(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極を表面に第２電極を裏面に形成したシート状の圧電素子の長手方向略中央に連続部を形成し、該連続部を積層筒状体の内部空間の中央部に積層筒状体から離れた状態で残してシート状圧電素子を巻き上げて積層筒状体に形成した後に焼成したことを特徴とする圧電変換素子。
【請求項２】
積層筒状体の内部空間の中央部に残された連続部に露出する第１電極及び第２電極にそれぞれ第１及び第２の電極端子を接触させたことを特徴とする請求項１に記載の圧電変換素子。
【請求項３】
圧電セラミツクスを材料とするシート状の圧電素子の表面に第１電極を、裏面に第２電極を形成する工程と、
軸方向に延びたスリットを有する巻取軸の、該スリットに前記電極の形成されたシート状の圧電素子の長手方向略中央の連続部を挟み、巻取軸の回りにシート状の圧電素子を巻上げて筒状体に形成する工程と、
形成された筒状体を所定温度で焼成する工程と
を含むことを特徴とする圧電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記巻取軸は、圧電素子の焼成温度よりも高い融点の材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記巻取軸のスリットには、圧電素子の焼成温度よりも高い融点の材料で構成された電極端子が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記巻取軸は、圧電素子を焼成したときに焼失する材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は圧電変換素子、特にシート状の圧電材料を筒状に形成した圧電変換素子の電極構造とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電変換素子を使用したアクチエータは、供給される電気エネルギを駆動力に変換する変換効率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大きく、また、駆動力を容易に制御できるため、カメラ、計測機器、その他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決めに利用されるようになつてきた。
【０００３】
このようなアクチエータで使用される駆動源である圧電変換素子には、単位の圧電素子を複数枚積層して構成したものがある。これは、単位の圧電素子に発生する厚み方向の変位をできるだけ大きくして取り出すためである。
【０００４】
単位の圧電素子を複数枚積層して構成した圧電変換素子は、単位素子それぞれの表面に電極を設ける工程、積層して接着する工程、各層の電極を結線する工程という繁雑な作業を経て製造されるので、コストの高いものであつた。
【０００５】
このため、表面に電極が形成された２枚の薄板状の圧電素子を積層した積層体を中空筒状に巻いて構成した圧電変換素子が提案されている。
【０００６】
図１１は、このような２枚の薄板状の圧電素子を積層して筒状に形成した圧電変換素子の一例を示す斜視図で、図１２の（ａ）及び（ｂ）は、その電極形成面と積層状態を説明する図、図１３は、円筒状に形成された圧電変換素子の円筒軸方向の端面の状態を説明する平面図である。
【０００７】
圧電変換素子の製造工程を説明する。まず、図１２の（ａ）に示すように、薄板状に形成された圧電セラミックスからなる第１の圧電素子１０１及び第２の圧電素子１０２を準備する。ここで、第２の圧電素子１０２の巻き取り方向の長さを第１の圧電素子１０１よりも寸法ｄだけ長くしておく。
【０００８】
第１の圧電素子１０１の表面には第１電極１０３を形成し、裏面は電極非形成面とする。また、第２の圧電素子１０２の表面には第２電極１０４形成し、裏面は電極非形成面とする（図１２の（ａ）参照）。
【０００９】
