(57)【要約】  【課題】  予定破断層にクラックが生じた際のノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能な積層型圧電素子およびアクチュエータを提供する。  【解決手段】  本開示の積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層１４を有している積層体１３を備えている。また、積層型圧電素子１は、内部電極層１２と電気的に接続され、積層体１３の側面に積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極１６と、外部電極１６と電気的に接続され、当該外部電極１６の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピン１７とを備えている。そして、リードピン１７は予定破断層１４の延長線上に位置しないように設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層および内部電極層が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層を有している積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に前記積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極と、該外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の前記積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備え、該リードピンは前記予定破断層の延長線上に位置しないように設けられている積層型圧電素子。
【請求項２】
前記積層体の積層方向と前記リードピンの軸方向とが平行である請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記積層体は前記外部電極の接合された面と前記外部電極の接合されていない面とを有する多角柱状体からなり、前記リードピンは前記外部電極の接合されていない面に面して配置されている請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記外部電極の接合されていない面にはセラミック被覆層が設けられている請求項３に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を上下から押圧するように内部に収容したケースとを備えており、該ケースは蛇腹部を有する筒体を含み、前記リードピンが前記蛇腹部の側方に位置しないように配置されているアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、積層型圧電素子およびアクチュエータに関し、例えばマスフローコントローラ、ＸＹテーブルの精密位置決め装置等に用いられる積層型圧電素子およびアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層された積層体を備え、駆動時に伸縮変形するものである。この積層型圧電素子は、応答速度および変形精度に優れることから、主にアクチュエータやセンサに用いられている。そして、積層型圧電素子には、より高い耐久性の要求に応えるために、駆動時の圧電体層間のクラックが生じる箇所を事前に予定した予定破断層を積層体の一部に含む技術が採用されている。これにより、例えば短絡が生じるような方向にクラックが生じるのを防いでいる。
【０００３】
また、積層型圧電素子は、積層体の側面に外部電極を備えているとともに、外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。この構成によって、外部回路に接続したリードピンを通じて積層型圧電素子に通電し、当該積層型圧電素子の駆動やセンシングを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３２２３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、高精度に制御するために高周波やパルスの駆動が用いられている。ここで、リードピンが予定破断層の延長線上に位置するように設けられている既存の技術では、予定破断層が機能してクラックが生じた際のノイズがリードピンの電気信号に影響し、それに伴う制御精度を低下させるおそれがある。具体的には、予定破断層にクラックが生じた際に発生する電波のノイズをリードピンがアンテナのように拾い、このノイズが出力信号に乗り、高精度な制御ができなくなるおそれがある。
【０００６】
本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層にクラックが生じた際のノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能な積層型圧電素子および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】
本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層を有している積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に前記積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極と、該外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の前記積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。そして、該リードピンは前記予定破断層の延長線上に位置しないように設けられている。
【０００８】
