JPH08222776A

JPH08222776A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08222776A
Application number: JP7024169A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsumoto; 彰松本; Mitsuo Tamura; 光男田村
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1996-08-30
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP3326735B2

Abstract

(57)【要約】【目的】変位量が大きく、かつ変位効率が高いと共
に、耐久性に優れた圧電アクチュエータを提供する。【構成】板状を呈し、板面に平行な分極方向Ｐおよび
Ｐ´で分極する圧電セラミックス体１０と、弾性を有す
る金属板材から成り、段差状にかつ同方向に延びる第１
および第２の板部２１１（２２１）および２１２（２２
２）と第１および第２の板部２１１（２２１）および２
１２（２２２）を連結する第３の板部２１３（２２３）
とを一体に備えた一対の弾性板２１、２２とを有してい
る。一対の弾性板２１および２２が各第１および各第２
の板部２１１、２２１、２１２、２２２が延びる方向が
分極方向ＰおよびＰ´に平行になるように、対の第１の
板部２１１および２２１が圧電セラミックス体１０を挟
むようにして圧電セラミックス体１０に絶縁状態を確保
して面接合されると共に、対の第２の板部２１２および
２２２同士がそれぞれの先端部分にて接合された構造で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ装置、小型のリ
レー装置等、精密機構部を有する光学装置や電気装置な
どに用いられ、その機構部品を精密に駆動させることに
適した圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧電セラミックスの逆圧電作用
を利用したこの種の圧電アクチュエータとしては、積層
型アクチュエータと、バイモルフ型アクチュエータとの
２種類が提案および実用されている。図５および図６は
それぞれ、積層型アクチュエータおよびバイモルフ型ア
クチュエータを示す原理図である。

【０００３】図５において、積層型アクチュエータ７０
は、複数の圧電セラミックス片７１と電極板とを交互に
積層し、積層した電極板に交互に直流の電源ＰＷの正側
と負側を接続してなる。スイッチＳＷをオンにすると、
電極板７２ａと７２ｂとに挟まれた各圧電セラミックス
片７１には、図中、矢印Ｅ、Ｅ´で示すように電界が生
じ、矢印Ｐ、Ｐ´で示すように分極する。即ち、圧電セ
ラミックスのたて効果により、積層型アクチュエータ７
０の図中下端を固定した場合には、図中破線で示すよう
に変位する。積層型アクチュエータ７０は、一枚の圧電
セラミックス片では変位量が小さいものの、積層するこ
とによって比較的大きな変位量を確保している。

【０００４】図６において、シリーズ形のバイモルフ型
アクチュエータ８０は、金属板であるシム８３を挟んで
圧電セラミックス板８１および８２を積層し、圧電セラ
ミックス板８１および８２それぞれの図示しない電極板
に直流の電源ＰＷの正側と負側を接続してなる。スイッ
チＳＷをオンにすると、各圧電セラミックス板８１およ
び８２には、図中、矢印Ｅで示すように電界が生じ、あ
らかじめ処理した矢印Ｐ、Ｐ´で示す分極方向との関係
から、矢印Ｓ、Ｓ´で示すような伸縮が生ずる。即ち、
バイモルフ型アクチュエータ８０の例えば図中左端を固
定して片持ちはり状に用いた場合には、２枚のセラミッ
クス板が互いに逆方向に伸縮しようとする力によって撓
み、図中破線で示す状態から、実線で示す状態へ変位す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電アクチ
ュエータを実使用する際には、比較的大きな変位量が得
られること、入力電圧に対する変位量の大きさである変
位効率が高いこと等が要求される。これらの要求に対し
て、積層型アクチュエータは、その変位量の増大や変位
効率を向上するには限度がある。一方、バイモルフ型ア
クチュエータは、積層型アクチュエータに比べて、変位
効率が高く、また変位量も大きい。ところが、撓み動作
の際に、その反作用として固定端近傍に応力が生じる。
バイモルフ型アクチュエータにおける圧電セラミックス
板は柔軟性が低いので、動作回数の増大に伴い、板内に
疲労が生じて破損したり、柔軟性の比較的高いシムとの
柔軟性の不整合によって接合部分が破損するなどして、
圧電アクチュエータとしての機能を失う虞がある。

