JP3106603B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電アクチュエータInfo
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- JP3106603B2 JP3106603B2 JP03273327A JP27332791A JP3106603B2 JP 3106603 B2 JP3106603 B2 JP 3106603B2 JP 03273327 A JP03273327 A JP 03273327A JP 27332791 A JP27332791 A JP 27332791A JP 3106603 B2 JP3106603 B2 JP 3106603B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は圧電アクチュエータに
関し、特に圧電効果を利用した多層型の圧電アクチュエ
ータに関する。
関し、特に圧電効果を利用した多層型の圧電アクチュエ
ータに関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は従来の圧電アクチュエータの一例
を示す図解図である。この圧電アクチュエータ１は、積
層される２つの圧電体基板２ａおよび２ｂを含む。圧電
体基板２ａおよび２ｂは、それぞれセラミックスで形成
される。圧電体基板２ａおよび２ｂには、それぞれ、同
じ厚み方向に分極処理が施されている。また、圧電体基
板２ａと２ｂとの間には、電極３が形成される。さら
に、圧電体基板２ａの上面には電極４ａが形成され、圧
電体基板２ｂの下面には電極４ｂが形成される。そし
て、電極３には第１の端子５が接続され、電極４ａおよ
び４ｂには第２の端子６が接続される。この圧電アクチ
ュエータ１では、第１の端子５および第２の端子６に電
圧が印加されることによって、圧電体基板２ａおよび２
ｂがその厚み方向に屈曲する。
を示す図解図である。この圧電アクチュエータ１は、積
層される２つの圧電体基板２ａおよび２ｂを含む。圧電
体基板２ａおよび２ｂは、それぞれセラミックスで形成
される。圧電体基板２ａおよび２ｂには、それぞれ、同
じ厚み方向に分極処理が施されている。また、圧電体基
板２ａと２ｂとの間には、電極３が形成される。さら
に、圧電体基板２ａの上面には電極４ａが形成され、圧
電体基板２ｂの下面には電極４ｂが形成される。そし
て、電極３には第１の端子５が接続され、電極４ａおよ
び４ｂには第２の端子６が接続される。この圧電アクチ
ュエータ１では、第１の端子５および第２の端子６に電
圧が印加されることによって、圧電体基板２ａおよび２
ｂがその厚み方向に屈曲する。
【０００３】図６は従来の圧電アクチュエータの他の例
を示す図解図である。この圧電アクチュエータ１は、特
に、圧電体基板２ａおよび２ｂの分極方向が互いに逆向
きである。さらに、電極４ａに第１の端子５が接続さ
れ、電極４ｂに第２の端子６が接続される。そして、こ
の圧電アクチュエータ１でも、第１の端子５および第２
の端子６に電圧が印加されることによって、圧電体基板
２ａおよび２ｂが屈曲する。
を示す図解図である。この圧電アクチュエータ１は、特
に、圧電体基板２ａおよび２ｂの分極方向が互いに逆向
きである。さらに、電極４ａに第１の端子５が接続さ
れ、電極４ｂに第２の端子６が接続される。そして、こ
の圧電アクチュエータ１でも、第１の端子５および第２
の端子６に電圧が印加されることによって、圧電体基板
２ａおよび２ｂが屈曲する。
【０００４】図５および図６に示す従来の圧電アクチュ
エータ１において、電圧を印加して圧電体基板２ａおよ
び２ｂを屈曲させた場合、図５に示す圧電アクチュエー
タ１では、図６に示す圧電アクチュエータに印加する電
圧の半分程度の電圧を印加することによって、同一の変
位量を得ることができる。そのため、現在、図５に示す
ような分極方向が同一の圧電アクチュエータが主流とな
っている。
