JP2018056162A

JP2018056162A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2018056162A
Application number: JP2016186753A
Authority: JP
Inventors: 拓郎牧迫; Takuro Makisako
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP6813318B2

Abstract

【課題】駆動時に圧電素子とシム板とが剥がれ難い圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極２２，２３を有する直方体状の圧電素子２と、圧電素子２の第１の面に接合された、圧電素子２よりも長手方向に長いシム板３とを備え、シム板３は、シム板本体３１と、シム板本体３１の圧電素子２に対向する面に設けられて第１の面にある表面電極２３と電気的に接続されたシム電極３２とを有しており、シム電極３２は、シム板本体３１と圧電素子２との間に介在された第１領域３２１およびシム板本体３１と圧電素子２との間から長手方向に延出されて露出している第２領域３２２を有し、第１の領域３２１にスリット３２３を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに用いられる圧電アクチュエータに関するものである。

圧電素子とシム板とを貼り合わせた圧電アクチュエータが、例えば、磁気ヘッドのずれを補正する精密な位置決め、カメラのシャッター駆動、編機や織機の選針駆動あるいはリレースイッチなどに広く用いられている。このような圧電アクチュエータとして、大きい発生力および変位量と高い共振周波数を得るために、シム板に繊維強化樹脂を用いるものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。そして、樹脂製のシム板には、圧電素子に電圧を印加するための電極が設けられる。

特開２０００−９２８７６号公報

近年、圧電アクチュエータにおいては、例えば、圧電アクチュエータを編機などに用いた場合には、変位量向上のために高電圧で駆動させて変位量を大きくすることが行なわれるようになっている。圧電アクチュエータを高電圧で長期間駆動すると、圧電素子とシム板とが剥離してしまう場合があった。圧電素子とシム板との間に剥離が発生すると、圧電アクチュエータの変位量が低下してしまうものであった。

本開示の圧電アクチュエータは、対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する直方体状の圧電素子と、該圧電素子の前記第１の面に接合された、前記圧電素子よりも長手方向に長いシム板とを備え、該シム板は、シム板本体と、該シム板本体の前記圧電素子に対向する面に設けられて前記第１の面にある表面電極と電気的に接続されたシム電極とを有しており、前記シム電極は、前記シム板本体と前記圧電素子との間に介在された第１領域および前記シム板本体と前記圧電素子との間から前記長手方向に延出されて露出している第２領域を有し、前記第１領域にスリットを有している。

本開示の圧電アクチュエータによれば、駆動による圧電素子とシム板との剥離の可能性が低減され、変位の低下が抑制される。

本実施形態の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。本実施形態の圧電アクチュエータの一例を示す分解斜視図である。（ａ）は図１の圧電アクチュエータ平面図であり、（ｂ）は圧電素子を透過して示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線における断面図であり、（ｄ）は（ａ）のｄ−ｄ線における断面図であり、（ｅ）は（ａ）のｅ−ｅ線における断面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。（ａ）および（ｂ）はともにシム板の他の例を示す平面図である。シム板の他の例を示す平面図である。図９のＡ部を拡大して示す平面図である。本実施形態の圧電アクチュエータの他の例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の一部を拡大して示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、圧電アクチュエータの実施形態の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態の圧電アクチュエータ１の一例を示す模式的な斜視図である。図２は、図１の圧電アクチュエータ１を分解して示した一例である分解斜視図である。図３（ａ）は図１の圧電アクチュエータの平面図であり、図３（ｂ）は図１の圧電アクチュエータの圧電素子を透過して示す平面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のｃ−ｃ線における断面図であり、図３（ｄ）および図３（ｅ）は、それぞれ図３（ａ）のｄ−ｄ線およびｅ−ｅ線における断面図である。

本実施形態の圧電アクチュエータ１は、対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極２２，２３を有する直方体状の圧電素子２と、圧電素子２の第１の面に接合された、圧電素子２よりも長手方向に長いシム板３とを備えている。シム板３は、シム板本体３１と、シム板本体３１の圧電素子２に対向する面に設けられて、第１の面にある表面電極２３（以下、第１表面電極２３ともいう。）と電気的に接続されたシム電極３２とを有している。そして、シム電極３２は、シム板本体３１と圧電素子２との間に介在された第１領域３２１およびシム板本体３１と圧電素子２との間から長手方向に延出されて露出している第２領域３２２を有し、第１領域３２１にスリット３２３を有している。言い換えれば、シム電極３２は、圧電素子２とシム板本体３１とで挟まれた第１の領域３２１にスリット３２３を有している。さらに言えば、シム電極３２は、圧電素子２とシム板３との接合領域に位置する第１領域３２１にスリット３２３を有している。

