JP2012138505A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の積層型圧電素子を重ね合せた圧電駆動素子を利用したバイモルフ型の圧電アクチュエータを用いて、外部電極のクラックの防止ないし低減を図る。
【解決手段】複数の積層型圧電素子２０が接着剤２６を介して積層方向に接合された圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂを、積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、表面に外部電極１６，１８を設けてバイモルフ型の圧電アクチュエータ１０を得る。外部電極１６，１８の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を１．２〜１．５とする。また、外部電極１６，１８を、厚みが連続して変化した波形とし、かつ、硬度を鉛筆硬度Ｆ〜Ｂとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関し、更に具体的には、複数の積層型圧電素子を重ね合せた圧電アクチュエータに関するものである。

一般的な積層型アクチュエータは、電界方向に対して平行に伸縮するもの（以下「ｄ３３素子」という）であるが、前記電界方向に対して垂直に伸縮するもの(以下「ｄ３１素子」という)もある。前記ｄ３１素子は、平板状の形状を有しており、バイモルフあるいはユニモルフなどの屈曲型変位拡大機構を用いてアクチュエータとして利用されている。図３(A)には、前記ｄ３３素子１００が示されており、圧電体１０２中に内部電極１０４が積層形成され、電界方向に対して平行に伸縮することが示されている。また、図３(B)には、前記ｄ３１素子１１０が示されており、圧電体１１２中に内部電極１１４が積層形成され、電界方向に対して垂直に伸縮することが示されている。

現在、図３(B)に示す積層構造を有するｄ３１素子１１０は、層厚みｔ３１が、１０〜１００μｍ程度，数〜数十程度の積層数ｎを有する。このような構造のｄ３１素子１１０では、下記数式１の理論式に準じて変位量が決定される。数式１中、ΔＬは変位量，ｄ３１は圧電材料（圧電体１１２）の歪み常数，Ｌは素子長さ，ｔ３１は内部電極１１４間の層厚み，Ｖは印加電圧を示す。従って、圧電材料の歪み常数ｄ３１を一定とした場合は、素子長さＬを長くするか、印加電圧Ｖを高電圧としなければならない。あるいは、層間厚みｔ３１を薄くしてもよいが、静電容量が増加し、駆動回路に負担が掛かるという不都合がある。現状の圧電体も、この層間厚みは１８μｍ程度であり、これ以上薄くすると、焼成時に、同時焼成電極の残留応力が増え特性が低下してしまうという不都合がある。

それに対し、前記ｄ３１素子１１０と、素子長さＬ，幅Ｗ，厚みｔが同一である図３(A)に示す構造のｄ３３素子１００の変位量は、下記の数式２の理論式で示される。数式２中、ΔＬは変位量、ｄ３３は圧電材料の歪み常数，ｎ３３は積層数，Ｖは印加電圧を示している。

ここで、前記ｄ３３は、下記数式３に示すように、前記ｄ３１素子１１０の歪み常数３１に対して、２．７〜３倍程度の変位増大が見込まれるから、前記数式２に、前記数式３を「３×ｄ３１＝ｄ３３」として代入すると、下記数式４及び数式５の関係が得られる。

すなわち、ｄ３３素子１００の変位量ΔＬは、積層数ｎ３３に大きく依存するため、積層技術の応用により変位量の拡大が見込まれる。更に、歪み常数ｄ３３は、ｄ３１の約３倍の値を持つことからも、ｄ３３素子の方がより効率的な変位量の増大が期待できることとなる。このようなｄ３３素子の構造を利用した背景技術としては、例えば、下記特許文献１に示す技術がある。当該特許文献１には、くし状に交差配置された電極を有する複数の積層体サブユニットから成り、１サブユニットの上下面を他のサブユニットの上下面に接着して複数個積み重ねたシート積層型圧電体において、上記各積層体サブユニットの外部電極を有するユニット側面と、上記サブユニット上下面とが交わるエッジに面取り部を形成することが記載されている。

