JP4247177B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子に関するものである。

従来の積層型圧電素子として、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、その積層体の側面に設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された外部電極とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極は、その全体が積層体の積層方向に延在するように形成されている。特許文献２に記載された積層型圧電素子では、外部電極は導電性線材からなるメッシュ部材であって、導電性接着剤により積層体の側面に固着されている。特許文献３に記載された積層型圧電素子では、外部電極はコイル状弾性部材である。
特開２０００−３４０８４９号公報 特開２００１−２１０８８４号公報 特開２００２−１７１００３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された積層型圧電素子には、次のような問題が存在する。

特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているため、積層体の積層方向への変位（伸縮動作）が阻害されてしまう。また、積層型圧電素子が長期間に渡って使用されると、積層体の伸縮動作に耐え切れずに、外部電極が断線するおそれがある。

特許文献２，３に記載された積層型圧電素子では、外部電極はメッシュ部材或いはコイル状弾性部材であり、積層体の伸縮動作に追従し得ることから、積層体の変位の阻害及び外部電極の断線の発生は抑制される。ところが、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されるため、圧電素子の構成が複雑になってしまう。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層体の変位の阻害及び外部電極の断線の発生を単純な構成で抑制することができる積層型圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、積層体の側面に設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、第１の外部電極の外側に設けられ、積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状の第２の外部電極と、を備え、第１の外部電極と第２の外部電極とは、複数の接続部において半田により電気的且つ物理的に接続されており、第１の外部電極の外側表面及び第２の外部電極の内側表面のそれぞれには、少なくとも接続部が位置する部分を除いて半田絶縁層が形成されており、第１の外部電極の外側表面に形成された半田絶縁層と、第２の外部電極の内側表面に形成された半田絶縁層との間には、隙間が設けられていることを特徴とする。

この積層型圧電素子においては、第２の外部電極は、積層体の積層方向に沿って波状に延在すると共に、複数の接続部において第１の外部電極と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、第２の外部電極は積層方向に伸縮性を有することとなるため、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているものに比べ、積層体の積層方向への変位が阻害されるのを抑制することができ、また、圧電素子が長期間に渡って使用されても、第２の外部電極が断線するのを抑制することができる。しかも、積層体の側面に設けられた第１の外部電極が断線したとしても、第１の外部電極には、第２の外部電極が複数の接続部において電気的且つ物理的に接続されているため、所定の内部電極への導通路が確保されることとなり、圧電素子としての機能が損なわれることはない。更に、この積層型圧電素子においては、第２の外部電極に、積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状のものといった極めて簡易な部材が採用されているため、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されているものに比べ、圧電素子の構成を単純化することができる。また、第１の外部電極と第２の外部電極とは、接続部において半田により電気的且つ物理的に接続されている。これにより、圧電素子の製造時における第１の外部電極と第２の外部電極との接続が容易となる。そして、第１の外部電極の外側表面及び第２の外部電極の内側表面のそれぞれには、少なくとも接続部が位置する部分を除いて半田絶縁層が形成されている。これにより、第１の外部電極と第２の外部電極とを、所定の位置において所定量の半田によって電気的且つ物理的に正確に接続することができる。

また、接続部は、第２の外部電極上において直線状に位置していることが好ましく、このとき、接続部は、第２の外部電極において隣り合う頂部間の中央部分（略中央の部分を含む）に位置していることがより好ましい。このように接続部が位置していると、第２の外部電極の積層方向への伸縮性が最大限に発揮されることとなる。更に、圧電素子の製造時における第１の外部電極と第２の外部電極との接続が容易となる。

また、接続部は、第２の外部電極上において千鳥状に位置していることが好ましく、このとき、接続部は、第２の外部電極の頂部に位置していることがより好ましい。このように接続部が位置していると、接続部同士が離れることとなるため、ショートを防止しつつ、第２の外部電極において隣り合う頂部間の積層方向に沿った距離を短くすることができる。

また、第２の外部電極は、積層方向に沿って矩形波状に延在することが好ましい。これにより、第２の外部電極の製造が容易となる。そして、このとき、接続部は、第２の外部電極において積層方向に沿った第１の部分に位置している場合や、第２の外部電極において積層方向と交差する方向に沿った第２の部分に位置している場合がある。

