JPH03128680A - 圧電／電歪アクチュエータ - Google Patents

圧電／電歪アクチュエータ

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JPH03128680A
JPH03128680A JP2011173A JP1117390A JPH03128680A JP H03128680 A JPH03128680 A JP H03128680A JP 2011173 A JP2011173 A JP 2011173A JP 1117390 A JP1117390 A JP 1117390A JP H03128680 A JPH03128680 A JP H03128680A
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electrodes
actuator
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幸久 武内
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NGK Insulators Ltd
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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】 （技術分野） 本発明は、変位制御素子、インクジェットヘッド、ＶＴ
Ｒヘッド、スイッチ、リレー、プリンターヘッド、ポン
プ、ファン等に用いられる新規な構造の圧電／電歪アク
チュエータに関するものである。なお、ここで述べるア
クチュエータとは、電気エネルギーを機械的な変位又は
応力に変換する素子を意図するものである。
（背景技術） 近年、光学や精密加工等の分野において、サブミクロン
のオーダーで光路長や位置を調整する変位素子が所望さ
れるようになってきており、これに応えるものとして、
強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えたときに惹起
される逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位を利
用した素子である圧電／電歪アクチュエータの開発が進
められている。
ところで、この圧電／電歪アクチュエータの構造と、し
ては、従来から、モノモルフ型、ユニモルフ型、バイモ
ルフ型、積層型等が知られているが、その中で、モノモ
ルフ型、ユニモルフ型、バイモルフ型は、電界誘起歪み
の横効果を利用して屈曲変位を得るために、比較的大き
な変位が得られるものの、発生力が小さく、また応答速
度が遅く、電気機械変換効率が悪いという問題を内在す
るものであり、接着剤を用いて張り付けるために、信頼
性に問題があるもの・であった。一方、積層型は、電界
誘起歪みの縦効果を利用しているために、それら発生力
や応答速度において優れ、また電気機械変換効率も高い
ものであるが、発生変位が小さいという問題を内在して
いる。
このように、従来の圧電／電歪アクチュエータには、そ
れぞれ一長一短があったのである。
一方、米国特許第２５４０１９４号明細書には、所定厚
さを有する長手板状の圧電／電歪駆動部の面上に、その
幅方向に延びる帯状電極が長平方向に所定間隔を隔てて
ストライプ状に設けられた構造のモノモルフ型の圧電／
電歪アクチュエータが明らかにされているが、このよう
な構造のアクチュエータにあっては、それらの電極に接
触している圧電／電歪板の表面層付近のみの部分に、電
界誘起歪みを発生せしめることにより、屈曲変位乃至は
発生力を発現せしめているだけであるところから、最も
有効な電極間を利用しておらず、そのために、変位や発
生力が非常に小さい問題を内在するものであった。
（解決課題） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その課題とするところは、接着剤等
で張り付けた構造ではなく、相対的に低駆動電圧で大変
位が得られ、応答速度が速い特徴がある、電界誘起歪み
の縦効果を少なくとも利用して屈曲の変位乃至は発生力
を得るようにした圧電／電歪アクチュエータ構造を提供
しようとするものであり、また電界誘起歪みの縦効果及
び横効果の両方を利用して、屈曲の変位乃至は発生力を
効果的に得るようにした構造を提供することにあり、更
には、高集積化が可能な膜形成技術を用いて作製したア
クチュエータを提供することにある。
（解決手段） そして、本発明にあっては、そのような課題解決のため
