JP2013211419A

JP2013211419A - 積層型圧電素子および圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2013211419A
Application number: JP2012080746A
Authority: JP
Inventors: Takuro Makisako; 拓郎牧迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】振動による接合材の剥がれを抑制することのできる積層型圧電素子および圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極層３が積層された積層体４と、内部電極層３の端部が導出された積層体４の側面に取り付けられた外部電極５と、接合材６によって外部電極５と接合されたリード７とを含み、外部電極５の端部は積層体４の側面から離れているとともに外部電極５の端部には孔５１またはスリット５２が設けられていて、孔５１またはスリット５２にリード７が挿入されていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、ＸＹテーブルの精密位置決め装置等に用いられる積層型圧電素子および圧電アクチュエータに関するものである。

圧電アクチュエータとして、図６に示すように、圧電体層および内部電極層が積層された積層体９１と、内部電極層の端部が導出された積層体９１の側面に取り付けられた外部電極９２と、外部電極９２と接合されたリード９３とを含む積層型圧電素子を、金属製ケース９４の内部に収容したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１９２８３２号公報

上記の圧電アクチュエータにおいて、リード９３は外部電極９２にはんだ接合されているが、駆動時の振動でリード９３と外部電極９２とを接合した接合材（はんだ）が引っ張られて剥がれるおそれがある。そして、接合材が剥がれた際に抵抗値が変化するので、積層体９１の変位量が変化するおそれもある。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は振動による接合材の剥がれを抑制することのできる積層型圧電素子および圧電アクチュエータを提供することである。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、前記内部電極層の端部が導出された前記積層体の側面に取り付けられた外部電極と、接合材によって前記外部電極と接合されたリードとを含む積層型圧電素子であって、前記外部電極の端部は前記積層体の側面から離れているとともに前記外部電極の端部には孔またはスリットが設けられていて、該孔またはスリットに前記リードが挿入されていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極は屈曲部を有し、該屈曲部によって折り曲げられて前記外部電極の端部が前記積層体の側面から離れていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極は、前記積層体に接合された接合部と前記端部との間に複数の屈曲部を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記積層体は角柱状であって、前記外部電極は前記積層体の側面のうちの前記接合部が接合された面とは異なる面に対向する部位を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記外部電極は前記孔またはスリットが設けられた面に立設された立設部を有し、前記リードを接合する接合材が前記立設部まで形成されて
いることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記立設部は前記積層体と前記リードとの間に位置するように設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、前記接合材が導電性樹脂であることを特徴とするものである。

さらに本発明は、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータである。

本発明の積層型圧電素子によれば、外部電極の端部は積層体の側面から離れているとともに外部電極の端部には孔またはスリットが設けられていて、孔またはスリットにリードが挿入されたうえで接合されていることで、リードが外部電極の平坦な面に接合されるのに比べて強固に固定されて剥がれにくく、積層体の変位量を長期間安定なものとすることができる。

（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。従来の圧電アクチュエータの一例を示す概略断面図である。

以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。本例の積層型圧電素子１は、圧電体層２および内部電極層３が積層された積層体４と、内部電極層３の端部が導出された積層体４の側面に取り付けられた外部電極５と、接合材６によって外部電極５と接合されたリード７とを含み、外部電極５の端部は積層体４の側面から離れているとともに外部電極５の端部には孔５１またはスリット５２が設けられていて、孔５１またはスリット５２にリード７が挿入されていることを特徴とするものである。なお、図１（ａ）は外部電極５の端部に孔５１が設けられた構成を示しており、図１（ｂ）は外部電極５の端部にスリット５２が設けられた構成を示している。

積層型圧電素子１を構成する積層体４は、例えば圧電体層２および内部電極層３が交互に複数積層されてなる活性部と、活性部の積層方向両端に設けられた圧電体層３が積層されてなる（内部電極層３を含まない）不活性部とを有し、例えば縦４〜７ｍｍ、横４〜７ｍｍ、高さ２０〜５０ｍｍの直方体状に形成されている。ここで、活性部は駆動時に圧電体層２が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部は駆動時に圧電体層２が積層方向に伸長または収縮しない部位である。なお、図１に示す積層体４は四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

積層体４を構成する圧電体層２は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので
、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。この圧電体層２の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。

