(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の圧電板と、複数の金属電極を帯状連結部材で連結した第１電極連結体および第２電極連結体とを具備し、前記第１電極連結体の帯状連結部材および第２電極連結体の帯状連結部材をアーチ状に屈曲するとともに、前記第１電極連結体の金属電極と、前記第２電極連結体の金属電極とを、複数の前記圧電板間に導電性接着層を介して交互に介装した積層型圧電アクチュエータであって、前記帯状連結部材が、前記金属電極と同一材料からなる低ヤング率層と、前記金属電極よりもヤング率が高い金属からなる高ヤング率層とを積層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】
帯状連結部材が、低ヤング率層の両側に高ヤング率層を積層して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。
【請求項３】
帯状連結部材が、高ヤング率層の両側に低ヤング率層を積層して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。
【請求項４】
高ヤング率層がコバールにより形成されており、且つ、少なくとも帯状連結部材がメッキされていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項５】
高ヤング率層が鉄、コバール又はＳＵＳからなることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
【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、積層型圧電アクチュエータでは、逆圧電効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電板と金属薄板とを交互に複数枚積層した積層型圧電アクチュエータが多数提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭５９−２１８７８４号公報には、両面に導電性接着層を形成した圧電板を複数積層し、導電性接着層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面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同士を重なり合わせてハンダ等で接合した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
【０００４】
また、実公昭６０−３５８９号公報では金属薄板間の半田付けが不要な一対のリボン状金属板が配線部材として開示されており、このようなリボン状金属板を利用した積層型圧電アクチュエータが多数開示されている（特開昭６０−１０３６８５号公報、特開昭６１−２７６２７８号公報、特公平４−１６０２９号公報、特開平７−２８３４５５号公報等）。
【０００５】
これらの公報に開示されたリボン状金属板は、圧電板間に配置される複数の金属電極を帯状連結部材で連結したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭５９−２１８７８４号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてハンダ等で接合する作業に手間がかかり、また長期使用により接合部が疲労し、剥離断線を起こし易いという問題があった。
【０００７】
また、上記実公昭６０−３５８９号公報等に開示された、ハンダ等で接合する必要がないリボン状金属板を使用したアクチュエータであっても、ヤング率の低い材質からなるリボン状金属板を使用した場合、金属電極を連結する帯状連結部材、つまり圧電板間に配置された金属電極を電気的に接続する帯状連結部材のヤング率も低くなり、このようなリボン状金属板は金属電極と帯状連結部材の境界部分が変形しやすく、アクチュエータの変位動作によって変形した境界部分に応力が集中し、長期使用により疲労断線を起こしやすいという問題があった。
【０００８】
一方、この疲労断線を防ぐために、リボン状金属板にヤング率の高い材料を使用した場合においては、圧電板間の金属電極のヤング率も高くなるため、アクチュエータの積層方向への変位に伴う圧電板の径方向への伸縮動作を金属電極が抑制するために、アクチュエータの変位量が小さくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、金属電極同士の電気的接続を確実にかつ長期に亘って維持できるとともに、変位量を大きく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、複数の金属電極を帯状連結部材で連結した第１電極連結体および第２電極連結体とを具備し、前記第１電極連結体の帯状連結部材および第２電極連結体の帯状連結部材をアーチ状に屈曲するとともに、前記第１電極連結体の金属電極と、前記第２電極連結体の金属電極とを、複数の前記圧電板間に導電性接着層を介して交互に介装した積層型圧電アクチュエータであって、前記帯状連結部材が、前記金属電極と同一材料からなる低ヤング率層と、前記金属電極よりもヤング率が高い金属からなる高ヤング率層とを積層してなるものである。
