KR20070084493A

KR20070084493A - 압전소자

Info

Publication number: KR20070084493A
Application number: KR1020077011674A
Authority: KR
Inventors: 토시오 니시무라
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2007-08-24
Also published as: CN100553001C; WO2007052599A1; EP1858092A4; EP1858092A1; CN101091263A; US20070236108A1; EP1858092B1; US7358653B2; JPWO2007052599A1; KR100876533B1; JP5040649B2

Abstract

내부전극간의 마이그레이션(migration)을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 온도 변화가 반복해서 가해진 경우에도, 분극도의 저하에 의한 열화가 발생하기 어려운 적층형의 압전체를 사용한 압전소자를 제공한다.

제1의 전위에 접속되는 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제1의 전위와는 다른 제2의 전위에 접속되는 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)이 압전층을 개재해서 적층되어 있는 적층형의 압전체(2)의 제1, 제2의 측면(2c, 2d)에 제1, 제2의 외부전극(4, 5)이 각각 형성되어 있으며, 제3, 제4의 측면(2e, 2f)을 덮도록, 도전성 입자를 분산 함유하고 있고, 서로 이웃하는 내부전극간의 마이그레이션을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 초전(焦電) 효과에 기인하는 분극도의 저하를 억제하는 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)가 형성되어 있는 압전소자(1).

압전소자, 내부전극, 외부전극, 압전체, 마이그레이션 방지용 외장재

Description

압전소자{PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 내부전극을 개재해서 압전체층이 적층되어 있는 적층형의 압전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 내부전극간의 마이그레이션(migration)을 방지하기 위한 구조가 구비된 압전소자에 관한 것이다.

종래, 내부전극이 압전체층과 번갈아 적층되어 있는 적층형의 압전체를 사용한 압전소자가 알려져 있다.

하기의 특허문헌 1에는, 이러한 적층형의 압전소자를 사용한 압전 액츄에이터가 개시되어 있다. 도 15는 특허문헌 1에 기재된 압전 액츄에이터를 나타내는 개략 사시도이다. 압전 액츄에이터(101)는 압전체(102)를 갖는다. 압전체(102)에서는, 복수의 내부전극(103a∼103e)이 압전체층과 번갈아 적층되어 있다. 내부전극(103a∼103e)은 압전체(102)의 전 측면에 노출되어 있다.

압전체(102)의 제1의 측면(102a)에, 내부전극(103a, 103c, 103e)의 노출부분을 덮도록 절연층(104a, 104b, 104c)이 형성되어 있다. 또한, 제1의 측면(102a)과 대향하고 있는 제2의 측면(102b)에는, 절연층(105a, 105b)이 형성되어 있다. 절연층(105a, 105b)은 내부전극(103b, 103d)이 측면(102b)에 노출하고 있는 부분을 피복하도록 형성되어 있다.

제1, 제2의 측면(102a, 102b)에는, 상하방향으로 연장되도록 외부전극(106, 107)이 형성되어 있다. 외부전극(106)은 내부전극(103b, 103d)에 측면(102a)에 있어서 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 제2의 외부전극(107)은 측면(102b)에 있어서, 내부전극(103a, 103c, 103e)에 접속되어 있다.

한편, 하기의 특허문헌 2에는, 도 16에 나타내는 구조의 압전 액츄에이터가 개시되어 있다. 압전 액츄에이터(111)에서는, 적층형의 압전체(112)가 사용되고 있다. 압전체(112) 내에서는, 복수의 내부전극(113a∼113e)이 압전체층을 개재해서 적층되어 있다. 압전체(112)의 제1의 측면(112a)에는, 내부전극(113a, 113c, 113e)이 제1의 측면(112a)에 노출하고 있던 부분에 있어서, 오목부(112c∼112e)가 형성되어 있다. 이 오목부(112c∼112e)에, 각각, 절연재료(114a∼114c)가 충전되어 있다. 내부전극(113a, 113c, 113e)은 제1의 측면(112a)과 대향하고 있는 제2의 측면(112b)에 노출하고 있다. 한편, 내부전극(113b, 113d)이 제2의 측면(112b)에 노출하고 있던 부분에, 마찬가지로 오목부(112f, 112g)가 형성되어 있으며, 상기 오목부(112f, 112g)에, 절연성 재료(115a, 115b)가 충전되어 있다. 내부전극(113b, 113d)은 제1의 측면(112a)에 노출하고 있다. 그리고, 제1, 제2의 측면(112a, 112b)에, 제1, 제2의 외부전극(116, 117)이 각각 형성되어 있다.

압전 액츄에이터(101, 111)에서는, 모두, 제1, 제2의 외부전극(106, 107)간 또는 제1, 제2의 외부전극(116, 117)간에 전계를 인가함으로써, 압전체층을 두께방향으로 신축시켜, 액츄에이터로서 동작시킬 수 있다.

한편, 적층형 압전 액츄에이터로서, 도 17에 나타내는 압전 액츄에이터도 알 려져 있다. 압전 액츄에이터(121)는, 적층형의 압전체(122)를 갖는다. 여기에서는, 압전체(122) 내에, 복수의 내부전극(123a∼123e)이 두께방향에 있어서 번갈아 배치되어 있다. 내부전극(123a, 123c, 123e)은 제2의 측면(122b)에 인출되어 있으며, 제1의 측면(122a)에는 이르고 있지 않다. 한편, 내부전극(123b, 123d)은 제1의 측면(122a)에 노출하고 있으며, 제2의 측면(122b)에는 이르고 있지 않다. 따라서, 측면(122a, 122b)에 형성된 외부전극(126, 127)으로부터 전압을 인가함으로써, 액츄에이터로서 동작시킬 수 있다.

