JP6199757B2 - Multilayer piezoelectric element, piezoelectric actuator, and mass flow controller including the same - Google Patents
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本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、半導体製造装置等のマスフローコントローラ装置、インクジェット等の液体噴射装置、XYテーブルの精密位置決め装置等に用いられる圧電アクチュエータなどの積層型圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラに関するものである。 The present invention relates to a multilayer piezoelectric element such as a piezoelectric actuator used in a fuel injection device for an automobile engine, a mass flow controller device such as a semiconductor manufacturing device, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device for an XY table, a piezoelectric actuator, and the like. It is related with the mass flow controller provided with.
積層型圧電素子として、圧電セラミック層、第1の内部電極層および第2の内部電極層が積層された積層体と、積層体における前記第1の内部電極層の端部および前記第2の内部電極層の端部の両方が導出された側面に設けられた圧電セラミック被覆層とを含む構成のものが知られている(例えば特許文献1を参照)。 As a laminated piezoelectric element, a laminated body in which a piezoelectric ceramic layer, a first internal electrode layer, and a second internal electrode layer are laminated, an end of the first internal electrode layer in the laminated body, and the second internal electrode The thing of the structure containing the piezoelectric ceramic coating layer provided in the side surface from which both the edge parts of the electrode layer were derived | led-out is known (for example, refer patent document 1).
ここで、上記の構成においては、内部電極層の端部が導出された側面でのマイグレーションを防止するために、圧電セラミック被覆層(セラミックコーティング)が設けられている。 Here, in the above configuration, a piezoelectric ceramic coating layer (ceramic coating) is provided to prevent migration on the side surface from which the end portion of the internal electrode layer is derived.
しかしながら、このような積層型圧電素子では、過酷な条件で長期間DCバイアス印加されると、漏れ電界の影響で圧電セラミック被覆層における第1の内部電極層および第2の内部電極層に近い部分が徐々に分極されて、積層型圧電素子が変位する方向に延びが生じる。そのため、印加電圧をオフにしても、圧電セラミック被覆層が伸びた分だけ積層型圧電素子がもとの長さに戻らず、変位量が小さくなるおそれがあった。 However, in such a multilayer piezoelectric element, when a DC bias is applied for a long time under severe conditions, the piezoelectric ceramic coating layer is close to the first internal electrode layer and the second internal electrode layer due to the influence of the leakage electric field. Is gradually polarized, extending in the direction in which the multilayer piezoelectric element is displaced. Therefore, even when the applied voltage is turned off, the stacked piezoelectric element does not return to its original length by the amount of extension of the piezoelectric ceramic coating layer, and there is a possibility that the amount of displacement is reduced.
長期間DCバイアスを印加される過酷な使用環境にも耐えられる積層型圧電素子が求められている。 There is a need for a multilayer piezoelectric element that can withstand a harsh use environment in which a DC bias is applied for a long period of time.
同様に、上記の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ、さらに圧電アクチュエータを備えたマスフローコントローラにおいても、過酷な使用環境にも耐えられることが求められている。 Similarly, a piezoelectric actuator provided with the above-described multilayer piezoelectric element and a mass flow controller provided with the piezoelectric actuator are also required to be able to withstand severe use environments.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、過酷なDC環境で使用しても、印加電圧をオフにしたらもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when used in a harsh DC environment, when the applied voltage is turned off, it returns to its original length and the displacement type piezoelectric element is suppressed from being lowered in displacement. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and a mass flow controller including the same.
本発明の積層型圧電素子は、圧電セラミック層、第1の内部電極層および第2の内部電極層が積層された積層体と、該積層体における前記第1の内部電極層および前記第2の内部電極層の両方の端部が近接する側面に設けられた圧電セラミック被覆層とを含み、前記第1の内部電極層および前記第2の内部電極層の両方の端部が前記圧電セラミック被覆層の設けられた側面よりも内側に位置しており、前記圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さく、前記第1の内部電極層の端部および前記第2の内部電極層の端部のそれぞれと前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間の領域に存在するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さいことを特徴とするものである。
Multi-layer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric ceramic layer, the first and laminate the internal electrode layer and the second inner electrode layers are stacked, the in the laminate the first inner electrode layer and the second and a piezoelectric ceramic coating layer both ends of the internal electrode layer is provided near contact side, the ends of both of said first internal electrode layer and the second inner electrode layer is the piezoelectric ceramic coating layer internal of than provided sides are located inside, the piezoelectric ceramic particle size of the ceramic particles constituting the coating layer is rather smaller than the particle size of the ceramic particles constituting the piezoelectric ceramic layer, said first The particle size of the ceramic particles existing in the region between the end portion of the electrode layer and the end portion of the second internal electrode layer and the side surface provided with the piezoelectric ceramic coating layer constitutes the piezoelectric ceramic layer. SE And it is characterized in smaller Ikoto than the particle size of the electrochromic particles.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記圧電セラミック層および前記圧電セラミック被覆層が同じ組成の圧電材料からなることを特徴とするものである。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric ceramic layer and the piezoelectric ceramic coating layer are made of a piezoelectric material having the same composition in the above configuration.
