JPH03104290A - 積層体連結型圧電素子 - 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〕 本発明は各種メカトロニクス機器にアクデュエータとし
て用いられる積層体連結型圧電素子Ｃこ関する。

〔従来の技術〕

近年メカトロニクス機器が急速に発展し、これに伴なっ
て例えばロボνトなどを躯動し、微小な変位や発生力を
利用した制御装置として用いられる圧電アクテエエータ
の開発も盛んである。特に厚さ方回に分極された圧電セ
ラミックス板をその分極方回が互いに対向するようにス
タククとじて積み重ね、圧電セラミックス板の電界誘起
歪を発生させる積層型圧！素子は、小さな電圧によって
大きな変位を得ることができるのでその有用性が注目さ
れている。

この種の積層型圧電素子は例えば第６図（ω，（ｂ）に
その構造模式図で示したものが知られている。

第６図（ａ）は模式平面図，第６図（ｂ）は第６図（ω
のＡ−Ａ’線における断面を表わす模式断面図である。

第６図（ａｔ　，　（ｂ）において、この積層型圧′亀
素子はジルコン酸チタン酸鉛などの圧電セラミタクス板
ｌと導電性をもつ内部電極層２が交互に槓層された積層
体の上下両端面に、内部電極層２を介して電気絶縁性の
保護層３を設けてあり、積層体の互いに平行な両側面で
は、内部電極層２を一層おきに機械加工により形成した
スリタトに絶縁層４を充填することにより電気的に絶縁
し、積層体の全側面は表面保護層５によって被覆され、
さらに積層体の平行側面にそれぞれ取り付けた二つの外
部電極６によって谷内部電極層２が電気的に並列接続さ
れた構造となっている。そして二つの外ｉｔ極６にはそ
れぞれリード線７を接続し、このリード線７が導かれる
図示してない直流電源の端子８ａ，８ｂＩｃ極性の異な
る電圧を印加したとき、圧電セラミックス板ｌ内に生じ
た電界のために、圧電セラミックス板１に圧電縦効果に
よる伸び歪が積層方向に発生し、各圧電セラミックス＃
Ｌ１の歪は相加されて積層体全体として大きな伸び歪が
生ずるのである。

この８ｔｌｍ　ｆｉ圧電素子は次のようにして作製され
る。まず高い圧電歪定数（　ｄ３３）を有し、ｐｂＴｉ
Ｏｓ−ＰｂＺｒＯｓ　−Ｐｂ　（Ｎｓ　，　Ｎｂ　）Ｏ
ｓもしくはＰｂＴｉＯｓ−ＰｂＺｒＯａ−　Ｐｂ　（　
Ｍｇ　ｓ　Ｎ　ｓ　）　Ｏ　ｓからなる圧電セラミック
ス板の原料粉末を用いて、成形，焼成，研磨などの過程
によって例えば直径２０關，厚さ０．５１一程度の円板
状の圧電セラミックス板ｌを得、この圧電セラミックス
板ｌの表裏面にガラスフリット入りの銀べ一ストを塗布
して約６００℃で焼き付けて内部電極Ｎ２とし、この状
態のものを約（資）枚同心状に槓み重ね、上下両端面に
圧電セラミックス板１と同じ組或をもつ同径の厚さ３〜
４１鵬の保護層３を置いて圧力を加えながら加熱するこ
とにより、圧電セラミックス板ｌと内部電極層２が交互
に積み重ねられた多層積層体を得る。次にこの積層体の
中心軸に関して互いに反対側に位置する側面を所定の幅
に平面研削し、長手力向に平行な二つの平行側面を形成
する。次いでこの両平行側面に露出している内Ｓｔ極層
２の端面で、一層おきに機械加工により深さ，縦方向と
もＱ，５ｓｗ＋のスリットをあけるが、谷スリブトの位
置は内部電極層２に関して一方の積層体側面に形成した
ときは、他方の積層体側面には形成せず、一層おきに両
側で互い違いとなるようにすることは第６図（ｂ）に示
した通りである。ここで積鳩体のスリット内面を含む全
側面に絶縁材科を刷毛などを用いて塗布する。その絶縁
材料としては、熱硬化型のシリコン系樹脂が膨脹係数が
小さく弾力性に富み、積層型圧電素子の伸縮に追従する
という点で通している。絶縁材科を塗布した後は１２０
℃で２時間力０熱梗化させることにより！ｊＩ／１５体
の各スリットに埋め込まれた絶縁層４と積層体の全側面
を覆う表面保護層５が形成される。しかし、この状態で
は積層体の平行側面は全面が絶縁材料で覆われたままで
あるから平行側面の方は圧電セラミックス板ｌ，内ｍｒ
ｒｔ極層２，絶縁層４の各湖面が同一平面上に露出する
ように、これらを覆っている余分の絶縁材料を研削除去
する。かくして絶縁層４が完全に形成されるが、このと
き各絶縁層４は表面保護層５と一体となって結合したも
のとなる。続いて余分の絶縁材科を除去した積層体の谷
平行側面の上にそれぞれ外部電極６を取り付けるが、そ
の材料は先に用いた熱硬化型樹脂に影響をおよぼさない
ように、例えば常温硬化型のエボキシ樹脂系の導電性接
着剤８塗布する。そして外部電極６にそれぞれリード′
ａ７を接続することにより＠６図（ａｔ　，　（ｂ）に
示した槓層型圧ＩＥ素子を得ることができる。

