JP5673752B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

圧電アクチュエータとして、印加される電源により第１の振動モードと第２の振動モードを同時に発生させる圧電体と、圧電体の一側に陥没し形成された凹部に一部分が固定された、圧電体とは別体の摩擦部材と、を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）

特開２００８−９９５４９号公報

特許文献１に記載されている圧電アクチュエータの圧電素子（圧電体）は、電圧が印加されることで変位する活性部と、電圧が印加されても変位しない非活性部とを有する。このような圧電素子は、電圧が印加され活性部が変位し、固定されている摩擦部材が被駆動体と接触することで生じた摩擦力に応じて、該被駆動体を駆動することが可能となる。上述したような圧電素子と被駆動体とが接触する際に生じた摩擦力を用いて被駆動体を駆動させる圧電アクチュエータにおいては、さらなる駆動力の向上が求められている。

そこで、本発明は、駆動力がより向上した圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電アクチュエータは、略直方体形状であって、印加される電圧により第１の振動モードと第２の振動モードとを同時に発生させる圧電素子を備えており、圧電素子は、圧電素子に配置された複数の内部電極に挟まれ且つ電圧の印加により変位を生じる活性部を有しており、圧電素子の一の外表面は、第１の領域と、該第１の領域から突出すると共に一の外表面における活性部に対応する領域と重なるように位置する第２の領域と、を含み、第２の領域は、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる平面を有し、平面は、圧電素子の長手方向に沿った長さが圧電素子の短手方向に沿った長さよりも短く、且つ、短手方向での中央領域における長手方向に沿った長さが、短手方向での端領域における長手方向に沿った長さよりも長い。

本発明に係る圧電アクチュエータにおける第２の領域は、上述の平面を有しており、一の外表面における活性部に対応する領域と重なるように位置している。これにより、電圧印加による変位が大きい領域の面積が大きくなる。つまり、圧電素子と被駆動体とが接触する面積が大きくなることにより生じる摩擦力が大きくなる。一方で、短手方向での平面の端領域は、圧電素子の短手方向において非活性部に位置する、または短手方向において平面の中央領域よりも非活性部側に位置する。非活性部は電圧印加によっても変位しないので、第２の領域の変位を阻害するように機能する。短手方向での平面の端領域における長手方向に沿った長さが、短手方向での中央領域における長手方向に沿った長さよりも短くなることにより、圧電素子の変位を阻害する領域の面積が小さくなる。従って、第２の領域が上述の平面を有することによって、圧電アクチュエータの駆動力を向上する。

本発明に係る圧電アクチュエータでは、平面は、短手方向に沿った長さが、短手方向に沿った活性部の長さ以下であってもよい。平面の短手方向に沿った長さが上述の長さになることにより、平面が活性部の内部に位置する。これにより、短手方向での平面の端領域によって、圧電素子の変位が阻害されることを抑制することができる。

本発明に係る圧電アクチュエータでは、第２の領域は、一の外表面に直交する方向から見て、活性部の中心と重なっていてもよい。活性部の中心は、電圧印加により最も変位する位置である。第２の領域が活性部の中心と上述のように重なることによって、電圧印加による第２の領域の変位が大きくなる。

本発明によれば、駆動力が向上した圧電アクチュエータを提供することができる。

本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの斜視図である。 圧電素子の斜視図である。 図１に示すIII−III線に沿った断面図である。 図１に示す積層型圧電アクチュエータの分解斜視図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの各振動モードを示した図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータがローターを駆動させる様子を示した図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャートである。 積層・プレス工程で得られる積層体を示す斜視図である。 積層体にプレス工程を行った時の側面図である。 本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータと従来の積層型圧電アクチュエータの駆動時の変位の大きさを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１〜図４を参照して、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの斜視図である。図２は、圧電素子の斜視図である。図３は、図１に示すIII−III線に沿った断面図である。図４は、図１に示す積層型圧電アクチュエータ１の分解斜視図である。図３及び図４では、積層型圧電アクチュエータの長手方向の中央に一点鎖線で表された中央線ＣＬが付されている。図４においては、スルーホールは微小であるため省略し、図中において上下方向に延びる一点鎖線が通過する位置にスルーホール導体が形成されるものとする。

図１に示されるように、積層型圧電アクチュエータ１は、交流電圧が印加されて変位することによって、被駆動体ＤＢ（例えば、ローター等）を移動させる機能を有している。積層型圧電アクチュエータ１は、複数の圧電体層を積層して一体化することによって形成された略直方体状の圧電素子２を備えている。圧電素子２は、積層体部３と、保護膜５と、を有している。

圧電素子２の積層体部３は、長方形状の第一主面（図１において上面）３ａ及び長方形状の第二主面（図１において下面）３ｂを備えている。以下の説明においては、第一及び第二主面３ａ，３ｂの長辺方向を積層体部３（圧電素子２）の「長手方向」、短辺方向を積層体部３（圧電素子２）の「短手方向」、第一及び第二主面３ａ，３ｂが対向する方向、すなわち圧電体層を積層する積層方向を積層体部３（圧電素子２）の「厚み方向」と称する。積層体部３は、長手方向の大きさが１〜２０ｍｍ程度、短手方向の大きさが１〜１０ｍｍ程度、及び、厚み方向の大きさが０．２〜５ｍｍ程度に設定されている。

