JP2013077616A - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの圧電素子が絶縁破壊してショートした場合でも、故障していない圧電素子を動作させ、全体の機能を維持できる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】印加電圧に応じて変位する圧電アクチュエータであって、矩形体に形成され、伸縮方向に沿って直列に連結された複数の圧電素子１１０と、複数の圧電素子１１０のそれぞれの表面上に形成され、外部電極１１２に接続された過電流制限部１１４と、過電流制限部１１４に接続され、過電流制限部１１４を介して複数の圧電素子１１０への電圧印加を可能にするリード部材１３０とを備える。これにより、一つの圧電素子１１０が絶縁破壊してショートした場合でも、故障していない圧電素子１１０を動作させ、圧電アクチュエータ１００全体の機能を維持できる。その結果、圧電アクチュエータ１００を用いた装置全体としての動作を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加電圧に応じて変位する圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。

積層型の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層して形成されており、電圧印加により積層方向へ伸びるが、面方向へは縮む。このような積層型の圧電素子は比較的高電圧を印加して機械的な変形を起こさせて使用するため、クラックが発生して絶縁破壊し故障することがある。特許文献１、２記載の圧電素子は、このようなクラックの発生を防止するために各層の接着の構造や内部電極の形状等を改良している。しかし、クラックの発生の可能性を完全に無くすことはできない。

一方、圧電アクチュエータには、積層型の圧電素子を接着して変位方向に直列に連結し、印加電圧により十分な変位量を確保するものが知られている。例えば、特許文献３記載の圧電アクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電セラミックと銀、パラジウム等の内部電極とを交互に積層し、さらにその複数の積層体（圧電素子）を重ねて固着させることにより形成されている。そして、複数の圧電素子が並列に接続され、駆動電圧が印加されている。

特許２９２１３１０号公報 特許４６５８２８０号公報 特許４７００４５６号公報

上記のような複数の圧電素子を連結した圧電アクチュエータは、駆動の際に圧電素子の一つが絶縁破壊してショートした場合、そのショートした部分に電流が流れることで全体が動作しなくなる。しかし、複数個ある圧電素子のうち、故障していない圧電素子のみでも動作するようにできれば、アクチュエータを使用した装置全体としての動作が確保できる可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、一つの圧電素子が絶縁破壊してショートした場合でも、故障していない圧電素子を動作させ、全体の機能を維持できる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、印加電圧に応じて変位する圧電アクチュエータであって、矩形体に形成され、伸縮方向に沿って直列に連結された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子のそれぞれの表面上に形成され、外部電極に接続された過電流制限部と、前記過電流制限部に接続され、複数の圧電素子への電圧印加を可能にするリード部材と、を備えることを特徴としている。

これにより、一つの圧電素子が絶縁破壊してショートした場合でも、故障していない圧電素子を動作させ、圧電アクチュエータ全体の機能を維持できる。その結果、圧電アクチュエータを用いた装置全体としての動作を確保できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記過電流制限部の抵抗値が、必要駆動電圧をＶ、電源電流をＩとしたとき、Ｖ／Ｉより大きいことを特徴としている。これにより、絶縁破壊してショートした圧電素子が生じても、その圧電素子に大きな電流が流れる事態を防止し、他の圧電素子の機能を維持できる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記過電流制限部が、過電流により溶断する構造を有することを特徴としている。これにより、絶縁破壊してショートした圧電素子が生じた場合に、溶断部が溶融して電気的接続が断たれるため、ショートした圧電素子のみを回路から完全に切り離せる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体のそれぞれに前記外部電極用および過電流制限部用の各金属ペーストを塗布する工程と、前記塗布された各金属ペーストを素子本体に同時に焼き付ける工程と、を含むことを特徴としている。これにより、効率的に接続部を有する圧電アクチュエータを作製することができる。

