JP3506596B2

JP3506596B2 - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP3506596B2
Application number: JP01705798A
Authority: JP
Inventors: 剛瀬戸口; 誠東別府; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JPH11214760A

Description

【発明の詳細な説明】【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。【０００２】【従来技術】従来から、内部電極ペーストが塗布された
圧電板を複数枚積層して積層体を形成した積層型圧電ア
クチュエータが知られている。このような積層型圧電ア
クチュエータは、圧電板に電圧を印加して逆圧電効果に
よって圧電板を数〜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。【０００３】従来の積層型圧電アクチュエータでは、圧
電的に活性な部分（積層体）の上下両端に圧電的に不活
性な部分（不活性体）を強固に接合した構造を有する。【０００４】近年、小型の積層型圧電アクチュエータで
大きな変位量を確保するため、また、積層型圧電アクチ
ュエータの高応答性を利用するため、より高い電圧を高
周波数で印加することが行われている。【０００５】しかしながら、従来の積層型圧電アクチュ
エータでは、大変位量を高周波数で繰り返し発生させる
ことにより、積層型圧電アクチュエータの自己発熱によ
る温度上昇が起こるため、積層された圧電板の耐久性の
劣化、及び電気特性の変化が生じていた。このため、こ
れに伴う積層型圧電アクチュエータの耐久性の劣化、及
び変位特性の変化が生じていた。【０００６】ところで、従来、圧電板と金属薄板を交互
に積層した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ絶縁性
接着剤により接合された一対の不活性体とを具備すると
ともに、金属薄板に形成された接続用突起部を２方向に
突出せしめ、同一方向に突出した前記接続用突起部同士
を電気的に接続し、正極側外部電極および負極側外部電
極とされた積層型圧電アクチュエータが知られている。
このような不活性体は、一般的に、圧電板と同一材料に
より形成されていた。【０００７】また、放熱性を向上した積層型圧電アクチ
ュエータとして、電極板に設けた放熱部材としてのフィ
ンを圧電板よりも外側に張り出し、かつ互いに隣接関係
が異種面内に配置するとともに、フィンの回りに積層型
圧電アクチュエータの冷却を司る冷却媒体を流通可能と
することにより、フィンと冷却媒体を通して積層型圧電
アクチュエータの熱を放熱したものが知られている（実
開平６−１３１６９号公報）。このような積層型圧電ア
クチュエータでは、自己発熱を有効に抑制できる。【０００８】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この実
開平６−１３１６９号公報に開示された積層型圧電アク
チュエータでは、圧電板の外側にフィンが突出している
ため、製品寸法が大きくなるという問題があった。ま
た、冷却媒体を流す必要があるため、積層型圧電アクチ
ュエータの駆動システムが複雑になるという問題があっ
た。【０００９】一方、圧電板の割れを防止し、積層型圧電
アクチュエータの信頼性を向上させるために、圧電板よ
りも抗折力の大きな不活性体を配置し、さらにこの不活
性体に、該不活性体よりも幅広の金属部材を配置した積
層型圧電アクチュエータも開示されている（実開昭６１
−２０５１６３号公報）。【００１０】このような積層型圧電アクチュエータで
は、正極側外部電極および負極側外部電極が圧電板の外
部に突出しており、装置へのセット際、位置決めが困難
であったため、積層体に不活性体だけでなく、この不活
性体よりも幅広の金属部材を不活性体に接合し、積層型
圧電アクチュエータの装置への位置決めを容易にしてい
た。【００１１】しかしながら、実開昭６１−２０５１６３
号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、圧
電素子、電極からなる積層体の上下端面にそれぞれ不活
性体を積層して接合し、この上下の不活性体の端面に、
それぞれ金属部材を接合する際、積層体の中心と、金属
部材の中心とがズレた状態や、傾いた状態で接合される
と、積層型圧電アクチュエータの特性のバラツキを生じ
ると共に、自己発熱がさらに促進されるという問題があ
った。【００１２】本発明は、高い印加電圧で高速で作動する
場合でも、自己発熱による温度上昇を容易に抑制するこ
とができ、信頼性が高く、且つ特性の安定した小型の積
層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。【００１３】【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、複数の圧電板と複数の電極とを交互に積
