JPH09289342A - 多層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成により、信頼性が向上すると共
に、ヒテテリシスが低減されるようにした、多層型圧電
アクチュエータを提供すること。 【解決手段】 複数の圧電板１１ａ乃至１１ｆと、各圧
電板の間及び外側面に配設された電極１２とを含んでい
る、多層構造バイモルフ型圧電アクチュエータ１０にお
いて、各圧電板の厚さが、中心から外側に向かって徐々
に薄くなるように、選定されるように、バイモルフ型圧
電アクチュエータ１０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧電バイモ
ルフにより構成した多層型圧電アクチュエータに関し、
特に４層以上の圧電板から成る多層型圧電アクチュエー
タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化，ポータブル化
に伴って、小型且つ軽量でバッテリ駆動可能なアクチュ
エータや、精密工作機械，磁気ヘッドまたは光ディスク
用光学ピックアップの位置制御等の分野での微小変位を
高精度で制御可能なアクチュエータが必要とされてい
る。

【０００３】従来、このようなアクチュエータとして、
例えば図４に示すような構成のバイモルフ型圧電アクチ
ュエータが知られている。図４において、バイモルフ型
圧電アクチュエータ１は、圧電セラミックスの印加電界
に比例した歪みを発生するという逆圧電効果を利用した
アクチュエータであって、一般的に伸縮しにくい材質の
薄板から成る中心材２の両面に、それぞれ圧電材の薄板
から成る圧電板３，４を貼り合わせることにより、三層
構造として構成されている。

【０００４】上記中心材２は、例えば剛性の高いリン青
銅，カーボン繊維等の材料が使用されている。また、上
記圧電板３，４は、例えば圧電性を備えたセラミック，
樹脂等から構成されていて、各圧電板３，４の両側に
は、それぞれメッキ，蒸着，焼き付け等により電極３
ａ，４ａが形成され、それぞれ互いに逆向きの分極処理
が施されている。

【０００５】このように構成されたバイモルフ型圧電ア
クチュエータ１においては、図５に示すように、上記圧
電板３，４の一端（図示の場合、右端）と、中心材２の
一端との間に、それぞれ外部電源５から、駆動電圧が印
加されることにより、一方の圧電板３は、分極方向と同
じ方向に電流が印加されることから、長手方向に沿って
縮むと共に、他方の圧電板４は、分極方向と逆方向に電
流が印加されることから、長手方向に沿って伸長するこ
とになる。従って、圧電アクチュエータ１は、全体とし
て図５にて矢印Ａで示すように、左端が上方に屈曲する
ことになる。この屈曲による変形量は、電界の大きさに
よって制御されるので、電界制御型のアクチュエータが
得られることになる。

【０００６】ところで、このような圧電アクチュエータ
１は、従来の電磁駆動型のアクチュエータに比較して、
薄型で且つ軽量に構成されると共に、微小位置制御が可
能であって、低消費電流で駆動可能であるものの、その
駆動のために比較的高い電圧が必要であることから、大
きな変位量を得るためには不適であるという問題があっ
た。

【０００７】これに対して、一定の電圧でより大きな電
界を得るためには、圧電板３，４を薄く形成すればよ
い。しかしながら、圧電板３，４を薄く形成すると、発
生する屈曲力が低下してしまうことから、所望の変位量
が得られなくなってしまうと共に、強度の低下を招くこ
とから、中心材２を厚くしたり、剛性の高いものに変更
する等によって、全体の強度を高める必要があるが、こ
れによっても、変位量が低下してしまうことになる。

【０００８】このため、図６に示すような構成の多層構
造のバイモルフ型圧電アクチュエータが提案されてい
る。図６において、多層構造バイモルフ型圧電アクチュ
エータ６は、複数（図示の場合、４枚）の圧電材の薄板
から成る圧電板７と、各圧電板７の間に配設された電極
８とから構成されており、通常は、電極８が表面に印刷
された圧電板としての同じ厚さのセラミックグリーンシ
ートを、所定枚数だけ積層して、焼成することにより、
形成されるようになっている。このため、図４に示した
バイモルフ型圧電アクチュエータ１と比較して、セラミ
ックと異なる材質である中心材２が省略されている。

