(57)【要約】【課題】簡素な電極構造によって圧電素子と電極とを簡便に接続する。【解決手段】複数の圧電素子１２を積層して形成される棒状の積層体１４と、積層体１４に対して電力を供給する外部電極２０、２０とが、樹脂製のガイド部材によってモールド成形され、各外部電極２０は、ガイド部材側に配置される電極基部２０ａと、電極基部２０ａから積層体１４側へ延びて積層体１４を押圧すると共に、弾性変形する複数の爪部２０ｂとを備え、各圧電素子１２は、角部を面取りして形成される面取り部２４を有し、積層体１４に対する非通電状態において、爪部２０ｂは、面取り部２４からオフセットした位置に配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子を積層した積層体と、前記積層体に対して電力を供給する電極とが、モールド部材によってモールド成形され、前記積層体の積層方向に沿って変位する圧電アクチュエータユニットであって、
前記電極は、
前記モールド部材側に配置され、積層方向に沿って延在する電極基部と、
前記電極基部から前記積層体側へ延びて前記積層体を押圧すると共に、弾性変形する複数の爪部と、
を備えることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータユニットにおいて、
前記圧電素子は、角部が面取りされた面取り部を有し、
前記積層体に対する非通電状態において、前記爪部は、前記面取り部からオフセットした位置に配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の圧電素子が積層された積層体を備える圧電アクチュエータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、モノリシックの積層型アクチュエータが開示されている。この積層型アクチュエータには、三次元構造化された導電性の外部電極が、基礎金属被覆を介して金属内部電極と並列接続するために配置されている。この外部電極は、部分的な接続箇所を介して基礎金属被覆と結合され、且つ、これらの接触箇所の間で伸長可能な状態で形成されている。
【０００３】
なお、特許文献１では、伸長可能な外部電極として、ニッテッド・ワイヤ／金網、連続気泡のスポンジ金属、基礎金属被覆との接触箇所でロウ付け、導電性接着剤を用いた接着、溶接（レーザ溶接等）により圧電素子と結合されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１１２０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、積層体を構成する圧電素子の角部が面取りされたＲ形状となっている場合、隣接する圧電素子のＲ形状同士によって隙間が形成される。この隙間を埋めて圧電素子を固定するために、例えば、積層体をモールドしてユニット化することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、例えば、平板状からなる二次元形状の外部電極を用いた場合、圧電素子と外部電極とが接触する面の隙間が狭くなり、この隙間に対してモールド材料（例えば、モールド樹脂）が入り込みにくくなる。また、三次元形状の外部電極を用いた場合、隙間との接触を避けるように外部電極の形状を屈曲させることが可能であるが、外部電極に対する曲げ加工が必要になると共に、外部電極と各圧電素子との間で個別に独立して接続する必要があり接続作業が煩雑となる。
【０００７】
さらに、ロウ付け、導電性接着剤、溶接等によって外部電極と圧電素子とを接続する場合、圧電素子の伸縮動作に対して接続部がその接続を維持するために伸縮動作を抑制する方向の力が作用する。このため、圧電素子の変位性能が阻害されると共に、変位量が小さくなる。
【０００８】
さらにまた、ロウ付け、導電性接着剤、溶接等による接続は、接続作業のときに圧電素子に対して熱や大きな荷重（押圧力）を付与する必要があり、圧電素子の性能の低下が懸念される。
【０００９】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、簡素な電極構造によって圧電素子と電極とを簡便に接続することが可能な圧電アクチュエータユニット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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子を積層した積層体と、前記積層体に対して電力を供給する電極とが、モールド部材によってモールド成形され、前記積層体の積層方向に沿って変位する圧電アクチュエータユニットであって、前記電極は、前記モールド部材側に配置され、積層方向に沿って延在する電極基部と、前記電極基部から前記積層体側へ延びて前記積層体を押圧すると共に、弾性変形する複数の爪部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、電極基部と弾性変形可能な爪部とからなる簡素な構造によって電極を構成することができる。また、本発明では、爪部を弾性変形させて積層体（圧電素子）に対して圧接しているため、従来技術のようなロウ付け、接着、溶接等が不要となる。
