JPS6066882A - 圧電変位素子およびその分極方法 - 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】 発明の分野 この発明は、圧電変位素子およびその分極方法に関する
もので、特に、複数個の圧電セラミック層が厚み方向に
重なり合った状態で焼成されて得られた焼結体をもって
構成した新規な圧電変位素子およびその有効な分極方法
に関するものである。

先行技術の説明 従来のこの種の圧電変位素子は、バイモルフ構造をとる
。バイモルフ構造の圧電変位素子は、厚み方向の伸び縮
みに応じて長さ方向に伸び縮みする分極処理済の圧電セ
ラミック板を２枚貼り合わせて構成したものであり、一
方が伸びるときに他方が縮み、全体として屈曲振動を起
こすものである。このようなバイモルフ構造の圧電変位
素子は、その電気端子の取出方法により、並列型と直列
型とがあるが、いずれも、研磨済の圧電セラミック板を
２枚接着剤で貼り合わせて構成している。なお、接着面
に金属箔を挿入する場合もある。しかしながら、このよ
うな従来のバイモルフ構造の圧電変位素子には、次のよ
うな問題点がある。

研磨済の圧電セラミック板を使用するので、加工時の強
度も考慮に入れると、全体としての素子の厚みは、４０
０μｍ（１枚のセラミック板の厚みでは２００μｍ）程
度の薄さが限界がある。また、接着剤や、場合によって
は金属箔が、貼り合わせ部分に存在するので、これらが
振動モードに影響を与えたり、歪みを生じさせたり、特
性の経時変化を生じさせたりすることがある。また、容
量および交流におけるインピーダンスは、圧電セラミッ
ク板の形状、特に厚みによって決定され、セラミックの
材料定数に大きく依存することになる。したがって、こ
れら容量およびインピーダンスのコントロール、特に、
大きな容量かつ低いインピーダンスを得ようとする場合
、前述の圧電セラミック板を薄くすることに対する限界
と相まっ、自ずと限界に遭遇する。

発明の概要 それゆえに、この発明の目的は、前述した接着という手
段を用いずに構成できる圧電変位素子を提供することで
ある。

この発明の他の目的は、大きな容量を容易に得ることが
でき、したがって低インピーダンスとすることができ、
そのために、低電圧での騒動が可能な圧電変位素子を提
供することである。

この発明のさらに他の目的は、厚みの寸法の小さい圧電
変位素子を提供することである。

なお、この発明のこれらの目的は、互いに関連しており
、終局的には、低電圧でありながら大きな変位量の圧電
変位素子を提供することができる。

この発明の圧電変位素子は、各層の両面に互いに対向す
る電極が位置する、第１、第２および第３の圧電セラミ
ック層が、順次厚み方向に重なり合った状態で、焼成さ
れて得られた焼結体を備える。そして、この焼結体の外
表面上には、第１および第２の外部端子が設けられる。

ここで、各圧電セラミック層は、次のように分極処理さ
れている。すなわち、第１の圧電セラミック層と第２の
圧電セラミック層とは、互いに逆向きに厚み方向に分極
されており、第２の圧電セラミック層と第３の圧電セラ
ミック層とは、同じ方向に厚み方向に分極されている。

そして、電極は、交互に前記第１または第２の外部端子
に接続されている。

この発明の好ましい実施例では、積層される圧電セラミ
ック層の数がさらに増加され、したがって電極の数も増
加される。この場合には、複数個の圧電セラミック層が
、第１および第２グループに分けられ、それぞれのグル
ープにおける伸縮の挙動が揃えられる。すなわち、この
好ましい実施例では、第１および第２グループの各々に
ついて、電極を介して互いに隣り合う各圧電セラミック
層は、互いに逆向きに厚み方向に分極される。そして、
各グループに含まれる電極は、それぞれ交互に第１また
は第２の外部端子に接続される。

この発明の圧電変位の素子によれば、第１および第２の
外部端子に適当な駆動電圧を印加することにより、焼結
体を厚み方向に分割したときの一方側が伸びるときには
、他方側が縮み、実質的にバイモルフ構造の圧電変位素
子と同様に、全体として屈曲振動を起こす。そして、こ
の圧電変位素子は、複数層の圧電セラミック層が焼成さ
れて得られた一体的な焼結体をもって構成されるので、
接着剤を介することになしに、圧電セラミック層相互が
焼結されることになる。そのため、接着剤等による影響
がなくなるとともに、機械的強度が向上することになり
、特性の経時変化が生じない。また、各圧電セラミック
の層の厚みを、１０μｍ程度にまで薄くできる。そのた
め、大きな容量が得られ、インピーダンスも低くするこ
とができ、低電圧駆動が可能となる。また、全体として
の圧電変位素子自身の厚みを薄くすることができるので
、一定の駆動電圧に対する変位量を大きくとることがで
きる。また、圧電変異変位素子自身の容量は、積層され
る圧電セラミック層の積層枚数や、その厚み、（電極間
の距離）を変えることにより、容易にコントロールする
ことができる。

なお、後述する実施例の説明から明らかになるように、
複数個の圧電セラミック層が積層された状態で焼成され
て得られた焼結体を用いて構成した圧電変位素子では、
通常の圧電処理を行なう限り、伸縮に寄与しない、また
はほとんど寄与しない圧電セラミック層を残したり、さ
もなければ、圧電処理時において絶縁破壊を生じたりす
るといった問題に遭遇することがある。

それゆえに、この発明のさらに他の目的は、上述したよ
うないわゆる積層型の圧電変位素子において、絶縁破壊
の問題を生じることなく、すべての圧電セラミック層を
伸縮に寄与できるように有効に分極する方法を提供する
ことである。

この発明の分極方法が適用される圧電変位素子は、次の
ような構成をもつ。すなわち、互いに対向しながら順次
厚み方向に重ね合わされたｎ個（ｎ−３）の電極間にそ
れぞれ圧電セラミック層が介在した状態で焼成されて得
られた焼結体をもって構成された圧電変位素子である。

このような圧電変位素子において、前記電極のうち、第
（ｘ−１ ２ｙ）番目の電極には第２の電位が与えられ
、第（ｘ＋１＋２ｙ）番目の電極には第３の電極が与え
られて、それによって、各電極間に介在する圧電セラミ
ック層が分極されることを特徴とするものである。すな
わち、３種類の電位を用いることが最大の特徴となって
いる。

なお、上述した構成には、以下の条件が付加される。

第１の電位＞第２の電位＞第３の電位という関係にあり
、ｘは、上記分極方法により分極処理された結果、分極
方向が揃う隣り合う２個の圧電セラミック層の間に位置
する電位の順番を表わす定数であって２≦ｘ＜ｎの整数
であり、ｙについてはｙ＝０，１，２，３，・・・であ
る。そして、各電極の順番を表わす数字が０もしくは負
のときまたはｎを越えるときは、その電極は存在しない
ことを示す。

この発明の分極方法によれば、３種類の電位を分極処理
において用いることから、後で述べる実施例の説明から
も明らかになるように、或る電極を介して両側に位置す
る各圧電セラミック層に対して、同じ方向に圧電処理を
行なうことが容易となる。そして、このような特定の２
個の圧電セラミック層のさらに両側に他の圧電セラミッ
ク層および電極の積層体が存在している場合には、これ
らの他の圧電セラミック層に対しては、電極を介してた
がいに隣り合う各圧電セラミック層が互いに逆向きに厚
み方向に分極されることになる。したがって、後述する
実施例の説明から明らかになるように、この発明の分極
方法の実施により得られた圧電変位素子に含まれるすべ
ての圧電セラミック層を、伸縮に寄与させることができ
るようになる。

また、この発明の分極方法を実施する際に設けられた分
極用電極は、そのまま、駆動電圧を印加するための外部
端子として用いることができる。

したがって、分極用電極を取り去る工程が不要となる。

実施例の説明 以下、この発明の種々の実施例を、図面を参照しながら
説明する。

第１図は、この発明の一実施例の圧電変位素子上の外観
の概略を示す斜視図である。圧電変位素子１が、実際に
使用される場合、たとえば固定部２に一方端が片持ちさ
れた状態とされる。したがって圧電変位素子１の他方端
は、自由端とされる。この圧電変位素子１の外表面上に
は、１対の外部端子３が設けられる。各外部端子３には
、圧電変位素子１の変位を妨げないようにするため、好
ましくは、固定部２側に偏った位置で、それそれリード
線４が接続される。リード線４を介して、１対の外部端
子３間に、適当な駆動電圧が印加されたとき、圧電変位
素子１は屈曲振動を起こし、その自由端は図において上
下方向に変位する。

第１図に示す圧電変位素子１を得るための工程を、第２
図ないし第８図を参照して説明する。なお、第２図ない
し第５図および第７図、ならびに後で説明するその他の
類似の図面では、構成の特徴をより明確に表現するため
、寸法の比率が、第１図に示した圧電変位素子１から決
定される寸法とは異なっていることを指摘しておく。

