JPH07135347A - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電セラミックスシートと内部電極とを交互
に積層印刷形成した圧電アクチュエータ素子を複数個等
間隔にベース上に並べ固定した積層型圧電アクチュエー
タにおいて、製造が容易で、寸法のばらつきと圧電アク
チュエータ特性のばらつきの少ない積層型圧電アクチュ
エータとする。 【構成】 圧電セラミックスシートを積層したベースを
形成する不活性セラミックス部４と上面の不活性セラミ
ックス部３の間に、不活性セラミックス部と同一圧電材
の圧電セラミックスシートと内部電極を積層焼成分極し
て活性セラミックス部１を形成し、焼結後に活性セラミ
ックス部の両端面の内部電極２の端面に絶縁部５と、等
間隔に外部電極６，７を形成し、外部電極間にベースの
不活性セラミックス部を残し、活性セラミックス部に内
部電極に直交する切溝８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果を利用し電気
的入力エネルギーを変位や力の機械的エネルギーに変換
する積層型圧電アクチュエータに関し、更に詳細には、
前記１個の積層型圧電アクチュエータを複数個の個別に
駆動できる駆動部分に分割し、分割駆動を可能とした積
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】従来この種の分割駆動を可能とした積層
型圧電アクチュエータ（以下圧電アクチュエータと称
す）は、ジルコン酸・チタン酸・鉛等の圧電材からなる
圧電セラミックスシートを間にセラミックスシート表面
に内部電極を形成して複数層積層し、セラミックスシー
トを間に互いに隣接する内部電極が正電位負電位が印加
されて、正負の内部電極は夫々一対の外部電極に接続さ
れている。このような積層型圧電アクチュエータは、電
極間に電界を印加した時に圧電材料に誘起する歪みが大
きく、かつ電圧を印加した時の変位は高速性を有するた
め、プリンターヘッド、ポジショナー、バルブ、リレー
等の駆動源として利用されつつある。特に、プリンター
ヘッド、ポジショナー等の利用においては、一般に複数
箇所の駆動を個別に駆動されることを必要とし、そのた
め必要箇所数の前記積層型圧電アクチュエータを使用
し、機械的な変位を得るための駆動源としている。

【０００３】図２は、従来の単独駆動の積層型の圧電ア
クチュエータ素子２０を複数個並べて構成した積層型圧
電アクチュエータであり、積層型圧電アクチュエータの
上面に微細位置決めを必要とする機器を搭載し使用され
る。夫々の駆動素子となる圧電アクチュエータ素子は、
圧電セラミックスシートと、内部電極２の層が交互に積
層された圧電的に活性な活性セラミックス部１の部分
と、この部分の両端面に設けられた活性セラミックス部
と同一材料の圧電材で作られているが、分極処理が施さ
れていない圧電的に不活性な不活性セラミックス部３
１，４１とからなる。銀パラジウム材の内部電極２の層
は、活性セラミックス部１を間に一層ごとに対向内部電
極を構成するように、焼成後ガラスで被覆された絶縁部
５によって表面に露出した内部電極の端面が一層置きに
絶縁処理されて、更に夫々の内部電極は、活性セラミッ
クス部を間に一つ置きに外部電極６，７に接続されてい
る。

【０００４】一般に、狭く限られた空間で複数個の圧電
アクチュエータを各々単独に駆動する場合は、図２に示
したように、個々に作られた圧電アクチュエータ素子を
金属又はセラミックス等のベース（台座）１０にエポキ
シ樹脂等の接着剤９によって隙間８１を隔てて接着固定
されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示した従来の複数個の圧電アクチュエータ素子を配列し
た積層型圧電アクチュエータの構成においては、複数個
の圧電アクチュエータを各々接着している場合、圧電ア
クチュエータを接着する作業が必要で、作業工程が煩雑
になるという欠点を有する。

【０００６】又、接着剤を介して接着する場合、接着層
９の厚さ、及び接着時の圧力等により接着後の圧電アク
チュエータの端面１１のベース１０に対する圧電アクチ
ュエータ間の寸法にばらつきを生じ、端面１１での変位
量がばらつくという欠点があり、ばらつきを防止するに
はベース１０に圧電アクチュエータ素子を接着後、上面
を更に端面加工を施すことが必要となるという問題点も
生じていた。

