JPH06112545A

JPH06112545A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH06112545A
Application number: JP4283775A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Goto; 博史後藤
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】横歪を利用して縦方向変位を出力する圧電ア
クチュエータにおいて、機能層で生じた横歪を圧電素子
ないし圧電アクチュエータの両端面に効率よく伝搬させ
ることにある。【構成】圧電セラミック層１と内部電極２ａ，２ｂを
交互に積層した機能層３の上面全体及び下面全体を圧電
セラミック製もしくは絶縁体製の保護層５ａによって覆
う。この保護層５ａの厚みｔは、内部電極２ａ，２ｂ間
の圧電セラミック層１の厚みＴと同等か、それ以下の厚
みとする。この上下の保護層５ａの上には、それぞれ内
面側の中央部に空洞を有するブリッジ状もしくはドーム
状をした変位拡大プレート７を接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電アクチュエータに関
する。具体的にいうと、本発明は、主として精密位置決
め装置や流量調整バルブなどに用いられている固体アク
チュエータに関し、圧電材料の逆圧電効果を利用した圧
電アクチュエータに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、圧電アクチュエータとしては、駆
動電圧の低減を図る目的で図７に示すような積層型のも
のが実用化されている。この圧電アクチュエータＧは、
圧電セラミック層１と内部電極２ａ，２ｂとを交互に積
層して機能層（積層体）３を構成し、機能層３の一方側
面に設けられた外部導電体４ａによって一層おきに積層
された内部電極２ａを電気的に接続し、機能層３の他方
側面に設けられた外部導電体４ｂによって１層おきに積
層された残りの内部電極２ｂを電気的に接続している。
さらに、外部から内部電極２ａ，２ｂへ湿気や水分等が
浸入するのを防止し、内部電極２ａ，２ｂ間での放電破
壊を防ぐため、機能層３の上面全体及び下面全体を保護
層５ｇによって覆っている。しかして、外部導電体４
ａ，４ｂを介して内部電極２ａ，２ｂ間に電圧を印加
し、各圧電セラミック層１の縦方向（内部電極２ａ，２
ｂと垂直な方向）の歪の総和として縦方向変位を発生し
ている。

【０００３】図７のような積層型の圧電アクチュエータ
Ｇによれば、従来１ｋＶ以上必要としていた駆動電圧を
１／１０程度に減少させることができ、例えば、代表的
な積層型圧電アクチュエータＧの場合には、１５０Ｖの
電圧印加で約１０μｍの変位を発生することができる。
しかしながら、１５０Ｖの駆動電圧は、要求水準から比
べるとまだ高く、携帯用機器等への適応を妨げるもので
あり、さらなる低電圧化が望まれていた。

【０００４】このため、駆動電圧をさらに低減させるこ
とを目的として、図７の圧電アクチュエータＧと同様な
積層構造の圧電素子６ｇの両端に変位拡大プレート７を
設けた図８のような圧電アクチュエータＨが実現されて
いる（例えば、１９９２年度精密工学会春季学術講演会
論文集、Ｐ.５８５〜５８６）。この圧電素子６ｇの両
面に接合されている変位拡大プレート７は、内面側の中
央部に空洞８を設けて中央部を薄肉構造として、空洞８
の周囲を圧電素子６ｇの保護層５ｇに接合させたもので
ある。しかして、この圧電アクチュエータＨにあって
は、圧電素子６ｇに電圧を印加すると、圧電素子６ｇが
縦方向に縦歪を発生すると同時に横方向（内部電極２
ａ，２ｂと平行な方向）に圧電横歪を発生する。このと
き発生した圧電素子６ｇの横歪は、変位拡大プレート７
が図８に１点鎖線で示すように弾性変形することによっ
て縦方向の変位に変換されると共に変位量を拡大され
る。従って、このような圧電アクチュエータＨにあって
は、圧電素子６ｇの縦歪による縦方向変位と圧電素子６
ｇの横歪から変換された縦方向変位との和が出力され
る。このため、このような圧電アクチュエータＨにおい
ては、圧電横歪の大きな圧電素子６ｇを用いることが大
きな縦方向変位を得るための条件となる。

