JP5409703B2

JP5409703B2 - 積層型圧電アクチュエータの製造方法

Info

Publication number: JP5409703B2
Application number: JP2011115082A
Authority: JP
Inventors: 友好加藤; 憲二熊本; 孝宏山川; 晋松野
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP2011181958A

Description

本発明は、耐久性に優れ、低コストで作製することができる積層型圧電アクチュエータの製造方法に関する。

積層型圧電アクチュエータは、駆動応答性に優れ、発生力が大きく、サブミクロンオーダーの微小変位を高速制御することができる等の優れた特徴を有することから、機械加工ステージや光学ステージ等の位置決め機構として、また、流量計の絞り制御等として、種々の分野で使用されている。

積層型圧電アクチュエータとして、図４に示すような、圧電セラミックス層２と内部電極１が交互に積層されて、内部電極１が交互に素子側面に露出して外部電極４と接続され、積層方向から投影して内部電極１が重なり合わない部分において、内部電極１とその内部電極１が接続されていない外部電極４との間に空乏層（スリット）等の応力緩和層５が形成された構造のものが知られている。

このような図４に示した積層型圧電アクチュエータにおける圧電セラミックス層２においては、積層方向から投影して内部電極１が重なり合う部分において内部電極１に挟まれた圧電セラミックスは圧電活性となって印加された電界に応じて変位するが、内部電極１が重なり合わない部分の圧電セラミックスは変位せず、圧電不活性となる。このような圧電活性部と圧電不活性部との境界には、応力が発生するが、応力緩和層５がこうして生じた応力を解放するために、素子の破壊が抑制される。

このような応力緩和層５を設ける方法としては、カーボンペースト等の焼成後に焼失する材料を所定パターンで印刷したセラミックスグリーンシートを、積層方向の所定位置に配置しておく方法や、ワイヤーソー等を用いて機械的に微細な加工を行う方法が知られている。

しかしながら、カーボンペースト等を用いた場合であっては、焼失温度が低いために、焼成時にグリーンシートどうしが融着して応力緩和層が良好に形成されない場合があり、ワイヤーソー等を用いた加工では、圧電セラミックス層の厚みが薄くなると対応が困難となり、加工コストも高くなるという問題があった。また、応力緩和層そのものは、空隙である場合が殆どであり、その場合には、外気の水分が容易に応力緩和層に浸入して耐湿性が低下し、その結果、応力緩和層を挟んでの内部電極１と外部電極４間での放電による絶縁破壊や、圧電セラミックス層２を挟んでの絶縁破壊を引き起こす等の問題があった。

そこで、特許文献１には、耐湿性を向上させるために、図５に示すように、内部電極１間、つまり圧電セラミック層２内に、応力緩和層５を形成することについて開示されている。しかしながら、特開平８−２７４３８１号公報に開示の構造および応力緩和層の形成方法では、図４に示した構造の積層型圧電アクチュエータを製造する際に使用されるグリーンシートの半分の厚みのグリーンシートを用いる必要があり、また、内部電極を印刷したグリーンシートと応力緩和層を形成するためのグリーンシートが同数ほど必要となり、積層工数が倍増する等、製造コストの増大の問題があったことから、この解決が望まれるところであった。

特開平８−２７４３８１号公報

本発明は上述した従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素子寿命を低下させることなく信頼性を維持し、しかも製造コストの低減が図られる積層型圧電アクチュエータの製造方法を提供することにある。

すなわち、本発明によれば、圧電セラミックス層と内部電極が交互に積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続された積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電セラミックス材料を用いて、前記圧電セラミックス層を形成する工程と、前記圧電セラミックス層を所定の形状に切断または打ち抜く工程と、前記所定の形状に切断または打ち抜かれた圧電セラミックス層に前記内部電極を印刷し、内部電極形成用シートを得る工程と、前記所定の形状に切断または打ち抜かれた、他の圧電セラミックス層にチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを印刷し、応力緩和層形成用シートを得る工程と、前記内部電極形成用シートを、前記内部電極の前記外部電極と接続される部分が１層毎に積層体の対向する側面に露出するように交互に１０層から４０層積層した後、前記応力緩和層形成用シートを１枚積層する作業を繰り返し、その後に熱圧着する工程と、を具備し、前記内部電極形成用シートの前記圧電セラミックス層の厚さと、前記応力緩和層形成用シートの前記圧電セラミック層の厚さとを同じとし、前記チタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層を挟んで対向する前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みが、前記応力緩和層が形成されていない部分の前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有する積層型圧電アクチュエータを製造することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法、が提供される。