圧電素子２の第１の面にシム板３が接合材４で貼り合わせられている。シム板３は圧電素子２に貼り合わせられる面にシム電極３２を備えている。シム電極３２は、第１の領域３２１において圧電素子２の第１の面にある表面電極３２と接続されている。一方、シム電極３２の第２の領域３２２は圧電素子２と重なっておらず、露出している。圧電素子２の露出した第２の面にある表面電極２２（以下、第２表面電極２２ともいう。）およびシム電極３２の第２領域３２２を外部回路に接続することで、圧電素子２に電圧を印加することができる。例えば、圧電素子２は電圧が印加されると伸縮するのに対してシム板３は伸縮しないので、これらが貼り合わせられた圧電アクチュエータ１は屈曲するものとなる。圧電素子２は直方体状であり、圧電素子２の長方形の第１の面に長方形状のシム板３が貼り合わされているので、圧電素子２およびシム板３の長手方向に大きく屈曲するものとなる。

従来、圧電アクチュエータの特性のために樹脂製のシム板を用いる場合には、圧電素子に電圧を印加するために、絶縁性のシム板本体の表面に電極（シム電極）を形成することが行なわれていた。シム電極が無電解めっきで形成しためっき膜である場合には、外部回路との接続の際のはんだによるはんだ食われでシム電極が断線する可能性がある。また、
めっき膜の樹脂製のシム板本体への接合強度も大きいものではないので、シム電極とシム板本体との間の接合強度が小さく、圧電アクチュエータの繰り返し駆動によって剥がれてしまうおそれがある。例えば、金属箔でシム電極を形成するとこのような問題は解決される。しかしながら、シム板本体に金属箔を貼り付けると、シム板の剛性が高くなるので、シム板本体と圧電素子とを接合する接合材に加わる応力が大きくなって、シム板と圧電素子とが剥がれやすくなってしまう。特に、金属箔の表面は樹脂製のシム板本体の表面より表面粗さが小さく、接合強度が小さくなりやすいので、シム電極と接合材との界面において剥がれやすくなってしまう。

本実施形態の圧電アクチュエータ１は、シム電極３２は、第１領域３２１にスリット３２３を有していることから、スリット３２３を設けない場合と比べてシム電極３２の第１領域３２１の剛性が低下してシム板３の剛性が低下するので、圧電アクチュエータが駆動する際に圧電素子２とシム板３との接合部すなわち接合材４に加わる応力が低減される。また、スリット３２３を設けることで、シム板３の圧電素子２との接合面の表面積が増加して接合強度が向上する。これらにより、駆動の繰り返しによる圧電素子２とシム板３との間の剥がれが抑制され、変位の低下が抑制された圧電アクチュエータ１となる。

ここで、図４はシム板２３の他の例を示す平面図である。図２および図３に示す例においては、スリット３２３は、圧電素子２の短手方向すなわち長手方向に垂直な幅方向に向いているが、図４に示す例のように、圧電素子２の長手方向に延びるものであってもよい。あるいは、長手方向および幅方向に対して傾斜した方向に延びるものであってもよい。

本実施形態のように、圧電素子２が長手方向を有する場合は、長手方向で屈曲変位する。そのため、シム電極３２は、長手方向に垂直な幅方向に向くスリット３２３を有するものとしてもよい。スリット３２３を幅方向に設けることで、シム板３が長手方向に屈曲変位しやすくなるので、さらに接合材４に加わる応力が低減され、圧電素子２とシム板４との接合面における剥がれを抑制することができる。

ここで、図５はシム板３２の他の例を示す平面図である。図５に示す例のように、スリット３２３は、その外縁に位置する角部が丸みを帯びていてもよい。言い換えれば、平面視したときのスリット３２３の形状は、スリット３２３の先端部は角がなく、角部は丸みを有する形状とすることができる。スリット３２３が角部を有していると、圧電アクチュエータ１の駆動時にシム電極３２が繰り返し屈曲した際に、角部を起点としてクラックが入る可能性があり、シム電極３２が断線してしまうおそれがある。これに対して、スリット３２の角部に丸みを設けることで、角部に加わる応力を分散でき、シム電極３２にクラックが入る可能性を低減できるので、シム電極３２の断線が抑制された、信頼性の高い圧電アクチュエータ１となる。

なお、図５に示す例のように、スリット３２３の先端だけでなく、スリット３２３の後端、すなわち平面視におけるスリット３２３とシム電極３２の外辺とが交差する部分の角部も丸みを有する形状とすることができる。このようにすると、圧電アクチュエータ１の駆動時に、この角部を起点として接合材４にクラックが発生する可能性を低減することができるので、接合材４に発生するクラックによって圧電素子２とシム電極３との間の剥がれが発生する可能性を低減することができる。

