JPH02206185A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電極板で挾まれた１あるいは２以上の圧電
体を、電圧が印加されたときに弾性ひずみが発生する方
向で一列に積層して構成された圧電アクチュエータに関
するものである。

〔従来の技術〕

圧電アクチュエータは、結晶構造に対称の中心を持たな
い結晶において外部から電界を加えると、電界に比例し
た電気分極が発生する逆圧電効果を利用したもので、単
純な構造で大きな力を発生することができる。近年では
、種々の用途に使用されている。以下、従来の圧電アク
チュエータを説明する。

第９図は、従来の圧電アクチュエータを示す模式図であ
る。この圧電アクチュエータは、同一の圧電体（薄板）
１を同一形状、同一寸法の電極板２．２で両側から挾ん
で積層して形成され、積層方向からの位置ずれを防止す
る為に、接着剤で圧電体１と電極板２．２を固定してい
た。圧電体１を挾む電極板２．２は、電源のプラス端子
及びマイナス端子に接続されており、圧電体１には弾性
ひずみが作動する方向に電界が加えられる。隣接する圧
電体薄板の内部に形成される分極方向は、互いに逆向き
になっている。

電極板２．２、・・・に所定の電圧が印加されると、圧
電体１．１、・・・に弾性ひずみが発生し、圧電アクチ
ュエータが変位する。この伸張変位や、変位に伴う力を
利用して、例えば、顕微鏡の試料台を高精度で駆動する
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、圧電アクチュエータは電気エネルギを機械エ
ネルギに変換するものであるが、供給された電気エネル
ギの全てが機械エネルギに変換されるものではない。そ
の一部は熱エネルギとなり、圧電アクチュエータの温度
を上昇させる。特に、圧電アクチュエータは体積に対し
て変換エネルギが大きいので発生する熱量が大きく、形
状が円柱形、角柱形をしているので体積に対する表面積
が小さくなる。その為、内部で発生した熱の放散が不十
分になり、高い温度上昇が生じていた。この温度上昇は
、熱膨張による圧電アクチュエータの伸縮や、圧電体を
積層する為に使用された接着剤等の劣化の原因になり、
温度に対する圧電アクチュエータの信頼性を劣化させて
いた。

また、従来の圧電アクチュエータでは、圧電体と電極板
を固定する為に接着剤が使用されているので、以下の欠
点を有する。第１に、圧電体、電極板は耐熱性が高くて
も、接着剤を使用することにより圧電アクチュエータと
しての耐熱性が低下する。第２に、圧電体に加わる断面
積Ｉｃｍ２当り３５０〜５００ｋｇｆという大きな応力
により接着剤の層が若干圧縮され、圧電アクチュエータ
の高剛性が低下する。その為、発生する機械エネルギの
一部が吸収され、エネルギ変換効率が低下する。第３に
、温度、湿度、薬品等の影響による変化が大きくなり、
耐環境性が低下する。その為、圧電アクチュエータの経
時変化が大きくなる。

そこで本発明は、電極板を圧電体より大きくすることに
より圧電アクチュエータの温度上昇を緩和し、圧電アク
チュエータの温度に対する信頼性の向上を目的とする。

また、接着剤を使用しない圧電アクチュエータを提供す
ることにより、圧電アクチュエータにおける耐熱性、高
剛性、耐環境性の向上を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を達成するため、この発明は電極板で挾まれた
１あるいは２以上の圧電体を、電界が印加されたときに
弾性ひずみが発生する方向で一列に積層して構成された
圧電アクチュエータにおいて、電極板が圧電体より外側
にはみだした放熱部を備えていることを特徴とする。

または、電極板が少なくとも弾性ひずみが発生する方向
に対して直交する方向で圧電体を固定する圧電体固定部
を備えていることを特徴とする。

〔作用〕

この発明は、以上のように構成されているので、圧電体
の内部で発生した熱が電極板に伝わり、電極板の放熱部
で放散される。

また、圧電体は弾性ひずみが発生する方向に対して直交
する方向で、積層された電極板の圧電体固定部に固定さ
れるので、この方向で自由度が制限され、圧電体と電極
板間に接着剤を塗布する必要がなくなる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例に係る圧電アクチュエータを
添付図面に基づき説明する。なお、説明において同一要
素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

