JPH03155179A - 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１産業用ロボツ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ンク材料からなる
薄板に電極を設けて分極した後１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
ンク材料を、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根−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１圧電
セラミツ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７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７図において、■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２ａ、２ｂを交互に挟着して積層し、積層体５を
形成する。内部電極２ａ、２ｂは各々一方の端縁部が外
方に突出若しくは露出するように形成し１各々積層方向
に延設した外部電極３ａ、３ｂと接続し、この外部電極
３ａ、３ｂにはんだ７を介してリード線６を接続する。

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ｉｉｔ極２ａ、２ｂ間に電界が発
生し、薄板１は圧電セラミン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８図に示すものは他の積層型圧電素子の例であり
、圧電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８図において同一部分は前記第７図と同一の
参照符号で示すが、内部室Ｆｉ２ａ、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５の一方
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の上から導電性子オ料からな
る外部電極３ａ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３ｂを被着させるのである。以上の構成によ
る作用は前記第７図におけるものと同様である。

（発明が解決しようとする課題〕 上記従来の積層型変位素子においては、外部型ｉ３ａ、
３ｂとリード線６との接続手段としてはんだ７等の低融
点合金による所謂点付けを使用することが多い。しかし
ながらこのような接続手段では、はんだ７による接続部
の接続強度が充分でないため、車輌その他のような大き
な振動を生ずる用途に積層型変位素子を使用した場合に
は、この振動によって前記接続部が外部電極３ａ、３ｂ
から剥離し、この結集積層型変位素子の作動不良を招来
するという問題点がある。また薄板ｌを例えば厚さ１０
０μｍに形成した場合、はんだ７を被着する充分なスペ
ースを確保できなかったり、外部電ｉ３ａ、３ｂのはん
だ食われや、はんだ７の歪抑制効果による被覆４の破壊
を誘発して、信頼性を低下する欠点もある。次にリード
線６および外部電極３ａ、３ｂを介して積層体５に電圧
を印加、解除して積層体５を伸縮させる場合には、外部
電極３ａ、３ｂに応力が作用する。一方外部電極３ａ、
３ｂは例えば銀ペーストを塗布若しくは印刷して形成す
るものであり、極めて薄い数μｍ程度の厚さを有するに
過ぎず、前記応力の作用により亀裂が発生し易く、また
断線し易い。このような亀裂若しくは断線が発生すると
、積層体５を所定量だけ伸縮させることができず、積層
型変位素子の作動不良を生しるという問題点がある。

上記のような問題点を解決するために、リード線６を積
層体５の積層方向の略全長に渡って配置すると共に、積
層方向の略全長に渡り外部電極３ａ、３ｂに例えばはん
だ等により電気的かつ機械的に接続するという内容の提
案がされている（特開昭６３−９２０６８号公報参照）
。このような構成とすることにより、リード線６と外部
電Ｆｉ３ａ、３ｂとの接合面積が増大するため９例えば
はんだ打部の強度が増大することとなる。また上記接合
部は積層方向の略全長に渡って延長しているので、積層
体５の反復伸縮によって外部電Ｊｉ３ａ、３ｂに亀裂若
しくは断線が発生しても、すべての内部電極２ａ、２ｂ
とリード線６との間には常に電気的接続状態が確保され
るという効果があると記載されている。

しかしながら上記構成の積層型変位素子においては、上
記効果を有する反面において、積層体５の伸縮機能を阻
害し、および／または積層体５にクラックを生ずるとい
う問題点がある。すなわちリード線６を外部電極３ａ、
３ｂの全長に渡ってはんだ付等によって接続すると、リ
ード線６によって積層体５を拘束することとなり、変位
を減少することとなる。また本来積層体５の伸縮と対応
して伸縮すべき外部電極３ａ、３ｂを剛性化することと
なり、積層体５および／または積層体５と外部電極３ａ
、３ｂとの接合部にクランク若しくは剥離を生じ、積層
型変位素子としての機能を阻害するという問題点がある
。

また第９図に示すように最外層の薄板１ａに。

内部電極２ａ、２ｂと同様の導電材２ｃを貫通させて設
け、端子電￥ｉ３ｃ、３ｄと各々電気的に接続してなる
積層型変位素子の提案もなされている（特開昭６３−１
７７４８０号公報参照）、上記提案によれば、リード線
を取り付けた時の不具合や、従来のリードレス構造にお
ける外部！桟の形成不具合を解消できる旨の記載がある
。

