JPS632390A - 積層型セラミツク変位装置 - 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］ この発明は、複数枚のセラミックグリーンシートを電極
材料となる導電材を介して積層して同時焼成して得られ
たセラミック焼結体を用いた積層型のセラミック変位装
置に関する。

［従来の技術］ 上述したような積層型セラミック焼結体を用いた圧電変
位装置が知られている。第２図および第３図は、この従
来の積層型圧電変位装置の一例を説明するための各電気
的接続状態図である。

ここでは、４層のセラミック層１．２，３．４の間に、
内部電極５，６．７が介在されており、かつ焼結体の両
面には外面電極８．９が形成されている。圧電変位装置
として用いるために、各セラミック層１・・・４を分極
するに際しては、内部電極６および外面電極８，９に電
圧Ｖ、を内部電極５に電圧Ｖ、を、内部電極７に電圧Ｖ
２を印加する（但し、Ｖ、、Ｖ２およびＶ、の間ニハ、
Ｖ２−Ｖ、−Ｖ、−Ｖ、の関係がある。）。したがって
、各セラミック層１・・・４は、第２図の矢印で示すよ
うに、それぞれ厚み方向に分極される。

上述のようにして分極された圧電変位装置を駆動するに
際しては、第３図に示すように、内部電極６および外面
電極８．９から一方の電位を（第３図では十の電位）、
内部電極５，７を電気的に接続し他方の電位（第３図で
は−の電位）を印加することにより、セラミック層１，
２が円で囲まれた図示の双方向の矢印で示すようにその
長さ方向に縮んで厚み方向に伸び、セラミック層３，４
が円で囲まれた双方向の矢印で示すようにその長さ方向
に伸びて厚み方向に縮むことになる。もちろん、電位を
逆転すれば、各セラミック層１・・・４の変位方向も逆
転する。

［発明が解決しようとする問題点コ 上記構造の積層型圧電変位装置では、第２図に示したよ
うな偶数層のセラミック層１・・・４を有する場合、分
極処理に際し３種類の電位を印加しなければならず、ま
た駆動に際しては内部電極５と内部電極７とを改めて電
気的に接続し電圧を印加しなければならない。すなわち
、分極処理が煩雑であり、かつ分極処理後にさらに電気
的な接続を行なわねばならない。

さらに、第３図に示す状態では、セラミック層３．４に
は、分極方向と逆方向に電圧が印加されている。したが
って変位を大きくしようとして印加電圧を高くした場合
、分極構造を破壊するおそれがある。よって、駆動電圧
を成る値より高くすることができないため、大きな変位
量を得ることができず、また長期間にわたり連続駆動し
た場合分極構造が次第に破壊され変位量が小さくなる。

よって、この発明の目的は、偶数層のセラミック層を有
する積層型のセラミック変位装置において、簡単に分極
処理を行なうことができ、かつ駆動に際しては分極構造
の破壊現象が生じず、したがって大きな変位量を得るこ
とが可能な変位装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明の積層セラミック変位装置は、複数枚のセラミ
ックグリーンシートを導電材を介して積層し同時焼成し
て得られたセラミック焼結体を用いるものであり、 上記セラミック焼結体と、セラミック焼結体内に電気機
械変換用セラミック層を介して対向された３以上の奇数
層の内部電極と、セラミック焼結体の両面に内部電極と
対向するように形成された１対の外面電極とを備える。

したがって、セラミック焼結体内には、内部電極および
外面電極により４以上の偶数層の電気機械変換用セラミ
ック層が画成されている。

上述した内部電極および外面電極は、内部電極のうち中
心に位置する中心電極と、該中心電極に対して一層おき
に位置する電極とにより構成される第１の電極群と、残
りの電極のうち中心電極の一方側に位置する電極により
構成される第２の電極群と、他方側に位置する電極によ
り構成される第３の電極群にわけられる。この第１〜第
３の電極群を構成する各電極は、それぞれ、群内におい
ては相互に電気的に接続されている。

前記電気機械変換用セラミック層は、圧電性または電歪
性を示すもので構成される。該セラミック層が圧電性の
ものからなる場合、各セラミック層は、それぞれ、隣り
合う層が互いに逆方向となるように厚み方向に分極され
ている。

