JPH1126828A

JPH1126828A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1126828A
Application number: JP9173840A
Authority: JP
Inventors: Makoto Higashibetsupu; 誠東別府; Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚; Takeshi Setoguchi; 剛瀬戸口; Koki Ashida; 幸喜芦田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】接続用突起部の断線や、接続用突起部同士のハ
ンダによる接続部の断線を防止することができる積層型
圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】積層された複数の圧電板１と、これらの圧
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と接合された接続用突起部７を有する金属薄
板３とを具備し、接続用突起部７を２つの方向に交互に
圧電板１から突出させて、一方側に突出させた複数の接
続用突起部７および他方側に突出させた複数の接続用突
起部７の先端部を、圧電板１の外周面から０．８〜１．
５ｍｍ離間した位置で折曲し、その折曲部１１を接続部
材９により電気的に接続してなり、接続部材９と圧電板
１の外周面との間隙に１×１０⁵〜１×１０⁷Ｐａの弾
性率を有するシリコーンゴム１７を充填してなるもので
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】従来から、電極が形成された圧電板を複数
枚積層して形成された積層型圧電アクチュエータが知ら
れていた。このような積層型圧電アクチュエータでは、
圧電板に電圧を印加して逆圧電効果によって数十μｍ程
度伸長させ、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、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起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
性の接続用突起部に重なり合わせて接合し導通させ、接
続用突起部と圧電板の外周縁との空隙（間隔０．５ｍ
ｍ）に、弾性率が０．３〜１０ｋｇｆ／ｍｍ²の絶縁コ
ーティング材（シリコーン系）を充填するとともに、積
層体全面に前記絶縁コーティング材を被覆した積層型圧
電アクチュエータが開示されている（実開平３−５０３
５７号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】積層型圧電アクチュエ
ータは高速で繰り返し駆動するため、接続用突起部や、
接続用突起部同士のハンダによる接続部に応力が集中
し、この応力集中を緩和するため、上記実開平３−５０
３５７号公報に開示された積層型圧電アクチュエータで
は、弾性率が０．３〜１０ｋｇｆ／ｍｍ²の絶縁コーテ
ィング材（シリコーン系）を用いているが、未だ接続用
突起部が断線したり、接続用突起部同士のハンダによる
接続部で断線し、変位量が低下するという問題があっ
た。

【０００６】即ち、実開平３−５０３５７号公報に開示
された積層型圧電アクチュエータでは、絶縁コーティン
グ材の弾性率が低いため、圧電積層体の歪みに接続用突
起部の歪みが追随できず、圧電積層体から突出した接続
用突起部の根元部分に応力が集中し、破損し易いという
問題があった。また絶縁コーティング材の形状保持が困
難であり、外的衝撃に弱く、さらに取り扱いが困難であ
るという問題があった。

【０００７】また、接続用突起部と圧電板の外周縁との
距離が０．５ｍｍであり、短いため、接続用突起部を介
して接続用突起部同士のハンダによる接続部に伝達され
る応力が大きく、この接続部で断線し易いという問題が
あった。

【０００８】さらに、接続用突起部と圧電板の外周縁と
の距離が０．５ｍｍであり、短いため、この間で放電が
発生し易いという問題があった。特に、近年において
は、より大きな変位を得るために高電圧が印加されるた
め、その傾向がより高い。

【０００９】本発明は、高速で作動する場合でも、接続
用突起部の断線や、接続用突起部同士のハンダによる接
続部の断線を防止することができるとともに、放電を抑
制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。

【００１０】

【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、積層された複数の圧電板と、これらの圧
電板の間にそれぞれ介装され、且つ導電性接着剤により
前記圧電板と接合された接続用突起部を有する金属薄板
とを具備し、前記接続用突起部を２つの方向に交互に前
記圧電板から突出させて、一方側に突出させた複数の接
続用突起部および他方側に突出させた複数の接続用突起
部の先端部を、前記積層された圧電板の外周面から０．
８〜１．５ｍｍ離間した位置で折曲し、それらの折曲部
を接続部材によりそれぞれ接続するとともに、前記折曲
部と前記圧電板の外周面との間隙に１×１０⁵〜１×１
０⁷Ｐａの弾性率を有するシリコーンゴムを充填してな
るものである。

