JP2019102474A - Laminated piezoelectric element and actuator - Google Patents

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Abstract

To provide a laminated piezoelectric element and an actuator that are not easily affected by a noise when a crack is generated in a scheduled breaking layer, and can perform accurate control.SOLUTION: A laminated piezoelectric element 1 of the present disclosure includes a laminate 13 having piezoelectric layers 11 and internal electrode layers 12 that are laminated in plurality and a scheduled breaking layer 14 that is more easily broken than the other portions. The laminated piezoelectric element 1 includes: an external electrode 16 that is electrically connected to the internal electrode layers 12, and has an area extending along the lamination direction on a side face of the laminate 13; and a lead pin 17 that is electrically connected to the external electrode 16, and is arranged separated from the area extending along the lamination direction of the external electrode 16. The lead pin 17 is provided not to be located on the extension line of the scheduled breaking layer 14.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、積層型圧電素子およびアクチュエータに関し、例えばマスフローコントローラ、XYテーブルの精密位置決め装置等に用いられる積層型圧電素子およびアクチュエータに関する。   The present disclosure relates to a laminated piezoelectric element and an actuator, for example, to a laminated piezoelectric element and an actuator used for, for example, a mass flow controller and a precision positioning device for an XY table.

積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層された積層体を備え、駆動時に伸縮変形するものである。この積層型圧電素子は、応答速度および変形精度に優れることから、主にアクチュエータやセンサに用いられている。そして、積層型圧電素子には、より高い耐久性の要求に応えるために、駆動時の圧電体層間のクラックが生じる箇所を事前に予定した予定破断層を積層体の一部に含む技術が採用されている。これにより、例えば短絡が生じるような方向にクラックが生じるのを防いでいる。   The multilayer piezoelectric element includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are stacked, and is elastically deformed during driving. The laminated piezoelectric element is mainly used for an actuator or a sensor because it is excellent in response speed and deformation accuracy. And, in order to meet the demand for higher durability, the multilayer piezoelectric element adopts a technology that includes in a part of the laminate a planned fracture layer planned in advance for a location where a crack between piezoelectric layers occurs during driving. It is done. This prevents, for example, cracking in the direction in which a short circuit occurs.

また、積層型圧電素子は、積層体の側面に外部電極を備えているとともに、外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。この構成によって、外部回路に接続したリードピンを通じて積層型圧電素子に通電し、当該積層型圧電素子の駆動やセンシングを制御している。   In addition, the laminated piezoelectric element has the external electrode on the side surface of the laminated body, is electrically connected to the external electrode, and is disposed at a distance from the region extending along the laminating direction of the external electrode. And a lead pin. With this configuration, the laminated piezoelectric element is energized through the lead pin connected to the external circuit, and the driving and sensing of the laminated piezoelectric element are controlled.

特許第5322384号公報Patent No. 5322384

近年では、高精度に制御するために高周波やパルスの駆動が用いられている。ここで、リードピンが予定破断層の延長線上に位置するように設けられている既存の技術では、予定破断層が機能してクラックが生じた際のノイズがリードピンの電気信号に影響し、それに伴う制御精度を低下させるおそれがある。具体的には、予定破断層にクラックが生じた際に発生する電波のノイズをリードピンがアンテナのように拾い、このノイズが出力信号に乗り、高精度な制御ができなくなるおそれがある。   In recent years, high frequency or pulse driving has been used to control with high accuracy. Here, in the existing technology in which the lead pin is located on the extension line of the planned breaking layer, the noise when the planned breaking layer functions and cracks are generated affects the electric signal of the lead pin and is accompanied by it. Control accuracy may be reduced. Specifically, the noise of the radio wave generated when a crack is generated in the planned fracture layer is picked up like an antenna by the lead pin, and this noise may get on the output signal, making it impossible to perform highly accurate control.

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層にクラックが生じた際のノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能な積層型圧電素子およびアクチュエータを提供することを目的とする。   The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a laminated piezoelectric element and an actuator that are less susceptible to noise when a crack occurs in a planned fracture layer and can be controlled with high accuracy. Do.

本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層を有している積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に前記積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極と、該外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の前記積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。そして、該リードピンは前記予定破断層の延長線上に位置しないように設けられている。   The multilayer piezoelectric element according to the present disclosure includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are laminated and which has a planned breaking layer that is more easily broken than other portions, the internal electrode layer, and the electricity. And an external electrode having a region extending along the stacking direction on the side surface of the stack, and a region electrically connected to the outer electrode and extending along the stacking direction of the external electrode And are provided with spaced apart lead pins. And, the lead pin is provided so as not to be positioned on the extension line of the predetermined breaking layer.

