JP3280924B2

JP3280924B2 - 圧電／電歪アクチュエータ

Info

Publication number: JP3280924B2
Application number: JP31444598A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 正人駒澤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: JPH11206149A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、変位制御素子、インクジェット
ヘッド、ＶＴＲヘッド、スイッチ、リレー、プリンター
ヘッド、ポンプ、ファン等に用いられる新規な構造の圧
電／電歪アクチュエータに関するものである。なお、こ
こで述べるアクチュエータとは、電気エネルギーを機械
的な変位又は応力に変換する素子を意図するものであ
る。

【０００２】

【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
素子が所望されるようになってきており、これに応える
ものとして、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加え
たときに惹起される逆圧電効果や電歪効果に基づくとこ
ろの変位を利用した素子である圧電／電歪アクチュエー
タの開発が進められている。

【０００３】ところで、この圧電／電歪アクチュエータ
の構造としては、従来から、モノモルフ型、ユニモルフ
型、バイモルフ型、積層型等が知られているが、その中
で、モノモルフ型、ユニモルフ型、及びバイモルフ型
は、電界誘起歪みの横効果を利用して屈曲変位を得るた
めに、比較的大きな変位が得られるものの、発生力が小
さく、また応答速度が遅く、電気機械変換効率が悪いと
いう問題を内在するものであり、接着剤を用いて張り付
けるために、信頼性に問題があるものであった。一方、
積層型は、電界誘起歪みの縦効果を利用しているため
に、それら発生力や応答速度において優れ、また電気機
械変換効率も高いものであるが、発生変位が小さいとい
う問題を内在している。

【０００４】このように、従来の圧電／電歪アクチュエ
ータには、それぞれ一長一短があったのである。

【０００５】一方、米国特許第２５４０１９４号明細書
には、所定厚さを有する長手板状の圧電／電歪駆動部の
面上に、その幅方向に延びる帯状電極が長手方向に所定
間隔を隔ててストライプ状に設けられた構造のモノモル
フ型の圧電／電歪アクチュエータが明らかにされている
が、このような構造のアクチュエータにあっては、それ
らの電極に接触している圧電／電歪板の表面層付近のみ
の部分に、電界誘起歪みを発生せしめることにより、屈
曲変位乃至は発生力を発現せしめているだけであるとこ
ろから、最も有効な電極間を利用しておらず、そのため
に、変位や発生力が非常に小さい問題を内在するもので
あった。

【０００６】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、接着剤等で張り付けた構造ではなく、相対的に低駆
動電圧で大変位が得られ、応答速度が速い特徴がある、
電界誘起歪みの縦効果を少なくとも利用して屈曲の変位
乃至は発生力を得るようにした圧電／電歪アクチュエー
タ構造を提供しようとするものであり、また電界誘起歪
みの縦効果及び横効果の両方を利用して、屈曲の変位乃
至は発生力を効果的に得るようにした構造を提供するこ
とにあり、更には、高集積化が可能な膜形成技術を用い
て作製したアクチュエータを提供することにある。

【０００７】

【解決手段】そして、本発明にあっては、そのような課
題の解決のために、所定の圧電／電歪材料からなる圧電
／電歪板と該圧電／電歪板を挟むように積層された二つ
の電極層とからなる基板と、かかる基板の少なくとも一
方の面上の少なくとも一部分に２００μｍ以下の電極ピ
ッチを以て配列された複数の帯状電極と、少なくともそ
れら電極間に位置するように、それら電極に接して配さ
れた、所定の圧電／電歪材料からなる膜状の圧電／電歪
駆動部とを含んで構成され、且つそれら帯状電極は、厚
膜、薄膜若しくはメッキの手法により、また圧電／電歪
駆動部は、塗布法若しくは印刷法により、接着剤を用い
ることなく、前記基板に一体的に形成してなる、少なく
とも該電極間の電界誘起歪みの縦効果を利用して屈曲の
変位乃至は発生力を得ることの出来る圧電／電歪アクチ
ュエータを、その特徴とするものである。

【０００８】なお、かくの如き圧電／電歪アクチュエー
タにおいて、前記帯状電極は、好ましくは、その長手方
向の両端部において、それぞれ異なる一つおきの組にて
接続され、二つのくし型電極を構成している。