【００１１】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、接続
用突起部の先端部を折曲して、その折曲部を、同極の接
続用突起部にハンダ等により接続する場合や、同極の接
続用突起部の折曲部を別の部材である接続部材にハンダ
等により接続する場合において、接続用突起部の折曲部
と圧電板外周面との間隙が０．８〜１．５ｍｍであり、
間隙が広いため、圧電板から伝達される歪みが緩和さ
れ、繰り返し駆動中において、接続用突起部同士のハン
ダ等による接続部、あるいは接続用突起部の折曲部と接
続部材とのハンダ等による接続部に集中する応力を低減
することができ、接続部での断線を防止し、高速の連続
駆動に対しても接続部の劣化が小さく長時間の運転が可
能となる。

【００１２】さらに、接続用突起部の折曲部と圧電板外
周面との間隙が広いため、例えば、正極の接続用突起部
の折曲部と、圧電板の間に介装された負極の電極薄板間
における放電を抑制することができる。

【００１３】一方、上記間隙が大きい程、接続用突起部
の根元部分に応力集中し、変形し易く、断線し易いが、
本願発明では、接続用突起部の折曲部と圧電板の外周面
との間隙に、実開平３−５０３５７号公報よりも高い弾
性率を有するシリコーンゴムを充填したので、圧電体の
変形に対して追随し、接続用突起部の根元部分における
応力集中が抑制され、接続用突起部の根元部分の変形や
断線が防止される。

【００１４】また、適度な弾性率を有するため、シリコ
ーンゴムの形状保持が容易であり、外的衝撃に強く、さ
らに取り扱いが容易となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の積層型
圧電アクチュエータの断面図を示すもので、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）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）を主成分とす
る焼結体である。

【００１６】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。

【００１７】特に、金属成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、
Ｚｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｔｅと、ＳｒおよびＢａのうち少な
くとも一種を含む複合ペロブスカイト型化合物であっ
て、これらの金属元素のモル比組成式を、Ｐｂ_1-x-yＳ
ｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔ
ｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-cＯ₃と表わした時、ｘ、
ｙ、ａ、ｂ、ｃのモル比が、０≦ｘ≦０．１２、０≦ｙ
≦０．１２、０＜ｘ＋ｙ、０．０５≦ａ≦０．１２、０
≦ｂ≦０．０１５、０．４３≦ｃ≦０．５２を満足する
基本成分１００重量部に対して、等モル比からなるＰｂ
ＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．２〜１．２重量部添加
含有してなる圧電磁器組成物が望ましい。

【００１８】この圧電板の厚みｔは、小型化および高い
電圧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。

【００１９】そして、複数の圧電板１が積層されてお
り、その間には２層の導電性接着層２が形成され、それ
らの導電性接着層２間には金属薄板３が介装されてい
る。これらの金属薄板３は、図３に示すように、円板部
５と接続用突起部７とから構成され、接続用突起部７が
円板部５の径方向に突出している。

【００２０】金属薄板３は、図２に示したように、その
接続用突起部７が交互に１８０度反対を向くように、圧
電板１の間に介装されている。接続用突起部７を９０度
ずつ交互に配置し、４方向を向くようにしても良い。こ
れらの金属薄板３は、その接続用突起部７の位置により
正電極用金属薄板３ａ及び負電極用金属薄板３ｂとされ
ている。そして、正電極用金属薄板３ａの接続用突起部
７の先端部が折曲され、その折曲部１１が接続部材９に
ハンダにより接続され、また負電極用金属薄板３ｂの接
続用突起部７の先端部が折曲され、その折曲部１１が接
続部材９にハンダにより接続されている。

【００２１】使用する金属薄板３および接続部材９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。金属薄板３及び接続部材９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、２０〜１００μｍのものが好ましい。また、金
属薄板３としては、その円板部５が他の金属薄板３との
短絡や放電を防止するために、積層圧電体の外周面に露
出しないように、圧電板１よりも小さいことが望まし
い。

