JP2705333B2 - 圧電効果素子および電歪効果素子並びにその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果素子および電
歪効果素子ならびにその製造方法に関し、特に、積層型
の圧電効果素子および電歪効果素子ならびにその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電・電歪効果素子とは、固体の圧電・
電歪効果を利用して電気エネルギーを機械エネルギーに
変換するトランスジューサである。具体的には、圧電・
電歪セラミックのような圧電・電歪効果の大きな固体の
対向する二つの面に金属などで電極を設け、この電極間
に電位差を与えた時に発生する固体の歪みを利用する。

【０００３】上記の圧電・電歪効果においては、通常、
電界と平行方向に発生する歪み（縦効果歪み）の方が電
界と垂直方向に生じる歪み（横効果歪み）に比べて大き
いので、前者を利用する方が有利であり且つ電気・機械
エネルギー変換効率も高い。

【０００４】この縦効果歪みを利用した圧電・電歪効果
素子（以下素子と記す）では、素子の単位長さ当りの変
位量は印加される電界強度が大きいほど大きい。従って
素子として大きな変位量を得るためには、対向電極間に
高い電圧を印加するか或いは圧電・電歪材料を薄い層状
にして対向電極間の距離を小さくすることが有効であ
る。

【０００５】ところが電圧を高くすることは大型でしか
も高価な電源を必要とし、また取り扱いにおける危険度
も増すので好ましくない。

【０００６】このため実際の素子としては、大きな歪み
を得るために圧電・電歪材料の厚さを薄くして電極間間
隔を狭くすることによって電界強度を強くし更にこれを
複数積層した構造の、いわゆる積層型の素子が考えられ
ている。

【０００７】このような積層型の素子の一例を図４
（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）は素子の断面図で
あり、図４（ｂ）は積層方向の投影図である。なお以下
の説明では圧電効果素子を例にとって説明するが、圧電
効果と電歪効果との違いは、誘電体に電界を印加した時
に発生する歪みが電界に比例するかあるいは電界の２乗
に比例するかの違いであって、素子の材料，構造および
製造方法などは同様のものであるので、以下の圧電効果
素子に関する説明において「圧電効果」を「電歪効果」
に読み替えてよい。

【０００８】図４（ａ）および（ｂ）に示す素子におい
ては、圧電材料１の内部に内部電極２ａ，２ｂが一定の
間隔で形成されている。そしてこれらの内部電極は一つ
おきに外部電極３ａ，３ｂに接続されている。このよう
な構造は積層セラミックチップコンデンサによく用いら
れる構造であるので、以後このような構造を積層セラミ
ックチップコンデンサ構造と呼ぶこととする。

【０００９】このような構造にすると、通常の積層セラ
ミックチップコンデンサの薄膜化技術を利用して、圧電
材料１の層の厚さを数１０μｍ程度にまで薄くすること
ができる。しかもこれらの層を積層するので、低電圧で
も大きな変位を発生するような縦効果利用の素子を実現
することができる。

【００１０】ところでこの構造の素子では、この素子を
積層方向から見ると、図４（ｂ）からも分るように内部
電極２ａと２ｂとが重なる部分（図の中央の矩形の内
部）の方が素子の断面（図の最外側の線で囲まれる部
分）の内側になっている。すなわち、基本的に、内部電
極の重なった部分は電界に応じて変形するがその他の部
分は変形しようとしない。

【００１１】従ってこの構造では、外部から電圧を印加
してこの素子を駆動させる場合、周辺部からの束縛があ
るので大きな変位を取り出すのに不利である。また大き
な変位を取り出そうとして高い電圧を印加すると、変形
する部分と変形しにくい部分との境界部分（図４（ａ）
中に破線で囲った部分）に大きな応力が集中し、はなは
だしい場合にはこの部分に機械的な破壊が生じてしまう
ことがある。とくに上述の境界部分の最上部および最下
部は、この部分に応力が累積するので破壊しやすい。