第１図は、本発明の第１実施例に係る圧電アクチュエー
タを示すものである。この圧電アクチュエータは、円柱
状の圧電体３と、円板状の電極板４を順番に積層して構
成されている。電極板４は圧電体３より広く構成されて
おり、放熱部４ａが円周状に形成されている。これらの
電極板４．４は電源に接続されており、一定の電圧を印
加することができる。電圧を印加することにより、隣接
する圧電体３．３には相反する方向に分極が形成され、
圧電アクチュエータは積層された方向に伸縮する。ここ
で重要なことは、圧電体より外側にはみだした放熱部を
備えた電極板が含まれている点であり、放熱部の形状、
大きさ、配置は圧電アクチュエータの使用条件等により
変化するものである。また、上記実施例では電極板に放
熱部を形成しているが、圧電体自体に放熱部を形成して
もよい。

次に、この実施例を用いた圧電アクチュエータの設計例
を示し、従来の圧電アクチュエータと比較する。最大電
界強度４５０ｋＶ／ｍ、直径１０ｍｍの圧電体を最大印
加電圧４５０Ｖで使用する場合、圧電体の厚さは１ｍｍ
になる。圧電体の直径を１０ｍｍとし、電極の厚さを０
．１ｍｍ、直径１２ｍｍとすると、従来の圧電アクチュ
エータに対して専有体積（圧電アクチュエータを使用す
る機械の全体積に影響）は１．４４倍、実体積（圧電ア
クチュエータを使用する機械全体の重量に影響）は１．
０４倍になるが、表面積は３．　０２倍にもなる。

また、電極の直径を１５ｍｍにすると、従来の圧電アク
チュエータに対して専有体積は２．２５倍、実体積は１
．１１倍になるが、表面積は６゜７３倍にもなる。

さらに、圧電体の厚さを１ｍｍから０．２ｍｍに変更（
最大印加電圧を９０Ｖに変更）すると、従来の圧電アク
チュエータに対して専有１体積は２．２５倍、実体積は
１．４２倍になるが、表面積は２２倍にもなる。

このように、専有体積あるいは実体積をそれ程増加させ
ることなく、表面積を大幅に増大させることができ、圧
電アクチュエータの放熱能力を向上させることができる
。

ここで、電極板として銅などの電気の伝導率の高い物質
は熱伝導率も高く、薄くても十分にその効果を発揮する
ことができる。

第２図は、第１実施例の変形例を示す縦断面図である。

同図（ａ）は、放熱部４ａが波状に形成された圧電アク
チュエータの一部を示すものであり、圧電体３より外側
にはみだした放熱部の表面積が拡大されている。従って
、放熱効果を高めることができる。同図（ｂ）は、放熱
部４ａの先端部を先薄に構成した圧電アクチュエータの
一部を示すものである。放熱部４ａ同士の間隔を広げる
ことができるので、隣接する電極間の短絡を有効に防止
することができる。同図（Ｃ）は、圧電アクチュエータ
の一端部と他端部において、放熱部の突出長ｔが変化す
る圧電アクチュエータを示すものである。この場合、同
図において、放熱部の突出長ｔは右端から左端になる程
長くなっている。

例えば、右端に熱源がある為に、圧電体内部の温度分布
が均一でない場合に効率的な放熱が実現できる。なお、
放熱部の長さは、熱源の温度、圧電体の熱伝導率、厚さ
、大きさ、使用される電極板の熱伝導率、厚さ、大きさ
等を考慮して適切な値が選定される。

第３図は、この発明の第２実施例に係る圧電アクチ゛ユ
エータを示すものである。同図（ａ）は、電圧が印加さ
れたときに弾性ひずみが発生する方向（圧電体３、電極
板４の積層方向）からみた平面図、同図（ｂ）は、その
側面図を示すものである。第１実施例との差異は、圧電
体３及び電極板４の断面形状を四角形に形成している点
、電極板４ａの取り付は位置をずらし電極板４ａの突出
長ｔ　Ｌ　、　　ｔ　Ｒを左右で異ならせている点であ
る。その為、放熱部の先端では電極間隔が広くなってお
り、短絡防止が図れると共に通風が容易になる。

