JP6159985B2 - Piezoelectric element, piezoelectric actuator, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、圧電体層と内部電極層とが積層された圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, a piezoelectric actuator, and a manufacturing method thereof.

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6(a)〜(c)は、それぞれ従来の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。圧電アクチュエータ本体600は、一体焼成された積層型の圧電素子610を積み重ねて形成されており、リード線620により各外部電極615の接続がとられている。圧電素子610は、圧電体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、電極間の圧電体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612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. 6A to 6C are a perspective view of a conventional piezoelectric actuator body 600, a perspective view of a piezoelectric element 610, and a cross-sectional view of the piezoelectric element 610, respectively. The piezoelectric actuator main body 600 is formed by stacking laminated piezoelectric elements 610 that are integrally fired, and each external electrode 615 is connected by a lead wire 620. The piezoelectric element 610 is formed by laminating a piezoelectric layer and an internal electrode. When a voltage is applied, the piezoelectric layer between the electrodes is deformed as an active region, but other inactive regions are not deformed. For this reason, stress is likely to be generated near the boundary between these regions, and stress is particularly concentrated at the corner C of the internal electrode 612 and breakage is likely to occur.

これに対して、圧電素子に圧電体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させた圧電アクチュエータが開発されている(例えば特許文献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(例えば、特許文献2)。   On the other hand, a piezoelectric actuator has been developed in which a stress absorbing layer made of powder containing lead titanate as a main component is provided in a piezoelectric element so that the piezoelectric layer is discontinuous to relieve stress (for example, a patent) Reference 1) has 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 inactive regions on the side surfaces (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には絶縁物を形成する必要があり、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, it is necessary to form an insulator on the exposed portion of the internal electrode that should not be connected to the external electrode. I need.

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。この場合には内部電極に角部が存在しないことから応力の集中を防止できる。しかしながら、リード線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、圧電素子を円環状に形成し、孔にシャフトを通して位置合わせをし易くする方法も考えられるが、各圧電素子に外部電極を設けてこれらを接続するのは手間がかかる。   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. In this case, stress concentration can be prevented because there are no corners in the internal electrode. However, it is difficult to arrange each piezoelectric element so that external electrodes between the plurality of piezoelectric elements can be connected by lead wires and to stack them in multiple stages. In order to avoid this, it is conceivable to form the piezoelectric elements in an annular shape and to facilitate alignment through the shafts in the holes. However, it is troublesome to provide external electrodes on each piezoelectric element and connect them.

積層素子には、内部電極を1層おきに接続する外部電極が必要である。外部電極を形成するためにはそのための位置をそろえて圧電素子を固定しなければならない。例えばスクリーン印刷により外部電極を印刷する場合、圧電素子のθ方向(中心軸回りの回転位置)をそろえ、印刷箇所がスクリーンマスクに当たるように圧電素子を固定する。また、圧電素子を積み重ね複数の圧電素子の外部電極同士を接続するときも外部電極の位置をそろえる必要がある。従来のサイコロ状の圧電素子の外部電極位置をそろえることは容易であったが、円環型の場合、そろえるのに手間がかかる。   The laminated element requires external electrodes that connect the internal electrodes every other layer. In order to form the external electrode, the piezoelectric element must be fixed by aligning the positions therefor. For example, when external electrodes are printed by screen printing, the piezoelectric elements are fixed so that the θ direction (rotational position around the central axis) of the piezoelectric elements is aligned and the printed portion hits the screen mask. Also, when the piezoelectric elements are stacked and the external electrodes of a plurality of piezoelectric elements are connected, it is necessary to align the positions of the external electrodes. Although it was easy to align the positions of the external electrodes of a conventional dice-shaped piezoelectric element, in the case of an annular type, it takes time to align.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、局所的に応力が集中しにくく、圧電アクチュエータを作製するための作業を容易化できる圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれらの製造方法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 provides a piezoelectric element, a piezoelectric actuator, and a method of manufacturing the same, in which stress is not easily concentrated locally and work for manufacturing a piezoelectric actuator can be facilitated. The purpose is to do.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子の製造方法は、圧電体層と内部電極層とが積層された圧電素子の製造方法であって、積層方向に貫通した中心軸上の孔を有する矩形筒体の焼結体を作製する工程と、前記中心軸からの距離が小さい側面を未加工面として残し、前記焼結体を円筒加工する工程と、を含むことを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are stacked, on a central axis penetrating in the stacking direction. And a step of manufacturing a sintered body of a rectangular cylinder having a hole of the above and a step of cylindrically processing the sintered body, leaving a side surface having a small distance from the central axis as an unprocessed surface. Yes.