【０００９】ここで、各圧電板７は、中心から両側に位
置する圧電板が、互いに逆向きになるように分極処理が
施されている。これにより、それぞれ隣接する各電極８
間に、それぞれ外部電源９から、駆動電圧が印加される
ことにより、図６にて矢印で示すように、中心から左側
の二枚の圧電板７ａ，７ｂは、長手方向に沿って伸長
し、また中心から右側の二枚の圧電板７ｃ，７ｄは、長
手方向に沿って収縮する。従って、バイモルフ型圧電ア
クチュエータ６は、全体として、図７（ａ）に示すよう
に、上端が右側に屈曲することになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ここで、このような構
成の圧電アクチュエータ６においては、各圧電板７ａ，
７ｂ，７ｃ，７ｄは、電極８を介して全面に亘って互い
に焼成により拘束されているが、この拘束がない場合に
は、各圧電板７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、同じ厚さであ
ることから、図７（ｂ）に示すように、圧電板７ａ，７
ｂは、同じ長さに伸長し、また圧電板７ｃ，７ｄは、同
じ長さに収縮する。これに対して、実際には、各圧電板
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、それぞれ互いに拘束されて
いるので、図７（ｃ）に示すように、この拘束によっ
て、各長さが順次に短くなるように、変位することにな
る。

【００１１】このため、互いに焼成により拘束された隣
接する圧電板７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの間には、特に伸
長する圧電板７ｂと収縮する圧電板７ｃが密着する境界
においては、大きなストレスが集中することになり、使
用に伴って、互いに拘束された隣接する圧電板７ａ，７
ｂ，７ｃ，７ｄが、剥離してしまったり、ヒステリシス
特性を有するようになり、信頼性が低下してしまうとい
う問題があった。即ち、中心部の圧電板、例えば圧電板
７ｂ，７ｃは、印加される電界に比較して、変位量が大
きく抑制されると共に、逆方向に変位しようとする圧電
板７ｃ，７ｂにより拘束されている。従って、中心側の
圧電板ほど、変位量が小さく、外側に向かうにつれて、
圧電板の変位量が大きくなることになる。これにより、
圧電アクチュエータ６のヒステリシスの増加や、機械的
品質が低下する原因となっている。

【００１２】これに対して、圧電アクチュエータを、ヒ
ステリシスが増大することなく、スムースに屈曲させる
ためには、中心側の圧電板に対しては、比較的小さい電
界を、また外側の圧電板に対しては、比較的大きな電界
を印加するようにすれば良いが、各圧電板毎に異なる電
圧を印加するためには、複雑な駆動回路が必要になると
共に、各電極と引出しも複雑になり、コストが高くなっ
てしまうという問題があった。

【００１３】本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成に
より、信頼性が向上すると共に、ヒテテリシスが低減さ
れるようにした、多層型圧電アクチュエータを提供する
ことを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、複数の圧電板と、各圧電板の間及び外面側に配設
された電極とを含んでいる、多層型圧電アクチュエータ
において、各圧電板の厚さが、積層方向に関して中心か
ら外側に向かって徐々に薄くなるように、選定されてい
る、多層型圧電アクチュエータにより、達成される。

【００１５】また、前記各圧電板が、厚さが同じ一枚の
圧電体もしくは複数枚の積層された圧電体により構成さ
れており、各圧電板を構成する圧電体の積層枚数を変え
ることにより、積層方向に関して中心から外側に向かっ
て、各圧電板の厚みが徐々に薄くなるように構成されて
いてもよい。