積層体部３の第一主面３ａの長手方向の中央位置には、他の外部装置を実装する際の端子電極となる外部電極層１１が配置されている。外部電極層１１は、第一主面３ａの長手方向の中央位置において短手方向に配列されている。外部電極層１１は、第一主面３ａ上において互いに電気的に絶縁された、第一外部電極１２、グランド外部電極１３、及び第二外部電極１４を含んでいる。

第一外部電極１２は、短手方向の一端側で矩形形状に形成されると共に、外部装置の電圧の出力端子に接続される。グランド外部電極１３は、短手方向の中央位置で矩形形状に形成されると共に、外部装置のグランド端子に接続される。第二外部電極１４は、短手方向の他端側で矩形形状に形成されると共に、外部装置の電圧の出力端子に接続される。第一外部電極１２、グランド外部電極１３、及び第二外部電極１４は、圧電素子２の第一主面３ａに導電性ペーストを付与した後に所定温度（例えば、７００℃程度）にて焼き付けることにより、形成される。導電性ペーストの焼き付けにより得られた焼付電極層に、電気めっきを施してめっき層を更に形成してもよい。導電性ペーストとしては、Ａｇを主成分とした導電材料を含む導電性ペーストを用いることができる。めっき層としては、Ｎｉ／Ａｕめっき層等が挙げられる。

各外部電極１２，１３，１４は、各外部電極１２，１３，１４に対応する部分に開口が形成されたメタルマスクを用い、スパッタリング法や蒸着法等により形成されてもよい。この場合、各外部電極１２，１３，１４を構成する膜構造は、Ｃｒ／Ｎｉ、ＮｉＣｕ／Ａｇ、ＳｎＡｇ、又はＡｕ等が挙げられる。

図２に示されるように、積層体部３の第二主面３ｂは、第１の領域４Ａと、第１の領域４Ａから突出した一対の第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２と、を含んでいる。すなわち、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２は、圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０の積層方向に平行な方向に第１の領域４Ａから突出するように形成されている。

第２の領域４Ｂ_１は、積層体部３の長手方向の大きさをＬとした場合、積層体部３の長手方向の一端３ｃから１／３Ｌ離れた位置において積層体部３の短手方向へ向かって延びるように位置している。第２の領域４Ｂ_２は、積層体部３の長手方向の他端３ｄから１／３Ｌ離れた位置において積層体部３の短手方向へ向かって延びるように配置されている（図３参照）。本実施形態では、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２長さは、積層体部３の幅と同じである。

保護膜５は、積層体部３よりも硬質な材料、例えば、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）、ＴｉＮ、ＳｉＣ、又はＢＰ（Boron Phosphor）からなる。保護膜５は、第二主面３ｂ（第１の領域４Ａ及び第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２）を覆っている。すなわち、保護膜５は、圧電素子２の一の外表面を構成している。保護膜５は、第１の領域４Ａを覆っている第１の領域５Ａと、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２を覆っている第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２と、を有する。そして、第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２は、圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０の積層方向に平行な方向に第１の領域５Ａから突出するように形成される。

本実施形態では、保護膜５の第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２は、被駆動体ＤＢと接触して被駆動体ＤＢとの間に摩擦力を生じさせる摩擦部として機能する平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１をそれぞれ有する。被駆動体ＤＢは、上記摩擦力により移動する。圧電素子２が保護膜５を有していない場合には、第二主面３ｂの第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が上記摩擦部として機能する平面を有する。保護膜５は、必ずしも第二主面３ｂ全体を覆っている必要はなく、少なくとも第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２を覆うように形成されていればよい。保護膜５の厚みは、例えば０．５〜２０μｍ程度である。

平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々は、第二主面（図２において上面）３ｂ側からみて、圧電素子２の長手方向の径よりも短手方向の径の方が長い楕円形状となっている。平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々は、第二主面３ｂ側からみて、圧電素子２の長手方向に沿った長さよりも短手方向に沿った長さの方が長い略矩形形状、多角形形状、これらを組み合わせた形状など、短手方向における端が辺を有する形状でもよい。この場合、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々において、その短手方向での中央領域における長手方向に沿った長さが、短手方向での端領域における長手方向に沿った長さよりも長くなる。なお、中央領域とは、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々において少なくともその中心を通過し長手方向に沿った線分を含む領域であり、端領域とは、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々において少なくとも短手方向における一端を含む領域である。

積層体部３は、図３及び図４に示されるように、圧電特性（すなわち、通電されることによって変形する）を有する長方形板状の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０と、中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層（グランド電極層）４１、及び第二内部電極層５１が積層された積層体として構成されている。中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層（グランド電極層）４１、及び、第二内部電極層５１は、圧電素子２内において圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０の積層方向（すなわち圧電素子２の厚み方向）に沿ってそれぞれ一層ずつ配置されている。

