JPH02288379A - 圧電セラミックアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は圧電又は電歪効果を利用したバイモルフ型の圧
電セラミックアクチュエータに関するものである。

（ロ）従来の技術 圧電セラミックアクチュエータ（以下単に圧電アクチュ
エータと称する）をサーボ弁の７ラツパへ応用する試み
は「計測自動制御学会論文集」（昭和４６年１０月、第
７巻、第５号、ｐ８８〜ｐ９５）に記載の「電わい素子
を用いたサーボ弁の研究」　（池辺、中日）や「第２４
回５ＩＣＥ学術講演会予稿集」　（昭和６０年７月ｐ７
１〜７２）に記載の「圧電バイモルフを用いた電気−空
気圧トランスジューサ」にある。

第３図は従来の圧電アクチュエータの断面を示したもの
である。

（１）はリン青銅板や鉄−Ｎｓ合金板等からなるシム金
属板、（２）（２’）はチタン酸鉛、ジルコン酸鉛（ｐ
　ｂＴ　ｉ　Ｏｓ・ｐ　ｂ　Ｚ　ｒＯｓ）やマグネシウ
ム酸鉛、ニオブ酸鉛（ｐ　ｂ　ＣＭ　ｇ　’／ｓＮ　ｂ
　’八）０、）等から成るセラミック焼結体（以下単に
セラミックと称する）であり、電気−機械変換素子であ
る。そしてこのセラミックは接着剤（３）（３’）にて
シム金属板（１）の両面に接着されている。

（４）（４°）（５）（５’）はセラミックの両面上に
銀（Ａｇ）ペーストが塗布焼付けされた電極である（以
下単にＡｇ電極と称する）。そしてこれらから構成され
る部品を組立て完成したものを圧電アクチュエータ工と
称している。通常、この圧電アクチュエータを使用する
場合、この圧電アクチュエータ（６）を固定・保持する
為の金属製のチャッキング部（７）（７°）がある。

圧電アクチュエータ０」を前記のフラッパへ応用する場
合、チャッキング部（７）（７’）をリード線にて結線
すると共にチャッキング部（７）（７’）とシム金属板
（１）の間に交流電圧（ｅｉｎ）を加える。すると電極
（４）（４°）を介して各セラミック（２）（２’）に
電界がかかる。

さて、セラミック（２）（２’）は予め厚み方向に分極
させておき、電極（４）（４’）と電極（５）（５’）
の厚み方向に電界が加わると、厚み方向と直角な方向に
一方のセラミックは伸び他方のセラミックは縮む（即ち
、伸縮方向は第３図の左右方向である）。これはセラミ
ックに電圧がかかると、電圧→電界→分極→応力→歪と
いう過程を経る為で、結局電気−機械変換素子として機
能する為である。今、交流電圧（ｅｉｎ）として正弦波
を電極（４）（４’）とシム金属板（１）間に印加する
場合、周期がＯ〜πラジアンの間でセラミック（２）は
シム金属板（１）の長さ方向に伸び、他のセラミック（
２°）はシム金属板（１）の長さ方向に縮むとすると、
圧電アクチュエータ工はチャッキング部（７）（７’）
に固定された部分を除いて第１図上で下方側に変位する
。変位量はシム金属板（１）の先端側が最も大きく、チ
ャッキング部（７）（７’）の根本の位置で零である。

次に、周期がπ〜２πラジアンの間では、セラミック（
２）（２’）に加わる電界方向が逆になる為、前記の績
果と逆にシム金属板（１）を含めた圧電アクチュエータ
工は第３図上で上方側に変位する。すなわち、所定の交
流電界が加わった時、圧電アクチュエータΩ」は振動状
態となる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 圧電アクチュエータ（６）を長期間にわたって振動状態
で使っていると、セラミック（２）（２’）やＡｇ電極
（４）（４′）に亀裂や破断を生ずる。Ａｇ電極（４）
（４’）の破断箇所はチャッキング部（７）（７′）の
エツジ周辺部の支点になる箇所に発生する事が多い。そ
の例を写真１（ａ）に示す。矢印部が破断箇所を示す。

