JP2707586B2 - 一体型ピエゾスタック - Google Patents

一体型ピエゾスタック

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JP2707586B2
JP2707586B2 JP63091840A JP9184088A JP2707586B2 JP 2707586 B2 JP2707586 B2 JP 2707586B2 JP 63091840 A JP63091840 A JP 63091840A JP 9184088 A JP9184088 A JP 9184088A JP 2707586 B2 JP2707586 B2 JP 2707586B2
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悦朗 安田
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靖 澤田
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872Connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. external electrodes
    • HELECTRICITY
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    • H10N30/50Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/503Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure with non-rectangular cross-section orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal, circular
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2121/00Type of actuator operation force
    • F16D2121/18Electric or magnetic
    • F16D2121/28Electric or magnetic using electrostrictive or magnetostrictive elements, e.g. piezoelectric elements

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アクチュエーター等として用いられる一体
型ピエゾスタックに関する。
〔従来の技術〕 一体型ピエゾスタック(あるいは積層形圧電体)は、
多数の板状圧電素子(以下「圧電板」と呼称する)を固
着積層して形成した一体構造を有し、それによって充分
な機械的強度を確保しながら、個々の圧電板の変位を累
積してスタック全体として大きな変位を発生することが
できる。
従来、このような一体化形成された構造においては、
圧電板と内部電極とが交互に積層されており、外部リー
ド線によって印加された作動電圧を入力端子で受け入
れ、側面リード線、金属突起を介して積層体の両端に固
着されたダミー板で変位を出力するよう構成されてい
る。しかし、側面リード線は相対的にかなり大きな剛性
を有する。そのため金属突起は変位と逆向きに働く引張
力を側面リード線から受ける。アクチュエーターとして
の作動態様は、パルス電圧の印加によって瞬時に変位す
る場合が多く、上記の引張力は衝撃力として金属突起に
働くため、変位量が大きい場合等に大きな衝撃力によっ
て金属突起の破断が発生するという問題が生ずる。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、金属突起と内部電極との接合面積を増加さ
せることによって、接合力を高め金属突起の破断を防止
し、作動の安定性および耐久性の優れた一体型ピエゾス
タックを提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的は、本発明によれば、圧電板と内部電極と
が交互に積層した一体構造を有し、内部電極に接合され
かつ所定の側面リード線に接続された電圧印加用の金属
突起を具備する一体型ピエゾスタックにおいて、金属突
起が凹凸状の界面で内部電極に接合されており、控え部
を設けた内部電極を表面に有した圧電板を有し、電圧印
加用の金属突起の一部が隣合う圧電板の、上記控え部に
よって形成される隙間内に充填されて上記内部電極に電
気的に接合されることを特徴とする一体型ピエゾスタッ
クによって達成される。
〔作 用〕
本発明の一体型ピエゾスタックにおいては、金属突起
と内部電極とが接合されている界面(接合面)が、従来
のように平面的でなく、凹凸状であることによって、接
合面積が増加し、それに応じて接合力が増加する。
〔実施例〕
第1図に、本発明にしたがった一体型ピエゾスタック
の例を示す。一体型ピエゾスタック1は次のように製造
される。圧電板2を内部電極200で固着して積層体を構
成する。内部電極200に外部から作動電圧を導く端子と
して、金属突起3を積層体の側面の内部電極200の露出
部分の表面に化学メッキ等により形成する。(すなわち
この表面が接合面である。)その際、金属突起3は、一
つおきに積層体の同じ側面に位置するように積層体の両
側面に形成する。金属突起3を一対の側面リード線4の
各々に接続する。それによって、作動電圧を規定する2
水準の電位の各々を内部電極200に1つおきに印加して
各圧電板に変位を発生させることができる。
凹凸の寸法、形状、個数は特に限定する必要はなく、
ピエゾスタックの個々の仕様に応じて、金属突起の破断
を防止するのに必要な接合力が得られるように設定する
ことができる。
必要な接合力は、スタックの作動時に接合面に発生す
る応力とこれに対して設計上掛け合わされる安全率に基
づいて決定する。
本発明の一体型ピエゾスタックの製造方法としては、
従来の方法を基本的に適用することができる。
圧電板の材質としては、一般的にPbTiO3,PbZrO3にPb
(Co1/3Nb2/3)O3,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Nb2/
3)O3,Pb(Y1/2Nb1/2)O3等を固溶したもの、あるいはN
b2O5,WO3等をドープしたものが用いられるが、圧電効果
を有するものであればよく、好ましくは圧電d33定数の
大きいものがよい。
圧電板の寸法は、一般的に厚さ0.3〜0.5mm程度、直径
(あるいは一辺の長さ)5〜20mm程度である。
内部電極を形成する材料は、圧電板を十分な機械的強
度で固着できる導電性ペーストであり、銀ペースト等が
用いられる。
一体化形成後の内部電極の厚さは、3〜20μmが望ま
