JP2000323762A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電アクチュエータ

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JP2000323762A
JP2000323762A JP11134405A JP13440599A JP2000323762A JP 2000323762 A JP2000323762 A JP 2000323762A JP 11134405 A JP11134405 A JP 11134405A JP 13440599 A JP13440599 A JP 13440599A JP 2000323762 A JP2000323762 A JP 2000323762A
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JP
Japan
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layer
electrode
insulating layer
piezoelectric
piezoelectric actuator
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JP11134405A
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English (en)
Inventor
Naoto Enoshima
尚登 榎島
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部電極/外部電極間の絶縁層の高耐マイグ
レーション性を確保すると同時に耐電圧を更に高めるこ
とを可能とした圧電アクチュエータを提供する。 【解決手段】 圧電素子1と内部電極2とを交互に積層
して一体に接合した積層体から成る圧電動作部10を有
し、個々の圧電素子1の積層方向両面にそれぞれ逆極性
の電位を印加するために、圧電動作部10の対向側面に、
それぞれ上記積層方向に連続した一対の外部電極5,5 を
設け、内部電極2を一層おきにその外縁で一対の外部電
極5,5 の一方と接続し他方と絶縁し、この絶縁のために
内部電極2の外縁と外部電極5との間に介在する絶縁層
3を備えた圧電アクチュエータにおいて、絶縁層3は内
部電極2の外縁に直接接合した内層31と外部電極5に直
接接合した外層32から成り、内層31は内部電極2の材料
に対する耐マイグレーション性が外層32より高く、外層
32は弾性率が内層31より低いことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子と内部電
極とを交互に積層して成る圧電アクチュエータに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来から、図1に示したように、圧電素
子1と内部電極2とを交互に積層して一体に接合した積
層体により圧電動作部10を構成した圧電アクチュエー
タが知られている。このタイプの圧電アクチュエータ
は、上記圧電素子1の積層方向両面にそれぞれ逆極性の
電位を印加するために、上記圧電動作部10の対向側面
に、それぞれ上記積層方向に連続した対向する一対の外
部電極5,5を設け、上記内部電極2を一層おきにその
外縁と上記一対の外部電極5,5の一方と接続し他方と
絶縁し、この絶縁を行うために上記内部電極2の外縁と
上記外部電極5,5との間に介在する絶縁層3を備えて
いる。
【0003】絶縁層3は、高耐電圧性を有する必要があ
ると共に、内部電極材料(Ag等)のエレクトロマイグ
レーションを防止する耐マイグレーション性も要求され
る。特に、アクチュエータの動作電圧が高い場合には、
耐マイグレーション性が重要になる。高耐電圧を有し、
耐マイグレーション性の優れた典型的な絶縁樹脂とし
て、ポリイミド樹脂が用いられている。更に高い動作電
圧が必要な場合には、絶縁層の厚さ方向の絶縁性を確保
するために、絶縁層を更に厚くする必要がある。しか
し、ポリイミド樹脂は機械強度や弾性率も高いため、厚
く形成するとキュア収縮により大きな内部応力が発生
し、アクチュエータの動作中に絶縁層の剥離が発生する
ことがある。そのため、内部電極/外部電極間の絶縁層
の高耐マイグレーション性の確保しながら耐電圧を更に
高めることに限界があった。
【0004】内部電極/外部電極間の絶縁層の亀裂発生
の防止策として、特開平7−169999号公報には、
内部電極の外縁に直接接合する応力緩和層をシリコン系
あるいはフッ素系などの離型剤で形成し、その上に弾性
エポキシ樹脂層を形成する方法が提案されている。しか
し、この方法では、シリコン系あるいはフッ素系の応力
緩和層では内部電極の材料のマイグレーションに対する
高耐マイグレーション性が得られない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、内部電極/
外部電極間の絶縁層の高耐マイグレーション性を確保す
