特許 6323863 圧電素子、圧電アクチュエータおよび圧電素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6323863

(24)【登録日】2018年4月20日

(45)【発行日】2018年5月16日

(54)【発明の名称】圧電素子、圧電アクチュエータおよび圧電素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/083 20060101AFI20180507BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20180507BHJP

   H01L 41/273 20130101ALI20180507BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20180507BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/083

   H01L41/187

   H01L41/273

   H01L41/09

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-265919(P2013-265919)

(22)【出願日】2013年12月24日

(65)【公開番号】特開2015-122438(P2015-122438A)

(43)【公開日】2015年7月2日

【審査請求日】2016年10月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(72)【発明者】

【氏名】森 喜彦

(72)【発明者】

【氏名】稲田 豊

(72)【発明者】

【氏名】松本 匡史

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１９１７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−００２４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９７２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７２０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０６７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０９５７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／０８３

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０１Ｌ ４１／２７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電体層および内部電極層が交互に積層された圧電素子であって、
内部電極層および前記内部電極層により挟まれた圧電体層で形成され、前記内部電極層の積層方向への投影が重なる領域として形成された活性部と、
前記活性部の側面方向および端面方向の周囲に設けられ、圧電体層の焼結密度が前記活性部の圧電体層の焼結密度に対して９４％以上９７％以下の不活性部と、を備え、
前記内部電極層は、Ｐｄに対するＡｇのモル比が０．８以上１．０以下であるＡｇ／Ｐｄからなり、前記活性部および不活性部の圧電体層は、ＰＺＴに対するＰＺＮのモル比が０．１以上０．３以下であるＰＺＴ−ＰＺＮ系材料からなることを特徴とする圧電素子。

【請求項2】

請求項１記載の圧電素子を直列に連結して構成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。

【請求項3】

超音波モータ素子として、積層面上で前記内部電極が４区分に分けて形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。

【請求項4】

圧電体層および内部電極層が交互に積層された圧電素子の製造方法であって、
Ｐｄに対するＡｇのモル比が０．８以上１．０以下であるＡｇ／Ｐｄの電極ペーストを印刷したＰＺＴ−ＰＺＮ系材料のグリーンシートを積層することで成形体を作製する工程と、
前記印刷された電極ペーストが内部電極層を形成し、ＰＺＴに対するＰＺＮのモル比が０．１以上０．３以下であるＰＺＴ−ＰＺＮ系材料が圧電体層を形成するように前記成形体を焼成する工程と、を含み、
前記焼成工程では、内部電極層の積層方向への投影が重なる領域を活性部、前記活性部の側面方向および端面方向の周囲に設けられた領域を不活性部としたとき、前記成形体を、前記活性部の圧電体層の焼結密度に対する前記不活性部の圧電体層の焼結密度が９４％以上９７％以下になるように焼成温度を制御することを特徴とする圧電素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子、これを用いた圧電アクチュエータおよび圧電素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

積層型の圧電素子は、電圧印加により積層方向（分極方向）へ伸びるが、面方向へは縮む。この際に、圧電素子の両端面の保護層や側面の電極隠し構造部分を含め、不活性部は変形せず、内部電極で挟まれた活性部のみ変形することになる。このような圧電素子を繰返し駆動すると、活性部と不活性部の境界に応力が集中しクラックが入って故障が発生しうる。

【0003】

これに対し、特許文献１記載の圧電素子は、圧電層だけからなる電極層のない領域（電極層が形成されていない圧電層による領域）として形成された非電極部の密度が、圧電層と電極層とを重ねた領域（圧電層上に電極層が形成された領域）として形成された電極部の密度の９４％以上、９７％以下となるように形成されている。適切な焼成温度を決定することで、このような構造を形成し、電極部と非電極部との境界でのクラックの抑制を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１９１７３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記のような圧電素子は、活性部と不活性部の境界に応力が集中するのを防止しているものの、焼結助剤を添加し低温で焼結していることから絶縁性に難があり、必ずしも高い圧電特性を発揮できない。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高い圧電特性を有し、繰返しの駆動により、活性部と不活性部の境界に集中する応力を緩和し、クラックが生じる故障を防止するとともに、大きい変位を可能にする圧電素子、圧電アクチュエータおよび圧電素子の製造方法を提供することができることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電体層および内部電極層が交互に積層された圧電素子であって、内部電極層および前記内部電極層により挟まれた圧電体層で形成され、前記内部電極層の積層方向への投影が重なる領域として形成された活性部と、前記活性部の側面方向および端面方向の周囲に設けられ、圧電体層の焼結密度が前記活性部の圧電体層の焼結密度に対して９４％以上９７％以下の不活性部と、を備え、前記内部電極層は、ＡｇまたはＡｇ／Ｐｄからなり、前記活性部および不活性部の圧電体層は、ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料からなることを特徴としている。

