JPH1174577A

JPH1174577A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1174577A
Application number: JP9234625A
Authority: JP
Inventors: Masanaga Inagaki; 正祥稲垣; 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】突出部に発生する応力が低く抑えられ、突出部
において繰り返し変位動作による金属疲労の発生を抑制
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１間にそれぞれ
接続用の突出部７を有する金属板５を介装し、突出部７
を交互に所定方向に位置せしめ、該突出部７を積層した
圧電板１の外周面との間に空隙１１を形成するように圧
電板１の積層方向に折り曲げ、その先端側に湾曲状の屈
曲部１３を形成するとともに、突出部７の屈曲部１３よ
りも先端側の部分を同一方向に位置する他の突出部７に
接続してなり、屈曲部１３でもって応力を吸収するよう
にした。

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、自動車用エンジンの燃料噴
射用の駆動素子や、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
型圧電体（積層型のアクチュエータ）を作製する方法が
多数開示されている。特に圧電板の接合方法により接合
状態が大きく変化し、積層後の特性の変動が大きく、素
子間での特性ばらつきが大きくなるため様々な信頼性向
上の方法が示されている。

【０００３】積層型の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作製することが比
較的容易であり、印加電界を高くできるために低電圧高
変位が可能であるが、圧電板材料（例えば、Ｐｂ（Ｚ
ｒ，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、積層数が増すにしたがっ
て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、
両面に金属電極を形成した圧電板を複数積層し、金属電
極間に金属板を配置し、これらの金属板の接続用突出部
を圧電板の外周縁に対して所定の空隙を残すように軸方
向に折り曲げ、同一極性の突出部を重なり合わせて接合
させ、突出部と圧電板の外周縁との空隙に合成樹脂性の
櫛歯状絶縁スペーサを挿入し、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（特開平４−３７０９８７号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記積層型圧電アクチ
ュエータでは、金属板の突出部を圧電板の側面から離間
して同一極性の突出部に接続していたため、伸縮時にお
いて金属板の突出部に作用する応力をある程度抑制でき
る。

【０００６】しかしながら、このような手法によって
も、伸縮時に突出部に発生する応力を抑制する効果は充
分では無く、大きな変位を発生させるアクチュエータで
は充分な信頼性が得られず、突出部同士の接合部に無理
な力が作用してこの部分が剥離したり、金属の疲労によ
り突出部にクラックや破断が発生する虞があった。特
に、アクチュエータの両端近傍で変位量が増大するの
で、突出部にクラック、破断が発生し易いという問題が
あった。

【０００７】

【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、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、その先端側に湾曲状の屈曲部を形
成するとともに、前記突出部の前記屈曲部よりも先端側
の部分を同一方向に位置する他の突出部に接続してな
り、前記屈曲部でもって応力を吸収するようにしたもの
である。

【０００８】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、電圧
を印加すると伸縮するが、この場合には圧電板を挟持す
る金属板間の距離が変化し、接合された接続用突出部間
に応力が発生するが、突出部の先端側に形成された湾曲
状の屈曲部がアクチュエータの伸縮に伴って伸縮するこ
とにより、突出部に発生する応力が低く抑えられ、突出
部において繰り返し変位動作による金属疲労の発生を抑
制できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータを示すもので、符号１は円板状の圧電板を示し
ている。これらの圧電板１はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする焼結体である。

【００１０】圧電板１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１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。

【００１１】この圧電板１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。

【００１２】そして、複数の圧電板１が積層され、積層
体２が形成されており、図２に示すように、圧電板１の
間には導電性接着剤層３が形成され、導電性接着剤層３
間にはそれぞれ金属板５が介装され、接合されている。
これらの金属板５は、図３に示すように、円板部６に接
続用の突出部７を一体的に形成して構成されており、図
２に示したように、突出部７は圧電板１の径方向に突出
している。

【００１３】また、突出部７は、交互に１８０度反対を
向くように、金属板５が圧電板１の間に介装されてお
り、これらの金属板５は、その突出部７の位置により正
電極用金属板、負電極用金属板とされている。

