JP3855750B2 - 積層型圧電体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，通電により積層方向に伸縮する積層型圧電体素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来，積層型圧電体素子として，次の構成がよく知られている。
図１３〜図１５に示すごとく，積層型圧電体素子８は，圧電層８１，８２の層間に内部電極層８３，８４を交互に正負に電圧を印加可能となるように形成した圧電スタック８０と，該圧電スタック８０の側面８０１，８０２に，上述の内部電極層８３，８４と電気的導通を確保して設けた一対の側面電極８５１，８５２とよりなる。
なお，圧電層８１，８２の積層方向の両端はダミー層１８，１９を設ける。
【０００３】
圧電スタック８０において，図１４，図１５に示すごとく，一方の内部電極層８３は一方の側面８０１に露出し，他方の内部電極層８４は他方の側面８０２に露出する。圧電スタック８０の側面８０１，８０２には，露出した内部電極層８３，８４の端部と導通する側面電極８５１，８５２を形成する。
上記圧電体素子８は，圧電層８１，８２用のグリーンシートに内部電極層８３，８４用の印刷部を形成し，交互に積層した後に加圧成形して，乾燥，焼成，機械加工の後に側面電極８５１，８５２を設けて作成する。
【０００４】
【解決しようとする課題】
近年，積層型圧電体素子を自動車等の燃料噴射用インジェクタの駆動源に用いることが考えられている。インジェクタに用いる場合は，圧電層に対する印加電圧が低くとも大きな変位を得る高性能が要求される。そのため非常に多数の圧電層を積層して圧電体素子を構成することがある。また，圧電体素子に高い信頼性が必要であり，電圧印加時に生じる応力等からクラックが生じることなどがないようにしたい。
【０００５】
ところで，上述した図１３〜図１５にかかる圧電体素子８で，内部電極層８３は側面電極８５１と導通し，内部電極層８４は側面電極８５２と導通し，内部電極層８３は側面電極８５２に対して絶縁性を，内部電極層８４は側面電極８５１に対して絶縁性を確保したい。
そのため，内部電極層８３，８４は図１３から明らかであるが，圧電層８１，８２の外周よりも一回り小さく形成する。つまり，圧電層８１，８２の表面に内部電極層８３，８４の非形成部８１０，８２０がある。
【０００６】
このため，図１５等より明らかであるが，圧電層８１，８２は内部電極層８３，８４によって挟まれた部分８００にしか電圧が印加されない。よって，圧電体素子８の周辺部が比較的不活性となる。不活性となった部分が歪みの発生を抑圧し，大きな応力の発生原因となる。そして，上記応力から圧電体素子８にクラックや割れが生じるおそれがある。
【０００７】
上述した問題を防止するために，図１６に示すごとく，圧電層９１と同じ面積の内部電極層９３を設け，非形成部を持たない全面電極構成の圧電体素子９が考えられる。
しかしながら，全面電極構成は，圧電層９１と内部電極層９３との接触面積がより広くなる。そして，圧電層９１と内部電極層９３とは組成が異なるため剥離や焼成歪みが生じやすい。
また，全面電極構成の場合，電極材料をより多く必要とするため，コストが高くなりやすい。
【０００８】
また，内部電極層は全面電極構成の場合も，部分電極構成の場合も，圧電層との接合性を確保するため，共材として圧電層と類似または同じ組成のセラミック材を混ぜる。しかしながら，セラミック材を混ぜる分，導電性が低下するため，圧電スタック側面に露出した部分と側面電極との間の導通が確保し難くなるという問題もある。
【０００９】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，圧電層と内部電極層との剥離が生じ難く，側面電極と内部電極層との間の電気的導通が確実に確保可能で，コスト安な積層型圧電体素子を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
第１の発明は，印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層した圧電スタックと，該圧電スタックの側面に上記内部電極層と一層おきに導通するよう設けた一対の側面電極とよりなり，
また，上記内部電極層は，上記側面電極との導電性を確保する取出電極層と，上記圧電層との接合性を確保する接合電極層とよりなり，
上記取出電極層は，電極材料を８０〜１００重量％含有し，
上記接合電極層は，電極材料を含有すると共にセラミック材料を１０〜５０重量％含有することを特徴とする積層型圧電体素子にある（請求項１）。
【００１１】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
内部電極層の一部は圧電層との接合性を確保する接合電極層であり，他の部分は側面電極との導通性を確保する取出電極である。
接合電極層によって強く圧電層間が密着し，剥離等が生じ難くなる。
また，取出電極層が側面電極との間の導通性を確保して，取出電極層と側面電極との間の接触抵抗を低くすることができる。特に内部電極層の厚みが薄いときに本発明は有効である。
【００１２】
また，内部電極層は電極材料に別の材料を混ぜて構成することが一般的である。接合電極層は圧電層との剥離を防止し，圧電層に電圧を印加できる程度の導電性を有する。そのため，電極材料が従来と比較して少ない量で接合電極層の形成が可能となる。電極材料は高価な貴金属を用いることが一般的であるため，本発明は圧電体素子のコストを低下させることができる。
【００１３】
以上，本発明によれば，圧電層と内部電極層との剥離が生じ難く，側面電極と内部電極層との間の電気的導通が確実に確保可能で，コスト安な積層型圧電体素子を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記第１の発明（請求項１）にかかる圧電層は圧電効果を持つ材料から構成する。例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛），ＰＺＴに他の元素を添加した材料，チタン酸バリウム，その他圧電効果を持つセラミック類である。また，圧電層の厚みは例えば５０〜１５０μｍとする。
上記内部電極層を構成する接合電極層及び取出電極層はいずれも導電材料を含んだ材料からなる。上記導電材料は，具体的にはパラジウム，金，白金，銀，銅等，またはこれら金属の合金を用いることが多い。
【００１５】
また，上記接合電極層は取出電極層を介して側面電極から電圧を印加することで，圧電層を伸縮することが可能となる程度の導電性を有する。また，取出電極層が圧電スタックの側面に露出した箇所において，上記側面電極と電気的に導通するよう構成されるため，電気抵抗が低く，側面電極との接触抵抗が小さいように構成する。
また，圧電層に対し内部電極層を部分電極構成または全面電極構成とすることができる。
【００１６】
また，後述する図９，図１０に示すごとく，取出電極層を内部電極層の中心方向へ向けて嵌入する形状とすることもできる。特に内部電極層の面積が取出電極に比べて広い場合，接合電極層の電気抵抗が高くなり，該接合電極層の電位を，圧電層に充分な電圧を印加できるほど高くできないことがある。
このような場合に，より導電性の高い取出電極層を内部に嵌入形成させてやることで，内部電極層の電位を高めることができる。
【００１７】
また，上記接合電極層は上記内部電極層の表面積の８０〜９９％を占めることが好ましい（請求項２）。
この場合には，確実に圧電層と内部電極層との剥離等を防止することができると共に側面電極との確実な導通を確保することができる。
【００１８】
仮に接合電極層の表面積が内部電極層の表面積に占める割合が８０％未満である場合は，接合電極層の面積が狭く，圧電層との接合性が弱くなるおそれがある。また，より高価な電極材料を潤沢に含む取出電極層の比率が高くなるため，材料コストが高価となるおそれがある。
また，接合電極層が９９％を越えた場合は，取出電極層が狭くなるため，積層時のずれや，焼成歪などにより部分的に取出電極層での取り出しができなくなるおそれがある。
なお，内部電極層の表面積とは圧電層との対向面に関する面積である。
【００１９】
また，上記接合電極層は，セラミック材料を１０〜５０重量％含有することが好ましい。
セラミック材料は圧電層と物性が似ているため，接合電極層の収縮率や熱膨張率等の物性をより圧電層と近い物性にすることができる。従って，接合電極層と圧電層との剥離が生じ難くなり，両者間の接合強度を高めることができる。
【００２０】
セラミック材料が１０重量％未満である場合は，上述した効果がセラミック材料の不足により実現できなくなるおそれがある。また，５０重量％を越えた場合は，接合電極層の抵抗が大きくなりすぎて，圧電層に電圧を印加する役割が果たせなくなるおそれがある（図１１，図１２参照）。
【００２１】
また，上記接合電極層の原料粉末は，上記圧電層の原料粉末よりも平均粒径が大きいことが好ましい（請求項３）。
圧電体素子は，圧電層の原料粉末から作製したグリーンシートに接合電極層や取出電極層の原料粉末をペースト化して所望の形状に印刷し，得られたシートを積層，圧着した後，焼成することにより作製する。
このとき用いる原料粉末の平均粒径を上述のように規定することで，粒子が食い込みやすくなるため（アンカー効果）接合電極層と圧電層との間の接合性を高めることができる。
【００２２】
また，上記接合電極層の原料粉末の平均粒径は１〜５μｍであることが好ましい（請求項４）。
これにより，粒子が食い込みやすくなるため（アンカー効果）接合電極層と圧電層との間の接合性を高めることができる。
平均粒径が１μｍより小さい場合は，食い込みが弱くなるおそれがあり，５μｍより大である場合は，反対に粒径が大きくなりすぎて食い込みが弱くなるおそれがある。
【００２３】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本発明にかかる圧電体素子及びその製造方法について以下に説明する。
図１〜図３に示すごとく，本例にかかる圧電体素子１は，印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層１１，１２と，印加電圧供給用の内部電極層１３，１４とを交互に積層した圧電スタック１０と，該圧電スタック１０の側面１０１，１０２に上記内部電極層１３，１４と一層おきに導通するよう設けた一対の側面電極１５１，１５２とよりなる。
【００２４】
そして，上記内部電極層１３，１４は取出電極層１３２，１４２と接合電極層１３１，１４１とよりなり，上記取出電極層１３２，１４２は導電性が高く上記側面電極１５１，１５２との導電性を確保し，上記接合電極層１３１，１４１は圧電層１１，１２との接合性を確保する。
【００２５】
以下，具体的に説明する。
図１に示すごとく，積層型圧電体素子１は，圧電層１１，１２の層間に内部電極層１３，１４を交互に正負に電圧を印加可能となるように形成した圧電スタック１０と，該圧電スタック１０の側面１０１，１０２に設けた一対の側面電極１５１，１５２よりなる。
【００２６】
圧電スタック１０において，内部電極層１３は一方の側面１０１に露出し，内部電極層１４は他方の側面１０２に露出する。圧電スタック１０の側面１０１，１０２には，露出した内部電極層１３，１４の端面を導通させるように側面電極１５１，１５２を形成する。
なお，図３に示すごとく，内部電極層１３と側面電極１５１とが導通し，内部電極層１４と側面電極１５１とが導通しないようにするため，絶縁部１５０を側面１０１において内部電極層１４の端面に設ける。側面電極１５２についても同様である。
【００２７】
また，内部電極層１３の圧電スタック１０の側面１０１に露出する箇所は取出電極層１３２よりなる。内部電極層１４についても同様の位置に取出電極層１４２が設けてある。
そして，圧電層１１の両面が異なる極となるよう，図１に示すごとく，一方の圧電層１１は図面右辺部に取出電極層１３２を設け，該圧電層１１と積層方向に隣接する圧電層１２は図面左辺部に取出電極層１４２を設ける。そして，取出電極層１３２，１４２以外の部分は接合電極層１３１，１４１とする。そして，上記内部電極層１３，１４は上記圧電層１１，１２と同じ面積，つまり全面電極構成である。
【００２８】
上記圧電層１１，１２は厚みが１００μｍ，内部電極層１３，１４は厚みが５μｍである。図１では省略したが，本例にかかる圧電スタック１０は全部で５００枚の圧電層１１，１２を積層した。
【００２９】
本例の圧電層１１，１２はジルコン酸チタン酸鉛，つまりＰＺＴよりなる。
上記内部電極層１３，１４はパラジウムと銀とよりなる電極材料と同じ組成のセラミック材料を共材として含有する。この共材はＰＺＴである。そして，パラジウムと銀とよりなる電極材料は接合電極層１３１，１４１では内部電極層１３全体の５０〜８０重量％含まれており，接合電極層１３１，１４１の残りは共材やその他の樹脂としてＰＶＢ（ポリビニルブチラール），溶剤等といった成分よりなる。
また，取出電極層１３２，１４２は，上記電極材料が８０〜１００重量％で，上述したような共材，樹脂，溶剤等が残りを占める。
【００３０】
本例にかかる圧電体素子１の製造方法について説明する。
公知の方法により圧電層１１，１２の主原料となる酸化鉛，酸化ジルコニウム，酸化チタン，酸化ニオブ，炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。これを混合機にて乾式混合し，その後８００〜９５０℃で仮焼する。
【００３１】
次いで，仮焼粉に純水，分散剤を加えてスラリーとし，パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥，粉脱脂した後，溶剤，バインダー，可塑剤，分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後，このスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡，粘度調整をする。
