JP2005020976A

JP2005020976A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005020976A
Application number: JP2003186502A
Authority: JP
Inventors: Haruo Taguchi; 春男田口
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】接着部や機械的加工が必要のない信頼性の高い圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電アクチュエータ１は板状の圧電体であり、圧電的不活性部２０ｃを挟んだ一対の圧電的活性部２０ａ，２０ｂを備え、一対の圧電的活性部に印加する電界の向きと強度をそれぞれ制御することによって固定部１１に対して変位部１２が圧電的活性部２０ａ，２０ｂの伸長、収縮方向に対して直交し板状体の面に平行な方向Ｘの変位をすることによる微小位置決めを可能としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は記録装置、光学機器等の精密位置決め装置に利用される圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界を印加することによって変位を得る圧電現象を利用した圧電素子は、微小変位応答性に優れ、従来から各種の微小変位装置に利用されている。特許文献１では、板状圧電体に少なくとも一つの孔部を設けその孔部を隔て一対の圧電的活性部を有する圧電アクチュエータであって、一方の圧電的活性部を伸長させるとともに、もう一方の圧電的活性部を収縮させ、圧電的活性部の伸縮方向に対して略直角方向の変位を得る圧電アクチュエータが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、光ピックアップ装置の対物レンズをフォーカス方向に変位させるため一対のバイモルフ素子と、トラッキング方向に変位させるための一対の積層圧電素子とで構成された圧電アクチュエータが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１３６６６５号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平９−３５２９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の発明においては圧電活性部間に孔部を設けるための機械的加工の工程が必要であった。特に微小な圧電アクチュエータにおいては精密な孔部の形成は難易度の高いものであった。また、特許文献２の発明では、部品点数が多く、また圧電アクチュエータ素子の接着剤量のばらつきが特性に影響を与える、信頼性試験で接着部の剥離が起きるなどの問題を生じていた。さらに左右および上下の２組の変位を得るためにそれぞれ１対、計４個の圧電素子が必要であり多方向の微小変位を１素子で行う従来の技術はなかった。
【０００７】
本発明は上記問題を解決し、製造が容易で工程の簡略化が出来、部品点数が少なく、信頼性の高い、また種々方向の変位を１素子で可能とする圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電アクチュエータは、板状で圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部を含むことを特徴とする。一対の圧電的活性部それぞれの伸長、収縮を制御することによって、板状圧電体の変位部の変位が容易に可能となる。また、このように一枚の板状圧電体により構成される圧電アクチュエータは、孔部形成等の複雑な工程を要せず、部品点数が少なく、また接着部がないため特性が安定で信頼性を高めたものとなる。
【０００９】
圧電的活性部は電圧が印加されたとき、互いに異なる極性となる少なくとも一対の内部電極に挟まれた圧電体層により構成されていることを特徴とする。内部電極間の厚みは薄くすることが可能であり，所定の変位量を発生させるために必要な駆動電圧を低減できる。内部電極層は両側に電極層が存在する圧電体層が少なくとも２層以上存在するいわゆる積層構造の構成であることが好ましい。
【００１０】
前記圧電アクチュエータは圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部を複数対含むことを特徴とする。圧電的不活性部を挟む少なくとも一対の圧電的活性部を複数含むことにより一素子で種々方向の変位を可能とする圧電アクチュエータを提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，発明の実施の形態について詳細に説明する。なお，図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し重複する説明を省略する。また，図示の便宜上，図面の寸法比率は実際の値を表していない，また，また説明のものと必ずしも一致しない。
【００１２】
