(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１の表面に形成された外部電極２，３に接触される金属箔４，５と、金属箔４，５の背面側を支持する弾性部材６，７とを備える電圧印加用治具である。積層アクチュエータ１の外部電極２，３と弾性部材６，７の間に金属箔４，５を挟み込んだ状態で電圧の印加を行う。金属箔４，５は、弾性部材６，７で背面を支持されることにより、外部電極２，３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表面に形成された外部電極に接触される金属箔と、当該金属箔の背面側を支持する弾性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】
前記弾性部材は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３において規定されるデュロメータ硬さ試験タイプＥ（低硬さ用試験）に従って測定されるデュロメータ硬さが１〜８０であ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】
前記デュロメータ硬さが５〜４０であ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】
前記弾性部材は、樹脂発泡体により形成されている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】
前記弾性部材は、シリコン樹脂発泡体により形成されていることを特徴とする請求項４記載の電圧印加用治具。
【請求項６】
前記金属箔が金箔または白金箔であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項７】
前記金属箔の厚さが５μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項８】
前記弾性部材の厚さが５ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項９】
前記弾性部材の背面側に剛性を有する支持基板が配され、当該支持基板の背面側において前記金属箔にリード線が固定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の電圧印加用治具。
【請求項１０】
前記支持基板により前記金属箔間に挟持された積層アクチュエータを加圧支持する加圧機構を有することを特徴とする請求項９記載の電圧印加用治具。
【請求項１１】
積層アクチュエータの表面に形成された外部電極に金属箔を接触させるとともに、当該金属箔の背面側から弾性部材により支持し、前記積層アクチュエータの外部電極と前記弾性部材の間に金属箔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１２】
変位測定用の電圧を印加することを特徴とする請求項１１記載の電圧印加方法。
【請求項１３】
圧電特性測定用の電圧を印加することを特徴とする請求項１１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、変位測定や圧電特性の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においては、作製後に変位測定や圧電特性、電気特性（高温抵抗等）、信頼性試験等を行う必要があり、例えば変位測定では、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ことが行われる。また、変位測定に限らず、前記圧電特性や電気特性の測定や、信頼性試験においては、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生ずる。
【０００４】
従来、積層アクチュエータ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電圧印加方法としては、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（電圧の印加）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、板バネを利用して電圧印加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表面に形成された外部電極に接触される金属箔と、当該金属箔の背面側を支持する弾性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表面に形成された外部電極に金属箔を接触させるとともに、当該金属箔の背面側から弾性部材により支持し、前記積層アクチュエータの外部電極と前記弾性部材の間に金属箔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弾性部材の間に金属箔が挟み込まれ、電圧印加用の電極（端子）として機能する。ここで、前記金属箔は、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し、弾性部材によって背面側から押圧支持された場合、当該弾性部材も外部電極の表面形状に倣って自在に変形することと相俟って、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。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、前記金属箔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、これに追従して金属箔や弾性部材が変形し、前記外部電極に全面接触した状態が維持される。
【００１５】
本発明においては、前記弾性部材が積層アクチュエータの外部電極の歪みや変形に対する緩衝材として機能するが、積層アクチュエータにおいて端子の接続に緩衝材を用いることは、例えば特開２００３−６０２４９号公報等にも開示されている。前記特開２００３−６０２４９号公報には、外部電極と電気的に接続される外部接続端子を導電性の緩衝部材により接続した積層型圧電セラミックが記載されている。
【００１６】