그런데, 어떠한 압전 액츄에이터(101, 111, 121)에 있어서도, 압전체(102, 112, 122)의 측면, 즉 외부전극이 형성되어 있지 않은 측면에 있어서, 내부전극(103a∼103e, 113a∼113e, 123a∼123e)이 노출하고 있다. 그리고, 두께방향에 있어서 서로 이웃하는 내부전극이 다른 전위에 접속되기 때문에, 압전체(102, 112, 122)의 측면에 있어서, 내부전극 사이에서 마이그레이션이 발생할 우려가 있었다.

그래서, 특허문헌 1에서는, 적층형의 압전체(102)를 덮도록, 즉, 내부전극(103a∼103e)이 압전체(102)의 측면에 노출하고 있는 부분뿐만 아니라, 제1, 제2의 외부전극(106, 107)도 덮도록 압전체의 전 측면을 외장 수지로 피복한 구성이 제안되어 있다. 여기에서는, 제1, 제2의 외부전극은 리드선에 의해 외부에 인출되어 있으며, 상기 리드선이 인출되어 있는 부분을 제외하고, 외장 수지에 의해, 압전체의 전 측면이 덮여 있다.

그리고, 외장 수지로서, 알칼리 금속 및/또는 알칼리토류 금속 함유량이 800ppm 이하인 외장 수지가 사용되고 있다. 알칼리 금속 및/또는 알칼리토류 금속 의 함유량이 800ppm 이하로 되어 있기 때문에, 부극(負極)측의 내부전극단에의 알칼리 금속 이온 및/또는 알칼리토류 금속 이온의 집중이 억제되어, 마이그레이션이 억제된다고 되어 있다. 한편, 상기 알칼리 금속 및/또는 알칼리토류 금속이 함유되는 수지 재료에 대해서는, 불소 수지나 실리콘 수지 등이 바람직하다고 되어 있다.

한편, 특허문헌 2에서는, 마이그레이션을 억제하기 위해서, 전술한 압전 액츄에이터(111)의 압전체(112)의 측면을 덮도록, 피복층을 형성한 구조가 제안되어 있다. 특허문헌 2에 있어서도, 제1, 제2의 외부전극(116, 117)에 리드선을 접합하고, 상기 리드선이 인출되어 있는 부분을 제외하고, 상기 피복층이 형성되어 있다. 그리고, 상기 피복층은, 산화구리, 산화니켈, 산화주석, 산화아연, 산화크롬 및 산화철 중 적어도 1종으로 이루어지며, 전기적 절연성을 갖기 때문에, 마이그레이션을 방지할 수 있다고 되어 있다.

한편, 하기의 특허문헌 3에서는, 압전 액츄에이터의 다른 전위에 접속되는 전극 사이에, 별부품(別部品)으로서의 전하 리크(leak) 수단을 접속한 회로가 개시되어 있다. 여기에서는, 전하 리크 수단을 접속함으로써, 초전(焦電) 효과에 의한 압전체의 분극도의 열화가 억제된다고 되어 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개 평3-12974호 공보

특허문헌 2: 일본국 특허공개 2003-17768호 공보

특허문헌 3: 일본국 특허공개 소60-249877호 공보

상술한 압전 액츄에이터(101, 111, 121)와 같이, 적층형의 압전체를 사용한 압전소자에서는, 내부전극의 양측에 압전체층이 배치되어 있다. 압전체는, 일반적으로 초전성을 갖는다. 따라서, 적층형의 압전소자에 있어서, 온도가 상승하거나, 하강한 경우에는, 초전 효과에 의해 전하가 발생한다.

각 압전체층이 두께방향으로 분극되어 있는 압전 액츄에이터에서는, 온도 상승시에 발생하는 전하에 의한 전압의 방향은, 압전체를 분극할 때에 압전체층에 인가되는 전압과 동일한 방향이다. 게다가, 그 방향에 있어서는 분극시에 포화 분극으로 되어 있기 때문에, 상기 초전 작용에 의한 전하가 발생하더라도 악영향은 발생하지 않는다.

그러나, 온도 하강시에 발생하는 전하에 의한 전압의 방향은, 분극시에 인가되는 전압과는 반대 방향이 된다. 그 때문에, 초전 효과에 의해 발생한 전하에 의해, 분극도가 저하한다고 하는 문제가 있었다.

게다가, 온도 하강시에 저하한 분극도는, 다음의 온도 상승시에 본래의 분극도로 되돌아가는 것은 아니었다. 그 때문에, 압전 액츄에이터 등의 적층형의 압전소자에 온도 변화가 반복해서 주어지면, 분극도가 점차로 저하하는 것을 알 수 있었다. 특히, 변위량을 크게 하기 위해서, 압전체층의 두께를 얇게 하거나, 압전체층의 비유전율을 크게 하거나, 혹은 전기기계 결합계수를 크게 하거나 한 경우에는, 초전 효과에 의한 발생 전하량은 보다 커진다. 그 때문에, 상기 문제가 보다 현저해지는 경향이 있었다.

종래의 압전 액츄에이터에서는, 압전체층이 비교적 두꺼웠으므로 상기 문제는 그다지 인식되고 있지 않았으나, 최근, 압전 액츄에이터의 소형화가 진행됨에 따라, 상기 초전 효과에 의한 분극도의 저하는 큰 문제로 되어 오고 있다.

전술한 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 마이그레이션을 방지하기 위한 외장 수지나 피복층에서는, 이러한 초전 효과에 의한 분극도의 저하를 방지할 수 없었다.

한편, 상기 특허문헌 3에서는, 다른 전위에 접속되는 전극 사이에, 압전 액츄에이터와는 별부품으로서의 전하 리크 수단으로서의 부품이 접속되어 있는 회로가 개시되어 있으나, 이러한 회로 구성에서는, 부품수가 증대하고, 또한 적층형의 압전소자를 사용한 기기의 소형화를 진행시킬 수 없다.

