JP3370178B2

JP3370178B2 - 積層型圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3370178B2
Application number: JP06175894A
Authority: JP
Inventors: 山光一金; 郷宏明西; 瀬比呂志間
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2003-01-27
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JPH07273384A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、積層型圧電素子およびそ
の製造方法に関し、さらに詳しくは、縦１次−屈曲２次
振動利用の自走式積層型圧電モータ素子およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【発明の技術的背景】従来、多く使用されている電磁モ
ータによる駆動素子は、より小型化、薄型化したい場合
や静止時の保持電流の防止を図りたい場合には、その磁
性体を有する構成からも一定の限界があった。この電磁
モータに変わるモータとして、最近では、超音波モータ
の開発が盛んに行われている。

【０００３】この超音波モータには、固定子内の振動子
で発生した超音波振動を、摩擦によって可動子に作用さ
せて、回転運動あるいは直線運動として取り出すタイプ
と、可動子内の振動子で発生した超音波振動を、摩擦に
よって固定子（レール等）に作用させて、直線運動とし
て取り出す自走式タイプとがある。これらの中でも、自
走式の超音波振動利用の圧電リニアモータ（圧電リニア
モータ）は、本来が摩擦駆動に基づいているので、自己
保持機能を有しており、外部衝撃にも強く、また薄型化
も容易で、さらに、動作の立ち上がり、立ち下がり特性
にも優れているので、微妙な動作も可能である。

【０００４】このような圧電リニアモータの単板型振動
子としては、たとえば、縦１次励振−屈曲２次励振など
各種振動モードの組合せが存在する。これらの振動子の
駆動に際しては、通常、駆動電圧として数１０Ｖ以上が
必要である。この単板型振動子によれば、入力電圧７０
Ｖ_p-pで移動速度６２mm/sが得られることなどが報告さ
れている。

【０００５】また、単板の振動子を重ね合わせた接着型
振動子としては、富川らが貼り合わせ型の積層型振動子
を発表している（1993年電子情報通信学会春季大会
等）。これらの積層型振動子としては、接着法により圧
電セラミック片２枚の積層構成、または６枚の積層構成
について記載されている。

【０００６】しかしながら、積層型の具体的構造、製造
方法についてはこれまで何の提案もされておらず、現実
には、低電圧駆動可能な積層型セラミック振動子による
積層型圧電リニアモータの開発はなされていない。

【０００７】また、単板型振動子に外付け電極のみで励
振できる振動モードには限界があり、複雑な振動要素へ
の分割が困難であった。そのため、振動子の励振された
動作を駆動に充分生かすことができなかった。

【０００８】さらに、従来の単板型振動子や接着法によ
り圧電セラミック片を数枚積層した構成の積層型セラミ
ック振動子では、蓄積できる電荷量がわずかであり、電
荷量を増大させるには大きな電圧を印加する必要がある
ために、電池による駆動等は、ほとんど不可能であっ
た。

【０００９】そして、この積層型セラミック振動子を接
着法で製造する場合には、薄厚板の平滑性、作業性など
の問題の他、接着層などの介在によるエネルギー損失の
問題もあった。一方、従来の超音波モータは、一般に
は、振動子の励振によって生ずる進行波の頂点部分を可
動子（駆動体）に圧接し、振動子と可動子との接触部に
生じる摩擦力を利用して駆動する。このため、接触部で
は滑りが生じないことが重要であり、かつ、接触部での
磨耗や摩擦音を生じないことが必要とされる。

【００１０】これらのことを考慮し、各種の材料が摩擦
材として研究され、実際にも利用されている。中でも高
分子材料は、摩擦係数が大きいので、出力が１Ｗ以上の
モータにおいて駆動効率の向上に有益であった。

【００１１】しかしながら、出力が１Ｗ以下の小型モー
タにおいては、摩擦材に高分子材料等を使用すると、高
分子材料等の粘弾性により、可動子が接触部で摩擦力を
うけても、その一部は可動子の接触部の変形に使われて
しまう。この結果、接触を離れて変形が戻るときには、
変形に使われた歪みエネルギーは、熱エネルギーとして
消散してしまう。このことから小型モータでは、摩擦材
の摩擦係数が大きくても、粘弾性が高いと振動子の励振
によるエネルギーが、一定量消失し、この消失するエネ
ルギーはモータ駆動力と比較して無視できない程度とな
り、駆動効率の低下を招くという問題点があった。