エータ１において、電圧を印加して圧電体基板２ａおよ
び２ｂを屈曲させた場合、図５に示す圧電アクチュエー
タ１では、図６に示す圧電アクチュエータに印加する電
圧の半分程度の電圧を印加することによって、同一の変
位量を得ることができる。そのため、現在、図５に示す
ような分極方向が同一の圧電アクチュエータが主流とな
っている。
【０００５】一方、図５に示す圧電アクチュエータ１で
は、２つの圧電体基板２ａおよび２ｂを構成するセラミ
ックスの抗電界強度と、それらの圧電体基板２ａ，２
ｂ，電極３，４ａおよび４ｂの厚みを加えた圧電アクチ
ュエータの総厚みとから決定される印加電圧値の上限が
ある。すなわち、図５に示す圧電アクチュエータ１で
は、所定の電圧値以上の電圧を印加した場合、分極方向
が反転し、変位しなくなってしまう。
は、２つの圧電体基板２ａおよび２ｂを構成するセラミ
ックスの抗電界強度と、それらの圧電体基板２ａ，２
ｂ，電極３，４ａおよび４ｂの厚みを加えた圧電アクチ
ュエータの総厚みとから決定される印加電圧値の上限が
ある。すなわち、図５に示す圧電アクチュエータ１で
は、所定の電圧値以上の電圧を印加した場合、分極方向
が反転し、変位しなくなってしまう。
【０００６】それに対して、図６に示す圧電アクチュエ
ータ１では、２つの圧電体基板２ａおよび２ｂの分極方
向が反対であるので、それらの圧電体基板２ａおよび２
ｂが絶縁破壊を起こすまで、電圧を印加することができ
る。そのため、圧電体基板２ａおよび２ｂに高電圧を印
加した場合、圧電体基板２ａおよび２ｂの最大変位量
は、図５に示す圧電アクチュエータ１よりも図６に示す
圧電アクチュエータ１の方が何倍も大きい。現在では、
圧電アクチュエータにおいて、高電圧を印加して変位量
を増大させることが切望されている。
ータ１では、２つの圧電体基板２ａおよび２ｂの分極方
向が反対であるので、それらの圧電体基板２ａおよび２
ｂが絶縁破壊を起こすまで、電圧を印加することができ
る。そのため、圧電体基板２ａおよび２ｂに高電圧を印
加した場合、圧電体基板２ａおよび２ｂの最大変位量
は、図５に示す圧電アクチュエータ１よりも図６に示す
圧電アクチュエータ１の方が何倍も大きい。現在では、
圧電アクチュエータにおいて、高電圧を印加して変位量
を増大させることが切望されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ア
クチュエータに大きな変位量を発生させることは、圧電
体基板を構成するセラミックスに大きな歪みを発生さ
せ、それだけセラミックスに大きな負荷をかけることに
なる。すなわち、図６に示す圧電アクチュエータ１で
は、その総厚みをｔとし、セラミックスの抗電界強度を
ＥC として、第１の端子５および第２の端子６に、ＥC
×ｔ以上の電圧を印加して圧電体基板２ａおよび２ｂを
駆動させたとき、駆動開始時は図５に示す圧電アクチュ
エータよりも大きな変位量が得られるが、駆動の継続に
つれて圧電アクチュエータ内部に微細なクラックが発生
する。そのため、図６に示す圧電アクチュエータ１で
は、次第に変位量が減少し、時には絶縁破壊を生じる恐
れもある。
クチュエータに大きな変位量を発生させることは、圧電
体基板を構成するセラミックスに大きな歪みを発生さ
せ、それだけセラミックスに大きな負荷をかけることに
なる。すなわち、図６に示す圧電アクチュエータ１で
は、その総厚みをｔとし、セラミックスの抗電界強度を
ＥC として、第１の端子５および第２の端子６に、ＥC
×ｔ以上の電圧を印加して圧電体基板２ａおよび２ｂを
駆動させたとき、駆動開始時は図５に示す圧電アクチュ
エータよりも大きな変位量が得られるが、駆動の継続に
つれて圧電アクチュエータ内部に微細なクラックが発生
する。そのため、図６に示す圧電アクチュエータ１で
は、次第に変位量が減少し、時には絶縁破壊を生じる恐
れもある。
【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、高
