JP2003008092A - 積層型圧電素子とその製造方法ならびに積層型圧電素子用封止材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子の大型化と製造コストの高騰を回避しつ
つ、耐久性、信頼性を高めた積層型圧電素子とその製造
方法、積層型圧電素子に用いられる封止材料を提供す
る。 【解決手段】 積層型圧電素子の一実施形態である圧電
アクチュエータ１０は、圧電セラミックス１１と内部電
極１２とが交互に積層され、隣り合う圧電セラミックス
１１には互いに逆向きとなる電界が内部電極１２を介し
て印加されることによって圧電セラミックス１１に変位
が生ずる。圧電アクチュエータ１０の側面の略全体をガ
ラスで被覆することで耐湿性を向上させて、信頼性、耐
久性を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、位置決め
装置や振動発生装置等に用いられる積層型圧電アクチュ
エータや、所定電圧の昇圧等に用いられる圧電トランス
等の積層型圧電素子とその製造方法、積層型圧電素子に
用いられる封止材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型の圧電アクチュエータは、サブミ
クロンオーダーでの変位量の調節が可能であり、また、
電気信号に対する応答性が速く、発生力が大きいことか
ら、例えば、Ｘ−Ｙステージ等の精密位置決め装置に用
いられている。図６の断面図に示すように、積層型の圧
電アクチュエータ９０は、一般的に、圧電セラミックス
９１と内部電極９２とが交互に積層され、隣り合う圧電
セラミックス９１には互いに逆向きとなる電界が内部電
極９２を介して印加されるように、内部電極９２が一層
おきに外部電極９３ａ・９３ｂに接続された構造を有す
る。

【０００３】また、外部電極９３ａ・９３ｂには、はん
だ付け等によってリード線９４ａ・９４ｂが取り付けら
れており、圧電セラミックス９１と内部電極９２とから
なる積層体９５の側面（圧電セラミックス９１の積層方
向に平行な面をいう）は耐湿性に優れる樹脂９６により
被覆されている。樹脂９６は圧電アクチュエータ９０の
使用環境下における水蒸気から、積層体９５や外部電極
９３ａ・９３ｂを保護する役割を果たす。このような圧
電アクチュエータ９０において、リード線９４ａ・９４
ｂを介して所定の電圧を圧電セラミックス９１に印加す
ると、圧電セラミックス９１に伸縮変位が発生する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、樹脂９
６を用いた積層体９５の被覆方法では、長期間の使用や
過酷な温湿度環境下において、空気中に含まれる水蒸気
が樹脂９６を通して積層体９５の側面に入り込んで側面
放電を引き起こす問題がある。また、一般的に、内部電
極９２としては、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）電極
が用いられ、外部電極９３ａ・９３ｂには銀電極が用い
られるために、積層体９５の側面に入り込んだ水蒸気に
よって銀がマイグレーションを起こして圧電アクチュエ
ータ９０の絶縁抵抗が低くなり、絶縁破壊を起こす問題
がある。このように、従来の樹脂９６による積層体９５
の側面の被覆には、信頼性や耐久性の面で問題がある。

【０００５】このような問題を解決するために、積層体
９５を金属管の内部に密閉封入する方法も用いられてい
る。しかし、金属管を用いた場合には、圧電アクチュエ
ータの大きさが極端に大きくなる問題がある。また、金
属管を密閉するために溶接作業が必要となり、さらに、
リード線を金属管から取り出す部分にはハーメチックシ
ールが必要となる等、製造工程が複雑となり、製造コス
トが嵩んで、製品価格が高くなる問題がある。

【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、素子の大型化と製造コストの高騰を回避し
つつ、耐久性、信頼性を高めた積層型圧電素子とその製
造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、
このような積層型圧電素子に好適に用いられる封止材料
を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、圧電セラミックスと電極とが交互に積層され、隣り
合う圧電セラミックスには互いに逆向きとなる電界が印
加されることによって前記圧電セラミックスに変位が生
ずる積層型圧電素子であって、前記積層型圧電素子の側
面の略全体がガラスで被覆されていることを特徴とする
積層型圧電素子、が提供される。

【０００８】ここで、「前記積層型圧電素子の側面」と
は圧電セラミックスと電極の積層方向に平行な面をい
う。また、「前記積層型圧電素子の側面の略全体がガラ
スで被覆されている」とは、少なくとも積層型圧電素子
において圧電セラミックスが変位を起こす部分（圧電セ
ラミックスを挟む電極を含む）の側面はガラスで被覆さ
れている必要があるが、例えば、積層型圧電素子の積層
方向端に設けられる圧電不活性な保護層の側面は必ずし
もガラスで被覆されている必要がないことや、積層型圧
電素子の側面にリード線を取り付ける場合には、その取
り付け位置を確保するために積層型圧電素子の側面にガ
ラス被膜が形成されていない部分が設けられることが許
容されることを意味する。