【０００７】本発明は、上記欠点を除去し、複数個の圧
電アクチュエータ素子の端面のベースからの高さ方向の
寸法のばらつきを減少させ、かつ圧電アクチュエータの
接着工程を省き、複数個の圧電アクチュエータ素子を各
々単独駆動した時に一様な変位が得られ、同じ電極間電
圧を加えた時、各圧電アクチュエータ素子間の変位のば
らつきの少ない、又製造工数を大幅に低減できるように
した積層型圧電アクチュエータを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による積層型圧電
アクチュエータは、圧電セラミックス材のグリーンシー
トを少なくとも一方の端部に圧電的に不活性なセラミッ
クス部を形成するように電極を形成しない圧電セラミッ
クス材のグリーンシートを複数枚積層後、続いてグリー
ンシート上に内部電極を形成して交互に積層し、再び電
極を形成しないグリーンシートを積層し、焼結して得ら
れた積層体の側面において、圧電セラミックスシート上
の内部電極が露出した部分に、対向電極を構成するよう
に、内部電極の露出端面を一層毎にガラス等の電気絶縁
層を形成して被覆し、内部電極が一層置きに外部電極と
電気的に接続することにより、圧電セラミックスシート
を間に一対の外部電極を構成した積層型圧電アクチュエ
ータにする。

【０００９】ついで、圧電アクチュエータがそれぞれ個
別に駆動可能なように、圧電アクチュエータの複数層毎
積層された内部電極を、電気的に、又物理的に分割し、
一方圧電アクチュエータの少なくとも一方の端部に形成
された圧電的に不活性なセラミックス部においては一体
に接続したままであるように、圧電アクチュエータの内
部電極層の延在方向と垂直方向に上面よりベース側の不
活性セラミックス部に達する切溝を形成し活性セラミッ
クス部を分割して本発明の積層型圧電アクチュエータと
する。

【００１０】即ち本発明は、ベース上に複数個の圧電材
のシートと内部電極とを交互に積層し形成した積層型の
圧電アクチュエータ素子の複数個を一体に取り付けた積
層型圧電アクチュエータにおいて、複数個の圧電アクチ
ュエータ素子の幅と長さを有する圧電セラミックスシー
トを複数層積層した下面のベースを形成する不活性セラ
ミックス部と、該不活性セラミックス部の上面に形成し
た圧電セラミックスシートと内部電極とを交互に複数層
積層した活性セラミックス部と、該活性セラミックス部
の上面に下面のベースと同様に積層形成した不活性セラ
ミックス部を積層形成して、焼成して得られた積層体の
内部電極端面が露出した表裏面の内部電極端面に交互に
電気絶縁層を形成し、前記電気絶縁層形成面に、交互に
露出した内部電極に接続して夫々正電圧、負電圧を印加
する外部電極を設け、上面の不活性セラミックス部から
下面の不活性セラミックス部に達し下面の不活性セラミ
ックス部の一部を残し、内部電極面に直交して内部電極
を電気的に分割するよう活性セラミックス部を切断する
複数の切溝を設け形成してなる複数個の圧電アクチュエ
ータ素子からなることを特徴とする積層型圧電アクチュ
エータである。

【００１１】

【作用】本発明による積層型圧電アクチュエータを形成
する複数個の積層型の圧電アクチュエータ素子は、予め
一体で圧電セラミックスシートを内部電極を間にして積
層し焼結した後、内部電極面に直交してベースとなる不
活性層の一部を残して内部電極層を分離する切溝を設け
て圧電アクチュエータ素子を形成したものであるので、
複数の圧電アクチュエータ素子を形成する圧電セラミッ
クス材は焼結工程まで同一工程で作られており、組成や
圧電セラミックスシートを作る際のバインダの添加量が
均一であること、又各層の積層した圧電セラミックスシ
ートの厚さ分布は各層が同じであり、積層した圧電アク
チュエータ素子間の高さ方向の寸法誤差は小さく、各圧
電アクチュエータ素子間の寸法精度も高く、従って各圧
電アクチュエータ素子に加わる荷重も一様となり、又、
電極に電圧を印加した時の変位量のばらつきも圧電アク
チュエータ素子間では極めて小さな値となり、それ故圧
電アクチュエータ素子の作動も一様となる。又、複数の
積層型の圧電アクチュエータ素子は焼結工程で一体で作
られるので、安価であり、かつ接着層もないので、圧電
アクチュエータ素子の強度も大きなものとなる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による積層型圧電アクチュエータの実施
例を示す図である。図１において、複数の圧電アクチュ
エータ素子２０の上面と下面には圧電的に不活性なセラ
ミックス部３，４があり、下面の不活性セラミックス部
４はベース（台座）を形成している。不活性なセラミッ
クス部３，４の間には、圧電的に活性なセラミックス部
１が間に互いに平行に内部電極２の層を形成して１００
層以上積層形成され、一層毎に対向電極を構成するた
め、内部電極の端面には一層毎に溶融したガラス等で絶
縁層５を形成し、絶縁層を形成した内部電極端面に外部
電極６，７を形成して内部電極と外部電極とを接続し、
内部電極間に材料のキュリー点以下の温度で分極が施さ
れて活性セラミックス部１を形成している。