【００１６】上記構成によれば、各圧電板には、同じ駆
動電圧が印加されることにより、この駆動電圧と各圧電
板の厚さに基づく電流が印加されることになる。即ち、
中心側の圧電板には、比較的小さな電流が印加され、外
側の圧電板には、比較的大きな電流が印加されることに
なる。

【００１７】従って、外側の圧電板には、比較的大きな
変位量が生じ、内側の圧電板には、比較的小さな変位量
が生ずるので、圧電アクチュエータ全体として、一側の
圧電板から他側の圧電板まで順次に変位量が漸増または
漸減することになる。かくして、圧電アクチュエータ全
体がスムースに屈曲し得ることになる。

【００１８】各圧電板が、積層枚数が外側から中心に向
かって徐々に増大するように、薄板状の圧電体を積層す
ることにより構成されている場合には、種々の厚さの圧
電板を用意する必要がなく、一定の厚さの薄板状の圧電
体を積層することによって、それぞれ所望の厚さの圧電
板が得られることになる。

【００１９】各圧電板が、積層枚数が外側から中心に向
かって徐々に増大するように、表面に電極を備えた薄板
状の圧電体を積層することにより構成されている場合に
は、種々の厚さの圧電板を用意する必要がなく、一定の
厚さの薄板状の圧電体を積層することによって、それぞ
れ所望の厚さの圧電板が得られることになると共に、電
極を備えた薄板状の圧電体を積層することにより、別途
電極を形成することなく、必要な電極のみに駆動電圧を
印加することによって、圧電アクチュエータがスムース
に屈曲されることになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を図１乃至図３を参照しながら、詳細に説明する。尚、
以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例である
から、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、
本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもの
ではない。

【００２１】図１は、本発明によるバイモルフ型圧電ア
クチュエータの第一の実施形態を示している。図１にお
いて、圧電アクチュエータ１０は、複数（図示の場合、
６つ）の圧電板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１
ｅ，１１ｆと、各圧電板の間及び外側面に配設された電
極１２とから、構成されている。

【００２２】各圧電板１１ａ乃至１１ｆは、例えば圧電
性を備えたセラミック，樹脂等から構成されており、分
極処理が施されている。これにより、各圧電板１１ａ乃
至１１ｆは、分極方向に沿って電流が印加されると、逆
圧電効果によって分極方向に長さが延び、分極方向に逆
向きの電流が印加されると、分極方向に長さが縮むこと
になる。尚、この分極方向は、例えば図１に示すよう
に、各電極１２に対して、外部電源１３から交互に反対
の極が接続されたときに、中心から上側の圧電板１１
ａ，１１ｂ，１１ｃには伸長が発生し、中心から下側の
圧電板１１ｄ，１１ｅ，１１ｆには収縮が発生するよう
に、選定されている。

【００２３】さらに、上記圧電板１１ａ乃至１１ｆは、
その厚さが、中心側ほど厚く、外側ほど薄くなるよう
に、選定されている。つまり、圧電板１１ｃ，１１ｄが
最も厚く、次に１１ｂ，１１ｅがこれより薄く、圧電板
１１ａ，１１ｆが最も薄くなるようにされている。これ
により、各圧電板１１ａ乃至１１ｆに、外部電源１３か
ら同じ駆動電圧を印加した場合、最も外側の圧電板１１
ａ，１１ｆに印加される電界に対して、その内側の圧電
板１１ｂ，１１ｅに印加される電界は、７５％に、また
最も内側の圧電板１１ｃ，１１ｄに印加される電界は、
５０％になるように、各厚さが選定されている。尚、各
圧電板１１ａ乃至１１ｆの厚さは、感度を重視するか、
あるいはヒステリシスを重視するかに応じて、それぞれ
最適化されるようになっている。

