JP2000049396A - Laminated piezoelectric actuator - Google Patents

Laminated piezoelectric actuator

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JP2000049396A
JP2000049396A JP10216797A JP21679798A JP2000049396A JP 2000049396 A JP2000049396 A JP 2000049396A JP 10216797 A JP10216797 A JP 10216797A JP 21679798 A JP21679798 A JP 21679798A JP 2000049396 A JP2000049396 A JP 2000049396A
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laminate
slit
inactive
piezoelectric actuator
laminated
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JP10216797A
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Japanese (ja)
Inventor
Koki Ashida
幸喜 芦田
Makoto Higashibetsupu
誠 東別府
Takeshi Setoguchi
剛 瀬戸口
Katsuhiko Onizuka
克彦 鬼塚
Tomohiro Kawamoto
智裕 川元
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated piezoelectric actuator, wherein the stress concentration on the interface between an inactive block and laminate can be sufficiently relaxed. SOLUTION: In the laminated actuator comprising a laminate 1 of alternately laminated a plurality of piezoelectric plates 11 and a plurality of electrodes 12, 14, and ceramic inactive blocks 18 respectively bonded to the upper and lower sides of the laminate 1 with electrodes 14 mutually electrically connected, annular slits 29 are formed in the peripheries of the inactive blocks 18, and the sectional area S1 of the reduced diameter 18a of the inactive block, at which the slit 29 is formed, is made 25-50% of the area S2 of the electrode 12.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電アクチ
ュエータに係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め
装置や振動防止用の駆動素子、自動車用エンジンの燃料
噴射用の駆動素子等に使用される積層型圧電アクチュエ
ータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator, and is used, for example, as a precision positioning device such as an optical device, a drive element for preventing vibration, a drive element for fuel injection of an automobile engine, and the like. The present invention relates to a multilayer piezoelectric actuator.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、内部電極ペーストが塗布された
圧電板を複数枚積層して積層体を形成した積層型圧電ア
クチュエータが知られている。このような積層型圧電ア
クチュエータは、圧電板に電圧を印加して逆圧電効果に
よって圧電板を数〜数十μm伸長させ、アクチュエータ
の駆動力源とするものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a laminated piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric plates coated with an internal electrode paste are laminated to form a laminate. In such a laminated piezoelectric actuator, a voltage is applied to the piezoelectric plate to extend the piezoelectric plate by several to several tens of μm by an inverse piezoelectric effect, and is used as a driving force source of the actuator.

【0003】積層型圧電アクチュエータでは、圧電的に
活性な部分(積層体)の上下両端に圧電的に不活性な部
分(不活性体)を強固に接合した構造を有する。この不
活性体は圧電素子の機械的エネルギーを外部に伝える役
割と、外部との絶縁を図る役割を果している。
[0003] The laminated piezoelectric actuator has a structure in which a piezoelectrically inactive portion (inactive body) is firmly joined to upper and lower ends of a piezoelectrically active portion (laminated body). This inert body has a role of transmitting mechanical energy of the piezoelectric element to the outside and a role of insulating the outside from the outside.

【0004】従来の電極薄板を用いた積層型圧電アクチ
ュエータとして、圧電板と金属薄板を交互に積層した積
層体と、該積層体の上下にそれぞれ絶縁性接着剤により
接合された一対の不活性体とを具備するとともに、金属
薄板に形成された接続用突起を2方向に突出せしめ、同
一方向に突出した前記接続用突起同士を電気的に接続し
たものが知られている。
As a conventional laminated piezoelectric actuator using thin electrode plates, a laminated body in which a piezoelectric plate and a thin metal plate are alternately laminated, and a pair of inactive bodies which are respectively bonded to the upper and lower sides of the laminated body by an insulating adhesive. In addition, there is known a configuration in which connection projections formed on a thin metal plate are projected in two directions, and the connection projections projecting in the same direction are electrically connected to each other.

【0005】また、近年では、小型の積層型圧電アクチ
ュエータで大きな変位量を確保し、さらにより早い駆動
を行うため、 高電圧、 高周波数での駆動が行われてい
る。
In recent years, high-voltage, high-frequency driving has been performed in order to secure a large displacement amount with a small-sized laminated piezoelectric actuator and to perform driving at a higher speed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た積層型圧電アクチュエータでは、圧電的に活性な積層
体と不活性体とが強固に接合されているために、積層型
圧電アクチュエータに高電圧を高周波数で印可し長時間
駆動した場合には、積層体が軸長方向の伸縮とともに径
方向へも伸縮することにより、不活性体と積層体との境
界部分に大きな応力集中が起こり、不活性体または積層
体の圧電板が破損してしまうという問題があった。これ
により、不活性体が剥離したり、積層型圧電アクチュエ
ータが作動しなくなるという問題があった。
However, in the above-described laminated piezoelectric actuator, a high voltage is applied to the laminated piezoelectric actuator because the piezoelectrically active laminated body and the inactive body are firmly joined. When applied at a frequency and driven for a long time, the laminate expands and contracts in the axial direction as well as in the radial direction, causing a large stress concentration at the boundary between the inactive body and the laminate. Alternatively, there is a problem that the piezoelectric plate of the laminate is damaged. As a result, there has been a problem that the inactive body peels off and the multilayer piezoelectric actuator does not operate.

