JPH04245488A

JPH04245488A - 圧電バイモルフ素子の駆動方法及び圧電バイモルフ素子

Info

Publication number: JPH04245488A
Application number: JP3009887A
Authority: JP
Inventors: Masatake Hayashi; 誠剛林; Toshihiko Kikko; 橘高　敏彦; Akira Ando; 陽安藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1992-09-02
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JP3185226B2; US5233256A; DE4202650A1; DE4202650C2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアクチュエータ
として用いられる圧電バイモルフ素子の駆動方法及び圧
電バイモルフ素子に関し、特に、大変位量を得るための
駆動方法及び該駆動方法に適した圧電バイモルフ素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図２及び図３は、それぞれ、従来の圧電
バイモルフ素子の一例を示す各断面図である。図２に示
した圧電バイモルフ素子１は、圧電セラミックス層２，
３を電極４を介して積層し、外側主面に電極５，６を形
成した構造を有する。圧電セラミックス層２，３は、図
示の矢印で示す方向に分極処理されている。駆動に際し
ては、図示のように電極５，６間に電圧を印加する。他
方、図３に示す圧電バイモルフ素子７では、圧電セラミ
ックス層８，９が電極１０を介して積層されており、外
側に電極１１，１２が形成されている。圧電セラミック
ス層８，９は、図示の矢印で示すように、同一方向に分
極処理されている。駆動に際しては、電極１０と、外側
の電極１１，１２との間に電圧を印加する。図２に示し
た圧電バイモルフ素子１では、圧電セラミックス層２，
３が電気的に直列に接続されることになるため、該圧電
バイモルフ素子１を直列型と称することにする。これに
対して、図３の圧電バイモルフ素子７では、圧電セラミ
ックス層８，９が電気的に並列に接続されることになる
ため、この圧電バイモルフ素子７を並列型と称すること
にする。同一変位量を得る場合、並列型の圧電バイモル
フ素子７では、直列型の圧電バイモルフ素子１に比べて
駆動電圧が１／２ですむ。従って、並列型の圧電バイモ
ルフ素子７が従来より多用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな圧電バイモルフ素子においては、使用する圧電体の
抗電界強度を超える電圧を印加した場合、二層の圧電セ
ラミックス層のうち、一方における分極が反転し、屈曲
しなくなることが知られている。すなわち、圧電バイモ
ルフ素子１，７において、総厚みをｔ、抗電界強度をＥ
ｃとすると、圧電バイモルフ素子１では、Ｅｃ×ｔを超
える電圧を印加すると、電圧印加方向と逆方向に分極処
理されている圧電セラミックス層２の分極が反転し、駆
動し得なくなると考えられていた。従って、従来、上述
したＥｃ×ｔ以下の電圧を印加することによって使用し
ていたため、大きな変位量を得ることができなかった。また、図３に示した圧電バイモルフ素子７においても、
Ｅｃ×（ｔ／２）を超える電圧を印加した場合には、分
極反転により駆動しなくなることが実験的に確認されて
いる。

【０００４】本発明の目的は、より大きな変位量を実現
し得る圧電バイモルフ素子の駆動方法、並びにこのよう
な大変位量を実現し得る構造を備えた圧電バイモルフ素
子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願の第１の発明は、直
接または間接的に積層された第１，第２の圧電体を備え
、前記第１，第２の圧電体が、それぞれ、１の圧電体層
または同位相で伸縮するように分極処理、配向処理及び
電気接続された積層圧電体層からなり、かつ前記第１，
第２の圧電体が伸縮の位相が逆となるように電気的に直
列に接続された圧電バイモルフ素子の駆動方法であって
、第１，第２の圧電体のうち、一方の圧電体に含まれる
圧電体層において、該圧電体層の厚みをｔ１　、該圧電
体層を構成している圧電材料の抗電界強度をＥｃとし、
これらの積Ｅｃ×ｔ１　＝Ｖｃが最小のものをＶ１　、
他方の圧電体に含まれる圧電体層において、該圧電体層
の厚みをｔ２　、該圧電体層を構成している圧電材料の
抗電界強度をＥｃとし、これらの積Ｅｃ×ｔ２　＝Ｖｃ
が最小のものをＶ２　としたときに、前記圧電バイモル
フ素子にＶ１　＋Ｖ２　以上の電圧を印加することを特
徴とするものである。

