JP2000174353A - 螺旋型圧電変換素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で変換効率のよい螺旋型圧電変換
素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 圧電セラミックス粉体を溶剤、分散剤、
バインダ、可塑剤等と混合して得た粘土状の可塑材を押
出成形機によりパイプ状の部材に押出し形成し、その内
外面に導電性被膜１２ａ、１２ｂを形成して圧電素子素
材１０を作成する。次に、圧電素子素材１０を作業台２
１の支柱２２の回りに螺旋形に巻き付け、上から当板２
３を使用して所定の厚さに押し潰して円筒状に形成し、
外表面の導電性被膜を機械加工又は薬液処理により除去
し、導電性被膜１２ａ、及び１２ｂに電極リ−ド線を接
続する。この後、所定温度で焼成し、導電性被膜１２ａ
及び１２ｂをそれぞれ正電極及び負電極として電圧を印
加して分極させると、螺旋型圧電変換素子が完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、螺旋型圧電変換
素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電変換素子を使用したアクチエ−タ
は、供給される電気エネルギを駆動力に変換する変換効
率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大き
く、また、駆動力を容易に制御できるため、カメラ、計
測機器、その他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決
めに利用されるようになつてきた。

【０００３】このようなアクチエ−タで使用される圧電
変換素子には、単位の圧電素子を複数枚積層して構成し
たものがある。これは、単位の圧電素子に発生する厚み
方向の変位をできるだけ大きくして取り出すためであ
る。

【０００４】図８及び図９は、前記した単位の圧電素子
を複数枚積層して構成した積層型圧電変換素子の構成の
一例を示すもので、図８はその外観を示す斜視図、図９
の（ａ）及び（ｂ）はその製造過程を説明する図であ
る。

【０００５】積層型圧電変換素子の製造過程を説明す
る。まず、図９の（ａ）に示すように、厚さが１００μ
ｍ程度の単位の圧電素子１０１ｂ乃至１０１ｈの上面の
全表面に導電性ペ−ストを塗布して導電性被膜１０２を
形成する。一番上に位置する単位の圧電素子１０１ａの
上面には導電性被膜を形成しない。圧電素子１０１ａ及
び導電性被膜１０２の形成された圧電素子１０１ｂ乃至
１０１ｈを複数枚（この例では８枚）積層すると、積層
された単位の圧電素子１０１ｂ〜１０１ｈの側面には導
電性被膜の端面１０２ａが露出している。

【０００６】次に、図９の（ｂ）に示すように、積層さ
れた単位の圧電素子１０１ｂ〜１０１ｈの側面に露出し
ている導電性被膜の端面１０２ａを、２つの側面におい
て１層おきにガラス絶縁体１０３を貼り付けて絶縁す
る。さらに、図８に示すように、ガラス絶縁体１０３の
上から導電性ペ−スト１０４ａ、１０４ｂを塗布して積
層された単位の圧電素子１０１ｂ乃至１０１ｈの導電性
被膜１０２の端面１０２ａを１層おきに電気的に接続す
る。導電性ペ−スト１０４ａで電気的に接続された導電
性被膜１０２を正電極に、導電性ペ−スト１０４ｂで電
気的に接続された導電性被膜１０２を負電極として、積
層型圧電変換素子１００が完成する。

【０００７】図１０及び図１１は、前記した単位の圧電
素子を複数枚積層して構成した積層型圧電変換素子の構
成の他の一例を示すもので、櫛形電極を備えた積層型櫛
形電極圧電変換素子である。図１０はその外観を示す斜
視図、図１１の（ａ）及び（ｂ）はその製造過程を説明
する図である。

【０００８】積層型櫛形電極圧電変換素子の製造過程を
説明する。まず、図１１の（ａ）に示すように、厚さが
１００μｍ程度の単位の圧電素子１２１ｂ乃至１２１ｈ
の上表面の３辺には端部に電極が形成されない部分を残
して導電性ペ−ストを塗布して導電性被膜１２２を形成
し、一辺には端部まで導電性ペ−ストを塗布して導電性
被膜を形成する。一番上に位置する単位の圧電素子１２
１ａの上面には導電性被膜を形成しない。

【０００９】圧電素子１２１ａ及び導電性被膜１２２の
形成された圧電素子１２１ｂ乃至１２１ｈを複数枚（こ
の例では８枚）積層する。積層するときは、図１１の
（ｂ）に示すように、圧電素子の端部に露出している導
電性被膜１２２が１枚置きに交互に同一の側面に露出
し、被膜端面１２２ａ及び１２２ｂを形成するように積
層する。