【０００９】また、本発明の望ましい構造によれば、前
記帯状電極及び圧電／電歪駆動部は、電気絶縁層を介し
て、前記基板上に設けられている。

【００１０】さらに、本発明は、セラミック基板と、か
かる基板の少なくとも一方の面上の少なくとも一部分に
２００μｍ以下の電極ピッチを以て配列された複数の帯
状電極と、少なくともそれら電極間に位置するように、
それら電極に接して配された、所定の圧電／電歪材料か
らなる膜状の圧電／電歪駆動部とを含んで構成され、且
つ該帯状電極が該圧電／電歪駆動部に埋め込まれた状態
において設けられていると共に、該帯状電極は厚膜、薄
膜若しくはメッキの手法により、また圧電／電歪駆動部
は塗布法若しくは印刷法により、接着剤を用いることな
く、前記基板上に一体的に形成されてなる、少なくとも
該電極間の電界誘起歪みの縦効果を利用して屈曲の変位
乃至は発生力を得ることの出来る圧電／電歪アクチュエ
ータをも、その要旨とするものである。

【００１１】また、そのような圧電／電歪アクチュエー
タにおいて、前記帯状電極及び圧電／電歪駆動部は、前
記基板の一方の面上に設けられていると共に、該圧電／
電歪駆動部の上に、更に、所定の圧電／電歪材料からな
る圧電／電歪層が、二つの電極層にて挟まれた状態にお
いて積層せしめられることとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、圧電／電歪アクチュエータ
の具体的構造を示す図面を参照しつつ、本発明を更に具
体的に明らかにすることとする。

【００１３】先ず、図１〜図４及び図１０、図１１は、
何れも、本発明の理解のために供されるものであって、
本発明において採用され得る構造を備えたユニモルフ型
の代表的な例であって、その中で、図１に示される圧電
／電歪アクチュエータにおいては、所定幅の長手状の基
板２の一方の面上に、基板２の幅方向に延びる複数の帯
状電極４が基板２の長手方向に所定間隔を隔ててストラ
イプ状に設けられており、そしてそれら帯状電極４，４
間に、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電歪駆動部
６が、形成されている。なお、帯状電極４や圧電／電歪
駆動部６は、基板２に対して一体的に設けられるもので
あり、また帯状電極４の電極ピッチや電極幅は、一般
に、それぞれ均一とされるものであり、更に有利には、
電極間の間隔、換言すれば圧電／電歪駆動部６の幅は、
かかる電極幅よりも広くされることとなる。電極のピッ
チは、相対的に低駆動電圧で大変位を得るために、２０
０μｍ以下が良く、好ましくは１００μｍ以下であり、
その中でも６０μｍ以下が更に好ましい。また、電極厚
は、３μｍ以上が良く、好ましくは１０μｍ以上であ
り、更に好ましくは２０μｍ以上である。

【００１４】そして、このような構造の圧電／電歪アク
チュエータに対して、その帯状電極４に従来と同様にし
て通電が行なわれ、帯状電極４，４間に位置する圧電／
電歪駆動部６に電界が作用せしめられると、圧電／電歪
駆動部６には該電界に基づくところの歪みが誘起され、
以てその縦効果により、基板２の板面に垂直な方向の屈
曲変位乃至は発生力が発現せしめられるのである。

【００１５】また、図２及び図１１に示される圧電／電
歪アクチュエータにおいては、基板２が四角形或いは円
板形状とされており、そしてその一方の面上に、帯状電
極４が円形形態において同心円状或いは渦巻状に配置さ
れ、更にそれら電極４，４間に圧電／電歪駆動部６が設
けられた構造とされている。

【００１６】さらに、図３及び図４は、何れも、図１の
如き圧電／電歪アクチュエータにおいて、その帯状電極
４が、長手方向の両端部において、それぞれ異なる一つ
おきの組にて接続され、二つ（一対）のくし型電極８
ａ，８ｂを構成した例を示している。即ち、それらくし
型電極８ａ，８ｂは、それぞれ、基板２の幅方向の両側
部に設けた電極接続部１０，１０に対して、複数の帯状
電極４を交互に電気的に接続せしめて構成されたもので
ある。特に、図４に示される例では、そのようなくし型
電極８ａ，８ｂの電極接続部１０，１０が、基板２のそ
れぞれの側面を覆うように設けられている。そして、こ
のような電極接続部１０の採用によって、それぞれの帯
状電極４への給電が容易となるのである。

【００１７】なお、図４に示される例においては、それ
ぞれのくし型電極８ａ，８ｂの電極基部間に、絶縁部１
２が設けられ、その電極接続部１０と他方のくし型電極
の電極４先端部との間の電気的な絶縁、ひいては当該部
分における電界誘起歪みの発生が回避されるようになっ
ている。

