JP2013157439A - Piezoelectric element and piezoelectric actuator - Google Patents

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Kazumasa Asumi
一将 阿隅
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Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element and a piezoelectric actuator capable of preventing breakage of local concentration of a stress, and easily connecting electrodes.SOLUTION: A piezoelectric element 110 used so that it is laminated in a telescopic direction for a piezoelectric actuator comprises: an annularly-formed element body 111 having a piezoelectric layer and first and second internal electrodes alternately laminated via the piezoelectric layer; first external electrodes 115a-115c exposed to both main faces of the element body 111 and connected to the first internal electrode; and second external electrodes 116a-116c exposed to both main faces of the element body 111 and connected to the second internal electrode. Both main face portions of the first external electrodes 115a, 115c are provided nearer a hole 117 than both main face portions of the second external electrodes 116a, 116c.

Description

本発明は、伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子および圧電アクチュエータに関する。   The present invention relates to a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that are used while being stacked in an expansion / contraction direction.

従来、直方体の圧電素子を積み重ねて本体を形成した圧電アクチュエータが知られている。図7(a)〜(c)は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体500の斜視図、圧電素子510の斜視図および圧電素子510の断面図である。圧電アクチュエータ本体500は、一体焼成された積層型の圧電素子510を積み重ねて形成されており、リード線520により各外部電極515の接続がとられている。圧電素子510は、圧電層と内部電極とを積層して形成されており、電圧を印加したときには、電極間の圧電層は活性領域として変形するが、その他の不活性領域は変形しない。そのため、これらの領域の境界付近で応力が発生しやすくなり、特に内部電極512の角部Cにおいては応力が集中し、破壊が生じやすくなる。   2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric actuator in which rectangular parallelepiped piezoelectric elements are stacked to form a main body is known. 7A to 7C are a perspective view of a conventional piezoelectric actuator body 500, a perspective view of a piezoelectric element 510, and a cross-sectional view of the piezoelectric element 510, respectively. The piezoelectric actuator body 500 is formed by stacking integrally fired laminated piezoelectric elements 510, and each external electrode 515 is connected by a lead wire 520. The piezoelectric element 510 is formed by laminating a piezoelectric layer and internal electrodes. When a voltage is applied, the piezoelectric layer between the electrodes is deformed as an active region, but the other inactive regions are not deformed. Therefore, stress is likely to be generated near the boundary between these regions, and stress is particularly concentrated at the corner portion C of the internal electrode 512, and breakage is likely to occur.

これに対して、圧電素子に圧電層が不連続となるようにチタン酸鉛を主成分とする粉末からなる応力吸収層を設けて応力を緩和できる圧電アクチュエータが開発されている(たとえば特許文献1参照)が、内部電極の角部に応力が発生しやすい形状であることには変わりない。一方、内部電極を積層面の全面に設け、側面の不活性領域を無くすことで応力の集中を防止した圧電素子も開発されている(たとえば、特許文献2参照)。   On the other hand, a piezoelectric actuator has been developed that can relieve stress by providing a stress absorbing layer made of powder containing lead titanate as a main component so that the piezoelectric layer is discontinuous in the piezoelectric element (for example, Patent Document 1). However, it is still a shape in which stress is easily generated at the corners of the internal electrode. On the other hand, a piezoelectric element has also been developed in which internal electrodes are provided on the entire laminated surface and stress concentration is prevented by eliminating an inactive region on the side surface (see, for example, Patent Document 2).

特開2006−286774号公報JP 2006-286774 A 特開平05−003351号公報JP 05-003351 A

しかしながら、特許文献2記載の圧電素子では、内部電極が一律に側面に露出するため、外部電極と接続すべきでない内部電極の露出部分は絶縁物で覆う必要があり、複雑な製造工程を必要とする。   However, in the piezoelectric element described in Patent Document 2, since the internal electrode is uniformly exposed on the side surface, the exposed portion of the internal electrode that should not be connected to the external electrode needs to be covered with an insulating material, which requires a complicated manufacturing process. To do.

これに対し、圧電素子を円板状にして活性領域と不活性領域との間に局所的な応力が集中するのを防止することも考えられる。図8(a)〜(c)は、それぞれ円板状の圧電素子610を積み上げて形成した圧電アクチュエータ本体600の斜視図、圧電素子610の斜視図および圧電素子610の断面図である。図8(c)に示すように、この場合には内部電極612に角部が存在しないことから応力の集中を防止できる。   On the other hand, it is also conceivable to prevent the local stress from being concentrated between the active region and the inactive region by making the piezoelectric element into a disc shape. 8A to 8C are a perspective view of a piezoelectric actuator main body 600 formed by stacking disk-shaped piezoelectric elements 610, a perspective view of the piezoelectric element 610, and a cross-sectional view of the piezoelectric element 610, respectively. As shown in FIG. 8C, in this case, since the corner portion does not exist in the internal electrode 612, stress concentration can be prevented.