【００１２】特に、低電圧駆動を可能とするような自走
式タイプの積層型圧電リニアモータにおいては、その励
振から生じる素子端部の楕円運動を有効に駆動力として
取り出す必要がある。それには、従来使用されていたよ
うな摩擦材を用いたのでは、消失するエネルギーはモー
タ駆動力と比較して無視できず、駆動効率が低下する一
方、そのモータ周波数での接触部における磨耗等を有効
に防止できない問題点があった。

【００１３】

【発明の目的】本発明は、低電圧でも大きな駆動力が得
られ、モータの移動速度あるいは推力が向上する積層型
圧電素子の提供を目的としている。

【００１４】また本発明は、低消費電力で、しかも安定
した動作が得られる積層型圧電リニアモータ用素子の提
供を目的としている。

【００１５】

【発明の概要】本発明に係る積層型圧電素子（たとえば
積層型セラミック振動子）は、電歪効果を有する材料を
主成分とするセラミックシートを、その内部に内部電極
を介装しつつ積層し、前記内部電極を一層置きに一対の
外部電極の一方とそれぞれ電気的に接続させるようにし
た積層型圧電素子において、前記内部電極の内の積層方
向の上下に位置する一部を、その長さ方向のほぼ中央で
２分割して、モータ素子全体を上下各一対の要素と中央
の１つの要素との合計５つの要素に区分し、この各要素
の内の内部電極同士を一層置きに一対の外部電極の一方
と、他の内部電極同士を外部電極の他方とそれぞれ電気
的に接続させ、上下の各一対の要素にたすき状に同じ駆
動電圧を印加するようにしたことを特徴としている。

【００１６】この本発明に係る積層型圧電素子は、絶縁
部が空所であることが好ましく、これにより一対の外部
電極間の絶縁に高い信頼性が得られる。また、本発明に
係る積層型圧電素子は、上記積層型圧電素子の下面短縁
に、耐磨耗部を設けることが好ましく、この耐磨耗部
は、ガラスまたはセラミックからなることが好ましく、
膜状のガラスからなることが特に好ましい。

【００１７】本発明に係る積層型圧電素子は、積層され
るセラミックシートのほぼ全域に内部電極を有するの
で、電圧を印加した場合には、該シートの全域に大きな
歪みを生じ、大きな屈曲あるいは伸縮運動を行う。そし
て、このような積層型圧電素子は、区分された上下の４
つの要素に、たすき状に同じ駆動電圧を印加することに
より、上下の４つの要素が屈曲２次励振による屈曲運動
を行い、また、中央に位置する要素が縦１次励振による
伸縮運動を行う。この励振による屈曲運動と伸縮運動と
によって、積層型圧電素子の端部は楕円運動をおこな
い、該モータ素子には駆動力が一定方向に発生する。駆
動力は積層型圧電素子下部と固定子等との接触部、好ま
しくは耐磨耗部と固定子等との接触部に伝達されるの
で、接触部で生じる摩擦力によって積層型圧電素子は駆
動する。

【００１８】したがって、本発明に係る積層型圧電素子
によれば、各振動要素を独立に励振させることができる
ので、積層型圧電リニアモータとしての駆動に必要な振
動モードを独立かつ効率的に得ることができる。そし
て、積層型圧電素子が耐磨耗部を有する場合には、振動
モードから得られた駆動力をより確実に利用することが
できる。

【００１９】また、本発明に係る積層型圧電素子の製造
方法は、電歪効果を有する材料を主成分とするセラミッ
クシートと内部電極とを、中央部分では内部電極がセラ
ミックシートのほぼ全域を覆い、上下部分では内部電極
がセラミックシートの長さ方向のほぼ中央で２分割した
約半分の領域を個々に覆うように交互に、かつ、隣合う
内部電極では位置をずらしつつ積層して積層体を形成
し、この積層体を焼成し前記内部電極をセラミックシー
トに焼き付けた後、前記セラミックシートのほぼ全域を
覆う内部電極同士、および約半分の領域を個々に覆う内
部電極同士を一層置きに一対の外部電極の一方で、他の
内部電極同士を外部電極の他方で電気的に接続すること
を特徴としている。

