JP3881474B2

JP3881474B2 - Multilayer piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP3881474B2
Application number: JP15157799A
Authority: JP
Inventors: 克彦鬼塚; 誠東別府; 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP2000340849A

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、自動車用燃料噴射弁、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、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが提案されている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。
【０００３】
同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータとして、例えば、特公平４−５１９９２号公報に記載されているように、電歪効果を示す圧電体と内部電極とが交互に積層され、一体に焼成された積層焼結体からなるアクチュエータ本体であって、各内部電極の形状が圧電体の積層方向に垂直な断面形状のうち、その外周部を含む一部分が除去された形状であり、また、各内部電極はその除去された部分が積層方向に対して、互いに隣り合う内部電極の間では重ならず、一層おきの内部電極の間では重なるように積層されており、アクチュエータ本体の側面上の前記除去された部分に対応する位置には、各内部電極を一層おきに接続する外部電極がそれぞれ形成されたものが開示されている。
【０００４】
また、特開平４−２３７１７２号公報には、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部に一層おきにガラスからなる絶縁層を被覆し、外部電極には、絶縁層と同じピッチで、かつ絶縁層の断面よりやや大きい凹部を形成し、この凹部内に絶縁層を収容するようにして、かつ、凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない内部電極の端部を導電性接着剤で接着することにより、外部電極と一方の内部電極との電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶縁性を確保した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長期間連続駆動させることが行われているが、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、圧電体間に形成された内部電極と正極、負極用の外部電極との間で剥離が発生し、一部の圧電素子に電圧供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００６】
また、特開平４−２３７１７２号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部には一層おきにガラスからなる絶縁層が被覆され、内部電極とその両側の圧電体が強固に接合されており、この絶縁層が外部電極の凹部内に収容されて、外部電極と内部電極との絶縁性が確保されていたので、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、ガラスからなる絶縁層に割れが生じ、この割れを介して内部電極と外部電極との間でショートし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００７】
即ち、アクチュエータ本体は、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮するため、内部電極の端部およびその近傍の圧電体に設けられた高ヤング率のガラスからなる絶縁層が、長期間連続駆動による伸縮動作に耐えきれずに破壊され、この破壊部分を介して内部電極と外部電極間でショートが発生し易いという問題があった。尚、圧電体および内部電極の端部に導電性接着剤が接着しているが、導電性接着剤は金属が主成分であり、低ヤング率であるため、ガラスからなる絶縁層よりは問題とならない。
【０００８】
本発明は、高い印加電界で高速で長期間連続作動する場合でも、一方の内部電極と外部電極との接続を十分に確保できるとともに、他方の内部電極と外部電極との絶縁を確実に確保できる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。
【０００９】
【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、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、少なくとも２つの側面に前記内部電極の端部が露出したアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体の２つの側面にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部が交互に接続する外部電極とを具備した積層型圧電アクチュエータであって、前記外部電極は、導電板に複数の凹部が所定間隔を置いて形成されているとともに、前記凹部に絶縁体が収容されており、前記絶縁体が前記内部電極の端部に接合されることなく交互に当接され、かつ前記導電板の凹部間における導電凸部が、前記絶縁体と非当接の前記内部電極の端部に導電性接着剤で接着されたものである。ここで、凹部内面に酸化物膜が形成されていることが望ましい。
【００１０】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、外部電極を、導電板に所定間隔を置いて凹部を複数形成するとともに、該凹部に絶縁体を収容して構成されており、一層置きの内部電極の端部に絶縁体を接合させることなく当接させるとともに、絶縁体と非当接の内部電極の端部に、導電板の凹部間に形成された導電凸部を導電性接着剤で接着しているため、絶縁体は内部電極の端部および圧電体に当接しており、アクチュエータ本体が、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮しても絶縁体には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも絶縁体が破損することがない。このため、本来、絶縁されるべき外部電極と内部電極との間のショートの発生を防止でき、一方の内部電極と外部電極の電気的接続と、他方の内部電極と外部電極の絶縁性を確保でき、高速の連続駆動に対しても長時間の運転が可能となる。
