JP4802445B2 - 積層型圧電素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電縦効果を用いた積層型圧電アクチュエータ等の積層型圧電素子とその製造方法に関する。

図４に、従来からある一般的な積層型圧電アクチュエータ１００の模式図を示す。

図４において、１１０は積層体であり、圧電体セラミックス層１１１と、内部電極層１１２とを交互に積層して形成されている。内部電極層１１２は、積層体１１０の両側面に設けた異なる極性の外部電極１１３に交互に接続されている。また、積層体１１０の上下面（積層方向両端面）は、駆動させる対象物との接点となるため、保護層１１４が設けられている。そして、異なる極性の外部電極１１３に接続された各内部電極層１１２が互いに重なり合った部分が活性部Ａとなり、活性部Ａの周囲において極性の異なる内部電極層１１２どうしの絶縁性を確保するための部分が不活性部Ｂとなる。

不活性部Ｂや保護層１１４は、圧電材料で構成されているが、電界がほとんどかからないため、分極時や圧電駆動時にひずみを生じることはない。これに対し、活性部Ａでは電界がかかってひずみが発生する。このため、分極時や圧電駆動時に、ひずみが生じる活性部Ａと、ひずみが生じない不活性部Ｂや保護層１１４との間のひずみ差から応力が発生し、積層型圧電アクチュエータ１００に割れが発生する（図５参照）。

そこで、分極時に、不活性部Ｂや保護層１１４をも分極させてひずみを発生させることにより、活性部Ａと、不活性部Ｂや保護層１１４との間に生じていたひずみ差を解消し、応力が発生せず、割れを防ぐことができる。

図６，７に、従来からある積層型圧電アクチュエータ１の製造方法を示す（特許文献１，２参照）。

図６に示すように、積層体１１０の上下面全体に電極１２０を設け、活性部Ａ以外の不活性部Ｂにも電界が加わるようにすることで、活性部Ａと同時に不活性部Ｂや保護層１１４を、白抜き矢印で示す向きに分極する。その後、図７に示すように、上下面の電極１２０を除去し、積層方向に直交する方向の側面に外部電極１１３を形成し、再度層間の分極を行なう。層間分極時には、積層型圧電アクチュエータ１００内の圧電対層の半分は、白抜き矢印と黒抜き矢印で示すように電界と逆方向に分極されているため、一旦収縮してから抗電界を越えたところで反転し、アクチュエータ全体で分極の向きが揃う。この際、伸びる部分と収縮する部分は同量であるため互いに打ち消しあい、全体としてひずみは発生せず、活性部Ａと、不活性部Ｂや保護層１１４との間に応力が発生せず、割れを防止できる。
特開平９−２６６３３２号 特開２０００−１３３８５２号

近年、高速・大発生力の積層型圧電アクチュエータのニーズが高くなっており、大きな変位量を必要とする積層型圧電アクチュエータに、圧電縦効果を用いた積層型圧電アクチュエータが広く用いられている。しかし、積層型圧電アクチュエータで得られる歪量はわずか０．１〜０．２％に過ぎないため、大きな変位量を得るためには、大型の積層体を作製する必要がある。

図４に示した積層型圧電アクチュエータ１００の場合、例えば５０μｍの大きな変位量を必要とする際には、積層高さは２５〜５０ｍｍにも及ぶ。

一般的に、積層型圧電アクチュエータ１００などに用いられるチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電体セラミックス材料の抗電界は１．０〜２．５ｋＶ／ｍｍであり、分極処理では少なくとも圧電セラミックス材料よりも高い電界を印加する必要がある。