【００２０】本発明に係る積層型圧電素子の製造方法に
よれば、内部電極を一層おきに容易に外部電極と接続す
ることができ、かつ、絶縁部を確実に、しかも微小に形
成できるので、電界誘起歪の不均一による応力集中を防
止することができる。

【００２１】そして、本発明の積層型圧電素子によれ
ば、応答速度が速く、また低消費電力で、しかも安定し
た動作が得られる等の優れた特性を有する各種デバイス
を得ることができる。

【００２２】なお、本発明において電歪効果とは、電界
によって歪みが誘起される効果をいい、より具体的には
印加電界に比例した歪みを生じる逆圧電効果および／ま
たは印加電界の２乗に比例した歪みを生じる狭義の電歪
効果をいう。

【００２３】

【発明の具体的説明】以下、本発明を図面に示す実施例
に基づいて具体的に説明する。まず、積層型圧電素子の
積層された要素区分について説明する。

【００２４】図１は、本発明の一実施例に係る積層型圧
電素子の斜視図である。図２（ａ）は、本発明の一実施
例に係る積層型圧電素子の長さ方向の側面図、図２
（ｂ）は、同実施例に係る積層型圧電素子の長さ方向に
要素区分した側面図、図３は、同実施例に係る積層型圧
電素子の駆動方向の側面図である。

【００２５】積層型圧電素子１は、図２（ｂ）に示すよ
うな５つの駆動要素Ａ、Ｂ、Ｃに区分されている。各駆
動要素のうち、上下の要素をＡおよびＢとし、中央の要
素をＣとすると、Ａ要素およびＢ要素は屈曲２次励振用
であり、Ｃ要素は縦１次励振用である。

【００２６】上記Ａ要素、Ｂ要素およびＣ要素は、それ
ぞれ電歪効果を有する材料を主成分とするセラミックシ
ート３を、そのほぼ全域に亘って内部に内部電極２ａ，
２ｂを介装しつつ複数枚積層された要素である。

【００２７】Ａ要素およびＢ要素は、図２（ａ）に示す
ように、セラミックシート３が内部電極２ｂを介装しつ
つ積層されており、また、Ａ要素とＢ要素とは、絶縁部
４ｂによってセラミックシート３の長さ方向のほぼ中央
で区分されている。そして、Ａ要素およびＢ要素の内部
電極２ｂは、その長さ方向に対して一方の側面では、図
２（ａ）に示すように外部電極５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ
と各々接続されており、他方の側面では、図３に示すよ
うに外部電極５と接続されている。

【００２８】Ｃ要素は、図２（ａ）に示すように、セラ
ミックシート３が内部電極２ａを介装しつつ積層されて
おり、セラミックシート３の長さ方向には絶縁部が設け
られていない。そして、Ｃ要素の内部電極２ａは、その
長さ方向に対して一方の側面では、図２（ａ）に示すよ
うに外部電極５ａと接続されており、他方の側面では、
図３に示すように外部電極５と接続されている。

【００２９】また、Ａ要素、Ｂ要素およびＣ要素は、図
３に示すように、絶縁部４ａが積層方向に対して左右交
互に位置するように複数枚積層されている。なお、絶縁
部４ａは、必ずしも左右交互に配置する必要はなく、積
層方向に隣り合うセラミックシート間では、ずれた位置
となり、一層おきのセラミックシート間では、同じ位置
になるように配置すれば良い。

【００３０】セラミックシート３は、必要に応じて複数
枚積層されているが、通常、Ａ要素およびＢ要素では２
〜３０枚、好ましくは３〜２０枚が積層され、Ｃ要素で
は２〜３０枚、好ましくは３〜２０枚が積層されてい
る。

【００３１】セラミックシート３は、ＰｂＴｉＯ₃、Ｐ
ｂＺｒＯ₃、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｎｉ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃等を主成分とし、焼成後に電歪効果を
有する材質で構成されている。積層して焼成する前のセ
ラミックシート３を製造するには、たとえば次のように
して行なう。

【００３２】まず、主成分となるセラミックスの仮焼粉
末に、水を溶媒に用いる場合には、ヒドロキシエチルセ
ルロース、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、
ワックス系滑剤、カルボキシメチルセルロース等の結合
剤と、グリセリン、ポリアルキルグリコール、ソルビタ
ン酸エステル類、トリエチレングリコール、ペトリオー
ル、ポリオール等の可塑剤とを加えた後にこれらを混合
し、成形前駆体を作製する。また、エチルアルコール、
メチルエチルケトン、ベンゼン、トルエン等の有機溶媒
を用いる場合には、前述した仮焼粉末に、ポリメチルメ
タクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチ
ラール、セルロースアセテート等の結合剤と、ジブチル
フタレート、ポリエチレングリコール、グリセリン等の
可塑剤とを加えた後に、これらを混合し、成形前駆体を
作製する。

【００３３】このような成形前駆体を、ドクターブレー
ド法、押出成形法などの方法により、所望厚さに成形
し、乾燥後、所定の形状に切断すれば、セラミックシー
ト３が得られる。セラミックシート３の膜厚は、特に限
定されないが、好ましくは０．０２〜２mm、さらに好ま
しくは０．０５〜０．５mmである。その後、セラミック
シート３の表面に、図４に示すように内部電極２ａ，２
ｂを塗布形成するのである。

【００３４】セラミックシート３の成形方法は、特に限
定されないが、好ましくは溶媒として水を用い、押出成
形法によりシートを得る成形方法が好ましい。このよう
な成形方法によれば、結合剤および／または可塑剤の配
合量を減少させることが容易であり、乾燥後に得られる
シート同士の非接着性が向上し、これらを積層して焼成
する際に、絶縁部４ａ，４ｂにおいて、上下のシート３
が接着するのを防止でき、この部分に空所を確実に形成
することが容易になる。なお、有機溶媒を用いた押出成
形法、または有機溶媒もしくは水を用いたドクターブレ
ード法によっても、結合剤および可塑剤の種類や配合量
によっては、絶縁部４ａ，４ｂを確実に形成できるよう
な非接着性セラミックシートを得ることも可能である。

【００３５】結合剤および可塑剤の種類や量およびセラ
ミックシート３の乾燥条件は、セラミックシート３同士
を１５０℃以下、２００kg／cm²以下の条件で加圧した
場合に、引張り剪断接着強さが焼成前のセラミックシー
ト３自身の引張り強さの１０％以下、好ましくは５％以
下となるように選ばれる。

【００３６】溶媒として水を用い、押出成形法により、
セラミックシート３を成形する際における、結合剤の添
加量は、仮焼粉末を１００重量部とした場合には、好ま
しくは１〜１０重量部、特に好ましくは２〜５重量部で
ある。また、可塑剤の添加量は、好ましくは１〜１０重
量部、特に好ましくは２〜５重量部である。

【００３７】また、膜状の内部電極２ａ，２ｂは、たと
えば図４に示すように、積層前のセラミックシート３の
表面に金属ペーストを塗布することにより形成されてい
る。内部電極２ａ，２ｂを構成するための金属として
は、たとえば白金、パラジウム、銀−パラジウム、銀な
どが例示される。セラミックシート３は、積層状態で焼
成されることから、内部電極２ａ，２ｂを構成するため
の金属ペーストとしては、セラミックスの焼成温度で焼
付け可能な金属ペーストを選択することが好ましい。な
お、金属ペーストには、焼成後にセラミックシート３と
内部電極２ａ，２ｂとの密着強度を向上させるために、
ジルコニア粉末、ガラス粉末、本電歪セラミックスの仮
焼粉末等を混合させるようにしても良い。

【００３８】金属ペーストをセラミックシート３の表面
に塗布形成する際には、図４に示すように、内部電極２
ａ，２ｂの周縁の一端部、または、その長さ方向の中央
部にペースト非塗布部分を設け、内部電極２ａ，２ｂの
端部または中央部に絶縁部４ａ，４ｂの予定部分を形成
する。なお、絶縁部４ａは、形状や位置は特に限定され
ず、セラミックシート３の一角部に形成するようにして
も良い。

