JP5069112B2 - 多層構成素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は多層構成素子およびその製造方法に関する。

圧電アクチュエータおよび強誘電体アクチュエータを包含する多層構成素子の用途にとって構成素子の機械的な固有の剛性が重要な役割を担う。

WO 99/12865からチタン酸ジルコン酸鉛を基礎とする圧電セラミック材料が公知である。ペロブスカイト構造Ａ²⁺Ｂ⁴⁺Ｏ₃を有するチタン酸ジルコン酸鉛においては、強誘電性の活性の化合物との部分的な置換によって、材料の得ようとされる安定性が達成され、それと同時に焼結温度を低下させることができる。

解決すべき課題は、可能な限り低い電圧において大きい変位距離を達成する多層構成素子を提供することである。

この課題は多層構成素子およびその製造に関して、それぞれの独立請求項に記載されている特徴によって解決される。

以下の特徴を有する多層構成素子が提案される。すなわち、セラミック基体およびこのセラミック基体内に配置されている少なくとも１つの内部電極を有し、内部電極が複数の孔を有する、多層構成素子が提案される。

その種の多層構成素子は、横軸方向の収縮に対する内部電極の剛性が部分的にまたは完全に低減され、それにより多層構成素子が軸方向に変位している間に内部電極の殆ど妨害の無い横軸方向の横方向収縮が実現されるという利点を有する。それと同時に横軸方向の収縮によって、印加される電圧が等しければ多層構成素子のより大きい軸方向の変位距離が達成される。

有利には、複数の孔が設けられている内部電極は焼結の間に常に収縮しようとする基体のセラミックに対して機械的に抵抗することがより少ないので、多層構成素子をより密に焼結することができる。焼結密度がより高いことによって電気的な特性も改善されるので、したがってこのようなより高い焼結密度は有利である。さらにより高い焼結密度はより大きい変位距離も実現する。このことは圧電アクチュエータの場合、用途によっては殊に有利である。

多層構成素子を製造するために、セラミックフィルムが準備され、このセラミックフィルム上に内部電極が有利にはペーストの形でプリントされることが提案される。フィルムは積層化されてから切断されるか、最初に切断されて、次に積層化される。そのようにして得られた多層構成素子が続けて焼結される。

有利には、内部電極材料として銀パラジウム混合物が使用され、この際有利には銀の重量の割合が６０〜８０％であり、パラジウムの重量の割合が２０〜４０％である。

この混合物からペーストが形成され、このペーストが積層化すべきセラミックフィルム上にプリントされる。そのようにして得られた構成素子が１１２０℃〜１２２０℃の温度、有利には１１７０℃の温度で焼結され、焼結工程の間に内部電極材料は網状の構造が生じる程に十分に軟化される。

殊に有利には、セラミック基体が焼結され、それと同時に内部電極に複数の孔が形成される程度でセラミック基体の焼結温度と僅かに異なる液相線温度を有する内部電極材料が使用される。複数の小さい孔を内部電極内に形成できる場合には有利である。この際、内部電極の孔をより小さく形成すればするほど、内部電極の電解密度はより均一になる。

択一的に内部電極材料として銅または銅合金を使用することができる。材料はペーストの形でシルクスクリーン法を用いてセラミックフィルム上に塗布され、この際有利には１０〜２０μｍの直径を有する孔ないし中断部を有する内部電極の印刷パターンが得られるシルクスクリーンが使用される。フィルムを積層化した後に、この積層化により得られた構成素子が１０００℃〜１１００℃、有利には１０５０℃の温度で焼結される。

以下では多層構成素子を有利な実施例に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は、複数の孔が設けられている内部電極に接している圧電セラミック層を有する多層圧電アクチュエータを示し、
図２は複数の孔が設けられている電極の拡大図を示し、
図３は複数の孔が設けられている内部電極の２次元の写真を示し、
図４は、複数の孔によって生じる内部電極の中断度合い、多層アクチュエータに印加される電圧、多層アクチュエータの変位距離が好適で最適に調節されているグラフを示す。