このような積層型圧醒素子の最大変位量，最大発生力を
大きくするためには、圧電セラミックス板１の槓層枚数
をできるだけ多くすればよい。しかし槓層枚数が増し圧
ＩＥ素子の全長が余りに長くなると、外周面を加工する
際に加えられる押圧力によって積層体が折れてしまう。

外周加工で折れないようにするには積層体の長さを直径
の３倍以下としなければならない。例えば第６図（ａ）
　，　（ｂ）に示した積層型圧電素子は直径２０１Ｉｌ
ｍの圧電セラミックス板１８８０枚積層し全長を５５關
としている。したがって機械加工の済んだ完或された積
層型圧電素子同士を複数個繋ぎ合わせて全長を大きくす
ることも考えられている。しかしながら積層型圧電素子
同士の接続に関しては次のような問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

第７図は第６図（ａ）　，　（ｂ）に示した積層型圧電
素子を２個長手方向に重ね、全長を長くして結線した状
態の槓ｒ一体連結型圧１ＩＬ素子の倶式断面図を第６図
（ａｌ　，　（ｂ）と共通部分に同一符号を用いて表わ
したものであり、Ｃの積層体連結型圧電素子は図示して
ないシリンダー状のケースに挿入して用いられる。問題
はこのようにすると個々の積層型圧１１１Ｅ素子の接触
面における位置ずれが生ずるのを避けられず、所期の変
位量や発生力が得られないことである。また、このよう
にすると全体をケースの中に入れるとき、側面から伸び
るリード線が邪魔になってこれを損傷し絶縁不良を起こ
すこともある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は嘱ぎ合わせによって位置ずれを生ずることなく、良
好な特性を持つ積層体連結型圧電素子を提供すること昏
こある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために本発明の積層体連結型圧電
素子は、個々の積層型圧電素子の長手万向両端の保護層
を凸型として、これを断面Ｈ形セラミνクス継ぎ手を用
いて２個以上の槓層型圧電素子を互いに連結して両端は
凹形セラミ１クス板を嵌め込み、一方平行側面では積層
方向に凹形の切大部を形成して切欠部底面に外部電極を
取り付けでおき、積層体連結後は外ｓｍａに接する導電
性金馬箔とゴムからなるリード部を切欠部に挿入し、切
欠部からリード線を引き出すように構或したものである
。

〔作用〕

以上のように本発明の績屠体連結型圧１ｔ素子は、個々
の槓層型圧電素子を互いの凸形保護層の部分で、断面Ｈ
形の継ぎ手セラミックス板に嵌め込むことにより長手方
向に繋ぎ合わせているので、簡単でかつ連結部における
横方向への積層体の位置ずれを生ずることがない。また
、この連結体の平行側面にはそれぞれ凹形の切欠部を長
手力向に通し、そこに外部電極とこれに接するリード，
絶縁部を設けてあるので、リード線をこの切欠部から引
き出すことも容易であり、連結構造に起因する絶縁不良
を起こすこともなく、優れた特性を有する。

〔実施例〕

以下不発明を実施例に基づき説明する。

第１図は本発明の積層体連結型圧ＩＩＣ素子の要部構成
を示す模式断面図として第７図に比較対応するものであ
り、第２図（ａ）　，　（ｂ）はその繋ぎ合わせに用い
る個々の積層型圧電素子を示すものとして第２図《一は
俣式平面図，第２図（讃は第２図（ａ）のＡ一κ線の断
面８表わす僕式断面図であって、第６図（ａ）　，　（
ｂｌに対応するものであるが，　ｉｒｒｉｅｔ部は省略
してある。第１図と第２図（ａ）　，　（ｂ）も第７図
および第６図（ａ）　，　（ｂ）と共通部分を同一符号
で示してある。

