JPH04139885A - 積層型変位素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、産業用ロポ・ノＩ・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、χ−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圧電素子
は、所定の形状に加工した圧電セラミック材料からなる
′ａ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
層型変位素子が実用化されている。すなわち５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、混練したベ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１　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、焼成するごと
によってセラミンク化し、積層体の両側面に外部電極を
形成したものである。上記構成の積層型変位素子は、圧
電セラミン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図は上記積層型変位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は各々一方の絶縁部が外
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、はんだ７を介
してリート線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
、ｍ板１は圧電セラミック材料の紺効果により厚さ方向
に伸び゛Ｃ変位を生ずる。しかしながら、このような構
成のものにおいては側面に近い周辺部すなわら内部電極
２ａ　　２ｂの重合しない部分は電界強度が小であるた
め、変形しないのみならず素子全体の変形を阻害する。

従ってこのような交互電極型のものでは、電気機械変換
材料同行の歪量を得ることができず、また変位部と非変
位部との境界に応力集中が起こり、高電圧の印加若しく
は長時間の電圧印加により、素子が破壊するという欠点
がある。

上記欠点を改良したものとして、第４図に示すような積
層型変位素子があり、圧電変位効率を向」二さゼた所謂
全面電極型と称されるものである（例えば特開昭５８−
１９６０６８号公報等参照）。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、２
ｂの端縁に一層おきに（例えば内部電極２ｂのみに）絶
縁材料からなる絶縁層４を設けると共に絶縁層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、上記絶縁層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絶
縁層４を設り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
であるが１　このような構成のものにおいては、第３図
に示す構成のものより均一な変形が得られ５応力集中が
発生しない。従って電気機械変換材料固をの大なる歪量
を得ることができ、変形に際しての破壊を発生すること
がないという長所がある。

上記第４図に示すように内部電極２ａ、２ｂの端縁に絶
縁材料からなる絶縁層４を設ける場合には、印刷法若し
くは塗布法等の手段がある。しかしながら、これらの方
法による場合には、絶縁材料として流動性を有するもの
を使用しなければならず、微細な絶縁層４を安定して形
成することおよび塗布厚さの制御を行うことが困難であ
る。このため絶縁層４の形状２寸法のばらつきが大とな
らざるを得す、絶縁層４の厚さ寸法若しくは幅寸法が大
になると素子の変形を阻害し、一方厚さ若しくは幅寸法
が小であると絶縁耐圧を低下させるといっ問題点がある
。

上記問題点を解決するために、ガラス粉末を使用して電
気泳動法によって絶縁層４を形成するという提案がされ
ている（例えば特公昭６３−１７３５５号同６３−１．
８３５１号〜１８３５３号公報等参照）。これらの提案
によれば、絶縁層４を安定してかつ高精度に形成でき、
大量の同時処理が可能であるという効果がある旨の記載
がある。しかしながら、正負電極間の沿面距離が絶縁層
４の幅寸法によって限定されるという問題点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記問題点を解決するために１本出願人はすでに積層体
の側面に内部電極を横断するように絶縁材料からなる絶
縁層を設け、１層おきの内部電極と対応する位置に例え
ばグイサー等による溝入れを行った後に、外部電極を形
成する。という内容の発明について出願をしている（例
えば特願平１２９５３３８号等）。

第５図（ａ）ないしくＣ）は上記発明の実施例を示す要
部斜視図であり、同一部分は前記第３図および第４図と
同一の参照符号で示す。第５図（ａ）ないしくＣ）にお
いて、まず重量比でＰ　ｂ　Ｏ６２，３６％、５ｒＣ０
３４，５４％　Ｔ　ｉ　０２　１１．３８％　ＺｒＯ２
２０，６０％、Ｓ　ｂ２Ｃｈ　１．］、２％からなる原
材料を２４時間ボールミルで混合後、８００°Ｃで１時
間仮焼する。

仮焼粉末を粉砕後、この仮焼粉末にポリビニールブチラ
ールを添加し、トリクレン中に分散させてスラリー化し
、この混合材料をドクターブレード法により、厚さ１０
０μｍのシー１−状の薄板に形成する。

次にこの薄板１の表面全域に内部電極２ａ、２ｂを形成
する白金導電ペースト若しくは銀−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一ζ積層体と
し、５００°Ｃで脱バインダーを行った後、酸素中１０
５０〜１２００°Ｃで１〜５時間焼結して、所定寸法に
切断して積層体５を形成する。この積層体５の寸法は例
えば５×５×Ｈ）　ＩＶ、（ｍｍ）若しくは１０　Ｘ　
１０　Ｘ　１０１　（ｍｍ）である。次にこの積層体５
の相隣る側面に絶縁材ネ４からなる絶縁層７ａ、７ｂを
、内部電極２ａ２ｂを横断するように設ける。第５図（
ｂ）において８ａ、８ｂは溝であり１例えばグイサー等
により。

