JP2013016548A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】応力緩和層の根元にかかる応力を分散させ、破壊を防止できる圧電素子を提供する。
【解決手段】矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子１００であって、圧電層１１０と内部電極１２０とが交互に積層された素子本体と、素子本体の外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層１４０と、を備え、応力緩和層１４０は、角が取れた矩形の内周１４１を有する。これにより、応力緩和層１４０の根元への応力集中を回避し、破壊を防止できる。すなわち、圧電素子１００の変位に応じて応力緩和層１４０が開いたときでも、応力緩和層１４０の根元にかかる応力を分散でき、圧電素子１００の破壊を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子に関する。

従来、積層型圧電アクチュエータは、電圧印加時、内部電極付近に応力が発生することが知られている。この応力は積層型圧電アクチュエータの耐久性に悪影響を与えるため、これを緩和しようと、応力緩和層と呼ばれる空隙層を設ける発明がなされた。この空隙層により、積層型圧電アクチュエータの不良品発生率が減少する等の効果が得られた。

たとえば、特許文献１記載の積層型圧電アクチュエータは、内部電極が１層毎にそれぞれ外部電極に接続されており、応力緩和層を、隣接する内部電極間であって、１０層から４０層の内部電極の間に１層ほど形成している。このようにして、耐久性に優れ、低コストで作製することができる積層型圧電アクチュエータを提案している。

特開２００１−２６７６４６号公報

上記のように、従来はアクチュエータの圧電活性部と圧電不活性部との間に発生する応力を、応力緩和層により緩和することができた。しかしながら、図２に示すように、素子２００の変位に応じて空隙層２４０が開くと、空隙層２４０の薄さにより層の根元の角部分２４２に応力が集中し、アクチュエータが破壊する場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、応力緩和層の根元にかかる応力を分散させ、破壊を防止できる圧電素子を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、前記素子本体の外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層と、を備え、前記応力緩和層は、角が取れた矩形の内周を有することを特徴としている。

これにより、応力緩和層の根元への応力集中を回避し、破壊を防止できる。すなわち、圧電素子の変位に応じて応力緩和層が開いたときでも、応力緩和層の根元にかかる応力を分散でき、圧電素子の破壊を防止できる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、前記内周の隅角部がＲ状であることを特徴としている。これにより、応力集中を回避する効果を向上できる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、前記内周の隅角部のＲと外周の一辺との比が０．１以上０．２以下であることを特徴としている。これにより、圧電素子の外力に対する破壊強度を高く維持しつつ、応力集中を回避する効果を高めることができる。

本発明によれば、圧電素子の応力緩和層の根元にかかる応力を分散させ、その破壊を防止できる。

本発明の圧電素子を示す斜視図および断面図である。 従来の圧電素子を示す斜視図および断面図である。

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。

（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図、応力緩和層１４０の位置の断面図である。圧電素子１００の素子本体は、圧電層１１０と内部電極１２０とが積層方向Ｚについて交互に積層され、矩形体状に形成されている。圧電層１１０は、たとえばＰＺＴのような圧電材料で構成され、厚み方向の互い違いの向きに分極されている。内部電極１２０は、対向する圧電素子１００の側面上で外部電極１３０に取り出されており、隣り合う内部電極１２０に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極１２０へ電圧を印加することで各圧電層１１０が歪み、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電アクチュエータとして圧電素子１００を説明するが、本発明は必ずしもこれに限定されない。

圧電素子１００は、積層方向Ｚの両端側に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極１２０の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極１２０が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。

圧電素子１００は、応力緩和層１４０を有している。応力緩和層１４０は、活性領域の周囲の領域に形成されている。応力緩和層１４０は、空隙層として形成されているが、密度の低い材料が充填された層として形成されていてもよい。各応力緩和層１４０は、積層面上で外周に接して形成されている。その結果、応力を外に逃がし、圧電素子１００の駆動による応力を緩和することができる。

