JP2012209427A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of a voltage.
圧電アクチュエータを構成する圧電素子の外部電極は、圧電素子の伸縮によって疲労破壊を起こすことがある。これを防ぐ方法の一つとしてリード線で外部電極を補強する方法がある。たとえば、特許文献1記載の圧電積層体は、リード線で外部電極を補強することによって外部電極部分の変位量を抑え、疲労破壊を防止している。 The external electrode of the piezoelectric element that constitutes the piezoelectric actuator may cause fatigue failure due to expansion and contraction of the piezoelectric element. One method for preventing this is to reinforce the external electrode with a lead wire. For example, the piezoelectric laminate described in Patent Document 1 suppresses the displacement of the external electrode portion by reinforcing the external electrode with a lead wire, thereby preventing fatigue failure.
近年、半田の鉛フリー化が進み、圧電アクチュエータに使用される半田も鉛フリー化されている。非鉛半田は、鉛含有半田に比較してヤング率が大きい。圧電アクチュエータの外部電極に使用した場合、半田が硬いために、圧電アクチュエータの変位時に、半田付けされた位置付近に発生する応力によって圧電素子が破壊する場合がある。 In recent years, lead-free solder has progressed, and solder used in piezoelectric actuators has also become lead-free. Non-lead solder has a higher Young's modulus than lead-containing solder. When used as an external electrode of a piezoelectric actuator, since the solder is hard, when the piezoelectric actuator is displaced, the piezoelectric element may be broken due to stress generated near the soldered position.
そこで、特許文献2〜4記載の圧電アクチュエータのように、外部電極と半田付けされていない箇所が湾曲形状になったリード線を用い、半田付け位置やリード線の厚みに特徴を持たせることで、応力を緩和し、圧電素子の破壊を防止する方法が提案されている。たとえば、特許文献4には、リン青銅のリード線の厚みΔZが0.15mm以下である圧電アクチュエータが記載されている。 Therefore, like the piezoelectric actuators described in Patent Documents 2 to 4, by using a lead wire in which a portion not soldered to the external electrode has a curved shape, the soldering position and the thickness of the lead wire are characterized. A method of relaxing stress and preventing destruction of the piezoelectric element has been proposed. For example, Patent Literature 4 describes a piezoelectric actuator having a phosphor bronze lead wire thickness ΔZ of 0.15 mm or less.
上記の特許文献に記載されるような対策をとることで、半田箇所に生じる応力を有る程度緩和することができ、圧電素子の破壊を防止できる。しかしながら、上記のような対策を講じた圧電アクチュエータであっても、製造ばらつきなどにより短期で故障する弱いものが存在し、長期間の信頼性を維持できない。 By taking measures as described in the above-mentioned patent document, it is possible to reduce the stress generated in the solder portion to some extent and to prevent the piezoelectric element from being destroyed. However, even piezoelectric actuators that have taken the above-mentioned measures have weak ones that fail in a short time due to manufacturing variations and the like, and long-term reliability cannot be maintained.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、長期間の信頼性を維持できる圧電アクチュエータを提供すること目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of maintaining long-term reliability while preventing fatigue failure of an external electrode.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、圧電層と内部電極とが交互に積層され、互いに直列に連結された複数の圧電素子と、前記内部電極に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれの側面に設けられた外部電極に半田付けされたリード部材と、を備え、前記リード部材の線熱膨張係数をα〔℃−1〕、ヤング率をE〔Pa〕、厚みをt〔m〕、引張強度をS〔Pa〕とし、前記半田の融点をTm〔℃〕とするとき、α・E・t(Tm−25)〔Pa・m〕が8.2×104〔Pa・m〕以下であり、かつS・t〔Pa・m〕が1.2×105〔Pa・m〕以上であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of a voltage, and a plurality of piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and connected in series with each other. A piezoelectric element and a lead member connected to the internal electrode and soldered to an external electrode provided on each side surface of the plurality of piezoelectric elements, and the linear thermal expansion coefficient of the lead member is α [° C. −1 ], Young's modulus is E [Pa], thickness is t [m], tensile strength is S [Pa], and the melting point of the solder is Tm [° C.], α · E · t (Tm-25 ) [Pa · m] is 8.2 × 10 4 [Pa · m] or less, and S · t [Pa · m] is 1.2 × 10 5 [Pa · m] or more. Yes.
