JPH03123088A - 固体アクチュエータ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ディスク、磁気ディスク等を高速、高精度
位置決めするための固体アクチュエータに関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、機械的信号と電気的信号を変換する固体素子の一
つとしてチタン酸デルコン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ
）があり、超音波工学において振動体としての高出力化
、遅延素子としての小型化を目標とした研究が進められ
ている。

一方、最近の半導体製造装置や光ディスク、磁気ディス
ク等の情報機器の分野、精密加工技術の分野等において
位置決め技術の高精度化の研究が盛んである。この内、
圧電（電歪）効果を利用した固体アクチュエータは、電
圧を制御するだけでサブミクロンオーダの微小位置決め
を行うことが可能である等の特長をもっており最近注目
されている。

上記固体アクチュエータの駆動源として利用される圧電
体は、圧電縦効果型と圧電横効果型の二つの型式に分け
られる。

前者の場合、セラミックスの分極軸に平行な方向の歪又
は力が利用される。発生することができる変位量はわず
かであるが、発生力は大きくその応答も高速である。後
者の場合、セラミックスの分極軸に直角な方向の歪又は
力が利用される。この横効果利用を発展させたバイモル
フ型のものは、発生力は小さいが比較的大きな変位が得
られる。

上記圧電体を固体アクチュエータとして利用する場合、
圧電縦効果型のものは圧電定数ｄや圧電率ｇ、電気機械
結合係数にの値が大きく、最も効果的である。しかし、
圧電縦効果を利用したアクチュエータは、一般に機械的
インピーダンスが相当に高いため応用機器に合わせたイ
ンピーダンスマツチング用メカニズムが必要となり、そ
の分機構が複雑となる。

一方、圧電横効果を利用したバイモルフ型アクチュエー
タは、電気機械結合係数にの値はかなり小さくなるが、
上述したようなインピーダンスマツチング用メカニズム
は不要であり、機構も簡素であって利用価値は高い。

第４図は上記アクチュエータの動作を示す図、第４図（
Ａ）は圧電縦効果を利用したアクチュエータの動作図、
第４図（Ｂ）は圧電横効果を利用したアクチュエータの
動作図である。

第４図（Ａ）において、圧電縦効果の場合、固体素子１
は両面が金、銀等の良導体を使って電極面８とされ、画
電極面８に直角な図中矢印Ｐで示す方向に分極軸が形成
される。そして、リード線２３を介して固体素子１に電
ＶｊＪＡ１３から電圧■、が印加されると、矢印Ｑで示
した方向に力又は変位が生じ、それを利用することがで
きる。

すなわち、固体素子１への入力エネルギは、Ｗ、＝Ｃ，
Ｖ、ｌ”／２ 固体素子１の単位体積当たりに蓄えられる歪エネルギは
、 Ｗ、　−Ｓ　ｚ”７２　Ｓ　３３ 電気容量は、 Ｃｓ　＝ａｂ　ε３３”　／　１ で表わされる。ただし、 ε３３Ｔ：応力が一定の場合の分極軸方向の誘電率Ｓ：
＋＋Ｅ：電界強度が一定の場合の分極軸方向の弾性コン
プライアンス Ｓ３　：分極軸方向の歪 である。この時効率は、 ζｓ＝Ｗい／Ｗ。

＝Ｓ　２２／　Ｓ　ｚｚＥＣ３Ｖ　３”＝Ｓｓ”／ａｂ
ｆｆ　３３３Ｅεｓ３”　Ｅ３２ここで、電界強度は、 Ｅ３　＝　Ｖ３　／１ である。

一方、第４図（Ｂ）において、圧電極横効果の場合、電
源１３から電圧Ｖ１が印加されると、固体素子１への入
力エネルギは、 Ｗｌｌ＝Ｃ，Ｖ、”／２ 固体素子１の単位体積当たりに蓄えられる歪エネルギは
、 Ｗ惰−３＋”／２ｓ口 電気容量は、 Ｃ，１＝　６１６　ｓ、ｌ”　／　ａ で表わされる。ただし、 ε３３Ｔ：応力が一定の場合の分極軸方向の誘電率Ｓ１
．Ｅ：電界強度が一定の場合の分極軸に直角な方向の弾
性コンプライアンス Ｓｌ　：分極軸に直角な方向の歪 である。この時効率は、 ζ、＝Ｗい／Ｗ。