本発明に係る積層型圧電素子によれば、積層体の変位の阻害及び外部電極の断線の発生を単純な構成で抑制することができる。

以下、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１及び図２に示されるように、第１の実施形態に係る積層型圧電素子１は、多角柱形状（ここでは、四角柱形状）の積層体２を備えている。積層体２は、当該積層体２の積層方向（以下、単に「積層方向」という）に平行で且つ互いに対向するように位置する第１の側面２ａと第２の側面２ｂとを有している。

積層体２は、圧電体３と圧電体５とが交互に積層され、更に、圧電体７と圧電体９とで上下から挟み込まれるようにして構成されている。各圧電体３，５，７，９は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料からなり、矩形薄板状に形成されている。ここでは、各圧電体３，５の厚さは５０〜１００μｍである。

積層体２は、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とを有している。第１の内部電極１１は圧電体３の上面に形成されており、第２の内部電極１３は圧電体５，９の上面に形成されている。各内部電極１１，１３は、例えば、銀及びパラジウムを主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、各内部電極１１，１３の厚さは０．５〜５μｍである。

積層体２では、圧電体３，５を介在させて第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とが積層されている。これにより、積層体２では、複数の圧電体３，５と複数の内部電極１１，１３とが交互に積層されることとなる。

第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂよりも内側から第１の側面２ａに露出するように形成されている。すなわち、第１の内部電極１１の第２の側面２ｂ側の端は、第２の側面２ｂから所定の距離だけ離れて位置している。第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂに露出していない。

第２の内部電極１３は、第１の側面２ａよりも内側から第２の側面２ｂに露出するように形成されている。すなわち、第２の内部電極１３の第１の側面２ａ側の端は、第１の側面２ａから所定の距離だけ離れて位置している。第２の内部電極１３は、第１の側面２ａに露出していない。そして、第２の内部電極１３は、積層方向から見て、その一部が第１の内部電極１１の一部に重なるように位置している。

積層体２の各側面２ａ，２ｂには、外部電極２１が設けられている。外部電極２１は、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを含んで構成されている。第１の外部電極２３は、各側面２ａ，２ｂの一部を覆うように形成されている。第１の外部電極２３は、例えば、銀を主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、第１の外部電極２３の厚さは１〜４０μｍである。

第１の側面２ａに形成された第１の外部電極２３は、第１の側面２ａにおいて、当該第１の側面２ａに露出する第１の内部電極１１と電気的に接続されている。第２の側面２ｂに形成された第１の外部電極２３は、第２の側面２ｂにおいて、当該第２の側面２ｂに露出する第２の内部電極１３と電気的に接続されている。

第２の外部電極２５は、各第１の外部電極２３の外側に配置され、積層方向に沿って波状に延在している。第２の外部電極２５は、例えば、銅又はその合金、ニッケル又はその合金、ステンレス或いはベリリウム銅等の導電材料からなり、平板状に形成されている。ここでは、第２の外部電極２５の厚さは５０〜１５０μｍ程度である。

第２の外部電極２５は、第１の部分２５ａと第２の部分２５ｂとを有している。第１の部分２５ａは、積層方向に沿って延在し、積層方向において不連続に配置されている。第２の部分２５ｂは、積層方向と交差する方向（ここでは、積層方向と直交する方向）に沿って延在し、第１の部分２５ａ同士を繋いでいる。これにより、第２の外部電極２５は、全体として、積層方向に沿って矩形波状（すなわち、パルス波状）に延在することとなる。

第２の外部電極２５は、図３に示されるように、各第１の部分２５ａに位置する接続部Ｐにおいて不連続に第１の外部電極２３と電気的且つ物理的（すなわち、機械的）に接続されている。つまり、第２の外部電極２５は、千鳥状に位置する複数の接続部Ｐにおいて不連続に第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続されている。ここでは、第２の外部電極２５上において隣り合う接続部Ｐ間の積層方向に沿った距離は４００〜１０００μｍである。なお、第２の外部電極２５が積層方向に沿って矩形波状に延在する場合には、第１の部分２５ａが頂部となる。