【００１２】
従って、本発明では、圧電素子の伸縮動作を抑制する力が作用することがなく、圧電素子の充分な変位性能を確保することができる。この結果、本発明では、簡素な電極構造によって圧電素子と電極とを簡便に接続することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、圧電素子に対する電極の組み付け時において、従来技術のような圧電素子に対する熱の影響や荷重による影響を考慮することが不要となり、圧電素子の所望の性能を確保することができる。
【００１４】
また、本発明は、前記圧電素子が、角部が面取りされた面取り部を有し、前記積層体に対する非通電状態において、前記爪部は、前記面取り部からオフセットした位置に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、積層体の隣接する圧電素子間に形成される面取り部との対向を避ける位置に爪部を配置しているため、爪部が妨げとなることがなく面取り部の奥部までモールド部材を入り込ませる（流入させる）ことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、簡素な電極構造によって圧電素子と電極とを簡便に接続することが可能な圧電アクチュエータユニットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータユニットの軸方向に沿った縦断面図である。
【図２】図１の部分拡大縦断面図である。
【図３】（ａ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った拡大横断面図、（ｂ）は、積層方向に沿った圧電素子の模式断面図である。
【図４】積層体を間にして配置された一対の外部電極の拡大斜視図である。
【図５】（ａ）は、外部電極の部分拡大正面図、（ｂ）は、（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面図である。
【図６】積層体に対して電圧が印加されたときの圧電アクチュエータユニットの変位を示す模式断面図である。
【図７】図６の部分拡大模式断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、分割金型を用いて積層体を樹脂材料でモールドする樹脂モールド成形の工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータユニットの軸方向に沿った縦断面図、図２は、図１の部分拡大縦断面図、図３（ａ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った拡大横断面図、図３（ｂ）は、積層方向に沿った圧電素子の模式断面図である。
【００１９】
図１に示されるように、圧電アクチュエータユニット１０は、複数の圧電素子１２が軸線Ｘ方向（軸方向）に沿って積層された棒状の積層体１４と、一対の挟持部材１６、１６と、積層体１４及び一対の挟持部材１６、１６等を収容するガイド部材（モールド部材）１８と、積層体１４とガイド部材１８との間に配置される一対の外部電極（電極）２０、２０とを備えて構成されている。
【００２０】
積層体１４は、略四角柱の棒状からなり、複数（例えば、５０個）の圧電素子１２が積層して構成されている。なお、図１では、８個の圧電素子１２を積層した状態を例示している。
【００２１】
一対の外部電極２０、２０の上端には、それぞれ、電極端子２２の一端が取り付けられている。電極端子２２の他端は、ガイド部材１８を貫通してガイド部材１８の外部まで露呈し、外部電源Ｅ（図３（ａ）参照）に接続されている。なお、積層体１４は、積層される圧電素子１２間に接着剤等が用いられることがなく、後記するようにモールド樹脂によって一体的に被覆して構成される。
【００２２】
圧電素子１２は、電圧が印加されることにより、積層方向（軸線Ｘ方向）に伸長する特性を有する。圧電素子１２は、略直方体状に形成されたセラミックスからなり、例えば、ＫＮａＮｂＯ３等の無鉛圧電材料で形成されることが好ましい。
【００２３】