積層体４を構成する内部電極層３は、圧電体層２と交互に積層されて圧電体層２を上下から挟んでおり、積層順に正極および負極が配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層２に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば圧電セラミックスとの反応性が低い銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。図１に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体４の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。この内部電極層３の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。

なお、積層体４には、応力を緩和するための層であって内部電極層３として機能しない金属層等が含まれていてもよい。

図１に示す積層体４の対向する一対の側面には、内部電極層３と電気的に接続されてそれぞれ導体層８が設けられている。この導体層８は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体４の側面に接合されて、積層体４の対向する側面に互い違いに導出された内部電極層３とそれぞれ電気的に接続されている。導体層８の厚みは、例えば５〜５００μｍとされる。

一方、積層体４の対向する他の一対の側面には、内部電極層３の正極および負極（もしくはグランド極）の両極が達しており、この側面には例えば酸化物からなる被覆層４１が形成されている。被覆層４１の形成により、駆動時に高電圧をかけた際に発生する両極間での沿面放電を防止することができる。この被覆層４１を形成する酸化物としては、セラミック材料が挙げられ、特に、圧電アクチュエータを駆動した際の積層体４の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層４１が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ｌｎ_１−ＸＳｉ_ＸＡｌＯ_{３＋０．５Ｘ}（Ｌｎは、Ｓｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。ｘ＝０．０１〜０．３）などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料が挙げられる。この被覆層４１は、例えばインク状にした後、ディッピングやスクリーン印刷によって積層体２０の側面に塗布され、焼結することによって形成される。

そして、内部電極層３の正極または負極（もしくはグランド極）のうちの一方の端部が導出された積層体４の側面には、外部電極５が取り付けられている。具体的には、例えばＡｇ粉末やＣｕ粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接合材を介して、導体層８のうえに外部電極５が取り付けられている。なお、導体層８が設けられたうえで外部電極５が取り付けられるのが好ましいが、外部電極５と内部電極層３との導通が十分にとれるのであれば、導体層８が設けられていなくてもよい。

外部電極５は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅０．５〜１０ｍｍ、厚み０．０１〜１．０ｍｍに形成されたものである。この外部電極５には、電気伝導性や熱伝導性を向上させるため、すずや銀などのメッキが施されていてもよい。

外部電極５には、接合材６によってリード７が接合されている。そして、リード７を介
して外部電極５に駆動電圧が印加されるようになっている。なお、接合材６としては、はんだ、導電性樹脂が挙げられるが、振動や共振を緩和、吸収する点で、導電性樹脂が好ましい。導電性樹脂としては、例えば銀ポリイミドや銀エポキシが挙げられる。

ここで、外部電極５の端部は積層体４の側面から離れているとともに外部電極５の端部には孔５１またはスリット５２が設けられていて、孔５１またはスリット５２にリード７が挿入されている。

外部電極５の端部は積層体４の側面から離れているとともに外部電極５の端部には孔５１またはスリット５２が設けられていて、孔５１またはスリット５２にリード７が挿入されたうえで接合されていることで、リード７が外部電極５の平坦な面に接合されるのに比べて強固に固定されて剥がれにくく、積層体４の変位量を長期間安定なものとすることができる。

また、図１に示すように、外部電極５は屈曲部５３を有し、屈曲部５３によって折り曲げられて外部電極５の端部が積層体４の側面から離れているのが好ましい。

本発明には屈曲部５３のない構成も含まれるが、屈曲部５３によって折り曲げられて外部電極５の端部が積層体４の側面から離れていることにより、屈曲部５３にて振動を吸収することができ、積層体４の変位量がより長期間安定する。

また、図２に示すように、外部電極５は、積層体４に接合された接合部と端部との間に複数の屈曲部５３を有しているのが好ましい。複数の屈曲部５３を有していることにより、振動方向と異なる方向に曲げて応力を分散できるため、積層体４の変位量がさらに長期間安定する。

また、図２に示すように、積層体４は角柱状であって、外部電極５は積層体４の側面のうちの接合部が接合された面とは異なる面に対向する部位を有しているのが好ましい。この構成により、複数の屈曲部５３で振動を吸収するため、接合材６にかかる駆動時の振動をさらに緩和でき、積層体４の変位量が長期間安定する。

また、図３に示すように、外部電極５は孔５１またはスリット５２が設けられた面に立設された立設部５４を有し、リード７を接合する接合材６が立設部５４まで形成されているのが好ましい。この構成により、接合材６と外部電極５との接合面積が大きくなるため、より剥れにくくなり、積層体４の変位量がさらに長期間安定する。

