JP2007295696A - 積層型圧電アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化しても積層数が増やせて大きな変位が得られ、且つ、リード線を接合しても信頼性が十分に確保できる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することを課題とする。
【解決手段】 積層型圧電アクチュエータ素子２０の不活性部２８に部分電極層からなる内部電極層３０を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電セラミックスに属する積層型圧電アクチュエータ素子に関し、各種電子装置、電子機器、電子部品等に好適な積層型圧電アクチュエータ素子の電極構造に関するものである。

ジルコン酸チタン酸鉛やニッケル・ニオブ酸鉛系などの、いわゆる圧電セラミックス材料からなる圧電素子は、電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子として幅広い分野で利用されている。圧電素子には、圧電セラミックス材料の原料粉末をプレス成形して、焼成プロセスを経て焼結体にしたものを加工することで得られる一般的な圧電素子と同じ圧電セラミックス材料の原料粉末から泥しょうをつくり、成膜プロセスにより薄膜化し、さらに印刷、積層、焼成プロセス等を経て得られる積層型の圧電素子とがある。

特に後者の積層型の圧電素子は、小型にしても大変位、大発生力が得られるので、アクチュエータとして広く利用されている。このアクチュエータとして利用されている積層型の圧電素子は積層型圧電アクチュエータ素子と呼ばれている。

積層型圧電アクチュエータ素子は、概ね、以下の製造方法により得られる。まず、圧電セラミックス材料の原料粉末に有機バインダーや有機溶剤などを混合し分散させた泥しょう作る。次に、成膜プロセスにより該泥しょうを薄膜化することで得られるシートと、該シートに銀とパラジウムを主成分とする電極ペーストを印刷して得られる電極シートとを交互に積み重ねて、熱プレスし、積層体を作る。さらに該積層体を脱バインダー処理し、焼成して焼結体にする。さらに該焼結体を所定の大きさに切断加工し、焼結体の表面に絶縁処理や外部電極を設け、分極処理を施すことで積層型圧電アクチュエータ素子が得られる。

前記シートと前記電極シートは、焼成されることにより、圧電セラミックス層と内部電極層を形成する。内部電極層は、前記電極ペーストがシートに印刷された部分である。通常、内部電極層は、焼結体となったとき、あるいは切断加工されたときに、表面に露出するように、前記電極ペーストがシートに印刷される。

図１は、従来の積層型圧電アクチュエータ素子の側面図である。図１には、四角柱状の積層型圧電アクチュエータ素子の１側面を図示している。従来の積層型圧電アクチュエータ素子１０は、圧電セラミックス層１１と内部電極層１２とが交互に高さ方向に積層された構造をなす。内部電極層１２は積層型圧電アクチュエータ素子１０の対向する２つの側面（図１では紙面の左右）に露出している。この内部電極層１２の露出した部分には、絶縁層１３が設けられている。絶縁層１３は、隣接する内部電極層１２の露出した部分には設けず、一層置きに設けられ、且つ、内部電極層１２が露出した対向する２面のうちの一方にのみに設けられている。

内部電極層１２が露出した対向する２面にはそれぞれ外部電極１４と外部電極１５とが設けられている。外部電極１４と外部電極１５により、絶縁層１３が設けられていない内部電極層１２同士が電気的に接続される。この外部電極１４と外部電極１５には、それぞれリード線１６とリード線１７が接続されて、電気信号の入力部となっている。

通常、積層型圧電アクチュエータ素子１０の上面部１８や底面部１９には、内部電極層の無い不活性部が適当な範囲に設けられている。この不活性部は、積層型圧電アクチュエータ素子の固定や、積層型圧電アクチュエータ素子によって駆動される被駆動体との接合に使用される。リード線１６とリード線１７に電界を印加することにより、対向する内部電極層１２に挟まれた圧電セラミックス層１１には積層方向に歪みが生じ、各圧電セラミックス層１１の歪の総和が全体の変位量として得られる。

積層型圧電アクチュエータ素子は、従来からその用途や目的に応じて、さまざまな検討がなされているが、前述したような積層型圧電アクチュエータ素子は、特許文献１に開示されている。また、近年、電子機器や装置の小型化にともない、アクチュエータ装置にも小型化の要求が一層強くなっている。例えば、デジタルカメラや携帯電話機に搭載されるカメラレンズモジュールにはレンズを移動させるためのアクチュエータ装置が使用されている。

従来、この種のアクチュエータ装置には電磁モータが利用されていたが、デジタルカメラや携帯電話機への搭載に際し、電磁モータをさらに小型化するのには限界があるため、電気エネルギーを駆動力に変換でき、変換効率が高く、小型軽量でありながら発生力が大きい積層型圧電アクチュエータ素子を利用する検討がなされている。積層型圧電アクチュエータ素子を利用するカメラレンズモジュールに関しては、特許文献２に開示されている。

特開２００５−３２２６９１号公報 特開２００５−２８４１６９号公報

前記、カメラレンズモジュールの駆動に利用される積層型圧電アクチュエータ素子は、従来の積層型圧電アクチュエータ素子よりもさらに小型で大きい変位を発生する積層型圧電アクチュエータ素子が望まれ、圧電セラミックス層の薄膜化が進み、低電圧、高周波数領域での駆動がなされる傾向にある。

従来の積層型圧電アクチュエータ素子は、内部電極層の露出した部分にガラスなどの硬い材料で絶縁層が形成されているので、この部分にリード線を半田付けして外部電極と接合させることは、絶縁層を劣化させ、信頼性が著しく損なわれるという問題点がある。そこで、前記の問題点を回避するために、従来は、内部電極層がなく、変位の発生には全く寄与しない不活性部を設けて、そこまで外部電極を延在させて、リード線を半田付けする場所を確保している。

積層型圧電アクチュエータ素子は、そのまま小型化すれば、変位量は小型化に比例して減少するため、なるべく積層数を減らさないように圧電セラミックス層を薄膜化して小型化することが必要となる。また、変位の発生には全く寄与しない不活性部にも内部電極層を設けて積層数を増やし、変位量を増すことも考えられるが、この場合、前述の如く、従来と同様に内部電極層を設けたのでは、半田付けによる外部電極とリード線の接合時に、絶縁層を劣化させ、信頼性の確保ができなくなるという問題点がある。

従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、小型化しても積層数を増すことができ、かつ、大きな変位が得られ、リード線を接合しても信頼性が十分に確保できる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することを課題とする。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、不活性部として変位に寄与していなかった部分に部分電極層を内部電極層として設けることを、その要旨とする。

本発明によれば、複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とが交互に積層されてなる柱体の積層型圧電アクチュエータ素子であって、前記複数の内部電極層は、前記積層型圧電アクチュエータ素子の側面に露出する内部電極層の縁の長さが異なる、複数の第一の部分電極層と複数の第二の部分電極層とからなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子が得られる。

本発明による、積層型圧電アクチュエータ素子は、ジルコン酸チタン酸鉛系やニッケル・ニオブ酸鉛などの圧電セラミックス材料の原料粉末に有機バインダーや有機溶剤などを混合し分散させた泥しょうを作り、成膜プロセスにより該泥しょうを薄膜化することで得られるシートと、該シートに銀とパラジウムを主成分とする電極ペーストを印刷して得られる電極シートとを交互に複数積み重ねて、熱プレスし、積層体を作り、さらに、該積層体を脱バインダー処理し、焼成して焼結体にしたものを所定の大きさに切断加工し、焼結体の表面に絶縁処理や外部電極を設けて分極処理を施すことで得られる。本発明による、積層型圧電アクチュエータ素子は、柱体に加工し、前記シートと電極シートを積み重ねた方向が柱体の高さをなす構造にする。

前記シートと前記電極シートは、焼成されることにより、圧電セラミックス層と内部電極層を形成する。内部電極層は、前記電極ペーストがシートに印刷された部分であり、内部電極層は、焼結体となったとき、あるいは切断加工されたときに、表面に露出するように、前記電極ペーストを前記シートに印刷する。本発明では、２種類の電極シートを使用する。一つは、第一の電極層となる電極シートで、前記積層体が焼結体となったとき、あるいは焼結体が切断加工されたときに、一部分を除き柱体の外周側面に露出する内部電極層を形成する。もう一つは、第二の部分電極層となる電極シートで、前記積層体が焼結体となったとき、あるいは焼結体が切断加工されたときに、一部分が柱体の外周側面に露出する内部電極層を形成する。従って外周側面に露出する第二の部分電極層の縁の長さと、第一の電極層の外周側面に露出する縁の長さは異なる。

また、前記第二の部分電極層は、柱体の外周側面に露出する面積が第一の部分電極層に比べ小さく、外周側面に露出しない部分が柱体の外周側面に広くとることができるので、この部分を利用して、半田付けによる外部電極とリード線の接合ができ、絶縁層を劣化させることなく、積層数を増やすことができる。

本発明によれば、前記第二の部分電極層は、前記積層型圧電アクチュエータ素子の側面に露出する内部電極層の縁の長さが前記第一の部分電極層より短く、前記第二の部分電極層は前記柱体の上面部又は底面部に配置されてなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子が得られる。

