JP6591910B2 - Piezoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element that expands and contracts by application of a voltage and a method for manufacturing the same.
従来、図3(a)に示すように、圧電セラミックス210と内部電極221、222が交互に積層され、素子側面の外部電極271、272により内部電極221、222が1層おきに並列に接続される圧電素子200が知られている。一方、外部電極を設けるのが不適切な場合に素子内部のスルーホール電極で内部電極同士を接続している圧電素子も知られている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 3A,
上記のような積層型の圧電素子に対して、近年、小型化、薄層化が求められる場面が増えており、図3(b)に示すように、両端の内部電極より端部側の保護層の厚みを(例えば50μm程度まで)小さくすることがある。この場合、側面の外部電極371、372が素子の積層方向の端面にはみ出して平面を確保できない。このような圧電素子300では、基準面に対して正確な変位の取出しができなくなる。
In recent years, there are increasing demands for miniaturization and thinning of the multilayer piezoelectric element as described above, and as shown in FIG. The thickness of the layer may be reduced (for example, up to about 50 μm). In this case, the
また、仮にはみ出さないとしても、図3(c)に示すように、側面に外部電極471、472があると、圧電素子400を金属部材900へ設置する際に外部電極471、472と金属部材900間の絶縁確保が困難になる。
Moreover, even if it does not protrude temporarily, as shown in FIG. 3C, if there are
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化または薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保す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。 The present invention has been made in view of such circumstances. Even when the device is miniaturized or thinned, a reference plane is secured on the element so that the displacement can be accurately taken out, and insulation is provided when the device is installed on a metal member. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that can be secured and a method for manufacturing the same.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、圧電セラミックスで形成された圧電層と、前記圧電層と交互に積層された内部電極と、素子本体を貫通し、前記内部電極が1層おきに並列に接続されるスルーホール電極と、を備え、前記内部電極のうち積層方向の両端に設けられた内部電極より端部側の圧電層である保護層の厚さが100μm未満であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric element of the present invention is a stacked piezoelectric element that expands and contracts by application of voltage, and is alternately stacked with piezoelectric layers formed of piezoelectric ceramics and the piezoelectric layers. A through-hole electrode that penetrates the element body and is connected in parallel to every other layer, and is connected to both ends of the internal electrode provided at both ends in the stacking direction. The thickness of the protective layer, which is the piezoelectric layer on the part side, is less than 100 μm.
これにより、小型化、薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。また、素子の側面に外部電極を設けず、積層方向の一方の端面だけに外部電極を設ければよいため、配線が容易である。 As a result, even if the device is downsized and thinned, a reference plane can be secured on the element so that the displacement can be accurately taken out, and insulation can be secured when it is installed on the metal member. In addition, the external electrode is not provided on the side surface of the element, and it is only necessary to provide the external electrode only on one end face in the stacking direction, so that wiring is easy.
(2)また、本発明の圧電素子は、前記スルーホール電極に接続し、積層方向の一対の端面のいずれか一方のみに設けられた外部電極を更に備えることを特徴としている。これにより、外部電極が一方の端面だけにあるので、外部との配線が容易になる。また、他方の端面を基準面として使用できるため、変位を正確に取り出せる。また、外部電極が一方の端面だけにあるので他方の端面を金属部材に設置しても短絡の危険がない。 (2) Further, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that it further includes an external electrode connected to the through-hole electrode and provided on only one of the pair of end faces in the stacking direction. Thereby, since the external electrode is only on one end face, wiring with the outside becomes easy. Moreover, since the other end surface can be used as a reference surface, the displacement can be taken out accurately. Further, since the external electrode is only on one end face, there is no danger of short circuit even if the other end face is installed on the metal member.
(3)また、本発明の圧電素子は、前記内部電極のうち隣り合う電極の間の距離がいずれも50μm未満であることを特徴としている。このような構造にもかかわらず、スルーホール電極で電気的接続が行なわれ、外部電極が端面の一方の面だけにあるので配線が容易になる。 (3) Further, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the distance between adjacent electrodes among the internal electrodes is less than 50 μm. Despite such a structure, electrical connection is made with the through-hole electrode, and wiring is facilitated because the external electrode is only on one of the end faces.
