(57)【要約】      （修正有）【課題】積層型圧電アクチュエータにおいて、半田濡れ性が良好で、且つ半田食われの発生しない外部電極を備え、高精度の半田付け条件の設定が不要となる積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】複数の圧電セラミクス層１と内部電極層２とを交互に積層し形成した積層体を備え、内部電極層２が対向電極となり、且つ積層体側面に露出した内部電極層２を一層おきにガラス絶縁部３で被覆し、ガラス絶縁部３を覆って一層おきに内部電極層２と導通する一対の外部電極を形成し、外部電極の一部に半田付けして外部機器と電気的に接続した構造の積層型圧電アクチュエータであって、外部電極は、異なる材質で２層構造とし、積層体と接する第１層目の外部電極４は、半田食われが発生しにくい材質の外部電極で形成され、半田付けされる第２層目の外部電極５は、半田濡れ性が良好な材質の外部電極で形成される構造の積層型圧電アクチュエータが得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電セラミクス層と内部電極層とを交互に積層し形成した積層体を備え、前記内部電極層が対向電極となり、且つ積層体側面に露出した前記内部電極層を一層おきにガラス絶縁部で被覆し、前記ガラス絶縁部を覆って一層おきに内部電極層と導通する一対の外部電極を形成し、前記外部電極の一部に半田付けして外部機器と電気的に接続する構造の積層型圧電アクチュエータであって、前記外部電極は、異なる材質で２層構造とし、前記積層体と接する第１層目の外部電極は、半田食われが発生しにくい材質の外部電極で形成され、半田付けされる第２層目の外部電極は、半田濡れ性が良好な材質の外部電極で形成されたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１層目の外部電極の材質がＡｇ／Ｐｄであり、且つ前記Ａｇ／Ｐｄにはガラスフリットが含有してい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。
【請求項３】
前記第１層目の外部電極の材質がＡｇ／Ｐｄであり、且つ前記Ａｇ／Ｐｄにはガラスフリットが８重量％以上含有してい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電アクチュエータは、電気エネルギーを駆動力に変換する際の変換効率が高いこと、応答速度が速いこと、更に小型軽量でありながら発生する駆動力が大きいこと等の特徴から、カメラ、計測機器、その他の精密機器の駆動や精密な位置決め等に広く利用されている。
【０００３】
従来の積層型圧電アクチュエータは、特許文献１などに示されており、図３は、従来の積層型圧電アクチュエータの構造を示す斜視図である。また、図４は、図３に示す従来の積層型圧電アクチュエータのＣ−Ｄ線断面図である。図３、図４に示すように、従来の積層型圧電アクチュエータは、複数枚の圧電セラミック層１と内部電極層２とが交互に積層された構成の積層体を備えている。この積層体の内部電極層２は、圧電セラミック層１の全面に設けられているため、積層体の側面には内部電極層２が露出する構造となっている。更に、互いに対向する２つの積層体側面に露出する内部電極層２を、一層おきにガラス絶縁部３で被覆し、前記ガラス絶縁部３を覆って一層おきに内部電極層２と導通する一対の外部電極８を形成した構造となっている。
【０００４】
また、従来の積層型圧電アクチュエータの多くは、外部信号入出力用のリード線との電気的接続のため、一般には半田を用いており、図３、図４に示すように、外部電極４の一部には、半田部６が設けられ、リード線７を半田付けして外部機器との電気的接続を得る構成となっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２５２５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、従来の積層型圧電アクチュエータは、積層体側面に露出する内部電極層２を一層おきにガラス絶縁部３で被覆し、前記ガラス絶縁部３を覆って一層おきに内部電極層２と導通する一対の外部電極８を形成しており、前記外部電極８は、同一電極材料、同一形成条件にて、単一層構造で形成されている。
【０００７】
