JPH07106654A

JPH07106654A - 積層型変位素子

Info

Publication number: JPH07106654A
Application number: JP5251469A
Authority: JP
Inventors: Junichi Watanabe; 渡辺　　純一; Yoshiyuki Watabe; 嘉幸渡部; Shigeru Sadamura; 茂定村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-10-07
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】コストの高騰を招くことなく、マイグレーショ
ンを完全に防止すると共に、クラックその他の発生のな
い耐久性の高い積層型変位素子を提供する。【構成】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枚交互に積層した積層型変
位素子において、前記薄板と内部電極を１対とし、その
対の積層数が５０層以下であり、かつ内部電極の平面投
影面積を薄板の平面投影面積より小にし、外部電極との
接続部のみを積層体の側面に露出させ、変位部の端縁と
積層体側面との間に形成される非変位部の幅寸法を０．
３ｍｍ以上とし、前記積層型変位素子を圧電縦効果を発
生させる方向に複数個積み重ね、前記変位素子側面上に
各素子間を電気的、かつ機械的に接続するための導体手
段を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ−Ｙステージの精密
位置決め機構や制動ブレーキ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。

【０００２】

【従来の技術】電気機械変換材料に電圧を印加すると変
位が発生するが、この電気機械変換材料を複数枚積層
し、変位量を増大させた素子が積層型変位素子であり、
Ｘ−Ｙステージの精密位置決め機構や制動ブレーキ等に
用いられている。従来、この積層型変位素子は、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、直接も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が吸
収したり、高温の環境もしくは長期間の使用により接着
剤が劣化したりする等の欠点がある。このため、この積
層型変位素子の製造に、積層チップコンデンサーの製法
を応用し、積層型変位素子を作製する方法が提案されて
いる。すなわち例えば特公昭５９−３２０４０１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ス材料を、所定の厚さの
薄片に成形し、この薄片の一方の面もしくは両面に銀・
パラジウム等の導体材料を塗布して内部電極を形成し、
前記薄板を複数枚積層して圧着し、更に所定の形状に加
工した後、焼成することによりセラミックス化し、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、圧電セラミックス材料からなる薄
板と内部電極の接合密着性に優れている。図８は上記積
層型変位素子の構成の例であり、いわゆる交互電極型と
称されるものである。図８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２
ａ、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
出も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、ハンダ７を介してリ
ード線６を接続する。以上の構成により、外部電極３
ａ、３ｂに正負の電圧を印加すると、前記内部電極２
ａ、２ｂ間に電界が発生し、薄板１は圧電セラミック材
料の圧電縦効果により厚さ方向に伸びて変位を生じる。
次に図９に示すものは他の積層型変位素子の例であり、
変位効率を向上させたいわゆる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）。図９において同一部分は前記図８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、
その上から導電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図８における
ものと同様である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の積層型変位
素子においては、電極間に直流高電圧を連続印加して変
位を得るという使用形態の場合には、電極材料として銀
系の材料を使用すると、高湿度雰囲気においていわゆる
マイグレーションを生じ、遂には絶縁破壊に至るという
問題点がある。即ち電極を構成するＡｇは酸化しやすい
元素であるが、高湿度雰囲気下においてイオン化（Ａｇ
⁺）し、印加電圧によって負電極に吸引され、負電極側
に堆積する。このような堆積物は時間の経過と共に杉波
状に成長して、電極間の絶縁抵抗を低下させ、遂には短
絡するのである。このようなマイグレーションを防止す
る手段として、銀より小さなマイグレーション特性を有
する金属からなる膜によって被覆するという提案がなさ
れている（例えば特開昭６２−６２５７１号公報参
照）。しかしながら積層体を形成した後において露出部
分を被覆する作業は極めて煩雑であると共に、金属膜に
よって必ずしも完全に被覆することができず、例えばピ
ンホール等を介して外部の湿気の侵入を許容することが
あり、信頼性の点で未だ不満足な点がある。他にも高湿
度の雰囲気における水分の侵入を防止する手段として、
例えば樹脂材料からなる被覆によるコーティング手段等
が試みられている。しかしながら樹脂材料からなる被覆
でコーティングしても、樹脂は非透水性が完全でないの
みならず、素子の作動により微少なクラックを生じ、も
しくはリード線との境界部に若干の隙間を生じ、これら
を介して水分が侵入する場合がある。何れにしても上記
従来の構成のものではマイグレーションを完全に防止す
ることは困難であり、寿命が著しく短いという問題点が
ある。また、金属製容器内に密封した場合には、マイグ
レーションは防止できるが、素子の変位量が抑制される
のみならず、全体の体積の増大を招き、更にコスト高と
なる欠点がある。さらに、別の手段として電極を例えば
Ｐｔ、Ｐｄのような高融点の貴金属材料によって形成す
ることも考えられるが、素子の構成が図９のような全面
電極型である場合、外部電極が形成されていない側面で
は正負の内部電極が共に同一側面に露出している。それ
ゆえ、高湿度雰囲気下では前記側面で水分が結露した場
合、前記同一側面上に露出した正負内部電極間で短絡す
るという欠点がある。また、交互電極型素子では積層セ
ラミックコンデンサーと同様に内部電極を積層体の内部
に封入する構造も考えられるが、積層型変位素子では変
位部と非変位部との境界に発生する応力のため素子にク
ラックが発生し、絶縁破壊するという問題点がある。こ
の積層セラミックコンデサー型の変位素子のクラック抑
制方法として積層縦効果圧電素子のサブユニットを複数
個積み重ねて、隣合うサブユニット間を接合する接合部
材の面積を、内部電極の面積以下とするという提案がな
されている（例えば特開平３−２７００８５号公報参
照）。しかしながら、接着部材で素子を接着する際、通
常は接着のために素子間に圧力を加えるので、液状であ
る有機系の接着部材では加圧により接着部材が接着面全
体に広がってしまい、内部電極面積以下という特定部分
のみに接着部材を設けることができないという問題点が
ある。また、特定部分のみに接着部材を形成する他の方
法として接着部材の印刷、或いは固体フィルム状の接着
部材を素子間に挟み込む等の方法も考えられるが、前者
は形成方法が煩雑であり実用的でなく、後者も接着の
際、接着部材の位置ズレが起き易く、素子を平行に接着
しにくい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、コストの高騰を招くことな
く、マイグレーションを完全に防止すると共に、クラッ
クその他の発生のない耐久性の高い積層型変位素子を提
供し、さらに前記素子単体の簡便な接続方法の提供を目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明においては、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枚交互に積層
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１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、前記薄板と導電材料からなる内
部電極を１対とし、その対の積層数が５０層以下であ
り、かつ内部電極の平面投影面積を薄板の平面投影面積
より小にして、外部電極との接続部のみを積層体の側面
に露出させ、変位部の端縁と積層体側面との間に形成さ
れる非変位部の幅寸法を０．３ｍｍ以上し、前記積層型
変位素子を圧電縦効果を発生させる方向に複数個積み重
ね、前記変位素子側面上に各素子間を電気的、かつ機械
的に接続するための導体手段を具備する、という技術的
手段を採用した。

