JP2014199903A - 圧電素子および圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】局所的に応力が集中しにくく、作製するための作業を容易化できる圧電素子および圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ用または圧電トランス用の圧電素子１１０であって、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、１１４を有し、環状に形成された素子本体１１１と、素子本体１１１の側面に設けられ、内部電極１１３、１１４と接続された外部電極１１５、１１６と、を備え、素子本体１１１の中央に設けられた貫通孔１１９は、断面が正円を除く形状に形成されている。圧電素子１１０は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。また、圧電素子１１０の外部電極の形成時の作業が容易になる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ用または圧電トランス用の圧電素子および圧電アクチュエータに関する。

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８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体７００の斜視図、圧電素子７１０の斜視図および圧電素子７１０の断面図である。圧電アクチュエータ本体７００は、一体焼成された積層型の圧電素子７１０を積み重ねて形成されており、リード線７２０により各外部電極７１５の接続がとられている。圧電素子７１０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７１２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 特開２０００−１０２２７２号公報 特開２０００−３１５８２８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。例えば、圧電トランスであれば、圧電共振子の形状を、穴開き円板、円環、円筒など、円形状としたものが知られている（特許文献３、４参照）。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、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り、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、圧電アクチュエータ用に、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、貫通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。

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、作製するための作業を容易化できる圧電素子および圧電アクチュエータ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、本発明の圧電素子は、圧電アクチュエータ用または圧電トランス用の圧電素子であって、圧電体層および前記圧電体層を介して交互に積層された内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、前記素子本体の側面に設けられ、前記内部電極と接続された外部電極と、を備え、前記素子本体の中央に設けられた貫通孔は、断面が正円を除く形状に形成されていることを特徴としている。

このように、本発明の圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。そして、貫通孔の断面が正円を除く形状に形成されているため、貫通孔を用いて回転位置を合わせることができ、外部電極を形成するために圧電素子の位置を正確かつ容易に合わせることができる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極として、交互に積層された第１および第２の内部電極を備え、前記外部電極として、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極とを備え、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられることを特徴としている。これにより、複数の圧電素子をスタックするときに各外部電極の位置を正確かつ容易にそろえることができる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極として、少なくとも交互に積層された入力用の第１および第２の内部電極を備え、前記外部電極として、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極と、出力用の外部電極と、を備え、圧電トランス用として用いられることを特徴としている。これにより、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。また、各素子の外部電極の形成時の作業を容易化できる。

（４）また、本発明の圧電素子は、前記貫通孔が、２回対称以下の断面形状で形成されていることを特徴としている。これにより、目視等で外部電極の位置を合わせる必要が無くなり、特に貫通孔を用いて回転位置を合わせるのが容易になる。

（５）また、本発明の圧電素子は、前記第１の外部電極と前記第２の外部電極とが、前記素子本体の中心軸に対して軸対称の位置に設けられていることを特徴としている。これにより、圧電素子の主面の向きを裏返して用いても、外部電極位置が変わらないため、作業が容易になる。

（６）また、本発明の圧電素子は、前記貫通孔が、角のない断面形状で形成されていることを特徴としている。これにより、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。

（７）また、本発明の圧電素子は、前記貫通孔が、長円の断面形状で形成されていることを特徴としている。これにより、各素子の外部電極の形成時や複数素子のスタック時に貫通孔で位置合わせできるため、作業が容易になる。また、製造が容易であるとともに貫通孔付近の局所的な応力を防止できる。

（８）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータは円筒状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。また、製造上の作業負担が軽減される。

本発明によれば、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難くなる。また、圧電素子の外部電極の形成時の作業が容易になる。

（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、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 第１の実施形態の圧電アクチュエータを示す側断面図である。 （ａ）、（ｂ）第２の実施形態の圧電素子を示す平断面図、斜視断面図、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 （ａ）、（ｂ）第３の実施形態の圧電素子を示す平断面図、斜視断面図、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 （ａ）、（ｂ）第４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、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 （ａ）、（ｂ）比較例の圧電素子を示す平断面図、斜視断面図、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 （ａ）、（ｂ）比較例の圧電素子を示す平断面図、斜視断面図、（ｃ）シャフトを示す平断面図である。 （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を示す平断面図、斜視断面図、図１（ｃ）は、シャフト１２０を示す平断面図である。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３〜７（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とこれを介して交互に積層された第１および第２の内部電極層１１３、１１４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上の貫通孔１１９を有し、環状に形成されている。外周は円形であり、内部電極１１３、１１４の外周も概略円形に形成されているため、素子本体１１１は、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。