本発明の圧電アクチュエータは図１に示すように長手の略矩形の平面形状をしており，その長手方向の一方側を基板等の支持体に固定し，他方側の先端部の変位を利用するようにしている。
【００１３】
図１には第１実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図、図２にはＡ−Ａ’断面図を示している。圧電アクチュエータ１は，長方形板状をしており長手方向の一端は圧電アクチュエータを接着等により基板等の支持体１３に固定するための固定部１１である。他端は圧電的活性部の伸縮に伴い変位する固定部に対する変位部１２である。
【００１４】
圧電アクチュエータの内部には幅方向の中央に位置する圧電的不活性部２０ｃを挟み圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部２０ａ，２０ｂが配されている。
【００１５】
圧電的活性部は，板状圧電アクチュエータの面に平行な電極により両側を挟まれ電界が印加されることにより機械的変位を生じる圧電体層である。一方，圧電的不活性部は電界が印加されず圧電効果を示さない圧電体部分である。
【００１６】
圧電的活性部の圧電体層には通常変位性能向上のための分極処理が施されている。電極層に電圧を印加した時の電界の向きが分極の向きと一致する場合，両電極間の圧電体層はその厚さ方向に伸長し，その面内方向では収縮する。一方，電界の向きが分極の向きと逆の場合，圧電体層はその厚さ方向に収縮しその面内方向では伸長する。
【００１７】
圧電的活性部２０ａに分極と同じ向きに電界を印加すると圧電的活性部２０ａは主に圧電アクチュエータの長さ方向に収縮し，同時に圧電的活性部２０ｂに分極と逆の向きに電界を印加すると圧電的活性部２０ｂは圧電アクチュエータの長さ方向に伸長する。この圧電的活性部の電界の制御によりＸ１方向に変位部１２が変位をする。
【００１８】
反対に圧電的活性部２０ａに分極と逆の向きに，また，圧電的活性部２０ｂに分極と同じ向きに電界を印加することにより圧電的活性部２０ａ，２０ｂはそれぞれ伸長および収縮をして変位部はＸ２方向に変位する。
【００１９】
圧電アクチュエータ１は圧電的不活性部２０ｃを挟んだ一対の圧電的活性部２０ａ，２０ｂに印加する電界の向きと強度を制御することによって固定部１１に対して変位部１２が圧電的活性部２０ａ，２０ｂの伸縮方向に対して直交し板状体の面に平行な方向Ｘの変位をする。
【００２０】
特に大変位を得るためには圧電的活性部の電極に挟まれた圧電体層が２層以上あり分極方向が１層おきに逆方向となるように積層された構造を有することが好ましい。
【００２１】
また，圧電的活性部２０ａ，２０ｂは固定部１１に重ならず，圧電アクチュエータの幅方向の中心線に対してほぼ対称の位置で同じ面積であることが好ましい。また，圧電的活性部２０ａ，２０ｂは圧電アクチュエータの厚み方向の中央に位置することが好ましい。
【００２２】
図３には第２実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図、図４にはＢ−Ｂ’断面図を示している。圧電アクチュエータ２の内部には厚み方向ほぼ中央に位置する圧電的不活性部３０ｃを挟み，圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部３０ａ，３０ｂが配されている。
【００２３】
圧電的活性部３０ａに分極と同じ向きに，また，圧電的活性部２０ｂに分極と逆の向きに電界を印加することにより圧電的活性部３０ａ，３０ｂはそれぞれ収縮および伸長をして変位部はＺ１方向に変位する。
【００２４】
反対に，圧電的活性部３０ａに分極と逆の向きに，また，圧電的活性部３０ｂに分極と同じ向きに電界を印加することにより圧電的活性部３０ａ，３０ｂはそれぞれ伸長および収縮をして変位部はＺ２方向に変位する。
【００２５】
圧電アクチュエータ２は圧電的不活性部３０ｃを挟んだ一対の圧電的活性部３０ａ，３０ｂに印加する電界の向きと強度を制御することによって固定部１１に対して変位部１２が圧電的活性部３０ａ，３０ｂの伸縮方向に対し直交するＺ方向の変位が得られる。
【００２６】
なお，圧電的活性部３０ａ，３０ｂは固定部１１に重ならず，圧電アクチュエータの幅方向の中心線に対してほぼ対称の位置であることが好ましい。また，圧電的不活性部３０ｃは圧電アクチュエータの厚み方向のほぼ中央に位置し，圧電的活性部３０ａ，３０ｂは圧電アクチュエータの厚み方向の中心線に対して対称に位置することが好ましい。
【００２７】
図５には第３実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図、図６にはＣ−Ｃ’断面図を示している。圧電アクチュエータ３の内部には変位部１２側の幅方向の中央に位置する圧電的不活性部４０ｃを挟み圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部４０ａ，４０ｂが配されている。さらに，固定部１１側には厚み方向ほぼ中央に位置する圧電的不活性部５０ｃを挟み，圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部５０ａ，５０ｂが配されている。
【００２８】