また、図４に示す例の圧電アクチュエータ１においては、シム電極３２はスリット３２３を１つだけ有している。これに対して図２、図３および図５に示す例の圧電アクチュエータ１においては、シム電極３２はスリット３２３を２つ有している。さらには、図６〜図１０に示す例の圧電アクチュエータ１においては、シム電極３２はスリット３２３を多数有している。図６〜図１０はシム板３２の他の例を示す平面図である。このように、シ
ム電極３２は、スリット３２３を複数有していてもよい。

圧電アクチュエータ１のシム電極３２が複数のスリット３２３を有していると、シム板３の剛性がより低減して接合材４に加わる応力が低減されるとともに、シム板３の圧電素子２との接合面の表面積が増加して接合強度が向上する。これらにより、駆動の繰り返しによる圧電素子２とシム板３との間の剥がれがより抑制され、変位の低下がより抑制された圧電アクチュエータ１となる。図５〜図１０に示す例では、複数のスリット３２３は、それぞれ圧電素子２の長手方向に向いており、圧電素子２の長手方向に配列されている。このようにすると、シム板３が長手方向により屈曲変位しやすくなるので、接合材４に加わる応力がさらに低減され、圧電素子２とシム板４との接合面における剥がれをさらに抑制することができる。

図６に示す例においては、複数のスリット３２３は、シム電極３２の１つの長辺から内側に延びている。言い換えれば、複数のスリット３２３は、いずれも長手方向に垂直な幅方向の一端側（図面の上側）から他端側（図面の下側）に向けて延びる切り欠き状である。これに対して、図７に示す例のシム電極３２は、長手方向に垂直な幅方向の一端側から他端側に向けて延びる切り欠き状の第１のスリット３２３ａと幅方向の他端側から一端側に向けて延びる切り欠き状の第２のスリット３２３ｂとを有している。図６に示す例のように幅方向の一方端だけにスリット３２３を配置すると、シム電極３２およびシム板３の幅方向において剛性に差が出る。そのため、圧電アクチュエータ１の屈曲は、スリット３２３を有する側がより大きくなりやすいので、圧電アクチュエータ１の屈曲はねじれを含むものとなりやすい。これに対して、図７に示す例のように幅方向の両方にスリット３２３を配置すると、シム電極３２およびシム板３の幅方向において剛性の差が小さいものとなる。そのため、圧電アクチュエータ１の屈曲は、短手方向へのねじれの少ない長手方向の屈曲となりやすい。圧電アクチュエータ１の用途によりいずれかの配置を選択することができる。

また、図８に示す例のように、第１のスリット３２３ａと第２のスリット３２３ｂとが、長手方向に交互に配置されていてもよい。すなわち、シム電極３は、長手方向に垂直な幅方向の一端側から他端側に向けて延びる切り欠き状の第１のスリット３２３ａと幅方向の他端側から一端側に向けて延びる切り欠き状の第２のスリット３２３ｂとを有し、第１のスリット３２３ａおよび第２のスリット３２３ｂが交互に配置されていてもよい。このようにすると、シム電極３２およびシム板３の剛性がより低下し、シム板３の圧電素子２との接合面の表面積が増加して接合強度が向上する。これらにより、駆動の繰り返しによる圧電素子２とシム板３との間の剥がれがより抑制され、変位の低下がより抑制された圧電アクチュエータ１となる。

図９に示す例においても、第１のスリット３２３ａと第２のスリット３２３ｂとが長手方向に交互に配置されているが、第１のスリット３２３ａおよび第２のスリット３２３ｂの長さがシム電極３２の幅の１／２より長い。それにより、第１のスリット３２３ａおよび第２のスリット３２３ｂは長手方向において互いに重なる部分を有している。言い換えれば、シム電極３２の第１領域３２１は、第２領域３２２より幅が小さく、第２領域３２２から蛇行して延びている形状である。シム電極３２がこのような形状であると、長手方向に両端部に渡って連続して延びている部分ないので、シム電極３２およびシム板３の剛性がより低下し、駆動の繰り返しによる圧電素子２とシム板３との間の剥がれがより抑制され、変位の低下がより抑制された圧電アクチュエータ１となる。