【０００５】ところが、現在実用化されている積層型圧
電素子６ｇの構造は、図７の圧電アクチュエータＧと同
じ構造をしているおり、圧電セラミック層１及び内部電
極２ａ，２ｂからなる機能層３と、機能層３の上下両面
に設けられた保護層５ｇとからなっている。この圧電素
子６ｇに電圧を加えると、機能層３において圧電セラミ
ック層１に逆圧電効果が生じ、機能層３は内部電極２
ａ，２ｂに対して垂直な縦方向に膨張歪を発生するとと
もに、材料のポアソン比の関係で内部電極２ａ，２ｂに
対して平行な横方向に収縮歪を発生する。この機能層３
の両端には圧電セラミック層１と同じ材料からなる保護
層５ｇが設けられているが、この保護層５ｇには電界が
加わらないので自らは歪を発生させない。したがって、
機能層３が電圧印加によって前述のように歪を発生した
とき、その横方向の歪は保護層５ｇによって拘束を受
け、機能層３で生じた横歪をそのまま保護層５ｇの外面
へ伝搬できなくなり、図９のような変形挙動を生じる
（電圧印加前の元の状態を破線で示す）。例えば、実用
化されている積層型圧電素子６ｇでは、機能層３の各内
部電極２ａ，２ｂ間の間隔が１００μｍ、保護層５ｇの
厚みが２００μｍであるが、このような圧電素子６ｇの
場合、機能層３の横歪量１に対して保護層５ｇの外面で
は横歪量が約０.５〜０.７となり、３０％〜５０％の横
歪量減少が生じている。したがって、横歪を拡大して縦
方向変位を出力させるようにした図８のような圧電アク
チュエータＨでは、保護層５ｇでの横歪減少は出力され
る縦方向変位量の減少につながるので、このような圧電
素子を用いた場合には、効率良く横歪を変位拡大に利用
できないという問題があり、図１０のような理想的な変
形挙動を示す積層型圧電素子６の構造が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、機能層で生じた横歪を圧電素子ないし圧電アク
チュエータの両端面に効率よく伝搬させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータは、圧電セラミック及び該圧電セラミックに電界を
印加するための電極から成る機能層と、上記機能層の上
下面に形成される保護層とを備え、機能層に生じる横歪
を縦方向変位に変換して出力する圧電アクチュエータに
おいて、上記保護層が機能層で発生する上記電極に対し
て平行な方向の横歪を抑制しないように形成されている
ことを特徴としている。

【０００８】上記圧電アクチュエータにおいては、上記
機能層を、圧電セラミックと電極とが複数層重ね合わせ
られている積層体とすることができる。

【０００９】また、上記保護層を、機能層を構成する上
記電極間の圧電セラミックの厚さ以下の厚みの圧電セラ
ミックあるいは絶縁体材料で構成してもよい。

【００１０】また、上記保護層を、機能層を構成する上
記圧電セラミックのヤンク率よりも小さいヤング率の絶
縁体材料で構成してもよい。

【００１１】また、上記保護層が、機能層で発生する上
記電極に対して平行な方向の横歪を縦方向変位に変換し
て出力する変位拡大機能を備えていてもよい。

【００１２】また、上記機能層の上下面において、上記
保護層を少なくとも２つ以上の部分に分けて設けてもよ
い。

【００１３】さらに、上記圧電アクチュエータは、外部
からの湿気、水分等を透過させないコーティング層を備
えていてもよい。

【００１４】

【作用】本発明にあっては、機能層を構成する上記電
極間の圧電セラミックの厚さ以下の厚みの圧電セラミッ
クあるいは絶縁体材料で保護層を構成したり、機能層
を構成する圧電セラミックのヤンク率よりも小さいヤン
グ率の絶縁体材料で保護層を構成したり、保護層が、
機能層で発生する上記電極に対して平行な方向の横歪を
縦方向変位に変換して出力する変位拡大機能を備えてい
たり、機能層の上下面において、保護層を少なくとも
２つ以上の部分に分けて設けたりすることにより、保護
層が機能層で発生する横歪を抑制しないようにしている
ので、効率よく機能層の横歪を外部へ取り出すことがで
き、横歪を利用する変位拡大方式の圧電アクチュエータ
より出力される変位量を増大させることができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の一実施例による圧電アクチュ
エータＡを示す断面図である。この圧電アクチュエータ
Ａにあっては、圧電セラミック層１と内部電極２ａ，２
ｂとを交互に積層して機能層（積層体）３を構成し、機
能層３の一方側面に設けられた外部導電体４ａによって
１層おきに積層された内部電極２ａを電気的に接続し、
機能層３の他方側面に設けられた外部導電体４ｂによっ
て１層おきに積層された残りの内部電極２ｂを電気的に
接続してある。さらに、機能層３の上面全体及び下面全
体を圧電セラミック製もしくは絶縁体製の保護膜５ａに
よって覆って圧電素子６を形成している。保護層５ａの
厚みｔは、内部電極２間の圧電セラミック層１の厚みＴ
（１００μｍ以下）と同等か、それ以下の厚みとなって
いる。この上下の保護層５ａの上には、それぞれ内面側
の中央部に空洞８を有するブリッジ状もしくはドーム状
をした変位拡大プレート７が接合されている。