また、本発明によれば、圧電セラミックス層と内部電極が交互に積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続された積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電セラミックス材料を用いて、前記圧電セラミックス層を形成する工程と、前記圧電セラミックス層を所定の形状に切断または打ち抜く工程と、前記所定の形状に切断または打ち抜かれた圧電セラミックス層に前記内部電極を印刷し、内部電極形成用シートを得る工程と、前記所定の形状に切断または打ち抜かれた、他の圧電セラミックス層にチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを印刷し、応力緩和層形成用シートを得る工程と、前記内部電極形成用シートを、前記内部電極の前記外部電極と接続される部分が１層毎に積層体の対向する側面に露出するように交互に積層方向長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に積層した後、前記応力緩和層形成用シートを１枚積層する作業を繰り返し、その後に熱圧着する工程と、を具備し、前記内部電極形成用シートの前記圧電セラミックス層の厚さと、前記応力緩和層形成用シートの前記圧電セラミック層の厚さとを同じとし、前記チタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層を挟んで対向する前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みが、前記応力緩和層が形成されていない部分の前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有する積層型圧電アクチュエータを製造することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法が提供される。

これらの積層型圧電アクチュエータにおいては、応力緩和層は、積層方向から投影して内部電極が重なり合わない圧電不活性部に形成されていることが好ましい。

本発明によれば、素子寿命を低下させることなく信頼性を維持し、しかも製造コストの低減が図られる積層型圧電アクチュエータの製造方法を提供できる。

本発明の積層型圧電アクチュエータの一実施形態を示す断面図。本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法におけるグリーンシートの積層順を示す説明図。積層型圧電アクチュエータの機械的強度の測定方法を示す説明図。従来の積層型圧電アクチュエータの一例を示す断面図。従来の積層型圧電アクチュエータの別の例を示す断面図。図４に記載の従来の積層型圧電アクチュエータの製造におけるグリーンシートの積層順を示す説明図。

以下、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が、本発明が以下の実施の形態に限定されるものでないことはいうまでもない。

図１は、本発明の積層型圧電アクチュエータの一実施形態を示す断面図であり、積層型圧電アクチュエータ１０は、圧電セラミックス層１１と内部電極１２ａ・１２ｂが交互に積層され、内部電極１２ａ・１２ｂが１層毎に、それぞれ外部電極１３ａ・１３ｂに接続された構造を有する。このような積層型圧電アクチュエータ１０は、種々の製造方法を用いて作製することができるが、後述するように、本発明は、特に、生産性に優れるセラミックスグリーンシートを用いた一体焼成法により製造される積層型圧電アクチュエータに好適に適用される。

圧電セラミックス層１１に用いられる圧電セラミックスに限定はなく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸バリウム等の種々の公知材料を用いることができる。また、内部電極１２ａ・１２ｂは、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）合金、Ｐｄ、白金（Ｐｔ）等の金属材料を用いて形成され、使用される圧電セラミックスの焼成温度を考慮して、適宜、適切な材料および組成のものが選択される。なお、外部電極１３ａ・１３ｂとしては、Ａｇが好適に用いられる。

積層型圧電アクチュエータ１０には、隣接する内部電極間、つまり隣接する内部電極１２ａと内部電極１２ｂの間であって、１０層から４０層の内部電極１２ａ・１２ｂの間に１層の応力緩和層１４が形成されている。換言すれば、１０層から４０層の圧電セラミックス層１１の中に、その層内に応力緩和層１４が形成された圧電セラミックス層が存在する構造を有する。従って、応力緩和層１４が、内部電極１２ａ・１２ｂと同一面内において隣接して形成されていないことから、外部からの水分の浸入等によって内部電極１２ａ・１２ｂが劣化し、絶縁特性が低下するといった問題が回避される。

また、このような所定内部電極数の範囲内に１層の応力緩和層を形成することにより、応力緩和効果を失うことなく積層工数を低減して、生産コストを低減することが可能となる。例えば、圧電セラミックス層１１の厚みが１００μｍで、全ての圧電セラミックス層１１に応力緩和層１４を形成する場合には、グリーンシートとして、焼成後に５０μｍとなるような薄いグリーンシートを用いる必要があるが、厚みのばらつきを抑えた薄いグリーンシートの製造には、細かな機械調整や作業慣れが必要であり、また、薄いグリーンシートはハンドリング性が悪く、積層数が多いと位置ずれ等の問題も生じやすくなる等、種々の問題を有する。

