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JP5825656B2 - Piezoelectric actuator and coupled piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator and coupled piezoelectric actuator Download PDF

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JP5825656B2
JP5825656B2 JP2011042636A JP2011042636A JP5825656B2 JP 5825656 B2 JP5825656 B2 JP 5825656B2 JP 2011042636 A JP2011042636 A JP 2011042636A JP 2011042636 A JP2011042636 A JP 2011042636A JP 5825656 B2 JP5825656 B2 JP 5825656B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、積層方向に沿って直列に連結して用いられる積層型の圧電アクチュエータおよび連結型圧電アクチュエータに関する。   The present invention relates to a stacked piezoelectric actuator and a connected piezoelectric actuator that are connected in series along a stacking direction.

積層型圧電アクチュエータは、圧電体と内部電極とが交互に積層され、電圧印加により変形する活性層と活性層に接し電圧印加により変形しない保護層とを備え、従来、電圧印加時に内部電極付近において応力が発生することが知られている。この応力は積層型圧電アクチュエータの耐久性に悪影響を与えるため、保護層との界面に近い活性層を幾層か、変位の小さいものに変更し、応力を緩和する技術が提案されている(たとえば特許文献1、特許文献2参照)。   A laminated piezoelectric actuator has alternating layers of piezoelectric bodies and internal electrodes, and includes an active layer that deforms when a voltage is applied and a protective layer that contacts the active layer and does not deform when a voltage is applied. It is known that stress is generated. Since this stress adversely affects the durability of the multilayer piezoelectric actuator, a technique has been proposed to relieve the stress by changing the active layer close to the interface with the protective layer to a layer having a small displacement (for example, (See Patent Document 1 and Patent Document 2).

特許文献1記載の電歪効果素子は、電歪効果層と、これとほぼ同じ接触面積を有する内部電極とを交互に積層し、その両端の内部電極にこれとほぼ同じ接触面積の電歪材料から成る保護層を接触させ、内部電極によって電歪効果層に電界を印加するものである。そして、中央部の電歪効果層の厚さを最小にし、保護層に近い電歪材料層ほど層厚を大きくした電歪効果素子が開示されている。これにより剪断応力の集中を緩和し、寿命信頼性を高くしようとしている。   The electrostrictive effect element described in Patent Document 1 is an electrostrictive material in which an electrostrictive effect layer and internal electrodes having substantially the same contact area are alternately laminated, and the internal contact electrodes at both ends thereof have substantially the same contact area. A protective layer made of is contacted, and an electric field is applied to the electrostrictive effect layer by an internal electrode. An electrostrictive effect element is disclosed in which the thickness of the electrostrictive effect layer at the center is minimized, and the electrostrictive material layer closer to the protective layer is thicker. As a result, the concentration of shear stress is eased, and the lifetime reliability is increased.

特許文献2記載の積層型圧電アクチュエータは、実際に伸縮する積層体と、その積層方向の両端面に設けられ、伸縮しないセラミック体とを有している。そして、積層体中央部の両側に形成された応力緩和部における複数の圧電体について、単位長さあたりの発生応力をセラミック体側に向けて徐々に低下させて全体として分散するよう設計している。このようにして、積層体と、セラミック体との間における応力を緩和している。   The multilayer piezoelectric actuator described in Patent Document 2 includes a multilayer body that actually expands and contracts and a ceramic body that is provided on both end surfaces in the stacking direction and does not expand and contract. And about the some piezoelectric material in the stress relaxation part formed in the both sides of the laminated body center part, the generated stress per unit length is gradually reduced toward the ceramic body side, and it designs so that it may disperse | distribute as a whole. In this way, the stress between the laminated body and the ceramic body is relaxed.

