JP3881484B2 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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用いられる積層型圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来技術】
従来、積層型圧電アクチュエータでは、不活性なセラミック体と活性な積層体の境界部に応力が発生することが知られており、セラミック体と積層体の境界部における応力緩和を如何に低減するかが問題となっている。セラミック体と積層体の境界部における応力緩和を図ったものとして、特開平7−30165号公報に開示されたようなものが知られている。
【0003】
この公報に開示された積層型圧電アクチュエータは、積層体とセラミック体との間の境界部分における内部電極同士の重なり面積を、積層体における内部電極同士の重なり面積よりも小さくしたものである。
【0004】
また、特開平4−159785号公報に開示されたように、積層体とセラミック体との間の境界部における内部電極に、導体非形成部を形成し、これらの導体非形成部を有する内部電極間に圧電が印加されないようにした積層型圧電アクチュエータも知られている。
【0005】
これらの公報に開示された積層型圧電アクチュエータでも、同様にセラミック体と積層体の境界部における応力緩和を図ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された従来の積層型圧電アクチュエータでは、積層体とセラミック体の境界部において、積層方向と直角方向に生じる収縮および伸長歪みの抑制が未だ不十分であり、セラミック体と積層体の境界部に発生するせん断応力集中により、積層体と不活性の境界部に割れ等の機械的な破壊が生じるという問題があった。
【0007】
また、特開平7−30165号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、内部電極形成部と非形成部の境界にせん断応力が集中し、磁器破壊にいたり、耐久性が劣化するという問題があった。また、特開平4−15978号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでも、同様の原因にて耐久性が劣化するという問題があった。
【0008】
本発明は、積層体とセラミック体の境界部に生じるせん断応力を大幅に減少させ、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。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、厚み0.05〜0.25mmの複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の積層方向の両端面に設けられたセラミック体とを具備するとともに、前記積層体を、同一厚みの圧電体を積層してなる積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成されそれぞれ圧電体を6〜12層積層してなる応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、前記積層体中央部の圧電体の厚みの2倍の厚みを有するものである。
【0010】
このような構成を採用することにより、単位長さあたりの発生応力をセラミック体側に向けて徐々に低下させて全体として分散し、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体との間における応力を緩和できる。また、応力緩和部における圧電体の厚みが同一であるため、積層型圧電アクチュエータの圧電体として2種の厚みの圧電体しか必要なく、多数の種類の圧電体を準備する必要がないので製造が容易である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型圧電アクチュエータを図1に基いて説明する。図1において、複数の圧電体1と複数の内部電極2とを交互に積層してなる積層体(活性体)3と、該積層体3の積層方向の両端面に設けられ、電気的に接合されていないセラミック体(不活性体)4とから構成されている。
【0017】
そして、積層体3が、積層体中央部5と、該積層体中央部5の両側に形成された応力緩和部7とから構成され、応力緩和部7における複数の圧電体1aが同一厚みとされ、かつ、応力緩和部7における複数の圧電体1aが、積層体中央部5の圧電体1bの厚みの2倍の厚みとされている。
【0020】
応力緩和部7には、圧電体1aが6〜12層形成されている。これは、圧電体1aが6層よりも少ない場合には応力緩和効果が小さく、12層よりも多く形成すると、応力緩和効果が小さく、しかも所定の変位量が得られ難くなるからである。
【0021】
積層体3およびセラミック体4とからなるアクチュエータ本体の側面には、複数の内部電極2が交互に電気的に接続した一対の外部電極9が形成されており、一対の外部電極9には、リード端子Lがそれぞれ接続されている。外部電極9と、この外部電極9と接続されない内部電極2の端部との間には溝が形成され、この溝に絶縁体13が充填され、絶縁されている。
【0022】
圧電体1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。なお、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1の厚み、つまり内部電極2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0.05〜0.25mmであることが望ましい。
