JP3968408B2

JP3968408B2 - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP3968408B2
Application number: JP08644899A
Authority: JP
Inventors: 誠東別府; 智裕川元; 幸喜芦田; 剛瀬戸口; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP2000277821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ装置に係わり、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】
従来から、圧電板と電極とを交互に積層してなる積層型圧電アクチュエータが知られている。このような積層型圧電アクチュエータは、圧電板に電極を介して電圧を印加することにより、逆圧電効果によって圧電板を数〜数十μｍ伸長させ、その変位を圧電アクチュエータの駆動力源とするものである。そして、最近では、小型の積層型圧電体素子では大きな変位量を確保し、更により早い駆動を行うため、高電圧、高周波数での駆動が要求されている。
【０００３】
また、圧電板と電極との積層体からなる圧電的に活性な積層体の上面および下面には、アクチュエータを支持、固定するとともに金属ケースとの絶縁性を保つために、圧電的に不活性な絶縁体をガラスによって接合したアクチュエータが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のアクチュエータでは、圧電板と電極との積層体と不活性絶縁体とを金属粉末とガラスからなる導電性接着材によって接合しているために両者が互いに強固に固着されており、アクチュエータに高電圧を高周波数で印加しながら長時間駆動すると、圧電板と電極との積層体と不活性絶縁体との境界部分に大きな応力が集中が発生し、前記積層体または不活性絶縁体が破壊してしまうという問題があった。
【０００５】
このような問題に対しては、例えば、特開平７−３０１６５号によれば、積層体の上下面に形成された不活性絶縁体に隣接する積層体中の電極の重なり面積を積層体の中央部における電極間の重なり面積よりも小さくすることによって積層体の端部の変位を小さくしたアクチュエータが提案されている。また、特開昭６０−２５７１８６号によれば、不活性絶縁体を比誘電率が１２００未満、ヤング率が７．０×１０¹⁰Ｎ／ｃｍ²以下の絶縁体によって形成し応力を不活性絶縁体によって吸収させようとすることが提案されている。
【０００６】
上記の手法によれば、低電圧あるいは低周波での駆動においてはある程度の効果は見られるが、特に、４００Ｖ以上、５０Ｈｚ以上もの高電圧、高周波での長時間の駆動ではその応力も大きくなるために、圧電板と電極との積層体と不活性絶縁体との境界部分に生ずる応力集中を十分に緩和することは難しいものであった。
【０００７】
しかも、特開平７−３０１６５号の手法では、積層体における電極形成箇所および積層時の位置合わせを厳密に制御する必要があるために、量産性に欠けるものであり、また、特開昭６０−２５７１８６号の手法では、不活性絶縁体を特殊な材料によって形成することが必要となり、その結果、積層体との熱膨張特性などを一致させることが難しくなるために、積層体と不活性絶縁体との熱膨張差によって新たな応力を発生させてしまうという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、高電圧、高周波で駆動する場合においても、圧電板と電極との積層体と不活性絶縁体との境界部分に発生する応力を効果的に緩和し、長期信頼性に優れた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】
本発明者等は、圧電板と電極との積層体と不活性絶縁体との境界部分に発生する応力を効果的に緩和するための方法について検討を重ねた結果、積層体と不活性絶縁体との間に、弾性率の低い低弾性体を介在させて接合することにより、境界部分に発生する応力を低弾性体が効果的に吸収し、アクチュエータの長期信頼性を改善できることを見いだしたものである。
【００１０】
即ち、本発明の積層型圧電アクチュエータは、複数の圧電板と、複数の正極用および負極用の電極板とを交互に積層してなる積層体と、前記正極用の電極板同士および負極用の電極板同士を前記積層体の側面にてそれぞれ接続するための接続部材とを具備し、且つ前記積層体の上下面に、圧電的に不活性な絶縁体を接合してなり、ガラス接合材又は導電性接合材により複数の金属板を積層した積層物からなる低弾性体を介して、前記積層体と前記不活性絶縁体とが接合されていることを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、前記金属板がＡｇ、Ａｌ、ジュラルミンのうちの１種以上の金属からなり、前記複数の金属板の総厚さが２５〜３００μｍであるのが好ましい。また、前記低弾性体と前記積層体、および前記低弾性体と前記不活性絶縁体がガラスによってそれぞれ接合されているのが好ましい。
【００１２】
なお、前記不活性絶縁体としては、圧電板と同一組成の材料からなることが望ましい。
