JP4586501B2 - 圧電アクチュエータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロポンプ等に利用される圧電アクチュエータ装置に関するものである。

従来の圧電アクチュエータ装置として、複数の個別電極が形成された圧電体とコモン電極が形成された圧電体とが交互に積層され、積層方向に整列した個別電極同士及びコモン電極同士がスルーホールを介して電気的に接続されたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような圧電アクチュエータ装置では、積層方向に整列した個別電極群及びコモン電極群のそれぞれとスルーホールを介して電気的に接続された端子電極が最外層の圧電体に形成されている。
特開２００２−２５４６３４号公報

ところで、上述したような圧電アクチュエータ装置には、積層方向に整列した個別電極群毎に端子電極が設けられているため、個別電極に駆動信号を入力するための信号線と端子電極との電気的接続点は、圧電体に形成された個別電極の数だけ必要となる。従って、個別電極の高集積化が進むと、信号線と端子電極との電気的な接続が煩雑になるおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動信号を入力するための信号線との電気的接続点の数を減少させることができる圧電アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータ装置は、アクチュエータ部を備える圧電アクチュエータ装置であって、アクチュエータ部は、第１の圧電体と、第１の圧電体の一端面に形成され、駆動信号が入力される第１の駆動電極と、第１の圧電体の他端面に形成され、第１の駆動電極に対向する第２の駆動電極とを有し、アクチュエータ部においては、対向する第１の駆動電極と第２の駆動電極との組が第１の圧電体に複数形成されており、第１の駆動電極が一体的に形成されて第１の駆動電極体が構成されており、一の第２の駆動電極には、複数の第１の駆動電極体の第１の駆動電極が対向しており、アクチュエータ部の被作動体接続側には第３の圧電体が積層されており、第３の圧電体には、積層方向において第１の駆動電極及び第２の駆動電極を覆うグランド電極が形成されていることを特徴とする。

この圧電アクチュエータ装置のアクチュエータ部においては、対向する第１の駆動電極と第２の駆動電極との組が第１の圧電体に複数形成されており、第１の駆動電極が一体的に形成されて第１の駆動電極体が構成されている。このため、第１の駆動電極体に駆動信号が入力されると、その第１の駆動電極体を構成する第１の駆動電極のすべてに駆動信号が入力されることになる。ところが、第１の圧電体を挟んで第１の駆動電極毎に第２の駆動電極が対向しているため、第１の駆動電極体と任意の第２の駆動電極との間に電圧が印加されると、第１の圧電体においてその第２の駆動電極に対応する部分が活性部（圧電効果により歪みが生じる部分）として変位することになる。従って、この圧電アクチュエータ装置によれば、駆動信号を入力するための信号線との電気的接続点を第１の駆動電極体毎に確保すればよいため、第１の駆動電極体を構成する第１の駆動電極毎に当該電気的接続点を確保する場合に比べ、当該電気的接続点の数を減少させることができる。また、アクチュエータ部の被作動体接続側には第３の圧電体が積層されており、第３の圧電体には、積層方向において第１の駆動電極及び第２の駆動電極を覆うグランド電極が形成されていることにより、マイクロポンプ等の被作動体とアクチュエータ部とを電気的に遮蔽して被動作体側からの電気ノイズの影響を防止することができる。

また、アクチュエータ部は２次元的に複数配置されており、アクチュエータ部間において対応する第２の駆動電極は一体的に形成されていることが好ましい。このように、アクチュエータ部間において対応する第２の駆動電極が一体的に形成されていることで、アクチュエータ部が２次元的に複数配置されても、第２の駆動電極に電圧を印加するための信号線との電気的接続点の数を減少させることができる。

また、アクチュエータ部は少なくとも一方向に整列していることが好ましい。これにより、アクチュエータ部の高集積化を図ることができる。更に、アクチュエータ部を任意に選択して、その第１の駆動電極体と第２の駆動電極との間に電圧を印加するという制御を容易に実現することができる。

また、アクチュエータ部間において第１の圧電体は一体的に形成されていることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータ装置の小型化を図ることができる。

また、アクチュエータ部は、第１の駆動電極及び第２の駆動電極のそれぞれが積層方向に整列するように第２の圧電体を挟んで複数積層されていることが好ましい。これにより、積層型の圧電アクチュエータ装置を容易に構成することができる。

