JPH08242024A - Piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator

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JPH08242024A
JPH08242024A JP7070772A JP7077295A JPH08242024A JP H08242024 A JPH08242024 A JP H08242024A JP 7070772 A JP7070772 A JP 7070772A JP 7077295 A JP7077295 A JP 7077295A JP H08242024 A JPH08242024 A JP H08242024A
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric element
adhesive
actuator
piezoelectric actuator
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Application number
JP7070772A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Watabe
嘉幸 渡部
Shigeru Sadamura
茂 定村
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08242024A publication Critical patent/JPH08242024A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a low-cost moistwre-proof piezoelectric actuator in which internal stress is decreased and large generation-displacement is obtained. CONSTITUTION: A plurality of piezoelectric element plates are formed with an internal electrode on a surface of a piezoelectric seat and stacked to form a piezoelectric element 22. The plurality of piezoelectric elements are stacked by using elastic adhesives 23. Thus, a binding force at expansion and contraction driving is reduced to obtain large generation-displacements.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、X−Yステージの位置
決め機構、超音波モータ、マスフローコントローラ等に
使用される積層型の圧電アクチュエータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator used in a positioning mechanism for an XY stage, an ultrasonic motor, a mass flow controller and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、X−Yステージの位置決め機
構、超音波モータ、マスフローコントローラ等のアクチ
ュエータとして使用する微小変位素子として、圧電セラ
ミック材と薄膜電極とを交互に積層してなる圧電素子が
知られており、電界により圧電セラミック材が伸縮して
歪む効果を利用して小ストロークで大きな荷重を必要と
する部位のアクチュエータとして使用されている。この
素子は製造ラインの主要部品に組み込まれている事か
ら、長期信頼性が要求され、しいては機械的強度や耐湿
性が高いことが要求されている。
2. Description of the Related Art Generally, a piezoelectric element formed by alternately laminating a piezoelectric ceramic material and a thin film electrode is known as a minute displacement element used as an actuator for an XY stage positioning mechanism, an ultrasonic motor, a mass flow controller and the like. The piezoelectric ceramic material is used as an actuator for a portion requiring a large load with a small stroke by utilizing the effect that the piezoelectric ceramic material expands and contracts due to an electric field. Since this element is incorporated into the main parts of the manufacturing line, long-term reliability is required, and thus high mechanical strength and high humidity resistance are required.

【0003】この種の従来の圧電素子の構造を図11に
基づいて説明する。図11は全面電極型の従来の圧電ア
クチュエータの斜視図を示し、この圧電アクチュエータ
は、例えばチタン酸・ジルコン酸鉛(PZT)等のセラ
ミック材よりなる圧電シート2と白金或いは銀−パラジ
ウム等の薄膜よりなる内部電極4とを交互に多数、例え
ば100層程度積層して構成されている。内部電極4の
端部は全周に亘って外へ露出しており、この内部電極4
には、交互に異なる極性の電圧を印加しなければならな
いことから、その印加電極を形成するために、ブロック
状の圧電素子の直交する2つの側面に絶縁層6、8を塗
布形成し、一方の絶縁層6においては一層おきに内部電
極4の端部に沿ってダイサーで削って内部電極の端部を
再度露出させ、そして、他方の絶縁層8においては上記
と異なる一層おきの内部電極4の端部に沿って同様にダ
イサーで削って内部電極の端部を再度露出させる。
The structure of a conventional piezoelectric element of this type will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a perspective view of a conventional piezoelectric actuator of the full-surface electrode type. This piezoelectric actuator comprises a piezoelectric sheet 2 made of a ceramic material such as titanate / lead zirconate (PZT) and a thin film of platinum or silver-palladium. The internal electrodes 4 are alternately laminated in a large number, for example, about 100 layers. The end of the internal electrode 4 is exposed to the outside over the entire circumference.
Since it is necessary to alternately apply voltages having different polarities, insulating layers 6 and 8 are formed by coating on two orthogonal side surfaces of the block-shaped piezoelectric element in order to form the applied electrodes. In the insulating layer 6, the edge portions of the internal electrodes are exposed again by dicing along the edges of the internal electrodes 4 every other layer, and in the other insulating layer 8, the internal electrodes 4 of the alternate layer different from the above. Similarly, the edges of the internal electrodes are exposed again by shaving with a dicer along the edges.

【0004】そして、上記各絶縁層6、8上に銀ペース
ト等よりなる外部電極10、12を塗布形成して露出さ
せた内部電極4を一層おきに電気的に接続する。従っ
て、一方の外部電極10には、一層おきに内部電極が共
通に接続され、他方の外部電極12には上記と異なった
一層おきの内部電極が共通に接続されるので、これらの
外部電極10、12間に直流電圧を印加することにより
各圧電シート2に電界を印加してこれに電歪効果を生ぜ
しめることができる。
Then, external electrodes 10 and 12 made of silver paste or the like are formed by coating on the insulating layers 6 and 8, and the exposed internal electrodes 4 are electrically connected every other layer. Therefore, one external electrode 10 is commonly connected to internal electrodes every other layer, and the other external electrode 12 is commonly connected to internal electrodes every other layer different from the above. It is possible to apply an electric field to each piezoelectric sheet 2 by applying a DC voltage between the first and second electrodes 12, thereby producing an electrostrictive effect.

【0005】ところで、各圧電シート2の厚みは、約1
00μmと非常に薄いことから僅かな水分が素子側面に
付着しただけでも隣設する内部電極4同士が容易に短絡
して使用不能になったり、或いは、内部電極として白金
と比較して安価な銀−パラジウムを用いた場合にはこれ
がマイグレーションを起こしてツリー状に針状結晶が生
長し、これが隣設する内部電極4に至って同様に短絡現
象を起こしてしまい、湿度対策が重要課題となってい
る。そこで、耐湿性を向上させるために、圧電素子全体
を、伸縮可能な密閉型のステンレススチール缶内に収容
して耐湿性を向上させた技術や、特開平3−27008
5号公報に示すような交互電極型の圧電アクチュエータ
が開発された。図12は交互電極型の従来の圧電アクチ
ュエータを示す斜視図、図13は図12に示す圧電アク
チュエータの各圧電シートの表面状態と積層状態を示す
図である。
By the way, the thickness of each piezoelectric sheet 2 is about 1
Since it is as thin as 00 μm, even if a small amount of water adheres to the side surface of the element, the adjacent internal electrodes 4 are easily short-circuited to become unusable, or the internal electrode 4 is less expensive than platinum. -When palladium is used, it causes migration to grow a needle-shaped crystal in a tree shape, which reaches the internal electrode 4 adjacent to the same and causes a short circuit phenomenon in the same manner. . Therefore, in order to improve the moisture resistance, a technique in which the entire piezoelectric element is housed in an expandable and contractible sealed stainless steel can to improve the moisture resistance, and JP-A-3-27008.
An alternating electrode type piezoelectric actuator as shown in Japanese Patent No. 5 has been developed. FIG. 12 is a perspective view showing a conventional piezoelectric actuator of an alternating electrode type, and FIG. 13 is a view showing a surface state and a laminated state of each piezoelectric sheet of the piezoelectric actuator shown in FIG.