本発明によれば、一つの圧電素子が絶縁破壊してショートした場合でも、故障していない圧電素子を動作させ、圧電アクチュエータ全体の機能を維持できる。

本発明の圧電アクチュエータの側面図である。 比較例の圧電アクチュエータの側面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電アクチュエータ１００の側面図である。圧電アクチュエータ１００は、印加電圧に応じて変位し、たとえば精密位置決めや高速の駆動源として使用される。そのような場合には、図１に示す圧電アクチュエータ１００に金属製のキャップを被せて用いられる。キャップは、圧電素子１１０、リード部材１３０および突起１５０を収容している。圧電素子１１０、リード部材１３０および突起１５０は、キャップにより密封される。

圧電アクチュエータ１００は、複数の圧電素子１１０、全体接続用のリード部材１３０、突起１５０、ベース１６０、ハーメチック端子１７０を備えている。複数の圧電素子１１０は、矩形体に形成され、圧電アクチュエータ１００の伸縮方向（積層方向）に沿って直列に連結されている。複数の圧電素子１１０が、積層方向に連結されているため、全体での変位量を拡大することができる。

圧電素子１１０は、ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる圧電体とＰｔやＡｇ／Ｐｄ等からなる内部電極とが積層して素子本体１１１が形成されている。図１に示すように圧電素子１１０の側面には、内部電極に接続された個別用の外部電極１１２が設けられている。外部電極１１２は、ＡｇやＡｇ／Ｐｄ等のペーストを印刷し、焼き付けることで形成できる。個別用のリード部材１１３は、板状または線状に形成され、外部電極１１２上に固着されている。個別用のリード部材１１３により、外部電極１１２が分割する事態が生じても導通が維持される。

また、圧電素子１１０の側面には、接続電極１１５が設けられている。そして、接続電極１１５と個別用の外部電極１１２との間には、過電流制限部１１４が設けられており、両者を接続している。外部電極１１２、過電流制限部１１４および接続電極１１５は、素子本体１１１の表面に焼き付けられて形成されている。過電流制限部１１４は、複数の圧電素子のそれぞれの外部電極に接続されている。過電流制限部１１４の抵抗値は、必要駆動電圧をＶ、電源電流をＩとしたとき、Ｖ／Ｉより大きいことが好ましい。すなわち、上記の抵抗値をＲとすると、Ｒ＞Ｖ／Ｉとなることが好ましい。これにより、絶縁破壊してショートした圧電素子が生じても、その圧電素子に大きな電流が流れる事態を防止し、他の圧電素子の機能を維持できる。Ｒ＜Ｖ／Ｉである場合、電源が出力できる電圧はＩ・ＲとなりＶ以下となるため、他の圧電素子の機能を十分に維持できない。

全体接続用のリード部材１３０は、板状または線状に形成され、各圧電素子１１０の側面に設けられた接続電極１１５に接続されている。そして、接続電極１１５を介して過電流制限部１１４に接続され、複数の圧電素子１１０への電圧印加を可能にしている。リード部材１３０により複数の圧電素子１１０への電圧印加が可能になる。なお、各リード部材１１３、１３０には、通常、リン青銅などの導電性の高い金属を用いる。

ベース１６０は、金属製であり、圧電アクチュエータ１００の本体部分を支持している。ベース１６０は、端子挿通用の穴を有し、穴はハーメチック端子１７０が挿通した状態で、ガラスにより封止される。ハーメチック端子１７０は、全体接続用のリード部材１３０に接続されており、外部からの電圧を、リード部材１３０を介して圧電素子１１０に印加する。

（圧電アクチュエータの製造方法）
次に、上記のように構成された圧電アクチュエータ１００の作製方法を説明する。まず、内部電極を印刷した圧電材料の成形体を積層して、焼成することで素子本体１１１を作製する。そして、所定の寸法に加工後、素子本体１１１のそれぞれに外部電極１１２用および過電流制限部１１４用の各金属ペーストを塗布する。