【００２２】金属薄板３の接続用突起部７の折曲部１１
と圧電板１の外周面の間隙Ｌは、０．８〜１．５ｍｍと
されている。このようなクリアランスを設けた理由は、
Ｌが０．８ｍｍより短い場合には、連続駆動を行うと繰
り返し振動により、折曲部１１と接続部材９とのハンダ
による接続部１５に応力集中し、接続部１５で断線等の
接続不良が生じ易く、また、例えば、正極の折曲部１１
と、負極用金属薄板３ｂの円板部５端との距離が短くな
り、この間で放電が発生し易くなるからである。Ｌが
１．５ｍｍより長い場合には接続部１５の応力集中によ
る接続不良は発生しにくくなるものの、積層型圧電アク
チュエータ自体が大型化したり、圧電板１の変形に接続
用突起部７が追随できなくなり、接続用突起部７の根元
部分Ａに応力が集中し、破損する場合があるからであ
る。間隙Ｌは、上記理由から１．０〜１．５ｍｍが望ま
しい。接続部１５はハンダだけでなく、溶接により接合
しても良い。

【００２３】導電性接着層２は、上記したように、導電
性接着層用ペーストを圧電板１に塗布し乾燥することに
より形成されるが、この導電性接着層用ペーストは、Ａ
ｇ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層用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。導電性接着層用ペーストは、特に、Ａｇ粉末
を４０〜６０重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃か
らなるガラス成分４０〜６０重量％とからなることが望
ましい。

【００２４】そして、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、図１および図２に示したように、積層体全体が
１×１０⁵〜１×１０⁷Ｐａの弾性率を有するシリコー
ンゴム１７で被覆している。即ち、折曲部１１と圧電板
１の外周面との間隙Ｌに上記シリコーンゴム１７が充填
されており、また、圧電板１の外周面に上記シリコーン
ゴム１７が被覆されている。

【００２５】このシリコーンゴム１７を折曲部１１と圧
電板１の外周面との間隙に充填する方法としては、粘度
等の条件を調整し、真空脱法など減圧下で空隙内にシリ
コーンゴム１７を充分に充填することが必要である。接
続部材９の外面等を被覆するシリコーンゴム１７につい
ては、接続部１５の応力緩和を拘束しないように被覆す
る。

【００２６】本願においては、シリコーンゴム１７の弾
性率を１×１０⁵〜１×１０⁷Ｐａとしたのは、１×１
０⁷Ｐａよりも大きな弾性率を有する場合には、接続部
１５がシリコーンゴム１７により拘束されたり、シリコ
ーンゴム１７によりに圧電体１自体の変位が抑制される
からである。弾性率が１×１０⁵よりも小さい場合に
は、接続用突起部７が圧電体の変位に追随できず、接続
用突起部７の根元部分Ａに応力が集中するからである。

【００２７】シリコーンゴム１７の弾性率は、上記理由
から１×１０⁶〜１×１０⁷Ｐａが望ましい。一般的な
シリコーンゴムの弾性率は５×１０⁷〜８×１０⁷Ｐａ
であるが、本発明のシリコーンゴム１７の弾性率は、例
えば、シリコーン系の鎖状高分子の相互間を化学的に結
合し、架橋密度を小さくすることによって低弾性率を達
成したものである。尚、図２においては、正電極用金属
薄板と負電極用金属薄板が理解し易いように、シリコー
ンゴム１７の一部を除去して記載した。

【００２８】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。また、図１では、接続用突起部を折曲して、そ
の折曲部を接続部材に接続した例について説明したが、
本発明では、接続用突起部を折曲して、その折曲部を同
極の接続用突起部に接続しても良い。この場合には接続
部材は、接続用突起部の折曲部と、この折曲部を接続す
る同極の接続用突起部により構成されることになる。

【００２９】

【実施例】Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓ
ｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-c
Ｏ₃と表わした時、ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０２、ａ＝
０．０７５、ｂ＝０．００５、ｃ＝０．４７を満足する
基本成分１００重量部に対して、等モル比からなるＰｂ
ＯおよびＮｂ₂Ｏ₅を合量で０．５重量部添加含有した
ＰＺＴ焼結体の両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み
０．５ｍｍの円板状の圧電板を形成した。

