JP2001102649A - Laminated piezoelectric actuator - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【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、圧電体は、電圧を印加することによ
り伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧
電体１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を
複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータが作
製されていた。この積層型圧電アクチュエータは、圧電
体に電圧を印加して数〜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, a piezoelectric body has an inverse piezoelectric effect that expands and contracts when a voltage is applied. However, since the amount of expansion and contraction of each piezoelectric body is very small, a laminated piezoelectric actuator formed by laminating a plurality of piezoelectric bodies has been manufactured. In this laminated piezoelectric actuator, a voltage is applied to the piezoelectric body to extend the piezoelectric body by several to several tens of μm, and the piezoelectric body is used as a driving force source of the actuator.
【０００３】このような積層型圧電アクチュエータに
は、同時焼成タイプと、圧電板と電極薄板を交互に積層
したスタックタイプの２種類に分類されており、厚みの
薄い圧電板を多数枚積層することが比較的容易であるこ
とから、低電圧高変位化及び小型化が可能な同時焼成タ
イプの積層型圧電アクチュエータがその優位性を示しつ
つある。[0003] Such laminated piezoelectric actuators are classified into two types, a co-firing type and a stack type in which piezoelectric plates and electrode thin plates are alternately laminated. A large number of thin piezoelectric plates are laminated. Therefore, a co-fired type laminated piezoelectric actuator capable of achieving low voltage, high displacement, and downsizing is showing its superiority.
【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、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。As a co-firing type laminated piezoelectric actuator, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-237172 discloses that an insulating layer made of glass is coated on every other end of an internal electrode exposed on a side surface of an actuator body. In the external electrode, a concave portion is formed at the same pitch as the insulating layer and slightly larger than the cross section of the insulating layer. By bonding the end of the unformed internal electrode with a conductive adhesive, electrical connection between the external electrode and one of the internal electrodes is ensured, and insulation of the other internal electrode is ensured. An actuator is disclosed.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】近年、積層型圧電アク
チュエータは大きな変位量を確保した状態で、積層型圧
電アクチュエータの特徴である高応答性を利用するた
め、高い電圧を高周波数で印加し駆動を行うようになっ
ている。In recent years, a multilayer piezoelectric actuator is driven by applying a high voltage at a high frequency in a state where a large displacement is secured, in order to utilize the high responsiveness characteristic of the multilayer piezoelectric actuator. It is supposed to do.
【０００６】このため、圧電板間に埋設された正極の内
部電極と負極の内部電極との間で、アクチュエータ本体
の表面を介しての沿面放電を起こしたり、更に、湿度の
高い環境下で駆動させた場合、内部電極材のエレクトロ
マイグレーションが発生し、ショートによる破損が発生
し易いという問題があった。このためアクチュエータ本
体の側面には、耐水性と耐電圧性を兼ね備えた外装樹脂
を被覆する必要があった。For this reason, a creeping discharge occurs between the internal electrode of the positive electrode and the internal electrode of the negative electrode embedded between the piezoelectric plates via the surface of the actuator body, and furthermore, the internal electrode is driven in a high humidity environment. In such a case, there is a problem that electromigration of the internal electrode material occurs and breakage due to a short circuit easily occurs. For this reason, it is necessary to cover the side surface of the actuator body with an exterior resin having both water resistance and voltage resistance.
【０００７】しかし、この外装樹脂のヤング率が高い場
合、積層型圧電アクチュエータを高変位にて高速駆動す
ると、外装樹脂とアクチュエータ本体間に隙間ができた
り、外装樹脂にクラックが発生し、沿面放電や内部電極
材のマイグレーションが生じるという問題があった。However, when the Young's modulus of the exterior resin is high, when the multilayer piezoelectric actuator is driven at a high speed with a high displacement, a gap is formed between the exterior resin and the actuator body, a crack is generated in the exterior resin, and a creeping discharge occurs. And migration of the internal electrode material occurs.
【０００８】これらを解決する手段として、特開平５−
１６０４５８号公報及び特開平５−２１８５１６号公報
に開示された積層型圧電アクチュエータでは、シリコー
ン樹脂を被覆し、内部電極材のマイグレーションを抑制
している。しかしながら、シリコーン樹脂は水蒸気透過
率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨ
ｇ・ΔＴよりも大きいため、積層型圧電アクチュエータ
を高温、多湿の環境下に置いた場合、シリコーン樹脂が
水蒸気を透過し、積層型圧電アクチュエータを駆動する
と内部電極材のマイグレーションを起こすという問題が
あった。As means for solving these problems, Japanese Patent Laid-Open No.