そして、塗布された各金属ペーストを素子本体１１１の表面に焼き付け、外部電極１１２、接続電極１１５および過電流制限部１１４を形成する。さらに、リード部材１１３は、外部電極１１２上に固着させて、圧電素子１１０を作製しておく。そして、設計に従い圧電素子１１０を伸縮方向に直列に並べ、リード部材１３０を各外部電極１１２に接続できる所定位置に設置する。このように配置された複数の圧電素子１１０とリード部材１３０とを接続する。

さらに、連結された複数の圧電素子１１０の先端部に突起１５０を接着した状態で、金属製のキャップを被せ、キャップ内を密封し、不活性ガス雰囲気中で、金属キャップをベースに溶接する。このようにして、圧電アクチュエータ１００を製造することができる。

（圧電アクチュエータの用途）
圧電アクチュエータ１００の用途のひとつにマスフローコントローラがある。マスフローコントローラは半導体製造装置などで原料ガスの流量をコントロールする機材である。マスフローコントローラでは、圧電アクチュエータ１００が故障した場合、弁が閉じたままとなることがある。

このような場合に、故障したマスフローコントローラを交換するためには、流路のガスを置換する必要がある場合があり、弁が閉じたままになるとこの作業が難しくなる。マスフローコントローラに圧電アクチュエータ１００を使えば、故障した後でも、初期特性は得られないものの弁の開け閉めは可能であり、交換作業がしやすくなる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、過電流制限部１１４が電気的に高抵抗の部材により形成されているが、過電流制限部１１４は、過電流により溶断する構造を有していてもよい。このような構造は、過電流による発熱で溶けるものであればよい。たとえば融点が２９０℃以下の低融点金属により過電流制限部１１４が形成されていれば、過電流が生じたときに容易に溶断する。このような低融点金属には、たとえば半田が挙げられる。これにより、絶縁破壊してショートした圧電素子１１０が生じた場合に、過電流制限部１１４が溶融して電気的接続が断たれるため、ショートした圧電素子のみを回路から完全に切り離せる。また、過電流制限部１１４は、融点が９００℃程度の銀や銅等の金属で、素子表面に細く印刷され、適度な抵抗を有するよう構成されていてもよい。

なお、過電流制限部１１４が低融点金属で構成されている場合には、上記の実施形態とは異なり、過電流制限部１１４を外部電極１１２等と同時に焼き付けることはできない。そのため、圧電アクチュエータ製造時には、外部電極１１２および接続電極１１５を予め素子本体１１１に焼き付けておき、その後に素子表面に低融点金属で形成された過電流制限部１１４を設け、外部電極１１２と接続電極１１５とを接続する。

［実施例および比較例］
（素子本体の作製）
６×６×１０ｍｍの積層型の素子本体１１１を用意した。圧電材料のグリーンシートに銀パラジウムの電極ペーストを印刷して積層・圧着後、脱脂・焼成・加工を行ない、所望の形状の素子本体を得た。得られた素子本体１１１は、積層１層あたり約６３μｍで１２０層積層されたものである。この素子本体１１１の規格は、推奨駆動電圧１２０Ｖ、最大駆動電圧１５０Ｖである。

（比較例の作製）
比較例として、用意した積層型の素子本体１１１に、内部電極に接続した外部電極２１２を印刷、焼き付けした。それを４個、積層方向に直列に接着して、外部電極２１２に接続するようリード線２３０を素子本体１１１にはんだ付けした。図２は、比較例の圧電アクチュエータ２００を示す側面図である。なお、リード線２３０は圧電素子２１０の伸縮に伴う外部電極２１２の疲労破壊防止の防止とハーメチック端子１７０との導通を兼ねた役割を果たしている。