【００３９】このような内部電極２ａ，２ｂの膜厚は、
特に限定されないが、焼成後の膜厚で、好ましくは０．
５〜２０μｍ、さらに好ましくは１〜１０μｍである。
なお、金属ペーストの塗布は、スクリーン印刷法、ロー
ラー印刷法等の方法で行なうことができる。

【００４０】そして、このように内部電極２ａ，２ｂが
形成されたセラミックシート３を、図４に示すように、
絶縁部４ａが積層方向に対して左右交互に位置するよう
に複数枚積層した後、積層されたセラミックシート３の
上下に積層されたセラミックシート３を重ね合わせて積
層体を形成する。この積層体を熱プレスで圧着した後、
所定の温度でセラミックシート３を脱脂および焼成する
とともに、内部電極２ａ，２ｂを焼き付け、セラミック
シート３と内部電極２ａ，２ｂとを接着する。なお、脱
脂に先立って積層体をさらに所定の大きさに切断しても
良いが、焼成後に切断するようにしても良い。また絶縁
部４ａを必ずしも左右交互に配置する必要はなく、積層
方向に隣合うセラミックシート間ではずれた位置とな
り、一層おきのセラミックシート間では同じになるよう
に配置すれば良い。また、この積層体を焼成したとして
も、上下のセラミックシート３同士は相互に接着せず、
絶縁部４ａ，４ｂが確実に形成される。

【００４１】一方、積層型圧電素子１は、一方の面では
図２（ａ）に示すように、内部電極２ａが外部電極５ａ
と接続され、内部電極２ｂが外部電極５ｂ，５ｃ，５
ｄ，５ｅとそれぞれ接続されている。ここで、外部電極
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅは、相互に絶縁して形成
されている。

【００４２】また、他方の面では図３に示すように、内
部電極２ａ，２ｂがともに外部電極５と接続されてい
る。この外部電極５は、前記Ａ要素、Ｂ要素およびＣ要
素のすべての内部電極２ａ，２ｂと接続されている。

【００４３】このような外部電極５，５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄ，５ｅは、図３に示すように、一層おき毎の内
部電極２ａ，２ｂの端部を積層方向に連絡するように形
成されている。

【００４４】外部電極５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５
ｅの材料としては、特に限定されないが、たとえば銀、
ハンダ等が用いられる。外部電極５，５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄ，５ｅの形成方法も特に限定されないが、たと
えば銀ペーストを積層方向に沿って塗布後焼付ければ良
い。なお、外部電極５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅの幅は、と
もに内部電極２ｂの長さ方向の幅よりも小さいことが必
要である。

【００４５】Ａ、ＢおよびＣ要素の外部電極５，５ａ，
５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅと内部電極２ａ，２ｂとは、図
３に示すように積層型圧電素子のその長さ方向の側面に
上記材料を塗布することにより、内部電極２ａ，２ｂの
端部を積層方向に一層おき毎に容易に接続することがで
きる。よって、絶縁層を一層おき毎に内部電極の端部に
形成するといった作業を全く必要とせず、かつ絶縁層形
成の不備による不良品の発生といった問題を回避でき
る。

【００４６】次に、積層型圧電素子の下面短縁に設けら
れることがある耐磨耗部について説明する。本発明の他
の実施例に係る積層型圧電素子１には、図５に示すよう
に、その駆動方向に対して前後の下面に耐磨耗部７ａ，
７ｂが設けられている。

【００４７】この積層型圧電素子１が駆動する際には、
耐磨耗部７ａ，７ｂが固定子と接触し、接触部における
摩擦力を利用するので、耐磨耗部７ａ，７ｂは積層型圧
電素子１下面のセラミックシート３に凸状に設けられ
る。また、積層型圧電素子１は、駆動電圧を後記の方法
で印加した場合に、駆動方向に対して前後端部における
楕円運動を駆動力とすることから、駆動方向に対して前
後端部に耐磨耗部７ａ，７ｂが必要である。したがっ
て、耐磨耗部７ａ，７ｂのセラミックシート３の面上の
大きさ等は、特に限定されないが、好ましくは駆動方向
に対して前後端部に一線状に設けられていることが良
い。

【００４８】耐磨耗部７ａ，７ｂの積層方向の厚さは、
特に限定されないが、好ましくは膜状であり、具体的に
は１０〜１０００μｍ、さらに好ましくは１００〜６０
０μｍである。