＝　Ｓ　Ｉ”／　Ｓ　１１’　Ｃ１Ｖ　１”−３＋”／
ａ　　ｂｊ２　　Ｓ＋＋’　　ｅｓｙ丁　Ｅ、！ここで
電界強度は、 Ｅ＋＝Ｖ＋／ａ である。

上記圧電縦効果の効率ζ３と圧電横効果の効率ζ１を比
較すると、 ζ３／ζ、＝ｓ、−（Ｓ３Ｅ、）” ／ｓ　３３Ｅ（３１Ｅ３　）” となる。

ここで、計算を簡略化するために、ａ＝ｂ＝ｌ。

Ｅ＋＝Ｅ、ｌとする。固体素子１を上記ＰＺＴで構成し
たときの各定数から Ｓ　、”＝　５３３）：／　（１，２〜１．５）Ｓ、≧
（２〜２．５）　Ｓ　。

であるからζ３／ζ１　は、 ζ３／ぐ、＝　（２〜２．５）２／（１，２〜１．５）
−２，７〜４．２ となり、縦効果を利用する方が横効果を利用するより効
率が数倍良い。計算上、分極軸方向の歪Ｓ３が分極軸に
直角な方向の歪ＳＩの２〜２゜５倍であるのは、各方向
に関する圧電歪定数ｄがｄｓｓ≧（２〜２．５）　ｄ　
３１ の関係にあるためである。

上記固体素子１の歪を直接外部に取り出してアクチュエ
ータとして利用する場合、固体素子１は１にν／ｍｍを
越える高い電界のもとに置かれるのが普通であり、汎用
的な電源手段を使ってこのような高い電界強度のもとに
置くためには、固体素子１自体の電極間距離を少なくと
も０．２〜０．３　ｍｍ程度にしなくてはならない。つ
まり、０．２〜０．３＋＋＋ｍ程度に薄く焼成された固
体素子１でない限り、実用上１ｋｖ／ｍｍを越える電界
のもとに置くことは不可能である。圧電横効果を利用し
たバイモルフ型のアクチュエータにおいては、構成上は
ぼ０．２〜０．３１１ＩＩ１１の厚さの固体素子１の長
手方向（分極軸に直角な方向）の歪が利用される。そこ
で、長手方向に長さを大きくとれば、実用上数十ミリの
変位を取り出すことが可能であり、この形式のアクチュ
エータを簡単に製造することができる。

一方、縦効果を利用した場合、横効果を利用した場合よ
りエネルギ効率は良いが上述したように固体素子１を薄
くしなければならない。ところが、固体素子１が薄けれ
ば固体素子１自身が保有できるエネルギ量はその体積に
比例して小さくなるから固体素子ｌが外部に対して行う
ことができる仕事量も小さく、結局実用に供するアクチ
ュエータを第４図（Ａ）のような単独の構造で得ること
は不可能に近い。

そこで、多層配線基板、チップコンデンサ等の製造技術
を応用して製造された積層型のアクチュエータが提供さ
れている。

第５図は上記積層型のアクチュエータの斜視図である。

図において、薄板状に積層された固体素子１が導体２１
．２２等を介して電源１３に電気的に並列接続され、駆
動電圧が下げられ矢印Ｑで示す方向において直列的に得
られる機械的変位が利用される。

個々の固体素子ｌは０．２〜０．３胴程度の厚さに焼成
されているため、それぞれを低い電源電圧でほぼｌｋｖ
の電界強度のもとに置くことが可能であり、５０枚程度
積層した場合、１００νの電源電圧で５μｍ程度の変位
を得ることができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の固体アクチュエータにおいて
、固体素子１が燻焼セラミツツク粉末、バインダー、可
塑剤、溶剤等を混合し、成膜焼成されるため、固体素子
１の内部に無数のボア（空孔）が存在する。したがって
、固体素子１の絶縁耐圧はこのボアの大きさ、数の影響
を受けて空気の絶縁耐圧以上に高くすることは不可能と
なる。

