JP3406899B2

JP3406899B2 - 圧電アクチュエータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3406899B2
Application number: JP2000308988A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 弘久保田; 孝宏山川; 一将阿隅; 雅幸渡邉; 了一福永; 順子関
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP2002118302A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、Ｘ−Ｙス
テージ等の位置決め機構、リニアモータ、回転モータ、
或いはパーツフィーダ等の搬送機等に用いられる、ずり
剪断変形（１５モード）を利用して駆動する圧電アクチ
ュエータおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図６（ａ）・（ｂ）の説明図
に示すように、圧電体９１に１対の分極用電極９２を設
けて分極処理を施し（図６（ａ））、次に分極用電極９
２を除去して、分極方向と直交する方向に電界を印加す
るための駆動用電極９３を形成して、駆動用電極９３に
電圧を印加する（図６（ｂ））と、生ずる駆動電界によ
って圧電体９１に一般的に１５モードと呼ばれる「ずり
剪断変形」が起こることが知られている。

【０００３】また、主に圧電体の厚み−縦変位モード
（３３モード）を用いる素子として、図５に示すよう
な、１層の圧電体９５の厚みを薄くして、内部電極９６
と交互に幾層にも重ねた、いわゆる積層型圧電素子９７
が知られている。内部電極９６は交互に外部電極９８と
接続されて１対とされ、分極と駆動を兼ねて用いられ
る。このような圧電体９５の薄板化と積層化は、電源回
路の負担を低減するために求められている駆動電圧の低
電圧化を実現しつつ、大きな変位量を得る１つの方法で
ある。

【０００４】このような積層型圧電素子の製造方法とし
ては、分極された、または分極されていない圧電体と給
電用金属箔（板）とを交互に重ねて、各層間を樹脂接着
剤等で接合して多層化する方法や、圧電セラミックス粉
末をドクターブレード法や押出成形法等によりシート状
に成形したものに、電極ペーストを用いて所定の電極パ
ターンを印刷等して複数段に積層、一体化し、電極と圧
電セラミックスとを一体同時焼成する方法等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、１５モードに
よる圧電素子の駆動を上述した一体同時焼成型の積層型
圧電素子９７で実現することは、積層型圧電素子９７の
構造そのままにしては不可能である。なぜなら、一体同
時焼成型の積層型圧電素子９７に形成された内部電極９
６を分極用電極として用いた場合には、分極後に内部電
極９６を除去することができないために、積層型圧電素
子９７の側面（外部電極９８が形成されるべき面）に駆
動用電極を形成しても、駆動用電極に印加する電圧によ
る生ずる電界はなお存在する内部電極９６を流れてしま
い、分極された圧電体に電界は印加されないからであ
る。

【０００６】逆に、内部電極９６を駆動用電極として用
いる場合には、積層型圧電素子９７の側面に分極用電極
を形成して電圧を印加しなければならないが、この場合
でも、分極用電極による電界は内部電極９６を流れてし
まい、分極することができない問題がある。

【０００７】従って、１５モードで駆動する圧電体を多
層化する場合には、個々に作製した１５モード素子を樹
脂接着剤等を用いて接合するしか方法がなかった。しか
し、この場合には多層化の作業におけるハンドリングや
生産性の問題から、圧電体の機械的強度を確保するため
に圧電体の厚みを薄くするにも限界があり、そのために
駆動電圧の低電圧化が困難であった。

【０００８】また、板状の１５モード素子を厚み方向に
多層化する場合には、分極処理を側面に形成した電極を
用いて行う必要があるが、例えば、表面の面積が大きい
ために分極用電極間の距離が長くなる場合や、１５モー
ドのずり剪断変形を所定の方向で引き起こすために分極
用電極間の距離が長くなる場合等には、分極電圧として
非常に高い電圧が必要となり、作業安全上、好ましいと
は言えず、また、分極破壊も起こり易くなる。従って、
より低電圧で所定の方向に分極を行うことが可能であれ
ば、好ましいと考えられる。

【０００９】本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み
てなされたものであり、１５モードでの低電圧での駆動
を可能ならしめ、しかも、樹脂接着剤を用いることなく
製造することが可能な積層型の圧電アクチュエータおよ
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、
圧電体と、複数本の導体が略平行に所定間隔で並べられ
てなる電極とが、前記圧電体の厚み方向に交互に積層さ
れてなる圧電アクチュエータであって、前記圧電体は圧
電体の厚み方向に略直交する方向に分極され、前記圧電
体を積層方向に挟んで対向する電極間に駆動電圧を印加
することにより、前記圧電体がずり剪断変形を起こすこ
とを特徴とする圧電アクチュエータ、が提供される。

