JP3102608B2 - 圧電素子用電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電素子の表面に形成さ
れる圧電素子用電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種の機械的駆動素子として、電
磁力を利用したアクチュエータに代わって、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（ＰＺＴ）磁器などのセラミックスの圧電効
果を利用した積層型圧電アクチュエータが多用されてい
る。この積層型圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能であり、しかも高精度な電圧−
変位特性を期待できるため、各種の機械的駆動素子とし
て極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変位は
本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るために
圧電素子と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層で
被覆された構造の圧電積層体として提供されている。

【０００３】圧電素子と電極板とを交互に積層する場
合、圧電素子と電極板との導通を確実とすることが望ま
しい。そこで特開昭６０−１２１７８４号公報などに
は、圧電素子の両表面に導電性の銀ペーストなどからな
る内部電極を形成した圧電素子が積層された圧電積層体
が開示されている。この内部電極は、圧電素子の表裏両
面にスクリーン印刷などで銀ペーストを付着させ、７０
０〜８００℃で焼成して形成される。そして室温〜１５
０℃の雰囲気中で内部電極を介して圧電素子に６００〜
１０００Ｖの電圧を印加し、分極した後、電極板と交互
に積層して圧電積層体としている。また、積層後に複数
の圧電素子を同時に分極する方法もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記圧電素
子の内部電極は、マイグレーションや短絡を防止するた
めに、圧電素子の積層面全面には形成されず、部分的に
形成される。つまり、内部電極は圧電素子の外径よりも
小さい外径で、圧電素子の中央部分に略同心円状に形成
される。

【０００５】このため、圧電素子に電圧を印加して駆動
させると、電極の形成された中央部分と、電極の形成さ
れていない外周縁部分との境界部に相当する圧電素子部
分に応力が集中し、圧電素子の割れの原因となってい
た。これは、電極形成部と電極非形成部とで、圧電素子
の変位量が異なり、上記境界部に相当する圧電素子部分
にこの変位量の差による歪みが発生するためである。と
くに圧電積層体においては、積層荷重の発生の有無や圧
電積層体の変位時の圧縮応力によっても上記境界部に歪
みが発生するので、割れが発生しやすく、所望の変位量
が得られなくなったり、短絡が生じたりする場合があ
る。

【０００６】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、圧電素子の表面に形成される電極の特性面にお
ける内部構造を工夫することにより、マイグレーション
や短絡を防止するために該電極を圧電素子の表面に部分
的に形成したとしても、圧電素子の割れを効果的に抑制
することのできる圧電素子用電極を提供することを目的
とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電素子用電極は、圧電素子の表面に形成される圧
電素子用電極であって、中央部と外周縁部とでオーミッ
クコンタクト性を変えた二重構造を有しており、該外周
縁部の方が該中央部よりもオーミックコンタクト性が小
さく設定されていることを特徴とするものである。

【０００８】電極の中央部と外周縁部とでオーミックコ
ンタクト性を変えて二重構造とするには、例えば電極の
中央部に用いる電極材料の粒径分布と、電極の外周縁部
に用いる電極材料の粒径分布を異ならせる方法がある。
例えば、電極の外周縁部を形成する電極材料として、電
極の中央部を形成する電極材料の他に、該中央部電極材
料の粒径の２〜１０倍の粒径を有する電極材料を全体の
５〜３０ｗｔ％添加した電極材料を用いることにより、
電極の中央部と外周縁部とでオーミックコンタクト性を
変えることができる。なお、中央部電極材料の粒径の２
倍未満の粒径を有する電極材料を外周縁部電極材料に添
加しても、外周縁部電極のオーミックコンタクト性を低
下させる効果が少ない。一方、中央部電極材料の粒径の
１０倍を越える粒径を有する電極材料を外周縁部電極材
料に添加した場合、オーミックコンタクト性が極端に低
下することとなり好ましくない。

【０００９】電極材料としては、例えばＡｇ、Ａｇ／Ｐ
ｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｚｎ、Ｆｅ等を用いることができる。なお、中央部
の電極材料と、該中央部の電極材料の例えば２〜１０倍
の粒径を有する電極材料で外周縁部の電極材料として添
加される電極材料とは、必ずしも同種類のものでなくて
も良い。

【００１０】

【作用】本発明の圧電素子用電極においては、中央部の
電極に対し、その外周縁部に形成した電極は圧電素子と
のオーミックコンタクト性が小さい。このため、電極が
形成された部分の圧電素子の変位量についても、中央部
よりも外周縁部の方が小さくなる。このため、圧電素子
の変位量は、圧電素子の中心から径方向外方に向かっ
て、中央部の電極に相当する部分、外周縁部の電極に相
当する部分、電極が形成されていない部分と段階的に減
少する。