【００１１】
また、凹部内面に酸化物膜を形成することにより、凹部内に収容された絶縁体が破損した場合でも、内部電極と外部電極との放電が、酸化物膜により阻止され、内部電極と外部電極間の高い絶縁性を確保できる。
【００１２】
【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斜視図であり、図２は一部を拡大して示す断面図であり、図３は外部電極の一部を拡大して示す断面図である。
【００１３】
図１において、符号１は、複数の圧電体２と複数の内部電極３とを交互に積層してなる四角柱状のアクチュエータ本体を示すもので、このアクチュエータ本体１の対向する２つの側面には、それぞれ外部電極４が形成されている。
【００１４】
圧電体２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）或いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃を主成分とする圧電セラミック材料などが使用されるが、これら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れでも良い。この圧電体材料としては、圧電歪み定数ｄ₃₃が高いものが望ましい。また、圧電体２の厚み、つまり内部電極３間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から０．０３〜０．２ｍｍであることが望ましい。
【００１５】
内部電極３は、アクチュエータ本体１の４つの側面全てに端部が露出しており、一対の外部電極４に内部電極３の端部が交互に接続され、同一極性の内部電極３は同一外部電極４に接続されている。
【００１６】
また、アクチュエータ本体１の積層方向の両端面には、アクチュエータ本体１を機械的に保持し、発生するパワーを外部へ伝達するための不活性部５が積層され、接合されている。
【００１７】
そして、本発明の圧電アクチュエータでは、外部電極４が、導電板６に所定間隔を置いて凹部７を複数形成するとともに、該凹部７に絶縁体８を収容して構成されており、外部電極４の絶縁体８が内部電極３の端部に交互に当接され、一方、導電板６の凹部７間における導電凸部９が、絶縁体８と非当接の内部電極３の端部に導電性接着剤１０により接着されている。つまり、外部電極４は、一方の内部電極３との電気的接続を確保し、他方の内部電極３との絶縁性を確保するものである。
【００１８】
導電板６は、導電性があり、加工可能であればいずれの金属でもかまわないが、好ましくは、銀合金、銅合金、ステンレス、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等により形成されることが望ましい。
【００１９】
凹部７は、アクチュエータ本体１の同一側面に露出した内部電極３の端部と、一層おいた内部電極３の端部との間隔、つまり、同一極性の内部電極３間の距離を置いて形成されており、その積層方向の幅は、圧電体２とほぼ同一とされている。凹部７の形状は断面が四角柱状とされているが、断面が円形状であっても良い。
【００２０】
絶縁体８は、例えば、ガラス、ガラセラ、エポキシ樹脂、シリコーンゴムなどの絶縁性材料からなり、導電板６の凹部７に絶縁性材料を充填し、硬化することにより得られる。この絶縁体８は、図３に示すように、導電板６の導電凸部９の表面から突出しており、この絶縁体８が内部電極３の端部に、接合することなく当接している。絶縁体８の形状は、断面が四角形状とされているが、断面が円形状であっても良い。尚、絶縁体８としてガラスを用いる場合には、ガラスペーストを予め導電体６の凹部７に充填して絶縁体８を形成し、この後、導電凸部９がアクチュエータ本体１の側面に接合される。
【００２１】
導電性接着剤１０は、例えば、Ａｇ粉末を４０〜６０重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−ＺｒＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス成分４０〜６０重量％とからペーストを用いて形成される。導電凸部９に形成される導電性接着剤１０は、内部電極３の端部と強固に接合させるために、内部電極材料と拡散接合しやすい材料であることが望ましい。内部電極３がＡｇを含む材料の場合、導電性接着剤１０の主成分はＡｇであることが望ましい。更に接合を強固にするために、内部電極材料に含まれるガラス成分と同一系統のガラス成分を含んでいることが望ましい。尚、導電性接着剤１０として、導電性シリコンゴム等の低ヤング率材料を用いることにより、高速駆動時の導電性接着剤１０の破損を防止できる。
【００２２】
尚、外部電極４の凹部７内面に酸化物膜１１を形成しても良い。即ち、凹部７の内面と絶縁体８との間に酸化物膜１１を形成することにより、より絶縁性を確保できる。
【００２３】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、以下のプロセスにより製造される。先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み３０〜２００μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００２４】
このグリーンシートの片面に内部電極となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の両側に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。
【００２５】
次に加圧を行いながら、１００〜２００℃で加熱を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断され、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９００〜１１００℃、２〜５時間で本焼成が行われ、アクチュエータ本体１が作製される。このアクチュエータ本体１の４側面には、内部電極３の端部が露出している。
【００２６】
一方、外部電極４を、導電板６に所定間隔を置いて複数の凹部７を形成し、これらの凹部７に、例えば、ガラスからなる絶縁性材料のペーストを充填し、乾燥することにより絶縁体８を収容するとともに、導電板６の凹部７間における導電凸部９に導電性接着剤１０が塗布され、形成されている。この状態では、導電性接着剤１０は、絶縁体８よりも外側に突出している。
【００２７】
そして、外部電極４の導電性接着剤１０を内部電極３の端部に当接し、加熱接合もしくはレーザー溶接により、外部電極４の導電凸部９が、内部電極３の端部と導電性接着剤１０を介して接着されるとともに、外部電極４の絶縁体８が、導電凸部９が接続されていない内部電極３の端部と当接することになる。
