JP6159985B2 - 圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれらの製造方法 - Google Patents

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。

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。

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）。

特開２００６−２８６７７４号公報 特開平０５−００３３５１号公報

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。 本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。 圧電アクチュエータ本体を示す斜視図である。 （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）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）〜（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。

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。

［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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
   

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