TWI624969B - Piezoelectric element, piezoelectric actuator and piezoelectric transformer - Google Patents

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Abstract

提供一種藉由阻止Ag的遷移而能夠長期間維持良好的特性並且增長壽命之壓電元件、壓電致動器及壓電變壓器。藉由電壓的施加而伸縮的積層型壓電元件100，具備：設置在元件本體的表面之外部電極、與外部電極連接的內部電極104、105、以及與內部電極104、105交互積層的壓電層103，內部電極104、105或外部電極106、107所用之電極材料係具有Ag與Pd以重量比60/40~85/15構成的母材，並且含有相對於前述母材為0.1wt%~10wt%的Pt。

Description

壓電元件、壓電致動器及壓電變壓器
本發明係關於一種藉由電壓的施加而伸縮的積層型壓電元件、壓電致動器及壓電變壓器。
習知，對於壓電元件的電極，由特性及易使用性成本的面考量，使用Ag(銀)或Ag/Pd(銀/鈀)等以Ag為主體的材料之情形較多。上述之以銀為主體的電極材料會有Ag引起遷移(migration)、造成絕緣劣化之間題。
例如，專利文獻1記載有一種壓電元件，其利用添加有硬化元素的材料來形成應力緩和層，使得應力緩和層的金屬陽離子或鹵素陰離子的移動度降低。
另外，專利文獻2記載有一種陶瓷加熱器，其藉由能捕捉欲遷移的Na、Mg、K、Ca等的雜質元素或氧離子之遷移防止用導體圖案將發熱電阻體的電阻值的變化抑制成較小，來防止異常發熱。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2014-187061號公報
專利文獻2：日本實開平5-43495號公報
上述的文獻中，藉由在施加電壓的區域使用特別的材料、或採用特別的電極的圖案，來犧牲本來的性能且防止特性遷移。因此，可能有因為程度不同而無法確保充分的性能之情形。另外，雖然也提及將Pt(白金)作為電極使用等，但特別是在為了防止金屬的遷移而調整電極材料的構成之想法還未見。
本發明是有鑑於上述情事而開發完成者，其目的為提供一種藉由阻止Ag的遷移而能夠長期間維持良好的特性並且增長壽命之壓電元件、壓電致動器、壓電變壓器及電極材料。
(1)為了達成上述目的，本發明的壓電元件係藉由電壓的施加而伸縮的積層型壓電元件，其特徵為，具備：設置在元件本體的表面之外部電極；與前述外部電極連接的內部電極；以及與前述內部電極交互積層的壓電層；使用於前述內部電極或外部電極之電極材料係具有Ag與Pd以重量比60/40~85/15構成的母材，並且含有相對於前述母材為0.1wt%~10wt%的Pt。
藉此，能夠阻止Ag的遷移，Ag會離子化而不會擴散到陶瓷內部或表面。該結果，能夠防止絕緣劣化，並且能夠延長壓電元件的壽命。另外，能夠長期間維持良好的特性。
(2)又，本發明的壓電元件，其中，前述電極 材料係含有0.5wt%~5.0wt%的Pt。藉此，能夠進一步提高Ag的遷移之防止效果。
(3)另外，本發明的壓電元件，其中，前述內部電極的間隔係30μm~500μm。藉此，壓電元件100會提高特性，並且能夠阻止Ag的遷移。
(4)又，本發明的壓電致動器，其特徵為，具備：致動器本體，串聯連結上述(1)或(2)記載的壓電元件而形成；以及導線構件，電性連接已連結的前述壓電元件。藉此，能夠實現耐久性較高的壓電致動器。
(5)另外，本發明的壓電變壓器，其特徵為，具備：如請求項1或2之壓電元件，前述壓電元件將從1次側輸入的電壓昇壓或降壓後從2次側輸出。藉此，能夠實現可以維持優良性能的壓電變壓器。
依據本發明，藉由阻止Ag的遷移而能夠長期間維持良好的特性並且增長壽命。
100‧‧‧壓電元件
103‧‧‧壓電層
104、105‧‧‧內部電極
