JPH11186626A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い印加電圧で高速で作動する場合でも、活性
体と不活性体の境界部分における応力集中を緩和して、
この部分における応力破壊を防止し、高い信頼性を有す
る積層型圧電アクチュエータを提供する。 【解決手段】圧電板１と電極板４とを複数積層してなる
とともに、電極板４と圧電板１が導電性接着層３により
接合された活性体２と、この活性体２の積層方向の両端
に接合された不活性体７とを具備した積層型圧電アクチ
ュエータであって、活性体２の積層方向の両端部に、導
電性接着層３による接合面積を不活性体７に向けて次第
に小さくした応力緩和部Ａをそれぞれ設けたものであ
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
ュエータに関し、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や自動車用エンジンの燃料
噴射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。

【０００２】

【従来技術】従来から、逆圧電効果を利用して大きな変
位量を得るために、圧電板と内部電極層とを交互に複数
枚積層した積層型圧電アクチュエータの構造が多数提案
されている。これは、圧電板に高電圧を印加して圧電板
を数〜数十μｍ伸長させ、アクチュエータの駆動力源と
するものである。

【０００３】積層型圧電アクチュエータを作製する方法
としては、同時焼成による方法がある。この同時焼成に
よる方法では圧電板の厚みを薄くすることが比較的容易
であり、印加電界を高くできるために低電圧高変位が可
能である。しかし、圧電板材料( 例えば、Ｐｂ（ＺｒＴ
ｉ）Ｏ₃ 等のセラミックスからなる）と同時焼成を行な
うための内部電極材料としては、ＰｄやＰｔ等の貴金属
を使用する必要があり、積層数の増加に伴い内部電極用
材料の使用量も増加し、コストが高くなるという問題が
あった。

【０００４】そこで、従来、コストを低減するために、
図４に示すように、例えば両面に導電性接着層３０が形
成された円形の圧電板３１を複数枚積層し、導電性接着
層３０間に電極板３３を配置し、これらの電極板３３に
形成された接続用突出部３５を軸方向に折曲し、同一極
性の接続用突出部３５を重ね合わせて接合して駆動電圧
印加用の電極とした構造が提案されている。尚、図５
に、接続用突出部３５を有する電極板３３を示す。

【０００５】そして、このような構造の積層型圧電アク
チュエータでは、一般に、変位に寄与する、いわゆる圧
電的に活性な部分（活性体３７）の両端に、変位に寄与
しない、いわゆる圧電的に不活性で機械的エネルギーを
伝達する部分（不活性体３９）が接合されている。

【０００６】また、近年では、小型の積層型圧電アクチ
ュエータで大きな変位量を確保し、さらに、より早い駆
動を行うため、より高い電圧を高周波数で印加すること
が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た積層型圧電アクチュエータでは、活性体と不活性体が
強固に接合されていたために、高電圧を高周波数で印加
し長時間に渡り駆動すると、不活性体と活性体の境界部
分に大きな応力集中が生じ、不活性体の活性体側の部
分、または活性体の不活性体側の部分が破壊するという
問題があった。

【０００８】このような問題を解決するために、例え
ば、特開平７−３０１６５号には、活性体の不活性体近
傍における内部電極層の重なり面積を、他の活性体にお
ける内部電極の重なり面積よりも小さくした積層型圧電
アクチュエータが開示されている。

【０００９】このような積層型圧電アクチュエータで
は、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータにおい
て、活性体の不活性体近傍における変位量を小さくする
ことができ、不活性体と活性体の境界部分に発生する応
力集中を緩和でき、応力破損を抑制できる。

【００１０】しかしながら、上記積層型圧電アクチュエ
ータでは、同時焼成タイプであり、不活性体と活性体は
接合面積は従来と同じであり、活性体と不活性体の境界
部分に生ずる応力集中を十分に緩和することはできず、
高電圧高周波での長時間の駆動で、未だ不活性部におい
てクラックや破損が生じるという問題があった。不活性
体と活性体の接合面積を減少させる点については、同時
焼成タイプの積層型圧電アクチュエータである限り困難
であった。

