JP6898167B2

JP6898167B2 - 積層型圧電素子

Info

Publication number: JP6898167B2
Application number: JP2017144620A
Authority: JP
Inventors: 誠最所
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: JP2019029405A

Description

本開示は、例えばマスフローコントローラ、ＸＹテーブルの精密位置決め装置等に使用される圧電アクチュエータを構成する積層型圧電素子に関するものである。

積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が複数積層され、積層方向に長い多角柱状の積層体と、該積層体の複数の側面のうちの少なくとも１面に前記積層方向に沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して一方主面が接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた外部電極と、前記積層体の複数の側面を一周り被覆した被覆層とを備えているものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。なお、被覆層は、積層体の複数の側面を一周り被覆していることで、剥がれにくくなっている。

特開２０１５−１７９８０８号公報

ここで、圧電体層における応力の集中する箇所および電界の集中する箇所は、酸素空孔が発生しやすい傾向がある。

上記の積層型圧電素子によれば、一対の導体層のうちの一方の導体層に第１の内部電極層が電気的に接続され、他方の導体層に第２の内部電極層が電気的に接続されている。そして、一方の導体層の周辺が第２の内部電極層の端面に近く、他方の導体層の周辺が第１の内部電極層の端面に近いことから、これらの付近の圧電体層に酸素空孔が発生しやすい。しかも、導体層の周辺における圧電体層は、被覆層で覆われていることから酸素が欠乏する傾向にある。

したがって、導体層の周辺における圧電体層においては、酸素空孔が発生して絶縁抵抗が低下し、積層型圧電素子の変位量が低下するおそれがあった。最悪の場合、ショートして積層型圧電素子が動かなくなるおそれもあった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、被覆層を備えた、酸素空孔の発生しにくい積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層され、積層方向に長い多角柱状の積層体と、該積層体の複数の側面のうちの少なくとも１面に前記積層方向に
沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して一方主面が接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた外部電極と、前記積層体の複数の側面を一周り被覆した被覆層とを備え、前記積層体の積層方向に垂直な断面で見たときに、前記外部電極の他方主面と前記被覆層との間には隙間がなく、前記導体層の設けられた側面における少なくとも前記導体層の周辺に位置する領域と前記被覆層との間に隙間があり、前記外部電極よりも前記導電性接合材の幅が狭くなっており、前記隙間が前記導体層の側方から前記導電性接合材の側方にかけてあることを特徴とする。

本開示の積層型圧電素子によれば、導体層周辺の被覆層の内側には隙間があることにより、導体層周辺の圧電体層へ酸素が供給され、酸素空孔の生成が抑制される。したがって、導体層周辺の圧電体層の絶縁抵抗低下が抑制され、変位量低下も抑制される。

（ａ）は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電素子のＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。積層型圧電素子の他の例を示す概略断面図である。積層型圧電素子の他の例を示す概略断面図である。積層型圧電素子の他の例を示す概略断面図である。積層型圧電素子の他の例を示す概略断面図である。

積層型圧電素子の実施形態の一例について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す積層型圧電素子のＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。なお、図１（ａ）では、導体層１４および導電性接合材１５は省略している。

本開示の積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層され、積層方向に長い多角柱状の積層体１３と、積層体１３の複数の側面のうちの少なくとも１面に積層方向に沿って延びて設けられ、内部電極層１２と電気的に接続された導体層１４と、導体層１４の表面上に導電性接合材１５を介して一方主面が接合され、積層方向に沿って延びて設けられた外部電極１６と、積層体の複数の側面を一周り被覆した被覆層１７とを備えている。

積層型圧電素子１を構成する積層体１３は、内部電極層１２（第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２）が圧電体層１１を介して交互に積層された部分を有している。この積層体１３は、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重なる活性領域と、積層方向から見て第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とが重ならない不活性領域とを有している。なお、活性領域は、駆動時に積層方向に伸長または収縮する部位である。不活性領域は、駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい部位である。

また、積層体１３は、内部電極層１２（第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２）が圧電体層１１を介して交互に積層された部分の積層方向両端部に、圧電体層１１のみが積層された部分を有している。この積層方向両端部に位置する圧電体層１１のみが積層された部分も、駆動時に積層方向に伸長または収縮しないかまたはしにくい不活性領域である。

積層体１３は、例えば縦４ｍｍ〜７ｍｍ、横４ｍｍ〜７ｍｍ、高さ２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の直方体状に形成されている。なお、図１に示す積層体１３は四角柱形状であるが、積層方向に長い多角柱状であればよく、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。この圧電体層１１の厚みは、例えば３μｍ〜２５０μｍとされる。

内部電極層１２は、例えば圧電体層１１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたものであり、銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などを主成分とする（最も多く含む）導体材料からなる。図に示す例では、第１の内部電極層１２１が正極、第２の内部電極層１２２が負極またはグランド極として交互に配置され、それぞれ積層体１３の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。この構成により、活性部において、積層方向に隣り合う第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２との間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧が印加される。第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとされる。