また、積層方向に整列した第１の駆動電極体はスルーホールを介して電気的に接続されており、積層方向に整列した第２の駆動電極はスルーホールを介して電気的に接続されていることが好ましい。このように、積層方向に整列した第１の駆動電極体がスルーホールを介して電気的に接続されているため、積層方向において整列した第１の駆動電極がスルーホールを介して電気的に接続される場合に比べ、スルーホールの数を減少させることができる。

また、アクチュエータ部の回路接続側には第４の圧電体が積層されており、第４の圧電体には、スルーホールを介して第１の駆動電極体と電気的に接続された第１の端子電極と、スルーホールを介して第２の駆動電極と電気的に接続された第２の端子電極とが形成されていることが好ましい。これにより、回路との接続を容易に実現することができる。更に、第１の端子電極がスルーホールを介して第１の駆動電極体と電気的に接続されているため、第１の端子電極がスルーホールを介して第１の駆動電極のそれぞれと電気的に接続される場合に比べ、第１の端子電極の数を減少させることができる。

また、第１の駆動電極体に駆動信号を出力する駆動回路と、第２の駆動電極のそれぞれと駆動回路との電気的な接続を選択的に接続及び遮断するセレクタとを備えることが好ましい。これにより、圧電体において第２の駆動電極に対応する活性部を任意に変位させることができる。

本発明によれば、駆動信号を入力するための信号線との電気的接続点の数を減少させることができる。

以下、本発明に係る圧電アクチュエータ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書において、「上」、「下」等の語は、図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

図１に示されるように、圧電アクチュエータ装置１は、圧電アクチュエータ素子２を備えている。この圧電アクチュエータ素子２は、図２に示されるように、個別電極３が形成された圧電体４とコモン電極５，６が形成された圧電体７とが交互に積層され、更に、端子電極１１〜１３が形成された圧電体１４が最上層に積層されることで構成されている。

各圧電体４，７，１４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料からなり、例えば長方形薄板状に形成されている。また、個別電極３及びコモン電極５，６は、例えば銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。このことは、端子電極１１〜１３を除き、以下に述べる各電極についても同様である。

最上層の圧電体１４から数えて３層目、５層目、７層目の圧電体４の上面には、図３に示されるように、複数の個別電極３が圧電体４の長手方向に整列した状態で４列形成されている。各個別電極３は、長方形状に形成され、その長手方向が圧電体４の長手方向と直交するように配置されている。

１列目及び２列目の個別電極３のうち、その長手方向に整列する個別電極３同士は、接続部３ａを介して一体的に形成され、これにより、個別電極体１５が構成されている。同様に、３列目及び４列目の個別電極３のうち、その長手方向に整列する個別電極３同士は、接続部３ａを介して一体的に形成され、これにより、個別電極体１５が構成されている。各個別電極体１５は、接続部３ａの直下において圧電体４に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０（図７〜図９参照）に接続されている。

なお、圧電体４の上面に対する個別電極体１５の実装密度を高めるために、１列目及び２列目の個別電極３により構成された個別電極体１５と、３列目及び４列目の個別電極３により構成された個別電極体１５とは互い違いに配置されている。

更に、圧電体４の一端部の上面には、上下に位置する圧電体７のコモン電極５同士等を電気的に接続するための中継電極１７が形成されている。一方、圧電体４の他端部の上面には、上下に位置する圧電体７のコモン電極６同士等を電気的に接続するための中継電極１８が形成されている。各中継電極１７，１８は、その直下において圧電体４に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０に接続されている。

なお、７層目の圧電体４は、図４に示されるように、個別電極体１５の直下において圧電体４にスルーホール１６が形成されていない点で、３層目、５層目の圧電体４と異なっている。

また、最上層の圧電体１４から数えて２層目、４層目、６層目の圧電体７の上面には、図５に示されるように、圧電アクチュエータ素子２の積層方向（すなわち、圧電体４，７，１４の厚さ方向）において圧電体４の各接続部３ａに対向するように中継電極１９が形成されている。各中継電極１９は、その直下において圧電体７に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０に接続されている。

更に、圧電体７の上面には一対のコモン電極５，６が形成されている。コモン電極５は、積層方向において圧電体４の１列目の個別電極３に対向する本体部５ａと、積層方向において圧電体４の３列目の個別電極３に対向する本体部５ｂと、積層方向において圧電体４の中継電極１７に対向する接続部５ｃとが一体的に形成されて構成されている。このコモン電極５は、接続部５ｃの直下において圧電体７に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０に接続されている。

