JP2010527143A - 圧電積層素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電積層素子（１）であって、交互に一方が他方の上に配置された圧電セラミック層（３）と電極層（４）との積層体を有する基材（２）を含み、前記積層体の隣接する層（３，４）が、互いに支え合い、応力が積層方向に垂直に掛かる圧電積層素子を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、機械的負荷の下で制御された亀裂を形成する圧電積層素子を提供する。

特許文献１は、所定の破断点を有するアクチュエータ本体を持つ圧電素子を開示する。これでは、この所定の破断点は、それが許容する亀裂によってアクチュエータ本体が少なくとも２つの部分積層体に分割されるように形成される。

独国特許出願公開第１０２００４０３１４０４号明細書

継続的な機械的負荷の下で機能し続ける圧電積層素子を提供することが、達成すべき課題である。

本発明は、交互に重なり合って配置される圧電セラミック層と電極層との積層体を有し、該積層体の隣接する層同士が側面方向に対して角度をなす機械的応力下にある圧電積層素子を提供する。従って、積層体の層は互いに引き締め合い、その応力ないし補剛力は積層方向に垂直に掛かる。

好ましくは、この相互の引き締め合いは隣接する圧電セラミック層の間で行なわれる。しかし、これは、隣接する圧電セラミック層と電極層との間で行なわれてもよい。

積層素子において、動作中の特定の機械的負荷の下では、隣接する層間の機械的応力によって、層に対して実質的に平行に走る亀裂が形成され得る。言い換えると、積層体は、隣接する層間の少なくとも１つの平面に沿って存在する機械的応力の結果、側面方向に部分的に分割され得る、あるいは、側面方向に分離し得る。隣接する層同士が分離する場合、あるいは、分離し始める場合、それらは互いに実質的に側面方向に滑離する。

こうした圧電積層素子は、亀裂あるいは隙間が無制御で生じ層に垂直に走る危険性を減じ、結果として、例えば、積層素子の電極層間に短絡回路が生じる危険性を減じる。これにより、積層素子が、継続的な負荷の下でより長期間に渡って機能し続けることが可能となる。

以下の好ましい方法によって、隣接する層間の望ましい側面方向への機械的応力を達成することができる。

本積層素子のある実施形態では、積層体の隣接する層は、例えば、異なる焼結収縮特性を有する。層の異なる焼結収縮特性の結果、積層素子の焼結中に、層間に所望の機械的応力が生じる。

本圧電積層素子のある実施形態では、積層体の異なる層は、異なる焼結収縮特性を有する。例えば、第１層の第１温度での焼結収縮は、同温度の隣接する層よりも高いだろう。ここで、焼結収縮は、経過時間に対する層寸法の変化を意味するものと理解されるべきである。つまり上記は、特定の温度での微小時間窓内で、ある層が他の層よりも縮むことを意味する。焼結収縮中に層寸法が変化する場合、これは層体積の変化を伴う。

本積層素子のある実施形態では、隣接する圧電セラミック層は、異なる焼結収縮特性を有し得る。隣接する電極層と圧電セラミック層とが互いに引き締め合うことも可能であり、このとき、例えば、電極層は、電気伝導性電極材料のみならず、隣接する圧電セラミック層とは異なる焼結収縮特性を有する材料も含む。これは、セラミック材料であり得、特に、各電極層ににおけるこれらの材料の量がその電極層の金属材料に比べて比較的小さい圧電セラミック材料であり得る。

隣接する層は、好ましくは、側面方向への異なる焼結収縮特性を有する。このとき、これらは、焼結作業中に側面方向に異なったように縮む。垂直方向と側面方向との焼結収縮特性の組み合わせはまた、所望の機械的応力を達成することを可能にする。

また、層内の異なる粒子径分布、すなわち、層中に含まれる粒子の径の異なった分布が、望ましい効果を助け、あるいは、引き起こすことも実験的に確認されている。これら粒子はセラミック粒子であり、圧電セラミック層のみならず電極層にも含まれ得る。

圧電積層素子のある実施形態では、積層体の隣接する層の材料は、異なるか焼温度を有する。この特性が望ましい機械的応力の達成を助けることが確認されている。特に、隣接する層の材料の異なるか焼温度が、隣接する層それぞれの焼結収縮に影響することが認められている。