【００２８】
この後、図示しないが、アクチャエータの周囲に、デイッピング等の方法により、シリコンゴム等の被覆材で被覆し、図１に示したように、正極用外部電極、負極用外部電極にリード線１５を接続し、正極、負極に０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電アクチュエータを得る。
【００２９】
尚、アクチャエータの周囲の隅々までシリコンゴム等の被覆材で被覆するために、周囲を真空状態にすることが行われているが、この際に、外部電極４の絶縁体８と、内部電極３の端部や圧電体２との間にシリコンゴム等の被覆材が浸入することがある。
【００３０】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータでは、絶縁体８は内部電極３の端部および圧電体２に当接しており、アクチュエータ本体１が、圧電体２と内部電極３との積層方向に伸縮しても絶縁体８には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動した場合でも絶縁体８が破損することがなく、高速の連続駆動に対しても長時間運転できる。
【００３１】
さらに、全体をシリコンゴム等の絶縁被覆材によって被覆することにより、環境からの水分の進入を防止できる。従って、使用する電極部材間のエレクトロマイグレーションの発生を抑制し、電極接続の信頼性を確保することができる。
【００３２】
尚、本発明の積層型圧電アクチュエータは四角柱、六角柱等どのような多角柱形状であっても良いが、切断の容易性から四角柱状が望ましい。
【００３３】
【実施例】
ＰＺＴを主成分とする厚み０．１２ｍｍのグリーンシートにＡｇ／Ｐｄを主成分とする内部電極ペーストを厚み２μｍで印刷形成した。内部電極ペーストが塗布されたグリーンシートを３００枚積層し、この後、両面に内部電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層し、加熱接合して一体化した。
【００３４】
積層体を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ３０ｍｍになるように切断し、最高温度７００〜８００℃、２０〜３０時間で脱バインダを行った。その後、最高温度９００℃〜１１００℃で３〜６時間焼成を行い、アクチュエータ本体を得た。
【００３５】
次に、図２に示した形状で、３０ｍｍ×２ｍｍで厚さ０．４ｍｍのステンレス製の導電板の表面に、０．２ｍｍおきに、幅２ｍｍの凹部を形成し、これらの凹部に、硼珪酸系ガラスからなる絶縁性材料を充填し、絶縁体を形成するとともに、凹部間の導電凸部にＡｇとガラスからなる導電性接着剤が塗布され、外部電極を形成した。
【００３６】
この外部電極を、アクチュエータ本体の側面に位置あわせした後、外部電極の上部に重りを乗せて、６００℃、３０分で加熱接着した。この後、圧電体２の外周部、外部電極４と内部電極１との間に隙間がないようにシリコンゴムを充填した。これを８０℃のシリコンオイル中に置き、正極および負極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を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得た。
【００３７】
得られた積層型圧電アクチュエータに２００Ｖの直流電圧を印加した結果、４０μｍの変位量が得られた。更にこのアクチュエータに０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数５×１０⁸回まで４０μｍの変位量を維持した。さらに、本発明の積層型圧電アクチュエータ１０個を湿度９５％の大気中で、０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０⁸回印加した場合でも、全く放電が生じず、破損もしなかった。
【００３８】
また、内部電極の端部に一層おきにガラス層が被覆されており、外部電極は、ガラス層と同じピッチで凹部を有しており、この凹部内にガラス層を収容するように位置合わせし、凹部間の凸部をガラス層が形成されていない内部電極の端部に導電性接着剤で接着した、比較例の積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００３９】
上記と同様に、２００Ｖの直流電圧を印加した結果、４０μｍの変位量が得られた。更にこのアクチュエータに０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数５×１０⁸回まで４０μｍの変位量を維持した。さらに、この積層型圧電アクチュエータ１０個を湿度９５％の大気中で、０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０⁶回印加したところ、沿面放電のため８個が破損した。破損個所を観察したところ、内部電極の端部を被覆しているガラス層に割れが生じており、この割れを介して内部電極の端部と外部電極の凹部内面が放電し、沿面放電したことを確認した。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、外部電極の絶縁体は内部電極の端部および圧電体に当接しており、アクチュエータ本体が、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮しても絶縁体には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも絶縁体が破損することがなく、本来、絶縁されるべき外部電極と内部電極との間のショートの発生を防止でき、高速の連続駆動に対しても長時間運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の四角柱状の積層型圧電アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】外部電極を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・アクチュエータ本体
２・・・圧電体
３・・・内部電極
４・・・外部電極
６・・・導電板
７・・・凹部
８・・・絶縁体
９・・・導電凸部
１０・・・導電性接着剤
