JP2012028411A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程において強度を保持し、かつ、製造後の動作中には十分に応力を緩和できる圧電素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電層１１０と内部電極１２０とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子１００であって、内部電極１２０の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周に対して閉じられ、非焼結材料または空隙で形成された準応力緩和層１４０と、準応力緩和層１４０が外周に対して開くことで形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層１５０と、を備える。これにより、準応力緩和層１４０は外周に対して閉じられているため、圧電素子１００は積層方向Ｚに垂直な方向の荷重に対して強度を有する。また、応力緩和層１５０は、圧電素子１００に電圧印加した状態に発生する応力を緩和することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子およびその製造方法に関し、特に発生する応力の緩和に関する。

圧電素子は、圧電層と内部電極を交互に積層させ、電圧の印加による変位を利用する素子である。圧電素子では、圧電的に活性な圧電層が変位し、不活性な部分は変位しない。そのため、圧電素子を変位させたときに圧電素子内に応力が発生する。このような応力を緩和する方法の一つとして、応力緩和層を配置する方法が知られている。応力緩和層は、内部電極と同一面上で内部電極の周囲を囲うように配置されており、駆動時に生じる応力を緩和している（特許文献１、２参照）。

特許２９９４４９２号公報 特許２９５１１２９号公報

しかしながら、上記のような応力緩和層は、材料力学的な欠陥として横方向の荷重に対する破壊の起点となりうる。特に、圧電素子の角部分が荷重に弱くなる。そのため、圧電素子を積層方向に連結する接着工程の取り扱いで折れる不具合が発生することがある。一方、応力緩和層が無い圧電素子構造では、圧電素子の動作中に応力が発生し、応力によるクラックが生じる向きや大きさが制御できないことがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、製造工程において強度を保持し、かつ、製造後の動作中には十分に応力を緩和できる圧電素子とその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周に対して閉じられ、非焼結材料または空隙で形成された準応力緩和層と、前記準応力緩和層が外周に対して開くことで形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層と、を備えることを特徴としている。

これにより、準応力緩和層は外周に対して閉じられているため、圧電素子は積層方向に垂直な方向の荷重に対して強度を有する。また、応力緩和層は、圧電素子に電圧印加した状態に発生する応力を緩和することができる。その結果、分極処理までの製造工程では準応力緩和層で強度を維持し、その後、外周に対して開いた応力緩和層で応力を緩和することができる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記準応力緩和層と前記応力緩和層の合計の領域に対する前記応力緩和層の領域の割合は、８％以上であることを特徴としている。これにより、圧電素子に電圧印加し、圧電素子が動作したときに応力緩和層が機能し、十分に応力を緩和できる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記準応力緩和層を外周に対して閉じている外周壁の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、製造工程で強度を維持しつつ、分極処理時に準応力緩和層が開口させることができる。すなわち、外周壁の厚さが０．０５ｍｍ以上であるため製造工程の途中まで強度を維持し、０．３５ｍｍ以下であるため壁を取り応力を緩和可能な状態にすることができる。

（４）また、本発明の圧電素子の製造方法は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子の製造方法であって、圧電セラミックスのグリーンシートに電極ペーストおよび所定の焼成温度過程では焼結しない非焼結材料を印刷する工程と、前記印刷が施されたグリーンシート含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、前記焼成された焼成体を分極処理する工程とを含み、前記非焼結材料は、焼成体となったときに、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周まで至らない領域に印刷されることを特徴とする。

これにより、製造工程中では外周壁により強度が維持され、折損等の不具合を防止できる。また、その後、分極処理により外周壁が壊れた応力緩和層で応力を緩和することができる。

