(57)【要約】【課題】  歪み等が生ずる積層アクチュエータに対して、スパーク等を発生させることなく、良好な電圧印加を実現する。【解決手段】  積層アクチュエータ４の両側面に形成された一対の外部電極４ａ，４ｂにそれぞれ接触される導電性の板バネ１１，１２と、板バネ１１，１２の背面側を支持する支持部材２，３とを備える。積層アクチュエータ４の外部電極４ａ，４ｂと支持部材２，３の間に板バネ１１，１２を挟み込んだ状態で電圧の印加を行う。板バネ１１，１２は、外部電極４ａ，４ｂに歪み等があった場合にも、その表面に倣って変形し、全面接触状態が実現される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層アクチュエータの両側面に形成された一対の外部電極にそれぞれ接触される導電性の板バネと、当該板バネの背面側を支持する支持部材とを備えることを特徴とする電圧印加用治具。
【請求項２】
前記支持部材による押圧力により前記積層アクチュエータが保持されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加用治具。
【請求項３】
コイルスプリングにより一方の支持部材に前記押圧力が付与されることを特徴とする請求項２記載の電圧印加用治具。
【請求項４】
前記板バネの長さは、前記積層アクチュエータの積層方向における長さよりも長いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項５】
前記積層アクチュエータの板バネと接触しない部分と接して配される絶縁シートを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項６】
前記絶縁シートは、ポリテトラフルオロエチレンシートであることを特徴とする請求項５記載の電圧印加用治具。
【請求項７】
積層アクチュエータの両側面に形成された一対の外部電極にそれぞれ導電性の板バネを接触させるとともに、当該板バネの背面側から支持部材により支持し、前記積層アクチュエータの外部電極と前記支持部材の間に板バネを挟み込んだ状態で電圧の印加を行うことを特徴とする電圧印加方法。
【請求項８】
分極のための電圧を印加することを特徴とする請求項７記載の電圧印加方法。
【請求項９】
変位測定用の電圧を印加することを特徴とする請求項７記載の電圧印加方法。
【請求項１０】
オイル中で前記電圧の印加を行うことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項記載の電圧印加方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分極や変位測定の際に積層アクチュエータに電圧を印加するための電圧印加用治具及び電圧印加方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層アクチュエータは、電圧印加により変位する圧電セラミックスを電極を介して積層することにより構成されるものであり、変位効率や位置精度が高く、応答が高速である等の利点を有し、様々な分野で広く用いられている。
【０００３】
ところで、この種の積層アクチュエータの作製においては、その過程で分極や変位測定を行う必要がある。例えば、圧電セラミックスに圧電性を付与するためには、直流電圧を印加して自発分極の方向を揃える必要があり、積層アクチュエータにおいても分極処理は必須である。また、変位測定では、積層アクチュエータに直流電圧を加えてピエゾ効果により変位（伸び縮み）させ、電圧対変位量を求める。したがって、前記分極や変位測定に際しては、積層アクチュエータに対して所定の電圧を印加する必要がある。
【０００４】
従来、積層アクチュエータの分極や変位測定のために電圧を印加する際には、積層アクチュエータに形成された外部電極にリード線をはんだ付け等の手法により固定し、このリード線を介して電圧印加を行うことが行われている。しかしながら、この方法では、積層アクチュエータに亀裂が入り表面に形成された外部電極が分断された場合、分断された部分でスパークが発生し、積層アクチュエータを損傷するという問題がある。
【０００５】
このような状況から、積層アクチュエータの変位を妨げないように保持する技術や、外部電極の亀裂による断線を極力少なくする技術が数多く報告されている。ただし、その多くは、はんだや樹脂モールド等により積層アクチュエータを固定してしまうものである。はんだによる固定や樹脂モールドによる固定では、その後の外観検査ができなくなる等の不都合がある。