しかしながら、図8(a)に示すように、リード線620で複数の圧電素子間の外部電極を接続できるように各圧電素子610を配置し、多段に積むのは困難である。これを避けるために、圧電素子610を面取りして位置合わせをし易くする方法も考えられるが、内部電極と外部電極との接続部に合わせて圧電素子610を加工するのは手間がかかり現実的ではない。   However, as shown in FIG. 8A, it is difficult to arrange the piezoelectric elements 610 so that external electrodes between the plurality of piezoelectric elements can be connected by lead wires 620, and to be stacked in multiple stages. In order to avoid this, a method of chamfering the piezoelectric element 610 to facilitate positioning is conceivable. However, processing the piezoelectric element 610 according to the connection portion between the internal electrode and the external electrode is troublesome and practical. is not.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、局所的な応力の集中による破壊を防止し、電極の接続を容易にできる圧電素子および圧電アクチュエータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element and a piezoelectric actuator that can prevent breakage due to local concentration of stress and can easily connect electrodes.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子であって、圧電層および前記圧電層を介して交互に積層された第1および第2の内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、前記素子本体の両主面に露出し、前記第1の内部電極と接続された第1の外部電極と、前記素子本体の両主面に露出し、前記第2の内部電極と接続された第2の外部電極と、を備え、前記第1の外部電極の両主面部分は、第2の外部電極の両主面部分より孔側に設けられていることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element that is used by being stacked in an expansion / contraction direction for a piezoelectric actuator, and is alternately stacked via a piezoelectric layer and the piezoelectric layer. An element main body having first and second internal electrodes and formed in an annular shape; a first external electrode exposed to both main surfaces of the element main body and connected to the first internal electrode; A second external electrode exposed to both main surfaces of the element body and connected to the second internal electrode, wherein both main surface portions of the first external electrode are formed on both of the second external electrodes. It is provided on the hole side from the main surface portion.

このように、本発明の圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。また、外部電極を容易に形成することができ、第1および第2の外部電極の両主面部分が孔側と外周側とに分離されていることから、積み上げたときに接続がとりやすい。   As described above, since the piezoelectric element of the present invention is formed in an annular shape, stress is not concentrated locally, and it is difficult for destruction to occur. Further, the external electrode can be easily formed, and since both main surface portions of the first and second external electrodes are separated into the hole side and the outer peripheral side, it is easy to connect when stacked.

(2)また、本発明の圧電素子は、前記第1または第2の外部電極の両主面部分が、前記素子本体の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることを特徴としている。これにより、複数の圧電素子を積み重ねたときに容易に互いの外部電極を接続できる。また、互いに隣り合う圧電素子の中心軸周りの位置がずれても接続を確保することができる。   (2) In the piezoelectric element of the present invention, even if both main surface portions of the first or second external electrode are rotationally moved with respect to the central axis of the element body, projections in the stacking direction overlap each other. It is characterized by that. Thereby, when a plurality of piezoelectric elements are stacked, the external electrodes can be easily connected to each other. Further, the connection can be ensured even if the positions of the piezoelectric elements adjacent to each other are shifted around the central axis.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている。これにより、第1および第2の外部電極をそれぞれ接続させて圧電アクチュエータを構成して大きな変位を得ることができる。   (3) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized by including a piezoelectric actuator body formed by stacking a plurality of the above-described piezoelectric elements in a telescopic direction on substantially the same central axis. Thereby, the first and second external electrodes can be connected to each other to constitute a piezoelectric actuator and obtain a large displacement.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトが挿入されていることを特徴としている。これにより、たとえば素子同士の接着をしない場合でも、複数の圧電素子の積層面上の位置のずれを防止しながら素子同士の導通をとることができる。   (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that a shaft fixing shaft is inserted into a central hole of the plurality of stacked piezoelectric elements. Thereby, even when the elements are not bonded to each other, for example, the elements can be electrically connected to each other while preventing the displacement of the positions on the laminated surface of the plurality of piezoelectric elements.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータ本体の両端のそれぞれに設けられた絶縁板を更に備え、前記圧電アクチュエータ本体の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられていることを特徴としている。これにより、必要な絶縁を確保しつつ、外部電極と駆動電源とを接続することができる。   (5) The piezoelectric actuator according to the present invention further includes insulating plates provided at both ends of the piezoelectric actuator body, and one of the insulating plates on the displacement end side or the fixed end side of the piezoelectric actuator body is In the central portion, both main surfaces are electrically connected. Thereby, it is possible to connect the external electrode and the drive power supply while ensuring necessary insulation.