１１・・・酸化物膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multilayer piezoelectric actuator, and relates to a multilayer piezoelectric actuator used for, for example, a precision positioning device such as a fuel injection valve for an automobile and an optical device, a drive element for preventing vibration, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to obtain a large amount of displacement using the electrostrictive effect, a multilayer piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies and internal electrode layers are alternately stacked has been proposed. Multi-layer piezoelectric actuators are classified into two types: simultaneous firing type and stack type in which piezoelectric ceramics and internal electrode plates are alternately stacked. Since the laminated piezoelectric actuator is advantageous for thinning, its superiority is being shown.
[0003]
As a simultaneous firing type laminated piezoelectric actuator, for example, as described in Japanese Examined Patent Publication No. 4-51992, a piezoelectric body and internal electrodes exhibiting an electrostrictive effect are alternately laminated and integrally fired. It is an actuator body made of a sintered body, and the shape of each internal electrode is a shape in which a part including the outer peripheral portion is removed from the cross-sectional shape perpendicular to the stacking direction of the piezoelectric body. The removed portion is laminated so that it does not overlap between adjacent internal electrodes in the stacking direction but overlaps between every other internal electrode, and the removed portion on the side surface of the actuator body is removed. In the position corresponding to the portion, there is disclosed one in which external electrodes for connecting the internal electrodes every other layer are formed.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-237172 discloses an insulating layer made of glass every other end of the internal electrode exposed on the side surface of the actuator body, and the external electrode has the same pitch as the insulating layer, and A recess that is slightly larger than the cross section of the insulating layer is formed, the insulating layer is accommodated in the recess, and the end of the internal electrode on which the insulating layer is not formed is conductively bonded to the protrusion between the recesses. A multilayer piezoelectric actuator is disclosed in which an electrical connection between an external electrode and one internal electrode is ensured by bonding with an agent, and insulation with the other internal electrode is ensured.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, in order to secure a large amount of displacement under a large pressure with a small piezoelectric actuator, a higher electric field is applied and continuously driven for a long time. When driven continuously for a long period of time, peeling occurs between the internal electrode formed between the piezoelectric bodies and the external electrode for the positive and negative electrodes, so that voltage is not supplied to some piezoelectric elements and displacement characteristics during driving There was a problem that changed.