実開平２−４２４５６号公報

しかしながら、例えば、前記背景技術に示すシート積層型圧電体を利用して、ユニモルフ型及びバイモルフ型の圧電アクチュエータを作成した場合、いずれにおいても電極間に挟まれた圧電体の変位量自体は変わらないが、バイモルフ型アクチュエータでは、Ｘ軸方向とＹ軸方向（すなわち、図３(A)における長さＬの方向と、厚みｔの方向）ともに応力が発生するため、中央部に配置された積層型圧電素子ほど移動量が大きくなり、積層型圧電素子の接続部位の外部電極にクラックが入ることがある。

本発明は、以上のような点に着目したもので、複数の積層型圧電素子を重ね合せた圧電駆動素子を利用したバイモルフ型の圧電アクチュエータにおいて、外部電極のクラックの防止ないし低減を図ることを、その目的とする。

本発明の圧電アクチュエータは、複数の積層型圧電素子が接着剤を介して積層方向に接合された圧電駆動素子を用いた圧電アクチュエータであって、第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、前記第１の圧電駆動素子と、前記第２の圧電駆動素子とのそれぞれの側面に外部電極を形成し、バイモルフ型とし、前記圧電駆動素子の貼り合わせ方向における前記外部電極の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を、１．２〜１．５としたことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記外部電極が、鉛筆硬度Ｆ〜Ｂの硬度を有することを特徴とする。他の形態は、前記外部電極は、厚みが連続して変化する波形であることを特徴とする。更に他の形態は、前記外部電極の波形の幅の周期がランダムであること，あるいは、前記外部電極の波形の高さがランダムであることを特徴とする。更に他の形態は、前記積層型圧電素子同士を接合した複数の接合箇所における接着剤の硬度ないし厚みが、同一でないことを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、積層型圧電素子を作成する工程と、複数の積層型圧電素子を、その積層方向に接着剤により接合して圧電駆動素子を形成する工程と、第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせる工程と、前記第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子との貼り合わせ前後のいずれかの時点において、前記第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子のそれぞれの側面に、前記貼り合わせ方向における最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比が１．２〜１．５となるように外部電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記外部電極を、外部電極ペーストをインジェクトすることにより形成すること，あるいは、前記外部電極を、外部電極ペースト塗布後に型押しすることにより形成することを特徴とする。他の形態は、前記複数の積層型圧電素子を接合する工程において、複数の積層型圧電素子を接合したサブブロックを複数形成し、該サブブロック同士を更に接着剤によって接続して、前記第１及び第２の圧電駆動素子を得ることを特徴とする。更に他の形態は、前記サブブロックを形成する工程と、該サブブロック同士を接合する工程において、異なる硬度ないし厚みを有する接着剤層が接合面に介在するように、接合を行うことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、複数の積層型圧電素子が接着剤を介して積層方向に接合された第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、前記第１及び第２の圧電駆動素子のそれぞれの側面に外部電極を形成してバイモルフ型とした圧電アクチュエータにおいて、前記圧電駆動素子の貼り合わせ方向における前記外部電極の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を、１．２〜１．５とすることにより、厚みが薄いところで外部電極を曲がりやすくし、振動時の応力を分散させ、外部電極のクラックを防止できるという効果が得られる。

図１は、本発明の実施例１を示す図であり、(A)は圧電アクチュエータの構造を示す主要断面図，(B)は積層型圧電素子を示す外観斜視図，(C)は前記(B)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図，(D)は前記(A)の一部を拡大して示す断面画像である。 本発明の他の実施例を示す図である。 ｄ３３素子とｄ３１素子の概略の構造を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１を参照しながら本発明の実施例１を説明する。図１(A)は、本実施例の圧電アクチュエータの構造を示す主要断面図，図１(B)は前記圧電アクチュエータを構成する積層型圧電素子を示す外観斜視図，図１(C)は前記(B)を＃Ａ‐＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図，図１(D)は前記(A)の一部を拡大して示した断面の画像である。