外部電極層１１は、後述するように、積層体部３の第一主面３ａとなる圧電体層１０上に形成されている。同様に、中継電極層２１は、圧電体層２０上に形成され、第一内部電極層３１は圧電体層３０上に形成され、第一グランド電極層４１は圧電体層４０上に形成され、第二内部電極層５１は圧電体層５０上に形成されている。

圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０は、例えば、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミック材料からなる。また、圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０の厚みは、例えば１０〜１００μｍ程度である。実際の積層型圧電アクチュエータ１では、複数の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０は、互いの間の境界が視認できない程度に一体化されている。

中継電極層２１は、圧電体層２０の長手方向の中央位置において短手方向に配列されている。中継電極層２１は、圧電体層２０上において互いに電気的に絶縁された、第一中継電極２２、グランド中継電極２３、及び第二中継電極２４を含んでいる。第一中継電極２２は、短手方向の一端側に位置しており、矩形形状を呈している。グランド中継電極２３は、短手方向の中央に位置しており、短手方向を長手方向とする長方形状を呈している。第二中継電極２４は、短手方向の他端側に位置しており、矩形形状を呈している。

第一内部電極層３１は、圧電体層３０上において互いに電気的に絶縁された第一電極３２、グランド中継電極３３、及び第二電極３４を含んでいる。グランド中継電極３３は、長手方向の中央位置において厚み方向から見てグランド中継電極２３と重なるように位置しており、長方形状を呈している。

第一電極３２は、電極部３２ａと中継電極部３２ｂとを有している。電極部３２ａは、圧電素子２の長手方向の中央位置よりも一端３ｃ側（すなわち、圧電体層３０の一端３０ｃ側）に配置されている。電極部３２ａは、グランド中継電極３３よりも一端３０ｃ側の圧電体層３０上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。電極部３２ａ内で第２の領域４Ｂ_１と対応する位置には、厚み形成領域１０１が形成されている。厚み形成領域１０１は、圧電素子２の厚み方向から見て、圧電素子２の長手方向よりも短手方向の方が長い直方体形状である。厚み形成領域１０１の短手方向の長さは、圧電素子２の短手方向における電極部３２ａの長さ以下であることが好ましい。厚み形成領域１０１は、電極部３２ａと同じ導電材料からなり、その高さは、例えば０．５〜１０μｍ程度である。

中継電極部３２ｂは、長手方向中央に配置されている。中継電極部３２ｂは、電極部３２ａから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第一中継電極２２と重なるように位置しており、矩形形状を呈している。

第二電極３４は、電極部３４ａと中継電極部３４ｂとを有している。電極部３４ａは、圧電素子２の長手方向の中央位置よりも他端３ｄ側（すなわち、圧電体層３０の他端３０ｄ側）に配置されている。電極部３４ａは、グランド中継電極３３よりも他端３０ｄ側の圧電体層３０上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。電極部３４ａ内での第２の領域４Ｂ_２に対応する位置には、厚み形成領域１０１と同様の形状及び厚さを有する厚み形成領域１０２が形成されている。厚み形成領域１０２は、電極部３４ａと同じ導電材料からなる。

中継電極部３４ｂは、長手方向中央に配置されている。中継電極部３４ｂは、電極部３４ａから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第二中継電極２４と重なるように位置しており、矩形形状を呈している。

第一グランド電極層４１は、圧電体層４０上において互いに電気的に絶縁された、第一中継電極４２、グランド電極４３、及び第二中継電極４４を含んでいる。グランド電極４３は、圧電体層４０上面の略全面を覆うように位置しており、略矩形形状を呈している。グランド電極４３は、厚み方向から見て電極部３３ａ、電極部３４ａ及びグランド中継電極２３，３３の全てと重なるように位置している。グランド電極４３内での第２の領域４Ｂ_１に対応する位置には、厚み形成領域１０１と同様の形状及び厚さを有する厚み形成領域１１１が形成されている。同様に、グランド電極４３内での第２の領域４Ｂ_２に対応する位置には、厚み形成領域１０２と同様の形状及び厚さを有する厚み形成領域１１２が形成されている。厚み形成領域１１１，１１２は、グランド電極４３と同じ導電材料からなる。

グランド電極４３には、その長手方向の中央位置において、圧電体層４０の短手方向の両端側に矩形形状の凹部が形成されている。当該凹部には、それぞれ第一中継電極４２及び第二中継電極４４が配置されている。第一中継電極４２は、厚み方向から見て、中継電極部３３ｂ及び第一中継電極２２と重なるように位置している。第二中継電極４４は、厚み方向から見て、中継電極部３４ｂ及び第二中継電極２４と重なるように位置している。

第二内部電極層５１は、圧電体層５０上において互いに電気的に絶縁された、第三電極５４、グランド中継電極５３、及び第四電極５２を含んでいる。グランド中継電極５３は、長手方向の中央位置において厚み方向から見て、グランド中継電極２３，３３と重なるように位置しており、長方形状を呈している。

第三電極５４は、電極部５４ａと中継電極部５４ｂとを有している。電極部５４ａは、圧電素子２の長手方向の中央位置よりも一端３ｃ側（すなわち、圧電体層５０の一端５０ｃ側）に配置されている。電極部５４ａ内での第２の領域４Ｂ_１に対応する位置には、厚み形成領域１０１と同様の形状及び厚さを有する厚み形成領域１２１が形成されている。厚み形成領域１２１は、電極部５４ａと同じ導電材料からなる。