【００１４】さらに、正電極用金属板の突出部７が、圧
電板１の外周面から離間した位置で折曲され、圧電板１
の外周面に沿った折曲部９が形成されており、その先端
部１０が同一方向に突出した他の突出部７の折曲部９に
ハンダや溶接等により接合されている。即ち、突出部７
は、圧電板１の外周面に対して空隙１１を形成するよう
に積層体２の軸方向に折曲され、その折曲部９の先端部
１０が隣接する同極の突出部７の折曲部９に接合されて
いる。つまり、積層した圧電板１の外周面との間に空隙
１１を形成するように突出部７が圧電板１の積層方向に
折り曲げられ、その先端側に湾曲状の屈曲部１３が形成
され、突出部７の屈曲部１３よりも先端側の部分が、同
一方向に位置する他の突出部７に接続されている。

【００１５】この湾曲状の屈曲部１３はアーチ状とされ
ており、これらの屈曲部１３は、突出部７（折曲部９）
の一部を外方に向けて突出するようにリング状に折曲す
ることにより形成されている。この屈曲部１３は、伸縮
時において突出部７同士の接合部や突出部７の根元部分
ｘに無理な力が作用しないような形状であれば良いが、
その圧電体１の外表面からの距離ｈは、圧電板１の厚さ
の２分の１以上であることが望ましい。沿面放電を防止
するという観点から０．５ｍｍ以上、特には０．７ｍｍ
以上が良い。また、屈曲部１３の厚みｂは、屈曲部１３
の発生応力を低く抑えるという点から曲率の小さい方が
良く、特には、圧電板１の厚さと同程度（０．２〜０．
６ｍｍ）が望ましい。

【００１６】使用する金属板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。金属板５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５としては、他の金属板５との短
絡や放電を防止するために、積層体２の外周面に露出し
ないように円板部６の径が圧電板１よりも小さいことが
望ましい。

【００１７】導電性接着剤層３は、上記したように、導
電性接着剤ペーストを圧電板１に塗布し乾燥することに
より形成されるが、この導電性接着剤ペーストは、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ペースト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。

【００１８】そして、突出部７と圧電板１の外周部との
間の空隙１１は、隙間がないように耐水性樹脂で充填す
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良いが、絶縁性が高く、
充填し易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。

【００１９】空隙１１を耐水性樹脂で充填するには、粘
度等の条件を調整し、空隙１１内に耐水性樹脂が流れこ
んでいくようにすることが必要である。このような耐水
性樹脂を刷毛等で塗布したり、ペースト中に浸漬するこ
とにより充填できる。

【００２０】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１と、該積層体２の圧電
板１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１と接合された突出部７を有する金属板５とを具
備し、突出部７を異なる方向に交互に圧電板１から突出
させ、突出部７を圧電板１の外周面に対して空隙１１を
形成するように積層体２の軸方向に折曲し、その折曲部
９の先端部１０を同一方向に突出した他の突出部７の折
曲部９に接合してなる積層型圧電アクチュエータであっ
て、突出部７の折曲部９に屈曲部１３を形成してなるも
のである。

【００２１】このような積層型圧電アクチュエータは、
先ず、圧電板１の両面にそれぞれ導電性接着剤用ペース
トを塗布し、この導電性接着剤用ペーストを乾燥した
後、複数の圧電板１の間、即ち、導電性接着剤用ペース
ト間に突出部７を有する金属板５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と金属板５との間に導電性接着剤層３を形
成する。

【００２２】そして、圧電板１を挟持している正電極用
金属板および負電極用金属板の突出部７をそれぞれ接続
する。即ち、正電極用金属板の突出部７の折曲部９に、
所定形状の屈曲部１３を形成し、さらに折曲部９の先端
部１０を、他の正電極用金属板の突出部７の折曲部９に
ハンダあるいは溶接等により接合する。同様に、負電極
用金属板の突出部７の折曲部９に屈曲部１３を形成し、
折曲部９の先端部１０を隣接する突出部７の折曲部９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。