【０００９】積層型圧電素子の側面に形成されたガラス
の被膜には独立気泡が略均一に分散していることが好ま
しい。また、このガラスの被膜には結晶性粉末が略均一
に分散していることが好ましい。このような複合構造を
有するガラスを用いることによって、ガラスの耐久性を
高めることができる。ガラスとしては、アルカリ金属成
分の含有量が１００ｐｐｍ以下の低融点ガラスが好適に
用いられる。アルカリ金属成分の含有量を小さくするこ
とで絶縁抵抗を高くすることができる。また、低融点ガ
ラスを用いることで低い温度での焼成が可能となる。低
融点ガラスとしては、ホウケイ酸ガラス、ホウ酸ガラ
ス、鉛ケイ酸ガラスまたはリン酸塩ガラスを挙げること
ができる。ガラスの熱膨張率は、圧電セラミックスの熱
膨張率の１．５倍以上４倍以下であることが好ましい。
この場合には、焼成によってガラスの被膜が形成された
後の降温時にガラスに圧縮応力が掛かるため、ガラスの
耐久性が高められる。さらにまた、ガラスの被膜を覆う
ように樹脂被膜を形成すると、より耐湿性を向上させる
ことができる。

【００１０】本発明によれば、このような積層型圧電素
子の製造方法、すなわち、積層型圧電素子の製造方法で
あって、圧電セラミックスと電極とが交互に積層された
積層体を作製する第１工程と、前記積層体の側面の所定
位置に前記電極と導通する一対の外部電極を形成する第
２工程と、前記積層体の側面の略全体にガラスペースト
を塗布して塗布膜を形成する第３工程と、前記塗布膜が
形成された積層体を加熱処理してガラス被膜を形成する
第４工程と、を有することを特徴とする積層型圧電素子
の製造方法、が提供される。

【００１１】ガラスペーストとして、一度溶融したガラ
スを粉砕して作製したガラス粉末と結晶性粉末とが均一
に混合されたものを用いることによって、結晶性粉末が
均一に分散したガラス被膜を得ることができる。また、
ガラスペーストとして、一度溶融したガラスを粉砕して
作製したガラス粉末と焼成によって気泡を発生させる物
質の粉末とが均一に混合されたものを用いることによっ
て、独立気泡が均一に存在するガラス被膜を得ることが
できる。独立気泡と結晶性粉末を同時にガラス被膜に分
散させることも可能である。第４工程では、ガラスペー
ストに含まれるガラスの軟化点と融点との間の温度で焼
成を行うと、良好なガラス被膜を形成することができ
る。

【００１２】さらに、本発明によれば、上述した本発明
の積層型圧電素子に用いられる封止材料、すなわち、圧
電セラミックスと電極とが交互に積層され、前記圧電セ
ラミックスに電界を印加することによって前記圧電セラ
ミックスに変位が生ずる積層型圧電素子を被覆する積層
型圧電素子用封止材料であって、アルカリ金属成分の含
有量が１００ｐｐｍ以下の低融点ガラスからなることを
特徴とする積層型圧電素子用封止材料、が提供される。

【００１３】従来は、積層型圧電素子の側面の略全体を
ガラスで被覆することは、ガラスが圧電セラミックスの
変位を抑制し、積層型圧電素子の特性を低下させること
や、積層型圧電素子の伸縮変位にガラスが追従できずに
ガラスにクラックが生じること等を理由に、行われてい
なかった。しかし、本発明のように、積層型圧電素子の
側面の略全体をガラスで被覆する際の条件を適切なもの
とすることにより、積層型圧電素子の変位特性を劣化さ
せることなく耐湿性を向上させて、信頼性と耐久性を高
めることが可能となる。また、この場合には、金属管を
用いる必要がないために積層型圧電素子の大型化をも回
避することができる。さらに、積層型圧電素子を樹脂で
被覆した場合と比較しても、ガラスペーストの塗布とそ
の焼成という工程が増えるものの、製造コストはほとん
ど高くならない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、積層型圧電素子の一形態である積層型圧電アクチュ
エータを例に説明することとする。図１は圧電アクチュ
エータ１０の概略構造を示す断面図である。圧電アクチ
ュエータ１０は、圧電セラミックス１１と内部電極１２
とが交互に積層され、隣り合う圧電セラミックス１１に
は互いに逆向きとなる電界が内部電極１２を介して印加
されるように、内部電極１２は１層おきに外部電極１３
ａ・１３ｂに接続された構造を有する。

【００１５】圧電セラミックス１１と内部電極１２から
なる積層体１５において、内部電極１２によって挟まれ
た圧電セラミックス１１は、内部電極１２に電圧を印加
した際に圧電セラミックス１１が有する圧電定数の大き
さや電界の大きさに依存して変位を生ずる圧電活性部２
１となる。圧電セラミックス１１としては、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（略称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１２としては、後述する
ように積層体１５が同時焼成法によって好適に作製され
るために、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）電極が好適
に用いられる。

【００１６】一方、積層体１５の積層方向端は、内部電
極１２によって挟まれていないために内部電極１２に電
圧を印加しても変位を起こさない圧電不活性な保護層２
２となっている。この保護層２２は、例えば、圧電アク
チュエータ１０の端面の変位量を端面全体で一定とする
ために、また、圧電アクチュエータ１０を各種装置へ組
み込む際の便宜を考慮して、必要に応じて設けられる。

【００１７】積層体１５の側面（圧電セラミックス１１
の積層方向に平行な面をいう）の略全体にはガラス被膜
１６が形成されている。保護層２２の側面には外部電極
１３ａ・１３ｂがガラス被膜１６によって被覆されてい
ない部分が形成されており、この部分にリード線１４ａ
・１４ｂがはんだ付け等によって取り付けられている。
また、ガラス被膜１６を被覆するように樹脂被膜１７が
形成されている。

