JPH09307149A

JPH09307149A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09307149A
Application number: JP12003396A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚; Shuichi Fukuoka; 修一福岡; Makoto Higashibetsupu; 誠東別府; Takeshi Setoguchi; 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】湿度が高い場合や印加電圧が高い場合でも、放
電を抑制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１１と、これらの
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と接合された接続用突起部１６を有す
る金属薄板１５とを具備し、接続用突起部１６を２つの
方向に交互に圧電板１１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１６および他方側に突出させ
た複数の接続用突起部１６を、積層された圧電板１１の
外周部から離間した位置で接続部材１７により電気的に
接続してなり、接続部材１７と圧電板１１の外周部の間
に形成された空隙３１に耐水性樹脂３３を充填してな
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（例えば特公昭５６ー５０４３４号
公報参照）。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（Ｚｒ
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点があった。

【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を重なり合
わせて導通させ、接続用突起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】しかしながら、特開平
４−３７０９８７号に開示された積層型圧電アクチュエ
ータでは、接続用突起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、接続用突起部
と他の金属電極との短絡を防止できるが、未だスペーサ
と圧電板とはわずかな隙間があり、圧電板の外周面に沿
った沿面放電を有効に防止できず、この圧電アクチュー
タでは未だ放電が生じ易く、特に湿度が高い場合には顕
著に生じ易く、積層型圧電アクチュエータが破損し易い
という問題があった。

【０００６】また、近年、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
ことが行われるが、上記特開平４−３７０９８７号の圧
電アクチュエータでは、高い電圧を印加すると沿面放電
の可能性がさらに高くなり、破損し易いという問題があ
った。

【０００７】さらに、圧電板が積層された積層圧電体の
外周面が露出していたため、この部分における放電が発
生する虞があった。

【０００８】本発明は、湿度が高い場合や印加電圧が高
い場合でも、放電を抑制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ことを目的とする。

【０００９】

【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
部を、前記積層された圧電板の外周部から離間した位置
でそれぞれ接続部材により電気的に接続してなる積層型
圧電アクチュエータであって、前記接続部材と前記積層
された圧電板の外周部との間に形成された空隙に耐水性
樹脂を充填してなるものである。

【００１０】ここで、全体が耐水性樹脂で被覆されてい
ることが望ましい。また、全体が耐電圧材料で被覆さ
れ、さらに、耐水性樹脂で被覆されていることが望まし
い。

【００１１】

【作用】本発明の積層型圧電アクチュエータでは、接続
用突起部の接続部材と圧電板の外周部との間の空隙に
は、隙間がないように耐水性樹脂が充填されているの
で、正極側の接続用突起部と他の負極側の金属薄板との
絶縁性を確保して、沿面放電を抑制でき、これにより、
高い電圧を圧電板に印加し、大きい変位量を確保するこ
とができる。

【００１２】また、圧電板が複数積層された積層圧電体
の外周面に耐水性樹脂を被覆することにより、放電をさ
らに防止でき、また、耐水性樹脂による被覆とともに耐
水性樹脂による接続部材と積層圧電板の外周部との間の
空隙の充填を同時に行うことができるので製造も容易で
ある。

【００１３】さらに、積層圧電体を耐電圧材料で被覆し
た後、耐水性樹脂で被覆することにより、この耐水性樹
脂により積層圧電体の沿面放電を抑制でき、さらにま
た、放電した場合でも耐電圧材料の被覆層により圧電板
の破損を防止できる。

【００１４】また、本発明では、接合部における機械的
損失を小さくすることができるため、電界印加時に発生
する変位ヒステリシスが小さく、繰り返し使用後の変位
量の低下が小さく、寿命の長い圧電アクチュエータを提
供することができる。

【００１５】

【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（ＺｒＴｉ）Ｏ₃
（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする焼結体である。

【００１６】圧電板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による組成式を、Ｐｂ
_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2
Ｔｅ_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≦０．１
２、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ＰｂＯ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１１が積層されてお
り、その間には導電性接着層１３が形成され、導電性接
着層１３間には金属薄板１５が介装されている。これら
の金属薄板１５には、図２に示すように、接続用突起部
１６および接続部材１７が一体的に形成されており、圧
電板１１の径方向に突出している。また、接続用突起部
１６は、図１に示したように交互に１８０度反対を向く
ように、金属薄板１５が圧電板１１の間に介装されてお
り、これらの金属薄板１５は、その接続用突起部１６の
位置により正電極用金属薄板１９，負電極用金属薄板２
１とされている。そして、正電極用金属薄板１９の接続
用突起部１６が接続部材１７により相互に電気的に接続
され、また負電極用金属薄板２１の接続用突起部１６が
接続部材１７により相互に電気的に接続されている。こ
の図１では、接続用突起部１６と接続部材１７が一体的
に形成されている。

【００２０】使用する金属薄板１５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１５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、金属薄板１５としては、他の金属
薄板１５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１１よりも小さい
ことが望ましい。

