JP4905625B2 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、主としてシート状の圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層されて成る積層体の側面に露呈された内部電極の端部を一層毎に絶縁部で絶縁し、且つ絶縁部で絶縁されずに一層毎に露呈された内部電極の端部を絶縁部上を通って互いに繋がるように外部電極により帯状に接続して構成される積層型圧電アクチュエータであって、詳しくは多方向への変位が可能な構造の積層型圧電アクチュエータに関する。

従来、この種の積層型圧電アクチュエータとしては、例えば図４に示されるような構成のもの（特に文献公知に係る発明でないが、一般的に周知な構造のもの）が挙げられる。又、図５は、この積層型圧電アクチュエータにおける積層構造の細部を各層を分解して示した外観斜視図である。

図４及び図５を参照すれば、この積層型圧電アクチュエータ１０は、片方の主面の全面に内部電極２５が積層された圧電セラミックスシート１１を所定数積層すると共に、最上層には内部電極２５が積層されていない圧電セラミックスシート１１を配置して成る積層体において、対向する側面に露呈された各内部電極２５の端部を一層毎に対向する側面で互い違いにガラス等の絶縁材による絶縁部１４でそれぞれ絶縁し、且つ絶縁部１４により絶縁されずに一層毎に対向する側面で互い違いに露呈された各内部電極２５の端部をそれぞれ各絶縁部１４上を通って繋がるように外部電極３９，４０により帯状に接続して構成されている。即ち、図４を参照して換言すれば、この積層型圧電アクチュエータの場合、技術的概要として、シート状の圧電セラミックス１２と内部電極２５とを交互に積層して成る積層体（尚、ここでの圧電セラミックス１２は、後述するように積層体の一体化焼成により得られるものとしているため、素材の圧電セラミックスシート１１とは区別している）の側面に露呈された内部電極２５の端部を一層毎に絶縁部１４で絶縁し、且つ絶縁部１４により絶縁されずに一層毎に露呈された内部電極２５の端部を各絶縁部１４上を通って繋がるように外部電極３９，４０により帯状に接続して構成された部分を持つものとみなすことができる。

このような積層型圧電アクチュエータ１０を製造する場合、一般的には圧電セラミック粉末にバインダ及び有機溶剤等を混合して泥状にしたスラリーをドクターブレード法により成膜したグリーンシート（圧電セラミックスシート１１）上に内部電極２５となる金属ペーストをスクリーン印刷し、係る工程を所定回数繰り返して最上層にグリーンシート（圧電セラミックスシート１１）が配置されるように積層して圧着してから一体化焼結することにより積層体母材を作製し、この積層体母材を対向する側面で内部電極２５が露出するように所定の寸法で切断して所定数の積層体を得た後、各積層体における対向する側面で露呈する内部電極２５の端部に対して一層毎に対向する側面で互い違いとなるようにガラスによる絶縁部１４を形成し、最後に絶縁部１４により絶縁されずに対向する側面で互い違いに露呈する内部電極２５の端部を各絶縁部１４上を含めてこれらの上から外部電極３９，４０となる金属ペーストを塗布して覆い、焼き付けすることによって作製を完了する。

因みに、ここでの積層型圧電アクチュエータ１０の製造方法は、積層セラミックコンデンサの製造方法を応用したものであり、製造面で安価に量産できるという特色がある。

上述した積層型圧電アクチュエータの場合、一般に圧電セラミックスシートを多数積層するようにすれば、その分電界を印加したときの変位を大きくすることができるが、変位の特性は構造的に積層の長さ方向に伸縮するだけであり、他方向には変位しないという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、多方向への変位が可能な積層型圧電アクチュエータを提供することにある。

本発明によれば、シート状の圧電セラミックスと内部電極とが交互に長さ方向に積層されて成る積層体の側面に露呈された該内部電極の端部を一層毎に絶縁材による絶縁部で絶縁し、且つ該絶縁部により絶縁されずに一層毎に露呈された該内部電極の端部を該絶縁部上を通って繋がるように外部電極により帯状に接続して構成される積層型圧電アクチュエータにおいて、積層体は、圧電セラミックス上に内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て下半分の位置に設けた第１の電極パターンを有する第１のシート、該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て上半分の位置に設けた第２の電極パターンを有する第２のシート、該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て左半分の位置に設けた第３の電極パターンを有する第３のシート、及び該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て右半分の位置に設けた第４の電極パターンを有する第４のシートを積層して成ると共に、長さ方向と垂直な断面形状が四角形を成すものであって、更に、長さ方向における半分側では第１のシートと第２のシートとを交互に積層し、且つ残り半分側では第３のシートと第４のシートとを交互に積層して成り、前記第１のシート〜前記第４のシートは、各々が前記外部電極間で分極され、全てのシートに前記分極方向または分極時と逆方向の電界を印加することにより、積層方向に伸長または縮小し、前記第１のシートと前記第２のシート、または前記第３のシートと前記第４のシートの間で互いに逆方向の電界を印加すると、分極時と逆方向に電界を印加したシートの前記外部電極側に変位するように構成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。