圧電的活性部４０ａに分極と同じ向きに電界を印加すると圧電的活性部４０ａは主に圧電アクチュエータの長さ方向に収縮し，同時に圧電的活性部４０ｂに分極と逆の向きに電界を印加すると圧電的活性部４０ｂは圧電アクチュエータの長さ方向に伸長する。この圧電的活性部の電界の制御によりＸ１方向に変位部１２が変位をする。
【００２９】
反対に圧電的活性部４０ａに分極と逆の向きに，また，圧電的活性部４０ｂに分極と同じ向きに電界を印加することにより圧電的活性部４０ａ，４０ｂはそれぞれ伸長および収縮をして変位部はＸ２方向に変位する。
【００３０】
圧電アクチュエータ３は圧電的不活性部４０ｃを挟んだ一対の圧電的活性部４０ａ，４０ｂに印加する電界の向きと強度を制御することによって固定部１１に対して変位部１２が圧電的活性部４０ａ，４０ｂの伸縮方向に対して直交し板状体の面に平行な方向Ｘの変位をする。
【００３１】
一方，圧電的活性部５０ａに分極と同じ向きに，また，圧電的活性部５０ｂに分極と逆の向きに電界を印加することにより圧電的活性部５０ａ，５０ｂはそれぞれ収縮および伸長をして変位部はＺ１方向に変位する。
【００３２】
反対に，圧電的活性部５０ａに分極と逆の向きに，また，圧電的活性部５０ｂに分極と同じ向きに電界を印加することにより圧電的活性部５０ａ，５０ｂはそれぞれ伸長および収縮をして変位部はＺ２方向に変位する。
【００３３】
圧電アクチュエータ３は圧電的不活性部５０ｃを挟んだ一対の圧電的活性部５０ａ，５０ｂに印加する電界の向きと強度を制御することによって固定部１１に対して変位部１２が圧電的活性部５０ａ，５０ｂの伸縮方向に対し直交するＺ方向の変位が得られる。
【００３４】
以上のように，２組の圧電的不活性部を挟んだ一対の圧電的活性部を圧電アクチュエータの内部に配することにより，圧電アクチュエータ３の変位部１２は圧電的活性部の電界の向きと強度を制御することにより１素子の圧電アクチュエータでＸ，Ｚ２軸の変位が可能である。
【００３５】
また，圧電的活性部５０ａ，５０ｂをそれぞれ同時に分極と同じ向きに電界を印加すると５０ａ，５０ｂともに収縮し，固定部１１に対して変位部１２はＹ２方向に変位する。反対に，圧電的活性部５０ａ，５０ｂにそれぞれ同時に分極と逆の向きに電界を印加すると５０ａ，５０ｂともに伸長し，固定部１１に対して変位部１２はＹ１方向に変位する。
【００３６】
この場合，圧電的不活性部４０ｃを挟み圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部４０ａ，４０ｂのＸ方向の変位と組み合わせることによりＸ，Ｙ２軸の変位制御が１素子の圧電アクチュエータで可能となる。
【００３７】
なお，圧電的不活性部を挟む２組の一対の圧電的活性部は板状体の長手方向にお互いの位置を入れ替えてもよい。すなわち４０ａ，４０ｂが固定部１１側に５０ａ，５０ｂが変位部１２側に配置されても同様の変位の制御が可能である。
【００３８】
なお，圧電的活性部は固定部１１に重ならず，圧電的活性部４０ａ，４０ｂは板状体の幅方向の中心線に対してほぼ対称で厚み方向のほぼ中央に位置することが好ましい。また，圧電的不活性部５０ｃは圧電アクチュエータの厚み方向のほぼ中央に位置し，圧電的活性部５０ａ，５０ｂは圧電アクチュエータの厚み方向の中心線に対して対称に位置することが好ましい。
【００３９】
また，圧電的不活性部を挟む２組の一対の圧電的活性部の長さ，配置は変位の目的に応じて変化する。
【００４０】
図７には第４実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図、図８にはＤ−Ｄ’断面図を示している。圧電アクチュエータ４の内部には変位部１２側の幅方向の中央に位置する圧電的不活性部６０ｃを挟み圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部６０ａ，６０ｂが配されている。また，板状体の概略中央には厚み方向ほぼ中央に位置する圧電的不活性部７０ｃを挟み，圧電アクチュエータの長手方向に延在する一対の圧電的活性部７０ａ，７０ｂが配されている。さらに，固定部１１側には長さ方向に延在する圧電的活性部８０が配されている。
【００４１】
圧電的不活性部を挟む２組の一対の圧電的活性部６０ａ，６０ｂ及び７０ａ，７０ｂの配置は実施例３と同じであり，Ｘ方向，Ｚ方向の同様の変位を可能にする。さらに電界の印加により板状体の長手方向に伸長、収縮をする圧電的活性部８０を配し長さ方向（Ｙ方向）の伸長，収縮を制御することにより，Ｘ，Ｙ，Ｚ３方向の変位が一素子により可能となる。
【００４２】
この実施例に限らず圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部の複数対と一方向に伸長、収縮する圧電的活性部の配置を組み合わせることにより一素子で変位部を３次元変位させることが可能となる。
【００４３】
本発明の圧電的不活性部は内部電極の幅方向の間隔や厚み方向の間隔によって決まり，通常の圧電積層体の電極形成方法である印刷法や真空成膜法など，または積層体の製造方法であるシート積層法，印刷法，薄膜形成法などにより容易にミクロンオーダーの精密な配置ができる。
