JPH04167580A - 積層圧電アクチュエータ素子 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電圧印加によって歪が発生することを利用し
圧電式アクチュエータ等に使用される積層圧電アクチュ
エータ素子に関するものである。

［従来の技術］ 従来の電圧印加による圧電・電歪縦効果を利用した積層
圧電アクチュエータ素子は、積層する圧電セラミックス
層の一層の厚みか、１００μｍ程度のものが一般的であ
った。しかしながら積層圧電アクチュエータ素子に対す
るニーズの多様化から低電圧駆動化の要求がなされ、そ
のため圧電セラミックス層の一層の厚みを数十μｍ程度
まで薄層化した積層圧電アクチュエータ素子か要求され
ている。

該積層圧電アクチュエータ素子は、圧電セラミックス層
の一層の厚みか薄くなるため、内部電極層間の絶縁性確
保や耐湿性の向上の目的で圧電セラミックス層の周辺部
に内部電極層の無い、いわゆる圧電的不活性部が存在す
る内部電極構造としている。

また上記積層圧電アクチュエータ素子は、製造技術上の
問題から積層枚数に限界がある。このため低電圧で大き
な変位を得たい場合には、いくつかの積層縦効果圧電素
子サブユニットを積み重ねて使う必要があった。

上記の要因により本特許出願人は、周辺部に圧電的不活
性部を有する内部電極構造の積層縦効果圧電素子サブユ
ニットの内部電極面積以下の面積で、接合し積み重ねる
ことで、圧電的不活性部の変位を拘束する作用による変
位損失、内部応力の発生を低減した積層圧電アクチュエ
ータ素子を特許出願した。

このように積層縦効果圧電素子サブユニットを内部電極
以下の面積で部分的に接合し積み重ねることで積み重ね
による圧電的不活性部の変位を拘束する作用の増大を抑
制し変位損失、変位分布、内部応力の発生を低減させた
積層圧電アクチュエータ素子を実現できる。

上記の積層圧電アクチュエータ素子では、積層縦効果圧
電素子サブユニットの部分的接合のための接合部材とし
て、熱硬化性の有機系接着剤、エンジニアリングプラス
チック、銀等の各種ろう材が用いられ、必要に応じた熱
処理を施すことによって、接合・接着を行い接合部材を
形成した構造のものか一般的であった。

［発明が解決しようとする課題］ しかし従来から使用されてきた材料を接合部材として構
成した積層圧電アクチュエータ素子では以下のような問
題点があった。

まず積層縦効果圧電素子サブユニットの接合部材として
、熱硬化性の有機系接着剤を用いた場合、接合強度は強
いものの、部分的接合のための正確な面積管理が困難と
なり、また積層圧電アクチュエータとして駆動した場合
に圧電セラミックスの誘電損に基ずく発熱による温度上
昇に対し、接合部材の熱的劣化による接着強度の低下や
破壊をもたらすという問題があった。

また接合部材として、エンジニアリングプラスチック（
例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ））を用い
た場合所定の形状に成形されたシートを利用することで
接合面積の管理は簡単に行える。しかしエンジニアリン
グプラスチックの中にはＰＰＳのように、それ自身は強
度が大きく熱的にも安定であるが積層縦効果圧電素子サ
ブユニットとの界面の接着力に乏しいものが多く界面で
の破壊か起こるという問題かあった。

接合部材として、銀等のろう材を用いた場合は、熱処理
の雰囲気や、温度条件を選定することで、接合強度の優
れた接合を実現できる可能性かあるが、有機系接着剤や
低融点ガラスと異なり、ろう材は導電性を示すので、積
み重ねた各積層縦効果圧電素子サブユニット間の外部電
極を連結する際に、ろう材との間の絶縁を確保するため
に、絶縁処理を施す必要があり工程か繁雑になりコスト
高になるという問題かあった。

