JPH11284240A

JPH11284240A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11284240A
Application number: JP10084601A
Authority: JP
Inventors: Masanaga Inagaki; 正祥稲垣; Katsuhiko Onizuka; 克彦鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高い印加電圧で高速で作動する場合でも、積層
体と不活性体の境界部近傍に発生する応力集中を緩和し
て、この部分における応力破壊を防止するとともに、積
層体を効率良く冷却でき、高い信頼性を有する積層型圧
電アクチュエータを提供する。【解決手段】積層体２と不活性体７との間に応力緩和層
６を形成するとともに、応力緩和層６が、両端が積層体
２と不活性体７とに当接し、積層体２の変位を不活性体
７に伝達する複数の柱状体９と、該柱状体９を保持固定
する樹脂１０とからなるものである。

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
ュエータに関し、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や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。

【０００２】

【従来技術】従来から、内部電極ペーストが塗布された
圧電板を複数枚積層して積層体を形成した積層型圧電ア
クチュエータが知られている。このような積層型圧電ア
クチュエータは、圧電板に電圧を印加して逆圧電効果に
よって圧電板を数〜数十μｍ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、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、
これらの金属薄板に形成された接続用突起を圧電板の外
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に重なり合わせて接合し導通
させ、接続用突起と圧電板の外周縁との空隙（間隔０．
５ｍｍ）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−
５０３５７号公報）。

【０００５】このような従来の積層型圧電アクチュエー
タでは、変位を発生する圧電的に活性な部分（積層体）
と、変位を発生しない圧電的に不活性で機械的エネルギ
ーを伝達する部分（不活性体）とが接合されているのが
一般的である。このような構造にすることにより、所望
の変位量を確保する為に圧電板の積層数を変更し、積層
体の長さが変化した場合にも、不活性体の寸法を調整す
ることによりアクチュエータ全体の寸法の変更が無いよ
うにすることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
積層型圧電アクチュエータでは、積層体と不活性体がと
もにセラミックスで構成され、圧電的に活性な部分（積
層体）と、圧電的に不活性で機械的エネルギーを伝達す
る部分（不活性体）とが全面で強固に接合されていたた
めに、積層型圧電アクチュエータに高電圧を高周波数で
印可し長時間駆動した場合には、不活性体と積層体との
境界部分に大きな応力集中が起こり、不活性体の積層体
側の部分、または積層体の不活性体側部分が破損してし
まうという問題があった。これにより、不活性体が剥離
したり、積層型圧電アクチュエータが作動しなくなると
いう問題があった。

【０００７】即ち、積層体は電圧印加によって積層方向
に変位を生じるが、同時に半径方向にも変位を発生して
いる。この半径方向変位は、積層体が軸方向に伸長して
いる時は収縮する方向に、積層体が軸方向に収縮してい
る時は伸長する方向となる。

【０００８】従って、電圧印加により積層体に半径方向
の変位が生じるのに対し、不活性体は半径方向の変位を
生じることが無いため、両者が強固に接合されている接
合境界部近傍に高い応力が発生し、上記積層体または不
活性体が破損するのである。

【０００９】一方、近年においては、積層型圧電アクチ
ュエータの積層体の最上層及び最下層の不活性体近傍に
おける内部電極層の重なり面積を、他の圧電的に活性な
積層体における内部電極層の重なり面積よりも小さくし
た積層型圧電アクチュエータが開示されている（特開平
７−３０１６５号公報参照）。

【００１０】このような積層型圧電アクチュエータで
は、不活性体近傍では積層体よりも変位量が小さくなる
ため、不活性体に伝達される応力をある程度小さくで
き、積層体と不活性体との境界部分に生ずる応力集中を
ある程度緩和できるものの、不活性体が積層体の上下全
面に接合されているため、積層体の変位による応力が不
活性体へ大きく伝達され、積層体と不活性体の境界部分
に生ずる応力集中が未だ大きいという問題があった。こ
れにより、高電圧高周波での長時間の駆動で、不活性体
や積層体においてクラックや破断が生じ易いという問題
があった。

【００１１】また、特開平１−２２６１８６号公報には
横効果圧電歪定数が比較的小さい圧電材料を応力緩和層
として設けた構造が開示されている。しかし、この積層
型圧電アクチュエータでは、応力緩和効果が小さく、し
かも、圧電体材料を複数用意する必要があり、コストの
上昇をまねくという問題があった。