絶縁層７ａ、７ｂの内部電極２ａ、２ｂに対応する位置
に刻設する。第５図（Ｃ）において外部電極３ａ、３ｂ
を絶縁層７ａ、７ｂ上に、前記溝８ａ８ｂを横断するよ
うに設＋）れば、外部電極３ａ３ｂと内部電極２ａ、２
ｂとを各々対応して接続することができる。次に外部電
極３ａ、３ｂと電圧供給用のり一ト線をはんだを介して
接続するのである。

」二足の構成により、前記第４図に示すものと比較して
沿面距離を犬にすることができ、絶縁剛力を向上させ得
るという効果を得ている。

しかしながら近年において１例えば１５０”Ｃのような
高温域において使用する積層型変位素子の要請があり、
上記改良発明においても更に若干の改良点が存在するこ
とが認められた。すなわち第５図（ａ）ないしくＣ）に
おいて、外部電極３ａ、３ｂと非接続状態に隔離すべき
内部電極２ｂ、２ａとの間には絶縁層７ａ、７ｂを設り
るのであるが、絶縁層７ａ、７ｂを形成する材料として
は無機ガラスを使用するのが一般である。このような無
機ガラスを使用した場合には、絶縁層７ａ、７ｂ上に被
着さセた外部電極３ａ、３ｂ中のガラスフリットと反応
して、外部電極３ａ、３ｂを構成する導体成分が絶縁層
７ａ、７ｂ中に侵入して絶縁不良を惹起することがある
。また焼付時において無機ガラスが流出するため、絶縁
層７ａ、７ｂを所定の厚さ寸法に形成できない。更に絶
縁層７ａ、７ｂは伸縮性に乏しいため、薄板１の伸縮に
よりクラックが発生し、絶縁不良に至る場合がある。な
お絶縁層７ａ、７ｂに溝８ａ、８ｂを加工する際におい
て加工部位の近傍に欠けを生し易く、この結果絶縁不良
を起こし易い等の問題点がある。一方上記無機ガラスに
代えて通常のセラミック材料によって絶縁層７ａ、７ｂ
を形成した場合には、焼付温度が高いため（８００〜８
５０°Ｃ）、焼付時に積屠体５を構成する圧電セラミッ
ク材料中のＰｂＯが蒸発し、圧電特性を劣化させる。ま
た圧電セラミック＋Ａ料からなる薄板１との界面に反応
層を生成するため、素子の駆動中に絶縁抵抗が劣化し。

絶縁破壊に至るという問題点がある。

本発明は上記問題点を解決し、高温域において使用して
も絶縁抵抗を高水準に維持し得ると共に製作が容易であ
る積層型変位素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段］ 上記目的を達成するために、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 外部電極と、この外部電極と非接続状態に隔離すべき内
部電極との間に設ける絶縁層を、５．０〜４５．０重量
％の換算ＰｂＯを含有する結晶性無機質材料によって形
成する１　という技術的手段を採用した。

次に第２の発明においては、ｍ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 外部電極と内部電極との間に両者を非接続状態に隔離す
るように設けた絶縁層と前記薄板との界面に生成される
反応層の厚さを２μｍ以下に形成する。という技術的手
段を採用した。

上記の発明において、換算ＰｂＯの量が５．０重足％未
満では、絶縁層と薄板との間に生成される反応層を抑制
する作用を充分に期待することができないため好ましく
ない。一方上記換算ＰｂＯ０量が４５．０重量％を超え
ると５ガラス成分が過剰となるため加工時に欠けを生し
易くなると共に外部電極中のガラスフリントと反応して
導体成分が絶縁層内に侵入し、絶縁抵抗を低下させるた
め不都合である。更に反応層の厚さが２μｍを超えると
１絶縁抵抗を低下させるため好ましくない。

〔作　用〕

」二足の構成により、絶縁層による薄板からのＰ　ｂの
抽出を抑制すると共に１両者間に生成される反応層の生
成温度を高めることができ２電気機械変換特性を維持し
つつ、絶縁抵抗を向上させ得るのである。

〔実施例］ まず前記改良発明における手段により１第５図（ａ）に
示すような５Ｘ５Ｘ　］ＯＥ　（胴）の積層体５を形成
する。次に絶縁層７ａ、７ｂを形成する無機質材料とし
て、下記の基本組成のものを使用しこれにＰｂ、Ｏ，若
しくはＰｂＯを表に示す配合で添加する。