また、本開示のアクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を上下から押圧するように内部に収容したケースとを備えており、該ケースは蛇腹部を有する筒体を含み、前記リードピンが前記蛇腹部の側方に位置しないように配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の積層型圧電素子によれば、リードピンの先端を予定破断層の延長線上より下にすることで、予定破断層へのクラック発生によるノイズの影響を受けにくくなり、高精度な制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】積層型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】積層型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３】積層型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】積層型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５】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。
【図６】図５に示すアクチュエータのVI−VI線で切断した概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
積層型圧電素子の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１〜図４に示す積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層された積層体１３を備えている。
【００１３】
積層体１３は、例えば縦０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、横０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、高さ１ｍｍ〜１００ｍｍの四角柱状（直方体状）にされている。積層体１３の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。
【００１４】
圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えば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）などを用いることができる。この圧電体層１１の厚みは、例えば３μｍ〜２５０μｍとされる。
【００１５】
内部電極層１２は、例えば圧電体層１１と同時焼成により形成されたものである。内部電極層１２は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２を含んでいる。例えば、第１の内部電極層１２１を正極、第２の内部電極層１２２を負極またはグランド極として、それらの間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加することができる。ここで、積層体１３の一つの側面に第１の内部電極層１２１が引き出され、他の側面に第２の内部電極層１２２が引き出されている。このような材料として、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを主成分とする導体を用いることができる。第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとされる。
【００１６】
積層体１３は、他の部位よりもクラックが生じやすい予定破断層１４を有している。ここで、予定破断層１４とは、この部位にクラックを生じさせることで積層型圧電素子１の駆動によって生じる応力を緩和するための層である。予定破断層１４としては、例えば内部電極層１２として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。
【００１７】
また、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のうちのいずれか一方の端面が引き出された一対の側面には、必要によりそれぞれ導体層１５が設けられている。そして、この導体層１５は、引き出された第１の内部電極層１２１の端面または第２の内部電極層１２２の端面と電気的に接続されている。
【００１８】
導体層１５は、例えばＡｇやＣｕなどの金属およびガラスを含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、導体層１５を積層体１３の側面に垂直な横断面
で見たときに、導体層１５の厚みは例えば５μｍ〜７０μｍとされる。
【００１９】
積層型圧電素子１は、内部電極層１２と電気的に接続された外部電極１６を備えている。この外部電極１６は、積層体１３の側面上に積層方向に沿って延びる領域を有している。例えば、Ａｇ粉末やＣｕ粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接合材を用いて、導体層１５の表面上に外部電極１６が取り付けられている。なお、導体層１５が設けられたうえで外部電極１６を取り付けることができるが、外部電極１６と第１の内部電極層１２１または第２の内部電極層１２２との導通が十分にとれるのであれば、導体層１５が設けられていなくてもよく、積層体１３の側面に直接外部電極１６が取り付けられていてもよい。
【００２０】
外部電極１６は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍに形成されたものである。この外部電極１６には、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため、すずや銀などのメッキが施されていてもよい。ここで、外部電極１６は、図１および図２に示すように積層体１３の側面から離れる方向に向かって折り曲げられていてもよく、図３および図４に示すように積層体１３の一側面から隣の側面に回り込むように折り曲げられていてもよい。なお、図では省略しているが、積層体１３の一側面に対向する反対側の側面上にも外部電極１６が設けられている。
【００２１】
積層型圧電素子１は、外部電極１６と電気的に接続され、当該外部電極１６の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピン１７を備えている。例えば、外部電極１６の端部は屈曲部で折り曲げられて積層体１３の側面から離れているとともに、外部電極１６の端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン１７が挿入され、接合材によって接合されている。ここで、図１は外部電極１６の端部に孔を有している形態を示し、図２は外部電極１６の端部にスリットを有している形態を示している。接合材としては、はんだの他、銀ポリイミド、銀エポキシなどの導電性樹脂が挙げられる。
