JP2007305907A - Laminated piezoelectric element, and polarization method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電セラミック層と内部電極層とを交互に積層することにより構成される積層型圧電素子及びその分極方法に関するものであり、特に、積層型圧電素子を破壊することなく飽和分極に近づけるための技術に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element constituted by alternately laminating piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers, and a polarization method thereof, and in particular, approaches a saturated polarization without destroying the laminated piezoelectric element. For technology.
例えばアクチュエータや圧電ブザー、発音体、センサ等の各種圧電素子の開発が進められており、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積層アクチュエータ(積層型圧電素子)等も提案されている。例えば圧電効果によって発生する変位を機械的な駆動源として利用したアクチュエータは、消費電力や発熱量が少なく、応答性も良好であること、小型化や軽量化が可能であること等の利点を有しており、実用性が高い。特に、前記積層アクチュエータは、変位効率や位置精度が高く、応答が高速である等の特徴を有することから、燃料噴射システム用インジェクタ等、広範な分野への応用が期待されている。 For example, various types of piezoelectric elements such as actuators, piezoelectric buzzers, sounding bodies, sensors, etc. are being developed, and laminated actuators (laminated piezoelectric elements) constructed by laminating piezoelectric ceramics that are displaced by voltage application via electrodes. Etc. are also proposed. For example, an actuator that uses displacement generated by the piezoelectric effect as a mechanical drive source has advantages such as low power consumption and heat generation, good response, and miniaturization and weight reduction. And practicality is high. In particular, the laminated actuator has features such as high displacement efficiency, high positional accuracy, and high response speed, and therefore is expected to be applied to a wide range of fields such as injectors for fuel injection systems.
ところで、この種の圧電素子の製造に際しては、分極処理が必須の工程となる。分極処理は、焼成後の圧電素子に一定方向に高電圧を印加することにより行われ、当該分極処理によって分極方向を揃えることによって圧電素子は圧電特性を示すようになる。 By the way, when manufacturing this type of piezoelectric element, the polarization process is an essential process. The polarization process is performed by applying a high voltage in a certain direction to the fired piezoelectric element. By aligning the polarization direction by the polarization process, the piezoelectric element exhibits piezoelectric characteristics.
従来、分極処理の方法としては、直流高電圧を印加するDC分極を行うのが一般的である。DC分極では、直流高電圧を印加することにより分極を行うが、分極に伴う急激な歪みや内部応力によって素子が破壊されることがあり、これを緩和するために、所定の圧力を加えながらDC分極を行うことが試みられている(例えば特許文献1等を参照)。特許文献1記載の発明では、上下各層間に内部電極を有する積層セラミック圧電素子用積層体であつてかつ一方の側面の近傍の部分およびその一方の側面と平行な他の側面の近傍の部分では内部電極を形成した電極形成部分と内部電極を形成していない電極非形成部分とが上下に交互に位置するようになされた積層セラミック圧電素子用積層体に対して分極処理を施すにあたり、積層体の上面と下面との間に50〜1000kgf/cm2の範囲内の一定の荷重を均一に加えながら内部電極間に所定の分極電圧を印加するようにしている。荷重を加えた状態で分極を行うことによって、分極に伴う急激な歪みや内部応力を緩和することができ、積層体内部破壊の発生を防止できるとしている。
Conventionally, as a method of polarization treatment, DC polarization in which a direct high voltage is applied is generally performed. In DC polarization, polarization is performed by applying a DC high voltage, but the device may be destroyed by abrupt distortion or internal stress accompanying polarization, and in order to alleviate this, DC is applied while applying a predetermined pressure. Attempts have been made to perform polarization (see, for example, Patent Document 1). In the invention described in