[0006]
Further, in the multilayer piezoelectric actuator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-237172, the end portions of the internal electrodes exposed on the side surfaces of the actuator body are covered with an insulating layer made of glass every other layer, and the internal electrodes and both sides thereof are covered. The piezoelectric body is firmly bonded, and this insulating layer is accommodated in the recess of the external electrode, so that the insulation between the external electrode and the internal electrode is ensured. When driven continuously, a crack occurs in the insulating layer made of glass, a short circuit occurs between the internal electrode and the external electrode through this crack, and voltage is not supplied to some piezoelectric bodies, so that displacement characteristics during driving There was a problem that changed.
[0007]
In other words, since the actuator body expands and contracts in the stacking direction of the piezoelectric body and the internal electrode, the insulating layer made of high Young's modulus glass provided on the end of the internal electrode and the piezoelectric body in the vicinity thereof is continuously driven for a long time. There is a problem that the expansion and contraction operation cannot be withstood, and the internal electrode and the external electrode are easily short-circuited through the broken portion. Note that the conductive adhesive is bonded to the ends of the piezoelectric body and the internal electrode. However, the conductive adhesive is mainly composed of metal and has a low Young's modulus, so it is more problematic than an insulating layer made of glass. Don't be.
[0008]
The present invention can sufficiently secure the connection between one internal electrode and the external electrode and ensure the insulation between the other internal electrode and the external electrode even in the case of continuous operation at a high applied electric field at a high speed for a long period of time. An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric actuator.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The multilayer piezoelectric actuator of the present invention includes an actuator body in which a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes are alternately stacked, and ends of the internal electrodes are exposed on at least two side surfaces; One of respectively formed on the side surface, the end of the inner electrode is a laminated piezoelectric actuator provided with the external electrodes to be connected alternately, the external electrode is formed a plurality of recesses in the conductive plate at predetermined intervals together are, the Ri Contact insulator is received in the recess, prior Kize' edge member is brought into contact alternately without being joined to an end portion of the inner electrode, and conductive between the recess of the conductive plate The convex portion is bonded to the end portion of the internal electrode that is not in contact with the insulator with a conductive adhesive. Here, it is desirable that an oxide film be formed on the inner surface of the recess.
[0010]
[Action]
In the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, the external electrode is formed by forming a plurality of recesses at a predetermined interval on the conductive plate, and accommodating the insulator in the recesses, and the end portion of the internal electrode in every other layer. the Rutotomoni brought into contact without bonding the insulator, an end portion of the insulator and non-abutment of the inner electrode, and bonding the conductive protrusions formed between the concave portion of the conductive plate by a conductive adhesive Therefore, the insulator is in contact with the end portion of the internal electrode and the piezoelectric body, and even if the actuator body expands and contracts in the stacking direction of the piezoelectric body and the internal electrode, almost no stress acts on the insulator, and the high electric field Even when driven continuously for a long time under high pressure, the insulator is not damaged. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a short circuit between the external electrode and the internal electrode that should be insulated, and to ensure electrical connection between one internal electrode and the external electrode and insulation between the other internal electrode and the external electrode. This enables long-time operation even for high-speed continuous driving.
[0011]
In addition, by forming an oxide film on the inner surface of the recess, even if the insulator accommodated in the recess is damaged, discharge between the internal electrode and the external electrode is blocked by the oxide film, and the internal electrode and the external electrode High insulation can be secured.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view of a multilayer piezoelectric actuator according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part thereof enlarged, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of an external electrode.
[0013]
In FIG. 1, reference numeral 1 indicates a quadrangular prism-shaped actuator body in which a plurality of piezoelectric bodies 2 and a plurality of internal electrodes 3 are alternately stacked. On the two opposing side surfaces of the actuator body 1, External electrodes 4 are respectively formed.
[0014]
As the piezoelectric body 2, for example, lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O ₃ (hereinafter abbreviated as PZT) or a piezoelectric ceramic material mainly composed of barium titanate BaTiO ₃ is used. It is not limited, and any ceramics having piezoelectricity may be used. As the piezoelectric material, as the piezoelectric strain constant d ₃₃ it is high is preferable. The thickness of the piezoelectric body 2, that is, the distance between the internal electrodes 3, is preferably 0.03 to 0.2 mm from the viewpoint of downsizing and applying a high electric field.