第２図ないし第８図を参照して説明するこの発明の圧電
変位素子の第１の実施例は、圧電セラミック層の積層数
が偶数の場合であり、より特定的には、８層の場合であ
る。なお、この明細書において用いる「積層数」とは、
電極の間に介在する圧電セラミック層の数を指すもので
、したがって、電極の数は、この「積層数」より１だけ
多いものとなる。ここで説明する実施例では、積層数が
８であり、電極の数は９であるということになる。

まず、第２図に示すように、圧電セラミック層を構成す
る８個のセラミックグリーンシート５ａ−５ｈが用意さ
れる。ここで、セラミックグリーンシート５ａ〜５ｈを
構成する材料としては、たとえば、チタン酸ジルコン酸
鉛系、チタン酸鉛系、チタン酸バリウム系などの単成分
系や多成分系、あるいはこれらの添加物系が用いられ得
る。セラミックグリーンシート５ａ〜５ｈの各一方面上
には、それぞれ、電極となる金属ペースト６ａ〜６ｈが
所定の領域に印刷塗布される。なお、セラミックグリー
ンシート５ｈについては、他方面に金属ペースト６ｉが
所定の領域に印刷塗布される。

第２図では、金属ペースト６ｉの形成パターンをセラミ
ックグリーンシート５ｈとの関係で容易に理解できるよ
うにするため、セラミックグリーンシート５ｈの輪郭を
鎖線で示しながら、このセラミックグリーンシート５ｈ
の上記一方面側から見た金属ペースト６ｉの形状が示さ
れている。この図法は、後で説明する他の類似の図面に
おいても採用されている。金属ペースト６ａ〜６ｉとし
ては、たとえば、パラジウム、銀−パラジウム合金、あ
るいはその他の高融点金属や合金が用いられ得る。しか
しながら、金属ペースト６ａ、６ｉについては、パラジ
ウム、銀−パラジウムなどの金属や合金を用いると、空
気中で焼付けた場合、酸化されやすく、抵抗が上昇する
という現象が見られる。したがって、焼結体を得た後に
、たとえば銀ペーストを用いて焼付けを行なってもよい
。各金属ペースト６ａ〜６ｉの形式パターンの特徴とし
ては、次のようにとらえることができる。

（１）上から第１番目および第３番目の金属ペースト６
ａ、６ｃは、各対応のセラミックグリーンシート５ａ、
５ｃの上辺および右辺にまで延びるように形成されてい
る。

（２）第２番目および第４番目の金属ペースト６ｂ、６
ｄは、各対応のセラミックグリーンシート５ｂ、５ｄの
下辺および左辺にまで延びるように形成されている。

（３）第５番目の金属ペースト６ｃは、対応のセラミッ
クグリーンシート５ｅの右辺にまで延びるように形成さ
れている。

（４）第６番目および第８番目の金属ペースト６ｆ、６
ｈは、各対応のセラミックグリーンシート５ｆ、５ｈの
上辺および左辺にまで延びるように形成されている。

（５）第７番目および第９番目の金属ペースト６ｇ、６
ｉは、セラミックグリーンシート５ｇ、５ｈの下辺およ
び右辺にまで延びるように形成されている。

なお、各セラミックグリーンシート５ａ〜５ｈについて
は、所定の厚みのものを得るために、セラミックグリー
ンシートを複数積み重ねたものをそれぞれ用いてもよい
。

以上述べた各金属ペースト６ａ〜６ｉの形成パターンの
特徴から明らかなように、表面的には、５種類の形成パ
ターンが存在する。しかしながら、たとえば、第１番目
の金属ペースト６ａと第２番目の金属ペースト６ｂの各
形成パターンは、同一平面内において、互いに１８０度
回転させることにより、互いに他のものを得ることがで
きる。また、第１番目の金属ペースト６ａと第６番目の
金属ペースト６ｆの各形成パターンは、互いに左右方向
に裏返すことによって、互いに他のものを得ることがで
きる。これらのことから、第１番目ないし第４番目およ
び第６番目ないし第９番目の各金属ペースト６ａ〜６ｄ
、６ｆ〜６ｉは、実質的に同一の形成パターンであると
言え、同じ印刷工程を経て得られたものを積層の段階で
適宜に方向を決めてやるだけでよいと言うことができる
。

第２図に示されたそれぞれ金属ペーストが塗布された８
個のセラミックグリーンシート５ａ〜５ｈは、図に示し
た上下の順序で、積層される。そして、圧着され、焼成
され、さらに必要に応じて焼成後に金属ペースト６ａ、
６ｉを焼付けとき、第３図に斜視図で示すような焼結体
７が得られる。

この状態において、前述したセラミックグリーンシート
５ａ〜５ｈは、それぞれ圧電セラミック層を構成し、金
属ペースト６ａ〜６ｉは電極を構成することになる。し
たがって、第２図に示した金属ペースト６ａ〜６ｉの形
成パターンは、そのまま、電極の形成パターンに対応す
ることになるので、以下の説明においては、焼結前の状
態での各要素と焼結後の状態での各要素との対応関係が
明らかになるように、或る特定のセラミックグリーンシ
ートおよび金属ペーストをもって構成された圧電セラミ
ック層および電極については、その根源となったセラミ
ック層および電極に付いては、その根源となったセラミ
ックグリーンシートや金属ペーストで用いられた参照符
号をそのまま用いることにする。たとえば、第３図では
、焼結体７に形成された電極が、参照符号６ａ〜６ｉを
もって示されている。

第４図には、焼結体７が略図的に示されていて、その４
つの外側面には、それぞれ、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の
表示が付されている。これらの表示は、以下の説明にお
いて、外部端子等が形成されるべき面を特定するために
用いられる。

焼結体７は、その状態で、分極処理される。この分極処
理のために、第４図に示す外側面Ａ１、Ａ２上に、第５
図に示すように、分極用電極８、９が形成される。分極
用電極８、９としては、セラミックの焼成のような高温
にさらされないので、銀の焼付電極を用いることができ
る。分極用電極は、第２図の各圧電セラミック層５ａ〜
５ｉの右辺にまで延びて形成された電極、すなわち電極
６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇ、６ｉが接続され、他方の分極
用電極９には、電極６ｂ、６ｄ、６ｆ、６ｈが接続され
る。この接続状態が、第６図に示されている。

第６図に示すように、一方の分極用電極８にプラス電位
を与え、他方の分極用電極９にマイナス電位を与えて、
分極処理すれば、各電極６ａ〜６ｉ間に挟まれた圧電セ
ラミック層５ａ〜５ｈは、矢印で示すような方向に厚み
方向に分極される。

このように分極された後は、分極用電極８、９は不要と
なり、適宜の手段によって削り取られる。

そして、焼結体７には、第４図に示す外側面Ｂ１、Ｂ２
に対応する位置に、第７図に示すように、外部端子１０
、１１がそれぞれ形成される。この外部端子１０、１１
には、減極が起こらない温度、たとえば最高２００℃ま
での温度範囲で熱硬化する、いわゆる熱硬化型１０は、
第２図の圧電セラミック層５ａ〜５ｈ上に形成された電
極６ａ〜６ｉのうち、下辺にまで延びる電極、すなわち
電極６ｂ、６ｄ、６ｇ、６ｉと電気的に接続される。他
方の外部端子１１は、上辺にまで延びて形成された電極
、すなわち電極６ａ、６ｃ、６ｆ、６ｈと電気的に接続
される。このような外部端子１０、１１の形成によって
、第８図に示すような電気的接続状態が得られる。

第８図において、外部端子１０，１１間に移動電圧が印
加されるとき、焼結体７は、全体として屈曲振動を起こ
す。より詳細に説明すると、たとえば、外部端子１０に
マイナス電位が与えられ、外部端子１１にプラス電位が
与えられたとすれば、圧電セラミック層５ａ、５ｂ、５
ｃにおいて、その厚み方向に伸びが生じ、圧電セラミッ
ク層５ｆ、５ｇ、５ｈにおいては、その厚み方向に縮み
が生じる。なお、第８図等において、丸で囲んだ双方向
の矢印の向きが外方に向いているときは伸びを示し、内
方に向いているときは縮みを示す。

したがって、厚み方向に伸びを示す圧電セラミック層は
、第８図の上側に位置する圧電セラミック層５ａ、５ｂ
、５ｃからなるグループであり、厚み方向に縮みを示す
圧電セラミック層は、下側に位置する圧電セラミック層
５ｆ、５ｇ、５ｈからなるグループである。厚み方向に
延びを生じると、各セラミック層の長さ方向に延びる方
向に対しては縮みを生じることになり、逆に、厚み方向
に縮みを生じると圧電セラミック層の長さ方向に延びる
方向伸びを生じるということになる。したがって、第８
図に示すような電位が外部端子１０、１１に与えられた
とき、第７図に示した焼結体７としては、その長さ方向
の中央部が下方に突出するような湾曲を生じることにな
る。特に図示しないが、外部端子１０、１１に与えられ
る電位が逆になれば、上述した伸びおよび縮みの関係は
逆になり、焼結体７は逆方向に撓むことになる。

