JP2001102649A

JP2001102649A - 積層型圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001102649A
Application number: JP27809599A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Setoguchi; 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】高温、高湿の環境下で大きな電圧を印可して繰
り返し作動する場合でも、水蒸気の透過を防止し、内部
電極材のマイグレーションを抑制させ、高信頼性の積層
型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】複数の圧電体３と複数の内部電極５ａ、５
ｂとを交互に積層してなり、少なくとも２つの側面に内
部電極５ａ、５ｂの端部が交互に露出した積層体７と、
該積層体７の２つの側面にそれぞれ形成され、内部電極
５ａ、５ｂの端部を交互に接続する一対の外部電極とを
具備するアクチュエータ本体１の外周面に、水蒸気透過
率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨ
ｇ・ΔＴ以下の外装樹脂１９を被覆した。

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、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
ータに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、圧電体は、電圧を印加することによ
り伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧
電体１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を
複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータが作
製されていた。この積層型圧電アクチュエータは、圧電
体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。

【０００３】このような積層型圧電アクチュエータに
は、同時焼成タイプと、圧電板と電極薄板を交互に積層
したスタックタイプの２種類に分類されており、厚みの
薄い圧電板を多数枚積層することが比較的容易であるこ
とから、低電圧高変位化及び小型化が可能な同時焼成タ
イプの積層型圧電アクチュエータがその優位性を示しつ
つある。

【０００４】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】近年、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、積層型圧
電アクチュエータの特徴である高応答性を利用するた
め、高い電圧を高周波数で印加し駆動を行うようになっ
ている。

【０００６】このため、圧電板間に埋設された正極の内
部電極と負極の内部電極との間で、アクチュエータ本体
の表面を介しての沿面放電を起こしたり、更に、湿度の
高い環境下で駆動させた場合、内部電極材のエレクトロ
マイグレーションが発生し、ショートによる破損が発生
し易いという問題があった。このためアクチュエータ本
体の側面には、耐水性と耐電圧性を兼ね備えた外装樹脂
を被覆する必要があった。

【０００７】しかし、この外装樹脂のヤング率が高い場
合、積層型圧電アクチュエータを高変位にて高速駆動す
ると、外装樹脂とアクチュエータ本体間に隙間ができた
り、外装樹脂にクラックが発生し、沿面放電や内部電極
材のマイグレーションが生じるという問題があった。

【０００８】これらを解決する手段として、特開平５−
１６０４５８号公報及び特開平５−２１８５１６号公報
に開示された積層型圧電アクチュエータでは、シリコー
ン樹脂を被覆し、内部電極材のマイグレーションを抑制
している。しかしながら、シリコーン樹脂は水蒸気透過
率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨ
ｇ・ΔＴよりも大きいため、積層型圧電アクチュエータ
を高温、多湿の環境下に置いた場合、シリコーン樹脂が
水蒸気を透過し、積層型圧電アクチュエータを駆動する
と内部電極材のマイグレーションを起こすという問題が
あった。

【０００９】本発明は、高温、高湿の環境下で大きな電
圧を印可して繰り返し作動する場合でも、水蒸気の透過
を抑制し、沿面放電や内部電極材のマイグレーションを
抑制し、高信頼性の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、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
の端部が交互に露出した積層体と、該積層体の２つの側
面にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部を交互に接
続する一対の外部電極とを具備するアクチュエータ本体
の外周面に、水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／
ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆
したものである。

【００１１】このような構成を採用することにより、高
温、高湿度化の環境下でも外装樹脂により水蒸気の浸入
を防止することができ、内部電極材のマイグレーション
を抑制することが可能となる。

【００１２】また、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、アクチュエータ本体の側面と外装樹脂との間にシリ
コーンゴム層が形成されており、該シリコーンゴム層が
外装樹脂により外部に露出しないように被覆されている
ことが望ましい。水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃ
ｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂は
一般に高ヤング率材料であるため、積層型圧電アクチュ
エータの変位の発生を阻害する傾向にあるが、シリコー
ンゴム層は低ヤング率材料であるため、変位量が低下す
ることがない。また、シリコーンゴム層により正極側の
内部電極と、他の負極側の内部電極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
体に印加し、大きい変位量を確保することができる。

