JP2009266921A - Laminated piezoelectric actuator element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型圧電アクチュエータ素子に関し、特に、精密工作機器における位置決め、流量制御バルブ、自動車の燃料噴射ノズルの開弁用アクチュエータ、あるいはブレーキ装置等に用いられるアクチュエータ、また、インクジェットプリンタのインク吐出ノズルのアクチュエータなどの各種用途に用いられる積層型圧電アクチュエータ素子に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator element, and in particular, positioning in a precision machine tool, a flow control valve, an actuator for opening a fuel injection nozzle of an automobile, an actuator used for a brake device, etc., and ink ejection of an ink jet printer The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator element used for various applications such as a nozzle actuator.
積層型圧電アクチュエータ素子は、より大きな圧電効果を得るために、複数の圧電体と電極とを交互に積層したものである。この積層型圧電アクチュエータ素子において、素子内の複数の電極、またはユニット間の電極を直列に接続する構成とし、交流電源を入力することにより、素子の応答速度を向上させることが行われている。 In order to obtain a larger piezoelectric effect, the laminated piezoelectric actuator element is obtained by alternately laminating a plurality of piezoelectric bodies and electrodes. In this multilayer piezoelectric actuator element, a plurality of electrodes in the element or electrodes between units are connected in series, and the response speed of the element is improved by inputting an AC power supply.
例えば、図7に示すように、内部電極層113が、交互に対向する側面に向けて突設するように、内部電極層113と圧電体層112とを、交互に複数層積層した積層体114からなる積層型圧電アクチュエータ素子111が知られている(特許文献1、特許文献2参照)。この積層型圧電アクチュエータ素子111では、積層体114の対向する側面に一層ごとに内部電極層113の端面115が露出し、その端面115に、積層体114の側面に沿って配設された外部電極116が接続されている。
For example, as shown in FIG. 7, a laminated
また、図8に示すように、内部電極層123が、交互に対向する側面に向けて突設するように、圧電体層122と、内部電極層123とを、交互に複数層積層した積層体ユニット124を、接合部125を介して複数個接合して一体化した積層型圧電アクチュエータ素子121が知られている(特許文献3、特許文献4、特許文献5参照)。この積層型圧電アクチュエータ素子121では、積層体ユニット124の対向する側面に一層ごと内部電極層123の端面126が露出し、その端面126に、積層型圧電アクチュエータ素子121の側面に沿って配設された外部電極127A,127Bが接続されている。
Further, as shown in FIG. 8, a laminate in which a plurality of
さらに、図9に示すように、圧電体層132と、内部電極層133とを、交互に複数層積層した積層体134で構成される積層型圧電アクチュエータ素子131が知られている(特許文献6参照)。この積層型圧電アクチュエータ素子131では、積層体134の両側面に内部電極層133の両端面が露出し、内部電極層133の1層ごとに、交互に端面に短絡防止のための絶縁層135が設けられ、内部電極層133の他の露出する端面136に、積層体134に側面に沿って配設された外部電極137が接続されている。
しかし、従来の積層型圧電アクチュエータ素子は、複数の圧電体層と、それぞれの圧電体層に電圧を印加して圧電効果を発揮させるために配置される内部電極層とが、交互に複数層積層された構成を有する。この構成では、1の圧電体層と、その圧電体層を挟む内部電極層とで構成される複数の圧電ユニットが、外部電極に並列に接続された構成となっている。ここで、圧電ユニットは、内部電極層に挟まれた圧電体によって、静電容量を有する。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子は、電気的には、複数のコンデンサが並列接続されているものと等価である、と考えられる。そのため、従来の圧電ユニットが並列に接続された積層型圧電アクチュエータ素子では、並列に接続された圧電ユニットの個数だけ、静電容量が加算され、大きい静電容量を有することになる。 However, in the conventional multilayer piezoelectric actuator element, a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers arranged in order to exert a piezoelectric effect by applying a voltage to each piezoelectric layer are alternately stacked. It has the structure made. In this configuration, a plurality of piezoelectric units including one piezoelectric layer and internal electrode layers sandwiching the piezoelectric layer are connected in parallel to the external electrodes. Here, the piezoelectric unit has a capacitance by a piezoelectric body sandwiched between the internal electrode layers. Therefore, it is considered that the multilayer piezoelectric actuator element is electrically equivalent to one in which a plurality of capacitors are connected in parallel. Therefore, in the multilayer piezoelectric actuator element in which the conventional piezoelectric units are connected in parallel, the electrostatic capacity is added by the number of the piezoelectric units connected in parallel, and has a large electrostatic capacity.
ところで、一般に、圧電アクチュエータ素子では、素子が有する静電容量に応じた電荷量が、内部電極層に印加される電圧によって完全に充放電されてから圧電現象、すなわち、圧電体層の変位が生じ、電圧印加に対する圧電アクチュエータ素子としての応答が生じる。これは、図10(a)に示すように、印加電圧を時間t1からt3まで印加した場合、電圧の印加に対して、素子の応答は、応答遅れを生じ、立上り期間(t1→t2)、立下り期間(t3→t4)を示す。これは、図10(b)に示すように、t1からt2の期間(立上り期間)に、素子への充電が行われる。そして、充電が完了すると、t2からt3の期間(変位期間)、電圧Pの印加によって素子が圧電変位し、電圧Pに印加に対して、素子が応答する。そして、電圧Pの印加がt3で終了すると、放電が開始され、t3からt4までの期間(放電期間、立下り期間)放電が行われる。この電圧の印加→充電(立上り)→圧電変位(応答)→電圧の印加の終了→放電(立下り)を繰り返すことによって、圧電アクチュエータ素子が動作することになる。したがって、素子の静電容量が大きいほど充放電時間が長くなり、すなわち、静電容量が大きくなると、圧電アクチュエータ素子の立上り時間および立下り時間が長くなるため、素子が電圧の印加に対して、変位して応答するまでの時間、および電圧の印加の終了後、放電して次の電圧の印加に対して応答するまでの時間が長くなる。そのため、圧電アクチュエータ素子の応答速度が遅くなる。このような場合、応答速度を速くするためには、入力電流量を増加させたり、または静電容量および印加電圧を減少させることが必要となる。 By the way, in general, in a piezoelectric actuator element, a piezoelectric phenomenon, that is, displacement of the piezoelectric layer occurs after a charge amount corresponding to the capacitance of the element is completely charged and discharged by a voltage applied to the internal electrode layer. Then, a response as a piezoelectric actuator element to voltage application occurs. As shown in FIG. 10A, when the applied voltage is applied from time t1 to time t3, the response of the element causes a response delay with respect to the applied voltage, and the rising period (t1 → t2), The falling period (t3 → t4) is shown. In this case, as shown in FIG. 10B, the element is charged in the period from t1 to t2 (rise period). When the charging is completed, the element is piezoelectrically displaced by the application of the voltage P during the period from t2 to t3 (displacement period), and the element responds to the application of the voltage P. Then, when the application of the voltage P is finished at t3, the discharge is started, and the discharge is performed during the period from t3 to t4 (discharge period, falling period). By repeating this voltage application → charging (rising) → piezoelectric displacement (response) → ending voltage application → discharging (falling), the piezoelectric actuator element operates. Therefore, the larger the capacitance of the element, the longer the charge / discharge time, i.e., the larger the capacitance, the longer the rise time and fall time of the piezoelectric actuator element. The time until displacement and response, and the time from the end of voltage application to the time of discharge and response to the next voltage application become longer. Therefore, the response speed of the piezoelectric actuator element becomes slow. In such a case, in order to increase the response speed, it is necessary to increase the input current amount or decrease the capacitance and the applied voltage.
これに対して、従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、前記のとおり、並列に接続された圧電ユニットの個数だけ、静電容量が加算され、大きい静電容量を有することになる。そのため、従来の積層型圧電アクチュエータ素子は、大きい静電容量に起因して、応答速度が遅い、という問題があった。また、積層型圧電アクチュエータ素子の変位量拡大、すなわち、積層型圧電アクチュエータ素子を構成する複数の圧電ユニットの電圧の印加による圧電体層の変位を大きくするためには、圧電体層の個数を増加させたり、印加電圧を増加させたり、あるいは圧電体層を薄層してより多数の圧電体層を積層することが必要となる。このような場合にも、従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、静電容量が増加し、素子を充電するに必要な電荷量が多くなり、応答速度が遅くなる。 On the other hand, in the conventional multilayer piezoelectric actuator element, as described above, the capacitance is added by the number of piezoelectric units connected in parallel, and has a large capacitance. Therefore, the conventional multilayer piezoelectric actuator element has a problem that the response speed is slow due to a large capacitance. In order to increase the displacement of the multilayer piezoelectric actuator element, that is, to increase the displacement of the piezoelectric layer due to the application of voltage to the plurality of piezoelectric units constituting the multilayer piezoelectric actuator element, the number of piezoelectric layers is increased. It is necessary to increase the applied voltage, or to laminate a larger number of piezoelectric layers by thinning the piezoelectric layers. Even in such a case, in the conventional multilayer piezoelectric actuator element, the capacitance increases, the amount of charge necessary to charge the element increases, and the response speed decreases.
このような積層型圧電アクチュエータ素子では、前記のとおり、応答速度を早くするために入力電流量を増加させることが必要となる。しかし、素子への入力電流量を増加させるためには、素子の駆動に用いられる制御回路の電界効果トランジスタ(FET)の部品点数増加や過大電流量に耐えうる内部電極や外部電極の大型化やアクチュエータと接続された電圧、電流印加の為のハーネス等の電源供給部を必要とし、静電容量および印加電圧の減少では、アクチュエータの発生変位量や発生力の低下やコストアップに繋がる。 In such a laminated piezoelectric actuator element, as described above, it is necessary to increase the amount of input current in order to increase the response speed. However, in order to increase the amount of input current to the element, the number of parts of the field effect transistor (FET) of the control circuit used for driving the element is increased, the internal electrode and the external electrode that can withstand the excessive current amount are enlarged, A power supply unit such as a voltage or current harness connected to the actuator is required, and a decrease in capacitance and applied voltage leads to a decrease in displacement and force generated by the actuator and an increase in cost.