第４図は、この発明の第３実施例に係る圧電アクチュエ
ータを示すものである。同図（ａ）は、電界が印加され
たときに弾性ひずみが発生する方向からみた平面図、同
図（ｂ）は、その側面図を示すものである。第１実施例
との差異は、圧電体３及び電極板４の断面形状を四角形
に形成している点、電極板４ａに通風孔４ｂ、４ｂ、・
・・を設けている点である。従って、通風効率を高める
ことができ、放熱効果が向上する。

この場合、放熱板（電極板）の接触・短絡防止の為、積
層体相互間に、例えば、絶縁物のスペーサの介挿や、絶
縁塗装等を施すことができる。

第５図は、この発明の第４実施例に係る圧電アクチュエ
ータを示すものである。同図（ａ）は、電界が印加され
たときに弾性ひずみが発生する方向からみた平面図、同
図（ｂ）は、その側面図を示すものである。この圧電ア
クチュエータは、円柱状の圧電体３と、円板状の電極板
５を順番に積層して構成されている。圧電体３は、電極
板５の中央に形成された嵌合部（圧電体保持部）５ａに
嵌め込まれており、積層方向に対して直交する方向で自
由度が制限されている。その為、圧電体３と電極板５を
接着剤等で固定することなく、当該方向における位置ず
れを防止することができる。

これらの電極板５．５、・・・は電源（図示せず）に接
続されており、一定の電圧を印加することができる。電
圧を印加することにより、隣接する圧電体３．３には相
反する方向に分極が形成され、また、圧電アクチュエー
タは積層された方向に伸縮する。ここで重要なことは、
圧電体を保持する圧電体保持部が電極板に形成されてお
り、当該方向からの位置ズレが防止されている点である
。

積層型圧電アクチュエータは、圧電体自体がセラミック
スで形成されているので、圧縮応力には強く引張応力に
弱いという機械的性質を有する。

また、応力が作用する方向に多数積み重ねることから、
伸縮変位を押し出す方向で圧電アクチュエータを利用す
るのが通常である。すなわち、−船釣に引張応力が加わ
らない状態で圧電アクチュエータを使用することから、
圧電体と電極が積層方′向で分離することはない。

なお、圧電体保持部の形状、大きさ、配置等は、固定す
る圧電体の形状等により変化するものであり、当該実施
例に限定されるものではない。

第６図は、第４実施例の変形例を示す縦断面図である。

同図（ａ）は、電極板５の外側端部を積層方向に対しく
直角ではなく）斜め方向に延ばして凹部（圧電体固定部
）５ａを形成した圧電アクチュエータを示すもので、圧
電体３の積層方向に対して直交する方向における自由度
を制限したものである。同図（ｂ）は、電極板５の中央
に凸部（圧電体固定部）５ａを形成すると共に圧電体３
の中央に凸部と嵌合する凹部を形成し、凸部と凹部を互
いに噛み合わせることにより圧電体３の積層方向に対し
て直交する方向における自由度を制限したものである。

同図（ｃ）は、電極板５を凸レンズ状にして凸部５ａを
形成すると共に圧電体３を凹レンズ状に形成し、これら
を互いに組み合わせることにより圧電体３の積層方向に
対して直交する方向における自由度を制限したものであ
る。

第７図は、この発明の第５実施例に係る圧電アクチュエ
ータを示すものである。同図（ａ）は、この圧電アクチ
ュエータの分解状態を示す斜視図、同図（ｂ）は、その
組立状態を示す縦断面図である。第４実施例との差異は
、電極板が円周方向で交互に（上下方向に）曲げられた
突出部（圧電体固定部）５ａを備えている点である。こ
の場合、電極板５の表面積が拡大されるので、圧電体の
保持と共に放熱効果を向上することができる。

第８図は、この発明の第６実施例に係る圧電アクチュエ
ータを示すものである。同図（ａ）は、この圧電アクチ
ュエータの分解状態を示す斜視図、同図（ｂ）は、その
組立状態を示す縦断面図である。第４実施例との差異は
、電極板の中心部に穴５ａが設けられており、この穴に
嵌合する突起部３ａが圧電体３の両面の中央部に形成さ
れている点である。その為、圧電体３の積層方向に対し
て直交する方向における自由度が制限され、圧電体３及
び電極板５の相対的位置ズレを防止することができる。