【０００６】また、本願の第２の発明は、直接または間
接的に積層された第１，第２の圧電体を備え、前記第１
，第２の圧電体は、一方が１の圧電体層または２以上の
圧電体層を積層してなる積層圧電体層からなり、他方が
２以上の圧電体層を積層してなる積層圧電体層からなり
、かつ各積層圧電体層内の複数の圧電体層が同位相で伸
縮するように分極処理、配向処理及び電気的接続されて
おり、前記第１，第２の圧電体が電気的に直列に接続さ
れており、それによって第１，第２の圧電体間で伸縮の
位相が逆となるように駆動されるように構成されている
ことを特徴とする、圧電バイモルフ素子である。

【０００７】

【作用】本願の第１の発明は、図２に示した直列型の圧
電バイモルフ素子１や、後述する実施例に示されている
ような直列型の圧電バイモルフ素子の駆動方法に関する
。第１の発明の基本的原理を、図２に示した圧電バイモ
ルフ素子１を例にとり説明する。圧電バイモルフ素子１
は、電気回路的には、２個のコンデンサが直列に接続さ
れた構造に相当する。従って、電極５，６間に電圧を印
加した場合、図２の電極５と電極６とに誘起される電荷
は、それぞれ、符号が反対で、その絶対値が等しいもの
となる。ここで、前記圧電バイモルフ素子１を構成する
圧電体としての圧電セラミックス層２，３の電気的性質
に着目する。図１は、圧電体における代表的な電場Ｅと
誘起電荷Ｑとの関係を示す。一般に、強誘電体である圧
電体では、電場Ｅと誘起電荷Ｑとの関係には、図１に示
すようにヒステリシスが存在する。従って、例えば、電
極５に正電位を与えたとき、圧電セラミックス層２には
分極方向と反対方向の電界が印加されるため、図１の曲
線ＲＢに沿って電荷ΔＱＢ　が誘起される。また、圧電
セラミックス層３には曲線ＲＡに沿って電荷ΔＱＡ　が
誘起される。

【０００８】本願の第１の発明の駆動方法では、前述し
たように常に（ΔＱＡ　の絶対値）＝（ΔＱＢ　の絶対
値）が成り立つ。従って、圧電セラミックス層２に印加
される電界強度をＥＢ　、圧電セラミックス層３に印加
される電界強度をＥＡ　とすると、図１のヒステリシス
から、ＥＡ　＞ＥＢ　の関係のあることがわかる。すな
わち、分極方向と印加電界方向が一致している圧電セラ
ミックス層３側には、印加される電界が大きく分配され
、分極方向と電界方向が反対の圧電セラミックス層２側
には印加される電界が小さく分配される。従来、図２に
示した直列型の圧電バイモルフ素子１では、圧電バイモ
ルフ素子１の総厚みをｔ、抗電界強度をＥｃとしたとき
に、Ｅｃ×ｔ＝ＶＣ　を超える電圧を印加すると、分極
反転が生じると考えられていた。しかしながら、上記の
ように、現実には、Ｖ０　＞０のとき圧電セラミックス
層２側には、印加電界が小さく分配され、Ｖ０　＜０の
とき圧電セラミックス層３には、印加電圧が小さく分配
される。従って、上記Ｅｃ×ｔを超える電圧を印加した
としても、Ｖ０　＞０のとき圧電セラミックス層２自体
にＥｃを超える電界が現実に印加されるまでは分極反転
を起こさないことがわかる。そこで、本願の第１の発明
では、Ｅｃ×ｔを超える電圧を印加して駆動しても直ち
に分極反転は生じないことを考慮し、積極的にＥｃ×ｔ
を超える電圧を印加し、それによって従来得られなかっ
た大きな変位量を得ることが可能とされている。なお、
最大印加電圧及び最大変位量は、電場−電束密度のヒス
テリシスの形に依存していて、両者は、理論上、電場の
正負の領域におけるヒステリシスの傾きの比を制御する
ことにより任意の値を得ることができる。