In the multilayer piezoelectric actuator disclosed in JP-A-160458 and JP-A-5-218516, a silicone resin is coated to suppress migration of the internal electrode material. However, the silicone resin has a water vapor transmission rate of 15 × 10 −9 cc · cm / sec · cm 2 · cmH
When the multilayer piezoelectric actuator is placed in a high-temperature, high-humidity environment, the silicone resin permeates water vapor, and when the multilayer piezoelectric actuator is driven, migration of the internal electrode material occurs. Was.
【０００９】本発明は、高温、高湿の環境下で大きな電
圧を印可して繰り返し作動する場合でも、水蒸気の透過
を抑制し、沿面放電や内部電極材のマイグレーションを
抑制し、高信頼性の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 suppresses the transmission of water vapor, suppresses creeping discharge and migration of internal electrode materials even when the device is repeatedly operated under a high-temperature, high-humidity environment by applying a large voltage, thereby achieving high reliability. An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric actuator.
【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、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互
に積層してなり、少なくとも２つの側面に前記内部電極
の端部が交互に露出した積層体と、該積層体の２つの側
面にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部を交互に接
続する一対の外部電極とを具備するアクチュエータ本体
の外周面に、水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ／
ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆
したものである。A laminated piezoelectric actuator according to the present invention comprises a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes alternately stacked, and at least two side faces having the ends of the internal electrodes alternately arranged. An outer peripheral surface of an actuator body including an exposed laminate and a pair of external electrodes respectively formed on two side surfaces of the laminate and alternately connecting the ends of the internal electrodes has a water vapor transmission rate of 15 × 10 -9 cc · cm /
It is covered with an exterior resin of not more than sec · cm 2 · cmHg · ΔT.
【００１１】このような構成を採用することにより、高
温、高湿度化の環境下でも外装樹脂により水蒸気の浸入
を防止することができ、内部電極材のマイグレーション
を抑制することが可能となる。By employing such a configuration, it is possible to prevent water vapor from entering by the exterior resin even in an environment of high temperature and high humidity, and it is possible to suppress migration of the internal electrode material.
【００１２】また、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、アクチュエータ本体の側面と外装樹脂との間にシリ
コーンゴム層が形成されており、該シリコーンゴム層が
外装樹脂により外部に露出しないように被覆されている
ことが望ましい。水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃ
ｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂は
一般に高ヤング率材料であるため、積層型圧電アクチュ
エータの変位の発生を阻害する傾向にあるが、シリコー
ンゴム層は低ヤング率材料であるため、変位量が低下す
ることがない。また、シリコーンゴム層により正極側の
内部電極と、他の負極側の内部電極との絶縁性を確保し
て、沿面放電を抑制でき、これにより、高い電圧を圧電
体に印加し、大きい変位量を確保することができる。In the laminated piezoelectric actuator of the present invention, a silicone rubber layer is formed between the side surface of the actuator body and the exterior resin, and the silicone rubber layer is covered by the exterior resin so as not to be exposed to the outside. Is desirable. Water vapor transmission rate is 15 × 10 -9 cc · c
Since the exterior resin having m / sec · cm 2 · cmHg · ΔT or less is generally a high Young's modulus material, it tends to hinder the displacement of the laminated piezoelectric actuator, but the silicone rubber layer is a low Young's modulus material. Therefore, the displacement amount does not decrease. In addition, the silicone rubber layer ensures insulation between the positive electrode side internal electrode and the other negative electrode side internal electrode, thereby suppressing creeping discharge, thereby applying a high voltage to the piezoelectric body and causing a large displacement. Can be secured.
