JP3850163B2

JP3850163B2 - 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3850163B2
Application number: JP5026299A
Authority: JP
Inventors: 剛瀬戸口; 幸喜芦田; 誠東別府; 智裕川元; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000252536A

Description

【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号公報などがある。
【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、加熱圧着し、一体化させた構造からなる。
【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６０−１２１７８４号公報によれば、両面にＡｇ粉末とガラス粉末との混合ペーストを印刷し焼き付け処理して形成された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スポット溶接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提案されている（特開昭６０−１０３６８５号公報、特開昭６１−２７６２７８号公報、特公平４−１６０２９号公報、特開平７−２８３４５５号公報等参照）。
【０００７】
近年、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、特公平７−４０６１３号公報に示された圧電板の両表面に導電性接着層を形成し、この導電性接着層を介して圧電板と金属薄板を熱圧着する積層型圧電アクチュエータでは、圧電板と金属薄板とを積層する際に、金属薄板を圧電板表面の導電性接着層と金属薄板が位置ずれを起こし、そのために、高電圧及び高周波数による駆動を行った時に積層方向への変位に伴なう径方向への伸縮動作により圧電板と金属薄板の接合部に発生する応力が不均一となり、圧電板上の導電接着層と金属薄板の位置ずれ部に高い応力が発生し、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。
【０００９】
また、積層型圧電アクチュエータを高荷重を印加した状態で装置へ組み込む場合、導電性接着層と金属薄板の位置ずれ部に、荷重による応力集中が発生し、圧電板へのクラックの発生を促進させていた。
【００１０】
更に、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スポット溶接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。
【００１１】
しかも、特開昭６０−１２１７８４号のＡｇとガラスからなる導電性接着層をを介して接合した場合、熱圧着時にガラス成分が優先的に圧電体の磁器粒界に拡散するため、圧電磁器の電気特性や耐久性を劣化させていた。
【００１２】
これら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作製する方法が特公平７−１１８５５４号公報に開示されている。これによると、金属薄板として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と圧電板との接触により、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。
【００１３】
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実質的に接合されておらず、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、プロセスにおけるハンドリングも非常に困難であった。
【００１４】
従って、本発明は、圧電板と金属薄板同士を確実に接続できるとともに、圧電板の亀裂の発生を防止した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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に対して検討を重ねた結果、複数個の圧電板と複数個の金属薄板とを交互に積層して形成された積層型圧電アクチュエータにおいて、前記金属薄板の表面に実質的にガラスを含まないＡｇ金属層が被覆形成されてなるとともに、前記Ａｇ金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることにより前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ａｇ金属層を介して接合一体化してなることを特徴とするものである。
【００１６】
また、かかる積層型圧電アクチュエータを製造するための方法としては、複数個のセラミック圧電板と、両面に実質的にガラスを含まないＡｇ金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、７００〜２０００ｋｇｆの荷重を印加しながら４００〜７００℃の温度で加熱し、前記Ａｇ金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入することにより、前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ａｇ金属層を介して接合一体化させたことを特徴とするものである。
【００１７】
なお、上記構成において、前記金属薄板はＮｉ−Ｆｅを主成分とする合金からなることが望ましく、また、前記Ａｇ金属層の厚みは１μｍ以上であることが望ましい。
