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JP4258238B2 - Multilayer piezoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents

Multilayer piezoelectric element and method for manufacturing the same Download PDF

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JP4258238B2
JP4258238B2 JP2003068362A JP2003068362A JP4258238B2 JP 4258238 B2 JP4258238 B2 JP 4258238B2 JP 2003068362 A JP2003068362 A JP 2003068362A JP 2003068362 A JP2003068362 A JP 2003068362A JP 4258238 B2 JP4258238 B2 JP 4258238B2
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piezoelectric element
unit
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Description

【0001】
【技術分野】
本発明は,セラミック層と電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材を介設して複数,積層してなる積層型圧電素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
セラミック層と電極配設層とを交互に積層した積層型圧電素子について,その圧電効果により軸方向に大きな変位量を得るためには,セラミック層の積層枚数を増やす必要がある。
しかし,積層枚数の多い積層型圧電素子を精度良く作製するのは,容易でなく製造効率を維持することが難しい。
【0003】
そこで,まず,積層枚数の少ないサブユニットとしての素子ユニットを複数個作製しておき,これら素子ユニットを,接合材を介設して相互に積層することにより,全体として所望の積層枚数を有する積層型圧電素子を作製する場合がある。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−167580号公報(第3−5頁,第1図)
【0005】
【解決しようとする課題】
しかしながら,上記従来の積層型圧電素子では次のような問題がある。すなわち,接合材の硬さが適切でないと,上記積層型圧電素子の圧電効率が低下したり,接合材自体の疲労寿命が短くなるという問題がある。
上記接合材が軟らかすぎる場合には,上記積層型圧電素子を構成する上記各素子ユニットの圧電効果が,接合材層の圧縮変形として吸収されてしまい圧電効率が低下するおそれがある。
一方,上記接合材が硬すぎる場合には,上記各素子ユニットの変位に伴う応力歪み等により接合材自体が疲労破壊を生じやすく,素子ユニット間に剥離を生じるおそれがある。
【0006】
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので,複数の素子ユニットを積層してなり,長期間に渡って優れた性能を維持し得る積層型圧電素子及びその製造方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題の解決手段】
第1の発明は,セラミック層と,内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなり,かつ,積層方向の両端部を上記ユニット積層体により構成した積層型圧電素子において,
上記接合材層の厚さL2及び積層方向に直交する断面積S2を,次の数式1及び数式2を満たすように設定してあることを特徴とする積層型圧電素子にある(請求項1)。
【0008】
(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式1
≦S ・・・数式2
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
【0009】
上記第1の発明の積層型圧電素子は,数式1及び数式2の関係式を満たす接合材層を介設して,上記ユニット積層体を複数積層したものである。
上記数式1及び数式2によって形状を定めた上記接合材層は,ヤング率Yと断面積Sと積層方向の高さLとのバランスが良好であるため,上記接合材層全体として適切な硬さを呈するものである。
【0010】
すなわち,上記接合材層を介設して上記素子ユニットを複数,積層してなる上記積層型圧電素子では,上記接合材層が適度な硬さを備えている。そのため,各素子ユニットが奏する圧電効果による変位が,上記接合材層の変形により吸収されてしまうおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子は,圧電効果によって大きな変位を発生することができる圧電効果の高い優れた性能を有するものとなる。
【0011】
また,上記積層型圧電素子では,上記接合材層が適度な柔軟性を備えている。そのため,各素子ユニットの圧電効果によって生じるおそれがある応力歪み等によって,上記接合材層が疲労破壊するおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子は,長期間の使用に渡って,その優れた性能を維持することができる。
【0012】
第2の発明は,セラミック層と,内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなり,かつ,積層方向の両端部及び積層方向の中間部のうち,少なくともいずれか一カ所に不活性層をなす保持部材を配設してなる積層型圧電素子において,
上記接合材層の厚さL2及び積層方向に直交する断面積S2を,次の数式3及び数式4を満たすように設定してあることを特徴とする積層型圧電素子にある(請求項2)。
(N×L)/(S×Y)+(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式3
≦S ・・・数式4
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
:保持部材の積層方向の高さ(mm)
:保持部材の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:保持部材の積層方向のヤング率(MPa)
:保持部材の積層数
【0013】
上記第2の発明の積層型圧電素子は,数式3及び数式4の関係式を満たす接合材層を介設して,複数の上記ユニット積層体と上記保持部材とを積層したものである。
上記数式3及び数式4によって形状を定めた上記接合材層は,ヤング率Yと断面積Sと積層方向の高さLとのバランスが良好であるため,上記接合材層全体として適切な硬さを呈するものである。
すなわち,上記接合材層を介設して上記素子ユニットを複数,積層してなる上記積層型圧電素子では,上記接合材層が適度な硬さを備えている。そのため,各素子ユニットが奏する圧電効果による変位が,上記接合材層の変形により吸収されてしまうおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子は,圧電効果によって大きな変位を発生することができる圧電効果の高い優れた性能を有するものとなる。
【0014】
また,上記積層型圧電素子では,上記接合材層が適度な柔軟性を備えている。そのため,各素子ユニットの圧電効果によって生じるおそれがある応力歪み等によって,上記接合材層が疲労破壊するおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子は,長期間の使用に渡って,その優れた性能を維持することができる。
さらに,上記数式3は,上記積層型圧電素子の両端部に上記保持部材を接合するか,一方の端部にのみ上記保持部材を接合するかを,変数Nの変更により柔軟に対応できるように構成してある。
【0015】
第3の発明は,セラミック層と電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなる請求項7の発明にかかる積層型圧電素子を製造する製造方法において,
上記セラミック層と電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を作製するユニット製作工程と,
上記ユニット積層体の端面に配設した接合材を介設して,上記ユニット積層体を積層する積層工程と,
隣り合う上記ユニット積層体の間隙と,上記接合材の外周面によって形成されたユニット隙間に硬化材を配設して,該硬化材と上記接合材とからなる上記接合材層を形成する硬化材配設工程とを含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法にある(請求項9)。
【0016】
上記第3の発明の積層型圧電素子の製造方法では,上記積層工程により上記ユニット積層体を相互に接合した後,上記硬化材配設工程を実施する。
そして,該硬化材配設工程では,隣り合う上記ユニット積層体の間隙と上記積層工程で配設した上記接合材の外周面によって形成された隙間に硬化材を配設して,該硬化材と上記接合材とからなる上記接合材層を形成する。
【0017】
上記製造方法によれば,上記接合材層のうち上記接合材の硬さが十分でない場合であっても,上記硬化材配設工程において上記隙間に硬化材を配設することで,上記接合材層全体としては適切な硬さを維持することができる。
すなわち,上記製造方法で製造した上記積層型圧電素子は,上記接合材と上記硬化材との組み合わせによりなる上記接合材層の硬さが適切であり,優れた圧電性能と,長期間に渡る製品寿命とを両立することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
上記第1又は上記第2の発明における上記接合材層は,シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の接合材等の接合材より形成することができる。
上記第1の発明においては,上記積層型圧電素子は,80℃以上200℃以下の動作温度域において,上記数式1及び上記数式2を満たしていることが好ましい(請求項3)。
この場合には,上記積層型圧電素子の動作温度が,80℃以上200℃以下となった場合に起こるおそれのある上記接合材層のトラブルを生じるおそれが少ない。
【0019】
上記第2の発明においては,上記積層型圧電素子は,80℃以上200℃以下の動作温度域において,上記数式3及び上記数式4を満たしていることが好ましい(請求項4)。
この場合には,上記積層型圧電素子の動作温度が,80℃以上200℃以下となった場合に起こるおそれのある上記接合材層のトラブルを生じるおそれが少ない。
【0020】
上記第1の発明又は上記第2の発明においては,上記電極配設層は,導電性を有する電極部と,該電極部が上記電極配設層の端部から内方に後退した領域である控え部とからなり,上記ユニット積層体の積層方向の端面における上記接合材層を形成した領域は,上記各電極配設層において上記電極部が積層方向に重合して存在する領域に包含される領域であることが好ましい(請求項5)。
この場合には,部分電極構造を呈する上記積層型圧電素子において,積層方向に上記電極部が重合せず,圧電効果を生じない不活性な領域を避けて上記接合材層を配置することができる。
【0021】
そのため,上記ユニット積層体の圧電効果による応力を上記接合材層の積層方向の端面に略均等に作用させることができ,該接合材層の内部において歪み等を生じるおそれが少ない。
したがって,上記接合材層であれば,上記積層型圧電素子の伸縮に伴う疲労破壊や接合面の剥離等のトラブルを生じるおそれが少ない。
【0022】
また,上記接合材層は,上記接合材からなる領域と,硬化材からなる領域とを組み合わせて構成してあることが好ましい(請求項6)。
この場合には,上記接合材と上記硬化材との組み合わせにより,上記接合材層全体としての所望の特性を得ることができる。
【0023】
そのため,上記硬化材との組み合わせによれば,上記接合材として適用し得る材料の選択範囲を拡大することができる。
なお,上記硬化材としては,シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を適用することができる。
【0024】
また,上記接合材層を形成する接合材は,エポキシ樹脂,シリコーン樹脂,ウレタン樹脂又はポリアミドイミド樹脂よりなる材料であることが好ましい(請求項7)。