【００４４】
よって変位に寄与しない圧電的不活性部を狭く制御でき相対的に変位の発生する圧電的活性部を面積的，体積的に有効に構成できるため大きな変位を得ることが可能である。
【００４５】
圧電的活性部を構成する圧電体層の両側に位置する内部電極は導電物質が充填されたスルーホールを介して外部電極に導通させることが好ましく圧電アクチュエータの設計に応じて外部電極の位置が変更可能となる。図９にスルーホールを利用した内部電極と外部電極の接続部の板状体長手方向の断面図の例を簡略化して示す。
【００４６】
電圧が印加されたとき、互いに異なる極性となる少なくとも一対の内部電極に挟まれた圧電体層１００により構成されている圧電的活性部を駆動するために第１および第２の外部電極１３０および１３１には外部から電圧が印加される。第１の外部電極は、スルーホール１４０を介して第１の内部電極１１０と、また第２の外部電極はスルーホール１５０を介して第２の内部電極１２０と接続されている。従って外部電極１３０，１３１に電圧が印加されたとき第１の内部電極１１０と第２の内部電極１２０とは異なる極性となり、圧電体層１００により構成される圧電的活性部が分極方向と印加電界方向に依存した機械的変位を発生する。
【００４７】
スルーホールと積層面に配線の役割をする内部電極を組み合わせることにより外部電極の位置は設計に応じ変更可能となる。
【００４８】
なお，圧電的活性部の層厚は３〜８０μｍ程度である。また，必ずしもスルーホールを利用し外部電極との接続をする必要はなく，内部電極を側面に一部露出させて外部電極との接続を行ってもよい。
【００４９】
本発明の圧電アクチュエータの寸法は特に限定されず適用される用途や機器などに応じて適当に設定すればよいが通常板状体の一辺は０．２〜２０ｍｍ程度，厚みは０．１〜３ｍｍ程度である。
【００５０】
本発明において圧電体材料は何であってもよいが上述の形状の圧電アクチュエータに加工可能な材料であれば何であってもよいが通常ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３系），ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３系）などのペロブスカイトの結晶構造をもつセラミクス圧電材料が好ましい。
【００５１】
また，本発明の圧電アクチュエータは表面保護や強度向上等の目的で絶縁性のセラミクスや樹脂等の被膜を備えていてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば，圧電素子を圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部を含む構成とすることにより接着部や機械的な加工が必要ないため信頼性の高い圧電アクチュエータを提供できる。
【００５３】
また，圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部を複数対含む圧電アクチュエータの構成とすることにより１素子で変位部を複数方向に変位可能な圧電アクチュエータを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図である。
【図２】図１に示す圧電アクチュエータのＡ−Ａ’断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図である。
【図４】図３に示す圧電アクチュエータのＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図である。
【図６】図５に示す圧電アクチュエータのＣ−Ｃ’断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る圧電アクチュエータの斜視図である。
【図８】図７に示す圧電アクチュエータのＤ−Ｄ’断面図である。
【図９】本発明の圧電アクチュエータの内部電極と外部電極の接続部の一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４．…圧電アクチュエータ、１１…固定部、１２…変位部、１３…支持体、２０ａ，２０ｂ，３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ，７０ａ，７０ｂ，８０…圧電的活性部、２０ｃ，３０ｃ，４０ｃ，５０ｃ，６０ｃ，７０ｃ…圧電的不活性部、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２，Ｘ，Ｙ，Ｚ…変位部変位方向、１００…圧電体層、１１０，１２０…内部電極、１３０，１３１…外部電極、１４０，１５０…スルーホール

Claims

圧電的不活性部を挟む一対の圧電的活性部を備えることを特徴とする板状圧電アクチュエータ。
前記圧電的活性部は電圧が印加されたとき互いに異なる極性となる少なくとも一対の内部電極層に挟まれた圧電体層により構成されていることを特徴とする請求項１記載の板状圧電アクチュエータ。
前記圧電的不活性部を挟む前記一対の圧電的活性部を複数対備えることを特徴とする請求項１乃至２記載の板状圧電アクチュエータ。