JP2003052182A - Piezoelectric actuator and method of fabricating the same - Google Patents
Piezoelectric actuator and method of fabricating the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タに関わり、特に電圧の印加による収縮を変位として利
用した圧電アクチュエータとその製造方法に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric actuator, and more particularly to a piezoelectric actuator that utilizes contraction due to application of a voltage as displacement and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】圧電素子を用いた圧電アクチュエータ
は、その構造などによって、以下の４種に大別される。
（１）圧電縦効果素子
（２）圧電横効果素子
（３）圧電バイモルフ（モノモルフ）型素子
（４）圧電積層縦効果素子2. Description of the Related Art Piezoelectric actuators using piezoelectric elements are roughly classified into the following four types according to their structures. (1) Piezoelectric vertical effect element (2) Piezoelectric lateral effect element (3) Piezoelectric bimorph (monomorph) type element (4) Piezoelectric laminated vertical effect element
【０００３】これらの中で、圧電縦効果素子と圧電横効
果素子は、圧電体に電極などを取り付けるだけで、殆ど
そのまま用いるため、アクチュエータとしての変位量は
小さい。圧電バイモルフは、圧電素子に弾性板を取り付
け、変位を拡大したもので、変位量は大きいものの、駆
動力が小さい。また、圧電積層縦効果素子は、厚みを薄
くした圧電縦効果素子を積層した構造であり、変位量、
駆動力ともに大きく、応答速度が速いなど、圧電アクチ
ュエータの利点を活用できる。Among them, the piezoelectric vertical effect element and the piezoelectric horizontal effect element are used almost as they are, only by attaching electrodes or the like to the piezoelectric body, so that the displacement amount as an actuator is small. The piezoelectric bimorph is a piezoelectric element with an elastic plate attached to expand the displacement. Although the displacement is large, the driving force is small. Further, the piezoelectric laminated vertical effect element has a structure in which thinned piezoelectric vertical effect elements are laminated, and the displacement amount,
The driving force is large and the response speed is fast, so the advantages of the piezoelectric actuator can be utilized.
【０００４】そして、圧電縦効果素子、圧電積層縦効果
素子は、縦効果の圧電ｄ定数であるｄ３３を利用し、圧
電横効果素子及び圧電バイモルフは横効果の圧電ｄ定数
であるｄ３１を利用して変位を得る。縦効果の圧電ｄ定
数であるｄ３３は、伸長の変位であり、横効果の圧電ｄ
定数である収縮のｄ３１と比較すると、変位の絶対量は
約２倍である。The piezoelectric vertical effect element and the piezoelectric laminated vertical effect element utilize the piezoelectric d constant of the vertical effect d33, and the piezoelectric lateral effect element and the piezoelectric bimorph utilize the piezoelectric d constant of the lateral effect d31. To get the displacement. The vertical effect piezoelectric d constant d33 is the displacement of extension, and the horizontal effect piezoelectric d is
Compared to the constant d31 of contraction, the absolute amount of displacement is about twice.
【０００５】このため、実用的には、大きな変位量を有
する圧電バイモルフや、大きな駆動力を有し精密制御が
可能な圧電積層縦効果素子、または圧電積層縦効果素子
と変位拡大機構を組み合わせたものが、圧電アクチュエ
ータとして使用されている。Therefore, practically, a piezoelectric bimorph having a large displacement amount, a piezoelectric laminated vertical effect element having a large driving force and capable of precise control, or a combination of a piezoelectric laminated vertical effect element and a displacement magnifying mechanism is used. Are used as piezoelectric actuators.
【０００６】前記のように、圧電積層縦効果素子の変位
は、電圧の印加によって生じる伸長である。逆に、収縮
の変位を利用したい場合、たとえば精密微動用のアクチ
ュエータとして用いる場合などは、素子に一定の電圧を
予め印加しておき、伸長が必要な場合は電圧を大きく、
収縮が必要な場合は電圧を小さくするという方法を用い
る。As described above, the displacement of the piezoelectric laminated vertical effect element is the expansion caused by the application of voltage. On the contrary, when it is desired to use the displacement of contraction, for example, when it is used as an actuator for precision fine movement, a certain voltage is applied to the element in advance, and when expansion is required, the voltage is increased,
When contraction is required, the method of reducing the voltage is used.
【０００７】そして、圧電アクチュエータにおいては、
電圧が印加されていない状態から収縮させるという動作
は、非常に困難である。収縮させるには、電圧を伸長の
場合とは逆に印加することになるが、一定以上の電圧を
逆に印加すると、分極方向が逆転し、変位は収縮から伸
長に転じるからである。特に大きな変位量が必要で、高
電圧を印加して高電界駆動を行なう場合には、圧電体を
再分極するほどの電界が印加されることになり、収縮の
変位を用いるのは、実用的に不可能である。In the piezoelectric actuator,
The operation of contracting from the state where no voltage is applied is extremely difficult. This is because, in order to contract, the voltage is applied in the opposite direction to that in the case of expansion, but when a voltage of a certain level or more is applied in reverse, the polarization direction is reversed and the displacement changes from contraction to expansion. In particular, when a large displacement amount is required and a high voltage is applied to drive a high electric field, an electric field enough to repolarize the piezoelectric body is applied, and it is practical to use the contraction displacement. Impossible.
【０００８】このため、収縮の変位を利用する圧電アク
チュエータが必要な場合は、構造的に変位量が少なく、
さらに絶対変位量が少ないｄ３１を用いる圧電横効果素
子、精度が得られない圧電バイモルフ、または、圧電積
層縦効果素子に変位を逆転させる機構を付与したものを
用いるしかないのが現状である。Therefore, when a piezoelectric actuator utilizing the displacement of contraction is required, the displacement amount is structurally small,
Furthermore, at present, there is no choice but to use a piezoelectric lateral effect element that uses d31 with a small absolute displacement amount, a piezoelectric bimorph that is inaccurate, or a piezoelectric laminated vertical effect element that has a mechanism for reversing the displacement.