この場合には,接合力と硬さとのバランスに優れたエポキシ樹脂,シリコーン樹脂,ウレタン樹脂又はポリアミドイミド樹脂よりなる接合材により,適度な硬さを有すると共に,耐久性に優れた上記接合材層を形成することができる。
【0025】
また,上記接合材層の厚さは,0.0001mm以上0.01mm以下であることが好ましい(請求項8)。
この場合には,接合材層の層厚が薄いため,上記第1の発明及び上記第2の発明による作用効果が特に有効となる。
【0026】
一方,上記接合材層の厚さが0.0001mm未満であると,上記ユニット積層体を十分強固に接合できないおそれがある。
また,上記接合材層の厚さが0.01mmを超えると,上記積層型圧電素子全体として,その圧電効率を十分高く維持できないおそれがある。
【0027】
上記第3の発明においては,上記硬化材配設工程は,真空法,毛細管現象を利用した方法又は液体射出成形法を利用して,上記ユニット隙間に上記硬化材を充填する工程であることが好ましい(請求項10)。
この場合には,上記のような各方法により,上記隙間内に上記硬化材を効率良く充填,配置することができる。
【0028】
【実施例】
(実施例1)
本例の積層型圧電素子10について,図1〜図7を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子10は,図3に示すごとく,セラミック層111と,内部電極を構成する電極部503を含む電極配設層112とを交互に積層してなるユニット積層体11を複数積層してなる素子である。ここで,この積層型圧電素子10は,積層方向の両端部をユニット積層体11により構成した素子である。そして,この積層型圧電素子10では,接合材層19の厚さL及び積層方向に略直交する断面積Sを,数式1及び数式2を満たすように設定してある。
(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式1
≦S ・・・数式2
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
以下に,この内容について詳しく説明する。
【0029】
まず,本例の積層型圧電素子10の構造について説明する。
この積層型圧電素子10は,図3に示すごとく,接合材層19を介設して,25基のユニット積層体11を積層してなり,全体として500層の活性セラミック層を備えた素子である。
そして,本例の積層型圧電素子10は,積層方向に直交して略正方形状を呈する断面形状を呈しており,その対向する側面115には1対の側面電極116を接合してある。
【0030】
本例のユニット積層体11は,図3に示すごとく,0.08mm厚のセラミック層111と,0.003mm厚の電極配設層112とを交互に積層してなり,22層のセラミック層111と21層の電極配設層112とからなる部分電極構造の積層体である。
このユニット積層体11の積層方向の高さは1.8mmであり,積層方向に直交する断面積は46平方mmである。また,該ユニット積層体11の実測ヤング率は,57000MPaである。
【0031】
上記電極配設層112は,図2に示すごとく,導電性を有する導電材料よりなる電極部503と,導電材料を形成してない控え部504とからなる。
各電極配設層112では,上記側面電極116(図3)を接合する2箇所の側面115のうち,いずれか一方の側面に面して控え部504を形成してあり,一方の側面に面して控え部504を露出する電極配設層112では,他方の側面に電極部503を露出するように構成してある。そして,各側面115では,電極配設層112として控え部504と電極部503とが,積層方向に交互に現れるように構成してある。
【0032】
本例の積層型圧電素子10は,図3に示すごとく,シリコーン樹脂よりなる接合材を硬化させてなる接合材層19を介設して各ユニット積層体11を相互に接合して積層してある。
特に,本例の積層型圧電素子10では,接合材層19をなす接合材のヤング率Yと,積層方向の高さLと,積層方向に直交する断面積Sとを,上記数式1及び上記数式2を満たすように設定してある。
【0033】
なお,本例の上記接合材のヤング率Yは,1.2MPaである。ここで,このヤング率Yは,接合材層10を構成する接合材を,ブロック形状に成形して,乾燥硬化してなる試料片について測定されるヤング率である。
そして,本例の積層型圧電素子10では,ヤング率Y=1.2MPaについて上記数式1が満足されるように,接合材層の高さLを0.001mmとし,図4に示すごとく,軸方向に直交する断面積Sを7平方mmに設定してある。
【0034】
ここで,数式1及び数式2の適用により,接合材層19を最適設計できる根拠について説明する。
本例の積層型圧電素子10(図3参照。)を積層方向に圧縮する方向に荷重を作用させると,ユニット積層体11自体及びユニット積層体11を接合する接合材層19に圧縮変形を生じる。
そして,全てのユニット積層体11の圧縮変形量の総和に対して,全ての接合材層19の圧縮変形量の総和が大きくなると積層型圧電素子10全体での圧電効率が著しく低下するおそれがある。
【0035】
一般的には,圧電性能の良い積層型圧電素子を実現するためには,参考式1に示すごとく,接合材層の圧縮変形量を,ユニット積層体の圧縮変形量以下に抑制する必要がある。
(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×Y)・・・参考式1
【0036】
ここで,発明者らは,ユニット積層体を積層してなる積層型圧電素子について,鋭意,実施した研究及び実証実験を通じて,実際の積層型圧電素子において上記参考式1が適切でない場合があるという知見を見出している。
そして,発明者らは,さらに各種実験を実施して,積層型圧電素子の接合材層について実測したヤング率(実効ヤング率)が,図5及び図6に示すごとく,接合材層19の積層方向の厚みに依存する傾向にあることを見出し,この事実に注目した。
なお,図5及び図6では,縦軸に実効ヤング率/ヤング率Y比を,横軸に接合材層19の厚さを示している。
【0037】
また,発明者らは,図5に示すごとく,接合材層19の薄い領域において上記の依存傾向が顕在化しており,特に,層厚500μm以下の領域で接合材層19について実測した実効ヤング率が急激に上昇することを各種研究を通じて実証した。
一方,層厚1000μm以上の領域では,実効ヤング率が安定しており,その値はヤング率Yに略一致していることを確認した。
【0038】
さらに,発明者らは,接合材の材質や,接合材層19の配置形状等を変更して実施した各種の追試験を通じて,以下の知見を見出した。
▲1▼層厚500μm以下の領域における上記実効ヤング率/ヤング率Y比は,層厚との間に高い相関を有している。
▲2▼層厚500μm以下の領域における上記実効ヤング率/ヤング率Y比は,接合材層19の配置形状との関連性が低く,専ら,接合材層19の厚さ及び断面積に依存している。
▲3▼層厚500μm以下の領域における上記実効ヤング率/ヤング率Y比は,接合材層19をなす接合材の種類との関連性は低い。
【0039】
またさらに,発明者らは,上記▲1▼の実効ヤング率/ヤング率Y比と,接合材層19の層厚との関係について,精度良く一次近似できることを見出した。すなわち,実効ヤング率は,次の数式5に示すように,ヤング率Yに基づいて精度良く近似することができる。
(実効ヤング率)=(2000−10800×L)×Y ・・・数式5
【0040】
そして,上記の数式1は,上記参考式1のYとして,数式5に基づく実効ヤング率を代入したものである。
すなわち,上記一般的な参考式1は,接合材層の層厚とヤング率との依存関係を全く考慮していない式であるのに対して,上記数式1は,接合材層の厚さが薄い場合を考慮に含めてある。
それ故,数式1及び数式1を適用すれば,接合材層の層厚が薄い領域に至るまで,接合材層19の最適設計が可能となるのである。
【0041】
本例の積層型圧電素子10は,図3に示すごとく,各ユニット積層体11の側面115に,導電性接着剤により側面電極116を接合したものである。
ここで,各ユニット積層体11の各側面115では,積層方向に1層おきの電極配設層112として電極部503が露出している。したがって,積層型圧電素子10の側面115に接合した上記一対の側面電極116のうち一方は,一層おきの電極配設層112の電極部503と電気的に接続され,他方の側面電極116は,上記一方の側面電極116と電気的に絶縁された一層おきの電極配設層112の電極部503と電気的に接続されることになる。
そして,上記積層型圧電素子10は,一対の側面電極116間に電圧を印加することにより,各ユニット積層体11の各セラミック層111に圧電効果を生じさせることができるよう構成してある。
【0042】
次に,本例の積層型圧電素子1を製造する方法について説明する。
ここでは,まず,上記のユニット積層体を作製する方法について説明する。
このユニット積層体11を製造するに当たっては,予め,圧電素子材料であるグリーンシート用のスラリーからグリーンシート(図示略。)を作製する。
【0043】
このスラリーは,チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスになるセラミック原料にバインダーと微量の可塑剤及び消泡剤を添加した後,有機溶媒中に分散させたものである。
本例では,上記のスラリーを,ドクターブレード法によって図示しないキャリアフィルム上に塗布し,所定の厚さのグリーンシートを生成した。なお,スラリーからグリーンシートを生成する方法としてはドクターブレード法の他,押出成形法その他種々の方法を採ることができる。
【0044】
次に,図1に示すごとく,グリーンシート片521の積層面に,導電材料であるAg−Pdペーストをスクリーン印刷により塗布する。ここで,積層面の外周部に当たる1辺部を残してAg−Pdペーストを塗布することにより,上記の控え部504となる領域を積層面上に形成することができる。
そしてその後,導電材料を塗布した積層面全面に,接着材としての上記スラリーを塗布する。
【0045】
次に,図1に示すごとく,グリーンシート片521を,順次,積層する。ここでは,同図に示すごとく,控え部504の配置が交互に反転するようにグリーンシート片521を積層して中間積層体(図示略)を作製した。
【0046】
次に,図2に示すごとく,この中間積層体を焼成してユニット積層体11を作製する。本例では,1200℃雰囲気中に2時間保持して中間積層体を焼成した後,炉冷を実施した。
そうすると,上記グリーンシート片521の積層面に塗布した導電材料は,層状をなす電極部503を形成することとなる。そして,上記ユニット積層体11においては,各電極配設層112は,対向する側面115において1層おきに電極部503を露出させており,かつ,一方の側面115に電極部503を露出する電極配設層112は,他方の側面115では電極部503を露出しないように構成される。
【0047】
次に,上記のごとく製造した25基のユニット積層体11を,接合材層19を介設して相互に接合して積層する。
ここでは,まず,上記の数式1で算出した断面積S=7平方mmと積層方向高さL=0.001mmに基づいて,必要な接合材の容量を算出する。そして,算出した所定の容量の接合材を,各ユニット積層体11の接合面に塗布した。
【0048】
本例で形成した接合材層19の軸方向に直交する断面形状は,図4に示すごとく,略円形状を呈するものである。
そこで,本例では,上記接合材を各ユニット積層体11の接合面に塗布するに当たっては,接合面の中心部に略円形状を呈するように所定の容量の接合材を塗布した。
【0049】
なお,接合材層をなす接合材の配置及び断面形状は,単一の略円形状に限定されるものではなく,図7(a),(b)に示すごとく,様々な配置,断面形状とすることができる。この場合には,接合材層をなす接合材の配置及び断面形状に合わせて接合材を塗布すれば良い。
【0050】
次に,各ユニット積層体11を接合するに当たっては,まず,接合材を塗布した各ユニット積層体11を積層し,上記積層型圧電素子10を仮組立する。
その後,積層方向高さL=1.8mmを呈する25基のユニット積層体11と,積層方向高さL=0.001mmを呈する24箇所の接合材層19とを組み合わせてなる設計上の積層高さが得られるように,上記仮組した積層型圧電素子10を積層方向に圧縮する。さらに,積層型圧電素子10を,上記設計上の積層高さを維持したまま保持して接合材を乾燥させ,所定形状の接合材層19を形成する。
【0051】
上記のごとく,積層型圧電素子10が上記設計上の積層高さをなすように,各ユニット積層体11を積層して接合すれば,上記所定の容量の接合材から断面積S及び積層方向高さLを呈する接合材層19を形成することができる。