なお、積層体１３の対向する他の一対の側面に第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が露出していてもよく、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端面が露出せずに側面から離れて内側に位置してもよい。また、積層体１３には、隣り合う圧電体層１１間に応力を緩和するための予定破断層があってもよい。この予定破断層としては、例えば内部電極層として機能しない多孔質な導体層、あらかじめ亀裂の入った導体層などが挙げられる。

そして、積層体１３の複数の側面のうちの少なくとも１面には、導体層１４が積層方向に沿って延びて設けられ、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。図１に示す例では、導体層１４は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が互い違いに導出された積層体１３の対向する一対の側面に、それぞれ設けられている。なお、図１（ａ）では導体層１４は示していないが、外部電極１６の内側に導体層１４が設けられている。この導体層１４は、例えば銀とガラスとを含む導体ペーストを焼き付けてなるメタライズ層である。導体層１４の厚みは、例えば５μｍ〜５００μｍとされる。また、導体層１４の幅は、例えば１ｍｍ〜６ｍｍとされる。

また、導体層１４の表面上には、導電性接合材１５を介して外部電極１６が接合され、積層方向に沿って延びて設けられている。なお、図１（ａ）では導電性接合材１５は示していないが、外部電極１６の内側に導体層１４とともに導電性接合材１５が設けられている。

外部電極１６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０．５ｍｍ〜６．５ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ〜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、特に圧電体層１１と内部電極層１２とが交互に積層された領域（活性部）に対応する位置に複数配置されているのがよい。

導電性接合材１５としては、はんだ、Ａｇ粒子やＣｕ粒子などの導電性の良好な導電粒子を含んだエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂などが挙げられる。導電性接合材１５は、例えば５μｍ〜５００μｍの厚さとされる。また、導電性接合材１５の幅は、例えば０．５〜６ｍｍとされる。

なお、図１には示していないが、外部電極１６の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。

積層型圧電素子１は、積層体１３の複数の側面を一周り被覆するように被覆層１７を備えている。被覆層１７は、例えば５μｍ〜１ｍｍの厚さとされる。この被覆層１７は、例
えば積層体１３の保護や、マイグレーション、放電などを抑制する効果を奏するもので、少なくとも第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２を覆うように設けられていればよく、必ずしも積層体１３の積層方向の全域にわたって設けられていなくてもよい。被覆層１７の形成材料としては、例えばフッ素系樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などが挙げられる。また、容易に積層体１３の複数の側面を一周り被覆するために、熱収縮チューブを用いるのがよい。

そして、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、外部電極１６の他方主面と被覆層１７との間には隙間がなく、導体層１４の設けられた側面における少なくとも導体層１４の周辺に位置する領域と被覆層１７との間に隙間がある。

外部電極１６の他方主面と被覆層１７との間には隙間がないことにより、ある程度の密着性を確保でき、積層体１３の保護や、マイグレーション、放電などの効果を維持できる。そして、導体層１４周辺の被覆層１７の内側に隙間があることにより、導体層１４周辺の圧電体層１１へ酸素が供給され、酸素空孔の生成が抑制される。したがって、導体層１４周辺の圧電体層１１の絶縁抵抗低下が抑制され、変位量低下も抑制される。よって、積層型圧電素子１を長期間安定して駆動させることができる。

ここで、導体層１４の周辺に位置する領域とは、積層体１３における導体層１４が設けられた側面の表面上であって、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見て、導体層１４の側方に位置する領域のことを意味している。また、隙間とは、積層体１３の積層方向に沿って延びる空隙のことであり、積層方向の少なくとも一端において、外部空間とつながっている。特に、隙間は積層方向に沿って貫通している（積層方向の両端において外部空間とつながっている）のが、より酸素が供給されやすくなる点でよい。

このような隙間を設けるには、例えば熱収縮チューブを用いた場合において、当該熱収縮チューブを加熱により収縮させる際に、直径０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の棒を積層体１３と熱収縮チューブとの間に挿入して加熱し、熱収縮チューブの収縮後にこの棒を取り除けばよい。この棒は、樹脂製のものでもよく木製のものでもよい。また、外部電極１６を導体性接合材１５よりも幅の広いものとすることにより、隙間を形成することもできる。

そして、図に示すように、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、導体層１４の設けられていない側面と被覆層１７との間には隙間がない構成としてもよい。導体層１４のない側面は被覆層１７で隙間なく被覆されることで、確実に保護され、短絡が抑制される。

