JP3894680B2 - 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】
本発明は積層型圧電アクチュエータに関し、例えば光学装置などの精密位置決め装置、振動防止用の駆動素子、あるいは自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子などに使用される積層型圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来技術】
圧電板は電圧を印加すると伸縮する逆圧電効果を有している。この場合、圧電板1枚1枚の伸縮量は微量であることから、従来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(例えば特公平7−40613号公報参照)。
【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導電性を有するペーストを印刷や蒸着などの方法で数μmの厚さに被覆して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て加熱圧着して一体化させた構造となっている。
【0005】
その他の構造として、例えば特開昭59−218784号公報には、表裏面に導電性接着層を被着した圧電板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て同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてハンダなど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、この構造では、金属薄板が連結部材で連結された半田付けが不要な帯状金属薄板が配線部材として用いられるものも開示されており(例えば実公昭60−3589号公報)、そうした帯状金属薄板を利用した積層型圧電アクチュエータも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4−16029号公報、特開平7−283455号公報など参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
近年、積層型圧電アクチュエータの特徴である高応答性を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利用するため、高い電圧を高周波数で印加して駆動している。
【0008】
このため、上記特開昭59−218784号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは同一極性の接続用突起同士を重ねてハンダなどで接合した接合部が高変位の繰り返しに伴なう応力によって疲労し、疲労断線や剥離断線を起こし易いという問題があった。
【0009】
また、積層型圧電アクチュエータは大きな変位量を確保するために、高い電圧を印加しており、圧電板間に埋設された正極の金属薄板と負極の金属薄板の接続用突出部との間の空隙を介して放電を起こしたり、湿度の高い環境下で駆動させた場合、導電性接着層や金属薄板材料のエレクトロマイグレーションが発生してショートによる破損が発生し易いという問題があった。このため、積層型圧電アクチュエータの側面には耐水性と耐電圧性を兼ね備えた樹脂を被覆する必要がある。上記したハンダ接合部の断線を解決した接合を必要としない帯状金属薄板を使用したアクチュエータにおいては、この外装樹脂の弾性率が高い場合、帯状金属薄板の連結部材で形成された外部電極が外装樹脂で固定されるため、圧電積層体の歪みに外部電極の歪みが追随できず、圧電積層体から突出した外部電極の根元部分に応力が集中して断線するという問題があった。
【0010】
このような問題を解決する手段として、実開平3−50357号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、弾性率が0.3〜10kgf/mm2 の絶縁コーティング材(シリコーン系)を用いて応力集中を緩和している。しかし、絶縁コーティング材の形状保持が困難であり、外的衝撃に弱く、さらに取り扱いが困難であるという問題があった。
【0011】
本発明は、このような従来装置の問題点に鑑みてなされたものであり、高変位下で繰り返して作動する場合でも、外部電極の疲労断線を防止すると共に、外的衝撃に強く、工程におけるハンドリングの容易な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。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る積層型圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第1の金属薄板および第2の金属薄板と、前記第1の金属薄板及び前記第2の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備え、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、セラミック粒子を含有させた耐水性樹脂で被覆されており、前記セラミック粒子が前記シリコーンゴムと前記耐水性樹脂との間のアンカーとなっていることを特徴とする。
本発明に係る積層型圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第1の金属薄板および第2の金属薄板と、前記第1の金属薄板及び前記第2の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、平均粒径が1〜20μmのセラミック粒子を1〜30重量%含有させた耐水性樹脂で被覆されていることを特徴とする。
【0013】
【作用】
上記のように構成すると、圧電板の外周部と外部電極部はシリコーンゴムで被覆されるので、正極側の外部電極と負極側の金属薄板との間の絶縁性が確保できる。よって沿面放電がなくなって圧電板に高電圧を印加できるようになり、大きい変位量を得ることができるようになる。