しかしながら、この特開２００３−６０２４９号公報に記載される技術は、製品において外部接続端子を外部電極に接続固定する技術に関するものであり、製造過程で例えば測定用の電圧印加のための電極を接触させることを主旨とする本願発明とは、その考えを大きく異にする。例えば、特開２００３−６０２４９号公報に記載の技術では、外部接続端子は緩衝部材（シリコーンやエポキシ樹脂）により固定されてしまう。したがって、測定後に積層アクチュエータを取り外すことはできない。また、特開２００３−６０２４９号公報に記載の技術では、緩衝部材自体が導電性を有するようにしているので、十分な導電性と緩衝機能とを両立することは難しい。例えば、緩衝部材として銀を重量比率で７０％含有したシリコンを使用しているが、多量の銀を含有するシリコンでは、十分な柔軟性を得ることはできず、積層アクチュエータの変位に対して十分に追随させることは難しい。柔軟性を確保するために銀の含有量を減らすと、接続抵抗が急激に上昇する。
【００１７】
これに対して、本発明の電圧印加用治具、電圧印加方法においては、積層アクチュエータの外部電極に対して金属箔を接触させることで電圧印加を可能としており、外部電極と金属箔とは接触させるだけであるので、電圧印加後（例えば測定後）には簡単に積層アクチュエータを取り外すことができ、その外観を損なうことはない。また、電圧印加のための電極として機能するのは金属箔であり、弾性部材に導電性を持たせる必要がなく、導電性も十分に確保される。さらに、金属箔は変形自在であるため、積層アクチュエータが変形した場合にも外部電極に全面接触した状態が維持される。
【００１８】
その他、積層アクチュエータにおいて、変位を阻害せずに外部電極全体に外部電線を接続する技術は、例えば特表２００３−５０２８６９号公報等にも開示されている。しかしながら、この特表２００３−５０２８６９号公報記載の技術では、網状の金属を接点接続させることが容易ではなく、また先の特開２００３−６０２４９号公報に記載される技術と同様、製品において外部接続端子を外部電極に接続固定するものであり、これをそのまま測定等における電圧印加に適用すると、例えば測定後の積層アクチュエータの取り外しが容易ではない。
【発明の効果】
【００１９】
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金属箔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変位測定における電圧印加を行えば、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】
【００２０】
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。
【００２１】
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、積層アクチュエータ１の外部電極２，３に接触される一対の金属箔４，５と、これら金属箔４，５を背面側から支持する弾性部材６，７と、さらに前記弾性部材６，７の背面側を支持する剛性を有する支持基板８，９とから構成されている。
【００２２】
前記金属箔４，５は、積層アクチュエータ１に電圧を印加する電極として機能するものであり、導電性を有することは勿論であるが、信頼性等の点から酸化し難い材質からなることが好ましい。これらの観点から、例えば金箔や白金箔等が好適である。
【００２３】
また、前記金属箔４，５は、積層アクチュエータ１の外部電極２，３と接触する際に、外部電極２，３の表面の歪みや変形に倣って変形し、良好な接触状態が得られることが必要である。このような観点から、前記金属箔４，５の剛性が高すぎることは好ましくなく、したがってその厚さを適正に設定することが好ましい。具体的には、前記金属箔４，５の厚さを５μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。前記金属箔４，５の厚さが１００μｍを越えると、金属箔４，５の剛性が高くなりすぎ、積層アクチュエータ１の外部電極２，３の表面形状に対応できなくなる可能性がある。前記金属箔４，５の厚さが薄い場合には、柔軟性の点で問題となることはないが、不用意に切断されるおそれがあり、信頼性の点から５μｍ以上とすることが好ましい。
【００２４】
前記金属箔４，５は、積層アクチュエータ１の表面に形成される外部電極２，３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１の積層方向における長さよりも長いことが必要である。金属箔４，５の幅は任意であるが、前記積層アクチュエータ１の外部電極２，３の幅よりも若干小さくすることが好ましい。金属箔４，５の幅が狭すぎると、電気的な抵抗が大きくなるおそれがあり、逆に金属箔４，５の幅が広すぎると、対向する金属箔４，５同士が不用意に接触して短絡するおそれがある。
【００２５】
一方、前記金属箔４，５を背面側から支持する弾性部材６，７は、やはり積層アクチュエータ１の外部電極２，３の表面の歪みや変形等を吸収し得るように柔軟性を有する必要がある。弾性部材６，７の柔軟性が不足すると、金属箔４，５を剛直に支持する形になり、金属箔４，５を外部電極２，３の表面形状に倣って変形させることができず、接触状態が不十分なものとなる可能性がある。
【００２６】
したがって、本発明においては、前記弾性部材６，７として、十分に柔軟性を有する材質を採用することが好ましい。ここで、本発明においては、柔軟性の指標として、日本工業規格ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３において規定されるデュロメータ硬さ試験タイプＥ（低硬さ用試験）に従って測定されるデュロメータ硬さを採用することとする。具体的には、前記弾性部材６，７は、デュロメータ硬さが１〜８０であることが好ましく、５〜４０であることがより好ましい。弾性部材６，７の柔軟性が不足すると、すなわちデュロメータ硬さが８０を越えると、金属箔４，５と外部電極２，３の接触状態が悪化するおそれがあり、また、積層アクチュエータ１の変位を阻害するおそれがある。
【００２７】
前記の条件を満足する材質としては、樹脂発泡体（いわゆるスポンジ）等を挙げることができ、ウレタン樹脂発泡体（いわゆるウレタンスポンジ）やシリコン樹脂発泡体（いわゆるシリコンスポンジ）等が好適である。特に、耐熱性を考慮すると、シリコン樹脂発泡体は好ましい材質である。弾性部材６，７においては、導電性を考慮する必要がなく、柔軟性のみを考慮してその材質、物理的特性等を選定することができ、前記観点にしたがって最適化すればよい。
【００２８】
前記弾性部材６，７の厚さは任意であるが、あまり厚すぎると支持状態が不安定となるおそれがあり、逆に薄すぎるとその柔軟性が十分に活かされない可能性がある。したがって、前記弾性部材６，７の厚さは、５ｍｍ〜１０ｍｍとすることが好ましい。