そして,本例の積層型圧電素子10は,該積層型圧電素子10の側面115に,導電性接着剤により上記一対の側面電極116を接合してなる。
この積層型圧電素子10は,上記一対の側面電極116間に所定の電圧を印加することにより,各セラミック層111に圧電効果を発生させて,上記積層型圧電素子10全体として大きな変位量を実現することができるように構成してある。
【0052】
以上のごとく,数式1及び数式2に基づいて設計した本例の積層型圧電素子10では,上記接合材層19について,上記基準ヤング率Yに対する断面積Sと積層方向の高さLとのバランスが良好である。
そのため,上記接合材層19を介設して上記複数の素子ユニット11を積層してなる上記積層型圧電素子10では,上記接合材層19が適度な硬さを備えている。それ故,各素子ユニット11が奏する圧電効果による変位が,上記接合材層19の変形により吸収されてしまうおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子10は,圧電効果によって大きな変位を奏する優れた性能を有するものである。
【0053】
また,上記積層型圧電素子10では,上記接合材層19が適度な柔軟性を備えている。そのため,各素子ユニット11の圧電効果によって生じるおそれがある応力歪み等によって,上記接合材層19が疲労破壊するおそれが少ない。
したがって,上記の積層型圧電素子10は,長期間の使用に渡って,その優れた性能を維持することができる。
【0054】
(実施例2)
本例は,実施例1の積層型圧電素子の両端に,さらに保持部材18を積層した例である。
本例の両端に保持部材18を接合してなる積層型圧電素子10について,図8を用いて説明する。
【0055】
この積層型圧電素子10では,両端に配置したユニット積層体11の端面と保持部材18の端面とを,ユニット積層体11間の接合材19層と同様の接合材層19を介設して接合してある。
アルミナよりなる保持部材18は,積層方向の高さLが2mm,積層方向に直交する断面積が46平方mmであり,ヤング率の実測値Yとして380000MPaを呈するものである。
【0056】
そして,本例の接合材層19は,接合材の基準ヤング率Yと,積層方向の高さLと,積層方向に直交する断面積Sとを,次に示す数式3及び数式4を満たすように設定してある。
(N×L)/(S×Y)+(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式3
≦S ・・・数式4
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
:保持部材の積層方向の高さ(mm)
:保持部材の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:保持部材の積層方向のヤング率(MPa)
:保持部材の積層数
【0057】
ここで,本例では,積層型圧電素子の両端部に,それぞれ保持部材18を積層してあるため,同式における保持部材18の積層数Nは2個となる。
このように本例では,上記積層型圧電素子10の両端部に上記保持部材18を接合してあるため,実施例1の数式1及び数式2に代えて,数式3及び数式4を適用した。
これらの式によれば,上記積層型圧電素子10の両端部に上記保持部材18を接合してなる積層型圧電素子10について,常に,適切な上記接合材層19の積層方向高さL及び断面積Sを算出することができる。
【0058】
なお,本例では,上記積層型圧電素子10の両端部に保持部材18を積層してある。これに代えて,上記積層型圧電素子10の一方の端部にのみ,保持部材18を積層することもできる。この場合には,数式2における保持部材18の積層数Nを変更するのみで足りる。
さらに、保持部材18を端部ではなく、積層方向の中間部の少なくとも一カ所に積層することもできる。この場合にも数式2を適用できる。
さらになお,その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
【0059】
(実施例3)
本例は,実施例1の積層型圧電素子を基にして,接合材層の構成を変更した例である。
本例の積層型圧電素子10は,図9に示すごとく,接合材191からなる領域と,硬化材192からなる領域とからなる接合材層19を有している。
そして,接合材層19全体として,上記数式1を満たすように構成してある。
【0060】
また,上記の積層型圧電素子10を製造するに当たっては,実施例1のごとく,隣接するユニット積層体11を接合材191により接合した後,ユニット積層体11間の隙間に,毛細管現象を利用した方法により,エポキシ樹脂よりなる硬化材192を充填した。
なお,本例で用いた毛細管現象を利用した方法のほか,真空法,液体射出成形法等により硬化材192を充填することもできる。
【0061】
本例では,図示しないディスペンサ装置を用いて硬化材192の充填を実施した。
このディスペンサ装置は,位置制御されたディスペンスノズルから,一定量の液状の絶縁材料を吐出できるよう構成されている。本例では,このディスペンサ装置を用いて,隣接するユニット積層体11の間隙に硬化材192を充填し,接合材191と硬化材192とからなる接合材層19を形成した。
【0062】
以上のように,本例の積層型圧電素子10によれば,接合材191としては柔軟な材料を採用しながら,上記接合材層19の一部を硬化材192によって形成することにより,接合材層19全体としては十分な硬度を実現することができる。
すなわち,接合材191の外周側に硬化材192を配設することにより,接合材層19全体のヤング率を適正に確保することができる。
そのため,この積層型圧電素子10においては,接合材191の選択範囲や,接合材層19の形状のとり得る範囲等を拡大して,その設計自由度を高くすることができる。
なお,その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における,セラミック積層体の積層手順を示す説明図。
【図2】実施例1における,セラミック積層体の積層構造を示す断面図。
【図3】実施例1における,積層型圧電素子の断面構造を示す断面図。
【図4】実施例1における,接合材層の断面形状を示す断面図。
【図5】実施例1における,接合材層の厚さ(0〜5000μmの範囲)とヤング率との関係を示すグラフ。
【図6】実施例1における,図6のグラフ中,接合材層の厚さ0〜100μmの領域を拡大したグラフ。
【図7】実施例1における,その他の接合材層の断面形状を示す断面図。
【図8】実施例2における,積層型圧電素子の断面構造を示す断面図。
【図9】実施例3における,積層型圧電素子の断面構造を示す断面図。
【符号の説明】
10...積層型圧電素子,
11...ユニット積層体,
111...セラミック層,
112...電極配設層,
115...側面,
116...側面電極,
18...保持部材,
19...接合材層,
191...接合材,
192...硬化材,
503...電極部,
504...控え部,
[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a multilayer piezoelectric element formed by laminating a plurality of unit laminated bodies in which ceramic layers and electrode arrangement layers are alternately laminated with a bonding material interposed therebetween, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In order to obtain a large amount of displacement in the axial direction due to the piezoelectric effect of a laminated piezoelectric element in which ceramic layers and electrode arrangement layers are alternately laminated, it is necessary to increase the number of laminated ceramic layers.
However, it is not easy to accurately manufacture a stacked piezoelectric element having a large number of stacked layers, and it is difficult to maintain manufacturing efficiency.
[0003]
Therefore, first, a plurality of element units as sub-units with a small number of layers are prepared, and these element units are stacked on each other with a bonding material interposed therebetween, so that a stack having a desired number of layers as a whole is obtained. Type piezoelectric elements may be produced.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-4-167580 (page 3-5, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved]
However, the conventional multilayer piezoelectric element has the following problems. That is, when the hardness of the bonding material is not appropriate, there is a problem that the piezoelectric efficiency of the multilayer piezoelectric element is reduced or the fatigue life of the bonding material itself is shortened.
If the bonding material is too soft, the piezoelectric effect of each element unit constituting the laminated piezoelectric element may be absorbed as compressive deformation of the bonding material layer, which may reduce the piezoelectric efficiency.
On the other hand, if the bonding material is too hard, the bonding material itself is liable to cause fatigue failure due to stress distortion caused by the displacement of each element unit, and there is a risk of peeling between the element units.
[0006]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a multilayer piezoelectric element that is formed by laminating a plurality of element units and can maintain excellent performance over a long period of time, and a method for manufacturing the same. It is what.
[0007]
[Means for solving problems]