[0015]
The end portions of the internal electrodes 3 are exposed on all four side surfaces of the actuator body 1, and the end portions of the internal electrodes 3 are alternately connected to the pair of external electrodes 4. 4 is connected.
[0016]
In addition, inactive portions 5 for mechanically holding the actuator body 1 and transmitting generated power to the outside are laminated and bonded to both end surfaces of the actuator body 1 in the stacking direction.
[0017]
In the piezoelectric actuator of the present invention, the external electrode 4 is formed by forming a plurality of recesses 7 at predetermined intervals on the conductive plate 6 and accommodating the insulator 8 in the recesses 7. Insulators 8 are alternately brought into contact with the ends of the internal electrodes 3, while the conductive projections 9 between the recesses 7 of the conductive plate 6 are electrically connected to the ends of the internal electrodes 3 that are not in contact with the insulators 8. The adhesive 10 is bonded. That is, the external electrode 4 ensures electrical connection with one internal electrode 3 and ensures insulation with the other internal electrode 3.
[0018]
The conductive plate 6 may be any metal as long as it is conductive and can be processed, but is preferably formed of silver alloy, copper alloy, stainless steel, Ni—Fe alloy, Ni—Fe—Co alloy or the like. It is desirable.
[0019]
The recess 7 is formed at a distance between the end of the internal electrode 3 exposed on the same side surface of the actuator body 1 and the end of the internal electrode 3 on one layer, that is, a distance between the internal electrodes 3 having the same polarity. The width in the stacking direction is substantially the same as that of the piezoelectric body 2. The shape of the recess 7 is a quadrangular prism in cross section, but the cross section may be circular.
[0020]
The insulator 8 is made of, for example, an insulating material such as glass, glass, epoxy resin, or silicone rubber. The insulator 8 is obtained by filling the concave portion 7 of the conductive plate 6 with an insulating material and curing it. As shown in FIG. 3, the insulator 8 protrudes from the surface of the conductive convex portion 9 of the conductive plate 6, and the insulator 8 is in contact with the end portion of the internal electrode 3 without being joined. The insulator 8 has a quadrangular cross section, but may have a circular cross section. When glass is used as the insulator 8, a glass paste is previously filled in the concave portion 7 of the conductor 6 to form the insulator 8, and then the conductive convex portion 9 is bonded to the side surface of the actuator body 1. The
[0021]
The conductive adhesive 10 is formed using, for example, a paste from 40 to 60% by weight of Ag powder and 40 to 60% by weight of a glass component mainly composed of PbO—SiO ₂ —ZrO ₂ —B ₂ O _3. Is done. The conductive adhesive 10 formed on the conductive protrusions 9 is desirably a material that can be easily diffused and bonded to the internal electrode material in order to be firmly bonded to the end of the internal electrode 3. When the internal electrode 3 is made of a material containing Ag, the main component of the conductive adhesive 10 is desirably Ag. Further, in order to strengthen the bonding, it is desirable to include a glass component of the same system as the glass component included in the internal electrode material. In addition, by using a low Young's modulus material such as conductive silicone rubber as the conductive adhesive 10, it is possible to prevent the conductive adhesive 10 from being damaged during high-speed driving.
[0022]
The oxide film 11 may be formed on the inner surface of the recess 7 of the external electrode 4. That is, by forming the oxide film 11 between the inner surface of the recess 7 and the insulator 8, it is possible to secure more insulation.
[0023]
The multilayer piezoelectric actuator configured as described above is manufactured by the following process. First, a slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O ₃ , a binder made of an organic polymer, and a plasticizer, and by a slip casting method, A ceramic green sheet having a thickness of 30 to 200 μm is prepared.
[0024]
A conductive paste serving as an internal electrode is printed on one side of the green sheet to a thickness of 1 to 10 μm by screen printing. After the conductive paste is dried, a predetermined number of green sheets coated with the conductive paste are stacked, and green sheets not coated with the conductive paste are stacked on both sides of the stacked body.