【０００９】本願の第１の発明は、上述した本願の基本
的原理を利用したものであり、駆動される圧電バイモル
フ素子の構造が上述した特定の構造を有するため、以下
のように駆動される。すなわち、一方の圧電体に含まれ
る圧電体層おいて、該圧電体層の厚みをｔ１　、該圧電
体層を構成している圧電材料の抗電界強度をＥｃとし、
これらの積Ｅｃ×ｔ１　＝Ｖｃが最小のものをＶ１　と
し、他方の圧電体に含まれる圧電体層において同様に求
めた抗電界強度と厚みの積が最小のものをＶ２　とした
ときに、圧電バイモルフ素子にＶ１　＋Ｖ２　以上の電
圧を印加するものである。すなわち、第１の発明は、個
々の圧電体層に印加される電界強度が、分極方向と反対
方向に電界が印加される場合には印加電界が小さく分配
されることに鑑み、より大きな電界を印加して駆動する
ことにより、より大きな変位量を得ようとするものであ
る。

【００１０】さらに、本願の第２の発明では、上述した
第１の発明における駆動方法に適用される圧電バイモル
フ素子が提供される。この第２の発明の圧電バイモルフ
素子では、第１，第２の圧電体が直接または間接的に積
層されている。ここで、「間接的に積層された」なる表
現は、第１，第２の圧電体間に金属板や絶縁性のセラミ
ックス層を介在させてもよいことを意味するために用い
られている。第２の発明の圧電バイモルフ素子では、第
１，第２の圧電体が電気的に直列に接続されており、そ
れによって第１の圧電体間で伸縮の位相が逆となるよう
に駆動されてバイモルフ素子として動作するように構成
されている。従って、前述した第１の発明の駆動方法に
従って駆動させることができ、それによって従来は得ら
れなかった大きな変位量を得ることができる。

【００１１】

【実施例の説明】第１の実施例図２を参照して、本発明の第１の実施例の駆動方法を説
明する。まず、０．２ｍｍの厚みのＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ３　系圧電セラミックスよりなる単板を用意し、各単
板の両主面に導電ペーストを塗布し、それぞれ厚み方向
に同じ電圧を印加して分極処理を施した。次に、上記２
枚の単板を、分極方向が互いに逆方向となるように接着
固定することにより、図２に示した圧電バイモルフ素子
１を得た。用意した圧電バイモルフ素子１の大きさは、
総厚みが０．４ｍｍであり、有効長２０ｍｍ×幅５ｍｍ
である。また、比較のために、図３に示した並列型の圧
電バイモルフ素子７を、上記と同一の圧電セラミックス
よりなる単板を用いて構成した。すなわち、圧電バイモ
ルフ素子１を用意した場合とは逆に、２枚の圧電セラミ
ックスよりなる単板を、互いの分極方向が同一方向とな
るように接着固定することにより、同じ大きさの圧電バ
イモルフ素子７を作製した。次に、上述した圧電バイモ
ルフ素子１及び圧電バイモルフ素子７に、図示のように
電圧を印加することにより、駆動した。この場合、各圧
電バイモルフ素子１，７の変位量と、印加電圧の関係を
、図７にそれぞれ実線及び一点鎖線で示す。図７から明
らかなように、直列型の圧電バイモルフ素子１では、並
列型の圧電バイモルフ素子７の場合に比べて約２倍の変
位量の得られることがわかる。すなわち、圧電バイモル
フ素子１では、非常に大きな印加電圧をかけることがで
き、それによってより大きな変位量の得られることがわ
かる。また、下記の表１に、圧電バイモルフ素子１を駆
動する際に、該圧電バイモルフ素子１の総厚みに対して
印加した電圧と、その場合の各圧電セラミックス層２，
３に印加されている電圧との関係を示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１から明らかなように、分極方向と電界
方向が一致している圧電セラミックス層３側では、大き
な電圧が印加され、分極方向と電界方向が反対である圧
電セラミックス層２側には小さな電圧しか印加されてい
ないことがわかる。すなわち、圧電セラミックス層２，
３の印加電圧の比は、ほぼ、１：３となっており、従っ
て分極方向と電界方向が反対の圧電セラミックス層２側
には、総厚みに印加した電界の１／４の電圧しか分配さ
れていないことがわかる。よって、圧電バイモルフ素子
１の総厚みｔに対し、分極反転が起こると考えられたＥ
ｃ×ｔの約２倍の電圧を印加することができ、それによ
って、従来の圧電バイモルフ素子の駆動方法に比べて、
約２倍の変位量の得られることがわかる。本発明の駆動
方法が適用される圧電バイモルフ素子は、図２に示した
ものに限らない。例えば、図４に断面図で示すように、
圧電セラミックス層２，３がシム材のような金属材料か
らなる金属板４ａを介して貼り合わされた構造のもので
あってもよい。すなわち、圧電セラミックス層２，３は
シム材からなる金属板４ａを介して間接的に積層されて
いるものであってもよく、この場合においても、上述し
た第１の実施例の駆動方法に従って駆動することにより
、従来の圧電バイモルフ素子の駆動方法に比べて大きな
変位量を実現することができる。