層した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合された
セラミックス製の不活性体とを具備するとともに、前記
電極が下側から交互に第１電極または第２電極とされ、
前記第１電極同士および前記第２電極同士が電気的に接
続された積層型圧電アクチュエータであって、前記不活
性体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であるとともに、前
記不活性体は、前記積層体の断面形状と同一断面形状を
有し、該積層体に接合される接続部と、この接続部より
も幅広の拡幅部とからなることを特徴とする。【００１４】【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、熱伝
導率が２０Ｗ／ｍＫ以上の不活性体を積層体の上下に配
置することにより、高い印加電圧で高速で作動する場合
でも、自己発熱により発生した熱を、不活性体を介し
て、例えばセットされた装置に伝導させることができ、
自己発熱による温度上昇を抑え、耐久性劣化の低減、及
び特性の変化を小さくすることができる。【００１５】また、不活性体が、積層体の断面形状と同
一形状を有し、該積層体に接合される接続部と、この接
続部よりも幅広の拡幅部とから構成されているため、不
活性体の拡幅部により表面積が大きくなり、装置への熱
伝導効率を上げることができ、自己発熱による温度上昇
をさらに抑制できる。【００１６】さらに、このような構造の不活性体では、
拡幅部の幅を、正極側外部電極および負極側外部電極を
含めた積層体の幅よりも大径とすることにより、従来の
ような金属部材を不要とすることができる。【００１７】即ち、従来、積層体の外周面から突出する
ように正極側外部電極および負極側外部電極が形成され
ていたため、装置へのセットの際の位置決めを容易に行
なうため、正極側外部電極および負極側外部電極を含め
た積層体の幅よりも大径の金属部材を、不活性体に接合
していたが、これでは、積層体の上下に不活性体を接合
し、これらの不活性体の上下に金属部材を接合する必要
があり、積層体の中心と金属部材の中心がズレ易く、こ
のようにズレた状態で接合されると、特性のバラツキを
生じると共に、自己発熱がさらに促進されるという問題
があった。【００１８】これに対して、本発明では、従来の金属部
材としての役割を不活性体の拡幅部にもたせることがで
き、これにより、不活性体のみの接合工程で組み立てが
終了するため、金属部材接合に伴なう積層体の位置ズ
レ、及び傾きの低減が図れ、自己発熱の抑制ができる。
また、金属部材の接合工程がなくなることにより、組立
工程の簡易化が行える。さらに、金属部材をなくするこ
とにより、積層型圧電アクチュエータの組み立てに必要
な部材数の低減が図れる。【００１９】【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータの模式断面図であり、図２は側面図である。
尚、図２においては絶縁性樹脂を省略した。図において
符号１は積層体を示している。この積層体１は、図３に
示すように両面に導電性接着剤層２が形成された圧電体
３と、図４に示すような金属薄板４とを交互に積層して
構成されている。つまり、圧電板３間には金属薄板４が
介装されており、これらの金属薄板４は導電性接着剤層
２により両側に配設された圧電板３に接合されている。【００２０】圧電板３を構成する圧電材料は、例えば、
チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス
材料などが使用されるが、これ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でも良い。
この圧電板３を構成する圧電材料としては、圧電歪み定
数ｄ₃₃が高いものが望ましい。【００２１】特に、金属成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、
Ｚｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｔｅと、ＳｒおよびＢａのうち少な
くとも一種を含む複合ペロブスカイト型化合物であっ
て、これらの金属元素のモル比による組成式を、Ｐｂ
_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2
Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-cＯ₃と表わした時、
ｘ、ｙ、ａ、ｂ、ｃのモル比が、０≦ｘ≦０．１２、０
≦ｙ≦０．１２、０＜ｘ＋ｙ、０．０５≦ａ≦０．１
２、０≦ｂ≦０．０１５、０．４３≦ｃ≦０．５２を満
足する基本成分１００重量部に対して、等モル比からな
るＰｂＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．２〜１．２重量
部添加含有してなる圧電磁器組成物が望ましい。【００２２】この圧電板３の厚みｔは、小型化および高
い電圧を印加するという点から、０．２〜０．６ｍｍで
あることが望ましい。【００２３】圧電板３の両面に形成される導電性接着剤
層２は、導電性ペーストを圧電板３に塗布し４００〜６
００℃程度で焼き付けることにより形成される。この導
電性ペーストは、Ａｇ等の導電性の金属粉末とガラス成
分からなっており、ガラス成分を高温で溶融することに
より圧電板３に焼き付けられる。この導電性ペースト
は、特に、Ａｇ粉末を７０〜９８重量％と、ＰｂＯ−Ｓ
ｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラス成分２〜３０重量％と
からなることが望ましい。【００２４】金属薄板４には、図４に示したように、１
個の接続用突起部５が形成されており、上下に配置され
た金属薄板４の接続用突起部５とは、図２に示したよう
に、１８０度の角度をなすように金属薄板４が圧電板３
の間に介装されている。これらの金属薄板４は、その接
続用突起部５の位置により正電極用金属薄板および負電
極用金属薄板とされている。同一方向に突出した接続用
突起部５同士は、該接続用突起部５が積層体１の軸方向
に折曲され、その先端部が半田付け、溶接等により電気
的に接続され、正電極用外部電極および負電極用外部電
極を形成している。【００２５】使用する金属薄板４は導電性を有するもの
で、例えば、銀、真鍮、銅、ステンレス等の金属が好ま
しい。金属薄板４の厚さは、変位量に寄与しないために
できるだけ薄いもの、例えば、２０〜１００μｍのもの
が好ましい。また、金属薄板４としては、他の金属薄板
４との短絡や放電を防止するために、積層体１の外周面
に露出しないように、圧電板３よりも小さいことが望ま
しい。【００２６】そして、積層体１の上下面には、圧電的に
不活性で機械的エネルギーを伝達する不活性体８が、絶
縁性接着剤層１５によりそれぞれ接合されている。【００２７】これらの不活性体８は、積層体１の両端面
に接合され、積層体１の圧電板３と同一直径を有する円
柱状の接続部１１と、この接続部１１に一体に形成さ
れ、接続部１１よりも大径の円柱状の拡幅部１２とから
構成されている。不活性体８は、セラミックスからなる
一体物であり、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上とされてい
る。【００２８】積層体１に接合される接続部１１の直径
を、圧電板３より小さくした場合、駆動中に圧電板３に
異常な応力がかかり、圧電板３の破損原因となり、ま
た、大きくした場合、積層体１と不活性体８の位置ズレ
が大きくなり、発熱、及び特性バラツキの原因となるた
め、圧電板３と同じ直径にする必要がある。また、不活
性体８の拡幅部１２は、セットした装置への熱伝導効率
を上げるため、圧電板３より大きい直径で形成される。
また、積層型圧電アクチュエータを装置へ位置決めする
際、圧電板３外周に形成された外部電極が邪魔になるた
め、外部電極を含めた積層体１の直径より大きくする必
要がある。【００２９】不活性体８は、積層型圧電アクチュエータ
の発熱をセットした装置に伝導させるため、熱伝導率２
０Ｗ／ｍＫ以上を有するもので、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ
₄、ＡｌＮ、ＺｒＯ₂等を主成分とするセラミックスが
好ましい。特に、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上である
ＡｌＮ主成分のセラミックスが望ましい。【００３０】積層体１と不活性体８との接合は、不活性
体８の片面に、例えば、ガラスペーストからなる絶縁性
接着剤を塗布し、４００〜６００℃程度で焼き付けた絶
縁性接着剤層１５を形成し、積層体１に不活性体８を積
層した後、加熱することにより、積層体１の両端面に不
活性体８が絶縁性接着剤層１５を介して接合される。【００３１】ガラスペーストは、圧電板３に焼き付けら
れる導電性ペーストのガラス成分ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ
₂Ｏ₃と同一ガラス成分から形成されている。【００３２】不活性体８は、積層体１の端面に形成され
ている金属薄板４に接合しても良いし、圧電板３に接合
しても良いが、特には金属薄板４に接合することが望ま
しい。【００３３】そして、図１に示したように、積層体１の
外周面および、不活性体８の一部の外周面を絶縁性樹脂
１７で被覆するとともに、圧電板３相互間および圧電板
外周面と接続用突起部５との間の空隙にも、同様に絶縁
性樹脂１７が、隙間がないように充填されている。充填
方法としては、粘度等の条件を調整し、真空脱法など減
圧下で空隙内に絶縁性樹脂１７を充分に充填することが