【0006】この交互電極型の圧電アクチュエータは、
圧電シート全面に内部電極を形成した図11に示す全面
電極型の圧電素子アクチュエータと異なり、一部のみに
圧電シート2の端辺に至る電極取り出し部14を形成し
ておく以外は圧電シート2の表面の周縁部には何ら内部
電極を形成せずにシート端辺より僅かな間隔を隔てて内
部電極4を形成する。そして、このように形成した圧電
シート2を図13に示すように一層おきに内部電極の電
極取り出し部14が交いに反対方向になるように積層
し、これにより電極取り出し部14の端部が外側に露出
するので、ここに外部電極10、12を塗布することに
より、一層おきの内部電極同士を電気的に接続する。
This alternating electrode type piezoelectric actuator is
Unlike the full-electrode-type piezoelectric element actuator shown in FIG. 11 in which internal electrodes are formed on the entire surface of the piezoelectric sheet, the piezoelectric sheet 2 of the piezoelectric sheet 2 is formed except that the electrode lead-out portion 14 reaching the end side of the piezoelectric sheet 2 is formed on only a part thereof. No internal electrode is formed on the peripheral portion of the surface, and the internal electrode 4 is formed at a slight distance from the edge of the sheet. Then, as shown in FIG. 13, the piezoelectric sheets 2 thus formed are laminated so that the electrode lead-out portions 14 of the internal electrodes are alternately arranged in the opposite direction as shown in FIG. Since it is exposed to the outside, the external electrodes 10 and 12 are applied here to electrically connect the internal electrodes of every other layer.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前者のよう
に圧電素子全体を密閉型のステンレススチール缶に収容
する構造にあっては、耐湿性は向上できるが、密閉缶を
用いることから素子が大型化して省スペース化に反する
のみならず、余分な部品を用いなければならないことか
らコスト高を招来するという問題点があった。また、後
者の交互電極型の圧電アクチュエータの場合には、内部
電極の露出部分が少なくて耐湿性を改善でき、しかも工
程数も少ないのでコスト低減には寄与できたが、内部電
極を埋め込んだ部分と埋め込んでいない部分との間に、
動作時に大きな応力が発生し、このために、発生変位量
を低下させて十分な伸縮ストロークを得られなくなるば
かりか、クラック等が発生し易くなるという新たな問題
が発生した。これを図14及び図15を参照して詳しく
説明する。
By the way, in the former structure in which the whole piezoelectric element is housed in a closed stainless steel can, the moisture resistance can be improved, but since the closed can is used, the element is large. However, there is a problem in that the cost is increased due to the necessity of using extra parts in addition to the reduction in space saving. Also, in the latter case of the alternate electrode type piezoelectric actuator, the exposed portion of the internal electrode was small and the moisture resistance could be improved, and the number of steps was small, which contributed to cost reduction, but the portion where the internal electrode was embedded was Between the non-embedded part and
A large stress is generated during operation, which causes a new problem that not only the amount of generated displacement is reduced and a sufficient expansion / contraction stroke cannot be obtained, but also cracks are easily generated. This will be described in detail with reference to FIGS. 14 and 15.

【0008】図14は図13に示す交互電極型の圧電ア
クチュエータの断面図であり、図15は電圧印加により
駆動されて上下方向に伸長した時の圧電アクチュエータ
の変形状態を模式的に示す図である。図中30、32は
一層おきの内部電極に電気的に接続される外部電極であ
る。多数の圧電シートを積層してなる圧電素子は、図中
縦方向において、上下に隣設する内部電極4同士がシー
トを介して重なって伸縮に寄与する部分である圧電活性
部16と、隣設内部電極が重ならずに伸縮に寄与しない
部分である圧電不活性部18とに分かれる。この圧電素
子を駆動すると圧電活性部16が電歪効果で伸縮するの
に対して圧電不活性部18は何ら伸縮しないので上記伸
縮動作を拘束するように作用する。このように拘束力が
働く結果、圧電アクチュエータ全体は図15に示すよう
に太鼓状に大きく変形してしまうことになる。尚、図1
5では変形態様を強調して記載してある。。この結果、
圧電アクチュエータ全体の伸長ストロークが抑制されて
発生変位量を十分に得ることができないばかりか、主に
圧電活性部16と圧電不活性部18との境界部分20に
大きな応力が作用してクラックが発生し易くなるという
問題があった。
FIG. 14 is a cross-sectional view of the alternate electrode type piezoelectric actuator shown in FIG. 13, and FIG. 15 is a diagram schematically showing a deformed state of the piezoelectric actuator when it is driven by a voltage application and vertically expanded. is there. In the figure, 30 and 32 are external electrodes electrically connected to the internal electrodes of every other layer. A piezoelectric element formed by stacking a large number of piezoelectric sheets is adjacent to a piezoelectric active portion 16 which is a portion in which vertically adjacent internal electrodes 4 are overlapped with each other via sheets to contribute to expansion and contraction in the vertical direction in the drawing. The internal electrode is divided into a piezoelectric inactive portion 18, which is a portion that does not overlap and does not contribute to expansion and contraction. When this piezoelectric element is driven, the piezoelectric active portion 16 expands and contracts due to the electrostrictive effect, whereas the piezoelectric inactive portion 18 does not expand or contract at all, so that the expansion and contraction operation is constrained. As a result of the constraint force thus acting, the entire piezoelectric actuator is largely deformed into a drum shape as shown in FIG. FIG.
5, the modified mode is emphasized and described. . As a result,
The expansion stroke of the entire piezoelectric actuator is suppressed so that the amount of generated displacement cannot be sufficiently obtained, and also a large stress acts mainly on the boundary portion 20 between the piezoelectric active portion 16 and the piezoelectric inactive portion 18 to cause a crack. There was a problem that it became easier to do.

【0009】このような拘束力を軽減するために、後者
にあっては薄いセラミック層を23枚程度だけ積層して
なるサブユニットを形成し、この圧電不活性部のみを相
互に接合して大きなアクチュエータを製造するようにし
ているが、サブユニット内でさえもかなり大きな内部応
力が発生しており、クラック等の発生を十分に抑制する
ことができないのが現状である。特に、半導体製造装置
のガス流量制御に用いられるマスフローコントローラの
ように極めて精度の高い微小変位量のコントロールが要
求される分野においては、数μm程度の変位量の差が大
きな影響を及ぼすことになる。更に、この後者の技術に
あっては、圧電活性部のみにしか接着剤を塗布していな
いことから、接着強度が弱く、繰り返し使用によりこれ
が剥がれる恐れもあった。
In order to reduce such restraint force, in the latter case, a subunit formed by laminating about 23 thin ceramic layers is formed, and only the piezoelectric inactive portions are bonded to each other to form a large unit. Although an actuator is manufactured, a considerable amount of internal stress is generated even in the subunit, and the present situation is that the occurrence of cracks and the like cannot be sufficiently suppressed. In particular, in a field requiring extremely precise control of a minute displacement amount such as a mass flow controller used for controlling a gas flow rate of a semiconductor manufacturing apparatus, a displacement amount difference of about several μm has a great influence. . Further, in this latter technique, since the adhesive is applied only to the piezoelectric active portion, the adhesive strength is weak and there is a possibility that the adhesive may be peeled off by repeated use.

