JPH0334871B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は物体のクランプ等に用いられる円筒状
圧電セラミツク素子に関する。

（従来技術） 従来の圧電体を使用した円筒状素子は、圧電体
に印加した電界に伴う歪を利用したものであり、
その１つのタイプの構成を第１図に示す。

第１図に示す円筒状素子の内、外面に銀コーテ
イングにより、電極が被着され、この電極を介し
て素子内に電界が印加されたとき、径方向に収縮
が生じ、円筒状素子内に挿入された円筒形状を有
するシヤフトをクランプするものである。Siはス
イツチである。もう一つのタイプは第２図に示す
中空状積層型圧電素子である。第２図は断面概略
図である。中空状積層型圧電素子は第２図を参照
すると、多数の内部電極層１がセラミツク内部に
層状に埋め込まれており、素子端面で露出してい
る。この露出している内部電極層を一層おきに絶
縁体２で覆い、この上から外部電極３，４が被着
せしめられているため、各内部電極層は互に電気
的に並列に接続されることになる。またこれらの
素子はその厚み方向に分極処理が施されているた
めに、外部電極間に電圧が印加されると、その電
圧の大きさに比例して、厚み方向に伸び、従つて
径方向に縮み、中空内に挿入された円筒形状を有
するシヤフトをクランプするものである。

（従来技術の問題） 以上述べた構成を有する２つのタイプの円筒状
素子のうち、円筒状素子の内、外面に銀コーテイ
ングにより、内部電極を被着せしめたタイプの素
子において問題となるのは、圧電材料の伸縮量を
大きくする上での技術的制約である。圧電材料の
伸縮率は電界強度にほぼ比例するため、セラミツ
ク素子の肉厚を大きくして伸縮量を稼ごうとすれ
ば大きな電圧を必要とする。従つて、第１図に示
す円筒状素子の寸法は上に述べた印加電圧のほ
か、機械的強度、円筒状素子とシヤフトの均一な
かみ合いを得るための容易さ等を勘案して定めら
れる。目安について述べると、内径11mm，肉厚１
mmのセラミツク素子に600V程度の電圧を印加し
て２〜3μの内径の変化を得ている。すなわち第
１図において、セラミツク素子は600V程度の電
圧を印加したとき、径方向に縮小してシヤフトを
拘束することになる。その場合２〜3μしか縮小
しないため、該セラミツク素子およびシヤフトの
サイズのバラツキの許容範囲は小さく、セラミツ
ク素子とシヤフトの均一なかみあいを得るための
加工、組立等の製造技術は限界に近いものがあ
る。一方、セラミツク素子の印加電圧をさらに大
きくして、伸縮量を稼ぐことは、回路の安全対策
および、より高速でクランプ素子を動作させる上
で好ましくない。すなわちクランプ素子より高速
に動作させるためには、スイツチS₁が高スピード
で動作することが必要であり、トランジスタが用
いられる。セラミツク素子の印加電圧を大きくす
ることは、等価的に高電圧で高スピードで動作す
るトランジスタの開発が必要である。

第３図ａおよびｂは電力用の合金形接合トラン
ジスタの構造で、エミツタ、コレクタの電流面積
をできるだけ大きくして、電流密度が過大になら
ないよう工夫されている。スイツチング速度が早
くなればなるほど、表皮効果の影響で、電極表面
の近傍しか電流が流れなくなるため、さらに電極
の表面積を大きくする工夫が必要である。従つて
高速で高耐圧のトランジスタになればなるほど、
半導体および電極の表面積も大きくなり、低耐圧
のものに比べて歩留りも悪く高価になる。また複
数個の低耐圧のトランジスタを用いて高電圧を分
割してスイツチングさせる方法もあるが、デイレ
イの問題や各トランジスタのバランスの問題を解
決するための調整時間を必要とする。以上述べた
理由で、第１図に示したタイプの円筒状素子は、
肉厚を大きくしてシヤフトを大きな力でクランプ
しなければならない場合や、高速でクランプ素子
を動作させる場合には好ましくない。

一方、第２図に示した中空状積層型圧電素子
は、上に述べた第１図に示した円筒状素子が有す
る欠点をすべて除去している。すなわち、薄板状
素子の厚み方向の表裏面に電極を一体化した素子
に電圧を並列に印加することにより、電界強度を
大にして全体としての歪をとり出すため、低電圧
印加駆動に高歪の発生が可能である。