図１０に示す例は、図９に示す例はスリット３２３の幅が一定であるのに対して、スリット３２３の幅が一定ではない例である。第１領域３２１の長手方向の中央部に位置するスリット３２３の幅より、第１領域３２１の長手方向の端部に位置するスリット３２３の
幅の方が大きい。より具体的には、複数のスリット３２３の幅は、第１領域３２１の長手方向の中央部から両端部に向かうにつれて大きくなっている。圧電素子２とシム板３とで伸縮差があることで圧電アクチュエータ１に屈曲変位が生じるが、同時に圧電素子２とシム板３とで伸縮差があることで圧電素子２とシム板３との間の接合部に応力が発生する。この応力は、圧電素子２とシム板３との接合長さの長い部分の両端部で大きいものとなる。具体的には、圧電素子２の長手方向の両端部に対応する部分に位置する接合材４に大きな応力が加わり、圧電素子２の長手方向の両端部に対応する部分から中央部に対応する部分にかけて応力は小さくなる。図１０に示す例の圧電アクチュエータ１は、第１領域３２１の長手方向の端部に位置するスリット３２３の幅の方が大きいので、圧電素子２の長手方向の両端部に対応する部分に位置する接合材４が大きくなり、応力によるクラックの発生または剥がれが発生する可能性が低減されたものとなる。

図１１および図１２はシム板３の他の例を示す平面図である。図５、図１１および図１２に示すシム板３のシム電極３２は、いずれも第１領域３２１の第２領域３２２とは反対側の端部から第２領域３２２側へ延びるスリット３２３を有し、第１領域３２１が複数に分かれている。このように、シム電極３２は、第１領域３２１が複数に分かれて、それぞれが第２領域３２２に接続された形状とすることができる。スリット３２３によって第１の領域３２１におけるシム電極３２が細くなると、駆動時に断線してしまう可能性が高まる場合がある。シム電極３２が断線すると、圧電素子２に電圧を印加できないオープン不良となってしまう。第１領域３２１が複数の部分に分かれた形状のシム電極３２を有する圧電アクチュエータ１は、複数の部分のうちの１つが断線したとしても他の部分が接続されているので、断線によるオープン不良の発生確率が低減されたものとなる。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すシム板３においては、図５と同様に、シム電極３２は、いずれも第１領域３２１の第２領域３２２とは反対側の端部から第２領域３２２側へ直線的に延びるスリット３２３を１つ有しており、第１領域３２１は２つの部分に分かれている。そして、分かれた２つの部分は、それぞれ幅方向に延びるスリット３２３を有している。これにより、図５に示すシム板３に比較してシム電極３２およびシム板３の剛性がより低下している。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すシム板３のシム電極３２は、第１領域３２１に設けられた幅方向に延びるスリット３２３の長手方向における位置は、２つの部分で同じ位置に配置されている。図１１（ａ）に示すシム電極３２は、２つの部分の間で、長手方向で同じ位置にあるスリット３２３は、向きが同じである。これによって、２つの部分の形状は、シム電極３２の幅方向の中心を通る直線に対して非対称となっている。一方、図１１（ｂ）に示すシム電極３２は、２つの部分の間で、長手方向で同じ位置にあるスリット３２３は、向きが逆である。これによって、２つの部分の形状は、シム電極３２の幅方向の中心を通る直線に対して対称となっている。そのため、図１１（ａ）に示すシム板３を有する圧電アクチュエータ１の屈曲は、ねじれを含むものとなりやすい。また、図１１（ｂ）に示すシム板３を有する圧電アクチュエータ１の屈曲は、短手方向へのねじれの少ない長手方向の屈曲となりやすい。圧電アクチュエータ１の用途によりいずれかの配置を選択することができる。

図１２に示すシム板３においては、シム電極３２は、第１領域３２１の第２領域３２２とは反対側の端部から第２領域３２２側へ延びるスリット３２３は蛇行した形状である。この蛇行したスリット３２３によって分けられた２つの部分は、幅方向のスリット３２３を有している。これにより、２つの部分は、第２領域３２２から互いに平行に蛇行して延びる形状となっている。この形状の場合は、２つの部分の間で屈曲する部分の長手方向における位置が異なっている。シム電極３２の屈曲する部分は、圧電アクチュエータ１の繰り返しの屈曲により断線しやすくなる可能性が高い部分である。２つの部分の間で屈曲す
る部分の位置が異なっているので、断線の可能性の高い位置が異なることとなり、駆動の繰り返しによるシム電極３２の断線でのオープン不良の発生確率が低減された圧電アクチュエータ１となる。