【０００９】図８は、圧電横効果素子８０１に電圧を印
加した状態を示す模式図である。図８において、矢印８
０２は分極の方向、８０３は電極、８０４はリード線を
示す。なお、図示しないが、電極８０３が設けられてい
る面に対向する面にも、電極が設けられている。この圧
電横効果素子８０１への電圧の印加によって電極間、即
ち、図８における前後の方向は伸長の変位が生じ、垂直
方向、即ち、図８における縦及び横の方向には収縮の変
位が生じる。しかし、収縮方向の変位量は少ない。FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which a voltage is applied to the piezoelectric lateral effect element 801. In FIG. 8, arrow 8
Reference numeral 02 indicates the direction of polarization, 803 indicates an electrode, and 804 indicates a lead wire. Although not shown, the electrode is also provided on the surface opposite to the surface on which the electrode 803 is provided. By applying a voltage to the piezoelectric lateral effect element 801, an expansion displacement occurs between the electrodes, that is, the front-back direction in FIG. 8, and a contraction displacement occurs in the vertical direction, that is, the vertical and horizontal directions in FIG. . However, the amount of displacement in the contraction direction is small.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の技術
的な課題は、特別な機構を付加することなく、電圧の印
加によって収縮変位を高効率で発現する圧電アクチュエ
ータと、その製造方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a technical object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator which exhibits contraction displacement with high efficiency by applying a voltage and a manufacturing method thereof, without adding a special mechanism. To do.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題の
解決策として、円柱もしくは多角柱の形状を有し、長手
方向に連続した内部電極を有する圧電素子において、断
面の面積が拡がる変位を大きくし、その垂直方向の収縮
も大きくなるような内部電極の配置を検討した結果なさ
れたものである。DISCLOSURE OF THE INVENTION As a solution to the above-mentioned problems, the present invention provides a piezoelectric element having a cylindrical or polygonal columnar shape and having internal electrodes continuous in the longitudinal direction, in which the displacement of the cross-sectional area increases. And the arrangement of the internal electrodes so that the contraction in the vertical direction is also increased.
【００１２】即ち、本発明は、電圧の印加によって特定
の面の面積が拡がるように内部電極を配置し、前記特定
の面の垂直方向の収縮を用いることを特徴とする圧電ア
クチュエータである。That is, the present invention is a piezoelectric actuator characterized in that an internal electrode is arranged so that the area of a specific surface is expanded by application of a voltage, and contraction in the vertical direction of the specific surface is used.
【００１３】また、本発明は、円柱あるいは多角柱の底
面と平行な断面に、内部電極がほぼ同心円を形成するよ
うに配置されてなることを特徴とする前記の圧電アクチ
ュエータである。Further, the present invention is the above-mentioned piezoelectric actuator, wherein the internal electrodes are arranged so as to form substantially concentric circles in a cross section parallel to the bottom surface of the cylinder or polygonal prism.
【００１４】また、本発明は、前記の圧電アクチュエー
タにおいて、一方の極性の内部電が、円柱あるいは多角
柱の一方の底面に延長されてなり、もう一方の極性の内
部電極が、円柱あるいは多角柱の前記底面と対向する底
面に延長されてなり、外部電極の少なくとも一部を形成
してなることを特徴とする圧電アクチュエータである。According to the present invention, in the above piezoelectric actuator, an internal charge of one polarity is extended to one bottom surface of a cylinder or a polygonal column, and an internal electrode of the other polarity is a cylinder or a polygonal column. The piezoelectric actuator is characterized in that the piezoelectric actuator is extended to a bottom surface opposed to the bottom surface and forms at least a part of an external electrode.
【００１５】また、本発明は、円柱あるいは多角柱の内
部の長さ方向に、複数の帯状の内部電極を有し、長さ方
向と垂直な断面における前記内部電極の配置が、１つの
内部電極に対し、ほぼ等距離に極性の異なる内部電極が
配置されてなり、異なる極性の等電位面との間で生じる
電位差によって、前記断面の面積が拡がることを特徴と
する前記の圧電アクチュエータである。Further, according to the present invention, a plurality of strip-shaped internal electrodes are provided in a longitudinal direction inside a column or a polygonal column, and the arrangement of the internal electrodes in a cross section perpendicular to the longitudinal direction is one internal electrode. On the other hand, the piezoelectric actuator is characterized in that internal electrodes having different polarities are arranged at substantially equal distances, and an area of the cross section is expanded due to a potential difference generated between equipotential surfaces having different polarities.
【００１６】また、本発明は、前記の圧電アクチュエー
タにおいて、異なる極性の内部電極のそれぞれが、交差
指電極を形成してなり、一方の極性の交差指電極の接続
部が、円柱あるいは多角柱の一方の底面に延長されてな
り、もう一方の極性の交差電極の接続部が、円柱あるい
は多角柱の前記底面と対向する底面に延長されてなり、
外部電極のすくなくとも一部を形成してなることを特徴
とする圧電アクチュエータである。In the piezoelectric actuator according to the present invention, the internal electrodes having different polarities form interdigital electrodes, and the connecting portions of the interdigital electrodes of one polarity are cylindrical or polygonal. And a connecting portion of the other polarity crossing electrode is extended to a bottom surface of the columnar or polygonal column facing the bottom surface,
A piezoelectric actuator characterized in that at least a part of an external electrode is formed.