また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記第1の内部電極層の端部および前記第2の内部電極層の端部と前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間にボイドがあることを特徴とするものである。
Further, the multi-layer piezoelectric element of the present invention, in the above configuration, the side surface which the an end piezoelectric ceramic coating layer is provided before Symbol first inner electrode layer end and the second inner electrode layers There is a void between the two.
また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とするものである。 In addition, a piezoelectric actuator of the present invention includes the above-described multilayer piezoelectric element and a case that accommodates the multilayer piezoelectric element therein.
また、本発明のマスフローコントローラは、流路と、該流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、上記の圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有し、前記流量制御弁は、前記圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うことを特徴とするものである。 The mass flow controller of the present invention includes a flow path, a flow rate sensor unit that detects the flow rate of the fluid flowing in the flow path, a flow rate control valve that controls the flow rate of the fluid including the piezoelectric actuator, and a control circuit. The flow rate control valve performs flow rate control by expansion and contraction of the piezoelectric actuator.
本発明の積層型圧電素子によれば、圧電セラミック被覆層の粒径を圧電セラミック層のセラミックス粒子よりも小さくすることによって、圧電セラミック被覆層のセラミックス粒子が分極しにくくなる。これにより、過酷なDC環境で使用しても、印加電圧をオフにしたら素子がもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられる。 According to the multilayer piezoelectric element of the present invention, the ceramic particles of the piezoelectric ceramic coating layer are hardly polarized by making the particle size of the piezoelectric ceramic coating layer smaller than the ceramic particles of the piezoelectric ceramic layer. Thereby, even if it uses in a severe DC environment, if an applied voltage is turned off, an element will return to the original length and a displacement amount fall will be suppressed.
また、本発明の圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラにおいても、変位量を長期間安定したものとすることができる。 Moreover, also in the piezoelectric actuator of this invention and a mass flow controller provided with the same, the amount of displacement can be stabilized for a long period of time.
以下、本発明の積層型圧電素子について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the laminated piezoelectric element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図、図1(b)は図1(a)に示すA−A線で切断した断面の一例の要部(領域X)拡大図である。また、図2(a)は図1(a)に示すB−B線で切断した横断面図、図2(b)は図1(a)に示すC−C線で切断した横断面図である。 FIG. 1 (a) is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention, and FIG. 1 (b) is an example of an example of a cross section taken along line AA shown in FIG. 1 (a). It is a part (area | region X) enlarged view. 2A is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line CC shown in FIG. 1A. is there.
図1および図2に示す本発明の積層型圧電素子1は、圧電セラミック層11、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が積層された積層体13と、積層体13における第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部の両方が導出もしくは両方が近接する側面に設けられた圧電セラミック被覆層14とを含み、圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aの粒径が圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径よりも小さい。
The laminated
積層型圧電素子1を構成する積層体13は、複数の圧電セラミック層11が積層されるともに、圧電セラミック層11の層間に第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が1層おきに交互に形成されてなるものである。積層体13は、例えば縦4〜7mm、横4〜7mm、高さ20〜50mm程度の直方体状に形成されている。
In the
積層体13を構成する複数の圧電セラミック層11は、圧電特性を有する圧電磁器(圧電セラミックス)からなり、圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aは平均粒径が例えば1.7〜4.0μmに形成されたものである。この圧電磁器としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)等からなるペロブスカイト型酸化物、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。図1および図2に示す積層体13は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
The plurality of piezoelectric
第1の内部電極層121および第2の内部電極層122は、例えば銀、銀−パラジウム(Ag−Pd)合金、銀−白金、銅などからなるものであり、圧電セラミック層11の層間に交互に形成され、積層順に交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電セラミック層11に駆動電圧を印加するものである。具体的には、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122は、一方が正極で他方が負極(もしくはグランド極)となっていて、それぞれ積層体13の対向する1組の側面に互い違いに導出されてその端面の一部が露出している。すなわち、対向する1組の側面の一方に第1の内部電極層121の端部が導出され、他方に第2の内部電極層122の端部が導出されている。
The first
第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のうちの一方の端部が導出された側面にはそれぞれ導体層15が設けられて、第1の内部電極層121または第2の内部電極層122と電気的に接続されている。導体層15は、例えば銀とガラスからなる導体ペーストを塗布して焼き付けて形成されたものである。導体層15の厚みは、例えば5〜500μmとされる。
図示しないが、導体層15の表面上には、導電性接合材を介して外部電極板が取り付けられるのがよい。