【００１１】本発明のずり剪断変形（１５モード）を用
いた圧電アクチュエータにおける導体の幅は、圧電体の
厚みの０．２倍以上５倍以下であることが好ましく、こ
れにより、圧電体内における分極の状態が均質化され、
変位特性を向上させることが可能となる。また、同一層
内の全ての導体が接続されてなる電極が積層方向におい
て１層おきに電気的に接続されて、駆動用電極が形成さ
れる。これにより、従来の縦変位モード（３３モード）
を用いた積層型圧電アクチュエータと同様の駆動形態
（電圧印加方法）を用いることが可能となる。略平行に
並べられた導体間の間隔は導体の幅以下であることが好
ましく、これにより分極領域を広く確保することが可能
となり、変位量の拡大、駆動効率の向上が図られる。

【００１２】本発明によれば、上述した１５モードを用
いた圧電アクチュエータの製造方法が提供される。即
ち、圧電体と、複数本の導体が略平行に所定間隔で並べ
られてなる電極とが、前記圧電体の厚み方向に交互に積
層されてなる圧電アクチュエータの製造方法であって、
第２ｎ−１（ｎ：自然数）層に位置する１本の導体を第
１電極とし、第２ｎ層において前記第１電極から所定距
離ほど離れて位置する１本の導体を第２電極とし、前記
第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記
第１電極と前記第２電極の間の圧電体に、前記圧電体の
厚み方向に略垂直な方向に分極を形成する第１工程と、
前記第１電極と前記第２電極との距離を前記所定距離に
保つことが可能であり、かつ、分極方向を同じとするこ
とができる全ての導体について前記第１電極と前記第２
電極の組を同一層において逐次形成して、前記第１工程
に従って分極処理を行う第２工程と、前記第２ｎ−１層
直下の圧電体に形成される分極の向きと、前記第２ｎ層
直下の圧電体に形成される分極の向きとが逆向きとなる
ように、全ての自然数ｎについて前記第１工程および第
２工程を行う第３工程と、全ての自然数ｎについて、前
記第２ｎ層に位置する全ての導体を接続し、また、前記
第２ｎ−１層に位置する全ての導体を接続して、駆動用
の正極および負極を形成する第４工程と、を有すること
を特徴とする圧電アクチュエータの製造方法、が提供さ
れる。

【００１３】このような製造方法を用いた場合には、分
極処理を１回で行おうとした場合に分極用電極間の距離
が長くなって分極電圧が大きくなってしまう場合にも、
分極処理回数は複数回と多くなるが、分極方向をほぼ同
じ方向としたまま分極電圧を下げることが可能となり、
分極破壊が抑制されて、作業安全性が確保されるように
なる利点がある。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は、本発明の圧電アク
チュエータの一実施形態を示す断面図である。圧電アク
チュエータ１０は、圧電体１２と、複数本の導体１１が
略平行に所定間隔で並べられてなる電極とが、圧電体１
２の厚み方向に交互に積層された構造を有する。同一層
内に存在する全ての導体１１は接続されて１層の内部電
極を形成しており、こうして形成される内部電極はさら
に積層方向に１層おきに図示しない外部電極によって接
続され、１組の駆動用電極１３がされている。

【００１５】圧電体１２は矢印Ｓで示されるように圧電
体１２の厚み方向に略直交する方向に分極されている。
従って、図１（ｂ）に示すように、圧電体１２を厚み方
向に挟んで対向する導体１１間、つまり駆動用電極１３
間に電圧を印加し、圧電体１２に矢印Ｅで示される電界
をかけると、各層の圧電体１２が同じ向きに１５モード
による「ずり剪断変形」を起こし、図１（ｂ）中の点線
で示されるように、各圧電体１２の変位量が合計された
変位が得られる。なお、図１（ａ）・（ｂ）において
は、圧電体１２の間に導体１１が挟まれ、導体１１間が
空間となって示されているが、導体１１が圧電体に埋設
され、導体１１間に圧電体が存在する形態であっても構
わない。