【００１８】圧電アクチュエータ１０において、ガラス
被膜１６は少なくとも圧電活性部２１の側面を被覆する
ように形成する。ガラスは大気中の水蒸気を透過させな
いために、このガラス被膜１６によって圧電活性部２１
の側面および内部への水蒸気の浸透が防止される。こう
して、圧電アクチュエータ１０では、積層体１５の側面
での短絡（側面放電）の発生が防止され、また、内部電
極１２に含まれる銀のマイグレーションによる絶縁抵抗
の低下が抑制されるために、信頼性と耐久性を高めるこ
とができる。

【００１９】圧電活性部２１の側面および内部への水蒸
気の浸透を防止する観点からは、保護層２２をも含めた
積層体１５の側面全体を被覆するように、ガラス被膜１
６を形成することが好ましい。ガラス被膜１６を被覆す
るように樹脂被膜１７を設けることで、積層体１５への
水蒸気の浸透をさらに抑制して、信頼性と耐久性を高め
ることができる。

【００２０】なお、リード線１４ａ・１４ｂを保護層２
２の側面において外部電極１３ａ・１３ｂに取り付ける
ことが好ましい。これは、保護層２２は伸縮変位を起こ
さないためにリード線１４ａ・１４ｂが外れ難く、ま
た、リード線１４ａ・１４ｂの取付部分が圧電活性部２
１の変位を阻害しないからである。

【００２１】ガラス被膜１６には、例えば、アルミナ
（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ _２）チタニア（Ｔ
ｉＯ_２）、石英（ＳｉＯ_２）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ
_３）、ケイ酸ジルコニウム（ＺｒＯ_２−ＳｉＯ_２）、コ
ージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５Ｓｉ
Ｏ_２）、圧電セラミックス１１と同等組成の圧電セラミ
ックス粉末等の結晶性粉末を略均一に分散させることが
好ましく、ガラス被膜１６が結晶性粉末を含まない場合
よりも耐久性を高めることができる。また、これらの結
晶性粉末はガラス被膜１６の熱膨張率を小さくして、ガ
ラス被膜１６の熱膨張率を圧電セラミックス１１の熱膨
張率に近づける役割も果たす。ガラス被膜１６には独立
気泡を略均一に分散させることも好ましく、この場合に
は、さらに耐久性を高めることができる。ガラス被膜１
６に独立気泡を略均一に分散させつつ、さらに、結晶性
粉末を略均一に分散させることも可能である。

【００２２】ガラス被膜１６に結晶性粉末や独立気泡を
分散させることによる耐久性向上の原因は明らかではな
いが、圧電アクチュエータ１０を駆動すると圧電活性部
２１の伸縮変位によってガラス被膜１６には応力が掛か
り、この応力によってガラス被膜１６にクラックが発生
し易くなるが、独立気泡や結晶性粉末は、この応力を緩
和してクラックの発生を防止する効果があるものと推測
される。

【００２３】ガラス被膜１６としては、アルカリ金属成
分の含有量が１００ｐｐｍ以下の低融点ガラスを用いる
ことが好ましい。アルカリ金属成分の含有量が多いと、
ガラス被膜１６の絶縁抵抗が低くなり、また、アルカリ
金属成分が外部電極１３ａ・１３ｂ近傍に拡散して絶縁
抵抗が低くなるために、外部電極１３ａ・１３ｂ近傍で
放電が起こって短絡に至ったり、銀のマイグレーション
速度が早くなって、圧電アクチュエータ１０の平均寿命
が短くなる。本発明における低融点ガラスとは融点が９
００℃以下であるガラスを指し、例えば、ホウケイ酸ガ
ラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系）、ホウ酸ガラス（Ｂ_２Ｏ
_３系）、鉛ケイ酸ガラス（ＰｂＯ−ＳｉＯ_２系）、リン
酸塩ガラス（ＰＯ_３系）を挙げることができる。

【００２４】ガラス被膜１６の熱膨張率は、圧電セラミ
ックス１１の熱膨張率の１．５倍以上４倍以下であるこ
とが好ましい。このようにガラス被膜１６の熱膨張率が
圧電セラミックス１１の熱膨張率よりも大きい場合に
は、ガラス被膜１６が焼成によって形成されてその後に
室温に冷却されたときに、ガラス被膜１６に圧縮応力が
加わるようになるため、ガラス被膜１６の強度が大きく
なって耐久性が高められる。

【００２５】図２は圧電アクチュエータ１０を同時焼成
法（一体焼結法）によって作製する場合の概略の製造方
法を示す説明図（フローチャート）である。次に、この
図２を参照しながら圧電アクチュエータ１０の製造方法
について説明する。

【００２６】圧電アクチュエータ１０を同時焼成法によ
って作製する場合には、最初に、所定の組成を有するチ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系等の圧電セラミックス
粉末を用いて、ドクターブレード法や押出成形法等の公
知の厚膜作製方法によって、例えば、５０μｍ〜１５０
μｍ程度の所定の厚みのグリーンシートを作製する（ス
テップ１）。続いて、このグリーンシートを所定の形状
に打ち抜き加工等したものに、スクリーン印刷法等によ
って内部電極ペーストを印刷する（ステップ２）。ここ
で、グリーンシートの焼成は、一般的に１１００℃以上
の高温で行われるために、内部電極ペーストとしては、
このような高温での焼成が可能であり、かつ、安価な、
銀／パラジウムペーストが好適に用いられる。

