JP2014127710A - Piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
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圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element in which piezoelectric ceramic layers and internal electrodes connected to external electrodes every other layer are alternately laminated.
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/機械変換素子たる積層型圧電素子は、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。 Thickness longitudinal displacement of the piezoelectric ceramic (d 33 mode) Electrical / mechanical converting element serving laminated piezoelectric element using is capable of displacement control in micron order has the feature generated force is large and the like, It is used for positioning mechanisms such as precision processing devices and optical devices.
積層型圧電素子としては、図3(a)、(b)に示す積層コンデンサ型構造の積層型圧電素子200が知られている。図3(a)はその概略の側断面図である。図3(a)に示すように、積層型圧電素子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によって接続され、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。また、一般的な積層型圧電体素子においては、上下面には電極を形成しない。内部電極202aと内部電極202bとに電界が印加されることで、積層型圧電素子200は、変位して積層型圧電素子200は駆動する。
As a multilayer piezoelectric element, a multilayer
しかし、積層型圧電素子200の最上層及び最下層部には電極がなく、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204となる。このとき、活性層203と不活性層204との境界部近傍に応力が集中し、積層型圧電素子200の破壊に至らしめることが知られている。特に負荷がかかる状態で、高電圧かつ高い周波数で使用した場合に破壊しやすい。
However, since there is no electrode in the uppermost layer and the lowermost layer portion of the multilayer
積層型圧電素子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記載の圧電素子300には、図4に示すように、積層体中央部305の両側に積層体中央部305の圧電体の1.3〜2.5倍の厚みを有する圧電体301から構成された応力緩和部306が形成されている。
In order to eliminate such drawbacks of the multilayer
これにより、単位長さあたりの発生応力を積層体中央部305から不活性層304側に向けて徐々に低下させて全体として分散し、実際に伸縮する活性層303と、伸縮しない不活性層304との間における応力を緩和している。また、このような構成を採用することにより、積層体の応力緩和部306における圧電体301の単位長さあたりの変位量を、圧電不活性層側にいくほどを小さくして実際に伸縮する活性層303と、伸縮しない不活性層との間における応力を緩和している。そして、活性層303と不活性層304の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。
As a result, the generated stress per unit length is gradually reduced from the laminated body central portion 305 toward the
しかしながら、上記の方法では応力緩和部306の変位量が低下するため、必ず従来構造の素子より同電圧印加時の変位量が小さい素子となる。すなわち高電圧を印加した場合であっても、低電圧を印加した場合であっても同様に変位量が小さい素子となる。
However, in the above method, the amount of displacement of the
したがって、同じ最大変位量を得ようとすると積層体中央部305の変位量を大きくするために最大駆動電圧を大きくする必要が生じ、圧電体にかかる単位長さあたりの電圧は大きくなる。これにより、圧電体で絶縁破壊等を起こすおそれが高くなる。 Therefore, if the same maximum displacement amount is to be obtained, it is necessary to increase the maximum drive voltage in order to increase the displacement amount of the laminated body central portion 305, and the voltage per unit length applied to the piezoelectric body increases. This increases the risk of causing dielectric breakdown or the like in the piezoelectric body.
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、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric element that is excellent in productivity, has a long life and is difficult to undergo stress fracture.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、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圧電素子であって、内部電極が対向し、前記内部電極への電圧の印加により変位する活性部と、積層方向の両端に形成され、前記内部電極が対向していない不活性部と、を備え、前記活性部は、積層方向の中央に形成された主変位部と、積層方向の両端において前記主変位部より電圧印加時の変位が小さい材料で形成された応力緩和部と、を有していることを特徴としている。このように応力緩和部が存在することで、活性部と不活性部との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子の破壊を防止できる。また、適切な材料を選択することで、絶縁破壊のおそれを低減しつつ、最大変位量を得ることができる。製造時においては、主変位部と応力緩和部のそれぞれの層に当たるグリーンシートを各材料のものに変更すればよいだけであり、生産性に優れている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which piezoelectric ceramic layers and internal electrodes connected to external electrodes are alternately stacked, and the internal electrodes are And an active portion that is displaced by application of a voltage to the internal electrode, and an inactive portion that is formed at both ends in the stacking direction and that the internal electrode does not face. It has a main displacement part formed in the center and a stress relaxation part formed of a material whose displacement at the time of voltage application is smaller than that of the main displacement part at both ends in the stacking direction. Since the stress relaxation portion exists in this manner, the stress concentrated near the boundary between the active portion and the inactive portion can be relaxed, and destruction of the piezoelectric element can be prevented. Further, by selecting an appropriate material, it is possible to obtain the maximum displacement while reducing the risk of dielectric breakdown. At the time of manufacture, it is only necessary to change the green sheet corresponding to each layer of the main displacement portion and the stress relaxation portion to that of each material, and the productivity is excellent.