本発明によれば、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。また、外部電極を容易に形成することができ、積み上げたときに電極の接続がとりやすい。   According to the present invention, stress is not concentrated locally, and it is difficult for breakage to occur. Further, the external electrodes can be easily formed, and the electrodes can be easily connected when stacked.

本発明の圧電アクチュエータ本体の斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric actuator main body of this invention. (a)〜(c)それぞれ圧電素子の斜視図、平面図および底面図である。(A)-(c) It is a perspective view, a top view, and a bottom view of a piezoelectric element, respectively. (a)〜(c)それぞれ圧電素子の側断面図および異なる平断面図である。(A)-(c) is a sectional side view of a piezoelectric element, and a different plane sectional view, respectively. 圧電アクチュエータの一形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one form of a piezoelectric actuator. (a)〜(c)それぞれ変位端側の絶縁板の平面図、底面図および側断面図である。(A)-(c) It is a top view, a bottom view, and a side sectional view, respectively, of the insulating plate on the displacement end side. (a)〜(c)それぞれ固定端側の絶縁板の平面図、底面図および側断面図である。(A)-(c) It is a top view, a bottom view, and a side sectional view, respectively, of an insulating plate on the fixed end side. (a)〜(c)それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体の斜視図、圧電素子の斜視図および圧電素子の断面図である。(A)-(c) is the perspective view of the conventional piezoelectric actuator main body, the perspective view of a piezoelectric element, and sectional drawing of a piezoelectric element, respectively. (a)〜(c)それぞれ円板状の圧電素子を積み上げて形成した圧電アクチュエータ本体の斜視図、圧電素子の斜視図および圧電素子の断面図である。1A to 1C are a perspective view of a piezoelectric actuator body formed by stacking disc-shaped piezoelectric elements, a perspective view of the piezoelectric element, and a sectional view of the piezoelectric element.

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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

(圧電アクチュエータ本体)
図1は、圧電アクチュエータ本体100の斜視図である。図1に示すように、圧電アクチュエータ本体100は、円筒状であり、複数の圧電素子110を略同一中心軸上に伸縮方向に積み重ねて形成されている。これにより、圧電アクチュエータを構成して大きな変位を得ることができる。圧電素子110の詳細は、以下に説明する。
(Piezoelectric actuator body)
FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric actuator body 100. As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator main body 100 has a cylindrical shape, and is formed by stacking a plurality of piezoelectric elements 110 on substantially the same central axis in the expansion / contraction direction. Thereby, a piezoelectric actuator can be comprised and a big displacement can be obtained. Details of the piezoelectric element 110 will be described below.

(圧電素子)
図2(a)〜(c)は、それぞれ圧電素子110の斜視図、平面図および底面図である。圧電素子110は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる。図2(a)〜(c)に示すように、圧電素子110は、素子本体111および外部電極115a〜116cにより構成されている。素子本体111は、環状に形成されているため、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。なお、素子本体111の形状は、円環状が最も好ましいが、八角形、十二角形等の多角形の環状や楕円環状であってもよい。
(Piezoelectric element)
2A to 2C are a perspective view, a plan view, and a bottom view of the piezoelectric element 110, respectively. The piezoelectric element 110 is used by being stacked in a telescopic direction for a piezoelectric actuator. As shown in FIGS. 2A to 2C, the piezoelectric element 110 includes an element body 111 and external electrodes 115a to 116c. Since the element main body 111 is formed in an annular shape, stress is not concentrated locally, and the element main body 111 is not easily broken. The shape of the element body 111 is most preferably an annular shape, but may be a polygonal ring such as an octagon or a dodecagon, or an elliptical ring.

外部電極115a〜115c(第1の外部電極)は、素子本体111の中央の孔117の内側面および両主面の孔117側の縁部分に一体に設けられている。また、外部電極116a〜116c(第2の外部電極)は、素子本体111の外側面および両主面の外周側の縁部分に一体に設けられている。このように、外部電極の両主面部分115a、115cは、外部電極の両主面部分116a、116cより孔117側に設けられている。環形状の外周と孔117内とに分けることで側面の外部電極も容易に形成することができる。また、外部電極115a〜116cの両主面部分が孔117側と外周側とに分離されていることから、積み上げたときに接続がとりやすい。   The external electrodes 115 a to 115 c (first external electrodes) are integrally provided on the inner surface of the hole 117 in the center of the element body 111 and the edge portions on the hole 117 side of both main surfaces. The external electrodes 116 a to 116 c (second external electrodes) are integrally provided on the outer side surface of the element body 111 and the outer peripheral edge portions of both main surfaces. Thus, both main surface portions 115a and 115c of the external electrode are provided closer to the hole 117 than both main surface portions 116a and 116c of the external electrode. By dividing the ring-shaped outer periphery and the hole 117, the side external electrodes can be easily formed. Further, since both main surface portions of the external electrodes 115a to 116c are separated into the hole 117 side and the outer peripheral side, it is easy to connect them when stacked.

