JP2007188948A - 圧電素子及び圧電素子の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電体層の変位を液体に伝達する場合の特性劣化を抑止することができる圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】
圧電素子２は、圧電体層７と、この圧電体層７の変位を液体対象物に伝えるための変位伝達層６とを有している。変位伝達層６はＳｉＯ_２を含有している。変位伝達層６に含有されるＳｉＯ_２は、変位伝達層６の圧電セラミックに固溶せずに粒界に析出して、変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電体層と変位伝達層とを有する圧電素子、及び圧電素子の製造方法に関するものである。

例えば、圧電ブザー、発音体、圧電センサ、圧電アクチュエータなどの圧電部品として、圧電体層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電応用製品が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような積層型圧電応用製品は、小型であり、しかも、小さな電圧で大きな機械的、物理的変位が得られるという利点がある。これらの利点は工業的要求に適応するものであるため、近年、その開発が急速に進展しつつある。

最も一般的な圧電アクチュエータとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分としたセラミック粉体をシート化し、得られたシートにＡｇ及びＰｄで構成されるペーストを印刷し、その後ペーストが印刷されたシートとペーストが印刷されていないシートとを交互に積層して積層体を作製し、この積層体の焼成後に積層体に端子電極を施すというような構成のものである。
特開２００１−２６０３４９号公報

圧電アクチュエータの利用方法としては、圧電アクチュエータに印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦにより発生する微小変位を対象物に伝えることで、その対象物を動作させるというのが一般的である。対象物が固体である場合は、アクチュエータの先端に対象物を取付け、変位を伝達させるだけで良い。しかし、対象物が液体であり、更に圧電アクチュエータの変位伝達面に液体が直接触れる場合には、液体が変位伝達面から圧電アクチュエータ内に含浸し、絶縁不良等といった圧電アクチュエータの特性劣化を引き起こすことがある。

そこで、本発明の目的は、圧電体層の変位を液体に伝達する場合の特性劣化を抑止することができる圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供することである。

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、液体が圧電素子内に含浸し素子の特性劣化を引き起こす原因の一つとして、液体が静電気等によって帯電されることで、素子内部の電極の方向へ液体が引き寄せられる、いわゆる電気浸透現象があることを見出した。このことを防止するためには、例えば、圧電素子の変位伝達面と液体との間に薄板など何らか隔壁を設ける必要がある。しかし、そのような隔壁を設けた場合は、圧電素子の破壊は防止できるが、隔壁を設けた分だけ変位伝達のロスが生じ、液体へ伝達できる変位量が少なくなるという問題があった。隔壁による伝達変位の減少分を補うためには、圧電素子をその分大きくしたり、また積層型の圧電素子の場合には層数を増やしたりする必要があるため、素子の小型化が困難になり、製造コストが高くなるなどの問題がある。

本発明者等は、液体の電気浸透現象を解析した結果、液体は変位伝達層の粒子間の隙間から圧電素子内部へ浸透（侵入）することが分かった。そこで、本発明者等は、更なる検討を行ったところ、変位伝達層を形成する圧電材料にＳｉＯ_２を添加して、変位伝達層の粒子間の隙間を埋めれば、電気浸透現象を防止できることを見出した。本発明は、そのような新たな知見に基づいて為されたものである。

即ち、本発明の圧電素子は、圧電体層と、圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子であって、変位伝達層はＳｉＯ_２を含有していることを特徴とするものである。

このように、変位伝達層にＳｉＯ_２を含有させることにより、ＳｉＯ_２は変位伝達層を形成する圧電材料に固溶せずに粒界に析出するため、結果として、ＳｉＯ_２は変位伝達層の粒子間の隙間を埋めることになる。これにより、圧電体層の変位を液体対象物に伝える場合に、変位伝達層と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。

好ましくは、変位伝達層は、ＳｉＯ_２を０．０３質量％〜３．００質量％含有している。この場合には、圧電体層の変位を液体対象物に伝えるような構成において、圧電素子に電圧を印加した時に発生する絶縁抵抗値の変動を抑制することができると共に、変位伝達層の焼結性を良好にして、圧電アクチュエータとしての品質を向上させることができる。

また、好ましくは、圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミックからなり、変位伝達層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミックにＳｉＯ_２を添加してなる材料からなっている。この場合には、変位伝達層の材料を圧電体層の材料とは別に用意することなく、同じ圧電セラミック材料にＳｉＯ_２を添加するだけで済む。このため、圧電素子の製造を容易に行うことができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、圧電体層と、圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、圧電体層を形成するための第１圧電体ペーストを用意する工程と、圧電材料にＳｉＯ_２を添加してなり、変位伝達層を形成するための第２圧電体ペーストを用意する工程と、第１圧電体ペーストを用いて圧電体層用グリーンシートを形成する工程と、第２圧電体ペーストを用いて変位伝達層用グリーンシートを形成する工程と、圧電体層用グリーンシートと変位伝達層用グリーンシートとを積層して、グリーン積層体を形成する工程と、グリーン積層体を焼成する工程とを含むことを特徴とするものである。

このように、圧電材料にＳｉＯ_２を添加して第２圧電体ペーストを作り、この第２圧電ペーストを用いて変位伝達層用グリーンシートを形成することにより、焼成後においてＳｉＯ_２が含有された変位伝達層が得られる。このＳｉＯ_２は、上述したように、変位伝達層の粒子間の隙間を埋めることになる。これにより、圧電体層の変位を液体対象物に伝える場合に、変位伝達層と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。

本発明によれば、圧電体層の変位を液体に伝達する場合に、帯電した液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。これにより、圧電素子の変位伝達層と液体との間に素子とは別体の隔壁等を設ける必要が無くなるため、素子の小型化及び製造コストの低減化を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る圧電素子及び圧電素子の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係わる圧電素子を備えた圧電アクチュエータ１の一実施形態を示す斜視図であり、図２は、その圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。各図において、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、例えばマイクロポンプユニットに用いられる液体制御用の圧電装置である。

圧電アクチュエータ１は、積層型の圧電素子２と、この圧電素子２の底面に接合された液体流通部３とを備えている。圧電素子２は直方体状の積層体４を有し、積層体４は、活性領域層５と、この活性領域層５の液体流通部３側に配置された変位伝達層６とからなっている。

活性領域層５は、圧電体層７と、この圧電体層７を挟んで対向するように配置され、圧電体層７を伸縮（変位）動作させるための複数の内部個別電極８及び内部コモン電極９とを複数層にわたって有している。各内部個別電極層８及び内部コモン電極９は、圧電体層７を介して交互に積層されている。圧電体層７において、各内部個別電極８と内部コモン電極９とに挟まれた複数の部位は、各内部個別電極８と内部コモン電極９との間に電圧が印加された時に実際に伸縮する圧電活性部７ａを構成している。

積層体４の上面には、各層の複数の内部個別電極８とそれぞれ電気的に接続された複数の個別端子電極１０と、各層の内部コモン電極９と電気的に接続されたコモン端子電極１１とが設けられている。

圧電体層７は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。内部個別電極８及び内部コモン電極９は、例えばＡｇ―Ｐｄ合金で形成され、個別端子電極１０及びコモン端子電極１１は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕのいずれかで形成されている。圧電体層７の厚みは、例えば２０〜５０μｍ程度である。内部個別電極８及び内部コモン電極９の厚みは、例えば０．２〜５．０μｍ程度である。

このような活性領域層５に対して下側に積層された変位伝達層６は、液体流通部３内を流通する液体に圧電体層７の圧電活性部７ａの変位を伝える層である。この変位伝達層６の厚みは、例えば２０〜４０μｍ程度である。このとき、変位伝達層６を圧電体層７よりも薄くすると、圧電体層７の変位が伝わりやすくなり効果的である。

変位伝達層６はＳｉＯ_２を含有している。具体的には、好ましくは、変位伝達層６は、圧電体層７と同一の圧電セラミック材料にＳｉＯ_２が添加されてなるものである。これにより、後述するように変位伝達層６を圧電体層７と同じ工程で作ることができるため、積層体４の製作が容易に行える。

圧電素子２は、具体的には、図３に示すように、複数種類（ここでは５種類）のシート状の電極付きセラミック層１３〜１７を積層した構造を有している。圧電素子２における各層の内部個別電極８は、長方形状の圧電体層７の上面に２次元的に配列されている。

電極付きセラミック層１３は、図４に示すように、圧電体層７の上面に、上記の内部個別電極８に相当する複数の個別電極パターン１８とコモン電極中継パターン１９とを有している。コモン電極中継パターン１９は、圧電体層７の上面の一端部に形成されている。また、電極付きセラミック層１３には、各内部個別電極８と電気的に接続された複数のスルーホール２０と、コモン電極中継パターン１９と電気的に接続されたスルーホール２１とが設けられている。スルーホール２０，２１内には、例えばＡｇ―Ｐｄ合金からなる導電材料が充填されている。