しかしながら上記構成のものにおいては、最外層の薄板
１ａ内に導電材２ｃを貫通させて形成する必要があり、
薄板１ａの製作が極めて煩雑となると共に、導電材２ｃ
と内部電極２ａ、２ｂとの電気的接続状態が不安定であ
るため、信頼性が低いという問題点がある。なおこの形
式の積層型変位素子は、リードレス構造のものであるた
め、第７図および第８図におけるリード線６に張力が作
用した場合のはんだ７および／または外部電極３ａ、３
ｂの剥離防止作用については依然として不充分であると
いう問題点も併存する。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解決し、外部
電極の亀裂若しくは断線による作動不良を防止し得ると
共に、所定の変位を充分に確保しかつリード部材の接続
部における強度を向上させ得る積層型変位素子を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、まず第１の発明においては
、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。

積層体の側面に突出し、かつリード部材と電気的に接続
可能に形成した係止部を有する１対の端子板を電気的絶
縁状態に介装させると共に、外部電極と端子板とを電気
的に接続する。という技術的手段を採用した。

次に、第２の発明においては、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
形成した単位積層体を更に複数個積層して複積層体を形
成し、この複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。

単位積層体間に、この単位積層体の側面に突出し、かつ
リード部材と電気的に接続可能に形成した係止部を有す
る１対の端子板を電気的絶縁状態に介装させると共に、
外部電極と端子板とを電気的に接続する。という技術的
手段を採用した。

上記両発明において、端子板を金属材料によって形成す
ることができる。

また絶縁材料からなる基板の表面に各々導電材料からな
る被膜を電気的絶縁状態に固着して１対の端子板を形成
してもよい。

更に端子板の中間部に絶縁材料からなる分割部を設けた
構成としてもよい。

〔作　用〕

上記の構成により、端子板の機械的強度を充分に向上さ
せ得ると共に、リード部材に張力が作用しても、外部電
極にその張力が及ぶことを防止することができ、外部電
極の剥離による事故を未然に防止するという作用を期待
できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を模式的に示す側面図であり、
同一部分は前記第７図および第８図と同一の参照符号で
示す。第１図においてまず例えばＰｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ）
Ｏ，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
１１００ａのシート状の薄板１に形成する。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。上記のように
形成した内部電極２ａ、２ｂを有する薄板１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、　１０５０〜１
２００℃で１〜５時間焼成して積層体５を形成する。

次にこの積層体５の側面に、内部電極２ａ、２ｂの端縁
に一層おきに絶縁材料からなる被覆４と。

導電性材料からなる外部電極３ａ、３ｂとを設ける。次
に８ａ、８ｂは各々端子板であり１例えば銅、真鍮等の
導電性金属材料により、薄板ｌと略同一の平面輪郭に形
成すると共に、係止部９を一体的に突出させ、積層体５
の上下端面に接着剤その他により固着する。なお端子板
８ａ、８ｂは各々前記外部電極３ａ、３ｂとはんだ７を
介して電気的に接続する。従って端子板８ａ、８ｂ間は
電気的絶縁状態に保持される。

第２図（ａ）は第１図における端子板８ａ、８ｂを示す
斜視図である。第２図（ａ）において例えば右方に突出
させて設けた係止部９には、穴１０を貫通させて設ける
。

上記の構成により、端子板８ａ、８ｂの係止部９に設け
た穴１０内にリード線を挿通し、第１図に示すように捻
回固着し、更にはんだ７を肉盛すれば、リード線６と端
子板８ａ、８ｂとは強固に固着され得る。この状態にお
いてリード線６，６間に電圧を印加すれば、積層体５を
上下方向に伸縮駆動することができる。この場合端子板
８ａ。

８ｂは例えば肉厚を０．０５〜３ｍｍに形成することが
できるため、ｖａ械的強度が大であると共に。

リード線６との固着力も充分に大である。従ってリード
線６に不測の張力が作用しても充分に対抗することがで
き、外部電極３ａ、３ｂが剥離するおそれは皆無とし得
る。

次に第２図（ロ）（Ｃ）は各々第２図（ａ）における端
子板８ａ、８ｂの変形例を示す斜視図である。まず第２
図（ｂ）に示すものは、端子板８ａ、８ｂの一方の表面
に絶縁部材８ｃを固着したものである。また第２図（Ｃ
）に示すものは、係止部９の一方の表面にも絶縁部材９
ｃを固着したものである。