図１３は図９のＡ部を拡大して示す平面図である。このように、スリット３２３の外縁は凹凸形状になっていてもよい。言い換えれば、スリット３２３の内面は凹凸形状になっていてもよい。スリット３２３がこのような形状となっていることで、シム板本体３１とシム電極３２との接合強度を向上できるため、シム板本体３１とシム電極３２との間の剥離を抑制できる。なお、図１〜図１３に示す例のように、平面視でシム電極３２がシム板本体３１より一回り小さく、シム電極３２の外縁がシム板本体３１の外縁より内側に位置している場合には、スリット３２３の外縁だけでなくシム電極３２の外縁全体が凹凸形状となっていてもよい。

圧電素子２は、板状の圧電体２１、第１表面電極２２および第２表面電極２３を含んでいる。圧電素子２が単板型である場合は、第１表面電極２２は板状の圧電体２１の第１の面（以下、第１主面という。）に設けられ、また第２表面電極２３は第１主面と対向する第２の面（以下、第２主面という。）に設けられている。すなわち、圧電素子２は対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極２２，２３を有している。圧電素子２が積層型である場合は、板状の圧電体２１と内部電極２４とが積層された板状の積層体、第１表面電極２２および第２表面電極２３を含んでいる。第１表面電極２２は板状の積層体の第１主面に、また第２表面電極２３は第１主面と対向する第２主面に設けられている。この場合も、圧電素子２は対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極２２，２３を有している。内部電極２４の端部がそれぞれ積層体の対向する一対の側面（第１側面および第２側面）に互い違いに導出されている。内部電極２４は、第１主面、第２主面、第１側面および第２側面に囲まれた他の一対の側面にも導出されていてよい。なお、図１４に示す例では、圧電体２１は３層で内部電極２４は２層であるが、圧電体２１および内部電極２４の層数はこれに限られるものではない。

図１４に示す例では、積層型の圧電素子２はさらに第１側面電極２５および第２側面電極２６を含んでいる。第１側面電極２５は第１側面に設けられており、第１側面に導出された内部電極２４と第１表面電極２２とを接続している。第２側面電極２６は第２側面に設けられており、第２側面に導出された内部電極２４と第２表面電極２３とを接続している。単板型の圧電素子２では圧電体２１の第１主面の全面に第１表面電極２２が設けられ、第２主面の全面に第２表面電極２３が設けられている。これに対して、積層型の圧電素子２では、第１表面電極２２と第２側面電極２６との間、および第２表面電極２３と第１側面電極２５との間で電気的に絶縁させている。そのため、第１表面電極２２は積層体の第１主面の全面に設けず、第２側面電極２６との間に隙間を設けている。また、第２表面電極２３は積層体の第２主面の全面に設けず、第１側面電極２５との間に隙間を設けている。

第１側面電極２５および第２側面電極２６を設ける代わりに、圧電体２１を貫通する貫通導体を設けて内部電極２４と第１表面電極２２との接続、および内部電極２４と第２表面電極２３との接続を行なってもよい。この場合は、積層体の第１主面の全面に第１表面電極２２を設け、第２主面の全面に第２表面電極２３を設けることができる。

圧電素子２の形状（単板型の圧電素子２の圧電体２１の形状および積層型の圧電素子２の積層体の形状）は、図１〜図３および図１４に示す例では長方形板状（直方体状）である。圧電素子２の形状は、大きな屈曲変位のためには長手方向を有する形状とすることができる。例えば、長方形以外の多角形状であってもよいし、楕円形状であってもよい。圧電素子２の寸法は、例えば、長さが１８ｍｍ〜４５ｍｍ、幅が１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚みが
０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。

圧電体２１は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。積層型の圧電素子２の場合の圧電体２１の一層の厚みは、例えば０．０１〜０．１ｍｍに設定することができる。また、圧電体２１は２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電ｄ３１定数を有する材料を用いることができる。これにより、大きな屈曲変位を得ることができる。

第１表面電極２２および第２表面電極２３は、いわゆる厚膜導体でもよいしスパッタや蒸着などで形成した薄膜導体でもよい。第１表面電極２２および第２表面電極２３は、厚膜導体の場合であれば、圧電体２１および内部電極２４との同時焼成によって形成してもよいし、焼成された圧電体２１や積層体に焼き付けて形成してもよい。第１表面電極２２および第２表面電極２３の材料としては、厚膜導体の場合であれば、例えば低温焼成が可能な銀または銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。また、第１表面電極２２および第２表面電極２３は、これらの導体材料に加えて、セラミック成分やガラス成分を含有していてもよい。薄膜導体の場合であれば、上記の導体材料に加えて、例えば、銅、クロム、ニッケル等の導体を用いることができる。

内部電極２４は、圧電体２１のセラミックスと同時焼成により形成されたものである。この材料としては、例えば低温焼成が可能な銀または銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。また、内部電極２４は、これらの導体材料に加えてセラミック成分やガラス成分を含有していてもよい。

