JP3850130B2 - 積層圧電素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は積層圧電素子に係り、特に分極処理時におけるトラブルの発生を防止できる積層圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば電気−機械エネルギー変換機能を有する圧電セラミックス等の電気−機械エネルギー変換材料で形成された圧電体である圧電セラミックス（層）と、電極材料（層）とを交互に積層した積層圧電素子が提案されている。
【０００３】
この積層圧電素子は、例えば同じ厚さの単一の板状の圧電セラミックスと比較した場合、低い印加電圧で大きな変形歪や大きな発生力が得られるので、近年、特に圧電アクチュエータや振動波モータ等の振動駆動装置を構成する振動体の駆動部に検討され適用されつつある。
【０００４】
このような積層圧電素子の製造方法は、主に焼成前の圧電セラミックス粉末を有機バインダーと混合したシート状の成形体（グリーンシート）の層と、電極ペーストの層を焼結前に各々複数枚重ね合せ熱圧着して一体化した後に焼成して形成する焼結一体型の方法であり、圧電セラミックスの層をより薄く形成でき、より小型で信頼性の高い積層圧電素子が可能となる。
【０００５】
一般に、上述の製造に用いる電極材料は、圧電セラミックスと同時焼成を行うので、融点の高い貴金属（白金、パラジウム、銀など）を単一もしくは混合して使用しており、圧電セラミックスの焼結温度にもよるが、通常は銀−パラジウムの重量比が５：５〜８：２で使用されている。
【０００６】
これらの貴金属は高価であり、積層圧電素子の材料費の中でも最も高いコストを占める。そこで電極層は積層圧電素子として製造可能な範囲でさらに、性能上問題のない範囲でできるだけ薄くなるように電極材料、有機バインダー、溶剤、その他添加物からなる電極ペーストとこれを層に形成する例えばスクリーン印刷法を工夫して製造している。
【０００７】
そして、このようにして形成された圧電素子を実際の使用に合わせて伸縮させるための分極処理が行われることになり、最上層の表面電極層はこの分極処理の際に接触電極として使用されるが、分極処理の終了後においては、削除され、表面に露出する個々のスルーホール（スルーホールに導電体を充填したものをスルーホール電極と称したり、バイヤホール等と称することもある）と駆動回路との接続を可能としている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積層圧電素子は使用する前に圧電セラミックス層に電圧を印加する分極処理が行われるが、通常、高温下（８０℃〜２００℃）で３ＫＶ／ｍｍ〜１ＫＶ／ｍｍの電圧を３０分間〜１時間程印加して処理を行っていた。
【０００９】
この処理の際、積層圧電素子は従来の単板の圧電素子と比べ静電容量が著しく大きいため、印加直後に流れる電流も非常に大きくなり、前述の薄い電極層、とりわけ、分極処理のための直流電源から直接接触する積層圧電素子の表面電極層とこの表面電極層と各内部電極層をつなぐ導体電極のつなぎ部分に大きな電流が流れるため、スパークが発生し易く、その結果溶断が起り、分極処理ができなくなったり、スパークによる衝撃で素子の破壊が生じることがあった。
【００１０】
また、積層圧電素子は各内部電極層をつなぐ導体電極に回路基板に使われるスルーホールを応用した素子であり、直流電源と直接接触する表面電極層以外に配線用回路機能を有する内部電極層（後述）を有しており、この配線用の電極層においても上記と同様の理由で配線用の電極層と、導体電極のつぎ目部分でスパークや溶断が生じ、素子が破壊することもあった。
【００１１】
本出願に係る発明の目的は、分極処理時における電気的なトラブルが生じにくい積層圧電素子を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る発明の目的を実現する第１の構成は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、電極層間の導通を図るため、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、複数の電極層のうち、積層圧電素子の積層方向における表面に位置し、分極処理に使用する電極層の厚さを、前記積層方向の内部に位置する電極層の厚さよりも厚くしたものである。
【００１３】
本出願に係る発明の目的を実現する第２の構成は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、電極層間の導通を図るため、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、複数の電極層のうち、積層圧電素子の積層方向における表面に位置して分極処理に使用される電極層と導通する導体電極及び該導体電極とは異なる層に設けられた他の導体電極に導通する導通回路機能を有する電極層の厚さを、積層方向の内部に位置する他の電極層の厚さよりも厚くしたものである。
【００１４】
本出願に係る発明の目的を実現する第３の構成は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、電極層間の導通を図るため、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、複数の電極層のうち、積層圧電素子の積層方向における表面に位置して分極処理に使用される電極層の厚さと、この分極処理に使用される電極層と導通する導体電極及び該導体電極とは異なる層に設けられた他の導体電極に導通する導通回路機能を有する電極層の厚さを、積層方向の内部に位置する他の電極層の厚さよりも厚くしたものである。