このようにして、未加工面を有する円環形状の圧電素子を製造することで円環形状の圧電素子を積み重ね、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い圧電アクチュエータを作製できる。   In this way, by manufacturing an annular piezoelectric element having an unprocessed surface, the annular piezoelectric elements are stacked, and a piezoelectric actuator that does not concentrate stress locally and hardly breaks down can be manufactured.

また、未加工面を用いて圧電素子の中心軸回りの回転位置をそろえることができる。その結果、圧電素子の外部電極の印刷位置をそろえたり、圧電素子を積み重ねるときの外部電極位置をそろえたりすることができる。そして、圧電アクチュエータの作製作業を容易することができる。   In addition, the rotational position around the central axis of the piezoelectric element can be aligned using the unprocessed surface. As a result, the printing positions of the external electrodes of the piezoelectric elements can be aligned, and the external electrode positions when the piezoelectric elements are stacked can be aligned. And the production work of a piezoelectric actuator can be made easy.

(2)また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記未加工面を用いて外部電極の印刷箇所を位置合わせする工程を更に含むことを特徴としている。これにより、印刷個所の位置合わせが容易になり、作業効率を向上できる。   (2) Further, the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention is characterized in that it further includes a step of aligning the printed portion of the external electrode using the unprocessed surface. As a result, the alignment of the printing location is facilitated, and the working efficiency can be improved.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、圧電素子を積層方向に積み重ねた圧電アクチュエータの製造方法であって、請求項1または請求項2記載の方法により得られた複数の圧電素子にシャフトを通し、前記積層方向に積み重ねる工程と、前記未加工面を用いて前記積み重ねられた圧電素子の外部電極の位置合わせをする工程と、を含むことを特徴としている。これにより、外部電極の接続が容易になり、圧電アクチュエータ製造の作業効率を向上できる。   (3) A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric actuator in which piezoelectric elements are stacked in a stacking direction, and a plurality of piezoelectric elements obtained by the method according to claim 1 or 2. And a step of stacking in the stacking direction and a step of aligning the external electrodes of the stacked piezoelectric elements using the unprocessed surface. Thereby, the connection of an external electrode becomes easy and the working efficiency of piezoelectric actuator manufacture can be improved.

(4)また、本発明の圧電素子は、圧電体層と内部電極層とが積層され、中心軸に平行な外側面を有する圧電素子であって、積層方向に貫通した中心軸上の孔と、前記中心軸からの距離が最も大きい外側面である加工面と、前記中心軸からの距離が前記加工面より小さい外側面である未加工面と、を備えることを特徴としている。   (4) A piezoelectric element according to the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated and has an outer surface parallel to the central axis, and includes a hole on the central axis penetrating in the stacking direction. And a machined surface that is an outer surface having the largest distance from the central axis, and a non-machined surface that is an outer surface having a distance from the central axis smaller than the processed surface.

これにより、圧電素子間で未加工面を合わせることでそれらの回転位置を容易に合わせることができる。その結果、圧電素子を用いた圧電アクチュエータ製造の作業効率を向上できる。また、加工面が最外側面になることで寸法通りに収まりやすくなり、位置合わせが容易になる。未加工面を残すことで、圧電素子にクラックを生じ難くし、耐久性向上の効果も得られる。   Thereby, those rotational positions can be easily matched by matching the unprocessed surfaces between the piezoelectric elements. As a result, the working efficiency of manufacturing a piezoelectric actuator using a piezoelectric element can be improved. Moreover, it becomes easy to fit according to a dimension because a process surface becomes an outermost surface, and alignment becomes easy. By leaving the unprocessed surface, it is difficult to cause cracks in the piezoelectric element, and an effect of improving durability can be obtained.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子を積層方向に積み重ねた圧電アクチュエータであって、前記未加工面が共通の面上に位置合わせされ、請求項4記載の圧電素子が前記積層方向に連結されていることを特徴としている。このような圧電アクチュエータを作製する際には、圧電素子の積み重ねの際にその回転位置を容易に合わせられることから、製造が容易になる。   (5) The piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator in which piezoelectric elements are stacked in a stacking direction, and the unprocessed surface is aligned on a common surface, and the piezoelectric element according to claim 4 is the stacked layer It is connected in the direction. When manufacturing such a piezoelectric actuator, the rotation position can be easily adjusted when the piezoelectric elements are stacked, and therefore, the manufacture becomes easy.

