JP2019041048A

JP2019041048A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2019041048A
Application number: JP2017163428A
Authority: JP
Inventors: 宏三松川; Kozo Matsukawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: JP6952393B2

Abstract

【課題】高電圧駆動に適した、耐マイグレーション性を高めた圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】本開示の圧電アクチュエータは、単層または多層の圧電体を含む圧電素子本体１０の対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する圧電素子１と、圧電素子本体１０の第１の面に接合されたシム板２とを備えている。そして、圧電素子本体１０の第２の面にある表面電極を覆うように被覆層４が設けられており、第２の面にある表面電極１３２の外縁を覆う被覆層４の外周部４１が他の部位よりも厚い。【選択図】図１

Description

本開示は、圧電アクチュエータに関し、例えば、磁気ヘッドのずれを補正する位置決め、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。

圧電アクチュエータとして、単層または多層の圧電体を含む圧電素子本体の対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する圧電素子と、圧電素子本体の第１の面に接合されたシム板とを備えた圧電アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３５２４５５７号公報

近年、圧電アクチュエータにおいては、変位量向上のため、高電圧にて駆動することが求められている。

しかしながら、長期間の高電圧駆動により、圧電素子にマイグレーションが生じて絶縁不良となるおそれがある。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、高電圧駆動によっても圧電素子にマイグレーションが生じるのを抑制された圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本開示の圧電アクチュエータは、単層または多層の圧電体を含む圧電素子本体の対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する圧電素子と、前記圧電素子本体の前記第１の面に接合されたシム板とを備え、前記圧電素子本体の前記第２の面にある表面電極を覆うように被覆層が設けられており、前記第２の面にある表面電極の外縁を覆う前記被覆層の外周部が他の部位よりも厚いことを特徴とする。

本開示の圧電アクチュエータによれば、長期間の高電圧駆動によっても、圧電素子にマイグレーションが生じるのを抑制することができる。

圧電アクチュエータの実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す圧電アクチュエータの分解斜視図である。図１に示すIII−III線で切断した概略断面図である。図１に示すIV−IV線で切断した概略断面図である。図１に示すＶ−Ｖ線で切断した概略断面図である。圧電アクチュエータの実施形態の他の例を示す概略斜視図である。図６に示す圧電アクチュエータの分解斜視図である。図６に示すVIII−VIII線で切断した概略断面図である。図６に示すIX−IX線で切断した概略断面図である。圧電アクチュエータの実施形態の他の例を示す概略斜視図である。圧電アクチュエータの実施形態の他の例を示す概略斜視図である。

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。図１は圧電アクチュエータの実施形態の一例を示す概略斜視図である。また、図２は図１に示す圧電アクチュエータの分解斜視図であり、図３は図１に示すIII−III線で切断した概略断面図、図４は図１に示すIV−IV線で切断した概略断面図、図５は図１に示すＶ−Ｖ線で切断した概略断面図である。

図１〜図５に示す圧電アクチュエータは、単層の圧電体を含む圧電素子本体１０の対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極１３１、１３２を有する圧電素子１と、圧電素子本体１０の第１の面に接合されたシム板２とを備えている。

圧電素子１は、単層の圧電体を含む圧電素子本体１０を有している。なお、本例の圧電素子本体１０は単層の圧電体からなるが、多層の圧電体を含む構成でもよく、これについては後述する。

また、本例の圧電素子本体１０の形状は直方体状（長方形板状）であるが、特に制限はなく、長方形以外の多角形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。圧電素子本体１０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。

圧電素子本体１０を構成する圧電体は、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。また、圧電体は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、大きな屈曲振動を得ることができる。

圧電素子１（圧電素子本体１０）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１３１、１３２を有している。第１の面に設けられた表面電極１３１と第２の面に設けられた表面電極１３２とは、圧電体を介して互いに対向する領域を有するように設けられている。

この表面電極１３１、１３２は、厚さ１μｍ〜５μｍ程度のいわゆる厚膜導体でもよく、スパッタや蒸着などで形成した厚さ０．０１μｍ〜１μｍ程度の薄膜導体でもよい。表面電極１３１、１３２が厚膜導体の場合、圧電体との同時焼成によって形成してもよく、焼成された圧電体に焼き付けて形成してもよい。

表面電極１３１、１３２の材料としては、例えば銀や銀−パラジウム合金を主成分として含む導体、あるいは銅、金、白金などを含む導体を用いることができる。また、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。上記の導体材料の他に、例えばクロム、ニッケルまたはこれらの合金等の導体を用いることができる。

