JPH11163426A

JPH11163426A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11163426A
Application number: JP9327493A
Authority: JP
Inventors: Makoto Higashibetsupu; 誠東別府; Koki Ashida; 幸喜芦田; Takeshi Setoguchi; 剛瀬戸口; Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電板同士の接合を確実に行うことができると
ともに、電極の断線を防止することができる積層型圧電
アクチュエータを提供する。【解決手段】第１の電極連結体１７の金属メッシュ電極
１３と、第２の電極連結体１９の金属メッシュ電極１３
とを、各圧電板１１間に導電性接着剤層１２を介して交
互に介装するとともに、第１および第２の電極連結体１
７、１９の帯状連結部材１５をその中間部が圧電板１１
外周面に対向するようにコ字状に折曲して、圧電板１１
外周面から異なる方向に突出させ、圧電板１１外周面と
帯状連結部材１５の中間部との距離を０．２〜１．５ｍ
ｍとし、かつ圧電板１１外周面をシリコンゴムで被覆し
てなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電アクチ
ュエータに係わり、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】従来から圧電板を複数枚積層して、積層型
圧電アクチュエータを作製する方法が多数開示されてい
る（特公昭５６−５０４３４号公報等参照）。特に、圧
電板の接合方法により接合状態が大きく変化し、接合後
の特性の変動が大きくなるため様々な信頼性向上の方法
が提案されている。

【０００３】従来、積層型圧電アクチュエータを作製す
る方法としては、圧電板と内部電極を同時焼成して作製
する方法がある。

【０００４】この同時焼成による方法では圧電板の厚み
を薄く作製することが比較的容易であり、印加電圧を高
くできるために低電圧高変位は可能であるが、圧電板材
料と同時焼成を行うための内部電極材料としては、Ｐｔ
やＰｄなどの貴金属を使用する必要があり、積層数が増
すに従ってコスト高になるという問題点があった。

【０００５】そこで、コストを低減するために圧電板を
導電性ペーストを使用して積層接合する方法が開示され
ている（特開昭６０−１２１７８４号公報参照）。

【０００６】また、外部電極については、従来、圧電板
間に接続用突起を有する正及び負極用の金属薄板を配置
し、接続用突起を圧電板の外面に沿うように折曲し、同
極の接続用突起同士をそれぞれ半田や溶接などによって
電気的に接続して形成する方法が採用されていた。しか
しながら、このような方法では、接続用突起同士を半田
などによって鑞付けしていたため非常に面倒で、かつ製
造コストの高騰を免れないという問題があった。

【０００７】そこで、製造コストを低減するために、複
数の圧電板の間に介在した複数の電極板と、使用に際し
てコの字状に折曲される帯状連結部材とが一体に形成さ
れた配線部材を用いた積層型圧電アクチュエータが開示
されている（特開昭６１−２７６２７８号公報参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６１−２７６２７８号公報に開示された積層型圧電アク
チュエータでは、圧電板と同一形状の電極用金属板との
接合が不十分になるという問題があった。このため、圧
電板の積層数を増加するにしたがって接合界面での剥離
が生じ、使用不能となる虞があった。

【０００９】また、アクチュエータを繰り返し駆動させ
ると、接続用突起同士を接続して構成された外部電極
や、帯状連結部材により構成された外部電極に応力集中
が生じ、この応力を緩和しないと外部電極が断線して駆
動できなくなる虞があった。