本発明によれば、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い圧電アクチュエータを作製できる。また、未加工面を用いて圧電素子の中心軸回りの回転位置をそろえることができる。その結果、圧電アクチュエータの作製作業を容易することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a piezoelectric actuator in which stress is not concentrated locally and breakage hardly occurs. In addition, the rotational position around the central axis of the piezoelectric element can be aligned using the unprocessed surface. As a result, the manufacturing operation of the piezoelectric actuator can be facilitated.

(a)、(b)第1の実施形態に係る圧電素子を示す平断面図および斜視断面図である。(A), (b) It is the plane sectional view and perspective sectional view which show the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. 本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric actuator of this invention. 圧電アクチュエータ本体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a piezoelectric actuator main body. (a)、b)第2の実施形態に係る圧電素子を示す平断面図および斜視断面図である。(A), (b) It is the plane sectional view and perspective sectional view which show the piezoelectric element which concerns on 2nd Embodiment. (a)、(b)比較例の圧電素子を示す平断面図および斜視断面図である。(A), (b) It is the plane sectional view and perspective sectional view which show the piezoelectric element of a comparative example. (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.

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.

[第1の実施形態]
(圧電素子の構成)
図1(a)、(b)は、圧電素子110を示す平面図、斜視断面図である。図1(b)は、図1(a)に示す平面1bに沿った断面図であり、図1(a)は、図1(b)に示す平面1aに沿った断面図である(後述の図4(a)、(b)、図5(a)、(b)についても同様)。
[First Embodiment]
(Configuration of piezoelectric element)
1A and 1B are a plan view and a perspective sectional view showing the piezoelectric element 110, respectively. 1B is a cross-sectional view taken along the plane 1b shown in FIG. 1A, and FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the plane 1a shown in FIG. The same applies to FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B).

圧電素子110は、素子本体111および外部電極115、116により構成されている。素子本体111は、圧電体層112と内部電極層113とが積層されたものである。素子本体111は、積層方向に貫通した中心軸C1上の孔119を有し、円環状に形成されている。そのため、素子本体111は、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。   The piezoelectric element 110 includes an element body 111 and external electrodes 115 and 116. The element body 111 is formed by laminating a piezoelectric layer 112 and an internal electrode layer 113. The element body 111 has a hole 119 on the central axis C1 penetrating in the stacking direction, and is formed in an annular shape. Therefore, the element main body 111 does not concentrate stress locally and hardly breaks down.

また、孔119で圧電素子110の移動を拘束し、中心軸C1に垂直な方向について圧電素子110を固定でき、正確かつ簡易にその位置合わせをすることができる。なお、本実施形態で、「円環状」とは、外側面の全体が断面円状に形成されたものではなく、外側面の一部のみが断面円弧状に形成されている形状を指している。圧電素子110は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向(積層方向)に積み重ねられて用いられる。   Further, the movement of the piezoelectric element 110 can be constrained by the hole 119, and the piezoelectric element 110 can be fixed in the direction perpendicular to the central axis C1, and the alignment can be performed accurately and easily. In the present embodiment, the term “annular” refers to a shape in which the entire outer surface is not formed in a circular cross section but only a part of the outer surface is formed in a circular arc shape. . The piezoelectric element 110 is used by being stacked in the expansion / contraction direction (stacking direction) for a piezoelectric actuator.

素子本体111は、中心軸C1に平行な外側面を有する。すなわち、素子本体111は、円筒加工による断面円弧の加工面117と平面の未加工面118を有している。加工面117は、中心軸C1からの距離が最も大きい外側面である。加工面117が最外側面になることで寸法通りに収まりやすくなり、位置合わせが容易になる。   The element body 111 has an outer surface parallel to the central axis C1. That is, the element body 111 has a machining surface 117 having a circular arc in cross section by a cylindrical machining and a flat unmachined surface 118. The processing surface 117 is an outer surface having the longest distance from the central axis C1. When the processing surface 117 is the outermost surface, the processing surface 117 is easily accommodated according to the dimensions, and alignment is facilitated.

また、未加工面118は、中心軸C1からの距離が加工面117より小さい外側面である。圧電素子110間で未加工面118を合わせることでそれらの回転位置を容易に合わせることができる。その結果、圧電素子110を用いた圧電アクチュエータ100の製造の作業効率を向上できる。また、素子本体111に未加工面118を残すことで、圧電素子110にクラックを生じ難くし、耐久性が向上する。   The unprocessed surface 118 is an outer surface whose distance from the central axis C1 is smaller than the processed surface 117. By aligning the unprocessed surfaces 118 between the piezoelectric elements 110, their rotational positions can be easily aligned. As a result, the working efficiency of manufacturing the piezoelectric actuator 100 using the piezoelectric element 110 can be improved. Further, leaving the unprocessed surface 118 in the element body 111 makes it difficult for the piezoelectric element 110 to crack and improves the durability.