【００１４】第２の実施例図５は、本発明の第２の実施例の駆動方法により駆動さ
れる圧電バイモルフ素子２１を示す断面図である。まず
、３枚の寸法の等しい圧電セラミックスよりなる単板を
用意し、各単板の両主面に電極用導電ペーストを塗布し
た後、３枚のうち２枚について、それぞれ、厚み方向に
同じ電圧を印加して分極処理を施した。そして、分極処
理のされていない圧電セラミックス単板を中央にして、
両側に分極処理された圧電セラミックスよりなる単板を
接着固定することにより、図５に示した圧電バイモルフ
素子２１を得た。図５において、２２，２３は分極処理
された圧電セラミックス層を示し、上述した分極処理さ
れた圧電セラミックスよりなる単板で構成されている。また、２４は分極処理されていない単板により構成され
たセラミックス層を示す。圧電セラミックス層２２，２
３は、互いの分極方向が逆方向となるように分極処理さ
れている。この圧電バイモルフ素子２１を、図５に示す
ように電気的に接続して駆動した。すなわち、圧電バイ
モルフ素子２１は、前述した直列型の圧電バイモルフ素
子として駆動される。

【００１５】比較のために、図６に示す圧電バイモルフ
素子２９を、圧電バイモルフ素子２１と同様にして作製
した。異なる点は、圧電セラミックス層３０，３１の分
極方向が揃えられていることにある。また、駆動に際し
ては、図示のように電気的に接続して、前述した並列型
圧電バイモルフ素子として駆動した。

【００１６】図８に、圧電バイモルフ素子２１，２９を
駆動した場合のそれぞれの印加電圧と変位量の関係を示
す。なお、図８の特性は、第１の実施例の場合と同様に
、圧電バイモルフ素子２１，２９の総厚みが０．４ｍｍ
となるように統一するために、各圧電セラミックス２２
，２３，３０，３１及びセラミックス層２４の厚みを０
．１３ｍｍとした以外は、第１の実施例と同様である。図８から明らかなように、圧電バイモルフ素子２１を駆
動した場合には、実線で示すように印加電圧を大きくす
ることができ、それによって並列型の圧電バイモルフ素
子２９の場合に比べて２倍以上の変位量を実現し得るこ
とがわかる。すなわち、図８から明らかなように、直列
型の圧電バイモルフ素子２１では、総厚みｔに対して分
極反転が起こると考えられていたＥｃ×２ｔ／３の約２
倍の電圧を印加することができ、並列型圧電バイモルフ
素子２９に比べて２倍の変位量を得ることができる。

【００１７】第３の実施例第１の実施例で用いた圧電バイモルフ素子１と同様の構
造を有する圧電バイモルフ素子を作製した。異なる点は
、用意した２枚の圧電セラミックスよりなる単板の両主
面に電極用導電ペーストを塗布することに代えて、２枚
の圧電セラミックスよりなる単板のそれぞれ一方主面に
電極用導電ペーストを塗布し、他方主面に電極用導電ペ
ーストを塗布する工程を省略したことにある。そして、
分極に際しては、導電ペーストの塗布されていない側の
主面を導電性ゴムに押し付けることにより行った。このようにして分極処理された２枚の圧電セラミックス
層よりなる単板を、分極方向が相互に逆方向となるよう
に、かつ導電ペーストによる電極が形成されていない側
の主面同士を接着することにより、圧電バイモルフ素子
１から内部電極４が除去された構造を有する圧電バイモ
ルフ素子を作製した。このようにして得た圧電バイモル
フ素子について、図２に示した圧電バイモルフ素子１と
同様に電気的に接続して電圧を印加したところ、第１の
実施例における圧電バイモルフ素子１の印加電圧−変位
量の関係（図７に示した関係）と同様の関係の得られる
ことが確かめられた。従って、本発明の圧電バイモルフ
素子の駆動方法は、内部電極の有無に拘らず、分極方向
が反対である第１，第２の圧電体を積層してなる圧電バ
イモルフ素子に一般的に適用し得るものであることがわ
かる。

