JP2003164174A

JP2003164174A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003164174A
Application number: JP2001360754A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Yamakawa; 孝宏山川; Masayuki Watanabe; 雅幸渡邉; Junko Seki; 順子関; Ryoichi Fukunaga; 了一福永; Tatsuji Tsukamoto; 竜児塚本; Sadayuki Ueha; 貞行上羽
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな伸縮変位および屈曲変位を発生させる
ことができ、かつ、制御性に優れた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１０は、略平行に配
置された板状の圧電体１１ａ・１１ｂと、圧電体１１ａ
・１１ｂ間に挟まれた電極１２と、圧電体１１ａの表面
に独立して設けられた電極１３ａ・１３ｂと、電極１３
ａと対向するように圧電体１１ｂの表面に設けられた電
極１４ａと、電極１３ｂと対向するように圧電体１１ｂ
の表面に設けられた電極１４ｂとを具備する。電極１３
ａと電極１４ａによって挟まれた部分が伸縮変位部１５
ａであり、電極１３ｂと電極１４ｂによって挟まれた部
分が屈曲変位部１５ｂである。伸縮変位部１５ａの伸縮
変位と屈曲変位部１５ｂの屈曲変位を利用して駆動端に
楕円運動を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリニアモータ等に用
いられる圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】梅嶋らが日本音響学会２００１年秋期研
究発表会講演論文II・ｐ１０９７−１０９８に発表した
新規なリニアモータには、図７の断面図に示すような、
矩形の金属板９１の両面にそれぞれ圧電素子９２ａ・９
２ｂが貼付された圧電アクチュエータ９０が用いられて
いる。この圧電アクチュエータ９０においては、金属板
９１の長手方向（Ｘ方向とする）の一端は固定端とされ
て図示しない固定部材に固定され、多端は駆動端とされ
て図示しないスライダ等の移動体に所定の圧力で押し当
てられる。

【０００３】圧電素子９２ａは、四角板状の圧電体９３
ａの表面に電極９４ａ・９４ａ´が独立して設けられ、
圧電体９３ａの裏面に電極９５ａが設けられた構造を有
している。同様に、圧電素子９２ｂは、圧電体９３ｂの
表面に電極９４ｂ・９４ｂ´が独立して設けられ、圧電
体９３ｂの裏面に電極９５ｂが設けられた構造を有して
いる。圧電素子９２ａは電極９５ａが金属板９１と導通
するように接着剤を用いて金属板９１に貼付され、圧電
素子９２ｂは、電極９５ｂが金属板９１と導通して、電
極９４ｂが電極９４ａと対向し、かつ、電極９４ｂ´が
電極９４ａ´と対向するように接着剤を用いて金属板９
１に貼付されている。

【０００４】なお、圧電体９３ａ・９３ｂはそれぞれ厚
み方向（Ｚ方向とする）に分極されており、分極の向き
は、例えば、圧電体９３ａ・９３ｂのいずれにおいても
金属板９１へ向かう方向とするか、またはその逆とす
る。

【０００５】このような構造を有する圧電アクチュエー
タ９０の駆動は、金属板９１（つまり電極９５ａ・９５
ｂ）をアース電極として、電極９４ａ・９４ａ´・９４
ｂにＶ_１＝Ａｓｉｎ（ωｔ）（Ａ：ゼロ−ピーク電圧）
の電圧信号Ｖ_１を入力し、電極９４ｂ´にＶ_２＝−Ａｓ
ｉｎ（ωｔ）の電圧信号Ｖ_２を入力することによって行
われる。

【０００６】このとき圧電体９３ａにおいて電極９４ａ
と電極９５ａに挟まれた部分と、圧電体９３ｂにおいて
電極９４ｂと電極９５ｂに挟まれた部分は同じ位相で伸
縮するために、金属板９１において電極９４ａと電極９
４ｂとが対向している部分は電圧位相の変化にしたがっ
て図７中のＸ方向に伸縮する。一方、圧電アクチュエー
タ９０において電極９４ａ´と電極９４ｂ´とが対向し
ている部分はバイパラレル型のバイモルフ素子とみなす
ことができるために、金属板９１において電極９４ａ´
と電極９４ｂ´とが対向している部分は電圧位相の変化
にしたがってＺ方向に屈曲する。

【０００７】このような圧電素子９２ａ・９２ｂに生ず
る変位によって、結果的に金属板９１の駆動端には、図
７に示すように、Ｚ−Ｘ面内において楕円軌跡を描くよ
うな運動が生じる。このために金属板９１の駆動端に可
動体を所定の圧力で当接させておくことで、この可動体
を動かすことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ア
クチュエータ９０においては、金属板９１は圧電素子９
２ａ・９２ｂにおいてＸ方向の伸縮変位が生ずる部分の
変位を阻害する問題がある。同様に金属板９１は圧電素
子９２ａ・９２ｂにおいてＺ方向の屈曲変位が生ずる部
分の変位をも阻害する問題がある。このために、圧電ア
クチュエータ９０では、駆動端に当接させる可動体の移
動速度を上げることが困難となっている。

