JPS61289683A - 圧電アクチユエ−タ - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明はセラミック材料の有する圧電効果を利用した圧
電アクチュエータに関する。

〔従来技術とその問題点〕

結晶に機械的応力を加えるとこの応力に比例した電気分
極を生ずることを圧電効果と言い、逆に電界によって機
械的★の生ずることを圧電逆効果と呼んでいる。例えば
チタン酸バリウム（ＢａＴｉ０３λチタン酸鉛（ＰｂＴ
ｉＯ３）およびチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体ジル
コンチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ。

Ｔｉ　）　ｏｓ）などのセラミック材料は大きな圧電性
をもち１機械エネルギーを電気エネルギーに、逆に電気
エネルギーを機械エネルギー＃Ｃ変換する素子として利
用することができる０これら圧電性セラミック材料は電
気工ネルキーを機械エネルギーに便換する逆圧電効果を
利用して電気信号に応じた機械的な変位を得る電気機械
萱換巣子例えば変位量の制御可能なアクチ、二一タの振
動子として活用され始めている。

従来電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチ
ュエータの大部分はルノイドコイルに代表される電磁駆
動方式である０しかし圧電アクチエータタの方が電磁式
に比べて次の諸点で優れている。

（１）電気機械エネルギー変換効率が高いため消費電力
が少ない。

（２）熱詔よび電磁ノイズをほとんど発生しない。

（３）固体であるため外部からの撮動衝撃に強い。

（４）小型化が容易である。

（５）材料が安価で自動的量産が可能のため製品コスト
も低い。

（６）センサーとしての機能を兼備している。

ここで圧電セラミック材料の作ａ原理について説明する
。圧電セラミック材料では１ｔ−Ａ分極の方向と平行に
電界を印加すると圧電効果により分極方向に伸び、これ
と垂直方向に縮む。前者を縦効果、後者を横効果と呼ん
でいる。印加４圧Ｅと発生ひずみＳとの１ＪＩＫは次式
の関係が成豆する。

Ｓ　：　ｄＥ　　　　　　　　　　　　　　（１１ここ
でｄは圧電ひずみ定数であり１通常の圧電セラミ、クス
材料ではｄの絶対値が縦効果の方が横効果より約２倍大
きい。したがって圧電セラミック材料をアクテ、エータ
として用いるときは縦効果を利用する方が有利となるが
縦効果と横効果の相違について以下にさらに詳細に述べ
る。

第３図は圧電アクテ、エータ木子の使い方を説明するた
めの概念図である。第３図（ａｌは単位断面積を有する
長さ！の四角柱圧電セラミック素子１１における縦効果
を示したものであり、矢印Ｐは電気分極の方向を表わし
ている。この素子１ａの長さ方向く直流電圧■を印加す
ると縦効果ひずみＵを生ずる。素子１ｍの容量をＣとす
れば素子１ｍに入力された電気エネルギーＵ曹は ｕ、　：＝　−１ｃｖ”　　　　　　　　　　　（２）
となる。一方素子１ｍが変形することＫより素子１ａに
蓄積される機械的エネルギーＵＭは０ｍ　＝＋Ｙｓｓ　
Ｊｕ　　　　　　　　　　（３）で表わされ、Ｙｌｌは
一定電界下での縦方向ヤング率を示す。ここで入力電気
エネルギーの総量に対する蓄積機械エネルギーの比をエ
ネルギー変換効率ダとすれば縦効果素子ｌ！のエネルギ
ー変換動第３図（ｂ）は第３図（ａ）と同一寸法の圧電
セラミ。

り素子ｔｂを横効果で駆動する場合を示したものである
。この素子１ｂがＵなる横効果ひずみを生ずるためには
第３図（４）の縦効果素子１ｍの約２倍の電界強度が必
要なことわら、駆動電圧は２　Ｖ／Ｊとなる。素子１ｂ
の容量は１Ｃであるから入力電気エネルギーは２ＣＶ　
　となり、横効果素子１ｂのエネルギー変換効率ηｌは で表わされる◇ここにｙｔｔは横方向ヤング率である。

通常の圧電セラミック材料ではＹｌｌ　とＹｅｓとの関
には経験的に次式 ％式％（６１ の近似関係が認められるので縦効果の効率は横効果に比
べて３〜４倍程度大きいことＫなる。

以上のことからアクチュエータに用いる圧電振動子とし
ては縦効果駆動方式とする方が明らかに有利であるが、
大きな豐位を得るためには！が大きくなり、！の値に比
例して駆動電圧も高くなってしまう。この対策として考
えられたらのに第３図（ｃｌ　ＩｔＣ示したような積層
体構造がある。

