JP6542618B2

JP6542618B2 - 圧電アクチュエータ

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Publication number: JP6542618B2
Application number: JP2015169297A
Authority: JP
Inventors: 潤二郎里岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: JP2017045941A

Description

本発明は、積層型圧電素子の駆動により伸縮する圧電アクチュエータに関するものである。

積層型圧電素子の駆動により伸縮する圧電アクチュエータとして、例えば、圧電体層および内部電極層が交互に積層された積層体と、この積層体の側面に接合されて内部電極層に電気的に接続された導体層とを含む積層型圧電素子と、この積層型圧電素子の導体層に接続されるリード線と、積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１０−１９２８３２号公報

例えば、導体層には外部電極板が取り付けられるとともに、当該外部電極板に給電用のリード線（リードピン）が取り付けられる場合がある。該構成においては、リードピンを強固に接合するにあたり、当該外部電極板に孔を設け、この孔にリードピンを挿通したうえで外部電極板における孔の周囲とリードピンとを導電性接合材で接合することが考えられる。

この場合に、高電界が長時間加わった状態で連続駆動されるような過酷な条件下で圧電アクチュエータを使用すると、リードピンが揺さぶられて導電性接合材に負荷がかかり、リードピンと外部電極板の間の導電性接合材にクラックが発生ないし進展し、電気抵抗値が上昇するおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、リードピンと外部電極板の間の導電性接合材にクラックが発生ないし進展し、電気抵抗値が上昇するのを抑制する圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の圧電アクチュエータは、圧電体層および内部電極層が複数積層されてなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極層が一層おきに電気的に接続された導体
層と、該導体層に少なくとも一部が接合された、孔を有する外部電極板と、該外部電極板の前記孔に挿通されたリードピンと、前記外部電極板および前記リードピンを接合する導電性接合材とを備え、該導電性接合材の内部にボイドがあるとともに、該ボイドは、前記リードピンの挿通方向に沿った断面視において前記孔の内壁の延長上よりも内側に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、導電性接合材の内部にボイドがあることで、導電性接合材にクラックが生じるのを抑制ないしクラックが生じたとしても進展するのを抑制し、電気抵抗値の上昇を抑制することができる。

（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電アクチュエータをＡ−Ａ線で切断した断面の一例の要部拡大図である。図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータの他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電アクチュエータをＡ−Ａ線で切断した断面の要部拡大図である。

以下、本実施形態の圧電アクチュエータの一例について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電アクチュエータをＡ−Ａ線で切断した断面の一例の要部拡大図である。図１に示す本実施形態の圧電アクチュエータ１は、圧電体層２および内部電極層３が複数積層されてなる積層体４と、積層体４の側面に設けられ、内部電極層３が一層おきに電気的に接続された導体層５と、導体層５に少なくとも一部が接合された、孔６０を有する外部電極板６と、外部電極板６の孔６０に挿通されたリードピン７と、外部電極板６およびリードピン７を接合する導電性接合材８とを備え、導電性接合材８の内部にボイド８０がある。

圧電アクチュエータ１を構成する積層体４は、複数の圧電体層２および複数の内部電極層３が積層され、圧電体層２の層間に第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２が１層おきに交互に形成されてなるものである。積層体４は、例えば縦４〜７ｍｍ、横４〜７ｍｍ、高さ２０〜５０ｍｍの直方体状に形成されている。

積層体４を構成する複数の圧電体層２は、圧電特性を有する圧電磁器（圧電セラミックス）からなる。圧電体層２を構成するセラミック粒子は、平均粒径が例えば１．７〜４．０μｍである。この圧電磁器としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。図１に示す積層体４は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などからなるものであり、圧電体層２の層間に交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。例えば、第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２は、一方が正極で他方が負極となっていて、それぞれ積層体４の対向する１組の側面に互い違いに導出されて、その端面の一部が露出している。すなわち、対向する１組の側面の一方に第１の内部電極層３１の端部が導出され、他方に第２の内部電極層３２の端部が導出されている。

積層体４における対向する一対の側面であって、第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２のうちの一方の端部が導出された側面にはそれぞれ導体層５が設けられて、第１の内部電極層３１または第２の内部電極層３２と電気的に接続されている。すなわち、内部電極層３が一層おきに電気的に接続されている。この導体層５は、例えば銀とガラスからなる。導体層５の厚みは、例えば５〜５００μｍとされる。

導体層５の表面上には外部電極板６が取り付けられている。この外部電極板６は、導電性接着剤（図示せず）を介して少なくとも一部が導体層５に接合されている。

導電性接着剤としては、はんだや、例えばＡｇ粒子やＣｕ粒子など導電性の良好な導電粒子を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂であるのが好ましい。導電性接着剤は、例えば５〜５００μｍの厚さに形成される。

