JPH08242024A

JPH08242024A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08242024A
Application number: JP7070772A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Watabe; 嘉幸渡部; Shigeru Sadamura; 茂定村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】安価で耐湿性が高く且つ内部応力が少なくて
大きな発生変位量を得ることができる圧電アクチュエー
タを提供することにある。【構成】圧電シート２の表面に内部電極４を形成して
なる圧電素子板２１を複数枚積層して圧電素子２２を形
成し、この圧電素子を、弾性接着剤２３を用いてその厚
さ方向へ複数個接続するように構成する。これにより、
伸縮駆動時の拘束力を減少させ、大きな発生変位量を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ−Ｙステージの位置
決め機構、超音波モータ、マスフローコントローラ等に
使用される積層型の圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、Ｘ−Ｙステージの位置決め機
構、超音波モータ、マスフローコントローラ等のアクチ
ュエータとして使用する微小変位素子として、圧電セラ
ミック材と薄膜電極とを交互に積層してなる圧電素子が
知られており、電界により圧電セラミック材が伸縮して
歪む効果を利用して小ストロークで大きな荷重を必要と
する部位のアクチュエータとして使用されている。この
素子は製造ラインの主要部品に組み込まれている事か
ら、長期信頼性が要求され、しいては機械的強度や耐湿
性が高いことが要求されている。

【０００３】この種の従来の圧電素子の構造を図１１に
基づいて説明する。図１１は全面電極型の従来の圧電ア
クチュエータの斜視図を示し、この圧電アクチュエータ
は、例えばチタン酸・ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラ
ミック材よりなる圧電シート２と白金或いは銀−パラジ
ウム等の薄膜よりなる内部電極４とを交互に多数、例え
ば１００層程度積層して構成されている。内部電極４の
端部は全周に亘って外へ露出しており、この内部電極４
には、交互に異なる極性の電圧を印加しなければならな
いことから、その印加電極を形成するために、ブロック
状の圧電素子の直交する２つの側面に絶縁層６、８を塗
布形成し、一方の絶縁層６においては一層おきに内部電
極４の端部に沿ってダイサーで削って内部電極の端部を
再度露出させ、そして、他方の絶縁層８においては上記
と異なる一層おきの内部電極４の端部に沿って同様にダ
イサーで削って内部電極の端部を再度露出させる。

【０００４】そして、上記各絶縁層６、８上に銀ペース
ト等よりなる外部電極１０、１２を塗布形成して露出さ
せた内部電極４を一層おきに電気的に接続する。従っ
て、一方の外部電極１０には、一層おきに内部電極が共
通に接続され、他方の外部電極１２には上記と異なった
一層おきの内部電極が共通に接続されるので、これらの
外部電極１０、１２間に直流電圧を印加することにより
各圧電シート２に電界を印加してこれに電歪効果を生ぜ
しめることができる。

【０００５】ところで、各圧電シート２の厚みは、約１
００μｍと非常に薄いことから僅かな水分が素子側面に
付着しただけでも隣設する内部電極４同士が容易に短絡
して使用不能になったり、或いは、内部電極として白金
と比較して安価な銀−パラジウムを用いた場合にはこれ
がマイグレーションを起こしてツリー状に針状結晶が生
長し、これが隣設する内部電極４に至って同様に短絡現
象を起こしてしまい、湿度対策が重要課題となってい
る。そこで、耐湿性を向上させるために、圧電素子全体
を、伸縮可能な密閉型のステンレススチール缶内に収容
して耐湿性を向上させた技術や、特開平３−２７００８
５号公報に示すような交互電極型の圧電アクチュエータ
が開発された。図１２は交互電極型の従来の圧電アクチ
ュエータを示す斜視図、図１３は図１２に示す圧電アク
チュエータの各圧電シートの表面状態と積層状態を示す
図である。