【００１１】これにより、従来の電極では、電極形成部
分と電極非形成部分との境界部に相当する圧電素子部分
に応力が集中していたが、本発明の電極では、中央部の
電極と外周縁部の電極との境界部、及び外周縁部の電極
と電極非形成部との境界部の２つの境界部に該応力が分
散され、その和が外周縁部の電極に相当する圧電素子部
分に幅広く分散、緩和されることとなる。

【００１２】したがって、圧電素子の割れを大幅に低減
することができる。また、上記応力分散により、圧電素
子のＰＺＴ結晶粒子が動きやすくなるとともに、電極の
剥離が抑制されるため、圧電素子の変位量も増大する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。 （実施例１）平均粒径０．２μｍのＡｇ粉末１００ｇ
と、低融点ガラスフリット１０ｇと、エチルセルロース
２１．５０ｇと、ターピネオール１０ｇとを配合し、ミ
キサーで混練して、中央部電極用の導体ペーストを調整
した。

【００１４】平均粒径０．２μｍのＡｇ粉末（Ａ成分）
と平均粒径１．０μｍのＡｇ粉末（Ｂ成分）との配合割
合を変えて（表１に示す）混合したＡｇ粉末１００ｇ
と、低融点ガラスフリット１０ｇと、エチルセルロース
２１．５０ｇと、ターピネオール１０ｇとを配合し、ミ
キサーで混練して、種々の外周縁部電極用の導体ペース
トを調整した。

【００１５】ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ ・ＰｂＴｉＯ₃ ）系
セラミックスよりなる円板状の圧電素子（φ１５ｍｍ×
ｔ０．５ｍｍ）１ａの両面の中央部に、まず中央部電極
用の導体ペーストを同心円状に、かつ、直径ｘ_b を種々
変えて（表１に示す）円形状にスクリーン印刷した。こ
れを、１２０℃で２０分間乾燥した。そして、外周縁部
電極用の導体ペーストを、ドーナツ状のスクリーン印刷
板により、中央部電極の外周縁端部にドーナツ状の内側
が接するように、かつ、ドーナツ状の外径ｘ_c を種々変
えて（表１に示す）、圧電素子１ａの両面に印刷した。
これを１２０℃で２０分間乾燥した後、大気中で５００
〜７００℃で１０〜３０分保持して、ペーストの焼き付
けを行った。

【００１６】これにより、圧電素子１ａの両面に、中央
部電極１ｂと外周縁部電極１ｃとよりなり、外周縁部電
極１ｃのＡ成分及びＢ成分の配合割合、外周縁部電極１
ｃの外径ｘ_c 、及び中央部電極１ｂの外径ｘ_b が種々異
なる電極試料Ｎｏ．１〜１６を形成した。そして、それ
ぞれについて、１００℃のシリコンオイル中にて圧電素
子１の表裏の両電極部にＤＣ１．５ｋＶの電圧を印加し
て分極処理を行った。

【００１７】（評価）上記電極が形成された圧電素子そ
れぞれについて、駆動耐久試験及び変位測定を行った。
駆動耐久試験については、圧電素子に５００ｋｇｆ／ｃ
ｍ² の荷重をかけながら、１００℃のシリコンオイル中
にて、−２００〜６００Ｖの電圧で１×１０⁸ 回パルス
駆動（１．５ｋＨｚ）させた後、超音波探傷装置でクラ
ック発生の有無を観察した。また、変位測定について
は、−２００〜６００Ｖの電圧でパルス駆動（１．５ｋ
Ｈｚ）させたときの変位を測った。その結果を表１に示
す。

【００１８】

【表１】 以上の結果から、圧電素子のクラックを効果的に抑える
ためには、外周縁部電極１ｃを形成する電極材料とし
て、粒径が１．０μｍのＢ成分を外周縁部電極材料全体
の５〜３０ｗｔ％添加したのを用いることが好ましいこ
とがわる。この構成とすることにより圧電素子のクラッ
クが抑えられるのは、外周縁部電極１ｃのオーミックコ
ンタクト性が中央部電極１ｂのオーミックコンタクト性
よりも適当に小さくなり、電極が形成された部分の圧電
素子の変位量も中央部より外周縁部の方が小さくなるこ
とによって、従来電極形成部分と電極非形成部分との境
界部に相当する圧電素子部分に集中していた応力が、外
周縁部の電極に相当する圧電素子部分に幅広く分散され
たためと考えられる。