【００１３】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、シリコーンゴム層中に炭素を含有することが望
ましい。シリコーンゴム層は一般に耐熱性が低く、高温
になるとヤング率が高くなり、変位に追従できなくなっ
てひび割れたり、粉砕されてしまい、異なる極性の内部
電極間の絶縁性を確保できなくなり、沿面放電が生じ易
くなるが、シリコーンゴム層中に炭素を含有することに
より、シリコーンゴム層の耐熱性を向上することがで
き、ヤング率が高くなることを防止でき、沿面放電を防
止できる。このような外装樹脂としてはテフロン（登録
商標）であることが望ましく、ディッピング法により塗
布形成されることが望ましい。Furthermore, in the laminated piezoelectric actuator of the present invention, it is desirable that the silicone rubber layer contains carbon. The silicone rubber layer generally has low heat resistance, and its Young's modulus increases at high temperatures.The silicone rubber layer cannot follow the displacement, cracks or is crushed, and the insulation between the internal electrodes of different polarities cannot be secured. Although it is likely to occur, by containing carbon in the silicone rubber layer, the heat resistance of the silicone rubber layer can be improved, the Young's modulus can be prevented from increasing, and creeping discharge can be prevented. Such an exterior resin is desirably Teflon (registered trademark), and is desirably applied by dipping.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータのアクチュエータ本体の斜視図であり、図２
（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図２（ｂ）は図
１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。FIG. 1 is a perspective view of an actuator body of a laminated piezoelectric actuator according to the present invention, and FIG.
2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
【００１５】図１において、符号１は四角柱状のアクチ
ュエータ本体を示すもので、このアクチュエータ本体１
は、複数の圧電体３と複数の内部電極５を交互に積層し
て構成された積層体７を具備している。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a quadrangular prism-shaped actuator main body.
Has a laminate 7 formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies 3 and a plurality of internal electrodes 5.
【００１６】内部電極５の端部は積層体７の４側面に露
出しており、また、内部電極５の上下両側に位置する圧
電体３は反対の向きに分極処理されている。The ends of the internal electrodes 5 are exposed on the four side surfaces of the laminated body 7, and the piezoelectric bodies 3 located on the upper and lower sides of the internal electrodes 5 are polarized in opposite directions.
【００１７】内部電極５は積層順に交互に第１内部電極
５ａまたは第２内部電極５ｂとされ、第１内部電極５ａ
と第２内部電極５ｂに異なる電位を与えることによっ
て、圧電体３に厚さ方向の電界を印加できる。The internal electrodes 5 are alternately arranged as a first internal electrode 5a or a second internal electrode 5b in the stacking order.
By applying different potentials to the first and second internal electrodes 5b, an electric field in the thickness direction can be applied to the piezoelectric body 3.
【００１８】圧電体３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３の厚
み、つまり内部電極５ａ、５ｂ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０．０５〜０．２５
ｍｍであることが望ましい。The piezoelectric body 3 is made of, for example, lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter abbreviated as PZT) or a piezoelectric ceramic material mainly containing barium titanate BaTiO 3. However, the present invention is not limited to these, and any ceramics having piezoelectricity may be used. As the piezoelectric material, as the piezoelectric strain constant d 33 it is high is preferable. The thickness of the piezoelectric body 3, that is, the distance between the internal electrodes 5a and 5b is 0.05 to 0.25 in view of miniaturization and application of a high electric field.
mm.
【００１９】積層体７の対向する側面には、導電性耐熱
接着層９ａ、９ｂがそれぞれ形成され、これらの導電性
耐熱接着層９ａ、９ｂには、金属板からなる導電性部材
１０ａ、１０ｂが接合されている。導電性耐熱接着層９
ａと導電性部材１０ａ、導電性耐熱接着層９ｂと導電性
部材１０ｂにより、外部電極が構成されている。On the opposing side surfaces of the laminate 7, conductive heat-resistant adhesive layers 9a and 9b are formed, respectively. The conductive heat-resistant adhesive layers 9a and 9b are provided with conductive members 10a and 10b made of a metal plate. Are joined. Conductive heat-resistant adhesive layer 9
a, the conductive member 10a, the conductive heat-resistant adhesive layer 9b, and the conductive member 10b constitute an external electrode.
【００２０】導電性耐熱接着層９ａには第１内部電極５
ａの端部が接続され、第２内部電極５ｂの端部とは絶縁
され、また導電性耐熱接着層９ｂには第２内部電極５ｂ
が接続され、第１内部電極５ａの端部とは絶縁されてい
る。The first internal electrode 5 is provided on the conductive heat-resistant adhesive layer 9a.
a is connected to the end of the second internal electrode 5b, and the conductive internal heat-resistant adhesive layer 9b is connected to the second internal electrode 5b.
Are connected, and are insulated from the end of the first internal electrode 5a.