【００１７】また、本発明は、圧電体粉末と結合材から
なるグリーンシートの表面に、導電材を含むペーストに
より内部電極を印刷し、円柱あるいは多角柱となるよう
に巻き付けた後、脱脂、焼結することを特徴とする前記
の圧電アクチュエータの製造方法である。Further, according to the present invention, an internal electrode is printed with a paste containing a conductive material on the surface of a green sheet composed of piezoelectric powder and a binder, and the electrode is wound into a column or a polygonal column, and then degreased and baked. The method for manufacturing a piezoelectric actuator is characterized in that:
【００１８】また、本発明は、圧電体粉末と結合材から
なるグリーンシートの表面に、導電材を含むペーストに
より交差指電極を印刷して積層した後、脱脂、焼結する
ことを特徴とする前記の圧電アクチュエータの製造方法
である。Further, the present invention is characterized in that interdigital electrodes are printed and laminated with a paste containing a conductive material on the surface of a green sheet made of piezoelectric powder and a binder, and then degreased and sintered. It is a method for manufacturing the piezoelectric actuator.
【００１９】また、圧電体粉末と熱可塑性の結合材から
なる第１の混和物と、導電材粉末と熱可塑性の結合材か
らなる第２の混和物を同時に押出して、第１の混和物中
の所要位置に、第２の混和物が配置された断面形状を有
するグリーン体を得、前記グリーン体を脱脂、焼結した
後、外部電極を形成することを特徴とする前記の圧電ア
クチュエータの製造方法である。In addition, the first admixture composed of the piezoelectric powder and the thermoplastic binder and the second admixture composed of the conductive material powder and the thermoplastic binder are simultaneously extruded to obtain the first mixture. To obtain a green body having a cross-sectional shape in which the second admixture is arranged at a required position, and after degreasing and sintering the green body, an external electrode is formed. Is the way.
【００２０】また、本発明は、圧電体粉末と熱可塑性の
結合材からなる第１の混和物と、導電材粉末と熱可塑性
の結合材からなる第２の混和物を同時に押出して、第１
の混和物中の所要位置に、第２の混和物が配置された断
面形状を有するグリーン体を得、前記グリーン体を脱
脂、焼結した後、外部電極を形成することを特徴とする
前記の圧電アクチュエータの製造方法である。Further, according to the present invention, the first mixture containing the piezoelectric powder and the thermoplastic binder and the second mixture containing the conductive powder and the thermoplastic binder are simultaneously extruded to form the first mixture.
A green body having a cross-sectional shape in which the second mixture is arranged at a required position in the mixture, and the external electrode is formed after degreasing and sintering the green body. A method for manufacturing a piezoelectric actuator.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】本発明の圧電アクチュエータにお
いては、用いる圧電素子の断面が電圧の印加によって、
面積が拡がるように変位し、当該断面に垂直な方向の長
さの収縮をアクチュエータとしての動作に利用するの
で、通常の圧電横効果を利用した圧電素子よりも、大き
な変位を得ることが可能である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the piezoelectric actuator of the present invention, the cross section of the piezoelectric element to be used is
Since the displacement is performed so as to expand the area, and the contraction of the length in the direction perpendicular to the cross section is used for the operation as the actuator, it is possible to obtain a larger displacement than the piezoelectric element using the normal piezoelectric transverse effect. is there.
【００２２】圧電素子の断面の面積が拡がるようにする
ためには、その断面と垂直な方向に面状もしくは帯状の
内部電極を配置する必要がある。このような構造の圧電
素子を得る方法としては、従来多用されてきた積層法を
用いることができる。即ち、圧電体粉末と結合材を含む
混和物をシート成形したグリーンシートの表面に、銀ペ
ーストなどの導電性インクで内部電極を印刷し、所要の
形状となるように前記グリーンシートを積層もしくは巻
き付け、得られるグリーン体に脱脂、焼結を施すという
方法である。In order to increase the area of the cross section of the piezoelectric element, it is necessary to dispose a planar or strip-shaped internal electrode in a direction perpendicular to the cross section. As a method of obtaining a piezoelectric element having such a structure, a lamination method which has been widely used in the past can be used. That is, an internal electrode is printed with a conductive ink such as silver paste on the surface of a green sheet formed by sheet-forming a mixture containing piezoelectric powder and a binder, and the green sheets are laminated or wound so as to have a desired shape. The method is to degrease and sinter the obtained green body.
【００２３】また、長さ方向に連続的な内部電極を有す
る素子を用いる場合では、押出し成形法で得られるグリ
ーン体に脱脂、焼結を施すという方法を適用することも
できる。即ち、圧電体の粉末と導電体の粉末を、それぞ
れ高分子化合物などを主成分とする結合材と混練した混
和物を、所要の構造に設計された押出しヘッド内に、２
台の押出し機を用いて同時に押出し、長手方向に圧電体
と導電体が連続的に配置されたグリーン体を得る方法で
ある。When an element having continuous internal electrodes in the length direction is used, a method of degreasing and sintering a green body obtained by an extrusion molding method can be applied. That is, the mixture obtained by kneading the powder of the piezoelectric body and the powder of the conductor with a binder containing a polymer compound as a main component is placed in an extrusion head designed to have a required structure.
It is a method of simultaneously extruding using a stand extruder to obtain a green body in which a piezoelectric body and a conductor are continuously arranged in the longitudinal direction.
【００２４】[0024]
【実施例】次に、本発明の実施例について、具体的な例
を挙げ、図を参照して説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will now be described with reference to the drawings with reference to specific examples.
【００２５】図１は、本発明の圧電アクチュエータの第
１の実施例の説明図で、図１（ａ）は、グリーンシート
１０１と、グリーンシート１０１を円柱形状に巻き付け
た状態を示す図で、図１（ｂ）は、この方法で得られる
円筒形状の圧電素子の、底面に平行な断面の、内部電極
１０２の配置を示す図である。図１（ｂ）で実線と破線
はそれぞれ極性が異なる内部電極を示す。このように、
第１の実施例では、極性の異なる内部電極が交互に同心
円状に配置されている。FIG. 1 is an explanatory view of a first embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention, and FIG. 1 (a) is a view showing a green sheet 101 and a state in which the green sheet 101 is wound into a cylindrical shape. FIG. 1B is a diagram showing the arrangement of the internal electrodes 102 in a cross section parallel to the bottom surface of the cylindrical piezoelectric element obtained by this method. In FIG. 1B, a solid line and a broken line indicate internal electrodes having different polarities. in this way,
In the first embodiment, the internal electrodes having different polarities are alternately arranged concentrically.