ある実施形態では、隣接する層は、それらの間の望ましい機械的圧力の達成を助ける異なるドーパントを含む。特に、異なるドーパントが、それぞれの焼結収縮特性に影響することが認められている。さらに、隣接する層は異なる焼結助剤を含み得る。例えば、上記のように隣接する層に引き締められたある層は、焼結助剤として、あるいは、ドーパントとして、ＰｂＯあるいはＳｎＯを含む材料を含有し得る。この層は、また、例えば、ＰｂＯあるいはＳｎＯを含む材料と、例えば、ＳｉＯ_２と、あるいは、これら材料の１つもしくは組み合わせの固化性液相とを含み得る。

また、本発明は、好ましくはそれぞれがＰＺＴセラミックを含む異なるセラミック混合物が設けられる圧電積層素子の製造方法を提供する。セラミック混合物は、異なる径のセラミック粒子で設けられる。粒子径すなわち粒子の直径は、好ましくは、この場合互いに数倍異なる。結果として、異なる粒子径分布を有するセラミック混合物が作られる。

セラミック混合物をシート状に形成し易いように、セラミック材料は有機結合剤を含み得る。このとき、有機結合剤は後の脱結合工程で除去される。さらに、異なるドーパント、あるいは、ドーパント濃度が、セラミック混合物と混和され得、これにより、セラミック混合物の焼結収縮特性はさらに影響され得る。

セラミック混合物は、グリーンシートに加工される。これには、電極層が印刷される。好ましい電極材料は銅であり、銀、および、パラジウム、あるいはこれら材料の少なくとも２つの合金が同様に電極材料として用いられ得る。グリーンシートは、結果として、寸法どおりに切られ、重なり合って積層され、積層体の隣接する層は異なる粒子径分布を有することとなる。

このようにして製造されたいまだグリーンの積層素子は、続いて脱結合され、このときグリーンシート上に未だ存在する結合剤は揮発させられる、すなわち、グリーンシートは脱炭素処理される。次に、積層素子は焼結され、モノリシック構造の素子が形成される。

焼結過程中、積層素子の層は異なる焼結収縮特性を示す。結果として、それらは、焼結過程中、異なる程度で縮む。このことは、焼結期間ＳＴに渡り、例えば継続的に温度Ｔｅｍｐ０が維持されて、層が異なる速度で縮むことを意味する。そして、これによって、機械的応力が既に生じている可能性がある。一方、焼結期間ＳＴに渡り温度が変動する場合でも、この工程を更に調節することができる。

例えば、時間窓ＳＴ内の時間窓ＳＴ_{ｔ１＋δｔ}での温度Ｔｅｍｐ１で、第１層はその焼結前体積のｘ％を失い、一方、第２隣接する層はその焼結前体積のｙ％を失う。後の期間ＳＴ_{ｔ２＋δｔ}内に、異なる温度Ｔｅｍｐ２で、第１層はその焼結前体積のｕ％を失い、一方、第２隣接する層はその焼結前体積のｗ％を失う。

まとめると、積層素子が曝される温度は焼結期間を通して、好ましくは各層が積層素子の焼結冷却状態でその望ましい形態を取るように、その達成方法によらず、制御される。特に、最終状態の積層体の層の形態あるいは側面の広さは、可能な限り平面的な外部表面を有する積層素子が作られるように、互いに類似している。長方形の層の場合、例えば、それによって平面的な側面を有する直方体の積層体が作られるべきである。

上記の事柄を例示的実施形態と以下の図面に基づいてより詳細に説明する。

圧電積層素子を示す。 熱に従属する異なるセラミック混合物の焼結収縮を示す。 第１温度での隣接する層の幾何学的関係を示す。 第２温度での隣接する層の、幾何学的関係と、異なる焼結収縮挙動とを示す。 第２温度での隣接する層の、幾何学的関係と、異なる焼結収縮挙動とを示す。

図１は、重なり合って配置された圧電セラミック層３と電極層４との積層体を含む基材２を有する圧電積層素子１を示す。長軸方向に伸び本素子の電気的接触のために働く外部電気接触５と６が、基材２の２つの外部表面に置かれている。電極層３は、銅、パラジウム、および／あるいは、銀、もしくは、これら金属のうち数種の合金を含み得る。