特公昭63−10596号公報Japanese Patent Publication No. 63-10596 特許第3881484号公報Japanese Patent No. 3881484

上記のような従来技術では、保護層と活性層との界面に発生する応力を緩和している。図5(a)は、電圧を印加されていない従来の圧電アクチュエータ500の側面図である。図5(b)は、電圧を印加された従来の圧電アクチュエータ500の側面図である。圧電アクチュエータ500は、活性層510および保護層520を有しており、図5(b)に示すように、圧電アクチュエータ500内の界面Aに応力が生じている。   In the prior art as described above, the stress generated at the interface between the protective layer and the active layer is relaxed. FIG. 5A is a side view of a conventional piezoelectric actuator 500 to which no voltage is applied. FIG. 5B is a side view of a conventional piezoelectric actuator 500 to which a voltage is applied. The piezoelectric actuator 500 has an active layer 510 and a protective layer 520, and stress is generated at the interface A in the piezoelectric actuator 500 as shown in FIG.

しかし、ポジショナ等の圧電アクチュエータを連結して構成される製品は、圧電アクチュエータ同士が端面で接着されており、接着により、保護層520と活性層510との界面に従来の応力にさらに応力を上乗せされて大きな応力が生じる。図6(a)は、従来の圧電アクチュエータ500を接着せずに積み重ねたと仮定した場合の変位図であり、図6(b)は、圧電アクチュエータ500を接着して連結した従来の連結型圧電アクチュエータ600の変位図である。   However, in a product configured by connecting piezoelectric actuators such as positioners, the piezoelectric actuators are bonded to each other at the end surfaces, and the stress further adds to the conventional stress at the interface between the protective layer 520 and the active layer 510 by the bonding. Large stress is generated. 6A is a displacement diagram when it is assumed that the conventional piezoelectric actuators 500 are stacked without being bonded, and FIG. 6B is a conventional connected piezoelectric actuator in which the piezoelectric actuators 500 are bonded and connected. FIG.

圧電アクチュエータ500同士が接着されていない場合、図6(a)に示すように、それぞれの圧電アクチュエータ500が鼓状に変位する。この状態では、各端面530は、弧を描いて自由に変位できる。しかし、実際の圧電アクチュエータ500は接着されて連結型圧電アクチュエータ600として使用され、図6(b)に示すように、接着面610を平行に保ちながら変位する。   When the piezoelectric actuators 500 are not bonded to each other, the respective piezoelectric actuators 500 are displaced in a drum shape as shown in FIG. In this state, each end surface 530 can be freely displaced while drawing an arc. However, the actual piezoelectric actuator 500 is bonded and used as the coupled piezoelectric actuator 600, and is displaced while keeping the bonding surface 610 parallel as shown in FIG. 6B.

図6(b)に示す従来の連結型圧電アクチュエータ600の状態は、接着がなされていない場合に弧を描いて自由に変位できたそれぞれの端面530が、接着面610として平行に拘束され変形を妨げられており、圧電アクチュエータ500同士がお互いに引張合っている。この状態では、保護層520と活性層510の界面において、圧電アクチュエータ500が単独で変位する際に発生する応力に加え、更に上乗せされて引張応力が発生する。   The state of the conventional coupled piezoelectric actuator 600 shown in FIG. 6B is that the respective end surfaces 530 that can be freely displaced in an arc when the bonding is not performed are constrained in parallel as the bonding surfaces 610 and deformed. The piezoelectric actuators 500 are in tension with each other. In this state, at the interface between the protective layer 520 and the active layer 510, in addition to the stress generated when the piezoelectric actuator 500 is displaced alone, it is further added to generate a tensile stress.

