JPH04105374A - 圧電アクチュエータ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は逆圧電効果を利用した圧電アクチュエータに関
する。

〔従来の技術〕

第８図に従来の圧電アクチュエータの例を示す。従来、
この種の圧電アクチュエータは、第２図に示すような圧
電セラミック材料からなる薄いシート状の圧電セラミッ
ク部材２と銀バラシウム計危または白金等を用いた内部
電極導体１とを交互に積層した圧電効果層７と、前記圧
電効果層７の両端に圧電セラミック材料からなる圧電不
活性な保護層３ａ、３ｂと、内部電極導体１を一層おき
に絶縁するためのガラス等の絶縁物４と、内部電極導体
１−を交互に電気的に接続するために被着された一対の
外部電極導体５ａ、５ｂと、外部電極導体５ａ、５ｂに
電気的に接続されたリート線６ａ、６ｂとを有する積層
圧電素子１７と、積層圧電素子］７を取り囲み一部か積
層圧電素子１７に固着されさらに積層圧電素子１７の変
位発生方向に伸縮する機構を有する金属ケースと、積層
圧電素子１７の外部電極導体５ａ、５ｂに電圧を印加す
るための気密端子とより構成されていた。特に金属ケー
スは、第８図に示す通り、圧電アクチュエータを固定す
るためのネジ穴等を設けた比較的厚い金属部材く以下ス
テムと称す）８と、圧電アクチュエータと被駆動物との
接続手段を有する比較的厚い金属部材（以下アダプタと
称す）１６と、蛇腹を設けた金属円管（以下ベローズと
称す）つとより構成されていた、 １〜発明か解決しようとする課題１ ト述シた従来の圧電アクチュエータは、線膨張（１ＲＩ
　Ｘ　１０−リ／’Ｃ以下のセラミ・ツク部材と線膨張
係数１０　Ｘ　１０−ｈ、”Ｃ以上の金属部材とを熱硬
化性接着剤て固着させた構造をしている。このため、１
００℃程度以上の温度にて接着剤が硬化後常温まで温度
が降下すると、セラミ・ツク部材と金属部材との線膨張
係数の差のために接着界面付近に引張りおよび剪断応力
か常時作用してしまう。

また、金属ケースに封入していない積層圧電素子１７に
電圧を印加した場合の変形の概念図を第３図に示す。圧
電効果層７は１．５ｋＶ／ｍｍ程度の電界強度で縦効果
により積層方向に約０．１％伸長し一５横効果により内
部電極導体１と平行な方向に約０．０３％収縮する。こ
の際保護層３ａ、３ｂには電界が印加されないため伸長
も収縮も起らない。その結果、素子端面か球面状に変形
し、圧電効果層７と保護層３ａ、３ｂとの界面に引張り
および剪断応力か作用する。さらに、こ力積層圧電＃′
ｆ１７を金属ケースに封入し圧電アクチュエータとした
場合、第８図の通り、積層圧電素子の端面を金属ケース
のステム８またはアダプタ１６またはその両者に固着さ
せることか必要となる。ステム８．アダプタ１６はセラ
ミ・ツク母材の５ないし６倍程度の縦弾性率を有し、か
つ十分な厚さを有する金属部材である。そこで、積層圧
電素子１７をステム８ｔたはアダプタ１６またはその両
者に固着させた状態で積層圧電素子１７に電圧を印加し
た場合、保護層３ａ、３ｂの球面状の変形を第９図に示
すように強制的に平面状に拘束するために、保護層３ａ
、３ｂと圧電効果層７との界面に作用する引張りおよび
剪断応力は無拘束の場合よりさらに大きなものとなる。

本圧電アクチュエータを常温において１５０Ｖ３０Ｈｚ
の矩形波にて繰り返し駆動した場合、第７図に示す通り
、１０８回以上の駆動で摩耗故障領域に入り寿命に至る
。これは冒頭に述べた線膨張係数の差に起因する応力と
、電圧印加による応力が重ね合されて積層圧電素子１７
端部付近に繰り返し作ＩＩ　＋−５最も大きな応力か作
用しかつ機械的強度力低い保護層３．ｑ、３ｂヒ圧電効
県層７との界面か１．０８回以上の繰り返し駆動て破断
する現象が起るためである。つまり、この現象か従来か
圧電アクチュエータの繰り返し寿命を１０８回程度に規
定してしまっているという欠点かある。