一方、貫通孔１１９は、長円の断面形状に形成されている。長円とは、正円を平行移動させた軌跡の形状をいう。このように断面が正円を除く形状に形成されていることで、貫通孔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を固定できる。また、中心軸Ｃ１回りの移動を固定できる。その結果、貫通孔１１９を用いて回転位置を合わせることができ、外部電極１１５、１１６を形成するために正確かつ容易に圧電素子１１０の位置を合わせることができる。また、複数の圧電素子１１０をスタックするときに各外部電極１１５、１１６の位置を正確かつ容易にそろえることができる。

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。貫通孔１１９の形状は、これを通すシャフト１２０によって素子の外部電極の位置が決められるものであれば効果が得られる。したがって、例えば、長円以外に円に周り止めの凹形状や正方形の断面形状を有するものでもよい。ただし、孔断面が正方形など３回対称以上の場合、目視等によって、外部電極の位置を合わせる必要が生じるため、孔断面は２回対称以下の形状に形成されていることが好ましい。また、貫通孔１１９の断面は、角のない形状に形成されていることが好ましい。孔断面を角のない形状にすることで角の部分に局所的な応力が集中するのを防止できる。

特に、貫通孔１１９は、図１に示すように長円の断面形状で形成されていることが好ましい。これにより、各素子の外部電極の形成時や複数素子のスタック時に貫通孔で位置合わせできるため、作業が容易になる。また、製造が容易であるとともに貫通孔１１９付近の局所的な応力を防止できる。

第１および第２の外部電極１１５、１１６は、素子本体１１１の側面の所定位置に設けられている。第１の外部電極１１５は、第１の内部電極１１３とその電極取り出し部の位置で接続されている。また、第２の外部電極１１６は、第２の内部電極１１４とその電極取り出し部の位置で接続されている。図１に示す例では、中心軸Ｃ１を通る平面１ｂに対して交わる位置に、第１および第２の外部電極１１５、１１６が設けられている。

このように、第１の外部電極１１５と第２の外部電極１１６とは、素子本体１１１の中心軸Ｃ１に対して軸対称の位置に設けられていることが好ましい。これにより、圧電素子１１０の主面の向きを裏返して用いても、外部電極位置が変わらず、作業が容易になる。

シャフト１２０は、貫通孔１１９に通して外部電極の位置合わせに用いられる。シャフト１２０は、貫通孔１１９の内側面に沿った形状で形成されており、図１（ｃ）に示すように長円の断面形状を有している。

（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、グリーンシートに所定の内部電極を印刷して所定枚数積層後、断面四角形状の矩形筒形状の積層体に加工する。外形は切断で加工でき、貫通孔はエンドミルを使用して加工できる。これを焼成し、矩形筒形状の一体焼成型の圧電素子を生成できる。内部電極１１３の形状は、素子断面の環形状に沿った環形状に、外部電極に接続するための電極取り出し部を設けた形状である。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。

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。貫通孔１１９の内形に合う外形を有する棒を通して素子本体１１１を固定することで外部電極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。このようにして、外部電極の形成工程が容易で、かつ、スタックが容易な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。これにより、圧電アクチュエータ１００は円筒状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。

貫通孔１１９の内側面が共通の面上に位置合わせされており、各外部電極１１５、１１６は、位置合わせされ、リード線１３１、１３２とハンダ１３５、１３６により接続されている。シャフト１２１は、貫通孔１１９の内側面に沿った形状（長円の断面形状）で形成されており、貫通孔１１９に挿入することで外部電極１１５、１１６の位置合わせが容易になる。シャフト１２１は、積み重ねられた複数の圧電素子１１０の中央の貫通孔１１９に挿入されており、圧電アクチュエータ本体１０５の軸を固定している。貫通孔１１９にシャフト１２１が挿入されることで、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。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。

環形状の圧電素子１１０の貫通孔１１９にシャフト１２１を挿入して、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。このようにして、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。