このような特性を有するリード部材を用いることで、圧電素子が伸縮したときにもリード部材と外部電極との接着部分付近に応力が生じ難い。その結果、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、圧電素子の故障を防止し、長期間の信頼性を維持することができる。 By using the lead member having such characteristics, stress is hardly generated in the vicinity of the bonded portion between the lead member and the external electrode even when the piezoelectric element expands and contracts. As a result, it is possible to prevent failure of the piezoelectric element and maintain long-term reliability while preventing fatigue breakdown of the external electrode.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金で形成されていることを特徴としている。これにより、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金で形成されたリード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。 (2) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the lead member is formed of a nickel iron-based low thermal expansion alloy. Thereby, generation | occurrence | production of the stress of the adhesion part vicinity of the lead member and external electrode which were formed with the nickel iron type low thermal expansion alloy can be prevented.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、42アロイで形成されていることを特徴としている。これにより、42アロイの線熱膨張係数およびヤング率が小さいため、リード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。 (3) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the lead member is formed of 42 alloy. Thereby, since the linear thermal expansion coefficient and Young's modulus of 42 alloy are small, generation | occurrence | production of the stress of the adhesion part vicinity of a lead member and an external electrode can be prevented.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記リード部材が、インバーで形成されていることを特徴としている。これにより、インバーの線熱膨張係数が小さいため、リード部材と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。 (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the lead member is formed of invar. Thereby, since the linear thermal expansion coefficient of Invar is small, it is possible to prevent the generation of stress near the bonding portion between the lead member and the external electrode.
本発明によれば、外部電極の疲労破壊を防止しつつ、製造ばらつきなどにより短期で故障する圧電アクチュエータを減少させ、長期間の信頼性を維持できる。 According to the present invention, it is possible to reduce the number of piezoelectric actuators that fail in a short time due to manufacturing variations and to maintain long-term reliability while preventing fatigue failure of the external electrodes.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(圧電アクチュエータの構造)
図1は、圧電アクチュエータ100を示す側面図である。圧電アクチュエータ100は、複数の圧電素子110、リード部材120で構成され、リード部材120を介して外部電極115に電圧の印加により伸縮する。複数の圧電素子110は、圧電素子110同士が端面で接着されることで互いに直列(電圧印加による伸縮方向)に連結されている。圧電アクチュエータ100の先端には、半球状のチップ130が設けられており、底部は座140に接着されている。
(Piezoelectric actuator structure)
FIG. 1 is a side view showing the
図2は、圧電素子110を示す側面図である。圧電素子110は、圧電層111と内部電極112とが交互に積層されている。また、圧電素子110の側面には内部電極112に接続された外部電極115が設けられている。圧電層111は、たとえばPZT等の圧電材料で構成されている。内部電極112は、Ag/Pd等で構成されている。
FIG. 2 is a side view showing the