본 발명의 목적은, 상술한 종래기술의 결점을 해소하여, 다른 부품을 필요로 하지 않으며, 적층형의 압전소자에 있어서의 복수의 내부전극간에 있어서의 마이그레이션을 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 온도 변화가 반복해서 주어진 경우라도, 초전 효과에 기인하는 분극도의 저하를 억제하는 것이 가능한 압전소자를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 상면과, 하면과, 상면과 하면을 연결하는 적어도 1개의 측면을 갖는 압전체와, 상기 압전체 내에 있어서, 상기 상면 및 하면에 평행하게 배치되어 있으며, 또한 상기 측면에 노출하고 있는 복수의 내부전극을 구비하고, 상기 복수의 내부전극을 개재해서 상기 압전체를 구성하고 있는 복수의 압전체층이 적층되어 있으며, 상기 복수의 내부전극이, 제1의 전위에 접속되는 제1의 내부전극과, 제1의 전위와는 다른 제2의 전위에 접속되는 제2의 내부전극을 갖고, 상기 제1, 제2의 내부전극에 각각 전기적으로 접속되도록, 상기 압전체의 측면에 형성된 제1, 제2의 외부전극을 더 구비하는 압전소자로서, 상기 제1, 제2의 내부전극이 상기 압전체의 측면에 노출하고 있는 부분 중, 상기 제1, 제2의 외부전극에 전기적으로 접속되어 있는 부분 이외의 부분을 덮도록 형성되어 있으며, 또한 도전성 입자가 분산되어 있는 마이그레이션 방지용 외장재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자가 제공된다.

본 발명에 따른 압전소자의 어느 특정의 국면에서는, 상기 제1, 제2의 내부전극이 상기 압전체의 두께방향에 있어서 번갈아 배치되어 있다.

본 발명에 따른 압전소자의 다른 특정의 국면에서는, 상기 마이그레이션 방지용 외장재가 압전체의 상기 제1, 제2의 내부전극이 압전체층을 개재해서 서로 포개져 있는 중앙부를 덮고 있는 부분에 있어서 두껍게 되어 있으며, 상기 중앙부보다도 외측의 압전체 부분을 덮고 있는 부분에 있어서 마이그레이션 방지용 외장재의 두께가 얇게 되어 있다.

본 발명에 따른 압전소자의 또 다른 특정의 국면에 따르면, 상기 마이그레이션 방지용 외장재는, 합성수지와 합성수지 중에 분산된 도전성 입자를 포함하는 합성수지 재료 조성물이다.

상기 합성수지로서는, 바람직하게는, 에폭시 수지가 사용된다.

본 발명에 따른 압전소자의 또 다른 특정의 국면에서는, 상기 제1 또는 제2의 내부전극의 양측의 압전체층이, 두께방향으로 신축하도록 분극 처리되어 있으며, 그것에 의해 압전 액츄에이터가 구성되어 있다.

<발명의 효과>

본 발명에 따른 압전소자에서는, 제1, 제2의 내부전극이 압전체의 측면에 노출하고 있는 부분 중, 제1, 제2의 외부전극에 전기적으로 접속되어 있는 부분 이외의 부분을 덮도록, 마이그레이션(migration) 방지용 외장재가 형성되어 있다. 그리고, 이 마이그레이션 방지용 외장재는, 제1, 제2의 내부전극간의 마이그레이션을 방지하기에 이르는 저항성 재료로 이루어지며, 그것에 의해 제1, 제2의 내부전극간의 마이그레이션을 방지할 수 있다.

덧붙여, 압전소자가 반복해서 온도 변화에 노출되어 초전 효과에 의해 전하가 발생했다고 하더라도, 상기 마이그레이션 방지용 외장재는, 도전성 입자를 분산 함유하고 있기 때문에, 발생한 전하가 마이그레이션 방지용 외장재 중의 도전성 입자에 의한 전류 경로에 의해 흘러나오게 되어, 압전체층에의 전하의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 초전 효과에 의한 분극도의 저하를 억제할 수 있다.

한편, 도전성 입자가 함유되어 있었다고 하더라도, 상기 마이그레이션 방지용 외장재는 어디까지나 전기적으로 절연성의 재료이며, 따라서, 제1, 제2의 내부전극간에 있어서의 마이그레이션은 상기 마이그레이션 방지용 외장재를 형성한 것에 의해 확실하게 방지된다.

제1, 제2의 내부전극이, 압전체의 두께방향에 있어서 번갈아 배치되어 있는 경우에는, 제1의 전위에 접속되는 제1의 내부전극과 제2의 전위에 접속되는 제2의 내부전극이 두께방향으로 서로 이웃하게 되지만, 본 발명에 따라, 마이그레이션 방지용 외장재를 형성함으로써, 제1, 제2의 내부전극간의 마이그레이션을 확실하게 방지할 수 있다.

마이그레이션 방지용 외장재가, 합성수지 중에 도전성 입자가 분산되어 있는 합성수지 재료로 이루어지는 경우에는, 용융상태의 합성수지에 도전성 입자를 혼련(混練)함으로써, 목적으로 하는 마이그레이션 방지용 외장재를 용이하게 제조할 수 있음과 아울러, 압전체의 측면에 용이하게 적용할 수 있다.

특히, 압전체의 퀴리 온도를 넘지 않는 온도 범위에서, 외장재를 도포하고, 경화할 수 있으므로, 외장재의 부여시에 분극도가 저하하기 어렵다. 따라서, 외장재의 부여 후에, 압전체를 다시 분극할 필요가 없다.

상기 합성수지가 에폭시 수지인 경우에는, 경화물이 적당한 탄성을 가지므로, 장기간에 걸쳐 압전소자를 구동한 경우라도, 마이그레이션 방지용 외장재의 박리가 발생하기 어렵다.