Although not shown, an external electrode plate is preferably attached on the surface of the
外部電極板としては、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等からなる板状体であり、例えば幅0.5〜10mm、厚み0.01〜1.0mmに形成されたものである。積層体13の伸縮により生じる応力を緩和する効果の高い形状として、例えば長手方向(積層方向)に垂直な幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板などであってもよい。また、スリットにかえてまたはスリットとともに孔、特に幅方向に延びる孔が設けられた構成であってもよい。このスリットおよび孔が積層体13の積層方向に複数配置されているのが好ましく、特に圧電セラミック層11の層間に第1の内部電極層121および第2
の内部電極層122が1層おきに交互に形成されて積層された領域(活性部)に対応する位置に複数配置されているのが好ましい。
The external electrode plate is a plate-like body made of copper, iron, stainless steel, phosphor bronze or the like, and is formed to have a width of 0.5 to 10 mm and a thickness of 0.01 to 1.0 mm, for example. The shape having a high effect of relieving the stress generated by the expansion and contraction of the
It is preferable that a plurality of
導電性接合材としては、はんだや、例えばAg粒子やCu粒子など導電性の良好な導電粒子を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂であるのが好ましい。導電性接合材は、例えば5〜500μmの厚さに形成される。 The conductive bonding material is preferably an epoxy resin or polyimide resin containing solder or conductive particles having good conductivity such as Ag particles and Cu particles. The conductive bonding material is formed to a thickness of, for example, 5 to 500 μm.
なお、外部電極板が取り付けられる場合に、導体層15が設けられなくてもよい。
In addition, when the external electrode plate is attached, the
一対の導体層15または外部電極板にそれぞれリード線またはリードピンがはんだなどによって取り付けられ、駆動電圧が印加されるようになっている。
Lead wires or lead pins are respectively attached to the pair of
そして、対向する他の1組の側面には、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端部が導出もしくは近接している。ここで、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端部が側面に導出しているとは、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が内側から側面まで延びて形成されていることを意味し、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端部が側面に近接しているとは、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が内側から側面近傍まで延びて形成されていることを意味している。この側面には、第1の内部電極層121と第2の内部電極層122との間で、当該側面を経て生じるマイグレーションを防止するために、圧電セラミック被覆層14が設けられている。
In addition, both ends of the first
圧電セラミック被覆層14は、積層型圧電素子1を駆動した際の積層体13の駆動変形(伸縮)に追随でき、圧電セラミック被覆層14が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。
The piezoelectric
具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ln1−XSiXAlO3+0.5X(Lnは、Sn,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,TmおよびYbのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。x=0.01〜0.3)などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電材料が挙げられる。 Specifically, stress occurs when locally phase transformation to volume change to deformable partially stabilized zirconia, Ln 1-X Si X AlO 3 + 0.5X (Ln is, Sn, Y, La, Ce, A ceramic material such as Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Yb, at least one selected from x = 0.01 to 0.3), Alternatively, piezoelectric materials such as barium titanate and lead zirconate titanate (lead zirconate titanate) in which the distance between ions in the crystal lattice changes so as to relieve the generated stress can be used.
ここで、圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aの粒径は、圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径よりも小さくなっている。
Here, the particle size of the
圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aの粒径を、圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径よりも小さくすることによって、圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aが分極しにくくなる。これはセラミックス粒子14aが小さくなると、サイズ効果(表面の低誘電率層の割合の増加、結晶相の相転移、結晶歪みの影響)によって、強誘電性が低下する為である。これにより圧電セラミック被覆層14のセラミックス粒子14aを小さくすることにより、過酷なDC環境で使用しても、印加電圧をオフにしたら積層型圧電素子1がもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられる。
By making the particle diameter of the
例えば圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの平均粒径が1.7μm〜4.0μmの範囲であるのに対し、圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aの平均粒径は、低コスト化および強誘電性を抑える点で、0.5μm〜1.6μmの範囲が好ましい。
For example, the average particle diameter of the
なお、セラミック粒子の平均粒径は、測定試料の表面を鏡面研磨し、例えば燐酸を用いてエッチングを行って粒界を溶かした後、SEM(走査型電子顕微鏡)による例えば1000倍の画像の所定領域について複数の線を引いて各線の粒界との交点の数を数える、いわゆるインタセプト法により求めることができる。 The average particle size of the ceramic particles is determined by specular polishing of the surface of the measurement sample, for example, etching using phosphoric acid to dissolve the grain boundary, and then, for example, a predetermined image of a 1000 times image by SEM (scanning electron microscope). It can be obtained by a so-called intercept method in which a plurality of lines are drawn for a region and the number of intersections with the grain boundaries of each line is counted.
