JP2892672B2 - 積層型変位素子 - Google Patents

積層型変位素子

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JP2892672B2 JP1073288A JP7328889A JP2892672B2 JP 2892672 B2 JP2892672 B2 JP 2892672B2 JP 1073288 A JP1073288 A JP 1073288A JP 7328889 A JP7328889 A JP 7328889A JP 2892672 B2 JP2892672 B2 JP 2892672B2
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渡辺  純一
茂 定村
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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,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,各々積層方向に延設
した外部電極3a,3bと接続し,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,前記内部電極2a,2b間に電界が発生し,薄板
1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。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の上から導電性材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3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,外部電極3a,3
bとリード線6との接続手段としてはんだ等の低融点合
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,はんだ付による接続部の接
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,この結果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じるという問
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と外部電極3a,3b
との接合面積が増大するため,例えばはんだ付部の強度
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
よって外部電極3a,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,3
b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
接合部にクラッ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。
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,非緊張
状態に形成したリード部材を、積層体側面の略全長に渡
って設けた外部電極の略全長に渡って配設すると共に,
少なくとも外部電極の上下端とリード部材とを電気的か
つ機械的に接続する,という技術的手段を採用した。
なお上記発明において外部電極とリード部材とを複数
箇所電気的かつ機械的に接続することができる。
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,非緊張状態に形成したリード部材を、複積層体
の側面の略全長に渡って設けた外部電極の略全長に渡っ
て配設すると共に,少なくとも前記複積層体の上下端近
傍において外部電極とリード部材とを電気的かつ機械的
に接続する,という技術的手段を採用した。
本発明においても外部電極とリード部材とを単位積層
型変位素子において複数箇所電気的かつ機械的に接続す
ることができる。更に第3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、非緊張状態に形成したリード部材
を、複積層体の側面の略全長に渡って設けた外部電極の
略全長に渡って配設すると共に、外部電極とリード部材
とを前記積層体の接続部の近傍において電気的かつ機械
的に接続する、という技術的手段を採用した。
〔作用〕
上記の構成により,リード部材に駆動電圧を印加する
ことにより,外部電極および内部電極を介して積層体を
非拘束状態で伸縮させることができ,かつ外部電極の断
線による作動不良を防止することができる。
〔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3図および第4図と同一参照符号
で示す。第1図においてまず例えばPb(Zr,Ti)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100μm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,1050〜1200
℃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。更に外部電極3a,3bの略全長に渡っ
てリード線6を配設すると共に,外部電極3a,3bの上下
端とリード線6とをはんだ7を介して固着する。この場
合リード線6は非緊張状態で外部電極3a,3bに固着す
る。
上記の構成により,リード線6,6は外部電極3a,3bを介
して内部電極2a,2bと電気的に接続されるから,リード
線6,6間に電圧を印加すれば積層体5を駆動することが
できる。この場合リード線6と外部電極3a,3bとは各々
の上下端部において固着したのみであるため,積層体5
を全く拘束せず,その伸縮作用を阻害することがない。
なお外部電極3a,3bに仮りに亀裂による断線が発生して
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ため,積層体5の伸縮作
用には全く支障がない。また外部電極3a,3bに亀裂が発
生すると,歪若しくは応力が緩和されて以後の亀裂発生
を抑制することとなるので,亀裂の発生箇所は1箇所で
あることが殆どである。従って外部電極3a,3bの上下端
においてリード線6との電気的かつ機械的接続状態が確
保されればよいが,両者間の接続を複数箇所とすれば,
信頼性を更に向上させることができる。
第2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で示す。
第2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を4個更に積層して形成する。この場合積層体
5,5間に接着剤を介在させて一体の複積層体5aとするこ
とができる。なお外部電極3aおよび図示省略した外部電
極3bの形成手段は前記第1図におけるものと同様であ
る。次に外部電極3a,3bの略全長に渡ってリード線6を
非緊張状態に配設し,積層体5の上下端近傍若しくは積
層体5,5の接続部近傍において,外部電極3a,3bとリード
線6とをはんだ7を介して固着する。
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。この場合リード線6と外部電極3a,3bとは前
記実施例と同様に,各々の上下端部近傍,若しくは積層
体5,5の接続部の近傍において固着したのみであるか
ら,積層体5および/または複積層体5aの伸縮作用を全
く阻害することなく作動させることができる。その他の
作用は前記実施例と同様であり,信頼性向上のため接続
を複数箇所とすることも可能である。
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,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,メッ
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,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)(Zr0.51Ti0.34Zn0.0125Ni0.0375N
b0.10)O3, (Pb0.85Sr0.15)(Zr0.50Ti0.30Zn0.05Ni0.05Nb0.10)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,下記の効果を期待できる。
(1)外部電極の略全長に渡って非緊張状態に形成した
リード部材を配設すると共に,外部電極の亀裂若しくは
断線の発生する機会の少ない,少なくとも上下端部にお
いて電気的かつ機械的に接続したため,内部電極への電
圧印加を確保することができ,積層型変位素子の作動の
信頼性を向上し得る。
(2)リード部材を外部電極の全長に渡って配設した構
成であるが,リード部材を非緊張状態に形成し、かつ接
続箇所を積層体の非変位部を主体としたため,積層体の
本来の伸縮機能を充分に確保し得ると共に,外部電極を
徒らに剛性化することなく,積層体および/または積層
体と外部電極との接合部のクラック若しくは剥離を生ず
ることがなく,積層型変位素子の機能を確保し得る。
【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
は本発明の他の実施例を模式的に示す斜視図,第3図お
よび第4図は各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,7:はんだ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−92068(JP,A) 特開 昭64−33980(JP,A) 特開 昭59−135784(JP,A) 特開 昭59−204288(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 41/083

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、非緊張状態に形成したリード部材を、積層体側面の
    略全長に渡って設けた外部電極の略全長に渡って配設す
    ると共に、少なくとも外部電極の上下端とリード部材と
    を電気的かつ機械的に接続したことを特徴とする積層型
    変位素子。
  2. 【請求項2】外部電極とリード部材とを複数箇所電気的
    かつ機械的に接続した請求項(1)記載の積層型変位素
    子。
  3. 【請求項3】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、非緊張状態
    に形成したリード部材を、複積層体の側面の略全長に渡
    って設けた外部電極の略全長に渡って配設すると共に、
    少なくとも前記複積層体の上下端近傍において外部電極
    とリード部材とを電気的かつ機械的に接続したことを特
    徴とする積層型変位素子。
  4. 【請求項4】外部電極とリード部材とを単位積層型変位
    素子において複数箇所電気的かつ機械的に接続した請求
    項(3)記載の積層型変位素子。
  5. 【請求項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、 非緊張状態に形成したリード部材を、複積層体の側面の
    略全長に渡って設けた外部電極の略全長に渡って配設す
    ると共に、外部電極とリード部材とを前記積層体の接続
    部の近傍において電気的かつ機械的に接続したことを特
    徴とする積層型変位素子。
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