所与の構成部材幾何学および所定のセラミック材料ならびに内部電極材料において、多層構成素子の剛性をどのように能動的に変化させることができるかを説明する。

テストを目的として、例えば力測定場または変位測定場において、多層アクチュエータの剛性が測定された。その際に測定から得られた積分された構成部材剛性値には１：１でセラミックの弾性があるものとみなされた。換言すれば、セラミックにドナーがドープされていたか、アクセプタがドープされていたかに応じて、より高い剛性値はより硬いセラミックを表した。この考察から、殊にセラミック（セラミックレセプター）の組成に関して、多層圧電アクチュエータのＥ加群、したがって構成部材剛性を調節することが試みられた。

しかしながら一般的に多層構成素子の剛性Ｋを最初の段階では次式により評価することができる。

ここで、ＹはＥ加群であり、Ａは断面積であり、ｌは多層構成素子または多層構成素子の活性の基体の長さである。

以下では、多層構成素子が多層圧電アクチュエータを有することを前提とするが、例えば多層コンデンサまたはセラミックを含有する他の多層構成素子のような別の多層構成素子も同様に考えられる。

図１に示されている多層圧電アクチュエータＰの固有剛性はＥ加群Ｙ、および多層圧電アクチュエータＰの断面積Ａに直接比例するが、多層圧電アクチュエータの長さｌには間接比例する。断面Ａおよび長さｌはそれぞれの用途によって設定されており、したがって多層圧電アクチュエータの用途に応じた設計によって決定されている。したがって構成材料剛性を調節するためには、Ｅ加群Ｙの変更のみが残されている。このＥ加群Ｙは、セラミック基体ないし積層化されたセラミック層１の配置構成、少なくとも１つの内部電極２および複数の内部電極２の内部電極結合体に依存する積分されたＥ加群である。つまり積分された構成部材Ｅ加群Ｙは一方ではセラミック材料自体によって決定され、他方では内部電極２の材料および幾何学によって決定される。

電圧が印加されると変位することが圧電性／誘電性材料の特性である。通常の場合、空間方向、例えば軸方向（下の矢印）への変位により、この変位方向に対して横軸方向の収縮（上の矢印）または空間方向における横方向の収縮も生じる。一貫して延びる内部電極を有する多層圧電アクチュエータにおいては、内部電極が機械的な対抗手段としてこの横方向の収縮を妨げ、またそれにより内部電極を有していないモノリシックな平行六面体に比べて横方向の収縮、したがって構成部材の変位も低減する。

すなわち本発明によれば、横方向の収縮を容易にするために内部電極２に複数の孔が設けられている。ここで、これらの孔は内部電極を完全に貫通している必要はなく、有利には孔を相当の凹部としても実現することができる。

２つのパラメータである内部電極２の厚さｄおよび中断度合い３Ｄ、すなわち内部電極の面単位毎の内部電極における孔３の数を介して、多層圧電アクチュエータの積分されたＥ加群、したがって所定の幾何学におけるその剛性を変更することができる。断面の研磨面において、中断度合い３Ｄは内部電極内部の電極材料を含有しない領域として表われる。すなわち構成部材剛性を適合させるために２つのパラメータ、内部電極２の厚さｄおよび内部電極の中断度合い３Ｄが設けられている。

この際有利には、内部電極の厚さが可能な限り薄く保たれる。何故ならば、この措置により一方では僅かな量の電極材料を使用すればよく、したがってコストが低減され、他方では多層構成素子の比較的高い焼結密度を達成できるからである。多層圧電アクチュエータは有利には、電圧源および電流源との電気的な接続を確立するために、内部電極が導電性のコンタクト層と接続されるよう構成されている。

図２は本発明による内部電極２の構造を示す。白い環状の領域は孔３を表す。中断度合い３Ｄを以下のように式として表すことができる：

ここで、ＡＬは孔の面積または有利には孔の平均面積（平方メートル）であり、Ｎは孔の数であり、ｂは内部電極の一辺の長さである。中断度合いはパーセントで表される。

複数の孔が設けられている内部電極２を、内部電極材料の液相線温度に関する最高焼結温度の適切な熱処理経過で製造することができる。内部電極材料の液相線温度および多層圧電アクチュエータの最大焼結温度を調節することによりその温度差が小さくなればなるほど内部電極はますます縮まり、その結果図２または図３のように内部電極の全体的に孔が設けられている構造が焼結の間に生じる。勿論この際には、最高焼結温度に達したときに内部電極が軟化するために、それ自体既知の内部電極材料の液相線温度は多層圧電アクチュエータの最高焼結温度を上回っていなければならない。

