JP3360384B2

JP3360384B2 - 積層型アクチュエータ

Info

Publication number: JP3360384B2
Application number: JP33168093A
Authority: JP
Inventors: 信之大矢; 義則大塚
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH07193290A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電素子の変形力を
利用して外部に力を出力させるようにする、特に変位量
を大きく取ることのできる伸縮動作の行われる積層型ア
クチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来において、エアギャップを介して電
極板を積層し、その電極板相互間に交互に電圧を印加す
ることによって駆動する積層静電アクチュエータや、圧
電セラミック板と電極板とを交互に積層して、圧電セラ
ミック板の積層方向の伸縮を利用するようにした積層圧
電アクチュエータが、伸縮動作するアクチュエータとし
て知られている。

【０００３】しかし積層静電アクチュエータは、直径１
０ｍｍの電極板を１０μｍのギャップで積層して構成す
るようにした場合に、例えば１００Ｖの電圧で駆動する
と、数十ｍＮの力しか得られない。また、このアクチュ
エータは電極板相互間の静電引力を利用するものである
ため、その製作過程において高精度のギャップ間隔の管
理が要求される。また積層圧電アクチュエータにあって
は、得られる力は大きいものであるが、伸縮方向の長さ
が１０ｍｍ程度のものでは１０μｍ程度の変位量しか得
られない。したがって、通常に使用する場合においても
外部に変位量の拡大機構が必要とされる。

【０００４】その他、アクチュエータ自体の変位量の大
きいものとして、例えば特開平１−２３５２８８号公報
に開示されたようなバイモルフを積層した構成のものが
提案され、また例えば特開平４−４７６５号公報に示さ
れるような凹凸形状の圧電素子を積層した構成のものが
提案されている。しかし、バイモルフを利用するものに
おいては、このバイモルフ自体に大きな変形力を求める
ことができず、その相互の連結機構として板ばねが必要
とされるようになり、小型化が困難である。そして、圧
電素子を凹凸形状とする構成では、圧電素子に対する複
雑な加工が絶対的に必要であり、その製造コストの上昇
を招く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、充分に簡単に製造すること
ができるようにして、大きな変位量と大きな伸縮方向の
力が得られるようにした積層型アクチュエータを提供し
ようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る積層型ア
クチュエータは、それぞれ分極方向を厚みの方向に設定
した圧電物質によって構成した圧電素子板と弾性を有す
る金属板とを一体的に積層して複数の圧電ユニモルフと
し、この圧電ユニモルフを２個づつ積層して組み合わ
せ、そのそれぞれの前記金属板の相互間を第１の支持部
材で結合して複数のアクチュエータ単体を構成するもの
で、この複数のアクチュエータ単体を順次積層して、そ
の板相互を第２の支持部材で結合してアクチュエータ本
体とする。そして第１および第２の支持部材は、前記分
極方向と交差する前記圧電素子板の伸縮方向で位置を異
ならせて設定されるようにする。

【０００７】ここで、アクチュエータ単体をそれぞれ構
成する２個の圧電ユニモルフは、圧電素子板の接合され
た面が対向するように前記金属板相互を前記第１の支持
部材で結合して構成され、前記２個の圧電ユニモルフを
それぞれ構成する圧電素子板の分極方向が、互いに逆の
方向に向けて設定されるようしている。