【０００６】
はんだや樹脂モールドにより積層アクチュエータを固定しない分極方法としては、積層アクチュエータを電圧を印加する電極間に挟み込んで行う方法も知られている（例えば、特許文献１等を参照）。特許文献１は、積層型圧電素子の分極工程において、鼓状の変形や内部応力の発生しない、形状寸法精度の優れた積層型圧電素子の製造方法並びに分極方法に関する技術を開示するものであるが、例えば請求項４等に、電圧を印加された電極間に焼成後の圧電素子を挿入することにより、分極を行うことが開示されている。
【０００７】
あるいは、圧電素子を分極する際に、板バネを利用して分極処理を行うことも知られている（例えば、特許文献２や特許文献３等を参照）。例えば、特許文献２には、複数の圧電素子を直列に連結して形成した圧電素子列と、圧電素子列の側面に固着され各圧電素子に電気を伝える内部リード電極と、圧電素子列に装着され各圧電素子に圧縮力を加える予圧ばねとを備えた圧電アクチュエータが開示されており、内部リード電極は素子接合対応部がばね部になっている金属板であり、圧電素子列の各圧電素子は、予圧ばねの圧縮力を受けながら分極処理されることが開示されている。特許文献３には、２個以上の電極が形成された圧電セラミックス素材を所定の温度に昇温し、これら電極間に高電圧を印加して電気分極を行う圧電セラミック分極用治具において、電極板の接触部が円弧状に装着方向に湾曲して、少なくとも２個以上の板ばねを形成し、圧電セラミックの正または負極の電極パターンを把持することを特徴とした圧電セラミック分極用治具が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２６６３３２号公報
【特許文献２】特開２００１−２１１６６７号公報
【特許文献３】実開平７−２９８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、積層アクチュエータの分極や変位測定における電圧印加を考えた場合、前記各特許文献記載の技術では、必ずしも十分とは言えない。積層アクチュエータに対して電圧印加を行う場合、積層方向の寸法が変化しても対応することができ、例えばその表面に形成された外部電極が歪んでいても外部電極に対して全面接触が行えることが必要である。部分的な接触では、前記のように外部電極が分断された場合、スパークの発生等を回避することができない。
【０００９】
前記特許文献１記載の技術のように電圧を印加された電極間に圧電素子を挿入する方法の場合、圧電素子の表面が平坦であれば全面接触が可能であるが、表面が歪んでいると例えば外部電極全面に電極が接触することができない。
【００１０】
一方、特許文献２や特許文献３に記載されるような板ばねを利用した接触では、表面が歪んでいても接触は可能ではあるが、基本的には部分的な接触であって、例えば細長い積層アクチュエータの表面に形成された外部電極に全面接触させることはできない。
【００１１】
本発明は、前述の従来技術に鑑みて提案されたものであり、はんだや樹脂モールド等により積層アクチュエータを固定する必要がなく、積層アクチュエータの表面に形成された外部電極が歪んでいても当該外部電極に対して全面接触が行え、スパーク等を発生させることなく良好な電圧印加を行うことが可能な電圧印加用治具及び電圧印加方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の目的を達成するために、本発明の電圧印加用治具は、積層アクチュエータの両側面に形成された一対の外部電極にそれぞれ接触される導電性の板バネと、当該板バネの背面側を支持する支持部材とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の電圧印加方法は、積層アクチュエータの両側面に形成された一対の外部電極にそれぞれ導電性の板バネを接触させるとともに、当該板バネの背面側から支持部材により支持し、前記積層アクチュエータの外部電極と前記支持部材の間に板バネを挟み込んだ状態で電圧の印加を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、前記の通り、積層アクチュエータの外部電極と支持部材の間に導電性を有する板バネが挟み込まれ、電圧印加用の電極として機能する。