The first invention comprises a plurality of unit laminates in which ceramic layers and electrode arrangement layers including electrode portions constituting internal electrodes are alternately laminated, with a bonding material layer interposed therebetween, And in the laminated piezoelectric element in which both end portions in the laminating direction are constituted by the unit laminated body,
In the multilayer piezoelectric element, the thickness L2 of the bonding material layer and the cross-sectional area S2 orthogonal to the stacking direction are set so as to satisfy the following formulas 1 and 2. (Claim 1) .
[0008]
(N1× L1) / (S1× Y1) ≧ (N2× L2) / (S2× ((2000-10800 × L2) × Y2)) ... Formula 1
S2≦ S1                                              ... Formula 2
L1: Height in the stacking direction of the unit stack (mm)
S1: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the unit stack (square mm)
Y1: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N1: Number of stacked units
L2: Height of the bonding material layer in the stacking direction (mm)
S2: Cross-sectional area perpendicular to the lamination direction of the bonding material layer (square mm)
Y2: Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N2: Number of bonding material layers
[0009]
The multilayer piezoelectric element according to the first invention is obtained by laminating a plurality of the unit laminated bodies with a bonding material layer satisfying the relational expressions of Equation 1 and Equation 2 interposed therebetween.
The bonding material layer whose shape is defined by the above mathematical formulas 1 and 2 has a Young's modulus Y2And cross-sectional area S2And height L in the stacking direction2Therefore, the bonding material layer as a whole exhibits appropriate hardness.
[0010]
That is, in the laminated piezoelectric element formed by laminating a plurality of the element units with the bonding material layer interposed therebetween, the bonding material layer has an appropriate hardness. Therefore, the displacement due to the piezoelectric effect produced by each element unit is less likely to be absorbed by the deformation of the bonding material layer.
Therefore, the laminated piezoelectric element has excellent performance with high piezoelectric effect that can generate a large displacement due to the piezoelectric effect.
[0011]
In the multilayer piezoelectric element, the bonding material layer has appropriate flexibility. Therefore, the bonding material layer is less likely to be fatigued due to stress strain or the like that may be caused by the piezoelectric effect of each element unit.
Therefore, the laminated piezoelectric element can maintain its excellent performance over a long period of use.
[0012]
The second invention comprises a plurality of unit laminates obtained by alternately laminating ceramic layers and electrode arrangement layers including electrode portions constituting internal electrodes, with a bonding material layer interposed therebetween, And in the laminated piezoelectric element comprising a holding member forming an inactive layer in at least one of both ends in the laminating direction and an intermediate part in the laminating direction,
In the multilayer piezoelectric element, the thickness L2 of the bonding material layer and the cross-sectional area S2 orthogonal to the stacking direction are set so as to satisfy the following formulas 3 and 4. (Claim 2) .
(N1× L1) / (S1× Y1) + (N3× L3) / (S3× Y3) ≧ (N2× L2) / (S2× ((2000-10800 × L2) × Y2)) ... Formula 3
S2≦ S1                                              ... Formula 4
L1: Height in the stacking direction of the unit stack (mm)
S1: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the unit stack (square mm)
Y1: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N1: Number of stacked units
L2: Height of the bonding material layer in the stacking direction (mm)
S2: Cross-sectional area perpendicular to the lamination direction of the bonding material layer (square mm)
Y2: Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N2: Number of bonding material layers
L3: Height of holding member in the stacking direction (mm)
S3: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the holding member (square mm)
Y3: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the holding member
N3: Number of holding members stacked
[0013]
The multilayer piezoelectric element according to the second invention is obtained by laminating a plurality of the unit laminate bodies and the holding members with a bonding material layer satisfying the relational expressions of Equation 3 and Equation 4 interposed therebetween.
The bonding material layer whose shape is defined by Equation 3 and Equation 4 has a Young's modulus Y2And cross-sectional area S2And height L in the stacking direction2Therefore, the bonding material layer as a whole exhibits appropriate hardness.
That is, in the laminated piezoelectric element formed by laminating a plurality of the element units with the bonding material layer interposed therebetween, the bonding material layer has an appropriate hardness. Therefore, the displacement due to the piezoelectric effect produced by each element unit is less likely to be absorbed by the deformation of the bonding material layer.
Therefore, the multilayer piezoelectric element has excellent performance with high piezoelectric effect that can generate a large displacement due to the piezoelectric effect.
[0014]
In the multilayer piezoelectric element, the bonding material layer has appropriate flexibility. Therefore, the bonding material layer is less likely to be fatigued due to stress strain or the like that may be caused by the piezoelectric effect of each element unit.
