JP3506614B2

JP3506614B2 - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP3506614B2
Application number: JP27619198A
Authority: JP
Inventors: 剛瀬戸口; 智裕川元; 幸喜芦田; 誠東別府; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP2000114610A

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、圧電板は、電圧を印加することによ
り伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧
電板１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電板を
複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータを作
製していた。

【０００３】この積層型圧電アクチュエータは、圧電板
に電圧を印加して数〜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。公知例としては特公平
７−４０６１３号などがある。

【０００４】このような積層型圧電アクチュエータで
は、例えば、圧電板の両表面に、電気導電性を有するペ
ーストを印刷や蒸着等の方法で数μｍの厚さの導電性接
着層を形成し、この導電性接着層の間に金属薄板を介在
させるように圧電板を積層し、加熱圧着し、一体化させ
た構造となっている。

【０００５】このような積層型圧電アクチュエータとし
て、例えば、特開昭５９−２１８７８４号公報には、両
面に導電性接着層を形成した圧電板を、導電性接着層間
に金属薄板を配置した状態で複数積層し、金属薄板に形
成された接続用突起を圧電板の外周面に対して所定の空
隙を残すように軸方向に折り曲げ、同一極性の接続用突
起同士を重なり合わせてハンダ等で接合した積層型圧電
アクチュエータが開示されている。

【０００６】また、実公昭６０−３５８９号公報では、
金属薄板が連結部材で連結された半田付けが不要なリボ
ン状の金属板が配線部材として開示されており、そうし
たリボン状金属板を利用した積層型圧電アクチュエータ
が多数開発されている（特開昭６０−１０３６８５号公
報、特開昭６１−２７６２７８号公報、特公平４−１６
０２９号公報、特開平７−２８３４５５号公報等参
照）。

【０００７】一方、近年では、積層型圧電アクチュエー
タは大きな変位量を確保した状態で、積層型圧電アクチ
ュエータの特徴である高応答性を利用するため、高い電
圧を高周波数で印加し駆動を行っている。また、より小
型化を促進すべく、より薄い圧電板が用いられるように
なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、同一極
性の接続用突起同士を重なり合わせてハンダ等で接合し
た特開昭５９−２１８７８４号公報の積層型圧電アクチ
ュエータや、ハンダ等で接合する必要がないリボン状金
属板を使用した特開平７−２８３４５５号公報等の積層
型圧電アクチュエータでは、金属薄板としてヤング率の
低い金属を使用した場合、接続用突起やリボン状金属板
の連結部が変形しやすく、変位動作によって変形した接
続用突起や連結部に応力集中が発生し、疲労断線を起こ
したり、同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてハ
ンダ等で接合した積層型圧電アクチュエータでは、高変
位に伴なう高応力により接合部が疲労し、剥離断線を起
こし易いという問題があった。

【０００９】これらの疲労断線を防ぐために、金属薄板
としてヤング率の高い金属を使用した場合、積層方向へ
の変位に伴う圧電板の径方向への伸縮動作を金属薄板が
抑制するために圧電板と金属薄板の接合部に高応力が発
生し、駆動時に圧電板に亀裂が発生し、アクチュエータ
の信頼性を低下させるという問題があった。

【００１０】これを解決する手段として、金属薄板と圧
電板を圧着させないで積層型圧電アクチュエータを構成
する方法が特公平７−１１８５５４号公報に開示されて
いる。これによると、金属薄板にはステンレス等の比較
的硬い材料を用い、この金属薄板の両面にこの金属薄板
より軟質な銅、銀、アルミニウム等の電極材料をメッキ
等の方法で形成することにより、積層後に、電極薄板に
形成された軟質な電極が圧電板と密接な接触状態とな
り、圧電板の電極として機能し、圧電板への電圧印加が
可能となる。

【００１１】しかしながら、このような積層型圧電アク
チュエータでは、圧電板と金属薄板が接合されておら
ず、積層の状態を維持するのが困難であった。このた
め、この構造の積層型圧電アクチュエータは、積層後直
ちに、ケースへの封入等を行わなければならず、また、
製造工程におけるハンドリングも非常に困難であった。

【００１２】本発明は、圧電板の亀裂の発生を防止で
き、信頼性の高い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金属薄板とを交互
に積層し、前記圧電板と前記金属薄板とを導電性接着層
により接合してなるとともに、前記金属薄板を交互に電
気的に接続した積層型圧電アクチュエータにおいて、前
記金属薄板が、金属母材板の両面に、この金属母材板よ
りもヤング率の小さい金属箔を接着してなるものであ
る。ここで、金属母材板はＮｉとＦｅを主成分とする合
金からなり、金属箔はＡｇからなることが望ましい。

