JP6381246B2

JP6381246B2 - 圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP6381246B2
Application number: JP2014061394A
Authority: JP
Inventors: 喜彦森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: JP2015185711A

Description

本発明は、ＰＺＴ系の圧電セラミックスおよびＡｇを含む電極材料が用いられた圧電素子およびその製造方法に関する。

積層型の圧電素子として、圧電セラミックスの厚み縦変位（ｄ３３モード）を利用した電気／機械変換素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような圧電素子は、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。

図４（ａ）は、従来の圧電素子２００の側断面図である。圧電素子２００は、積層コンデンサ型構造を有している。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て形成されている。内部電極２０２ａ、２０２ｂは、圧電素子２００の対向する側面に一層おきに露出している。

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によって接続されている。また、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。圧電素子２００の端面部分には、電圧の印加に対して不活性な保護層２０４が形成されている。なお、一般的な積層型の圧電素子は、積層方向の端面には電極を有していない。

図４（ｂ）、（ｃ）は、内部電極２０２ａ、２０２ｂの位置での圧電素子２００の平断面図である。圧電素子２００では、内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂとが重なる。このように、内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂに挟まれた圧電セラミックス層２０１は、圧電活性層である。圧電活性層に電界が印加されることで、圧電素子２００は変位して駆動する。

一般的に、内部電極２０２ａ、２０２ｂにはＡｇとＰｄからなる合金が用いられている。このうちＡｇは液相を形成するため、圧電素子２００の焼成時に内部電極２０２ａ、２０２ｂ付近の圧電セラミックス層２０１の焼結が促進される。そして、内部電極２０２ａ、２０２ｂ間の中央部分と比較して電極付近の圧電セラミックス粒子は粗大となり、圧電セラミックス層２０１のセラミックス粒径が不均質となる。

特開２００８−３００４３０号公報

しかし、圧電セラミックス層２０１が不均質になると、電圧印加時の電界分布が不均一となり絶縁破壊電圧が低下する。また、圧電素子の機械的強度が低下するなど初期特性や耐久性を悪化させることもある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、端部領域の焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子全体での焼結性のバランスをとることができる圧電素子およびその製造方法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、ＰＺＴ系の圧電セラミックスおよびＡｇを含む電極材料が用いられた圧電素子であって、電圧が印加される内部電極と、前記内部電極と交互に積層された圧電セラミックス層と、を備え、前記圧電セラミックス層のうち、中央領域に対して前記内部電極に近い端部領域は、Ａサイト／Ｂサイト比が小さい組成で形成されていることを特徴としている。

これにより、端部領域の焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子全体での焼結性のバランスをとることができる。その結果、電圧印加時の電界分布が均一となり、圧電素子の絶縁破壊電圧を低下させることができる。また、圧電素子の機械的強度を高め耐久性を向上できる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記中央領域のＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記端部領域のＡサイト／Ｂサイト比は、１％以上３％以下の割合で小さいことを特徴としている。これにより、圧電素子全体の焼結性のバランスを耐久性が向上する適切な範囲にすることができる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記端部領域が、前記内部電極から２０μｍの範囲内であることを特徴としている。これにより、焼結時に液相化したＡｇが浸透する範囲について焼結性を低下させ、Ａｇが浸透しない範囲とのバランスをとることができる。

（４）また、本発明の圧電素子の製造方法は、ＰＺＴ系の圧電セラミックスが用いられた圧電素子の製造方法であって、所定の配合の圧電セラミックスを含む中央領域用のグリーンシートを作製する工程と、前記所定の配合に対してＡサイト／Ｂサイト比が小さい配合の圧電セラミックスを含む端部領域用のグリーンシートを作製する工程と、前記端部領域用のグリーンシートに電極ペーストを印刷する工程と、前記各グリーンシートを積層、圧着し、成形体を作製する工程と、前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、端部領域の焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子全体での焼結性のバランスをとることができる。

（５）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記中央領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記端部領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比が、１％以上３％以下の割合で小さいことを特徴としている。これにより、圧電素子全体の焼結性のバランスを耐久性が向上する適切な範囲にすることができる。

（６）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記端部領域用のグリーンシートが、厚み２５μｍ以上に作製することを特徴としている。これにより、焼結時に液相化したＡｇが浸透する範囲について焼結性を低下させ、Ａｇが浸透しない範囲とのバランスをとることができる。

本発明によれば、端部領域の焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子全体での焼結性のバランスをとることができる。その結果、電圧印加時の電界分布が均一となり、圧電素子の絶縁破壊電圧を低下させることができる。また、圧電素子の機械的強度を高め耐久性を向上できる。