【００２１】即ち、第１内部電極５ａの端部は積層体７
の側面に露出し、第２内部電極５ｂの端部は、凹溝１１
内に充填された絶縁体１３により、積層体７の側面に露
出していない。これにより、積層体７の側面に導電性耐
熱接着層９ａを形成した際には、第１内部電極５ａの端
部のみが導電性耐熱接着層９ａと接続されることにな
る。That is, the end of the first internal electrode 5a is
And the end of the second internal electrode 5b is
Due to the insulator 13 filled therein, it is not exposed on the side surface of the laminate 7. Thus, when the conductive heat-resistant adhesive layer 9a is formed on the side surface of the laminate 7, only the end of the first internal electrode 5a is connected to the conductive heat-resistant adhesive layer 9a.
【００２２】一方、第２内部電極５ｂの端部は積層体７
の側面に露出し、第１内部電極５ａの端部は、凹溝１１
内に充填された絶縁体１３により、積層体７の側面に露
出していない。これにより、積層体７の側面に導電性耐
熱接着層９ｂを形成した際には、第２内部電極５ｂの端
部のみが導電性耐熱接着層９ｂと接続されることにな
る。On the other hand, the end of the second internal electrode 5b is
And the end of the first internal electrode 5a is
Due to the insulator 13 filled therein, it is not exposed on the side surface of the laminate 7. Thus, when the conductive heat-resistant adhesive layer 9b is formed on the side surface of the laminate 7, only the end of the second internal electrode 5b is connected to the conductive heat-resistant adhesive layer 9b.
【００２３】内部電極５ａ、５ｂは、積層体７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５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端部１層おき
に凹溝１１が形成され、該凹溝１１内にガラス、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１３が充填されている。なお、該
絶縁体１３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。The internal electrodes 5a and 5b are exposed on all side surfaces of the laminate 7, and two of them are
A groove 11 is formed every other end of the piezoelectric body 3 including the ends of the internal electrodes 5a and 5b, and an insulator such as glass, epoxy resin, polyimide resin, polyamideimide resin, or silicone rubber is formed in the groove 11. 13 are filled. The insulator 13 is preferably made of a material having a low Young's modulus, such as silicone rubber.
【００２４】つまり、内部電極５ａ、５ｂ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５ａ、
５ｂの他方の端部は、導電性耐熱接着層９ａ、９ｂによ
り接続され、この導電性耐熱接着層９ａ、９ｂ上には金
属板からなる導電性部材１０ａ、１０ｂが積層され、こ
れらの導電性部材１０ａ、１０ｂにはリード線１５がそ
れぞれ取り付けられている。That is, the internal electrodes 5a and 5b are alternately insulated every other layer, and the non-insulated internal electrodes 5a and 5b
The other end of 5b is connected by conductive heat-resistant adhesive layers 9a, 9b, and conductive members 10a, 10b made of a metal plate are laminated on conductive heat-resistant adhesive layers 9a, 9b. Lead wires 15 are attached to the members 10a and 10b, respectively.
【００２５】また、積層体７の積層方向の両端面には、
アクチュエータ本体１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１７が積層され、接合さ
れている。Further, on both end surfaces of the laminate 7 in the laminating direction,
An inert part 17 for mechanically holding the actuator body 1 and transmitting the generated force to the outside is laminated and joined.
【００２６】そして、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、アクチュエータ本体１の外周面には、図２に示
すように、シリコーンゴム層１８が形成されており、こ
のシリコーンゴム層１８を完全に被覆するように、水蒸
気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・
ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂１９が被覆されている。In the laminated piezoelectric actuator of the present invention, as shown in FIG. 2, a silicone rubber layer 18 is formed on the outer peripheral surface of the actuator body 1, and the silicone rubber layer 18 is completely covered. Thus, the water vapor transmission rate is 15 × 10 −9 cc · cm / sec · cm 2.
An exterior resin 19 of not more than cmHg · ΔT is coated.
【００２７】シリコーンゴム層１８には炭素が含有され
ており、このように炭素を含有することにより、耐熱性
を向上することができる。炭素量は耐電圧性を維持する
という点から３０重量％以下であることが望ましい。The silicone rubber layer 18 contains carbon. By containing carbon as described above, heat resistance can be improved. The amount of carbon is desirably 30% by weight or less from the viewpoint of maintaining the withstand voltage.
【００２８】また、水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・
ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂
１９としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリカーボネ
ート等があるが、１００℃以上の高温下に置かれること
から、耐熱性の高いテフロンが望ましい。The water vapor transmission rate is 15 × 10 −9 cc ·
Nylon, polyethylene, polycarbonate, and the like are available as the exterior resin 19 having a density of not more than cm / sec · cm 2 · cmHg · ΔT, but Teflon having high heat resistance is desirable because it is placed at a high temperature of 100 ° C. or more.
