JPS6127689A - 円筒状圧電セラミツク素子 - 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） 本発明は物体のクランプに用いられる積層圧電セラミッ
ク円筒素子に関する。

（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ャフトをクランプする
ものである。Ｓｌはスイッチである。

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−がセラミック内部に層状に埋め込まれてお
シ、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、
外都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、従って径方向に縮み、中空
内に挿入された円筒形状を有するシャフトをクランプす
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−で問題となる
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、セラミッ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。従って、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、円筒状素子とシャ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１１ｗｎ、肉厚１ｔｍのセ
ラミック素子に６００Ｖ程度の電圧を印加して２〜３μ
の内径の変化を得ている。すなわち図１において、セラ
ミック素子は６００■程度の電圧な印加したとき、径方
向に縮小してシャフトを拘束するることになる。その場
合２〜３μしか縮小しないため、該セラミック素子およ
びシャフトのサイズのバラツキの許容範囲は小さく、セ
ラミック素子とシャフトの均一なかみ合いを得るための
加工、組立等の製造技術は限界に近いものがある。

一方、セラミッ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１しくない。すなわ
ちクランプ素子をより高速に動作させるためには、スイ
ッチ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。セラミック素子の印加電圧を
大きくすることは、等測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、エミッタ、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。スイッ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
なるために、さらに電極の表面積を大きくする工夫が必
要である。従って高速で高耐圧のトランジスタになれば
なる＃１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
スイッチングさせる方法もあるが、ディレィの問題や各
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ャフトを大き
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シ、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。

電子通信学会技術研究報告（Ｕ８８３−８）にて紹介さ
れた小形圧電セラミック素子は積層セラミックコンデン
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
電セラミック板を積層一体化するため、形状的な自由度
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。従来の製瘉技術では、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。

従って第２図に示した中空状積層型圧電素子は、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、素子の横効
果型を利用したものであり、縦効果歪ｆなど効率がよく
ないことである。第２図の中空状＆Ｎ型圧電素子の欠点
について説明する。

第４図は第２図の一層を取シ出して伸展した略図゛であ
る。第４図において１は内部電極層であり、５はセラミ
ックであり矢印は分極を示す。肉厚方向に図に示すごと
く電圧を印加すると電界と平行方向すなわち肉厚方向に
伸び、電界と直角力方向に縮む。電界と平行方向の変位
が縦効果、電界と垂直な方向の変位が横効果と呼ばれ、
横効果の歪量は縦効果の歪量のおよそ１／２程度である
。第２図の素子は第４図の伸展図からも判るように、横
効果を利用して素子を縮ませんとするものであシ、上に
述べたように、圧電素子の歪量を十分に応用していない
欠点を有する。

（発明の目的） 本発明の目的は、圧電素子の叙効果歪が円筒素子の円周
の変化量となるよう積層圧電セラミック円筒素子を形成
することによシ上記欠点を除去し、効率よく低電圧で駆
動でき、生産性を高くコスト安なりランプ素子を提供す
るものである。

（発明の構成） 本発明は圧電セラミックと電極からなる円筒状素子であ
って、円筒の中心軸方向に複数の内部電極が圧電セラミ
ック“を介して所定の間隔で形成されておシ、かつ各内
部電極は円筒状素子の一方の端部において一層おきに外
部電極と接続し、他方の端部において前記以外の内部電
極が一層おきに外部電極と接続しており、該円筒状μ子
の内周面と外周面には絶縁物が形成されていることを特
徴とする円筒状圧電セラミック素子である。

（実施例） 以下本発明を実施の一例に基いて説明する。

第５図は本発明による積層圧電セラミック円筒素子の説
明図であり、一部所面が示しである。第５図において６
は内部電極であり、圧電セラミック素子７の厚み方向の
表裏面に電極が設定され、かつ電極が設けられていない
該圧電セラミック素子の相対する両端面は、円筒素子の
内周面と外周面の一部をそれぞれ形成している。またも
う一つの相対する両端面は円筒素子の両端面の一部をそ
れぞれ形成している。第５図における圧電セラミック素
子７と同様の形状を有する圧電セラミック素子を内部電
極をはさんで多数個積層して一体化した素子の素子端面
で露出している内部電極層を一層おきに絶縁体８で覆い
、この上から外部電極９が設けられている。従って各内
部電極層は互に電気的に並列に接続されることになる。