【００１８】また、バイモルフ型構造に係る圧電／電歪
アクチュエータの例が、図５〜図９に示されているが、
その中で、図５の例においては、長手の基板２の両側の
面に、それぞれ、帯状電極４と圧電／電歪駆動部６とが
交互にストライプ状に配された構成を有し、図１に示さ
れるアクチュエータ構造が基板２の両側に採用されたも
のである。また、図６に示される圧電／電歪アクチュエ
ータにあっては、図３に示される構造のアクチュエータ
において、その基板２の他方の面側に、圧電／電歪駆動
部６と同様な圧電／電歪材料からなる圧電／電歪層１４
が、二つの電極層１６，１６と共に、それら電極層１
６，１６に挟まれた形態において、積層一体化された構
造を採用している。

【００１９】ところで、本発明は、かかる図６の如き構
造において、基板２を、図７に示される如く、電気的な
絶縁層１８にて置き換え、以て圧電／電歪板１７とそれ
を挟む二つの電極層１６，１６にて、基板としての機能
を果たさせるようにしたものである。

【００２０】さらに、本発明の他の例に係る図８に示さ
れる圧電／電歪アクチュエータにおいては、図７に示さ
れる構造において、一方のくし型電極８ａの電極接続部
１０が延長せしめられて、電極層１６の一方に接続され
ている一方、他方のくし型電極８ｂの電極接続部１０も
延長せしめられて、他方の電極層１６に接続されてお
り、これによって、各くし型電極８ａ，８ｂ、各電極層
１６，１６への給電が同時に行なわれ得るようになって
いる。

【００２１】なお、図９は、図４に示される如き、基板
２の一方の面上に設けられる二つのくし型電極８ａ，８
ｂのそれぞれの電極接続部１０，１０と帯状電極４先端
部との間に絶縁部１２を配した構造の圧電／電歪アクチ
ュエータにおいて、その基板２の他方の面側に、上例と
同様な圧電／電歪層１４を、二つの電極層１６，１６に
て挟んだ状態において積層一体化せしめてなる構造を示
すものである。

【００２２】このように、図６〜図９に示される如き構
造の圧電／電歪アクチュエータにおいては、帯状電極４
と圧電／電歪駆動部６による電界誘起歪みに加えて、二
つの電極層１６，１６によって加えられる電界に基づく
ところの圧電／電歪層１４または圧電／電歪板１７の電
界誘起歪みの作用によって、大きな屈曲変位が得られ、
しかもかかる圧電／電歪層１４乃至圧電／電歪板１７、
及び圧電／電歪駆動部６には、その分極方向のみの電界
が作用せしめられるように出来るところから、その特性
が経時劣化することなく、長期使用に対する信頼性も効
果的に高められ得るのである。

【００２３】また、図１０に示される圧電／電歪アクチ
ュエータにおいては、基板２の一方の表面上に所定の間
隔で複数の帯状電極４が配列され、そしてそれら帯状電
極４を埋め込んだ状態において、所定厚さで圧電／電歪
駆動部６が形成されていると共に、該圧電／電歪駆動部
６上に、電極層１６、圧電／電歪層１４及び電極層１６
が順次積層一体化せしめられた構造とされている。

【００２４】なお、図１〜図１１では、１基板当り、１
個のアクチュエータの例が示されているが、大面積を有
する基板の各所に、少なくとも帯状電極と圧電／電歪駆
動部よりなる本発明のアクチュエータを複数個形成した
構造、即ち１基板当り、多数個のアクチュエータを有す
る構造は、本発明を有効に利用出来る好ましいものであ
る。

【００２５】ところで、かくの如き本発明に従う圧電／
電歪アクチュエータにおいて、その形状は、用途に応じ
て、適宜に決定され、例えば三角形、四角形、五角形、
六角形等の多角形状、或いは異形形状とされたり、円
形、楕円形、円環形等の円形形状、更にはそれらを組み
合わせた形状とされたりし、またその形状の中に空間の
ある構造等も採用され得るものである。

【００２６】また、基板２の材料としては、単結晶、各
種セラミックスで良く、弾性的異方性基板も好ましく用
いられるものである。なお、セラミックスとしては、酸
化物だけでなく、非酸化物であっても何等差支えないの
である。更にまた、金属板や合金板の表面の所定の部分
に絶縁層を設けたものを、基板２として用いることも可
能である。

【００２７】そして、そのような基板２をセラミックス
にて形成する場合において、それを絶縁セラミックス板
にて構成する他に、誘電体セラミックス板、圧電セラミ
ックス板等の機能材で構成しても、何等差支えないので
ある。更に、基板２は、有機フィルムのように柔らかい
ものであっても良く、またその表面が平坦な面だけでな
く、曲面であっても何等差支えないのである。