【0010】また、関連技術として、特開平3−179
228号公報に示すように、センサとしての単体圧電セ
ラミックを支持板に取り付けるに際して、弾性を有する
接着剤を使用し、支持板とセラミックの熱膨張係数の差
によって生ずるストレスを吸収するようにした技術も提
案されているが、これは圧電セラミックの変位量を大き
くするために弾性接着剤を用いているのではなく、単に
熱膨張差によるストレスを吸収するためのものであり、
本発明とは直接的な関係を有するものではない。本発明
は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決す
べく創案されたのである。本発明の目的は、安価で耐湿
性が高く且つ内部応力が少なくて大きな発生変位量を得
ることができる圧電アクチュエータを提供することにあ
る。
As a related technique, Japanese Patent Laid-Open No. 3-179.
As shown in Japanese Unexamined Patent Publication No. 228, when a single-piece piezoelectric ceramic as a sensor is attached to a support plate, an elastic adhesive is used to absorb stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the support plate and the ceramic. However, this is not to use an elastic adhesive to increase the displacement of the piezoelectric ceramic, but to simply absorb the stress due to the difference in thermal expansion,
It does not have a direct relationship with the present invention. The present invention has been made to pay attention to the above problems and to solve them effectively. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that is inexpensive, has high humidity resistance, has a small internal stress, and can obtain a large amount of generated displacement.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、圧電シートの表面に内部電極を形成し
てなる圧電素子板を複数枚積層して圧電素子を形成し、
この圧電素子を、弾性接着剤を用いてその厚さ方向へ複
数個接続するように構成したものである。
In order to solve the above problems, the present invention forms a piezoelectric element by laminating a plurality of piezoelectric element plates each having an internal electrode formed on the surface of a piezoelectric sheet.
A plurality of the piezoelectric elements are connected to each other in the thickness direction by using an elastic adhesive.

【0012】[0012]

【作用】本発明は、以上のように構成したので、アクチ
ュエータの駆動時に、圧電素子内の厚み方向に発生変位
量の差が生じても、圧電素子間は弾性を有する弾性接着
剤により接合されているので、この発生変位量の差を吸
収することが可能となる。従って、圧電素子の伸縮動作
を拘束することがなく十分大きい発生変位量を得ること
が可能となる。この弾性接着剤としては、比較的柔らか
い接着剤、例えばビニル系接着剤やシリコン系接着剤を
用いることができる。圧電素子が、その周縁部に圧電不
活性部を有する場合には、圧電活性部の伸縮動作に対す
る拘束力が大きくなる傾向となるが、この場合でも上記
弾性接着剤が変位量の差を吸収することができるので、
十分大きい発生変位量を得ることができ、内部応力の増
加も防止することができる。
Since the present invention is configured as described above, the piezoelectric elements are bonded by the elastic adhesive having elasticity even when the displacement amount generated in the piezoelectric elements varies in the thickness direction when the actuator is driven. Therefore, it is possible to absorb the difference in the generated displacement amount. Therefore, it is possible to obtain a sufficiently large generated displacement amount without restraining the expansion and contraction operation of the piezoelectric element. As this elastic adhesive, a relatively soft adhesive such as a vinyl adhesive or a silicone adhesive can be used. When the piezoelectric element has the piezoelectric inactive portion on the peripheral edge thereof, the restraining force against the expansion and contraction operation of the piezoelectric active portion tends to increase, but even in this case, the elastic adhesive absorbs the difference in displacement amount. Because you can
A sufficiently large amount of generated displacement can be obtained, and an increase in internal stress can be prevented.

【0013】また、圧電不活性部に収縮率整合薄膜を形
成した場合には、圧電素子の焼成時における圧電活性部
と圧電不活性部の収縮率の差を少なくすることができる
ので、その分、圧電素子自体に内在する残留応力を少な
くして、全体としての発生変位量を大きくすることがで
きる。更には、圧電不活性部を有する圧電素子におい
て、分極処理された圧電素子を接合する場合には、残留
分極により素子の上下面の中央部に平坦突状部が発生す
るが、隣設する圧電素子との圧電不活性部間に弾性接着
剤を主に介在させることにより、これが発生変位量の差
を吸収し、十分に大きい発生変位量を得ることが可能と
なり、しかも同時に発生応力差も吸収することができる
ので内部クラック等の発生も防止することが可能とな
る。
Further, when the contraction rate matching thin film is formed on the piezoelectric inactive portion, it is possible to reduce the difference in the contraction rate between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion during firing of the piezoelectric element. It is possible to reduce the residual stress inherent in the piezoelectric element itself and increase the amount of displacement generated as a whole. Furthermore, in a piezoelectric element having a piezoelectrically inactive portion, when a polarized piezoelectric element is joined, a flat protrusion is generated at the center of the upper and lower surfaces of the element due to remanent polarization. By mainly interposing an elastic adhesive between the piezoelectric inactive part and the element, this absorbs the difference in the generated displacement amount, and it becomes possible to obtain a sufficiently large generated displacement amount, and at the same time, the generated stress difference is also absorbed. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of internal cracks.

【0014】[0014]

【実施例】以下に、本発明に係る圧電アクチュエータの
一実施例について詳述する。図1から図8は本発明の圧
電アクチュエータの製造工程を示す図であり、図1は圧
電シートに内部電極と収縮率整合薄膜を設けた圧電素子
板を示す平面図、図2は図1に示す圧電素子板の収縮率
整合薄膜の部分を示す拡大図、図3は図1に示す圧電素
子板の積層状態を示す図、図4は圧電素子板を積層して
形成した圧電素子を示す斜視図、図5は図4に示す圧電
素子板の側面図、図6は図4に示す圧電素子を分極させ
た後の状態を示す斜視図、図7は圧電素子を積み上げて
接続して形成した本発明の圧電アクチュエータを示す斜
視図、図8は図7に示す圧電素子間の接続状態を示す拡
大図である。尚、先に説明した従来装置と同一部分につ
いては同一符号を付して説明する。
EXAMPLE An example of the piezoelectric actuator according to the present invention will be described in detail below. 1 to 8 are views showing a manufacturing process of a piezoelectric actuator of the present invention, FIG. 1 is a plan view showing a piezoelectric element plate in which an internal electrode and a contraction rate matching thin film are provided on a piezoelectric sheet, and FIG. FIG. 3 is an enlarged view showing the portion of the shrinkage factor matching thin film of the piezoelectric element plate shown in FIG. 3, FIG. 3 is a view showing a laminated state of the piezoelectric element plates shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a perspective view showing a piezoelectric element formed by laminating piezoelectric element plates. FIG. 5, FIG. 5 is a side view of the piezoelectric element plate shown in FIG. 4, FIG. 6 is a perspective view showing a state after polarization of the piezoelectric element shown in FIG. 4, and FIG. 7 is formed by stacking and connecting piezoelectric elements. FIG. 8 is a perspective view showing the piezoelectric actuator of the present invention, and FIG. 8 is an enlarged view showing a connection state between the piezoelectric elements shown in FIG. The same parts as those of the conventional device described above are designated by the same reference numerals.