【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、以下のようにして作製される。先ず、圧電材料からグリーンシートを作製し、所定形状に打ち抜いた後、内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成する。このとき内部電極パターンは厳密な形状でなくてもかまわない。
【0024】
この内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層し、この積層成形体を脱脂し、焼成前に所定の形状に裁断する。その後、所定形状に裁断された積層成形体を所定の条件にて脱バインダ、焼成して焼結体を得る。
【0025】
この焼結体を外周加工後に、外部電極が形成される部分の内部電極の端面部を、厚み方向に一層毎に溝加工を施し、形成した溝に耐熱樹脂からなる絶縁体を封入し、溝加工部上に金属粉末を含有した伸縮性耐熱樹脂と金属板を焼き付けて、外部電極を形成し、この外部電極上にリード線を接続し、さらに樹脂コートを施し、積層型アクチュエータを得る。
【0026】
ここで、応力緩和部7における圧電体1aが、積層体中央部5の圧電体1bの厚みの2倍の厚みとなるように、グリーンシートの厚みを制御する必要がある。尚、応力緩和部7の圧電体1aを形成するグリーンシート厚みは、グリーンシートを複数積層して所定の厚みにしても良い。
【0027】
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、積層体3を、積層体中央部5と、該積層体中央部5の両側に形成された応力緩和部7とから構成し、該応力緩和部7における複数の圧電体1aが同一厚みであり、かつ、応力緩和部7における複数の圧電体1aの厚みを、積層体中央部5の圧電体1bの厚みの2倍の厚みとしたので、応力緩和部7の圧電体1aは積層体3の圧電体1bより、圧電体1aの厚みが厚いため、単位磁器当たりの変位量が小さくなり、圧電横歪みに伴う積層体3の両端とセラミック体4の境界部に生じるせん断応力を減少できる。これによって、セラミック体4と積層体3の境界部に発生するせん断応力集中を抑制することができる。
【0028】
また、応力緩和部7における圧電体1aの厚みが同一であるため、積層型圧電アクチュエータ全体として2種の圧電体1a、1bの厚みしか必要なく、容易に製造することができる。
【0029】
図2は、本発明の参考例を示す模式図で、この例では、応力緩和部17における圧電体11a1の厚みが、該圧電体11a1の積層体中央部15側に隣設する圧電体11a2の厚みの1.05〜1.18倍とされている。即ち、応力緩和部17の圧電体11aの厚みは、積層体中央部15の圧電体11bの厚みより厚く形成され、しかも、例えば、任意の圧電体11a1の厚みは、圧電体11a1の積層体中央部15側に隣設する圧電体11a2の厚みの1.05〜1.18倍とされている。
【0030】
応力緩和部17における圧電体11a1 の厚みを、該圧電体11a1 の積層体中央部15側に隣設する圧電体11a2 の厚みの1.05〜1.18倍としたのは、この範囲を外れる場合には、応力緩和効果が小さいからである。特に、圧電体11a1 の厚みは、該圧電体11a1 の積層体中央部15側に隣設する圧電体11a2 の厚みの1.07〜1.12倍が望ましい。
【0031】
また、この場合にも、上記と同様、応力緩和部17には、圧電体11aが6〜24層、特には6〜12層形成されていることが望ましい。これは、圧電体11aが6層よりも少ない場合には、応力緩和効果が小さく、24層よりも多く形成すると応力緩和効果が小さく、しかも所定の変位量が得られ難いからである。
【0032】
このような積層型圧電アクチュエータでは、積層体の応力緩和部17における圧電体の単位長さあたりの変位量を、セラミック体14側にいくほどを小さくして、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体14との間における応力を緩和できる。
【0033】
図3は、本発明の他の参考例を示す模式図で、ここでは応力緩和部27における圧電体21a1の厚みが、該圧電体21a1の積層体中央部側に隣設する圧電体21a2の厚みよりも0.005〜0.020mm厚く形成されている。
【0034】
即ち、応力緩和部27の圧電体21aの厚みは、積層体中央部25の圧電体21bの厚みより厚く形成され、しかも、例えば、任意の圧電体21a1 の厚みは、圧電体21a1 の積層体中央部25側に隣設する圧電体21a2 の厚みよりも0.005〜0.020mm厚く形成されている。
【0035】
応力緩和部27における圧電体21a1 の厚みを、該圧電体21a1 の積層体中央部25側に隣設する圧電体21a2 の厚みよりも0.005〜0.020mm厚く形成したのは、この範囲を外れる場合には応力緩和効果が小さいからである。特に、圧電体21a1 の厚みは、該圧電体21a1 の積層体中央部25側に隣設する圧電体21a2 の厚みよりも0.008〜0.014mm厚くすることが望ましい。
【0036】
また、この場合にも、上記と同様の理由から、応力緩和部27には、圧電体21aが6〜24層形成されている。
【0037】
このような積層型圧電アクチュエータでも、上記と同様、積層体の応力緩和部27における圧電体の単位長さあたりの変位量を、セラミック体側にいくほどを小さくして、実際に伸縮する積層体と、伸縮しないセラミック体との間における応力を緩和できる。
【0038】
本発明者等は、図1に示す積層型圧電アクチュエータについて、積層体中央部5の圧電体1bの厚みteに対する、応力緩和部7の圧電体1aの厚さtbの比と、セラミック体4と積層体5の境界部に生じる最大応力との関係を、応力緩和部7の圧電体1aの積層数毎に解析し、その結果を図4に示した。尚、積層体5の積層方向の長さ、内部電極2の厚み、積層体5の圧電体1の積層数は一定とした。
