JP2001291908A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
圧電素子およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 層状ペロブスカイト構造を有する圧電体セラ
ミックスを用いても、低インピーダンスで、電気機械結
合係数が大きく、高周波低損失の特性を有する圧電素子
を得る。 【解決手段】 圧電素子１０は、層状ペロブスカイト構
造を有する圧電体セラミックス１２を含み、厚み方向に
選択配向したＣ軸を有する。圧電体セラミックス１２内
に、選択配向したＣ軸に直交する直線状の複数の電極１
４を形成し、圧電体セラミックス１２の両端面に露出し
た電極１４を導電材１８と絶縁材２０で覆う。圧電体セ
ラミックス１２は、その幅方向に並んだ電極１４の両側
において、互いに逆向きとなるように長さ方向に分極さ
れる。さらに、導電材１８および絶縁材２０が形成され
た面上に外部電極を形成し、交差指電極状に配置された
２つのグループの電極を形成する。
ミックスを用いても、低インピーダンスで、電気機械結
合係数が大きく、高周波低損失の特性を有する圧電素子
を得る。 【解決手段】 圧電素子１０は、層状ペロブスカイト構
造を有する圧電体セラミックス１２を含み、厚み方向に
選択配向したＣ軸を有する。圧電体セラミックス１２内
に、選択配向したＣ軸に直交する直線状の複数の電極１
４を形成し、圧電体セラミックス１２の両端面に露出し
た電極１４を導電材１８と絶縁材２０で覆う。圧電体セ
ラミックス１２は、その幅方向に並んだ電極１４の両側
において、互いに逆向きとなるように長さ方向に分極さ
れる。さらに、導電材１８および絶縁材２０が形成され
た面上に外部電極を形成し、交差指電極状に配置された
２つのグループの電極を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電共振子に関し、
特にたとえば、通信用フィルタやクロック発生器に用い
られる発振子として使用される、圧電素子に関する。
特にたとえば、通信用フィルタやクロック発生器に用い
られる発振子として使用される、圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電素子として、層状ペロブスカ
イト構造を有する圧電体セラミックスの配向軸に直交す
る方向に分極したものがある。このような圧電素子で
は、圧電体セラミックスの両端面に電極を形成し、分極
方向に電界を印加することにより、圧電振動を励起する
ことができる。
イト構造を有する圧電体セラミックスの配向軸に直交す
る方向に分極したものがある。このような圧電素子で
は、圧電体セラミックスの両端面に電極を形成し、分極
方向に電界を印加することにより、圧電振動を励起する
ことができる。
【０００３】また、単板状圧電体セラミックスの表裏主
面に交差指電極を形成し励振するタイプの圧電素子も本
発明者らによって提案されている。この圧電素子におい
ては、工程数の多い積層プロセスを用いることがないた
め、工業的に利用しやすく、また、電極界面とセラミッ
クスの接合の最適化という問題が全くない信頼性の高い
素子である。
面に交差指電極を形成し励振するタイプの圧電素子も本
発明者らによって提案されている。この圧電素子におい
ては、工程数の多い積層プロセスを用いることがないた
め、工業的に利用しやすく、また、電極界面とセラミッ
クスの接合の最適化という問題が全くない信頼性の高い
素子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、層状ペ
ロブスカイト構造を有する圧電体セラミックスの両端面
に電極を形成し、配向軸に直交する方向に分極した圧電
素子では、単一モードの圧電振動を得るためには、電界
を印加する方向に長い板状もしくは棒状の構造が必要で
ある。そして、このような構造では、静電容量が低くイ
ンピーダンスが高くなり、回路とのインピーダンスマッ
チングがとりにくいという問題があった。
ロブスカイト構造を有する圧電体セラミックスの両端面
に電極を形成し、配向軸に直交する方向に分極した圧電
素子では、単一モードの圧電振動を得るためには、電界
を印加する方向に長い板状もしくは棒状の構造が必要で
ある。そして、このような構造では、静電容量が低くイ
ンピーダンスが高くなり、回路とのインピーダンスマッ
チングがとりにくいという問題があった。
【０００５】また、単板状圧電体セラミックスの表裏主
面に交差指電極を形成した圧電素子では、高周波利用に
おいて素子全体を分極処理するには、素子厚みを薄くす
る必要がある。そのため、高周波利用において、機械的
信頼性を高くできないという問題があった。
面に交差指電極を形成した圧電素子では、高周波利用に
おいて素子全体を分極処理するには、素子厚みを薄くす
る必要がある。そのため、高周波利用において、機械的
信頼性を高くできないという問題があった。
【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、層
状ペロブスカイト構造を有する圧電体セラミックスを用
いても、低インピーダンスで、電気機械結合係数が大き
く、高周波低損失の特性を有する圧電素子を提供するこ
とである。また、この発明の目的は、上述のような圧電
素子を得るための圧電素子の製造方法を提供することで
ある。
