JP2014072329A - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

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【課題】生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子の製造方法を提供する。
【解決手段】圧電セラミックス層101と一層おきに外部電極103a、103bに接続された内部電極102a、102bとが交互に積層された圧電素子100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、電極ペーストを塗布する工程と、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、積層成形体を脱脂し、電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含む。これにより、活性層104の不活性層近傍の領域104bに電極拡散の勾配が生じ、変位量にも勾配が生じるため、活性層104と不活性層105との境界に生じる応力を緩和することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧電体と内部電極とが交互に積層された圧電素子の製造方法に関する。
電気/機械変換素子たる圧電素子は、圧電セラミックスの厚み縦変位(d33モード)を利用し、ミクロンオーダーでの変位量制御が可能である。圧電素子は、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。
積層型圧電素子としては積層コンデンサ型構造の圧電素子(以下、圧電素子)が知られている。図2(a)、(b)は、それぞれ従来の圧電素子を示す正断面図および平面透視図である。圧電素子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が露出している側面において内部電極202aは外部電極203aに接続し、内部電極202bが露出している側面において内部電極202bは外部電極203bによって接続されている。なお、一般的な圧電素子においては、積層方向の端面には電極を形成しない。
図2(b)は、内部電極202a、202bの典型的なパターンの重なりを示している。圧電素子200では、内部電極202aと内部電極202bとが重なる。このように、活性層204として、内部電極202aと内部電極202bに挟まれた重なり部分に電界が印加されることで、変位して圧電素子200は駆動する。
一方、最上層および最下層部には電極がなく、端面付近には電界が印加されないため、圧電効果による変位は得られず、不活性層205となる。この活性層204と不活性層205との境界部近傍に応力が集中し、圧電素子200の破壊に至らしめることが知られている。
圧電素子200のこのような欠点を解消するために、例えば、特許文献1には、最上層および最下層の不活性層近傍の活性層における内部電極の重なり面積を、他の圧電的に活性な部分における内部電極の重なり面積よりも50%以下にし、対向する内部電極の電極が形成されていない孔の位置を互いにずらすことにより、内部電極の重なり面積を調節している。
これにより、この圧電素子においては、最上層および最下層の圧電的に不活性な圧電体層の近傍における内部電極の重なり面積が小さいため、その部分の変位量が小さくなり、活性層と不活性層の境界部に活性層よりも変位の小さい層を形成している。このようにして、境界部における応力破壊を防止し、積層型圧電体素子の耐久性を向上させている。
特開平07−30165号公報
しかしながら、特許文献1記載の方法では活性層の電極面積を調節するために工程が複雑となる可能性があり、また耐久性を向上するためには、活性層の活性部を50%以下にすることが望ましく、圧電素子の変位量や発生力が減少する可能性がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子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た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、電極ペーストを塗布する工程と、前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、前記積層成形体を脱脂し、前記電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含むことを特徴としている。
このように、積層成形体を脱脂したものを電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成することで、不活性層近傍において電極材料の圧電セラミック層への拡散を進めることができる。その結果、活性層の不活性層近傍の領域に電極拡散の勾配が生じ、変位量にも勾配が生じるため、活性層と不活性層との境界に生じる応力を緩和することができる。また、変位量や発生力は大きく変わらない。そのように応力を緩和できる圧電素子を簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
(2)また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記電セラミックスが、PZTで形成されており、前記電極材料は、60:40から95:5までのいずれかの比で構成されたAg−Pdであることを特徴としている。
これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、970℃から1270℃の範囲となり、PZTの圧電素子の焼成に適した温度で焼成して、境界に生じる応力を緩和した緻密な圧電素子を得ることができる。
(3)また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記グリーンシートの厚みが、60μm以上であることを特徴としている。これにより、圧電素子の圧電セラミックス層の厚みが大きくなり、電極材料が圧電セラミック層へ極度に拡散するのを防止できる。その結果、圧電素子の導通による絶縁破壊を防止できる。
本発明によれば、生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子を製造できる。
本発明の圧電素子を示す正断面図である。 (a)、(b)それぞれ従来の圧電素子を示す正断面図および平面透視図である
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。
(圧電素子の構成)