【0007】このような問題を解決するために、近年に
おいては、積層体の最上層および最下層の不活性体近傍
における内部電極層の重なり面積を、他の積層体におけ
る内部電極層の重なり面積よりも小さくした積層型圧電
アクチュエータが開示されている(特開平7−3016
5号公報参照)。
In order to solve such a problem, in recent years, the overlapping area of the internal electrode layers in the vicinity of the uppermost layer and the lowermost inactive layer of the laminate has been reduced. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-3016 discloses a laminated piezoelectric actuator having a smaller size.
No. 5).

【0008】このような積層型圧電アクチュエータで
は、不活性体近傍の積層体では積層体中央部よりも変位
量が小さくなるため、不活性体に伝達される応力をある
程度小さくでき、積層体と不活性体との境界部分に生ず
る応力集中をある程度緩和できるものの、不活性体が積
層体の上下面に接合されているため、積層体の変位によ
る応力が不活性体へ大きく伝達され、積層体と不活性体
の境界部分に生ずる応力集中が未だ大きいという問題が
あった。これにより、高電圧および高速での長時間の駆
動で、不活性体や積層体においてクラックや破断が生じ
易いという問題があった。
In such a laminated piezoelectric actuator, the amount of displacement in the laminate near the inactive body is smaller than that in the center of the laminate, so that the stress transmitted to the inactive body can be reduced to some extent. Although the stress concentration at the boundary with the active body can be reduced to some extent, since the inactive body is joined to the upper and lower surfaces of the laminate, the stress due to the displacement of the laminate is greatly transmitted to the inactive body, and the There is a problem that the stress concentration generated at the boundary of the inert body is still large. As a result, there is a problem that cracks and breaks are apt to occur in the inert body and the laminated body when driven for a long time at a high voltage and a high speed.

【0009】本発明は、高い印加電圧で高速で作動する
場合でも、不活性体と積層体との境界部分における応力
集中を十分緩和し、積層体と不活性体の境界部分におけ
る応力破壊を防止できる積層型圧電アクチュエータを提
供することを目的とする。
The present invention sufficiently alleviates stress concentration at the boundary between the inactive body and the laminated body and prevents stress breakdown at the boundary between the laminated body and the inactive body even when operating at high speed with a high applied voltage. It is an object of the present invention to provide a laminated piezoelectric actuator that can be used.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電アク
チュエータは、複数の圧電板と複数の電極とを交互に積
層した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合された
セラミック製の不活性体とを具備するとともに、前記電
極が交互に電気的に接続された積層型圧電アクチュエー
タであって、前記不活性体の外周面に環状のスリットを
形成するとともに、該スリットを形成した部分の不活性
体縮径部の断面積S1 が、前記電極の面積S2 の25〜
50%であることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a laminated piezoelectric actuator comprising: a laminated body in which a plurality of piezoelectric plates and a plurality of electrodes are alternately laminated; And a laminated piezoelectric actuator in which the electrodes are electrically connected alternately, wherein an annular slit is formed on the outer peripheral surface of the inactive body, and a portion of the portion where the slit is formed is formed. sectional area S 1 of the inactive form reduced diameter portion is 25 to the area S 2 of the electrode
It is characterized by being 50%.

【0011】ここで、スリット先端部の断面形状が円弧
状であることが望ましい。また、スリット内に不活性体
よりもヤング率が小さい材料を充填してなることが望ま
しい。
Here, it is desirable that the cross-sectional shape of the tip of the slit is an arc shape. Further, it is desirable that the slit be filled with a material having a Young's modulus smaller than that of the inert material.

【0012】[0012]

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、不活
性体の外周面に環状のスリットを形成するとともに、こ
のスリットを形成した部分の不活性体縮径部の断面積S
1 を、電極の面積S2 の25〜50%としたので、スリ
ットの存在によりスリット付近の不活性体のヤング率が
小さくなり、このスリット付近の不活性体で、積層体の
径方向の伸縮運動による不活性体に伝達された応力が開
放され、積層体と不活性体との境界部分における応力集
中を抑制でき、不活性体または積層体端面の破損を防止
できる。これにより、高電圧、高速駆動の場合でもクラ
ックや破断を生じることなく長時間の駆動が可能とな
る。
In the laminated piezoelectric actuator of the present invention, an annular slit is formed on the outer peripheral surface of the inert body, and the cross-sectional area S of the reduced diameter portion of the inert body in the portion where the slit is formed
1, since 25 to 50% of the area S 2 of the electrode, the Young's modulus of the inert bodies near the slit is reduced by the presence of slits, in inert bodies near the slit, expansion and contraction of the radial direction of the laminate The stress transmitted to the inactive body due to the movement is released, stress concentration at the boundary between the laminate and the inactive body can be suppressed, and damage to the end face of the inactive body or the laminate can be prevented. Thereby, even in the case of high voltage and high speed driving, it is possible to drive for a long time without cracking or breaking.