基本組成　　Ｂ　ａ　Ｃ０３２０重量％ＴｉＯ□　　　
　　　　　　１３ Ｚ　ｒ　Ｏ２３ Ａ２□　０３　　　　　　１７ ＳｉＯ□　　　　　　　　　３０ Ｚ　ｎ　Ｏ１７ なお上記基本組成のものは、厚膜回路基板のクロスコー
ティング誘電体等の一般的な電子部品用絶縁材料である
。この材料に前記Ｐｂ３Ｏ４若しくはＰｂＯを配合して
ボールミルで混合ｉ１．　７００゛Ｃで仮焼し、更にボ
ールミルで粉砕して粉末化した。この粉末にメチルセル
ロースおよび溶媒を添加し、混練してペース１〜状にし
た後、積層体５の相隣る側面にスクリーン印刷し、８０
０〜８５０°Ｃの温度で焼き付けし、絶縁層７ａ、７ｂ
を形成した（第５図（ａ）参照）。この場合、焼付温度
が８００“Ｃ未満では絶縁層７ａ、７ｂの焼結が不充分
であるため好ましくない。一方８５０°Ｃを超えると積
層体５を構成する電気機械変換材料からＰｂＯが蒸発し
、電気機械変換材料が劣化するため不都合である。次に
第５図（ｂ）に示すようにグイサーによって溝８ａ、８
ｂを形成し、第５図（Ｃ）に示すように銀ベーストをス
クリーン印刷して６００〜ｇｏｏ’ｃで焼き付けし、外
部電極３ａ、３ｂを形成し５最後にリード線（図示せず
）をはんだ付けして素子とした。このようにして作製し
た素子について評価した結果を表に併記する。

表から明らかなように、第５図（ａ）ないしくＣ）に示
す絶縁層７ａ、Ｔｂ中にＰｂＯを含有しないＮｏ、　１
においては、絶縁層７ａ、７ｂと薄板１との界面に生成
される反応層の厚さが１０μｍあり、絶縁抵抗が低下し
ている。換算ＰｂＯ量が増大するに伴って上記反応層は
次第に小となり、絶縁抵抗が増力１１する。しかしＮｏ
、　９においては、換算ＰｂＯ量が過大であるため、絶
縁材料中のガラス成分が過剰となり、前記第５図（ｂ）
における溝８ａ、８ｂの加工時に欠けを生じ易くなり、
素子化が困難となる。また第５図（Ｃ）に示す外部電極
３ａ、３ｂ中のガラスフリットと反応して導体成分が絶
縁層７ａ７ｂ内に侵入することとなり、絶縁抵抗が低下
している。なおＮｏ、　２においては換算ＰｂＯ量が不
充分であると共に９反応層の厚さも４μｍであり絶縁抵
抗の値も低い。これに対してＮｏ、　３〜８は何れも高
い絶縁抵抗を有している。

次に上記夫々の素子に、１５０°Ｃの温度下で１５０　
Ｖの直流電圧を継続して印加するという加速耐久試験を
行った結果を表に併記した。これによ１日 るとＮｏ、　１　、　Ｎｏ、　２およびＮｏ、　９にお
いては時間の経過と共に絶縁抵抗の値が徐々に低下し、
Ｎｏ、１は３００時間後に、Ｎｏ、２は５５０時間後に
、Ｎ０９は３００時間後に夫々絶縁破壊した。すなわち
反応層の厚い素子（Ｎｏ、　１　、　Ｎｏ、　２　）に
おいては、高温下で直流電圧を印加したことにより、第
５図（Ｃ）に示す外部電極３ａ　　３ｂ中のイオン化し
た銀が反応層を伝わって負極側の内部電極２ａ、または
２ｂへと拡散し絶縁抵抗を低下させ、最終的に絶縁破壊
に至ったものである。またＮｏ、　９においては、溝８
ａ、８ｂ加工時のクラックの発生と、絶縁層７ａ、７ｂ
と外部電極３ａ、３ｂ中のガラスフリ７トとの反応が原
因となって絶縁破壊したものである。これに対して本発
明のＮｏ、　３〜Ｎｏ、　８においては５反応層が極め
て少なく、前記のイオン化した銀の拡散経路が遮断され
ていることから、　　１０００時間駆動後においても絶
縁破壊に至った素子は皆無であった。

以」二の結果から２本発明の積層型変位素子は特に高温
用マスフローコントローラ用素子等の１００’Ｃ以上の
高温域で使用されるものに有効であることが認められる
。

第１図（ａ）　（ｂ）は各々本発明の実施例における絶
縁層と薄板との界面近傍の粒子構造を示す写真、第２図
（ａ）　（ｂ）は各々ＥＰＭＡによる分析結果を示す図
であり、第１図（ａ）（ｂ）と水平方向の位置を対応さ
せて示しである。なお上記の図において（ａ）は絶縁層
にＰｂ３Ｏ４を３２重量％添加したものであり（ｂ）は
Ｐｂ３Ｏ４を添加しないものである。また第１図（ａ）
　（ｂ）における符号は前記第３図ないし第５図におけ
るものと対応させである。

