JP2017098383A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動時に発生する応力を緩和するとともに、接着層の疲労破壊を防ぎ、積層圧電アクチュエータの耐久性を向上させた圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】電圧の印加により伸縮が制御されるポジショナ用の圧電アクチュエータ１００であって、それぞれ圧電層、圧電層と交互に積層された内部電極および内部電極に接続される外部電極１１７を有し、直列に配置された複数の圧電素子１１０と、硬化した接着剤により複数の圧電素子を接着する接着層１１８と、を備え、接着層１１８のヤング率は、１〜５００ＭＰａである。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧の印加により伸縮が制御されるポジショナ用の圧電アクチュエータに関する。

従来の積層型圧電アクチュエータでは、複数の圧電素子同士の接着または圧電素子と座を固定する場合、駆動の際に圧電素子が動かないようヤング率の高い接着剤を使用していた。

例えば、特許文献１記載の圧電アクチュエータは、圧電体層と内部電極および接着剤層の積層で形成されており、接着剤層のヤング率が独自の数式を満たすように設計されている。このようにして、圧電体層にクラックが発生することを防止しようとしている。

また、特許文献２記載の圧電アクチュエータは、電圧の印加により伸縮可能な圧電体層と、電極配設層とを交互に積層してなる圧電ユニットを、接合材層を介設して複数積層して形成されている。接合材層は、圧電ユニット同士の接合面の全面に形成された接着剤で構成されている。

特開平６−１６４００９号公報 特開２００９−０５４７１１号公報

しかし、上記のような構成では、接着剤により圧電素子が拘束され接着部位に大きな応力が発生することから、長期間の使用の際に疲労破壊が生じやすい。そして、これまでも接着剤の塗布面積や厚みにより耐久性を改善する試みはなされていたが、長期間の使用に対する耐久性は十分ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動時に発生する応力を緩和するとともに、接着層の疲労破壊を防ぎ、積層圧電アクチュエータの耐久性を向上させた圧電アクチュエータ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、電圧の印加により伸縮が制御されるポジショナ用の圧電アクチュエータであって、それぞれ圧電層、前記圧電層と交互に積層された内部電極および前記内部電極に接続される外部電極を有し、直列に配置された複数の圧電素子と、硬化した接着剤により前記複数の圧電素子を接着する接着層と、を備え、前記接着層のヤング率は、１〜５００ＭＰａであることを特徴としている。これにより、駆動時に発生する応力を緩和するとともに、接着層の疲労破壊を防ぎ、積層圧電アクチュエータの耐久性を向上できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記接着層のヤング率が、５０ＭＰａ以下であることを特徴としている。これにより、接着層の疲労破壊を効果的に防止できる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記接着層が、厚み１〜１０μｍおよび前記圧電素子の積層面の一辺に対して１／３以上の長さの直径を有する円板状に形成されていることを特徴としている。これにより、駆動時に発生する応力を緩和することができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記複数の圧電素子および前記接着層で形成された圧電アクチュエータ本体の一方の端部に接着される座と、前記圧電アクチュエータ本体を圧縮しつつ内部に収容し、前記座に開口端が固定されたキャップと、を更に備え、前記座は、基台に固定されるとともに、前記キャップの先端は、被駆動体に接することを特徴としている。

このように、座が基台に固定され、キャップの先端が被駆動体に接するため、圧電アクチュエータには捩じりや剪断の力が加わる場合がある。このような力を接着層が緩和して、耐久性を向上できる。なお、基台とは、部品を固定するベースとなる部材である。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記座が、前記基台に固定するためのネジ止め機構を有することを特徴としている。これにより、ネジ止めにより圧電アクチュエータを基台に固定できる。一方、ネジ止めの際に圧電アクチュエータ本体に捩じりが生じても、接着層により緩和できる。

本発明によれば、駆動時に発生する応力を緩和するとともに、接着層の疲労破壊を防ぎ、積層圧電アクチュエータの耐久性を向上できる。

（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電アクチュエータの側断面図および圧電アクチュエータ本体の平断面図である。 圧電素子の側断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ、剪断、捩じりの力が加わった圧電アクチュエータ本体の斜視図である。 実験の条件と結果を示す表である。

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。

（圧電アクチュエータの構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ１００の側断面図および圧電アクチュエータ本体１０５の平断面図である。図１（ｂ）は、圧電アクチュエータ本体１０５の接着層１１８の位置で断面を見た図である。

圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、バネ１３５、座１４０、端子１５０、キャップ１６０で構成され、印加電圧により伸縮が制御される。圧電アクチュエータ１００は、精密位置決め装置に用いられ、被駆動体（ステージ）に変位を与えたり、精密流量調整装置のダイヤフラムを駆動させたりする。

圧電アクチュエータ本体１０５は、一対のリード線を介して一対の外部電極に電圧が印加されたとき、各圧電素子１１０が伸縮することで先端が変位する。バネ１３５は、圧電アクチュエータ本体１０５の両端の間に設けられ、積層方向に圧縮力を与えている。端子１５０は、圧電アクチュエータ本体１０５のリード線１２０に接続されており、印加電圧をリード線１２０に伝える。

座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の端部に接着され、圧電アクチュエータ本体１０５を支持している。そして、座１４０側の端部を固定された圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により先端側の半球１３０が変位する。

座１４０は、基台に固定するためのネジ止め機構を有することが好ましい。ネジ止めにより圧電アクチュエータ１００を基台に固定できる。一方、ネジ止めの際に圧電アクチュエータ本体１０５には捩じりの変形が生じやすい。

キャップ１６０は、有底で開口端を有する円筒形状を有し、金属で形成されている。キャップ１６０は、圧電アクチュエータ本体１０５を積層方向に圧縮しつつ内部に収容し、座１４０にその開口端が固定されている。圧電アクチュエータ本体１０５がキャップ１６０に収容され、座１４０との間に封止されることで、圧電アクチュエータ１００が保護され、耐久性が向上する。

キャップ１６０は、ドーム形状の部分に半球１３０が当接するダイヤフラムを有する。キャップ１６０の直管部分は、キャップ１６０の中央から底部にかけて円筒に形成されている。キャップの先端部分には、ドーム形状を有するダイヤフラムが形成されている。キャップ１６０は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のばね性に優れている材質が望ましい。

上記のように、座１４０が基台に固定され、圧電アクチュエータ本体１０５の一方の端部が座で支持されている。そして、キャップ１６０の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ１００の動作により被駆動体に変位が伝わる。一方、設置の際の状態に応じて圧電アクチュエータ１００には捩じりや剪断のイレギュラーな力が加えられる。これに対しては、接着層１１８がイレギュラーな力を緩和することで、耐久性を向上できる。

（圧電アクチュエータ本体）
圧電アクチュエータ本体１０５は、圧電素子１１０、接着層１１８、リード線１２０および半球１３０で構成されている。圧電アクチュエータ本体１０５を構成する複数の圧電素子１１０は、直列に配置され、接着層１１８により接着されている。複数の圧電素子１１０が接着されることで大きい変位量を確保できる。直列とは、圧電素子１１０内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。

接着層１１８は、硬化した接着剤により圧電素子１１０同士を端面で接着している。硬化した接着層１１８のヤング率は、１〜５００ＭＰａである。これにより、駆動時に圧電アクチュエータ本体１０５に発生する応力を緩和することができる。そして、接着層１１８の疲労破壊を防ぎ、圧電アクチュエータ１００の耐久性を向上できる。硬化時にこのようなヤング率を有する接着剤は、例えばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の接着剤が挙げられる。

接着層１１８のヤング率は、５０ＭＰａ以下であれば好ましい。これにより、接着層１１８は、さらに応力を緩和しやすくなり、接着層１１８の疲労破壊を効果的に防止できる。接着層１１８の厚みは、１〜１０μｍである。接着層１１８は、圧電素子１１０の端面の全面に設けられていてもよいが、周辺部に設けず中心部のみに設ける方が好ましい。その場合、接着層１１８は正方板状であってもよいが、接着面上の応力は、圧電アクチュエータ１００の中心軸からの距離に応じて生じるため、円板状の層として形成されていることが好ましい。

円板形状は、圧電素子１１０の積層面の一辺の１／３以上の長さの直径を有することが好ましい。これにより、圧電素子１１０同士の接着を強固に維持しつつ、効率的に駆動時に発生する圧電アクチュエータ本体１０５の応力を緩和することができる。なお、圧電素子１１０の積層面の一辺の長さを直径とする円であってもよい。

リード線１２０は、端子１５０と各圧電素子１１０の外部電極１１７とを接続している。なお、図１（ａ）で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。リード線１２０は、リード線１２０に生じる応力を緩和できるように圧電素子１１０の端面付近で半円の円弧状に形成されている。