【００１３】さらに、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、シリコーンゴム層中に炭素を含有することが望
ましい。シリコーンゴム層は一般に耐熱性が低く、高温
になるとヤング率が高くなり、変位に追従できなくなっ
てひび割れたり、粉砕されてしまい、異なる極性の内部
電極間の絶縁性を確保できなくなり、沿面放電が生じ易
くなるが、シリコーンゴム層中に炭素を含有することに
より、シリコーンゴム層の耐熱性を向上することがで
き、ヤング率が高くなることを防止でき、沿面放電を防
止できる。このような外装樹脂としてはテフロン（登録
商標）であることが望ましく、ディッピング法により塗
布形成されることが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電アクチ
ュエータのアクチュエータ本体の斜視図であり、図２
（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図２（ｂ）は図
１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【００１５】図１において、符号１は四角柱状のアクチ
ュエータ本体を示すもので、このアクチュエータ本体１
は、複数の圧電体３と複数の内部電極５を交互に積層し
て構成された積層体７を具備している。

【００１６】内部電極５の端部は積層体７の４側面に露
出しており、また、内部電極５の上下両側に位置する圧
電体３は反対の向きに分極処理されている。

【００１７】内部電極５は積層順に交互に第１内部電極
５ａまたは第２内部電極５ｂとされ、第１内部電極５ａ
と第２内部電極５ｂに異なる電位を与えることによっ
て、圧電体３に厚さ方向の電界を印加できる。

【００１８】圧電体３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。なお、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３の厚
み、つまり内部電極５ａ、５ｂ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０．０５〜０．２５
ｍｍであることが望ましい。

【００１９】積層体７の対向する側面には、導電性耐熱
接着層９ａ、９ｂがそれぞれ形成され、これらの導電性
耐熱接着層９ａ、９ｂには、金属板からなる導電性部材
１０ａ、１０ｂが接合されている。導電性耐熱接着層９
ａと導電性部材１０ａ、導電性耐熱接着層９ｂと導電性
部材１０ｂにより、外部電極が構成されている。

【００２０】導電性耐熱接着層９ａには第１内部電極５
ａの端部が接続され、第２内部電極５ｂの端部とは絶縁
され、また導電性耐熱接着層９ｂには第２内部電極５ｂ
が接続され、第１内部電極５ａの端部とは絶縁されてい
る。

【００２１】即ち、第１内部電極５ａの端部は積層体７
の側面に露出し、第２内部電極５ｂの端部は、凹溝１１
内に充填された絶縁体１３により、積層体７の側面に露
出していない。これにより、積層体７の側面に導電性耐
熱接着層９ａを形成した際には、第１内部電極５ａの端
部のみが導電性耐熱接着層９ａと接続されることにな
る。

【００２２】一方、第２内部電極５ｂの端部は積層体７
の側面に露出し、第１内部電極５ａの端部は、凹溝１１
内に充填された絶縁体１３により、積層体７の側面に露
出していない。これにより、積層体７の側面に導電性耐
熱接着層９ｂを形成した際には、第２内部電極５ｂの端
部のみが導電性耐熱接着層９ｂと接続されることにな
る。

【００２３】内部電極５ａ、５ｂは、積層体７の全ての
側面に露出しているが、そのうち２つの側面において、
内部電極５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端部１層おき
に凹溝１１が形成され、該凹溝１１内にガラス、エポキ
シ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリ
コーンゴム等の絶縁体１３が充填されている。なお、該
絶縁体１３は低ヤング率の材質、例えばシリコーンゴム
等が好ましい。

【００２４】つまり、内部電極５ａ、５ｂは互い違いに
１層おきに絶縁され、絶縁されていない内部電極５ａ、
５ｂの他方の端部は、導電性耐熱接着層９ａ、９ｂによ
り接続され、この導電性耐熱接着層９ａ、９ｂ上には金
属板からなる導電性部材１０ａ、１０ｂが積層され、こ
れらの導電性部材１０ａ、１０ｂにはリード線１５がそ
れぞれ取り付けられている。

【００２５】また、積層体７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、発生する力を
外部へ伝達するための不活性部１７が積層され、接合さ
れている。

【００２６】そして、本発明の積層型圧電アクチュエー
タでは、アクチュエータ本体１の外周面には、図２に示
すように、シリコーンゴム層１８が形成されており、こ
のシリコーンゴム層１８を完全に被覆するように、水蒸
気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・
ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂１９が被覆されている。