なお、第８図から明らかなように、中央に位置する、す
なわち第５番目の電極６ｅには、プラス電位もマイナス
電位も与えられず、浮いた状態とされている。したがっ
て、この電極６ｅの両側に位置する圧電セラミック層５
ｄ、５ｅは、伸びも縮みもしないように図示されている
。しかしながら、実際には、第９図に示すように、圧電
セラミック層５ｄにおいては厚み方向に伸びが生じ、上
側のグループを構成する圧電セラミック層５ａ〜５ｅと
同様の挙動を示し、他方、圧電セラミック層５ｅは厚み
方向に縮みを示し、下側のグループを構成する圧電セラ
ミック層５ｆ〜５ｈと同様の挙動を示すことになる。な
ぜなら、電極６ｃを無視すれば、電極６ｄ、６ｆ間には
、第９図に示すような電位差が生じているためである。

ただ、各圧電セラミック層５ｄ、５ｅに加わる電圧は、
他の圧電セラミック層に比べて実質的に半分になるので
、伸びおよび縮みの程度は、その分、より小さくなると
いうことは否めない。

第１０図は、第２図に示した電極パターンに代えて用い
られる電極パターンを示している。第１０図において、
第２図に示す部分に相当の部分は、同様の参照符号を持
って示されている。

第１０図に示した電極パターンを用いて焼結体を構成し
た場合であっても、第５図に示すような分極用電極８，
９の形成状態および第７図に示した外部端子１０、１１
の形成状態を適用することができ、それぞれの場合にお
いて、第６図および第８図に示すような電気的接続状態
が達成される。

第１１図には、電極パターンのさらに他の例が示されて
いる。すなわち、各圧電セラミック層５ａ〜５ｄ、５ｆ
〜５ｉの上辺または下辺までの電極の延び方に注目すれ
ば、このように上辺または下辺にまで延びる部分は、左
右に交互に振り分けられている。第１０図では、相当の
部分は、すべて右側に片寄っている。

第１１図に示す電極パターンを用いて焼結体を構成すれ
ば、第５図に示すような分極用電極８、９の形成状態を
適用することができるが、外部端子については、第１２
図のように形成されることになる。すなわち、焼結体７
の第４図に示す外側面Ｂ１、Ｂ２のほぼ全面にわたって
外部端子１０、１１がそれぞれ形成される。外部端子１
０、１１がそれぞれ形成される。外部端子１０は、外側
面Ｂ１の左側に露出する電極６ｂ、６ｄと右側に露出す
る電極６ｇ、６ｉとを互いに電気的に接続する役目も果
たす。同様に、外部端子１１は、外側面Ｂ２側に露出す
る電極６ａ、６ｃと電極６ｆ、６ｈとを互いに電気的に
接続する役目も果たす。このように、外部端子１０、１
１が焼結体７の外表面上に設けられたとき、第８図に示
すような電気的接続状態が達成される。

第１３図は、第１１図および第１２図を参照して説明し
た実施例における外部端子の形成状態の他の例を示して
いる。この実施例では、焼結体７の外側面Ｂ１およおび
Ｂ２（第４図）のそれぞれに左右に分離して各２個の外
部端子１０ａ、１０ｂおよび１１ａ、１１ｂが形成され
る。外部端子１０ａは、電極６ｂ、６ｄと電気的接続さ
れる。外部端子１０ｂは、電極６ｇ、６ｉと電気的接続
される。外部端子１１ａは、電極６ａ、６ｃと電気的接
続される。外部端子１１ｂは、電極６ｆ、６ｈと電気的
接続される。そして、各外部端子１０ａ、１０ｂと各外
部端子１１ａ、１１ｂとは、それぞれ、外部において、
リード線１２、１３で接続される。この実施例による圧
電変位素子は、その両端部において、それぞれ固定部２
ａ、２ｂによって両持ちされて使用されるのが好ましい
。すなわち、圧電変位素子が片持ちによって使用される
か、両持ちによって使用されるかに応じて、外部端子の
形成状態を適宜変更すればよいことが、第１４図は、さ
らに他の電極の形成パターンを示している。第１４図に
おいて、たとえば第２図との対応を明らかにするため、
相当の部分には同様の参照符号が付されている。この第
１４図に示した形成パターンによる電極をもって焼結体
を構成したとき、外部端子の形成状態に対しては、いく
つかの変形例が考えられる。まず第１に、第７図に示す
ような外部端子１０、１１のような形成状態が適用され
る。また、第１３図に示すような外部端子１０ａ、１０
ｂ、１１ａ、１１ｂのような形状状態が適用される。こ
の時、第１３図に示すリード線１２、１３は不要である
。さらに、第１３図に示す外部端子のうち、外部端子１
０ａ、１１ｂのみを形成することも可能である。

以上述べた各実施例では、焼結体７に対して分極処理を
行なう場合には、外側面Ａ１、Ａ２に分極用電極を形成
し、駆動電圧を印加する場合には、外側面Ｂ１、Ｂ２に
外部端子を形成するものであった。これに対して、次に
述べる実施例は、分極処理を行なう場合には、外側面Ｂ
１、Ｂ２ｎｉ分極用電極を形成し、駆動電圧を印加する
場合には、外側面Ａ１および／またはＡ２に外部端子を
形成するものである。なお、分極処理時における電気的
接続および駆動電圧印加時における電気的接続は、それ
ぞれ、第６図および第８図に示すとおりである。

第１５図は、上述の場合の電極の形成パターンの一例を
示すものである。ここで、電極の形成パターンの特徴は
、次のとおりである。

（１）上から第１番目および第３番目の電極６ａ、６ｃ
は、各対応の圧電セラミック層５ａ、５ｃの上辺および
右辺の上側にまで延びて形成されている。

（２）第２番目および第４番目の電極６ｂ、６ｄは、各
対応の圧電セラミック層５ｂ、５ｄの下辺および右辺の
下側にまで延びて形成されている。

（３）第５番目の電極６ｅは、対応の圧電セラミック層
５ｄの上辺にまで延びて形成されている。

（４）第６番目および第８番目の電極６ｆ、６ｈは、各
対応の圧電セラミック層５ｆ、５ｈの下辺および右辺の
上側にまで延びて形成されている。

（５）第７番目および第９番目の電極６ｇ、６ｉは、圧
電セラミック層５ｇ、５ｈの上辺および右辺の下側にま
で延びて形成されている。なお、電極６ｉについては、
圧電セラミック層５ｈの裏面に形成されていることを付
記しておく。

第15図に示す電極６ａ〜６ｉをもって構成された焼結体
７には、第１６図に示すように、外側面Ｂ１、Ｂ２（第
４図）上に、それぞれ、分極用電極９、８が形成される
。このような分極用電極９、８が形成されたとき、第６
図に示すような電気的接続状態が達成される。この状態
で、分極処理を行なった後、分極電極９、８は削り取ら
れ、次に、第１７図に示すように、外側Ａ１に、２つの
外部端子１０、１１が横に並んで形成される。

外部端子１０、１１と、各電極６ａ〜６ｉとの電気的接
続状態は、第８図に示すとおりである。

第１８図は、第１５図と同様の趣旨の電極の形成パター
ンの他の例を示している。この例では、電極６ａ〜６ｄ
、６ｆ〜６ｉが、、それぞれ対応の圧電セラミック層５
ａ〜５ｄ、５ｆ〜５ｈの右辺および左辺にまで延びて形
成されていることが特徴となる。第１８図に示す電極６
ａ〜６ｉの形成パターンをもって構成した焼結体７には
、第１９図に示すような外部端子１０ａ、１０ｂ、１１
ａ、１１ｂの形成状態が可能となる。このような外部端
子の形成状態は、或る意味では、前述の第１３図に示す
外部端子の形成状態と類似している。したがって、第１
９図に示すような外部端子の形成状態を適用すれば、圧
電変位素子を両持ちで使用する場合に適しているとも言
えるが、この例では、外部端子１０ａと外部端子１０ｂ
、ならびに外部端子１１ａと外部端子１１ｂとは、それ
ぞれ対応の電極によって接続された状態であり、そのた
め同電位にあるので、第１３図に示すようなリード線１
２、１３は必要でない。そのため、第１９図に示す焼結
体７をもって形成した圧電変位素子を片持ちで使用する
場合には、外部端子１０ａ、１１ａまたは外部端子１０
ｂ、１１ｂのいずれか一方の組を用いるだけでよく、こ
のような圧電変位素子を取付ける際の方向性に対する自
由度が増す。