【００１２】そこでこのような従来の素子の欠点を改善
するために、上記の素子をいくつかの単位に分解しこれ
を合成して一つの素子とすることが提唱されている。

【００１３】すなわち、一つの素子としての必要な高さ
のｎ分の１の高さを持つ積層セラミックチップコンデン
サ構造の焼結体を作りこの焼結体をｎ個積み上げる構造
である。このような構造の素子を図５に示す。図５
（ａ）は素子の断面図であり、図５（ｂ）は積層方向の
投影図である。この素子においては、焼結体５の面の中
心部だけをエポキシなどの有機系の接着剤６で接着する
ことによって、各焼結体５を連結している。

【００１４】このようにすると、この素子に電圧を印加
した時には、図６に示すように、それぞれの焼結体単位
で変形する。従って素子全体としては、前述の境界部分
に加わる応力が焼結体単位に分散され全体として緩和さ
れる。

【００１５】圧電効果素子の使用方法の一つとして駆動
電圧を繰り返しパルス的に印加して動作させるような使
い方があるが、上記の素子構造によれば、このような使
い方をした時でも機械的破壊に至るまでの寿命を延ばす
ことができる。しかも素子の変位を増大させることもで
きる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、図５
に示す従来の積層型の素子では、積層セラミックチップ
コンデンサ構造の焼結体５を接着する際に有機系の接着
剤（例えばエポキシ樹脂など）６を用いている。

【００１７】ところがこの素子を電子機器システムなど
に組み込んで使用する時に、システム側からの要求で素
子自体が高温に曝されることがある。例えば、この素子
を搭載した基板をはんだリフロー炉に通す場合には２３
０℃近い温度に曝される。このような条件の下では、有
機系の接着剤６の接着強度が劣化し場合によっては接着
面で剥れてしまうということが起る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電効果素子
（電歪効果素子）は、圧電効果（電歪効果）を示す材料
の層と内部電極の層とが交互に積層されそれぞれの内部
電極が二つの外部電極のいずれかに接続されている構造
の焼結体が積層方向に少なくとも二以上積み重ねられて
いる型の圧電効果素子（電歪効果素子）であって、互い
に隣り合う焼結体の積層方向に垂直な面同志が、ガラス
を主成分とする無機物接着層を介して接着され、前記焼
結体が、前記無機物接着層に最も近い内部電極と前記無
機物接着層との間に、無機物拡散防止層を有することを
特徴とする。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の最適な実施例について図面を
参照して説明する。理解を容易にするために、始めに、
本発明の参考例につい説明する。図１（ａ）は本発明の
一参考例の構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は本参
考例の積層方向の投影図である。また図２は本参考例の
製造工程を示すフローチャート図である。

【００２０】本参考例が図５に示す従来の素子と異なる
のは、図１において焼結体５同志を接着するのにガラス
を主成分とする無機物接着層７を用いている点である。

【００２１】本参考例は、以下のようにして作製する。
先ず、本参考例の出発材料はニッケル・ニオブ酸ーチタ
ン酸ージルコン酸鉛系の圧電効果を示す材料である。

【００２２】はじめに混練工程および成膜工程で、上記
の材料の予焼粉末に有機系の溶剤，バインダおよび可塑
剤を添加し、ドクターブレード法で約１３０μｍの厚さ
のグリーンシートを作製する。

【００２３】次に内部電極印刷工程，切断工程および熱
圧着工程に移る。ここではグリーンシートを乾燥させ、
その上に銀ーパラジウム合金粉末を主成分とする内部電
極用ペーストを印刷し、所定の形状に切断した後所定の
枚数を積層、熱圧着して生積層体を得る。

【００２４】更に切断工程，バインダ除去工程および焼
成工程を行なう。ここでは前述の生積層体を所定の寸法
に切断した後、約５００℃で加熱して有機系のバインダ
を除去し、その後約１１００℃の温度で焼成を行なう。

【００２５】上記のような工程を経て得られた積層体
は、次いで外部電極印刷工程および焼成工程で外部電極
３ａ，３ｂを形成される。そして積層セラミックチップ
コンデンサ構造の焼結体５となる。外部電極３ａ，３ｂ
は銀ーパラジウム合金粉末を主成分としたペーストを８
５０℃の温度で焼成して形成する。