【００１１】
ここで、帯状連結部材は、低ヤング率層の両側に高ヤング率層を積層してなることが望ましい。または、帯状連結部材が、高ヤング率層の両側に低ヤング率層を積層してなることが望ましい。さらに、高ヤング率層がコバール（ＫＯＶＥＲ：商標）により形成されており、且つ少なくとも帯状連結部材がメッキされていることが望ましい。また、高ヤング率層が鉄、コバール又はＳＵＳからなることが望ましい。
【００１２】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、電極連結体の金属電極材料としてヤング率の小さいものを選択することができるため、アクチュエータの積層方向への変位に伴う圧電板の径方向への伸縮動作を金属電極が抑制することがなく、アクチュエータの変位量を大きくすることができる。
【００１３】
しかも、帯状連結部材が、金属電極と同一材料からなる低ヤング率層と、金属電極よりもヤング率が高い高ヤング率層とを積層してなるため、金属電極よりもヤング率が高くなり、帯状連結部材のアーチ形状を安定して保つことができる。
【００１４】
このため、金属電極と帯状連結部材の境界部分の変形を防止することができ、長期使用を行っても疲労断線が発生し難い。
【００１５】
また、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、帯状連結部材を、低ヤング率層の両側に高ヤング率層を積層して形成したり、高ヤング率層の両側に低ヤング率層を積層して形成したりすることにより、上記効果をさらに向上できる。
【００１６】
さらに、一般にコバールは高ヤング率材料であるものの、外気に触れると酸化し易いため導電率が低下しやすいが、高ヤング率層をコバールにより形成した帯状連結部材をメッキ処理することにより、コバールの酸化を防止し、電極材料として好適に使用することができる。
【００１７】
また、圧電板と、第１および第２電極連結体の金属電極とは、金属電極に予め形成された導電性接着層を圧電板と当接し、加熱圧着によって一体接合することが望ましい。このように、金属電極に予め導電性接着層を形成することにより、圧電板に金属電極を位置決めして接合でき、従来のように圧電板に導電性接着層を形成した場合に比べて、金属電極の位置決めを容易に行うことができ、製造が容易になる。
【００１８】
【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の側面図を示すもので、この積層型圧電アクチュエータは、円板形状の圧電板１と、不活性体５と、第１電極連結体２、第２電極連結体３とから構成されている。
【００１９】
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が好ましい。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。
【００２０】
圧電板１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。尚、圧電板１の形状は一つの形態であり板状であれば問題はない。
【００２１】
第１電極連結体２、第２電極連結体３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、複数の金属電極６を帯状連結部材７により連結して構成されており、図１に示したように、第１電極連結体２の帯状連結部材７および第２電極連結体３の帯状連結部材７がアーチ状に折曲され、第１電極連結体２の金属電極６と、第２電極連結体３の金属電極６とを、第１電極連結体２の帯状連結部材７と第２電極連結体３の帯状連結部材７が９０度の角度をなすように圧電板１間に介装されている。
【００２２】
圧電板１と金属電極６とは導電性接着層９を介して接合されている。接合は、金属電極６の両面に導電性接着層９を形成し、この金属電極６を圧電板１間に位置決めして配置し、加熱加圧することにより行われる。
【００２３】
第１電極連結体２、第２電極連結体３の下端にはそれぞれリード線１０が接続されている。
【００２４】
そして、帯状連結部材７は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、金属電極６と同一材料からなる低ヤング率層７ａと、金属電極６よりもヤング率が高い高ヤング率層７ｂとを積層して構成されており、帯状連結部材７が、低ヤング率層７ａの両側に高ヤング率層７ｂを積層した３層構造とされている。
【００２５】