Therefore, the above-described multilayer piezoelectric element can maintain its excellent performance over a long period of use.
Further, the above mathematical formula 3 indicates whether the holding member is bonded to both ends of the multilayer piezoelectric element or whether the holding member is bonded to only one end.3It is configured to be able to respond flexibly by changing the above.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a multi-layer piezoelectric element according to the seventh aspect of the present invention, in which a plurality of unit laminated bodies in which ceramic layers and electrode arrangement layers are alternately laminated are laminated via a bonding material layer. In the manufacturing method for manufacturing
A unit production process for producing a unit laminate formed by alternately laminating the ceramic layers and the electrode arrangement layers;
A laminating step of laminating the unit laminated body via a bonding material disposed on an end surface of the unit laminated body;
A curing material is disposed in a gap between adjacent unit laminates and a unit gap formed by the outer peripheral surface of the bonding material to form the bonding material layer formed of the curing material and the bonding material. And a disposing step. The method of manufacturing a laminated piezoelectric element according to claim 9.
[0016]
In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the third aspect of the present invention, the unit laminate is joined to each other by the lamination step, and then the curing material disposing step is performed.
In the curing material disposing step, a curing material is disposed in a gap formed by a gap between adjacent unit laminated bodies and an outer peripheral surface of the bonding material disposed in the laminating step, and the curing material and The bonding material layer made of the bonding material is formed.
[0017]
According to the manufacturing method, even if the bonding material is not sufficiently hard among the bonding material layers, the bonding material is disposed in the gap in the curing material disposing step, thereby providing the bonding material. Appropriate hardness can be maintained for the entire layer.
That is, the multilayer piezoelectric element manufactured by the above manufacturing method has an appropriate hardness of the bonding material layer formed by a combination of the bonding material and the curing material, and has excellent piezoelectric performance and a product over a long period of time. Both lifespan can be achieved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The bonding material layer in the first or second invention can be formed of a bonding material such as a bonding material such as a silicone resin, an epoxy resin, a urethane resin, a polyimide resin, or a polyamideimide resin.
In the first aspect of the invention, it is preferable that the multilayer piezoelectric element satisfies Formula 1 and Formula 2 in an operating temperature range of 80 ° C. to 200 ° C. (Claim 3).
In this case, there is little possibility of causing troubles in the bonding material layer that may occur when the operating temperature of the multilayer piezoelectric element becomes 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
[0019]
In the second aspect of the invention, it is preferable that the multilayer piezoelectric element satisfies Formula 3 and Formula 4 in an operating temperature range of 80 ° C. to 200 ° C. (Claim 4).
In this case, there is little possibility of causing troubles in the bonding material layer that may occur when the operating temperature of the multilayer piezoelectric element becomes 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
[0020]
In the first invention or the second invention, the electrode arrangement layer is a conductive electrode portion and a region in which the electrode portion recedes inwardly from an end portion of the electrode arrangement layer. The region formed of the holding portion and formed with the bonding material layer on the end surface in the stacking direction of the unit laminate is included in the region where the electrode portion is overlapped in the stacking direction in each electrode arrangement layer. It is preferable that it is a region (Claim 5).
In this case, in the laminated piezoelectric element having a partial electrode structure, the bonding material layer can be disposed avoiding an inactive region where the electrode portion is not polymerized in the laminating direction and does not produce a piezoelectric effect. .
[0021]
Therefore, the stress due to the piezoelectric effect of the unit laminate can be applied to the end surface of the bonding material layer in the stacking direction substantially evenly, and there is little possibility of causing distortion or the like inside the bonding material layer.
Therefore, the bonding material layer is less likely to cause troubles such as fatigue failure and peeling of the bonding surface due to expansion and contraction of the multilayer piezoelectric element.
[0022]
In addition, the bonding material layer is preferably configured by combining a region made of the bonding material and a region made of a hardening material.
In this case, desired characteristics of the entire bonding material layer can be obtained by a combination of the bonding material and the curing material.
[0023]
Therefore, according to the combination with the curing material, the selection range of materials that can be applied as the bonding material can be expanded.
As the curing material, silicone resin, epoxy resin, urethane resin, polyimide resin, polyamideimide resin, or the like can be used.
[0024]
The bonding material forming the bonding material layer is preferably a material made of an epoxy resin, a silicone resin, a urethane resin, or a polyamideimide resin.
In this case, the above-mentioned bonding material layer having an appropriate hardness and excellent durability due to a bonding material made of epoxy resin, silicone resin, urethane resin or polyamide-imide resin having a good balance between bonding force and hardness. Can be formed.
[0025]
The thickness of the bonding material layer is preferably 0.0001 mm or more and 0.01 mm or less.
In this case, since the thickness of the bonding material layer is thin, the effects of the first invention and the second invention are particularly effective.
[0026]
On the other hand, if the thickness of the bonding material layer is less than 0.0001 mm, the unit laminate body may not be bonded sufficiently firmly.
If the thickness of the bonding material layer exceeds 0.01 mm, the piezoelectric efficiency of the multilayer piezoelectric element as a whole may not be maintained sufficiently high.
[0027]
In the third invention, the curing material disposing step is a step of filling the unit gap with the curing material using a vacuum method, a method utilizing a capillary phenomenon, or a liquid injection molding method. Preferred (claim 10).
In this case, the hardening material can be efficiently filled and arranged in the gap by the above-described methods.
[0028]
【Example】
Example 1
The laminated piezoelectric element 10 of this example will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 3, the multilayer piezoelectric element 10 of the present example includes a plurality of unit laminates 11 in which ceramic layers 111 and electrode arrangement layers 112 including electrode portions 503 constituting internal electrodes are alternately laminated. It is an element formed by stacking. Here, the multilayer piezoelectric element 10 is an element in which both end portions in the stacking direction are configured by the unit stacked body 11. In this multilayer piezoelectric element 10, the thickness L of the bonding material layer 192And the cross-sectional area S substantially perpendicular to the stacking direction2Is set so as to satisfy Equation 1 and Equation 2.
(N1× L1) / (S1× Y1) ≧ (N2× L2) / (S2× ((2000-10800 × L2) × Y2)) ... Formula 1
S2≦ S1                                            ... Formula 2
L1: Height in the stacking direction of the unit stack (mm)
S1: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the unit stack (square mm)
Y1: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N1: Number of stacked units
L2: Height of the bonding material layer in the stacking direction (mm)
S2: Cross-sectional area perpendicular to the lamination direction of the bonding material layer (square mm)
Y2: Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N2: Number of bonding material layers
This will be described in detail below.
[0029]
First, the structure of the multilayer piezoelectric element 10 of this example will be described.
As shown in FIG. 3, this multilayer piezoelectric element 10 is an element comprising 25 unit laminated bodies 11 with a bonding material layer 19 interposed therebetween, and comprising 500 active ceramic layers as a whole. is there.
The multilayer piezoelectric element 10 of this example has a cross-sectional shape that is substantially square and orthogonal to the stacking direction, and a pair of side electrodes 116 are bonded to the opposite side surfaces 115.
[0030]
As shown in FIG. 3, the unit laminated body 11 of this example is formed by alternately laminating a ceramic layer 111 having a thickness of 0.08 mm and an electrode arrangement layer 112 having a thickness of 0.003 mm. And a layered structure of partial electrodes composed of 21 electrode arrangement layers 112.
The unit laminate 11 has a height in the stacking direction of 1.8 mm and a cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of 46 square mm. The measured Young's modulus of the unit laminate 11 is 57000 MPa.
[0031]
As shown in FIG. 2, the electrode arrangement layer 112 includes an electrode portion 503 made of a conductive material having conductivity, and a holding portion 504 not formed with a conductive material.
In each electrode arrangement layer 112, a holding portion 504 is formed facing one of the two side surfaces 115 to which the side electrode 116 (FIG. 3) is bonded, and the surface is formed on one side surface. In the electrode arrangement layer 112 exposing the holding portion 504, the electrode portion 503 is exposed on the other side surface. And in each side surface 115, it is comprised so that the reserve part 504 and the electrode part 503 may appear alternately in the lamination direction as the electrode arrangement | positioning layer 112. FIG.