【０００６】この交互電極型の圧電アクチュエータは、
圧電シート全面に内部電極を形成した図１１に示す全面
電極型の圧電素子アクチュエータと異なり、一部のみに
圧電シート２の端辺に至る電極取り出し部１４を形成し
ておく以外は圧電シート２の表面の周縁部には何ら内部
電極を形成せずにシート端辺より僅かな間隔を隔てて内
部電極４を形成する。そして、このように形成した圧電
シート２を図１３に示すように一層おきに内部電極の電
極取り出し部１４が交いに反対方向になるように積層
し、これにより電極取り出し部１４の端部が外側に露出
するので、ここに外部電極１０、１２を塗布することに
より、一層おきの内部電極同士を電気的に接続する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前者のよう
に圧電素子全体を密閉型のステンレススチール缶に収容
する構造にあっては、耐湿性は向上できるが、密閉缶を
用いることから素子が大型化して省スペース化に反する
のみならず、余分な部品を用いなければならないことか
らコスト高を招来するという問題点があった。また、後
者の交互電極型の圧電アクチュエータの場合には、内部
電極の露出部分が少なくて耐湿性を改善でき、しかも工
程数も少ないのでコスト低減には寄与できたが、内部電
極を埋め込んだ部分と埋め込んでいない部分との間に、
動作時に大きな応力が発生し、このために、発生変位量
を低下させて十分な伸縮ストロークを得られなくなるば
かりか、クラック等が発生し易くなるという新たな問題
が発生した。これを図１４及び図１５を参照して詳しく
説明する。

【０００８】図１４は図１３に示す交互電極型の圧電ア
クチュエータの断面図であり、図１５は電圧印加により
駆動されて上下方向に伸長した時の圧電アクチュエータ
の変形状態を模式的に示す図である。図中３０、３２は
一層おきの内部電極に電気的に接続される外部電極であ
る。多数の圧電シートを積層してなる圧電素子は、図中
縦方向において、上下に隣設する内部電極４同士がシー
トを介して重なって伸縮に寄与する部分である圧電活性
部１６と、隣設内部電極が重ならずに伸縮に寄与しない
部分である圧電不活性部１８とに分かれる。この圧電素
子を駆動すると圧電活性部１６が電歪効果で伸縮するの
に対して圧電不活性部１８は何ら伸縮しないので上記伸
縮動作を拘束するように作用する。このように拘束力が
働く結果、圧電アクチュエータ全体は図１５に示すよう
に太鼓状に大きく変形してしまうことになる。尚、図１
５では変形態様を強調して記載してある。。この結果、
圧電アクチュエータ全体の伸長ストロークが抑制されて
発生変位量を十分に得ることができないばかりか、主に
圧電活性部１６と圧電不活性部１８との境界部分２０に
大きな応力が作用してクラックが発生し易くなるという
問題があった。

【０００９】このような拘束力を軽減するために、後者
にあっては薄いセラミック層を２３枚程度だけ積層して
なるサブユニットを形成し、この圧電不活性部のみを相
互に接合して大きなアクチュエータを製造するようにし
ているが、サブユニット内でさえもかなり大きな内部応
力が発生しており、クラック等の発生を十分に抑制する
ことができないのが現状である。特に、半導体製造装置
のガス流量制御に用いられるマスフローコントローラの
ように極めて精度の高い微小変位量のコントロールが要
求される分野においては、数μｍ程度の変位量の差が大
きな影響を及ぼすことになる。更に、この後者の技術に
あっては、圧電活性部のみにしか接着剤を塗布していな
いことから、接着強度が弱く、繰り返し使用によりこれ
が剥がれる恐れもあった。

【００１０】また、関連技術として、特開平３−１７９
２２８号公報に示すように、センサとしての単体圧電セ
ラミックを支持板に取り付けるに際して、弾性を有する
接着剤を使用し、支持板とセラミックの熱膨張係数の差
によって生ずるストレスを吸収するようにした技術も提
案されているが、これは圧電セラミックの変位量を大き
くするために弾性接着剤を用いているのではなく、単に
熱膨張差によるストレスを吸収するためのものであり、
本発明とは直接的な関係を有するものではない。本発明
は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決す
べく創案されたのである。本発明の目的は、安価で耐湿
性が高く且つ内部応力が少なくて大きな発生変位量を得
ることができる圧電アクチュエータを提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、圧電シートの表面に内部電極を形成し
てなる圧電素子板を複数枚積層して圧電素子を形成し、
この圧電素子を、弾性接着剤を用いてその厚さ方向へ複
数個接続するように構成したものである。