【００１６】このような構造を有する圧電アクチュエー
タ１０について、最初に、表面に導体１１ａ・１１ｂが
それぞれ形成された板状の圧電体１２ａ・１２ｂを樹脂
接着剤等を用いて多層化し、作製する工程を通じて、そ
の構造を詳しく説明する。なお、本発明の圧電アクチュ
エータに用いられる圧電体材料に制限はなく、圧電セラ
ミックス、単結晶圧電体、高分子圧電体等の種々の材料
を用いることができるが、以下、１５モードの圧電定数
ｄ_１５が大きく、ハンドリング性に優れる圧電セラミッ
クスを用いた場合について説明することとする。

【００１７】図２は、圧電アクチュエータ１０の製造工
程を示す説明図である。図２（ａ）の平面図に示すよう
に、まず、一方向に長い形状、例えば、線状もしくは帯
状または棒状等の導体１１ａ・１１ｂがそれぞれ所定の
間隔Ｗで略平行に並べられて表面に形成された薄い板状
の圧電体１２ａ・１２ｂを所定枚数準備する。ここで、
導体１１ａ・１１ｂの長さ方向をＹ方向とし、導体１１
ａ・１１ｂが並べられた方向をＸ方向とする。

【００１８】圧電体１２ａ・１２ｂとしては、圧電定数
ｄ_１５が大きい材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）を主成分とした圧電セラミックスからなるも
のが好適に用いられる。このような圧電体１２ａ・１２
ｂは、圧電セラミックス粉末を用いて、プレス成形法、
押出成形法、射出成形法等の種々の成形法を用いて所定
形状に成形し、そして焼成し、さらに必要に応じて加工
を施して所定形状とすることで作製することができる。
また、作製された圧電体１２ａ・１２ｂの表面に、例え
ば、スクリーン印刷法を用いて銀ペースト等を所定のパ
ターンで印刷し、焼成することにより導体１１ａ・１１
ｂを形成することができる。

【００１９】圧電体１２ａ・１２ｂを積層したときに、
導体１１ａ・１１ｂが対向する側面に露出するように、
かつ、積層方向（Ｚ方向とする）から投視した場合に、
導体１１ａ・１１ｂがそれぞれ重なり合うように、圧電
体１２ａ・１２ｂを絶縁性の樹脂接着剤等を用いて交互
に積層し、一体化する。図２（ｂ）はこうして得られる
積層体の断面図であり、５層の圧電体１２ａ・１２ｂの
みを示しているが、このような積層数に限定されるもの
でないことは言うまでもない。

【００２０】なお、導体１１ａが形成された圧電体１２
ａと導体１１ｂが形成された圧電体１２ｂについて、同
一の形態を有するもの１種類のみを準備し、その導体が
対向する側面に露出し、かつ、積層方向から投視した場
合に導体が重なり合うように圧電体の向きを１８０°ず
つ変えながら圧電体を積層してもよい。この場合には、
異なる形態を有する圧電体を準備する必要がなくなり、
製造工程が簡略化される利点がある。

【００２１】圧電体１２ａ・１２ｂの厚みは、このよう
な積層一体化処理のハンドリングの問題上、約０．５ｍ
ｍ以上あることが好ましい。これに対して、導体１１ａ
・１１ｂの厚みは数μｍで足りる。図２（ｂ）において
は以下の説明を容易とし、導体１１ａ・１１ｂの位置を
明確に示すために、導体１１ａ・１１ｂの厚みを厚く記
している。このことは、先に示した図１についても同様
である。

【００２２】導体１１ａ・１１ｂ自体の幅（Ｘ方向の
幅）は、圧電体１２ａ・１２ｂの厚みの０．２倍以上５
倍以下とすることが好ましい。これは、導体１１ａ・１
１ｂ自体の幅が広い場合には、後述する圧電体１２ａ・
１２ｂの分極処理を行う際に、導体１１ａ・１１ｂの幅
に起因して電界の強さに幅が生じ、分極される強さに偏
りが生じて、良好な圧電特性が得られ難くなるからであ
る。

【００２３】また、導体１１ａ間および導体１１ｂ間の
間隔Ｗも狭いことが好ましく、導体１１ａ・１１ｂ自体
の幅以下とすることが好ましい。このように間隔Ｗを狭
く取ることによって、圧電体１２ａ・１２ｂ中の分極さ
れる領域が広くなり、大きな変位量を得ることが可能と
なる。