異なる材料組成Ｍ１とＭ２とによって、隣接する圧電層３は、異なる焼結収縮特性を有する。異なる材料組成を有する圧電セラミック層３が、交互に重なり合って、すなわち、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１，Ｍ２の順番に、積層される。このことは、例えば、か焼温度が１２０〜８０℃分、特に、約１００℃分異なるように、隣接する圧電セラミック層の材料組成が選ばれるとき、有利である。これに加えて、あるいは、この代わりに、各層は、数十μｍのばらつきを有するそれ自身の粒子径分布を有するものの、隣接する層の圧電セラミック粒子の粒子径あるいは直径は、１．１〜１．６μｍ異なっていてもよい。例えば、層Ｍ１の粒子は０．４〜０．６μｍの直径を有していてもよく、層Ｍ２の粒子は１．５〜２．２μｍの直径を有していてもよい。層Ｍ２は、それに隣接する層Ｍ１より大きな粒子を持つ粒子径分布を有する。

図２は、材料組成Ｍ１とＭ２とを示す圧電セラミック層３の温度依存性の焼結収縮特性を表す、２つの曲線ｍ１とｍ２とを有するグラフを示す。曲線ｍ１は、材料組成Ｍ１を有する圧電セラミック層３の側面寸法１が温度上昇に従属してどのように減少するかを示す。温度Ｔ_１で焼結収縮過程が始まり、温度Ｔ_Ｓ２で材料組成Ｍ１を有する圧電セラミック層３の最大焼結収縮に至る。この温度で、温度に対する側面寸法１の変化が最大となる。この後、圧電セラミック層の側面寸法はさらに縮小し、温度Ｔ_３に至るまで、側面寸法に特筆すべき変化はほとんどない。

曲線ｍ２は、材料組成Ｍ２を有する圧電セラミック層３の側面寸法１が温度上昇に従属してどのように減少するかを示す。温度Ｔ_１で焼結収縮過程が始まり、温度Ｔ_Ｓ１で材料組成Ｍ２を有する圧電セラミック層３の最大焼結収縮に至る。この最大焼結温度で、温度に対する側面寸法１の変化が最大となる。この後、圧電セラミック層の側面寸法は小さくなるが、よりなだらかである。温度Ｔ_３では、側面寸法に特筆すべき変化はない、あるいは、少なくとも特筆すべき変化はほとんどない。

図３は、模式的に表した焼結過程前の圧電セラミック層の積層体を示す。図の表現に従うときの最上層と最下層は、同じ材料組成Ｍ２を有する。これらの層の間に配置された圧電セラミック層は、隣接する層とは焼結収縮特性の異なる材料組成Ｍ１を有する。図の表現は、焼結収縮をまねく温度Ｔ１に曝されたときの層の状態を示す。

図４は、先ほどとは異なる温度Ｔ_２（これに関しては図２も参照のこと）での図３の積層体を示し、このとき、材料組成Ｍ２を有する層は、それらの間に配置された材料組成Ｍ１を有する層よりも大きな焼結収縮を有する。このため、層Ｍ２は、層Ｍ１よりも小さな側面寸法で示される。層にそれぞれ示される矢は、張力あるいは圧縮荷重を示す。その隣接する層と比較して遅い中間層Ｍ１の焼結収縮の結果、材料組成Ｍ２を有する隣接する層上に張力が働く。これは、外向きの矢印で示される。この逆の場合が中間層に当てはまる。その隣接する層と比較して大きな焼結収縮の結果、中間層Ｍ１はそれらに引っ張られる、すなわち、内向きに働く圧縮力がその中間層に働く。

隣接する層の異なった焼結挙動による機械的応力は、層間のより不安定な境界領域に伝わる。

図５は、別の温度Ｔ_３（これに関しては図２も参照のこと）での図３および図４の積層体を示し、この時点で、図４と比べて逆の効果が既に生じている。積層体は、前温度Ｔ_２から温度Ｔ_３を含むところまでの温度に曝されるので、材料組成Ｍ２を有する層は、その間に配置される材料組成２を有する層より少ない焼結収縮を有する。その隣接する層と比較して速い中間層Ｍ１の焼結収縮の結果、材料組成Ｍ２を有する隣接する層上に圧縮力が働く。これは、内向きの矢印で示される。この逆の場合が中間層に当てはまる。その隣接する層と比較して遅い焼結収縮の結果、中間層Ｍ１はこの傾向に足を取られ、それに隣接するによって内向きに引っ張られる、すなわち、外向きに働く圧縮力がその中間層Ｍ１に働く。