上記の従来技術では、圧電アクチュエータ内の保護層と活性層の界面に発生する応力を緩和しているが、複数の圧電アクチュエータを連結して接着した際に、保護層と活性層との界面に上乗せして発生する引張応力までは緩和できない。   In the above prior art, the stress generated at the interface between the protective layer and the active layer in the piezoelectric actuator is relieved, but when a plurality of piezoelectric actuators are connected and bonded together, the interface between the protective layer and the active layer is reduced. The tensile stress generated by the addition cannot be relaxed.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数の圧電アクチュエータを連結して接着した際に保護層と活性層の界面に上乗せして発生する引張応力を緩和できる圧電アクチュエータおよび連結型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a piezoelectric actuator capable of relieving a tensile stress generated by adding a plurality of piezoelectric actuators on the interface between a protective layer and an active layer when bonded and bonded, and It is an object of the present invention to provide a coupled piezoelectric actuator.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、積層方向に沿って直列に連結して用いられる積層型の圧電アクチュエータであって、分極された圧電層と内部電極とが交互に積層されて形成された活性層と、前記活性層の積層方向両端に設けられ、未分極の圧電層で形成された保護層と、を備え、前記内部電極のうち、前記保護層付近の内部電極は、中央に孔を有することを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric actuator of the present invention is a stacked piezoelectric actuator that is connected in series along the stacking direction, in which polarized piezoelectric layers and internal electrodes alternate. An active layer formed by laminating and a protective layer provided at both ends of the active layer in the stacking direction and formed by an unpolarized piezoelectric layer. The electrode is characterized by having a hole in the center.

このように、本願発明の圧電アクチュエータは、保護層付近の内部電極が中央に孔を有するため、圧電アクチュエータが駆動により鼓状に変位しようとするとき、端面の変形を平坦にし、圧電アクチュエータ同士の接着面を平行に保ちながら変位させることができ、引張応力を緩和することができる。このように電圧印加時の変位に対して両端面が平坦になるため、圧電アクチュエータを連結して用いる場合、保護層と活性層との界面に上乗せして生じる引張応力を緩和できる。   As described above, in the piezoelectric actuator of the present invention, since the internal electrode near the protective layer has a hole in the center, when the piezoelectric actuator is about to be displaced like a drum by driving, the deformation of the end face is flattened, The adhesive surface can be displaced while being kept parallel, and the tensile stress can be relaxed. Since both end surfaces become flat with respect to the displacement at the time of voltage application in this way, when the piezoelectric actuator is connected and used, it is possible to relieve the tensile stress generated by being added to the interface between the protective layer and the active layer.

(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記内部電極の孔が、円形であることを特徴としている。これにより、内部電極の孔の一部に応力が集中するのを避けることができる。   (2) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the hole of the internal electrode is circular. Thereby, it is possible to avoid stress concentration on a part of the hole of the internal electrode.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記保護層に最も近い内部電極から、1より大きく全数の1/10より小さい層数目までの内部電極が、中央に孔を有することを特徴としている。このように、1より大きい層数目までの内部電極まで孔を有することで、引張応力を緩和する効果を維持できる。また、全数の1/10以下となる内部電極まで孔を有することで、圧電アクチュエータ本来の駆動性を損なうことなく応力を緩和できる。   (3) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the internal electrodes from the internal electrode closest to the protective layer to the number of layers larger than 1 and smaller than 1/10 of the total number have a hole in the center. . Thus, the effect which relieve | moderates a tensile stress is maintainable by having a hole to the internal electrode to the number of layers larger than one. Further, by providing the holes up to 1/10 or less of the total number of internal electrodes, the stress can be relaxed without impairing the original drive performance of the piezoelectric actuator.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記内部電極の孔が、前記内部電極の大きさの1/3より大きく、前記内部電極の大きさより小さいことを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータの伸縮の駆動性を維持しつつ、十分に応力を緩和できる。   (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the hole of the internal electrode is larger than 1/3 of the size of the internal electrode and smaller than the size of the internal electrode. Thereby, stress can be relieved enough, maintaining the drive property of the expansion-contraction of a piezoelectric actuator.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記内部電極の孔が、前記保護層に近い内部電極ほど大きいことを特徴としている。これにより、応力を段階的に緩和することが可能となるため、伸縮方向について急激な応力の変化が無くなり、破壊確率を減少させることができる。   (5) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the hole of the internal electrode is larger as the internal electrode is closer to the protective layer. As a result, the stress can be relaxed step by step, so that there is no sudden change in the stress in the expansion / contraction direction, and the failure probability can be reduced.