第２０図は、第１５図に示した電極の形成パターンと同
様の外部端子形成状態を可能にした例を示している。第
２１図は、第１８図に示した電極の形成パターンと同様
の外部端子の接続状態を可能にする例を示している。な
お、第２０図および第２１図において、第１５図および
第１８図で用いた参照符号が相当の部分に付されている
。

第２２図ないし第２４図は、できるだけ圧電セラミック
層に対する電極の面積を大きくして、圧電セラミック層
をできるだけ効率良く伸縮に寄与させようとした例を示
している。なお、第２２図ないし第２４図において、第
２図、第５図および第７図で用いた参照符号が相当の部
分に付されている。

第２２図ないし第２４図の例において、電極６ｂ〜６ｈ
の介在による、焼結後における各圧電セラミック層５ａ
〜５ｈ相互の接合性の低下という問題は、種々の手段に
よって容易に解決されることができる。例えば、電極６
ｂ〜６ｈを得るための金属ペーストにセラミック粉末を
記入しておけば、各圧電セラミック層５ａ〜５ｈは、焼
成されたとき、このセラミック粉末によって容易に強固
に接合されることになる。他方、第２２図の電極６ｂに
おいて例示したように、電極の形成領域の一部に穴２８
を設け、その部分において圧電セラミック層を露出させ
るようにしてもよい。そうすれば、この穴２８を介して
、上下の圧電セラミック層が互いに直接接触することに
なり、焼結後における接合力が増す、なお、穴２８は、
屈曲振動を妨げないためには、第２２図に示すように、
各圧電セラミック層の長手方向に対して直交する方向に
延びる細い長穴であることが好ましい。

第２２図に示す電極６ａ〜６ｉをもって構成した焼結体
７には、第４図の外側面Ａ１１に、第２３図に示すよう
に、２つの分極用電極８、９が形成される。このとき、
第６図に示すような電気的接合状態が達成される。この
状態で分極処理を行なった後、分極用電極８、９は取除
かれ、次に、第２４図に示すように、外側面Ａ２（第４
図）上に、２つの外部端子１０、１１が形成される。外
部端子１０、１１と各電極６ａ〜６ｉとの電気的接続状
態は、第８図に示すとおりである。

第２５図ないし第２７図に示す例も、上述の例と同様、
できるだけ圧電セラミック層に対する電極の面積を大き
くして、圧電セラミック層をできるだけ効率良く伸縮に
寄与させようとするものである。なお、第２５図ないし
第２７図において、第２図、第５図および第７図で用い
た参照符号が担当の部分に付されている。

第２５図に示す電極６ａ〜６ｉをもって構成した焼結体
７には、第４図の外側面Ｂ１，、Ｂ２上に、第２６図に
示すように、それぞれ分極用電極９、８が外側面Ａ１側
に片寄って形成される。このとき、第６図に示すような
電気的接続状態が達成される。この状態で分極処理を行
なった後、分極用電極８、９は取除かれ、次に、第２７
図に示すように、外側面Ａ１１に２つの外部端子１０、
１１が横に並んで形成される。外部端子１０、１１と各
電極６ａ〜６ｉとの電気的接続状態は、第８図に示すと
おりである。

以上述べた各実施例は、第６図に示すような電気的接続
状態で分極処理が行なわれ、第８図に示すような電気的
接続状態で駆動電圧が印加されるものであった。これを
逆にして、第８図に示す電気的接続状態で分極処理を行
ない、第６図に示す電気的接続状態で駆動電圧を印加す
るようにしてもよい。これについて、第２８図および第
２９図を参照して説明する。

第２８図を、第８図と対比すれば明らかなように、第８
図の外部端子１０、１１が接続された筒所に、第２８図
では、分極用電極８、９が接続されている。すなわち、
前述した実施例で図示された外部端子１０、１１を用い
て分極を行なおうとするものである。例えば、第２８図
に示すように、分極用電極８にマイナス電位を与え、分
極用電極９にプラス電位を与えたとすれば、各圧電セラ
ミック層５ａ〜５ｈは、それぞれ矢印で示す方向に分極
される。ここで、電極６ｅは、どの電位にも接続されな
いが、その両側にある圧電セラミック層５ｄ、５ｅは、
これらを挟む電極６ｄ、６ｆ間に発生する電位差をもっ
て分極されることになる。

第２９図を参照して、前述の第６図に示した分極用電極
８，９が接続される箇所に、それぞれ、外部端子１０、
１１が接続される。第２９図に示すように、外部端子１
０にたとえばマイナス電位が与えられ、外部端子１１に
たとえばプラス電位が与えられている状態を仮定すれば
、丸で囲んだ双方向の矢印の表示から明らかなように、
圧電セラミック層５ａ〜５ｄは厚み方向に縮みを示し、
圧電セラミック層５ｅ〜５ｈは厚み方向に伸びを示す。

第２８図に示す分極処理状態において、互いに逆電位と
される電極６ｄ、６ｆ間には、２個の圧電セラミック層
５ｄ、５ｅが存在しており、各圧電セラミック層５ａ〜
５ｈの厚みが均一であるとすれば、この部分は、他の部
分に比べて２倍の厚みを有していることになる。そのた
め、これら圧電セラミック層５ｄ、５ｅを分極するため
には、他の部分に対して２倍の電圧が必要であると言え
る。したがって、このような２倍の電圧を分極用電極８
、９間に印加して分極を行なえばよいということになる
。しかしながら、この場合、圧電セラミック層５ｄ、５
ｅ以外の部分においては、１個の圧電セラミック層の厚
みに対して、そのような２倍の電圧が印加されることに
なる。そのため、圧電セラミック層の絶縁破壊が生じる
という問題点に遭遇することもある。この問題を解決す
るのが、第３０図に示した例である。

第３０図を参照して、電極６ｅの両側にある、すなわち
、電極６ｄ、６ｆ間に挟まれた圧電セラミック層５ｄ、
５ｅの厚みは、他の圧電セラミック層に比べて、ほぼ半
分とされている。このようにすることによって、他の圧
電セラミック層と同様の条件で、これら２個の圧電セラ
ミック層５ｄ、５ｅの分極処理を容易に行なうことがで
きるようになる。

次に、圧電セラミック層の積層数が奇数の場合について
説明する。以下の説明においては、積層数が９の場合を
例にとって説明を行なう。

第３１図は、電極の形成いパターンの例を示している。

ここに示す電極パターンは、前述した第１１図に示す電
極パターンと、第１１図の電極６ｅが用いられない点を
除いて、同様である。したがって、これらの電極の形成
パターンは、或るものを同一平面内で１８０度回転させ
たり、裏返したりすることによって、すべてのものを得
ることができ、電極を形成するための印刷パターンとし ては、同じものを用いることができる。第３１図に示す
電極の形成パターンの特徴は次のとおりである。

（１）ｌから第１番目、第３番目および第５番目の電極
１５ａ、１５ｃ、１５ｅは、各対応の圧電セラミック層
１４ａ、１４ｃ、１４ｅの上辺の右側および右辺にまで
延びて形成されている■（２）第２番目および第４番目
の電極１５ｂ、１５ｄは、各対応の圧電セラミック層１
４ｂ、１４ｄの下辺の左側および左辺にまで延びて形成
されている。

（３）第７番目および第９番目の圧電１５ｇ、１５ｉは
、各対応の圧電セラミック層１４ｇ、１４ｉの下辺の右
側および右辺にまで延びて形成されている、 （４）第６番目、第８番目および第１０番目の電極１５
ｆ、１５ｈ、１５ｊは、圧電セラミック層１４ｆ、１５
ｈ、１４ｉの上辺の左側および左辺にまで延びて形成さ
れている。なお、電極１５ｊについては、圧電セラミッ
ク層１４ｉの裏面に形成されていることを付記しておく
。

第３１図に示した電極１５ａ〜１５ｊをもって構成した
焼結体１６には、第３２図に示すように、外側面Ａ１、
Ａ２（第４図）上に、それぞれ、分極用電極１７、１８
が形成される。このように、分極用電極１７、１８が形
成されたとき、第３３図に示すような電気的接続状態が
達成する。

第３２図および第３３図を参照して、分極用電極１７は
、各圧電セラミック層の右辺にまで延びて形成された電
極、すなわち、電極１５ａ、１５ｃ、１５ｅ、１５ｇ、
１５ｉと電気的に接続される。他方、分極用電極１８は
、各圧電セラミック層の左辺にまで延びて形成されて電
極、すなわち、電極１５ｂ、１５ｄ、１５ｆ、１５ｈ、
１５ｊに電気的に接続される。そして、たとえば、第３
３図に示すように、分極用電位１７にマイナス電位が与
えられ、分極用電位１８にプラス電位が与えられて、分
極処理が行なわれると、各圧電セラミック層１４ａ〜１
４ｉは、それぞれ、矢印で示す方向に分極される。