また、従来の積層型圧電アクチュエータ素子では、圧電体層と、内部電極層とが交互に積層された積層体で構成され、その積層体の側面に露出した内部電極層の端面に接続される外部電極を、積層体の積層方向の長さに合わせて形成することが必要となるため、長い外部電極を形成しなければならない。また、外部電極を形成する面の面積が大きくなるため、積層型圧電アクチュエータ素子の重量、コストの増加を招くという問題がある。さらに、外部電極の寸法精度によって電気接点の不良を招き、素子の駆動不能さらには故障の原因となる問題があった。 Further, the conventional multilayer piezoelectric actuator element is composed of a multilayer body in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and is connected to the end face of the internal electrode layer exposed on the side surface of the multilayer body. Since it is necessary to form the electrode according to the length of the laminate in the stacking direction, a long external electrode must be formed. Further, since the area of the surface on which the external electrode is formed becomes large, there is a problem that the weight and cost of the multilayer piezoelectric actuator element are increased. Further, the dimensional accuracy of the external electrode causes a failure of the electrical contact, and there is a problem that the device cannot be driven and further causes a failure.
そこで、本発明の課題は、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るためには、従来よりも入力電流量を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流量を印加した場合には応答速度が早くなり、さらには、従来より軽量かつ低コストで、素子の故障等の原因の一つになり得る外部電極のサイズを小さくすることができる積層型圧電アクチュエータ素子を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to improve the response characteristics and to obtain a response speed equivalent to that of the conventional case, the input current amount can be suppressed as compared with the conventional case, while an input current amount equivalent to that of the conventional case is applied. In this case, a multilayer piezoelectric actuator element can be provided that has a faster response speed, and that is lighter and less expensive than conventional ones, and can reduce the size of the external electrode that can be one of the causes of element failure. There is to do.
前記課題を解決するために、請求項1に係る積層型圧電アクチュエータ素子は、複数の圧電体層と導体層とが交互に積層され、前記圧電体層と、前記圧電体層を挟む一対の導体層とで構成される複数の圧電ユニットを含む積層体で構成され、前記複数の導体層は、一の導体層と、前記圧電体層を挟んで前記一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に前記導体層の側端が露出して外部接続用電極部を構成し、前記外部接続用電極部に接続された外部電極を備え、前記複数の圧電ユニットのうちの少なくとも一対の圧電ユニットが直列に接続され、直列に接続された前記圧電ユニットの両端に交流電源供給部を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a multilayer piezoelectric actuator element according to claim 1 includes a plurality of piezoelectric layers and conductor layers alternately stacked, and a pair of conductors sandwiching the piezoelectric layers and the piezoelectric layers. And a plurality of conductor layers, wherein the plurality of conductor layers are one conductor layer and another conductor layer adjacent to the one conductor layer with the piezoelectric layer interposed therebetween. Each of the side surfaces of the conductor layer is exposed to form an external connection electrode portion, and includes an external electrode connected to the external connection electrode portion, of the plurality of piezoelectric units. At least a pair of piezoelectric units are connected in series, and AC power supply units are provided at both ends of the piezoelectric units connected in series.
この積層型圧電アクチュエータ素子では、複数の圧電体層と導体層とが交互に積層された積層体で構成され、複数の導体層は、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して外部接続用電極部を構成するとともに、外部接続用電極部に接続された外部電極を備え、前記複数の圧電ユニットのうちの少なくとも一対の導体層が、外部電極によって直列に接続され、直列に接続された導体層の両端に交流電源供給部を備えることによって、積層型圧電アクチュエータ素子の応答特性が向上し、応答速度が早くなる。 This multilayer piezoelectric actuator element is composed of a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and conductor layers are alternately stacked, and the plurality of conductor layers includes one conductor layer and one conductor across the piezoelectric layer. The other conductive layer adjacent to the layer comprises the external electrode connected to the external connection electrode part, with the side edges of the conductive layer being exposed on the opposing side surfaces to constitute the external connection electrode part, At least a pair of conductor layers of the plurality of piezoelectric units are connected in series by external electrodes, and an AC power supply unit is provided at both ends of the conductor layers connected in series, so that the response characteristics of the multilayer piezoelectric actuator element are improved. Improves the response speed.
また、請求項2に係る発明は、前記積層型圧電アクチュエータ素子において、前記積層体の積層方向に沿った一側面に、積層方向に沿って連続して前記外部電極が配設され、他方の側面に、2つの外部電極が、相互に電気的に分断されるように配置されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the multilayer piezoelectric actuator element, the external electrode is continuously disposed along the stacking direction on one side surface along the stacking direction of the stacked body, and the other side surface. Further, the two external electrodes are arranged so as to be electrically separated from each other.
この積層型圧電アクチュエータ素子では、積層体の積層方向に沿った一側面に、積層方向に沿って連続して外部電極が配設され、他方の側面に、2つの外部電極が、相互に電気的に分断されるように配置されていることによって、積層型圧電アクチュエータ素子の片側に端子を集積できるため、積層型圧電アクチュエータ素子を用いたシステムやデバイスを小型化できる。 In this multilayer piezoelectric actuator element, external electrodes are continuously arranged along one side surface along the stacking direction of the multilayer body, and two external electrodes are electrically connected to each other on the other side surface. Since the terminals can be integrated on one side of the multilayer piezoelectric actuator element, the system or device using the multilayer piezoelectric actuator element can be miniaturized.
また、請求項3に係る発明は、複数の圧電体層と導体層とが交互に積層された積層体で構成され、前記複数の導体層は、一の導体層と、前記圧電体層を挟んで前記一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に前記導体層の側端が露出して外部接続用電極部を構成し、前記外部接続用電極部に接続された外部電極を備える積層型圧電アクチュエータ素子ユニットを複数接続した積層型圧電アクチュエータ素子であって、複数の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、接着層を介して直列に接続され、少なくとも一対の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、電気的に直列に接続され、電気的に直列に接続された積層型圧電アクチュエータ素子ユニットの両端に交流電源供給部を備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, a plurality of piezoelectric layers and conductor layers are alternately stacked, and the plurality of conductor layers sandwich one piezoelectric layer and the piezoelectric layers. The one conductor layer and the other conductor layer adjacent to each other are connected to the external connection electrode portion, with the side edges of the conductor layer being exposed at the opposing side surfaces to form an external connection electrode portion. A multilayer piezoelectric actuator element in which a plurality of multilayer piezoelectric actuator element units each having an external electrode are connected, wherein the plurality of multilayer piezoelectric actuator element units are connected in series via an adhesive layer, and at least a pair of multilayer piezoelectric actuators The element unit is electrically connected in series, and AC power supply units are provided at both ends of the stacked piezoelectric actuator element units electrically connected in series.
この積層型圧電アクチュエータ素子では、複数の圧電体層と導体層とが交互に積層された積層体で構成され、前記複数の導体層は、一の導体層と、前記圧電体層を挟んで前記一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に前記導体層の側端が露出して外部接続用電極部を構成し、前記外部接続用電極部に接続された外部電極を備える積層型圧電アクチュエータ素子ユニットを複数接続し、複数の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、接着層を介して直列に接続され、少なくとも一対の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、電気的に直列に接続され、電気的に直列に接続された積層型圧電アクチュエータ素子ユニットの両端に交流電源供給部を備えることによって、積層型圧電アクチュエータ素子の応答特性が向上し、応答速度が早くなる。 This multilayer piezoelectric actuator element is composed of a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and conductor layers are alternately stacked, and the plurality of conductor layers include the one conductor layer and the piezoelectric layer sandwiched therebetween. An external electrode connected to the external connection electrode portion, wherein one conductive layer and another adjacent conductive layer constitute the external connection electrode portion with the side edges of the conductive layer exposed at the opposing side surfaces. A plurality of stacked piezoelectric actuator element units, wherein a plurality of stacked piezoelectric actuator element units are connected in series via an adhesive layer, and at least a pair of stacked piezoelectric actuator element units are electrically connected in series In addition, by providing AC power supply units at both ends of the stacked piezoelectric actuator element units electrically connected in series, the response characteristics of the stacked piezoelectric actuator element are improved. And, the response speed is fast.
請求項4に係る発明は、前記積層型圧電アクチュエータ素子において、直列に接続された前記積層型圧電アクチュエータ素子の長手方向に沿った一側面に、長手方向に沿って連続して前記外部電極が配置され、他方の側面に、2つの外部電極が、相互に電気的に分断されるように配置されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the multilayer piezoelectric actuator element, the external electrodes are arranged continuously along the longitudinal direction on one side surface along the longitudinal direction of the multilayer piezoelectric actuator elements connected in series. On the other side surface, the two external electrodes are arranged so as to be electrically separated from each other.
この積層型圧電アクチュエータ素子では、直列に接続された前記積層型圧電アクチュエータ素子の長手方向に沿った一側面に、長手方向に沿って連続して前記外部電極が配置され、他方の側面に、2つの外部電極が、相互に電気的に分断されるように配置されていることによって、積層型圧電アクチュエータ素子の片側に端子を集積できるため、積層型圧電アクチュエータ素子を用いたシステムやデバイスを小型化できる。 In this multilayer piezoelectric actuator element, the external electrode is continuously arranged along the longitudinal direction on one side surface along the longitudinal direction of the multilayer piezoelectric actuator elements connected in series, and the other side surface has 2 By arranging the two external electrodes so as to be electrically separated from each other, the terminals can be integrated on one side of the multilayer piezoelectric actuator element, thereby miniaturizing systems and devices using the multilayer piezoelectric actuator element. it can.
