CN101405882A

CN101405882A - 压电致动器

Info

Publication number: CN101405882A
Application number: CNA2007800101439A
Authority: CN
Inventors: 竹井正道; 高冈英清; 葛西重治; 林宏一; 渡边静晴
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: EP2003707B1; ATE549750T1; EP2003707A4; JP4154538B2; US20080007144A1; CN101405882B; WO2007114002A1; US7777398B2; EP2003707A1; JPWO2007114002A1

Abstract

本发明提供一种具有用厚膜导体构成的外部导体而不易产生外部导体导通欠佳的可靠性优良的压电致动器。其中压电致动器1在压电体2的外表面形成外部导体5、6，外部导体5、6具有厚膜导体和导电性加固件9，厚膜导体配备形成在压电体2的外表面的第1厚膜导体7、形成在第1厚膜导体7的外表面局部且与其面接触的第2厚膜导体8a、8b、及与第2厚膜导体8a、8b的外表面接合的导电性加固件9。

Description

压电致动器

技术领域

本发明涉及一种用于操作磁头等电子器件或阀等机械单元的压电致动器；详细而言，本发明涉及一种在压电体的外表面形成使用厚膜导体的外部导体的压电致动器。

背景技术

以往，已广泛使用压电致动器，以驱动各种电子器件或机械单元。压电致动器具有压电体和形成在压电体的外表面用于对压电体施加电压的外部导体。

作为上述压电体，已知由单一压电体组成的所谓单片形的压电体和层叠多个压电体层而形成的层叠型的压电体。压电致动器中，按照用途使用适当结构的压电体。

通常利用可靠性优良的厚膜导体形成上述外部导体。通常将混匀银等金属粉末、玻璃料、有机树脂粘合剂和有机溶剂而形成的导电浆料给予压电体表面后进行烧结，从而形成厚膜导体。

可是，压电致动器中，使用时压电体重复伸缩，进行位移。在长期使用的过程中，压电体由于重复进行位移，对外部导体重复施加位移带来的应力。因此长期使用压电致动器的过程中，外部导体疲劳，往往外部导体产生裂纹，或外部导体断裂。外部导体产生裂纹或断裂时，外部导体的导通性产生故障，不能驱动压电致动器。

为了解决这样的问题，下述的专利文献1揭示图6所示的层叠型压电部件101。层叠型压电部件101中，在层叠型的压电体102内形成内部电极103a、103b。以电连接内部电极103a的方式形成外部导体104。

外部导体104具有在以银粉末为主成分的厚膜导体104a内埋设由银组成的金属丝网104b的结构。通过埋设金属丝网104b，提高外部导体104的机械强度。

另一方面，下述的专利文献2揭示图7中以图解局部切口正面剖视图示出的压电致动器111。压电致动器111在层叠型压电体112的外表面形成外部导体113。这里，外部导体113具有由直接形成在层叠型压电体112的外表面的厚膜导体组成的外部电极114和利用钎焊或焊接与外部电极114的外表面接合的网状的金属构件115。即，将网状的金属构件115以接点连接在外部电极114的外表面。

专利文献1：WO2005/064700A1

专利文献2：特开2003-502870号公报

发明内容

专利文献1记载的层叠型压电部件101中，厚膜导体104a产生裂纹时，对埋设在厚膜导体104a并与其合为一体的金属丝网104b也同样施加应力，可能会跟随厚膜导体104a中产生的龟裂将金属丝网104b切断。即，金属丝网104b的加固效果不足。

另一方面，专利文献2记载的压电致动器111中，将网状的金属构件115以接点连接在外部电极114的外表面，但这种接点连接的接合力不足。因而，层叠型的压电体112在重复进行位移的过程中，存在接点连接部分处容易产生剥落的问题。尤其在压电体112位移大的部分的外表面，金属构件115与外部电极114以接点连接的情况下，外部电极114由于接点连接反而受到约束。因此，在重复进行位移的过程中，因外部电极114的上述接点连接而受到约束的部分进一步容易产生龟裂。

本发明的目的在于，鉴于上述已有技术的现状，提供一种具有用厚膜导体形成在压电体外表面的外部导体而且即使长期使用且压电体重复进行位移也不易产生外部导体导通欠佳的可靠性优良的压电致动器。

根据本发明，提供一种压电致动器，其配备具有压电陶瓷层的压电体、及形成在前述压电体的至少1个主面的外部导体，其中前述外部导体具有厚膜导体和导电性加固件，前述厚膜导体配备形成在前述压电体的至少1个主面的平面状的第1厚膜导体和形成在前述第1厚膜导体上的局部且与其面接触的第2厚膜导体，将前述导电性加固件与前述第2厚膜导体的外表面接合，使其不直接接触前述第1厚膜导体。