(6)また、本発明の連結型圧電アクチュエータは、前記積層方向の端面同士を接着することで、上記の圧電アクチュエータを直列に複数連結して形成されていることを特徴としている。これにより、連結型圧電アクチュエータは、各圧電アクチュエータの保護層と活性層との界面に上乗せして生じる引張応力を緩和できる。その結果、不良品率を低減することができる。   (6) Moreover, the connection type piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that a plurality of the above piezoelectric actuators are connected in series by bonding end faces in the stacking direction. Thereby, the connection type piezoelectric actuator can relieve the tensile stress generated by being added to the interface between the protective layer and the active layer of each piezoelectric actuator. As a result, the defective product rate can be reduced.

本発明によれば、連結された圧電アクチュエータの接着面を平行に保ちながら変位させることができ、引張応力を緩和することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can displace, keeping the adhesion surface of the connected piezoelectric actuator in parallel, and can relieve a tensile stress.

(a)〜(c)それぞれ本発明に係る圧電アクチュエータを示す側断面図、平断面図、平断面図である。(A)-(c) It is a side sectional view, a plane sectional view, and a plane sectional view showing a piezoelectric actuator concerning the present invention, respectively. (a)、(b)それぞれ本発明係る圧電アクチュエータの電圧未印加状態、電圧印加状態を示す側面図である。(A), (b) It is a side view which shows the voltage unapplied state and voltage applied state of the piezoelectric actuator which concerns on this invention, respectively. 本発明に係る連結型圧電アクチュエータを示す側面図である。It is a side view which shows the connection type piezoelectric actuator which concerns on this invention. (a)、(b)それぞれ従来の圧電アクチュエータ、本発明の圧電アクチュエータを示す概略図である。(A), (b) is the schematic which shows the conventional piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator of this invention, respectively. (a)、(b)いずれも従来の圧電アクチュエータを示す側面図である。(A), (b) is a side view which shows the conventional piezoelectric actuator. (a)、(b)いずれも従来の圧電アクチュエータを示す側面図である。(A), (b) is a side view which shows the conventional piezoelectric actuator.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

(圧電アクチュエータの構成)
図1(a)〜(c)は、それぞれ圧電アクチュエータ100を示す側断面図、平断面図、平断面図である。圧電アクチュエータ100は、積層型の圧電アクチュエータ100であり積層方向に沿って直列に連結して用いられる。直列の連結とは、主に伸縮する方向に連結することをいう。圧電アクチュエータ100が連結されて形成された連結型圧電アクチュエータ200については後述する。
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIGS. 1A to 1C are a side sectional view, a plan sectional view, and a plan sectional view showing the piezoelectric actuator 100, respectively. The piezoelectric actuator 100 is a stacked piezoelectric actuator 100 that is connected in series along the stacking direction. In series connection, it is mainly connected in the direction of expansion and contraction. The connected piezoelectric actuator 200 formed by connecting the piezoelectric actuator 100 will be described later.

圧電アクチュエータ100は、活性層110および保護層120により構成されている。活性層110は、分極された圧電層111と内部電極117とが交互に積層されて形成されており、電圧の印加により変形する。内部電極117のうち、保護層120付近の内部電極117bは、中央に孔118を有しており、保護層120から離れ中心付近の内部電極117aは、一様に形成され孔が無い。保護層120は、活性層110の積層方向両端に設けられ、未分極の圧電層121で形成されている。   The piezoelectric actuator 100 includes an active layer 110 and a protective layer 120. The active layer 110 is formed by alternately laminating polarized piezoelectric layers 111 and internal electrodes 117, and is deformed by application of a voltage. Among the internal electrodes 117, the internal electrode 117b near the protective layer 120 has a hole 118 in the center, and the internal electrode 117a near the center away from the protective layer 120 is uniformly formed and has no hole. The protective layers 120 are provided at both ends of the active layer 110 in the stacking direction, and are formed of unpolarized piezoelectric layers 121.

