JP2868287B2 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents
積層型圧電アクチュエータInfo
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は圧電効果を利用したアクチュエータに関する
ものである。
ものである。
[従来の技術] 通常の部分電極構造積層型圧電アクチュエータの一例
の斜視図を第3図に、また第3図における切断面Aの断
面構造を第4図に示す。図中、31は圧電セラミックス、
32はセラミックス中に層状に埋め込まれた金属内部電
極、33は金属外部電極である。そして各金属内部電極32
は、アクチュエータの側面に設けられた1対の金属外部
電極33により電気的に並列接続がなされている。
の斜視図を第3図に、また第3図における切断面Aの断
面構造を第4図に示す。図中、31は圧電セラミックス、
32はセラミックス中に層状に埋め込まれた金属内部電
極、33は金属外部電極である。そして各金属内部電極32
は、アクチュエータの側面に設けられた1対の金属外部
電極33により電気的に並列接続がなされている。
この1対の外部電極間に電圧を印加すると、アクチュ
エータは圧電縦効果により高さ方向に伸長する。
エータは圧電縦効果により高さ方向に伸長する。
[発明が解決しようとする課題] ところで、このようなアクチュエータの内部電極構成
では第4図から明らかなように、各内部電極の面積(b
×b)はアクチュエータの断面積(a×a)よりも小さ
い。そして各内部電極は外部電極により電気的に接続さ
れるために、内部電極はアクチュエータの中央部でのみ
上,下方向に重なっている。従って外部電極対に電圧を
印加すると、アクチュエータの中央部では電界強度が大
きく、周辺部では電界強度が小さくなる。
では第4図から明らかなように、各内部電極の面積(b
×b)はアクチュエータの断面積(a×a)よりも小さ
い。そして各内部電極は外部電極により電気的に接続さ
れるために、内部電極はアクチュエータの中央部でのみ
上,下方向に重なっている。従って外部電極対に電圧を
印加すると、アクチュエータの中央部では電界強度が大
きく、周辺部では電界強度が小さくなる。
その結果、アクチュエータの上下端面における変位分
布は第5図のようになる。即ち第5図は、1対の金属外
部電極52からリード線54を取り出し、電極端子55の間に
直流電圧を印加した場合に生じる変形を模式的に点線で
示したものである。圧電歪は電界強度に比例して生じる
ため、電界強度の大きい中央部では大きな圧電歪が生
じ、周辺部では電界強度が小さいため圧電歪も小さくな
る。従って機械的な拘束のない自由状態で電圧を印加し
た場合でもアクチュエータ内部に応力が発生し、アクチ
ュエータの自己破壊を誘発するという問題があった。ま
たこのような不均一な変形は実用上も好ましくないもの
である。
布は第5図のようになる。即ち第5図は、1対の金属外
部電極52からリード線54を取り出し、電極端子55の間に
直流電圧を印加した場合に生じる変形を模式的に点線で
示したものである。圧電歪は電界強度に比例して生じる
ため、電界強度の大きい中央部では大きな圧電歪が生
じ、周辺部では電界強度が小さいため圧電歪も小さくな
る。従って機械的な拘束のない自由状態で電圧を印加し
た場合でもアクチュエータ内部に応力が発生し、アクチ
ュエータの自己破壊を誘発するという問題があった。ま
たこのような不均一な変形は実用上も好ましくないもの
である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたも
ので、電圧を印加しても機械的な自己破壊を起こすこと
のない圧電アクチュエータを提供することを目的とす
る。
ので、電圧を印加しても機械的な自己破壊を起こすこと
のない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] 本発明は、圧電縦効果歪の発生軸方向寸法を、これと
垂直方向寸法の2つの辺のいずれの寸法に対しても3分
の1以下にしたことを特徴とする部分電極構造の積層型
圧電アクチュエータ、および圧電縦効果歪の発生軸方向
に圧縮バイアスを付与する機構を備えたことを特徴とす
