JP2013128020A

JP2013128020A - 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2013128020A
Application number: JP2011276495A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mori; 喜彦森; Yutaka Inada; 豊稲田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP5890676B2

Abstract

【課題】局部的に発生する応力を低減し、破壊を防止するとともに、長寿命化を実現できる積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電セラミックス層と一層おきに外部電極１３ａに接続された内部電極１２ａとが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータであって、内部電極１２ａの外周部１１ａ近傍の圧電セラミックスの密度が、内部電極１２ａの中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さい。これにより、圧電活性部と圧電不活性部との境界部付近を低密度化し、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、圧電アクチュエータの破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。

従来、圧電セラミックスの厚み縦変位（ｄ３３モード）を利用した電気／機械変換素子が積層型圧電アクチュエータとして知られている。積層型圧電アクチュエータは、ミクロンオーダーでの変位量制御が可能であり、発生力が大きい等の特徴を有することから、精密加工装置や光学装置等の位置決め機構に使用されている。

図３Ａ〜図３Ｃ、図３Ｄは、それぞれ従来の積層コンデンサ型構造の積層型圧電アクチュエータ２００を示す断面図および平面図である。また、図３Ａは、積層型圧電アクチュエータ２００の積層方向に沿った断面による断面図である。積層型圧電アクチュエータ２００は、圧電セラミックス層２０１と内部電極２０２ａ、２０２ｂとが交互に積層され、内部電極２０２ａ、２０２ｂは対向する側面に一層おきに露出した構造を有している。内部電極２０２ａは、内部電極２０２ａが露出している側面において外部電極２０３ａによって接続されている。一方、内部電極２０２ｂは、内部電極２０２ｂが露出している側面において外部電極２０３ｂによって接続されている。

図３Ｂ、図３Ｃは、いずれも積層型圧電アクチュエータ２００の積層方向に垂直な断面による断面図である。また、図３Ｄは、積層型圧電アクチュエータ２００の平面図である。積層型圧電アクチュエータ２００では、内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂとの重なり部分が圧電活性部２０２ｃとなっている。また、内部電極２０２ａ、２０２ｂの一方のみが位置する部分および内部電極２０２ａ、２０２ｂが位置しない部分が圧電不活性部２０２ｄとなっている。このような積層型圧電アクチュエータ２００を駆動すると、圧電活性部２０２ｃの変位に起因して圧電活性部２０２ｃと圧電不活性部２０２ｄとの間に応力が発生し、積層型圧電アクチュエータ２００を破壊することが知られている。

積層型圧電アクチュエータ２００のこのような欠点を解消するために、内部電極を全体に設け、側面に露出した内部電極を一層おきに絶縁膜で覆い、絶縁膜の上から外部電極を設けた全面電極構造が提案されている。このような構造では内部電極が一層おきに外部電極に接続されている。また、圧電不活性部において圧電セラミックス層に内部電極と平行にスリットを形成し、このスリットによって圧電活性部と圧電不活性部との間に発生する応力を緩和する応力緩和型構造が提案されている。

しかしながら、全面電極型構造の積層型圧電アクチュエータは、製造工程が複雑であり、かつ、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが困難である等の問題を有している。また、応力緩和型構造の積層型圧電アクチュエータについても、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが困難であるという問題がある。これに対して、積層型圧電アクチュエータ２００は、積層コンデンサの製造工程をそのまま用いることができるために、生産性の面において優れている。したがって、積層型圧電アクチュエータ２００は、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが容易であるという利点を有している。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、基本的には積層コンデンサ型構造を有するが、内部電極のパターンを調整することによって、応力緩和を図る積層型圧電アクチュエータが提案されている。図４Ａ〜図４Ｃは、特許文献１に開示されている従来の積層型圧電アクチュエータ２１０を示す断面図であり、図４Ｄは、積層型圧電アクチュエータ２１０を示す平面図である。

積層型圧電アクチュエータ２１０では、圧電セラミックス層２１１と内部電極２１２ａ、２１２ｂとが交互に積層されている。そして、隣り合う２面の側面に一層おきに内部電極２１２ａが露出し、内部電極２１２ａが露出していない他の隣り合う２面の側面に内部電極２１２ｂが露出している。内部電極２１２ａは、これが露出した側面において外部電極２１３ａによって接続され、内部電極２１２ｂは、これが露出した側面において外部電極２１３ｂによって接続されている。

