JP2706083B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、バイモルフあるいはユニモルフなどの屈
曲型圧電アクチュエータ、特に縦効果型積層圧電素子を
用いた屈曲型の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５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（以下特に必要な場合
を除き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10
0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、全体を厚さ方向に
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（以下特に必要な場合を除き単に圧電素子とい
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
を貼り合せ構成し、圧電体セラミックス６の分極方向Ｐ
と逆方向に電界Ｅを印加することにより長手方向に伸長
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の板状の圧電体セラミックス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性の中間電極板
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には分局方向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。

上記バイモルフ型の圧電アクチュエータは、変位が数
100μｍと比較的大きくとれることが大きな特徴である
が、増々増大する大変位化、大発生力化などの要求に対
応するには、横効果を利用するより縦効果を利用したほ
うが、新規な材料開発を行なわずに横効果を利用する場
合の２〜３倍の変位量が得られる利点がある。

すなわち、第１図は先に提案した圧電アクチュエータ
（特願昭61−228426号参照）を示す斜視図で、第３図〜
第５図と同一符号は同一部分を示し、縦効果型積層圧電
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）７を組み合せたものである。なお、絶縁層12と圧電
素子７との間に第４図に示す金属板11を介在させてもよ
い。

第１図の圧電アクチュエータの製造に際しては、例え
ば圧電体セラミックス2,6B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、スラリーを調整しドクターブレード等に
よってシート成型を行い、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、圧電素子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、すなわち厚電
素子１の長さが数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、圧電体セラミックス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、絶縁層12を成形して
圧電素子１を貼り合せる。また、電極取り出しを容易に
するために、圧電体セラミックス6Bと絶縁層12との間に
屈曲可能な金属板を中間電極として同時に貼り合せても
よい。

このように低電圧駆動化のために、素子の長手方向に
積層した縦効果型積層圧電素子１を金属板11あるいは金
属板11を介してもう１枚の圧電体セラミックス6Bととも
に貼りあわせている。特に横効果を利用した横効果型積
層圧電素子７とともに用いると、分極方向と電界方向が
一致するため脱分極が発生せずに大きな電界を印加でき
るので、大変位させるには好ましい構造となる。また、
横効果型積層圧電素子７も低電圧化のために上記のよう
に積層体にすることがさらに好ましい。

〔発明が解決しようとする課題〕

屈曲型の圧電アクチュエータに縦効果型積層圧電素子
１を用いる場合、この縦効果型積層圧電素子１が伸長
し、その伸長方向と直角な位置にその伸長を拘束するこ
とにより屈曲が生ずるが、この場合、繰り返し使用して
いると縦効果型積層圧電素子１にクラックが入り、素子
が破壊されてしまうという問題点があった。

この原因は、縦効果型積層圧電素子１は、内部電極が
圧電体セラミックス２の内部にちょうどノッチが入った
状態になり、積層方向に引張応力が働いた場合、その強
度が非常に低くなるためである。実際に曲げ強度を測定
すると、圧電体セラミックス２単身では、約10〜15Kg/m
m²であるが縦効果型積層圧電素子１を第２図に示すよう
に、曲げ強度測定装置13により曲げ強度を測定すると、
約４〜6Kg/mm²となり半分以下に低下する。また、縦効
果型積層圧電素子１を用いた屈曲型圧電アクチュエータ
の内部に発生する応力を計算すると、縦効果型積層圧電
素子１の表面部に約2Kg/mm²という大きな引張応力が発
生していることがわかった。通常、引張強度は曲げ強度
の1/2〜1/3であるので、表面部に発生した約2Kg/mm²の
引張応力によって素子が破壊されることがわかった。

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、縦効果型積層圧電素子を用いて大きな変位と、
大きな発生力を得ることのできる圧電アクチュエータを
提供することを目的とする。

〔課題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て縦効果型積層圧電
素子を形成し、この縦効果型積層圧電素子の長手方向の
一側面にその伸長を拘束する手段を設けた圧電アクチュ
エータにおいて、前記伸長を拘束する手段が少なくとも
１つの横効果型圧電素子を含み、かつ前記縦効果型積層
圧電素子を構成する圧電体セラミックスの厚さが、前記
横効果型圧電素子を構成する圧電体セラミックスの厚さ
より薄いとともに、縦効果型積層圧電素子の表面部に発
生する引張応力が0.5Kg/mm²以下、あるいは圧縮応力が5
Kg/mm²以下の範囲となるようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、縦効果型積層圧電素子の表面部
に発生する引張応力が0.5Kg/mm²以下、あるいは圧縮応
力が5K/mm²以下の範囲になるようにしたので、圧電アク
チュエータが破損することがない。