【００２９】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作製し、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。The multilayer piezoelectric actuator configured as described above is manufactured by the following process. First,
A slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 , a binder made of an organic polymer, and a plasticizer, and a thickness of 50% is formed by a slip casting method. ~ 250 μm
To produce a ceramic green sheet.
【００３０】このグリーンシートの片面に、内部電極５
ａ、５ｂ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。On one side of this green sheet, an internal electrode 5
A conductive paste mainly composed of silver-palladium to be a and 5b is printed to a thickness of 1 to 10 μm by a screen printing method. After drying the conductive paste, a predetermined number of green sheets to which the conductive paste is applied are laminated by a predetermined number, and green sheets to which the conductive paste is not applied are provided at both ends of the laminate in the laminating direction. Are laminated.
【００３１】次に、これを５０〜２００℃で加熱を行い
ながら加圧を行い、一体化し、この後、所定の大きさに
切断した後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バイ
ンダが行われ、９００〜１２００℃で２〜５時間で本焼
成が行われ、積層体７を得る。この積層体７の４側面に
は、内部電極５ａ、５ｂの端部が露出している。Next, this is pressurized while being heated at 50 to 200 ° C., integrated, and then cut into a predetermined size, and then debindered at 400 to 800 ° C. for 5 to 40 hours. Then, main firing is performed at 900 to 1200 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a laminate 7. The ends of the internal electrodes 5a and 5b are exposed on four side surfaces of the laminate 7.
【００３２】その後、該積層体７の２つの側面におい
て、内部電極５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端面に、
２つの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
の凹溝１１を形成し、該凹溝１１にシリコーンゴムから
なる絶縁体１３を充填し、内部電極５ａ、５ｂを互い違
いに１層おきに絶縁し、この側面に、導体（金属）を分
散させたポリイミド樹脂、Ａｇガラス等を塗布して導電
性耐熱接着層９ａ、９ｂを形成し、この導電性耐熱接着
層９ａ、９ｂ上には金属板からなる導電性部材１０ａ、
１０ｂを積層し、これらの導電性部材１０ａ、１０ｂに
リード線１５を取り付ける。Then, on two side surfaces of the laminate 7, the end surfaces of the piezoelectric body 3 including the ends of the internal electrodes 5a and 5b are
Every other layer has a depth of 50 to 500 μm and a width in the stacking direction of 50 to 300 μm so that the two sides are staggered.
Is filled with an insulator 13 made of silicone rubber, the internal electrodes 5a and 5b are alternately insulated every other layer, and a conductor (metal) is dispersed on the side surface. A polyimide resin, Ag glass, or the like is applied to form conductive heat-resistant adhesive layers 9a and 9b. On the conductive heat-resistant adhesive layers 9a and 9b, conductive members 10a made of a metal plate are formed.
10b are laminated, and a lead wire 15 is attached to these conductive members 10a and 10b.
【００３３】この後、アクチュエータ本体１の外周面
に、例えば、デイッピング法によりシリコーンゴム層１
８を被覆し、更にその表面に低水蒸気透過率樹脂である
外装樹脂１９をデイッピング法により被覆した後、０．
１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、圧電体３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が得られ
る。外装樹脂１９は、この外装樹脂１９が溶融した樹脂
溜中に、アクチュエータ本体１を浸漬し（デイッピング
法）、外周面に塗布することが望ましい。Thereafter, the silicone rubber layer 1 is formed on the outer peripheral surface of the actuator body 1 by, for example, a dipping method.
8 and a surface coating resin 19, which is a resin having a low water vapor transmission rate, is coated on the surface by a dipping method.
By applying a polarization voltage of 1 to 3 kV to polarize the piezoelectric body 3, a final laminated piezoelectric actuator is obtained. The exterior resin 19 is desirably immersed in a resin reservoir in which the exterior resin 19 is melted (dipping method) and applied to the outer peripheral surface.
【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、水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ
／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂１９
により、アクチュエータ本体１を被覆したので、高温、
高湿度化の環境下でも外装樹脂１９により、外部からの
水蒸気の浸入を防止することができ、内部電極材のマイ
グレーションを抑制し、高信頼性を確保することができ
る。In the laminated piezoelectric actuator having the above structure, the water vapor transmission rate is 15 × 10 −9 cc · cm.