ると同時に耐電圧を更に高めることを可能とした圧電ア
クチュエータを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と内部
電極とを交互に積層して一体に接合した積層体から成る
圧電動作部を有し、個々の上記圧電素子の積層方向両面
にそれぞれ逆極性の電位を印加するために、上記圧電動
作部の対向側面に、それぞれ上記積層方向に連続した一
対の外部電極を設け、上記内部電極を一層おきにその外
縁で上記一対の外部電極の一方と接続し他方と絶縁し、
この絶縁のために上記内部電極の外縁と上記外部電極と
の間に介在する絶縁層を備えた圧電アクチュエータにお
いて、上記絶縁層は上記内部電極の外縁に直接接合した
内層と上記外部電極に直接接合した外層から成り、上記
内層は上記内部電極の材料に対する耐マイグレーション
性が上記外層より高く、上記外層は弾性率が上記内層よ
り低いことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の圧電アクチュエータは、
内部電極/外部電極間の絶縁層が、内部電極の外縁に直
接接合した内層と外部電極に直接接合した外層とから成
り、内層は内部電極の材料に対する耐マイグレーション
性が外層より高く、外層は弾性率が内層より低い構成と
した。
【0008】アクチュエータの動作電圧を高める際に、
内部電極材料のマイグレーションを防止するのに必要な
絶縁層の厚さは、絶縁層厚さ方向の耐電圧を確保するの
に必要な厚さのに比べて小さくてよい。すなわち、内層
は余り厚く形成しなくとも耐マイグレーション性を確保
できる。耐マイグレーション性を付与する内層の材料と
しては、ポリイミド樹脂が適している。
【0009】一方、絶縁層厚さ方向の耐電圧を確保する
ためには、内層よりも弾性率の低い外層を厚く形成す
る。キュア収縮が起きたときに、外層の低弾性率材料に
発生する内部応力は、内層の高弾性率材料に発生する内
部応力より小さい。したがって、従来のように内層と同
じ材料で絶縁層全体を形成したときに比べて、本発明に
より外層を低弾性率の材料で形成することにより、キュ
ア収縮により絶縁層に発生する内部応力を低減できるの
で、アクチュエータ作動中の絶縁層の剥離を防止できる
絶縁層厚さが増大し、絶縁層厚さ方向の耐電圧を高める
ことができる。
【0010】高耐マイグレーション性を備え高弾性率の
内層を形成するポリイミド樹脂に対して、低弾性率の外
層を形成する材料としては、ポリエーテルアミド樹脂、
シリコーン樹脂、テトラフルオロエチレン樹脂が適して
いる。以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明す
る。
【0011】
【実施例】PZT圧電素子(直径φ14mm、厚さ0.5
mm)と、Ag内部電極およびAg外部電極を備えた図1
の構造の圧電動作部を有する圧電アクチュエータを作製
した。ただし、内部電極2と外部電極5との間に介在さ
せる絶縁層3は、表1に示したように従来の1層構造の
ものまたは本発明による2層構造のものを形成した。
【0012】本発明による2層構造の絶縁層は、図2に
示したように絶縁層3が内部電極に直接接合した内層3
1と外部電極に直接接合した外層32とから成る。本発
明による2層構造の絶縁層を有する圧電アクチュエータ
は下記の手順で作製した。先ず、圧電素子1と内部電極
2の積層体の側面に、内部電極2の外縁とその両側のP
ZT素子表面の一部を覆うようにポリイミドを塗布し、
80℃で乾燥した後、340℃でキュアすることによ
り、厚さ10μmのポリイミド樹脂から成る内層31を
形成した。
【0013】次いで、上記の内層31全体を覆うように
ポリエーテルアミドを塗布し、80℃で乾燥した後、1
80℃でキュアすることにより、厚さ20μmのポリエ
ーテルアミド樹脂から成る外層32を形成した。その
後、Agペーストの塗布・乾燥・焼き付けにより、外部
電極5を形成した。
【0014】従来の1層構造の絶縁層を有する圧電アク
チュエータは下記の手順で形成した。圧電素子1と内部
電極2の積層体の側面に、内部電極2の外縁とその両側
のPZT素子表面の一部を覆うようにポリイミドを塗布
し、80℃で乾燥した後、340℃でキュアすることに
より、厚さ10μmまたは20μmのポリイミド樹脂か
ら成る絶縁層3を形成した。また、ポリイミドの代わり
にポリエーテルアミドを塗布し、80℃で乾燥した後、
180℃でキュアすることにより、厚さ20μmのポリ
エーテルアミド樹脂から成る絶縁層3を形成した。
【0015】その後、Agペーストの塗布・乾燥・焼き
付けにより、外部電極5を形成した。作製した各圧電ア
クチュエータについて下記条件で高温作動試験を行っ
た。 〔高温作動試験条件〕 雰囲気 :120℃ 印加電圧:−200V〜+400V 周波数 :100Hz 〔評価項目〕ショートが発生した作動回数。
【0016】試験結果も表1にまとめて示す。
【0017】
【表1】 表1に示したように、本発明により厚さ10μmのポリ
イミド樹脂から成る内層と厚さ20μmのポリエーテル
アミドから成る外層の2層で構成した絶縁層を備えた圧