また、第２の電極群と第３の電極群との間に逆極性で直
列に接続された２個の整流素子がさらに備えられている
。この２個の整流素子の接続点と第１の電極群とは電気
的に接続されている。

［作用コ この発明において、セラミック層が圧電性を示すものか
らなる場合、後述する実施例から明らかなように、中心
電極を挟んで一方側のセラミック層と他方側のセラミッ
ク層の分極方向は対称となっている。また、−刃側のセ
ラミック層間に存在する第２の電極群と他方側のセラミ
ック層間に存在する第３の電極群との間に逆極性で直列
に２個の整流素子が接続されており、この２個の整流素
子の接続点と第１の電極群とが電気的に接続されている
ので、第２の電極群と第３の電極群とがら極性の異なる
電圧を印加して駆動すれば、第２または第３の電極群の
うち十の電位に接続される側のセラミック層において分
極方向と同一方向に駆動電圧が印加されその長さ方向に
縮んで厚み方向に伸びる。このとき、−の電位に接続さ
れる電極群側のセラミック層には駆動電圧が印加されず
、したがって分極構造を破壊する方向に駆動電圧が印加
されないことがわかる。よって、分極構造の破壊を気に
することなく、大きな駆動電圧を与えて大変位量を得る
ことができる。また、長期間使用した場合であっても、
分極方向と逆方向に駆動電圧が印加されないので、変位
量が経時的に小さくなることもない。

さらに、分極に際しては、各セラミック層は隣り合う層
が互いに逆方向となるように厚み方向に分極されるだけ
であるため、第１電極群から一方の電位を、第２の電極
群および第３の電極群がら他方電位を印加すれば簡単に
分極処理することができる。よって、従来の偶数層のセ
ラミック層を有する圧電変位素子に比べて簡単に分極を
行なうことができる。

また、この発明において、セラミック層が電歪性を示す
ものからなる場合は駆動電圧が印加される側のセラミッ
ク層が厚み方向に伸びる。セラミック層が電歪性を示す
ものは電圧が印加されると一方向しか変化せず、ユニモ
ルフとしての利用しかできないが、この発明によればバ
イモルフとしての利用が可能となる。

［実施例の説明コ 第１図は、この発明の一実施例として、セラミック層と
して圧電性を示すものを用いた積層型変位装置の電気的
接続状態を示す模式図である。ここでは、セラミック焼
結体内に内部電極１５，１６．１７がセラミック層を介
して対向されている。

また、セラミック焼結体の上面および下面には１対の外
面電極１８．１９が形成されている。したがって、セラ
ミック焼結体は、内部電極１５・・・１７および外面電
極１８．１９により、４層のセラミック層１１・・・１
４に画成されている。なお、このようなセラミック焼結
体は、セラミック層１１・・・１４に相当する複数枚の
セラミックグリーンシートを導電材料を介して積層し同
時焼成することにより得られる。

ところで、内部電極１５・・・１６および外面電極１８
．１９は、セラミック焼結体の中心に位置する中心電極
１６と、該中心電極１６と１層おきに存在する電極すな
わち外面電極１８．１９とにより構成される第１の電極
群と、残りの電極のうち中心電極１６の一方側に位置す
る電極１５により構成される第２の電極群と、中心電極
１６の他方側に位置する電極１７により構成される第３
の電極群とからなる。なお、第１図実施例では、セラミ
ック層が４層であり、電極層が５層であるため上述のよ
うに第２電極群および第３の電極群を構成するのは、そ
れぞれ、内部電極１５および内部電極１７のみとなって
いるが、４層以上のセラミック層を有する構造の場合に
は、第２の電極群および第３の電極群は、複数の内部電
極あるいは外面電極により構成される。

この実施例では、セラミック層１１・・・１４は、隣り
合う層が互いに逆方向となるように、それぞれ厚み方向
に分極されている。この分極方向を、各セラミック層１
１・・・１４の位置に矢印で示す。