本発明によれば、製造工程において強度を保持し、かつ、製造後の動作中には十分に応力を緩和できる。

本発明に係る圧電素子を示す（ａ）斜視図、（ｂ）平断面図、（ｃ）平断面図である。 本発明に係る圧電素子を示す側断面図である。 製造工程の一場面における焼成体を示す斜視図である。 比較例の圧電素子を示す（ａ１）、（ａ２）斜視図、（ｂ１）、（ｂ２）断面図、（ｃ１）、（ｃ２）断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図、準応力緩和層１４０の位置の断面図、応力緩和層１４０の位置の断面図である。圧電素子１００は、圧電層１１０と内部電極１２０とが積層方向Ｚについて交互に積層され、矩形に形成されている。圧電層１１０は、たとえばＰＺＴのような圧電材料で構成され、厚み方向の互い違いの向きに分極されている。内部電極１２０は、対向する側面上で外部電極１３０に取り出されており、隣り合う内部電極１２０に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極１２０へ電圧を印加することで各圧電層１１０が歪み、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電アクチュエータとして圧電素子１００を説明するが、本発明は必ずしもこれに限定されない。また、圧電素子１００は矩形に限らず様々な形態をとりうる。

圧電素子１００は、積層方向Ｚの両端部に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極１２０の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域（図示せず）と内部電極１２０が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。

圧電素子１００は、準応力緩和層１４０および応力緩和層１５０を有している。図２は、圧電素子１００を示す側断面図である。図２に示す断面は、図１（ｂ）（ｃ）における断面Ａに対応している。準応力緩和層１４０は、活性領域の周囲において外周壁１４１により外周に対して閉じられ、非焼結材料または空隙で形成されている。外周壁１４１は、原則、外周に沿って連続的に形成されているが、一周のうち一部が閉じて、残りの部分が開いていてもよい。

外周壁１４１の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、たとえば焼成時に形成された外周壁１４１のうち分極工程において８％以上の外周壁１４１が壊れ、８％分の準応力緩和層１４０を応力緩和層１５０に変えることができる。圧電素子１００が１２０層の準応力緩和層１４０を有する場合には、準応力緩和層１４０のうちの１０層程度が応力緩和層１５０になれば十分である。

外周壁１４１の厚さが０．３５ｍｍより厚い場合には、分極工程において８％以下しか外周壁１４１が壊れず十分な数の応力緩和層１５０が形成されないことがある。その場合には、応力緩和層１５０を起点に大きな亀裂が活性領域まで侵入し、圧電素子１００が破壊することがある。

準応力緩和層１４０は、圧電素子１００の製造工程において外周壁１４１が壊れ、外周に対して開くことで、応力緩和層１５０に変わる。製造工程の途中まで準応力緩和層１４０が、外周に対して閉じていることで、工程でかかる横負荷に耐久できる程度の圧電素子１００の強度が維持される。通常、圧電素子１００は、分極処理工程まで強度が維持されれば十分であり、外周壁１４１は分極処理工程において壊れるよう設計されていることが好ましい。

応力緩和層１５０は、活性領域の周囲の領域に形成されている。応力緩和層１５０は、準応力緩和層１４０が壊れ、外周に対して開くことで形成され、駆動による応力を緩和する。各応力緩和層１５０は、積層方向Ｚに垂直な断面上で外周に接して形成されている。その結果、応力を外に逃がし、圧電素子１００の駆動による応力を緩和することができる。

準応力緩和層１４０と応力緩和層１５０の合計の領域に対する応力緩和層の領域の割合は、８％以上である。これにより、圧電素子１００に電圧印加し、圧電素子１００が動作したときに応力緩和層１５０が機能し、十分に応力を緩和できる。

（圧電素子の製造方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、圧電体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。グリーンシートには内部電極１２０用および応力緩和層１５０用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極１２０用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。

そして、さらに準応力緩和層１４０用として非焼結材料（チタン酸鉛等）のペーストを塗布する。非焼結材料は、圧電素子１００の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。たとえば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで準応力緩和層１４０を形成するものが含まれる。

非焼結材料のペーストが印刷された各領域は、焼成体となったときに、活性領域の周囲において外周まで至らない領域に印刷される。焼成後に外周となる位置から０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下の領域まで印刷することが好ましい。残った外周となる位置までの領域が、焼成により外周壁１４１となる。

次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。

このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、チタン酸鉛は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には準応力緩和層１４０が形成される。非焼結材料は、圧電素子１００の焼成温度では焼結しない材料である。図３は、製造工程の一場面における焼成体２００を示す斜視図である。焼成後に適宜加工することで分極前の焼成体２００が得られる。そして、焼結体２００を適宜加工し、積層方向Ｚの端面で接着して多連化する。そして、多連化した焼成体２００を分極処理することで、ポジショナ用アクチュエータを作製できる。

