JP2004079825A

JP2004079825A - 積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004079825A
Application number: JP2002238943A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kurano; 鞍野　正行
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: JP3883062B2

Abstract

【課題】積層型圧電セラミックス素子において、扱える絶縁材の種類を広げ、セラミックに与えるダメージを抑え、変位の拘束も抑制可能とし、積層構造に左右されず任意の場所に絶縁層を形成でき他品種少量生産を可能とする。
【解決手段】絶縁層の形成をディスペンサーやデポジション法で直接描画するという積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法を採用する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧により電圧を生じさせる積層型圧電センサ、または電圧を加えて変位又は力を生じさせる積層型圧電アクチュエータに用いる積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、外部からの応力で電圧を発生したり、電圧の印加により変形する圧電性セラミックスは、圧力センサーや圧電ブザー等に実用化されている。また、近年、センサーの感度向上やアクチュエータの変位特性向上のため、圧電セラミックス層と内部電極層を交互に積層し、内部電極層が一層おきに一対の対向外部電極に接続した構造の積層型圧電セラミックス素子の普及が著しい。
【０００３】
例えば、積層型圧電セラミックス素子の積層型圧電アクチュエータとしての用途は、半導体製造用の微小の位置決め装置や特殊なガスの流量を調整するマスフローコントローラのアクチュエータのような産業機器から、変位量を拡大する機構に積層型圧電アクチュエータを組み込み、ワイヤー式ドットプリンターやインチワーム式超音波モータ等の民生機器まで、広い範囲に及んでいる。
【０００４】
積層型圧電セラミックス素子は、内部電極を交互に側面に取り出したセラミックコンデンサー類似構造、または表面に露出した内部電極を交互に比較的伸びの小さい絶縁物で絶縁した全面電極構造になっており、その性能上は全面電極構造の方が優れている。
【０００５】
全面電極構造を実現するため、表面に露出した内部電極を一層おきに比較的伸びの小さい絶縁物で絶縁した構造に関しては、公知文献として特公平６−６６４８４号に示すような無機絶縁物を電気泳動法で電着し形成した構造がある。この構造は、一度に複数の絶縁層を形成するには都合がよい構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合に形成できる絶縁層位置は、積層工程の段階であらかじめ設計された積層構造で決定し、積層後には変更が不可能である。もし、絶縁層の位置を自由に選択できるのであれば複数層連続して絶縁層を形成することで、積層型圧電セラミックス素子の応力感度やの変位機能を変化させることで特性の自由度が増え、同一積層焼結体から多品種の積層型圧電セラミックス素子の生産が可能になる。
【０００７】
また、絶縁材の種類によっては電気泳動法が可能な電解液を作製することができない場合があり、絶縁材の種類が限定され、その結果、前記絶縁層の上に形成する外部電極材も限定されてしまうという問題点があった。
【０００８】
また、電気泳動法を用いる絶縁層の形成では、絶縁する絶縁材の種類によって電解液のｐＨをコントロールする必要があり、積層型圧電セラミックス素子のセラミックスにとっては望ましくないｐＨ条件となる場合があり、セラミックスにダメージを与えるという問題点があった。また、先行文献特開平７−５０４３５号などに示されるようなめっき法による導電性凸部の形成についても、めっき液による積層型圧電セラミックス素子の劣化が懸念されることは同様である。
【０００９】
また、前述の特公平６−６６４８４号に示すような電気泳動法を用いる絶縁層の形成では、内部電極と外部電極が対向する部分以外にも絶縁材が付着してしまい、積層型圧電セラミックス素子において、電圧発生や変位発生という重要な機能を絶縁部分が抑制してしまうという問題点があった。仮に、マスキングなどの工夫で絶縁する場所を限定したとしても、電着で得られた絶縁材部の付着力は弱く、マスクを剥がす際にマスクとの境界部が剥がれてしまうという問題点があった。
【００１０】
