JP6565964B2

JP6565964B2 - 圧電アクチュエータ

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Publication number: JP6565964B2
Application number: JP2017075272A
Authority: JP
Inventors: 恵治小口; 里志小澤; 宏治谷脇; 田村　淳; 淳田村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: JP2018181935A

Description

本発明は、対象部材を駆動する圧電アクチュエータに関する。

圧電アクチュエータは、圧電素子の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アクチュエータであり、対象物に直線的な変位を与えるリニアアクチュエータ等として様々な分野で利用されている。

圧電アクチュエータにより得られる機械的変位は比較的微小であるため、アクチュエータは、たとえばカメラ等のレンズ駆動用等として、精密かつ正確な制御が要求される用途に対して好適に利用される。たとえば、このような圧電アクチュエータとして、圧電素子部の一方の端面に可動部であるシャフトを接続し、他方の端面に慣性部である錘を接続したものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２７４７７７号

しかしながら、近年、アクチュエータの小型化に伴い、シャフトが圧電素子部に対して相対的に長尺化し、また、圧電素子部の断面積も縮小傾向にある。これにより、アクチュエータの圧電素子部に対して、従来に比べて大きな応力が加えられる状況が生じ、圧電素子部の損傷や折れを防止するための対策が求められている。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、小型でありながら、圧電素子部の損傷や折れを防止することができ、耐久性に優れた圧電アクチュエータを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、
可動部であるシャフトと、
慣性部である錘と、
前記シャフトが接続される第１端面と、前記第１端面に対向しており前記錘が接続される第２端面と、互いに対向する２つの外部電極形成面と２つの前記外部電極形成面を接続しており互いに対向する２つの外部電極非形成面とを含み前記第１端面と前記第２端面とを接続する４つの側面と、を有する略直方体の圧電素子部と、
前記シャフトと前記圧電素子部とを連結する接着樹脂部と、
前記錘と前記圧電素子部とを連結する連結部と、
前記外部電極形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第１境界部と前記外部電極形成面との間に挟まれるように、前記外部電極形成面に設けられる第１素子保護層と、
前記外部電極非形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第２境界部と前記外部電極非形成面との間に挟まれるように、前記外部電極非形成面に設けられる第２素子保護層と、を有し、
前記第１素子保護層の面積は、前記第２素子保護層の面積より狭いことを特徴とする。

本発明に係る圧電アクチュエータは、シャフトと圧電素子部とを連結する接着樹脂部の第１境界部と外部電極形成面との間に第１素子保護層が設けられており、接着樹脂部の第２境界部と外部電極非形成面との間に第２素子保護層が設けられている。接着樹脂部の第１境界部及び第２境界部周辺の圧電素子部には、冷熱サイクルなどの経た後にクラックなどの損傷が発生しやすいという問題があるが、本発明に係る圧電アクチュエータは、第１素子保護層と第２保護層とを有するため、圧電素子部にクラックなどの損傷が発生する問題を防止できる。このような圧電アクチュエータでは、第１及び第２境界部が、第１及び第２保護層を介して外部電極形成面及び外部電極非形成面に接続しているため、接着樹脂部と圧電素子部との線膨張係数の違いから圧電素子部に生じる応力を、緩和することができると考えられる。また、第１素子保護層の面積が、第２素子保護層の面積より狭いため、第１素子保護層から露出する外部電極形成面に対して、圧電素子部に電圧を印加するための配線部等を、容易に接続することが可能である。

また、たとえば、前記接着樹脂部は、前記外部電極形成面に垂直な断面において、前記第１境界部から前記シャフトに近い側に向かって徐々に厚みが増す第１厚み変化部を有してもよく、
前記第１素子保護層は、前記第１厚み変化部と前記外部電極形成面との間に挟まれるように設けられていてもよく、
前記接着樹脂部は、前記外部電極非形成面に垂直な断面において、前記第２境界部から前記シャフトに近い側に向かって徐々に厚みが増す第２厚み変化部を有してもよく、
前記第２素子保護層は、前記第２厚み変化部と前記外部電極非形成面との間に挟まれるように設けられていてもよい。