外部電極板６としては、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等からなる板状体であり、例えば幅０．５〜１０ｍｍ、厚み０．０１〜１．０ｍｍとされたものである。図示しないが、積層体４の伸縮により生じる応力を緩和する効果の高い形状として、例えば長手方向（積層方向）に垂直な幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板などであってもよい。また、スリットにかえてまたはスリットとともに孔、特に幅方向に延びる孔が設けられた構成であってもよい。このスリットおよび孔が積層体４の積層方向に複数配置されているのが好ましく、特に圧電体層２の層間に第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２が１層おきに交互に形成されて積層された領域（活性部）に対応する位置に複数配置されているのが好ましい。

そして、外部電極板６の端部６１には孔６０が設けられている。なお、本明細書において、孔とは凹形状や貫通孔を含むものを意味するが、以下の説明においては主に貫通孔（孔６０）を用いて説明する。また、外部電極板６の孔６０にはリードピン７が挿通され、当該孔６０の周囲で外部電極板６およびリードピン７が導電性接合材８により接合されている。

このように、外部電極板６の端部６１に孔６０が設けられていて、孔６０にリードピン７が挿通されたうえで導電性接合材８により接合されていることで、リードピン７が外部電極板６の平坦な面に接合されるのに比べて強固に固定されて剥がれにくくすることができる。

なお、孔６０の直径は、リードピン７に所望の強度をもたせること、導電性接合材８がはみ出さない程度に孔６０周囲の外部電極板６の面積を確保することなどを考慮し、例えば０．５〜１．５ｍｍに設定される。

また、リードピン７の太さは、リードピン７の強度と孔６０の大きさとの関係などから、例えば０．３〜１．３ｍｍに設定される。

また、孔６０とリードピン７との隙間は、リードピン７の挿通させやすさや導電性接合材８の孔６０内への入り込みなどを考慮して、例えば５０〜５００μｍに設定される。

ここで、図１に示す例では、外部電極板６は積層体４から垂直方向に向けて折れ曲がった屈曲部６２を有している。また、孔６０およびリードピン７の軸方向が、積層体４の積層方向とほぼ一致した構成となっている。ここで、外部電極板６の端部６１とは、当該屈曲部６２の先に位置して折り曲げられることによって積層体４の側面から離れた部位のことである。屈曲部６２によって折り曲げられて外部電極板６の端部６１が積層体４の側面から離れていることにより、屈曲部６２にて振動を吸収することができ、積層体４の変位量がより長期間安定する。なお、外部電極板６の屈曲部６２の位置は、先端から例えば０．７〜３ｍｍの位置に設けられる。

ここで、導電性接合材８の内部にはボイド８０がある。リードピン７は、当該リードピン７の軸方向（挿通方向）およびこれに垂直な方向、さらにはねじれるように回転方向にも揺さぶられる。これにより、導電性接合材８には様々な方向の応力負荷がかかる。これに対し、導電性接合材８とリードピン７との界面および導電性接合材８と外部電極板６との界面はしっかりと固着されているとともに、導電性接合材８の内部にあるボイドで振動を吸収して応力を緩和することができる。したがって、導電性接合材８にクラックが生じるのを抑制、ないしクラックが生じたとしても進展するのを抑制し、電気抵抗値の上昇を抑制することができる。

なお、ボイド８０の直径または円相当径は、例えば３０〜３００μｍに設定される。また、ボイド８０の個数は、導電性接合材８をリードピン７の軸方向（挿通方向）に沿った断面で見たときの面積比が例えば０．５〜１０％の割合となるような個数に設定される。

図２は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。図２に示すように、ボイド８０はリードピン７の挿通方向に沿った断面視において孔６０の内壁の延長上よりも内側に位置しているのがよい。孔６０の軸方向の延長上、言い換えるとリードピン７の挿通方向に沿った断面で見たときの孔６０の内壁の延長上よりも内側において、導電性接合材８にかかる応力負荷が大きいことから、この箇所にボイド８０を設けることで効果的に応力を緩和することができる。これにより、導電性接合材８にクラックが生じるのをさらに抑制し、長時間使用しても抵抗値が上昇するのをさらに抑制することができる。

図３は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。図３に示すように、ボイド８０はリードピン７の挿通方向に沿って延びた形状になっていてもよい。ここで、ボイド８０を断面で見たときの、短軸に対する長軸の比は例えば２〜２０に設定される。これにより、特にねじれるような振動（回転振動）が生じたときに、導電性接合材８にかかる応力を効果的に緩和することができる。