【００１８】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータによれば、複数個のセラミック圧電板と、両面にＡｇ金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、７００〜２０００ｋｇｆの荷重を印加しながら４００〜７００℃の温度で加熱することによって、図４のセラミック圧電板とＡｇ金属層との接合界面の模式図に示すように、金属薄板の両面に被覆されたＡｇ金属層がセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入されることにより、セラミック圧電板は、Ａｇ金属層を介して金属薄板と強固に接合一体化されることになり、積層型圧電アクチュエータはプロセスでのハンドリングに十分耐えうる接合強度を得ることができる。セラミック圧電板への導電性接着層の形成を行わないためプロセスを簡素化できる。
【００１９】
また、圧電板側に導電性接着層を形成することがないために、前述したような積層時に発生していた導電性接着層と金属薄板の位置ずれの問題がなくなり、高荷重印加による装置への組み込みや、あるいは高電圧及び高周波数での駆動による導電性接着層と金属薄板の位置ズレ部への応力集中を緩和することができる。このため、応力集中に伴ない発生していた圧電板における亀裂の発生を抑制することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の積層型圧電アクチュエータは、図１の概略図を示すように、複数個のセラミック圧電板１と複数個の金属薄板２とが交互に積層された基本構造からなる。
【００２１】
セラミック圧電板１は、一般に、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃（以下、ＰＺＴと略す）を主成分とするセラミックスが使用されるが、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１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以外に、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｔｅ、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。
【００２２】
このセラミック圧電板１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】
金属薄板２は、円板状の正極用金属薄板２ａと負極用金属薄板２ｂからなり、これらの金属薄板２ａと２ｂも交互に積層されている。また、図３の金属薄板の接続構造に示すように、金属薄板２は、その極性ごとにそれぞれ連結部材３（３ａ、３ｂ）によって連結されることによって直列的に接続されている。そして、直列に接続された金属薄板２は、図１および図２に示すように、圧電板１積層体の径方向に突出した連結部３が折曲されており、正電極用と負電極用とでその露出場所が異なるように設定されている。また、金属薄板２としては、異なる極性の金属薄板２との短絡や放電を防止するために、圧電板１の外周面に露出しないように、圧電板１よりも小さいことが望ましい。
【００２４】
本発明の積層型圧電アクチュエータにおいては、上記アクチュエータ構造において、少なくとも金属薄板２の両面に、実質的にガラスを含まないＡｇ金属層４が被着形成されていることが大きな特徴である。そして、図４の金属薄板２とセラミック圧電板１との接合部の模式図に示すように、このＡｇ金属層４をセラミック圧電板１表面の結晶粒子１ａ間の間隙に圧入させることによりセラミック圧電板１と金属薄板２とをＡｇ金属層４を介して強固に接合一体化することができる。
【００２５】
金属薄板２としては、例えば、ステンレスやＮｉ−Ｆｅを主成分とする合金箔を用いる。特に、Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする合金は、高い導電性を有し、さらには、圧電板の熱膨張係数に近いコバール（５２Ｆｅ−３１Ｎｉ−１７Ｃｏ、４２アロイ（５８Ｆｅ−４２Ｎｉ）等の金属が最も好ましい。この金属薄板２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がよく、特に２０〜５０μｍのものが好ましい。
【００２６】
金属薄板２の両面に被覆されるＡｇ金属層４の厚みは、１μｍ未満では、Ａｇ金属層４のセラミック圧電板１表面への接触が不十分となりやすいために接合強度が低くなる場合がある。また、２０μｍよりも大きくなると、このＡｇ金属層４がアクチュエータの変位を阻害する場合があるため、このＡｇ金属層の厚さは１〜２０μｍ、特に２〜１５μｍのものが好ましい。
【００２７】
本発明における上記Ａｇ金属層４は、一般には、メッキ法や蒸着法によって金属薄板の表面に被覆するか、または金属薄板を２枚のＡｇ箔で挟み同時に圧延したクラッド材を用いることもできる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記Ａｇ金属層４は、金属薄板２の両面に被着形成するとともに、金属薄板２を接続する連結部材３の表面に形成されていてもよい。その場合には、加熱圧着時に４００〜６００℃で熱処理する際の連結部材３の酸化を抑制し、強度の低下を防止することができる。
【００２９】
また、セラミック圧電板１と金属薄板２との積層体の最上面および最下面には、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５がガラスなどの接着剤によって最上面に位置する金属薄板２に対して接合されている。
【００３０】
上記の本発明の積層型圧電アクチュエータは以下の方法によって作製される。まず、セラミック圧電板１は、例えば、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃（以下、ＰＺＴと略す）を主成分とする圧電組成物を各圧電板１形状に成形した後、１１００〜１３００℃の温度で焼成することによって作製される。