제1, 제2의 내부전극의 양측의 압전체층이 두께방향으로 신축하도록 분극 처리되어 있으며, 그것에 의해 압전 액츄에이터가 구성되어 있는 경우에는, 본 발명에 따라, 전극간 마이그레이션이 발생하기 어려울 뿐만 아니라, 온도 변화가 반복해서 주어진 경우라도, 분극도의 저하가 발생하기 어려운, 경시에 의한 특성의 열화가 적은 압전 액츄에이터를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1a는 본 발명의 한 실시형태의 압전소자의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 1b는 그 요부를 나타내는 부분 절제 측면 단면도이며, 도 1c는 상기 실시형태에 사용되고 있는 압전체를 나타내는 사시도이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 나타낸 실시형태의 압전체에 형성되어 있는 제2의 내부전극 및 제1의 내부전극을 각각 설명하기 위한 압전체의 평면 단면도이다.

도 3은 실시예의 압전소자에 온도 변화를 가했을 때의 절연저항 IR의 변화를 나타내는 도면이다.

도 4는 제1의 비교예의 압전소자에 온도 변화를 가했을 때의 절연저항 IR의 변화를 나타내는 도면이다.

도 5는 실시예의 압전소자에 대해서 열 충격 사이클 시험을 행한 경우의 압전상수 d₃₃의 변화율의 변화를 나타내는 도면이다.

도 6은 제2의 비교예의 압전소자에 대해서 열 충격 사이클 시험을 행한 경우의 압전상수 d₃₃의 변화율의 변화를 나타내는 도면이다.

도 7은 실시예 및 제2의 비교예의 압전소자에 있어서, 측정 전압을 변화시켜서 절연저항 IR을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 8은 실시예의 압전소자에 있어서, 절연저항과 압전상수 d₃₃ 변화율과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 9는 실시예의 압전소자에 있어서, 마이그레이션 방지용 외장재에 함유되어 있는 도전성 분말로서의 카본 분말의 첨가량을 변화시킨 경우의 압전상수 d₃₃의 변화율의 변화를 나타내는 도면이다.

도 10은 실시예의 압전소자에 있어서, 마이그레이션 방지용 외장재에 함유되어 있는 도전성 분말로서의 카본 분말의 첨가량을 변화시킨 경우의 절연저항값 IR의 변화율의 변화를 나타내는 도면이다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 압전소자의 변형예에 있어서의 제2의 내부전극 및 제1의 내부전극의 형상을 설명하기 위한 압전체의 각 평면 단면도이다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 압전소자의 다른 변형예에 있어서의 제2의 내부전극 및 제1의 내부전극의 형상을 설명하기 위한 압전체의 각 평면 단면도이다.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 압전소자의 또 다른 변형예에 있어서의 제2의 내부전극 및 제1의 내부전극의 형상을 설명하기 위한 압전체의 각 평면 단면도이다.

도 14a 및 도 14b는 각각 본 발명의 압전소자의 또 다른 변형예의 모식적 측면 단면도 및 모식적 평면 단면도이다.

도 15는 종래의 압전소자의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 16은 종래의 압전소자의 다른 예를 나타내는 사시도이다.

도 17은 종래의 압전소자의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.

<부호의 설명>

1: 압전소자 2: 압전체

2a: 상면 2b: 하면

2c: 제1의 측면 2d: 제2의 측면

2e: 제3의 측면 2f: 제4의 측면

3a, 3c, 3e: 제2의 내부전극 3b, 3d: 제1의 내부전극

4, 5: 제1, 제2의 외부전극 6, 7: 마이그레이션 방지용 외장재

6A, 7A: 외장재 8: 도전성 입자

23a: 제2의 내부전극 23b: 제1의 내부전극

33a: 제2의 내부전극 33b: 제1의 내부전극

43a: 제2의 내부전극 43b: 제1의 내부전극

G1: 갭

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써, 본 발명을 명백히 한다.

도 1a는 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 압전소자를 나타내는 사시도이다. 압전소자(1)는 적층형의 압전소자이며, 액츄에이터로서 사용되는 것이다.

압전소자(1)는 압전체(2)를 갖는다. 도 1c에 나타내는 바와 같이, 압전체(2)는 상면(2a)과 하면(2b)을 갖는 직육면체 모양의 형상을 갖는다. 압전체(2)에서는, 상면(2a)과, 하면(2b)이 제1∼제4의 측면(2c∼2f)에 의해 연결되어 있다. 제1, 제2의 측면(2c, 2d)이 서로 대향하고 있으며, 제3, 제4의 측면(2e, 2f)이 서로 대향되어 있다.

압전체(2)는 본 실시형태에서는, 압전 세라믹스로 이루어진다. 사용하는 압전 세라믹스로서는, 특별히 한정되지 않으며, 티탄산지르콘산납계 세라믹스, 혹은 티탄산납계 세라믹스 등을 사용할 수 있다.

압전체(2) 내에서는, 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)이 두께방향으로 번갈아 배치되어 있다. 또한, 복수의 내부전극(3a∼3e)은 상면(2a) 및 하면(2b)에 평행하며, 또한 압전체(2)를 구성하고 있는 압전체층을 개재 해서 서로 포개지도록 배치되어 있다.

도 2a는 제2의 내부전극(3a)의 평면 형상을 설명하기 위한 압전체(2)의 평면 단면도이고, 도 2b는 제1의 내부전극(3b)의 평면 형상을 설명하기 위한 압전체의 평면 단면도이다.

도 1c에 나타내는 바와 같이, 제1의 내부전극(3b, 3d)은 제1의 측면(2c)에 인출되어 있으며, 제2의 측면(2d)에는 이르고 있지 않다. 마찬가지로, 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)은 제2의 측면(2d)에 인출되어 있으며, 제1의 측면(2c)에는 이르고 있지 않다.

