JP6155612B2 - 積層型圧電素子及び圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子及びこれを含む圧電アクチュエータに関する。

圧電素子は、圧電効果および逆圧電効果を利用し、機械的な変位と電気的な変位とを相互に変換する素子である。このような圧電素子は、例えば、圧電セラミックスを成形・焼成して素子本体を得た後、これに電極を形成し、さらに分極処理を施すことによって製造される。

圧電素子は、たとえば精密かつ正確な制御が要求されるアクチュエータの一部として好適に利用される。より具体的には、レンズ駆動用、ＨＤＤのヘッド駆動用、インクジェットプリンタのヘッド駆動用、燃料噴射弁駆動用等の用途が挙げられる。

また、電極と圧電体層の積層構造を有する積層型圧電素子は、単位体積あたりの変位量や駆動力を、非積層型の圧電素子に比べて大きくすることが可能であり、例えば小型のアクチュエータ等の一部として特に好適に用いられる（特許文献１等参照）。

国際公開２００７−０５２５９９号公報

しかし、昨今アクチュエータ等の性能向上等の観点から、より大きい変位量が得られる積層型圧電素子の開発が求められている。また、アクチュエータに用いる積層型圧電素子には、積層型圧電素子で発生した変位を他の部材に伝達できるように、より高い強度と信頼性が求められている。

本発明の目的は、強度の確保と変位の向上を両立し得る積層型圧電素子を提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明に係る積層型圧電素子は、圧電体層を挟んで積層された内部電極と、積層方向に沿って延在する側面に形成されており前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有しており、前記積層方向に直交する方向の断面積が互いに異なる第１部分と第２部分とを有し、前記第１部分が、前記積層方向に直交する方向の断面積が前記第１部分より大きい前記第２部分に、前記積層方向の両側を挟まれるように配置されていることを特徴とする。

本発明に係る積層型圧電素子は、積層方向に直交する方向の断面積が互いに異なる第１部分と第２部分とを有し、断面積の小さい第１部分が、断面積の大きい第２部分に挟まれている。第１部分周辺では、第２部分より圧電活性部に対する圧電不活性部の割合が小さくなるため、このような第１部分を有する積層型圧電素子は、より大きい変位を生じる。また、断面積の大きい第２部分が強度を補うことにより、本発明に係る積層型圧電素子は、強度の確保と変位の向上を両立することができる。

また、例えば、前記積層方向の両方の端面の間に積層された前記圧電体層及び前記内部電極は、一体焼成されていても良い。

積層型圧電素子に含まれる全ての圧電体層及び内部電極層は、一体に焼成されていることが好ましく、このような積層型圧電素子は、製造が容易であって、かつ良好な強度を奏する。

また、例えば、本発明に係る積層型圧電素子は、複数の前記第１部分を備えていても良い。

積層方向に沿って第１部分と第２部分とが繰り返される構造とすることにより、圧電不活性部の体積を減少させて変位を向上させながら、効果的に強度を確保することが可能である。

また、例えば、前記第２部分における前記外部電極の表面に樹脂が付着した樹脂付着部が形成されていても良い。

外部電極の表面に樹脂付着部が形成されている積層型圧電素子は、バレル研磨等によって、容易に第１部分及び第２部分を形成することが可能であり、製造が容易である。

本発明に係る圧電アクチュエータは、上述のうち何れか１つの積層型圧電素子と、
前記積層方向の両方の端面の少なくとも一方に取り付けられる接続部材と、
前記外部電極に対して電気的に接続され、前記外部電極に対して駆動信号を印加する駆動部と、を有し、
前記駆動部による駆動によって、前記第１部分よりも前記第２部分の近くに振動の節が生じることを特徴とする。

圧電アクチュエータにおいて、振動の節の位置には、他の部分より大きな負荷がかかると考えられるが、振動の節が、断面積の大きい第２部分の近くに生じる圧電アクチュエータは、特に好適な耐久性を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子を利用したレンズ駆動装置を示す概念図である。 図２は、図１に示すレンズ駆動装置に含まれる積層型圧電素子を拡大した斜視図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２に示す積層型圧電素子の積層方向に直交する方向の断面による断面図である。 図４は、図１に示すレンズ駆動装置の駆動によって生じる振動の節の位置を表す概念図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る積層型圧電素子を表す平面図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係る積層型圧電素子を表す平面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子２０を利用したレンズ駆動装置６０を示す概念図である。レンズ駆動装置６０は、積層型圧電素子２０、錘４２、シャフト４４及びこれらを連結する第１及び第２樹脂部５２，５４を有する。また、レンズ駆動装置６０は、積層型圧電素子２０に駆動信号を印加する駆動回路５８や、積層型圧電素子２０と駆動回路５８とを電気的に接続する配線部３２等をさらに有する。

