JPH0794795A - 積層型電気・歪変換素子，積層型アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極間でのセラミック素材表面上における沿
面放電の発生を防止し、信頼性および耐久性を向上させ
る。 【構成】 セラミック素材１の表裏面に金属ペーストか
らなる内部電極２，２’と、これら内部電極２，２’の
一部周縁を除く周縁部を取り囲む絶縁性ガラスペースト
からなるコ字状の絶縁物質１０，１０’をそれぞれ形成
する。表裏面の絶縁物質１０、１０’は向きが反対にな
るよう形成される。そして、このようなセラミック素材
１を複数枚交互に向きを１８０°変えて積層接着し積層
体を形成する。さらにこの積層体の２つの側面に同じく
金属ペーストからなる外部電極を形成し、各セラミック
素材１を電気的に並列に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印加電圧に応じて伸縮
する積層型電気・歪変換素子，積層型アクチュエータお
よびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光または磁気ディスクヘッド、各
種光学装置、精密工作機械等の精密位置決め装置におい
ては、大きな発生力と速い応答性が要求されることか
ら、積層型アクチュエータが注目されている。この積層
型アクチュエータは、例えば特開昭６３−１３６５８１
号公報「積層型圧電体」、特公昭６３−１７３５４号公
報「電歪効果素子」等に開示されているように、圧電素
子を多数積層して形成したもので、印加する電圧に応じ
て圧電素子を伸縮させることにより装置可動部を微小駆
動するものである。

【０００３】図４はこのような積層型アクチュエータと
して用いられる積層型電気・歪変換素子の基本的構成を
示す断面図で、表裏面にそれぞれ内部電極２，２’がス
クリーン印刷等によって形成された複数枚の薄膜状セラ
ミック圧電体１を銅製の金属板等からなる外部電極３を
介して積層接着し、これら外部電極３を一つおきにリー
ド線４，５を介して電源に接続することにより各セラミ
ック圧電体１を電気的に並列に接続して積層型電気・歪
変換素子６を構成し、これに高電圧（例：１ＫＶ／ｍｍ
以上）を印加することにより各セラミック圧電体１に歪
みを発生させ、逆に外力を加えて変形させると外力に比
例して各圧電体１の表面に電荷を生じて電圧を発生させ
るようにしたものである。このような性質を圧電と呼ん
でいる。

【０００４】なお、図４において７は絶縁体である。ま
た、図における各部の厚み、大きさは理解を容易にする
ため誇張して示しており、実際の寸法とは異なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような積層型電気
・歪変換素子においては、圧電素子または電歪素子から
なるセラミック素材に大変位量（例えば２００μｍ）を
与える場合、素子の両端に１ＫＶ／ｍｍ以上の大きな電
界をかける必要があり、その大電界がかかるセラミック
素材の側面に水分や導電性のゴミが付着していると、短
絡・沿面放電が起こり易く、長時間通電使用していると
印加電圧に対しての変化量が適正値から大きく異なって
しまい信頼性が著しく低下するという問題があった。す
なわち、セラミック素材の電極膜として通常、銀・ニッ
ケルなどが用いられるが僅かでも湿気が存在すると、電
界がかかっている素材側面において、正電極から金属イ
オンが生成し、それが電気的に引き寄せられ負電極で電
子をもらい金属が析出する。このような現象をマイグレ
ーションと呼んでいる。マイグレーションが起こると電
極間距離が短くなってゆき、絶縁性が低下する。それが
原因で短絡・沿面放電が起き易くなる。また、マイグレ
ーションが生じた部分に空隙が存在すると短絡・沿面放
電は特に起き易くなる。

【０００６】そこで、その対策として、例えば絶縁性
を有する樹脂・グリースなどで被覆したり、密封容器に
入れて外部の湿気の侵入を防止する方法、セラミック
圧電素子間の空隙およびセラミック圧電素子の側面に粘
稠性の絶縁物質を配設する方法（上記特開昭６３−１３
６５８１号公報）、積層チップの一方の側面において
内部電極の端面に一層おきに絶縁物質が塗布された上か
ら一方の電極となる導電性物質を形成し、他方の側面に
おいて前記一方の側面において絶縁物質が塗布されなか
った内部電極板の端面に一層おきに絶縁物質が塗布され
た上から他方の電極となる導電性物質を形成する方法
（上記特公昭６３−１７３５４号公報）等が提案実施さ
れている。