中継電極部５４ｂは、長手方向中央に配置されている。電極部５４ａは、グランド中継電極５３よりも一端５０ｃ側の圧電体層５０上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。これにより、電極部５４ａは、厚み方向から見て、電極部３２ａ及びグランド電極４３の一部と重なる。中継電極部５４ｂは、電極部５４ａから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向から見て第二中継電極２４，４４及び中継電極部３４ｂと重なるように矩形形状を呈している。

第四電極５２は、電極部５２ａと中継電極部５２ｂとを含んでいる。電極部５２ａは、圧電素子２の長手方向の中央位置よりも他端３ｄ側（すなわち、圧電体層５０の他端５０ｄ側）に配置されている。電極部５２ａ内での第２の領域４Ｂ_１に対応する位置には、厚み形成領域１０１と同様の形状及び厚さを有する厚み形成領域１２２が形成されている。厚み形成領域１２２は、電極部５２ａと同じ導電材料からなる。

中継電極部５２ｂは、長手方向中央に配置されている。電極部５２ａは、グランド中継電極５３よりも他端５０ｄ側の圧電体層５０上面の略全領域を覆うように位置しており、矩形形状を呈している。これにより、電極部５２ａは、厚み方向から見て、電極部３４ａ及びグランド電極４３の一部と重なる。中継電極部５２ｂは、電極部５２ａから長手方向の中央位置に突出すると共に厚み方向からみて上方の第一中継電極２２，４２及び中継電極部３３ｂと重なるように位置しており、矩形形状を呈している。

圧電体層１０，２０，３０，４０には、第一中継電極２２，４２、中継電極部３２ｂ，５２ｂに対応する位置に、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成されている。これらのスルーホールには、第一スルーホール導体６が配置されている。これにより、第一外部電極１２、第一中継電極２２、第一電極３２、第一中継電極４２、及び第四電極５２が互いに電気的に接続される。

圧電体層１０，２０，３０，４０には、グランド中継電極２３，３３，５３、及び、グランド電極４３の長手方向中央領域に対応する位置には、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成されている。これらのスルーホールには、グランドスルーホール導体７が配置されている。これにより、グランド外部電極１３、グランド中継電極２３、グランド中継電極３３、グランド電極４３、及びグランド中継電極５３が互いに電気的に接続される。

圧電体層１０，２０，３０，４０には、第二中継電極２４，４４及び中継電極部３４ｂ，５４ｂに対応する位置に、厚み方向へ貫通するスルーホールが形成される。これらのスルーホールには、第二スルーホール導体８が配置されている。これにより、第二外部電極１４、第二中継電極２４、第二電極３４、第二中継電極４４、及び第三電極５４が互いに電気的に接続される。

第一スルーホール導体６とグランドスルーホール導体７と第二スルーホール導体８とは、圧電素子２の長手方向の中央位置に位置すると共に、それぞれ圧電素子２の短手方向に配列される。これらのスルーホール導体６，７，８は、導電性材料を含んでいる。各スルーホール導体に含まれる導電性材料としては、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｎ及びＮｉからなる群より選ばれる１種以上の金属、又は上記金属を１種以上含む合金からなることが好ましい。各スルーホール導体６，７，８の直径は、例えば２０〜１００μｍ程度である。各電極層１１，２１，３１，４１，５１及び圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０からなる圧電素子２は、厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２及び圧電素子２を振動させる駆動層ＬＹ３を含む。

駆動層ＬＹ３は、第一内部電極層３１、圧電体層３０、第一グランド電極層４１、圧電体層４０、及び第二内部電極層５１から構成されている。厚み調整層ＬＹ１は、圧電体層１０、中継電極層２１、及び圧電体層２０から構成されている。厚み調整層ＬＹ２は、圧電体層５０及び圧電体層７０から構成されている。駆動層ＬＹ３の内、第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、及び第二内部電極層５１と重なり、電圧の印加により変位を生じる領域は活性部であり、これらと重ならず、電圧の印加によっても変位しない領域は非活性部となる。厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２は、圧電素子２の製造時において、研磨されてその厚みが調整されることにより、圧電素子２における振動の周波数が調整される。厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２の厚みが略同一に設定されることにより、圧電素子２は厚み方向に対称な構成となる。

駆動層ＬＹ３において、第一内部電極層３１と第一グランド電極層４１とに挟まれた圧電体層３０と、第一グランド電極層４１と第二内部電極層５１とに挟まれた圧電体層４０とは、それぞれ分極処理が施されている。分極処理においては、第一内部電極層３１から第一グランド電極層４１に向かって分極され、第二内部電極層５１から第一グランド電極層４１に向かって分極される。

積層体部３では、厚み形成領域１０１，１０２，１１１，１１２，１２１，１２２の厚みに対応した分、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が第１の領域４Ａから突出する。したがって、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２の突出する高さは、厚み形成領域の数及び高さにより調整することができる。

