JPS6232668A - 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〕

材料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、逆に電界を加えると
材料に機械的歪が生ずることを逆圧電効果と呼んでいる
。例えばチタン酸バリウム（Ｂａ　Ｔｉ　ｏ３）　、チ
タン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）およびチタン酸鉛とジルコン
酸鉛の固溶体であるジルコンチタン酸鉛（Ｐｂ　（Ｚｒ
　Ｔｉ　）Ｏａ）などのセラミック材料は大きな圧電性
をもっているので、機械エネルギーを電気エネルギーに
、逆Ｋｔ気エネルギーを機械エネルギーに変換する素子
として利用することができる。そのため、これら圧電性
セラミツる逆圧電効果を利用して電気信号に応じた機械
的変位を取シ出す電気機械変換素子、例えば変位量の制
御可能なアクチュエータとして用いられている。

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ンレノイドコイルに代表される電磁
駆動方式である。しかし電気機械変換素子としては圧電
アクチュエータの方が電磁式アクチュエータに比べて実
用上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）熱お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振動、衝撃に強い。

（４）／ト型化が容易である。

（５）材料が安価で自動化による量産が可能であるから
製品コストが低い。

（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アクチュエータの作動原理につい
て簡単に説明する。圧電セラミック材料は電気分極の方
向と平行に電界を印加すると圧電効果によシ分極方向に
伸び、これと直角方向に縮む。前者を縦効果、後者を横
効果と呼んでいる。

印加電圧Ｅと発生ひずみＳとの間には次式の関係が成立
する。

Ｓ　＝　ｄＥ　　　　　　　　　（１）（１）式におい
てｄは圧電ひずみ定数であり、通常の圧電セラミック材
料ではｄの絶対値は縦効果の方が横効果よシ約２倍大き
いｏしたがって圧電セラミック材料をアクチュエータと
して用いるときは、変位量を大きくとれるという点では
縦効果の方が有利であって、従来縦効果を利用した圧電
アクチュエータとして第２図に示すような積層構造のも
のが知られている０第２図はこの積層型圧電アクチュエ
ータの構成を説明するだめの要部断面図である。第２図
において薄板状の圧電セラミック素子１ａを厚さ方向に
電極２ａを介して多数個積層し、積層体の一対の両側面
の電極２ａが露出する部分をそれぞれ交互に絶縁物３ａ
を塗布して絶縁処理し、絶縁処理した積層体の面はさら
に導電ペースト４を印刷しておる。かくして両側の導電
ペースト４の間に直流電圧を印加すると名電極２ａは１
層おきに外部で並列接続されているから、内部に埋め込
まれたｔ極２ａの総数をＮとすれば積層体と同じ厚さの
単一圧電素子に比べＳなる縦効果ひずみを発生させる電
圧は】／（ｎ−１）でよく積層体構造とすることによう
単体構造のものより低電圧で駆動可能な圧電アクチュエ
ータが得られるＯ このような積層体構造は例えば積層セラミックコンデン
サの製造技術を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ック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層して焼成する
という工程により製造されるものである。この方法によ
れば内部電極間距離を０．０１〜０．１層程度まで小さ
くすることができるから、積層体とした圧電アクチュエ
ータの低電圧駆動に寄与している。

しかしながら、圧電アクチュエータを積層体構造とする
ことにも次のような欠点がある。すなわち、表面に電極
２ａを有する圧電セラミック素子１を積層した状態では
これら電極２ａは端面がすべて積層体の側面に露出して
いるので、電気的接続を避ける部分の電極２ａＯ５！出
面Ｋ、それぞれ絶縁物３ａを形成しなければならないが
、この際圧電セラミック素子１の厚さが非常に薄く、各
電極露出面は厚さ方向が数十μｍと小さいために、絶縁
物３ａを的確な位置に形成することがむつかしく、した
がって多くの工数を要し、積層数が増すはどますます確
実な絶縁処理が困難になることである。またこの絶縁物
３ａは一旦形成された後にも使用中に剥離する可能性が
あり、圧電アクチュエータの信頼性を損なう原因にもな
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は」二連の欠点を除去し、圧電セラミック
を積層せず、内部電極の露出部に絶縁体を形成すること
なく、容易な組み立てによＩ）製造工数を低減し、微小
変位を高精度に制御す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。

〔発明の要点〕

本発明は上下両面に電極を設けた薄板状の圧電セラミッ
ク素子をその長手方向の側面に接する絶縁板を介在させ
て絶縁板と交互に複数個配列し、各セラミック素子の上
下両面の電極にそれぞれ極性の異なる電圧を印加できる
ように、各セラミック素子を電気的に並列に接続した構
造とし、電圧を印加すると圧電横効果によシミ昇方向と
垂直方向に変位し、全体として圧電セラミック素子の枚
数倍の変位が得られるようにした圧電アクチュエータで
おる。