【０００７】しかし、上記の方法は沿面放電をなくす
根本的な解決法ではなく、また通常樹脂は吸湿性、透湿
性を有するため、僅かな湿気も問題となるマイグレーシ
ョンの防止に対しては十分とは云えず、また有機物であ
る樹脂と無機物であるセラミックスとの界面は化学結合
ができにくいため、接着強度が弱く空隙ができ易いとい
う欠点を有する。一方、上記，の方法はいずれも絶
縁物質を薄い圧電素子の側面に部分的に塗布形成する必
要があるため、高い位置決め精度が要求され、作業が面
倒であるという問題があった。

【０００８】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、電極間でのセラミック素材表面上における沿面放
電の発生を軽減防止し、信頼性および耐久性を向上させ
るようにした積層型電気・歪変換素子，積層型アクチュ
エータおよびその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係る積層型電気・歪変換素子は、それぞれ表裏
面に内部電極が形成されたセラミック素材を複数枚積層
接着して積層体を構成し、この積層体の２つの側面にそ
れぞれ形成した外部電極によって各セラミック素材を電
気的に並列に接続した積層型電気・歪変換素子におい
て、前記セラミック素材の表裏面には前記内部電極の前
記外部電極が接続される接続端縁部を除く周囲全体を取
り囲む絶縁物質がそれぞれ形成されており、かつ前記外
部電極が接続される表面側および裏面側内部電極の接続
端縁部は互いに位置関係が異なるものである。また本発
明に係る積層型電気・歪変換素子の製造方法は、セラミ
ック素材の表裏面に金属ペーストを互いに異なった方向
にずらしてそれぞれ塗布すると共に、これら表面側およ
び裏面側金属ペーストのずれ側端縁部を除く周囲全体を
取り囲む絶縁性ガラスペーストをそれぞれ塗布する工程
と、前記金属ペーストと絶縁性ガラスペーストが塗布さ
れた前記セラミック素材を交互に向きを異ならせて複数
枚積層し、前記各ペーストを焼成して内部電極と絶縁物
質を形成すると共に、積層体を形成する工程と、前記積
層体の側面を研削して各セラミック素材の表面側および
裏面側内部電極のずれ側端縁部をそれぞれ外部に露出さ
せる工程と、前記積層体の側面で前記表面側および裏面
側内部電極のずれ側端縁部が露出された側面部に金属ペ
ーストをそれぞれ塗布する工程と、前記金属ペーストを
焼成して外部電極を形成し前記各セラミック素材を電気
的に並列に接続する工程と、を備えたものである。ま
た、本発明に係る積層型アクチュエータは、上記方法に
よって製造された積層型電気・歪変換素子を用いたもの
である。

【００１０】

【作用】本発明において、セラミック素材の表裏面に形
成された内部電極のうちセラミック素材の側面に露呈す
る部分は絶縁物質によって囲まれておらず外部電極が接
続される接続端縁部のみで、その面積は僅かである。つ
まり、内部電極は殆ど外部に露出しておらず、隣合う異
極間でのセラミック素材表面上における電界のかかる表
面部分が少なく、したがって、沿面放電の発生を防止す
る。また、表面側，裏面側内部電極の接続端部は位置関
係をずらして設けられているので、異極間での放電の危
険性を回避する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明に係る積層型電気・歪変
換素子を構成するセラミック素材の外観斜視図、図２は
同素子の分解斜視図、図３は同素子の断面図である。こ
れらの図において、本実施例は表裏面に内部電極２，
２’と絶縁物質１０，１０’をそれぞれ設けてなる厚さ
０．４ｍｍの矩形板状体からなるセラミック素材１を所
要枚数、例えば１２０枚積層接着して積層体１１とし、
この積層体１１の異なった２つの側面にそれぞれ配設さ
れる外部電極１２，１２’によって各セラミック素材１
を前記内部電極２，２７を介して並列に接続して積層型
電気・歪変換素子１３を形成したものである。そして、
このような構成からなる積層型電気・歪変換素子１３
は、前記外部電極１２，１２’が不図示のリード線を介
して電源に接続され、高電圧が印加されることで伸縮
し、装置可動部を微小駆動させる積層型アクチュエータ
として用いられる。