【００２６】ここでは、圧電体粉末として平均粒径が２
μｍのＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３粉末を準備し
た。この粉末１００重量部に対して、結合材としてポリ
ビニルブチラールを７重量部、溶媒としてシクロヘキサ
ノン３０重量部、トルエン５０重量部を秤量し、３本ロ
ールミルを用いて混合分散を行い、得られたスラリーを
用いてグリーンシート１０１を調製した。Here, the average particle size of the piezoelectric powder is 2
A Pm (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 powder of μm was prepared. To 100 parts by weight of this powder, 7 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder, 30 parts by weight of cyclohexanone as a solvent, and 50 parts by weight of toluene were weighed and mixed and dispersed using a three-roll mill to obtain a slurry. A green sheet 101 was prepared using the above.
【００２７】次に、このグリーンシート１０１にＡｇ−
Ｐｄ系の導電性塗料を用いて内部電極１０２を印刷し
た。図１（ａ）に示したように、ここでは、内部電極１
０２の印刷を、グリーンシート１０１の１辺の部分につ
いては端まで一定の距離をおいて印刷のない面を残し、
他の３辺の部分については端まで印刷を行なった。Next, Ag- is added to the green sheet 101.
The internal electrode 102 was printed using a Pd-based conductive paint. As shown in FIG. 1A, here, the internal electrode 1
For the printing of No. 02, one side of the green sheet 101 is left at a certain distance to the end, and the unprinted surface is left,
The other three sides were printed up to the edges.
【００２８】次に、図１（ａ）に示したように、内部電
極１０２を印刷していない部分を交互に配置して、グリ
ーンシート１０１を積層し、円筒形状に巻き付けた。こ
れを脱脂、焼結して圧電素子を得た。この円筒状の圧電
素子は、内部電極が交互に円筒の一方の底面まで延長さ
れているので、焼結前に底面に導電性ペーストを塗付す
ることで外部電極を形成することができる。Next, as shown in FIG. 1A, the green sheets 101 were laminated by alternately arranging the portions where the internal electrodes 102 were not printed, and were wound into a cylindrical shape. This was degreased and sintered to obtain a piezoelectric element. In this cylindrical piezoelectric element, the internal electrodes are alternately extended to one bottom surface of the cylinder, so that the external electrodes can be formed by applying a conductive paste to the bottom surface before sintering.
【００２９】この圧電素子に電圧を印加すると、内部電
極間の距離が増加する変位が生じるので、径が増加する
方向、即ち、断面積が増加するという変位が生じる。こ
れによって断面と垂直な方向、即ち円筒状の圧電素子の
高さ方向には収縮が生じるが、断面における伸長方向の
変位が内部電極の法線方向に生じるので、従来の横効果
を利用した素子よりも、大きな収縮量を得ることができ
る。When a voltage is applied to this piezoelectric element, displacement occurs in which the distance between the internal electrodes increases, so that displacement occurs in which the diameter increases, that is, the cross-sectional area increases. This causes contraction in the direction perpendicular to the cross section, that is, in the height direction of the cylindrical piezoelectric element, but the displacement in the extension direction in the cross section occurs in the normal direction of the internal electrodes, so an element using the conventional lateral effect is used. It is possible to obtain a larger amount of shrinkage.
【００３０】図２は、図１の場合と同様に、円筒形状の
圧電素子の内部に、極性の異なる内部電極を交互にほぼ
同心円状に配置する方法の説明図で、図２（ａ）は、グ
リーンシート２０１と、グリーンシート２０１を円柱形
状に巻き付けた状態を、図２（ｂ）は、この方法で得ら
れる円筒形状の圧電素子の、底面に平行な断面における
内部電極２０２の配置を示す図である。図２（ｂ）で、
実線と破線は極性の異なる内部電極を示す。Similar to the case of FIG. 1, FIG. 2 is an explanatory view of a method of alternately arranging internal electrodes having different polarities in a substantially cylindrical shape inside a piezoelectric element, and FIG. 2B shows the arrangement of the green sheet 201 and the state in which the green sheet 201 is wound into a cylindrical shape, and the arrangement of the internal electrodes 202 in the cross section parallel to the bottom surface of the cylindrical piezoelectric element obtained by this method. It is a figure. In FIG. 2 (b),
Solid lines and broken lines indicate internal electrodes having different polarities.
【００３１】圧電体素子の図１に示した例においては、
同じ幅で長さの異なるグリーンシートに、それぞれ内部
電極を印刷し、長さの短い方から順次巻き付けて積層を
行なうという方法を用いた。図２に示した例は、１枚の
グリーンシートに、グリーンシートの端に印刷のない部
分を交互に設けながら、所要の間隔で内部電極を印刷
し、円筒形状に巻き付けてグリーン体を作製し、得られ
るグリーン体を脱脂、焼結するものである。この方法に
よっても、図１に示した例と同様の特性を具備した圧電
素子が得られる。In the example shown in FIG. 1 of the piezoelectric element,
A method was used in which internal electrodes were printed on green sheets having the same width and different lengths, respectively, and the sheets were laminated by sequentially winding the inner electrodes from the shorter length. In the example shown in FIG. 2, one green sheet is printed with internal electrodes at desired intervals while alternately providing unprinted portions on the edges of the green sheet, and the green body is produced by winding the electrodes in a cylindrical shape. The obtained green body is degreased and sintered. Also by this method, a piezoelectric element having the same characteristics as the example shown in FIG. 1 can be obtained.