本発明の目的は、冒頭に述べた線膨張係数の差異に起因
して保護層と圧電効果層との界面に作用する応力と、中
途に述べた電圧印加に起因して保護層と圧電効果層との
界面に作用する応力との両者を低減させ、繰り返し駆動
に対する寿命を伸ばし信頼性を向上させることかできる
圧電アクチュエータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電アクチュエータは、圧電セラミック部材と
内部電極導体とを交互に積層した圧電効果層とその圧電
効果層の両端に圧電セラミック部材よりなる圧電不活性
な保護層と前記内部電極導体を１層おきに１対の外部電
極導体に接続する手段とを有する積層圧電素子と　その
１ｌｆｌＥ電素そを収り囲みステムまたはアダプタまた
はその両者か積層圧電素子に固着され積層圧電素子の変
位方向に伸縮可能なベローズを有する金属ケースとその
ｆｆ層圧電素子の外部電極導体に金属ケースの外部から
電圧を印加するための気密端子とよりなり、特に前記金
属ケースの積層圧電素子との固着部付近に、積層圧電素
子変位発生方向に垂直な断面において、積層圧電素子よ
りも断面積の小さい部分が存在する、 〔実施例〕 次に、本発明について図面を参照して説明する。第１図
は本発明の一実施例の縦断面図である。第２図は第１図
の本発明の一実施例の圧電アクチュエータに用いる積層
圧電素子の縦断面図である。

先ず、例えばニッケルニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｎｉ％Ｎｂ％）
０３やチタン酸鉛ＰｂＴｉ○３等を主成分とする圧電材
料の予焼粉末に少量の有機バインダを添加し、この混合
物を有機溶媒中に分散させて泥漿を準１清″−二、７″
）泥漿てスリ・ｌプキヤス子、ツク成膜法等によ〆）ｉ
　＋！ｌ約１００μｍの圧電セラミック部材２を形成す
る６次にｍ：の圧電セラミック部材２の片面に重黛比７
３の銀粉末とパラジウム粉末との混合粉末、または白金
粉末を主成分とする導体ペーストをスクリーン印刷等で
約１０μｍ被着させて内部電極導体１を形成し、これを
約１５０枚積層する。以北の積層体か圧電活性な圧電効
果層７となる。さらに、二の積層体の上、下面に内部電
極導体１を形成していない圧電セラミック部材を２０枚
つつ積層し保護層３ａ、３ｂを形成する。以上の通り積
層した後、約１１００°Ｃ，２時間の条部て焼成し、さ
らに側ｒ 面を切断して内部電極導体１の端面か外部に露出しな状
態の角柱状の積層焼結体とする。

次に、この積層焼結体の対向する一対の側面に露出した
内部電極導体１の端部に、該側面において交互に一層お
きに電気泳動法によりカラス粉末を付着させ、焼結を施
して絶縁層４を形成する。

続いて内部電極導体１を一層おきに電気的に接続するな
めに、Ｍ粉末を主成ｈ゛とする導電ペーストを印刷塗布
して焼成する二とにより、一対ｆ）外部電極導体５ａ、
５ｂを形成する、さらに外部電極導体５ａ、５ｂと電気
的に接続されたリード線６ａ、６ｂを設置し、第２図に
示す積層圧電素子１７か完成する。

次に、金属ケースについて述へる。金属ケースは、第１
図に示す通り圧電アクチュエータを固定するためのネジ
穴等を設けた比較的厚い金属部材であるステム８と、圧
電アクチュエータと被駆動物との接続手段を有する比較
的厚い金属部材であるアダプタ１６と、蛇腹を設けた比
較的薄肉の金属円管であるベローズ９よりなる。まず、
ステンレス鋼、鉄鋼、銅合金、アルミニウム合金等の棒
材から所定の厚さの円盤を切り出す。アダプタ１６の場
合、この円盤を旋盤等を用いて、第１図に示す通り、上
底面に円錐状のくぼみを持つ円錐台状に加工し、さらに
放電加工やワイヤリー等を用いて幅約０．５ｍｍ程の溝
を切り、ヒンジ１５ａを形成する。ステム８の場合、こ
の円盤に施磐、フラ（７，盤等で貫通孔とねし穴を形成
し４コバ一ル等？端そヒするバーメチ・ｌクシールを行
う。ステム８にもアダプタ１６と同様の加工を施し、ヒ
ンジ１５ｂ分形成する。