またこれらの材料を用いた場合、硬化させるために接着
物（圧電素子ユニット）を高温に加熱する必要がある。

このとき既に焼結された圧電素子のセラミックスや電極
が、この加熱により再び熱変化をおこし、特性劣化を起
すといった問題点があった。また熱的にも、圧電セラミ
ックスとの熱膨張率のミスマツチのため、熱処理時や駆
動時の発熱による温度上昇により、接合界面に応力か発
生し剥離・破壊現象を引き起こすことかあった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的は、積層縦効果圧電素子サブユニッ
トを内部電極面積以下の面積で接合することによって電
圧印加時に圧電的不活性部が変位を拘束する作用を低減
した変位損失、変位分布、内部応力の発生の少ない低電
圧駆動・積層圧電アクチュエータ素子を実現し、更に熱
的安定性に優れた構造の積層圧電アクチュエータ素子を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本発明の積層圧電アクチュ
エータ素子は、周辺部に圧電的不活性部を有する内部電
極構造の積層縦効果圧電素子サブユニット素子を縦効果
の寸法歪を発生する方向に接合層を介在させて複数個積
み重ねた構造となっている。また接合部は積層縦効果圧
電サブユニット素子の接合面に内部電極面積以下の面積
で形成されている。前記接合部の接合部材は、低融点ガ
ラスによって構成されている。

また接合部を構成する低融点ガラスを鉛系低融点ガラス
とすることが望ましい。

またこのとき、その接合部の厚さを１５マイクロメート
ル以下とすることが望ましい。

［作用］ 本発明の積層圧電アクチュエータ素子によれば接合部が
、積層縦効果圧電素子サブユニット素子を縦効果の寸法
歪を発生する方向に内部電極以下の面積で形成されてい
るので、積層縦効果圧電素子サブユニットを積み重ねた
ことによる圧電的不活性部の変位を拘束する作用の増大
を抑制し変位損失、変位分布、内部応力の発生を低減さ
せる。

また本発明の積層圧電アクチュエータ素子において接合
層に鉛系低融点ガラス材料を用いた場合は、接合のため
の熱処理が、前記積層縦効果圧電素子サブユニットに用
いられている圧電セラミックス材料の焼結温度より充分
低い温度で行われ、低融点ガラス材料中の成分の熱拡散
が起こることによって、隣合う積層縦効果圧電素子サブ
ユニット間を強固に接合する。

接合層として用いた低融点ガラスの組成を圧電セラミッ
クスとの熱拡散を考慮して選択するとともに熱膨張係数
を積層縦効果圧電素子サブユニットの圧電セラミックス
の熱膨張係数に合わせることで残留応力をはとんと残す
ことなく、良好な熱拡散接合が行なわれる。その結果、
接合強度の非常に優れた接合が実現される。

また積層圧電アクチュエータ素子を駆動した場合、誘電
損に基すく発熱による温度上昇に対しても接合部材とし
て上昇温度に比べて充分軟化点の高い低融点ガラス材料
が使用されているため劣化はなく、接合界面での熱膨張
差による応力の発生も少ないので強度的にも熱的にも優
れた構成の積層圧電アクチュエータ素子となっている。

また接合部材として、低融点ガラスを用いた場合は、ガ
ラスフリットを利用してペースト状にすることで、スク
リーン印刷の手法か適用でき接合部分の面積管理が可能
であるか、ガラス自身か非常に弱い硬脆材料なので、通
常の接合層厚み（数十μｍ）では強度的に駆動時に働く
引っ張り応力のために破壊してしまう可能性があった。

しかしながら例えば接合部材を厚みか１５μｍ以下の鉛
系低融点ガラスで構成すればガラス材料の脆性、低強度
といった欠点を回避し機械的強を高めガラス材料の持つ
低靭性、低強度という問題を回避できる。

［実施例］ 本発明をプリンタの印字ワイヤを駆動するための圧電ア
クチュエータに具体化した実施例を、図面を参照して説
明する。

第５図において本体フレーム２２は、室温から１００℃
における線膨張係数か２．０ｐｐｍ／°ＣであるＵ字形
のインバー合金を用いる。そしてそのＵ字形の一方の腕
部に板ばね２６か取り、付けられている。この板ばね２
６はその板ばね２６と平行に取り付けられた板ばね２７
及び傾動体２８とによりＵ字形に一体形成されている。

そしてその板ばね２７は可動子２５に接続されている。

可動子２５の下部には本発明の適用された積層縦効果圧
電素子２１が取り付けられ、その下部に該積層縦効果圧
電素子２１に予圧を与えるとともに温度による膨張率の
差を補償するくさび形の予圧部材３２（材質アルミニウ
ム）が取り付けられている。