特開平１１−３４１８３８号公報

しかしながら、図４Ｄからも明らかなように、断面上で対角に位置する２つの領域Ｓは、内部電極２１２ａ、２１２ｂのどちらの投影領域にも存在しない圧電不活性部２１２ｄに含まれる。この領域Ｓは内部電極２１２ａ、２１２ｂが重なり合う圧電活性部２１２ｃと接している。したがって、積層型圧電アクチュエータ２１０を駆動させると、領域Ｓと圧電活性部２１２ｃと境界部分で大きな応力が発生し、積層型圧電アクチュエータ２１０が破壊に至るおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、局部的に発生する応力を低減し、破壊を防止するとともに、長寿命化を実現できる積層型圧電アクチュエータおよび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、本発明の積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータであって、内部電極の外周部近傍の圧電セラミックスの密度が、前記内部電極の中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さいことを特徴としている。

これにより、圧電活性部と圧電不活性部との境界部付近を低密度化し、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、圧電アクチュエータの破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

（２）また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、前記内部電極の外周部近傍の圧電セラミックス層が、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、カリウム、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１以上の成分を他の部分の圧電セラミックス層よりも多く含有することを特徴としている。

これにより、内部電極の外周部近傍の圧電セラミックス層を組成する部分の焼結性を低くすることができ、低密度化することができる。そして、圧電アクチュエータの破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

（３）また、本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電セラミックスの粉末を含むグリーンシートを成形する工程と、前記成形されたグリーンシートに、電極ペーストを所定のパターンで塗布する工程と、前記電極ペーストが塗布される所定のパターンの外周部に、前記圧電セラミックスの焼結体の密度を低下させる添加物を含有するドープペーストを塗布する工程と、前記各ペーストが塗布されたグリーンシートを所定枚数積層し、一体化し、焼成する工程と、を有することを特徴としている。

（４）また、本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、前記添加物が、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、アルミニウム、ニオブ、カリウム、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１または複数の成分からなる化合物であることを特徴としている。

本発明によれば、圧電活性部と圧電不活性部との境界部付近を低密度化し、動作時にはその部分の変位量を小さくし、そこに発生する応力を小さくできる。その結果、局部的に発生する応力を低減し、破壊を防止するとともに、長寿命化を実現できる。

本発明の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。本発明の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。本発明の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。本発明の積層型圧電アクチュエータを示す平面図である。本発明の積層型圧電アクチュエータを示す正面図である。パンチングシートの一例を示す平面図である。電極ペーストを塗布されたパンチングシートの一例を示す平面図である。各種ペーストを塗布されたパンチングシートの一例を示す平面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す平面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す平面図である。

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。なお、本発明は、以下に説明する具体的な形態に限定されるものではない。

（積層型圧電アクチュエータの構成）

図１Ａは、積層型圧電アクチュエータ１０を示す積層方向に沿った断面による断面図である。積層型圧電アクチュエータ１０は、圧電セラミックス層１１と内部電極１２ａ、１２ｂとが交互に積層されている。圧電セラミックス層１１は、圧電セラミックス材料の焼結体で形成されている。内部電極１２ａ、１２ｂは、積層型圧電アクチュエータ１０の対向する側面１０ａ、１０ｂに一層おきに露出するように形成されている。

図１Ｂ、図１Ｃは、いずれも積層型圧電アクチュエータ１０の積層方向に垂直な断面による断面図である。図１Ｂ、図１Ｃに示すように、内部電極１２ａ、１２ｂのパターンは、概ね積層型圧電アクチュエータ１０の断面外形に相似しており、その一辺に側面への突出した領域を有する凸字状である。内部電極１２ａ、１２ｂの周縁では、圧電セラミックス層１１が連続しており、一辺に開口を有するロ字状の外周部１１ａ、１１ｂが形成されている。なお、積層型圧電アクチュエータ１０は、内部電極のパターンを問わず積層コンデンサ型構造の圧電アクチュエータに広く適用される。

内部電極１２ａは、内部電極１２ａが露出している側面１０ａ、１０ｂで、外部電極１３ａに接続され、内部電極１２ｂは、内部電極１２ｂが露出される側面１０ａで外部電極１３ｂによって接続されている。積層型圧電アクチュエータ１０では、内部電極１２ａ、１２ｂは、それぞれ外部電極１３ａ、１３ｂと接続される部分のみが側面１０ｂに露出している。このような構造とすることにより、耐湿性が高められる。

圧電セラミックス層１１としてはｄ３３モードでの駆動特性に優れるＰＮＮ−ＰＺＴ系の圧電セラミックスが、内部電極１２ａ、１２ｂとしては銅電極が、外部電極１３ａ、１３ｂとしては銀電極が、それぞれ好適に用いられる。