【００２４】本実施形態による圧電アクチュエータ１０
は、以上のように構成されており、外部電源１３から同
じ駆動電圧を印加することにより、中心から上側の圧電
板１１ａ，１１ｂ，１１ｃが伸長し、且つ中心から下側
の圧電板１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが収縮すると共に、そ
の変位量が、最上側の圧電板１１ａから最下側の圧電板
１１ｆに向かって、徐々に漸減するようになっている。
これにより、圧電アクチュエータ１０は、その一端（図
示の場合、左端）が、下方に屈曲することになる。

【００２５】かくして、圧電アクチュエータ１０は、全
体がスムースに、即ちそれぞれ隣接する各圧電板１１ａ
乃至１１ｆ間に、過大なストレスが発生するようなこと
なく、屈曲することになるので、各圧電板１１ａ乃至１
１ｆ間に発生するストレスによって、各圧電板１１ａ乃
至１１ｆ間が剥がれるようなことはなく、またヒテスリ
シスも低減されることになる。また、各圧電板には同じ
電圧を加えればよいので、駆動手段を簡単に構成するこ
とができる。

【００２６】図２は、本発明による圧電アクチュエータ
の第二の実施形態を示している。図２において、圧電ア
クチュエータ２０は、複数（図示の場合、６つ）の圧電
板２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ
と、各圧電板の間及び外側面に配設された電極２２とか
ら、構成されている。

【００２７】各圧電板２１ａ乃至２１ｆは、後述する圧
電体としての、例えば圧電性を備えたセラミック，樹脂
等でなる圧電層を一層もしくは複数層積層して構成され
ており、分極処理が施されている。これにより、各圧電
板２１ａ乃至２１ｆは、分極方向に沿って電流が印加さ
れると、逆圧電効果によって分極方向に長さが延び、分
極方向に逆向きの電流が印加されると、分極方向に長さ
が縮むことになる。尚、この分極方向は、例えば図２に
示すように、各電極２２に対して、外部電源２３から交
互に反対の極が接続されたときに、中心から上側の圧電
板２１ａ，２１ｂ，２１ｃには伸長が発生し、中心から
下側の圧電板２１ｄ，２１ｅ，２１ｆには収縮が発生す
るように、選定されている。

【００２８】さらに、上記圧電板２１ａ乃至２１ｆは、
その厚さが、中心側ほど厚く、外側ほど薄くなるよう
に、上述したような圧電層を積層して構成している。つ
まり、各圧電板は、一定の厚さの薄板状の圧電体で構成
した圧電層２４を積層することにより、構成されてい
る。例えば、図示の場合、圧電板２１ａ，２１ｆは、一
枚の圧電層２４から、圧電板２１ｂ，２１ｅは、二枚の
圧電層２４から、また圧電層２１ｃ，２１ｄは、三枚の
圧電層２４から、それぞれ構成されている。尚、各圧電
板２１ａ乃至２１ｆの厚さは、感度を重視するか、ある
いはヒステリシスを重視するかに応じて、圧電層２４の
厚さを適宜に選定することにより、それぞれ最適化され
るようになっている。また、各圧電板２１ａ乃至２１ｆ
及び各電極２２は、順次に重ねられた後、一度に焼成等
により互いに固定保持されるようになっている。

【００２９】このような構成の圧電アクチュエータ２０
によれば、図１に示した圧電アクチュエータ１０と同様
にして、外部電源２３から同じ駆動電圧を印加すること
により、中心から上側の圧電板２１ａ，２１ｂ，２１ｃ
が伸長し、且つ中心から下側の圧電板２１ｄ，２１ｅ，
２１ｆが収縮すると共に、その変位量が、最上側の圧電
板２１ａから最下側の圧電板２１ｆに向かって、徐々に
漸減するようになっている。これにより、圧電アクチュ
エータ２０は、その一端（図示の場合、左端）が、下方
に屈曲することになる。