分極用電極１７、１８は削り取られ、次に、第３４図に
示すように、焼結体１６の外側面Ｂ１、Ｂ２（第４図）
上には、それぞれ、外部端子１９、２０が形成される。

このように外部端子１９，２０が形成されたとき、第３
５図に示すような電気的接続状態が達成される。

すなわち、外部端子１９は、第３１図において各圧電セ
ラミック層の下辺にまで延びて形成された電極、すなわ
ち、電極１５ｂ、１５ｄ、１５ｇ１５ｉと電気的に接続
される。他方、外部端子２０は、各圧電セラミック層の
上辺にまで延びて形成された電極、すなわち電極１５ａ
、１５ｃ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｈ、１５ｊと電気的に
接続される。

第３５図の接続状態において、外部端子１９にたとえば
プラス電位が与えられ、外部端子２０にたとえばマイナ
ス電位が与えられると、圧電セラミック層１４ａ〜１４
ｄにおいては厚み方向に伸びが生じ、圧電セラミック層
１４ｆ〜１４ｉにおいては厚み方向に縮みを生じる。な
お、圧電セラミック層１４ｅにおいては、その両側に位
置する電極１５ｅ、１５ｆは同電位であるので、駆動電
圧の印加によって伸びたり縮んだりすることはない。し
たがって、この圧電セラミック層１４ｃは分極処理時に
おける絶縁破壊を生じない程度に薄くしてもよい。

第３６図は、第２５図のものに代えて用いられる電極の
形成パターンを示す。第３６図に示す電極の形成パター
ンは、前述の第１４図に示した電極６ｅ以外の電極の形
成パターンと同一である。

第３６図ではすべての電極を図示していないが、全体と
して１０個の電極が必要な場合には、電極１５ａ、１５
ｂの繰返しが３回用いられ、それに続いて、電極１５ｍ
、１５ｎの繰返しが２回用いられる。

第３６図に示した圧電セラミック層１４ａ〜１４ｍおよ
び電極１５ａ〜１５ｎをもって構成した焼結体１６が、
第３７図に示されている。第３７図では、分極処理を終
えて、外部端子が形成された状態となっている。外部端
子は、焼結体１６の外側面Ｂ１およびＢ２（第４図）の
それぞれに、横に並んで２個ずつ外部端子１９ａ、１９
ｂおよび２０ａ、２０ｂとあいて形成される。この外部
端子１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの形成状態は、前
述の第１３図に示す外部端子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、
１１ｂの形成状態と同様であるが、第１３図の場合のよ
うにリード線１２、１３は必要としない。

第３７図に示す焼結体１６をもって構成した圧電変位素
子は、片持ちとしても両持ちとしても使用することがで
きる。片持ちとして使用する場合、外部端子１９ａ、２
０ｂの組か外部端子１９ｂ、２０ａの組かのいずれか一
方のみを用いるだけで十分である。したがって、第３７
図の例において、外部端子１９ａ、２０ｂの組か外部端
子１９ｂ、２０ａの組かのいずれか一方を省略してもよ
い。

第３８図および第３９図は、前述した積層数が偶数の場
合の実施例における第６図および第８図と第２８図およ
び第２９図との関係と同様に、第３５図に示した電気的
接続状態で分極処理を行ない、第３３図で示した電気的
接続状態で駆動電圧を印加する場合を説明するための図
である。

第３８図を、第３５図と対比すれば明らかなように、第
３５図における外部端子１９、２０が接続される箇所に
、分極用電極１７、１８が接続されている。すなわち、
第３５図で外部端子１９、２０として用いたものを、分
極用電極１７、１８として用いたことになる。分極用電
極１７にたとえばプラス電位を与え、分極用電極１８に
たとえばマイナス電位を与えると、第３８図に矢印で示
すような方向に各圧電セラミック層１４ａ〜１４ｄ、１
４ｆ〜１４ｉが分極される。なお、中央の圧電セラミッ
ク層１４ｃは、その両側に位置する電極１５ｅ、１５ｆ
が同電位となるため、分極されない。

次に、上述の分極用電極１７、１８が取り除かれ、外部
端子１９、２０が形成されると、第３９図に示すような
電気的接続状態が達成される。この状態で、外部端子１
９にたとえばプラス電位が与えられ、外部端子にたとえ
ばマイナス電位が与えられると、上側のグループを構成
する圧電セラミック層１４ａ〜１４ｄはそれぞれ厚み方
向に伸びを示し、下側のグループを構成する圧電セラミ
ック層１４ｆ〜１４ｉは厚み方向に縮みを示す。

なお、前述したように、中央の圧電セラミック層１４ｅ
は、第３８図に示すような電気的接続状態で分極処理を
行なった場合には、分極されないことになる。このため
、この圧電セラミック層１４ｃの厚味はできるだけ薄く
する方が好ましい。

そして、圧電セラミック層１４ｅを薄くできる程度は、
分極時において印加される電圧より低い駆動電圧（一般
的に、分極電圧の約０．６倍）にさえ耐えればよいので
、かなり薄くすることができる。

このように、この発明によるいわゆる積層型の圧電変位
素子によれば、いずれの実施例についても、積層された
形態をとる圧電セラミック層は、各々２以上の圧電セラ
ミック層を含む第１グループと第２グループとに分けら
れ、これらグループの一方が伸びるときに他方が縮み、
全体として屈曲振動を起こすことになる。なお、分極処
理または駆動電圧印加条件によって、第１グループと第
２グループとの間に屈曲振動に寄与しないかまたはほと
んど寄与しない圧電セラミック層が存在する場合もある
ことを指摘しておく。

次に、従来のバイモルフ構造の圧電変位素子とこの発明
によるいわゆる積層型の圧電変位素子との変位量を比較
した実験結果を紹介しておく。

第４０図は、従来のバイモルフ構造の圧電変位素子を示
したものである。ここに示す圧電変位素子は、並列型バ
イモルフであり、２枚の圧電セラミック板２１、２２を
備え、それぞれの分極方向は矢印で示すように揃えられ
ている。外側電極２３、２４は短絡されて一方の外部端
子とされ、中央電極２５に他方の外部端子が接続される
。

上述のような従来のバイモルフ構造の圧電変位素子と、
この発明の実施例である第８図で示した電気的接続状態
による圧電変位素子とを用いて、変位量を比較した、変
位量の測定は、第４１図に示すように、試料２６を固定
部２７によって片持ちとした状態で測定した。そして、
両者の比較を容易にするため、両試料について、第４１
図における長さｌ＝２５．０ｍｍおよび厚みｔ＝２００
μｍというように規格化し、その結果を、第４２図に示
した。なお、従来のバイモルフ構造の圧電変位素子では
、厚みｔ＝２００μｍを実際に得るのは困難であるため
、並列型バイモルフ構造の圧電変位素子の変位量を表わ
す δ＝４ｄ３１Ｖ（ｌ／ｔ）２ を用いて、ｌ＝２５．０ｍｍ、ｔ＝２００μｍの形状に
換算した。なお、上の式において、δは変位量、ｄ３１
は長さ方向の変位に関する圧電定数、Ｖは印加電圧を示
している。

第４２図において、直線Ｘ、Ｙはこの発明の実施例を示
し、直線Ｘは従来の圧電変位素子を示している。特に、
直線Ｘは第２図に示した電極パターンをもって構成した
圧電変位素子の場合であり、直線Ｙは第２２図に示した
電極パターンをもって構成した圧電変位素子の場合であ
る。第４２図から明らかなように、同一の印加電圧では
、この発明の圧電変位素子は、いずれも、従来の圧電変
位素子に比べて、約３倍ないし４倍の変位量を示してい
る。

なお、この発明の圧電変位素子のような積層型の圧電変
位素子の変位量は、次の式で表現できる。

δ＝２ｎｄ３１Ｖ（ｌ／ｔ）２ ここに、ｎは積層数を示している。前述した実験では、
積層数ｎが８であるので、理論的には、並列型バイモル
フ構造の圧電変位素子の実施例では、従来のものに比べ
て、４倍の変位量が得られることになる。しかしながら
、第４２図に示す実験結果では、４倍に達していない。

これは、第８図に示す中央の２個の圧電セラミック層５
ｄ、５ｅがほとんど伸縮に寄与しないことのほか、特に
直線Ｘを得た試料では、各圧電セラミック層５ａ、５ｂ
の全幅にわたって電極６ａ〜６ｉが形成されず、圧電セ
ラミック層を効率良く伸縮に寄与させ得ないこと等が原
因と考えられる。この意味で、圧電セラミック層５ａ〜
５ｈの全幅にわたって電極６ａ〜６ｉが形成された試料
は、直線Ｙに見られるように、直線Ｘに比べてさらに大
きな変位量が得られている。