【００３１】
一方、金属薄板２は、所定の金属からなる金属板を打ち抜き加工などによって図３に示したような所定の形状に作製される。その後、この金属薄板２の表面に前述したようにメッキ法、蒸着法によってＡｇ金属層を被覆するか、またはクラッド材を用いる。
【００３２】
そして、上記のようにして作製したセラミック圧電板１と表面にＡｇ金属層４が被着形成された正極用および負極用の金属薄板２とを図１および図２に示したように、金属薄板２の連結部４が一層おきに同じ位置にくるように、金属薄板２をセラミック圧電板１間に交互に挟み込んで積層した後、上部よりに荷重を印加して、熱圧着させる。
【００３３】
この時の荷重としては７００〜２０００ｋｇｆ、特に７００〜１０００ｋｇｆであることが重要であり、後述する実施例からも明らかなように、７００ｋｇｆよりも荷重が小さいと、セラミック圧電板と金属薄板との強固が接合が得られず、１０００ｋｇｆを超えると、強固な接合は得られるものの、セラミック圧電板が割れるなどの問題が発生する。
【００３４】
さらに、この時の温度は、４００〜７００℃、特に４５０〜６５０℃が適当である。これは、温度が４００℃よりも低いと、良好な接合強度が得られず、７００℃よりも高いと、金属薄板の強度が低下し、金属薄板の取り出し電極の信頼性が低下するためである。
【００３５】
上記のような条件で熱圧着することにより、Ａｇ金属層の延性によって、図４に示したようにセラミック圧電板１の表面の結晶粒子間に圧入させることができる結果、セラミック圧電板１と金属薄板２同士を確実に接続できる。
【００３６】
また、積層体の最上面および最下面に設置される不活性体５は、上記のセラミック圧電板と金属薄板との接合一体化処理と同時、あるいはその後に、ホウケイ酸鉛系ガラスなどによって４００〜６００℃で焼き付け処理して積層体の上下に不活性体５を積層一体化する。
【００３７】
上記のようにして積層一体化された積層型圧電アクチュエータは、セラミック圧電板１および連結部材３の外周面を、絶縁性シリコン樹脂６などによって被覆し、また、セラミック圧電板１の相互間および圧電板２外周部と連結部４との間の空隙にも同様に絶縁性シリコン樹脂６を隙間が発生しないように充填する。
【００３８】
このような樹脂の充填方法としては、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シリコン樹脂を充填すればよい。また、絶縁性シリコン樹脂６は弾性率の低い材料を充填することが望ましい。
【００３９】
【実施例】
実施例１
ＰＺＴ系圧電セラミックスの両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み０．３ｍｍの円板状のセラミック圧電板１を作製した。
【００４０】
厚さ３０μｍのコバールからなる金属板を打ち抜き加工して、図３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２ｍｍの連結部で５０枚連結した金属部材を作製した。そして、この金属部材の両面に厚さ５μｍのＡｇメッキ層５を形成した。
【００４１】
そして、上記の金属部材のうち、円形の金属薄板をセラミック圧電板の間に順次挟み込み、９９層の圧電板の各圧電板間に、正極用金属薄板と負極用金属薄板とを交互に積層して積層体を形成した。
【００４２】
また、不活性体として、セラミック圧電体と同様のＰＺＴ系セラミックスを用いて、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ホウケイ酸鉛系ガラス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。
【００４３】
上記のようにして作製した積層体を位置ずれが生じないように軽く圧力を加えた状態で、上部から１０００ｋｇｆの荷重をプレス機にて印加し、５００℃、１時間で加圧接着した。
【００４４】
その後、上記積層体を絶縁性シリコンゴムで全体を被覆し、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い、本発明の積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００４５】
また、セラミック圧電板の両面に、Ａｇ粉末９７重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス３重量％の導電性ペーストを１０μｍの厚みになるように印刷した後、１００℃にて乾燥し、５００℃で焼き付けて導電性接着層を形成したセラミック圧電板を作製した。そして、このセラミック圧電板とコバールからなる金属薄板３とを積層し５００℃で１時間熱圧着する以外は、上記と全く同様にして比較用の圧電アクチュエータを作製した。
【００４６】
得られた４種類の積層型圧電アクチュエータについて、セラミック圧電体と金属薄板との接合状態を走査型電子顕微鏡によって観察した結果、本発明品は、Ａｇメッキ層がセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入しており強固に接合していることを確認した。
【００４７】
次に、各試料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４４０ｋｇｆ、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。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。
【００４８】
さらに、各アクチュエータにおける層構成について、１個の圧電体を一対の金属薄板で挟み込み、その金属薄板間に電圧を印加して金属薄板間でスパークが発生する時の電圧を耐電圧として測定した。
【００４９】