る部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ、および圧
電縦効果歪の発生軸方向寸法が、これと垂直方向寸法の
2つの辺のいずれの寸法に対しても3分の1以下である
部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ素子を圧電縦
効果歪発生軸方向に複数個積み重ねて積層により一体化
し、圧電縦効果歪発生軸方向に圧縮バイアスを付与する
機構を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータであ
る。
垂直方向寸法の2つの辺のいずれの寸法に対しても3分
の1以下にしたことを特徴とする部分電極構造の積層型
圧電アクチュエータ、および圧電縦効果歪の発生軸方向
に圧縮バイアスを付与する機構を備えたことを特徴とす
る部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ、および圧
電縦効果歪の発生軸方向寸法が、これと垂直方向寸法の
2つの辺のいずれの寸法に対しても3分の1以下である
部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ素子を圧電縦
効果歪発生軸方向に複数個積み重ねて積層により一体化
し、圧電縦効果歪発生軸方向に圧縮バイアスを付与する
機構を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータであ
る。
[作用] 部分電極構造の積層型圧電アクチュエータの圧電縦効
果に基づく発生変位量は、高さ寸法hの約0.1%程度で
あることが知られている。
果に基づく発生変位量は、高さ寸法hの約0.1%程度で
あることが知られている。
本発明ではこの高さ寸法hを、これと垂直な方向の寸
法aに対して3分の1以下にする。このことにより、内
部応力は構造的に緩和され、大振幅駆動を行っても機械
的な破壊は起こらない。
法aに対して3分の1以下にする。このことにより、内
部応力は構造的に緩和され、大振幅駆動を行っても機械
的な破壊は起こらない。
また、変位発生軸方向に圧縮バイアス機構を設け、圧
縮バイアスを付加した状態で電圧を印加すると、アクチ
ュエータは圧縮バイアスを付加しない元の状態へと復帰
するように変形するためアクチュエータの端面は平行に
移動する。また、引張り応力の発生も防止できるためア
クチュエータが機械的に破壊することがない。
縮バイアスを付加した状態で電圧を印加すると、アクチ
ュエータは圧縮バイアスを付加しない元の状態へと復帰
するように変形するためアクチュエータの端面は平行に
移動する。また、引張り応力の発生も防止できるためア
クチュエータが機械的に破壊することがない。
また、大きな変位が必要なアクチュエータの場合に
は、圧電縦効果歪発生軸方向の寸法hを大きく設定しな
ければならないが、上述のように、アクチュエータの自
己破壊を防止するためには横方向寸法aをhの3倍以上
に設定することが望ましいので、大きな変位を得るため
のアクチュエータは必然的に大型になるという欠点があ
る。これに対しては、第6図(a)に示すように、自己
破壊の起こらない部分電極構造の積層型圧電アクチュエ
ータ61を複数個積み重ねて接着剤63により接着一体化
し、各外部電極対62をリード線64で並列接続して電極端
子65に電圧を印加して駆動する方法もあるが、この場合
には第6図(b)に模式的に示すように、個々のアクチ
ュエータ61が不均一な変形を起こすために、図示のよう
に接着した界面が機械的に破壊してしまう欠点がある。
このような場合にも、変位発生軸方向に圧縮バイアス機
構を設け、圧縮バイアスを付加した状態で電圧を印加す
ると、個々のアクチュエータの上,下端面が電圧の印加
により平行に変位するため、接合面の機械的破壊が防止
される。
は、圧電縦効果歪発生軸方向の寸法hを大きく設定しな
ければならないが、上述のように、アクチュエータの自
己破壊を防止するためには横方向寸法aをhの3倍以上
に設定することが望ましいので、大きな変位を得るため
のアクチュエータは必然的に大型になるという欠点があ
る。これに対しては、第6図(a)に示すように、自己
破壊の起こらない部分電極構造の積層型圧電アクチュエ