なお、外部電極の両主面部分115a、115cは、素子本体111の両主面に露出しているが、内部電極113との接続部分は、必ずしも上記の内側面の外部電極115bのように側面に露出している必要はなく、バイアホールで形成することもできる。また、同様に、外部電極の両主面部分116a、116cは、素子本体111の両主面に露出しているが、内部電極114との接続部分は、必ずしも上記の内側面の外部電極116bのように側面に露出している必要はなく、バイアホールで形成することもできる。   Although both main surface portions 115a and 115c of the external electrode are exposed on both main surfaces of the element body 111, the connection portion with the internal electrode 113 is not necessarily a side surface like the external electrode 115b on the above inner surface. It is not necessary to be exposed to the hole, and it can be formed by a via hole. Similarly, both main surface portions 116a and 116c of the external electrode are exposed on both main surfaces of the element body 111, but the connection portion with the internal electrode 114 is not necessarily the external electrode 116b on the inner surface. Thus, it is not necessary to be exposed to the side surface, and it can be formed by a via hole.

それぞれの外部電極の両主面部分115a、115c、116a、116cは、素子本体111の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることが好ましい。これにより、複数の圧電素子110を積み重ねたときには、外部電極の範囲が重なり、一方の圧電素子110の主面部分115aが他方の圧電素子110の主面部分115cと接続する。同様に、一方の圧電素子110の主面部分116aは、他方の圧電素子110の主面部分116cと接続する。その結果、容易に互いの外部電極を接続させて圧電アクチュエータを構成できる。なお、それぞれの外部電極の両主面部分115a、115c、116a、116cは、軸対称に設けられていることが確実な接続と製造工程の簡易化の点で好ましい。   Even if both main surface portions 115 a, 115 c, 116 a, and 116 c of each external electrode are rotated with respect to the central axis of the element body 111, projections in the stacking direction preferably overlap each other. Thus, when the plurality of piezoelectric elements 110 are stacked, the ranges of the external electrodes overlap, and the main surface portion 115a of one piezoelectric element 110 is connected to the main surface portion 115c of the other piezoelectric element 110. Similarly, the main surface portion 116 a of one piezoelectric element 110 is connected to the main surface portion 116 c of the other piezoelectric element 110. As a result, the piezoelectric actuator can be configured by easily connecting the external electrodes to each other. In addition, it is preferable from the point of reliable connection and simplification of a manufacturing process that the both main surface portions 115a, 115c, 116a, and 116c of each external electrode are provided in an axial symmetry.

図3(a)〜(c)は、それぞれ圧電素子110の側断面図および異なる平断面図である。図3(a)は、図2(b)における断面3aによる断面図であり、図3(b)、図3(c)は、それぞれ図3(a)における断面3b、3cによる断面図である。素子本体111は、圧電層112および圧電層112を介して交互に積層された内部電極113(第1の内部電極)および内部電極114(第2の内部電極)を有している。   3A to 3C are a side sectional view and a different plan sectional view of the piezoelectric element 110, respectively. 3A is a cross-sectional view taken along the cross-section 3a in FIG. 2B, and FIGS. 3B and 3C are cross-sectional views taken along the cross-sections 3b and 3c in FIG. 3A, respectively. . The element body 111 includes internal layers 113 (first internal electrodes) and internal electrodes 114 (second internal electrodes) that are alternately stacked via the piezoelectric layers 112 and the piezoelectric layers 112.

外部電極115a〜115cは、内部電極113と接続されており、外部電極116a〜116cは、内部電極114と接続されている。これにより、圧電素子110の各圧電層112に駆動電圧を印加できる。   The external electrodes 115 a to 115 c are connected to the internal electrode 113, and the external electrodes 116 a to 116 c are connected to the internal electrode 114. Thereby, a driving voltage can be applied to each piezoelectric layer 112 of the piezoelectric element 110.

