JPH03212173A - 積層型圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、積層型圧電アクチュエータに係り、詳しく
は、圧電効果のうち、縦効果をｆＩｊ用して曲ｒ変形を
発生させることができる積層型圧電アクチュエータに関
する。

一従来の技術 近年、Ｍ密機器や電子機器等の駆動源として圧電効果を
ｆｌｌ用した圧電アクチュエータが盛んに利用されてい
る。

このような圧電アクチュエータのうち、最も代表的なし
のとして、例えば第９図に示す積層型圧電アクチュエー
タが知られている。この圧電アクチュエータは、厚さ方
向に分極され几複数の平板状の圧電セラミックスｌを、
内部電極２を介在させつつ各々の分極方向を交互に反転
させて複数積層するとともに、これら圧電セラミックス
１の側方に、内部電極２と一層ごとに互い違いに接続さ
れろ２つの外部電極３を設けてなるもので、外部電極３
間に交番電圧を印加することにより、各圧電セラミック
ス１が同位相で伸縮し、この結果圧電セラミックスＩの
厚さ方向の駆動力が得られる。

ところで、このような積層型圧電アクチュエータにあっ
ては、圧電セラミックス１の圧電縦効果を利用している
ので、発生力、応答速度、機械変換効率か高く、耐久性
に富むという利点があるものの、圧電セラミックスＩの
厚さ方向への直線運動しか得られないという欠点がある
。そこで、このような欠点を解消しに圧電アクチュエー
タとして、いわゆるバイモルフ型の圧電アクチュエータ
か提供されている。

このバイモルフ型圧電アクチュエータは、第１Ｏ図及び
第１Ｉ図に示すように、リン青銅等を素材とする弾性板
４の先端表裏面に、厚さ方向に分極された２枚の平板状
の圧電セラミックス５を、分極方向を一致させた状態で
貼り合わせてなるものである。

このようなバイモルフ型圧電アクチュエータによれば、
第１０図に示すように圧電セラミックス５の各表面と弾
性板４との間に電界を与えることにより、圧電横効果に
よって圧電セラミックス５が幅方向（第１Ｏ図において
左右方向）に逆位相で伸縮し、これにより弾性板４に曲
げ変形が発生する。従って、弾性板４において圧電セラ
ミックス５の厚さ方向への駆動力と回転力が得られるこ
ととなり、用いられる機器に応していずれの駆動力をも
有効に利用できる。なお、このバイモルフ型圧電アクチ
ュエータの変形として、弾性板４の一方の側にのみ圧電
セラミックス５を貼着しｆニュニモルフ型圧電アクチュ
エータら提供されている。

「発明が解決しようとする課題］ ところで、上述した従来のバイモルフ型圧電アクチュエ
ータにあっては、圧電横効果を利用して弾性板４を変形
させるので変位の拡大率が大きく取れるという利点が存
在する一方、積層型に比して発生力、応答速度、機械変
換効率が低いという欠点があった。

この発明は、このような背景の下になされｆこもので、
発生力、応答速度等の点て優位な圧電縦効果を利用して
曲げ変形を発生させることができる積層型圧電アクチュ
エータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための玉砕］ この発明は、板状をなす圧電セラミックスを、その幅方
向中間部に形成された中立域を境として左右に独立した
第１、第２の分極域に分割し、これら第１、第２の分極
域の表裏面に対応して互いに絶縁された電極を積層して
上記課題の解決を図っている。

この場合、圧電セラミックスの第１、第２の分極域の分
極方向、及び電極と電源との接続関係は、第１、第２の
分極域の分極方向を圧電セラミックスの厚さ方向互いに
逆向きとする場合には、これら第１、第２の分極域の一
方の表面に積層される電極を交番電圧を発する電源の一
方の端子に、これら第１、第２の分極域の他方の側面に
積層される電極を上記電源の他方の端子に接続する。

まに、第１、第２の分極域の分極方向を圧電セラミック
スの厚さ方向同一の向きとする場合には、第１の分極域
の一方の表面に積層される電極と第２の分極域の他方の
表面に積層される電極とを上記電源の一方の端子に、第
１の分極域の他方の表面ｌ−優謳　七　引　ス　雪≦　
シ　笛　９　箇４鑑ゆの−すの実面に積層される電極と
を上記電源の他方の端子に接続する。

そして、この圧電アクチュエータの製造方法としては、
板状に形成された圧電セラミックスの素材と、この圧電
セラミックスの素材の幅方向中間で絶縁された電極とを
交互に積層し、ついてこれら積層された圧電セラミック
スの素材と電極とを熱圧着して一体化しに上で焼結し、
この後、各電極に通電して各圧電セラミックスの幅方向
に独立した分極域を形成することが好適である。

二作用］ 上記構成の圧電アクチュエータによれば、第１１第２の
分極域の分極の向きと、これら分極域の表裏面に積層さ
れる電極から与えられる電界の向きとの関係か左右で逆
、すなわち一方の分極域における分極の向きと電界の向
きとか一致すれば、他方の分極域における分極の向きと
電界との向きが逆となるため、圧電セラミックスは中立
域を境として左右が逆位相で厚さ方向へ伸縮する。この
ため、圧電セラミックス自身に中立域を軸とす、る曲げ
振動が発生する。