(4)また、本発明の圧電素子の製造方法は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、電極パターンを印刷したグリーンシートの積層体にスルーホール電極用の孔を設ける工程と、前記スルーホール電極用の孔に、電極用の金属粒子が20〜50vol%を占めるように固形分の占有率を調整され、固形分の量を45〜55vol%に調整された電極ペーストを注入する工程と、前記電極ペーストを充填された積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴としている。 (4) A method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is a method for manufacturing a stacked piezoelectric element that expands and contracts by application of a voltage, and includes a hole for a through-hole electrode formed on a green sheet laminate on which an electrode pattern is printed. The solid content is adjusted so that the metal particles for the electrode occupy 20 to 50 vol% in the through-hole electrode hole, and the solid content is adjusted to 45 to 55 vol%. The method includes a step of injecting an electrode paste, and a step of firing the laminated body filled with the electrode paste.
上記のような電極ペーストを用いることで、ペースト乾燥後は金属粒子が20〜50vol%を占め、その後の焼成により電極中に金属粒子が充填される。これにより、圧電素子が小型化、薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。また、上記のような電極ペーストの調整によりスルーホール電極部分について焼成工程で素子厚みに影響する盛り上がりが生じない。 By using the electrode paste as described above, the metal particles occupy 20 to 50 vol% after the paste is dried, and the electrodes are filled with the metal particles by subsequent firing. As a result, even if the piezoelectric element is reduced in size and thickness, the reference plane can be secured on the element, the displacement can be accurately taken out, and insulation can be ensured when it is installed on the metal member. In addition, the adjustment of the electrode paste as described above does not cause swell that affects the element thickness in the firing process for the through-hole electrode portion.
本発明によれば、圧電素子が小型化または薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。 According to the present invention, even when the piezoelectric element is downsized or thinned, it is possible to secure a reference plane on the element to accurately extract the displacement, and to ensure insulation when the element is installed on a metal member.
次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。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。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(圧電素子)
図1(a)、(b)、(c)は、それぞれ圧電素子100の平面図、側面図および側断面図である。図1(c)は、図1(a)の断面1cの断面図を示している。図2は、金属部材900上に配置された圧電素子100の側断面図である。圧電素子100は、矩形体に形成され、一方の主面が金属部材900に接着される積層型の圧電素子である。圧電素子100は、圧電層110、内部電極121、122、スルーホール電極171、172を備え、スルーホール電極171、172への電圧の印加により伸縮する。
(Piezoelectric element)
1A, 1B, and 1C are a plan view, a side view, and a side sectional view of the
圧電層110は、例えばPZTやチタン酸バリウム等の圧電セラミックスで層状に形成されている。圧電層110は、内部電極121、122との積層方向に分極されている。
The
内部電極121、122は、Ag−Pd、Ag−Pt等の金属で形成され、圧電層110と交互に積層されている。内部電極121、122は、スルーホール電極171、172によってそれぞれ並列に1層おきに接続されている。これにより、圧電素子100の側面に外部電極を設ける必要がなくなる。
The
内部電極121、122のうち隣り合う電極の間の距離は、いずれも50μm未満であることが好ましい。このように薄層化した構造により高い効率で圧電素子として動作可能である。薄層化している状態で、スルーホール電極171、172が設けられることで配線が容易になる。
The distance between adjacent electrodes among the
スルーホール電極171、172は、素子本体を貫通し、それぞれ内部電極121、122に接続されている。その結果、内部電極121、122を取り出す外部電極171a、172aは、側面に存在しない。したがって、積層方向の端面150に側面上の電極がはみ出ることもないため、小型化、薄層化されても、図2に示すように基準面(端面160に相当)を確保して変位を正確に取り出せる。そして、金属部材900へ設置する際に絶縁を確保することができる。例えば、圧電素子100の厚さtが500μm未満のときには高い効果が見込める。
The through-
保護層110a、110bは、内部電極121、122の積層方向に垂直な一対の端面150、160から、内部電極121、122のうち最近接の電極までの領域(言い換えると端の内部電極よりさらに端部側の圧電層)である。保護層110a、110bの厚さt1、t2は、100μm未満であり、30μm未満であることが好ましい。保護層110a、110bのような伸縮に寄与しない層は小さい方が、効率が高い。
The
外部電極171a、172aは、スルーホール電極171、172に接続し、一対の端面150、160のいずれか一方(図1、2の例では、端面150)のみに設けられていることが好ましい。これにより、配線が容易になり、他方の端面160を金属部材900に設置しても短絡するおそれがない。
The