（ａ）〜（ｃ）本発明の圧電素子の側断面図および２つの平断面図である。積層工程における各グリーンシートを示す断面図である。各条件で耐久試験を行った結果を示すグラフである（ａ）〜（ｃ）従来の圧電素子の側断面図および２つの平断面図である。

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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（圧電素子の構成）
図１（ａ）は、圧電素子１００の側断面図である。図１（ｂ）、（ｃ）は、圧電素子１００の平断面図である。図１（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）における断面１ｂ、１ｃによる断面図となっている。圧電素子１００は、内部電極１０２ａ、１０２ｂと圧電セラミックス層１０１とが交互に積層されて形成されている。圧電素子１００の対向する側面には、内部電極１０２ａ、１０２ｂが一層おきに露出している。

そして、内部電極１０２ａが露出している側面において、内部電極１０２ａは外部電極１０３ａによって接続されている。また、内部電極１０２ｂが露出している側面において、内部電極１０２ｂは外部電極１０３ｂによって接続されている。圧電素子１００の端面部分には、電圧の印加に対して不活性な保護層１０４が形成されている。

内部電極１０２ａ、１０２ｂは、Ａｇを含む電極材料が用いられており、電圧が印加される。Ａｇには、液相を形成し焼結性を高める効果がある。ある程度の高温にも耐えられるようにＡｇ−Ｐｄの合金材料を用いるのが好ましい。

圧電セラミックス層１０１は、ＰＺＴ系の圧電材料が用いられており、その中央領域１０１ａに対して内部電極に近い端部領域１０１ｂは、Ａサイト／Ｂサイト比が小さい組成で形成されている。ＰＺＴ系材料はＰｂ量が過剰である場合、焼結性が高く粒成長が促進され、Ｐｂ量が不足する場合は焼結性が低くなる。

Ｐｂ量一定のシートでは中央領域が焼結、緻密化する温度で焼成すると、電極付近の粒子が粗大になる。しかし、圧電素子１００では、中央領域１０１ａに対して内部電極に近い端部領域１０１ｂは、Ａサイト／Ｂサイト比が小さいため、中央領域１０１ａと端部領域１０１ｂとで焼結性が同程度となり、適切な温度で焼成すれば全体で焼結性を均一にすることができる。

このようにして、Ｐｂ量の少ない端部領域１０１ｂの焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子１００全体での焼結性のバランスをとることができる。その結果、電圧印加時の電界分布が均一となり、圧電素子１００の絶縁破壊電圧を低下させることができる。また、圧電素子１００の機械的強度を高め耐久性を向上できる。

中央領域１０１ａのＡサイト／Ｂサイト比に対して、端部領域のＡサイト／Ｂサイト比は、１％以上３％以下の割合で小さいことが好ましい。これにより、圧電素子１００全体の焼結性のバランスを耐久性が向上する適切な範囲にすることができる。

端部領域１０１ｂは、内部電極１０２ａ、１０２ｂから２０μｍの範囲内であることが好ましい。これにより、焼結時に液相化したＡｇが浸透する範囲について焼結性を低下させ、Ａｇが浸透しない中央領域とのバランスをとることができる。

（圧電素子の製造方法）
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、中央領域用の配合と、その配合に対してＡサイト／Ｂサイト比が小さい端部領域用の配合を算出し、それぞれ秤量する。中央領域用の配合より端部領域用の配合の方が１％以上３％以下の割合で小さいことが好ましい。

次に、秤量された配合で中央領域用のグリーンシート１１１ａおよび端部領域用のグリーンシート１１１ｂを作製する。端部領域用のグリーンシート１１１ｂは、厚み２５μｍ以上に作製することが好ましい。これにより、焼結時に液相化したＡｇが浸透する範囲について焼結性を低下させ、Ａｇが浸透しない範囲とのバランスをとることができる。

例えば、Ｐｂ_０．９５Ｓｒ_０．０５（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３からなる圧電セラミックス粉末にバインダ等の有機物成分や溶媒を混合してスラリー化する。このようにして得られた混合物をドクターブレード法や押出成形法等の方法によって、シート状に成形する。続いて、得られた帯状のグリーンシートからパンチング等の方法によって所定形状のグリーンシートを得る。このようにして圧電セラミックスの粉末やバインダ等の有機物を含む中央領域用のグリーンシート１１１ａを成形する。

一方、Ｐｂ_０．９３Ｓｒ_０．０５（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３からなる圧電セラミックス粉末にバインダ等の有機物成分や溶媒を混合してスラリー化する。そして、得られた混合物をドクターブレード法や押出成形法等の方法によって、シート状に成形する。続いて、得られた帯状のグリーンシートからパンチング等の方法によって所定形状のグリーンシートを得る。このようにして圧電セラミックスの粉末やバインダ等の有機物を含む端部領域用のグリーンシート１１１ｂを成形することができる。

