JP6300255B2 - 圧電素子、圧電アクチュエータおよび圧電トランス - 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、圧電アクチュエータおよび圧電トランスに関する。
従来、圧電素子の電極には、特性および使いやすさコストの面からＡｇ（銀）またはＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）などＡｇを主体とした材料が使用されることが多い。このような銀を主体とした電極材料は、Ａｇがマイグレーションを起こし、絶縁劣化を起こすという問題があった。
例えば、特許文献１には、応力緩和層をハード化元素が添加された材料で形成し、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た圧電素子が記載されている。
また、特許文献２には、マイグレートしようとするＮａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ等の不純物元素や酸素イオンが捕らえられるマイグレーション防止用導体パターンにより発熱抵抗体の電気抵抗値の変化を小さく抑え、異常発熱を防止するセラミックヒータが記載されている。
上記の文献では、電圧がかかる領域に特別な材料を用いたり、特別な電極のパターンを採用したりすることで、本来の性能を犠牲にしつつ特性マイグレーションを防止している。したがって、程度により十分な性能を確保できない場合がありうる。また、Ｐｔ（白金）を電極として使用することなども言及されているが、特に金属のマイグレーションの防止のために電極材料の構成を調整するという発想は見られない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、Ａｇのマイグレーションを阻止することで、良好な特性を長期間維持しつつ寿命を長くできる圧電素子、圧電アクチュエータ、圧電トランスおよび電極材料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、素子本体の表面に設けられた外部電極と、前記外部電極に接続された内部電極と、前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、前記内部電極または外部電極に用いられる電極材料は、ＡｇとＰｄとが重量比で６０／４０〜８５／１５で構成される母材を有し、前記母材に対し０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のＰｔを含有することを特徴としている。
これにより、Ａｇのマイグレーションを阻止でき、Ａｇがイオン化しセラミック内部あるいは表面に拡散しない。その結果、絶縁劣化を防止でき、圧電素子の寿命を長くできる。また、良好な特性を長期間維持することができる。
（２）また、本発明の圧電素子は、前記電極材料が、０．５ｗｔ％〜５．０ｗｔ％のＰｔを含有することを特徴としている。これにより、さらにＡｇのマイグレーションの防止の効果を向上することができる。
（３）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極の間隔が、３０μｍ〜５００μｍであることを特徴としている。これにより、圧電素子は特性を高めつつ、Ａｇのマイグレーションを阻止できる。
（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記（１）または（２）記載の圧電素子を直列に連結して形成されたアクチュエータ本体と、前記連結された圧電素子を電気的に接続するリード部材と、を備えることを特徴としている。これにより、耐久性の高い圧電アクチュエータを実現できる。
（５）また、本発明の圧電トランスは、１次側から入力された電圧を昇圧または降圧して２次側から出力する請求項１または請求項２記載の圧電素子を備えることを特徴としている。これにより、優れた性能を維持できる圧電トランスを実現できる。
本発明によれば、Ａｇのマイグレーションを阻止することで、良好な特性を長期間維持しつつ寿命を長くできる。
次に、本発明の実施形態を説明する。
（圧電アクチュエータ用の圧電素子）
図１（ａ）、（ｂ）は、圧電素子１００を示す斜視図および側断面図である。矩形体に形成された積層型の圧電素子１００は、圧電層１０３と内部電極１０４、１０５とが積層方向Ｚについて交互に積層され、内部電極１０４、１０５への電圧の印加により伸縮する。圧電層１０３は、例えばＰＺＴのような圧電材料で構成され、厚み方向で互い違いの向きに分極されている。
図１（ａ）、（ｂ）は、圧電素子１００を示す斜視図および側断面図である。矩形体に形成された積層型の圧電素子１００は、圧電層１０３と内部電極１０４、１０５とが積層方向Ｚについて交互に積層され、内部電極１０４、１０５への電圧の印加により伸縮する。圧電層１０３は、例えばＰＺＴのような圧電材料で構成され、厚み方向で互い違いの向きに分極されている。
内部電極１０４、１０５は、対向する素子側面上に取り出され、それぞれ外部電極１０６、１０７に接続されており、外部電極１０６、１０７からは隣り合う内部電極１０４、１０５に異なる電圧を印加できる。内部電極１０４、１０５へ電圧を印加することで各圧電層１０３が伸縮し、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電素子１００は矩形体に限らず、様々な形態をとりうる。