ータ61を複数個積み重ねて接着剤63により接着一体化
し、各外部電極対62をリード線64で並列接続して電極端
子65に電圧を印加して駆動する方法もあるが、この場合
には第6図(b)に模式的に示すように、個々のアクチ
ュエータ61が不均一な変形を起こすために、図示のよう
に接着した界面が機械的に破壊してしまう欠点がある。
このような場合にも、変位発生軸方向に圧縮バイアス機
構を設け、圧縮バイアスを付加した状態で電圧を印加す
ると、個々のアクチュエータの上,下端面が電圧の印加
により平行に変位するため、接合面の機械的破壊が防止
される。
[実施例] 以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
実施例1 第3図および第4図によって本実施例を説明すると、
圧電セラミックス31にはPb(Zr,Ti)O3(PZT)系圧電セ
ラミックスを使用した。断面は一辺がaの正方形をして
おり、a=4.5mmとした。高さhは0.5〜4.0mmの範囲で
変化させた。内部電極32には厚さが約2μmの白金膜を
使用した。内部電極32は一変がbの正方形で、b=3.5m
mとした。内部電極の間隔dは約0.1mmとした。
圧電セラミックス31にはPb(Zr,Ti)O3(PZT)系圧電セ
ラミックスを使用した。断面は一辺がaの正方形をして
おり、a=4.5mmとした。高さhは0.5〜4.0mmの範囲で
変化させた。内部電極32には厚さが約2μmの白金膜を
使用した。内部電極32は一変がbの正方形で、b=3.5m
mとした。内部電極の間隔dは約0.1mmとした。
以下に、このアクチュエータの製法を簡単に説明す
る。
る。
まずPZT系圧電セラミックスの粉末にポリビニルアル
コールとフタル酸ジオクチルを少量加えてエチルアルコ
ール中に分散させ、泥漿を作製した。これをドクターブ
レード法に基づく厚膜製造装置を用いて、厚さが約0.12
mmの厚膜に加工した。この厚膜の片側表面に白金ペース
ト膜を印刷塗布し、これらを積み重ねて熱プレスで圧着
し、一体化した。この積層体をまず450℃で24時間加熱
して、内部に含まれた有機系物質を熱分解させた。次い
で1200℃で1時間焼結した。この焼結体の側面に外部電
極として銀ペーストを焼き付けた。
コールとフタル酸ジオクチルを少量加えてエチルアルコ
ール中に分散させ、泥漿を作製した。これをドクターブ
レード法に基づく厚膜製造装置を用いて、厚さが約0.12
mmの厚膜に加工した。この厚膜の片側表面に白金ペース
ト膜を印刷塗布し、これらを積み重ねて熱プレスで圧着
し、一体化した。この積層体をまず450℃で24時間加熱
して、内部に含まれた有機系物質を熱分解させた。次い
で1200℃で1時間焼結した。この焼結体の側面に外部電
極として銀ペーストを焼き付けた。
アクチュエータの高さ寸法hがそれぞれ0.5,1.0,1.5,
2.0,3.0mmのものを各10個ずつ作製し、外部電極対間に6
0Vの直流電圧を印加した。この場合には、すべてのアク
チュエータで機械的破壊は認められなかった。次に100V
の電圧を印加したところ、h=0.5,1.0,1.5mmのアクチ
ュエータは100時間の電圧印加に対して機械的破壊は起
こらなかった。しかし、h=2.0mmのアクチュエータ
は、10個中6個が内部電極層に沿って機械的に破壊し
た。またh=3.0mmのアクチュエータはすべてが機械的
に破壊した。
2.0,3.0mmのものを各10個ずつ作製し、外部電極対間に6
0Vの直流電圧を印加した。この場合には、すべてのアク
チュエータで機械的破壊は認められなかった。次に100V
の電圧を印加したところ、h=0.5,1.0,1.5mmのアクチ
ュエータは100時間の電圧印加に対して機械的破壊は起
こらなかった。しかし、h=2.0mmのアクチュエータ
は、10個中6個が内部電極層に沿って機械的に破壊し
た。またh=3.0mmのアクチュエータはすべてが機械的
に破壊した。
以上の実施例から明らかなとおり、部分電極構造の積
層型圧電アクチュエータでは、高さ方向の寸法hと横方
向の寸法aとがh/a≦1/3の関係を満たす場合には機械的
に破壊することがない。
層型圧電アクチュエータでは、高さ方向の寸法hと横方
向の寸法aとがh/a≦1/3の関係を満たす場合には機械的