【００１８】３以上の圧電体層を有する積層型の圧電バ
イモルフ素子についての実施例従来より、圧電体層としての圧電セラミックス層が３以
上の積層型の圧電バイモルフ素子が公知である。従来か
ら用いられている、この種の積層型圧電バイモルフ素子
を図９及び図１０に示す。図９の圧電バイモルフ素子４
１は、圧電セラミックス層４２ａ〜４２ｃからなる第１
の圧電体４２と、圧電体層としての圧電セラミックス層
４３ａ〜４３ｃからなる第２の圧電体４３とを積層した
構造を有する。各圧電セラミックス層４２ａ〜４２ｃ、
４３ａ〜４３ｃに電界を印加するために、電極４４ａ〜
４４ｇが圧電セラミックス層を介して重なり合うように
配置されている。駆動に際しては、図示のように、端子
電極４５ａ，４５ｂ，４５ｃを設け、それぞれ、２Ｖ、
１Ｖ及び０の電位を印加することにより、第１の圧電体
４２と第２の圧電体４３とが逆位相で伸縮するように構
成されている。以下、この形式の積層型の圧電バイモル
フ素子４１を三端子型圧電バイモルフ素子と呼ぶ。

【００１９】図１０は、従来から用いられている積層型
圧電バイモルフ素子の他の例を示す模式図である。この
圧電バイモルフ素子５１は、前述した並列型に属するも
のであり、圧電体層としての圧電セラミックス層５２ａ
〜５２ｃからなる第１の圧電体５２と、圧電セラミック
ス層５３ａ〜５３ｃからなる第２の圧電体５３とを有す
る。そして、各圧電セラミックス層５２ａ〜５２ｃ，５
３ａ〜５３ｃに電界を印加するために、電極５４ａ〜５
４ｇが圧電セラミックス層を介して重なり合うように設
けられており、さらに端子電極５５，５６が積層体の両
端面に付与されている。駆動に際しては、端子電極５５
，５６から逆極性の電圧を交互に印加することにより、
第１の圧電体５２及び第２の圧電体５３が逆位相で伸縮
し、バイモルフとして動作するように構成されている。

【００２０】上述した並列型圧電バイモルフ素子５１で
は、第１，第２の圧電体５２，５３が、それぞれ、複数
の圧電セラミックス層５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃ
からなるため、低電圧で大変位が得られるが、より大き
な変位量を実現し得ることが求められていた。また、図
９に示した三端子型圧電バイモルフ素子４１では、並列
型圧電バイモルフ素子５１に比べて、同じ変位を得るた
めに必要な電圧が２倍と大きいうえ、得られる最大変位
量が同一であるため、余り用いられていない。

【００２１】図１１は、本願の第２の発明の一実施例と
しての圧電バイモルフ素子６１を模式的に示す図である
。この圧電バイモルフ素子６１は、上述した分類によれ
ば直列型の圧電バイモルフ素子に属し、以下の説明から
明らかなように、従来の並列型の積層圧電バイモルフ素
子５１や三端子型圧電バイモルフ素子４１に比べて極め
て大きな変位量を実現し得る。圧電バイモルフ素子６１
は、圧電体層としての圧電セラミックス層６２ａ〜６２
ｃからなる第１の圧電体６２と、圧電セラミックス層６
３ａ〜６３ｃからなる第２の圧電体６３とを積層した構
造を有する。各圧電セラミックス層６２ａ〜６２ｃ，６
３ａ〜６３ｃに電界を印加するために、電極６４ａ〜６
４ｇが互いに重なり合うように形成されており、さらに
電圧を印加するために、端子電極６５ａ，６５ｂ，６５
ｃが、図示のように積層体の端面に形成されている。駆動に際しては、図示のように端子電極６５ａ，６５ｂ
間に電圧を印加する。印加電圧の極性を交互に逆転する
ことにより、第１の圧電体６２と第２の圧電体６３とは
、逆位相で伸縮され、従ってバイモルフとして動作する
。

