JPH1174576A

JPH1174576A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1174576A
Application number: JP9234624A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚; Mikiya Shinohara; 幹弥篠原; Satoshi Ichikawa; 聡市川
Original assignee: Kyocera Corp; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高い印加電圧で高速で作動する場合でも放電に
よるショートを防止し、電極接続の信頼性を向上できる
積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】複数枚の積層された圧電板１１間にそれぞ
れ接続用の突出部１６を有する金属板１４を介装し、突
出部１６を交互に所定方向に位置せしめ、該突出部１６
を積層した圧電板１１の外周面との間に空隙２０を形成
するように圧電板１１の積層方向に折り曲げ、その先端
側の部分を同一方向に位置する他の突出部１６に接続す
るとともに、突出部１６の空隙２０側の面にセラミック
スおよび／またはガラスからなるコーティング層１８を
形成し、さらに圧電板１１の外周面を絶縁材２３で被覆
してなる。

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、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
ータに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、電歪効果を利用して大きな変位量を
得るために、圧電セラミックス板と内部電極層を交互に
積層した積層型圧電アクチュエータの構造が提案されて
いる。そして、製造コスト低減、あるいは信頼性の向上
を目的として電極取り出し部の改良が提案されている。
例えば、特開平４−３７０９８７号には、両面に金属電
極を形成した圧電板を複数積層し、金属電極間に金属薄
板を配置し、これらの金属薄板の接続用突出部を圧電板
の外周面に対して所定の空隙を残すように軸方向に折り
曲げ、同一極性の接続用突出部を重なり合わせて導通さ
せ、接続用突出部と圧電板の外周面との空隙に合成樹脂
製の櫛歯状絶縁樹脂スペーサを挿入し、これを熱収縮用
の絶縁チューブ内に収容した積層型圧電アクチュエータ
が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年においては、小型
の圧電アクチュエータで大きな変位量を確保するため、
より高い電圧を印加する傾向があるが、上記の積層型圧
電アクチュエータを湿度の高い環境下で駆動させた場
合、金属電極材料や金属薄板材料のエレクトロマイグレ
ーションが発生し、使用している正極と負極の金属薄板
間で沿面放電の可能性がさらに高くなったり、例えば、
圧電板間に埋設された正極の金属薄板と、負極の金属薄
板の接続用突出部との間での空隙を介しての放電の可能
性が高くなり、ショートによる破損が発生し易いという
問題があった。

【０００４】本発明は、高い印加電圧で高速で作動する
場合でも放電によるショートを防止し、電極接続の信頼
性を向上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。

【０００５】

【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、複数枚の積層された圧電板間にそれぞれ
接続用の突出部を有する金属板を介装し、前記突出部を
交互に所定方向に位置せしめ、該突出部を積層した前記
圧電板の外周面との間に空隙を形成するように前記圧電
板の積層方向に折り曲げ、その先端側の部分を同一方向
に位置する他の突出部に接続するとともに、前記突出部
の前記空隙側の面にセラミックスおよび／またはガラス
からなるコーティング層を形成し、さらに前記圧電板の
外周面を絶縁材で被覆してなるものである。

【０００６】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、接続
用突出部の空隙側の内面に、セラミックス、ガラスから
なるコーティング層を形成することにより、例えば、圧
電板間に埋設された正極の金属板と、負極の金属板の接
続用突出部との間での空隙を介しての放電が、セラミッ
クスまたはガラス層によって阻止され、正極と負極の電
極間の絶縁性を確保できる。

【０００７】また、セラミックス、ガラスからなるコー
ティング層により、導電性接着剤や金属板材料のエレク
トロマイグレーションを阻止し、正極と負極の金属板間
での沿面放電を防止できる。さらに、積層体の外周面を
シリコンゴム等の絶縁材で被覆することにより、外部環
境からの水分の進入を阻止できる。