내부전극(3a∼3e)은 Ag-Pd합금, Al합금 등의 적당한 금속에 의해 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 압전체(2)에 있어서, 내부전극(3a∼3e)의 양측의 압전체층은 두께방향에 있어서 반대 방향으로 분극 처리되어 있다. 한편, 제1, 제2의 측면(2c, 2d)을 덮도록, 제1, 제2의 외부전극(4, 5)이 형성되어 있다. 외부전극(4)은 제1의 내부전극(3b, 3d)에 전기적으로 접속되어 있으며, 제2의 외부전극(5)은 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)에 전기적으로 접속되어 있다.

외부전극(4, 5)은 도전성 재료를 도금 혹은 스퍼터링 등에 의해 부여함으로써, 혹은 도전 페이스트를 고화(固化)시킴으로써 형성될 수 있다.

내부전극(3a∼3e) 및 압전체(2)를 구성하고 있는 압전체층이 상기와 같이 구성되어 있으며, 또한 내부전극(3a∼3e)의 양측의 압전체층이 두께방향으로 반대 방향으로 분극 처리되어 있으므로, 외부전극(4, 5)으로부터, 제1의 전위 및 제1의 전위와는 다른 제2의 전위를 인가함으로써, 두께방향으로 신축시킬 수 있다. 즉, 상 면(2a)과 하면(2b)을 연결하는 방향인 두께방향에 있어서 신축하는 액츄에이터로서 동작시킬 수 있다.

본 실시형태의 압전소자(1)의 특징은, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 제3, 제4의 측면(2e, 2f)에, 각각, 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)가 형성되어 있는 데 있다.

상기 마이그레이션 방지용 외장재(6)는 도 1b에 부분 측면 단면도로 나타내는 바와 같이, 합성수지와, 합성수지에 분산된 도전성 입자(8)를 포함하는 합성수지 재료 조성물로 이루어진다. 여기에서, 합성수지로서는, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등의 적당한 합성수지를 사용할 수 있으나, 본 실시형태에서는, 에폭시 수지가 사용되고 있다. 에폭시 수지의 경화물은, 내습성이 우수하므로 내환경 특성을 높일 수 있으며, 또한 경화물이 적당한 탄성을 가지므로, 압전체가 신축했다고 하더라도 압전체(2)의 외표면으로부터 박리하기 어렵다.

상기 도전성 입자(8)로서, 본 실시형태에서는, 카본 입자가 사용되고 있다. 단, 도전성 입자로서는, Ag, Au 또는 Cu 혹은 이들의 합금 등의 금속 입자를 사용해도 좋다.

상기 도전성 입자(8)의 분산 정도는 어디까지나 마이그레이션을 방지할 수 있도록 전기적 저항성을 나타내며, 또한 후술하는 초전 효과에 기초하는 전하를 유출시키는 전류로가 형성되도록, 제어될 필요가 있다.

즉, 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)는 측면(2e, 2f)에 형성되어 있으며, 측면(2e, 2f)에서는, 제1의 전위에 접속되는 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제2의 전 위에 접속되는 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)이 인접하고 있다. 이 서로 이웃하는 내부전극간에 있어서의 마이그레이션을 방지하기 위해서, 즉, 마이그레이션을 방지하기에 충분한 절연저항을 갖도록 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)의 절연저항값을 설계하면 된다.

또한, 상기 도전성 입자(8)는 온도 변화에 노출되었을 때에, 압전체(2)에 있어서 발생한 초전 전하가 흐르는 전류 경로를 형성하고, 초전 전하에 기초하는 전압을 저하시키도록 기능한다. 따라서, 이러한 성능을 수행하도록 도전성 입자(8)를 분산시키면 되고, 그것에 의해, 온도 변화에 노출되었다고 하더라도, 초전 전하에 의한 분극도의 저하를 억제할 수 있다.

상기 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)는 합성수지를 용융하고, 도전성 입자(8)를 혼련하며, 그런 후, 압전체(2)의 측면(2e, 2f)에 도포하고, 경화시킴으로써 형성할 수 있다. 단, 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)의 형성방법은 특별히 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 실시예에서는, 측면(2e, 2f)의 전 영역이 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)에 의해 피복되어 있으나, 측면(2e, 2f)의 전 영역이 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)에 의해 반드시 피복되어 있지 않아도 된다. 내부전극(3a∼3e)이 노출하고 있는 부분만이 적어도 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)에 의해 피복되어 있으면 된다.

본 실시형태에서는, 측면(2e, 2f)을 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)에 의해 피복하여 마이그레이션을 방지했을 뿐만 아니라, 상기 도전성 입자(8)가 분산되 어 있어, 초전 전하에 기초하는 전류를 빠져나가게 할 수 있도록 구성되어 있기 때문에, 장기간 사용하는 동안에, 온도 변화가 주어졌다고 하더라도, 분극도의 저하가 발생하기 어려운, 경시적인 특성의 안정성이 우수한 압전소자(1)를 제공할 수 있다. 이것을 구체적인 실험예에 기초해서 명백히 한다.

전극 사이에 끼워져 있는 압전체층의 두께가 각각 30㎛이고, 압전체층의 층 수가 70층이며, 높이가 2.5mm, 폭 및 안길이가 1.2mm인 압전체(2)를 준비하였다. 한편, 압전체(2)에 있어서, 내부전극(3a∼3e)의 선단과, 내부전극(3a∼3e)이 노출하고 있지 않은 측의 측면(2c 또는 2d) 사이의 갭의 거리를 0.1mm, 즉, 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)과의 겹침 부분의 제1, 제2의 측면(2c, 2d)을 연결하는 방향의 길이를 1.0mm로 하였다. 사용한 재료는, 압전체(2)가 PZT계 세라믹스, 내부전극(3a∼3e)은 Ag-Pd로 하고, 외부전극(4, 5)은 Ag박막에 의해 형성하였다.