(2)また、本発明の圧電素子は、前記主変位部が、前記活性部全体の40%以上60%以下の体積を占めることを特徴としている。このように、主変位部が40%以上を占めることで変位量を維持しつつ、60%以下であることで応力緩和部が有効に作用する。 (2) Moreover, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the main displacement portion occupies a volume of 40% to 60% of the entire active portion. Thus, the stress relieving part acts effectively by maintaining the amount of displacement by occupying 40% or more of the main displacement part and by 60% or less.
(3)また、本発明の圧電素子は、前記主変位部が、前記応力緩和部の圧電セラミックス層の材料に対して、静特性が大きく、かつ最大駆動電圧印加時のd33が概略一致する材料で圧電セラミックス層が形成されていることを特徴としている。これにより、高電圧かつ高周波数での使用により負荷がかかる状態になっても耐久性を向上できる。 (3) Further, in the piezoelectric element of the present invention, the main displacement portion has a large static characteristic with respect to the material of the piezoelectric ceramic layer of the stress relaxation portion, and d 33 at the time of applying the maximum driving voltage is approximately the same. A piezoelectric ceramic layer is formed of a material. Thereby, durability can be improved even when a load is applied due to use at a high voltage and a high frequency.
本発明によれば、活性部と不活性部との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子の破壊を防止できる。また、適切な材料を選択することで、絶縁破壊のおそれを低減しつつ、最大変位量を得ることができる。また、製造時における生産性に優れている。 According to the present invention, stress concentrated in the vicinity of the boundary between the active part and the inactive part can be relieved, and destruction of the piezoelectric element can be prevented. Further, by selecting an appropriate material, it is possible to obtain the maximum displacement while reducing the risk of dielectric breakdown. Moreover, it is excellent in productivity at the time of manufacture.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(圧電素子の構成)
図1(a)、(b)は、圧電素子100を示す側断面図および平断面図である。圧電素子100は、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て構成されている。
(Configuration of piezoelectric element)
FIGS. 1A and 1B are a side sectional view and a plan sectional view showing the
内部電極102a、102bには、Ag、Pd、Pt、Au、Cu、Ni等やこれらの合金が使用されている。内部電極102a、102bが、圧電セラミックス層101と一体焼成されて形成されている。
For the
図1(b)では、内部電極102a、102bのパターンが透視されている。図1(b)に示すように、圧電素子100では、内部電極102a、102bの典型的なパターンが設けられ、重ねられている。内部電極102aと内部電極102bとの投影が重なる部分103(活性部)に電界が印加されることで、圧電素子200は駆動する。
In FIG. 1B, the pattern of the
図1(a)、(b)に示すように、圧電素子100は、活性部103および不活性部104で構成されている。活性部103は、内部電極102aと内部電極102bとが対向し、内部電極102a、102bへの電圧の印加により変位する部分をいう。不活性部104は、積層方向の両端に形成され、内部電極102aが対向していない部分をいう。活性部103は、さらに主変位部105および応力緩和部106で構成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
主変位部105は、活性部103内において積層方向の中央に形成されている。このとき主変位部105と応力緩和部106には異なる圧電材料を使用する。具体的には主変位部105には静特性(低電圧印加時のd33)と高電圧印加時もd33が変わらないような材料を、応力緩和部106には主変位部105より静特性が小さいが高電圧印加時(最大駆動電圧時)に主変位部105と同等のd33となるような材料を用いる。主変位部105は、応力緩和部106の圧電セラミックス層101の材料に対して、静特性が大きく、かつアクチュエータの最大駆動電圧印加時のd33が概略一致する材料で圧電セラミックス層101が形成されている。
The
たとえば、主変位部105の材料としては、Pb0.95Sr0.05[(Mg1/3Nb2/3)0.35(Zr0.4Ti0.6)0.65]O3を用い、応力緩和部106の材料にはPb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3を用いることができる。主変位部105には、リラクサーのPb(Ni1/3Nb2/3)O3やPb(Mg1/3Nb2/3)O3を含む多成分系PZT材料のソフト材が好ましく、応力緩和部106には、PZT系圧電材料でZr/(Zr+Ti)比が正方晶と菱面体晶からなるMPB(モルフォトロピック相境界)より0.1%以上小さい材料が好ましい。
For example, as the material of the main displacement portion 105, Pb 0.95 Sr 0.05 [( Mg 1/3 Nb 2/3) 0.35 (Zr 0.4 Ti 0.6) 0.65] with O 3, the material of the