内部電極１０４、１０５または外部電極１０６、１０７に用いられる電極材料は、Ａｇ（銀）／Ｐｄ（パラジウム）を母材とし、０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のＰｔ（白金）を含有している。これにより、Ａｇのマイグレーションを阻止でき、Ａｇはイオン化しセラミック内部あるいは表面に拡散しない。その結果、絶縁劣化を防止でき、圧電素子１００の寿命を長くすることができる。また、良好な特性を長期間維持できる。
なお、電極材料の母材として重量比６０／４０〜８５／１５のＡｇ／Ｐｄを用いることが好ましい。また、電極に含有される成分はＰｔが好ましいが、Ｐｔに代えてＲｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）が含有されていてもよい。
電極材料は、０．５ｗｔ％〜５．０ｗｔ％のＰｔを含有することがさらに好ましい。これにより、さらにＡｇのマイグレーションの防止の効果を向上することができる。また、このような構成は、特に内部電極１０４、１０５の間隔が、３０μｍ〜５００μｍであるときに有効である。これにより、圧電素子１００は特性を高めつつ、Ａｇのマイグレーションを阻止できる。
図１（ｃ）は、圧電アクチュエータ１９０を示す側断面図である。圧電アクチュエータ１９０は、ポジショナ用の圧電アクチュエータ１９０であり、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に嵌め込み密封して形成されている。図１（ｃ）は、キャップ１６０のみ断面で示され圧電アクチュエータ本体１１０は側面図で示されている。
圧電アクチュエータ本体１１０は、圧電素子１００が積層方向Ｚに沿って直列に接着されて形成されている。リード部材１２１、１２２は、金属製であり、それぞれ外部電極１０６、１０７に接着され、座１４０においてそれぞれ端子１５１、１５２に接続されている。
圧電アクチュエータ１９０では、端子１５１、１５２に電圧を印加されることで、圧電アクチュエータ本体１１０が伸縮し、チップ１３０に当接するキャップ１６０がステージ等の被駆動体に接触する。その結果、駆動された被駆動体の精密な位置合わせが可能になる。このようにして、精密な駆動ができ、耐久性の高い圧電アクチュエータ１９０を実現できる。また、圧電アクチュエータ１９０は、耐水蒸気性を有するため、繊維機械用圧電アクチュエータ、インクジェット用圧電アクチュエータ、自動車エンジンの燃料噴射用圧電アクチュエータへの応用に好適である。
（圧電アクチュエータの製造方法）
まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇ／ＰｄにＰｔを添加した電極ペーストで内部電極を印刷する、そして、グリーンシートを積層、圧着し、内部電極１０４、１０５とともに圧電層１０３を同時焼成する。得られた焼成体の側面に積層方向に沿って、内部電極１０４、１０５に接続するように電極ペーストを印刷して焼き付けることで外部電極１０６、１０７を形成できる。このようにして得られた焼成体を分極処理することで、圧電素子１００が得られる。
まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇ／ＰｄにＰｔを添加した電極ペーストで内部電極を印刷する、そして、グリーンシートを積層、圧着し、内部電極１０４、１０５とともに圧電層１０３を同時焼成する。得られた焼成体の側面に積層方向に沿って、内部電極１０４、１０５に接続するように電極ペーストを印刷して焼き付けることで外部電極１０６、１０７を形成できる。このようにして得られた焼成体を分極処理することで、圧電素子１００が得られる。
このように、得られた複数の圧電素子１００の端面にエポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結し、圧電アクチュエータ本体１１０を作製する。そして、リード部材１２１、１２２を、それぞれ半田等の接着部材で外部電極１０６、１０７に固着させるとともに、座１４０においてそれぞれ端子１５１、１５２に接続する。そして、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に嵌め込み、密封して圧電アクチュエータ１９０を作製できる。
（圧電トランス用の圧電素子）
図２は、圧電トランス用の圧電素子２００を示す斜視図である。圧電素子２００は、矩形体に形成され、入力端子２５０から１次側に印加された入力電圧を変換（昇圧または降圧）し、変換された電圧を２次側の出力端子２６０へ出力する。
図２は、圧電トランス用の圧電素子２００を示す斜視図である。圧電素子２００は、矩形体に形成され、入力端子２５０から１次側に印加された入力電圧を変換（昇圧または降圧）し、変換された電圧を２次側の出力端子２６０へ出力する。
入力部２２０は、圧電体層２２１と交互に積層された内部電極２２２、２２３が積層されて形成されている。圧電素子２００の内部電極２２２、２２３は、取出電極が素子側面において外部電極２２４、２２５に接続されている。圧電体層２２１は、例えばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。圧電体層２２１は、いずれも厚み方向に分極されている。外部電極２２４（入力電極）は、入力端子２５０に接続されており、外部電極２２５は、グランド２７０に接続されている。内部電極２２２、２２３および外部電極２２４、２２５は、Ａｇ／Ｐｔで構成されている。圧電体層２３１は、長手方向に分極されている。
出力部２３０は、圧電体層２３１と端面電極２３２（外部電極）とで形成されている。端面の外部電極２３２は、出力端子２６０に接続されている。上記のような圧電素子２００は、入力電圧の印加により所定の振動モードが励起され、入力電圧が変換され、出力される。このような圧電素子２００は、医療用の電源装置等の電磁気の影響を排除すべき回路で圧電トランスとして用いることが効果的である。
