JP2533861B2 - 圧電アクチユエ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、積層された板状の圧電体セラミックスに
電界を印加して大きな変位量と大きな発生力を得る圧電
アクチュエータに関するものである。

〔従来の技術〕

第３図〜第６図はいずれも従来の圧電アクチュエータ
を示すものである。

第３図は縦効果型積層圧電アクチュエータを示す斜視
図で、１は縦効果型積層圧電素子（以下単に圧電素子と
いう）全体を示し、２は板状の圧電体セラミックス、３
は電極、４は電源で、前記電極３を介して各圧電体セラ
ミックス２に電界Ｅを印加する。Ｐは前記各圧電体セラ
ミックス２の分極方向を示す。矢印Ａは電界Ｅの印加に
よって圧電体セラミックス２が収縮する方向、矢印Ｂは
前記圧電体セラミックス２が伸長する方向を示す。

このように、圧電素子１は、１層当り50〜100μｍの
程度の厚みを有する圧電体セラミックス２を厚み方向に
数100層積層して圧電体セラミックス２の分極方向Ｐと
同方向に電界Ｅを印加することにより全体を縦方向に伸
長させる縦効果を利用するものである。

第４図は横効果型圧電アクチュエータを示す斜視図
で、ユニモルフ型と称するものである。この図におい
て、第３図と同一符号は同一部分を示し、５は横効果型
圧電素子（以下単に圧電素子という）、６は圧電体セラ
ミックス、11は前記電極３を介して圧電体セラミックス
６の一側面に貼り合わせた屈曲可能の金属板である。

このように、圧電素子５として、１枚の厚さ100〜500
μｍの板状の圧電体セラミックス６の一側面に金属板11
を貼り合わせ構成し、圧電体セラミックス６の分極方向
Ｐと同方向に電界Ｅを印加することにより厚さ方向に伸
長させる横効果を利用して矢印Ｃ方向に屈曲させるタイ
プである。

第５図は横効果型圧電アクチュエータを示す斜視図
で、バイモルフ型と称するものである。この図におい
て、第４図と同一符号は同一部分を示し、6A,6Bは圧電
体セラミックス、８は横効果型圧電素子（以下単に圧電
素子という）、９は前記圧電素子８を固定する固定台で
ある。

この例は、圧電素子８を、１枚当りの厚さ100〜500μ
ｍの板状の厚電体セラミックス6A,6Bを直接に、あるい
は電極取り出しを容易にするために金属製の中間電極板
を間にはさんで貼り合わせて形成し、一方の圧電体セラ
ミックス6Aには分極方向Ｐと逆方向に，他方の圧電体セ
ラミックス6Bには分極方向Ｐと同方向に，それぞれ電界
Ｅを印加して矢印Ｃ方向に屈曲させるタイプである。

第６図は横効果型積層圧電アクチュエータを示す斜視
図で、マルチモルフ型と称するものである。この図にお
いて、第５図の同一符号は同一部分を示し、10はマルチ
モルフ型の横効果型積層圧電素子（以下単に圧電素子と
いう）である。

このように、圧電素子10の構成は、第５図の横効果型
の圧電素子6A,6Bを複数個，この図の場合は２個ずつ積
重ねた構成のもので、圧電素子10の中央から上方部分の
圧電素子6A′は分極方向Ｐと逆方向に，下方部分の圧電
素子6B′は分極方向Ｐと同じ方向に電界Ｅを印加して矢
印Ｃ方向に屈折するタイプである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記の第３図のような従来の縦効果型積層
圧電アクチュエータは、束縛発生力Ｆが数100kg/mm²と
いう大きな値をとり得るが、変位量δは数10μｍ以下で
あって非常に小さいという問題点があった。