ここでは始めに説明の便宜上第２図（ω，（ｂ）に示し
た積層型圧電素子から述べる。第２図（ａ）　，　（ｂ
）が第６図（ｍｌ，《一と異なる所は中心に凸部を有す
る保護層３ａを用いてあることと、横層体の両平行側面
に凹形の切欠ＩＳ９を形成し、この切欠部９の内面紙部
に露出し同一面を持つ圧電セラミックス板１，内部竃他
層２および絶縁層４の上に、切矢幅と同じ幅の外部竃他
６を設けたことにある。第２図（ａ）　，　（ｂ）の積
層型圧電素子を作製する方法は基本的に第６図（ａ）　
，　（ｂ）　Ｕ）　ｊｉｉ６合と同じであるからその説
明は省略するが、ただ絶縁層４を埋め込んだ後、保護層
３ａとともに凹形の切欠部９を機械加工により形成し、
その凹形内面底部に外部ｔ極６を設ける工程を必要とす
る。

次に第１図はこの積層型圧電素子を例えば２個長手方向
に接続した本発明の積層体連結型の構成を示す模式断面
図であるが、その模式平面図を第３図に示す。以下第１
図，第３図を併用参照して述べる。二つの積層型圧電素
子を長手力向に繋ぎ合わせるためには、第２図（ａｔ　
．　（ｂ）の積層型圧電素子を２個用いて、これらのう
ちでいずれか一方の保護層３ａの凸部をそれぞれＨ型断
面を持ち積層体の切欠部９と整合する切欠Ｎ　９　ａを
形成した継手セラミ，クスｌＯの凹部に、互いに反対方
向から嵌め込むことにより行なう。その後一体となって
連結した二つの檀層型圧電素子の長手方向両端部め保護
層３ａに、積層体の切欠ｓ９と整合する切欠部を形成し
た凹形セラミックス板ｌ１を嵌め込んで、上下両端面を
平面とする。

連結した二つの積層型圧電素子の両側面部は、外部竃極
６と同じ幅を持つＣｕなどの導電性金属箔桧を接着した
キャップ型の絶縁ゴムｌ３からなるリード［１４を切欠
部９に挿入し、外！ｌｓ″ＩＬ極６と導竃性金属箔１２
を全面で接触させる。あらかじめ導電住金属箔１２！こ
半日付けしておいたリード線７は切欠部９の間隙から外
部へ引き出すことができる。

第４図ｔａ）　．　（ｂ）は継手セラミックス板１０の
形状を表わし、４図（ａ）は模式平面図，４図（ｂ）は
４図《ωのＡ−κ線における模式断面図として示す。こ
の継手セラミックス板ｌＯは前述のように切欠部９ａを
形成してある。一状セラミフクス板ｌ１については簡単
な形状であるから図示を省略した。これらのセラミック
ス板は圧電セラミックス板ｌと同じ材料を用いるが、こ
の場合は例えはアルミナ，ジルコニアなどを用いてもよ
く、金型或形し焼或した後に表面を鏡面仕上げするか、
焼結体から直接加工して作製することもできる。

第５図（ａｔ　，　（ｂｌはリード部１４の形状を表わ
し、第５図−》は模式平面図，第５図（ｂ）は第５図（
ａｌ　ｔ１）　Ａ　−κ巌の模式断面図として示す。＠
５図（ａ）　，　（ｂ）における絶縁ゴムｌ３は、必要
な電圧に耐え弾力性の高いゴム材料を用いて型或形もし
くはブロクク状からの加工によってキャップ型に作製し
、これに図のようにリードとしてＣｕなどの導電性金属
箔１２８接着する。

次に以上のようにして得られた２個のｎＩ＃型圧電素子
を素ぎ合わせた槓層体連結型圧電素子について、アクチ
島二一タとしての必！’％性である変位量，発生力を測
定した結果、積層型圧電素子単独の場合に比べてこれら
の値は約２倍になることがわかった。また、室温および
（資）℃において無負荷，実負荷で直ｆｉ　４００　Ｖ
を印加し、ｌ秒間に２回駆動させる耐久試験を行なった
結果では、１０００万回の伸縮作動に対しても何ら異常
を起こすことなく、長時間安定な状態を持続しているの
を確認することができた。これらの試験を通して二つの
積Ｉｆ＃型圧ＩＥ素子の連結部分が損一を受けることも
全くない。