【００２６】上記の焼結体の構造は、積層方向の断面が
５ｍｍ×５ｍｍ、高さが１ｍｍであり、内部電極２ａと
２ｂとの重なりの部分の面積が４．７ｍｍ×４．７ｍｍ
である。また内部電極２ａと２ｂとの間の距離は約１０
０μｍである。なお図１は素子の構造を模式的に描いた
ものであって各焼結体５の内部には内部電極が４枚しか
示されていないが、実際の焼結体では１０枚の内部電極
が形成されている。本参考例では次の無機物塗布工程お
よび焼成工程で、上記の積層セラミックチップコンデン
サ構造の焼結体を１０個接着した。

【００２７】この工程では先ず、接着する面に、硼珪酸
鉛系ガラスを主成分とし有機系のバインダ，溶剤および
可塑剤の入った無機物ペーストをディスペンサで塗布す
る。そして１０個の焼結体を積み重ね約１５０℃で乾燥
して有機系の溶剤を除去した後、さらに約６８０℃で加
熱して無機物を焼成する。その結果ガラスと焼結体５中
の圧電材料１とが接合することによって、１０個の焼結
体５が無機物接着層７を介して連結された構造の素子が
得られる。なお無機物接着層７の接着面積は約１．５ｍ
ｍφである。

【００２８】そして最後にそれぞれの焼結体体５の外部
電極同志を、リード線４ａ，４ｂを高温はんだではんだ
付けすることによって電気的に接続して本参考例の素子
を完成する。

【００２９】つぎに本発明の効果を確認するために試験
を行なった。試料は、本参考例による素子とエポキシ樹
脂で接着した従来の構造の素子とであり、それぞれ１０
０個ずつである。これらの試料を２３０℃の恒温層内に
６０分間放置した。

【００３０】その結果、従来の素子ではすべて接着強度
が劣化し接着面からの剥れが見られたのにして、本参考
例による素子ではいずれも接着強度の劣化はなかった。
なお本参考例の素子でははんだの融点である２４０℃ま
では接着強度が劣化しないことを確認した。

【００３１】また圧電材料を代えて、マグネシウム・ニ
オブ酸ーチタン酸鉛系の電歪材料を用いた素子について
も同様の調査を試みたが上記の結果と全く同様の結果が
得られた。

【００３２】さらに上記の無機物ペーストに代えて、こ
れの主成分であるガラスに、５，１０，１５重量パーセ
ントのアルミナを加えた無機物ペーストを使った場合で
も全く同様の効果が得られた。

【００３３】つぎに本発明の実施例について述べる。図
３（ａ）は本発明の一実施例の構造を示す断面図であ
り、図３（ｂ）は本実施例の積層方向の投影図である。

【００３４】本実施例が図１に示す参考例と異なるの
は、それぞれの焼結体において無機物接着層７とこの無
機物接着層７に最も近い内部電極２ｃ，２ｄとの間にガ
ラス拡散防止層８が設けられている点である。このガラ
ス拡散防止層８の材料は参考例の内部電極に用いられた
と同じ銀ーパラジウム合金粉末を主成分とするペースト
を焼成したものである。

【００３５】本実施例による素子は、前述の参考例と同
一の材料を用い同様の製造工程によって作製される。た
だし本実施例の場合には、ガラス拡散防止層８を設ける
ために、図２示す製造工程のフローチャート図に対して
成膜工程および内部電極印刷工程と積層工程に下記のよ
うなサブ工程が追加される。

【００３６】先ず成膜工程および内部電極印刷工程で圧
電材料１用のグリーンシートを作る際に、これとは別に
ガラス拡散防止層８用のグリーンシートを作製する。こ
のグリーンシートの材料は圧電材料１用のグリーンシー
トと同一であり、大きさも同じである。但し厚さは１０
μｍと薄くする。

【００３７】つぎに内部電極印刷工程で圧電材料１用の
グリーンシートに内部電極用ペーストを印刷する時に、
上記のガラス拡散防止８用のグリーシートにも同じ内部
電極用ペーストを印刷する。この場合印刷パターンは、
図３（ｂ）に示すように、３ｍｍ×３ｍｍとし完成後の
厚さが３μｍになるように調整する。

【００３８】そしてこのあと圧電材料１用のグリーンシ
ートとガラス拡散防止層用８のグリーンシートとを積層
する。

【００３９】この場合圧電材料１用のグリーンシートを
参考例と同様の構造になるように積層し、更にその外側
に図３（ｂ）に示すように、ガラス拡散防止層８用のグ
リーンシートを１枚積層する。この時ガラス拡散防止層
８用グリーンシート上の内部電極用ペーストが内側を向
くように積層する。