に破壊することがない。
実施例2 第2図は本発明による圧縮バイアス加圧機構付き部分
電極構造の積層型圧電アクチュエータの一例の側面図で
ある。部分電極構造の積層型圧縮アクチュエータ21を2
枚の黄銅板22aと22bで挟み、4本のボルト24とナット25
でアクチュエータ21に圧縮バイアスを与える。
電極構造の積層型圧電アクチュエータの一例の側面図で
ある。部分電極構造の積層型圧縮アクチュエータ21を2
枚の黄銅板22aと22bで挟み、4本のボルト24とナット25
でアクチュエータ21に圧縮バイアスを与える。
圧電アクチュエータ21の寸法は横断面が20×20mm、高
さは20mmであり、実施例1と同様の方法で製造した。機
械的に拘束のない自由状態では100Vの電圧を印加すると
高さ方向に最大約17μmの変位を生じる。黄銅板22a,22
bの寸法は30×30×7mmとした。ボルト24には直径3mmの
ステンレスを使用した。圧縮バイアスの大きさはアクチ
ュエータの高さ方向の寸法が17μm縮むように調整され
ている。
さは20mmであり、実施例1と同様の方法で製造した。機
械的に拘束のない自由状態では100Vの電圧を印加すると
高さ方向に最大約17μmの変位を生じる。黄銅板22a,22
bの寸法は30×30×7mmとした。ボルト24には直径3mmの
ステンレスを使用した。圧縮バイアスの大きさはアクチ
ュエータの高さ方向の寸法が17μm縮むように調整され
ている。
上記の圧縮バイアス加圧機構を備えたアクチュエータ
に100Vの直流電圧を印加したところ、このアクチュエー
タは約17μm伸長し、かつ2枚の黄銅板22a,22bは上,
下方向に平行に移動した。
に100Vの直流電圧を印加したところ、このアクチュエー
タは約17μm伸長し、かつ2枚の黄銅板22a,22bは上,
下方向に平行に移動した。
また、直流電圧を1000時間継続して印加したが、アク
チュエータが機械的に破壊を起こす現象は認められなか
った。
チュエータが機械的に破壊を起こす現象は認められなか
った。
なお比較の意味で、実施例に使用した部分電極構造の
積層型圧電アクチュエータを機械的な拘束のない自由状
態で100Vの直流電圧を印加したところ、10分程度で機械
的に破壊した。
積層型圧電アクチュエータを機械的な拘束のない自由状
態で100Vの直流電圧を印加したところ、10分程度で機械
的に破壊した。
実施例3 第1図は本発明による圧縮バイアス加圧機構付き圧電
アクチュエータの別の一例の側面図である。3個の部分
電極構造の積層型圧電アクチュエータ1を積み重ねて接
着剤3で一体化し、これを2枚の黄銅板2aと2bで挟んで
4本のボルト4とナット5でアクチュエータに圧縮バイ
アスを与えている。
アクチュエータの別の一例の側面図である。3個の部分
電極構造の積層型圧電アクチュエータ1を積み重ねて接
着剤3で一体化し、これを2枚の黄銅板2aと2bで挟んで
4本のボルト4とナット5でアクチュエータに圧縮バイ
アスを与えている。
各部分電極構造積層型圧電アクチュエータ1は一辺が
20mmの正方形断面を有し、高さが6mmとなっている。こ
れを単体で100Vの直流電圧を印加して駆動すると、アク
チュエータの端面中央部には最大約3μmの高さ方向変
位が生じる。黄銅板2a,2bの寸法は30×30×7mmとした。
ボルト4は直径3mmのステンレス製である。圧縮バイア
スの大きさは3個の一体化されたアクチュエータの高さ
寸法が圧縮バイアスを印加する前の状態から9μm程度
縮むように調整されている。
20mmの正方形断面を有し、高さが6mmとなっている。こ
れを単体で100Vの直流電圧を印加して駆動すると、アク
チュエータの端面中央部には最大約3μmの高さ方向変
位が生じる。黄銅板2a,2bの寸法は30×30×7mmとした。
ボルト4は直径3mmのステンレス製である。圧縮バイア
スの大きさは3個の一体化されたアクチュエータの高さ
寸法が圧縮バイアスを印加する前の状態から9μm程度
縮むように調整されている。
上記の圧縮バイアス加圧機構を備えたアクチュエータ
に100Vの直流電圧を印加して3個を同時に駆動したとこ
ろ、2枚の黄銅板2a,2bの距離は互いに離れる方向に平
行に約8μm移動した。この状態で100Vの直流電圧を10
00時間以上連続的に印加したが、アクチュエータには何