106、107‧‧‧外部電極
110‧‧‧壓電致動器本體
121、122‧‧‧導線構件
130‧‧‧晶片
140‧‧‧座
151、152‧‧‧端子
160‧‧‧蓋體
190‧‧‧壓電致動器
200‧‧‧壓電元件
220‧‧‧輸入部
221‧‧‧壓電體層
222、223‧‧‧內部電極
224、225、232‧‧‧外部電極
230‧‧‧輸出部
231‧‧‧壓電體層
250‧‧‧輸入端子
260‧‧‧輸出端子
270‧‧‧接地
第1圖(a)、(b)、(c)係分別表示本發明的壓電元件的立體圖及側剖面圖、以及壓電致動器的側剖面圖。
第2圖係表示本發明的壓電元件的立體圖。
第3圖係表示以Ag/Pd(70/30)作為母材的各電極之成分及1000小時的連續驅動試驗的結果的表。
第4圖係表示以Ag/Pd(85/15)作為母材的各電極之成分及1000小時的連續驅動試驗的結果的表。
第5圖係表示以Ag/Pd(60/40)作為母材的各電極之成分及1000小時的連續驅動試驗的結果的表。
第6圖係表示以Ag/Pd(70/30)作為母材的各電極之成分及1億次的連續驅動試驗的結果的表。
第7圖係表示以Ag/Pd(85/15)作為母材的各電極之成分及1億次的連續驅動試驗的結果的表。
第8圖係表示以Ag/Pd(60/40)作為母材的各電極之成分及1億次的連續驅動試驗的結果的表。
其次，說明本發明的實施方式。
(壓電致動器用的壓電元件)第1圖(a)、(b)係表示壓電元件100的立體圖及側剖面圖。形成為矩形體的積層型之壓電元件100，其壓電層103與內部電極104、105係在積層方向Z交互積層，會因為電壓施加至內部電極104、105而伸縮。壓電層103係例如以PZT般的壓電材料構成，並且在厚度方向朝相互不同的方向極化。
內部電極104、105係在對向的元件側面上被取出並且分別與外部電極106、107連接，從外部電極106、107能夠對相鄰的內部電極104、105施加相異的電壓。藉由對內部電極104、105施加電壓，各壓電層103會伸縮，而使壓電元件整體伸縮。再者，壓電元件100並不限定於矩形體，能夠作成各種形態。
使用於內部電極104、105或外部電極106、107之電極材料係將Ag(銀)/Pd(鈀)作為母材，並且含有0.1wt%~10wt%的Pt(白金)。藉此，能夠阻止Ag的遷移， Ag會離子化而不會擴散到陶瓷內部或表面。其結果，能夠防止絕緣劣化，並且能夠延長壓電元件100的壽命。另外，能夠長期間維持良好的特性。
又，作為電極材料的母材係使用重量比為60/40~85/15的Ag/Pd較佳。另外，雖然電極所含之成份為Pt較佳，但亦可含有Ru(釕)、Rh(銠)、Os(鋨)、Ir(銥)來取代Pt。
電極材料係含有0.5wt%~5.0wt%的Pt更佳。藉此，能夠進一步地提高Ag的遷移之防止效果。又，如此之構成特別是在內部電極104、105的間隔為30μm~500μm時有效。藉此，壓電元件100會提高特性，並且能夠阻止Ag的遷移。
第1圖(c)係表示壓電致動器190的側剖面圖。壓電致動器190係定位用的壓電致動器190，係將壓電致動器本體110嵌入蓋體160並密封而形成。第1圖(c)係只有蓋體160以剖面表示，壓電致動器本體110係以側面圖表示。
壓電致動器本體110係將壓電元件100沿著積層方向Z串聯地接著而形成。導線構件121、122係金屬製，並且分別與外部電極106、107接著，在座140分別與端子151、152連接。
在壓電致動器190中，藉由對端子151、152施加電壓，使壓電致動器本體110伸縮，並且使抵接於晶片130的蓋體160與載台等的被驅動體接觸。其結果，能夠進行與被驅動的被驅動體之精密的對位。如此，能夠 進行精密的驅動，並且能夠實現耐久性較高的壓電致動器190。又，壓電致動器190由於具有耐水蒸氣性，所以適合應用於纖維機械用壓電致動器、噴墨用壓電致動器、汽車引擎的燃料噴射用壓電致動器。
(壓電致動器的製造方法)