外部電極115、116は、素子本体111の加工面117の所定位置に設けられている。図1、図2に示す例では、中心軸C1を通る平面1b(未加工面118に平行)に対して交わる位置に、外部電極115、116が設けられている。なお、未加工面118に外部電極を設けてもよいが、外部電極との接続を確実にするためには加工面117に設ける方が好ましい。   The external electrodes 115 and 116 are provided at predetermined positions on the processing surface 117 of the element body 111. In the example shown in FIGS. 1 and 2, external electrodes 115 and 116 are provided at positions that intersect a plane 1b (parallel to the unprocessed surface 118) passing through the central axis C1. Although an external electrode may be provided on the unprocessed surface 118, it is preferable to provide the external surface on the processed surface 117 in order to ensure connection with the external electrode.

素子本体111は、圧電体層112および圧電体層112を介して交互に積層された内部電極113を有している。   The element body 111 includes piezoelectric layers 112 and internal electrodes 113 that are alternately stacked via the piezoelectric layers 112.

(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、積層方向に貫通した中心軸上の孔を有する矩形筒体の積層型圧電素子を設計し、圧電体層と内部電極とが積層され一体焼成された焼結体を作製する。積層方向に垂直な断面が長方形となる長方筒体のものを作製することが好ましいが、後述のように正方筒体を作製してもよい。内部電極113の形状は、最終的な圧電素子の形状に応じて決めておく。圧電体層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の無い層を設ける。
(Piezoelectric element manufacturing method)
A method for manufacturing the piezoelectric element 110 configured as described above will be described. First, a rectangular-type stacked piezoelectric element having a hole on the central axis penetrating in the stacking direction is designed, and a sintered body in which a piezoelectric layer and internal electrodes are stacked and integrally fired is manufactured. Although it is preferable to produce a rectangular cylinder whose cross section perpendicular to the stacking direction is rectangular, a square cylinder may be produced as described later. The shape of the internal electrode 113 is determined according to the final shape of the piezoelectric element. The piezoelectric layer 112 and the internal electrode 113 are laminated, and a layer without the internal electrode 113 is provided at the end portions on both main surfaces.

次に、圧電素子110の外形を加工する。例えば厚さは平面研削し、内孔はフライス加工する。そして、中心軸C1からの距離が小さい側面を未加工面118として残し、焼結体を円筒加工する。このようにして、容易に未加工面118を有する円環形状の圧電素子110を製造できる。これにより、印刷個所の位置合わせが容易になり、作業効率を向上できる。   Next, the outer shape of the piezoelectric element 110 is processed. For example, the thickness is surface ground and the inner hole is milled. Then, the side surface having a small distance from the central axis C1 is left as the unprocessed surface 118, and the sintered body is cylindrically processed. In this manner, the annular piezoelectric element 110 having the unprocessed surface 118 can be easily manufactured. As a result, the alignment of the printing location is facilitated, and the working efficiency can be improved.

そして、素子本体111の外側面の所定箇所に外部電極115、116を形成する。未加工面118を用いて外部電極115、116の印刷箇所を位置合わせし、スクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けて外部電極115、116を形成する。未加工面118を用いることで、圧電素子110を容易に作製することができる。また、圧電素子110を積み重ねても、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い圧電アクチュエータを作製できる。   Then, external electrodes 115 and 116 are formed at predetermined locations on the outer surface of the element body 111. The printing positions of the external electrodes 115 and 116 are aligned using the unprocessed surface 118, the electrode paste is applied by screen printing, and baked to form the external electrodes 115 and 116. By using the unprocessed surface 118, the piezoelectric element 110 can be easily manufactured. Further, even when the piezoelectric elements 110 are stacked, a piezoelectric actuator that does not concentrate stress locally and hardly breaks down can be manufactured.

(圧電アクチュエータの構成)
図2は、圧電アクチュエータ100の一形態を示す断面図である。図3は、圧電アクチュエータ本体105を示す斜視図である。図2に示すように、圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、シャフト121、スペーサ122、123、突起124、リード線131、132、ハンダ135、136、固定部150および筺体180を備えている。
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the piezoelectric actuator 100. FIG. 3 is a perspective view showing the piezoelectric actuator main body 105. As shown in FIG. 2, the piezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuator main body 105, a shaft 121, spacers 122 and 123, protrusions 124, lead wires 131 and 132, solder 135 and 136, a fixing portion 150, and a housing 180.