積層型圧電素子２０の積層方向における一方の端面である第１端面２２には、第１樹脂部５２を介して錘４２が固定されている。また、積層型圧電素子２０の積層方向における他方の端面である第２端面２４には、第２樹脂部５４を介してシャフト４４が接続されている。

また、レンズ駆動装置６０は、シャフト４４に対して移動自在に係合された移動部材５６を有している。移動部材５６はレンズを保持しており、移動部材５６及びこれに保持されるレンズは、シャフト４４に沿って相対移動することができる。

積層型圧電素子２０は、駆動回路５８によって電圧を印加されて変形する。これに伴い、積層型圧電素子２０に接続されたシャフト４４は、矢印３４で示す方向に往復運動する。駆動回路５８が出力する電圧波形は特に限定されないが、駆動回路５８は、たとえばノコギリ波形の電圧波形を出力することにより、積層型圧電素子２０の変形量及びこれに伴うシャフト４４の変位量を越える移動量を、移動部材５６に発生させることができる。

なお、本実施形態では、積層型圧電素子２０をレンズ駆動装置６０に適用した態様を例に挙げて説明を行うが、積層型圧電素子２０を適用する装置としてはこれに限定されず、積層型圧電素子２０は、その他の駆動装置等にも適用することができる。

図１及び図２に示すように、レンズ駆動装置６０に含まれる積層型圧電素子２０は、略角柱状（本実施形態では四角柱）の外観形状を有しており、圧電体層２６と、第１及び第２内部電極２７ａ，２７ｂと、第１及び第２外部電極２８ａ，２８ｂとを有する。なお、積層型圧電素子２０の外観形状は、角柱状に限定されず、円柱状、楕円柱状その他の形状であってもかまわない。

積層型圧電素子２０の内部において、第１内部電極２７ａと、第２内部電極２７ｂは、圧電体層２６を挟んで交互に積層されている。第１外部電極２８ａと第２外部電極２８ｂは、積層型圧電素子２０の面のうち、積層方向に沿って延在する側面に形成されている。図２に示すように、第１外部電極２８ａは、積層方向Ｚに沿って延在する第１側面２５ａに形成されており、第２外部電極２８ｂは、第１側面２５ａとは反対方向を向く第２側面（不図示）に形成されている。

図１及び図２に示すように、第１内部電極２７ａは、第１外部電極２８ａに電気的に接続されており、第２内部電極２７ｂは、第２外部電極２８ｂに電気的に接続されている。図２に示すように、積層型圧電素子２０の側面のうち、第１及び第２外部電極２８ａ，２８ｂが形成されていない第３側面２５ｃ及び第４側面（不図示）には、第１内部電極２７ａ及び第２内部電極２７ｂが露出しているが、当該第３側面２５ｃ及び第４側面には、マイグレーションを防止するための樹脂層が形成されていても良い。

図２に示すように、積層型圧電素子２０は、積層方向Ｚに沿って延在する稜線部２１が、積層方向中央部で中心側へ向かって湾曲した形状を有しており、積層方向中央部でくびれた外形を有している。したがって、積層型圧電素子２０は、積層方向に直交する方向の断面積が互いに異なる第１部分２９ａと第２部分２９ｂとを有する。

図３（ａ）は、図２に示す第１部分２９ａにおける積層方向Ｚに直交する方向の断面図であり、図３（ｂ）は、図２に示す第２部分２９ｂにおける積層方向Ｚに直交する方向の断面図である。第１部分２９ａにおける稜線部２１ａは、第２部分２９ｂにおける稜線部２１ｂより素子中央に近い位置にある。また、稜線部２１（稜線部２１ａ,２１ｂを含む）は、Ｒ形状となっており、第１部分２９ａにおける稜線部２１ａの曲率半径は、第２部分２９ｂにおける稜線部２１ｂの曲率半径より大きい。ただし、稜線部２１は必ずしもＲ形状である必要はなく、その他の曲線及び直線形状であってもよい。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２部分２９ｂの断面積Ｓｂは、第１部分２９ａの断面積Ｓａより大きく、図２に示すように、断面積の小さい第１部分２９ａが、断面積の大きい第２部分２９ｂによって積層方向Ｚの両側を挟まれるように、配置されている。さらに、図３（ａ）と図３（ｂ）の比較から、くびれ部分に相当する第１部分２９ａでは、圧電体層２６のうち、特に外部電極２８ａ，２８ｂに近い位置にある圧電不活性領域２６ｂが、ふくらみ部分に相当する第２部分２９ｂより小さいことが解る。