また中空状積層型圧電素子は容易に得られる。
すなわち電子通信学会技術研究報告Vol.83，No.18
（US83−８）55ページに掲載された小形圧電セラ
ミツク素子は積層セラミツクコンデンサの製造技
術を応用することで接着剤を使用しないで圧電セ
ラミツク板を積層一体化するため、形成的な自由
度も大きい上に、従来の製造技術の欠点を全て克
服した画期的な積層型圧電素子である。従来の製
造技術では、薄板を積層するために接着剤を使用
するため生産性が悪い。コスト高である。更に接
着層が介在するために素子としての純粋かつ一様
な歪が採り出せないし、寿命等の信頼性に欠ける
等の欠点を有していた。

従つて第２図に示した中空状積層型圧電素子
は、得られた積層型圧電素子に、中空状空隙を加
工すれば得られることになる。しかし中空状積層
型圧電素子の欠点は、クランプ素子として用いた
場合、内部電極が短路し易く、短絡した場合は、
クランプ素子としての機能を満足できなくなるこ
とである。すなわち、クランプ素子のシヤフトと
接触するセラミツク部および内部電極部分が、ク
ランプ素子がシヤフトをクランプするたびに摩耗
し、摩耗した内部電極を構成した金属が隣接した
内部電極間を短絡する。そして内部電極間が短絡
した場合は、内部電極の一部又は全部が破損し、
所要のクランプ素子としての機能を満足できなく
なる。そこで上記の中空状空隙部を構成する内部
電極部分あるいは内部電極部分とセラミツク部分
の両方に絶縁体を付着する方法は、上記欠点を除
去する上で有効である。しかし、中空状空隙部を
構成する内部電極部分あるいは内部電極部分とセ
ラミツク部分の両方に絶縁体を付着する技術は、
上に記した画期的な積層型圧電素子を得るための
製造技術と異なり、コストが安く、生産性が高い
というメリツトを十分に生かせない欠点を有す
る。すなわち、まず空隙部分には、絶縁体を均一
に付着する必要がある。均一に付着されないと、
クランプ時に不均一な力が絶縁体に加わり、これ
によつて絶縁物が積層型圧電素子より剥離した
り、剥離しない場合は絶縁物の部分的な摩耗を促
進することになる。その結果内部電極間が短絡し
たり、あるいはシヤフトに均一な力が加わらない
等の理由でクランプ素子としての寿命を縮めるこ
とになる。従つて原理的には、絶縁物の付着は均
一であればあるほどよく、かつ付着力はより強
く、摩耗にも強いことが必要で、このような条件
は第２図の露出している内部電極層を一層おきに
絶縁体２で覆う技術とは次元を異にするわけであ
る。

以上述べた理由で中空状空隙部に絶縁体を付着
する技術は、画期的な積層型圧電素子を得るため
の製造技術と異なり、コストが安く、生産性が高
いというメリツトを十分に生かせない欠点を有す
る。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記欠点を除去し、効率よく
低電圧で駆動でき、摩耗によつて素子の内径が変
化しても電圧値で調節でき、生産性も高くコスト
安なクランプ素子を提供するものである。

（発明の構成） 本発明は円筒状の圧電セラミツク部分と円筒状
の内部電極部分が交互に一体となつて積層された
円筒状圧電セラミツク素子であつて、該素子の両
端部において露出する各内部電極両端部の一方に
ついて、かつ素子両端部においては一層おきに絶
縁体が被覆されており、さらに該素子両端部には
一層おきに内部電極と接続する外部電極が形成さ
れていることを特徴とする円筒状圧電セラミツク
素子である。

（実施例） 以下本発明を実施の一例に基いて説明する。

第４図は本発明による円筒状圧電セラミツク素
子の断面概略図である。第４図において５は内部
電極層で薄板状セラミツク円筒素子６の内部に層
状に埋め込まれており、素子端面で露出してい
る。この露出している内部電極層の一層おきに絶
縁体７で覆い、この上から外部電極８，９が被着
せしめられているため、各内部電極層は互に電気
的に並列に接続されることになる。セラミツク部
分６はその厚み方向に第４図の矢印に示す向きに
分極処理が施されているために、外部電極間に分
極をさらに促すように電圧が印加されると、その
電圧の大きさに比例して、厚み方向に伸び、従つ
て径方向に縮む。本実施例の同心円状積層圧電セ
ラミツク円筒素子は11mm外径は14mmであり、薄板
状セラミツク円筒素子６の肉厚は100μm、高さは
13mm、電極８，９の厚みは50μmである。本同心
円状積層圧電セラミツク円筒素子は60V程度の電
圧を印加して２〜3μの内径の変化が得られ、従
来の第１図に示したタイプのクランプ素子に要す
る電圧の1/10の電圧で同等のクランプ機能が得ら
れ、摩耗した場合は摩耗量に相当する電圧値の調
整を行なつて所要のクランプ機能を得られた。