さらに、前述の特公平６−６６４８４号に示すような電気泳動法を用いる絶縁層の形成では、表面に露出した内部電極端面に粉末状の絶縁材を電気泳動法で付着させ、その後に焼き付けにより絶縁層を固体化していた。しかし、積層型圧電セラミック素子を７００℃以上の加熱を行うと圧電セラミックスと内部電極、絶縁層の熱膨張係数の差で積層型圧電セラミックス素子内に応力が発生し、場合によっては積層型圧電セラミックス素子が破壊する可能性があり、６００℃以下の低温で固体化することが必要であった。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の問題点を解決するためになされたもので、同一積層焼結体から多品種の積層型圧電セラミックス素子の生産が可能で、絶縁材の種類が限定されずに、圧電セラミックスにダメージを与えることがない、電圧発生や変位発生の機能を抑制せず、５００℃以下の低温で絶縁層を形成することが可能な積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧電セラミックス層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、この積層体の側面に露出する内部電極が１層おきに対向電極となるように絶縁物で絶縁した上に外部電極を有する積層型圧電セラミックス素子において、前記絶縁物が、絶縁樹脂、ガラス、セラミックスのうち、少なくとも２種以上の混合体からなる絶縁物であることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、圧電セラミックス層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、この積層体の側面に露出する内部電極が１層おきに対向電極となるように絶縁物で絶縁した上に外部電極を有する積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記絶縁部の形成をペースト状に加工された絶縁材をディスペンサーで塗布する工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記絶縁部の形成を粉体のガス・デポジション法またはエアロゾルガスジェット・デポジション法で行なう工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法が得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、前記積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記内部電極と前記外部電極が対向する部分とその近傍にのみ絶縁層の形成を行なう工程や、複数のノズルやマスクを用いて複数の絶縁層を同時に形成する工程、前述の絶縁物を形成する工法を外部電極の形成にも適用した工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明における積層型圧電セラミックス素子の一実施の形態の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面の部分拡大図である。
【００１８】
図１および図２に示すように、本発明の積層型圧電セラミックス素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、或いはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３を主成分とする複数の圧電セラミックス層１と複数の内部電極層２とを交互に積層してなる積層体の少なくとも２つの側面において、表面に露出する内部電極層２の端部を対向電極となるように絶縁層４を形成し、露出している内部電極層２の端部は外部電極３と接続されており、アクチュエータ本体の上下に、複数の圧電体からなる不活性層５と、分極および外部と電気的接続を行うためのリード線６から構成されている。リード線を通じて圧電セラミックスの分極方向に電界をかけると図１の変位方向７ａ、７ｂに示す方向に変位が生じ、また変位方向７ａ、７ｂに示す方向に応力を加えると電圧が生じる。
【００１９】
図２において、絶縁層４はエポキシ系絶縁樹脂、硼珪酸ガラス、アルミナセラミックス、チタン酸ジルコン酸鉛セラミックスのうちの２種以上の混合体で形成されている。
【００２０】
図３は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の製造方法である、ディスペンサーを用いた絶縁部形成方法の一実施の形態を示した図である。まず、混合体の絶縁材の粉末を有機バインダーおよび溶剤ともに混練しペースト化する。次に、その絶縁材ペーストをグラフテック株式会社製マイクロディスペンサを用いて積層型圧電セラミックス素子の表面に露出した内部電極２の上に平均線幅５０μｍ幅で図３の矢印Ｂ方向に走査し、直接描画して絶縁ペースト層４’を形成する。その後、積層型圧電セラミックス素子ごと加熱処理し絶縁部を固体化する。この場合の絶縁材は、アクリル系絶縁樹脂、硼珪酸ガラス、アルミナセラミックスの混合体を用いればよい。
【００２１】
絶縁材形成方法がガス・デポジション法またはエアロゾルガスジェット・デポジション法の場合には、絶縁体粉末を直接積層型圧電セラミックス素子の内部電極の上に吹き付けて絶縁粉末層を形成し、その後５００℃程度の熱処理で粉末を固体化し絶縁層を形成できる。ガス・デポジション法またはエアロゾルガスジェット・デポジション法での絶縁部形成の場合、実施の形態の図面は図３と同様なので省略した。
【００２２】
また、前述のディスペンサー塗布方法やデポジション形成方法では、ノズルの走査距離により、絶縁層の長さの調節が可能で、外部電極と対向する内部電極上とその近傍に絶縁層を容易に形成できる。さらに、内部電極の間隔で複数のノズルを設けることにより、同時に複数の絶縁層の形成が可能である。
【００２３】
図４は、絶縁層に圧電セラミックスを適用した場合の積層型圧電セラミックス素子の駆動状態を示した断面の部分拡大図である。電圧の印加により積層型圧電セラミック素子が矢印９ａ方向に変位した場合、外部電極の下の絶縁部の圧電セラミックスが矢印９ｂ方向に変位するため、絶縁層による積層型圧電セラミックス素子の変位の拘束力が小さくなるという利点が得られる。