に、基板と、該基板の少なくとも一方の面上の少なくと
も一部分に配列された複数の帯状電極と、少なくともそ
れら電極間に位置するように、それら電極に接して配さ
れた、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電歪駆動部
とを含んで構成されてなる、少なくとも電界誘起歪みの
縦効果を利用して屈曲の変位乃至は発生力を得ることの
出来る圧電／電歪アクチュエータを、その特徴とするも
のである。
なお、かくの如き圧電／電歪アクチュエータにおいて、
前記帯状電極は、好ましくは、その長手方向の両端部に
おいて、それぞれ異なる一つおきの組にて接続され、二
つのくし型電極を構成している。
また、本発明の望ましい構造によれば、前記帯状電極及
び圧電／電歪駆動部が前記基板の一方の面上に設けられ
ている一方、該基板の他方の面上には、所定の圧電／電
歪材料からなる圧電／電歪層が、二つの電極層にて挟ま
れて積層せしめられているものである。
さらに、上記圧電／電歪アクチュエータにおいて、基板
が、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電歪板と、該
圧電／電歪板を挟むように積層された二つの電極層とか
ら形成されるようにすることが出来、また前記圧電／電
歪駆動部が、前記基板の少なくとも前記帯状電極が設け
られる側の部位を構成している構造も、採用することが
出来るものである。
（作用・効果） 従って、上記のような本発明に従う圧電／電歪アクチュ
エータ構造においては、基板面上に配列された複数の帯
状電極に外部から電圧が印加されて、基板面と平行な方
向にそれぞれの電極間で所定の電界が作用せしめられる
ことにより、それら電極間に位置する圧電／電歪駆動部
に電極配列方向における歪みを効率よく誘起させ（縦効
果）、そして電極配列パターンを選定することによって
、この誘起歪みを基板面内の思い通りの方向に作用させ
ることが出来、基板をその板面に垂直な方向に屈曲変位
せしめ、またそのような方向の発生力を実現するもので
あるところから、相対的に、低駆動電圧で大変位を得る
ことが出来、また応答速度が速い特徴を発揮することが
出来るのである。
また、本発明に従う圧電／電歪アクチュエータを通常の
バイモルフ型構造の一部に適用した場合には、即ち複数
の帯状電極と圧電／電歪駆動部とを含む素子（電界誘起
歪みの縦効果利用）に対して、更に二つの電極層と圧電
／電歪層とを含む他の素子（電界誘起歪みの横効果利用
）を積層一体化してなる構造を採用した場合においては
、分極方向のみの電界にて、縦効果と横効果の両方を利
用して、大きな屈曲変位が得られるように構成出来、分
極がなくなったり一１消極するようなこともなく、長期
使用に対する信頼性の高いアクチュエータとすることも
出来るのである。
さらに、本発明のアクチュエータ構造は、基板面と平行
方向に電圧をかけ、膜厚方向に電圧を印加せずに駆動出
来るので、本発明の圧電／電歪材料の膜形成時の欠陥等
によって、絶縁破壊電圧が低下し難い構造であり、また
電極と圧電／電歪材料との間に、剪断応力が起こり難い
構造であるために、膜厚の比較的薄い膜状の圧電／電歪
材料（圧電／電歪駆動部）を用いるのに好適なものであ
る。
しかも、本発明のアクチュエータ構造は、圧電／電歪材
料の厚さを薄くしなくても、その幅（電極間の間隔）を
狭くすることによって、駆動電圧を低くすることが可能
となる特性をもつ構造でもある。また、圧電／電歪材料
が電極間に位置し、所謂セル構造を持つので、基板との
熱膨張率の違いの影響を受は難い構造でもあり、発生応
力が有効に利用できる構造でもある。
（具体的構成・実施例） 以下、本発明に従う圧電／電歪アクチュエータの具体的
構造を示す図面を参照しつつ、本発明を更に具体的に明
らかにすることとする。
先ず、第１〜４図及び第１１図は、何れも、本発明に従
うユニモルフ型の例であって、その中で、第１図に示さ
れる圧電／電歪アクチュエータにおいては、所定幅の長
手状の基板２の一方の面上に、基板２の幅方向に延びる
複数の帯状電極４が基板２の長手方向に所定間隔を隔て
てストライプ状に設けられており、そしてそれら帯状電
極４．４間に、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電
歪駆動部６が、形成されている。なお、帯状電極４や圧
電／電歪駆動部６は、基板２に対して一体的に設けられ
るものであり、また帯状電極４の電極ピッチや電極幅は
、一般に、それぞれ均一とされるものであり、更に有利
には、電極間の間隔、換言すれば圧電／電歪駆動部６の