【０００９】また金属板９１において駆動端側に露出し
ている部分は金属板９１自体が薄いために曲がりやす
く、しかも屈曲運動に起因して発生する慣性等によって
圧電素子９２ａ・９２ｂの動きからずれた挙動を示す場
合があるために、重量物を保持することが困難であり、
しかも制振性、制御性がよいものとは言えない。例え
ば、圧電アクチュエータ９０の駆動信号の送信を停止し
ても、金属板９１の駆動端が振動して可動体を振動させ
る問題があった。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、大きな伸縮変位および屈曲変位を発生させ
ることができ、しかも制御性に優れた圧電アクチュエー
タを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明によれ
ば、略平行に配置された板状の第１圧電体および第２圧
電体と、前記第１圧電体と前記第２圧電体の間に挟まれ
た第１電極と、前記第１圧電体の表面に独立して設けら
れた第２電極および第３電極と、前記第２電極と対向す
るように前記第２圧電体の表面に設けられた第４電極
と、前記第３電極と対向するように前記第２圧電体の表
面に設けられた第５電極と、を具備し、前記第２電極と
前記第４電極によって挟まれた部分は、前記第１電極を
共通電極として前記第２電極と前記第４電極に同位相の
電圧を印加することにより伸縮変位を生ずる部位であ
り、前記第３電極と前記第５電極によって挟まれた部分
は、前記第１電極を共通電極として前記第３電極と前記
第５電極に逆位相の電圧を印加することにより屈曲変位
を生ずる部位であることを特徴とする圧電アクチュエー
タ、が提供される。

【００１２】このような圧電アクチュエータにおいては
圧電体の一端が駆動端となる。好ましくは、伸縮変位を
生ずる部位の先端部を固定端とし、また屈曲変位を生ず
る部位の先端部を駆動端として用いる。この場合には屈
曲変位を生ずる部位の先端部に耐摩耗性チップを設け
て、この耐摩耗チップに可動体等を当接させることが好
ましい。また屈曲変位を生ずる部位の先端と耐摩耗性チ
ップとの間に圧電アクチュエータの長さを延長する高剛
性材料からなる延長部材を設けることで、変位量を拡大
することも可能である。

【００１３】また本発明によれば、圧電体と電極とが交
互に積層されてなる第１積層部および第２積層部が前記
圧電体と前記電極の積層方向と直交する方向に連続して
設けられた圧電アクチュエータであって、前記第１積層
部は、前記電極が一層おきに電気的に接続された一対の
駆動電極を有し、前記駆動電極に所定の電圧を印加する
ことによって伸縮変位を生ずる部位であり、前記第２積
層部は、前記電極が一層おきに電気的に接続された第１
電極と、前記積層方向の片側所定領域において前記第１
電極と導通していない電極が電気的に接続された第２電
極と、前記第１電極および前記第２電極のいずれとも導
通していない電極が電気的に接続されてなる第３電極と
を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に印加する
電圧と、前記第１電極と前記第３電極との間に印加する
電圧とを逆位相とすることにより屈曲変位を生ずる部位
であることを特徴とする圧電アクチュエータ、が提供さ
れる。

【００１４】本発明の圧電アクチュエータは、圧電体の
変位を直接に利用しているために大きな変位を得ること
ができる。また圧電体の駆動端は外力によって曲がり難
く、しかも駆動時の慣性力による屈曲が抑制される。こ
のために本発明のアクチュエータを例えばモータ用部材
として用いた場合には、可動体の高速搬送または重量物
搬送が可能であり、かつ、高精度な制御を行うことがで
きるモータを実現することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電アクチュエー
タの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の圧電アクチュエータの一実施形態を示す
断面図である。圧電アクチュエータ１０は、略平行に配
置された矩形板状の２枚の圧電体１１ａ・１１ｂと、圧
電体１１ａ・１１ｂ間に挟まれた電極１２と、圧電体１
１ａの表面に独立して設けられた電極１３ａ・１３ｂ
と、電極１３ａと対向するように圧電体１１ｂの表面に
設けられた電極１４ａと、電極１３ｂと対向するように
圧電体１１ｂの表面に設けられた電極１４ｂとを有して
いる。

【００１６】ここで圧電体１１ａ・１１ｂの長手方向を
Ｘ方向とし、厚み方向をＺ方向とする。また圧電体１１
ａ・１１ｂの電極１３ａ・１４ａ側のＸ方向端を固定端
とし、電極１３ｂ・１４ｂ側のＸ方向端を駆動端とす
る。図１では、圧電アクチュエータ１０の固定端がセラ
ミックスや金属、エンジニアリングプラスチック等から
なる固定部材１７に固定され、駆動端が所定の力で可動
体１８に当接された状態が示されている。この可動体１
８はガイドレール１９と噛み合っており、Ｚ方向に移動
することができるようになっている。

【００１７】電極１３ａと電極１４ａによって挟まれた
部分は、電極１２を共通電極として電極１３ａと電極１
４ａに同位相の電圧を印加することにより伸縮変位を生
ずる部位（以下「伸縮変位部１５ａ」という）である。
一方、電極１３ｂと電極１４ｂによって挟まれた部分
は、電極１２を共通電極として電極１３ｂと電極１４ｂ
に逆位相の電圧を印加することにより屈曲変位を生ずる
部位（以下「屈曲変位部１５ｂ」という）である。

【００１８】伸縮変位部１５ａおよび屈曲変位部１５ｂ
においてそれぞれ伸縮変位と屈曲変位を生じさせるため
には、圧電体１１ａにおいて電極１２と電極１３ａ・１
３ｂによって挟まれた部分、および圧電体１１ｂにおい
て電極１２と電極１４ａ・１４ｂによって挟まれた部分
は、それぞれ分極処理が施されている必要がある。圧電
体１１ａについては、例えばこの分極処理は、電極１２
をアース電極とし、電極１３ａ・１３ｂを高電位とし
て、これらの電極間に所定の温度環境下で所定の電圧を
印加することで行われる。圧電体１１ｂについても同様
にして分極処理を行うことができる。

【００１９】圧電体１１ａ・１１ｂとしては、非共振で
伸縮変位部１５ａおよび屈曲変位部１５ｂを駆動する場
合には、圧電定数ｄ_３１、電気機械結合係数ｋ_３１の大
きい材料を用いることが好ましい。一方、共振現象を利
用して伸縮変位部１５ａおよび屈曲変位部１５ｂを駆動
する場合には、機械的品質係数Ｑｍの大きい材料を用い
ることが好ましい。具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛
系の圧電セラミックスが好適に用いられる。

【００２０】圧電アクチュエータ１０は好ましくは接着
法または一体焼成法により作製されるために、電極１２
・１３ａ・１３ｂ・１４ａ・１４ｂは圧電アクチュエー
タ１０の製法によってそれぞれ異なる材料が用いられ
る。接着法では圧電体１１ａ・１１ｂに電極１３ａ・１
３ｂ・１４ａ・１４ｂを形成するために、焼成温度の低
い銀ペースト（銀電極材）が好適に用いられる。一方、
一体焼成法では圧電体１１ａ・１１ｂと電極１３ａ・１
３ｂ・１４ａ・１４ｂの焼成を同時に行うために、圧電
体１１ａ・１１ｂの焼成温度に耐える高融点金属、例え
ば、銀／パラジウムペースト（銀／パラジウム電極材）
や白金ペースト（白金電極材）等の貴金属ペーストが好
適に用いられる。

【００２１】接着法では、最初にセラミックス粉末を押
出成形法やスリップキャスト法等の厚膜成形法またはプ
レス成形法等の公知のセラミックス成形技術を用いて所
定形状に成形した後にこれを焼成し、必要に応じて切断
や研削等の加工を施して、矩形板状の圧電体１１ａ・１
１ｂを得る。次に得られた圧電体１１ａの各面に銀ペー
スト等をスクリーン印刷法等によって印刷し、所定の温
度で焼成することで、圧電体１１ａに電極１２・１３ａ
・１３ｂを形成する。同様にして圧電体１１ｂに電極１
２・１４ａ・１４ｂを形成する。次いで圧電体１１ａ・
１１ｂに前述したように分極処理を施した後に、樹脂接
着剤を用いて圧電体１１ａ・１１ｂにそれぞれ形成され
た電極１２どうしが貼り合わされるように接着する。こ
うして圧電アクチュエータ１０が完成する。

【００２２】一方、一体焼成法では、最初にセラミック
ス粉末を押出成形法やスリップキャスト法等の厚膜成形
法を用いてシート状に加工し、得られたグリーンシート
を所定の形状に打ち抜き加工等する。１枚のグリーンシ
ートの表面に焼成後に電極１２・１３ａ・１３ｂとなる
電極を、銀／パラジウムペースト等をスクリーン印刷法
等によって印刷して形成する。同様に、別の１枚のグリ
ーンシートの表面に焼成後に電極１４ａ・１４ｂとなる
電極を印刷する。電極１２となる面が２枚のグリーンシ
ートに挟まれるようにしてこれら２枚のグリーンシート
を圧着して一体化し、これを焼成し、さらに得られた焼
成体に前述したように分極処理を施すことで圧電アクチ
ュエータ１０が作製される。

【００２３】なお、圧電体１１ａ・１１ｂの間に電極１
２が形成された一体焼成体の表面に銀ペースト等で電極
１３ａ・１３ｂ・１４ａ・１４ｂを形成してもよい。ま
た一体焼成法を用いる場合には、例えば、圧電体１１ａ
・１１ｂは、薄く成形されたグリーンシートを複数枚積
層して一体化することにより、所望する厚みを得ること
ができる。一体焼成法により作製した圧電アクチュエー
タ１０は接着層を有しないために、接着法により作製し
た圧電アクチュエータ１０よりも高い剛性を有する。