この試料のＡｇ電極を剥離後、染色浸透探傷剤で処理し
たセラミック表面の写真を同（ｂ）に示す。

写真１（ａ）に示す様に圧電アクチュエータＵはＡｇ電
極（４）（４’）が破断すると、セラミックに電界がか
からなくなる為、全く動作しない。写真１（ａ）には１
本の破断線しか認められないが、同（ｂ）には５〜６本
のセラミックの破断が見られる。また、長期間圧電アク
チュエータＱ」を振動させると、いずれもセラミックに
破断が認められるようになり、更にＡｇ電極も破断に至
る。

Ａｇ電極やセラミックの破断に対する圧電アクチュエー
タの振動変位への影響を調べるため、次の実験を実施し
た。即ち、圧電アクチュエータの片側のＡｇ電極、セラ
ミック部に写真２に示すように溝（８）を作って、Ａｇ
電極やセラミックを人工的に破断したのと同じ状態にし
た後、セラミックやＡｇ電極溝（８）上にエポキシ樹脂
を塗り込み、更にその上に導電性接着剤（９）を塗布し
て破断分離したＡｇ電極を電気的に修復した。写真２に
示すような溝（８）を刻設した後Ａ　ｇ電極を修復した
圧電アクチュエータを２個作り（溝位置はほぼ同位１ｉ
ｉ）、溝を刻設する前と、Ａｇ電極を修復した後の圧電
アクチュエータのシム金属板先端の振動変位を比較した
。圧電アクチュエータに加えた電圧および周波数はＡＣ
３０Ｖ、２５Ｈｚの正弦波であり、この圧電アクチュエ
ータはこの電圧および周波数の印加によりシム金属板先
端の初期振動変位は２９５μｍである（試料２個の平均
値）。そして、圧電アクチュエータの片側面のＡｇ電極
やセラミックに溝を刻設した時の振動変位は約１八とな
り、Ａｇ電極を電気的に修復した後の振動変位は３００
　ｆｔ　ｍ　（試料２個の平均値）であり、変化率は＋
１．５％であった。この変化率＋１．５％は振動変位測
定からすると、誤差の範囲内である。又、圧電アクチュ
エータ上のＡｇ電極やセラミックの上からハンマで叩い
て打撃を与え、セラミック部にのみ亀裂を生じさせ（Ａ
ｇ電極は破断していない）、ハンマ打撃をする前後の振
動変位を調べた。振動変位測定条件はＡＣ３０ｖ、２５
Ｈｚの正弦波を加えた。ハンマで圧電アクチュエータを
叩いてセラミックに亀裂を生じさせた試料の状態を写真
３に示す。矢印が亀裂を示す。そして振動変位の変化率
は試料２個の平均値で−３，０％であった。この変化率
−３，０％は振動変位測定からすると、誤差の範囲内で
ある。

次に、圧電アクチュエータに溝を刻設した後、Ａｇ！極
を電気的に修復し、振動変位を測定した結果を第１表（
イ）に示し、またハンマ打撃を与え振動変位を測定した
結果を第１表（ロ）にまとめて示した。

第１表、解析結果（各Ｎ　＝　２の平均値９以上の結果
から、圧電アクチュエータを長期間使用する場合の劣化
モードとしてＡｇ電極の破断が最重要であり、このＡｇ
！極面が電気的に導通しておれば、圧電アクチュエータ
の動作に何ら問題無い事がわかる。

従来Ａｇ電極はＡｇ粉体を有機溶剤や樹脂で分散してＡ
ｇペーストとし、８００’Ｃで３０分という高温条件で
焼成していて鉛筆硬度４Ｈ程度のガラス質状の硬いもの
で延伸性の無いものであった為、長期間振動させている
と、電極が破断し容易に寿命が尽きてしまう問題点があ
った。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は斯る問題点を解決するためになされたもので、
セラミックの外側の電極を導電性の金属や炭素等の微粉
体を柔らかな樹脂に分散させたもので構成し、可撓性を
有する電極で構成する。