【００２８】何れにしても、基板２には、公知の各種の
材料からなる各種形状乃至は形態のものが適宜に選択さ
れ得るものであるが、基板２の材料としては、セラミッ
ク基板が好ましく、その中でも、少なくとも、酸化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化
アルミニウム、窒化珪素の何れかを主成分とする材料よ
りなるものが好ましい。なかでも、酸化アルミニウムま
たは酸化ジルコニウムを主成分とする基板が、下記に示
すように、板厚が薄くても、優れた基板特性が得られる
ので、特に好ましい。

【００２９】なお、上記のセラミック基板の厚さは、１
００μｍ以下が良く、好ましくは５０μｍ以下、その中
でも、更に好ましくは３０μｍ以下が良い。また、セラ
ミック基板のヤング率が１．５×１０⁶ｋｇ／ｃｍ²以
上で、４．５×１０⁶ｋｇ／ｃｍ²以下であることが好
ましく、その中でも、２．０×１０⁶ｋｇ／ｃｍ²以上
で、４．０×１０⁶ｋｇ／ｃｍ²以下であることが、更
に好ましい。また、その曲げ強度は、１２００ｋｇｆ／
ｃｍ²以上が良く、その中でも１５００ｋｇｆ／ｃｍ²
以上が、更に好ましい。セラミック基板のこれらの値
は、目的とするアクチュエータにおいて、大きい屈曲変
位、発生力及び高速応答性を得るために、非常に好まし
いことである。

【００３０】また、帯状電極４や電極層１６の材料にあ
っても、金属や合金、金属間化合物、導電性セラミック
ス等の公知の電極材料が適宜に選択され、そしてそれら
材料は、厚膜、薄膜、メッキ等の形態において電極形成
に用いられることとなる。なお、帯状電極４やくし型電
極８ａ，８ｂの形成には、レーザー、スライシング等の
加工による方法やフォトリソグラフィ技術を用いた電極
パターンの形成法等、公知の各種の手法が適宜に採用さ
れるものである。

【００３１】さらに、本発明において、圧電／電歪駆動
部６や圧電／電歪層１４、圧電／電歪板１７は、何れ
も、逆圧電効果乃至は電歪効果を示す公知の圧電／電歪
材料にて形成され、そのような材料は分極処理が必要な
ものであっても、また必要としないものであっても良
く、更にそのような材料は、結晶、半導体、セラミック
ス、高分子等の形態、更にはそれらの複合材料の形態を
採るものである。

【００３２】なお、かかる圧電／電歪材料の好ましいも
のとしては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成
分とする材料の他、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ
系）、ニッケルニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アン
チモン錫酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ
酸鉛、ニオブ酸バリウムを主成分とする材料、更にはそ
れらの複合材料を挙げることが出来る。また、ＰＺＴ系
を主成分とする材料に、Ｌａ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｚｎ，Ｎ
ｉ，Ｍｎ等を含んだ材料、例えばＰＬＺＴ系材料が含ま
れるように、前記材料に適宜添加物を含有せしめること
も可能である。更に、詳細に述べると、本発明の圧電／
電歪材料として特に好ましい材料は、本発明の構造とア
クチュエータ特性の観点より、圧電定数｜ｄ₃₃｜が１０
０×１０^-12〔Ｃ／Ｎ〕以上のものである。

【００３３】そして、このような圧電／電歪材料は、真
空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、クラ
スタイオンビーム法、ＣＶＤ法等の薄膜形成法を用い
て、或いはスピナー、ディッピング、吹付け（スプレ
ー）、刷毛塗り等の塗布法によって、更にはペーストの
印刷法等によって、基板２等の表面に適用され、目的と
する形態の圧電／電歪駆動部６や圧電／電歪層１４が形
成されることとなるのである。

【００３４】以上、本発明に従う圧電／電歪アクチュエ
ータについて、図面に示される具体例に基づき、詳細に
説明してきたが、本発明が、そのような具体例によっ
て、何等の制約をも受けるものでないことは言うまでも
ないところである。