【００２４】続いて、作製された積層体に分極処理を施
す。ここで、図２（ｂ）に示されるように、作製された
積層体においては、積層体の上部を基準として積層体の
第２ｎ−１（ｎ：自然数）層、つまり奇数層には圧電体
１２ａが位置し、偶数層である第２ｎ層に圧電体１２ｂ
が位置している。また導体１１ａ・１１ｂについても同
様に、奇数層には導体１１ａが位置し、偶数層には導体
１１ｂが位置している。従って、奇数層の導体１１ａ直
下には奇数層の圧電体１２ａが位置している。

【００２５】そこで、まず、第１層（ｎ＝１）に位置す
る導体１１ａの内の１本の導体、例えば、図２（ｃ）中
の左端位置Ｐ１にある導体を第１電極とし、第２層（ｎ
＝２）において第１電極から所定距離Ｄほど離れて右側
に位置する１本の導体、例えば、図２（ｃ）中の位置Ｐ
５にある導体を第２電極とする。そして、これら第１電
極と第２電極との間に所定の電圧を印加して分極処理を
行う。つまり、図２（ｃ）中のＸ方向左側に位置する第
１電極が、Ｘ方向右側に位置する第２電極よりも高電圧
となるように電圧を印加すると、圧電体１２ａには図２
（ｃ）中の矢印Ｓ_１で示される分極が形成される。

【００２６】この矢印Ｓ_１で示される分極方向は圧電体
１２ａの厚み方向に略垂直な方向、即ち、Ｘ方向と一致
はしないがＸ方向と略平行な方向とすることができ、第
１電極と第２電極との距離を長く取ることによって、矢
印Ｓ_１で示される分極方向をＸ方向に近接させることが
可能となる。そして、分極方向がＸ方向と平行に近くな
るほど、駆動時に大きな変位量を得ることが可能とな
る。但し、第１電極と第２電極との距離を長く取ると、
分極処理に必要な電圧も大きくなる。逆に、第１電極と
第２電極との距離を適切に設定することで、低い分極電
圧で良好な分極を形成することが可能となる。

【００２７】このようにして、同一の層において、第１
電極と第２電極との距離を所定距離に保つことが可能で
あり、かつ、分極方向を同じとすることができる全ての
導体１１ａ・１１ｂについて第１電極と第２電極の組を
逐次形成して、同様に分極処理を行う。例えば、第１層
の位置Ｐ２に位置する導体を第１電極とし、第２層の位
置Ｐ６に位置する導体を第２電極とするように、Ｘ方向
に位置をずらしながら第１電極と第２電極の組を逐次形
成して、分極処理を行う（図２（ｄ））。このようにし
て複数回に分けて第１層の圧電体１２ａに分極処理を施
すことによって、全体として矢印Ｓで示される分極が形
成される。

【００２８】第１層の圧電体１２ａの分極が終了した後
には、第２層の圧電体１２ｂの分極処理を行う。このと
きに、第１層の圧電体１２ａに形成される分極の向き
と、第２層の圧電体１２ｂに形成される分極の向きとが
Ｘ方向であっても逆向き（矢印Ｓ_２で示す向き）となる
ように、第２層の導体１１ｂと第３層の導体１１ａに電
圧を印加し、全体として矢印Ｓ’で示される分極を形成
する（図２（ｅ））。

【００２９】第２層の圧電体１２ｂを図２（ｅ）に示さ
れるように分極するためには、圧電体１２ｂを挟んで所
定間隔Ｄほど離れて位置する導体１１ａ・１１ｂ、例え
ば、第２層の位置Ｐ１０の導体１１ｂと第３層の位置Ｐ
１４にある導体１１ａについて、第３層の導体１１ａの
電圧が第２層の導体１１ｂの電圧よりも高くなるように
して、しかも電圧の高い導体１１ａ（第１電極）が図２
（ｅ）中のＸ方向右側となるように、電圧の低い導体１
１ｂ（第２電極）が図２（ｅ）中のＸ方向左側となるよ
うに、第１電極と第２電極の組を逐次形成し、分極処理
を行えばよい。第１電極と第２電極の組の形成は、図２
（ｅ）に示すようにＸ方向右側（位置Ｐ１４側）から行
ってもよく、逆にＸ方向左側（位置Ｐ１側）から行って
もよい。