一方、コモン電極６は、積層方向において圧電体４の２列目の個別電極３に対向する本体部６ａと、積層方向において圧電体４の４列目の個別電極３に対向する本体部６ｂと、積層方向において圧電体４の中継電極１８に対向する接続部６ｃとが一体的に形成されて構成されている。このコモン電極６は、接続部６ｃの直下において圧電体７に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０に接続されている。

また、最上層の圧電体１４の上面には、図６に示されるように、積層方向において各中継電極１９、コモン電極５の接続部５ｃ、コモン電極６の接続部６ｃのそれぞれに対向するように端子電極１１、端子電極１２、端子電極１３が形成されている。各端子電極１１〜１３は、その直下において圧電体１４に形成されたスルーホール１６内の導電部材２０に接続されている。

なお、各端子電極１１〜１３には、ＦＰＣ（flexible printed circuit board）等のリード線が半田付けされる。そのため、リード線を半田付けするに際して半田を載せ易くするために、各端子電極１１〜１３は、Ａｇ及びＰｄを主成分とする導電材料からなる下地電極層上に、半田ぬれ性が良好なＡｇを主成分とする導電材料からなる表面電極層が形成されることで構成されている。

以上のように電極パターンが形成された圧電体４，７，１４の積層によって、最上層の各端子電極１１に対しては、図７に示されるように、３個の個別電極体１５及び３個の中継電極１９が積層方向に整列し、整列した各電極５，１１，１９は、スルーホール１６内の導電部材２０によって電気的に接続されることになる。

また、最上層の端子電極１２に対しては、図８に示されるように、３個のコモン電極５及び３個の中継電極１７が積層方向に整列し、整列した各電極５，１２，１７は、スルーホール１６内の導電部材２０によって電気的に接続されることになる。同様に、最上層の端子電極１３に対しては、３個のコモン電極６及び３個の中継電極１８が積層方向に整列し、整列した各電極６，１３，１８は、スルーホール１６内の導電部材２０によって電気的に接続されることになる。

なお、スルーホール１６内の導電部材２０による電気的な接続を確実化するために、積層方向において隣り合うスルーホール１６は、互いの中心線がずれるように各圧電体４，７，１４に形成されている。

以上説明したように、圧電アクチュエータ素子２においては、２個の個別電極３が一体的に形成されて個別電極体１５が構成されている。これにより、個別電極３に駆動信号を入力するための端子電極１１を、積層方向に整列した個別電極体１５群毎に設ければよいため、積層方向に整列した個別電極３群毎に端子電極１１を設ける場合に比べ、端子電極１１の数を半減させることができる。しかも、積層方向に整列した個別電極体１５群をスルーホール１６を介して電気的に接続すれば、積層方向に整列した個別電極３群を電気的に接続することができるため、当該個別電極３群毎にスルーホール１６を介して電気的に接続する場合に比べ、スルーホール１６の数を半減させることができる。従って、圧電アクチュエータ素子２によれば、その歩留まりの向上及びコストダウンを図ることができる。

また、図１に示されるように、圧電アクチュエータ装置１は、信号線Ｌ１によって各端子電極１１と電気的に接続された駆動回路２２と、信号線Ｌ２，Ｌ３のそれぞれによって端子電極１２，１３と電気的に接続されたセレクタ２３とを備えている。そして、駆動回路２２とセレクタ２３とは、信号線Ｌ４によって電気的に接続されている。なお、ここでは、信号線Ｌ４は接地されている。

駆動回路２２は、信号線Ｌ１及び端子電極１１を介して任意の駆動電極体５に駆動信号を出力する。また、セレクタ２３は、スイッチ機能を有しており、信号線Ｌ２と信号線Ｌ４との電気的な接続、及び信号線Ｌ３と信号線Ｌ４との電気的な接続を選択的に接続及び遮断する。すなわち、セレクタ２３は、端子電極１２延いてはコモン電極５と駆動回路２２との電気的な接続、及び端子電極１３延いてはコモン電極６と駆動回路２２との電気的な接続を選択的に接続及び遮断する。

以上のように構成された駆動回路２２及びセレクタ２３によって、圧電アクチュエータ素子２は次のように駆動させられる。一例として、図７において左側に整列する個別電極３とコモン電極６とで挟まれた部分（圧電体４，７の一部分）Ａを変位させる場合について説明する。