又、本発明によれば、上記積層型圧電アクチュエータにおいて、絶縁部は、積層体の半分側における一つの対向する側面で第１のシート及び第２のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部と、積層体の残り半分側における他の対向する側面で第３のシート及び第４のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁することにより並設されて成り、外部電極は、積層体の半分側における一つの対向する側面で第１のシート及び第２のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部と、積層体の残り半分側における他の対向する側面で第３のシート及び第４のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁部上を通って繋がるように帯状に接続することにより並設されて成る積層型圧電アクチュエータが得られる。

更に、本発明によれば、上記何れかの積層型圧電アクチュエータにおいて、積層体は、長さ方向と垂直な断面形状が長方形又は正方形を成すものである積層型圧電アクチュエータが得られる。

本発明の積層型圧電アクチュエータの場合、シート状の圧電セラミックス上に異なる位置パターンの内部電極を設けた第１のシート乃至第４のシートを要し、積層方向（長さ方向）における半分側では第１のシートと第２のシートとを交互に積層し、且つ残り半分側では第３のシートと第４のシートとを交互に積層して成る積層構造であると共に、積層方向である長さ方向と垂直な断面形状が四角形を成す積層体において、絶縁部については、半分側における一つの対向する側面で第１，第２のシートの積層により露呈された内部電極の各端部と、残り半分側における他の対向する側面で第３，第４のシートの積層により露呈された内部電極の各端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁することにより並設され、外部電極については、半分側における一つの対向する側面で第１，第２のシートの積層により露呈された内部電極の各端部と、残り半分側における他の対向する側面で第３，第４のシートの積層により露呈された内部電極の各端部とを一層毎に同一面において互い違いに各絶縁部上を通って繋がるように帯状に接続することにより並設される構造としているため、各側面に総計８個設けられた外部電極へ印加する電圧を選択的に変えて各内部電極を通電・駆動することにより、従来に無く多方向への変位が可能な構造が得られるようになる。

本発明の最良の形態に係る積層型圧電アクチェータは、シート状の圧電セラミックスと内部電極とが交互に長さ方向に積層されて成る積層体の側面に露呈された内部電極の端部を一層毎に絶縁材による絶縁部で絶縁し、且つ絶縁部により絶縁されずに一層毎に露呈された内部電極の端部を絶縁部上を通って繋がるように外部電極により帯状に接続して構成される基本構造のものにおいて、積層体については、圧電セラミックス上に内部電極を約半分の面積で長さ方向における上方から見て上半分の位置に設けた第１の電極パターンを有する第１のシート、圧電セラミックス上に内部電極を約半分の面積で長さ方向における上方から見て下半分の位置に設けた第２の電極パターンを有する第２のシート、圧電セラミックス上に内部電極を約半分の面積で長さ方向における上方から見て左半分の位置に設けた第３の電極パターンを有する第３のシート、及び圧電セラミックス上に内部電極を約半分の面積で長さ方向における上方から見て右半分の位置に設けた第４の電極パターンを有する第４のシートを積層して成ると共に、長さ方向と垂直な断面形状が四角形を成すものであって、更に、長さ方向における半分側では第１のシートと第２のシートとを交互に積層し、且つ残り半分側では第３のシートと第４のシートとを交互に積層して成る積層構造を持つものとし、絶縁部については、積層体の半分側における一つの対向する側面で第１のシート及び第２のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部と、積層体の残り半分側における他の対向する側面で第３のシート及び第４のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁することにより並設されて成るものとし、外部電極については、積層体の半分側における一つの対向する側面で第１のシート及び第２のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部と、積層体の残り半分側における他の対向する側面で第３のシート及び第４のシートの積層により露呈された内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに各絶縁部上を通って繋がるように帯状に接続することにより並設されて成るようにした構造のものである。更に、ここでの積層体については、長さ方向と垂直な断面形状が長方形又は正方形を成すものであれば良い。