【００３２】図３は、やはり図１の場合と同様に、円筒
形状の圧電素子の内部に、内部電極を交互にほぼ同心円
状に配置する方法の説明図である。図３（ａ）は、グリ
ーンシート３０１に内部電極３０２を印刷し、円筒形状
に巻き付ける状態、図３（ｂ）は、この方法で得られる
円筒形状の圧電素子の、底面に平行な断面の、内部電極
３０２の配置を示す図である。図３（ｂ）で、実線と破
線は極性の異なる内部電極を示す。Similarly to the case of FIG. 1, FIG. 3 is an explanatory view of a method of arranging the internal electrodes alternately inside the cylindrical piezoelectric element in a substantially concentric shape. FIG. 3A shows a state in which the internal electrode 302 is printed on the green sheet 301 and wound in a cylindrical shape, and FIG. 3B shows a cross section parallel to the bottom surface of the cylindrical piezoelectric element obtained by this method. It is a figure which shows arrangement | positioning of the internal electrode 302. In FIG. 3B, solid lines and broken lines indicate internal electrodes having different polarities.
【００３３】図３に示した例は、グリーンシートの幅方
向の一端に印刷のない部分を設けて、内部電極を印刷
し、印刷のない部分の位置を逆にした状態で、２枚重ね
て巻き付けてグリー体を作製し、得られるグリーン体を
脱脂、焼結するものである。この場合は、図２に示した
よりも、内部電極の印刷工程を簡略化できる利点があ
る。この方法によっても、図１に示した例と同様の特性
を具備した圧電素子が得られる。In the example shown in FIG. 3, an unprinted portion is provided at one end in the width direction of the green sheet, the internal electrodes are printed, and the position of the unprinted portion is reversed, and two sheets are stacked. A green body is produced by winding and degreasing and sintering the obtained green body. In this case, there is an advantage that the printing process of the internal electrodes can be simplified as compared with the case shown in FIG. Also by this method, a piezoelectric element having the same characteristics as the example shown in FIG. 1 can be obtained.
【００３４】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図４は、本発明の第２の実施例を示す図で、図４
（ａ）、図４（ｂ）は、グリーンシート４０１及び４０
２に、帯状の内部電極４０３、４０４を印刷した状態を
示す図で、図４（ｃ）は、グリーンシート４０１及び４
０２を交互に積層した状態を示す図、図４（ｄ）は、グ
リーンシートを積層して脱脂、焼結を行なって得られる
圧電素子断面の内部電極の配置を示す図である。本実施
例においても、グリーンシートの調製及び内部電極の印
刷は、第１の実施例と同様に行った。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
(A) and FIG. 4 (b) show green sheets 401 and 40.
2 is a view showing a state in which strip-shaped internal electrodes 403 and 404 are printed. FIG. 4C shows the green sheets 401 and 4
FIG. 4D is a diagram showing a state in which 02 are alternately laminated, and FIG. 4D is a diagram showing an arrangement of internal electrodes in a piezoelectric element cross section obtained by laminating green sheets and performing degreasing and sintering. Also in this example, the preparation of the green sheet and the printing of the internal electrodes were performed in the same manner as in the first example.
【００３５】図４（ａ）、図４（ｂ）に示したように、
これら２種類のグリーンシートの内部電極の印刷パター
ンは、２本続けて一方の極性の内部電極を印刷した後、
もう一方の極性の内部電極を印刷するという構成になっ
ている。そして、２種類のグリーンシートを交互に積層
した際に、２本連続して印刷された同極性の内部電極の
ほぼ中央にもう一方の極性の内部電極が配置されるよう
になっている。また、各内部電極は、極性ごとにいずれ
かの底面まで延長されているので、第１の実施例と同様
に、焼結前にそれぞれの底面に導電性ペーストを塗付す
ることで外部電極を形成することができる。As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b),
The printing patterns of the internal electrodes of these two types of green sheets are two in succession after printing the internal electrodes of one polarity,
The internal electrodes of the other polarity are printed. Then, when two types of green sheets are alternately laminated, the inner electrode of the other polarity is arranged substantially at the center of the two inner electrodes of the same polarity printed. In addition, since each internal electrode is extended to either bottom surface depending on the polarity, as in the first embodiment, by applying a conductive paste to each bottom surface before sintering, the external electrodes can be formed. Can be formed.
【００３６】前記のように積層されたグリーン体を脱
脂、焼結して得られる圧電素子は、内部電極の長手方向
の垂面における内部電極の配置が、図４（ｄ）に模式的
に示したようになっている。図４（ｄ）において、白抜
きの円と、黒く塗りつぶした円は、それぞれ異なる極性
の内部電極であることを示す。In the piezoelectric element obtained by degreasing and sintering the green bodies laminated as described above, the arrangement of the internal electrodes on the vertical surface of the internal electrodes is schematically shown in FIG. 4 (d). It seems to be. In FIG. 4D, a white circle and a black circle indicate that the internal electrodes have different polarities.
【００３７】そして、図４（ｄ）に示したように、本実
施例の圧電素子の内部電極は、白抜きで示した一方の内
部電極を中央とした場合、隣接する内部電極の極性がす
べて異なっていて、正六角形の頂点の位置に配置されて
いる。内部電極をこのような配置にすることで、電圧を
印加した際、異なる極性の等電位面との間で生じる電位
差によって、内部電極間の距離が拡がるような変位が生
じる。As shown in FIG. 4 (d), when the internal electrodes of the piezoelectric element of this embodiment are centered on one internal electrode shown in white, all the polarities of the adjacent internal electrodes are They are different and are located at the vertices of a regular hexagon. By disposing the internal electrodes in such a manner, when a voltage is applied, a displacement that expands the distance between the internal electrodes occurs due to a potential difference generated between equipotential surfaces of different polarities.