まず、駆動回路２２は、図７において左側に整列する個別電極３を含む個別電極体１５にスルーホール１６を介して電気的に接続された端子電極１１に駆動信号を出力する。これにより、図７において左側に整列する個別電極３に駆動信号が入力される。このとき、セレクタ２３は、図１に示されるように、信号線Ｌ２と信号線Ｌ４との電気的な接続を遮断し、信号線Ｌ３と信号線Ｌ４との電気的な接続を接続している。これにより、図７において左側に整列する個別電極３とコモン電極６との間に電圧が印加される。以上により、図７において左側に整列する個別電極３とコモン電極６とで挟まれた部分Ａに電界Ｅが生じ、その部分Ａが活性部として変位することになる。

ところで、圧電アクチュエータ素子２は、図９に示されるように、圧電体（第１の圧電体）７と、圧電体７の下面（一端面）に形成され、駆動信号が入力される２個の個別電極（第１の駆動電極）３と、圧電体７の上面（他端面）に形成され、個別電極３のそれぞれに対向するコモン電極（第２の駆動電極）５，６とを有するアクチュエータ部２５を備えている。そして、このアクチュエータ部２５においては、対向する個別電極３とコモン電極５との組、及び対向する個別電極３とコモン電極６との組が圧電体７に形成されており、個別電極３が一体的に形成されて個別電極体（第１の駆動電極体）１５が構成されている。以下、アクチュエータ部２５に着目して、圧電アクチュエータ素子２延いては圧電アクチュエータ装置１の効果について説明する。

まず、個別電極体１５に駆動信号が入力されると、その個別電極体１５を構成する２個の個別電極３に駆動信号が入力されることになる。ところが、圧電体７を挟んで個別電極３毎にコモン電極５，６が対向しているため、個別電極体１５とコモン電極５又はコモン電極６との間に電圧が印加されると、圧電体７において電圧が印加されたコモン電極５又はコモン電極６に対応する部分が活性部として変位することになる。従って、圧電アクチュエータ素子２によれば、駆動信号を入力するための信号線Ｌ１との電気的接続点を個別電極体１５毎に確保すればよいため、個別電極体１５を構成する個別電極３毎に当該電気的接続点を確保する場合に比べ、当該電気的接続点の数を減少させることができる。

また、アクチュエータ部２５は、圧電体７の長手方向に整列した状態で２次元的に複数配置されており、アクチュエータ部２５間においてコモン電極５同士及びコモン電極６同士のそれぞれは一体的に形成されている。このように、アクチュエータ部２５間においてコモン電極５同士及びコモン電極６同士のそれぞれが一体的に形成されていることで、アクチュエータ部２５が２次元的に複数配置されても、コモン電極５，６に電圧を印加するための信号線Ｌ２，Ｌ３との電気的接続点の数を減少させることができる。しかも、アクチュエータ部２５が圧電体７の長手方向に整列しているため、アクチュエータ部２５の高集積化を図ることができると共に、アクチュエータ部２５を任意に選択して、その個別電極体１５とコモン電極５又はコモン電極６との間に電圧を印加するという制御を容易に実現することができる。

また、２次元的に配置されたアクチュエータ部２５間において圧電体７が一体的に形成されているため、圧電アクチュエータ素子２の小型化を図ることができる。

また、個別電極３及びコモン電極５，６のそれぞれが積層方向に整列するように圧電体（第２の圧電体）４を挟んでアクチュエータ部２５を複数積層することで、積層型の圧電アクチュエータ素子２を容易に構成することができる。

また、積層方向に整列した個別電極体１５はスルーホール１６を介して電気的に接続されているため、積層方向に整列した個別電極３がスルーホール１６を介して電気的に接続される場合に比べ、スルーホール１６の数を減少させることができる。

また、圧電アクチュエータ素子２の下面には被作動体が取り付けられるが、最下のアクチュエータ部２５の被作動体接続側には圧電体（第３の圧電体）４が積層されている。そこで、この圧電体４の下面に、積層方向において（積層方向から見て）個別電極３及びコモン電極５，６を覆うグランド電極が形成された圧電体を設けてもよい。これにより、被作動体とアクチュエータ部２５とを電気的に遮蔽して電気ノイズの伝達を防止することができる。