上記のように構成された圧電素子100は、例えば、ステージやマスフローコントローラの弁を被駆動体とする精密位置決め用の圧電アクチュエータ、圧電トランス、医療用のプローブに用いることができる。
The
(圧電素子の製造方法)
圧電素子100の製造工程を説明する。まず、所定の配合で圧電材料、溶媒、バインダ等を混合し、押し出し成形でグリーンシートを形成する。得られたグリーンシートに電極ペーストで電極パターンを印刷して、それらを積層し、金型で積層体を打ち抜く。そして、打ち抜かれた積層体にスルーホール電極用の孔を設け、電極ペーストを所定量まで注入する。
(Piezoelectric element manufacturing method)
A manufacturing process of the
この際には、Ag/Pd等の電極用の金属粒子が固形分の20〜50vol%を占めるように調整し、さらに電極ペーストの固形分の量を45〜55vol%に調整する。そして孔の体積に対し、十分に充填するように電極ペーストを孔に注入することが好ましい。プレス時、焼成時にセラミックス成形体が収縮するため、当初の金属粉末そのものの充填率を低くしておく。なお、電極ペーストの注入の際には、併せてスルーホール電極に接続される外部電極も設けてもよい。 At this time, the electrode metal particles such as Ag / Pd are adjusted so as to occupy 20 to 50 vol% of the solid content, and the solid content of the electrode paste is adjusted to 45 to 55 vol%. And it is preferable to inject | pour electrode paste into a hole so that it may fully fill with respect to the volume of a hole. Since the ceramic compact shrinks during pressing and firing, the filling rate of the original metal powder itself is kept low. When injecting the electrode paste, an external electrode connected to the through-hole electrode may also be provided.
充填された電極ペーストを乾燥させると、乾燥収縮が生じ、孔を埋める電極の両主面端部がロート状にへこむ。乾燥後の電極ペーストは金属粒子が有機物の樹脂(バインダ)に分散し、有機物のネットワークに金属粒子が分散した多孔体のような構造を形成する。このとき固形分のみが残留しており、有機物に対する金属粒子の占有率は、20〜50%である。 When the filled electrode paste is dried, drying shrinkage occurs, and both ends of the main surface of the electrode filling the hole are recessed in a funnel shape. The electrode paste after drying forms a structure like a porous body in which metal particles are dispersed in an organic resin (binder), and the metal particles are dispersed in an organic network. At this time, only solid content remains, and the occupation ratio of the metal particles to the organic matter is 20 to 50%.
このようにして準備された積層体をプレスしつつ焼成する。焼成体を生成できる。積層方向の端面の外部電極は、圧電セラミックスと同時に焼成してもよい。なお、焼成すると、電極は焼成収縮により乾燥時と比べ体積比で50%程度に縮む。その結果、スルーホール電極部分に素子厚みに影響する盛り上がりが生じない。焼成体は、研削して加工し、加工で得られた焼成体の外部電極にリード線を接続する。そして、活性領域の圧電層を分極することで、圧電素子100が得られる。上記のように予め電極ペーストの成分を調整することで、素子厚みに影響する盛り上がりを防止し、スルーホール電極を有する薄い圧電素子を形成することができる。
The laminate thus prepared is fired while being pressed. A fired body can be produced. The external electrode on the end face in the stacking direction may be fired simultaneously with the piezoelectric ceramic. When firing, the electrode shrinks to about 50% by volume due to firing shrinkage compared to when dried. As a result, the swell that affects the element thickness does not occur in the through-hole electrode portion. The fired body is processed by grinding, and a lead wire is connected to the external electrode of the fired body obtained by the processing. Then, the
100 圧電素子
110 圧電層
110a、110b 保護層
121、122 内部電極
150、160 端面
171、172 スルーホール電極
171a、172a 外部電極
900 金属部材
DESCRIPTION OF
Claims (1)
電極パターンを印刷したグリーンシートの積層体にスルーホール電極用の孔を設ける工程と、
前記スルーホール電極用の孔に、電極用の金属粒子が20〜50vol%を占めるように固形分の占有率を調整され、固形分の量を45〜55vol%に調整された電極ペーストを注入する工程と、
前記電極ペーストを充填された積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method of manufacturing a laminated piezoelectric element that expands and contracts by applying a voltage,
Providing a hole for a through-hole electrode in a laminate of green sheets printed with an electrode pattern;
An electrode paste in which the solid content is adjusted so that the metal particles for the electrode occupy 20 to 50 vol% and the solid content is adjusted to 45 to 55 vol% is injected into the through-hole electrode hole. Process,
Firing the laminate filled with the electrode paste. A method of manufacturing a piezoelectric element, comprising:
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