【０００８】

【作用】この様に構成される積層型アクチュエータにあ
って、各圧電ユニモルフにおいてその圧電素子板に電圧
を印加設定することにより、この圧電素子板は面の方向
に伸縮されるようになり、この圧電素子板を接合した金
属板はその面がいずれかの方向に突出するように変形さ
れる。したがって、各アクチュエータ単体において印加
電圧を制御することによってその中央部分が膨らむよう
に、また凹むように変形され、これらアクチュエータ単
体を第２の支持部材で結合して積層したアクチュエータ
本体においては、その積層方向の長さが伸縮されるよう
になり、充分な変位量と共に変位力が得られる伸縮動作
するアクチュエータが構成されるようになる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１の（Ａ）は側面から見た構成を示してい
るもので、多数の圧電ユニモルフ111 、112 、…を積層
することによってアクチュエータ本体12が構成されてい
るもので、このアクチュエータ本体12は複数のアクチュ
エータ単体131 、132 、…を積層することによって構成
されている。そして、これらのアクチュエータ単体131
、132 、…それぞれは一対の圧電ユニモルフ、例えば
圧電ユニモルフ111 と112 、113 と114 、…の組み合わ
せによってそれぞれ構成される。

【００１０】アクチュエータ単体131 、132 、…はそれ
ぞれ同様に構成されるものであるため、その中の１つの
アクチュエータ単体131 を例にしてその構成を説明す
る。このアクチュエータ単体131 は２つの圧電ユニモル
フ111 と112 とによって構成されるもので、その各圧電
ユニモルフ111 および112 は、同図の（Ｂ）の平面図の
ように、それぞれ円板状の弾性を有する金属板141 と14
2 と、この金属板141 および142 それぞれよりも小径の
圧電セラミックによって構成した圧電素子板151および1
52 の接合体によって構成される。

【００１１】この場合、圧電素子板151 および152 は、
平行な状態で設定される金属板141および142 の対向面
の中側の面に接合され、圧電素子板151 および152 の分
極方向はそれぞれ圧電素子板151 および152 の方向から
金属板141 および142 の方向に向けて、すなわち圧電素
子板151 および152 の厚さの方向に向けて設定され、電
圧が印加されることによって径の方向に縮むように電界
ポーリングされている。

【００１２】この様な一対の圧電ユニモルフ111 および
112 をそれぞれ構成する一対の金属板141 と142 の相互
間は、円筒状の第１の支持部材16によって一体的に結合
されているもので、この第１の支持部材15は円板状に圧
電素子板151 および152 の外周部を取り囲むように設定
される。この第１の支持部材16は、電気的に導電性を有
する材料によって構成され、例えば半田や導電性のロー
材が用いられる。

【００１３】この様に構成されたアクチュエータ単体13
1 、132 、…は複数個積層されている。この様な積層構
造において、隣接するようになる金属板の相互間、例え
ば金属板142 と143 、144 と145 、…の相互間は、それ
ぞれ円柱状の第２の支持部材171 、172 、…によって順
次結合される。この第２の支持部材171 、172 、…も導
電性を有する、例えば半田や導電性ロー材によって構成
されるもので、アクチュエータ単体131 、132 、…の中
心位置に対応して設定される。

【００１４】この様に圧電ユニモルフ111 、112 、…を
第１の支持部材16によって組み立ててアクチュエータ単
体131 、132 、…を構成し、さらにこれらアクチュエー
タ単体131 、132 、…を第２の支持部材171 、172 、…
で組み立ててアクチュエータ本体12が形作られた状態
で、この全体を加熱炉に入れて加熱処理すると、支持部
材を構成するロー材等が溶融して強固な一体構造体とさ
れる。この場合の加熱炉における加熱温度は、ロー材が
溶融すると共に圧電素子板151 、152 、…の電界ポーリ
ングが取れない程度に設定される。なお、仮に電界ポー
リングが取れた場合でも、配線後に再度ポーリングは可
能である。

【００１５】この様に構成される積層型アクチュエータ
では、各圧電素子板151 、152 、…それぞれと金属板14
1 、142 、…それぞれとの間に直流電圧を印加するよう
に配線が施される（図では省略している）。ここで、金
属板141 、142 、…は互いに導電性の第１の支持部材16
および第２の支持部材171 、172 、…によって、電気的
に共通に接続されているものであるため、例えばその最
下層部の金属板の１か所を、接地等に接続すればよい。

