JP5687935B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータに関する。

圧電アクチュエータを構成する圧電素子の外部電極は、圧電素子の伸縮によって疲労破壊を起こすことがある。これを防ぐ方法の一つとしてリード線で外部電極を補強する方法がある。たとえば、特許文献１記載の圧電積層体は、リード線で外部電極を補強することによって外部電極部分の変位量を抑え、疲労破壊を防止している。

近年、半田の鉛フリー化が進み、圧電アクチュエータに使用される半田も鉛フリー化されている。非鉛半田は、鉛含有半田に比較してヤング率が大きい。圧電アクチュエータの外部電極に使用した場合、半田が硬いために、圧電アクチュエータの変位時に、半田付けされた位置付近に発生する応力によって圧電素子が破壊する場合がある。

そこで、特許文献２〜４記載の圧電アクチュエータのように、外部電極と半田付けされていない箇所が湾曲形状になったリード線を用い、半田付け位置やリード線の厚みに特徴を持たせることで、応力を緩和し、圧電素子の破壊を防止する方法が提案されている。たとえば、特許文献４には、リン青銅のリード線の厚みΔＺが０．１５ｍｍ以下である圧電アクチュエータが記載されている。

特開昭６３−０９２０６８号公報 特開２０１０−１０３２４９号公報 特開２０１０−１０３２５０号公報 特開２０１０−１０３２５１号公報

上記の特許文献に記載されるような対策をとることで、半田箇所に生じる応力を有る程度緩和することができ、圧電素子の破壊を防止できる。しかしながら、上記のような対策を講じた圧電アクチュエータであっても、製造ばらつきなどにより短期で故障する弱いものが存在し、長期間の信頼性を維持できない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、長期間の信頼性を維持できる圧電アクチュエータを提供すること目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、圧電層と内部電極とが交互に積層され、互いに直列に連結された複数の圧電素子と、前記内部電極に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれの側面に設けられた外部電極に半田付けされたリード部材と、を備え、前記リード部材の線熱膨張係数をα〔℃^−１〕、ヤング率をＥ〔Ｐａ〕、厚みをｔ〔ｍ〕、引張強度をＳ〔Ｐａ〕とし、前記半田の融点をＴｍ〔℃〕とするとき、α・Ｅ・ｔ（Ｔｍ−２５）〔Ｐａ・ｍ〕が８．２×１０^４〔Ｐａ・ｍ〕以下であり、かつＳ・ｔ〔Ｐａ・ｍ〕が１．２×１０^５〔Ｐａ・ｍ〕以上であることを特徴としている。

このような特性を有するリード部材を用いることで、圧電素子が伸縮したときにもリード部材と外部電極との接着部分付近に応力が生じ難い。その結果、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、圧電素子の故障を防止し、長期間の信頼性を維持することができる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金で形成されていることを特徴としている。これにより、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金で形成されたリード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、４２アロイで形成されていることを特徴としている。これにより、４２アロイの線熱膨張係数およびヤング率が小さいため、リード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、インバーで形成されていることを特徴としている。これにより、インバーの線熱膨張係数が小さいため、リード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。

本発明によれば、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、製造ばらつきなどにより短期で故障する圧電アクチュエータを減少させ、長期間の信頼性を維持できる。

本発明の圧電アクチュエータを示す側面図である。 圧電素子を示す側面図である。 ポジショナを示す正断面図である。 （ａ）（ｂ）本発明の圧電アクチュエータの拡大断面図である。 比較例の圧電アクチュエータを示す側面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（圧電アクチュエータの構造）
図１は、圧電アクチュエータ１００を示す側面図である。圧電アクチュエータ１００は、複数の圧電素子１１０、リード部材１２０で構成され、リード部材１２０を介して外部電極１１５に電圧の印加により伸縮する。複数の圧電素子１１０は、圧電素子１１０同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。圧電アクチュエータ１００の先端には、半球状のチップ１３０が設けられており、底部は座１４０に接着されている。