状ペロブスカイト構造を有する圧電体セラミックスを用
いても、低インピーダンスで、電気機械結合係数が大き
く、高周波低損失の特性を有する圧電素子を提供するこ
とである。また、この発明の目的は、上述のような圧電
素子を得るための圧電素子の製造方法を提供することで
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、層状ペロブ
スカイト構造を有し、その結晶軸のうち少なくともＣ軸
が配向され、かつＣ軸の配向方向と略直交する方向に分
極された圧電体セラミックスと、圧電体セラミックス内
であって、圧電体セラミックスの分極方向に略平行な面
上において並接された複数の電極とを含む圧電素子であ
って、複数の電極は、一方の電位に接続される電極と、
前記電位とは異なる他方の電位に接続される電極とが互
いに隣合う部分を含むように配置されたことを特徴とす
る、圧電素子である。このような圧電素子において、複
数の電極が、交差指電極状に配置される。また、圧電体
セラミックス内において、複数の電極がＣ軸の配向方向
に沿って多段に設けられてもよく、この場合、互いに重
なり合う電極同士は同じ電位に接続される。さらに、圧
電体セラミックスは、複数の電極間で互いに逆方向とな
る２種類の方向に分極される。また、この発明は、層状
ペロブスカイト構造を有する圧電体材料を成形してなる
グリーンシートを準備する工程と、グリーンシート上に
略平行に複数個並設するように電極ペーストを印刷する
工程と、電極ペーストが圧電体材料の間に介在するよう
にグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、積層
体を焼成したのち分極を行なう工程とを含む圧電素子の
製造方法であって、積層体の積層方向に対して略平行な
方向に圧電体材料のＣ軸を配向させたのち、Ｃ軸の配向
方向と略直交する方向に分極することを特徴とする、圧
電素子の製造方法である。
スカイト構造を有し、その結晶軸のうち少なくともＣ軸
が配向され、かつＣ軸の配向方向と略直交する方向に分
極された圧電体セラミックスと、圧電体セラミックス内
であって、圧電体セラミックスの分極方向に略平行な面
上において並接された複数の電極とを含む圧電素子であ
って、複数の電極は、一方の電位に接続される電極と、
前記電位とは異なる他方の電位に接続される電極とが互
いに隣合う部分を含むように配置されたことを特徴とす
る、圧電素子である。このような圧電素子において、複
数の電極が、交差指電極状に配置される。また、圧電体
セラミックス内において、複数の電極がＣ軸の配向方向
に沿って多段に設けられてもよく、この場合、互いに重
なり合う電極同士は同じ電位に接続される。さらに、圧
電体セラミックスは、複数の電極間で互いに逆方向とな
る２種類の方向に分極される。また、この発明は、層状
ペロブスカイト構造を有する圧電体材料を成形してなる
グリーンシートを準備する工程と、グリーンシート上に
略平行に複数個並設するように電極ペーストを印刷する
工程と、電極ペーストが圧電体材料の間に介在するよう
にグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、積層
体を焼成したのち分極を行なう工程とを含む圧電素子の
製造方法であって、積層体の積層方向に対して略平行な
方向に圧電体材料のＣ軸を配向させたのち、Ｃ軸の配向
方向と略直交する方向に分極することを特徴とする、圧
電素子の製造方法である。
【０００８】この発明の圧電素子では、結晶軸のうちの
少なくともＣ軸が選択配向された層状ペロブスカイト構
造を有する圧電体セラミックスを用いて、その配向軸に
略直交する方向に分極し、その分極方向に略平行な面上
に複数の電極を並設することにより、選択配向したＣ軸
に略直交する方向に電界を印加することができる。そし
て、圧電体セラミックスの分極方向は、選択配向したＣ
軸に略直交する方向の成分をもつことにより、単一モー
ドの圧電振動を得ることができる。このような方向に電
界を印加するために、複数の電極が交差指電極状に配置
される。このような圧電素子において、電極は、Ｃ軸の
配向方向に沿って多段に形成することができる。このと
き、互いに重なり合う電極同士を同じ電位に接続するこ
とにより、分極方向の同じ範囲において同じ向きに電界
を印加することができる。さらに、圧電セラミックスが
複数の電極間で互いに逆方向となる２種類の方向に分極
されることにより、選択配向したＣ軸に略直交する向き
において、逆向きに分極された領域が形成され、その分
極方向と同じ方向に電界を印加して単一モードの圧電振
動が得られる。
少なくともＣ軸が選択配向された層状ペロブスカイト構
造を有する圧電体セラミックスを用いて、その配向軸に
略直交する方向に分極し、その分極方向に略平行な面上
に複数の電極を並設することにより、選択配向したＣ軸
に略直交する方向に電界を印加することができる。そし
て、圧電体セラミックスの分極方向は、選択配向したＣ
軸に略直交する方向の成分をもつことにより、単一モー
ドの圧電振動を得ることができる。このような方向に電
界を印加するために、複数の電極が交差指電極状に配置
される。このような圧電素子において、電極は、Ｃ軸の
配向方向に沿って多段に形成することができる。このと
き、互いに重なり合う電極同士を同じ電位に接続するこ
とにより、分極方向の同じ範囲において同じ向きに電界
を印加することができる。さらに、圧電セラミックスが
