JP2002118303A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、Ｘ−Ｙス
テージ等の位置決め機構、リニアモータ、回転モータ等
の送り機構、或いはパーツフィーダ等の搬送機等に用い
られる、剪断変形（１５モード変位）と厚み変形（３３
モード変位）を利用した圧電アクチュエータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shearing deformation (15-mode displacement) used for, for example, a positioning mechanism such as an XY stage, a feed mechanism such as a linear motor or a rotary motor, or a transfer machine such as a parts feeder. ) And thickness deformation (33
The present invention relates to a piezoelectric actuator utilizing a mode displacement.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、図４（ａ）・（ｂ）の説明図
に示すように、圧電体９１に１対の分極用電極９２を設
けて分極処理を施し（図４（ａ））、次に分極用電極９
２を除去して、分極方向と直交する方向に電界を印加す
るための駆動用電極９３を形成して、駆動用電極９３に
電圧を印加する（図４（ｂ））と、生ずる電界によって
圧電体９１に１５モード変位と呼ばれる「剪断変形」が
起こることが知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in FIGS. 4A and 4B, a piezoelectric body 91 is provided with a pair of polarization electrodes 92 and subjected to polarization processing (FIG. 4A). And then the polarization electrode 9
2 is removed, and a driving electrode 93 for applying an electric field in a direction orthogonal to the polarization direction is formed. When a voltage is applied to the driving electrode 93 (FIG. 4B), the piezoelectric field is generated by the generated electric field. It is known that “shear deformation” called a 15-mode displacement occurs in the body 91.
【０００３】また、図５（ａ）・（ｂ）の説明図に示す
ように、圧電体８１に１対の電極８２を設けて分極処理
を施し（図５（ａ））、次に電極８２用いて、分極処理
時に圧電体８１に加えた電界よりも小さい電界を圧電体
８１に印加する（図５（ｂ））と、圧電体８１に、３３
モード変位と呼ばれる「厚み変形」が起こる。図５
（ｂ）では厚み変形を起こす前の形状が点線で示されて
いる。As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), a pair of electrodes 82 are provided on a piezoelectric body 81 to perform a polarization process (FIG. 5 (a)). When an electric field smaller than the electric field applied to the piezoelectric body 81 during the polarization process is applied to the piezoelectric body 81 (FIG. 5B), 33
"Thickness deformation" called mode displacement occurs. FIG.
In (b), the shape before thickness deformation is shown by a dotted line.
【０００４】このような剪断変形を起こす圧電素子（１
５モード素子）と厚み変形を起こす圧電素子（３３モー
ド素子）を利用した送り装置として、特公平３−８１１
１９号公報には、ステージに２個の３３モード素子から
なる第１脚部と、１個の３３モード素子と１個の１５モ
ード素子からなる第２脚部が設けられてなる送り機構が
開示されている。A piezoelectric element (1) that causes such a shearing deformation
As a feeding device using a piezoelectric element (33 mode element) which causes thickness deformation and a piezoelectric element (33 mode element) which causes thickness deformation, Japanese Patent Publication No. 3-811
No. 19 discloses a feed mechanism in which a stage is provided with a first leg composed of two 33-mode elements and a second leg composed of one 33-mode element and one 15-mode element. Have been.
【０００５】この送り機構の動作は、概略、次の通りで
ある。即ち、最初に、第１脚部が伸長して接地し、ステ
ージを支持するとともに、第２脚部の３３モード素子を
縮ませて第２脚部は接地面から浮かせた状態とする。次
に、第２脚部の１５モード素子を剪断変形させた後に第
２脚部の３３モード素子を伸長させて第２脚部を接地さ
せ、一方で第１脚部は縮ませて接地面から浮かせた状態
とする。こうして第２脚部が接地してステージを支持し
た状態で、第２脚部の１５モード素子の剪断変形を解除
し、その後に再び第１脚部を伸長させて接地させる。The operation of this feed mechanism is roughly as follows. That is, first, the first leg is extended and grounded to support the stage, and the 33 mode element of the second leg is contracted so that the second leg is floated from the ground surface. Next, after the 15-mode element of the second leg is sheared, the 33-mode element of the second leg is extended to ground the second leg, while the first leg is contracted to reduce the ground from the ground surface. Make it in a floating state. With the second leg contacting the ground and supporting the stage in this way, the shear deformation of the 15-mode element of the second leg is released, and then the first leg is extended again to contact the ground.
【０００６】こうして、ステージは第１脚部により支持
された最初に状態に戻り、しかも、第２脚部の１５モー
ド素子の剪断変形の変位量だけ移動したことになる。こ
のような動作を繰り返すことで、所定位置までステージ
を移動させることができ、一方、ステージを固定した場
合には接地面となっている物体を移動させることもでき
る。[0006] Thus, the stage returns to the initial state supported by the first leg, and has moved by the displacement of the shear deformation of the 15-mode element of the second leg. By repeating such an operation, the stage can be moved to a predetermined position. On the other hand, when the stage is fixed, an object serving as a ground surface can be moved.
【０００７】ここで、上記送り機構におけるステージの
移動速度を速めるためには、第１脚部と第２脚部の駆動
周波数が一定の場合には、第２脚部の１５モード素子の
変位量の大きくすることが必要である。１５モード素子
の変位量を大きくする１つの方法は駆動電圧を上げるこ
とであるが、１５モード素子においては、分極方向と駆
動電界が印加される方向とが異なるために、駆動電圧を
大きくして駆動電界の大きさが大きくなると、分極が消
滅して、１５モードで変位しなくなる問題があり、この
ため、駆動電圧を上げるにも限度がある。Here, in order to increase the moving speed of the stage in the feed mechanism, when the driving frequency of the first leg and the second leg is constant, the displacement of the 15-mode element of the second leg is increased. It is necessary to increase. One method of increasing the displacement of the 15-mode element is to increase the drive voltage. However, in the 15-mode element, since the polarization direction and the direction in which the drive electric field is applied are different, the drive voltage is increased. When the magnitude of the driving electric field becomes large, the polarization disappears, and there is a problem that the displacement does not occur in the 15 mode. Therefore, there is a limit in increasing the driving voltage.
