JPH04349675A - 圧電アクチュエータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体制御弁や半導体露
光装置等に用いられる微少位置決め機構用の圧電アクチ
ュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧電アクチュエータは、
例えばチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料の
粉末に、微量の有機バインダーを添加し、これを有機溶
媒中に分散させたスラリーを作りドクターブレード法に
より膜状に形成した圧電シートを形成し、この圧電シー
トの片面に、白金粉末やあるいは、銀粉末とパラジウム
粉末とを混合させた粉末を主成分とする導体ペーストを
スクリーン印刷等で被着形成した内部電極導体を形成し
、これらの複数枚を積層して積層体を形成し、その側面
に露出した内部電極に一層おきに絶縁物を形成し、更に
その上から第１の外部電極を形成する。一方、前記側面
に対向する側面では、先に絶縁物を形成しなかった内部
電極の露出部に選択的に絶縁物を形成し、その上から第
２の外部電極を形成する。そして両側面の外部電極にリ
ード線をハンダで接続した構造である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の圧電アクチ
ュエータにおいて、内部電極を形成する金属に銀系材料
を使用した場合、湿性雰囲気においては側面に付着した
水分により銀がマイグレーションを起こし、積層焼結体
の側面を著しく汚染する。すなわち、銀系電極導体層の
端部は積層焼結体の側面に全て露出しているのでマイグ
レーションを生じやすく、汚染された積層焼結体の側面
はその絶縁性を急激に劣化させる。したがって、耐湿耐
久試験を行うと側面で放電するものが続出し、歩留りお
よび信頼性に大きな障害を与えるという問題点があった
。また、内部電極剤に金や白金等の非銀系材料を用いマ
イグレーションの発生を抑制したものの場合、前記の銀
系材料に比べるとその信頼性は大きく向上するものの積
層焼結体の側面に付着した水分によって素子の絶縁抵抗
が低下する。故に同上の試験を行った際に、偶発的に側
面で放電等の絶縁破壊を起こすことがあった。この対策
としては、特開昭６１−２７６８８のように側面に露出
した内部電極とその近傍の圧電材料上のみに有機絶縁材
料を形成し、側面への水分の侵入を阻止した構造や、特
開昭６３−１６６８５のように外部電極が設けられてい
ない素子側面に露出する内部電極端部を、ガラス膜で被
覆し水分の侵入を遮断する構造のものなどが出願されて
いるがその耐湿性は充分満足できるものではなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記の問題
点を解決すべく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
きに接続すべき一対の外部電極を設けて、さらにこの外
部電極に外部より電圧を印加すべくハンダにて接続され
たリード線よりなる積層型圧電素子を、乾燥剤を封入し
た金属性の密閉容器に収納すると共に、密閉容器内の密
閉を保ったまま前記リード線を容器外部に取り出すよう
構成し、この密閉容器の一部に、前記積層型圧電素子の
伸長する方向に伸長する可動部を形成したことを特徴と
する圧電アクチュエータを採用した。

【０００５】

【作用】本発明は、積層型圧電素子の積層方向の一方の
端部に蓋部材を、もう一方の端部に端子部材を装着し、
この両部を積層型圧電素子と共に管の中に封入し、さら
に管内の空間部に乾燥剤を充填後、管の密閉を行い外部
からの水分の浸入を防ぎ、かつ密閉直後の管内の湿度も
減少させるものである。

【０００６】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図１
は本発明の圧電アクチュエータの一実施例の断面図であ
る。この実施例の圧電アクチュエータは、積層型圧電素
子１と、その積層方向の一方の端面に、リード線２を介
して外部電極３が接続されていて、外気をシールするよ
うに設けられたリード線２を有する端子部材５と、他方
の端面に固着されたダイアフラム６と、これらの端子部
材５とダイアフラム６とで積層型圧電素子１を密封して
保持する管７から構成されており、管内の余白の部分に
は乾燥剤８が充填されている。本実施例の積層型圧電素
子１は、従来例で述べた構造と基本的には同様の圧電素
子であって、この積層型圧電素子１の内部電極９と外部
電極３に用いる導電性ペースト材料は、比較実験を行う
上で下表の様に形成した。尚、図１で積層型圧電素子に
ついては模式的に示してあるが実際には以下に記す積層
型圧電素子を用いた。以下、本圧電素子の製法について
簡単に説明する。

