JPH11340535A

JPH11340535A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11340535A
Application number: JP10149385A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚; Makoto Higashibetsupu; 誠東別府; Takeshi Setoguchi; 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】活性体と不活性体の境界部近傍に発生する応力
集中を緩和して、この部分における応力破壊を防止する
とともに、効率の良い冷却を行い、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】複数の圧電板１と複数の金属薄板４とを交
互に積層し、該金属薄板４を導電性接着剤により各圧電
板１に接合してなる活性体２と、該活性体２の上下に絶
縁性接着剤によりそれぞれ接合された緩衝用金属板７
と、該緩衝用金属板７に絶縁性接着剤によりそれぞれ接
合された金属製不活性体９とを具備するものである。

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、圧電板と電極層とを交互に複数枚積
層した積層型圧電体素子の構造が多数提案されている。
これは、圧電体に高電圧を印加して圧電体を数〜数十μ
ｍ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の製造方法とし
て、電極と圧電板とを同時焼成する方法がある。この方
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。しかしながら、圧電板材料（例えば、Ｐｂ（Ｚｒ
Ｔｉ）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用材料としては、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、コスト高になるという問題
があった。

【０００４】そこで、従来、コストを低減するために、
図５に示すように、例えば両面に導電性接着剤層３０が
形成された円形の圧電板３１を複数枚積層するととも
に、導電性接着剤層３０間に金属薄板３３を配置し、こ
れらの金属薄板３３に形成された接続用突起部３５を軸
方向に折曲し、同一極性の接続用突起部３５を重ね合わ
せて接合し、駆動電圧印加用の電極とした構造が提案さ
れている。

【０００５】これらの積層型圧電アクチュエータは、変
位を発生する圧電的に活性な部分（活性体３７）と、変
位を発生しない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）とが接合されているのが一
般的である。この様な構造にする事により、所望の変位
量を確保する為に圧電板の積層数を変更し、活性体の長
さが変化した場合にも、不活性体の寸法を調整する事に
よりアクチュエータ全体の寸法を一定長さに保持するこ
とができる。

【０００６】

【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３７と不活性
体３９がともにセラミックスで構成され、互いに強固に
接合されていたために、高電圧を印加し長時間にわたり
駆動すると、不活性体３９と活性体３７の境界部に大き
な応力集中が起こり、不活性体３９の活性体３７側の部
分、または活性体３７の不活性体３９側の部分破壊が発
生してしまうという問題があった。

【０００７】即ち、活性体３７は電圧印加によって積層
方向に変位を生じるが、同時に半径方向にも変位を発生
している。この半径方向変位は、活性体３７が軸方向に
伸長している時は収縮する方向に、活性体３７が軸方向
に収縮している時は伸長する方向となる。活性体３７に
は電圧印加によって、この半径方向の変位が生じるのに
対し、不活性体３９は半径方向の変位を生じる事が無
く、この両者が強固に接合されている事によって接合境
界部近傍に高い応力が発生し、これが破壊の原因とな
る。

【０００８】この様な問題を解決する為に、例えば、特
開平７−３０１６５号には、活性体の不活性部近傍にお
ける内部電極の重なり面積を、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。しかし、この方法では、電極
板、および導電性接着剤の塗布に関わるコストが上昇す
る事や、積層時に界面に隙間が生じ易いなどの問題があ
り、適切な方法とは言えなかった。

【０００９】また、特開平１−２２６１８６には横効果
圧電歪定数が比較的小さい圧電材料を応力緩和層として
設けた構造が開示されている。しかし、この方法では圧
電体材料を複数用意する必要があり、コストの上昇をま
ねくという問題があった。

【００１０】更に、特開平３−６６１８３には弾性率に
異方性を持つ固体を活性体端面に固着した構造が開示さ
れている。しかし、この方法では活性体の駆動に伴って
発生した熱を外部に効率よく逃がす事が考慮されておら
ず、例えば高温下で使用される自動車用エンジンの燃料
噴射用の駆動素子等では活性体の温度がキュリー点以上
になり、圧電特性が失われるといった問題があった。

【００１１】本発明は、高い印加電圧で高速で駆動する
場合でも、活性体と不活性体の境界部近傍に発生する応
力集中を緩和して、この部分における応力破壊を防止す
るとともに、効率の良い冷却を行い、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、複数の圧電板と複数の金属薄板とを交互
に積層し、該金属薄板を導電性接着剤により前記各圧電
板に接合してなる活性体と、該活性体の上下に絶縁性接
着剤によりそれぞれ接合された緩衝用金属板と、該緩衝
用金属板に絶縁性接着剤によりそれぞれ接合された金属
製不活性体とを具備するものである。

