JP4280321B2 - 圧電ユニット及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アクチュエータ等に使用され且つ積層型圧電素子を複数個接合してなる圧電ユニットとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、微小位置決め性や高速応答性を有することから、従来にないアクチュエータとして多方面で用いられてきている。圧電素子は、単板型ではアクチュエータとして使用するには駆動電圧が高く、変位量が少ない。このため、アクチュエータ用には、圧電セラミックスと内部電極とを多数積層した積層型の圧電素子が製造されている。
【０００３】
しかし、積層型圧電素子であっても、用途によっては、変位量が不足する場合がある。このような場合、積層型圧電素子を複数個接合して一体化した圧電ユニットを形成し、必要な変位量を得ている。
【０００４】
図１２に示されるように、積層型圧電素子は、内部電極４が印刷され且つ変位する活性部１と、内部電極が印刷されず変位しない不活性部２が存在する。また、圧電素子の両端部にはそれぞれ内部電極が存在しない保護層３が形成され、保護層３の表面が変位取り出し面５として利用される。図１２に斜線部により表わされる不活性部２と保護層３は共に変位しないため、これら不活性部２及び保護層３によって活性部１の変位が阻害され、変位取り出し面５の変位には分布が生じている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、変位取り出し面５の変位に分布が生じるため、変位取り出し面５の全面に接着剤を塗布して二つ積層型圧電素子を接合し圧電ユニットを形成した場合、接着面の中心に圧縮応力、周辺部に引っ張り応力がそれぞれ作用する。このことにより圧電ユニットの変位の低下や素子の信頼性低下の虞れがあった。従って、内部に応力が発生しない圧電ユニットの実現が強く望まれていた。
【０００６】
この発明は、積層型圧電素子を複数個接合した圧電ユニットであって、接合による変位阻害が少なく、内部応力の発生が起こりにくい圧電ユニット及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る圧電ユニットは、積層型圧電素子を複数個接合して得られる圧電ユニットにおいて、各積層型圧電素子はその正方形状の変位取り出し面にて互いに接着され、変位取り出し面の接着剤を塗布する部分は、変位取り出し面の外辺の各辺と塗布する接着剤の端部が接触する円形の形状であり、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有するものである。
【０００８】
又、この発明に係る圧電ユニットは、積層型圧電素子を複数個接合して得られる圧電ユニットにおいて、各積層型圧電素子はその正方形状の変位取り出し面にて互いに接着され、変位取り出し面の接着剤を塗布する部分は変位取り出し面の外辺の一辺における長さより長い直径からなる円と変位取り出し面が重なる部分であり、積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有し、且つ変位取り出し面の四隅に接着剤を塗布しない部分を有するものである。
【０００９】
又、この発明に係る圧電ユニットの製造方法は、積層型圧電素子を複数個接合された圧電ユニットの製造方法において、各積層型圧電素子での正方形状である変位取り出し面の外辺の各辺と塗布する接着剤の端部が接触する円形の形状で、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有するように変位取り出し面に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を互いに接着する方法である。
【００１０】
又、この発明に係る圧電ユニットの製造方法は、積層型圧電素子を複数個接合された圧電ユニットの製造方法において、各積層型圧電素子の変位取り出し面の四隅に接着剤を塗布しない部分が存在し、正方形状である変位取り出し面の外辺の一辺における長さより長い直径からなる円と変位取り出し面が重なる部分で、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有するように変位取り出し面に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を互いに接着する方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。積層型圧電素子は、通常、図１に示されるように、変位しない不活性部及び保護層３を有するため、鼓型に変形しながら変位する。そこで、図２に示されるように、変位取り出し面５の周辺部に塗布されない部分が存在するように変位取り出し面５の中央部に接着剤６を塗布して圧電素子Ａ及びＢを互いに接着することで、接着面に作用する内部応力を解放、緩和することができる。具体的には、変位取り出し面５に生じる変位分布の一つの変位等高線の内側に接着剤を塗布することにより圧電素子Ａ及びＢを変位分布に沿って互いに接着することが望ましい。