また、図１Ｄ、図１Ｅは、それぞれ積層型圧電アクチュエータ１０の平面図および正面図である。図１Ｄでは、積層型圧電アクチュエータ１０を端面から積層方向に見たときの、内部電極１２ａ、１２ｂの投影が重なる範囲を圧電活性部１２ｃとして破線で表している。内部電極１２ａと内部電極１２ｂとの重なり部分が圧電活性部１２ｃとなり、内部電極１２ａ、１２ｂの一方のみが位置する部分および内部電極１２ａ、１２ｂが位置しない部分が圧電不活性部１２ｄとなる。図１Ｅでは、積層型圧電アクチュエータ１０を正面から見たときの、積層方向に内部電極１２ａ、１２ｂの投影が重なる範囲を圧電活性部１２ｃとして破線で表している。

圧電セラミックス層１１において内部電極１２ａ、１２ｂの外周部１１ａ、１１ｂ近傍の圧電セラミックス層には、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、カリウム、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１以上の成分が他の部分よりも多く含まれており、中央部と比較し難焼結性となっている。

なお、外周部１１ａ、１１ｂ近傍の圧電セラミックスに含まれる上記の成分が中央部近傍の圧電セラミックスに含まれる上記の成分に対して、０．１重量％以上多いことが好ましい。外周部１１ａ、１１ｂ近傍とは、圧電不活性部１２ｄおよび圧電活性部１２ｃと圧電不活性部１２ｄの境界付近をいう。また、上記の中央部近傍とは、圧電不活性部１２ｄの境界付近を除いた圧電活性部１２ｃをいう。

また、内部電極１２ａ、１２ｂの外周部１１ａ、１１ｂ近傍の圧電セラミックスの密度は、内部電極１２ａ、１２ｂの中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さい。なお、上記の外周部近傍の圧電セラミックスの密度が中央部近傍の圧電セラミックスの密度に対して、５％以上小さいことが好ましい。

内部電極１２ａ、１２ｂの外周部１１ａ、１１ｂ近傍の密度が小さいことは、内部電極１２ａ、１２ｂの外周部と中央部との間で圧電セラミックス層１１の焼結性が相違することに起因する。圧電活性部と圧電不活性部との境界部付近において圧電セラミックス層１１が低密度化されている。

これにより、その境界部付近の変位量が小さく、そこに発生する応力が小さくなるため、積層型圧電アクチュエータ１０内でクラックが進行し難くなる。そして、積層型圧電アクチュエータ１０の破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。なお、上記の外周部近傍の圧電セラミックスの平均粒径が中央部近傍の圧電セラミックスの平均粒径に対して、５０％以上小さいことが好ましい。

（積層型圧電アクチュエータの製造方法）
次に、積層型圧電アクチュエータ１０の製造方法の一例について説明する。まず、ＰＮＮ−ＰＺＴ系等の圧電セラミックスの粉末にバインダ等の有機物成分や溶媒を混合してスラリー化する。このようにして得られた混合物をドクターブレード法や押出成形法等の方法によって、シート状に成形する。続いて、得られた帯状のグリーンシートからパンチング等の方法によって所定形状のパンチングシートを得る。図２Ａは、パンチングシート２１の一例を示す平面図である。

パンチングシート２１に、スクリーン印刷法等を用いて、所定のパターンでＡｇ−Ｐｄペーストまたは白金ペースト等の電極ペーストを塗布する。塗布された電極ペーストは、焼成後に内部電極１２ａ、１２ｂとなる。図２Ｂは、所定のパターンに電極ペーストを塗布されたパンチングシートの一例を示す平面図である。図２Ｂでは、説明をわかりやすくするために、１枚のパンチングシート２１で代表させて電極パターン２２が塗布された状態を示している。なお、印刷は、塗布の一種に含まれる。

図２Ｃは、所定のパターンに各種ペーストを塗布されたパンチングシートの一例を示す平面図である。図２Ｃの平面図に示すように、電極パターン２２の外周部に、例えば、枠状の添加物塗布パターン２３で、圧電セラミックスの圧電特性を低下させる添加物を含有するペースト（以下「ドープペースト」という）を塗布する。ドープペーストに含まれる成分は、圧電セラミックスの結晶サイズを小さくするものであることが好ましい。たとえば、ドープペーストには、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、アルミニウム、ニオブ、カリウム、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１または複数の成分からなる化合物を主成分として含まれたものを用いることができる。