図６に示した全体分極では、２５〜５０ｍｍの高さを有する積層型圧電アクチュエータ１００の場合、２５ｋＶ〜１２５ｋＶの非常に高い電圧を印加する必要がある。このような高い電圧を用いて分極する場合には、耐電圧の大きな絶縁油中で行うことが必要である。しかし、耐電圧の大きな絶縁油は高価であることに加え、繰り返し使用すると劣化が起こり、耐電圧が低下してしまうため、絶縁油の使用可能期間も非常に短くなってしまうという問題があった。また、オイル中で分極後、洗浄のための工程が必要となり、製造工程が複雑になるという問題があった。

さらに、図６に示した全体分極の工程で直流電圧を印加する場合、電界強度は同じであっても印加する絶対電圧が高くなると、積層型圧電アクチュエータ１００の中に内在するポアなどの小さな欠陥に集中する電界が高くなってしまう。このため、圧電体セラミックス層１１１の耐電圧が低下するため、全体分極中に積層型圧電アクチュエータ１００が破壊してしまうという問題があり、従来の積層型圧電素子とその製造方法では、大きな変位量を必要とする積層高さの高い積層型圧電素子を実現することは困難であった。

具体的には、２０ｍｍの長さの積層型圧電アクチュエータ１００を焼成後、図６に示すように、最上面と最下面に銀電極１２０をスパッタにて形成し、１５０℃の絶縁オイル中にて最上下面に形成された銀電極１２０間に１０ｋＶ〜４０ｋＶの直流電圧を印加し、積層型圧電アクチュエータ１００の全体分極を行った。

超音波洗浄槽等を用いて付着した絶縁オイルを洗浄した後、図７に示すように、銀の導電ペーストにより外部電極１１３を積層体１１０の側面に形成し、外部電極１１３間に２００Ｖの電圧を印加し、内部電極層１１２の対向する活性部Ａを分極する層間分極を行った。

１０個の積層型圧電アクチュエータ１００を用い、全体分極で１０ｋＶを印加した場合は、層間分極工程で全ての試料に分極クラックが発生した。これは全体分極工程で、積層型圧電アクチュエータ１００全体に印加される電圧が低いため、不活性部Ｂが十分分極されておらず、層間分極工程で活性部Ａに発生した歪との差によって生じる応力集中によりクラックが発生したと考えられる。そこで、全体分極工程にて十分分極させることを目的に、４０ｋＶの電圧を印加した場合、電圧を昇圧する過程で端面放電や、素子内部での放電が発生し、ショート不良や極端な場合には、積層型圧電アクチュエータ１００そのものが破壊するに至り、分極クラックのない積層型圧電アクチュエータ１００を作製することはできなかった。

本発明は、積層高さが高くても分極時に高い電圧をかけずに低コストで容易に全体配向でき、分極処理時の内部応力を防いで積層型圧電素子に生じる割れを防止でき、信頼性に優れた積層型圧電素子とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなる積層体にて形成され、前記内部電極層は、活性部および不活性部を形成するように前記積層体の異なる一側面に交互に導出される第１内部電極層と、前記積層体の積層方向の所定長さ寸法毎に前記積層体の全断面に渡って形成され、前記積層体の少なくとも一側面に導出された複数の第２内部電極層とからなり、互いに隣り合う前記第２内部電極層間には所定数の前記第１内部電極層が存在してなり、少なくとも隣り合う前記第２内部電極層間では、不活性部のドメインが積層方向に配向しており、かつ活性部のドメインの向きが積層方向であって、隣り合う圧電体セラミックス層で互いに逆向きとなるものである。

本発明の積層型圧電素子の製造方法は、圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなる積層体にて形成され、前記内部電極層が、前記積層体の異なる一側面に交互に導出される第１内部電極層と、前記積層体の積層方向の所定の長さ寸法毎に前記積層体の全断面に渡って形成され、前記積層体の少なくとも一側面に導出された第２内部電極層とからなる積層型圧電素子を得る工程と、前記第２内部電極層間に電界を印加して、積層体全体のドメインの向きを積層方向に配向してなる全体分極を行う工程と、前記第１内部電極層を介し前記積層体に電界を印加して層間分極を行う工程とを含むものである。