第１及び第２厚み変化部を有する接着樹脂部は、第１および第２境界部近傍および第１及び第２厚み変化部に対向する圧電素子部に、応力が集中する傾向がある。しかし、第１及び第２素子保護層を、第１及び第２厚み変化部と外部電極形成面及び外部電極非形成面との間に配置することにより、圧電素子部における第１及び第２厚み変化部に対向する部分に、応力が集中する問題を防止できる。

また、例えば、前記第１素子保護層および前記第２素子保護層の弾性率は、前記接着樹脂部の弾性率より低くてもよい。

弾性率の低い第１及び第２素子保護層は、第１及び第２素子保護層が容易に変形することができるため、接着樹脂部が温度変化により膨張又は収縮した場合に、接着樹脂部の変形に伴う力が圧電素子部に伝わることを防止し、圧電素子部に応力が生じる問題を防止できる。

また、例えば、前記外部電極形成面に垂直な断面における前記第１素子保護層の厚みは、前記外部電極非形成面に垂直な断面における前記第２素子保護層の厚みより薄くてもよい。

外部電極形成面に形成された外部電極は、圧電素子部の素子本体と接着樹脂部との間に配置されることにより、第１素子保護層と同様に、接着樹脂部の変形に伴う力が圧電素子部に伝わることを防止する効果を奏する。したがって、第１素子保護層を薄くし、第２素子保護層を厚くすることにより、圧電素子部の外部電極形成面側と、外部電極非形成面側とを、同様に保護することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略斜視図である。図２は、図１に示す圧電アクチュエータに含まれる圧電素子部、第１素子保護層及び第２素子保護層を表す斜視図である。図３は、図１に示す圧電アクチュエータの外部電極形成面に垂直な部分断面図である。図４は、図１に示す圧電アクチュエータの外部電極非形成面に垂直な部分断面図である。図５は、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略斜視図である。図６は、図５に示す圧電アクチュエータの外部電極形成面に垂直な部分断面図である。図７は、図５に示す圧電アクチュエータの外部電極非形成面に垂直な部分断面図である。図８は、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略斜視図である。図９は、本発明の第４実施形態に係る圧電アクチュエータを示す概略斜視図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０を示す概略斜視図である。図１に示すように、圧電アクチュエータ１０は、シャフト１２、圧電素子部２０、配線部３０、錘４０、接着樹脂部５０、連結部５６、第１素子保護層６１、第２素子保護層６２等を有する。

圧電アクチュエータ１０のシャフト１２は、圧電素子部２０におけるＺ軸正方向の端面である第１端面２０ａに接続されている。シャフト１２は、圧電素子部２０の変形に伴い変位する可動部である。例えば、圧電アクチュエータ１０がレンズ駆動モジュールとして使用される場合、シャフト１２には、図示しない移動部材が、移動自在に係合される。移動部材は光学系等を保持しており、移動部材及びこれに保持される光学系は、圧電アクチュエータ１０の駆動力により、シャフト１２に沿ってＺ軸方向に変位することができる。

圧電アクチュエータ１０のシャフト１２は、円柱状であり、シャフト１２において圧電素子部２０の第１端面２０ａに対向するシャフト対向面１２ａの面積は、第１端面２０ａの面積より広い。また、シャフト１２のＺ軸方向の長さは、圧電素子部２０のＺ軸方向の長さより長く、これにより移動部材の移動距離を長くすることが可能である。ただし、シャフト１２の形状及び大きさは特に限定されず、シャフト１２は円柱状以外の柱状又は棒状であってもよく、シャフト対向面１２ａの面積は第１端面２０ａの面積より狭くてもよい。

シャフト１２の材質は特に限定されないが、例えば金属やカーボン若しくは樹脂等を採用することができる。

図１に示すように、接着樹脂部５０は、シャフト１２と圧電素子部２０とを連結する。接着樹脂部５０は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂で構成されており、たとえば、シャフト１２と圧電素子部２０とを固定するエポキシ樹脂系接着剤等が硬化した接着剤硬化部で構成される。接着樹脂部５０は、圧電素子部２０の第１端面２０ａの外周を取り囲むように形成されている。

なお、図１等に示す圧電アクチュエータ１０の説明では、圧電素子部２０の第１及び第２端面２０ａ、２０ｂ（図２参照）の法線方向をＺ軸方向、圧電素子部２０の外部電極形成面２０ｃの法線方向をＹ軸方向、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅの法線方向をＸ軸方向として説明を行う。