これに対して、圧電体層２６のうち外部電極２８ａ，２８ｂから離れた位置（中央部付近）にある圧電活性領域２６ａについては、第１部分２９ａと第２部分２９ｂとで、ほぼ同じ大きさである。なお、圧電活性領域２６ａは、圧電体層２６のうち、積層方向Ｚに沿って互いに極性の異なる第１内部電極２７ａと第２内部電極２７ｂの間に挟まれる部分であり、圧電不活性領域２６ｂは、圧電活性領域２６ａ以外の部分である。

第１部分２９ａは、圧電体層２６に占める圧電不活性領域２６ｂの割合が、第２部分２９ｂに対して小さいため、第２部分２９ｂより大きい変位を生じることができる。なぜなら、圧電不活性領域２６ｂには、圧電体層２６の変位量を抑制する作用があるため、圧電活性領域２６ａが同様の大きさであれば、圧電不活性領域２６ｂが小さい方が、より大きい変位を生じることができるからである。

これに対して、第２部分２９ｂは、積層方向Ｚに直交する方向の断面積が大きいため、積層型圧電素子２０の強度向上に資する。本実施形態に係る積層型圧電素子２０は、断面積の小さい第１部分２９ａが、断面積の大きい第２部分２９ｂによって積層方向Ｚの両側を挟まれるように配置されており、強度の確保と変位の向上を両立することができる。

図４は、図１に示すレンズ駆動装置６０の駆動によって生じる振動の節の位置Ｐを示す概念図である。図４下部のグラフは、レンズ駆動装置６０の各位置で生じる変位を表しており、実線は積層型圧電素子２０が積層方向Ｚに沿って伸張した際の変位を表しており、鎖線は、積層型圧電素子２０が積層方向Ｚに沿って収縮した際の変位を表している。積層型圧電素子２０における第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂの位置は特に限定されないが、図４に示すように、第１部分２９ａよりも第２部分２９ｂの近くに、振動の節が生じることが好ましい。振動の節の位置Ｐ近傍には、他の部分より大きな負荷がかかるため、断面積の大きい第２部分２９ｂの近くに振動の節が生じるレンズ駆動装置６０は、特に好適な耐久性を有する。

図２に示す積層型圧電素子２０において、第１内部電極２７ａ及び第２内部電極２７ｂを構成する導電材としては、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属およびこれらの合金（Ａｇ−Ｐｄなど）、あるいはＣｕ、Ｎｉ等の卑金属およびこれらの合金などが挙げられるが、特に限定されない。第１外部電極２８ａ及び第２外部電極２８ｂを構成する導電材料も特に限定されず、内部電極を構成する導電材と同様の材料を用いることができる。なお、第１外部電極２８ａ及び第２外部電極２８ｂの最外表面には、上記各種金属のメッキ層やスパッタ層が形成してあってもよい。

また、圧電体層２６の材質は、圧電効果あるいは逆圧電効果を示す材料であれば、特に制限されず、たとえば、ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３、ＢａＴｉＯ_３などが挙げられる。また、特性向上等のための成分が含有されていてもよく、その含有量は、所望の特性に応じて適宜決定すればよい。

積層型圧電素子２０に取り付けられる各部材の材質は特に限定されないが、例えばシャフト４４は、移動部材５６を好適に支持できるように、ＳＵＳ等の金属材料等によって構成することができる。また、錘４２は、シャフト４４に変位を与えるための慣性体として好適に機能するように、タングステン等の比較的比重の大きい金属材料等を含むことが好ましいが、錘４２の材質は特に限定されない。

積層型圧電素子２０と錘４２又はシャフト４４を連結する第１樹脂部５２及び第２樹脂部５４の材質も特に限定されないが、例えば第１樹脂部５２及び第２樹脂部５４は、熱硬化性接着剤が硬化した接着材硬化部によって構成される。

以下に、図４及び図５を用いて、積層型圧電素子２０及びレンズ駆動装置６０の製造方法の一例を説明する。

積層型圧電素子２０の製造工程では、まず、焼成後に第１内部電極２７ａおよび第２内部電極２７ｂとなる所定パターンの内部電極ペースト膜が形成されたグリーンシートと、内部電極ペースト膜を持たないグリーンシートとを、用意する。