【００３０】このようにして、第２ｎ−１層の導体１１
ａの電圧を第２ｎ層の導体１１ｂよりも高く設定しなが
ら、逐次、第３層以降の圧電体１２ａ・１２ｂに分極処
理を施すことにより（図２（ｆ））、図１記載の圧電ア
クチュエータ１０と同じ形態に分極が施される。なお、
最初に第１層の導体１１ａの電圧を第２層の導体１１ｂ
よりも低く設定した場合には、当然にその後は、第２ｎ
−１層の電圧が第２ｎ層よりも低くなるように設定しな
がら分極処理を行う。

【００３１】導体１１ａ・１１ｂに挟まれた圧電体１２
ａ・１２ｂ全てに分極処理が終了した後には、導体１１
ａ・１１ｂが露出した積層体の側面を利用して、導体１
１ａどうし、導体１１ｂどうしをそれぞれ接続して導通
させる。こうして、導体１１ａ・１１ｂは駆動用電極と
して用いることが可能となる。導体１１ａ・１１ｂ間に
駆動電圧を印加し、図２（ｇ）中に矢印Ｅで示すＺ方向
の電界を加えることによって、圧電体１２ａ・１２ｂの
各層は同じ方向に１５モードで歪み、図２（ｇ）におい
て点線で示したように、各層の変位量を合計した剪断変
形による変位量を積層体で得ることが可能となる。

【００３２】なお、図２（ｇ）において第５層の圧電体
１２ａ自体は分極されておらず、また、電界も印加され
ないために剪断変形はしないが、第４層の圧電体１２ｂ
とともにスライドする。第５層の圧電体１２ａと同様
に、第１層側にも分極されない圧電体等を接合させてお
いてもよい。

【００３３】また、図２に示した製造方法によれば、圧
電体１２ａ・１２ｂについて、位置Ｐ１〜Ｐ４の範囲と
位置Ｐ１１〜Ｐ１４の範囲は、位置Ｐ５〜Ｐ１０の範囲
に比べて分極の大きさが小さくなっていると考えられ
る。このため、例えば、分極終了後に位置Ｐ１〜Ｐ４の
範囲と位置Ｐ１１〜Ｐ１４の範囲を切断等により切り離
し、位置Ｐ５〜Ｐ１０の範囲のみを圧電アクチュエータ
として用いてもよい。

【００３４】さて、上記実施の形態においては圧電体１
２ａ・１２ｂを１層ずつ、しかも１回の分極処理を、１
対の第１電極と第２電極を選択して行ったが、１度に複
数対の第１電極と第２電極を選択して分極処理を行うこ
とも可能である。この場合、分極処理時間が短縮され、
生産効率が向上する。

【００３５】図３は分極方法の別の形態を示す説明図で
あり、例えば、最初に第１層の圧電体１２ａを分極する
にあたって、位置Ｐ１にある第１層の導体１１ａと位置
Ｐ５にある第２層の導体１１ｂとの間に電圧を印加して
分極を施す際に、位置Ｐ９にある第３層の導体１１ａに
位置Ｐ１にある第１層の導体１１ａと同じ電圧をかける
（図３（ａ））。これにより、第１層の圧電体１２ａの
所定部分のみならず、第２層の圧電体１２ｂの所定部分
が分極される。

【００３６】続いて、位置Ｐ２にある第１層の導体１１
ａと位置Ｐ６にある第２層の導体１１ｂ、位置Ｐ１０に
ある第３層の導体１１ａを選択して、位置Ｐ１および位
置Ｐ１０にある導体１１ａを同電位として位置Ｐ６にあ
る導体１１ｂとの間に電圧をかける。そして、このよう
な導体１１ａ・１１ｂの組合せで、図３（ｂ）に示すよ
うに、導体１１ａ・１１ｂの一方が右端に達するまで分
極処理を行う。

【００３７】その後は、例えば、図３（ｃ）に示すよう
に、最初に第１層の圧電体１２ａについてのみ残る電
極、つまり位置Ｐ７〜Ｐ１０にある第１層の導体１１ａ
と位置Ｐ１１〜Ｐ１４にある第２層の導体１１ｂを用い
て、逐次、分極を行い、その後に図３（ｄ）に示すよう
に、第２層の圧電体１２ｂについて、残る位置Ｐ５〜Ｐ
８にある第３層の導体１１ａと位置Ｐ１〜Ｐ４にある第
２層の導体１１ｂを用いて、逐次、分極を行う。このよ
うな分極方法を用いることにより、分極処理時間が短縮
される。