従来の単一層構造で形成された外部電極８では、ガラス絶縁部３のガラス成分が外部電極８内に混入してしまうために半田濡れ性を低下させる問題があり、半田の溶融温度を高くする必要が生じる。一方、半田の溶融温度を高くすると、半田食われが発生しやすく、リード線７の接続強度の確保が困難になるという問題が生じる。そのため、半田溶解温度や半田時間等の高精度な半田付け条件の詳細な設定が必要となっている。
【０００８】
したがって、本発明の技術的課題は、半田濡れ性が良好で、且つ半田食われの発生しない外部電極を備え、高精度の半田付け条件の設定が不要となる積層型圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためなされたもので、本発明の積層型圧電アクチュエータは、複数の圧電セラミクス層と内部電極層とを交互に積層し形成した積層体を備え、前記内部電極層が対向電極となり、且つ積層体側面に露出した前記内部電極層を一層おきにガラス絶縁部で被覆し、前記ガラス絶縁部を覆って一層おきに内部電極層と導通する一対の外部電極を形成し、前記外部電極の一部に半田付けして外部機器と電気的に接続する構造の積層型圧電アクチュエータであって、前記外部電極は、異なる材質で２層構造とし、前記積層体と接する第１層目の外部電極は、半田食われが発生しにくい材質の外部電極で形成され、半田付けされる第２層目の外部電極は、半田濡れ性が良好な材質の外部電極で形成される構造を特徴とする。
【００１０】
また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、前記第１層目の外部電極の材質がＡｇ／Ｐｄであり、且つ前記Ａｇ／Ｐｄにはガラスフリットが含有していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、前記第１層目の外部電極の材質がＡｇ／Ｐｄであり、且つ前記Ａｇ／Ｐｄにはガラスフリットが８重量％以上含有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の積層型圧電アクチュエータの外部電極は、異なる材質で２層構造とし、積層体と接する第１層目の外部電極は、半田食われが発生しにくい材質の外部電極で形成され、半田付けされる第２層目の外部電極は、半田濡れ性が良好な材質の外部電極で形成される構造であるため、半田濡れ性が良好で、且つ半田食われの発生しない外部電極を備えた積層型圧電アクチュエータが得られる。本発明の外部電極の構造を採用することによって、リード線の半田付け位置の選択範囲が拡がり、また、高精度の半田付け条件の設定が不要となる積層型圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の積層型圧電アクチュエータの実施の形態を示す斜視図である。図１に示すように、本発明における積層型圧電アクチュエータは、複数枚の圧電セラミクス層１と内部電極層２とを、最上層と最下層に圧電セラミクス層１が配置されるように、交互に積層して積層体を形成している。内部電極層２は、積層体側面に露出しており、その露出した部分には、一層おきにガラス絶縁部３が被覆されている。また、ガラス絶縁部３が被覆されていない内部電極層２を電気的に接続させるために、前記ガラス絶縁部３を覆って、一層おきに内部電極層２と導通する一対の外部電極を２層構造で形成している。積層体と接する第１層目の外部電極４の上に第２層目の外部電極５が形成され、最外層となる第２層目の外部電極５の一部には、半田部６が設けられ、リード線７を半田付けして外部機器との電気的接続を得る構成となっている。
【００１５】
圧電セラミクス層１と内部電極層２から形成される積層体は、圧電セラミクス材料から作製されたグリーンシートと、このグリーンシート上に電極ペーストを印刷形成された電極ペースト層とが所定の枚数に積層され、熱プレス後、１０００℃〜１３００℃の範囲で焼結して作製される。焼結後の積層体において、焼結前のグリーンシート層が圧電セラミクス層１、電極ペースト層が内部電極層２となる。
【００１６】
圧電セラミクス層１に使用される材料としては、圧電定数が高い値を示す材料を使用するのが好ましく、例えば、ニッケルニオブ酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミクス粉末が使用される。
【００１７】
内部電極層２に使用される材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔや、これらの合金からなる電極ペーストが好適に使用できる。また、内部電極層２は、単一層構造に限定されるものではなく、前述の電極ペーストを一種もしくは数種を組み合わせた複数層の構造としてもよい。