【０００８】１５モード素子の変位量を大きくする別の
方法は、１５モード素子を多層化して変位量を和する方
法である。しかし、１５モードで駆動する圧電体を多層
化する場合には、個々に作製した１５モード素子を樹脂
接着剤等を用いて接合しなければならず、この場合に
は、多層化の作業におけるハンドリングや生産性を考慮
し、圧電体の機械的強度を確保しなければならない。従
って、圧電体の厚みを薄くするにも限界があることか
ら、多層化による大型化を免れない。Another method for increasing the displacement of the 15-mode element is to add the displacement by adding 15-mode elements to multiple layers. However, when the piezoelectric body driven in 15 modes is multilayered, the individually fabricated 15 mode elements must be joined using a resin adhesive or the like. In this case, handling in the multilayering operation is required. It is necessary to secure the mechanical strength of the piezoelectric body in consideration of productivity and productivity. Therefore, since there is a limit in reducing the thickness of the piezoelectric body, it is inevitable that the piezoelectric body is increased in size due to multilayering.
【０００９】なお、１５モード素子を樹脂接着剤を用い
て積層する場合には、通常、駆動用電極間に金属板が挟
まれるが、樹脂接着剤の量が多いと金属板と駆動用電極
との導通が確保されない場合が生じたり、１５モード素
子を互いに平行に接着できずに所定の変位量を得ること
ができなくなる場合があった。従って、１５モード素子
の駆動用電極と金属板との導通を確保し、かつ、１５モ
ード素子を平行に積層することも、所定の変位量を得る
上で重要である。When a 15-mode element is laminated using a resin adhesive, a metal plate is usually sandwiched between the driving electrodes. However, if the amount of the resin adhesive is large, the metal plate and the driving electrode are not connected to each other. In some cases, or the 15-mode elements cannot be adhered in parallel to each other, and a predetermined amount of displacement cannot be obtained. Therefore, it is important to secure conduction between the driving electrode of the 15-mode element and the metal plate and to stack the 15-mode element in parallel to obtain a predetermined displacement.
【００１０】本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み
てなされたものであり、１５モード素子と３３モード素
子の多層化による大型化を抑制しながら１５モード素子
の変位量を増大させ、かつ、信頼性に優れた圧電アクチ
ュエータを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and increases the displacement of a 15-mode element while suppressing an increase in size due to multilayering of a 15-mode element and a 33-mode element. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator having excellent reliability.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、
圧電素子と金属板を交互に積層してなる圧電アクチュエ
ータであって、前記圧電素子の少なくとも１つは、前記
金属板間に所定の電圧を印加したときに厚み方向に変位
する３３モード素子であり、前記３３モード素子以外の
圧電素子は、前記金属板間に所定の電圧を印加したとき
に剪断方向に変位する１５モード素子であり、前記金属
板には多数の孔部が形成されていることを特徴とする圧
電アクチュエータ、が提供される。That is, according to the present invention,
A piezoelectric actuator in which a piezoelectric element and a metal plate are alternately stacked, wherein at least one of the piezoelectric elements is a 33-mode element that is displaced in a thickness direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates. The piezoelectric element other than the 33 mode element is a 15 mode element which is displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates, and the metal plate has a large number of holes. A piezoelectric actuator is provided.
【００１２】このような圧電アクチュエータにおいて
は、圧電素子と金属板との接着に使用される樹脂接着剤
のうち余剰量が金属板に形成された孔部に収容されるこ
とから、圧電素子に形成された駆動用電極と金属板との
導通を確保しながら、しかも圧電素子どうしを平行に接
着することが可能となり、所望する変位量を得ることが
容易となる。In such a piezoelectric actuator, since an excess amount of the resin adhesive used for bonding the piezoelectric element and the metal plate is accommodated in the hole formed in the metal plate, the excess amount is formed in the piezoelectric element. It is possible to bond the piezoelectric elements in parallel while securing the conduction between the driving electrode and the metal plate, and it is easy to obtain a desired displacement.
【００１３】また、本発明によれば、圧電素子と金属板
を交互に積層してなる圧電アクチュエータであって、前
記圧電素子の少なくとも１つは、同時焼成法を用いて、
圧電体と内部電極とが交互に積層されて一体的に形成さ
れた構造を有し、前記内部電極に所定の電圧を印加した
ときに積層方向に変位する３３モード素子であり、前記
３３モード素子以外の圧電素子は、前記金属板間に所定
の電圧を印加したときに剪断方向に変位する１５モード
素子であることを特徴とする圧電アクチュエータ、が提
供される。Further, according to the present invention, there is provided a piezoelectric actuator in which piezoelectric elements and metal plates are alternately laminated, wherein at least one of the piezoelectric elements is formed by a simultaneous firing method.
A 33-mode element which has a structure in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked and integrally formed, and is displaced in a stacking direction when a predetermined voltage is applied to the internal electrode; The other piezoelectric element is a 15-mode element that is displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates, thereby providing a piezoelectric actuator.
【００１４】同時焼成法を用いて作製した３３モード素
子では、１層の圧電体の厚みを薄くすることが容易であ
り、例えば、１５モード素子と同じ厚みであっても複数
層に形成して強い電界を加え、大きな変位量を得ること
が可能となる。こうして、用いる３３モード素子の数を
減少させる代わりに、１５モード素子の積層数を増や
し、これにより１５モード素子の変位量が拡大する。な
お、金属板としては、多数の孔部が形成されているもの
を用いることが好ましい。In a 33 mode element manufactured by the simultaneous firing method, it is easy to reduce the thickness of one layer of the piezoelectric body. For example, even if the thickness is the same as that of the 15 mode element, it is formed in a plurality of layers. By applying a strong electric field, a large displacement can be obtained. Thus, instead of reducing the number of 33 mode elements used, the number of stacked 15 mode elements is increased, thereby increasing the displacement of the 15 mode elements. It is preferable to use a metal plate having a large number of holes.