〔実施例〕

屈曲変位時に圧電アクチュエータ内に発生する応力、
特に縦効果型積層圧電素子１の表面部に発生する引張り
応力を低減もしくは、圧縮応力がかかるように設計すれ
ば、この部分の強度が最も低いので素子の破壊は防止で
きる。すなわち、縦効果型積層圧電素子1,中間支持板お
よび横効果型積層圧電素子７のそれぞれの厚さを変え、
一番強度の弱い縦効果型積層圧電素子１の内部に発生す
る応力を、破壊強度以下の応力、すなわち引張応力とし
て0.5Kg/mm²以下あるいは圧縮応力として5Kg/mm²以下の
範囲となるように、さらにはこの屈曲型の圧電アクチュ
エータが所定の変位量と発生力が得られるような全体の
曲げ剛性と必要な印加電界強度とともに各板厚を決めれ
ば良い。

横効果型積層圧電素子７も使用電圧の低下のために積
層体を用いることが好ましいが、縦効果型積層圧電素子
１とともに積層する各１層ずつの厚さは、使用電圧と必
要な電界強度から求めることができる。

以下の実施例では、数例の所定の変位量と発生力が得
られるように素子の具体的な各板厚，素子形状（長さ、
幅）を示したが、他の所定変位量，発生力および素子形
状の場合でも、上記考えに基づいて作製することができ
るので、この発明は以下に記載する実施例のみに限定さ
れない。

以下の実施例および比較例で使用した圧電体の圧電歪
定数は d₃₃＝720×10^-12m/V d₃₁＝350×10^-12m/V である。

なお、後述の実施例１〜３に示されるように、この発
明では縦効果型積層圧電素子を構成する圧電体セラミッ
クスの厚さは、横効果型圧電素子を構成する圧電体セラ
ミックスの厚さより薄くしてある。

（実施例１） 有効素子長さ30mm,幅15mmという形状のバイモルフに
おいて、所定変位量，発生力がそれぞれ600μm,1Kgfが
得られるように次のような各板厚にしてバイモルフを作
成した。

縦効果型積層圧電素子 400μｍ 中間支持板（ジルコニア製） 220μｍ 横効果型積層圧電素子 600μｍ また、印加する電圧は120Vで必要な印加電界強度は約
1.2KV/mmであるので、積層体の各層の厚さは100μｍと
した。すなわち、縦効果型積層圧電素子１では約300
層、横効果型積層圧電素子７では６層の積層体である。

120V印加時の、変位量と発生力を測定すると、それぞ
れ630μｍで950gfであった。また、縦効果型積層圧電素
子１の表面部に発生する応力を測定するために、素子表
面に歪ゲージを貼りつけて、実際の歪量を測定して応力
を求めたところ、0.1Kg/mm²の引張り応力が働いている
ことが確認できた。ただし、歪ゲージを用いて得られた
応力は（120V印加して屈曲させた時の素子表面の歪量）
−（縦効果型積層圧電素子１単身で屈曲させないで120V
印加した時の歪量）の値に圧電体のヤング率を乗じた値
として求めた。また、繰り返し電圧を印加して無負荷で
耐久性のテストを行なったところ、10⁵回以上のくり返
し耐久性が確認できた。

（実施例２） 実施例１と同じ有効素子長さ30mm,幅15mmというバイ
モルフにおいて、所定変位量600μm,発生力1Kgfとなる
ように、中間支持板を用いないで、２枚の圧電素子の板
厚を、次のようにして作製した。

縦効果型積層圧電素子 400μｍ 横効果型積層圧電素子 800μｍ 積層体の各層の厚さおよび印加電圧は、実施例１と同
じである。120V印加時の、変位量と発生力および縦効果
型積層圧電素子１の表面部に発生した応力はそれぞれ62
0μm,980gf,0.05Kg/mm²の引張応力であった。実施例１
と同様なくり返し耐久性は、10⁵回以上であった。