次いで，スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのシートに成形し，図４に示すごとく，圧電層の４枚分よりもさらに大きな面積のグリーンシート５０に打ち抜く。
【００３２】
次いで，銀及びパラジウムのペースト（以下，Ａｇ／Ｐｄペーストという）を二種類準備する。ひとつは接合電極層１３１，１４１用で，銀７０，パラジウム３０（重量％）の電極材料を用い，該電極材料６０％に対し共材４０％（重量％）を添加した組成である。もうひとつは取出電極層１３２，１４２用で銀７０，パラジウム３０（重量％）の電極材料を用い，該電極材料９５％に対し共材５％（重量％）を添加した組成である。
【００３３】
図４に示すごとく，グリーンシート５０の所定の位置に取出電極層１３２，１４２用のＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷して印刷部５３２および５４２を形成する。
ついで，図５に示すごとく，グリーンシート５０の所定の位置に接合電極層１３１，１４１用のＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷して印刷部５３１および５４１を形成する。
その後，プレス型によるうち抜きでグリーンシート５０を切断し，圧電層１１，１２の一枚分のシート５１，５２を作成する。
また，圧電層１１，１２の一枚分と同じ大きさで印刷部を設けていないシートを２枚準備する（図示略）。
【００３４】
次いで，これらのシート５１，５２を図１に示すような圧電スタック１０となるように積層して，取出電極層１３２，１４２用の印刷部５３２，５４２が一方の側面に対しシート５１，５２の一枚おきに露出するようにする。
また，圧電スタック１０の積層方向の上端および下端は印刷部を設けていないシートをそれぞれ配置する。
【００３５】
次いで，温水ラバープレス等による熱圧着後，電気炉により４００〜７００℃で脱脂し，９００〜１２００℃で焼成する。
そして，取出電極層１３２，１４２が露出した側面１０１，１０２において，接合電極層１３１，１４１が露出している部分に絶縁用樹脂を塗布し，乾燥して絶縁部１５とする。
ついで，銀メッキ，ステンレスよりなる板状の側面電極１５１，１５２を樹脂銀による接着で貼り付ける。以上により圧電体素子１を得る。
【００３６】
本例にかかる作用効果について説明する。
内部電極層１３，１４の一部は圧電層１１，１２との接合性を確保する接合電極層１３１，１４１であり，他の部分は側面電極１５１，１５２との導通性を確保する取出電極１５１，１５２である。
接合電極層１３１，１４１によって強く圧電層１１，１２間が密着し，圧電スタック１０における剥離等が生じ難くなる。
また，取出電極層１３２，１４２が側面電極１５１，１５２との間の導通性を確保して，取出電極層１３２，１４２と側面電極との間の接触（電気）抵抗を低くすることができる。
【００３７】
また，接合電極層１３１，１４１はＡｇ／Ｐｄペーストに圧電層１１，１２用材料を混ぜて構成する。そのため，接合電極層１３１，１４１と圧電層１１，１２との間の収縮率や熱膨張率とが近くなり，両者間の隔離等が防止できる。
また，接合電極層１３１，１４１に含まれるＡｇ／Ｐｄペーストの量は，従来と比較して少ない量で済むため，圧電体素子のコストが安くなる。
【００３８】
以上，本例によれば，圧電層と内部電極層との剥離が生じ難く，側面電極と内部電極層との間の電気的導通が確実に確保可能で，コスト安な積層型圧電体素子を提供することができる。
なお，図７，図８に示すごとく，圧電層の形状を樽型で構成することもできる。
【００３９】
（実施例２）
本例は，接合電極層内部に向かって嵌入部を取出電極層に設ける。
図９に示すごとく，枝分かれを持つ楔型に伸びる嵌入部１３３，図１０に示すごとく，まっすぐに伸びる嵌入部１３３がある。
その他は実施例１と同様の構成である。
【００４０】
嵌入部１３３を設けることで，内部電極層１３の中央付近まで延びる電気の通り道ができる。接合電極層１３１は圧電層１１と同じセラミックが多く含まれているため電気抵抗が高く，取出電極層１３２を介して印加した電圧が十分に接合電極層１３１のすみずみまでいきわたらず，電位が低くなって，圧電層１１に対する電圧印加が難しくなることがある。
本例のような嵌入部１３３を設けることで，嵌入部１３３を中心として高電位な部分が内部電極層１３に形成され，圧電層１１に対し充分な電圧を印加することができる。
その他詳細は実施例１と同様である。
【００４１】
（実施例３）
本例は，図１１，図１２に示すごとく，接合電極層の圧電層に対する密着強度と接合電極層に添加するセラミック材料として使用する共材の添加量との関係，接合電極層の単位面積あたりの電気抵抗値と共材の添加量との関係について測定した。