【００２７】内部電極ペーストが印刷されたグリーンシ
ートを所定枚数積層して熱プレスにより一体化し（ステ
ップ３）、こうして一体化された積層体を所定の条件に
て焼成する（ステップ４）ことで、圧電セラミックス１
１と内部電極１２からなる積層体１５が作製される。な
お、内部電極ペーストが印刷されていないグリーンシー
トを複数枚積層することによって保護層２２を形成する
ことができる。

【００２８】内部電極１２が一層おきに導通するよう
に、積層体１５の側面の所定位置に外部電極１３ａ・１
３ｂとなる外部電極ペーストを印刷し、所定の温度で焼
成する（ステップ５）。外部電極ペーストとしては、グ
リーンシートの焼成温度よりも低い８００℃程度で焼成
が可能な銀ペーストを用いることができ、保護層２２に
延在するように外部電極ペーストを印刷しておく。

【００２９】外部電極１３ａ・１３ｂが形成されたら、
積層体１５の側面全体にガラスペーストを塗布して塗布
膜を形成する（ステップ６）。このとき、外部電極１３
ａ・１３ｂにおいて後にリード線１４ａ・１４ｂが取り
付けられる部分には、ガラスペーストを塗布しない。ガ
ラスペーストの塗布方法としては、スクリーン印刷やデ
ィッピング、刷毛塗り等の方法を用いることができ、好
ましくは、膜厚を一定とすることが容易であるスクリー
ン印刷またはディッピングを用いることが好ましい。

【００３０】スクリーン印刷や刷毛塗りによってガラス
ペーストを積層体１５に塗布する場合には、ガラスペー
ストの粘度を比較的大きくしてもよいが、ディッピング
によってガラスペーストを積層体１５に塗布する場合に
は、ガラスペーストは粘度の低いスラリー状とすること
が好ましい。

【００３１】ガラスペーストの塗布膜の厚みは、焼成後
に形成されるガラス被膜１６の機械的特性等を考慮して
定める。例えば、硬度の大きいガラスであれば、ガラス
被膜１６を薄く形成することで、ガラス被膜１６による
圧電活性部２１の変位量の低下を防止することができ
る。具体的には、３０μｍ〜３００μｍの厚みのガラス
被膜１６が得られるように、ガラスペーストの塗布膜の
厚みを調節する。

【００３２】ガラスペーストとしては、一度溶融して均
一な組成となったガラスを後に粉砕して所定の粒度分布
を有するように調整した粉末に、バインダと溶剤等を混
ぜて均一に混合したものを用いることが好ましい。ガラ
スを作製するための原料となる酸化物や金属炭酸塩等の
粉末が混合されたガラスペーストを用いて均一な組成の
ガラス被膜１６を得るためには、一般的に、焼成温度を
ガラスペーストの塗布膜が溶融する温度にまで上げる必
要がある。しかし、この場合には結果的にガラスが流れ
出し易くなるために目的とする厚みのガラス被膜１６を
得ることは困難である。一方、ガラスペーストの塗布膜
全体が溶融する温度にまで焼成温度を上げなかった場合
には、ガラスを構成する各成分の混合が起こり難いため
に均一な組成のガラス被膜を得ることが困難となる。

【００３３】ガラスペーストの焼成温度は、外部電極１
３ａ・１３ｂの焼成温度以下とする。これは、外部電極
１３ａ・１３ｂの溶融を防止するためである。本発明に
おいては、前述したように、ガラス被膜１６として、ホ
ウケイ酸ガラス、ホウ酸ガラス、鉛ケイ酸ガラスまたは
リン酸塩ガラスが好適に用いられる。例えば、ホウケイ
酸ガラスを用いる場合には、酸化鉛（ＰｂＯ）や酸化亜
鉛（ＺｎＯ）をガラス成分として添加することでガラス
の融点を下げることができ、これによってガラスペース
トの焼成温度を下げることができる。

【００３４】外部電極１３ａ・１３ｂとガラスペースト
の焼成温度が同じである場合には、これらを同時焼成す
ることも可能である。つまり、外部電極１３ａ・１３ｂ
を形成するために外部電極ペーストを所定位置に塗布し
て乾燥し、続いてガラスペーストを所定位置に塗布して
乾燥し、その後に焼成を行うことで、外部電極１３ａ・
１３ｂとガラス被膜１６とを同時形成することができ
る。

【００３５】ガラスペーストを焼成して形成されるガラ
ス被膜１６に独立気泡を分散させる場合には、ガラスペ
ーストの焼成時に焼失する発泡剤や、溶融時にガラス被
膜１６のガラス成分となる元素の炭酸塩、例えば、炭酸
水素アンモニウム（ＮＨ_４ＨＣＯ_３）や、炭酸カルシウ
ム（ＣａＣＯ_３）等をガラスペーストに添加する。ま
た、ガラスペーストを焼成して形成されるガラス被膜１
６に結晶性粉末を分散させる場合には、ガラスペースト
にその結晶性粉末を分散させておけばよい。結晶性粉末
としては、ガラスペーストの焼成時にガラスを構成する
成分となってガラスに完全に溶解することがないものを
選択することが好ましい。