【００３８】即ち、内部電極の長手方向と垂直な面の面
積が拡がるような変位が生じ、内部電極の長手方向に
は、収縮の変位が生じるが、断面における伸長方向の変
位が異なる極性の内部電極間の距離が拡がるように生じ
るので、第１の実施例と同様に、従来の横効果を利用し
た素子よりも、大きな収縮量を得ることができる。That is, displacement occurs such that the area of the surface perpendicular to the longitudinal direction of the internal electrode expands, and contraction displacement occurs in the longitudinal direction of the internal electrode, but internal displacements of different polarities in the extension direction in the cross section. Since the distance between the electrodes expands, a larger amount of contraction can be obtained as in the first embodiment, compared to the conventional element utilizing the lateral effect.
【００３９】図５は、図４に示した例と同様の構造で、
内部電極の印刷を交差指電極とした例を示す図である。
図５（ａ）、図５（ｂ）は、グリーンシート５０１及び
５０２に、内部電極として交差指電極５０３、５０４を
印刷した状態を示す図で、図５（ｃ）は、グリーンシー
ト５０１及び５０２を交互に積層した状態を示す図であ
る。このようにして得られる積層体を脱脂、焼結するこ
とで、図４に示した例と同等の特性を具備した圧電素子
が得られる。ただし、この場合は、交差指電極を用いる
ので、外部電極の形成方法が図４に示した例と異なる。FIG. 5 shows a structure similar to the example shown in FIG.
It is a figure which shows the example which printed the internal electrode using the crossing finger electrode.
5 (a) and 5 (b) are diagrams showing a state in which crossing finger electrodes 503 and 504 are printed on the green sheets 501 and 502 as internal electrodes, and FIG. 5 (c) shows the green sheets 501 and 502. It is a figure which shows the state which laminated | stacked by turns. By degreasing and sintering the thus obtained laminate, a piezoelectric element having the same characteristics as the example shown in FIG. 4 can be obtained. However, in this case, since the interdigital electrodes are used, the method of forming the external electrodes is different from the example shown in FIG.
【００４０】次に、本発明の第３の実施例について説明
する。図６は、本発明の第３の実施例を示す図で、図６
（ａ）、図６（ｂ）は、グリーンシート６０１及び６０
２に、帯状の内部電極６０３、６０４を印刷した状態を
示す図で、図６（ｃ）は、グリーンシート６０１及び６
０２を交互に積層した状態を示す図、図６（ｄ）は、グ
リーンシートを積層して脱脂、焼結を行なって得られる
圧電素子断面の内部電極の配置を示す図である。本実施
例においても、グリーンシートの調製及び内部電極の印
刷は、第１の実施例と同様に行った。Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
6A and 6B show green sheets 601 and 60.
2 is a diagram showing a state in which strip-shaped internal electrodes 603 and 604 are printed, and FIG. 6C shows green sheets 601 and 6
FIG. 6D is a diagram showing a state in which 02 are alternately laminated, and FIG. 6D is a diagram showing an arrangement of internal electrodes in a piezoelectric element cross section obtained by laminating green sheets and performing degreasing and sintering. Also in this example, the preparation of the green sheet and the printing of the internal electrodes were performed in the same manner as in the first example.
【００４１】そして、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した
ように、これら２種類のグリーンシートの内部電極の印
刷パターンは、一方のグリーンシートには全部同一の極
性の内部電極を印刷し、もう一方のグリーンシートに
は、２箇所おきに極性の異なる内部電極を印刷してい
る。このような印刷を施すことによって、内部電極の長
手方向と垂直な断面の電極の配置は、図６（ｄ）に模式
的に示したようになる。Then, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the print patterns of the internal electrodes of these two types of green sheets have the same polarity internal electrodes on one of the green sheets. Printing is performed, and the other green sheet is printed with internal electrodes having different polarities at every two locations. By performing such printing, the arrangement of the electrodes in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the internal electrodes becomes as schematically shown in FIG. 6 (d).
【００４２】図６（ｄ）において、白抜きの円と、黒く
塗りつぶした円は、それぞれ異なる極性の内部電極であ
ることを示す。そして、白抜きで示した一方の内部電極
を中央とした場合、隣接する内部電極の極性がすべて異
なっていて、電圧を印加した際、異なる極性の等電位面
との間で生じる電位差によって、内部電極間の距離が拡
がるような変位が生じる。In FIG. 6D, a white circle and a black circle indicate that the internal electrodes have different polarities. When one of the internal electrodes shown in white is the center, the polarities of the adjacent internal electrodes are all different, and when a voltage is applied, due to the potential difference generated between equipotential surfaces of different polarities, Displacement occurs such that the distance between the electrodes increases.
【００４３】即ち、この場合も第２の実施例と同様に、
内部電極の長手方向と垂直な面の面積が拡がるような変
位が生じ、内部電極の長手方向には、収縮の変位が生じ
るが、断面における伸長方向の変位が異なる極性の内部
電極間の距離が拡がるように生じるので、第１の実施
例、第２の実施例と同様に、従来の横効果を利用した素
子よりも、大きな収縮量を得ることができる。That is, also in this case, as in the second embodiment,
Displacement occurs such that the area of the surface perpendicular to the longitudinal direction of the internal electrode expands, and contraction displacement occurs in the longitudinal direction of the internal electrode, but the distance between the internal electrodes of different polarities causes the displacement in the extension direction in the cross section. Since it occurs so as to expand, a larger amount of shrinkage can be obtained as in the first and second embodiments, compared to the conventional element utilizing the lateral effect.
【００４４】これまで説明した例は、グリーン体の成形
をいずれも積層法で行なうが、本発明の圧電素子を得る
ためのグリーン体は、押出し成形法でも作製可能であ
る。具体的には、圧電体粉末及び導電体粉末のそれぞれ
を、熱可塑性の高分子化合物を主成分とする結合材中に
分散させた混和物として、２台の押出し機を用いて同時
に押出すというものである。In the examples described so far, the molding of the green body is performed by the lamination method, but the green body for obtaining the piezoelectric element of the present invention can also be manufactured by the extrusion molding method. Specifically, it is said that each of the piezoelectric powder and the conductor powder is extruded at the same time using two extruders as a mixture in which a binder having a thermoplastic polymer compound as a main component is dispersed. It is a thing.