圧電セラミック被覆層14の厚みについては、欠陥を防ぐとともに駆動時の変位量を確保する点で、5μm〜30μmが好ましい。
About the thickness of the piezoelectric
さらに、圧電セラミック層11および圧電セラミック被覆層14が同じ組成の圧電材料からなるのが好ましい。これらを同じ組成の圧電材料とすることにより、圧電特性が同じなので、分極を制御しやすくなる。また、同一組成の為、密着性も良くなり、さらに圧電セラミック層11の組成ずれが起きることがない為、酸素空孔の発生が抑制されて耐久性も良くなる。
Furthermore, the piezoelectric
また、図3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の両方の端部が圧電セラミック被覆層14の設けられた側面に近接して当該側面よりも内側に位置している場合において、第1の内部電極層121の端部と圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間の領域(領域Y)に存在するセラミック粒子13aおよび第2の内部電極層122の端部と圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間の領域(領域Y)に存在するセラミック粒子13aの粒径が、圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径よりも小さいのが好ましい。変位の応力が集中する第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部のそれぞれと圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間に、圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径よりも小さい粒径のセラミック粒子13aからなる領域(領域Y)を設けることで、第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部の変位を抑え、結果的に応力を小さくするので、耐久性が良くなる。
Further, as shown in FIG. 3, both end portions of the first
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の両方の端部が圧電セラミック被覆層14の設けられた側面に近接して当該側面よりも内側に位置している場合において、第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部のそれぞれと圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間にボイド13bがあるのが好ましい。ボイド13bの存在により応力緩和ができるので、さらに耐久性が優れたものとなる。
Further, as shown in FIG. 4, both end portions of the first
なお、図1および図2に示す積層型圧電素子1は、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端部が導出または近接する側面が、導体層15の形成された側面とは異なる側面であったが、図5に示すように、導体層15の形成された側面において導体層15の形成されていない領域にこれと導通しないように第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部の両方が導出または近接していてもよい。図5の形態の場合、導体層15と同じ側面における導体層15の形成されていない領域まで、圧電セラミック被覆層14が設けられている。本発明における積層型圧電素子1は、このような形態であってもよい。
In the multilayer
次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。図6は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図6に示す例の圧電アクチュエータ10は上述の積層型圧電素子1と、積層型圧電素子1を内部に収容するケース2とを備えている。
Next, an example of an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention. The
ケース2は、例えばSUS304(オーステナイト系ステンレス鋼のJIS規格)やS
US316L(オーステナイト系ステンレス鋼のJIS規格)などの金属材料で形成されたものである。具体的には、上面に圧電素子1の下面が当接された基体21と、下面に圧電素子1の上面が当接された蓋体22と、基体21と蓋体22とに接合された筒体23とを有している。
It is formed of a metal material such as US316L (JIS standard for austenitic stainless steel). Specifically, a
基体21(下側蓋体)は、SUS304やSUS316Lなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉のフランジ状になっている。また、基体21にはリードピン31を挿通可能な貫通孔211が2つ形成されており、リード線32と電気的に接続されたリードピン31を貫通孔211に挿通させて導体層15と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔211の隙間には軟質ガラス34を充填していて、リードピン31を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。なお、筒体23との溶接のために、基体21の上面に例えば環状の突起が設けられていてもよい。
The base 21 (lower lid) is made of a metal material such as SUS304 or SUS316L in the shape of a disk, and in the drawing, the peripheral edge has a thin flange shape. The
蓋体22は、基体21と同様にSUS304やSUS316Lなどの金属材料からなる。そして、蓋体22は、外径が筒体23の内径と同じ程度に形成されており、後述する筒体23の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周が例えばレーザー溶接などの溶接により接合されている。そして、蓋体22には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子1の上端部が当接している。ここで、凹部の内周壁面を覆うように絶縁材が設けられ、導体層15同士の短絡等が防止されていてもよい。
The
また、筒体23は、基体21および蓋体22と同様にSUS304やSUS316Lなどの金属材料からなるもので、所定の形状の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、例えばベロー(蛇腹)形状などの複数の周方向の溝231を有する形状に形成されたものである。具体的には、図に示す筒体23は、溝231の部分で外径および内径が小さくなるように、内側に湾曲して形成されたものである。この筒体23は、圧電素子1に電圧を印加した際に圧電素子1(積層体13)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23の厚みが0.1〜0.2mmで、溝数は積層体13の高さが20mmのときは3本程度、積層体13の高さが40mmのときは6本程度である。
Further, the
そして、筒体23の一端側開口は円筒状に形成され、筒体23の他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形成されている。このように、筒体23の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体23が下端部に鍔部232を有する構造になっている。
The one end side opening of the
そして、圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で筒体23と基体21との溶接がなされ、圧電素子1は筒体23、基体21および蓋体22によって形成される収納空間に不活性ガスとともに封入されて圧電アクチュエータ10が構成されている。
The
このようなケース2にて積層型圧電素子1が封止されているため、例えば腐食性のガス中、水中等でも使用することができる。また、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のイオンマイグレーションを抑制するために、不活性ガスを用いて封止してもよい。
Since the multilayer
以上の構成により、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子を搭載しているため、変位量が長期間安定した圧電アクチュエータとすることができる。 With the above configuration, since the laminated piezoelectric element in which the displacement amount is suppressed from being lowered is mounted, a piezoelectric actuator having a stable displacement amount for a long time can be obtained.