【００１０】本発明は圧電板同士の接合を確実に行うこ
とができるとともに、帯状連結部材の断線を防止するこ
とができる積層型圧電アクチュエータを提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電アク
チュエータは、積層された複数の圧電板と、複数の金属
メッシュ電極を帯状連結部材で連結した第１および第２
の電極連結体とを具備し、前記第１の電極連結体の金属
メッシュ電極と、前記第２の電極連結体の金属メッシュ
電極とを、前記各圧電板間に導電性接着剤層を介して交
互に介装するとともに、前記第１および第２の電極連結
体の帯状連結部材をその中間部が前記圧電板外周面に対
向するようにコ字状に折曲して、前記圧電板外周面から
異なる方向に突出させ、前記圧電板外周面と前記帯状連
結部材の中間部との距離を０．２〜１．５ｍｍとし、か
つ前記圧電板外周面をシリコンゴムで被覆してなるもの
である。ここで帯状連結部材の金属メッシュ電極側には
拡幅部が形成され、この拡幅部が金属メッシュ電極に連
結されていることが望ましい。

【００１２】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、金属
メッシュ電極を導電性接着剤層を介して圧電板の間に介
在させるため、圧電板同士の加圧接合時に導電性接着剤
が金属メッシュ電極の目（メッシュ）の間に入り込み、
金属メッシュ電極を間に挟んだ状態で圧電板同士を強固
に接合する。

【００１３】また、金属メッシュ電極を連結する帯状連
結部材をコ字状に折曲した際、圧電板外周面と対向する
帯状連結部材の中間部との距離を０．２〜１．５ｍｍと
し、圧電板外周面をシリコンゴムで被覆したため、積層
型圧電アクチュエータを駆動させる際に帯状連結部材に
作用する応力を低減でき、帯状連結部材の金属メッシュ
電極側の破断を抑制できる。

【００１４】さらに、帯状連結部材の金属メッシュ電極
側には拡幅部が形成され、この拡幅部が金属メッシュ電
極に連結されているため、帯状連結部材の金属メッシュ
電極側部分を補強でき、この部分に発生する応力をさら
に緩和できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータの側面図を、図２は平面図を示すもので、理解
を容易にするため被覆層については一点鎖線で示した。
図１において符号１１は円板状の圧電板を示している。
これらの圧電板１１はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（以下Ｐ
ＺＴと略す）を主成分とする焼結体である。

【００１６】圧電板１１を構成する圧電材料は、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
クス材料などが使用されるが、これに限定されるもので
はなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも
良い。この圧電板１１を構成する圧電材料としては、圧
電歪み定数ｄ₃₃が高いものが望ましい。この圧電板１１
の厚みｔ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。

【００１７】そして、複数の圧電板１１が２層の導電性
接着剤層１２を介して積層されており、これらの２層の
導電性接着剤層１２の間にはそれぞれ金属メッシュ電極
１３が介装されている。金属メッシュ電極１３は一層置
いた金属メッシュ電極１３と帯状連結部材１５により連
結され、第１の電極連結体１７と、第２の電極連結体１
９が構成されており、第１の電極連結体１７と、第２の
電極連結体１９の帯状連結部材１５が正負の外部電極と
なる。

【００１８】金属メッシュ電極１３としては、他の金属
メッシュ電極１３との短絡や放電を防止するために、積
層圧電体の外周面に露出しないように、圧電板１１より
も小さいことが望ましい。

【００１９】導電性接着剤層１２は、上記したように、
導電性接着剤を圧電板１１に塗布し乾燥することにより
形成されるが、この導電性接着剤は、Ａｇ等の金属粉末
とガラス成分を含有し、４００〜６００℃程度で溶融す
るものが望ましい。これは、積層時に加圧加熱すると導
電性接着剤に含有されるガラス成分が溶融し、圧電板１
１同士を強固に接合し、高電界の繰り返し印加によって
発生する界面での剥離等を防止することができ、積層型
圧電体の信頼性を向上できるからである。導電性接着剤
は、特に、Ａｇ粉末を４０〜９９重量％と、ＰｂＯ−Ｓ
ｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラス成分１〜６０重量％と
からなることが望ましい。

【００２０】そして、電極連結体１７、１９の帯状連結
部材１５は、その中間部が圧電板１１外周面に対向する
ようにコ字状に折曲され、それぞれの電極連結体１７、
１９の帯状連結部材１５の中間部が圧電板１１外周面か
ら異なる方向に突出されている。