【００２４】圧電アクチュエータ１０の駆動は、圧電ア
クチュエータ９０と同様に、例えば、電極１２をアース
電極として、電極１３ａ・１４ａ・１３ｂにＶ_１＝Ａｓ
ｉｎ（ωｔ）（Ａ：ゼロ−ピーク電圧）の電圧信号Ｖ_１
を入力し、電極１４ｂにＶ_２＝−Ａｓｉｎ（ωｔ）の電
圧信号Ｖ_２を入力することによって行うことができる。

【００２５】ただし、電圧信号はこのような電圧信号に
限定されるものではなく、電極１３ａと電極１２との間
に印加する電圧信号と、電極１４ａと電極１２との間に
印加する電圧信号とが同位相であり、電極１３ｂと電極
１２との間に印加する電圧信号と、電極１４ｂと電極１
２との間に印加する電圧信号とが逆位相（１８０度位相
がずれている）であればよい。このとき各電圧信号の周
波数は同じとすることが好ましいが、電極１３ａ・１４
ａと電極１２との間に印加する電圧信号のゼロ−ピーク
電圧の大きさと、電極１３ｂ・１４ｂと電極１２との間
に印加する電圧信号のゼロ−ピーク電圧の大きさとは、
異なっていてもよい。

【００２６】具体的には、電極１３ａ・１４ａと電極１
２との間には、Ｖ_１＝Ａ_１ｓｉｎ（ωｔ）（Ａ_１：ゼロ
−ピーク電圧）の電圧信号Ｖ_１を入力し、電極１３ｂと
電極１２との間にＶ_２＝Ａ_２ｃｏｓ（ωｔ）（Ａ_２：ゼ
ロ−ピーク電圧、Ａ_２≠Ａ_１）の電圧信号Ｖ_２を入力
し、電極１４ｂと電極１２との間にＶ_３＝−Ａ_２ｃｏｓ
（ωｔ）の電圧信号Ｖ_３を入力することによって、圧電
アクチュエータ１０を駆動することができる。なお、入
力信号は正弦波信号に限定されるものではなく、三角波
信号等の連続して電圧の正負が入れ替わる電圧信号であ
ってもよい。

【００２７】このような電圧信号により、伸縮変位部１
５ａでは、圧電体１１ａにおいて電極１３ａと電極１２
に挟まれた部分と、圧電体１１ｂにおいて電極１４ａと
電極１２に挟まれた部分は同じ位相で伸縮する。つま
り、伸縮変位部１５ａは電圧位相の変化にしたがってＸ
方向に伸縮する。伸縮変位部１５ａは従来の圧電アクチ
ュエータ９０（図７参照）のように金属板９１を有して
いないために、その変位が抑制され難い。

【００２８】また屈曲変位部１５ｂはバイパラレル型の
バイモルフ素子とみなすことができるために、電圧位相
の変化にしたがってＺ方向に屈曲する。屈曲変位部１５
ｂもまた従来の圧電アクチュエータ９０のように金属板
９１を有していないために、その変位が抑制されない。

【００２９】これにより従来の圧電アクチュエータ９０
の駆動電圧と同じ駆動電圧で圧電アクチュエータ１０を
駆動させた場合には、圧電体１１ａ・１１ｂの変位が金
属板９１によって抑制されることがないために、圧電体
１１ａ・１１ｂ自体の圧電特性に起因する変位を得るこ
とができる。これにより圧電アクチュエータ１０の駆動
端は圧電アクチュエータ９０と比較して、より大きな径
の楕円軌道を描く。

【００３０】したがって、圧電アクチュエータ１０で
は、駆動端に当接させた可動体１８の高速搬送が可能と
なり、また可動体１８が重量物であってもその搬送が可
能となる。また従来の圧電アクチュエータ９０と同程度
の駆動能力でよい場合には、その駆動電圧を下げること
ができるため、駆動電源の負担を軽減することができ
る。なお図１には、可動体１８を下向きに移動させる場
合の駆動軌跡を示したが、このような駆動軌跡は、伸縮
変位部１５ａが伸びるときに屈曲変位部１５ｂが上から
下に屈曲するように電圧信号を印加することで実現する
ことができる。一方、可動体１８を上向きに移動させる
場合には、伸縮変位部１５ａが伸びるときに屈曲変位部
１５ｂを下から上に屈曲するように電圧信号を印加すれ
ばよい。

【００３１】さらに圧電アクチュエータ１０において
は、圧電体１１ａ・１１ｂの端面が駆動端となっている
ために、駆動端近傍が外力によって曲がり難く、しかも
変位時の慣性力等によって電圧信号に起因する変位から
ずれた変位が生じ難い。このように圧電アクチュエータ
１０では制振性が高められているために、可動体１８の
移動速度や位置決めを高精度に制御することが可能であ
る。なお、固定部材１７をガイドレール１９と平行に設
けられた別のガイドレールに噛み合わせてＺ方向に移動
可能とし、圧電アクチュエータ１０の駆動端を固定され
たガイドレール１９に所定の力で押し当てれば、圧電ア
クチュエータ１０と固定部材１７を同時にＺ方向へ移動
させる自走式モータとすることができる。