この場合、穴５ａ及び突起部３ａを２以上設ければ、圧
電体の回転方向における自由度を制限することができ、
電極板に直接リード線等を介して電源に接続したりする
場合に、リード線等の断線を防止することができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、圧電体の形状、大きさ、電極の形状、大きさ
、これらの配列方法は一例にすぎず、圧電アクチュエー
タの使用条件、環境、材質等により適切なものが選定さ
れる。

また、上記実施例では電極板に圧電体固定部を形成して
いるが、圧電体自体に、電極板固定部を形成してもよい
。

さらに、圧電体と電極板との電気的導通を良好にする為
に、圧電体の接触面に銀電極を印刷してもよい。この場
合、小さな圧力で一部が接触すれば、圧電体に均一な印
加電圧を与えることができる。

また、圧電体として、正の熱膨張係数を有する熱膨張部
材と負の熱膨張係数を有する熱収縮部材を含んで構成し
、圧電アクチュエータの熱による伸縮を減少させること
ができる。組み合わせとしては、■正の熱膨張係数を有
する圧電体と負の熱膨張係数を有する熱収縮部材、■正
の熱膨張係数を有する熱膨張部材と負の熱膨張係数を有
する圧電体が考えられる。この場合、電極板を熱収縮部
材あるいは熱膨張部材として使用してもよい。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したように構成されているので、
電極板を圧電体より大きくすることにより圧電アクチュ
エータの温度上昇を緩和し、圧電アクチュエータの温度
に対する信頼性を向上することができる。この場合、大
幅な材料の増加や構成を複雑にすることなく圧電アクチ
ュエータの表面積を飛躍的に増加させることができ、そ
の放熱能力を向上させることができる。

また、接着剤を使用しない圧電アクチュエータを提供す
ることにより、圧電アクチュエータにおける耐熱性、高
剛性、耐環境性を向上させることができる。この場合、
接着剤を必要としないので、製造過程においても圧電体
と電極板を接着する接着工程が不要になり生産効率を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る圧電アクチュエータ
を示す縦断面図、第２図は第１実施例の変形例に係る圧
電アクチュエータを部分的に示す縦断面図、第３図は本
発明の第２実施例に係る圧電アクチュエータを示す説明
図、第４図は本発明の第３実施例に係る圧電アクチュエ
ータを示す説明図、第５図は本発明の第４実施例に係る
圧電アクチュエータを示す説明図、第６図は第４実施例
の変形例に係る圧電アクチュエータを示す縦断面図、第
７図は本発明の第５実施例に係る圧電アクチュエータを
示す説明図、第８図は本発明の第６実施例に係る圧電ア
クチュエータを示す説明図、第９図は従来技術に係る圧
電アクチュエータを示す構成図である。 １．３・・・圧電体、２．４．５・・・電極板←−分極
方向） 伸縮方向（作動方向） 特許出願人　　本田技研工業株式会社 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹間　　　　　　
　　　　山　　　　１）　　　行圧電アクチュエータ（
第１実施例） 第１図 餘Ｕ版 組立状態 （ｂ） 分解状態 （ａ） 第 ５実施例 第７図 分解状態 （ａ） 組立状態 （ｂ） 第 ＝４７６−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．電極板で挾まれた１あるいは２以上の圧電体を、電
   界が印加されたときに弾性ひずみが発生する方向で一列
   に積層して構成された圧電アクチュエータにおいて、 前記電極板が、前記圧電体より外側にはみだした放熱部
   を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. ２．前記放熱部が、波状に形成されており、表面積が拡
   大されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アク
   チュエータ。
3. ３．前記放熱部が、通風孔を備えていることを特徴とす
   る請求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. ４．電極板を挾んだ１あるいは２以上の圧電体を、電界
   が印加されたときに弾性ひずみが発生する方向で一列に
   積層して構成された圧電アクチュエータにおいて、 前記電極板が、少なくとも前記弾性ひずみが発生する方
   向に対して直交する方向で前記圧電体を固定する圧電体
   固定部を備えていることを特徴とする圧電アクチュエー
   タ。