請求項1に記載の発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るためには、従来よりも入力電流量を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流量を印加した場合には応答速度が早くなり、さらには、従来より軽量かつ低コストで、素子の故障等の原因となる外部電極のサイズを小さくすることができる。そのため、入力電流値を高くすることなく応答時間を短くすることができる。したがって、応答速度を速くすることができる。また、低い入力電流量で応答するため、接触抵抗(許容印加電流)の影響が少なく、素子の駆動の故障が低減される。さらに、制御回路の大電流対応FETの必要性がないため、低コストとすることができ、また、車載用の積層型圧電アクチュエータ素子では、車載部品点数の増加を抑制できる。さらに、外部電極のサイズを小さくすることができ、外部電極を形成する面の面積が大きくなったり、積層型圧電アクチュエータ素子の重量、コストの増加を招くことがない。また、外部電極の寸法精度による電気接点の不良の可能性を低減し、素子の駆動不能さらには故障を低減できる。 The multilayer piezoelectric actuator element according to the first aspect of the present invention is excellent in response characteristics, and in order to obtain a response speed equivalent to the conventional one, the amount of input current can be suppressed as compared with the conventional one. When an equivalent input current amount is applied, the response speed is increased, and further, the size of the external electrode that causes a failure of the element can be reduced at a lighter and lower cost than the conventional one. Therefore, the response time can be shortened without increasing the input current value. Therefore, the response speed can be increased. Further, since the response is performed with a low input current amount, the influence of the contact resistance (allowable applied current) is small, and the driving failure of the element is reduced. In addition, since there is no need for a large-current FET for the control circuit, the cost can be reduced, and an increase in the number of in-vehicle components can be suppressed in the in-vehicle laminated piezoelectric actuator element. Furthermore, the size of the external electrode can be reduced, and the area of the surface on which the external electrode is formed does not increase, and the weight and cost of the stacked piezoelectric actuator element do not increase. Further, it is possible to reduce the possibility of defective electrical contacts due to the dimensional accuracy of the external electrodes, and to reduce the inability to drive the device and further the failure.
また、請求項2に記載の発明によれば、積層型圧電アクチュエータ素子の片側に端子を集積できるため、積層型圧電アクチュエータ素子を小型化できる。 According to the second aspect of the present invention, since the terminals can be integrated on one side of the multilayer piezoelectric actuator element, the multilayer piezoelectric actuator element can be miniaturized.
請求項3に記載の発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るためには、従来よりも入力電流量を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流量を印加した場合には応答速度が早くなり、さらには、従来より軽量かつ低コストで、素子の故障等の原因となる外部電極のサイズを小さくすることができる。そのため、入力電流値を高くすることなく応答時間を短くすることができる。したがって、応答速度を速くすることができる。
The laminated piezoelectric actuator element of the invention according to
請求項4に記載の発明によれば、積層型圧電アクチュエータ素子の片側に端子を集積できるため、積層型圧電アクチュエータ素子を小型化できる。 According to the invention described in claim 4, since the terminals can be integrated on one side of the multilayer piezoelectric actuator element, the multilayer piezoelectric actuator element can be miniaturized.
以下、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子について、実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子1の構造を示す模式図であり、図1(b)は、その積層型圧電アクチュエータ素子1の電気的な等価回路を示す図である。
Hereinafter, the multilayer piezoelectric actuator element of the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1A is a schematic diagram showing the structure of the multilayer piezoelectric actuator element 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an electrical equivalent of the multilayer piezoelectric actuator element 1. It is a figure which shows a circuit.
図1(a)に示す積層型圧電アクチュエータ素子1は、圧電体層2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2Hと、導体層3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3Iとが交互に積層された積層体4で構成されている。そして、圧電体層2Aは、導体層2Aと2Bの間に挟まれ、圧電ユニットAを構成している。また、圧電体層2B,2C,2D,2E,2F,2G,2Hも、導体層3Bと3Cの間、導体層3Cと3Dの間、導体層3Dと3Eの間、導体層3Eと3Fの間、導体層3Fと3Gの間、導体層3Gと3Hの間、導体層3Hと3Iの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニットB,C,D,E,F,G,Hを構成している。
The laminated piezoelectric actuator element 1 shown in FIG. 1A includes
圧電体層2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2Hのそれぞれは、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛等によって形成される。
Each of the
導体層3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3Iとは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層2を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層3の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3Iは、積層体4の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体4の対向する側面に一層ごとに、導体層3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3Iの側端が露出して外部接続用電極部5A,5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H,5Iを形成している。
Each of the conductor layers 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H, and 3I includes one conductor layer and another conductor layer adjacent to the one conductor layer with the piezoelectric layer 2 interposed therebetween. Each of the opposing side surfaces has external connection electrode portions formed by exposing the side edges of the
この導体層3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3Iの側端に形成される外部接続用電極部5A,5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H,5Iは、それぞれ積層体4の側面に形成された外部電極6A,6B,6Cに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子1において、圧電ユニットA、B、CおよびDにおいては、導体層3B,3Dが、外部接続用電極部5B,5Dによって外部電極6Aに接続され、導体層3A,3C,3Eが、外部接続用電極部5A,5C,5Eによって外部電極6Bに接続されている。したがって、この圧電ユニットA、B、CおよびDは、外部電極6Aと外部電極6Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群8Aを構成している。
In this multilayer piezoelectric actuator element 1, in the piezoelectric units A, B, C and D, the conductor layers 3B and 3D are connected to the external electrode 6A by the external
また、圧電ユニットE、F、G、Hにおいて、導体層3E,3G,3Iが、外部接続用電極部5E,5G,5Iによって外部電極6Bに接続され、導体層3F,3Hが、外部接続用電極部5F,5Hによって、外部電極6Cに接続されている。したがって、この圧電ユニットE、F、G、Hは、外部電極6Bと外部電極6Cに並列に接続され、一つの圧電ユニット群8Bを構成している。
In the piezoelectric units E, F, G, and H, the conductor layers 3E, 3G, and 3I are connected to the external electrode 6B by the external
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子1において、圧電ユニット群8Aと、圧電ユニット群8Bとは、外部電極6Bによって、直列に接続されている。また、直列に接続された圧電ユニット群8Aと、圧電ユニット群8Bとは、導体層3B,3Dに接続された外部電極6Aに接続された交流電源供給部7A、および導体層3F,3Hに接続された外部電極6Cに接続された交流電源供給部7B(アース)を有する。この交流電源供給部7Aと交流電源供給部7B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hを発振させ、応答させる。
In the multilayer piezoelectric actuator element 1, the piezoelectric unit group 8A and the piezoelectric unit group 8B are connected in series by the external electrode 6B. The piezoelectric unit group 8A and the piezoelectric unit group 8B connected in series are connected to the AC power supply unit 7A connected to the external electrode 6A connected to the conductor layers 3B and 3D and the conductor layers 3F and 3H. AC
この積層型圧電アクチュエータ素子1において、並列に接続された圧電ユニットA、B、CおよびD(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Cc,Cdとする)で構成される圧電ユニット群8Aの静電容量は、圧電ユニットA、B、CおよびDの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群8Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc+Cd)とする。一方、並列に接続された圧電ユニットE、F、GおよびH(各圧電ユニットの静電容量をCe,Cf,Cg,Chとする)で構成される圧電ユニット群8Bの静電容量は、圧電ユニットE、F、GおよびHの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群8Bの静電容量をC2(=Ce+Cf+Cg+Ch)とする。したがって、この積層型圧電アクチュエータ素子1は、図1(b)に示すように、静電容量C1の圧電ユニット群8Aと、静電容量C2の圧電ユニット群8Bとが、直列に接続されたものである。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子1の静電容量Ctotalは、Ctotal=(1/C1)+(1/C2)となる。これに対して、圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hが並列に接続された構成の素子の静電容量は(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子1の静電容量は、圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子1の充放電時間は、圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子1の応答速度は早くなることがわかる。ここで、Ca=Cb=Cc=Cd=Ce=Cf=Cg=Chである場合、C1=C2となり、結局、積層型圧電アクチュエータ素子1の静電容量は、C1/2となり、この場合、充放電時間は、圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hが並列に接続された構成の素子の1/2となる。したがって、応答速度が1/2となり、応答特性が向上する。 In this multilayer piezoelectric actuator element 1, a piezoelectric unit group 8A composed of piezoelectric units A, B, C and D (capacitance of each piezoelectric unit is Ca, Cb, Cc, Cd) connected in parallel. Is the sum of the capacitances of the piezoelectric units A, B, C and D. The capacitance of the piezoelectric unit group 8A is C1 (= Ca + Cb + Cc + Cd). On the other hand, the capacitance of the piezoelectric unit group 8B composed of the piezoelectric units E, F, G and H connected in parallel (the capacitance of each piezoelectric unit is Ce, Cf, Cg, Ch) is This is the sum of the capacitances of the units E, F, G and H. The capacitance of the piezoelectric unit group 8B is C2 (= Ce + Cf + Cg + Ch). Therefore, as shown in FIG. 1 (b), the multilayer piezoelectric actuator element 1 includes a piezoelectric unit group 8A having a capacitance C1 and a piezoelectric unit group 8B having a capacitance C2 connected in series. It is. Therefore, the capacitance Ctotal of the multilayer piezoelectric actuator element 1 is Ctotal = (1 / C1) + (1 / C2). On the other hand, the capacitance of the element in which the piezoelectric units A, B, C, D, E, F, G, and H are connected in parallel is (Ca + Cb + Cc + Cd + Ce + Cf + Cg + Ch). Therefore, the electrostatic capacity of the multilayer piezoelectric actuator element 1 is lower than the electrostatic capacity of the element in which the piezoelectric units A, B, C, D, E, F, G, and H are connected in parallel. Become. For this reason, the charge / discharge time of the multilayer piezoelectric actuator element 1 is shorter than that of the element in which the piezoelectric units A, B, C, D, E, F, G, and H are connected in parallel. It can be seen that the response speed of the actuator element 1 is increased. Here, when Ca = Cb = Cc = Cd = Ce = Cf = Cg = Ch, C1 = C2, and eventually the capacitance of the multilayer piezoelectric actuator element 1 is C1 / 2. The discharge time is ½ of the element in which the piezoelectric units A, B, C, D, E, F, G, and H are connected in parallel. Accordingly, the response speed is halved and the response characteristics are improved.