リード部材120は、金属製で板状に形成されており、圧電素子110の両側面に形成された外部電極115に接着されている。一対のリード部材120は、座140において一対の端子150に接続されている。
The
図1、図2に示すように、リード部材120の外部電極115に半田付けで接着されている部分は矩形板状であるが、接着部分以外は半円弧状の湾曲形状に形成されている。半円弧状、湾曲形状の弾性部分は、外部電極115の端部付近から隣接する外部電極115の端部付近まで形成されている。このように、リード部材120は、直線部分と湾曲部分とが交互に繋がった形状を有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the portion of the
リード部材120は、たとえば半田付けにより接着されている。半田は、鉛フリーのものが好ましい。その場合、半田の接着領域の端部付近にクラックが生じやすくなるが、リード部材120の特徴によりこれが防止される。
The
リード部材120は、その線熱膨張係数をα〔℃−1〕、ヤング率をE〔Pa〕、厚みをt〔m〕、引張強度をS〔Pa〕とし、半田の融点をTm〔℃〕とするとき、α・E・t(Tm−25)〔Pa・m〕が8.2×104〔Pa・m〕以下であり、かつS・t〔Pa・m〕が1.2×105〔Pa・m〕以上である。このような特性を有するリード部材を用いることで、圧電素子110が伸縮したときにもリード部材120と外部電極115との接着部分付近に応力が生じ難い。その結果、外部電極115の疲労破壊を防止しつつ、圧電素子110の故障を防止し、長期間の信頼性を維持することができる。なお、疲労強度は、引張強度を応力で割った値の大きさによって決まる。
The
なお、上記の数式中の(Tm−25)は、熱膨張差による応力が、半田の融点(リード部材120が圧電素子110に接着された温度)と室温の差に比例することを表しており、「25」は室温25℃を表している。
Note that (Tm-25) in the above formula represents that the stress due to the difference in thermal expansion is proportional to the difference between the melting point of the solder (the temperature at which the
たとえば、リード部材120は、ニッケル鉄系の低熱膨張性合金、特に42アロイまたはインバーで形成されていることが好ましい。これにより、材料の線熱膨張係数およびヤング率が小さいため、リード部材120と外部電極との接着部分付近の応力の発生を防止することができる。
For example, the
(圧電アクチュエータの製造方法)
まず、圧電層111と内部電極112とが交互に積層された圧電素子110を形成する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにAgやAg/Pd等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子110の側面に積層方向に沿って、内部電極112に接続された外部電極115を形成する。たとえば、圧電素子110の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極115を形成できる。そして、得られた複数の圧電素子110の端面にエポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
First, the
次に、金属製で板状のリード部材120を、外部電極115に固着させる。リード部材の材料は、半田の融点をTm〔℃〕とするとき、設計される厚みt〔m〕に対して、その線熱膨張係数α〔℃−1〕、ヤング率E〔Pa〕、引張強度S〔Pa〕が、α・E・t(Tm−25)≦8.2×104を満たし、かつ1.2×105≦S・tを満たすように、材料を選択し、設計された形状に加工する。そして、加工されたリード部材120を半田等の接着部材で接着する。このようにして圧電アクチュエータ100を製造できる。リード部材120の材料には、42アロイまたはインバーを用いることが好ましい。
Next, a metal plate-
(圧電アクチュエータの使用方法)
次に、圧電アクチュエータ100の使用方法を説明する。圧電アクチュエータ100の一対となったリード部材120を回路に接続し、リード部材120を介して圧電アクチュエータ100に印加される電圧を制御する。このようにして、圧電アクチュエータ100の伸縮を制御し、精密な位置合わせを可能にする。
(How to use the piezoelectric actuator)
Next, a method for using the
図3は、ポジショナ200を示す正断面図である。ポジショナ200は、キャップ210に圧電アクチュエータ100を嵌め込み密封して形成されている。図3は、キャップ210の断面内部を示している。チップ130部分のキャップ210がステージ等の被駆動体に接触し、これが駆動され、精密な位置合わせが可能になる。
FIG. 3 is a front sectional view showing the
(実施例)
実施例の圧電アクチュエータ100を作製し、破壊が見られるか否かの試験を行った。内部電極は120層で、素子の形状は6×6×10mmである。圧電アクチュエータ100の外部電極115に接着されているリード部材120は、半田の融点の温度から室温に下がるときに圧電素子110とリード部材120の熱膨張差による熱応力で外部電極115の端に引っ張り応力を生じさせる。ここで半田には千住金属社製M705を使用した。半田のヤング率は41.6MPa、融点Tmは220℃である。
(Example)
The
この熱応力は温度差、熱膨張差、リード部材120のヤング率、リード部材120の厚みに比例すると考えられる。温度差は、半田の融点と室温の差であり、ここでは一定である。図4(a)(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ100の拡大断面図である。図4(a)(b)に示すようにリード部材120は、半田等の接着部材116により外部電極115に接続されている。
This thermal stress is considered to be proportional to the temperature difference, the thermal expansion difference, the Young's modulus of the