【００２４】
図６に、従来構造の積層型圧電セラミックス素子を示した。同一外形寸法で、本実施の形態と従来例で絶縁層による変位の拘束量の影響を電圧印加時の変位量で比較した結果を表１に示した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１から、本実施の形態の積層型圧電セラミックス素子は、従来例に比べて、変位量が１０％大きくなり、本実施の形態の絶縁層は変位の拘束力が小さいことが分かる。
【００２７】
図５は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の製造方法の応用例で、任意の内部電極上に絶縁層を形成した場合の実施の形態を示した図である。本発明の製造方法を用いれば、従来では積層工程でしか形成できなかった応力緩和のための圧電不活性部１０やリード線取り出しのための圧電不活性部１１が絶縁層形成の工程で任意にできる。従って、多品種少量の積層型圧電セラミックス素子の生産が可能である。
【００２８】
前述したディスペンサーおよびデポジション法において、銀粉末等の金属粉末を用いると導体層を描画する事も容易であり、本積層型圧電セラミックス素子の外部電極の形成工程に適用することが出来る。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、絶縁層の形成をディスペンサーやガス・デポジション法で直接描画できるので、その効果は絶縁材の種類を広げ、セラミックスに与えるダメージを抑え、変位の拘束も小さくし、積層構造に左右されず任意の場所に絶縁層を形成でき、多品種少量生産を可能とする積層型圧電セラミックス素子とその製造方法の提供が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電セラミックス素子の一実施の形態の斜視図。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ’線断面の部分拡大図。
【図３】図３は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の製造方法である、ディスペンサーを用いた絶縁部形成方法の一実施の形態を示す図。
【図４】絶縁層に圧電セラミックスを適用した場合の積層型圧電セラミックス素子の駆動状態を示した断面の部分拡大図。
【図５】本発明の積層型圧電セラミックス素子の製造方法の応用例で、任意の内部電極上に絶縁層を形成した場合の実施の形態を示す図。
【図６】従来構造の積層型圧電セラミックス素子を示す図。
【符号の説明】
１　　圧電セラミックス層
２　　内部電極層
３　　外部電極
４　　絶縁層
４’　　絶縁ペースト層
５　　不活性層
６　　リード線
７ａ，７ｂ　　変位方向
８　　ディスペンサノズル
９ａ，９ｂ　　変位方向
１０　　応力緩和の為の圧電不活性部
１１　　リード線取り出しのための圧電不活性部

Claims

圧電セラミックス層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、該積層体の側面に露出する内部電極が１層おきに対向電極となるように絶縁物で絶縁した上に外部電極を有する積層型圧電セラミックス素子において、前記絶縁物が、絶縁樹脂、ガラス、セラミックスのうち、少なくとも２種以上の混合体からなる絶縁物であることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子。
圧電セラミックス層が３層以上と内部電極層が２層以上となるよう積層した積層体で、該積層体の側面に露出する内部電極が１層おきに対向電極となるように絶縁物で絶縁した上に外部電極を有する積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記絶縁部の形成をペースト状に加工された絶縁材をディスペンサーで塗布する工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。
請求項２記載の積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記絶縁部の形成を粉体のガス・デポジション法またはエアロゾルガスジェット・デポジション法で行う工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。
請求項２または３に記載の積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、前記内部電極と前記外部電極が対向する部分とその近傍にのみ絶縁層の形成を行なう工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。
請求項２または３に記載の積層型圧電セラミックス素子の製造方法において、複数のノズルやマスクを用いて複数の絶縁層を同時に形成する工程を特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。
請求項２または３に記載の積層型圧電セラミックス素子の製造方法を用いて、外部電極層を形成したことを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。