次に、積層型圧電アクチュエータ１の動作について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、積層型圧電アクチュエータ１の各振動モードを示した図である。図６は、積層型圧電アクチュエータ１が被駆動体ＤＢを駆動させる様子を示した図である。

積層型圧電アクチュエータ１は、駆動時においては２つの共振モードを有している。具体的には、積層型圧電アクチュエータ１は、図５の（ａ）に示されるような圧電素子２の長手方向に振動する縦振動モードと、図５の（ｂ）に示されるような圧電素子２の厚み方向への曲げ振動モードと、の重ね合わせによって振動する。縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数は、圧電素子２の厚み調整層ＬＹ１及びＬＹ２（図３参照）の研磨によって合わせ込みがなされている。

図６では、縦振動モードと曲げ振動モードが重ね合わされた様子が示されている。第一電極３２とグランド電極４３と圧電体層３０とから構成される活性部Ａ１、及び、第四電極５２とグランド電極４３と圧電体層４０とから構成される活性部Ａ４を駆動させると、図６の（ａ）に示されるように、保護膜５の第２の領域５Ｂ_２における平面５Ｂ_２１が被駆動体ＤＢと接触して、第２の領域５Ｂ_２の平面５Ｂ_２１と被駆動体ＤＢとの間に摩擦力が生じる。第２の領域５Ｂ_２の平面５Ｂ_２１と被駆動体ＤＢとの間に生じた摩擦力により、被駆動体ＤＢが図６の（ａ）中の矢印方向に移動する。活性部Ａ１及び活性部Ａ４の中心が電圧印加による変位が最も大きいので、第２の領域５Ｂ_２は、圧電素子２の厚み方向から見て、活性部Ａ１及び活性部Ａ４の中心と重なっていることが好ましい。

一方、第二電極３４とグランド電極４３と圧電体層３０とから構成される活性部Ａ２、及び第三電極５４とグランド電極４３と圧電体層４０とから構成される活性部Ａ３を駆動させると、図６の（ｂ）に示されるように、保護膜５の第２の領域５Ｂ_１における平面５Ｂ_１１が被駆動体ＤＢと接触して、第２の領域５Ｂ_１の平面５Ｂ_１１と被駆動体ＤＢとの間に摩擦力が生じる。第２の領域５Ｂ_１の平面５Ｂ_１１と被駆動体ＤＢとの間に生じた摩擦力により、被駆動体ＤＢが図６の（ｂ）中の矢印方向に移動する。活性部Ａ２及び活性部Ａ３の中心が電圧印加による変位が最も大きいので、第２の領域５Ｂ_１は、圧電素子２の厚み方向から見て、活性部Ａ２及び活性部Ａ３の中心と重なっていることが好ましい。

第一外部電極１２と第二外部電極１４とに位相を９０度ずらした電圧をそれぞれ印加して圧電素子２を駆動させると、摩擦部（平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１）にそれぞれ位相が１８０度ずれた楕円運動が生じ、交互に被駆動体ＤＢとの間に摩擦力が作用して、被駆動体ＤＢが移動する。

上述の振動は、図３及び図６を参照して、圧電素子２の長手方向の中央位置と、一端３ｃから１／６Ｌの位置と、他端３ｄから１／６Ｌの位置とを節（振動において振幅を生じない位置）とすると共に、一端３ｃと、他端３ｄと、一端３ｃから１／３Ｌの位置（すなわち第２の領域５Ｂ_１が設けられる位置）と、他端３ｄから１／３Ｌの位置（すなわち第２の領域５Ｂ_２が設けられる位置）とを最大振幅を生じる位置とする。

次に、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ１の製造方法について、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ１の製造方法を示すフローチャートである。

図７に示されるように、積層型圧電アクチュエータ１の製造工程は、塗料化工程Ｓ１から工程を開始する。塗料化工程Ｓ１では、圧電体層１０〜７０の材料となる圧電材料と有機溶剤と有機バインダとを混合して、これらを塗料化する。次に、シート化工程Ｓ２が行われる。シート化工程Ｓ２では、ＰＥＴフィルム２０１上に、塗料化工程Ｓ１で得られた塗料を付与し、圧電体層１枚あたりの厚みに対応する厚みを有する圧電体シートを形成する。

シート化工程Ｓ２が終了すると、スルーホール形成工程Ｓ３が行われる。スルーホール形成工程Ｓ３では、圧電体シートに、スルーホール導体６，７，８の配置位置に対応する所定の位置にスルーホールを形成する。圧電体シートにスルーホールを形成した後、内部電極印刷工程Ｓ４及び電極材料パターン形成工程Ｓ５が行われる。内部電極印刷工程Ｓ４は、電極材料パターン形成工程Ｓ５の後に行われてもよい。

内部電極印刷工程Ｓ４では、導電性ペーストを用い、切断前の各圧電体層１０〜７０の上面に、対応する電極パターン及びスルーホール導体パターンをスクリーン印刷等により形成する。このとき、各圧電体層１０〜７０に対して、外部電極層１１、中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、第二内部電極層５１、及びスルーホール導体６，７，８に対応するパターンが形成される。