【００３６】ガラスペーストの塗布膜が形成された積層
体１５を所定条件にて焼成することで、ガラスペースト
の塗布膜を焼成し、ガラス被膜１６を形成する（ステッ
プ７）。この焼成処理においては、ガラスペーストの塗
布膜を形成しているガラス粒子どうしが焼結して均一な
ガラス被膜１６が得られるように、ガラス粒子の少なく
とも表面においては流動性の高まった状態となるが、ガ
ラスペーストの塗布膜の形状が崩れてガラスが溶融して
流れ出すことがないように、焼成温度と時間を設定す
る。具体的には、ガラスペーストの塗布膜の焼成温度は
ガラスの軟化点と融点との間の温度とすることが好まし
く、これによりガラスが流れ出す程度にまでガラスを溶
融させることなく、均一なガラス被膜１６を形成するこ
とができる。

【００３７】ガラスペーストの塗布膜の焼成が終了した
後には、形成されたガラス被膜１６にサーマルショック
によるクラックが発生しないように、焼成試料の降温条
件を調整することが好ましい。また、ガラス被膜１６の
熱膨張率を圧電セラミックス１１の熱膨張率よりも大き
くすることで、降温時にガラス被膜１６に圧縮応力を発
生させてガラス被膜１６へのサーマルショックによるク
ラックの発生を防止することができる。

【００３８】ガラス被膜１６が形成されたら、外部電極
１３ａ・１３ｂが露出している部分に、リード線１４ａ
・１４ｂをはんだ付け等して取り付ける（ステップ
８）。その後さらにリード線１４ａ・１４ｂの取付部分
とガラス被膜１６とを被覆するように、樹脂被膜１７を
形成する（ステップ９）。ここで、樹脂としてはエポキ
シ樹脂等の耐湿性に優れた樹脂を用いることが好まし
い。樹脂被膜１７の形成方法としては、ディッピングや
粉体塗装法を用いることができる。最後に、リード線１
４ａ・１４ｂ間に所定の電圧を印加して圧電セラミック
ス１１を分極処理する（ステップ１０）ことで、圧電ア
クチュエータ１０を得ることができる。

【００３９】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）前述した圧電アクチュエータ１０の作製方
法に従って、まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし
た圧電セラミックス粉末にバインダと溶剤を添加して均
一に混合してスラリーを作製し、スリップキャスティン
グによって、厚み１００μｍのグリーンシートを作製し
た。

【００４０】このグリーンシートに銀／パラジウムペー
スト（内部電極ペースト）を所定のパターンで印刷して
内部電極ペーストを乾燥させた後に、最初に内部電極ペ
ーストが印刷されていないグリーンシートを１０枚積層
し、続いて内部電極ペーストが印刷されたグリーンシー
トを１００層積層し、最後に内部電極ペーストが印刷さ
れていないグリーンシートを１０枚積層して熱圧着し、
積層体を作製した。この積層体を１１００℃で２時間焼
成し、得られた焼結体に銀／パラジウムペーストを印刷
して８５０℃で１０分間焼成して外部電極を形成した。

【００４１】次に、外部電極が形成された焼結体の側面
にガラスペーストを刷毛塗りにて塗布し、その後１２０
℃で乾燥した。ここでは、一度溶融されて均一な組成と
され、アルカリ金属成分の含有量が４０ｐｐｍ以下であ
り、亜鉛と鉛を含む低融点のホウケイ酸ガラス（酸化ホ
ウ素（Ｂ_２Ｏ_３）：６ｗｔ％（重量％）、二酸化珪素
（ＳｉＯ_２）：４４ｗｔ％、酸化鉛（ＰｂＯ）：４７ｗ
ｔ％、酸化亜鉛（ＺｎＯ）：２ｗｔ％、酸化アルミニウ
ム（Ａｌ_２Ｏ_３）：１ｗｔ％）を、平均粒径が６μｍ以
下となるまで粉砕し、得られたガラス粉末と液状の粘結
剤とを重量比で４：１の割合に均一に混合したものに、
さらにこれら全体の重さに対して５ｗｔ％の重さの溶剤
を加えて粘度を調節したガラスペーストを用いた。

【００４２】ガラスペーストの作製材料であるホウケイ
酸ガラスの軟化点は６２０℃、融点は６８０℃であり、
また絶縁抵抗は１×１０^１１Ωである。また、ホウケイ
酸ガラスの熱膨張係数は３〜５×１０^−６／℃であり、
圧電セラミックスの熱膨張係数１．８×１０^−６／℃よ
りも少し大きいものを用いた。

【００４３】ガラスペーストの塗布膜が形成された積層
体を、４００℃までは６５℃／時間で昇温し、４００℃
で２時間保持した後に、２時間で６５０℃まで昇温して
１時間保持し、その後に１００℃／時間で降温して、ガ
ラス被膜を形成した。形成されたガラス被膜の厚さは約
１００μｍであった。ガラス被膜が形成された積層体に
リード線をはんだ付けして取り付け、さらに樹脂被膜を
ガラス被膜を覆うように形成した。この樹脂被膜は、エ
ポキシ樹脂を用いてディッピングにより形成し、エポキ
シ樹脂の硬化処理を８０℃で３時間行った。形成された
樹脂被膜の厚みは約１５０μｍであった。

【００４４】得られた圧電アクチュエータの分極処理
は、８０℃のシリコーン絶縁油中で３ｋＶ／ｍｍの電界
を圧電セラミックスの各層に印加することにより行い、
その後にエージングを行うことで、実施例１の圧電アク
チュエータを作製した。