（ホ）作　用 斯る構成では、圧電アクチュエータの長期間の振動変位
でセラミックに亀裂を生じても、セラミックの外側電極
が可撓性を持ち、柔らかく、弾性を持っていることから
、前記セラミックの亀裂が直ちに外側電極へつながるこ
とが無い為、圧電アクチュエータの長寿命化を計ること
が出来る。

（へ）実施例 実施例（１） 第１図は本発明の実施例を示した断面図である。（１）
は厚さ０．１５ｍｍのＮｉ−Ｆｅ合金で通称４２７０イ
と呼ばれるシム金属板である。そのシム金属板（１）の
両面に厚さＱ、１５ｍｍのチタン酸鉛やジルコン酸鉛等
のセラミック焼結体（２）（２°）（以下単にセラミッ
クと称する）を二液タイプの常温硬化型エポキシ接着剤
（３）（３’）にて接着する。（５）（５’）はセラミ
ック（２）（２°）の内側面に形成されている電極であ
り、（ｌｏ）（１０’）はセラミック（２）（２’）の
外側面に形成された電極である。セラミック外側面の電
極（１０）（１０’）は、二液タイプのエポキシ主剤と
硬化剤を混合することにより、硬化するエポキシ樹脂で
あり、該樹脂中にＡｇ粉体が混入されているので、導電
性を有すると共に鉛筆硬度６Ｂ程度の硬さの柔らかい且
つ可撓性に冨み、弾性を持つエポキシ樹脂（藤倉化成（
株）、商品名ドータイト　品番Ｄ−７５３）である。こ
の導電性で且っ可撓性を持つ電極材料の二液を混合し、
ヘラにてセラミック（２）（２°）の外表面に塗布し、
１５０ｔ：で３ｏ分で硬化させ、３Ｘ１０−’Ω−Ｃｍ
（２５℃）導を性ノミ電極とする事が出来る。この様に
従来のＡｇペーストを高温焼成している柔軟性が無い！
極に比し、この実施例では可撓性に富み、柔軟性がある
ことから、セラミックに亀裂を生じても直ちに電極の破
断とはならず、長寿命の圧電アクチュエータ（６）が得
られる。尚、この実施例では導電体として銀（Ａｇ）を
選び、バインダとして二液タイプのエポキシ樹脂を電極
に用いるとしたが、Ａｇの導電体の代りに銅、カーボン
や金等の金属や無機材料等の導電性を示すものであれば
、同様に使用することができる。又、二液タイプのエポ
キシ樹脂に限らす一液タイブのエポキシ樹脂や二液タイ
プでもポリエテル樹脂やフェノール樹脂、ポリイミド等
で可撓性を示す樹脂であっても一向に構わない。更に前
記の各種樹脂は、主に電極となす為に加熱硬化を必要と
するが、前記の各種導電体をアクリル系樹脂や塩化ビニ
ル系樹脂に有機溶剤で、可溶化したものは通常の温度、
湿度状態下で有機溶剤を揮散させる事で、可撓性電極と
することが出来るため、このようなものであっても−向
に構わない。実施例（２） 次に説明する実施例の断面図は前記実施例（１）と同様
であるが、外側面に形成された電極（１０）（１０）は
、導電体として、カーボンがバインダとして、ゴムの中
へ分散されているものを使用したものである（藤倉化成
（株）、商品名ドータイト、品番ＲＡ−３）。これをセ
ラミック（２）（２’）の外表面にヘラにて塗布し、８
０℃で、３０分間加熱し、５Ｘ１０−’Ω・ｃｍの導電
性で且つ可撓性の電極とし、長寿命の圧電アクチュエー
タとすることが出来る。

実施例（３） 第２図は本発明の他の実施例を示した断面図である。（
１）（２）（２’）（３）（３’）（５）（５°）（７
）（７°）は第３図の従来の技術に示した部品や、材料
と同じである。そして、圧電アクチュエータ上のセラミ
ック（２）（２’）の外側に導電性の接着剤（１１）（
１１’）を介して導電性且つ可撓性の電極（１２）（１
２’）を形成したものである。この構造は導電性接着剤
（１１）（１１’）が可撓性のみならず、硬いものであ
ってもよく、最外側の電極（１２）（１２°）が可撓性
を持ったものであり、可撓性のあるポリウレタン樹脂を
バインダとした０、０５ｍｍのシート（興国化学工業株
式会社、商品名アキレスエルミック、品番ＰＭタイプ１
）であり、その中に導電体としてカーボンが分散された
ものである。電極の特性は表面の電気抵抗値１にΩ／ｃ
ｍ、　Ｊ　Ｉ　Ｓゴム硬度９３の性状を呈している。

このように構成される圧電アクチュエータΩ」のセラミ
ック（２）（２″）の外側は硬・軟の材料にかかわらず
、最外側が可撓性である。セラミック（２）（２’）や
導電性の接着剤（１１）（１１’）に亀裂を生じても、
最外側の電極材料が柔らかく可撓性がある為、容易に亀
裂や破断を生じない。従ってチャッキング部（７）（７
’）から可撓性の電極（１２）（１２’）、導電性の接
着剤（１１）（１１’）を介してセラミックに電界をか
ける事が出来る。本構造は、セラミックの外側に硬い導
電性の材料であっても最外側には導電性、可撓性のある
柔らかい材料を使用した複層の構造としたことに特徴が
あり、本実施例ではバインダにポリウレタン、導電体に
カーボンを使用し梼ｔ、導電性を示す柔らかく且つ可撓
性のある材料であれば、他のものであっても一向に構わ
ない。

（ト）発明の効果 本発明によれば、圧電アクチュエータの最外側に位置す
る電極が可撓性材料からなっている為、圧電アクチュエ
ータの通常使用によってセラミックに亀裂が生じても、
可撓性電極材料が亀裂を生じさせる歪みを吸収するので
、可撓性電極材料が直ちに破断することがない。従って
信頼性が高く寿命の長い圧電アクチュエータを得ること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電セラミックアクチュエータを説明
するための断面図、第２図は本発明の他の実施例を説明
するための断面図、第３図は従来例を説明するための断
面図である。 写真ｌは従来アクチュエータのＡｇ電極・セラミックの
破断状態を示す写真、写真２はＡｇ電極・セラミックを
破断した従来の圧電アクチュエータを電気的に修復した
状態を示す写真、写真３はハンマ打撃により生じたセラ
ミック部の亀裂状態の拡大写真である。第２図は本発明
の実施例−■、■を説明する圧電アクチュエータの断面
図、第３図は本発明の実施例−〇を説明する圧電アクチ
ュエータの断面図。 （１）・・・シム金属板、（２）（２°）・・・セラミ
ック焼結体、（３）（３°）・・・接着剤、（４）（４
°）（５）（５°）・・・電極、イ」・・・圧電アクチ
ュエータ、（７）（７’）・・・チャッキング部、（８
）・・・溝、（９）・・・導電性の接着剤、（１０）（
１０’）・・・可撓性電極、（１１）（１１’）・・・
導電性の接着剤、（１２）（１２°）・・・可撓性の電
極。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）両面に電極が設けられ予め分極されたセラミック
   焼結板と、該焼結板が両面に配設されるシム金属板とを
   備える圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記セ
   ラミック焼結板の両面に設けられる電極のうち、少くと
   も前記シム金属板から離れた方の電極を導電性の金属フ
   ィラー、無機フィラー或はカーボン等を含む可撓性高分
   子体からなる導電性且つ可撓性材より構成することを特
   徴とする圧電セラミックアクチュエータ。
2. （２）両面に電極が設けられ予め分極されたセラミック
   焼結板と該焼結板が両面に配設されるシム金属板とを備
   える圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記セラ
   ミック焼結板の両面に設けられる電極のうち、少くとも
   前記シム金属板から離れた方の電極は導電性接着剤を介
   して最外層を導電性且つ可撓性材より構成することを特
   徴とする圧電セラミックアクチュエータ。