【００４０】以後、参考例と同一の製造工程により、上
記のようにして得られた生積層体から焼結体５を作製し
この焼結体５を無機物接着層７で接着する工程を経て本
実施例の素子を完成する。

【００４１】このようにして作製した素子では、ガラス
拡散防止層８は、面積が３ｍｍ×３ｍｍ，厚さが３μｍ
である。またこのガラス拡散防止層８と無機物接着層７
との間の距離は約８μｍである。

【００４２】上記の実施例による素子は、無機物接着層
７を挟んで接着された焼結体５の、この無機物接着層７
に最も近い内部電極２ｃと２ｄの間の絶縁耐圧が参考例
による素子に比べて良くなるものと期待される。

【００４３】これは以下のように考えられる。すなわち
参考例の素子では、無機物接着層７の主成分のガラスと
圧電材料１とが反応して反応層９が形成されるのである
が、この反応層９は空孔が多く緻密性がよくない。この
ため内部電極２ｃおよび２ｄ間に５高い電圧が加わると
反応層９の付近で絶縁破壊が生じやすくなる。

【００４４】これに対して本実施例の素子では、無機物
接着層７と内部電極２ｃ，２ｄとの間に設けたガラス拡
散防止層８がガラスの拡散を阻止し、圧電材料用のセラ
ミックスと同様の緻密な層が厚く残されるので、内部電
極２ｃと２ｄとの間の絶縁耐圧は高いままに保たれる。

【００４５】実際に本実施例の素子の縦断面を光学顕微
鏡で観察したところ、ガラス拡散防止層８よりも内側の
部分では、粒子形状が他の圧電材料１の部分に比べて変
っていないのに対して、ガラス拡散防止層８より外側の
部分ではこれが変質している様子が観察された。すなわ
ち、無機物接着層７の主成分のガラスの拡散がガラス拡
散防止層８によって阻止されているものと考えることが
できる。

【００４６】つぎに上記のことを確認するために試験を
行なった。試料は、参考例の素子５０個と本実施例の素
子５０個である。これらの試料に対して、温度４０℃，
湿度９０〜９５％ＲＨの条件下で定格直流電圧１５０Ｖ
を印加して耐湿負荷寿命試験を施した。

【００４７】その結果、通電開始後２０００時間までの
間に、参考例の素子では２個の絶縁破壊不良が発生した
のに対して、本実施例の素子では不良は発生しなかっ
た。

【００４８】なお圧電材料を代えて、マグネシウム・ニ
オブ酸ーチタン酸鉛系の電歪材料を用いた素子について
も同様の調査を試みたが上記の結果と全く同様の結果が
得られた。

【００４９】また前述の無機物ペーストに代えて、ガラ
ス成分に５，１０，１５重量パーセントのアルミナを加
えた無機物ペーストを用いた場合でも同様の結果が得ら
れることを確認した。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では積層セ
ラミックチップコンデンサ構造の焼結体を接着して素子
を作る時に、接着剤として従来のエポキシなどの有機系
接着剤に替えて、ガラスを主成分とする無機物接着剤を
用いている。

【００５１】このため、本発明によれば、高温にさらさ
れた場合でも焼結体同志の接着強度が劣化することのな
いシステム側からの耐高温性に対する要求を満足するこ
とのできる素子が得られる。

【００５２】更に、この素子に対して無機物拡散防止層
を設けることにより、無機物接着剤内の成分が拡散して
絶縁耐圧の低い反応層を形成することを阻止することが
できるので焼結体間の絶縁耐圧に優れた信頼性の高い素
子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】分図（ａ）は、本発明の一参考例の断面図であ
る。 分図（ｂ）は、本発明の一参考例の積層方向の投影図で
ある。

