JP6726508B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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本発明は、電圧の印加により屈曲する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied.
従来、バイモルフまたはユニモルフによる屈曲型の圧電アクチュエータが知られている(特許文献1参照)。このような圧電アクチュエータを銀の外部電極が設けられた薄い圧電セラミック体で構成し、例えば靴下編み機の選針装置等に用いて連続駆動させると、電極間に銀イオンが移動するマイグレーションが生じ、絶縁破壊が生じることがある。これに対しては、マイグレーションの生じ難い材料を電極に採用することで対策が可能である。 Conventionally, a bending type piezoelectric actuator based on a bimorph or a unimorph is known (see Patent Document 1). When such a piezoelectric actuator is composed of a thin piezoelectric ceramic body provided with an external electrode of silver and is continuously driven by using, for example, a needle selection device of a sock knitting machine, migration occurs in which silver ions move between the electrodes, Dielectric breakdown may occur. This can be countered by adopting a material that does not easily cause migration as the electrode.
しかしながら、例えば銀に代えて、高価な金や白金を電極材料に採用するとなれば、材料費が嵩むことになる。そこで、コストを低減するために、できる限り電極を薄くするように電極の形状を設計する必要が生じる。このように薄い電極にリード線をはんだで接合すると、電極材料がはんだに食われ、接合が弱くなり、その結果リード線が電極から外れることがある。 However, if expensive gold or platinum is adopted as the electrode material instead of silver, for example, the material cost will increase. Therefore, in order to reduce the cost, it is necessary to design the shape of the electrode so that the electrode is as thin as possible. When the lead wire is joined to the thin electrode by soldering as described above, the electrode material is eroded by the solder, the joint is weakened, and as a result, the lead wire may come off from the electrode.
また、マイグレーションの生じ難い材料として、カーボン電極を用いることも考えられるが、カーボン電極に対してリード線ははんだ付けできない。 Further, although it is possible to use a carbon electrode as a material in which migration does not easily occur, lead wires cannot be soldered to the carbon electrode.
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、マイグレーションによる絶縁破壊を抑制するとともに、リード部材と電極との接続を十分に維持できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can suppress the dielectric breakdown due to migration and can sufficiently maintain the connection between the lead member and the electrode.
(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、電圧の印加により屈曲する圧電アクチュエータであって、弾性を有するシム板と、前記シム板の主面上に設けられた圧電素子と、を備え、前記圧電素子は、板状に形成された圧電セラミック体、前記圧電セラミック体の表面に設けられ銀よりもマイグレーションを生じ難い材料で形成された外部電極、前記外部電極上に設けられた接合補助層および前記接合補助層とリード部材とをはんだで接合する接合部とからなることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied, the shim plate having elasticity, and a piezoelectric element provided on the main surface of the shim plate. The piezoelectric element is formed in a plate shape, an external electrode formed on a surface of the piezoelectric ceramic body that is less likely to cause migration than silver, and provided on the external electrode. It is characterized in that it comprises a bonding auxiliary layer and a bonding portion for bonding the bonding auxiliary layer and the lead member with solder.
これにより、例えば高温高湿の環境で連続駆動してもマイグレーションによる絶縁破壊を生じ難くすることができる。また、マイグレーションを生じ難い電極材料を確実にリード部材に接合できる。 As a result, it is possible to prevent the occurrence of dielectric breakdown due to migration even when continuously driven in an environment of high temperature and high humidity. Further, it is possible to reliably bond the electrode material, which hardly causes migration, to the lead member.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記接合補助層が、厚さ5〜30μmで形成されていることを特徴としている。これにより、接合が強化され、リード部材と電極との接続を強固に維持できる。 (2) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the bonding auxiliary layer is formed to have a thickness of 5 to 30 μm. Thereby, the bonding is strengthened, and the connection between the lead member and the electrode can be firmly maintained.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記外部電極が、1μm以下の厚さの貴金属で形成されていることを特徴としている。これにより、低コストでマイグレーションを防止することができる。 (3) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the external electrode is formed of a noble metal having a thickness of 1 μm or less. As a result, migration can be prevented at low cost.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記外部電極が、金で形成され、前記接合補助層が、銅を含む熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴としている。これにより、マイグレーションを防止しつつ、リード部材と電極との接続を低コストで強固に維持できる。 (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the external electrode is made of gold and the bonding auxiliary layer is made of a thermosetting resin containing copper. As a result, the connection between the lead member and the electrode can be firmly maintained at low cost while preventing migration.