【００３０】かくして、圧電アクチュエータ２０は、全
体がスムースに、即ちそれぞれ隣接する各圧電板２１ａ
乃至２１ｆ間に、過大なストレスが発生するようなこと
なく、屈曲することになるので、各圧電板２１ａ乃至２
１ｆ間に発生するストレスによって、各圧電板２１ａ乃
至２１ｆ間が剥がれるようなことはなく、またヒテスリ
シスも低減されることになる。また、各圧電板には同じ
電圧を加えればよいので、駆動手段を簡単に構成するこ
とができる。この場合、各圧電板２１ａ乃至２１ｆは、
それぞれ一定の厚さの圧電層２４を積層することにより
構成されているので、種々の厚さの圧電板２１ａ乃至２
１ｆを用意する必要がない。従って、製造コストが低減
されることになる。

【００３１】図３は、本発明による圧電アクチュエータ
の第三の実施形態を示している。図３において、圧電ア
クチュエータ３０は、複数（図示の場合、６つ）の圧電
板３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ
と、各圧電板の間及び外側面に配設された電極３２とか
ら、構成されている。

【００３２】各圧電板３１ａ乃至３１ｆは、例えば圧電
性を備えたセラミック，樹脂等から構成されており、分
極処理が施されている。これにより、各圧電板３１ａ乃
至３１ｆは、分極方向に沿って電流が印加されると、逆
圧電効果によって分極方向に長さが延び、分極方向に逆
向きの電流が印加されると、分極方向に長さが縮むこと
になる。尚、この分極方向は、例えば図３に示すよう
に、各電極３２に対して、外部電源３３から交互に反対
の極が接続されたときに、中心から上側の圧電板３１
ａ，３１ｂ，３１ｃには伸長が発生し、中心から下側の
圧電板３１ｄ，３１ｅ，３１ｆには収縮が発生するよう
に、選定されている。

【００３３】さらに、上記圧電板３１ａ乃至３１ｆは、
その厚さが、中心側ほど厚く、外側ほど薄くなるよう
に、一定の厚さの表面に電極３２を備えた薄板状の圧電
層３４を積層することにより、構成されている。即ち、
図示の場合、圧電板３１ａ，３１ｆは、一枚の圧電層３
４から、圧電板３１ｂ，３１ｅは、二枚の圧電層３４か
ら、また圧電板３１ｃ，３１ｄは、三枚の圧電層３４か
ら、それぞれ構成されている。尚、各圧電板３１ａ乃至
３１ｆの厚さは、感度を重視するか、あるいはヒステリ
シスを重視するかに応じて、圧電層３４の厚さを選定す
ることにより、それぞれ最適化されるようになってい
る。また、各圧電層３４上に電極３２が形成されている
が、図３に示すように、各圧電板３１ａ乃至３１ｆの表
面を構成すべき電極３２のみが、外部電極３３に対して
接続されるようになっている。尚、電極３２は、図２の
実施形態と異なり、厚さの異なる圧電板毎に設けられて
いる。

【００３４】このような構成の圧電アクチュエータ３０
によれば、図１に示した圧電アクチュエータ１０と同様
にして、外部電源３３から同じ駆動電圧を印加すること
により、中心から上側の圧電板３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
が伸長し、且つ中心から下側の圧電板３１ｄ，３１ｅ，
３１ｆが収縮すると共に、その変位量が、最上側の圧電
板３１ａから最下側の圧電板３１ｆに向かって、徐々に
漸減するようになっている。これにより、圧電アクチュ
エータ３０は、その一端（図示の場合、左端）が、下方
に屈曲することになる。

【００３５】かくして、圧電アクチュエータ３０は、全
体がスムースに、即ちそれぞれ隣接する各圧電板３１ａ
乃至３１ｆ間に、過大なストレスが発生するようなこと
なく、屈曲することになるので、各圧電板３１ａ乃至３
１ｆ間に発生するストレスによって、各圧電板３１ａ乃
至３１ｆ間が剥がれるようなことはなく、またヒテスリ
シスも低減されることになる。また、各圧電板には同じ
電圧を加えればよいので、駆動手段を簡単に構成するこ
とができる。尚、この場合、各圧電板３１ａ乃至３１ｆ
は、それぞれ一定の厚さの電極３２を備えた圧電層３４
を積層することにより構成されているので、種々の厚さ
の圧電板３１ａ乃至３１ｆを用意する必要がない。さら
に、各圧電板３１ａ，３１ｆの間に、それぞれ電極を形
成する必要なく、単に圧電層３４を積層すると共に、最
下層の電極３２を形成するだけで、圧電アクチュエータ
３０が構成されるので、製造コストがより一層低減され
ることになる。