シャフト１２１を貫通孔に通すときには圧電素子１１０の中心軸Ｃ１に垂直な面上の位置や中心軸Ｃ１回りの回転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、貫通孔１１９は長円の断面形状を有しているが、長方形の断面形状を有していてもよい。貫通孔を長方形の断面形状にすれば、角のみを用いて容易に孔を形成できる。図３（ａ）、（ｂ）は、圧電素子２１０を示す平断面図、斜視断面図、図３（ｃ）は、シャフト２２０を示す平断面図である。

圧電素子２１０は、素子本体２１１および外部電極２１５、２１６により構成されている。素子本体２１１においては、圧電体層２１２とこれを介して交互に積層された第１および第２の内部電極層２１３、２１４とが積層されている。素子本体２１１は、積層方向に貫通した中心軸Ｃ２上の貫通孔２１９を有し、環状に形成されている。外周は円形であり、内部電極２１３、２１４の外周も概略円形に形成されている。

第１および第２の外部電極２１５、２１６は、素子本体２１１の側面の所定位置に設けられている。第１の外部電極２１５は、第１の内部電極２１３とその電極取り出し部の位置で接続されている。また、第２の外部電極２１６は、第２の内部電極２１４とその電極取り出し部の位置で接続されている。

シャフト２２０は、貫通孔２１９に通して外部電極の位置合わせに用いられる。シャフト２２０は、貫通孔２１９の内側面に沿った形状で形成されており、図３（ｃ）に示すように角が曲線の長方形の断面形状を有している。

［第３の実施形態］
第１の実施形態では、貫通孔１１９は長円の断面形状を有しているが、正円に回り止めの凹形状を設けた断面形状で形成されていてもよい。貫通孔をこのような形状にすることで圧電素子の回転位置が唯一つに決まる。図４（ａ）、（ｂ）は、圧電素子３１０を示す平断面図、斜視断面図、図４（ｃ）は、シャフト３２０を示す平断面図である。

圧電素子３１０は、素子本体３１１および外部電極３１５、３１６により構成されている。素子本体３１１においては、圧電体層３１２とこれを介して交互に積層された第１および第２の内部電極層３１３、３１４とが積層されている。素子本体３１１は、積層方向に貫通した中心軸Ｃ３上の貫通孔３１９を有し、環状に形成されている。外周は円形であり、内部電極３１３、３１４の外周も概略円形に形成されている。

第１および第２の外部電極３１５、３１６は、素子本体３１１の側面の所定位置に設けられている。第１の外部電極３１５は、第１の内部電極３１３とその電極取り出し部の位置で接続されている。また、第２の外部電極３１６は、第２の内部電極３１４とその電極取り出し部の位置で接続されている。

シャフト３２０は、貫通孔３１９に通して外部電極の位置合わせに用いられる。シャフト３２０は、貫通孔３１９の内側面に沿った形状で形成されており、図４（ｃ）に示すように正円に回り止めの凸形状を設けた断面形状を有している。

［第４の実施形態］
上記の実施形態では、圧電アクチュエータ用に圧電素子が円環型に形成されているが、圧電トランス用に圧電素子が円環型に形成されていてもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、圧電素子４１０を示す平断面図、斜視断面図、図５（ｃ）は、シャフト４２０を示す平断面図である。

圧電素子４１０は、素子本体４１１および外部電極４１５ａ、４１５ｂ、４１６により構成され、厚さ方向の区間ごとに入力部４１７ａおよび出力部４１７ｂに区分できる。外部電極４１５ａ、４１５ｂは、入力用の電極であり、外部電極４１５ａには入力端子が接続されて入力電圧が印加され、外部電極４１５ｂはグランド接続とすることができる。また、外部電極４１６は、出力用の外部電極であり、外部電極４１６から出力電圧を取り出すことができる。

素子本体４１１においては、圧電体層４１２とこれを介して交互に積層された第１〜第３の内部電極層４１３ａ、４１３ｂ、４１４とが積層されている。入力部４１７ａでは、圧電体層４１２と内部電極層４１３ａ、４１３ｂとが密に積層されており、出力部４１７ｂでは、圧電体層４１２が厚く形成され、端部に内部電極４１４が設けられている。

素子本体４１１は、積層方向に貫通した中心軸Ｃ４上の貫通孔４１９を有し、環状に形成されている。外周は円形であり、内部電極４１３ａ、４１３ｂ、４１４の外周も概略円形に形成されている。

