JP2941456B2 - 積層型変位素子 - Google Patents
積層型変位素子Info
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- JP2941456B2 JP2941456B2 JP3036910A JP3691091A JP2941456B2 JP 2941456 B2 JP2941456 B2 JP 2941456B2 JP 3036910 A JP3036910 A JP 3036910A JP 3691091 A JP3691091 A JP 3691091A JP 2941456 B2 JP2941456 B2 JP 2941456B2
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- piezoelectric element
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットのアク
チュエータ、超音波モーター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。
チュエータ、超音波モーター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ステージの位置決め機構や制動ブレーキ等に用い
られている。
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ステージの位置決め機構や制動ブレーキ等に用い
られている。
【０００３】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部密着性に優れ
ている。
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部密着性に優れ
ている。
【０００４】図７は上記積層型変位素子の構成例であ
り、いわゆる交互電極型と称されるものである。図７に
おいて、１は薄板であり圧電セラミックス材料により形
成し、正負の内部電極２ａ，２ｂを交互に積層する。内
部電極２ａ，２ｂは各々一方の端縁部が外方に突出若し
くは露出するように形成し、各々外部電極３ａ，３ｂと
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、薄板１は圧電セラミックス材料の縦効果に
より厚さ方向に延びて変位を発生する。
り、いわゆる交互電極型と称されるものである。図７に
おいて、１は薄板であり圧電セラミックス材料により形
成し、正負の内部電極２ａ，２ｂを交互に積層する。内
部電極２ａ，２ｂは各々一方の端縁部が外方に突出若し
くは露出するように形成し、各々外部電極３ａ，３ｂと
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、薄板１は圧電セラミックス材料の縦効果に
より厚さ方向に延びて変位を発生する。
【０００５】次に図８に示すものは他の積層型変位素子
の例であり、圧電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５８−１９６
０６８号公報参照）。図８において同一部分は前記図７
と同一の参照記号で示すが、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、所用枚数を前記同
様に形成する。次に上記のように形成した積層体５の一
の側面において、内部電極２ａ，２ｂの端部に一層おき
に（例えば内部電極２ｂのみに）絶縁材料からなる被覆
４を設けると共に、被覆４の上から導電材料からなる外
部電極を被着させる。積層体５の他の側面においては、
上記被覆４を設けなかった内部電極（例えば２ａ）の端
縁に前記と同様に被覆４を設け、その上から外部電極
（例えば３ａ）を被着させるのである。
の例であり、圧電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５８−１９６
０６８号公報参照）。図８において同一部分は前記図７
と同一の参照記号で示すが、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、所用枚数を前記同
様に形成する。次に上記のように形成した積層体５の一
の側面において、内部電極２ａ，２ｂの端部に一層おき
に（例えば内部電極２ｂのみに）絶縁材料からなる被覆
４を設けると共に、被覆４の上から導電材料からなる外
部電極を被着させる。積層体５の他の側面においては、
上記被覆４を設けなかった内部電極（例えば２ａ）の端
縁に前記と同様に被覆４を設け、その上から外部電極
（例えば３ａ）を被着させるのである。
【０００６】更に上記全面電極型のものにおける外部電
極の形成手段として図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すもの
が提案されている（例えば特開昭６１−１０２０７８
号、同６１−１７４６８１号公報参照）。図９において
外部電極を形成するには、まず図９（ａ）に示すように
積層体５の側面に絶縁材料からなる被覆４を塗布焼結し
た後、図９（ｂ）に示すように自動カッティングマシン
等により、例えば内部電極２ａに沿って、かつ内部電極
２ａが露出するように複数個の溝を設ける。次に図９
