JPH02203579A - 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ク超音波モー
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１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。

第３図は上記積層型圧電素子の構成の例であり。

所謂交互電極型と称されるものである。第３図において
、１は薄板であり圧電セラミック材料によって形成し、
正負の内部電極’ｌａ、２ｂを交互に挟着して積層する
。内部電極２ａ、”ｌｂは各々−方の端縁部が外方に突
出若しくは露出するように形成し、各々外部電極３ａ、
３ｂと接続する。

以上の構成により、外部電極３ａ、３ｂに正負の電圧を
印加すると、前記内部電極２ａ、２ｂ間に電界が発生し
、’ｉｊａ板ｌは圧電セラミック材料の縦効果により厚
さ方向に伸びて変位を生ずる。

次に第４図に示すものは他の積層型圧電素子の例であり
、圧１を変位効率を向上させた所謂全面電極型と称され
るものである（例えば特開昭５８−１９６０６８号公報
等参照）。第４図において同一部分は前記第３図と同一
の参照符号で示すが、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０次に上記のようにして形成した積層体５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２に電性材料からなる
外部電極３ａ（図示せず）を被着させる。

一方積層体５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
させるのである。

更に上記全面電極型のものにおける外部電極の形成手段
として第５図（ａ）　（ｂｌ　ｆｃｌに示すものが提案
されている（例えば特開昭６１−１０２０７８号、同６
１−１７４６８１号公報参照）、第５図において外部電
極を形成するには、まず第５図（ａ）に示すように積層
体５の側面に絶縁材料からなる被覆４を塗布焼付した後
、第５図（ｂｌに示すように自動カッティングマシン等
により１例えば内部電極２ａに沿って、かつ内部電極２
ａが露出するように複数個の溝６を設ける０次に第５図
（Ｃ１に示すように外部電極３ａを塗布焼付するのであ
る。なお内部電極２ｂも同様にして外部電極３ｂ（図示
せず）と接続する。

〔発明が解決しようとする課題〕

まず前記第３図に示すものにおいては、内部電極２ａ、
’ｌｂの重合する部分が変位部ａを形成するのであるが
５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。

第６図は第３図に示す積層型圧電素子の要部拡大説明図
、第７図は横方向位置と主応力との関係を示す図であり
、同一部分は第３図と同一の参照符号で示す０両図にお
いて内部電極２ａ、２ｂが重合する変位部ａには大なる
引張応力が作用する状態が明らかである。しかもこの引
張応力は９薄板１の積層数が増大するにつれて増大する
（第７図における曲線に添記した数字は積層数を示す）
。

一方向部電極２ａ、２ｂと薄板１との間の接合強度は５
　ｋｇｆ／ｍｍ”程度であり、薄板１の積層数が１０層
であっても非変位部すにおける最大引張応力は５　ｋｇ
ｆ／ｍｍ”に到達し、積層数が２０１）以上のものにお
いては何れも５　ｋｇｆ／１ｓｔａ”を越えた値となる
。

このため第６図における０部にクランクが発生し。

素子の機能を阻害し、甚だしい場合には破壊に至るとい
う問題点がある。

また第４図および第５図に示す構成の全面電極型におい
ては、上記のような非変位部が存在しないため引張応力
の作用による不都合は発生しない。

しかしながら上記第４図に示す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Ｍ４と内部電極２ａ、
２ｂとは中心が一致しなければならないが。

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ｌ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ｉ２ａ若しくは２ｂ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。

一方第５図（ａｌ　（ｂｌ　（Ｃ１に示す構成のものに
おいても。

溝６の形成に際しては、それらの位置決めが困難である
ことは前記第４図に示すものと同様である。

また内部電極２ａ、２ｂは薄板１と共に積層圧着される
ため端縁部が湾曲しているため、内部電極’ｌａ、　　
２ｂの存在しない個所に溝６を形成することがあり、電
圧印加時における絶縁破壊の原因となる等の問題点があ
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、かつ信頬性の高い積層型変位素子を
提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために２本発明においては。

