JP3184991B2 - 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

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JP3184991B2
JP3184991B2 JP02509392A JP2509392A JP3184991B2 JP 3184991 B2 JP3184991 B2 JP 3184991B2 JP 02509392 A JP02509392 A JP 02509392A JP 2509392 A JP2509392 A JP 2509392A JP 3184991 B2 JP3184991 B2 JP 3184991B2
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留治 大野
哲男 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、逆圧電効果を利用し、
電気的入力エネルギーを変位や力などの機械エネルギー
に変換する積層型圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】図5は、従来の積層型圧電アクチュエー
タの構造概略図である。図5において、従来の圧電アク
チュエータは、圧電セラミックス層21と銀パラジウム
からなる内部電極層22とを交互に複数層積層したアク
チュエータ部分と、一方の端部近傍に形成した圧電セラ
ミックス層21′と内部電極層22′とを交互に積層し
た変位量検出部分および上下両端部に接合された圧電特
性を有しないセラミック部分23、24とで構成されて
いる。
【0003】アクチュエータ部分に形成された内部電極
層22および変位量検出部分に形成された内部電極層2
2′は、それぞれ一層おきに正電極と負電極とからなる
対向電極を構成するように交互に積層されている。正電
極と負電極の電極端はそれぞれ異なる対向する側面に露
出し、正電極と負電極の電極端の一方は、それぞれ異な
る側面で夫々ガラスから成る電気絶縁部25によって電
気絶縁処理されている。アクチュエータ部分および変位
量検出部分においてそれぞれ電気絶縁処理されていない
内部電極層の露出部は、ガラスフリットを含む銀薄膜か
らなる外部電極26、27および26′、27′に接続
され、さらに前記外部電極に外部リード線28、29お
よび28′、29′が接続されている。
【0004】このような構成において外部リード線2
8、29に所望の電圧を印加すると、積層された複数枚
の圧電的に活性な圧電セラミックス層21のそれぞれに
この電圧が印加される。その結果、それぞれの圧電セラ
ミックス層21には逆圧電効果により厚さ方向の伸縮歪
が発生し、これらが全て加算されて圧電アクチュエータ
の積層方向に伸縮変位を得ることが出来る。この時、圧
電アクチュエータに負荷が接続されていると、変位量検
出部分に圧縮力あるいは引っ張り力が作用し、圧電効果
により変位検出用の外部リード線28′、29′から応
力にほぼ比例する出力電圧を得ることが出来る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の積層型圧電アク
チュエータは、一層当りの圧電セラミックス層21の厚
さを0.1mm程度に薄くすることが可能であるため、
低い駆動電圧で大きな変位を得ることが出来ると言う特
長を有している。その反面、変位方向の長さを大きくす
るために積層枚数を多くすると、焼結時に表面部と内部
との特性変化を生ずる。従って、トータル積層厚さが約
20mmに限定され、それ以上の長さの積層型圧電アク
チュエータが必要な場合は、これらを複数個接着する必
要がある。
【0006】また、前述したように隣合う電極層を異な
る極性の電極とするために、対向する側面に露出した電
極を一層おきにガラス層により覆って絶縁し、しかる後
に外部電極26、27を形成しており、圧電セラミック
ス層21の厚さを0.1mm以下にすることは難しい上
に、工程が複雑で作業時間が長くかかるという欠点があ
る。
【0007】しかも、一般の有機系材料からなる樹脂で
は水の分子を完全に遮断することはほとんど不可能であ
るため、湿度の高い状態で高い絶縁性を確保するのが難