幅は、かかる電極幅よりも広くされることとなる。電極
のピッチは、相対的に低駆動電圧で大変位を得るために
、２００μｍ以下が良く、好ましくは１００μｍ以下で
あり、その中でも６０μｍ以下が更に好ましい。
また、電極層は、３μｍ以上が良く、好ましくは１０μ
ｍ以上であり、更に好ましくは２０μｍ以上である。
そして、このような構造の圧電／電歪アクチュエータに
対して、その帯状電極４に従来と同様にして通電が行な
われ、帯状電極４．４間に位置する圧電／電歪駆動部６
に電界が作用せしめられると、圧電／電歪駆動部６には
該電界に基づくところの歪みが誘起され、以てその縦効
果により、基板２の板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は
発生力が発現せしめられるのである。
また、第２図及び第１１図に示される圧電／電歪アクチ
ュエータにおいては、基板２が四角形成いは円板形状と
されており、そしてその一方の面上に、帯状電極４が円
形形態において同心円状或いは渦巻状に配置され、更に
それら電極４．４間に圧電／電歪駆動部６が設けられた
構造とされている。
さらに、第３図及び第４図は、何れも、第１図の如き圧
電／電歪アクチュエータにおいて、その帯状電極４が、
長手方向の両端部において、それぞれ異なる一つおきの
組にて接続され、二つ（−対）のくし型電極８ａ、８ｂ
を構成した例を示している。即ち、それらくし型電極８
ａ、８ｂは、それぞれ、基板２の幅方向の両側部に設け
た電極接続部１０．１０に対して、複数の帯状電極４を
交互に電気的に接続せしめて構成されたものである。特
に、第４図に示される例では、そのようなくし型電極８
ａ、８ｂの電極接続部１０．１０が、基板２のそれぞれ
の側面を覆うように設けられている。そして、このよう
な電極接続部１０の採用によって、それぞれの帯状電極
４への給電が容易となるのである。
なお、第４図に示される例においては、それぞれのくし
型電極８ａ、８ｂの電極基部間に、絶縁部１２が設けら
れ、その電極接続部１０と他方のくし型電極の電極４先
端部との間の電気的な絶縁、ひいては当該部分における
電界誘起歪みの発生が回避されるようになっている。
本発明に従う圧電／電歪アクチュエータをバイモルフ型
構造において実現した例が、第５図〜第１０図に示され
ているが、その中で、第５図の例においては、長手の基
板２の両側の面に、それぞれ、帯状電極４と圧電／電歪
駆動部６とが交互にストライプ状に配された構成を有し
、第１図に示されるアクチュエータ構造が基板２の両側
に採用されたものである。
また、第６図に示される圧電／電歪アクチュエータにあ
っては、第３図に示される構造のアクチュエータにおい
て、その基ｖｊ！、２の他方の面倒に、圧電／電歪駆動
部６と同様な圧電／電歪材料からなる圧電／電歪層１４
が、二つの電極層１６，１６と共に、それら電極層１６
．１６に挟まれた形態において、積層一体化された構造
を採用している。この第６図の如き構造において、基板
２を、第７図に示される如く、電気的な絶縁層１８にて
置き換え、以て圧電／電歪板１７とそれを挟む二つの電
極層１６．１６にて、基板としての機能を果たさせるよ
うにすることも可能である。
さらに、第８図に示される圧電／電歪アクチュエータに
おいては、第７図に示される構造において、一方のくし
型電極８ａの電極接続部１０が延長せしめられて、電極
層１６の一方に接続せしめられている一方、他方のくし
型電極８ｂの電極接続部１０も延長せしめられて、他方
の電極層１６に接続されており、これによって、各くし
型電極８ａ、８ｂ、各電極層１６．１６への給電が同時
に行なわれ得るようになっている。
なお、第９図は、第４図に示される如き、基板２の一方
の面上に設けられる二つのくし型電極８ａ、８ｂのそれ
ぞれの電極接続部１０．１０と帯状電極４先端部との間
に絶縁部Ｉ２を配した構造の圧電／電歪アクチュエータ
において、その基板２の他方の面倒に、上側と同様な圧
電／電歪層１４を、二つの電極層１６．１６にて挟んだ
状態において積層一体化せしめてなる構造を示すもので
ある。
このように、第６図〜第９図に示される如き構造の圧電
／電歪アクチュエータにおいては、帯状電極４と圧電／
電歪駆動部６による電界誘起歪みに加えて、二つの電極
層１６．１６によって加えられる電界に基づくところの
圧電／電歪層１４の電界誘起歪みの作用によって、大き
な屈曲変位が得られ、しかもかかる圧電／電歪層１４及
び圧電／電歪駆動部６には、その分極方向のみの電界が
作用せしめられるように出来るところから、その特性が
経時劣化することなく、長期使用に対する信頼性も効果
的に高められ得るのである。