【００１３】ここで、金属製不活性体の側面にセラミッ
ク層を形成するとともに、金属薄板を交互に電気的に接
続して正極用外部電極および負極用外部電極を形成し、
該正極用外部電極および負極用外部電極にそれぞれ接続
された一対の接続部材を前記セラミック層まで延設し、
該セラミック層表面で前記一対の接続部材にリード線を
それぞれ接続してなることが望ましい。

【００１４】また、緩衝用金属板と、活性体、金属製不
活性体との絶縁性接着剤による接合面積が、圧電板と金
属薄板との導電性接着剤による接合面積よりも小さいこ
とが望ましい。

【００１５】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、活性
体の上下に絶縁性接着剤により緩衝用金属板を接合し、
この緩衝用金属板に絶縁性接着剤により金属製不活性体
を接合したので、活性体とその両端の金属製不活性体と
の間に応力緩和層が形成されることになり、活性体の半
径方向の変位によって発生する応力を緩衝用金属板によ
り緩和することができ、高い印加電圧で高速で動作する
時でも、活性体の不活性体側近傍や不活性体の活性体側
近傍においてクラックや破断を生じることがなく、長時
間の作動が可能となる。

【００１６】また、活性体に、上記した応力緩和層を介
して金属製不活性体が直接接合されているため、活性体
の駆動により発生した熱を緩衝用金属板、金属製不活性
体を介して効率よく外部に放出でき、高温環境下でも活
性体の圧電板材料のキュリー点を超えることがなく安定
して作動することができる。

【００１７】さらに、金属製不活性体の側面にセラミッ
ク層を形成したので、例えば、正極用外部電極および負
極用外部電極から延設された接続部材端を、セラミック
層表面でリード線とそれぞれ接続することが可能とな
り、正極、負極の絶縁が確保され、リード取付け部にお
ける絶縁破壊を防止できる。

【００１８】また、緩衝用金属板と、活性体、金属製不
活性体との絶縁性接着剤による接合面積を、圧電板と金
属薄板との導電性接着剤による接合面積よりも小さくす
ることにより、変位する活性体により不活性体に伝達さ
れる応力が低減され、活性体と不活性体との境界部分に
おける応力集中を抑制でき、不活性体または活性体端面
の破損を防止できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１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断面図であり、図１
において符号１は円板状の圧電板を示している。

【００２０】圧電板１を構成する圧電体材料には、例え
ばチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃や、チタン酸ジルコン
酸鉛Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）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。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。

【００２１】そして、両主面に導電性接着剤層３が形成
された複数の圧電板１が積層されて活性体２が形成され
ており、導電性接着剤層３の形成された圧電板１の間に
は円板状の金属薄板４が介装され、圧電板１を挟持した
状態で、金属薄板４が圧電板１に接合されている。これ
らの金属薄板４は、図４に示すように、連結部材５によ
り連結され一体的に構成されており、図２に示すよう
に、連結部材５は圧電板１の径方向に突出している。ま
た、連結部材５が交互に９０度の角度を有するように、
金属薄板４が圧電板１の間に介装されており、これらの
金属薄板４は、その連結部材５の位置により正極用外部
電極、負極用外部電極とされている。さらに、連結部材
５は圧電板１の外周面から離間した位置でアーチ状に折
り曲げられている。

【００２２】金属薄板４は、導電性を有するもので、例
えば、銀、真鍮、銅、ステンレス、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金等の金属が好ましい。金属薄板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〜
７０μｍのものが好ましい。

【００２３】また、金属薄板４は、他の金属薄板４との
短絡や放電を防止するために、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。

【００２４】導電性接着剤層３は、導電性接着剤を圧電
板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、積層型圧電体素子の
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％を主成分とし、Ｐｂ
Ｏ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラス成分２〜３０重
量％を含有することが望ましい。

【００２５】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、シリコン系ゴム、ある
いは、エポキシ系樹脂であることが望ましい。

【００２６】活性体２の上下面には、絶縁性接着剤によ
りそれぞれ緩衝用金属板７が接合され、該緩衝用金属板
７には絶縁性接着剤によりそれぞれ金属製不活性体９が
接合されており、活性体２の上下面には、図３に示すよ
うに、絶縁性接着剤層１０、緩衝用金属板７、金属製不
活性体９が順次形成されている。

【００２７】絶縁性接着剤としては、エポキシ樹脂やポ
リイミド樹脂が用いられ、緩衝用金属板７としては、
銀、銅、アルミニウム等の弾性率の低い金属材料が用い
られ、金属製不活性体としては、ステンレス（ＳＵ
Ｓ）、ＳＣＭ鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等が用いられ
る。