電極付きセラミック層１４は、図５に示すように、上記の電極付きセラミック層１３と同様に、圧電体層７の上面に、複数の個別電極パターン１８とコモン電極中継パターン１９とを有している。電極付きセラミック層１４には、電極付きセラミック層１３と同じスルーホール２１が設けられているが、スルーホール２０は設けられていない。

電極付きセラミック層１５は、図６に示すように、圧電体層７の上面に、上記の内部コモン電極９に相当するコモン電極パターン２２と複数の個別電極中継パターン２３とを有している。コモン電極パターン２２は、各個別電極パターン１８に対応する位置に形成された複数の電極パターン部２２ａと、コモン電極中継パターン１９に対応する位置に形成された電極パターン部２２ｂとを含んでいる。個別電極中継パターン２３は、個別電極パターン１８に対応する位置において電極パターン部２２ａと隣接するように形成されている。また、電極付きセラミック層１５には、各個別電極中継パターン２３と電気的に接続された複数のスルーホール２４と、コモン電極パターン２２と電気的に接続されたスルーホール２５とが設けられている。スルーホール２４，２５内には、導電材料が充填されている。

電極付きセラミック層１６は、図７に示すように、変位伝達層６の上面に、内部コモン電極９に相当するコモン電極パターン２６を有している。電極付きセラミック層１６には、個別電極中継パターン及びスルーホールが設けられていない。なお、コモン電極パターン２６は、電極付きセラミック層１６の上面全面にベタ状に形成しても良い。

電極付きセラミック層１７は、図８に示すように、圧電体層７の上面に、上記の複数の個別端子電極１０とコモン端子電極１１とを有している。個別端子電極１０は、上記の電極付きセラミック層１５の個別電極中継パターン２３に対応する位置に形成されている。コモン端子電極１１は、上記の電極付きセラミック層１３のコモン電極中継パターン１９に対応する位置に形成されている。また、電極付きセラミック層１７には、各個別端子電極１０と電気的に接続された複数のスルーホール２７と、コモン端子電極１１と電気的に接続されたスルーホール２８とが設けられている。スルーホール２７，２８内には、導電材料が充填されている。

図３に戻り、圧電素子２は、上から順にセラミック層１７、セラミック層１５、セラミック層１３、…、セラミック層１５、セラミック層１４及びセラミック層１６を重ねた構造をなしている。そして、個別端子電極１０は、セラミック層１７のスルーホール２７、セラミック層１５の個別電極中継パターン２３及びスルーホール２４、セラミック層１３の個別電極パターン１８及びスルーホール２０を介して、下から２層目のセラミック層１４の個別電極パターン１８と電気的に接続されている。また、コモン端子電極パターン１１は、セラミック層１７のスルーホール２８、セラミック層１５のコモン電極パターン２２及びスルーホール２５、セラミック層１３のコモン電極中継パターン１９及びスルーホール２１、セラミック層１４のコモン電極中継パターン１９及びスルーホール２１を介して、最下層のセラミック層１６のコモン電極パターン２６と電気的に接続されている。

図１及び図２に戻り、各個別端子電極１０及びコモン端子電極１１には、電圧印加用のリード線２９が半田等により接合されている。このリード線２９は、例えばフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）で構成されている。

このような圧電素子２の裏面側つまり変位伝達面１２側に位置する液体流通部３は、圧電体層７の変位が伝達される液体を収容するための複数の液室３０を有している。各液室３０は、各内部個別電極１０に対応する位置に形成されている。液体流通部３の一端側には、各液室３０に液体を導入するための液体流入口３１が設けられている。また、液体流通部３の底部には、圧電体層７の変位が液体に伝わった時に液室３０から液体を流出させる複数の液体流出口３２が設けられている。液体流通部３は、ニッケル合金鋼やクロム合金鋼等の金属系材料、樹脂、セラミック等で形成されている。また、液室３０に導入される液体は、例えば純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものである。