第１〜第３の外部電極４１５ａ、４１５ｂ、４１６は、素子本体４１１の側面の所定位置に設けられている。第１の外部電極４１５ａは、第１の内部電極４１３ａとその電極取り出し部の位置で接続されている。また、第２の外部電極４１５ｂは、第２の内部電極４１３ｂとその電極取り出し部の位置で接続されている。また、第３の外部電極４１６は、第１の内部電極４１４とその電極取り出し部の位置で接続されている。

シャフト４２０は、貫通孔４１９に通して外部電極の位置合わせに用いられる。シャフト４２０は、貫通孔４１９の内側面に沿った形状で形成されており、図５（ｃ）に示すように長円の断面形状を有している。入力部４１７ａと出力部４１７ｂを一体焼成した円筒形の圧電トランス用の圧電素子４１０において、中心に円形でない貫通孔４１９が開いていることにより、シャフトを４２０通すことによって、回転方向の位置を固定できる。断面形状は長円が好ましいが、長方形や正円に回り止めの凹形状を設けた形状であってもよい。

上記のように圧電素子４１０が積層素子である場合、内部電極層４１３ａ、４１３ｂ、４１４を１層おきに接続して外部とつなぐ外部電極４１５ａ、４１５ｂ、４１６が必要となる。外部電極を形成する際には外部電極の形成位置をそろえなければならない。例えばスクリーン印刷の場合、印刷箇所をスクリーンマスクに当たるように中心軸周りの回転角θ方向をそろえる必要がある。

円筒型の圧電トランス用の圧電素子は通常は１つの素子の中に入力部と出力部を持つ一体焼成した素子が用いられる。しかし、入力部と出力部とで材料特性を変えるときには、２つ以上の圧電素子を接着して用いる場合がある。このときには、複数素子の外部電極位置を調整する必要があり、中心の円形でない孔を用いることで、従来の円筒形に比べて外部電極の位置をそろえるのに手間がからない。

なお、上記の圧電トランス用の圧電素子４１０では、円環厚み方向に区分されたそれぞれ単一の入力部と出力部とが接しており、出力部側の端面付近に出力用の内部電極が設けられている。その結果、両端面側に不活性層が設けられ、入力用の２つの外部電極の他に出力用の外部電極が側面上に設けられている。しかし、圧電トランスには、このような形態以外にも様々なものが考えられる。

例えば、上記の形態において、さらに出力部において入力部に隣接する位置にもう一方の出力側の内部電極を設け、入力部の内部電極との間に不活性層を設けることもできる。これにより、入力部と出力部との間に不活性層が設けられ、入力回路と出力回路とを分離できる。この場合、入力用と出力用のそれぞれに２つずつ外部電極が素子本体の側面に設けられ、作製時に位置合わせが必要となる。入力用と出力用のそれぞれの外部電極を素子本体の側面に設けるため、特に貫通孔による位置合わせが有効である。

また、上記の入力回路と出力回路とを不活性層で分離した形態を厚み方向に対称になるように設計し、出力部を入力部の両端面側に設けることも可能である。この形態では、入力部が２つの出力部に挟まれた配置となり、入力部と各出力部との間および出力部の各端面側には不活性層が設けられ、不活性層は合計で４層設けられる。この場合にも入力用と出力用のそれぞれに２つずつ外部電極が素子本体の側面に設けられ、作製時に位置合わせが必要となる。

また、圧電トランス用の圧電素子４１０では、出力用の電極として内部電極４１４が設けられているが、これに代えて端面電極を設け、その端面電極上に出力用の外部電極を設けてもよい。この場合には、出力部の端面側には、不活性層がなくなる。また、入力用に２つの外部電極が素子本体の側面に設けられ、作製時に位置合わせが必要となる。

［実施例、比較例（圧電アクチュエータ）］
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。一方、比較例１として、図６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６（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。また、図６（ｃ）は、シャフト５２０を示す平断面図である。圧電素子５１０は、中心軸上に断面形状が正円の貫通孔５１９を有し、環状に形成されている。素子本体５１１は、圧電体層５１２と内部電極５１３、５１４とが交互に積層されて形成されている。内部電極５１３、５１４は、それぞれ外部電極５１５、５１６に接続されている。圧電素子５１０については、貫通孔５１９にシャフト５２０を挿通して圧電素子５１０の位置合わせをする場面で、中心軸Ｃ５回りの移動は拘束できない。

