JP5656352B2 - 積層圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電気的入力エネルギーを、変位や力の機械エネルギーに変換する積層圧電アクチュエータに関し、更に具体的には、厳しい使用環境下においても特性劣化を生じることなく長期間使用可能とする積層圧電アクチュエータに関するものである。

従来の積層圧電アクチュエータは、圧電体材料よりなる圧電体層と、導電性を有する内部電極層を交互に複数積層した積層体の側面に、導電性接着剤によって外部電極を接合した構造となっている。このような積層圧電アクチュエータを、高温雰囲気下などの厳しい使用環境で長期間用いると様々な問題、例えば、導電性接着剤に応力がかかってクラックが発生するという問題が生じる。これは、前記アクチュエータの駆動時、すなわち、圧電変位によって前記積層体が積層方向に伸縮したときに、該積層体の側面に配設された導電性接着剤に応力がかかり、この応力の繰り返しによって導電性接着剤にクラックが発生するためである。クラックが発生すると、前記内部電極層と外部電極とは、前記導電性接着剤を介する電気的導通性を確保することができず、通電不良等の不都合が生じる。

前記通電不良を改善する手段として、例えば、下記特許文献１に記載の技術には、圧電積層体の側面に設けられた外部電極が、内部電極と接続するための金属層と、この金属層の上に形成された導電性弾性体とで構成されている積層型圧電アクチュエータが開示されている。これは、積層体の伸縮時に前記外部電極にかかる応力を、前記導電性弾性体によって分散・緩和するもので、これによってクラックの発生を防止するものである。
特開２００１−３１３４２８号公報

しかしながら、上記のような背景技術は、内部電極との接続はメッキ処理等の方法で形成した下地金属層で行っており、応力を緩和する導電性弾性体は、下地金属層の上に形成されている。下地金属層は、積層体の伸縮時の応力が直接かかる部分である。また、下地金属層が導電性弾性体に比べて伸縮性が小さいので、積層体の変形に十分に追随できないことがある。そのため、外部電極にかかる応力を十分に緩和させることができず、クラックの発生を十分に防止できないという課題がある。

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、厳しい環境下で長期間に渡って使用した場合でも、クラックなどから特性劣化を引き起こすことがない外部電極構造を有する積層圧電アクチュエータを提供することである。

前記目的を達成するため、本発明は、略柱状の圧電体素体と、該圧電体素体中に埋設され、前記圧電体素体の端面に露出する引出部を有するとともに、圧電体を間に挟んで積層された複数の内部電極と、前記圧電体素体の前記引出部が露出している端面に形成され、前記内部電極と電気的に接続する外部電極とを有する積層圧電アクチュエータにおいて、前記外部電極は、前記内部電極の積層方向に分割されており、前記内部電極の引出部と接続する複数の下地金属と、該複数の下地金属層を連結する導電性の弾性体層と、によって構成され、前記導電性の弾性体層は導電性シリコーンゴムであり、前記複数の下地金属層それぞれは、一つの下地金属層に、二つ以上の内部電極の引出部が接続され、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に前記複数の下地金属層を分割形成するとともに、前記導電性の弾性体層を導電性シリコーンゴムで形成することで、隣接する下地金属層の間であって、かつ、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に、間隙を形成したことを特徴とする。

本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明は、圧電体素体内に積層された複数の内部電極と前記素体端面で接続する外部電極を、前記内部電極の積層方向に分割されており前記内部電極の引出部と接続する複数の下地金属層と、該複数の下地金属層を連結する導電性の弾性体層とによって構成する。その際、前記導電性の弾性体層として導電性シリコーンゴムを用い、前記複数の下地金属層それぞれは、一つの下地金属層に、二つ以上の内部電極の引出部が接続され、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に前記複数の下地金属層を分割形成するとともに、前記導電性の弾性体層を導電性シリコーンゴムで形成することで、隣接する下地金属層の間であって、かつ、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に、間隙を形成することとした。これにより、前記下地金属層にかかる応力を緩和し、弾性体層によって応力を吸収し、かつ、素子変位に良好に追随するため、厳しい環境下で長期間にわたって使用しても、クラックなどから特性劣化を引き起こすことのない積層圧電アクチュエータが得られるという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１及び図２を参照しながら本発明の実施例１を説明する。図１(A)は、本実施例の積層圧電アクチュエータの側面図，図１(B)は前記(A)を矢印ＦＡ方向から見た正面図，図２は、本実施例の積層体の正面図である。図１及び図２に示すように、本実施例の積層圧電アクチュエータ１０は、圧電体素体（圧電体）１４内に複数の内部電極１６，１８が、圧電体を挟んで交互に複数形成された積層体１２の端面に、外部電極２０，２６が設けられた構造となっている。前記圧電体素体１４は略柱状であって、前記内部電極１６の引出部１６Ａが、前記圧電体素体１４の一方の端面に露出し、前記内部電極１８の引出部１８Ａが、前記圧電体素体１４の他方の端面に露出している。

このような積層圧電アクチュエータ１０では、積層体１２の伸縮による応力が外部電極にかかることが知られている。そこで、本発明では、厳しい環境下で長期間にわたって積層圧電アクチュエータ１０を利用した場合においても、クラックなどから特性劣化を引き起こすことがないように、外部電極２０，２６を２層構造としている。より詳細に説明すると、外部電極２０は、積層方向に分割されており内部電極１６の引出部１６Ａと接続する複数の下地金属層２２と、これら複数の下地金属層２２を連結する導電性を有する弾性体層２４により構成されている。同様に、外部電極２６は、積層方向に分割されており内部電極１８の引出部１８Ａと接続する複数の下地金属層２８と、これら複数の下地金属層２８を連結する導電性を有する弾性体層３０により構成されている。

図示の例では、一つの下地金属層２２に対して二つの引出部１６Ａが接続され、一つの下地金属層２８に対して二つの引出部１８Ａが接続されている。そして、隣接する２つの下地金属層２２は、互いに間隔ｘをおいて並んでおり（図２参照）、隣接する２つの下地金属層２８は、互いに間隔ｘをおいて並んでいる。また、前記弾性体層２４，３０は、前記下地金属層２２，２８の略中央部に設けられており、両側から前記下地金属層２２，２８が露出する程度の幅に設定されている。

このような外部電極構造は、次のような作用効果を発揮する。前記下地金属層２２，２８をそれぞれ積層方向に複数に分割することにより、下地金属層２２，２８の各々にかかる応力を小さくすることができる。また、間隔ｘの部分も伸縮するが、この間隔ｘの部分の伸縮による応力は、下地金属層２２，２８にかからないため、その分の応力も低減することができる。そして、弾性体層２４，３０によって、分割された下地金属層２２，２８を連結することにより、外部電極２０，２６にかかる応力を吸収して低減するとともに、前記弾性体層２４，３０によって積層体１２の変位に良好に追随する。そのため、厳しい環境下での長期間の使用によって外部電極２０，２６にクラックが入るのを防止し、マイグレーションなどの劣化を防止することができる。例えば、ＡＣ２００Ｖ−５０Ｈｚで１５０℃の条件下で、１０億回伸縮させた場合、従来の積層型圧電アクチュエータでは、変位量が８０％に低下したのに対して、本発明の積層型圧電アクチュエータでは変位量の低下が見られなかった。

ここで、前記下地金属層２２，２８の間隔ｘ（図２参照）は、内部電極１６と内部電極１８との間に挟まれている圧電体の一層厚みの２倍よりも小さく形成される。各々の端面に露出する内部電極の引出部１６Ａ，１８Ａは、圧電体の一層厚みの２倍の間隔をおいて露出しているので、間隔ｘを圧電体の一層厚みの２倍よりも小さくすると、下地金属層２２，２８にかかる応力を緩和することができるとともに、内部電極１６，１８との接続を十分に確保することができる。

前記圧電体素体１４を形成する材料としては、鉛・非鉛材料のいずれを用いるようにしてもよい。また、内部電極１６，１８としては、例えば、Ｐｔ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉなどが用いられる。外部電極の下地金属層２２，２８は、例えば、導電性樹脂ペースト，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｉペーストなどを用いてスクリーン印刷や非接触塗布などで塗布し、焼付け法、硬化によって形成する。また、弾性体層２４，３０としては、例えば、導電性シリコーンゴムを用いて前記下地金属層２２，２８に接着形成する。なお、接着強度を考慮すると、下地金属層２２，２８は硬化によって、弾性体層２４，３０とともに形成するのが望ましい。

このように、実施例１によれば、圧電体素体１４の端面に露出した内部電極１６，１８の引出部１６Ａ，１８Ａに接続し、前記内部電極１６，１８の積層方向に分割された複数の下地金属層２２，２８と、複数の下地金属層２２，２８を連結する導電性を有する弾性体層２４，３０とによって外部電極２０，２６を構成することとした。このため、前記下地金属層２２，２８と弾性体層２４，３０によって２段階で応力を吸収し、かつ、弾性体層２４，３０によって積層体１２の変位あるいは積層圧電アクチュエータ１０の伸縮に良好に追随するため、厳しい環境下で長期間にわたって使用しても、外部電極２０，２６にクラックが発生するのを防止でき、特性劣化を引き起こすことがないという効果が得られる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状・寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。材料についても同様である。
(2)前記実施例では、一つの下地金属層２２，２８に対して、二つの引出部１６Ａ，１８Ａを接続することとしたが、これも一例であり、３つ以上の引出部を接続するようにしてもよい。

(3)前記実施例で示した弾性体層２４，３０も一例であり、図３(A)に示す例のように、複数の弾性体層２４Ａによって、下地金属層２２の両端側を交互に連結するようにしてもよい。あるいは、図３(B)に示す例のように、下地金属層２２の一端側のみを弾性体層２４Ｂで連結するようにしてもよい。なお、図示の例では左端側に弾性体層２４Ｂを設けたが、図に点線で示すように右側に設けるようにしてもよいし、両端側に設けるようにしてもよい。図３(B)に示す形態とすることにより、弾性体層２４Ｂにクラックが入っても、その下部は圧電不活性部分であるため、より安定した駆動状態を保つことができる。この場合、弾性体層２４Ｂは、下地金属層２２と同素材であっても同程度の効果を見込むことができる。
(4)下地金属層２２，２８と弾性体層２４，３０との密着を向上させるために、下地金属層２２，２８にメッキを施してもよい。また、弾性体層２４，３０にも、半田ぬれ性を向上させるためにメッキを施してもよい。

本発明によれば、圧電体素体内に積層された複数の内部電極と前記素体端面で接続する外部電極を、前記内部電極の積層方向に分割されており前記内部電極の引出部と接続する複数の下地金属層と、該複数の下地金属層を連結する導電性の弾性体層とによって構成する。その際、前記導電性の弾性体層として導電性シリコーンゴムを用い、前記複数の下地金属層それぞれは、一つの下地金属層に、二つ以上の内部電極の引出部が接続され、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に前記複数の下地金属層を分割形成するとともに、前記導電性の弾性体層を導電性シリコーンゴムで形成することで、隣接する下地金属層の間であって、かつ、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に、間隙を形成することとした。これにより、外部電極にかかる応力を低減し、かつ、外部電極が素子変位に追随してクラックの発生を防止できるため、積層圧電アクチュエータの用途に適用できる。

本発明の実施例１の積層圧電アクチュエータを示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を矢印ＦＡ方向から見た正面図である。 前記実施例１の積層体の正面図である。 本発明の他の実施例を示す正面図である。

符号の説明

１０：積層圧電アクチュエータ
１２：積層体
１４：圧電体素体（圧電体）
１６，１８：内部電極
１６Ａ，１８Ａ：引出部
２０，２６：外部電極
２２，２８：下地金属層
２４，２４Ａ，２４Ｂ，３０：弾性体層

Claims (1)

1. 略柱状の圧電体素体と、該圧電体素体中に埋設され、前記圧電体素体の端面に露出する引出部を有するとともに、圧電体を間に挟んで積層された複数の内部電極と、前記圧電体素体の前記引出部が露出している端面に形成され、前記内部電極と電気的に接続する外部電極とを有する積層圧電アクチュエータにおいて、
   前記外部電極は、
   前記内部電極の積層方向に分割されており、前記内部電極の引出部と接続する複数の下地金属層と、該複数の下地金属層を連結する導電性の弾性体層と、
   によって構成され、
   前記導電性の弾性体層は導電性シリコーンゴムであり、
   前記複数の下地金属層それぞれは、一つの下地金属層に、二つ以上の内部電極の引出部が接続され、
   前記圧電体素体と前記弾性体層との間に前記複数の下地金属層を分割形成するとともに、前記導電性の弾性体層を導電性シリコーンゴムで形成することで、隣接する下地金属層の間であって、かつ、前記圧電体素体と前記弾性体層との間に、間隙を形成したことを特徴とする積層圧電アクチュエータ。

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