【００１５】上記本発明の圧電アクチュエータにおいて
は、３３モード素子の駆動電圧と１５モード素子の駆動
電圧を等しくしたときに、３３モード素子を構成する圧
電体１層にかかる電界の大きさが、１５モード素子を構
成する圧電体にかかる電界の大きさの３倍以上となるよ
うに、３３モード素子を構成する圧電体の１層の厚み
を、１５モード素子の圧電体の厚みよりも小さくするこ
とが好ましい。これにより、少数の３３モード素子でも
十分な厚み方向の変位量を得ることができるようにな
り、３３モード素子の数を減らしてその代わりに１５モ
ード素子を配設し、１５モードの変位量を拡大すること
が可能となる。１５モードの変位量が大きくなれば、Ｘ
−Ｙステージ等の送り機構やリニアモータ、回転モータ
の駆動機構として用いた場合に、移動速度を速めること
が可能となる。In the piezoelectric actuator of the present invention, when the drive voltage of the 33-mode element is equal to the drive voltage of the 15-mode element, the magnitude of the electric field applied to one layer of the piezoelectric body constituting the 33-mode element is 15 The thickness of one layer of the piezoelectric body constituting the 33 mode element is made smaller than the thickness of the piezoelectric body of the 15 mode element so that the magnitude of the electric field applied to the piezoelectric body constituting the mode element is three times or more. Is preferred. As a result, a sufficient amount of displacement in the thickness direction can be obtained even with a small number of 33-mode elements, and the number of 33-mode elements is reduced, and instead, 15-mode elements are provided. It is possible to expand. If the displacement of the 15 mode becomes large, X
When used as a feed mechanism such as a -Y stage or a drive mechanism for a linear motor or a rotary motor, the moving speed can be increased.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】本発明の圧電アクチュエータに用
いられる圧電体としては、圧電セラミックス、単結晶圧
電体、高分子圧電体等の種々の圧電体を用いることがで
きるが、中でも圧電定数が大きく、大きな１５モード変
位と３３モード変位が得られるチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）をはじめとした種々の圧電セラミックス（焼
結体）が好適に用いられる。そこで、以下、圧電セラミ
ックスを用いた形態を例に説明することとする。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As the piezoelectric material used in the piezoelectric actuator of the present invention, various piezoelectric materials such as piezoelectric ceramics, single crystal piezoelectric materials, and polymer piezoelectric materials can be used. Various piezoelectric ceramics (sintered bodies) such as lead zirconate titanate (PZT), which can provide a large 15-mode displacement and a 33-mode displacement, are preferably used. Therefore, an embodiment using piezoelectric ceramics will be described below as an example.
【００１７】図１は、本発明の圧電アクチュエータの一
実施形態を示す断面図である。圧電アクチュエータ１０
は、圧電素子１１ａまたは圧電素子１１ｂと金属板１２
とが交互に積層された構造を有している。圧電素子１１
ａは、薄板状の圧電体の両表面に図示しない駆動用電極
が形成されており、この駆動用電極間に所定の電圧を印
加したときに圧電体が厚み方向に変位する３３モード素
子である。一方、圧電素子１１ｂは、薄板状の圧電体の
両表面に図示しない駆動用電極が形成され、この駆動用
電極間に所定の電圧を印加したときに圧電体が剪断方向
に変位する１５モード素子である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention. Piezoelectric actuator 10
Are the piezoelectric element 11a or the piezoelectric element 11b and the metal plate 12
And are alternately stacked. Piezoelectric element 11
Reference numeral a denotes a 33 mode element in which drive electrodes (not shown) are formed on both surfaces of a thin plate-shaped piezoelectric body, and the piezoelectric body is displaced in the thickness direction when a predetermined voltage is applied between the drive electrodes. . On the other hand, the piezoelectric element 11b is a 15-mode element in which drive electrodes (not shown) are formed on both surfaces of a thin plate-shaped piezoelectric body, and the piezoelectric body is displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied between the drive electrodes. It is.
【００１８】３３モード素子１１ａは、例えば、所定の
厚みを有する圧電体を準備し、その両表面に銀ペースト
等を用いてスクリーン印刷法等により電極を印刷し、焼
成した後に、形成された電極間に所定の電圧を印加して
分極処理して作製することができる。また、１５モード
素子１１ｂは、所定の厚みを有する圧電体を準備して、
対向する一対の側面に銀ペースト等を用いて形成した電
極間に所定の高電圧を印加して分極処理を施した後、こ
の電極を除去して、分極が解けないように、圧電体の両
表面に新たに導電性樹脂等を用いて駆動用電極を形成す
ることで作製することができる。The 33-mode element 11a is prepared, for example, by preparing a piezoelectric body having a predetermined thickness, printing electrodes on both surfaces thereof by a screen printing method using a silver paste or the like, firing the electrodes, and then firing the electrodes. It can be manufactured by applying a predetermined voltage during the polarization process. Further, the 15-mode element 11b prepares a piezoelectric body having a predetermined thickness,
After applying a predetermined high voltage between electrodes formed by using silver paste or the like on a pair of opposing side surfaces to perform a polarization process, the electrodes are removed, and both sides of the piezoelectric body are removed so that the polarization is not released. It can be manufactured by newly forming a drive electrode on the surface using a conductive resin or the like.