【0013】ところで、従来、内部電極および外部電極
から不活性体の端面に至る電気的絶縁に必要な沿面距離
を長くするために、不活性体表面に凹凸部を形成した積
層型圧電アクチュエータが特開平4−259268号公
報に開示されているが、単にスリットを設けるだけで
は、積層体と不活性体との境界部分における応力集中の
緩和効果を期待できない。つまり、このような積層体と
不活性体との境界部分における応力集中を緩和するため
には、不活性体の外周面に環状のスリットを形成すると
ともに、このスリットを形成した部分の不活性体縮径部
の断面積S1 を、電極の面積S2 の25〜50%とする
ことが必要なのである。
Conventionally, in order to increase the creepage distance required for electrical insulation from the internal and external electrodes to the end face of the inactive body, a laminated piezoelectric actuator having an uneven surface formed on the surface of the inactive body has been known. Although disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 4-259268, the effect of reducing stress concentration at the boundary between the laminate and the inactive body cannot be expected simply by providing slits. In other words, in order to alleviate the stress concentration at the boundary between the laminated body and the inert body, an annular slit is formed on the outer peripheral surface of the inert body, and the inert body in the portion where the slit is formed is formed. the cross-sectional area S 1 of the reduced diameter portion is necessary to be 25 to 50% of the area S 2 of the electrode.

【0014】また、本発明の積層型圧電アクチュエータ
では、スリット先端部周辺の不活性体に応力集中し易い
が、スリット先端部の断面形状を円弧状とすることによ
り、スリット先端部周辺の不活性体の応力集中を緩和す
ることができる。
In the laminated piezoelectric actuator of the present invention, stress tends to concentrate on the inactive material around the slit tip, but the cross-sectional shape of the slit tip makes the inert shape around the slit tip easy. Stress concentration on the body can be reduced.

【0015】さらに、スリット内に不活性体よりもヤン
グ率が小さい材料を充填することにより、スリットを起
点とする不活性体の破損を防止することができる。
Further, by filling the slit with a material having a Young's modulus smaller than that of the inactive material, damage of the inactive material starting from the slit can be prevented.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1、図2は本発明の積層型圧電
アクチュエータを示すもので、符号1は円柱状の積層体
を示している。尚、図1では、積層体1表面を被覆して
いる絶縁性樹脂については省略した。積層体1は、円板
状の圧電板11と、この圧電体11の両面に導電性接着
剤12により接合される円板状の金属薄板14とを交互
に積層して構成されている。
1 and 2 show a laminated piezoelectric actuator according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a columnar laminated body. In FIG. 1, the insulating resin covering the surface of the laminate 1 is omitted. The laminate 1 is configured by alternately laminating a disc-shaped piezoelectric plate 11 and disc-shaped metal thin plates 14 joined to both surfaces of the piezoelectric body 11 by a conductive adhesive 12.

【0017】即ち、圧電板11間には円板状の金属薄板
14が介装されており、これらの金属薄板14は導電性
接着剤12により両側に配設された圧電板11に接合さ
れている。この例では、圧電板11に接触している導電
性接着剤12が電極となり、導電性接着剤12と金属薄
板14の面積は同一とされている。
That is, a disc-shaped metal thin plate 14 is interposed between the piezoelectric plates 11, and these metal thin plates 14 are joined to the piezoelectric plates 11 provided on both sides by the conductive adhesive 12. I have. In this example, the conductive adhesive 12 in contact with the piezoelectric plate 11 serves as an electrode, and the conductive adhesive 12 and the thin metal plate 14 have the same area.

【0018】圧電板11を構成する圧電材料は、例え
ば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クス材料などが使用されるが、これに限定されるもので
はなく、圧電性を有するセラミックスであれば何でも良
い。圧電板11を構成する圧電材料としては、圧電歪み
定数d33が高いものが望ましい。
The piezoelectric material constituting the piezoelectric plate 11 is, for example, a piezoelectric ceramic material containing lead zirconate titanate as a main component, but is not limited thereto. Anything is fine. As the piezoelectric material constituting the piezoelectric plate 11, as the piezoelectric strain constant d 33 is high is preferable.

【0019】特に、金属成分としてPb、Zr、Ti、
Zn、Sb、Ni、Teと、SrおよびBaのうち少な
くとも一種を含む複合ペロブスカイト型化合物であっ
て、これらの金属元素のモル比による組成式を、Pb
1-x-y Srx Bay (Zn1/3 Sb2/3 a (Ni1/2
Te1/2 b ZrcTi1-a-b-c 3 と表わした時、
x、y、a、b、cのモル比が、0≦x≦0.12、0
≦y≦0.12、0<x+y、0.05≦a≦0.1
2、0≦b≦0.015、0.43≦c≦0.52を満
足する基本成分100重量部に対して、等モル比からな
るPbOおよびNb2 5 を合量で0.2〜1.2重量
部添加含有してなる圧電磁器組成物が望ましい。
In particular, Pb, Zr, Ti,
A composite perovskite compound containing Zn, Sb, Ni, Te, and at least one of Sr and Ba, wherein the composition formula based on the molar ratio of these metal elements is Pb
1-xy Sr x Ba y ( Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2
Te 1/2 ) b Zr c Ti 1-abc O 3 ,
When the molar ratio of x, y, a, b, and c is 0 ≦ x ≦ 0.12, 0
≦ y ≦ 0.12, 0 <x + y, 0.05 ≦ a ≦ 0.1
2, with respect to 100 parts by weight of the basic component satisfying 0 ≦ b ≦ 0.015 and 0.43 ≦ c ≦ 0.52, PbO and Nb 2 O 5 having an equimolar ratio in a total amount of 0.2 to A piezoelectric ceramic composition containing 1.2 parts by weight is desirable.