또한, 고형분으로서의 에폭시 수지 97중량%와, 도전성 입자(8)로서의 입경(粒徑) 10㎛ 이하, 비중 1.8의 카본 입자 3중량%를, 용매와 혼련해서 이루어지는 조성물을 압전체(2)의 측면(2e, 2f)에 도포하고, 경화시킴으로써, 두께 8㎛의 마이그레이션 방지용 외장재(6, 7)를 형성하였다.

비교를 위해서, 외장재가 형성되어 있지 않은 것을 제외하고는 동일하게 구성된 제1의 비교예의 소자를 별도로 준비하였다.

상기 실시예의 압전소자 및 제1의 비교예의 압전소자에 표면에 결로(結露)를 발생시킨 후, 온도 변화를 주고, 직류 4V를 통전(通電)하여, 절연저항 IR의 변화를 측정하였다. 온도 변화 사이클로서는, 5℃ 및 상대습도 60%에서 20분간 유지한 후, 25℃ 및 상대습도 90%의 조건으로 변경하고, 다시 20분간 유지하는 사이클을 1사이클로 하며, 이 사이클을 반복해서, 측정 전압 4V에서의 절연저항의 변화를 측정하였다. 실시예의 결과를 도 3에, 제1의 비교예의 결과를 도 4에 나타낸다. 한편, 도 3 및 도 4에서는, 다수의 샘플에 대한 측정 결과를 나타내었다. 단, 도 3에서는 각 샘플의 결과가 서로 겹쳐져서 보기 어렵기 때문에 최대, 최소값의 폭으로 나타내고 있다.

도 3으로부터 명백하듯이, 실시예의 압전소자(1)에서는, 온도 변화 사이클 5를 20사이클 정도 반복하는 동안에, 약간 절연저항 IR은 저하하였으나, 그 후 100사이클 반복한 후에 있어서도, 절연저항 IR은 거의 저하하지 않았다. 즉, 내결로성이 높아져서, 결로에 의한 마이그레이션이 확실하게 방지되고 있음을 알 수 있다. 또한, 샘플간에 있어서의 결과의 편차도 작았다.

한편, 제1의 비교예에서는, 도 4로부터 명백하듯이, 대부분의 샘플에 있어서 온도 변화 사이클을 20사이클 반복한 시점에서 절연저항 IR이 크게 저하하고 있음을 알 수 있다. 이것은, 결로에 의한 통전에 의해, 즉 마이그레이션에 의해 절연저항이 급격히 저하했기 때문이다. 게다가, 샘플에 따라, 절연저항 IR의 저하 정도가 크게 달라 있었다.

따라서, 실시예에 따르면 결로에 의한 마이그레이션을 보다 확실하게 억제할 수 있음을 알 수 있다.

다음으로, 상기 카본 입자가 함유되어 있지 않은 재료, 즉 에폭시 수지만을 사용해서 외장재가 측면(2e, 2f)에 형성되어 있는 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 되어 있는 제2의 비교예의 소자를 별도로 준비하였다.

제2의 비교예의 압전소자에서는, 측정 전압 4V에서의 절연저항은 1GΩ이었던 것에 비해서, 실시예의 압전소자에서는, 상기 카본 입자가 함유되어 있기 때문에, 같은 조건에서의 절연저항값은 100MΩ이었다. 이것은, 카본 입자에 의해 마이그레이션 방지용 외장재 중에 도전로가 형성되어, 전하가 이동 가능하게 된 것을 나타내고 있다.

다음으로, 상기 실시예 및 제2의 비교예의 압전소자에 대해서, 각각, －40℃로 30분 유지하고, 다음으로 ＋85℃로 30분 유지하는 공정을 1사이클로 하며, 열 충격 시험을 행하여, 압전상수 d₃₃의 변화를 측정하였다. 도 5는 실시예의 결과를, 도 6은 제2의 비교예의 결과를 나타낸다. 한편, 이 열 충격 시험에 있어서도, 실시예 및 제2의 비교예 중 어떠한 것에 있어서도 다수의 샘플에 대해서 측정을 행하였다. 단, 도 5에서는 각 샘플의 결과가 서로 겹쳐져서 보기 어렵기 때문에 최대, 최소값의 폭으로 나타내고 있다.

도 5로부터 명백하듯이, 실시예에서는, 500사이클 경과 후도, 압전상수 d₃₃은 거의 변화하지 않았다. 이에 비해서, 도 6으로부터 명백하듯이 제2의 비교예에서는, 100사이클 미만의 단계에서 이미 압전상수 d₃₃이 크게 저하하고 있음을 알 수 있다. 게다가, 제2의 비교예에서는, 샘플간의 편차가 매우 큼을 알 수 있다.