なお第２図，第３図で表わした本発明の積層体連結型圧
’ＭＥ素子は、第２図からわかるように、この素子は単
独の積層型圧電素子の積層方同両端に設けた保護層３ａ
の凸部を利用して、Ｈ型断面を持つ継手セラミックス１
０に同形の積層型圧電素子を弾め込むのであるから、こ
れに用いる積層型圧電素子は２個に限ることなく必要に
応じて任意の数を連結することが可能である。またリー
ド練７は切欠部９を利用して容易に引き出すことができ
るので、ケースへの神入時にも健全な状態のまま保持さ
れており、絶縁性を損なう心配もない。

〔発明の効果〕

アクテ，二一タに用いる積層型圧電素子は特性を向上さ
せるために、積層体を２個以上連結して圧電セラミック
板の積層枚数をできるだけ増すのがよいが、位置ずれな
どの問題が生じ十分に特性向上を果たすことができなか
ったのに対し、本発明では実施例で述べた如く、各積層
体の両端にある保護層を凸型とし、これに断面Ｈ型の継
手セラミックス板を嵌め込んで個々の積Ｎ型圧電素子を
繋ぎ合わせ、＆贋体の平行側面は両側とも凹形の切入部
を形成し、その内面底部に同幅の外部電極とリード部を
設けてリード線を切欠部から引き出すように槓ノ一体連
結型圧ＩＥ：ｉｇ子として構成したことにより、連結部
におけるそれぞれの積層型圧電素子同士の位置ずれを生
ずることなく、リード線の絶縁性も良好であり、従来単
独で可能とする長さを持つ一つの積＃型圧ＩＥ素子に比
べて、極めて高変位．高発生力が得られるとともに優れ
た耐久性も保持することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の積層体連結型圧電素子の構成を示す僕
式断面図、８ｇ２図（一は本発明のｆｌＩｔ層体連結型
圧ｍ素子に用いる一つの積層型圧電素子の模式平面図、
第２図伽）は同じく第２図（一のＡ−ｘ線における模式
断面図、第３図は第１図の本発明の槓／ｍ体連結型圧Ｉ
Ｅ素子の模式平面図、第４図《ωは継手セラミックス板
の模式平面図、第４図（ｂ）は同じ＜＠４図（ａ）のＡ
−ｘ線における模式断面図、第５図（ａｌはリード部の
模式平面図、第５図（ｂｌは同じ１！５図（ａ）のＡ−
Ｘ線における模式断面図、第６図（ａ）は従来の積層型
圧電素子の俣式平面図、第６ＩＩ　（ｂｌは同じく第６
図（ａ）のＡ−κ縁における模式断面図、＠７図は従来
の積層体連結型圧′ｗＬ索子の構戚を示す楔式断面図で
ある。 ｌ：圧竃セラくツクス板、２：内部電極層、３，３ａ　
：保護噛、４：絶縁層、５：表面保護層、６：外部竃極
、７：リード縁、８．８ａ：４源端子、９，９ａ　：切
欠部、ｌＯ：継手セラミックス板、１１：凹形セラミッ
クス板、１２：導電性金属箔、第 ３ 図 −５４８− 第 ７ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）円板状圧電セラミックスと内部電極層を交
   互に多数個積み重ねた積層方向の上下両端に内部電極層
   を介して凸形の保護層を設けた積層体，この積層体に形
   成した積層方向に平行な両側面に露出する各内部電極層
   端面でこれら内部電極層の一層おきに明けたスリットに
   充填した絶縁層とともに形成される表面保護層，積層体
   の平行両側面で積層方向に形成した凹形の切欠部，およ
   びこの切欠部底面に露出する圧電セラミックス板と内部
   電極層と絶縁層とのなす同一平面上に設けた外部電極を
   有する複数個の積層型圧電素子， （ｂ）これら積層型圧電素子の凸形保護層に嵌め込んで
   積層型圧電素子を互いに連結し、積層体の切欠部と整合
   する切欠部を形成した断面Ｈ形の継ぎ手セラミックス板
   ， （ｃ）連結後の各積層型圧電素子の切欠部に挿入し外部
   電極に接する導電性金属箔を接着した絶縁ゴムからなる
   リード部と一つの積層型圧電素子に属する導電性金属箔
   から引き出したリード線，（ｄ）連結後の各積層型圧電
   素子の長手方向両端部となる各凸形保護層に嵌め込み、
   積層体の切欠部と整合する切欠部を形成した凹形セラミ
   ックス板， とを備えてなることを特徴とする積層体連結型圧電素子
   。