本円筒状圧電セラミツク素子の製造方法につい
て述べる。まず、融点150℃のスズ−鉛合金から
なる、第５図ａに示す円柱状治具１１を用意す
る。該スズ−鉛合金の全円周表面を白金箔１２で
外径が均一で、所要の圧電セラミツク素子の内径
11mmになるように巻く。この場合円柱状治具１１
の長さは所要の同心円状積層圧電セラミツク円筒
素子の高さ13mmより長い20mmに設定されている。
また白金箔の縦方向の長さは該円柱状治具１１の
長さより長くなるよう形成されている。

つぎにスリツプキヤステイング法で作成した肉
厚100μm、巾が13mmのグリーンシート１３を該白
金箔の円周に巻きつける。この場合、巻かれたグ
リーンシートの両端面間で生ずる隙間は、グリー
ンシートの原材料である泥漿で埋める。この場
合、泥漿は接着剤の役目も兼ねる。このようにし
てグリーンシートは該白金箔の表面に均一に巻か
れる。この上に転写法で肉厚3μmの内部電極１４
を設ける。以上述べたグリーンシートを巻きつけ
る操作と内部電極を設ける操作を交互に330回繰
り返す。以上述べた方法で形成された、第５図ｂ
に示す素子１５には、加圧器１６を用いて
0.25ton／cm²程度の圧力が加えられ110℃の温度で
30分間熱圧着されて一体化される。その後、加圧
器１６は取り除き、1000℃程度の温度で焼成す
る。スズ−鉛合金で形成された円筒状治具１１
は、焼成時に溶融するので取り除くことができ
る。このようにして得られた同心円状積層円筒素
子の露出している内部電極層を前に第４図を用い
て説明したように、一層おきに絶縁体で覆い、こ
の上から外部電極を被着して本発明の円筒状圧電
セラミツク素子が得られる。以上述べたように本
円筒状圧電セラミツク素子の製造は、薄板状セラ
ミツク円筒素子および内部電極を圧着するための
円柱状治具と加圧器を用意するだけで前に記した
積層セラミツクコンデンサの製造技術を応用する
ことで接着剤を使用しないで一体化でき、生産性
もよく、コスト安である。

（発明の効果の説明） 本発明の圧電セラミツク素子は、以上説明した
ように薄板状円筒素子の厚み方向の表裏面に電極
を構成し、これを多数板積層して一体化した素子
の素子端面に露出している内部電極層を一層おき
に絶縁体で覆い、この上から外部電極を設けて形
成されているため (1) 効率よく高歪量が採り出せるため、クランプ
素子に応用するとき発生歪の利用範囲に自由度
があり、このため低電圧駆動化が可能である。

(2) １体焼成タイプの積層素子のため、量産性、
信頼性が高い。等の効果があり、その経済的、
機能的、信頼性的波及効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の円筒状クランプ素子の説明図、
第２図は従来の中空状積層型クランプ素子の概略
図、第３図は電力用の合金形接合トランジスタの
構成図、第４図は本発明の実施例を示す円筒状圧
電セラミツク素子の概略図、第５図は同素子の製
造方法の説明図である。 １……内部電極層、２……絶縁体、３，４，
７，８……外部電極、５……内部電極層、６……
薄板状円筒セラミツク素子、１０……円筒状空
隙、１１……円柱状治具、１２……白金箔、１３
……グリーンシート、１４……内部電極、１５…
…圧電セラミツク素子、１６……加圧器、３０…
…エミツタ、３１……コレクタ、３２……ベー
ス、３３……半導体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒状の圧電セラミツク部分と円筒状の３層
   以上の内部電極部分が交互に一体となつて積層さ
   れた円筒状圧電セラミツク素子であつて、該素子
   の両端部において露出する各内部電極両端部の一
   方について、かつ素子両端部においては一層おき
   に絶縁体が被覆されており、さらに該素子両端部
   には外部電極が形成されていることを特徴とする
   円筒状圧電セラミツク素子。