【００４５】（実施例２）上述した実施例１の圧電アク
チュエータの作製方法において、樹脂被膜を形成するこ
となく、その他は実施例１の作製方法と同様にして作製
された圧電アクチュエータを実施例２の圧電アクチュエ
ータとする。

【００４６】（実施例３）実施例１の圧電アクチュエー
タの作製方法において、ガラスペーストとしてアルミナ
粉末が添加されたガラスペーストが用いられ、かつ、樹
脂被膜を形成することなく、その他は実施例１の作製方
法と同様にして作製された圧電アクチュエータを実施例
３の圧電アクチュエータとする。実施例３の圧電アクチ
ュエータに形成されたガラス被膜には、アルミナ粉末が
均一に分散していた。

【００４７】ここで、アルミナ粉末が添加されたガラス
ペーストは、実施例１の圧電アクチュエータの作製に使
用されたガラスペーストに用いられているガラス粉末と
同じガラス粉末に、平均粒径が１０μｍのアルミナ粉末
をガラス粉末の重量に対して１０ｗｔ％添加して、この
ガラス粉末とアルミナ粉末の混合物と液状の粘結剤とを
重量比で４：１の割合に均一に混合したものに、さらに
これら全体の重さに対して５ｗｔ％の重さの溶剤を加え
て粘度を調節することで作製された。

【００４８】（実施例４）実施例１の圧電アクチュエー
タの作製方法において、ガラスペーストとして炭酸水素
アンモニウム微結晶が添加されたガラスペーストが用い
られ、かつ、樹脂被膜を形成することなく、その他は実
施例１の作製方法と同様にして作製された圧電アクチュ
エータを実施例４の圧電アクチュエータとする。実施例
４の圧電アクチュエータに形成されたガラス被膜には、
微細な独立気泡が均一に分散していた。

【００４９】ここで、炭酸水素アンモニウムが添加され
たガラスペーストは、実施例１の圧電アクチュエータの
作製に使用されたガラスペーストに用いられているガラ
ス粉末と同じガラス粉末に、炭酸水素アンモニウム微結
晶をガラス粉末の重量に対して２ｗｔ％添加して、この
ガラス粉末と炭酸水素アンモニウム微結晶の混合物と液
状の粘結剤とを重量比で４：１の割合に均一に混合した
ものに、さらにこれら全体の重さに対して５ｗｔ％の重
さの溶剤を加えて粘度を調節することで作製された。

【００５０】（比較例１）上述した実施例１の圧電アク
チュエータの作製方法において、ガラス被膜および樹脂
被膜を形成していない圧電アクチュエータを比較例１と
する。

【００５１】（比較例２）上述した実施例１の圧電アク
チュエータの作製方法において、ガラス被膜を形成する
ことなく、外部電極が形成された積層体の側面に直接に
樹脂被膜を形成した圧電アクチュエータを比較例２とす
る。実施例１〜４、比較例１・２の圧電アクチュエータ
は同等のものを複数作製した。実施例１〜４と比較例１
・２の圧電アクチュエータにおける積層体の形状は、５
ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍである。

【００５２】（変位量測定）実施例１と比較例１の圧電
アクチュエータに直流電圧１５０Ｖを印加したときの変
位量はそれぞれ９μｍと１１μｍであった。また、比較
例２の圧電アクチュエータに直流電圧１５０Ｖを印加し
たときの変位量は１０μｍであった。このように、ガラ
ス被膜の形成による変位量低下は、ガラス被膜を形成せ
ずに樹脂被膜のみを形成した場合と比較しても、１０％
程度の低下にとどまり、ガラス被膜を形成することは圧
電アクチュエータの変位特性の観点から実用上支障のな
いことが確認された。

【００５３】（圧電アクチュエータの信頼性試験）図３
は実施例１と比較例２の圧電アクチュエータの信頼性試
験の結果を示す説明図（グラフ）である。ここでの信頼
性試験は、各種の圧電アクチュエータを温度８５℃、湿
度９０％に調節された恒温恒湿雰囲気に晒した状態で、
所定の大きさの直流電圧を連続して印加したときに、圧
電アクチュエータが故障に至るまでの平均故障時間（Ｍ
ＴＴＦ）を、ワイブルプロットによって算出して求める
ことで行った。この平均故障時間（ＭＴＴＦ）は、圧電
アクチュエータが故障に至るまでの平均時間であって、
圧電アクチュエータが故障に至った時間は、圧電アクチ
ュエータの絶縁抵抗の大きさが１０^６Ω以下となった時
間であると定義した。なお、実施例１では、信頼性試験
に長期を要するために、以下に示すＭＴＴＦ式によって
平均故障時間（ＭＴＴＦ）を換算して求めた。 ＭＴＴＦ＝ＭＴＴＦ_０×Ｋｔ×Ｋｖ ＭＴＴＦ_０：標準となるＭＴＴＦ値 Ｋｔ：温度による加速係数（＝１．４
^{（Ｔ０−Ｔ）／１０）}） Ｋｖ：電圧による加速係数（＝（Ｖ_０／Ｖ）^２．５） Ｔ_０：標準となる温度 Ｖ_０：標準となる電圧

