JPH01157581A - 積層型変位素子 - 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、産業用ロボットのアクチュエータ。

超音波モータ等に使用する電気機械変換素子に関するも
のであり、特に電気機械変換材料からなる薄板を、内部
電極を介して複数枚積層することにより、変位量を増大
させた積層型変位素子の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ｘ−ｙステージの位置決め機構や制動ブレーキ等
に用いられている変位用素子に使用する積層型変位素子
は、所定の形状に加工した圧電セラミック材料からなる
薄板に電極を設けて分極した後、直接若しくは薄い金属
を介して有機系の接着剤で接合する方法が採用されてい
る。しかし上記のように接着剤を使用して積層したもの
は、使用条件により、圧電素子の振動による変位を接着
剤層が吸収したり、高温の環境若しくは長期間の使用に
より接着剤が劣化する等の欠点がある。

このため、最近では積層チップコンデンサ構造方式の積
層型圧電素子が実用化されている。すなわち５例えば特
公昭５９−３２０４０号公報に記載のように、原料粉末
にバインダーを添加、混練したペースト状の圧電セラミ
ック材料を、所定の厚さの薄板に形成し、この薄板の一
方の面若しくは両面に銀−パラジウム等の導電材料を塗
布して内部電極を形成する。上記薄板を所定枚数積層し
て圧着し。

更に所定の形状に加工した後、焼成することによってセ
ラミック化し、積層体の両側面に外部電極を形成したも
のである。上記構成の積層型圧電素子は、圧電セラミッ
ク材料からなる薄板と内部電極の接合部の密着性に優れ
ると共に、熱的特性も安定であるため高温環境において
も充分に使用可能であり、また長期間に亘って劣化が極
めて少ない等の利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記従来の積層型圧電素子においては、圧
電変位効率その他の点においていくつかの問題点がある
。例えば第１１図に示すように。

圧電セラミック材料からなる薄板１，１の間に。

正負の内部電極２ａ、　　２ｂを交互に挟着して積層し
、内部電極２ａ、　　２ｂを各々外部電極３ａ、３ｂに
接続して積層型圧電素子を構成するのである。

この場合内部電極２ａ、２ｂの重合する部分が変位部ａ
を形成するのであるが１周辺部においては内部電極２ａ
、２ｂが重合しないため、非変位部すとなる。このため
外部電極３ａ、３ｂに電圧を印加しても、変位部ａのみ
において電界強度が大であり、非変位部すの電界強度が
小であるため。

素子全体の変形を阻害し、圧電セラミック材料固有の変
位を得ることができないという問題点がある。また上記
変位部ａと非変位部すとの境界部には大きな歪が発生し
て応力が集中するため、薄板１若しくは素子全体が割れ
るという問題点も併有している。

上記問題点を解決するために２本出願人はすでに第１２
図に示す構成の積層型圧電素子について出願している（
特願昭６１−４２９６７号参照）。同一部分は第１１図
と同一の参照符号で示す第１２図において薄板１を１両
横に突起部１ａを有する形状に形成し、内部電極２ａ、
２ｂが重合する変位部ａの比率を増大させたものである
。このような構成により、第１１図に示すものと比較し
て同一駆動電圧による変位を２０〜３０％向上させる効
果を得ているが、未だ非変位部すが存在するため。

変位部ａとの境界部に発生する割れ事故を完全に解消で
きず、若干の改良の余地を残している。

次に前記第１１図および第１２図に示すものにおける非
変位部すの存在による圧電変位効率の低下を解決するも
のとして、第１３図に示す構造のものが提案されている
（特開昭５８−１９６０６８号公報等）。第１３図にお
いては同一部分は前記第１１図および第１２図と同一の
参照符号で示している。

同図において、内部電極２ａ、２ｂは薄板１の表面全域
に及ぶように形成して、所要枚数を前記同様に積層する
。次に上記のようにして形成した積層体の−の側面にお
いて、内部電極２ａ、２ｂの端縁に一層おきに（例えば
内部電極２ｂのみに）絶縁材料からなる被覆４を設ける
と共に、被覆４の上から導電性材料からなる外部電極３
ａ（図示せず）を被着させる。一方積層体の他の側面に
おいては、上記被覆４を設けなかった内部電極（例えば
２ａ）の端縁に前記と同様に被覆４を設け。

