(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第１の金属薄板および第２の金属薄板と、前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、セラミック粒子を含有させた耐水性樹脂で被覆されており、前記セラミック粒子が前記シリコーンゴムと前記耐水性樹脂との間のアンカーとなってい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】
前記耐水性樹脂は、平均粒径が１〜２０μｍのセラミック粒子を１〜３０重量％含有していることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項３】
積層された複数の圧電板と、該圧電板間に交互に介装された第１の金属薄板および第２の金属薄板と、前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、平均粒径が１〜２０μｍのセラミック粒子を１〜３０重量％含有させた耐水性樹脂で被覆されていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記耐水性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３の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、例えば光学装置などの精密位置決め装置、振動防止用の駆動素子、あるいは自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子など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】
圧電板は電圧を印加すると伸縮する逆圧電効果を有している。この場合、圧電板１枚１枚の伸縮量は微量であることから、従来から圧電板を複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータを作製していた。
【０００３】
この積層型圧電アクチュエータは、圧電板に電圧を印加して数〜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（例えば特公平７−４０６１３号公報参照）。
【０００４】
このような積層型圧電アクチュエータでは、例えば圧電板の両表面に導電性を有するペーストを印刷や蒸着などの方法で数μｍの厚さに被覆して導電性接着層を形成し、この導電性接着層の間に金属薄板を介在させて加熱圧着して一体化させた構造となっている。
【０００５】
その他の構造として、例えば特開昭５９−２１８７８４号公報には、表裏面に導電性接着層を被着した圧電板間に金属薄板を配置した状態で複数積層し、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て同一極性の接続用突起同士を重なり合わせてハンダなど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。
【０００６】
また、この構造では、金属薄板が連結部材で連結された半田付けが不要な帯状金属薄板が配線部材として用いられるものも開示されており（例えば実公昭６０−３５８９号公報）、そうした帯状金属薄板を利用した積層型圧電アクチュエータも多数開発されている（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号公報など参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、積層型圧電アクチュエータの特徴である高応答性を積層型圧電アクチュエータは大きな変位量を確保した状態で利用するため、高い電圧を高周波数で印加して駆動している。
【０００８】
このため、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ねてハンダなどで接合した接合部が高変位の繰り返しに伴なう応力によって疲労し、疲労断線や剥離断線を起こし易いという問題があった。
【０００９】
また、積層型圧電アクチュエータは大きな変位量を確保するために、高い電圧を印加しており、圧電板間に埋設された正極の金属薄板と負極の金属薄板の接続用突出部との間の空隙を介して放電を起こしたり、湿度の高い環境下で駆動させた場合、導電性接着層や金属薄板材料のエレクトロマイグレーションが発生してショートによる破損が発生し易いという問題があった。このため、積層型圧電アクチュエータの側面には耐水性と耐電圧性を兼ね備えた樹脂を被覆する必要がある。上記したハンダ接合部の断線を解決した接合を必要としない帯状金属薄板を使用したアクチュエータにおいては、この外装樹脂の弾性率が高い場合、帯状金属薄板の連結部材で形成された外部電極が外装樹脂で固定されるため、圧電積層体の歪みに外部電極の歪みが追随できず、圧電積層体から突出した外部電極の根元部分に応力が集中して断線するという問題があった。
【００１０】
このような問題を解決する手段として、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、弾性率が０．３〜１０ｋｇｆ／ｍｍ2 の絶縁コーティング材（シリコーン系）を用いて応力集中を緩和している。しかし、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。
【００１１】
本発明は、このような従来装置の問題点に鑑みてなされたものであり、高変位下で繰り返して作動する場合でも、外部電極の疲労断線を防止すると共に、外的衝撃に強く、工程におけるハンドリングの容易な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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る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、該圧電板間に交互に介装された第１の金属薄板および第２の金属薄板と、前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備え、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、セラミック粒子を含有させた耐水性樹脂で被覆されており、前記セラミック粒子が前記シリコーンゴムと前記耐水性樹脂との間のアンカーとなっていることを特徴とする。