必要である。また絶縁性樹脂１７については弾性率の低
い材料を充填することが望ましい。尚、不活性体８およ
び積層体１の積層は、図５に示すように、一対の積層治
具Ａ、Ｂを用いて行なう。この積層治具Ａ、Ｂを当接す
ることにより、圧電板３および金属薄板４からなる積層
体１を収容する空間３１、不活性体８を収容する空間３
３を形成し、また、金属薄板４の接続用突起部６を収容
する空間３５を形成する。【００３４】先ず、不活性体８を空間３３内に収容し、
その接続部１１を積層体１の収容空間３１に位置決め
し、その後、圧電板３と金属薄板４を交互に積層する。
この際、金属薄板４の接続用突起部５の位置が交互とな
るように積層する。【００３５】そして、最後に不活性体８を空間３３内に
収容し、その接続部１１を積層体１の収容空間３１に位
置決めする。そして、所定温度に加熱し、圧電板３と金
属薄板４、金属薄板４と不活性体８とを接合する。この
後、積層治具Ａ、Ｂを分割し、図２に示したように、積
層体１から同一方向に突出した金属薄板４の接続用突起
部５を軸長方向に折曲し、ハンダ等で接合する。最後
に、積層体１の一部および不活性体８外周面全体に絶縁
性樹脂１７を被覆することにより、本発明の積層型圧電
アクチュエータが作製される。【００３６】尚、本発明では、金属薄板を用いた積層型
圧電アクチュエータについて説明したが、本発明では上
記例に限定されるものではなく、圧電板と電極とを交互
に積層した積層体の上下面に、不活性体を接合するタイ
プの積層型圧電アクチュエータであれば、例えば、金属
薄板を用いないタイプ、圧電板と金属薄板を接合しない
タイプ、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータで
あっても良い。【００３７】【実施例】Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓ
ｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-c
Ｏ₃と表わした時、ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０２、ａ＝
０．０７５、ｂ＝０．００５、ｃ＝０．４７を満足する
基本成分１００重量部に対して、等モル比からなるＰｂ
ＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．５重量部添加含有した
ＰＺＴ焼結体の両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み
０．５ｍｍの円板状の圧電板３を形成した。【００３８】この圧電板３の両主面に、Ａｇ粉末９７重
量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガ
ラス３重量％とからなる導電性ペーストを１０μｍの厚
みになるように印刷した後、１００℃にて乾燥し、５２
０℃で焼き付けた。【００３９】厚さ２５μｍのＡｇ製電極板を、図４に示
したような２ｍｍ×２ｍｍの接続用突起部５を有する直
径１９ｍｍの円形に打ち抜き、金属薄板４に接続用突起
部５を形成した。【００４０】また、不活性体８を、熱伝導率が２０Ｗ／
ｍＫのＡｌ₂Ｏ₃材で作製し、直径を２０ｍｍ、厚み２
ｍｍの接続部１１と、直径を２５ｍｍ、厚み４ｍｍの拡
幅部１２とから構成した。これらの不活性体８の接続部
１１の端面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃のガラスペー
ストを１０μｍの厚みになるように印刷した後、１００
℃にて乾燥し、５２０℃で焼き付けた。【００４１】そして、図５に示すような積層治具Ａ、Ｂ
を用いて、不活性体８の接続部１１を積層体１の収容空
間に位置決めして、不活性体８を積層治具Ａ、Ｂ内に収
容し、その後、圧電板３と金属薄板４を交互に積層し
た。この際、金属薄板４の接続用突起部５の位置が交互
となるように積層した。この後、不活性体８の接続部１
１を積層体１の収容空間に位置決めした。【００４２】次に、不活性体８の上部に約３ｋｇの重り
を乗せて、６００℃、１時間で加圧接合した。【００４３】この後、図２に示したように、圧電板３の
径方向に突出した接続用突起部５の先端部を軸方向に各
々折曲げ、折り曲げた先端部をハンダで接続し、それぞ
れ両側の接続用突起部５を正電極用外部電極及び、負電
極用外部電極とした。また、絶縁性樹脂１７としてシリ
コン系樹脂で被覆させた。【００４４】これを８０℃のシリコンオイル中で３ｋｖ
／ｍｍの直流電圧を３０分間印加して分極処理を行なっ
た。【００４５】得られた積層型圧電アクチュエータに５０
０Ｖの直流電圧を印加した結果、４０μｍの変位量が得
られた。このアクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖの直
流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数