次に、上述した圧電アクチュエータ１を製造する手順について説明する。まず、圧電素子２を以下のように作製する。

即ち、例えばＰＺＴを主成分とした圧電セラミック粉体を用意し、これに有機バインダ・有機溶剤等を混合した圧電セラミックペーストを作製する。そして、ＰＥＴフィルムをキャリアフィルムとしてペーストをシート成形することで、上記の圧電体層７及び変位伝達層６となるセラミックグリーンシートを形成する。ここで、変位伝達層６に用いられるグリーンシートについては、ＰＺＴ材料ペーストを作製する時点で、所定量のＳｉＯ_２を添加する。圧電体層７に用いられるグリーンシートについては、ＳｉＯ_２を添加しない。つまり、圧電体層用セラミックグリーンシートは、ＳｉＯ_２が添加されていない圧電セラミックペースト（第１圧電体ペースト）から作られる。変位伝達層用セラミックグリーンシートは、ＳｉＯ_２が添加された圧電セラミックペースト（第２圧電体ペースト）から作られる。

続いて、例えばＹＡＧの３次高調波レーザ光をグリーンシートの所定位置に対して照射して穴開けを行うことで、グリーンシートにスルーホールを形成する。このとき、スルーホールを、後述する焼成後に穴径が例えば４０〜５０μｍとなるように加工する。そして、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料と有機バインダ・有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、例えばスクリーン印刷法によりスルーホール内に導電ペーストを充填する。

続いて、例えば同様の導電ペーストを用いて、例えばスクリーン印刷法によりグリーンシートの一面に内部電極パターンを形成する。続いて、内部電極パターンが印刷されたグリーンシートを所定の枚数だけ所定の順序で積層する。そして、そのグリーン積層体に対し、例えば６０℃程度の熱を加えながら１００ＭＰａ程度の圧力でプレス加工を行い、各層のグリーンシートを圧着させる。その後、グリーン積層体を所定の寸法に切断する。

続いて、グリーン積層体をセッターに載せ、グリーン積層体の脱脂（脱バインダ）を例えば４００℃前後の温度で１０時間程度行う。その後、グリーン積層体が載置されたセッターを密閉匣鉢内に入れ、グリーン積層体の焼成を例えば１１００℃程度の温度で２時間程度行い、焼結体として上記の積層体４を得る。このとき、変位伝達層６に含有されるＳｉＯ_２が変位伝達層６の圧電セラミックに固溶せずに粒界近傍に析出するため、その結果として、ＳｉＯ_２は変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになる。

続いて、焼成後の積層体４の上面に、例えばＡｇからなる個別端子電極１０及びコモン端子電極１１を形成する。端子電極１０，１１の形成手法としては、焼付、スパッタリング、無電解メッキ法などが用いられる。

続いて、はんだ等により各端子電極１０，１１にリード線２９を接続する。そして、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体層７の厚みに対する電界強度が３ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う。これにより、圧電素子２が完成する。

その後、別に作製した液体流通部３を接着剤により圧電素子２の底面（変位伝達面）１２に貼り付けることにより、圧電アクチュエータ１が得られる。

以上のような圧電アクチュエータ１において、液体流通部３の各液室３０には予め液体が入っており、液体が圧電素子２の底面１２に接触している。その状態で、コモン端子電極１１がＧＮＤ電位となるように何れかの個別端子電極１０とコモン端子電極１１との間にリード線２９を介して所定の電圧を印加すると、選択された個別端子電極１０に対応する内部個別電極８と内部コモン電極９との間に電圧が印加されることとなる。これにより、各層の圧電体層７における当該内部個別電極８と内部コモン電極９との間の部位（圧電活性部７ａ）に電界が生じ、この圧電活性部７ａが積層体４の積層方向に変位するようになる。そして、その圧電活性部７ａの変位が、変位伝達層６を介して対応する液室３０内の液体に伝えられる。これにより、当該液室３０の容積が減少し、その容積減少分に相当する量の液体が液体流出口３２から吐出される。

このような本実施形態によれば、変位伝達層６にＳｉＯ_２を含有させることで、このＳｉＯ_２が変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになるので、帯電した液体の電気浸透現象が防止される。従って、圧電素子２の絶縁不良等といった特性劣化を引き起こすことを抑止できる。その結果、圧電素子２の信頼性を向上させることが可能となる。

したがって、圧電素子２の絶縁不良等を避けるために、圧電素子２と液体流通部３との間に隔壁を設ける必要が無くなる。このため、液体に対する圧電体層７の変位伝達が隔壁によって阻害されることは無いため、隔壁による伝達変位量のロス分を補うべく積層体４の層数を必要以上に増大させなくて済む。これにより、圧電素子２ひいては圧電アクチュエータ１の小型化が図れると共に、これらの製造コストの上昇を抑えることができる。

このとき、変位伝達層６に含有されるＳｉＯ_２量は、０．０３質量％〜３．００質量％が好ましい。これにより、圧電素子２に電圧を印加した時に発生する絶縁抵抗値の変動を抑制しつつ、変位伝達層６の焼結性を良好にして圧電アクチュエータの品質を高めることができる。

なお、本発明に係わる圧電素子及び圧電アクチュエータは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、圧電体層７を複数積層した構造としたが、特に大きな変位量を必要としないのであれば、圧電体層７は単層であっても良い。また、各層の内部個別電極８の数や配列構成等については、特に上記実施形態のものには限られない。また、各層の内部個別電極８同士及び各層の内部コモン電極９同士の電気的接続手段としては、上記実施形態のようなスルーホールに限られず、例えば積層体４の側面に形成された外部電極としても良い。

上記説明した実施形態の効果を検証するため、以下のように実験を行った。

まず、本発明に係わる圧電素子のサンプルとして、後述する表１に示すＳｉＯ_２含有量ごとに１０個ずつ用意し、これらに液体流通部を貼り合わせて圧電アクチュエータを形成した。そして、各圧電素子にリード線を取り付けて、端子電極に電圧を印加できる状態にした。続いて、圧電アクチュエータの液体流通部内に液体を充填し封印した。液体としては、純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものを用いた。続いて、圧電体層の厚み当たり１ｋＶ／ｍｍのＤＣ電圧を全ての個別端子電極に同時に印加した。そして、圧電アクチュエータに対して定期的に静電気を印加し、液体を帯電した。

こうして圧電アクチュエータを５００時間連続的に駆動し、圧電アクチュエータの駆動前と駆動後の状態を確認した。具体的には、圧電アクチュエータの駆動開始から５００時間経過後に、液体流通部から液体を排出し、圧電素子の絶縁抵抗を調べた。その結果を表１に示す。

なお、表１において、ＳｉＯ_２量とは、変位伝達層中のＳｉＯ_２量から圧電体層中のＳｉＯ_２量を引いた量、すなわち変位伝達層へのＳｉＯ_２の添加量を表す。また、絶縁抵抗値においては、電圧印加前後で変化がないものを「○」とし、変位においては、所望の変位が得られたものを「○」とした。

表１に示すように、変位伝達層へのＳｉＯ_２の添加量が０．０３質量％以上であれば絶縁抵抗値の低下は見られないことが確認できた。そして、変位伝達層へのＳｉＯ_２の添加量を更に増やした場合でも、同じく効果が得られた。しかし、添加量が３質量％を越えると、変位伝達層そのものの焼結性が悪くなり、圧電アクチュエータとしての品質が大きく低下することが分かった。よってＳｉＯ_２の添加量としては、０．０３質量％以上かつ３質量％以下であるのがより良いと判断される。

本発明に係わる圧電素子を備えた圧電アクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。 図１に示した圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。 図２に示した圧電素子２の分解斜視図である。 図３に示した電極付きセラミック層１３を示す平面図である。 図３に示した電極付きセラミック層１４を示す平面図である。 図３に示した電極付きセラミック層１５を示す平面図である。 図３に示した電極付きセラミック層１６を示す平面図である。 図３に示した電極付きセラミック層１７を示す平面図である。

符号の説明

１…圧電アクチュエータ、２…圧電素子、３…液体流通部、６…変位伝達層、７…圧電体層、８…内部個別電極、９…内部コモン電極。

Claims (4)

1. 圧電体層と、前記圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子であって、
   前記変位伝達層はＳｉＯ_２を含有していることを特徴とする圧電素子。
2. 前記変位伝達層は、前記ＳｉＯ_２を０．０３質量％〜３．００質量％含有していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミックからなり、
   前記変位伝達層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミックに前記ＳｉＯ_２を添加してなる材料からなっていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電素子。
4. 圧電体層と、前記圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、
   前記圧電体層を形成するための第１圧電体ペーストを用意する工程と、
   圧電材料にＳｉＯ_２を添加してなり、前記変位伝達層を形成するための第２圧電体ペーストを用意する工程と、
   前記第１圧電体ペーストを用いて圧電体層用グリーンシートを形成する工程と、
   前記第２圧電体ペーストを用いて変位伝達層用グリーンシートを形成する工程と、
   前記圧電体層用グリーンシートと前記変位伝達層用グリーンシートとを積層して、グリーン積層体を形成する工程と、
   前記グリーン積層体を焼成する工程と
   を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。

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