【００１２】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、アクチ
ュエータの駆動時に、圧電素子内の厚み方向に発生変位
量の差が生じても、圧電素子間は弾性を有する弾性接着
剤により接合されているので、この発生変位量の差を吸
収することが可能となる。従って、圧電素子の伸縮動作
を拘束することがなく十分大きい発生変位量を得ること
が可能となる。この弾性接着剤としては、比較的柔らか
い接着剤、例えばビニル系接着剤やシリコン系接着剤を
用いることができる。圧電素子が、その周縁部に圧電不
活性部を有する場合には、圧電活性部の伸縮動作に対す
る拘束力が大きくなる傾向となるが、この場合でも上記
弾性接着剤が変位量の差を吸収することができるので、
十分大きい発生変位量を得ることができ、内部応力の増
加も防止することができる。

【００１３】また、圧電不活性部に収縮率整合薄膜を形
成した場合には、圧電素子の焼成時における圧電活性部
と圧電不活性部の収縮率の差を少なくすることができる
ので、その分、圧電素子自体に内在する残留応力を少な
くして、全体としての発生変位量を大きくすることがで
きる。更には、圧電不活性部を有する圧電素子におい
て、分極処理された圧電素子を接合する場合には、残留
分極により素子の上下面の中央部に平坦突状部が発生す
るが、隣設する圧電素子との圧電不活性部間に弾性接着
剤を主に介在させることにより、これが発生変位量の差
を吸収し、十分に大きい発生変位量を得ることが可能と
なり、しかも同時に発生応力差も吸収することができる
ので内部クラック等の発生も防止することが可能とな
る。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係る圧電アクチュエータの
一実施例について詳述する。図１から図８は本発明の圧
電アクチュエータの製造工程を示す図であり、図１は圧
電シートに内部電極と収縮率整合薄膜を設けた圧電素子
板を示す平面図、図２は図１に示す圧電素子板の収縮率
整合薄膜の部分を示す拡大図、図３は図１に示す圧電素
子板の積層状態を示す図、図４は圧電素子板を積層して
形成した圧電素子を示す斜視図、図５は図４に示す圧電
素子板の側面図、図６は図４に示す圧電素子を分極させ
た後の状態を示す斜視図、図７は圧電素子を積み上げて
接続して形成した本発明の圧電アクチュエータを示す斜
視図、図８は図７に示す圧電素子間の接続状態を示す拡
大図である。尚、先に説明した従来装置と同一部分につ
いては同一符号を付して説明する。

【００１５】本発明の重要な点は、図８に示すように圧
電素子２２同士の接続に接着力は強いが接着後において
も比較的柔らかい材料特性を有する弾性接着剤２３を用
い、これによりアクチュエータ駆動時の拘束力を吸収し
て解放した点にある。まず、図４に示すような圧電素子
２２を形成するまでの工程を説明する。図１に示すよう
にＰＺＴ等のセラミック材よりなる厚さ１００μｍ程
度、縦横２５ｍｍ程度の薄板状の圧電シート２の表面
に、その端辺２Ａから所定の間隔Ｄを隔てて、例えば銀
−パラジウム等よりなる非常に薄い内部電極４を形成し
ており、一部の端辺２Ｂに対してのみ内部電極４の薄膜
金属を部分的に延在させて端辺２Ｂから外部に露出させ
て、電極取り出し部１４を形成している。これにより圧
電素子板２１が形成されることになる。圧電シートの薄
板形成は、例えばドクターブレード法により行なわれ、
内部電極４の形成はスクリーン印刷等を用いて行なう。

【００１６】この場合、電極取り出し部１４以外の内部
電極４を取り囲むようにコ字状になされた領域、すなわ
ち圧電シート上の、内部電極４を形成していない領域
は、後述するように電界が印加されずに圧電効果に寄与
しない領域となることから圧電不活性領域２４となり、
これに対して内部電極４が形成されている領域は圧電活
性領域２６となる。

【００１７】そして、略コ字状の圧電不活性領域２４に
収縮率整合薄膜２８を、内部電極と同じくスクリーン印
刷等を用いて形成する。この場合、この整合薄膜２８
は、内部電極４と同じ位い薄い金属薄膜により形成し、
圧電シート２の各端辺２Ａ，２Ｂよりも僅かに内側に位
置させると同時に、内部電極４からも必ず僅かに離間さ
せて形成し、後述するように積層したときに電気的に浮
遊状態となるように設定する。圧電不活性領域の幅Ｄ
が、約１．０ｍｍであるのに対して、整合薄膜２８の幅
は、約０．５ｍｍ程度に設定する。