【００１４】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、金属
母材板の両面に、この金属母材板よりもヤング率の小さ
い金属箔を接着して金属薄板を構成しているため、圧電
板は導電性接着層、金属箔、金属母材板、金属箔、導電
性接着層を介して、他の圧電板に接合されることにな
り、圧電板の径方向への伸縮動作により生じる応力が金
属箔により十分に吸収され、圧電板と金属薄板との接合
部に発生する応力が緩和され、圧電板における亀裂の発
生を抑制することができる。

【００１５】また、金属薄板を交互に電気的に接続する
部材を、ヤング率の大きい材料により構成することによ
り、高変位に伴なう金属薄板を接続する部材の断線を防
止することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータを示すもので、図２に示すように、両面に導電
性接着層１が形成された圧電板２を、図３に示したよう
に金属薄板４を介した状態で複数枚積層して構成されて
いる。

【００１７】これらの圧電板２はＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃
（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする焼結体が使用され
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２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。特に、金属成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚ
ｎ、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からなる圧
電磁器組成物が望ましい。

【００１８】この圧電板２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。

【００１９】圧電板２の両面に形成される導電性接着層
１は、導電性ペーストを圧電板２に塗布し４００〜６０
０℃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２に焼き付けられる。この導電性ペーストは、
特に、Ａｇ粉末を９０〜９７重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ
₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラス成分３〜１０重量％とから
なることが望ましい。

【００２０】そして、複数の圧電板２が積層されてお
り、その間には２層の導電性接着層１が形成され、それ
らの導電性接着層１間には円板状の金属薄板４が介装さ
れている。これらの金属薄板４は、図４に示すように、
連結部５により連結されており、図３に示すように、連
結部５が折曲されて圧電板２の径方向に突出している。

【００２１】これらの金属薄板４は、連結部５の突出位
置により正電極用金属薄板または負電極用金属薄板とさ
れている。

【００２２】金属薄板４は、図３に示すように、金属母
材板６と、この金属母材板６の両面に接合され、金属母
材板６よりもヤング率が小さい金属箔７とから構成さ
れ、金属母材板６には、例えば、ステンレス、Ｎｉ−Ｆ
ｅを主成分とする合金箔を用いる。Ｎｉ−Ｆｅを主成分
とする合金は導電性を有するもので、例えば、圧電板２
の熱膨張係数に近いコバール（５２Ｆｅ−３１Ｎｉ−１
７Ｃｏ、ヤング率１３５０００Ｎ／ｍｍ²）、４２アロ
イ（５８Ｆｅ−４２Ｎｉ、ヤング率１３７０００Ｎ／ｍ
ｍ²）等の金属が好ましい。この金属母材板６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２０〜５０μｍのものが好ましい。

【００２３】金属母材板６の両面に形成される金属箔７
としては、例えば、Ａｇ（ヤング率８１３４０Ｎ／ｍｍ
²）、リン青銅（ヤング率９８０００Ｎ／ｍｍ²）から
なるものがある。金属箔７の厚みは、１５μｍ未満の場
合、応力緩和の効果がなく、また、この厚さも変位量に
寄与しないため、できるだけ薄いもの、例えば、１５〜
３０μｍのものが好ましい。

【００２４】さらに、連結部５も、金属母材板６の両面
に金属箔７を接合して形成されている。図４に示すよう
な連結部５と金属薄板４の作製方法としては、例えば、
Ｎｉ−Ｆｅ金属母材板とその両面に接着されるＡｇ金属
箔を、圧延時に同時にローラーに投入して作製されたク
ラッド材を用い、図４の形状に切断する方法や、あるい
は、Ｎｉ−Ｆｅ金属母材板の表面に５μｍのＡｇメッキ
層を施し、圧電板の加熱圧着時にこのＡｇメッキ層を介
して、Ｎｉ−Ｆｅ金属母材板とＡｇ金属箔を接着し、図
４の形状に切断する方法が好ましい。尚、Ａｇ金属箔７
は圧電板の加熱圧着時には溶融しない。

【００２５】また、金属薄板４としては、異なる極性の
金属薄板４との短絡や放電を防止するために、圧電板２
の外周面に露出しないように、圧電板２よりも小さいこ
とが望ましい。積層体の上下面には、図１に示したよう
に、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が形成される。金属薄板４とガラス接合される不
活性体８の片面にはガラスペーストを塗布し、４００〜
６００℃程度で焼き付けられている。このガラスペース
トは、圧電板２に焼き付けられる導電性ペーストのガラ
ス成分ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなっている。

【００２６】そして、圧電板２および連結部５の外周面
は絶縁性樹脂９で被覆され、また、圧電板２外周面と連
結部５との間の空隙にも、同様に絶縁性樹脂９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樹
脂を充分に充填することが必要である。また、絶縁性樹
脂９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、図５に示すように、連結部５の部分には金属
箔を設けなくても良い。また、上記例では、金属薄板４
を連結部５を連結した例について説明したが、図６に示
すように、金属薄板４に接続用突起１１を設け、圧電板
２間に金属薄板４を介装するとともに、接続用突起１１
を圧電板に沿って折曲し、同一の極性を有する接続用突
起１１に当接し、ハンダ等で接続した積層型圧電アクチ
ュエータであっても良い。

