JP2014187061A

JP2014187061A - 圧電素子およびその作製方法

Info

Publication number: JP2014187061A
Application number: JP2013058856A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inada; 豊稲田; Kenji Kumamoto; 憲二熊本
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させ、正負極の短絡までの時間を長くすることで、応力緩和層におけるマイグレーションを防止できる圧電素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子１００であって、圧電セラミックスで形成された圧電体層１１０と、圧電体層１１０と交互に積層された内部電極層１２０と、絶縁抵抗を高めるハード化元素を添加されたチタン酸鉛ペーストが焼成されることで形成され、内部電極層１２０と同一積層面に沿って素子外周１４５に接して設けられた応力緩和層１４０と、を備える。
【選択図】図１

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作製方法に関する。

圧電素子は、圧電体層と内部電極を交互に積層させ、電圧の印加による変位を利用する素子であり、電極に挟まれて活性な圧電体層が変位し、不活性な部分は変位しない。そのため、圧電素子を変位させたときに圧電素子内に応力が発生する。従来、このような応力を緩和するための様々な技術が開示されている。

例えば、特許文献１記載の圧電素子は、圧電セラミックス層において内部電極の外周部分の近傍に位置する部分に、マンガン、鉄、クロム、タングステンから選ばれた１以上の成分を他の部分よりも多く含ませて、内部電極の外周部分の変位量を、この領域の内側から外側に向かって連続的に小さくしている。そして、このような構造により応力破壊を防止しようとしている。

また、圧電素子に応力緩和層を設ける方法も知られている。応力緩和層は、内部電極と同一面上で内部電極の周囲を囲うように配置され、駆動時に生じる応力を緩和することで、耐久性を向上させるものである。近年、１００℃を超えるような高温の環境で圧電アクチュエータが使用されるようになってきており、より高温化での耐久性の向上が求められている。

特開２００４−１５８４９４号公報

しかしながら、上記のような高温の環境で用いられる圧電素子においては、正極側の応力緩和層に絶縁低下した部位が発生するという現象が生じている。このような部位が成長すると圧電素子が絶縁破壊に至り製品が機能しなくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させ、正負極の短絡までの時間を長くすることで、応力緩和層における絶縁劣化を防止できる圧電素子およびその作製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、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体層と、前記圧電体層と交互に積層された内部電極層と、絶縁抵抗を高めるハード化元素を添加されたチタン酸鉛ペーストが焼成されることで形成され、前記内部電極層と同一積層面に沿って素子外周に接して設けられた応力緩和層と、を備えることを特徴としている。

このように、応力緩和層が絶縁抵抗を高めるハード化元素が添加されたチタン酸鉛ペーストをもとに形成されているため、応力緩和層における金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させることができる。その結果、正負極の短絡までの時間を長くでき、高温下での絶縁劣化を防止し耐久性の向上が可能となる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記ハード化元素が、マンガン、鉄、クロムまたはタングステンであることを特徴としている。これにより、応力緩和層の絶縁抵抗を高くすることでマイグレーションの原因となる金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下できる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極層が、白金もしくはパラジウムなどのイオン化傾向の低い金属により形成されていることを特徴としている。このように、銀等に比べてイオン化傾向の低い例えば白金もしくはパラジウムを用いることで、内部電極層におけるマイグレーションを防止できる。

（４）また、本発明の圧電素子の作製方法は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の作製方法であって、圧電セラミックスを含むグリーンシートに、導電性材料を含む内部電極層ペーストおよび絶縁抵抗を高めるハード化元素が添加されたチタン酸鉛を含む応力緩和層ペーストを塗布する工程と、前記グリーンシートを積層して成形体を生成する工程と、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、応力緩和層の絶縁抵抗を高め、応力緩和層における金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させて正負極の短絡までの時間を長くできる。その結果、内部電極層と応力緩和層の双方のマイグレーションを防止した高温下での使用に好適な圧電素子を作製できる。

本発明によれば、金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させ、正負極の短絡までの時間を長くすることで、応力緩和層におけるマイグレーションを防止できる。

（ａ）〜（ｃ）それぞれ本発明に係る圧電素子を示す斜視図および各平断面図である。

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。

（圧電素子の構成）
図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図、応力緩和層１４０の位置の各平断面図である。圧電素子１００は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であり、圧電体層１１０と内部電極層１２０とが積層方向Ｚについて交互に積層され、矩形体に形成されている。

圧電体層１１０は、例えばＰＺＴのような圧電セラミックスで構成され、それぞれの厚み方向の互い違いの向きに分極されている。内部電極層１２０は、対向する側面上で外部電極１３０に取り出されており、隣り合う内部電極層１２０に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極層１２０へ電圧を印加することで各圧電体層１１０が歪み、圧電素子全体が伸縮する。

圧電素子１００は、積層方向Ｚの両端部に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極層１２０の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極層１２０が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形しないため応力が生じる。

圧電素子１００は、応力緩和層１４０を有している。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、応力緩和層１４０は、内部電極層１２０の取り出し部が設けられた向きにより軸対称に設けられている。応力緩和層１４０は、隣合う２つの側面に沿って断面Ｌ字形状に設けられており、応力緩和層１４０を外周全面に設けないため耐マイグレーション性が向上している。

応力緩和層１４０は、活性領域の周囲の領域に形成されている。応力緩和層１４０は、絶縁性を有し、内部電極層１２０と同一積層面（積層方向に垂直な平面）に沿って素子外周１４５に接して設けられている。