【００１９】なお、一般的に、圧電体は圧電セラミック
ス粉末をプレス成形法や押出成形法、射出成形法等の種
々の方法を用いて板状またはシート状に成形し、所定温
度で焼成した後に、必要に応じて研削・切削加工等を施
すことにより作製される。In general, a piezoelectric body is formed by molding a piezoelectric ceramic powder into a plate or a sheet using various methods such as a press molding method, an extrusion molding method, and an injection molding method, and after firing at a predetermined temperature, It is manufactured by performing grinding, cutting, and the like as necessary.
【００２０】３３モード素子１１ａと金属板１２との
間、および１５モード素子１１ｂと金属板１２との間
は、それぞれ樹脂接着剤により接着されている。この樹
脂接着剤によって形成されている接着層は薄く、３３モ
ード素子１１ａと１５モード素子１１ｂに形成されてい
る駆動用電極は部分的に金属板１２と接しているので、
樹脂接着剤としては、通常、絶縁性のものを用いること
ができる。こうして、金属板１２を１層おきに接続して
正極と負極を構成し、これに駆動電圧をかけることは、
３３モード素子１１ａと１５モード素子１１ｂに形成さ
れている駆動用電極に駆動電圧を印加することと同じこ
ととなる。The 33 mode element 11a and the metal plate 12 and the 15 mode element 11b and the metal plate 12 are bonded with a resin adhesive. The adhesive layer formed by this resin adhesive is thin, and the drive electrodes formed on the 33-mode element 11a and the 15-mode element 11b are partially in contact with the metal plate 12.
Generally, an insulating material can be used as the resin adhesive. In this way, connecting the metal plate 12 every other layer to form a positive electrode and a negative electrode, and applying a driving voltage to this,
This is the same as applying a drive voltage to the drive electrodes formed on the 33 mode element 11a and the 15 mode element 11b.
【００２１】なお、３３モード素子１１ａと１５モード
素子１１ｂの駆動用電極と金属板１２との導通を確実な
ものとするために、接着強度が確保される限りにおい
て、樹脂接着剤として金属粒子等の導電体を含む導電性
樹脂接着剤を用いて導通の確保を図ってもよい。また、
樹脂接着剤を用いての多層化作業にあたっては、積層方
向に所定の圧力が加えられることから、圧電体には所定
の機械的強度が要求される。このため、圧電体の厚み
は、例えば、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、一
方、駆動電圧があまりに大きくならないように２ｍｍ以
下とすることが好ましい。In order to ensure conduction between the driving electrodes of the 33-mode element 11a and the 15-mode element 11b and the metal plate 12, metal particles or the like may be used as the resin adhesive as long as the adhesive strength is ensured. Conductivity may be ensured by using a conductive resin adhesive containing the above conductor. Also,
In a multi-layering operation using a resin adhesive, a predetermined pressure is applied in the laminating direction, so that a predetermined mechanical strength is required for the piezoelectric body. For this reason, the thickness of the piezoelectric body is preferably, for example, 0.5 mm or more, while it is preferably 2 mm or less so that the driving voltage does not become too large.
【００２２】図１に示すように、３３モード素子１１ａ
は、電圧を印加したときに伸長するように用いる場合に
は、３３モード素子１１ａの圧電体の分極の向き（矢印
Ｓ１）と同じ向きに駆動電圧による電界（矢印Ｓ２）が
かかるように配置する。一方、電圧を印加したときに縮
むように用いる場合には、図示しないが、駆動電圧によ
る電界（矢印Ｓ２）と圧電体の分極の向き（矢印Ｓ１）
が逆向きとなるようにするが、このとき、分極が消滅し
ないように駆動電圧の大きさを適切な値とする必要があ
る。As shown in FIG. 1, the 33 mode element 11a
When an electric field (arrow S 2 ) is applied by a driving voltage in the same direction as the polarization direction (arrow S 1 ) of the piezoelectric body of the 33 mode element 11a when used to expand when a voltage is applied. Deploy. On the other hand, in the case of contracting when a voltage is applied, although not shown, the electric field (arrow S 2 ) due to the driving voltage and the direction of polarization of the piezoelectric body (arrow S 1 )
Is reversed, but at this time, it is necessary to set the magnitude of the driving voltage to an appropriate value so that the polarization does not disappear.
【００２３】また、１５モード素子１１ｂは、剪断変形
の向きが同じであって変位量が和されるように配置す
る。例えば、１枚の金属板１２の上下に位置する２個の
１５モード素子１１ｂでは、電界のかかる向き（矢印Ｓ
２）が逆向きとなるので、分極の向き（矢印Ｓ３）も厚
み方向に垂直な方向で逆向きとなるように配置する。図
１には、４層の１５モード素子１１ｂが剪断変形した状
態が点線で示されている。The 15-mode elements 11b are arranged so that the directions of the shearing deformations are the same and the displacements are summed. For example, in two 15-mode elements 11b located above and below one metal plate 12, the direction in which an electric field is applied (arrow S
Since 2 ) is the opposite direction, the polarization direction (arrow S 3 ) is also arranged to be the opposite direction in the direction perpendicular to the thickness direction. In FIG. 1, the state in which the four-layer 15-mode element 11b is sheared is shown by a dotted line.