図２は、圧電素子１１０を示す側面図である。圧電素子１１０は、圧電層１１１と内部電極１１２とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面には内部電極１１２に接続された外部電極１１５が設けられている。圧電層１１１は、たとえばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。内部電極１１２は、Ａｇ／Ｐｄ等で構成されている。

リード部材１２０は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１１０の両側面に形成された外部電極１１５に接着されている。一対のリード部材１２０は、座１４０において一対の端子１５０に接続されている。

図１、図２に示すように、リード部材１２０の外部電極１１５に半田付けで接着されている部分は矩形板状であるが、接着部分以外は半円弧状の湾曲形状に形成されている。半円弧状、湾曲形状の弾性部分は、外部電極１１５の端部付近から隣接する外部電極１１５の端部付近まで形成されている。このように、リード部材１２０は、直線部分と湾曲部分とが交互に繋がった形状を有している。

リード部材１２０は、たとえば半田付けにより接着されている。半田は、鉛フリーのものが好ましい。その場合、半田の接着領域の端部付近にクラックが生じやすくなるが、リード部材１２０の特徴によりこれが防止される。

リード部材１２０は、その線熱膨張係数をα〔℃^−１〕、ヤング率をＥ〔Ｐａ〕、厚みをｔ〔ｍ〕、引張強度をＳ〔Ｐａ〕とし、半田の融点をＴｍ〔℃〕とするとき、α・Ｅ・ｔ（Ｔｍ−２５）〔Ｐａ・ｍ〕が８．２×１０^４〔Ｐａ・ｍ〕以下であり、かつＳ・ｔ〔Ｐａ・ｍ〕が１．２×１０^５〔Ｐａ・ｍ〕以上である。このような特性を有するリード部材を用いることで、圧電素子１１０が伸縮したときにもリード部材１２０と外部電極１１５との接着部分付近に応力が生じ難い。その結果、外部電極１１５の疲労破壊を防止しつつ、圧電素子１１０の故障を防止し、長期間の信頼性を維持することができる。なお、疲労強度は、引張強度を応力で割った値の大きさによって決まる。

なお、上記の数式中の（Ｔｍ−２５）は、熱膨張差による応力が、半田の融点（リード部材１２０が圧電素子１１０に接着された温度）と室温の差に比例することを表しており、「２５」は室温２５℃を表している。

たとえば、リード部材１２０は、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金、特に４２アロイまたはインバーで形成されていることが好ましい。これにより、材料の線熱膨張係数およびヤング率が小さいため、リード部材１２０と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。

（圧電アクチュエータの製造方法）
まず、圧電層１１１と内部電極１１２とが交互に積層された圧電素子１１０を形成する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ／Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極１１２に接続された外部電極１１５を形成する。たとえば、圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１５を形成できる。そして、得られた複数の圧電素子１１０の端面にエポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。

次に、金属製で板状のリード部材１２０を、外部電極１１５に固着させる。リード部材の材料は、半田の融点をＴｍ〔℃〕とするとき、設計される厚みｔ〔ｍ〕に対して、その線熱膨張係数α〔℃^−１〕、ヤング率Ｅ〔Ｐａ〕、引張強度Ｓ〔Ｐａ〕が、α・Ｅ・ｔ（Ｔｍ−２５）≦８．２×１０^４を満たし、かつ１．２×１０^５≦Ｓ・ｔを満たすように、材料を選択し、設計された形状に加工する。そして、加工されたリード部材１２０を半田等の接着部材で接着する。このようにして圧電アクチュエータ１００を製造できる。リード部材１２０の材料には、４２アロイまたはインバーを用いることが好ましい。

（圧電アクチュエータの使用方法）
次に、圧電アクチュエータ１００の使用方法を説明する。圧電アクチュエータ１００の一対となったリード部材１２０を回路に接続し、リード部材１２０を介して圧電アクチュエータ１００に印加される電圧を制御する。このようにして、圧電アクチュエータ１００の伸縮を制御し、精密な位置合わせを可能にする。

図３は、ポジショナ２００を示す正断面図である。ポジショナ２００は、キャップ２１０に圧電アクチュエータ１００を嵌め込み密封して形成されている。図３は、キャップ２１０の断面内部を示している。チップ１３０部分のキャップ２１０がステージ等の被駆動体に接触し、これが駆動され、精密な位置合わせが可能になる。