次に、本実施の形態の積層型圧電素子1および圧電アクチュエータ10の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the multilayer
まず、圧電セラミック層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, the ceramic green sheet used as the piezoelectric
次に、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122となる導電性ペーストを作製する。具体的には、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第1の内部電極層121および第2の内部電極層122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し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、850〜1100℃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、交互に積層された圧電セラミック層11、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122を備えた積層体13を作製する。
Next, a conductive paste to be the first
なお、積層体13は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電セラミック層11、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122を複数積層してなる積層体13を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
The laminate 13 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and is formed by laminating a plurality of piezoelectric
次に、積層体13の第1の内部電極層121および第2の内部電極層122(両極)が露出した対向する他の1組の側面に、圧電セラミック被覆層14となる酸化物のインクを例えばディッピングやスクリーン印刷によって形成する。このとき、焼成後の密着性をより強固にするため、積層体13の側面の表面を研磨等で粗しておくとよい。その後、850〜1100℃で焼成し、積層体13の側面に酸化物からなる圧電セラミック被覆層14を形成する。
Next, an oxide ink to be the piezoelectric
ここで、酸化物のインクは、例えば、安定化ジルコニアや、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などからなる酸化物の粉体を溶剤、分散剤、可塑剤およびバインダーの溶液に分散させた後、3本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製可能である。また、溶剤、分散剤、酸化物の粉体が入ったボールミルを回転させ、粉体を粉砕、及び解砕した後、バインダーおよび可塑剤を投入し、更に回転させる方法でも作製可能である。 Here, the oxide ink is obtained by, for example, dispersing oxide powder composed of stabilized zirconia, barium titanate, lead zirconate titanate, or the like in a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder solution. By passing three rolls several times, it is possible to disintegrate the powder and to disperse the powder. It can also be produced by a method in which a ball mill containing a powder of a solvent, a dispersant, and an oxide is rotated, the powder is pulverized and crushed, a binder and a plasticizer are added, and the powder is further rotated.
ここで、圧電セラミック被覆層14を構成するセラミック粒子14aの粒径を圧電セラミック層11を構成するセラミック粒子11aの粒径より小さくする方法として、圧電セラミック被覆層14の焼結前の粉砕粒子径を圧電セラミック層11の焼結前の粉砕粒子径よりも大きくすることによって、焼結活性が低下し、焼結後の粒径を小さくすることができる。
Here, as a method of making the particle size of the
そして、圧電セラミック被覆層14は、ディッピングでは、酸化物のインクの中へ、積層体13の第1の内部電極層121および第2の内部電極層122(両極)が露出した側面を浸し、引き上げた後、乾燥させて形成する。このとき、インクの粘度や引き上げ速度を適宜調整することにより、圧電セラミック被覆層14の厚みを制御することができる。また、スクリーン印刷では積層体13の大きさに合わせて、製版に印刷開口部を設け、その中にインクを充填し、積層体13の側面にインクを塗布し、乾燥させて形成する。この
とき、インクの粘度、製版メッシュ数、印刷速度等を適宜調整することにより、圧電セラミック被覆層14の厚みを制御することができる。
In the dipping, the piezoelectric
なお、図3および図4に示す形態とするには、まず第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部と圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間の領域を設けるようにこの領域に凹部を形成するために、エッチング液に浸漬し、積層体13の側面に露出した第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部をエッチングする。このときエッチング液として、圧電セラミック層11を溶かさないアルカリ系(シアン化ナトリウム系など)のエッチング液を用いるのがよい。また、急激にエッチングすると、エッチング深さにばらつきを生じる為、エッチング液の濃度を30%以下として、液温を30℃以下にするのが良い。
3 and FIG. 4, first, the end of the first
そして、前述の第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部をエッチングして凹部を設けた後に、ディッピングもしくはスクリーン印刷する。例えば、図3に示した構造とするには、圧電セラミック被覆層14と同じような粒径となるようなインクを用いて、インクレオロジーの降伏値が低いインクに調整し、凹部の内部電極端部までインクが侵入するようにすれば良い。また、図4に示した第1の内部電極層121の端部および第2の内部電極層122の端部と圧電セラミック被覆層14が設けられた側面との間にボイド13bを形成するには、インクレオロジーの降伏値が高いインクに調整し、凹部の奥までインクが侵入しにくくすれば良い。
Then, after etching the end portion of the first
なお、圧電セラミック被覆層14の形成工程について、積層成形体(積層体13の生の状態)に酸化物のインクを塗布した後、同時に焼成を行なう方法であってもよく、積層体13(焼結後の状態)に酸化物のインクを塗布した後、再度焼成を行なう方法であってもよい。
Note that the step of forming the piezoelectric
