(57)【要約】【課題】局所的な応力の集中による破壊を防止し、電極の接続を容易にできる圧電素子および圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子１１０であって、圧電層および圧電層を介して交互に積層された第１および第２の内部電極を有し、環状に形成された素子本体１１１と、素子本体１１１の両主面に露出し、第１の内部電極と接続された第１の外部電極１１５ａ〜１１５ｃと、素子本体１１１の両主面に露出し、第２の内部電極と接続された第２の外部電極１１６ａ〜１１６ｃと、を備え、第１の外部電極の両主面部分１１５ａ、１１５ｃは、第２の外部電極１１６ａ、１１６ｃの両主面部分より孔１１７側に設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子であって、
圧電層および前記圧電層を介して交互に積層された第１および第２の内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、
前記素子本体の両主面に露出し、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、
前記素子本体の両主面に露出し、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極と、を備え、
前記第１の外部電極の両主面部分は、第２の外部電極の両主面部分より孔側に設けられていることを特徴としている圧電素子。
【請求項２】
前記第１または第２の外部電極の両主面部分は、前記素子本体の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることを特徴としている請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトが挿入されていることを特徴としている請求項３記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータ本体の両端のそれぞれに設けられた絶縁板を更に備え、
前記圧電アクチュエータ本体の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられていることを特徴とする請求項３または請求項４記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子および圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直方体の圧電素子を積み重ねて本体を形成した圧電アクチュエータが知られている。図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体５００の斜視図、圧電素子５１０の斜視図および圧電素子５１０の断面図である。圧電アクチュエータ本体５００は、一体焼成された積層型の圧電素子５１０を積み重ねて形成されており、リード線５２０により各外部電極５１５の接続がとられている。圧電素子５１０は、圧電層と内部電極とを積層して形成されており、電圧を印加したときには、電極間の圧電層は活性領域として変形するが、その他の不活性領域は変形しない。そのため、これらの領域の境界付近で応力が発生しやすくなり、特に内部電極５１２の角部Ｃにおいては応力が集中し、破壊が生じやすくなる。
【０００３】
これに対して、圧電素子に圧電層が不連続となるようにチタン酸鉛を主成分とする粉末からなる応力吸収層を設けて応力を緩和できる圧電アクチュエータが開発されている（たとえば特許文献１参照）が、内部電極の角部に応力が発生しやすい形状であることには変わりない。一方、内部電極を積層面の全面に設け、側面の不活性領域を無くすことで応力の集中を防止した圧電素子も開発されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８６７７４号公報
【特許文献２】特開平０５−００３３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の圧電素子では、内部電極が一律に側面に露出するため、外部電極と接続すべきでない内部電極の露出部分は絶縁物で覆う必要があり、複雑な製造工程を必要とする。
【０００６】
これに対し、圧電素子を円板状にして活性領域と不活性領域との間に局所的な応力が集中するのを防止することも考えられる。図８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ円板状の圧電素子６１０を積み上げて形成した圧電アクチュエータ本体６００の斜視図、圧電素子６１０の斜視図および圧電素子６１０の断面図である。図８（ｃ）に示すように、この場合には内部電極６１２に角部が存在しないことから応力の集中を防止できる。
【０００７】
しかしながら、図８（ａ）に示すように、リード線６２０で複数の圧電素子間の外部電極を接続できるように各圧電素子６１０を配置し、多段に積むのは困難である。これを避けるために、圧電素子６１０を面取りして位置合わせをし易くする方法も考えられるが、内部電極と外部電極との接続部に合わせて圧電素子６１０を加工するのは手間がかかり現実的ではない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、局所的な応力の集中による破壊を防止し、電極の接続を容易にできる圧電素子および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】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子であって、圧電層および前記圧電層を介して交互に積層された第１および第２の内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、前記素子本体の両主面に露出し、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、前記素子本体の両主面に露出し、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極と、を備え、前記第１の外部電極の両主面部分は、第２の外部電極の両主面部分より孔側に設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このように、本発明の圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。また、外部電極を容易に形成することができ、第１および第２の外部電極の両主面部分が孔側と外周側とに分離されていることから、積み上げたときに接続がとりやすい。
