JP2001069771A

JP2001069771A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001069771A
Application number: JP24664099A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Nakamura; 成信中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高温の使用環境下、高い印加電界で高速で連続
駆動させる場合においても、外部電極と内部電極が断線
することなく高耐久性を備えた積層型圧電アクチュエー
タを提供する。【解決手段】導電性セラミックス、金属酸化物、又は周
期律表第６族〜第９族金属及びその合金の少なくとも１
種以上からなる導電剤を１５〜８０体積％と、残部がマ
トリックスとして５％重量減少温度２５０℃以上の樹脂
からなる導電性耐熱接着剤４ａにて外部電極４を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用燃料噴射
弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動
素子等に用いられる積層型圧電アクチュエータに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電歪効果を利用して大きな変
位量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層し
た積層型圧電アクチュエータが提案されている。積層型
圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと圧電磁器と
内部電極板を交互に積層したスタックタイプの２種類に
分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考
慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータ
が薄層化に対して有利であるために、その優位性を示し
つつある。

【０００３】図５に、従来の積層型圧電アクチュエータ
の構造を示した。図のように圧電体１と内部電極２が交
互に積層され、その積層方向最外層は不活性層５として
いる。内部電極２はその一方の端部が左右交互に絶縁体
９で被覆され、その上から外部電極導体１０が内部電極
２と左右各々１層置きに導通するように形成されてい
る。外部電極導体１０上には、さらにリード線６が半田
７により固定されている。

【０００４】同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエー
タとして、例えば、特開平４−２３７１７２号公報に
は、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端
部に一層おきにガラスからなる絶縁層を被覆し、Ｎｉ、
Ａｇ等の耐酸化性良好な金属からなる外部電極には、絶
縁層と同じピッチで、かつ絶縁層の断面よりやや大きい
凹部を形成し、この凹部内に絶縁層を収容するようにし
て、かつ、凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない
内部電極の端部を導電剤＋ガラスフリット等からなる導
電性接着剤で接着することにより、外部電極と一方の内
部電極との電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶
縁性を確保した積層型圧電アクチュエータが開示されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におい
ては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下におい
て大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加
し、長期間連続駆動させることが行われているが、高電
界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、圧電体間に
形成された内部電極と正極、負極用の外部電極との間で
剥離が発生し、一部の圧電体に電圧が供給されなくな
り、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。

【０００６】また、特開平４−２３７１７２号公報に開
示された積層型圧電アクチュエータでは、アクチュエー
タ本体の側面に露出した内部電極の端部には一層おきに
ガラスからなる絶縁層が被覆され、内部電極とその両側
の圧電体が強固に接合されており、この絶縁層が外部電
極の凹部内に収容されて、外部電極と内部電極との絶縁
性が確保されていたので、高電界、高圧力下で長期間連
続駆動させた場合、ガラス等からなる絶縁層に割れが生
じ、この割れを介して内部電極と外部電極との間でショ
ートし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動
中に変位特性が変化するという問題があった。

【０００７】即ち、アクチュエータ本体は、圧電体と内
部電極との積層方向に伸縮するため、内部電極の端部お
よびその近傍の圧電体に設けられた高ヤング率のガラス
からなる絶縁層が、長期間連続駆動による伸縮動作に耐
えきれずに破壊され、この破壊部分を介して内部電極と
外部電極間でショートが発生し易いという問題があっ
た。

【０００８】そこで、特開昭６３−１５３８７０号公報
に開示された積層型圧電アクチュエータにおいては、ア
クチュエータ本体の側面に露出した内部電極端部と外部
電極とを、フレキシブルな合成樹脂と導電性フィラーか
らなる導電性接着剤により接続している。この場合、導
電性接着剤にフレキシブルな樹脂を用いることにより、
アクチュエータ本体が伸縮動作する際に、該導電性接着
剤が割れるといった不具合が生じることを防いでいる
が、自動車用燃料噴射弁等、高温で使用される場合にお
いては、該導電性接着剤に用いられている樹脂の耐熱性
が低いために該樹脂が硬化し、アクチュエータ駆動中に
内部電極と外部電極が断線し、変位特性が変化するとい
った問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、複数
の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、各
内部電極を一層おきに相対する極をもつ同一の外部電極
に接続させてなる積層型圧電アクチュエータにおいて、
前記外部電極を導電性耐熱接着剤で形成し、該導電性耐
熱接着剤が、導電性セラミックス、金属酸化物、又は周
期律表第６族〜第９族金属及びその合金の少なくとも１
種以上からなる導電剤を１５〜８０体積％と、残部がマ
トリックスとして５％重量減少温度２５０℃以上の樹脂
からなることを特徴としている。

【００１０】即ち、マトリックスとして５％重量減少温
度が２５０℃以上の耐熱性樹脂を用いた導電性耐熱接着
剤で外部電極を形成することにより、高温での使用に際
して強い接着力を維持することが可能となり、高温の使
用環境下、高い印加電界で高速で連続駆動させる場合に
おいても、外部電極と内部電極が断線することなく高耐
久性を備えた積層型圧電アクチュエータを提供すること
ができる。