また、本開示のアクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を上下から押圧するように内部に収容したケースとを備えており、該ケースは蛇腹部を有する筒体を含み、前記リードピンが前記蛇腹部の側方に位置しないように配置されている。   In addition, the actuator of the present disclosure includes the above-described stacked piezoelectric element and a case housed inside so as to press the stacked piezoelectric element from above and below, the case includes a cylinder having a bellows portion. The lead pin is disposed so as not to be located to the side of the bellows portion.

本開示の積層型圧電素子によれば、リードピンの先端を予定破断層の延長線上より下にすることで、予定破断層へのクラック発生によるノイズの影響を受けにくくなり、高精度な制御ができる。   According to the laminated piezoelectric element of the present disclosure, by setting the tip of the lead pin below the extension line of the planned fracture layer, it becomes less susceptible to noise due to the occurrence of cracks in the planned fracture layer, enabling highly accurate control. .

積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of embodiment of a lamination type piezoelectric element. 積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other example of embodiment of a lamination type piezoelectric element. 積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other example of embodiment of a lamination type piezoelectric element. 積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other example of embodiment of a lamination type piezoelectric element. アクチュエータの実施形態の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of an actuator. 図5に示すアクチュエータのVI−VI線で切断した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing cut | disconnected by the VI-VI line of the actuator shown in FIG.

積層型圧電素子の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of a laminated piezoelectric element will be described with reference to the drawings.

図1〜図4に示す積層型圧電素子1は、圧電体層11および内部電極層12が複数積層された積層体13を備えている。   The multilayer piezoelectric element 1 shown in FIGS. 1 to 4 includes a multilayer body 13 in which a plurality of piezoelectric layers 11 and internal electrode layers 12 are stacked.

積層体13は、例えば縦0.5mm〜10mm、横0.5mm〜10mm、高さ1mm〜100mmの四角柱状(直方体状)にされている。積層体13の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。   The laminated body 13 is, for example, in the form of a square prism (rectangular parallelepiped) having a length of 0.5 mm to 10 mm, a width of 0.5 mm to 10 mm, and a height of 1 mm to 100 mm. The shape of the laminate 13 may be a hexagonal prism shape, an octagonal prism shape, a cylindrical shape, or the like.

圧電体層11は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などを用いることができる。この圧電体層11の厚みは、例えば3μm〜250μmとされる。 The piezoelectric layer 11 is made of a ceramic having piezoelectric characteristics. As such ceramics, for example, lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) or the like can be used. The thickness of the piezoelectric layer 11 is, for example, 3 μm to 250 μm.

内部電極層12は、例えば圧電体層11と同時焼成により形成されたものである。内部電極層12は、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122を含んでいる。例えば、第1の内部電極層121を正極、第2の内部電極層122を負極またはグランド極として、それらの間に挟まれた圧電体層11に駆動電圧を印加することができる。ここで、積層体13の一つの側面に第1の内部電極層121が引き出され、他の側面に第2の内部電極層122が引き出されている。このような材料として、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを主成分とする導体を用いることができる。第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の厚みは、例えば0.1μm〜5μmとされる。   The internal electrode layer 12 is formed, for example, by simultaneous firing with the piezoelectric layer 11. The internal electrode layer 12 includes a first internal electrode layer 121 and a second internal electrode layer 122. For example, with the first internal electrode layer 121 as a positive electrode and the second internal electrode layer 122 as a negative electrode or a ground electrode, a driving voltage can be applied to the piezoelectric layer 11 sandwiched therebetween. Here, the first internal electrode layer 121 is drawn out to one side surface of the laminate 13, and the second internal electrode layer 122 is drawn out to the other side surface. As such a material, for example, a conductor containing silver, silver-palladium, silver-platinum, copper or the like as a main component can be used. The thickness of the first internal electrode layer 121 and the second internal electrode layer 122 is, for example, 0.1 μm to 5 μm.

積層体13は、他の部位よりもクラックが生じやすい予定破断層14を有している。ここで、予定破断層14とは、この部位にクラックを生じさせることで積層型圧電素子1の駆動によって生じる応力を緩和するための層である。予定破断層14としては、例えば内部電極層12として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。   The laminate 13 has a predetermined breaking layer 14 which is more susceptible to cracking than other portions. Here, the planned breaking layer 14 is a layer for reducing a stress generated by driving the laminated piezoelectric element 1 by causing a crack at this portion. As the planned fracture layer 14, for example, a porous metal layer which does not function as the internal electrode layer 12, a metal layer which is cracked in advance, and the like can be mentioned.