なお、圧電素子本体１０の第２の面にある表面電極１３２を覆うように被覆層４が設けられているが、この点については後述する。

圧電素子１（圧電素子本体１０）の第１の面には、シム板２が接合されている。シム板２は、例えば、鉄ニッケル合金、ステンレス等の金属や、カーボン等の導電性材料を用い
ることができる。あるいは、シム板２は絶縁性材料からなるものでもよく、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。シム板２は、例えば切断や打ち抜き等の加工、金型成型、エッチング等によって作製することができる。

シム板２の寸法は、例えば、長さが２０ｍｍ〜５０ｍｍ、幅が１ｍｍ〜１０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとすることができる。シム板２は、圧電素子１よりも幅および長さの少なくともいずれか一方の寸法を大きくすることができる。そして、シム板２の圧電素子１からはみ出した部分を支持することで、外部装置へ取り付けることができる。さらに、シム板２は、圧電素子１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もできる。したがって、シム板２の寸法は、後述するように、圧電アクチュエータの取付けやリード線等の接続のしやすさを考慮して適宜設定すればよい。

圧電素子１にシム板２を接合する接合材３としては、例えばエポキシ系の熱硬化型接着剤、エポキシ系、アクリレート系、ポリエステル系などの紫外線硬化型接着剤を用いることができる。圧電素子１またはシム板２に液状の紫外線硬化型接着剤を塗布し、これらを貼り合わせて加圧した後、例えば紫外線を照射することで、圧電素子１とシム板２とが接合された圧電アクチュエータとなる。なお、塗布する方法は印刷法、転写法、ディスペンサのいずれでもよい。

圧電素子１に電圧が印加されることで圧電素子本体１０が伸縮する。ここで、圧電素子本体１０が単層の圧電体を含むいわゆるユニモルフ型の場合、伸縮する圧電素子１と伸縮しないシム板２とが貼り合わされていることで、圧電アクチュエータは屈曲する。一方、圧電素子本体１０が多層の圧電体１０１を含む積層型の場合、圧電素子１をバイモルフ型とすることもできる。この場合は、圧電素子１自身が屈曲し、圧電素子１の屈曲に追従してシム板２も屈曲する。

なお、圧電素子１への電圧の印加は、第１の面に設けられた表面電極１３１と第２の面に設けられた表面電極１３２とをそれぞれ異なる極（正極と負極）として行なわれる。

ここで、表面電極１３２は後述する被覆層４で覆われているが、図に示すように被覆層４の一部に貫通孔を設けることで、表面電極１３２の一部を露出させることができる。そして、例えばはんだや導電性接着剤でリード線等をこの表面電極１３２の一部に接合して、外部回路と電気的に接続することができる。一方、表面電極１３１とシム板２とが接合されているので、表面電極１３１はほとんど露出していない。そのため、表面電極１３１への電気的接続は、シム板２を介して行なってもよい。この場合、シム板２は圧電素子１よりも２ｍｍ〜１０ｍｍ程度長いのがよい。

シム板２が導電性である場合には、紫外線硬化型接着剤が導電性粒子を含む導電性接着剤であればシム板２と表面電極１３１とを電気的に接続することができる。そして、シム板２に例えばリード線等を接合すれば、リード線および導電性のシム板２を介して表面電極１３１と外部回路とを電気的に接続することができる。

また、シム板２が絶縁性である場合には、シム板２の表面に電極を設けて、この電極と表面電極１３１とを電気的に接続してもよい。そして、このシム板２上の電極に例えばリード線等を接合すれば、リード線および電極を介して表面電極１３１と外部回路とを電気的に接続することができる。

なお、シム板２の幅は圧電素子１の幅に対して同等乃至２ｍｍ程度までの範囲内で広くてもよい。圧電素子１とシム板２とを接合する接着剤がはみ出してメニスカスを形成する領域を設けることで、強固な接着力を得られる。なお、機械的なロスになって変位量が低下しないような観点で、上記数値範囲内の広さであるのがよい。

これまで、圧電アクチュエータとしてシム板２の片面に１つの圧電素子１が接合されている例で説明したが、圧電アクチュエータはシム板２の両面にそれぞれ圧電素子１を接合したものであってもよい。

そして、圧電素子１（圧電素子本体１０）の第２の面にある表面電極１３２を覆うように被覆層４が設けられている。さらに、第２の面にある表面電極１３２の外縁を覆う被覆層４の外周部４１が他の部位よりも厚い。

圧電素子本体１０の第２の面にある表面電極１３２を覆うように被覆層４が設けられ、特に被覆層４の外周部４１が他の部位よりも厚いことで、電界が集中する表面電極１３２の外周部への水分侵入を抑制でき、マイグレーションを抑制できる。一方、被覆層４における外周部４１よりも内側の領域は薄いことで、被覆層４が圧電素子１の屈曲振動を妨げないようにして、圧電素子１の所望の変位量を確保することができる。