複数の電極間で互いに逆方向となる２種類の方向に分極
されることにより、選択配向したＣ軸に略直交する向き
において、逆向きに分極された領域が形成され、その分
極方向と同じ方向に電界を印加して単一モードの圧電振
動が得られる。
【０００９】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、この発明の圧電素子の一
例を示す斜視図である。圧電素子１０は、圧電体セラミ
ックス１２を含む。圧電体セラミックス１２内には、図
２に示すように、複数の電極１４が形成される。これら
の電極１４は、図３に示すように、複数の層１６上にお
いて幅方向に延びるように平行に形成され、これらの層
１６を積層することにより、複数の電極１４が内臓され
た圧電体セラミックス１２が構成されている。なお、各
層１６に形成される電極１４は、厚み方向にみて互いに
重なり合うように積層されている。
例を示す斜視図である。圧電素子１０は、圧電体セラミ
ックス１２を含む。圧電体セラミックス１２内には、図
２に示すように、複数の電極１４が形成される。これら
の電極１４は、図３に示すように、複数の層１６上にお
いて幅方向に延びるように平行に形成され、これらの層
１６を積層することにより、複数の電極１４が内臓され
た圧電体セラミックス１２が構成されている。なお、各
層１６に形成される電極１４は、厚み方向にみて互いに
重なり合うように積層されている。
【００１１】この圧電体セラミックス１２は、層状ペロ
ブスカイト構造を有するものであり、その結晶軸のうち
のＣ軸が厚み方向に選択配向されたものである。ここ
で、Ｃ軸とは、結晶の長軸のことを示している。つま
り、圧電体セラミックス１２内においては、Ｃ軸が電極
１４に直交するように配向されている。さらに、圧電体
セラミックス１２は、その長さ方向に向かって分極され
る。つまり、圧電体セラミックス１２の分極方向は、選
択配向されたＣ軸に略直交する向きとなる。このとき、
図２の矢印に示すように、圧電体セラミックス１２の厚
み方向に並んだ電極１４の両側において、互いに逆向き
となるように分極される。
ブスカイト構造を有するものであり、その結晶軸のうち
のＣ軸が厚み方向に選択配向されたものである。ここ
で、Ｃ軸とは、結晶の長軸のことを示している。つま
り、圧電体セラミックス１２内においては、Ｃ軸が電極
１４に直交するように配向されている。さらに、圧電体
セラミックス１２は、その長さ方向に向かって分極され
る。つまり、圧電体セラミックス１２の分極方向は、選
択配向されたＣ軸に略直交する向きとなる。このとき、
図２の矢印に示すように、圧電体セラミックス１２の厚
み方向に並んだ電極１４の両側において、互いに逆向き
となるように分極される。
【００１２】さらに、圧電体セラミックス１２の厚み方
向に並んでいる電極１４が、導電材１８と絶縁材２０と
で覆われる。このとき、図２に示すように、圧電体セラ
ミックス１２の一方側において、導電材１８と絶縁材２
０とが交互に配置される。また、圧電体セラミックス１
２の他方側においては、一方側において導電材１８で覆
われた電極１４が絶縁材２０で覆われ、一方側において
絶縁材２０で覆われた電極１４が導電材１８で覆われ
る。
向に並んでいる電極１４が、導電材１８と絶縁材２０と
で覆われる。このとき、図２に示すように、圧電体セラ
ミックス１２の一方側において、導電材１８と絶縁材２
０とが交互に配置される。また、圧電体セラミックス１
２の他方側においては、一方側において導電材１８で覆
われた電極１４が絶縁材２０で覆われ、一方側において
絶縁材２０で覆われた電極１４が導電材１８で覆われ
る。
【００１３】また、図１に示すように、圧電体セラミッ
クス１２の幅方向の両側に、外部電極２２，２４が形成
される。したがって、外部電極２２には、圧電体セラミ
ックス１２の一方側の導電材１８を介して、内部の電極
１４が電気的に接続される。また、外部電極２４には、
圧電体セラミックス１２の他方側の導電材１８を介し
て、内部の電極１４が電気的に接続される。このように
して、一方の外部電極２２に接続された電極１４と、他
方の外部電極２４に接続された電極１４とが、交差指電
極状に配置される。
クス１２の幅方向の両側に、外部電極２２，２４が形成
される。したがって、外部電極２２には、圧電体セラミ
ックス１２の一方側の導電材１８を介して、内部の電極
１４が電気的に接続される。また、外部電極２４には、
圧電体セラミックス１２の他方側の導電材１８を介し
て、内部の電極１４が電気的に接続される。このように
して、一方の外部電極２２に接続された電極１４と、他
方の外部電極２４に接続された電極１４とが、交差指電
極状に配置される。
【００１４】この圧電素子１０では、外部電極２２，２
４に信号を入力し、交差指電極状に配置された電極１４
間に電界を印加することにより、圧電振動を励起するこ
とができる。このとき、圧電体セラミックス１２は層状
ペロブスカイト構造を有し、選択配向したＣ軸に略直交
する向きに電界が印加されることにより、単一モードの
圧電振動を励起することができ、電気機械結合係数を大
きくすることができる。また、圧電体セラミックス１２
内で電極１４が隣接するように形成されるため、２つ外
部電極２２，２４に接続された電極１４間の静電容量を
大きくすることができ、低インピーダンスの素子とする
ことができる。そのため、圧電素子１０と回路とのイン
ピーダンスマッチングがとりやすい。さらに、この圧電
