JP2006269851A - Multilayer piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、積層型圧電素子に関する。 The present invention relates to a multilayer piezoelectric element.
従来の圧電素子として、複数の圧電層と内部電極とが交互に積層されてなる積層型圧電素子がある。このような圧電素子においては、内部電極の重なった部分(活性部)では印加される電圧に応じて圧電層が変位するが、他の部分(非活性部)は変位しない。この非活性部は積層体の積層方向に延在しているため、積層体の積層方向への変位(伸縮動作)を阻害する。そのため、圧電素子の製造時に分極処理が施されたり、あるいは圧電素子が長期にわたって使用されたりすると、積層体の内部に至るクラックが発生する。そしてそのクラックの発生位置で外部電極が切断されて、内部電極と外部電極との接続が断たれる断線が生じるおそれがある。 As a conventional piezoelectric element, there is a stacked piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked. In such a piezoelectric element, the piezoelectric layer is displaced according to the applied voltage in the overlapping part (active part) of the internal electrodes, but the other part (inactive part) is not displaced. Since the inactive portion extends in the stacking direction of the stacked body, it inhibits displacement (stretching operation) of the stacked body in the stacking direction. For this reason, if a polarization process is performed at the time of manufacturing the piezoelectric element, or if the piezoelectric element is used for a long period of time, a crack that reaches the inside of the laminate occurs. And an external electrode may be cut | disconnected in the generation | occurrence | production position of the crack, and there exists a possibility that the disconnection from which a connection with an internal electrode and an external electrode is disconnected may arise.
このような断線を防止するため、特許文献1においては、積層体の積層方向に平行な側面に所定の間隔をもって溝を形成することにより、変位によって生じる応力を分散させたものが提案されている。 In order to prevent such disconnection, Patent Document 1 proposes a technique in which a stress generated by displacement is dispersed by forming grooves with a predetermined interval on a side surface parallel to the stacking direction of the stacked body. .
また、上記のように積層体内に非活性部を設けるとその部分に応力が発生するため、積層体内部には非活性部を設けず、全内部電極の周辺部を全て積層体の積層方向に平行をなす側面に露出させ、外部電極を設ける側面には、1つおきにガラス膜によって内部電極を覆って外部電極との絶縁を図ったものが特許文献2に開示されている。 In addition, when the inactive portion is provided in the laminate as described above, stress is generated in the portion, and therefore, the inactive portion is not provided in the laminate, and all peripheral portions of all internal electrodes are arranged in the stacking direction of the laminate. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228688 discloses an insulating film that is exposed on parallel side surfaces and that is provided with external electrodes and that covers the internal electrodes with every other glass film to insulate the external electrodes.
しかしながら、前記特許文献1に記載の溝を有する積層型圧電素子において、仮にこの溝を焼成後に切削により形成しようとすると、素子が硬いために溝の形成に時間がかかるという問題点がある。また、前記特許文献1に記載のように、グリーンシートにカーボン粉末が含まれたペーストを塗布し、焼成時にそのカーボンを飛ばすことによって溝を形成する方法を採用すると、カーボンによる素材の還元作用により、特性が劣化したり、焼成過程で溝が塞がるという問題点がある。 However, in the multilayer piezoelectric element having the groove described in Patent Document 1, if the groove is formed by cutting after firing, there is a problem that it takes time to form the groove because the element is hard. Further, as described in Patent Document 1, when a method of forming a groove by applying a paste containing carbon powder to a green sheet and flying the carbon at the time of firing, the reduction action of the material by carbon However, there are problems that the characteristics are deteriorated and the grooves are closed during the firing process.
一方前記特許文献2に記載の方法によると、1層が例えば30μm程度の薄い層であるため、この薄い層に印刷などにより焼結後にガラスを塗布して絶縁することは困難であり、ガラス膜の位置ずれにより内部電極の露出部を被覆できなかったり、被覆すべきでない相手側の内部電極の露出部まで覆ってしまうおそれがある上、焼成後の個々のチップの工程数が増加し、また、側面のガラス層の厚みにより小型化が図りにくいという問題点がある。
On the other hand, according to the method described in
本発明は、上記問題点に鑑み、特性の劣化や製造の困難さを招くことなく、積層体の変位が大きく、応力が小さい構造の積層型圧電素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element having a structure in which the displacement of the multilayer body is large and the stress is small without causing deterioration of characteristics or difficulty in manufacturing.