【００１２】ここではセラミック素材１としてジルコン
酸チタン酸鉛系圧電材料、例えばＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃を９２％とＰｂＴｉＯ₃を８％とを固溶した
ものを使用した。内部電極２，２’としては銀等の金属
ペーストの塗布焼成によって形成し、絶縁物質１０，１
０’としては絶縁性ガラスペースト、外部電極１２，１
２’の材料として銀等の金属ペーストを用いた。表面側
の内部電極３は、セラミック素材１の表面中央にその一
辺１５ａがセラミック素材１の一側面１ａと略一致する
よう一側面１ａ側にずらして形成されている。この一辺
１５ａは前記外部電極１２または１２’が接続される接
続端縁部を形成しており、残り３つの辺１５ｂ〜１５ｄ
がセラミック素材１の側面に露呈しないよう前記絶縁物
質１０によって取り囲まれている。一方、裏面側の内部
電極３’は、表面側内部電極３とは反対方向にずれて形
成されることにより、その一辺１６ａがセラミック素材
１の前記一側面１ａと対向する対向側面１ｂと略一致す
るよう形成され、この一辺１６ａを除く残り３つの辺１
６ｂ〜１６ｄが前記絶縁物質１０’によって取り囲希て
いる。このため、表裏面にそれぞれ形成される前記絶縁
物質１０，１０’は平面視コ字状で、互いに反対向きに
形成されている。そして、このような構成からなるセラ
ミック素材１は、図２に示すように内部電極２，２’
（絶縁物質１０，１０’）の向きが交互に反対になるよ
うに複数枚積層接着されることにより積層体１１を形成
している。前記外部電極１２，１２’は、積層体１１の
４つの側面のうち前記内部電極２，２’（絶縁物質１
０，１０’）のずれ方向に対向する２つの側面にその高
さ方向全長にわたってそれぞれ帯状に形成されることに
より、向きが同方向の表面側および裏面側内部電極２，
２’を直列に接続している。

【００１３】次に、上記構成からなる積層型電気・歪変
換素子１３の製造方法について説明する。 ペースト塗布工程 セラミック素材１を用意し、その表面中央に内部電極形
成用の金属ペーストをセラミック素材１の一側面１ａ側
にずらしてスクリーン印刷により矩形に塗布する。また
表面周縁部に絶縁性ガラスペーストを前記金属ペースト
のずれ側辺を除く他の三辺を取り囲む如くスクリーン印
刷によってコ字状に塗布する。さらにセラミック素材１
の裏面中央に内部電極形成用の金属ペーストを、表面側
ペーストのずれ方向とは反対側にずらして、つまりセラ
ミック素材１の前記一側面１ａと対向する他の側面１ｂ
方向にずらしてスクリーン印刷により矩形に塗布する。
また裏面周縁部に絶縁性ガラスペーストを前記裏面側金
属ペーストのずれ側辺を除く他の三辺を取り囲む如くス
クリーン印刷によってコ字状に塗布する。 焼成、積層体の形成工程 表裏面に金属ペーストと絶縁ガラスペーストが塗布され
たセラミック素材１を所要枚数、前記絶縁ガラスペース
トの向きが交互に反対方向になるように積層し、ホット
プレス機で温度６００°Ｃ、荷重１０００Ｋｇｆ／ｍｍ
² でプレスし、表裏面の金属ペーストおよび絶縁ガラス
ペーストを同時に焼成することで、図１に示した内部電
極２，２’および絶縁物質１０，１０’を同時成形す
る。これによって全てのセラミック素材１が一体に接合
され積層体１１（図２）が形成される。 側面研削 積層体１１の互いに対向し外部電極１２，１２’が形成
される２つの側面（１ａ，１ｂ）を研削して内部電極
２，２’の絶縁物質１０，１０’によっては囲まれてい
ない一辺、すなわち接続端縁部１５ａ，１６ａ（図１）
を外部に露呈させ、前記側面（１ａ，１ｂ）と面一にす
る。 外部電極の形成 積層体１１の互いに対向する前記２つの側面１ａ，１ｂ
に外部電極用の銀ペーストを高さ方向全長にわたってそ
れぞれ塗布し、しかる後これらペーストを加熱焼成する
ことで、外部電極１２，１２’を形成する。もって、積
層型電気・歪変換素子１３が得られる。

【００１４】かくしてこのような構成からなる積層型電
気・歪変換素子１３においては内部電極２，２’の外部
電極１２，１２’の接続部となる接続端縁部１５ａ，１
６ａのみが積層体１１の側面に露呈し、それ以外の周縁
部を絶縁物質１０，１０’によって取り囲んでいるの
で、隣合う異極間でのセラミック素材表面上における電
界のかかる表面部分が少なく、したがって、沿面放電の
発生を軽減防止することができる。また、内部電極２，
２’の接続端縁部１５ａ，１６ａは、セラミック素材１
の対向側面１ａ，１ｂに露呈しているので、異極間での
放電の危険性を回避することができる。さらに、セラミ
ック素材１の表裏面に絶縁物質１０，１０’を形成して
いるので、側面に絶縁物質を部分的に形成する上記した
従来の方法に比べて高い位置決め精度が要求されず、作
業性に優れている。