第３図（ｃｌの積層体構造は各圧電セラミック素子ｌｃ
の内部に層状の電極が多数理め込まれており、各電極は
１層おきに外部で電気的に並列接続されている。内部に
埋め込まれた電極総数をｎとすれば、Ｕなる縦効果ひず
みを発生させるために必要な駆動電圧はｖ／（ｎ−１）
Ｓなる。しかし、エネルギー変換効率は前記の（４）式
と全く等しい。したがって積層体構造を採用すれば、低
電圧で駆動可能な圧電アクチ、二一タが得られる。この
積層体構造は例えば積層セラミ、クコンデンサの製造技
術ヲ応用することができ、ドクターブレード法を用いて
圧電セラミ一りのグリーンシートを作製し、その片側表
面に内部電極となる金属ペーストを印刷塗布した後、所
定枚数のグリーンシートを積ＷＪ　Ｌ。

て焼成するという工程により製造されるものである。こ
のグリーンシート法によれば内部電層間距離を０．０１
〜Ｑ、　ｌ　＊ｍｍ開度で縮めることが可能であるから
、積層体構造を極めて低い電圧で駆動することができる
。

しかしながら、この方法による積層体にも以下のような
欠点がある。

（１）製造王権で人体に対して有害な有機溶剤などを多
量に使用する。

（２）圧電セラミックと内部電極との密着強度がやや不
十分で駆動中に内部電極が剥離することがある０ （３）内部電極の端部がすべて積層体の側面に露出して
いるため、電気的接続が缶じてはならない個所の内部電
極上に絶縁層を形成する必要があり、この際素子の厚さ
が非常に薄いので絶縁層を的確な位置に形成するのに多
くの時間を要し、またそれが脱落しやすい０ したがってこのような圧電セラミ、クアクチ。

エータは方形の薄板圧電セラミックに圧電縦効果を利用
したものとすることが望ましい０〔発明の・目的〕 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は圧電セラミック素子を積層体とすることな（、積層
体構造の圧電アクチエータタと同程度の低電圧で駆動す
ることにより微小な変位を高精度に制御することができ
、しかも長期間の信頼性に富む圧電アクチュエータを提
供することにあるＯ 〔発明の要点〕 本発明は１個の長方形圧電セラミック板の表裏両面の幅
方向に所定の幅と・間隔をもって多数の電極を配置して
、各電極は隣り合う二つの一方をプラス極、他方をマイ
ナス極とするそれぞれ１対の回路を複数個形成し、これ
ら電極に電圧を印加し電気分極の方向を圧電セラミック
板の長手方向とすることにより、圧電セラミック板に圧
電縦効果を生じさせるようにした圧電アクチュエータで
あるＯ 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明するり第１図および第
２図は本発明による圧電アクチ鳥エータにおける電極装
置とこれら電極の接続状態を説明するための部分的斜視
図である・第１図、第２図において圧電セラミック板１
１は長方形に成形・焼成したチタン酸バ１１ウムもしく
はチタン酸・ジルコン酸鉛などからなる薄板である。こ
の圧電セラｉ、り板１１の一面上にその幅方向に所定の
厚さと幅を有する例えば銀・パラジウムなどからなりそ
れぞれ一対となる金Ｊ１ｍ電極膜１２・１２ａ、１３・
１３ａｅ　１４５１４ｍ、　１５・１５１　　を通常の
方法により印刷し配役する◇まだ裏面側にも同様にこれ
ら電極膜とそれぞれ対応する位置に金属電極膜１６・１
６ａ、　１７・１７ｍ、　１８ｅ１８ｍ、　１９＊１９
ｍを設ける０このように圧電セラミック板１１と各電極
配置との構成は第１図と２＠２図は全く同じであるが第
１図と第２図では各１対の電極の電源Ｌｆ！！続するだ
めの極性が異なるようにしである。

すなわち、第１図のものは１対となる一方の電極１２は
プラス極、他方の電極１２ａをマイナス極Ｋ。

電極１３をマイナス極、電極１３ａをプラス極に接続し
、裏面の対応配置した電極１６０１６ｍ、１７・１７ｍ
の接続も表面と同様な極性の関係をもつようＫする０そ
の他の対となる電極１４・１４ｍ、　１５・１５ａおよ
び裏面の電極１８・１８ａおよび１９−１９ａＫついて
も同じように電極１４　、１５　ｍをプラス極に、１４
ａ、１５をマイナス極に、裏面では１８　、１９８をプ
ラス極に、１８ａ、１９をマイナス極にそれぞれ接続し
て各対の回路を構成している。この場合電気分極は事前
に電極膜と１２星の間、電極１３と１３ａの間および１
４と１４ａの間でそれぞれ矢印Ｐの方向となるようにし
ておけばよい。

これに対して第２図のものでは電極膜をプラス極。

１２ｍをマイナス極に接続し、これに隣り合って対とな
る電極は１３をプラス極、１３息をマイナス極に接続し
、電極１４＃　１４　ａ　ｅ電極１５．１５ａＶｃつい
ても同様にしてあり、当然のことながらこれらに対応配
置した裏面電極１６〜１９鳳も表面と同じようにしたも
のである。この場合は電極１２１と電極１３との間にも
通電されるので電極１２ｍと電極１３０関に対しても事
前に矢印Ｐ方向に分極処坤をする必要がある。