次に、必要により、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、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等によって印刷後、乾燥させた後、650〜750℃の温度で焼き付け処理を行ない、導体層15を形成する。
Next, if necessary, a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to a mixture of conductive particles mainly composed of silver and glass is laminated in a pattern of the
そして、導体層15にそれぞれリード線32をはんだ33で取り付けて、積層型圧電素子1が完成する。
Then, the
次に、貫通孔211が形成され、軟質ガラス34によってこの貫通孔211を貫くようにそれぞれリードピン31が固定された基体21の上面に積層型圧電素子1を接着剤で固定するとともに、リード線32とリードピン31とをはんだ付けで接続する。
Next, the through
次に、SUS304製のシームレスの円筒を圧延加工により、ベローズ形状を形成した筒体23とSUS304製の蓋体22とをレーザー溶接によって溶接する。
Next, by rolling a seamless cylinder made of SUS304, the
次に、筒体23と蓋体22とを溶接したものを基体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23を引張り、積層型圧電素子1に荷重を印加する。
Next, a welded body of the
次に、筒体23と基体21とが重なったところをレーザー溶接で溶接し、積層型圧電素子1を封入(ケース2を封止)する。
Next, the place where the
次に、ケース2の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きして、ケース2内の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース2内の窒素パージを行なう。その後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接する
ことにより、穴を塞ぎ、ケース2内への不活性ガスの注入を完了する。
Next, a hole for injecting an inert gas is drilled at a predetermined position of the
その後、基体21に取り付けられたリードピン31に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13(圧電セラミック層11)を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ10が完成する。
Thereafter, the
完成した圧電アクチュエータ10は、リードピン31を介して外部電源と接続して、圧電セラミック層11に電圧を印加することにより、各圧電セラミック層11を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、半導体製造装置のガス制御を目的としたマスフローコントローラとして機能させることが可能となる。
The completed
なお、本実施の形態の積層型圧電素子は、半導体製造装置等のマスフローコントローラに限らず、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置等としても用いることができる。 The multilayer piezoelectric element of the present embodiment is not limited to a mass flow controller such as a semiconductor manufacturing apparatus, but can also be used as a fuel injector for an automobile engine, a liquid injector such as an ink jet, a precision positioning device such as an optical device, or the like. Can do.
次に、これまで説明してきた圧電アクチュエータを備えたマスフローコントローラについて説明する。図7は、マスフローコントローラの実施の形態の一例の構成図である。 Next, a mass flow controller including the piezoelectric actuator described so far will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of an example of an embodiment of a mass flow controller.
図7に示すマスフローコントローラ4は、流路41と、流路41内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部42と、上述の圧電アクチュエータ10を備えた流体の流量を制御する流量制御弁43と、制御回路部44とを有しており、流量制御弁43は圧電アクチュエータ10の伸縮により流量制御を行うものである。
The mass flow controller 4 shown in FIG. 7 includes a
流路41には、例えばガスなどの流体が流れるようになっていて、流入口411から流入して流出口412から流出するようになっている。
For example, a fluid such as a gas flows through the
流路41の一部には、流量センサ部42が例えばバイパス状に接続されていて、この流量センサ部42が流路41内を流れる流体の流量(質量流量)を検出するようになっている。
A flow
流量センサ部42で検出された流量信号は、増幅回路にて増幅されるなどして、制御回路部44へ伝達される。
The flow rate signal detected by the flow
制御回路部44では、制御回路部44へ伝達された流量信号があらかじめ設定された流量信号と比較される。
In the
そして、伝達された流量信号とあらかじめ設定された流量信号との差をなくすような駆動信号(駆動電圧)が流量制御弁43を形成する圧電アクチュエータ10に入力される。
Then, a drive signal (drive voltage) that eliminates the difference between the transmitted flow rate signal and a preset flow rate signal is input to the
圧電アクチュエータ10は、入力された駆動電圧に応じて伸縮し、この伸縮により流量制御弁43の開閉量が制御され、流路41を流れる流体の流量を制御するようになっている。
The
上述したように、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子を搭載している圧電アクチュエータを備えているため、変位量が長期間安定したマスフローコントローラとすることができる。 As described above, since the piezoelectric actuator equipped with the laminated piezoelectric element in which the displacement amount reduction is suppressed is provided, a mass flow controller in which the displacement amount is stable for a long period of time can be obtained.