首先，利用在Ag/Pd添加有Pt的電極糊將內部電極印刷在壓電陶瓷的坯片，然後將坯片積層且壓接，一起將內部電極104、105和壓電層103同時燒成。藉由在獲得的燒成體之側面沿著積層方向印刷且燒結電極糊以使其與內部電極104、105連接，而能夠形成外部電極106、107。藉由對如此獲得的燒成體進行極化處理，能夠獲得壓電元件100。
如上所述，將環氧(epoxy)等的接著劑塗布且接著在所獲得的複數個壓電元件100的端面，再朝直列方向連結來製作壓電致動器本體110。然後，利用焊劑等的接著構件分別將導線構件121、122固接在外部電極106、107，並且在座140分別與端子151、152連接。之後，將壓電致動器本體110嵌入蓋體160並且密封而能夠製作壓電致動器190。
(壓電變壓器用的壓電元件)
第2圖係表示壓電變壓器用的壓電元件200的立體圖。壓電元件200係形成為矩形體，並且將從輸入端子250施加到1次側的輸入電壓轉換(昇壓或降壓)，再將轉換後的電壓輸出到2次側的輸出端子260。
輸入部220係將與壓電體層221交互積層的內 部電極222、223積層而形成。壓電元件200的內部電極222、223，其取出電極係在元件側面與外部電極224、225連接。壓電體層221係例如以PZT等的壓電材料構成。壓電體層221都是朝厚度方向極化。外部電極224(輸入電極)係與輸入端子250連接，外部電極225係與接地(ground)270連接。內部電極222、223及外部電極224、225係以Ag/Pt構成。壓電體層231係朝長度方向極化。
輸出部230係利用壓電體層231與端面電極232(外部電極)形成。端面的外部電極232係與輸出端子260連接。上述之壓電元件200係藉由輸入電壓的施加將預定的振動模式激發，來轉換輸入電壓並且輸出。這種的壓電元件200在應排除醫療用的電源裝置等的電磁之影響的電路中，作為壓電變壓器使用是有效的。
(壓電變壓器的製造方法)
首先，利用Ag/Pt的電極糊將內部電極印刷在壓電陶瓷的坯片且積層後，加工成為矩形體。然後，因應輸入部及輸出部的設計來設置輸入電力，並且在輸出側的端部設置端面電極。如此，利用網版印刷將電極糊塗布在元件的外側面的既定部位並燒結來形成外部電極。之後，對獲得的燒成體進行極化處理，將導線焊接於外部電極224、225、232。
當將與長度方向的機械性共振頻率大致相同的頻率之交流電壓，施加在上述之壓電元件200的內部電極222、223間時，會在壓電元件200的長邊方向激發較強的機械振動，而在外部電極232會因為壓電效應而產生較 高的電壓。
(實施例)
改變內部電極及外部電極的成分，製作上述壓電致動器用的壓電元件，再組裝定位用的壓電致動器190，之後在180℃下進行1000小時的150VDC之連續驅動試驗。第3圖~第5圖係表示分別以Ag/Pd(70/30)、Ag/Pd(85/15)、Ag/Pd(60/40)作為母材的各電極之成分及1000小時的連續驅動試驗的結果的表。再者，括弧內係表示重量比(以下，相同)。
如第3圖所示，在使用對Ag/Pd(70/30)不添加Pt的電極之情況下，會產生遷移所引起的絕緣破壞。在使用對Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為0.1wt%~10wt%的電極之情況下，並未產生燒成時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。另一方面，在使用相對於Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為12wt%或15wt%的電極之情況下，雖然未產生遷移所引起的絕緣破壞，但卻會產生燒成時的剝離。
如第4圖所示，在使用對Ag/Pd(85/15)不添加Pt的電極之情況下，會產生遷移所引起的絕緣破壞。在使用對Ag/Pd(85/15)100wt%添加Pt為0.1wt%或0.5wt%的電極之情況下，並未產生燒成時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。