（実施例１）
実施例１として図１に示すような圧電素子を作製した。まず、グリーンシートに所定の内部電極を印刷して所定枚数積層後、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、貫通孔φ２．５ｍｍ×長さ３．５ｍｍの断面長円、厚さ４．５ｍｍの積層に加工した。外形は薄刃による切断で加工し、貫通孔はエンドミルを使用して加工した。これを焼成し、外形７ｍｍ×７ｍｍ、貫通孔φ２ｍｍ×長さ２．８ｍｍ、厚さ３ｍｍの一体焼成型の圧電素子を得た。

得られた圧電素子において、１層あたり５０μｍの内部電極層が５０層と、上下に内部電極のない層が０．２５ｍｍ形成された。この圧電素子を平面研削により厚みを２．５ｍｍに加工した後、外径を６ｍｍに円筒加工した。一方で、φ２．５の円柱を厚さ１．８ｍｍに削ったシャフトを用意した。作製した複数個の圧電素子をシャフトに通して冶具にセットし、スクリーン印刷によって外部電極を形成した。シャフトから外して外部電極焼き付け後、シャフトに通して必要枚数積み上げ、リード線により外部電極同士を接続した。

（比較例１）
比較例１として図６に示すような圧電素子を作製した。まず、グリーンシートに所定の内部電極を印刷して所定枚数積層後、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、内径φ２．５ｍｍ、厚さ４．５ｍｍの積層に加工した。外形は薄刃による切断、内径は通常のドリルを使用した。これを焼成し、外形７ｍｍ×７ｍｍ、内径φ２ｍｍ、厚さ３ｍｍの一体焼成型圧電素子を得た。１層あたり５０μｍの電極層が５０層と、上下に内部電極のない層が０．２５ｍｍである。

これを平面研削により厚みを２．５ｍｍに加工した後、外径を６ｍｍに円筒加工してφ６ｍｍの円環型素子ができた。この外形加工した面に内部電極取り出し部が露出するように設計されており、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。外部電極焼き付け後、シャフトを通してスタックし、外部電極を目視で揃えてテープで仮止めしリード線により外部電極同士を接続した。

（検証結果）
外部電極の印刷において、長円の断面形状を有する貫通孔を利用することにより実施例では比較例の２００倍以上の処理が可能であった。また比較例ではスタックのとき、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。おおよその位置あわせにも実施例の５０倍以上の時間を要した。

［実施例、比較例（圧電トランス）］
上記の第４の実施形態にかかる圧電トランス用の圧電素子４１０として、実施例２の圧電素子を作製した。一方、比較例２として、図７に記載の圧電トランス用の圧電素子６１０を作製した。

図７（ａ）、（ｂ）は、比較例２の圧電素子６１０を示す平断面図および斜視断面図である。また、図７（ｃ）は、シャフト６２０を示す平断面図である。圧電素子６１０は、中心軸上に断面形状が正円の貫通孔６１９を有し、環状に形成されている。素子本体６１１は、圧電体層６１２と内部電極６１３ａ、６１３ｂ、６１４とが交互に積層されて形成されている。内部電極６１３ａ、６１３ｂ、６１４は、それぞれ外部電極６１５ａ、６１５ｂ、６１６に接続されている。圧電素子６１０については、貫通孔６１９にシャフト６２０を挿通して圧電素子６１０の位置合わせをする場面で、中心軸Ｃ６回りの移動は拘束できない。

（実施例２）
実施例２として図５に示すような圧電素子を作製した。グリーンシートに所定の電極を印刷して所定枚数積層し圧着後、外形２０ｍｍ×２０ｍｍ、内孔φ２．５ｍｍ×長さ３．５ｍｍの長円穴、厚さ６ｍｍに加工した。外形は薄刃による切断、内孔の加工にはエンドミルを使用した。これを焼成し、外形１６ｍｍ×１６ｍｍ、内孔φ２ｍｍ×２．８ｍｍ、厚さ４．８ｍｍの一体焼成型圧電素子を得た。

これを両面研磨により厚みを２．５ｍｍに加工した。別に用意した、φ２．５の円柱を厚さ１．８ｍｍに削ったシャフトを用いて、外径を１５ｍｍに円筒加工した。出来上がった素子の構造は電極間隔が１層あたり１２０μｍで計１６層の入力部分と電極間隔が１．９ｍｍの出力層と、上下に不活性な層が０．１ｍｍである。この外形加工した面に内部電極取り出し部が露出するように設計されている。円筒加工用に用意したシャフトと同様の形状のシャフトに作製した素子を複数個通して冶具にセットし、スクリーン印刷によって外部電極を形成した。その後シャフトから外して外部電極焼き付けし、圧電トランス用の圧電素子を得た。