本発明の実施例の圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。 The piezoelectric actuator of the example of the present invention was manufactured as follows.
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrTiO3)を主成分とする圧電体セラミックスの粉末にバインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電セラミック層となるセラミックグリーンシートを作製した。 First, a ceramic slurry was prepared by mixing a binder ceramic and a plasticizer with a piezoelectric ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm, and having a thickness of 150 μm by a doctor blade method. A ceramic green sheet to be a piezoelectric ceramic layer was produced.
次に、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて作製した内部電極層となる導電性ペーストを、セラミックグリーンシートにスクリーン印刷法により印刷した印刷体を260枚積層し、その上下に導電性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各20枚積層した積層成形体を作製した。 Next, 260 conductive prints obtained by adding a binder to a silver-palladium alloy and forming an internal electrode layer were printed on a ceramic green sheet by a screen printing method. A laminated molded body in which 20 ceramic green sheets were laminated was produced.
次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで切断した後、積層成形体を400℃で脱脂し、1000℃で3時間焼成して積層焼結体を作製した。得られた積層焼結体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦5mm、横5mmであり、高さが35mmであった。 Next, after cutting with a dicing saw machine so as to have a predetermined size, the laminated molded body was degreased at 400 ° C. and fired at 1000 ° C. for 3 hours to produce a laminated sintered body. The obtained laminated sintered body had a rectangular parallelepiped shape, and the size thereof was 5 mm in length, 5 mm in width, and 35 mm in height.
次に、焼成して得られた積層体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理をしたのち、シアン化ナトリウム系のアルカリ性エッチング液に積層型圧電素子を1分間浸漬した後、積層型圧電素子を純水で30分間洗浄した。
Next, the laminated body obtained by firing is ground on the side surface so as to have a predetermined shape using a surface grinder or the like, and then the laminated
次に、平均粒径が0.8μmのチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末にバインダー及び可塑剤を加えてインクを作製し、圧電セラミック被覆層の厚みが20μmとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の対向する1組の側面に印刷し、その後、1000℃で焼成し、積層体の対向する1組の側面に被膜を形成した。 Next, an ink is prepared by adding a binder and a plasticizer to a calcined powder of piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate having an average particle diameter of 0.8 μm, and the thickness of the piezoelectric ceramic coating layer becomes 20 μm. As described above, by screen printing, printing is performed on a pair of opposing side surfaces of the laminate in which both electrodes of the internal electrode layer are exposed, and then baking is performed at 1000 ° C. to coat the opposing pair of side surfaces of the laminate. Formed.
次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の対向する他の1組の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、700℃程度の温度で焼き付け処理して導体層を形成した後、これにはんだ付けにてリード線を接続した。 Next, a silver glass-containing conductive paste is prepared by adding a binder to the silver particles and the glass powder, and this is printed on the other pair of side surfaces of the laminate by screen printing, at a temperature of about 700 ° C. After forming a conductor layer by baking, lead wires were connected thereto by soldering.
次に、SUS304で円板形状の蓋体を作製した。また、同じくSUS304で円板を作製した後、2箇所に穴を開け、軟質ガラスでリードピンを取り付けた基体を作製した。 Next, a disk-shaped lid body was made of SUS304. Similarly, after making a disk with SUS304, a substrate was made with holes drilled in two locations and lead pins attached with soft glass.
次に、基体の上面に積層型圧電素子を接着剤で固定し、導体層にはんだ付けしたリード線と基体に取り付けられたリードピンとをはんだ付けで電気的に接続した。 Next, the laminated piezoelectric element was fixed to the upper surface of the base with an adhesive, and the lead wire soldered to the conductor layer and the lead pin attached to the base were electrically connected by soldering.
次に、SUS304製のシームレス管を圧延加工することによりベローズ形状の筒体を作製し、この筒体と蓋体とをレーザー溶接で溶接し、これを基体に接着した積層型圧電素子に被せ、所定の荷重で筒体を基体側に引っ張り、積層型圧電素子に荷重を印加した後、筒体と基体とが重なったところをレーザー溶接で溶接し、積層型圧電素子の封止を行なった。 Next, a SUS304 seamless tube is rolled to produce a bellows-shaped cylindrical body, the cylindrical body and the lid are welded by laser welding, and this is covered with a laminated piezoelectric element adhered to a substrate. The cylindrical body was pulled to the substrate side with a predetermined load, and a load was applied to the multilayer piezoelectric element. Then, the portion where the cylindrical body and the substrate overlapped was welded by laser welding to seal the multilayer piezoelectric element.