圧電アクチュエータ本体105は、複数の同一円環形状に形成された圧電素子110を略同一中心軸C1上に伸縮方向に積み重ねることで、円筒状に形成されている。複数の圧電素子110を積み重ねることにより、圧電アクチュエータ100を構成して大きな変位を得ることができる。   The piezoelectric actuator main body 105 is formed in a cylindrical shape by stacking a plurality of piezoelectric elements 110 formed in the same annular shape on substantially the same central axis C1 in the expansion / contraction direction. By stacking a plurality of piezoelectric elements 110, the piezoelectric actuator 100 can be configured to obtain a large displacement.

素子本体111の未加工面118が共通の面上に位置合わせされており、加工面上に設けられた各外部電極はリード線131、132とハンダ135、136により接続されている。素子本体111に未加工面118が存在することで、圧電素子110のスタック(積み重ね)の際にその回転位置を容易に合わせられ、圧電アクチュエータ100の製造が容易になる。   The unprocessed surface 118 of the element body 111 is aligned on a common surface, and the external electrodes provided on the processed surface are connected by lead wires 131 and 132 and solders 135 and 136. Due to the presence of the unprocessed surface 118 in the element body 111, the rotation position can be easily adjusted when the piezoelectric elements 110 are stacked, and the manufacture of the piezoelectric actuator 100 is facilitated.

固定部150は、圧電アクチュエータ本体105の一端を固定している。また、固定部150は、シャフト121と結合し、シャフト121の位置を固定している。シャフト121は、積み重ねられた複数の圧電素子110の中央の孔119に挿入されており、アクチュエータ本体105の軸を固定している。スペーサ122、123は、圧電アクチュエータ本体105の両端のそれぞれに設けられている。シャフト121は、わずかに圧電アクチュエータ本体105より短く、圧電アクチュエータ本体105の伸縮を阻害しないように設計されている。   The fixing unit 150 fixes one end of the piezoelectric actuator main body 105. The fixing unit 150 is coupled to the shaft 121 and fixes the position of the shaft 121. The shaft 121 is inserted into the central hole 119 of the plurality of stacked piezoelectric elements 110 and fixes the axis of the actuator body 105. The spacers 122 and 123 are provided at both ends of the piezoelectric actuator main body 105. The shaft 121 is slightly shorter than the piezoelectric actuator body 105 and is designed so as not to hinder expansion and contraction of the piezoelectric actuator body 105.

突起124は、変位を外部に伝える半球状の部材である。筺体180は、例えば金属製であり、圧電アクチュエータ本体105等を覆っている。リード線131、132は、それぞれハンダ135、136により各圧電素子110の外部電極115、116を接続し、外部との接続が取られている。   The protrusion 124 is a hemispherical member that transmits the displacement to the outside. The housing 180 is made of metal, for example, and covers the piezoelectric actuator main body 105 and the like. The lead wires 131 and 132 are connected to the outside by connecting the external electrodes 115 and 116 of the piezoelectric elements 110 with solders 135 and 136, respectively.

(圧電アクチュエータの製造方法)
このように構成された圧電アクチュエータ100の製造方法を説明する。上記のように製造された複数個の圧電素子110を用いる。圧電素子110は、中心軸C1からの距離が小さい側面を未加工面118として残すように、焼結体を円筒加工して作製されている。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
A method for manufacturing the piezoelectric actuator 100 configured as described above will be described. A plurality of piezoelectric elements 110 manufactured as described above are used. The piezoelectric element 110 is manufactured by cylindrically processing a sintered body so that a side surface having a small distance from the central axis C1 remains as an unprocessed surface 118.

この未加工面118を用いて、積み重ねられた圧電素子110の外部電極115、116の位置合わせをする。すなわち、圧電素子110をスタックするときの外部電極位置をそろえる。これにより、外部電極115、116の接続が容易になり、作業効率を向上できる。   The unprocessed surface 118 is used to align the external electrodes 115 and 116 of the stacked piezoelectric elements 110. That is, the positions of the external electrodes when the piezoelectric elements 110 are stacked are aligned. Thereby, the connection of the external electrodes 115 and 116 becomes easy and work efficiency can be improved.

次に、シャフト121を孔に通して圧電素子110の中心軸に垂直な面上の位置がずれないようにし、圧電アクチュエータ本体105の両端には、スペーサ122、123を配置する。さらに、固定部で一方を固定して、他方には突起124を接着し、筺体180を被せて圧電アクチュエータ100を作製できる。   Next, the shaft 121 is passed through the hole so that the position on the surface perpendicular to the central axis of the piezoelectric element 110 does not shift, and spacers 122 and 123 are disposed at both ends of the piezoelectric actuator body 105. Further, the piezoelectric actuator 100 can be manufactured by fixing one of the fixing portions and bonding the protrusion 124 to the other and covering the casing 180.