【００１１】本発明は、高い印加電圧で高速で作動する
場合でも、活性体と不活性体の境界部分における応力集
中を緩和して、この部分における応力破壊を防止し、高
い信頼性を有す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。

【００１２】

【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、圧電板と電極板とを複数積層してなると
ともに、前記電極板と前記圧電板が導電性接着層により
接合された活性体と、この活性体の積層方向の両端に接
合された不活性体とを具備した積層型圧電アクチュエー
タであって、前記活性体の積層方向の両端部に、前記導
電性接着層による接合面積を前記不活性体に向けて次第
に小さくした応力緩和部をそれぞれ設けてなるものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、活性
体の積層方向の両端部に、導電性接着層による接合面積
を不活性体に向けて次第に小さくした応力緩和部をそれ
ぞれ設けたので、応力緩和部における変位量が次第に小
さくなるとともに、不活性体と活性体との接合面積が次
第に小さくなり、活性体からの応力が応力緩和部で低減
され、活性体と不活性体の境界部分に集中する応力を十
分に分散することができ、高い印加電圧で高速で作動す
る場合でも、活性体と不活性体の境界部においてクラッ
クや破断を生じることなく、長時間の稼動が可能とな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１乃至図３は、本発明に係る積
層型圧電アクチュエータの一実施形態を示すものであ
り、図１においては、電極板に形成される突出部、外装
樹脂を省略し、図３においては外装樹脂を省略した。図
１において、符号１は円盤状の圧電板を示している。こ
れらの圧電板１は、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃ （以下ＰＺＴ
と略す）を主成分とする焼結体からなる。

【００１５】圧電板１を構成する圧電体材料には、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。しかし、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、結晶あるい
は、電歪性を有するセラミックス、結晶であれば何でも
よい。この圧電板１を構成する圧電体材料としては、圧
電歪み定数ｄ₃₃が大きいものが望ましい。

【００１６】この圧電板１の厚みは、小型化および高い
電界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１が積層されて活性
体２が形成されており、圧電板１の両主面には、導電性
接着層３が形成されている。導電性接着層３の形成され
た圧電板１の間には、円盤状の電極板４が介装され、接
合されている。これらの円盤状の電極板４には、図３に
示すように、接続用の突出部５が一体的に形成されてお
り、突出部５は圧電板１の径方向に突出している。

【００１８】また、突出部５は、交互に９０度の角度を
有するように、電極板４が圧電板１の間に介装されてお
り、これらの電極板４は、その突出部５の位置により正
電極用電極、負電極用電極とされている。

【００１９】さらに、突出部５が圧電板１の外周部から
離間した位置で折り曲げられ、その先端部が同一方向に
突出した他の突出部５にハンダや溶接等により接合さ
れ、正負電極用電極とされている。

【００２０】電極板４、突出部５は導電性を有するもの
で、例えば、銀、真鍮、銅、ステンレス等の金属が好ま
しい。電極板４の厚さは、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。また、電極板４は、他の電極板４との短絡や放
電を防止するために、圧電板１の活性体２の外周面に露
出しないように、圧電板１よりも小さいことが望まし
い。

【００２１】導電性接着層３は、導電性接着剤を圧電体
１に塗布し乾燥することによって形成されるが、この導
電性接着剤は、Ａｇ等の導電性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、積層型圧電アクチュエ
ータの信頼性を向上できるからである。この導電性接着
剤は、特に、Ａｇ粉末を７０〜９８重量％と、ＰｂＯ−
ＳｉＯ₂ −Ｂ₂Ｏ₃ からなるガラス成分２〜３０重量％
とからなることが望ましい。

【００２２】活性体２の外周面、および電極板４の突出
部５と圧電板１の外周面との間の隙間は、隙間が無いよ
うに耐水性樹脂等で充填することが望ましい。使用され
る耐水性樹脂は、絶縁性が高く、常温から２００℃まで
の温度で硬化できる有機樹脂であればどのようなもので
もよいが、絶縁性が高く、充填しやすいという点からシ
リコン系樹脂、あるいは、エポキシ系樹脂であることが
望ましい。