略同一の平面輪郭および接触面積に形成した電気機械変
換材料からなる薄板と導電材料からなる内部電極とを各
々複数個交互に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一層おきに接続すべき１対の外部
電極を設けてなる積層型変位素子において、内部電極の
端縁部を一層おきに部分的に切除して非変位部を形成し
、これらの非変位部の形成位置を各層毎に若しくは複数
層毎に非重合状態に配設すると共に、これらの非変位部
に各々外部電極を設ける。という技術的手段を採用した
。

本発明において、外部電極は積層体の同一側面に設けて
も、また異なる側面に設けてもよい。

また上記外１ｉｔ極は積層体の稜線と非平行に設けるこ
とが好ましいが、少数の非変位部を重合させて階段場に
形成してもよい。

〔作用〕

上記の構成により、内部電極と外部電極との接続を容易
かつ確実に行うことができると共に、非変位部を分散す
ることができ、非変位部において発生する引張応力の値
を大幅に低減することができる。

〔実施例〕

第１図（ａｌないしｆｈｌは夫々本発明の実施例におけ
る薄板を示す斜視図、第１図（１）は本発明の実施例を
示す斜視図であり、同一部分は前記第３図ないし第５図
と同一の参照符号で示す、まず第１図（ａｌないしくｈ
ｌにおいて１例えばＰ　ｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ　）　Ｏｘ粉
末に、有機バインダーとしてＰＶＢ、可塑剤としてＢＰ
ＢＧ、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１００
μｍのシート状の薄板１に形成する０次にこの薄板１の
表面全域に内部電極２ａ、２ｂを形成する銀−パラジウ
ムペーストをスクリーン印刷する。この場合薄板１の端
縁部に第１図＋ａ）、　（Ｃ１，（ｅｌおよび（ｇ）に
示すように例えばマスキングにより内部電極２ａを部分
的に切除して非変位部１ａを形成する。この非変位部１
ａの形成位置は各層毎に若干ずらせた位置とする。−力
筒１図（ｂｌ、　（ｄ）、　ｆｒｌおよび（ｈｌに示す
ように内部電極２ａとは反対勝手に内部電極２ｂに非変
位部１ｂを形成する。上記のように形成した内部電極２
ａ。

２ｂを有する薄板ｌを交互に例えば１００枚積積層て圧
着した後、所定の寸法形状に切断して積層体とし、　１
０５０〜１２００℃で１〜５時間焼成した。

次に第１図ｆｔ１に示すように外部電極３ａを設けるの
であるが、前記のように薄板１には非変位部ｌａ、ｌｂ
がＩＮおきに存在するが１例えばこの非変位部１ａの上
下には同一極性の内部電極２ｂが存在するため、この非
変位部１ａに導電材料を帯状に塗布若しくはスクリーン
印刷すればよい。

なお積層体５の裏側面に同様にして外部電極３ｂ（図示
せず）を設ける。

上記の構成により外部電極３ａ、３ｂは各々前記内部電
極２ａ、２ｂと電気的に接続されるから。

外部電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加すれば、積層型変位
素子として積層体５を駆動することができるのである。

この場合薄板１の端縁部の一部に非変位部１ａが存在す
るが、それらの位置は薄板１の１層方向において重合し
ないように、若しくは重合しても少数であるように配設
しであるから。

これらの部位に不都合な値の引張応力が発生するのを防
止できるのである。

第１図ｆｔ１　Ｑ）ｌは各々本発明の他の実施例を示す
斜視図であり、簡略化した表示であるため個々の薄板、
内部電極の端縁を省略しである。まず第１図ｆｔ１ 変位部１ａおよび１ｂを薄板１の同一端縁部に併設した
ものであり、積層体５の同一側面に１対の外部電極３ａ
、３ｂを形成する。外部電ＦｆＡ３　ａ　。

３ｂと接続される端子が同一部分に集約されるので好ま
しい０次に第２図（ｂｌに示すものは、第１図（ａ）な
いしく目における非変位部１ａおよび１ｂが同一位置の
薄板１を数層重合させたものについて。

順次その位置をずらせて積層したものである。従って外
部電極３ａは階段状に形成される。なお他方の外部電極
３ｂ（図示せず）も同様である。上記の構成による作用
は、前記第１図（１）に示す実施例と同様である。

上記の実施例においては、内部電極および外部電極の形
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、渾着、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１例えば （Ｐｂｏ、ｗｔｗ　　Ｌａｏ、ｏ＊４）（Ｚｒ＋＋、ｉ
ｓ　　Ｔｉｏ、５ｓ）ｏ、ｗｔｗ　　Ｏｓ　　Ｔ（Ｐｂ
ｏ、ｓｓ　　Ｓｒｏ、＋ｓ）　（Ｚｒｅ、ｓ＋　Ｔｉｏ
、ｓａ　　Ｚｎｏ、ｏｒｔｓＮｉａ、　ｏｓｑｓ　　Ｗ
ｈｏ、　ｔｏ）　Ｏｓ　＋（Ｐｂｏ、ｓｓ　　Ｓｒｏ、
＋ｓ）　（Ｚｒｏ、ｓｏ　Ｔｉｅ、ｓｏ　　Ｚｎ＋＋、
ｏｓＮｉｏ、　ａｓ　Ｎｂｏ、　ｔｏ）　Ｏｓ等を使用
することができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上記述のような構成および作用であるから、
下記の効果を期待できる。

１）１　　非変位部を分散させた構成であるため、非所
望な引張応力を発生することがなく、クラックの発生を
防止し、信頼性を大幅に増大させ得る。

（２）外部電極を形成する場合に、被覆若しくは溝を設
ける必要がなく、加工工数および時間を低減し、生産性
を向上させ得る。

（３）積層体を形成する薄板部分に非所望な溝を形成す
ることがないため、電圧印加時における絶縁破壊を防止
することができ１品質および信頼性を大幅に向上させ得
る。

（４）　　内部電極を薄板の全面に亘って設けた構成の
ものであるため、圧電変換効率が極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図（８）ないしく１＋ｌは夫々本発明の実施例にお
ける薄板を示す斜視図、第１図（１）は本発明の実施例
を示す斜視図、第２図（ａｌ　（ｂｌは各々本発明の他
の実施例を示す斜視図、第３図および第４図は各々従来
の積層型圧電素子を示す要部斜視図、第５図（ａｌ（ｂ
）　（０３は夫々従来の外部電極形成手段を示す説明図
。 第６図は第３図に示す積層型圧電素子の要部拡大説明図
、第７図は横方向位置と主応力との関係を示す図である
。 １：Ｔ？Ｊ板、ｌａ、、Ｉｂ：非変位部、２ａ、２ｂ：
内部電極、３ａ、３ｂ：外部電極。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）略同一の平面輪郭および接触面積に形成した電気
   機械変換材料からなる薄板と導電材料からなる内部電極
   とを各々複数個交互に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一層おきに接続すべき１対
   の外部電極を設けてなる積層型変位素子において，内部
   電極の端縁部を一層おきに部分的に切除して非変位部を
   形成し，これらの非変位部の形成位置を各層毎に若しく
   は複数層毎に非重合状態に配設すると共に，これらの非
   変位部に各々外部電極を設けたことを特徴とする積層型
   変位素子。
2. （２）１対の外部電極を積層体の同一側面に設けた請求
   項（１）記載の積層型変位素子。
3. （３）外部電極を積層体の異なる側面に設けた請求項（
   １）記載の積層型変位素子。
4. （４）外部電極を積層体の稜線と非平行に設けた請求項
   （１）ないし（３）何れかに記載の積層型変位素子。
5. （５）外部電極を階段状に形成した請求項（１）ないし
   （３）何れかに記載の積層型変位素子。