素子１０では、隣接する電極１４間で分極されるため、
単板状の圧電素子に比べて、高周波利用において素子厚
みを薄くする必要がなく、機械的強度を確保することが
できる。
４に信号を入力し、交差指電極状に配置された電極１４
間に電界を印加することにより、圧電振動を励起するこ
とができる。このとき、圧電体セラミックス１２は層状
ペロブスカイト構造を有し、選択配向したＣ軸に略直交
する向きに電界が印加されることにより、単一モードの
圧電振動を励起することができ、電気機械結合係数を大
きくすることができる。また、圧電体セラミックス１２
内で電極１４が隣接するように形成されるため、２つ外
部電極２２，２４に接続された電極１４間の静電容量を
大きくすることができ、低インピーダンスの素子とする
ことができる。そのため、圧電素子１０と回路とのイン
ピーダンスマッチングがとりやすい。さらに、この圧電
素子１０では、隣接する電極１４間で分極されるため、
単板状の圧電素子に比べて、高周波利用において素子厚
みを薄くする必要がなく、機械的強度を確保することが
できる。
【００１５】なお、２つの外部電極２２，２４に接続さ
れた電極の交差指電極状態としては、図４に示すよう
に、圧電体セラミックス１２の長さ方向において、２つ
の櫛歯を１組として交互に配置してもよい。また、図５
に示すように、櫛歯の一部を同一の外部電極に接続し、
この部分に電界が印加されないようにしてもよい。さら
に、図６に示すように、電極１４間の間隔を変えて、分
極時に印加される電界の強さを変え、分極度の異なる部
分を形成してもよい。また、複数の電極１４間に、外部
電極に接続されず、どの電位にも接続されないフロート
電極を形成してもよい。このように、圧電素子１０の構
造を変えることにより、圧電素子１０の電気機械結合係
数を調整することができる。また、圧電体セラミックス
１２内に並設した複数の電極１４の幅（電極間距離）を
変化させることにより、分極される圧電体セラミックス
の体積が変化するので、圧電素子１０の電気機械結合係
数および静電容量を容易に調整することができる。
れた電極の交差指電極状態としては、図４に示すよう
に、圧電体セラミックス１２の長さ方向において、２つ
の櫛歯を１組として交互に配置してもよい。また、図５
に示すように、櫛歯の一部を同一の外部電極に接続し、
この部分に電界が印加されないようにしてもよい。さら
に、図６に示すように、電極１４間の間隔を変えて、分
極時に印加される電界の強さを変え、分極度の異なる部
分を形成してもよい。また、複数の電極１４間に、外部
電極に接続されず、どの電位にも接続されないフロート
電極を形成してもよい。このように、圧電素子１０の構
造を変えることにより、圧電素子１０の電気機械結合係
数を調整することができる。また、圧電体セラミックス
１２内に並設した複数の電極１４の幅（電極間距離）を
変化させることにより、分極される圧電体セラミックス
の体積が変化するので、圧電素子１０の電気機械結合係
数および静電容量を容易に調整することができる。
【００１６】圧電体セラミックス１２の材料としては、
たとえばＮａ0.5 Ｂｉ4.5Ｔｉ4Ｏ15 などが用いられる
が、そのほかにもＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＳｒＢｉ4Ｔ
ｉ4Ｏ1 5およびＢｉ4 Ｔｉ3Ｏ12などの層状ペロブスカイ
ト型圧電体を用いることで電気機械結合係数値の良好な
ものが得られている。
たとえばＮａ0.5 Ｂｉ4.5Ｔｉ4Ｏ15 などが用いられる
が、そのほかにもＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＳｒＢｉ4Ｔ
ｉ4Ｏ1 5およびＢｉ4 Ｔｉ3Ｏ12などの層状ペロブスカイ
ト型圧電体を用いることで電気機械結合係数値の良好な
ものが得られている。
【００１７】なお、図７および図８に示すように、圧電
体セラミックス１２の厚み方向において、電極１４は積
み重ねることなく１層だけ形成されてもよい。この場合
も、圧電体セラミックス１２の対向側面において、隣接
する電極１４が導電材１８と絶縁材２０とで覆われる。
そして、導電材１８および絶縁材２０で覆われた側面に
外部電極が形成され、圧電体セラミックス１２内におい
て、電極１４が交差指電極状に配置される。
体セラミックス１２の厚み方向において、電極１４は積
み重ねることなく１層だけ形成されてもよい。この場合
も、圧電体セラミックス１２の対向側面において、隣接
する電極１４が導電材１８と絶縁材２０とで覆われる。
そして、導電材１８および絶縁材２０で覆われた側面に
外部電極が形成され、圧電体セラミックス１２内におい
て、電極１４が交差指電極状に配置される。
【００１８】このような圧電素子１０を作製するには、
まず層状ペロブスカイト構造を有する圧電体材料が準備
される。この圧電体材料を用いて、図９に示すように、
グリーンシート３０が形成される。グリーンシート３０
上には、その一端から他端に向かって延びるようにし
て、略平行な複数の線状に電極ペースト３２が印刷され
る。このように電極ペースト３２が印刷されたグリーン
シート３０が、図１０に示すように、複数枚積層され、
積層体３４が形成される。このとき、グリーンシート３
０を積み重ねる方向の電極ペースト３２が互いに重なる
ように、グリーンシート３０が積層される。
まず層状ペロブスカイト構造を有する圧電体材料が準備