【００３８】なお、図３（ｃ）・（ｄ）に示すように、
図３（ｂ）後の分極処理を第１層の圧電体１２ａと第２
層の圧電体１２ｂの未分極領域について同時に行わなか
った理由は、このような未分極領域について同時に分極
処理を行うためには第２層の導体１１ｂに２箇所の等電
位点を設けなければならなくなり、第１層または第３層
の導体１１ａがこれら２箇所の導体１１ｂと回路を構成
して、先に形成した分極を消去するような向きの分極を
生じさせてしまうことを回避するためである。

【００３９】従って、圧電アクチュエータ１０の製造工
程における分極処理は、隣接したまたは隔離した複数層
の圧電体に対して、複数の電極対を選択して行うことが
可能であるが、その場合に注意すべきことは、ある電極
対の負極と別の電極対の正極との間にかかる電圧によ
り、先に形成された分極が消去されたり、不要な分極が
生じないように複数の電極対の位置を適切に定めること
である。

【００４０】上述のように、導体１１ａ・１１ｂが形成
された圧電体１２ａ・１２ｂを用いて圧電アクチュエー
タ１０を作製することが可能であるが、この場合には、
作製工程におけるハンドリング上の問題から圧電体１２
ａ・１２ｂを薄くするにも限度があり、例えば、０．５
ｍｍ以下とすることは困難である。また、この場合に
は、分極電圧や駆動電圧の低電圧化が困難であるという
問題もある。

【００４１】そこで、生産性に優れ、圧電体の薄膜化が
容易であるグリーンシートを用いた一体焼成法による圧
電アクチュエータ１０の作製方法の一実施形態につい
て、図４の説明図を参照しながら説明する。

【００４２】セラミックス粉末を用いて、ドクターブレ
ード法や押出成形法等により所定厚みのグリーンシート
を成形する。このような方法によれば、数百μｍ以下の
グリーンシートを容易に得ることができ、圧電体を薄板
化して、駆動電圧を低下させることが可能となる。例え
ば、成形時に５０〜６０μｍであって、焼成後は４０〜
５０μｍ程度の薄板となるグリーンシートも容易に得る
ことができ、前述した樹脂接着剤を用いて圧電体を積層
する場合と比較すると、駆動電圧を約１／１０に落とす
ことも可能である。

【００４３】得られたグリーンシートに打ち抜き加工等
を施して所定形状とし、スクリーン印刷法等を用いて、
所定のパターンを印刷する。図４（ａ）は、パターンが
形成されたグリーンシート２０の平面図である。グリー
ンシート２０は、圧電アクチュエータとして動作させる
こととなる素子部３０と分極処理の際に電源と接続する
ために用いることとなる端子部４０から構成されてお
り、素子部３０には、分極用および駆動用の電極となる
略線状の導体２１が所定間隔で平行に並べられて形成さ
れている。また、端子部４０には、電極リード２２と端
子２３からなる分極用リードが導体２１と導通するよう
に形成されている。分極用リードの形態は図４（ａ）に
示されるものに限定されるものではない。

【００４４】所定枚数のグリーンシート２０を、積層方
向から投視した場合に導体２１が重なり合い、素子部３
０においては全てのグリーンシート２０が重なり合う
が、端子部４０は１層おきに重なり合うように互い違い
に積層する。従って、積層方向において上下に隣接する
端子部４０の間には、１枚グリーンシート２０の厚み分
の間隙が存在する。積層されたグリーンシート２０を熱
プレス等を用いて一体化する。こうして、図４（ｂ）の
平面図に示すように、端子部４０が対向する側面におい
て交互に露出した状態の積層体２４が得られる。

【００４５】積層体２４を焼成することで、グリーンシ
ート２０は焼結して圧電体２０ａとなり、導体２１も焼
結して良導体となる。こうして導体２１が圧電体２０ａ
に埋設されるかたちで、圧電体２０ａと導体２１が一体
的に形成された積層体２４ａを得ることができる。この
ような一体焼成法を用いる場合には、導体２１、電極リ
ード２２、端子２３といった金属材料の焼成温度とグリ
ーンシート２０（圧電セラミックス）の焼成温度を適合
させる必要があることから、圧電セラミックスにＰＺＴ
を用いた場合には、例えば、金属材料として、銀（Ａ
ｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金、パラジウム、白金（Ｐ
ｔ）が好適に用いられる。