次に、図１２の（ｂ）に示すように、第１の圧電素子１０１の電極非形成面と第２の圧電素子１０２の電極形成面が対向するように積層し、この積層体を巻き取つて、図１１に示すような筒状体に構成する。第１の圧電素子１０１の巻き取り方向の長さを第２の圧電素子１０２の巻き取り方向の長さよりも短くすることで、筒状に形成したとき、第１電極１０３と第２電極１０４の端部がずれ、容易にそれ等の電極にリード線１０３ａ及び１０４ａを接続することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成の筒状体の圧電変換素子では、図１３に示すように、その構造から筒状体の最も内側の部分では、第２の圧電素子１０２は第１電極１０３と第２電極１０４に挟まれない部分Ｘが生じる。この部分は圧電変換素子の第１電極１０３と第２電極１０４の間に電圧を印加した場合も伸縮変位が発生せず、伸縮変位を阻害するから、可能な限り小さくすることが望ましい。
【００１１】
また、上記した構成の筒状体の圧電変換素子では、図１３に示すように、圧電変換素子の側面に露出した第１及び第２電極にリード線をハンダ付け或いは金属ペーストで接着して接続しているが、このような接続作業は量産に向いていないという不都合があつた。この発明は、上記課題を解決することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、第１電極を表面に第２電極を裏面に形成したシート状の圧電素子の長手方向略中央に連続部を形成し、該連続部を積層筒状体の内部空間の中央部に積層筒状体から離れた状態で残してシート状圧電素子を巻き上げて積層筒状体に形成した後に焼成したことを特徴とする圧電変換素子である。
【００１４】
そして、前記積層筒状体の内部空間の中央部に残された連続部に露出する第１電極及び第２電極には、それぞれ第１及び第２の電極端子を接触させるものとする。
【００１５】
請求項３の発明は、圧電セラミツクスを材料とするシート状の圧電素子の表面に第１電極を、裏面に第２電極を形成する工程と、軸方向に延びたスリットを有する巻取軸のスリットに前記電極の形成されたシート状の圧電素子の長手方向略中央の連続部を挟み、巻取軸の回りにシート状の圧電素子を巻上げて筒状体に形成する工程と、形成された筒状体を所定温度で焼成する工程とを含むことを特徴とする圧電変換素子の製造方法である。
【００１６】
そして、前記巻取軸は、圧電素子の焼成温度よりも高い融点の材料で構成するとよい。
【００１７】
また、前記巻取軸のスリットには、圧電素子の焼成温度よりも高い融点の材料で構成された電極端子を備えることで圧電素子への給電が容易に行える。
【００１８】
このほか、前記巻取軸を圧電素子を焼成したときに焼失する材料で構成するようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の圧電変換素子は、１枚の薄板状の圧電素子の表裏両面に電極を形成し、これを略中央部で２つ折りして積層した積層体を筒状に巻き上げて筒状体に形成した圧電変換素子である。
【００２１】
図１及び図２は、第１の実施の形態の圧電変換素子の構成を説明する図で、図１は圧電変換素子の断面図、図２は圧電変換素子の外観を示す斜視図である。
【００２２】
圧電変換素子の構成の概略を説明する。図１に示すように、シート状の圧電素子１１の表面の全面に第１電極１２を形成し、裏面の全面に第２電極１３を形成する。
【００２３】
次に、この表裏両面に電極の形成されたシート状の圧電素子１１を、第２電極１３の面が相互に対向するように長手方向の略中央部で２つ折りにして連続部１４を形成し、この積層体を連続部１４を内側にして筒状に巻き上げて筒状体に形成し、筒状体を所定の温度で焼成し、電極間に電圧を印加して分極させて圧電変換素子１０が完成する。
【００２４】
次に、その製造工程の詳細を説明する。まず、圧電素子１１の材料としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3 ・ＰｂＴｉＯ3 ）を主成分とする圧電セラミックスを使用する。このセラミックス粉体を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合し、ブレード等を使用して均一な平面に作成して一定の厚さ、例えば２０〜１００μｍの厚さに引き伸ばす。溶剤を蒸発させて乾燥すると、グリーンシートと呼ばれる柔軟性のあるシートを得ることができる。