本発明の積層型圧電素子とその製造方法によると、第２内部電極層間に電界を印加し、積層体全体のドメインの向きを積層方向に配向させるので、第１内部電極層を介し積層体に電界を印加して層間分極する際に、活性部と不活性部との間でひずみ差が発生せず、内部応力を防ぎ、分極時や長時間の圧電駆動時における積層型圧電素子に割れが発生するのを防止できる。特に積層方向の長さ寸法が大きい積層型圧電素子て有効である。

しかも、所定間隔に配置した第２内部電極層間に電界を印加して全体分極させるので、積層体が積層方向の長さ寸法の小さなブロックに分割され、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体分極できる。特に、積層方向の長さ寸法が大きいものであっても高い電界をかける必要がないので、高電圧設備を必要とせず、分極処理には従来からある分極用の設備で足り、低コストで容易に全体分極できる。

本発明の積層型圧電素子とその製造方法によれば、積層方向の長さ寸法が大きくても高い電圧をかけずに低コストで容易に全体分極でき、層間分極処理時の内部応力を防いで積層型圧電素子に生じる割れを防止でき、信頼性に優れるという効果が得られる。

本発明の実施の態様を図１ないし図３に基づいて説明する。

図１は積層型圧電アクチュエータの模式図、図２は積層型圧電アクチュエータの全体分極処理する際の模式図、図３は積層型圧電アクチュエータの層間を電界により分極処理する際の模式図である。

本実施の態様の積層型圧電アクチュエータ１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にストロンチウム（Ｓｒ）とニオブ（Ｎｂ）を含む圧電体セラミックス材料を用いた。

最初に、この材料の仮焼原料に酢酸ビニル系バインダー、カルボン酸系分散剤、水を加えボールミルで混合し、シート成形用スラリーを調整した。ドクターブレード法で成形を行い約１２０μｍ厚のグリーンシートを得た。グリーンシートを所定の大きさにカットし、銀とパラジウムの比率が７：３の電極ペーストを片面に印刷した。このとき印刷パターンとして、グリーンシートを積層した際に、交互に積層体の対向する側面に露出する矩形状に形成したものを第１内部電極層１２、グリーンシートの全面に形成したものを第２内部電極層１５とした。

焼成後における第１内部電極層１２の層間が１００μｍ、第２内部電極層１５の間隔が５ｍｍとなるようにグリーンシートを積層し、最上面と最下面には、焼成後に保護層１４となる内部電極の印刷されていないシートを数枚積層した。これを圧着して、焼成前成形体を準備した。全体の積層方向の長さ寸法Ｔは２０ｍｍとなるように調整されている。このようにして得られた成形体のバインダーを熱分解により除去した後、１１００℃で一体焼成して積層体１０を得た。

次に、上下に隣り合う一対の第２内部電極層１５にて挟まれた部分において、同一側面に露出している全ての第１内部電極層１２に電気的に接続するように第１外部電極１６を形成する。第１外部電極１６は積層体１０の両側面において、全ての第１内部電極層１２に接続するように複数形成される。すなわち、積層体１０の両側面において、第２内部電極層１５と接続しないように、ガラスフリットを含む銀ペーストを塗布し、８００℃、１時間の条件で焼き付けを行い、積層体１０の各側面に露出した第１内部電極層１２に第１外部電極１６を接続した。

なお、第１外部電極１６は、導電ペーストやスパッタ、蒸着などで形成することも可能であるが、第１内部電極層１２と十分な接続を確保するためには、接合強度の高い焼き付けであることがより好ましい。

図２に示すように、第２内部電極層１５にリード線１７をそれぞれはんだ付けし、乾燥空気が充填された１５０℃の温度槽内にて、第２内部電極層１５間に交互に１０ｋＶの直流電圧を印加し、第２内部電極層１５間の活性部Ａならびに不活性部Ｂを含む圧電体セラミックス層１１を全体分極した。