그리고, 종래예에 상당하는 제2의 비교예에서는, 온도 변화에 의한 초전 효 과에 의해, 분극도가 열화하고, 압전상수 d₃₃이 열 충격 시험의 사이클수가 증가함에 따라 크게 저하하고 있었던 것에 비해서, 실시예에서는 거의 저하하지 않으며, 압전상수 d₃₃의 변화율은 5% 이내로 그치고 있음을 알 수 있다. 따라서, 외장재 중에 도전성 입자를 분산시킨 것에 의해, 초전 효과에 의한 분극도의 저하를 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 7은 실시예 및 제2의 비교예의 압전소자에 대하여, 측정 전압을 변화시켜서 절연저항을 측정한 결과를 나타낸다. 도 7에 있어서, ●는 실시예의 결과를, ×는 제2의 비교예의 결과를 나타낸다. 상기 실시예의 압전소자에서는, 측정 전압의 증가에 따라, 절연저항 IR이 저하하고 있음을 알 수 있다. 디지털 카메라 모듈용 등의 소형의 액츄에이터로서 사용되는 경우의 구동 전압은, 수V 정도이며, 이러한 저전압에서는 실시예의 압전소자의 절연저항 IR은 높고, 초전 전계에 상당하는 수십V의 전압에서는 절연저항 IR이 낮아지고 있음을 알 수 있다. 구동시는 외부저항에 대하여 절연저항이 높을 것이 요구되지만, 초전 전계에 상당하는 높은 전압에 대해서는, 외장재의 절연저항은 낮은 편이 바람직하다. 따라서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 실시예의 압전소자에서는, 낮은 전압의 경우에 절연저항 IR이 높고, 초전 효과에 의한 전류를 유출시킬 때의 비교적 높은 전압에 있어서의 절연저항 IR이 낮으므로, 절연저항의 전압 의존성이 바람직한 상태로 되어 있음을 알 수 있다.

다음으로, 실시예의 압전소자에 대해서, 도 5 및 도 6에 나타낸 결과를 얻은 상기 열 충격 시험을 100사이클 행한 후의 절연저항과, 압전상수 d₃₃ 변화율과의 관계를 도 8에 나타낸다. 여기에서는, 절연저항의 측정 전압은 50V로 하였다.

도 8로부터 명백하듯이, 본 실시예에서는, 절연저항 IR이 낮아짐으로써, 압전상수 d₃₃의 변화율이 작아지며, 따라서, 분극도의 저하가 억제되고 있음을 알 수 있다.

또한, 상기 실시예에 있어서, 외장재(6, 7)에의 도전성 입자(8)로서의 카본 입자의 첨가량을 3중량%뿐만 아니라, 0.5중량%, 2.0중량%, 4.0중량% 및 7.0중량%로 변화시켜서, 압전상수 d₃₃의 변화율 및 절연저항 IR을 측정하였다. 압전상수 d₃₃의 변화율 및 절연저항값 IR과의 도전성 입자의 첨가량과의 관계를 도 9 및 도 10에 나타낸다.

도 9로부터 명백하듯이, 도전성 입자의 첨가량이 증가하면, 내초전성(耐焦電性)이 높아지고, 압전상수 d₃₃의 변화율이 작아짐을 알 수 있다. 단, 절연저항 IR에 대해서는, 도전성 입자의 첨가량이 증대함에 따라 저하한다. 따라서, 절연저항을 높이기 위해서는, 도전성 입자는 적은 편이 바람직하며, 초전 효과에 의한 분극도의 열화를 방지하기 위해서는, 도전성 입자의 첨가량은 많은 편이 바람직하다. 양자를 감안하면, 도전성 입자의 첨가량은 합성수지와 도전성 입자와의 합계 100중량% 중 0.5∼4.0중량%의 범위인 것이 바람직하다.

상기 실시형태의 압전소자에서는, 제1, 제2의 내부전극(3a∼3e)은 제3, 제4의 측면(2e, 2f) 중 어느 한쪽이 노출하도록 형성되어 있었으나, 도 11∼도 13에 나타내는 바와 같이, 여러 가지 패턴의 내부전극을 사용해도 좋다. 도 11a 및 도 11b에서는, 제2의 내부전극(23a) 및 제1의 내부전극(23b)은, 각각, 압전체(2)의 제3의 측면(2e)에는 노출하고 있으나, 제4의 측면(2f)과의 사이에는, 갭(G1)을 두고 있다. 즉, L자 형상의 갭(G1)이 형성되어 있다. 이 경우, 제3의 측면(2e)의 마이그레이션 방지용 외장재(6)만이 형성되어 있으면 되고, 제4의 측면(2f)측에는 마이그레이션 방지용 외장재(7)는 형성되지 않아도 좋다.

도 12a 및 도 12b에 나타내는 바와 같이, 제2의 내부전극(33a) 및 제1의 내부전극(33b)은, 각각, 측면(2c) 및 측면(2d)의 일부에 인출되어 있어도 좋다.

또한, 도 13a 및 도 13b에 나타내는 바와 같이, 제2의 내부전극(43a) 및 제1의 내부전극(43b)은, 각각, 압전체(2)의 하나의 측면(2c)에 있어서 인출되어 있어도 좋다. 즉, 제1, 제2의 내부전극은 직육면체 형상의 압전체(2)의 4개의 측면 중, 1개의 측면에 있어서, 부분적으로 다른 영역에 인출되어 있어도 좋다. 그 경우에는, 제1, 제2의 외부전극은, 측면(2d)상에 있어서 서로 접촉하지 않도록 형성되게 된다. 즉, 제1, 제2의 외부전극도 또한, 1개의 측면(2d)에 형성되게 된다.

도 14는 본 발명에 따른 압전소자의 또 다른 변형예를 나타내는 약도적 측면 단면도이다.

도 1a∼도 1c에 나타낸 실시형태의 압전소자(1)에서는, 외장재(6A, 7A)는 압전체(2)의 측면(2e, 2f)의 전면에 있어서 균일한 두께로 형성되어 있었다. 이에 비해서, 도 14a에 나타내는 변형예와 같이, 외장재(6A, 7A)는 중앙부에 있어서 상대적으로 두께가 두껍고, 중앙부의 외측의 영역에 상대적으로 얇게 되어 있어도 좋 다. 여기에서, 중앙부란, 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제1의 내부전극과는 다른 전위에 접속되는 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)이 압전체층을 개재해서 서로 포개져 있는 부분을 의미하며, 주변부란, 상기 중앙부보다도 압전체의 두께방향 외측의 영역을 말하는 것으로 한다.