【００２１】金属薄板１５の接続用突起部１６および接
続部材１７を構成する部分は、図２に示すように、縦１
〜３ｍｍ、横１ｍｍ以上が望ましい。

【００２２】接続部材１７の長さａは０．５〜２．４ｍ
ｍが望ましい。これは、接続部材１７の長さａが０．５
ｍｍより短い場合には接続不良が生じ易く、接続部材１
７の長さａが２．４ｍｍより長い場合には当接部が３重
に接合されることがあるからである。

【００２３】さらに、他の接続部材１７との当接部分の
長さｂは０．２〜１．２ｍｍが望ましい。これは、ｂが
０．２ｍｍより短い場合には接続不良が生じ易く、ｂが
１．２ｍｍより長い場合には、３重に接合されることが
あり、空隙部の距離ｃを圧迫し、放電が発生し易くなる
からである。

【００２４】接続部材１７と積層圧電体の外周部との距
離ｃは、０．２〜０．６ｍｍが望ましい。これは、ｃが
０．２ｍｍより短い場合には．放電が生じ易く、ｃが
０．６ｍｍより長い場合には放電が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するから
である。

【００２５】圧電板１１の厚みｔと、接続部材１７の長
さａ、当接部分の長さｂ、距離ｃとの関係は、接続部材
１７の長さａが厚みｔの約４倍、当接部分の長さｂが厚
みｔより大きく、厚みｔの２倍より小さく、さらに、距
離ｃは厚みｔとほぼ同じか、それ以上であることが望ま
しい。

【００２６】導電性接着層１３は、上記したように、導
電性接着層用ペーストを圧電板１１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、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層用ペーストに含有され
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。

【００２７】そして、接続部材１７と圧電板１１の外周
部との間の空隙３１は、隙間がないように耐水性樹脂３
３で充填されている。使用される耐水性樹脂３３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。

【００２８】空隙３１を耐水性樹脂３３で充填するに
は、粘度等の条件を調整し、空隙３１内に耐水性樹脂３
３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３３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。

【００２９】また、本発明では、図３に示すように、積
層圧電体の外周面が耐水性樹脂層３５で被覆されている
ことが望ましい。これは、積層圧電体における沿面放電
を防止できるからである。しかしながら、湿度等が高い
場所で使用する場合には、この部分で一旦放電すると被
覆した樹脂が炭化して導通し、圧電板１１が破損し、圧
電アクチュエータが使用不可能となる虞がある。このた
め、図４に示すように積層圧電体の外周面を耐電圧性材
料の耐電圧層３７で被覆した後、耐水性樹脂層３５によ
り被覆することが望ましい。この耐電圧層３７により、
放電が生じた場合でも圧電板１１の破損を防止できる。

【００３０】耐水性樹脂としては、上記空隙充填用の樹
脂と同様のものが使用でき、このような耐水性樹脂層
は、空隙の充填と同時に行うことができる。耐水性樹脂
層は、耐水性樹脂を刷毛等で塗布したり、ペースト中に
浸漬して形成できる。耐水性樹脂層の厚みは、耐水性向
上という点で５０μｍ以上であることが望ましい。

【００３１】また、耐電圧材料としては、例えば、加熱
接合温度（４００〜６００℃）で溶融するＰｂＯ−Ｓｉ
Ｏ₂−Ｂ₂Ｏ₃ガラスが望ましい。このような耐電圧材
料は、予め圧電板の外周面に耐電圧層を形成し、このよ
うな圧電板を積層し、加圧しながら加熱して圧電板同士
を接合すると同時に、圧電板の外周面の耐電圧層が溶融
し、積層圧電体全面を耐電圧材料で被覆することができ
る。

【００３２】このような積層型圧電アクチュエータは、
圧電板１１の両面にそれぞれ導電性ペーストを塗布し、
この導電性接着層用ペーストを乾燥した後、複数の圧電
板１１の間、即ち、上記導電性接着層用ペースト間に接
続用突起部１６を有する金属薄板１５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１１を相
互に接合し、圧電板１１と金属薄板１５との間に導電性
接着層１３を形成することにより形成される。

【００３３】そして、圧電板１１を挟持している正電極
用金属薄板１９および負電極用金属薄板２１の接続用突
起部１６をそれぞれ接続する。即ち、正電極用金属薄板
１９の接続用突起部１６同士を接続部材１７により電気
的に接続し、負電極用金属薄板２１の接続用突起部１６
同士を接続部材１７により電気的に接続し、接続部材１
７と圧電板１１の外周部との間の空隙３１を樹脂で充填
することにより製造される。接続部材１７同士はハンダ
や溶接により接合される。

【００３４】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。

【００３５】

【実施例】

実施例１Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ
_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_cＴｉ_1-a-b-cＯ₃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ＰｂＯおよびＮｂ₂
Ｏ₅を合量で０．５重量部添加含有した焼結体の両面を
研磨して、直径２０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円板状の圧
電板１１を形成した。この圧電板１１の両主面に、Ａｇ
粉末５５重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃ガラス４
５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℃にて乾燥した。厚さ２５μ
ｍのＡｇ製薄板を、図２に示したような２ｍｍ×２ｍｍ
の突起部を有する直径２０ｍｍの円形に打ち抜き、金属
薄板１５とし、この金属薄板１５を圧電板１１の間に挟
み込み、圧電板１１を１００層積層して積層型圧電体を
形成した。

【００３６】尚、金属薄板１５の接続用突起部１６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１１を１００層積層した
圧電板は、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４ｋｇの重りを乗せて、６００
℃、１時間で加圧接合した。

【００３７】次に、図１に示したように、圧電板１１の
径方向に突出した接続用突起部１６に形成された接続部
材１７を軸方向に折曲げ、一層おいた隣の接続部材１７
とハンダにより接続し、正電極用金属薄板１９の接続用
突起部１６同士を接続部材１７により電気的に接続する
とともに、負電極用金属薄板２１の接続用突起部１６同
士を接続部材１７により電気的に接続した。

【００３８】接続部材１７の長さａは１．５ｍｍであ
り、他の接続部材１７との当接部分の長さｂは１．０ｍ
ｍであり、接続部材１７と積層圧電体の外周部との距離
ｃは、０．５ｍｍとした。

【００３９】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。

【００４０】得られた圧電アクチュエータの接続部材１
７と圧電板１１の外周部との間の空隙３１を、刷毛によ
り隙間がないようにエポキシ樹脂で充填し、１２０℃に
おいて１時間加熱して硬化させた。

【００４１】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１０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加
回数３×１０⁶回まで４０μｍの変位量を維持した。

【００４２】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タ１００個を、湿度９５％の大気中で、０Ｖから＋５０
０Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数にて１×１０⁶回印
加した場合でも、全く放電が生じず、破損もしなかっ
た。

【００４３】これに対して、圧電アクチュエータの接続
部材１７と圧電板１１の外周部との間の空隙３１に、エ
ポキシ樹脂を充填することなく、絶縁スペーサを挿入し
た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、４０μｍの変位量が得られた。更にこ
の圧電アクチュエータを１０個作製し、０Ｖから＋５０
０Ｖの交流電界を１０Ｈｚの周波数にて１×１０⁶回印
加した結果、沿面放電のため２個が破損した。

【００４４】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。

【００４５】実施例２また、本発明者等は、実施例１の積層型圧電アクチュエ
ータにおいて、圧電板が積層された積層圧電体の外周面
にエポキシ樹脂を厚み２００μｍで被覆した図３に示す
圧電アクチュエータについて、上記と同様に交流電界印
加試験を行った結果、１×１０⁷回印加した場合でも放
電は生じず、破損もしなかった。

【００４６】実施例３また、本発明者等は、実施例１の積層型圧電アクチュエ
ータにおいて、圧電板が複数積層された積層圧電体の外
周面にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃ガラスからなる厚み
１０μｍの耐電圧層、この耐電圧層の表面にエポキシ樹
脂からなる耐水性樹脂層を厚み２００μｍで被覆した、
図４に示す圧電アクチュエータについて、上記と同様に
交流電界印加試験を行った結果、１×１０⁸回印加した
場合でも放電は生じず、破損もしなかった。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、接
続用突起部と他の金属薄板との絶縁性を確保して放電を
抑制でき、これにより、高い電圧を圧電板に印加し、大
きい変位量を確保することができる。また、圧電板が複
数積層された積層圧電体の外周面に耐水性樹脂を被覆す
ることにより、放電をさらに防止でき、また、耐水性樹
脂の被覆とともに接続部材と積層圧電板の外周部との間
の空隙の充填を同時に行うことができるので製造も容易
である。さらに、積層圧電体を耐電圧材料で被覆した
後、耐水性樹脂で被覆したので、この耐水性樹脂により
積層圧電体の沿面放電を抑制でき、さらにまた、放電し
た場合でも耐電圧材料の被覆層により圧電板の破損を防
止できる。よって、湿度が高い場合や印加電圧が高い場
合でも、放電を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円柱状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の金属薄板を示す平面図である。

【図３】耐水性樹脂層が形成された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４】耐水性樹脂層および耐電圧層が形成された本発
明の積層型圧電アクチュエータを示す縦断面図である。

【符号の説明】

１１・・・圧電板１３・・・導電性接着層１５・・・金属薄板１６・・・接続用突起部１７・・・接続部材１９・・・正電極用金属薄板２１・・・負電極用金属薄板３１・・・空隙３３・・・耐水性樹脂３５・・・耐水性樹脂層３７・・・耐電圧層ｔ・・・圧電板の厚みａ・・・接続部材長さｂ・・・当接部分の長さｃ・・・接続部材と積層圧電体の外周部との距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬戸口剛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
を、前記積層された圧電板の外周部から離間した位置で
それぞれ接続部材により電気的に接続してなる積層型圧
電アクチュエータであって、前記接続部材と前記積層さ
れた圧電板の外周部との間に形成された空隙に耐水性樹
脂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。
【請求項２】全体が耐水性樹脂で被覆されている請求項
１記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】全体が耐電圧材料で被覆され、さらに、耐
水性樹脂で被覆されている請求項１記載の積層型圧電ア
クチュエータ。