(圧電素子の製造方法)
上記のように構成された圧電素子110の製造方法を説明する。まず、圧電素子110として、所定形状の環状の一体焼成型素子を作製する。圧電層112と内部電極113とを積層し、両主面側の端部に内部電極113の無い層を設けたものを作製する。圧電素子110の外形を加工し、例えば厚さは平面研削、外径を円筒加工し、内径はフライス加工して、所定の環状に形成する。外側面の外部電極116bおよび両主面の外部電極115a、115c、116a、116cはスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付ける。内側面の外部電極115bは、両主面のスクリーン印刷時に印刷面の反対側から孔を吸引して電極ペーストが孔の内側面に付着するようにして、これを焼き付けて形成する。
(Piezoelectric element manufacturing method)
A method for manufacturing the piezoelectric element 110 configured as described above will be described. First, as the piezoelectric element 110, an annular integrally fired element having a predetermined shape is manufactured. The piezoelectric layer 112 and the internal electrode 113 are laminated, and a layer in which the internal electrode 113 is not provided at both ends of the main surface is produced. The outer shape of the piezoelectric element 110 is processed, for example, the surface is ground, the outer diameter is cylindrical, and the inner diameter is milled to form a predetermined ring shape. The external electrode 116b on the outer surface and the external electrodes 115a, 115c, 116a, 116c on both main surfaces are applied with an electrode paste by screen printing and baked. The external electrode 115b on the inner side is formed by sucking holes from the opposite side of the printing surface during screen printing of both main surfaces so that the electrode paste adheres to the inner side of the holes and baking it.

このようにして作製した複数個の圧電素子110を積み重ねた圧電アクチュエータ本体100の両端に、電極上にリード線をはんだ付けした絶縁板220、230を配置し、シャフト215を孔に通して位置がずれない様にする。さらに絶縁板の上からコイルバネのような弾性部250で圧力を掛け、積み重ねられた圧電素子110の両主面上の外部電極115a、115c、116a、116cの接触を確実にする。このようにして圧電アクチュエータ本体100を作製できる。   Insulating plates 220 and 230 with lead wires soldered on the electrodes are arranged at both ends of the piezoelectric actuator main body 100 in which a plurality of piezoelectric elements 110 manufactured in this way are stacked, and the shaft 215 is passed through the hole to position the piezoelectric actuator body 100. Do not slip. Further, pressure is applied from above the insulating plate by an elastic portion 250 such as a coil spring to ensure contact of the external electrodes 115a, 115c, 116a, and 116c on both main surfaces of the stacked piezoelectric elements 110. In this way, the piezoelectric actuator body 100 can be manufactured.

(圧電アクチュエータの一形態)
図4は、圧電アクチュエータの一形態を示す断面図である。図4に示すように、圧電アクチュエータ200は、圧電アクチュエータ本体100、固定部210、シャフト215、絶縁板220、230、変位伝達部240、弾性部250およびケース260を備えている。圧電アクチュエータ200は、たとえば位置決め装置に用いられる。
(One form of piezoelectric actuator)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing one embodiment of the piezoelectric actuator. As shown in FIG. 4, the piezoelectric actuator 200 includes a piezoelectric actuator main body 100, a fixing part 210, a shaft 215, insulating plates 220 and 230, a displacement transmission part 240, an elastic part 250, and a case 260. The piezoelectric actuator 200 is used for a positioning device, for example.

固定部210は、圧電アクチュエータ本体100の一端を固定しており、変位の基準となっている。また、固定部210は、シャフト215と結合し、シャフト215の位置を固定している。   The fixing portion 210 fixes one end of the piezoelectric actuator main body 100 and serves as a reference for displacement. Further, the fixing portion 210 is coupled to the shaft 215 and fixes the position of the shaft 215.

シャフト215は、積み重ねられた複数の圧電素子110の中央の孔117に挿入されており、圧電アクチュエータ本体100の軸を固定している。これにより、複数の圧電素子110の積層面上の位置ずれを防止することができる。シャフト215は、孔117に挿入されたときに変位伝達部240との間に隙間217が生じる長さに形成されている。   The shaft 215 is inserted into the central hole 117 of the plurality of stacked piezoelectric elements 110 and fixes the axis of the piezoelectric actuator main body 100. Thereby, the position shift on the lamination surface of the plurality of piezoelectric elements 110 can be prevented. The shaft 215 is formed to have such a length that a gap 217 is generated between the shaft 215 and the displacement transmitting portion 240 when inserted into the hole 117.