【００２４】金属板１２としては、図２の平面図に示す
ように、多数の孔部２１が形成されているものを用いる
ことが好ましい。圧電アクチュエータ１０の製造工程に
おける樹脂接着剤の供給は、例えば、ディスペンサを用
いて行われるが、この場合に塗布量が樹脂接着剤の粘度
の変化等によって変動する場合がある。塗布した樹脂接
着剤の量が多い場合には、金属板１２と３３モード素子
１１ａ・１５モード素子１１ｂの駆動用電極との間が接
触しなくなり、圧電アクチュエータ１０の駆動特性が低
下するおそれがある。また、接着層に勾配が生じて所望
する向きに変位しなくなる等の問題を生ずる。しかし、
孔部２１が形成された金属板１２を用いると、樹脂接着
剤の塗布量の変動によって樹脂接着剤が多く供給された
場合であっても、余分な樹脂接着剤を孔部２１に収容す
ることができるので、強固で平坦な接着層を容易に得る
ことが可能となる。As the metal plate 12, as shown in the plan view of FIG. 2, it is preferable to use a metal plate having a large number of holes 21 formed therein. The supply of the resin adhesive in the manufacturing process of the piezoelectric actuator 10 is performed using, for example, a dispenser. In this case, the application amount may fluctuate due to a change in the viscosity of the resin adhesive or the like. When the amount of the applied resin adhesive is large, the metal plate 12 and the driving electrodes of the 33-mode element 11a and the 15-mode element 11b do not come into contact with each other, and the driving characteristics of the piezoelectric actuator 10 may be deteriorated. . In addition, there is a problem that a gradient is generated in the adhesive layer and the adhesive layer is not displaced in a desired direction. But,
By using the metal plate 12 in which the holes 21 are formed, even if a large amount of the resin adhesive is supplied due to a change in the amount of application of the resin adhesive, excess resin adhesive can be accommodated in the holes 21. Therefore, it is possible to easily obtain a strong and flat adhesive layer.
【００２５】また、接着層の形態が安定することによ
り、金属板１２と３３モード素子１１ａ・１５モード素
子１１ｂの駆動用電極との間の接触が確保され、多層化
された圧電素子を確実に駆動して変位させることが可能
となり、圧電アクチュエータとしての特性が確保され
る。なお、金属板１２の材質に制限はなく、例えば、銅
板、アルミニウム板、ステンレス板等を用いることがで
き、厚みとしては、１０μｍ〜１００μｍ程度の箔状、
板状のものが好適に用いられる。Further, since the form of the adhesive layer is stabilized, the contact between the metal plate 12 and the drive electrodes of the 33-mode element 11a and the 15-mode element 11b is ensured, and the multilayered piezoelectric element can be reliably formed. It becomes possible to drive and displace, and the characteristics as a piezoelectric actuator are secured. In addition, the material of the metal plate 12 is not limited, and for example, a copper plate, an aluminum plate, a stainless steel plate, or the like can be used, and the thickness is about 10 μm to 100 μm,
A plate-like thing is used suitably.
【００２６】さて、圧電アクチュエータ１０では、下部
の４層が３３モード素子１１ａで構成され、上部の４層
が１５モード素子１１ｂで構成されている。３３モード
素子１１ａと１５モード素子１１ｂとの境界に位置する
金属板１２は、３３モード素子１１ａまたは１５モード
素子１１ｂに駆動電圧を印加した際に、常に低電位側
（グランド（ＧＲＤ））となるように設定する。In the piezoelectric actuator 10, the lower four layers are composed of 33 mode elements 11a, and the upper four layers are composed of 15 mode elements 11b. The metal plate 12 located at the boundary between the 33 mode element 11a and the 15 mode element 11b is always on the low potential side (ground (GRD)) when a drive voltage is applied to the 33 mode element 11a or the 15 mode element 11b. Set as follows.
【００２７】３３モード素子１１ａと１５モード素子１
１ｂの積層数は、所望する変位量を得るために任意に設
定され、圧電アクチュエータ１０のように８層に限定さ
れるものではない。また、３３モード素子１１ａに印加
する電圧（３３モード素子駆動信号）と、１５モード素
子１１ｂに印加する電圧（１５モード素子駆動信号）
は、所定の変位量を得るためにそれぞれ好適な値に設定
される。もちろん、これらの電圧は同じ場合もあり得
る。33 mode element 11a and 15 mode element 1
The number of layers 1b is arbitrarily set in order to obtain a desired amount of displacement, and is not limited to eight layers as in the piezoelectric actuator 10. The voltage applied to the 33 mode element 11a (33 mode element drive signal) and the voltage applied to the 15 mode element 11b (15 mode element drive signal)
Are set to appropriate values to obtain a predetermined displacement amount. Of course, these voltages can be the same.
【００２８】圧電アクチュエータ１０の駆動方法は、例
えば、先に述べた特公平３−８１１１９号公報に開示さ
れている、ステージに２個の３３モード素子からなる第
１脚部と、１個の３３モード素子と１個の１５モード素
子からなる第２脚部が設けられてなる送り機構、におけ
る第２脚部と同様である。The driving method of the piezoelectric actuator 10 is described in, for example, the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 3-81119, in which the stage includes a first leg portion composed of two 33-mode elements and one 33-mode element. This is the same as the second leg in the feed mechanism provided with the second leg composed of the mode element and one 15-mode element.
【００２９】つまり、最初に第１脚部が伸長して接地
し、ステージを支持するとともに、圧電アクチュエータ
１０の３３モード素子１１ａを縮ませて圧電アクチュエ
ータ１０を接地面から浮かせた状態とする。次に、圧電
アクチュエータ１０の１５モード素子１１ｂを剪断変形
させた後に圧電アクチュエータ１０の３３モード素子１
１ａを伸長させて圧電アクチュエータ１０を接地させ、
一方で第１脚部は縮ませて接地面から浮かせた状態とす
る。こうして圧電アクチュエータ１０が接地してステー
ジを支持した状態で、圧電アクチュエータ１０の１５モ
ード素子１１ｂの剪断変形を解除し、その後に再び第１
脚部を伸長させて接地させる。That is, first, the first leg portion is extended and grounded to support the stage, and the 33 mode element 11a of the piezoelectric actuator 10 is contracted to bring the piezoelectric actuator 10 off the ground surface. Next, after the 15 mode element 11b of the piezoelectric actuator 10 is sheared, the 33 mode element 1
1a is extended to ground the piezoelectric actuator 10,
On the other hand, the first leg is contracted so as to float from the ground contact surface. With the piezoelectric actuator 10 grounded and supporting the stage in this manner, the shear deformation of the 15-mode element 11b of the piezoelectric actuator 10 is released, and then the first
Extend the legs to ground.