本发明所涉及的压电致动器的某特定方面中，第1厚膜导体的膜厚大于第2厚膜导体的膜厚，由此，进一步地不易产生第1厚膜导体与第2厚膜导体的接合部分的剥离。

本发明所涉及的压电致动器的其它的特定方面中，前述各厚膜导体是通过烧结含金属粉末、玻璃料和有机载色剂的导电浆料而形成的厚膜导体，将金属粉末和玻璃料的总计重量比率取为前述导电浆料中的85～95重量％的范围。此情况下，进一步有效提高第1厚膜导体对压电体的粘合强度及导电性加固件与第2厚膜导体的接合强度，进一步地不易产生外部导体的导通欠佳。

本发明所涉及的压电致动器的另一其它的特定方面中，对前述多个第2厚膜导体进行配置，使其形成框状的平面形状。此情况下，由于多个第2厚膜导体形成框状的平面形状，因此使第2厚膜导体与第1厚膜导体的接合力及第2厚膜导体与导电性加固件的接合力进一步提高。此情况下，作为多个第2厚膜导体，优选使用4个带状的厚膜导体，对该4个带状的厚膜导体进行配置，使其构成矩形框状的形状，此时，能进一步提高第2厚膜导体与第1厚膜导体的接合力及第2厚膜导体与导电性加固件的接合力。

本发明所涉及的压电致动器的又一其它的特定方面中，设置第1厚膜导体、第2厚膜导体，使第2厚膜导体的外周缘比前述第1厚膜导体的外周缘位于内侧，由此在外部导体的外周缘内侧形成台阶。形成台阶时，由于将施加于外部导体的应力分散到外部导体外周缘，因此能可靠地抑制外部电极的龟裂和断裂。

本发明所涉及的压电致动器中，在压电体的至少1个主面形成外部导体，外部导体具有厚膜导体和导电性加固件，厚膜导体配备上述平面状的第1厚膜导体和形成在第1厚膜导体上的局部且与其面接触的多个第2厚膜导体，将导电性加固件与第2厚膜导体的外表面接合，使其不直接接触第1厚膜导体，因而充分提高第1厚膜导体与第2厚膜导体的接合力。此外，还使导电性加固件不与第1厚膜导体直接接合。因而，第1厚膜导体即使产生裂纹或龟裂，该裂纹或龟裂也不易影响导电性加固件。所以，导电性加固件不易切断，从而能通过导电性加固件可靠地维持外部导体的面方向的导通性。因此，即使长期驱动压电致动器，压电体重复伸缩，将该伸缩所造成的位移加给外部导体，也不易发生第1厚膜导体、第2厚膜导体及导电性加固件的相互接合部分的剥离。因而，压电致动器中不易产生外部导体的导通欠佳，能有效提高压电致动器的可靠性。

附图说明

图1(a)、(b)和(c)所示为本发明实施方式1的压电致动器的外观的立体图、横向剖视图和纵向剖视图。

图2为实施方式1的压电致动器的分解立体图。

图3(a)、(b)和(c)所示为本发明实施方式2的压电致动器的外观的立体图、横向剖视图和纵向剖视图。

图4为实施方式2的压电致动器的外部导体的分解立体图。

图5为实施方式2的压电致动器的外部导体的俯视图。

图6所示为已有层叠型压电部件的局部切口正面剖视图。

图7所示为一例已有压电致动器的图解局部切口正面剖视图。

标号说明1...压电致动器，2...压电体，2a...上表面，2b...下表面，2c、2d...侧面，3...内部电极，4...内部电极，5...外部导体，6...外部导体，7...第1厚膜导体，8a、8b...第2厚膜导体，9...导电性加固件，11...压电致动器，15、16...外部电极，17...第1厚膜导体，18a～18d...第2厚膜导体。

具体实施方式

下面，参照附图通过说明本发明的具体实施方式，阐明本发明。

压电致动器1具有长方体状的层叠型的压电体2。层叠型的压电体2具有上表面2a、下表面2b、侧面2c和2d。连接侧面2c和侧面2d的方向是压电体2的长度方向。在压电体2内形成多个第1内部电极3和多个第2内部电极4，使其分别在与侧面2c、2d平行的方向延伸，即在上下方向延伸。