なお、絶縁性油槽中等で分極することも可能であるが、洗浄などの工程を省略できるため、気相中で行うことが好ましい。また、第２内部電極層１５の間隔は５ｍｍとしたが、この間隔を大きくすると、全体分極工程で必要な印加電圧が高くなるため、５ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、分極に必要な電圧の大きさは、温度や圧電体セラミックス組成によっても異なるため、印加電圧が１０ｋＶ以下になるように、第２内部電極層１５の間隔を調整することが好ましい。

第１外部電極１６をマスクした後、シリコン樹脂を積層体１０の側面に塗布して、１５０℃、１時間の条件で硬化させ、積層体１０の上下面を除く側面に、絶縁のための外装樹脂を形成した。マスクを除去した後、銀を主成分とする導電ペーストを、各第１外部電極１６を接続するように形成した後、１５０℃、１時間の条件で硬化させ、積層体１０の両側面に第２外部電極１３を形成した。第２外部電極１３は、全体分極工程で行った分極が脱分極しない条件で形成すればよく、各第２外部電極１３にリード線１７をはんだ付けし、金属端子などに接続してもよい。図３に示すように、第２外部電極１３間に全体分極工程と同じ装置を用いて、２００Ｖの直流電圧を印加して、第１内部電極層１２が対向する活性部Ａにおける圧電体セラミックス層１１を、隣り合う層でドメインの向きが逆向きになるように層間分極処理を行った。

以上のようにして、１０個の試料を用いて、分極処理を行った。その結果、層間分極工程が終了しても、全ての試料で内部に分極クラックは形成されなかった。

このように構成された積層型圧電素子とその製造方法によると、第２内部電極層１５間に交互に直流電圧を印加し、積層体１０全体のドメインの向きを積層方向に配向させるので、第１内部電極層１２を介し積層体１０に電界を印加して層間分極する際に、活性部Ａと不活性部Ｂとの間でひずみ差は発生しない。すなわち、活性部Ａでは分極の向きは分極させる方向の両方向に揃っていることから、層間分極時にそれ以上配向することはない。このように、ひずみを発生しないため内部応力を防ぐことができ、分極時や長時間の圧電駆動時における積層型圧電アクチュエータ１に割れが発生するのを防止できる。

また、５ｍｍ間隔に配置した第２内部電極層１５間に交互に直流電圧を印加して全体分極させるので、積層体１０が積層方向の長さ寸法の小さなブロックｔに分割され、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体分極できる。特に、積層型圧電アクチュエータ１の積層方向の長さ寸法が大きいものであっても高い電界をかける必要がなく、高電圧設備を必要とせず、分極処理には従来からある分極用の設備で足り、低コストで容易に全体分極できる。

また、積層体１０の積層方向に直交する方向の側面上に、導体ペーストを高温にて焼き付けて第１外部電極１６を形成した状態で、第２内部電極層１５間に交互に直流電圧を印加して全体分極でき、分極処理前に第１外部電極１６の作製を終えているため、焼付けなどの密着力の強い電極作製方法を用いることができる。すなわち、全体分極が第１外部電極１６の焼成時の温度によって脱分極するようなことがなく、焼付けによって第１外部電極１６の密着性を十分に高くすることができる。

さらに、不活性部Ｂが存在する構造としたので、第１内部電極層１２の正負電極間の絶縁性を十分に確保できる。しかも、積層型圧電アクチュエータ１の作製と同時に絶縁部Ｇを形成でき、簡便で、少ない工程で作製することができる。

なお、積層体１０の積層方向の長さ寸法Ｔ＝２０ｍｍ、第２内部電極層１５の形成間隔寸法５ｍｍ、第１内部電極層１２の層間寸法１００μｍは一例であって、これらに限るものではない。