【０００８】従って、電極材料のエレクトロマイグレー
ションの発生を阻止するとともに、正極と負極の電極間
での空隙を介しての放電を阻止でき、正極と負極の絶縁
性を確保でき、これにより、高速の連続駆動に対しても
電極接続の信頼性を向上でき、長時間の運転が可能とな
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータを示し、図２は図１の一部を拡大して示し、図
３は図１の金属板およびその近傍を拡大して示し、図４
は図１の平面図を示している。図１においては、理解を
容易にするため絶縁材を省略し、図２においては正面部
分での絶縁材を省略し、図４においては接続用突出部の
位置関係を理解し易くするために絶縁材の一部を省略し
た。

【００１０】図において符号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）Ｏ
₃（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする焼結体からな
る。

【００１１】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。

【００１２】この圧電板１１の厚みｔ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。

【００１３】複数の圧電板１１が積層されて積層体１２
が形成されており、圧電板１１の間には２層の導電性接
着剤層１３が形成され、それらの導電性接着剤層１３間
には金属板１４が介装され、接合されている。これら金
属板１４は、図５（ａ）に示すように円板部１５に１８
０度の間隔で一対の突出部１６を形成して構成されてお
り、突出部１６が円板部１５の径方向に突出している。

【００１４】また、図１および図４に示すように、交互
に９０度の角度を向くように、金属板１４が圧電板１１
の間に介装されており、これら金属板１４は突出部１６
の位置により正電極板１４ａ、負電極板１４ｂとなる。
つまり、図５（ａ）の金属板１４と図５（ｂ）の金属板
１４が、その位置関係で交互に積層され、図５（ａ）の
金属板１４が正電極板１４ａ、図５（ｂ）の金属板１４
が負電極板１４ｂとされている。金属板１４の突出部１
６は、突出長さ１〜３ｍｍ、幅１ｍｍ以上が望ましい。
積層体１２の上下面には伸縮しない不活性体１７が接合
されている。

【００１５】使用する金属板１４は導電性を有するもの
で、例えば、銀、黄銅、銅、ステンレス等の金属が好ま
しい。金属板１４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、金属板１４としては、他の金属板１４と
の短絡や放電を防止するために、円板部１５が積層体１
２の外周面に露出しないように、圧電板１１より小さい
ことが望ましい。

【００１６】導電性接着剤層１３は、上記したように導
電性接着剤ペーストを圧電板１１に塗布し乾燥すること
によって形成されるが、この導電性接着剤ペーストは、
Ａｇ等の金属粉末とガラス成分を有し、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ペーストに含有されているガ
ラス成分が溶融し、圧電板１１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など
を防止することができ、積層体の信頼性を向上できるか
らである。導電性接着剤ペーストは、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。

【００１７】そして、金属板１４の突出部１６の片面に
は、その先端部を除いて、セラミックスあるいはガラス
からなるコーティング層１８が形成されている。コーテ
ィング層１８が形成されていない突出部１６の先端部
が、他の突出部１６に接続する接続部１９となる。

【００１８】コーティングするセラミックスは絶縁性を
確保できるものであればよく、アルミナ、ジルコニア等
の酸化物、或いは窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化
物が適用される。また、ガラスとしては、例えば、Ｐｂ
Ｏ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラス等であり、特に
限定されるものではない。さらに、セラミックスとガラ
スからなる、いわゆるガラスセラミックスをコーティン
グしても良い。

【００１９】コーテイング層１８は、図５の斜線領域に
示すように接続部１９（先端部）を除いて形成されてい
る。このようなコーティング層１８はＣＶＤ、ＰＶＤ、
及びデイッピング等の公知の手法が用いられる。コーテ
ィング層１８の厚みは０．１〜１０μｍが望ましい。