複数の孔が設けられている内部電極２を有する電気的な構成素子を製造するために、圧電特性を有するセラミック材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛を含有するフィルムが準備される。しかしながら、他の組成を有する圧電的に活性のセラミック材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛およびニッケルニオブ酸鉛からなる混合物、ならびに鉛を含有しない材料、例えばニオブ酸ナトリウムカリウムも使用することができる。

内部電極を製造するためにフィルムはシルクスクリーン法により有利には銀６０〜９５重量％とパラジウム５〜４０重量％の割合の銀とパラジウムの混合物を含有するペーストを用いてプリントされる。殊にそれぞれの材料の７０：３０の重量の比率により殊に良好な特性が得られる。この重量の比率の変更に基づき、電気的な構成素子の製造に必要とされる処理温度を整合させることができ、異なる焼結温度を有する異なるセラミック材料において、内部電極２の網状の構造を形成、調整し、それと同時にセラミックの十分な焼結密度が達成される。

実施形態によれば、セラミックフィルム上へのシルクスクリーン印刷のために準備されるペーストは銅または銅合金を含有する。シルクスクリーンは、銅層にそれぞれ約１０〜２０μｍの直径を有する円形の中断部ないし孔が設けられる印刷パターンが生じるようにコーティングされる。

銀・パラジウムペーストまたは銅ペーストまたは銅合金ペーストを用いてプリントされたフィルムは、電気的な構成素子の機能に相当する積層体が生じるように焼結され相互に押圧される。

フィルムおよび金属ペーストに含有されている有機結合剤を燃焼させた後に、前述の混合物、すなわち銀もパラジウムも内部電極として含有する構成素子が１１７０℃の温度に加熱され、この温度に２時間保持される。この温度は銀・パラジウム混合物の混合比に依存する液相線温度以下であり、この液相線温度は銀７０％とパラジウム３０％の混合比に対しては１２２８℃である。セラミックが焼結され、内部電極に所望の網状の構造が形成される。

銅または銅合金を内部電極として含有する構成素子は有機結合剤の燃焼後に１０５０℃に加熱され、その温度に２時間保持され、その間に焼結される。銅電極の網状の構造は適切なシルクスクリーンを用いるプリントにより生じる。

図３は熱処理によって網状に構成されている内部電極のＲＥＭ画像を示す。

焼結の際に期待される孔３の数およびその総面積を試験結果からの経験値によって求めることができ、孔の形成は焼結の際の温度および圧力ならびに内部電極の材料に影響される。

図４は、中断度合いＵＧに依存する内部電極の剛性の変化を表す曲線Ｋを定性的に示す。曲線Ｖは多層圧電アクチュエータの所定の変位距離Ｌを達成するために多層圧電アクチュエータに印加される電圧を示す。曲線Ｌは、一定の電圧により達成される種々の変位距離を示す。付加的に、曲線ＬおよびＶの形状は内部電極の中段度合いないし内部電極の剛性Ｋに依存する。曲線Ｖ，ＫおよびＬは全て異なる物理的な特性量に関係するので、グラフの左の軸には特定の単位を示していない。殊に、内部電極が図４に示されている最適な範囲ＯＢ内の中断度合いを有することは有利である。何故ならば、ここでは曲線Ｖの一番低い点、すなわち低い電圧が曲線Ｌの一番高い点、すなわち大きい変位距離に対応するからである。１４５Ｖの最小電圧において多層圧電アクチュエータの４０μｍの最大変位距離を達成するために、約３０％の中断度合い（定性的に下側の水平軸においてｘでマークされている）ＵＧが適していることが分かった。

内部電極の円形状の孔の直径が１０μｍ〜１５μｍにある、および／または、非円形状の孔の面積が約５０〜９０μｍ²にある場合には有利である。この比較的小さい大きさは、孔に不所望且つ妨害的な電界が生じることを回避する。この措置により、内部電極全体にわたる電界を均質なものとして考察することができる。したがってこの種の小さい孔に関しては、それらの孔を焼結の間に本発明による製造方法により形成することは有利である。何故ならば、シルクスクリーン法によってこの種の小さい孔を実現することは困難だからである。