【００１２】さらに、特開平３−６６１８３号公報には
弾性率に異方性を持つ固体を積層体端面に固着した構造
が開示されている。しかし、この積層型圧電アクチュエ
ータでは、積層体の駆動に伴って発生した熱を外部に効
率よく逃がすことができず、例えば高温下で使用される
自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子等では積層体
の温度がキュリー点以上になり、圧電特性が失われると
いう問題があった。

【００１３】本発明は、高い印加電圧で高速で作動する
場合でも、積層体と不活性体の境界部近傍に発生する応
力集中を緩和して、この部分における応力破壊を防止す
るとともに、積層体を効率良く冷却でき、高い信頼性を
有す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。

【００１４】

【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、複数の圧電板と複数の電極とを交互に積
層した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合された
不活性体とを具備するとともに、前記電極が下側から交
互に第１電極または第２電極とされ、前記第１電極同士
および前記第２電極同士が電気的に接続された積層型圧
電アクチュエータであって、前記積層体と前記不活性体
との間に応力緩和層を形成するとともに、該応力緩和層
が、両端が前記積層体と前記不活性体とに当接し、前記
積層体の変位を前記不活性体に伝達する複数の柱状体
と、該柱状体を保持固定する樹脂とからなるものであ
る。ここで、柱状体は高熱伝導率を有する金属またはセ
ラミックスからなることが望ましい。

【００１５】

【作用】本発明による積層型圧電アクチュエータでは、
積層体とその両端の不活性体との間に応力緩和層をそれ
ぞれ設け、該応力緩和層を、両端が積層体と不活性体と
に当接し、積層体の変位を不活性体に伝達する複数の柱
状体と、該柱状体を保持固定する樹脂とから構成したの
で、積層体の積層方向の変位を柱状体を介して不活性体
に充分に伝達でき、充分な変位量を確保できるととも
に、積層体の半径方向の変位を、応力緩和層の樹脂によ
り吸収でき、不活性体に伝達される応力を緩和すること
ができ、高い印加電圧で高速で動作する時でも、積層体
の不活性体側近傍や不活性体の積層体側近傍においてク
ラックや破断を生じることがなく、長時間の動作が可能
となる。

【００１６】さらに、両端が積層体と不活性体とに当接
する複数の柱状体を高熱伝導率を有する金属またはセラ
ミックスから構成すると、積層体に発生した熱が、高熱
伝導性の柱状体を介して不活性体に充分に放熱され、積
層体自身の加熱を抑制でき、高温環境下でも圧電板材料
のキュリー点を超えることが無く、安定して作動でき
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る積層型圧電
アクチュエータの一実施形態を示す側面図であり、図２
は、応力緩和層近傍を示す断面図である。尚、図１にお
いては外装樹脂を省略している。図１において、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（ＺｒＴｉ）Ｏ₃（以下ＰＺＴと略す）を主成分と
する焼結体からなる。

【００１８】圧電板１を構成する圧電体材料には、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。しかし、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、結晶あるい
は、電歪性を有するセラミックス、結晶であれば何でも
よい。この圧電板１を構成する圧電体材料としては、圧
電歪み定数ｄ₃₃が大きいものが望ましい。

【００１９】この圧電板１の厚みは、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。

【００２０】そして、複数の圧電板１が積層されて積層
体２が形成されており、圧電板１の両主面には導電性接
着層３が形成されている。導電性接着層３の形成された
圧電板１の間には、円板状の電極板４が介装され、接合
されており、積層体２の両端には電極板４ａが配置され
ている。これらの円板状の電極板４には、図３に示すよ
うに、接続用の突出部５を一体的に形成して構成されて
おり、図１に示したように、突出部５は圧電板１の径方
向に突出している。

【００２１】また、突出部５は、交互に９０度の角度を
なすように、電極板４が圧電板１の間に介装されてお
り、これらの電極板４は、その突出部５の位置により正
電極用電極板、負電極用電極板とされている。

【００２２】そして、突出部５が圧電板１の外周部から
離間した位置で折り曲げられ、その先端部が同一方向に
突出した他の突出部５にハンダや溶接等により接合され
ている。

【００２３】電極板４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。電
極板４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、電極板４は、他の電極板４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、圧
電板１よりも小さいことが望ましい。

【００２４】導電性接着層３は、導電性接着剤を圧電板
１に塗布し乾燥することによって形成されるが、この導
電性接着剤は、Ａｇ等の導電性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、積層型圧電体素子の信
頼性を向上できるからである。この導電性接着剤は、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。

【００２５】積層体２の上下面には、応力緩和層６を介
して、圧電的に不活性で機械的エネルギーを伝達する不
活性体７が接続されている。この不活性体７は、例え
ば、アルミナやその他のセラミックス、金属材料などに
より形成されている。

【００２６】応力緩和層６は、積層体２の変位を不活性
体７に伝達し、積層体２と不活性体７の半径方向の変位
の差によるひずみの発生を緩和する働きを有しており、
図２、図４に示すように、両端が積層体２と不活性体７
とに当接し、積層体２の変位を不活性体７に伝達する複
数の柱状体９と、該柱状体９を保持固定する弾性率の低
い樹脂１０とから構成されている。柱状体９は高熱伝導
率を有する金属またはセラミックスからなることが望ま
しい。

【００２７】柱状体９は、積層体２の変位を不活性体７
に伝達するための充分な強度を有するものであり、高熱
導電率を有することが望ましい。このような柱状体９と
しては、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等
の金属材料や、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラ
ミックス材料を使用することができる。柱状体９として
は、変位を充分に伝達し、熱伝導性を向上するという点
から、充分な強度を有するとともに高熱伝導率を有する
Ｃｕからなることが望ましい。

【００２８】また、柱状柱９は、積層体２と不活性体７
の間で均一に変位を伝達するという点から、直径が０．
５〜５ｍｍであることが望ましい。その高さは、高い方
が応力緩和効果が高いが、逆に放熱性が低下するという
点から、圧電板１の５〜１００倍の厚さであることが望
ましい。つまり、応力緩和層６の厚みは、圧電板１の５
〜１００倍の厚さが望ましい。

【００２９】また、樹脂１０は、積層体２と不活性体７
の半径方向の変位の差によるひずみを充分に吸収できる
弾性率を有するもので、例えば、エポキシ樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリイミド樹脂などを使用することができ
る。

【００３０】応力緩和層６は、例えば、弾性率の低い樹
脂材料により厚み方向に貫通孔を複数有する円盤を形成
し、貫通孔内に柱状体を挿入し、柱状体の上下面が円盤
の上下面に露出するようにして形成されている。また、
溶融状態の樹脂中に柱状体を配置し、固化させて一体と
したものであっても良い。

【００３１】また、図２に示すように、積層体２の外周
面、および電極板４の突出部５と圧電板１の外周面との
隙間は、耐水性樹脂等からなる外装樹脂１２で充填さ
れ、外周面が被覆されている。使用される外装樹脂１２
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よいが、絶
縁性が高く、充填しやす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。

【００３２】以上のように構成された積層型圧電アクチ
ュエータでは、柱状体９の一端が積層体２の上下の電極
板４ａに当接し、他端が不活性体７に当接することによ
り、積層体２の変位を充分に不活性体７に伝達でき、積
層型圧電アクチュエータとしての変位量を充分に確保で
きるとともに、積層体２で発生した熱を柱状体９を介し
て不活性体７に伝達でき、外部に放散できる。

【００３３】さらに、柱状体９は樹脂１０により保持固
定されているため、積層体２の径方向への変位を応力緩
和層６の樹脂１０により吸収でき、積層体２の径方向へ
の変位により発生する不活性体７の応力を抑制できる。

【００３４】本発明の積層型圧電アクチュエータは、圧
電板１の両主面に導電性接着剤を塗布し、この導電性接
着剤を乾燥した後、複数の圧電板１の間、即ち、導電性
接着層３間に突出部５を有する電極板４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と電極板４との間に導電性接着層３
を形成し、積層体２を形成する。

【００３５】この後、応力緩和層６、不活性体７をエポ
キシ樹脂等で接着した後、正電極用の電極板４同士、お
よび負電極用の電極板４同士の突出部５をそれぞれ接続
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。