また、図４に示すように、立設部５４は積層体４とリード７との間に位置するように設けられているのが好ましい。立設部５４を積層体４側に設けることで、立設部５４と積層体４との距離が近くなり、てこの原理より立設部５４にかかる応力を低減させることができるため、積層体の駆動量が長期間安定する。

次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例について説明する。

図５は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図５に示す例の圧電アクチュエータは積層型圧電素子１をケース１０に収容してなるものである。

ケース１０は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたもので、このようなケース１０にて積層型圧電素子１が封止されているため、圧電アクチュエータを腐食性のガス中や水中等で使用することができる。また、内部電極層３のイオンマ
イグレーションを抑制するために、不活性ガスを用いて封止してもよい。

この構成により、長期駆動が可能な積層型圧電素子を搭載しているため、積層体４の変位量が長期間安定した圧電アクチュエータとすることができる。

次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータの製造方法について説明する。

まず、圧電体層２となる圧電セラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系またはブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合して、セラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法あるいはカレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いて圧電セラミックグリーンシートを作製する。なお、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）またはフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、内部電極層３となる内部電極層用導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、内部電極層用導電性ペーストを作製する。なお、銀−パラジウム合金に代えて銀粉末とパラジウム粉末とを混合しても良い。

次に、内部電極層用導電性ペーストを、上記の圧電セラミックグリーンシート上に内部電極層３のパターンで例えばスクリーン印刷法にて塗布する。

次に、内部電極層用導電性ペーストが塗布された圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層するとともに、内部電極層用導電性ペーストが塗布されていない圧電セラミックグリーンシートを所定枚数積層する。

そして、これに所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１２００℃の温度で焼成する。焼成して得られた積層焼結体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理を施す。これにより、圧電体層２および内部電極層３が交互に積層された積層体４が得られる。

次に、積層体４の側面に一対の導体層８を形成する。例えば、銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成する場合、まず銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体４の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、５００〜８００℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、一対の導体層８が形成される。

次に、外部電極５を作製する。例えば、ＳＵＳ３０４の薄板に銀メッキ処理を行い、その後に薄板にエッチングを行い平面板状の電極板を形成する。ここで、外部電極５に孔５１やスリット５２を設けるためには、例えばエッチングやレーザー、打ち抜きで加工すればよい。また、外部電極５に屈曲部５３や立設部５４を設けるためには、平面板状の電極板に曲げ加工を行えばよい。そして、導体層８上に曲げ加工した外部電極５を導電性樹脂などの導電性接合材層を介して導体層８上に取り付け、外部電極５の端部を接合材６（導電性樹脂）によりリード７と接合した。

次に、ケース１０を構成するＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌなどからなる製のシームレスの筒体、上側蓋体および下側蓋体を用意する。そして、筒体に圧延加工によりベロー形状を形成し、この筒体の一端側（上端側）の開口を塞ぐように上側蓋体をレーザー溶接によって溶接する。

次に、互いに溶接した上側蓋体および筒体を下側蓋体に接着した積層型圧電素子に被せ、積層型圧電素子に荷重を加えた状態で、筒体と下側蓋体とを抵抗溶接によって溶接し、積層型圧電素子の封止を行なう。

次に、ケース１０の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内（収納空間）の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース１０内（収納空間）の窒素パージを行なう。その後、不活性ガス注入用の穴をレーザー溶接で溶接することにより、穴を塞ぐ。

一対の導体層８にそれぞれ接続した外部電極５とリード７から０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体４を構成する圧電体層２を分極することによって、積層型圧電素子１全体が分極する。この積層型圧電素子１は、リード７を介して導体層８と外部の電源とを接続して、圧電体層２に駆動電圧を印加することにより、各圧電体層２を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。

本実施の形態の積層型圧電素子は、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置の精密位置決め装置等として用いられる。

本発明の実施例の一例としての圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。

このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金（銀９５質量％−パラジウム５質量％）にバインダーを加えて作製した内部電極層となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを３００枚積層し、その上下に内部電極層となる導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを１５枚ずつ積層して、積層成形体を作製した。

次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、８００℃の温度を９０分保持した後、１０００℃で２００分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦５ｍｍ、横５ｍｍであり、高さが３５ｍｍであった。