次に、この発明の分極方法について説明する。

この分極方法は、すべての圧電セラミック層を伸縮に寄
与させることを可能にする。なお、前述した第２８図お
よび第２９図を参照して説明した実施例、ならびに第３
０図を参照して説明した上記実施例の変形例においても
、すべての圧電セラミック層５ａ〜５ｈを伸縮に寄与さ
せることができた。しかしながら、これらの実施例では
、十分な分極処理を示すことができない圧電セラミック
層を残したり、これを解決するために施した分極用電圧
の上昇という措置が今度は圧電セラミック層の絶縁は介
意を招いたり、更には、特定の圧電セラミック層の厚み
を薄くしなければならないという面倒な処置が必要とな
ったりする。しかしながら、この発明の分極方法によれ
ば、これらの問題点も一挙に解決することができる。

再び第４０図の従来の並列型バイモルフ構造の圧電変位
素子に注目すれば、各圧電セラミック板２１、２２は、
既に述べたように、分極方向が揃えられている。そして
、このように分極方向が選ばれているため、所望のごと
く、屈曲振動を起こすのである。また、たとえば第２９
図に注目すれば、中央部において互いに隣り合って位置
する２個の圧電セラミック層５ｄ、５ｅにおいても、同
様に、揃えられた分極方向を見い出すことができる。

これらのことから推察すれば、積層型の圧電変位素子で
は、その中央部において互いに隣り合って位置する２個
の圧電セラミック層に対して、揃った方向の分極を与え
ればよいことがわかる。この発明の分極方向では、この
ような分極方向の実現を、無理なく行なうことができる
。

第４３図は、この発明の分極方法の一実施例を実施して
いる段階の電気的接続状態を示している。

第４３図の例では、電極が９個あり、それぞれの電極間
に介在する圧電セラミック層が８個ある。

より詳細に説明すると、電極４２ａ〜４２ｉが上から順
に互いに対向しながら厚み方向に重ね合わされて配置さ
れている。そして、各電極間には、それぞれ、圧電セラ
ミック層４３ａ〜４３ｈが介在している。

このような態様において、各電極４２ａ〜４２ｉに対し
て、３種類の電位が与えられて、圧電セラミック層４３
ａ〜４３ｈの分極処理が行なわれる。すなわち、上から
第１番目、第３番目、第５番目、第７番目および第９番
目の電極４２ａ、４２ｃ、４２ｅ、４２ｇ、４２ｉには
、たとえばｖの電位が与えられる。また、上から第２番
目および第４番目の電極４２ｂ、４２ｄには、２ｖの電
位が与えられる。そして、上から第６番目および第８番
目の電極４２ｆ、４２ｈには、０の電位が与えられる。

したがって、各圧電セラミック層４３ａ〜４３ｈには、
等しく、ｖの電圧が印加されることになる。そして、各
圧電セラミック層４３ａ〜４３ｈは、それぞれ、第４３
図に矢印で示す形成された電極、すなわち電極４２ｂ、
４２ｄが接続され、さらに、分極用電極４７には、第４
４図の各圧電セラミック層４３ａ〜４３ｈの左側上辺に
まで延びて形成された電極、すなわち電極４２ｆ、４２
ｈが接続される。したがって、接続用電極４５は、第４
３図におけるｖの電位を与える電極となり、分極用電極
４６は、２ｖの電位を与える電極となり、分極用電極４
７は、０の電位を与える電極となる。

第４７図は、第４６図に示した焼結体４４を用いて分極
処理を実際に行なう場合の好ましい方法を説明するため
の図である。分極のための電位ｖ、２ｖ、０をそれぞれ
電極４２ａ、４６、４７に与えるための端子４８、４９
、５０が、分極用電圧を与えるための電源装置（図示せ
ず）に設けられている。特に端子４８ａ、４８ｂは、互
いに対向して配置され、それぞれ適当なばね性をもって
構成されるのが好ましい。焼結体４４に対して分極処理
を行なう場合、矢印５１で示す方向に単に焼結体４４を
挿入するだけでよい。これに応じて、端子４８ａが電極
４２ａに接触し、端子４９、５０がそれぞれ分極用電極
４６、４７に弾性的に接触し、所望の電気的接続が達成
される。そして、分極処理を終えた際には、焼結体４４
をそのまま引き抜けばよく、順次、能率的に、次の分極
処理を実施することができる。

上述のように分極処理を終えたものは、圧電変位素子と
して実用に供される。第４８図および第４９図は、その
ような圧電変位素子に駆動電圧を印加して、伸縮を生じ
させている状態を示している。

第４８図および第４９図から明らかなように、分極処理
する際に用いられた電極４２ａ、４６、４７は、駆動電
圧を印加する際にも、そのまま残されている。そして、
分極用電極４６、４７は互いにリード線５２によって接
続され、一方の外部端子５３へと導かれる。また、電極
４２ａには、他方の外部端子５４が接続され、接続用電
極４５を介してその他の電極４２ｃ、４２ｅ、４２ｇ、
４２ｉと電気接続される。なお、第４９図に示すように
、圧電変位素子は、実際に使用される場合、たとえば、
固定部５５に一方端が片持ちされた状態とされる。した
がって、圧電変位素子の他方端は、自由端とされ、１対
の外部端子５３、５４間に適当な駆動電圧が印加された
とき、圧電変位素子は屈曲振動を起こし、その自由端は
第４９図において上下方向に変位する。

第４８図を参照しながら各圧電セラミック層４３ａ〜４
３ｈの伸縮の状態を説明する。たとえば、外部端子５３
にプラス電位が与えられ、外部端子５４にマイナス電位
が与えられた時点では、上半分の圧電セラミック層４３
ａ〜４３ｄにおいては、それぞれの厚み方向に伸びが生
じ、他方、下半分の圧電セラミック層４３ｅ〜４３ｈに
おいては、それぞれの厚み方向に縮みが生じる。そして
、外部端子５３、５４に与えられる電位が逆になれば、
上述した伸びおよび縮みの関係は逆になる。このように
して、圧電変位素子自身は屈曲振動することになる。

第４８図において、８個の圧電セラミック層４３ａ〜４
３ｈは、すべて、伸縮に寄与していることに注目すべき
である。

第５０図および第５４図は、前述した実施例と電極の数
は同様であるが、分極用電極の接続状態が変更された例
を示している。

第５０図において、９個の電圧５６ａ〜５６ｉのそれぞ
れの間に８個の圧電セラミック層５７ａ〜５７ｈが介在
している。これらの電極５６ａ〜５６ｉのうち、第２番
目、第４番目、第６番目および第８番目の電極５６ｂ、
５６ｄ、５６ｆ、５６ｈには、ｖの電位が与えられる。

また、第１番目、第３番目および第５番目の電極５６ａ
、５６ｃ、５６ｅには、２ｖの電位が与えられる。そし
て、第７番目および第９番目の電極５６ｇ、５６ｉには
、０の電位が与えられる。このようにして分極処理が行
なわれると、矢印で示す方向に、各圧電セラミック層５
７ａ〜５７ｈがそれぞれ分極される。ここで、第６番目
の電極５６ｆの両側に位置する各圧電セラミック層５７
ｅ、５７ｆの圧電方向が揃えられていることに注目すべ
きである。

上述のように分極処理された後、第５１図に示すように
、駆動電圧が印加される。この場合、分極処理において
ｖの電位が与えられていた各電極にたとえばプラス電位
が与えられ、かつ、分極処理において２ｖおよび０の電
位が与えられていた各電極にたとえばマイナス電位が与
えられたとすると、上側の５個の圧電セラミック層５７
ａ〜５７ｅにおいては縮みが生じ、残りの３個の圧電セ
ラミック層５７ｆ〜５７ｈにおいては伸びを生じる。し
たがって、全体としては、屈曲モードの変位が生じるこ
とになる。

だい５０図および第５１図に示した例では、伸びる挙動
を示す圧電セラミック層の数と縮む挙動を示す圧電セラ
ミック層の数とが異なるので、対称的な屈曲振動が得ら
れないけれども、圧電セラミック層５７ａ〜５７ｈのす
べてが伸縮に寄与していることは、前述の実施例と同様
である。

今まで述べてきた分極方法に関する実施例は、電極の数
が奇数であり、介在する圧電セラミック相の数が偶数の
場合であったが、電極の数が偶数であり、圧電セラミッ
ク層の数が奇数の場合にも、この発明の分極方法を適用
することができる。これについて、第５２図および第５
３図を参照して説明する。ここでは、電極の数が１０で
あり、それぞれの電極間に介在する圧電セラミック層の
数が９である。

第５２図において、ｉから順に、１０個の電極５８ａ〜
５８ｊが、互いに対向しながら厚み方向に重ね合わされ
て配置され、各電極間には、９個の圧電セラミック層５
９ａ〜５９ｉがそれぞれ介在している。ここで、上から
第１番目、第３番目、第５番目、第７番目、第９番目の
電極５８ａ、５８ｃ、５８ｅ、５８ｇ、５８ｉにｖの電
位が与えられ、第２番目および第４番目の電極５８ｂ、
５８ｄに２ｖの電位が与えられ、第６番目、第８番目お
よび第１０番目の電極５８ｆ、５８ｈ、５８ｊに０の電
位が与えられて、分極処理が行なわれる。この分極処理
の結果として選られた各圧電セラミック層５０ａ〜５９
ｉの分極の方向は、それぞれ矢印で示されている。第５
番目の電極５８ｅの両側に位置する各圧電セラミック層
５９ｄ、５９ｅの分極の方向が揃えられていることに注
目すべきである。