第１側面電極２５および第２側面電極２６は、第１表面電極２２および第２表面電極２３と同様にして形成することができる。第１側面電極２５および第２側面電極２６を設ける代わりに貫通導体を設ける場合の貫通導体は、圧電体２１のセラミックスと同時焼成により形成することができ、内部電極２４と同様の材料を用いることができる。

圧電素子２はセラミック生成形体を作製し、セラミック生成形体を焼成したセラミック成形体に表面電極２２，２３を形成することで作製することができる。セラミック生成形体は、上述したようなセラミックスの粉末を含むセラミックグリーンシートを用いて作製する。圧電素子２が単板型である場合は、セラミックグリーンシートを所定形状にしたものをセラミック生成形体とする。圧電素子２が積層型である場合は、セラミックグリーンシートに内部電極層となる導電性ペーストを、内部電極のパターン形状に塗布して作製したものを積層してセラミック生成形体を作製する。導電性ペーストは、例えば銀−パラジウムの金属粉末にバインダーおよび溶剤等を添加混合したものである。

セラミック生成形体は、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００℃〜１２００℃の温度で焼成することでセラミック成形体となる。セラミック成形体に平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施した後、表面電極２２，２３を形成する。

表面電極２２，２３は、表面電極２２，２３となる導電性ペーストをセラミック成形体の表面に、所定形状で印刷して、６００℃〜８００℃の温度で焼き付け処理を行なうことで形成する。圧電素子２が積層型である場合は、同時に側面電極２５，２６となる導電性ペーストをセラミック成形体の側面に印刷しておく。表面電極２２，２３および側面電極２５，２６となる導電性ペーストは、銀を主成分とする導電粒子およびガラス粉末と、バインダーおよび溶剤等を加えて作製したものである。

その後、表面電極２２，２３および側面電極２５，２６が形成されたセラミック成形体の圧電体を分極処理して圧電活性を付与することで圧電素子２となる。

上述したように、伸縮する圧電素子２と伸縮しないシム板３とが貼り合わされていることで、圧電アクチュエータ１は屈曲する。これは、圧電素子２がユニモルフ型である場合である。圧電素子２が積層型である場合は、圧電素子２はバイモルフ型とすることもできる。この場合は圧電素子２自身が屈曲し、シム板３とともに圧電アクチュエータ１としても屈曲する。圧電アクチュエータ１の屈曲の大きさが圧電アクチュエータ１の変位量となる。圧電素子２への電圧の印加は、圧電素子２の第１表面電極２２および第２表面電極２３を、それぞれ異なる極として行なわれる。

シム板３は、シム板本体３１とシム電極３２とを含む。シム板本体３１の主面上にシム電極３２が接合材４で接合ざれている。

シム板本体３１は、例えば、樹脂材や樹脂と繊維の複合材料である繊維強化樹脂を用いることができる。樹脂材としては、エポキシ、ポリイミド、ビスマレイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミドなどを用いることができる。繊維強化樹脂の強化繊維材としては、炭素（カーボン）繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などを用いることができる。これらの材料の板状のものを、例えば切断や打ち抜き等の加工によって所定形状することで作製することができる。

シム板３（シム板本体３１）の寸法は、例えば、長さが２０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅が１ｍｍ〜１２ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。

シム電極３２は、シム板本体３１の圧電素子２に対向する面に設けられている。シム電極３２は、導電性の板状のものであり、例えば、金属箔または金属粒子と樹脂とを含むものとすることができる。

シム電極３２が金属箔である場合は、金属箔をシム板本体３１に接着剤で貼り付けた後に、エッチングで所定形状にすることで形成することができる。あるいは、金属箔を打ち抜き加工やエッチング加工で所定形状にした後に金属箔をシム板本体３１に接着剤で貼り付けることで形成することができる。金属箔は、銅あるいはアルミ等の金属を用いることができる。シム電極３２に、低抵抗で導電性のよい銅を用いると、応答速度の速い圧電アクチュエータ１とすることができる。金属箔をシム板本体３１に貼り付けるための接着剤は、エポキシ系、アクリレート系、ポリエステル系など通常使用される接着剤を用いることができる。

また、シム電極３２が金属粒子と樹脂とを含むものである場合は、シム板本体３１の上に金属粒子と樹脂とを含む導電性ペーストを、例えばスクリーン印刷による印刷、またはローラーによる転写、あるいはディスペンサーによる塗布等の方法を用いて所定形状に形成することができる。導電性ペーストは、銅あるいは銀等の導電性粒子と、ポリエステル系、エポキシ系、アクリル系等の樹脂と、溶剤とを混合して作製することができる。