第２の外部電極２５は、図４に示されるように、各接続部Ｐにおいて半田２７により第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続されている。ここでは、半田２７の直径は１００〜２００μｍ程度である。なお、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを、各接続部Ｐにおいてスポット溶接により或いは導電性接着剤により接続してもよい。

以上のように構成された積層型圧電素子１においては、第１の側面２ａに形成された第１の外部電極２３と第２の側面２ｂに形成された第１の外部電極２３との間に電圧が印加されると、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に電圧が印加されることとなる。これにより、圧電体３，５においては、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とで挟まれた部分に電界が生じ、当該部分が活性部として変位することとなる。

次に、第１の実施形態に係る積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、その基体ペーストを用いて、各圧電体層３，５，７，９となるグリーンシートを成形する。また、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料（例えば、銀：パラジウム＝７：３）に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

続いて、グリーンシート上に、第１の内部電極１１に対応する電極パターンを形成する。また、別のグリーンシート上に、第２の内部電極１３に対応する電極パターンを形成する。各電極パターンの形成は、上述した導電ペーストをスクリーン印刷することで行われる。

続いて、第１の内部電極１１に対応する電極パターンが形成されたグリーンシートと、第２の内部電極１３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシートとを交互に積層し、更に、電極パターンが形成されていないグリーンシートを最外層に積層して、積層体グリーンを作製する。ここでは、グリーンシートの積層数は３５０層程度である。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、６０℃程度）で加熱しながら、所定の圧力（例えば、１００ＭＰａ程度）で積層方向にプレスした後、その積層体グリーンを所定の大きさに切断する。積層体グリーンの切断は、例えば、ダイヤモンドブレードにより行われる。これにより、第１の内部電極１１が第１の側面２ａに露出し、第２の内部電極１３が第２の側面２ｂに露出することとなる。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂（すなわち、脱バインダ）した後、所定の温度（例えば、１１００℃程度）で所定の時間（例えば、２時間程度）焼成して、積層体２を得る。

続いて、積層体２の各側面２ａ，２ｂに、銀を主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定の温度（例えば、７００℃程度）で焼き付けて、第１の外部電極２３を形成する。なお、第１の外部電極２３の形成には、スパッタリング法や無電解めっき法等を適用してもよい。

続いて、用意した第２の外部電極２５を、半田付けにより各接続点Ｐにおいて第１の外部電極２３と接続する。第２の外部電極２５は、例えば、ステンレス板にスズめっきを施し、矩形波形状に加工することで得られる。

最後に、分極処理（例えば、温度１２０℃の環境下で、強度が２ｋＶ／ｍｍになるように３分間にわたって電界を印加する）を施して、積層型圧電素子１を得る。

以上説明したように、第１の実施形態に係る積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５は、積層方向に沿って波状に延在すると共に、複数の接続部Ｐにおいて第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、第２の外部電極２５は積層方向に伸縮性を有することとなるため、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているものに比べ、積層体２の積層方向への変位が阻害されるのを抑制することができ、また、圧電素子１が長期間に渡って使用されても、第２の外部電極２５が断線するのを抑制することができる。

しかも、積層体２の各側面２ａ，２ｂに形成された第１の外部電極２３が断線したとしても、第１の外部電極２３には、第２の外部電極２５が複数の接続部Ｐにおいて電気的且つ物理的に接続されているため、第１の内部電極１１への導通路及び第２の内部電極１３への導通路が確保されることとなり、圧電素子１としての機能が損なわれることはない。

更に、第１の実施形態に係る積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５に、積層方向に沿って波状に延在する平板状のものといった極めて簡易な部材が採用されているため、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されているものに比べ、圧電素子１の構成を単純化することができる。

また、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とが電気的且つ物理的に接続される接続部Ｐは、第２の外部電極２５の各第１の部分２５ａに千鳥状に位置しているため、接続部Ｐ同士が離れることとなる。従って、ショートを防止しつつ、第２の外部電極２５において隣り合う第１の部分２５ａ間の積層方向に沿った距離を短くすることができる。