【００１６】しかして、この圧電アクチュエータＡにあ
っては、外部導電体４ａ，４ｂを通して圧電素子６の内
部電極２ａ，２ｂ間に縦方向の電界を印加すると、圧電
素子６に縦歪が発生すると同時に横歪が発生し、この横
歪によって変位拡大プレートが弾性変形し、変位拡大プ
レート７の中央部から縦方向変位が出力される。この結
果、変位拡大プレート７によって横歪が縦方向変位に拡
大変換され、圧電アクチュエータＡからは縦歪による縦
方向変位と横歪から拡大変換された縦方向変位との和が
出力される。

【００１７】このとき、保護層５ａの厚みが内部電極２
ａ，２ｂ間の圧電セラミック層１の厚みよりも薄くなっ
ているので、保護層５ａが小さな応力で収縮変形し、機
能層３で生じた横歪が保護層５ａによって減少させられ
ることなく変位拡大プレート７へ伝達される。したがっ
て、図１０のような理想的な変形挙動を示し、保護層５
ａによる横歪減少量が少なくなり、大きな縦方向変位を
出力可能になる。特に、実験によれば、保護層５ａの厚
みを２０μｍ程度にすれば、従来の横歪減少量が３０〜
５０％もあったのに対し、１０％以下に小さくできる。

【００１８】図２に示すものは本発明の別な実施例によ
る圧電アクチュエータＢを示す断面図である。この実施
例にあっては、機能層３を構成する圧電セラミック層１
のヤング率Ｅ_Aよりも小さなヤング率Ｅ_Pの材料を用いて
保護層５ｂを形成している。すなわち、圧電セラミック
層１よりも保護層５ｂのほうが弾性が低くなっている。

【００１９】このような圧電アクチュエータＢにあって
も、図１の実施例と同様に、機能層３で生じた横歪によ
り保護層５ｂを収縮変形させる時の応力は、圧電セラミ
ック層１と同じ圧電セラミック材料で保護層５ｇを形成
していた従来の圧電アクチュエータＨの場合に比べ、ヤ
ング率Ｅ_Pが小さくなった分だけ小さくなり、保護層５
ｂを変形させ易くなっている。したがって、保護層５ｂ
による横歪の拘束がなくなり、機能層３の横歪を効果的
に取り出して変位拡大プレート７を大きく変形させるこ
とができる。

【００２０】図３に示すものは本発明のさらに別な実施
例による圧電アクチュエータＣを示す断面図である。こ
の圧電アクチュエータＣにあっては、上下の保護層５ｃ
を２分割し、２分割された保護層５ｃの上にブリッジ状
をした変位拡大プレート７を接合させたものである。こ
の実施例においては、保護層５ｃを分割した方向（ｘ方
向）には保護層５ｃによる反力が加わらないが、保護層
５ｃの延びている方向（ｙ方向）には保護層５ｃによる
反力が発生する。このような構造によれば、少なくとも
ｘ方向では保護層５ｃによって横歪が抑制されることが
なく、ｘ方向の横歪は効果的に伝搬させられ、ｘ方向の
横歪を効果的に縦方向変位に変換することができる。

【００２１】図４に示すものは本発明のさらに別な実施
例による圧電アクチュエータＤを示す断面図である。図
３の圧電アクチュエータＣにあっては、上下の保護層５
ｃを同じ方向に２分割しているが、図４の圧電アクチュ
エータＤでは、上下の保護層５ｄを異なる方向に２分割
し、各保護層５ｄの上にブリッジ状をした変位拡大プレ
ートを接合させている。

【００２２】図５に示すものは本発明のさらに別な実施
例による圧電アクチュエータＥを示す断面図である。図
３及び図４の圧電アクチュエータＣ，Ｄにあっては、上
下の保護層５ｃ，５ｄを２分割しているが、図５の圧電
アクチュエータＥでは、上下の保護層５ｅを４分割し、
各保護層５ｅの上にドーム状もしくはブリッジ状をした
変位拡大プレート７を接合させている。このような構造
によれば、ｘ方向及びｙ方向における横歪の保護層５ｅ
による抑制を低減させることができ、ｘ方向及びｙ方向
の横歪を効果的に伝搬させることができ、ｘ方向及びｙ
方向の横歪を効果的に縦方向変位に変換することができ
る。