また、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のうちのいずれか一方の端面が引き出された一対の側面には、必要によりそれぞれ導体層15が設けられている。そして、この導体層15は、引き出された第1の内部電極層121の端面または第2の内部電極層122の端面と電気的に接続されている。   Moreover, the conductor layer 15 is each provided in the pair of side surface from which the end surface of any one of the 1st internal electrode layer 121 and the 2nd internal electrode layer 122 was pulled out. The conductor layer 15 is electrically connected to the end face of the first internal electrode layer 121 or the end face of the second internal electrode layer 122 which has been pulled out.

導体層15は、例えばAgやCuなどの金属およびガラスを含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、導体層15を積層体13の側面に垂直な横断面
で見たときに、導体層15の厚みは例えば5μm〜70μmとされる。
The conductor layer 15 can be produced, for example, by baking a conductive paste containing metal such as Ag or Cu and glass. Here, when the conductor layer 15 is viewed in a cross section perpendicular to the side surface of the laminate 13, the thickness of the conductor layer 15 is, for example, 5 μm to 70 μm.

積層型圧電素子1は、内部電極層12と電気的に接続された外部電極16を備えている。この外部電極16は、積層体13の側面上に積層方向に沿って延びる領域を有している。例えば、Ag粉末やCu粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接合材を用いて、導体層15の表面上に外部電極16が取り付けられている。なお、導体層15が設けられたうえで外部電極16を取り付けることができるが、外部電極16と第1の内部電極層121または第2の内部電極層122との導通が十分にとれるのであれば、導体層15が設けられていなくてもよく、積層体13の側面に直接外部電極16が取り付けられていてもよい。   The multilayer piezoelectric element 1 includes an external electrode 16 electrically connected to the internal electrode layer 12. The external electrode 16 has a region extending along the stacking direction on the side surface of the stacked body 13. For example, the external electrode 16 is attached on the surface of the conductor layer 15 using a conductive bonding material made of an epoxy resin or a polyimide resin containing a conductive metal powder such as Ag powder or Cu powder. In addition, although the external electrode 16 can be attached after the conductor layer 15 is provided, as long as conduction between the external electrode 16 and the first internal electrode layer 121 or the second internal electrode layer 122 can be sufficiently taken. The conductor layer 15 may not be provided, and the external electrode 16 may be directly attached to the side surface of the laminate 13.

外部電極16は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅0.5mm〜10mm、厚み0.01mm〜1.0mmに形成されたものである。この外部電極16には、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため、すずや銀などのメッキが施されていてもよい。ここで、外部電極16は、図1および図2に示すように積層体13の側面から離れる方向に向かって折り曲げられていてもよく、図3および図4に示すように積層体13の一側面から隣の側面に回り込むように折り曲げられていてもよい。なお、図では省略しているが、積層体13の一側面に対向する反対側の側面上にも外部電極16が設けられている。   The external electrode 16 is made of metal such as copper, iron, stainless steel, phosphor bronze, etc., and is formed to have a width of 0.5 mm to 10 mm and a thickness of 0.01 mm to 1.0 mm, for example. The outer electrode 16 may be plated with tin, silver, or the like to improve electrical conductivity and thermal conductivity. Here, the external electrode 16 may be bent in a direction away from the side surface of the laminate 13 as shown in FIGS. 1 and 2, and as shown in FIGS. 3 and 4, one side surface of the laminate 13 It may be bent so as to wrap around to the next side. Although not shown in the figure, an external electrode 16 is provided on the side surface opposite to the one side surface of the laminate 13.

積層型圧電素子1は、外部電極16と電気的に接続され、当該外部電極16の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピン17を備えている。例えば、外部電極16の端部は屈曲部で折り曲げられて積層体13の側面から離れているとともに、外部電極16の端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入され、接合材によって接合されている。ここで、図1は外部電極16の端部に孔を有している形態を示し、図2は外部電極16の端部にスリットを有している形態を示している。接合材としては、はんだの他、銀ポリイミド、銀エポキシなどの導電性樹脂が挙げられる。   The multilayer piezoelectric element 1 is electrically connected to the external electrode 16 and includes lead pins 17 arranged at an interval from a region extending along the stacking direction of the external electrode 16. For example, the end of the external electrode 16 is bent at a bend and separated from the side surface of the laminate 13 and has a hole or a slit at the end of the external electrode 16 and the lead pin 17 is in the hole or the slit. It is inserted and joined by the joining material. Here, FIG. 1 shows a mode in which the end of the external electrode 16 has a hole, and FIG. 2 shows a mode in which a slit is at the end of the external electrode 16. As the bonding material, in addition to solder, conductive resins such as silver polyimide and silver epoxy can be mentioned.