図１に示すように、圧電素子部５０におけるＺ軸負方向の端面である第２端面２０ｂには、錘４０が接続されている。圧電素子部２０において、第２端面２０ｂは、シャフト１２が接続されている第１端面２０ａに対向する。

錘４０は慣性部であり、第１端面２０ａに接続されるシャフト１２に変位を与えるための慣性体として機能する。錘４０は、例えば、圧電素子部２０及びシャフト１２より比重の大きい材料で構成される。錘４０の材質は特に限定されないが、例えば、タングステン等の比重の大きい金属又はそのような金属を含む合金等を採用することができる。

錘４０は、直方体の外形状を有しており、錘４０において圧電素子部２０の第２端面２０ｂに対向する対向面の面積は、第２端面２０ｂの面積より広い。ただし、錘４０の形状は直方体に限定されず、平板状、円柱状等の他の形状であってもよい。

図１に示すように、連結部５６は、錘４０と圧電素子部２０とを連結する。連結部５６は、樹脂等で構成されており、たとえば、接着樹脂部と同様に、接着剤硬化部で構成される。連結部５６は、圧電素子部２０の第２端面２０ｂの外周を取り囲むように形成されている。

連結部５６は、外部電極２４と配線部３０との接続部分を被覆しており、外力等により配線部３０と外部電極２４との電気的な接続が解除されてしまう問題を防止している。図１に示すように、圧電素子部２０の２つの外部電極２４には、それぞれ配線部３０が接続されている。圧電素子部２０には、配線部３０を介して電圧を印加することができ、圧電素子部２０は、印加された電圧に応じた変形を生じる。配線部３０は、例えば、被覆電線やリードフレーム等で構成されるが、圧電素子部２０に電圧を印加できるものであれば、どのようなものであってもよい。

図２は、圧電素子部２０と、圧電素子部２０の表面に設けられた第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２を表す斜視図である。図２に示すように、圧電素子部２０は、略矩形の外形状を有しており、２つの端面と４つの側面とを有している。圧電素子部２０が有する２つの端面のうち、Ｚ軸正方向側を向く第１端面２０ａには、図１に示すシャフト１２が接続される。図１に示すように、シャフト１２と圧電素子部２０とは、接着樹脂部５０によって連結されている。

圧電素子部２０が有する２つの端面のうち、Ｚ軸負方向側を向く第２端面２０ｂには、錘４０が接続されている。第１端面２０ａと第２端面２０ｂとは互いに対向しており、圧電素子部２０は、シャフト１２と錘４０とによって、Ｚ方向の両側を挟まれている。

圧電素子部２０が有する４つの側面は、いずれも第１端面２０ａと第２端面２０ｂとを接続している。圧電素子部２０が有する４つの側面は、互いに対向する２つの外部電極形成面２０ｃと、互いに対向する２つの外部電極非形成面２０ｅとで構成される。外部電極形成面２０ｃには、配線部３０に電気的に接続される外部電極２４が層状に形成されているのに対して、外部電極非形成面２０ｅには、外部電極２４が形成されていない。また、外部電極形成面２０ｃは、２つの外部電極非形成面２０ｅを接続しており、外部電極非形成面２０ｅは、２つの外部電極形成面２０ｃを接続している。

図３は、図１に示す圧電アクチュエータ１０の外部電極形成面２０ｃに垂直な部分断面図である。圧電素子部２０は、内部電極層２２と圧電体層２３とがＺ軸方向に交互に積層された積層体である素子本体２１と、素子本体２１の表面に形成された外部電極２４とを有する。素子本体２１は、圧電素子部２０全体より僅かに小さい直方体形状であり、外部電極２４の厚みは特に限定されないが、０．１〜２０ｍ程度である。

図３に示すように、圧電素子部２０の外部電極形成面２０ｃは、外部電極２４で構成されている。外部電極２４は、Ｙ軸正方向側を向く素子本体２１の側面を覆うように形成されている。Ｙ軸正方向側を向く素子本体２１の側面に形成される外部電極２４には、素子本体２１に含まれる内部電極層２２のうち半分が接続している。なお、図３では示していないが、Ｙ軸負方向を向く素子本体２１の側面にも、Ｙ軸正方向側と同様に、外部電極形成面２０ｃを構成する外部電極２４が形成されている。Ｙ軸負方向側を向く外部電極２４には、素子本体２１に含まれる内部電極層２２のうち残りの半分が接続している。