電圧を印加しても、クラックが生じにくく、変位量を増
大することができる、圧電アクチュエータを提供するこ
とである。
電圧を印加しても、クラックが生じにくく、変位量を増
大することができる、圧電アクチュエータを提供するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、板状の補強
部材と、補強部材の一方主面に形成され、一方向に分極
処理された第１の圧電素子と、補強部材の他方主面に形
成され、第１の圧電素子とは逆方向に分極処理された第
２の圧電素子とを含み、圧電体の抗電界強度をＥｃと
し、圧電アクチュエータの総厚みをｔとしたとき、Ｅｃ
×ｔ以上の電圧を印加して駆動される、圧電アクチュエ
ータである。
部材と、補強部材の一方主面に形成され、一方向に分極
処理された第１の圧電素子と、補強部材の他方主面に形
成され、第１の圧電素子とは逆方向に分極処理された第
２の圧電素子とを含み、圧電体の抗電界強度をＥｃと
し、圧電アクチュエータの総厚みをｔとしたとき、Ｅｃ
×ｔ以上の電圧を印加して駆動される、圧電アクチュエ
ータである。
【００１０】
【作用】第１の圧電素子および第２の圧電素子に電圧を
印加することによって、第１の圧電素子および第２の圧
電素子が屈曲する。この場合、補強部材は、第１の圧電
素子と第２の圧電素子との間の応力集中を緩和し、クラ
ックの発生を防止する。そのため、高電圧を印加して第
１の圧電素子および第２の圧電素子の変位量を増大させ
ても、クラックが生じにくく、第１の圧電素子および第
２の圧電素子の変位量の減少が防止される。
印加することによって、第１の圧電素子および第２の圧
電素子が屈曲する。この場合、補強部材は、第１の圧電
素子と第２の圧電素子との間の応力集中を緩和し、クラ
ックの発生を防止する。そのため、高電圧を印加して第
１の圧電素子および第２の圧電素子の変位量を増大させ
ても、クラックが生じにくく、第１の圧電素子および第
２の圧電素子の変位量の減少が防止される。
【００１１】
【発明の効果】この発明によれば、高電圧を印加して
も、クラックが生じにくく、変位量を増大することがで
きる、圧電アクチュエータが得られる。
も、クラックが生じにくく、変位量を増大することがで
きる、圧電アクチュエータが得られる。
【００１２】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
【００１３】
【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。この圧電アクチュエータ１０は、たとえば矩形板状
の補強部材１２を含む。補強部材１２は、たとえばニッ
ケル合金などの高い導電性を有する金属からなり、その
厚みがたとえば１００μｍに形成される。
る。この圧電アクチュエータ１０は、たとえば矩形板状
の補強部材１２を含む。補強部材１２は、たとえばニッ
ケル合金などの高い導電性を有する金属からなり、その
厚みがたとえば１００μｍに形成される。
【００１４】この補強部材１２の一方主面には、第１の
圧電素子１４ａが形成される。さらに、補強部材１２の
他方主面には、第２の圧電素子１４ｂが形成される。
圧電素子１４ａが形成される。さらに、補強部材１２の
他方主面には、第２の圧電素子１４ｂが形成される。
【００１５】第１の圧電素子１４ａは、たとえば、セラ
ミックスからなる厚さ２００μｍの圧電体基板１６ａを
含む。圧電体基板１６ａの両主面には、電極１８ａがそ
れぞれ形成される。これらの電極１８ａは、圧電体基板
１６ａの両主面に、たとえば電極用導電ペーストを塗布
することによって形成される。そして、それらの電極１
８ａ間に高い直流電圧を印加することによって、圧電体
基板１６ａには、その厚み方向に分極処理が施される。
なお、圧電体基板１６ａには、それらの電極１８ａを形
成する前に分極処理を施してもよい。
ミックスからなる厚さ２００μｍの圧電体基板１６ａを
含む。圧電体基板１６ａの両主面には、電極１８ａがそ