【００１０】次に、図１０に示すように、圧電素子の被
膜端面１２２ａ及び１２２ｂの上から、それぞれ導電性
ペ−スト１２４ａ及び１２４ｂを塗布して、積層された
単位の圧電素子１２１ｂ〜１２１ｈの導電性被膜１２２
を１層おきに電気的に接続する。導電性ペ−スト１２４
ａで電気的に接続された導電性被膜１２２を正電極に、
導電性ペ−スト１２４ｂで電気的に接続された導電性被
膜１２２を負電極として、積層型圧電変換素子１２０が
完成する。

【００１１】積層型櫛形電極圧電変換素子では、側面に
露出している導電性被膜を１層おきにガラス絶縁体など
を貼り付けて絶縁する作業を必要としないが、単位の圧
電素子表面の３辺の端部の導電性被膜の非形成部分が圧
電変換素子に発生する変位を拘束するように作用するた
め、全面に導電性被膜を形成した全面電極型の圧電変換
素子に比較して若干性能が劣る。

【００１２】図１２は螺旋型圧電変換素子の構成の一例
を示す図である。螺旋型圧電変換素子は前記した積層型
圧電変換素子の一種であり、表面に導電性被膜を形成し
た螺旋型の単位の圧電素子を２個組み合わせて構成され
たものである。この構成の螺旋型圧電変換素子は、図１
３の（ａ）及び（ｂ）に示すような、厚さが１００μｍ
程度の圧電素子材料のシ−トを帯状に裁断して螺旋型に
構成した２つの同一形状の要素圧電素子１４１ａと１４
１ｂとを作成し、これ等の要素圧電素子１４１ａ、１４
１ｂの片面に導電性ペ−ストを塗布して電極１４２ａ、
１４２ｂを形成する。次に、この電極１４２ａ、１４２
ｂの形成された要素圧電素子１４１ａ、１４１ｂの螺旋
部分を重ね合わせて全体として円筒形状の螺旋型圧電変
換素子を構成する。

【００１３】この構成によれば、単位の圧電素子を複数
枚積層して構成した積層型圧電変換素子と同様に機能す
る圧電変換素子が得られ、且つ、単位の圧電素子を位置
を合わせながら複数枚積層するという手数のかかる工程
を省くことができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前記した、従来の単位
の圧電素子を複数枚積層して構成した圧電変換素子は、
単位素子それぞれの表面に電極を設ける工程、単位素子
の位置を合わせながら複数枚積層して接着する工程、各
層の電極を結線する工程という繁雑な作業を経て製造さ
れるので、コストの高いものであつた。

【００１５】また、螺旋型圧電変換素子は、複数枚の素
子を積層する手数はないが、極めて厚みの薄い素子を螺
旋形状に作成する作業や表面に導電性ペ−ストを塗布し
て電極を形成する作業が極めて困難で、コストの高いも
のであつた。この発明は、上記課題を解決し、製作の容
易な構造の螺旋型圧電変換素子及びその製造方法を提供
することを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するもので、請求項１の発明は、内面及び外面に導電
性被膜を設けた筒状の圧電セラミックス素材を巻き上げ
て螺旋状筒体とし、該筒体を軸方向に加圧成形して所定
温度で焼成し、該筒状の圧電セラミックス素材の内面及
び外面に設けた導電性被膜をそれぞれ正極電極及び負極
電極としたことを特徴とする螺旋型圧電変換素子であ
る。

【００１７】そして、前記圧電セラミックス素材は、Ｐ
ＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃）を主成分とする圧
電セラミックス素材とするとよい。

【００１８】また、前記加圧成形後の螺旋状筒体は、筒
状素材内面に空間が無い螺旋状筒体である。

【００１９】請求項４の発明は、圧電セラミックス素材
を筒状に成形する工程と、前記筒状に成形された圧電セ
ラミックス素材の内面及び外面に導電性被膜を形成する
工程と、前記導電性被膜の形成された筒状の圧電セラミ
ックス素材を巻き上げて螺旋状筒体に成形する工程と、
前記螺旋状筒体をその筒体の軸方向に加圧成形する工程
と、前記加圧成形した螺旋状筒体を所定温度で焼成する
工程と、焼成した筒状体の導電性被膜をそれぞれ正極電
極及び負極電極とし所定の電圧を印加して分極させる工
程とを含むことを特徴とする螺旋型圧電変換素子の製造
方法である。