セラミック基体ないしその誘電体層またはセラミック層の焼結密度は内部電極の幾何学的な構造と関連している。内部電極が一貫したものである場合には、これらの内部電極は焼結の間にセラミック基体が収縮しようとすることに強く抵抗する。これに対し孔が設けられている内部電極を用いることにより、傾向上比較的高い焼結密度を有する多層構成素子を製造することができる。何故ならば、内部電極はセラミック基体の縮小に対しあまり抵抗しないからである。焼結密度が比較的高いということは、セラミック材料の細孔の除去ないし自由な粒子表面の低減を伴いながら比較的大きい粒子の成長が実現され、この際一般的には焼結ボディの全ての自由なエンタルピーを低減させる表面エネルギないし粒界エネルギの低減が得られるという利点を有する。したがって、例えばより均質な電解分布および多層圧電アクチュエータの予測可能な変位特性が保証されるので、焼結された多層圧電アクチュエータの電気的な特性は改善される。したがって比較的高い焼結密度は多層圧電アクチュエータに対してのみでなく、例えば多層コンデンサにとっても殊に有用である。

複数の孔が設けられている内部電極に接している圧電セラミック層を有する多層圧電アクチュエータ。 複数の孔が設けられている電極の拡大図。 複数の孔が設けられている内部電極の２次元の写真。 複数の孔によって生じる内部電極の中断度合い、多層アクチュエータに印加される電圧、多層アクチュエータの変位距離が好適で最適に調節されているグラフ。

符号の説明

１ セラミック層、 ２ 内部電極、 ３ 内部電極の孔、 Ａ 圧電アクチュエータの断面積、 ｌ 圧電アクチュエータの長さ、 ｂ 内部電極の一辺の長さ、 Ｐ 圧電アクチュエータ

Claims (10)

1. 多層構成素子（Ｐ）において、
   セラミック基体と、
   該セラミック基体内に配置されている少なくとも１つの内部電極（２）とを有し、該内部電極が複数の孔（３）を有し、
   前記内部電極（２）は、該内部電極（２）の液相線温度が、多層構成素子を焼結する際の温度よりも高くなるように選定されている混合比を有する材料を有し、
   前記孔（３）は前記焼結時に形成されていることを特徴とする、多層構成素子。
2. 前記内部電極（２）は多層構成素子の横方向収縮により伸長する、請求項１記載の多層構成素子（Ｐ）。
3. 多層構成素子（Ｐ）は多層圧電アクチュエータである、請求項１または２記載の多層構成素子。
4. 前記セラミック基体は複数の内部電極（２）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の多層構成素子。
5. 前記内部電極（２）は銀とパラジウムの混合物を含有し、ここで銀の重量の割合は６０〜９５％であり、パラジウムの重量の割合は５〜４０％である、請求項１から４までのいずれか１項記載の多層構成素子。
6. 前記内部電極（２）は銅または銅合金を含有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の多層構成素子。
7. 少なくとも１つの内部電極（２）は、前記セラミック基体の焼結と、前記内部電極内の複数の孔の形成が同時に達成される程度で前記セラミック基体（Ｐ）の焼結温度よりも前記内部電極（２）の液相線温度が高くなるように選定されている混合比を有する材料を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の多層構成素子。
8. 内部電極（２）およびセラミック基体を有する多層構成素子（Ｐ）の製造方法において、
   前記セラミック基体が焼結され、同時に前記内部電極に複数の孔（３）が形成される程度で前記セラミック基体の焼結温度よりも前記内部電極（２）の液相線温度が高くなるように選定されている混合比を有する内部電極材料を使用することを特徴とする、製造方法。
9. 前記内部電極材料として銀とパラジウムの混合物を使用し、ここで銀の重量の割合は６０〜８０％であり、パラジウムの重量の割合は２０〜４０％であり、多層構成素子を１１７８℃〜１２７８℃の温度で焼結する、請求項８記載の方法。
10. 多層構成素子（Ｐ）として多層圧電アクチュエータを形成する、請求項８または９記載の方法。

Images