また、圧電素子１２は、図１〜図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、四角柱の全ての角部が所定の曲率半径で面取りして形成された面取り部２４を有する。面取り部２４の形状は、単一の曲率半径からなる円弧部、又は、複数の曲率半径が組み合わされて構成される複合の円弧部のいずれであってもよい。なお、圧電素子１２は、従来から公知の積層セラミックコンデンサの製造設備を用いて製造される。
【００２４】
図３（ｂ）に示されるように、各圧電素子１２は、その内部に複数の内部電極２６を有する。内部電極２６は、例えば、白金（Ｐｔ）で形成されることが好ましい。この内部電極２６は、１層おきに、その一端が異なる外部電極２０に接続されている。一対の外部電極２０、２０を介して、これらの複数の内部電極２６のそれぞれに電圧が印加されることにより、内部電極２６間に介在する各セラミックス層に電位差が生じる。この電位差によって圧電素子１２が伸縮して変位し、この変位量に対応する荷重が発生する。なお、図２、図３（ａ）、（ｂ）において、参照数字２７は、後記する外部電極２０の爪部２０ｂと接触する下地電極を示している。
【００２５】
図４は、積層体を間にして配置された一対の外部電極の拡大斜視図、図５（ａ）は、外部電極の部分拡大正面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った横断面図である。
【００２６】
図４及び図１に示されるように、一対の外部電極２０、２０は、積層体１４の一側面、及び、この一側面と対向する反対側の他側面に配置され、積層体１４の積層方向（軸線Ｘ方向）に沿って延在するように設けられている。外部電極２０は、例えば、ベリリウム銅（ＢｅＣｕ）によって形成されることが好ましい。なお、一対の外部電極２０、２０は、同一構成からなるため、一方の外部電極２０を詳細に説明して他方の外部電極２０の説明を省略する。
【００２７】
図４に示されるように、外部電極２０は、ガイド部材１８側に配置される電極基部２０ａと、電極基部２０ａから積層体１４側へ延びて積層体１４の側面を押圧すると共に、弾性変形する複数の爪部２０ｂとを備える。
【００２８】
電極基部２０ａは、積層体１４の積層方向（軸線Ｘ方向）に沿って延在する平板且つ帯状の部材からなり、外部電極２０が接触する積層体１４の側面と略平行に位置している。爪部２０ｂは、図５（ｂ）に示されるように、断面略への字状からなり、基端が電極基部２０ａに結合されると共に、他端が自由端となっている。爪部２０ｂの自由端側には、その弾性力によって積層体１４の側面を押圧する屈曲部２０ｃを有する。屈曲部２０ｃは、積層体１４を構成する圧電素子１２の下地電極２７（図３（ａ）、（ｂ）参照）に対して線接触するように設けられている。
【００２９】
爪部２０ｂは、電極基部２０ａに結合される基端を支点として弾性変形可能に設けられている。また、積層体１４を間にして一対の外部電極２０、２０が組み付けた状態では、爪部２０ｂを弾性変形させた状態で圧電素子１２の下地電極２７に圧接している（図３（ｂ）参照）。なお、本実施形態では、電極基部２０ａと爪部２０ｂとを一体的に構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、別体で構成された電極基部２０ａと爪部２０ｂとを溶接等の結合手段を介して一体的に結合してもよい。
【００３０】
複数の爪部２０ｂは、所定間隔離間して櫛状に並設されている。隣接する爪部２０ｂ間で電極基部２０ａの端部には、表裏を貫通する略Ｕ字状のスリット２０ｄが形成されている。このスリット２０ｄを形成することで、面取り部２４、２４間の隙間３８（後記する）に対してモールド樹脂が入り込み易くなる。
【００３１】
図１及び図２に示されるように、各爪部２０ｂは、積層体１４（圧電素子１２）に対する非通電状態において、面取り部２４からオフセット（偏位）した位置となるように配置されている。換言すると、電極基部２０ａから積層体１４側に向かって延在する各爪部２０ｂは、軸線Ｘと直交する方向で圧電素子１２の面取り部２４と対向することがなく、面取り部２４と対向する位置から上下方向に避けた位置に配置されている。積層体１４に対する通電状態において、圧電素子１２が伸長して圧電素子１２の面取り部２４が任意の一つの爪部２０ｂと対向する位置となった場合であっても、任意の一つの爪部２０ｂを除いた他の爪部２０ｂが圧電素子１２の下地電極２７と接触するように配置されている。
【００３２】