このことは電極１３ａと１４．電極１４ａと１５につい
ても同様である。

このように本発明では圧電セラミック板１１の表裏面の
幅方向に帯状の多数の電極を設けて、対となる回路を多
く形匡することができるが電源への電極の接続をプラス
極とマイナス極との設定に関して第１図のようＫしたと
きは電極１２Ｍと電極１３の間、電極１３ａと１４．電
極１４ａと１５の間ではそれぞれ同位相であって通電さ
れないから、これらの個所では圧電セラミック板１１は
伸縮挙動を示すことなく、変位は１対となる電極間のみ
で生ずるのに対し、第２図のようＫしたときは、各１対
の電極同志の間でも圧電セラミック板１１は伸びること
ができる０第１図、第２図のように構成した圧電アクチ
、二一タの全ての電極に電圧を印加すると。

圧電セラミック板１１の変位はこれら電極間に生じた変
位の総和となるから、第２図のようＫした方が第１ｎの
ものより全体として変位を大きくとることができる０ なお本発明の圧電アクチ、二一タに関して圧電セラミッ
ク板の形状９寸法やこの圧電セラミック板の表裏両面に
設ける電極配置および上記の電極接続方式は圧電アクチ
ュエータの使用目的に応じて最も適するように設定すれ
ばよいが、低電圧でアクチュエータを駆動させ、しかも
大きな変位量を得るには各電極の幅とそれらの間隔をで
きるだけ小さくするのが好ましくＯ，ＯＳ〜１．０鶴糧
度の範囲に収めるのがよい０ また本発明のごとく構成した圧電アクチ、二一タは微小
な齋位量を精度よく必要とするときは、任意の対となっ
ている電極に選択的に電圧印加することにより可能であ
り、各電極のプラス極とマイナス極をそれぞれまとめて
並列接続し電圧印加することもできるが、この場合もス
イッチング回路を設けてそのスイッチ操作により同様に
選択的電圧印加を行うことができる〇 一方本発明の圧電アクチュエータを製造する際。

圧電セラミック板上に多数の金属膜電極を形成するＫは
、スクリーン印刷法などのはかに、極めて微細な幅をも
った電極のときは１例えば半導体集積回路などの製造に
常用されるフォトリングラフィ技術を適用することがで
きるという有利な点もある０ 〔劣明の効果〕 圧電セラさ、りを用いた圧電アクチュエータは縦効果駆
動方式が変換効率が大きいという点で有利であるが、駆
動電圧が高くなるために従来圧電セラミック板を積層体
とする構造としていたが、この積層型は製造工数が複雑
である上に電極が剥離しやすいなど安定性に欠けるもの
であったのに対し、本発明では実施例で説明したように
、圧電セラミック板を積層することなく１枚の圧電セラ
ミック板に遍切な電極配置と電圧印加を施すことにより
圧電縦効果の長所を発揮せしめたものであり、本発明に
よれば１枚の長方形圧電セラ１ｍり板の表裏両面の幅方
向に必要なひずみ量に応じた幅と間隔をもつ多数の電極
を配置し、一方を正極、他方を負極とする１対の電極を
複数個形成してこれらに電圧を印加し、電気分極が圧電
セラミック板の長手方向となるようＫして圧電縦効果を
生じさせているために、従来の積層型に匹敵する低電圧
駆動が可能となり、しかも積層工程が不要となることか
ら製造方法が簡単であり、積層型に見られる圧電セラミ
ック板の側面に露出した内部電極の絶縁不良に起因する
欠陥などは全く発生することがないから、長期安定性に
すぐれ、精度よく信頼性の高い圧電アクチ、土−夕とす
ることができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の圧電アクチ、二一タの電極配
置と電極の接続を示した部分的斜視図、第３図は従来の
圧電アクチオ二一タの構造と作動を説明するための概念
図である０ １１・・・圧電セラミック板、戊、１２鳳、１３．１３
鳳％１４゜１４鳳％１５　＃　１５ａ−ｔａ　＃　１６
ａ、　１７　ｅ　１７　ａ％１８　＠　１８鳳％１９　
＠　１９　ａ　　・”電極。 第２図 （Ｑ）　　　　　　　　　（ｂ） ■々１） （Ｃ） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）長方形圧電セラミック板の表裏両面のそれぞれ該セ
   ラミック板の幅方向に表面と裏面で対称な位置に配設さ
   れた複数個の帯状電極と該帯状電極の二つの隣り合う電
   極からなる一方をプラス極、他方をマイナス極として電
   源に接続する複数組の１対の電圧印加回路とを備えたこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータ。