JP2017118011A - 圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】高温下で使用されても長寿命で高い信頼性を有するとともに低廉である圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子１００であって、素子本体の表面に設けられた外部電極１０６、１０７と、外部電極１０６、１０７に接続された内部電極１０４、１０５と、内部電極１０４、１０５と交互に積層された圧電層１０３と、を備え、内部電極１０４、１０５のうち正極側の内部電極１０４は、Ｐｔ（白金）で形成され、負極側の内部電極１０５は、Ａｇ／Ｐｄ（銀パラジウム合金）で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータに関する。

近年、半導体製造装置やＦＰＤ製造装置で使用される圧電アクチュエータは、高温の環境下で高電界により駆動される場合が多い。そのような使用環境では、電極間に高電界の電圧が印加されることからイオンマイグレーションによる絶縁不良が発生しやすい。イオンマイグレーションは正極の金属がイオン化し、デンドライトを発生させたり、ガラス相を拡散したりするために起こる。近年の圧電アクチュエータの使用環境では、このようなイオンマイグレーションの抑制が課題とされている。

一方、従来、圧電素子の内部電極に異なる材料を用いたものが知られている。例えば、特許文献１には、正極、負極ともに金パラジウム合金が用いられた圧電素子が記載されている。また、特許文献２には、同一積層面上の内部電極を白金の部分と銀パラジウムの部分とで形成した圧電素子が記載されている。

特開２００１−２５０９９４号公報 特開平０５−１１０１５７号公報

上記のような高温の環境下で高電界により駆動する圧電素子では、不活性な白金を内部電極として使用することで、イオンマイグレーションを抑制している。しかしながら、白金は希少かつ高価であり、コスト低減のためになるべく使用を減らしたい材料である。イオンマイグレーションは圧電アクチュエータが使用される環境温度に比例して加速され、１０℃上昇する毎に平均故障時間が３０〜５０％短くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高温下で使用されても長寿命で高い信頼性を有するとともに低廉である圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータ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、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、素子本体の表面に設けられた外部電極と、前記外部電極に接続された内部電極と、前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、前記内部電極のうち正極側の内部電極のみ白金で形成され、負極側の内部電極は、銀パラジウム合金で形成されていることを特徴としている。

これにより、正極側の内部電極がイオン化してマイグレーションするのを防止しつつ、電極材料のコストを低減できる。その結果、高温下の使用でも長寿命で高い信頼性を有する圧電素子を実現できる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記正極側の内部電極より、前記負極側の内部電極の方が１．５倍以上大きい面積の取り出し部の電極パターンを有することを特徴としている。これにより、製造工程において正極側の電極パターンと負極側の電極パターンとを区別でき、作業の正確性や効率が向上する。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記正極側の内部電極が、前記負極側の内部電極を形成する銀パラジウム混合粉または合金粉の粒子径より２０％以上小さな粒子径を有する白金粉で形成されていることを特徴としている。このように正極側の内部電極がＰｔの微粒子で構成されているため焼結温度が低下し、Ａｇ／Ｐｄ電極との同時焼成が可能となる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、（１）〜（３）に記載の圧電素子を直列に複数連結して形成される圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体を収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備えることを特徴としている。これにより使用環境の湿度によるマイグレーション加速も抑制することが可能となり、高温の環境で高電界をかけて圧電アクチュエータを駆動させた場合でも、絶縁不良の発生を防止できる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、マスフローコントローラのガス流通弁の開閉用として４０℃以上の中高温の環境で用いられることを特徴としている。これにより、マイグレーションの生じにくい圧電アクチュエータを、マスフローコントローラのガス流通弁の開閉に用いることができる。

（６）また、本発明の圧電素子の製造方法は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、負極側の内部電極には、銀パラジウム混合粉または合金粉を含有する電極ペーストを印刷し、正極側の内部電極には、前記銀パラジウム混合粉または合金粉より粒子径を２０％以上小さくし微粉化された白金粉を含有する電極ペーストを印刷する工程と、前記印刷がなされたグリーンシートを積層し、同時に一体焼成する工程と、を備えることを特徴としている。これにより、高温下の使用でも長寿命で高い信頼性を有する圧電アクチュエータを製造できる。

本発明によれば、高温下で使用されても長寿命で高い信頼性を有するとともに低廉である圧電アクチュエータを実現できる。

（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電素子の斜視図および正断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電素子の平断面図および正極側の側面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電素子の平断面図および負極側の側面図である。 本発明の圧電素子における電極の積層状態を示す概略図である。 本発明の圧電アクチュエータを示す正断面図である。

