JPH0794798A

JPH0794798A - 積層型電気・歪変換素子

Info

Publication number: JPH0794798A
Application number: JP5256340A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Hattori; 徹夫服部; Shunji Watanabe; 俊二渡辺; Shingo Inoue; 新吾井上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】湿気（水分）、ゴミ等の侵入、付着を防止
し、電極間でのセラミック素材表面上におけるマイグレ
ーション、沿面放電の発生等を軽減防止し、信頼性およ
び耐久性を向上させる。【構成】表裏面にそれぞれ電極２，２’が形成された
セラミック素材１を、外部電極板３を介して複数枚積層
接着して積層体１１を製作する。この積層体１１を容器
１３内に収納し、シリコンオイル等からなる絶縁性液体
１２を供給する。絶縁性液体１２は循環器１６によって
容器１３に循環供給される。

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３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板状セラ
ミック圧電体１をリン青銅板製の金属板等からなる外部
電極板３を介して積層接着し、これら外部電極板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。なお、図３にお
いて７は絶縁体であり、不活性な圧電板、アルミナ板等
でよい。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。

【０００４】物質が圧電性を有するか否かは物質のもつ
結晶の対称性で決まり、点対称をもたない結晶構造のも
のが圧電性をもち得る。圧電材料の最も代表的なものと
しては、ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料、例えば
Ｐｂ（Ｔｉ_0.48Ｚｒ_0.52）Ｏ₃ が知られている。このよ
うな圧電材料においては、印加した電界に比例して歪が
発生し、２０％程度のヒステリシスが有るものの０．７
〜１×１０^-3の大きな歪が得られる。一方、対称中心を
もつ結晶は電歪効果（印加した電界の２乗に比例して歪
が発生する）はあるが、圧電性を示さない。このような
電歪材料としては、マグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材
料、例えばＰｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3）Ｏ₃ が知られてお
り、組成を選べば、歪量は圧電材料に比べて減少するも
のの、ヒステリシスを１％程度に抑えることができる。

【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１μｍ／ｍｍ以
上）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）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。

【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、絶縁性に優れ、湿気（水分）、ゴミ等の侵入、付
着を確実に防止し、電極間でのセラミック素材表面上に
おけるマイグレーション、沿面放電の発生等を軽減防止
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
第１の発明に係る積層型電気・歪変換素子は、表裏面に
それぞれ電極が形成された圧電材料または電歪材料から
なるセラミック素材を複数枚積層接着し容器内に封入し
た積層型電気・歪変換素子において、前記容器とセラミ
ック素材との空間に絶縁性液体を循環供給する循環器を
備えたものである。第２の発明に係る積層型電気・歪変
換素子は、上記第１の発明において、前記絶縁性液体が
シリコンオイルである。第３の発明に係る積層型電気・
歪変換素子は、上記第１の発明において、前記絶縁性液
体がフッ素系不活性液体である。

【００１０】

【作用】本発明において、容器はセラミック素材を保護
し、湿気（水分）、ゴミ等がセラミック素材に付着する
のを防止する。循環器は常に新しい絶縁性液体を容器内
に循環供給することで、絶縁性液体の絶縁度を安定に持
続させ、劣化を防止する。絶縁性液体はマイグレーショ
ン、沿面放電の発生を軽減防止すると共に、セラミック
素材を冷却し、使用時の発熱による温度上昇を抑える。
絶縁性液体としてフッ素系不活性液体を用いると、水分
溶解量が小さく、表面張力も小さい絶縁性液体であるた
め、セラミック素材の内部および表面の湿気（水分）、
空隙を取り除き、その空隙をフッ素系不活性液体で置換
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
換素子の一実施例を示す概略断面図、図２は積層体の一
部省略断面図である。なお、図中図３と同一構成部材の
ものに対しては同一符号をもって示す。これらの図にお
いて、本実施例は表裏面にそれぞれ銀ペーストの塗布、
焼成等によって内部電極２，２’が形成されたジルコニ
ウム酸チタン鉛系圧電材料からなる厚さ０．４ｍｍのセ
ラミック素材１と、リン青銅箔等からなる外部電極板３
を交互に所要枚数積層接着し、外部電極板３を一つおき
に同電位になるようリード線４，５によってそれぞれ接
続して積層体１１を作製し、この積層体１１を絶縁性液
体１２が循環供給される容器１３に収納し、積層型電気
・歪変換素子１４を構成したものである。外部電極板３
は、積層に際して一端部がセラミック素材１の側方に交
互に突出するようセラミック素材１間に介在され、その
突出端部に前記各リード線４，５が半田付けによって接
続されている。

【００１２】前記絶縁性液体１２としてはシリコンオイ
ルが用いられ、循環器１６によって容器１３に循環供給
される。シリコンオイルは劣化しにくく、耐久性に優れ
ていることから絶縁性液体１２として好適である。循環
器１６は、絶縁性液体１２の貯蔵容器と、ポンプ（いず
れも図示せず）とを備え、容器１３に可撓性を有する供
給パイプ１７と排出パイプ１８によって接続されてい
る。