次に、部分安定化ジルコニア、圧電材料、圧電体層と同じ材料、及びチタン酸ジルコン酸鉛を材料とするインクを作製し、それぞれ、被覆層の厚みが２０μｍとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の側面に印刷し、その後、１０００℃で焼成し、積層体の側面に被覆層を形成した。

次に、銀粉末にガラス，バインダーおよび可塑剤を添加して作製した銀ガラスペーストをメタライズ層のパターンで積層体の側面に印刷し、乾燥後７００℃で焼き付けを行ない、導体層を形成した。

次に、この導体層上に導電性樹脂を用いて外部電極を接合した。

外部電極は、ＳＵＳ３０４を用いて圧延加工にて厚み０．０５ｍｍの薄板を作製し、次
に薄板上に厚みが５μｍの銀メッキ処理をした。次にエッチング処理にて所定形状の板状体を作製し、さらに曲げ加工を行って、図４（a）に示すような長さ３０ｍｍ幅２．０ｍ
ｍで屈曲部と立設部とを有する立体的な形状の外部電極を作製した。

また、ＳＵＳ３０４で円板状の下側蓋体を作製した。具体的には、切削にて溶接部を設け、２箇所に貫通孔を形成した下側蓋体を作製した。そして、下側蓋体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。

次に、下側蓋体の上面に積層型圧電素子を接着剤で固定し、積層型圧電素子に接合した外部電極の孔にリードピンを挿入し導電性樹脂である銀エポキシで外部電極の端部とリードピンを接合した。

次に、ＳＵＳ３０４で円板状の上側蓋体を作製した。また、ＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状と鍔部を形成した筒体と上側蓋体とをレーザー溶接で溶接してなるケースを、下側蓋体に接着した積層型圧電素子に被せ、所定の荷重でケースを引張り、積層型圧電素子に荷重を印加した後、ケースと下側蓋体との当接部を抵抗溶接で溶接し、積層型圧電素子の封止を行なった。

次に、ケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内（収納空間）の大気（酸素）を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内（収納空間）の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して穴を塞ぎ、窒素パージを完了させた。

以上の方法により、本発明実施例となる圧電アクチュエータ（試料１）を作製した。

また、比較例として、平板状の外部電極にリード線を接合した圧電アクチュエータ（試料２）を作製した。

最後に、これらの試料の２本のリード線またはリードピンに３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行ない、圧電アクチュエータを作製した。

得られた圧電アクチュエータの積層体に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

さらに、これらの積層型圧電素子について、１００℃の環境下で印加電圧２５０Ｖ、周波数５０Ｈｚ、Ｄｕｔｙ５０の矩形波で駆動し続ける連続駆動試験を行なった。

その結果、本発明の実施例である試料１の圧電アクチュエータは、１０００万サイクルの連続駆動試験後において、変位量の変化がほとんどなく、圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、接合材の外れもなく、長期使用しても安定した変位量が得られることが分かった。

これに対し、比較例である試料２の圧電アクチュエータは、８３万サイクル後に停止していた。この試料を確認したところ、外部電極から接続されたリード線を接続する接合材の剥れが見られた。

１：積層型圧電素子
２：圧電体層
３：内部電極層
４：積層体
４１：被覆層
５：外部電極
５１：孔
５２：スリット
５３：屈曲部
５４：立設部
６：接合材
７：リード
８：導体層

Claims

圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、前記内部電極層の端部が導出された前記積層体の側面に取り付けられた外部電極と、接合材によって前記外部電極と接合されたリードとを含む積層型圧電素子であって、前記外部電極の端部は前記積層体の側面から離れているとともに前記外部電極の端部には孔またはスリットが設けられていて、該孔またはスリットに前記リードが挿入されていることを特徴とする積層型圧電素子。
前記外部電極は屈曲部を有し、該屈曲部によって折り曲げられて前記外部電極の端部が前記積層体の側面から離れていることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
前記外部電極は、前記積層体に接合された接合部と前記端部との間に複数の屈曲部を有していることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
前記積層体は角柱状であって、前記外部電極は前記積層体の側面のうちの前記接合部が接合された面とは異なる面に対向する部位を有していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の積層型圧電素子。
前記外部電極は前記孔またはスリットが設けられた面に立設された立設部を有し、前記リードを接合する接合材が前記立設部まで形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記立設部は前記積層体と前記リードとの間に位置するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
前記接合材が導電性樹脂である請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
請求項１に記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。