【００５４】図３に示されるように、従来の積層体の側
面に樹脂被膜のみを形成した比較例２ではＭＴＴＦは１
０００時間以下であるのに対し、本発明のガラス被膜を
形成した実施例１のＭＴＴＦは２万時間から３万時間と
なっており、格段に優れた特性を示すことが確認され
た。

【００５５】（実施例の圧電アクチュエータにおけるガ
ラス被膜の耐久性試験）図４は、実施例２〜４の圧電ア
クチュエータについて、ガラス被膜の耐久性試験を行っ
た結果を示す説明図（グラフ）である。この耐久性試験
は、実施例２〜４の各圧電アクチュエータについて、各
５個合計１５個を交流電源に並列に接続して、温度２５
℃、湿度３４％の雰囲気において、周波数１００Ｈｚ、
電圧０Ｖ−１５０Ｖの正弦波交流電圧による駆動を行
い、ガラス被膜にクラックが発生するまでの時間（クラ
ックが発生するまでの振動回数）を測定することで行っ
た。

【００５６】実施例２の圧電アクチュエータでは、１５
００万回の振動で１個に、２０００万回の振動で４個に
クラックが発生した。また、実施例３の圧電アクチュエ
ータでは、１億２０００万回の振動で２個に、１億５０
００万回の振動で３個にクラックの発生が確認され、ガ
ラス被膜に結晶性粉末を含有させることで、耐久性が高
められることが確認された。さらに、実施例４の圧電ア
クチュエータでは、１０億回の振動で初めて１個のガラ
ス被膜にクラックが発生し、ガラス被膜に独立気泡を分
散させることで、さらに耐久性を高めることができるこ
とが確認された。このように、圧電アクチュエータの側
面に形成されたガラス被膜は十分な耐久性を有する。な
お、発生したクラックの幅は１μｍ〜３μｍであり、こ
のようなクラックが発生しても、なお圧電アクチュエー
タは駆動可能であり、クラックの発生に至るまでの時間
は圧電アクチュエータの使用寿命を示すものではない。

【００５７】以上、本発明の実施の形態と実施例につい
て説明したが、本発明は上記実施の形態と実施例に限定
されるものではない。例えば、上記実施の形態では、積
層型圧電アクチュエータとして、図１に示すように、一
般的に積層コンデンサ型と呼ばれる構造を挙げたが、そ
の他にも、公知の全面電極型やスリット型（応力緩和
型）といった各種構造を有する積層型圧電アクチュエー
タに本発明を適用することができることはいうまでもな
い。また、積層型圧電アクチュエータは同時焼成法によ
って作製されるものに限定されない。

【００５８】さらに本発明は、例えば、積層型圧電トラ
ンス等のその他の積層型圧電素子に適用することができ
る。図５は、一般的な積層型の圧電トランス３０の構造
を示す斜視図であり、圧電トランス３０は、長手方向の
半分が圧電セラミックス３１と内部電極３２とが交互に
積層された入力部３５ａとなっており、残りの半分が圧
電セラミックス３３からなる出力部３５ｂとなってい
る。

【００５９】内部電極３２は一層おきに入力電極３４ａ
およびアース電極３４ｂに接続され、出力部３５ｂの端
面には出力電極３４ｃが形成されている。入力部３５ａ
では、隣り合う圧電セラミックス３１の分極の向きが逆
になっており、出力部３５ｂでは、長手方向に分極が施
されている。入力電極３４ａとアース電極３４ｂとの間
に所定の交流電圧を印加して圧電トランス３０を共振振
動させることで、出力電極３４ｃとアース電極３４ｂ間
から昇圧された電圧を取り出す。

【００６０】圧電トランス３０は、裸のまま制御基板に
実装されたり、または、樹脂ケース等に収納されて制御
基板に実装されるが、このような実装方法を用いた場合
には、圧電トランス３０の耐湿性がよいものではない。
そこで、少なくとも入力部３５ａにおいて内部電極３２
が露出している側面にガラス被膜を形成することによっ
て、圧電トランス３０の共振振動を妨げることなく、耐
湿性を向上させて、信頼性を高めることができる。

【００６１】

【発明の効果】上述の通り、本発明によれば、積層型圧
電素子における圧電活性部の側面の全体をガラスで被覆
することで、積層型圧電素子の特性を劣化させることな
く耐湿性を向上させて、信頼性と耐久性を高めることが
可能となるという顕著な効果を奏する。また、ガラス被
膜に結晶性粉末を分散させ、および／または、独立気泡
を分散させることで、さらに耐久性を高めることが可能
となる。本発明の積層型圧電素子は、金属管に封入等す
る必要がないために、素子の大型化を招くことがないと
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積層型の圧電アクチュエータの一
実施形態を示す概略断面図。