【００１３】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、圧電板と電極とを積層してなる圧電的に活性な積層体と、この積層体の上下に配設される不活性絶縁体との間に、上記低弾性体を介在させることにより、変位する積層体により不活性絶縁体に伝達される応力が低弾性体によって有効的に緩和される結果、積層体と不活性絶縁体との境界部分における応力の集中を抑制できる。よって、高電圧、高周波にて高速駆動させた場合においても圧電板や不活性絶縁体に対してクラックや破断を生じることなく長時間の駆動が可能となり、アクチュエータの信頼性を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明の圧電アクチュエータの一例を説明するための図であり、図１は概略側面図、図２は、電極板の平面図、図３および図４は要部拡大断面図である。この圧電アクチュエータ１は、複数の圧電板２と、複数の電極板３とを交互に積層した積層体を具備し、圧電板２の両面には導電層４が形成されており、圧電板２と電極板３とは、導電層４によって接合されている。導電層４は、導電性ペーストを圧電板２の表面に塗布し４００〜６００℃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、Ａｇ粉末を７０〜９８重量％と、ホウケイ酸鉛系などのガラス成分２〜３０重量％とからなることが望ましい。
【００１５】
圧電板２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミック材料などの周知の圧電材料によって構成されている。この圧電板２を構成する圧電材料としては、駆動時の変位量を大きくするために、圧電歪み定数ｄ３３が高いものが望ましい。また、この圧電板２の厚みは、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。
【００１６】
特に、圧電板を構成する圧電材料としては、金属成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｔｅと、ＳｒおよびＢａのうち少なくとも１種を含む複合ペロブスカイト型化合物からなり、これらの金属元素のモル比による組成式を、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/4）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-cＯ₃と表わした時、ｘ，ｙ，ａ，ｂ，ｃのモル比が、０≦ｘ≦０．１２、０≦ｙ≦０．１２、０＜ｘ＋ｙ、０．０５≦ａ≦０．１２、０≦ｂ≦０．０１５、０．４３≦ｃ≦０．５２を満足する基本成分１００重量部に対して、等モル比からなるＰｂＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．２〜１．２重量部添加含有してなる圧電磁器組成物が望ましい。
【００１７】
また、電極板３には、図２に示すように、１対の接続部材５が一体に形成されており、電極板３は正極用と負極用とに分けられ、圧電板２の間に正極用の電極板３と負極用の電極板３が交互に積層される。そして、それぞれの正極用の電極板３の各接続部材５は積層体の側面の異なる方向にそれぞれ導出されている。
【００１８】
そして、同一方向に導出された正極用の電極板３の接続部材５および負極用の電極板３の接続部材５は、それぞれ圧電アクチュエータ１に接触しないように所定の間隙Ｌをもつように、圧電アクチュエータ１の外周側面に沿って折曲され、正極用の接続部材５群、および負極用の接続部材５群は、それぞれ半田付け、あるいは溶接等によって互いに接続固定されている。
【００１９】
接続部材５が圧電アクチュエータ１に近接して配設されると、圧電アクチュエータ１から発生した熱の放散を接続部材が阻害してしまう。そのため、上記間隙Ｌは、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。なお、上記間隙Ｌが大きすぎると装置全体が大型化してしまうため、この間隙Ｌは２．０ｍｍ以下が望ましい。
【００２０】
また、接続部材５は、圧電アクチュエータ１から発生する熱を拡散させる作用をなすことから、熱の拡散性の点からは接続部材５の幅Ｗは、大きい方がよく、圧電板２が円板である場合、その半径ｒに対してｒ／１０以上であることが望ましい。一方、接続部材５の幅が大きすぎると隣接する異なる極性の接続部材５との距離が近くなり、隣接する接続部材５間で放電の可能性が高くなることから、その幅Ｗはｒ以下であることが望ましい。
【００２１】
また、電極板３、接続部材５は、銀、真鍮、銅、ステンレス等の金属からなる導電性金属からなることが好ましい。電極板３の厚さは、変位量に影響を及ぼさないためにできるだけ薄いもの特に２０〜１００μｍのものが好ましい。
【００２２】
さらに、電極板３は、隣接する電極板３間の短絡や放電を防止するために、圧電アクチュエータ１の外周側面に露出しないように圧電板２よりも小さい寸法からなることが望ましい。
【００２３】
（不活性絶縁体）
さらに、本発明の圧電アクチュエータ１によれば、上記の圧電板２と電極板３との積層体の上下面には、弾性率が１００ＧＰａ以下、特に８５ＧＰａ以下の低弾性体６を介して圧電的に不活性絶縁体７が接合されている。この低弾性体６の弾性率を１００ＧＰａ以下に限定したのは、弾性率が１００ＧＰａよりも高いと高電圧、高速で駆動した際、不活性絶縁体と低弾性体の界面より、クラックが発生して破損するためである。