【００２０】また、金属板１４は、その突出部１６が、
圧電板１１の外周面に対して所定の空隙２０を形成する
ように、積層体１２の軸方向に折曲されるとともに、コ
ーティング層１８が空隙２０側に形成されるように折曲
され、その折曲部２２の先端部（接続部１９）が、同一
方向に突出した突出部１６の折曲部２２に接続されてい
る。つまり、突出部１６には、圧電板１１の外周面に沿
う側の面（空隙２０側の面）にセラミックスあるいはガ
ラスからなるコーティング層１８が形成されているので
ある。

【００２１】即ち、正電極板１４ａの突出部１６の接続
部１９が、同一方向に突出した突出部１６の折曲部２２
外面に半田あるいは溶接等によって相互に電気的に接続
されている。また負電極板１４ｂの突出部１６の接続部
１９も、同一方向に突出した突出部１６の折曲部２２外
面に半田あるいは溶接等によって相互に電気的に接続さ
れている。

【００２２】また、積層体１２の外周面には、シリコン
ゴム、シリコン樹脂等の絶縁材２３が被覆されている。
即ち、突出部１６と圧電板１１の外周面との間に形成さ
れた空隙２０にも絶縁材２３が充填され、突出部１６の
表面にも絶縁材２３が被覆されている。

【００２３】つまり、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１１と、該積層体１２の
圧電板１１の間にそれぞれ介装され、且つ導電性接着剤
により圧電板１１と接合された突出部１６を有する金属
板１４とを具備し、突出部１６を異なる方向に交互に圧
電板１１から突出させ、突出部１６を圧電板１１の外周
面に対して所定の空隙２０を形成するように積層体１２
の軸方向に折曲し、その折曲部２２の先端部を同一方向
に突出した他の突出部１６の折曲部２２に接合するとと
もに、積層体１２の外周面を絶縁材２３で被覆してな
り、さらに突出部１６の空隙２０側の面にセラミックス
および／またはガラスを被覆してなるものである。

【００２４】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。

【００２５】先ず、上面にガラス層を形成した不活性体
１７をセットする。次に圧電板１１の両面にそれぞれ導
電性接着剤ペーストを塗布し、この導電性接着剤ペース
トを乾燥させ、焼き付けた後、複数の圧電板１１の間、
即ち、導電性接着剤層１３間に突出部１６を有する金属
板１４を介装して積層する。

【００２６】所望の積層枚数を積層した後、下面にガラ
ス層を形成した不活性体１７をセットする。この後加熱
しながら加圧し、複数の圧電板１１を相互に接合し、圧
電板１１と金属板１４との間に導電性接着剤層１３を形
成する。

【００２７】そして、複数の正電極板１４ａの突出部１
６を折曲して、接続部１９をハンダやレーザー溶接によ
り他の突出部１６のコーテイングされていない側に接合
する。また、負電極板１４ｂの突出部１６を折曲して、
接続部１９をハンダやレーザー溶接を介して他の突出部
１６外面のコーティングされていない側に接合する。

【００２８】次に、作製された積層体全体をデイッピン
グ等の方法によりシリコンゴム等の被覆材で被覆する。

【００２９】この後、正電極板１４ａ、負電極板１４ｂ
に分極電圧を印加し、積層体全体を分極処理を行うこと
により積層型圧電アクチュエータが作製される。

【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、六角柱等どのような多角形状であって
も良い。

【００３１】

【実施例】ＰＺＴ系焼結体の両面を研磨して、直径１４
ｍｍ、厚み０．３ｍｍ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％、
ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス３重
量％の導電性接着剤層ペーストを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。厚さ２５μｍのＡｇ製薄板を、図５（ａ）に
示したような２ｍｍ×２ｍｍの突出部１６を有する直径
１２ｍｍの円形に打ち抜き、金属板１４とした。突出部
１６先端から０．５ｍｍを残して、片面にデイッピング
法により５μｍの厚みにＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃か
らなるガラスをコーティングした。