【００１３】本発明による積層型圧電アクチュエータに
おいては、複数の圧電アクチュエータ素子２０は予め活
性セラミックス部１と同一材料の圧電セラミックスシー
トを内部電極層を形成せずに積層して不活性なセラミッ
クス部４を積層形成し、ついで圧電セラミックスシート
と内部電極２の層を交互に積層し高温での焼成後、分極
して活性セラミックス部１を形成し、再び活性セラミッ
クス部と同じ圧電セラミックスシートを内部電極なしに
積層し、不活性なセラミックス部３を形成する。圧電セ
ラミックスシートと内部電極２を積層したブロックを１
１００℃で２時間大気中で焼成した後、内部電極２の端
面を互いに対向する面で一層置きにガラス等の電気絶縁
材で覆って電気絶縁して絶縁層５を形成し、必要な数の
圧電アクチュエータ素子の外部電極６，７を内部電極層
端面と絶縁層５の上に形成し、切断機により内部電極２
の層の面に垂直方向に外部電極の間を圧電アクチュエー
タ素子の断面１１の断面積が同じ寸法になるように切溝
８を不活性セラミックス部４まで切り設ける。

【００１４】このように構成した本発明の積層型圧電ア
クチュエータの実施例として、全幅２１．５ｍｍ、幅３
ｍｍ、高さ２５ｍｍの圧電セラミックスのブロックの、
内部電極の端が露出した部分に絶縁層５を一層置きに形
成した面の両面に、図１（ｂ）に示すように、幅１ｍｍ
の外部電極層６，７を６本づつそれぞれ対向面に形成
し、ベースとなる圧電的に不活性セラミックス部４を残
し、切断機にて０．３ｍｍの切溝８を内部電極層形成部
分の活性セラミックス部を切り落とし、又両側を切断し
て、２ｍｍ幅の圧電アクチュエータ素子を６個形成し本
発明による積層型圧電アクチュエータを得た。その時の
１００個の製造工数及び１００個の圧電アクチュエータ
素子間の伸長方向の寸法誤差を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】ここで、１００個製造に要する時間は、本
発明では切溝加工からの時間とし、又、比較例は図２に
おいて絶縁層側（外部電極形成面）の寸法２ｍｍの圧電
アクチュエータ６個を０．３ｍｍの間隔８１にてベース
１０上に接着剤９により固定し加工する時間とした。

【００１７】表１より明かなように、本発明による積層
型圧電アクチュエータは、ベース１０へ圧電アクチュエ
ータ素子を接着する時間も必要としないため、従来個々
の圧電アクチュエータ素子を接着する場合に比べて製造
時間が約１／１２に短縮され、かつ圧電アクチュエータ
間の寸法のばらつきも、本発明では焼結までの偏差は
０．０１ｍｍ以下であるのに対し、従来の構造では表面
を研削しても０．０５ｍｍ程もあり、取付け位置精度も
大幅に改善されている。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数個の圧電アクチュエータ素子が一体に作られた積層
型圧電アクチュエータの製造工程が短縮され、圧電アク
チュエータ素子間の寸法のばらつきと圧電特性のばらつ
きとが均一な積層型圧電アクチュエータの提供が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による積層型圧電アクチュエータの実施
例を示す図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面
図。

【図２】従来の積層型圧電アクチュエータの例を示す図
で、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図。

【符号の説明】

１ 活性セラミックス部 ２ 内部電極 ３，４，３１，４１ 不活性セラミックス部 ５ 絶縁層 ６，７ 外部電極 ８ 切溝 ９ 接着層 １０ ベース（台座） １１ 端面 ２０ 圧電アクチュエータ素子 ８１ 隙間 Ａ 本発明の積層型圧電アクチュエータ Ｂ 従来の積層型圧電アクチュエータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベース上に複数個の圧電材のシートと内
   部電極とを交互に積層し形成した積層型の圧電アクチュ
   エータ素子の複数個を一体に取り付けた積層型圧電アク
   チュエータにおいて、複数個の圧電アクチュエータ素子
   の幅と長さを有する圧電セラミックスシートを複数層積
   層した下面のベースを形成する不活性セラミックス部
   と、該不活性セラミックス部の上面に形成した圧電セラ
   ミックスシートと内部電極とを交互に複数層積層した活
   性セラミックス部と、該活性セラミックス部の上面に下
   面のベースと同様に積層形成した不活性セラミックス部
   を積層形成して、焼成して得られた積層体の内部電極端
   面が露出した表裏面の内部電極端面に交互に電気絶縁層
   を形成し、前記電気絶縁層形成面に、交互に露出した内
   部電極に接続して夫々正電圧、負電圧を印加する外部電
   極を設け、上面の不活性セラミックス部から下面の不活
   性セラミックス部に達し下面の不活性セラミックス部の
   一部を残し、内部電極面に直交して内部電極を電気的に
   分割するよう活性セラミックス部を切断する複数の切溝
   を設け形成してなる複数個の圧電アクチュエータ素子か
   らなることを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。