[0032]
As shown in FIG. 3, the laminated piezoelectric element 10 of this example is formed by bonding the unit laminates 11 to each other and laminating them with a bonding material layer 19 formed by curing a bonding material made of silicone resin. is there.
In particular, in the multilayer piezoelectric element 10 of this example, the Young's modulus Y of the bonding material forming the bonding material layer 19 is used.2And the height L in the stacking direction2And the cross-sectional area S perpendicular to the stacking direction2Are set so as to satisfy Equation 1 and Equation 2 above.
[0033]
It should be noted that the Young's modulus Y of the above bonding material of this example2Is 1.2 MPa. Where Young's modulus Y2Is a Young's modulus measured for a sample piece formed by molding the bonding material constituting the bonding material layer 10 into a block shape and drying and curing it.
In the multilayer piezoelectric element 10 of this example, the Young's modulus Y2= 1.2 MPa so that the above formula 1 is satisfied, the height L of the bonding material layer2Is 0.001 mm, and the cross-sectional area S perpendicular to the axial direction is as shown in FIG.2Is set to 7 square mm.
[0034]
Here, the reason why the bonding material layer 19 can be optimally designed by applying Equations 1 and 2 will be described.
When a load is applied in the direction in which the laminated piezoelectric element 10 (see FIG. 3) of this example is compressed in the laminating direction, the unit laminated body 11 itself and the bonding material layer 19 that joins the unit laminated body 11 are compressed and deformed. .
If the sum of the amount of compressive deformation of all the bonding material layers 19 becomes larger than the sum of the amount of compressive deformation of all the unit laminates 11, the piezoelectric efficiency of the entire laminated piezoelectric element 10 may be significantly reduced. .
[0035]
In general, in order to realize a laminated piezoelectric element with good piezoelectric performance, it is necessary to suppress the amount of compressive deformation of the bonding material layer to be equal to or less than the amount of compressive deformation of the unit laminate as shown in Reference Formula 1. .
(N1× L1) / (S1× Y1) ≧ (N2× L2) / (S2× Y2) ... Reference formula 1
[0036]
Here, the inventors have said that the reference formula 1 may not be appropriate for an actual stacked piezoelectric element through research and demonstration experiments conducted on a stacked piezoelectric element formed by stacking unit stacks. Finding knowledge.
The inventors further conducted various experiments, and the Young's modulus (effective Young's modulus) actually measured for the bonding material layer of the multilayer piezoelectric element was as shown in FIG. 5 and FIG. We found the tendency to depend on the thickness of the direction, and paid attention to this fact.
5 and 6, the vertical axis represents the effective Young's modulus / Young's modulus Y.2The ratio is shown on the horizontal axis, and the thickness of the bonding material layer 19 is shown on the horizontal axis.
[0037]
Further, as shown in FIG. 5, the inventors have revealed the above dependence tendency in a thin region of the bonding material layer 19, and in particular, the effective Young's modulus measured for the bonding material layer 19 in the region of the layer thickness of 500 μm or less. It has been demonstrated through various studies that the rate of increase is rapidly increasing.
On the other hand, the effective Young's modulus is stable in the region where the layer thickness is 1000 μm or more, and the value is Young's modulus Y2It was confirmed that they almost match.
[0038]
Furthermore, the inventors have found the following knowledge through various additional tests conducted by changing the material of the bonding material, the arrangement shape of the bonding material layer 19, and the like.
(1) Effective Young's modulus / Young's modulus Y in the region where the layer thickness is 500 μm or less2The ratio has a high correlation with the layer thickness.
(2) Effective Young's modulus / Young's modulus Y in the region where the layer thickness is 500 μm or less2The ratio is not related to the arrangement shape of the bonding material layer 19 and depends exclusively on the thickness and the cross-sectional area of the bonding material layer 19.
(3) Effective Young's modulus / Young's modulus Y in the region of the layer thickness of 500 μm or less2The ratio is low in relevance with the type of bonding material forming the bonding material layer 19.
[0039]
Furthermore, the inventors have determined that the effective Young's modulus / Young's modulus Y of (1) above.2It has been found that the relationship between the ratio and the thickness of the bonding material layer 19 can be linearly approximated with high accuracy. That is, the effective Young's modulus is expressed as Young's modulus Y2Can be approximated with high accuracy.
(Effective Young's modulus) = (2000-10800 × L2) × Y2  ... Formula 5
[0040]
And, the above mathematical formula 1 is the Y of the above reference formula 1.2The effective Young's modulus based on Formula 5 is substituted.
That is, the above-mentioned general reference equation 1 is an equation that does not consider the dependency between the layer thickness of the bonding material layer and the Young's modulus at all, whereas the above-described equation 1 represents the thickness of the bonding material layer. The thin case is taken into consideration.
Therefore, if Formula 1 and Formula 1 are applied, it is possible to optimally design the bonding material layer 19 until the bonding material layer is thin.
[0041]
In the multilayer piezoelectric element 10 of this example, as shown in FIG. 3, a side electrode 116 is bonded to a side surface 115 of each unit multilayer body 11 with a conductive adhesive.
Here, on each side surface 115 of each unit laminate body 11, the electrode portion 503 is exposed as every other electrode arrangement layer 112 in the lamination direction. Therefore, one of the pair of side electrodes 116 bonded to the side surface 115 of the multilayer piezoelectric element 10 is electrically connected to the electrode portion 503 of the alternate electrode arrangement layer 112, and the other side electrode 116 is It is electrically connected to the electrode portion 503 of every other electrode arrangement layer 112 that is electrically insulated from the one side electrode 116.
The laminated piezoelectric element 10 is configured to generate a piezoelectric effect in each ceramic layer 111 of each unit laminated body 11 by applying a voltage between the pair of side surface electrodes 116.
[0042]
Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element 1 of this example will be described.
Here, first, a method for producing the unit laminate will be described.
In manufacturing the unit laminate 11, a green sheet (not shown) is prepared in advance from a slurry for a green sheet, which is a piezoelectric element material.
[0043]
This slurry is obtained by adding a binder, a small amount of a plasticizer, and an antifoaming agent to a ceramic raw material that becomes a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate (PZT) and then dispersing it in an organic solvent.
In this example, the slurry was applied onto a carrier film (not shown) by a doctor blade method to produce a green sheet having a predetermined thickness. In addition, as a method of producing | generating a green sheet from a slurry, the extrusion method other various methods other than a doctor blade method can be taken.
[0044]
Next, as shown in FIG. 1, an Ag—Pd paste, which is a conductive material, is applied to the laminated surface of the green sheet pieces 521 by screen printing. Here, by applying the Ag-Pd paste leaving one side corresponding to the outer peripheral portion of the laminated surface, the region to be the above-described reserve portion 504 can be formed on the laminated surface.
Thereafter, the slurry as an adhesive is applied to the entire laminated surface to which the conductive material has been applied.
[0045]
Next, as shown in FIG. 1, the green sheet pieces 521 are sequentially laminated. Here, as shown in the figure, an intermediate laminate (not shown) was produced by laminating the green sheet pieces 521 so that the arrangement of the holding portions 504 was alternately reversed.
[0046]
Next, as shown in FIG. 2, this intermediate laminate is fired to produce a unit laminate 11. In this example, the intermediate laminate was fired by holding in an atmosphere at 1200 ° C. for 2 hours, and then furnace cooling was performed.
Then, the conductive material applied on the laminated surface of the green sheet pieces 521 forms a layered electrode portion 503. In the unit laminated body 11, each electrode arrangement layer 112 exposes the electrode portions 503 every other layer on the opposite side surfaces 115, and the electrode that exposes the electrode portions 503 on one side surface 115. The arrangement layer 112 is configured not to expose the electrode portion 503 on the other side surface 115.
[0047]
Next, the 25 unit laminates 11 manufactured as described above are joined and laminated with the joining material layer 19 interposed therebetween.
Here, first, the cross-sectional area S calculated by Equation 1 above is used.2= 7 square mm and stacking direction height L2= Calculate the required capacity of the bonding material based on 0.001 mm. And the joining material of the calculated | required predetermined capacity was apply | coated to the joint surface of each unit laminated body 11. FIG.
[0048]
The cross-sectional shape orthogonal to the axial direction of the bonding material layer 19 formed in this example has a substantially circular shape as shown in FIG.
Therefore, in this example, when the bonding material is applied to the bonding surface of each unit laminate 11, a bonding material having a predetermined capacity is applied so as to exhibit a substantially circular shape at the center of the bonding surface.