グリーンシートは、例えば以下のような方法で作製される。まず、圧電体層２６を構成する材料の原料を含む仮焼粉末にバインダを加えてスラリー化する。次に、スラリーをドクターブレード法またはスクリーン印刷法等の手段によってシート化し、その後に乾燥させて、内部電極ペースト膜を持たないグリーンシートを得る。さらに、上述した導電材を含む内部電極ペーストを、印刷法等の手段により、グリーンシートの上に塗布することで、所定パターンの内部電極ペースト膜が形成されたグリーンシートが得られる。なお、圧電体層２６を構成する材料の原料には、不可避的不純物が含まれていてもよい。

各グリーンシートを準備した後、準備したグリーンシートを重ね合わせ、圧力を加えて圧着し、乾燥工程等の必要な工程を経た後、切断し、積層体を得る。

次に、得られた積層体を所定条件で焼成して焼結体を得た後、ダイシングソー等を用いて該焼結体を短冊状に切断する。さらに、焼結体における第１側面２５ａ及び第２側面に相当する部分に第１外部電極２８ａおよび第２外部電極２８ｂを形成し、この電極に直流電圧を印加して圧電体層２６の分極処理を行う。その後、分極処理後の短冊状焼結体を個々の素子本体に切断した後、バレル研磨を行うことにより、図２に示すような積層型圧電素子２０を得る。バレル研磨は、積層型圧電素子２０に対して所定の直径を有するメディアを用いて行うことが、製造中における割れや欠けの発生を防止しつつ、稜線部２１が湾曲した積層型圧電素子２０を適切に製造する観点から好ましい。例えば、バレル研磨のメディア径は、積層方向に垂直な投影面による積層型圧電素子２０の最大幅よりも大きく、積層型圧電素子２０における積層方向の長さの２倍より小さい長さとすることが、特に好ましい。

なお、積層方向Ｚと垂直な方向の稜線部や、積層型圧電素子２０の角部７２についても、積層方向に平行な稜線部２１（図２参照）と同様に、Ｒ形状としても良い（図５参照）。積層型圧電素子２０の角部、稜線部をＲ形状とすることにより外部電極の剥離を防止できる。また、第３側面２５ｃ及び第４側面に、樹脂層を形成することも好ましい。

図１に示すレンズ駆動装置６０の製造工程では、まず、積層型圧電素子２０に対して、配線部３２を、はんだ付け等によって接続する。次に、熱硬化性接着剤等を用いて、積層型圧電素子２０の第１端面２２及び第２端面２４に、それぞれ錘４２とシャフト４４を取り付ける。この際、熱硬化性接着剤が硬化することにより、樹脂部５２，５４が形成される。最後に、シャフト４４に移動部材５６を取り付けることにより、レンズ駆動装置６０を得る。なお、上述の説明では、積層型圧電素子２０と、これに接続される接続部材としての錘４２及びシャフト４４を接続する接着剤として、熱硬化性接着剤を用いたが、レンズ駆動装置６０の製造に用いる接着剤はこれに限定されない。

本実施形態に係る積層型圧電素子２０は、図２に示すように、積層方向に直交する方向の断面積が小さく、周辺の第２部分２９ｂに対してくびれている第１部分２９ａを有する。積層型圧電素子２０は、第１部分２９ａによって変位を拡大するとともに、第１部分２９ａの両側に配置された第２部分２９ｂによって強度を上げ、変位の向上と強度の確保を両立することができる。また、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂによるくびれ形状を有する積層型圧電素子２０は、組み立て装置等が積層型圧電素子２０の対角線上に位置する稜線部２１を挟むチャックを行う場合にも、正確にチャックされる。

また、製造方法で述べたように、積層方向Ｚの両方の端面２２，２４の間に積層された圧電体層２６及び内部電極２７ａ，２７ｂは、一体焼成されていることが好ましい。このような積層型圧電素子２０は、製造が容易であるとともに、小型化に対して有利である。

第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る積層型圧電素子７０を表す平面図である。第２実施形態に係る積層型圧電素子７０は、積層方向Ｚに平行な稜線部７１だけでなく、積層方向Ｚに垂直な稜線部７３や角部７２もＲ形状である点で、第１実施形態に係る積層型圧電素子２０と異なるが、その他の構成は積層型圧電素子２０と同様である。

また、積層型圧電素子７０は、バレル研磨における研磨条件（研磨時間、メディア等）を変更することを除き、積層型圧電素子２０と同様の方法で製造することができる。

図５に示すように、積層型圧電素子７０は、積層型圧電素子２０（図２参照）と同様に、積層方向に直交する方向の断面積が小さい第１部分７９ａが、断面積の大きい第２部分７９ｂに挟まれるように配置されている。これにより、積層型圧電素子７０は、上述した積層型圧電素子２０と同様の効果を奏する。