【００２２】上記のようにして構成された図９〜図１１
の各圧電バイモルフ素子４１，５１，６１の変位量と印
加電圧との関係を図１２に示す。図１２において、太い
実線は本発明の第４の実施例としての圧電バイモルフ素
子６１の特性を、細線は並列型圧電バイモルフ素子５１
の特性を、一点鎖線は三端子型圧電バイモルフ素子４１
の特性を示す。また、比較のために、図３に示した従来
の並列型圧電バイモルフ素子７の特性を二点鎖線で示す
。なお、これらの特性を測定するにあたって用意した圧
電バイモルフ素子の大きさは、全て、長さ２５ｍｍ×幅
１０ｍｍ×厚み０．３ｍｍとし、圧電材料として、ｄ３
１＝２５０×１０−１２　ｍ／Ｊのものを用いた。図１
２から明らかなように、直列型に属する圧電バイモルフ
素子６１では、非常に大きな電圧を印加することにより
駆動することができ、それによって最大変位量が圧電バ
イモルフ素子４１，５１の約２倍に高められることがわ
かる。

【００２３】上述した圧電バイモルフ素子６１の製造方
法の一例を、図１３を参照して説明する。Ｐｂを若干の
Ｓｒで置換し、少量の添加物を加えたモルフォトロピッ
ク相境界近傍の組成のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３　系圧電
材料からなるセラミックグリーンシートを、ドクターブ
レード法により作製し、該セラミックグリーンシート上
にＡｇ−Ｐｄを主体とする導電ペーストを印刷した。導
電ペーストの印刷は、矩形のセラミックグリーンシート
の一方端縁から、他方端縁には至らないように行った。導電ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを
、図１３に示すように積層した。すなわち、６枚のセラ
ミックグリーンシート７１を、印刷された導電ペースト
７２の向きが交互に逆方向となるように配置し、その状
態で積層した。なお、最下層のセラミックグリーンシー
ト７１では、下面にも導電ペースト７２が印刷されてい
る。次に、厚み方向に０．５〜２トン／ｃｍ２　の圧力
をかけて圧着し、１１００〜１２５０℃の温度で数時間
保持し、焼成した。焼成後の素子寸法は、厚み０．３ｍ
ｍで、幅と長さはそれぞれ、１０ｍｍ及び４０ｍｍであ
る。次に、図１４に示すように、得られた焼結体７３の
両端面に端子電極７４，６５ｃを形成し、外部電極７４
，６５ｃ間に５０〜２５０Ｖの電圧を印加することによ
り、焼結体７３の各圧電セラミックス層６２ａ〜６２ｃ
，６３ａ〜６３ｃを図示の矢印の方向に示すように分極
処理した。次に、一方の端子電極７４の中央にクロスの
ハッチングを付して示す端子電極部分７５を除去するこ
とにより、端子電極６５ａ、６５ｂを形成し、図１１に
示した圧電バイモルフ素子６１を得た。

【００２４】変形例図１１に示した圧電バイモルフ素子６１では、焼結体７
３の両端部に形成された端子電極６５ａ〜６５ｃにより
電極６４ａ〜６４ｇが電気的に接続されていた。これに
代えて、図１５に模式的に示すように、各電極６４ａ〜
６４ｇは、焼結体内部に構成されたスルーホール電極８
１〜８３により同様に電気的に接続されていてもよい。また、図１６に模式的断面図で示すように、焼結体７３
の両端面７３ａ，７３ｂに至るように電極６４ｂ〜６４
ｇを形成しておき、接続されてはならない内部電極との
絶縁を果たすために、ガラス等の絶縁物８４ａ〜８４ｅ
を端面７３ａ，７３ｂに塗布してもよい。この場合、絶
縁物８４ａ〜８４ｅを塗布した後に、端子電極６５ａ〜
６５ｃが形成される。図１１に示した積層型の圧電バイ
モルフ素子６１では、第１，第２の圧電体６２，６３は
、それぞれ、三層の圧電セラミックス層から構成されて
いたが、本願の第３の発明の圧電バイモルフ素子は、こ
のような構成のものに限定されない。例えば、図１７に
模式的断面図で示すように、焼結体７３内において、第
１の圧電体９１が一層の圧電セラミックス層からなり、
第２の圧電体９２が三層の圧電セラミックス層９２ａ〜
９２ｃからなるように構成されていてもよい。同様に、
図１８に模式的断面図で示すように、焼結体７３内に、
三層の圧電セラミックス層１０１ａ〜１０１ｃからなる
第１の圧電体１０１と、五層の圧電セラミックス層１０
２ａ〜１０２ｅからなる第２の圧電体とが構成されてい
てもよい。さらに、第２の発明の圧電バイモルフ素子は
、上述した各構造例のように、第１，第２の圧電体が直
接に積層されていなくともよい。例えば、図１９に示す
ように、第１の圧電体６２と第２の圧電体６３との間に
、分極処理されていないセラミックス層１１１が設けら
れていてもよい。この場合、セラミックス層１１１の上
面及び下面間は、同電位に電気的接続することが好まし
い。