れぞれ形成される。これらの電極１８ａは、圧電体基板
１６ａの両主面に、たとえば電極用導電ペーストを塗布
することによって形成される。そして、それらの電極１
８ａ間に高い直流電圧を印加することによって、圧電体
基板１６ａには、その厚み方向に分極処理が施される。
なお、圧電体基板１６ａには、それらの電極１８ａを形
成する前に分極処理を施してもよい。
【００１６】第２の圧電素子１４ｂは、第１の圧電素子
１４ａと同じ構造のものであり、その厚み方向に分極さ
れた圧電体基板１６ｂを含み、圧電体基板１６ｂの両主
面には、電極１８ｂがそれぞれ形成されている。
１４ａと同じ構造のものであり、その厚み方向に分極さ
れた圧電体基板１６ｂを含み、圧電体基板１６ｂの両主
面には、電極１８ｂがそれぞれ形成されている。
【００１７】そして、第１の圧電素子１４ａおよび第２
の圧電素子１４ｂは、それらの圧電体基板１６ａおよび
１６ｂの分極処理の方向が互いに逆向きになるようにし
て、補強部材１２の一方主面および他方主面に、たとえ
ばエポキシ樹脂接着剤でそれぞれ接着される。
の圧電素子１４ｂは、それらの圧電体基板１６ａおよび
１６ｂの分極処理の方向が互いに逆向きになるようにし
て、補強部材１２の一方主面および他方主面に、たとえ
ばエポキシ樹脂接着剤でそれぞれ接着される。
【００１８】さらに、第１の圧電素子１４ａの外側の電
極１８ａには、第１の端子２０ａが接続され、第２の圧
電素子１４ｂの外側の電極１８ｂには、第２の端子２０
ｂが接続される。
極１８ａには、第１の端子２０ａが接続され、第２の圧
電素子１４ｂの外側の電極１８ｂには、第２の端子２０
ｂが接続される。
【００１９】この圧電アクチュエータ１０は、第１の端
子２０ａおよび第２の端子２０ｂに電圧を印加すること
によって、第１の圧電素子１４ａおよび第２の圧電素子
１４ｂが屈曲する。この場合、第１の圧電素子１４ａと
第２の圧電素子１４ｂとの間に補強部材１２が形成され
るため、第１の圧電素子１４ａと第２の圧電素子１４ｂ
との間の応力集中が緩和され、クラックが発生しにく
い。そのため、この圧電アクチュエータ１０に高電圧を
印加しても、クラックが発生しにくく、第１の圧電素子
１４ａおよび第２の圧電素子１４ｂの変位量が増大す
る。
子２０ａおよび第２の端子２０ｂに電圧を印加すること
によって、第１の圧電素子１４ａおよび第２の圧電素子
１４ｂが屈曲する。この場合、第１の圧電素子１４ａと
第２の圧電素子１４ｂとの間に補強部材１２が形成され
るため、第１の圧電素子１４ａと第２の圧電素子１４ｂ
との間の応力集中が緩和され、クラックが発生しにく
い。そのため、この圧電アクチュエータ１０に高電圧を
印加しても、クラックが発生しにくく、第１の圧電素子
１４ａおよび第２の圧電素子１４ｂの変位量が増大す
る。
【００２０】次に、図１に示す実施例および図６に示す
従来例の圧電アクチュエータについてのライフ試験の結
果について説明する。
従来例の圧電アクチュエータについてのライフ試験の結
果について説明する。
【００２１】このライフ試験では、圧電アクチュエータ
の一端を固定し、第１の端子および第２の端子に交流電
圧を印加した。この場合、圧電体基板の抗電界強度をＥ
C とし、圧電アクチュエータの総厚みをｔとしたとき、
ＥC ×ｔの値で算出される電圧が２００Ｖとなるので、
それより小さい１５０Ｖを印加した。そして、圧電アク
チュエータの他端の変位量を、電圧印加直後、１時間
後、１０時間後、および１００時間後に、それぞれ、測
定した。この測定結果を図２（Ａ）に示す。さらに、こ
のライフ試験では、圧電アクチュエータの一端を固定
し、第１の端子および第２の端子に、ＥC ×ｔの値で算
出される電圧より大きいたとえば３００Ｖの交流電圧を
印加して、圧電アクチュエータの他端の変位量を、電圧
印加直後、１時間後、１０時間後、および１００時間後
に、それぞれ測定した。この測定結果を図２（Ｂ）に示
す。
の一端を固定し、第１の端子および第２の端子に交流電