【００２４】
弾性率が１００ＧＰａ以下の低弾性体６としては、Ａｇ、Ａｌ、ジュラルミンのうちの１種以上の金属、あるいはシリコンゴムが望ましい。
【００２５】
この低弾性体６が金属からなる場合、その低弾性体６は、厚さが２５〜３００μｍの金属板からなることが望ましい。これは、厚さが２５μｍよりも小さいと、応力緩和の効果が小さくなるためであり、３００μｍよりも大きいと、変位量の低下が大きくなるためである。
【００２６】
また、図３のように圧電板２と電極板３との積層体と不活性絶縁体７とを金属板からなる低弾性体６によって接合するには、積層体の上面および下面に位置する圧電板２の表面と、不活性絶縁体７の積層体との接合面に、予めホウケイ酸鉛系ガラスなどのガラスペーストからなる絶縁性接着剤を塗布し、４００〜６００℃程度で焼き付けておき、積層体の上面、下面に上記金属板からなる低弾性体６および不活性絶縁体７を積層した後、４００〜６００℃で加熱することにより、低弾性体６と積層体、および低弾性体６と不活性絶縁体７をそれぞれガラス８によって接合して一体化することができる。
【００２７】
また、金属板によって低弾性体６を形成する場合、低弾性体６を複数の金属板との積層物によって形成することが望ましい。このように低弾性体６を複数の金属板によって構成することにより、駆動中に発生する応力が複数の金属板によって分散され、１枚の金属板によって構成する場合に比較してさらに応力を緩和できるからである。かかる場合、複数の金属板の総厚さが２５〜３００μｍの厚さとなるように、一枚の金属板の厚さを調整すればよい。なお、複数の金属板間は、ガラスや導電性ペーストによって接合されている。
【００２８】
また、図４に示すように低弾性体６としてシリコンゴムを用いる場合は、シリコンゴム自体が接着剤としての機能も有しているため、シリコンゴム９が有する接着性によって積層体と不活性絶縁体７とを接合することができる。かかる場合、シリコンゴムの厚さは３〜３００μｍに調整される。
【００２９】
上記の積層体と不活性絶縁体７との接合体に対して、適宜、積層体１の外周面及び不活性絶縁体７の一部の外周面をシリコンゴムなどの弾性率の低い絶縁性樹脂１０で被覆するとともに、圧電板２の相互間及び圧電板２と接続部材５との間の空隙にも同様な絶縁性樹脂が隙間なく充填される。
【００３０】
このようにして作製された圧電アクチュエータ１は、放熱性に優れた銀、銅、アルミニウム、ステンレスのうちの少なくとも１種の金属から金属ケース（図示せず）に装填された圧電アクチュエータ装置となる。
【００３１】
【実施例】
実施例１
Ｐｂ_0.94Ｓｒ_0.04Ｂａ_0.02（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_0.075（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_0.005Ｚｒ_0.47Ｔｉ_0.45Ｏ₃の組成からなる基本成分１００重量部に対して、等モル比からなるＰｂＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．５重量部添加含有した組成物を１１３０℃で焼成して作製したＰＺＴ系圧電セラミックスの両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円板状の圧電板を形成した。
【００３２】
この圧電板の両面に、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５２０℃で焼き付けた。
【００３３】
また、厚さ２５μｍのＡｇ製薄板を、図２に示したような３ｍｍ×２ｍｍの接続部材を有する直径１９ｍｍの円形に打ち抜いて電極板を作製した。
【００３４】
そして、上記電極板と圧電板とを交互に積層し、圧電板の総数が１００層の積層体を作製した。なお、電極板の接続部材は一層おきに正極用と負極用とを９０度の角度差をもってそれぞれ同じ向きに突出させた。
【００３５】
また、上記圧電板と同一組成のＰＺＴ系焼結体を用い、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの円柱状の不活性絶縁体を形成し、この不活性絶縁体の片面と、前記積層体の最上面および下面にそれぞれＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラスペーストを１０μｍの厚みになるように印刷した後、１００℃にて乾燥し５２０℃で焼き付けた。
【００３６】
そして、この不活性絶縁体を上記積層体の上面および下面に、厚さが表１の種々の直径１９ｍｍのＡｇ、Ａｌ、ジュラルミンの金属板を表１に示す層数にて位置ずれが生じないように積層して軽く圧力を加えた後、その積層物の上部に約３ｋｇの重りを乗せて、６００℃で１時間加熱して、不活性絶縁体と積層体とを金属板を介して接合した。
【００３７】
次に、図１に示したように、圧電板の径方向に突出した正極用および負極用の接続部材の先端部を積層方向にそれぞれ折曲げ、折り曲げた接続部材の先端部と隣接する同極の接続部材とをハンダで接続した。なお、接続部材同士を接続する際には、圧電アクチュエータの一端から他端まで接続部材が圧電アクチュエータの側面から０．５ｍｍ離間するようにして接続部材を取り付けた。その後、積層体及び不活性絶縁体の外周面をシリコンゴムによって被覆した。
【００３８】