【００３０】こうして、１サイクルの駆動で１５モード
素子１１ｂの剪断変形の変位量だけステージを移動させ
ることができることから、特定の周波数で上記動作を繰
り返すことで、ステージを高速で移動させることができ
るようになる。また、１５モード素子１１ｂの変位量を
印加する電圧値を制御して所定値とすることにより、ス
テージの微小位置決めを行うことが可能となる。In this way, the stage can be moved by the displacement amount of the shearing deformation of the 15-mode element 11b in one cycle of driving. Therefore, by repeating the above operation at a specific frequency, the stage can be moved at high speed. Become like Also, by controlling the voltage value to which the displacement amount of the 15-mode element 11b is applied to a predetermined value, it becomes possible to perform fine positioning of the stage.
【００３１】上述した圧電アクチュエータ１０のよう
に、１５モード素子１１ｂの剪断変形を用いた駆動機構
では、剪断変形の変位量が大きいとそれだけ駆動速度を
速くすることができる。１５モード素子１１ｂの変位量
を大きくする方法の１つは駆動電圧を大きくすることで
あるが、この場合には分極の消滅によって１５モード変
位を生じなくなるおそれがある。１５モード素子１１ｂ
の変位量を大きくする別の方法は、１５モード素子１１
ｂの積層数を増やすことであるが、この場合には圧電ア
クチュエータ１０の大型化は避けられない。一方で、３
３モード素子１１ａについては、一体焼成法を用いるこ
とにより所定の変位量を確保しつつも、薄板化と低電圧
駆動化が可能である。In the driving mechanism using the shear deformation of the 15-mode element 11b as in the above-described piezoelectric actuator 10, the driving speed can be increased as the displacement of the shear deformation increases. One method of increasing the displacement of the 15-mode element 11b is to increase the drive voltage. In this case, however, there is a possibility that the 15-mode displacement will not occur due to the disappearance of the polarization. 15 mode element 11b
Another method for increasing the amount of displacement of the
This is to increase the number of layers b, but in this case, the size of the piezoelectric actuator 10 cannot be avoided. Meanwhile, 3
The three-mode element 11a can be made thinner and driven at a lower voltage while securing a predetermined amount of displacement by using the integral firing method.
【００３２】そこで、図３の断面図に示す圧電アクチュ
エータ２０のように、同時焼成法を用いて圧電体２２と
内部電極２３とが交互に積層されて一体的に形成された
構造を有し、内部電極２３に所定の電圧を印加したとき
に積層方向に変位する３３モード素子２１ａと、金属板
１２間に所定の電圧を印加したときに剪断方向に変位す
る１５モード素子１１ｂとを積層した構造とすると、圧
電アクチュエータ１０を大型化することなく、１５モー
ド変位量を大きくとることが可能となる。なお、内部電
極２３は外部電極２４ａ・２４ｂを介して駆動電圧が印
加されるように構成されている。Therefore, like the piezoelectric actuator 20 shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the piezoelectric actuator 20 has a structure in which the piezoelectric bodies 22 and the internal electrodes 23 are alternately laminated and integrally formed by a simultaneous firing method. A structure in which a 33-mode element 21a that is displaced in a stacking direction when a predetermined voltage is applied to the internal electrode 23 and a 15-mode element 11b that is displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates 12 are stacked. Then, it is possible to increase the amount of 15-mode displacement without increasing the size of the piezoelectric actuator 10. The internal electrode 23 is configured so that a driving voltage is applied via the external electrodes 24a and 24b.
【００３３】３３モード素子２１ａは、セラミックス粉
末にバインダ、溶媒等を混合して、ドクターブレード法
や押出成形法等によりグリーンシートを作製して所定の
形状に打ち抜き等し、これに所定の内部電極パターンを
スクリーン印刷法等を用いて印刷したものを、熱プレス
等を用いて積層、一体化して焼成することにより、作製
することができる。The 33 mode element 21a is prepared by mixing a ceramic powder with a binder, a solvent, and the like, producing a green sheet by a doctor blade method, an extrusion molding method, or the like, and punching the green sheet into a predetermined shape. The pattern can be produced by printing, using a screen printing method or the like, laminating using a hot press or the like, integrating and firing.
【００３４】圧電アクチュエータ１０・２０はともに８
層の圧電素子からなり、積層方向高さは同じとなってい
る。しかし、圧電アクチュエータ２０では３３モード素
子の数が１個のみであるが、１個の３３モード素子２１
ａが４層の圧電体２２からなる構造を有している。つま
り圧電体２２の厚みは１個の３３モード素子１１ａの厚
みの約１／４であることから、３３モード素子２１ａの
駆動電圧を３３モード素子１１ａの駆動電圧の１／４と
小さくしても、１個の３３モード素子２１ａで４個の３
３モード素子１１ａと同じ３３モード変位量を得ること
ができる。逆に、３３モード素子１１ａの駆動電圧と同
じ駆動電圧で３３モード素子２１ａを駆動させた場合に
は、圧電体２２に印加される電界の大きさは４倍となる
ことから、４倍の変位量を得ることも可能となる。The piezoelectric actuators 10 and 20 are both 8
The layers are composed of piezoelectric elements and have the same height in the stacking direction. However, the piezoelectric actuator 20 has only one 33-mode element, but one 33-mode element 21.
a has a structure composed of four layers of piezoelectric bodies 22. That is, since the thickness of the piezoelectric body 22 is about 1/4 of the thickness of one 33-mode element 11a, even if the drive voltage of the 33-mode element 21a is reduced to 1/4 of the drive voltage of the 33-mode element 11a. , Four 3 modes with one 33 mode element 21a
The same 33-mode displacement as that of the three-mode element 11a can be obtained. Conversely, when the 33-mode element 21a is driven at the same drive voltage as the 33-mode element 11a, the magnitude of the electric field applied to the piezoelectric body 22 becomes four times larger, so that the displacement becomes four times. It is also possible to obtain quantities.