【００１８】整合薄膜２８としては、全面ベタ状の金属
薄膜として形成してもよいが、積層時の圧電シート間の
密着性を考慮すると、例えば図２に示す拡大図のように
微小円形状の整合薄膜２８を密集させて例えば水玉模様
状に散在させて設けるように形成するのが好ましい。こ
れは、圧電シート同士の焼成後の強度よりも、圧電シー
トと電極間の焼成後の強度が弱く、圧電素子全体の強度
を考えると、できるだけ圧電シート同士の密着を多くす
る必要があるためである。尚、図２において、円形の整
合薄膜２８間の距離は説明の容易化のために大きく記載
しているが実際には非常に小さく、例えば０．０６〜
０．１５ｍｍ程度に設定されている。

【００１９】また、整合薄膜を散在させて設ける場合に
は、個々の形状は円形に限らず、例えば楕円形状、矩形
状、三角形状などどのような形状でもよい。また、この
整合薄膜２４の材料としては、内部電極と同じ材料、例
えば銀−パラジウムを用いればよく、その場合には、ス
クリーン印刷等により内部電極の形成時に同時に整合薄
膜２８も形成することができ、工程数も増加させる必要
がない。ただし、収縮率の整合を図るための同様の効果
が得られるのであれば、内部電極と同一の材料でなくて
もよい。このように、圧電シート２上に内部電極４と整
合薄膜２８を形成して圧電素子板２１の形成が完了した
ならば、同様に形成した多数の圧電素子板２１を複数
枚、例えば２５枚、図３に示すように積層し、冷間静水
圧法（ＣＩＰ：ＣｏｌｄＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓ
ｓ）によりプレスしつつ例えば１２０℃程度の温度下で
圧着処理し、更にこれを１０７５℃程度の高温で焼結し
て図４に示すような単体の圧電素子２２を形成する。

【００２０】圧電素子板２１の積層に際しては、上下方
向に隣り合って接合する圧電素子板２１間の電極取り出
し部１４の位置する方向を互いに逆方向となるように積
層する。従って、圧電シート２は一層おきに同じ方向に
電極取り出し部１４が位置するようになっている。この
結果、焼結後の圧電素子の側壁には、図４に示すように
一層おきに電極取り出し部１４の端部が外部に露出する
ことになる。図４に示すように圧電素子を焼結した時に
は、その表面に非常に僅かではあるが凹凸が生じている
ので、これを積み上げるに先立って圧電素子の上下面を
表面研磨して平坦性を確保するのがよい。この場合、表
面研磨により内部電極が露出することを防止するため
に、図５に示すように、圧電素子２２の上下面に圧電シ
ートの約３層分に相当する厚み（３００μｍ程度）で、
内部電極と整合薄膜を形成していない圧電シートのみを
ダミーとして積層しておくのがよい。この表面研磨によ
り、例えば焼結時の高さが２．７ｍｍ程度であった圧電
素子を削り込んで２．５ｍｍ程度に設定する。

【００２１】また、上述のように圧電素子板を約２５枚
程積層して圧電素子２２を形成した理由は、上述のよう
な圧電シートの素材及び寸法では、この積層数を３０枚
以下の範囲内、好ましくは２５枚程度にした時に積層数
をあまり少なくし過ぎることなく内部応力を減少できる
からである。これを図１０に示すシミュレーション結果
に基づいて説明する。図１０は積層圧電シート数を種々
変えたときの圧電素子中心部からの距離と積層方向の応
力との関係のシミュレーション結果を示すグラフであ
り、グラフの上方に圧電素子の対応部分を示している。