なお、被覆層４のうちの外周部４１とは、切断面の全体長さを１００％としたときに端から１０％までの領域のこととする。被覆層４の中央部の厚さが例えば１５〜２５μｍである場合に、外周部４１のうちの最も厚い部分の厚さは例えばその１．３倍〜１．８倍に設定することができる。

被覆層４の材料としては、アクリルアクリレートやエポキシアクリレートなどのUV硬化型樹脂やエポキシなどの熱硬化型樹脂が挙げられる。

ここで、図５に示すように、被覆層４は外周部４１のうちの角部４１１においてより厚くなっていてもよい。表面電極１３２の外周部のうち、特に角部、具体的には表面電極１３２が四角形状である場合の４隅において電界がしてマイグレーションが生じやすい。これに対し、被覆層４の外周部４１のうちの角部４１１において厚みを増しておくことで、この部位の水分侵入をより確実に抑え、マイグレーション抑制効果を向上させることができる。なお、被覆層４の外周部４１のうちの一辺の中央部の厚さが例えば２５〜３５μｍである場合に、角部４１１の厚さはその１．１倍〜１．３倍に設定することができる。

これまで述べた図１〜図５に示す圧電アクチュエータは、圧電素子本体１０が単層の圧電体からなる構成のものであるが、図６〜図９に示すように、圧電素子本体１０が多層の圧電体１０１を含む構成であって、当該圧電体１０１と内部電極１０２とが積層された積層体であってもよい。

圧電素子本体１０が多層の圧電体１０１を含む積層体の場合は、例えば複数の圧電体１０１と複数の内部電極１０２とを含み、互いに異なる電位となる内部電極１０２と内部電極１０２とがそれぞれ異なる側面に導出され、一方の内部電極１０２が側面電極１４１を介して表面電極１３１と電気的に接続され、他方の内部電極１０２が側面電極１４２を介して表面電極１３２と電気的に接続される。

圧電体１０１および内部電極１０２が積層された積層体からなる圧電素子本体１０の場合、圧電体１０１一層の厚みは、例えば０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍに設定することができる。

この圧電素子本体１０（圧電体１０１と内部電極１０２との積層体）は、例えば同時焼成によって形成することができる。圧電体１０１の材料としては、図１〜図５に示す形態の例における圧電体と同様の材料を用いることができる。そして、内部電極１０２の材料としては、例えば低温焼成が可能な銀や銀−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。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させることもできる。

側面電極１４１、側面電極１４２の材料についても、表面電極１３１、１３２の材料と同様に、例えば低温焼成が可能な銀や銀−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。

なお、側面電極１４１、１４２を設けるかわりに、貫通導体を設けて内部電極１０２と表面電極１３１または表面電極１３２とを接続させてもよい。

さらに、被覆層４に貫通孔を設けて表面電極１３２の一部を露出させずに、表面電極１３２に接続されている第２側面電極１４２にリード線等を接続して、外部回路と電気的に接続させもよい。同様に、第１側面電極１４１にリード線等を接続してもよい。

また、図１０に示すように、被覆層４は圧電素子本体１０の側面の少なくとも一部まで覆っていてもよい。また、被覆層４は圧電素子本体１０の側面の全周にわたって当該側面の少なくとも一部まで覆っていてもよい。この構成によれば、水分侵入をより確実に抑制し、信頼性を向上させることができる。さらに、図１１に示すように、被覆層４は圧電素子本体１０の側面を経てシム板２の少なくとも一部まで達していてもよく、この構成によっても水分侵入をより確実に抑制することができる。

なお、圧電アクチュエータとしては上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更、各構成の組み合わせが可能である。

１圧電素子
１０圧電素子本体
１０１圧電体
１０２内部電極
１３１、１３２表面電極
１４１、１４２側面電極
２シム板
３接合材
４被覆層
４１外周部
４１１角部

Claims

単層または多層の圧電体を含む圧電素子本体の対向する第１の面および第２の面にそれぞれ表面電極を有する圧電素子と、
前記圧電素子本体の前記第１の面に接合されたシム板とを備え、
前記圧電素子本体の前記第２の面にある表面電極を覆うように被覆層が設けられており、前記第２の面にある表面電極の外縁を覆う前記被覆層の外周部が、他の部位よりも厚いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記被覆層は、前記外周部のうちの角部においてより厚くなっ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。
前記被覆層は、前記圧電素子本体の側面の少なくとも一部まで覆っ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。