しいという欠点がある。
【0008】さらに、変位量検出部分の低周波応答性を
改善するために変位量検出部分の静電容量を大きくしよ
うとした場合、圧電セラミックス層21の厚さが0.1
mm程度に限定されているため、変位量検出部分の積層
数を増やす必要があり、その分、アクチュエータとして
用いる積層数が少なくなるという欠点がある。
【0009】本発明は、前述の従来の積層型圧電アクチ
ュエータの欠点を除去し、接着することなしに、変位方
向の長さの長い積層型圧電アクチュエータを得ることを
目的としている。
【0010】また、本発明は、同一の端面あるいは側面
に露出する電極の極性を同一極性とし、ガラス層による
絶縁を不要にし、耐湿度特性の優れた圧電アクチュエー
タを得ることを目的にしている。
【0011】さらに、本発明は、変位量検出部分の大き
さを同じとした場合に静電容量の値を従来の2倍程度大
きくすることを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミックスシートと電極層とが交互に積層された角柱状
の圧電セラミックス積層体の長さ方向の伸縮変位を利用
する積層型圧電アクチュエータにおいて、一方の面に第
一の電極層を形成した第一の圧電セラミックスシートと
一方の面に第二の電極層を形成した第二の圧電セラミッ
クスシートとを含み、前記第一の電極層は、前記角柱の
長さ方向と直角あるいは平行な複数個の帯状電極による
第一の帯状電極部と、前記角柱の長さ方向の一方の端部
近傍に形成された第一の全面電極部とを有し、前記第二
の電極層は、前記第一の帯状電極部と同じ方向の複数の
帯状電極による第二の帯状電極部と、前記第一の全面電
極部と対向する位置に形成された第二の全面電極部とを
有し、前記第一及び第二の圧電セラミックスシートは、
前記第一の帯状電極部の帯状電極と前記第二の帯状電極
部の帯状電極とが互いに一方の帯状電極のほぼ中央の位
置に他方の帯状電極が位置するように交互に複数枚積層
され、前記複数枚の第一の帯状電極部は前記圧電セラミ
ックス積層体の一方の側面において共通の外部電極によ
り並列接続され、前記複数枚の第二の帯状電極部は前記
圧電セラミックス積層体の他方の側面において共通の外
部電極により並列接続され、前記複数枚の第一および第
二の全面電極部もそれぞれ、前記一方の側面および前記
他方の側面において共通の外部電極により並列接続され
ていることを特徴とする積層型圧電アクチュエータが得
られる。
【0013】
【実施例】図1、図2は本発明の一実施例による積層型
圧電アクチュエータの構造を示す概略図である。図1
(a)において、長方形板状の圧電セラミックスシート
1の一方の面には、圧電セラミックスシート1の長さ方
向と直角な方向に複数個の帯状電極11が第一の帯状電
極部として形成されている。各帯状電極11の一方の端
部は圧電セラミックスシート1の一方の側縁部まで引き
出され、圧電セラミックスシート1の長さ方向の端部近
傍には全面電極部(第一の全面電極部)12が形成され
て第一の帯状電極部と共に第一の電極層を形成してい
る。図1(b)において、圧電セラミックスシート2の
一方の面には、その長さ方向と直角な方向に複数個の帯
状電極13が第二の帯状電極部として形成されている。
各帯状電極13の一方の端部は前記第一の電極層の帯状
電極11が引き出された側縁部と反対側の側縁部に引き
出され、前記第一の電極層の全面電極部12と対向する
位置に全面電極部14(第二の全面電極部)が形成され
て第二の帯状電極部と共に第二の電極層を形成してい
る。
【0014】これら第一の電極層が形成された圧電セラ
ミックスシート1と第二の電極層が形成された圧電セラ
ミックスシート2とが、図2に示すように、互いに一方
の電極層の帯状電極のほぼ中央の位置に他方の電極層の
帯状電極が位置するように交互に複数枚積層されてい
る。
【0015】図2に示す積層型圧電アクチュエータにお
いては、一方の側面に第一の電極層の帯状電極11の端
部および全面電極部12の端部が引き出され、他方の側
面には第二の電極層の帯状電極13の端部および全面電
極部14の端部が引き出されることになる。このため、
図3に示すように、それぞれの側面のアクチュエータ部
に対応する位置に外部電極15、16を形成すると、前