セラミック部分は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円筒
素子の円周方向に伸び、従って径方向に伸びる。原理的
には第５図における内部電極間隙を小さくするほど２つ
の内部電極間のセラミックの形状は直方体に近くなり、
セラミックの内部電界強度も均一になるため、縦効果歪
が均一となって信頼性が高い積層圧電セラミック円筒素
子が形成できる。本実施例の積層圧電セラミック円筒素
子の内径は１１蛎であシ、外径は１３ｗｎであり、内部
電極間隔は１００μｍ、高さは５鰭、電極９の厚みは３
μｍである。円筒素子の内周面および外周面には内部電
極が短絡しないように５０μの厚さの絶縁物が付着され
ている。本中空状積層型圧電素子は６０Ｖ程度の電圧を
印加して４〜６μ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１／１ｏ
の電圧で約２倍の変位量のクランプ素子が得られた。

本積層圧電セラミック円筒素子の製造方法を第６図を用
いて説明する。第６図において１１は融点１５０℃のス
ズ−鉛合金からなる同心円状受台であるａ核間心円状受
台のリング状溝部分の内外周面および溝の底および溝縁
の一部は肉厚０．５−の白金板１２で覆われている。以
上述べた白金板１２で覆われたリング状溝部分の内径は
１１　ｍ　。

外径１３昭、深さは１０胡である。第６図において、１
３はスリップキャスティング法で作成した肉厚１００μ
ｍ、横巾が１　ｍｍ　、長さが５．５門のグリーンシー
トに、転写法で肉厚３μｍの内部電極を設けた素片であ
る。内部電極はグリーンシートの横巾と長さで形成され
る２つの表面積部分に形成されている。該素片は上に述
べたリング状溝部分の円周方向に３２５個、該素片の内
部電極部分が隣接した素片の内部電極部分とコンパクト
に接するように設置される。

以上述べたように設置した後、第６図に示す加圧器１３
を用いて０．２５ｔｏｎ／ｉ程度の圧力が加えられ、１
１０℃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１３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同心円状受台１１は
、焼成時に溶融するので取シ除くことができる。このよ
うにして得られた積層圧電セラミック円筒素子の露出し
ている内部電極層を前に第５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
して本発明の積層圧電セラミック円筒素子が得られる。

以上述べたように本積層圧電セラミック円筒素子の製造
は、上に記した圧電セラミックとこれをはさむように形
成された電極からなる素子を複数個集めて圧着するため
の同心円状受台と加圧器を用意するだけで前に記した積
層セラミッ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も
安く行える。

（発明の詳細な説明） 本発明は以上説明したように、圧電セラミック素子の厚
み方向の表裏面に電極が設定され、かつ電極が設けられ
ていない該圧電セラミック集子の相対する両端面は、円
筒素子の内周面と外周面の一部をそれぞれ形成できる素
子を多数個積層して一体化した素子の端面で露出してい
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、かつ円筒素子の内周面および外周面には
内部電極が短絡しないように絶縁物を付着した構成を有
するノこめ、 ■）効率よく高歪量が採り出せる縦効果を利用できるた
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）一体焼成タイブの積層素子のため、量産性、信頼性
が高い。

３）上記理由により駆動回路の小型化が可能である。

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＠層型クランプ素子の断面概略図、第３図
は電力用の合金型接合トランジスタの構成図、第４図は
圧電素子の縦効果と横効果を説明するための図、第５図
は本発明の積層圧電セラミック円筒素子の説明図、第６
図は積層圧電セラミック円筒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・・・外部電極　　　　５・・・・・・セラミッ
ク６・・・・・・内部電極層　　　７・旧・・セラミッ
ク８・・・・・・絶縁体　　　　　９・・・・・・外部
電極３０・・・・・・エミッタ　　　３１・旧・・コレ
クタ３２・・・・・・ベース　　　　１１・・・・・・
同心円状受台１２・・・・・・白金板 １３・・・・・・電極伺着セラミック素片７１　図 ７１−２　図 ７１−３　　図 （ａ）　　　　３２ （ｂ） ７１′５　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電セラミックと電極からなる円筒状素子であって、
   円筒の中心軸方向に複数の内部電極が圧電セラミックを
   介して所定の間隔で形成されており、かつ各内部電極は
   円筒状素子の一方の端部において一層おきに外部電極と
   接続し、他方の端部において前記以外の内部電極が一層
   おきに外部電極と接続しており、該円筒状素子の内周面
   と外周面には絶縁物が形成されていることを特徴とする
   円筒状圧電セラミック素子。