ヒンジ１．５ａ、１５ｂを形成するための講の幅は、０
．１ｍｍ程度もあれば実用上問題なく、幅が狭い程圧電
アクチュエータ全長か短く小型になって有利である。ま
た、ステム８およびアダプタ１６の接着部分１４ａ、１
４ｂの厚さは１ｍｍないし２ｍｍ程度が適当て、ヒンジ
１５ａ、１５ｂの断面は直径４ｍｍ以下の円形か適当で
ある７次に、積層圧電素子１７の金属ケースへの封入に
ついて述べる。先ずアダプタ１６とベローズ９を第１図
に示す形状にレーザーヒム溶接法、エレクトロビーム溶
接法、抵抗溶接法、ＴＩＧ溶接法、アーク溶接法等で溶
接する。さらに積層圧電素子１７の外部電極導体５ａ、
５ｂとハーメチックシール端子１０ａ、１０ｂとをそれ
ぞれ電気的に接続し、積層圧電素子１７の上下面とベロ
ーズ９付きのアダプタ１６およびステム８とを熱硬化性
の接着剤で第１図の通つ周祈させる、最後に、真空中、
１ヘライエアー中、不活性カス中てステム８とへロース
゛９の接合部を溶接して完成する。

次に、本実施例の圧電アクチュエータの動作について説
明する。積層圧電素子１７とステム８゜アダプタ１６と
の固着には、熱硬化性接着剤か用いられるのが一般的で
あるか、この場合、前述の線膨張係数の差異に起因する
応力か保護層３ａ。

３ｂと圧電効果層７との界面付近に作用するのか避けら
れない。しかし本実施例の場合、積層圧電素子１７に直
接接着する金属部材の厚さか従来例と比較して極めて薄
く体積も小さいため、線膨張係数の差異に起因する応力
を相対的にかなり小さく抑えることかできる。さらに電
圧を印加した場合も、積層圧電素子１７に直接接着され
た金属部材の厚さが薄いため、第４図に示す通り積層圧
電素子１７の変形を拘束しにくい。

以上の２点の効果により、本実施例の圧電アクチュエー
タは、積層圧電素子１７の保護層３ａ。

３ｂと圧電効果層７との界面に作用する応力を低下させ
、素子の破断を防ぎ　信・照性テ向１・させる二ビかて
きる、 第５図は本発明の池の実施例の縦断面図で４もる。ます
、第１の実施例と全く同様に積層圧電素子１′７を作成
する、第１の実施例同様に、ステシレス鋼１鉄鋼、＠合
金、アルミニウム合会等の棒材から所定の厚さの円型を
切り出し、円柱状の突起と円錐形のくぼみを施磐、フラ
イス慇等を用いて加工しアダプタ１６とする。ステム８
についても同様の加工を施し貫通孔とねし穴を設ける６
気密端子としてはコバール等を端子とするハーメチック
シールなどが適当である。アダプタ１６．ステム８の積
層圧電素子１７に接着される断面積の小さい部分（接着
部分１４ａ）は、直径５　ｍ　ｍ以下の円柱状か適当で
ある。また、この部分の高さは、積層圧電素子１７の発
生変位か１５〜３０μｍ程度である場合、０．１ｍｍ程
度てあれば十分である。

さらにベローズ９は、ステンシル」鉄鋼、銅合金、アル
ミニウム合金等の薄肉円管に、液圧押１込み法等に上り
蛇腹を形成する。積層圧電素子１７の貸属ケースの封入
は第１の実施例と全て同様である。まず、アダプタ７と
へロース（、）を７Ｗ　ｊ８し、積層圧電素子１７とバ
ーメチ・・Ｉクシール端子１０ａ、１０ｂを電気的に接
続した陵、熱硬ｆヒ性の接着剤１３ａ、１３ｂで積層圧
電素子１７とアダプタ７およびステム８を接着し、最後
に真空中、ドライエアー中、不活性ガス中でステム８と
へロース９の接合部を溶接して完成する。

次に、本実施例の圧電アクチュエータの動作について説
明する。熱硬化性接着剤を用いて積層圧電素子１７とア
ダプタ１６およびステム８を接着した場合に、セラミッ
クスと金属との線膨張１系数の差異に起因して、保護層
３ａ、３ｂと圧電効果素子７との界面に作用する引張り
、剪断応力は、およそ接着部分１４ａ、１４ｂの長さに
比例することか、有限要素法による応力解析によりわか
っている。また、電圧印加時に積層圧電素子端面を拘束
することにより上記界面に作用する引張り、剪断応力も
、同じくおよそ接着部分１４ａ、１４ｂの長さに比例す
る、そこで第５図に示す本実施例の圧電アクチュエータ
に電圧を印加した際の変形は、概念的に第６図に示す通
りとなり、保？４府３ａ、３ｂと圧電効果層７との界面
に作用する応力は、接着部分の面積か小さい程、減少す
る二とになる。応力低下の面からは接着部分１４ａ。