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。

（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００の斜視図および正断面図である。矩形体に形成された積層型の圧電素子１００は、圧電層１０３と内部電極１０４、１０５とが積層方向Ｚについて交互に積層され、内部電極１０４、１０５への電圧の印加により伸縮する。圧電層１０３は、例えばＰＺＴやチタン酸バリウムのような圧電材料で構成され、厚み方向で互い違いの向きに分極されている。

内部電極１０４、１０５は、対向する素子側面上に取り出され、それぞれ外部電極１０６、１０７に接続されており、外部電極１０６、１０７からは隣り合う内部電極１０４、１０５に異なる電圧を印加できる。内部電極１０４、１０５へ電圧を印加することで各圧電層１０３が伸縮し、圧電素子全体が伸縮する。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００の平断面図および正極側の側面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００の平断面図および負極側の側面図である。図４は、圧電素子１００における電極の積層状態を示す概略図である。

正極側の内部電極１０４に用いられる電極材料は、Ｐｔ（白金）である。負極側の内部電極１０５または外部電極１０６、１０７に用いられる電極材料は、Ａｇ／Ｐｄ（銀パラジウムの合金）である。

このように構成することで、正極側の内部電極１０４を構成する金属がイオン化するのを防止でき、正極側の内部電極１０４付近に選択的に生じやすいイオンマイグレーションを抑制しつつ、負極側の内部電極を低廉なＡｇ／Ｐｄとすることで電極材料のコストを低減できる。そして、高温下の使用でも絶縁劣化を防止でき、圧電素子１００の寿命を長くし、信頼性を向上できる。

電極パターンについては、正極側の内部電極１０４の取り出し部１０４ａより、負極側の内部電極１０５の取り出し部１０５ａの方が１．５倍以上大きい面積の電極パターンを有することが好ましく、２倍以上大きい面積の取り出し部の電極パターンを有するとさらに好ましい。これにより、製造工程において正極側の電極パターンと負極側の電極パターンとを区別でき、作業の正確性や効率が向上する。図の例では、取り出し部１０４ａの幅Ｗ１より取り出し部１０５ａの幅Ｗ２の方が１．５倍以上大きくなっている。

正極側の内部電極１０４は、負極側の内部電極で使用される銀パラジウム合金の粒子径より２０％以上小さな粒子径を有する白金粉で形成されていることが好ましい。このように正極側の内部電極１０４がＰｔの微粒子で構成されているため、焼結温度を下げることができ、負極側の内部電極１０５の電極材料であるＡｇ／Ｐｄとの同時焼成が可能となる。

（圧電アクチュエータの構成）
図５は、圧電アクチュエータを示す正断面図である。圧電アクチュエータ１９０は、位置決め用の圧電アクチュエータ１９０であり、電圧の印加により伸縮する。圧電アクチュエータ１９０は、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に収容し密封して形成されている。図５では、キャップ１６０のみ断面で示され圧電アクチュエータ本体１１０は正面図で示されている。

圧電アクチュエータ本体１１０は、圧電素子１００を積層方向Ｚに沿って直列に複数連結して形成されている。リード部材１２１、１２２は、金属製であり、それぞれ外部電極１０６、１０７に接着され、座１４０においてそれぞれ端子１５１、１５２に接続されている。

座１４０は、圧電アクチュエータ本体１１０の一端を固定している。キャップ１６０は、有底の筒状に形成され、内部に圧電アクチュエータ本体１１０を収容し、開口端が座１４０に封止されている。密封により使用環境の湿度の影響を受けることなく、高温で高電界をかけて圧電アクチュエータ１９０を駆動させた場合でも、イオンマイグレーションの発生を抑制している。キャップ１６０は、例えば筒部を円筒状にし、底を形成する先端部を中央が半球状のダイヤフラムとした形状にすることができる。

圧電アクチュエータ１９０では、端子１５１、１５２に電圧を印加されることで、圧電アクチュエータ本体１１０が伸縮し、半球状のチップ１３０に当接するキャップ１６０がステージ等の被駆動体に接触する。その結果、被駆動体の精密な位置合わせができ、耐久性の高い圧電アクチュエータ１９０を実現できる。なお、被駆動体は用途に応じて、弁である場合もあれば、ステージである場合もある。