【0015】本発明の重要な点は、図8に示すように圧
電素子22同士の接続に接着力は強いが接着後において
も比較的柔らかい材料特性を有する弾性接着剤23を用
い、これによりアクチュエータ駆動時の拘束力を吸収し
て解放した点にある。まず、図4に示すような圧電素子
22を形成するまでの工程を説明する。図1に示すよう
にPZT等のセラミック材よりなる厚さ100μm程
度、縦横25mm程度の薄板状の圧電シート2の表面
に、その端辺2Aから所定の間隔Dを隔てて、例えば銀
−パラジウム等よりなる非常に薄い内部電極4を形成し
ており、一部の端辺2Bに対してのみ内部電極4の薄膜
金属を部分的に延在させて端辺2Bから外部に露出させ
て、電極取り出し部14を形成している。これにより圧
電素子板21が形成されることになる。圧電シートの薄
板形成は、例えばドクターブレード法により行なわれ、
内部電極4の形成はスクリーン印刷等を用いて行なう。
An important point of the present invention is that, as shown in FIG. 8, an elastic adhesive 23 is used to connect the piezoelectric elements 22 to each other, which has a strong adhesive force, but has a relatively soft material property even after the bonding. The point is that the restraint force during driving was absorbed and released. First, steps required to form the piezoelectric element 22 as shown in FIG. 4 will be described. As shown in FIG. 1, for example, silver-palladium or the like is provided on the surface of a thin plate-shaped piezoelectric sheet 2 made of a ceramic material such as PZT and having a thickness of about 100 μm and a length and width of about 25 mm at a predetermined distance D from its end 2A. Is formed, and the thin film metal of the internal electrode 4 is partially extended only to a part of the edge 2B to expose the electrode from the edge 2B. The part 14 is formed. As a result, the piezoelectric element plate 21 is formed. The thin plate formation of the piezoelectric sheet is performed by, for example, the doctor blade method,
The internal electrodes 4 are formed by screen printing or the like.

【0016】この場合、電極取り出し部14以外の内部
電極4を取り囲むようにコ字状になされた領域、すなわ
ち圧電シート上の、内部電極4を形成していない領域
は、後述するように電界が印加されずに圧電効果に寄与
しない領域となることから圧電不活性領域24となり、
これに対して内部電極4が形成されている領域は圧電活
性領域26となる。
In this case, an electric field is applied to a region formed in a U-shape so as to surround the internal electrode 4 other than the electrode lead-out portion 14, that is, a region on the piezoelectric sheet where the internal electrode 4 is not formed, as described later. Since the region is not applied and does not contribute to the piezoelectric effect, the piezoelectric inactive region 24 is formed.
On the other hand, the region where the internal electrode 4 is formed becomes the piezoelectric active region 26.

【0017】そして、略コ字状の圧電不活性領域24に
収縮率整合薄膜28を、内部電極と同じくスクリーン印
刷等を用いて形成する。この場合、この整合薄膜28
は、内部電極4と同じ位い薄い金属薄膜により形成し、
圧電シート2の各端辺2A,2Bよりも僅かに内側に位
置させると同時に、内部電極4からも必ず僅かに離間さ
せて形成し、後述するように積層したときに電気的に浮
遊状態となるように設定する。圧電不活性領域の幅D
が、約1.0mmであるのに対して、整合薄膜28の幅
は、約0.5mm程度に設定する。
Then, a contraction rate matching thin film 28 is formed in the substantially U-shaped piezoelectric inactive region 24 by using screen printing or the like like the internal electrodes. In this case, the matching thin film 28
Is formed of a thin metal film as thin as the internal electrode 4,
The piezoelectric sheet 2 is formed slightly inside the respective edges 2A and 2B, and at the same time, is formed so as to be slightly separated from the internal electrode 4 as well, and becomes electrically floating when laminated as described later. To set. Width D of piezoelectric inactive region
However, the width of the matching thin film 28 is set to about 0.5 mm.

【0018】整合薄膜28としては、全面ベタ状の金属
薄膜として形成してもよいが、積層時の圧電シート間の
密着性を考慮すると、例えば図2に示す拡大図のように
微小円形状の整合薄膜28を密集させて例えば水玉模様
状に散在させて設けるように形成するのが好ましい。こ
れは、圧電シート同士の焼成後の強度よりも、圧電シー
トと電極間の焼成後の強度が弱く、圧電素子全体の強度
を考えると、できるだけ圧電シート同士の密着を多くす
る必要があるためである。尚、図2において、円形の整
合薄膜28間の距離は説明の容易化のために大きく記載
しているが実際には非常に小さく、例えば0.06〜
0.15mm程度に設定されている。
The matching thin film 28 may be formed as a solid metal thin film on the entire surface, but in consideration of the adhesion between the piezoelectric sheets at the time of stacking, for example, a fine circular shape as shown in the enlarged view of FIG. It is preferable to form the matching thin films 28 so as to be densely arranged and scattered in, for example, a polka dot pattern. This is because the strength after firing between the piezoelectric sheets and the electrodes is weaker than the strength after firing between the piezoelectric sheets, and considering the strength of the entire piezoelectric element, it is necessary to increase the adhesion between the piezoelectric sheets as much as possible. is there. In FIG. 2, the distance between the circular matching thin films 28 is shown large for ease of description, but is actually very small, for example, 0.06 to
It is set to about 0.15 mm.

【0019】また、整合薄膜を散在させて設ける場合に
は、個々の形状は円形に限らず、例えば楕円形状、矩形
状、三角形状などどのような形状でもよい。また、この
整合薄膜24の材料としては、内部電極と同じ材料、例
えば銀−パラジウムを用いればよく、その場合には、ス
クリーン印刷等により内部電極の形成時に同時に整合薄
膜28も形成することができ、工程数も増加させる必要
がない。ただし、収縮率の整合を図るための同様の効果
が得られるのであれば、内部電極と同一の材料でなくて
もよい。このように、圧電シート2上に内部電極4と整
合薄膜28を形成して圧電素子板21の形成が完了した
ならば、同様に形成した多数の圧電素子板21を複数
枚、例えば25枚、図3に示すように積層し、冷間静水
圧法(CIP:ColdIsostatic Pres
s)によりプレスしつつ例えば120℃程度の温度下で
圧着処理し、更にこれを1075℃程度の高温で焼結し
て図4に示すような単体の圧電素子22を形成する。
When the matching thin films are provided in a scattered manner, each shape is not limited to a circular shape, and may be any shape such as an elliptical shape, a rectangular shape, and a triangular shape. The matching thin film 24 may be made of the same material as the internal electrodes, for example, silver-palladium. In that case, the matching thin film 28 can be formed at the same time when the internal electrodes are formed by screen printing or the like. There is no need to increase the number of steps. However, the material may not be the same as the material of the internal electrodes as long as the same effect for matching the contraction rate can be obtained. As described above, when the internal electrodes 4 and the matching thin film 28 are formed on the piezoelectric sheet 2 to complete the formation of the piezoelectric element plates 21, a plurality of piezoelectric element plates 21 formed in the same manner, for example, 25 sheets, Laminate as shown in FIG. 3, and cold isostatic pressing (CIP: Cold Isostatic Pres)
While being pressed by s), pressure bonding is performed at a temperature of about 120 ° C., and this is sintered at a high temperature of about 1075 ° C. to form a single piezoelectric element 22 as shown in FIG.