本発明に係る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、該圧電板間に交互に介装された第１の金属薄板および第２の金属薄板と、前記第１の金属薄板及び前記第２の金属薄板をそれぞれ電気的に接続する外部電極と、を備えた積層型圧電アクチュエータにおいて、前記圧電板の外周部と前記外部電極がシリコーンゴムで被覆され、このシリコーンゴムが、平均粒径が１〜２０μｍのセラミック粒子を１〜３０重量％含有させた耐水性樹脂で被覆されていることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
上記のように構成すると、圧電板の外周部と外部電極部はシリコーンゴムで被覆されるので、正極側の外部電極と負極側の金属薄板との間の絶縁性が確保できる。よって沿面放電がなくなって圧電板に高電圧を印加できるようになり、大きい変位量を得ることができるようになる。
【００１４】
また、セラミック粒子を耐水性樹脂に含有させると、セラミック粒子がアンカーとなって弾性率の低いシリコーンゴムを耐水性樹脂で被覆することができる。この効果により、内部は柔らかく、外表面が硬い２層のコート層を形成することが可能となる。このため、外部電極の周囲は弾性率の低いシリコーンゴムで被覆され、外部電極が外装樹脂に束縛されることなく自由に動くことができ、従来品では圧電積層体から突出した外部電極の根元部分に発生していた応力集中が緩和され、断線を防止することができる。
【００１５】
さらに、外表面に形成された耐水性樹脂で高湿度下における水分の浸入を防止すると共に、適度な弾性率を有するため、内部に被覆されたシリコーンゴムの形状保持が容易で外的衝撃に強く、さらに取り扱いが容易となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る積層型圧電アクチュエータの実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の積層型圧電アクチュエータを示す断面図、図２は圧電板の外周部を拡大して示す図、図３は金属薄板を示す図である。
【００１７】
積層型圧電アクチュエータは金属薄板６を介装した状態で圧電板１を複数枚積層して構成されている。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よい。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。特に、金属成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｔｅと、ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも一種を含む複合ペロブスカイト型化合物からなる圧電磁器組成物が望ましい。この圧電板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、０．１〜０．６ｍｍであることが望ましい。圧電板１の両面に形成される導電性接着層３は、導電性ペーストを圧電板１に塗布して４００〜６００℃程度で焼き付けることで形成される。この導電性ペーストはＡｇなどの導電性の金属粉末とガラス成分からなっており、ガラス成分を高温で溶融することによって板１に焼き付けられる。この導電性ペーストは、特に、Ａｇ粉末を９０〜９７重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 からなるガラス成分３〜１０重量％とからなることが望ましい。
【００１８】
そして、複数の圧電板１が積層されており、その間には円板状の金属薄板６が介装されている。これらの金属薄板６は、図３に示すように、連結部材７で連結して形成されており、図２に示すように、連結部材７が折曲されて圧電板１の外周部側に突出している。これらの金属薄板６は、連結部材７（７ａ、７ｂ）の突出位置で正電極用外部電極８ａまたは負電極用外部電極８ｂとされている。この金属薄板６は、例えばＡｇ、ステンレス、またはＮｉ−Ｆｅを主成分とする合金箔を用いる。Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする合金は、導電性を有するもので、例えば圧電板の熱膨張係数に近いコバール（５２Ｆｅ−３１Ｎｉ−１７Ｃｏ）、４２アロイ（５８Ｆｅ−４２Ｎｉ）などの金属が好ましい。この金属薄板６の厚さは変位量に寄与しないため、できるだけ薄いもの、例えば２０〜５０μｍのものが好ましい。
【００１９】
また、金属薄板６としては、異なる極性の第１および第２の金属薄板６（６ａ、６ｂ）との短絡や放電を防止するために、圧電板１の外周部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。
【００２０】
積層体の上下面には、図１に示したように、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９が形成される。金属薄板６とガラス接合される不活性体９の片面にはガラスペーストを塗布し、４００〜６００℃程度で焼き付けたガラスが形成されている。このガラスペーストはガラス成分ＰｂＯ−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 からなっている。
【００２１】
そして、積層体は第１および第２の金属薄板６（６ａ、６ｂ）の連結部材７（７ａ、７ｂ）が一層おきに同じ位置にくるように、金属薄板６を圧電板１の間に交互に挟み込んだ後に、積層体の上下に不活性体９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に加熱し、上部よりに荷重を印加して熱圧着させることにより形成される。
【００２２】
その場合、金属薄板６の連結部材７が圧電板１の外周部側に位置するように配置されて正極側の外部電極８ａと負極側の外部電極８ｂが形成される。
【００２３】
そして、圧電板１の外周部と外部電極８（８ａ、８ｂ）はシリコーンゴム４で被覆され、隙間のないように充填されている。充填方法としては、粘度などの条件を調整して真空脱法など減圧下で空隙内に絶縁樹脂を充分に充填することが必要である。
