(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、少なくとも２つの側面に前記内部電極の端部が露出したアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体の２つの側面にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部が交互に接続する外部電極とを具備した積層型圧電アクチュエータであって、前記外部電極は、導電板に複数の凹部が所定間隔を置いて形成されているとともに、前記凹部に絶縁体が収容されており、前記絶縁体が前記内部電極の端部に接合されることなく交互に当接され、かつ前記導電板の凹部間における導電凸部が、前記絶縁体と非当接の前記内部電極の端部に導電性接着剤で接着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２】
凹部内面に酸化物膜が形成されてい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。
【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、自動車用燃料噴射弁、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、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極層を交互に積層した積層型圧電アクチュエータが提案されている。積層型圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるために、その優位性を示しつつある。
【０００３】
同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータとして、例えば、特公平４−５１９９２号公報に記載されているように、電歪効果を示す圧電体と内部電極とが交互に積層され、一体に焼成された積層焼結体からなるアクチュエータ本体であって、各内部電極の形状が圧電体の積層方向に垂直な断面形状のうち、その外周部を含む一部分が除去された形状であり、また、各内部電極はその除去された部分が積層方向に対して、互いに隣り合う内部電極の間では重ならず、一層おきの内部電極の間では重なるように積層されており、アクチュエータ本体の側面上の前記除去された部分に対応する位置には、各内部電極を一層おきに接続する外部電極がそれぞれ形成されたものが開示されている。
【０００４】
また、特開平４−２３７１７２号公報には、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部に一層おきにガラスからなる絶縁層を被覆し、外部電極には、絶縁層と同じピッチで、かつ絶縁層の断面よりやや大きい凹部を形成し、この凹部内に絶縁層を収容するようにして、かつ、凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない内部電極の端部を導電性接着剤で接着することにより、外部電極と一方の内部電極との電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶縁性を確保した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータで大きな圧力下において大きな変位量を確保するため、より高い電界を印加し、長期間連続駆動させることが行われているが、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、圧電体間に形成された内部電極と正極、負極用の外部電極との間で剥離が発生し、一部の圧電素子に電圧供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００６】
また、特開平４−２３７１７２号公報に開示された積層型圧電アクチュエータでは、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部には一層おきにガラスからなる絶縁層が被覆され、内部電極とその両側の圧電体が強固に接合されており、この絶縁層が外部電極の凹部内に収容されて、外部電極と内部電極との絶縁性が確保されていたので、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合、ガラスからなる絶縁層に割れが生じ、この割れを介して内部電極と外部電極との間でショートし、一部の圧電体に電圧が供給されなくなり、駆動中に変位特性が変化するという問題があった。
【０００７】
即ち、アクチュエータ本体は、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮するため、内部電極の端部およびその近傍の圧電体に設けられた高ヤング率のガラスからなる絶縁層が、長期間連続駆動による伸縮動作に耐えきれずに破壊され、この破壊部分を介して内部電極と外部電極間でショートが発生し易いという問題があった。尚、圧電体および内部電極の端部に導電性接着剤が接着しているが、導電性接着剤は金属が主成分であり、低ヤング率であるため、ガラスからなる絶縁層よりは問題とならない。
【０００８】
本発明は、高い印加電界で高速で長期間連続作動する場合でも、一方の内部電極と外部電極との接続を十分に確保できるとともに、他方の内部電極と外部電極との絶縁を確実に確保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、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなり、少なくとも２つの側面に前記内部電極の端部が露出したアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体の２つの側面にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部が交互に接続する外部電極とを具備した積層型圧電アクチュエータであって、前記外部電極は、導電板に複数の凹部が所定間隔を置いて形成されているとともに、前記凹部に絶縁体が収容されており、前記絶縁体が前記内部電極の端部に接合されることなく交互に当接され、かつ前記導電板の凹部間における導電凸部が、前記絶縁体と非当接の前記内部電極の端部に導電性接着剤で接着されたものである。ここで、凹部内面に酸化物膜が形成されていることが望ましい。
【００１０】
【作用】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、外部電極を、導電板に所定間隔を置いて凹部を複数形成するとともに、該凹部に絶縁体を収容して構成されており、一層置きの内部電極の端部に絶縁体を接合させることなく当接させるとともに、絶縁体と非当接の内部電極の端部に、導電板の凹部間に形成された導電凸部を導電性接着剤で接着しているため、絶縁体は内部電極の端部および圧電体に当接しており、アクチュエータ本体が、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮しても絶縁体には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも絶縁体が破損することがない。このため、本来、絶縁されるべき外部電極と内部電極との間のショートの発生を防止でき、一方の内部電極と外部電極の電気的接続と、他方の内部電極と外部電極の絶縁性を確保でき、高速の連続駆動に対しても長時間の運転が可能となる。