【0014】
また、セラミック粒子を耐水性樹脂に含有させると、セラミック粒子がアンカーとなって弾性率の低いシリコーンゴムを耐水性樹脂で被覆することができる。この効果により、内部は柔らかく、外表面が硬い2層のコート層を形成することが可能となる。このため、外部電極の周囲は弾性率の低いシリコーンゴムで被覆され、外部電極が外装樹脂に束縛されることなく自由に動くことができ、従来品では圧電積層体から突出した外部電極の根元部分に発生していた応力集中が緩和され、断線を防止することができる。
【0015】
さらに、外表面に形成された耐水性樹脂で高湿度下における水分の浸入を防止すると共に、適度な弾性率を有するため、内部に被覆されたシリコーンゴムの形状保持が容易で外的衝撃に強く、さらに取り扱いが容易となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る積層型圧電アクチュエータの実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の積層型圧電アクチュエータを示す断面図、図2は圧電板の外周部を拡大して示す図、図3は金属薄板を示す図である。
【0017】
積層型圧電アクチュエータは金属薄板6を介装した状態で圧電板1を複数枚積層して構成されている。これらの圧電板1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よい。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、Zn、Sb、Ni、Teと、SrおよびBaのうちの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。この圧電板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、0.1〜0.6mmであることが望ましい。圧電板1の両面に形成される導電性接着層3は、導電性ペーストを圧電板1に塗布して400〜600℃程度で焼き付けることで形成される。この導電性ペーストはAgなど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って板1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−SiO2 −B2 O3 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。
【0018】
そして、複数の圧電板1が積層されており、その間には円板状の金属薄板6が介装されている。これらの金属薄板6は、図3に示すように、連結部材7で連結して形成されており、図2に示すように、連結部材7が折曲されて圧電板1の外周部側に突出している。これらの金属薄板6は、連結部材7(7a、7b)の突出位置で正電極用外部電極8aまたは負電極用外部電極8bとされている。この金属薄板6は、例えばAg、ステンレス、またはNi−Fe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、例えば圧電板の熱膨張係数に近いコバール(52Fe−31Ni−17Co)、42アロイ(58Fe−42Ni)などの金属が好ましい。この金属薄板6の厚さは変位量に寄与しないため、できるだけ薄いもの、例えば20〜50μmのものが好ましい。
【0019】
また、金属薄板6としては、異なる極性の第1および第2の金属薄板6(6a、6b)との短絡や放電を防止するために、圧電板1の外周部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。
【0020】
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9が形成される。金属薄板6とガラス接合される不活性体9の片面にはガラスペーストを塗布し、400〜600℃程度で焼き付けたガラスが形成されている。このガラスペーストはガラス成分PbO−SiO2 −B2 O3 からなっている。
【0021】
そして、積層体は第1および第2の金属薄板6(6a、6b)の連結部材7(7a、7b)が一層おきに同じ位置にくるように、金属薄板6を圧電板1の間に交互に挟み込んだ後に、積層体の上下に不活性体9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に加熱し、上部よりに荷重を印加して熱圧着させることにより形成される。
【0022】
その場合、金属薄板6の連結部材7が圧電板1の外周部側に位置するように配置されて正極側の外部電極8aと負極側の外部電極8bが形成される。
【0023】
そして、圧電板1の外周部と外部電極8(8a、8b)はシリコーンゴム4で被覆され、隙間のないように充填されている。充填方法としては、粘度などの条件を調整して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。
【0024】
さらに、シリコーンゴム4の表面はセラミック粒子を含有した耐水性樹脂5で被覆される。セラミック粒子としては一般的なセラミック粉末でよいが、例えばAl2 O3 やZrO2 などのようなセラミック粉末などが望ましい。このようなセラミック粒子の平均粒径は、分散性を高める理由から1〜20μmであることが望ましい。また、セラミック粒子の含有量は絶縁性樹脂の接着性を高める理由から、1〜30重量%であることが望ましい。
【0025】
【実施例】