ここで、前記板バネは、そのバネ性により積層アクチュエータの外部電極に対して良好な接触状態を示すのみならず、支持部材によって背面側から押圧支持された場合、積層アクチュエータの外部電極の表面形状に倣って自在に変形する。したがって、仮に積層アクチュエータの表面に形成される外部電極が歪みにより変形していても、前記板バネがこれに応じて変形し、全面接触状態が実現される。また、例えば電圧の印加に伴って積層アクチュエータが変形した場合にも、これに追従して板バネが変形し、前記外部電極に全面接触した状態が維持される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、積層アクチュエータの表面に形成される外部電極が歪んでいても電圧印加用の電極となる導電性の板バネを外部電極全体に接触させることができ、仮に積層アクチュエータに亀裂が入り外部電極が断線しても、スパーク等を発生させることなく電圧印加を行うことができる。したがって、本発明により例えば分極処理や変位測定における電圧印加を行えば、分極不良や測定不良を確実に回避することが可能である。また、電圧印加に際して積層アクチュエータをはんだや樹脂モールドにより固定する必要がないので、電圧印加後に外観検査等も可能であり、積層アクチュエータの脱着も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した電圧印加用治具及び電圧印加方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
先ず、図１は、本発明を適用した電圧印加用治具の一例を示すものである。この電圧印加用治具は、絶縁性の支持板１の一端部に固定された第１の支持部材２と、当該第１の支持部材２と対向して配置され、可動状態とされた第２の支持部材３とを備えている。そして、これら第１の支持部材２と第２の支持部材３の間に電圧印加対象となる積層アクチュエータ４を挟み込み、電圧の印加が行われる。
【００１８】
前記第２の支持部材３は、その背面側（第１の支持部材２との対向面の反対側）に２本のシャフト５，６が設けられており、その先端には操作部７が取り付けられている。また、支持板１の前記第１の支持部材２が取り付けられた側縁とは反対側の側縁には、前記シャフト５，６が挿通されるシャフト孔が形成された固定部８が固定されており、前記シャフト孔に前記シャフト５，６を挿通することで、前記第２の支持部材３が前記第１の支持部材２とほぼ平行に支持板１上をスライドするように構成されている。
【００１９】
さらに、前記シャフト５，６には、コイルスプリング９，１０が挿入されており、これらコイルスプリング９，１０により第２の支持部材３に加圧力が付与されている。具体的には、前記コイルスプリング９，１０は、前記固定部８と第２の支持部材３の間に挿入されており、その一端が固定部８に当接し、他端が第２の支持部材３に当接している。したがって、第２の支持部材３は、シャフト５，６に挿入されたコイルスプリング９，１０によって第１の支持部材２に向かって付勢される形になっている。
【００２０】
前記第１の支持部材２と第２の支持部材３の間に積層アクチュエータ４を挟み込むには、前記操作部７を前記コイルスプリング５，６の弾性力に抗して引き、前記第１の支持部材２と第２の支持部材３の間隔を広げる。この状態で第１の支持部材２と接するように積層アクチュエータ４を配置し、前記操作部７を戻す。これにより第１の支持部材２と第２の支持部材３との間隔が狭まり、第１の支持部材２と第２の支持部材３の間に積層アクチュエータ４が挟み込まれ、前記コイルスプリング５，６の弾性力により加圧支持される。
【００２１】
ここで、前記第１の支持部材２や第２の支持部材３は、金属やセラミック等、硬質材料により形成されており、そのまま積層アクチュエータ４の外部電極に接触させた場合、外部電極に歪みや変形等があると、安定に全面接触状態とすることは難しい。そこで、本発明においては、図２に示すように、前記１の支持部材２と積層アクチュエータ４の間、及び第２の支持部材３と積層アクチュエータ４の間にそれぞれ板バネ１１，１２を配し、この板バネ１１，１２を介して電圧を印加するようにしている。
【００２２】