【００４５】図７は、装置の構成の概略を模式的に示し
たものである。第１押出し成形機７０１は、図における
左右の方向に設置され、第２の押出し成形機７０２は、
図における前後の方向に設置されている。ここでは、圧
電体粉末を含む混和物は、第１の押出し成形機７０１に
より、図における右から左の向きに押出され、導電体を
含む混和物は、第２の押出し成形機７０２により、図に
おける後から前の向きに押出される。FIG. 7 schematically shows the outline of the structure of the apparatus. The first extrusion molding machine 701 is installed in the left and right directions in the figure, and the second extrusion molding machine 702 is
It is installed in the front-back direction in the figure. Here, the mixture containing the piezoelectric powder is extruded by the first extruder 701 in the direction from right to left in the figure, and the mixture containing the conductor is separated by the second extruder 702. Is extruded in a backward-to-forward direction.
【００４６】２種類の混和物は、ヘッド７０３により所
要の断面形状に成形され、連続した成形体７０４とな
り、ベルトコンベアを有する搬送装置７０５により図に
おける右から左の向きに搬送され、切断装置７０６の中
で所要の長さに調製される。このようにして得られるグ
リーン体を脱脂、焼結することで、円柱形状もしくは多
角柱形状で、長手方向と垂直な断面に、内部電極がこれ
まで説明した例のように配置された圧電体素子が得られ
る。The two kinds of admixtures are molded into a required cross-sectional shape by the head 703 and become a continuous molded body 704, which is conveyed from the right to the left in the drawing by the conveying device 705 having a belt conveyor, and the cutting device 706. To the required length. By degreasing and sintering the green body thus obtained, a piezoelectric element having a columnar shape or a polygonal columnar shape and having internal electrodes arranged in a cross section perpendicular to the longitudinal direction as in the examples described above Is obtained.
【００４７】ただし、通常の押出し成形法では、内部電
極が成形体の長手方向に連続して配置されるので、外部
電極の形成が、積層法よりも複雑になる。従って、積層
法と押出し成形法は、圧電体素子の形状などによって使
い分ける必要がある。However, in the usual extrusion molding method, since the internal electrodes are continuously arranged in the longitudinal direction of the molded body, the formation of the external electrodes becomes more complicated than the laminating method. Therefore, it is necessary to properly use the lamination method and the extrusion molding method depending on the shape of the piezoelectric element.
【００４８】[0048]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、通常の圧電横効果を利用した圧電体素子よりも、大
きな収縮方向の変位を実現することができる。これによ
って、収縮の変位を利用した圧電アクチュエータが得ら
れ、圧電アクチュエータの用途を拡大することができ
る。As described above, according to the present invention, it is possible to realize a larger displacement in the contraction direction than that of a piezoelectric element using the normal piezoelectric lateral effect. As a result, a piezoelectric actuator utilizing the displacement of contraction can be obtained, and the application of the piezoelectric actuator can be expanded.
【図１】本発明の圧電アクチュエータの第１の実施例の
説明図、図１（ａ）はグリーンシートと、グリーンシー
トを円柱形状に巻き付けた状態を示す図、図１（ｂ）は
内部電極の配置を示す図。FIG. 1 is an explanatory view of a first embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention, FIG. 1 (a) shows a green sheet and a state in which the green sheet is wound into a cylindrical shape, and FIG. 1 (b) shows an internal electrode. FIG.
【図２】極性の異なる内部電極を交互に同心円状に配置
する方法の説明図、図２（ａ）は、グリーンシートと、
グリーンシートを円柱形状に巻き付けた状態を示す図、
図２（ｂ）は、内部電極の配置を示す図。FIG. 2 is an explanatory view of a method of alternately arranging internal electrodes having different polarities in concentric circles, FIG. 2A shows a green sheet,
Diagram showing a state in which the green sheet is wrapped in a cylindrical shape,
FIG. 2B is a diagram showing the arrangement of internal electrodes.
【図３】極性の異なる内部電極を交互に同心円状に配置
する方法の説明図、図３（ａ）は、グリーンシートと、
グリーンシートを円柱形状に巻き付けた状態を示す図、
図３（ｂ）は、内部電極の配置を示す図。FIG. 3 is an explanatory view of a method of concentrically arranging internal electrodes having different polarities, FIG. 3A shows a green sheet,
Diagram showing a state in which the green sheet is wrapped in a cylindrical shape,
FIG.3 (b) is a figure which shows arrangement | positioning of an internal electrode.
【図４】本発明の第２の実施例を示す図、図４（ａ）、
図４（ｂ）は、グリーンシートに帯状の内部電極を印刷
した状態を示す図、図４（ｃ）はグリーンシートを交互
に積層した状態を示す図、図４（ｄ）は内部電極の配置
を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, FIG. 4 (a),
FIG. 4B is a diagram showing a state where band-shaped internal electrodes are printed on a green sheet, FIG. 4C is a diagram showing a state where green sheets are alternately stacked, and FIG. 4D is an arrangement of internal electrodes. FIG.
【図５】内部電極の印刷を交差指電極とした例を示す
図、図５（ａ）、図５（ｂ）はグリーンシートに交差指
電極を印刷した状態を示す図、図５（ｃ）はグリーンシ
ートを積層した状態を示す図。5A and 5B are diagrams showing an example in which internal electrodes are printed using interdigital electrodes, FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a state in which the interdigital electrodes are printed on a green sheet, and FIG. 5C. FIG. 3 is a diagram showing a state in which green sheets are stacked.
【図６】本発明の第３の実施例を示す図、図６（ａ）、
図６（ｂ）は、グリーンシートに帯状の内部電極を印刷
した状態を示す図、図６（ｃ）はグリーンシートを交互
に積層した状態を示す図、図６（ｄ）は内部電極の配置
を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the present invention, FIG. 6 (a),
FIG. 6B shows a state in which strip-shaped internal electrodes are printed on the green sheet, FIG. 6C shows a state in which the green sheets are alternately laminated, and FIG. 6D shows arrangement of internal electrodes. FIG.