【００２７】

【実施例】ＰＺＴ焼結体の両面を研磨して、直径２０ｍ
ｍ、厚み０．３ｍｍの円板状の圧電板を形成した。この
圧電板の両主面に、Ａｇ粉末９５重量％、ＰｂＯ−Ｓｉ
Ｏ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス５重量％の電気伝
導性ペーストを１０μｍの厚みになるように印刷し、１
００℃にて乾燥し、５００℃で焼き付けた。

【００２８】厚さ３０μｍのコバールからなる金属母材
板の両面に、Ａｇからなる厚さ２５μｍの金属箔を圧延
接着したクラッド材を作製し、図４に示したような直径
１９ｍｍの円形からなる金属薄板を幅２ｍｍ、長さ２ｍ
ｍの連結部で５０枚連結したリボン状の電極部材を作製
し、金属薄板を圧電板の間に挟み込み、圧電板を９９層
積層して積層体を形成した。尚、金属薄板の連結部が一
層おきに同じ位置にくるように、金属薄板を交互に９０
度ずらして配置した。

【００２９】また、不活性体をＰＺＴで作製し、この両
面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの円柱状の不
活性体を形成した。これらの不活性体の片面に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、５００
℃で焼き付けた。

【００３０】積層体の上下に不活性体８を配置し、位置
ずれが生じないように軽く圧力を加えた後、上部に５ｋ
ｇの重りを乗せて、５００℃、１時間で加圧接着した。

【００３１】次に、上記積層体をシリコンゴムで被覆
し、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。ま
た、金属薄板および連結部を、コバールのみ、Ａｇのみ
で作製したものを用い、上記と同様にして比較例の積層
型圧電アクチュエータを作製した。

【００３２】得られた３種類の積層型アクチュエータの
耐久性を比較するために、印加荷重４４０ｋｇｆ下で発
生変位量が５０μｍになるように各積層型圧電アクチュ
エータに印加する設定電圧を求め、印加荷重４４０ｋｇ
ｆ、印加電圧０Ｖから設定電圧を５０Ｈｚの周波数にて
１×１０⁹回印加する耐久試験を行った。

【００３３】その結果、本発明品は１×１０⁹回でも問
題無く駆動するのを確認した。一方、コバールからなる
金属薄板の積層型圧電アクチュエータでは、１×１０⁸
回にて駆動が停止した。このアクチュエータの外観観察
を行った結果、磁器表面に黒く変色したスパークの跡が
確認された。

【００３４】この部位近傍の断面観察を行った結果、金
属薄板と圧電板との接合界面における最外周部を起点に
圧電板に亀裂が生じているのが確認された。また、この
現象は、破損部位だけではなく、ほとんどの圧電板に見
られた。

【００３５】次に、Ａｇからなる金属薄板の積層型アク
チュエータでは、４×１０⁷回にて発生変位量が３０％
に低下した。外観観察を行った結果、３０層目の連結部
が黒く変色しており、この部位が断線しているのが確認
された。

【００３６】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。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
アクチュエータでは、金属母材板の両面に、この金属母
材板よりもヤング率の小さい金属箔を接着して金属薄板
を構成しているため、圧電板は導電性接着層、金属箔、
金属母材板、金属箔、導電性接着層を介して、他の圧電
板に接合されることになり、圧電板の径方向への伸縮動
作に伴う応力は金属箔により十分に吸収され、圧電板と
金属薄板との接合部に発生する応力が緩和され、圧電板
における亀裂の発生を抑制することができる。

【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基本構成
を示すもので、絶縁性樹脂を一部切り欠いて示す側面図
である。

【図２】圧電板に導電性接着層を形成した状態を示す平
面図である。

【図３】図１の一部を拡大して示す側面図（絶縁性樹脂
は省略）である。

【図４】金属薄板を連結部材で連結したリボン状の金属
部材を示す平面図である。

【図５】連結部に金属箔を形成しない例を示す側面図
（絶縁性樹脂は省略）である。

【図６】金属薄板に設けられた接続用突起を用いた例を
示す側面図（絶縁性樹脂は省略）である。

【符号の説明】

１・・・導電性接着層２・・・圧電板４・・・金属薄板５・・・連結部６・・・金属母材板７・・・金属箔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鬼塚克彦鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内 (56)参考文献特開昭62−165381（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金属薄板とを交互に
積層し、前記圧電板と前記金属薄板とを導電性接着層に
より接合してなるとともに、前記金属薄板を交互に電気
的に接続した積層型圧電アクチュエータにおいて、前記
金属薄板が、金属母材板の両面に、該金属母材板よりも
ヤング率の小さい金属箔を接着してなることを特徴とす
る積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】金属母材板がＮｉとＦｅを主成分とする合
金からなり、金属箔がＡｇからなることを特徴とする請
求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。