【0020】この圧電板11の厚みtは、小型化および
高い電圧を印加するという点から、0.2〜0.6mm
であることが望ましい。
The thickness t of the piezoelectric plate 11 is 0.2 to 0.6 mm from the viewpoint of miniaturization and application of a high voltage.
It is desirable that

【0021】圧電板11の両面に形成される導電性接着
剤12は、導電性ペーストを圧電板11に円形状に塗布
し、400〜600℃程度で焼き付けることにより形成
される。この導電性ペーストは、Ag等の導電性の金属
粉末とガラス成分からなっており、ガラス成分を高温で
溶融することにより圧電板11に焼き付けられる。この
導電性接着剤12は、特に、Ag粉末を70〜98重量
%と、PbO−SiO2 −B2 3 からなるガラス成分
2〜30重量%とからなることが望ましい。
The conductive adhesive 12 formed on both surfaces of the piezoelectric plate 11 is formed by applying a conductive paste to the piezoelectric plate 11 in a circular shape and baking it at about 400 to 600 ° C. The conductive paste is made of a conductive metal powder such as Ag and a glass component, and is baked on the piezoelectric plate 11 by melting the glass component at a high temperature. The conductive adhesive 12 is, in particular, and 70 to 98 wt% of Ag powder, it is preferably made of a 2-30 wt% glass component consisting PbO-SiO 2 -B 2 O 3 .

【0022】金属薄板14には、図3に示すように、対
向する位置に接続用突起15が一体的に形成されてお
り、これらの接続用突起15は、図1に示したように、
圧電板11の径方向に突出している。また、接続用突起
15は、図1に示したように交互に90度の角度を有す
るように、金属薄板14が圧電板11の間に介装されて
いる。これらの金属薄板14は、その接続用突起15の
位置により正電極用金属薄板および負電極用金属薄板と
されている。
As shown in FIG. 3, connecting projections 15 are integrally formed on the metal thin plate 14 at opposing positions, and these connecting projections 15 are, as shown in FIG.
The piezoelectric plate 11 protrudes in the radial direction. Further, the metal thin plates 14 are interposed between the piezoelectric plates 11 so that the connection protrusions 15 have an angle of 90 degrees alternately as shown in FIG. These metal thin plates 14 are made into a positive electrode thin metal plate and a negative electrode thin metal plate depending on the position of the connection projection 15.

【0023】接続用突起15は積層体1の積層方向に折
り曲げられ、正電極用金属薄板同士および負電極用金属
薄板同士が、それらの接続用突起15同士を半田付け、
あるいは溶接により接合することにより、電気的に接続
されている。
The connection projections 15 are bent in the stacking direction of the laminate 1, and the positive electrode metal sheets and the negative electrode metal sheets are soldered to each other.
Alternatively, they are electrically connected by joining by welding.

【0024】使用する金属薄板14および接続用突起1
5は導電性を有するもので、例えば、銀、真鍮、銅、ス
テンレス等の金属が好ましい。金属薄板14の厚さは、
変位量に寄与しないためにできるだけ薄いもの、例え
ば、20〜100μmのものが好ましい。
Metal sheet 14 to be used and connection projection 1
Reference numeral 5 denotes a conductive material, for example, a metal such as silver, brass, copper, or stainless steel is preferable. The thickness of the metal sheet 14 is
In order not to contribute to the amount of displacement, it is preferable that the thickness is as thin as possible, for example, 20 to 100 μm.

【0025】また、金属薄板14としては、他の金属薄
板14との短絡や放電を防止するために、積層体1の外
周面に露出しないように、圧電板11よりも小さいこと
が望ましい。
The metal sheet 14 is desirably smaller than the piezoelectric plate 11 so as not to be exposed on the outer peripheral surface of the laminate 1 in order to prevent a short circuit or discharge with another metal sheet 14.

【0026】そして、積層体1の上下面には、圧電的に
不活性で機械的エネルギーを伝達するセラミックスから
なる円柱状の不活性体18が絶縁性接着剤22によりガ
ラス接合されている。この不活性体18は圧電板11と
同一径とされており、例えば、圧電体11と同一材料で
も良いし、Al2 3 等でも良い。
A cylindrical inert body 18 made of ceramics, which is piezoelectrically inactive and transmits mechanical energy, is glass-bonded to the upper and lower surfaces of the laminate 1 with an insulating adhesive 22. The inert body 18 has the same diameter as the piezoelectric plate 11, and may be, for example, the same material as the piezoelectric body 11, or Al 2 O 3 or the like.

【0027】絶縁性接着剤22は、不活性体18の片面
にガラスペーストを円形状に塗布し、400〜600℃
程度で焼き付けて形成されている。このガラスペースト
は、圧電板11に焼き付けられる導電性接着剤12のガ
ラス成分PbO−SiO2 −B2 3 からなるものであ
る。
The insulating adhesive 22 is formed by applying a glass paste to one side of the inert body 18 in a circular shape, and
It is formed by baking with a degree. This glass paste is made of a glass component PbO—SiO 2 —B 2 O 3 of the conductive adhesive 12 that is baked on the piezoelectric plate 11.