図1は、圧電素子100を示す正断面図である。図1に示すように、圧電素子100は、積層型の圧電素子であり、圧電セラミックス層101と内部電極102a、102bとが交互に積層されている。圧電セラミックス層101は、PZT等の圧電セラミックスで形成されており、予め分極されている。内部電極102a、102bは、Ag、Pd、Pt、Au、Cu、Ni等やこれらの合金で形成されており、一層おきに外部電極103a、103bに接続されている。ただし、焼成温度を考慮すると、上記の材料のうち、Ag−Pdが好ましく、特に60:40から95:5までのいずれかの比で構成されたAg−Pdが好ましい。また、70:30から90:10までのいずれかの比で構成されたAg−Pdであればさらに好ましい。圧電素子100は、外部電極103a、103bを介して内部電極102a、102bへ電圧を印加することで伸縮する。
圧電素子100は、活性層104と不活性層105の領域に区分できる。活性層104は、圧電セラミックス層101と内部電極102a、102bとが交互に積層され、一方の端面に最も近い内部電極102aと他方の端面に最も近い内部電極102bにより挟まれた領域である。すなわち、内部電極102a、102bへの電圧印加に対して伸縮する領域を指している。
一方、不活性層105は、内部電極102a、102bの無い端面付近の圧電セラミックス層101をいい、内部電極102a、102bに電圧を印加しても伸縮しない。圧電素子100は、活性層のうち中央領域104aと比べて、不活性層近傍の領域104bの方が内部電極102a、102bの電極材料が多く拡散している。その結果、電圧印加時に活性層の不活性層近傍の領域104bの変位量に勾配ができる。そして、活性層104と不活性層105との境界に生じる応力を緩和することができる。また、そのように応力を緩和できる圧電素子100は、簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
(圧電素子の製造方法)
上記の圧電素子100の製造方法を説明する。まず、予め秤量、混合し、仮焼、粉砕等を経て所望の圧電セラミックスの粉末を準備する。圧電セラミック粉末は、PZTで形成されていることが好ましい。その圧電セラミックスの粉末に有機媒体を混合してスラリーを作製し、ドクターブレード等で圧電セラミックスのグリーンシートを製造する。
グリーンシートの厚みは、60μm以上とすることが好ましい。これにより、圧電素子100の圧電セラミックス層101の厚みが大きくなり、電極材料が圧電セラミックス層101へ極度に拡散するのを防止できる。その結果、圧電素子100の導通による絶縁破壊を防止できる。
上記のようにして得られた圧電セラミックスのグリーンシートに、電極ペーストを塗布する。電極材料は、60:40から95:5までのいずれかの比で構成されたAg−Pdであることが好ましい。これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、970℃から1270℃の範囲となり、PZTの圧電素子に適した温度で焼成できる。また、電極材料は、70:30から90:10の比で構成されたAg−Pdであることがさらに好ましい。これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、1000℃から1160℃の範囲となる。このようにして活性層104と不活性層105の境界に生じる応力を緩和した緻密な圧電素子100を得ることができる。そして、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層して成形し、積層成形体を得ることができる。
次に、積層成形体を脱脂し、圧電セラミックスと電極ペーストとを一体焼成する。その際には、電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する。これにより、電極材料が圧電セラミックス層101内を拡散し、活性層104と不活性層105との境界に近いほど圧電セラミックス層101に多く拡散する。なお、電極材料がAg−Pd等の合金電極材料の場合には、各元素の配合比における固相線から液相線の温度範囲で焼成すればよい。
上記の作用により、電圧印加時に活性層104の不活性層近傍の領域104bの変位量に勾配ができる。その勾配により活性層104と不活性層105との境界に生じる応力を緩和することができる。また、そのように応力を緩和できる圧電素子100は、設計に従って内部電極のパターン等を制御するようなものではなく、簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
通常の焼成では電極金属の圧電セラミックス層101への拡散を防ぐため、電極金属の融点より20℃以上低い温度で行うことが一般的に良いとされる。しかし、上記の方法では、電極金属の固相線から液相線の温度範囲で焼成を行う。
これにより、電極金属の圧電セラミックス層101への拡散が進む。このとき、活性層104のうち不活性層近傍の領域104bでは不活性層105への電極金属の拡散が起こるため、活性層104の中央領域104aと比較し電極金属の拡散量が多くなる。そのため、不活性層近傍の領域104bでは不活性層105との境界部に近づくにつれて内部電極102a、102bの金属面積に勾配が生じる。
その結果、金属面積の勾配に応じて不活性層近傍の領域104bの変位量にも勾配が生じるため、不活性層105との境界部に集中する応力が分散される。また電極の拡散が進むことで、不活性層105と境界部の内部電極102a、102bとの接触面積が減る。これにより、応力により境界面に亀裂が生じた場合も、不活性層105と内部電極102a、102bとの接触箇所が剥離するにとどまり、クラックが成長せず絶縁破壊等の大きな故障に至らない。
なお、圧電セラミックス層101へのAgの過剰な拡散による絶縁抵抗の低下を防止するためには、圧電セラミックス層101の厚みを増加させる方法以外に、駆動時の圧電素子100の温度上昇を抑える方法や、アニーリングやMn等のドーパントの添加により圧電セラミックス層101の酸素欠陥を抑制する方法が考えられる。
100 圧電素子
101 圧電セラミックス層
102a、102b 内部電極
103a、103b 外部電極
104 活性層
104a 中央領域
104b 不活性層近傍の領域
105 不活性層

Claims (3)

  1. 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た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、電極ペーストを塗布する工程と、
    前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、
    前記積層成形体を脱脂し、前記電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
  2. 前記電セラミックスは、PZTで形成されており、
    前記電極材料は、60:40から95:5までのいずれかの比で構成されたAg−Pdであることを特徴とする請求項1記載の圧電素子の製造方法。
  3. 前記グリーンシートの厚みは、60μm以上であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧電素子の製造方法。
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