しかし、本発明によれば、上記例の場合には、グリーンシートとして焼成後に１００μｍとなる厚みのものを使用することができる。この場合には、グリーンシートの製造が容易となって、グリーンシートのハンドリング性が向上する。また、積層数も低減することから積層時のグリーンシートの位置ずれも起こり難くなる。さらに、１枚のグリーンシートから１層の圧電セラミックス層１１を形成する場合には、圧電セラミックス層１１の薄層化も容易となる。

一方で、上記例の場合に、焼成後に厚みが５０μｍとなるグリーンシートが準備されれば、圧電セラミックスの変位量は印加される電界の大きさに比例するので、積層型圧電アクチュエータを小型化したり、また、低電圧駆動化を図ることも可能となる。

このような応力緩和層１４の形成数については、４０層超の内部電極１２ａ・１２ｂの間に１層の応力緩和層１４を設けた場合には、応力緩和の効果が十分に得られず、そのため素子にクラックが発生し易くなり、駆動によって素子が破壊に至る。つまり、使用寿命が短くなるという問題を生ずる。一方、１０層未満の内部電極１２ａ・１２ｂの間に１層の応力緩和層１４を設けた場合には、積層工数の低減の効果はあまり大きなものではなく、十分な生産コストの低減の効果が得られない。また、１０層未満に１層の応力緩和層の形成は、応力緩和の効果の面からは好ましいものであるが、素子寿命等の観点から、必ずしも必要なものではない。

このような応力緩和層１４としては、チタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された構造を有するものが好適に用いられる。チタン酸鉛は難焼結性であり、高温で焼成すると降温過程で５００℃付近で微細に破壊され、その結果微粉状となる。セラミックスグリーンシートにチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを印刷して、積層し、焼成することにより、上下のセラミックスグリーンシートの融着が防止され、確実にチタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層１４が形成される。

積層型圧電アクチュエータ１０において、応力緩和層１４は、積層方向から投影して内部電極１２ａ・１２ｂが重なり合わない圧電不活性部に形成されている。本発明における圧電不活性部は、一方の外部電極１３ａに接続された内部電極１２ａと、他方の外部電極１３ｂに接続された内部電極１２ｂとが、積層方向から見て重なり合わず、一方の内部電極のみがある部分のみならず、積層方向からみて全く内部電極が存在しない部分が存在する場合には、その部分をも含む。このような圧電不活性部での応力緩和層１４の形成は、十分な応力緩和効果を得るために不可欠である。

なお、一方の外部電極１３ａに接続された内部電極１２ａと、他方の外部電極１３ｂに接続された内部電極１２ｂとが、積層方向から見て重なり合う部分が圧電活性部となるが、本発明においては、圧電不活性部から僅かに圧電活性部へ入った部分においても、応力緩和層１４が形成されていてもよい。

上述した構造を有する積層型圧電アクチュエータ１０の外部電極１３ａ・１３ｂに電圧を印加すると、圧電活性部では圧電セラミックスが電界を受けて変位して積層方向に伸びるが、圧電不活性部では圧電セラミックスは変位しない。従って、このような変位部分と不変位部分との境界で応力が発生することとなるが、積層型圧電アクチュエータ１０においては、このような応力が集中する部分に応力緩和層１４が形成されていることから、応力発生が抑えられ、機械的な破壊が起こり難く、耐久性に優れたものとなる。しかも、応力緩和層１４が粉体を充填した構造であることから、圧電セラミックスの変位を拘束せず、良好な変位特性が得られる。

ところで、上述の通り、積層型圧電アクチュエータにおける応力緩和層の形成の条件については、形成された内部電極数を基準として定めることができるが、積層型圧電アクチュエータを駆動させたときに、圧電活性部と圧電不活性部との境界に生ずる応力は、積層方向の単位長さ当たりの変位量にも関係しているものと考えられる。

このような観点から、本発明においては、応力緩和層を、隣接する内部電極間であって、積層方向長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に１層の割合で形成することが、好ましい。積層方向長さ０．５ｍｍ未満に１層の応力緩和層を形成する場合において、厚みの薄いグリーンシートを用いると積層数が増大する問題があり、一方、厚みの厚いグリーンシートを用いると駆動電圧が高くなる等の問題がある。また、積層方向長さ２．５ｍｍ超に１層の応力緩和層を設けた場合には、十分な応力緩和効果が得られずに、素子寿命が短くなる問題を生ずる。

