JP2017188628A - 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】保護層の境界付近のクラックや歪みを原因とする使用時の絶縁不良の発生を抑制でき、信頼性を高めることができる圧電素子、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、圧電材料で形成された圧電層１１０と露出部を有する内部電極１２０ａ、１２０ｂとが交互に積層されて形成された素子本体１３０と、素子本体１３０の積層方向両端に隣接して圧電材料で形成された保護層１４０と、積層方向に沿って素子本体１３０の側面に設けられ、内部電極１２０ａ、１２０ｂの露出部に接続された外部電極１２５ａ、１２５ｂと、を備え、外部電極１２５ａ、１２５ｂは、内部電極１２０ａ、１２０ｂのうち積層方向両端以外の電極に接続されている。【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。

従来、圧電材料と内部電極とが交互に積層され、内部電極が１層おきに一対の外部電極と接続された素子本体と、その上下に保護層を有する積層型圧電アクチュエータが知られている。

素子本体は、Ａｇ／Ｐｄ等の内部電極が積層されて構成されており、保護層は主に圧電材料のみから構成されているため、焼成時の収縮率の相違から素子本体と保護層の境界部分でクラックが発生する可能性がある。

これに対し、特許文献１には、保護層に外部電極と接続しない状態で内部電極に使用される材料と同一の金属層を内部に積層させることで、焼成時に保護層に銀を分散させ、素子本体との収縮率の差を小さくした圧電素子が開示されている。

特開平０９−２７０５４０号公報

上記の特許文献１記載の技術の他に素子本体と保護層との間の収縮率の差を小さくする方法として、保護層に用いられる材料やバインダー成分を変更するといった方法も考えられる。しかしながら、いずれにしろ素子本体と保護層で別々の電極パターンが印刷されたグリーンシートを製造する必要があるため、製造工程が煩雑になり好ましくない。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、素子本体と保護層との境界付近のクラックを原因とする使用時の絶縁不良の発生を抑制でき、信頼性を高めることができる圧電素子、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、圧電材料で形成された圧電層と露出部を有する内部電極とが交互に積層されて形成された素子本体と、前記素子本体の積層方向両端に隣接して圧電材料で形成された保護層と、積層方向に沿って前記素子本体の側面に設けられ、前記内部電極の露出部に接続された外部電極と、を備え、前記外部電極は、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されていることを特徴としている。

このように外部電極との接続をとる内部電極を中央よりに制限することで、素子本体と保護層との境界付近のクラックを原因とする使用時の絶縁不良の発生を抑制でき、圧電素子の信頼性を高めることができる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、直列に連結された上記（１）記載の圧電素子と、前記圧電素子の外部電極と電源とを接続するリード線と、を備えることを特徴としている。これにより、高変位駆動、高温環境下での駆動および高温下での高変位駆動など高度な絶縁性を要求されるアクチュエータの用途でも高い信頼性を確保できる。

（３）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、圧電セラミックスのグリーンシートに、露出部を有する内部電極が形成されるように電極ペーストを印刷する工程と、前記印刷が施されたグリーンシートを含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、前記焼成された焼成体を加工する工程と、前記加工された焼成体の側面に、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続された外部電極を設ける工程と、前記焼成体を分極処理する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、使用時の絶縁不良の発生を抑制できる高い信頼性を有する圧電素子を製造できる。また、全ての内部電極を同様のパターンで形成でき、効率的に製造できる。

（４）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記外部電極を設ける工程で、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されるパターンで電極ペーストを塗布し、焼成することを特徴としている。これにより、両端の内部電極には接続せず中央よりの内部電極に接続される外部電極を容易に形成できる。

（５）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記外部電極を設ける工程で、前記内部電極に接続されるように電極ペーストを塗布し、焼成し、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続するように前記電極ペーストの焼成で形成された電極を研削することを特徴としている。これにより、両端の内部電極には接続せず中央よりの内部電極に接続されるように確実に外部電極を加工して形成できる。

本発明によれば、外部電極との接続をとる内部電極を中央よりに制限することで、素子本体と保護層との境界付近のクラックを原因とする使用時の絶縁不良の発生を抑制でき、信頼性を高めることができる。

本発明の圧電素子を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）それぞれ本発明の圧電素子を示す正断面図、平断面図、平断面図である。 本発明の圧電アクチュエータを示す側断面図である。

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）
図１は、圧電素子１００を示す斜視図である。図２（ａ）は、圧電素子１００を示す正断面図である。図２（ｂ）は、内部電極１２０ａを含む断面による圧電素子１００の平断面図であり、図２（ｃ）は、内部電極１２０ｂを含む断面による圧電素子１００の平断面図である。