【００１２】
以下に、二つの積層型圧電素子を互いに接着した圧電ユニットに適用された本発明の実施例を挙げて本発明をさらに説明する。
【００１３】
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０_３のセラミックス粉末をサンドミルで粉砕し、バインダー、分散剤、活性剤、消泡剤を加えて混練し、真空脱泡した後、ドクターブレード法を用いてグリ一ンシートを作製した。このグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて銀・パラジウム合金からなる内部電極を印刷した。次に、このグリーンシートを３００×３００ｍｍの大きさに切断した後、グリーンシート１３０枚を積層して圧電部分を作成した。また、内部電極を印刷していないグリーンシート２０枚を積層した保護層部分を作成し、圧電部分の上下にそれぞれ保護層部分をプレスにて圧着し、切断、焼成して、変位取り出し面６×６ｍｍ、高さ１０ｍｍの積層型圧電素子を得た。なお、内部電極の大きさは５×５ｍｍである。
【００１４】
この積層型圧電素子に外部電極を焼き付け、分極した後、所定の電圧を印加したときの圧電素子単体の変位を測定したところ、変位取り出し面５が６×６ｍｍの正方形であるために、図３に示されるように、変位分布はほぼ同心円状に現われた。図３において、曲線１１は変位量１１μｍの等高線、曲線１２は変位量１０μｍの等高線、曲線１３は変位量９μｍの等高線をそれぞれ示している。
【００１５】
実施例１．図４に示されるように、上記の積層型圧電素子の変位取り出し面５の中央部に半径２ｍｍの円形状に接着剤６を塗布し、二つの積層型圧電素子を接着して６×６×２０ｍｍの圧電ユニットを製造した。変位取り出し面５の周辺部は接着剤６が塗布されず、接着されていない。
【００１６】
実施例２．図５に示されるように、上記の積層型圧電素子の変位取り出し面５の中央部に半径３ｍｍの円形状に接着剤６を塗布し、二つの積層型圧電素子を接着して６×６×２０ｍｍの圧電ユニットを製造した。正方形状の変位取り出し面５の周辺部、特に四隅には接着剤６が塗布されず、接着されていない。
【００１７】
実施例３．図６に示されるように、上記の積層型圧電素子の変位取り出し面５の中央部に半径３．５ｍｍの円形状に接着剤６を塗布し、二つの積層型圧電素子を接着して６×６×２０ｍｍの圧電ユニットを製造した。正方形状の変位取り出し面５の四隅には接着剤６が塗布されず、接着されていない。
【００１８】
実施例４．図７に示されるように、上記の積層型圧電素子の変位取り出し面５の中央部に５×５ｍｍの正方形状に接着剤６を塗布し、二つの積層型圧電素子を接着して６×６×２０ｍｍの圧電ユニットを製造した。正方形状の変位取り出し面５の周辺部には接着剤６が塗布されず、接着されていない。
【００１９】
比較例．図８に示されるように、従来の製造方法により、上記の積層型圧電素子の変位取り出し面５の全面に接着剤６を塗布し、二つの積層型圧電素子を接着して６×６×２０ｍｍの圧電ユニットを製造した。
【００２０】
このようにして製造された実施例１〜４及び比較例の圧電ユニットに共通の電圧を印加して、それぞれ変位量を測定したところ、図９に示されるような結果が得られた。実施例１〜４の圧電ユニットでは、変位取り出し面５の全面を接着した比較例の圧電ユニットに比べて変位阻害を低く抑えられることがわかった。
【００２１】
また、実施例１〜４及び比較例の圧電ユニットに対し、種々の印加電圧で１０億回の駆動反復試験を行って、クラックの発生を観察したところ、図１０に示されるような結果が得られた。比較例の圧電ユニットでは、９０Ｖ程度以上の電圧を印加した場合に、図１１に示されるように、保護層部分１４と圧電部分１５の境界でクラック７が生じた。一方、実施例１〜４の圧電ユニットでは、１００Ｖ程度の印加電圧に対して、いずれもクラックは観察されなかった。特に、接着剤の塗布半径が２ｍｍの実施例１の圧電ユニットと塗布半径が３ｍｍの実施例２の圧電ユニットでは、印加電圧を１５０Ｖにまで上げて変位量を大きくしても、クラックが生じなかった。５×５ｍｍの正方形状に接着剤を塗布した実施例４の圧電ユニットは、塗布半径３ｍｍの実施例２の圧電ユニットより接着面積が小さいが、接着面積の大きな実施例２の圧電ユニットの方が内部応力が緩和されていることがわかる。
【００２２】
圧電ユニットの変位を大きくとるためには、接着面積は少ないほどよいが、接着面積を少なくし過ぎると、接着強度が弱くなって実際の作業に支障を来す。また、印加電圧が少なくてよい場合など、使用状況や使用方法によっては、接着面積を大きく取ることも可能である。従って、使用方法によって接着剤を塗布する最適な面積、形状は異なるが、変位分布に沿った形で一つの変位等高線の内側に接着剤を塗布することにより、接着強度を保ちながら応力を緩和することが可能となる。