【００２９】
前記金属箔４，５の背面側を前記弾性部材６，７によって支持した状態で積層アクチュエータ１を挟み込み、金属箔４，５を積層アクチュエータ１の外部電極２，３に接触させるが、金属箔４，５の背面を支持する部材が弾性部材６，７のみであると不安定であり、取り扱いが難しい。そこで、本実施形態においては、弾性部材６，７の背面側に支持基板８，９を配することで、安定な支持状態を得るようにしている。
【００３０】
この場合、支持基板８，９としては、剛性を有する絶縁基板を用いる必要があり、例えばプラスチック基板等を用いることができる。この支持基板８，９は、例えば積層アクチュエータ１の変位に伴って変形することはない。そこで、この支持基板８，９の背面側で前記金属箔４，５に外部リード線１０，１１をはんだ付け等により固定すれば、断線や亀裂等の問題を生ずることなく外部リード線１０，１１の接続が可能になる。
【００３１】
前述の構成の電圧印加用治具を用いて電圧の印加を行う場合、前記金属箔４，５の背面側から弾性部材６，７により押圧し、金属箔４，５と積層アクチュエータ１の外部電極２，３とを密着状態とすることが好ましい。したがって、何らかの加圧機構を設けることが好ましい。
【００３２】
図２は、前記加圧機構を設けた装置構成例である。本例の場合、金属箔４，５及び弾性部材６，７を互いに対向された状態で支持基板８，９を配置し、これらを複数（ここでは４本）のシャフト１２で連結することにより加圧可能としている。すなわち、前記シャフト１２は、例えば先端部分にネジが切られており、回転操作することにより連結される支持基板８，９間の距離が変わる。また、各シャフト１２には、回転操作するための操作ツマミとなる操作部１３が設けられており、これら回転操作することで前記距離を変えることができる。したがって、金属箔４，５間の間隔を広げ、積層アクチュエータ１を挟み込んだ後、前記操作によって支持基板８，９間の距離を狭めれば、前記金属箔４，５が積層アクチュエータ１の外部電極２，３と接触し、加圧保持される。
【００３３】
このとき、積層アクチュエータ１は柔軟性を有する弾性部材６，７によって支えられ、弾性部材６，７と積層アクチュエータ１の外部電極２，３の間に金属箔４，５が挟み込まれた状態となる。そして、弾性部材６，７の有する柔軟性と、金属箔４，５の有する柔軟性とが相俟って、金属箔４，５が外部電極２，３の全面に接触するように押し当てられる。また、弾性部材６，７が緩衝材として機能し、前記金属箔４，５等に適正な圧力が付与され、安定な挟み込み状態が実現される。
【００３４】
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１の変位測定や圧電特性の測定、さらには信頼性試験等に適用することができる。
【００３５】
前述の通り、積層アクチュエータ１の作製過程においては、変位測定や圧電特性、電気特性（高温抵抗等）、信頼性試験等を行う必要があり、例えば変位測定では、積層アクチュエータ１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ことが行われる。また、変位測定に限らず、圧電特性や電気特性の測定や、信頼性試験においては、積層アクチュエータ１に対して所定の電圧を印加する必要が生ずる。
【００３６】
このような測定や試験を行う場合、前記電圧印加用治具を用いることで、安定して電圧印加を行うことが可能である。すなわち、前記電圧印加用治具を用いて電圧の印加を行った場合、金属箔４，５が外部電極２，３の全面に接触しているため、仮に積層アクチュエータ１に亀裂が入って外部電極２，３の途切れが起きても、前記金属箔４，５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、電圧印加時にスパーク等が発生することがない。また、例えば変位測定において、積層アクチュエータ１が変位した場合にも、金属箔４，５及び弾性部材６，７がこれに追従し、良好な電圧印加状態を維持することができる。さらに、金属箔４，５や弾性部材６，７が積層アクチュエータ１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】
【００３７】
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。
【００３８】
実施例
図１及び図２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変位測定を行った。この際、金属箔４，５としては厚さ２０μｍの金箔を用いた。また、弾性部材６，７としては、シリコン樹脂発泡体を用いた。変位測定の際の駆動電圧としては、１Ｈｚ、１５０Ｖｐ−ｐの電圧を印加した。
【００３９】
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、先の実施例と同様の変位測定を行った。
【００４０】
評価結果
先ず、変位測定の結果を図３に示す。図３から明らかなように、実施例、比較例のいずれにおいても、同等の値を示し、電圧印加の方法によらず積層アクチュエータに対して同等の変位測定が可能であることがわかった。
【００４１】
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、測定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変位測定を行った場合、測定できないものの割合（測定不良率）は、比較例では６０％にも達した。実施例では、断線による測定不良は発生せず、前記測定不良率は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、断線が起きても変位測定が適正に行われたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】電圧印加用治具の一例を示す概略平面図である。
【図２】加圧機構を設けた電圧印加用治具の構成例を示す概略斜視図である。
【図３】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】
【００４３】
１  積層アクチュエータ、２，３  外部電極、４，５  金属箔、６，７  弾性部材、８，９  支持基板、１０，１１  外部リード線、１２  シャフト、１３  操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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