【００２５】上述した実施例及び各変形例の積層型圧電
バイモルフ素子は、複数枚のセラミックグリーンシート
を積層し、一体焼成して得られた焼結体７３を用いて構
成されていた。本願の第２の発明の積層型の圧電バイモ
ルフ素子は、第１，第２の圧電体を、それぞれ、別途作
製し、貼り合わせることによって製作することも可能で
ある。例えば、図２０に示すように、図１６に示した圧
電バイモルフ素子を得るのと同様の方法で得られた第１
の積層型圧電体１２１と第２の積層型圧電体１２２とを
別途作製し、それぞれの積層型圧電体１２１，１２２の
最外層の電極１２３ａ，１２３ｄ及び１２４ａ，１２４
ｄ間に電圧を印加してそれぞれの圧電体１２１，１２２
内の圧電セラミックス層１２５ａ〜１２５ｃ，１２６ａ
〜１２６ｃを分極処理し、しかる後エポキシ系接着剤を
用いて貼り合わせることによって、図２１に示すように
、積層型圧電バイモルフ素子１２７を得ることができる
。また、図２２に示すように、上述した貼り合わせに際
し、間にシム材等の金属板１３１を介して第１，第２の
積層型圧電体１２１，１２２を貼り合わせてもよく、あ
るいは図２３に示すように、絶縁性材料よりなる板状体
１３２を間に介して、第１，第２の圧電体１２１，１２
２を貼り合わせてもよい。上記絶縁性材料よりなる板状
体１３２としては、例えばジルコニア等の絶縁性セラミ
ックスからなるものが用いられる。また、上述した図２
０〜図２３を参照して示した変形例では、第１，第２の
圧電体を一体焼成法によって得た後に、これらを貼り合
わせることにより積層型圧電バイモルフ素子を構成して
いたが、第１，第２の圧電体内の各圧電セラミックス層
についても、それぞれ別途焼成された圧電セラミックス
板を用い、これらを全て貼り合わせることによって、積
層型の圧電バイモルフ素子を構成してもよい。さらに、
例えば、ＺｎＯ等の配向膜の配向方向をスパッタリング
等による成膜条件でコントロールすることによって、本
発明の圧電バイモルフ素子を得ることも可能である。な
お、本発明において用いられる圧電体としては、前述し
た圧電セラミックスに限らず、単結晶からなるものであ
ってもよい。また、圧電単結晶であるＬｉＴａＯ３　や
ＬｉＮｂＯ３　の分極反転層を利用してもよいことを指
摘しておく。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本願の第１の発明の駆動
方法によれば、従来の圧電バイモルフ素子の駆動方法で
は得られなかった非常に大きな変位量を実現することが
できる。従って、カメラのシャッターやリレー等に用い
るのに最適なアクチュエーターを提供することが可能と
なる。また、分極とは逆方向の電界が加わる圧電体層に
は、従来よりも印加電圧を小さくできるため、経時安定
性、信頼性において優れた圧電バイモルフ素子を得るこ
とができる。さらに、本願の第２の発明の圧電バイモル
フ素子は、圧電体層の層数を変えることにより並列型の
積層型圧電バイモルフ素子と比較して同じ電圧もしくは
低い電圧で同じ変位量を得ることができ、しかも本願の
第１の発明の駆動方法を用いれば、大きな変位量が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１の発明の原理を説明するための変位
量と印加電圧との関係を示す図。