【００２２】
外部電極１６の端部が屈曲部で折り曲げられて積層体１３の側面から離れているとともに、外部電極１６の端部には孔またはスリットが設けられ、当該孔またはスリットにリードピン１７が挿入されたうえで接合されていることで、リードピン１７が外部電極１６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。また、屈曲部にて振動を吸収することができ、積層体１３の変位量が長期間安定する。
【００２３】
なお、積層体１３の他の側面には、例えば第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達していて、必要により樹脂や絶縁性セラミックスなどからなる被覆層が設けられてもよい。
【００２４】
そして、リードピン１７は、予定破断層１４の延長線上に位置しないように設けられている。
【００２５】
予定破断層１４にクラックが生じた際に、主にその延長線上に向かってノイズが放射される。この放射されたノイズを、リードピン１７がアンテナのように機能して受信すると、積層型圧電素子１を駆動させて伸縮させる入力信号に乱れが生じ、高精度な制御ができなくなるおそれがある。さらに、このクラックが生じた積層型圧電素子１を使用し続けることで、予定破断層１４付近の圧電体層１１が擦れて、ノイズが発生し続けるおそれもある。
【００２６】
これに対し、リードピン１７が予定破断層１４の延長線上に位置しないように設けられ
ていることで、予定破断層１４へのクラック発生時におけるノイズの影響を受けにくくなる。また、予定破断層１４にクラックが生じた後においても、ノイズを直接的に干渉させにくくすることができる。よって、積層型圧電素子１の高精度な制御が可能となる。
【００２７】
ここで、図１〜図４に示すように、積層体１３の積層方向とリードピン１７の軸方向とが平行であってもよい。一般に、アンテナは垂直方向からの電波を感度よく受信する。これに対し、積層体１３の積層方向とリードピン１７の軸方向とが平行であることで、予定破断層１４で発生したノイズの放射方向とリードピン１７とが垂直に交わらなくなる。したがって、発生したノイズをリードピン１７がアンテナのように受信してしまった場合でも、垂直方向で受信しないことから、よりノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能となる。
【００２８】
また、図３に示すように、積層体１３が外部電極１６の接合された面と外部電極１６の接合されていない面とを有する多角柱状体からなる構成において、リードピン１７は外部電極１６の接合されていない面に面して配置されていてもよい。
【００２９】
例えば、図３に示す外部電極１６は、積層体１３に接合された接合領域と端部との間に複数の屈曲部を有していて、当該外部電極１６が接合された積層体１３の側面の隣の側面に向かって折り曲げられて引き回されている。そして、外部電極１６の引き回された端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン１７が挿入され、接合材によって接合されている。外部電極１６における積層体１３に接合された領域からリードピン１７との接合部までの間に複数の屈曲部があることで、外部電極１６を伝わる振動を低減できる。また、外部電極１６における積層体１３に接合された領域からリードピン１７との接合部までの距離が長いことも、振動の低減に効果的である。
【００３０】
また、図４に示すように、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が達する積層体１３の側面には、外部電極１６が接合されておらず、この外部電極１６の接合されていない面に、被覆層１８としてセラミック被覆層が設けられていてもよい。被覆層１８としてセラミック被覆層を設けることにより、予定破断層１４のクラックによる破断の速度を遅らせてノイズを低減させることができ、また予定破断層１４から放射されるノイズを吸収または遮断して低減させることができる。セラミック被覆層は、例えば５μｍ〜１５μｍの厚みに設定される。
【００３１】
次に、アクチュエータの実施形態について図面を参照して説明する。
【００３２】
図５および図６に示す圧電アクチュエータ１０は、積層型圧電素子１と、積層型圧電素子１を上下から押圧するように内部に収容したケース２とを備えている。
【００３３】
ケース２は、基体２１と、基体２１の上面に下端部が接合された筒体２２と、筒体２２の上端部に接合された蓋体２３とを含んでいる。そして、基体２１の上面に積層型圧電素子１の下端面が当接し、蓋体２３の下面に積層型圧電素子１の上端面が当接している。
【００３４】
基体２１、筒体２２および蓋体２３は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属で形成されたものである。
【００３５】
筒体２２は、上下に延びる筒状部２２１と、筒状部２２１の下端に接続された鍔部２２２とを有している。この筒状部２２１は、蛇腹部２２０を有している。蛇腹部２２０は、例えば所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどにより形成することができる。筒体２２は、積層型圧電素子１に電圧を印加した際に積層型圧電素子１の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数に
よってそのバネ定数を調整している。例えば、筒体２２の厚みは例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍとされる。筒体２２の上下に延びる筒状部２２１から一端側開口（上端側開口）までは円筒状のものであるが、筒体２２の他端側開口（下端側開口）は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状になっている。このように、筒体２２の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体２２が鍔部２２２を有する構造になっている。
【００３６】
また、基体２１は円板状のもので、周縁部が他の部位よりも薄肉になっている。基体２１の周縁部と筒体２２の鍔部２２２とは、例えば積層型圧電素子１に圧縮荷重をかけた状態で溶接されている。なお、基体２１にはリードピン１７を挿通可能な貫通孔２１１が２つ形成されており、この貫通孔２１１にリードピン１７を挿通させている。そして、貫通孔２１１の隙間には例えば軟質ガラス２１２が充填されている。そして、リードピン１７が外部回路と電気的に接続されて、積層型圧電素子１に駆動電圧が印加されるようになっている。