【００２０】そして、前記圧電セラミックス素材は、Ｐ
ＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃）を主成分とする圧
電セラミックス素材とするとよい。

【００２１】また、前記螺旋状筒体をその筒体の軸方向
に加圧成形する工程は、筒状素材内面に空間が無い螺旋
状筒体に加圧成形する工程である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を説
明する。図１乃至図５は、製造工程を説明する斜視図で
あり、これらの図を参照しつつ、螺旋型圧電変換素子の
製造工程を説明する。

【００２３】まず、第１工程は圧電セラミックス素材を
筒状に成形する工程である。圧電変換素子の材料として
は、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃ ）を主成分と
する圧電セラミックスを使用するものとし、このセラミ
ックス粉体を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合
して得られた粘土状の可塑材とした圧電セラミックス素
材を、公知の押出成形機にかけてパイプ状（筒状）の部
材に押出して成形する。上記した圧電セラミックス素材
はグリ−ン材とも呼ばれる。

【００２４】なお、ＰＺＴには、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍ
ｎ等の改質用の元素を少量添加してもよい。

【００２５】第２工程は筒状に成形された圧電セラミッ
クス素材の内面及び外面に導電性被膜を形成する工程で
ある。押出し形成されたパイプ状のグリ−ン材を、導電
性材料、例えばＰｔ系、Ａｇ−Ｐｄ系などの電極材料を
含む導電性材料の溶液に浸漬し、パイプ状の部材の内外
面に電極となる導電性被膜を形成する。図１において、
１１は前記した圧電セラミックス素材を押出成形機にか
けて押出したパイプ状部材、１２ａはパイプ状部材１１
の内面に形成された導電性被膜、１２ｂはパイプ状部材
１１の外面に形成された導電性被膜を示す。以下、内面
及び外面に導電性被膜が形成されたパイプ状部材を圧電
素子素材１０と呼ぶことにする。

【００２６】第３工程は圧電素子素材１０を螺旋状筒体
に成形する工程である。図２の（ａ）及び図２の（ｂ）
に示すように、内面及び外面に導電性被膜が形成された
圧電素子素材１０を作業台２１の支柱２２の回りに螺旋
形に巻き付け、螺旋状筒体に成形する。

【００２７】第４工程は螺旋状筒体をその軸方向に加圧
成形する工程である。図２の（ｂ）に示すように、作業
台２１の支柱２２の回りに螺旋形に巻き付けられた螺旋
状筒体の上に当板２３を当てて加圧し、所定の厚さにな
るように押し潰す。図２の（ｂ）は押し潰す前の状態を
示しており、図３は第４工程の作業が終了して螺旋状筒
体が加圧成形され、押し潰された圧電素子素材１０の状
態を示している。

【００２８】なお、図３では加圧成形された圧電素子素
材１０の端部がかなりの厚みで示されているが、これは
説明のためであつて実際には極めて薄いものである。加
圧成形作業が終了したときの螺旋形に巻かれた圧電素子
素材１０は全体として円筒状に形成される。また、加圧
成形工程では、パイプ状部材の内部に空間がなくなるま
で完全に押し潰される。

【００２９】この後、以下説明する焼成工程の準備工程
として、図４に示すように、円筒状に形成された圧電素
子素材１０の表面に現れている導電性被膜１２ｂのう
ち、電極リ−ド線の接続部を除き、機械加工又は薬液処
理により除去する。

【００３０】さらに、圧電素子素材１０の内面に形成さ
れている導電性被膜１２ａ、及び外面に形成されている
導電性被膜１２ｂの電極リ−ド線接続部に電極リ−ド線
を接続する。なお、圧電素子素材１０の内面に形成され
ている導電性被膜１２ａに接続した電極リ−ド線は、図
５に示すように、円筒状に形成された圧電素子素材１０
の円筒側面から外部に引き出すようにするとよい。

【００３１】第５工程は加圧成形した螺旋状筒体を焼成
する工程である。加圧成形された螺旋状筒体の圧電素子
素材１０を所定温度で焼成する。焼成する温度条件は、
例えば、５時間程度かけて５００℃まで序々に温度を高
め、５００℃で一定時間焼成した後、最初から９時間後
に１２００℃まで序々に温度を高める。さらに、１２０
０℃で約０．３時間焼成した後、６時間程度かけて常温
まで冷却する。

【００３２】第６工程は分極工程である。導電性被膜１
２ａ及び導電性被膜１２ｂをそれぞれ正電極及び負電極
とし、両電極の間に、例えば１．５ｋＶ／ｍｍの電圧を
２０分間印加して分極させる。以上で、螺旋型圧電変換
素子１５が完成する。