(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記外部電極が、カーボンで形成されていることを特徴としている。これにより、マイグレーションを防止しつつ、リード部材と電極との接続を強固に維持できる。 (5) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the external electrode is formed of carbon. This makes it possible to firmly maintain the connection between the lead member and the electrode while preventing migration.
本発明によれば、マイグレーションによる絶縁破壊を抑制するとともに、十分にリード部材と電極との接続を維持できる。 According to the present invention, it is possible to suppress the dielectric breakdown due to migration and sufficiently maintain the connection between the lead member and the electrode.
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に、一例としてバイモルフ型で単層の圧電アクチュエータについて説明するが、本発明は、ユニモルフ型の圧電アクチュエータとバイモルフ型の圧電アクチュエータのいずれにも用いることができる。また、本発明は、積層型の圧電素子の外部電極に対する接続にも適用でき、圧電アクチュエータに限らず、圧電トランス等の圧電素子にも適用できる。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A bimorph-type single-layer piezoelectric actuator will be described below as an example, but the present invention can be used for both a unimorph-type piezoelectric actuator and a bimorph-type piezoelectric actuator. Further, the present invention can be applied to the connection of the laminated piezoelectric element to the external electrode, and can be applied not only to the piezoelectric actuator but also to a piezoelectric element such as a piezoelectric transformer.
(圧電アクチュエータの構成)
図1(a)、(b)は、それぞれバイモルフ型の圧電アクチュエータ100の正面図および断面図である。圧電アクチュエータ100は、圧電素子102およびシム板107を備えており、電圧の印加により屈曲する。圧電素子102は、圧電セラミック体103と外部電極105とからなり、外部電極105は、圧電セラミック体103の表面に設けられている。
(Structure of piezoelectric actuator)
1A and 1B are a front view and a cross-sectional view of a bimorph type
圧電セラミック体103は、例えば、PZTやチタン酸バリウム等を主成分とする圧電材料で板状に形成されている。圧電セラミック体103は、厚み方向に分極しており(例えば図中の矢印)、厚み方向に電圧を印加されることで伸縮する。圧電セラミック体103がシム板107に対して伸縮することで、圧電アクチュエータ100が屈曲する。
The piezoelectric
外部電極105は、例えば金(Au)を焼き付けて圧電セラミック体103の表面に形成されている。外部電極105は、銀(Ag)よりもマイグレーションを生じ難い材料で形成されていることが好ましい。銀よりもマイグレーションを生じ難い材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀パラジウム合金(Ag/Pd)、白金(Pt)が挙げられる。これにより、例えば高温高湿の環境で連続駆動してもマイグレーションによる絶縁破壊を抑制できる。
The
なお、外部電極105は、貴金属で形成されている場合には、1μm以下の厚さであることが好ましい。厚さが0.1μm以下であれば更に好ましい。これにより、高価な材料の使用量が低減され、低コストでマイグレーションを防止することができる。また、1μm以下の厚さであるため、外部電極105の材料がはんだに食われ、充分な強度の接合ができないおそれが高い。使用するはんだの融解温度が高い場合には外部電極105が1μm以上であっても接合補助層106が有効となる。なお、外部電極105は、カーボンで形成されていてもよい。これにより、圧電アクチュエータ100の耐マイグレーション性を高めることができる。なお、「はんだに食われる」とは、はんだ内に電極材料の粒子が溶け込む現象をいう。
When the
シム板107の主面には、2つの圧電セラミック体103が設けられている。シム板107は、SUS等の金属で形成され、圧電セラミック体103の一方の電極としても機能する。シム板107と圧電セラミック体103は、エポキシまたはアクリル系の接着剤で接着されている。
Two piezoelectric
接合補助層106は、例えば銅を含む熱硬化性樹脂(硬化された銅導電ペースト)により外部電極105上に形成されていることが好ましい。接合補助層106およびシム板107には、それぞれ電気的接続のため接合部115、116が設けられており、リード部材111、112がはんだ付けで接合されている。リード部材111、112に外部から駆動電圧が印加されることで、外部電極105とシム板107との間に電圧が印加される。このように図1(a)、(b)に示す例は、2端子型であるが、3端子型であってもよい。
The bonding
上記の構成で、外部電極105にマイグレーションを生じ難い電極材料を用いた場合でも、確実にリード部材111からの電気的な接続を取ることができる。2つの外部電極105間は、接合部115にはんだ付けで接合されたリード部材121によって導通している。
With the above configuration, even when the
なお、接合補助層106は、銅またはニッケル等の金属のみで形成されていてもよい。銅やニッケルであれば、マイグレーションを生じ難く、厚い層を形成してもコストを抑えられるため好ましい。その他、高価な金属であっても、接合補助層106の大きさは限定されているため、接合補助層106を銀パラジウム合金や白金で形成してもよい。
The bonding
接合補助層106は、厚さ5〜30μm、大きさ1〜10mmで形成されていることが好ましい。大きさとは、長さ、幅または径を指す。外部電極105が薄い場合、はんだが電極材料を取り込み、接合が弱くなるが、接合補助層106の厚さが5〜30μmであれば、接合が強化され、リード部材111と外部電極105との接続を強固に維持できる。また、大きさが1〜10mmであれば、接合部115を局所的に強化でき、作業者による取り扱いを容易にするとともに、製造コストを低減できる。
The bonding
本実施形態のように外部電極105は、金で形成され、接合補助層106は、銅で形成される組み合わせが好ましいが、必ずしもこれらに限定されない。異種金属の組み合わせだけでなく、例えば金の外部電極105の上に金の接合補助層106を設けてもよい。そのような場合でも、マイグレーションを防止しつつ、リード部材111と接合補助層106とを強固に接合できる。また、異種金属で外部電極105と接合補助層106とを構成する場合には、圧電アクチュエータ100を使用しても電食が生じ難い組み合わせが好ましい。
As in the present embodiment, it is preferable that the
上記のような圧電アクチュエータ100は、高温高湿で高出力が求められるようなマイグレーションの生じやすい環境に応用された場合にはマイグレーションの発生を効果的に防止できる。また、コストの低減が求められる場合にも効果的である。例えば、圧電アクチュエータ100は、靴下編み機の選針装置への応用が好適である。
The
(圧電アクチュエータの製造方法)
上記のように構成された圧電アクチュエータ100の製造方法を説明する。まず、所定の配合の圧電材料で形成された成形体を焼成し、圧電セラミック体103を準備する。そして、圧電セラミック体103の主面に外部電極105を形成する。例えば、金を材料とする外部電極105であれば、レジネートにより印刷することで0.1μm以下の厚さに形成することができる。
(Piezoelectric actuator manufacturing method)
A method of manufacturing the
接合補助層106は、外部電極105上に形成する。接合補助層106は、例えば銅ペーストを使用して以下の方法で形成できる。すなわち、外部電極105上に2mm□の銅ペースト(例えば、日本ペイント防食コーティングス株式会社製のS−5000)を印刷した圧電セラミック体103を室温〜150℃で乾燥させ、140〜200℃の大気雰囲気下で加熱して形成できる。
The bonding
上記の方法によって接合補助層106を形成した圧電素子を、シム板107の両主面に接着剤により接着し、分極処理を行なう。そして、接合補助層106上にはんだ付けによる接合部115を設け、リード部材121を外部電極105に接続し、圧電アクチュエータ100を作製できる。なお、上記の例では、1辺2mmの正方形で接合補助層106を形成しているが、1辺1〜10mmの正方形で形成してもよいし、直径1〜10mmの円で形成してもよい。
The piezoelectric element on which the bonding
100 圧電アクチュエータ
102 圧電素子
103 圧電セラミック体
105 外部電極
106 接合補助層
107 シム板
111、112、121 リード部材
115、116 接合部
100
Claims (2)
弾性を有するシム板と、
前記シム板の主面上に設けられた圧電素子と、を備え、
前記圧電素子は、板状に形成された圧電セラミック体、前記圧電セラミック体の表面に設けられ1μm以下の厚さの金で形成された外部電極、前記外部電極上に設けられ銅を含む熱硬化性樹脂で形成された接合補助層および前記接合補助層とリード部材とをはんだで接合する接合部からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied,
A shim plate having elasticity,
A piezoelectric element provided on the main surface of the shim plate,
The piezoelectric element is a plate-shaped piezoelectric ceramic body, an external electrode provided on the surface of the piezoelectric ceramic body and made of gold with a thickness of 1 μm or less, and thermosetting including copper provided on the external electrode. A piezoelectric actuator comprising: a joining auxiliary layer formed of a conductive resin; and a joining portion joining the joining auxiliary layer and a lead member with solder.
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