【００３２】表１は、一体焼成法により作製した圧電ア
クチュエータ１０（「圧電アクチュエータ１０Ａ」とい
う）と、接着法により作製した圧電アクチュエータ１０
（「圧電アクチュエータ１０Ｂ」という）と、図７に示
した従来の圧電アクチュエータ９０の制御性（制振性）
を調べるために、図１に示したように、これらの圧電ア
クチュエータ１０Ａ・１０Ｂ・９０の駆動端をＺ方向に
移動可能な可動体１８の側面に１０Ｎの力で押し付けて
保持し、この可動体１８の上面に所定重量のウエイト
（重石）をおいたときの可動体１８の移動量を示してい
る。この可動体１８の移動量が大きいほど制振性が悪
く、例えば、可動体１８の搬送速度の制御や発進／停止
の制御の性能が悪いことを示している。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に示されるように、圧電アクチュエー
タ１０Ａで最も可動体１８の移動量が少ないことから、
圧電アクチュエータ１０Ａが最も制振性に優れていると
言える。また従来の圧電アクチュエータ９０と比較する
と、圧電アクチュエータ１０Ｂも良好な特性を有するこ
とがわかる。

【００３５】さて、上述した圧電アクチュエータ１０で
は、圧電体１１ａ・１１ｂの端面（駆動端）に摩擦が生
ずるが、圧電セラミックスよりも耐摩耗性に優れる部材
を圧電アクチュエータ１０の駆動端の駆動端に設けるこ
とで、圧電アクチュエータ１０の耐久性を向上させるこ
とができる。図２は圧電アクチュエータ１０の駆動端に
耐摩耗性チップ２１を取り付けた実施形態（「圧電アク
チュエータ１０´」とする）を示した断面図である。耐
摩耗性チップ２１の材料としては、例えば、アルミナ、
窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、炭化チタン、窒化チ
タン等の耐摩耗性セラミックスを挙げることができる。

【００３６】なお、耐摩耗性チップ２１の材質は、可動
体１８の材質を考慮して適宜定めることができる。また
耐摩耗性チップ２１は圧電アクチュエータ１０´の共振
周波数を下げないようにするために、小型で軽量である
ことが好ましい。耐摩耗性チップ２１はエポキシ系接着
剤等により圧電体１１ａ・１１ｂに固定することができ
る。

【００３７】図３は圧電アクチュエータ１０の別の実施
形態を示す断面図であって、圧電体１１ａ・１１ｂの駆
動端に延長部材２２を取り付け、さらにこの延長部材２
２に図２に示した耐摩耗性チップ２１を取り付けた実施
形態（「圧電アクチュエータ１０″」とする）を示して
いる。延長部材２２を設けることにより、駆動端のＺ方
向の変位量を拡大することができるため、例えば、可動
体１８の高速搬送が可能となる。一方で、延長部材２２
は圧電アクチュエータ１０″の駆動端側の重量を増大さ
せるものであるために、圧電アクチュエータ１０″では
高周波駆動が行い難くなる。したがって、この問題を回
避するために、延長部材２２としては軽量で高剛性の材
料を用いることが好ましい。なお、この延長部材２２に
耐摩耗性チップ２１としての機能を持たせることも可能
である。

【００３８】次に、本発明の圧電アクチュエータの別の
実施形態について説明する。図４は圧電アクチュエータ
３０の概略構造を示す斜視図であり、図５は圧電アクチ
ュエータ３０を構成する圧電体３２ａ・３２ｂの平面図
であって、圧電体３２ａ・３２ｂに設けられている電極
３３ａ・３３ｂ・３４のパターンを示している。

【００３９】圧電アクチュエータ３０は、電極３３ａ・
３３ｂが形成された圧電体３２ａと、電極３４が形成さ
れた圧電体３２ｂとが交互に積層された構造を有する。
電極３３ａは圧電アクチュエータ３０の側面においてリ
ード電極３５ｂによって導通し、電極３４は圧電アクチ
ュエータ３０の側面においてリード電極３５ａによって
導通している。なお、電極３３ａの一部に切り欠き部３
６ａを設けることによって、リード電極３５ａと電極３
３ａとが導通しないようになっており、電極３４の一部
に切り欠き部３６ｂを設けることによって、リード電極
３５ｂと電極３４とが導通しないようになっている。

【００４０】圧電体３２ａ・３２ｂにおいて、電極３４
と電極３３ａとで挟まれた部分は、電極３４から電極３
３ａへ向かう向きに分極が施されている。このために、
例えば、リード電極３５ａ（電極３４）をアース電極と
してリード電極３５ａ・３５ｂ間（電極３３ａ・３４
間）に所定の交流電圧を印加すると、電極３３ａ・３４
および圧電体３２ａ・３２ｂが積層された部分にはＸ方
向の伸縮変位が生じる（以下この部分を「伸縮変位部３
１ａ」という）。