【００４６】得られた積層体２４ａの分極処理にあたっ
ては、先に図２を参照しながら説明した方法を用いるこ
とができる。積層体２４ａの表面には、第１層と第２層
の圧電体２０ａにおける端子部４０が露出しているか
ら、これらの端子部４０を利用すれば、電源と端子２３
との接続が容易である。例えば、図４（ｃ）の平面図に
示されるように、図４（ｃ）左側の位置Ｐ１にある第１
層の端子２３と、図４（ｂ）右側の位置Ｐ５にある第２
層の端子２３との間に所定の電圧を印加することによ
り、前記図２（ｃ）と同様に分極処理を行うことがで
き、さらに前記図２（ｄ）に従って第１層の圧電体２０
ａを分極することができる。

【００４７】第１層の圧電体２０ａの分極が終了した後
には、第１層の圧電体２０ａにおける端子部４０を機械
加工やレーザ加工等を用いて素子部３０から切り離す。
こうして、図４（ｄ）の平面図に示すように、第３層の
圧電体２０ａに形成されている端子部４０が表面に現れ
る。そこで、例えば、図４（ｄ）左側の位置Ｐ１４にあ
る第３層の端子２３と、図４（ｄ）右側の位置Ｐ１０に
ある第２層の端子２３との間に所定の電圧を印加するこ
とにより、前記図２（ｅ）と同様に第２層の圧電体２０
ａの分極処理を行うことができる。

【００４８】第２層の圧電体２０ａの分極が終了した後
に、第２層の圧電体２０ａの端子部４０を素子部３０か
ら切り離すと、第４層の圧電体２０ａの端子部４０が露
出するから、以降、第３層の端子部４０と第４層の端子
部４０を用いて分極を行う。このように１層の圧電体２
０ａの分極が終了した後に、逐次、最上部に露出してい
る端子部４０を切り離して、表面に露出した２箇所の端
子部４０を利用して分極処理を行う。全ての圧電体２０
ａについて分極を終了した後には、図４（ｅ）の平面図
に示されるように、素子部３０のみが残るように切断等
の加工を行い、素子体２４ｂを得る。

【００４９】１枚のグリーンシート２０に形成されてい
た導体２１の全てを図４（ｆ）の側面図に示すように外
部電極２５により接続し、さらに１層おきに接続する。
こうして圧電アクチュエータ１０が作製され、形成され
た外部電極２５間に駆動電圧を印加することにより、素
子体２４ｂに図４（ｆ）中の点線で示すような剪断変形
を起こさせることが可能となる。なお、図４（ｆ）にお
いては、外部電極２５は一方のみ図示し、他方は紙面の
背面に形成しているために図示していない。外部電極２
５は、分極状態に悪影響を及ぼさないように、低温で形
成可能な導電性樹脂ペースト等を用いて形成することが
できる。

【００５０】このようにして作製される圧電アクチュエ
ータ１０の駆動は、静的制御、つまり徐々に駆動電圧を
増減して所定の変位量が得られるように変位量を制御す
る方法と、動的制御、つまり所定の周波数で連続的に変
位させる制御方法のいずれの方法をも用いることがで
き、両者を組み合わせた制御も、もちろん可能である。
例えば、精密位置決め用のＸ−Ｙステージや、リニアモ
ータ、回転モータ、インチワーム型の送り機構等では、
大きく移動させる場合に動的制御を用い、静止動作の際
に精密な位置制御を行うために静的制御を行うように動
作させることができる。また、パーツフィーダ等では通
常は動的制御を用いて動作させる。

【００５１】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明は上記形態に限定されるものではな
い。例えば、圧電体への導体（電極）の形成方法につい
ては、スクリーン印刷法以外にも、圧電体の表面にダイ
シングやレーザ加工等の方法を用いて溝を形成してお
き、形成された溝に電極材を埋設形成する方法を用いて
もよい。