外部電極16の端部が屈曲部で折り曲げられて積層体13の側面から離れているとともに、外部電極16の端部には孔またはスリットが設けられ、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入されたうえで接合されていることで、リードピン17が外部電極16の平坦な面に接合されるのに比べて強固に固定されて剥がれにくくすることができる。また、屈曲部にて振動を吸収することができ、積層体13の変位量が長期間安定する。   The end of the external electrode 16 is bent at a bending portion and is separated from the side surface of the laminated body 13, and a hole or a slit is provided at the end of the external electrode 16, and the lead pin 17 is inserted into the hole or the slit By being bonded to the upper side, the lead pin 17 can be fixed more firmly than the flat surface of the external electrode 16 and can not be easily peeled off. Moreover, vibration can be absorbed at the bent portion, and the displacement amount of the laminate 13 is stabilized for a long time.

なお、積層体13の他の側面には、例えば第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端面が達していて、必要により樹脂や絶縁性セラミックスなどからなる被覆層が設けられてもよい。   In addition, the end face of both the first internal electrode layer 121 and the second internal electrode layer 122 reaches, for example, the other side face of the laminate 13, and a covering layer made of resin, insulating ceramic, etc. It may be provided.

そして、リードピン17は、予定破断層14の延長線上に位置しないように設けられている。   The lead pin 17 is provided so as not to be located on the extension of the planned breaking layer 14.

予定破断層14にクラックが生じた際に、主にその延長線上に向かってノイズが放射される。この放射されたノイズを、リードピン17がアンテナのように機能して受信すると、積層型圧電素子1を駆動させて伸縮させる入力信号に乱れが生じ、高精度な制御ができなくなるおそれがある。さらに、このクラックが生じた積層型圧電素子1を使用し続けることで、予定破断層14付近の圧電体層11が擦れて、ノイズが発生し続けるおそれもある。   When a crack occurs in the planned fracture layer 14, noise is emitted mainly toward the extension line. When the lead pin 17 functions and receives the radiated noise like an antenna, the input signal for driving and expanding the laminated piezoelectric element 1 may be disturbed, and high precision control may not be possible. Furthermore, by continuing to use the laminated piezoelectric element 1 in which the crack is generated, the piezoelectric layer 11 in the vicinity of the planned fracture layer 14 may be rubbed, and noise may continue to be generated.

これに対し、リードピン17が予定破断層14の延長線上に位置しないように設けられ
ていることで、予定破断層14へのクラック発生時におけるノイズの影響を受けにくくなる。また、予定破断層14にクラックが生じた後においても、ノイズを直接的に干渉させにくくすることができる。よって、積層型圧電素子1の高精度な制御が可能となる。
On the other hand, by providing the lead pins 17 so as not to be located on the extension of the planned breaking layer 14, it becomes less susceptible to noise at the time of the occurrence of a crack in the planned breaking layer 14. Further, even after the crack is generated in the planned fracture layer 14, it is possible to make it difficult for the noise to directly interfere. Therefore, highly accurate control of the laminated piezoelectric element 1 is possible.

ここで、図1〜図4に示すように、積層体13の積層方向とリードピン17の軸方向とが平行であってもよい。一般に、アンテナは垂直方向からの電波を感度よく受信する。これに対し、積層体13の積層方向とリードピン17の軸方向とが平行であることで、予定破断層14で発生したノイズの放射方向とリードピン17とが垂直に交わらなくなる。したがって、発生したノイズをリードピン17がアンテナのように受信してしまった場合でも、垂直方向で受信しないことから、よりノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能となる。   Here, as shown in FIGS. 1 to 4, the stacking direction of the stacked body 13 and the axial direction of the lead pin 17 may be parallel. In general, the antenna receives radio waves from the vertical direction with high sensitivity. On the other hand, when the lamination direction of the laminated body 13 and the axial direction of the lead pin 17 are parallel, the radiation direction of the noise generated in the planned fracture layer 14 and the lead pin 17 do not intersect perpendicularly. Therefore, even if the generated noise is received like the antenna by the lead pin 17, it is not received in the vertical direction, so that it is less susceptible to the noise and highly accurate control becomes possible.