PZT焼結体の両面を研磨して、直径20mm、厚み0.3mmの円板状の圧電板1を形成した。この圧電板1の両主面にAg粉末90重量%、PbO−SiO2 −B2 O3 を主成分とするガラス10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た後、100℃で乾燥して500℃で焼き付けることによって導電性接着層3を形成した。金属薄板6は、厚さ30μmで圧延したAg薄板を作製し、図3に示したような直径19mmの円形金属薄板6を幅2mm、長さ2mmの連結部材7で50枚連結して作製した。この金属薄板6を圧電板1の間に挟み込み、圧電板1を99層積層して積層型圧電体を形成した。なお、金属薄板6の連結部材7は一層おきに同じ位置にくるように、交互に配置した。また、積層体の上下両端部に配置される不活性部9はPZTで作製し、この両面を研磨して、直径20mm、厚み5mmの円板上の不活性部を形成した。これらの不活性部9の片面にPbO−SiO2 −B2 O2 のガラスペーストを10μmの厚みに印刷した後、100℃で乾燥して500℃で焼き付けた。
【0026】
圧電板1と金属薄板6を積層した後、この両端に不活性部9を配置して位置ずれが生じないように軽く圧力を加えた後、積層体の上部に約10kgの重りを乗せて、500℃で1時間加圧接着した。
【0027】
次に、この積層体を液状のシリコーンゴム中に投入し、減圧下に1時間放置して空隙などにもシリコーンゴムを充填した後、常温下で24Hr放置して硬化させて、シリコーンゴム層を形成した。この表面を平均粒径10μmのAl2 O3 を10重量%含有させたエポキシで被覆して120℃において1時間加熱して硬化させた。
【0028】
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、比較のために同条件で積層体を作製し、表面にシリコーンゴム層を形成せずに、平均粒径10μmのAl2 O3 を10重量%含有させたエポキシ樹脂で被覆したサンプルを作製した。また、シリコーンゴム表面をセラミック粒子を含有しないエポキシ樹脂単体で被覆したサンプルを作製したが、硬化中にシリコーンゴム表面から全て流れてしまい、エポキシ樹脂層を形成することができなかった。
【0029】
得られた2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300kgf下で0Vから+500Vの直流電界を50Hzの周波数で1×109 回印加する耐久試験を行った。
【0030】
その結果、本発明品は変位量40μmで1×109 回でも問題なく駆動するのを確認した。また、比較用のアクチュエータでは、1×107 回で発生変位量が28μmに低下した。外観観察を行った結果、30層目の取出し電極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。なお、変位量の測定は、試料を防振台上に固定して上面にアルミニウム箔を張り付け、レーザー変位計で素子の中心部と周囲部3箇所で測定した値の平均値で評価した。
【0031】
【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、圧電板の外周部と外部電極はシリコーンゴムが充填されているので、正極側の外部電極と他の負極側の金属薄板との絶縁性を確保して沿面放電を抑制でき、これによって圧電板に高い電圧を印加して大きい変位量を確保することができる。
【0032】
また、セラミック粒子を耐水性樹脂に含有させると、セラミック粒子がアンカーとなり、弾性率の低いシリコーンゴムを耐水性樹脂で被覆することができる。この効果により、内部は柔らかく、外表面が硬い2層のコート層を形成することが可能となり、外部電極は弾性率の低いシリコーンゴムが被覆されるため、外部電極が外装樹脂に束縛されることなく自由に動くことができ、断線を防止することができる。
【0033】
さらに、外表面に形成された耐水性樹脂で高湿度下における水分の浸入を防止すると共に、適度な弾性率を有するため、内部に被覆されたシリコーンゴムの形状保持が容易であり、外的衝撃に強く、取り扱いも容易となる。
【0034】
したがって、外部電極の疲労断線を防止すると共に、外的衝撃に強く、工程におけるハンドリングの容易な積層型圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【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を示す縦断面図である。
【図2】本発明の積層型圧電アクチュエータの圧電板の外周部を示す拡大図である。
【図3】本発明の積層型圧電アクチュエータで用いられる金属薄板を示す図である。
【符号の説明】
1・・・圧電板、3・・・導電性接着層、4・・・シリコーンゴム、5・・・耐水性樹脂、6・・・金属薄板、6a・・・第1の金属薄板、6b・・・第2の金属薄板、7・・・連結部材、8(8a、8b)・・・外部電極、9・・・不活性部
Claims (4)
- 積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第1の金属薄板および第2の金属薄板と、前記第1の金属薄板及び前記第2の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、セラミック粒子を含有させた耐水性樹脂で被覆されており、前記セラミック粒子が前記シリコーンゴムと前記耐水性樹脂との間のアンカーとなっていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
- 前記耐水性樹脂は、平均粒径が1〜20μmのセラミック粒子を1〜30重量%含有していることを特徴とする請求項1に記載の積層型圧電アクチュエータ。
- 積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第1の金属薄板および第2の金属薄板と、前記第1の金属薄板及び前記第2の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、平均粒径が1〜20μmのセラミック粒子を1〜30重量%含有させた耐水性樹脂で被覆されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
- 前記耐水性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
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