【００４１】一方、電極３３ｂはＺ方向の片側所定領域
内の複数層（図４においては上側半分の３層）が圧電ア
クチュエータ３０の側面においてリード電極３５ｃによ
って導通し、残りの複数層（下側半分の３層）が圧電ア
クチュエータ３０の側面においてリード電極３５ｄによ
って導通している。なお、電極３４に切り欠き部３６ｃ
を設けることによって、電極３４と電極３３ｂとが導通
することが防止されている。また、電極３４は伸縮変位
部３１ａにおいてリード電極３５ａによって互いに導通
しているために、屈曲変位部３１ｂにおいては電極３４
の導通は行われていない。

【００４２】圧電体３２ａ・３２ｂにおいて、電極３４
と電極３３ｂとで挟まれた部分は、電極３４から電極３
３ｂへ向かう向きに分極が施されている。このために、
例えば、リード電極３５ａをアース電極としてリード電
極３５ａ・３５ｃ間にＶ_１＝Ａ_１ｓｉｎ（ωｔ）の電圧
信号Ｖ_１を入力し、同時にリード電極３５ａをアース電
極としてリード電極３５ａ・３５ｄ間にＶ_２＝−Ａ_１ｓ
ｉｎ（ωｔ）の電圧信号Ｖ_２を入力すると、電極３３ｂ
・３４および圧電体３２ａ・３２ｂが積層された部分に
はＺ方向の屈曲変位が生じる（以下個の部分を「屈曲変
位部３１ｂ」という）。

【００４３】このように圧電アクチュエータ３０は前述
した圧電アクチュエータ１０と同様に伸縮変位部３１ａ
と屈曲変位部３１ｂとがＸ方向に連接した構造を有する
ために、その駆動端（図４では屈曲変位部３１ｂ側のＸ
方向端）に楕円運動を生じさせることができる。圧電ア
クチュエータ３０は圧電アクチュエータ１０の圧電体１
１ａ・１１ｂを積層構造としたものに他ならない。圧電
アクチュエータ３０は、圧電アクチュエータ１０と比較
すると、高い機械的強度を有し、また低電圧での駆動が
可能となる利点を有する。勿論、圧電アクチュエータ３
０の駆動端には、耐摩耗性チップ２１や延長部材２２を
設けることができる。

【００４４】圧電アクチュエータ３０は、接着法と一体
焼成法のいずれの方法でも作製することができるが、特
に、一体焼成法を用いることで生産性よく作製すること
が可能である。一体焼成法では、図５に示した電極３３
ａ・３３ｂまたは電極３４のパターンが印刷されたグリ
ーンシートを積層して一体化し、焼成した後に、リード
電極３５ａ〜３５ｄを形成して分極処理を行えばよい。

【００４５】圧電アクチュエータ３０においては、電極
３３ａ・３３ｂ・３４を所定の状態で導通させるための
リード電極３５ａ〜３５ｄを圧電アクチュエータ３０の
側面に設けた形態を示したが、この場合にはリード電極
３５ａ〜３５ｄにリード線をハンダ付け等により取り付
けた場合にＹ方向端面に重量差が生じる。これにより圧
電アクチュエータ３０を駆動した際にねじれ変位が発生
し、このねじれ変位が圧電アクチュエータ３０の駆動特
性を低下させるおそれがある。この問題を回避するため
に、図６に示す圧電アクチュエータ４０のように、リー
ド電極を圧電アクチュエータの表面のＹ方向中央に形成
することが好ましい。

【００４６】図６は圧電アクチュエータのさらに別の実
施形態である圧電アクチュエータ４０を示す斜視図
（ａ）と、斜視図（ａ）中のＡＡ断面図（ｂ）である。
圧電アクチュエータ４０は、圧電アクチュエータ３０と
同様に、Ｘ方向の固定端側略半分がＸ方向に伸縮変位を
生ずる伸縮変位部４１ａであり、Ｘ方向の駆動端側略半
分がＺ方向に屈曲変位を生ずる屈曲変位部４１ｂとなっ
ている。

【００４７】図６に示されるように、伸縮変位部４１ａ
は圧電体４２ａ・４２ｂと電極４３ａ・４４が積層され
た構造を有している。伸縮変位部４１ａのＸ方向端（固
定端）側面には、電極４４のみ導通させるリード電極４
７ｄがＹ方向中央に設けられており、このリード電極４
７ｄにはハンダ４５ｄによりリード線４８ｄが取り付け
られている。

【００４８】また、伸縮変位部４１ａの内部には、Ｙ方
向中央においてＺ方向を貫通するスルーホール４６ｃが
設けられており、このスルーホール４６ｃの内周面には
金属被膜が形成されて、この金属被膜がリード電極４７
ｃとなっている。圧電アクチュエータ４０の上面におい
てこのリード電極４７ｃが露出した部分には、リード線
４８ｃがハンダ４５ｃ等により取り付けられている。な
お、リード電極４７ｃが電極４４と導通しないように、
電極４４には電極が形成されていない部分が所定位置に
設けられている。