【００１８】
図２は、図１の積層型圧電アクチュエータのＡ−Ｂ線断面図である。図２に示すように、圧電セラミクス層１と内部電極層２から積層形成された積層体において、積層体の側面に露出した内部電極層２に、一層おきにガラス絶縁部３を形成し、絶縁処理を行う。ガラス絶縁部３は、ガラス粉末を電気泳動法により所定の位置に附着させて焼き付けすることにより形成することができる。
【００１９】
さらに、ガラス絶縁部３を覆って一層おきに内部電極層２と導通するように、一対の外部電極が形成される。外部電極は２層構造になっており、積層体と接する第１層目の外部電極４を形成した後、第１層目の外部電極４の上に第２層目の外部電極５を形成する。第２層目の外部電極５上の適所に半田部６を設け、リード線７を半田付けし、本発明の積層型圧電アクチュエータとする。
【００２０】
積層体と接する第１層目の外部電極４は、Ａｇ／Ｐｄからなる外部電極ペーストで形成される。Ａｇ／Ｐｄを選定した理由としては、Ｐｄの融点がＡｇより高いため、半田の耐熱性に優れ、半田食われが発生しにくいためである。ＡｇとＰｄの割合は、Ａｇを７０重量％〜９５重量％、対するＰｄを５重量％〜３０重量％の範囲とするのが好ましい。Ｐｄの割合を、５重量％以上としたのは、５重量％未満であると、半田耐熱性が悪くなり、半田食われが発生しやすくなるためである。Ｐｄの割合を、３０重量％以下としたのは、Ｐｄは高価格であることや、外部電極の焼付け温度が高くなることで、製造コストが高くなること等が懸念され、製造上の現実性を考慮したためである。
【００２１】
また、第１層目の外部電極４には、圧電セラミクスとの接着強度を得るために、ガラス成分を含有させるのが好ましい。更に、内部電極層２の露出部を被覆しているガラス絶縁部３のガラス成分を混入しにくくする効果があることから、ガラスフリットを含有させたＡｇ／Ｐｄ外部電極ペーストを使用することが望ましい。
【００２２】
半田付けされる第２層目の外部電極５は、半田濡れ性の良好なＡｇで形成するのが望ましい。なお、第２層目の外部電極５の材質は、Ａｇに限定されるものではなく、ＡｕやＮｉ等の半田濡れ性の良好な金属であればよい。また、外部電極の形成方法は、スクリーン印刷、スパッタ、蒸着等の方法が好適に用いられる。
【実施例】
【００２３】
本発明の第一の実施の形態について、詳細に説明する。まず、ジルコン酸チタン酸鉛とニッケルニオブ酸鉛とを主成分とする圧電セラミクス粉末を使用し、バインダーと共に有機溶剤中で分散混合させ、スラリーを作製した。このスラリーをドクターブレード法にて成膜し、厚さ５０μｍのグリーンシートを作製した。グリーンシート上にＡｇ／Ｐｄからなる電極ペーストを厚さ５μｍにスクリーン印刷し、乾燥させた。次に、電極ペーストが印刷されたグリーンシートを積層し、熱プレス後、１１００℃で焼成した。さらに、高さ２０ｍｍ、縦横長さ５０ｍｍ×５０ｍｍに加工して積層体を作製した。
【００２４】
積層体と接する第１層目の外部電極４は、Ａｇ／Ｐｄからなる外部電極ペーストを約５μｍの厚さに塗布し、焼き付け形成した。本実施の形態においては、ＡｇとＰｄの割合がＡｇ：７０重量％〜９５重量％、Ｐｄ：５重量％〜３０重量％の外部電極ペーストを使用した。
【００２５】
第２層目の外部電極５は、Ａｇからなる外部電極ペーストを、第１層目の外部電極４の上に約５μｍの厚さに塗布、焼き付け形成し、２層構造の外部電極とした。
【００２６】
従来品として、本発明の第一の実施の形態と同一構造の積層体に、Ａｇからなる外部電極ペーストとＡｇ／Ｐｄからなる外部電極ペーストをそれぞれ約５μｍの厚さに塗布、焼き付け形成し、単一層構造の外部電極とした。
【００２７】
なお、一般に、積層体と接する第１層目の外部電極４には、圧電セラミクスとの接着強度を得るために、ガラス成分を含有させるのが好ましく、本実施の形態の第１層目の外部電極４、従来品の外部電極８においては、Ａｇ／Ｐｄ、またはＡｇの金属成分に対して、ガラスフリットを４重量％含有させた外部電極ペーストを使用した。
【００２８】