[0025]
Next, heating is performed at 100 to 200 ° C. while applying pressure to integrate the laminate. The integrated laminated body is cut into a predetermined size, the binder is removed at 400 to 800 ° C. for 5 to 40 hours, and the main firing is performed at 900 to 1100 ° C. for 2 to 5 hours. Is produced. The end portions of the internal electrode 3 are exposed on the four side surfaces of the actuator body 1.
[0026]
On the other hand, the external electrode 4 is formed with a plurality of recesses 7 at a predetermined interval from the conductive plate 6, and the recesses 7 are filled with, for example, a paste of an insulating material made of glass and dried. 8, and a conductive adhesive 10 is applied to the conductive convex portions 9 between the concave portions 7 of the conductive plate 6. In this state, the conductive adhesive 10 protrudes outside the insulator 8.
[0027]
Then, the conductive adhesive 10 of the external electrode 4 is brought into contact with the end of the internal electrode 3, and the conductive projection 9 of the external electrode 4 is connected to the end of the internal electrode 3 and the conductive adhesive by heat bonding or laser welding. 10, the insulator 8 of the external electrode 4 comes into contact with the end of the internal electrode 3 to which the conductive protrusion 9 is not connected.
[0028]
Thereafter, although not shown, the actuator is covered with a coating material such as silicon rubber around the actuator by a method such as dipping, and as shown in FIG. 1, lead wires 15 are attached to the positive external electrode and the negative external electrode. By connecting, applying a polarization voltage of 0.1 to 3 kV to the positive electrode and the negative electrode, and polarizing the entire actuator, a final stacked piezoelectric actuator is obtained.
[0029]
In order to cover every corner of the actuator with a coating material such as silicon rubber, the surroundings are evacuated. At this time, the insulator 8 of the external electrode 4 and the internal electrode In some cases, a covering material such as silicon rubber may enter between the end of 3 and the piezoelectric body 2.
[0030]
In the multilayer piezoelectric actuator configured as described above, the insulator 8 is in contact with the end of the internal electrode 3 and the piezoelectric body 2, and the actuator body 1 is positioned in the stacking direction of the piezoelectric body 2 and the internal electrode 3. Even if it expands and contracts, almost no stress is exerted on the insulator 8, and even when the insulator 8 is continuously driven under a high electric field and high pressure, the insulator 8 is not damaged. I can drive.
[0031]
Furthermore, by covering the whole with an insulating coating material such as silicon rubber, it is possible to prevent moisture from entering the environment. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of electromigration between the electrode members to be used, and to ensure the reliability of electrode connection.
[0032]
The multilayer piezoelectric actuator of the present invention may have any polygonal column shape such as a quadrangular column or a hexagonal column, but a quadrangular column shape is desirable for ease of cutting.
[0033]
【Example】
An internal electrode paste mainly composed of Ag / Pd was printed on a green sheet having a thickness of 0.12 mm mainly composed of PZT with a thickness of 2 μm. 300 green sheets coated with the internal electrode paste were stacked, and then green sheets not coated with the internal electrode paste were stacked on both sides and integrated by heat bonding.
[0034]
The laminate was cut so as to be 10 mm long × 10 mm wide × 30 mm high, and the binder was removed at a maximum temperature of 700 to 800 ° C. for 20 to 30 hours. Thereafter, firing was performed at a maximum temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. for 3 to 6 hours to obtain an actuator body.
[0035]
Next, recesses having a width of 2 mm are formed at intervals of 0.2 mm on the surface of a stainless steel conductive plate having a shape shown in FIG. 2 and a thickness of 30 mm × 2 mm and a thickness of 0.4 mm. Boron is formed in these recesses. An insulating material made of silicate glass was filled to form an insulator, and a conductive adhesive made of Ag and glass was applied to the conductive convex portions between the concave portions to form external electrodes.