また、図２に示すように、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、導体層１４よりも導電性接合材１５および外部電極１６の幅が狭くなっており、隙間が導体層１４の側方から導電性接合材１５の側方にかけてあってもよい。すなわち、被覆層１７が外部電極１６の側面のみを覆っている形態であってもよい。このとき、導電性接合材１５および外部電極１６の幅は導体層１４の幅の例えば５０〜９８％に設定することができる。この構成により、外部電極１６による積層体１３の伸縮への影響を抑え、駆動変形しやすくなるので、導体層１４周辺の圧電体層１１にかかる応力が低減する。また、隙間をより拡げて酸素の供給量を増やすことができる。したがって、酸素空孔の生成をより抑制することができる。

また、図３に示すように、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、外部電極１６よりも導電性接合材１５の幅が狭くなっており、隙間が導体層１４の側方から導電性接合材１５の側方にかけてあってもよい。すなわち、被覆層１７が外部電極１６の側面のみを覆っている形態であってもよい。このとき、導電性接合材１５の幅は外部電極１６の
幅の例えば５０〜９８％に設定することができる。この構成によっても、外部電極１６による積層体１３の伸縮への影響を抑え、駆動変形しやすくなるので、導体層１４周辺の圧電体層１１にかかる応力が低減する。また、導電性接合材１５の幅が狭くなった分だけ、隙間をより拡げて酸素の供給量を増やすことができる。したがって、酸素空孔の生成をより抑制することができる。

また、図４に示すように、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、隙間が導体層１４の側方から外部電極１６の側方にかけてあってもよい。すなわち、被覆層１７が外部電極１６の側面を覆っていない、もしくはその一部のみを覆っている形態であってもよい。これにより、隙間をより拡げて酸素の供給量を増やすことができる。

さらに、図４に示すものは、導体層１４、導電性接合材１５および外部電極１６の幅が同じものであるのに対し、図５に示すように、積層体１３の積層方向に垂直な断面で見たときに、導体層１４よりも導電性接合材１５の幅が狭く、導電性接合材１５の幅よりも外部電極１６の幅が狭くなっていてもよい。このとき、導電性接合材１５および外部電極１６の幅は、導体層１４の幅の例えば５０〜９８％の範囲内で順次狭くなるように設定することができる。この構成によっても、外部電極１６による積層体１３の伸縮への影響を抑え、駆動変形しやすくなるので、導体層１４周辺の圧電体層１１にかかる応力が低減する。また、導電性接合材１５の幅が狭くなった分だけ、隙間をより拡げて酸素の供給量を増やすことができる。したがって、酸素空孔の生成をより抑制することができる。

次に、積層型圧電素子１の製造方法の一例について説明する。

まず、圧電体層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、周知の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から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、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物など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）などを用いることができる。

次に、内部電極層１２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印刷し、次に、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するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層体が得られる。

次に、メタライズ層から成る導体層１４を形成する。まず、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、第１の内部電極層１２１または第２の内部電極層１２２が導出された積層体１３の対向する一対の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、５００〜８００℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。

その後、導体層１４の表面上に導電性接合材１５を用いて外部電極１６を接合する。

さらに、積層体１３を被覆層１７としての熱収縮チューブで一回り被覆する。この熱収縮チューブには、フッ素系のものを使用してもよい。さらに、加熱により熱収縮チューブを収縮させる際に、熱収縮チューブと積層体１３との間に隙間を設けるために、直径０．
１ｍｍ〜１ｍｍ程度の棒を挿入して加熱し、熱収縮チューブの収縮後にこの棒を取り除けばよい。

その後、外部電極１６に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１３を構成する圧電体層１１を分極することによって、積層型圧電素子１が完成する。

１・・・積層型圧電素子
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１２１・・・第１の内部電極層
１２２・・・第２の内部電極層
１３・・・積層体
１４・・・導体層
１５・・・導電性接合材
１６・・・外部電極
１７・・・被覆層

Claims

圧電体層および内部電極層が複数積層され、積層方向に長い多角柱状の積層体と、該積層体の複数の側面のうちの少なくとも１面に前記積層方向に沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して一方主面が接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた外部電極と、前記積層体の複数の側面を一周り被覆した被覆層とを備え、
前記積層体の積層方向に垂直な断面で見たときに、前記外部電極の他方主面と前記被覆層との間には隙間がなく、前記導体層の設けられた側面における少なくとも前記導体層の周辺に位置する領域と前記被覆層との間に隙間があり、
前記外部電極よりも前記導電性接合材の幅が狭くなっており、前記隙間が前記導体層の側方から前記導電性接合材の側方にかけてある積層型圧電素子。
前記積層体の積層方向に垂直な断面で見たときに、前記導体層の設けられていない側面と前記被覆層との間には隙間がない請求項１に記載の積層型圧電素子。
前記積層体の積層方向に垂直な断面で見たときに、前記導体層よりも前記導電性接合材および前記外部電極の幅が狭くなっており、前記隙間が前記導体層の側方から前記導電性接合材の側方にかけてある請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
前記積層体の積層方向に垂直な断面で見たときに、前記隙間が前記導体層の側方から前記外部電極の側方にかけてある請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記隙間は、積層方向に沿って貫通している請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。