第３実施形態
図６は、本発明の第３実施形態に係る積層型圧電素子８０を表す平面図である。積層型圧電素子８０は、積層方向に平行な稜線部８１に複数のくびれ部が形成されており、複数の第１部分８９ａを有する点及び第１外部電極２８ａの表面に樹脂付着部８４が形成されている点で積層型圧電素子７０（図５参照）と異なるが、その他の構成は第２実施形態に係る積層型圧電素子７０と同様である。

図６に示すように、積層型圧電素子８０は、積層方向Ｚに直交する方向の断面積が小さい第１部分８９ａと、断面積の大きい第２部分８９ｂとが、積層方向Ｚに沿って交互に配置されている。第１部分８９ａを複数有する積層型圧電素子８０も、１つの第１部分７９ａを有する積層型圧電素子７０（図５参照）と同様に変位を向上させることができ、また、３つの第２部分８９ｂによって強度を効果的に確保できる。

また、積層型圧電素子８０は、外部電極２８ａの形成後であってバレル研磨の前に、外部電極２８ａの表面に樹脂を付着させて樹脂付着部８４を形成することを除き、積層型圧電素子７０と同様の方法で製造することができる。バレル研磨において、樹脂付着部８４は、周辺部分に比べて研磨され難いため、樹脂付着部８４の周辺に第２部分８９ｂが形成される。このように、樹脂付着部８４を外部電極２８ａの表面に設けることにより、任意の位置に第１部分８９ａや第２部分８９ｂを形成することが可能である。

その他の実施形態
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

例えば、積層型圧電素子が有する第１部分の数は、実施形態で説明した１又は２に限定されず、積層型圧電素子は、３以上の第１部分を有しても良い。さらに、くびれ部が形成されるのは、稜線部２１，７１，８１に限定されず、例えば外部電極２８ａ，２８ｂが形成される第１側面２５ａ又は第２側面にくびれ部が形成されていても良い。また、積層方向Ｚに平行な稜線部の全てが湾曲している態様だけでなく、一部の稜線部のみがくびれている態様や、稜線部が非対称にくびれている態様も、本発明の実施形態に含まれる。

２０，７０，８０…積層型圧電素子
２１，２１ａ，２１ｂ，７１，８１…稜線部
２２…第１端面
２４…第２端面
２５ａ…第１側面
２５ｃ…第３側面
２６…圧電体層
２６ａ…圧電活性領域
２６ｂ…圧電不活性領域
２７ａ…第１内部電極
２７ｂ…第２内部電極
２８ａ…第１外部電極
２８ｂ…第２外部電極
２９ａ，７９ａ，８９ａ…第１部分
２９ｂ,７９ｂ,８９ｂ…第２部分
３２…配線部
４２…錘
４４…シャフト
５２…第１樹脂部
５４…第２樹脂部
５６…移動部材
５８…駆動回路
６０…レンズ駆動装置
７２…角部
８４…樹脂付着部

Claims (5)

1. 圧電体層を挟んで積層された内部電極と、
   積層方向に沿って延在する側面に形成されており前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有しており、
   前記積層方向に直交する方向の断面積が互いに異なる第１部分と第２部分とを有し、前記第１部分が、前記積層方向に直交する方向の断面積が前記第１部分より大きい前記第２部分に、前記積層方向の両側を挟まれるように配置されている積層型圧電素子と、
   前記積層方向の両方の端面の少なくとも一方に取り付けられる接続部材と、
   前記外部電極に対して電気的に接続され、前記外部電極に対して駆動信号を印加する駆動部と、を有し、
   前記駆動部による駆動によって、前記第１部分よりも前記第２部分の近くに振動の節が生じることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記積層方向の両方の端面の間に積層された前記圧電体層及び前記内部電極は、一体化されたセラミック積層体の焼結体からな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. 複数の前記第１部分を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第２部分における前記外部電極の表面に、樹脂が付着した樹脂付着部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 圧電体層を挟んで積層された内部電極と、
   積層方向に沿って延在する側面に形成されており前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有しており、
   前記積層方向に直交する方向の断面積が互いに異なる第１部分と第２部分とを有し、
   前記第１部分は、前記積層方向に直交する方向の断面積が前記第１部分より大きい前記第２部分に、前記積層方向の両側を挟まれるように配置されており、
   外観形状が、前記積層方向中央部に向かって湾曲していることを特徴とする積層型圧電素子。

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