【００１１】また、該導電性耐熱接着剤に混合する導電
剤の種類及びその混合量を変えることによって、望みと
する比抵抗をもった導電性接着剤で外部電極を形成する
ことができる。

【００１２】なお、該導電性耐熱接着剤中の導電剤の含
有量を１５〜８０体積％としたのは、導電剤の含有量が
１５体積％未満の場合には、導電剤粒子間の接触が困難
になるため、該導電性耐熱接着剤の比抵抗が大きくな
り、電流を流した際に該外部電極部分で局所発熱をして
しまうからである。一方、導電剤の含有量を８０体積％
よりも多くすると、接着を担うマトリックス成分の含有
量が相対的に少なくなるため、高い接着強度を維持でき
なくなり、内部電極と外部電極とが断線してしまう恐れ
があるからである。

【００１３】また本発明は、上記導電性耐熱接着剤のマ
トリックスとして用いる樹脂の弾性率が２０００ｋｇｆ
／ｍｍ²以下で且つ、伸度が１０％以上であることを特
徴としている。即ち、外部電極を形成する導電性耐熱接
着剤のマトリックス成分である樹脂の弾性率を２０００
ｋｇｆ／ｍｍ²以下、伸度を１０％以上とすることによ
り、該導電性耐熱接着剤と熱膨張の異なる圧電体及び内
部電極と接合する際において発生する応力、及び、該ア
クチュエータの駆動時に生じる応力を吸収することがで
き、駆動時に内部電極と外部電極が断線するといった問
題が生じるのを防ぐことができる。

【００１４】さらに本発明では、上記導電性耐熱接着剤
のマトリックスとして用いる樹脂が、ポリイミドやポリ
アミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂であること
を特徴としている。即ち、樹脂の中でも特に耐熱性に優
れたポリイミドやポリアミドイミドなどのイミド結合を
有する樹脂をマトリックスとした導電性耐熱接着剤を外
部電極に用いることにより、高温での耐久性に優れたア
クチュエータを得ることができる。

【００１５】また本発明では、上記導電性耐熱接着剤の
マトリックスとして用いる樹脂が熱可塑性を有し、ガラ
ス転移温度が１８０℃以上であることを特徴としてい
る。即ち、マトリックスとして用いる樹脂を熱可塑性樹
脂とすることにより、高温での連続使用はもちろん、低
温と高温の間でのヒートサイクルの条件下でも、圧電体
及び内部電極との熱膨張差から生じる応力を吸収し、高
強度を維持することができる。

【００１６】さらに本発明では、上記導電性耐熱接着剤
で薄板状の導電部材を接合し、これら導電性部材を接合
し、これら導電性耐熱接着剤と導電部材で上記外部電極
を構成したことを特徴としている。即ち、耐熱性、及
び、応力吸収性に優れ導電性耐熱接着剤を用いて内部電
極と前記導電部材を接合することにより、高温の使用環
境下、高い印加電界で高速で連続駆動させる場合におい
ても、外部電極と内部電極が断線することなく高耐久性
を備えた積層型圧電アクチュエータを提供することがき
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
って説明する。図１は本発明において、導電性耐熱接着
剤４ａを外部電極４として用いた積層型圧電アクチュエ
ータの実施例の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線
断面図である。

【００１８】図１、２に示すように、本発明の積層型圧
電アクチュエータは、複数の圧電体１と複数の内部電極
２とを交互に積層してなるアクチュエータ本体の少なく
とも２つの側面において、内部電極２の端部に１層おき
に絶縁体３を形成し、絶縁体３を形成していない内部電
極２の端部を同一の外部電極４に接続してなる。

【００１９】前記圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコ
ン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）或
いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を主成分とする圧
電セラミック材料などが使用されるが、これらに限定さ
れるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれ
ば何れでも良い。なお、この圧電体材料としては、圧電
歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。また、圧電体１の
厚み、つまり内部電極２間の距離は、小型化および高い
電界を印加するという点から０．０５〜０．２５ｍｍで
あることが望ましい。

【００２０】内部電極２は、アクチュエータ本体の全て
の側面に露出しているが、そのうち２つの側面におい
て、内部電極２端部を含む圧電体１の端部１層おきに溝
が形成され、該溝部にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等の絶
縁体３が充填されている。なお、該絶縁体３は低ヤング
率の材質、例えばシリコーンゴム等が好ましい。このよ
うに、内部電極２は互い違いに１層おきに絶縁され、絶
縁されていない内部電極２の他方の端面は、本発明の導
電性耐熱接着剤４ａにて正極及び負極の外部電極４が形
成され、該外部電極４端部には半田取り付け部材８が固
定されており、さらにその上にリード線６が半田７によ
り固定されている。