【００２５】
次に、このグリーンシート（圧電素子）の表面及び裏面に、スクリーン印刷等の手段で、ペースト状の電極材料、例えば白金（Ｐｔ）系、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）系の電極材料を適当な樹脂バインダでペースト状にした電極材料を、３〜７μｍの厚さに印刷し（焼成後は樹脂バインダが揮発して１〜３μｍ程度になる）、第１電極１２及び第２電極１３を形成する。
【００２６】
グリーンシートの表裏両面に第１電極１２及び第２電極１３が印刷形成された圧電素子１１を所定の大きさに切断し、第２電極１３の面が相互に対向するように長手方向の略中央部で２つ折りにして積層し、この積層体の折り返し部分である連続部１４を内側にして筒状に巻き上げて筒状体に形成する。
【００２７】
次に、前記筒状体を所定の温度条件で焼成し、第１電極１２及び第２電極１３にリード線を接続して所定の直流高電圧を印加して分極させると、圧電変換素子１０が完成する。
【００２８】
焼成する温度条件は、例えば、図３に示すように、５時間程度かけて５００℃まで序々に温度を高め、５００℃で一定時間焼成した後、最初から９時間後に１２００℃まで序々に温度を高める。さらに、１２００℃で約０．３時間焼成した後、６時間程度かけて常温まで冷却する。
【００２９】
分極の方向はシート状の圧電素子の厚み方向とし、例えば、６０℃の環境において、電極１２及び１３の間に１．５ｋＶ／ｍｍの電圧を２０分間印加して分極させる。圧電素子を分極させることで、圧電変換素子１０に筒状軸方向の変位を発生させることができる。
【００３０】
図４は、圧電変換素子へ印加する電圧（Ｖ）と発生する変位（ｎｍ）の関係を示す図で、線（ａ）は上記した第１の実施の形態の圧電変換素子の印加電圧（Ｖ）と発生変位（ｎｍ）の関係を示し、線（ｂ）は図１１に示す従来の圧電変換素子の印加電圧（Ｖ）と発生変位（ｎｍ）の関係を示す。
【００３１】
この図から明らかなように、この発明の第１の実施の形態の圧電変換素子は図１１に示す従来の圧電変換素子よりも同一印加電圧に対する発生変位が大きく、変換効率が良い。これは、従来の圧電変換素子は、その筒状体の最も内側に２つの電極に挟まれていない伸縮変位の発生を阻害する部分があるが、この発明の第１の実施の形態の圧電変換素子は、このような伸縮変位の発生を阻害する部分が無いからである。
【００３２】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の圧電変換素子は、１枚の薄板状の圧電素子の表裏両面に電極を形成し、その略中央部を連結部として一定幅を残して圧電素子相互が積層されるように巻き上げて筒状体に形成した圧電変換素子である。
【００３３】
図５及び図６は、第２の実施の形態の圧電変換素子の構成を説明する図で、図５は圧電変換素子の断面図、図６は圧電変換素子の外観を示す斜視図である。
【００３４】
圧電変換素子の構成の概略を説明する。図５に示すように、シート状の圧電素子２１の表面の全面に第１電極２２を形成し、裏面の全面に第２電極２３を形成する。
【００３５】
次に、この表裏両面に電極の形成されたシート状の圧電素子２１の略中央部を連続部２４として一定幅を残し、圧電素子相互が積層されるように巻き上げて筒状体に形成する。
【００３６】
図７はシート状の圧電素子２１の巻き上げ方法の一例を示す斜視図である。図７に示すように、軸方向にスリット３２が形成された巻取軸３１を準備する。巻取軸３１の直径は、圧電変換素子２０の略中央部に形成される連続部２４に略一致する寸法とする。また、スリット３２の幅は表裏両面に電極の形成されたシート状の圧電素子２１の厚みよりも僅かに大きい幅とし、スリット３２の軸方向長さは圧電素子２１の幅よりも大きい寸法とするとよい。
【００３７】
なお、巻取軸３１の材質は、例えばセルロース、ポリカーボネート樹脂等を使用して、焼成により巻取軸３１が焼失するようにする。
