JP6035773B2 - 積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層されている積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。

圧電セラミックスの厚み縦変位（ｄ３３モード）を利用した電気／機械変換素子たる積層型圧電アクチュエータは、ミクロンオーダーでの変位量制御が可能であり、発生力が大きい等の特徴を有することから、精密加工装置や光学装置等の位置決め機構に使用されている。

このような積層型圧電アクチュエータには、積層コンデンサ型構造のものが知られている。図３（ａ）は、従来の積層型圧電アクチュエータ８００の概略断面図である。積層型圧電アクチュエータ８００は、積層コンデンサ型構造を有している。そして、圧電セラミックス層８１０と内部電極８２１、８２２とが交互に積層され、内部電極８２１、８２２は対向する側面に一層おきに露出した構造を有している。

内部電極８２１が露出している側面において内部電極８２１は外部電極８３１によって接続され、内部電極８２２が露出している側面において内部電極８２２は外部電極８３２によって接続されている。

図３（ｂ）は、従来の積層型圧電アクチュエータ８００の平面図である。破線は、内部電極８２１、８２２の典型的なパターンを示している。積層型圧電アクチュエータ８００では、内部電極８２１と内部電極８２２との重なり部分が活性部となり、内部電極８２１、８２２の一方のみが位置する部分および内部電極８２１、８２２が位置しない部分（つまり積層型圧電アクチュエータ８００の周縁部分）が不活性部となる。このような積層型圧電アクチュエータ８００を駆動すると、活性部の変位に起因して活性部と不活性部との間に発生する応力が、積層型圧電アクチュエータ８００を破壊に至らしめることが知られている。

積層型圧電アクチュエータ８００のこのような欠点を解消するために、側面に露出した内部電極を一層おきに絶縁膜で覆い、絶縁膜の上から外部電極を設けたり、内部電極が一層おきに接続された全面電極構造としたり、不活性部において圧電セラミックス層に内部電極と平行にスリットを形成し、このスリットによって活性部と不活性部との間に発生する応力を緩和する応力緩和型構造としたりすることが、従来提案されている。

しかしながら、全面電極型構造の積層型圧電アクチュエータは、製造工程が複雑であり、かつ、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが困難である等の問題を有している。また、応力緩和型構造の積層型圧電アクチュエータについても、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが困難であるという問題がある。これに対して、積層型圧電アクチュエータ８００は、積層コンデンサの製造工程をそのまま用いることができるために、生産性の面において優れている。そして、圧電セラミックス層の厚みを薄くすることが容易であるという利点を有している。

例えば、特許文献１には、内部電極のパターンを調整することによって、応力緩和を図る積層型圧電アクチュエータが開示されている。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ特許文献１に記載されるような従来の積層型圧電アクチュエータ９００を示す概略断面図および平面図である。破線は、内部電極パターン９２１、９２２を示している。

積層型圧電アクチュエータ９００は、基本的には積層コンデンサ型構造を有し、特許文献１記載の圧電アクチュエータと同様に構成されている。積層型圧電アクチュエータ９００は、圧電セラミックス層９１０と内部電極９２１、９２２とが交互に積層された構造を有し、隣り合う２面の側面に一層おきに内部電極９２１が露出し、内部電極９２１が露出していない他の隣り合う２面の側面に内部電極９２２が露出した構造を有する。内部電極９２１は露出した側面において外部電極９３１によって接続され、内部電極９２２は露出した側面において外部電極９３２によって接続されている。このように内部電極のパターンを調整することによって、応力緩和を図っている。