【００１１】
（２）また、本発明の圧電素子は、前記第１または第２の外部電極の両主面部分が、前記素子本体の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることを特徴としている。これにより、複数の圧電素子を積み重ねたときに容易に互いの外部電極を接続できる。また、互いに隣り合う圧電素子の中心軸周りの位置がずれても接続を確保することができる。
【００１２】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている。これにより、第１および第２の外部電極をそれぞれ接続させて圧電アクチュエータを構成して大きな変位を得ることができる。
【００１３】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトが挿入されていることを特徴としている。これにより、たとえば素子同士の接着をしない場合でも、複数の圧電素子の積層面上の位置のずれを防止しながら素子同士の導通をとることができる。
【００１４】
（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータ本体の両端のそれぞれに設けられた絶縁板を更に備え、前記圧電アクチュエータ本体の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられていることを特徴としている。これにより、必要な絶縁を確保しつつ、外部電極と駆動電源とを接続することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。また、外部電極を容易に形成することができ、積み上げたときに電極の接続がとりやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧電アクチュエータ本体の斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）それぞれ圧電素子の斜視図、平面図および底面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）それぞれ圧電素子の側断面図および異なる平断面図である。
【図４】圧電アクチュエータの一形態を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）それぞれ変位端側の絶縁板の平面図、底面図および側断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）それぞれ固定端側の絶縁板の平面図、底面図および側断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体の斜視図、圧電素子の斜視図および圧電素子の断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）それぞれ円板状の圧電素子を積み上げて形成した圧電アクチュエータ本体の斜視図、圧電素子の斜視図および圧電素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（圧電アクチュエータ本体）
図１は、圧電アクチュエータ本体１００の斜視図である。図１に示すように、圧電アクチュエータ本体１００は、円筒状であり、複数の圧電素子１１０を略同一中心軸上に伸縮方向に積み重ねて形成されている。これにより、圧電アクチュエータを構成して大きな変位を得ることができる。圧電素子１１０の詳細は、以下に説明する。
【００１９】
（圧電素子）
図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１１０の斜視図、平面図および底面図である。圧電素子１１０は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子１１０は、素子本体１１１および外部電極１１５ａ〜１１６ｃにより構成されている。素子本体１１１は、環状に形成されているため、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。なお、素子本体１１１の形状は、円環状が最も好ましいが、八角形、十二角形等の多角形の環状や楕円環状であってもよい。
【００２０】
外部電極１１５ａ〜１１５ｃ（第１の外部電極）は、素子本体１１１の中央の孔１１７の内側面および両主面の孔１１７側の縁部分に一体に設けられている。また、外部電極１１６ａ〜１１６ｃ（第２の外部電極）は、素子本体１１１の外側面および両主面の外周側の縁部分に一体に設けられている。このように、外部電極の両主面部分１１５ａ、１１５ｃは、外部電極の両主面部分１１６ａ、１１６ｃより孔１１７側に設けられている。環形状の外周と孔１１７内とに分けることで側面の外部電極も容易に形成することができる。また、外部電極１１５ａ〜１１６ｃの両主面部分が孔１１７側と外周側とに分離されていることから、積み上げたときに接続がとりやすい。