次に駆動電圧を印加する場合、第５３図に示すように、
分極処理に際してはｖの電位が与えられた各電極５８ａ
、５８ｃ、５８ｅ、５８ｇ、５８ｉと、分極処理に際し
ては２ｖまたは０の電位が与えられた各電極５８ｂ、５
８ｄ、５８ｆ、５８ｈ、５８ｊとの間に駆動電圧が印加
される。このとき、前者に各電極にマイナス電位が与え
られ、後者の各電極にプラス電位が与えられたとすれば
、第５３図に示すように、上側の４個の圧電セラミック
層５９ａ〜５９ｄにおいては厚み方向に伸びが生じ、残
りの電極５９ｅ〜５９ｉにおいては厚み方向に縮みが生
じる。

第５２図および第５３図に示した例においても、第５０
図および第５１図に示した例と同様に、伸びを示す圧電
セラミック層の数と縮みを示す圧電セラミック層の数と
が異なっている。そのため、駆動電圧が印加されたとき
、義対称の屈曲振動を生じることになるが、このことは
、重大な欠陥を何らもたらすものではない。それにも増
して、すべての圧電セラミック層５９ａ〜５９ｉが伸縮
に寄与していることに注目すべきである。

なお、この発明の分極方法が適用される圧電素子は、図
示されたような数の電極および圧電セラミック層を備え
るものには限らない。この発明の分極方法が適用される
圧電素子としては、電極の数が３以上であればよい。そ
して、これら電極のうち、第（ｘ−１ ２ｙ）番目の電
極には第１の電位が与えられ、第（ｘ±２ｙ）番目の電
極には第２の電位が与えられ、第（ｘ＋１＋２ｙ）番目
の電極には第３の電位が与えられることになる。

ここで、電位の高さは、高い方から順に、第１の電位、
第２の電位、第３の電位である。ｘは定数であり２≦ｘ
＜ｎの整数である。なお、ｘは、分極処理された結果、
分極方向が揃う隣り合う２個の圧電セラミック層の間に
位置する電極の順番を表わす定数である。また、ｙ＝０
、１、２、３、・・・である。

上で述べた内容を、前述した各実施例との関連で説明す
ると次のとおりである。

まず、第４３図の実施例について説明する。ここでは、
電極の数ｎが９であり、電極４２ａ〜４２ｉに対して上
から順に順位をつけるとすれば、ｘは電極４２ｅの順位
に相当する５になる。なお、図示された各実施例では、
第１の電位は２ｖであり、第２の電位はｖであり、第３
の電位は０であるということになる。まず、第１の電位
２ｖが与えられるのは、第（ｘ−１−２ｙ）番目の電極
ということになり、ｘが５であるから、第（４−２ｙ）
番目の電極ということになる。ここで、ｙに対して、０
、１、２、・・・を代入すると、第４番目、第２番目、
第１０番目、第（−２）番目、・・・の電極が対応する
ことになる。なお、電極の順番を表わす数字が０もしく
は負となるときは、その電極は存在しないことを示すの
で、結局は、第４番目および第２番目の電極ということ
になり、第４３図に示した電極４２ｄ、４２ｂと対応し
ている。次に、第２の電位ｖが与えられる電極は、第（
ｘ±２ｙ）番目の電極ということになる。ここで、ｘを
５とし、ｙを０、１、２、・・・というように変化させ
ると、・・・、第（−１）番目、第１番目、第３番目、
第５番目、第７番目、第９番目、第１１番目、・・・が
対応することになる。ここで、各電極の順番を表わす数
字が０もしくは負であるかまたはｎを越えるときは、そ
の電極は存在しないことを示しているので、結局は、第
１番目、第３番目、第５番目、第７番目、第９番目の電
極ということになり、第４３図の電極４２ａ、４２ｃ、
４２ｅ、４２ｇ、４２ｉに対応することになる。さらに
、第３の電位０が与えられる電極は、第（ｘ＋１＋ｙ）
番目の電極ということになり、ここで、ｘを５として、
ｙを０、１、２、・・・と変化させると、第６番目、第
８番目、第１０番目、・・・の電極ということになる。

但し、電極の順番を表わす数字がｎを越えるときは、そ
の電極は存在しないことを示すので、結局は、第６番目
および第８番目の電極に第３の電位０が与えられること
になる。このことは、第４３図の電極４２ｆ、４２ｈと
対応している。

第５０図に示す例では、ｘが６である。したがって、ｙ
を０、１、２、・・・と変化させたとき、第（６−１−
２ｙ）ばんめの電極に第１の電位２ｖが与えられること
になり、第（６±２ｙ）番目の電極に第２の電位ｖが与
えられ、第（６＋１＋２ｙ）番目の電極に第３の電位０
が与えられることになる。これらのことは、第５０図に
示した各電極５６ａ〜５６ｉの接続態様と対応している
。

第５２図に示す例では、ｎが１０であり、ｘは５である
。この例では、第１図の電位２ｖは第（５−１ ２ｙ）
番目の電極に与えられ、第２図の電位ｖは第（５±２ｙ
）番目の電極に与えられ、第３の電位０は第（５＋１＋
２ｙ）番目の電極に与えられることになる。ここで、ｙ
に０、１、２、・・・を代入すれば、第５２図に示した
各電極の順位が得られることが理解できる。

なお、以上述べた説明では、第１の電位、第２の電位お
よび第３の電位は、互いに等しい差をもって異ならされ
た電位であったが、必ずしも等しい差をもつ３種類の電
位でなくてもよい。また、２ｖ、ｖ、０というように３
種類の電位がすべてプラス側で差をもたされたが、マイ
ナス側で差をもつように設定されても、プラス側および
マイナス側の双方にまたがって３種類の電位が設定され
てもよい。

また、この発明の分極方法は、３種類の電位を用いて同
時に所望の分極処理を行なえるという効果を奏するもの
であるが、２種類の電位すなわち１つの電位差をもって
分極処理を２段階に分けて行なっても、結果として、同
じ態様に分極処理された圧電変位素子を得ることができ
る。たとえば、第４３図を参照して、このことを説明す
ると、まず、分極用電極４５、４６間にｖの電位差を与
えて、圧電セラミック層４３ａ〜４３ｄのみを分極処理
した後、この電位差を取り除き、次に、分極用電極４５
、４７間にｖの電位差を与えて分極処理すれば、残りの
圧電セラミック層４３ｃ〜４３ｈの分極が行なわれる。

第５４図および第５５図は、この発明の圧電変位素子を
構成する最低条件を満たす実施例を示している。ここに
、第５４図は分極処理時における電気的接続状態を示し
、第５５図は駆動電圧印加時における電気的接続状態を
示している。

この発明の圧電変位素子は、第５４図および第５５図に
示すように、厚み方向に重ね合わされた４個の電極３０
ａ〜３０ｄ、および各電極間に介在する３個の圧電セラ
ミック層３１ａ〜３１ｃを最低の構成数とする。この実
施例においても、第５４図に示すように、この発明の分
極方法を適用するのが好ましい。すなわち、ｌから第１
番目および第３番目の電極３０ａ、３０ｃに、ｖの電位
が与えられ、第２番目の電極３０ｂに、２ｖの電位が与
えられ、第４番目の電極３０ｄに、０の電位が与えられ
る。これによって、各圧電セラミック層３０ａ〜３０ｃ
は、矢印で示す方向に分極処理される。すなわち、第１
の圧電セラミック層３１ａと第２の圧電セラミック層３
１ｂとは、互いに逆向きに厚み方向に分極され、第２の
圧電セラミック層３１ｂと第３の圧電セラミック層３１
ｃとは、同じ方向に厚み方向に分極されている。

上述のように分極処理された後、第５５図に示すように
、駆動電圧が印加される。この場合、たとえば、第１番
目および第３番目の電極３０ａ、３０ｃにプラス電位が
与えられ、第２番目および第４番目の電極３０ｂ、３０
ｄにマイナス電位が与えられる時点を想定すれば、上側
の２個の圧電セラミック層３１ａ、３１ｂにおいては縮
みが生じ、残りの圧電セラミック層３１ｃにおいては伸
びが生じる。したがって、全体として、屈曲モードの変
位が生じることになる。