【００２８】不活性体９の側面には、例えば、アルミ
ナ、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素等からなるセラミ
ック層１３が形成されている。セラミック層１３は絶縁
性のあるセラミックスであれば何でも良く、金属製不活
性体９の側面に蒸着、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの方法で強固
に被覆形成されている。

【００２９】セラミック層１３は、例えば、リング状の
セラミックスまたはガラスに金属製不活性体９を挿入
し、接合して形成しても良い。セラミック層１３は、金
属製不活性体９と熱膨張係数の近いセラミックスあるい
はガラスが好ましい。

【００３０】金属薄板を交互に電気的に接続して形成さ
れた正極用外部電極および負極用外部電極の下端部は、
図１に示すように、接続部材１５によりセラミック層１
３側方まで延設され、セラミック層１３表面でリード線
１７とそれぞれ接続されている。

【００３１】また、緩衝用金属板７と、活性体２、金属
製不活性体９との絶縁性接着剤による接合面積が、圧電
板１と金属薄板４との導電性接着剤による接合面積より
も小とされている。つまり、絶縁性接着剤層１０の面積
が、導電性接着剤層３の面積よりも小さいのである。

【００３２】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の上下に絶縁性接着剤により緩
衝用金属板７を接合し、この緩衝用金属板７に絶縁性接
着剤により金属製不活性体９を接合したので、活性体２
とその両端の金属製不活性体９との間に応力緩和層が形
成されることになり、活性体２の半径方向の変位によっ
て発生する応力を緩衝用金属板７により緩和することが
でき、高い印加電圧で高速で動作する時でも、活性体２
の不活性体９側近傍や不活性体９の活性体２側近傍にお
いてクラックや破断を生じることがなく、長時間駆動さ
せることができる。

【００３３】また、活性体２に、緩衝用金属板７を介し
て金属製不活性体９が直接接合されているため、活性体
２の駆動により発生した熱を緩衝用金属板７、金属製不
活性体９を介して効率よく外部に放出でき、高温環境下
でも活性体２の圧電板材料のキュリー点を超えることが
なく安定して作動することができる。

【００３４】さらに、金属製不活性体９の側面にセラミ
ック層１３を形成したので、例えば、正極用外部電極お
よび負極用外部電極から延設された接続部材１５端を、
セラミック層１３表面でリード線１７とそれぞれ接続す
ることが可能となり、正極、負極の絶縁が確保され、リ
ード取付部１９における絶縁破壊が防止できる。

【００３５】また、緩衝用金属板７と、活性体２、金属
製不活性体９との絶縁性接着剤による接合面積を、圧電
板１と金属薄板４との導電性接着剤による接合面積より
も小さくすることにより、変位する活性体２により不活
性体９に伝達される応力が低減され、活性体２と不活性
体９との境界部分における応力集中を抑制でき、不活性
体９または活性体２端面の破損を防止できる。

【００３６】尚、活性体２と不活性体９との間に複数の
緩衝用金属板７を設けても良い。

【００３７】本発明の積層型圧電アクチュエータは以下
のようにして製造される。先ず、圧電板１の両主面に導
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、導電性接着剤層３間に金属
薄板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と金属薄板４
との間に導電性接着剤層３を形成し、活性体２とする。

【００３８】次に、活性体２の上下面に、絶縁性接着剤
により弾性率の低い金属箔で作製された緩衝用金属板７
を接合し、緩衝用金属板７に絶縁性接着剤により不活性
体９を接合する。

【００３９】この後、正極用外部電極および負極用外部
電極の下端部を、接続部材１５によりセラミック層１３
まで延設し、セラミック層１３表面でリード線１７とそ
れぞれ接続する。

【００４０】尚、活性体２の外周をＳｉゴムで被覆して
も良い。また、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良い。

【００４１】

【実施例】実施例１ＰＺＴ系焼結体の両面を研磨して、直径１５ｍｍ、厚み
０．４ｍｍ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９５重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂
−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス５重量％の導電性接着剤を直径１３
ｍｍ、１０μｍの厚みになるように印刷した後、１２０
℃にて乾燥した。厚さ３０μｍのＡｇ製板を、直径が１
３ｍｍの金属薄板４に幅２ｍｍの連結部５を形成した形
状に加工し、この金属薄板４を圧電板１の間に交互に挟
み込み、圧電板１を１００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。

【００４２】尚、金属薄板４の連結部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。

【００４３】こうして形成した活性体２の上下面に、エ
ポキシ接着剤からなる絶縁性接着剤を塗布し、直径が１
３ｍｍ、厚さ５０μｍのＡｇ製の緩衝用金属板７を積層
し、緩衝用金属板７の表面にエポキシ接着剤からなる絶
縁性接着剤を塗布し、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９を積層し、１００℃、１時間で
硬化・接合した。不活性体９は直径１５ｍｍ、厚さ２０
ｍｍのステンレスの外表面にアルミナセラミックスを厚
さ１μｍコーテイングしたものを使用した。