一方、第４図〜第６図の横効果型圧電アクチュエータ
は、縦効果型圧電アクチュエータに比べ、屈曲モードを
利用しているので、変位量δは大きく数100μｍ位まで
変位するが、束縛発生力は逆に数gf〜数10gfと非常に小
さい。このため、横効果型圧電アクチュエータの場合
は、束縛発生力を増大させるためには圧電体セラミック
ス６の厚みを厚くするか、素子の長さを短くすればよい
が、変移量δは厚さに反比例し、また、素子長さの２乗
に比例して小さくなってしまうという問題点があった。

すなわち、先端部の変位量δと束縛発生力Ｆとの関係
を第５図のバイモルフ型で示すと、 ここで、l:電圧セラミックス６の有効長さ,d₃₁:圧電
歪定数,E:電界強度,t:1層当りの厚み,b:圧電セラミック
ス６の幅,Y:ヤング率である。また、印加電圧Ｖ＝Etで
ある。

また、第６図のマルチモルフ型で示すと、 ここで、N:積層対の数であり、他は第（１）式，第
（２）式と同様である。

したがって、先端部の変位量δ，束縛発生力Ｆの両者
をともに大きくするには、圧電歪定数（d₃₁,d₃₃）の大
きな材料を使用するか、あるいは印加する電界Ｅを高く
すれば可能である。

しかし、高い圧電歪定数（d₃₁,d₃₃）を有する材料を
見つけることは現時点でほぼ出つくされているので、非
常に困難である。このように、第４図に示す横効果型圧
電アクチュエータのうちユニモルフ型が、いまだ十分な
変位量δと束縛発生力Ｆが得られないため、バイモルフ
型が考案されたのである。

しかしながら、バイモルフ型は分極方向Ｐと逆方向の
電界Ｅを印加する必要があるため、脱分極しない程度の
電界Ｅしか印加できず、分極方向Ｐと同方向の許容電界
Ｅが１〜2KV/mm（実質的には絶縁破壊しない電界Ｅ）に
対して、バイモルフ型は高々500V/mm程度しか印加でき
ない。このため、バイモルフ型であってもユニモルフ型
よりは大きいが、いまだに十分に大きな先端部の変位量
δ，束縛発生力Ｆがともに得られていないという問題点
があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされた
もので、圧電体セラミックスに高い電界を印加すること
を可能とすることによって大きな変位量と大きな発生力
が得られるようにした圧電アクチュエータを得ることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる圧電アクチュエータは、板状の圧電
体セラミックスを厚み方向に積層した縦効果型積層圧電
素子と、板状の圧電体セラミックスを厚み方向に積層し
た横効果型積層圧電素子と、 前記縦効果型積層圧電素子の積層方向に平行な一側面
と前記横効果型積層圧電素子の変位方向に平行な一側面
との間に設けられた絶縁層とから構成されるものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、縦効果型積層圧電素子に電界を
印加することにより、縦効果型積層圧電素子は伸長する
が、一側面が横効果型積層圧電素子により拘束されてい
るので、全体としては屈曲する。この屈曲により電圧ア
クチュエータとして大きな先端部の変位量と大きな束縛
発生力とか得られる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の動作原理を説明するための圧電ア
クチュエータを示す斜視図で、第３図と同一符号は同一
部分を示し100はユニモルフ型の圧電アクチュエータ
で、縦効果型積層圧電素子（以下単に圧電素子という）
１と金属板11とを組み合わせたものである。すなわち、
前記圧電素子１の長手方向の一側面に金属板11をエポキ
シ樹脂等の絶縁性の接着剤により圧電素子１と貼り合わ
せて接着し、絶縁層12を形成する。なお、図示されてい
ないが電界Ｅの印加方向，分極方向P,収縮方向A,伸長方
向Ｂは第３図の圧電素子１と同じである。

第２図はこの発明の実施例を示す斜視図で、第１図と
同一符号は同一部分を示し、200はバイモルフ型の圧電
アクチュエータで、圧電素子１と横効果型積層圧電素子
（以下単に圧電素子という）6B′を組み合わせたもので
ある。