特開平１１−３４１８３８号公報

しかしながら、図４（ｂ）を見れば明らかなように、端面からみて対角に位置する２つの領域Ｓは、内部電極９２１、９２２のどちらも存在しない不活性部となる。一方で、この領域Ｓは内部電極９２１、９２２が重なり合う活性部と接しているために、積層型圧電アクチュエータ９００を駆動させると、これらの境界部分で大きな応力が発生し、積層型圧電アクチュエータ９００が破壊に至るおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、応力破壊を防止し、その長寿命化を実現できる積層型圧電アクチュエータおよびその製造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、本発明の積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層されている積層型圧電アクチュエータであって、内部電極の外周部近傍の圧電セラミックスの密度が、前記内部電極の中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さく、前記内部電極の外周部近傍の圧電セラミックスの変位量が、前記内部電極の中央部近傍の圧電セラミックスの変位量より小さいことを特徴としている。

これにより、活性部に対して不活性部の密度や圧電特性を低減できる。そして、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、積層型圧電アクチュエータの応力破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

（２）また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、活性部の圧電セラミックスの密度に対して、不活性部の圧電セラミックスの密度が９７％以下であることを特徴としている。これにより、活性部と不活性部との境界部付近の密度を低減でき、クラックの進行を防止することができる。

（３）また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、活性部の圧電セラミックスのＰｂ濃度に対して、不活性部の圧電セラミックスのＰｂ濃度が９７％以下であることを特徴としている。このように、内部電極の外周部近傍では圧電セラミックスのＰｂ成分が不足しているため、物質拡散が抑制され、結晶成長や焼結が遅くなる。その結果、活性部と比較し不活性部の圧電セラミックスの密度は低下する。また、Ｐｂの不足により圧電セラミックスは組成ずれが起きることから、活性部から不活性部位にかけ、圧電特性(変位量)は低下する。

（４）また、本発明の積層型圧電アクチュエータは、活性部の圧電セラミックスの粒径に対して、不活性部の圧電セラミックスの粒径が５０％以下であることを特徴としている。積層型圧電アクチュエータは、不活性部が還元されて形成されるため、活性部と比較し酸素が不足する。またＰｂも蒸発していくことから、ＰｂやＯの欠陥が生じ、粒径が小さくなる。その結果、変位量を小さくし、クラックの進行を防止できる。

（５）また、本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層されている積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、圧電セラミックスの粉末およびバインダ等の有機物を含むグリーンシートを成形し、前記成形されたグリーンシートに電極ペーストを所定のパターンで印刷する工程と、前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを所定枚数積層し、圧着する工程と、前記グリーンシートの圧着体を有機成分が分解するまで脱脂し、脱脂体を作製する工程と、前記脱脂体の不活性部の表面にカーボンの膜を形成する工程と、前記カーボン膜を形成された脱脂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、活性部に対して不活性部の密度や圧電特性を低減できる。そして、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、積層型圧電アクチュエータの応力破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。また、この場合には、カーボン膜の形成は作業上容易であるとともに効果が顕著であり、製造工程の生産性を高めることができる。

本発明によれば、積層型圧電アクチュエータの応力破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ本発明の積層型圧電アクチュエータの斜視図、断面図および平面図である。 カーボン膜を形成した脱脂体の断面図である。 （ａ）、（ｂ）従来の積層型圧電アクチュエータを示す概略断面図および平面図である。 （ａ）、（ｂ）従来の積層型圧電アクチュエータを示す概略断面図および平面図である。

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。なお、本発明は、以下に説明する具体的な形態に限定されるものではない。

（積層型圧電アクチュエータの構成）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ積層型圧電アクチュエータの斜視図、断面図および平面図である。なお、図１（ｂ）は、積層型圧電アクチュエータ１００の積層方向に沿った断面による断面図である。積層型圧電アクチュエータ１００は、圧電セラミックス層１１０と内部電極１２０とが交互に積層されている。圧電セラミックス層１１０は、圧電セラミックス材料の焼結体で形成されている。内部電極１２０は、積層型圧電アクチュエータ１００の対向する側面に一層おきに露出するように形成されている。