【００４９】屈曲変位部４１ｂは圧電体４２ａ・４２ｂ
と電極４３ｂ・４４が積層された構造を有している。屈
曲変位部４１ｂのＹ方向中央には、圧電体４２ａ・４２
ｂの上部４層をＺ方向に貫通するスルーホール４６ｂ
と、圧電体４２ａ・４２ｂの下部４層をＺ方向に貫通す
るスルーホール４６ａが設けられている。スルーホール
４６ｂの内周面に形成された金属被膜はリード電極４７
ｂとなっており、スルーホール４６ａの内周面に形成さ
れた金属被膜はリード電極４７ａとなっている。

【００５０】圧電アクチュエータ４０の上面においてリ
ード電極４７ｂが露出した部分には、リード線４８ｂが
ハンダ４５ｂにより取り付けられており、圧電アクチュ
エータ４０の下面においてリード電極４７ａが露出した
部分には、リード線４８ａがハンダ４５ａにより取り付
けられている。なお、リード電極４７ａ・４７ｂが電極
４４と導通しないように、電極４４には電極が形成され
ていない部分が所定位置に設けられている。また、圧電
アクチュエータ４０を構成する圧電体４２ａ・４２ｂの
中央部の２層にはスルーホール４６ａ・４６ｂは形成さ
れておらず、リード電極４７ａ・４７ｂどうしが導通し
ないようになっている。

【００５１】このような構造を有する圧電アクチュエー
タ４０は、圧電アクチュエータ３０と同様に、接着法ま
たは一体焼成法のいずれの方法でも作製することができ
る。特に、一体焼成法を用いることで生産性よく作製す
ることが可能であり、この場合には、例えば、グリーン
シートとして、スルーホール４６ａ〜４６ｃとなる孔部
が所定位置にパンチング等によって形成され、この孔部
の内周面と表面近傍に電極ペーストが塗布され、かつ、
表面に所定の電極パターンが印刷されたものを用いれば
よい。リード電極４７ａ〜４７ｃは、スルーホール４６
ａ〜４６ｃを形成した後にその内部に金属ペーストを塗
布し、または金属を充填することによっても形成するこ
とができる。

【００５２】圧電アクチュエータ４０においては、例え
ば、リード電極４７ｄ（電極４４）がアース電極となる
ように、リード線４８ｃ・４８ｄにＶ_１＝Ａ_１ｓｉｎ
（ωｔ）の電圧信号Ｖ_１を入力して伸縮変位部４１ａに
Ｘ方向の伸縮変位を生じさせ、かつ、リード線４８ｂ・
４８ｄにＶ_１＝Ａ_１ｓｉｎ（ωｔ）の電圧信号Ｖ_１を入
力し、同時にリード線４８ａ・４８ｄにＶ_２＝−Ａ_１ｓ
ｉｎ（ωｔ）の電圧信号Ｖ_２を入力して屈曲変位部４１
ｂにＺ方向の屈曲変位を生じさせることができる。

【００５３】圧電アクチュエータ４０においては、リー
ド電極４７ａ〜４７ｃがＹ方向中央に設けられているた
めに、Ｙ方向におけるバランスが良好となり、駆動時に
ねじれ変位が発生することが防止される。これにより、
圧電アクチュエータ３０と比較して、より高精度な駆動
が可能となる。なお、図１に示した圧電アクチュエータ
１０においては、電極１３ａ・１３ｂ・１４ａ・１４ｂ
のそれぞれのＹ方向中央にリード線を取り付けること
で、圧電アクチュエータ１０にねじれ変位が生ずること
を回避できる。

【００５４】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、圧電アクチュエータ１０の駆動形態とし
て、電極１３ａ・１４ａ・１３ｂに同位相の電圧を印加
し、電極１４ｂに逆位相の電圧を印加した場合について
説明したが、電極１３ａ・１４ａ・１４ｂに同位相の電
圧信号を印加し、電極１３ｂに逆位相の電圧信号を印加
してもよい。

【００５５】また電極１３ａ・１３ｂ・１４ｂに同位相
の電圧を印加して電極１４ａに逆位相の電圧を印加する
か、または、電極１３ｂ・１４ａ・１４ｂに同位相の電
圧を印加して電極１３ａに逆位相の電圧を印加してもよ
い。換言すれば、圧電アクチュエータ１０において、伸
縮変位部側を駆動端とし、屈曲変位部側を固定端として
もよい。この場合には、固定端側で屈曲変位が生じるの
で駆動端の移動速度を速くすることができるが、屈曲変
位によって移動させる部分の重量が増えてテコ比も大き
くなるために、発生力は小さくなる。

【００５６】さらに圧電アクチュエータ１０は、図１に
示したように単体で用いなければならないものではな
く、複数の圧電アクチュエータ１０をＺ方向に所定間隔
で配置することでリニアモータを構成することもでき
る。また例えば、中心に枢軸を有し、この枢軸に支持さ
れて枢軸回りに回転自在に設けられたターンテーブルに
おいて、この枢軸にモータ等の回転駆動機構を取り付け
ることなく、ターンテーブルの外周に圧電アクチュエー
タ１０の駆動端を当接させてこれを駆動すれば、このタ
ーンテーブルを任意の方向に回転させることができる。