【００２３】活性体２の上下面には、圧電的に不活性で
機械的エネルギーを伝達する不活性体７が接続されてい
る。この不活性体７は、例えば、圧電板１と同一材料か
らなるセラミックスにより形成されている。

【００２４】そして、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、活性体２の積層方向の両端部に、導電性接着層
３による接合面積が不活性体７に向けて次第に小さくさ
れた応力緩和部Ａがそれぞれ設けられている。

【００２５】即ち、導電性接着層３と電極板４とからな
る内部電極層９を、不活性体７から内部に向けて内部電
極層９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとすると、その面積が、図
２に示すように、応力緩和部Ａにおいては、不活性体７
に向けて小さく形成されている。つまり、応力緩和部Ａ
においては、電極板４の直径が不活性体７に向けて小さ
く形成されており、これらの電極板４を圧電板１に接合
する導電性接着層３についても、その面積が、不活性体
７に向けて小さく形成されている。

【００２６】本発明の積層型圧電アクチュエータは、圧
電板１の両主面にそれぞれ導電性接着剤を塗布し、この
導電性接着剤を乾燥した後、複数の圧電板１の間、即
ち、導電性接着層３間に突出部５を有する電極板４を介
装して積層し、この後加熱しながら加圧し、複数の圧電
板１を相互に接合し、圧電板１と電極板４との間に導電
性接着層３を形成する。

【００２７】応力緩和部Ａを作製する際には、圧電板１
の両面に塗布される導電性接着層３の面積を、不活性体
７側の方が小さくなるようにし、また、導電性接着層３
が塗布された圧電板１の間に介装される電極板４につい
ても、不活性体７側に介装されるもの程、その直径を小
さくする。

【００２８】この後、圧電板１を狭持している正電極用
電極板及び負電極用電極板の突出部５をそれぞれ接続す
る。即ち、正電極用電極板の突出部５を、他の正電極用
電極板の突出部５にハンダあるいは、溶接等により接合
する。同様に、負電極用電極板の突出部５を、隣接する
突出部５に接続することにより、本発明の積層型圧電ア
クチュエータが作製される。

【００２９】以上のように構成された積層型圧電アクチ
ュエータでは、活性体２の積層方向の両端部に、導電性
接着層３による接合面積を不活性体７に向けて次第に小
さくした応力緩和部Ａをそれぞれ設けたので、応力緩和
部Ａにおける変位量が次第に小さくなるとともに、不活
性体７と活性体２との接合面積が次第に小さくなり、活
性体２と不活性体７の境界部分に集中する応力を十分に
分散することができ、高い印加電圧で高速で作動する場
合でも、活性体２と不活性体７の境界部においてクラッ
クや破断を生じることなく、長時間稼動させることがで
きる。

【００３０】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、円柱状や四角柱状等どのような形状であってもよ
い。また、上記例では、突出部５を９０度の角度をなし
て４方向に突出させた例について説明したが、突出部５
を１８０度の角度をなして２方向に突出させてもよい。

【００３１】

【実施例】ＰＺＴ系焼結体の両面を研磨して、直径１
６．５ｍｍ、厚み０．３３ｍｍの円盤状の圧電板１を形
成した。この圧電板１の両主面に、Ａｇ粉末９７重量
％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ ガラス３重量％の導電
性接着剤を直径１４．６ｍｍ、１０μｍの厚みになるよ
うに印刷した後、１００℃にて乾燥した。厚さ２５μｍ
のＡｇ製板を、直径が１４．６ｍｍの電極板４に１．８
ｍｍ×３ｍｍの突出部５を形成した形状に打ち抜き、こ
の電極板４を圧電板１の間に挟み込み、圧電板１を１０
０層積層し、導電性接着剤により接合して活性体２を形
成した。