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電層と複数の内部電極とにより積層体を構成し、この積層体の積層方向に平行をなす側面に、第1の内部電極が接続された第1の外部電極と第2の内部電極が接続された第2の外部電極とを設けた積層型圧電素子であって、
前記第1の内部電極の前記第2の外部電極側の縁部は前記第2の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第1の内部電極の前記第2の外部電極側の縁部と第2の外部電極との間にガラス層があり、
前記第2の内部電極の前記第1の外部電極側の縁部は前記第1の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第2の内部電極の前記第1の外部電極側の縁部と第1の外部電極との間にガラス層がある
ことを特徴とする。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, a multilayer body is constituted by a plurality of piezoelectric layers and a plurality of internal electrodes, and a first internal electrode is connected to a side surface parallel to the stacking direction of the multilayer body. A laminated piezoelectric element provided with a second external electrode to which the external electrode and the second internal electrode are connected,
The edge of the first internal electrode on the second external electrode side is located on the internal side from the side surface of the laminate on which the second external electrode is provided,
There is a glass layer between the second external electrode side edge of the first internal electrode and the second external electrode,
The edge of the second internal electrode on the first external electrode side is located on the internal side from the side surface of the laminate on which the first external electrode is provided,
A glass layer is provided between the edge of the second internal electrode on the first external electrode side and the first external electrode.
本発明の積層型圧電素子は、対をなす外部電極に対し、外部電極に接続すべきでない内部電極の周辺部は、外部電極が形成されている側面より内側に位置し、内部電極と外部電極との間はガラス層で絶縁されているため、実質的に積層体の積層方向に対して垂直をなす面のほぼ全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することができる。また、変位を生じる領域が広いため、積層型圧電素子全体の変位を大きくとることができる。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the peripheral portion of the internal electrode that should not be connected to the external electrode is located inside the side surface on which the external electrode is formed, and the internal electrode and the external electrode Since the insulating layer is insulated by a glass layer, the active portion can be formed on almost the entire surface that is substantially perpendicular to the stacking direction of the stacked body. For this reason, generation | occurrence | production of stress can be prevented and generation | occurrence | production of a crack can be prevented. Further, since the region where the displacement occurs is wide, the displacement of the entire laminated piezoelectric element can be increased.
また、本発明の積層型圧電素子は、カーボンなどを含まない材料によって製造できるので、焼成によって圧電層や内部電極や還元させることなく、特性を劣化させることがない。 In addition, since the multilayer piezoelectric element of the present invention can be manufactured with a material that does not contain carbon or the like, the characteristics are not deteriorated without firing and reducing the piezoelectric layer and internal electrodes.
また、ガラス層は、ガラス含有導体ペーストをグリーンシートに印刷し、焼成することによって形成することができるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。 In addition, the glass layer can be formed by printing a glass-containing conductor paste on a green sheet and firing, so that it does not increase the post-installation process as in the case of forming after firing, and more accurately by screen printing. It can be formed easily.
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、外部電極の焼付けが難しくなるが、本発明においては、ガラス層が側面に突出しないため、外部電極の取付け面が平面となり、その取付けが容易となり、また、小型化が容易となる。 In addition, when the glass is baked on the side surface of the laminate after sintering as in the conventional case, the portion protrudes, resulting in unevenness and difficulty in baking the external electrode, but in the present invention, the glass layer protrudes on the side surface. Therefore, the mounting surface of the external electrode becomes a flat surface, which facilitates the mounting and facilitates the miniaturization.
また、本発明の積層型圧電素子は、ガラス層以外の大部分を活性部として確保することができ、活性部の領域が拡大されると共に、絶縁すべき外部電極との間の電気的絶縁が確保される。 In addition, the multilayer piezoelectric element of the present invention can secure most of the active layer other than the glass layer as an active part, and the area of the active part is enlarged, and electrical insulation between the external electrode to be insulated is achieved. Secured.