また、図3に示すように、積層体13が外部電極16の接合された面と外部電極16の接合されていない面とを有する多角柱状体からなる構成において、リードピン17は外部電極16の接合されていない面に面して配置されていてもよい。   Further, as shown in FIG. 3, in the configuration in which the laminated body 13 is a polygonal columnar body having the joined surface of the external electrode 16 and the non-joined surface of the external electrode 16, the lead pins 17 join the external electrode 16. It may be arranged facing the side which is not done.

例えば、図3に示す外部電極16は、積層体13に接合された接合領域と端部との間に複数の屈曲部を有していて、当該外部電極16が接合された積層体13の側面の隣の側面に向かって折り曲げられて引き回されている。そして、外部電極16の引き回された端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入され、接合材によって接合されている。外部電極16における積層体13に接合された領域からリードピン17との接合部までの間に複数の屈曲部があることで、外部電極16を伝わる振動を低減できる。また、外部電極16における積層体13に接合された領域からリードピン17との接合部までの距離が長いことも、振動の低減に効果的である。   For example, the external electrode 16 shown in FIG. 3 has a plurality of bent portions between the bonding region joined to the laminate 13 and the end, and the side surface of the laminate 13 to which the external electrode 16 is joined. It is bent and drawn towards the side next to. Then, a hole or a slit is provided at the drawn end of the external electrode 16, and the lead pin 17 is inserted into the hole or the slit and is joined by a bonding material. The presence of the plurality of bent portions from the region of the external electrode 16 joined to the laminate 13 to the junction with the lead pin 17 can reduce the vibration transmitted through the external electrode 16. In addition, it is also effective to reduce vibration that the distance from the region of the external electrode 16 joined to the laminate 13 to the junction with the lead pin 17 is long.

また、図4に示すように、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端面が達する積層体13の側面には、外部電極16が接合されておらず、この外部電極16の接合されていない面に、被覆層18としてセラミック被覆層が設けられていてもよい。被覆層18としてセラミック被覆層を設けることにより、予定破断層14のクラックによる破断の速度を遅らせてノイズを低減させることができ、また予定破断層14から放射されるノイズを吸収または遮断して低減させることができる。セラミック被覆層は、例えば5μm〜15μmの厚みに設定される。   Further, as shown in FIG. 4, the external electrode 16 is not joined to the side surface of the laminate 13 to which the end faces of both the first internal electrode layer 121 and the second internal electrode layer 122 reach. A ceramic covering layer may be provided as the covering layer 18 on the non-bonded surface of the electrode 16. By providing a ceramic coating layer as the coating layer 18, it is possible to delay the speed of fracture due to cracks of the planned fracture layer 14 to reduce noise, and to absorb or block noise emitted from the planned fracture layer 14 to reduce It can be done. The ceramic coating layer is set, for example, to a thickness of 5 μm to 15 μm.

次に、アクチュエータの実施形態について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the actuator will be described with reference to the drawings.

図5および図6に示す圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1と、積層型圧電素子1を上下から押圧するように内部に収容したケース2とを備えている。   The piezoelectric actuator 10 shown in FIG. 5 and FIG. 6 includes a laminated piezoelectric element 1 and a case 2 accommodated therein so as to press the laminated piezoelectric element 1 from above and below.

ケース2は、基体21と、基体21の上面に下端部が接合された筒体22と、筒体22の上端部に接合された蓋体23とを含んでいる。そして、基体21の上面に積層型圧電素子1の下端面が当接し、蓋体23の下面に積層型圧電素子1の上端面が当接している。   The case 2 includes a base 21, a cylindrical body 22 whose lower end is joined to the upper surface of the base 21, and a lid 23 joined to the upper end of the cylindrical body 22. The lower end surface of the laminated piezoelectric element 1 is in contact with the upper surface of the base 21, and the upper end surface of the laminated piezoelectric element 1 is in contact with the lower surface of the lid 23.

基体21、筒体22および蓋体23は、例えばSUS304やSUS316Lなどの金属で形成されたものである。   The base 21, the cylindrical body 22 and the lid 23 are made of, for example, a metal such as SUS304 or SUS316L.

筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。この筒状部221は、蛇腹部220を有している。蛇腹部220は、例えば所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどにより形成することができる。筒体22は、積層型圧電素子1に電圧を印加した際に積層型圧電素子1の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数に
よってそのバネ定数を調整している。例えば、筒体22の厚みは例えば0.1mm〜0.5mmとされる。筒体22の上下に延びる筒状部221から一端側開口(上端側開口)までは円筒状のものであるが、筒体22の他端側開口(下端側開口)は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状になっている。このように、筒体22の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体22が鍔部222を有する構造になっている。
The cylindrical body 22 has a cylindrical portion 221 extending in the vertical direction, and a collar portion 222 connected to the lower end of the cylindrical portion 221. The tubular portion 221 has a bellows 220. The bellows 220 can be formed, for example, by rolling or hydrostatic pressing after producing a seamless tube with a predetermined shape. The cylindrical body 22 has a predetermined spring constant so that it can follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element 1 when a voltage is applied to the laminated piezoelectric element 1, and the spring depending on the thickness, groove shape and number of grooves. I'm adjusting the constant. For example, the thickness of the cylindrical body 22 is, for example, 0.1 mm to 0.5 mm. The cylindrical portion 221 extending up and down from the cylindrical body 22 to the one end side opening (upper end side opening) is cylindrical, but the other end side opening (lower end side opening) of the cylindrical body 22 is radially outward It has a so-called wrapper shape that spreads out. As described above, the other end side opening of the cylindrical body 22 has a trumpet shape, so that the cylindrical body 22 has a flange portion 222.

また、基体21は円板状のもので、周縁部が他の部位よりも薄肉になっている。基体21の周縁部と筒体22の鍔部222とは、例えば積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で溶接されている。なお、基体21にはリードピン17を挿通可能な貫通孔211が2つ形成されており、この貫通孔211にリードピン17を挿通させている。そして、貫通孔211の隙間には例えば軟質ガラス212が充填されている。そして、リードピン17が外部回路と電気的に接続されて、積層型圧電素子1に駆動電圧が印加されるようになっている。   Further, the base 21 is in the form of a disk, and the peripheral portion is thinner than the other portions. The peripheral portion of the base 21 and the flange portion 222 of the cylindrical body 22 are welded, for example, in a state in which a compressive load is applied to the laminated piezoelectric element 1. Two through holes 211 through which the lead pins 17 can be inserted are formed in the base 21, and the lead pins 17 are inserted through the through holes 211. And the soft glass 212 is filled with the clearance gap of the through-hole 211, for example. Then, the lead pin 17 is electrically connected to an external circuit, and a driving voltage is applied to the laminated piezoelectric element 1.

蓋体23は外径が筒体22の一端側開口の内径と同じ程度とされたものである。筒体22の一端側開口から蓋体23が嵌め込まれ、筒体22の一端側開口の近傍(上端近傍)の内壁にその側面を例えば溶接されている。このとき、積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で、筒体22の鍔部222と基体21とが溶接されている。   The lid 23 has an outer diameter that is substantially the same as the inner diameter of the opening at one end of the cylinder 22. The lid 23 is fitted from one end side opening of the cylindrical body 22, and the side surface is welded to the inner wall in the vicinity of the one end side opening (near the upper end) of the cylindrical body 22, for example. At this time, the flange portion 222 of the cylindrical body 22 and the base 21 are welded in a state where a compressive load is applied to the laminated piezoelectric element 1.

そして、リードピン17が蛇腹部220の側方に位置しないように配置されている。   And, the lead pin 17 is disposed so as not to be located to the side of the bellows part 220.

リードピン17が蛇腹部220の側方に位置すると、蛇腹形状によるノイズの反響が垂直に近い角度でリードピン17に届いてしまうおそれがある。これに対し、リードピン17が蛇腹部220の側方に位置しないように配置されていることで、ノイズの反響がリードピン17に届いたとしても、小さい入射角で届くことから、高精度な制御を維持することができる。   When the lead pin 17 is positioned to the side of the bellows portion 220, the echo of noise due to the bellows shape may reach the lead pin 17 at an angle close to vertical. On the other hand, by arranging the lead pin 17 not to be located to the side of the bellows portion 220, even if the echo of the noise reaches the lead pin 17, it can be transmitted at a small incident angle, so high precision control can be achieved. Can be maintained.

次に、本実施形態のアクチュエータの製造方法について説明する。   Next, a method of manufacturing the actuator of the present embodiment will be described.

まず、圧電体層11となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系,ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオクチル(DOP)等を用いることができる。 First, a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 11 is manufactured. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic and butyral, and a plasticizer. Then, a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using a tape forming method such as a doctor blade method or a calender roll method. Any piezoelectric ceramic may be used as long as it has piezoelectric characteristics, and, for example, a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used. Further, as a plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP) or the like can be used.