【０００５】

【作用】上記の構成により、例えば銀系材料からなる内
部電極を積層体内に完全に密閉し、大気との接触を遮断
することができるから、外気中に含まれる水分の積層体
内への侵入を阻止することができる。また、交互電極
型素子の変位部と非変位部の境界で発生するクラックは
素子に電圧を印加した際の素子の積層方向の伸張にとも
ない、変位部と非変位部の境界に生じる引っ張り応力に
よるものであるが、積層数を５０層以下とすることによ
り、交互電極型素子の前記境界部に発生する引っ張り応
力を素子の破壊応力以下とすることでクラックの発生を
抑制することができる。さらに非変位部の幅寸法を０．
３ｍｍ以上とすることにより非変位部の固着力が増し、
引っ張り応力によるクラックの発生を抑制すると共に、
非変位部近傍の変位部の圧電特性を抑制し、応力を緩和
することができる。また、素子側面上に電気的、かつ機
械的に接続するための導体手段を具備することから素子
の接続を容易に行うことができる。

【０００６】

【実施例】図１（ａ）は本発明の実施例を示す要部側面
図、図１（ｂ）（ｃ）は図１（ａ）におけるＣ−Ｃ断面
図およびＤ−Ｄ断面図であり、同一部分は前記図８およ
び図９と同一の参照符号で示す。これらの図において薄
板１を次のようにして形成する。まず、重量比でＰｂＯ
６２．３６％、ＳｒＣＯ₃ ４．５４％、ＴｉＯ₂１
１．３８％、ＺｒＯ₂ ２０．６０％、Ｓｂ₂Ｏ₃ １．
１２％からなる原材料を２４時間ボールミルで混合後、
８００℃で１時間仮焼する。仮焼粉末を粉砕後、この仮
焼粉末にポリビニルブチラールを添加し、エタノール中
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１００μｍのシート状の薄板に形
成する。次にこのシート状の薄板１の表面に内部電極２
ａ、２ｂを形成する銀・パラジウムペーストもしくは白
金導電ペーストをスクリーン印刷する。この場合内部電
極２ａ、２ｂは図１（ｂ）（ｃ）に示すように、それら
の平面投影面積を薄板１の平面投影面積より小に形成
し、外部電極３ａ、３ｂ（図１（ａ）参照）との接続部
２１ａ、２１ｂのみを薄板１の端縁まで設ける。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、３０層積層、圧着した後、所定の寸法形状
に切断して積層体とし、６００℃で脱バインダーを行っ
た後、酸素中１１００〜１２００℃で焼結して、積層体
５を形成する。この積層体５の寸法は例えば、５×５×
２ｍｍもしくは３×３×２ｍｍである。次に外部電極３
ａ、３ｂを設けるのであるが、この場合、内部電極２
ａ、２ｂの接続部２１ａ、２１ｂの幅寸法全体に亘るよ
うに設けるのが望ましい。上記のように形成した積層体
５の側面部は薄板１および外部電極３ａ、３ｂが露出す
るのみで、内部電極２ａ、２ｂは積層体内に完全に密閉
された状態となる。なお、図１（ａ）においてＡは内部
電極２ａ、２ｂの投影が積層方向に重合して形成される
変位部８の幅寸法であり、Ｂは変位部８の端縁と積層体
５の側面との間に形成される非変位部９の幅寸法であ
る。図２は図１（ａ）で示した積層体に電圧を印加した
際の変形の状態を示した図である。電圧の印加により非
変位部９は積層方向に引っ張られる。この引っ張り応力
は図２においてＥで示した素子中央の変位部８と非変位
部９の界面で最大となり、素子の非変位部の強度が引っ
張り力に耐えられない場合にはクラックが発生する。図
３は素子の積層数と素子の不良率および直流１５０Ｖ印
加時の素子の変位量の関係を示す図である。図において
ａは不良率を、ｂは変位量をそれぞれ示す。不良率は各
々積層体５を２０個ずつ、０−１５０Ｖを４ＨｚにてＯ
Ｎ−ＯＦＦし、５×１０⁶回後において変位部８と非変
部９の境界部応力に起因するクラックで発生した不良個
数比率である。なお、非変位部の幅寸法は０．５ｍｍ、
薄板１の寸法は５×５×０．０９ｍｍである。図３ａか
ら明らかなように積層数を５０層以下とすることにより
クラック発生に起因する不良を０とすることができる。