【００３６】上記実施形態においては、六層の圧電板の
うち、上側の三層の圧電板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、２
１ａ，２１ｂ，２１ｃ、または３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
がそれぞれ伸長し、下側の三層の圧電板１１ｄ，１１
ｅ，１１ｆ、２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ、または３１ｄ，
３１ｅ，３１ｆがそれぞれ収縮する場合について説明し
たが、これに限らず、上側の圧電板が収縮し、下側の圧
電板が伸長するような構成の圧電アクチュエータであっ
ても、同様にスムースな屈曲が行われる。また、上記実
施形態においては、六層の圧電板１１ａ乃至１１ｆ，２
１ａ乃至２１ｆまたは３１ａ乃至３１ｆを備えた、六層
構造のバイモルフ型圧電アクチュエータ１０，２０，３
０について説明したが、これに限らず、４層以上の多層
構造のバイモルフ型圧電アクチュエータに関しても本発
明を適用し得ることは明らかである。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、簡
単な構成により、信頼性が向上すると共に、ヒテテリシ
スが低減されるようにした、多層型圧電アクチュエータ
ヲ提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多層構造バイモルフ型圧電アクチ
ュエータの第一の実施形態を示す概略断面図である。

【図２】本発明による多層構造バイモルフ型圧電アクチ
ュエータの第二の実施形態を示す概略断面図である。

【図３】本発明による多層構造バイモルフ型圧電アクチ
ュエータの第三の実施形態を示す概略断面図である。

【図４】従来のバイモルフ型圧電アクチュエータの構成
を示す概略斜視図である。

【図５】図４の圧電アクチュエータの動作原理を示す概
略側面図である。

【図６】従来の多層構造バイモルフ型圧電アクチュエー
タの構成を示す概略図である。

【図７】図６の圧電アクチュエータにおける各圧電板の
実際の屈曲状態，自由変位量そして拘束変位量を示す概
略図である。

【符号の簡単な説明】

１０・・・多層構造バイモルフ型圧電アクチュエータ、
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ・・
・圧電板（薄板状圧電体）、１２・・・電極、１３・・
・外部電源、２０・・・多層構造バイモルフ型圧電アク
チュエータ、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１
ｅ，２１ｆ・・・圧電板（薄板状圧電体）、２２・・・
電極、２３・・・外部電源、２４・・・圧電層、３０・
・・多層構造バイモルフ型圧電アクチュエータ、３１
ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ・・・圧
電板（薄板状圧電体）、３２・・・電極、３３・・・外
部電源、３４・・・圧電層（電極付圧電層）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の圧電板と、各圧電板の間及び外面
   側に配設された電極とを含んでいる、多層型圧電アクチ
   ュエータにおいて、 各圧電板の厚さが、積層方向に関して中心から外側に向
   かって徐々に薄くなるように、選定されていることを特
   徴とする多層型圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記各圧電板が、厚さが同じ一枚の圧電
   体もしくは複数枚の積層された圧電体により構成されて
   おり、 各圧電板を構成する圧電体の積層枚数を変えることによ
   り、積層方向に関して中心から外側に向かって、各圧電
   板の厚みが徐々に薄くなるように構成されていることを
   特徴とする請求項１に記載の多層型圧電アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】 前記各圧電板を構成する各圧電体は、一
   つの表面側に各々電極を有することを特徴とする請求項
   ２に記載の多層型圧電アクチュエータ。