[第2の実施形態]
上記の実施形態では、圧電素子110が2つの加工面117および2つの未加工面118を有しており、形状に配向性を有しているが、圧電素子の形状は4つの加工面および4つの未加工面を有する形状であってもよい。
[Second Embodiment]
In the above embodiment, the piezoelectric element 110 has the two processed surfaces 117 and the two unprocessed surfaces 118 and has orientation in the shape, but the shape of the piezoelectric element has four processed surfaces and four The shape may have two unprocessed surfaces.

図4(a)(b)は、それぞれ圧電素子210を示す平断面図および斜視断面図である。図4(a)(b)に示すように、圧電素子210の断面は、中心軸C2上に孔219を有する正方形の角を円弧にした形状に形成されている。このように偏りの無い形状であるため、正方筒体を一律に作製でき、作業効率を上げることができる。   4A and 4B are a plan sectional view and a perspective sectional view showing the piezoelectric element 210, respectively. As shown in FIGS. 4A and 4B, the cross section of the piezoelectric element 210 is formed in a shape in which a square corner having a hole 219 on the central axis C2 is an arc. Thus, since it is a shape without a bias | inclination, a square cylinder can be produced uniformly and work efficiency can be raised.

圧電素子210は、圧電体層211と内部電極212とが交互に積層されており、4隅に円い加工面217を有する。4隅の加工面217のいずれもが中心軸C2から同一の距離に存在する。また、隣り合う加工面217同士の中間位置には、加工面217より中心軸C2に近い未加工面218が形成されている。このような形状は、正方筒体の圧電素子を円筒加工することで得られる。   In the piezoelectric element 210, piezoelectric layers 211 and internal electrodes 212 are alternately stacked, and have round processed surfaces 217 at four corners. All of the four processed surfaces 217 exist at the same distance from the central axis C2. Further, an unprocessed surface 218 closer to the central axis C2 than the processed surface 217 is formed at an intermediate position between the adjacent processed surfaces 217. Such a shape can be obtained by cylindrically processing a square cylindrical piezoelectric element.

なお、内部電極212の取り出し部分214は、隣合う2箇所の加工面217のいずれにも露出するように設けられていることが好ましい。これにより、圧電素子210の中心軸回りの回転位置が、本来の位置と90°異なっていても、接続を取ることができる。   In addition, it is preferable that the taking-out portion 214 of the internal electrode 212 is provided so as to be exposed to any two adjacent processing surfaces 217. As a result, the connection can be established even if the rotational position of the piezoelectric element 210 around the central axis differs from the original position by 90 °.

また、円環状の圧電素子の積層方向の両端面に電極を設けて、圧電素子間の電気的接続を取ることも考えられるが、圧電アクチュエータ本体には積層方向の圧力がかかるため、端面上の電極の厚みを制御する必要が生じる。本発明では、そのような制御が不要である。   In addition, it is conceivable to provide electrodes on both end faces of the annular piezoelectric element in the stacking direction to establish electrical connection between the piezoelectric elements. However, since pressure in the stacking direction is applied to the piezoelectric actuator body, It becomes necessary to control the thickness of the electrode. In the present invention, such control is unnecessary.

[実施例、比較例]
上記の第1の実施形態にかかる圧電素子110として、実施例1の圧電素子を作製した。また、同様に第2の実施形態にかかる圧電素子210として、実施例2の圧電素子を作製した。一方、比較例1として、図5に記載の圧電素子510を作製した。そして、各圧電素子を複数積み重ねて、圧電アクチュエータを作製した。
[Examples and Comparative Examples]
As the piezoelectric element 110 according to the first embodiment, the piezoelectric element of Example 1 was manufactured. Similarly, the piezoelectric element of Example 2 was fabricated as the piezoelectric element 210 according to the second embodiment. On the other hand, as Comparative Example 1, a piezoelectric element 510 shown in FIG. A plurality of piezoelectric elements were stacked to produce a piezoelectric actuator.

図5(a)、(b)は、比較例の圧電素子510を示す平断面図および斜視断面図である。圧電素子510は、中心軸上に孔519を有し、円環状に形成されている。外側面511は、全面が加工面であり断面円形となっている。内部には内部電極512を有し、取り出し部分514で、外部電極515、516に接続されている。   5A and 5B are a plan sectional view and a perspective sectional view showing a piezoelectric element 510 of a comparative example. The piezoelectric element 510 has a hole 519 on the central axis and is formed in an annular shape. The entire outer surface 511 is a processed surface and has a circular cross section. An internal electrode 512 is provided inside, and is connected to the external electrodes 515 and 516 at the extraction portion 514.