【００２７】シリコーンゴム層１８には炭素が含有され
ており、このように炭素を含有することにより、耐熱性
を向上することができる。炭素量は耐電圧性を維持する
という点から３０重量％以下であることが望ましい。

【００２８】また、水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・
ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂
１９としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリカーボネ
ート等があるが、１００℃以上の高温下に置かれること
から、耐熱性の高いテフロンが望ましい。

【００２９】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５０〜２５０μｍ
のセラミックグリーンシートを作製する。

【００３０】このグリーンシートの片面に、内部電極５
ａ、５ｂとなる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペ
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、この積層体の積層方向の両端部に、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。

【００３１】次に、これを５０〜２００℃で加熱を行い
ながら加圧を行い、一体化し、この後、所定の大きさに
切断した後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バイ
ンダが行われ、９００〜１２００℃で２〜５時間で本焼
成が行われ、積層体７を得る。この積層体７の４側面に
は、内部電極５ａ、５ｂの端部が露出している。

【００３２】その後、該積層体７の２つの側面におい
て、内部電極５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端面に、
２つの側面において互い違いになるように、１層おきに
深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅５０〜３００μｍ
の凹溝１１を形成し、該凹溝１１にシリコーンゴムから
なる絶縁体１３を充填し、内部電極５ａ、５ｂを互い違
いに１層おきに絶縁し、この側面に、導体（金属）を分
散させたポリイミド樹脂、Ａｇガラス等を塗布して導電
性耐熱接着層９ａ、９ｂを形成し、この導電性耐熱接着
層９ａ、９ｂ上には金属板からなる導電性部材１０ａ、
１０ｂを積層し、これらの導電性部材１０ａ、１０ｂに
リード線１５を取り付ける。

【００３３】この後、アクチュエータ本体１の外周面
に、例えば、デイッピング法によりシリコーンゴム層１
８を被覆し、更にその表面に低水蒸気透過率樹脂である
外装樹脂１９をデイッピング法により被覆した後、０．
１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、圧電体３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が得られ
る。外装樹脂１９は、この外装樹脂１９が溶融した樹脂
溜中に、アクチュエータ本体１を浸漬し（デイッピング
法）、外周面に塗布することが望ましい。

【００３４】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、水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ
／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂１９
により、アクチュエータ本体１を被覆したので、高温、
高湿度化の環境下でも外装樹脂１９により、外部からの
水蒸気の浸入を防止することができ、内部電極材のマイ
グレーションを抑制し、高信頼性を確保することができ
る。

【００３５】また、アクチュエータ本体１と外装樹脂１
９との間に、低ヤング率のシリコーンゴム層１８を介装
したので、一般に高ヤング率材料である外装樹脂１９に
よる変位量の抑制を防止できるとともに、正極側の内部
電極５ａと、他の負極側の内部電極５ｂ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。

【００３６】さらに、シリコーンゴム層１８中に炭素を
含有せしめることにより、シリコーンゴム層１８の耐熱
性を向上でき、高温におけるヤング率上昇を防止し、ひ
び割れ等を防止して沿面放電を防止できる。

【００３７】尚、本発明の積層型圧電アクチュエータ
は、四角柱、六角柱、円柱等、どのような柱体であって
も構わないが、切断の容易性から四角柱状が望ましい。

【００３８】

【実施例】チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃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１５０
μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

【００３９】このグリーンシートの片面に内部電極５
ａ、５ｂとなる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペ
ーストを、スクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷
し、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１００枚積層し、そ
の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されてい
ないグリーンシートをそれぞれ１０枚積層した。

【００４０】次に、これを１００℃で加熱を行いながら
加圧を行い一体化し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切
断した後、８００℃で１０時間の脱バインダを行い、１
１３０℃で２時間で本焼成を行い、積層体７を得た。

【００４１】その後、該積層体７の２つの側面におい
て、内部電極５ａ、５ｂ端部を含む圧電体３の端面に、
該２つの側面において互い違いになるように、１層おき
に深さ１００μｍ、積層方向の幅５０μｍの凹溝１１を
形成し、その内部にシリコーンゴムを充填した。この
後、積層体７の２つの側面に導電性ポリイミド樹脂を塗
布して、絶縁されていない内部電極５ａ、５ｂの他方の
端部を導電性ポリイミド樹脂からなる導電性耐熱接着層
９ａ、９ｂで接続し、この導電性耐熱接着層９ａ、９ｂ
に厚み０．５ｍｍの銀箔からなる導電性部材１０ａ、１
０ｂを密着させた状態で２００℃で加熱硬化させ、外部
電極を形成した。