【００２３】
なお、上記の各実施例１〜４では、二つの積層型圧電素子を接着して圧電ユニットを製造したが、これに限るものではなく、三つ以上の積層型圧電素子を直列に接着して圧電ユニットを製造することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、積層型圧電素子の変位取り出し面の周辺部に塗布されない部分が存在するように、変位取り出し面の中央部に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を互いに接着して圧電ユニットを製造するので、製造工程上取り扱いに問題がなく、変位量が低下せず、信頼性も向上した圧電ユニットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 変位中の積層型圧電素子を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施例１に係る圧電ユニットを示す断面図である。
【図３】 変位中の積層型圧電素子の変位取り出し面における変位等高線を示す平面図である。
【図４】 この発明の実施例１における積層型圧電素子の変位取り出し面への接着剤の塗布形状を示す平面図である。
【図５】 この発明の実施例２における積層型圧電素子の変位取り出し面への接着剤の塗布形状を示す平面図である。
【図６】 この発明の実施例３における積層型圧電素子の変位取り出し面への接着剤の塗布形状を示す平面図である。
【図７】 この発明の実施例４における積層型圧電素子の変位取り出し面への接着剤の塗布形状を示す平面図である。
【図８】 比較例における積層型圧電素子の変位取り出し面への接着剤の塗布形状を示す平面図である。
【図９】 実施例１〜４及び比較例の圧電ユニットに共通の電圧を印加したときの圧電ユニットの変位量を示すグラフである。
【図１０】 実施例１〜４及び比較例の圧電ユニットに駆動反復試験を行ったときの破壊を生じない駆動電圧を示すグラフである。
【図１１】 比較例の圧電ユニットに生じたクラックを示す模式図である。
【図１２】 積層型圧電素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 活性部
２ 不活性部
３ 保護層
４ 内部電極
５ 変位取り出し面
６ 接着剤
７ クラック
１１，１２，１３ 等高線
１４ 保護層部分
１５ 圧電部分

Claims (4)

1. 積層型圧電素子を複数個接合して得られる圧電ユニットにおいて、各積層型圧電素子はその正方形状の変位取り出し面にて互いに接着され、変位取り出し面の接着剤を塗布する部分は、変位取り出し面の外辺の各辺と塗布する接着剤の端部が接触する円形の形状であり、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有することを特徴とする圧電ユニット。
2. 積層型圧電素子を複数個接合して得られる圧電ユニットにおいて、各積層型圧電素子はその正方形状の変位取り出し面にて互いに接着され、変位取り出し面の接着剤を塗布する部分は変位取り出し面の外辺の一辺における長さより長い直径からなる円と変位取り出し面が重なる部分であり、積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有し、且つ変位取り出し面の四隅に接着剤を塗布しない部分を有することを特徴とする圧電ユニット。
3. 積層型圧電素子を複数個接合された圧電ユニットの製造方法において、各積層型圧電素子での正方形状である変位取り出し面の外辺の各辺と塗布する接着剤の端部が接触する円形の形状で、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有するように変位取り出し面に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を互いに接着することを特徴とする圧電ユニットの製造方法。
4. 積層型圧電素子を複数個接合された圧電ユニットの製造方法において、各積層型圧電素子の変位取り出し面の四隅に接着剤を塗布しない部分が存在し、正方形状である変位取り出し面の外辺の一辺における長さより長い直径からなる円と変位取り出し面が重なる部分で、且つ積層型圧電素子の活性部での内部電極より大きい面積を有するように変位取り出し面に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を互いに接着することを特徴とする圧電ユニットの製造方法。

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