次に、本発明の第2実施形態および第3実施形態について説明する。
図2(a)は、本発明の第2実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子20の構造を示す模式図であり、図2(b)は、本発明の第3実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子30の構造を示す模式図であり、図2(c)は、その積層型圧電アクチュエータ素子20および30の電気的な等価回路を示す図である。
Next, a second embodiment and a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2A is a schematic diagram showing the structure of a multilayer
図2(a)に示す積層型圧電アクチュエータ素子20は、圧電体層22A,22B,22C,22D,22E,22F,22G,22H,22I,22Jと、導体層23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23Kとが交互に積層された積層体24で構成されている。そして、圧電体層22Aは、導体層22Aと22Bの間に挟まれ、圧電ユニット20Aを構成している。また、圧電体層22B,22C,22D,22E,22F,22G,22H,22I,22Jも、導体層23Bと23Cの間、導体層23Cと23Dの間、導体層23Dと23Eの間、導体層23Eと23Fの間、導体層23Fと23Gの間、導体層23Gと23Hの間、導体層23Hと23Iの間、導体層23Iと23Jの間、導体層23Jと23Kの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニット20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20I,20Jを構成している。
The laminated
導体層23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23Kは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23Kは、積層体24の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体24の対向する側面に一層ごとに、導体層23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23Kの側端が露出して外部接続用電極部25A,25B,25C,25D,25E,25F,25G,25H,25I,25J、25Kを形成している。
The conductor layers 23A, 23B, 23C, 23D, 23E, 23F, 23G, 23H, 23I, 23J, and 23K are respectively one conductor layer and another conductor layer adjacent to the one conductor layer with the piezoelectric layer interposed therebetween. Have external connection electrode portions formed by exposing the side edges of the conductor layers on the opposite side surfaces. That is, the conductor layers 23A, 23B, 23C, 23D, 23E, 23F, 23G, 23H, 23I, 23J, and 23K are projected toward the alternately opposed side surfaces of the
この導体層23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23Kの側端に形成される外部接続用電極部25A,25B,25C,25D,25E,25F,25G,25H,25I,25J,25Kは、それぞれ積層体24の側面に形成された外部電極26A,26B,26C,26D,26Eに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子20において、圧電ユニット20A、20Bおよび20Cにおいては、導体層23A,23Cが、外部接続用電極部25A,25Cによって外部電極26Aに接続され、導体層23B,23Dが、外部接続用電極部25B,25Dによって外部電極26Bに接続されている。したがって、この圧電ユニット20A、20Bおよび20Cは、外部電極26Aと外部電極26Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群28Aを構成している。
In this multilayer
また、圧電ユニット20E、20Fおよび20Gにおいて、導体層23E,23Gが、外部接続用電極部25E,25Gによって外部電極26Cに接続され、導体層23D,23Fが、外部接続用電極部25D,25Fによって、外部電極26Bおよび26Cに接続されている。したがって、この圧電ユニット20E、20Fおよび20Gは、外部電極26Bと外部電極26Cに並列に接続され、一つの圧電ユニット群28Bを構成している。
In the
圧電ユニット20Dは、導体層23Dが、外部接続用電極部25Cによって外部電極26Bに接続され、導体層23Eが外部接続用電極部25Eによって外部電極26Cに接続されている。したがって、圧電ユニット20Dは、圧電ユニット群28Aと、圧電ユニット28Bと、それぞれ導体層23Dおよび23Eを介して直列に接続されている。
In the
また、圧電ユニット20H、20Iおよび20Jにおいて、導体層23H、23Jが、外部接続用電極部25H,25Jによって外部電極26Dに接続され、導体層23I,23Kが、外部接続用電極部25I,25Kによって、外部電極26Eに接続されている。したがって、この圧電ユニット20H、20Iおよび20Jは、外部電極26Dと外部電極26Eに並列に接続され、一つの圧電ユニット群28Cを構成している。
In the
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子20において、圧電ユニット群28Aと、圧電ユニット20Dと、圧電ユニット群28Bと、圧電ユニット群28Cとは、外部電極26B,26C,26Dによって、直列に接続されている。また、直列に接続された圧電ユニット群28Aと、圧電ユニット20Dと、圧電ユニット群28Bと、圧電ユニット群28Cとは、両端の外部電極26Aおよび26Eにそれぞれ接続された交流電源供給部27Aおよび交流電源供給部27B(アース)を有する。この交流電源供給部27Aと交流電源供給部27B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニット20A,20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20I,20Jを発振させ、応答させる。
In the multilayer
この積層型圧電アクチュエータ素子20において、並列に接続された圧電ユニット20A、20Bおよび20C(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Ccとする)で構成される圧電ユニット群28Aの静電容量は、圧電ユニット20A、20Bおよび20Cの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群28Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc)とする。一方、並列に接続された圧電ユニット20E、20Fおよび20G(各圧電ユニットの静電容量をCe,Cf,Cgとする)で構成される圧電ユニット群28Bの静電容量は、20E、20Fおよび20Gの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群28Bの静電容量をC2(=Ce+Cf+Cg)とする。また、並列に接続された圧電ユニット20H、20Iおよび20J(各圧電ユニットの静電容量をCh,Ci,Cjとする)で構成される圧電ユニット群28Cの静電容量は、圧電ユニット20H、20Iおよび20Jの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群28Cの静電容量をC3(=Ch+Ci+Cj)とする。さらに、圧電ユニット20Dの静電容量をCdとする。
In this multilayer
ここで、この積層型圧電アクチュエータ素子20は、図2(c)に示すように、静電容量C1の圧電ユニット群28Aと、静電容量Cdの圧電ユニット20Dと、静電容量C2の圧電ユニット群28Bと、静電容量C3の圧電ユニット群28Cが、直列に接続されたものである。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子1の静電容量Ctotalは、Ctotal=(1/C1)+(1/Cd)+(1/C2)+(1/C3)となる。これに対して、圧電ユニット20A,20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20I,20Jが並列に接続された構成の素子の静電容量はC(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch+Ci+Cj)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子20の静電容量は、圧電ユニットA,B,C,D,E,F,G,Hが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子20の充放電時間は、圧電ユニット20A,20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20I,20Jが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子20の応答速度は早くなり、応答特性が向上する。
Here, as shown in FIG. 2C, the laminated
次に、図2(b)は、本発明の第3実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子30の構造を示す模式図である。
Next, FIG.2 (b) is a schematic diagram which shows the structure of the laminated
図2(b)に示す積層型圧電アクチュエータ素子30は、圧電体層32A,32B,32C,32D,32E,32F,32G,32H,32I,32J,32K,32L,32M,32Nと、導体層33A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33Pとが交互に積層された積層体34で構成されている。そして、圧電体層32Aは、導体層33Aと33Bの間に挟まれ、圧電ユニット30Aを構成している。また、圧電体層32B,32C,32D,32E,32F,32G,32H,32I,32J,32K,32L,32M,32Nも、導体層33Bと33Cの間、導体層33Cと33Dの間、導体層33Dと33Eの間、導体層33Eと33Fの間、導体層33Fと33Gの間、導体層33Gと33Hの間、導体層33Hと33Iの間、導体層33Iと33Jの間、導体層33Kと33Lの間、導体層33Lと33Mの間、導体層33Nと導体層33Pの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニット30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30Nを構成している。
The laminated
導体層33A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33Pと、圧電体層32A,32B,32C,32D,32E,32F,32G,32H,32I,32J,32K,32L,32M,32Nとは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層3A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33Pは、積層体34の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体34の対向する側面に一層ごとに、導体層3A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33Pの側端が露出して外部接続用電極部35A,35B,35C,35D,35E,35F,35G,35H,35I,35J,35K,35L,35M,35N,35Pを形成している。
Conductor layers 33A, 33B, 33C, 33D, 33E, 33F, 33G, 33H, 33I, 33J, 33K, 33L, 33M, 33N, 33P, and
この導体層33A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33Pの側端に形成される外部接続用電極部35A,35B,35C,35D,35E,35F,35G,35H,35I,35J,35K,35L,35M,35N,35Pは、それぞれ積層体34の側面に形成され
た外部電極36A,36B,36C,36D,36E,36F,36Gに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子30において、圧電ユニット30Aにおいては、導体層33Aが、外部接続用電極部35Aによって外部電極36Aに接続され、導体層33Bが、外部接続用電極部35Bによって外部電極36Bに接続されている。また、圧電ユニット30B,30C,30D,30E,30F,35G,35H,35I,35J,35K,35L,35M,35N,35Pにおいても、同様である。
In the multilayer
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子30において、圧電ユニット30A、30Bおよび30Cにおいては、導体層33A,33Cが、外部接続用電極部35A,35Cによって外部電極36Aに接続され、導体層33B,33Dが、外部接続用電極部35B,35Dによって外部電極36Bに接続されている。したがって、この圧電ユニット30A、30Bおよび30Cは、外部電極36Aと外部電極36Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群38Aを構成している。
In this multilayer
圧電ユニット30Dは、導体層33Dが、外部接続用電極部35Dによって外部電極36Bに接続され、導体層33Eが、外部接続用電極部35Eによって外部電極36Cに接続されている。この圧電ユニット30Dは、圧電ユニット群38Aと、後記の圧電ユニット群38Bとの間を直列に接続している。
In the
また、圧電ユニット30E、30Fおよび30Gにおいて、導体層33E,33Gが、外部接続用電極部35E,35Gによって外部電極36Cに接続され、導体層33F,33Hが、外部接続用電極部35F,35Hによって、外部電極36Dに接続されている。したがって、この圧電ユニット30E、30Fおよび30Gは、外部電極36Cと外部電極36Dに並列に接続され、一つの圧電ユニット群38Bを構成している。
In the