【００３０】この圧電板の両主面に、Ａｇ粉末５５重量
％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃を主成分とするガラス
４５重量％の電気伝導性ペーストを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３に示し
たような２ｍｍ×２ｍｍの接続用突起部を有する直径１
９ｍｍの円形に打ち抜き、金属薄板とし、この金属薄板
を圧電板の間に挟み込み、圧電板を１００層積層して積
層体を形成した。

【００３１】尚、金属薄板の接続用突起部は一層おきに
同じ位置にくるように、交互に配置した。圧電板を１０
０層積層した積層体は、位置ずれが生じないように軽く
圧力を加えた後、積層体の上部に約３ｋｇの重りを乗せ
て、６００℃、１時間で加圧接合した。

【００３２】次に、図１に示したように、圧電板の径方
向に突出した接続用突起部の先端部を軸方向に各々折曲
げ、その折曲部を接続部材にハンダで接続した。その
際、金属薄板の接続用突起部の折曲部と圧電板の外周面
の距離Ｌは０．８ｍｍとした。

【００３３】また、外装樹脂は１×１０⁷Ｐａの弾性率
を有するシリコーンゴムで被覆した。

【００３４】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っ
た。

【００３５】得られた積層型圧電アクチュエータに２Ｋ
Ｎの荷重を印加し、５００Ｖの直流電圧を印加した結
果、４４．２μｍ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の直流電界を１０Ｈｚの
周波数にて、印加回数１×１０⁹回まで印加する耐久試
験を行ったが、電極部（接続用突起部と接続部材との接
続部）の断線はなく、耐久試験後の変位量も４４．０μ
ｍであった。

【００３６】また、外装樹脂の種類、外装樹脂の弾性
率、距離Ｌを変化させ、上記と同様にして耐久試験を行
った。その結果を表１に記載する。尚、上記例について
は、試料Ｎo.３として記載した。

【００３７】

【表１】

【００３８】この表１から、本発明の試料では、弾性率
が１×１０⁵〜１×１０⁷、距離Ｌが０．８〜１．５ｍ
ｍの場合には耐久試験を行った場合でも電極部の断線が
生じず、変位量も低下しないことが判る。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。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、接
続用突起部の折曲部と圧電板外周面との間隙が０．８〜
１．５ｍｍであり、間隙が広いため、圧電板から伝達さ
れる歪みが緩和され、繰り返し駆動中において、接続用
突起部同士のハンダ等による接続部、あるいは同極の接
続用突起部の先端部を別の部材である接続部材に接続し
たハンダ等による接続部に、集中する応力を低減するこ
とができ、接続部での断線を防止し、高速の連続駆動に
対しても接続部の劣化が小さく長時間の運転ができる。
また、接続用突起部の折曲部と圧電板外周面との間隙が
大きいため、正極と負極の電極間での放電を抑制でき
る。さらに、接続部材と圧電板の外周面との間隙に、実
開平３−５０３５７号よりも高い弾性率を有するシリコ
ンゴムを充填したので、圧電体の変形に対して追随で
き、接続部材の根元部分における応力集中が抑制され、
接続用突起部の根元部分の変形、断線を防止できる。

【００４０】従って、湿度が高い場合や印加電圧が高い
場合でも、繰り返し駆動による変位量の劣化や電極接続
部の断線を抑制することができ、信頼性の高い積層型圧
電アクチュエータを提供できる。

【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縦断
面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】図１の金属薄板を示す平面図である。

【符号の説明】

１・・・圧電板２・・・導電性接着層３・・・金属薄板７・・・接続用突起部９・・・接続部材１１・・・折曲部１５・・・接続部１７・・・シリコーンゴム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芦田幸喜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

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の圧電板と、これらの圧電
板の間にそれぞれ介装され、且つ導電性接着剤により前
記圧電板と接合された接続用突起部を有する金属薄板と
を具備し、前記接続用突起部を２つの方向に交互に前記
圧電板から突出させて、一方側に突出させた複数の接続
用突起部および他方側に突出させた複数の接続用突起部
の先端部を、前記積層された圧電板の外周面から０．８
〜１．５ｍｍ離間した位置で折曲し、それらの折曲部を
接続部材によりそれぞれ接続するとともに、前記折曲部
と前記圧電板の外周面との間隙に１×１０⁵〜１×１０
⁷Ｐａの弾性率を有するシリコーンゴムを充填してなる
ことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。