【0008】

これにより、高い圧電特性を有し、繰返しの駆動により活性部と不活性部の境界に集中する応力を緩和し、クラックが生じる故障を防止するとともに、大きい変位を可能にする。

【0009】

（２）また、本発明の圧電素子は、前記ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料は、ＰＺＴに対するＰＺＮのモル比が０．１以上０．３以下であることを特徴としている。これにより、活性部に対して所定の焼結密度比を有する不活性部を形成しやすくなる。

【0010】

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子を直列に連結して構成されることを特徴としている。これにより、圧電特性が高く、不活性部にクラックを生じ難い圧電素子で圧電アクチュエータを構成できる。

【0011】

（４）また、本発明の超音波モータ素子は、超音波モータ素子として、積層面上で前記内部電極が４区分に分けて形成されていることを特徴としている。これにより、圧電特性が高く、不活性部にクラックを生じ難い超音波モータ素子を構成できる。

【0012】

（５）また、本発明の圧電素子の製造方法は、圧電体層および内部電極層が交互に積層された圧電素子の製造方法であって、ＡｇまたはＡｇ／Ｐｄの電極ペーストを印刷したＰＺＴ−ＰＺＮ系材料のグリーンシートを積層することで成形体を作製する工程と、前記印刷された電極ペーストが内部電極層を形成し、ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料が圧電体層を形成するように前記成形体を焼成する工程と、を含み、前記焼成工程では、内部電極層の積層方向への投影が重なる領域を活性部、前記活性部の側面方向および端面方向の周囲に設けられた領域を不活性部としたとき、前記成形体を、前記活性部の圧電体層の焼結密度に対する前記不活性部の圧電体層の焼結密度が９４％以上９７％以下になるように焼成温度を制御することを特徴としている。

【0013】

これにより、高い圧電特性を有し、繰返しの駆動により活性部と不活性部の境界に集中する応力を緩和し、クラックが生じる故障を防止するとともに、大きい変位を可能にする圧電素子を製造できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、圧電素子は、高い圧電特性を有し、繰返しの駆動により活性部と不活性部の境界に応力が集中するのを防止するとともに、大きい変位を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】本発明の圧電素子を示す側断面図である。

【図1B】本発明の圧電素子を示す平断面図である。

【図1C】本発明の圧電素子を示す平断面図である。

【図1D】活性部と不活性部とを示す平面図である。

【図1E】活性部と不活性部とを示す側面図である。

【図2】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。

【図3】本発明の超音波モータ素子を示す斜視図である。

【図4】超音波モータ装置の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【0017】

（圧電素子）
図１Ａは、圧電素子１００を示す側断面図、図１Ｂ、１Ｃは、圧電素子１００を示す平断面図である。圧電素子１００は、圧電体層１１０および内部電極層１２０ａ、１２０ｂが交互に積層されて形成されており、内部電極層１２０ａ、１２０ｂにそれぞれ接続される外部電極１２５ａ、１２５ｂを備えている。圧電素子１００は、外部電極１２５ａ、１２５ｂを介して隣り合う内部電極層１２０ａ、１２０ｂに異なる電圧を印加することで伸縮する。

【0018】

図１Ｄ、図１Ｅは、それぞれ活性部１３０と不活性部１４０とを示す平面図および側面図である。圧電素子１００は、活性部１３０と不活性部１４０とに領域を区分することができる。活性部１３０は、内部電極層および内部電極層により挟まれた圧電体層で形成され、内部電極層の積層方向への投影が重なる領域として形成されている。不活性部１４０は、活性部の側面方向および端面方向の周囲に設けられ、圧電体層の焼結密度が活性部の圧電体層の焼結密度に対して９４％以上９７％以下であることから活性部に対して剛性が低い。これにより、繰返しの駆動により、活性部と不活性部の境界に集中する応力を緩和し、クラックが生じる故障を防止できる。なお、不活性部１４０は、電極隠し構造により設けられた側面表層部分だけでなく、積層方向の両端面に設けられたいわゆる保護層も含む。