【００３２】そして、上面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ
₃からなるガラスを塗布した圧電体からなる不活性体１
７を配置し、この上面に上記圧電板１１を積層するとと
もに、圧電板１１間に金属板１４を圧電板１１の間に挟
み込み、圧電板１１を９９層積層して積層体１２を形成
し、この上面に、下面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ_３か
らなるガラスを塗布した圧電体からなる不活性体１７を
配置した。

【００３３】尚、金属板１４の突出部１６が一層おきに
同じ位置にくるように交互に配置した。

【００３４】圧電板１１を積層した積層体１２は、その
上部に約３ｋｇの重りを乗せて、６００℃、３０分で加
圧接合した。

【００３５】次に、図１に示したように、圧電板１１の
径方向に突出した突出部１６を圧電板１１の外周に沿っ
て所定の空隙２０を形成するように、かつコーテイング
層１８を施した面が内側となるように軸方向に折曲げ、
この折曲部２２の先端部を一層おいた隣の突出部１６の
折曲部２２と半田により接続した。

【００３６】次に圧電板１１の外周面にシリコンゴムを
被覆するとともに、突出部１６と圧電板１１との間に隙
間がないようにシリコンゴムで充填した。これを８０℃
のシリコンオイル中に置き、３ｋＶ／ｍｍの直流電界を
正電極板１４ａおよび負電極板１４ｂに３０分間印加し
て分極処理を行ない、図１および図２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。更にこのアクチュエータに０Ｖから＋５００Ｖ
の交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加
回数３×１０⁸回まで４０μｍの変位量を維持した。

【００３８】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タ１０個を、湿度９５％の大気中で、０Ｖから＋５００
Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０⁸回作動
させた場合でも、全く放電が生じず、破損もしなかっ
た。

【００３９】これに対して、突出部１６にコーティング
層１８を施さない点を除いて、上記と同様にして積層型
アクチュエータ１０個を作製し、上記のように湿度９５
％の大気中で、０Ｖから＋５００Ｖの交流電界を５０Ｈ
ｚの周波数にて１×１０⁸回作動させると３個が沿面放
電により破損した。

【００４０】また、突出部１６と圧電板１１との空隙２
０に、シリコンゴムを充填せず、絶縁樹脂スペーサを挿
入する点を除いて、上記と同様にしてアクチュエータを
作製し、これに５００Ｖの直流電圧を印加した結果、４
０μｍの変位量が得られた。

【００４１】更にこの圧電アクチュエータを１０個作製
し、湿度９５％の大気中で、０Ｖから＋５００Ｖの交流
電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０⁶回作動させた結
果、沿面放電のため８個が破損した。

【００４２】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。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、電
極材料のエレクトロマイグレーションの発生を阻止する
とともに、正極と負極の電極間の空隙を介しての放電を
阻止でき、正極と負極の絶縁性を確保でき、これによ
り、高速の連続駆動に対しても電極接続の信頼性を向上
でき、積層型圧電アクチュエータを長時間運転すること
ができる。

【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側面
図である。

【図２】図１の一部を拡大して示す側面図である。

【図３】図１の金属板およびその近傍を拡大して示す側
面図である。

【図４】図１の平面図である。

【図５】図１の金属板を示す平面図である。

【符号の説明】

１１・・・圧電板１２・・・積層体１３・・・導電性接着剤層１４・・・金属板１５・・・円板部１６・・・突出部１８・・・コーティング層１９・・・接続部２０・・・空隙２２・・・折曲部２３・・・絶縁材

フロントページの続き (72)発明者市川聡神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数枚の積層された圧電板間にそれぞれ接
続用の突出部を有する金属板を介装し、前記突出部を交
互に所定方向に位置せしめ、該突出部を積層した前記圧
電板の外周面との間に空隙を形成するように前記圧電板
の積層方向に折り曲げ、その先端側の部分を同一方向に
位置する他の突出部に接続するとともに、前記突出部の
前記空隙側の面にセラミックスおよび／またはガラスか
らなるコーティング層を形成し、さらに前記圧電板の外
周面を絶縁材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。