また、第２の外部電極２５は、積層方向に沿って矩形波状に延在する部材であるため、第２の外部電極２５の製造が容易となる。

また、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とは、接続部Ｐにおいて半田２７により電気的且つ物理的に接続されているため、圧電素子１の製造時における第１の外部電極２３と第２の外部電極２５との接続が容易となる。

なお、上述した第１の実施形態に係る積層型圧電素子１では、接続部Ｐは、第２の外部電極２５の各第１の部分２５ａに千鳥状に位置していたが、図５に示されるように、接続部Ｐは、第２の外部電極２５において隣り合う第１の部分２５ａ間の中央部分（すなわち、各第２の部分２５ｂの中央部分）に直線状に位置していてもよい。このように接続部Ｐが位置していると、第２の外部電極２５の積層方向への伸縮性が最大限に発揮されることとなる。更に、圧電素子１の製造時における第１の外部電極２３と第２の外部電極２５との接続が容易となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る積層型圧電素子１は、第１の外部電極２３の外側表面及び第２の外部電極２５の内側表面にレジストが形成されている点で、上述した第１の実施形態に係る積層型圧電素子１と異なっている。以下、その相異点を中心に第２の実施形態に係る積層型圧電素子１について説明する。

図６に示されるように、第１の外部電極２３の外側表面２３ａには、少なくとも接続部Ｐが位置する部分（すなわち、半田２７が配置される部分）を除いてレジスト（半田絶縁層）２９が膜状に形成されている。同様に、第２の外部電極２５の内側表面２５ｃには、少なくとも接続部Ｐが位置する部分（すなわち、半田２７が配置される部分）を除いてレジスト２９が膜状に形成されている。そして、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とは、各接続部Ｐにおいて半田２７により電気的且つ物理的に接続されている。なお、レジスト２９は、例えば、エポキシ系、アクリル系のレジストである。

次に、第２の実施形態に係る積層型圧電素子１の製造方法について説明する。ただし、積層体２を得るまでの製造工程は、第１の実施形態に係る積層型圧電素子１と同様であるため、それ以降の製造工程について説明する。

作製された積層体２の各側面２ａ，２ｂに、銀を主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定の温度（例えば、７００℃程度）で焼き付けて、第１の外部電極２３を形成する。そして、第１の外部電極２３の外側表面２３ａに、少なくとも接続部Ｐが位置する部分を除いてレジスト２９を形成する。

その一方で、銅又はその合金、ニッケル又はその合金、ステンレス或いはベリリウム銅等からなる板材にスズめっきを施して矩形波形状に加工し、第２の外部電極２５を得る。そして、第２の外部電極２５の内側表面２５ｃに、少なくとも接続部Ｐが位置する部分を除いてレジスト２９を形成する。

続いて、第１の外部電極２３の外側表面２３ａにおいて接続部Ｐが位置する部分に対し、メタルマスクを用いて半田ペーストを充填スクリーン印刷する。

続いて、第１の外部電極２３の外側表面２３ａにおいて接続部Ｐが位置する部分と、第２の外部電極２５の内側表面２５ｃにおいて接続部Ｐが位置する部分とが全て一致するように、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５との位置合わせを行う。そして、第２の外部電極２５の外側からホットプレート等により半田を加熱して溶融させ、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを、各接続部Ｐにおいて半田２７により電気的且つ物理的に接続する。

最後に、分極処理（例えば、温度１２０℃の環境下で、強度が２ｋＶ／ｍｍになるように３分間にわたって電界を印加する）を施して、積層型圧電素子１を得る。

以上説明したように、第２の実施形態に係る積層型圧電素子１においては、第１の外部電極２３の外側表面２３ａ及び第２の外部電極２５の内側表面２５ｃには、少なくとも接続部Ｐが位置する部分を除いてレジスト２９が形成されている。これにより、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを、所定の位置において所定量の半田２７によって電気的且つ物理的に正確に接続することができる。また、予め第２の外部電極２５の半田接続部分に所定の厚さの半田めっき処理を施し、半田をそのまま接続することができる。