このように、応力緩和層１４０は、活性領域の周囲に設けられており、その結果、圧電素子１００の駆動により生じる応力を分散させ、駆動時の応力を緩和することができる。なお、応力緩和層１４０を内部電極層１２０と同一面に形成するため、応力緩和のための不活性層を設ける必要がなくなり、その分圧電体層１１０を有効に活用できる。

応力緩和層１４０は、絶縁抵抗を高めるハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末で形成されている。これにより、応力緩和層１４０で金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させることができる。その結果、正負極の短絡までの時間を長くでき、絶縁劣化を防止できる。ハード化元素には、マンガン、鉄、クロム、タングステンが含まれる。上記の元素のうちハード化元素としては特にマンガンが好ましい。なお、応力緩和層１４０には、ハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末が脱離し、空隙になっている部分が含まれていてもよい。

（圧電素子の製造方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、圧電セラミックスを含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。

グリーンシートには、導電性材料を含む内部電極層１２０用および絶縁抵抗を高めるハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末を含む応力緩和層１４０用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。

内部電極層１２０用としては電極ペーストを塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。また、内部電極層１２０用には、白金、パラジウム、銀パラジウム合金等のペーストを用いることができる。特に、１００℃を超えるような高温で用いられる圧電素子では、温度が高いことでマイグレーションが加速される。これに対しては内部電極層１２０として白金もしくはパラジウムを用いることが好ましい。銀パラジウム合金の内部電極では銀イオン（Ａｇ⁺）がマイグレーションを生じやすく、イオン化傾向の低い白金もしくはパラジウムの方がマイグレーションを生じ難い。

応力緩和層１４０としてハード化元素が添加されたチタン酸鉛のペーストを塗布する。チタン酸鉛は、圧電素子１００の焼成温度過程では焼結しない材料（非焼結材料）である。このようなチタン酸鉛のペーストは、ハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。例えば、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。

次に、電極膜およびチタン酸鉛膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよびチタン酸鉛ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。

このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、チタン酸鉛ペーストを塗布した箇所には応力緩和層１４０が形成される。これにより、応力緩和層の絶縁抵抗を高め、応力緩和層における金属陽イオンやハロゲン陰イオンの移動度を低下させることができる。その結果、圧電素子のマイグレーションによる絶縁劣化を防止できる。

ハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末は、圧電素子１００の焼成温度では焼結せずに粉末として残留するが、その一部が脱離して空隙となってもよい。焼成後に適宜加工することで分極前の焼成体が得られる。そして、焼結体を積層方向Ｚの端面で接着して多連化し、多連化した焼成体を分極処理することで、ポジショナ用アクチュエータを作製できる。

なお、上記の実施形態では、圧電アクチュエータに用いられる圧電素子１００を説明しているが、本発明は必ずしもこのような形態に限定されない。また、圧電素子は矩形体に限らず様々な形態をとりうる。

（実施例、比較例）
実施例として、グリーンシートにハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末を含むペーストを応力緩和層用のパターンとして塗布して上記の図１（ａ）〜（ｃ）に示されるような圧電素子をした。また、比較例として、ハード化元素が添加されていないチタン酸鉛の粉末を含むペーストを応力緩和層用のパターンとして塗布して圧電素子（応力緩和層の材料以外は同じ形態）を作製した。

これらの圧電素子を分極処理した素子単体に対して、それぞれ８５℃、９０％ＲＨ中で連続駆動させ、所定時間経過後に１５０ＶをＤＣで印加して絶縁抵抗を試験した。試験では、１０ＭΩ以下となったときに絶縁不良と判定した。その結果、実施例では６０時間、絶縁抵抗が維持されたところで絶縁不良が生じたが、比較例では１２時間の維持で絶縁不良が生じた。

次に、それぞれの圧電素子を複数個作製し、これらを多連化し、キャップで封止して分極処理することで圧電アクチュエータを作製した。実施例および比較例のそれぞれの圧電アクチュエータを同じ１２０℃の条件下で連続駆動し、それらにＤＣで１５０Ｖを印加して絶縁抵抗を試験したところ、実施例では絶縁不良が生じるまで７３０日間、絶縁抵抗が維持されたが、比較例では２４０日で絶縁不良が生じた。以上の実験結果により、ハード化元素が添加されたチタン酸鉛の粉末で応力緩和層を形成した圧電素子の方が絶縁不良を生じ難いことが実証された。

１００圧電素子
１１０圧電体層
１２０内部電極層
１３０外部電極
１４０応力緩和層
１４５素子外周
Ｚ積層方向

Claims

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体層と、
前記圧電体層と交互に積層された内部電極層と、
絶縁抵抗を高めるハード化元素を添加されたチタン酸鉛ペーストが焼成されることで形成され、前記内部電極層と同一積層面に沿って素子外周に接して設けられた応力緩和層と、を備えることを特徴とする圧電素子。
前記ハード化元素は、マンガン、鉄、クロムまたはタングステンであることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記内部電極層は、白金またはパラジウムにより形成されてい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。
電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の作製方法であって、
圧電セラミックスを含むグリーンシートに、導電性材料を含む内部電極層ペーストおよび絶縁抵抗を高めるハード化元素が添加されたチタン酸鉛を含む応力緩和層ペーストを塗布する工程と、
前記グリーンシートを積層して成形体を生成する工程と、
前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の作製方法。