（ｃ）に示すように外部電極３ａを塗布焼結するのであ
る。なお内部電極２ｂも同様にして外部電極３ｂ（図示
せず）と接続する。
極の形成手段として図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すもの
が提案されている（例えば特開昭６１−１０２０７８
号、同６１−１７４６８１号公報参照）。図９において
外部電極を形成するには、まず図９（ａ）に示すように
積層体５の側面に絶縁材料からなる被覆４を塗布焼結し
た後、図９（ｂ）に示すように自動カッティングマシン
等により、例えば内部電極２ａに沿って、かつ内部電極
２ａが露出するように複数個の溝を設ける。次に図９
（ｃ）に示すように外部電極３ａを塗布焼結するのであ
る。なお内部電極２ｂも同様にして外部電極３ｂ（図示
せず）と接続する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】まず前記図７に示すも
のにおいては、内部電極２ａ，２ｂの重合する部分が変
位部ａを形成するのであるが、周辺部においては内部電
極２ａ，２ｂが重合しない。このため外部電極３ａ，３
ｂに電圧を印加しても、変位部ａは変位するが、非変位
部ｂは変位しないので、その境界部には大きな歪が発生
して応力が集中し、薄板１若しくは素子全体が割れると
いう問題点がある。また、図８及び図９に示す構成の全
面電極型においては、上記のような非変位部が存在しな
いため応力の作用による不都合は発生しない。しかしな
がら上記第８図に示す構成のものにおいては、内部電極
２ａ，２ｂの端縁の全幅に亘って絶縁材料からなる被覆
を設ける必要があるため、煩雑な作業を要する。
のにおいては、内部電極２ａ，２ｂの重合する部分が変
位部ａを形成するのであるが、周辺部においては内部電
極２ａ，２ｂが重合しない。このため外部電極３ａ，３
ｂに電圧を印加しても、変位部ａは変位するが、非変位
部ｂは変位しないので、その境界部には大きな歪が発生
して応力が集中し、薄板１若しくは素子全体が割れると
いう問題点がある。また、図８及び図９に示す構成の全
面電極型においては、上記のような非変位部が存在しな
いため応力の作用による不都合は発生しない。しかしな
がら上記第８図に示す構成のものにおいては、内部電極
２ａ，２ｂの端縁の全幅に亘って絶縁材料からなる被覆
を設ける必要があるため、煩雑な作業を要する。
【０００８】また、上記被覆４と内部電極２ａ，２ｂと
は、中心が一致しなければならないが、例えば薄板１お
よび／または内部電極２ａ，２ｂの厚さの誤差累積等に
よって所望の位置に被覆４を形成することができず、絶
縁破壊を生ずるという問題点がある。また、薄板１の厚
さがより薄くなり、１００μｍ以下となった場合には、
内部電極２ａ，２ｂの一層おきに形成すべき被覆４の周
辺部若しくは裾部が不本意に拡大して隣接する内部電極
２ａ若しくは２ｂの端縁をも被覆することとなり、外部
電極３ａ，３ｂとの導通がとれなくなる等の問題点も併
有している。
は、中心が一致しなければならないが、例えば薄板１お
よび／または内部電極２ａ，２ｂの厚さの誤差累積等に
よって所望の位置に被覆４を形成することができず、絶
縁破壊を生ずるという問題点がある。また、薄板１の厚
さがより薄くなり、１００μｍ以下となった場合には、
内部電極２ａ，２ｂの一層おきに形成すべき被覆４の周
辺部若しくは裾部が不本意に拡大して隣接する内部電極
２ａ若しくは２ｂの端縁をも被覆することとなり、外部
電極３ａ，３ｂとの導通がとれなくなる等の問題点も併
有している。
【０００９】一方、図９に示す構成のものにおいても、
溝の形成に際しては、それらの位置決めが困難であるこ
とは前記図８に示したものと同様である。また内部電極
２ａ，２ｂは薄板１と共に積層、圧着されるため端片部
は湾曲しており、内部電極２ａ，２ｂの存在しない個所
に溝を形成することがあり、電圧印加時における絶縁破
壊の原因となる等の問題点がある。
溝の形成に際しては、それらの位置決めが困難であるこ
とは前記図８に示したものと同様である。また内部電極
２ａ，２ｂは薄板１と共に積層、圧着されるため端片部
は湾曲しており、内部電極２ａ，２ｂの存在しない個所
に溝を形成することがあり、電圧印加時における絶縁破
壊の原因となる等の問題点がある。
【００１０】本発明は、上記従来技術に存在する問題点
を解決し、圧電変換効率が高く、信頼性が高くかつ量産
性に優れた積層型変位素子を提供することを目的とする
ものである。
を解決し、圧電変換効率が高く、信頼性が高くかつ量産
性に優れた積層型変位素子を提供することを目的とする
ものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明においては、電気機械変換材料からなる薄板
と内部電極とを交互に積層し、各内部電極を一層おきに
同一の外部電極に接続させることにより一つの積層型圧
電素子ユニットが構成され、積層方向に挟着力が作用す
るように形成された挟着部材を設け、複数の前記積層型
圧電素子ユニットが縦方向に挟着され、各圧電素子ユニ
ット間の電気接続の為の導体手段を具備する、という技
術的手段を採用した。
に、本発明においては、電気機械変換材料からなる薄板
と内部電極とを交互に積層し、各内部電極を一層おきに
同一の外部電極に接続させることにより一つの積層型圧
電素子ユニットが構成され、積層方向に挟着力が作用す