図１(A)に示すように、本実施例の圧電アクチュエータ１０は、複数のｄ３３型の積層型圧電素子２０が接着剤２６を介して積層方向に接合された圧電駆動素子１２Ａ及び１２Ｂを、前記積層方向と直交する方向にポリウレタンフィルム１４を介して貼り合わせたバイモルフ型の圧電アクチュエータであって、圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂの側面には外部電極１６，１８が形成されている。前記積層型圧電素子２０は、図１(C)に示すように、圧電体２２中に内部電極２４Ａと２４Ｂが交互に複数積層形成された構造となっており、該積層型圧電素子２０同士が、接着剤２６を介して、内部電極２４Ａ，２４Ｂの積層方向に複数接合されることで、前記圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂが形成される。前記内部電極２４Ａは外部電極１６に接続され、前記内部電極２４Ｂは前記外部電極１８に接続されている。

前記圧電体２２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により形成され、内部電極２４Ａ，２４Ｂは、例えば、銀や白金により形成され、外部電極１６，１８は、例えば、銀ペーストにより形成され、接着剤２６としては、例えば、エポキシ系接着剤が用いられる。また、前記外部電極１６，１８は、図１(D)に示すように、断面の厚み（圧電駆動素子１２Ａと１２Ｂの貼り合わせ方向における厚み）が連続して変化する波形であって、最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比が、１．２〜１．５となるように形成されている。なお、図１(D)には外部電極１６が示されているが、他方の外部電極１８についても同様である。このように、外部電極１６，１８中に、それぞれ厚み差を設けることにより、厚みが薄いところが起点となって曲がるきっかけを作り、振動時の応力を分散させ、外部電極１６，１８のクラックを低減ないし防止することができる。なお、本実施例では、前記外部電極１６，１８の断面形状を、矩形ではなく、厚みが連続して変化する波形とすることにより、更に応力分散効果を高めることができる。ａ／ｂ比が１．２より小さい場合、厚みの差が小さすぎるため、薄い部分が十分に屈曲の起点とはならず、上記のメカニズムが起こらずにクラックが生じてしまう。逆に１．５よりも大きい場合は、電極の薄い部分に応力が溜まりすぎるため、そこを起点にクラックが発生してしまう。

以上のような外部電極１６，１８は、鉛筆硬度Ｆ〜Ｂの硬度を有するようにすると、前記厚みの比ａ／ｂによる応力分散効果を妨げることがない。鉛筆硬度がＦよりも大きい場合、外部電極１６，１８そのものが脆すぎるため、屈曲変位によって容易に亀裂が生じてしまい、外部電極１６，１８としての機能を失う上、電極のクラックから連続する形で圧電体２２にもクラックが入りやすくなる。また、鉛筆硬度がＢよりも柔らかい場合には、屈曲変位に対してほとんど抵抗することなく変形してしまうため、応力分散の効果が小さく、圧電体２２のクラック発生を抑制することができない。

本実施例の圧電アクチュエータ１０の製造方法の一例を示すと、まず、積層型圧電素子２０を形成する。該積層型圧電素子２０の形成方法としては、公知の各種の手法，例えば、スラリービルド法や印刷スラリー形成法など、公知の各種の手法が利用可能である。次に、前記積層型圧電素子２０を、内部電極２４Ａ，２４Ｂの積層方向に、接着剤２６を介して複数接合し、圧電駆動素子１２Ａ及び１２Ｂを得る。そして、前記ポリウレタンフィルム１４を介して、前記圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂを貼り合わせ、外部電極１６，１８を形成する。あるいは、前記圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂの貼り合わせに先立って、圧電駆動素子１２Ａに外部電極１６を形成し、圧電駆動素子１２Ｂに外部電極１８を形成し、その後に、圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂを貼り合わせるようにしてもよい。前記外部電極１６，１８は、外部電極ペーストをインジェクトすることにより形成してもよいし、外部電極ペースト塗布後に型押しをするようにしてもよく、いずれの手法によっても、所定の形状を形成することが可能である。

