JP3867823B2 - 積層圧電素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は積層圧電素子および積層圧電素子の製造方法に係り、各層の複数の電極材料層をつなぐスルーホールとその電極層との導通ならびにスルーホール間の導通を確実に行い、高い信頼性を可能とする積層圧電素子の電極構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気−機械エネルギー変換機能を有する圧電材料は様々な圧電素子や圧電装置として多種多用途に用いられている。とりわけ最近の傾向として、これらの圧電素子や圧電装置は、単一の板状の形から多数の層を重ねた積層化した構造のものが提案されている。これは、積層化によって、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力が得られ、逆に小さな変形歪みを加えるだけで大きな電圧信号の出力が得られるといった大きな利点があり、これにより小型で高性能な圧電素子や圧電装置が提供できることになる。
【０００３】
例えば、振動波モータ用の積層圧電素子としては特開平０８−２１３６６４号公報、また振動ジャイロ用の積層圧電素子としては特開平０８−２７１２６３号公報が、さらに圧電トランス用の積層圧電素子としては特開平０８−１４８７３３号公報等がある。
【０００４】
このような種々の用途に使用される積層圧電素子は、各圧電材層の表面に電極材料で形成された層（電極層）を接続するために、導体電極（層間電極）として層内に埋め込んだ電極であるスルーホール（スルーホール電極あるいはバイヤホール電極と称することもある）を用いることが多い。
【０００５】
図４は特開平０８−２１３６６４号公報に記載の従来の積層圧電素子を示し、図４の（ａ）に示す積層圧電素子１１は、図４の（ｂ）に示すように、ｎ層の圧電材層（圧電セラミックス層）１４（１４−１〜１４〜ｎ）により構成されている。この積層圧電素子１１は、２層目以降の各圧電体層（１４−２〜１４〜ｎ）に例えば４分割構成の電極層１３（１３−２〜１３−ｎ）が形成されており、これらの各電極層の中で導通を必要とする電極層間は各圧電材層を貫通するスルーホール１２を用いて接続されている。
【０００６】
具体的には、第１層の圧電体層１４−１〜第ｎー１層の圧電体層１４−（ｎ−１）に基本的に８つのスルーホールが形成されていて、第１層の圧電体層１４−１の第１スルーホール１２−１−１が第２層の電極層の第１電極１３−２−１につながれ、また第１層の圧電体層１４−１の第３スルーホール１２−１−３は第２層の圧電体層１４−２に形成された第３スルーホール１２−２−３とつながって第３層の圧電体層１４−３上の第３電極層の第２電極につながれている。
【０００７】
そして、以下各圧電材層に形成された第１スルーホールが偶数層おきに、最下部から３番目の圧電体層（不図示）のスルーホール１２−（ｎ−２）と最下部から２番目の圧電材層（１４−（ｎ−１））上に形成された第１電極１３−（ｎ−１）−１との導通が図られる。また、各圧電材層に形成された第３スルーホールが第３層以下では奇数層おきに最下部の圧電体層１４−ｎ上に形成された第２電極と導通している。
【０００８】
このような積層圧電素子の製造方法は、一般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て作ったシート状の成形体（グリーンシート）の層に小径の穴をあけて、その穴の中に電極材料となる電極ペーストを充填してスルーホールとし、また同様のシート状の成形体の層の表面に電極ペーストをスクリーン印刷法により印刷して電極層とし、これらのシート状の成形体を複数枚重ね合わせて熱圧着し、一体化した後に焼成を行い積層圧電素子を作る。
【０００９】
一般に、上述の積層圧電素子の製造に用いる電極材料は、圧電材層（圧電セラミックス層）と同時に焼成を行うため、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用い、有機バインダーや溶剤と混合してペースト状にした電極ペーストを作り、各層の電極層となるように薄く圧電材層の表面に形成したり、また圧電材層のスルーホールとなる穴の中に充填したりする。
【００１０】
当然ながら、これらの貴金属は高価であり、積層圧電素子の製造コストの中で占める材料コストとして最も高い。そこで、電極層もスルーホールも製造可能な範囲で、さらに性能上も問題のない範囲でできるだけ少量の使用にするため、電極層は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、これを電極層として形成するためのスクリーン印刷法を工夫し、またスルーホールも小型化するなどして電極材料をできるかぎり少量化する工夫を行っている。