本発明による積層型圧電素子は、内部電極形成領域の周辺部にガラス含有導体ペーストを印刷し、積層後に焼成する方法により製造することができる。この方法における焼成工程の際に、内部電極形成領域からガラス成分が排除されて積層体の表面側に移動する。このため、積層体の積層面(積層体の積層方向に対して垂直をなす面)のほぼ全面にわたり形成される内部電極と側面との間にガラス層が形成されるため、実質的にほぼ積層面の全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することが可能で、しかも変位量の大きな積層型圧電素子を提供することができる。また、ガラス層は焼成によってセラミック層である圧電層や内部電極を還元させることなく、特性を劣化させることがない。 The multilayer piezoelectric element according to the present invention can be manufactured by a method of printing a glass-containing conductor paste on the periphery of the internal electrode formation region and firing after the lamination. During the firing step in this method, the glass component is excluded from the internal electrode formation region and moves to the surface side of the laminate. For this reason, since the glass layer is formed between the internal electrode and the side surface formed over almost the entire surface of the laminated body (the surface perpendicular to the laminating direction of the laminated body), the laminated body is substantially substantially laminated. An active portion can be formed on the entire surface. Therefore, it is possible to provide a multilayer piezoelectric element that can prevent the generation of stress, prevent the generation of cracks, and has a large displacement. Further, the glass layer does not deteriorate the characteristics without reducing the piezoelectric layer and the internal electrode, which are ceramic layers, by firing.
また、ガラス層はグリーンシートの一部に、ガラス含有導体ペーストを印刷し、焼成することにより形成することができるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。 In addition, the glass layer can be formed by printing and baking a glass-containing conductor paste on a part of the green sheet, so that the screen printing can be performed without increasing the retrofitting process as in the case of forming after baking. Therefore, it can be easily formed with high accuracy.
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、外寸が大きくなり、小型化に不向きであり、また、外部電極の形成が難しくなるが、前記製造方法によれば、ガラス層が側面に突出しない積層体を得ることができるため、外部電極の取付け面が平面となり、その取付けが容易となる。 In addition, when glass is baked on the side surface of the laminate after sintering as in the conventional case, the portion protrudes, resulting in unevenness, increasing the outer dimensions, unsuitable for downsizing, and forming external electrodes. Although it becomes difficult, according to the said manufacturing method, since the laminated body from which a glass layer does not protrude to a side surface can be obtained, the attachment surface of an external electrode becomes a plane and the attachment becomes easy.
図1は本発明の積層型圧電素子の一実施の形態を示す断面図である。この圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電特性を示す圧電層1と、積層方向に圧電層1と交互配置された内部電極2と、それぞれ内部電極2に接続して対向する側面に設けられた一対の外部電極3、3と、積層方向の両端、すなわち図面上の上下面に設けられた保護層(変位伝達面)4、4とを備える。本発明においては、外部電極3と内部電極2とを1層おきに電気的に絶縁するために、それぞれ内部電極2と同層にガラス層5を設けて積層体を構成する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the multilayer piezoelectric element of the present invention. This piezoelectric element has a piezoelectric layer 1 that exhibits piezoelectric characteristics such as lead zirconate titanate (PZT), and