前記分極処理の方法としては、前記DC分極の他、いわゆるパルス分極も提案されている(例えば、特許文献2や特許文献3等を参照)。パルス分極では、パルス状の波形を有するパルス電圧を印加することで分極を行う。特許文献2記載の発明では、圧電磁器にパルス状の電圧波形を有するパルス電圧を印加して分極する圧電磁器の分極法であって、前記パルス電圧が高周波数成分を含むことを特徴としている。高周波数成分を含むパルス電圧を印加して分極することにより、圧電磁器に含まれる多くの結晶粒やドメインを振動させることができ、圧電磁器に損傷を生じることなく短時間で十分な分極処理が行えるとしている。
As the method for the polarization treatment, so-called pulse polarization is proposed in addition to the DC polarization (see, for example,
また、特許文献3には、圧電体に、実効電圧が該圧電体の最小破壊電圧の2/3以下である条件で直流パルス電圧を印加することでパルス分極を行うことが開示されている。特許文献3に記載されるパルス分極では、圧電体の発熱を決定する実効電圧が抑制されているので、分極処理中に絶縁破壊が起こらず、一方、ピーク電圧を分極に必要な大きさとすることにより、絶縁抵抗が比較的小さい圧電体でも効果的に分極処理を行うことができるとしている。
しかしながら、飽和分極及び破壊防止の両立を考えた場合、従来の分極方法(DC分極やパルス分極)では必ずしも十分な結果が得られていないのが実情である。例えば、DC分極においては、特許文献1等にも記載されるように、素子の破壊を防ぐためには加圧しながら分極を行う必要があるが、加圧条件下では分極が十分に進み難く、飽和分極まで到達させることは難しい。例えば燃料噴射システム用インジェクタに用いられる積層型圧電素子において、分極が不十分で飽和分極に到達していないと、使用に伴って分極が進み、特性が経時的に変化してしまうという不都合が生ずる。このような不都合を解消するために、加圧することなく飽和分極に十分なDC電圧を印加すると、素子の破壊が避けられない。
However, when considering both saturation polarization and prevention of breakdown, the actual situation is that the conventional polarization method (DC polarization or pulse polarization) does not always provide sufficient results. For example, in DC polarization, as described in
パルス分極についても同様である。これまでパルス分極の優位性のみが着目されてきたが、本発明者らが検討した結果、パルス分極においても飽和分極に必要な電圧を印加すると、簡単に素子破壊が起こることがわかってきた。パルス分極においては、パルス波形の電圧の切り替わりの際に一瞬高電圧が加わり、これが原因で素子破壊が起こる。前記素子破壊を解消するには、結局はパルス電圧を低くせざるを得ず、その結果、分極が不十分となり飽和分極に到達させることが難しくなる。 The same applies to pulse polarization. Until now, only the superiority of pulse polarization has been paid attention. However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that device breakdown can easily occur when a voltage necessary for saturation polarization is applied even in pulse polarization. In pulse polarization, a high voltage is momentarily applied when the voltage of a pulse waveform is switched, which causes element destruction. In order to eliminate the element breakdown, the pulse voltage must eventually be lowered. As a result, the polarization becomes insufficient and it becomes difficult to reach the saturation polarization.
本発明は、前述の従来技術の有する不都合に実情に鑑みて提案されたものであり、素子の破壊を防止しながら、飽和分極に近い十分な分極を実現することを目的とし、十分な圧電特性を有し、圧電特性が経時変化することのない積層型圧電素子を提供することを目的とする。さらには、素子の破壊を防止しながら、飽和分極に近い十分な分極を実現することが可能な積層型圧電素子の分極方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in light of the above-described disadvantages of the prior art, and aims to achieve sufficient polarization close to saturation polarization while preventing element breakdown, and sufficient piezoelectric characteristics. It is an object of the present invention to provide a multilayer piezoelectric element having a piezoelectric property that does not change with time. It is another object of the present invention to provide a polarization method for a laminated piezoelectric element capable of realizing sufficient polarization close to saturation polarization while preventing destruction of the element.
前述の目的を達成するために、本発明の積層型圧電素子は、圧電セラミック層と内部電極層とが交互に積層され、圧電セラミック層の少なくとも一部に、当該圧電セラミック層を厚さ方向において横切ることのないクラックが形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, the multilayer piezoelectric element of the present invention has piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers alternately stacked, and at least a part of the piezoelectric ceramic layer has the piezoelectric ceramic layer in the thickness direction. It is characterized by the formation of cracks that do not cross.