応力緩和層１４０の内周１４１は、応力緩和層１４０の根元になっており、駆動の際には応力が集中しやすい。応力緩和層１４０の内周１４１は、角が取れた矩形状である。これにより、応力緩和層１４０の根元への応力集中を回避し、破壊を防止できる。すなわち、圧電素子の変位に応じて応力緩和層１４０が開いたときでも、応力緩和層１４０の根元にかかる応力を分散でき、圧電素子の破壊を防止できる。

特に、応力緩和層１４０の内周１４１の隅角部１４２は、Ｒ状であるのが好ましい。これにより、応力集中を回避する効果を向上できる。たとえば、６×６ｍｍ断面の圧電素子１００において、内周１４１の隅角部１４２のＲは、０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが好ましい。すなわち、隅角部１４２のＲと外周の一辺との比が、０．１以上０．２以下であることが好ましい。これにより、圧電素子１００の外力に対する破壊強度を高く維持しつつ、応力集中を回避する効果を高めることができる。なお、応力緩和層１４０の外周とは、その積層面上への正射影において圧電素子１００の側面に沿った境界線であり、内周１４１とは、圧電体が繋がっている根元の境界線である。また、応力緩和層１４０の内周１４１の隅角部１４２は、多角形状であってもよい。

（圧電素子の製造方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、圧電体の粉体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。グリーンシートには内部電極１２０用および応力緩和層１４０用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極１２０用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前の電極膜を形成する。

そして、さらに応力緩和層１４０用として非焼結材料（チタン酸鉛等）のペーストを塗布する。その際には、応力緩和層１４０の内周がＲ状のような角の取れた形状になるように設計し、塗布する。非焼結材料は、圧電素子１００の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。たとえば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで応力緩和層１４０を形成するものが含まれる。

次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。

このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、チタン酸鉛は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層１４０が形成される。焼成後に適宜加工することで分極前の焼成体が得られる。そして、焼結体を適宜加工し、積層方向Ｚの端面で接着して多連化する。そして、多連化した焼成体を分極処理することで、各圧電素子１００とこれらにより構成されたポジショナ用アクチュエータを作製できる。

（実施例１）
上記のように構成された圧電素子１００についてＦＥＭ解析を行った。使用した圧電素子のモデルは、断面が６×６ｍｍ、高さ１０ｍｍの圧電素子の１／８分割モデルで、断面が３×３ｍｍ、高さ５ｍｍ、応力緩和層１４０の内周１４１の隅角部１４２のＲを１ｍｍとして要素を構成したものである。なお、１／８分割モデルとした際の分割面には、対称拘束を設定し、重力や上下面での拘束を一切無くす設定とした。このようなモデルを駆動させ、各部に発生する応力を解析した。その結果、応力緩和層１４０の内周１４１の応力が従来の１６０ＭＰａから１２０ＭＰａへ緩和されたのを確認できた。

（実施例２）
また、断面が６×６ｍｍ、高さ１０ｍｍ、Ｒ＝０．７の圧電素子１００を４つ積み重ねて作製して連結し、連結型の圧電アクチュエータとしてポジショナを作製した。そして、ファンクションジェネレータ＋アンプで、０−１５０Ｖ、周期６ｓの矩形波を生成し、突入電流保護用の抵抗３４ｋΩを介してポジショナに印加し、圧電アクチュエータを長時間駆動した。その結果、破壊までの平均駆動回数は、従来構造の素子では約１００万回であったのに対し、圧電素子１００では１５０万回以上であり、圧電素子１００が破壊し難いことを確認できた。

１００ 圧電素子
１１０ 圧電層
１２０ 内部電極
１３０ 外部電極
１４０ 応力緩和層
１４１ 内周
１４２ 隅角部
Ｚ 積層方向

Claims (3)

1. 矩形体状に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、
   圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、
   前記素子本体の外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層と、を備え、
   前記応力緩和層は、角が取れた矩形の内周を有することを特徴とする圧電素子。
2. 前記応力緩和層は、前記内周の隅角部がＲ状であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記応力緩和層は、前記内周の隅角部のＲと外周の一辺との比が０．１以上０．２以下であることを特徴とする請求項２記載の圧電素子。

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