当然のことなから、セラミック層１１・・・１４が偶数
層であるため、中心電極１６の一方側に位置するセラミ
ック層１１．１２の分極方向と、他方側に位置するセラ
ミック層１３．１４の分極方向は中心電極１６を介して
対称となっている。

第１の電極群を構成する中心電極１６と外面電極１８．
１９は相互に電気的に接続されており、また、第２の電
極群を構成する内部電極１５と、第３の電極群を構成す
る電極１７との間には２個のダイオード２１．２２が逆
極性で直列に接続されている。ダイオード２１．２２間
の接続点は中心電極１６１こ電気的に接続されている。

なお、ダイオード２１．２２に変えてセレン整流素子の
よ′うな他の整流素子を用いてもよい。

上述のように構成された第１図実施例では、たとえば第
１図に示すように第２の電極群を構成する内部電極１５
側に端子２３から十の電位を、第３の電極群を構成する
内部電極１７に端子２４から−の電位を印加すると、セ
ラミック層１１．１２は、図示の円で囲まれた双方向の
矢印で示すように厚み方向に伸びる。しかしながら、−
の電位に接続される内部電極１７の両側に位置するセラ
ミック層１３．１４には駆動電圧は印加されない。

したがって、セラミック層１１．１２がその長さ方向に
縮んで厚み方向に伸び、セラミック層１３゜１４自体は
伸縮しないため、変位素子全体としては凹状に変位する
ことになる。次に、駆動電圧の極性を逆転し、端子２３
に−の電位を、端子２４に十の電位を与えれば、同様に
して、セラミック層１３．１４が図示の破線の円で囲ま
れた双方向の矢印で示すようにその長さ方向に縮んで厚
み方向に伸び、他方セラミック層１１．１２は駆動電圧
が印加されないため伸縮しない。よって、装置全体とし
ては凸状に変位することになる。

上述したように、第１図実施例では、常に分極方向と等
しい方向にのみ駆動電圧が印加される。

よって、駆動に際して分極構造を破壊するおそれがない
ため、分極破壊をおそれずに大きな駆動電圧を印加して
大変位量の得られることがわかる。

また、長期間使用した場合であっても、分極構造にはな
んら影響しないため、変位の経時的な減少も生じない。

もっとも、駆動に際して積極的に伸縮されるのはセラミ
ック層１１・・・１４のうち２層だけであるため、第３
図に示した従来の圧電変位装置のように４１ｉｔ！のセ
ラミック層すべてが変位する場合に比べて変位量が約１
／２となることが予想される。

しかしながら、第４図に示すように、この実施例の変位
装置では、素子の絶縁耐圧程度（５００９Ｖ／ｍｍ）に
至る程度の電圧を印加しても変位が電圧に応じて増加す
る。これに対して、第３図に示した従来の圧電変位装置
では、４層とも積極的に伸縮するものの、常に２層には
分極方向と逆方向に駆動電圧が印加されるため、１００
ＯＶ／ｍｍ程度の駆動電圧を印加すると分極破壊が生じ
、それ以上の駆動電圧を印加したとしても変位量は却っ
て小さくなる。

すなわち、従来の変位装置では駆動時に印加可能な電圧
がほぼ５００Ｖ／ｍｍ程度であったのに対し、この実施
例の装置では極めて大きな駆動電圧を印加することがで
きるので、はるかに大きな変位量を得ることができる。

なお、第５図に示すように、この実施例の変位装置では
、１００ＯＶ／ｍｍの駆動電圧を印加したまま１０００
時間放置しておいても変位量は全く減少しないのに対し
、従来の圧電変位装置では１５０Ｖ／ｍｍならびに３０
０Ｖ／ｍｍ程度の駆動電圧を印加した場合であっても変
位量が次第に低下することがわかる。また、従来の変位
装置では、５００Ｖ／ｍｍの駆動電圧を印加した場合に
は数時間で変位量が激減し、したがって印加可能な駆動
電圧としては、せいぜい５００Ｖ／ｍｍまでであること
がわかる。