図１に示されるように、一対の挟持部材１６，１６は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料からなり、積層された複数の圧電素子１２を、その積層方向の両端から加圧挟持して圧縮荷重を付与するものである。各挟持部材１６は、それぞれ、面取り部２４を除いて圧電素子１２と略同一の断面形状を有する挟持本体部２８と、挟持本体部２８と一体的に連結された円柱状の突起部３０とから構成されている。
【００３３】
ガイド部材１８は、積層体１４全体を被覆し、非導電性（絶縁性）で弾性力を有するモールド樹脂によって形成されている。この非導電性で弾性力を有するモールド樹脂としては、例えば、ポリアミド系熱可塑性プラスチックが好ましい。なお、ガイド部材１８の材料は、ポリアミド系熱可塑性プラスチックに限定されるものではなく、積層体１４（圧電素子１２）とガイド部材１８の外部との間で絶縁性が確保されると共に、積層体１４に対して追従変位する弾性力を有するものであれば、他の樹脂材料であってもよい。
【００３４】
ガイド部材１８は、ガイド本体部３２と、鍔部３４と、延出部３６とを有する。ガイド本体部３２は、積層体１４の側面全体及び一対の挟持部材１６の挟持本体部２８の周面を被覆する略円筒状に形成されている。ガイド本体部３２の内部には、積層体１４の形状に対応する内部空間が形成されている。
【００３５】
鍔部３４は、ガイド本体部３２の軸方向の一端の周縁及び他端の周縁から内側（中心側）に入り込む略円板状の端壁からなり、積層方向からみて一対の挟持部材１６、１６の突起部３０を除いた挟持本体部２８と重畳するように設けられる。
【００３６】
図２に示されるように、延出部３６は、隣接して積層された圧電素子１２の面取り部２４間に形成される間隙３８を埋めるように設けられる。この延出部３６は、断面視において、ガイド本体部３２の内壁から軸線Ｘ方向に向かってそれぞれ鋭角状に突出する略三角形状に形成されている。面取り部２４間に形成される間隙３８は、外側で上下方向の離間幅が幅広となり、内側に向かうにつれて徐々に上下方向の離間幅が幅狭となるように形成されている。延出部３６は、間隙３８の形状に対応する形状で形成されている。
【００３７】
ガイド部材１８は、一対の挟持部材１６、１６を介して積層方向に沿って圧縮応力を付与しつつ、積層体１４を内部空間内に収容すると共に、積層体１４が積層方向に沿って伸縮する際の変位をガイドする機能を有する。
【００３８】
本実施形態に係る圧電アクチュエータユニット１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３９】
図６は、積層体に対して電圧が印加されたときの圧電アクチュエータユニットの変位を示す模式断面図、図７は、図６の部分拡大模式断面図である。
【００４０】
外部電源Ｅを介して積層体１４に対して電圧を印加する。積層体１４を構成する各圧電素子１２が印加されることで、圧電素子１２が積層方向（軸線Ｘ方向）に伸長すると共に、積層体１４（複数の圧電素子１２）をモールドするガイド部材１８も積層方向（軸線Ｘ方向）に追従して伸長する（図６の白抜き矢印参照）。なお、圧電素子１２が積層方向に沿って伸長した場合、１個の圧電素子１２に対してどれかの爪部２０ｂが圧電素子１２の下地電極２７に必ず接触して内部電極２６に給電される。
【００４１】
圧電素子１２の伸長作用により、軸線Ｘ方向の寸法は、印加前の寸法Ｔに対してΔＴだけ増大して寸法（Ｔ＋ΔＴ）となる（図６参照）。また、ガイド部材１８の軸線Ｘ方向に沿った寸法は、圧電素子１２の伸長作用に追従して増大すると共に、ガイド部材１８の外径寸法は、印加前と比較してガイド本体部３２が内径側に絞られて縮径する（図６の黒塗り矢印参照）。
【００４２】
本実施形態では、電極基部２０ａと弾性変形可能な爪部２０ｂとからなる簡素な構造によって外部電極２０を構成することができる。また、本実施形態では、爪部２０ｂを弾性変形させて積層体１４（圧電素子１２）に対して圧接しているため、従来技術のようなロウ付け、接着、溶接等が不要となる。
【００４３】
従って、本実施形態では、圧電素子１２の伸縮動作を抑制する力が作用することがなく、圧電素子１２の充分な変位性能を確保することができる。この結果、本実施形態では、簡素な電極構造によって圧電素子１２と外部電極２０、２０とを簡便に接続することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、圧電素子１２に対する外部電極２０、２０の組み付け時において、従来技術のような圧電素子１２に対する熱の影響や荷重による影響を考慮することが不要となり、圧電素子１２の所望の性能を確保することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、圧電素子１２の積層方向の寸法に対して、例えば、２つ以上の爪部２０ｂが圧電素子１２の下地電極２７（図３（ａ）、（ｂ）参照）に接触するように設定することで、圧電素子１２の積層方向と直交する幅方向の寸法に製造誤差が発生した場合であっても、圧電素子１２の下地電極２７に対して爪部２０ｂを確実に接触させることができる。また、例えば、組み付け時に圧電素子１２に対して外部電極２０、２０が積層方向にずれた状態で組み付けられた場合であっても、複数の爪部２０ｂの内、１個の圧電素子１２の下地電極２７に対して最低１個の爪部２０ｂを確実に接触させることができる。