【００３７】
蓋体２３は外径が筒体２２の一端側開口の内径と同じ程度とされたものである。筒体２２の一端側開口から蓋体２３が嵌め込まれ、筒体２２の一端側開口の近傍（上端近傍）の内壁にその側面を例えば溶接されている。このとき、積層型圧電素子１に圧縮荷重をかけた状態で、筒体２２の鍔部２２２と基体２１とが溶接されている。
【００３８】
そして、リードピン１７が蛇腹部２２０の側方に位置しないように配置されている。
【００３９】
リードピン１７が蛇腹部２２０の側方に位置すると、蛇腹形状によるノイズの反響が垂直に近い角度でリードピン１７に届いてしまうおそれがある。これに対し、リードピン１７が蛇腹部２２０の側方に位置しないように配置されていることで、ノイズの反響がリードピン１７に届いたとしても、小さい入射角で届くことから、高精度な制御を維持することができる。
【００４０】
次に、本実施形態のアクチュエータの製造方法について説明する。
【００４１】
まず、圧電体層１１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（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）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。
【００４２】
次に、内部電極層１２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−パラジウム合金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内部電極層１２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する。
【００４３】
また、予定破断層１４となる導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストは、例えば内部電極層１２と銀比率の異なる銀−パラジウムでもよく、焼成によって焼失するフィラーを含むものでもよい。
【００４４】
次に、必要によりセラミックグリーンシートが複数枚積層されたグリーンシート積層体の側面に被覆層１８となるセラミックスラリーを塗布する。セラミックスラリーの塗布は
、印刷やディスペンス方式により所定の厚みに制御して行う。
【００４５】
その後、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１２００℃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積層体１３を作製する。
【００４６】
次に、積層体１３の側面に導体層１５を形成する。具体的には、ＡｇやＣｕのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体１３の側面における第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば５〜７０μｍの厚さの導体層１５を形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。例えば、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用いる。そして、導体層１５のパターンで積層体１３の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行なう。
【００４７】
次に、外部電極１６を作製する。例えば、ＳＵＳ３０４の薄板にメッキ処理を行い、その後エッチングを行い平板状の電極板を形成する。ここで、外部電極１６に孔やスリットを設けるためには、例えばエッチングやレーザー、打ち抜きで加工すればよい。また、外部電極１６に屈曲部を設けるためには、平板状の電極板に曲げ加工を行えばよい。
【００４８】
そして、導体層１５上に曲げ加工した外部電極１６を導電性樹脂などの導電性接合材を介して取り付け、外部電極１６の端部にはんだ、導電性樹脂などの接合材によりリードピン１７を接合する。
【００４９】
また、穴加工にて貫通孔２１１を形成してなる基体２１を用意する。この基体２１に形成された２つの貫通孔２１１にそれぞれリードピン１７を挿通するとともに隙間に軟質ガラス２１２を充填して固定し、さらに基体２１の上面に積層型圧電素子１の下端部を接合材で接着する。
【００５０】
次に、ＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒状の筒体２２に圧延加工により蛇腹形状を形成する。圧延加工時に金型形状を変更することにより、溝部の厚み、及び曲率半径の変更することができる。この筒体２２の一端側（上端側）の開口を塞ぐようにＳＵＳ３０４製の蓋体２３をレーザー溶接によって溶接する。なお、筒体２２の筒状部２２１の他端側（下端側）には鍔部２２２が形成される。
【００５１】
次に、筒体２２を基体２１に接着した積層型圧電素子１に被せ、所定の荷重で筒体２２を引張り、積層型圧電素子１に荷重を加える。この状態で、筒体２２の鍔部２２２と基体２１とを例えば抵抗溶接によって溶接する。
【００５２】
最後に、リードピン１７に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１３を構成する圧電体層１１を分極する。
【００５３】
以上の製法により、本実施形態の圧電アクチュエータ１０が得られる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・積層型圧電素子
１１・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１２１・・・第１の内部電極層
１２２・・・第２の内部電極層
１３・・・積層体
１４・・・予定破断層
１５・・・導体層
１６・・・外部電極
１７・・・リードピン
１８・・・被覆層
２・・・ケース
２１・・・基体
２１１・・・貫通孔
２１２・・・軟質ガラス
２２・・・筒体
２２１・・・筒状部
２２２・・・鍔部
２２０・・・蛇腹部
２３・・・蓋体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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