上記のように、圧電アクチュエータ100は、保護層120付近の内部電極117bが中央に孔118を有し、電圧印加時の変位の際に内部電極117の両端面130が均等に平坦になる。そして、圧電アクチュエータ100が駆動により鼓状に変位しようとするとき、端面130の変形を平坦にし、圧電アクチュエータ100同士の接着面210を平行に保ちながら変位させることができ、引張応力を緩和できる。このようにして、圧電アクチュエータ100を連結している接着面210により生じる引張応力を緩和できる。   As described above, in the piezoelectric actuator 100, the internal electrode 117b in the vicinity of the protective layer 120 has the hole 118 in the center, and both end surfaces 130 of the internal electrode 117 are evenly flat when displaced when a voltage is applied. When the piezoelectric actuator 100 is about to be displaced like a drum by driving, the deformation of the end face 130 can be flattened, and the adhesive surface 210 between the piezoelectric actuators 100 can be displaced while being kept parallel to alleviate the tensile stress. In this way, the tensile stress generated by the bonding surface 210 connecting the piezoelectric actuator 100 can be relaxed.

内部電極117bの孔118は、円形であることが好ましい。これにより、内部電極117bの孔の一部に応力が集中するのを避けることができる。また、六角形、八角形など円に近い偶数角形も好ましい。なお、四角形の孔でも応力緩和が見込めるが角部に応力が集中するため、円形の孔の方が応力緩和に優れている。ただし、四角形のような角が立った形状でも、積層方向に垂直な断面における内部電極117bの断面外形に相似した形であれば、顕著な応力緩和を見込める。   The hole 118 of the internal electrode 117b is preferably circular. Thereby, it is possible to avoid stress concentration in a part of the hole of the internal electrode 117b. Further, even-numbered squares close to a circle such as hexagons and octagons are also preferable. In addition, although stress relaxation can be expected even with a square hole, the stress is concentrated at the corners, so the circular hole is superior in stress relaxation. However, even with a square shape such as a square, significant stress relaxation can be expected if the shape is similar to the cross-sectional outer shape of the internal electrode 117b in a cross section perpendicular to the stacking direction.

孔118を有する内部電極117bは複数設けられていることが好ましい。特に、保護層120に最も近い内部電極117bから、1より大きく全数の1/10より小さい層数目までの内部電極117bが、中央に孔118を有することが好ましい。このように、1より大きい層数目までの内部電極117bまで孔118を有することで、引張応力を緩和する効果を維持できる。また、全数の1/10以下となる内部電極117bまで孔118を有することで、圧電アクチュエータ100本来の駆動性を損なうことなく応力を緩和できる。   A plurality of internal electrodes 117b having holes 118 are preferably provided. In particular, it is preferable that the internal electrode 117b from the internal electrode 117b closest to the protective layer 120 to the number of layers larger than 1 and smaller than 1/10 of the total number has a hole 118 in the center. Thus, by having the holes 118 up to the internal electrodes 117b up to the number of layers greater than 1, the effect of relaxing the tensile stress can be maintained. Further, by having the holes 118 up to the internal electrode 117b that is 1/10 or less of the total number, the stress can be relieved without impairing the original drivability of the piezoelectric actuator 100.

内部電極117bの孔118は、内部電極117bの大きさの1/3より大きく、内部電極117bの大きさより小さいことが好ましい。孔118の大きさを内部電極の一辺の長さ程度とすると発生力が大きく低下しうる。また、孔118の長さを一辺の長さの1/3以下としてしまうと、応力緩和の効果が薄くなる。孔118を内部電極117bの大きさの1/3より大きく、内部電極117bの大きさより小さくすることで、圧電アクチュエータ100の伸縮の駆動性を維持しつつ、十分に引張応力を緩和できる。   The hole 118 of the internal electrode 117b is preferably larger than 1/3 of the size of the internal electrode 117b and smaller than the size of the internal electrode 117b. If the size of the hole 118 is about the length of one side of the internal electrode, the generated force can be greatly reduced. Moreover, if the length of the hole 118 is set to 1/3 or less of the length of one side, the effect of stress relaxation becomes thin. By making the hole 118 larger than 1/3 of the size of the internal electrode 117b and smaller than the size of the internal electrode 117b, the tensile stress can be sufficiently relaxed while maintaining the drive of expansion and contraction of the piezoelectric actuator 100.