一般に、積層型圧電素子においては、セラミック層にクラックが入っていないことが理想とされており、クラックの存在を排除する方向にある。しかしながら、本発明者らが検討したところ、全てのクラックが特性に悪影響を及ぼすわけではなく、特定の方向のクラックに関しては、その存在が分極の促進に必要不可欠であることがわかった。すなわち、本発明の積層型圧電素子においては、圧電セラミック層の少なくとも一部に、当該圧電セラミック層を厚さ方向において横切ることのないクラックが形成されており、前記クラックの存在により十分な分極が実現されている。また、前記クラックの存在が素子の破壊に繋がることもない。 In general, in a multilayer piezoelectric element, it is ideal that a ceramic layer has no cracks, and there is a direction to eliminate the presence of cracks. However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that not all cracks adversely affect the characteristics, and the presence of cracks in a specific direction is indispensable for promoting polarization. That is, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, a crack that does not cross the piezoelectric ceramic layer in the thickness direction is formed in at least a part of the piezoelectric ceramic layer, and sufficient polarization occurs due to the presence of the crack. It has been realized. Further, the presence of the crack does not lead to destruction of the element.
一方、本発明の積層型圧電素子の分極方法は、圧電セラミック層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層型圧電素子を分極するに際し、直流電圧を印加してDC分極を行った後、パルス電圧を印加してパルス分極を行うことを特徴とする。 On the other hand, the polarization method of the laminated piezoelectric element according to the present invention is such that, when a laminated piezoelectric element in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately laminated is polarized, DC polarization is applied by applying a DC voltage. The pulse polarization is performed by applying a pulse voltage.
本発明においては、先ず、DC分極を行うが、このDC分極によって飽和分極とする必要はなく、例えば圧電セラミック層の少なくとも一部に、当該圧電セラミック層を厚さ方向において横切ることのないクラックが形成される程度の条件で行う。次いで、パルス分極を行うことで飽和分極、あるいは飽和分極に近い状態とする。本発明者らの検討によれば、前記DC分極とパルス分極の組み合わせにより、素子破壊を引き起こすことなく、飽和分極に近い十分な分極が実現されることがわかった。 In the present invention, first, DC polarization is performed, but there is no need for saturation polarization by this DC polarization. For example, cracks that do not cross the piezoelectric ceramic layer in the thickness direction are formed in at least a part of the piezoelectric ceramic layer. The condition is such that it is formed. Next, by performing pulse polarization, saturation polarization or a state close to saturation polarization is obtained. According to the study by the present inventors, it has been found that the combination of the DC polarization and the pulse polarization realizes sufficient polarization close to the saturation polarization without causing element destruction.
本発明の積層型圧電素子によれば、圧電特性に悪影響を及ぼすような素子破壊が起こることがなく、十分な分極により十分な圧電特性を有し、圧電特性が経時変化することのない積層型圧電素子を提供することが可能である。また、本発明の積層型圧電素子の分極方法によれば、素子の破壊を防止しながら、飽和分極に近い十分な分極を実現することが可能である。 According to the multi-layer piezoelectric element of the present invention, the multi-layer piezoelectric element does not cause element destruction that adversely affects the piezoelectric characteristics, has sufficient piezoelectric characteristics by sufficient polarization, and does not change with time. It is possible to provide a piezoelectric element. In addition, according to the polarization method of the multilayer piezoelectric element of the present invention, it is possible to realize sufficient polarization close to saturation polarization while preventing destruction of the element.
以下、本発明を適用した積層型圧電素子及びその分極方法ついて、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a multilayer piezoelectric element to which the present invention is applied and a polarization method thereof will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態の積層型圧電素子1は、例えば燃料噴射システム用インジェクタのようなアクチュエータとして使用されるものであり、図1に示すように、圧電セラミック層2と内部電極層3とが交互に積層された積層体4と、この積層体4の両側面に形成された外部電極5とから構成されるものである。
The laminated
ここで、前記積層体4の圧電セラミック層2を構成するセラミック材料としては、圧電特性を有するセラミック材料全般を使用することが可能であり、例えば還元雰囲気で焼成される圧電セラミック材料等も使用可能である。
Here, as the ceramic material constituting the piezoelectric
還元雰囲気で焼成される圧電セラミック材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック材料等を挙げることができる。チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック材料は、Pb、Ti、及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とする圧電セラミック材料である。ここで、前記複合酸化物は、例えばチタン酸鉛(PbTiO3)とジルコン酸鉛(PbZrO3)、及び亜鉛・ニオブ酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]により構成される3元系の複合酸化物や、前記3元系の複合酸化物においてPbの一部をSr、Ba、Ca等で置換した複合酸化物である。 Examples of the piezoelectric ceramic material fired in a reducing atmosphere include a lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic material. The lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic material is a piezoelectric ceramic material mainly composed of a composite oxide containing Pb, Ti, and Zr as constituent elements. Here, the composite oxide is composed of, for example, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), and zinc / lead niobate [Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ]. Or a composite oxide obtained by substituting a part of Pb with Sr, Ba, Ca, or the like in the ternary composite oxide.