【００４２】この後、正極用外部電極、負極用外部電極
にリード線１５を接続し、アクチュエータ本体１の外周
面に、デイッピング法によりシリコーンゴム層１８を被
覆し、更にその表面に、テフロン（水蒸気透過率：２．
９４×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・
ΔＴ）からなる低水蒸気透過率の２種類の外装樹脂１９
を、デイッピング法によりそれぞれアクチュエータ本体
１に被覆した後、１ｋＶの分極電圧を印加し、アクチュ
エータ本体１全体を分極処理して本発明の積層型圧電ア
クチュエータを作製した。また、ポリカーボネイト（水
蒸気透過率：１．０×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ
²・ｃｍＨｇ・ΔＴ）からなる外装樹脂１９を形成した
積層型圧電アクチュエータも作製した。尚、水蒸気透過
率は、ＪＩＳＫ７１２６に基づき測定した。

【００４３】また、比較の為に同条件にてアクチュエー
タ本体１を作製し、その外周面にシリコーンゴム層（水
蒸気透過率：４０×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ²
・ｃｍＨｇ・ΔＴ）のみを形成した積層型圧電アクチュ
エータも作製した。

【００４４】得られた積層型圧電アクチュエータの耐久
性を比較するために、雰囲気温度１００℃、湿度９０
％、印加荷重３００ｋｇｆ下で、０Ｖから＋２００Ｖの
直流電界を５０Ｈｚの周波数にて１×１０⁹回印加する
耐久試験を行った。

【００４５】その結果、本発明の２種類の試料では変位
量１５μｍで１×１０⁹回でも問題無く駆動したのに対
して、比較用の積層型圧電アクチュエータータでは、変
位量が１４μｍであったものの、１×１０⁷回にて駆動
しなくなった。この比較用の積層型圧電アクチュエータ
の外周面を観察した結果、負極の多数の内部電極周辺が
黒く変色しており、その一部分が陽極とショートしてい
るのが確認された。

【００４６】また、本発明者は、炭素２０重量％を分散
含有したシリコーンゴム、並びに、炭素を含有しない従
来のシリコーンゴムについて、これらのシリコーンゴム
を２３０℃の雰囲気中に放置し、ヤング率の変化を測定
した。この結果を図３に示す。この図３より、従来の炭
素を含有しないシリコーンゴムでは、時間の経過ととも
にヤング率が高くなっているのに対して、炭素を含有す
る本発明のシリコーンゴムでは、１０００時間経過後で
もヤング率が変化しないことが判る。従って、本発明に
用いられる炭素を含有するシリコーンゴムでは耐熱性が
良好であり、高温においてもひび割れや粉砕が発生しな
いことが判る。

【００４７】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。

【００４８】

【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、アクチュエータ本体の外周面に、
水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ
²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆したので、高
温、高湿度化の環境下でも外装樹脂により水蒸気の浸入
を防止することができ、内部電極材のマイグレーション
を抑制することができ、高信頼性を確保することができ
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斜視
図である。

【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、
（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図３】シリコーンゴムについて２３０℃に放置した時
間と、ヤング率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・アクチュエータ本体３・・・圧電体５ａ、５ｂ・・・内部電極７・・・積層体１８・・・シリコーンゴム層１９・・・外装樹脂

Claims

【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
端部が交互に露出した積層体と、該積層体の２つの側面
にそれぞれ形成され、前記内部電極の端部を交互に接続
する一対の外部電極とを具備するアクチュエータ本体の
外周面に、水蒸気透過率が１５×１０^-9ｃｃ・ｃｍ／ｓ
ｅｃ・ｃｍ²・ｃｍＨｇ・ΔＴ以下の外装樹脂を被覆し
たことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】アクチュエータ本体の側面と外装樹脂との
間には、シリコーンゴム層が形成されており、該シリコ
ーンゴム層が外部に露出しないように外装樹脂により被
覆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。
【請求項３】シリコーンゴム層は炭素を含有することを
特徴とする請求項２記載の積層型圧電アクチュエータ。
【請求項４】外装樹脂がテフロンからなることを特徴と
する請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の積層型圧
電アクチュエータ。