電極材料パターン形成工程Ｓ５では、少なくとも第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、及び第二内部電極層５１の所望の位置に、スクリーン印刷等により各電極層と同じ材料からなる導電性ペーストを付与する。この導電性ペーストは、それぞれが厚み形成領域１０１，１０２，１１１，１１２，１２１，１２２となる。厚み形成領域１０１〜１２２は、直方体形状に形成されている。長手方向における厚み形成領域１０１〜１２２の長さは、例えば０．１〜５ｍｍ程度であり、短手方向における厚み形成領域１０１〜１２２の長さは、例えば０．５〜１０ｍｍ程度である。厚み形成領域１０１〜１２２の高さは、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、スクリーン印刷等の工程の繰り返し回数によって、調節することができる。

積層・プレス工程Ｓ６では、切断前の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，７０を、上からこの順番で積層することで、図８に示されるような積層体８０が得られる。積層体８０のプレスは、静水圧プレスによって行われる。図９に示されるように、ＰＥＴフィルム２０１上に配置された積層体８０は、ＳＵＳ基板２０２上に配置され、積層体８０、ＰＥＴフィルム２０１、及びＳＵＳ基板２０２は、真空フィルム２０３，２０４によって真空密封される。この真空密封された積層体８０を、例えば水槽内に溜められた水に沈め、静水圧プレスを行う。静水圧プレスにより、厚み形成領域１０１〜１２２が形成されている領域と対応する、積層体８０のＰＥＴフィルム２０１と接していない外表面が突出し、図９に示されるような第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が形成される。一方で、積層体８０のＰＥＴフィルム２０１と接する外表面は、ＳＵＳ基板２０２の存在により、突出が阻害される。これにより、圧電素子２の外表面の選択性よく第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が形成される。静水圧プレスにて積層体８０に加える圧力は、例えば１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度（１００ＭＰａ程度）である。また、水の温度は、例えば６０℃程度である。静水圧プレス後、脱バインダ・焼成工程Ｓ７が行なわれる。

ところで、ディスペンサによる塗布やスクリーン印刷による導電性ペーストの付与は、積層体８０に凹部を形成する機械加工精度に比して、導電性ペーストの付与位置の精度が極めて高い。したがって、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２を形成するための位置精度が向上し、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２の位置ばらつきが生じるのを防ぐことができる。また、導電性ペーストの付与をディスペンサによる塗布やスクリーン印刷にて行なうことにより、導電性ペーストの高さを上述したように低く抑えることができ、積層型圧電アクチュエータ１の低背化を図ることができる。更に、ディスペンサによる塗布やスクリーン印刷は既存の工程であり、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２を極めて安価で且つ簡易に形成することができる。

次に、脱バインダ・焼成工程Ｓ７が行われる。ここでは、所定の熱処理条件にて、積層体８０の脱バインダ処理が行われ、さらに焼成処理が行われる。これにより、焼成された積層体８０に、活性部に対応する領域と重なるように第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が形成される。第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２の高さは、例えば５〜３０μｍ程度であり、その幅は、例えば０．５〜２ｍｍ程度である。

積層体８０の焼成後、研磨工程Ｓ８が行われる。研磨工程Ｓ８では、厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２の研磨を行うことによって、縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数との合わせ込みがなされる。具体的には、圧電体層１０あるいは圧電体層７０の研磨が行われる。研磨工程Ｓ８後、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２の一部が平坦化され、第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が、それぞれ平面を有する。

続いて、表面電極形成工程Ｓ９が行なわれる。ここでは、導電性ペーストを用い、圧電体層１０の上面に露出しているスルーホール導体６，７，８と外部回路とを電気的に接続するための第一外部電極１２、グランド外部電極１３、及び第二外部電極１４に対応する電極パターンを圧電体層１０の上面にスクリーン印刷等により形成する。その後、所定の熱処理条件にて、電極パターンを焼成（焼付け）する。これにより、第一外部電極１２、グランド外部電極１３、及び第二外部電極１４が形成される。各外部電極１２，１３，１４は、上述したように、メタルマスクを用い、スパッタリング法や蒸着法等により形成してもよい。

次に、保護膜形成工程Ｓ１０が行なわれる。保護膜形成工程Ｓ１０では、積層体８０における第２の領域４Ｂ_１，４Ｂ_２が形成された外表面全体を覆うように、保護膜５を形成する。保護膜５の形成は、プラズマＣＶＤ法等を用いることができる。保護膜形成工程Ｓ１０後、平面５Ｂ_１１を有する第２の領域５Ｂ_１と、平面５Ｂ_２１を有する第２の領域５Ｂ_２がそれぞれ形成される。

平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々は、積層体８０の厚さ方向から見て、圧電素子２の長手方向の径よりも短手方向の径の方が長い楕円形状となっている。平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の短手方向における端領域にて、第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、及び第二内部電極層５１と重ならない部分が形成される場合がある。当該部分は非活性部と重なり、第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２の変位を阻害するように働く。このため、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１を上述のような楕円形状とすることで、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１における端領域が小さくなる。平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の形状を上述の楕円形状に代えて、圧電素子２の長手方向の長さよりも短手方向の長さの方が長い略矩形形状、多角形形状、またはこれらを組み合わせた形状など、短手方向における端が辺を有する形状でもよい。この場合、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々において、短手方向での中央領域における長手方向に沿った長さが、短手方向での端領域における長手方向に沿った長さよりも長くなることで、端領域が小さくなる。平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々の短手方向に沿った長さを、短手方向における上述の電極の長さ以下にしてもよい。