（比較例１） 実施例1,2と同じ変位量，発生力を得るために、各板
圧以外は全て同一寸法にしてバイモルフを作製した。圧
電体の厚さは、 縦効果型積層圧電素子 600μｍ 横効果型積層圧電素子 600μｍ 実施例1,2と同じ変位量と発生力を得るために、100V
の電圧を印加した。すなわち、20V低い電圧の印加で所
定の変位量と発生力は得られた。

また、歪ゲージにより得られた応力は2.1Kg/mm²であ
った。実施例１と同様なくり返し耐久テストを、100V繰
り返し印加して行なったところ、10²回以下で素子は破
壊した。

（実施例３） 有効素子長さ25mm,幅8.5mm, 所定最大変位量1mm,発生力100gf が得られるように次のように各板厚にしてバイモルフを
作製した。

縦効果型積層圧電素子 165μｍ 中間支持板（アルミナ製） 75μｍ 横効果型積層圧電素子 240μｍ また、印加する電圧は140V、また、必要な電界強度は
1.15KV/mmなので積層体各層の厚さは120μｍとした。14
0V印加時、変位量，発生力および縦効果型積層圧電素子
１に発生する応力は、それぞれ1.01mm,99gfおよび0.05K
g/mm²の圧縮応力であった。繰り返し140Vを印加した繰
り返し耐久テストでは、約10⁶回の耐久性が確認され
た。

なお、この実施例のように圧縮応力が作用するか引張
応力が作用するかは、各圧電素子の電圧印加による伸び
と外力との関係によって決まる。

（比較例２） 実施例３と同じ変位量，発生力を得るために各板厚以
外は全て同一寸法にしてバイモルフを作製した。ただ
し、中間支持板はリン青銅板を用いた。

縦効果型積層圧電素子 230μｍ 中間支持板（リン青銅製） 20μｍ 横効果型積層圧電素子 230μｍ 印加する電圧は120Vであった。120V印加時の実測した
変位量と発生力はそれぞれ1.02mmおよび98gfであった
が、縦効果型積層圧電素子１表面に発生する応力は1.8K
g/mm²の引張応力であった。くり返し120Vを印加して耐
久テストを行なったところ約250回で破壊した。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明は、前記伸長を拘束する
手段が少なくとも１つの横効果型圧電素子を含み、かつ
前記縦効果型積層圧電素子を構成する圧電体セラミック
スの圧さが、前記横効果型圧電素子を構成する圧電体セ
ラミックスの厚さより薄いとともに、縦効果型積層圧電
素子の表面部に発生する引張応力が0.5Kg/mm²以下、あ
るいは圧縮応力が5K/mm²以下の範囲となるようにしたの
で、大変位，大発生力を得るために縦効果型積層圧電素
子を屈曲型の圧電アクチュエータに使用する際に、縦効
果型積層圧電素子素面に発生する引張応力が低減し、大
変位下でも、素子が破壊されずに耐久性が大幅に向上す
る利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の適用対象である縦効果型積層圧電素
子と横効果型積層圧電素子を用いたバイモルフ型圧電ア
クチュエータの斜視図、第２図は縦効果型積層圧電素子
の曲げ強度の測定方法を示した図、第３図は従来の縦効
果型積層圧電アクチュエータを示す斜視図、第４図は同
じくユニモルフ型の横効果型圧電アクチュエータを示す
斜視図、第５図は同じくバイモルフ型の横効果型圧電ア
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、2,6Bは圧電体セラミ
ックス、３は電極、４は電源、７は横効果型積層圧電素
子、９は固定台、13は曲げ強度測定装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長田 卓博 神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地 三菱化成工業株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−298189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−84173（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の圧電体セラミックスを厚み方向に積
   層して縦効果型積層圧電素子を形成し、この縦効果型積
   層圧電素子の長手方向の一側面にその伸長を拘束する手
   段を設けた圧電アクチュエータにおいて、前記伸長を拘
   束する手段が少なくとも１つの横効果型圧電素子を含
   み、かつ前記縦効果型積層圧電素子を構成する圧電体セ
   ラミックスの厚さが、前記横効果型圧電素子を構成する
   圧電体セラミックスの厚さより薄いとともに、前記縦効
   果型積層圧電素子の表面部に発生する引張応力が0.5Kg/
   mm²以下、あるいは圧縮応力が5Kg/mm²以下の範囲となる
   構成としたことを特徴とする圧電アクチュエータ。