絶縁板220、230は、圧電アクチュエータ本体100の両端のそれぞれに設けられており、固定部210やケース260と駆動回路とを絶縁している。絶縁板220、230は、絶縁性の板であればよいが、アルミナ板のように硬い材料で形成されている方が圧電アクチュエータの特性を確保するには好ましい。変位端側の絶縁板220の変位伝達部240側に一端が駆動電源と接続されたリード線315の他端が接続されている。また、固定端側の絶縁板230の圧電アクチュエータ本体100側に一端が駆動電源と接続されたリード線316の他端が接続されている。   The insulating plates 220 and 230 are provided at both ends of the piezoelectric actuator main body 100, respectively, and insulate the fixing portion 210 and the case 260 from the drive circuit. The insulating plates 220 and 230 may be insulating plates, but are preferably made of a hard material such as an alumina plate in order to ensure the characteristics of the piezoelectric actuator. The other end of the lead wire 315 having one end connected to the driving power source is connected to the displacement transmitting portion 240 side of the insulating plate 220 on the displacement end side. In addition, the other end of the lead wire 316 whose one end is connected to the driving power source is connected to the piezoelectric actuator main body 100 side of the insulating plate 230 on the fixed end side.

図5(a)〜(c)は、それぞれ変位端側の絶縁板220の平面図、底面図および側断面図である。図5(c)は、図5(a)、図5(b)における断面5cの断面図である。図5(a)〜(c)に示すように、絶縁板220には、圧電素子110と同径の孔227が形成されており、圧電アクチュエータ本体100側の主面から変位伝達部240側の主面まで孔227を介して一体に電極225が設けられている。このように絶縁板220では、中央部で両主面の導通がとられている。   5A to 5C are a plan view, a bottom view, and a side sectional view of the insulating plate 220 on the displacement end side, respectively. FIG.5 (c) is sectional drawing of the cross section 5c in Fig.5 (a) and FIG.5 (b). As shown in FIGS. 5A to 5C, a hole 227 having the same diameter as the piezoelectric element 110 is formed in the insulating plate 220. The main surface on the piezoelectric actuator main body 100 side is closer to the displacement transmission unit 240 side. The electrode 225 is integrally provided through the hole 227 to the main surface. Thus, in the insulating plate 220, both main surfaces are electrically connected at the center.

図6(a)〜(c)は、それぞれ固定端側の絶縁板230の平面図、底面図および側断面図である。図6(c)は、図6(a)、図6(b)における断面6cの断面図である。図6(a)〜(c)に示すように、絶縁板230には、圧電素子110と同径の孔237が形成されており、圧電アクチュエータ本体100側の主面には、孔237の縁部分と重ならないように外周側に電極236が設けられている。これにより、固定部210との絶縁を確保しつつ、外部電極116cと駆動電源とを接続することができる。   6A to 6C are a plan view, a bottom view, and a side sectional view of the insulating plate 230 on the fixed end side, respectively. FIG.6 (c) is sectional drawing of the cross section 6c in Fig.6 (a) and FIG.6 (b). As shown in FIGS. 6A to 6C, a hole 237 having the same diameter as the piezoelectric element 110 is formed in the insulating plate 230, and the edge of the hole 237 is formed on the main surface on the piezoelectric actuator main body 100 side. An electrode 236 is provided on the outer peripheral side so as not to overlap the portion. Thereby, it is possible to connect the external electrode 116c and the drive power supply while ensuring insulation from the fixing portion 210.

なお、上記の例では、変位端側の絶縁板220および固定端側の絶縁板230でそれぞれ駆動電源と接続しているが、変位端側の絶縁板を単なる絶縁板とし、固定端側の絶縁板のみで駆動電源と接続してもよい。その場合、固定端側の絶縁板において、圧電アクチュエータ本体100側の主面上に孔側の電極および外周側の電極を分けて設け、孔側の電極のみを裏の主面に接続するよう形成してケース260と接続し、外周側の電極を圧電アクチュエータ本体100の径より外に延ばしてリード線付けする。このように、圧電アクチュエータ本体100の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられている。これにより、必要な絶縁を確保しつつ、外部電極と駆動電源とを接続することができる。   In the above example, the insulating plate 220 on the displacement end side and the insulating plate 230 on the fixed end side are respectively connected to the drive power source. However, the insulating plate on the displacement end side is simply an insulating plate, and the insulation on the fixed end side is insulated. You may connect with a drive power supply only by a board. In that case, in the insulating plate on the fixed end side, the hole side electrode and the outer peripheral side electrode are separately provided on the main surface on the piezoelectric actuator main body 100 side, and only the hole side electrode is connected to the back main surface. Then, it is connected to the case 260, and the outer peripheral side electrode is extended outside the diameter of the piezoelectric actuator main body 100 to be lead-wired. As described above, either one of the displacement end side and the fixed end side insulating plate of the piezoelectric actuator main body 100 is electrically connected to each other at the central portion. Thereby, it is possible to connect the external electrode and the drive power supply while ensuring necessary insulation.