如第5圖所示，在使用對Ag/Pd(85/15)100wt%添加Pt為8wt%或10wt%的電極之情況下，並未產生燒成時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。另一方面，在使用對Ag/Pd(85/15)100wt%添加Pt為12wt%或15wt%的電極 之情況下，會產生燒成時的剝離。
由以上內容，證實使用具有Ag/Pd以重量比60/40~85/15構成的母材，並且含有相對於母材為0.1wt%~10wt%的Pt之電極的壓電元件，其耐久性優異。
另外，將在上述試驗中耐久性優異的電極的成分之範圍內稍微改變成分，製作上述壓電致動器用的壓電元件，再進行以150V矩形波驅動之連續驅動試驗。第6圖~第8圖係表示分別以Ag/Pd(70/30)、Ag/Pd(85/15)、Ag/Pd(60/40)作為母材的各電極之成分及1億次的連續驅動試驗的結果的表。
如第6圖所示，在使用對Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為0.3wt%的電極之情況下，會產生遷移所引起的絕緣破壞。在使用對Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為0.5wt%的電極之情況下，並未產生驅動時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。
另一方面，在使用對Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為6.0wt%的電極之情況下，雖然未產生遷移所引起的絕緣破壞，但會產生驅動時的剝離。在使用對Ag/Pd(70/30)100wt%添加Pt為5.0wt%的電極之情況下，並未產生驅動時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。
如第7圖所示，在使用對Ag/Pd(85/15)不添加Pt的電極之情況下，會產生遷移所引起的絕緣破壞。在使用對Ag/Pd(85/15)100wt%添加Pt為0.1wt%的電極之情況下，雖然未產生遷移所引起的絕緣破壞，但會產生驅動時的剝離。在使用對Ag/Pd(85/15)100wt%添加Pt為 0.5wt%的電極之情況下，並未產生驅動時的剝離或遷移所引起的絕緣破壞。
如第8圖所示，在使用對Ag/Pd(60/40)100wt%添加Pt為8wt%、10wt%、12wt%或15wt%的電極之情況下，雖然未產生遷移所引起的絕緣破壞，但會產生驅動時的剝離。
由以上內容，證實使用具有Ag/Pd以重量比60/40~85/15構成的母材，並且含有0.5wt%~5wt%的Pt之電極的壓電元件，其耐久性會更加優異。

Claims (4)

  1. 一種壓電元件，係藉由電壓的施加而伸縮的積層型之壓電元件，其特徵為，具備：設置在元件本體的表面之外部電極；與前述外部電極連接的內部電極；以及與前述內部電極交互積層的壓電層；前述內部電極或外部電極所用之電極材料係具有Ag與Pd以重量比60/40~85/15構成的母材，並且含有相對於前述母材為0.5wt%~5.0wt%的Pt。
  2. 如請求項1之壓電元件，其中，前述內部電極的間隔係30μm~500μm。
  3. 一種壓電致動器，其特徵為，具備：致動器本體，串聯連結如請求項1或2之壓電元件而形成；以及導線構件，電性連接已連結的前述壓電元件。
  4. 一種壓電變壓器，其特徵為，具備：如請求項1或2之壓電元件，前述壓電元件將從1次側輸入的電壓昇壓或降壓後從2次側輸出。
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