内部電極117bの大きさとは、内部電極117bの外形が長方形である場合には、長手の一辺の長さ、円形である場合には直径の長さを指す。また、孔118の大きさは、孔118の形状が長方形のときには長手の一辺の長さを指し、円のときは直径の長さを指す。特に、内部電極117bの外形が正方形で、孔118が円のときには、孔118の直径は、内部電極117bの外形の一辺の長さの1/2程度が好ましい。   The size of the internal electrode 117b indicates the length of one side when the external shape of the internal electrode 117b is rectangular, and the length of the diameter when the external shape is circular. The size of the hole 118 indicates the length of one side when the shape of the hole 118 is rectangular, and indicates the length of the diameter when the shape of the hole 118 is a circle. In particular, when the external shape of the internal electrode 117b is a square and the hole 118 is a circle, the diameter of the hole 118 is preferably about ½ of the length of one side of the external shape of the internal electrode 117b.

たとえば、圧電アクチュエータ100の断面形状が縦6mm×横6mmである場合には、孔118の直径として3.0mmを設定することができる。直径3.0mm程度の孔であれば、スクリーン印刷による作製も容易であり、十分な変位が見込める。   For example, when the cross-sectional shape of the piezoelectric actuator 100 is 6 mm long × 6 mm wide, the diameter of the hole 118 can be set to 3.0 mm. If the hole has a diameter of about 3.0 mm, it can be easily produced by screen printing, and a sufficient displacement can be expected.

また、孔118を、活性層110の中央側に向けて、たとえば、1層目の大きさ>2層目の大きさ>3層目の大きさとなるように、保護層120側から圧電アクチュエータ100の中央側に行くに連れて段階的に小さくすることもできる。すなわち、内部電極117bの孔118は、保護層120に近いほど大きい。このような構成により、応力の緩和量を伸縮方向に対して段階的に変化させるよう設計することが可能である。その結果、急激な応力の変化を防止でき、破壊確率を減少させることができる。   Further, the piezoelectric actuator 100 is formed from the protective layer 120 side so that the hole 118 is directed toward the center of the active layer 110, for example, the size of the first layer> the size of the second layer> the size of the third layer. You can make it smaller in steps as you go to the center. That is, the hole 118 of the internal electrode 117b is larger as it is closer to the protective layer 120. With such a configuration, the stress relaxation amount can be designed to change stepwise with respect to the expansion / contraction direction. As a result, a rapid stress change can be prevented and the fracture probability can be reduced.

(圧電アクチュエータの製造方法)
まず、圧電セラミックスのグリーンシートを準備する。そして、AgやAg/Pd等の電極ペーストをスクリーン印刷する。その際に、形状を調整したスクリーンを用いて円形等の孔の形状を避けながら印刷する。そして、得られたシートを設計に応じて積層、圧着し、焼成する。さらに内部電極に接続された外部電極を形成し、分極処理を行うことで圧電アクチュエータ100を得ることができる。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
First, a green sheet of piezoelectric ceramic is prepared. And electrode paste, such as Ag and Ag / Pd, is screen-printed. At that time, printing is performed while avoiding the shape of a hole such as a circle using a screen with an adjusted shape. And the obtained sheet | seat is laminated | stacked according to design, crimped | bonded, and baked. Furthermore, the piezoelectric actuator 100 can be obtained by forming an external electrode connected to the internal electrode and performing polarization treatment.