（比較例２）
比較例１として図７に示すような圧電素子を作製した。グリーンシートに所定の電極を印刷して所定枚数積層し圧着後、外形２０ｍｍ×２０ｍｍ、内径φ２．５ｍｍ、厚さ６ミリに加工した。外形は薄刃による切断、内径は通常のドリルを使用した。これを焼成し、外形１６ｍｍ×１６ｍｍ、内径φ２ｍｍ、厚さ４．８ｍｍの一体焼成型圧電素子を得た。

これを両面研磨により厚みを２．５ｍｍに加工後、円筒加工した。出来上がった素子の構造は電極間隔が１層あたり１２０μｍで計１６層の入力部分と電極間隔が１．９ｍｍの出力層と、上下に不活性な層が０．１ｍｍである。この外形加工した面に内部電極取り出し部が露出するように設計されている。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。その後外部電極焼き付けした。

（検証結果）
外部電極の印刷において、長円の内孔を利用することにより実施例２では比較例２の２００倍以上の処理が可能であった。内孔の形状は、通すシャフトによって圧電素子の外部電極位置が決められる形状であれば形状は限定されず、正円に回り止めの凹形状を設けた形状（第３の実施形態）でもよい。圧電トランスの場合、外部電極形成箇所は少なくとも３箇所以上あり、それぞれ役割が決まっていることから、３回対称以上の場合、目視等によって、外部電極位置を合わせる必要が出てくる。したがって、２回対称以下の形状が好ましい。

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、１１４ 内部電極層（内部電極）
１１５、１１６ 外部電極
１１９ 貫通孔
１２０ シャフト
Ｃ１ 中心軸
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 素子本体
２１２ 圧電体層
２１３、２１４ 内部電極層（内部電極）
２１５、２１６ 外部電極
２１９ 貫通孔
２２０ シャフト
Ｃ２ 中心軸
３１０ 圧電素子
３１１ 素子本体
３１２ 圧電体層
３１３、３１４ 内部電極層（内部電極）
３１５、３１６ 外部電極
３１９ 貫通孔
３２０ シャフト
Ｃ３ 中心軸
Ｃ４ 中心軸
４１０ 圧電素子
４１１ 素子本体
４１２ 圧電体層
４１３ａ、４１３ｂ、４１４ 内部電極層（内部電極）
４１５ａ、４１５ｂ、４１６ 外部電極
４１７ａ 入力部
４１７ｂ 出力部
４１９ 貫通孔
４２０ シャフト

Claims (8)

1. 圧電アクチュエータ用または圧電トランス用の圧電素子であって、
   圧電体層および前記圧電体層を介して交互に積層された内部電極を有し、環状に形成された素子本体と、
   前記素子本体の側面に設けられ、前記内部電極と接続された外部電極と、を備え、
   前記素子本体の中央に設けられた貫通孔は、断面が正円を除く形状に形成されていることを特徴としている圧電素子。
2. 前記内部電極として、交互に積層された第１および第２の内部電極を備え、
   前記外部電極として、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極とを備え、
   圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記内部電極として、少なくとも交互に積層された入力用の第１および第２の内部電極を備え、
   前記外部電極として、前記第１の内部電極と接続された第１の外部電極と、前記第２の内部電極と接続された第２の外部電極と、出力用の外部電極と、を備え、
   圧電トランス用として用いられることを特徴としている請求項１記載の圧電素子。
4. 前記貫通孔は、２回対称以下の断面形状で形成されていることを特徴としている請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
5. 前記第１の外部電極と前記第２の外部電極とは、前記素子本体の中心軸に対して軸対称の位置に設けられていることを特徴としている請求項２または請求項３記載の圧電素子。
6. 前記貫通孔は、角のない断面形状で形成されていることを特徴としている請求項４記載の圧電素子。
7. 前記貫通孔は、長円の断面形状で形成されていることを特徴としている請求項６記載の圧電素子。
8. 請求項２記載の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備えることを特徴としている圧電アクチュエータ。
   

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