内部電極１２０のパターンは、概ね積層型圧電アクチュエータ１００を積層方向に沿ってみたときの外形（端面外形）に相似しており、その一辺に側面への突出した領域を有する凸字状である。内部電極１２０の周縁では、圧電セラミックス層１１０が連続しており、端面からみて対辺に開口した形状の不活性部１４０が形成されている。また、内部電極１２０が重なった領域が、積層型圧電アクチュエータ１００の伸縮に寄与する活性部１３０を形成している。

積層型圧電アクチュエータ１００は、圧電セラミックス層１１０と内部電極１２０とが交互に積層されている。図１（ｃ）では、積層型圧電アクチュエータ１００を端面から積層方向に見たときの、内部電極１２０の投影が重なる範囲を活性部１３０として、内部電極１２０の投影に重ならない範囲を不活性部１４０として表している。

内部電極１２０は、一層毎に側面に露出しており、これらが側面で外部電極に接続される。内部電極１２０の外周部近傍の圧電セラミックスの密度は、内部電極１２０の中央部近傍の圧電セラミックスの密度より小さい。そして、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、積層型圧電アクチュエータ１００の破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

圧電セラミックス層１１０としてはｄ３３モードでの駆動特性に優れるＰＮＮ−ＰＺＴ系の圧電セラミックスが好適に用いられる。また、内部電極１２０としては銅電極が、外部電極としては銀電極が、それぞれ好適に用いられる。

なお、活性部１３０の圧電セラミックスの密度に対して、不活性部１４０の圧電セラミックスの密度が９７％以下であることが好ましい。これにより、内部電極１２０の外周部近傍の圧電セラミックスの変位量が、内部電極の中央部近傍の圧電セラミックスの変位量より小さくなる。

このように、積層型圧電アクチュエータ１００では、活性部１３０に対して不活性部１４０の密度や圧電特性を低減できる。そして、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックの進行を防止できる。

また、積層型圧電アクチュエータ１００では、活性部１３０の圧電セラミックスのＰｂ濃度に対して、不活性部１４０の圧電セラミックスのＰｂ濃度が９７％以下であることが好ましい。不活性部１４０では圧電セラミックスのＰｂ成分が不足した状態で焼成されたため、物質拡散が抑制され、結晶成長や焼結が遅くなる。その結果、活性部１３０と比較し不活性部１４０の圧電セラミックスの密度は低下する。また、Ｐｂの不足により圧電セラミックスは組成ずれが起きることから、活性部１３０からその不活性部１４０にかけ、圧電特性(変位量)は低下する。

積層型圧電アクチュエータ１００は、活性部１３０の圧電セラミックスの粒径に対して、不活性部１４０の圧電セラミックスの粒径が５０％以下である。不活性部１４０は還元されるため、活性部と比較し酸素が不足する。またＰｂも蒸発していくことから、ＰｂやＯの欠陥が生じ、粒径が小さくなる。その結果、変位量を小さくし、クラックの進行を防止できる。

（積層型圧電アクチュエータの製造方法）
次に、積層型圧電アクチュエータ１００の製造方法の一例について説明する。まず、ＰＮＮ−ＰＺＴ系等の圧電セラミックスの粉末にバインダ等の有機物成分や溶媒を混合してスラリー化する。このようにして得られた混合物をドクターブレード法や押出成形法等の方法によって、シート状に成形する。続いて、得られた帯状のグリーンシートからパンチング等の方法によって所定形状のグリーンシートを得る。このようにして圧電セラミックスの粉末やバインダ等の有機物を含むグリーンシートを成形する。

次に、成形されたグリーンシートに電極ペーストを所定のパターンで印刷する。グリーンシートに、スクリーン印刷法等を用いて、所定のパターンでＡｇ−Ｐｄペーストまたは白金ペースト等の電極ペーストを塗布する。塗布された電極ペーストは、焼成後に内部電極１２０となる。そして、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを所定枚数積層し、圧着する。有機成分が分解するまで脱脂を行ない、脱脂体２００を作製する。脱脂体２００では、電極２１０の外周に不活性部２２０が形成されている。その不活性部２２０の表面にカーボンペーストを塗布し、カーボン膜２３０を形成させる。