(圧電アクチュエータの動作)
図2(a)、(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ100の電圧未印加状態、電圧印加状態を示す側面図である。図2(a)に示すように、圧電アクチュエータ100は、電圧を印加していない状態では、矩形である。圧電アクチュエータ100に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ100は伸縮する。図2(b)に示すように、圧電アクチュエータ100が積層方向に伸びるように変位したとき、保護層120付近の内部電極117bに孔118があるため、伸縮方向に垂直な断面の中央の変位が小さくなる。したがって、圧電アクチュエータ100は、幅が小さくなり長さが大きくなって外形が鼓状に変形するが、その端面130は平坦なまま維持される。
(Operation of piezoelectric actuator)
2A and 2B are side views showing the voltage unapplied state and the voltage applied state of the piezoelectric actuator 100, respectively. As shown in FIG. 2A, the piezoelectric actuator 100 is rectangular when no voltage is applied. When a voltage is applied to the piezoelectric actuator 100, the piezoelectric actuator 100 expands and contracts. As shown in FIG. 2B, when the piezoelectric actuator 100 is displaced so as to extend in the stacking direction, the internal electrode 117b in the vicinity of the protective layer 120 has a hole 118. Get smaller. Therefore, the piezoelectric actuator 100 is reduced in width and length and deformed in a drum shape, but its end face 130 is maintained flat.

(連結型圧電アクチュエータ)
図3は、連結型圧電アクチュエータ200を示す側面図である。連結型圧電アクチュエータ200は、積層方向の端面130同士を接着することで、圧電アクチュエータ100を直列に複数連結して形成されている。これにより、連結型圧電アクチュエータ200は、各圧電アクチュエータ100の保護層120と活性層110との界面に生じる引張応力を緩和できる。その結果、不良品率を低減することができる。このような連結型圧電アクチュエータ200は、ポジショナ等に用いられる。
(Connected piezoelectric actuator)
FIG. 3 is a side view showing the coupled piezoelectric actuator 200. The connection type piezoelectric actuator 200 is formed by connecting a plurality of piezoelectric actuators 100 in series by bonding end faces 130 in the stacking direction. Thereby, the coupled piezoelectric actuator 200 can relieve the tensile stress generated at the interface between the protective layer 120 and the active layer 110 of each piezoelectric actuator 100. As a result, the defective product rate can be reduced. Such a coupled piezoelectric actuator 200 is used for a positioner or the like.

(対比)
上記のように構成される連結型圧電アクチュエータ200と従来の連結型アクチュエータ600との引張応力について対比説明する。図4(a)、(b)は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ500、本発明の圧電アクチュエータ100を示す概略図である。図4(a)に示すように、仮に従来の連結型圧電アクチュエータ600を構成する個々の圧電アクチュエータ500が接着されていないとすれば、大きく鼓状に変形する。したがって、これらを端面で接着し連結した場合には伸縮の変形により大きな引張応力が発生する。
(Contrast)
A comparison of the tensile stress between the coupled piezoelectric actuator 200 configured as described above and the conventional coupled actuator 600 will be described. 4A and 4B are schematic views showing a conventional piezoelectric actuator 500 and the piezoelectric actuator 100 of the present invention, respectively. As shown in FIG. 4A, if the individual piezoelectric actuators 500 constituting the conventional coupled piezoelectric actuator 600 are not bonded, they are greatly deformed into a drum shape. Therefore, when these are bonded and connected at the end surfaces, a large tensile stress is generated due to deformation of expansion and contraction.

これに対し、図4(b)に示すように、仮に連結型圧電アクチュエータ200を構成する個々の圧電アクチュエータ100が接着されていないとしても、変形は限定的であり、特に両端面は平坦に維持される。したがって、これらを端面で接着し連結した場合であっても伸縮の変形により生じる引張応力は小さい。このように、保護層付近の内部電極を全面形成した従来の圧電アクチュエータ500と比較し、本発明の圧電アクチュエータ100は、変形時に両端面が平坦になった分、変位による引張応力を緩和できる。   On the other hand, as shown in FIG. 4 (b), even if the individual piezoelectric actuators 100 constituting the coupled piezoelectric actuator 200 are not bonded, the deformation is limited, and particularly, both end surfaces are kept flat. Is done. Therefore, even when these are bonded and connected at the end surfaces, the tensile stress generated by the deformation of expansion and contraction is small. As described above, the piezoelectric actuator 100 according to the present invention can relieve the tensile stress due to the displacement because the both end surfaces are flat when deformed, as compared with the conventional piezoelectric actuator 500 in which the internal electrodes near the protective layer are formed on the entire surface.