次に、分極工程Ｓ１１が行われる。分極工程Ｓ１１では、圧電材料の極性を揃えるために、既知の手法により、分極処理が行われる。その後、積層体８０を、圧電素子２ごとに切断する個品切断工程Ｓ１２が行われる。積層体８０は、図８に示された一点鎖線に沿って切断される。個別に切断された圧電素子２はバレル研磨機に入れられ、バレル研磨工程Ｓ１３が行われる。最後に、電気特性を検査する電気特性検査工程Ｓ１４と外観検査工程Ｓ１５が行われて、図７に示された製造工程が終了する。

次に、上述のように構成された積層型圧電アクチュエータ１の作用・効果について説明する。

積層型圧電アクチュエータ１は、上述したように、複数の圧電体層を積層することによって形成され、第一及び第二主面を有する直方体状の素体と、第一及び第二主面に対向するように素体内に配置され、素体の長手方向の中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第一電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第一電極と電気的に絶縁された第二電極を有する第一内部電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んで第一内部電極層の第一電極の電極部及び第二電極の電極部と対向するように素体内に配置されるグランド電極を有するグランド電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んでグランド電極層と対向するように素体内に配置され、中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第三電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第三電極部と電気的に絶縁された第四電極を有する第二内部電極層と、第一主面に形成され、それぞれが電気的に絶縁された第一外部電極、第二外部電極、及びグランド外部電極を有する外部電極層と、素体内を圧電体層が積層される方向である厚み方向に延びて第一外部電極、第一電極及び第四電極同士を電気的に接続する第一スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びて第二外部電極、第二電極及び第三電極同士を電気的に接続する第二スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びてグランド外部電極及びグランド電極同士を電気的に接続するグランドスルーホール導体と、を備え、第一スルーホール導体、第二スルーホール導体及びグランドスルーホール導体は、中央位置に配置されると共に、それぞれ素体の幅方向に配列されており、長手方向に縦振動を生じると共に厚み方向に曲げ振動を生じる。

すなわち、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ１では、第一外部電極１２、第一電極３２及び第四電極５２同士を電気的に接続する圧電素子２内の第一スルーホール導体６と、第二外部電極１４、第二電極３４及び第三電極５４同士を電気的に接続する圧電素子２内の第二スルーホール導体８と、グランド外部電極１３及びグランド電極４３を電気的に接続する圧電素子２内のグランドスルーホール導体７とが、圧電素子２の長手方向の中央位置に配置されると共に、それぞれ圧電素子２の短手方向に配列されている。このように、電極同士の電気的な接続が圧電素子２内に形成された各スルーホール導体６，７，８によってなされているため、他部品との接触を考慮することなく設計することが可能となると共に、従来の積層型圧電アクチュエータのように側面電極を設けた場合に比して部品の小型化を図ることが可能となる。

電極同士を接続するスルーホール導体６，７，８は圧電素子２内部に設けられているため、周囲の環境の影響を受けることを防止することができ、信頼性を向上させることができる。また、外部に側面電極があった場合は、製造時において、積層体８０を形成して、圧電素子ごとに切断した後、各々の圧電素子について側面電極を形成する工程が追加されるが、圧電素子２内にスルーホール導体６，７，８を設けることによって、積層体８０切断後の側面電極形成工程を省略することが可能となる。

ここで、上述のように、グランド電極４３を挟んで圧電素子２の長手方向の中央位置を基準として対角の位置関係をなす第一電極３２と第四電極５２が電気的に接続されると共に同様の位置関係をなす第二電極３４と第三電極５４が電気的に接続されている。このため、積層型圧電アクチュエータ１は圧電素子２の中央位置（中央線ＣＬの位置）を節として長手方向に縦振動と厚み方向の曲げ振動を発生させるが、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ１では節となる中央位置に各スルーホール導体６，７，８が形成されているため、各スルーホール導体６，７，８に作用する応力を緩和することができ、信頼性を向上させることができる。

スルーホール導体を設けた圧電素子部分周辺の構造は柔らかくなるが、圧電素子２の長手方向の中央位置に複数のスルーホール導体６，７，８を設けることによって圧電素子２中央位置付近の構造が柔らかくなることによって変形し易くなる。具体的には、図１０に示すように、スルーホール導体が長手方向の中央位置に形成されていない従来の積層型圧電アクチュエータＰの変位（図中で変位ＤＰ２で示される）に比して、本実施形態の積層型圧電アクチュエータ１の変位（図１０中で変位ＤＰ１で示される）が大きくなる。これによって、圧電素子２に作用する内部応力を増加させることなく、駆動時の変位を大きくすることが可能となり、性能を向上させることができる。以上によって、積層型圧電アクチュエータ１の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることができる。