상기와 같이, 주변부에 있어서 외장재(6A, 7A)의 두께를 얇게 한 경우에는, 압전체(2)의 두께방향 양단으로부터의 외장재(6A, 7A)의 박리 즉 측면(2a, 2f)과 상면(2a), 하면(2b)과의 단선 혹은 그 근방으로부터의 외장재(6A, 7A)의 박리가 발생하기 어려워진다. 그 때문에, 특성 편차가 적으며, 신뢰성이 우수한 압전소자를 안정적으로 공급할 수 있다.

한편, 도 14a에서는, 외장재(6A, 7A)의 중앙부에 대해서, 상기 주변부는, 압전체(2)의 양면(2a)측 및 하면(2b)측에, 즉 상하방향 외측에 배치되어 있었으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 14b에 나타내는 변형예에서는, 외장재(6B, 7B)는 압전체의 측면(2e, 2f)상의 중앙부에 있어서 상대적으로 두껍고, 가로방향 양측에 위치하는 주변부에 있어서 두께가 얇게 되어 있다. 한편, 도 14b에 있어서의 중앙부란, 도 1a 및 도 1c에 있어서, 제1의 내부전극(3b, 3d)과, 제2의 내부전극(3a, 3c, 3e)이 압전체층을 서로 포개져 있는 부분의 측면(2e, 2f)에 노출하고 있는 부분이며, 주변부란, 상기 중앙부보다도 측면(2c)측 및 측면(2d)측에 위치하고 있는 부분이다. 이와 같이, 외장재의 두께를 중앙부에 있어서 상대적으로 두껍게 하고, 주변부에 있어서 상대적으로 얇게 한 구성은, 압전체(2)의 상하방향으로 두께 분포를 갖는 것이어도 좋고, 가로방향으로 즉 측면(2c)과 측면(2d)을 연 결하는 방향에 있어서, 두께 분포를 갖는 것이어도 좋으며, 이들 쌍방을 병용한 것이어도 좋다.

바람직하게는, 상기 외장재(6A, 7A, 6B, 7B)의 중앙부의 두께의 평균값을, 주변부에 있어서의 두께의 평균값의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 마이그레이션을 방지하거나, 초전 효과에 의한 분극도의 저하를 방지하거나 하기 위해서는, 외장재는 어느 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 예를 들면, 적어도 8㎛ 정도로 되는 것이 바람직하다. 이에 비해서, 주변부에서는, 다른 전위에 접속되는 내부전극이 압전체층을 개재해서 서로 포개져 있지 않으므로, 외장재의 두께를 상대적으로 얇게 하더라도, 마이그레이션이나 초전 효과에 의한 분극도의 저하는 발생하기 어렵기 때문에, 문제는 발생하지 않는다.

한편, 상술한 바와 같이, 내부전극이 갭을 사이에 두고, 다른쪽 전위에 접속되는 외부전극이 형성되는 측면과 떨어져 있는 압전체(2)를 사용한 예에 대해서 설명하였으나, 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 압전체의 측면에 절연층을 형성한 구조, 혹은 압전체의 측면에 오목부를 형성하고, 오목부에 절연성 재료를 충전한 구조의 압전소자에도, 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는, 압전체는 직육면체 모양의 형상을 갖고 있었으나, 원주(圓柱) 모양 혹은 원판(圓板) 모양 등의 형상을 갖고 있어도 좋으며, 그 경우에는 측면은 1개의 원통 형상 곡면이 된다.

상기 실시형태에서는, 압전 액츄에이터에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 내부전극이 압전체층과 적층된 적층형의 압전소자에 널리 적용할 수 있다. 따라서, 압전공진자 등에도 적용할 수 있다.

Claims

상면과, 하면과, 상면과 하면을 연결하는 적어도 1개의 측면을 갖는 압전체와,

상기 압전체 내에 있어서, 상기 상면 및 하면에 평행하게 배치되어 있으며, 또한 상기 측면에 노출하고 있는 복수의 내부전극을 구비하고, 상기 복수의 내부전극을 개재해서 상기 압전체를 구성하고 있는 복수의 압전체층이 적층되어 있으며,

상기 복수의 내부전극이, 제1의 전위에 접속되는 제1의 내부전극과, 제1의 전위와는 다른 제2의 전위에 접속되는 제2의 내부전극을 갖고,

상기 제1, 제2의 내부전극에 각각 전기적으로 접속되도록, 상기 압전체의 측면에 형성된 제1, 제2의 외부전극을 더 구비하는 압전소자로서,

상기 제1, 제2의 내부전극이 상기 압전체의 측면에 노출하고 있는 부분 중, 상기 제1, 제2의 외부전극에 전기적으로 접속되어 있는 부분 이외의 부분을 덮도록 형성되어 있으며, 또한 도전성 입자가 분산되어 있는 마이그레이션(migration) 방지용 외장재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
제1항에 있어서, 상기 제1, 제2의 내부전극이 상기 압전체의 두께방향에 있어서 번갈아 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이그레이션 방지용 외장재가 압전체의 상기 제1, 제2의 내부전극이 압전체층을 개재해서 서로 포개져 있는 중앙부를 덮고 있는 부분에 있어서 두껍게 되어 있으며, 상기 중앙부보다도 외측의 압전체 부분을 덮고 있는 부분에 있어서 마이그레이션 방지용 외장재의 두께가 얇게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이그레이션 방지용 외장재가, 합성수지와, 합성수지 중에 분산된 도전성 입자를 포함하는 합성수지 재료 조성물인 것을 특징으로 하는 압전소자.
제4항에 있어서, 상기 합성수지가 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 압전소자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 또는 제2의 내부전극의 양측의 압전체층이 두께방향으로 신축하도록 분극 처리되어 있으며, 그것에 의해 압전 액츄에이터가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.