図1において、左寄り(右寄り)に形成される内部電極2を第1の内部電極(第2の内部電極)、第1の内部電極(第2の内部電極)2に接続される外部電極3を第1の外部電極(第2の外部電極)とすると、第1の内部電極(第2の内部電極)2の第2の外部電極(第1の外部電極)側の縁は、第2の外部電極(第1の外部電極)3を設ける積層体の側面より内部側に位置している。また、第1の内部電極(第2の内部電極)2の第2の外部電極(第1の外部電極)3側の縁部と第2の外部電極(第1の外部電極)3との間にガラス層5がある。
In FIG. 1, an
ガラス層5はガラス含有導体ペースト中の導体が焼結と収縮をし、ガラス成分が表面(側面)方向に移動することにより形成され、107Ω・cm以上の抵抗値を有する。ガラス層5に用いるガラスとしては、ホウケイ酸鉛系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラスの他、アルミノホウケイ酸系ガラスなどを用いることができる。
The
図2は図1に示した圧電素子の製造に用いるグリーンシート6を示す図である。この例は多数個取りを行なう例を示す。グリーンシート6は前記内部電極2を形成するもので、縦横に内部電極2とガラス含有内部電極10がガラス含有導体ペーストの印刷により形成される。
FIG. 2 is a view showing a
図3は図2に示したグリーンシート上の1つの内部電極形成領域(ガラス含有内部電極10を含む。)を拡大して示す。図3(A)〜(D)に示すように、内部電極2は、内部電極形成領域に、一部の周辺部(一辺)を残して形成される。また内部電極形成領域の残りの部分にガラス含有内部電極10が形成される。ガラス含有内部電極10の幅aのグリーンシート幅bに対する割合a/bは0.03〜0.2程度に設定される。図3(E)は内部電極2を形成しない保護層形成のためのグリーンシートを示す。
FIG. 3 is an enlarged view of one internal electrode formation region (including the glass-containing internal electrode 10) on the green sheet shown in FIG. As shown in FIGS. 3A to 3D, the
本発明の積層型圧電素子は次の工程により作製される。まず圧電特性を持たせる例えば粉体密度3000kg/m3程度のセラミック粉末を含有するグリーンシート6を作製する。このグリーンシート6は、圧電特性を得るための粉末、すなわち例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする粉末に、有機バインダ、有機溶剤等を混合したセラミックペーストを作製し、ドクターブレード法により、PETフィルムをキャリアフィルムとしてシート成形したものである。
The multilayer piezoelectric element of the present invention is manufactured by the following process. First, a
このグリーンシート6の内部電極形成領域に、内部電極2となる導体ペーストを、一部の周辺領域を残して印刷し、乾燥する。前記導体ペーストを印刷する前または後に、残りの領域に、ガラス含有内部電極ペーストを印刷し、乾燥する。ここで、導体ペーストとして用いるものは、銀−パラジウムであることが好ましく、また、電極の価格を低減するには、パラジウムの含有率が低いことが好ましい。具体的にはパラジウムの含有率を30%以下とすることが好ましい。
On the internal electrode forming area of the
また、内部電極2を形成する導体ペーストは、無機物としてのガラスは含まないのものが好ましいが、多少のガラスを含ませてもよい。その場合、ガラス含有内部電極10を形成するガラス含有導体ペーストは、内部電極2を形成する導体ペーストよりもガラス含有量が多く設定される。
The conductor paste forming the
上記のように、導体ペーストおよびガラス含有導体ペーストを印刷した複数枚のグリーンシートを、一枚おきに反対向きにしてガラス含有内部電極10が、1枚のおきに反対側になるように積層する。この積層は、55〜65℃で90〜110MPa程度の圧力で加圧して圧着することにより行なう。
As described above, a plurality of green sheets printed with the conductor paste and the glass-containing conductor paste are laminated in the opposite direction so that the glass-containing
次にこのようにして積層した積層体を焼成する。この焼成の工程は、まず400℃前後で脱バインダ処理を行なった後、密閉容器中にて950〜1050℃の範囲で好ましくは0.5〜4時間焼成する。この焼成後の内部電極2の厚みは1〜5μm、好ましくは1.5〜3μmである。また、圧電層1の厚みは20〜100μm、好ましくは50〜80μmである。
Next, the laminated body thus laminated is fired. In this firing step, first, the binder removal treatment is performed at around 400 ° C., and then the firing is carried out in the range of 950 to 1050 ° C., preferably for 0.5 to 4 hours, in a sealed container. The thickness of the
図4に示すように、この焼成の際に、ガラス含有内部電極10においては、その中の導体粉末が焼結、収縮して導通部2aを形成する。同時に、側面部(表面部)にガラスが排斥されて導体粉末を含まないガラス層5が形成され、非導通部を形成するため、電気的に遮断すべき内部電極2と外部電極3との間の電気的絶縁が良好に行なえる。なお、導通部2aは、含有ガラスが排除されているので、実質的に内部電極2と同じ電極としての機能を有する。
As shown in FIG. 4, during the firing, in the glass-containing
焼成された積層体に対し、ガラス層5が整列して露出した対向する2つの側面に、その整列したガラス層5の側面での露出部と、その列において露出した他の層の内部電極2の側面での露出部に固着させて外部電極3、3を設ける。なお、この外部電極3の形成は、銀を導体粉末として含む導体ペーストの印刷、焼き付け処理により行なう。なお、この外部電極3の導体粉末としては、銀の他に、銀と他の金属との合金または金や銅等を用いることができる。また、この外部電極3の形成に、スパッタリングや無電解メッキ法等を用いることも可能である。
