
０〜１２５０℃、保持時間を２〜団時間とする両者の組
み合わせから得られる。
ス体の結晶粒径の大きさは２ ｐｍまで小さくすること
はできるが、その上限の大きさは４．５ｐｍにとどめる
のが最適であり、焼成条件は第１図から焼成温度１０５
０〜１２５０℃、保持時間を２〜団時間とする両者の組
み合わせから得られる。
そこで上に述べた３−３５ｐｆＦ！ｅ ３．７４μ渭、
３．９２μ慣の各結晶粒径をもつ圧電セラミックス体に
ついて、それぞれ厚さｏ、５’ｓｍ、直径２０龍φのも
の（資）枚を積層して積層形圧電アクチ、エータ素子を
作製し、素子特性を求めた結果、直流電圧を４００ Ｖ
印加し最大変位置駒〜５０ｐｍ、最大発生力８００〜１
０００ ＫＦを得ることができた。これらの値は従来素
子に対してほぼ２倍に相当するものである。
３．９２μ慣の各結晶粒径をもつ圧電セラミックス体に
ついて、それぞれ厚さｏ、５’ｓｍ、直径２０龍φのも
の（資）枚を積層して積層形圧電アクチ、エータ素子を
作製し、素子特性を求めた結果、直流電圧を４００ Ｖ
印加し最大変位置駒〜５０ｐｍ、最大発生力８００〜１
０００ ＫＦを得ることができた。これらの値は従来素
子に対してほぼ２倍に相当するものである。
このように本発明の積層形圧電アクチュエータ素子は、
これを構成する圧電セラミックス体の結晶粒径の最適範
囲を定めることにより、特性償を著しく高めることがで
きる。
これを構成する圧電セラミックス体の結晶粒径の最適範
囲を定めることにより、特性償を著しく高めることがで
きる。
積層形圧電アクチュエータ素子の特性を向上させるため
に、従来多くの製造条件のうちからそれらの組み合わせ
により行なってきたが、本発明では実施例で述べたごと
く、圧電セラミックス体の結晶粒径の大きさを制御して
最適粒径範囲とすることにより、良好な圧電特性と機械
的特性を付与し、これらの圧電セラミックス体を積層し
た素子の圧電特性に反映させて、高い最大変位量と最大
発生力を有し、耐久性にすぐれ信頼性の大きい積層形圧
電アクチュエータ素子を得ることを可能としたものであ
る。しかも圧電セラミックス体の結晶粒径の最適範囲を
決定するのは、焼成条件のみに依存し、焼成温度と保持
時間との相互関係により決定することができるので、製
造工程の管理が極めて容易であり効率も高い。
に、従来多くの製造条件のうちからそれらの組み合わせ
により行なってきたが、本発明では実施例で述べたごと
く、圧電セラミックス体の結晶粒径の大きさを制御して
最適粒径範囲とすることにより、良好な圧電特性と機械
的特性を付与し、これらの圧電セラミックス体を積層し
た素子の圧電特性に反映させて、高い最大変位量と最大
発生力を有し、耐久性にすぐれ信頼性の大きい積層形圧
電アクチュエータ素子を得ることを可能としたものであ
る。しかも圧電セラミックス体の結晶粒径の最適範囲を
決定するのは、焼成条件のみに依存し、焼成温度と保持
時間との相互関係により決定することができるので、製
造工程の管理が極めて容易であり効率も高い。
第１図は圧痕セラミックス体の結晶粒径をパラメータと
する焼成温度と保持時間の関係図、第２図は圧電セラミ
ックス体の比誘電率、電気機械結合係数と結晶粒径との
関係線図、第３図は圧電セラミックス体の破壊じん性１
＠と結晶粒径との関係線図、第４図（（支）は積層形圧
電アクチーエータ素子の構造を示す模式平面図、第４図
（ｂ）は同じく模式断面図である。 １ ゛°°槓層形圧電アクチュエータ素子、２・・・圧
電セラミックス体、３・・・内部電極層、４・・・Ｐ、
籾層、５・・・外部電極。 純品＃径 （だ矧） ト・プ 弔 閃 参名品−ｎイ４ （、ｕ−リ ＦＩ？″ 術 図
する焼成温度と保持時間の関係図、第２図は圧電セラミ
ックス体の比誘電率、電気機械結合係数と結晶粒径との
関係線図、第３図は圧電セラミックス体の破壊じん性１
＠と結晶粒径との関係線図、第４図（（支）は積層形圧
電アクチーエータ素子の構造を示す模式平面図、第４図
（ｂ）は同じく模式断面図である。 １ ゛°°槓層形圧電アクチュエータ素子、２・・・圧
電セラミックス体、３・・・内部電極層、４・・・Ｐ、
籾層、５・・・外部電極。 純品＃径 （だ矧） ト・プ 弔 閃 参名品−ｎイ４ （、ｕ−リ ＦＩ？″ 術 図
Claims (1)
- １）積層された複数個の薄板状の圧電セラミックス体と
、これら圧電セラミックス体の間に、各圧電セラミック
ス体の主表面の全面に密接して埋め込まれた複数個の内
部電極層と、これら内部電極層に交互に異なる極性の電
圧を印加する外部電極とを備えた積層形圧電アクチュエ
ータ素子であって、結晶粒径２〜４．５μｍを有する圧
電セラミックス体を用いたことを特徴とする積層形圧電
アクチュエータ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1094814A JP2540939B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | 積層形圧電アクチュエ―タ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1094814A JP2540939B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | 積層形圧電アクチュエ―タ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02272781A true JPH02272781A (ja) | 1990-11-07 |
| JP2540939B2 JP2540939B2 (ja) | 1996-10-09 |
Family
ID=14120525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1094814A Expired - Lifetime JP2540939B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | 積層形圧電アクチュエ―タ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2540939B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0612622A2 (en) * | 1993-02-22 | 1994-08-31 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Ink jet apparatus |
| JP2004349423A (ja) * | 2003-05-21 | 2004-12-09 | Ngk Insulators Ltd | 多層型圧電／電歪素子 |
| JP2005203706A (ja) * | 2004-01-19 | 2005-07-28 | Kyocera Corp | 積層型圧電素子および噴射装置 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7633210B2 (en) | 2003-07-28 | 2009-12-15 | Kyocera Corporation | Multi-layer electronic component and method for manufacturing the same, multi-layer piezoelectric element |
| JP4771649B2 (ja) * | 2003-07-28 | 2011-09-14 | 京セラ株式会社 | 積層型電子部品の製造方法 |
Citations (4)
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| JPS56152287A (en) * | 1980-04-25 | 1981-11-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of piezoelectric material |
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1989
- 1989-04-14 JP JP1094814A patent/JP2540939B2/ja not_active Expired - Lifetime
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