次に、内部電極層12となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて内部電極層12のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層する。   Next, a conductive paste to be the internal electrode layer 12 is produced. Specifically, a conductive paste is produced, for example, by adding and mixing a binder and a plasticizer to metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is applied on the above-mentioned ceramic green sheet in the pattern of the internal electrode layer 12 using a screen printing method. Furthermore, a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated.

また、予定破断層14となる導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストは、例えば内部電極層12と銀比率の異なる銀−パラジウムでもよく、焼成によって焼失するフィラーを含むものでもよい。   In addition, a conductive paste to be the planned breaking layer 14 is produced. The conductive paste may be, for example, silver-palladium different in silver ratio from the internal electrode layer 12 and may contain a filler which is burnt out by firing.

次に、必要によりセラミックグリーンシートが複数枚積層されたグリーンシート積層体の側面に被覆層18となるセラミックスラリーを塗布する。セラミックスラリーの塗布は
、印刷やディスペンス方式により所定の厚みに制御して行う。
Next, the ceramic slurry used as the coating layer 18 is apply | coated to the side surface of the green sheet laminated body by which multiple ceramic green sheets were laminated | stacked as needed. The application of the ceramic slurry is controlled to a predetermined thickness by printing or dispensing.

その後、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900〜1200℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって積層体13を作製する。   Thereafter, the binder removal process is performed at a predetermined temperature, and then firing is performed at a temperature of 900 to 1200 ° C., and the laminate 13 is manufactured by performing a grinding process so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like.

次に、積層体13の側面に導体層15を形成する。具体的には、AgやCuのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体13の側面における第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば5〜70μmの厚さの導体層15を形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。例えば、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー,可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを用いる。そして、導体層15のパターンで積層体13の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、650〜750℃の温度で焼き付け処理を行なう。   Next, the conductor layer 15 is formed on the side surface of the laminate 13. Specifically, a conductive paste containing a metal such as Ag or Cu is used. This is baked in a region where one end face of the first internal electrode layer 121 and the second internal electrode layer 122 on the side surface of the laminated body 13 is drawn out, for example, the conductor layer 15 having a thickness of 5 to 70 μm. Form. It can be formed to be controlled to a predetermined thickness or width by screen printing or a dispensing method. For example, a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer and a solvent to a mixture of conductive particles containing silver as a main component and glass is used. Then, after printing by screen printing on the side surface of the laminate 13 with the pattern of the conductor layer 15 and drying, printing is performed at a temperature of 650 to 750 ° C.

次に、外部電極16を作製する。例えば、SUS304の薄板にメッキ処理を行い、その後エッチングを行い平板状の電極板を形成する。ここで、外部電極16に孔やスリットを設けるためには、例えばエッチングやレーザー、打ち抜きで加工すればよい。また、外部電極16に屈曲部を設けるためには、平板状の電極板に曲げ加工を行えばよい。   Next, the external electrode 16 is manufactured. For example, a thin plate of SUS304 is plated and then etched to form a flat electrode plate. Here, in order to provide a hole or a slit in the external electrode 16, it may be processed by, for example, etching, laser, or punching. Further, in order to provide the outer electrode 16 with a bent portion, bending may be performed on a flat electrode plate.

そして、導体層15上に曲げ加工した外部電極16を導電性樹脂などの導電性接合材を介して取り付け、外部電極16の端部にはんだ、導電性樹脂などの接合材によりリードピン17を接合する。   Then, the bent outer electrode 16 is attached onto the conductor layer 15 through a conductive bonding material such as conductive resin, and the lead pin 17 is bonded to the end of the outer electrode 16 by a bonding material such as solder or conductive resin. .

また、穴加工にて貫通孔211を形成してなる基体21を用意する。この基体21に形成された2つの貫通孔211にそれぞれリードピン17を挿通するとともに隙間に軟質ガラス212を充填して固定し、さらに基体21の上面に積層型圧電素子1の下端部を接合材で接着する。   Further, the base 21 having the through holes 211 formed by drilling is prepared. The lead pins 17 are respectively inserted into the two through holes 211 formed in the base 21 and soft glass 212 is filled and fixed in the gap, and the lower end of the multilayer piezoelectric element 1 is bonded to the upper surface of the base 21 with a bonding material. Glue.