【００２２】これは一枚のＰＺＴの圧電シートの厚みを
０．０９ｍｍとし、圧電不活性部（圧電不活性領域）の
長さを０．６ｍｍに設定して、１５０ボルトの直流電圧
を印加した時の結果を示す。図中、横軸の原点は素子の
中心部を示し、最大値２．５ｍｍは素子の表面を示して
いる。グラフから明らかなようにシートの積層枚数が多
くなるほど、圧電不活性部と圧電活性部との界面での応
力が大きくなり、特にクラック発生の最大原因である引
っ張り応力がその積層枚数に依存して増加する。従っ
て、積層枚数を低減することで、引っ張り応力の低減は
図れるが、残念ながら圧電活性部と圧電不活性部との界
面では必ず引っ張り応力が発生する。しかしながら、素
子の耐湿性の向上を検討する場合、水分の侵入経路を断
つことを最大の目的と考えると、素子の表面でのクラッ
クを防止することが望ましく、その部分でのクラックの
発生を最小限に抑えればよいといえる。本シミュレーシ
ョン結果では、積層枚数を３０層以下にすることで、素
子表面部での応力が圧縮側に働くことが明らかになっ
た。従って、積層枚数を２５枚程度にすることで、素子
表面にクラックの入りにくい圧電サブユニットを形成す
ることが可能となる。なお、積層枚数をあまり少なくし
すぎると生産効率が低下するのであまり好ましくない。
ここで、本シミュレーションの結果は、圧電シートと内
部電極間の密着状態が良好で、かつ内部に残留応力等が
内在していない、理想的な焼結体をモデルに用いてい
る。従って、前述のように焼結時の収縮率の整合を図る
ための薄膜を形成しない場合、素子内での密着強度が低
減し、例えば圧電活性部と圧電不活性部近傍に生じる引
っ張り応力により、素子の側面にまで到達するような致
命的なクラックを生じる。このように内部電極４を形成
していない圧電不活性領域２４に収縮率整合薄膜２８を
形成した圧電シート２を多数枚（本シミュレーションの
結果に基づく枚数）積層して圧電素子を形成することに
より、素子の焼結時の圧電不活性領域２４と圧電活性領
域２６におけるセラミック材の収縮率が略同じになり、
残留応力を生ぜしめることがなくなり、密着強度が高
く、クラックの発生し難い素子を提供することが可能と
なる。

【００２３】この場合、上述のように整合薄膜を例えば
水玉模様状に散在させて形成することにより、圧電シー
ト間の密着強度の劣化も少なくなり、一層クラックの発
生を防止することができる。また、上述のように圧電シ
ートの積層枚数も最大２５枚程度とすることにより、後
述するように圧電アクチュエータ製造時の素子積み上げ
数もさほど多くなることなく、クラックに対する強度の
大きな圧電アクチュエータを得ることができる。そし
て、圧電素子の電極取り出し部１４が露出している２つ
の側面に沿って銀−ペースト等を塗って例えば７００℃
程度で焼成することにより第１及び第２の外部電極３
０、３２を形成する。そして、この外部電極３０、３２
に直流電圧を印加することにより、圧電シートのセラミ
ック材を分極させ、圧電素子を完成させる。

【００２４】この圧電素子２２の分極作用により、電圧
印加を停止した後においても残留分極が残る結果、図６
に示すように内部電極が埋め込まれている部分に対応す
る矩形状の圧電活性部１６は上下方向に突出し、平坦突
出部３６が形成され、逆にその周辺部、すなわち整合薄
膜が埋め込まれている部分に対応する圧電不活性部１８
は、電界が印加されていないので、もとの状態のままと
なっている。尚、図示例にあっては斜視図のため、上部
の平坦突出部３６のみが示されており、下部の平坦突出
部は示されていない。この場合、圧電素子２２の厚みが
約２．５ｍｍの時に、平坦突出部３６の突出量は約１．
０μｍ程度である。前述したように、一般に、圧電素子
の伸縮ストロークは非常に小さく、例えば０．１ｍｍ程
度の厚みの圧電シートに１５０ボルト程度の直流電圧を
印加した時に得られる伸縮量は０．１μｍ程度なので、
必要とするストロークに見合った伸縮量を得るためには
この圧電素子を複数個直列に接続する。そこで、図６に
示すように形成した分極後の圧電素子２２を図７に示す
ように複数個、図示例では８つ積み上げて、本発明の特
長とするように弾性接着剤２３により接合し、圧電アク
チュエータ３４を完成する。このように、一層おきに内
部電極を電気的に共通に接続することができ、両外部電
極３０、３２間に直流電圧を供給することにより、圧電
シートに電界を印加することが可能となる。