変位伝達部240は、フランジ部241および柱状部242を備え、断面T字の軸対称な形状に形成されており、柱状部242の先端245により変位が外部に伝えられる。弾性部250は、たとえばバネであり、変位伝達部240および絶縁板220、230とともに圧電アクチュエータ本体100を変位方向に沿って固定部210側に弾性力で押圧している。これにより、圧電アクチュエータ本体100を構成する複数の圧電素子110の連続部分において外部電極115a、115c、116a、116cを確実に接触させることができる。ケース260は、たとえば金属製であり、圧電アクチュエータ本体100等を覆っている。   The displacement transmission part 240 includes a flange part 241 and a columnar part 242, is formed in an axially symmetric shape with a T-shaped cross section, and the displacement is transmitted to the outside by the tip 245 of the columnar part 242. The elastic part 250 is, for example, a spring, and presses the piezoelectric actuator main body 100 together with the displacement transmitting part 240 and the insulating plates 220 and 230 toward the fixed part 210 along the displacement direction with an elastic force. Accordingly, the external electrodes 115a, 115c, 116a, and 116c can be reliably brought into contact with each other in a continuous portion of the plurality of piezoelectric elements 110 constituting the piezoelectric actuator main body 100. The case 260 is made of metal, for example, and covers the piezoelectric actuator main body 100 and the like.

(実施例)
実施例および比較例の圧電アクチュエータを作製し、特性の確認後に破壊電圧を測定した。実施例として、図1に示すような形態の圧電アクチュエータを作製した。まず、圧電素子として、外径6mm、内径2mm、厚さ3mmの環状の一体焼成型素子を作製した。1層あたり50μmを50層積層し、両主面側の端部に内部電極の無い層を0.25mmずつ設けた。厚さは平面研削、外径を円筒加工し、内径はフライス加工した。外側面の外部電極および上下面の外部電極はスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けた。内側面の外部電極は、両主面のスクリーン印刷時に印刷面の反対側から孔を吸引して電極ペーストが孔の内側面に付着するようにして、これを焼き付けて形成した。
(Example)
The piezoelectric actuators of Examples and Comparative Examples were manufactured, and the breakdown voltage was measured after the characteristics were confirmed. As an example, a piezoelectric actuator having a form as shown in FIG. 1 was produced. First, as a piezoelectric element, an annular integrally fired element having an outer diameter of 6 mm, an inner diameter of 2 mm, and a thickness of 3 mm was produced. 50 layers each having a thickness of 50 μm were laminated, and 0.25 mm layers each having no internal electrode were provided at the ends on both main surfaces. The thickness was surface ground, the outer diameter was cylindrically processed, and the inner diameter was milled. The external electrode on the outer surface and the external electrode on the upper and lower surfaces were baked by applying an electrode paste by screen printing. The outer electrode on the inner surface was formed by sucking holes from the opposite side of the printing surface during screen printing of both main surfaces so that the electrode paste adhered to the inner surface of the holes, and baking this.

このようにして作製した20個の圧電素子を積み重ねた圧電アクチュエータ本体の両端に、電極上にリード線をはんだ付けしたアルミナ板(絶縁板)を配置し、金属シャフトを孔に通して位置がずれない様にした。さらにアルミナ板の上からコイルバネで圧力を掛け、圧電素子上下の外部電極の接触を確実にした。このようにして作製した圧電アクチュエータの変位は150Vで約76μmであった。   An alumina plate (insulating plate) with lead wires soldered on the electrodes is placed on both ends of the piezoelectric actuator body in which the 20 piezoelectric elements fabricated in this way are stacked, and the metal shaft is passed through the hole to shift the position. I tried not to. Furthermore, pressure was applied from above the alumina plate with a coil spring to ensure contact between the upper and lower external electrodes. The displacement of the piezoelectric actuator thus fabricated was about 76 μm at 150V.

一方、比較例として、図7に示すような形態の圧電アクチュエータを作製した。まず、圧電素子として、縦横6mm、高さ10mmの直方体の圧電素子を作製した。1層あたり50μmを170層積層し、両主面側の端部に内部電極の無い層を0.75mmずつ設けた。全面平面研削による加工を行い、外部電極としてスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けた。これを接着剤を用いて6個積み重ねて、圧電アクチュエータを作製した。このようにして作製した圧電アクチュエータの変位も150Vで約76μmであった。   On the other hand, as a comparative example, a piezoelectric actuator having a form as shown in FIG. 7 was produced. First, as a piezoelectric element, a rectangular parallelepiped piezoelectric element having a length and width of 6 mm and a height of 10 mm was manufactured. 170 layers each having a thickness of 50 μm were laminated, and 0.75 mm layers each having no internal electrode were provided at the ends on both main surfaces. The entire surface was ground and the electrode paste was applied as an external electrode by screen printing and baked. Six of these were stacked using an adhesive to produce a piezoelectric actuator. The displacement of the piezoelectric actuator thus fabricated was about 76 μm at 150V.