なお、第５４図および第５５図を参照して説明した実施
例は、この発明の圧電変位素子を構成する最低の条件を
満たす実施例であって、この発明の分極方法が適用され
る圧電変位素子の最低の条件を示すものではないことを
指摘しておく。すなわち、この発明の分極方法では、既
に述べたように、電極の数が３であることが最低の条件
であり、したがって圧電セラミック層の数は最低２個で
あるということができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の圧電変位素子１の外観の
概略を示す斜視図である。 第２図ないし第８図はこの発明の圧電変位素子の第１の
実施例を説明するためのもので、第２図は各圧電セラミ
ック層上における電極の形成パターンを示し、第３図は
焼結体を示し、第４図は焼結体の外側面を特定する記号
を示し、第５図は分極用電極８、９が形成された状態を
示し、第６図は第５図の状態における電気的接続状態を
示し、第７図は外部端子１０、１１が形成された状態を
示し、第８図は第７図の状態における電気的接続状態を
示す。 第９図は第８図の中央の圧電セラミック層５ｄ、５ｅに
おける伸縮の態様を説明する図である。 第１０図はこの発明の圧電変位素子の第２の実施例で用
いられる電極の形成パターンを示す図である。 第１１図および第１２図はこの発明の圧電変位素子の第
３の実施例を説明する図であって、第１１図は電極の形
成パターンを示し、第１２図は外部端子１０、１１が形
成された焼結体７を示す。 第１３図はこの発明の圧電変位素子の第４の実施例であ
って、第１２図の外部端子の形成態様を変更したものを
示している。 第１４図はこの発明の圧電変位素子の第５の実施例で用
いられる電極の形成パターンを示す。 第１５図ないし第１７図はこの発明の圧電変位素子の第
６の実施例を説明するための図であって、第１５図は電
極の形成パターンを示し、第１６図は分極用電極８、９
が形成された焼結体７を示し、第１７図は外部端子１０
、１１が形成された焼結体７を示す。 第１８図および第１９図はこの発明の圧電変位素子の第
７の実施例を説明するための図であって、第１８図はこ
の実施例で用いられる電極の形成パターンを示し、第１
９図は外部端子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂが形成
された焼結体７を示す。 第２０図および第２１図は、それぞれ、この発明の圧電
変位素子の第８および第９の実施例で用いられるう電極
の形成パターンを示す。 第２２図ないし第２４図はこの発明の圧電変位素子の第
１０の実施例を説明するための図であって、第２２図は
この実施例で用いられる電極の形成パターンを示し、第
２３図は分極用電極８、９が形成された焼結体７を示し
、第２４図は外部端子１０、１１が形成された焼結体７
を示す。 第２５図ないし第２７図はこの発明の圧電変位素子の第
１１の実施例を説明するための図であって、第２５図は
この実施例で用いられる電極の形成パターンを示し、第
２６図は分極用電極８、９が形成された焼結体７を示す
。 第２８図および第２９図はこの発明の圧電変位素子の第
１２の実施例を説明するための図であって、第２８図は
分極処理時における電気的接続状態を示し、第２９図は
駆動電圧印加時における電気的接続状態を示す。 第３０図はこの発明の圧電変位素子の第１３の実施例で
あって、第２８図における圧電セラミック層５ｄ、５ｅ
の厚みが薄くされた場合の分極処理時の電気的接続状態
を示す。 第３１図ないし第３５図はこの発明の圧電変位素子の第
１４の実施例を説明するための図であって、第３１図は
この実施例で用いられる電極の形成パターンを示し、第
３２図は分極用電極１７、１８が形成された焼結体１６
を示し、第３３図は第３２図の状態における電気的接続
状態を示し、第３４図は外部端子１９、２０が形成され
た焼結体１６を示し、第３５図は第３４図の状態におけ
る電気的接続状態を示す。 第３６図および第３７図はこの発明の圧電変位素子の第
１５の実施例を説明するための図であって、第３６図は
この実施例で用いられる電極の形成パターンを示し、第
３７図は外部端子１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが形
成された焼結体１６を示す。 第３８図および第３９図はこの発明の圧電変位素子の第
１６の実施例を説明するための図であって、第３８図は
分極処理時の電気的接続状態を示し、第３９図は駆動電
圧印加時の電気的接続状態を示す。 第４０図は従来の並列型バイモルフ構造の圧電変位素子
を示す。 第４１図は従来の圧電変位素子との比較の上で、この発
明の圧電変位素子の変位量を測定する状態を示す。 第４２図はこの発明の圧電変位素子（Ｘ、Ｙ）と従来の
バイモルフ構造の圧電変位素子（Ｚ）とを比較する変位
量と印加電圧との関係を示すグラフである。 第４３図ないし第４９図はこの発明の分極方法の一実施
例を説明するための図であって、第４３図は分極時にお
ける電気的接続状態を示し、第４４図は第４３図に示す
電気的接続を可能にする電極の形成パターンの一例を示
し、第４５図は第４４図に示した電極パターンをもって
構成した焼結体４４を示し、第４６図は焼結体４４に分
極のために用いられる接続用電極４５および分極用電極
４６，４７が形成された状態を示し、第４７図は分極工
程の好ましい実施例を示し、第４８図は駆動電圧を印加
する際の電気的接続状態を示し、第４９図は第４８図の
電気的接続を達成している圧電素子の外観図である。 第５０図および第５１図はこの発明の分極方法の他の実
施例を説明するための図であって、第５０図は分極処理
時の電気的接続状態を示し、第５１図は駆動電圧印加時
の電気的接続状態を示す。 第５２図および第５３図はこの発明の分極方法のさらに
他の実施例を説明するための図であって、第５２図は分
極処理時の電気的接続状態を示し、第５３図は駆動電圧
印加時の電気的接続状態を示す。 第５４図および第５５図はこの発明の圧電変位素子の第
１７の実施例を説明するための図であって、第５４図は
分極処理時の電気的接続状態を示し、第５５図は駆動電
圧印加時の電気的接続状態を示す。 ずにおいて、１は圧電変位素子、３は外部端子、５ａ〜
５ｈ、１４ａ〜１４ｉ、３１ａ〜３１ｃ、４３ａ〜４３
ｈ、５７ａ〜５７ｂ、５９ａ〜５９ｉは圧電セラミック
層、６ａ〜６ｉ、１５ａ〜１５ｊ、３０ａ〜３０ｄ、４
２ａ〜４２ｉ、５６ａ〜５６ｉ、５８ａ〜５８ｊは電極
、７、１６、４４は焼結体、１０、１０ａ、１０ｂ、１
１、１１ａ、１１ｂ、１９、２０、５３、５４は外部端
子、８、９、１７、１８、４６、４７は分極用電極であ
る。 特許出願人 株式会社村田製作所 代理人 弁理士 深見久郎 （ほか２名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）各層の両面に互いに対向する電極が位置する、第
   １、第２および第３の圧電セラミック層が、順次厚み方
   向に重なり合った状態で、焼成されて得られた焼結体と
   、 前記焼結体の外表面上に設けられる第１および第２の外
   部端子とを備え、 前記第１の圧電セラミック層と前記第２の圧電セラミッ
   ク層とは、互いに逆向きに厚み方向に分極されており、 前記第２の圧電セラミック層と前記第３の圧電セラミッ
   ク層とは、同じ方向に厚み方向に分極されており、 前記電極は、交互に前記第１または第２の外部端子に接
   続されている、圧電変位素子。
2. （２）各々２以下の層からなり、かつ各層の両面には互
   いに対向する電極が位置する、第１および第２グループ
   の圧電セラミック層が、厚み方向に重なり合った状態で
   、焼成されて得られた焼結体と、 前記焼結体の外表面上に設けられる第１および第２の外
   部端子とを備え、 前記第１および第２グループの各々について、前記電極
   を介して互いに隣り合う各圧電セラミック層は、互いに
   逆向きに厚み方向に分極されており、 前記各グループに含まれる電極は、それぞれ交互に、前
   記第１または第２の外部端子に接続されている、圧電変
   位素子。
3. （３）互いに対向しながら順次厚み方向に重ね合わされ
   たｎ個（ｎ≧３）の電極間にそれぞれ圧電セラミック層
   が介在した状態で焼成されて得られた焼結体をもって構
   成された圧電素子を分極する方法であって、 前記電極のうち、第（ｘ−１−２ｙ）番目の電極には第
   １の電位が与えられ、第（ｘ±２ｙ）番目の電極には第
   ２の電位が与えられ、第（ｘ＋１１２ｙ）番目の電極に
   は第３の電位が与えられて、各電極間に介在する前記圧
   電セラミック層が分極されることを特徴とする、圧電素
   子の分極方法。 但し、第１の電位＞第２の電位＞第３の電位、ｘは、上
   記分極方法により分極処理された結果、分極方向が揃う
   隣り合う２個の圧電セラミック層の間に位置する電極の
   順番を表わす定数であり、２≦ｘ＜ｎの整数、 ｙ＝０，１，２，３，・・・、および 各電極の順番を表わす数字が０もしくは負のときまたは
   ｎを越えるときは、その電極は存在しないことを示す。