圧電ユニット30Hは、導体層33Hが、外部接続用電極部35Hによって外部電極36Dに接続され、導体層33Iが、外部接続用電極部35Iによって外部電極36Eに接続されている。この圧電ユニット30Hは、圧電ユニット群38Bと、後記の圧電ユニット群38Cとの間を直列に接続している。
In the
また、圧電ユニット30I、30Jおよび30Kにおいて、導体層33Iおよび33Kが、外部接続用電極部35I,35Kによって外部電極36Eに接続され、導体層33J,23Lが、外部接続用電極部35J,35Lによって、外部電極36Fに接続されている。したがって、この圧電ユニット30I、30Jおよび30Kは、外部電極36Eと外部電極36Fに並列に接続され、一つの圧電ユニット群38Cを構成している。
In the
さらに、圧電ユニット30L、30Mおよび30Nにおいて、導体層33Lおよび33Nが、外部接続用電極部35L,35Nによって外部電極36Fに接続され、導体層33M,33Pが、外部接続用電極部35M,35Pによって、外部電極36Gに接続されている。したがって、この圧電ユニット30L、30Mおよび30Nは、外部電極36Fと外部電極36Gに並列に接続され、一つの圧電ユニット群38Dを構成している。
Furthermore, in the
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子30において、圧電ユニット群38Aと、圧電ユニット30Dと、圧電ユニット群38Bと、圧電ユニット30Hと、圧電ユニット群28Cと、圧電ユニット群38Dとは、外部電極36B,36C,36D,36E,6F,36Gによって、直列に接続されている。また、直列に接続された圧電ユニット群38Aと、圧電ユニット30Dと、圧電ユニット群38Bと、圧電ユニット30Hと、圧電ユニット群28Cと、圧電ユニット群38Dとは、両端の外部電極36Aおよび36Gにそれぞれ接続された交流電源供給部37Aおよび交流電源供給部37B(アース)を有する。この交流電源供給部37Aと交流電源供給部37B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニット30A,30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30Nを発振させ、応答させる。
In this stacked
この積層型圧電アクチュエータ素子30において、並列に接続された圧電ユニット30A、30Bおよび30C(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Ccとする)で構成される圧電ユニット群38Aの静電容量は、圧電ユニット30A、30Bおよび30Cの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群38Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc)とする。一方、並列に接続された圧電ユニット30E、30Fおよび30G(各圧電ユニットの静電容量をCe,Cf,Cgとする)で構成される圧電ユニット群38Bの静電容量は、圧電ユニット30E、30Fおよび30Gの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群38Bの静電容量をC2(=Ce+Cf+Cg)とする。また、並列に接続された圧電ユニット30I、30Jおよび30K(各圧電ユニットの静電容量をCi,Cj,Ckとする)で構成される圧電ユニット群38Cの静電容量は、圧電ユニット30I、30Jおよび30Kの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群38Cの静電容量をC3(=Ci+Cj+Ck)とする。さらに、圧電ユニット30Dおよび30Hの静電容量をCdおよびChとする。また、並列に接続された圧電ユニット30L、30Mおよび30N(各圧電ユニットの静電容量をCl,Cm,Cnとする)で構成される圧電ユニット群38Dの静電容量は、圧電ユニット30L、39Mおよび30Nの有する静電容量の合計となる。この圧電ユニット群38Dの静電容量をC4(=Cl+Cm+Cn)とする。
In this laminated
この積層型圧電アクチュエータ素子30において、直列に接続された圧電ユニット群38A、圧電ユニット30D、圧電ユニット群38B、圧電ユニット30H、圧電ユニット群28Cおよび圧電ユニット群38Dで構成される積層型圧電アクチュエータ素子30の静電容量は、(1/C1)+(1/Cd)+(1/C2)+(1/Ch)+(1/C3)+(1/C4)となる。
In this multilayer
これに対して、圧電ユニットユニット30A,30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30Nが並列に接続された構成の素子の静電容量は(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch+Ci+Cj+Ck+Cm+Cn)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子30の静電容量は、圧電ユニットユニット30A,30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30Nが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子30の充放電時間は、圧電ユニットユニット30A,30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30Nが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子30の応答速度は早くなり、応答特性が向上する。
On the other hand, the capacitance of the element in which the
次に、図3は、本発明の第4実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子40の構造を示す模式図であり、図2(b)は、その積層型圧電アクチュエータ素子40の電気的な等価回路を示す図である。 Next, FIG. 3 is a schematic diagram showing a structure of a multilayer piezoelectric actuator element 40 according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an electrical equivalent of the multilayer piezoelectric actuator element 40. It is a figure which shows a circuit.
図3(a)に示す積層型圧電アクチュエータ素子40は、圧電体層42A,42B,42C,42D,42E,42F,42G,42H,42I,42Jと、導体層43A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43Jとが交互に積層された積層体44で構成されている。そして、圧電体層42Aは、導体層43Aと43Bの間に挟まれ、圧電ユニット40Aを構成している。また、圧電体層42B,42C,42D,42E,42F,42G,42H,42I,42Jも、導体層43Bと43Cの間、導体層43Cと43Dの間、導体層43Dと43Eの間、導体層43Fと43Gの間、導体層43Gと43Hの間、導体層43Hと43Iの間、および導体層43Iと43Jの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニット40B,40C,40D,40F,40G,40Hを構成している。そして、圧電ユニット40Dと、圧電ユニット40Fとの間は、接合層49によって分けられている。この接合層49は、エポキシやシリコンに代表される絶縁性接着材で形成される。
The laminated piezoelectric actuator element 40 shown in FIG. 3A includes
導体層43A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43Jは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層43A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43Jは、積層体44の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体44の対向する側面に一層ごとに、導体層43A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43Jの側端が露出して外部接続用電極部45A,45B,45C,45D,45E,45F,45G,45H,45I,45Jを形成している。
Each of the conductor layers 43A, 43B, 43C, 43D, 43E, 43F, 43G, 43H, 43I, and 43J includes one conductor layer and another conductor layer adjacent to the one conductor layer with the piezoelectric layer interposed therebetween. The external connection electrode portions are formed on the side surfaces facing each other, with the side edges of the conductor layers exposed. That is, the conductor layers 43A, 43B, 43C, 43D, 43E, 43F, 43G, 43H, 43I, and 43J are protruded toward the alternately opposing side surfaces of the
この導体層43A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43Jの側端に形成される外部接続用電極部45A,45B,45C,45D,45E,45F,45G,45H,45I,45Jは、それぞれ積層体44の側面に形成された外部電極46A,46B,46Cに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子40において、圧電ユニット40A、40B、40Cおよび40Dにおいては、導体層43A,43C,43Eが、外部接続用電極部45A,45C,45Eによって外部電極46Aに接続され、導体層43B,43Dが、外部接続用電極部45B,45Dによって外部電極46Bに接続されている。したがって、この圧電ユニット40A、40B、40Cおよび40Dは、外部電極46Aと外部電極46Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群48Aを構成している。
In this multilayer piezoelectric actuator element 40, in the
また、圧電ユニット40F,40G,49Hおよび40Iにおいて、導体層43F,43H,43Jが、外部接続用電極部45F,45H,45Jによって外部電極46Cに接続され、導体層43G,43Iが、外部接続用電極部45G,45Iによって、外部電極46Bに接続されている。したがって、この圧電ユニット40F,40G,49Hおよび40Iは、外部電極46Bと外部電極46Cに並列に接続され、一つの圧電ユニット群48Bを構成している。
In the
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子40において、圧電ユニット群48Aと、圧電ユニット群48Bとは、外部電極46A,46B,46Cによって、直列に接続されている。また、直列に接続された圧電ユニット群48Aと、圧電ユニット群48Bとは、外部電極46Aに接続された交流電源供給部47A、および外部電極46Eに接続された交流電源供給部47B(アース)を有する。この交流電源供給部47Aと交流電源供給部47B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニット40A,40B,40C,40D,40F,40G,40Hを発振させ、応答させる。
In the multilayer piezoelectric actuator element 40, the
この積層型圧電アクチュエータ素子40において、並列に接続された圧電ユニット40A、40B、40Cおよび40D(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Cc,Cdとする)で構成される圧電ユニット群48Aの静電容量は、圧電ユニット40A、40B、40Cおよび40Dの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群48Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc+Cd)とする。一方、並列に接続された圧電ユニット40F,40G,49Hおよび40I(各圧電ユニットの静電容量をCf,Cg,Ch,Ciとする)で構成される圧電ユニット群48Bの静電容量は、圧電ユニット40F,40G,49Hおよび40Iの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群48Bの静電容量をC2(=Cf+Cg+Ch+Ci)とする。
In this multilayer piezoelectric actuator element 40, a
ここで、この積層型圧電アクチュエータ素子40は、図3(b)に示すように、静電容量C1の圧電ユニット群48Aと、静電容量C2の圧電ユニット群48Bとが、直列に接続されたものである。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子40の静電容量Ctotalは、Ctotal=(1/C1)+(1/C2)となる。これに対して、圧電ユニット40A,40B,40C,40D,40F,40G,40Hが並列に接続された構成の素子の静電容量は(Ca+Cb+Cc+Cd+Cf+Cg+Ch+Ci)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子40の静電容量は、圧電ユニット40A,40B,40C,40D,40F,40G,40Hが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子40の充放電時間は、圧電ユニット40A,40B,40C,40D,40F,40G,40Hが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子40の応答速度は早くなることがわかる。ここで、Ca=Cb=Cc=Cd=Cf=Cg=Ch=Ciである場合、C1=C2となり、結局、積層型圧電アクチュエータ素子40の静電容量は、C1/2となり、この場合、充放電時間は、圧電ユニット40A,40B,40C,40D,40F,40G,40Hが並列に接続された構成の素子の1/2となる。したがって、応答速度が1/2となり、応答特性が向上する。
Here, as shown in FIG. 3B, in this multilayer piezoelectric actuator element 40, a