また、図示されていないが、電界Ｅの印加方向，分極
方向P,収縮方向A,伸長方向Ｂは第６図に示すマルチモル
フ型の圧電素子6B′と同じである。なお、絶縁層12と圧
電素子6B′との間に第１図に示す金属板11を介在させて
もよい。

次に、圧電アクチュエータ100,200の製造に際して
は、例えば圧電体としてチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
の原料粉末と有機バインダ，可塑剤，溶剤等とともに混
練し、スラリーを調製し、ドクターブルレード等によっ
てシート成型を行ない、乾燥後、所要の電極３をスクリ
ーン印刷によって形成し、その後、積層加熱圧着してモ
ノリシックな成形体を得る。

圧電体セラミックス２の厚みは、厚電素子１の長さに
対応するので、必要な素子長となるように積層数を決定
する。これを電極３方向と直角の方向にすなわち、圧電
素子１の厚さか数100μｍ程度となるように切断してか
ら焼成し、必要な厚さに研磨することによって板の長手
方向に積層されている圧電体セラミックス２を得る。

また、成形体を切断せずにそのまま焼成し、その後、
切断，研磨しても同様に得られる。これに連絡電極を焼
き付け、リード線を付けて分極処理を行う。

次いで、第１のユニモルフ型の圧電アクチュエータ10
0であれば、例えば厚さ90μｍのFe−Ni合金の金属板11
に、絶縁剤と接着剤を兼ねたエポキシ樹脂を塗布して絶
縁層12を形成し、圧電素子１を貼り合わせる。

第２図のバイモルフ型の圧電アクチュエータ200であ
れば、横効果型積層圧電素子6B′を焼成して所定の形状
に加工し、分極処理を実施した後、第１図のユニモルフ
型の同様に絶縁層12を形成して圧電素子１を貼り合わせ
る。また、電極取り出しを容易にするために、横効果型
積層圧電素子6B′と絶縁層12の間に屈曲可能な金属板を
中間電極板として同時に貼り合わせてもよい。

なお、圧電アクチュエータ200において、横効果型積
層圧電素子6B′の代わりに単相の横効果型圧電素子6Bを
設けてもその作用，効果は同じである。

上記の工程により製造された板状の縦効果型圧電素子
１を屈曲モードに適用することによって変位料量δと束
縛発生力Ｆの大きいユニモルフ型およびバイモルフ型の
圧電アクチュエータ100,200が得られる。

このため、上記圧電素子１をユニモルフ型の圧電アク
チュエータ100に適用すると、従来のユニモルフ型の圧
電素子５に比べ、圧電歪が２〜３倍大きくなる（d₃₃
２〜３×d₃₁）。したがって、変位量δおよび束縛発生
力Ｆともに同形状の横効果型ユニモルフに比べ２〜３倍
大きくなる。

しかし、これでもまだ不十分なので、この発明では縦
効果型積層圧電素子１に横効果型積層圧電素子6B′を絶
縁層12を介して張り合せ固定することにより、さらに大
きな束縛発生力Ｆを得るようにしたものである。すなわ
ち、バイモルフ型の圧電アクチュエータ200に適用する
場合は、絶縁層12の上方は縦効果型積層圧電素子１を利
用して伸長させ、絶縁層12の下方は横効果型の圧電素子
6B′を利用して収縮させる。この組み合わせを適用する
ことによって、圧電素子１および6B′に分極方向Ｐと同
方向に電界Ｅを印加させることができるので、従来のバ
イモルフ型の欠点であった脱分極が発生せず、実質的に
絶縁破壊しない強度までの電界Ｅを印加することができ
る。

このため、従来のバイモルフ型の最大の欠点であっ
た、脱分極が発生しないように両者ともに低電界印加す
るか、あるいは同方向には高電界印加，逆方向には低電
界印加といったように脱分極を防止する手段を行う必要
がない。すなわち、従来のバイモルフ型は分極方向とは
逆方向には電界Ｅを高々500V/mmしか印加できなかった
が、この発明の圧電アクチュエータ100,200を使用すれ
ば、１〜2KV/mmの高い電界Ｅを印加することができる。