【００４９】耐磨耗部７ａ，７ｂの材料は、ガラス、セ
ラミックまたはガラスコーティングしたセラミックス等
からなることが好ましく、特に石英ガラスであることが
好ましい。ガラスとしては、石英ガラスの他、たとえば
ソーダガラス、鉛ガラス、パイレックスガラス、クラウ
ンガラス、フリントガラス、重フリントガラスなどが用
いられる。セラミックとしては、たとえばアルミナ、ジ
ルコニア、炭化珪素、窒化珪素、炭化タングステン、炭
化チタンなどが用いられる。

【００５０】また、積層型圧電素子１の駆動の際の振幅
が、通常は１μｍ程度と小さいことから、耐磨耗部７
ａ，７ｂの表面粗さは、小さいことが好ましく、具体的
にはＲａが５〜５０Åの範囲であることが好ましい。

【００５１】このような耐磨耗部７ａ，７ｂは、積層型
圧電素子１下部に、接着剤をなどを用いて設けることが
できる。次に、積層型圧電素子１の駆動について説明す
る。

【００５２】積層型圧電素子は、外部電極５，５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅにリード線を接続して電圧を加え
れば、積層型圧電素子１の積層方向に電界が印加され
る。

【００５３】すなわち、外部電極に電圧を印加すると、
Ａ要素およびＢ要素が逆向きに伸縮し、屈曲２次振動を
励振する。また、Ｃ要素は独立に伸縮し、縦１次振動を
励振する。

【００５４】また、これらのＡ要素、Ｂ要素およびＣ要
素には、それぞれ分極（ポーリング）されており、Ａ要
素とＢ要素とは、逆向きの分極がされている。この積層
型圧電素子１に駆動電圧を、Ａ要素、Ｂ要素に、たすき
状に同じように印加すると、Ａ要素、Ｂ要素により屈曲
振動が励振され、またＣ要素により伸縮振動が励振され
ることにより、積層型圧電素子１は、駆動方向端部にお
いて楕円運動をおこない、駆動力が一定方向に発生す
る。そして、駆動力は積層型圧電素子下部と固定子等と
の接触部、あるいは耐磨耗部と固定子等との接触部に伝
達されるので、接触部で生じる摩擦力によって積層型圧
電素子１は積層型圧電リニアモータとして駆動する。

【００５５】積層型圧電素子１は、種々の方法で駆動さ
せることができるが、この駆動方法の具体的な例として
は以下に記載する方法を挙げることができる。たとえ
ば、図６（ｂ）に示すように、積層型圧電素子１のＡ要
素およびＢ要素には、sinωｔ（ωは角周波数）、Ｃ要
素には、cosωｔ（ωは角周波数）の周波数で電圧を印
加する方法である。ここで、Ａ要素は＋に分極処理され
ており、Ｂ要素は−に分極処理されている。また、Ｃ要
素＋に分極処理されている。

【００５６】このような駆動電圧の印加によって、Ａ要
素が伸びる場合にはＢ要素が縮み、逆にＡ要素が縮む場
合にはＢ要素が伸びる。これにより屈曲振動が励振され
る。この屈曲振動は、駆動方向に対してモータ素子１前
部が凸に屈曲している場合には、後部が凹に屈曲し、逆
に駆動方向に対してモータ素子１前部が凹に屈曲してい
る場合には、後部が凸に屈曲する。また、Ｃ要素は独立
に伸縮して、縦１次振動を励振する。この場合の動作を
図６（ａ）に示す。

【００５７】このように駆動電圧を印加することで、積
層型圧電素子１は、駆動方向端部において楕円運動をお
こない、駆動力が一定方向に発生する。積層型圧電素子
の駆動は、硬質、平滑な板上で行うことが好ましく、た
とえば、ガラス板の上での駆動を挙げることができる。
また、駆動をさせる場合には、楕円運動の力を確実に駆
動力として得られるように、素子の上部に一定の圧力を
掛けておくことが好ましい。