また、圧電アクチュエータ素子２の圧電体１４の上面には、ＦＰＣ等の回路が取り付けられるが、最上のアクチュエータ部２５の回路接続側には圧電体（第４の圧電体）１４が積層されており、この圧電体１４の上面には、スルーホール１６を介して個別電極体１５と電気的に接続された端子電極（第１の端子電極）１１と、スルーホール１６を介してコモン電極５，６のそれぞれと電気的に接続された端子電極（第２の端子電極）１２，１３とが形成されている。これにより、回路との接続を容易に実現することができる。更に、端子電極１１がスルーホール１６を介して個別電極体１５と電気的に接続されているため、端子電極１１がスルーホール１６を介して個別電極３のそれぞれと電気的に接続される場合に比べ、端子電極１１の数を減少させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、個別電極体１５が２個の個別電極３によって構成されていたが、個別電極体１５は、３個以上の個別電極３によって構成されてもよい。

また、上記実施形態では、２次元的に複数配置されたアクチュエータ部２５が圧電体４を挟んで３層積層されることで積層型の圧電アクチュエータ素子２が構成されていたが、圧電アクチュエータ素子２は、例えば、１個のアクチュエータ部２５によって構成されてもよい。

本発明に係る圧電アクチュエータ装置の一実施形態の構成図である。 図１に示される圧電アクチュエータ装置の圧電アクチュエータ素子の分解斜視図である。 図２に示される圧電アクチュエータ素子の３層目、５層目の圧電体の平面図である。 図２に示される圧電アクチュエータ素子の７層目の圧電体の平面図である。 図２に示される圧電アクチュエータ素子の２層目、４層目、６層目の圧電体の平面図である。 図２に示される圧電アクチュエータ素子の最上層の圧電体の平面図である。 図１に示されるVII−VII線に沿っての圧電アクチュエータ素子の部分断面図である。 図１に示されるVIII−VIII線に沿っての圧電アクチュエータ素子の断面図である。 図１に示されるVII−VII線に沿っての圧電アクチュエータ素子の部分断面図である。

符号の説明

１…圧電アクチュエータ装置、３…個別電極（第１の駆動電極）、４…圧電体（第２の圧電体、第３の圧電体）、５，６…コモン電極（第２の駆動電極）、７…圧電体（第１の圧電体）、１１…端子電極（第１の端子電極）、１２，１３…端子電極（第２の端子電極）、１４…圧電体（第４の圧電体）、１５…個別電極体（第１の駆動電極体）、１６…スルーホール、２２…駆動回路、２３…セレクタ、２５…アクチュエータ部。

Claims (8)

1. アクチュエータ部を備える圧電アクチュエータ装置であって、
   前記アクチュエータ部は、
   第１の圧電体と、
   前記第１の圧電体の一端面に形成され、駆動信号が入力される第１の駆動電極と、
   前記第１の圧電体の他端面に形成され、前記第１の駆動電極に対向する第２の駆動電極とを有し、
   前記アクチュエータ部においては、対向する前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との組が前記第１の圧電体に複数形成されており、前記第１の駆動電極が一体的に形成されて第１の駆動電極体が構成されており、
   一の前記第２の駆動電極には、複数の前記第１の駆動電極体の前記第１の駆動電極が対向しており、
   前記アクチュエータ部の被作動体接続側には第３の圧電体が積層されており、前記第３の圧電体には、積層方向において前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極を覆うグランド電極が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
2. 前記アクチュエータ部は２次元的に複数配置されており、前記アクチュエータ部間において対応する前記第２の駆動電極は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ装置。
3. 前記アクチュエータ部は少なくとも一方向に整列していることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ装置。
4. 前記アクチュエータ部間において前記第１の圧電体は一体的に形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の圧電アクチュエータ装置。
5. 前記アクチュエータ部は、前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極のそれぞれが積層方向に整列するように第２の圧電体を挟んで複数積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ装置。
6. 積層方向に整列した前記第１の駆動電極体はスルーホールを介して電気的に接続されており、積層方向に整列した前記第２の駆動電極はスルーホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ装置。
7. 前記アクチュエータ部の回路接続側には第４の圧電体が積層されており、前記第４の圧電体には、スルーホールを介して前記第１の駆動電極体と電気的に接続された第１の端子電極と、スルーホールを介して前記第２の駆動電極と電気的に接続された第２の端子電極とが形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ装置。
8. 前記第１の駆動電極体に駆動信号を出力する駆動回路と、
   前記第２の駆動電極のそれぞれと前記駆動回路との電気的な接続を選択的に接続及び遮断するセレクタとを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ装置。

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