その上から外部電極（図示せず）を被着させる。

しかしながら上記構成のものにおいては、内部電極２ａ
、２ｂの端縁の全幅に亘って絶縁材料からなる被覆４を
設ける必要があるため、煩雑な作業を要する。また上記
被覆４と内部電極２ａ、２ｂとは中心が一致しなければ
ならないが２例えば薄板１および／または内部電極２ａ
、２ｂの厚さの誤差累積等によって所望の位置に被覆４
を形成することができず、絶縁破壊を生ずるという問題
点がある。また薄板１の厚さがより薄くなり。

１００μｍ以下となった場合には、内部電極２ａ。

２ｂの一層おきに形成すべき被覆４の周縁部若しくは裾
部が不本意に拡大して隣接する内部電極２ａ若しくは２
ｂの端縁をも被覆することとなり。

外部電極３ａ、３ｂとの導通がとれなくなる等の問題点
も併有している。

なお上記のいわゆる全面電極型の積層型圧電素子につい
ての改良に関し２本出願人もすでに出願している（特願
昭６１−５４２３９号参照）。第１４図は上記出願に係
る積層型圧電素子の要部斜視図であり、同一部分は前記
第１１〜１３菌と同一の参照符号で示す。同図において
積層体の側面に薄板１の積層方向に絶縁物質からなる被
覆５を設け、この被覆５上に外部電極３ａ、３ｂと、リ
ード部６ａ、５ｂとを設けるのである。そしてリード部
６ａ、５ｂは、内部電極２ａ、２ｂと各々接続するよう
に、−層おきに配設する。

上記の構成により、前記第１３図に示すものにおけるよ
うな絶縁破壊の発生を回避することができ、一応の効果
が認められている。しかしながらリード部５ａ、（ｉｂ
を配設する場合の位置ずれ発生の問題点は残念ながら残
存し、更に改良の余地がある。

本発明は、上記従来技術に存在する問題点を解決し、圧
電変換効率が高く１かつ信頼性の高い積層型変位素子を
擢供することを目的とするものである。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記の目的を達成するために２本発明においては、電気
機械変換材料からなる薄板を、この薄板の大部分を被覆
するように形成した内部電極を介して複数枚積層して積
層体を形成し、この積層体の側面に前記内部電極と交互
に一層おきに接続すべき一対の外部電極を設けてなる積
層型変位素子において、積層体の側面部近傍に形成され
る非変位部と積層体の内部に形成される変位部との間に
緩衝部を設けると共に、緩衝部における変位量が非変位
部と接する部位における０％から変位部と接する部位に
おける１００％まで順次増大するように形成する。とい
う技術的手段を採用した。

なお緩衝部を形成する場合に、緩衝部における内部電極
の存在比率を非変位部における０％から変位部における
１００％まで順次増大するように形成するとよい。

また緩衝部を形成する材料の圧電歪定数ｄと薄板を形成
する材料の圧電歪定数ｄ。との比ｄ／ｄ。

の値を、非変位部と接する部位における０から変位部と
接する部位における１まで順次増大するように形成して
もよい。

更にまた緩衝部を形成する薄板上に厚さｔ、なる絶縁層
と厚さｔ２なる電極層をこの順に固着し。

内部電極の厚さｔに対して１．＋１２＝１となるように
形成すると共に、絶縁層の厚さ１．を非変位部と接する
部位におけるｔから変位部と接する部位におけるＯまで
順次減少するように形成することができる。

なお本発明における電気機械変換材料としては圧電材料
若しくは電歪材料を使用するのが好ましい。

また内部電極を薄板上に形成する場合には、スクリーン
印刷によると好都合である。

更にまた薄板上に絶縁層および電極層を積層することに
よって緩衝部を形成する場合においても。

上記絶縁層および電極層を形成するのにスクリーン印刷
手段を使用するのが有効である。

〔作　用〕

上記の構成により、非変位部と変位部との間に変位が段
階的若しくは連続的に変化する緩衝部を形成することが
でき、応力集中を防止する作用を期待し得るのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示す要部斜視図であり、
同一部分は前記第１１図〜第１４図と同一の参照符号で
示す。第１図においてＣは緩衝部であり、突起部１ａの
外部電極３ａを設けた側面で代表される非変位部すと、
変位部ａとの間に設ける。

この緩衝部Ｃを設けたことにより、従来のいわゆる交互
電極型において、非変位部すと変位部ａとの境界部に発
生する大なる歪を解消し、従って応力集中による薄板１
．更には変位素子全体の破壊を防止するのである。すな
わち上記緩衝部Ｃにおいては、非変位部すと接する部位
においては変位はＯであるが、変位部ａに至る間は変位
が段階的若しくは連続的に変化するように形成しである
ためである。