なお、本実施例では、積層型圧電素子２０を接合後に、厚さ０．５ｍｍまで研磨し、端面電極（外部電極１６，１８）形成してから、分極後に上下分極方向を反転させて、両圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂをポリウレタンフィルム１４で貼り合わせている。このような圧電アクチュエータ１０の駆動方式は、バイモルフ式となる。前記端面電極（外部電極１６，１８）は、各積層型圧電素子２０の内部電極２４Ａ，２４Ｂと接続しており、前記外部電極１６，１８に電圧をかけることにより、各積層型圧電素子２０の内部電極２４Ａ，２４Ｂ間に挟まれた圧電体２２が変位し、一方の圧電駆動素子１２Ａが積層方向に伸びるとき、他方の圧電駆動素子１２Ｂが積層方向に縮み、前記圧電駆動素子１２Ａが積層方向に縮むとき、圧電駆動素子１２Ｂは伸びる。その結果、バイモルフ式では、圧電駆動素子１２Ａと圧電駆動素子１２Ｂとを前記積層方向と直交する方向に貼り合わせた方向にて振動する。

表１には、本実施例の圧電アクチュエータ１０において、積層型圧電素子２０を４０個接合し、各積層型圧電素子２０中の層間厚みを６６μｍ，層数を２０としたときの、外部電極１６，１８の最大厚みａと最小厚みｂの比についての試験結果が示されている。試験は、ａ／ｂを１．１〜１．６までに設定した試作品（Ｎｏ．１〜６）について、２８Ｖｒｍｓ−２００Ｈｚの正弦波入力により１時間駆動した後、外観観察によりクラックの有無を判定した。この表１の結果から、ａ／ｂが１．１と１．６の試作品についてはクラックの発生が見られたが、ａ／ｂが１．２〜１．５の範囲の試作品については、クラックが発生しないことが確認された。

このように、実施例１によれば、複数の積層型圧電素子２０が接着剤２６を介して積層方向に接合された圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂの側面に外部電極１６，１８が設けられたバイモルフ型の圧電アクチュエータ１０において、前記圧電駆動素子１２Ａ，１２Ｂの貼り合わせ方向における前記外部電極１６，１８の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を、１．２〜１．５とすることとした。このため、厚みが薄いところで外部電極を曲がりやすくし、振動時の応力を分散させ、外部電極のクラックを低減ないし防止することができる。特に、本実施例では、前記外部電極１６，１８の厚みが連続して変化しているため、より外部電極１６，１８が曲がりやすくなり、応力分散効果を高めることができる。更に、前記外部電極１６，１８の硬度を、鉛筆硬度Ｆ〜Ｂの硬度とすることで、前記厚み比による応力分散効果を妨げることがない。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法は一例であり、同様の効果を奏する範囲内において適宜変更してよい。例えば、前記実施例１では、外部電極１６は、波形幅がほぼ規則的であり、高さ（最大厚みａ及び最小厚みｂ）も一定であったが、これも一例であり、図２(A)に示す外部電極１６Ａのように、波形幅がランダム（一定周期で波が形成されていない）となるようにしてもよい。あるいは、図２(B)に示す外部電極１６Ｂのように、波形の高さがランダム（一定の高さで波が形成されていない）となるようにしてもよい。図示の例では、波の山の高さが異なる（厚みａ_ｍａｘ，厚みａ_ｍｉｎ）とともに、波の谷の深さが異なる（厚みｂ_ｍａｘ，ｂ_ｍｉｎ）ように形成されている。この場合であっても、最大厚みであるａ_ｍａｘと最小厚みであるｂ_ｍｉｎの比が、上述した１．２〜１．５の範囲内であればよい。前記図２(A)及び(B)のいずれの場合においても、アクチュエータの変形時の応力を効率的に分散し、外部電極１６，１８のクラックの発生を一層低減することが可能となる。