このような構造の積層型圧電アクチェータの場合、各側面に総計８個設けられた外部電極へ印加する電圧を選択的に変えて各内部電極を通電・駆動することにより、多方向への変位が可能な構造となる。

図１は、本発明の実施例１に係る積層型圧電アクチュエータ１の基本構成を示した外観側面図であり、同図（ａ）は一方向（正面方向）に関するもの，同図（ｂ）は一方向（正面方向）に隣接する他方向に関するものである。又、図２は、この積層型圧電アクチュエータ１の積層構造の細部を各層を分解して示した外観斜視図である。更に、図３は、この積層型圧電アクチュエータ１にあっての積層体の製造に供される異なる種類のシートにおける異なる電極パターンを持つ内部電極２１〜２４の配置の様子を示した平面図であり、同図（ａ）は第１のシートに関するもの，同図（ｂ）は第２のシートに関するもの，同図（ｃ）は第３のシートに関するもの，同図（ｄ）は第４のシートに関するものである。

この積層型圧電アクチュエータ１は、積層方向である長さ方向と垂直な断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形であり、圧電セラミックス１２にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料を用い、圧電セラミックスシート１１として１層約１００μｍの厚さのものを１００層積層して構成されている。尚、ここでも圧電セラミックス１２は、積層体の一体化焼成により得られるものであるため、素材の圧電セラミックスシート１１とは区別している。

即ち、この積層型圧電アクチュエータ１の場合、圧電セラミックスシート１１上に異なる位置パターンで内部電極２１〜２４が設けられた図３（ａ）乃至図３（ｄ）に示されるような第１のシート乃至第４のシートを要し、積層方向（長さ方向）における半分側では第１のシートと第２のシートとを交互に積層し、且つ残り半分側では第３のシートと第４のシートとを交互に積層すると共に、積層方向の長さ方向と垂直な断面形状が四角形の積層体を構成している。

具体的に言えば、この積層型圧電アクチュエータ１における積層体の場合、図３（ａ）に示されるように、圧電セラミックスシート１１上に内部電極２１を約半分の面積で長さ方向における上方から見て下半分の位置に設けた第１の電極パターンを有する第１のシートと、図３（ｂ）に示されるように、圧電セラミックス１１上に内部電極２２を約半分の面積で長さ方向における上方から見て上半分の位置に設けた第２の電極パターンを有する第２のシートと、図３（ｃ）に示されるように、圧電セラミックス１１上に内部電極２３を約半分の面積で長さ方向における上方から見て左半分の位置に設けた第３の電極パターンを有する第３のシートと、図３（ｄ）に示されるように、圧電セラミックス１１上に内部電極２４を約半分の面積で長さ方向における上方から見て右半分の位置に設けた第４の電極パターンを有する第４のシートとを上述した手順で積層している。

更に、この積層型圧電アクチュエータ１の場合、積層体における半分側における一つの対向する側面で第１，第２のシートの積層により露呈された内部電極２１（２２）の各端部と、残り半分側における他の対向する側面で第３，第４のシートの積層により露呈された内部電極２４（２３）の各端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁することによりポリイミド等の絶縁材を用いた絶縁部１３を並設し、半分側における一つの対向する側面で第１，第２のシートの積層により露呈された内部電極２１（２２）の各端部と、残り半分側における他の対向する側面で第３，第４のシートの積層により露呈された内部電極２４（２３）の各端部とを一層毎に同一面において互い違いに各絶縁部１３上を通って繋がるように帯状に接続して外部電極３１〜３８を並設した構造となっている。

ここでの積層体の側面に対する絶縁部１３及び外部電極３１〜３８の配設について、具体的に説明すれば、積層体の半分側に用いられる第１のシートの場合、内部電極２１が全辺露出している一側面上部において、内部電極２１の一層毎にポリイミドによる絶縁部１３を左側上部の半分に形成し、これと同一面で互い違いになるように右側上部の半分にも内部電極２１の一層毎に絶縁部１３を形成し、左側上部に露出した内部電極２１を電気的に接続するための第１の外部電極３１を導電ペーストを塗布することにより形成し、右側上部にも同様に露出した内部電極２１を電気的に接続するための第２の外部電極３２を導電ペースト塗布して形成する。又、同様に積層体の半分側に用いられる第２のシートの場合、内部電極２２が全辺露出している側面上部［内部電極２１が全辺露出している図１（ａ）の側面とは対向する面を示しており、図１（ｂ）の右側に位置される］において、内部電極２２の一層毎にポリイミドによる絶縁部１３を左側上部の半分に形成し、これと同一面で互い違いになるように右側上部の半分にも内部電極２２の一層毎に絶縁部１３を形成し、左側上部に露出した内部電極２２を電気的に接続するための第３の外部電極３３を導電ペーストを塗布することにより形成し、右側上部にも同様に露出した内部電極２２を電気的に接続するための第４の外部電極３４を導電ペースト塗布して形成する。

