JP2567046B2 - 積層型変位素子 - Google Patents

積層型変位素子

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JP2567046B2 JP63186146A JP18614688A JP2567046B2 JP 2567046 B2 JP2567046 B2 JP 2567046B2 JP 63186146 A JP63186146 A JP 63186146A JP 18614688 A JP18614688 A JP 18614688A JP 2567046 B2 JP2567046 B2 JP 2567046B2
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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，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，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ｂ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ｂの電界強度が生であるため，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ｂ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，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，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ｂ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ｂ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一の側面に
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3a（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2
a,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，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の周端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。
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，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図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,6bと
を設けるのである。そしてリード部6a,6bは，内部電極2
a,2bと各々接続するように，一層おきに配設する。
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6a,6b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，かつ信頼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〕
上記の目的を達成するために，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d0との比d/d0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t1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t1＋t2＝ｔとなるように形成すると共に，絶
縁層の厚さt1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ｂ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ｂ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ｂと接する部位
においては変位は０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てある
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，部分電極21および内部電極2a（2b）には，断面で
はないがハッチングを付してある。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，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，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,Tr）O3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1050〜1200℃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，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20〜30％
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，本発明は第11図に示すような所
謂交互電極型等のものなど，変位部と非変位部の境界領
域が存在する構造の積層型変位素子であれば全て適用可
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
交互電極型等のものなど，変位部と非変位部の境界領域
が存在する構造の積層型変位素子であれば全て適用可能
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の領域におけす薄板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ｂ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
面ではないがハッ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ｂ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ｂ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ｂ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ｂ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，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ｂを薄板
11により，ならびに緩衝部ｃを薄板12〜14によって形成
し，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
ッチングを付してある。なお上記薄板１および11〜14の
圧電歪定数を夫々d0およびd11〜d14としたとき,d11≒０
およびd12＜d13＜d14＜d0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d11＜d12＜……＜d11+n＜d
0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，例
えば薄板11〜14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
12〜14を構成する材料の圧電歪定数d12〜d14に対応する
変位量を生じ，非変位部ｂにおける０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10
図において,8は絶縁層であり，非変位部ｂ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2a（2b）の一部積層する。
なお緩衝部ｃにおける絶縁層８と内部電極2a（2b）の厚
さt1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,t1＋t2＝ｔとなるように形成
すると共に，絶縁層８の厚さt1を非変位部ｂ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t1とな
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ｂと接
する部位における０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，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，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，メッキ，蒸着，塗布等の手段
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，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，例えば， （Pb0.916La0.084）（Zr0.65Ti0.35）0.979O3, （Pb0.85Sr0.15）（Zr0.15Ti0.34Zn0.0125Ni0.0375Nb
0.10）O3, （Pb0.85Sr0.15）（Zr0.50Tr0.30Zn0.05Ni0.05Nb0.10）
O3 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，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
得るという効果がある。
【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,2a,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)

    (57)【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. 【請求項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. 【請求項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d0との比d/d0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. 【請求項４】緩衝部を形成する薄板上に厚さt1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t1＋t2＝ｔとなるように形成すると共に，
    絶縁層の厚さt1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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
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