そして、該ボアが源となり固体素子１に絶縁破壊が生じ
ると、破壊部分が炭化して両型極面８を短絡させ、アク
チュエータとしての機能を果たさなくなる。

本発明は、上記従来の固体アクチュエータの問題点を解
決して、固体素子に印加される電界の強度を下げるとと
もに電源電圧も下げ、しかも大きな歪を発生することの
できる固体アクチュエータを提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） そのために、本発明の固体アクチュ土−夕においては、
圧電縦効果を利用した固体素子を複数個積層して積層振
動体を形成し、各固体素子を電源に並列に接続し、上記
積層振動体をその厚み方向において弾性板に接合しであ
る。

また、該積層振動体をその厚み方向に延びる結合面で２
組結合し、一方の積層振動体に正の歪が、他方の積層振
動体に負の歪が発生するように各固体素子を電源に接続
するようにしてもよい。

（作用） 本発明によれば、上記のように圧電縦効果を利用し７た
固体素子を複数個積層して積層振動体を形成し、各固体
素子を電源に並列に接続し、上記積層振動体をその厚み
方向において弾性板に接合し０ ているので、各固体素子に発生した歪みを弾性板に加え
て大きい変位を得ることができる。

また、該積層振動体をその厚み方向に延びる結合面で２
組結合し、一方の積層振動体に正の歪が、他方の積層振
動体に負の歪が発生するように各固体素子を電源に接続
すると、それぞれの積層振動体による歪みを増幅するこ
とができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。

第１図は本発明の固体アクチュエータの実施例を示す図
、第１図（Ａ）は同斜視図、第１図（Ｂ）は同断面図、
第１図（Ｃ）は同屈曲状態図ある。

図において、積層振動体１０を一組使用してユニモルフ
型の固体アクチュエータが形成される。上述したように
、燗焼セラミック粉末、バインダー可塑剤、溶剤等が混
合されて成膜されて固体素子１が形成される。そして、
固体素子１は内部電極が印刷された後に積層、焼成され
、カッティングされる。該積層振動体１０は、２点鎖線
で示す幅方向の両側面において導体２１．２２によって
電極接合される。上述したように導体２Ｌ２２は並列に
接続されているので、低い駆動電圧で各固体素子１の電
界強度を高めることが可能である。

上記構成の積層振動体１０はその厚み方向において接着
剤３によって弾性板４に接合され、ユニモルフ型の固体
アクチュエータを形成している。そして、電圧が印加さ
れると各固体素子１の分極軸方向とその電界の方向によ
って伸縮歪が発生し、積層振動体１０としては、低い駆
動電圧で大きな歪を発生ずることができる。

上記積層振動体１０と弾性板４を接合している接着剤３
の厚さが積層振動体１０や弾性板４の厚さに比べて小さ
ければ、接着剤層３の剪断変形は無視することができ、
固体素子１、弾性板４内に発生する歪は固体アクチュエ
ータの厚み方向に連続して一時的に分布するため、第１
図（Ｃ）に示すように固体アクチュエータはある曲率で
屈曲する。

第２図は本発明の固体アクチュエータの第２の実施例を
示す図、第２図（Ａ）は同斜視図、第２図（１ Ｂ）は同断面図、第２図（Ｃ）は同屈曲状態図である。

図において、積層振動体１０Ｌ１０２を二組使用してバ
イモルフ型固体アクチュエータが形成される。

この場合、各積層振動体１０１，１０２はそれぞれ固体
素子１を積層して構成され、その厚み方向に延びる結合
面５で結合されている。そして、一方の積層振動体１０
１の各固体素子１と他方の積層振動体１０２の各固体素
子１は電極面が相互に半ピツチずれている。