【００２１】
なお、外部電極の両主面部分１１５ａ、１１５ｃは、素子本体１１１の両主面に露出しているが、内部電極１１３との接続部分は、必ずしも上記の内側面の外部電極１１５ｂのように側面に露出している必要はなく、バイアホールで形成することもできる。また、同様に、外部電極の両主面部分１１６ａ、１１６ｃは、素子本体１１１の両主面に露出しているが、内部電極１１４との接続部分は、必ずしも上記の内側面の外部電極１１６ｂのように側面に露出している必要はなく、バイアホールで形成することもできる。
【００２２】
それぞれの外部電極の両主面部分１１５ａ、１１５ｃ、１１６ａ、１１６ｃは、素子本体１１１の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることが好ましい。これにより、複数の圧電素子１１０を積み重ねたときには、外部電極の範囲が重なり、一方の圧電素子１１０の主面部分１１５ａが他方の圧電素子１１０の主面部分１１５ｃと接続する。同様に、一方の圧電素子１１０の主面部分１１６ａは、他方の圧電素子１１０の主面部分１１６ｃと接続する。その結果、容易に互いの外部電極を接続させて圧電アクチュエータを構成できる。なお、それぞれの外部電極の両主面部分１１５ａ、１１５ｃ、１１６ａ、１１６ｃは、軸対称に設けられていることが確実な接続と製造工程の簡易化の点で好ましい。
【００２３】
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１１０の側断面図および異なる平断面図である。図３（ａ）は、図２（ｂ）における断面３ａによる断面図であり、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）における断面３ｂ、３ｃによる断面図である。素子本体１１１は、圧電層１１２および圧電層１１２を介して交互に積層された内部電極１１３（第１の内部電極）および内部電極１１４（第２の内部電極）を有している。
【００２４】
外部電極１１５ａ〜１１５ｃは、内部電極１１３と接続されており、外部電極１１６ａ〜１１６ｃは、内部電極１１４と接続されている。これにより、圧電素子１１０の各圧電層１１２に駆動電圧を印加できる。
【００２５】
（圧電素子の製造方法）
上記のように構成された圧電素子１１０の製造方法を説明する。まず、圧電素子１１０として、所定形状の環状の一体焼成型素子を作製する。圧電層１１２と内部電極１１３とを積層し、両主面側の端部に内部電極１１３の無い層を設けたものを作製する。圧電素子１１０の外形を加工し、例えば厚さは平面研削、外径を円筒加工し、内径はフライス加工して、所定の環状に形成する。外側面の外部電極１１６ｂおよび両主面の外部電極１１５ａ、１１５ｃ、１１６ａ、１１６ｃはスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付ける。内側面の外部電極１１５ｂは、両主面のスクリーン印刷時に印刷面の反対側から孔を吸引して電極ペーストが孔の内側面に付着するようにして、これを焼き付けて形成する。
【００２６】
このようにして作製した複数個の圧電素子１１０を積み重ねた圧電アクチュエータ本体１００の両端に、電極上にリード線をはんだ付けした絶縁板２２０、２３０を配置し、シャフト２１５を孔に通して位置がずれない様にする。さらに絶縁板の上からコイルバネのような弾性部２５０で圧力を掛け、積み重ねられた圧電素子１１０の両主面上の外部電極１１５ａ、１１５ｃ、１１６ａ、１１６ｃの接触を確実にする。このようにして圧電アクチュエータ本体１００を作製できる。
【００２７】
（圧電アクチュエータの一形態）
図４は、圧電アクチュエータの一形態を示す断面図である。図４に示すように、圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ本体１００、固定部２１０、シャフト２１５、絶縁板２２０、２３０、変位伝達部２４０、弾性部２５０およびケース２６０を備えている。圧電アクチュエータ２００は、たとえば位置決め装置に用いられる。
【００２８】
固定部２１０は、圧電アクチュエータ本体１００の一端を固定しており、変位の基準となっている。また、固定部２１０は、シャフト２１５と結合し、シャフト２１５の位置を固定している。
【００２９】
シャフト２１５は、積み重ねられた複数の圧電素子１１０の中央の孔１１７に挿入されており、圧電アクチュエータ本体１００の軸を固定している。これにより、複数の圧電素子１１０の積層面上の位置ずれを防止することができる。シャフト２１５は、孔１１７に挿入されたときに変位伝達部２４０との間に隙間２１７が生じる長さに形成されている。
【００３０】
絶縁板２２０、２３０は、圧電アクチュエータ本体１００の両端のそれぞれに設けられており、固定部２１０やケース２６０と駆動回路とを絶縁している。絶縁板２２０、２３０は、絶縁性の板であればよいが、アルミナ板のように硬い材料で形成されている方が圧電アクチュエータの特性を確保するには好ましい。変位端側の絶縁板２２０の変位伝達部２４０側に一端が駆動電源と接続されたリード線３１５の他端が接続されている。また、固定端側の絶縁板２３０の圧電アクチュエータ本体１００側に一端が駆動電源と接続されたリード線３１６の他端が接続されている。
【００３１】
図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ変位端側の絶縁板２２０の平面図、底面図および側断面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）、図５（ｂ）における断面５ｃの断面図である。図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁板２２０には、圧電素子１１０と同径の孔２２７が形成されており、圧電アクチュエータ本体１００側の主面から変位伝達部２４０側の主面まで孔２２７を介して一体に電極２２５が設けられている。このように絶縁板２２０では、中央部で両主面の導通がとられている。