また、第１外部電極１６ならびに第２外部電極１３の構成は一例であって、これに限るものではない。例えば、第２外部電極１３を形成せずに、直接各第１外部電極１６にリード線を接続して電界を印加し、層間分極を行ってもよい。

本発明の積層型圧電素子とその製造方法は、例えば内部電極を施した圧電体セラミックスを層状に多数積層してなる積層型圧電アクチュエータならびにその製造方法として有用である。

本発明の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの模式図 本発明の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの全体分極工程の模式図 本発明の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの層間分極工程の模式図 一般的な積層型圧電アクチュエータの模式図 従来例における積層型圧電アクチュエータの割れの状態を示す模式図 従来例における積層型圧電アクチュエータの全体分極時の模式図 従来例における積層型圧電アクチュエータの電極層間の分極時の模式図

符号の説明

１ 積層型圧電アクチュエータ（積層型圧電素子）
１０ 積層体
１１ 圧電体セラミックス層
１２ 第１内部電極層
１３ 第２外部電極
１４ 保護層
１５ 第２内部電極層
１６ 第１外部電極
Ａ 活性部
Ｂ 不活性部

Claims (10)

1. 圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなる積層体にて形成され、
   前記内部電極層は、活性部および不活性部を形成するように前記積層体の異なる一側面に交互に導出される第１内部電極層と、前記積層体の積層方向の所定長さ寸法毎に前記積層体の全断面に渡って形成され、前記積層体の少なくとも一側面に導出された複数の第２内部電極層とからなり、
   互いに隣り合う前記第２内部電極層間には所定数の前記第１内部電極層が存在してなり、
   少なくとも隣り合う前記第２内部電極層間では、不活性部のドメインが積層方向に配向しており、かつ活性部のドメインの向きが積層方向であって、隣り合う圧電体セラミックス層で互いに逆向きとなる、ことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記第２内部電極層の形成間隔が５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記積層体の前記第１内部電極層が露出した各側面において、それぞれ積層方向に隣り合う一対の第２内部電極層毎に、当該側面に露出した各第１内部電極層をまとめて電気的に接続する第１外部電極を備えた、ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の積層型圧電素子。
4. 前記第２内部電極層は前記第１外部電極と電気的に接続されていない、請求項３に記載の積層型圧電素子。
5. 前記第１外部電極を複数備え、
   前記積層体の各側面の第１外部電極どうしを電気的に接続する一対の第２外部電極を備えた、ことを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなる積層体にて形成され、前記内部電極層が、前記積層体の異なる一側面に交互に導出される第１内部電極層と、前記積層体の積層方向の所定の長さ寸法毎に前記積層体の全断面に渡って形成され、前記積層体の少なくとも一側面に導出された第２内部電極層とからなる積層型圧電素子を得る工程と、
   前記第２内部電極層間に電界を印加して、積層体全体のドメインの向きを積層方向に配向してなる全体分極を行う工程と、
   前記第１内部電極層を介し前記積層体に電界を印加して層間分極を行う工程と、
   を含む積層型圧電素子の製造方法。
7. 前記第２内部電極層は複数形成され、互いに隣り合う前記第２内部電極層間には所定数の前記第１電極層が存在してなる、ことを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子の製造方法。
8. 前記積層体の前記第１内部電極層が露出した各側面において、それぞれ積層方向に隣り合う一対の第２内部電極層毎に、当該側面に露出した各第１内部電極層をまとめて電気的に接続する第１外部電極を形成する工程を含む、ことを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の積層型圧電素子の製造方法。
9. 前記第１外部電極を形成する工程においては、前記第１外部電極は前記第２内部電極層と電気的に接続しないように形成される、ことを特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子の製造方法。
10. 前記第１外部電極を形成する工程においては複数の前記第１外部電極が形成され、
    前記積層体の各側面の第１外部電極どうしを電気的に接続する一対の第２外部電極を形成する工程を含む、ことを特徴とする請求項８または請求項９のいずれかに記載の積層型圧電素子の製造方法。

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