(実施例1)
はじめに外形5mm×7mm、内径2mm、厚さ3mmの一体焼成型の長方筒体の圧電素子の焼成体を作製した。1層あたり50μmを50層積層し、上下に内部電極のない層を0.25mmずつ設けた。これを平面研削により厚みを2.5mmに加工した。外径を円筒加工し、6mmまで加工したところで止め、5mm幅の小判状素子を作製した。
Example 1
First, a fired body of an integrally fired rectangular cylindrical piezoelectric element having an outer diameter of 5 mm × 7 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 layers having no internal electrode were provided on the top and bottom each by 0.25 mm. This was processed to a thickness of 2.5 mm by surface grinding. The outer diameter was processed into a cylinder and stopped when the outer diameter was processed to 6 mm, and a 5 mm wide oval element was produced.

外形加工した面には、内部電極の取り出し部が露出するように予め設計しておき、5mm幅の部分を使って位置合わせを行いスクリーン印刷によって外部電極を形成した。このようにして作製された圧電素子を複数準備し、外部電極の焼き付け後、シャフトを通して積み上げた。そして、5mm幅の部分を使って位置を揃えて冶具により仮固定しリード線により外部電極同士を接続した。   The externally processed surface was designed in advance so that the extraction portion of the internal electrode was exposed, and alignment was performed using a portion having a width of 5 mm, and the external electrode was formed by screen printing. A plurality of piezoelectric elements fabricated in this manner were prepared, and the external electrodes were baked and then stacked through the shaft. Then, the positions of the 5 mm width portions were aligned, temporarily fixed by a jig, and the external electrodes were connected by lead wires.

(実施例2)
はじめに外形5mm×5mm、内径2mm、厚さ3mmの一体焼成型の正方筒体の圧電素子の焼成体を作製した。1層あたり50μmを50層積層し、上下に内部電極のない層を0.25mmずつ設けた。これを平面研削により厚みを2.5mmに加工した。外径を円筒加工し、6mmまで加工したところで止め、5mm角で角がφ6に丸められた素子を作製した。
(Example 2)
First, a fired body of an integrally fired square cylindrical piezoelectric element having an outer shape of 5 mm × 5 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 layers having no internal electrode were provided on the top and bottom each by 0.25 mm. This was processed to a thickness of 2.5 mm by surface grinding. The outer diameter was cylindrically processed and stopped when it was processed to 6 mm, and an element with 5 mm square and rounded corners to φ6 was produced.

外形加工した面には、内部電極の取り出し部が露出するように予め設計しておき、5mm幅の部分を使って位置あわせを行いスクリーン印刷によって外部電極を形成した。このようにして作製された圧電素子を複数準備し、外部電極の焼き付け後、シャフトを通して積み上げた。そして、5mm幅の部分を使って位置を揃えて冶具により仮固定しリード線により外部電極同士を接続した。   The externally processed surface was designed in advance so that the extraction portion of the internal electrode was exposed, and alignment was performed using a portion having a width of 5 mm, and the external electrode was formed by screen printing. A plurality of piezoelectric elements fabricated in this manner were prepared, and the external electrodes were baked and then stacked through the shaft. Then, the positions of the 5 mm width portions were aligned, temporarily fixed by a jig, and the external electrodes were connected by lead wires.

(比較例1)
はじめに外形7mm×7mm、内径2mm、厚さ3mmの一体焼成型の正方筒体の圧電素子の焼成体を作製した。1層あたり50μmを50層積層し、上下に内部電極のない層を0.25mmずつ設けた。これを平面研削により厚みを2.5mmに加工した。また、外径を円筒加工し、6mmまで加工したところで止め、φ6の円環型素子を作製した。
(Comparative Example 1)
First, a fired body of an integrally fired square cylinder piezoelectric element having an outer diameter of 7 mm × 7 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 layers having no internal electrode were provided on the top and bottom each by 0.25 mm. This was processed to a thickness of 2.5 mm by surface grinding. Also, the outer diameter was processed into a cylinder and stopped when the outer diameter was processed to 6 mm, to produce a φ6 annular element.

外形加工した面には、内部電極の取り出し部が露出するように予め設計しておき、外周面に露出した電極を目視で確認して位置あわせを行いスクリーン印刷によって外部電極を形成した。外部電極の焼き付け後、シャフトを孔に通して積み上げた。そして、外部電極を目視で揃えて冶具により仮固定しリード線により外部電極同士を接続した。   The externally processed surface was designed in advance so that the lead-out portion of the internal electrode was exposed, the electrode exposed on the outer peripheral surface was visually confirmed and aligned, and the external electrode was formed by screen printing. After the external electrode was baked, the shaft was stacked through the hole. Then, the external electrodes were visually aligned, temporarily fixed with a jig, and the external electrodes were connected to each other by lead wires.