更に、積層型圧電アクチュエータ１では、圧電素子２の一の外表面が、第１の領域５Ａから突出した第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２を含んでおり、被駆動体ＤＢに接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１を圧電素子２が有することとなる。このため、上記被駆動体ＤＢとの間に摩擦部として機能する平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１を圧電素子２とは別体の部材にて構成する必要はなく、また、別体の部材を固定するための凹部を圧電素子２（不活性部）に形成する必要がない。したがって、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の形成が不活性部の設計寸法に影響を及ぼすことはなく、圧電素子２のサイズが制限されるのを防ぐことができる。そして、凹部の形成に起因する摩擦部の位置のばらつきが排除され、共振モード（第１及び第２の振動モード）における共振周波数がばらつくのを抑制されることとなる。この結果、積層型圧電アクチュエータ１の駆動状態にばらつきが生じるのを抑制することができる。

積層型圧電アクチュエータ１では、摩擦部として機能する平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１を別体の部材にて構成しないので、別体の部材が圧電素子２から剥がれるといった不具合も発生しない。

積層型圧電アクチュエータ１において、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１は、圧電素子２の長手方向に沿った長さが圧電素子２の短手方向に沿った長さよりも短く、且つ、短手方向での中央領域における長手方向に沿った長さが、短手方向での端領域における長手方向に沿った長さよりも長い。このような第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２を有する積層型圧電アクチュエータ１は、電圧印加による変位が大きい領域の面積が大きくなる。つまり、圧電素子２と被駆動体とが接触する面積が大きくなることにより生じる摩擦力が大きくなる。一方で、短手方向での平面の端が短いことにより、圧電素子２の変位を阻害する領域の面積が小さくなる。従って、第２の領域５Ｂ_１が平面５Ｂ_１１を、第２の領域５Ｂ_２が平面５Ｂ_２１を有することによって、積層型圧電アクチュエータ１の駆動力が向上する。

平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々の圧電素子２の短手方向に沿った長さは、該短手方向における活性部の長さ以下である。平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の各々の短手方向に沿った長さが上述の長さになることによって、平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１は、圧電素子２の厚み方向から見て、活性部の内部に位置する。これにより、短手方向での平面５Ｂ_１１，５Ｂ_２１の端領域によって、圧電素子２の変位が阻害されることを抑制することができる。

積層型圧電アクチュエータ１では、圧電素子２の第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２の各々は、一の外表面に直交する方向（圧電素子２の厚み方向）から見て、対応する活性部の中心と重なっていることが好ましい。活性部の中心は、電圧印加により最も変位する位置である。第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２の各々が、対応する活性部の中心と上述のように重なることによって、電圧印加による第２の領域５Ｂ_１，５Ｂ_２の変位が大きくなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、圧電素子２の外表面に位置する電極層（外部電極層１１）と、圧電素子２内に位置する電極層（中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、及び第二内部電極層５１）と、が圧電素子２内に位置するスルーホール導体６，７，８により電気的に接続されているが、これに限られない。例えば、圧電素子２内に位置する電極層に含まれる電極を圧電素子２の外表面に露出するように引き出し、圧電素子２の外表面に露出するように引き出された電極部分と圧電素子２の外表面に位置する電極層とを、圧電素子２の外表面に配置された導体により電気的に接続してもよい。ところで、本実施形態では、圧電素子２の外表面に保護膜５を形成している。保護膜５が導電性を有する材料を含んでいる場合には、ショートの発生を防止するためにも、スルーホール導体６，７，８により電気的な接続を実現した構成を採用することが好ましい。

１…積層型圧電アクチュエータ、２…圧電素子、３…積層体部、３ａ…第一主面、３ｂ…第二主面、４Ａ…第１の領域、４Ｂ_１，４Ｂ_２…第２の領域、５…保護膜、５Ａ…第１の領域、５Ｂ_１，５Ｂ_２…第２の領域、５Ｂ_１１，５Ｂ_２１…平面、１０１，１０２，１１１，１１２，１２１，１２２…厚み形成領域、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４…活性部、ＤＢ…被駆動体。

Claims (3)

1. 略直方体形状であって、印加される電圧により第１の振動モードと第２の振動モードとを同時に発生させる圧電素子を備えた圧電アクチュエータであって、
   前記圧電素子は、前記圧電素子に配置された複数の内部電極に挟まれ且つ電圧の印加により変位を生じる活性部を有しており、
   前記圧電素子の一の外表面は、第１の領域と、該第１の領域から突出すると共に前記一の外表面における前記活性部に対応する領域と重なるように位置する第２の領域と、を含み、
   前記第２の領域は、被駆動体に接触して該被駆動体との間に摩擦力を生じさせる平面を有し、
   前記平面は、前記圧電素子の長手方向に沿った長さが前記圧電素子の短手方向に沿った長さよりも短く、且つ、前記短手方向での中央領域における前記長手方向に沿った長さが、前記短手方向での端領域における前記長手方向に沿った長さよりも長いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記平面は、前記短手方向に沿った長さが、前記短手方向に沿った前記活性部の長さ以下であ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。
3. 前記第２の領域は、前記一の外表面に直交する方向から見て、前記活性部の中心と重なっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。

Images