るように形成された挟着部材を設け、複数の前記積層型
圧電素子ユニットが縦方向に挟着され、各圧電素子ユニ
ット間の電気接続の為の導体手段を具備する、という技
術的手段を採用した。
【００１２】
【作用】上記の構成により、内部電極と外部電極との接
続を容易かつ確実に行うことができると共に、圧電素子
ユニット間は挟着力のみで接続されているから、各ユニ
ットの上下面で応力を緩和させることにより薄板１若し
くは素子全体へのクラックの発生をなくし、素子の寿命
をのばすことができる。
続を容易かつ確実に行うことができると共に、圧電素子
ユニット間は挟着力のみで接続されているから、各ユニ
ットの上下面で応力を緩和させることにより薄板１若し
くは素子全体へのクラックの発生をなくし、素子の寿命
をのばすことができる。
【００１３】
【実施例】（実施例１）図１は本発明に於ける圧電素子
ユニットの斜視図を示す。圧電素子ユニットは例えば以
下の工程により作成する。Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3粉末
に、有機バインダーとしてＰＶＢ、可塑剤としてＢＰＢ
Ｇ、有機溶剤としてトリクレンを各々添加して混合し、
この混合材料をドクターブレード法により厚さ１００μ
ｍのシート上の薄板１に形成する。次いでこの薄板１の
表面に銀・パラジウムペーストをスクリーン印刷して内
部電極２を形成した。所定枚数の薄板１を積層、圧着し
て一体化した後、１１５０〜１２５０℃の温度で焼結し
た。焼結後の薄板１の厚みは約９０μｍである。焼結後
外部電極３を設けて交互電極型構造の圧電素子ユニット
６を作成した。
ユニットの斜視図を示す。圧電素子ユニットは例えば以
下の工程により作成する。Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3粉末
に、有機バインダーとしてＰＶＢ、可塑剤としてＢＰＢ
Ｇ、有機溶剤としてトリクレンを各々添加して混合し、
この混合材料をドクターブレード法により厚さ１００μ
ｍのシート上の薄板１に形成する。次いでこの薄板１の
表面に銀・パラジウムペーストをスクリーン印刷して内
部電極２を形成した。所定枚数の薄板１を積層、圧着し
て一体化した後、１１５０〜１２５０℃の温度で焼結し
た。焼結後の薄板１の厚みは約９０μｍである。焼結後
外部電極３を設けて交互電極型構造の圧電素子ユニット
６を作成した。
【００１４】図４は図１に示す交互電極型構造の圧電素
子ユニットの要部拡大説明図、図５は横方向位置と主応
力との関係を示す図である。両図に於いて変位部ａと非
変位部ｂの境界部には大なる引張応力が作用する状態が
明らかである。しかもこの引張応力は薄板１の積層数が
増大するにつれて増大する。なお、図５に於ける曲線に
添記した数字は積層数を示す。積層枚数が３０枚以下の
場合には主応力は６ｋｇｆ／ｍｍ2以下と積層型変位素
子の破壊応力（約７ｋｇｆ／ｍｍ2）以下で、かつ応力
発生領域も小さく、積層型変位素子は破壊しない。
子ユニットの要部拡大説明図、図５は横方向位置と主応
力との関係を示す図である。両図に於いて変位部ａと非
変位部ｂの境界部には大なる引張応力が作用する状態が
明らかである。しかもこの引張応力は薄板１の積層数が
増大するにつれて増大する。なお、図５に於ける曲線に
添記した数字は積層数を示す。積層枚数が３０枚以下の
場合には主応力は６ｋｇｆ／ｍｍ2以下と積層型変位素
子の破壊応力（約７ｋｇｆ／ｍｍ2）以下で、かつ応力
発生領域も小さく、積層型変位素子は破壊しない。
【００１５】積層数を２５層とした１０×１０ｍｍ角の
圧電素子ユニット６を作成し、図２に示す内面が絶縁コ
ーティングされたケース７及びキャップ９の中に圧電素
子ユニット６を６ヶ、１０ｋｇｆ／ｃｍ2の荷重を加え
て挟着した。各圧電素子ユニットはリード線１０で接続
し、かつ絶縁板８ａ、８ｂ間に挟み込み、積層型変位素
子１２を作成した。
圧電素子ユニット６を作成し、図２に示す内面が絶縁コ
ーティングされたケース７及びキャップ９の中に圧電素
子ユニット６を６ヶ、１０ｋｇｆ／ｃｍ2の荷重を加え
て挟着した。各圧電素子ユニットはリード線１０で接続
し、かつ絶縁板８ａ、８ｂ間に挟み込み、積層型変位素
子１２を作成した。
【００１６】上記のようにして作成した積層型圧電素子
１２に１５０Ｖの電圧を印加して分極処理を行い特性を
評価した。図６は変位量と駆動回数の関係を示す図であ
る。なお、比較例として、図７に示す従来構造の素子の
関係も載せた。図７から明らかなように本実施例を示す
Ａは比較例のものを示すＢより駆動回数すなわち寿命が
大幅に向上していることが認められる。なお、図６に於
けるＢ1は積層型変位素子のクラックにより、外部電極
が断線した点である。
１２に１５０Ｖの電圧を印加して分極処理を行い特性を
評価した。図６は変位量と駆動回数の関係を示す図であ
る。なお、比較例として、図７に示す従来構造の素子の
関係も載せた。図７から明らかなように本実施例を示す
Ａは比較例のものを示すＢより駆動回数すなわち寿命が
大幅に向上していることが認められる。なお、図６に於
けるＢ1は積層型変位素子のクラックにより、外部電極
が断線した点である。
【００１７】（実施例２）図３は本発明の他の実施例を
示す一部切断正面図である。圧電素子ユニット６の中央
部分に超音波加工機により円筒上の穴を設けた。この圧