【００３８】
次に、スリット３２に表裏両面に電極の形成されたシート状の圧電素子２１の略中央部の連続部２４を挟み、巻取軸３１を回転すると、シート状の圧電素子２１は、図５の断面図に示すように巻き上げられ、筒状部分では圧電素子２１の表面の第１電極２２と裏面の第２電極２３とが積層された筒状体が形成される。
【００３９】
完成した筒状体から巻取軸３１を抜き取ることなしに所定の温度で焼成する。焼成の際に、巻取軸３１がある状態で焼成を開始するので、焼成により筒状体の形状が変形するおそれがなく、また、焼成により巻取軸３１は焼失するから、電極間に電圧を印加して分極させて圧電変換素子２０が完成する。
【００４０】
焼成の完了した圧電変換素子２０の外側の略半分には第１電極２２が露出し、外側の他の略半分には第２電極２３が露出する。中心部分の連結部２４には、その一方の面に第１電極２２が露出し、他の面には第２電極２３が露出する。
【００４１】
図８は、完成した圧電変換素子２０の第１電極２２及び第２電極２３への給電端子の接続構造の一例を示す斜視図である。圧電変換素子２０の軸方向の両端に配置した適宜の電気絶縁性取付部材に、弾性材料で構成した端子２５及び２６を取り付け、圧電変換素子２０の連結部２４に露出した第１電極２２に端子２５を圧接させ、第２電極２３に端子２６を圧接させる。
【００４２】
これにより、圧電変換素子２０の第１電極２２及び第２電極２３へ給電することができる。この他、圧電変換素子２０の外側に露出した第１電極２２及び第２電極２３にリード線を接続して給電するように構成することができることは言うまでもない。
【００４３】
また、スリット３２を備えた巻取軸３１と同一形状の電気絶縁性取付部材を準備し、そのスリット部分の内面に弾性材料で構成した端子２５及び２６を取り付け、圧電変換素子２０の連結部２４に露出した第１電極２２に端子２５を圧接させ、第２電極２３に端子２６を圧接させるように構成することもできる。
【００４４】
さらに、巻取軸３１自体を給電端子とすることもできる。即ち、巻取軸３１のスリット３２の内側に第１電極２２及び第２電極２３へ給電する端子を配置しても給電することができる。この場合は、巻取軸３１を圧電素子の焼成温度に耐えるセラミック等の電気絶縁性材料で構成し、さらにスリットの内側に配置する給電端子は、圧電素子の焼成温度よりも融点が高く、弾力性を有する金属材料で構成するとよい。
【００４５】
圧電素子２１の材料は、第１の実施の形態と同じくＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3 ・ＰｂＴｉＯ3 ）を主成分とする圧電セラミックスを使用する。また、電極材料や電極の形成方法、焼成する温度条件、分極処理なども第１の実施の形態と同じであるから、ここでは説明を省略する。
【００４６】
次に、上記した圧電変換素子を使用したアクチエータの構成を、図９及び図１０を参照して説明する。以下の説明では第１の実施の形態の圧電変換素子１０を使用したアクチエータで説明するが、第２の実施の形態の圧電変換素子２０を使用した場合も同様である。
【００４７】
図９はアクチエータの構成を示す断面図である。図９において、４１は基台、４２、４３、４４は支持ブロツク、４５は駆動軸で、駆動軸４５は、圧電変換素子１０に発生する軸方向の変位により軸方向（矢印ａ方向、及びこれと反対方向）に変位可能に支持ブロツク４３と支持ブロツク４４により移動自在に支持されている。
【００４８】
１０は、前記した製造方法により製造された筒状の圧電変換素子である。圧電変換素子１０の一端は支持ブロツク４２に接着固定され、他端は駆動軸４５の一端に接着固定される。
【００４９】
なお、符号５０は緩やかな立上がり部と急速な立下がり部、或いは急速な立上がり部と緩やかな立下がり部を有する鋸歯状波パルスを発生する駆動パルス発生回路を示す。駆動パルス発生回路５０は、圧電変換素子１０の電極１２と１３との間に駆動パルスを供給し、圧電変換素子１０を駆動するものである。
【００５０】