上記のように形成した端子板８ａ、８ｂを、第１図に示
す積層体５に固着する場合に、最上下面に絶縁部材８ｃ
または絶縁部材８ｃ、９ｃが現れるように形成すれば、
積層体５の上下に近接する他部材との電気的絶縁を６１
保することができる。

なお上記のような端子板８ａ、８ｂに絶縁部材８ｃ、９
ｃを固着する構成に代えて、ＰＺＴＡｌ、Ｏ，、ＺｒＯ
□等の絶縁材料によって形成した端子板（例えば第２図
（Ｃ）における８ｃ、９ｃの部分）にメツキ、スパッタ
、ペースト塗布等の手段によって、導電部材（例えば第
２［ｍ（Ｃ）における８ａ、８ｂの部分）を形成しても
よい。

第３図（ａ）ないしくｄ）は夫々第２図（ａ）における
端子板８ａ、８ｂの他の変形例を示す平面図である。

第３図（ａ）　（ｂ）に示すように、係止部９に設ける
穴１０の平面輪郭形状は、半円形若しくはＵ字形として
もよい。また第３図（Ｃ）　（ｄ）に示すように係止部
９に前記の穴を欠如するように形成してもよい。

なお係止部９を第１図におけるように積層体５の両側面
に突出させる代わりに、一方の側面に突出させても作用
は同一であり、このような態様で使用する場合には、第
３図（ｄ）に示すように係止部９を端子板８ａ、８ｂの
角部に近接させて設けると好都合である。

第４図（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）は夫々端子板の更に他の
変形例を示す斜視図である。第４図（ａ）　（ｂ）　（
Ｃ）において端子板１１は中間部に絶縁材料からなる分
割部１１ｃを介在させて、１対の端子部１１　ａ　、　
１１　ｂを絶縁状態に接合一体化したものである。なお
端子部１１ａ、１１ｂは前記第１図ないし第３図におけ
る端子板８ａ８ｂと対応するものである。

上記構成の端子板１１を第１図に示す積層体５の上下何
れかの端面に固着し、端子部１１　ａ　、　１１　ｂを
各々外部電極３ａ、３ｂと電気的に接続し、係止部９に
リード線６を固着すれば、前記第１図におけるものと同
様に作動させることができ１作用もまた同様のものを期
待できる。

第５図（ａ）（ｂ）は各々端子板のまた更に池の変形例
を示す断面図であり、同一部分は前記第４図（ａ）（ｂ
）（Ｃ）と同一の参照符号で示す、まず第５図（ａ）に
示すものは絶縁材料からなる分割部１１ｃの表裏両面に
端子部１１ａ、１１ｂを貼着したものである。次に第５
図Φ）に示すものは１分割部１１ｃの表裏両面に導電材
料の薄膜からなる端子部１１ａ、ｌｌｂを固着したもの
である。このような薄膜からなる端子部１１ａ、ｌｌｂ
を形成する手段としては、蒸着、スバンタ、メツキ、ペ
ースト塗布等の手段を適用することができる。なお端子
部１１ａ、ｌｌｂと分割部１１ｃとの熱膨張係数を近似
させるため１分割部１１ｃを例えばＰＺＴ、ＺｒＯｘ　
、Ａｌｚ０３等の絶縁材料で形成することが好ましい。

上記構成による作用は前記第４図（ａ）［有］）（Ｃ）
に示すものと同様である。

第６図は本発明の他の実施例を模式的に示す斜視図であ
り、同一部分は前記第１図と同一の参照符号にて示す。

第６図において、５ａは複積層体であり、前記第１図に
示す積層体５（以下単位積層体と記述する）を４個積層
して形成する。なお端子板８ａ、８ｂは上記単位積層体
５．５間に挟着すると共に、外部電極３ａ、３ｂと各々
電気的に接続する。

上記の構成により、リード線６．６間に電圧を印加する
ことにより、複積層体５ａを積層方向に伸縮駆動するこ
とができる。この場合端子板８ａ８ｂは単位積層体５，
５間に例えば接着剤を介して一体に挟着しであると共に
、リード線６との接合部は前記第１図に示すものと同様
にはんだ肉盛（図示せず）可能であり、接合強度を大に
形成することができる。従って前記第１図におけるもの
と同様にリード線６に不測の張力が作用しても充分に対
抗することができ、リード線６および／または外部電極
３ａ、３ｂが剥離する事故を回避することができる。