される。この圧電体材料を用いて、図９に示すように、
グリーンシート３０が形成される。グリーンシート３０
上には、その一端から他端に向かって延びるようにし
て、略平行な複数の線状に電極ペースト３２が印刷され
る。このように電極ペースト３２が印刷されたグリーン
シート３０が、図１０に示すように、複数枚積層され、
積層体３４が形成される。このとき、グリーンシート３
０を積み重ねる方向の電極ペースト３２が互いに重なる
ように、グリーンシート３０が積層される。
【００１９】得られた積層体３４は焼成され、図１１に
示すように、内部に電極１４が形成された焼結体３６が
得られる。このとき、たとえばグリーンシート３０の積
み重ね方向に圧力を加えながら焼成することにより、積
層方向に結晶のＣ軸が配向した焼結体３６が得られる。
この焼結体３６が、図１１の点線で示すように、必要な
大きさに切断され、複数のエレメントが得られる。な
お、焼結体３６の表面には電極１４が現れないが、図１
１では、電極１４と切断部との関係を示すために、電極
１４が示されている。
示すように、内部に電極１４が形成された焼結体３６が
得られる。このとき、たとえばグリーンシート３０の積
み重ね方向に圧力を加えながら焼成することにより、積
層方向に結晶のＣ軸が配向した焼結体３６が得られる。
この焼結体３６が、図１１の点線で示すように、必要な
大きさに切断され、複数のエレメントが得られる。な
お、焼結体３６の表面には電極１４が現れないが、図１
１では、電極１４と切断部との関係を示すために、電極
１４が示されている。
【００２０】得られたエレメントの側面には、図１２に
示すように、電極１４の端部が露出している。そして、
グリーンシート３０の積層方向に重なる電極１４の端部
が、導電材１８と絶縁材２０とで覆われる。このとき、
エレメントの一方の側面においては、導電材１８と絶縁
材２０とが交互に形成される。また、エレメントの他方
の側面においては、一方の側面において導電材１８に覆
われた電極１４が絶縁材２０で覆われ、一方の側面にお
いて絶縁材２０に覆われた電極１４が導電材１８で覆わ
れる。
示すように、電極１４の端部が露出している。そして、
グリーンシート３０の積層方向に重なる電極１４の端部
が、導電材１８と絶縁材２０とで覆われる。このとき、
エレメントの一方の側面においては、導電材１８と絶縁
材２０とが交互に形成される。また、エレメントの他方
の側面においては、一方の側面において導電材１８に覆
われた電極１４が絶縁材２０で覆われ、一方の側面にお
いて絶縁材２０に覆われた電極１４が導電材１８で覆わ
れる。
【００２１】そして、導電材１８および絶縁材２０が形
成されたエレメントの側面に、外部電極２２，２４が形
成される。それによって、電極１４は交差指電極状に接
続される。この状態で、外部電極２２，２４に直流電圧
を印加することにより、隣接する電極１４間において、
Ｃ軸の配向方向に略直交する向きに直流電界が印加さ
れ、図２の矢印に示すように分極される。このようにし
て、圧電体セラミックス１２の厚み方向に結晶のＣ軸が
配向し、それにほぼ直交する向きに分極した圧電素子１
０が作製される。
成されたエレメントの側面に、外部電極２２，２４が形
成される。それによって、電極１４は交差指電極状に接
続される。この状態で、外部電極２２，２４に直流電圧
を印加することにより、隣接する電極１４間において、
Ｃ軸の配向方向に略直交する向きに直流電界が印加さ
れ、図２の矢印に示すように分極される。このようにし
て、圧電体セラミックス１２の厚み方向に結晶のＣ軸が
配向し、それにほぼ直交する向きに分極した圧電素子１
０が作製される。
【００２２】
【実施例】Ｎａ0.5 Ｂｉ4.5Ｔｉ4 Ｏ15の組成式であら
わされる組成の原料粉に対し、５〜１０重量％の酢酸ビ
ニル系バインダーを混合し、ドクターブレード法によっ
てグリーンシート成形を行った。得られたグリーンシー
ト３０に、図９に示すように、線状に白金電極ペースト
３２をスクリーン印刷し、図１０のように積層圧着して
積層体３４を得た。ここで、最下層と最上層のグリーン
シート３０の厚みは他のグリーンシート３０の厚みの約
２倍の３００μｍ、残りのグリーンシート３０の厚みは
それぞれ１５０μｍである。圧着前のグリーンシート３
０の総厚みは１．５ｍｍであり、圧着後の積層体３４の
厚みは１．２ｍｍであった。
わされる組成の原料粉に対し、５〜１０重量％の酢酸ビ
ニル系バインダーを混合し、ドクターブレード法によっ
てグリーンシート成形を行った。得られたグリーンシー
ト３０に、図９に示すように、線状に白金電極ペースト
３２をスクリーン印刷し、図１０のように積層圧着して
積層体３４を得た。ここで、最下層と最上層のグリーン
シート３０の厚みは他のグリーンシート３０の厚みの約
２倍の３００μｍ、残りのグリーンシート３０の厚みは
それぞれ１５０μｍである。圧着前のグリーンシート３
０の総厚みは１．５ｍｍであり、圧着後の積層体３４の
厚みは１．２ｍｍであった。
【００２３】この積層体３４を厚み方向に加圧しながら
焼成し、Ｃ軸が厚み方向に配向した層状ペロブスカイト
構造を有する焼結体３６を得た。加圧圧力は５０〜５０
０ｋｇ／ｃｍ2 で、焼成温度は１０００℃〜１３００℃
であった。焼成して得られた焼結体３６の厚みは約６０
０μｍであった。そして、焼結体３６の厚みを研磨によ
り５００μｍに揃えた後、図１１の点線で示すように、
幅１ｍｍ、長さ３．６ｍｍのエレメントを切り出した。