【００１５】
本出願に係る発明の目的を実現する第４の構成は、前記分極処理に使用する表面の電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、内部の電極層の厚さを２〜３μｍ以下としたものである。
【００１６】
本出願に係る発明の目的を実現する第５の構成は、導通回路機能を有する電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、その他の電極層の厚さを平均２〜３μｍとしたものである。
【００１７】
本出願に係る発明の目的を実現する第６の構成は、分極処理に使用する表面の電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、導通回路機能を有する電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、その他の電極層の厚さを平均２〜３μｍとしたものである。
【００１９】
上記の構成によれば、積層圧電素子の分極処理時に発生するスパークによって起こる電極層と各電極層間をつなぐ導体電極の溶断での素子の分極不良を防止することができる。また、スパークや溶断の発生を防ぐための電圧の印加方法たとえば少しづつ電圧を上げるなど特別手段や装置を用いることなく短時間での分極が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１、図２は本発明の第１の実施の形態を示す。
【００２１】
図１は積層圧電素子１の分極処理時の外観図、図２は第１層の表面電極層５（各電極は５−１〜５−３）および２層目以降の電極層６（６−２〜６−５を含む）をつなぐスルーホールである最上部の導体電極３（３−１〜３−１２）および２層目以降の導体電極４（４−２−１〜４−２−９・・・）を示す。
【００２２】
本実施の形態の積層圧電素子は、外径φ１０ｍｍ、内径φ２．８ｍｍ、厚さ約２ｍｍであり、第１層（直径φ９．５ｍｍ）と第２層から第２３層（直径φ９ｍｍ）の電極層からなり、これらの電極層は圧電セラミックス粉末と有機バインダーからなる厚さ９０μｍのグリーンシート（不図示）上にスクリーン印刷法により電極ペーストを印刷して形成した。
【００２３】
また、スルーホール３，４は、同じくグリーンシートに約０．１ｍｍの穴をあけ、穴の内部に電極ペーストを充填して各電極層間の導通が図れるように形成した。使用した電極ペーストの電極材料は、銀とパラジウムで重量比で６：４である。これらのグリーンシートと電極層は精度よく同位相に重ね合せ熱プレスによりそれぞれ圧着させ、その後最高温度１１２０℃で焼成し、焼成により約２０％収縮した。
【００２４】
なお、スルーホールは第１層の電極層から第２３層までつながっているのは３−２〜３−９であり、３−１は第３層まで（第３層のＳは信号を出力するためのセンサ用の電極層）、３−１０〜３−１２は本積層圧電素子の位置認識用のスルーホールである。
【００２５】
ここで、第１層の電極層５−１〜５−３は、分極処理の際に、図１で分極用の直流電源から直接にコンタクトピン２で電圧が印加される表面電極層である。分極処理は、図１で直流電源８を用い、ＧＮＤを基準にして（＋）側に１８０Ｖ、（−）側に−１８０Ｖを印加し、１５０℃のシリコーンオイル中で１時間かけて行った。
【００２６】
本実施の形態では、第１層の電極層５の厚さを他の電極層６よりも厚くしている。
【００２７】
従来、第１層から第２２層の電極層の厚さは高価な貴金属を使用していることから、できるだけ薄く形成していたが、現状の電極ペーストとスクリーン印刷法では薄くて１μｍ台であり、平均２〜３μｍとなっていた。
【００２８】
この状態で、前述の条件で分極処理を行うと、印加直後はいわばコンデンサーに充電がなされるのと同じ原理で急激に電流が流れ（本積層素子の静電容量は（＋）（−）側で各々６５ｎＦを有する）、スルーホール電極３−２〜３−９と電極層５−１〜５−３のつなぎ目部分でスパークが発生し易く、前述のごとく溶断による分極不良や、スパークの衝撃による素子の破壊が発生することがあった。そこで、スクリーンの版を変更し、表面電極層５−１〜５−３の厚さを平均４〜６μｍにしたところ発生は殆どなくなった。
【００２９】
表面電極層５の厚さをさらに厚くすればより効果は確実になる。これは表面電極層５の厚みを増やすことで、スルーホール表面との導通が確実になり、電気抵抗が減少することでスパーク溶断が起りにくくなったと思われる。ただあまり厚くなってもコストが上り不適切である。
【００３０】
また、本実施の形態は、スルーホールによる導体電極を用いているが、スルーホール以外に良く使用される、素子側面に設ける導体電極である側面電極に関しても電極層を厚くすることは同様の効果がみられた。
【００３１】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、第１層の電極層に加え、図２に示す第２層の電極層６−２の厚さを他の電極層よりも厚くしたものである。
【００３２】
第２層の電極層６−２は、図２に示すようにスルーホール３−４と４−２−４，３−５と４−２−５，３−７と４−２−７，３−８と４−２−８，３−９と４−２−９の５ケ所は第２層の電極層を介して下の第３層のスルーホールへ導通が行われており、導通回路機能を持つ配線用の内部電極層でもある。
【００３３】
図３は、スルーホール３−４と４−２−４の半径方向の横断面の模式図を示す。分極に使用する電極層５−１につながるスルーホール３−４は第２層の電極層６−２を介して、スルーホール４−２−４と導通が図られている。
【００３４】
