JP2002246666A - 積層圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の積層圧電アクチュエータと比較し形状
を大きくすることなく、センサを内蔵した積層圧電アク
チュエータを提供することを目的とする。 【解決手段】 圧電セラミック１と複数のアクチュエー
タ用内部電極２ａ，２ｂからなる積層焼結体４と、この
積層焼結体４の表面に前記アクチュエータ用内部電極２
ａ，２ｂが交互に接続される一対の外部電極３ａ，３ｂ
とセンサ用外部電極３ｃとを備え、前記一対の外部電極
は一方はアクチュエータ用とセンサ用の共用外部電極３
ａとし他方はアクチュエータ用外部電極３ｂとし、前記
センサ用外部電極３ｃは前記圧電セラミック１を介して
前記アクチュエータ用内部電極２ａ，２ｂに対向するセ
ンサ用内部電極２ｃに接続して設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置制御などに用い
る積層圧電アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９、図１０に従来の積層圧電アクチュ
エータの一例の斜視図及び分解斜視図を示す。

【０００３】図９、図１０において、１１は圧電セラミ
ック層、１２ａ，１２ｂは内部電極、１３ａ，１３ｂは
外部電極を示す。ここで内部電極１２ａ，１２ｂで挟ま
れた部分の圧電セラミック層１１は分極領域となり、外
部電極１３ａ，１３ｂ間に電圧を印加することにより、
印加電圧の極性、大きさ、周波数に応じて積層圧電アク
チュエータは伸縮または振動する。これを利用して積層
圧電アクチュエータは位置制御等を行うために用いられ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この構成の積層圧電ア
クチュエータを用いて位置制御等を行う場合、外部から
の振動、衝撃などがある場合には位置精度が乱れるた
め、衝撃センサ、加速度センサ等のセンサ部品を別に用
いて、外部からの振動、衝撃の大きさ、周波数などを検
知しながら位置制御、振動制御を行う必要がある。この
ため、部品点数や部品実装面積が増えるという問題点を
有していた。

【０００５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、センサ部品を用いる必要がないように、従来の積層
圧電アクチュエータと比較して形状を大きくすることな
く、センサを内蔵した積層圧電アクチュエータを提供す
ることを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、以下の構成を有するものである。

【０００７】本発明の請求項１に記載の発明は、圧電セ
ラミックと複数のアクチュエータ用内部電極からなる積
層焼結体と、この積層焼結体の表面に前記アクチュエー
タ用内部電極が交互に接続される一対の外部電極とセン
サ用外部電極とを備え、前記一対の外部電極は一方はア
クチュエータ用とセンサ用の共用外部電極とし、他方は
アクチュエータ用外部電極とし、前記センサ用外部電極
は前記圧電セラミックを介して前記アクチュエータ用内
部電極に対向するセンサ用内部電極に接続した構成を有
しており、これにより従来の積層圧電アクチュエータの
素子形状を大きくすることなくセンサを内蔵した積層圧
電アクチュエータを得ることができる。

【０００８】本発明の請求項２に記載の発明は、特に、
センサ用電極を内部電極として設けたという構成を有し
ており、これにより従来の積層圧電アクチュエータの素
子形状を大きくすることなくセンサを内蔵した積層圧電
アクチュエータを得ることができることに加えて、セン
サ用内部電極とアクチュエータ用の内部電極間の距離ば
らつきがなくなることによって、センサの容量ばらつき
を抑制することができるという作用効果も得られる。

【０００９】本発明の請求項３に記載の発明は、特に、
センサ用電極がセンサ用外部電極を兼ねて積層焼結体の
側面に設けたという構成を有しており、これにより従来
の積層圧電アクチュエータの素子形状を大きくすること
なくセンサを内蔵した積層圧電アクチュエータを得るこ
とができることに加えて、従来の積層圧電アクチュエー
タに１ヶ所の電極形成を加えるだけでセンサを形成する
ことが可能になるという効果も得られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、実施の形
態１を用いて、本発明の請求項１及び２に記載の発明に
ついて説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施の形態における積層
圧電アクチュエータの分解斜視図、図２は本発明の実施
の形態１における積層圧電アクチュエータの斜視図、図
３は図２のＡ−Ｂ間の断面図、図４は図２のＣ−Ｄ間の
断面図、図５は図２のＥ−Ｆ間の断面図、図８は積層圧
電アクチュエータの製造工程図である。