次に、SUS304製のシームレスの円筒状の筒体22に圧延加工により蛇腹形状を形成する。圧延加工時に金型形状を変更することにより、溝部の厚み、及び曲率半径の変更することができる。この筒体22の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋体23をレーザー溶接によって溶接する。なお、筒体22の筒状部221の他端側(下端側)には鍔部222が形成される。   Next, a bellows shape is formed on the seamless cylindrical tube 22 made of SUS304 by rolling. By changing the shape of the mold at the time of rolling, the thickness of the groove and the radius of curvature can be changed. The lid body 23 made of SUS304 is welded by laser welding so as to close the opening at one end side (upper end side) of the cylindrical body 22. In addition, the collar part 222 is formed in the other end side (lower end side) of the cylindrical part 221 of the cylindrical body 22. As shown in FIG.

次に、筒体22を基体21に接着した積層型圧電素子1に被せ、所定の荷重で筒体22を引張り、積層型圧電素子1に荷重を加える。この状態で、筒体22の鍔部222と基体21とを例えば抵抗溶接によって溶接する。   Next, the cylindrical body 22 is covered on the laminated piezoelectric element 1 bonded to the base body 21, the cylindrical body 22 is pulled with a predetermined load, and a load is applied to the laminated piezoelectric element 1. In this state, the flange portion 222 of the cylindrical body 22 and the base 21 are welded by, for example, resistance welding.

最後に、リードピン17に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13を構成する圧電体層11を分極する。   Finally, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the lead pin 17 to polarize the piezoelectric layer 11 constituting the laminate 13.

以上の製法により、本実施形態の圧電アクチュエータ10が得られる。   The piezoelectric actuator 10 of the present embodiment can be obtained by the above manufacturing method.

1・・・積層型圧電素子
11・・圧電体層
12・・・内部電極層
121・・・第1の内部電極層
122・・・第2の内部電極層
13・・・積層体
14・・・予定破断層
15・・・導体層
16・・・外部電極
17・・・リードピン
18・・・被覆層
2・・・ケース
21・・・基体
211・・・貫通孔
212・・・軟質ガラス
22・・・筒体
221・・・筒状部
222・・・鍔部
220・・・蛇腹部
23・・・蓋体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ..... lamination type piezoelectric element 11 .... piezoelectric material layer 12 ... internal electrode layer 121 ... 1st internal electrode layer 122 ... 2nd internal electrode layer 13 ... laminated body 14 ... -Predetermined fracture layer 15-Conductor layer 16-External electrode 17-Lead pin 18-Coating layer 2-Case 21-Substrate 211-Through hole 212-Soft glass 22 ... cylindrical body 221 ... cylindrical portion 222 ... collar portion 220 ... bellows portion 23 ... lid

Claims (5)

圧電体層および内部電極層が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層を有している積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に前記積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極と、該外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の前記積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備え、該リードピンは前記予定破断層の延長線上に位置しないように設けられている積層型圧電素子。   A multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are stacked and which has a planned breaking layer that is more likely to break than other portions, and the internal electrode layer are electrically connected, An external electrode having a region extending along the stacking direction on the side surface, and a region electrically connected to the external electrode and spaced from the region extending along the stacking direction of the external electrode And a lead pin, wherein the lead pin is provided so as not to be located on the extension of the predetermined breaking layer. 前記積層体の積層方向と前記リードピンの軸方向とが平行である請求項1に記載の積層型圧電素子。   The stacked piezoelectric device according to claim 1, wherein a stacking direction of the stacked body and an axial direction of the lead pin are parallel. 前記積層体は前記外部電極の接合された面と前記外部電極の接合されていない面とを有する多角柱状体からなり、前記リードピンは前記外部電極の接合されていない面に面して配置されている請求項1または請求項2に記載の積層型圧電素子。   The laminated body is formed of a polygonal columnar body having a joined surface of the external electrode and a non-joined surface of the external electrode, and the lead pin is disposed facing the non-joined surface of the external electrode The laminated piezoelectric element according to claim 1 or 2. 前記外部電極の接合されていない面にはセラミック被覆層が設けられている請求項3に記載の積層型圧電素子。   The laminated piezoelectric element according to claim 3, wherein a ceramic covering layer is provided on the non-bonded surface of the external electrode. 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を上下から押圧するように内部に収容したケースとを備えており、該ケースは蛇腹部を有する筒体を含み、前記リードピンが前記蛇腹部の側方に位置しないように配置されているアクチュエータ。   A laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4 and a case accommodated therein so as to press the laminated piezoelectric element from above and below, the case is a cylinder having a bellows portion. An actuator comprising a body, wherein the lead pin is not located laterally of the bellows.
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