[0049]
It should be noted that the arrangement and the cross-sectional shape of the bonding material forming the bonding material layer are not limited to a single substantially circular shape, but various arrangements, cross-sectional shapes, and shapes as shown in FIGS. 7 (a) and (b). can do. In this case, the bonding material may be applied in accordance with the arrangement and cross-sectional shape of the bonding material forming the bonding material layer.
[0050]
Next, when joining each unit laminated body 11, first, each unit laminated body 11 which apply | coated the bonding material is laminated | stacked, and the said multilayer piezoelectric element 10 is temporarily assembled.
Then, stacking direction height L1= 25 unit laminates 11 exhibiting 1.8 mm, and stacking direction height L2The temporarily assembled laminated piezoelectric element 10 is compressed in the laminating direction so as to obtain a designed laminated height obtained by combining 24 bonding material layers 19 exhibiting 0.001 mm. Furthermore, the laminated piezoelectric element 10 is held while maintaining the designed laminated height, and the bonding material is dried to form the bonding material layer 19 having a predetermined shape.
[0051]
As described above, if the unit laminated bodies 11 are laminated and joined so that the laminated piezoelectric element 10 has the designed laminated height, the cross-sectional area S is increased from the bonding material having the predetermined capacity.2And stacking direction height L2It is possible to form the bonding material layer 19 exhibiting the following.
The multilayer piezoelectric element 10 of this example is formed by bonding the pair of side electrodes 116 to the side surface 115 of the multilayer piezoelectric element 10 with a conductive adhesive.
The multilayer piezoelectric element 10 generates a piezoelectric effect in each ceramic layer 111 by applying a predetermined voltage between the pair of side electrodes 116, and realizes a large displacement amount as a whole of the multilayer piezoelectric element 10. It is configured to be able to.
[0052]
As described above, in the multilayer piezoelectric element 10 of the present example designed based on the formulas 1 and 2, the reference Young's modulus Y for the bonding material layer 19 is used.2Cross section S for2And height L in the stacking direction2And the balance is good.
Therefore, in the laminated piezoelectric element 10 in which the plurality of element units 11 are laminated with the bonding material layer 19 interposed, the bonding material layer 19 has an appropriate hardness. Therefore, the displacement due to the piezoelectric effect produced by each element unit 11 is less likely to be absorbed by the deformation of the bonding material layer 19.
Therefore, the laminated piezoelectric element 10 described above has an excellent performance that exhibits a large displacement due to the piezoelectric effect.
[0053]
In the multilayer piezoelectric element 10, the bonding material layer 19 has appropriate flexibility. Therefore, the bonding material layer 19 is less likely to undergo fatigue failure due to stress strain or the like that may be caused by the piezoelectric effect of each element unit 11.
Therefore, the laminated piezoelectric element 10 can maintain its excellent performance over a long period of use.
[0054]
(Example 2)
In this example, holding members 18 are further laminated on both ends of the multilayer piezoelectric element of Example 1.
A laminated piezoelectric element 10 in which holding members 18 are joined to both ends of this example will be described with reference to FIG.
[0055]
In this laminated piezoelectric element 10, the end surface of the unit laminate 11 and the end surface of the holding member 18 disposed at both ends are joined via a joining material layer 19 similar to the joining material 19 layer between the unit laminates 11. It is.
The holding member 18 made of alumina has a height L in the stacking direction.3Is 2 mm, the cross-sectional area perpendicular to the stacking direction is 46 square mm, and the measured Young's modulus Y3As 380000MPa.
[0056]
Then, the bonding material layer 19 of this example has a reference Young's modulus Y of the bonding material.2And the height L in the stacking direction2And the cross-sectional area S perpendicular to the stacking direction2Are set so as to satisfy the following equations 3 and 4.
(N1× L1) / (S1× Y1) + (N3× L3) / (S3× Y3) ≧ (N2× L2) / (S2× ((2000-10800 × L2) × Y2)) ... Formula 3
S2≦ S1                                              ... Formula 4
L1: Height in the stacking direction of the unit stack (mm)
S1: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the unit stack (square mm)
Y1: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N1: Number of stacked units
L2: Height of the bonding material layer in the stacking direction (mm)
S2: Cross-sectional area perpendicular to the lamination direction of the bonding material layer (square mm)
Y2: Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N2: Number of bonding material layers
L3: Height of holding member in the stacking direction (mm)
S3: Cross-sectional area perpendicular to the stacking direction of the holding member (square mm)
Y3: Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the holding member
N3: Number of holding members stacked
[0057]
Here, in this example, since the holding members 18 are laminated on both ends of the laminated piezoelectric element, the number N of laminated holding members 18 in the same formula is used.3Will be two.
In this way, in this example, since the holding member 18 is bonded to both ends of the multilayer piezoelectric element 10, Expression 3 and Expression 4 are applied instead of Expression 1 and Expression 2 in Example 1.
According to these equations, for the laminated piezoelectric element 10 in which the holding member 18 is joined to both ends of the laminated piezoelectric element 10, the appropriate height L of the bonding material layer 19 in the lamination direction is always obtained.2And cross-sectional area S2Can be calculated.
[0058]
In this example, holding members 18 are laminated on both ends of the laminated piezoelectric element 10. Alternatively, the holding member 18 can be laminated only on one end of the laminated piezoelectric element 10. In this case, the number N of holding members 18 in Equation 2 is stacked.3You only need to change
Furthermore, the holding member 18 can be laminated not at the end portion but at at least one of the intermediate portions in the lamination direction. In this case, Formula 2 can also be applied.
Furthermore, other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
[0059]
(Example 3)
In this example, the configuration of the bonding material layer is changed based on the multilayer piezoelectric element of the first embodiment.
As shown in FIG. 9, the multilayer piezoelectric element 10 of this example includes a bonding material layer 19 including a region made of a bonding material 191 and a region made of a hardening material 192.
The entire bonding material layer 19 is configured to satisfy the above mathematical formula 1.
[0060]
Further, in manufacturing the multilayer piezoelectric element 10 described above, as in the first embodiment, after the adjacent unit laminated bodies 11 are joined by the joining material 191, the capillary phenomenon is used in the gaps between the unit laminated bodies 11. By a method, a curing material 192 made of an epoxy resin was filled.
In addition to the method using the capillary phenomenon used in this example, the curing material 192 can be filled by a vacuum method, a liquid injection molding method, or the like.
[0061]
In this example, the curing material 192 is filled using a dispenser device (not shown).
This dispenser device is configured so that a fixed amount of liquid insulating material can be discharged from a position-controlled dispense nozzle. In this example, the dispenser device was used to fill the gap between the adjacent unit laminates 11 with the hardening material 192 to form the bonding material layer 19 composed of the bonding material 191 and the hardening material 192.
[0062]
As described above, according to the multilayered piezoelectric element 10 of this example, the bonding material 191 is formed of a part of the bonding material layer 19 with the curing material 192 while adopting a flexible material, so that the bonding material 191 is formed. The layer 19 as a whole can achieve a sufficient hardness.
That is, by disposing the hardening material 192 on the outer peripheral side of the bonding material 191, the Young's modulus of the entire bonding material layer 19 can be appropriately ensured.
Therefore, in this multilayer piezoelectric element 10, the range of selection of the bonding material 191, the range that the shape of the bonding material layer 19 can take, and the like can be expanded to increase the degree of design freedom.
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing a lamination procedure of a ceramic laminate in Example 1.
2 is a cross-sectional view showing a laminated structure of ceramic laminates in Example 1. FIG.
3 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a multilayer piezoelectric element in Example 1. FIG.
4 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a bonding material layer in Example 1. FIG.
5 is a graph showing the relationship between the thickness of a bonding material layer (in the range of 0 to 5000 μm) and Young's modulus in Example 1. FIG.
6 is a graph obtained by enlarging a region of 0 to 100 μm in thickness of the bonding material layer in the graph of FIG. 6 in Example 1. FIG.
7 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape of another bonding material layer in Example 1. FIG.
8 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a multilayer piezoelectric element in Example 2. FIG.