【0039】
この図4より、応力緩和部7の圧電体1aの厚さtbが、積層体中央部5の圧電体1bの厚みteの1.3〜2.5倍の厚みを有する時に最大応力が13MPa程度以下となり、応力緩和部7の圧電体1aの厚さtbが、積層体中央部5の圧電体1bの厚みteの1.5〜2.30倍の厚みを有する時に8〜12MPaとなり、応力緩和部7の圧電体1aの厚さが、積層体中央部5の圧電体1bの厚みteの1.9倍程度の厚みを有する時に8MPaと最小となることが判る。
【0040】
また、応力緩和部の圧電体の積層数については、6〜24層積層した時に応力緩和効果が大きく、6〜12層積層した時に最も応力緩和効果が大きいことが判る。
【0041】
また、図2に示す積層型圧電アクチュエータについて、応力緩和部17の圧電体11aの厚さを、セラミック体側に向けて所定の倍率で厚くした場合(応力緩和部の圧電体厚さ間公比)、即ち、応力緩和部17の圧電体11a1 の厚みを、積層体中央部側に隣設する圧電体11a2 の厚みの所定倍とした場合に、セラミック体14と積層体15の境界部に生じる最大応力がどのように変化するかを、応力緩和部17の圧電体11aの積層数毎に解析し、その結果を図5に示した。尚、この場合も、積層体の積層方向の長さ、内部電極の厚み、積層体の圧電体の積層数は一定とした。
【0042】
また、積層体中央部15に最も近い応力緩和部17の圧電体11aの厚みは、応力緩和部17の圧電体11aの厚みの関係と同様、積層体中央部15の圧電体11bの厚みよりも図5に示す比率だけ厚さした。
【0043】
この図5より、圧電体11a1 の厚みが、積層体中央部側に隣設する圧電体11a2 の厚みの1.05〜1.18倍である時に最大応力が13MPa程度以下と最小となり、応力緩和部17の圧電体11aの積層数については、6〜24層有する場合に最大応力が最小となる点を有することが理解でき、また、積層数が増加する程、比率が小さくても応力が最小となることが理解できる。
【0044】
さらに、図3に示す積層型圧電アクチュエータについて、応力緩和部27の圧電体21aの厚さをセラミック体側に向けて所定の差で厚くした場合(応力緩和部の圧電体厚さ間公差)、即ち、圧電体21a1 の厚みを、積層体中央部側に隣設する圧電体21a2 の厚みより所定厚さ分だけ厚くした場合に、セラミック体24と積層体25の境界部に生じる最大応力がどのように変化するかを、応力緩和部27の圧電体21aの積層数毎に解析し、その結果を図6に示した。尚、この場合も、積層体の積層方向の長さ、内部電極の厚み、積層体の圧電体の積層数は一定とした。
【0045】
また、積層体中央部25に最も近い応力緩和部27の圧電体21aの厚みは、応力緩和部27の圧電体21aの厚みの関係と同様、積層体中央部25の圧電体21bの厚みより図6に示す分だけ厚くした。
【0046】
この図6より、圧電体21a1 の厚みが、積層体中央部側に隣設する圧電体21a2 の厚みより0.005〜0.020mm厚い時に最大応力が13MPa程度以下と最小となり、6〜24層の時最大応力が最小となる点を有することが理解でき、また、積層数が2層の時には応力緩和効果が小さいことが判る。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、積層体を、積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成された応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、積層体中央部の圧電体の厚みの2倍の厚みとすることにより、積層体とセラミック体の境界近傍に発生するせん断応力を抑制することができ、これによって、高温の使用環境下、高い印加電界で高速で連続駆動させる場合においても、高い信頼性を得ることができる。
【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図である。
【図2】本発明の参考例の積層型圧電アクチュエータの一部を示す模式図である。
【図3】本発明の他の参考例の積層型圧電アクチュエータの一部を示す模式図である。
【図4】積層体中央部の圧電体の厚みに対する応力緩和部の圧電体の厚みの比と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【図5】等比的に応力緩和部の圧電体の厚みを増加させた場合の比率と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【図6】等差的に応力緩和部の圧電体の厚みを増加させた場合の厚み差と、セラミック体と積層体の境界近傍に生じる最大応力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1、11、21・・・圧電体
2・・・内部電極
3、13、23・・・積層体
5、15、25・・・積層体中央部
7、17、27・・・応力緩和部
4、14、24・・・セラミック体
Claims (1)
- 厚み0.05〜0.25mmの複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の積層方向の両端面に設けられたセラミック体とを具備するとともに、前記積層体を、同一厚みの圧電体を積層してなる積層体中央部と、該積層体中央部の両側に形成されそれぞれ圧電体を6〜12層積層してなる応力緩和部とから構成し、該応力緩和部における複数の圧電体が同一厚みであり、かつ、前記積層体中央部の圧電体の厚みの2倍の厚みを有することを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
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