このように金属箔や導電性ペーストによりシム電極３２を形成すると、めっき被膜や蒸着等の薄膜の場合に比べてシム電極３２に厚みを持たせることができる。そのため、シム電極３２と圧電素子２の表面電極２３とを接触させて電気的に接続しても、シム電極３２の周囲およびスリット３２３内にシム電極３２と同等の厚みの接合材４を配置することができるので、圧電素子２とシム板３との接合強度を確保しやすい。

シム電極３２の寸法は、例えば、長さが２０ｍｍ〜５０ｍｍ、幅が１ｍｍ〜１２ｍｍ、厚みが０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍとすることができる。各寸法は、シム板本体３１の長さ、幅に沿った方向において最大となる部分の寸法である。シム電極３２の寸法（平面視の寸法）は、シム板本体３１の寸法より一回り小さくすることができる。具体的には、例えば、シム電極３２の外縁がシム板本体３１の外縁より０．１ｍｍ〜１ｍｍ内側に位置するようすることができる。このようにすると、シム電極３２の第１領域３２１において、シム電極３２の外側においてシム板本体３１の外縁部と圧電素子２とを接合材４で接合することができるので、圧電素子２とシム板３との接合強度がより高いものとなる。あるいは、シム電極３２とシム板本体３１とを接着剤で接合する際に、シム電極３２の側面とシム板本体３１の外縁部とを接合することができるので、シム電極３２とシム板本体３１との接合強度が高いものとなる。

シム電極３２は、第１領域３２１にスリット３２３を有している。スリット３２３の深さ（長さ）は、シム電極３２の幅方向の長さおよび長手方向の長さに対して、それぞれ５０〜９０％とすることができる。これにより、シム電極３２およびシム板３の剛性の低下による接合材４に加わる応力の低減がより効果的なものとなるとともに、駆動の繰り返しによってシム電極３２が断線する可能性が抑えられる。図７に示す例のように、第１のスリット３２３ａと第２のスリット３２３ｂとが、シム電極３２の長手方向における同じ位置に配置されている場合は、第１のスリット３２３ａおよび第２のスリット３２３ｂの深さはシム電極３２の幅方向の長さの５０％未満となる。この場合は、シム電極３２の長手方向における同じ位置でのスリット３２の深さは、第１のスリット３２３ａの深さと第２のスリット３２３ｂの深さとを合わせたものとみなすことができるので、シム電極３２の幅方向の長さの５０％より長いものと言える。また、図８に示す例では、第１のスリット３２３ａと第２のスリット３２３ｂとは、シム電極３２の長手方向における同じ位置に配置されていない。しかしながら、第１のスリット３２３ａの先端と第２のスリット３２３ｂの先端との距離は、シム電極３２の幅方向の長さの５０％より小さくなっている。すなわち、スリット３２によりシム電極３２の幅方向の長さの１０％〜５０％の長さの部分が形成されていれば、上記のような効果を奏するものである。

スリット３２３は、シム電極３２の長さ方向および幅方向に沿って延びるものだけでなく、傾斜したものでもよい。また、スリット３２は直線状のものだけでなく、湾曲した形状、屈曲した形状であってもよい。シム電極３２の幅方向に直線的に延びる第１のスリット３２３ａおよび第２のスリット３２３ｂを、シム電極３２の長さ方向に複数配列すると、圧電アクチュエータ１は、長手方向に屈曲変位しやすく、ねじれのない屈曲変位となりやすい。

シム板３は圧電素子２よりも長手方向に長いものであり、シム板３の長手方向の端部が圧電素子２からはみ出るようにして重なった状態で接合されている。例えば、図１〜図３に示す例の圧電アクチュエータ１においては、圧電素子２の長手方向の一端とシム板３の長手方向の一端とが揃っており、シム板３の長手方向の他端部が圧電素子２からはみ出ている。これに対して、図１４に示す例では、シム板３の長手方向の一端側および短手方向の両側が圧電素子２から少しはみ出ている。いずれも、シム板３の圧電素子２から大きくはみ出した部分を圧電アクチュエータ１の取付部として用いることができる。また、シム電極３２の、シム板３の大きくはみ出した部分に位置する第２領域３２２は、圧電素子２への電圧印加のためにリード線等を接続する端子電極として用いることができる。シム板３の寸法は、圧電アクチュエータ１の取付けやリード線等の接続のしやすさにより設定すればよい。圧電アクチュエータ１は、圧電素子２が直方体状すなわち長方形板状で、圧電素子２の長さ方向に屈曲するものである場合には、図１〜図３に示す例のように、シム板３は圧電素子２の長さ方向の一端のみからはみ出していてもよい。このようにすると、シ
ム板３に不要な部分がないので、変位量が大きく小型の圧電アクチュエータ１となる。