【００２４】
さらに、シリコーンゴム４の表面はセラミック粒子を含有した耐水性樹脂５で被覆される。セラミック粒子としては一般的なセラミック粉末でよいが、例えばＡｌ2 Ｏ3 やＺｒＯ2 などのようなセラミック粉末などが望ましい。このようなセラミック粒子の平均粒径は、分散性を高める理由から１〜２０μｍであることが望ましい。また、セラミック粒子の含有量は絶縁性樹脂の接着性を高める理由から、１〜３０重量％であることが望ましい。
【００２５】
【実施例】
ＰＺＴ焼結体の両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み０．３ｍｍの円板状の圧電板１を形成した。この圧電板１の両主面にＡｇ粉末９０重量％、ＰｂＯ−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 を主成分とするガラス１０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℃で乾燥して５００℃で焼き付けることによって導電性接着層３を形成した。金属薄板６は、厚さ３０μｍで圧延したＡｇ薄板を作製し、図３に示したような直径１９ｍｍの円形金属薄板６を幅２ｍｍ、長さ２ｍｍの連結部材７で５０枚連結して作製した。この金属薄板６を圧電板１の間に挟み込み、圧電板１を９９層積層して積層型圧電体を形成した。なお、金属薄板６の連結部材７は一層おきに同じ位置にくるように、交互に配置した。また、積層体の上下両端部に配置される不活性部９はＰＺＴで作製し、この両面を研磨して、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの円板上の不活性部を形成した。これらの不活性部９の片面にＰｂＯ−ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ2 のガラスペーストを１０μｍの厚みに印刷した後、１００℃で乾燥して５００℃で焼き付けた。
【００２６】
圧電板１と金属薄板６を積層した後、この両端に不活性部９を配置して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１０ｋｇの重りを乗せて、５００℃で１時間加圧接着した。
【００２７】
次に、この積層体を液状のシリコーンゴム中に投入し、減圧下に１時間放置して空隙などにもシリコーンゴムを充填した後、常温下で２４Ｈｒ放置して硬化させて、シリコーンゴム層を形成した。この表面を平均粒径１０μｍのＡｌ2 Ｏ3 を１０重量％含有させたエポキシで被覆して１２０℃において１時間加熱して硬化させた。
【００２８】
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。また、比較のために同条件で積層体を作製し、表面にシリコーンゴム層を形成せずに、平均粒径１０μｍのＡｌ2 Ｏ3 を１０重量％含有させたエポキシ樹脂で被覆したサンプルを作製した。また、シリコーンゴム表面をセラミック粒子を含有しないエポキシ樹脂単体で被覆したサンプルを作製したが、硬化中にシリコーンゴム表面から全て流れてしまい、エポキシ樹脂層を形成することができなかった。
【００２９】
得られた２種類の積層型アクチュエータの耐久性を比較するために、印加荷重３００ｋｇｆ下で０Ｖから＋５００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数で１×１０9 回印加する耐久試験を行った。
【００３０】
その結果、本発明品は変位量４０μｍで１×１０9 回でも問題なく駆動するのを確認した。また、比較用のアクチュエータでは、１×１０7 回で発生変位量が２８μｍに低下した。外観観察を行った結果、３０層目の取出し電極部が黒く変色しており、この部位が断線しているのが確認された。なお、変位量の測定は、試料を防振台上に固定して上面にアルミニウム箔を張り付け、レーザー変位計で素子の中心部と周囲部３箇所で測定した値の平均値で評価した。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、圧電板の外周部と外部電極はシリコーンゴムが充填されているので、正極側の外部電極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、これによって圧電板に高い電圧を印加して大きい変位量を確保することができる。
【００３２】
また、セラミック粒子を耐水性樹脂に含有させると、セラミック粒子がアンカーとなり、弾性率の低いシリコーンゴムを耐水性樹脂で被覆することができる。この効果により、内部は柔らかく、外表面が硬い２層のコート層を形成することが可能となり、外部電極は弾性率の低いシリコーンゴムが被覆されるため、外部電極が外装樹脂に束縛されることなく自由に動くことができ、断線を防止することができる。
【００３３】
さらに、外表面に形成された耐水性樹脂で高湿度下における水分の浸入を防止すると共に、適度な弾性率を有するため、内部に被覆された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、取り扱いも容易となる。
【００３４】
したがって、外部電極の疲労断線を防止すると共に、外的衝撃に強く、工程におけるハンドリングの容易な積層型圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【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】本発明の積層型圧電アクチュエータの圧電板の外周部を示す拡大図である。
【図３】本発明の積層型圧電アクチュエータで用いられる金属薄板を示す図である。
【符号の説明】
１・・・圧電板、３・・・導電性接着層、４・・・シリコーンゴム、５・・・耐水性樹脂、６・・・金属薄板、６ａ・・・第１の金属薄板、６ｂ・・・第２の金属薄板、７・・・連結部材、８（８ａ、８ｂ）・・・外部電極、９・・・不活性部
【図１】
0003894680.tif 000002
【図２】
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【図３】
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