圧電素子部２０における圧電体層２３の厚みは、特に制限されないが、好ましくは５〜５０μｍ程度である。また、圧電体層２３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。

内部電極層２２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。外部電極２４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、さらに、外部電極２４の外側には、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。

図２及び図３に示すように、圧電素子部２０の外部電極形成面２０ｃには、第１素子保護層６１が設けられている。第１素子保護層６１は、外部電極形成面２０ｃに垂直な断面（図３に示す断面）において、接着樹脂部５０の第１境界部５１と外部電極形成面２０ｃとの間に挟まれるように配置されている。なお、第１境界部５１は、図１に示すように、シャフト１２と圧電素子部２０とを連結する接着樹脂部５０における錘４０に近い側の端部のうち、外部電極形成面２０ｃに垂直な断面に現れる部分である。

図２および図３に示すように、第１素子保護層６１は、外部電極形成面２０ｃに形成される外部電極２４の上に重ねて設けられており、外部電極２４の一部を被覆する。ただし、第１素子保護層６１は、外部電極非形成面２０ｅに設けられる第２素子保護層６２や、第１素子保護層６１の下層に形成された外部電極２４より面積が狭いため、外部電極２４の一部、特に錘４０に近い側の一部は、第１素子保護層６１に覆われておらず、図１に示す配線部３０は、外部電極２４における第１素子保護層６１に覆われていない部分に接続されている。

図２及び図３に示すように、第１素子保護層６１は、外部電極形成面２０ｃのうち、Ｚ軸方向に関してシャフト１２に近い側に設けられている。図３に示すように、外部電極形成面２０ｃにおけるシャフト１２に近い側の部分は、シャフト１２に接続する接着樹脂部５０に覆われており、この部分の接着樹脂部５０は、図３に示すような外部電極形成面２０ｃに垂直な断面において、第１境界部５１からシャフト１２に近い側に向かって徐々に厚みが増す第１厚み変化部５０ａとなっている。

図３に示すように、第１素子保護層６１は、第１厚み変化部５０ａと外部電極形成面２０ｃとの間に挟まれるように設けられており、第１厚み変化部５０ａ及び第１境界部５１は、外部電極形成面２０ｃに対して直接対向せず、かつ、直接接続しないようになっている。なお、接着樹脂部５０は、第１素子保護層６１が配置されていることにより、外部電極形成面２０ｃには直接対向していないが、圧電素子部２０の第１端面２０ａに対しては、直接対向及び接続している。なお、図２及び図３には示されていないが、Ｙ軸負方向側を向く外部電極形成面２０ｃにも、Ｙ軸正方向側を向く外部電極形成面２０ｃと同様に、第１素子保護層６１が設けられている。

図４は、図１に示す圧電アクチュエータ１０の外部電極非形成面２０ｅに垂直な部分断面図である。図４に示すように、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅには外部電極２４が形成されていない。すなわち、Ｘ軸負方向を向く外部電極非形成面２０ｅは、素子本体２１における内部電極層２２と圧電体層２３とで構成される。図４に示す外部電極非形成面２０ｅを構成する内部電極層２２には、一方の外部電極２４（Ｙ軸正方向側）に接続する内部電極層２２と、他方の外部電極２４（Ｙ軸負方向側）に接続する内部電極層２２の両方が含まれる。なお、図４では示されていないが、Ｘ軸正方向を向く外部電極非形成面２０ｅも、内部電極層２２と圧電体層２３とで構成される。

図２及び図４に示すように、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅには、第２素子保護層６２が設けられている。第２素子保護層６２は、外部電極非形成面２０ｅに垂直な断面（図４に示す断面）において、接着樹脂部５０の第２境界部５２と外部電極非形成面２０ｅとの間に挟まれるように配置されている。なお、第２境界部５２は、図１に示すように、シャフト１２と圧電素子部２０とを連結する接着樹脂部５０における錘４０に近い側の端部のうち、外部電極非形成面２０ｅに垂直な断面に現れる部分である。

図２および図４に示すように、第２素子保護層６２は、外部電極非形成面２０ｅを覆うように設けられており、外部電極非形成面２０ｅの全体を被覆する。ただし、第２素子保護層６２は、外部電極非形成面２０ｅの一部を覆うものであってもよい。