【００１２】図１〜図５において、１は圧電セラミッ
ク、２ａ，２ｂはアクチュエータ用内部電極、２ｃはセ
ンサ用内部電極、３ａはアクチュエータ用とセンサ用の
共用外部電極、３ｂはアクチュエータ用外部電極、３ｃ
はセンサ用外部電極、４は積層焼結体である。

【００１３】以下その製造方法を図８の製造工程図を参
照しながら説明する。

【００１４】まず、平均粒径１μｍ程度に粉砕したＰＺ
Ｔ（ＰｂＴｉＺｒＯ₃）を主成分とした圧電セラミック
粉体（チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック材料）に
有機結合材、可塑剤、有機溶媒を所定量配合し、スラリ
ー混合を行い、シート成形用スラリーを得る。

【００１５】その後、ドクターブレード法によってシー
ト成形を行い、圧電セラミック１となる所定厚みの圧電
セラミックグリーンシートを得る。

【００１６】次に、この圧電セラミックグリーンシート
上に、図１に示す形状のアクチュエータ用内部電極２
ａ、センサ用内部電極２ｃとなるように金属ペーストを
印刷する。この金属ペーストはＡｇまたはＡｇ−Ｐｄを
主成分とし、副成分として少なくとも上記圧電セラミッ
ク粉体を金属成分１００ｗｔ％に対し２０ｗｔ％以上含
有したものである。次いで、この上に金属ペーストを印
刷していない圧電セラミックグリーンシートに積層後仮
加圧を施し、図１に示す形状のアクチュエータ用内部電
極２ｂ、センサ用内部電極２ｃとなるように金属ペース
トを印刷する。

【００１７】以降同様に所望の特性を得るように圧電セ
ラミックグリーンシートの積層、仮加圧、金属ペースト
の印刷を繰り返し行う。最後に圧電セラミックグリーン
シートを積層、仮加圧して、金属ペーストを印刷せずに
積層工程を終了し本加圧する。その後切断し、ほぼ直方
体状の積層体を得た。ここで内部電極２ａ，２ｂ，２ｃ
となる金属ペーストは、一層のセラミック層１となるセ
ラミックグリーンシート上において、長手方向の一方の
端部から他方の端部付近まで形成するとともに長手方向
で対向するように、かつその一端部が積層体の長手方向
の両端面に一層毎に交互に露出するようにした。

【００１８】この時ショート不良を防止するために短手
方向の端面にはアクチュエータ用内部電極２ａ，２ｂと
なる金属ペーストが露出しないようにした。つまり、短
手方向の端面にアクチュエータ用内部電極２ａ，２ｂと
なる金属ペーストが露出していると、水分などが付着す
るとアクチュエータ用内部電極２ａ，２ｂ間でマイグレ
ーションが発生することによりアクチュエータ用内部電
極２ａ，２ｂ間がショートするのを防止するためであ
る。

【００１９】さらにセンサ用内部電極２ｃとなる金属ペ
ーストは、一層の圧電セラミック層１となるセラミック
グリーンシート上において、長手方向の一方の端部から
他方の端部付近まで形成するとともに、かつその一端部
が積層体の長手方向のどちらかの端部に各層毎に同じ端
部から露出するようにした。また、アクチュエータ用内
部電極２ａ，２ｂとなる金属ペーストとセンサ用内部電
極２ｃとなる金属ペースト間の距離は圧電セラミックグ
リーンシートの厚みより大きくなるように形成した。こ
れにより、アクチュエータ用内部電極２ａと２ｂ間で静
電容量の大きいアクチュエータ部、アクチュエータ用内
部電極２ａ，２ｂとセンサ用内部電極２ｃ間で静電容量
の小さいセンサを形成することができる。

【００２０】次に、この積層体中の有機結合材を５００
℃前後で熱処理することにより脱脂し、９００〜１２０
０℃で１時間焼成した。次に積層焼結体４の厚み、幅、
長さを所定の寸法になるように研磨、ダイシングなどの
加工を施して加工し、また内部電極２ａ，２ｂ，２ｃが
積層焼結体４の長手方向の端部に露出するようにする。

【００２１】次いで、図１〜図４に示すように内部電極
２ａ，２ｂ，２ｃが露出した積層焼結体４の両端面及び
これに続く表、裏面に共用外部電極３ａ、アクチュエー
タ用外部電極３ｂを、センサ用外部電極３ｃは端面にの
みそれぞれ形成する。