具体的な組成としては、下記(1)式、あるいは(2)式で表される複合酸化物等を挙げることができる。なお、これら(1)式、あるいは(2)式において、酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、実際の組成においては、化学量論組成からのずれは許容されるものとする。 Specific examples of the composition include composite oxides represented by the following formula (1) or (2). In these formulas (1) and (2), the oxygen composition is obtained stoichiometrically, and deviation from the stoichiometric composition is allowed in the actual composition. .
Pba[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]O3 ・・・(1)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6, and x + y + z = 1.)
(Pba−bMeb)[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]O3 ・・・(2)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。また、式中のMeは、Sr、Ca、Baから選ばれる少なくとも1種を表す。)
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (2)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6 X + y + z = 1, and Me in the formula represents at least one selected from Sr, Ca, and Ba.)
前記複合酸化物は、いわゆるペロブスカイト構造を有しており、Pb、及び(2)式における置換元素Meについては、ペロブスカイト構造のいわゆるAサイトに位置する。ZnやNb、Ti、Zrは、ペロブスカイト構造のいわゆるBサイトに位置する。 The composite oxide has a so-called perovskite structure, and Pb and the substitution element Me in the formula (2) are located at a so-called A site of the perovskite structure. Zn, Nb, Ti, and Zr are located at the so-called B site of the perovskite structure.
前述のチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック材料は、還元焼成条件において焼成されたものであることが大きな特徴点の一つである。圧電セラミック材料を酸化性雰囲気中で焼成すると、例えば圧電素子の内部電極の電極材料として貴金属を用いる必要がある。これに対して、還元焼成条件において焼成される圧電セラミック材料を用いれば、CuやNi等の安価な電極材料を内部電極に用いることができる。なお、前記還元焼成条件としては、例えば焼成温度800℃〜1200℃、酸素分圧1×10−10〜1×10−6気圧である。 One of the major features of the aforementioned lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic material is that it is fired under reducing firing conditions. When the piezoelectric ceramic material is fired in an oxidizing atmosphere, it is necessary to use a noble metal as an electrode material of an internal electrode of the piezoelectric element, for example. On the other hand, if a piezoelectric ceramic material fired under reducing firing conditions is used, an inexpensive electrode material such as Cu or Ni can be used for the internal electrode. The reducing firing conditions are, for example, a firing temperature of 800 ° C. to 1200 ° C. and an oxygen partial pressure of 1 × 10 −10 to 1 × 10 −6 atm.