【００２１】前記外部電極４は、導電性セラミックス、
金属酸化物、又は周期律表第６族〜第９族金属及びその
合金の少なくとも１種以上からなる導電剤を１５〜８０
体積％と、残部がマトリックスとして５％重量減少温度
２５０℃以上の樹脂からなる導電性耐熱接着剤４ａから
なる。

【００２２】まず、該導電性耐熱接着剤４ａのマトリッ
クスについては、５％重量減少温度が２５０℃以上の有
機樹脂を用いることを特徴としている。これは、一般に
樹脂の耐熱性は５％（若しくは３％ないし１０％）重量
減少温度で評価され、使用温度的に最も厳しい環境の１
つである自動車用燃料噴射弁に用いられる場合等を考慮
すると、少なくとも２５０℃以上の５％重量減少温度を
もつ樹脂を用いた場合に十分な高温耐久性が得られるか
らである。

【００２３】ここで簡単に、樹脂の５％重量減少温度の
測定方法について説明する。まず、使用前の形態がワニ
ス状の樹脂である場合は、予め溶剤分の蒸発と樹脂の硬
化を完了させておく。そして、５％重量減少温度の測定
には一般的には熱重量分析法（ＴＧ）が用いられる。即
ち、大気中で一定の昇温速度（１〜１０℃／分）で試料
となる樹脂を昇温させ、そのときの重量を逐次測定して
おく。そして、初期の重量に対して５％の重量が減少し
た時点の温度がその樹脂の５％重量減少温度である。こ
のように測定した５％重量減少温度が２５０℃以上の樹
脂を導電性耐熱接着剤４ａのマトリックスとして用いる
ことにより、高温での耐久性に優れた外部電極４を形成
することができる。

【００２４】また、導電剤の含有比率は、マトリックス
樹脂の固形分に対して１５〜８０体積％にすることが望
ましい。その理由は、導電性耐熱接着剤４ａ中に含まれ
る導電剤の含有量が１５体積％より少ない場合は、導電
剤粒子間の接触が困難になり、該導電性耐熱接着剤４ａ
の比抵抗が大きくなり、電圧を印加した際に該導電性接
着剤４ａ部分で局所発熱をしてしまう恐れがあるからで
ある。一方、導電剤の含有量を８０体積％より多くする
と、接着を担っているマトリックス成分の含有量が相対
的に少なくなるため、高強度を維持できなくなるからで
ある。また、導電剤の含有量が８０体積％より多い場合
には接着剤のペースト性が悪くなるといった問題も生じ
てくる。こういった理由から、導電剤の含有量を接着剤
固形分に対して１５〜８０体積％とすることが良い。

【００２５】導電剤としては、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ等の耐
酸化性良好な金属や、ＷＣ、ＴｉＮ等の金属炭化物や窒
化物、ＲｕＯ₂等の金属酸化物、もしくはこれらの合金
や混合物を用いても構わない。また、マトリックス樹脂
に充填する導電剤粉末の粒子形状は針状やフレーク状な
どの非球形の粉末であることが望ましい。これは、導電
剤粒子の形状を針状やフレーク状などの非球形にするこ
とにより、略球形の場合よりも導電剤粒子同士の絡み合
いが大きくなり、結果として、該接着剤の剪断強度を大
きく向上させることができるからである。但し、非球形
粉末に対し、略球形粉末を併用しても構わない。

【００２６】さらに、本発明の導電性耐熱接着剤４ａは
従来の導電材＋ガラスフリット等からなる導電性ペース
トの場合とは異なり、比較的低温にて焼き付けが可能な
ため、内部電極２端部を含む圧電体１の端部１層おきに
形成した溝部に充填したシリコーンゴム等の絶縁体３が
熱劣化するのを防ぐことができる。

【００２７】また、本発明は、導電性耐熱接着剤４ａの
マトリックスとして用いる樹脂の弾性率が２０００ｋｇ
ｆ／ｍｍ²以下で、伸度が１０％以上であることを特徴
としている。これは、弾性率を２０００ｋｇｆ／ｍｍ²
以下、伸度を１０％以上とすることにより、該導電性耐
熱接着剤４ａと熱膨張の異なる圧電体１及び内部電極２
と接合する際において発生する応力、及び、該アクチュ
エータの駆動時に圧電体１の伸縮によって生じる応力を
吸収することができ、駆動時に内部電極２と外部電極４
が断線するといった問題が生じるのを防ぐことができ、
連続駆動における信頼性を大幅に向上させることができ
る。

【００２８】さらに本発明では、上記導電性耐熱接着剤
４ａのマトリックスとして用いる樹脂がポリイミドやポ
リアミドイミドなどのイミド結合を有する有機樹脂であ
ることを特徴としている。これは、有機樹脂の中でポリ
イミドやポリアミドイミドなどのようにイミド結合を有
する分子構造の樹脂が特に耐熱性に優れているからで、
このような耐熱性に優れた有機樹脂をマトリックスとす
ることにより、耐熱性に優れた導電性耐熱接着剤４ａを
形成することができるからである。