図２及び図４に示すように、第２素子保護層６２は、外部電極非形成面２０ｅにおいて、Ｚ軸方向に連続するように設けられている。図４に示すように、外部電極非形成面２０ｅにおけるシャフト１２に近い側の部分は、図３に示す電極形成面２０ｃと同様に、シャフト１２に接続する接着樹脂部５０に覆われている。そして、この部分の接着樹脂部５０は、図４に示すような外部電極形成面２０ｃに垂直な断面において、第２境界部５２からシャフト１２に近い側に向かって徐々に厚みが増す第２厚み変化部となっている。

図４に示すように、第２素子保護層６２におけるシャフト１２に近い側の部分は、第２厚み変化部５０ｂと外部電極非形成面２０ｅとの間に挟まれるように設けられている。したがって、接着樹脂部５０の第２厚み変化部５０ｂ及び第２境界部５２は、外部電極非形成面２０ｅに対して直接対向せず、かつ、直接接続しないようになっている。なお、図２及び図４には示されていないが、Ｘ軸正方向側を向く外部電極非形成面２０ｅにも、Ｘ軸負方向側を向く外部電極非形成面２０ｅと同様に、第２素子保護層６２が設けられている。

第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２は、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂で構成することができるが、第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２は、圧電素子部２０に生じる応力を緩和できるものであれば、構成材料は特に限定されない。ここで、第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２の弾性率は、接着樹脂部５０の弾性率より低いことが好ましい。弾性率の低い第１及び第２素子保護層６１、６２は、外力および応力によって容易に変形することができるため、接着樹脂部５０が温度変化により膨張又は収縮した場合に、接着樹脂部５０の変形に伴う力が圧電素子部２０に伝わることを防止し、圧電素子部２０に応力が生じる問題を防止できる。

たとえば、第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２の弾性率は、２．０〜５．０ＧＰａ程度とすることができ、接着樹脂部５０の弾性率は、４．０〜７．０ＧＰａ程度とすることができる。これにより、接着樹脂部５０によって圧電素子部２０とシャフト１２とを確実に連結しつつ、圧電素子部２０における応力の集中やそれに伴うクラック等の発生を好適に防止できる。

第１素子保護層６１の厚みは、たとえば、５〜２０μｍとすることができ、第２素子保護層６２の厚みは、たとえば、１０〜３０μｍとすることができる。ここで、図３に示す第１素子保護層６１の厚みは、図４に示す第２素子保護層６２の厚みより薄いことが好ましい。外部電極２４は、圧電素子部２０の素子本体２１と接着樹脂部５０との間に配置されることにより、第１素子保護層６１と同様に、接着樹脂部５０の変形に伴う力が圧電素子部２０に伝わることを防止する効果を奏する。したがって、外部電極非形成面２０ｅに設けられる第２素子保護層６２を厚くすることにより、圧電素子部２０の外部電極形成面２０ｃ側と、外部電極非形成面２０ｅ側とを、同様に保護することができる。

図１に示す圧電アクチュエータ１０は、たとえば以下のような工程により製造される。まず、図２に示す圧電素子部２０を製造し、その後、圧電素子部２０における外部電極形成面２０ｃに第１素子保護層６１を形成し、外部電極非形成面２０ｄに第２素子保護層６２を形成する。圧電素子部２０の製造は、内部電極層２２および圧電体層２３の原材料で構成されるグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を製造し、そのグリーンシート積層体を焼成して素子本体２１を製造し、素子本体２１における１対の対向する側面に外部電極２４を形成することにより行われる。外部電極２４の形成は、メッキ等により行うことができる。

また、外部電極形成面２０ｃに第１素子保護層６１を形成し、外部電極非形成面２０ｅに第２素子保護層６２を形成する工程は、第１素子保護層６１および第２素子保護層６２の原材料となる樹脂ペーストを外部電極形成面２０ｃおよび外部電極非形成面２０ｅに塗布し、乾燥等させることにより行われる。なお、第１素子保護層６１と第２素子保護層６２とは、どちらを先に形成してもよく、また、第１素子保護層６１の材質と第２素子保護層６２の材質とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。また、図３および図４に示す実施形態では、圧電素子部２０の第１端面２０ａ及び第２端面２０ｂには、第１素子保護層６１又は第２素子保護層６２のような樹脂層を設けていないが、第１素子保護層６１と第２素子保護層６２の材料が、第１端面２０ａ及び第２端面２０ｂにまで広がっていてもかまわない。