さらに、ユニモルフ型と同様に縦効果型圧電素子１を
使用しているので、圧電歪は従来と同じ材料を使用して
も約２〜３倍大きくなる（d₃₃２〜３×d₃₁）。したが
って、従来のものに比べ、２〜10倍の高い電圧Ｅを印加
できるとともに２〜３倍の圧電歪を利用できるので変位
量δ，束縛発生力Ｆをもとに４〜30倍も大きくすること
が可能となった。

次に、この発明の圧電アクチュエータ100,200の具体
的な形状とその測定値について説明する。

第１表は各圧電アクチュエータ100,200の形状と測定
条件を示すものである。

第１表において、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ
100は一端を固定して他端の変位量δと束縛発生力Ｆを
測定した。

変位量δはうず電流式センサにて測定し、束縛発生力
Ｆは変位量δが零となるような力を発生力とした。

またバイモルフ型の圧電アクチュエータ200も上記の
同じ方法で行った。これらの結果を第２表に示す。な
お、第２表中の比較例の説明を以下に行う。

比較例（１） 素子寸法，印加電界強度は第１図のものと同じ。ただ
し、圧電素子は積層縦効果素子の代わりに同じ厚さの横
効果素子を使用（d₃₁＝260×10^-12m/v） 比較例（２） 素子寸法は実施例第２図のものと同じ。ただし、圧電
素子は積層縦効果素子の代わりに同じ厚さの横効果を使
用（d₃₁＝260×10^-12m/v）また、印加電界強度は分極と
同方向には1KV/mm,逆方向には0.4KV/mm印加した。

〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明は、板状の圧電体セラミ
ックスを厚み方向に積層した縦効果型積層圧電素子と、
板状の圧電体セラミックスを厚み方向に積層した横効果
型積層圧電素子と、 前記縦効果型積層圧電素子の積層方向に平行な一側面
と前記横効果型積層圧電素子の変位方向に平行な一側面
との間に設けられた絶縁層とから構成されているので、
縦効果型積層圧電素子を屈曲モードで使用することにな
り、従来のユニモルフ型の横効果型圧電アクチュエータ
に比べて２〜３倍の圧電歪定数が得られる。また、この
発明においては従来のバイモルフ型およびマルチモルフ
型の横効果型圧電素子と比べて圧電体セラミックスの分
極方向と同じ方向に電界を印加できるので脱分極防止の
手段を必要とせず、絶縁破壊しないまでの電界を印加で
きるために大きな変位量と大きな発生力とが得られる等
の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理を説明するための図、第２図は
この発明の一実施例を示す斜視図、第３図〜第６図は従
来の圧電アクチュエータを示すもので、第３図は縦効果
型積層圧電アクチュエータを示す斜視図、第４図はユニ
モルフ型，第５図はバイモルフ型，第６図はマルチモル
フ型の横効果型積層圧電アクチュエータを示す斜視図で
ある。 図中、１は縦効果型積層圧電素子、2,6は圧電体セラミ
ックス、３は電極、４は電源、９は固定台、10は横効果
型積層圧電素子、11は金属板、12は絶縁層、100はユニ
モルフ型の圧電アクチュエータ、200はバイモルフ型の
圧電アクチュエータである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−30974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−23047（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−39079（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−298189（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−55967（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−53532（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板上の圧電体セラミックスを厚み方向に積
   層した縦効果型積層圧電素子と、板状の圧電体セラミッ
   クスを厚み方向に積層した横効果型積層圧電素子と、 前記縦効果型積層圧電素子の積層方向に平行な一側面と
   前記横効果型積層圧電素子の変位方向に平行な一側面と
   の間に設けられた絶縁層とから構成される圧電アクチュ
   エータ。