【図２】本発明の圧電アクチュエータの概略の製造方法
を示す説明図。

【図３】実施例１と比較例２の圧電アクチュエータの信
頼性試験の結果を示す説明図。

【図４】実施例２〜４の圧電アクチュエータのガラス被
膜の耐久性試験の結果を示す説明図。

【図５】積層型の圧電トランスの概略構造を示す斜視
図。

【図６】従来の積層型の圧電アクチュエータの構造を示
す概略断面図。

【符号の説明】

１０；圧電アクチュエータ（積層型） １１；圧電セラミックス １２；内部電極 １３ａ・１３ｂ；外部電極 １４ａ・１４ｂ；リード線 １５；積層体 １６；ガラス被膜 １７；樹脂被膜 ２１；圧電活性部 ２２；保護層 ３０；圧電トランス（積層型） ３１；圧電セラミックス ３２；内部電極 ３４ａ；入力電極 ３４ｂ；アース電極 ３４ｃ；出力電極 ３５ａ；入力部 ３５ｂ；出力部 ９０；圧電アクチュエータ（積層型） ９１；圧電セラミックス ９２；内部電極 ９３ａ・９３ｂ；外部電極 ９４ａ・９４ｂ；リード線 ９５；積層体 ９６；樹脂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗片 睦夫 千葉県千葉市若葉区千城台西２−19−51 (72)発明者 白坂 尋和 千葉県松戸市牧の原２丁目牧の原団地１− 13−704 (72)発明者 清水 紀夫 東京都日野市南平５−３−45

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックスと電極とが交互に積層
   され、隣り合う圧電セラミックスには互いに逆向きとな
   る電界が印加されることによって前記圧電セラミックス
   に変位が生ずる積層型圧電素子であって、 前記積層型圧電素子の側面の略全体がガラスで被覆され
   ていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 【請求項２】 前記ガラスには独立気泡が略均一に分散
   していることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電
   素子。
3. 【請求項３】 前記ガラスには結晶性粉末が略均一に分
   散していることを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の積層型圧電素子。
4. 【請求項４】 前記ガラスは、アルカリ金属成分の含有
   量が１００ｐｐｍ以下である低融点ガラスであることを
   特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載
   の積層型圧電素子。
5. 【請求項５】 前記ガラスは、ホウケイ酸ガラス、ホウ
   酸ガラス、鉛ケイ酸ガラスまたはリン酸塩ガラスのいず
   れかであることを特徴とする請求項１から請求項４のい
   ずれか１項に記載の積層型圧電素子。
6. 【請求項６】 前記ガラスの熱膨張率は、前記圧電セラ
   ミックスの熱膨張率の１．５倍以上４倍以下であること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記
   載の積層型圧電素子。
7. 【請求項７】 前記ガラスを覆うように樹脂の被膜が形
   成されていることを特徴とする請求項１から請求項６の
   いずれか１項に記載の積層型圧電素子。
8. 【請求項８】 積層型圧電素子の製造方法であって、 圧電セラミックスと電極とが交互に積層された積層体を
   作製する第１工程と、 前記積層体の側面の所定位置に前記電極と導通する一対
   の外部電極を形成する第２工程と、 前記積層体の側面の略全体にガラスペーストを塗布して
   塗布膜を形成する第３工程と、 前記塗布膜が形成された積層体を加熱処理してガラス被
   膜を形成する第４工程と、 を有することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
9. 【請求項９】 前記第３工程において、一度溶融したガ
   ラスを粉砕して作製したガラス粉末と結晶性粉末とが均
   一に混合されたガラスペーストを用いることによって、
   前記第４工程で形成されるガラス被膜中に前記結晶性粉
   末を均一に分散させることを特徴とする請求項８に記載
   の積層型圧電素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第３工程において、一度溶融した
    ガラスを粉砕して作製したガラス粉末と焼成によって気
    泡を発生させる物質の粉末とが均一に混合されたガラス
    ペーストを用いることによって、前記第４工程で形成さ
    れるガラス被膜中に独立気泡を略均一に存在させること
    を特徴とする請求項８に記載の積層型圧電素子の製造方
    法。
11. 【請求項１１】 前記第４工程における加熱処理は、前
    記ガラスペーストに含まれるガラスの軟化点と融点との
    間の温度で行うことを特徴とする請求項８から請求項１
    ０のいずれか１項に記載の積層型圧電素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記第４工程において形成されるガラ
    ス被膜の熱膨張率が前記圧電セラミックスの熱膨張率の
    １．５倍以上４倍以下となるガラスペーストを前記第３
    工程において用いることにより、前記ガラス被膜に圧縮
    応力が掛けられた状態とすることを特徴とする請求項８
    から請求項１１のいずれか１項に記載の積層型圧電素子
    の製造方法。
13. 【請求項１３】 圧電セラミックスと電極とが交互に積
    層され、前記圧電セラミックスに電界を印加することに
    よって前記圧電セラミックスに変位が生ずる積層型圧電
    素子を被覆する積層型圧電素子用封止材料であって、 アルカリ金属成分の含有量が１００ｐｐｍ以下の低融点
    ガラスからなることを特徴とする積層型圧電素子用封止
    材料。
14. 【請求項１４】 前記低融点ガラスは、ホウケイ酸ガラ
    ス、ホウ酸ガラス、鉛ケイ酸ガラスまたはリン酸塩ガラ
    スのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載
    の積層型圧電素子用封止材料。
15. 【請求項１５】 前記低融点ガラスの熱膨張率は、前記
    圧電セラミックスの熱膨張率の１．５倍以上４倍以下で
    あることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記
    載の積層型圧電素子用封止材料。
16. 【請求項１６】 前記低融点ガラスは均一に分散した結
    晶性粉末を含むことを特徴とする請求項１３から請求項
    １５のいずれか１項に記載の積層型圧電素子用封止材
    料。
17. 【請求項１７】 前記低融点ガラスは均一に分散した独
    立気泡を含むことを特徴とする請求項１３から請求項１
    ６いずれか１項に記載の積層型圧電素子用封止材料。