【００１６】アクチュエータ単体１３１、１３２、…を
それぞれ構成する圧電ユニモルフ１１１、１１２、…の
それぞれ金属板１４１、１４２、…それぞれと、圧電素
子板１５１、１５２、…それぞれとの間に電圧を印加す
ると、各圧電素子板１５１、１５２、…は厚さ方向に分
極方向が設定されているため、径の方向に縮むようにな
る。この圧電素子板１５１、１５２、…はそれぞれ金属
板１４１、１４２、…に一体的に接合されているもので
あるため、各圧電ユニモルフ１１１、１１２、…は図２
の（Ａ）で示すように金属板１４１、１４２、…の中央
部分が、圧電素子板１５１、１５２、…の接合面と反対
の方向に突出するように変形する。

【００１７】すなわち、アクチュエータ単体131 、132
、…それぞれにおいて、その中央部分が膨らむように
変形するようになり、この各アクチュエータ単体131 、
132 、…がその中央部で第２の支持部材171 、172 、…
によって結合されているものであるため、アクチュエー
タ本体12はその長さが伸びるよう変形する。そして、印
加電圧を断てば、再び元の状態となり（図１の（Ａ）の
状態）、印加電圧の制御によって伸縮されるアクチュエ
ータとされるようになる。

【００１８】また、印加する電圧の極性が反転される
と、図２の（Ｂ）で示すように各電圧ユニモルフ１１
１、１１２、…それぞれの中央部分が凹むような変形を
するようになり、アクチュエータ本体１２としては縮む
ようになる。

【００１９】図３の（Ａ）は、直径２０ｍｍ、厚さ０．
４ｍｍの圧電ユニモルフを１２層積層して構成したアク
チュエータに対して、電圧を印加して駆動したときの印
加電圧と変位量との関係を示し、同図の（Ｂ）は印加電
圧３００Ｖのときの変位量と発生力との関係を示したも
ので、３００μｍ以上の変位量と共に、変位“０”にお
いて５Ｎ以上の発生力が得られることが確認された。こ
の場合、圧電ユニモルフの形状や連結部の配置、さらに
板厚や積層数等の設定によって発生力と共に変位量や変
位方向を選定することができる。

【００２０】図４は圧電ユニモルフの他の例を示したも
ので、金属板１４の上に複数の、例えば３層にして圧電
素子板２０１、２０２、２０３を積層するもので、この
圧電素子板２０１〜２０３のそれぞれの間に電極板２１
１〜２１３が介在されるようにする。この場合、電極板
２１１と２１３は共通に接続され、電極板２１２は金属
板１４と接続されるようになっており、各圧電素子板２
０１〜２０３のそれぞれに対してその両面間に電圧が印
加させるように構成している。

【００２１】この様に積層形の圧電ユニモルフとして構
成することにより、３枚の圧電素子板２０１〜２０３の
力が合成して作用するようになり、特性を劣化すること
なく駆動電圧を下げることができるものであり、また変
位力が効果的に大きく取れるようになる。

【００２２】図１で示した第１の実施例においては、ア
クチュエータ単体１３１は第１の支持部材１６によって
平行に設定された一対の金属板１４１と１４２のそれぞ
れ対向する面に、それぞれ圧電素子板１５１および１５
２を接合して構成された。しかし、図５で示すように平
行に設定された一対の金属板１４１と１４２のそれぞれ
積層方向で同一の面に圧電素子板１５１および１５２を
接合するように構成することもできる。この場合、圧電
素子板１５１と１５２の分極方向は、この図で示すよう
に互いに反対の方向に向けて設定されるもので、図２の
（Ａ）および（Ｂ）で示したものと同様の伸縮動作が印
加電圧の制御で行われる。

【００２３】これまでの実施例においては、一対の圧電
ユニモルフを円筒状の第１の支持部材16によって結合し
てアクチュエータ単体131 、132 、…を構成し、１個の
円柱状の第２の支持部材171 、172 、…によってアクチ
ュエータ単体131 、132 、…の相互を結合するようにし
ていた。