本発明による、積層型圧電アクチュエータ素子は、外周側面に露出する第二の部分電極層の縁の長さを、第一の電極層の外周側面に露出する縁の長さに比べ短くし、柱体の上面近傍の上面部或いは底面近傍の底面部にあって、変位の発生には全く寄与しない不活性部に前記第二の部分電極層を複数配置することで、不活性部を活性部にして、変位の発生に寄与させることができ、大きな変位が得られる積層型圧電アクチュエータ素子となる。

本発明によれば、前記柱体は３以上の側面を有する角柱体をなし、前記第二の部分電極層は前記角柱体の２つの側面に露出してなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子が得られる。

本発明による、積層型圧電アクチュエータ素子は、角柱体とすることで、切断加工のみで加工できる、製造が容易な積層型圧電アクチュエータ素子となる。また、対向する前記第二の部分電極層の露出部分を角柱体の外周側面の２面にそれぞれ露出させることにより絶縁層が不要となり、半田付けによる外部電極とリード線とを接合させる場所が容易に確保できる。

前記の如く、本発明によれば、小型化しても積層数を増やすことができ、かつ、大きな変位が得られ、リード線を接合しても信頼性が十分に確保できる積層型圧電アクチュエータ素子の提供が可能となる。

本発明による、積層型圧電アクチュエータ素子は、複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とを交互に積層し、柱体の積層型圧電アクチュエータ素子とし、前記複数の内部電極層を二種類の部分電極層で構成する。

以下、具体的な例を挙げ、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子について図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。

（実施例１）
図２は、実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の側面図である。本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０は四角柱をなし、積層型圧電アクチュエータ素子２０の側面Ａ部分は主要な構成のみ図示している。本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０は、複数の圧電セラミックス層２１と複数の内部電極層２２とを交互に、高さ方向に積層する構造とした。

内部電極層２２を第一の部分電極層と呼び、図２に示した積層型圧電アクチュエータ素子２０の側面Ａと該側面と対向する面（図示せず）では交互に露出し、側面Ａと隣り合う側面Ｂと側面Ｃには全ての内部電極層２２が露出する構造とした。側面Ｂと側面Ｃでは内部電極層２２の露出した部分には、図示したように左右交互にガラスを主成分とする絶縁層２３を設け、絶縁層２３の上から、内部電極層２２の露出した部分を電気的に接続する外部電極２４、２５をそれぞれの面に設けた。

また、本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０には、上面の近傍にある不活性部２８に第一の部分電極層とは異なる印刷パターンの第二の部分電極である部分電極層３０を内部電極として配置し、積層型圧電アクチュエータ素子２０の底面部近傍は不活性部２９とした。

以下、本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０の製造方法について説明する。まず、ニッケルニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス粉末を溶媒中に分散した後、バインダーを加えて泥しょうを作り、これを成膜プロセスによりキャリアテープ上に成膜して厚さ４０〜１００μｍのシートにする。このシートに銀とパラジウムを主成分とする電極ペーストをスクリーン印刷して、電極シートを作製する。電極シートは第一の部分電極層となる電極シートと、第二の部分電極層となる電極シートの２種類作製する。

前記電極シートと前記シートを所定の形状に打ち抜き、電極シートとシートを交互に所定の枚数を積み重ねて、加熱しながらプレスして、積層体にする。この積層体を脱バインダー処理し、焼成プロセスにて１０００〜１２００℃の温度で焼成して、焼結体にする。この焼結体を四角柱に加工する。前記電極シートに印刷された電極ペーストは、焼成プロセスにおいて、内部電極層となる。

図３は、実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の部分透視斜視図である。図３は、本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の内部電極層の一部分を示している。内部電極層２２は、第一の部分電極層２２ａ、２２ｂとからなり、１辺のみが側面Ａまたは側面Ａに対向する面に露出しないような長方形のパターンを有し、側面Ａに隣り合う側面Ｂ又は側面Ｂに対向する面（図２に示す側面Ｃ）の両方に露出するように配置される。内部電極層３０は、第二の部分電極層３０ａ、３０ｂとからなり、第二の部分電極層３０ａ、３０ｂは１辺のみが側面Ｂ又は側面Ｂに対向する面（図２に示す側面Ｃ）に露出する長方形のパターンを有し、側面Ａと側面Ａに対向する面には露出しないように配置される。

側面Ｂでは、第一の部分電極層２２ａの露出部分に絶縁層を設け、側面Ｂに対向する面（図２に示す側面Ｃ）では、第一の部分電極層２２ｂの露出部分に絶縁層を設けた。絶縁層は、ガラス粉末を分散した浴槽内に加工した焼結体を浸漬して、電圧を印加して露出している内部電極層とその近傍の圧電セラミックス層の表面のみにガラスを付着させた後、５５０〜７５０℃、１５〜３０分間の焼き付け処理を行い、絶縁層を固着させた。