【００２１】即ち、第１の電極連結体１７と、第２の電
極連結体１９の帯状連結部材１５は、図２に示すよう
に、９０度間隔をおいて形成されており、これら電極連
結体１７、１９は図３に示すような構造を有している。
電極連結体１７、１９は、帯状連結部材１５の折曲前に
は、図４に示すような構造を有している。

【００２２】また、圧電板１１外周面と帯状連結部材１
５の中間部との距離Ｌが０．２〜１．５ｍｍとされてい
る。これは、Ｌが０．２ｍｍより短い場合には．駆動中
の外部電極（帯状連結部材１５）に発生する応力が高
く、断線して変位量の低下あるいは使用不可となるから
である。Ｌが１．５ｍｍより長い場合には応力集中は発
生しにくくなるものの、積層型圧電アクチュエータが大
型化するからである。

【００２３】さらに、圧電板１１の外周面は絶縁性シリ
コンゴムからなる被覆層２１で被覆され、また、帯状連
結部材１５と圧電板１１の外周面との間の空隙にも絶縁
性シリコンゴムで充填されている。使用される絶縁性シ
リコンゴムは、絶縁性が高く、常温から２００℃までの
温度で使用できればどのようなものでも良いが、絶縁性
が高く、隙間に充填し易いという点から粘度の低いもの
が望ましい。

【００２４】使用する金属メッシュ電極１３は導電性を
有するもので、Ａｇ、銅、真鍮、ステンレス、コバール
などの金属が好ましい。金属メッシュ電極１３の厚さ
は、接合後の状態で導電性接着剤中に隙間なく金属メッ
シュ電極１３が埋設するようになるのが好ましく、ま
た、変位量に寄与しないためにできるだけ薄いもの、例
えば、２０〜５０μｍのものが好ましい。

【００２５】また、金属メッシュ電極１３のメッシュ径
はメッシュ内へのペーストの充填の点及び圧電板の接合
力の点から３０μｍ以上、特には、圧電板同士の接合力
を強化するという点から、０．５ｍｍ以上が望ましい。
尚、本発明の金属メッシュ電極１３は、例えば、金属薄
板をパンチやエッチングにより打ち抜いて形成しても良
い。この場合には、例えば、図５に示すような金属メッ
シュ電極１３が作製できる。金属薄板の中央部をくり抜
いて開口部を形成しても良い。

【００２６】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータは
円柱状や四角柱、六角柱等どのような多角形状であって
も良い。

【００２７】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、
金属メッシュ電極１３を導電性接着剤層１２を介して圧
電板１１の間に介在させるため、圧電板１１同士の加圧
接合時に導電性接着剤が金属メッシュ電極１３の目の間
に入り込み、圧電板１１同士を強固に接合する。導電性
接着剤を金属メッシュ電極１３の目の間に入り込ませる
という点から、上記したように目は大きい方が良いので
ある。

【００２８】また、金属メッシュ電極１３を連結する帯
状連結部材１５をコ字状に折曲した際、圧電板１１外周
面と対向する帯状連結部材１５の中間部との距離Ｌを
０．２〜１．５ｍｍとし、圧電板１１外周面をシリコン
ゴムで被覆したため、積層型圧電アクチュエータを駆動
させる際に帯状連結部材１５の根元部分に作用する応力
を低減でき、帯状連結部材１５の金属メッシュ電極１３
側部分の破断を抑制できるとともに、積層型圧電アクチ
ュエータの大型化を防止できる。

【００２９】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータで
は、図６に示すように、帯状連結部材１５の金属メッシ
ュ電極１３側に拡幅部２５を形成することにより、帯状
連結部材１５の金属メッシュ電極１３側部分を補強で
き、この部分に発生する応力をさらに緩和でき、帯状連
結部材１５の金属メッシュ電極１３側部分の破断をさら
に抑制できる。

【００３０】特に拡幅部２５の幅をａ、帯状連結部材
１５のその他の部分の幅をｂとしたとき、１≦ａ／ｂ≦
３を満足することにより、帯状連結部材１５の金属メッ
シュ電極１３側部分の破断をさらに抑制できる。つま
り、ａ／ｂが１より小さい場合には帯状連結部材１５の
強度が小さくなり、３より大きくなると隣接する他極の
部材との絶縁性が低下するからである。

【００３１】このような積層型圧電アクチュエータは、
以下のプロセスにより製造される。

【００３２】先ず、上記した圧電板１１と、電極連結体
１７、１９を準備する。電極連結体１７、１９は、図４
に示すように複数の金属メッシュ電極１３がそれぞれ帯
状連結部材１５により連結された形状をしており、一体
的に形成されている。

【００３３】そして、多数の圧電板１１の中央部両表面
に導電性接着剤を塗布し乾燥し焼付ける。導電性接着剤
層が形成された圧電板１１に電極連結体１７の金属メッ
シュ電極１３を配置し、この上部に圧電板１１を載置
し、この圧電板１１の上部に電極連結体１９の金属メッ
シュ電極１３を配置し、この工程を繰り返すことにより
積層体を作製し、加熱接合して一体化させる。

【００３４】その際、電極連結体１７、１９の帯状連結
部材１５は、中間部が圧電板１１に対向するようにコ字
状に折曲され、また電極連結体１７、１９の帯状連結部
材１５が９０度交互に圧電板１１から突出させられる。
また、帯状連結部材１５の中間部と圧電板１１外周面と
の距離Ｌが０．２〜１．５ｍｍとされる。

【００３５】この後、圧電板１１の外周面をシリコンゴ
ムで被覆することにより、本発明の積層型圧電アクチュ
エータが作製される。

【００３６】

【実施例】ＰＺＴ焼結体の両面を研磨して、直径２０ｍ
ｍ、厚み０．５ｍｍの円板状の圧電板１１を形成した。
この圧電板１１の両主面に、Ａｇ粉末９７重量％、Ｐｂ
Ｏ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス３重量％
の電気伝導性ペーストを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。

【００３７】図４に示すように、厚さ２５μｍのＡｇ製
金属薄板を幅２ｍｍの帯状連結部材１５で連結した電極
連結体１７、１９を作製し、金属メッシュ電極１３に、
図５に示すようにメッシュ径０．５ｍｍの孔をエッチン
グにて打ち抜き、図３に示すように、帯状連結部材１５
をコ字状に折曲した。

【００３８】次に、導電性接着剤層１２が形成された圧
電板１１に電極連結体１７の金属メッシュ電極１３を配
置し、この上部に圧電板１１を載置し、この圧電板１１
の上部に電極連結体１９の金属メッシュ電極１３を配置
し、この工程を繰り返し、圧電板１１を１００層積層し
た積層型圧電体を形成した。

【００３９】その際、電極連結体１７、１９の帯状連結
部材１５は、中央部が圧電板１１に対向するようにコ字
状に折曲され、また電極連結体１７、１９の帯状連結部
材１５が９０度交互に圧電板１１から突出させられた。
また、帯状連結部材１５の中央部と圧電板１１外周面と
の距離Ｌが０．１〜１．５ｍｍとされた。

【００４０】圧電板１１を１００層積層した積層型圧電
体は、位置ずれが生じないように軽く圧力を加えた後、
積層体の上部に約３ｋｇの重りを乗せて、６００℃、３
０分で加圧接合した。

【００４１】接合体を圧電板１１の外周面、帯状連結部
材１５と圧電板１１の外周面との間に隙間がないように
シリコンゴムを充填した。得られた接合体を２５℃のシ
リコンオイル中で２ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１０分間印
加して分極処理を行なった。