しく、6〜12μmが更に望ましい。厚さが3μm未満に
なると化学めっき等による金属突起の形成が困難とな
り、また20μmを超えると、例えば厚さを25μmにしよ
うとすると、スクリーン印刷時約50μmの膜層にしなけ
ればならず、多量の銀ペーストを必要とし高価になると
ともに、ピエゾスタックの全長を長くするか、圧電板の
積層枚数を数枚減らさなければならないので好ましくな
い。
〔実施例1〕 圧電板2に(材質:PbTiO3およびPbZrO3を主体とし、
少量のPb(Y1/2Nb1/2)O3を固溶させた材料、寸法:厚
さ0.5mm、直径15mm)第2図の様に金属突起形成部分周
辺210がちどり状になるよう製版しておいた#150スクリ
ーンをあて、銀ペースト(TiO2等を含有した耐酸銀ペー
ストが望ましい)を片面に印刷した。
この圧電板を控え部分が交互になるように積層し、ホ
ットプレス(2〜4kg/cm2(平均3kg/cm2)、600〜650℃
(平均630℃))して固着し外研削後、スタックに金属
突起を形成した。
Ni−P合金の化学メッキによる金属突起を次のように
形成した。
まず無電解メッキをしたくない部分をマスキング剤
(キクヤ研材薬品製)などでマスクし、メッキしたい部
分だけを露出させた。そして、アルカリ脱脂液(ヘンケ
ル白水社製)でアルカリ脱脂を行い、水洗いした後、塩
酸(1対1)に、1〜2分つけ、水洗いし、約80℃の次
亜リン酸ソーダに約10分間漬けた。そして、金属突起の
高さが50〜100ミクロンメートルになるまで約90℃のS68
0またはS790などの無電解メッキ液(日本カニゼン社
製)に浸漬した。そしてメッキが完了した後マスクを取
り除いた。
なお、内部電極のちどり状パターンの範囲は、全面に
及んでもかまわないが、高荷重で使用するスタックで
は、荷重集中により変位量が減るため、金属突起を製作
する周辺のみちどり状とし、残りは全面にした方が有利
である。
また、ちどりの形状は第2図では四角形にしている
が、三角形、楕円など型にとらわれない。またオープン
スペース(ちどり状に印刷されてない部分)の1つ当り
の大きさとしては、0.1〜0.7mm角程度が好ましい。
さらに、金属突起形成面は、ホットプレス接着後、い
ったん研削するため、常に、金属突起と内部電極の接合
面が凹凸となるように、オープンスペースの連なりの向
きと金属突起形成面の向きは、平行、直角または45゜と
ならないように、(好ましくは60゜または30゜近くがよ
い)、ちどり状の内部電極を形成した方がよい。
この様にして製作した金属突起3と内部電極200との
接合面は、第3図に示したように凹凸状となっており、
従来の平面的な接合に比べて接合面積が増えている。
この金属突起にワイヤーを半田付けしスタックを固定
して引張り強度を測定した。結果を第1表に示す。
〔実施例2〕 圧電板2の表面には第4図の様に1部控え部21を設け
て銀ペーストを#400スクリーンにて印刷し、裏面に
は、表面より全周0.2〜0.3mm控えて#200スクリーンに
て2回印刷・乾燥をした。控え部21の控え量は、外研削
後の状態にて0.05mm程度となるように調整した。次に、
控え部分が交互にかつ表面と裏面が向きあうように積層
し、ホットプレス接着し外研削してスタックとした。こ
のスタックに実施例1と同様にマスキング、前処理およ
びめっき処理を施し金属突起を形成した。このスタック
の金属突起と内部電極の接合面は、第5図に示したよう
に金属突起下部にできる隆起部の底および片側面である
ので、従来法より面積が増加した。この金属突起にワイ
ヤーを半田付けしスタックを固定して引張り強度を測定
した。結果を第1表に示す。
〔従来例〕
実施例1と同様にしてスタックを作製した。ただし、
銀ペーストのスクリーン印刷については、金属突起形成
部分周辺は単に従来のような必要な控え部分のみを形成
するようにし、特別なパターンは印刷しなかった。
この様にして作製したスタックについて、実施例1お
よび2と同様に、金属突起の引張り強度を測定した。結
果を第1表に示す。
第1表から、実施例1の引張り強度は平均()で10
7.5gf.であり、従来例の平均37.5gfに対して2.8倍程高
くすることができた。また、実施例2については、平均
270gfであり、従来例の7.2倍に高くすることができた。
作動時に発生する最大の静的引張り応力は、FEM解析
(2次元平面歪モデル)によって計算すると0.29kg/mm2
であり、これを平坦な接合面(4mm×10μm)に働く静
的引張り応力に換算すると11.6gfである。衝撃力の場
合、この静的な力のほぼ3倍程度であると見積もられる
ので、35gf程度である。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明の一体型ピエゾスタッ
クは、金属突起と内部電極との接合界面が凹凸であるこ
とによって接合強度が高められ、極めて安全率が向上し
ているので、金属突起の破断を確実に防止することがで
き、作動の安定性および耐久性が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にしたがった一体型ピエゾスタックの斜
視図、 第2図は本発明にしたがった圧電板の斜視図、 第3図は本発明にしたがった一体型ピエゾスタックを内
部電極の面に沿って切断した斜視図、 第4図は本発明にしたがった圧電板の斜視図、および 第5図は本発明にしたがった一体型ピエゾスタックの縦
断面図である。 2……圧電板、200……内部電極、 3……金属突起。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤田 靖 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 木原 則明 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−196075(JP,A) 特開 昭63−56971(JP,A) 実開 昭61−88246(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電板と内部電極とが交互に積層した一体
    構造を有し、該内部電極に接合されかつ所定の側面リー
    ド線に接続された電圧印加用の金属突起を具備する一体
    型ピエゾスタックにおいて、該金属突起が凹凸状の界面
    で該内部電極に接合されており、控え部を設けた内部電
    極を表面に有した圧電板を有し、電圧印加用の金属突起
    の一部が隣合う圧電板の、上記控え部によって形成され
    る隙間内に充填されて上記内部電極に電気的に接合され
    ることを特徴とする一体型ピエゾスタック。
JP63091840A 1988-04-15 1988-04-15 一体型ピエゾスタック Expired - Lifetime JP2707586B2 (ja)

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