【００３３】上記した作業工程では、セラミックス粉体
を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合して得られ
た粘土状の可塑材を、押出成形機にかけてパイプ状の部
材に押出し形成する第１工程と、押出し形成されたパイ
プ状の部材の内外面に電極被膜を形成する第２工程があ
るが、これに代えて、前記粘土状の可塑材とＰｔ系、Ａ
ｇ−Ｐｄ系などの電極材料を含む導電ペ−ストとを２材
成形法により形成、即ち、圧電セラミックス材料からな
るパイプ状の部材の内面及び外面に導電ペ−スト層が同
時に形成されるように２材成形法により形成してもよ
く、この方法によれば前記した第１工程と第２工程を１
つの工程で実行することができる。

【００３４】次に、上記した圧電変換素子を使用したア
クチエ−タの構成の一例を、図６及び図７を参照して説
明する。

【００３５】図６はアクチエ−タの構成を示す断面図で
ある。図６において、３４は基台、３５、３６、３７は
支持ブロツク、３８は駆動軸で、駆動軸３８は、圧電変
換素子１５に発生する軸方向の変位により軸方向（矢印
ａ方向、及びこれと反対方向）に変位可能に支持ブロツ
ク３６と支持ブロツク３７により移動自在に支持されて
いる。

【００３６】１５は、前記した製造方法により製造され
た螺旋型圧電変換素子である。圧電変換素子１５の一端
は支持ブロツク３５に接着固定され、他端は駆動軸３８
の一端に接着固定される。

【００３７】なお、符号４５は緩やかな立上がり部と急
速な立下がり部、或いは急速な立上がり部と緩やかな立
下がり部を有する鋸歯状波パルスを発生する駆動パルス
発生回路を示し、駆動パルス発生回路４５は、圧電変換
素子１５の電極１２ａと１２ｂとの間に駆動パルスを供
給し、圧電変換素子１５を駆動するものである。

【００３８】３９はスライダで、スライダ３９と駆動軸
３８とは適当な摩擦力で摩擦結合している。図７は、ス
ライダ３９と駆動軸３８との摩擦結合部の構成を示す断
面図で、スライダ３９には駆動軸３８が貫通しており、
スライダ３９の駆動軸３８が貫通している下部には、開
口部３９ａが形成され、駆動軸３８の下半分が露出して
いる。また、この開口部３９ａには駆動軸３８の下半分
に当接するパツド４０が嵌挿され、パツド４０は板ばね
４１により押し上げられていて、駆動軸３８とスライダ
３９及びパツド４０は板ばね４１の付勢力Ｆにより圧接
され、適当な摩擦力で摩擦結合している。また、スライ
ダ３９には、図示しないテ−ブル等の被駆動部材が結合
されているものとする。

【００３９】その動作を説明する。圧電変換素子１５の
電極１２ａと１２ｂを駆動パルス発生回路４５に接続
し、電極１２ａと１２ｂの間に数１０ｋＨｚの鋸歯状波
駆動パルスを印加すると、圧電変換素子１５には軸方向
に速度の異なる伸縮変位が生じるので、圧電変換素子１
５に結合した駆動軸３８には軸方向に速度の異なる往復
振動が発生する。これにより、駆動軸３８に摩擦結合し
たスライダ３９は、駆動軸３８上を滑りながら駆動軸の
往復振動の非対称性により速度の遅い振動方向に移動
し、スライダに結合されたテ−ブル等の被駆動部材を移
動させることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したとおり、請求項１の発明に
係る螺旋型圧電変換素子は、内面及び外面に導電性被膜
を設けた筒状の圧電セラミックス素材を巻き上げて螺旋
状筒体とし、該筒体を軸方向に加圧成形して所定温度で
焼成し、該筒状の圧電セラミックス素材の内面及び外面
に設けた導電性被膜をそれぞれ正極電極及び負極電極と
したことを特徴とする螺旋型圧電変換素子である。

【００４１】この構成によれば、複数枚の素子を積層す
る手数、極めて厚みの薄い素子を螺旋形状に作成する作
業、表面に導電性ペ−ストを塗布して電極を形成する作
業など、困難で手数のかかる作業を省き、或いは大幅に
軽減することができ、製造コストが低く、駆動効率のよ
い螺旋型圧電変換素子を提供することができる。