【図２】第１の実施例において用いられる圧電バイモル
フ素子を示す断面図。

【図３】従来の圧電バイモルフ素子の駆動方法を説明す
るための断面図。

【図４】第１の実施例において用いられる圧電バイモル
フ素子の変形例を示す断面図。

【図５】第１の実施例において用いられる圧電バイモル
フ素子の変形例を示す断面図。

【図６】比較例としての並列型の圧電バイモルフ素子の
駆動方法を説明するための断面図。

【図７】実施例及び従来例における変位量と印加電圧と
の関係を示す図。

【図８】実施例及び従来例における印加電圧と変位量と
の関係を示す図。

【図９】従来の三端子型圧電バイモルフ素子を示す模式
的断面図。

【図１０】従来の並列型圧電バイモルフ素子を示す模式
的断面図。

【図１１】本願の第２の発明の一実施例にかかる積層型
の圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図１２】実施例及び従来例における変位量と印加電圧
との関係を示す図。

【図１３】第２の発明の他の実施例の製造に用いられる
セラミックグリーンシート及びその上に形成される導電
ペーストの形状を説明するための斜視図。

【図１４】図１１実施例を製造する工程を説明するため
の断面図。

【図１５】第２の発明の他の実施例の変形例の積層型の
圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図１６】第２の発明の他の実施例の変形例の積層型の
圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図１７】第２の発明の他の実施例の変形例の積層型の
圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図１８】第２の発明の他の実施例の変形例の積層型の
圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図１９】第２の発明の他の実施例の変形例の積層型の
圧電バイモルフ素子を示す模式的断面図。

【図２０】第１，第２の圧電体を別途貼り合わせて構成
される積層型圧電バイモルフ素子を製造する工程を示す
斜視図。

【図２１】図１１実施例の圧電バイモルフ素子の変形例
を示す斜視図。

【図２２】図１１実施例の圧電バイモルフ素子の変形例
を示す斜視図。

【図２３】図１１実施例の圧電バイモルフ素子の変形例
を示す斜視図。

【符号の説明】

１，２１は圧電バイモルフ素子、２，２２は第１の圧電
体としての圧電セラミックス層、３，２３は第２の圧電
体としての圧電セラミックス層、６１は圧電バイモルフ
素子、６２は第１の圧電体、６２ａ〜６２ｃは圧電体層
としての圧電セラミックス層、６３は第２の圧電体、６
３ａ〜６３ｃは圧電体層としての圧電セラミックス層を
示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　直接または間接的に積層された第１，
第２の圧電体を備え、前記第１，第２の圧電体が、それ
ぞれ、１の圧電体層または同位相で伸縮するように分極
処理、配向処理及び電気接続された積層圧電体層からな
り、かつ前記第１，第２の圧電体が伸縮の位相が逆とな
るように電気的に直列に接続された圧電バイモルフ素子
の駆動方法であって、前記第１，第２の圧電体のうち、
一方の圧電体に含まれる圧電体層において、該圧電体層
の厚みをｔ１　、該圧電体層を構成している圧電材料の
抗電界強度をＥｃとし、これらの積Ｅｃ×ｔ１　＝Ｖｃ
が最小のものをＶ１　、他方の圧電体に含まれる圧電体
層において、該圧電体層の厚みをｔ２　、該圧電体層を
構成している圧電材料の抗電界強度Ｅｃとし、これらの
積Ｅｃ×ｔ２　＝Ｖｃが最小のものをＶ２　としたとき
に、前記圧電バイモルフ素子にＶ１　＋Ｖ２　以上の電
圧を印加することを特徴とする、圧電バイモルフ素子の
駆動方法。
【請求項２】　　直接または間接的に積層された第１，
第２の圧電体を備え、前記第１，第２の圧電体は、一方
が１の圧電体層または２以上の圧電体層を積層してなる
積層圧電体層からなり、他方が２以上の圧電体層を積層
してなる積層圧電体層からなり、かつ前記積層圧電体層
内の複数の圧電体層は、同位相で伸縮するように分極処
理、配向処理及び電気的接続されており、前記第１，第
２の圧電体が電気的に直列に接続されており、それによ
って第１，第２の圧電体間で伸縮の位相が逆となるよう
に駆動されるように構成されていることを特徴とする、
圧電バイモルフ素子。