【0020】圧電素子板21の積層に際しては、上下方
向に隣り合って接合する圧電素子板21間の電極取り出
し部14の位置する方向を互いに逆方向となるように積
層する。従って、圧電シート2は一層おきに同じ方向に
電極取り出し部14が位置するようになっている。この
結果、焼結後の圧電素子の側壁には、図4に示すように
一層おきに電極取り出し部14の端部が外部に露出する
ことになる。図4に示すように圧電素子を焼結した時に
は、その表面に非常に僅かではあるが凹凸が生じている
ので、これを積み上げるに先立って圧電素子の上下面を
表面研磨して平坦性を確保するのがよい。この場合、表
面研磨により内部電極が露出することを防止するため
に、図5に示すように、圧電素子22の上下面に圧電シ
ートの約3層分に相当する厚み(300μm程度)で、
内部電極と整合薄膜を形成していない圧電シートのみを
ダミーとして積層しておくのがよい。この表面研磨によ
り、例えば焼結時の高さが2.7mm程度であった圧電
素子を削り込んで2.5mm程度に設定する。
When stacking the piezoelectric element plates 21, the piezoelectric element plates 21 that are vertically adjacent to each other are bonded so that the electrode lead-out portions 14 between the piezoelectric element plates 21 are positioned opposite to each other. Therefore, the electrode lead-out portions 14 are arranged in the same direction in every other layer of the piezoelectric sheet 2. As a result, the end portions of the electrode lead-out portions 14 are exposed to the outside every other layer on the side wall of the piezoelectric element after sintering, as shown in FIG. As shown in FIG. 4, when the piezoelectric element is sintered, irregularities are formed on the surface of the piezoelectric element, though very slight. Therefore, the upper and lower surfaces of the piezoelectric element are ground to secure flatness before stacking them. Good to do. In this case, in order to prevent the internal electrodes from being exposed by the surface polishing, as shown in FIG. 5, the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 22 have a thickness (about 300 μm) corresponding to about three layers of the piezoelectric sheet,
It is preferable that only the piezoelectric sheets on which the internal electrodes and the matching thin film are not formed are stacked as a dummy. By this surface polishing, for example, the piezoelectric element, which had a height of about 2.7 mm at the time of sintering, was ground and set to about 2.5 mm.

【0021】また、上述のように圧電素子板を約25枚
程積層して圧電素子22を形成した理由は、上述のよう
な圧電シートの素材及び寸法では、この積層数を30枚
以下の範囲内、好ましくは25枚程度にした時に積層数
をあまり少なくし過ぎることなく内部応力を減少できる
からである。これを図10に示すシミュレーション結果
に基づいて説明する。図10は積層圧電シート数を種々
変えたときの圧電素子中心部からの距離と積層方向の応
力との関係のシミュレーション結果を示すグラフであ
り、グラフの上方に圧電素子の対応部分を示している。
The reason why the piezoelectric element 22 is formed by stacking about 25 piezoelectric element plates as described above is that the number of layers is 30 or less in the material and size of the piezoelectric sheet as described above. This is because, when the number is preferably about 25, the internal stress can be reduced without reducing the number of layers too much. This will be described based on the simulation result shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing simulation results of the relationship between the distance from the center of the piezoelectric element and the stress in the stacking direction when the number of laminated piezoelectric sheets is variously changed, and the corresponding portion of the piezoelectric element is shown above the graph. .

【0022】これは一枚のPZTの圧電シートの厚みを
0.09mmとし、圧電不活性部(圧電不活性領域)の
長さを0.6mmに設定して、150ボルトの直流電圧
を印加した時の結果を示す。図中、横軸の原点は素子の
中心部を示し、最大値2.5mmは素子の表面を示して
いる。グラフから明らかなようにシートの積層枚数が多
くなるほど、圧電不活性部と圧電活性部との界面での応
力が大きくなり、特にクラック発生の最大原因である引
っ張り応力がその積層枚数に依存して増加する。従っ
て、積層枚数を低減することで、引っ張り応力の低減は
図れるが、残念ながら圧電活性部と圧電不活性部との界
面では必ず引っ張り応力が発生する。しかしながら、素
子の耐湿性の向上を検討する場合、水分の侵入経路を断
つことを最大の目的と考えると、素子の表面でのクラッ
クを防止することが望ましく、その部分でのクラックの
発生を最小限に抑えればよいといえる。本シミュレーシ
ョン結果では、積層枚数を30層以下にすることで、素
子表面部での応力が圧縮側に働くことが明らかになっ
た。従って、積層枚数を25枚程度にすることで、素子
表面にクラックの入りにくい圧電サブユニットを形成す
ることが可能となる。なお、積層枚数をあまり少なくし
すぎると生産効率が低下するのであまり好ましくない。
ここで、本シミュレーションの結果は、圧電シートと内
部電極間の密着状態が良好で、かつ内部に残留応力等が
内在していない、理想的な焼結体をモデルに用いてい
る。従って、前述のように焼結時の収縮率の整合を図る
ための薄膜を形成しない場合、素子内での密着強度が低
減し、例えば圧電活性部と圧電不活性部近傍に生じる引
っ張り応力により、素子の側面にまで到達するような致
命的なクラックを生じる。このように内部電極4を形成
していない圧電不活性領域24に収縮率整合薄膜28を
形成した圧電シート2を多数枚(本シミュレーションの
結果に基づく枚数)積層して圧電素子を形成することに
より、素子の焼結時の圧電不活性領域24と圧電活性領
域26におけるセラミック材の収縮率が略同じになり、
残留応力を生ぜしめることがなくなり、密着強度が高
く、クラックの発生し難い素子を提供することが可能と
なる。
The thickness of one PZT piezoelectric sheet was 0.09 mm, the length of the piezoelectric inactive portion (piezoelectric inactive region) was set to 0.6 mm, and a DC voltage of 150 V was applied. The result of time is shown. In the figure, the origin of the horizontal axis indicates the center of the element, and the maximum value of 2.5 mm indicates the surface of the element. As is clear from the graph, as the number of laminated sheets increases, the stress at the interface between the piezoelectric inactive portion and the piezoelectric active portion increases, and in particular, the tensile stress, which is the largest cause of cracking, depends on the number of laminated sheets. To increase. Therefore, the tensile stress can be reduced by reducing the number of laminated layers, but unfortunately the tensile stress is always generated at the interface between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion. However, when considering improvement of the moisture resistance of the element, it is desirable to prevent cracks on the surface of the element, considering that the main purpose is to cut off the moisture invasion route, and to minimize the occurrence of cracks in that part. It can be said that it should be suppressed to the limit. This simulation result revealed that the stress on the surface of the device acts on the compression side when the number of laminated layers is 30 or less. Therefore, by setting the number of laminated layers to about 25, it becomes possible to form a piezoelectric subunit in which cracks are less likely to occur on the element surface. If the number of laminated layers is too small, the production efficiency will decrease, which is not preferable.
Here, the results of this simulation use, as a model, an ideal sintered body in which the state of close contact between the piezoelectric sheet and the internal electrode is good and there is no residual stress inside. Therefore, as described above, when the thin film for achieving the contraction rate matching during sintering is not formed, the adhesion strength in the element is reduced, and for example, due to the tensile stress generated in the vicinity of the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion, A fatal crack that reaches the side surface of the device is generated. By forming a large number of piezoelectric sheets 2 (the number of which is based on the result of the simulation) of the contraction rate matching thin film 28 in the piezoelectric inactive region 24 in which the internal electrodes 4 are not formed as described above, a piezoelectric element is formed. , The contraction rates of the ceramic material in the piezoelectric inactive region 24 and the piezoelectric active region 26 during the sintering of the element become substantially the same,
It is possible to provide an element that does not cause residual stress, has high adhesion strength, and is unlikely to cause cracks.