［実施例コ 以下、第１ないし第５図を参照して、本発明の一実施例
を説明する。

第１図に示すように、本実施例の圧電アクチュエータは
、方形平板状をなす複数（図では６枚）の圧電セラミッ
クス１０・・・を、その表裏面間に２枚の内部電極＋１
，１２を挟みつつ厚さ方向へ積層するとともに、積層さ
れた圧電セラミックスｌＯの両端に、これら圧電セラミ
ックスｌＯと同一形状の端板１３・！３を配置し、さら
には圧電セラミックス１０の側方に従来の積層型圧電ア
クチュエータと同様の外部電極（図示路）を設けた基本
構造とされている。

第２図に示すように、各圧電セラミックスｌＯには、い
ずれも幅方向の中央部に設けられた中立域（第２図中二
点鎖線で挟まれた部分）Ｎを境として左右に独立した第
１、第２の分極域１４．１５が形成されている。そして
、各分極域１４、Ｉ５はそれぞれ圧電セラミックス１０
の厚さ方向互いに逆向きに、すなわち図中矢印で示すよ
うに第１の分極域１４が上向きに、第２の分極域１５が
下向きに分極されている。

そして、各層の圧電セラミックスＩＯは、圧電セラミッ
クス１０の表裏面の極性が各層の内部電極（電極）１１
Ｓ　１２を挟んで同一極性を示すように、換言すれば内
部電極１１，１２を挟んで各層の圧電セラミックスＩＯ
の分極方向が交互に反転するように配置されている。

また、内部電極１１．１２は、各分極域Ｉ４．１５と同
一形状をなし、各層毎に左右に反転させて配置されてい
る。従って、本実施例では、第１の分極域Ｉ４の裏面側
（図において下方）には必ず第１の内部電極１１が、第
２の分極域Ｉ５の裏面側には必ず第２の内部電極！５か
配置されることとなる。

ここで、本実施例の圧電アクチュエータの製造工程を第
１図ない・し第４図を参照して説明する。

本実施例の圧電アクチュエータを製造するには、まず、
原料となる圧電セラミックスの粉末に、溶媒、分散剤、
バインダ、可塑刑の４種を混合してスリップを生成し、
これを薄膜状に形成した上で溶媒を蒸発乾燥させてグリ
ーンシートを成形する。

ついで、このグリーンシートを方形状に切り揃えて第゛
３図に示すように圧電セラミックスの原板１０ａを形成
する。続いて、切り揃えられた原板１０ａの表面に、銀
、パラジウム、白金等の導電性材料をペースト状に生成
してなる内部電極１１゜１２を、原板１０ａの幅方向中
央に所定の隙間ｎが空くようにして印刷する。

そして、内部電極１１，１２が印刷された原板１０ａを
所要の枚数だけ厚さ方向に積層し、さらに両端に端板１
３を積層する。ついで、これらを熱圧着して一体化し、
この後全体に焼結を施して圧電セラミックスｌＯを焼成
する。

焼結が終了した後、ついで分極処理を行なって上述した
中立域Ｎ及び第１１第２の分極域１４．１５を形成する
。この分極処理は、第４図に示すように、各層の内部電
極１１．１２を直流電圧を発する分極電源■の端子ｔ１
、ｔ、と適宜接続して電界を与えることによって行われ
、具体的には各層の内部電極１２を電源Ｖの一方の端子
ｔ１に、内部電極１１を他方の端子ｔ２にそれぞれ接続
して分極電圧を印加する。

これにより、各層の圧電セラミックスＩＯは電界の向き
に応じて厚さ方向にそれぞれ分極され、この結果、各圧
電セラミックスＩＯか第２図に示すように分極されて第
１、第２の分極域１４．１５が形成され、同時に内部電
極１１．１２の間に異方性がない中立域Ｎが形成されろ
。

分極処理の終了後、第２図に示すように、圧電セラミッ
クスｌＯの側面に、各内部電極１ｍ１２と一層毎に交互
に接続される外部電極１６〜１９を焼き付ける。そして
、これら外部電極１６〜１９を、交番電圧を発する電源
２０の端子２０ａ、２０ｂと一層毎に交互に接続する。

すなわち、の圧電セラミックス１０の一方の表面に積層
される内部電極１１．１２を一方の端子２０ａに、他方
の表面に積層される内部電極１１，１２を他方の端子２
０ｂに接続し、これにより本実施例の圧電アクチュエー
タが完成する。

次に、以上のように構成された圧電アクチュエータの作
用について第２図及び第５図を参照して説明する。

これらの図に示すように、本実施例の圧電アクチュエー
タでは、各層の圧電セラミックス１０において、各分極
域１４．１５に与えられる電界の向きが一致する一方で
、各層の分極域１４、Ｉ５の分極の向きが反転している
ため、電源２０から交番電圧を印加することにより、各
層の圧電セラミックスｌＯは、中立域Ｎを境として各分
極域１４．１５か逆位相で厚さ方向へ伸縮するとともに
、上下方向には同位相で伸縮する。従って、全体では、
圧電セラミックス１０が中立域Ｎを軸とする曲げ振動が
得られることとなる。