次に、図4(a)および図4(b)は、本発明の第5実施形態および第6実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子50および60のそれぞれの構造を示す模式図であり、図4(c)は、その積層型圧電アクチュエータ素子50,60の電気的な等価回路を示す図である。
Next, FIGS. 4A and 4B are schematic views showing the structures of the multilayer
図4(a)に示す積層型圧電アクチュエータ素子50は、圧電体層52A,52B,52C,52D,52E,52F,52G,52H,52Iと、導体層53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53Lとが交互に積層された積層体54で構成されている。そして、圧電体層52Aは、導体層53Aと53Bの間に挟まれ、圧電ユニット50Aを構成している。また、圧電体層52B,52C,52D,52E,52F,52G,52H,52Iも、導体層53Bと53Cの間、導体層53Cと53Dの間、導体層53Fと53Gの間、導体層53Gと53Hの間、導体層53Iと53Jの間、および導体層53Jと53Lの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニット50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iを構成している。そして、圧電ユニット50Dと、圧電ユニット50Eとの間、および圧電ユニット50Fと圧電ユニット50Gの間は、接合層59A,59Bによって分けられている。この接合層59A,59Bは、エポキシやシリコンに代表される絶縁性接着材で形成される。
The laminated
導体層53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53Lは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53Lは、積層体54の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体54の対向する側面に一層ごとに、導体層53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53Lの側端が露出して外部接続用電極部55A,55B,55C,55D,55E,55F,55G,55H,55I,55J,55K,55Lを形成している。
Conductor layers 53A, 53B, 53C, 53D, 53E, 53F, 53G, 53H, 53I, 53J, 53K, and 53L are respectively adjacent to one conductor layer and one conductor layer with the piezoelectric layer interposed therebetween. The conductor layer has external connection electrode portions formed on the side surfaces facing each other, with the side edges of the conductor layer exposed. That is, the conductor layers 53A, 53B, 53C, 53D, 53E, 53F, 53G, 53H, 53I, 53J, 53K, and 53L are protruded toward the alternately opposed side surfaces of the
この導体層53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53Lの側端に形成される外部接続用電極部55A,55B,55C,55D,55E,55F,55G,55H,55I,55J,55K,55Lは、それぞれ積層体54の側面に形成された外部電極56A,56B,56C,56Dに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子50において、圧電ユニット50A、50B,50Cにおいては、導体層53A,53Cが、外部接続用電極部55A,55Cによって外部電極46Bに接続され、導体層53B,53Dが、外部接続用電極部55B,55Dによって外部電極46Aに接続されている。したがって、この圧電ユニット50A、50B,50Cは、外部電極56Aと外部電極56Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群58Aを構成している。
In this multilayer
また、圧電ユニット50D,50Eおよび50Fにおいて、導体層53E,53Gが、外部接続用電極部55E,55Gによって外部電極56Bに接続され、導体層53F,53Hが、外部接続用電極部55F,55Hによって、外部電極56Cに接続されている。したがって、この圧電ユニット50D,50Eおよび50Fは、外部電極56Bと外部電極56Cに並列に接続され、一つの圧電ユニット群58Bを構成している。
In the
さらに、圧電ユニット50G,50Hおよび50Iにおいて、導体層53I,53Kが、外部接続用電極部55I,55Kによって、外部電極56Dに接続され、導体層53J,53Lが、外部接続用電極部55J,55Lによって、外部電極56Cに接続されている。したがって、この圧電ユニット50G,50Hおよび50Iは、外部電極56Cto外部電極56Dに並列に接続され、一つの圧電ユニット群58Cを構成している。
Further, in the
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子50において、圧電ユニット群58Aと、圧電ユニット群58Bと、圧電ユニット群58Cとは、外部電極56A,56B,56C,Dによって、直列に接続されている。また、直列に接続された圧電ユニット群58Aと、圧電ユニット群58Cとは、外部電極46Aに接続された交流電源供給部57A、および外部電極56Dに接続された交流電源供給部57B(アース)を有する。この交流電源供給部57Aと交流電源供給部57B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニット50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iを発振させ、応答させる。
In the multilayer
この積層型圧電アクチュエータ素子50において、並列に接続された圧電ユニット50A、50B,50C(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Ccとする)で構成される圧電ユニット群58Aの静電容量は、圧電ユニット50A、50Bおよび50Cの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群58Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc)とする。また、並列に接続された圧電ユニット50D,50Eおよび50F(各圧電ユニットの静電容量をCd,Ce,Cfとする)で構成される圧電ユニット群58Bの静電容量は、圧電ユニット50D,50Eおよび50Fの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群58Bの静電容量をC2(=Cd+Ce+Cf)とする。また、並列に接続された圧電ユニット50G,50Hおよび50I(各圧電ユニットの静電容量をCg,Ch,Ciとする)で構成される圧電ユニット群58Cの静電容量は、圧電ユニット50G,50Hおよび50Iの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群58Cの静電容量をC3(=Cg+Ch+Ci)とする。
In this multilayer
ここで、この積層型圧電アクチュエータ素子50は、図4(c)に示すように、静電容量C1の圧電ユニット群58Aと、静電容量C2の圧電ユニット群58Bと、静電容量C3の圧電ユニット群58Cとが、直列に接続されたものである。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子50の静電容量Ctotalは、Ctotal=(1/C1)+(1/C2)+(1/C3)となる。これに対して、圧電ユニット50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iが並列に接続された構成の素子の静電容量は(Ca+Cb+Cc+Cd+Cf+Cg+Ch+Ci)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子50の静電容量は、圧電ユニット50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子50の充放電時間は、圧電ユニット50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子50の応答速度は早くなることがわかる。ここで、Ca=Cb=Cc=Cd=Cf=Cg=Ch=Ciである場合、C1=C2=C3となり、この場合、積層型圧電アクチュエータ素子50の静電容量は、C1/3となり、充放電時間は、圧電ユニット50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50Iが並列に接続された構成の素子の1/3となる。したがって、応答速度が1/3となり、応答特性が向上する。
Here, as shown in FIG. 4C, the multilayer
次に、図4(b)に示す本発明の第6実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ素子60は、圧電体層62A,62B,62C,62E,62F,62G,62I,62J,62K,62M,62N,62Pと、導体層63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Qとが交互に積層された積層体64で構成されている。そして、圧電体層62Aは、導体層63Aと63Bの間に挟まれ、圧電ユニット60Aを構成している。また、圧電体層62B,62C,62E,62F,62G,62I,62J,62K,62M,62N,62Pも、導体層63Bと63Cの間、導体層63Cと63Dの間、導体層63Eと63Fの間、導体層63Fと63Gの間、導体層63Gと63Hの間、導体層63Iと63Jの間、導体層63Jと63Kの間および導体層63Kと63Lの間、導体層63Mと63Nの間、導体層63Nと63Pの間、導体層63Pと63Pの間、導体層63Pと63Qの間に挟まれ、それぞれ圧電ユニット60B,60C,60D,60F,60G,60H,60I,60J,60K,60Lを構成している。そして、圧電ユニット60Cと、圧電ユニット60Dとの間、圧電ユニット60Fと圧電ユニット60G、および圧電ユニット60Iと60Jの間は、接合層69A,69B,69Cによって分けられている。この接合層69A,69B,69Cは、エポキシやシリコンに代表される絶縁性接着材で形成される。
Next, the multilayer
導体層63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Qは、それぞれ、一の導体層と、圧電体層を挟んで一の導体層と隣り合う他の導体層とが、それぞれ対向する側面に導体層の側端が露出して形成される外部接続用電極部を有する。すなわち、導体層63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Qは、積層体64の交互に対向する側面に向けて突設され、積層体64の対向する側面に一層ごとに、導体層63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Qの側端が露出して外部接続用電極部65A,65B,65C,65D,65E,65F,65G,65H,65I,65J,65K,65L,65M,65N,65P,65Qを形成している。
The conductor layers 63A, 63B, 63C, 63D, 63E, 63F, 63G, 63H, 63I, 63J, 63K, 63L, 63M, 63N, 63P, and 63Q each have one conductor layer and a piezoelectric layer interposed therebetween. The conductor layer and another conductor layer adjacent to each other have an external connection electrode portion formed by exposing the side end of the conductor layer on the opposite side surfaces. That is, the conductor layers 63A, 63B, 63C, 63D, 63E, 63F, 63G, 63H, 63I, 63J, 63K, 63L, 63M, 63N, 63P, and 63Q protrude toward the alternately opposed side surfaces of the
この導体層63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Qの側端に形成される外部接続用電極部65A,65B,65C,65D,65E,65F,65G,65H,65I,65J,65K,65L,65M,65N,65P,65Qは、それぞれ積層体64の側面に形成された外部電極66A,66B,66C,66D,66Eに接続される。
External
この積層型圧電アクチュエータ素子60において、圧電ユニット60A,60Bおよび60Cにおいては、導体層63A,63Cが、外部接続用電極部65A,65Cによって外部電極66Bに接続され、導体層63B,63Dが、外部接続用電極部65B,65Dによって外部電極66Aに接続されている。したがって、この圧電ユニット60A、60Bおよび60Cは、外部電極66Aと外部電極66Bに並列に接続され、一つの圧電ユニット群68Aを構成している。
In this multilayer
また、圧電ユニット60D,60Eおよび60Fにおいて、導体層63E,63Gが、外部接続用電極部65E,65Gによって外部電極66Bに接続され、導体層63F,63Hが、外部接続用電極部65F,65Hによって、外部電極66Cに接続されている。したがって、この圧電ユニット60D,60Eおよび60Fは、外部電極66Bと外部電極66Cに並列に接続され、一つの圧電ユニット群68Bを構成している。
In the
さらに、圧電ユニット60G,60Hおよび60Iにおいて、導体層63I,63Kが、外部接続用電極部65I,65Kによって、外部電極66Dに接続され、導体層63J,63Lが、外部接続用電極部65J,65Lによって、外部電極66Cに接続されている。したがって、この圧電ユニット60G,60Hおよび60Iは、外部電極66Cと外部電極66Dに並列に接続され、一つの圧電ユニット群68Cを構成している。
Further, in the
また、圧電ユニット60J,60Kおよび60Lにおいて、導体層63M,63Pが、外部接続用電極部65M,65Pによって、外部電極66Dに接続され、導体層63N,63Qが、外部接続用電極部65N,63Qによって、外部電極66Eに接続されている。したがって、この圧電ユニット60J,60Kおよび60Lは、外部電極66Dと外部電極66Eに並列に接続され、一つの圧電ユニット群68Dを構成している。