【００２５】この圧電アクチュエータ３４の寸法は、例
えば縦横がそれぞれ５．５ｍｍで、厚みが２．５ｍｍ程
度の圧電素子２２を、８個直列にその厚み方向へ積み上
げて接続することにより全長が約２０ｍｍとなる。この
場合、弾性接着剤２３としては、接合固化後において
も、ある程度の可撓性或いは柔らかさを有しており、ア
クチュエータ３４の駆動時において圧電活性部１６の伸
長に追従して圧電不活性部１８が伸長できる程度の柔ら
かさであるならば、どのような接着剤を用いてもよい。
この種の弾性接着剤２３としては、例えばビニル系接着
剤、シリコン系接着剤、ポリイミド系接着剤やエポキシ
系接着剤を用いることができる。例えば図９に示すよう
に圧電素子を接着する接着剤として弾性の低いエポキシ
系接着剤３８を用いた場合には、アクチュエータ駆動時
に圧電活性部１６が矢印４０方向に示すように伸長した
時に、圧電不活性部１８は図中上下方向へ移動できない
ように強固に接合されているために圧電不活性部１６の
伸長に追従できず、従って、圧電活性部１６に対して拘
束力が作用し、アクチュエータ全体の発生変位量を抑制
して低下させてしまい、十分なストロークを稼ぐことが
できない。

【００２６】また、このような拘束力が圧電活性部１６
と圧電不活性部１８との間に生ずると、これが内部応力
となって圧電素子内部に内部破断やクラックが発生した
り、或いは圧電素子の外周部分にも矢印４２に示すよう
な応力が発生して表面クラックの発生原因となってしま
う。これに対して、本発明の圧電アクチュエータのよう
に圧電素子２２同士の接着に弾性接着剤２３を用いれ
ば、圧電活性部１６の伸長に追従して、隣設された圧電
不活性部１８同士間に介在された弾性接着剤２３が伸長
し、圧電不活性部１８の微小移動を許容することにな
る。従って、圧電活性部１６にはほとんど拘束力が作用
しないので、アクチュエータ全体の発生変位量を大きく
することができ、また、同時に内部応力もほとんど発生
しないことから圧電素子内部の内部破断やクラック或い
は表面クラックの発生も防止することが可能となる。

【００２７】また、圧電素子２２同士の接合時には、圧
電素子２２の全面に弾性接着剤２３を塗布し、素子の上
下両側から押さえ付けるようにして接着するので、平坦
突出部３６の形成されている圧電活性部３６間の接着剤
２３はこれよりほとんど側部へ排除されて、ほとんど僅
かに残るだけであり、その結果、圧電不活性部１８間の
みに接着剤２３が介在することになる。この結果、圧電
活性部３６間には接着剤２３がほとんど介在しなくなる
ので、アクチュエータ駆動時に発生押圧力や発生変位量
に悪影響を与えることもなく、精度の高い微小ストロー
ク制御を行なうことができる。

【００２８】この点に関して、先に説明した特開平３−
２７００８５号公報の技術にあっては、まず、収縮率整
合薄膜を用いていないことからサブユニット（圧電素
子）自体に内部応力が貯めこまれてクラックや内部破断
の原因を抱えているのみならず、圧電活性部のみに接着
剤を介設させていることから、アクチュエータ駆動時に
この部分の接着剤が発生変位量や押圧力に悪影響を与え
る恐れがある。実際に、大きさが５．５ｍｍ×５．５ｍ
ｍ角で、厚みが２．５ｍｍの圧電素子を８個直列に弾性
接着剤で接合して２０ｍｍの長さにした本発明の圧電ア
クチュエータと、大きさが５．５ｍｍ×５．５ｍｍ角の
圧電素子板を比較的硬い接着剤（エポキシ系接着剤）に
より多数板積層して接合し、長さ２０ｍｍの圧電アクチ
ュエータを作って特性を比較した。