また傾動体２８には傾動アーム３０が取り付けられ、そ
の先端に印字ワイヤ３１か取り付けられている。

この圧電アクチュエータにおいて、積層縦効果圧電素子
２１の圧電あるいは電歪効果による縦方向への膨張によ
り、前記可動子２５か上方に移動する。すると両板はね
２６．２７か変形し、傾動体２８か反時計回りに傾く。

すると傾動アーム３０か同方向に傾き、印字ワイヤ３１
か上方に突き出される。

第１図から第４図を参照してこの積層縦効果圧電素子の
構成を説明する。積層縦効果圧電素子サブユニット５は
、外形寸法３ｍｍＸ３ｍｍＸ２ｍｍで、−層の厚み２０
μｍの圧電セラミックス層１と、２μｍの厚みで、２．
４ｍｍＸ２．４ｍｍの面積の内部電極層２（右側におい
て外部電極４に接続されるものを２ａ、左側において外
部電極４に接続されるものを２ｂと称す）から構成され
ている。第２図（ａ）、（ｂ）に示すように内部電極２
ａおよび２ｂが形成された圧電セラミックス層１ａおよ
び１ｂは、交互に８８層積層されている（第３図中では
簡略化して示す）。但し積層方向の最上面と最下面の圧
電セラミックス層は４０μｍの厚ろの層となっており電
圧印加による変位には関与（−ない層である。

圧電セラミックス層１は、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｔｉ　、　
　Ｚ　ｒ）　０３＋Ｐ　ｂ　（Ｍｇ　＋／２Ｖｈ／２）
　Ｏｓの成分組成の、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラ
ミックスであり、内部電極層２は、銀−パラジウム（Ａ
ｇ−Ｐｄ）系の電極材料である。

上記積層縦効果圧電素子サブユニット５は、１０５０’
Ｃの焼結温度で一体焼結されている。この積層縦効果圧
電素子サブユニット５に内部電極か一層おきに正・負極
となるように外部電極を設は直流電界中で分極処理をす
ることで、積層方向に於いて隣合う圧電セラミックス層
１ａ、ｌｂは各々積層方向に対向する向きに分極される
。この積層縦効果圧電素子サブユニット５に分極時と同
じ向きの直流電圧を印加すると圧電セラミックスの圧電
・電歪縦効果により模式的に第４図で示すような変形を
する。この際内部電極の無い周辺部に０．３ｍｍの幅で
存在する圧電的不活性部７は電圧の印加によって伸びを
生じないため変位を拘束するように働き変位分布や変位
損失や内部応力の発生をもたらす。そのため積層縦効果
圧電素子サブユニット５を複数個、縦効果の寸法歪の発
生する方向に３ｍｍＸ３ｍｍの全面で接合し積み重ねる
と圧電的不活性部７の作用が増大され多大な変位損失と
内部応力の発生があることが確認されている。

そのため本実施例では前記積層縦効果圧電素子サブユニ
ット５の接合は次のように行なった。鉛系低融点ガラス
フリット（軟化点５３０℃）を遊星ボールミルにて、有
機結合剤、溶剤と混合することでペースト状とする。そ
して前記３ｍｍＸ３ｍｍの面にスクリーン印刷法を用い
て１．７ｍｍＸ１．７ｍｍの面積で、すなわち熱処理後
の接合面積か積層縦効果圧電素子サブユニット５の内部
電極以下の面積（本実施例では２．２ｍｍＸ２゜２ｍｍ
）とし、厚みは約１０μｍとして接合部材３を形成する
。このときこの印刷部が圧電不活性部７と重ならないよ
うに、その位置を中央とする。

上記、接合部材３を形成した積層縦効果圧電素子サブユ
ニット５を、縦効果の寸法歪を発生する方向に接合部材
３を介在させて、マグネシア及びアルミナセラミックス
製熱処理用加圧治具に５個積み重ねて設置し、５６０９
Ｃ乃至５８０℃にて大気中で熱処理を行なった。この時
熱処理後の接合部材３の厚みは約６μｍであり接合面積
は約２゜２ｍｍＸ２．２ｍｍとなった。

接合のための熱処理温度か５６０℃乃至５８０℃と積層
縦効果圧電素子サブユニット５の焼結温度より充分低い
ため接合処理中の積層縦効果圧電サブユニット５の圧電
セラミックス、内部電極材料の劣化もない。