ら機械的な破壊が認められなかった。
に100Vの直流電圧を印加して3個を同時に駆動したとこ
ろ、2枚の黄銅板2a,2bの距離は互いに離れる方向に平
行に約8μm移動した。この状態で100Vの直流電圧を10
00時間以上連続的に印加したが、アクチュエータには何
ら機械的な破壊が認められなかった。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、アクチュエー
タ寸法,形状を適切に設定するか、あるいは圧縮バイア
スを付加することにより、機械的に破壊することのない
部分電極構造の積層型圧電アクチュエータの提供が可能
となる。また、両者を組み合わせることによって、小体
積で大きな変位を発生させることができ、かつその上,
下端面を平行に変位させることのできる圧電アクチュエ
ータが提供される。
タ寸法,形状を適切に設定するか、あるいは圧縮バイア
スを付加することにより、機械的に破壊することのない
部分電極構造の積層型圧電アクチュエータの提供が可能
となる。また、両者を組み合わせることによって、小体
積で大きな変位を発生させることができ、かつその上,
下端面を平行に変位させることのできる圧電アクチュエ
ータが提供される。
第1図および第2図はそれぞれ本発明の一実施例の側面
図、第3図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ
の一例の斜視図、第4図は第3図における面Aによる断
面図、第5図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエー
タに直流電圧を印加した時の状態を模式的に示す説明
図、第6図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ
を軸方向に積層一体化し、直流電圧で駆動した時の状態
を模式的に示す説明図である。 1,21,51,61……積層型圧電アクチュエータ 2a,2b,22a,22b……黄銅板 3,63……接着剤 4,24……ボルト、5,25……ナット 31……圧電セラミックス、32……金属内部電極 33,52,62……金属外部電極 54,64……リード線 55,65……電極端子
図、第3図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ
の一例の斜視図、第4図は第3図における面Aによる断
面図、第5図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエー
タに直流電圧を印加した時の状態を模式的に示す説明
図、第6図は部分電極構造の積層型圧電アクチュエータ
を軸方向に積層一体化し、直流電圧で駆動した時の状態
を模式的に示す説明図である。 1,21,51,61……積層型圧電アクチュエータ 2a,2b,22a,22b……黄銅板 3,63……接着剤 4,24……ボルト、5,25……ナット 31……圧電セラミックス、32……金属内部電極 33,52,62……金属外部電極 54,64……リード線 55,65……電極端子
Claims (3)
- 【請求項1】圧電縦効果歪の発生軸方向寸法を、これと
垂直方向寸法の2つの辺のいずれの寸法に対しても3分
の1以下にしたことを特徴とする部分電極構造の積層型
圧電アクチュエータ。 - 【請求項2】焼結により一体化された積層型圧電アクチ
ュエータの圧電縦効果歪の発生軸方向に、機械的に拘束
のない自由状態において電圧を印加した際に高さ方向に
生じる変位分を圧縮バイアスとして付与する機構を備え
たことを特徴とする部分電極構造の積層型圧電アクチュ
エータ。 - 【請求項3】圧電縦効果歪の発生軸寸法方向が、これと
垂直方向寸法の2つの辺のいずれの寸法に対しても3分
の1以下である部分電極構造の積層型圧電アクチュエー
タ素子を圧電縦効果歪発生軸方向に複数個積み重ねて接
着により一体化し、圧電縦効果歪発生軸方向に圧縮バイ
アスを付与する機構を備えたことを特徴とする積層型圧
電アクチュエータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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