その際には内部電極１２０間に電圧が印加され、歪が生じるため、一部の準応力緩和層１４０の外周壁１４１が壊れ、その準応力緩和層１４０は応力緩和層１５０に変わる。このようにして、ポジショナ用アクチュエータとして多連化された圧電素子１００が得られる。

比較例１、２の圧電素子８００、９００および実施例１の圧電素子１００を製造した。その際に、それぞれ６個の焼成体を接着工程により多連化し、不良の発生を観察した。また、分極処理し、多連化された圧電素子を動作させ、変位量が問題ないことを確認した。

図４は、比較例１、２の圧電素子８００、９００を示す（ａ１）、（ａ２）斜視図、（ｂ１）、（ｂ２）断面図、（ｃ１）、（ｃ２）断面図である。圧電素子８００は、圧電層８１０と内部電極８２０が交互に積層して形成されている。圧電層８１０は、互い違いの向きに分極されている。圧電素子８００は、内部電極８２０の取り出し電極として外部電極８３０を側面に有し、これらを用いて内部電極１２０間に電圧を印加することで変位を制御することができる。また、圧電素子８００は、内部電極８２０の周囲の一周にわたり応力緩和層８５０を有している。

また、同様に圧電素子９００は、圧電層９１０と内部電極９２０が交互に積層して形成されている。圧電層９１０は、互い違いの向きに分極されている。圧電素子９００は、内部電極９２０の取り出し電極として外部電極９３０を側面に有し、これらを用いて内部電極１２０間に電圧を印加することで変位を制御することができる。また、圧電素子９００は、内部電極９２０の周囲の半周（側面の２辺）にわたり応力緩和層９５０を有している。引用例１、２は通常の応力緩和層を有する圧電素子の作製方法で作製した。

実施例１については準応力緩和層１４０が素子表面に露出しないように、電極パターンおよび非焼結材料パターンを配置した。６ｍｍ×６ｍｍの断面に、内部電極が重なり合う５．４ｍｍ×５．４ｍｍの活性領域があり、その周囲を０．３ｍｍ幅の準応力緩和層１４０で取り囲む構造とした。加工後の素子の表面には準応力緩和層１４０は露出していなかった。これを３ｋＶ／ｍｍで分極したところ、１２０層の準応力緩和層１４０のうち１０〜２０層で外周壁１４１が剥離しているのが確認された。上記のように作製された比較例１、２および実施例１の圧電素子について、それぞれ複数の圧電素子を接着工程により多連化し、変位量を計測した表１は、その実験結果を示す表である。変化量は、引用例１の変位量を１００％としたときの変位量を％表示している。

接着工程の不良の主な原因は、接着後の作業中に折れる不良である。実施例のような構造にすることで折れる不良がほぼ無くなった。また、変位量はほぼ同じとなった。これは接着工程後の分極処理の時に、活性部の変位によって剥離部分に応力が加わり、素子内部に隠された応力緩和層が起点となって剥離が生じたと考えられる。剥離が生じた応力緩和層は１０〜２０層と少ないが、変位が拘束されることはなかった。

１００ 圧電素子
１１０ 圧電層
１２０ 内部電極
１３０ 外部電極
１４０ 準応力緩和層
１４１ 外周壁
１５０ 応力緩和層
２００ 焼成体
Ａ 断面
Ｚ 積層方向

Claims (4)

1. 圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、
   内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周に対して閉じられ、非焼結材料または空隙で形成された準応力緩和層と、
   前記準応力緩和層が外周に対して開くことで形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層と、を備えることを特徴とする圧電素子。
2. 前記準応力緩和層と前記応力緩和層の合計の領域に対する前記応力緩和層の領域の割合は、８％以上であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記準応力緩和層を外周に対して閉じている外周壁の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であ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. 圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子の製造方法であって、
   圧電セラミックスのグリーンシートに電極ペーストおよび所定の焼成温度過程では焼結しない非焼結材料を印刷する工程と、
   前記印刷が施されたグリーンシート含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、
   前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、
   前記焼成された焼成体を分極処理する工程と、を含み、
   前記非焼結材料は、焼成体となったときに、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周まで至らない領域に印刷されることを特徴とする圧電素子の製造方法。

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