【０００６】本発明の課題は、変位量が大きく、かつ変
位効率が高いと共に、耐久性に優れた圧電アクチュエー
タを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、板状を
呈し、板面に平行な分極方向で分極する圧電セラミック
ス体と、弾性を有する金属板材から成り、段差状にかつ
同方向に延びる第１および第２の板部と該第１および該
第２の板部を連結する第３の板部とを一体に備えた弾性
板を一対とを有し、一対の前記弾性板は、各前記第１お
よび各前記第２の板部が延びる方向が前記分極方向に平
行になるように、対の前記第１の板部が前記圧電セラミ
ックス体を挟むようにして前記圧電セラミックス体に絶
縁状態を確保して面接合されると共に、対の前記第２の
板部同士がそれぞれの先端部分にて接合されたことを特
徴とする圧電アクチュエータが得られる。

【０００８】本発明によればまた、前記圧電セラミック
ス体は、板面に平行な分極方向で分極する板状のｎ（ｎ
は２以上の自然数）枚の圧電セラミックス片とｎ＋１枚
の電極板とを交互に、かつ各該圧電セラミックス片の分
極の向きを１８０度ずつ交互に違えて積層すると共に、
各該電極板を交互に正負極性のそれぞれとする請求項１
記載の圧電アクチュエータが得られる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の一実施例に
よる圧電アクチュエータを説明する。

【００１０】図１は、本発明の一実施例による圧電アク
チュエータを示す斜視図である。図２は、図１に示す本
圧電アクチュエータの分解斜視図である。図１および図
２において、本圧電アクチュエータは、圧電セラミック
ス体１０と、対の弾性板２１および２２とを有してい
る。弾性板２１（２２）は、弾性を有する金属板材の一
例としてのりん青銅板を板金加工して成り、段差状にか
つ同方向に延びる第１の板部２１１（２２１）と第２の
板部２１２（２２２）と、第１および第２の板部を連結
する第３の板部２１３（２２３）とを一体に備えてい
る。

【００１１】圧電セラミックス体１０は、複数の圧電セ
ラミックス素子を積層した構造である。即ち、圧電セラ
ミックス体１０は、板面に平行な分極方向（矢印Ｐまた
はＰ´）で分極する板状の自然数ｎ（図では、ｎ＝５）
枚の圧電セラミックス片１１と、ｎ＋１枚の例えばりん
青銅から成る電極板１２ａまたは１２ｂとを交互に、か
つ各圧電セラミックス片１１の分極の向きを１８０度ず
つ交互に違えて（矢印Ｐの向きまたは矢印Ｐ´の向きに
して）積層すると共に、各電極板１２ａを正極性に、各
電極板１２ｂを負極性に設定した構造である。電極板１
２ａ、１２ｂはそれぞれ、圧電セラミックス体１０から
図中右側、左側に僅かに突出しており、この部分を端子
にして、直流の電源ＰＷおよびスイッチＳＷからなる電
源回路に接続される。尚、本実施例において、電源回路
は、後述するように、出力電圧が可変のもである。

【００１２】さて、圧電セラミックス体１０の電極板１
２ａおよび１２ｂに電源回路との接続のためのリード線
が接合された状態で、一対の弾性板２１と２２は、各第
１の板部２１１と２２１および各第２の板部２１２と２
２２が延びる方向が、矢印ＰおよびＰ´で示された分極
方向に平行になるように、圧電セラミックス体１０に取
り付けられている。詳しくは、アルミナ等の絶縁材から
成る絶縁板３０を介することにより圧電セラミックス体
１０に対する絶縁状態を確保しつつ対の第１の板部２１
１および２２１が圧電セラミックス体１０を挟むように
して面接合されると共に、対の第２の板部２１２と２２
２とがそれぞれの先端（自由端）部分にて溶接等により
接合されている。さらに、一対の弾性板２１および２２
の第３の板部２１３および２２３と圧電セラミックス体
１０の図中右側との間には、シリコンゲル等の比較的弾
性の高い充填剤４０が充填され、圧電セラミックス体１
０の図中右側に露出する電極板やリード線接合部等と一
対の弾性板２１および２２との絶縁状態が確保されてい
る。尚、図２においては、説明の便宜上、充填剤４０を
一部品として独立して図示しているが、充填剤４０が単
体の状態を維持できるような硬度を有している場合には
図示の状態も可能であることは勿論である。さらに、圧
電セラミックス体１０の図中下側、即ち、弾性板２２の
第１の板部２２１の図中下面は、固定台５０に固定され
ている。