【００１１】
また、凹部内面に酸化物膜を形成することにより、凹部内に収容された絶縁体が破損した場合でも、内部電極と外部電極との放電が、酸化物膜により阻止され、内部電極と外部電極間の高い絶縁性を確保できる。
【００１２】
【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斜視図であり、図２は一部を拡大して示す断面図であり、図３は外部電極の一部を拡大して示す断面図である。
【００１３】
図１において、符号１は、複数の圧電体２と複数の内部電極３とを交互に積層してなる四角柱状のアクチュエータ本体を示すもので、このアクチュエータ本体１の対向する２つの側面には、それぞれ外部電極４が形成されている。
【００１４】
圧電体２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 （以下ＰＺＴと略す）或いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3 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、これら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。この圧電体材料としては、圧電歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。また、圧電体２の厚み、つまり内部電極３間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から０．０３〜０．２ｍｍであることが望ましい。
【００１５】
内部電極３は、アクチュエータ本体１の４つの側面全てに端部が露出しており、一対の外部電極４に内部電極３の端部が交互に接続され、同一極性の内部電極３は同一外部電極４に接続されている。
【００１６】
また、アクチュエータ本体１の積層方向の両端面には、アクチュエータ本体１を機械的に保持し、発生するパワーを外部へ伝達するための不活性部５が積層され、接合されている。
【００１７】
そして、本発明の圧電アクチュエータでは、外部電極４が、導電板６に所定間隔を置いて凹部７を複数形成するとともに、該凹部７に絶縁体８を収容して構成されており、外部電極４の絶縁体８が内部電極３の端部に交互に当接され、一方、導電板６の凹部７間における導電凸部９が、絶縁体８と非当接の内部電極３の端部に導電性接着剤１０により接着されている。つまり、外部電極４は、一方の内部電極３との電気的接続を確保し、他方の内部電極３との絶縁性を確保するものである。
【００１８】
導電板６は、導電性があり、加工可能であればいずれの金属でもかまわないが、好ましくは、銀合金、銅合金、ステンレス、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等により形成されることが望ましい。
【００１９】
凹部７は、アクチュエータ本体１の同一側面に露出した内部電極３の端部と、一層おいた内部電極３の端部との間隔、つまり、同一極性の内部電極３間の距離を置いて形成されており、その積層方向の幅は、圧電体２とほぼ同一とされている。凹部７の形状は断面が四角柱状とされているが、断面が円形状であっても良い。
【００２０】
絶縁体８は、例えば、ガラス、ガラセラ、エポキシ樹脂、シリコーンゴムなどの絶縁性材料からなり、導電板６の凹部７に絶縁性材料を充填し、硬化することにより得られる。この絶縁体８は、図３に示すように、導電板６の導電凸部９の表面から突出しており、この絶縁体８が内部電極３の端部に、接合することなく当接している。絶縁体８の形状は、断面が四角形状とされているが、断面が円形状であっても良い。尚、絶縁体８としてガラスを用いる場合には、ガラスペーストを予め導電体６の凹部７に充填して絶縁体８を形成し、この後、導電凸部９がアクチュエータ本体１の側面に接合される。
【００２１】
導電性接着剤１０は、例えば、Ａｇ粉末を４０〜６０重量％と、ＰｂＯ−ＳｉＯ2 −ＺｒＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 を主成分とするガラス成分４０〜６０重量％とからペーストを用いて形成される。導電凸部９に形成される導電性接着剤１０は、内部電極３の端部と強固に接合させるために、内部電極材料と拡散接合しやすい材料であることが望ましい。内部電極３がＡｇを含む材料の場合、導電性接着剤１０の主成分はＡｇであることが望ましい。更に接合を強固にするために、内部電極材料に含まれるガラス成分と同一系統のガラス成分を含んでいることが望ましい。尚、導電性接着剤１０として、導電性シリコンゴム等の低ヤング率材料を用いることにより、高速駆動時の導電性接着剤１０の破損を防止できる。
【００２２】
尚、外部電極４の凹部７内面に酸化物膜１１を形成しても良い。即ち、凹部７の内面と絶縁体８との間に酸化物膜１１を形成することにより、より絶縁性を確保できる。
【００２３】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、以下のプロセスにより製造される。先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み３０〜２００μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００２４】
このグリーンシートの片面に内部電極となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の両側に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。
【００２５】
次に加圧を行いながら、１００〜２００℃で加熱を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断され、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９００〜１１００℃、２〜５時間で本焼成が行われ、アクチュエータ本体１が作製される。このアクチュエータ本体１の４側面には、内部電極３の端部が露出している。
【００２６】
一方、外部電極４を、導電板６に所定間隔を置いて複数の凹部７を形成し、これらの凹部７に、例えば、ガラスからなる絶縁性材料のペーストを充填し、乾燥することにより絶縁体８を収容するとともに、導電板６の凹部７間における導電凸部９に導電性接着剤１０が塗布され、形成されている。この状態では、導電性接着剤１０は、絶縁体８よりも外側に突出している。