金属電極６両面には、圧電板１と接合するための導電性接着層９が形成されている。この導電性接着層９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層９に含有されるガラス成分が溶融し、圧電板１と電極連結体２、３の金属電極６とを強固に接合し、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、積層型圧電アクチュエータの信頼性を向上できるからである。この導電性接着層９は、特に、Ａｇ粉末を７０〜９８重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ２  −Ｂ２  Ｏ３  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。
【００２６】
金属電極６は、導電性を有するもので、例えば、銀、銅等のヤング率の低い金属から構成され、特に銀からなることが望ましい。金属電極６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、３０〜７０μｍのものが好ましい。
【００２７】
帯状連結部材７の中心の低ヤング率層７ａは金属電極６と同種の金属からなり、両側の高ヤング率層７ｂは金属電極６よりヤング率の高い金属から構成されており、例えば、鉄、コバール、ＳＵＳ等から構成されている。このうちでも、高ヤング率層７ｂとしてはコバールからなることが望ましい。低ヤング率層７ａと高ヤング率層７ｂの厚みは、要求される帯状連結部材７の強度等により種々変更できる。
【００２８】
帯状連結部材７は圧電板１間に少々入るような長さとすることが、金属電極６と帯状連結部材７との境界部分の強度を向上する点から望ましい。
【００２９】
不活性体５は積層型圧電アクチュエータの両端に配置され変位量を伝達する働きをする。この不活性体５は電極連結体２、３の金属電極６に形成された導電性接着層９を介して金属電極６と接合されている。
【００３０】
尚、積層型圧電アクチュエータの外周面、およびアーチ状の帯状連結部材７と圧電板１の外周面との間は、隙間が無いように耐水性樹脂等を充填することが望ましい。使用される耐水性樹脂は、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。
【００３１】
このような積層型圧電アクチュエータは、圧電板１と、電極連結体２、３の金属電極６を交互に積層し、加熱加圧することにより、導電性接着層９が溶融し、圧電板１と金属電極６とを接合して作製される。従来のように、圧電板１に導電性接着層が形成されておらず、金属電極６に導電性接着層９を形成したので、圧電板１と金属電極６を位置決めして積層することができ、製造が容易となる。
【００３２】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、電極連結体２、３の金属電極材料としてヤング率の小さいものを選択することができるため、アクチュエータの積層方向への変位に伴う圧電板１の径方向への伸縮動作を金属電極６が抑制することがなく、アクチュエータの変位量を大きくすることができる。
【００３３】
また、帯状連結部材７が、金属電極６と同一材料からなる低ヤング率層７ａと、金属電極６よりもヤング率が高い高ヤング率層７ｂとを積層してなるため、金属電極６よりもヤング率が高くなり、帯状連結部材７のアーチ形状を安定して保つことができる。このため、金属電極６と帯状連結部材７の境界部分の変形を防止することができ、長期使用を行っても疲労断線が発生し難い。
【００３４】
図３に、本発明の積層型圧電アクチュエータに用いられる他の電極連結体２１を示す。この電極連結体２１は、複数の金属電極２３が帯状連結部材２５により連結されており、帯状連結部材２５は、高ヤング率層２５ｂの両側に、金属電極２３と同種の材料からなる低ヤング率層２５ａを形成して構成されている。金属電極２３の両面には、導電性接着層２９が形成されている。
【００３５】
この電極連結体２１の場合にも、上記図２の電極連結体２、３と同様の材料を用いることができ、上記例と同様の効果を有する。
【００３６】
また、高ヤング率層７ｂ、２５ｂがコバールにより形成されている場合には、少なくとも帯状連結部材７、２５がメッキされていることが望ましい。これは、コバールは酸化し易いため、メッキにより酸化を防止するためである。
【００３７】
【実施例】
実施例１
圧電板１を、ＰＺＴ焼結体の両面を、寸法が直径２０ｍｍ、厚み０．５ｍｍとなるように研摩して作製した。不活性体５を、ＰＺＴ焼結体の両面を、寸法が直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍとなるように研磨して作製した。
【００３８】
金属電極６を形成する部分が銀で、帯状連結部材７を形成する部分が銀の両側にコバールが配置されるように、銀金属板とコバール金属板とを積層し、これをアルミナ製の２本ローラで成形し、金属合板を形成し、所定形状に打抜き、銀からなる複数の金属電極６を、銀からなる低ヤング率層７ａの両面にコバールからなる高ヤング率層７ｂが形成された帯状連結部材７により連結した電極連結体２、３を作製した。
【００３９】
また、電極連結体２、３の金属電極６の両面に、Ａｇ粉末９０重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ２  −Ｂ２  Ｏ３  を主成分とするガラス１０重量％の導電性ペーストを印刷、乾燥して導電性接着層９を形成した。