【００１３】次に、本圧電アクチュエータの動作原理を
説明する。

【００１４】図３は、本圧電アクチュエータの動作原理
を説明するための図である。図３中、点Ａ、ＢおよびＱ
は、図１中の符号に対応する。いま、図３において、点
Ｑ（０、ｙ₁）と点Ａ（−ａ、０）とを結ぶ線分ＱＡの
長さ、ならびに点Ｑと点Ｂ（ａ、０）とを結ぶ線分ＱＢ
の長さは、等しくＬとする。次に、線分ＱＡがΔＬだけ
伸びる一方、線分ＱＢがΔＬだけ縮んで、点Ｑ´
（ｘ₂、ｙ₂）へ移動したとする。線分Ｑ′Ａ、線分
Ｑ′Ｂの各長さについては、下記の数式１、数式２によ
り表される。

【００１５】

【数１】

【数２】

【００１６】数式１および数式２より、ｘ₂、ｙ₂を求
めると、下記の数式３、数式４が得られる。

【００１７】

【数３】

【数４】

【００１８】数式４において、ａ>>ΔＬであるときは、
ｙ₂は下記の数式５となり、ｙ₁と等しくなる。

【００１９】

【数５】

【００２０】即ち、ａ>>ΔＬであるときは、点Ｑからほ
ぼ水平に点Ｑ′へｘ₂＝（Ｌ／ａ）・ΔＬだけ変位する
ことになる。本発明による圧電アクチュエータは、この
原理に基づいた変位拡大作用を有している。つまり、圧
電セラミックス体１０では板面に平行な方向にかつ上下
間で逆向きにすべり変位を生じ、第２の板部２１２と２
２２とがそれぞれの先端部分にて接合された弾性板２１
および２２の一方を押す（＋ΔＬ）一方、他方を引く
（−ΔＬ）。この結果、第２の板部２１２および２２２
の先端は、矢印Ｄ方向（図１）にＬ／ａ・ΔＬだけ変位
する。よって、変位拡大比は、Ｌ／ａである。

【００２１】次に、以上説明した構成の本圧電アクチュ
エータを、その製造方法にそってさらに詳しく説明す
る。

【００２２】まず、例えば下記の表１に示す圧電セラミ
ックス材（トーキン製、製品番号：Ｎ−２１）から成る
板状のブロック（寸法は、板面が２０×２０ｍｍ、厚さ
が１０ｍｍ）について、一対の側面に銀ペーストを塗付
および焼付けした後に、シリコンオイル中にて１５０℃
に加熱しつつ、１．５ｋＶ／ｍｍの電界を１５分間印加
し、分極処理を施した。次に、このブロックから銀電極
を硝酸で除去した後に、分極軸が板面に平行になるよう
に、スライジング加工し、ｎ枚の板状の圧電セラミック
ス片１１（寸法は、板面が２０×１０ｍｍ、厚さが０．
２０ｍｍ）を得た。

【００２３】

【表１】

【００２４】圧電セラミックス片１１の両板面に、クロ
ムおよび金から成る電極をスパッタリング法により形成
し、側面に付着したところはサンドブラストにより除去
した。次に、りん青銅から成るｎ＋１枚の電極板（寸法
は、板面が２２×１０ｍｍ、厚さが０．０５ｍｍ）を用
意した。次に、ｎ枚の圧電セラミックス片１１とｎ＋１
枚の電極板とを交互に積層してエポキシ系接着剤で接着
した。このときに交互に両端にはみ出す電極板の端部に
リード線をハンダ付けして接合し、圧電セラミックス体
１０を得た。圧電セラミックス体１０として、下記の表
２に示す試料１、２、および３を製造した。

【００２５】

【表２】尚、表２において、すべり変位量は、圧電セラミックス
体１０に３０Ｖの電圧を印加し多彩の値である。

【００２６】次に、りん青銅板材（寸法は、幅が１０ｍ
ｍ、厚さが０．２ｍｍ）を板金加工して、試料１、２、
および３（圧電セラミックス体１０）それぞれに応じた
形状（第３の板部２１３および２２３の寸法は各試料に
合わせる）の弾性板２１および２２を用意した。尚、第
２の板部２１２、２２２の長さはいずれも、７０ｍｍと
した。

【００２７】次に、試料１、２、および３について、ア
ルミナ等の絶縁材から成る絶縁板３０を介することによ
り絶縁状態を確保しつつ、対の対の第１の板部２１１お
よび２２１で圧電セラミックス体１０を挟むようにして
面接合すると共に、対の第２の板部２１２と２２２とを
溶接した。さらに、一対の弾性板２１および２２の第３
の板部２１３および２２３と圧電セラミックス体１０の
図中右側との間に、シリコンゲル等の充填剤４０を充填
した。次に、弾性板２２の第１の板部２２１を、固定台
５０に接着して固定した。