【００１５】本発明の効果を知るために上記積層型電気
・歪変換素子１３を雰囲気が温度４０°Ｃ、湿度９０％
Ｒ．Ｈ．中で加速耐久試験を行った。積層型電気・歪変
換素子１３の長さは５０ｍｍで外部電極１２，１２’間
に電圧ＤＣ５６０Ｖを印加して耐久試験を行った。この
結果、試料は５０００時間の段階で短絡もしくは放電し
たものは１つもなかった。なお、４０°Ｃ−９０％Ｒ．
Ｈ．において５０００時間耐久したという結果は、２５
°Ｃ−４０％Ｒ．Ｈ．の場合、約５年間の寿命があるこ
とになる。

【００１６】なお、上記実施例は矩形のセラミック素材
１を用いたが、本発明はこれに何等特定されるものでは
なく、円形であってもよく、その場合は内部電極２，
２’を円形に形成し、絶縁物質１２，１２’をＣ字状に
形成すればよい。また、上記実施例はセラミック素材１
の対向側面１ａ，１ｂに内部電極２，２’の接続端縁部
１５ａ，１５ｂを露呈させたが、隣合う２つの側面に露
呈させてもよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る積層型
電気・歪変換素子は、セラミック素材の表裏面の一部に
内部電極をそれぞれ形成すると共にこれら内部電極の一
部周縁を除く周囲全体を取り囲む如く絶縁物質を形成し
たので、内部電極の一部周縁のみをセラミック素材の側
面に露呈させることができ、したがって、隣合う金属電
極板間でのセラミック素材表面上における沿面放電の発
生を軽減防止することができ、素子自体および積層型ア
クチュエータの信頼性および耐久性を著しく向上させる
ことができる。また、セラミック素材の表裏面にペース
トの塗布によって絶縁物質を形成する方法は、側面に断
続的に形成する場合に比べて高い位置決め精度が要求さ
れず、簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積層型電気・歪変換素子を構成す
るセラミック素材の外観斜視図である。

【図２】積層型電気・歪変換素子の分解斜視図である。

【図３】同素子の断面図である。

【図４】従来の積層型電気・歪変換素子の基本構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ セラミック素材 ２，２’ 内部電極 ３ 金属電極板 ４ リード線 ５ リード線 ６ 積層型電気・歪変換素子 １０，１０’ 内部電極 １１ 積層体 １２，１２’ 絶縁物質 １３ 積層型電気・歪変換素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ表裏面に内部電極が形成された
   セラミック素材を複数枚積層接着して積層体を構成し、
   この積層体の２つの側面にそれぞれ形成した外部電極に
   よって各セラミック素材を電気的に並列に接続した積層
   型電気・歪変換素子において、 前記セラミック素材の表裏面には前記内部電極の前記外
   部電極が接続される接続端縁部を除く周囲全体を取り囲
   む絶縁物質がそれぞれ形成されており、かつ前記外部電
   極が接続される表面側および裏面側内部電極の接続端縁
   部は互いに位置関係が異なることを特徴とする積層型電
   気・歪変換素子。
2. 【請求項２】 セラミック素材の表裏面に金属ペースト
   を互いに異なった方向にずらしてそれぞれ塗布すると共
   に、これら表面側および裏面側金属ペーストのずれ側端
   縁部を除く周囲全体を取り囲む絶縁性ガラスペーストを
   それぞれ塗布する工程と、 前記金属ペーストと絶縁性ガラスペーストが塗布された
   前記セラミック素材を交互に向きを異ならせて複数枚積
   層し、前記各ペーストを焼成して内部電極と絶縁物質を
   形成すると共に、積層体を形成する工程と、 前記積層体の側面を研削して各セラミック素材の表面側
   および裏面側内部電極のずれ側端縁部をそれぞれ外部に
   露出させる工程と、 前記積層体の側面で前記表面側および裏面側内部電極の
   ずれ側端縁部が露出された側面部に金属ペーストをそれ
   ぞれ塗布する工程と、 前記金属ペーストを焼成して外部電極を形成し前記各セ
   ラミック素材を電気的に並列に接続する工程と、 を備えたことを特徴とする積層型電気・歪変換素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】 請求項２の方法で製造された積層型電気
   ・歪変換素子を用いたことを特徴とする積層型アクチュ
   エータ。