前記圧電セラミック層2は、前記圧電セラミック材料を含むグリーンシートを焼成することにより形成されるが、焼成後の圧電セラミック層2の厚さは、例えば80μm〜100μm程度とされる。圧電セラミック層2の厚さは、これに限定されるものではなく、積層数等に応じて所望の圧電特性(変位量等)が得られるように設計すればよい。
The piezoelectric
一方、内部電極層3は、例えば銀やパラジウム等の貴金属を導電材料として含む導電ペースト等を前記グリーンシート上にスクリーン印刷等の手法により所定のパターンで印刷することにより形成される。また、圧電セラミック材料として前記還元雰囲気で焼成される圧電セラミック材料を用いた場合には、Cu等の卑金属を導電材料として含む導電ペーストを使用することも可能である。内部電極層3の厚さとしては、例えば0.5μm〜5μm程度とされるが、これに限定されるものではない。
On the other hand, the
前記内部電極層3は、前記積層体4の両側面に交互に引き出され、各側面に形成された外部電極5と電気的に接続されている。したがって、外部電極5に電圧を印加することで、内部電極層3間の各圧電セラミック層2に電圧が印加され、前記積層体4が圧電セラミック層2の積層方向に変位する。外部電極5は、例えば銀を導電材料とする導電ペーストを印刷し、これを焼き付けることにより形成される。
The
前述の構成の積層型圧電素子1においては、各圧電セラミック層2の圧電特性を発揮させるために、使用前に分極処理を行うが、本実施形態の積層型圧電素子1においては、飽和分極、あるいは飽和分極に近い分極を実現した結果として、圧電セラミック層2にクラックを有することが特徴である。
In the multilayer
図2(a)は、前記クラックCを模式的に示すものである。図2(a)に示す例の場合、圧電セラミック層2と内部電極層3の境界に沿って、あるいは内部電極層3が存在しない部分において圧電セラミック層2間の境界に沿って、ほぼ水平方向(図中横方向)にクラックCが形成されている。ここで、前記クラックCについては、図2(a)に示すように圧電セラミック層2と内部電極層3の境界に沿ってほぼ水平方向に形成されていることが重要であり、例えば図2(b)に示すように圧電セラミック層2の厚さ方向にクラックCが入り、圧電セラミック層2を厚さ方向に横切る形で形成されると、当該クラックCが形成された圧電セラミック層2を挟む形で形成される一対の内部電極層3間の短絡等が問題になるおそれがある。
FIG. 2A schematically shows the crack C. FIG. In the case of the example shown in FIG. 2A, the horizontal direction is substantially along the boundary between the piezoelectric
前記クラックCの長さは任意であり、例えばクラックCの長さが長くても問題になることはない。強いて言うならば、前記クラックCが図2(a)に示す不活性部内に止まっていることが好ましい。クラックCが不活性部に止まっていれば、当該クラックCが積層型圧電素子1の性能に影響を及ぼすことは皆無である。一方、クラックCの数も任意であるが、クラックCが入った圧電セラミック層2の数が圧電セラミック層2全体の積層数の3%以上であることが好ましい。例えば圧電セラミック層2の積層数が300層である場合には、クラックCが入った圧電セラミック層2の数が概ね10層以上であることが好ましい。クラックCが入った圧電セラミック層2の数が少なすぎると、応力が十分に開放されず、分極時に素子破壊が起こるおそれがある。
The length of the crack C is arbitrary. For example, even if the length of the crack C is long, there is no problem. If it says strongly, it is preferable that the said crack C has stopped in the inactive part shown to Fig.2 (a). If the crack C stops at the inactive portion, the crack C has no influence on the performance of the multilayer
前述のクラックCは、適正な分極処理の結果形成されるものである。そこで、以下においては、積層型圧電素子1の分極処理について説明する。
The aforementioned crack C is formed as a result of proper polarization treatment. Therefore, in the following, the polarization process of the multilayer
分極処理は、前記外部電極5間に所定の電圧を印加することにより行われ、前記圧電セラミック層2と内部電極層3の積層方向に電圧が印加され、圧電セラミック層2の分極ベクトルの方向が当該方向に揃うことで圧電特性が発現する。分極処理の方法としては、直流電圧を印加するDC分極やパルス電圧を印加するパルス分極が知られているが、本実施形態においては前記DC分極とパルス分極とを組み合わせることで、積層型圧電素子1を破壊することなく飽和分極あるいは飽和分極に近い状態とする。
The polarization process is performed by applying a predetermined voltage between the
図3は、本実施形態の分極処理における印加電圧プロファイル[図3(a)]及び印加圧力プロファイル[図3(b)]を示すものである。本実施形態においては、先ず、積層型圧電素子1に対してDC分極を行う。DC分極は直流電圧を印加することにより行うが、このとき積層体4を加圧しないでDC分極を行う。圧力を開放した状態で飽和分極に至るまでDC分極を行うと、素子破壊に至るおそれがある。そこで積層体4を加圧することで、クラックが入ることを抑制し前記素子破壊を解消するというのが従来の考えである。これに対して、本実施形態では、前記DC分極を加圧することなく開放状態で行い、これによって素子破壊や短絡等に繋がることのないクラックを積極的に形成し、分極を促進するようにする。
FIG. 3 shows an applied voltage profile [FIG. 3A] and an applied pressure profile [FIG. 3B] in the polarization process of the present embodiment. In the present embodiment, first, DC polarization is performed on the multilayer