【００３５】そして、本発明には、上記の具体的記述以
外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業
者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加
え得るものであることが、理解されるべきである。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従う圧電／電歪アクチュエータ構造においては、基板
面上に配列された複数の帯状電極に外部から電圧が印加
されて、基板面と平行な方向にそれぞれの電極間で所定
の電界が作用せしめられることにより、それら電極間に
位置する圧電／電歪駆動部に電極配列方向における歪み
を効率よく誘起させ（縦効果）、そして電極配列パター
ンを選定することによって、この誘起歪みを基板面内の
思い通りの方向に作用させることが出来、基板をその板
面に垂直な方向に屈曲変位せしめ、またそのような方向
の発生力を実現するものであるところから、相対的に、
低駆動電圧で大変位を得ることが出来、また応答速度が
速い特徴を発揮することが出来るのである。

【００３７】また、本発明に従う圧電／電歪アクチュエ
ータを通常のバイモルフ型構造の一部に適用した場合に
は、即ち複数の帯状電極と圧電／電歪駆動部とを含む素
子（電界誘起歪みの縦効果利用）に対して、更に二つの
電極層と圧電／電歪層とを含む他の素子（電界誘起歪み
の横効果利用）を積層一体化してなる構造を採用した場
合においては、分極方向のみの電界にて、縦効果と横効
果の両方を利用して、大きな屈曲変位が得られるように
構成することが出来、分極がなくなったり、消極するよ
うなこともなく、長期使用に対する信頼性の高いアクチ
ュエータとすることも出来るのである。

【００３８】さらに、本発明のアクチュエータ構造は、
基板面と平行方向に電圧をかけ、膜厚方向に電圧を印加
せずに駆動出来るので、本発明の圧電／電歪材料の膜形
成時の欠陥等によって、絶縁破壊電圧が低下し難い構造
であり、また電極と圧電／電歪材料との間に、剪断応力
が起こり難い構造であるために、膜厚の比較的薄い膜状
の圧電／電歪材料（圧電／電歪駆動部）を用いるのに好
適なものである。

【００３９】しかも、本発明のアクチュエータ構造は、
圧電／電歪材料の厚さを薄くしなくても、その幅（電極
間の間隔）を狭くすることによって、駆動電圧を低くす
ることが可能となる特性をもつ構造でもある。また、圧
電／電歪材料が電極間に位置し、所謂セル構造を持つの
で、基板との熱膨張率の違いの影響を受け難い構造でも
あり、発生応力が有効に利用出来る構造でもある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の理解のために供される圧電／電歪アク
チュエータの一例を示す斜視部分説明図である。

【図２】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの他の例を示す、図１と同様な説明図である。

【図３】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの更に他の例を示す、図１と同様な説明図であ
る。

【図４】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの別の例を示す、図１と同様な説明図である。

【図５】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの更に別の例を示す、図１と同様な説明図であ
る。

【図６】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの異なる例を示す、図１と同様な説明図である。

【図７】本発明に従う圧電／電歪アクチュエータの代表
的な一例を示す斜視部分説明図である。

【図８】本発明に従う圧電／電歪アクチュエータの異な
る例を示す斜視部分説明図である。

【図９】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチュ
エータの他の一例を示す、図１と同様な説明図である。

【図１０】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチ
ュエータの別の一例を示す、図１と同様な説明図であ
る。

【図１１】図１と同様な目的のための圧電／電歪アクチ
ュエータの更に異なる一例を示す、図１と同様な説明図
である。

【符号の説明】

２基板４：帯状電極６：圧電／電歪駆動部８ａ，８ｂ：くし型電極１０：電極接続部１２：絶縁部１４：圧電／電歪層１６：電極層１７：圧電／電歪板１８：絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電
歪板と該圧電／電歪板を挟むように積層された二つの電
極層とからなる基板と、かかる基板の少なくとも一方の
面上の少なくとも一部分に２００μｍ以下の電極ピッチ
を以て配列された複数の帯状電極と、少なくともそれら
電極間に位置するように、それら電極に接して配され
た、所定の圧電／電歪材料からなる膜状の圧電／電歪駆
動部とを含んで構成され、且つそれら帯状電極は、厚
膜、薄膜若しくはメッキの手法により、また圧電／電歪
駆動部は、塗布法若しくは印刷法により、接着剤を用い
ることなく、前記基板に一体的に形成してなる、少なく
とも該電極間の電界誘起歪みの縦効果を利用して屈曲の
変位乃至は発生力を得ることの出来る圧電／電歪アクチ
ュエータ。
【請求項２】前記帯状電極及び圧電／電歪駆動部が、
電気絶縁層を介して、前記基板上に設けられている請求
項１記載の圧電／電歪アクチュエータ。
【請求項３】前記帯状電極が、その長手方向の両端部
において、それぞれ異なる一つおきの組にて接続され、
二つのくし型電極を構成している請求項１または請求項
２記載の圧電／電歪アクチュエータ。