【図７】押出し成形法の装置構成の概略を模式的に示す
図。FIG. 7 is a diagram schematically showing an outline of an apparatus configuration of an extrusion molding method.
【図８】圧電横効果素子に電圧を印加した状態を示す模
式図。FIG. 8 is a schematic diagram showing a state where a voltage is applied to the piezoelectric lateral effect element.
１０１,２０１,３０１,４０１,４０２,５０１,５０２,
６０１,６０２ グリーンシート
１０２，２０２，３０２，４０３，４０４，６０３，６
０４ 内部電極
１０３，２０３，３０３ 円柱状グリーン体
５０３，５０４ 交差指電極
５０５ 接続部
７０１ 第１の押出し成形機
７０２ 第２の押出し成形機
７０３ ヘッド
７０４ 成形体
７０５ 搬送装置
７０６ 切断装置
８０１ 圧電横効果素子
８０２ 分極方向
８０３ 電極
８０４ リード線101,201,301,401,402,501,502,
601, 602 Green sheets 102, 202, 302, 403, 404, 603, 6
04 Internal electrodes 103, 203, 303 Cylindrical green bodies 503, 504 Interdigital electrodes 505 Connection portion 701 First extrusion molding machine 702 Second extrusion molding machine 703 Head 704 Molded body 705 Conveying device 706 Cutting device 801 Piezoelectric lateral effect Element 802 Polarization direction 803 Electrode 804 Lead wire
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference)
Claims (8)
がるように内部電極を配置し、前記特定の面の垂直方向
の収縮を用いることを特徴とする圧電アクチュエータ。1. A piezoelectric actuator, wherein internal electrodes are arranged so that an area of a specific surface is expanded by applying a voltage, and contraction of the specific surface in a vertical direction is used.
に、内部電極がほぼ同心円を形成するように配置されて
なる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。2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the internal electrodes are arranged so as to form substantially concentric circles in a cross section parallel to the bottom surface of the cylinder or the polygonal prism.
おいて、一方の極性の内部電が、円柱あるいは多角柱の
一方の底面に延長されてなり、もう一方の極性の内部電
極が、円柱あるいは多角柱の前記底面と対向する底面に
延長されてなり、外部電極の少なくとも一部を形成して
なることを特徴とする圧電アクチュエータ。3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein an internal charge of one polarity is extended to one bottom surface of a cylinder or a polygonal column, and an internal electrode of the other polarity is a cylinder or a polygonal column. 2. A piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is extended to a bottom surface opposite to the bottom surface and forms at least a part of an external electrode.
に、複数の帯状の内部電極を有し、長さ方向と垂直な断
面における前記内部電極の配置が、１つの内部電極に対
し、ほぼ等距離に極性の異なる内部電極が配置されてな
り、異なる極性の等電位面との間で生じる電位差によっ
て、前記断面の面積が拡がる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。4. A cylindrical or polygonal column having a plurality of strip-shaped internal electrodes in the longitudinal direction, and the arrangement of the internal electrodes in a cross section perpendicular to the longitudinal direction is substantially equal to that of one internal electrode. The area of the cross section is expanded by equidistantly arranging internal electrodes having different polarities, and a potential difference generated between equipotential surfaces having different polarities.
2. The piezoelectric actuator according to item 1.
おいて、異なる極性の内部電極のそれぞれが、交差指電
極を形成してなり、一方の極性の交差指電極の接続部
が、円柱あるいは多角柱の一方の底面に延長されてな
り、もう一方の極性の交差電極の接続部が、円柱あるい
は多角柱の前記底面と対向する底面に延長されてなり、
外部電極のすくなくとも一部を形成してなることを特徴
とする圧電アクチュエータ。5. The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein each of the internal electrodes having different polarities forms a crossing finger electrode, and the connecting portion of the crossing finger electrode having one polarity is a cylindrical or polygonal column. And a connecting portion of the other polarity crossing electrode is extended to a bottom surface of the columnar or polygonal column facing the bottom surface,
A piezoelectric actuator comprising at least a part of an external electrode.
ートの表面に、導電材を含むペーストにより内部電極を
印刷し、円柱あるいは多角柱となるように巻き付けた
後、脱脂、焼結することを特徴とする請求項１ないし請
求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方
法。6. An internal electrode is printed on the surface of a green sheet composed of piezoelectric powder and a binder with a paste containing a conductive material, wound into a cylindrical or polygonal column, and then degreased and sintered. The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator is manufactured.
ートの表面に、導電材を含むペーストにより交差指電極
を印刷して積層した後、脱脂、焼結することを特徴とす
る請求項１、請求項４、請求項５のいずれかに記載の圧
電アクチュエータの製造方法。7. The degreasing and sintering method according to claim 1, wherein an interdigital finger electrode is printed and laminated with a paste containing a conductive material on the surface of a green sheet composed of piezoelectric powder and a binder, and then degreased and sintered. A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 4,
第１の混和物と、導電材粉末と熱可塑性の結合材からな
る第２の混和物を同時に押出して、第１の混和物中の所
要位置に、第２の混和物が配置された断面形状を有する
グリーン体を得、前記グリーン体を脱脂、焼結した後、
外部電極を形成することを特徴とする請求項１、請求項
２、請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの
製造方法。8. A first admixture comprising a piezoelectric powder and a thermoplastic binder and a second admixture comprising a conductive material powder and a thermoplastic binder are simultaneously extruded to obtain a first admixture in the first admixture. After obtaining a green body having a cross-sectional shape in which the second admixture is arranged at the required position of, degreasing and sintering the green body,
An external electrode is formed, The manufacturing method of the piezoelectric actuator in any one of Claim 1, Claim 2, and Claim 4.
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