本発明品の第２層目の外部電極５と従来品の外部電極８の一部に半田部６を設け、リード線７を３００℃、１．５秒の条件で半田付けをして、半田食われの状態を観察した。半田食われ不良は、半田部６とその周辺の外部電極を顕微鏡にて観察し、圧電セラミクス層が一部でも露出しているものを不良と判定した。また、リード線７の接続強度の比較として、引っ張り試験を行った。引っ張り試験は、上記のように作製した積層型圧電アクチュエータの試料を１５０℃で１０００時間放置した後に、１ｋｇの力でリード線７を垂直に引っ張り、外部電極の剥離数を求めた。表１は、本発明の第一の実施の形態の積層型圧電アクチュエータと、従来品との半田食われの不良数の比較、引っ張り試験による外部電極の剥離数の比較を示したものである。  
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１に示すように、従来品の外部電極８は、半田食われが１０個中５個発生したのに対して、本発明の実施の形態においては、第１層目の外部電極４をＡｇ／Ｐｄで形成し、第２層目の外部電極５をＡｇで形成した２層構造にすることにより、半田食われの不良数が減少し、半田食われが改善したことを確認できた。また、引っ張り試験による外部電極の剥離数も、従来品１、従来品２の単一層構造と比較し減少しており、リード線７の接続強度も改善されていることが確認できた。また、ＡｇとＰｄの割合がＡｇ：７０重量％〜９５重量％、Ｐｄ：５重量％〜３０重量％であり、且つガラスフリットが含有した外部電極ペーストを使用することで、従来品と比較して、半田食われの不良数が減少したことを確認した。
【００３１】
次に、本発明の第二の実施の形態として、第一の実施の形態と同一構造の積層体を用いて、第１層目の外部電極４には、Ａｇ／Ｐｄ（８５重量％／１５重量％）の金属成分に対して、含有するガラスフリット量が４重量％、６重量％、８重量％、１２重量％である外部電極を形成し、第２層目の外部電極５には、Ａｇを用いて外部電極を形成した。
【００３２】
第２層目の外部電極５の一部に半田部６を設け、リード線７を温度３００℃、時間１．５秒の条件で半田付けをして、半田食われの状態を観察した。半田食われ不良は、半田部６とその周辺の第２層目の外部電極５を顕微鏡にて観察し、圧電セラミクス層１が一部でも露出しているものを不良と判定した。また、リード線の接続強度の比較として、引っ張り試験を行った。引っ張り試験は、上記のように作製した積層型圧電アクチュエータの試料を１５０℃で１０００時間放置した後に、１ｋｇの力でリード線７を垂直に引っ張り、外部電極の剥離数を求めた。表２は、本発明の第二の実施の形態の積層型圧電アクチュエータの第１層目の外部電極４の材質をＡｇ／Ｐｄ（８５重量％／１５重量％）とし、この金属成分に対して、含有するガラスフリット量を変えたときの、半田食われの不良数の比較、引っ張り試験による外部電極の剥離数の比較を示したものである。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２に示すように、第１層目の外部電極４に含有するガラスフリット量を８重量％以上とすることにより、半田食われの不良数が０となり、半田食われを大幅に改善したことを確認できた。また、本実施の形態において、引っ張り試験による外部電極の剥離も発生しておらず、リード線７の接続強度にも問題ないことが確認できた。
【００３５】
以上により、第１層目の外部電極４には、半田食われのしにくい材料であるＡｇ／Ｐｄを使用し、更に、ガラスフリットを８重量％以上含有させたＡｇ／Ｐｄを使用することにより、ガラス絶縁部３のガラス成分を混入しにくくなり、半田食われを改善することが可能となった。さらに、半田付けされる第２層目の外部電極５にはＡｇを用いることで、半田濡れ性が良好となり、半田食われを発生しない外部電極を備えた積層型圧電アクチュエータを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータの一実施の形態を示す斜視図。
【図２】図１の積層型圧電アクチュエータのＡ−Ｂ線断面図。
【図３】従来の積層型圧電アクチュエータの構造を示す斜視図。
【図４】図３の従来の積層型圧電アクチュエータのＣ−Ｄ線断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１    圧電セラミクス層
２    内部電極層
３    ガラス絶縁部
４    第１層目の外部電極
５    第２層目の外部電極
６    半田部
７    リード線
８    外部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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