４６はスライダで、スライダ４６と駆動軸４５とは適当な摩擦力で摩擦結合している。図１０は、スライダ４６と駆動軸４５との摩擦結合部の構成を示す断面図で、スライダ４６には駆動軸４５が貫通しており、スライダ４６の駆動軸４５が貫通している下部には、開口部４６ａが形成され、駆動軸４５の下半分が露出している。また、この開口部４６ａには駆動軸４５の下半分に当接するパツド４７が嵌挿され、パツド４７は板ばね４８により押し上げられていて、駆動軸４５とスライダ４６及びパツド４７は板ばね４８の付勢力Ｆにより圧接され、適当な摩擦力で摩擦結合している。また、スライダ４６には、図示しないテーブル等の被駆動部材が結合されているものとする。
【００５１】
その動作を説明する。圧電変換素子１０の電極１２と１３を駆動パルス発生回路５０に接続し、電極１２と１３の間に数１０ｋＨｚの鋸歯状波駆動パルスを印加すると、圧電変換素子１０には軸方向に伸縮変位が生じるので、圧電変換素子１０に結合した駆動軸４５には軸方向に速度の異なる往復振動が発生する。これにより駆動軸４５に摩擦結合したスライダ４６は、駆動軸４５上を滑りながら駆動軸の往復振動の非対称性により速度の遅い振動方向に移動し、スライダに結合されたテーブル等の被駆動部材を移動させることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明の請求項１に記載の圧電変換素子は、第１電極を表面に第２電極を裏面に形成したシート状の圧電素子の長手方向略中央に連続部を形成し、該連続部を積層筒状体の内部空間の中央部に積層筒状体から離れた状態で残してシート状圧電素子を巻き上げて積層筒状体に形成した後に焼成した圧電変換素子である。この構成により、伸縮変異の発生を阻害する圧電素子部分がないほか、積層筒状体の内部空間の中央部に露出する連続部に第１電極及び第２電極にそれぞれ第１及び第２の電極端子を接触させることができ、電極にリード線をハンダ付け或いは金属ペーストで接着する等の繁雑な作業を省き、リード線を安定して接続することができる。
【００５３】
そして、１枚のシート状の圧電素子の表裏両面に第１電極及び第２電極を形成した素子を使用するから、製造工程が従来のものより簡単になる。
【００５４】
さらに、請求項３に記載の圧電変換素子の製造方法によれば、軸方向に延びたスリットを有する巻取軸を使用することにより、シート状の圧電素子を巻き上げて積層筒状体に形成する工程が簡単で、高い作業効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の圧電変換素子の断面図。
【図２】第１の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す斜視図。
【図３】圧電変換素子の焼成温度条件の一例を示す図。
【図４】圧電変換素子へ印加する電圧と発生する変位の関係を説明する図。
【図５】第２の実施の形態の圧電変換素子の断面図。
【図６】第２の実施の形態の圧電変換素子の外観を示す斜視図。
【図７】第２の実施の形態の圧電変換素子の巻き上げ方法を説明する斜視図。
【図８】第２の実施の形態の圧電変換素子の給電端子の接続構造を示す斜視図。
【図９】圧電変換素子を使用したアクチエータの構成を示す断面図。
【図１０】アクチエータのスライダと駆動軸との摩擦結合部の構成を示す断面図。
【図１１】従来の２枚の薄板状の圧電素子を積層して筒状に形成した圧電変換素子の一例を示す斜視図。
【図１２】図１１に示す従来の圧電変換素子の電極形成面と積層状態を説明する図。
【図１３】図１１に示す従来の圧電変換素子の円筒軸方向の端面を説明する平面図。
【符号の説明】
１０  圧電変換素子
１１  圧電素子
１２  第１電極
１３  第２電極
１４  連続部
２０  圧電変換素子
２１  圧電素子
２２  第１電極
２３  第２電極
２４  連続部
２５、２６  端子
３１  巻取軸
３２  スリット
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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