【0023】この場合、上述のように整合薄膜を例えば
水玉模様状に散在させて形成することにより、圧電シー
ト間の密着強度の劣化も少なくなり、一層クラックの発
生を防止することができる。また、上述のように圧電シ
ートの積層枚数も最大25枚程度とすることにより、後
述するように圧電アクチュエータ製造時の素子積み上げ
数もさほど多くなることなく、クラックに対する強度の
大きな圧電アクチュエータを得ることができる。そし
て、圧電素子の電極取り出し部14が露出している2つ
の側面に沿って銀−ペースト等を塗って例えば700℃
程度で焼成することにより第1及び第2の外部電極3
0、32を形成する。そして、この外部電極30、32
に直流電圧を印加することにより、圧電シートのセラミ
ック材を分極させ、圧電素子を完成させる。
In this case, by forming the matching thin films scattered in a polka dot pattern, for example, as described above, the deterioration of the adhesion strength between the piezoelectric sheets is reduced and cracks can be further prevented. In addition, as described above, by setting the number of laminated piezoelectric sheets to a maximum of about 25, it is possible to obtain a piezoelectric actuator having a large strength against cracks without increasing the number of stacked elements at the time of manufacturing the piezoelectric actuator as will be described later. You can Then, silver-paste or the like is applied along the two side surfaces where the electrode lead-out portion 14 of the piezoelectric element is exposed, for example, 700 ° C.
The first and second external electrodes 3 are formed by firing at a certain degree.
0 and 32 are formed. Then, the external electrodes 30, 32
By applying a DC voltage to, the ceramic material of the piezoelectric sheet is polarized to complete the piezoelectric element.

【0024】この圧電素子22の分極作用により、電圧
印加を停止した後においても残留分極が残る結果、図6
に示すように内部電極が埋め込まれている部分に対応す
る矩形状の圧電活性部16は上下方向に突出し、平坦突
出部36が形成され、逆にその周辺部、すなわち整合薄
膜が埋め込まれている部分に対応する圧電不活性部18
は、電界が印加されていないので、もとの状態のままと
なっている。尚、図示例にあっては斜視図のため、上部
の平坦突出部36のみが示されており、下部の平坦突出
部は示されていない。この場合、圧電素子22の厚みが
約2.5mmの時に、平坦突出部36の突出量は約1.
0μm程度である。前述したように、一般に、圧電素子
の伸縮ストロークは非常に小さく、例えば0.1mm程
度の厚みの圧電シートに150ボルト程度の直流電圧を
印加した時に得られる伸縮量は0.1μm程度なので、
必要とするストロークに見合った伸縮量を得るためには
この圧電素子を複数個直列に接続する。そこで、図6に
示すように形成した分極後の圧電素子22を図7に示す
ように複数個、図示例では8つ積み上げて、本発明の特
長とするように弾性接着剤23により接合し、圧電アク
チュエータ34を完成する。このように、一層おきに内
部電極を電気的に共通に接続することができ、両外部電
極30、32間に直流電圧を供給することにより、圧電
シートに電界を印加することが可能となる。
Due to the polarization effect of the piezoelectric element 22, residual polarization remains even after the voltage application is stopped.
As shown in FIG. 3, the rectangular piezoelectric active portion 16 corresponding to the portion where the internal electrodes are embedded protrudes in the vertical direction to form the flat protrusion 36, and conversely, the peripheral portion thereof, that is, the matching thin film is embedded. Piezoelectric inactive portion 18 corresponding to the portion
Is in the original state because no electric field is applied. In the illustrated example, since it is a perspective view, only the upper flat protruding portion 36 is shown, and the lower flat protruding portion is not shown. In this case, when the thickness of the piezoelectric element 22 is about 2.5 mm, the amount of protrusion of the flat protrusion 36 is about 1.
It is about 0 μm. As described above, generally, the expansion / contraction stroke of the piezoelectric element is very small. For example, the expansion / contraction amount obtained by applying a DC voltage of about 150 V to a piezoelectric sheet having a thickness of about 0.1 mm is about 0.1 μm.
To obtain the amount of expansion and contraction corresponding to the required stroke, a plurality of these piezoelectric elements are connected in series. Therefore, as shown in FIG. 7, a plurality of piezoelectric elements 22 after polarization, which are formed as shown in FIG. 6, are piled up, eight in the illustrated example, and bonded by an elastic adhesive 23 as a feature of the present invention. The piezoelectric actuator 34 is completed. In this way, the internal electrodes can be electrically connected in common every other layer, and by supplying a DC voltage between the external electrodes 30 and 32, an electric field can be applied to the piezoelectric sheet.

【0025】この圧電アクチュエータ34の寸法は、例
えば縦横がそれぞれ5.5mmで、厚みが2.5mm程
度の圧電素子22を、8個直列にその厚み方向へ積み上
げて接続することにより全長が約20mmとなる。この
場合、弾性接着剤23としては、接合固化後において
も、ある程度の可撓性或いは柔らかさを有しており、ア
クチュエータ34の駆動時において圧電活性部16の伸
長に追従して圧電不活性部18が伸長できる程度の柔ら
かさであるならば、どのような接着剤を用いてもよい。
この種の弾性接着剤23としては、例えばビニル系接着
剤、シリコン系接着剤、ポリイミド系接着剤やエポキシ
系接着剤を用いることができる。例えば図9に示すよう
に圧電素子を接着する接着剤として弾性の低いエポキシ
系接着剤38を用いた場合には、アクチュエータ駆動時
に圧電活性部16が矢印40方向に示すように伸長した
時に、圧電不活性部18は図中上下方向へ移動できない
ように強固に接合されているために圧電不活性部16の
伸長に追従できず、従って、圧電活性部16に対して拘
束力が作用し、アクチュエータ全体の発生変位量を抑制
して低下させてしまい、十分なストロークを稼ぐことが
できない。
The size of the piezoelectric actuator 34 is, for example, 5.5 mm in length and width, and eight piezoelectric elements 22 each having a thickness of about 2.5 mm are stacked in series in the thickness direction and connected, so that the total length is about 20 mm. Becomes In this case, the elastic adhesive 23 has a certain degree of flexibility or softness even after the bonding and solidification, and when the actuator 34 is driven, it follows the expansion of the piezoelectric active portion 16 and the piezoelectric inactive portion. Any adhesive may be used as long as 18 is soft enough to stretch.
As the elastic adhesive 23 of this type, for example, a vinyl adhesive, a silicon adhesive, a polyimide adhesive, or an epoxy adhesive can be used. For example, as shown in FIG. 9, when an epoxy adhesive 38 having low elasticity is used as an adhesive for adhering the piezoelectric element, when the piezoelectric active portion 16 expands as indicated by the arrow 40 when the actuator is driven, the piezoelectric Since the inactive portion 18 is firmly joined so as not to move in the vertical direction in the figure, it cannot follow the extension of the piezoelectric inactive portion 16, and therefore, the restraining force acts on the piezoelectric active portion 16 and the actuator is actuated. The amount of displacement generated as a whole is suppressed and reduced, and a sufficient stroke cannot be earned.