（実施例１の作製）
一方、実施例として、用意した積層型の素子本体１１１に対して、内部電極に接続した外部電極１１２と、内部電極には接続されていない接続電極１１５と、それらの電極間に約１５ｋΩになるように幅と厚みを調整した抵抗ペーストを印刷、焼き付けし、過電流制限部１１４を形成した。得られた圧電素子を４個縦に接着し、外部電極１１２にリード線１１３をはんだ付けした。これは圧電素子１１０の伸縮に伴う外部電極１１２の疲労破壊防止のためである。次に、圧電素子１１０それぞれの接続電極１１５とハーメチック端子１７０をリード線１３０で接続した。

（実施例２の作製）
用意した積層型の素子本体１１１の内部電極に接続した外部電極１１２と、内部電極には接続されていない接続電極１１５を印刷、焼き付けした。これとは別に、約１０μｍ程度のはんだボールをフィラーとして２液性のエポキシ系接着剤と混合し、導電性の接着剤を作製した。これを、上記の外部電極１１２と接続電極１１５との間に印刷、硬化した。得られた圧電素子を４個縦に接着し、外部電極にリード線１１３をはんだ付けした。これは圧電素子１１０の伸縮に伴う外部電極１１２の疲労破壊防止のためである。次に、圧電素子１１０それぞれの外部電極１１２とハーメチック端子１７０とをリード線１３０で接続した。

（測定および試験）
作製した圧電アクチュエータ（比較例、実施例１、実施例２につき各５本）の絶縁抵抗と変位を１５０Ｖ印加して測定したところ全て１ＧΩ以上で、約３６〜３８μｍであった。この圧電アクチュエータに５０ｍＡのＤＣ電源を接続して徐々に電圧を上昇させたところ、３００〜４００Ｖで破壊した。破壊したところですぐに電圧を０Ｖに落とした。全てのアクチュエータは、４素子中１素子に放電跡が見られ、実施例２では、はんだ部分が溶断していることが確認できた。

次に、再度１５０Ｖ印加して絶縁抵抗と変位を測定した。比較例はすべて１ｋΩ以下、実施例１はほぼ１５ｋΩ前後、実施例２は１ＧΩ以上であった。比較例の圧電アクチュエータ５本すべてで変位が測定できなかった。実施例１および２は約２７〜２９μｍであった。

これは、比較例では４素子中１素子が破壊したために圧電アクチュエータ全体の絶縁抵抗が低下し、１５０Ｖの電圧が掛けられなくなったためと考えられる。また、実施例１では、４素子中１素子が破壊したが、２つの外部電極間に形成した過電流制限部が１５ｋΩあったため、圧電アクチュエータ全体の抵抗が１５ｋΩより下がらず、３素子分の変位が得られたものと思われる。また、実施例２では、破壊した素子に形成したはんだ過電流制限部が溶断したため残りの３素子に電圧が加わり、３素子分の変位が得られたものと思われる。以上のように実施例１、２では故障して性能は低下するものの、完全に機能を失うことがないことが分かった。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ 圧電素子
１１１ 素子本体
１１２ 外部電極
１１３ リード部材（リード線）
１１４ 過電流制限部
１１５ 接続電極
１３０ リード部材（リード線）
１５０ 突起
１６０ ベース
１７０ ハーメチック端子

Claims (4)

1. 印加電圧に応じて変位する圧電アクチュエータであって、
   矩形体に形成され、伸縮方向に沿って直列に連結された複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子のそれぞれの表面上に形成され、外部電極に接続された過電流制限部と、
   前記過電流制限部に接続され、複数の圧電素子への電圧印加を可能にするリード部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記過電流制限部の抵抗値は、必要駆動電圧をＶ、電源電流をＩとしたとき、Ｖ／Ｉより大きいことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記過電流制限部は、過電流により溶断する構造を有することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. 請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
   圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体のそれぞれに前記外部電極用および過電流制限部用の各金属ペーストを塗布する工程と、
   前記塗布された各金属ペーストを素子本体に同時に焼き付ける工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。

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