【００２２】次いで、外部電極３ａ，３ｂ間に、セラミ
ック層１の厚み１mm当たり３ｋＶになる直流電圧を１０
０℃のシリコンオイル中で３０分印加する。さらに外部
電極３ａと３ｂを短絡し、外部電極３ａ、３ｃ間に内部
電極２ａと２ｃで挟まれた最短距離に対し１mm当たり３
ｋＶになる直流電圧を１００℃のシリコンオイル中で３
０分印加し、内部電極２ａと２ｂ間、及び内部電極２ａ
と２ｃ間の圧電セラミック部分を分極する。

【００２３】これにより、長手方向の長さが２０mm、短
手方向の長さが２．０mm、積層方向の長さが１．０mm、
さらに内部電極２ａと２ｂ間の距離３０μｍ、内部電極
２ａと２ｃの最短距離１００μｍの積層圧電アクチュエ
ータを得る。

【００２４】以上のように構成された積層圧電アクチュ
エータについて、以下にその動作を説明する。

【００２５】共用外部電極３ａとアクチュエータ用外部
電極３ｂ間に電圧を印加することにより、長手方向で１
Ｖ当たり約０．１μｍの変位を得ることができる。ま
た、外部からの振動、衝撃等が全くない状態においてア
クチュエータ部に電圧を印加した場合のセンサ部からの
出力信号をあらかじめ把握しておくことにより、位置決
め制御時に実際に外部からの振動、衝撃等があった場
合、センサ部からはアクチュエータ部の振動により発生
した出力信号と外部からの振動、衝撃に相当する信号が
重なって出力されることになる。

【００２６】従って、センサ部からの信号成分からあら
かじめ把握してあるアクチュエータ部に起因する信号成
分を除去することにより、外部からの振動、衝撃に相当
する信号のみを計測することができる。これにより、外
部からの振動、衝撃などにより位置精度が乱れる場合に
おいても、その信号を用いて外部からの振動、衝撃など
加味した適切な位置制御が可能になる。

【００２７】以上のように本実施の形態における積層圧
電アクチュエータは、圧電セラミック１と複数のアクチ
ュエータ用内部電極２ａ，２ｂからなる積層焼結体４
と、この積層焼結体４の表面に前記アクチュエータ用内
部電極２ａ，２ｂが交互に接続される一対の外部電極３
ａ，３ｂとセンサ用外部電極３ｃとを備え、前記一対の
外部電極は一方はアクチュエータ用とセンサ用の共用外
部電極３ａとし他方はアクチュエータ用外部電極３ｂと
し、前記センサ用外部電極３ｃは前記圧電セラミック１
を介して前記アクチュエータ用内部電極２ａ，２ｂに対
向するセンサ用内部電極２ｃに接続して設けるという構
成を有することにより、従来の積層圧電アクチュエータ
の非分極領域であった領域にセンサ部を形成するのと同
時に、アクチュエータ用内部電極に対向してセンサ用電
極を形成することで、従来の積層圧電アクチュエータの
電極に少なくとも１ヶ所の電極形成でセンサを形成する
ことが可能になり、その結果、従来の積層圧電アクチュ
エータの素子形状を大きくすることなくセンサを内蔵し
た積層圧電アクチュエータを得ることができるという効
果を奏するものである。

【００２８】また、特に、センサ用電極を内部電極とし
て設けたという構成を有することにより、センサ用電極
用の内部電極とアクチュエータ用の内部電極間の距離ば
らつきがなくなることによって、センサの容量ばらつき
を抑制することができるという作用効果も奏するもので
ある。

【００２９】（実施の形態２）以下、実施の形態２を用
いて、本発明の請求項１及び３に記載の発明について説
明する。図６は本発明の実施の形態２における積層圧電
アクチュエータの斜視図、図７は図６のＧ−Ｈ間の断面
図である。

【００３０】図６、図７において１は圧電セラミック、
２ａ，２ｂはアクチュエータ用内部電極、３ａはアクチ
ュエータ用とセンサ用の共用外部電極、３ｂはアクチュ
エータ用外部電極、３ｄはセンサ用外部電極、４は積層
焼結体である。

【００３１】以上のように構成された積層圧電アクチュ
エータについて、ここでは実施の形態１との差異のみ説
明することとする。

【００３２】内部電極は実施の形態１におけるセンサ用
内部電極２ｃは不要で、アクチュエータ用とセンサ用の
共用内部電極として２ａ，２ｂを実施の形態１と同形状
になるようにする。外部電極は実施の形態１と同様に内
部電極２ａ，２ｂが露出した積層焼結体４の両端面及び
これに続く表、裏面に３ａ，３ｂを、３ｄを図６のよう
に片端面にのみ形成する。この際、外部電極３ａ及び３
ｂと外部電極３ｄ間でのショートを防ぐため、外部電極
３ａ及び３ｂは端面全体には印刷せず、外部電極３ｄ側
を控えて形成する。尚、実施の形態２ではアクチュエー
タ用とセンサ用の共用外部電極３ａとアクチュエータ用
外部電極３ｂが逆になってもよい。

【００３３】次いで実施の形態１と同様に、外部電極３
ａ，３ｂを短絡し、外部電極３ａ，３ｄ間に、内部電極
２ａと外部電極３ｄ間の最短距離に対し１mm当たり３ｋ
Ｖになる直流電圧を１００℃のシリコンオイル中で３０
分印加し、内部電極２ａと２ｂ間、及び内部電極２ａと
外部電極３ｄ間の圧電セラミック部分を分極する。

【００３４】以上のように本実施の形態２における積層
圧電アクチュエータは、従来の積層圧電アクチュエータ
の素子形状を大きくすることなくセンサを内蔵した積層
圧電アクチュエータを得ることができるという効果を奏
するものである。

【００３５】また特に、センサ電極をセンサ用外部電極
を兼ねて積層焼結体の側面に設けたという構成を有する
ことにより、従来の積層圧電アクチュエータの電極に１
ヶ所だけの電極形成でセンサを形成することが可能とい
う効果を奏するものである。

【００３６】尚、上記実施の形態においては、積層圧電
アクチュエータに電圧を印加した場合長手方向の変位に
ついて説明していたが、積層方向の積層数を多くし積層
方向の変化量を長手方向、短手方向よりも大きくした積
層圧電アクチュエータにおいても同様の効果が得られ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧電セラミック
と複数のアクシュエータ用内部電極からなる積層焼結体
と、この積層結体の表面に前記アクチュエータ用内部電
極が交互に接続される一対の外部電極とセンサ用外部電
極とを備え、前記一対の外部電極は一方はアクチュエー
タ用とセンサ用の共用外部電極とし、他方はアクチュエ
ータ用外部電極とし、前記センサ用外部電極は前記圧電
セラミックを介して前記アクチュエータ用内部電極に対
向するセンサ用内部電極に接続した構成を有することに
より、従来の積層圧電アクチュエータの非分極領域であ
った領域にセンサ部を形成するのと同時に、アクチュエ
ータ用内部電極に対向してセンサ用電極を形成すること
で、従来の積層圧電アクチュエータの電極に少なくとも
１ヶ所の電極形成でセンサを形成することが可能にな
り、その結果、従来の積層圧電アクチュエータと比較し
形状を大きくすることなくセンサを内蔵した積層圧電ア
クチュエータを得ることができるという効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における積層圧電アクチ
ュエータの分解斜視図

【図２】本発明の実施の形態１における積層圧電アクチ
ュエータの斜視図

【図３】図２のＡ−Ｂ間の断面図

【図４】図２のＣ−Ｄ間の断面図

【図５】図２のＥ−Ｆ間の断面図

【図６】本発明の実施の形態２における積層圧電アクチ
ュエータの斜視図

【図７】図６のＧ−Ｈ間の断面図

【図８】本発明の実施の形態１における積層圧電アクチ
ュエータの製造工程図

【図９】従来の積層圧電アクチュエータの斜視図

【図１０】従来の積層圧電アクチュエータの分解斜視図

【符号の説明】

１ 圧電セラミック ２ａ アクチュエータ用内部電極 ２ｂ アクチュエータ用内部電極 ２ｃ センサ用内部電極 ３ａ 共用外部電極 ３ｂ アクチュエータ用外部電極 ３ｃ センサ用外部電極 ３ｄ センサ用外部電極 ４ 積層焼結体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックと複数のアクチュエータ
   用内部電極からなる積層焼結体と、この積層焼結体の表
   面に前記アクチュエータ用内部電極が交互に接続される
   一対の外部電極とセンサ用外部電極とを備え、前記一対
   の外部電極は一方はアクチュエータ用とセンサ用の共用
   外部電極とし、他方はアクチュエータ用外部電極とし、
   前記センサ用外部電極は前記圧電セラミックを介して前
   記アクチュエータ用内部電極に対向するセンサ用内部電
   極に接続した積層圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 センサ用電極は内部電極として設けた請
   求項１に記載の積層圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 センサ用電極はセンサ用外部電極を兼ね
   て積層焼結体の側面に設けた請求項１に記載の積層圧電
   アクチュエータ。