そして、この曲げ振動は、各圧電セラミックスＩＯの圧
電縦効果によって生じるものであるため、その発生力、
応答速度が高く、まｆコ機械変換効率も従来の積層型圧
電アクチュエータと同等で、圧電横効果を利用するバイ
モルフ型等に比して大幅に向上するのである。

なお、以上の説明では特に圧電セラミックスＩＯの分極
域１４、Ｉ５て分極の向きを反転させているが、本発明
はこれに限るものではない。例えば、第６図及び第８図
に示すように、各層の圧電セラミックスＩＯにおいて第
１、第２の分極域１４．１５の分極域を一致させるとと
もに、各層毎に分極の向きを反転させた場合でも、内部
電極１１．１２と電源２０の端子２０　ａ、　２０　ｂ
との接続を上記実施例と逆、すなわち、各層の分極域Ｉ
４．１５に与えられる電界が中立域Ｎを挟んで反転する
ように接続すれば、上記実施例と同様に圧電アクチュエ
ータに曲げ振動が発生する。なお、この場合の製造方法
は、第７図に示すように、焼結後の分極処理において、
各内部電極１１．１２を、各層の圧電セラミックスＩＯ
に与えられる電界の向きが中立域Ｎを挟んで一致し、か
つ−層毎に電界の向きが反転するように分極電源Ｖと接
続すれば良い。

また、上記実施例においては特に圧電セラミックスＩＯ
の枚数を６枚としたが、本発明はこれに限るものでない
ことは勿論である。

さらに圧電セラミックスＩＯの形状も方形平板状に限る
ものではなく、例えば円板状、多角形状等種々変形可能
である。

１発明の効果］ 以上説明したように、この発明の圧電アクチュエータに
よれば、厚さ方向に積層された圧電セラミックスの圧電
縦効果によって曲げ変形を生じさせることができるので
、発生力、応答速度、機械変換効率が高い曲げ変形型の
圧電アクチュエータを実現できるという優れた効果を奏
する。

また、この発明の圧電アクチュエータの製造方法によれ
ば、曲げ変形を生しる積層型圧電アクチュエータを容易
に製造できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例を示す図で、第
１図はその概略構成を示す斜視図、第２図は全体構成の
詳細を示す図、第３図は製造工程の説明図、第４図は分
極処理を説明するための図、第５図は動作状態を示す図
、 第６図ないし第８図は変形例を示す図で、第６図は全体
構成の詳細を示す図、第７図はその分極処理を説明する
ための図、第８図は動作状態を示す図、 第９図は従来の積層型圧電アクチュエータを示す図、第
１０図及び第１＋図は従来のバイモルフ型圧電アクチュ
エータを示す図で、第１Ｏ図は正面図、第１＋図は平面
図である。 ＩＯ・・圧電セラミックス、 １１・Ｉ２・・・・・・内部電極（電極）、Ｉ４・・・
・第１の分極域、１５・・・・・・第２の分極域、２０
・・・・・電源、　　　２０ａ・２０ｂ・・・・・・端
子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）板状をなす圧電セラミックスが、その幅方向中間
   部の中立域を境として左右に独立した第１、第２の分極
   域に分割され、これら第１、第２の分極域の表裏面に対
   応して互いに絶縁された電極が積層されてなる積層型圧
   電アクチュエータ。
2. （２）上記圧電セラミックスの第１、第２の分極域の分
   極方向が当該圧電セラミックスの厚さ方向互いに逆向き
   に定められ、これら第１、第２の分極域の一方の表面に
   積層される電極が交番電圧を発する電源の一方の端子に
   、これら第１、第２の分極域の他方の側面に積層される
   電極が上記電源の他方の端子に接続されていることを特
   徴とする請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。
3. （３）上記圧電セラミックスの第１、第２の分極域の分
   極方向が当該圧電セラミックスの厚さ方向同一の向きに
   定められ、第１の分極域の一方の表面に積層される電極
   と第２の分極域の他方の表面に積層される電極とが交番
   電圧を発する電源の一方の端子に、第１の分極域の他方
   の表面に積層される電極と第２の分極域の一方の表面に
   積層される電極とが上記電源の他方の端子に接続されて
   いることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電アクチ
   ュエータ。
4. （４）板状に形成された圧電セラミックスの素材と、こ
   の圧電セラミックスの素材の幅方向中間で絶縁された電
   極とを交互に積層し、ついでこれら積層された圧電セラ
   ミックスの素材と電極とを熱圧着して一体化した上で焼
   結し、この後、各電極に通電して各圧電セラミックスの
   幅方向に独立した分極域を形成することを特徴とする請
   求項１、請求項２又は請求項３記載の積層型圧電アクチ
   ュエータの製造方法。