１４ｂの面積は小さい程良いか、接着部分１４ａ、１４
ｂの面積か小さいと、圧電アクチュエータの発生力を損
なうので実用的には直径４ｍｍ程度が良いようである、 以上、本実施例の圧電アクチュエータは、積層圧電素子
１７の保護層３ａ、３ｂと圧電効果層７との界面に作用
する応力を低下させ、積層圧電素子１７の破断を防ぎ、
信頼性を向上させることかできる。

第７図は本発明の詳細な説明する特性図である。断面５
ｍｍＸ５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、発生変位的１８μｍの積
層圧電素子を用いて、第１．第２の実施例の圧電アクチ
ュエータに組み立てたもので、金属ケースの材質は５Ｕ
Ｓ３０４を用いた、第１の実施例の場斤、接着部分１＝
１　］、　　１．４ｂの厚さは１ｍｍとし　ヒンジ１５
ａ、］、５１＋は直径４ｍｍの円柱状とした、第２の実
施例の場き、接着部分１４ａ、１４ｂは直径５　ｍ　ｍ
力円柱状で高さはＱ、５ｍｍとしな。本図は、各サンプ
ルＬＯＯＰに対して、３０Ｈｚの矩形波で１５０Ｖ印加
した繰り返し寿命試験の結果であるか、このように本圧
電アクチュエータは１０９回のパルス印加後も不良は１
つも発生しておらす、長寿命化を可能にしたという顕著
な結果が見られる。

（発明の効果コ 以上説明したように本発明は、金属ケースの積層圧電素
子との固着部付近に、変位発生方向に垂直な断面におい
て、積層圧電素子よりも断面積の小さい部分を存在させ
ることにより、セラミックである積層圧電素子と金属ケ
ースとの間の熱膨張の差を比較的低くおさえさらに、素
子端部の変形の拘束を減少させ、保護層−圧電効果層界
面に働く応力を低下させることで、圧電アクチュエータ
の繰り返し寿命に対する信頼性をさらに向上てきるとい
う効県かある、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例力圧電アクチュエー夕の縦断
面図、第２図は第１図の積層圧電素子のみの構造を示す
縦断面図　第３図は第２図力積層圧電素子に電圧を印加
した際力変形を示す概念図、第４図は第１図の圧電アク
チュエータに電圧を印加した際の積層圧電素子の変形を
示す概念図、第５図は本発明の第２の実施例の縦断面図
、第６図は第５図の圧電アクチュエータに電圧を印加し
た際の積層圧電素子の変形を示す概念図、第７図は本実
施例と従来例の圧電アクチュエータの繰り返し寿命試験
結果を示す特性図、第８図は従来例の圧電アクチュエー
タの縦断面図、第９図は金属部材を接着することで積層
圧電素子の端部の変形を拘束した際の積層圧電素子の変
形を示す概念図である。 １１〜１ｏ＋１内部電極導体、２、〜２ｎ・・・圧電セ
ラミック部材、３ａ、３ｂ・・保護層、４、〜、↓０．
１・・・絶縁層、５ａ、”ｉｈ・外部電極導体、（−）
ａ、６１）・・クー１−線、７・・・圧′電動混層　８
．ステム、９・・・ベローズ、１０ａ、１０ｂ・・・ハ
ーメチックシール端子、１１ａ、１１ｂ・・・バーメチ
・・ｌフカラス、１２・・・とり付けねし穴、１３ａ、
１３ｂ・・・接着剤、１４ａ、１４ｂ・・・接着部分、
１５ａ。 １５ｂ・・ヒンジ、１６　・アダプタ、１７・・積層圧
電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電セラミック部材と内部電極導体とを交互に積層
   した圧電効果層と該圧電効果層の両端に圧電セラミック
   部材よりなる圧電不活性な保護層と前記内部電極導体を
   １層おきに１対の外部電極導体に接続する手段とを有す
   る積層圧電素子と、該積層圧電素子を取り囲み一部が積
   層圧電素子に固着され積層圧電素子の変位発生方向に伸
   縮可能な機構を有する金属ケースと、前記積層圧電素子
   の外部電極導体に前記金属ケースの外部から電圧を印加
   するための気密端子とよりなる圧電アクチュエータにお
   いて、前記金属ケースの前記積層圧電素子との固着部付
   近に、前記積層圧電素子変位発生方向に垂直な断面にお
   いて、前記積層圧電素子よりも断面積の小さい部分が存
   在することを特徴とする圧電アクチュエータ。 ２、前記金属ケースの積層圧電素子との固着部付近が直
   接接着する部分が薄く形成され、かつそれに続く一部分
   の断面積が積層圧電素子の断面積より小さいことを特徴
   とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。 ３、前記金属ケースの積層圧電素子との固着部が積層圧
   電素子より面積の小さい凸状に形成されていることを特
   徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。