そして、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、積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００３９】
（評価）
得られた積層型圧電アクチュエータに温度雰囲気１２５℃において、０Ｖから＋５００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加し、印加回数５×１０⁸回まで駆動を行った。そして、駆動時の圧電アクチュエータによる変位量と、積層体と不活性絶縁体の境界部分での圧電板または不活性絶縁体へのクラックや破断の発生を目視観察し、クラックや破断が生じるまでの回数を測定しその結果を表１に示した。
【００４０】
さらに、１２５℃においてＤＣ０〜５００Ｖ、５０Ｈｚの条件で５×１０⁸回まで駆動した時、各試料について、５０個のサンプルを作製し、積層体と不活性絶縁体との間にクラックが発生したサンプル数を表１に示した。
【００４１】
なお、変位量の測定は、圧電アクチュエータ装置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。
【００４２】
比較例
比較として、積層体と不活性絶縁体の界面にＡｇ薄板を挿入せずに、積層体と不活性絶縁体とをガラスによって接合した圧電アクチュエータを作製した。
【００４３】
実施例２
実施例１で作製した圧電板と電極板との積層体の上面および下面と、不活性絶縁体の片面に粘着性を有するシリコンゴムを所定の厚さで塗布した後、積層体の上面および下面に不活性絶縁体を貼り付けた。そして、実施例１と同様な評価を行った。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１の結果から明らかなように、比較用の圧電アクチュエータ（試料Ｎｏ．１）では、１×１０⁶回印加で積層体と不活性絶縁体との境界部で破断は発生し、それ以上の駆動が不可能となった。
【００４６】
また、積層体と不活性絶縁体との間に弾性率が８０ＧＰａ以下の低弾性体を介在させた試料Ｎｏ．２〜７、試料Ｎｏ．１０〜１３では、いずれも５００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した場合においても、印加回数５×１０⁸回まで駆動を行った場合でも積層体と不活性絶縁体との境界においてクラックや破断の発生を低減できた。特に、低弾性体の総厚さが２５〜３００μｍの試料Ｎｏ．３、４、５では、変位量が３０μｍ以上と大きく、しかも５００Ｖ、５０Ｈｚの高電圧、高周波での駆動においても５×１０⁸回以上の駆動が可能であり、しかもクラックの発生数も皆無とすることができた。
【００４７】
【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、圧電的に活性な圧電板と金属板からなる積層体とこの積層体の上下面に配設される不活性絶縁体との間に複数の金属板を積層した積層物からなる低弾性体を挿入したので、変位する積層体により不活性絶縁体に伝達される応力が低減され、積層体と不活性絶縁体との境界部分における応力集中を抑制でき、不活性絶縁体または積層体端面の破損を防止できる。したがって、高電圧、高周波数での高速駆動の場合でもクラックや破断を生じることなく長時間の駆動が可能となる。
【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の概略側面図である。
【図２】本発明の積層型圧電アクチュエータにおける電極板の平面図である。
【図３】本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、低弾性体として金属板を用いた場合の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の積層型圧電アクチュエータにおいて、低弾性体としてシリコンゴムを用いた場合の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１圧電アクチュエータ
２圧電板
３電極板
４導電層
５接続部材
６低弾性体
７不活性絶縁体

Claims

複数の圧電板と、複数の正極用および負極用の電極板とを交互に積層してなる積層体と、前記正極用の電極板同士および負極用の電極板同士を前記積層体の側面にてそれぞれ接続するための接続部材とを具備し、且つ前記積層体の上下面に、圧電的に不活性な絶縁体を接合してなる圧電アクチュエータにおいて、
ガラス接合材又は導電性接合材により複数の金属板を積層した積層物からなる低弾性体を介して、前記積層体と前記不活性絶縁体とが接合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。
前記金属板がＡｇ、Ａｌ、ジュラルミンのうちの１種以上の金属からなり、前記複数の金属板の総厚さが２５〜３００μｍである請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
前記低弾性体と前記積層体、および前記低弾性体と前記不活性絶縁体がガラスによってそれぞれ接合されている請求項１又は２に記載の積層型圧電アクチュエータ。
前記不活性絶縁体が、前記圧電板と同一材料からなる請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。