(2)前記実施例１で示した材料も一例であり、同様の効果を奏するように、必要に応じて適宜変更してよい。
(3)前記実施例１で示した積層型圧電素子２０の接合数も一例であり、必要に応じて適宜増減してよい。
(4)前記実施例１では、接着剤２６は、全ての接合部において同じ硬度及び厚みを有することとしたが、これも一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、図２(C)及び(D)に示す例のように、複数（図示の例では４つ）の積層型圧電素子２０を接着剤２６Ａによって接合してサブブロック２８を形成し、該サブブロック２８同士を接着剤２６Ｂにより接合するという具合である。図示の例では、接着剤２６Ａと２６Ｂの厚みが異なっているが、厚みが異なるのみで接着剤の硬度は同じであってもよいし、硬度自体が異なる接着剤を用いてもよい。むろん、図２(C)及び(D)に示す例も一例であり、接着剤の厚みが全ての接合箇所で同一で、硬度のみが異なるようにしてもよい。このように、積層型圧電素子２０の接合部の接着剤（ないし接着剤層）の硬度又は厚みの少なくとも一方を変化させることにより、アクチュエータの変形時の応力を分散でき、外部電極１６，１８のクラックを低減することが可能となる。

本発明によれば、複数の積層型圧電素子が接着剤を介して積層方向に接合された第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、前記第１及び第２の圧電駆動素子のそれぞれの側面に外部電極を形成する。そして、前記圧電駆動素子の貼り合わせ方向における前記外部電極の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を、１．２〜１．５とすることにより、厚みが薄いところで外部電極を曲がりやすくし、振動時の応力を分散させ、外部電極のクラックを低減ないし防止するため、バイモルフ型の圧電アクチュエータの用途に適用できる。

１０：圧電アクチュエータ
１２Ａ，１２Ｂ：圧電駆動素子
１４：ポリウレタンフィルム
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１８：外部電極
２０：積層型圧電素子
２２：圧電体
２４Ａ，２４Ｂ：内部電極
２６，２６Ａ，２６Ｂ：接着剤
２８：サブブロック
１００：ｄ３３素子
１０２：圧電体
１０４：内部電極
１１０：ｄ３１素子
１１２：圧電体
１１４：内部電極

Claims (11)

1. 複数の積層型圧電素子が接着剤を介して積層方向に接合された圧電駆動素子を用いた圧電アクチュエータであって、
   第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせるとともに、前記第１の圧電駆動素子と、前記第２の圧電駆動素子とのそれぞれの側面に外部電極を形成し、バイモルフ型とし、
   前記圧電駆動素子の貼り合わせ方向における前記外部電極の最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比を、１．２〜１．５としたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記外部電極が、鉛筆硬度Ｆ〜Ｂの硬度を有することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記外部電極は、厚みが連続して変化する波形であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記外部電極の波形の幅の周期がランダムであることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記外部電極の波形の高さがランダムであることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記積層型圧電素子同士を接合する複数の接合箇所における接着剤の硬度ないし厚みが、同一でないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
7. 積層型圧電素子を作成する工程と、
   複数の積層型圧電素子を、その積層方向に接着剤により接合して圧電駆動素子を形成する工程と、
   第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子とを、前記積層方向と直交する方向に貼り合わせる工程と、
   前記第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子との貼り合わせ前後のいずれかの時点において、前記第１の圧電駆動素子と第２の圧電駆動素子のそれぞれの側面に、前記貼り合わせ方向における最大厚みをａ，最小厚みをｂとしたときに、ａ／ｂの比が１．２〜１．５となるように外部電極を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
8. 前記外部電極を、外部電極ペーストをインジェクトすることにより形成することを特徴とする請求項７記載の圧電アクチュエータの製造方法。
9. 前記外部電極を、外部電極ペースト塗布後に型押しすることにより形成することを特徴とする請求項７記載の圧電アクチュエータの製造方法。
10. 前記複数の積層型圧電素子を接合する工程において、
    複数の積層型圧電素子を接合したサブブロックを複数形成し、該サブブロック同士を更に接着剤によって接続して、前記第１及び第２の圧電駆動素子を得ることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
11. 前記サブブロックを形成する工程と、該サブブロック同士を接合する工程において、異なる硬度ないし厚みを有する接着剤層が接合面に介在するように、接合を行うことを特徴とする請求項１０記載の圧電アクチュエータの製造方法。