電アクチュエータは、1×108 回の作動回数でもショ
ートは発生しなかった。
【0018】これに対して、従来の1層構造の絶縁層を
備えた圧電アクチュエータは、いずれもショートが発生
した。すなわち、従来例1は、厚さ10μmのポリイミ
ド樹脂から成る1層構造の絶縁層を形成したが、絶縁層
厚さの不足により耐電圧が不足したため、作動回数2×
107 回で、内部電極の外縁から絶縁層を厚さ方向に貫
通して外部電極に至る経路でショートが発生した。
【0019】従来例2は、厚さ20μmのポリイミド樹
脂から成る1層構造の絶縁層を形成したが、ポリイミド
のキュア収縮時に大きな内部応力が発生したため、作動
回数3×107 回で、絶縁層と内部電極外縁および両隣
の圧電素子との界面が剥離し、この剥離箇所を経路とし
てショートが発生した。従来例3は、厚さ20μmのポ
リエーテルアミドから成る1層構造の絶縁層を形成した
が、ポリエーテルアミドの耐マイグレーション性が不足
したため、内部電極材料であるAgのマイグレーション
が起きて内部電極外縁から絶縁層を厚さ方向に貫通して
外部電極に至る経路でショートが発生した。
【0020】なお、比較例として、本発明によるポリイ
ミド内層/ポリエーテルアミド外層の組み合わせに対し
て、層の構成材料の順序を逆転させたポリエーテルアミ
ド内層/ポリイミド外層という組み合わせも想定でき
る。しかし実際には、キュア温度の高いポリイミドを先
にキュアし、その後でキュア温度の低いポリエーテルア
ミドをキュアする順序のみが実行可能であり、その逆は
実行できない。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
内部電極/外部電極間の絶縁層の高耐マイグレーション
性を確保すると同時に耐電圧を更に高めることを可能と
した圧電アクチュエータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、圧電アクチュエータの圧電動作部を示
す断面図である。
【図2】図2は、本発明による圧電アクチュエータの内
部電極/外部電極間に介在させる2層構造の絶縁層とそ
の周辺を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
1…圧電素子 2…内部電極(または内部電極形成用導電ペースト) 3…絶縁層 31…絶縁層3の内層 32…絶縁層3の外層 5…外部電極 10…圧電動作部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電素子と内部電極とを交互に積層して
    一体に接合した積層体から成る圧電動作部を有し、個々
    の上記圧電素子の積層方向両面にそれぞれ逆極性の電位
    を印加するために、上記圧電動作部の対向側面に、それ
    ぞれ上記積層方向に連続した一対の外部電極を設け、上
    記内部電極を一層おきにその外縁で上記一対の外部電極
    の一方と接続し他方と絶縁し、この絶縁のために上記内
    部電極の外縁と上記外部電極との間に介在する絶縁層を
    備えた圧電アクチュエータにおいて、 上記絶縁層は上記内部電極の外縁に直接接合した内層と
    上記外部電極に直接接合した外層とから成り、上記内層
    は上記内部電極の材料に対する耐マイグレーション性が
    上記外層より高く、上記外層は弾性率が上記内層より低
    いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 前記高弾性率の層がポリイミド樹脂から
    成り、前記低弾性率の層がポリエーテルアミド樹脂、シ
    リコーン樹脂およびテトラフルオロエチレン樹脂から成
    る群から選択した1種から成ることを特徴とする請求項
    1記載の圧電アクチュエータ。
JP11134405A 1999-05-14 1999-05-14 圧電アクチュエータ Pending JP2000323762A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005086110A (ja) * 2003-09-10 2005-03-31 Denso Corp 積層型圧電体素子
JP2019514198A (ja) * 2016-03-16 2019-05-30 コンチネンタル オートモーティヴ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングContinental Automotive GmbH 圧電アクチュエータ素子および圧電アクチュエータ素子を製造する製造方法
JP2022102224A (ja) * 2020-12-25 2022-07-07 Tdk株式会社 振動デバイス

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JP7489313B2 (ja) 2020-12-25 2024-05-23 Tdk株式会社 振動デバイス

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