【００１９】また、中央部電極１ｂのみを形成した従来
の電極に相当する試料Ｎｏ．１５，１６の電極と、試料
Ｎｏ．１〜１１の電極とを比較すると明らかなように、
オーミックコンタクト性の小さな外周縁部電極１ｃを形
成することにより、電極全体の外径が同じであるにもか
かわらず、圧電素子１ａの変位量が増大することがわか
る。これは、上記応力分散により圧電素子１ａが動きや
すくなるとともに、電極の剥離が抑制されたためと考え
られる。

【００２０】これに対し、外周縁部電極１ｃの配合割合
においてＢ成分が２ｗｔ％と上記範囲よりも少ない試料
Ｎｏ．１４の電極はクラックが発生した。これは、外周
縁部電極１ｃのオーミックコンタクト性が中央部電極１
ｂのオーミックコンタクト性に対して十分に小さくなら
なかったためと考えられる。また、試料Ｎｏ．１３の電
極は、外周縁部電極１ｃの配合割合が上記範囲内にある
にもかかわらず、クラックが発生した。これは、外周縁
部電極１ｃの外径ｘ _c に対して、中央部電極１ｂの外径
ｘ_b が大きく、外周縁部電極１ｃの径方向幅が小さいた
め、外周縁部電極１ｃのオーミックコンタクト性を小さ
くしたことによる実質的な効果が発揮されなかったため
と考えられる。

【００２１】一方、中央部電極１ｂの外径ｘ_b を５ｍｍ
とし、外周縁部電極１ｃの外径ｘ_cを１３ｍｍとした試
料Ｎｏ．１２の電極は、圧電素子１ａの変位量が極端に
低減した。これは、電極全体に対して、オーミックコン
タクト性の小さい外周縁部電極１ｃの占める割合が大き
すぎたためと考えられる。したがって、例えば、外周縁
部電極１ｃの外径ｘ_c を圧電素子１ａの外径の約８７〜
９３％としたとき、中央部電極１ｂの外径ｘ_b は圧電素
子１ａの外径の約６７〜８０％とすることが好ましい。

【００２２】（実施例２）上記実施例１において、表１
中のＢ成分として、平均粒径１．５μｍのＡｌ粉末を用
いること以外は上記実施例１と同様にして試料Ｎｏ．１
〜１６を作成し、同様の評価試験を行った。その結果、
表１とほぼ同様の結果が得られた。なお、上記実施例で
は、導体ペーストを印刷、焼成することにより圧電素子
に電極を形成する例について示したが、本発明は無電解
めっきや蒸着などの手法により形成される電極にも適用
することができる。例えば、蒸着による場合は、外周縁
部電極の形成時に、粒径の異なる２種類の金属粉末を用
いればよい。また、無電解めっきによる場合は、外周縁
部電極形成時に、還元速度を制御して大きさの異なる金
属粒子を得ることで同様の効果が期待できる。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の圧電素子用
電極においては、中央部のオーミックコンタクト性より
も外周縁部のオーミックコンタクト性を小さくした二重
構造とすることにより、圧電素子にかかる応力集中を分
散、緩和して、圧電素子のクラック発生を大幅に低減す
ることができる。したがって、本発明の圧電素子用電極
で圧電素子に部分電極を形成すれば、マイグレーション
や短絡を防止しつつ、圧電素子の割れを防止することが
可能となる。

【００２４】また、本発明の圧電素子用電極は、上記応
力分散により圧電素子の変位量も増大させるため、同変
位を得るための駆動電圧を小さくすることができ、圧電
積層体の小型化にも寄与する。さらに、本発明の圧電素
子用電極は、応力緩和により電極そのものの劣化も効果
的に抑制されるので、圧電積層体としたときの絶縁コー
ティング層を薄くでき、これによっても圧電積層体の小
型化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る電極を形成した圧電素子の平面
図である。

【図２】本実施例に係る電極を形成した圧電素子の断面
図である。

【符号の説明】

１ａは圧電素子、１ｂは中央部電極、１ｃは外周縁部電
極である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子の表面に形成される圧電素子用電
   極であって、中央部と外周縁部とでオーミックコンタク
   ト性を変えた二重構造を有しており、該外周縁部の方が
   該中央部よりもオーミックコンタクト性が小さく設定さ
   れていることを特徴とする圧電素子用電極。
2. 【請求項２】 請求項１の圧電素子用電極において、前
   記中央部は、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｕ、Ｐ
   ｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ及びＦｅから選択さ
   れた一種の電極材料から形成され、かつ、前記外周縁部
   は、該中央部の電極材料の他に、該中央部の電極材料の
   ２〜１０倍の粒径を有する電極材料が全体の５〜３０ｗ
   ｔ％添加された電極材料から形成されていることを特徴
   とする圧電素子用電極。