なお、ボイド８０がリードピン７の挿通方向に沿って延びた形状になっている場合においても、ボイド８０は、孔６０の内側に位置するリードピン７と外部電極板６との隙間の幅よりも細く、リードピン７の挿通方向に沿った断面視において孔６０の内壁よりも内側に位置しているのが、より応力を緩和することができる。

図４（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータの他の例を示す概略斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す圧電アクチュエータをＡ−Ａ線で切断した断面の要部拡大図である。図４に示すように、外部電極板６は端部６１に立設された立設部６３を有し、導電性接合材８が立設部６３にも接合されているのがよい。これにより、導電性接合材８の接合強度が強くなり、ねじれるような振動（回転振動）がより抑えられ、導電性接合材８にクラックが生じるのをさらに抑制し、電気抵抗値の上昇をさらに抑制することができる。

次に、本実施形態の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層２となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウムの金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱脂処理を行なった後、８５０〜１１００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電体層２、第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２を備え
た積層体４を作製する。

なお、積層体４は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層２、第１の内部電極層３１および第２の内部電極層３２を複数積層してなる積層体４を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。

次に、必要により、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、導体層５のパターンで積層体４の側面にスクリーン印刷法等によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、積層体４の側面に導体層５を形成する。

導体層５の上に、孔６０を有する外部電極板６を接合し、その孔６０にリードピン７を挿通し、導電性接合材８で接合する。このとき、導電性接合材８として、Ａｇ粒子とバインダー（例えばエポキシ樹脂）及び溶剤を含む導電性樹脂を用い、導電性接合材８の内部にボイド８０を設けるために、表面に例えば１３０〜２００℃の熱風をかけて導電性接合材８の内部に溶剤やバインダーが残った状態で、導電性接合材８の表面のほぼ全体を急速に硬化させる。その後、ゆっくりと（例えば昇温速度５０℃／ｈ〜５００℃／ｈで）１３０〜２００℃まで上昇させて加熱し、内部の溶剤とバインダーを乾燥させ導電性接合材８の全体を硬化させて、導電性接合材８内部にボイド８０を設ける。なお、外部電極板６およびリードピン７の表面は超音波洗浄などで十分に洗浄したうえで、導電性接合材８を適当な粘度に調整することで、導電性接合材８が濡れ広がり、外部電極板６とリードピン７とを強固に接合することができる。

また、外部電極板６の端部６１の一方主面側に設けられた導電性接合材８の表面（導電性接合材８の一方側の表面）のみに例えば１３０〜２００℃の熱風をかけて、導電性接合材８の一方側の表面のほぼ全体を急速に硬化させた後、外部電極板６の端部６１の他方主面側に設けられた導電性接合材８の表面（導電性接合材８の反対側の表面）および導電性接合材８の全体をゆっくり加熱して、内部の溶剤とバインダーとを乾燥させることにより、先に硬化させた一方側の表面の内側に、表面から抜けきれなかったボイド８０が形成される。

ここで、孔６０は導電性接合材８の内部にある溶剤とバインダーとが揮発する際の抜け道となることから、孔６０に向かって溶剤やバインダーが集まりやすい。そこで、導電性接合材８の全体をゆっくり加熱しはじめて所定時間経過した後、リードピン７に直接ヒーターをあてて例えば１３０〜２００℃で加熱してリードピン７の周囲の溶剤とバインダーとを乾燥させることで、孔６０に向かって溶剤やバインダーが集まってできたボイド８０がリードピンの挿通方向に沿った断面視において孔６０の内壁の延長上よりも内側に位置している構成とすることができる。

また、導電性接合材８をリードピン７に沿ってメニスカス状に形成することで、リードピン７周辺の導電性接合材８は最も容量が大きくなるので、多くの溶剤やバインダーが連なった状態になりやすい。このような状態で、外部電極板６の端部６１の一方主面側に設けられた導電性接合材８の表面（導電性接合材８の一方側の表面）のみに例えば１３０〜２００℃の熱風をかけて、導電性接合材８の一方側の表面のほぼ全体を急速に硬化させた後、外部電極板６の端部６１の他方主面側に設けられた導電性接合材８の表面（導電性接合材８の反対側の表面）および導電性接合材８の全体をゆっくり加熱して、内部の溶剤とバインダーとを乾燥させることにより、ボイド８０の形状をリードピン７の挿通方向に沿って延びた形状とすることができる。

なお、外部電極板６は端部６１に立設された立設部６３を有し、導電性接合材８が立設
部６３にも接合されていることで、導電性接合材８が乾燥しにくくなり、ボイド８０が形成されやすくなる。

その後、リードピン７を介して０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して、積層体４（圧電体層２）を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ１が完成する。

本発明の実施例の圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）を主成分とする圧電体セラミックスの粉末にバインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み８０μｍの圧電セラミック層となるセラミックグリーンシートを作製した。