これに対し、積層体の残り半分側に用いられる第３のシートの場合、内部電極２３が全辺露出している側面下部［内部電極２１が全辺露出している図１（ａ）の側面に隣接する面を示しており、図１（ａ）の左側に位置される］において、内部電極２３の一層毎にポリイミドによる絶縁部１３を左側下部の半分に形成し、これと同一面で互い違いになるように右側下部の半分にも内部電極２３の一層毎に絶縁部１３を形成し、左側下部に露出した内部電極２３を電気的に接続するための第５の外部電極３５を導電ペーストを塗布することにより形成し、右側下部にも同様に露出した内部電極２３を電気的に接続するための第６の外部電極３６を導電ペースト塗布して形成する。更に、同様に積層体の残り半分側に用いられる第４のシートの場合、内部電極２４が全辺露出している側面下部［内部電極２１が全辺露出している図１（ａ）の側面に隣接する図１（ｂ）に示される他の面を示しており、図１（ａ）の右側に位置される］において、内部電極２４の一層毎にポリイミドによる絶縁部１３を左側下部の半分に形成し、これと同一面で互い違いになるように右側下部の半分にも内部電極２４の一層毎に絶縁部１３を形成し、左側下部に露出した内部電極２４を電気的に接続するための第７の外部電極３７を導電ペーストを塗布することにより形成し、右側下部にも同様に露出した内部電極２４を電気的に接続するための第８の外部電極３８を導電ペースト塗布して形成する。

次に、係る積層型圧電アクチュエータ１において、第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２の間と、第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４の間と、第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６の間と、第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８の間とのそれぞれに電界（電圧）を印加して圧電特性を出すための分極処理を行った。

このようにして得られた積層型圧電アクチュエータ１は、積層体の各部において、分極処理時と同じ電界を印加すれば圧電セラミックス１２は伸びの変位を生じ、分極処理時と逆の電界を印加すれば圧電セラミックス１２は縮むように変位する。即ち、第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２の間と、第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４の間と、第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６の間と、第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８の間とでそれぞれ分極処理時と同じ電界を印加すれば、積層体は全ての箇所で伸び変位が生じ、積層型圧電アクチュエータ１の全体として伸びることになり、逆の電界を印加すれば、積層体は全ての箇所で縮むことになり、積層型圧電アクチュエータ１の全体として縮むことになる。

又、第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２の間は分極処理時と同じ電界を印加し、第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４の間は分極処理時と逆電界を印加した場合、積層体における第１のシートが積層された箇所では伸び、第２のシートが積層された箇所では縮むことになり、第１のシート及び第２のシートが積層された箇所では第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４を形成した方向に曲がることになる。逆に第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２の間は分極処理時と逆電界を印加し、第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４の間は分極処現時と同じ電界を印加した場合には、積層体における第１のシート，第２のシートが積層された箇所では伸び，縮みの方向が逆になり、第１のシート及び第２のシートが積層された箇所では第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２を形成した方向に曲がることになる。

更に、第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６の間は分極処理時と同じ電界を印加し、第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８の間は分極処理時と逆電界を印加した場合、第３のシートを積層した箇所では伸び、第４のシートを積層した箇所では縮むことになり、第３のシート及び第４のシートを積層した箇所では第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８を形成した方向に曲がることになる。ここでも逆に第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６の間は分極処理時と逆電界を印加し、第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８の間は分極処理時と同じ磁界を印加した場合には、積層体における第３のシート，第４のシートが積層された箇所では伸び，縮みの方向が逆になり、第３のシート及び第４のシートが積層された箇所では第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６を形成した方向に曲がることになる。

このように、第１の外部電極３１及び第２の外部電極３２の間と、第３の外部電極３３及び第４の外部電極３４の間と、第５の外部電極３５及び第６の外部電極３６の間と、第７の外部電極３７及び第８の外部電極３８の間とにそれぞれ印加する電界の向きを制御すれば、伸縮方向と曲げ２方向とに変位させることができ、しかも電圧の大きさについても各々独立に制御すれば複雑な変位（動き）を得ることも可能である。