第６図は、セラミック層として圧電性を示すものを用い
たこの発明の第２の実施例の電気的接続状態を示し、こ
こでは６層のセラミック層３１・・・３６が内部電極３
７・・・４１および外面電極４２゜４３よりセラミック
焼結体内に画成されている。

各セラミック層３１・・・３６は、隣り合う層が互いに
逆方向となるように分極処理されている。したがって、
セラミック層の層数が増加したこと、ならびに内部電極
数が増加したことを除いては、第１図実施例と同様であ
る。

第４図実施例では、第１の電極群は、中心電極３９と、
内部電極３７．４１により構成されており、第２の電極
群は内部電極３８と外面電極４２とにより構成されてお
り、第３の電極群は内部電極４０と外面電極４３とによ
り構成されている。

上述した第２の電極群と第３の電極群との間に、やはり
２個のダイオード４７．４８が直列にかつ逆極性となる
ように接続されている。そして、中心電極３９が２個の
ダイオード４７．４８間の接続点に電気的に接続されて
いる。

よって、第２の電極群に接続された端子５１よりたとえ
ば十の電位を、第３の電極群に接続された端子５２より
−の電位を印加すれば、図示の円で囲まれた双方向の矢
印で示すようにセラミック層３１・・・３３がその長さ
方向に縮んだため厚み方向に伸び、残りのセラミック層
３４・・・３６は伸縮しない。印加する電位の極性を逆
転すれば、セラミック層３４・・・３６が同様に厚み方
向に伸び、セラミック層３１・・・３３は駆動電圧が印
加されないため伸縮しない。よって、第１図実施例と同
様に動作することがわかる。

次に、セラミック層として電歪性のものを用いた積層型
変位装置について説明する。

先の実施例で示した第１図を参照しながら説明すると、
電歪性セラミック層の場合には、分極処理が施されず、
図示したような分極性が存在しない点で、圧電性セラミ
ック層を用いた場合と異なるだけである。したがって、
第１図を参照しながら説明すると、第２の電極群を構成
する内部電極１５側に端子２３から十の電位を、第３の
電極群を構成する内部電極１７に端子２４がら−の電位
を印加すると、セラミック層１１．１２は、図示の円で
囲まれた双方向の矢印で示すように厚み方向に伸びる。

しかしながら、−の電位に接続される内部電極１７の両
側に位置するセラミック層１３．１４には駆動電圧は印
加されない。したがって、セラミック層１１．１２がそ
の長さ方向に縮んで厚み方向に伸び、セラミック層１３
．１４自体は伸縮しないため、変位素子全体としては凹
状に変位することになる。次に、駆動電圧の極性を逆転
し、端子２３に−の電位を、端子２４に十の電位を与え
れば、同様にして、セラミック層１３゜１４が図示の破
線の円で囲まれた双方向の矢印で示すようにその長さ方
向に縮んで厚み方向に伸び、他方セラミック層１１．１
２は駆動電圧が印加されないため伸縮しない。よって、
装置全体としては凸状に変位することになる。

また、第６図に示した実施例においても、図示した分極
軸が存在しない点が異なるのみで、その他の構成につい
ては同じであり、変位については同様な動きを示すこと
になる。

なお、電歪性をセラミック層を示す材料とじては、たと
えば、Ｐ　ｂ　［（Ｍ　ｇ４　Ｎ　ｄｙ　）、、Ｔ　＋
ｒ、、１］　ｏ！Ｉ。

Ｐ　ｂＣ（Ｍ　ｇｙ、　Ｗ！／、　）、６Ｔ　ｉａＪ　
Ｏａなトカある。

セラミック層が電歪材料からなる場合、この電歪材料は
駆動電圧の極性を逆転しても厚み方向にしか伸びないた
め、ユニモルフとしての利用しかできなかったが、この
発明にかかる変位装置によればバイモルフ（マルチモル
フ）としての利用が可能となる。

