JP2019102474A - Laminated piezoelectric element and actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、積層型圧電素子およびアクチュエータに関し、例えばマスフローコントローラ、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アクチュエータに関する。 The present disclosure relates to a laminated piezoelectric element and an actuator, for example, to a laminated piezoelectric element and an actuator used for, for example, a mass flow controller and a precision positioning device for an XY table.
積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層された積層体を備え、駆動時に伸縮変形するものである。この積層型圧電素子は、応答速度および変形精度に優れることから、主にアクチュエータやセンサに用いられている。そして、積層型圧電素子には、より高い耐久性の要求に応えるために、駆動時の圧電体層間のクラックが生じる箇所を事前に予定した予定破断層を積層体の一部に含む技術が採用されている。これにより、例えば短絡が生じるような方向にクラックが生じるのを防いでいる。 The multilayer piezoelectric element includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are stacked, and is elastically deformed during driving. The laminated piezoelectric element is mainly used for an actuator or a sensor because it is excellent in response speed and deformation accuracy. And, in order to meet the demand for higher durability, the multilayer piezoelectric element adopts a technology that includes in a part of the laminate a planned fracture layer planned in advance for a location where a crack between piezoelectric layers occurs during driving. It is done. This prevents, for example, cracking in the direction in which a short circuit occurs.
また、積層型圧電素子は、積層体の側面に外部電極を備えているとともに、外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。この構成によって、外部回路に接続したリードピンを通じて積層型圧電素子に通電し、当該積層型圧電素子の駆動やセンシングを制御している。 In addition, the laminated piezoelectric element has the external electrode on the side surface of the laminated body, is electrically connected to the external electrode, and is disposed at a distance from the region extending along the laminating direction of the external electrode. And a lead pin. With this configuration, the laminated piezoelectric element is energized through the lead pin connected to the external circuit, and the driving and sensing of the laminated piezoelectric element are controlled.
近年では、高精度に制御するために高周波やパルスの駆動が用いられている。ここで、リードピンが予定破断層の延長線上に位置するように設けられている既存の技術では、予定破断層が機能してクラックが生じた際のノイズがリードピンの電気信号に影響し、それに伴う制御精度を低下させるおそれがある。具体的には、予定破断層にクラックが生じた際に発生する電波のノイズをリードピンがアンテナのように拾い、このノイズが出力信号に乗り、高精度な制御ができなくなるおそれがある。 In recent years, high frequency or pulse driving has been used to control with high accuracy. Here, in the existing technology in which the lead pin is located on the extension line of the planned breaking layer, the noise when the planned breaking layer functions and cracks are generated affects the electric signal of the lead pin and is accompanied by it. Control accuracy may be reduced. Specifically, the noise of the radio wave generated when a crack is generated in the planned fracture layer is picked up like an antenna by the lead pin, and this noise may get on the output signal, making it impossible to perform highly accurate control.
本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、予定破断層にクラックが生じた際のノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能な積層型圧電素子およびアクチュエータを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a laminated piezoelectric element and an actuator that are less susceptible to noise when a crack occurs in a planned fracture layer and can be controlled with high accuracy. Do.
本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層されているとともに、他の部位よりも破断しやすい予定破断層を有している積層体と、前記内部電極層と電気的に接続され、前記積層体の側面に前記積層方向に沿って延びる領域を有している外部電極と、該外部電極と電気的に接続され、当該外部電極の前記積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピンとを備えている。そして、該リードピンは前記予定破断層の延長線上に位置しないように設けられている。 The multilayer piezoelectric element according to the present disclosure includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are laminated and which has a planned breaking layer that is more easily broken than other portions, the internal electrode layer, and the electricity. And an external electrode having a region extending along the stacking direction on the side surface of the stack, and a region electrically connected to the outer electrode and extending along the stacking direction of the external electrode And are provided with spaced apart lead pins. And, the lead pin is provided so as not to be positioned on the extension line of the predetermined breaking layer.
また、本開示のアクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を上下から押圧するように内部に収容したケースとを備えており、該ケースは蛇腹部を有する筒体を含み、前記リードピンが前記蛇腹部の側方に位置しないように配置されている。 In addition, the actuator of the present disclosure includes the above-described stacked piezoelectric element and a case housed inside so as to press the stacked piezoelectric element from above and below, the case includes a cylinder having a bellows portion. The lead pin is disposed so as not to be located to the side of the bellows portion.
本開示の積層型圧電素子によれば、リードピンの先端を予定破断層の延長線上より下にすることで、予定破断層へのクラック発生によるノイズの影響を受けにくくなり、高精度な制御ができる。 According to the laminated piezoelectric element of the present disclosure, by setting the tip of the lead pin below the extension line of the planned fracture layer, it becomes less susceptible to noise due to the occurrence of cracks in the planned fracture layer, enabling highly accurate control. .
積層型圧電素子の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of a laminated piezoelectric element will be described with reference to the drawings.
図1〜図4に示す積層型圧電素子1は、圧電体層11および内部電極層12が複数積層された積層体13を備えている。
The multilayer
積層体13は、例えば縦0.5mm〜10mm、横0.5mm〜10mm、高さ1mm〜100mmの四角柱状(直方体状)にされている。積層体13の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。
The
圧電体層11は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。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(PbZrO3−PbTiO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などを用いることができる。この圧電体層11の厚みは、例えば3μm〜250μmとされる。
The
内部電極層12は、例えば圧電体層11と同時焼成により形成されたものである。内部電極層12は、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122を含んでいる。例えば、第1の内部電極層121を正極、第2の内部電極層122を負極またはグランド極として、それらの間に挟まれた圧電体層11に駆動電圧を印加することができる。ここで、積層体13の一つの側面に第1の内部電極層121が引き出され、他の側面に第2の内部電極層122が引き出されている。このような材料として、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを主成分とする導体を用いることができる。第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の厚みは、例えば0.1μm〜5μmとされる。
The
積層体13は、他の部位よりもクラックが生じやすい予定破断層14を有している。ここで、予定破断層14とは、この部位にクラックを生じさせることで積層型圧電素子1の駆動によって生じる応力を緩和するための層である。予定破断層14としては、例えば内部電極層12として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。
The
また、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のうちのいずれか一方の端面が引き出された一対の側面には、必要によりそれぞれ導体層15が設けられている。そして、この導体層15は、引き出された第1の内部電極層121の端面または第2の内部電極層122の端面と電気的に接続されている。
Moreover, the
導体層15は、例えばAgやCuなどの金属およびガラスを含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、導体層15を積層体13の側面に垂直な横断面
で見たときに、導体層15の厚みは例えば5μm〜70μmとされる。
The
積層型圧電素子1は、内部電極層12と電気的に接続された外部電極16を備えている。この外部電極16は、積層体13の側面上に積層方向に沿って延びる領域を有している。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用いて、導体層15の表面上に外部電極16が取り付けられている。なお、導体層15が設けられたうえで外部電極16を取り付けることができるが、外部電極16と第1の内部電極層121または第2の内部電極層122との導通が十分にとれるのであれば、導体層15が設けられていなくてもよく、積層体13の側面に直接外部電極16が取り付けられていてもよい。
The multilayer
外部電極16は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の金属からなり、例えば幅0.5mm〜10mm、厚み0.01mm〜1.0mmに形成されたものである。この外部電極16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。ここで、外部電極16は、図1および図2に示すように積層体13の側面から離れる方向に向かって折り曲げられていてもよく、図3および図4に示すように積層体13の一側面から隣の側面に回り込むように折り曲げられていてもよい。なお、図では省略しているが、積層体13の一側面に対向する反対側の側面上にも外部電極16が設けられている。
The
積層型圧電素子1は、外部電極16と電気的に接続され、当該外部電極16の積層方向に沿って延びる領域とは間隔をおいて配置されたリードピン17を備えている。例えば、外部電極16の端部は屈曲部で折り曲げられて積層体13の側面から離れているとともに、外部電極16の端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入され、接合材によって接合されている。ここで、図1は外部電極16の端部に孔を有している形態を示し、図2は外部電極16の端部にスリットを有している形態を示している。接合材としては、はんだの他、銀ポリイミド、銀エポキシなどの導電性樹脂が挙げられる。
The multilayer
外部電極16の端部が屈曲部で折り曲げられて積層体13の側面から離れているとともに、外部電極16の端部には孔またはスリットが設けられ、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入されたうえで接合されていることで、リードピン17が外部電極16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することができる。また、屈曲部にて振動を吸収することができ、積層体13の変位量が長期間安定する。
The end of the
なお、積層体13の他の側面には、例えば第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端面が達していて、必要により樹脂や絶縁性セラミックスなどからなる被覆層が設けられてもよい。
In addition, the end face of both the first
そして、リードピン17は、予定破断層14の延長線上に位置しないように設けられている。
The
予定破断層14にクラックが生じた際に、主にその延長線上に向かってノイズが放射される。この放射されたノイズを、リードピン17がアンテナのように機能して受信すると、積層型圧電素子1を駆動させて伸縮させる入力信号に乱れが生じ、高精度な制御ができなくなるおそれがある。さらに、このクラックが生じた積層型圧電素子1を使用し続けることで、予定破断層14付近の圧電体層11が擦れて、ノイズが発生し続けるおそれもある。
When a crack occurs in the planned
これに対し、リードピン17が予定破断層14の延長線上に位置しないように設けられ
ていることで、予定破断層14へのクラック発生時におけるノイズの影響を受けにくくなる。また、予定破断層14にクラックが生じた後においても、ノイズを直接的に干渉させにくくすることができる。よって、積層型圧電素子1の高精度な制御が可能となる。
On the other hand, by providing the lead pins 17 so as not to be located on the extension of the planned
ここで、図1〜図4に示すように、積層体13の積層方向とリードピン17の軸方向とが平行であってもよい。一般に、アンテナは垂直方向からの電波を感度よく受信する。これに対し、積層体13の積層方向とリードピン17の軸方向とが平行であることで、予定破断層14で発生したノイズの放射方向とリードピン17とが垂直に交わらなくなる。したがって、発生したノイズをリードピン17がアンテナのように受信してしまった場合でも、垂直方向で受信しないことから、よりノイズの影響を受けにくく、高精度な制御が可能となる。
Here, as shown in FIGS. 1 to 4, the stacking direction of the stacked
また、図3に示すように、積層体13が外部電極16の接合された面と外部電極16の接合されていない面とを有する多角柱状体からなる構成において、リードピン17は外部電極16の接合されていない面に面して配置されていてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, in the configuration in which the
例えば、図3に示す外部電極16は、積層体13に接合された接合領域と端部との間に複数の屈曲部を有していて、当該外部電極16が接合された積層体13の側面の隣の側面に向かって折り曲げられて引き回されている。そして、外部電極16の引き回された端部に孔またはスリットを有していて、当該孔またはスリットにリードピン17が挿入され、接合材によって接合されている。外部電極16における積層体13に接合された領域からリードピン17との接合部までの間に複数の屈曲部があることで、外部電極16を伝わる振動を低減できる。また、外部電極16における積層体13に接合された領域からリードピン17との接合部までの距離が長いことも、振動の低減に効果的である。
For example, the
また、図4に示すように、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端面が達する積層体13の側面には、外部電極16が接合されておらず、この外部電極16の接合されていない面に、被覆層18としてセラミック被覆層が設けられていてもよい。被覆層18としてセラミック被覆層を設けることにより、予定破断層14のクラックによる破断の速度を遅らせてノイズを低減させることができ、また予定破断層14から放射されるノイズを吸収または遮断して低減させることができる。セラミック被覆層は、例えば5μm〜15μmの厚みに設定される。
Further, as shown in FIG. 4, the
次に、アクチュエータの実施形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the actuator will be described with reference to the drawings.
図5および図6に示す圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1と、積層型圧電素子1を上下から押圧するように内部に収容したケース2とを備えている。
The
ケース2は、基体21と、基体21の上面に下端部が接合された筒体22と、筒体22の上端部に接合された蓋体23とを含んでいる。そして、基体21の上面に積層型圧電素子1の下端面が当接し、蓋体23の下面に積層型圧電素子1の上端面が当接している。
The
基体21、筒体22および蓋体23は、例えばSUS304やSUS316Lなどの金属で形成されたものである。
The
筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。この筒状部221は、蛇腹部220を有している。蛇腹部220は、例えば所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどにより形成することができる。筒体22は、積層型圧電素子1に電圧を印加した際に積層型圧電素子1の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数に
よってそのバネ定数を調整している。例えば、筒体22の厚みは例えば0.1mm〜0.5mmとされる。筒体22の上下に延びる筒状部221から一端側開口(上端側開口)までは円筒状のものであるが、筒体22の他端側開口(下端側開口)は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状になっている。このように、筒体22の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体22が鍔部222を有する構造になっている。
The
また、基体21は円板状のもので、周縁部が他の部位よりも薄肉になっている。基体21の周縁部と筒体22の鍔部222とは、例えば積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で溶接されている。なお、基体21にはリードピン17を挿通可能な貫通孔211が2つ形成されており、この貫通孔211にリードピン17を挿通させている。そして、貫通孔211の隙間には例えば軟質ガラス212が充填されている。そして、リードピン17が外部回路と電気的に接続されて、積層型圧電素子1に駆動電圧が印加されるようになっている。
Further, the
蓋体23は外径が筒体22の一端側開口の内径と同じ程度とされたものである。筒体22の一端側開口から蓋体23が嵌め込まれ、筒体22の一端側開口の近傍(上端近傍)の内壁にその側面を例えば溶接されている。このとき、積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で、筒体22の鍔部222と基体21とが溶接されている。
The
そして、リードピン17が蛇腹部220の側方に位置しないように配置されている。
And, the
リードピン17が蛇腹部220の側方に位置すると、蛇腹形状によるノイズの反響が垂直に近い角度でリードピン17に届いてしまうおそれがある。これに対し、リードピン17が蛇腹部220の側方に位置しないように配置されていることで、ノイズの反響がリードピン17に届いたとしても、小さい入射角で届くことから、高精度な制御を維持することができる。
When the
次に、本実施形態のアクチュエータの製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the actuator of the present embodiment will be described.
まず、圧電体層11となる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,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、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セラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオクチル(DOP)等を用いることができる。
First, a ceramic green sheet to be the
次に、内部電極層12となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−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導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて内部電極層12のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層する。
Next, a conductive paste to be the
また、予定破断層14となる導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストは、例えば内部電極層12と銀比率の異なる銀−パラジウムでもよく、焼成によって焼失するフィラーを含むものでもよい。
In addition, a conductive paste to be the planned
次に、必要によりセラミックグリーンシートが複数枚積層されたグリーンシート積層体の側面に被覆層18となるセラミックスラリーを塗布する。セラミックスラリーの塗布は
、印刷やディスペンス方式により所定の厚みに制御して行う。
Next, the ceramic slurry used as the
その後、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、900〜1200℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって積層体13を作製する。 Thereafter, the binder removal process is performed at a predetermined temperature, and then firing is performed at a temperature of 900 to 1200 ° C., and the laminate 13 is manufactured by performing a grinding process so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like.
次に、積層体13の側面に導体層15を形成する。具体的には、AgやCuのような金属を含んだ導電性ペーストを用いる。これを積層体13の側面における第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のうちの一方の端面が引き出された領域に焼き付けて、例えば5〜70μmの厚さの導体層15を形成する。スクリーン印刷やディスペンス方式により、所定の厚みや幅に制御して形成することができる。例えば、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー,可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを用いる。そして、導体層15のパターンで積層体13の側面にスクリーン印刷法によって印刷後、乾燥させた後、650〜750℃の温度で焼き付け処理を行なう。
Next, the
次に、外部電極16を作製する。例えば、SUS304の薄板にメッキ処理を行い、その後エッチングを行い平板状の電極板を形成する。ここで、外部電極16に孔やスリットを設けるためには、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16に屈曲部を設けるためには、平板状の電極板に曲げ加工を行えばよい。
Next, the
そして、導体層15上に曲げ加工した外部電極16を導電性樹脂などの導電性接合材を介して取り付け、外部電極16の端部にはんだ、導電性樹脂などの接合材によりリードピン17を接合する。
Then, the bent
また、穴加工にて貫通孔211を形成してなる基体21を用意する。この基体21に形成された2つの貫通孔211にそれぞれリードピン17を挿通するとともに隙間に軟質ガラス212を充填して固定し、さらに基体21の上面に積層型圧電素子1の下端部を接合材で接着する。
Further, the
次に、SUS304製のシームレスの円筒状の筒体22に圧延加工により蛇腹形状を形成する。圧延加工時に金型形状を変更することにより、溝部の厚み、及び曲率半径の変更することができる。この筒体22の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋体23をレーザー溶接によって溶接する。なお、筒体22の筒状部221の他端側(下端側)には鍔部222が形成される。
Next, a bellows shape is formed on the seamless
次に、筒体22を基体21に接着した積層型圧電素子1に被せ、所定の荷重で筒体22を引張り、積層型圧電素子1に荷重を加える。この状態で、筒体22の鍔部222と基体21とを例えば抵抗溶接によって溶接する。
Next, the
最後に、リードピン17に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13を構成する圧電体層11を分極する。
Finally, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the
以上の製法により、本実施形態の圧電アクチュエータ10が得られる。
The
1・・・積層型圧電素子
11・・圧電体層
12・・・内部電極層
121・・・第1の内部電極層
122・・・第2の内部電極層
13・・・積層体
14・・・予定破断層
15・・・導体層
16・・・外部電極
17・・・リードピン
18・・・被覆層
2・・・ケース
21・・・基体
211・・・貫通孔
212・・・軟質ガラス
22・・・筒体
221・・・筒状部
222・・・鍔部
220・・・蛇腹部
23・・・蓋体
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