なお、焼成することにより、白金電極ペースト３２は電
極１４となり、焼結体３６の表面には現れないが、図１
１では、電極１４と切断部との関係を示すために、電極
１４を示してある。そして、切断面に現れる内部電極１
４を図１２に示すように２つのグループに分け、対向す
る切断面において導電材１８と絶縁材２０を用いて、同
じグループに属する電極１４のみ互いに電気的に接続し
た。これら２つのグループの電極の間に直流電界を印加
して分極し、これらの電極を、図１３に示すようにイン
ピーダンス測定器の端子に接続し、インピーダンスの周
波数特性を調べた。
焼成し、Ｃ軸が厚み方向に配向した層状ペロブスカイト
構造を有する焼結体３６を得た。加圧圧力は５０〜５０
０ｋｇ／ｃｍ2 で、焼成温度は１０００℃〜１３００℃
であった。焼成して得られた焼結体３６の厚みは約６０
０μｍであった。そして、焼結体３６の厚みを研磨によ
り５００μｍに揃えた後、図１１の点線で示すように、
幅１ｍｍ、長さ３．６ｍｍのエレメントを切り出した。
なお、焼成することにより、白金電極ペースト３２は電
極１４となり、焼結体３６の表面には現れないが、図１
１では、電極１４と切断部との関係を示すために、電極
１４を示してある。そして、切断面に現れる内部電極１
４を図１２に示すように２つのグループに分け、対向す
る切断面において導電材１８と絶縁材２０を用いて、同
じグループに属する電極１４のみ互いに電気的に接続し
た。これら２つのグループの電極の間に直流電界を印加
して分極し、これらの電極を、図１３に示すようにイン
ピーダンス測定器の端子に接続し、インピーダンスの周
波数特性を調べた。
【００２４】比較のため無配向のＮａ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ
4 Ｏ15を用いて、図１４に示すように、圧電体層４０と
電極層４２との積層構造からなる圧電素子、および図１
５に示すような棒状の圧電体４４の両端に電極４６を形
成した圧電素子との電気機械結合係数の比較を行った。
そして、その結果を表１に示す。本発明により、棒状の
圧電体を用いた圧電素子に比べてインピーダンスを低く
することができ、また無配向の積層型圧電素子に比べて
電気機械結合係数を大きくできることが分かる。
4 Ｏ15を用いて、図１４に示すように、圧電体層４０と
電極層４２との積層構造からなる圧電素子、および図１
５に示すような棒状の圧電体４４の両端に電極４６を形
成した圧電素子との電気機械結合係数の比較を行った。
そして、その結果を表１に示す。本発明により、棒状の
圧電体を用いた圧電素子に比べてインピーダンスを低く
することができ、また無配向の積層型圧電素子に比べて
電気機械結合係数を大きくできることが分かる。
【００２５】
【表１】
【００２６】なお、本発明とよく似た構造の圧電アクチ
ュエータが提案されているので、本発明との差異につい
て述べておく。従来、積層アクチュエータの信頼性を向
上させる手段として、特開平３−９４４８７号公報に、
無配向の圧電体セラミックス材料を用いた圧電素子で、
本発明の圧電素子１０と同様に、交差指電極を積層した
構造の圧電素子が開示されている。この構造は大電界を
印加して使用するような応用において、図１４に示すよ
うな従来の積層構造素子に対し機械的信頼性を確保する
ために提案されたものである。しかしながら、電子機器
に用いられるフィルタや発振子のように小電界で使用さ
れる用途においては、従来の積層構造においても機械的
信頼性は十分確保されるため、交差指電極を用いた構造
はむしろ図１４に示すような構造からなる積層素子に対
して電気機械結合係数が小さくなり、利用価値が見出せ
なかった（表１参照）。
ュエータが提案されているので、本発明との差異につい
て述べておく。従来、積層アクチュエータの信頼性を向
上させる手段として、特開平３−９４４８７号公報に、
無配向の圧電体セラミックス材料を用いた圧電素子で、
本発明の圧電素子１０と同様に、交差指電極を積層した
構造の圧電素子が開示されている。この構造は大電界を
印加して使用するような応用において、図１４に示すよ
うな従来の積層構造素子に対し機械的信頼性を確保する
ために提案されたものである。しかしながら、電子機器
に用いられるフィルタや発振子のように小電界で使用さ
れる用途においては、従来の積層構造においても機械的
信頼性は十分確保されるため、交差指電極を用いた構造
はむしろ図１４に示すような構造からなる積層素子に対
して電気機械結合係数が小さくなり、利用価値が見出せ
なかった（表１参照）。
【００２７】これに対し、本発明は特に層状ペロブスカ
イト構造を持つ圧電体セラミックスを用いており、焼成
後のＣ軸配向方向に直交する方向に電界が印加される構
造となっているため、図１４に示すような従来の積層構
造素子に比べてきわめて大きな電気機械結合係数が実現
できる。すなわち層状ペロブスカイト構造を持つ圧電体
材料と電極構造との組み合わせにより、大きな価値が創
出されるものである。
イト構造を持つ圧電体セラミックスを用いており、焼成
後のＣ軸配向方向に直交する方向に電界が印加される構
造となっているため、図１４に示すような従来の積層構
造素子に比べてきわめて大きな電気機械結合係数が実現
できる。すなわち層状ペロブスカイト構造を持つ圧電体
材料と電極構造との組み合わせにより、大きな価値が創
出されるものである。
【００２８】以上、交差指電極等の線状の電極１４が圧