另外，将第1内部电极3和第2内部电极4交替配置在连接侧面2c和2d的方向上。将多个第1内部电极3引出到上表面2a，不到达下表面2b。将多个第2内部电极4引出到下表面2b，不到达上表面2a。如图1(c)所示，将第1、第2内部电极3、4配置成使其介于压电体层之中，在压电体2的中间高度位置相互重叠。

可用钛酸锆酸铅类陶瓷等适当的压电陶瓷构成层叠型压电体2。另外，用Ag或Ag-Pd那样的适当的金属或合金形成内部电极3、4。可通过在压电陶瓷的生片上印刷导电浆料或利用薄膜形成方法等形成此内部电极3、4。

在上表面2a上形成第1外部导体5，在下表面2b上形成第2外部导体6。第1外部导体5具有厚膜导体和导电性加固件9。厚膜导体具有直接形成在压电体2的上表面2a上的第1厚膜导体7和形成在第1厚膜导体7的外表面局部且与其面接触的多个第2厚膜导体8a、8b。本实施方式中，如图2的分解立体图所示，多个第2厚膜导体8a、8b具有带状即条带状的平面形状。

以隔开预定距离的方式平行配置第2厚膜导体8a、8b。使第2厚膜导体8a、8b的长度方向的尺寸小于具有矩形的平面形状的第1厚膜导体7的长度方向的尺寸。因而，从图1(a)、(c)看清，第2厚膜导体8a、8b的长度方向端部比第1厚膜导体7的长度方向端部位于内侧，形成箭头号A指示的台阶。

另外，在多个带状的第2厚膜导体8a、8b的外部导体5的宽度方向上位于外侧的侧缘8c、8d比第1厚膜导体7的宽度方向外侧端缘7a、7b位于内侧。因而在外部导体5形成图1(a)、(b)中箭头号B指示的台阶。

本实施方式中，利用由Ag(银)那样的金属组成的网状构件形成导电性加固件9。导电性加固件9具有矩形的平面形状，但导电性加固件9的宽度方向外侧端缘9a、9b比第2厚膜导体8a、8b的外侧的侧缘位于内侧。由此，在外部导体5设置箭头号C指示的台阶。

通过涂覆含金属粉末、玻璃料、有机载色剂和溶剂的导电浆料并进行烧结，形成上述第1厚膜导体7和第2厚膜导体8a、8b。不过，也可用其它方法形成厚膜导体7、8a、8b。

作为上述金属粉末，可用Ag、Ag-Pd合金等适当的金属粉末。作为上述玻璃料，可用硼硅酸类玻璃料等适当的玻璃料。另外，作为上述有机树脂粘合剂，可用乙基纤维素等纤维素类粘合剂那样的适当的导电浆料中所使用的有机树脂粘合剂。

优选使第1厚膜导体7的厚度大于第2厚膜导体8a、8b的厚度。由此，提高第1厚膜导体7对压电体2的接合强度及第1厚膜导体7与第2厚膜导体8a、8b的接合力，能进一步有效抑制导通欠佳。

另外，对上述导电浆料无特别限定，但优选使用金属粉末和玻璃料的总计重量比率占含溶剂的导电浆料总体的85～95重量％的导电浆料。通过将上述比率取为85重量％以上，能进一步有效提高所得到的各厚膜导体之间的接合强度及厚膜导体与导电性加固件的接合强度以及第1厚膜导体与层叠型的压电体2的接合强度。另外，上述比率超过95重量％时，溶剂的比率过小，难以糊化。

另外，本实施方式的层叠型压电体1中，由于形成上述台阶A、B，所以即使驱动时层叠型压电体2重复伸缩，伸缩所造成的应力也不易集中到外部导体5的部分外侧端缘。即，由于外部导体5中设置台阶A、B，使施加的应力在外部导体5的外周端缘部分分散，从而进一步地不易产生外部导体5的龟裂或剥离。

图3(a)、(b)和(c)所示为本发明实施方式2所涉及的压电致动器的立体图、横向剖视图和纵向剖视图。

实施方式2的压电致动器11与实施方式1的压电致动器1相同，也具有层叠型压电体2。而且，在层叠型压电体2的上表面2a形成第1外部导体15，在下表面2b上形成第2外部导体16。

实施方式2的压电致动器11与实施方式1的压电致动器1的不同点在于，外部导体15、16中，将多个第2厚膜导体18a～18d配置成使其平面形状具有矩形框状的形状。对于其它方面，与实施方式1的压电致动器1同样地构成实施方式2的压电致动器11，所以通过对相同的部分标注同一参考号，引用实施方式1的说明中已进行的说明。