すなわち、電極面をａ−ａ、ｂ−ｂとし、各固体素子１
の分極軸方向Ｐを電極面ｂ−ｂから電極面ａ−ａ方向に
とると、上述したように個々の固体素子１は半ピツチず
れているため、各固体素子１間で電極面ａ−ａ、ｂ−ｂ
が電気的に短絡していることになる。外観上では図の２
点鎖線で囲まれた部分で導体２１．２２により電極接合
されている。

上記固体アクチュエータは、電圧が印加されると、両積
層振動体１０１．１０２の歪は逆符号になるので第２図
（Ｃ）に示すような屈曲運動を励起するこ２ とができる。

第３図は本発明の固体アクチュエータの第３の実施例を
示す図、第３図（Ａ）は同斜視図、第３図（Ｂ）は同断
面図、第３図（Ｃ）は同屈曲状態図である。

図において、２つの積層振動体１０１，１０２の各固体
素子１間は、第２図の例と異なり固体素子１を半ピツチ
ずつずらして電気的に短絡させるのではなく、接続手段
２３で電気的に短絡させている。動作上は第２図の例と
同じく固体アクチュエータに電圧が印加されると両積層
振動体１０１，１０２の歪は逆符号になるので、アクチ
ュエータは第３図（Ｃ）に示すような屈曲運動を励起す
る。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これ
らを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果） 以上、詳細に説明したように本発明によれば、圧電縦効
果を利用した団体素子を複数個積層して３ ４ 積層振動体を形成し、各固体素子を電源に並列に接続し
、上記積層振動体をその厚み方向において弾性板に接合
し、又は該積層振動体をその厚み方向に延びる結合面で
２組結合し、一方の積層振動体に正の歪が、他方の積層
振動体に負の歪が発生するように各固体素子を電源に接
続するようにしている。

したがって、圧電横効果を利用した従来のユニモルフ型
又はバイモルフ型の固体アクチュエータに比較して数倍
高いエネルギ効率を持つアクチュエータを提供すること
が可能となり、大きな変位を出力することができるだけ
でなく、低い電圧での駆動が可能となり、汎用電源を使
用することができる。

また、圧電縦効果を利用した従来のアクチュエータでは
、機械的インピーダンスが相当に高く、応用機器に対応
したインピーダンスマツチング用メカニズムを準備する
必要があり、そのために機構も複雑となるが、本発明の
固体アクチュエータにおいては、インピーダンスマツチ
ング用メカニズムは不要であり、機構も簡素である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体アクチュエータの実施例を示す図
、第１図（Ａ）は同斜視図、第１図（Ｂ）は同断面図、
第１図（Ｃ）は同屈曲状態図、第２図は本発明の固体ア
クチュエータの第２の実施例を示す図、第２図（八）は
同斜視図、第２図（Ｂ）は同断面図、第２図（Ｃ）は同
屈曲状態図、第３図は本発明の固体アクチュエータの第
３の実施例を示す図、第３図（Ａ）は同斜視図、第３図
（Ｂ）は同断面図、第３図（Ｃ）は同屈曲状態図、第４
図はアクチュエータの動作を示す図、第４図（Ａ）は圧
電縦効果を利用したアクチュエータの動作図、第４図（
Ｂ）は圧電横効果を利用したアクチュエータの動作図、
第５図は積層型のアクチュエータの斜視図である。 １・・・固体素子、８・・・電極面、１３・・・電源、
２Ｌ２２・・・導体、２３・・・リード線、１０１，１
０２・・・積層振動体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）圧電縦効果を利用した固体素子を複数個積
   層して積層振動体を形成し、 （ｂ）各固体素子を電源に並列に接続し、 （ｃ）上記積層振動体をその厚み方向において弾性板に
   接合したことを特徴とする固体アクチュエータ。
2. （２）（ａ）該積層振動体をその厚み方向に延びる結合
   面で２組結合し、 （ｂ）一方の積層振動体に正の歪が、他方の積層振動体
   に負の歪が発生するように各固体素子を電源に接続した
   ことを特徴とする請求項１記載の固体アクチュエータ。