外部電極の印刷において、冶具を作製することにより実施例では比較例の約100倍の処理が可能であった。また、比較例では、圧電素子のスタックのときは、目視で位置あわせ中に一旦そろえたものが他の位置をそろえるときに回転してずれてしまうなど、完全にそろえることができなかった。比較例では、おおよその位置あわせにも実施例の30倍の時間を要した。   In the printing of the external electrodes, by producing a jig, the processing in the example was about 100 times that of the comparative example. Further, in the comparative example, when the piezoelectric elements were stacked, it was not possible to completely align them, for example, what was once aligned during visual alignment would be rotated and shifted when aligning other positions. In the comparative example, it took 30 times as much time as in the example for the approximate positioning.

100 圧電アクチュエータ
105 圧電アクチュエータ本体
110 圧電素子
111 素子本体
112 圧電体層
113 内部電極層(内部電極)
115、116 外部電極
117 加工面
118 未加工面
119 孔
121 シャフト
122、123 スペーサ
124 突起
131、132 リード線
135、136 ハンダ
150 固定部
180 筺体
210 圧電素子
211 圧電体層
212 内部電極
214 取り出し部分
217 加工面
218 未加工面
219 孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric actuator 105 Piezoelectric actuator main body 110 Piezoelectric element 111 Element main body 112 Piezoelectric layer 113 Internal electrode layer (internal electrode)
115, 116 External electrode 117 Processed surface 118 Unprocessed surface 119 Hole 121 Shaft 122, 123 Spacer 124 Protrusion 131, 132 Lead wire 135, 136 Solder 150 Fixing part 180 Housing 210 Piezoelectric element 211 Piezoelectric layer 212 Internal electrode 214 Extraction part 217 Processed surface 218 Unprocessed surface 219 Hole

Claims (5)

圧電層と内部電極層とが積層された圧電素子の製造方法であって、
積層方向に貫通した中心軸上の孔を有する圧電層と内部電極層とが積層され一体焼成された矩形筒体の焼結体を作製する工程と、
前記中心軸からの距離が小さい側面を未加工面として残し、前記焼結体を円筒加工する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated,
A step of producing a sintered body of a rectangular cylindrical body in which a piezoelectric layer having a hole on the central axis penetrating in the laminating direction and an internal electrode layer are laminated and integrally fired ;
And a step of cylindrically processing the sintered body, leaving a side surface with a small distance from the central axis as an unprocessed surface.
前記未加工面を用いて外部電極の印刷箇所を位置合わせする工程を更に含むことを特徴とする請求項1記載の圧電素子の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1, further comprising a step of aligning a printed portion of the external electrode using the unprocessed surface. 圧電素子を積層方向に積み重ねた圧電アクチュエータの製造方法であって、
請求項1または請求項2記載の方法により得られた複数の圧電素子にシャフトを通し、前記積層方向に積み重ねる工程と、
前記未加工面を用いて前記積み重ねられた圧電素子の外部電極の位置合わせをする工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric actuator in which piezoelectric elements are stacked in a stacking direction,
Passing a shaft through a plurality of piezoelectric elements obtained by the method according to claim 1 or 2, and stacking them in the stacking direction;
And a step of aligning external electrodes of the stacked piezoelectric elements using the unprocessed surface.
圧電層と内部電極層とが積層され、中心軸に平行な外側面を有する圧電素子であって、
積層方向に貫通した中心軸上の孔と、
前記中心軸からの距離が最も大きい外側面である加工面と、
前記中心軸からの距離が前記加工面より小さい外側面である未加工面と、を備え
前記加工面上に外部電極が配置されていることを特徴とする圧電素子。
A piezoelectric element in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are stacked and has an outer surface parallel to the central axis,
A hole on the central axis penetrating in the stacking direction;
A machining surface which is an outer surface having the largest distance from the central axis;
A non-machined surface that is an outer surface whose distance from the central axis is smaller than the machined surface ;
The piezoelectric element characterized that you have external electrode is arranged on the processing surface.
圧電素子を積層方向に積み重ねた圧電アクチュエータであって、
前記未加工面が共通の面上に位置合わせされ、請求項4記載の圧電素子が前記積層方向に連結されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator in which piezoelectric elements are stacked in the stacking direction,
The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the raw surfaces are aligned on a common surface, and the piezoelectric elements according to claim 4 are connected in the stacking direction.
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