【００２３】図６に示すものは本発明のさらに別な実施
例による圧電アクチュエータＦを示す断面図である。こ
の実施例は、変位拡大プレート７に保護層５ｆの機能を
兼ねさせたものである。すなわち、機能層３の上面及び
下面に内面側に空洞８を有するドーム状の変位拡大プレ
ート７を接合し、変位拡大プレート７によって機能層３
の上面全体及び下面全体をそれぞれ覆って機能層３側へ
湿気や水分が浸入するのを防止している。したがって、
変位拡大プレート７と機能層３との間に別個の保護層が
介在しておらず、機能層３の横歪が効果的に変位拡大プ
レート７へ伝達され、横歪が効果的に縦方向変位に変換
される。

【００２４】なお、保護層は外部から内部電極への湿
気、水分の浸入を防ぎ、内部電極間での放電破壊を防ぐ
ために設けられているので、ここで示したように、保護
層を薄くしたり、保護層を分割したりする場合には、湿
気対策が必要となる。その場合には、例えば保護層や機
能層の露出部分に水分を透過させない材料を薄くコーテ
ィングするなどして湿気対策を図ると良い。

【００２５】また、上記各実施例では、主として積層型
の圧電アクチュエータを例に挙げて説明したが、本発明
は積層型の圧電アクチュエータに限らず、単板構造の圧
電アクチュエータに適用しても差し支えない。また、上
記圧電アクチュエータの構成材質、積層数、形状、大き
さなどは所望の効果が得られるものであればよく、特に
限定されるものではない。

【００２６】また、上記各実施例では、機能層の両面に
変位拡大プレートを設けているが、一方にのみ変位拡大
プレートを設けてもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、機能層で発生する横歪
が保護層によって拘束されないようにしているので、効
率よく圧電アクチュエータの端部に横歪を伝搬させるこ
とができ、横歪を利用した変位拡大方式の圧電アクチュ
エータから出力される縦方向変位量を増大させることが
できる。この結果、より低い駆動電圧でアクチュエータ
を駆動させることができ、携帯機器などをはじめとして
圧電アクチュエータの応用分野を拡大させることができ
る。

【００２８】また、保護層で歪を拘束していたことから
生じていた機能層と保護層の間の応力を緩和することが
できるので、両者間の剥離や破壊など信頼性を劣化させ
ていた要因を排除することができ、より信頼性の高い圧
電アクチュエータを製作することができる。

【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
示す断面図である。

【図２】本発明の別な実施例による圧電アクチュエータ
を示す断面図である。

【図３】本発明のさらに別な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４】本発明のさらに別な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５】本発明のさらに別な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６】本発明のさらに別な実施例による圧電アクチュ
エータを示す断面図である。

【図７】従来の圧電アクチュエータを示す断面図であ
る。

【図８】従来の別な圧電アクチュエータを示す断面図で
ある。

【図９】同上の圧電アクチュエータに用いられている圧
電素子の変形挙動を示す説明図である。

【図１０】圧電素子の望ましい変形挙動を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１圧電セラミック層２ａ，２ｂ内部電極３機能層５ａ〜５ｆ保護層６圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック及び該圧電セラミックに
電界を印加するための電極から成る機能層と、上記機能
層の上下面に形成される保護層とを備え、機能層に生じ
る横歪を縦方向変位に変換して出力する圧電アクチュエ
ータにおいて、上記保護層は、機能層で発生する上記電極に対して平行
な方向の横歪を抑制しないように形成されていることを
特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】上記機能層は、圧電セラミックと電極と
が複数層重ね合わせられている積層体であることを特徴
とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】上記保護層は、機能層を構成する上記電
極間の圧電セラミックの厚さ以下の厚みの圧電セラミッ
クあるいは絶縁体材料で構成されることを特徴とする請
求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】上記保護層は、機能層を構成する上記圧
電セラミックのヤンク率よりも小さいヤング率の絶縁体
材料で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記
載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】上記保護層は、機能層で発生する上記電
極に対して平行な方向の横歪を縦方向変位に変換して出
力する変位拡大機能を備えていることを特徴とする請求
項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】上記保護層は、上記機能層の上下面にお
いて、少なくとも２つ以上の部分に分けて設けられてい
ることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチ
ュエータ。
【請求項７】外部からの湿気、水分等を透過させない
コーティング層を備えていることを特徴とする請求項
１，２，３，４，５又は６に記載の圧電アクチュエー
タ。