次に、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて作製した内部電極層となる導電性ペーストを、セラミックグリーンシートにスクリーン印刷法により印刷した印刷体を２６０枚積層し、その上下に導電性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各２０枚積層した積層成形体を作製した。

次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで切断した後、積層成形体を４００℃で脱脂し、１０００℃で３時間焼成して積層体を作製した。得られた積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦５ｍｍ、横５ｍｍであり、高さが３５ｍｍであった。

次に、平均粒径が０．８μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末にバインダー及び可塑剤を加えてインクを作製し、セラミック被覆層の厚みが２０μｍとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の対向する１組の側面に印刷し、その後、１０００℃で焼成し、積層体の対向する１組の側面に被膜を形成した。

次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の対向する他の１組の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、７００℃程度の温度で焼き付け処理して導体層を形成した。

次に、導体層にＡｇ含有導電性樹脂を塗布し、その上に導体層から垂直方向に向けて折れ曲がった屈曲部、さらには屈曲部の先に位置する端部に立設された立設部と、孔を有した外部電極板を貼り付け、２００℃で硬化させた。

次に、孔にリードピンを挿通し、導電性接合材で接合した。このとき、導電性接合材をメニスカス状に塗布し、導電性接合材の内部にボイドを設けるために、外部電極板の端部の一方主面側に設けられた導電性接合材の表面（導電性接合材の一方側の表面）のみに１３０℃の熱風をかけて、導電性接合材の内部に溶剤やバインダーが残った状態で、導電性接合材の一方側の表面のほぼ全体を硬化させた。その後、外部電極板の端部の他方主面側に設けられた導電性接合材の表面（導電性接合材の反対側の表面）および導電性接合材の全体を昇温速度１００℃／ｈで１５０℃までゆっくりと上昇させて加熱して内部の溶剤とバインダーを乾燥させて、導電性接合材の内部に図４に示すようなリードピンの挿通方向に沿って延びた形状のボイドを設け、実施例となる圧電アクチュエータを作製した。

一方、比較例として、導電性接合材の表面に熱風をかけずに、導電性接合材の全体を昇
温速度１００℃／ｈで１５０℃までゆっくりと上昇させて加熱して内部の溶剤とバインダーを乾燥させ、導電性接合材の内部にボイドの無い圧電アクチュエータを作製した。

これらの圧電アクチュエータに、リードピンを介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して、分極処理を行った。

その後、２５℃、１５０Ｖ、２０Ｈｚの矩形波でパルス試験を１０００万サイクル行った。サイクル試験後、導電性接合材の電気抵抗を測定したところ、実施例の圧電アクチュエータの抵抗値は０．０１Ωであり、試験前の抵抗値と変化は無かった。これに対し、比較例の圧電アクチュエータの抵抗値は０．５Ωであり、劣化していた。この結果より、本発明の圧電アクチュエータによれば、電気抵抗値の上昇を抑制することができる。

１・・・圧電アクチュエータ
２・・・圧電体層
３・・・内部電極層
３１・・・第１の内部電極層
３２・・・第２の内部電極層
４・・・積層体
５・・・導体層
６・・・外部電極板
６０・・・孔
６１・・・端部
６２・・・屈曲部
６３・・・立設部
７・・・リードピン
８・・・導電性接合材
８０・・・ボイド

Claims

圧電体層および内部電極層が複数積層されてなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極層が一層おきに電気的に接続された導体層と、該導体層に少なくとも一部が接合された、孔を有する外部電極板と、該外部電極板の前記孔に挿通されたリードピンと、前記外部電極板および前記リードピンを接合する導電性接合材とを備え、該導電性接合材の内部にボイドがあるとともに、該ボイドは、前記リードピンの挿通方向に沿った断面視において前記孔の内壁の延長上よりも内側に位置していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記ボイドは、前記リードピンの挿通方向に沿って延びた形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
圧電体層および内部電極層が複数積層されてなる積層体と、該積層体の側面に設けられ、前記内部電極層が一層おきに電気的に接続された導体層と、該導体層に少なくとも一部が接合された、孔を有する外部電極板と、該外部電極板の前記孔に挿通されたリードピンと、前記外部電極板および前記リードピンを接合する導電性接合材とを備え、該導電性接合材の内部にボイドがあるとともに、該ボイドは、前記リードピンの挿通方向に沿って延びた形状になっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記外部電極板は、前記積層体から垂直方向に向けて折れ曲がった屈曲部を有し、該屈曲部の先に位置する端部に前記孔を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記外部電極板は、前記端部に立設された立設部を有し、前記導電性接合材が前記立設部にも接合されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。