板バネ１１，１２は、積層アクチュエータ４の表面に形成される外部電極に全面接触させる必要があり、したがって、積層アクチュエータ４の積層方向における長さよりも長いことが必要である。また、板バネ１１，１２は、第１の支持部材２や第２の支持部材３によって背面側から押し付けられた時に外部電極の表面形状に倣って変形し得ることが好ましく、したがって、あまり剛直でないことが望まれる。弾性力（ばね定数）に対する要求は厳しくなく、例えば湾曲した板バネ１１，１２を平坦化するのに必要な力を測定した場合に、非常に小さな値であってもよい。
【００２３】
前記板バネ１１，１２は、電圧を印加する電極としても機能するものであるので、導電性を有することが必要であり、前記要求を加味すると、金属の薄板や金属線を編んで薄板状にしたもの、プラスチックフィルムに金属を蒸着したもの等を使用することが可能である。好適な材料としては、リン青銅の薄板や、ステンレスの薄板（厚さ０．２ｍｍ程度）等を挙げることができる。
【００２４】
前記板バネ１１，１２は、電圧を印加するための電極として機能するものであるので、それぞれ電圧印加用の電源と接続する必要がある。したがって、各板バネ１１，１２は、それぞれ第１の支持部材２、あるいは第２の支持部材３にビス１３，１４によってビス止めされ、ここから外部にリード線が引き出され、前記電圧印加用の電源との接続が行われる。
【００２５】
ただし、前記第２の支持部材３が可動であり、ここにリード線を接続すると断線の可能性が生ずる。そこで、本例の場合、前記コイルスプリング５，６を導電性材料により形成し、このコイルスプリング５，６によって電気的に接続した状態で、固定部８からリード線を引き出すようにしている。固定部８からリード線を引き出すようにすれば、リード線の変位による接続部分の亀裂やリード線自体の断線等を防ぐことができる。
【００２６】
図３は、前記板バネ１１，１２の積層アクチュエータ４の外部電極への接続状態を説明するための図面である。積層アクチュエータ４の表面（両側面）には、積層された活性層間に配される各電極層と電気的に接続される外部電極４ａ、４ｂが形成されている。各板バネ１１，１２は、図２に示すように湾曲した形状を有しており、第２の支持部材３を移動して第１の支持部材２との間隔を狭めると、積層アクチュエータ４の各外部電極４ａ，４ｂに対して所定の弾性力をもって押し当てられる。さらに第２の支持部材３により所定の押圧力をもって前記各板バネ１１，１２を外部電極４ａ，４ｂに対して押し付けると、第１の支持部材２と外部電極４ａの間、第２の支持部材３と外部電極４ｂの間にそれぞれ板バネ１１，１２が挟み込まれる。このとき、板バネ１１，１２は、自在に変形し得るので、外部電極４ａ，４ｂの表面形状に倣って変形し、例えば積層アクチュエータ４に歪み等が生じて外部電極４ａ，４ｂの表面が歪んだり変形している場合にも、これら歪みや変形を吸収し、その全面に対して均等に接触する全面接触状態が得られる。
【００２７】
なお、積層アクチュエータ４の外部電極４ａ，４ｂは、それぞれの側面において互いに反対側の端部に位置するように形成されており、これに対応して各板バネ１１，１２も配置されるが、積層アクチュエータ４においては、板バネ１１，１２が接触しない部分（外部電極４ａ，４ｂが形成されていない部分）にも層間の電極の端部等が露呈している。ここに直接板バネ１１，１２が接触したり、何らかの部材が不用意に接触することを防止するために、本例では、この部分と対向するように細長い絶縁シート１５，１６を介在させている。
【００２８】
前記絶縁シート１５，１６は、積層アクチュエータ４の表面を物理的及び電気的に保護する役割を果たすものであり、絶縁性を有することが必要である。また、積層アクチュエータ４の変位等に対応し得ることも要求される。例えば、絶縁シート１５，１６と積層アクチュエータ４の接触部分に大きな摩擦力等が働くと、積層アクチュエータ４の変位の妨げになる可能性がある。これらを考慮すると、絶縁性に優れ、摩擦係数の小さなポリテトラフルオロエチレンシート（いわゆるテフロン（登録商標）シート）等が好適である。また、前記絶縁シート１５，１６の厚さは、前記板バネ１１，１２の厚さよりも若干厚い程度に設定することが好ましい。絶縁シート１５，１６の厚さが厚すぎると、前記板バネ１１，１２の外部電極４ａ，４ｂへの接触の妨げになるおそれがある。
【００２９】
以上の構成を有する電圧印加用治具は、例えば積層アクチュエータ４の分極処理、あるいは変位測定等に用いることができる。
【００３０】