（実施例）
実施例の圧電アクチュエータ１００を作製し、破壊が見られるか否かの試験を行った。内部電極は１２０層で、素子の形状は６×６×１０ｍｍである。圧電アクチュエータ１００の外部電極１１５に接着されているリード部材１２０は、半田の融点の温度から室温に下がるときに圧電素子１１０とリード部材１２０の熱膨張差による熱応力で外部電極１１５の端に引っ張り応力を生じさせる。ここで半田には千住金属社製Ｍ７０５を使用した。半田のヤング率は４１．６ＭＰａ、融点Ｔｍは２２０℃である。

この熱応力は温度差、熱膨張差、リード部材１２０のヤング率、リード部材１２０の厚みに比例すると考えられる。温度差は、半田の融点と室温の差であり、ここでは一定である。図４（ａ）（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ１００の拡大断面図である。図４（ａ）（ｂ）に示すようにリード部材１２０は、半田等の接着部材１１６により外部電極１１５に接続されている。

図４（ａ）に示す例では、リード部材１２０の厚みが０．３ｍｍである。また、図４（ｂ）に示す例では、リード部材１２０の厚みが０．１５ｍｍである。実施例１、２のリード部材１２０の材料には、それぞれ４２アロイ、インバーを用い、図４（ａ）に示す例と同様に、厚みは０．３ｍｍとした。

同様に比較例についても試験を行った。比較例は、実施例に対してリード部材の材料または厚みのみを変えたものである。比較例１のリード部材の材料には、スズを用い、厚みは、０．３ｍｍとした。比較例２のリード部材の材料には、リン青銅を用い、図４（ｂ）に示す例と同様に、厚みは０．１５ｍｍとした。比較例３のリード部材の材料には、リン青銅を用い、厚みは、０．３ｍｍとした。比較例４のリード部材の材料には、銅を用い、厚みは、０．３ｍｍとした。

表１は、実施例１、２および比較例１〜４の試験条件を示す表であり、表２は、それらの試験結果を示す表である。試験は、印加電圧を徐々に上げて破壊したときの破壊モードを確認した。５０個の圧電素子の破壊試験を行い、比較例３、４では図５に示すような破壊が見られたが、実施例１、２および比較例１、２では破壊は見られなかった。

次に、図５で示すような破壊３００が見られなかった実施例１、２と比較例１、２について長期駆動試験を行った。周波数１Ｈｚの矩形波で０Ｖ−１５０Ｖを３００万回印加したところ、比較例１、２はそれぞれ５０個中４２個、２個のリード部材が疲労破壊を起こした。これに対し、実施例１、２では、リード部材が疲労破壊を起こさなかった。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ 圧電素子
１１１ 圧電層
１１２ 内部電極
１１５ 外部電極
１１６ 接着部材
１２０ リード部材
１３０ チップ
１４０ 座
１５０ 端子
２００ ポジショナ
２１０ キャップ

Claims (4)

1. 電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、
   圧電層と内部電極とが交互に積層され、互いに直列に連結された複数の圧電素子と、
   前記内部電極に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれの側面に設けられた外部電極に半田付けされたリード部材と、を備え、
   前記リード部材の線熱膨張係数をα〔℃^−１〕、ヤング率をＥ〔Ｐａ〕、厚みをｔ〔ｍ〕、引張強度をＳ〔Ｐａ〕とし、前記半田の融点をＴｍ〔℃〕とするとき、α・Ｅ・ｔ（Ｔｍ−２５）〔Ｐａ・ｍ〕が８．２×１０^４〔Ｐａ・ｍ〕以下であり、かつＳ・ｔ〔Ｐａ・ｍ〕が１．２×１０^５〔Ｐａ・ｍ〕以上であり、
   前記リード部材の矩形板状の部分が全面で前記外部電極に接着していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記リード部材は、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記リード部材は、４２アロイで形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記リード部材は、インバーで形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。

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