したがって、前記DC分極は、飽和分極に必要なほどの条件は不要であり、前記クラックが形成される程度の条件で行えばよい。DC分極を飽和分極させるような条件で行うと、積層体4を加圧していないので、簡単に素子破壊が引き起こされる。そこで、例えば図3に示すように、通常のDC分極の場合よりも緩やかに電圧を上昇し、所定の電圧に到達した後、短時間で電圧を降下させる。前記DC分極における到達電圧は、あまり低すぎるとクラックの発生が不足し、その後のパルス分極によって飽和分極に近い状態とすることが難しくなるおそれがある。実用的な観点からは、積層型圧電素子1の駆動電圧以上とすることが好ましい。DC分極の際の温度についても、例えば高温(150℃程度)とする必要はなく、室温(25℃程度)で行えばよい。
Therefore, the DC polarization does not require conditions necessary for saturation polarization, and may be performed under such conditions that the cracks are formed. If the DC polarization is performed under conditions that cause saturation polarization, the stacked body 4 is not pressurized, and element breakdown is easily caused. Therefore, for example, as shown in FIG. 3, the voltage is increased more slowly than in the case of normal DC polarization, and after reaching a predetermined voltage, the voltage is decreased in a short time. If the ultimate voltage in the DC polarization is too low, the generation of cracks is insufficient, and it may be difficult to make the state close to saturation polarization by subsequent pulse polarization. From a practical viewpoint, it is preferable to set the driving voltage to be equal to or higher than that of the multilayer
前記DC分極により圧電セラミック層2にはクラックが形成されるが、例えば駆動時のクラックの入り方とは異なり、形成されるクラックは前記の通り圧電セラミック層2を厚さ方向に横切ることがなく、素子破壊や短絡等の原因となることはない。
Although cracks are formed in the piezoelectric
DC分極の後、パルス分極を行うが、パルス分極の際に印加するパルス電圧の波形は任意である。例えば矩形波であってもよいし、サイン波であってもよい。本実施形態においては、積層体4を加圧しながらパルス電圧を印加する。これは次のような理由による。 Although pulse polarization is performed after DC polarization, the waveform of the pulse voltage applied at the time of pulse polarization is arbitrary. For example, it may be a rectangular wave or a sine wave. In this embodiment, a pulse voltage is applied while pressurizing the laminate 4. This is due to the following reason.
通常、パルス分極においては、分極を促進するために加圧を行わずにパルス電圧の印加を行う。この場合、飽和分極に必要な条件でパルス電圧の印加を行うと、DC分極の場合と同様、素子破壊が引き起こされる可能性がある。これを解消するためには、積層体4を加圧しながらパルス電極の印加を行わざるを得ないが、パルス分極のみにより分極を行う場合、加圧すると結局は飽和分極に到達させることが難しくなる。これに対して、本実施形態の場合、予めDC分極により圧電セラミック層2の分極が進んでいるので、加圧しながらパルス電圧を印加しても十分に飽和分極に到達させることができる。また、加圧を行うので、素子破壊も防ぐことができる。
Usually, in pulse polarization, a pulse voltage is applied without applying pressure to promote polarization. In this case, if a pulse voltage is applied under conditions necessary for saturation polarization, there is a possibility that element destruction may occur as in the case of DC polarization. In order to eliminate this, it is necessary to apply the pulse electrode while pressurizing the laminated body 4. However, when polarization is performed only by pulse polarization, it becomes difficult to reach saturation polarization after pressurization. . On the other hand, in the case of the present embodiment, since the polarization of the piezoelectric
前記パルス分極の際の条件としては、先ず第1に、積層型圧電素子1をアクチュエータとして使用する際に加わる圧力以上の圧力を加えながらパルス分極を行うことが好ましい。積層体4の加圧圧力が小さすぎると、素子破壊のおそれが生ずる。第2に、パルス電圧は、積層型圧電素子1の駆動電圧以上とすることが好ましい。パルス電圧が低すぎると、飽和分極に近い状態とすることが難しくなるおそれがある。
As conditions for the pulse polarization, first, it is preferable to perform the pulse polarization while applying a pressure higher than the pressure applied when the multilayer