【００５７】

【発明の効果】上述の通り、本発明の圧電アクチュエー
タによれば、圧電体の伸縮変位と屈曲変位を直接に利用
しているために大きな変位を得ることができる。このた
めに本発明の圧電アクチュエータを例えば可動体を搬送
するモータ用部材として用いた場合には、可動体の高速
搬送または重量物搬送が可能となる。また本発明の圧電
アクチュエータにおいては、圧電体の駆動端は外力によ
って曲がり難く、しかも駆動時の慣性力による屈曲が抑
制されるために制振性に優れている。これにより可動体
の搬送を高精度に制御することができる。さらに圧電体
を積層構造とすることで駆動電圧を低減することも容易
である。さらにまた本発明の圧電アクチュエータは一体
焼成法を用いて作製することが容易であるために、生産
性に優れるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態を示
す断面図。

【図２】本発明の圧電アクチュエータの別の実施形態を
示す断面図。

【図３】本発明の圧電アクチュエータのさらに別の実施
形態を示す断面図。

【図４】本発明の圧電アクチュエータのさらに別の実施
形態を示す斜視図。

【図５】図４記載の圧電アクチュエータを構成する圧電
体と電極の形態の一例を示す平面図。

【図６】本発明の圧電アクチュエータのさらに別の実施
形態を示す斜視図および断面図。

【図７】従来の圧電アクチュエータの概略構造を示す断
面図。

【符号の説明】

１０；圧電アクチュエータ、１１ａ・１１ｂ；圧電体、
１２；電極、１３ａ・１３ｂ；電極、１４ａ・１４ｂ；
電極、１５ａ；伸縮変位部、１５ｂ；屈曲変位部、１
７；固定部材、１８；可動体、１９；ガイドレール、２
１；耐摩耗性チップ、２２；延長部材、３０；圧電アク
チュエータ、３１ａ；伸縮変位部、３１ｂ；屈曲変位
部、３２ａ・３２ｂ；圧電体、３３ａ・３３ｂ・３４；
電極、３５ａ〜３５ｄ；リード電極、３６ａ〜３６ｃ；
切り欠き部、４０；圧電アクチュエータ、４１ａ；伸縮
変位部、４１ｂ；屈曲変位部、４２ａ・４２ｂ；圧電
体、４３ａ・４３ｂ・４４；電極、４５ａ〜４５ｄ；ハ
ンダ、４６ａ〜４６ｃ；スルーホール、４７ａ〜４７
ｄ；リード電極、４８ａ〜４８ｄ；リード線、９０；圧
電アクチュエータ、９１；金属板、９２ａ・９２ｂ；圧
電素子、９３ａ・９３ｂ；圧電体、９４ａ・９４ａ´・
９４ｂ・９４ｂ´・９５ａ・９５ｂ；電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関順子千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者福永了一千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者塚本竜児千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者上羽貞行東京都町田市金森1793−635 Ｆターム(参考） 5H680 AA01 AA07 BB01 BB20 BC10 CC02 DD15 DD23 DD37 DD39 DD62

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】略平行に配置された板状の第１圧電体お
よび第２圧電体と、前記第１圧電体と前記第２圧電体の間に挟まれた第１電
極と、前記第１圧電体の表面に独立して設けられた第２電極お
よび第３電極と、前記第２電極と対向するように前記第２圧電体の表面に
設けられた第４電極と、前記第３電極と対向するように前記第２圧電体の表面に
設けられた第５電極と、を具備し、前記第２電極と前記第４電極によって挟まれた部分は、
前記第１電極を共通電極として前記第２電極と前記第４
電極に同位相の電圧を印加することにより伸縮変位を生
ずる部位であり、前記第３電極と前記第５電極によって挟まれた部分は、
前記第１電極を共通電極として前記第３電極と前記第５
電極に逆位相の電圧を印加することにより屈曲変位を生
ずる部位であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記屈曲変位を生ずる部位の先端部に耐
摩耗性チップが設けられてい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。
【請求項３】前記屈曲変位を生ずる部位の先端と前記
耐摩耗性チップとの間に、前記第１圧電体および前記第
２圧電体の長さを延長する高剛性材料からなる延長部材
が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧
電アクチュエータ。
【請求項４】圧電体と電極とが交互に積層されてなる
第１積層部および第２積層部が前記圧電体と前記電極の
積層方向と直交する方向に連続して設けられた圧電アク
チュエータであって、前記第１積層部は、前記電極が一層おきに電気的に接続
された一対の駆動電極を有し、前記駆動電極に所定の電
圧を印加することによって伸縮変位を生ずる部位であ
り、前記第２積層部は、前記電極が一層おきに電気的に接続
された第１電極と、前記積層方向の片側所定領域におい
て前記第１電極と導通していない電極が電気的に接続さ
れた第２電極と、前記第１電極および前記第２電極のい
ずれとも導通していない電極が電気的に接続されてなる
第３電極とを有し、前記第１電極と前記第２電極との間
に印加する電圧と、前記第１電極と前記第３電極との間
に印加する電圧とを逆位相とすることにより屈曲変位を
生ずる部位であることを特徴とする圧電アクチュエー
タ。