【００５８】このような積層型圧電素子の駆動を、さら
に一層明確にするために、以下の具体例を挙げることが
できる。すなわち、積層方向に、上記Ａ要素およびＢ要
素の内部電極が１３層、Ｃ要素の内部電極が１４層であ
る積層型圧電素子１について駆動試験を行った。この積
層型圧電素子１は、１１５μｍ厚のセラミックシートが
４０枚積層されており、寸法は、長さ×幅×高さ＝２
１．０mm×４．８mm×５．４mmである。また、モータ素
子の上下には、絶縁層を形成してある。

【００５９】積層された内部電極のうち、上下に位置す
る各１３層の要素は、その長さ方向のほぼ中央で２分割
されており、屈曲２次振動を励振する。この上下の４つ
の要素には、たすき状に同じ分極処理が施されている。

【００６０】また、積層された内部電極のうち、中央に
位置する１４層の要素は、縦１次振動を励振する。この
積層型圧電素子１は、縦１次振動と屈曲２次振動との組
合せによって、積層型圧電素子端部を変位の楕円運動さ
せることができるので駆動力が得られる。また、この積
層型圧電素子１の共振周波数は、縦１次振動（Ｌ１）が
７７．０kHz、屈曲２次振動（Ｂ２）が７３．０kHzであ
った。

【００６１】そして、この積層型圧電素子１を用いて、
図７に示すようなリニアモータ動作の駆動試験を行っ
た。ここで、積層型圧電素子には、重し１０を載せて、
駆動力発生のための加圧力とした。この駆動試験はガラ
ス板１１の上で行い、移動速度は止め具１２ａと止め具
１２ｂとの間を２００mmとして、その間の走行距離移動
時間から求めた。また、推力は積層型圧電素子に糸を付
け、その引張り力をフォースゲージによって測定した。

【００６２】駆動試験の結果、駆動周波数７６．６kHz
で、Ｌ１とＢ２ともに駆動電圧が５Ｖ_p-p、加圧力が７
０〜３２０ｇｆのときに５０mm/s以上の移動速度が得ら
れた。

【００６３】また、推力は、加圧力に依存するが、この
駆動試験では、加圧力３２０ｇｆ、駆動電圧が５Ｖ_p-p
のときに最大３８ｇｆの推力が得られた。また、駆動試
験においては、Ａ要素、Ｂ要素の４つの外部電極５ｂ，
５ｃ，５ｄ，５ｅを結線し、１つの電源に接続する、図
８に示す態様もある。

【００６４】一方、この積層型圧電素子の下面短縁に膜
状のガラスからなる耐磨耗部７ａ，７ｂを有する積層型
圧電素子１で同様の駆動試験を行った。この場合にも積
層型圧電素子１端部を楕円運動させることができ、駆動
力が得られる。共振周波数は、縦１次励振（Ｌ１）が７
７．０kHz、屈曲２次励振（Ｂ２）が７３．０kHzであっ
た。

【００６５】そして、この耐磨耗部７ａ，７ｂを有する
積層型圧電素子１を用いて、図６に示すようなリニアモ
ータ動作の駆動試験を上記と同様な方法によって行った
ところ、駆動周波数７６．６kHzで、Ｌ１とＢ２ともに
駆動電圧が５Ｖ_p-pのときに、５０mm/s以上の移動速度
が得られた。また、推力は、加圧力３２０ｇｆ、駆動電
圧が５Ｖ_p-pのときに最大３８ｇｆの推力が得られた。
さらに、ガラス板１１との接触部である耐磨耗部７ａ，
７ｂは、５００回の駆動試験を行っても磨耗による劣化
は生じず、また、セラミックシート３にも磨耗による劣
化は全く生じなかった。

【００６６】したがって、本発明に係る積層型圧電素子
１によれば、従来の単板型等のモータ素子と比較した場
合には、駆動電圧を大幅に低減できるとともに、モータ
の動作速度が速く、大きな推力が得られることがわかっ
た。また、耐磨耗部を有する積層型圧電素子１は、耐久
性に著しく優れることがわかった。

【００６７】

【発明の効果】本発明に係る積層型圧電素子は、積層方
向あるいは駆動方向に複数の振動要素に分割されている
ので、各振動要素を独立に励振させて、駆動に必要な振
動モードを独立かつ容易に得ることができる。