圧を印加した。この場合、圧電体基板の抗電界強度をＥ
C とし、圧電アクチュエータの総厚みをｔとしたとき、
ＥC ×ｔの値で算出される電圧が２００Ｖとなるので、
それより小さい１５０Ｖを印加した。そして、圧電アク
チュエータの他端の変位量を、電圧印加直後、１時間
後、１０時間後、および１００時間後に、それぞれ、測
定した。この測定結果を図２（Ａ）に示す。さらに、こ
のライフ試験では、圧電アクチュエータの一端を固定
し、第１の端子および第２の端子に、ＥC ×ｔの値で算
出される電圧より大きいたとえば３００Ｖの交流電圧を
印加して、圧電アクチュエータの他端の変位量を、電圧
印加直後、１時間後、１０時間後、および１００時間後
に、それぞれ測定した。この測定結果を図２（Ｂ）に示
す。
【００２２】印加電圧がＥC ×ｔで算出される電圧より
小さい場合、図２（Ａ）から明らかなように、補強部材
の有無にかかわらず、変位量の低下はほとんど見られな
い。一方、印加電圧がＥC ×ｔ以上の場合、図２（Ｂ）
から明らかなように、その内部に補強部材を有する圧電
アクチュエータ（実施例）では、その変位量がほとんど
変化しないのに対して、補強部材を有しない圧電アクチ
ュエータ（従来例）では、時間経過にともなって変位量
が減少する。
小さい場合、図２（Ａ）から明らかなように、補強部材
の有無にかかわらず、変位量の低下はほとんど見られな
い。一方、印加電圧がＥC ×ｔ以上の場合、図２（Ｂ）
から明らかなように、その内部に補強部材を有する圧電
アクチュエータ（実施例）では、その変位量がほとんど
変化しないのに対して、補強部材を有しない圧電アクチ
ュエータ（従来例）では、時間経過にともなって変位量
が減少する。
【００２３】図３はこの発明の他の実施例を示す図解図
である。この実施例では、特に、補強部材１２がたとえ
ばシリコンゴムなどの絶縁性弾性体で形成される。さら
に、補強部材１２の一方主面，一端面および他方主面に
わたって、たとえば導電ペーストを塗布することによっ
て、電極２２が形成される。この電極２２によって、第
１の圧電素子１４ａおよび第２の圧電素子１４ｂの内側
の電極１８ａおよび１８ｂが構成される。なお、圧電体
基板１６ａおよび１６ｂは、第１の端子２０ａおよび第
２の端子２０ｂと電極２２との間に、高い直流電圧を印
加することによって、互いに逆の厚み方向に分極処理が
施される。この実施例においても、図１に示す実施例と
同様の効果が得られる。
である。この実施例では、特に、補強部材１２がたとえ
ばシリコンゴムなどの絶縁性弾性体で形成される。さら
に、補強部材１２の一方主面，一端面および他方主面に
わたって、たとえば導電ペーストを塗布することによっ
て、電極２２が形成される。この電極２２によって、第
１の圧電素子１４ａおよび第２の圧電素子１４ｂの内側
の電極１８ａおよび１８ｂが構成される。なお、圧電体
基板１６ａおよび１６ｂは、第１の端子２０ａおよび第
２の端子２０ｂと電極２２との間に、高い直流電圧を印
加することによって、互いに逆の厚み方向に分極処理が
施される。この実施例においても、図１に示す実施例と
同様の効果が得られる。
【００２４】図４はこの発明のさらに他の実施例を示す
図解図である。この実施例では、特に、２枚の圧電体基
板１６ａと３つの電極１８ａとを交互に積層することに
よって、第１の圧電素子１４ａが構成されている。同様
に、第２の圧電素子１４ｂも、２枚の圧電体基板１６ｂ
と３つの電極１８ｂとを交互に積層することによって構
成されている。また、２枚の圧電体基板１６ａは、同じ
厚み方向に分極処理が施され、他の２枚の圧電体基板１
６ｂは、それらの圧電体基板１６ａと逆の厚み方向に分
極処理が施されている。この実施例でも、図１に示す実
施例と同様の効果が得られる。このように、第１の圧電
素子および第２の圧電素子は、それぞれ、複数の圧電体
基板を有してもよい。
図解図である。この実施例では、特に、２枚の圧電体基
板１６ａと３つの電極１８ａとを交互に積層することに
よって、第１の圧電素子１４ａが構成されている。同様