【００４２】得られた積層型圧電アクチュエータに５０
０Ｖの直流電圧を印加し、変位量を求めた。また、積層
型圧電アクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖの直流電界
を１０Ｈｚの周波数にて印加し、前記変位量を維持しう
る駆動回数を測定し、その後の圧電板１１の剥離状況、
帯状連結部材１５の断線状況を観察した。この結果を表
１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】この表１から、本発明の積層型圧電アクチ
ュエータでは、４０μｍの変位量が得られた。更にこの
アクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖの直流電界を１０
Ｈｚの周波数にて印加した場合、印加回数１×１０⁹回
まで４０μｍの変位量を維持した。

【００４５】これに対して、圧電板１１の外周面と帯状
連結部材１５の距離Ｌが０．１ｍｍの場合には、Ｎo.２
に示すように、変位量が３３μｍと小さく、しかも６×
１０⁷回後には帯状連結部材が断線していることが判
る。

【００４６】また、金属メッシュ電極１３を金属薄板と
し、帯状連結部材を圧電板外周面から０．２ｍｍ離した
位置でコ字状に折り曲げ、シリコンゴムを外装したアク
チュエータを作製し、これに５００Ｖの直流電圧を印加
した結果、３５μｍの変位量が得られたが、０Ｖから＋
５００Ｖの直流電界を１０Ｈｚの周波数にて駆動した結
果、３×１０⁶回印加した時点で圧電板の接合界面より
剥離が生じ、変位量に変化が生じた。この結果を表１の
Ｎo.１に記載した。

【００４７】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
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。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、金
属メッシュ電極を圧電板の間に介在させるため、加圧接
合時に導電性接着剤が金属メッシュ電極の目の間に入り
込み、圧電板同士を強固に接合することができるととも
に、金属メッシュ電極を連結する帯状連結部材をコ字状
に折曲した際、圧電板外周面と対向する帯状連結部材の
中間部との距離を０．２〜１．５ｍｍとし、圧電板外周
面をシリコンゴムで被覆したため、積層型圧電アクチュ
エータを駆動させる際に帯状連結部材に作用する応力を
低減でき、帯状連結部材の金属メッシュ電極側の破断を
抑制できるとともに、大型化を防止できる。

【００４９】これにより、高い電圧を圧電板に印加し、
大きい変位量を長期にわたり確保することができ、信頼
性の高い積層アクチュエータを得ることが出来る。ま
た、外部電極の接続が不要であるので製造コストも安価
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円柱状の積層型圧電アクチュエータを
示す側面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】図１の帯状連結部材をコ字状に折曲した電極連
結体を示す斜視図である。

【図４】金属メッシュ電極を帯状連結部材により連結し
た電極連結体を示す平面図である。

【図５】パンチでメッシュ孔を形成した金属メッシュ電
極の平面図である。

【図６】帯状連結部材の金属メッシュ電極側に拡幅部を
形成した状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１１・・・圧電板１２・・・導電性接着剤層１３・・・金属メッシュ電極１５・・・帯状連結部材１７、１９・・・電極連結体２１・・・被覆層２５・・・拡幅部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鬼塚克彦鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の圧電板と、複数の金属メ
ッシュ電極を帯状連結部材で連結した第１および第２の
電極連結体とを具備し、前記第１の電極連結体の金属メ
ッシュ電極と、前記第２の電極連結体の金属メッシュ電
極とを、前記各圧電板間に導電性接着剤層を介して交互
に介装するとともに、前記第１および第２の電極連結体
の帯状連結部材をその中間部が前記圧電板外周面に対向
するようにコ字状に折曲して、前記圧電板外周面から異
なる方向に突出させ、前記圧電板外周面と前記帯状連結
部材の中間部との距離を０．２〜１．５ｍｍとし、かつ
前記圧電板外周面をシリコンゴムで被覆してなることを
特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】帯状連結部材の金属メッシュ電極側には拡
幅部が形成され、この拡幅部が金属メッシュ電極に連結
されていることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電
アクチュエータ。