第２図〜第４図は夫々第１図における緩衝部Ｃを形成す
る例を示す要部拡大平面図であり、同一部分は第１図と
同一の参照符号で示す。まず第２図において、２１は部
分電極であり、内部電極２ａ（２ｂ）の一部を構成する
と共に、複数の縞状に形成する。この場合理解を容易に
するため１部分電極２１および内部電極２ａ　　（２ｂ
）には、断面ではないがハツチングを付しである。すな
わち内部電極２ａ（２ｂ）の近傍においては幅を広く。

突起部１ａの端縁部においては幅を狭く形成する。

そして部分電極２１相互間および部分電極２１と内部電
極２ａ（２ｂ）とを接続する導通部材２１ａを設ける。

以上の構成により９部分電極２１においては。

内部電極２ａ（２ｂ）における程ではないが、縞の幅に
相当する変位を発生するから、変位の緩衝部を形成する
ことができるのである。

第３図に示すものは９部分電極２１を複数の三角形によ
って形成したもの、第４図は部分電極２１を複数個の円
によって形成したものであり。

何れも前記同様の変位緩衝作用がある。

次に本発明の積層型変位素子の製造手段の一例について
記述する。まずＰｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏａ粉末に、有機
バインダーとしてＰＶＢ、可塑剤としてＢＰＢＧ、有機
溶剤としてトリクレンを夫々添加して混合し、この混合
材料をドクターブレード法により厚さ２００μｍのシー
ト状に形成した。

次にこのシート状材料の表面全域に内部電極を構成する
銀−パラジウムペーストをスクリーン印刷した。なお内
部電極の一部を構成する部分電極も上記内部電極の印刷
時に同時に印刷が可能であることは当然である。上記薄
板を５０枚積層して圧着した後、所定の寸法形状に切断
して積層体とした。次にこの積層体を１０５０〜１２０
０℃で１〜５時間焼成して１０ｍｍ角の焼結積層体を得
た。

次に第１図に示すように外部電極３ａ、３ｂ　（３ｂは
図示せず）を銀ペーストのスクリーン印刷して積層型変
位素子とした。

このようにして得た素子に、４００Ｖの電圧を１０分間
印加して分極処理を行ない。特性を測定した。第５図お
よび第６図は各々変位量と印加電圧および駆動回数との
関係を示す図である。なお比較のために、上記と同一の
圧電セラミック薄板材料を使用して、前記第１２図に示
す構成の積層型変位素子を作成した。第５図および第６
図から明らかなように１本発明のものを示すＡは、従来
のものを示すＢより、同一印加電圧に対する変位量が２
０〜３０％大であると共に、駆動回数、すなわち寿命を
大幅に向上していることが認められる。なお従来のもの
は第６図Ｂ１において絶縁破壊を起した。

本発明の実施例として第１図あるいは第１２図に示すも
のについて記述したが９本発明は第１１図に示すような
所謂交互電極型のものにも適用可能である。

次に第７図および第８図は各々本発明の第２実施例を示
す要部拡大平面図であり、同一部分は前記第１１図と同
一の参照符号で示す。本発明も前記第１２図に示すよう
な形式のもののみに限定されず、第１１図に示すような
所謂交互電極型のものにも適用可能であることは当然で
ある。まず第７図において、７は孔であり、緩衝部Ｃの
領域における薄板１上の内部電極２ａ（２ｂ）に複数個
設けるのであるが、非変位部す側の設置数の方が変位部
ａ側よりも多くなるように配設する。この場合内部電極
２ａ（２ｂ）には、理解を容易にするため断面ではない
がハンチングを付して示した。

第７図に示すものは孔７の直径を同一に形成し。

設置間隔を変位部ａ側と非変位部す側とで異なるように
したものである。次に第８図に示す実施例においては、
緩衝部Ｃの領域における薄板１上の内部電極２ａ　　（
２ｂ）に設ける孔７の直径を異に形成し、設置間隔は同
一であるが、非変位部す側の孔７の直径を変位部ａ側の
それより大に形成したものである。なお第７図と第８図
に示すものを組合せて形成してもよい。上記のような構
成の内部電極２ａ（２ｂ）を形成するためには、前記実
施例と同様な銀−パラジウムペーストのスクリーン印刷
手段を適用できるが、この場合には予めスクリーン上に
孔７に相当するマスキングをしておけばよい。

上記の構成により、緩衝部Ｃにおいては薄板１上の内部
電極２ａ（２ｂ）の存在比率が、非変位部すにおける０
％から変位部ａにおける１００％まで順次増大するから
、緩衝部Ｃにおける変位量は内分電極２ａ（２ｂ）の存
在比率に相当する変位量となり、非変位部すにおける０
から変位部ａにおける最大変位量まで順次増大する。従
って前記実施例と同様の変位の緩衝作用が期待でき、変
位素子全体としての変位量の増大が可能であり。

駆動回数５寿命を大幅に向上させ得る。

第９図は本発明の第３実施例を示す要部拡大平面図であ
り、前記第７図および第８図に示す交互電極型に適用し
た場合の例を示す。第９図において非変位部すを薄板１
１により、ならびに緩衝部Ｃを薄板１２〜１４によって
形成し５変位部ａを構成する薄板１と一体的に固着する
と共に、これらの薄板上に内部電極（図示せず）を設け
る。薄板１１〜１２には断面ではないが理解を容易にす
るためハンチングを付しである。なお上記薄板１および
１１〜１４の圧電歪定数を夫々ｄｏおよびｄｌｌ〜ｄ１
４としたとき、ｄｚ＃０およびｄ　、□＜　ｄ　、、＜
　ｄ　、４＜　ｄｏ　となるように組成の異なる材料に
よって形成する。一般に緩衝部Ｃをｎ個の薄板１２〜（
１１＋ｎ）で形成した場合にｄ　、、＜　ｄ　、２＜、
−−−−−、＜　ｄ　、＋、、＜　ｄ　ｏとなるように
する。従ってｎが大である程、相隣る薄板構成材料の圧
電歪定数の差を小さくすることができる。このような構
成の薄板１．１１〜１４を形成するには１例えば薄板１
１〜１４の幅に相当する厚さを有する積層体を形成後、
この積層体の端面と平行に薄板１の厚さに対応する寸法
宛スライスし、薄板１と共に厚さ方向にプレスすること
により、第９図に示すように一体化することができる。

上記のようにして薄板１および１１〜１４を一体に形成
した後、変位部ａおよび緩衝部Ｃ上に内部電極（図示せ
ず）を固着し、前記実施例と同様に積層する。

上記の構成により、緩衝部Ｃにおいては、夫々の薄板１
２〜１４を構成する材料の圧電歪定数ｄ１□〜ｄ１４に
対応する変位量を生じ、非変位部すにおけるＯから変位
部ａにおける最大値まで順次変位量を増大させることが
できる。従って前記実施例と同様の変位の緩衝作用およ
びこれに付随する効果を期待できるのである。

次に第１０図は本発明の第４実施例を示す要部拡大断面
図であり、交互電極型に適用した場合の例である。第１
０図において、８は絶縁層であり。

非変位部すおよび緩衝部Ｃを形成する薄板１上に固着す
ると共に、緩衝部Ｃにおいては絶縁層８上に内部電極２
ａ（２ｂ）の一部を積層する。なお緩衝部Ｃにおける絶
縁層８と内部電極２ａ　（２ｂ）の厚さｔｌおよびｔ２
は、変位部ａにおける内部電極２ａ（２ｂ）の厚さｔと
の関係において。

ｔ、＋ｔ２＝ｔとなるように形成すると共に、絶縁層８
の厚さｔｌを非変位部すと接する部位におけるｔから、
変位部ａと接する部位における０まで順次連続的に減少
するように形成する。この場合上記ｔ１の変化を段階的
若しくは非連続的に変化させてもよい。

以上の構成により、緩衝部Ｃにおいては、厚さｔｌなる
絶縁層８が存在するから、薄板１に印加される駆動電圧
が変位部ａにおける値より小となり、非変位部すと接す
る部位におけるＯから、変位部ａと接する部位における
最大値まで順次連続的若しくは段階的に増大する。従っ
て変位量も駆動電圧と比例して変化するから、前記実施
例と同様な変位の緩衝作用およびこれに付随する効果を
期待できるのである。

本実施例においては９例えば第１実施例において、内部
電極の一部を構成する部分電極の構成例として縞、三角
１円形のものを示し、第２実施例において内部電極に設
ける孔の形として円形のものを示したが、これらの形状
に限定されることなく、他の任意の形状を選定すること
ができる。すなわち要するに緩衝部における内部電極（
部分電極も含む）の存在比率が、非変位部における０％
から変位部における１００％まで順次増大するように形
成すればよい。また部分電極、内部電極。