【0028】不活性体18の外周面には環状のスリット
29が形成されており、図4に示すように、スリット2
9を形成した部分の不活性体縮径部18aの断面積S1
は、導電性接着剤12の面積S2 の25〜50%とされ
ている。これは、スリット29を形成した部分の不活性
体縮径部18aの断面積S1 が導電性接着剤12の面積
2 の25%よりも小さいと、アクチュエータのヤング
率が小さくなるため、不活性体18に剪断荷重が加わっ
た場合に破損しやすくなり、50%より大きい場合は、
積層体1と不活性体18の境界部における応力集中を抑
制する効果が小さいからである。
An annular slit 29 is formed on the outer peripheral surface of the inert body 18, and as shown in FIG.
9 is the cross-sectional area S 1 of the reduced diameter portion 18a of the inert body in the portion where
Is 25 to 50% of the area S 2 of the conductive adhesive 12. This is because if the cross-sectional area S 1 of the inactive form reduced-diameter portion 18a of the portion forming the slit 29 is less than 25% of the area S 2 of the conductive adhesive 12, since the Young's modulus of the actuator is reduced, not When a shear load is applied to the active body 18, the active body 18 is easily broken.
This is because the effect of suppressing the stress concentration at the boundary between the stacked body 1 and the inert body 18 is small.

【0029】スリット29を形成した部分の不活性体縮
径部18aの断面積S1 は、剪断荷重が作用した場合の
破損および積層体1と不活性体18の境界部における応
力集中を十分に抑制するという点から、導電性接着剤1
2の面積S2 の30〜40%が望ましい。尚、導電性接
着剤12と金属薄板14とは一体となっているが、電極
の面積S2 は導電性接着剤12の面積である。
The cross-sectional area S 1 of the reduced diameter portion 18a of the inert body at the portion where the slit 29 is formed is sufficient to prevent damage when a shear load is applied and stress concentration at the boundary between the laminate 1 and the inert body 18. In terms of suppression, conductive adhesive 1
It is preferable that the area S2 of the second area is 30 to 40%. Although the conductive adhesive 12 and the thin metal plate 14 are integrated, the area S 2 of the electrode is the area of the conductive adhesive 12.

【0030】また、スリット29の厚みBは0.5mm
以下とされている。これは、スリット29の厚みBが
0.5mmよりも大きい場合にはヤング率が小さくな
り、不活性体18に剪断荷重が作用した時に破損し易く
なるからであり、一方、加工性という点からは0.1m
m以上が望ましい。
The thickness B of the slit 29 is 0.5 mm
It is as follows. This is because when the thickness B of the slit 29 is larger than 0.5 mm, the Young's modulus becomes small, and the inert body 18 is easily broken when a shear load is applied thereto. On the other hand, from the viewpoint of workability. Is 0.1m
m or more is desirable.

【0031】さらに、スリット29と不活性体18の積
層体1側端面との距離Lは、不活性体18の積層体1側
端面の破損を防止するという点から、0.3mm以上と
することが望ましいが、積層体1と不活性体18の境界
部における応力集中を抑制するという点からは、不活性
体18の積層体1側端面に近い方が望ましい。
Further, the distance L between the slit 29 and the end face of the inert body 18 on the side of the laminate 1 is set to 0.3 mm or more from the viewpoint of preventing the end face of the inert body 18 from the side of the laminate 1. However, from the viewpoint of suppressing stress concentration at the boundary between the laminate 1 and the inactive body 18, it is desirable that the inert body 18 be closer to the end face of the inactive body 18 on the laminate 1 side.

【0032】また、本発明の積層型圧電アクチュエータ
では、図2に示したように、スリット29先端部の断面
形状が円弧状とされており、スリット29内には、不活
性体18よりもヤング率が小さい材料、例えば、樹脂が
充填されている。尚、この例では、積層体1表面を被覆
している絶縁性樹脂と同一樹脂とされている。また、ス
リット29先端部の断面形状が円弧状の場合には、最先
端の間における不活性体18が不活性体縮径部18aと
なる。
Further, in the laminated piezoelectric actuator of the present invention, as shown in FIG. 2, the cross-sectional shape of the tip of the slit 29 is formed in an arc shape, and the inside of the slit 29 is smaller than that of the inert body 18. A material with a low rate, for example, a resin, is filled. In this example, the same resin as the insulating resin covering the surface of the laminate 1 is used. When the cross-sectional shape of the tip of the slit 29 is arc-shaped, the inactive body 18 at the leading end becomes the inactive body reduced diameter portion 18a.

【0033】そして、圧電板11および接続用突起15
の外周面は、図2に示したように、絶縁性樹脂17で被
覆され、また圧電板11外周面と接続用突起15との間
の空隙にも、同様に絶縁性樹脂17が隙間がないように
充填されている。充填方法としては、粘度等の条件を調
整し、真空脱法など減圧下で空隙内に絶縁性樹脂17を
充分に充填することが必要である。また、 絶縁性樹脂1
7についてはヤング率の低い材料を充填することが望ま
しい。 絶縁性樹脂17の被覆と同時に、上記したように
スリット29内に絶縁性樹脂17を充填しても良い。
Then, the piezoelectric plate 11 and the connection projection 15
2 is covered with an insulating resin 17 as shown in FIG. 2, and the insulating resin 17 has no gap in the gap between the outer peripheral surface of the piezoelectric plate 11 and the connection projection 15 as well. So that it is filled. As a filling method, it is necessary to adjust the conditions such as viscosity, and to sufficiently fill the insulating resin 17 in the voids under reduced pressure such as a vacuum removal method. In addition, insulating resin 1
For 7, it is desirable to fill a material having a low Young's modulus. Simultaneously with the coating of the insulating resin 17, the insulating resin 17 may be filled in the slit 29 as described above.

【0034】以上のように構成された積層型圧電アクチ
ュエータでは、スリット29の存在によりスリット29
付近の不活性体18のヤング率が小さくなり、このスリ
ット29付近の不活性体18で、積層体1の径方向の伸
縮運動による不活性体18に伝達された応力が開放さ
れ、積層体1と不活性体18との境界部分における応力
集中を抑制でき、不活性体18または積層体1端面の破
損を防止できる。これにより、高電圧、高速駆動の場合
でもクラックや破断を生じることなく長時間の駆動を行
うことができる。
In the multilayer piezoelectric actuator configured as described above, the slit 29
The Young's modulus of the inert body 18 in the vicinity decreases, and the stress transmitted to the inert body 18 due to the radial expansion and contraction movement of the laminate 1 is released by the inert body 18 in the vicinity of the slit 29, and the laminate 1 The concentration of stress at the boundary between the inert body 18 and the inert body 18 can be suppressed, and breakage of the inert body 18 or the end face of the laminate 1 can be prevented. Thereby, even in the case of high voltage and high speed driving, driving can be performed for a long time without cracking or breakage.

【0035】尚、上記例では、不活性体18に形成され
るスリット29を一本形成した例について説明したが、
2本以上形成しても良いことは勿論である。そして、こ
の場合には、積層体1と反対側に向けて不活性体18の
ヤング率が次第に大きくなるように複数のスリットを形
成すると、さらに応力集中を抑制できる。
In the above example, one slit 29 formed in the inert body 18 has been described.
Of course, two or more may be formed. In this case, when a plurality of slits are formed so that the Young's modulus of the inert body 18 gradually increases toward the side opposite to the stacked body 1, stress concentration can be further suppressed.

【0036】[0036]

【実施例】Pb1-x-y Srx Bay (Zn1/3
2/3 a (Ni1/2 Te1/2 b Zrc Ti1-a-b-c
3 と表わした時、x=0.04、y=0.02、a=
0.075、b=0.005、c=0.47を満足する
基本成分100重量部に対して、等モル比からなるPb
OおよびNb2 5 を合量で0.5重量部添加含有した
PZT焼結体の両面を研磨して、直径20mm、厚み
0.5mmの円板状の圧電体11を形成した。
[Example] Pb 1-xy Sr x Ba y (Zn 1/3 S
b 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti 1-abc
When expressed as O 3 , x = 0.04, y = 0.02, a =
Pb having an equimolar ratio with respect to 100 parts by weight of the basic component satisfying 0.075, b = 0.005, and c = 0.47.
Both surfaces of a PZT sintered body containing O and Nb 2 O 5 in a total amount of 0.5 parts by weight were polished to form a disk-shaped piezoelectric body 11 having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm.

【0037】この圧電体11の両主面に、Ag粉末97
重量%、PbO−SiO2 −B2 3 を主成分とするガ
ラス3重量%のペーストを、直径19mm、厚み10μ
mになるように印刷した後、100℃にて乾燥し、52
0℃で焼き付けた。
On both main surfaces of the piezoelectric body 11, Ag powder 97
Wt%, the glass 3 wt% of paste mainly composed of PbO-SiO 2 -B 2 O 3 , diameter 19 mm, thickness 10μ
m, and then dried at 100 ° C.
Bake at 0 ° C.

【0038】厚さ25μmのAg製薄板を、図2に示し
たような直径19mmの金属薄板14に2mm×2mm
の接続用突起15が形成されるように打ち抜いた。
An Ag thin plate having a thickness of 25 μm was applied to a metal thin plate 14 having a diameter of 19 mm as shown in FIG.
Was punched out to form the connection projection 15.

【0039】そして、金属薄板14を圧電板11の間に
挟み込み、圧電板11を100層積層して積層体を形成
した。尚、金属薄板14の接続用突起15は一層おきに
同じ位置にくるように、交互に配置した。
Then, the metal thin plate 14 was sandwiched between the piezoelectric plates 11, and 100 layers of the piezoelectric plates 11 were laminated to form a laminate. The connection projections 15 of the metal thin plates 14 were alternately arranged so as to be at the same position every other layer.