【００３２】尚、電極板４の突出部５は一層おきに同じ
位置にくるように、他方は９０度の角度を有するように
配置した。圧電体１を１００層積層した活性体２は、位
置ずれが生じないように軽く圧力を加えた後で、活性体
２の上部に約４Ｋｇの重りを乗せて、６００℃、１時間
で加圧接合した。

【００３３】また、活性体２の上下面には、圧電的に不
活性で機械的エネルギーを伝達する不活性体７を接合し
たが、この不活性体７は直径１６．５ｍｍ、厚さ３ｍｍ
の電極層を形成しない圧電板を使用した。

【００３４】この不活性体７と活性体２の間の応力緩和
層Ａは、圧電板１を４層積層して形成した。応力緩和層
Ａを形成するために使用した電極板４の直径は、１２．
６ｍｍ、１０．９ｍｍ、９．７ｍｍ、８．１ｍｍと段階
的に小さくしたものを使用した。圧電板１の両主面に塗
布乾燥して形成された導電性接着剤層３は、介装される
電極板４の直径に応じた直径で形成した。応力緩和層Ａ
では、活性体２から不活性体７の方向へ電極板４の直径
が段階的に小さくなるように圧電体１の間に電極板４を
介装しながら積層して形成した。

【００３５】次に、圧電体１の径方向に突出した突出部
５を軸方向に折曲した。折曲された電極板４の突出部５
同士は、圧電体１の外周面から０．３ｍｍ離れた位置で
一層おいた隣の電極板４の突出部５とハンダによって接
続した。

【００３６】次に、圧電体１の外周部、圧電体１の外周
面と突出部５との隙間にはシリコンゴムを被覆した。こ
れを８０℃のシリコンオイル中で３ＫＶ／ｍｍの直流電
圧を３０分間印加して分極処理を行い、図３に示すよう
な積層型圧電アクチュエータを作製した。

【００３７】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た結果、４０μｍの変位量が得
られた。さらにこのアクチュエータに０Ｖから＋５００
Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、１
億回の連続動作を行った場合でも活性体と不活性体の境
界部分近傍において破断は見られなかった。

【００３８】一方、活性体と不活性体の境界部に応力緩
和層を設けない従来の図４に示すような積層型圧電アク
チュエータを上記と同様に連続動作させたところ、５０
０Ｖの直流電圧の印加により４０μｍの変位量が得られ
たが、０Ｖから＋５００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波
数にて印加した結果、１００万回で活性体と不活性体の
境界部分近傍において破断が発生し、それ以上の駆動が
不可能となった。

【００３９】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
定し、試料表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。

【００４０】

【発明の効果】本発明の積層型圧電アクチュエータで
は、活性体の積層方向の両端部に、導電性接着層による
接合面積を不活性体に向けて次第に小さくした応力緩和
部をそれぞれ設けたので、応力緩和部における変位量が
次第に小さくなるとともに、導電性接着層による接合面
積が次第に小さくなり、活性体と不活性体の境界部分に
集中する応力を十分に分散することができ、高い印加電
圧で高速で作動する場合でも、活性体と不活性体の境界
部においてクラックや破断を生じることなく、長時間稼
働できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータを示す説明
図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線における横断面図である。

【図３】本発明の積層型圧電アクチュエータを示す側面
図である。

【図４】従来の積層型圧電アクチュエータを示す側面図
である。

【図５】電極板を示す平面図である。

【符号の説明】

１・・・圧電板 ２・・・活性体 ３・・・導電性接着層 ４・・・電極板 ５・・・突出部 ７・・・不活性体 ９・・・内部電極層

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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電板と電極板とを複数積層してなるとと
   もに、前記電極板と前記圧電板が導電性接着層により接
   合された活性体と、この活性体の積層方向の両端に接合
   された不活性体とを具備した積層型圧電アクチュエータ
   であって、前記活性体の積層方向の両端部に、前記導電
   性接着層による接合面積を前記不活性体に向けて次第に
   小さくした応力緩和部をそれぞれ設けてなることを特徴
   とする積層型圧電アクチュエータ。