【００２９】また本発明では、上記導電性耐熱接着剤４
ａのマトリックスとして用いる樹脂が熱可塑性を有し、
ガラス転移温度が１８０℃以上であることを特徴として
いる。まず、マトリックスとして用いる樹脂を熱可塑性
の樹脂とすることにより、アクチュエータの使用環境が
ヒートサイクル的な条件下であった場合において、熱膨
張の違いによって生じる応力の吸収性を大幅に向上する
ことができる。

【００３０】また、一般には、ガラス転移点以上の温度
での使用は、樹脂の強度は著しく低下するため、本発明
における導電性耐熱接着剤４ａのマトリックスとして用
いる熱可塑性樹脂のガラス転移温度は、温度環境的に厳
しい自動車用燃料噴射弁等に用いられる場合の環境を考
慮して、１８０℃以上とすることが望ましい。

【００３１】また、アクチュエータ本体の積層方向の両
端面には、アクチュエータ本体を機械的に保持し、発生
する力を外部へ伝達するための不活性部５が積層され、
接合されている。さらに、図示されてはいないが、外部
電極４の外側全体をシリコーンゴム等の絶縁被覆材によ
って被覆することにより、外部からの水分の進入を防ぐ
ことができ、内部及び外部電極部材間のエレクトロマイ
グレーションの発生を抑制し、電極接続の信頼性を確保
することができる。

【００３２】そして、一対の前記リード線６に０〜２０
０Ｖの交流電圧を印加すると、積層数に応じて数十μｍ
単位で積層方向に伸縮するような動作をさせることが可
能となる。この特性を利用して、本発明のアクチュエー
タを例えば自動車用燃料噴射弁、光学装置の精密位置決
め装置や振動防止用の駆動素子等に使用することができ
る。

【００３３】以上のように構成された積層型圧電アクチ
ュエータは、以下のプロセスにより製造される。先ず、
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧
電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバ
インダーと、可塑剤とを混合したスラリーを調製し、ス
リップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍ
のセラミックグリーンシートを作製する。

【００３４】このグリーンシートの片面に内部電極２と
なる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをス
クリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。
この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが
塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層
し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペースト
が塗布されていないグリーンシートを積層する。

【００３５】次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱
を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化
された積層体は所定の大きさに切断された後、４００〜
８００℃で５〜４０時間の脱バインダが行われ、９００
〜１２００℃で２〜５時間の本焼成が行われ、アクチュ
エータ本体となる積層焼結体を得る。このアクチュエー
タ本体の側面には、内部電極２の端部が露出している。

【００３６】その後、該アクチュエータ本体の２つの側
面において、内部電極２端部を含む圧電体１の端部に該
２側面において互い違いになるように、１層おきに深さ
５０〜５００μｍ、積層方向の幅５０〜３００μｍの溝
を形成し、該溝部にシリコーンゴム等の絶縁体３を充填
する。以上のように、内部電極２は互い違いに１層おき
に絶縁され、交互に同一の外部電極４に接続される。

【００３７】外部電極４の形成方法を、本発明の導電性
耐熱接着剤４ａのマトリックスとしてポリイミドを用い
た場合について説明する。まず、該接着剤のマトリック
スとして用いるポリイミド樹脂は、濃硫酸以外には溶解
しない難溶解性の樹脂である。そのため、ポリイミドの
前駆体であるポリアッミク酸を適当な溶媒、例えば、Ｎ
−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）やテトラヒドロフ
ラン（ＴＨＦ）などに溶解させ、ワニス状にする。この
ワニスに望みとする体積分率で導電剤をを混合、混練
し、ペースト状にする。なお、混練の際には、３本ロー
ラーミル等の混練機を用いるのが望ましい。また、該導
電性耐熱接着剤４ａ中に含有する導電剤としては、上述
のように様々なものを用いることができるが、特にニッ
ケル、銀、白金、金などの周期律表第６〜９族の比較的
体積固有抵抗の低い金属粉末を用いることが望ましい。

【００３８】上記のようにして作製した接着剤ペースト
を、外部電極４を形成する所定の位置に塗布し、室温〜
４００℃の空気中または窒素雰囲気中で溶媒を蒸発させ
るとともに、硬化反応を起こさせることにより、耐熱
性、ヒートサイクル性、接着性に優れた外部電極４を形
成することができる。また、外部電極４として薄板状の
導電部材４ｂを用いる場合には、予め塗布しておいた導
電性耐熱接着剤４ａに導電部材４ｂを密着させた状態
で、上記と同様ポリイミドを加熱硬化させることによ
り、外部電極４を形成することができる。

【００３９】前記導電性耐熱接着剤４ａの厚みは、１０
〜５００μｍ程度であることが好ましい。

【００４０】この後、正極用と負極用各々の導電部材４
ｂにリード線６を接続し、図示しないが、アクチュエー
タの周囲にディッピング等の方法により、シリコーンゴ
ム等の被覆材を被覆する。さらに、正極、負極に０．１
〜３ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分
極処理することで、最終的な積層型圧電アクチュエータ
を得る。

【００４１】なお、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、四角柱、六角柱、円柱等、どのような柱体であって
も構わないが、切断加工の容易性から四角柱状が望まし
い。

【００４２】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。図３は本発明において、導電性耐熱接着剤４ａを
用いて外部電極４となる薄板状の導電部材４ｂと内部電
極２とを接続した場合の積層型圧電アクチュエータの実
施例の斜視図であり、図４は図３のＢ−Ｂ’線断面図で
ある。図３、４では、導電性耐熱接着剤４ａに薄板状の
導電部材４ｂを接合し、両者を併せて外部電極４として
いる。

【００４３】即ち、耐熱性、及び、応力吸収性に優れた
導電性耐熱接着剤４ａを用いて内部電極２と導電部材４
ｂを接合することにより、高温の使用環境下、高い印加
電界で高速で連続駆動させる場合においても、外部電極
４と内部電極２が断線することなく高耐久性を備えた積
層型圧電アクチュエータを提供することがきる。また、
万一、導電性耐熱接着剤４ａにアクチュエータ本体の伸
縮によってクラックが発生した場合においても、導電部
材４ｂ内部で断線することがないため、さらに高い信頼
性を備えたアクチュエータを提供することができる。

【００４４】なお、該薄板状の導電部材４ｂは、メッシ
ュ状であっても構わない。

【００４５】導電部材４ｂの材質としては、Ａｇ、Ｎ
ｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、ステンレス、Ｆｅ−Ｎｉ−
Ｃｏ合金等のような金属材料を使用することが可能であ
る。また、前記導電部材の厚みは、２０〜２００μｍ程
度のものを用いることが好ましい。

【００４６】

【実施例】実施例１以下、本発明で用いる導電性耐熱接着剤の実施例を説明
する。マトリックスとして５％重量減少温度が３００℃
のポリイミド樹脂を、導電剤として銀粉末を用い、この
銀粉末の含有率を変化させて作製した導電性耐熱接着剤
について、比抵抗と接着強度を測定した。なお、接着強
度については、該導電性耐熱接着剤をＰＺＴからなる圧
電板に接着し、接着方向と垂直方向に引っ張り試験を行
い、オートグラフにより測定を行った。結果を表１に示
した。

【００４７】

【表１】

【００４８】結果は表１に示す通りで、導電剤の含有量
が１５体積％未満の場合には、該導電性接着剤の比抵抗
が高くなりすぎ、外部電極としては使用できない。一
方、導電剤の含有量が８０体積％より多い場合には、相
対的にマトリックス成分である樹脂分が少なくなるた
め、ＰＺＴ圧電板との接着強度が弱くなってしまう。こ
れに対し、本発明の請求範囲にあるように導電剤の含有
量を１５〜８０体積％の範囲にしておけば、比抵抗、接
着強度の両面で問題がないことが分かる。

【００４９】また、導電剤として銀粉末以外に表２に示
す材料を用いて、含有量４０体積％としたときの比抵抗
を測定した。これらの導電剤についても、上記と同様に
含有量を１５〜８０体積％の範囲としておけば、導電
性、接着性に優れた導電性耐熱接着剤を得られることが
確認された。

【００５０】

【表２】

【００５１】次に、マトリックスとして５％重量減少温
度の異なる数種の樹脂を用いて、導電性耐熱接着剤を作
製し、ＰＺＴ圧電体との接着強度を２００℃に所定の時
間放置した後、測定した。なお、導電剤としては銀粉末
を４０体積％の割合で含有させた。結果を表３に示す。

【００５２】

【表３】

【００５３】表３に示したように、５％重量減少温度が
２５０℃より低い場合には、高温の環境下での使用にお
いては、十分な強度が維持できないことが分かる。これ
に対し、本発明の請求範囲に示したように、５％重量減
少温度が２５０℃以上の樹脂を用いてマトリックスを形
成した場合には、高温環境下においても十分な接着強度
を維持することができることが分かる。

【００５４】実施例２さらに、マトリックスとして５％重量減少温度が３００
℃のポリイミド樹脂を、導電剤として４０体積％の銀粉
末を用いた導電性耐熱接着剤４ａにて外部電極４を形成
した図１に示す積層型圧電アクチュエータを作製した。
なお、圧電体１には厚み１００μｍのＰＺＴを、内部電
極２には厚み３μｍの銀・パラジウムを用い、積層数は
３００とした。また、内部電極２端部を含む圧電体１の
端部の１層おきに形成した溝部には、絶縁体３としてシ
リコーンゴムを充填した。

【００５５】得られた積層型圧電アクチュエータに２０
０Ｖの直流電圧を印加した結果、５０μｍの変位が得ら
れた。さらに、このアクチュエータに０〜＋２００Ｖの
交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加し、駆動試験を行
った結果、５×１０⁸サイクルまで５０μｍ変位を維持
した。さらに、本発明の積層型圧電アクチュエータを２
００℃の環境雰囲気中で２００Ｖの交流電圧を５０Ｈｚ
の周波数にて５×１０⁸サイクル印加した場合でも、放
電、破損等は全く生じず、初期と同等の変位を維持して
いた。

【００５６】実施例３上記実施例２とは別に、５％重量減少温度の異なる数種
の樹脂をマトリックスに用い、導電剤としては銀粉末を
用い、その含有量を数種変化させて作製した導電性耐熱
接着剤４ａにて外部電極４を形成した上記実施例２と同
じ構成の積層型圧電アクチュエータを作製した。得られ
た積層型圧電アクチュエータについて、２００℃の環境
雰囲気中で２００Ｖの交流電圧を５０Ｈｚの周波数にて
印加し、駆動試験を行った。結果を表４に示す。

【００５７】

【表４】

【００５８】サンプルＮｏ．１のアクチュエータの場
合、１×１０⁵サイクル後にその変位量を確認したとこ
ろ、初期の約半分の変位量しか得られていなかった。こ
れは、外部電極４を形成する導電性耐熱接着剤４ａのマ
トリックス樹脂の５％重量減少温度が２５０℃より低い
ために、高温での雰囲気中で接着強度を維持することが
できずに、一部の内部電極２との間に剥離が生じ、一部
の圧電体１に電圧が供給されなかったためである。

【００５９】また、サンプルＮｏ．２のアクチュエータ
の場合、２×１０²サイクルの時点で、外部電極４で局
所発熱が起きていることが確認された。これは、外部電
極４を形成している導電性耐熱接着剤中４ａの導電剤の
含有量が１５体積％より少ないために、該導電性耐熱接
着剤４ａ中の導電剤粒子間の接触が困難となり、その結
果、該導電性耐熱接着剤４ａの比抵抗が増大したため
に、局所発熱が生じたものである。

【００６０】さらに、サンプルＮｏ．３のアクチュエー
タの場合、５×１０⁴サイクルで、外部電極４が脱落し
ていることが確認された。これは、外部電極４を形成す
る導電性耐熱接着剤４ａ中に含まれる導電剤の量が８０
体積％よりも多いために、接着を担っているマトリック
ス成分の量が十分ではなく、その結果、駆動サイクル中
に外部電極４がアクチュエータ本体から脱落してしまっ
たものである。

【００６１】一方、サンプルＮｏ．４、５及び６は、本
発明の請求範囲で示したように、外部電極４を形成する
導電性耐熱接着剤４ａのマトリックス樹脂の５％重量減
少温度が２５０℃以上で、且つ、該導電性耐熱接着剤４
ａ中の導電剤の含有率が１５〜８０体積％であるため
に、高温の使用環境下、高い印加電界で高速で連続駆動
させる場合においても、外部電極４と内部電極２が断線
したり、外部電極４が局所発熱したりすることなく、高
耐久性を備えていることが分かる。

【００６２】実施例４次に、マトリックスとして用いる５％重量減少温度が２
５０℃以上の樹脂の弾性率と伸度を数種変化させたもの
を用いてて作製した導電性耐熱接着剤４ａにて外部電極
４を形成した上記実施例２と同じ構成の積層型圧電アク
チュエータを作製した。なお、導電剤には４０体積％の
銀粉末を用いた。得られた積層型圧電アクチュエータに
ついて、印加する交流電界の強さを２００Ｖ、２５０
Ｖ、３００Ｖと変化させて、各々の電圧における周波数
は５０Ｈｚにて駆動試験を行った。結果を表５に示す。

【００６３】

【表５】

【００６４】サンプルＮｏ．７、８、９のアクチュエー
タの場合、外部電極４を形成する導電性耐熱接着剤４ａ
のマトリックス成分である樹脂の弾性率が２０００ｋｇ
ｆ／ｍｍ²より大きいか、若しくは、該樹脂の伸度が１
０％未満であるため、２００Ｖでの駆動時には問題はな
いが、駆動電界を大きくしていった場合、即ち、アクチ
ュエータ本体の変位量が大きくなった場合に、アクチュ
エータ本体の伸縮に該導電性耐熱接着剤４ａが追従でき
ず、駆動中に該導電性耐熱接着剤４ａに割れを生じ、該
外部電極４が断線するといった不具合が生じている。

【００６５】一方、サンプルＮｏ．１０、１１は、本発
明の請求範囲で示したように、外部電極４を形成する導
電性耐熱接着剤４ａのマトリックス樹脂の弾性率が２０
００ｋｇｆ／ｍｍ²で、且つ、伸度が１０％以上である
ため、駆動電界を大きくしていった場合、即ち、アクチ
ュエータ本体の変位量が大きくなった場合においても、
アクチュエータ本体の伸縮に該導電性耐熱接着剤４ａが
十分に追従し、駆動中に外部電極４が脱落したり、断線
したりするといった問題が生じていないことが分かる。

【００６６】実施例５次に、外部電極４を形成する導電性耐熱接着剤４ａのマ
トリックスとして５重量％減少温度が２５０℃以上の樹
脂の種類を変えて、上記実施例２と同じ構成の積層型圧
電アクチュエータを作製した。なお、このときの導電剤
には４０体積％の銀粉末を用いた。得られた積層型圧電
アクチュエータについて、２００℃、２５０℃、３００
℃の温度雰囲気において、２００Ｖの交流電圧を５０Ｈ
ｚの周波数にて印加し、駆動試験を行った。

【００６７】結果は表６に示した。

【００６８】

【表６】

【００６９】表６に示したように、外部電極４を形成す
る導電性耐熱接着剤４ａのマトリックスとして、Ｎｏ．
１４、１５に示したシリコーン、エポキシを用いた系で
は、２５０℃以上における熱サイクルテストで外部電極
の断線が発生した。これに対し、有機樹脂の中でも特に
耐熱性に優れたポリイミドやポリアミドイミド、ビスマ
レイミドなどのイミド結合を有した樹脂を用いたＮｏ．
１２、１３、１６では、さらに耐熱性に優れた積層型圧
電アクチュエータを作製することができることが分か
る。

【００７０】実施例６次に、マトリックスとして用いる樹脂の種類を数種変化
させて作製した導電性耐熱接着剤４ａにて外部電極４を
形成した上記実施例２と同じ構成の積層型圧電アクチュ
エータを作製した。なお、このときの導電性耐熱接着剤
４ａのマトリックスには５％重量減少温度が２５０℃以
上の樹脂を、導電剤には４０体積％の銀粉末を用いた。
得られた積層型圧電アクチュエータについて、以下のヒ
ートサイクル及び駆動試験を行った。

【００７１】手順１：２５℃にて２００Ｖの交流電圧を
５０Ｈｚの周波数にて印加し、１×１０³サイクル駆動
を行う。

【００７２】手順２：１６０℃の雰囲気に５秒で到達さ
せる。

【００７３】手順３：１６０℃にて２００Ｖの交流電圧
を５０Ｈｚの周波数にて印加し、１×１０³サイクル駆
動を行う。

【００７４】手順４：２５℃の雰囲気に５秒で到達させ
る。

【００７５】以下、手順１→手順２→手順３→手順４→
手順１→…繰り返し結果を表７に示す。

【００７６】

【表７】

【００７７】サンプルＮｏ．１７の場合、外部電極４を
形成している導電性耐熱接着剤４ａのマトリックスとし
て熱硬化性樹脂を用いているために、室温と１６０℃の
ヒートサイクルにおいて、圧電体１及び内部電極２との
熱膨張差により発生する応力によって該導電性耐熱接着
剤４ａに割れが生じている。

【００７８】また、サンプルＮｏ．１８の場合、外部電
極４を形成している導電性耐熱接着剤４ａのマトリック
スにガラス転移温度が１５０℃の熱可塑性樹脂を用いて
いるために、２５℃から１６０℃の雰囲気に急速で到達
させた場合に、該導電性耐熱接着剤４ａのマトリックス
のガラス転移温度を超えてしまうために、該導電性耐熱
接着剤４ａの接着強度が減少し、且つ、熱膨張差によっ
て生じる応力によって、一部の内部電極２との界面に剥
離が生じ、一部の圧電体１に電圧が供給されず、変位量
が減少してしまっている。

【００７９】一方、サンプルＮｏ．１９及び２０は、本
発明で規定したように、外部電極４を形成している導電
性耐熱接着剤４ａのマトリックスとしてガラス転移温度
が１８０℃以上の熱可塑性樹脂を用いているので、ヒー
トサイクルによって生じる熱応力を該導電性耐熱接着剤
４ａが十分に吸収し、また、ガラス転移点が十分に高い
ために高温での接着強度も維持している。即ち、該導電
性耐熱接着剤４ａのマトリックスとして、ガラス転移温
度が１８０℃以上の熱可塑性樹脂を用いることにより、
高温での耐久性もちろん、ヒートサイクルの条件下にお
いても高耐久性を兼ね備えた積層型圧電アクチュエータ
を提供することができる。

【００８０】実施例７次に、マトリックスとして５％重量減少温度が３００℃
のポリイミド樹脂を、導電剤として４０体積％の銀粉末
を用いた導電性耐熱接着剤４ａにて外部電極４を形成し
た図１に示す積層型圧電アクチュエータ及び、前記導電
性耐熱接着剤４ａにて、厚み０．１ｍｍのコバールから
なる薄板状の導電部材４ｂを内部電極２に一層おきに接
続した図３に示す積層型圧電アクチュエータを作製し
た。なお、圧電体１には厚み１００μｍのＰＺＴを、内
部電極２には厚み３μｍの銀・パラジウムを用い、積層
数は３００とした。また、内部電極２端部を含む圧電体
１の端部の１層おきに形成した溝部には、絶縁体３とし
てシリコーンゴムを充填した。得られた積層型圧電アク
チュエータについて、２００℃の環境下で２５０Ｖの交
流電圧を６０Ｈｚの周波数にて印加し、駆動試験を行っ
た。