さらに、図２に示すような側面に第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２が設けられた圧電素子部２０に対して、配線部３０を各外部電極２４に接続した後、シャフト１２及び錘４０を、第１端面２０ａと第２端面２０ｂとに接合することにより、図１に示すような圧電アクチュエータ１０を得る。シャフト１２と圧電素子部２０との接合および錘４０と圧電素子部２０との接合は、たとえば接合面に接着剤を塗布した後に各部材を接合し、塗布した接着剤を硬化させることにより行うことができる。この場合、シャフト１２と圧電素子部２０とを接合する接着剤が硬化したものが接着樹脂部５０となり、錘４０と圧電素子部２０とを接合する接着剤が硬化したものが連結部５６となる。

以上のように、図１から図４に示す圧電アクチュエータ１０では、シャフト１２と圧電素子部２０とを連結する接着樹脂部５０の第１境界部５１及び第２境界部５２が、直接圧電素子部２０における素子本体２１表面や外部電極２４表面に接続しておらず、第１素子保護層６１や第２素子保護層６２を介して接続している。第１素子保護層６１や第２素子保護層６２は、接着樹脂部５０と圧電素子部２０との線膨張係数の違いなどから圧電素子部２０に生じる応力を緩和することにより、温度環境の変動等に起因して、圧電素子部２０にクラックが発生したり、圧電素子部２０が損傷したりする問題を防止できる。

また、圧電アクチュエータ１０では、接着樹脂部５０が第１厚み変化部５０ａおよび第２厚み変化部５０ｂを有するため、圧電素子部２０とシャフト１２とを強固に接合することが可能である。また、第１厚み変化部５０ａ及び第２厚み変化部５０ｂを有する構造では、冷熱サイクルなどの経た後に、第１境界部５１及び第２境界部５２周辺の圧電素子部２０に応力が集中する問題が発生し得るが、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１０では、圧電素子部２０と第１境界部５１及び第２境界部５２との間に第１及び第２素子保護層６１、６２が設けられるため、このような問題を好適に防止できる。

また、圧電アクチュエータ１０では、第１素子保護層６１の面積が、第２素子保護層６２の面積および外部電極２４の面積より狭いため、外部電極２４の一部が第１素子保護層６１に被覆されない。そのため、外部電極形成面２０ｃに第１素子保護層６１を設けた後であっても、外部電極２４に対して、配線部３０を容易に接続することが可能であり、組み立てが容易である。

第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０を示す概略斜視図である。第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０は、可動部であるシャフト１１２の太さと、シャフト１１２と圧電素子部２０とを連結する接着樹脂部１５０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と同様である。したがって、圧電アクチュエータ１１０の説明では、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０との相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。

図５に示すように、圧電アクチュエータ１１０のシャフト１１２において圧電素子部２０の第１端面２０ａに対向するシャフト対向面１１２ａ（図６及び図７参照）の面積は、第１端面２０ａの面積より狭い。

図６は、図５に示す圧電アクチュエータ１１０の外部電極形成面２０ｃに垂直な部分断面図である。図６に示すように、シャフト１１２と圧電素子部２０とを接続する接着樹脂部１５０は、第１実施形態に係る接着樹脂部５０とは異なり、圧電素子部２０の第１端面２０ａよりＺ軸正方向側（シャフト１１２側）に位置する部分が大きい。しかし、接着樹脂部１５０の一部は、第１端面２０ａよりＺ軸負方向側（錘４０側）に広がっており、さらにその一部が、図６に示すような外部電極形成面２０ｃに垂直な断面において、第１境界部１５１からシャフト１２に近い側に向かって徐々に厚みが増す第１厚み変化部１５０ａとなっている。

また、図６に示す接着樹脂部１５０の第１境界部１５１も、図３に示す第１境界部５１と同様に、圧電素子部２０の外部電極形成面２０ｃに対して、第１素子保護層６１を介して対向している。すなわち、第１素子保護層６１は、外部電極形成面２０ｃに垂直な断面（図６に示す断面）において、接着樹脂部１５０の第１境界部１５１と外部電極形成面２０ｃとの間に挟まれるように配置されている。