なお、上述した第２の実施形態に係る積層型圧電素子１では、第１の外部電極２３の外側表面２３ａ及び第２の外部電極２５の内側表面２５ｃの双方にレジスト２９が形成されていたが、レジスト２９は、第１の外部電極２３の外側表面２３ａ及び第２の外部電極２５の内側表面２５ｃのいずれか一方に形成されていてもよい。この場合にも、双方にレジスト２９が形成されていない場合に比べれば、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを、所定の位置において所定量の半田２７によって電気的且つ物理的に正確に接続することができる。

本発明は、上述した第１及び第２の実施形態に限定されるものではない。

例えば、積層体２の形状は、多角柱形状に限られず、円柱形状であってもよい。そして、積層体２において外部電極２１が設けられる側面は、互いに対向するように位置する２つの側面に限られず、隣り合う２つの側面であってもよい。なお、積層体２が円柱形状である場合には、外部電極２１は、互いに接触しない位置であれば、側面の任意の領域に設けられる。

また、第２の外部電極２５は、積層方向に沿って矩形波状に延在するものに限られず、図７に示されるように、積層方向に沿って三角波状に延在するものであってもよいし、図８に示されるように、積層方向に沿って正弦波状に延在するものであってもよい。これらの場合には、積層方向と直交する方向において第２の外部電極２５の幅が最大となる極値部分２５ｄが頂部となる。

また、第１の内部電極１１は、第２の側面２ｂに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第２の側面２ｂに露出してもよい。同様に、第２の内部電極１３は、第１の側面２ａに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第１の側面２ａに露出してもよい。

第１の実施形態に係る積層型圧電素子の斜視図である。 図１に示された積層型圧電素子の断面構成を説明するための模式図である。 図１に示された積層型圧電素子の外部電極の正面図である。 図１に示された積層型圧電素子の断面構成を説明するための拡大模式図である。 外部電極における接続部の位置の一変形例を示す正面図である。 第２の実施形態に係る積層型圧電素子の断面構成を説明するための拡大模式図である。 外部電極の一変形例を示す正面図である。 外部電極の一変形例を示す正面図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、２ａ…第１の側面、２ｂ…第２の側面、３，５…圧電体、１１…第１の内部電極、１３…第２の内部電極、２３…第１の外部電極、２３ａ…外側表面、２５…第２の外部電極、２５ａ…第１の部分（頂部）、２５ｂ…第２の部分、２５ｃ…内側表面、２５ｄ…極値部分（頂部）、２７…半田、２９…レジスト（半田絶縁層）、Ｐ…接続部。

Claims (8)

1. 複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、
   前記積層体の側面に設けられ、所定の前記内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、
   前記第１の外部電極の外側に設けられ、前記積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状の第２の外部電極と、を備え、
   前記第１の外部電極と前記第２の外部電極とは、複数の接続部において半田により電気的且つ物理的に接続されており、
   前記第１の外部電極の外側表面及び前記第２の外部電極の内側表面のそれぞれには、少なくとも前記接続部が位置する部分を除いて半田絶縁層が形成されており、
   前記第１の外部電極の外側表面に形成された前記半田絶縁層と、前記第２の外部電極の内側表面に形成された前記半田絶縁層との間には、隙間が設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記接続部は、前記第２の外部電極上において直線状に位置していることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記接続部は、前記第２の外部電極において隣り合う頂部間の中央部分に位置していることを特徴とする請求項２記載の積層型圧電素子。
4. 前記接続部は、前記第２の外部電極上において千鳥状に位置していることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
5. 前記接続部は、前記第２の外部電極の頂部に位置していることを特徴とする請求項４記載の積層型圧電素子。
6. 前記第２の外部電極は、前記積層方向に沿って矩形波状に延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の積層型圧電素子。
7. 前記接続部は、前記第２の外部電極において前記積層方向に沿った第１の部分に位置していることを特徴とする請求項６記載の積層型圧電素子。
8. 前記接続部は、前記第２の外部電極において前記積層方向と交差する方向に沿った第２の部分に位置していることを特徴とする請求項６記載の積層型圧電素子。
   

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