如图4中用分解立体图示出外部导体15那样，在第1厚膜导体7上的局部形成4个带状的第2厚膜导体18a～18d，使其与该第1厚膜导体面接触。此情况下，将相互平行的一对带状的第2厚膜导体18a、18b在压电体2的长度方向延伸。而且，对与厚膜导体18a、18b正交的方向上延伸的一对第2厚膜导体18c、18d进行配置，使其形成矩形框状，使其对厚膜导体18a、18b的长度方向端部之间进行连接。

然后，将导电性加固件9以面接触方式接合在第2厚膜导体18a～18d上，使导电性加固件9的外周缘位于图4的虚线C所示的位置。图5所示为外部导体15的俯视图。

实施方式2的压电致动器11中，由于将多个第2厚膜导体18a～18d配置成具有框状的平面形状，所以即使驱动时层叠型压电体2重复进行位移，也进一步地不易产生该位移的应力所造成的外部导体15的局部剥离或龟裂。即，由于将多个第2厚膜导体18a～18d配置成具有矩形框状的平面形状，即使施加上述位移施加的应力中层叠型压电体2的上表面2a的面内方向的应力，第2厚膜导体18a～18d也不易因该应力而产生形变。从而，外部导体15中，即使由层叠型压电体2的位移而施加应力，也能进一步地不易产生外部导体15的局部龟裂或剥离。

此外，实施方式2中，将多个带状的第2厚膜导体18a～18d配置成具有矩形框状的平面形状，但也可配置成具有四边形以外的其它多边形框状或圆环状的形状。

另外，实施方式1、实施方式2中，设置前述台阶A、B，但本发明中也可未必设置台阶A、B。即，未必需要使第2厚膜导体的外周缘比第1厚膜导体的外周缘位于内侧。同样地，也未必需要使导电性加固件的外周缘比第2厚膜导体的外周缘位于内侧。不过，优选如实施方式1、实施方式2那样地，通过设置台阶A、B，从而如上所述，能够更有效地防止施加压电体2的位移所带来的应力时外部导体的局部龟裂或剥离。

实施方式2中，将多个第2厚膜导体18a～18d合为一体地形成矩形框状的平面形状，但后文阐述的试验例表明，也可利用导电浆料的丝网印刷等将多个厚膜导体18a～18d进一步形成为一个整体。即，可一体地形成多个第2厚膜导体，未必需要将其分别独立形成。

接着，说明具体的试验例。

(试验例1)

用下列方法制作实施方式2的压电致动器11。

使用3辊粉碎机对Ag粉末、B₂O₃-SiO₂-CaO类玻璃料、及作为有机树脂粘合剂的乙基纤维素和作为溶剂的萜品醇进行混合，从而得到导电浆料。此外，使导电浆料中的Ag和玻璃料的总计固体成分的重量比率为80重量％。

准备具有7mm×7mm×35mm的尺寸且用锆钛酸铅(PZT)类压电陶瓷所构成的层叠型的压电体2。在层叠型压电体2的上表面2a和下表面2b上，利用丝网印刷将上述导电浆料印刷成使得烧结后的外形尺寸为5mm×31mm。然后，使导电浆料干燥后，按矩形框状对同样的导电浆料作丝网印刷，以形成第2厚膜导体18a～18d。此情况下，将导电浆料印刷成使得矩形框状的平面形状在烧结后具有4.5mm×30mm的外形尺寸，另外框部分的宽度方向尺寸为1.5mm。

接着，作为导电性加固件9，放置具有4mm×28mm的矩形的平面形状且每平方英寸40个直径为150μm网眼的Ag网，将构成上述第2厚膜导体用的导电浆料加热，使其干燥。

然后，以740℃对形成上述第1、第2厚膜导体用的各导电浆料进行烧结，从而形成外部导体15、16。

为进行比较，作为已有例的压电致动器，准备以与上述相同的方法所得到的压电致动器，除了以下工序：即对形成上述第1厚膜导体用的导电浆料进行丝网印刷后埋设上述Ag网，然后对导电浆料进行烧结从而形成外部导体。此外，此已有例的压电致动器不形成第2厚膜导体。

对上述实施方式2和已有例的压电致动器的外部导体，使用由Sn-3Ag-0.5Cu组成的钎焊料，在350℃温度下焊接由漆包铜线组成且直径为250μm的导线。进一步地，为付予压电特性，对层叠型压电体2进行极化处理。

对上述那样处理后所得到的实施方式2和为比较而准备的已有例的各压电致动器，接通200V、30Hz的电流，进行100次驱动，测量极化处理后的位移量。将驱动100次后得到的位移量的平均值当作初始位移量。