【図２】本発明の一参考例および一実施例の製造工程を
説明するためのフローチャート図である。

【図３】分図（ａ）は、本発明の一実施例の断面図であ
る。 分図（ｂ）は、本発明の一実施例の積層方向の投影図で
ある。

【図４】分図（ａ）は、従来の素子の第１の例の断面図
である。分図（ｂ）は、従来の素子の第１の例の積層方
向の投影図である。

【図５】分図（ａ）は、従来の素子の第２の例の断面図
である。分図（ｂ）は、従来の素子の第２の例の積層方
向の投影図である。

【図６】図５に示す素子の動作時の変形状態を説明する
ための模式図である。

【符号の説明】

１ 圧電材料 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 内部電極 ３ａ，３ｂ，外部電極 ４ａ，４ｂ リード線 ５ 焼結体 ６ 接着剤 ７ 無機物接着層 ８ ガラス拡散防止層 ９ 反応層

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電効果を示す材料の層と内部電極の層
   とが交互に積層されそれぞれの内部電極が二つの外部電
   極のいずれかに接続されている構造の焼結体が積層方向
   に少なくとも二以上積み重ねられている型の圧電効果素
   子であって、互いに隣り合う焼結体の積層方向に垂直な
   面同志が、ガラスを主成分とする無機物接着層を介して
   接着され、 前記焼結体が、前記無機物接着層に最も近い内部電極と
   前記無機物接着層との間に、無機物拡散防止層を有する
   ことを特徴とする圧電効果素子。
2. 【請求項２】 電歪効果を示す材料の層と内部電極の層
   とが交互に積層されそれぞれの内部電極が二つの外部電
   極のいずれかに接続されている構造の焼結体が積層方向
   に少なくとも二以上積み重ねられている型の電歪効果素
   子であって、互いに隣り合う焼結体の積層方向に垂直な
   面同志が、ガラスを主成分とする無機物接着層を介して
   接着され、 前記焼結体が、前記無機物接着層に最も近い内部電極と
   前記無機物接着層との間に、無機物拡散防止層を有する
   ことを特徴とする電歪効果素子。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の圧電効果素子であっ
   て、前記無機物拡散防止層が、銀ーパラジウム合金粉末
   を主成分とするペーストを焼成して形成されたものであ
   ることを特徴とする圧電効果素子。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の電歪効果素子であっ
   て、前記無機物拡散防止層が、銀ーパラジウム合金粉末
   を主成分とするペーストを焼成して形成されたものであ
   ることを特徴とする電歪効果素子。
5. 【請求項５】 請求項１又は請求項３に記載の圧電効果
   素子の製造方法であって、圧電効果を示す材料の層の面に内部電極の層を備える複
   数の第１の圧電体薄板と、圧電効果を示す材料の層の面
   に前記無機物拡散防止層を備える第２の圧電体薄板とを
   形成する工程と、 前記第１の圧電体薄板と前記第２の圧電体薄板とを積層
   して、第１の圧電体薄板が複数積層された最外層に、前
   記無機物拡散防止層が内方に向くようにして配置された
   第２の圧電体薄板を備える生積層体を得、これを焼成し
   て焼結体を得る 工程と、 前記焼結体の前記第２の圧電体薄板の外面に ガラスを主
   成分とする無機物ペーストを塗布する工程と、 前記無機物ペーストを塗布された焼結体を積層の方向に
   所定数重ね合わせた後前記無機物ペーストを焼成して焼
   結体どうしを固着させる工程とを含むことを特徴とする
   圧電効果素子の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項２又は請求項４に記載の電歪効果
   素子の製造方法であって、電歪効果を示す材料の層の面に内部電極の層を備える複
   数の第１の電歪体薄板と、電歪効果を示す材料の層の面
   に前記無機物拡散防止層を備える第２の電歪体薄板とを
   形成する工程と、 前記第１の電歪体薄板と前記第２の電歪体薄板とを積層
   して、第１の電歪体薄板が複数積層された最外層に、前
   記無機物拡散防止層が内方に向くようにして配置された
   第２の電歪体薄板を備える生積層体を得、これを焼成し
   て焼結体を得る工程と、 前記焼結体の前記第２の電歪体薄板の外面に ガラスを主
   成分とする無機物ペーストを塗布する工程と、 前記無機物ペーストを塗布された焼結体を積層の方向に
   所定数重ね合わせた後前記無機物ペーストを焼成して焼
   結体どうしを固着させる工程とを含むことを特徴とする
   電歪効果素子の製造方法。