In the
そして、この積層型圧電アクチュエータ素子60において、圧電ユニット群68Aと、圧電ユニット群68Bと、圧電ユニット群68Cと、圧電ユニット群68Dとは、外部電極66A,66B,66C,66D,66Eによって、直列に接続されている。また、圧電ユニット群68Aと、圧電ユニット群68Bと、圧電ユニット群68Cと、圧電ユニット群68Dとは、外部電極66Aに接続された交流電源供給部67A、および外部電極66Eに接続された交流電源供給部67B(アース)を有する。この交流電源供給部67Aと交流電源供給部67B(アース)との間に発振用交流電流を供給して、各圧電ユニット60A,60B,60C,60D,60F,60G,60Hを発振させ、応答させる。
In the multilayer
この積層型圧電アクチュエータ素子60において、並列に接続された圧電ユニット60A、60Bおよび60C(各圧電ユニットの静電容量をCa,Cb,Ccとする)で構成される圧電ユニット群68Aの静電容量は、圧電ユニット60A、60Bおよび60Cの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群68Aの静電容量をC1(=Ca+Cb+Cc)とする。また、並列に接続された圧電ユニット60D、60Eおよび60F(各圧電ユニットの静電容量をCd,Ce,Cfとする)で構成される圧電ユニット群68Bの静電容量は、圧電ユニット60D、60Eおよび60Fの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群68Bの静電容量をC2(=Cd+Ce+Cf)とする。また、並列に接続された圧電ユニット60G、60Hおよび60I(各圧電ユニットの静電容量をCg,Ch,Ciとする)で構成される圧電ユニット群68Cの静電容量は、圧電ユニット60G、60Hおよび60Iの有する各静電容量の合計となる。この圧電ユニット群68Cの静電容量をC3(=Cg+Ch+Ci)とする。さらに、同様に、圧電ユニット60J、60Kおよび60Lで構成される圧電ユニット群68Dの静電容量は、C4=Cj+Ck+Clとなる。
In this multilayer
ここで、この積層型圧電アクチュエータ素子60は、図4(c)に示すように、静電容量C1の圧電ユニット群68Aと、静電容量C2の圧電ユニット群68Bと、静電容量C3の圧電ユニット群68Cと、静電容量C4の圧電ユニット群68Dとが、直列に接続されたものである。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子60の静電容量Ctotalは、Ctotal=(1/C1)+(1/C2)+(1/C3)+(1/C4)となる。これに対して、圧電ユニット60A,60B,60C,60D,60F,60G,60H,60I,60J,60K,60Lが並列に接続された構成の素子の静電容量は(Ca+Cb+Cc+Cd+Cf+Cg+Ch+Ci+Cj+Ck+Cl)となる。したがって、積層型圧電アクチュエータ素子60の静電容量は、圧電ユニット60A,60B,60C,60D,60F,60G,60H,60I,60J,60K,60Lが並列に接続された構成の素子の静電容量に比べて低い値となる。そのため、積層型圧電アクチュエータ素子60の充放電時間は、圧電ユニット60A,60B,60C,60D,60F,60G,60H,60I,60J,60K,60Lが並列に接続された構成の素子よりも短く、これによって、積層型圧電アクチュエータ素子60の応答速度は早くなることがわかる。ここで、Ca=Cb=Cc=Cd=Cf=Cg=Chである場合、C1=C2=C3=C4となり、この場合、積層型圧電アクチュエータ素子60の静電容量は、C1/4となり、充放電時間は、圧電ユニット60A,60B,60C,60D,60F,60G,60Hが並列に接続された構成の素子の1/4となる。したがって、応答速度が1/4となり、応答特性が向上する。
Here, as shown in FIG. 4C, the multilayer
以上のとおり、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子は、応答特性に優れ、従来と同等の応答速度を得るためには、従来よりも入力電流量を抑制することが可能で、一方、従来と同等の入力電流量を印加した場合には応答速度が早くなり、さらには、従来より軽量かつ低コストで、素子の故障等の原因となる外部電極のサイズを小さくすることができる。そのため、入力電流値を高くすることなく応答時間を短くすることができる。したがって、応答速度を速くすることができる。また、低い入力電流量で応答するため、接触抵抗(許容印加電流)の影響が少なく、素子の駆動の故障が低減される。さらに、制御回路の大電流対応FETの必要性がない。そのため、低コストとすることができ、また、車載用の積層型圧電アクチュエータ素子では、車載部品点数の増加を抑制できる。さらに、外部電極のサイズを小さくすることができ、外部電極を形成する面の面積が大きくなったり、積層型圧電アクチュエータ素子の重量、コストの増加を招くことがない。また、外部電極の寸法精度による電気接点の不良の可能性を低減し、素子の駆動不能さらには故障を低減できる。 As described above, the multilayer piezoelectric actuator element of the present invention has excellent response characteristics, and in order to obtain a response speed equivalent to the conventional one, the amount of input current can be suppressed as compared with the conventional one. When the input current amount is applied, the response speed is increased, and further, the size of the external electrode that causes a failure of the element can be reduced at a lighter and lower cost than the conventional one. Therefore, the response time can be shortened without increasing the input current value. Therefore, the response speed can be increased. Further, since the response is performed with a low input current amount, the influence of the contact resistance (allowable applied current) is small, and the driving failure of the element is reduced. Furthermore, there is no need for a large current compatible FET in the control circuit. Therefore, the cost can be reduced, and the increase in the number of in-vehicle components can be suppressed in the in-vehicle multilayer piezoelectric actuator element. Furthermore, the size of the external electrode can be reduced, and the area of the surface on which the external electrode is formed does not increase, and the weight and cost of the stacked piezoelectric actuator element do not increase. Further, it is possible to reduce the possibility of defective electrical contacts due to the dimensional accuracy of the external electrodes, and to reduce the inability to drive the device and further the failure.
以下、本発明の実施例および比較例に基づいて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on the Example and comparative example of this invention, this invention is not limited to a following example.
(実施例1、比較例1)
実施例1として、表1に示す構成の積層型圧電アクチュエータ素子を用いて、圧電特性を評価した。この積層型圧電アクチュエータ素子は、図5に示すとおり、PZTからなる圧電体層72と、Ag−Pd合金からなる圧電体層72を挟む導体層73とを、180層積層し、外部電極76A,76B,76Cを設け、外部電極76Aと76Bの間、外部電極76Bと76Cの間に、2つの圧電ユニット群を形成したものである。この積層型圧電アクチュエータ素子の寸法を図5に示す。
(Example 1, Comparative Example 1)
As Example 1, the piezoelectric characteristics were evaluated using a multilayer piezoelectric actuator element having the configuration shown in Table 1. As shown in FIG. 5, the multilayer piezoelectric actuator element includes 180 layers of a piezoelectric layer 72 made of PZT and a conductor layer 73 sandwiching the piezoelectric layer 72 made of an Ag—Pd alloy, and
これに対して、比較例1として、PZTからなる圧電体層72と、Ag−Pd合金からなる圧電体層72を挟む導体層73とを、180層積層し、各導体層を、素子の側面に設けた2つの外部電極によって、複数の圧電ユニットを並列に接続した構成の積層型圧電アクチュエータ素子について、圧電特性を評価した。なお、積層型圧電アクチュエータ素子駆動条件は図10(a),(b)に示すモデルにもとづき、波形を方形波とし、周波数は1Hz、Duty比は0.2%とした。D uty比はDuty比(%)=実変位での駆動時間/1サイクル時間×100(%)を表す。 On the other hand, as Comparative Example 1, 180 layers of the piezoelectric layer 72 made of PZT and the conductor layer 73 sandwiching the piezoelectric layer 72 made of the Ag—Pd alloy were laminated, and each conductor layer was formed on the side surface of the element. The piezoelectric characteristics of the multilayer piezoelectric actuator element having a configuration in which a plurality of piezoelectric units are connected in parallel by two external electrodes provided on the substrate were evaluated. The driving conditions for the laminated piezoelectric actuator element were based on the model shown in FIGS. 10A and 10B, the waveform was a square wave, the frequency was 1 Hz, and the duty ratio was 0.2%. The duty ratio represents duty ratio (%) = drive time at actual displacement / 1 cycle time × 100 (%).
このとき、表1に示す印加電圧および印加電流で積層型圧電アクチュエータ素子を駆動するとともに、静電容量(μF)、圧電変位量(μm)、応答の立上時間(μsec)を測定した。結果を表1に示す。応答の立上時間(μsec)は、印加電圧を0Vから250Vまたは125Vに、あるいは250Vまたは125Vから0Vに変えたときに、印加電圧が250V、125V、0Vになるまでの時間を測定することで得られる。 At this time, the laminated piezoelectric actuator element was driven with the applied voltage and applied current shown in Table 1, and the capacitance (μF), the amount of piezoelectric displacement (μm), and the response rise time (μsec) were measured. The results are shown in Table 1. Response rise time (μsec) is measured by measuring the time until the applied voltage becomes 250V, 125V, or 0V when the applied voltage is changed from 0V to 250V or 125V, or from 250V or 125V to 0V. can get.
次に、実施例1および比較例1の積層型圧電アクチュエータ素子について、表2および表3に示す印加電圧および印加電流を加えて、積層型圧電アクチュエータ素子の実効電流および立上時間を測定した。結果を表2および表3に示す。
に示す。
Next, with respect to the laminated piezoelectric actuator elements of Example 1 and Comparative Example 1, the applied voltage and applied current shown in Table 2 and Table 3 were applied, and the effective current and rise time of the laminated piezoelectric actuator element were measured. The results are shown in Table 2 and Table 3.
