JP6159986B2

JP6159986B2 - 圧電素子

Info

Publication number: JP6159986B2
Application number: JP2012286179A
Authority: JP
Inventors: 喜彦森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014127710A

Description

本発明は、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる圧電素子に関する。

圧電セラミックスの厚み縦変位（ｄ_３３モード）を利用した電気／機械変換素子たる積層型圧電素子は、ミクロンオーダーでの変位量制御が可能であり、発生力が大きい等の特徴を有することから、精密加工装置や光学装置等の位置決め機構に使用されている。

積層型圧電素子としては、図３（ａ）、（ｂ）に示す積層コンデンサ型構造の積層型圧電素子２００が知られている。図３（ａ）はその概略の側断面図である。図３（ａ）に示すように、積層型圧電素子２００は、圧電セラミックス層２０１と内部電極２０２ａ、２０２ｂとが交互に積層され、内部電極２０２ａ、２０２ｂは対向する側面に一層おきに露出した構造を有している。内部電極２０２ａが露出している側面において内部電極２０２ａは外部電極２０３ａによって接続され、内部電極２０２ｂが露出している側面において内部電極２０２ｂは外部電極２０３ｂによって接続されている。また、一般的な積層型圧電体素子においては、上下面には電極を形成しない。内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂとに電界が印加されることで、積層型圧電素子２００は、変位して積層型圧電素子２００は駆動する。

しかし、積層型圧電素子２００の最上層及び最下層部には電極がなく、電界が印加されないため、圧電効果による変位は得られず、不活性層２０４となる。このとき、活性層２０３と不活性層２０４との境界部近傍に応力が集中し、積層型圧電素子２００の破壊に至らしめることが知られている。特に負荷がかかる状態で、高電圧かつ高い周波数で使用した場合に破壊しやすい。

積層型圧電素子２００のこのような欠点を解消するために、例えば、特許文献１記載の圧電素子３００には、図４に示すように、積層体中央部３０５の両側に積層体中央部３０５の圧電体の１．３〜２．５倍の厚みを有する圧電体３０１から構成された応力緩和部３０６が形成されている。

これにより、単位長さあたりの発生応力を積層体中央部３０５から不活性層３０４側に向けて徐々に低下させて全体として分散し、実際に伸縮する活性層３０３と、伸縮しない不活性層３０４との間における応力を緩和している。また、このような構成を採用することにより、積層体の応力緩和部３０６における圧電体３０１の単位長さあたりの変位量を、圧電不活性層側にいくほどを小さくして実際に伸縮する活性層３０３と、伸縮しない不活性層との間における応力を緩和している。そして、活性層３０３と不活性層３０４の境界部における応力破壊を防止し、積層型圧電体素子の耐久性を向上させている。

特開２００１−１４４３４０号公報

しかしながら、上記の方法では応力緩和部３０６の変位量が低下するため、必ず従来構造の素子より同電圧印加時の変位量が小さい素子となる。すなわち高電圧を印加した場合であっても、低電圧を印加した場合であっても同様に変位量が小さい素子となる。

したがって、同じ最大変位量を得ようとすると積層体中央部３０５の変位量を大きくするために最大駆動電圧を大きくする必要が生じ、圧電体にかかる単位長さあたりの電圧は大きくなる。これにより、圧電体で絶縁破壊等を起こすおそれが高くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、生産性に優れ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子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、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる圧電素子であって、内部電極が対向し、前記内部電極への電圧の印加により変位する活性部と、積層方向の両端に形成され、前記内部電極が対向していない不活性部と、を備え、前記活性部は、積層方向の中央に形成された主変位部と、積層方向の両端において前記主変位部より電圧印加時の変位が小さい材料で形成された応力緩和部と、を有していることを特徴としている。このように応力緩和部が存在することで、活性部と不活性部との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子の破壊を防止できる。また、適切な材料を選択することで、絶縁破壊のおそれを低減しつつ、最大変位量を得ることができる。製造時においては、主変位部と応力緩和部のそれぞれの層に当たるグリーンシートを各材料のものに変更すればよいだけであり、生産性に優れている。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記主変位部が、前記活性部全体の４０％以上６０％以下の体積を占めることを特徴としている。このように、主変位部が４０％以上を占めることで変位量を維持しつつ、６０％以下であることで応力緩和部が有効に作用する。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記主変位部が、前記応力緩和部の圧電セラミックス層の材料に対して、静特性が大きく、かつ最大駆動電圧印加時のｄ_３３が概略一致する材料で圧電セラミックス層が形成されていることを特徴としている。これにより、高電圧かつ高周波数での使用により負荷がかかる状態になっても耐久性を向上できる。

本発明によれば、活性部と不活性部との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子の破壊を防止できる。また、適切な材料を選択することで、絶縁破壊のおそれを低減しつつ、最大変位量を得ることができる。また、製造時における生産性に優れている。

（ａ）、（ｂ）本発明の圧電素子を示す側断面図および平面図である。（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電素子の動作を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）従来の圧電素子を示す側断面図および平面図である。積層体中央部の両側に応力緩和部が形成されている従来の圧電素子を示す断面図である。

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。

（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、圧電素子１００を示す側断面図および平断面図である。圧電素子１００は、圧電セラミックス層１０１と一層おきに外部電極１０３ａ、１０３ｂに接続された内部電極１０２ａ、１０２ｂとが交互に積層されて構成されている。

内部電極１０２ａ、１０２ｂには、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等やこれらの合金が使用されている。内部電極１０２ａ、１０２ｂが、圧電セラミックス層１０１と一体焼成されて形成されている。