第3に、印加するパルス電圧の周波数であるが、前記周波数についても積層型圧電素子1の駆動周波数以上とすることが好ましく、さらには温度との兼ね合いから適正な周波数に設定することが好ましい。圧電セラミック層2の分極に際しては、温度も重要な要素であり、温度が高いほど分極が促進される。一方、パルス分極においては、印加するパルス電圧の周波数に応じて積層体4が発熱する。前記発熱は、印加するパルス電圧の周波数が高いほど高くなる。分極を促進するのに必要な温度は、60℃〜180℃程度であり、これに必要なパルス電圧の周波数は30Hz〜200Hzである。すなわち、前記パルス電圧の周波数は、30Hz〜200Hzとすることが好ましい。
Third, the frequency of the pulse voltage to be applied is preferably set to be equal to or higher than the driving frequency of the multilayer
以上のように、DC分極とパルス分極を併用し、DC分極によりクラックを形成した状態でパルス分極を行うことで、素子破壊を引き起こすことなく、十分な分極(飽和分極、あるいは飽和分極に近い分極)を実現することができる。すなわち、積層型圧電素子においては、積層方向とほぼ直交するクラック(圧電セラミック層2と内部電極層3の界面とほぼ平行なクラック)は、駆動時に悪影響を及ぼすことがなく、素子がフリーな状態でDC電圧を印加して前記クラックを入れ、その後圧力を加えながらパルス電圧を印加することにより、積層型圧電素子を壊さずに飽和分極に近づけることができる。
As described above, DC polarization and pulse polarization are used in combination, and by performing pulse polarization in a state where cracks are formed by DC polarization, sufficient polarization (saturation polarization or polarization close to saturation polarization without causing element destruction) ) Can be realized. That is, in the multilayer piezoelectric element, cracks that are substantially perpendicular to the lamination direction (cracks that are substantially parallel to the interface between the piezoelectric
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。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described based on experimental results.
積層型圧電素子の作製
6mm×6mmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)圧電セラミック材料を含むグリーンシート上に内部電極層を形成し、これを300層重ねて積層体を形成した。PZT圧電セラミック材料の組成は、(Pb0.965Sr0.03)[(Nb2/3Zn1/3)0.10Ti0.430Zr0.460]O3+Ta2O5(0.4質量%)である。内部電極層は、Ag/Pd(70:30)を導電材料として含む導電ペーストを所定パターンで印刷することにより形成した。層間(各圧電セラミック層の厚さ)は80μmとした。
Production of Multilayer Piezoelectric Element An internal electrode layer was formed on a green sheet containing a 6 mm × 6 mm PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric ceramic material, and 300 layers were stacked to form a laminate. The composition of the PZT piezoelectric ceramic material is (Pb 0.965 Sr 0.03 ) [(Nb 2/3 Zn 1/3 ) 0.10 Ti 0.430 Zr 0.460 ] O 3 + Ta 2 O 5 (0. 4% by mass). The internal electrode layer was formed by printing a conductive paste containing Ag / Pd (70:30) as a conductive material in a predetermined pattern. The interlayer (thickness of each piezoelectric ceramic layer) was 80 μm.
分極処理
作製した積層型圧電素子に対して、先ず、DC分極のみにより分極処理を行った。この場合には、DC電圧2.5kV/mm[印加した電圧/素子のサイズ(mm)]を越えるDC電圧を印加すると、破壊してしまうものがあった。そこで、DC電圧を200V(2.5kV/mmとし、加圧条件下、150℃でDC分極を行ったところ、駆動前後の変位変化率が約4.5%にもなり、分極が不十分であることがわかった。
Against polarized fabricated laminated piezoelectric element was first subjected to polarization treatment by only DC polarization. In this case, when a DC voltage exceeding the DC voltage of 2.5 kV / mm [applied voltage / element size (mm)] is applied, there is a case where the device is destroyed. Therefore, when the DC voltage was set to 200 V (2.5 kV / mm and DC pressure was applied at 150 ° C. under pressure, the displacement change rate before and after driving was about 4.5%, and the polarization was insufficient. I found out.