【００８１】結果を表８に示す。

【００８２】

【表８】

【００８３】図３に示す構成のサンプルＮｏ．２２の積
層型圧電アクチュエータにおいては、高温の環境雰囲気
中、高速で連続駆動させた場合において、図１に示す構
造のサンプルＮｏ．２１の積層型圧電アクチュエータよ
りもさらに高い耐久性を備えていることが分かる。これ
は、該アクチュエータを過酷な環境下で高速で連続駆動
させ場合に、導電性耐熱接着剤４ａにアクチュエータ本
体の伸縮によってクラックが発生した場合においても、
外部電極４を形成する導電部材４ｂにまでクラックが進
展しないので、導電性耐熱接着剤４ａで外部電極４を形
成した図１に示すアクチュエータよりも、さらに高い信
頼性を備えたアクチュエータを提供することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上のように、本発明の積層型圧電アク
チュエータでは、複数の圧電体と複数の内部電極とを交
互に積層してなり、各内部電極を一層おきに同一の外部
電極に接続させてなる積層型圧電アクチュエータにおい
て、上記外部電極が導電性耐熱接着剤から形成され、該
導電性耐熱接着剤が、導電性セラミックス、金属酸化
物、又は周期律表第６族〜第９族金属及びその合金の少
なくとも１種以上からなる導電剤を１５〜８０体積％
と、残部がマトリックスとして５％重量減少温度が２５
０℃以上である樹脂からなることによって、高温下での
使用に際して強い接着力を維持できるので、高温且つ高
い印加電界で高速で連続駆動させる場合においても、外
部電極と内部電極が断線することなく高耐久性を備えた
積層型圧電アクチュエータを提供することができる。

【００８５】また、導電性耐熱接着剤のマトリックスと
して用いる樹脂の弾性率を２０００ｋｇｆ／ｍｍ²以
下、伸度を１０％以上としているため、該導電性耐熱接
着剤と熱膨張の異なる圧電体及び内部電極と接合する際
において発生する応力、及び、該アクチュエータの駆動
時に生じる応力を吸収することができ、駆動時に内部電
極と外部電極が剥離し、一部の圧電体に電圧が供給され
なくなるといった問題が生じるのを防ぐことができる。

【００８６】さらに、導電性耐熱接着剤のマトリックス
として、最も耐熱性に優れた樹脂の一つであるポリイミ
ドやポリアミドイミドなどのイミド結合を有する樹脂を
用いることにより、高温での連続使用においても強い接
着力を維持する外部電極を備えた積層型圧電アクチュエ
ータを提供することができる。

【００８７】また、導電性耐熱接着剤のマトリックスと
して、ガラス転移温度が１８０℃以上の熱可塑性樹脂を
用いることにより、耐熱性はもちろん耐ヒートサイクル
性に優れた外部電極を形成することができる。

【００８８】さらに、導電性耐熱接着剤で薄板状の導電
部材を接合し、これら導電性部材を接合し、これら導電
性耐熱接着剤と導電部材で上記外部電極を構成すること
により、高温且つ高い印加電界で高速で連続駆動させる
場合においても、外部電極と内部電極が断線することな
く高耐久性を備えた積層型圧電アクチュエータを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータを示す斜視
図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ’線断面図である。

【図３】本発明の他の実施形態を示した斜視図である。

【図４】図３中のＢ−Ｂ’線断面図である。

【図５】従来の積層型圧電アクチュエータを示す縦断面
図である。

【符号の説明】

１：圧電体２：内部電極３：絶縁体４：外部電極４ａ：導電性耐熱接着剤４ｂ：導電部材５：不活性部６：リード線７：半田８：半田取り付け部材９：絶縁体１０：外部電極導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に
積層し、各内部電極を一層おきに相対する極をもつ同一
の外部電極に接続させてなる積層型圧電アクチュエータ
において、前記外部電極は、導電性セラミックス、金属
酸化物、又は周期律表第６族〜第９族金属及びその合金
の少なくとも１種以上からなる導電剤を１５〜８０体積
％、残部がマトリックスとして５％重量減少温度２５０
℃以上の樹脂から成る導電性耐熱接着剤で形成されてい
ることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】上記導電性耐熱接着剤のマトリックスとし
て用いる樹脂の弾性率が２０００ｋｇｆ／ｃｍ²以下
で、かつ伸度が１０％以上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。
【請求項３】上記導電性耐熱接着剤のマトリックスとし
て用いる樹脂が、ポリイミドやポリアミドイミドなどの
イミド結合を有する樹脂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。
【請求項４】上記導電性耐熱接着剤のマトリックスとし
て用いる樹脂が熱可塑性を有し、ガラス転移温度が１８
０℃以上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。
【請求項５】上記導電性耐熱接着剤で薄板状の導電部材
を接合し、これら導電性耐熱接着剤と導電部材で上記外
部電極を構成したことを特徴とする請求項１〜４記載の
積層型圧電アクチュエータ。