【００３５】同時焼成法を用いた場合には、圧電体１層
の厚みが５０μｍ程度のものも容易に作成することがで
きる。例えば、厚みが０．６ｍｍの単板の３３モード素
子１１ａと同じ厚みの同時焼成法による３３モード圧電
素子２１ａを作製する場合には、５０μｍの圧電体が１
２層積層された構造とすればよい。この場合、例えば、
単板の３３モード素子１１ａの駆動電圧の１／１２の大
きさの駆動電圧であっても、圧電アクチュエータ２０で
は圧電アクチュエータ１０の３倍の変位量を得ることが
できる。When the simultaneous firing method is used, a piezoelectric body having a thickness of about 50 μm can be easily formed. For example, when producing a 33-mode piezoelectric element 21a having the same thickness as a single-plate 33-mode element 11a having a thickness of 0.6 mm by a simultaneous firing method, the 50 μm
A structure in which two layers are stacked may be used. In this case, for example,
Even if the driving voltage is 1/12 of the driving voltage of the single-plate 33-mode element 11a, the piezoelectric actuator 20 can obtain three times the displacement of the piezoelectric actuator 10.
【００３６】圧電アクチュエータ２０において、同時焼
成法を用いた３３モード素子２１ａにおける圧電体２２
の積層数に制限はないが、３３モード素子２１ａの駆動
電圧と１５モード素子１１ｂの駆動電圧を等しくしたと
きには、３３モード素子２１ａを構成する圧電体２２の
１層にかかる電界の大きさが、１５モード素子１１ｂの
圧電体にかかる電界の大きさの３倍以上となるように、
３３モード素子２１ａを構成する圧電体の１層の厚みを
１５モード素子１１ｂの圧電体の厚みよりも小さくする
ことが好ましい。これにより、少数の３３モード素子で
も十分な厚み方向の変位量を得ることができるようにな
り、３３モード素子の数を減らしてその代わりに１５モ
ード素子を配設し、１５モードの変位量を拡大すること
が可能となる。In the piezoelectric actuator 20, the piezoelectric body 22 in the 33 mode element 21a using the simultaneous firing method is used.
There is no limitation on the number of stacked layers, but when the drive voltage of the 33 mode element 21a is equal to the drive voltage of the 15 mode element 11b, the magnitude of the electric field applied to one layer of the piezoelectric body 22 constituting the 33 mode element 21a becomes In order to make the magnitude of the electric field applied to the piezoelectric body of the 15-mode element 11b three times or more,
It is preferable that the thickness of one layer of the piezoelectric body constituting the 33 mode element 21a is smaller than the thickness of the piezoelectric body of the 15 mode element 11b. As a result, a sufficient amount of displacement in the thickness direction can be obtained even with a small number of 33-mode elements, and the number of 33-mode elements is reduced, and instead, 15-mode elements are provided. It is possible to expand.
【００３７】圧電アクチュエータ２０は、３個分の３３
モード素子１１ａのスペースに１５モード素子１１ｂが
配設され、合計で７個の１５モード素子１１ｂを有す
る。従って、例えば、４個の１５モード素子１１ｂを有
する圧電アクチュエータ１０の剪断変形の変位量が８μ
ｍであった場合には、圧電アクチュエータ２０では約１
４μｍの剪断変位量を得ることが可能となる。７個の１
５モード素子１１ｂの剪断変形の様子は、図３中の点線
で示されている。１５モードの変位量が大きくなれば、
Ｘ−Ｙステージ等の送り機構やリニアモータ、回転モー
タの駆動機構として用いた場合に、移動速度を速めるこ
とが可能となる。The piezoelectric actuators 20 are divided into 33 piezoelectric actuators.
The 15 mode elements 11b are arranged in the space of the mode element 11a, and have a total of seven 15 mode elements 11b. Therefore, for example, the displacement amount of the shear deformation of the piezoelectric actuator 10 having four 15-mode elements 11b is 8 μm.
m, the piezoelectric actuator 20 has about 1
A shear displacement of 4 μm can be obtained. Seven one
The state of the shear deformation of the five-mode element 11b is shown by a dotted line in FIG. If the amount of displacement in 15 modes becomes large,
When used as a feed mechanism such as an XY stage or a drive mechanism for a linear motor or a rotary motor, the moving speed can be increased.
【００３８】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるもので
はない。例えば、圧電アクチュエータ１０において、駆
動電圧を印加する１枚の金属板１２の上下にある２個の
圧電素子には同じ大きさの電界がかかることから、２枚
１組の３３モード素子１１ａと２枚１組の１５モード素
子１１ｂとを接着面の金属板１２が互いにグランド側と
なるように交互に積層した構造とすることも可能であ
る。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the piezoelectric actuator 10, an electric field of the same magnitude is applied to two piezoelectric elements above and below a single metal plate 12 to which a driving voltage is applied, so that a pair of 33 mode elements 11a and 2 It is also possible to adopt a structure in which a set of 15-mode elements 11b are alternately stacked such that the metal plates 12 on the bonding surface are on the ground side.
【００３９】また、圧電アクチュエータ２０に用いた同
時焼成法による３３モード素子２１ａには外部電極２４
ａ・２４ｂが形成されていることから、３３モード素子
２１ａを金属板１２で挟むことは必ずしも必要ではな
く、外部電極２４ａ・２４ｂを用いて直接に駆動電圧を
印加することが可能である。The external electrode 24 is connected to the 33 mode element 21a by the simultaneous firing method used for the piezoelectric actuator 20.
Since the a and 24b are formed, it is not always necessary to sandwich the 33 mode element 21a between the metal plates 12, and a drive voltage can be directly applied using the external electrodes 24a and 24b.