【００１１】
【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材層に電圧を印加する分極処理が行われる。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。
【００１２】
上記の分極条件は、積層圧電素子を通常で使用する条件、例えば室温から数十℃、駆動電圧数Ｖ／ｍｍ〜百数十Ｖ／ｍｍに比べ、著しく厳しい条件であり、分極処理の際は一般に印加された電圧で圧電材料は変形するため、積層圧電素子の圧電材層の層間や、スルーホールや、電極層に機械的な歪みが生じるばかりでなく、電圧印加時には積層圧電素子であるために、従来の単板の圧電素子に比べ静電容量が大きく、分極処理に使う直流電源から積層圧電素子に比較的大きな電流が流れる。
【００１３】
この結果、積層圧電素子のスルーホールで、電極層との接続部やスルーホール間の接合部で分断し、断線したり、接合部が溶けて溶断したり、最悪の場合はこれらの衝撃で積層圧電素子の破壊が起こることがあり、積層圧電素子として使用できないことがあった。
【００１４】
これらの基本的な発生原因は、前述のように電極層はできるだけ薄く、平均２〜３μｍ又は多くてせいぜい数μｍの厚さで形成され、またスルーホールについても直径０．２ｍｍ〜０．１ｍｍ以下に小径化され、これらの電極層やスルーホールの電極材の部分、また接合部分にはときどき微小な空隙があったりし、前述の機械的な歪みの発生の影響などもあり、とくに電極層とスルーホールの接合部、またスルーホール間の接合部は機械的にも電気的にも弱い箇所になっていることが原因と思われる。
【００１５】
事実、この接合部は、グリーンシートの熱圧着条件が不適当であったり、電極ペーストの印刷や充填が不充分であると、分極処理以前の問題として、スルーホールと電極膜、スルーホール間の導通がとれないことがしばしば起こった。
【００１７】
本発明の目的は、内部での導通不良の生じない積層圧電素子の製造方法を提供しようとするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を実現する第１の構成は、電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、前記電極材料の層における前記スルーホールとの接合部の周辺部における電極材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したものである。
【００２４】
本発明の目的を実現する第２の構成は、電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、前記電極材料の層における前記スルーホールとの接合部であって、前記スルーホールの接合面およびその周辺部における前記電極材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したものである。
【００２５】
本発明の目的を実現する第３の構成は、電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、前記スルーホール同士の接合部の周辺部における前記電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したものである。
【００２６】
【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。
【００２７】
図１は積層圧電素子１の分極処理時の外観図であり、本実施の形態の積層圧電素子１は、外径φ１０ｍｍ、内径φ２．８ｍｍ、厚さ約２ｍｍである。
【００２８】
図２は積層圧電素子１の第１層圧電材層の表面の電極層５（各電極は５−１〜５−３）および第２層目の圧電材層以降の表面の電極層６（６−２〜６−２３）とこれらのつなぐスルーホール（図中黒丸で示す）の位置を表した図であり、第１層のスルーホール３（３−１〜３−１２）と第２層目以降のスルーホール４（４−２−１〜９・・・・・・・）を示している。
【００２９】
また、本実施の形態では、第１層の電極層の直径をφ９．５ｍｍ、内径をφ２．８ｍｍ、第２層以降第２３層の電極層６−２〜６−２３の直径をφ９ｍｍ、内径φ３．４ｍｍとしている。