【００１３】また、シリコンオイルの代わりにフッ素系
不活性液体の使用も可能である。フッ素系不活性液体と
は、商品名フロン，フレオン，フロリナート等の名称で
呼ばれるポリハロゲン化炭化水素をいう。フッ素系不活
性液体は、水分溶解量がきわめて小さく、表面張力も小
さい絶縁性液体であるため、セラミック素材１の内部お
よび表面の湿気（水分）、空隙を取り除き、その空隙を
完全に絶縁体であるフッ素系不活性液体で置換する。そ
のため、マイグレーション、沿面放電の発生をより効果
的に防止することができる。封入に際しては、積層体１
１を容器１３の中に入れ、フッ素系不活性液体に完全に
溶浸し２時間程度真空脱泡を施し、セラミック素材１の
内部および表面の湿気（水分）、空隙を完全に取り除く
とよい。なお、一般に、フッ素系不活性液体は沸点が低
く、真空脱泡は難しいが、フッ素系不活性液体として住
友スリーエム社製フロリナートＦＣ−７０を用いると、
沸点が２１５°Ｃと高く、２５°Ｃにおける蒸気圧が
０．１Ｔｏｒｒ以下であるため真空脱泡が容易である。

【００１４】前記容器１３は、両端開放の筒体からなる
容器本体１９と、容器本体１９の両端開口部にＯリング
２０を介してそれぞれ摺動可能に嵌合された一対の金属
製蓋部材２１，２２とで構成されている。容器本体１９
の周面適宜箇所には前記供給パイプ１７と排出パイプ１
８の一端が接続されている。前記蓋部材２１，２２は前
記積層体１１の上下面に不活性のセラミックスからなる
絶縁部材２３，２４を介して接合されている。また、図
において上方側の蓋部材２１には２つの挿通孔（図示せ
ず）が形成されており、これらの挿通孔には一端が電源
に接続された外部リード線２５，２６の他端がそれぞれ
挿入され、前記リード線４，５にそれぞれ接続されてい
る。挿通孔と外部リード線２５，２６の隙間はエポキシ
樹脂等によって水密にシールされている。

【００１５】このような構成からなる積層型電気・歪変
換素子１４において、使用時には循環器１６により絶縁
性液体１２が供給パイプ１７と排出パイプ１８を通して
容器１３に循環供給され、積層体１１と容器１３との隙
間に充填される。循環器１６の中の絶縁性液体１２は交
換可能なので、定期的に交換すれば常に新しい絶縁性の
高い絶縁性液体を循環供給することができる。外部リー
ド線２５，２６を電源に接続して高電圧を印加すると、
各セラミック素材１に印加した電界に比例して歪が発生
して積層体１１全体が伸縮し、蓋部材２１，２２を容器
本体１９に沿って移動させるため、積層型電気・歪変換
素子１４を装置可動部を微小駆動させる積層型アクチュ
エータとして用いることができる。

【００１６】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１４においては、容器１３内に絶縁性液
体１２を循環供給しているので、単に絶縁性液体を封入
したものに比べて積層体１１の絶縁が良好である。すな
わち、絶縁性液体１２は、積層型電気・歪変換素子１４
を使用するにしたがい金属部材と容器１３の密閉性の不
完全性からくる酸化あるいは水分や積層体１１の発熱に
よる熱の影響で絶縁度が劣化し、積層体１１の側面に露
出している内部電極２，２’間あるいは内部電極２，
２’と外部電極板３との間に、特に湿性雰囲気において
マイグレーションが発生し放電が起こり、積層型電気・
歪変換素子１４が使用不能になり易い。これに対して、
本発明は常に新しい絶縁性の高い絶縁性液体を循環供給
することができるため、絶縁性に優れ、マイグレーショ
ンの発生、沿面放電の発生を軽減防止することができ、
積層型電気・歪変換素子１４の信頼性および耐久性を向
上させることができる。また、絶縁性液体１２は循環供
給されることで積層体１１を冷却し、使用時の発熱によ
る温度上昇を抑える。

【００１７】なお、上記実施例はセラミック素材１とし
てジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料を用いたが、本
発明はこれに何等特定されるものではなく、例えばマグ
ネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料を用いてもよい。ま
た、本実施例は容器本体１９と蓋部材２１，２２の隙間
をＯリング２０によって密封したが、エポキシ樹脂やシ
リコンオイルを用いる封止やロー付けの方法を用いても
よい。また、セラミック素材の側面に絶縁物質を塗布し
た積層体を使用してもよい。

【００１８】

【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、表裏面に内部電極が設けられた複
数枚のセラミック素材と積層接着して積層体とし、この
積層体を密封容器内に収納し、絶縁性液体を容器内に循
環供給するように構成したので、単に絶縁性液体を容器
に封入した場合に比べて常に新しい絶縁性の高い絶縁性
液体をの使用が可能で、劣化が少なく、マイグレーショ
ン、沿面放電等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、絶縁性液体は
積層体を冷却し、使用時の発熱による温度上昇を抑え、
精度も向上する上、寿命も上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積層型電気・歪変換素子の一実施
例を示す概略断面図である。

【図２】積層体の一部破断拡大断面図である。

【図３】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内部電極２’ 内部電極３外部電極板４リード線５リード線６積層型電気・歪変換素子１１積層体１２絶縁性液体１３容器１４積層型電気・歪変換素子１６循環器１７供給パイプ１８排出パイプ１９容器本体２１蓋部材２２蓋部材２５外部リード線２６外部リード線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表裏面にそれぞれ電極が形成された圧電
材料または電歪材料からなるセラミック素材を複数枚積
層接着し容器内に封入した積層型電気・歪変換素子にお
いて、前記容器とセラミック素材との空間に絶縁性液体を循環
供給する循環器を備えたことを特徴とする積層型電気・
歪変換素子。
【請求項２】請求項１記載の積層型電気・歪変換素子
において、前記絶縁性液体がシリコンオイルであることを特徴とす
る積層型電気・歪変換素子。
【請求項３】請求項１記載の積層型電気・歪変換素子
において、前記絶縁性液体がフッ素系不活性液体であることを特徴
とする積層型電気・歪変換素子。