Shown in
これらの表2および表3に示す結果から、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子(実施例1)は、立上時間および立下時間の両方において、比較例1の圧電アクチュエータ素子に比べて短く、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子が、応答特性に優れ、応答速度が速いことが分かる。 From the results shown in Table 2 and Table 3, the laminated piezoelectric actuator element (Example 1) of the present invention is shorter than the piezoelectric actuator element of Comparative Example 1 in both the rise time and fall time. It can be seen that the multilayer piezoelectric actuator element of the present invention has excellent response characteristics and a high response speed.
(実施例2、比較例2)
実施例2として、表1に示す構成の積層型圧電アクチュエータ素子を用いて、圧電特性を評価した。この積層型圧電アクチュエータ素子は、図6に示すとおり、PZTからなる圧電体層82と、Ag−Pd合金からなる圧電体層82を挟む導体層83とを、180層積層した圧電ユニット群88Aと、圧電ユニット群88Bとを、接合部89を介して接合し、外部電極86A,86B,86Cを設け、外部電極86Aと86Bの間、外部電極86Bと86Cの間に、2つの圧電ユニット群88A,88Bを形成したものである。この積層型圧電アクチュエータ素子の構成および寸法を図6に示す。
(Example 2, comparative example 2)
As Example 2, the piezoelectric characteristics were evaluated using a laminated piezoelectric actuator element having the configuration shown in Table 1. As shown in FIG. 6, this multilayer piezoelectric actuator element includes a piezoelectric unit group 88A in which 180 layers of a piezoelectric layer 82 made of PZT and a conductor layer 83 sandwiching a piezoelectric layer 82 made of an Ag—Pd alloy are stacked. The piezoelectric unit group 88B is joined via the joint portion 89, and
これに対して、比較例2として、PZTからなる圧電体層72と、Ag−Pd合金からなる圧電体層72を挟む導体層73とを、360層積層し、各導体層を、素子の側面に設けた2つの外部電極によって、複数の圧電ユニットを並列に接続した構成の積層型圧電アクチュエータ素子について、圧電特性を評価した。なお、積層型圧電アクチュエータ素子の駆動条件は図10(a),(b)に示すモデルにもとづき、波形を方形波とし、周波数は1Hz、Duty比は0.2%とした。Duty比はDuty比(%)=実変位での駆動時間/1サイクル時間×100(%)を表す。 On the other hand, as Comparative Example 2, 360 layers of a piezoelectric layer 72 made of PZT and a conductor layer 73 sandwiching the piezoelectric layer 72 made of an Ag—Pd alloy were laminated, and each conductor layer was formed on the side surface of the element. The piezoelectric characteristics of the multilayer piezoelectric actuator element having a configuration in which a plurality of piezoelectric units are connected in parallel by two external electrodes provided on the substrate were evaluated. The driving conditions of the multilayer piezoelectric actuator element were based on the models shown in FIGS. 10A and 10B, the waveform was a square wave, the frequency was 1 Hz, and the duty ratio was 0.2%. The duty ratio represents duty ratio (%) = drive time at actual displacement / 1 cycle time × 100 (%).
このとき、表1に示す印加電圧および印加電流で積層型圧電アクチュエータ素子を駆動するとともに、静電容量(μF)、圧電変位量(μm)、応答の立上時間(μsec)を測定した。結果を表4に示す。応答の立上時間(μsec)は、印加電圧を0Vから250Vまたは125Vに、あるいは250Vまたは125Vから0Vに変えたときに、印加電圧が250V、125V、0Vになるまでの時間を測定することで得られる。 At this time, the laminated piezoelectric actuator element was driven with the applied voltage and applied current shown in Table 1, and the capacitance (μF), the amount of piezoelectric displacement (μm), and the response rise time (μsec) were measured. The results are shown in Table 4. Response rise time (μsec) is measured by measuring the time until the applied voltage becomes 250V, 125V, or 0V when the applied voltage is changed from 0V to 250V or 125V, or from 250V or 125V to 0V. can get.
この実施例2および比較例2の積層型圧電アクチュエータ素子について、それぞれ表5および表6に示す印加電圧および印加電流を加えて、積層型圧電アクチュエータ素子の実効電流および立上時間を測定した。結果を表5および表6に示す。 For the laminated piezoelectric actuator elements of Example 2 and Comparative Example 2, the applied voltage and applied current shown in Table 5 and Table 6 were applied, respectively, and the effective current and rise time of the laminated piezoelectric actuator element were measured. The results are shown in Tables 5 and 6.
これらの表5および表6に示す結果から、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子(実施例2)は、立上時間および立下時間の両方において、比較例2の圧電アクチュエータ素子に比べて短く、本発明の積層型圧電アクチュエータ素子が、応答特性に優れ、応答速度が速いことが分かる。 From the results shown in Table 5 and Table 6, the laminated piezoelectric actuator element of the present invention (Example 2) is shorter than the piezoelectric actuator element of Comparative Example 2 in both the rise time and fall time. It can be seen that the multilayer piezoelectric actuator element of the present invention has excellent response characteristics and a high response speed.
1 積層型圧電アクチュエータ素子
2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2H 圧電体層
3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H,3I 導体層
4 積層体
5A,5B,5C,5D,5E,5F,5G,5H,5I 外部接続用電極部
6A,6B,6C 外部電極
A,B,C,DE,F,G,H 圧電ユニット
7A 交流電源供給部
7B 交流電源供給部(アース)
8A,8B 圧電ユニット群
20 積層型圧電アクチュエータ素子
20A,20B,20C,20D,20E,20F,20G,20H,20I,20J
圧電ユニット
22A,22B,22C,22D,22E,22F,22G,22H,22I,22J
圧電体層
23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23K 導体層
24 積層体
25A,25B,25C,25D,25E,25F,25G,25H,25I,25J、25K 外部接続用電極部
26A,26B,26C,26D,26E 外部電極
27A 交流電源供給部
27B 交流電源供給部(アース)
28A,28B,28C 圧電ユニット群
30 積層型圧電アクチュエータ素子
30A,30B,30C,30D,30E,30F,30G,30H,30I,30J,30K,30L,30M,30N 圧電ユニット
32A,32B,32C,32D,32E,32F,32G,32H,32I,32J,32K,32L,32M,32N 圧電体層
33A,33B,33C,33D,33E,33F,33G,33H,33I,33J,33K,33L,33M,33N,33P 導体層
34 積層体
35A,35B,35C,35D,35E,35F,35G,35H,35I,35J,35K,35L,35M,35N,35P 外部接続用電極部
36A,36B,36C,36D,36E,36F,36G 外部電極
37A 交流電源供給部
37B 交流電源供給部(アース)
40 積層型圧電アクチュエータ素子
40A,40B,40C,40D,40F,40G,40H 圧電ユニット
42A,42B,42C,42D,42E,42F,42G,42H,42I,42J
圧電体層
443A,43B,43C,43D,43E,43F,43G,43H,43I,43J
導体層
44 積層体
45A,45B,45C,45D,45E,45F,45G,45H,45I,45J
外部接続用電極部
46A,46B,46C 外部電極
47A 交流電源供給部
47B 交流電源供給部(アース)
48A,48B 圧電ユニット群
49 接合層
50 積層型圧電アクチュエータ素子
50A,50B,50C,50D,50F,50G,50H,50I 圧電ユニット
52A,52B,52C,52D,52E,52F,52G,52H,52I
圧電体層
53A,53B,53C,53D,53E,53F,53G,53H,53I,53J,53K,53L 導体層
54 積層体
55A,55B,55C,55D,55E,55F,55G,55H,55I,55J,55K,55L 外部接続用電極部
56A,56B,56C,56D 外部電極
57A 交流電源供給部
57B 交流電源供給部(アース)
58A,58B,58C 圧電ユニット群
59A,59B 接合層
60 積層型圧電アクチュエータ素子
60A,60B,60C,60D,60F,60G,60H,60I,60J,60K,60L 圧電ユニット
62A,62B,62C,62E,62F,62G,62I,62J,62K,62M,62N,62P 圧電体層
63A,63B,63C,63D,63E,63F,63G,63H,63I,63J,63K,63L,63M,63N,63P,63Q 導体層
64 積層体
65A,65B,65C,65D,65E,65F,65G,65H,65I,65J,65K,65L,65M,65N,65P,65Q 外部接続用電極部
66A,66B,66C,66D,66E 外部電極
67A 交流電源供給部
67B 交流電源供給部(アース)
68A,68B,68C,68D 圧電ユニット群
69A,69B,69C 接合層
72 圧電体層
73 導体層
76A,76B,76C 外部電極
82 圧電体層
83 導体層
86A,86B,86C 外部電極
88A,88B 圧電ユニット群
111 積層型圧電アクチュエータ素子
112 圧電体層
113 内部電極層
114 積層体
115 端面
116 外部電極
121 積層型圧電アクチュエータ素子
122 圧電体層
123 内部電極層
124 積層体ユニット
125 接合部
126 端面
127A,127B 外部電極
131 積層型圧電アクチュエータ素子
132 圧電体層
133 内部電極層
134 積層体
135 絶縁層
136 端面
137 外部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laminated type
8A, 8B
28A, 28B, 28C
40 Stacked
48A, 48B
58A, 58B, 58C
68A, 68B, 68C, 68D
Claims (4)
複数の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、接着層を介して直列に接続され、少なくとも一対の積層型圧電アクチュエータ素子ユニットが、電気的に直列に接続され、電気的に直列に接続された積層型圧電アクチュエータ素子ユニットの両端に交流電源供給部を備えることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ素子。 A plurality of piezoelectric layers and conductor layers are alternately stacked, and the plurality of conductor layers include one conductor layer and another adjacent to the one conductor layer with the piezoelectric layer interposed therebetween. A laminated piezoelectric actuator element unit comprising an external electrode connected to the external connection electrode portion, with the side edges of the conductor layer being exposed on the side surfaces facing each other to form an external connection electrode portion A plurality of stacked piezoelectric actuator elements,
A plurality of laminated piezoelectric actuator element units are connected in series via an adhesive layer, and at least a pair of laminated piezoelectric actuator element units are electrically connected in series, and are electrically connected in series. A laminated piezoelectric actuator element comprising an AC power supply unit at both ends of an actuator element unit.
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