圧電素子２とシム板３とは接合材４で接合されている。圧電素子２とシム板３のシム電極３２とは、圧電素子２の第１の面の表面電極２３とシム電極３２の第１領域３２１とが接触して電気的に接続されている。表面電極２３とシム電極３２とが接触している部分の周囲において接合材４で接合されている。接合材４は導電性のものを用いることができるが、その場合は表面電極２３とシム電極３２とが直接接触していなくてもよい。表面電極２３とシム電極３２とを接触させて接合する場合は、非導電性の接合材４を用いることができるので低コストとなる。

図１４に示す例のように、表面電極２３に突起２３１を設けてシム電極３２と接触させて電気的に接続することができる。表面電極２３およびシム電極３２の表面が平坦で凹凸が小さい場合には、表面電極２３およびシム電極３２との間に非導電性の接合材４が入り込んで表面電極２３とシム電極３２との接触が阻害される場合がある。表面電極２３に突起２３１を設けると、非導電性の接合材４を用いた場合であっても、表面電極２３とシム電極３２との接触による電気的接続をより確実なものとすることができる。表面電極２３の突起２３１の代わりに、シム電極３２に突起を設けてもよい。

接合材４は圧電素子２の第１の面とシム板３との間だけでなく、図１４に示す例のように、圧電素子２の側面とシム板３とも接合していてもよい。図１４に示す例の圧電アクチュエータ１では、圧電素子２の幅はシム板３の幅より小さく、圧電素子２の幅方向の両側からシム板３がはみ出している。また、圧電素子２の長さ方向の両側からもシム板３がはみ出している。そして、接合材４はこのシム板３の圧電素子２からはみ出た部分と圧電素子２の側面とも接合している。これにより、圧電素子２とシム板３との接合強度がより高いものとなる。このような、図１４に示す例の場合は、非導電性の接合材を用いることができる。

接合材４としては、エポキシ系、アクリレート系、ポリエステル系など通常使用される接着剤を用いることができる。また、紫外線硬化性、嫌気硬化性、熱硬化性のいずれか、あるいは２つ以上を有するものを用いるができる。

圧電素子２またはシム板３に液状の接着剤を塗布して加圧した後に硬化のための処理をすることで、硬化した接合材４で圧電素子２とシム板３とが接合された圧電アクチュエータ１となる。

これまで圧電アクチュエータ１としてシム板３の片面に１つの圧電素子２が接合されている例で説明したが、圧電アクチュエータ１はシム板３を挟んでシム板３の両面にそれぞれ圧電素子２を接合したものであってもよい。圧電素子２が単板型あるいはユニモルフ型の積層型である場合は、例えば、一方の圧電素子２が伸びるときには他方の圧電素子２は伸びない（あるいは縮む）ように電圧を印加することで屈曲変位するものとなる。

１・・・圧電アクチュエータ
２・・・圧電素子
２１・・圧電体
２２・・（第２の面の）表面電極
２３・・（第１の面の）表面電極
３・・・シム板
３１・・・シム板本体
３２・・・シム電極
３２１・・第１領域
３２２・・第２領域
３２３・・スリット
３２３ａ・第１のスリット
３２３ｂ・第２のスリット
４・・・接合材

Claims

対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する直方体状の圧電素子と、該圧電素子の前記第１の面に接合された、前記圧電素子よりも長手方向に長いシム板とを備え、該シム板は、シム板本体と、該シム板本体の前記圧電素子に対向する面に設けられて前記第１の面にある表面電極と電気的に接続されたシム電極とを有しており、
前記シム電極は、前記シム板本体と前記圧電素子との間に介在された第１領域および前記シム板本体と前記圧電素子との間から前記長手方向に延出されて露出している第２領域を有し、前記第１領域にスリットを有していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記シム電極は、前記長手方向に垂直な幅方向に向くスリットを有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記スリットの外縁に位置する角部が丸みを帯びていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
前記シム電極は、前記スリットを複数有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記シム電極は、前記長手方向に垂直な幅方向の一端側から他端側に向けて延びる切り欠き状の第１のスリットと前記幅方向の前記他端側から前記一端側に向けて延びる切り欠き状の第２のスリットとを有し、前記第１のスリットおよび前記第２のスリットが交互に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
前記第１領域は複数に分かれており、それぞれが前記第２領域に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記スリットの外縁は凹凸形状になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。