【００４６】
さらにまた、本実施形態では、各圧電素子１２に電圧が印加され積層体１４が積層方向に沿って伸縮動作すると共に、ガイド部材１８も積層方向に沿って追従して伸縮する。ガイド部材１８が積層方向に沿って伸縮し略円筒状のガイド部本体３２（側部）が内側に絞られて縮径することで、内部に収容された各圧電素子１２及び一対の外部電極２０、２０をガイド部材１８で常時保持することができ、圧電素子１２の横ずれや傾き動作（倒れ動作）を防止することができる。
【００４７】
さらにまた、本実施形態では、圧電素子１２の面取り部２４の隙間３８を埋めるように延出部３６が形成されているため、製造工程を簡素化して容易に製造することができる。
【００４８】
さらにまた、本実施形態では、圧電素子１２間の隙間３８に対し延出部３６が充填されているため、圧電素子１２の面取り部２４（角部）を延出部３６によって保護することができると共に、例えば、圧電素子１２の傾動動作に対する片当たりによるクラックの発生を抑制することができる。
【００４９】
図８（ａ）〜（ｃ）は、分割金型を用いて積層体を樹脂材料でモールドする樹脂モールド成形の工程を示す説明図である。なお、複数の圧電素子１２は、図示しない治具を用いて、一対の外部電極２０、２０の複数の爪部２０ｂで圧接された状態にあるものとする。
【００５０】
図８（ａ）に示されるように、分割金型４０、４０に形成されたキャビティ４２内に、一対の挟持部材１６、１６によって上端及び下端が挟持されると共に、一対の外部電極２０、２０の爪部で圧接された積層体１４を配置する。続いて、図８（ｂ）に示されるように、図示しない射出成形機を介して溶融樹脂をキャビティ４２内に充填する。溶融樹脂が固化した後、図８（ｃ）に示されるように、分割金型４０、４０を型開きすることで、積層体１４、一対の挟持部材１６、１６、及び、一対の外部電極２０、２０が樹脂製のガイド部材１８によって被覆されたモールド樹脂成形品（圧電アクチュエータユニット１０）を得ることができる。
【００５１】
本実施形態では、積層体１４の隣接する圧電素子１２間に形成される面取り部２４との対向を避ける位置に爪部２０ｂを配置しているため（図２参照）、樹脂モールド成形時に爪部２０ｂが妨げとなることがなく、面取り部２４間に形成される隙間３８の奥部まで溶融樹脂（モールド部材）を入り込ませる（流入させる）ことができる。
【００５２】
このように、本実施形態では、分割金型４０、４０を用いてガイド部材１８を樹脂モールド成形することで、ガイド部材１８を簡便且つ廉価に製造することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、樹脂モールド成形された圧電アクチュエータユニット１０を図示しない他の部材に組み込んで軸方向に変位するアクチュエータとして用いる際、組み付け時に外部に露呈する電極端子２２に対して引張力等の外力が付与された場合であっても、電極端子２２がガイド部材１８であるモールド樹脂によって保持されているため、電極端子２２が外部電極２０から剥がれる（離脱する）ことを回避することができる。
【００５４】
換言すると、外部に露呈する電極端子２２に対して付与される、例えば、引張力等の外力を、電極端子２２を保持するモールド樹脂によって吸収することが可能となり、この外力が電極端子２２と外部電極２０との接合部位（溶接部位）に伝達されることを抑制することができる。
【００５５】
さらにまた、本実施形態では、ガイド部材１８が非導電性を有する樹脂で形成されているため、内部に収容される積層体１４と外部との絶縁性を確保することができると共に、棒状の積層体１４全体の剛性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０    圧電アクチュエータユニット
１２    圧電素子
１４    積層体
１８    ガイド部材（モールド部材）
２０    外部電極（電極）
２０ａ  電極基部
２０ｂ  爪部
２４    面取り部
【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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