[0036]
After positioning the external electrode on the side surface of the actuator body, a weight was placed on the upper part of the external electrode and heat-bonded at 600 ° C. for 30 minutes. Thereafter, silicon rubber was filled so that there was no gap between the outer peripheral portion of the piezoelectric body 2 and the external electrode 4 and the internal electrode 1. This was placed in silicon oil at 80 ° C., and a 3 kV / mm direct current electric field was applied to the positive electrode and the negative electrode for 30 minutes to perform polarization treatment, thereby obtaining a multilayer piezoelectric actuator of the present invention.
[0037]
As a result of applying a DC voltage of 200 V to the obtained multilayer piezoelectric actuator, a displacement of 40 μm was obtained. Furthermore, as a result of applying an AC electric field of 0 to +200 V to this actuator at a frequency of 50 Hz, a displacement of 40 μm was maintained until the number of application times was 5 × 10 ⁸ times. Furthermore, even when 10 laminated piezoelectric actuators of the present invention were applied 1 × 10 ⁸ times at an AC electric field of 0 to +200 V at a frequency of 50 Hz in an atmosphere with a humidity of 95%, no discharge occurred and no damage occurred. There wasn't.
[0038]
In addition, a glass layer is coated on the end portion of the internal electrode every other layer, and the external electrode has recesses at the same pitch as the glass layer, and is aligned so that the glass layer is accommodated in the recesses. Then, a laminated piezoelectric actuator of a comparative example was produced in which the convex portions between the concave portions were bonded to the end portions of the internal electrodes where the glass layer was not formed with a conductive adhesive.
[0039]
Similarly to the above, as a result of applying a DC voltage of 200 V, a displacement of 40 μm was obtained. Furthermore, as a result of applying an AC electric field of 0 to +200 V to this actuator at a frequency of 50 Hz, a displacement of 40 μm was maintained until the number of application times was 5 × 10 ⁸ times. Furthermore, when 10 laminated piezoelectric actuators were applied 1 × 10 ⁶ times with an AC electric field of 0 to +200 V at a frequency of 50 Hz in an atmosphere of 95% humidity, 8 were damaged due to creeping discharge. When the damaged part was observed, a crack was generated in the glass layer covering the end of the internal electrode, and the end of the internal electrode and the inner surface of the recess of the external electrode were discharged through the crack, resulting in creeping discharge. It was confirmed.
[0040]
The displacement is measured by fixing the sample on a vibration isolation table, attaching an aluminum foil to the top of the sample, and evaluating the average value of the values measured at the central part and the peripheral part of the element with a laser displacement meter. did.
[0041]
【The invention's effect】
In the multilayer piezoelectric actuator of the present invention, the insulator of the external electrode is in contact with the end portion of the internal electrode and the piezoelectric body, and even if the actuator body expands and contracts in the stacking direction of the piezoelectric body and the internal electrode, Is hardly affected by stress, and even when driven continuously for a long time under a high electric field and pressure, the insulator is not damaged, and a short circuit occurs between the external electrode and the internal electrode that should be insulated. And can be operated for a long time even for high-speed continuous driving.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a quadrangular columnar stacked piezoelectric actuator of the present invention.
2 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an external electrode.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Actuator main body 2 ... Piezoelectric body 3 ... Internal electrode 4 ... External electrode 6 ... Conductive plate 7 ... Concavity 8 ... Insulator 9 ... Conductive convex part 10- ..Conductive adhesive 11 ... Oxide film

Claims

A plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes are alternately laminated, and are formed on at least two side surfaces of the actuator main body, and on the two side surfaces of the actuator main body. a laminated piezoelectric actuator comprising an external electrode ends of the electrodes are alternately connected to, the external electrodes, a plurality of recesses are formed at predetermined intervals in the conductive plate, insulation in the recess Ri Contact body is accommodated, is in contact before alternately without Kize' edge member is bonded to an end of the inner electrode, and electrically Dentotsu portion between the concave portion of the conductive plate, the insulator and the non A laminated piezoelectric actuator characterized in that it is bonded to an end portion of the abutting internal electrode with a conductive adhesive.

2. The laminated piezoelectric actuator according to claim 1, wherein an oxide film is formed on the inner surface of the recess.