（圧電トランスの製造方法）
まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇ／Ｐｔの電極ペーストで内部電極を印刷して積層後、矩形体に加工する。そして入力部および出力部の設計に応じて、入力電力を設け、出力側の端部には端面電極を設ける。このようにして素子の外側面の所定箇所にスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けて外部電極を形成する。そして、得られた焼成体を分極処理し、外部電極２２４、２２５、２３２にはリード線を半田付けする。
まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇ／Ｐｔの電極ペーストで内部電極を印刷して積層後、矩形体に加工する。そして入力部および出力部の設計に応じて、入力電力を設け、出力側の端部には端面電極を設ける。このようにして素子の外側面の所定箇所にスクリーン印刷で電極ペーストを塗布し、焼き付けて外部電極を形成する。そして、得られた焼成体を分極処理し、外部電極２２４、２２５、２３２にはリード線を半田付けする。
このような圧電素子２００の内部電極２２２、２２３間に、長手方向の機械的な共振周波数とほぼ同じ周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子２００の長手方向に強い機械振動が励起され、外部電極２３２には圧電効果により、高い電圧が生じる。
（実施例）
内部電極および外部電極の成分を変えて、上記の圧電アクチュエータ用の圧電素子を作製しポジショナ用の圧電アクチュエータ１９０を組み立てその後、１８０℃で１０００時間の１５０ＶＤＣでの連続駆動試験を行った。図３〜５は、それぞれＡｇ／Ｐｄ（７０／３０）、Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）を母材とする各電極の成分および１０００時間の連続駆動試験結果を示す表である。なお、括弧内は重量比を表す（以下、同様）。
内部電極および外部電極の成分を変えて、上記の圧電アクチュエータ用の圧電素子を作製しポジショナ用の圧電アクチュエータ１９０を組み立てその後、１８０℃で１０００時間の１５０ＶＤＣでの連続駆動試験を行った。図３〜５は、それぞれＡｇ／Ｐｄ（７０／３０）、Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）を母材とする各電極の成分および１０００時間の連続駆動試験結果を示す表である。なお、括弧内は重量比を表す（以下、同様）。
図３に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）に対しＰｔを添加しない電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊が生じた。Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）１００ｗｔ％に対しＰｔを０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、焼成時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。一方、Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）１００ｗｔ％に対しＰｔ１２ｗｔ％またはＰｔ１５ｗｔ％の電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊は生じなかったが、焼成時のデラミネーションが生じた。
図４に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）に対しＰｔを添加しない電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊が生じた。Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）１００ｗｔ％に対しＰｔを０．１ｗｔ％または０．５ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、焼成時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。
図５に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）１００ｗｔ％に対しＰｔを８ｗｔ％または１０ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、焼成時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。一方、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）１００ｗｔ％に対しＰｔを１２ｗｔ％または１５ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、焼成時のデラミネーションが生じた。
以上より、Ａｇ／Ｐｄが重量比６０／４０〜８５／１５で構成される母材を有し、母材に対し０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のＰｔを含有する電極を用いた圧電素子が耐久性に優れていることが実証された。