尚、この実施例１に係る積層型圧電アクチュエータについても、周知のセラミックコンデンサを製造する場合と同様な製造方法を適用して作製することができるものであり、その製造方法については周知技術を適用できるものであるために説明を省略するが、製造時には同様に安価に量産することができる。又、実施例１に係る積層型圧電アクチュエータの場合、積層体については、長さ方向と垂直な断面形状が正方形を成すものとして説明したが、それ以外に長方形であっても構わない。

本発明の実施例１に係る積層型圧電アクチュエータの基本構成を示した外観側面図であり、（ａ）は一方向（正面方向）に関するもの，（ｂ）は一方向（正面方向）に隣接する他方向に関するものである。 図１に示す積層型圧電アクチュエータの積層構造の細部を各層を分解して示した外観斜視図である。 図１に示す積層型圧電アクチュエータにあっての積層体の製造に供される異なる４種類のシートにおける異なる電極パターンを持つ内部電極の配置を示した平面図であり、（ａ）は第１のシートに関するもの，（ｂ）は第２のシートに関するもの，（ｃ）は第３のシートに関するもの，（ｄ）は第４のシートに関するものである。 従来の積層型圧電アクチュエータの基本構成を一部透視して示した一方向（正面方向）からの側面図である。 図４に示す積層型圧電アクチュエータにおける積層構造の細部を各層を分解して示した外観斜視図である。

符号の説明

１，１０ 積層型圧電アクチュエータ
１１ 圧電セラミックスシート
１２ 圧電セラミックス
１３，１４ 絶縁部
２１〜２５ 内部電極
３１〜４０ 外部電極

Claims (3)

1. シート状の圧電セラミックスと内部電極とが交互に長さ方向に積層されて成る積層体の側面に露呈された該内部電極の端部を一層毎に絶縁材による絶縁部で絶縁し、且つ該絶縁部により絶縁されずに一層毎に露呈された該内部電極の端部を該絶縁部上を通って繋がるように外部電極により帯状に接続して構成される積層型圧電アクチュエータにおいて、
   前記積層体は、前記圧電セラミックス上に前記内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て下半分の位置に設けた第１の電極パターンを有する第１のシート、該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て上半分の位置に設けた第２の電極パターンを有する第２のシート、該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て左半分の位置に設けた第３の電極パターンを有する第３のシート、及び該圧電セラミックス上に該内部電極を約半分の面積で該長さ方向における上方から見て右半分の位置に設けた第４の電極パターンを有する第４のシートを積層して成ると共に、前記長さ方向と垂直な断面形状が四角形を成すものであって、
   更に、前記長さ方向における半分側では前記第１のシートと前記第２のシートとを交互に積層し、且つ残り半分側では前記第３のシートと前記第４のシートとを交互に積層して成り、
   前記第１のシート〜前記第４のシートは、各々が前記外部電極間で分極され、全てのシートに前記分極方向または分極時と逆方向の電界を印加することにより、積層方向に伸長または縮小し、前記第１のシートと前記第２のシート、または前記第３のシートと前記第４のシートの間で互いに逆方向の電界を印加すると、分極時と逆方向に電界を印加したシートの前記外部電極側に変位するように構成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。
2. 請求項１記載の積層型圧電アクチュエータにおいて、前記絶縁部は、前記積層体の半分側における一つの対向する側面で前記第１のシート及び前記第２のシートの積層により露呈された前記内部電極のそれぞれの端部と、前記積層体の残り半分側における他の対向する側面で前記第３のシート及び前記第４のシートの積層により露呈された前記内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに絶縁することにより並設されて成り、前記外部電極は、前記積層体の半分側における前記一つの対向する側面で前記第１のシート及び前記第２のシートの積層により露呈された前記内部電極のそれぞれの端部と、前記積層体の残り半分側における他の対向する側面で前記第３のシート及び前記第４のシートの積層により露呈された前記内部電極のそれぞれの端部とを一層毎に同一面において互い違いに前記絶縁部上を通って繋がるように帯状に接続することにより並設されて成ることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
3. 請求項１又は２記載の積層型圧電アクチュエータにおいて、前記積層体は、前記長さ方向と垂直な断面形状が長方形又は正方形を成すものであ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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