【0040】また、積層体1の両端面に配置される不活
性体18は、圧電板11と同じ組成のPZT焼結体で作
製し、この両面を研磨して、直径20mm、厚み5mm
の円柱状の不活性体18を形成した。これらの不活性体
18の片面にPbO−SiO2 −B2 3 のガラスペー
ストを直径19mm、厚み10μmになるように印刷し
た後、100℃にて乾燥し、520℃で焼き付けた。そ
の後、ワイヤーソーにより不活性体18の端面からL=
0.5mmの位置に、3.3mmの切り込み深さで厚み
B=0.3mmのスリット29を形成した。スリット2
9先端部の断面形状は円弧状とされていた。このスリッ
ト29が形成された不活性体縮径部18aの断面積S1
は、導電性接着剤12の面積S2 の50%であった。
The inactive bodies 18 disposed on both end faces of the laminate 1 are made of a PZT sintered body having the same composition as the piezoelectric plate 11, and both sides thereof are polished to have a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm.
Was formed. A glass paste of PbO—SiO 2 —B 2 O 3 was printed on one surface of each of these inert materials 18 so as to have a diameter of 19 mm and a thickness of 10 μm, then dried at 100 ° C., and baked at 520 ° C. Thereafter, L = L from the end face of the inert body 18 with a wire saw.
At a position of 0.5 mm, a slit 29 having a cut depth of 3.3 mm and a thickness B of 0.3 mm was formed. Slit 2
The cross-sectional shape of the tip portion was an arc shape. The cross-sectional area S 1 of the inert body reduced diameter portion 18a in which the slit 29 is formed.
Was 50% of the area S 2 of the conductive adhesive 12.

【0041】次に、積層体1の両端面に不活性体18を
配置し、位置ずれが生じないように軽く圧力を加えた
後、積層体1の上部に約5kgの重りを乗せて、600
℃、1時間で加圧接合した。
Next, the inert bodies 18 are arranged on both end faces of the laminate 1 and light pressure is applied so as not to cause a displacement, and then a weight of about 5 kg is put on the upper portion of the laminate 1 and 600
C. for 1 hour under pressure.

【0042】次に、図1に示したように、圧電体11の
径方向に突出した接続用突起15の先端部を軸方向に各
々折曲げ、折り曲げた先端部を接続用突起15にハンダ
で接続し、正電極用外部電極、および負電極用外部電極
とした。
Next, as shown in FIG. 1, the distal ends of the connection projections 15 protruding in the radial direction of the piezoelectric body 11 are each bent in the axial direction, and the bent distal ends are soldered to the connection projections 15. These were connected to form a positive electrode external electrode and a negative electrode external electrode.

【0043】また、積層体1および不活性体18の一部
を絶縁性のシリコンゴムからなる絶縁性樹脂17で被覆
するとともに、スリット29内にも充填し、これを80
℃のシリコンオイル中で3kv/mmの直流電界を30
分間印加して分極処理を行ない、図1および図2に示す
ような本発明の積層型圧電アクチュエータを得た。
A part of the laminate 1 and a part of the inactive body 18 are covered with the insulating resin 17 made of insulating silicon rubber, and are also filled in the slit 29.
DC electric field of 3 kv / mm in silicone oil
For a minute, polarization was performed to obtain a multilayer piezoelectric actuator of the present invention as shown in FIGS.

【0044】得られた積層型圧電アクチュエータに50
0Vの直流電圧を印加した結果、50μmの変位量が得
られた。更にこのアクチュエータに0Vから+500V
の交番電圧を50Hzの周波数にて印加した結果、印加
回数1×109 回まで駆動を行った場合でも積層体と不
活性部の境界ではクラックおよび破断は見られなかっ
た。
50 was added to the obtained laminated piezoelectric actuator.
As a result of applying a DC voltage of 0 V, a displacement of 50 μm was obtained. In addition, 0V to + 500V
As a result of applying the alternating voltage of 50 Hz at a frequency of 50 Hz, no crack or break was observed at the boundary between the laminate and the inactive portion even when the driving was performed up to 1 × 10 9 times.

【0045】また、ワイヤーソーによる不活性体18の
切り込み深さを5mm、4mmに変化させ、スリット2
9を形成した。スリット29が形成された不活性体縮径
部18aの断面積S1 は、それぞれ導電性接着剤12の
面積S2 の28%、40%であった。得られた積層型圧
電アクチュエータに500Vの直流電圧を印加した結
果、50μmの変位量が得られた。更にこのアクチュエ
ータに0Vから+500Vの交番電圧を50Hzの周波
数にて印加した結果、印加回数1×109 回まで駆動を
行った場合でも積層体と不活性部の境界ではクラック及
び破断は見られなかった。
Further, the cutting depth of the inert material 18 by the wire saw was changed to 5 mm and 4 mm,
9 was formed. The cross-sectional areas S 1 of the inert reduced diameter portions 18 a in which the slits 29 were formed were 28% and 40% of the area S 2 of the conductive adhesive 12, respectively. When a DC voltage of 500 V was applied to the obtained laminated piezoelectric actuator, a displacement of 50 μm was obtained. Further, as a result of applying an alternating voltage of 0 V to +500 V to the actuator at a frequency of 50 Hz, no crack or break was observed at the boundary between the laminated body and the inactive portion even when the actuator was driven up to 1 × 10 9 times. Was.