【００６８】また、本発明に係る積層型圧電素子は、内
部電極の端部に形成された空所によって、電界誘起歪の
不均一による応力集中を防止することができるため、耐
久性が大幅に優れるという特徴をも有している。しか
も、絶縁層を一層おき毎に内部電極の端部に形成すると
いった作業を全く必要とせず、かつ絶縁層形成の不備に
よる不良品の発生といった問題を回避できるため、工業
的生産が可能であるという特徴を有している。

【００６９】そして、本発明に係る積層型圧電素子によ
れば、低電圧でも大きな駆動力が得られ、モータの移動
速度あるいは推力が大きく、しかも安定した動作が得ら
れ、さらに磨耗による劣化が少ない等の優れた特性を有
する各種デバイスを提供することができる。

【００７０】さらに、本発明に係る積層型圧電素子によ
れば、動作温度範囲が広い積層型圧電リニアモータを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に示す積層型圧電素子の斜視
図。

【図２】同図（ａ）は、図１に示す積層型圧電素子の長
さ方向の側面図、同図（ｂ）は、同じく長さ方向に要素
区分した側面図。

【図３】図１に示す積層型圧電素子の駆動方向の側面
図。

【図４】セラミックシート３を積層する際の状態を示す
斜視図。

【図５】本発明の他の実施例に示す積層型圧電素子の斜
視図。

【図６】同図（ａ）は、図１に示す積層型圧電素子の駆
動動作の一態様を示す側面図、同図（ｂ）は、その際の
Ａ要素およびＢ要素に印加する駆動電圧を表わした図。

【図７】図１に示す積層型圧電素子の駆動試験の図。

【図８】図１に示す積層型圧電素子の他の駆動試験の
図。

【符号の説明】

１積層型圧電素子Ａ，Ｂ屈曲２次励振用要素Ｃ縦１次励振用要素２ａ，２ｂ内部電極３セラミックシート４ａ，４ｂ絶縁部５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ外部電極７ａ，７ｂ耐磨耗部１０重し１１ガラス板１２ａ，１２ｂ止め具

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−190685（ＪＰ，Ａ) 特開平５−146171（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−230472（ＪＰ，Ａ) 特開平２−41673（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/083

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電歪効果を有する材料を主成分とするセ
ラミックシートを、その内部に内部電極を介装しつつ積
層し、前記内部電極を一層置きに一対の外部電極の一方
とそれぞれ電気的に接続させるようにした積層型圧電素
子において、前記内部電極の内の積層方向の上下に位置する一部を、
その長さ方向のほぼ中央で２分割して、モータ素子全体
を上下各一対の要素と中央の１つの要素との合計５つの
要素に区分し、この各要素の内の内部電極同士を一層置
きに一対の外部電極の一方と、他の内部電極同士を外部
電極の他方とそれぞれ電気的に接続させ、上下の各一対
の要素にたすき状に同じ駆動電圧を印加するようにした
ことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】前記内部電極が一層置きに一対の外部電
極の一方とそれぞれ電気的に接続されており、かつ、外
部電極の他方とはそれぞれ空所を介して電気的に絶縁さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電
素子。
【請求項３】前記積層型圧電素子の下面短縁に、耐磨
耗部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の積層型
圧電素子。
【請求項４】前記耐磨耗部が、ガラスまたはセラミッ
クからなることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧
電素子。
【請求項５】前記耐磨耗部が、膜状のガラスからなる
ことを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
【請求項６】前記積層型圧電素子が、積層型圧電リニ
アモータ用素子であることを特徴とする請求項１に記載
の積層型圧電素子。
【請求項７】電歪効果を有する材料を主成分とするセ
ラミックシートと内部電極とを、中央部分では内部電極
がセラミックシートのほぼ全域を覆い、上下部分では内
部電極がセラミックシートの長さ方向のほぼ中央で２分
割した約半分の領域を個々に覆うように交互に、かつ、
隣合う内部電極では位置をずらしつつ積層して積層体を
形成し、この積層体を焼成し前記内部電極をセラミックシートに
焼き付けた後、前記セラミックシートのほぼ全域を覆う内部電極同士、
および約半分の領域を個々に覆う内部電極同士を一層置
きに一対の外部電極の一方で、他の全ての内部電極同士
を外部電極の他方で電気的に接続することを特徴とする
積層型圧電素子の製造方法。