図において、電極層を厚くすることでスルーホール３−４と電極層５−１との接続部、同じくスルーホール３−４と電極層６−２、スルーホール４−２−４と電極層６−２の各々の接続部の部分の電気抵抗が減少し、導通がより確実になりスパーク溶断の発生がなくなる。
【００３５】
一方、スルーホール３−２，３−３，３−６は真直ぐに第２２層までスルーホールにより導通が図られる。なお、スルーホール３−１，３−１０〜３−１２については前述の通りである。
【００３６】
従来第２層の電極層も平均２〜３μｍとなっていたが、分極処理直後は急激に流れる電流のためスパークが発生し分極不良や第１層の表面にクラックが生じたり、素子全体の破壊が生じたりする問題が頻繁して発生していた。そこで第２層の電極層の厚さを平均４〜６μｍにしたところ発生はほとんどなくなった。
【００３７】
ただし、電極層の厚さをさらに厚くすると、第２層は内部電極層であるため第１層の電極層が形成された圧電セラミック層と剥離し易くなった。これは基本的に電極層は圧電セラミック層とは化学的に反応しておらず電極層が厚くなると剥離が起り易いものと考えられる。そのため第２層の回路用電極層の厚さは４〜６μｍが最適である。
【００３８】
なお、実際の厚くする電極膜は第２層の全領域でなくてもスルーホールのある３−４と４−２−４，３−５と４−２−５，３−７と４−２−７，３−８と４−２−８，３−９と４−２−９のある領域だけで良いが、製造上（スクリーン印刷法）、第２層全域の電極膜の厚さを厚くした方が容易である。
【００３９】
なお、上記した積層圧電素子の用途としては、２方向の曲げ振動の合成で進行波を形成する振動波モータ等の振動波駆動装置における振動体を構成する振動発生源として利用されるものであるが、特に、この目的に限定されたものではなく電極層の構成を変更すれば他の目的の振動発生源として使用することが可能であり、例えば積層の圧電トランスなどにも充分に適用可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、分極処理時に起こる不良を減らし、積層圧電素子の良品率を向上させるとともに、分極処理に使用する電源やその電圧条件やその昇圧方法、手段に特別に工夫を行うことなく短時間での分極処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す斜視図。
【図２】図１の積層圧電素子の各層の平面図。
【図３】第２の実施の形態の積層圧電素子の一部側断面図。
【符号の説明】
１ 積層圧電素子
２ コンタクトピン
３，４ スルーホール導体電極
５ 第１層分極用表面電極層
６ 第２層回路用電極層

Claims (6)

1. 電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、
   前記電極層間の導通を図るため、前記電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、
   前記複数の電極層のうち、該積層圧電素子の積層方向における表面に位置して分極処理に使用される電極層の厚さを、前記積層方向の内部に位置する電極層の厚さよりも厚くしたことを特徴とする積層圧電素子。
2. 電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、
   前記電極層間の導通を図るため、前記電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、
   前記複数の電極層のうち、該積層圧電素子の積層方向における表面に位置して分極処理に使用される電極層と導通する導体電極及び該導体電極とは異なる層に設けられた他の導体電極に導通する導通回路機能を有する電極層の厚さを、前記積層方向の内部に位置する他の電極層の厚さよりも厚くしたことを特徴とする積層圧電素子。
3. 電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層と電極層とを交互に複数重ねて積層し焼結された積層圧電素子において、
   前記電極層間の導通を図るため、前記電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層に設けた穴の内部に電極材料が充填された導体電極を備え、
   前記複数の電極層のうち、該積層圧電素子の積層方向における表面に位置して分極処理に使用される電極層の厚さと、この分極処理に使用される電極層と導通する導体電極及び該導体電極とは異なる層に設けられた他の導体電極に導通する導通回路機能を有する電極層の厚さを、前記積層方向の内部に位置する他の電極層の厚さよりも厚くしたことを特徴とする積層圧電素子。
4. 前記分極処理に使用される電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、前記内部の電極層の厚さを２〜３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の積層圧電素子。
5. 前記導通回路機能を有する電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、前記他の電極層の厚さを平均２〜３μｍとしたことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電素子。
6. 前記分極処理に使用される電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、前記導通回路機能を有する電極層の厚さを平均４〜６μｍとし、前記他の電極層の厚さを平均２〜３μｍとしたことを特徴とする請求項３に記載の積層圧電素子。

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