/ Sec · cm 2 · cmHg · ΔT or less exterior resin 19
As a result, the actuator body 1 is covered,
Even under a high humidity environment, the exterior resin 19 can prevent intrusion of water vapor from the outside, suppress migration of the internal electrode material, and ensure high reliability.
【００３５】また、アクチュエータ本体１と外装樹脂１
９との間に、低ヤング率のシリコーンゴム層１８を介装
したので、一般に高ヤング率材料である外装樹脂１９に
よる変位量の抑制を防止できるとともに、正極側の内部
電極５ａと、他の負極側の内部電極５ｂとの絶縁性を確
保して沿面放電を抑制でき、これにより、高い電圧を圧
電板に印加し、大きい変位量を確保することができる。The actuator body 1 and the exterior resin 1
9, a silicone rubber layer 18 having a low Young's modulus is interposed, so that it is possible to prevent the displacement amount due to the exterior resin 19, which is generally a material having a high Young's modulus, and to prevent the internal electrode 5a on the positive electrode side from other internal electrodes 5a. Creepage discharge can be suppressed by ensuring insulation with the internal electrode 5b on the negative electrode side, whereby a high voltage can be applied to the piezoelectric plate and a large displacement can be ensured.
【００３６】さらに、シリコーンゴム層１８中に炭素を
含有せしめることにより、シリコーンゴム層１８の耐熱
性を向上でき、高温におけるヤング率上昇を防止し、ひ
び割れ等を防止して沿面放電を防止できる。Further, by incorporating carbon into the silicone rubber layer 18, the heat resistance of the silicone rubber layer 18 can be improved, the Young's modulus at a high temperature can be prevented from increasing, cracks and the like can be prevented, and creeping discharge can be prevented.
【００３７】尚、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、切断の容易性から四角柱状が望ましい。The laminated piezoelectric actuator of the present invention may be in any shape such as a quadrangular prism, a hexagonal prism, a circular cylinder, etc., but is preferably in the shape of a quadrangular prism from the viewpoint of easy cutting.
【００３８】[0038]
【実施例】チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
3 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
作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０
μｍのセラミックグリーンシートを作製した。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O
A slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic such as 3 , a binder made of an organic polymer, and a plasticizer, and a slurry having a thickness of 150 is prepared by a slip casting method.
A μm ceramic green sheet was produced.
【００３９】このグリーンシートの片面に内部電極５
ａ、５ｂ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５μｍの厚みに印刷
し、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１００枚積層し、そ
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それぞれ１０枚積層した。An internal electrode 5 is provided on one side of this green sheet.
a, 5b, a conductive paste mainly composed of silver-palladium is printed to a thickness of 5 μm by a screen printing method, and after drying the conductive paste, a plurality of green sheets coated with the conductive paste are coated. One hundred sheets were laminated, and ten green sheets to which no conductive paste was applied were laminated on both ends in the laminating direction.
【００４０】次に、これを１００℃で加熱を行いながら
加圧を行い一体化し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切
断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、１
１３０℃で２時間で本焼成を行い、積層体７を得た。Next, this was pressurized while being heated at 100 ° C., integrated, cut into a size of 10 mm × 10 mm, and then subjected to binder removal at 800 ° C. for 10 hours, thereby obtaining
The main firing was performed at 130 ° C. for 2 hours to obtain a laminate 7.
【００４１】その後、該積層体７の２つの側面におい
て、内部電極５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端面に、
該２つの側面において互い違いになるように、１層おき
に深さ１００μｍ、積層方向の幅５０μｍの凹溝１１を
形成し、その内部にシリコーンゴムを充填した。この
後、積層体７の２つの側面に導電性ポリイミド樹脂を塗
布して、絶縁されていない内部電極５ａ、５ｂの他方の
端部を導電性ポリイミド樹脂からなる導電性耐熱接着層
９ａ、９ｂで接続し、この導電性耐熱接着層９ａ、９ｂ
に厚み０．５ｍｍの銀箔からなる導電性部材１０ａ、１
０ｂを密着させた状態で２００℃で加熱硬化させ、外部
電極を形成した。Then, on the two side surfaces of the laminated body 7, the end surfaces of the piezoelectric body 3 including the end portions of the internal electrodes 5a and 5b are
A concave groove 11 having a depth of 100 μm and a width of 50 μm in the laminating direction was formed every other layer so that the two side surfaces were alternately arranged, and the inside thereof was filled with silicone rubber. Thereafter, a conductive polyimide resin is applied to the two side surfaces of the laminate 7, and the other ends of the non-insulated internal electrodes 5a and 5b are coated with conductive heat-resistant adhesive layers 9a and 9b made of the conductive polyimide resin. Connect the conductive heat-resistant adhesive layers 9a, 9b
Conductive members 10a and 1
Ob was heated and cured at 200 ° C. in a state in which Ob was in close contact, to form an external electrode.