半球１３０は、無機材料で形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の被駆動体へ変位を伝える先端側に設けられている。半球１３０と圧電アクチュエータ本体１０５とは強固に接着されており、半球１３０はキャップ１６０のドーム形状の内側部分に接する。

（圧電素子）
図２は、圧電素子１１０の側断面図である。圧電素子１１０は、圧電層１１３、内部電極１１４、１１５および外部電極１１６、１１７を有している。圧電素子１１０は、圧電層１１３と内部電極１１４、１１５とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面において、外部電極１１６、１１７は内部電極１１４、１１５に接続されている。圧電層は、例えばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。内部電極１１４、１１５は、Ａｇ−Ｐｄ等で構成されている。

（ポジショナ用の圧電アクチュエータの耐久性）
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、剪断、捩じりの力が加わった圧電アクチュエータ本体１０５の斜視図である。圧電アクチュエータ本体１０５が応力破壊する場合考えられる応力として、（１）圧電アクチュエータ本体１０５自体の伸縮により発生する応力、（２）キャップ１６０内に圧電アクチュエータ本体１０５が斜めに固定されたため、または、使用者が圧電アクチュエータ１００を斜めに使用機器（基台、被駆動体）に固定したために発生する横方向の応力（図３（ａ）参照）、（３）使用者が使用機器に圧電アクチュエータ１００を固定する際にキャップに回転の力（トルク）をかけたことで生じる応力（図３（ｂ）参照）が挙げられる。

圧電アクチュエータ１００では、接着層１１８のヤング率を所定の範囲に設計することで、上記の（１）の応力だけでなく、（２）、（３）の応力に対しても、耐久性を向上させている。

（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の製造方法を説明する。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ−Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極１１６、１１７を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１６、１１７を形成できる。

得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を所定の形状に塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体１０５を作製できる。

上記の圧電アクチュエータ本体１０５を座１４０に設置し、キャップ１６０を被せて封止する。このとき、リード線１２０は、座１４０に挿通された端子１５０を介して外部と電気的に接続する。このようにして、圧電アクチュエータ１００を作製することができる。

（実験）
図４は、実験の条件と結果を示す表である。上記の製造方法に沿って、６個の圧電素子を接着剤で接着して圧電アクチュエータ本体を構成し、さらに圧電アクチュエータ本体をステンレスケース中に同じ接着剤で固定、封止して、試料を作製した。その際に、圧電素子間および圧電アクチュエータ本体と座との接着剤のヤング率を図４に示すように変えて試料を用意し、１５０Ｖ−１Ｈｚ（室温）の矩形波耐久試験を実施した。

その結果、図４に示すように、接着剤のヤング率が大きい場合は耐久試験で短期に故障を起こした。一方、接着剤のヤング率が小さすぎると駆動試験中に圧電素子間の相対位置が動きすぎることから圧電素子間を接続するリード線の破断などが起こった。接着剤のヤング率が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である場合には、故障やリード線の破断等の不具合が生じなかった。

１００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１１０ 圧電素子
１１３ 圧電層
１１４、１１５ 内部電極
１１６、１１７ 外部電極
１１８ 接着層
１２０ リード線
１３０ 半球
１３５ バネ
１４０ 座
１５０ 端子
１６０ キャップ

Claims (5)

1. 電圧の印加により伸縮が制御されるポジショナ用の圧電アクチュエータであって、
   それぞれ圧電層、前記圧電層と交互に積層された内部電極および前記内部電極に接続される外部電極を有し、直列に配置された複数の圧電素子と、
   硬化した接着剤により前記複数の圧電素子を接着する接着層と、を備え、
   前記接着層のヤング率は、１〜５００ＭＰａであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記接着層のヤング率は、５０ＭＰａ以下であ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。
3. 前記接着層は、厚み１〜１０μｍおよび前記圧電素子の積層面の一辺に対して１／３以上の長さの直径を有する円板状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記複数の圧電素子および前記接着層で形成された圧電アクチュエータ本体の一方の端部に接着される座と、
   前記圧電アクチュエータ本体を圧縮しつつ内部に収容し、前記座に開口端が固定されたキャップと、を更に備え、
   前記座は、基台に固定されるとともに、前記キャップの先端は、被駆動体に接することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記座は、前記基台に固定するためのネジ止め機構を有することを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。

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