さらに、接着樹脂部１５０の第１厚み変化部１５０ａは、図３に示す第１厚み変化部５０ａに比べて小さいが、図３に示す第１厚み変化部５０ａと同様に、中間に第１素子保護層６１が挟まれていることにより、外部電極形成面２０ｃに対して直接対向せず、かつ、直接接続しないようになっている。

図７は、図５に示す圧電アクチュエータ１１０の外部電極非形成面２０ｅに垂直な部分断面図である。接着樹脂部１５０は、図７に示すような外部電極非形成面２０ｅに垂直な断面において、第２境界部１５２からシャフト１２に近い側に向かって徐々に厚みが増す第２厚み変化部１５０ｂを有している。接着樹脂部１５０の第２厚み変化部１５０ｂは、図４に示す第２厚み変化部５０ｂに比べて小さいが、図４に示す第２厚み変化部５０ｂと同様に、中間に第２素子保護層６２が挟まれていることにより、外部電極非形成面２０ｅに対して直接対向せず、かつ、直接接続しないようになっている。

また、図７に示す接着樹脂部１５０の第２境界部１５２も、図４に示す第２境界部５２と同様に、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅに対して、第２素子保護層６２を介して対向している。すなわち、第２素子保護層６２は、外部電極非形成面２０ｅに垂直な断面（図７に示す断面）において、接着樹脂部１５０の第２境界部１５２と外部電極非形成面２０ｅとの間に挟まれるように配置されている。

第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０でも、圧電アクチュエータ１０と同様に、第１素子保護層６１や第２素子保護層６２は、接着樹脂部１５０と圧電素子部２０との線膨張係数の違いなどから圧電素子部２０に生じる応力を緩和することができ、温度環境の変動等に起因して、圧電素子部２０にクラックが発生したり、圧電素子部２０が損傷したりする問題を防止できる。また、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０は、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と同様の効果を奏する。

第３実施形態
図８は、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータ２１０を示す概略斜視図である。第３実施形態に係る圧電アクチュエータ２１０は、第２素子保護層６２の上に抵抗層２６４が設けられていることを除き、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と同様である。したがって、圧電アクチュエータ２１０の説明では、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０との相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。

図８に示すように、圧電アクチュエータ２１０において、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅは第２素子保護層６２で被覆されており、さらに第２素子保護層６２の上には、抵抗層２６４が重ねて設けられている。抵抗層２６４は、Ｙ軸方向に沿って第２素子保護層６２を横断する帯状の形状を有しており、対向する２つの外部電極形成面２０ｃに形成される２つの外部電極２４を、互いに接続している。

抵抗層２６４は、第２素子保護層６２より低く、外部電極２４及び内部電極層２２より高い電気抵抗を有しており、圧電素子部２０における焦電効果により発生する電荷が移動できるようになっている。これにより、圧電アクチュエータ２１０は、焦電効果による圧電素子部２０の分極度低下を防止することができる。また、抵抗層２６４は、第２素子保護層６２の上に設けられているため、素子本体２１の内部電極層２２に直接接触しない。このような抵抗層２６４の抵抗値は、抵抗層２６４の断面積と、外部電極２４間を抵抗層２６４により接続する接続長さにより正確に制御することができるため、製造誤差が少ない。なお、抵抗層２６４を形成する数は２つに限られず、１つまたは３つ以上であってもかまわない。

抵抗層２６４は、たとえば導電性のフィラーを含む樹脂等で構成される。その他、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ２１０は、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と同様の効果を奏する。

第４実施形態
図９は、本発明の第４実施形態に係る圧電アクチュエータ３１０を示す概略斜視図である。第４実施形態に係る圧電アクチュエータ３１０は、第２素子保護層６２の上に抵抗層２６４が設けられていることを除き、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０と同様である。したがって、圧電アクチュエータ３１０の説明では、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１１０との相違点のみを説明し、共通点については説明を省略する。

図９に示すように、圧電アクチュエータ３１０において、圧電素子部２０の外部電極非形成面２０ｅは第２素子保護層６２で被覆されており、さらに第２素子保護層６２の上には、抵抗層２６４が重ねて設けられている。なお、抵抗層２６４は、図８に示す圧電アクチュエータ２１０が有する抵抗層２６４と同様である。

圧電アクチュエータ３１０も、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ２１０と同様に、焦電効果による圧電素子部２０の分極度低下を防止することができる。その他、第４実施形態に係る圧電アクチュエータ３１０は、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ２１０及び第３実施形態に係る圧電アクチュエータ３１０と同様の効果を奏する。

以上、実施形態を挙げて本発明に係る圧電アクチュエータ３１０を説明してきたが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、他の多くの実施形態や変形例を有することは言うまでもない。たとえば、第１素子保護層６１及び第２素子保護層６２は、圧電素子部２０の側面と接着樹脂部１５０との間に挟まれるように設けられていればどのような形状であってもよく、実施形態に示される以外の形状を有していてもよい。

１０、１１０、２１０、３１０…圧電アクチュエータ
１２、１１２…シャフト
１２ａ、１１２ａ…シャフト対向面
２０…圧電素子部
２０ａ…第１端面
２０ｂ…第２端面
２０ｃ…外部電極形成面
２０ｅ…外部電極非形成面
２１…素子本体
２２…内部電極層
２３…圧電体層
２４…外部電極
３０…配線部
４０…錘
５０、１５０…接着樹脂部
５０ａ、１５０ａ…第１厚み変化部
５０ｂ、１５０ｂ…第２厚み変化部
５１、１５１…第１境界部
５２、１５２…第２境界部
５６…連結部
６１…第１素子保護層
６２…第２素子保護層
２６４…抵抗層

Claims

可動部であるシャフトと、
慣性部である錘と、
前記シャフトが接続される第１端面と、前記第１端面に対向しており前記錘が接続される第２端面と、互いに対向する２つの外部電極形成面と２つの前記外部電極形成面を接続しており互いに対向する２つの外部電極非形成面とを含み前記第１端面と前記第２端面とを接続する４つの側面と、を有する略直方体の圧電素子部と、
前記シャフトと前記圧電素子部とを連結する接着樹脂部と、
前記錘と前記圧電素子部とを連結する連結部と、
前記外部電極形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第１境界部と前記外部電極形成面との間に挟まれるように、前記外部電極形成面に設けられる第１素子保護層と、
前記外部電極非形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第２境界部と前記外部電極非形成面との間に挟まれるように、前記外部電極非形成面に設けられる第２素子保護層と、を有し、
前記第１素子保護層の面積は、前記第２素子保護層の面積より狭く、
前記第１素子保護層および前記第２素子保護層の弾性率は、前記接着樹脂部の弾性率より低いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記外部電極形成面に垂直な断面における前記第１素子保護層の厚みは、前記外部電極非形成面に垂直な断面における前記第２素子保護層の厚みより薄い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。
可動部であるシャフトと、
慣性部である錘と、
前記シャフトが接続される第１端面と、前記第１端面に対向しており前記錘が接続される第２端面と、互いに対向する２つの外部電極形成面と２つの前記外部電極形成面を接続しており互いに対向する２つの外部電極非形成面とを含み前記第１端面と前記第２端面とを接続する４つの側面と、を有する略直方体の圧電素子部と、
前記シャフトと前記圧電素子部とを連結する接着樹脂部と、
前記錘と前記圧電素子部とを連結する連結部と、
前記外部電極形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第１境界部と前記外部電極形成面との間に挟まれるように、前記外部電極形成面に設けられる第１素子保護層と、
前記外部電極非形成面に垂直な断面において、前記接着樹脂部における前記錘に近い側の端部である第２境界部と前記外部電極非形成面との間に挟まれるように、前記外部電極非形成面に設けられる第２素子保護層と、を有し、
前記第１素子保護層の面積は、前記第２素子保護層の面積より狭く、
前記外部電極形成面に垂直な断面における前記第１素子保護層の厚みは、前記外部電極非形成面に垂直な断面における前記第２素子保護層の厚みより薄いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記接着樹脂部は、前記外部電極形成面に垂直な断面において、前記第１境界部から前記シャフトに近い側に向かって徐々に厚みが増す第１厚み変化部を有し、
前記第１素子保護層は、前記第１厚み変化部と前記外部電極形成面との間に挟まれるように設けられており、
前記接着樹脂部は、前記外部電極非形成面に垂直な断面において、前記第２境界部から前記シャフトに近い側に向かって徐々に厚みが増す第２厚み変化部を有し、
前記第２素子保護層は、前記第２厚み変化部と前記外部電極非形成面との間に挟まれるように設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。