【００４２】この後、正極用外部電極、負極用外部電極
にリード線１５を接続し、アクチュエータ本体１の外周
面に、デイッピング法によりシリコーンゴム層１８を被
覆し、更にその表面に、テフロン（水蒸気透過率：２．
９４×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・
ΔＴ）からなる低水蒸気透過率の２種類の外装樹脂１９
を、デイッピング法によりそれぞれアクチュエータ本体
１に被覆した後、１ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュ
エータ本体１全体を分極処理して本発明の積層型圧電ア
クチュエータを作製した。また、ポリカーボネイト（水
蒸気透過率：１．０×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ
2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ）からなる外装樹脂１９を形成した
積層型圧電アクチュエータも作製した。尚、水蒸気透過
率は、ＪＩＳ Ｋ ７１２６に基づき測定した。Thereafter, the lead wire 15 is connected to the external electrode for the positive electrode and the external electrode for the negative electrode, the outer peripheral surface of the actuator body 1 is coated with a silicone rubber layer 18 by dipping, and the surface thereof is further covered with Teflon (water vapor). Transmittance: 2.
94 × 10 -9 cc · cm / sec · cm 2 · cmHg ·
ΔT) two kinds of exterior resin 19 having low water vapor transmission rate
Was coated on the actuator body 1 by a dipping method, and then a polarization voltage of 1 kV was applied to the entire actuator body 1 to perform a polarization treatment, thereby producing a multilayer piezoelectric actuator of the present invention. In addition, polycarbonate (water vapor transmission rate: 1.0 × 10 −9 cc · cm / sec · cm)
A laminated piezoelectric actuator having an exterior resin 19 of 2 cmHg.ΔT) was also manufactured. The water vapor transmission rate was measured based on JIS K 7126.
【００４３】また、比較の為に同条件にてアクチュエー
タ本体１を作製し、その外周面にシリコーンゴム層（水
蒸気透過率：４０×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ2
・ｃｍＨｇ・ΔＴ）のみを形成した積層型圧電アクチュ
エータも作製した。For comparison, an actuator body 1 was manufactured under the same conditions, and a silicone rubber layer (water vapor transmission rate: 40 × 10 −9 cc · cm / sec · cm 2) was formed on the outer peripheral surface.
.CmHg.ΔT) was also manufactured.
【００４４】得られた積層型圧電アクチュエータの耐久
性を比較するために、雰囲気温度１００℃、湿度９０
％、印加荷重３００ｋｇｆ下で、０Ｖから＋２００Ｖの
直流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０9 回印加する
耐久試験を行った。In order to compare the durability of the obtained laminated piezoelectric actuator, the ambient temperature was set to 100 ° C. and the humidity was set to 90.
%, Under an applied load of 300 kgf, a durability test in which a DC electric field of 0 V to +200 V was applied 1 × 10 9 times at a frequency of 50 Hz.
【００４５】その結果、本発明の２種類の試料では変位
量１５μｍで１×１０9 回でも問題無く駆動したのに対
して、比較用の積層型圧電アクチュエータータでは、変
位量が１４μｍであったものの、１×１０7 回にて駆動
しなくなった。この比較用の積層型圧電アクチュエータ
の外周面を観察した結果、負極の多数の内部電極周辺が
黒く変色しており、その一部分が陽極とショートしてい
るのが確認された。As a result, the two types of samples of the present invention were driven without problems even at 1 × 10 9 times with a displacement of 15 μm, whereas the displacement was 14 μm with the comparative laminated piezoelectric actuator. However, the drive stopped after 1 × 10 7 times. As a result of observing the outer peripheral surface of the comparative laminated piezoelectric actuator, it was confirmed that the periphery of a large number of internal electrodes of the negative electrode turned black and a part thereof was short-circuited to the anode.