記第一の電極層の帯状電極は外部電極15に並列に接続
され、前記第二の電極層の帯状電極は外部電極16に並
列に接続される。したがって、この外部電極15、16
に直流高電圧を印加して分極処理を施すことにより、積
層型圧電アクチュエータとすることが出来る。また、そ
れぞれの側面の全面電極部12、14に対応する位置に
外部電極15′16′を形成することにより、前記第一
の電極層の全面電極部12は外部電極15′に接続さ
れ、前記第二の電極層の全面電極部14は外部電極1
6′にそれぞれ並列に接続される。したがって、全面電
極部領域に応力が加わると圧電効果により両電極間には
応力にほぼ比例した電圧が発生する。
【0016】図4は本発明の積層型圧電アクチュエータ
の動作原理の説明図である。図4は図2における帯状電
極と直角な方向の断面図のうち圧電セラミックスシート
1および圧電セラミックスシート2の各1層分のみを示
している。図4において、破線は帯状電極11をプラス
極、帯状電極13をマイナス極として分極処理を施した
場合の分極の向きを示している。
【0017】図4はそれぞれの帯状電極に分極時と同じ
極性の電圧を印加した場合の電界の向きおよびその時発
生する歪の状態を示している。この場合は、分極の向き
と印加電界の向きが等しいため、分極の向きに沿って伸
び歪が発生し、図4の場合とは逆に分極時と逆極性の電
圧を印加した場合は、分極の向きと印加電界の向きが逆
であるため、分極の向きに沿って縮み歪が発生する。帯
状電極の電極のピッチが圧電セラミックスシート1およ
び2の厚さに比べて十分大きく、帯状電極の幅がピッチ
に比べて小さい場合は、圧電セラミックスシート1およ
び2は圧電縦効果による長さ方向の伸縮変位が大きくな
り、長さ方向の変位を利用する圧電アクチュエータとす
ることが出来る。
【0018】以上、本発明の積層型圧電アクチュエータ
の動作原理を圧電セラミックスシート1および2が各1
層の場合について説明したが、本発明ではこのような電
極層を有する圧電セラミックスシートが複数枚積層され
て構成され、それぞれが同じように動作すると考えれば
良い。
【0019】前述の如き電極層を有する圧電セラミック
スシートを複数枚積層した場合、印加電圧が同じ場合の
変位量は各1枚の場合と同じであるが、発生力はほぼ積
層枚数に比例して増加する。
【0020】以上の説明は、図1に示したように、圧電
アクチュエータの伸縮方向と直角な方向に複数個の帯状
電極が形成された、いわゆる圧電縦効果を利用した場合
について行ったが、複数個の帯状電極が圧電アクチュエ
ータの伸縮方向と平行に形成された、いわゆる圧電横効
果を利用した場合にも同様に適用することが出来る。
【0021】図1に示したような電極層を圧電セラミッ
クスシートに形成する方法としては、焼結後の圧電セラ
ミックスシートにスクリーン印刷により金属ペーストを
印刷した後に焼き付ける方法や、メッキや蒸着等により
圧電セラミックスシートの表面の全面に電極を形成した
後に、フォトエッチングによりパターンを形成する方法
がある。
【0022】また、図2に示したように電極層を有する
圧電セラミックスシートを積層する方法として、接着剤
を用いて積層、接着する方法がある。しかし、本発明で
は、焼結前の圧電セラミックスグリーンシートの一方の
面に、金属ペースト(例えば銀パラジウムペースト)を
印刷して前記電極層を形成し、この圧電セラミックスグ
リーンシートを位置を合わせて複数枚積層して一体とし
た後に焼結している。更に、焼結後の積層体の両側面部
に前記帯状電極11および13と接続するように金属ペ
ーストを塗布することで外部共通電極を作り、その後に
外部共通電極を焼き付ける。
【0023】なお、前記積層体を焼結する前に、前記積
層体の両側面部に前記帯状電極11、13と接続するよ
うに金属ペーストを塗布することにより外部共通電極を
作った後に、前記積層体および外部共通電極を同時に焼
結してもよい。
【0024】
【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
積層されたアクチュエータの変位方向は帯状電極と平行
あるいは直角で、圧電セラミックスシートの面の方向、
すなわち、積層方向と直角な面内にあるため、接着をす