【００４２】
実施例１と同様の積層型圧電体素子で，接合電極層に対する共材の添加量が異なる試料を７種類，また１種類の試料については各３本の素子を準備した。
そして各試料における接合電極層と圧電層との密着強度を，アムスラー試験機を用いて引張り試験し，測定結果を図１１に記載した。
同図より知れるごとく，接合電極層に対する共材の添加量が多くなるほど密着強度が高くなるが，４５重量％以上は添加量が増えても密着強度に変化があまりみられないことがわかった。
【００４３】
また，焼き付け銀よりなる測定用電極を，試料の側面の＋−の電極を取り出していない側（内部電極層が露出していない部分）に設け，設ける範囲は１０〜５０層分の間で適宜選択する。本例は２０層分設けた。１層だけだと測定用電極に対する測定端子の接続が困難となるためである。そして，接合電極層の電気抵抗値を接触抵抗を相殺するため，電圧降下法で測定した。
このようにして測定された抵抗値を２０倍して一層あたりの値に換算し，さらに単位面積あたりの値に換算して図１２に記載した。
【００４４】
図１２の縦軸の単位『Ω／□』は接合電極層全体の電気抵抗値（上述の測定により得た値）を接合電極層の面積で割った値を示している。また，図１２の縦軸は対数目盛とした。
同図より，共材の添加量が５０重量％を越えた付近から急激に電気抵抗値が増大することが明らかである。
【００４５】
そして，同図の中央に引いた境界線Ｍよりも接合電極層の電気抵抗値が高くなった場合，電流が流れにくくなり，圧電層に充分な電圧を印加することが困難となった。
【００４６】
以上により，接合電極層に対し，１０重量％以上，５０重量％未満の共材を添加してやることで，圧電層と優れた密着性が得られることが分かった。特に共材を３５重量％以上加えることで高い密着性が得られることが分かった。
【００４７】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，圧電スタックの斜視展開図。
【図２】実施例１における，圧電層と内部電極層との断面説明図。
【図３】実施例１における，圧電体素子の斜視図。
【図４】実施例１における，グリーンシートと取出電極層用の印刷部との説明図。
【図５】実施例１における，グリーンシートと取出電極層用，接合電極層用の印刷部との説明図。
【図６】実施例１における，圧電層用のシートの説明図。
【図７】実施例１における，樽型の圧電層を有する圧電スタックの斜視展開図。
【図８】実施例１における，樽型の圧電体素子の斜視説明図。
【図９】実施例２における，枝型の嵌入部を持つ取出電極層用の説明図。
【図１０】実施例２における，まっすぐな嵌入部を持つ取出電極層用の説明図。
【図１１】実施例３における，接合電極層の圧電層に対する密着強度と共材の添加量との関係を示す線図。
【図１２】実施例３における，接合電極層の単位面積あたりの電気抵抗値と共材の添加量との関係を示す線図。
【図１３】従来における，部分内部電極層を設けた圧電層の平面図。
【図１４】従来における，部分内部電極層を設けた圧電体素子の平面図。
【図１５】従来における，部分内部電極層を設けた圧電体素子の説明図。
【図１６】従来における，全面内部電極層をもつ圧電スタックの斜視展開図。
【符号の説明】
１．．．圧電体素子，
１０．．．圧電スタック，
１１，１２．．．圧電層，
１３，１４．．．内部電極層，
１３１，１４１．．．接合電極層，
１３２，１４２．．．取出電極層，

Claims (4)

1. 印加電圧に応じて伸張する複数の圧電層と印加電圧供給用の内部電極層とを交互に積層した圧電スタックと，該圧電スタックの側面に上記内部電極層と一層おきに導通するよう設けた一対の側面電極とよりなり，
   また，上記内部電極層は，上記側面電極との導電性を確保する取出電極層と，上記圧電層との接合性を確保する接合電極層とよりなり，
   上記取出電極層は，電極材料を８０〜１００重量％含有し，
   上記接合電極層は，電極材料を含有すると共にセラミック材料を１０〜５０重量％含有することを特徴とする積層型圧電体素子。
2. 請求項１において，上記接合電極層は上記内部電極層の表面積の８０〜９９％を占めることを特徴とする積層型圧電体素子。
3. 請求項１または２において，上記接合電極層の原料粉末は，上記圧電層の原料粉末よりも平均粒径が大きいことを特徴とする積層型圧電体素子。
4. 請求項３において，上記接合電極層の原料粉末の平均粒径は１〜５μｍであることを特徴とする積層型圧電体素子。

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