【００４６】また、本発明者は、炭素２０重量％を分散
含有したシリコーンゴム、並びに、炭素を含有しない従
来のシリコーンゴムについて、これらのシリコーンゴム
を２３０℃の雰囲気中に放置し、ヤング率の変化を測定
した。この結果を図３に示す。この図３より、従来の炭
素を含有しないシリコーンゴムでは、時間の経過ととも
にヤング率が高くなっているのに対して、炭素を含有す
る本発明のシリコーンゴムでは、１０００時間経過後で
もヤング率が変化しないことが判る。従って、本発明に
用いられる炭素を含有するシリコーンゴムでは耐熱性が
良好であり、高温においてもひび割れや粉砕が発生しな
いことが判る。The inventor of the present invention has also determined that silicone rubber containing 20% by weight of carbon and conventional silicone rubber containing no carbon are allowed to stand in an atmosphere of 230 ° C. to have a Young's modulus. The change was measured. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, the Young's modulus of the conventional silicone rubber containing no carbon increases with time, whereas the silicone rubber of the present invention containing carbon has a Young's modulus even after 1000 hours. It turns out that it does not change. Therefore, it can be seen that the carbon-containing silicone rubber used in the present invention has good heat resistance and does not crack or crush even at high temperatures.
【００４７】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 amount of displacement was measured by fixing the sample on a vibration isolator, 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.
【００４８】[0048]
【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、アクチュエータ本体の外周面に、
水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ
2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆したので、高
温、高湿度化の環境下でも外装樹脂により水蒸気の浸入
を防止することができ、内部電極材のマイグレーション
を抑制することができ、高信頼性を確保することができ
る。As described above in detail, in the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, the outer peripheral surface of the actuator body is
Water vapor transmission rate is 15 × 10 -9 cc · cm / sec · cm
Since the outer resin of 2 cmHg · ΔT or less is covered, water vapor can be prevented from entering by the outer resin even in a high-temperature and high-humidity environment, migration of the internal electrode material can be suppressed, and high reliability can be achieved. Nature can be secured.
【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。FIG. 1 is a perspective view showing a laminated piezoelectric actuator of the present invention.
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、
（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。2A is a sectional view taken along line AA in FIG.
(B) is sectional drawing which follows the BB line of FIG.
【図３】シリコーンゴムについて２３０℃に放置した時
間と、ヤング率との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the time when silicone rubber was left at 230 ° C. and the Young's modulus.
１・・・アクチュエータ本体 ３・・・圧電体 ５ａ、５ｂ・・・内部電極 ７・・・積層体 １８・・・シリコーンゴム層 １９・・・外装樹脂 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Actuator main body 3 ... Piezoelectric body 5a, 5b ... Internal electrode 7 ... Laminated body 18 ... Silicone rubber layer 19 ... Exterior resin
Claims (4)
積層してなり、少なくとも２つの側面に前記内部電極の
端部が交互に露出した積層体と、該積層体の２つの側面
にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部を交互に接続
する一対の外部電極とを具備するアクチュエータ本体の
外周面に、水蒸気透過率が１５×１０-9ｃｃ・ｃｍ／ｓ
ｅｃ・ｃｍ2 ・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆し
たことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。1. A laminate in which a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and at least two side surfaces of which are alternately exposed at the ends thereof, and two side surfaces of the laminate. And a water vapor transmission rate of 15 × 10 −9 cc · cm / s on the outer peripheral surface of an actuator body having a pair of external electrodes alternately connecting the ends of the internal electrodes.
A laminated piezoelectric actuator characterized by being coated with an exterior resin of ec · cm 2 · cmHg · ΔT or less.
間には、シリコーンゴム層が形成されており、該シリコ
ーンゴム層が外部に露出しないように外装樹脂により被
覆されてい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. A silicone rubber layer is formed between the side surface of the actuator body and the exterior resin, and the silicone rubber layer is covered with the exterior resin so as not to be exposed to the outside. The multilayer piezoelectric actuator according to claim 1.
特徴とする請求項２記載の積層型圧電アクチュエータ。3. The multilayer piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the silicone rubber layer contains carbon.
する請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の積層型圧
電アクチュエータ。4. The multilayer piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the exterior resin is made of Teflon.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP27809599A JP2001102649A (en) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | Laminated piezoelectric actuator |
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|---|---|
| JP (1) | JP2001102649A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2007125059A2 (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Piezoelectric actuator with gradient encapsulation layer and method for the production thereof |
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1999
- 1999-09-30 JP JP27809599A patent/JP2001102649A/en active Pending
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