【0026】また、このような拘束力が圧電活性部16
と圧電不活性部18との間に生ずると、これが内部応力
となって圧電素子内部に内部破断やクラックが発生した
り、或いは圧電素子の外周部分にも矢印42に示すよう
な応力が発生して表面クラックの発生原因となってしま
う。これに対して、本発明の圧電アクチュエータのよう
に圧電素子22同士の接着に弾性接着剤23を用いれ
ば、圧電活性部16の伸長に追従して、隣設された圧電
不活性部18同士間に介在された弾性接着剤23が伸長
し、圧電不活性部18の微小移動を許容することにな
る。従って、圧電活性部16にはほとんど拘束力が作用
しないので、アクチュエータ全体の発生変位量を大きく
することができ、また、同時に内部応力もほとんど発生
しないことから圧電素子内部の内部破断やクラック或い
は表面クラックの発生も防止することが可能となる。
Further, such a restraining force is exerted by the piezoelectric active portion 16
Between the piezoelectric element 18 and the piezoelectric inactive portion 18, the internal stress causes internal fracture or crack inside the piezoelectric element, or the outer peripheral portion of the piezoelectric element generates stress as shown by the arrow 42. Will cause surface cracks. On the other hand, if the elastic adhesive 23 is used to bond the piezoelectric elements 22 to each other as in the piezoelectric actuator of the present invention, the piezoelectric inactive portions 18 are adjacent to each other by following the expansion of the piezoelectric active portions 16. The elastic adhesive 23 interposed between the two expands, and the minute movement of the piezoelectric inactive portion 18 is allowed. Therefore, since almost no restraint force acts on the piezoelectric active portion 16, the amount of displacement generated in the entire actuator can be increased, and at the same time, almost no internal stress is generated. It also becomes possible to prevent the occurrence of cracks.

【0027】また、圧電素子22同士の接合時には、圧
電素子22の全面に弾性接着剤23を塗布し、素子の上
下両側から押さえ付けるようにして接着するので、平坦
突出部36の形成されている圧電活性部36間の接着剤
23はこれよりほとんど側部へ排除されて、ほとんど僅
かに残るだけであり、その結果、圧電不活性部18間の
みに接着剤23が介在することになる。この結果、圧電
活性部36間には接着剤23がほとんど介在しなくなる
ので、アクチュエータ駆動時に発生押圧力や発生変位量
に悪影響を与えることもなく、精度の高い微小ストロー
ク制御を行なうことができる。
Further, when the piezoelectric elements 22 are joined to each other, the elastic adhesive 23 is applied to the entire surface of the piezoelectric elements 22 and pressed so as to be pressed from both upper and lower sides of the elements, so that the flat protruding portions 36 are formed. The adhesive 23 between the piezoelectric active portions 36 is removed to the side more than this, and almost remains slightly, so that the adhesive 23 is interposed only between the piezoelectric inactive portions 18. As a result, since the adhesive 23 is hardly present between the piezoelectric active portions 36, it is possible to perform highly accurate minute stroke control without adversely affecting the generated pressing force and the generated displacement amount when the actuator is driven.

【0028】この点に関して、先に説明した特開平3−
270085号公報の技術にあっては、まず、収縮率整
合薄膜を用いていないことからサブユニット(圧電素
子)自体に内部応力が貯めこまれてクラックや内部破断
の原因を抱えているのみならず、圧電活性部のみに接着
剤を介設させていることから、アクチュエータ駆動時に
この部分の接着剤が発生変位量や押圧力に悪影響を与え
る恐れがある。実際に、大きさが5.5mm×5.5m
m角で、厚みが2.5mmの圧電素子を8個直列に弾性
接着剤で接合して20mmの長さにした本発明の圧電ア
クチュエータと、大きさが5.5mm×5.5mm角の
圧電素子板を比較的硬い接着剤(エポキシ系接着剤)に
より多数板積層して接合し、長さ20mmの圧電アクチ
ュエータを作って特性を比較した。
Regarding this point, the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 3-
In the technology of Japanese Patent No. 270085, first, since the shrinkage-matching thin film is not used, internal stress is accumulated in the subunit (piezoelectric element) itself, and not only is there a cause of cracks or internal fracture. Since the adhesive is provided only in the piezoelectric active portion, the adhesive in this portion may adversely affect the generated displacement amount and the pressing force when the actuator is driven. Actually, the size is 5.5 mm x 5.5 m
A piezoelectric actuator of the present invention in which eight piezoelectric elements each having an m-square and a thickness of 2.5 mm are connected in series with an elastic adhesive to have a length of 20 mm, and a piezoelectric having a size of 5.5 mm × 5.5 mm square. A large number of element plates were laminated with a relatively hard adhesive (epoxy adhesive) and joined together to form a piezoelectric actuator having a length of 20 mm, and the characteristics were compared.

【0029】150V直流電圧を印加して性能を比較し
たところ、本発明の圧電アクチュエータは16μmの発
生変位量があったのに対し、比較例の圧電アクチュエー
タは13μmの発生変位量しか得られなかった。僅か3
μmのストローク差であるが、この種のアクチュエータ
が用いられるマスフローコントローラやX−Y移動ステ
ージ等の微小量をコントロールする分野において、大き
なストローク差である。また、本発明の圧電アクチュエ
ータにあっては、側面にクラックや欠けを発見すること
はできなかったが、比較例にあっては側面にクラックが
発生しており、本発明の圧電アクチュエータは耐久性に
おいても優れていることが判明した。尚、本実施例にお
いては、弾性接着剤としてビニル系接着剤やシリコン系
接着剤を例にとって説明したが、これに限定されず、圧
電素子間の拘束力を許容し得る程度の柔らかさを有する
ならば、どのような接着剤を用いてもよい。また、上記
実施例では、圧電素子を分極させた後に、これを接合す
るようにしたが、圧電素子を接合した後に分極処理を施
すようにしてもよい。
When the performance was compared by applying a DC voltage of 150 V, the piezoelectric actuator of the present invention produced a displacement of 16 μm, whereas the piezoelectric actuator of the comparative example obtained a displacement of 13 μm. . Only 3
Although it is a stroke difference of μm, it is a large stroke difference in the field of controlling a minute amount such as a mass flow controller or an XY moving stage in which this type of actuator is used. Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, it was not possible to find a crack or chip on the side surface, but in the comparative example, a crack is generated on the side surface, and the piezoelectric actuator of the present invention is durable. Also proved to be excellent. In this embodiment, the vinyl adhesive or the silicon adhesive is used as the elastic adhesive, but the elastic adhesive is not limited to this, and the elastic adhesive has a softness enough to allow the binding force between the piezoelectric elements. Then, any adhesive may be used. Further, in the above-mentioned embodiment, the piezoelectric element is polarized and then joined, but it is also possible to perform the polarization treatment after the piezoelectric element is joined.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電アク
チュエータによれば、次のように優れた作用効果を発揮
することができる。弾性接着剤を用いて圧電素子同士を
接合するようにしたので、伸長駆動時にその伸長動作が
拘束されることがほとんどなくなり、従って、発生変位
量を十分に大きくすることができる。また、内部拘束力
を軽減することができることから圧電素子の内部破断や
クラックの発生を抑制することができ、耐久性、耐湿性
を大幅に向上させることができる。特に、圧電活性部と
圧電不活性部を有する圧電素子に適用した場合には、伸
長駆動時にその伸長動作が拘束されることがなくなり、
従って、発生変位量を一層大きくすることができるのみ
ならず、内部拘束力を軽減して内部破断やクラックの発
生を更に抑制することができる。また、分極処理後の圧
電素子を接合する際に、主に圧電不活性部相互間にのみ
に弾性接着剤を介在させることにより、上記した作用効
果を呈するのみならず、圧電活性部相互間にはほとんど
接着剤が介在しなくなるので、アクチュエータ駆動時に
発生押圧力や発生変位量に悪影響を与えることもなく、
精度の高い微小ストローク制御を行なうことができる。
As described above, according to the piezoelectric actuator of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited. Since the piezoelectric elements are bonded to each other by using the elastic adhesive, the expansion operation is hardly restrained during the expansion drive, and thus the generated displacement amount can be sufficiently increased. Further, since the internal restraining force can be reduced, it is possible to suppress the internal breakage and cracking of the piezoelectric element, and it is possible to significantly improve the durability and the moisture resistance. In particular, when applied to a piezoelectric element having a piezoelectric active portion and a piezoelectric inactive portion, the extension operation is not restricted during extension drive,
Therefore, not only the generated displacement amount can be further increased, but also the internal restraining force can be reduced to further suppress the occurrence of internal breakage and cracks. Further, when the piezoelectric elements after the polarization treatment are joined, the elastic adhesive is mainly interposed only between the piezoelectric inactive portions, so that not only the above-described function and effect are exhibited but also between the piezoelectric active portions. Has almost no adhesive, so it does not adversely affect the pressing force or the displacement generated when the actuator is driven.
Highly precise minute stroke control can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】圧電シートに内部電極と収縮率整合薄膜を設け
た圧電素子板を示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a piezoelectric element plate in which internal electrodes and a shrinkage ratio matching thin film are provided on a piezoelectric sheet.