ることなしに、変位の大きな圧電アクチュエータを得る
ことが出来る。
【0025】また、第一の帯状電極部と第一の全面電極
部および第二の帯状電極部と第二の全面電極部はそれぞ
れ圧電セラミックスシート上あるいは積層体の側面にお
いて電気的に接続され同一電位となっているため、同一
面内での絶縁破壊の心配が無い。
【0026】また本発明によれば、積層体の異なる極性
の電極はそれぞれ異なる側面に引き出されているため、
耐湿度特性が大幅に改善される。さらに、異なる極性の
電極がそれぞれ異なる側面に引き出されていることは、
同一面での絶縁処理を不要とする。
【0027】加えて、本発明では圧電セラミックスシー
トの厚さを、例えば従来の半分の厚さの0.05mmと
薄くすることが可能であり、その結果、変位量検出に使
用する全面電極部の静電容量の値を従来のものより2倍
以上大きくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に使用される圧電セラミックスシートの
概略図
【図2】本発明による圧電アクチュエータの断面図
【図3】本発明による圧電アクチュエータの外部電極を
説明するための外観図
【図4】本発明の積層型圧電アクチュエータの動作原理
を説明するための図
【図5】従来の積層型圧電アクチュエータの構造概略図
【符号の説明】
1,2 圧電セラミックスシート 11,13 帯状電極 12,14 全面電極部 15,15′,16,16′ 外部電極 21,21′ 圧電セラミックス層 22,22′ 銀パラジウムからなる内部電極層 23,24 圧電特性を有しないセラミック部 25 電気絶縁部 26,26′,27,27′ 外部電極 28,28′,29,29′ 外部リード線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 41/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電セラミックスシートと電極層とが交
    互に積層された角柱状の圧電セラミックス積層体の長さ
    方向の伸縮変位を利用する積層型圧電アクチュエータに
    おいて、一方の面に第一の電極層を形成した第一の圧電
    セラミックスシートと一方の面に第二の電極層を形成し
    た第二の圧電セラミックスシートとを含み、前記第一の
    電極層は、前記角柱の長さ方向と直角あるいは平行な複
    数個の帯状電極による第一の帯状電極部と、前記角柱の
    長さ方向の一方の端部近傍に形成された第一の全面電極
    部とを有し、前記第二の電極層は、前記第一の帯状電極
    部と同じ方向の複数の帯状電極による第二の帯状電極部
    と、前記第一の全面電極部と対向する位置に形成された
    第二の全面電極部とを有し、前記第一及び第二の圧電セ
    ラミックスシートは、前記第一の帯状電極部の帯状電極
    と前記第二の帯状電極部の帯状電極とが互いに一方の帯
    状電極のほぼ中央の位置に他方の帯状電極が位置するよ
    うに交互に複数枚積層され、前記複数枚の第一の帯状電
    極部は前記圧電セラミックス積層体の一方の側面におい
    て共通の外部電極により並列接続され、前記複数枚の第
    二の帯状電極部は前記圧電セラミックス積層体の他方の
    側面において共通の外部電極により並列接続され、前記
    複数枚の第一および第二の全面電極部もそれぞれ、前記
    一方の側面および前記他方の側面において共通の外部電
    極により並列接続されていることを特徴とする積層型圧
    電アクチュエータ。
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DE69208189T DE69208189T2 (de) 1991-09-25 1992-09-23 Piezoelektrischer Vibrator, der auf eine zuverlässige Weise einen dielektrischen Durchbruch verhindert und Verfahren zu seiner Herstellung
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