【0019】

活性部１３０および不活性部１４０の圧電体層１１０には、ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料が用いられている。ＰＺＴ−ＰＺＮは、ｘＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３−（ｘ−１）Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３で表される材料である。これにより、高い圧電特性を発揮できる。所定の温度で圧電体層の焼結密度が活性部の圧電体層の焼結密度に対して９４％以上９７％以下となるように焼結させるには、０．７≦ｘ≦０．９であることが好ましい。すなわち、圧電素子１００は、ＰＺＴに対するＰＺＮのモル比が０．１以上０．３以下となる組成を有していることが好ましい。なお、ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料を用いることで、主成分とする結晶粒子の隙間にＺｎ元素が偏在する粒界が形成され、１０５０℃以下の低温においても焼結性が向上する。

【0020】

（圧電素子の製造方法）
上記のように構成された圧電素子１００の製造方法を説明する。まず、圧電体層１１０の材料としてＰＺＴ−ＰＺＮ系材料を用いて成形体を作製する。ＰＺＴ−ＰＺＮ系材料は、ｘＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３−（ｘ−１）Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３で表され、０．７≦ｘ≦０．９となるように材料を混合することが好ましい。このようなＰＺＴ−ＰＺＮ系材料は、低温焼成圧電材料であり、８５０℃以上１０５０℃以下で焼成することで、活性部１３０の圧電体層１１０の焼結密度に対する不活性部１４０の圧電体層１１０の焼結密度が９４％以上９７％以下になる。

【0021】

このような圧電体層１１０の材料でグリーンシートを成形し、シート上に内部電極層１２０ａ、１２０ｂの材料としてＡｇまたはＡｇ／Ｐｄの電極ペーストを印刷する。Ｐｄに対してＡｇがモル比で０．８以上１．０以下含まれる電極ペーストを用いる。これにより、焼成時にＡｇの効果により、ＡｇまたはＡｇ／Ｐｄの内部電極層１２０ａ、１２０ｂに圧電体層１１０が挟まれた活性部１３０が十分に焼結し、ＡｇまたはＡｇ／Ｐｄの内部電極層１２０ａ、１２０ｂに挟まれていない不活性部１４０の焼結密度がその９４％以上９７％以下となる。一方、上記組成の範囲であれば、焼成時に電極が溶け出すのを防止できる。得られたシートは、積層してプレスし成形体を作製する。なお、焼成温度が比較的に高い場合には内部電極１２０ａ、１２０ｂの材料にＰｄを含むことが好ましい。

【0022】

成形体を、上記の温度範囲で温度コントロールして焼成する。そして、得られた圧電素子１００を分極する。このようにして作製した圧電素子１００は不活性部１４０の剛性が活性部１３０の剛性に対して低いので、両者間に生じる応力を緩和でき、クラックによる故障を低減できる。また、不活性部１４０が活性部１３０の変位を阻害しないため、大きい変位量が得られる。

【0023】

（圧電アクチュエータ）
図２は、圧電アクチュエータ２００を示す断面図である。圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ本体２０５、シム板２３１、半球２３０、座２４０およびキャップ２６０により構成される。

【0024】

圧電アクチュエータ本体２０５は、複数の圧電素子１００、リード部材２０８で構成されている。複数の圧電素子１００は、圧電素子１００同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。圧電素子１００では、活性部１３０に対しその側面方向および端面方向の周囲に形成される不活性部１４０の焼結密度は、９４％以上９７％以下であることから活性部１３０に対して剛性が低い。これにより、圧電特性が高く、不活性部１４０にクラックを生じ難い圧電素子１００で圧電アクチュエータ２００を構成できる。

【0025】

圧電アクチュエータ本体２０５は、一端にシム板２３１および半球２３０を有し、他端は底部として座２４０に接着されており、多連化された圧電素子１００に電圧が印加されることで伸縮する。