前述の通り、分極処理は、直流電圧を印加して自発分極の方向を揃え圧電性を付与するための工程であり、積層アクチュエータ４の作製において必須の工程である。この分極処理を行うには、数ｋＶ／ｍｍ程度の直流電圧を印加する必要がある。そこで、前記電圧印加用治具を用いて電圧を印加し、分極処理を行う。
【００３１】
積層アクチュエータ４の電圧印加用治具への装着方法は、前述の通りであり、外部電極４ａ，４ｂに板バネ１１，１２を全面接触させ、分極用の電圧の印加を行う。分極処理は、オイル中で電圧を印加する場合があり、本発明の電圧印加用治具を用いた場合にも、オイル中で電圧を印加することが可能である。この場合、例えば温度１５０℃程度のオイル槽内に前記電圧印加用治具を入れ、分極処理（電圧印加）を行えばよい。ただし、この場合には、電圧印加用治具を構成する各部材が耐熱性や耐油性を有することが必要になる。具体的には、前記板バネ１１，１２として金属の薄板（ステンレスの薄板等）を使用し、絶縁シート１５，１６としてポリテトラフルオロエチレンシートを用いればよい。
【００３２】
前記電圧印加用治具を用いて電圧の印加を行った場合、板バネ１１，１２が外部電極４ａ，４ｂの全面に接触しているため、仮に積層アクチュエータ４に亀裂が入って外部電極４ａ，４ｂの途切れが起きても、前記板バネ１１，１２によって導通が確保され、断線状態となることがない。したがって、分極処理時にスパーク等が発生することがない。
【００３３】
積層アクチュエータ４の変位測定についても同様であり、積層アクチュエータ４が変位した場合にも、板バネ１１，１２によって良好な電圧印加状態を維持することができる。また、板バネ１１，１２や絶縁シート１５，１６が積層アクチュエータ４の変位の妨げになることはなく、変位量を的確に把握することが可能である。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
【００３５】
実施例
図１乃至図３に示す電圧印加治具を用い、積層アクチュエータに対して分極処理を行った。この際、板バネとしては、厚さ０．２ｍｍのステンレス板を用いた。絶縁シートには、ポリテトラフルオロエチレンシートを用いた。
【００３６】
比較例
同様の積層アクチュエータの外部電極にリード線をはんだ付けし、これらリード線を介して電圧を印加して分極処理を行った。
【００３７】
評価結果
分極処理した積層アクチュエータについて、先ず、変位測定を行った。結果を図４に示す。図４から明らかなように、実施例、比較例のいずれにおいても、適正に分極処理された積層アクチュエータは、同等の値を示し、電圧印加の方法によらず同等の性能を有する積層アクチュエータが得られることがわかった。
【００３８】
ただし、比較例の場合、積層アクチュエータの外部電極の途切れから断線が起こり、分極できなくなってしまうものが多く見受けられた。実際、５０サンプルについて同様の分極処理を行った場合、分極できないものの割合（分極不良率）は、比較例では４０％にも達した。実施例では、断線による分極不良は発生せず、前記分極不良率は０％であった。実施例において、積層アクチュエータの外観を観察すると、外部電極に断線が起きているものもあったが、本発明の電圧印加用治具を用いることで、断線が起きても分極処理が適正に行われたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】電圧印加用治具の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す電圧印加用治具の平面図である。
【図３】板バネや絶縁シートの配置を示す概略側面図である。
【図４】実施例及び比較例で分極処理した積層アクチュエータの変位測定結果を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  支持板、２  第１の支持部材、３  第２の支持部材、４  積層アクチュエータ、４ａ，４ｂ  外部電極、５，６  シャフト、７  操作部、８  固定部、９，１０  コイルスプリング、１１，１２  板バネ、１４，１５  ビス、１５，１６  絶縁シート
【図１】
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【図２】
2006210427.tif 000004
【図３】
2006210427.tif 000005
【図４】
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