【００３６】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータは
円柱状や四角柱状等どのような形状であってもよい。ま
た柱状体９は、円柱である必要は無く、四角柱などであ
っても良い。さらに上記例では、突出部５を９０度の角
度をなして４方向に突出させた例について説明したが、
突出部５を更に多くの方向に突出させても良い。また、
上記例では突出部５同士をハンダで接続して正極用と負
極用の電極を形成したが、一対の帯状の金属板を折曲し
て正極用と負極用の電極を形成しても良い。

【００３７】

【実施例】ＰＺＴ系焼結体の両面を研磨して、直径１
６．５ｍｍ、厚み０．３３ｍｍの円盤状の圧電板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
性接着剤を直径１４．６ｍｍ、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１４．６ｍｍの電極板４に１．８
ｍｍ×３ｍｍの突出部５を形成した形状に打ち抜き、電
極板４を圧電板１の間に挟み込み、圧電板１を１００層
積層し、導電性接着剤により接合して積層体２を形成し
た。

【００３８】尚、電極板４の突出部５は一層おきに同じ
位置にくるように、他方は９０度の角度をなして配置し
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で、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。

【００３９】こうして形成した積層体２に、応力緩和層
６、不活性体７をエポキシ接着剤を塗布し、１００℃１
時間で硬化させ、接合した。

【００４０】圧電的に不活性で機械的エネルギーを伝達
する不活性体７は直径１６．５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのア
ルミナセラミックスを使用した。また、応力緩和層６に
は、直径１６．５ｍｍ厚さ５ｍｍの円盤状エポキシ樹脂
板に、直径３ｍｍ、長さ５ｍｍの銅製ピンを１４本両端
面が上下面に露出するように埋設したものを使用した。

【００４１】次に、圧電板１の径方向に突出した突出部
５を軸方向に折曲し、折曲された電極板４の突出部５同
士を、圧電板１の外周から０．３ｍｍ離れた位置で一層
おいた隣の電極板４の突出部５とハンダによって接続し
た。

【００４２】次に、圧電板１の外周部にシリコンゴムを
被覆した。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い、
図１に示すような積層型圧電体アクチュエータを作成し
た。

【００４３】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
の直流電圧を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、１億
回の連続動作を行った場合でも積層体２と不活性体７の
境界部分近傍において破断は見られなかった。

【００４４】また、上記の積層型圧電アクチュエータの
動作中の温度を赤外線放射温度計によって測定したとこ
ろ、積層体の温度は１００℃であった。

【００４５】一方、積層体と不活性体の間に応力緩和層
を設けない従来の構造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、１００万回で積層体
と不活性体の境界部分近傍において破断が発生し、それ
以上の駆動が不可能となった。また、動作中の温度を上
記と同じ方法で測定したところ、積層体は１３０℃に達
していた。

【００４６】尚、変位量の測定は、試料を防振台上に固
定し、試料表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。

【００４７】

【発明の効果】本発明による積層型アクチュエータで
は、積層体と不活性体の境界部分近傍に発生する応力集
中を緩和することができ、高い印加電圧で高速で作動す
る場合でも、積層体と不活性体の境界部分近傍における
破断や、圧電体や不活性体の破損が発生することがな
く、長時間稼動できるとともに、積層体に発生した熱を
効率よく不活性体に伝導し外部に放出することができ、
高温環境下で使用する時でも、圧電材料のキュリー点以
下の温度で安定的に動作することができる。

【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を示す側面
図である。

【図２】図１の応力緩和層近傍を示す断面図である。

【図３】電極板を示す平面図である。

【図４】応力緩和層を示す斜視図である。

【符号の説明】

１・・・圧電板２・・・積層体３・・・導電性接着層４・・・電極板５・・・突出部６・・・応力緩和層７・・・不活性体９・・・柱状体１０・・・樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電板と複数の電極とを交互に積層
した積層体と、該積層体の上下にそれぞれ接合された不
活性体とを具備するとともに、前記電極が下側から交互
に第１電極または第２電極とされ、前記第１電極同士お
よび前記第２電極同士が電気的に接続された積層型圧電
アクチュエータであって、前記積層体と前記不活性体と
の間に応力緩和層を形成するとともに、該応力緩和層
が、両端が前記積層体と前記不活性体とに当接し、前記
積層体の変位を前記不活性体に伝達する複数の柱状体
と、該柱状体を保持固定する樹脂とからなることを特徴
とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】柱状体が高熱伝導率を有する金属またはセ
ラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の積
層型圧電アクチュエータ。