次に、パルス分極のみにより分極処理を行った。パルス分極の場合にも、圧力を加えた状態でパルス電圧を印加すると、素子が壊れてしまった。昇圧スピードを非常に遅くしてパルス分極を試みたが、電圧が上昇してホールド状態になると、数秒で素子が破壊してしまった。 Next, polarization treatment was performed only by pulse polarization. Even in the case of pulse polarization, if a pulse voltage was applied with pressure applied, the element was broken. Pulse polarization was attempted with a very slow boosting speed, but when the voltage increased and the hold state was reached, the device was destroyed in a few seconds.
そこで次に、圧力を開放した状態でDC分極を行い、次いで圧力を加えながらパルス分極を行った。DC分極では、到達電圧200Vとし、前記到達電圧での保持時間は0秒とした。すなわち、昇圧後、直ちに降圧した。このDC分極によって素子に圧電セラミック層と内部電極層の界面に沿ってクラックが形成された。パルス分極は、37MPaの圧力を加えながら、200V(2.5kV/mm)のパルス電圧を印加した。パルス波形の形状は、0.2−1−0.2msecの台形波とした。その結果、駆動前後の変位変化率が約0.2%となり、飽和分極に近いレベルまで分極が進んでいることが確認された。また、パルス電圧の印加後に壊れたサンプルも皆無であった。 Therefore, next, DC polarization was performed with the pressure released, and then pulse polarization was performed while pressure was applied. In DC polarization, the ultimate voltage was 200 V, and the holding time at the ultimate voltage was 0 second. That is, the pressure was reduced immediately after the pressure increase. Due to this DC polarization, cracks were formed in the device along the interface between the piezoelectric ceramic layer and the internal electrode layer. For pulse polarization, a pulse voltage of 200 V (2.5 kV / mm) was applied while applying a pressure of 37 MPa. The shape of the pulse waveform was a trapezoidal wave of 0.2-1-0.2 msec. As a result, the displacement change rate before and after driving was about 0.2%, and it was confirmed that the polarization was advanced to a level close to the saturation polarization. In addition, no sample was broken after the application of the pulse voltage.
さらに、DC分極の際の温度条件を変え、パルス電圧200V(2.5kV/mm)及び175V(2.2kV/mm)にてパルス分極を行い、レーザドップラ変位計により変位特性を調べた。結果を図4に示す。パルス分極の際のパルス電圧が2.2kV/mmの場合、DC分極の際の温度が低いと変位量d33が若干低下する傾向にある。これに対して、パルス分極の際のパルス電圧が2.5kV/mmである場合には、DC分極温度に左右されず十分な変位量d33を示すことがわかった。 Furthermore, the temperature conditions during DC polarization were changed, pulse polarization was performed at pulse voltages of 200 V (2.5 kV / mm) and 175 V (2.2 kV / mm), and the displacement characteristics were examined using a laser Doppler displacement meter. The results are shown in FIG. When the pulse voltage at the time of pulse polarization is 2.2 kV / mm, the amount of displacement d33 tends to slightly decrease if the temperature at the time of DC polarization is low. On the other hand, it was found that when the pulse voltage at the time of pulse polarization is 2.5 kV / mm, a sufficient displacement d33 is shown regardless of the DC polarization temperature.
1 積層型圧電素子、2 圧電セラミック層、3 内部電極層、4 積層体、5 外部電極 1 laminated piezoelectric element, 2 piezoelectric ceramic layer, 3 internal electrode layer, 4 laminate, 5 external electrode
Claims (8)
直流電圧を印加してDC分極を行った後、パルス電圧を印加してパルス分極を行うことを特徴とする積層型圧電素子の分極方法。 When polarizing a stacked piezoelectric element in which piezoelectric ceramic layers and internal electrode layers are alternately stacked,
A polarization method for a laminated piezoelectric element, wherein a DC voltage is applied to perform DC polarization, and then a pulse voltage is applied to perform pulse polarization.
8. The method for polarizing a multilayer piezoelectric element according to claim 3, wherein the DC polarization is performed without applying pressure, and the pulse polarization is performed while applying pressure.
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