電体セラミックス１２内に形成された構造の圧電素子１
０について実施例を用いて説明したが、同様の効果を有
するものであれば、特に電極１４の形成位置は限定され
るものではない。たとえば、電極１４は、圧電体セラミ
ックス１２の表面上に形成されてもよい。また、圧電体
セラミックス１２の伸縮については、一様に伸縮するも
のに限定されるものではない。たとえば、部分的に電界
の印加方向を逆にすることにより、圧電体セラミックス
１２内に伸縮の位相が異なる部分を形成したようなもの
も含まれる。
電体セラミックス１２内に形成された構造の圧電素子１
０について実施例を用いて説明したが、同様の効果を有
するものであれば、特に電極１４の形成位置は限定され
るものではない。たとえば、電極１４は、圧電体セラミ
ックス１２の表面上に形成されてもよい。また、圧電体
セラミックス１２の伸縮については、一様に伸縮するも
のに限定されるものではない。たとえば、部分的に電界
の印加方向を逆にすることにより、圧電体セラミックス
１２内に伸縮の位相が異なる部分を形成したようなもの
も含まれる。
【００２９】
【発明の効果】本発明の圧電素子を用いれば、層状ペロ
ブスカイト構造を持つ圧電体材料を用いた単一モード共
振特性が実現できるため、代表的圧電体であるチタン酸
ジルコン酸鉛では得られない高温耐熱性、高周波低損失
などの特性を持つフィルタや発振子が可能となる。ま
た、低インピーダンスで回路とのインピーダンスマッチ
ングがとりやすく、電気機械結合係数の大きい圧電素子
を得ることができる。
ブスカイト構造を持つ圧電体材料を用いた単一モード共
振特性が実現できるため、代表的圧電体であるチタン酸
ジルコン酸鉛では得られない高温耐熱性、高周波低損失
などの特性を持つフィルタや発振子が可能となる。ま
た、低インピーダンスで回路とのインピーダンスマッチ
ングがとりやすく、電気機械結合係数の大きい圧電素子
を得ることができる。
【図１】この発明の圧電素子の一例を示す斜視図であ
る。
る。
【図２】図１に示す圧電素子に用いられる圧電体セラミ
ックスの端面を示す図解図である。
ックスの端面を示す図解図である。
【図３】図２に示す圧電体セラミックスの分解斜視図で
ある。
ある。
【図４】この発明の圧電素子の電極配置の他の例を示す
図解図である。
図解図である。
【図５】この発明の圧電素子の電極配置のさらに他の例
を示す図解図である。
を示す図解図である。
【図６】この発明の圧電素子の電極配置の別の例を示す
図解図である。
図解図である。
【図７】この発明の圧電素子に用いられる圧電体セラミ
ックスの他の例を示す端面図解図である。
ックスの他の例を示す端面図解図である。
【図８】図７に示す圧電体セラミックスの分解斜視図で
ある。
ある。
【図９】図１に示す圧電素子を作製するために用いられ
るシート上の内部電極パターンを示す図解図である。
るシート上の内部電極パターンを示す図解図である。
【図１０】図９に示すシートの積層工程におけるシート
積層法および電極配置を示す図解図である。
積層法および電極配置を示す図解図である。
【図１１】図１０に示す工程で得られた積層体を焼成し
た焼結体からエレメントを切り出す方法を示す図解図で
ある。
た焼結体からエレメントを切り出す方法を示す図解図で
ある。
【図１２】図１１に示す工程で切り出されたエレメント
の切断面に導電材および絶縁材を形成する方法を示す図
解図である。
の切断面に導電材および絶縁材を形成する方法を示す図
解図である。
【図１３】本発明の実施例において、図１２に示すエレ
メントを用いて特性を測定するための電極接続を示す図
解図である。
メントを用いて特性を測定するための電極接続を示す図
解図である。
【図１４】従来の積層型圧電素子の一例を示す図解図で
ある。
ある。
【図１５】従来の棒状の圧電体を用いた圧電素子の一例
を示す図解図である。
を示す図解図である。
１０ 圧電素子 １２ 圧電体セラミックス １４ 電極 １６ 層 １８ 導電材 ２０ 絶縁材 ２２，２４ 外部電極 ３０ グリーンシート ３２ 電極ペースト ３４ 積層体 ３６ 焼結体
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月１日（２００１．５．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、層状ペロブ
スカイト構造を有し、その結晶軸のうち少なくともＣ軸
が配向され、かつＣ軸の配向方向と略直交する方向に分
極された圧電体セラミックスと、圧電体セラミックス内
であって、圧電体セラミックスの分極方向に略平行な面
上において並設された複数の電極とを含む圧電素子であ
って、複数の電極は、一方の電位に接続される電極と、
前記電位とは異なる他方の電位に接続される電極とが互
いに隣合う部分を含むように配置されたことを特徴とす
る、圧電素子である。このような圧電素子において、複
数の電極が、交差指電極状に配置される。また、圧電体
セラミックス内において、複数の電極がＣ軸の配向方向
に沿って多段に設けられてもよく、この場合、互いに重
なり合う電極同士は同じ電位に接続される。さらに、圧
電体セラミックスは、複数の電極間で互いに逆方向とな
る２種類の方向に分極される。また、この発明は、層状
ペロブスカイト構造を有する圧電体材料を成形してなる
グリーンシートを準備する工程と、グリーンシート上に
略平行に複数個並設するように電極ペーストを印刷する