まず第１図（ｂ）において１７は反応層であり、薄板１
を構成する圧電セラミック材料中のｐｂが絶縁層７ａ側
に抽出された結果多孔質状を呈している。これに対して
第１１１ｉｌ（ａ）においては、薄板１と絶縁層７ａと
の界面が明瞭に認められており２両者間には反応層が全
く存在しない。

」二足のように絶縁層７ａを構成する材料中にＰｂＯを
含有させることにより、′ａ板１との界面に反応層１７
を生成することを抑制できるのであるが、第２図（ａ）
　（ｂ）により更に明らかになる。第２図（ｂ）におい
て、ＰｂＯ量は薄板１と絶縁層７ａとの間の反応層１７
において連続的に減少し、一方ＴｉＯ量は連続的に増加
している。すなわち薄板１と絶縁層７ａとの反応により
９両者の組成の変動を伴う反応層１７が生成し、この反
応層１７内においては水平方向の位置によりＰｂ、Ｔｉ
の量が変化しており、Ｐｂ、Ｔｉの移動があったことを
示している。これに対して第２図（ａ）においては夫々
の成分元素は薄板１と絶縁層７ａとにおいて一定値を示
し、しかも両者の界面においては断層的に変化しており
、前記第２図（ｂ）におけるような水平方向の位置によ
る連続的な変動は認められない。この結果は前記第１図
（ａ）における薄板１と絶縁層７ａとの界面が明瞭に認
められる結果と一致し１両者間に反応層が存在しないこ
との証左であるといえる。

次に上記の換算ＰｂＯを含有する無機質材料を使用して
、前記第４図に示す従来の積層型変位素子について絶縁
層７を形成した。すなわち前記実施例と同様のペースト
状の材料を作製し、積層体５の両側面の内部電極２ａ、
２ｂの部位にスクリーン印刷し、８００〜８５０°Ｃの
温度で焼き付けし前記実施例同様に外部電極３ａ、３ｂ
を形成しり一ト線６をはんだ付けして素子とした。この
ようにして形成した積層型変位素子について評価したと
ころ、絶縁層４と前記表のＮｏ、　３〜８の材料によっ
て形成したものについては、前記実施例と同様に薄板１
と絶縁層４との界面における反応層の生成を抑制するこ
とができ、かつ高い絶縁抵抗を示すことを確認した。こ
の場合絶縁層４を形成する手段としては、スクリーン印
刷以外に、塗布手段、電気泳動法その他の公知の手段を
使用できる。

本実施例においては絶縁層４．７ａ、７ｂを形成する結
晶性無機質材料として、ＳｉＯ２ＡＮ２０３　　ＢａＯ
ＺｎＯＴｉＣ）ｚ　　Ｚｒ０ｚ系の絶縁セラミックスを
使用した例について記述したが、これに限定されず、他
の結晶性無機質材料を使用することができる。また積層
型変位素子の形状１寸法、製造方法の如何を問わず１本
発明の適用が可能であることは勿論である。

〔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、
下記の効果を奏し得る。

（１）絶縁層を結晶性無機質材料によって形成したため
、外部電極中のガラスフリットとの反応焼付時の流出１
作動中におけるクラック、機械加工時の欠は等の不良の
発生を皆無となし得る。

（２）絶縁層にＰｂＯを含有させたため、積層体構成材
料からのＰｂＯの抽出および／または界面に反応層が生
成することによる積層型変位素子の機能劣化を防止し得
る。

（３）常温時には勿論のこと、特に高温時における絶縁
性能が優れているため、高温域用とし°ζを用である。

（４）絶縁層の形成手段および結晶性無機質材料の調製
には特別の手段を必要とすることなく、従来のものと同
様であるから、製作が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は各々本発明の実施例における絶
縁層と薄板との界面近傍の粒子構造を示す写真、第２図
（ａ）　（ｂ）は各々ＥＰＭＡによる分析結果を示す１
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、第５図（ａ）ないしくＣ）は夫々
改良発明の実施例を示す要部斜視図である。 ■＝薄板、２ａ、２ｂ：内部電極、４．７ａ７ｂ＝絶縁
層、５：積層体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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， 外部電極と，この外部電極と非接続状態に隔離すべき内
   部電極との間に設ける絶縁層を，５．０〜４５．０重量
   ％の換算ＰｂＯを含有する結晶性無機質材料によって形
   成したことを特徴とする積層型変位素子。
2. （２）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， 外部電極と内部電極との間に両者を非接続状態に隔離す
   るように設けた絶縁層と前記薄板との界面に生成される
   反応層の厚さを２μｍ以下に形成したことを特徴とする
   積層型変位素子。