【００５２】また、グリーンシートを用いた一体焼成法
を行う場合に、図４（ａ）に示したように、グリーンシ
ート２０に分極時に使用される端子部４０を設けること
は必ずしも必要ではなく、焼成して得られた素子体２４
ｂの側面に露出した導体２１に直接に電源の端子を固定
して、分極を行っても構わない。さらに、図４（ｅ）で
は、対向する側面に全ての導体２１が露出するように加
工して素子体２４ｂを得たが、一方の側面には奇数番目
の層の導体のみが露出し、他方の側面には偶数番目の層
の導体のみが露出するように、図４（ａ）に示した電極
リード２２の一部分を残すように加工を行って素子体を
得てもよい。この場合には、外部電極を素子体の側面全
体を利用して容易に形成することができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明の圧電アクチュエータとその製造
方法によれば、一体焼成法を用いて作製することが不可
能であった１５モードで駆動可能な積層型の圧電アクチ
ュエータを得ることが可能となるという優れた効果が得
られる。このような圧電アクチュエータは、圧電体の厚
みが薄いために低電圧駆動が可能であり、しかも積層構
造に起因して大きな変位量が得られるという効果を奏
し、さらに、一体焼成法を用いることによって生産性が
高められるといった効果を奏する。さらに、分極処理電
圧を小さくすることも可能であり、分極破壊が抑制され
て、高電圧を用いる分極作業時の安全性が確保されるよ
うになるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態およ
び変位の形態を示す断面図。

【図２】本発明の圧電アクチュエータの製造方法の一実
施形態を示す説明図。

【図３】図２記載の分極方法と異なる別の分極方法を示
す説明図。

【図４】本発明の圧電アクチュエータの製造方法の別の
実施形態を示す説明図。

【図５】従来公知の積層型圧電素子の構造の一例を示す
断面図。

【図６】１５モード変位の説明図。

【符号の説明】

１０；圧電アクチュエータ１１・１１ａ・１１ｂ；導体１２・１２ａ・１２ｂ；圧電体２０；グリーンシート２０ａ；圧電体２１；導体２２；電極リード２３；端子２４；積層体２５；外部電極３０；素子部４０；端子部Ｅ；駆動電界の向きＳ・Ｓ’；分極の向き

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山川孝宏千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者阿隅一将千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者渡邉雅幸千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者福永了一千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者関順子千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (56)参考文献特開平３−183371（ＪＰ，Ａ) 特開平３−94487（ＪＰ，Ａ) 特開平10−233538（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/083 H01L 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体と、複数本の導体が略平行に所定
間隔で並べられてなる電極とが、前記圧電体の厚み方向
に交互に積層されてなる圧電アクチュエータであって、前記圧電体は圧電体の厚み方向に略直交する方向に分極
され、前記圧電体を積層方向に挟んで対向する電極間に駆動電
圧を印加することにより、前記圧電体がずり剪断変形を
起こすことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記導体の幅が前記圧電体の厚みの０．
２倍以上５倍以下であり、かつ、同一層内の全ての導体
が接続されてなる電極が前記圧電体の厚み方向において
１層おきに電気的に接続されていることを特徴とする請
求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】略平行に並べられた前記導体間の間隔
が、前記導体の幅以下であることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】圧電体と、複数本の導体が略平行に所定
間隔で並べられてなる電極とが、前記圧電体の厚み方向
に交互に積層されてなる圧電アクチュエータの製造方法
であって、第２ｎ−１（ｎ：自然数）層に位置する１本の導体を第
１電極とし、第２ｎ層において前記第１電極から所定距
離ほど離れて位置する１本の導体を第２電極とし、前記
第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、前記
第１電極と前記第２電極の間の圧電体に、前記圧電体の
厚み方向に略垂直な方向に分極を形成する第１工程と、前記第１電極と前記第２電極との距離を前記所定距離に
保つことが可能であり、かつ、分極方向を同じとするこ
とができる全ての導体について前記第１電極と前記第２
電極の組を同一層において逐次形成して、前記第１工程
に従って分極処理を行う第２工程と、前記第２ｎ−１層直下の圧電体に形成される分極の向き
と、前記第２ｎ層直下の圧電体に形成される分極の向き
とが逆向きとなるように、全ての自然数ｎについて前記
第１工程および第２工程を行う第３工程と、全ての自然数ｎについて、前記第２ｎ層に位置する全て
の導体を接続し、また、前記第２ｎ−１層に位置する全
ての導体を接続して、駆動用の正極および負極を形成す
る第４工程と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方
法。