将此初始位移量为40μm以上的压电致动器当作合格品。另外，测量时的样品数N在实施方式2和比较例中分别为5个。

另外，测量上述初始位移量后，以200V及200Hz重复进行通电试验，求出到达击穿的驱动循环数。此外，为了抑制驱动时的剩余位移，预先用金属板压住压电驱动器。上述驱动试验后，利用与初始位移量相同的方法测量位移量。将驱动试验后的位移量为40μm以上的样品当作合格品。此外，样品数N为3。

下面的表1中示出结果。

[表1]

已有例的压电致动器中，对于初始位移量和静电容容量未发现问题，但进行上述驱动试验时，往往在驱动循环数到达5.0×10⁸前停止。另外，驱动试验后的位移量和静电容容量变小。而且，驱动试验后观察样品的外观时，可知沿极化处理时产生的外部导体的裂纹，在外部导体中产生龟裂，埋设的Ag网也切断。

可认为这是由于Ag网切断等，产生放电，从而使驱动停止或位移量减小。

与此相对地，实施方式2的压电致动器中，驱动试验后位移量和静电容容量也足够大。另外，驱动试验后观察外观时，厚膜导体中发现裂纹，但Ag网中由于不怎么受厚膜导体约束，未发现切断。因而，可知其充分确保外部导体的面方向的导通性。

(试验例2)

接着，使试验例1中准备的导电浆料中的Ag粉末及玻璃料的总计固体成分的比率如下面的表2所示，在75.0～95.0重量％的范围内变化，准备5种导电浆料，分别使用该5种导电浆料，与试验例1同样地制作压电致动器。

对这样制作后得到的压电致动器与试验例1时同样地焊接导线并进行极化处理后，使用拉伸压缩试验机(今田制作所股份有限公司制，产品号：SV-201)施加外力，使导线远离层叠型压电体2，测量外部导体与压电体的接合强度。将拉伸速度取为20mm/分钟，样品数N＝10。下面的表2中示出结果。

[表2]

样品号	导电浆料中的固体成分(重量％)	接合强度(N)
样品号	导电浆料中的固体成分(重量％)	接合强度(N)	1	75.0	10.3
2	80.0	24.6	1	75.0	10.3
2	80.0	24.6	3	85.0	46.5
4	90.0	43.2	3	85.0	46.5
4	90.0	43.2	5	95.0	45.1

如表2所表明的，可知导电浆料中的固体成分在85～95重量％的范围的样品号3～5中，与其它样品号的情况相比，外部电极对压电体的粘合强度提高。可认为这是由于在80重量％以下的样品号1、2中，导电浆料的干燥时和烧结时的收缩量变大，厚膜导体的致密性降低。此外，固体成分比率超过95重量％时，不能糊化。

此外，上述实施方式中，作为导电性加固件，使用由Ag等组成的金属网，但也可使用例如于薄金属板形成多个孔的板状的导电性加固件。即，对导电性加固件的形状无特别限定。另外，对构成导电性加固件的金属也不限于Ag，也可用Cu或Al或各种合金。

Claims

1.一种压电致动器，配备

具有压电陶瓷层的压电体、以及

形成在所述压电体的至少1个主面的外部导体，

该压电致动器的特征在于，

所述外部导体具有厚膜导体和导电性加固件，

所述厚膜导体配备形成在所述压电体的至少1个主面的平面状的第1厚膜导体和形成在所述第1厚膜导体上的局部且与第1厚膜导体面接触的第2厚膜导体，

将所述导电性加固件与所述第2厚膜导体的外表面接合，使所述导电性加固件不直接接触所述第1厚膜导体。

2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，

所述第1厚膜导体的膜厚大于所述第2厚膜导体的膜厚。

3.如权利要求1或2所述的压电致动器，其特征在于，

所述各厚膜导体是通过烧结含金属粉末、玻璃料和有机载色剂的导电浆料而形成的厚膜导体，将金属粉末和玻璃料的总计重量比率取为所述导电浆料的85～95重量％的范围。

4.如权利要求1至3的任一项所述的压电致动器，其特征在于，

对所述多个第2厚膜导体进行配置，使其形成框状的平面形状。

5.如权利要求4所述的压电致动器，其特征在于，

具有作为多个所述第2厚膜导体的4个带状的厚膜导体，对该4个带状的厚膜导体进行配置，使其构成矩形框状的形状。

6.如权利要求1至5的任一项所述的压电致动器，其特征在于，

设置第1厚膜导体和第2厚膜导体，使第2厚膜导体的外周缘比所述第1厚膜导体的外周缘位于内侧，由此在外部导体的外周缘内侧形成台阶。