【００２９】１５０Ｖ直流電圧を印加して性能を比較し
たところ、本発明の圧電アクチュエータは１６μｍの発
生変位量があったのに対し、比較例の圧電アクチュエー
タは１３μｍの発生変位量しか得られなかった。僅か３
μｍのストローク差であるが、この種のアクチュエータ
が用いられるマスフローコントローラやＸ−Ｙ移動ステ
ージ等の微小量をコントロールする分野において、大き
なストローク差である。また、本発明の圧電アクチュエ
ータにあっては、側面にクラックや欠けを発見すること
はできなかったが、比較例にあっては側面にクラックが
発生しており、本発明の圧電アクチュエータは耐久性に
おいても優れていることが判明した。尚、本実施例にお
いては、弾性接着剤としてビニル系接着剤やシリコン系
接着剤を例にとって説明したが、これに限定されず、圧
電素子間の拘束力を許容し得る程度の柔らかさを有する
ならば、どのような接着剤を用いてもよい。また、上記
実施例では、圧電素子を分極させた後に、これを接合す
るようにしたが、圧電素子を接合した後に分極処理を施
すようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電アク
チュエータによれば、次のように優れた作用効果を発揮
することができる。弾性接着剤を用いて圧電素子同士を
接合するようにしたので、伸長駆動時にその伸長動作が
拘束されることがほとんどなくなり、従って、発生変位
量を十分に大きくすることができる。また、内部拘束力
を軽減することができることから圧電素子の内部破断や
クラックの発生を抑制することができ、耐久性、耐湿性
を大幅に向上させることができる。特に、圧電活性部と
圧電不活性部を有する圧電素子に適用した場合には、伸
長駆動時にその伸長動作が拘束されることがなくなり、
従って、発生変位量を一層大きくすることができるのみ
ならず、内部拘束力を軽減して内部破断やクラックの発
生を更に抑制することができる。また、分極処理後の圧
電素子を接合する際に、主に圧電不活性部相互間にのみ
に弾性接着剤を介在させることにより、上記した作用効
果を呈するのみならず、圧電活性部相互間にはほとんど
接着剤が介在しなくなるので、アクチュエータ駆動時に
発生押圧力や発生変位量に悪影響を与えることもなく、
精度の高い微小ストローク制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電シートに内部電極と収縮率整合薄膜を設け
た圧電素子板を示す平面図である。

【図２】図１に示す圧電素子板の収縮率整合薄膜の部分
を示す拡大図である。

【図３】図１に示す圧電素子板の積層状態を示す図であ
る。

【図４】圧電素子板を積層して形成した圧電素子を示す
斜視図である。

【図５】図４に示す圧電素子の側面図である。

【図６】図４に示す圧電素子を分極させた後の状態を示
す斜視図である。

【図７】圧電素子を積み上げて接続して形成した本発明
の圧電アクチュエータを示す斜視図である。

【図８】図７に示す圧電素子間の接続状態を示す拡大図
である。

【図９】硬い接着剤を用いて接合した時の圧電素子の駆
動状態を示す図である。

【図１０】積層圧電シート数を種々変えた時の圧電素子
中心部からの距離と積層方向の応力との関係を示すシミ
ュレーション結果を示すグラフである。

【図１１】従来の全面電極型の圧電アクチュエータを示
す斜視図である。

【図１２】従来の交互電極型の圧電アクチュエータを示
す斜視図である。

【図１３】図１２に示すアクチュエータの圧電シートの
表面状態と積層状態を説明するための説明図である。

【図１４】図１２に示すアクチュエータの側面図であ
る。

【図１５】従来の圧電アクチュエータの駆動状態を説明
するための説明図である。

【符号の説明】

２圧電シート４内部電極６、８絶縁層１４電極取り出し部１６圧電活性部１８圧電不活性部２１圧電素子板２２圧電素子２３弾性接着剤２４圧電不活性領域２６圧電活性領域２８収縮率整合薄膜３０第１の外部電極３２第２の外部電極３４圧電アクチュエータ３６平坦突出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電シートの表面に内部電極を形成して
なる圧電素子板を複数枚積層して圧電素子を形成し、こ
の圧電素子を、弾性接着剤を用いてその厚さ方向へ複数
個接続するように構成したことを特徴とする圧電アクチ
ュエータ。
【請求項２】前記圧電素子は、電歪変位に寄与する圧
電活性部とその周辺部に電歪変位に寄与しない圧電不活
性部を有する交互電極型の圧電素子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】前記圧電不活性部には、前記圧電素子の
形成時における収縮差を軽減するための収縮率整合薄膜
を前記圧電シート上に形成してあることを特徴とする請
求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】前記圧電素子は、接続に先立って分極処
理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】前記弾性接着剤は、前記隣設させて接続
される圧電素子の圧電不活性部間に主に介在させるよう
に構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】前記弾性接着剤は、ビニル系接着剤とシ
リコン系接着剤のいずれか一方であることを特徴とする
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエー
タ。