に、第２の圧電素子１４ｂも、２枚の圧電体基板１６ｂ
と３つの電極１８ｂとを交互に積層することによって構
成されている。また、２枚の圧電体基板１６ａは、同じ
厚み方向に分極処理が施され、他の２枚の圧電体基板１
６ｂは、それらの圧電体基板１６ａと逆の厚み方向に分
極処理が施されている。この実施例でも、図１に示す実
施例と同様の効果が得られる。このように、第１の圧電
素子および第２の圧電素子は、それぞれ、複数の圧電体
基板を有してもよい。
【図１】この発明の一実施例を示す図解図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１に示す実施例および図６に
示す従来例にＥC ×ｔで算出される電圧より小さい交流
電圧を印加したときの変位量の経時変化を示すグラフで
あり、図２（Ｂ）は、図１に示す実施例および図６に示
す従来例にＥC ×ｔで算出される電圧以上の交流電圧を
印加したときの変位量の経時変化を示すグラフである。
示す従来例にＥC ×ｔで算出される電圧より小さい交流
電圧を印加したときの変位量の経時変化を示すグラフで
あり、図２（Ｂ）は、図１に示す実施例および図６に示
す従来例にＥC ×ｔで算出される電圧以上の交流電圧を
印加したときの変位量の経時変化を示すグラフである。
【図３】この発明の他の実施例を示す図解図である。
【図４】この発明のさらに他の実施例を示す図解図であ
る。
る。
【図５】従来の圧電アクチュエータの一例を示す図解図
である。
である。
【図６】従来の圧電アクチュエータの他の例を示す図解
図である。
図である。
１０ 圧電アクチュエータ １２ 補強部材 １４ａ 第１の圧電素子 １４ｂ 第２の圧電素子 １６ａ，１６ｂ 圧電体基板 １８ａ，１８ｂ 電極 ２０ａ 第１の端子 ２０ｂ 第２の端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橘 高 敏 彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社 村田製作所内 (72)発明者 米 田 康 信 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社 村田製作所内 (72)発明者 坂 部 行 雄 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社 村田製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−32182（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/08
Claims (1)
- 【請求項１】 板状の補強部材、 前記補強部材の一方主面に形成され、一方向に分極処理
された第１の圧電素子、および前記補強部材の他方主面
に形成され、前記第１の圧電素子とは逆方向に分極処理
された第２の圧電素子を含み、 前記圧電体の抗電界強度をＥｃとし、圧電アクチュエー
タの総厚みをｔとしたとき、Ｅｃ×ｔ以上の電圧を印加
して駆動される、 圧電アクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03273327A JP3106603B2 (ja) | 1991-09-24 | 1991-09-24 | 圧電アクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03273327A JP3106603B2 (ja) | 1991-09-24 | 1991-09-24 | 圧電アクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0582855A JPH0582855A (ja) | 1993-04-02 |
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