次に、成形された端部領域用のグリーンシート１１１ｂに、所定のパターンでＡｇ−Ｐｄの電極ペースト１１２を所定のパターンで印刷する。すなわち、例えばスクリーン印刷法等を用いて、ペーストを塗布する。グリーンシート１１１ｂに、塗布された電極ペースト１０３は、焼成後に内部電極１０２ａ、１０２ｂとなる。

各グリーンシートを積層、圧着し、成形体を作製する。図２は、積層工程における各グリーンシートを示す断面図である。図２に示すように、組み合わせ所定枚数積層し、圧着する。電極ペースト１１２に隣接するのは端部領域用のグリーンシート１１１ｂであり、中央領域用のグリーンシート１１１ａには電極ペースト１１２が接しないように積層される。

このようにして得られた成形体を焼成する。有機成分が分解するまで脱脂を行ない、脱脂体を作製する。脱脂体を９００〜１３００℃で焼成する。このとき、Ａサイト／Ｂサイト比が多く圧電セラミックスとして焼結性が良い中央領域のグリーンシート１１１ａからなる圧電セラミックスと、内部電極により焼結が促進されるＡサイト／Ｂサイト比が少ないグリーンシート１１１ｂからなる圧電セラミックスが焼成され、焼結性の均質な圧電セラミックス層１０１が得られる。

焼成では、中央領域と端部領域とで配合が異なることにより、端部領域の焼結性を低くし粒成長を抑制でき、圧電素子全体での焼結性のバランスをとることができる。その結果、電圧印加時の電界分布が均一となり絶縁破壊電圧が向上する、圧電型圧電素子の機械的強度が増加するなど初期特性が向上することや、Ａｇのマイグレーションが抑制されるなどの耐久性を改善する効果が期待できる。

（実施例）
上記の製造方法で圧電素子を作製した。得られた圧電素子をＳＵＳ金属ケースに封止し、温度１２０℃、ＤＣ１５０Ｖの条件で耐久性試験を行なった。各圧電素子は、中央領域用にＡサイト／Ｂサイト比１．００の３０μｍシートを用い、端部領域用にＡサイト／Ｂサイト比を振った３０μｍシートを積層し、１１００℃で焼成した。図３は、各条件で耐久試験を行った結果を示すグラフである。

図３に示すように、端部領域のＡサイト／Ｂサイト比を０．９８にした圧電素子では、耐久性が改善した。一方、端部領域のＡサイト／Ｂサイト比を０．９６にした圧電素子では電極付近の焼結性が低くなり、端部領域のＡサイト／Ｂサイト比を１．００にした圧電素子と同程度まで耐久性が低下した。

１００圧電素子
１０１圧電セラミックス層
１０１ａ中央領域
１０１ｂ端部領域
１０２ａ内部電極
１０３電極ペースト
１０３ａ外部電極
１０４保護層
１１１ａ中央領域用のグリーンシート
１１１ｂ端部領域用のグリーンシート
１１２電極ペースト

Claims

ＰＺＴ系の圧電セラミックスおよびＡｇを含む電極材料が用いられた圧電素子であって、
電圧が印加される内部電極と、
前記内部電極と交互に積層された圧電セラミックス層と、を備え、
前記圧電セラミックス層は、中央領域のＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記内部電極に近い端部領域のＡサイト／Ｂサイト比が、１％以上３％以下の割合で小さい組成で形成されていることを特徴とする圧電素子。
前記中央領域のＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記端部領域のＡサイト／Ｂサイト比は、２％の割合で小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記端部領域は、前記内部電極から２０μｍの範囲内であ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。
ＰＺＴ系の圧電セラミックスが用いられた圧電素子の製造方法であって、
所定の配合の圧電セラミックスを含む中央領域用のグリーンシートを作製する工程と、
前記所定の配合に対してＡサイト／Ｂサイト比が小さい配合の圧電セラミックスを含む端部領域用のグリーンシートを作製する工程と、
前記端部領域用のグリーンシートにＡｇを含む電極ペーストを印刷する工程と、
前記各グリーンシートを積層、圧着し、成形体を作製する工程と、
前記成形体を焼成する工程と、を含み、
前記中央領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記端部領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比は、１％以上３％以下の割合で小さいことを特徴とする圧電素子の製造方法。
前記中央領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比に対して、前記端部領域用のグリーンシートのＡサイト／Ｂサイト比は、２％の割合で小さいことを特徴とする請求項４記載の圧電素子の製造方法。
前記端部領域用のグリーンシートは、厚み２５μｍ以上に作製することを特徴とする請求項４または請求項５記載の圧電素子の製造方法。