電素子ユニット６を６ヶ積み重ねて、表面を絶縁処理し
たボルト１３及びナット１４で５ｋｇ・ｃｍの取り付け
トルクで挟着した。各圧電素子ユニットはリード線１０
で接続し、素子表面は絶縁コーティング１５で被覆し、
積層型変位素子１６を作成した。積層変位素子１６の変
位量と駆動回数の関係を調べた結果、実施例１とほぼ同
等の耐久性を示した。
示す一部切断正面図である。圧電素子ユニット６の中央
部分に超音波加工機により円筒上の穴を設けた。この圧
電素子ユニット６を６ヶ積み重ねて、表面を絶縁処理し
たボルト１３及びナット１４で５ｋｇ・ｃｍの取り付け
トルクで挟着した。各圧電素子ユニットはリード線１０
で接続し、素子表面は絶縁コーティング１５で被覆し、
積層型変位素子１６を作成した。積層変位素子１６の変
位量と駆動回数の関係を調べた結果、実施例１とほぼ同
等の耐久性を示した。
【００１８】
【発明の効果】本発明は以上のような構成および作用で
あるから、基本的には作成が極めて容易な交互電極型の
構成でありながら寿命を大幅に向上させることができ
る。
あるから、基本的には作成が極めて容易な交互電極型の
構成でありながら寿命を大幅に向上させることができ
る。
【図１】図１は、本発明の実施例における圧電素子ユニ
ットを示す斜視図である。
ットを示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施例を示す一部切断正面図
である。
である。
【図３】図３は、本発明の実施例を示す一部切断正面図
である。
である。
【図４】図４は、第７図に示す積層型変位素子の要部拡
大説明図である。
大説明図である。
【図５】図５は、横方向位置と主応力との関係を示す図
である。
である。
【図６】図６は、本実施例と従来構造の場合の変位量と
駆動回数の関係を示す図である。
駆動回数の関係を示す図である。
【図７】図７は、従来の積層型変位素子を示す要部斜視
図である。
図である。
【図８】図８は、従来の積層型変位素子を示す要部斜視
図である。
図である。
【図９】図９は、従来の外部電極形成手段を示す説明図
である。
である。
１ 薄板 ２ 内部電極 ３ 外部電極 ４ 被覆 ５ 積層体 ６ 圧電素子ユニット ７ ケース ８ 絶縁板 ９ キャップ １０ リード線 １３ ボルト １４ ナット １５ コーティング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−33980（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 41/083
Claims (1)
- 【請求項１】 電気機械変換材料からなる薄板と内部電
極とを交互に積層し、各内部電極を一層おきに同一の外
部電極に接続させることにより一つの積層型圧電素子ユ
ニットが構成され、積層方向に挟着力が作用するように
形成された挟着部材を設け、複数の前記積層型圧電素子
ユニットが縦方向に挟着され、各圧電素子ユニット間の
電気接続の為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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3036910A JP2941456B2 (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 積層型変位素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3036910A JP2941456B2 (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 積層型変位素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04255275A JPH04255275A (ja) | 1992-09-10 |
| JP2941456B2 true JP2941456B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=12482934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3036910A Expired - Fee Related JP2941456B2 (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 積層型変位素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2941456B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5859774B2 (ja) * | 2011-08-29 | 2016-02-16 | 株式会社日本セラテック | 圧電アクチュエータ |
-
1991
- 1991-02-06 JP JP3036910A patent/JP2941456B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04255275A (ja) | 1992-09-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |