(57)【要約】  【課題】  高電圧駆動における破壊を抑制できる圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータを提供する。  【解決手段】  本開示の圧電素子１は、板状の圧電体１１と、圧電体１１の主面に格子状の凸部１２１を有している表面電極１２もしくは格子状の凹部１３１を有している表面電極１３を有していることを特徴とし、さらには圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、該積層体の主面に、格子状の凸部を有している表面電極もしくは格子状の凹部を有している表面電極を有していることを特徴とする。【選択図】  図１
2018107251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電体と、該圧電体の主面に設けられた表面電極とを備え、
前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、該積層体の主面に設けられた表面電極とを備え、
前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
前記格子状の凸部または前記格子状の凹部における角部は曲面になっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電素子と、該圧電素子の前記主面が接合されたシム板とを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、音響変換器、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに用いられる圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄板状の金属板（シム板）に圧電素子を貼り合わせた圧電アクチュエータが、例えば、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに広く用いられている。
【０００３】
ここで、金属板として例えば１７〜１８×１０６ｐｓｉの縦弾性係数を有するＣｕ−Ｓｎ−Ｆｅ系合金板を用いることで、圧電アクチュエータの変位量や耐寿命を向上できることが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−０９７４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、圧電アクチュエータではより高い発生力や変位量を満足するために、高電圧で駆動する場合がある。しかしながら、圧電アクチュエータを高電圧で駆動すると、高電圧による圧電素子の破壊が発生する場合があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高電圧駆動における破壊を抑制できる圧電素子およびこれを備えた圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の圧電素子は、板状の圧電体または、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、前記圧電体または前記積層体の主面に設けられた表面電極とを備え、前記表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有していることを特徴とする。
【０００８】
また本開示の圧電アクチュエータは、上記圧電素子と、該圧電素子の前記主面が接合されたシム板とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の圧電素子によれば、高電圧駆動における圧電素子の破壊を抑制できる。また本開示の圧電アクチュエータによれば、高電圧駆動における破壊を抑制された圧電素子を用いるため、より高電圧にて駆動させることができて発生力や変位量を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す圧電素子の一部の平面図、（ｂ）は図１に示すii−ii線で切断した断面図である。
【図３】圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図４】（ａ）は図３に示す圧電素子の一部の平面図、（ｂ）は図３に示す圧電素子の長手方向から見た側面図である。
【図５】圧電素子の実施形態の他の例を示す長手方向から見た側面図である。
【図６】圧電アクチュエータの実施形態の一例を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、圧電素子の実施形態の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図２（ａ）は図１に示す圧電素子の一部の平面図、図２（ｂ）は図１に示すii−ii線で切断した断面図である。また、図３は圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図であり、図４（ａ）は図３に示す圧電素子の一部の平面図、図４（ｂ）は図３に示す圧電素子の長手方向から見た側面図である。
【００１３】
図１および図２に示す圧電素子１は、板状の圧電体１１と、圧電体１１の主面に設けられた表面電極１２とを備え、表面電極１２は、格子状の凸部１２１を有している。
【００１４】
また、図３および図４に示す圧電素子１は、板状の圧電体１１と、圧電体１１の主面に設けられた表面電極１３とを備え、表面電極１３は、格子状の凹部１３１を有している。
【００１５】
圧電体１１は、圧電特性を有するセラミックスで設けられたものである。このようなセラミックスとして、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、従来から用いられている圧電セラミックスを用いることができる。
【００１６】
圧電体１１の形状は、図１乃至図４に示す例では長方形板状（直方体状）である。この圧電体１１の形状は、特に制限はなく、長方形以外の多角形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。圧電体１１の寸法は、例えば、長さを２０ｍｍ〜４５ｍｍ、幅を５ｍｍ〜１０ｍｍ、厚みを０．０１ｍｍ〜３．０ｍｍとすることができる。
【００１７】
また、表面電極１２および表面電極１３は、圧電体１１に駆動電圧を印加するものであり、圧電体１１の一方主面（上側主面）および他方主面（下側主面）の両主面にそれぞれ設けられている。ここでいう主面とは、他の面よりも大きな面積の面のことを意味する。
【００１８】
表面電極１２および表面電極１３は、例えば圧電体１１に焼き付けて形成することができる。表面電極１２の材料としては、例えば低温焼成が可能な銀、銀−パラジウム合金を主成分とする導体、ニッケル、銅、白金などを含む導体を用いることができる。また、これらの導体材料に加えて、セラミック成分やガラス成分を含有していてもよい。
【００１９】
そして、図１および図２に示す表面電極１２は、格子状の凸部１２１を有している。表面電極１２には、縦横の並びに配列された凹部１２２が設けられており、凹部１２２以外の部分が格子状の凸部１２１とされている。すなわち、格子状の凸部１２１は相対的に厚みの厚い部分であり、凹部１２２は相対的に厚みの薄い部分である。
【００２０】
一方、図３および図４に示す表面電極１３は、格子状の凹部１３１を有している。表面電極１３には、縦横の並びに配列された凸部１３２が設けられており、凸部１３２以外の部分が格子状の凹部１３１とされている。すなわち、格子状の凹部１３１は相対的に厚みの薄い部分であり、凸部１３２は相対的に厚みの厚い部分である。
【００２１】
図１および図２に示す形態のように表面電極１２が格子状の凸部１２１を有すること、
また図３および図４に示す形態のように表面電極１３が格子状の凹部１３１有することで、相対的に厚みの厚い部分と厚みの薄い部分とを規則的に有することとなる。この形状効果により、相対的に厚みの厚い部分に対向する圧電体１１の表面付近に圧縮応力が加わる。
【００２２】
詳しくは、表面電極１２、１３が焼きつけにより形成されて冷却されると収縮し、この表面電極１２、１３の収縮により圧電体１１の表面付近に圧縮応力が生じる。そして、圧電体１１にかかる圧縮応力は、表面電極１２、１３の厚みが厚いほど大きくなる。そこで、相対的に厚みの厚い部分に対向する圧電体１１の表面付近に圧縮応力が加わるようになる。
【００２３】
表面電極１２、１３の形状効果による圧電体１１にかかる圧縮応力が、圧電体１１の主面に平行な方向に沿って規則的に生じる。このため、圧電体１１へのクラックの発生および伸展が抑制され、圧電素子１の高電圧駆動における破壊を抑制することができる。
【００２４】
なお、表面電極１２、１３の全体の厚みを厚くすると圧電体１１の全域に圧縮応力がかかるものの、このように全体の厚みを厚くすると、屈曲振動の妨げになってしまう。そこで、上述のように格子状の凸部１２１または格子状の凹部１３１を有することにより、圧電素子１の屈曲性を維持しつつ、圧電体１１へのクラックの発生および伸展を抑制することができる。
【００２５】
また、図１および図２に示す凹部１２２、図３および図４に示す凸部１３２の一つ一つの大きさは異なっても構わないが、ほぼ均一であるのがよい。また、図１および図２に示す格子状の凸部１２１、図３および図４に示す格子状の凹部１３１においては、平面視長方形状の圧電体１１の長手方向に延びる複数の線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しく、またこれに垂直に交わる短手方向に延びる線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しい格子になっているのがよい。
【００２６】
このような構成とすることで、圧電体１１の圧縮応力がかかる領域が圧電体１１の全域に一様に分散されるため、クラックの発生位置によらずクラックの進展を抑制でき、より圧電素子１の破壊を抑制できる。
【００２７】
ここで、縦横の並びに配列された凹部１２２の形状としては、図１および図２に示すような平面視四角形状の他、三角形、五角形以上の多角形や円形などを採用することもできる。同様に、縦横の並びに配列された凸部１３２の形状としては、図３および図４に示すような平面視四角形状の他、三角形、五角形以上の多角形や円形などを採用することもできる。
【００２８】
また、表面電極１２、１３の最大厚み（圧電体１１の主面から最も離れた面までの距離）は、例えば２〜３０μｍに設定される。
【００２９】
また、格子状の凸部１２１の幅ｗ１、格子状の凹部１３１の幅ｗ２としては、例えば０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍに設定される。
【００３０】
また、縦横の並びに配列された凹部１２２の幅については、圧電体１１の長手方向と幅方向のそれぞれの方向に対して、例えば０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍに設定される。同様に、縦横の並びに配列された凸部１３２の幅についても、圧電体１１の長手方向と幅方向のそれぞれの方向に対して、例えば０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍに設定される。
【００３１】
また、格子状の凸部１２１と凹部１２２との厚み差ｔ１（格子状の凸部１２１を基準面
としたときの凹部１２２の深さ）は、例えば１〜１０μｍに設定される。同様に、格子状の凹部１３１と凸部１３２との厚み差ｔ２（格子状の凹部１３１を基準面としたときの凸部１３２の高さ）は、例えば１〜１０μｍに設定される。
【００３２】
また、凹部１２２または凸部１３２が０．１ｍｍ角の平面視四角形状とした場合において、表面電極１２または表面電極１３において幅方向に５０列、長さ方向に２００列設けることができる。
【００３３】
なお、図１および図２に示す凹部１２２、図３および図４に示す凸部１３２の一つ一つの大きさは異なっても構わないが、ほぼ均一であるのがよい。また、図１および図２に示す格子状の凸部１２１、図３および図４に示す格子状の凹部１３１においては、平面視長方形状の圧電体１１の長手方向に延びる複数の線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しく、またこれに垂直に交わる短手方向に延びる線状部分が互いに平行で幅および間隔もほぼ等しい格子になっているが、このような構成であるのがよい。
【００３４】
このような構成とすることで、圧電体１１の圧縮応力がかかる領域が圧電体１１の全域に一様に分散されるため、クラックの発生位置によらずクラックの進展を抑制でき、より圧電素子１の破壊を抑制できる。
【００３５】
また、格子状の凸部１２１または格子状の凹部１３１における角部が曲面になっている構成とすることもできる。図５は、図３および図４に示す格子状の凹部１３１における角部が曲面になっている例を示している。ここでいう角部とは、開口部側の稜部、底面側の稜部の両方のことを意味している。
【００３６】
このような構成とすることで、圧電素子１が変位した場合に、表面電極１２、１３の角部に生じる応力を分散し、表面電極１２、１３へのクラックの発生を抑制できる。
【００３７】
さらに、図示していないが、図１乃至図４に示す圧電体１１に代えて、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体としてもよい。すなわち、圧電体と内部電極とが積層された板状の積層体と、積層体の主面に設けられた表面電極とを備え、表面電極は、格子状の凸部または格子状の凹部を有している構成としてもよい。
【００３８】
この場合の積層体を構成する圧電体の１層の厚みは、低電圧で駆動させるために、例えば０．０１〜０．１ｍｍに設定することができる。積層数としては、例えば２〜３００層とすることができる。また、大きな屈曲振動を得るために、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電定数ｄ３１を有することができる。
【００３９】
また、積層体を構成する内部電極は、圧電体と交互に積層されて、積層順に異なる極の内部電極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体に駆動電圧を印加するものである。内部電極を構成する材料としては、種々の金属材料を用いることができる。例えば、低温焼成が可能な銀や銀−パラジウムを主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができるが、これらにセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。なお、銀とパラジウムとからなる金属成分と、圧電体層を構成するセラミック成分とを含有した材料で内部電極層を構成した場合、圧電体層と内部電極層との焼成時の収縮差による応力を低減することができるので、積層不良のない圧電素子を得ることができる。
【００４０】
積層体の構成としては、ユニモルフ型、バイモルフ型いずれでも構わない。
【００４１】
なお、図示していないが、圧電素子１に電気信号を入力する配線部材としては、導線の
外周を絶縁被膜で被覆したリード線、フレキシブル基板（ＦＰＣ）などを用いることができる。
【００４２】
次に、本実施形態の圧電素子１の製造方法について説明する。
【００４３】
まず、圧電材料の原料粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。
【００４４】
次に、得られたスラリーをシート状に成形してグリーンシート（成形体）を得る。なお積層体を作製する場合は、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを例えば４枚積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。この後、これらの成形体または積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットした後、必要に応じて外周部を加工することにより圧電体または積層体を得ることができる。
【００４５】
その後、圧電体または積層体の主面の所定範囲全体に表面電極のペーストをスクリーン印刷等で印刷し乾燥した後、所定位置が凸部となるマスクを設けた製版を用いて再度表面電極のペーストを重ねて印刷した後、所定の温度で焼付けを行う。なお、積層体の場合は表面電極のペーストを印刷した後、積層体の例えば長手方向の両側面に内部電極と電気的に接続される外部電極のペーストを印刷し、焼付けを行えばよい。
【００４６】
また、表面電極に所定形状を設けるには上記の方法以外に、例えば主面の所定範囲全体に表面電極のペーストをスクリーン印刷等で印刷し焼付けた後、レジストを所定形状に印刷しエッチング法により形成する方法や、例えば所定形状となるメッシュで構成した製版を用い、表面電極ペーストの粘度を調整して印刷する方法を用いることもできる。
【００４７】
この後、圧電素子に圧電性を付与するために表面電極または外部電極を通じて直流電圧を印加して、圧電体の分極を行うことで、所望の圧電素子１が得られる。
【００４８】
次に、圧電アクチュエータ１０の実施形態の一例を説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００４９】
図６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である。図６に示す圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１と、圧電素子１の主面が接合されたシム板２と、圧電素子１とシム板２とを接合する接着剤３とを備えている。
【００５０】
圧電素子１は、上述したとおり、圧電体１１または積層体（図示せず）の両主面に表面電極１２、１３を備え、この表面電極１２が格子状の凸部１２１または格子状の凹部１３１を有している構成のものである。なお、図では表面電極１２を有している構成を示している。
【００５１】
シム板２は、圧電素子１の一方主面に接着剤３で接合されている。言い換えれば、圧電素子１とシム板２とを接合するために、これらの間に接着剤３が介在されている。
【００５２】
シム板２の材質としては、例えば４２アロイ、黄銅、ステンレスなどの金属や、カーボンファイバー強化エポキシ樹脂、ガラス繊維強化エポキシ樹脂などが挙げられる。
【００５３】
また、シム板２の寸法は、例えば、長さが２０ｍｍ〜５０ｍｍ、幅が５ｍｍ〜１２ｍｍ、厚みが０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることができる。
【００５４】
シム板２は、圧電素子２より幅および長さの少なくともいずれか一方を大きくすることができる。このとき、シム板２は、圧電素子１の長手方向の両端からはみ出しているか、または圧電素子２の幅方向の両端からはみ出していてもよい。また、図６に示すように、シム板２は圧電素子１の長さ方向および幅方向の両方向にはみ出していてもよい。さらに、シム板２の圧電素子１からのはみ出し長さは、圧電素子１の長手方向および幅方向のそれぞれにおいて同じ長さであっても、圧電素子１の長手方向と幅方向とで異なっていてもよい。
【００５５】
シム板２の圧電素子１からはみ出した部分は、圧電アクチュエータ１０の取付部として用いることができる。また、シム板２は、圧電素子１への電圧印加のためにリード線等を接続する端子電極として用いることもできる。シム板２の寸法は、圧電アクチュエータ１の取付けやリード線等の接続のしやすさにより設定すればよい。
【００５６】
接着剤３としては、例えば紫外線硬化型接着剤を用いることができ、エポキシ系、アクリレート系、ポリエステル系など通常使用される接着剤を用いることができる。紫外線硬化型接着剤が嫌気硬化性を有するものであれば、より硬化する領域を大きくすることができる。
【００５７】
そして、圧電素子１に電圧が印加されることで圧電素子１の圧電体１１が伸縮する。伸縮する圧電素子１と伸縮しないシム板２とが貼り合わされていることで、圧電アクチュエータ１０は屈曲する。このときの圧電素子１はユニモルフ型である。また、圧電素子１が積層体を備える場合は、圧電素子１をバイモルフ型とすることもできる。この場合は、圧電素子１自身が屈曲し、シム板２とともに圧電アクチュエータ１０としても屈曲する。
【００５８】
このような構造の圧電アクチュエータ１０は、屈曲の大きさが変位量となり、厚み方向に屈曲変位する機能を各種デバイスで応用されている。
【００５９】
ここで、発生力や変位量を向上させるために高電圧で駆動すると、圧電素子１が破壊するおそれがあるのに対し、本実施形態の圧電アクチュエータ１０によれば、圧電体１１または積層体の主面に設けた表面電極１２、１３に格子状の凸部１２１または格子状の凹部１３１を有しているので、圧電素子の破壊が抑制されている。したがって、より高電圧駆動で発生力や変位量を向上した圧電アクチュエータ１０を得ることができる。
【００６０】
また、表面電極１２、１３に格子状の凸部１２１または格子状の凹部１３１を有していることにより、接着剤３との接合面積が増加するため、圧電素子１とシム板２の接合強度が高く、長期間の高電圧駆動においても圧電素子１とシム板２との剥離が抑制される。
【００６１】
なお、圧電アクチュエータ１０としてシム板２の片面に１つの圧電素子１が接合されている例を示しているが、圧電アクチュエータ１０はシム板２を挟んでシム板２の両面にそれぞれ圧電素子１を接合したものであってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  圧電素子
１１  圧電体
１２，１３  表面電極
１２１  格子状の凸部
１２２  凹部
１３１  格子状の凹部
１３２  凸部
２  シム板
３  接着剤
【図１】
2018107251.tif 000003
【図２】
2018107251.tif 000004
【図３】
2018107251.tif 000005
【図４】
2018107251.tif 000006
【図５】
2018107251.tif 000007
【図６】
2018107251.tif 000008