【００４４】次に、活性体２の外周部にシリコンゴムを
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ない、
図１に示すような積層型圧電体アクチュエータを作製し
た。

【００４５】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。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖ
の直流電圧を４０Ｈｚの周波数にて印加した結果、５億
回の連続動作を行った場合でも活性体２と不活性体９の
境界部分近傍において破断は見られなかった。

【００４６】また、上記の積層型圧電アクチュエータの
動作中の温度を赤外線放射温度計によって測定したとこ
ろ、活性体２の温度は８０℃であった。

【００４７】一方、セラミックスからなる不活性体を用
い、また、緩衝用金属板７を用いることなく活性体にエ
ポキシ樹脂で不活性体を接合した以外は、上記と同様に
して従来の積層型圧電アクチュエータを作製し、上記と
同様に連続動作させたところ、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。

【００４８】また、動作中の温度を上記と同じ方法で測
定したところ、活性体は１５０℃に達していた。

【００４９】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。

【００５０】実施例２実施例１と同様にして作製した活性体２、および直径１
３ｍｍ、厚さ５ｍｍのステンレス金属を、内径１３ｍｍ
外径１５ｍｍ厚さ５ｍｍのリング状のＰＺＴセラミック
スに挿入し、エポキシ樹脂で接合した不活性体９を用
い、緩衝用金属板７として直径が１２ｍｍ、厚さ５０μ
ｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製板を用いる以外は、上記実
施例１と同様にして積層型圧電体アクチュエータを作製
した。

【００５１】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。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖ
の直流電圧を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、５億
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。

【００５２】また、上記の積層型圧電アクチュエータの
動作中の温度を赤外線放射温度計によって測定したとこ
ろ、活性体の温度は１００℃であった。

【００５３】

【発明の効果】本発明による積層型アクチュエータで
は、活性体の上下に絶縁性接着剤により緩衝用金属板を
接合し、この緩衝用金属板に絶縁性接着剤により金属製
不活性体を接合したので、活性体とその両端の金属製不
活性体との間に応力緩和層が形成されることになり、活
性体の半径方向の変位によって発生する応力を緩衝用金
属板により緩和することができ、高い印加電圧で高速で
動作する時でも、活性体の不活性体側近傍や不活性体の
活性体側近傍においてクラックや破断を防止でき、長時
間駆動できる。

【００５４】また、活性体に、緩衝用金属板を介して金
属製不活性体が直接接合されているため、活性体の駆動
により発生した熱を緩衝用金属板、金属製不活性体を介
して効率よく外部に放出でき、高温環境下でも活性体の
圧電板材料のキュリー点を超えることがなく安定して作
動することができる。

【００５５】さらに、金属製不活性体の側面にセラミッ
ク層を形成したので、例えば、正極用外部電極および負
極用外部電極から延設された接続部材端を、セラミック
層表面でリード線とそれぞれ接続することが可能とな
り、正極、負極の絶縁が確保され、リード取付け部にお
ける絶縁破壊が防止できる。

【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断面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。

【図３】図１の緩衝用金属板およびその近傍を拡大して
示す断面図である。

【図４】金属薄板を連結部材により連結した平面図であ
る。

【図５】従来の積層型圧電アクチュエータを示す側面図
である。

【符号の説明】

１・・・圧電板２・・・活性体３・・・導電性接着剤層４・・・電極薄板５・・・連結部材７・・・緩衝用金属板９・・・金属製不活性体１０・・・絶縁性接着剤層１３・・・セラミック層１５・・・接続部材１７・・・リード線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電板と複数の金属薄板とを交互に
積層し、該金属薄板を導電性接着剤により前記各圧電板
に接合してなる活性体と、該活性体の上下に絶縁性接着
剤によりそれぞれ接合された緩衝用金属板と、該緩衝用
金属板に絶縁性接着剤によりそれぞれ接合された金属製
不活性体とを具備す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】金属製不活性体の側面にセラミック層を形
成するとともに、金属薄板を交互に電気的に接続して正
極用外部電極および負極用外部電極を形成し、該正極用
外部電極および負極用外部電極にそれぞれ接続された一
対の接続部材を前記セラミック層まで延設し、該セラミ
ック層表面で前記一対の接続部材にリード線をそれぞれ
接続してな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。
【請求項３】緩衝用金属板と、活性体、金属製不活性体
との絶縁性接着剤による接合面積が、圧電板と金属薄板
との導電性接着剤による接合面積よりも小さいことを特
徴とする請求項１または２記載の積層型圧電アクチュエ
ータ。