図３ｂからわかるように変位量が積層数の減少に比例し
て減少するのは当然の理であるが、積層数が少ない場合
でも積層体単素子を積層方向に接続することにより所定
の変位量を得ることは可能である。図４は非変位部の
幅寸法と素子の不良率の関係を示す。図においてａ、
ｂ、ｃはそれぞれ５０層、３０層、１０層の結果を示
す。不良率は図３と同様に各々積層体５を２０個ずつ、
０−１５０Ｖを４ＨｚにてＯＮ−ＯＦＦし、５×１０⁶
回後において変位部８と非変部９の境界部応力に起因す
るクラックで発生した不良個数比率である。なお、薄板
１の寸法は５×５×０．０９ｍｍである。図４より非変
位部の幅寸法を０．３ｍｍ以上とすることで不良の発生
を防止することができる。図５には積層体の変位量の分
布を示す。図中ａ、ｂ、ｃはそれぞれ非変位部の幅寸法
が０．１５、０．３、０．６ｍｍの場合であり、測定位
置が０ｍｍの位置が変位部と非変位部の境界である。な
お、積層体の積層数は４０層、薄板１の寸法は５×５×
０．０９ｍｍであり、印加電圧は直流１５０Ｖである。
図より非変位部の幅寸法が大きくなるにつれて変位部と
非変位部の境界近傍の変位量が小さくなることが明かで
ある。即ち、非変位部の面積が増加するにしたがって非
変位部の接着強度が大きくなり、積層体の変形を抑制す
る効果があることがわかる。本発明では非変位部幅が
０．３ｍｍ以上でクラックの発生を防ぐのに必要な非変
位部の接着強度を得ることが可能である。図６は本発明
の積層型変位素子の接続例を示す要部側面図であり、同
一部分は前記図８および図９と同一の参照符号で示す。
本実施例では接続する積層型変位素子を圧電縦効果を発
生させる方向に複数個積み重ね、前記素子側面上に形成
された各々の外部電極上に接続用リード線１０をハンダ
（７）付けして接続するものである。接続の際は積み重
ねた素子間に隙間が生じないように素子を積み重ねた方
向に圧縮力を加えながら、ハンダ付けを行うことが望ま
しい。なお、接続用リード線として銅線等の弾力性に富
んだ線材を選定することにより、電圧印加時に発生する
素子の伸びを接続線の伸びで吸収することができ、素子
の破損を防ぐことができる。本実施例では素子側面に接
続用リード線をハンダ付けするだけなので極めて容易に
素子を接続することができる。また、積層数４０層、非
変位部幅が０．３ｍｍの素子を１０ヶ接続した試料を２
０個駆動試験（０−１５０Ｖを４Ｈｚ、１０⁶回駆動）
したが、不良は発生しなかった。図７（ａ）〜（ｇ）は
それぞれ本発明における内部電極の平面投影輪郭形状の
例を示す平面図であり、同一部分は前記図１（ａ）〜
（ｃ）と同一の参照符号で示す。図７（ａ）に示すもの
は内部電極２ａ、２ｂの接続部２１ａ、２１ｂを薄板１
の相隣る側面に露出させたものである。図７（ｂ）〜
（ｇ）は接続部２１ａ、２１ｂを内部電極２ａ、２ｂの
幅寸法より小なる幅寸法に形成したものであり、このよ
うに形成することにより、外部電極３ａ、３ｂの幅寸法
を小さくすることができる。なお、図７（ｃ）および
（ｅ）は何れも接続部２１ａ、２１ｂを薄板１の同一側
面に露出させたものであり、このように形成することに
より、外部電極３ａ、３ｂと接続するリード線（図示せ
ず）の取り回しが容易となる。なお、図７（ｅ）に示す
ように形成すると、図７（ｃ）に比べて接続部２１ａ、
２１ｂ間及び外部電極３１ａ、３１ｂ間の沿面距離を大
に形成することができる。図７（ｆ）（ｇ）に示すもの
は、内部電極２ａ、２ｂの平面投影輪郭形状を各々円形
および八角形に形成したものである。本実施例において
は、積層体を構成する薄板の平面投影輪郭形状が正方形
の場合について記述したが、矩型、多角形、円形、楕円
形その他の幾何学的形状とすることができ、また内部電
極についても同様である。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。更に前記の実施例では、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、前述と全く同様の作用を期待で
きる。