【００２８】以上のようにして、本発明による圧電アク
チュエータを製造できた。

【００２９】次に、圧電セラミックス体１０として試料
１、２、および３をそれぞれ用いて製造した本発明によ
る各圧電アクチュエータの弾性板２１および２２の先端
部の変位量を測定した。測定に際しては、圧電セラミッ
クス体１０に５Ｖ〜３０Ｖを５Ｖステップで印加し、弾
性板２１および２２の先端部の変位量を工具顕微鏡を用
いて測定した。測定結果を図４に示す。

【００３０】また、本発明による各圧電アクチュエータ
について、圧電セラミックス体１０に直流電圧３０Ｖを
印加したときに、弾性板２１および２２の先端部の変位
量をロードセルを用いて０に抑えるために必要な力を測
定した。測定結果を下記の表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】さらに、本発明による各圧電アクチュエー
タを、種々の印加電圧により長時間駆動したが、弾性板
２１および２２自体の各部は勿論、その接合部、さらに
は圧電セラミックス体１０各部や接合部のいずれにも破
損等は生じなかった。

【００３３】

【発明の効果】本発明による圧電アクチュエータは、板
状を呈し、板面に平行な分極方向で分極する圧電セラミ
ックス体と、弾性を有する金属板材から成り、段差状に
かつ同方向に延びる第１および第２の板部と第１および
第２の板部を連結する第３の板部とを一体に備えた弾性
板を一対とを有し、一対の弾性板が各第１および各第２
の板部が延びる方向が分極方向に平行になるように、対
の第１の板部が圧電セラミックス体を挟むようにして圧
電セラミックス体に絶縁状態を確保して面接合されると
共に、対の第２の板部同士がそれぞれの先端部分にて接
合された構造であり、圧電セラミックス体におけるすべ
り変位が弾性板のたわみ変形に拡大されるため、変位量
が大きく、かつ変位効率が高い。圧電セラミックス体を
積層タイプとすれば、さらに変位量が大きくなる。

【００３４】また、圧電セラミックス体自体やこれとの
接合部に応力が集中しないため、耐久性に優れている。

【００３５】本発明による圧電アクチュエータは、低電
圧でも数百ミクロン程度の変位の制御が可能であるた
め、レーザー応用装置、各種光学装置、リレー装置等、
各種装置に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による圧電アクチュエータを
示す斜視図である。

【図２】図１に示す圧電アクチュエータの分解斜視図で
ある。

【図３】図１に示す圧電アクチュエータの動作原理を説
明するための図である。

【図４】本発明による圧電アクチュエータの、印加電圧
値に対する弾性板の先端部の変位量を示す図である。

【図５】従来例による積層型の圧電アクチュエータを示
す原理図である。

【図６】従来例によるバイモルフ型の圧電アクチュエー
タを示す原理図である。

【符号の説明】

１０圧電セラミックス体１１圧電セラミックス片１２ａ、１２ｂ電極板２１、２２弾性板３０絶縁板４０充填剤５０固定台７０積層型アクチュエータ７１圧電セラミックス片７２ａ、７２ｂ電極板８０バイモルフ型アクチュエータ８１、８２圧電セラミックス板８３シム２１１、２２１第１の板部２１２、２２２第２の板部２１３、２２３第３の板部ＰＷ電源ＳＷスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状を呈し、板面に平行な分極方向で分
極する圧電セラミックス体と、弾性を有する金属板材か
ら成り、段差状にかつ同方向に延びる第１および第２の
板部と該第１および該第２の板部を連結する第３の板部
とを一体に備えた弾性板を一対とを有し、一対の前記弾
性板は、各前記第１および各前記第２の板部が延びる方
向が前記分極方向に平行になるように、対の前記第１の
板部が前記圧電セラミックス体を挟むようにして前記圧
電セラミックス体に絶縁状態を確保して面接合されると
共に、対の前記第２の板部同士がそれぞれの先端部分に
て接合されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記圧電セラミックス体は、板面に平行
な分極方向で分極する板状のｎ（ｎは２以上の自然数）
枚の圧電セラミックス片とｎ＋１枚の電極板とを交互
に、かつ各該圧電セラミックス片の分極の向きを１８０
度ずつ交互に違えて積層すると共に、各該電極板を交互
に正負極性のそれぞれとする請求項１記載の圧電アクチ
ュエータ。