9 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a multilayer piezoelectric element in Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
10. . . Laminated piezoelectric elements,
11. . . Unit laminate,
111. . . Ceramic layer,
112. . . Electrode arrangement layer,
115. . . side,
116. . . Side electrode,
18. . . Holding member,
19. . . Bonding material layer,
191. . . Bonding material,
192. . . Hardener,
503. . . Electrode part,
504. . . Memorandum,

Claims (10)

セラミック層と,内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなり,かつ,積層方向の両端部を上記ユニット積層体により構成した積層型圧電素子において,
上記接合材層の厚さL及び積層方向に直交する断面積Sを,次の数式1及び数式2を満たすように設定してあることを特徴とする積層型圧電素子。
(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式1
≦S ・・・数式2
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
A unit laminate formed by alternately laminating ceramic layers and electrode arrangement layers including electrode parts constituting internal electrodes is laminated with a bonding material layer interposed therebetween, and both ends in the laminating direction. In a laminated piezoelectric element having a unit composed of the unit laminated body,
A multilayer piezoelectric element, wherein the thickness L 2 of the bonding material layer and the cross-sectional area S 2 orthogonal to the stacking direction are set so as to satisfy the following formulas 1 and 2.
(N 1 × L 1 ) / (S 1 × Y 1 ) ≧ (N 2 × L 2 ) / (S 2 × ((2000-10800 × L 2 ) × Y 2 )).
S 2 ≦ S 1 ... Formula 2
L 1 : height (mm) in the stacking direction of the unit stack
S 1 : cross-sectional area (square mm) perpendicular to the stacking direction of the unit stack
Y 1 : Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N 1 : Number of unit laminates L 2 : Height of joining material layers in the lamination direction (mm)
S 2 : Cross-sectional area (square mm) orthogonal to the lamination direction of the bonding material layer
Y 2 : Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N 2 : number of bonding material layers
セラミック層と,内部電極を構成する電極部を含む電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなり,かつ,積層方向の両端部及び積層方向の中間部のうち,少なくともいずれか一カ所に不活性層をなす保持部材を配設してなる積層型圧電素子において,
上記接合材層の厚さL及び積層方向に直交する断面積Sを,次の数式3及び数式4を満たすように設定してあることを特徴とする積層型圧電素子。
(N×L)/(S×Y)+(N×L)/(S×Y)≧(N×L)/(S×((2000−10800×L)×Y))・・・数式3
≦S ・・・数式4
:ユニット積層体の積層方向の高さ(mm)
:ユニット積層体の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:ユニット積層体の積層方向のヤング率(MPa)
:ユニット積層体の積層数
:接合材層の積層方向の高さ(mm)
:接合材層の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:接合材層を構成する材料のヤング率(MPa)
:接合材層の数
:保持部材の積層方向の高さ(mm)
:保持部材の積層方向に直交する断面積(平方mm)
:保持部材の積層方向のヤング率(MPa)
:保持部材の積層数
A unit laminate formed by alternately laminating ceramic layers and electrode arrangement layers including electrode parts constituting internal electrodes is laminated with a bonding material layer interposed therebetween, and both ends in the laminating direction. A laminated piezoelectric element in which a holding member forming an inactive layer is disposed in at least one of the intermediate portion and the intermediate portion in the lamination direction.
A multilayer piezoelectric element, wherein the thickness L 2 of the bonding material layer and the cross-sectional area S 2 orthogonal to the stacking direction are set so as to satisfy the following formulas 3 and 4.
(N 1 × L 1 ) / (S 1 × Y 1 ) + (N 3 × L 3 ) / (S 3 × Y 3 ) ≧ (N 2 × L 2 ) / (S 2 × ((2000-10800 × L 2 ) × Y 2 ))... Formula 3
S 2 ≦ S 1 ... Formula 4
L 1 : height (mm) in the stacking direction of the unit stack
S 1 : cross-sectional area (square mm) perpendicular to the stacking direction of the unit stack
Y 1 : Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the unit stack
N 1 : Number of unit laminates L 2 : Height of joining material layers in the lamination direction (mm)
S 2 : Cross-sectional area (square mm) orthogonal to the lamination direction of the bonding material layer
Y 2 : Young's modulus (MPa) of the material constituting the bonding material layer
N 2 : Number of bonding material layers L 3 : Height (mm) of the holding member in the stacking direction
S 3 : cross-sectional area (square mm) perpendicular to the stacking direction of the holding members
Y 3 : Young's modulus (MPa) in the stacking direction of the holding member
N 3 : number of holding members stacked
請求項1において,上記積層型圧電素子は,80℃以上200℃以下の動作温度域において,上記数式1及び上記数式2を満たしていることを特徴とする積層型圧電素子。2. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the multilayer piezoelectric element satisfies Formula 1 and Formula 2 in an operating temperature range of 80 ° C. to 200 ° C. 3. 請求項2において,上記積層型圧電素子は,80℃以上200℃以下の動作温度域において,上記数式3及び上記数式4を満たしていることを特徴とする積層型圧電素子。3. The multilayer piezoelectric element according to claim 2, wherein the multilayer piezoelectric element satisfies Formula 3 and Formula 4 in an operating temperature range of 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. 請求項1〜4のいずれか1項において,上記電極配設層は,導電性を有する電極部と,該電極部が上記電極配設層の端部から内方に後退した領域である控え部とからなり,上記ユニット積層体の積層方向の端面における上記接合材層を形成した領域は,上記各電極配設層において上記電極部が積層方向に重合して存在する領域に包含される領域であることを特徴とする積層型圧電素子。5. The electrode arrangement layer according to claim 1, wherein the electrode arrangement layer includes a conductive electrode section and a holding section that is an area in which the electrode section is recessed inward from an end of the electrode arrangement layer. The region where the bonding material layer is formed on the end surface in the stacking direction of the unit laminate body is a region included in the region where the electrode portions overlap and exist in the stacking direction in each electrode arrangement layer. A laminated piezoelectric element, characterized in that there is. 請求項1〜5のいずれか1項において,上記接合材層は,上記接合材からなる領域と,硬化材からなる領域とを組み合わせて構成してあることを特徴とする積層型圧電素子。6. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the bonding material layer is configured by combining a region made of the bonding material and a region made of a hardened material. 請求項1〜6のいずれか1項において,上記接合材層を形成する接合材は,エポキシ樹脂,シリコーン樹脂,ウレタン樹脂又はポリアミドイミド樹脂よりなる材料であることを特徴とする積層型圧電素子。7. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the bonding material forming the bonding material layer is a material made of an epoxy resin, a silicone resin, a urethane resin, or a polyamideimide resin. 請求項1〜7のいずれか1項において,上記接合材層の厚さは,0.0001mm以上0.01mm以下であることを特徴とする積層型圧電素子。The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the bonding material layer has a thickness of 0.0001 mm to 0.01 mm. セラミック層と電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を,接合材層を介設して複数積層してなる請求項7の発明にかかる積層型圧電素子を製造する製造方法において,
上記セラミック層と電極配設層とを交互に積層してなるユニット積層体を作製するユニット製作工程と,
上記ユニット積層体の端面に配設した接合材を介設して,上記ユニット積層体を積層する積層工程と,
隣り合う上記ユニット積層体の間隙と,上記接合材の外周面によって形成されたユニット隙間に硬化材を配設して,該硬化材と上記接合材とからなる上記接合材層を形成する硬化材配設工程とを含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
In the manufacturing method which manufactures the multilayer piezoelectric element concerning the invention of Claim 7 formed by laminating | stacking the unit laminated body which laminates | stacks a ceramic layer and an electrode arrangement | positioning layer alternately via a bonding material layer. ,
A unit production process for producing a unit laminate formed by alternately laminating the ceramic layers and the electrode arrangement layers;
A laminating step of laminating the unit laminated body via a bonding material disposed on an end surface of the unit laminated body;
A curing material is disposed in a gap between adjacent unit laminates and a unit gap formed by the outer peripheral surface of the bonding material to form the bonding material layer formed of the curing material and the bonding material. A method of manufacturing a laminated piezoelectric element, comprising: an arranging step.
請求項8において,上記硬化材配設工程は,真空法,毛細管現象を利用した方法又は液体射出成形法を利用して,上記ユニット隙間に上記硬化材を充填する工程であることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。9. The curing material disposing step according to claim 8, wherein the curing material is disposed in the unit gap using a vacuum method, a capillary phenomenon method, or a liquid injection molding method. A method for manufacturing a laminated piezoelectric element.
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