本実施例においては、全面電極型の例について記述した
が、交互電極型のものについても当然に適用可能である
。また薄板および内部電極の平面投影形状は矩形以外に
、正方形１円形、楕円形その他の幾何学的形状とするこ
とができる。なお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９例えば。

ＣＰｂｏ、ｑ＋ｈ　　Ｌａｏ、ｏ＊ａ＞ＣＺｒｏ、ｂｓ
　　Ｔｉｏ、５ｓ）ｏ、、ｔｑ　　Ｏｓ　　＋（Ｐｂｏ
、ｓｓ　Ｓｒｏ、＋５）（Ｚｒｏ、ｓ＋　Ｔｔｏ、３ｎ
　Ｚｎｏ、ｏｗｓＮｉ＠、。３７５　Ｎｈａ、　＋１１
）０３゜（Ｐｂｏ、ｓｓ　Ｓｒｏ、＋５）（Ｚｒｏ、ｓ
ｏ　Ｔｉｏ、＋ｏ　Ｚｎｏ、ｏｓＮｉｏ、。５ＮｂＯ，
ｌ。）０； 等を使用することができる。なお第６図に示すような複
積層体に対しても、第４図（ａｌΦ）（Ｃ）および第５
図（ａ）［有］）に示す端子板を適用できることは当然
である。

（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、
下記の効果を奏し得る。

（１）　　リード部材固着のためのスペースが充分に確
保されると共に、外部電極のはんだ食われ等の事故を皆
無とすることができる。

（２）端子板とリード部材との接合が確実であるため１
　リード部材の剥離、断線を回避できる。

（３）　　リード部材に不測の張力が作用しても、端子
板自体、およびリード部材との接続部の機械的強度が充
分に大であるため、外部電極の剥離事故を皆無とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を模式的に示す側面図。 第２図（ａ）は第１図における端子板を示す斜視図。 第２図（ｂ）（Ｃ）は各々第２図（ａ）における端子板
の変形例を示す斜視図、第３図（ａ）ないしく口）は夫
々第２図（ａ）における端子板の他の変形例を示す平面
図、第４図（ａ）　（ｂｌ　（Ｃ）は夫々端子板の更に
他の変形例を示す斜視図、第５図（ａ）（ｂ）は各々端
子板のまた更に他の変形例を示す断面図、第６図は本発
明の他の実施例を模式的に示す斜視図、第７図ないし第
９図は夫々従来の積層型変位素子の例を模式的に示す側
面図である。 ３ａ、３ｂ：外部電極、６：リード線、８ａ８ｂ、１１
：端子板、９：係止部。 第　７（２１ 晃　Ｏ

Claims (8)

【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。 積層体の側面に突出し，かつリード部材と電気的に接続
   可能に形成した係止部を有する１対の端子板を電気的絶
   縁状態に介装させると共に，外部電極と端子板とを電気
   的に接続したことを特徴とする積層型変位素子。
2. （２）端子板を金属材料によって形成した請求項（１）
   記載の積層型変位素子。
3. （３）絶縁材料からなる基板の表面に各々導電材料から
   なる被膜を電気的絶縁状態に固着して１対の端子板を形
   成した請求項（１）記載の積層型変位素子。
4. （４）端子板の中間部に絶縁材料からなる分割部を設け
   た請求項（２）記載の積層型変位素子。
5. （５）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形成した単位積層体を更
   に複数個積層して複積層体を形成し，この複積層体の側
   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， 単位積層体間に，この単位積層体の側面に突出し，かつ
   リード部材と電気的に接続可能に形成した係止部を有す
   る１対の端子板を電気的絶縁状態に介装させると共に，
   外部電極と端子板とを電気的に接続したことを特徴とす
   る積層型変位素子。
6. （６）端子板を金属材料によって形成した請求項（５）
   記載の積層型変位素子。
7. （７）絶縁材料からなる基板の表面に各々導電材料から
   なる被膜を電気的絶縁状態に固着して１対の端子板を形
   成した請求項（５）記載の積層型変位素子。
8. （８）端子板の中間部に絶縁材料からなる分割部を設け
   た請求項（５）記載の積層型変位素子。