（マスフローコントローラへの応用）
ＩＧＺＯ半導体、有機ＥＬなどの製造プロセスで液体材料を高温で気化させて供給することが必要とされてきている。気化した高温のガスを精密に供給するためには高温型のマスフローコントローラとその駆動源となる高温対応の圧電アクチュエータが必要である。３ｋＶ／ｍｍにも及ぶ高電界で従来型の圧電アクチュエータを高温下で使用すると正極内部電極のイオンマイグレーションが加速され、十分な寿命が得られない。圧電アクチュエータ１９０は、正極側の内部電極１０４の材料がＰｔであるため、イオンマイグレーションが生じ難い。したがって、マスフローコントローラのガス流通弁の開閉用としては、４０℃〜１５０℃の中高温の環境で用いるのに適している。

内部電極として一律にＰｔを使用すれば、イオンマイグレーションを抑えられるが、圧電アクチュエータのコストアップ要因ともなる。ＰｔとＡｇ／Ｐｄではコストに大きな差があり、７０：３０の高コストＡｇ／ＰｄでもコストはＰｔの１／１０程度にすぎない。上記の圧電アクチュエータ１９０を用いると、負極側の内部電極１０５がＡｇ／Ｐｄなので、両方の内部電極がＰｔである場合に比べ内部電極のコストをほぼ半減することが可能となる。その他、コストが合わずに使用されていなかった医療分野等の常温稼動にも、高信頼性を有する圧電アクチュエータとして採用を見込める。

（圧電素子、圧電アクチュエータの製造方法）
上記のように構成された圧電素子１００および圧電アクチュエータ１９０の製造方法を説明する。あらかじめ、平均１μｍ以下の粒子径に微粉化されたＰｔと仮焼により合金化した粗粉のＡｇ／Ｐｄの粉末を準備し、それぞれ有機材料を混合し、電極ペーストにする。それぞれの電極材料は、一般的には焼成温度に５０℃の差があるが、上記のようにＰｔ粒子を微粉化することで同時焼成が容易になる。そして、まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＰｔの電極ペーストで正極側の内部電極の電極パターンを印刷し、Ａｇ／Ｐｄの電極ペーストで負極側の内部電極の電極パターンを印刷する。

その際には、正極側の内部電極１０４の取り出し部より、負極側の内部電極１０５の取り出し部の方が１．５倍以上大きい面積を有するパターンで印刷することが好ましい。１．５倍以上のところを２倍以上とするとさらに好ましい。

そして、グリーンシートを積層、圧着し、内部電極１０４、１０５とともに圧電層１０３を１２００℃以下で同時焼成する。これにより、高温下の使用でも長寿命で高い信頼性を有する圧電アクチュエータ１９０を製造できる。得られた焼成体の側面に積層方向に沿って、内部電極１０４、１０５に接続するように電極ペーストを印刷して焼き付けることで外部電極１０６、１０７を形成できる。このようにして得られた焼成体を分極処理することで、圧電素子１００が得られる。

このように、得られた複数の圧電素子１００の端面にエポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結し、圧電アクチュエータ本体１１０を作製する。そして、リード部材１２１、１２２を、それぞれ半田等の接着部材で外部電極１０６、１０７に固着させるとともに、座１４０においてそれぞれ端子１５１、１５２に接続する。そして、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に収容し、密封して圧電アクチュエータ１９０を作製できる。

１００ 圧電素子
１０３ 圧電層
１０４、１０５ 内部電極
１０４ａ、１０５ａ 取り出し部
１０６、１０７ 外部電極
１１０ 圧電アクチュエータ本体
１２１、１２２ リード部材
１３０ チップ
１４０ 座
１５１、１５２ 端子
１６０ キャップ
１９０ 圧電アクチュエータ

Claims (6)

1. 電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、
   素子本体の表面に設けられた外部電極と、
   前記外部電極に接続された内部電極と、
   前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、
   前記内部電極のうち正極側の内部電極のみ白金で形成され、負極側の内部電極は、銀パラジウム合金で形成されていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記正極側の内部電極より、前記負極側の内部電極の方が１．５倍以上大きい面積の取り出し部の電極パターンを有することを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記正極側の内部電極は、前記負極側の内部電極を形成する銀パラジウム混合粉または合金粉の粒子径より２０％以上小さな粒子径を有する白金粉で形成されてい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. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電素子を直列に複数連結して形成される圧電アクチュエータ本体と、
   前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、
   有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体を収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. マスフローコントローラのガス流通弁の開閉用として４０℃以上の中高温の環境で用いられることを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。
6. 電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、
   負極側の内部電極には、銀パラジウム混合粉または合金粉を含有する電極ペーストを印刷し、正極側の内部電極には、前記銀パラジウム混合粉または合金粉より粒子径を２０％以上小さくし微粉化された白金粉を含有する電極ペーストを印刷する工程と、
   前記印刷がなされたグリーンシートを積層し、同時に一体焼成する工程と、を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。

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