【０００７】

【表１】 まずチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電薄板をド
クターブレード法にて形成した後、上記の内部電極をス
クリーン印刷により形成し、これらの複数枚を積層焼結
し積層体を形成した。これにより得られた積層型圧電素
子の側面の一面に、少なくとも側面の面積よりも小さく
かつ露出した各層の内部電極の全ての層に接触するよう
にガラス絶縁膜（以下、絶縁膜と記す。）を形成した。 次にダイシングマシンにより絶縁膜上部より内部電極が
絶縁膜上に一層おきに露出するよう溝を入れた。一方そ
の面に直交する側面にも同様にガラス絶縁膜を形成した
後、先に溝入れを行わなかった層にダイシングマシンに
より溝を入れた。これにより絶縁膜を形成した直交面上
で内部電極がそれぞれ交互に絶縁膜上に露出する構造と
した。次にその溝の上に外部電極をスクリーン印刷によ
り形成した。そして両側面の外部電極にリード線（非銀
系心材、すずメッキ）をハンダ（非銀系）で接続した。 以上の工程により得られた積層型圧電素子は断面５ｍｍ
×５ｍｍ、長さ１０ｍｍ、積層枚数９０枚となった。こ
の積層型圧電素子の側面に一様に粉体コーティングで樹
脂を被覆した。このようにして製作された積層型圧電素
子１に図１に示す端子部材５を接着剤にて取付けた後に
前記リード線２を端子部材の内部端子９にハンダにて接
続し、管７の内部に挿入後、端子部材５を管７に接着す
る。この際に、端子部材５にはテーパーが設けてあるた
め、端子部材５と管７の位置決めは容易に行える。管７
の材料には、その熱膨張係数が積層型圧電素子１に近い
ものが理想的であるため本実施例では、ニッケル鋼（Ｎ
ｉ：４２％）を用い表面に防錆の為にニッケルメッキを
施した。また管７は図のごとく円筒形のものであるため
積層型圧電素子１の周囲部に空間が出来る。その空間部
に乾燥材８を充填後、積層型圧電素子の変位を管７の外
部に効率よく伝えるべくダイアフラム６を管７のもう一
方の端部より積層型圧電素子１の端部に接着した後に、
管７に固定密封する。尚、本発明では乾燥剤にシリカゲ
ルを用い、接着にはエポキシ系の樹脂を用いたが、他の
乾燥剤および接着剤でも同様の効果が得られることは明
らかである。なお、端子部材５およびダイアフラム６に
は金属部材、本発明ではステンレスを用いたがアルミ等
の金属でも適用できる。このようにしてできあがった圧
電アクチュエータを温度４０℃、湿度９０〜９５％ＲＨ
雰囲気中にて、耐久性試験を行った。以下、その結果に
ついて説明する。最初に本発明の優位性を示すために積
層型圧電素子に下表の条件を設定した。