次に、上述した本発明にかかる積層型圧電アクチュエータの製造方法について触れながら、実施例により、本発明をより詳細に説明することとする。

圧電セラミックス材料としてＰＺＴ粉末を準備し、このＰＺＴ粉末に、水または有機溶剤、有機バインダ、分散剤、消泡剤を加えて十分に攪拌・混合してスラリーを作製し、真空脱泡した後に、ドクターブレード法により、所定厚み、例えば、１００μｍのグリーンシートを成形した。なお、グリーンシートの成形方法としては、押出成形法、カレンダロール法等、公知である種々のシート成形法を用いることができる。

得られたグリーンシートを切断または打ち抜き等して所定の形状とし、これに例えば、Ａｇ／Ｐｄペーストを用いて、スクリーン印刷法により所定パターンにて内部電極を印刷し、内部電極形成用シートとする。一方、所定形状とされたグリーンシートに、チタン酸鉛を主成分として含むペーストを所定パターンにて印刷し、応力緩和層形成用シートとした。

図２は、こうして形成された内部電極形成用シート２１と応力緩和層形成用シート２２の積層順序を示した説明図であり、図２に示されるように、内部電極形成用シート２１に印刷された内部電極の外部電極と接続される部分２１ａが、１層毎に積層体の対向する側面に露出するように交互に積層し、２０枚の内部電極形成用シート２１を積層した後、応力緩和層形成用シート２２を１枚積層する作業を６回繰り返し、その後に熱プレスを用いて熱圧着した。

なお、積層体の上下には、数枚から十数枚程度の何も印刷されていないグリーンシート２３を積層して、変位しない厚みの厚い圧電セラミックス層（保護層）を形成した。また、内部電極や応力緩和層の形状（印刷）パターンは、図２に示されるものに限定されるものではない。図２では、内部電極が外部電極に接続される部分を除いて素子側面に露出することがなく、素子の周縁に沿った圧電不活性部に応力緩和層が形成されるパターンとなっている。このようなパターンを用いることにより、耐湿性に優れた素子を得ることができ、また、各パターンのエッジ部に曲率を設けることによって応力集中を回避することができる。

こうして、内部電極が１２０層、応力緩和層が２０層の内部電極について１層の割合で計６層形成された積層体を得た。このような積層体においては、応力緩和層を挟んで対向する内部電極間の圧電セラミックス層の厚みは、応力緩和層が形成されていない部分の内部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有することとなる。従って、応力緩和層形成用シートと、応力緩和層形成用シートの直下の内部電極形成用シートとして、他の内部電極形成用シートの半分の厚みのグリーンシートを用い、全ての圧電セラミックス層の厚みを同じものとしても構わない。

次に、得られた積層体を所定の温度、雰囲気において、例えば、大気雰囲気中、１１００℃で焼成し、得られた焼成体を、機械加工により所定の寸法（本実施例では、３ｍｍ×３ｍｍ×高さ１０ｍｍ）に加工した。次いで、外部電極を、Ａｇペーストを塗布、焼成することにより形成して、外部電極にリード線を半田付け等により取り付け、外部直流電源を用いて分極処理を行い、実施例に係る積層型圧電アクチュエータを得た。

上述した実施例に係る積層型圧電アクチュエータの製造方法と同様の方法を用いて、６０枚の内部電極形成用シートを積層した後に、１枚の応力緩和層形成用シートを積層することにより、合計で１２０層の内部電極と２層の応力緩和層が形成されてなる比較例１に係る積層型圧電アクチュエータを製造した。

また、図６に示すように、１枚のグリーンシートに、内部電極パターン３２をＡｇ／Ｐｄペーストを用いて印刷するとともに、内部電極パターン３２の外周に応力緩和層パターン３３を印刷してなるシート３１を用いて、内部電極パターン３２の外部電極と接続される部分３２ａが一層毎に対向する側面に露出するように積層することにより、図４に示される構造を有する積層型圧電アクチュエータを、比較例２として製造した。

これら、実施例、比較例１および比較例２に係る積層型圧電アクチュエータ各１０個について、気温４０℃、湿度７０％の環境下で、１５０Ｖの直流電圧を連続通電することにより、絶縁抵抗特性の劣化特性を調べた。電圧印加開始から絶縁破壊（素子内短絡）が生ずるまでの時間は、比較例２に係る積層型圧電アクチュエータでは全ての試料で２４時間未満であり、比較例１に係る積層型圧電アクチュエータでは、６個の素子が２４時間未満であったが、残る４個については２００時間経過しても絶縁破壊は起こらなかった。これに対して、実施例に係る積層型圧電アクチュエータは、全数について２００時間以内に絶縁破壊することはなかった。