これらの金属成分は焼成時に圧電セラミックス層１１へと拡散するが、その拡散量の制御、つまりドープペーストの塗布量の制御は、例えば、スクリーンのメッシュを変える方法やドープペーストの粘度を調整する方法、印刷回数を変える方法等によって行うことができる。なお、ドープペーストの印刷工程と電極ペースト印刷工程の順番を入れ替えてもよい。また、ドープペーストの印刷と電極ペーストの印刷を繰り返し行ってもよい。

電極ペーストおよびドープペースト（以下「各種ペースト」という）が塗布されていないパンチングシート２１を数枚積層した後に、その上に、各種ペーストが塗布されたパンチングシート２１を重ね合わせる。その際には、端面にまで電極ペーストが印刷されている辺が、対向する一対の辺に交互に位置するように各種ペーストが塗布されたパンチングシート２１を重ね合わせる。そして、さらにその上に各種ペーストが塗布されていないパンチングシート２１を数枚積み重ねて、熱プレス処理する。これによりパンチングシート２１どうしが熱圧着されて、一体化される。

得られた熱圧着体を、脱脂、焼成して焼成体を得る。この焼成時に、ドープペーストに含まれる金属成分（Ａｌ、Ｎｂ、Ｋ、Ｌａ等）が、主にドープペーストが塗布された外周部の近傍の圧電セラミックス層１１の一部へ拡散する。これにより、内部電極１２ａ、１２ｂの外周部１２ｃ、１２ｄでは圧電セラミックスの焼結性が低下する。その一方で、内部電極１２ａ、１２ｂの中央部では原料組成がほぼ保持されるために、焼結が進行する。

なお、ＬａやＮｄをドープした場合、圧電セラミックス結晶粒子の格子位置に置換され、異状粒成長を抑制し、粒子サイズを減少させる。また、ＡｌやＭｇをドープした場合には、ＰＺＴ等の圧電セラミックスと固相反応せず粒界にとどまることで粒成長を阻害し、圧電セラミックス層の焼結温度を上昇させ、その焼結体を低密度化すると考えられる。ただし、Ａｌを少量添加した場合には、格子欠陥として酸素空孔を増やし、かえって粒成長を促進させ、焼結温度を低下させる。一方、Ｚｒ、Ｎｂを添加し、ＰＺＴのＺｒ、Ｎｂの配合比が増加した場合には、物質の表面拡散が抑制され粒子サイズが減少し、圧電セラミックス層の焼結温度を上昇させ、その焼結体を低密度化すると考えられる。また、Ｋを添加した場合は、１０００℃程度でＫの揮発が進行するため、圧電セラミックス層内の粒成長は抑制されないが、焼結体の密度は低下すると考えられる。

このように、積層型圧電アクチュエータ１０では応力の集中する電極端面の密度を中央部と比較して低密度としている。その結果、変位量が小さいため発生する応力が小さくなり、クラックが進行しにくくなる。そして、積層型圧電アクチュエータ１０は破壊し難くなり、その長寿命化につながる。

１０積層型圧電アクチュエータ
１０ａ、１０ｂ側面
１１圧電セラミックス層
１１ａ外周部
１２ａ、１２ｂ内部電極
１２ｃ圧電活性部
１２ｄ圧電不活性部
１３ａ、１３ｂ外部電極
２１パンチングシート
２２電極パターン
２３添加物塗布パターン

Claims

圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータであって、
内部電極の外周部近傍の圧電セラミックスの密度が、前記内部電極の中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さいことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
前記内部電極の外周部近傍の圧電セラミックス層は、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、カリウム、アルミニウム、ニオブ、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１以上の成分を他の部分の圧電セラミックス層よりも多く含有することを特徴とする請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。
圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、
圧電セラミックスの粉末をグリーンシートに成形する工程と、
前記成形されたグリーンシートに、電極ペーストを所定のパターンで塗布する工程と、
前記電極ペーストが塗布される所定のパターンの外周部に、前記圧電セラミックスの焼結体の密度を低下させる添加物を含有するドープペーストを塗布する工程と、
前記各ペーストが塗布されたグリーンシートを所定枚数積層し、一体化し、焼成する工程と、を有することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
前記添加物は、ランタンおよびネオジウム等の希土類元素、アルミニウム、ニオブ、カリウム、ジルコニウムならびにマグネシウムから選ばれた１または複数の成分からなる化合物であることを特徴とする請求項３記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。