図１（ｂ）では、内部電極１０２ａ、１０２ｂのパターンが透視されている。図１（ｂ）に示すように、圧電素子１００では、内部電極１０２ａ、１０２ｂの典型的なパターンが設けられ、重ねられている。内部電極１０２ａと内部電極１０２ｂとの投影が重なる部分１０３（活性部）に電界が印加されることで、圧電素子２００は駆動する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電素子１００は、活性部１０３および不活性部１０４で構成されている。活性部１０３は、内部電極１０２ａと内部電極１０２ｂとが対向し、内部電極１０２ａ、１０２ｂへの電圧の印加により変位する部分をいう。不活性部１０４は、積層方向の両端に形成され、内部電極１０２ａが対向していない部分をいう。活性部１０３は、さらに主変位部１０５および応力緩和部１０６で構成されている。

主変位部１０５は、活性部１０３内において積層方向の中央に形成されている。このとき主変位部１０５と応力緩和部１０６には異なる圧電材料を使用する。具体的には主変位部１０５には静特性（低電圧印加時のｄ_３３）と高電圧印加時もｄ_３３が変わらないような材料を、応力緩和部１０６には主変位部１０５より静特性が小さいが高電圧印加時（最大駆動電圧時）に主変位部１０５と同等のｄ_３３となるような材料を用いる。主変位部１０５は、応力緩和部１０６の圧電セラミックス層１０１の材料に対して、静特性が大きく、かつアクチュエータの最大駆動電圧印加時のｄ_３３が概略一致する材料で圧電セラミックス層１０１が形成されている。

たとえば、主変位部１０５の材料としては、Pb_0.95Sr_0.05[（Mg_1/3Nb_2/3）_0.35(Zr_0.4Ti_0.6)_0.65]O₃を用い、応力緩和部１０６の材料にはPb_0.95Sr_0.05(Zr_0.52Ti_0.48)O₃を用いることができる。主変位部１０５には、リラクサーのPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃やPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃を含む多成分系ＰＺＴ材料のソフト材が好ましく、応力緩和部１０６には、ＰＺＴ系圧電材料でＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）比が正方晶と菱面体晶からなるＭＰＢ（モルフォトロピック相境界）より０．１％以上小さい材料が好ましい。

主変位部１０５は、活性部全体の４０％以上６０％以下の体積を占めることが好ましい。このように、主変位部が４０％以上を占めることで変位量を維持しつつ、６０％以下であることで応力緩和部１０６が有効に作用する。

応力緩和部１０６は、積層方向の両端において主変位部１０５より電圧印加時の変位が小さい材料で形成されている。応力緩和部１０６が存在することで、活性部１０３と不活性部１０４との境界近傍に集中する応力を緩和でき、圧電素子１００の破壊を防止できる。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００の動作を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、低変位量を得る場合、主変位部１０５に比べ応力緩和部１０６の変位量は小さくなる。応力緩和部１０６における単位長さあたりの変位量を、不活性部１０４側にいくほどを小さくして実際に伸縮する活性部１０３と伸縮しない不活性部１０４における応力を緩和させる。

図２（ｂ）に示すように、最大駆動電圧の印加時の変位量は、応力緩和部１０６のｄ_３３と主変位部１０５のｄ_３３とが同じとなることから、絶縁破壊を抑える利点がある。さらに、負荷がかかる状態で高電圧かつ高い周波数で使用した場合では、変位が２段階に分割されることにより、伸縮しない不活性部１０４との間に発生する応力を緩和できる。これにより、高電圧かつ高周波数での使用により負荷がかかる状態に対して耐久性を向上できる。

（圧電素子の作製方法）
上記のように構成された圧電素子１００の製造方法を説明する。まず、積層したグリーンシートを焼成する。まず、セラミックス粉体と樹脂系組成物とを所定量秤量し混合する。セラミックス粉体としてはＰＺＴ系の圧電セラミックスを用いることが好ましい。材料は、主変位部１０５用と応力緩和部１０６用に分ける。樹脂系組成物は、具体的には、バインダ、分散剤、消泡剤、可塑剤または湿潤剤等である。

そして、混合物に溶媒を添加し、たとえばボールミルを用いて混合する。このようにして、セラミックスのスラリーを得る。溶媒は、水または有機物であり、特に限定されない。溶媒量は、適当なスラリー粘度となるように管理する。

混合により得られたスラリーを脱泡し、たとえばドクターブレード法によりグリーンシートを作製する。次に、グリーンシートを所定の大きさに整え、必要な電極パターンを印刷する。そして、設計された枚数のグリーンシートを所定の圧力で圧着し、積層成形体を作製する。この際には、主変位部１０５用と応力緩和部１０６用とで異なる材料のグリーンシートを選択して用いる。そして、作製された積層成形体を、脱脂し、焼成して、圧電素子を得ることができる。

１００圧電素子
１０１圧電セラミックス層
１０２ａ、１０２ｂ内部電極
１０３活性部
１０３ａ外部電極
１０４不活性部
１０５主変位部
１０６応力緩和部

Claims

圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層されてなる圧電素子であって、
内部電極が対向し、前記内部電極への電圧の印加により変位する活性部と、
積層方向の両端に形成され、前記内部電極が対向していない不活性部と、を備え、
前記活性部は、積層方向の中央に形成された主変位部と、積層方向の両端において前記主変位部より低電圧印加時の変位が小さい材料で形成された応力緩和部と、を有し、
前記活性部における前記圧電セラミックス層の厚さはそれぞれ同じであることを特徴とする圧電素子。
前記主変位部は、前記活性部全体の４０％以上６０％以下の体積を占めることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記主変位部は、前記応力緩和部の圧電セラミックス層の材料に対して、静特性が大きく、かつ最大駆動電圧印加時のｄ_３３が概略一致する材料で圧電セラミックス層が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。