工程と、電極ペーストが圧電体材料の間に介在するよう
にグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、積層
体を焼成したのち分極を行なう工程とを含む圧電素子の
製造方法であって、積層体の積層方向に対して略平行な
方向に圧電体材料のＣ軸を配向させたのち、Ｃ軸の配向
方向と略直交する方向に分極することを特徴とする、圧
電素子の製造方法である。
スカイト構造を有し、その結晶軸のうち少なくともＣ軸
が配向され、かつＣ軸の配向方向と略直交する方向に分
極された圧電体セラミックスと、圧電体セラミックス内
であって、圧電体セラミックスの分極方向に略平行な面
上において並設された複数の電極とを含む圧電素子であ
って、複数の電極は、一方の電位に接続される電極と、
前記電位とは異なる他方の電位に接続される電極とが互
いに隣合う部分を含むように配置されたことを特徴とす
る、圧電素子である。このような圧電素子において、複
数の電極が、交差指電極状に配置される。また、圧電体
セラミックス内において、複数の電極がＣ軸の配向方向
に沿って多段に設けられてもよく、この場合、互いに重
なり合う電極同士は同じ電位に接続される。さらに、圧
電体セラミックスは、複数の電極間で互いに逆方向とな
る２種類の方向に分極される。また、この発明は、層状
ペロブスカイト構造を有する圧電体材料を成形してなる
グリーンシートを準備する工程と、グリーンシート上に
略平行に複数個並設するように電極ペーストを印刷する
工程と、電極ペーストが圧電体材料の間に介在するよう
にグリーンシートを積層して積層体を得る工程と、積層
体を焼成したのち分極を行なう工程とを含む圧電素子の
製造方法であって、積層体の積層方向に対して略平行な
方向に圧電体材料のＣ軸を配向させたのち、Ｃ軸の配向
方向と略直交する方向に分極することを特徴とする、圧
電素子の製造方法である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、この発明の圧電素子の一
例を示す斜視図である。圧電素子１０は、圧電体セラミ
ックス１２を含む。圧電体セラミックス１２内には、図
２に示すように、複数の電極１４が形成される。これら
の電極１４は、図３に示すように、複数の層１６上にお
いて幅方向に延びるように平行に形成され、これらの層
１６を積層することにより、複数の電極１４が内蔵され
た圧電体セラミックス１２が構成されている。なお、各
層１６に形成される電極１４は、厚み方向にみて互いに
重なり合うように積層されている。
例を示す斜視図である。圧電素子１０は、圧電体セラミ
ックス１２を含む。圧電体セラミックス１２内には、図
２に示すように、複数の電極１４が形成される。これら
の電極１４は、図３に示すように、複数の層１６上にお
いて幅方向に延びるように平行に形成され、これらの層
１６を積層することにより、複数の電極１４が内蔵され
た圧電体セラミックス１２が構成されている。なお、各
層１６に形成される電極１４は、厚み方向にみて互いに
重なり合うように積層されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０３Ｈ 9/17 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｓ 41/18 １０１Ｂ 9/205 41/22 Ｚ
Claims (5)
- 【請求項１】 層状ペロブスカイト構造を有し、その結
晶軸のうち少なくともＣ軸が配向され、かつ前記Ｃ軸の
配向方向と略直交する方向に分極された圧電体セラミッ
クス、および前記圧電体セラミックス内であって、前記
圧電体セラミックスの分極方向に略平行な面上において
並接された複数の電極を含む圧電素子であって、 前記複数の電極は、一方の電位に接続される電極と、前
記電位とは異なる他方の電位に接続される電極とが互い
に隣合う部分を含むように配置されたことを特徴とす
る、圧電素子。 - 【請求項２】 前記複数の電極が交差指電極状に配置さ
れていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電素
子。 - 【請求項３】 前記圧電体セラミックス内において、前
記複数の電極が前記Ｃ軸の配向方向に沿って多段に設け
られ、かつ互いに重なり合う電極同士は同じ電位に接続
されていることを特徴とする、請求項１または請求項２
に記載の圧電素子。 - 【請求項４】 前記圧電体セラミックスは、前記複数の
電極間で互いに逆方向となる２種類の方向に分極されて
いることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいず
れかに記載の圧電素子。 - 【請求項５】 層状ペロブスカイト構造を有する圧電体
材料を成形してなるグリーンシートを準備する工程、 前記グリーンシート上に略平行に複数個並設するように
電極ペーストを印刷する工程、 前記電極ペーストが前記圧電体材料の間に介在するよう
に前記グリーンシートを積層して積層体を得る工程、お
よび前記積層体を焼成したのち分極を行なう工程を含む
圧電素子の製造方法であって、 前記積層体の積層方向に対して略平行な方向に前記圧電
体材料のＣ軸を配向させたのち、Ｃ軸の配向方向と略直
交する方向に分極することを特徴とする、圧電素子の製
造方法。
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