図２は、カーボン膜を形成した脱脂体の断面図である。このようにカーボン膜２３０を形成した脱脂体２００を９００〜１３００℃で焼成する。このときカーボン膜２３０近傍の圧電セラミックスが還元され、Ｐｂが揮発していく。その結果、電極層に接する活性部１３０から外周部の不活性部１４０にかけ圧電セラミックスのＰｂ濃度が低くなる。

カーボン膜２３０の塗布方法として、不活性部２２０の表面にカーボンペーストを塗布する方法、外面電極と接触する活性部や保護層部にマスキングを行ない、カーボンスパッタリングや蒸着を行なう方法、樹脂成分を不活性部位に塗布し酸素濃度９％以下、６００℃以下でカーボン化させる方法等が考えられる。

なお、圧電セラミックスのＰｂ成分が不足する場合、物質拡散が抑制され、結晶成長や焼結が遅くなる。つまり、活性部１３０と比較し不活性部１４０の圧電セラミックスの密度は低下する。また、Ｐｂが不足すると圧電セラミックスは組成ずれが起きることから、活性部１３０から不活性部１４０にかけ、圧電特性（変位量）は低下する。

これにより、活性部１３０と不活性部１４０との境界部付近の密度や圧電特性が低下して、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、積層型圧電アクチュエータ１００の破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。

このようにして、活性部１３０に対して不活性部１４０の密度や圧電特性を低減できる。そして、動作時にはその部分の変位量を小さくすることができ、その境界部付近に発生する応力を低減できる。また、低密度部分ではクラックが進行しにくいため、積層型圧電アクチュエータ１００の破壊を防止し、その長寿命化を実現できる。また、カーボン膜２３０の形成は作業上容易であり、製造工程の生産性を向上できる。

１００ 積層型圧電アクチュエータ
１１０ 圧電セラミックス層
１２０ 内部電極
１３０ 活性部
１４０ 不活性部
２００ 脱脂体
２１０ 電極
２２０ 不活性部
２３０ カーボン膜

Claims (5)

1. 圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層されている積層型圧電アクチュエータであって、
   圧電セラミックス層のうち、積層方向に内部電極の投影が重なる範囲を表す活性部は、ＰｂおよびＯを含む結晶構造を有する粒子からなる圧電セラミックスで形成され、
   積層方向に前記内部電極の投影に重ならない範囲を表す不活性部は、前記活性部と同一の結晶構造であってＰｂおよびＯの欠陥を生じた粒子からなる圧電セラミックスで形成され、
   前記不活性部の圧電セラミックスの密度が、前記活性部の圧電セラミックスの密度より小さく、
   前記不活性部の圧電セラミックスの変位量が、前記活性部の圧電セラミックスの変位量より小さいことを特徴としている積層型圧電アクチュエータ。
2. 前記活性部の圧電セラミックスの密度に対して、前記不活性部の圧電セラミックスの密度が９７％以下であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電アクチュエータ。
3. 前記活性部の圧電セラミックスのＰｂ濃度に対して、前記不活性部の圧電セラミックスのＰｂ濃度が９７％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の積層型圧電アクチュエータ。
4. 前記活性部の圧電セラミックスの粒径に対して、前記不活性部の圧電セラミックスの粒径が５０％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の積層型圧電アクチュエータ。
5. 圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層されている積層型圧電アクチュエータの製造方法であって、
   圧電セラミックスの粉末およびバインダを含むグリーンシートを成形し、前記成形されたグリーンシートに電極ペーストを所定のパターンで印刷する工程と、
   前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを所定枚数積層し、圧着する工程と、
   前記グリーンシートの圧着体を有機成分が分解するまで脱脂し、脱脂体を作製する工程と、
   前記脱脂体の不活性部の表面にカーボンの膜を形成する工程と、
   前記カーボン膜を形成された脱脂体を焼成する工程と、を含む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。

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