上記で説明したように、温度Ｔ_３までは、層の異なる側面収縮の相互効果は、外面表面上が平面的な積層体が、すなわち、積層体の高さに渡って均一な外形を有する積層体が作られるという効果を有する。しかし、この時点で、材料-脆弱境界、あるいは、境界領域が、圧電アクチュエータの各層間に設けられ、圧電アクチュエータが特定の張力負荷において操作される場合に、制御された層と平行に走る亀裂の形成を可能にする。

１ 圧電素子
２ 基材
３ 圧電セラミック層
４ 電極層
５ 第１外部接触
６ 第２外部接触
Ｔ１からＴ３ 異なる温度
Ｍ１ 第１材料組成
Ｍ２ 第２材料組成
ｍ１ 第１材料組成の焼結収縮挙動
ｍ２ 第２材料組成の焼結収縮挙動

Claims (15)

1. 交互に重なり合って配置される圧電セラミック層（３）と電極層（４）との積層体を有する基材（２）を含み、
   前記積層体の隣接する層（３，４）が、互いに支え合い、応力が積層方向に垂直に掛かる、
   圧電積層素子（１）。
2. 前記隣接する層（３，４）は互いに張力応力下にある、請求項１に記載の圧電積層素子。
3. 前記隣接する層（３，４）は互いに圧縮応力下にある、請求項１に記載の圧電積層素子。
4. 前記積層体の前記隣接する層（３，４）は異なる焼結収縮特性を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電積層素子。
5. 前記積層体の前記隣接する層（３，４）は異なるセラミック粒子径分布を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電積層素子（１）。
6. 前記隣接する層（３，４）の焼結収縮特性が、それぞれ側面方向の焼結収縮特性を含む、請求項４または５に記載の圧電積層素子（１）。
7. 前記隣接圧電セラミック層（３）の材料が異なるか焼温度を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電積層素子（１）。
8. 前記隣接圧電セラミック層（３）の材料のか焼温度が、８０〜１２０℃分異なる、請求項７に記載の圧電積層素子。
9. 前記隣接する層（３，４）は、それらの間の相対的機械的応力に影響を与える異なるドーパント（３，４）を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電積層素子（１）。
10. 前記隣接する層（３，４）は、それぞれの焼結収縮特性に影響を与える異なるドーパント（３，４）を含む、請求項４から９のいずれか１項に記載の圧電積層素子。
11. 前記隣接する層（３，４）は、異なる焼結助剤を含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の圧電積層素子。
12. 異なる径のセラミック粒子を有する異なる圧電セラミック混合物を準備する工程と、
    結合剤をそれぞれの前記異なる圧電セラミック混合物に混和する工程と、
    前記異なる圧電セラミック混合物をグリーンシートに加工する工程と、
    前記グリーンシートを前記電極層に印刷する工程と、
    電極層を印刷された前記グリーンシートを、寸法を整えるため切断し、かつ、積層体を形成するため、前記積層体の隣接する層が異なる粒子径配置を有するように、重ね合って積層する工程と、
    前記積層体を脱結合し、そして次にモノリスティック構造の素子を得るため、焼結する工程と、を備え、
    焼結中に、前記積層体の層は異なる焼結収縮を受ける、
    圧電積層素子の製造方法。
13. 可能な限り平面的な外部表面を有する積層体が製造されるよう、積層体の側面の広がりが類似するような積層体の焼結冷却状態で各層が形成されるように、焼結工程で前記積層体が曝される温度が焼結期間に渡って制御される、請求項１２に記載の方法。
14. そのか焼温度が８０から１２０℃の間分だけ異なるように、隣接する圧電セラミック層の材料組成が選ばれる、請求項１２または１３に記載の方法。
15. それに隣接する圧電セラミック層の粒子径が１．１〜１．６μｍ分だけ異なるように圧電セラミック混合物が準備される、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。

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