主変位部105は、活性部全体の40%以上60%以下の体積を占めることが好ましい。このように、主変位部が40%以上を占めることで変位量を維持しつつ、60%以下であることで応力緩和部106が有効に作用する。
The
応力緩和部106は、積層方向の両端において主変位部105より電圧印加時の変位が小さい材料で形成されている。応力緩和部106が存在することで、活性部103と不活性部104との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子100の破壊を防止できる。
The
図2(a)、(b)は、それぞれ圧電素子100の動作を示す断面図である。図2(a)に示すように、低変位量を得る場合、主変位部105に比べ応力緩和部106の変位量は小さくなる。応力緩和部106における単位長さあたりの変位量を、不活性部104側にいくほどを小さくして実際に伸縮する活性部103と伸縮しない不活性部104における応力を緩和させる。
2A and 2B are cross-sectional views showing the operation of the
図2(b)に示すように、最大駆動電圧の印加時の変位量は、応力緩和部106のd33と主変位部105のd33とが同じとなることから、絶縁破壊を抑える利点がある。さらに、負荷がかかる状態で高電圧かつ高い周波数で使用した場合では、変位が2段階に分割されることにより、伸縮しない不活性部104との間に発生する応力を緩和できる。これにより、高電圧かつ高周波数での使用により負荷がかかる状態に対して耐久性を向上できる。
As shown in FIG. 2B, the amount of displacement when the maximum driving voltage is applied is the same as d 33 of the
(圧電素子の作製方法)
上記のように構成された圧電素子100の製造方法を説明する。まず、積層したグリーンシートを焼成する。まず、セラミックス粉体と樹脂系組成物とを所定量秤量し混合する。セラミックス粉体としてはPZT系の圧電セラミックスを用いることが好ましい。材料は、主変位部105用と応力緩和部106用に分ける。樹脂系組成物は、具体的には、バインダ、分散剤、消泡剤、可塑剤または湿潤剤等である。
(Method for manufacturing piezoelectric element)
A method for manufacturing the
そして、混合物に溶媒を添加し、たとえばボールミルを用いて混合する。このようにして、セラミックスのスラリーを得る。溶媒は、水または有機物であり、特に限定されない。溶媒量は、適当なスラリー粘度となるように管理する。 And a solvent is added to a mixture and it mixes, for example using a ball mill. In this way, a ceramic slurry is obtained. The solvent is water or organic matter and is not particularly limited. The amount of solvent is controlled so as to obtain an appropriate slurry viscosity.
混合により得られたスラリーを脱泡し、たとえばドクターブレード法によりグリーンシートを作製する。次に、グリーンシートを所定の大きさに整え、必要な電極パターンを印刷する。そして、設計された枚数のグリーンシートを所定の圧力で圧着し、積層成形体を作製する。この際には、主変位部105用と応力緩和部106用とで異なる材料のグリーンシートを選択して用いる。そして、作製された積層成形体を、脱脂し、焼成して、圧電素子を得ることができる。
The slurry obtained by mixing is defoamed, and a green sheet is produced by, for example, a doctor blade method. Next, the green sheet is adjusted to a predetermined size, and a necessary electrode pattern is printed. Then, the designed number of green sheets is pressure-bonded at a predetermined pressure to produce a laminated molded body. At this time, green sheets made of different materials are selected and used for the
100 圧電素子
101 圧電セラミックス層
102a、102b 内部電極
103 活性部
103a 外部電極
104 不活性部
105 主変位部
106 応力緩和部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
内部電極が対向し、前記内部電極への電圧の印加により変位する活性部と、
積層方向の両端に形成され、前記内部電極が対向していない不活性部と、を備え、
前記活性部は、積層方向の中央に形成された主変位部と、積層方向の両端において前記主変位部より電圧印加時の変位が小さい材料で形成された応力緩和部と、を有していることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element in which piezoelectric ceramic layers and internal electrodes connected to external electrodes every other layer are alternately laminated,
An active part facing the internal electrode and displaced by application of a voltage to the internal electrode;
An inactive portion that is formed at both ends in the stacking direction and the internal electrodes are not facing,
The active portion includes a main displacement portion formed at the center in the stacking direction, and a stress relaxation portion formed of a material having a smaller displacement at the time of voltage application than the main displacement portion at both ends in the stacking direction. A piezoelectric element characterized by that.
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