その結果、本発明品は１×１０⁹回でも問題なく駆動するのを確認した。また、耐電圧も１５ＫＶ／ｍｍと高い値を示した。さらに金属薄板と圧電板との接合界面を観察した結果、Ａｇ金属層が圧電体表面の結晶粒子間に圧入されており、強固に接合されていることを確認した。
【００５０】
一方、比較品のガラスを含有する導電性接着層を介してコバールからなる金属薄板と熱圧着した積層型圧電アクチュエータでは、２×１０⁸回にて駆動が停止した。また、耐電圧は１１ＫＶ／ｍｍと本発明品よりも低いものであった。なお、このアクチュエータの金属薄板と圧電体との界面を観察した結果、ガラス成分の拡散が観察された。また、このアクチュエータの破損部を観察した結果、圧電体に形成した導電性接着層間でスパークしているのを確認した。さらに、破損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。
【００５１】
実施例２
実施例１の本発明品を作製する際の熱圧着時の印加荷重とセラミック圧電板と金属薄板との接合強度との関係を図５に示した。なお、この試験においては、直径１４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのセラミック圧電板と直径１２ｍｍ、厚さ３０μｍのコバールからなる金属薄板の両面に厚み５μｍのＡｇメッキ層を施したものを交互に７０枚積層し、各荷重にて熱圧着させた後、下部スパン３０ｍｍの３点曲げを行って求めた。その結果を図４の印加荷重と接合強度の関係に示す。
【００５２】
図５の結果から明らかなように、７００ｋｇｆ以上でセラミック圧電板とほぼ等しい３５ＭＰａの接合強度が得られているのが分かる。そして、印加荷重１０００ｋｇｆ以上でほぼ接合強度が飽和している。但し、２０００ｋｇｆを超える印加荷重では、セラミック圧電板２における金属薄板３の外周部に応力が集中し圧電板にマイクロクラック発生するのを確認した。
【００５３】
従って、熱圧着時の印加荷重は７００〜２０００ｋｇｆ、特に７００〜２０００ｋｇｆがよいことがわかる。
【００５４】
【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、両面にＡｇ金属層を被覆した金属薄板とセラミック圧電板とを交互に積層した後、７００〜２０００ｋｇｆの荷重を印加しながら熱圧着することにより、Ａｇ金属層をセラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることによって前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ａｇ金属層を介して接合一体化することができるために、積層型圧電アクチュエータは、プロセスでのハンドリングに十分耐えうる接合強度を得ることができる。また、圧電板への導電性接着層の形成が必要ないため、プロセスを簡素化できる。
【００５５】
また、セラミック圧電板に導電性接着層を形成しないために、積層時に発生していた導電性接着層と金属薄板が位置ずれがなくなり、装置への組み込みを行う場合の高荷重印加に伴なう導電性接着層と金属薄板の位置ずれ部への応力集中や、高電圧、及び高周波数による駆動を行う場合の積層方向への変位に伴なう径方向への伸縮動作により圧電板と金属薄板の接合部に発生する応力の不均一化を防止できるため、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の概略図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】金属薄板を連結部材で連結した金属部材を示す平面図である。
【図４】本発明における積層型圧電アクチュエータにおけるセラミック圧電板と金属薄板との接合界面の模式図である。
【図５】積層型圧電アクチュエータの熱圧着時の印加荷重と接合強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１セラミック圧電板
２金属薄板
３連結部材
４Ａｇ金属層
５不活性体
６絶縁性シリコン樹脂

Claims

複数個のセラミック圧電板と複数個の金属薄板とを交互に積層して形成された積層型圧電アクチュエータにおいて、前記金属薄板の表面に実質的にガラスを含まないＡｇ金属層を被覆形成するとともに、前記Ａｇ金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入させることにより前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ａｇ金属層を介して接合一体化してなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
前記金属薄板がＮｉ−Ｆｅを主成分とする合金からなる請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。
前記Ａｇ金属層の厚みが１μｍ以上である請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。
複数個のセラミック圧電板と、両面に実質的にガラスを含まないＡｇ金属層が形成された金属薄板を交互に積層した後、７００〜２０００ｋｇｆの荷重を印加しながら４００〜７００℃の温度で加熱し、前記Ａｇ金属層を前記セラミック圧電板表面の結晶粒子間に圧入することにより、前記セラミック圧電板と前記金属薄板とを前記Ａｇ金属層を介して接合一体化させたことを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
前記金属薄板がＮｉ−Ｆｅを主成分とする合金からなる請求項４記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
前記Ａｇ金属層の厚みが１μｍ以上である請求項４記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。