【０００７】

【発明の効果】本発明は上記記述のような構成および作
用であるから、内部電極を完全に密封することができ、
マイグレーションを完全に防止し、耐湿性を飛躍的に向
上させることができ、高湿度環境においても充分に機能
を発揮することができる。また、非変位部の強度を確保
し得る構造であるため、高度の耐久性、信頼性が要求さ
れる光応用、半導体製造装置等の用途に好適であり、応
用範囲を拡大し得るという効果がある。さらに、極めて
容易に素子間の接続を行うことができるのでコストの高
騰を招くことなく素子を組み立てることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の実施例を示す要部側面
図、図１（ｂ）（ｃ）は各々図１（ａ）におけるＣ−Ｃ
断面図およびＤ−Ｄ断面図である。

【図２】本発明の実施例の積層体に電圧を印加した際の
側面の変形状態を示す図である。

【図３】不良率および変位量と積層数の関係を示す図で
ある。

【図４】不良率と非変位部幅の関係を示す図である。

【図５】積層体の変位量の分布を示す図である。

【図６】本発明の積層型変位素子の接続例を示す要部側
面図である。

【図７】本発明における内部電極の平面投影輪郭形状の
例を示す平面図である。

【図８】従来の積層型変位素子の例を模式的に示す要部
側面図である。

【図９】従来の積層型変位素子の他の例を模式的に示す
要部側面図である。

【符号の説明】

１薄板、２ａ内部電極、２ｂ内部電極、３ａ外
部電極、３ｂ外部電極、４被覆、５積層体、６
リード線、７ハンダ、８変位部、９非変位部、１
０接続用リード線、２１ａ接続部、２１ｂ接続部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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枚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１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、前記薄板と導電材料からなる内部電極を
１対とし、その対の積層数が５０層以下であり、かつ内
部電極の平面投影面積を薄板の平面投影面積より小にし
て、外部電極との接続部のみを積層体の側面に露出さ
せ、変位部の端縁と積層体側面との間に形成される非変
位部の幅寸法を０．３ｍｍ以上としたことを特徴とする
積層型変位素子。
【請求項２】請求項１記載の積層型変位素子を圧電縦
効果を発生させる方向に複数個積み重ね、前記変位素子
側面上に各素子間を電気的、かつ機械的に接続するため
の導体手段を具備することを特徴とする積層型変位素
子。