【0026】

リード部材２０８は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１００の両側面に形成された外部電極１２５ａに接着されている。一対のリード部材２０８は、座２４０において一対の端子２５０に接続されている。

【0027】

シム板２３１は、圧電アクチュエータ本体２０５の変位側の端部に接着されており、半球２３３は、シム板２３１上に接着されている。キャップ２６０は、金属製であり、円筒形に形成され、圧電アクチュエータ本体２０５、シム板２３１、半球２３３に被さって、これらを収容した状態で座２４０に封止されている。

【0028】

座２４０は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体２０５の他端を支持している。座２４０は、キャップ２６０の開口端が接合される。座２４０には、外部から端子２５０が挿通されている。

【0029】

（超音波モータ素子）
図３は、超音波モータ素子３００を示す斜視図である。超音波モータ素子３００は、圧電セラミクスから形成されており、分極方向は、図３に示す座標軸のｚ軸方向に一致している。また、超音波モータ素子１が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、ｘ軸と平行であり、超音波モータ素子１のｘ軸方向の長さはＬである。また、超音波モータ素子１が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、ｙ軸と平行であり、超音波モータ素子１のｙ軸方向の長さ（厚さ）はｄである。

【0030】

第一次縦振動は、超音波モータ素子３００の長手方向（ｘ軸方向）に伸縮を繰り返すことにより生ずる。第二次屈曲振動は、超音波モータ素子１の厚さ方向（ｙ軸方向）に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成（縮退）することにより、超音波モータ素子３００に設けられたチップ３０２が楕円運動をし、駆動力が生ずる。

【0031】

ｄ／Ｌの値は実質的に０．６である。そのため、長手方向の長さが小さくなり、小型化を図ることができる。また、肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。

【0032】

図４は、超音波モータ装置４００の概略構成を示す図である。超音波モータ素子３００は、矩形に形成され、一方の主面を４分割するように、互いに対角に対向する一組の積層電極３０４ａと一組の積層電極３０４ｂが設けられている。各積層電極３０４ａ、３０４ｂは、積層方向に隣り合う電極の一方が接地されている。これらの積層電極３０４ａ、３０４ｂは、互いに絶縁された状態で個別に設けられた後、互いに対角に位置する各積層電極３０４ａ、３０４ｂの接地されていない電極が、接続部３０４ｃ、３０４ｄによってそれぞれ相互に電気的に接続されており、２組の積層電極３０４ａ、３０４ｂを構成している。

【0033】

この２組の積層電極３０４ａ、３０４ｂにより構成される４区分について形成される活性部に対しその側面方向および端面方向の周囲に形成される不活性部の焼結密度は、９４％以上９７％以下であることから活性部１３０に対して剛性が低い。これにより、超音波モータ素子の不活性部にクラックを生じ難くすることができる。

【0034】

また、超音波モータ装置４００は、交流電源４０５と、スイッチング部４０６とを備えている。交流電源４０５からは、超音波モータ装置４００に長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動を励起させる周波数の正弦波電圧が出力される。スイッチング部４０６は、超音波モータ装置４００を駆動する際には、積層電極３０４ａと積層電極３０４ｂのいずれか一方のうちの接地されていない電極に交流電源４０５から出力される電圧を印加する。

【0035】

このように、超音波モータ素子３００の積層電極３０４ａ、３０４ｂのいずれか一方に対して交流電圧が印加されると、超音波モータ素子３００には、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、これらの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成（縮退）され、超音波モータ素子３００の摺動チップ３０２には楕円振動が発生し、被駆動体４１５が駆動される。

【符号の説明】

【0036】

１００ 圧電素子
１１０ 圧電体層
１２０ａ 内部電極層
１２５ａ 外部電極
１３０ 活性部
１４０ 不活性部
１６０ キャップ
２００ 圧電アクチュエータ
２０５ 圧電アクチュエータ本体
２０８ リード部材
２３０ 半球
２３１ シム板
２３３ 半球
２４０ 座
２５０ 端子
２６０ キャップ
３００ 超音波モータ素子
３０２ チップ
３０２ 摺動チップ
３０４ａ、ｂ 積層電極
３０４ｃ、ｄ 接続部
４００ 超音波モータ装置
４０５ 交流電源
４０６ スイッチング部
４１５ 被駆動体

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】

【図3】

【図4】