図4(a)に示す例では、リード部材120の厚みが0.3mmである。また、図4(b)に示す例では、リード部材120の厚みが0.15mmである。実施例1、2のリード部材120の材料には、それぞれ42アロイ、インバーを用い、図4(a)に示す例と同様に、厚みは0.3mmとした。
In the example shown in FIG. 4A, the thickness of the
同様に比較例についても試験を行った。比較例は、実施例に対してリード部材の材料または厚みのみを変えたものである。比較例1のリード部材の材料には、スズを用い、厚みは、0.3mmとした。比較例2のリード部材の材料には、リン青銅を用い、図4(b)に示す例と同様に、厚みは0.15mmとした。比較例3のリード部材の材料には、リン青銅を用い、厚みは、0.3mmとした。比較例4のリード部材の材料には、銅を用い、厚みは、0.3mmとした。 Similarly, the comparative example was also tested. In the comparative example, only the material or thickness of the lead member is changed from that of the example. As a material for the lead member of Comparative Example 1, tin was used, and the thickness was 0.3 mm. As the material of the lead member of Comparative Example 2, phosphor bronze was used, and the thickness was set to 0.15 mm as in the example shown in FIG. Phosphor bronze was used as the material of the lead member of Comparative Example 3, and the thickness was 0.3 mm. The material of the lead member of Comparative Example 4 was copper and the thickness was 0.3 mm.
表1は、実施例1、2および比較例1〜4の試験条件を示す表であり、表2は、それらの試験結果を示す表である。試験は、印加電圧を徐々に上げて破壊したときの破壊モードを確認した。50個の圧電素子の破壊試験を行い、比較例3、4では図5に示すような破壊が見られたが、実施例1、2および比較例1、2では破壊は見られなかった。 Table 1 is a table showing the test conditions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4, and Table 2 is a table showing the test results. In the test, the destruction mode when the applied voltage was gradually increased to confirm the destruction was confirmed. A breakdown test of 50 piezoelectric elements was performed. In Comparative Examples 3 and 4, the breakdown as shown in FIG. 5 was observed, but in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, no breakdown was observed.
次に、図5で示すような破壊300が見られなかった実施例1、2と比較例1、2について長期駆動試験を行った。周波数1Hzの矩形波で0V−150Vを300万回印加したところ、比較例1、2はそれぞれ50個中42個、2個のリード部材が疲労破壊を起こした。これに対し、実施例1、2では、リード部材が疲労破壊を起こさなかった。
100 圧電アクチュエータ
110 圧電素子
111 圧電層
112 内部電極
115 外部電極
116 接着部材
120 リード部材
130 チップ
140 座
150 端子
200 ポジショナ
210 キャップ
100
Claims (4)
圧電層と内部電極とが交互に積層され、互いに直列に連結された複数の圧電素子と、
前記内部電極に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれの側面に設けられた外部電極に半田付けされたリード部材と、を備え、
前記リード部材の線熱膨張係数をα〔℃−1〕、ヤング率をE〔Pa〕、厚みをt〔m〕、引張強度をS〔Pa〕とし、前記半田の融点をTm〔℃〕とするとき、α・E・t(Tm−25)〔Pa・m〕が8.2×104〔Pa・m〕以下であり、かつS・t〔Pa・m〕が1.2×105〔Pa・m〕以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator that expands and contracts by application of voltage,
A plurality of piezoelectric elements in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and connected in series;
A lead member connected to the internal electrode and soldered to an external electrode provided on each side surface of the plurality of piezoelectric elements,
The linear thermal expansion coefficient of the lead member is α [° C. −1 ], the Young's modulus is E [Pa], the thickness is t [m], the tensile strength is S [Pa], and the melting point of the solder is Tm [° C.]. Α · E · t (Tm−25) [Pa · m] is 8.2 × 10 4 [Pa · m] or less, and S · t [Pa · m] is 1.2 × 10 5. [Pa · m] or more.
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