［発明の効果コ 上述したように、この発明において、セラミック層とし
て圧電性を示すものを用いた場合、偶数層のセラミック
層のうち中心電極の一方側に位置するセラミック層がそ
の分極方向と等しい方向に駆動電圧を印加されて積極的
に伸縮し、他方側のセラミック層は駆動電圧が印加され
ないように構成されているので、分極構造の破壊を気に
することなく大きな駆動電圧を印加して装置を変位させ
ることができる。したがって、従来の圧電変位装置に比
べてはるかに大きな駆動電圧を印加して変位させること
ができるので、結果としてはるかに大きな変位量を得る
ことができる。また、分極方向と逆方向に駆動電圧が決
して印加されないため、長時間繰返し使用したとしても
、変位量の減少も生じない。よって、変位量の安定な変
位装置を実現することができる。

さらに、従来のセラミック層が偶数層の積層型変位素子
では、分極処理に３種類の電位を印加しなければならな
かったが、この発明の変位装置では各セラミック層は隣
り合う層が互いに逆方向に分極されるだけであるため、
駆動の際とほぼ同様の接続処理により簡単に分極処理を
施すことができる。

さらに、セラミック焼結体がたとえばＢａＴｉ０１、チ
タン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのように強誘電体セ
ラミックスよりなる場合には、周囲温度がキュリー点を
越えた場合結晶構造の変化により強誘電相から常誘電相
に変化し圧電性が失われるが、この発明の変位装置では
、上記のように駆動電圧が印加されるので、このような
環境の下でも電歪効果により変位を取出すことができる
。

よって、高温特性に優れた変位装置を得ることができる
。

また、この発明において、セラミック層として電歪性を
示すものを用いても、同様に凹凸状に変位することにな
り、圧電性、電歪性を問わずに積層型セラミック変位装
置を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の電気的接続状態を示す
模式図である。第２図および第３図は従来の積層型圧電
変位素子の一例を示す各電気的接続状態を示す図であり
、第２図は分極処−を説明するための図を、第３図は駆
動状態を説明するための図を示す。第４図は、第１図実
施例における駆動電圧と変位量との関係を示す図であり
、第５図は変位量の経時的変化を示す図である。第６図
は、この発明の第２の実施例を示す電気的接続状態図で
ある。 図において、１１・・・１４はセラミック層、１５は第
２の電極群を構成する内部電極、１６は中心電極、１７
は第３の電極群を構成する内部電極、１８．１９は外面
電極、２１．２２は整流素子としてのダイオードを示す
。 γ　　　　　°ｌ 第４図 第５図 階　間（！ｎ、５） 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数枚のセラミックグリーンシートを導電材を介
   して積層して同時焼成して得られるセラミック焼結体を
   用いた積層セラミック変位装置であって、 セラミック焼結体と、 セラミック焼結体内に電気機械変換用セラミック層を介
   して対向された３以上の奇数層の内部電極と、 セラミック焼結体の両面に前記内部電極と対向するよう
   に形成された１対の外面電極とを備え、それによって前
   記セラミック焼結体は内部電極および外面電極により４
   以上の偶数層の電気機械変換用セラミック層に画成され
   ており、 前記内部電極および外面電極は、内部電極のうち中心に
   位置する中心電極と、該中心電極に対して１層おきに位
   置する電極とにより構成される第１の電極群と、 残りの電極のうち中心電極の一方側に位置する電極によ
   り構成される第２の電極群と、 残りの電極のうち中心電極の他方側に位置する電極によ
   り構成される第３の電極群とからなり、前記第１〜第３
   の電極群を構成する各電極は、群内においてそれぞれ、
   相互に電気的に接続されており、 第２の電極群と第３の電極群との間に逆極性で直列に接
   続された２個の整流素子をさらに備え、前記２個の整流
   素子の接続点と、第１の電極群とが電気的に接続されて
   いる、積層型セラミック変位装置。
2. （２）前記電気機械変換用セラミック層は圧電性を示す
   ものからなる、特許請求の範囲第１項記載の積層型セラ
   ミック変位装置。
3. （３）該セラミック層は、それぞれ隣り合う層が互いに
   逆方向となるように厚み方向に分極されている、特許請
   求の範囲第２項記載の積層型セラミック変位装置。
4. （４）前記電気機械変換用セラミック層は電歪性を示す
   ものからなる、特許請求の範囲第１項記載の積層型セラ
   ミック変位装置。