【００３２】
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ固定端側の絶縁板２３０の平面図、底面図および側断面図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）、図６（ｂ）における断面６ｃの断面図である。図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁板２３０には、圧電素子１１０と同径の孔２３７が形成されており、圧電アクチュエータ本体１００側の主面には、孔２３７の縁部分と重ならないように外周側に電極２３６が設けられている。これにより、固定部２１０との絶縁を確保しつつ、外部電極１１６ｃと駆動電源とを接続することができる。
【００３３】
なお、上記の例では、変位端側の絶縁板２２０および固定端側の絶縁板２３０でそれぞれ駆動電源と接続しているが、変位端側の絶縁板を単なる絶縁板とし、固定端側の絶縁板のみで駆動電源と接続してもよい。その場合、固定端側の絶縁板において、圧電アクチュエータ本体１００側の主面上に孔側の電極および外周側の電極を分けて設け、孔側の電極のみを裏の主面に接続するよう形成してケース２６０と接続し、外周側の電極を圧電アクチュエータ本体１００の径より外に延ばしてリード線付けする。このように、圧電アクチュエータ本体１００の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられている。これにより、必要な絶縁を確保しつつ、外部電極と駆動電源とを接続することができる。
【００３４】
変位伝達部２４０は、フランジ部２４１および柱状部２４２を備え、断面Ｔ字の軸対称な形状に形成されており、柱状部２４２の先端２４５により変位が外部に伝えられる。弾性部２５０は、たとえばバネであり、変位伝達部２４０および絶縁板２２０、２３０とともに圧電アクチュエータ本体１００を変位方向に沿って固定部２１０側に弾性力で押圧している。これにより、圧電アクチュエータ本体１００を構成する複数の圧電素子１１０の連続部分において外部電極１１５ａ、１１５ｃ、１１６ａ、１１６ｃを確実に接触させることができる。ケース２６０は、たとえば金属製であり、圧電アクチュエータ本体１００等を覆っている。
【００３５】
（実施例）
実施例および比較例の圧電アクチュエータを作製し、特性の確認後に破壊電圧を測定した。実施例として、図１に示すような形態の圧電アクチュエータを作製した。まず、圧電素子として、外径６ｍｍ、内径２ｍｍ、厚さ３ｍｍの環状の一体焼成型素子を作製した。１層あたり５０μｍを５０層積層し、両主面側の端部に内部電極の無い層を０．２５ｍｍずつ設けた。厚さは平面研削、外径を円筒加工し、内径はフライス加工した。外側面の外部電極および上下面の外部電極はスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けた。内側面の外部電極は、両主面のスクリーン印刷時に印刷面の反対側から孔を吸引して電極ペーストが孔の内側面に付着するようにして、これを焼き付けて形成した。
【００３６】
このようにして作製した２０個の圧電素子を積み重ねた圧電アクチュエータ本体の両端に、電極上にリード線をはんだ付けしたアルミナ板（絶縁板）を配置し、金属シャフトを孔に通して位置がずれない様にした。さらにアルミナ板の上からコイルバネで圧力を掛け、圧電素子上下の外部電極の接触を確実にした。このようにして作製した圧電アクチュエータの変位は１５０Ｖで約７６μｍであった。
【００３７】
一方、比較例として、図７に示すような形態の圧電アクチュエータを作製した。まず、圧電素子として、縦横６ｍｍ、高さ１０ｍｍの直方体の圧電素子を作製した。１層あたり５０μｍを１７０層積層し、両主面側の端部に内部電極の無い層を０．７５ｍｍずつ設けた。全面平面研削による加工を行い、外部電極としてスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けた。これを接着剤を用いて６個積み重ねて、圧電アクチュエータを作製した。このようにして作製した圧電アクチュエータの変位も１５０Ｖで約７６μｍであった。
【００３８】
上記のような実施例と比較例の圧電アクチュエータをそれぞれ３０個用意し、過電圧を加えて破壊電圧を確認した。比較例は、平均で約３５０Ｖ程度の電圧印加で破壊した。破壊の生じた位置は内部電極の角の部分であった。実施例では、平均４８０Ｖの電圧印加で破壊した。破壊の生じた位置は内部電極の外縁部であった。以上の測定結果から、実施例では破壊が生じ難くなっていることが実証された。
【符号の説明】
【００３９】
１００  圧電アクチュエータ本体
１１０  圧電素子
１１１  素子本体
１１２  圧電層
１１３、１１４  内部電極
１１５ａ-１１５ｃ  外部電極（第１の外部電極）
１１６ａ-１１６ｃ  外部電極（第２の外部電極）
１１７  孔
２００  圧電アクチュエータ
２１０  固定部
２１５  シャフト
２１７  隙間
２２０  変位端側の絶縁板
２２５  電極
２２７  孔
２３０  固定端側の絶縁板
２３６  電極
２３７  孔
２４０  変位伝達部
２４５  先端部分
２５０  弾性部
２６０  ケース
３１５、３１６  リード線
【図１】
2013157439.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013157439.tif 000007
【図６】
2013157439.tif 000008
【図７】
2013157439.tif 000009
【図８】
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