上記のような実施例と比較例の圧電アクチュエータをそれぞれ30個用意し、過電圧を加えて破壊電圧を確認した。比較例は、平均で約350V程度の電圧印加で破壊した。破壊の生じた位置は内部電極の角の部分であった。実施例では、平均480Vの電圧印加で破壊した。破壊の生じた位置は内部電極の外縁部であった。以上の測定結果から、実施例では破壊が生じ難くなっていることが実証された。   Thirty piezoelectric actuators of Examples and Comparative Examples as described above were prepared, and overvoltage was applied to check the breakdown voltage. The comparative example was destroyed by applying a voltage of about 350 V on average. The position where the breakdown occurred was at the corner of the internal electrode. In the example, the device was broken by applying a voltage of 480 V on average. The position where the breakdown occurred was the outer edge of the internal electrode. From the above measurement results, it was proved that destruction was difficult to occur in the examples.

100 圧電アクチュエータ本体
110 圧電素子
111 素子本体
112 圧電層
113、114 内部電極
115a-115c 外部電極(第1の外部電極)
116a-116c 外部電極(第2の外部電極)
117 孔
200 圧電アクチュエータ
210 固定部
215 シャフト
217 隙間
220 変位端側の絶縁板
225 電極
227 孔
230 固定端側の絶縁板
236 電極
237 孔
240 変位伝達部
245 先端部分
250 弾性部
260 ケース
315、316 リード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric actuator main body 110 Piezoelectric element 111 Element main body 112 Piezoelectric layer 113, 114 Internal electrode 115a-115c External electrode (1st external electrode)
116a-116c External electrode (second external electrode)
117 hole 200 piezoelectric actuator 210 fixed portion 215 shaft 217 gap 220 displacement end side insulating plate 225 electrode 227 hole 230 fixed end side insulating plate 236 electrode 237 hole 240 displacement transmission portion 245 tip portion 250 elastic portion 260 case 315, 316 lead line

Claims (5)

圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる圧電素子であって、
圧電層および前記圧電層を介して交互に積層された第1および第2の内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、
前記素子本体の両主面に露出し、前記第1の内部電極と接続された第1の外部電極と、
前記素子本体の両主面に露出し、前記第2の内部電極と接続された第2の外部電極と、を備え、
前記第1の外部電極の両主面部分は、第2の外部電極の両主面部分より孔側に設けられていることを特徴としている圧電素子。
Piezoelectric elements that are used in a stacking direction for piezoelectric actuators,
An element body having a piezoelectric layer and first and second internal electrodes alternately stacked via the piezoelectric layer and formed in an annular shape;
A first external electrode exposed on both main surfaces of the element body and connected to the first internal electrode;
A second external electrode exposed on both main surfaces of the element body and connected to the second internal electrode;
The piezoelectric element according to claim 1, wherein both main surface portions of the first external electrode are provided closer to the hole than both main surface portions of the second external electrode.
前記第1または第2の外部電極の両主面部分は、前記素子本体の中心軸に対して回転移動させても積層方向への投影が互いに重なることを特徴としている請求項1記載の圧電素子。   2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein both main surface portions of the first or second external electrode are projected in the stacking direction even if they are rotated with respect to the central axis of the element body. . 請求項1または請求項2記載の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている圧電アクチュエータ。   A piezoelectric actuator comprising a piezoelectric actuator body formed by stacking a plurality of the piezoelectric elements according to claim 1 or 2 on substantially the same central axis in a telescopic direction. 前記積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトが挿入されていることを特徴としている請求項3記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 3, wherein a shaft fixing shaft is inserted into a central hole of the plurality of stacked piezoelectric elements. 前記圧電アクチュエータ本体の両端のそれぞれに設けられた絶縁板を更に備え、
前記圧電アクチュエータ本体の変位端側または固定端側のいずれか一方の絶縁板は、中央部で両主面の導通がとられていることを特徴とする請求項3または請求項4記載の圧電アクチュエータ。
Insulating plates provided at both ends of the piezoelectric actuator body, respectively,
5. The piezoelectric actuator according to claim 3, wherein the insulating plate on either the displacement end side or the fixed end side of the piezoelectric actuator main body is electrically connected to both main surfaces at the center portion. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015061054A (en) * 2013-09-20 2015-03-30 太平洋セメント株式会社 Piezoelectric element unit, and piezoelectric actuator
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JP2015233061A (en) * 2014-06-09 2015-12-24 Necトーキン株式会社 Laminated piezoelectric actuator, and laminated piezoelectric device employing the same
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