【００２４】しかし、この第１および第２の支持部材の
構成は種々に変形できるもので、例えば図６の（Ａ）で
示すように圧電ユニモルフ13を構成する金属板14の外周
縁部に、正三角形の各頂点位置に設定した３本の円柱状
の支柱221 〜223 によって第１の支持部材を構成する。
また、この第１の支持部材とされる支柱221 〜223 の位
置と６０°異なる位置に設定した３本の円柱状の支柱23
1 〜233 によって、アクチュエータ単体相互を結合する
第２の支持部材が構成されるようにすることもできる。

【００２５】すなわち、第１の支持部材と第２の支持部
材の位置が相対的に変化される位置であれば、電圧を印
加することで圧電ユニモルフに対して平面方向に伸びが
生じさせて、アクチュエータ本体の伸縮状態を変化させ
ることができる。例えば、この圧電ユニモルフ13を構成
する圧電素子板15に対して電圧を印加することによっ
て、図６の（Ｂ）で示すようなパターンで金属板が変形
し、第１の支持部材と第２の支持部材の位置で、逆の方
向に変形して、アクチュエータ本体としてその長さが伸
びる方向に変位される。

【００２６】さらに特殊な例として、図７で示すように
一対の金属板141 と142 の対向面にそれぞれ圧電素子板
151 および152 を接合し、この圧電素子板151 と152 と
が互いに面で接触されるようにしてアクチュエータ単体
131 、132 、…それぞれが構成されるようにする。そし
て、これらアクチュエータ単体131 、132 、…それぞれ
を構成する、互いに隣接するようになる金属板の相互が
面接触されて、柱状のアクチュエータ本体12が構成され
るようにする。

【００２７】この場合、圧電素子板１５１と１５２の相
互間は外周部においてのみ接続するようになるもので、
また金属板１４１と１４２の相互間は中央部分において
のみ接続するようになるもので、例えば図２の（Ａ）で
示すような各圧電ユニモルフに変形が生じたときには、
接合する圧電素子板１５１および１５２はその外周部に
おいて互いに接続した状態で、中央部分に空間が形成さ
れる。

【００２８】この場合、圧電素子板１５１および１５２
の外周縁部の接続部が第１の支持部材として作用し、ま
た金属板１４１と１４２の中央部の接続部が第２の支持
部材として作用されるようになる。

【００２９】これらの実施例において、第１および第２
の支持部材としてロー材を用いるに際して、このロー材
中にギャップコントロール用に所定の直径に設定された
球体を混入すると、ロー材が溶解した後においても例え
ば金属板同志の間隔（ギャップ）が高精度に制御でき
る。また、支持部材として半田またはロー材を用いるこ
とによって、金属板同志の接合が容易に（同時に且つ一
体に）できる。また、ロー材等は電気的な導電性を有す
るものにであるため、金属板同志がロー材を介して電気
的に接続される。このため、バイモルフを積層したとき
のような複雑な配線が不要となるものであり、積層構造
自体が簡易化され、当然その製造組み立て工程も簡略化
できる。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る積層型アク
チュエータによれば、積層板が単独で変形するものであ
るため、積層静電アクチュエータのようなギャップ間隔
の制御は必要としない。すなわち、この発明に係る積層
型アクチュエータにあっては、積層板間の間隔が変わっ
ても変位量や発生力に影響を与えることがないものであ
り、また反りによる変位量も充分に大きくとれる。

【００３１】さらに、圧電ユニモルフの形状や連結部の
配置、また板厚や積層数等を適宜設定することにより、
発生力や変位量と共に変位方向を変化させることがで
き、発生力が大きいものであるため、連結部においてば
ね性が要求されることがなく、容易に小型化が可能とさ
れる。ここで使用される圧電素子は平板で構成できるも
のであり、その加工が容易であると共に、連結部を全て
金属によって構成できるものであるため、外部の力が直
接圧電素子に加わることがなく、耐衝撃性や加工性に優
れたものとすることができる。さらに支持部材に導電性
を設定することにより電極の共通化ができて、より構成
の簡易化に効果が発揮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施例に係る積層型アク
チュエータの側面から見た断面構成図、（Ｂ）は同じく
このアクチュエータを構成する１つの圧電ユニモルフを
示す平面構成図。