【００４０】[0040]
【発明の効果】上述の通り、本発明の圧電アクチュエー
タは、孔部が形成された金属板を介して圧電素子を接着
した構造を有することから、樹脂接着剤のうち余剰量が
金属板に形成された孔部に収容される。これにより圧電
素子に形成された駆動用電極と金属板との導通を確保し
ながら、しかも圧電素子どうしを平行に接着することが
可能となり、良好な変位特性が得られ、かつ、信頼性も
向上する。また、同時焼成法を用いて作製した３３モー
ド素子を用いることにより１５モード素子の積層数を増
やすことができるので、これにより１５モード素子の変
位量が増大する。これにより、本発明の圧電アクチュエ
ータを用いた送り機構やリニアモータ、回転モータ等で
は、高速駆動が可能となる。As described above, the piezoelectric actuator of the present invention has a structure in which a piezoelectric element is bonded via a metal plate having a hole, so that an excess amount of the resin adhesive is formed on the metal plate. In the hole. As a result, it is possible to bond the piezoelectric elements in parallel while securing conduction between the driving electrodes formed on the piezoelectric elements and the metal plate, and obtain good displacement characteristics and improved reliability. I do. In addition, the number of stacked 15-mode elements can be increased by using a 33-mode element manufactured by using the simultaneous firing method, whereby the displacement of the 15-mode element increases. Accordingly, high-speed driving is possible with a feed mechanism, a linear motor, a rotary motor, or the like using the piezoelectric actuator of the present invention.
【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態を示
す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention.
【図２】本発明の圧電アクチュエータに用いられる金属
板の平面図。FIG. 2 is a plan view of a metal plate used for the piezoelectric actuator of the present invention.
【図３】本発明の圧電アクチュエータの別の実施形態を
示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing another embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention.
【図４】１５モード変位の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of 15-mode displacement.
【図５】３３モード変位の説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of 33 mode displacement.
１０；圧電アクチュエータ １１ａ：３３モード素子 １１ｂ；１５モード素子 １２；金属板 ２０；圧電アクチュエータ ２１ａ；３３モード素子 ２２；圧電体 ２３；内部電極 ２４ａ・２４ｂ；外部電極 Reference Signs List 10: piezoelectric actuator 11a: 33 mode element 11b; 15 mode element 12; metal plate 20; piezoelectric actuator 21a; 33 mode element 22; piezoelectric body 23; internal electrode 24a / 24b; external electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小坂 光二 熊本県熊本市花立五丁目10番25号 有限会 社 熊本テクノロジー内 (72)発明者 高田 真次 熊本県熊本市花立五丁目10番25号 有限会 社 熊本テクノロジー内 (72)発明者 山川 孝宏 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 太平洋 セメント株式会社内 (72)発明者 阿隅 一将 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 太平洋 セメント株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kouji Kosaka 5-10-25 Hanata, Kumamoto City, Kumamoto Prefecture Inside Kumamoto Technology Co., Ltd. (72) Inventor Shinji Takada 5-10-25 Hanata, Kumamoto City, Kumamoto Prefecture Inside Kumamoto Technology Co., Ltd. (72) Inventor Takahiro Yamakawa 2-4-2 Daisaku, Sakura City, Chiba Prefecture Inside Cement Co., Ltd. (72) Inventor Kazumasa Asumi 2-4-2 Daisaku, Sakura City, Chiba Prefecture Pacific Cement Co., Ltd.
Claims (4)
圧電アクチュエータであって、 前記圧電素子の少なくとも１つは、前記金属板間に所定
の電圧を印加したときに厚み方向に変位する３３モード
素子であり、 前記３３モード素子以外の圧電素子は、前記金属板間に
所定の電圧を印加したときに剪断方向に変位する１５モ
ード素子であり、 前記金属板には多数の孔部が形成されていることを特徴
とする圧電アクチュエータ。1. A piezoelectric actuator in which piezoelectric elements and metal plates are alternately stacked, wherein at least one of the piezoelectric elements is displaced in a thickness direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates. A 33-mode element, wherein the piezoelectric elements other than the 33-mode element are 15-mode elements that are displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied between the metal plates, and the metal plate has a number of holes. A piezoelectric actuator characterized by being formed.
圧電アクチュエータであって、 前記圧電素子の少なくとも１つは、同時焼成法を用い
て、圧電体と内部電極とが交互に積層されて一体的に形
成された構造を有し、前記内部電極に所定の電圧を印加
したときに積層方向に変位する３３モード素子であり、 前記３３モード素子以外の圧電素子は、前記金属板間に
所定の電圧を印加したときに剪断方向に変位する１５モ
ード素子であることを特徴とする圧電アクチュエータ。2. A piezoelectric actuator in which piezoelectric elements and metal plates are alternately stacked, wherein at least one of the piezoelectric elements is formed by alternately stacking piezoelectric bodies and internal electrodes using a simultaneous firing method. A 33-mode element that is displaced in the stacking direction when a predetermined voltage is applied to the internal electrode, and a piezoelectric element other than the 33-mode element is provided between the metal plates. A piezoelectric actuator, which is a 15-mode element that is displaced in a shearing direction when a predetermined voltage is applied.
いることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエ
ータ。3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein a number of holes are formed in the metal plate.
５モード素子の駆動電圧を等しくしたときに、 前記３３モード素子を構成する圧電体１層にかかる電界
の大きさが、前記１５モード素子を構成する圧電体にか
かる電界の大きさの３倍以上となることを特徴とする請
求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電アクチ
ュエータ。4. A driving voltage of said 33 mode element and said 1 mode
When the drive voltages of the five mode elements are equalized, the magnitude of the electric field applied to one layer of the piezoelectric body constituting the 33 mode element is at least three times the magnitude of the electric field applied to the piezoelectric body constituting the 15 mode element. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein
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