【００４２】また、請求項４の発明に係る圧電変換素子
の製造方法は、圧電セラミックス素材を筒状に成形する
工程と、前記筒状に成形された圧電セラミックス素材の
内面及び外面に導電性被膜を形成する工程と、前記導電
性被膜の形成された筒状の圧電セラミックス素材を巻き
上げて螺旋状筒体に成形する工程と、前記螺旋状筒体を
その筒体の軸方向に加圧成形する工程と、前記加圧成形
した螺旋状筒体を所定温度で焼成する工程と、焼成した
筒状体の導電性被膜をそれぞれ正極電極及び負極電極と
し、所定の電圧を印加して分極させる工程とを含むこと
を特徴とする螺旋型圧電変換素子の製造方法である。

【００４３】この製造方法によれば、複数枚の素子を積
層する手数、極めて厚みの薄い素子を螺旋形状に作成す
る作業、表面に導電性ペ−ストを塗布して電極を形成す
る作業など、困難で手数のかかる作業を省き、或いは大
幅に軽減することができ、駆動効率のよい螺旋型圧電変
換素子を低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】螺旋型圧電変換素子の作成素材である圧電素子
素材の外観を示す斜視図。

【図２】螺旋型圧電変換素子の製造過程を示す斜視図
（その１）。

【図３】螺旋型圧電変換素子の製造過程を示す斜視図
（その２）。

【図４】螺旋型圧電変換素子の製造過程を示す斜視図
（その３）。

【図５】螺旋型圧電変換素子の外観を示す斜視図。

【図６】螺旋型圧電変換素子を使用したアクチエ−タの
一例を示す断面図。

【図７】図６に示すアクチエ−タのスライダと駆動軸と
の摩擦結合部の構成を示す断面図。

【図８】従来の積層型圧電変換素子の外観を示す斜視
図。

【図９】図８に示す従来の積層型圧電変換素子の製造過
程を説明する図。

【図１０】従来の積層型櫛形電極圧電変換素子の外観を
示す斜視図。

【図１１】図１０に示す従来の積層型櫛形電極圧電変換
素子の製造過程を説明する図。

【図１２】従来の螺旋型圧電変換素子の構成の一例を示
す斜視図。

【図１３】図１２に示す従来の螺旋型圧電変換素子の製
造過程を説明する図。

【符号の説明】

１０ 圧電素子素材 １１ パイプ状部材 １２ａ、１２ｂ 導電性被膜 １５ 螺旋型圧電変換素子 ２１ 作業台 ２２ 支柱 ２３ 当板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 葛城 廣治 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内面及び外面に導電性被膜を設けた筒状
   の圧電セラミックス素材を巻き上げて螺旋状筒体とし、
   該筒体を軸方向に加圧成形して所定温度で焼成し、該筒
   状の圧電セラミックス素材の内面及び外面に設けた導電
   性被膜をそれぞれ正極電極及び負極電極としたことを特
   徴とする螺旋型圧電変換素子。
2. 【請求項２】 前記圧電セラミックス素材は、ＰＺＴ
   （ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃ ）を主成分とする圧電セ
   ラミックス素材であることを特徴とする請求項１記載の
   螺旋型圧電変換素子。
3. 【請求項３】 前記加圧成形後の螺旋状筒体は、筒状素
   材内面に空間が無い螺旋状筒体であることを特徴とする
   請求項１記載の螺旋型圧電変換素子。
4. 【請求項４】 圧電セラミックス素材を筒状に成形する
   工程と、 前記筒状に成形された圧電セラミックス素材の内面及び
   外面に導電性被膜を形成する工程と、 前記導電性被膜の形成された筒状の圧電セラミックス素
   材を巻き上げて螺旋状筒体に成形する工程と、 前記螺旋状筒体をその筒体の軸方向に加圧成形する工程
   と、 前記加圧成形した螺旋状筒体を所定温度で焼成する工程
   と、 焼成した筒状体の導電性被膜をそれぞれ正極電極及び負
   極電極とし、所定の電圧を印加して分極させる工程とを
   含むことを特徴とする螺旋型圧電変換素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記圧電セラミックス素材は、ＰＺＴ
   （ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃ ）を主成分とする圧電セ
   ラミックス素材であることを特徴とする請求項４記載の
   螺旋型圧電変換素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記螺旋状筒体をその筒体の軸方向に加
   圧成形する工程は、筒状素材内面に空間が無い螺旋状筒
   体に加圧成形する工程であることを特徴とする請求項４
   記載の螺旋型圧電変換素子の製造方法。