積層縦効果圧電素子サブユニット５を上記の方法にて、
５個、積み重ねた積層縦効果アクチュエータ６の外部電
極４を外部電極連結部８にて連結した。この際接合部材
として鉛系低融点ガラスが用いられているため、接合層
の電気絶縁性が確保されており絶縁処理を施す事なく積
層縦効果圧電素子サブユニット５間の正極及び負極外部
電極を連結することかできる。分極処理の後、本実施例
の積層圧電アクチュエータ素子６に６０Ｖの直流パルス
電圧を印加し、レーザ変位計を用いて変位を測定したと
ころ、約１１．５μｍの変位が得られた。

積層縦効果圧電素子サブユニット５の１個単独での変位
は、６０Ｖの電圧印加で約２．２μｍ乃至２．４μｍで
あることから、５個を積み重ねたことによる変位損失は
ほとんど無く接合処理による圧電特性の劣化もないとい
える。

積層縦効果圧電素子サブユニット５単独での静的引っ張
り強度を、測定したところ９ｋｇｆ乃至２０ｋｇｆ　（
平均１３ｋｇｆ）の間の値を示した。

同様にして本実施例の方法にて接合し積み重ねた積層縦
効果アクチュエータ素子６の引っ張り強度を測定したと
ころｌｌｋｇｆ乃至２６ｋｇｆの値を示した。破壊か所
を調べてみると、接合界面や接合部材内部では破壊が起
きておらず全ての試料で積層縦効果圧電素子サブユニッ
ト５内で起きていた。

従って、上記の方法で部分的に接合された部分の強度は
、積層縦効果圧電素子サブユニット５と同程度の強度を
有しているものと考えられる。このことから本実施例の
積層圧電アクチュエータ素子は、特別に強度の弱い部分
が存在せず一体焼結体と同程度の強度かあり従来の応用
分野での使用が可能である。

比較例として上記と同様の方法で熱処理後の接合部材３
の厚みが１５μｍのものと２０μｍの試料を作成し引っ
張り強度を測定したところ各々４ｋｇｆ乃至１２ｋｇｆ
、３に、ｇｆ乃至４ｋｇｆとなった。破壊箇所は１５μ
ｍ厚のものは接合部材３（低融点ガラス）の内部で破壊
するものと積層縦効果圧電素子サブユニット５内で破壊
するものか半々程度であり２０μｍ厚のものは全て接合
部材３（低融点ガラス）の内部で破壊か起きていた。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の積層圧
電アクチュエータ素子によれば、接合部材として低融点
ガラス材料を用いて、積層縦効果圧電素子サブユニット
の内部電極以下の面積にて部分的に接合した構造にする
ことによって、機械的強度に優れ、熱的な強度劣化もな
く、しかも積層縦効果圧電素子サブユニットの周辺部に
存在する圧電的不活性部による、変位損失や内部応力の
発生を低減した、信頼性の高い、低電圧駆動か可能な積
層圧電アクチュエータ素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本発明の実施例の積層縦効果圧電素
子サブユニットを積み重ねた積層縦効果圧電素子を示す
概略構成図、第２図（ａ）及び（ｂ）は積層縦効果圧電
素子サブユニットの内部電極パターン形状を示す説明図
、第３図は積層縦効果圧電素子サブユニットの構造を示
す説明図、第４図は積層縦効果圧電素子サブユニットに
電圧を印加した場合の変形の様子を示す説明図、第５図
は上記積層縦効果圧電素子を組み込んだ圧電アクチュエ
ータの側面図である。 図中、２は内部電極層、３は接合部材、５は積層縦効果
圧電素子サブユニット、６は積層縦効果アクチュエータ
素子、７は圧電的不活性部、２１は積層圧電アクチュエ
ータ素子としての積層縦効果圧電素子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．電圧の印加によって圧電・電歪縦効果の寸法歪を発
   生する積層圧電アクチュエータ素子において、 周辺部に圧電的不活性部を有する内部電極構造の少なく
   とも２個以上の積層縦効果圧電素子サブユニットと、 隣合う前記積層縦効果圧電素子サブユニット間を接合す
   るための接合部の面積が内部電極層の面積以下の低融点
   ガラスによる接合部材とを有し、前記積層縦効果圧電素
   子サブユニットを縦効果の寸法歪を発生する方向に前記
   接合部材を介在させて複数個積み重ねた構造であること
   を特徴とする積層圧電アクチュエータ素子。