【0046】さらに、ワイヤーソーによる不活性体18
の切り込み深さを7mm、1.8mmに変化させ、スリ
ット29が形成された不活性体縮径部18aの断面積S
1 が、それぞれ導電性接着剤12の面積S2 の10%の
比較例1の積層型圧電アクチュエータ、および75%の
比較例2の積層型圧電アクチュエータを作製した。さら
に、全くスリット29を形成しない比較例3の積層型圧
電アクチュエータを作製した。
Further, the inert material 18 using a wire saw
Is changed to 7 mm and 1.8 mm, and the cross-sectional area S of the inert body reduced diameter portion 18 a in which the slit 29 is formed is formed.
1, respectively laminated piezoelectric actuator of the comparative example 1 to 10% of the area S 2 of the conductive adhesive 12, and 75% in Comparative Example 2 the multilayer piezoelectric actuator prepared. Further, a laminated piezoelectric actuator of Comparative Example 3 in which no slit 29 was formed was manufactured.

【0047】上記実施例と同様の評価を行ったところ、
比較例1の積層型圧電アクチュエータでは、駆動試験セ
ット時に不活性体に亀裂が生じ、駆動試験が不可能とな
った。比較例2および比較例3は、2×108 回で不活
性体と積層体の境界にクラックを生じた。
When the same evaluation as in the above embodiment was performed,
In the multilayer piezoelectric actuator of Comparative Example 1, the inert body was cracked during the driving test setting, and the driving test became impossible. In Comparative Examples 2 and 3, cracks occurred at the boundary between the inactive material and the laminate after 2 × 10 8 times.

【0048】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
定し、試料上面にアルミニウム箔を張り付けて、レーザ
ー変位計により、素子の中心部及び周囲部3箇所で測定
した値の平均値で評価した。
The displacement was measured by fixing the sample on an anti-vibration table, attaching an aluminum foil to the upper surface of the sample, and averaging the values measured at the center and three peripheral portions of the element by a laser displacement meter. The value was evaluated.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
アクチュエータでは、積層体の上下に接合された不活性
体にスリットを形成し、このスリットが形成された不活
性体縮径部の断面積S1 を、電極面積S2 の25〜50
%とすることにより、積層体と不活性体の境界部分にお
ける応力を緩和し、高電圧、高速駆動の場合でもクラッ
クや破断を生じることなく長時間の駆動を行うことがで
きる。
As described in detail above, in the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, a slit is formed in the inactive body joined to the upper and lower sides of the multilayer body, and the inactive body reduced diameter portion in which the slit is formed is formed. the cross-sectional area S 1, 25 to 50 of the electrode area S 2
%, The stress at the boundary between the stacked body and the inactive body can be reduced, and driving can be performed for a long time without cracking or breaking even at high voltage and high speed driving.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の積層型圧電アクチュエータの側面図で
ある。
FIG. 1 is a side view of a laminated piezoelectric actuator of the present invention.

【図2】図1の積層型アクチュエータの一部拡大断面図
である。
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of the multilayer actuator of FIG.

【図3】図1の金属薄板を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing the metal sheet of FIG. 1;

【図4】図1のA−A線に沿う断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・積層体 11・・圧電板 12・・導電性接着剤 14・・金属薄板 15・・接続用突起 18・・不活性体 18a・・不活性体縮径部 29・・スリット S1 ・・・不活性体縮径部の断面積 S2 ・・・導電性接着剤の面積1 ... laminate 11 ... piezoelectric plate 12 ... conductive adhesive 14 ... metal thin plate 15 .. connecting projection 18 ... inert body 18a ... inactive form reduced-diameter portion 29 ... slit S 1 area ... inactive form the reduced diameter portion of the cross-sectional area S 2 ... conductive adhesive

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鬼塚 克彦 鹿児島県国分市山下町1番4号 京セラ株 式会社総合研究所内 (72)発明者 川元 智裕 鹿児島県国分市山下町1番4号 京セラ株 式会社総合研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Katsuhiko Onizuka, Inventor 1-4, Yamashita-cho, Kokubu-shi, Kagoshima Inside the Kyocera Research Institute (72) Inventor Tomohiro Kawamoto 1-4-4, Yamashita-cho, Kokubu-shi, Kagoshima Kyocera Inside Research Institute, Inc.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の圧電板と複数の電極とを交互に積層
した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合されたセ
ラミック製の不活性体とを具備するとともに、前記電極
が交互に電気的に接続された積層型圧電アクチュエータ
であって、前記不活性体の外周面に環状のスリットを形
成するとともに、該スリットを形成した部分の不活性体
縮径部の断面積S1 が、前記電極の面積S2 の25〜5
0%であることを特徴とする積層型圧電アクチュエー
タ。
1. A laminate comprising a plurality of piezoelectric plates and a plurality of electrodes alternately laminated, and ceramic inactive bodies respectively joined to upper and lower sides of the laminate, and the electrodes are alternately arranged. An electrically connected laminated piezoelectric actuator, wherein an annular slit is formed on the outer peripheral surface of the inert body, and a cross-sectional area S 1 of the inert body reduced diameter portion of the portion where the slit is formed is: 25-5 of the area S 2 of the electrode
A multilayer piezoelectric actuator characterized by being 0%.
【請求項2】スリット先端部の断面形状が円弧状である
ことを特徴とする請求項1記載の積層型圧電アクチュエ
ータ。
2. The laminated piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the cross-sectional shape of the slit tip is an arc.
【請求項3】スリット内に不活性体よりもヤング率が小
さい材料を充填してなることを特徴とする請求項1また
は2記載の積層型圧電アクチュエータ。
3. The multilayer piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the slit is filled with a material having a Young's modulus smaller than that of the inert body.
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