また、第１０図に示される圧電／電歪アクチュエータに
おいては、基板２の一方の表面上に所定の間隔で複数の
帯状電極４が配列され、そしてそれら帯状電極４を埋め
込んだ状態において、所定厚さで圧電／電歪駆動部６が
形成されていると共に、該圧電／電歪駆動部６上に、電
極層１６．圧電／電歪層１４及び電極層１６が順次積層
一体化せしめられた構造とされている。
なお、第１図〜第１１図では、１基板当り、１個のアク
チュエータの例が示されているが、大面積を有する基板
の各所に、少なくとも帯状電極と圧電／電歪駆動部より
なる本発明のアクチュエータを複数個形成した構造、即
ち１基板当り、多数個のアクチュエータを有する構造は
、本発明を有効に利用できる好ましいものである。
ところで、かくの如き本発明に従う圧電／電歪アクチュ
エータにおいて、基板２の形状は、用途に応じて適宜に
決定され、例えば三角形、四角形、五角形、六角形等の
多角形状、或いは異形形状とされたり、円形、楕円形、
円環形等の円形形状、更にはそれらを組み合わせた形状
とされたりし、またその形状の中に空間のある構造等も
採用され得るものである。
また、かかる基板２の材料としては、単結晶、各種セラ
ミックスで良く、弾性的異方性基板も好ましく用いられ
るものである。なお、セラミックスとしては、酸化物だ
けでなく、非酸化物であっても何等差支えないのである
。更にまた、金属板や合金板の表面の所定の部分に絶縁
層を設けたものを、基板２として用いることも可能であ
る。
そして、かかる基板２をセラミックスにて形成する場合
において、それを絶縁セラミックス板にて構成する他に
、誘電体セラミックス板、圧電セラごツクス板等の機能
材で構成しても、何等差支えないのである。更に、かか
る基板２は、有機フィルムのように柔らかいものであっ
ても良く、またその表面が平坦な面だけでなく、曲面で
あっても何等差支えないのである。
何れにしても、本発明にて用いられる基板２には、公知
の各種の材料からなる各種形状乃至は形態のものが適宜
に選択されるものであるが、基板２の材料としては、セ
ラミック基板が好ましく、その中でも、少なくとも、酸
化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム
、窒化アルミニウム、窒化珪素の何れかを主成分とする
材料よりなるものが好ましい。なかでも、酸化アル逅ニ
ウムまたは酸化ジルコニウムを主成分とする基板が、下
記に示すように、板厚が薄くても、優れた基板特性が得
られるので、特に好ましい。
なお、上記のセラごツク基板の厚さは、１００μｍ以下
が阜く、好ましくは５０μｍ以下、その中でも、更に好
ましくは３０μｍ以下が良い。また、セラミック基板の
ヤング率が１．５Ｘ１０６ｋｇ／　ｃｍ　”以上で、４
．５　Ｘ　１０　’、　ｋｇ／ｃｍ”以下であることが
好ましく、その中でも、２．０ｘｌＯ’ｋｇ／Ｃｌｌ１
２以上で、４．　ＯＸ　１０　’　ｋｇ／ｃｍ”以下で
あることが、更に好ましい。また、その曲げ強度は、１
２００　ｋｇｆ　７ｃｍ”以上が良く、その中でも１５
００ｋｇｆ／ｃｍ”以上が、更に好ましい。セラミック
基板のこれらの値は、本発明のアクチュエータにおいて
、大きい屈曲変位、発生力及び高速応答性を得るために
、非常に好ましいことである。
また、帯状電極４や電極層１６の材料にあっても、金属
や合金、金属間化合物、導電性セラミックス等の公知の
電極材料が適宜に選択され、そしてそれら材料は、厚膜
、薄膜、メツキ等の形態において電極形成に用いられる
こととなる。なお、帯状電極４やくし型電極８ａ、　　
８ｂの形成には、レーザー、スライシング等の加工によ
る方法やフォトリソグラフィ技術を用いた電極パターン
の形成法等、公知の各種の手法が適宜に採用されるもの
である。
さらに、本発明において、圧電／電歪駆動部６や圧電／
電歪１１４は、何れも、逆圧電効果乃至は電歪効果を示
す公知の圧電／電歪材料にて形成され、そのような材料
は分極処理が必要なものであっても、また必要としない
ものであっても良く、更にそのような材料は、結晶、半
導体、セラミックス、高分子等の形態、更にはそれらの
複合材料の形態を採るものである。
なお、かかる圧電／電歪材料の好ましいものとしては、
ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする材料
の他、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケル
ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモン錫酸鉛、
チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸鉛、ニオブ酸
バリウムを主成分とする材料、更にはそれらの複合材料
を挙げることが出来る。また、ＰＺＴ系を主成分とする
材料に、Ｌａ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｎ等を含ん
だ材料、例えばＰＬＺＴ系材料が含まれるように、前記
材料に適宜添加物を含有せしめることも可能である。更
に、詳細に述べると、本発明の圧電／電歪材料として特
に好ましい材料は、本発明の構造とアクチュエータ特性
の観点より、圧電定数ｌｄｚ：＋ｌが、１００　Ｘ　１
０−”　（Ｃ／Ｎ）以上のものである。
そして、このような圧電／電歪材料は、真空蒸着法、ス
パッタ法、イオンブレーティング法、クラスタイオンビ
ーム法、ＣＶＤ法等の薄膜形成法を用いて、或いはスピ
ナー、ディッピング、吹付け（スプレー）、刷毛塗り等
の塗布法によって、更にはペーストの印刷法等によって
、基板２等の表面に適用され、目的とする形態の圧電／
電歪駆動部６や圧電／電歪層１４が形成されることとな
るのである。
以上、本発明に従う圧電／電歪アクチュエータについて
、図面に示される具体例に基づき、詳細に説明してきた
が、本発明がそのような具体例によって、何等の制約を
も受けるものでないことは言うまでもないところである
。
そして、本発明には、上記の具体的記述以外にも、本発
明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基
づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るもので
あることが、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第１１図は、それぞれ、本発明に従う圧電／電
歪アクチュエータの異なる例を示す斜視部分説明図であ
る。 ２：基板 ６：圧ｔ／電歪駆動部 ８ａ、８ｂ：＜Ｌ、型電極 ｌＯ：電極接続部　　　１２：絶縁部 １４：圧電／電歪ＩＩ　　１６：電極層１７：圧ｔ／電
歪板　　１８：絶縁層 ４：帯状電極

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板と、かかる基板の少なくとも一方の面上の少
    なくとも一部分に配列された複数の帯状電極と、少なく
    ともそれら電極間に位置するように、それら電極に接し
    て配された、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電歪
    駆動部とを含んで構成されてなる、少なくとも該電極間
    の電界誘起歪みの縦効果を利用して屈曲の変位乃至は発
    生力を得ることの出来る圧電／電歪アクチュエータ。
  2. （２）前記帯状電極が、その長手方向の両端部において
    、それぞれ異なる一つおきの組にて接続され、二つのく
    し型電極を構成している請求項（１）記載の圧電／電歪
    アクチュエータ。
  3. （３）前記帯状電極及び圧電／電歪駆動部が前記基板の
    一方の面上に設けられている一方、該基板の他方の面上
    に、所定の圧電／電歪材料からなる圧電／電歪層が、二
    つの電極層にて挟まれて積層せしめられている請求項（
    １）または（２）記載の圧電／電歪アクチュエータ。
  4. （４）前記基板が、所定の圧電／電歪材料からなる圧電
    ／電歪板と、該圧電／電歪板を挟むように積層された二
    つの電極層とから形成されている請求項（１）または（
    ２）記載の圧電／電歪アクチュエータ。
  5. （５）前記圧電／電歪駆動部が、前記基板の少なくとも
    前記帯状電極が設けられる側の部位を構成している請求
    項（１）または（２）記載の圧電／電歪アクチュエータ
    。
  6. （６）前記基板が、少なくとも、酸化アルミニウム、酸
    化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム
    、窒化珪素の何れかを主成分とする材料よりなるセラミ
    ック基板である請求項（１）または（２）記載の圧電／
    電歪アクチュエータ。
  7. （７）前記セラミック基板の板厚が、１００μｍ以下で
    、且つその曲げ強度が１２００ｋｇｆ／ｃｍ＾２以上で
    ある請求項（１）または（２）記載の圧電／電歪アクチ
    ュエータ。
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