外部電極の形成手段としてスクリーン印刷法を使用した
例について記述したが、これに限定せず。

メツキ、蒸着、塗布等の他の手段によっても作用は同一
である。更に前記の実施例においては、電気機械変換材
料が圧電材料である場合について記述したが、キュリー
温度が室温より低いため１分極の必要がなく、かつ変位
量が大であると共にヒステリシスが少ない等の特徴を有
する電歪材料についても、前記と全く同様な作用を期待
できる。

このような電歪材料としては２例えば。

（Ｐｂｏ、ｑ＋６Ｌａｏ、ｏｓ４）（Ｚｒｏ、６ｓ　Ｔ
ｉｏ、＋ｓ）ｏ、ｑ７ｑ　Ｏ：＋＋（Ｐｂｏ、ａｓ　Ｓ
ｒｏ、＋ｓ）　　（Ｚｒｏ、ｓ＋　Ｔｉｏ、５４Ｚｎｏ
、ｏｒｚｓＮｉ６，６３７５Ｎｂ、、、、）０３゜（Ｐ
ｂｏ、ｅｓ　Ｓｒｏ、＋ｓ）　　（Ｚｒｏ、ｓ。Ｔｉｏ
、３゜Ｚｎｏ、ｏｓＮｉｏ、ｏｓ　　Ｎｂｏ、＋ｏ）０
３ 等を使用することができる。

〔発明の効果〕

本発明は１以上記述のような構成および作用であるから
、基本的には製作が極めて容易な交互電極型の構成であ
りながら圧電変換効率および寿命を大幅に向上させるこ
とができる。また非変位部と変位部との間に緩衝部を形
成するため、歪の増大若しくは応力集中による割れ等の
発生を皆無とすることができ、信頼性を大幅に向上し得
るとし１う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す要部斜視図、第２図
〜第４図は夫々第１図における緩衝部形成の例を示す要
部拡大平面図、第５図および第６図は各々変位量と印加
電圧および駆動回数との関係を示す図、第７図および第
８図は各々本発明の第２実施例を示す要部拡大平面図、
第９図は本発明の第３実施例を示す要部拡大平面図、第
１０図は本発明の第４実施例を示す要部拡大断面図。 第１１図〜第１４図は夫々従来の積層型圧電素子を示す
要部斜視図である。 １：薄板、’ｌａ、　　２ｂ：内部電極、２１：部分電
極、７：孔、８：絶縁層、ａ：変位部、ｂ：非変位部、
Ｃ：緩衝部。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気機械変換材料からなる薄板を，この薄板の大
   部分を被覆するように形成した内部電極を介して複数枚
   積層して積層体を形成し，この積層体の側面に前記内部
   電極と交互に一層おきに接続すべき一対の外部電極を設
   けてなる積層型変位素子において，積層体の側面部近傍
   に形成される非変位部と積層体の内部に形成される変位
   部との間に緩衝部を設けると共に，緩衝部における変位
   量が非変位部と接する部位における０％から変位部と接
   する部位における１００％まで順次増大するように形成
   したことを特徴とする積層型変位素子。
2. （２）緩衝部における内部電極の存在比率が非変位部に
   おける０％から変位部における１００％まで順次増大す
   るように形成した請求項（１）記載の積層型変位素子。
3. （３）緩衝部を形成する材料の圧電歪定数ｄと薄板を形
   成する材料の圧電歪定数ｄ＿０との比ｄ／ｄ＿０の値を
   ，非変位部と接する部位における０から変位部と接する
   部位における１まで順次増大するように形成した請求項
   （１）記載の積層型変位素子。
4. （４）緩衝部を形成する薄板上に厚さｔ＿１なる絶縁層
   と厚さｔ＿２なる電極層をこの順に固着し，内部電極の
   厚さｔに対してｔ＿１＋ｔ＿２＝ｔとなるように形成す
   ると共に，絶縁層の厚さｔ＿１を非変位部と接する部位
   におけるｔから変位部と接する部位における０まで順次
   減少するように形成した請求項（１）記載の積層型変位
   素子。
5. （５）電気機械変換材料が圧電材料である請求項（１）
   ないし（４）何れかに記載の積層型変位素子。
6. （６）電気機械変換材料が電歪材料である請求項（１）
   ないし（４）何れかに記載の積層型変位素子。
7. （７）内部電極を薄板上にスクリーン印刷によって設け
   た請求項（１）若しくは（２）記載の積層型変位素子。
8. （８）絶縁層および／または電極層をスクリーン印刷に
   よって設けた請求項（４）記載の積層型変位素子。