(シミュレーション)
また2つの圧電アクチュエータ100を積層方向に連結して接着した連結型圧電アクチュエータ200についてFEM解析を行った。保護層120付近の3層の内部電極117bに直径3.0mmの円形の孔118を形成し、変位時に保護層120と活性層110の界面における引張応力を算出した。また、従来構造として、同じ寸法で内部電極が円形の孔を有さない2つの圧電アクチュエータ500を積層方向に連結して接着した連結型圧電アクチュエータ600についてもFEM解析を行った。その結果、連結型圧電アクチュエータ200に生じる応力は、従来構造に生じる応力の2/3へ緩和されたのを確認した。圧電アクチュエータの破壊確率低減に効果があるといえる。
(simulation)
Further, an FEM analysis was performed on the coupled piezoelectric actuator 200 in which the two piezoelectric actuators 100 were coupled in the stacking direction. A circular hole 118 having a diameter of 3.0 mm was formed in the three layers of internal electrodes 117b in the vicinity of the protective layer 120, and the tensile stress at the interface between the protective layer 120 and the active layer 110 was calculated during displacement. In addition, as a conventional structure, FEM analysis was also performed on a coupled piezoelectric actuator 600 in which two piezoelectric actuators 500 having the same dimensions and no internal electrode having circular holes were coupled in the stacking direction. As a result, it was confirmed that the stress generated in the coupled piezoelectric actuator 200 was relaxed to 2/3 of the stress generated in the conventional structure. It can be said that it is effective in reducing the destruction probability of the piezoelectric actuator.

100 圧電アクチュエータ
110 活性層
111 圧電層
117 内部電極
117a 内部電極
117b 内部電極
118 孔
120 保護層
121 圧電層
130 端面
200 連結型圧電アクチュエータ
210 接着面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric actuator 110 Active layer 111 Piezoelectric layer 117 Internal electrode 117a Internal electrode 117b Internal electrode 118 Hole 120 Protective layer 121 Piezoelectric layer 130 End surface 200 Connection type piezoelectric actuator 210 Adhesive surface

Claims (4)

分極された圧電層と内部電極とが交互に積層されて形成された活性層と、前記活性層の積層方向両端に設けられ、未分極の圧電層で形成された保護層と、を備え、前記内部電極のうち、前記保護層に最も近い内部電極から、1より大きく内部電極の全数(10より大きい)の1/10より小さい層数目までの内部電極が中央に孔を有する積層型の圧電アクチュエータを、前記圧電アクチュエータの端面同士を接着することで、積層方向に沿って直列に連結して形成されていることを特徴とする連結型圧電アクチュエータ。 An active layer formed by alternately laminating polarized piezoelectric layers and internal electrodes, and a protective layer provided at both ends in the laminating direction of the active layer and formed by an unpolarized piezoelectric layer, and Among the internal electrodes, a laminated piezoelectric actuator in which internal electrodes ranging from the internal electrode closest to the protective layer to the number of layers larger than 1 and smaller than 1/10 of the total number of internal electrodes (greater than 10) have a hole in the center. Are connected in series along the stacking direction by adhering the end faces of the piezoelectric actuators to each other. 前記内部電極の孔は、円形であることを特徴とする請求項1記載の連結型圧電アクチュエータ。   The connected piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the hole of the internal electrode is circular. 前記内部電極の孔は、前記内部電極の大きさの1/3より大きく、前記内部電極の大きさより小さいことを特徴とする請求項1または請求項2記載の連結型圧電アクチュエータ。   3. The coupled piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the hole of the internal electrode is larger than 1/3 of the size of the internal electrode and smaller than the size of the internal electrode. 前記内部電極の孔は、前記保護層に近い内部電極ほど大きいことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の連結型圧電アクチュエータ。   The connected piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the hole of the internal electrode is larger as the internal electrode is closer to the protective layer.
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