さらに、図２に示すように側面Ｂには外部電極２４を設け、側面Ｂに対向する側面Ｃには外部電極２５を設け、絶縁層２３が無い内部電極層２２の露出した部分を電気的に接続し、さらに外部電極２４、２５にリード線２６、２７を半田付けして、積層型圧電アクチュエータ素子２０とした。本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０の外径寸法は、２ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍとした。

本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子は、第二の部分電極層を不活性部に設けることにより、不活性部に内部電極層の無い従来品に比べ、変位が約２０％増加し、且つリード線の半田位置に絶縁層がない構造なので、絶縁層を劣化させることなく、半田付けができ、信頼性が向上した。

（実施例２）
図４は、実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の側面図である。図４に示す本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子２０は、実施例１による積層型圧電アクチュエータ素子の不活性部２９にも第二の部分電極層からなる部分電極層３１を配置したものである。部分電極層３１は、図３に示した、実施例１に係る第二の部分電極層３０ａ、３０ｂと同様の構造となるように、電極シートを使用した。

本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子は、第二の部分電極層を不活性部に設けることにより、不活性部に内部電極層の無い従来品に比べ変位が約３０％増加し、且つリード線の半田位置に絶縁層がない構造なので、絶縁層を劣化させることなく、半田付けができ、信頼性が向上した。

実施例１及び実施例２による積層型圧電アクチュエータ素子は、形状を四角柱としたが、形状は、円柱、多角柱でも良く、部分電極層を適宜、積層型圧電アクチュエータ素子の不活性部に設け、その電極形状や側面に露出する位置も適宜設計すれば良い。

（実施例３）
図５は、実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の部分透視斜視図である。図５は、本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子が円柱としたときの内部電極層の一部分を示している。本実施例は、積層型圧電アクチュエータ素子の形状を円柱とし、予め、円形に加工した電極シートとシートを製作し、実施例１と同様の製造方法にて、積層型圧電アクチュエータ素子とした。

その際、内部電極構造は、図５に示すように、２種類の内部電極層４３と内部電極層４４を作製した。第一の部分電極層４３ａ、４３ｂからなる内部電極層４３は、積層型圧電アクチュエータ素子の高さ方向に直交する断面形状を円形にし、一部分に絶縁部４１を設け、側面に露出しないようにした。第二の部分電極層４４ａ、４４ｂからなる内部電極層４４は、接続部４２のみが側面に露出する構造とした。

第一の部分電極層４３ａと第一の部分電極層４３ｂの絶縁部４１は外周側面において１８０度位置をずらして配置し、第二の部分電極層４４ａと第二の部分電極層４４ｂの接続部４２も外周側面において１８０度位置をずらして配置した。本実施例による積層型圧電アクチュエータ素子も実施例２と同じ効果が得られた。

前記の如く、本発明によれば、小型化しても積層数を増やすことができ、かつ、大きな変位が得られ、リード線を接合しても信頼性が十分に確保できる積層型圧電アクチュエータ素子の提供が可能となる。

本発明による積層型圧電アクチュエータ素子は、各種電子装置、電子機器、電子部品等の電気−機械変換素子あるいは機械−電気変換素子として利用できる。

従来の積層型圧電アクチュエータ素子の側面図。 実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の側面図。 実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の部分透視斜視図。 実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の側面図。 実施例による積層型圧電アクチュエータ素子の部分透視斜視図。

符号の説明

１０、２０ 積層型圧電アクチュエータ素子
１１、２１ 圧電セラミックス層
１２、２２、４３、４４ 内部電極層
１３、２３ 絶縁層
１４、１５、２４、２５ 外部電極
１６、１７、２６、２７ リード線
１８ 上面部
１９ 底面部
２２ａ、２２ｂ、４３ａ、４３ｂ 第一の部分電極層
２８、２９ 不活性部
３０、３１ 部分電極層
３０ａ、３０ｂ、４４ａ、４４ｂ 第二の部分電極層
４１ 絶縁部
４２ 接続部
Ａ、Ｂ、Ｃ 側面

Claims (3)

1. 複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とが交互に積層されてなる柱体の積層型圧電アクチュエータ素子であって、前記複数の内部電極層は、前記積層型圧電アクチュエータ素子の側面に露出する内部電極層の縁の長さが異なる、複数の第一の部分電極層と複数の第二の部分電極層とからなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。
2. 前記第二の部分電極層は、前記積層型圧電アクチュエータ素子の側面に露出する内部電極層の縁の長さが前記第一の部分電極層より短く、前記第二の部分電極層は前記柱体の上面部又は底面部に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。
3. 前記柱体は３以上の側面を有する角柱体をなし、前記第二の部分電極層は前記角柱体の２つの側面に露出してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータ素子。

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