【図2】図1に示す圧電素子板の収縮率整合薄膜の部分
を示す拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged view showing a portion of a shrinkage factor matching thin film of the piezoelectric element plate shown in FIG.

【図3】図1に示す圧電素子板の積層状態を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a laminated state of the piezoelectric element plates shown in FIG.

【図4】圧電素子板を積層して形成した圧電素子を示す
斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a piezoelectric element formed by stacking piezoelectric element plates.

【図5】図4に示す圧電素子の側面図である。5 is a side view of the piezoelectric element shown in FIG.

【図6】図4に示す圧電素子を分極させた後の状態を示
す斜視図である。
6 is a perspective view showing a state after the piezoelectric element shown in FIG. 4 is polarized.

【図7】圧電素子を積み上げて接続して形成した本発明
の圧電アクチュエータを示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a piezoelectric actuator of the present invention formed by stacking and connecting piezoelectric elements.

【図8】図7に示す圧電素子間の接続状態を示す拡大図
である。
FIG. 8 is an enlarged view showing a connection state between the piezoelectric elements shown in FIG.

【図9】硬い接着剤を用いて接合した時の圧電素子の駆
動状態を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a driving state of a piezoelectric element when bonded using a hard adhesive.

【図10】積層圧電シート数を種々変えた時の圧電素子
中心部からの距離と積層方向の応力との関係を示すシミ
ュレーション結果を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing simulation results showing the relationship between the distance from the center of the piezoelectric element and the stress in the stacking direction when the number of stacked piezoelectric sheets is variously changed.

【図11】従来の全面電極型の圧電アクチュエータを示
す斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view showing a conventional full-surface electrode type piezoelectric actuator.

【図12】従来の交互電極型の圧電アクチュエータを示
す斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view showing a conventional alternating electrode type piezoelectric actuator.

【図13】図12に示すアクチュエータの圧電シートの
表面状態と積層状態を説明するための説明図である。
13 is an explanatory diagram for explaining a surface state and a laminated state of a piezoelectric sheet of the actuator shown in FIG.

【図14】図12に示すアクチュエータの側面図であ
る。
14 is a side view of the actuator shown in FIG.

【図15】従来の圧電アクチュエータの駆動状態を説明
するための説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a driving state of a conventional piezoelectric actuator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 圧電シート 4 内部電極 6、8 絶縁層 14 電極取り出し部 16 圧電活性部 18 圧電不活性部 21 圧電素子板 22 圧電素子 23 弾性接着剤 24 圧電不活性領域 26 圧電活性領域 28 収縮率整合薄膜 30 第1の外部電極 32 第2の外部電極 34 圧電アクチュエータ 36 平坦突出部 2 Piezoelectric Sheet 4 Internal Electrodes 6 and 8 Insulating Layer 14 Electrode Extraction Section 16 Piezoelectric Active Section 18 Piezoelectric Inactive Section 21 Piezoelectric Element Plate 22 Piezoelectric Element 23 Elastic Adhesive 24 Piezoelectric Inactive Area 26 Piezoelectric Active Area 28 Shrinkage Ratio Matching Thin Film 30 First external electrode 32 Second external electrode 34 Piezoelectric actuator 36 Flat protrusion

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電シートの表面に内部電極を形成して
なる圧電素子板を複数枚積層して圧電素子を形成し、こ
の圧電素子を、弾性接着剤を用いてその厚さ方向へ複数
個接続するように構成したことを特徴とする圧電アクチ
ュエータ。
1. A piezoelectric element is formed by laminating a plurality of piezoelectric element plates each having an internal electrode formed on the surface of a piezoelectric sheet, and a plurality of the piezoelectric elements are formed in the thickness direction using an elastic adhesive. A piezoelectric actuator, which is configured to be connected.
【請求項2】 前記圧電素子は、電歪変位に寄与する圧
電活性部とその周辺部に電歪変位に寄与しない圧電不活
性部を有する交互電極型の圧電素子であることを特徴と
する請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
2. The piezoelectric element is an alternating electrode type piezoelectric element having a piezoelectric active portion that contributes to electrostrictive displacement and a piezoelectric inactive portion that does not contribute to electrostrictive displacement in a peripheral portion thereof. Item 2. The piezoelectric actuator according to Item 1.
【請求項3】 前記圧電不活性部には、前記圧電素子の
形成時における収縮差を軽減するための収縮率整合薄膜
を前記圧電シート上に形成してあることを特徴とする請
求項1または2に記載の圧電アクチュエータ。
3. The piezoelectric inactive portion is formed with a contraction rate matching thin film on the piezoelectric sheet for reducing a contraction difference at the time of forming the piezoelectric element. 2. The piezoelectric actuator according to item 2.
【請求項4】 前記圧電素子は、接続に先立って分極処
理が施されていることを特徴とする請求項1乃至3のい
ずれかに記載の圧電アクチュエータ。
4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric element is polarized before connection.
【請求項5】 前記弾性接着剤は、前記隣設させて接続
される圧電素子の圧電不活性部間に主に介在させるよう
に構成したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか
に記載の圧電アクチュエータ。
5. The elastic adhesive is configured to be mainly interposed between the piezoelectric inactive portions of the piezoelectric elements that are adjacently connected to each other, according to any one of claims 1 to 4. The piezoelectric actuator described.
【請求項6】 前記弾性接着剤は、ビニル系接着剤とシ
リコン系接着剤のいずれか一方であることを特徴とする
請求項1乃至5のいずれかに記載の圧電アクチュエー
タ。
6. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the elastic adhesive is one of a vinyl adhesive and a silicon adhesive.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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