【００４０】
９９枚の圧電板１の間に、第１電極連結体２の金属電極６または第２電極連結体３の金属電極６が交互に積層されるように積層し、その積層体の両端に不活性体５を配置し、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。
【００４１】
また、電極連結体２、３の下端部に正電極用または負電極用のリード線１０を接続し、得られた積層型圧電アクチュエータの外周面を絶縁性を有するシリコンゴムからなる外装樹脂で被覆した。これを８０℃のシリコンオイル中で１．５ｋｖの直流電圧を３０分間印加して分極処理を行なった。
【００４２】
得られた９９層の積層型圧電アクチュエータに５００Ｖの直流電圧を印加した結果、５７μｍの変位量が得られた。また、０ｖから５００ｖの三角波を周波数５０Ｈｚで１×１０８  回印加したところ電極連結体２、３の帯状連結部７の断線は全く発生しなかった。
【００４３】
比較例として、銀のみからなる電極連結体を用いた場合（Ｎｏ．２）、コバールのみからなる電極連結体を用いた場合（Ｎｏ．３）、さらに、コバールからなる接続用突起を有する金属薄板を圧電板の間に介装し、接続用突起を圧電板の外周面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同士を重なり合わせてハンダで接合した場合（Ｎｏ．４）について、５００Ｖの直流電圧を印加したときの変位量、および０ｖから５００ｖの三角波を周波数５０Ｈｚで１×１０８  回印加した時の連結部の断線の有無を調査した。その結果を表１に記載する。
【００４４】
【表１】
0003572208.tif 000002
【００４５】
この表より、圧電板間に介装される金属電極材料として、ヤング率の低い銀を用いた場合（Ｎｏ．１、２）に変位量が大きくなっていることが判る。また、内部電極間の電気的接続に銀のみを用いた場合（Ｎｏ．２）、および、ヤング率の高いコバール金属板を半田によって接合させた場合（Ｎｏ．４）には断線が発生していることが判る。
【００４６】
従って、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、繰り返しの変位動作による断線の発生が起りにくく、しかも、ヤング率の低い金属電極を圧電板間に配置することで変位量の大きなアクチュエータを得ることができる。
【００４７】
尚、変位量の値は、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を用いた。
【００４８】
実施例２
電極連結体を図３に示すように変更する以外は、上記実施例１と同様にして、積層型圧電アクチュエータを作製した。即ち、複数の金属電極２３を帯状連結部材２５により連結して構成し、帯状連結部材２５を、コバールからなる高ヤング率層２５ｂの両側に、銀からなる低ヤング率層２５ａを形成して構成したものを用いて、積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００４９】
得られた積層型圧電アクチュエータに５００Ｖの直流電圧を印加した結果、５７μｍの変位量が得られた。また、０ｖから５００ｖの三角波を周波数５０Ｈｚで１×１０８  回印加したところ電極連結体の帯状連結部の断線は全く発生しなかった。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、電極連結体の金属電極材料としてヤング率の小さいものを選択することができるため、アクチュエータの積層方向への変位に伴う圧電板の径方向への伸縮動作を金属電極が抑制することがなく、アクチュエータの変位量を大きくすることができるとともに、帯状連結部材が、金属電極と同一材料からなる低ヤング率層と、金属電極よりもヤング率が高い高ヤング率層とを積層してなるため、金属電極よりもヤング率が高くなり、帯状連結部材のアーチ形状を安定して保つことができ、金属電極と帯状連結部材の境界部分の変形を防止することができ、長期使用を行っても疲労断線が発生し難い積層型圧電アクチュエータを得ることができる。
【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の側面図である。
【図２】電極連結体を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】他の電極連結体を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部を拡大して示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電板
２、３・・・電極連結体
６、２３・・・金属電極
７、２５・・・帯状連結部材
７ａ、２５ａ・・・低ヤング率層
７ｂ、２５ｂ・・・高ヤング率層
９、２９・・・導電性接着層
【図１】
0003572208.tif 000003
【図２】
0003572208.tif 000004
【図３】
0003572208.tif 000005