図に示すように、圧電素子１００は、素子本体１３０、保護層１４０および外部電極１２５ａ、１２５ｂで構成され、矩形体として形成されている。素子本体１３０は、圧電層１１０と内部電極１２０ａ、１２０ｂとが交互に積層されて形成されている。圧電層１１０は、例えばＰＺＴ、チタン酸バリウム等の圧電材料が用いられている。隣接する内部電極１２０ａ、１２０ｂの間隔は、１００μｍ〜２００μｍ程度であることが好ましい。

内部電極１２０ａ、１２０ｂは、正方形に取り出し部が追加された凸字形状の形状を有しており（電極隠し構造）、取り出し部分が素子本体１３０の側面に露出する露出部を形成する。そして、異なる側面にそれぞれ取り出し部が露出するように設けられており、内部電極１２０ａと内部電極１２０ｂとが積層方向に沿って交互に設けられている。外部電極１２５ａ、１２５ｂは、内部電極１２０ａ、１２０ｂのうち積層方向両端以外の電極の露出部に接続されている。

なお、「積層方向両端」とは、少なくとも積層方向の最も両端面に近いそれぞれの内部電極を含む位置を指す。ただし、最も端面に近い内部電極の位置だけでなく端面から２枚目までの位置とすることが安全のためには好ましい。また、端面から３枚目までの位置としてもよく、外部電極１２５ａ、１２５ｂの端をどの位置にするかは、絶縁破壊の防止と効率性とのバランスで決めることができる。外部電極１２５ａ、１２５ｂの端部が最も端面に近い内部電極から１００μｍ〜２００μｍ程度であることが好ましい。

圧電素子１００は、内部電極１２０ａ、１２０ｂを埋設して圧電材料とともに焼成することで生成される。その際に、素子外観上問題なくても、素子本体１３０と保護層１４０との境界付近の内部に微小なクラックが残る場合があり、これが絶縁不良を発生させる要因となりうる。このような要因は、外観検査や工程検査で排除するのは困難である。

そこで、圧電素子１００は、上記のように外部電極１２５ａ、１２５ｂに接続される内部電極１２０ａ、１２０ｂを中央よりのものに制限することで、使用時に内部応力が大きくなる位置を素子本体１３０と保護層１４０との境界から離している。その結果、素子本体１３０と保護層１４０との境界付近のクラックを原因とする使用時の絶縁不良の発生を抑制でき、信頼性を高めることができる。

なお、積層方向両端の内部電極１２０ａ、１２０ｂは、露出部に何も接続されていない状態または一旦電極に接続され、電極の研削により外部電極１２５ａ、１２５ｂとの接続が切断された状態である。圧電素子１００は、外部電極１２５ａ、１２５ｂを介して、その接続のある隣り合う内部電極１２０ａ、１２０ｂ間に電圧を印加することで伸縮する。

保護層１４０は、素子本体１３０の積層方向両端に隣接して圧電材料で形成されている。保護層１４０とは、圧電素子１００の積層方向両端に位置し、圧電材料で形成され、内部電極１２０ａ、１２０ｂが設けられていない層である。外部電極１２５ａ、１２５ｂは、それぞれ積層方向に沿って素子本体１３０の側面に設けられ、内部電極１２０ａ、１２０ｂの露出部に接続されている。

なお、圧電素子１００は、圧電アクチュエータの構成要素として用いるのが好ましい。特に、１〜３ｋＶ／ｍｍの高電界を圧電層１１０に印加する場合、さらには１２０℃以上の温度で用いられる場合等、素子内部のクラック等により絶縁不良の生じやすい環境で用いられる用途には、好ましい。ただし、圧電アクチュエータの用途が好ましいが、圧電トランス等にも用いることができる

（圧電素子の製造方法）
上記のように構成された圧電素子１００の製造方法の一例を説明する。まず、圧電層１１０の材料としてＰＺＴ系材料を用いて成形体を作製する。具体的には、圧電層１１０の材料でグリーンシートを成形し、シート上に内部電極１２０ａ、１２０ｂの材料としてＡｇ／Ｐｄの電極ペーストをスクリーン印刷する。その際には、圧電セラミックスのグリーンシートに、露出部を有する内部電極が形成されるように電極ペーストを印刷する。このとき全ての内部電極を、取り出し部を有する同じ凸形状のパターンで形成できるため、効率的に製造できる。そして、印刷が施されたグリーンシートを含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着し、積層してプレスし矩形体の成形体を作製する。

このようにして圧着により得られた成形体を、炉内で温度コントロールして脱脂、焼成する。そして、得られた焼成体を設計された形状に加工し、加工された焼成体の側面に、内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続された外部電極を設ける。外部電極を設ける工程では、内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されるパターンで電極ペーストを塗布し、焼成する。これにより、中央よりの内部電極に接続される外部電極を容易に形成できる。なお、塗布は、例えばスクリーン印刷により行なう。

外部電極を設ける際には、内部電極に接続されるように電極ペーストを塗布し、焼成し、内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続するように電極ペーストの焼成で形成された電極を研削してもよい。この場合、外部電極を一旦設けておき、素子本体と保護層との境界部を研削する。これにより、両端の内部電極には接続せず中央よりの内部電極に接続されるように確実に外部電極を加工して形成できる。なお、研削は、少なくとも両端の内部電極との電気的接続を切断できる程度であればよく、一旦設けた電極が外部電極から切断された状態で残っていてもよい。

また、外部電極の電極ペーストを内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されるパターンで一旦印刷、焼成し、最端の内部電極と外部電極との絶縁を検査し、不合格になった場合にのみ、研削を行なってもよい。

焼成体に外部電極を設けられたら、最後に、外部電極を設けられた焼成体を分極処理することで圧電素子を生成する。このようにして、使用時の絶縁不良の発生を抑制できる高い信頼性を有する圧電素子１００を製造できる。

（圧電アクチュエータ）
図３は、圧電アクチュエータ２００を示す側断面図である。圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ本体２０５、シム２３１、半球２３３、座２４０およびキャップ２６０により構成されている。圧電アクチュエータ本体２０５は、複数の圧電素子１００、リード線２０８で構成されている。複数の圧電素子１００は、圧電素子１００同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。この連結を多連化とも呼ぶ。

圧電アクチュエータ本体２０５は、一端にシム２３１および半球２３３を有し、他端は底部として座２４０に接着されており、多連化された圧電素子１００に電圧が印加されることで伸縮し、変位が半球２３３に伝達される。

シム２３１は、例えばアルミナのようなセラミックス材料により板状に形成され、圧電アクチュエータ本体２０５の変位側の端部に接着されており、半球２３３は、ベアリング鋼のような金属またはセラミックスで形成され、シム２３１上に接着されている。キャップ２６０は、例えばＳＵＳによる金属製であり、円筒形に形成され、圧電アクチュエータ本体２０５、シム２３１、半球２３３に被さって、これらを収容した状態で座２４０に封止されている。

座２４０は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体２０５の他端を支持している。座２４０は、キャップ２６０の開口端が接合される。座２４０には、外部から端子２５０が挿通されている。リード線２０８は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１００の両側面に形成された外部電極１２５ａに接着されている。一対のリード線２０８は、座２４０において一対の端子２５０に接続され、端子２５０は電源に接続されている。

上記のように圧電アクチュエータ２００は、精密位置決め装置に用いられることが好ましい。例えば、被駆動体（ステージ）に変位を与えたり、精密流量調整装置のダイヤフラムを駆動させたりする用途に好適である。その際に、圧電素子１００が用いられていることで信頼性の高い圧電アクチュエータ２００を構成でき、高変位駆動、高温環境下での駆動および高温下での高変位駆動など高度な絶縁性を要求されるアクチュエータの用途でも高い信頼性を確保できる。

１００ 圧電素子
１１０ 圧電層
１２０ａ、１２０ｂ 内部電極
１２５ａ、１２５ｂ 外部電極
１３０ 素子本体
１４０ 保護層
２００ 圧電アクチュエータ
２０５ 圧電アクチュエータ本体
２０８ リード線
２３１ シム
２３３ 半球
２４０ 座
２５０ 端子
２６０ キャップ

Claims (5)

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、
   圧電材料で形成された圧電層と露出部を有する内部電極とが交互に積層されて形成された素子本体と、
   前記素子本体の積層方向両端に隣接して圧電材料で形成された保護層と、
   積層方向に沿って前記素子本体の側面に設けられ、前記内部電極の露出部に接続された外部電極と、を備え、
   前記外部電極は、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されていることを特徴とする圧電素子。
2. 直列に連結された請求項１記載の圧電素子と、
   前記圧電素子の外部電極と電源とを接続するリード線と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 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、
   圧電セラミックスのグリーンシートに、露出部を有する内部電極が形成されるように電極ペーストを印刷する工程と、
   前記印刷が施されたグリーンシートを含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、
   前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、
   前記焼成された焼成体を加工する工程と、
   前記加工された焼成体の側面に、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続された外部電極を設ける工程と、
   前記焼成体を分極処理する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
4. 前記外部電極を設ける工程では、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続されるパターンで電極ペーストを塗布し、焼成することを特徴とする請求項３記載の圧電素子の製造方法。
5. 前記外部電極を設ける工程では、前記内部電極に接続されるように電極ペーストを塗布し、焼成し、前記内部電極のうち積層方向両端以外の電極に接続するように前記電極ペーストの焼成で形成された電極を研削することを特徴とする請求項３記載の圧電素子の製造方法。

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