次に、実施例および比較例１および比較例２に係る積層型圧電アクチュエータ各１０個について、３点曲げ試験により破壊強度を測定した。図３は試験方法を示す説明図であり、積層型圧電アクチュエータ５０の積層方向端部を２点支持して、その中間点から積層型圧電アクチュエータ５０に加重を加えて、積層型圧電アクチュエータ５０が破壊に至る印加加重を測定した。

結果を表１に示す。比較例２と実施例に係る積層型圧電アクチュエータは、試料間の特性ばらつきも小さく、また、高い強度が得られたが、比較例１に係る積層型圧電アクチュエータは、試料間の特性ばらつきが大きく、そのために平均すると強度が低くなり、信頼性に劣るものであった。従って、以上の結果から明らかなように、耐湿性および機械的強度の両特性に優れるものは、実施例に係る積層型圧電アクチュエータのみであった。

上述した通り、本発明の積層型圧電アクチュエータは、応力緩和層が、応力緩和効果が十分に発揮される範囲で少数に設定されていることから、従来のように、内部電極間に内部電極数と同数の応力緩和層を設ける場合と比較して、厚みの厚いハンドリング性に優れるグリーンシートを用いることができ、また、積層工数が低減されることから、不良品発生率の減少、積層作業時間の短縮等が図られ、総じて、生産コストの低減が図られるという顕著な効果を奏する。また、セラミックスグリーンシート１枚の厚みが圧電セラミックス層の厚みとなることから、圧電セラミックス層の薄層化が容易であり、駆動電圧を小さく抑えたり、素子の小型化も容易となるといった効果をも奏する。

１０；積層型圧電アクチュエータ
１１；圧電セラミックス層
１２ａ・１２ｂ；内部電極
１３ａ・１３ｂ；外部電極
１４；応力緩和層

Claims

圧電セラミックス層と内部電極が交互に積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続された積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、
圧電セラミックス材料を用いて、前記圧電セラミックス層を形成する工程と、
前記圧電セラミックス層を所定の形状に切断または打ち抜く工程と、
前記所定の形状に切断または打ち抜かれた圧電セラミックス層に前記内部電極を印刷し、内部電極形成用シートを得る工程と、
前記所定の形状に切断または打ち抜かれた、他の圧電セラミックス層にチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを印刷し、応力緩和層形成用シートを得る工程と、
前記内部電極形成用シートを、前記内部電極の前記外部電極と接続される部分が１層毎に積層体の対向する側面に露出するように交互に１０層から４０層積層した後、前記応力緩和層形成用シートを１枚積層する作業を繰り返し、その後に熱圧着する工程と、
を具備し、
前記内部電極形成用シートの前記圧電セラミックス層の厚さと、前記応力緩和層形成用シートの前記圧電セラミック層の厚さとを同じとし、
前記チタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層を挟んで対向する前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みが、前記応力緩和層が形成されていない部分の前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有する積層型圧電アクチュエータを製造することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
圧電セラミックス層と内部電極が交互に積層され、前記内部電極が１層毎に外部電極に接続された積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、
圧電セラミックス材料を用いて、前記圧電セラミックス層を形成する工程と、
前記圧電セラミックス層を所定の形状に切断または打ち抜く工程と、
前記所定の形状に切断または打ち抜かれた圧電セラミックス層に前記内部電極を印刷し、内部電極形成用シートを得る工程と、
前記所定の形状に切断または打ち抜かれた、他の圧電セラミックス層にチタン酸鉛を主成分とする粉末を含むペーストを印刷し、応力緩和層形成用シートを得る工程と、
前記内部電極形成用シートを、前記内部電極の前記外部電極と接続される部分が１層毎に積層体の対向する側面に露出するように交互に積層方向長さ０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲に積層した後、前記応力緩和層形成用シートを１枚積層する作業を繰り返し、その後に熱圧着する工程と、
を具備し、
前記内部電極形成用シートの前記圧電セラミックス層の厚さと、前記応力緩和層形成用シートの前記圧電セラミック層の厚さとを同じとし、
前記チタン酸鉛を主成分とする粉末が充填された応力緩和層を挟んで対向する前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みが、前記応力緩和層が形成されていない部分の前記内部電極間の圧電セラミックス層の厚みの２倍の厚みを有する積層型圧電アクチュエータを製造することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
前記応力緩和層が、積層方向から投影して前記内部電極が重なり合わない圧電不活性部に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に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。