次に、筒体と蓋体と基体とからなるケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きして、ケース内の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ高純度窒素ガスを注入し、ケース内の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して、穴を塞ぎ、窒素パージを完了させ、図1に示すような本発明の実施例の圧電アクチュエータを作製した。 Next, a hole for injecting an inert gas is drilled at a predetermined position of the case composed of the cylinder, the lid, and the base, and a vacuum chamber is evacuated to release oxygen in the case. After injecting high-purity nitrogen gas into the chamber and purging the inside of the case with nitrogen, holes for nitrogen purging are welded by laser welding to close the holes and complete the nitrogen purging, as shown in FIG. A piezoelectric actuator according to an embodiment of the invention was produced.
なお、本発明の実施例の圧電アクチュエータにおいて、圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の平均粒径は、1.2μmであつた。なお、圧電セラミック層を構成す
るセラミック粒子の平均粒径は、2.4μmであった。
In the piezoelectric actuator of the example of the present invention, the average particle size of the ceramic particles constituting the piezoelectric ceramic coating layer was 1.2 μm. The average particle size of the ceramic particles constituting the piezoelectric ceramic layer was 2.4 μm.
また、比較例として、圧電セラミック被膜層を構成するセラミック粒子の平均粒径、圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の平均粒径が、ともに2.4μmのものを作製した。 In addition, as a comparative example, a ceramic particle having an average particle diameter of 2.4 μm and a ceramic particle constituting the piezoelectric ceramic layer were prepared.
これらの圧電アクチュエータに、リード線およびリードピンを介して3kV/mmの直流電界を15分間印加して、ポーリング処理を行った。この積層型圧電素子に150Vの直流電圧を印加したところ、積層方向に50μmの変位量(初期変位量)が得られた。 A poling process was performed by applying a DC electric field of 3 kV / mm to these piezoelectric actuators via a lead wire and a lead pin for 15 minutes. When a DC voltage of 150 V was applied to the laminated piezoelectric element, a displacement amount (initial displacement amount) of 50 μm was obtained in the lamination direction.
さらに、DC150V、55℃の試験条件で500時間経過後の変位量の確認を行った結果、比較例の圧電アクチュエータの変位量が47μmであったのに対し、実施例の圧電アクチュエータの変位量が49μmとなり、ほとんど変化が見られなかった。 Furthermore, as a result of confirming the displacement amount after 500 hours under the test conditions of DC 150 V and 55 ° C., the displacement amount of the piezoelectric actuator of the comparative example was 47 μm, whereas the displacement amount of the piezoelectric actuator of the example was It was 49 μm, and almost no change was seen.
1・・・積層型圧電素子
10・・・圧電アクチュエータ
11・・・圧電セラミック層
11a・・・セラミック粒子
121・・・第1の内部電極層
122・・・第2の内部電極層
13・・・積層体
13a・・・セラミック粒子
13b・・・ボイド
14・・・圧電セラミック被覆層
14a・・・セラミック粒子
15・・・導体層
2・・・ケース
21・・・基体
22・・・蓋体
23・・・筒体
211・・・貫通孔
31・・・リードピン
32・・・リード線
33・・・はんだ
34・・・軟質ガラス
4・・・マスフローコントローラ
41・・・流路
411・・・流入口
412・・・流出口
42・・・流量センサ部
43・・・流量制御弁
44・・・制御回路部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の内部電極層および前記第2の内部電極層の両方の端部が前記圧電セラミック被覆層の設けられた側面よりも内側に位置しており、
前記圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さく、
前記第1の内部電極層の端部および前記第2の内部電極層の端部のそれぞれと前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間の領域に存在するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さいことを特徴とする積層型圧電素子。 Piezoelectric ceramic layer, and the laminate first inner electrode layers and second inner electrode layers are laminated, the ends of both of said first internal electrode layer and the second inner electrode layers in the laminate and a piezoelectric ceramic coating layer provided on the side surface near contact,
Both ends of the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are located on the inner side than the side surface on which the piezoelectric ceramic coating layer is provided,
The piezoelectric ceramic particle size of the ceramic particles constituting the coating layer is rather smaller than the particle size of the ceramic particles constituting the piezoelectric ceramic layer,
The particle size of the ceramic particles present in the region between the end portion of the first internal electrode layer and the end portion of the second internal electrode layer and the side surface on which the piezoelectric ceramic coating layer is provided is laminated piezoelectric element characterized smaller Ikoto than the particle size of the ceramic particles constituting the ceramic layers.
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