５×１０⁸回まで４０μｍの変位量を維持し、積層型圧
電アクチュエータの表面温度は９０℃であった。尚、積
層型圧電アクチュエータの表面温度は、積層体１の外表
面に熱電対を配置し、測定した。【００４６】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タを、湿度９５％の大気中で、０Ｖから＋５００Ｖの直
流電界を５０Ｈｚの周波数にて５×１０⁸回作動させた
場合でも、全く放電が生じず、破損もしなかった。【００４７】尚、上記接続部と拡幅部からなる不活性体
を熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ、６０Ｗ／ｍＫの
Ｓｉ₃Ｎ₄により形成した場合について評価したとこ
ろ、ＡｌＮの場合は表面温度が７０℃、Ｓｉ₃Ｎ₄の場
合が８５℃であった。【００４８】また、不活性体８として、上記２０Ｗ／ｍ
ＫのＡｌ₂Ｏ₃からなり、直径を２０ｍｍ、厚み６ｍｍ
の円柱状のものを用いた積層型圧電アクチュエータで
は、印加回数５×１０⁸回まで４０μｍの変位量を維持
し、積層型圧電アクチュエータの表面温度は１１０℃で
あった。【００４９】一方、不活性体として、直径２０ｍｍ、厚
み６ｍｍで、圧電板３と同一材料を使用した圧電アクチ
ュエータを作製した。この場合、５００Ｖの直流電圧を
印加した結果、４０μｍの変位量が得られた。更にこの
圧電アクチュエータを、０Ｖから＋５００Ｖの直流電界
を５０Ｈｚの周波数にて作動した結果、１×１０⁸回印
加で変位量が３２μｍまで低下し、この時の積層型圧電
アクチュエータの表面温度は１４０℃であった。また、
５×１０⁸回印加で圧電板に割れが発生し、駆動ができ
なくなった。尚、不活性体の熱伝導率は１．０Ｗ／ｍＫ
であった。【００５０】また、不活性体として、直径２０ｍｍ、厚
み２ｍｍで、圧電板３と同一材料を使用し、この不活性
体の端面に直径２５ｍｍ、厚み４ｍｍのＳＵＳ３０４製
の金属部材をエポキシ樹脂で接着した圧電アクチュエー
タを作製した。この場合、５００Ｖの直流電圧を印加し
た結果、４０μｍの変位量が得られた。更にこの圧電ア
クチュエータを、０Ｖから＋５００Ｖの直流電界を５０
Ｈｚの周波数にて作動した結果、１×１０⁸回印加で変
位量が３５μｍまで低下し、この時の積層型圧電アクチ
ュエータの表面温度は１３０℃であった。また、５×１
０⁸回印加で変位量が３２μｍまで低下した。【００５１】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。【００５２】【発明の効果】本発明の積層型圧電アクチュエータで
は、熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以上の不活性体を積層体の両
端面に配置することにより、高い印加電圧で高速で作動
する場合でも、自己発熱を不活性体を通して、セットさ
れた装置に伝導させることにより、積層積層型圧電アク
チュエータの温度上昇を抑え、積層型圧電アクチュエー
タの耐久性劣化の低減、及び特性変化を小さくすること
ができる。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータの模式断面
図である。【図２】積層型圧電アクチュエータの側面図を示す図で
ある。【図３】圧電板に導電製接着剤層を形成した例を示す平
面図である。【図４】金属薄板を示す平面図である。【図５】積層治具を示すもので、（ａ）は平面図、
（ｂ）は積層治具を分割した状態を示す側面図である。【符号の説明】１・・・積層体２・・・導電性接着剤層３・・・圧電板４・・・金属薄板５・・・接続用突起部８・・・不活性体１１・・・接続部１２・・・拡幅部Ａ、Ｂ・・・積層治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−82853（ＪＰ，Ａ) 特開平５−283272（ＪＰ，Ａ) 特開平１−287977（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/083

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】複数の圧電板と複数の電極とを交互に積層
した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合されたセ
ラミックス製の不活性体とを具備するとともに、前記電
極が下側から交互に第１電極または第２電極とされ、前
記第１電極同士および前記第２電極同士が電気的に接続
された積層型圧電アクチュエータであって、前記不活性
体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であるとともに、前記
不活性体は、前記積層体の断面形状と同一断面形状を有
し、該積層体に接合される接続部と、この接続部よりも
幅広の拡幅部とからなることを特徴とする積層型圧電ア
クチュエータ。