【００２７】
そして、外部電極４の導電性接着剤１０を内部電極３の端部に当接し、加熱接合もしくはレーザー溶接により、外部電極４の導電凸部９が、内部電極３の端部と導電性接着剤１０を介して接着されるとともに、外部電極４の絶縁体８が、導電凸部９が接続されていない内部電極３の端部と当接することになる。
【００２８】
この後、図示しないが、アクチャエータの周囲に、デイッピング等の方法により、シリコンゴム等の被覆材で被覆し、図１に示したように、正極用外部電極、負極用外部電極にリード線１５を接続し、正極、負極に０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュエータ全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電アクチュエータを得る。
【００２９】
尚、アクチャエータの周囲の隅々までシリコンゴム等の被覆材で被覆するために、周囲を真空状態にすることが行われているが、この際に、外部電極４の絶縁体８と、内部電極３の端部や圧電体２との間にシリコンゴム等の被覆材が浸入することがある。
【００３０】
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、絶縁体８は内部電極３の端部および圧電体２に当接しており、アクチュエータ本体１が、圧電体２と内部電極３との積層方向に伸縮しても絶縁体８には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動した場合でも絶縁体８が破損することがなく、高速の連続駆動に対しても長時間運転できる。
【００３１】
さらに、全体をシリコンゴム等の絶縁被覆材によって被覆することにより、環境からの水分の進入を防止できる。従って、使用する電極部材間のエレクトロマイグレーションの発生を抑制し、電極接続の信頼性を確保することができる。
【００３２】
尚、本発明の積層型圧電アクチュエータは四角柱、六角柱等どのような多角柱形状であっても良いが、切断の容易性から四角柱状が望ましい。
【００３３】
【実施例】
ＰＺＴを主成分とする厚み０．１２ｍｍのグリーンシートにＡｇ／Ｐｄを主成分とする内部電極ペーストを厚み２μｍで印刷形成した。内部電極ペーストが塗布されたグリーンシートを３００枚積層し、この後、両面に内部電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層し、加熱接合して一体化した。
【００３４】
積層体を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ３０ｍｍになるように切断し、最高温度７００〜８００℃、２０〜３０時間で脱バインダを行った。その後、最高温度９００℃〜１１００℃で３〜６時間焼成を行い、アクチュエータ本体を得た。
【００３５】
次に、図２に示した形状で、３０ｍｍ×２ｍｍで厚さ０．４ｍｍのステンレス製の導電板の表面に、０．２ｍｍおきに、幅２ｍｍの凹部を形成し、これらの凹部に、硼珪酸系ガラスからなる絶縁性材料を充填し、絶縁体を形成するとともに、凹部間の導電凸部にＡｇとガラスからなる導電性接着剤が塗布され、外部電極を形成した。
【００３６】
この外部電極を、アクチュエータ本体の側面に位置あわせした後、外部電極の上部に重りを乗せて、６００℃、３０分で加熱接着した。この後、圧電体２の外周部、外部電極４と内部電極１との間に隙間がないようにシリコンゴムを充填した。これを８０℃のシリコンオイル中に置き、正極および負極に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分間印加して分極処理を行ない、本発明の積層型圧電アクチュエータを得た。
【００３７】
得られた積層型圧電アクチュエータに２００Ｖ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０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数５×１０8 回まで４０μｍの変位量を維持した。さらに、本発明の積層型圧電アクチュエータ１０個を湿度９５％の大気中で、０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０8 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。
【００３８】
また、内部電極の端部に一層おきにガラス層が被覆されており、外部電極は、ガラス層と同じピッチで凹部を有しており、この凹部内にガラス層を収容するように位置合わせし、凹部間の凸部をガラス層が形成されていない内部電極の端部に導電性接着剤で接着した、比較例の積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００３９】
上記と同様に、２００Ｖ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０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加した結果、印加回数５×１０8 回まで４０μｍの変位量を維持した。さらに、この積層型圧電アクチュエータ１０個を湿度９５％の大気中で、０〜＋２００Ｖの交流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０6 回印加したところ、沿面放電のため８個が破損した。破損個所を観察したところ、内部電極の端部を被覆しているガラス層に割れが生じており、この割れを介して内部電極の端部と外部電極の凹部内面が放電し、沿面放電したことを確認した。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電アクチュエータでは、外部電極の絶縁体は内部電極の端部および圧電体に当接しており、アクチュエータ本体が、圧電体と内部電極との積層方向に伸縮しても絶縁体には応力は殆ど作用せず、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させた場合でも絶縁体が破損することがなく、本来、絶縁されるべき外部電極と内部電極との間のショートの発生を防止でき、高速の連続駆動に対しても長時間運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の四角柱状の積層型圧電アクチュエータを示す斜視図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】外部電極を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・アクチュエータ本体
２・・・圧電体
３・・・内部電極
４・・・外部電極
６・・・導電板
７・・・凹部
８・・・絶縁体
９・・・導電凸部
１０・・・導電性接着剤
１１・・・酸化物膜
【図１】
0003881474.tif 000002
【図２】
0003881474.tif 000003
【図３】
0003881474.tif 000004