【図２】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ上記アクチュエ
ータの動作状態の例を説明する図。

【図３】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ上記アクチュエ
ータの動作特性を説明する図。

【図４】この発明の第２の実施例に係る圧電ユニモルフ
を説明する断面構成図。

【図５】同じく第３の実施例を説明するアクチュエータ
の側面から見た断面構成図。

【図６】（Ａ）は第４の実施例を説明する平面構成図、
（Ｂ）はこの実施例における変位量のパターンを説明す
る図。

【図７】この発明の第５の実施例を説明する側面から見
た断面構成図。

【符号の説明】

111 、112 、…圧電ユニモルフ、12…アクチュエータ本
体、131 、132 、…アクチュエータ単体、14、141 、14
2 、…金属板、15、151 、152 …圧電素子板、16…第１
の支持部材、171 、172 、…第２の支持部材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ分極方向を厚みの方向に設定し
た圧電物質によって構成した圧電素子板と弾性を有する
金属板とを一体的に積層して構成した複数の圧電ユニモ
ルフと、前記圧電ユニモルフを２個づつ積層して組み合わせ、そ
のそれぞれの前記金属板の相互間を第１の支持部材で結
合して構成される複数のアクチュエータ単体と、前記複数のアクチュエータ単体を順次積層し、その相互
を第２の支持部材で結合して構成したアクチュエータ本
体とを具備し、前記第１および第２の支持部材は、前記分極方向と交差
する前記圧電素子板の伸縮方向で位置を異ならせて設定
されるようにした積層型アクチュエータ。
【請求項２】前記アクチュエータ単体をそれぞれ構成
する２個の圧電ユニモルフは、前記圧電素子板の接合さ
れた面が対向するように前記金属板相互を前記第１の支
持部材で結合して構成され、前記２個の圧電ユニモルフ
をそれぞれ構成する圧電素子板の分極方向は、この２個
の圧電ユニモルフの積層方向で互いに逆の方向に向けて
設定されるようにした請求項１記載の積層型アクチュエ
ータ。
【請求項３】前記アクチュエータ単体をそれぞれ構成
する２個の圧電ユニモルフは、この圧電ユニモルフの積
層される１つの方向の前記金属板面に前記圧電素子板を
接合して設定されるように前記金属板相互を前記第１の
支持部材で結合して構成され、前記２個の圧電ユニモル
フをそれぞれ構成する圧電素子板の分極方向は、前記圧
電ユニモルフの積層方向で互いに逆の方向に向けて設定
されるようにした請求項１記載の積層型アクチュエー
タ。
【請求項４】前記第１の支持部材は、前記圧電素子板
を取り囲むようにした円筒体によって構成すると共に、
第２の支持部材は前記円筒体の内部に位置して設定され
る柱状体によって構成されるようにした請求項１記載の
積層型アクチュエータ。
【請求項５】前記第１の支持部材は前記圧電素子板の
外周部を取り囲むように設定されるとともに、前記第２
の支持部材は前記アクチュエータ単体の中央位置に対応
して設定されるようにした請求項１乃至４いずれかに記
載の積層型アクチュエータ。
【請求項６】前記第１および第２の支持部材は共に柱
状体によって構成され、この第１および第２の支持部材
は前記圧電素子板の前記分極方向と交差する伸縮方向で
異なる位置に設定されるようにした請求項１記載の積層
型アクチュエータ。
【請求項７】前記第１の支持部材と前記第２の支持部
材とは、６０°異なる位置に設定されるようにした請求
項６記載の積層型アクチュエータ。