【００２３】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータは
円柱状や四角柱等どのような形状であっても良い。ま
た、上記例では、突出部７を１８０度の角度をなして２
方向に突出させた例について説明したが、突出部を９０
度の角度をなして４方向に突出させても良い。この場合
には、円板部に１８０度の角度をなして一対の突出部を
形成した金属板を用いる必要がある。

【００２４】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、
電圧を印加すると伸縮するが、この場合には圧電板１を
挟持する金属板５間の距離が変化し、接合された突出部
７間に応力が発生するが、突出部７の折曲部９に形成さ
れた屈曲部１３により発生する応力が低く抑えられ、突
出部７、特に、圧電板１の外周面から離間した位置で折
曲される角部や、突出部７の根元部分ｘや、他の突出部
７との接合部等に無理な力が生ずることがなく、突出部
７において繰り返し変位動作による金属疲労の発生を抑
制できる。従って突出部７や、その接合部に無理な力が
作用することがなく、この部分が剥離したり、金属の疲
労によるクラック、破断が発生することを防止できる。

【００２５】

【実施例】ＰＺＴ系焼結体の両面を研磨して、直径１
３．７ｍｍ、厚み０．３３ｍｍの円板状の圧電板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−Ｂ₂Ｏ₃ガラス３重量％の導電
性接着剤ペーストを１０μｍの厚みになるように印刷し
た後、１００℃にて乾燥した。厚さ２５μｍのＡｇ製板
を、直径が１３．５ｍｍの円板部に１．８ｍｍ×３ｍｍ
の突出部７を形成した形状に打ち抜き金属板５とし、こ
の金属板５を圧電板１の間に挟み込み、圧電板１を１０
０層積層し、最上の圧電板１の上面に金属板５を導電性
接着剤ペーストにより接合して積層体を形成した。

【００２６】尚、金属板５の突出部７は一層おきに同じ
位置にくるように、他方は１８０度反対側に来るように
配置した。圧電板１を１００層積層した積層体２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。

【００２７】次に、圧電板１の径方向に突出した突出部
７を軸方向に折曲するとともに、この折曲部９の一部に
屈曲部１３を形成した。圧電板１の外表面からの距離ｈ
は０．５ｍｍとされ、厚みｂは０．３ｍｍとされてい
る。突出部７の先端部１０は、一層おいた隣の突出部７
の折曲部１３にハンダにより接続した。

【００２８】これを８０℃のシリコンオイル中で３ｋｖ
／ｍｍの直流電界を３０分間印加して分極処理を行なっ
た。

【００２９】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、１億
回連続動作を行った場合でも金属板５の突出部７の疲労
破壊は見られなかった。

【００３０】一方、屈曲部１３を設けない従来の積層型
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、１０００万回で金属板５の突出部７からスパークが
発生した。このスパーク部分を軸方向に切断し、顕微鏡
で観察したところ、突出部７を圧電体１の外周面に沿っ
て軸方向に折り曲げた角部に疲労によると見られるクラ
ックが観察された。

【００３１】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。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、電圧を印加すると伸縮
するが、この場合には圧電板を挟持する金属板間の距離
が変化し、接合された突出部間に応力が発生するが、突
出部の屈曲部により発生する応力が低く抑えられ、突出
部において繰り返し変位動作による金属疲労の発生を抑
制でき、長寿命の積層型圧電アクチュエータを得ること
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の斜視図で
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の金属板を示す平面図である。

【符号の説明】

１・・・圧電板２・・・積層体３・・・導電性接着剤層５・・・金属板７・・・突出部９・・・折曲部１０・・・先端部１１・・・空隙１３・・・屈曲部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者篠原幹弥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 (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、その先端側に湾曲状の屈曲部を
形成するとともに、前記突出部の前記屈曲部よりも先端
側の部分を同一方向に位置する他の突出部に接続してな
り、前記屈曲部でもって応力を吸収するようにしたこと
を特徴とする積層型圧電アクチュエータ。