さらに、上記の試験で耐久性に優れた電極成分の範囲で成分をわずかに変えて、上記の圧電アクチュエータ用の圧電素子を作製し、１５０Ｖ矩形波駆動による連続駆動試験を行った。図６〜８は、それぞれＡｇ／Ｐｄ（７０／３０）、Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）を母材とする各電極の成分および１億回の連続駆動試験結果を示す表である。
図６に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）の１００ｗｔ％に対しＰｔを０．３ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊が生じた。Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）１００ｗｔ％に対しＰｔを０．５ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、駆動時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。
一方、Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）１００ｗｔ％に対しＰｔ６．０ｗｔ％を添加した電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊は生じなかったが、駆動時のデラミネーションが生じた。Ａｇ／Ｐｄ（７０／３０）１００ｗｔ％に対しＰｔを５．０ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、駆動時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。
図７に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）に対しＰｔを添加しない電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊が生じた。Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）１００ｗｔ％に対しＰｔ０．１ｗｔ％を添加した電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊は生じなかったが、駆動時のデラミネーションが生じた。Ａｇ／Ｐｄ（８５／１５）１００ｗｔ％に対しＰｔを０．５ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、駆動時のデラミネーションやマイグレーションによる絶縁破壊は生じなかった。
図８に示すように、Ａｇ／Ｐｄ（６０／４０）１００ｗｔ％に対しＰｔを８ｗｔ％、１０ｗｔ％、１２ｗｔ％または１５ｗｔ％添加した電極を用いた場合には、マイグレーションによる絶縁破壊は生じなかったが、駆動時のデラミネーションが生じた。
以上より、Ａｇ／Ｐｄが重量比６０／４０〜８５／１５で構成される母材を有し、０．５ｗｔ％〜５ｗｔ％のＰｔを含有する電極を用いた圧電素子はさらに耐久性に優れていることが実証された。
１００ 圧電素子
１０３ 圧電層
１０４、１０５ 内部電極
１０６、１０７ 外部電極
１１０ 圧電アクチュエータ本体
１２１、１２２ リード部材
１３０ チップ
１４０ 座
１５１、１５２ 端子
１６０ キャップ
１９０ 圧電アクチュエータ
２００ 圧電素子
２２０ 入力部
２２１ 圧電体層
２２２、２２３ 内部電極
２２４、２２５、２３２ 外部電極
２３０ 出力部
２３１ 圧電体層
２５０ 入力端子
２６０ 出力端子
２７０ グランド
１０３ 圧電層
１０４、１０５ 内部電極
１０６、１０７ 外部電極
１１０ 圧電アクチュエータ本体
１２１、１２２ リード部材
１３０ チップ
１４０ 座
１５１、１５２ 端子
１６０ キャップ
１９０ 圧電アクチュエータ
２００ 圧電素子
２２０ 入力部
２２１ 圧電体層
２２２、２２３ 内部電極
２２４、２２５、２３２ 外部電極
２３０ 出力部
２３１ 圧電体層
２５０ 入力端子
２６０ 出力端子
２７０ グランド
Claims (4)
- 電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、
素子本体の表面に設けられた外部電極と、
前記外部電極に接続された内部電極と、
前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、
前記内部電極および外部電極に用いられる電極材料は、ＡｇとＰｄとが重量比で６０／４０〜８５／１５で構成される母材を有し、前記母材に対し０．５ｗｔ％〜５．０ｗｔ％のＰｔを含有することを特徴とする圧電素子。 - 前記内部電極の間隔が、３０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
- 請求項１または請求項２記載の圧電素子を直列に連結して形成されたアクチュエータ本体と、
前記連結された圧電素子を電気的に接続するリード部材と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - １次側から入力された電圧を昇圧または降圧して２次側から出力する請求項１または請求項２記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電トランス。
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