【０００８】

【表２】 　　それぞれの条件のものを上記の雰囲気中に電圧無印
加の状態で約２時間放置後、１００ＶＤＣにおける絶縁
抵抗値を測定した。その結果を下表に記す。

【０００９】

【表３】 まず条件■において、内部電極に銀系導電材料を使った
ものは非銀系よりもやや絶縁抵抗が低くなっている。次
に条件■と比較した場合、明らかに金属管に封入したも
のの方が自然放置の場合よりもその値は大きくなってい
る。また条件■の時よりも非銀系の優位性が顕著に現れ
ている。さらに条件■と■を比較すると明らかに乾燥剤
を充填した効果が示されている。以上の結果から銀系材
料、非銀系材料いずれの場合も高湿度雰囲気中ではその
絶縁抵抗の初期値は低下しており、明らかに素子の側面
に付着した水分の影響であることが分かる。また、管内
に封入した場合でも乾燥剤を充填したものの方が絶縁抵
抗が大きくなっている。これは管に封入する際に管内に
残った水分の影響であると思われる。即ち、絶縁抵抗の
初期値を向上させ、より信頼度の高い素子を供給するた
めには、管内に乾燥剤を封入することが適しており、同
時にこれは本発明の優位性を実証している。次に上記の
資料にそれぞれ１５０ＶＤＣの電圧を連続印加し、１０
００時間の耐久性試験を行った。その際の絶縁抵抗の劣
化の時間依存性を測定した。その結果を図２から図４に
示す。図２は、アクチュエータＮｏ．１の特性を示した
ものである。内外部ともに電極材料に銀を用いているの
で、自然放置したものは試験開始後すぐに劣化が始まり
約１００時間程度で完全短絡してしまった。なお、この
アクチュエータを試験後とりだし充分乾燥した上で再度
絶縁抵抗を測定したが、短絡したままであった。これに
比べて缶に封入したものはその劣化は著しく少ない。し
かし乾燥剤を充填していないものは緩やかに劣化してい
ることが分かる。図３は、アクチュエータＮｏ．２の絶
縁抵抗の劣化特性を示したものである。電極材料に銀−
パラジウム合金を用いているため、純粋な銀を用いたも
のよりもマイグレーションが発生しにくくなっている。 自然放置のもので約２００時間後に短絡した。試験後と
りだし前記同様に充分乾燥後絶縁抵抗を測定したが短絡
したままであった。缶に封入したものは、前記と同様の
傾向を示し、その内乾燥剤を充填していないものは明ら
かに劣化していることが分かる。図４は、アクチュエー
タＮｏ．３の特性である。電極材料に非銀系材料を用い
ているので極めて劣化の度合いが小さい。しかし自然放
置したものは図のように絶縁抵抗値が大きく揺らぎなが
ら緩やかに劣化している。このアクチュエータも試験後
とりだし充分乾燥した後に絶縁抵抗を測定した結果、２
．０×１０１０　Ωとなりほぼもとの状態に戻った。し
たがって、この素子の劣化は電極金属のマイグレーショ
ン等の劣化ではなく水分の付着による絶縁劣化であるこ
とが分かる。この他管に封入した場合には、非銀系材を
用いたアクチュエータは非常に安定した特性を示してい
る。 尚、本実施例ではアクチュエータＮｏ．１〜３の劣化特
性のみ示しているが他のアクチュエータについても同様
、金属管に封入し乾燥剤を充填したものは極めて安定し
た特性を示した。以上の結果、圧電アクチュエータの高
信頼性を得るには、積層型圧電素子を金属管内部に封入
し、かつ乾燥剤を充填すればよいことが明らかになった
。次に本発明の他の実施例について説明する。図５は別
の実施例の断面図である。この実施例が前述の実施例と
異なる点は積層型圧電素子を蓋部材４にて密封し、金属
管の側面をベローズ状に加工し、積層型圧電素子の変位
がベローズを介して外部に伝えられる点である。組立方
法は前述のものと同様であるが管がベローズ状になり管
内の隙間が小さくなった分だけ乾燥材の充填が困難にな
るので本実施例は乾燥剤に粉末状の五酸化リンを用いた
。このようにしてできあがった圧電アクチュエータを前
述の実施例と同一の条件で試験を行ったがほぼ同様の結
果が得られ、不具合は生じなかった。なお、上述した実
施例では金属管内に充填する乾燥材８にシリカゲル、五
酸化リンを用いた例を述べたが、他に過塩素酸マグネシ
ウム、活性アルミナ、塩化カルシウム等の乾燥剤を用い
ても同様に実施可能である。

【００１０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は乾燥剤を充
填した金属管内に積層型圧電素子を密閉して封入するた
め外部からの水分の侵入を防ぎ、かつ管内の湿度も低下
させることが可能となるため、圧電アクチュエータの絶
縁信頼性を大きく向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施例を示す
断面図である。

【図２】本発明の一実施例による圧電アクチュエータの
劣化特性を示す図である。

【図３】本発明の一実施例による圧電アクチュエータの
劣化特性を示す図である。

【図４】本発明の一実施例による圧電アクチュエータの
劣化特性を示す図である。

【図５】本発明の別の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　圧電アクチュエータ ２　　リード線 ３　　外部電極 ４　　蓋部材 ５　　端子部材 ６　　ダイアフラム ７　　金属管 ８　　乾燥剤 ９　　内部電極 １０　　内部端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　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枚交互に積層して積
   層体を形成し、この積層体の側面に前記内部電極と一層
   おきに接続すべき一対の外部電極を設けてなる積層型圧
   電素子を、乾燥剤を封入した金属製の密閉容器に収納し
   たことを特徴とする圧電アクチュエータ。