On the two laminated side surfaces where the
外部電極3を形成した後、加熱状態(例えば120℃)で外部電極3、3間に高電圧(例えば3kV/mm)を印加して分極処理を行なう。得られた圧電素子は例えば圧電層1の厚みが30μm、内部電極2の厚みが3μm、圧電層1の層数が100層、縦×横×高さが10mm×10mm×30mmの圧電素子のものである。なお、この積層型圧電素子は、平面形状が6角形や8角形あるいは円形のものも実現できる。また、使用目的により、層数、サイズは適宜変更できる。また、1つの外部電極3と複数の内部電極2との接続部は、全体として1層おきに設けるのではなく、部分的には2層連続して同じ側の外部電極3に内部電極2が接続される構成であってもよい。
After the
以上に説明したように、本発明の積層型圧電素子は、外部電極3に接続すべきでない内部電極2の周辺部は、外部電極3が形成されている側面より内側に位置し、内部電極2と外部電極3との間はガラス層5で絶縁されているため、積層体の積層方向に対して垂直をなす面のほぼ全面について活性部を形成することができる。このため、応力の発生を防止し、クラックの発生を防止することができる。また、大きな変位量を得ることができる。
As described above, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, the peripheral portion of the
また、ガラス層5はグリーンシート6にガラス含有導体ペーストを印刷し、焼成することにより得られるので、焼成後に形成する場合のような後付け工程を増加させることなく、しかもスクリーン印刷により精度よく容易に形成することができる。
Further, since the
また、従来のように焼結後に積層体の側面にガラスを焼付けすると、その部分が突出するので、凹凸が生じ、形状が大きくなり、小型化に不向きとなり、外部電極の形成が難しくなるが、本発明においては、ガラス層5が積層体の側面にほとんど突出しないため、外部電極3の形成が容易となり、小型化が可能となる。
In addition, when the glass is baked on the side surface of the laminate after sintering as in the conventional case, since the portion protrudes, unevenness is generated, the shape becomes large, unsuitable for downsizing, and the formation of the external electrode is difficult, In the present invention, since the
1:圧電層、2:内部電極、2a:導通部、3:外部電極、4:保護層、5:ガラス層、6:グリーンシート、7、8:切断線、10:ガラス含有内部電極 1: piezoelectric layer, 2: internal electrode, 2a: conducting portion, 3: external electrode, 4: protective layer, 5: glass layer, 6: green sheet, 7, 8: cutting line, 10: glass-containing internal electrode
Claims (1)
前記第1の内部電極の前記第2の外部電極側の縁部は前記第2の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第1の内部電極の前記第2の外部電極側の縁部と第2の外部電極との間にガラス層があり、
前記第2の内部電極の前記第1の外部電極側の縁部は前記第1の外部電極を設ける積層体の側面より内部側に位置しており、
前記第2の内部電極の前記第1の外部電極側の縁部と第1の外部電極との間にガラス層がある
ことを特徴とする積層型圧電素子。 A laminated body is constituted by a plurality of piezoelectric layers and a plurality of internal electrodes, and a first external electrode and a second internal electrode having a first internal electrode connected to a side surface parallel to the lamination direction of the laminated body A laminated piezoelectric element provided with a second external electrode to which is connected,
The edge of the first internal electrode on the second external electrode side is located on the internal side from the side surface of the laminate on which the second external electrode is provided,
There is a glass layer between the second external electrode side edge of the first internal electrode and the second external electrode,
The edge of the second internal electrode on the first external electrode side is located on the internal side from the side surface of the laminate on which the first external electrode is provided,
A laminated piezoelectric element, wherein a glass layer is provided between an edge of the second internal electrode on the first external electrode side and the first external electrode.
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