【００３０】
本実施の形態の積層圧電素子は、圧電セラミックス粉末と有機バインダーからなる厚さ約８５μｍのグリーンシート（不図示）を用い、その表面にスクリーン印刷法により電極ペーストを印刷して第１層の電極層５及び第２相以降の電極層６を形成している。
【００３１】
また、スルーホール３，４は、同じくグリーンシートに穴をあけ、穴の内部に電極ペーストを同じくスクリーン印刷法により充填して各電極層間の導通が図れるように直径０．１ｍｍのスルーホールとして形成した。これらのグリーンシートと電極層、スルーホールは同位相に位置精度良く重ね合わせ、熱プレスにより圧着させ、最終的に最高温度１１２０℃で焼成し作られた。
【００３２】
なお、スルーホールのうち、第１層の圧電材層に形成されるスルーホール３−１は、第３層の電極層のうちのセンサー用電極Ｓ（振動波モータ用として使用する場合、振動の状態を検出するための電極）までつながり、一直線上に並ぶスルーホール３−１０〜３−１２は位置確認用として用いられ、スルーホール３−９もこれらの位置確認用のスルーホールと同一直線上に配置され、スルーホール３−９は第２層の電極層までつながっている。他のスルーホール３−２〜３−９は第１層の電極層５から第２２層の電極層６−２２と第２３層の電極層６−２３まで導通が図られている。
【００３３】
図１に示すように、第１層の電極層５−１〜５−３は分極処理の際に、分極用の直流電源８の電圧が直接コンタクトピン２−１〜２−３から印加される。分極処理は、直流電源８を用い、ＧＮＤ（グランド）を基準にして、（＋）に１８０Ｖ、（−）に−１８０Ｖの電圧を印加し、１５０℃のシリコーンオイルの中で１時間かけて行った。
【００３４】
従来、第１層の電極層５と、第２層の電極層６−２、そしてそれ以降の第２３層の電極層６−２３の厚さはできるだけ薄く形成しており、現状の電極ペーストとスクリーン印刷法では平均２〜３μｍの厚さとなっている。
【００３５】
図３の（ａ）、（ｂ）は図２の本実施の形態の積層圧電素子と従来の積層圧電素子の積層方向におけるスルーホールの中心部の断面を示しており、本実施の形態の積層圧電素子の図３の（ａ）と従来の積層圧電素子の図３の（ｂ）は、第１層の電極層５とスルーホール３−４、第２層のスルーホール４−２−４、第３層のスルーホール４−３−４、第４層のスルーホール４−４−４、第５層のスルーホール４−５−４、・・・・・第２２層のスルーホール４−２２−４、最下層の第２３層の電極層６−２３を示す。なお、第１層のスルーホール３−４と第２層のスルーホール４−２−４とは素子の中心からの距離が異なり、２層以降のスルーホールは素子の中心からの距離が等しくなっている。
【００３６】
本実施の形態の積層圧電素子では、図３の（ａ）に示すように、電極層とスルーホールの接続部にあっては、スルーホールの近傍（周囲）に厚み増加用の電極層７−３−４’、７−２−４、７−２−４’、７−５−４・・・・・・７−２３−４を設けて電極層の厚みを図３の（ｂ）に示す従来例よりもスルーホールの周辺部でさらに厚くしている。
【００３７】
また、スルーホール同士の接続部では、第２層と第３層間では、第３層の圧電材層の表面に、その表面に形成されている電極と接触しないように補強用電極層をスルーホールの周辺部に設け、さらに以下補強用電極層７−３−４、７−４−４、７−６−４（不図示）・・・・・・７−２２−４を設けている。
【００３８】
この結果、電極層の電極とスルーホール間の接続部と、スルーホール間の接続部は、前記補強用電極層により機械的および電気的に補強される。
【００３９】
しかしながら、図３の（ｂ）に示す従来例では電極層の電極とスルーホール間の接続部と、スルーホール間の接続部とにはこのような補強用電極層が設けられていないため、導通不良を招くことがあったが、本実施の形態では、このような導通不良の発生がなくなる。
【００４０】
ここで、前記補強用電極層、特に電極層上に形成される補強用電極層にあっては、現在の技術では電極層５、６の厚さと同様に少なくとも２〜３μｍ以上の厚さとなるが、本実施の形態では導通をより確実なものとするために、やや厚めの４〜６μｍとしている。
【００４１】
付加された補強用電極層の形成は、電圧印加のための電極層や、スルーホールを形成後に、各層の上に改めて別に電極ペーストを印刷して形成している。
【００４２】
不可された補強用電極層の形状は図３に示すように、スルーホールの周辺部から徐々にスルーホールに接するまで厚さが増えている形状が機械的かつ電気的な補強の点で望ましく、そのための製造方法は通常のスクリーン印刷法を用いて電極ペーストを印刷し、各グリーンシートを積層化のため熱圧着することで容易に形成される。
【００４３】
図３のように、付加された補強用電極層を設けることで電極層とスルーホール間の導通、スルーホール間の導通はより確実となる。
【００４４】
導通の良否を分極処理後における静電容量を測定し、その値により判定することができる。本実施の形態の積層圧電素子の静電容量の平均値は６３ｎＦで、そのばらつきは±２ｎＦ程度であった。
【００４５】
これに対し、従来例の積層圧電素子の静電容量の平均値は４６ｎＦで、ばらつきは０〜６４ｎＦにも達し、明らかに断線が発生していると思われた。
【００４６】
なお、図３は図２に示すスルーホールの一部についてのみ図示しているが、図２に示す他のスルーホールと電極層との接合部についても、例えば補強用電極層７−３−４’と７−２−４等と同様に、さらに他のスルーホール間の接合部についても、例えば補強用電極層７−３−４等と同様に補強用電極層が設けられている。
【００４７】
本実施の形態の積層圧電素子の圧電材層の厚さは８５μｍ、スルーホールの直径φ０．１ｍｍ、電極層５，６の厚さは平均２〜３μｍ、補強用電極層の厚さは４〜６μｍとしており、図３では電極層を誇張して描いているが、実際の本実施の形態の積層圧電素子の断面を観察すれば、補強用電極層の存在は明確に確認することができる。
【００４８】
特に、電極層５，６とスルーホールの接合部やスルーホール間の接合部での導通不良になり易い箇所は、スルーホールの端部と電極層との接続部であるが、例えば図３に示す補強用電極層７−２−４，７−２３−４であり、分極処理により断線し易いのは勿論、分極処理前の素子として完成した後での、例えばスルーホール内への電極ペーストの充填不良（スルーホールの下部に充填不良が起こり易い）や熱圧着不良による断線不良も起こり易く、スルーホールを使った積層圧電素子における導通不良の防止対策として非常に効果的である。
【００４９】
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。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の積層圧電素子の製造方法によれば、簡単に補強用の電極材料の層を形成することができる。
【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分極処理時の斜視図。
【図２】図１の積層圧電素子の各層の平面図。
【図３】積層圧電素子の一部側断面図で、（ａ）は第１の実施の形態を示し、（ｂ）は従来例を示す。
【図４】従来の積層圧電素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は各層を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１ 積層圧電素子
２（２−１〜２−３） コンタクトピン
３，４ スルーホール導体電極
５、６ 電極層

Claims (3)

1. 電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、
   前記電極材料の層における前記スルーホールとの接合部の周辺部における電極材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したことを特徴とする積層圧電素子の製造方法。
2. 電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、
   前記電極材料の層における前記スルーホールとの接合部であって、前記スルーホールの接合面およびその周辺部における前記電極材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したことを特徴とする積層圧電素子の製造方法。
3. 電極材料の層と、前記電極材料の層と接続される導電電極としてのスルーホールを備えた電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結される積層圧電素子の製造方法において、
   前記スルーホール同士の接合部の周辺部における前記電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の層上にスクリーン印刷法により電極材料の層を形成したことを特徴とする積層圧電素子の製造方法。

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