〔発明の実施例〕

′以下本発明を実施例に基づき説明する。

１ず例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ　（Ｚｒ、　Ｔ
ｉ）０３〕を主成分とする圧電セラミック材料の予焼粉
末に１機バインダーを混合したものを有機滴剤で分散さ
せてスリップとし、これをドクターブレード法を用いて
０１〜Ｏ，１５＋ｍの厚さのグリーンシートを作製する
。次にグリーンシートを乾燥後巾２■長さ１０５ｍの大
きさの長方形に切断し、上下両主表面にそれぞれ白金ペ
ーストを印刷し電極を形成した後、約１２００℃の温度
で焼結することによシ圧電セラミック素子板を得ること
ができる。

かくして得られた圧電セラミック素子を用いて圧電アク
チュエータを組み立てるが第１図は本発明の圧電アクチ
ュエータの構成を説明するために要部を斜視図で示しだ
ものである。第１図において長方形の圧電セラミック素
子工は上下両面にそれぞれ電極２を有し、圧電セラミッ
ク素子ｌの長手方向の側面に絶縁板３が当接するように
して順次圧電セラミック素子１と絶縁板３とを交互に配
列する。すなわち圧電セラミック素子１の厚さ方向と直
角方向に絶縁板３を介在させて少くとも２個以上の圧電
セラミック素子１が配置される。この際絶縁板３には厚
さ０２聞、巾２目、長さ１０■のアルミナの薄板などを
用い圧電セラミック素子１と絶縁板３との接続はこれら
のいずれか一方の接続面に塗布した接着剤を用いて強固
に固定する。電気配線は、分極処理１７た各圧電セラミ
ック素子の一方の電極を並列に接続し、他方の電極も並
列に接続してそれぞれ直流電源に結線し一方を正極、他
方を負極として電圧を印加するように［７、その結果こ
の圧電アクチュエータは圧電横効果によシミ昇方向と垂
直方向に変位し、変位の大きさは各圧電セラミック素子
１０枚数倍となる。すなわち、変位量は印加電圧と使用
する圧電セラミック素子の数量で決定される。

したがって以上のように圧電セラミック素子を積み重ね
るのではなく絶縁板をはさんで平面状に並べて各素子を
並列にリード線で接続１〜た横効果を利用する圧電アク
チュエータは適当な補強枠を付設して使用すればよく、
印加電圧と圧電セラミック素子の枚数を選定することに
より、微量な変位量を自由に制御することができるので
、例えば光学系のスリット巾の微調節や微小位置決め機
構またはミラーの反射角の調節機構など広い分野への応
用が可能である。しかも本発明の圧電アクチュエータは
構造上組み立てが容易であるから量産に適している。

〔発明の効果〕

圧電性を有するセラミックに電圧を印加して変位させる
圧電効果を利用した圧電アクチュエータは、大きな変位
が得られるという点で、圧電セラミック素子を積層体と
した圧電縦効果のものが従来多く用いられてきたが、こ
のような圧電セラミック素子の積層体は、使用に際して
各素子の電気的接続に関して側面で部分的な絶縁処理を
施さねばならず、この絶縁処理は微小寸法の領域で数多
く行なうので確実に処理することが困難であって多大の
工数を要するばかりでなく、使用中にその絶縁物の剥離
を生じて圧電アクチュエータの信頼性を損なうという問
題をもっていたのに対し、本発明によれば実施例で説明
したように、各圧電セラミック素子を積み重ねることな
く、互に絶縁板をはさんで平面的に並べるようにし、各
素子全電気的に並列に接続して圧電横効果を利用する構
成にしたため、各素子の側面の微小領域を部分的に絶縁
処理するという工程は全く不要となり、組み立てが容易
で工数が極めて短縮される上に歩留りが良く、製造効率
が高められるので、量産性を向上させ、しかも得られた
圧電アクチュエータは電気機械変換素子として微小な変
位を有効に制御することができるように作用するもので
ある０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電アクチュエータの構成を示した要
部斜視図、第２図は従来の積層型圧電アクチュエータの
構成を示しｆｃ要部断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）表裏両面の全域に電極を設けた長方形圧電セラミッ
   ク素子の長手方向側面に該セラミック素子と絶縁板とが
   それぞれ所定の枚数ほぼ同一平面上に配列され、各セラ
   ミック素子の有する一対の前記電極はそれぞれ表裏両面
   で少くとも２個並列接続されて極性の異なる電圧印加回
   路を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。