JP4358220B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射型装置等に用いられる積層型圧電素子に関するものである。

一般に積層型圧電素子は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体と、この積層体の側面に設けられ、内部電極と接続された外部電極とを備えている。外部電極に電圧を印加すると、圧電体において異極の内部電極同士が重なり合う部分（活性領域）が変形する。このような素子の駆動時には、圧電体における活性領域と不活性領域との境界で大きな応力集中が起こり、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じやすくなる。このため、近年では、積層体の不活性領域に応力緩和層を設けた積層型圧電素子が数多く提案されている。例えば特許文献１には、アルミナペーストを印刷することで、応力緩和層としての金属酸化物層を形成することが記載されている。
特開平５−２４３６３５号公報

上記従来技術の積層型圧電素子においては、積層体の不活性領域に金属酸化物層（アルミナ層）が形成されているので、駆動時に積層体の積層方向に延びるクラック等が生じにくくなるが、駆動時に加える電界に対して十分な変位量が得られず、圧電特性が低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、所望の圧電特性を確保しつつ、積層体の積層方向に延びるクラック等の発生を防止することができる積層型圧電素子を提供することにある。

本発明者等は、応力緩和用の金属酸化物層を形成する材料について鋭意検討を重ねた結果、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料により圧電体を形成した場合には、Ａｌ_２Ｏ_３等のようにＰＺＴに固溶せず粒界に析出する材料を応力緩和用の金属酸化物層に使用すると、駆動時に加える電界に対して素子が十分に変位しなくなることが分かった。その原因としては、Ａｌ_２Ｏ_３等が粒界成分となるので、ＰＺＴの粒子成長を妨げ、圧電体において単位厚み当たりの粒界の数が多くなり、その結果、素子に駆動電界をかけた時に粒界で熱ロスが発生するためであると推測される。本発明は、そのような知見に基づいて為されたものである。

即ち、本発明は、複数の圧電体と第１電極及び第２電極を含む複数の内部電極とを交互に積層し焼結してなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、積層体は、第１電極と第２電極とが積層体の積層方向に重なり合うように構成されてなる活性部と、活性部の両側に設けられ、第１電極と第２電極とが積層体の積層方向に重なり合わないように構成されてなる不活性部とを有し、不活性部には、圧電体の焼結温度よりも融点が高く且つ圧電体に固溶する材料で形成された金属酸化物層が設けられ、圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料で形成され、金属酸化物層は、ＺｒＯ _２ 、ＭｇＯ、Ｎｂ _２ Ｏ _５ 、Ｔａ _２ Ｏ _５ 、ＣｅＯ _２ 、Ｙ _２ Ｏ _３ の少なくとも一種を含む材料で形成されていることを特徴とするものである。

このような本発明の積層型圧電素子においては、積層体の不活性部に金属酸化物層が設けられている。この金属酸化物層は、圧電体の焼結温度よりも融点が高い材料で形成されている。このため、素子の製造工程において積層体の焼成を行った際には、金属酸化物層は、圧電体に比べて十分な焼結が行われないので、圧電体との接合強度が低い層となる。従って、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、両者間に電界が生じ、積層体の活性部における圧電体が積層体の積層方向に変位し、積層体の不活性部に応力が集中するが、上記の金属酸化物層によって不活性部にかかる応力が効果的に緩和される。これにより、積層体の積層方向に延びるクラック等の発生を防止することができる。

また、金属酸化物層は、圧電体に固溶する材料で形成されている。このため、積層体の焼成を行った際には、金属酸化物層の成分が圧電体の粒界に析出されにくくなり、圧電体において単位厚み当たりの粒界の数の増大が抑制されるため、第１電極と第２電極との間に電界をかけた時に粒界で生じる熱ロスが抑えられると考えられる。従って、本発明の積層型圧電素子では、駆動時に加える電界に対して十分な変位量が得られるようになり、所望の圧電特性を確保することができる。また、圧電体における単位厚み当たりの粒界の数が少なくなることで、積層体の積層方向に延びるクラック等が一層生じにくくなる。

このとき、チタン酸ジルコン酸鉛は、圧電体の材料として好適であるとされている。また、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３は、チタン酸ジルコン酸鉛の焼結温度よりも融点が高く且つチタン酸ジルコン酸鉛に固溶可能な材料である。従って、そのような材料を金属酸化物層に使用することにより、応力緩和用として適切な金属酸化物層を確実に形成することができる。

また、好ましくは、金属酸化物層は、内部電極と同一の層に形成されている。この場合には、金属酸化物層の厚みと内部電極の厚みとがほぼ同一となるように素子を製造することで、積層体の焼成時に、金属酸化物層と内部電極との段差による積層体の歪みの影響を軽減することができる。

さらに、好ましくは、金属酸化物層は、第１電極と第２電極との間の層に活性部に入り込むように形成されている。この場合には、仮に積層体の活性部にクラック等が生じたとしても、このクラック等が金属酸化物層に沿って積層体の積層方向と直交する方向に延びやすくなる。これにより、積層体の積層方向に延びるクラック等の発生をより確実に防止することができる。

本発明によれば、所望の圧電特性を確保しつつ、積層体の積層方向に延びるクラック等の発生を防止することができる。これにより、高性能の積層型圧電素子を得ることが可能となる。

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。

図１は、本発明に係る積層型圧電素子の第１実施形態を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した積層型圧電素子の側面図であり、図３は、図１に示した積層型圧電素子の層構造を示す部分拡大断面図である。各図において、本実施形態の積層型圧電素子１は、例えば自動車に搭載される内燃機関の燃料噴射装置に用いられるものである。

積層型圧電素子１は、四角柱状の積層体２を備えている。積層体２は、複数の圧電体３と、複数の内部電極４Ａ，４Ｂとを所定の順序で積層し、これを焼結してなるものである。積層体２の寸法は、例えば幅１０ｍｍ×奥行き１０ｍｍ×高さ３５ｍｍとなっている。

圧電体３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。圧電体３の厚さは、例えば１層当たり８０〜１００μｍ程度となっている。ＰＺＴの組成としては、例えば下記のものが用いられる。
Pb0.999[(Zn1/3Nb2/3)0.11Ti0.425 Zr0.465]O₃ +0.2wt%Fe₂O₃+0.2wt%Sb₂O₃

また、ＰＺＴの粉体特性としては、例えばＢＥＴ比表面積が約２．５ｍ^２／ｇ、平均粒子径が約０．６μｍのものが用いられる。このようなＰＺＴの焼結温度は、９５０℃程度である。なお、ＰＺＴ系材料の融点は、１３００℃程度である。

内部電極４Ａ，４Ｂは、例えばＡｇ、Ｐｄを主成分とする導電材料により形成されている。内部電極４Ａ，４Ｂは、圧電体３を挟んで交互に積層されている。内部電極４Ａの一端は、積層体２の一方の側面２ａに露出し、内部電極４Ａの他端は、積層体２の他方の側面２ｂよりも内側に位置している。内部電極４Ｂの一端は、積層体２の側面２ｂに露出し、内部電極４Ｂの他端は、積層体２の側面２ａよりも内側に位置している。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂの一部は、積層体２の積層方向（上下方向）において重なり合うこととなる。

積層体２において、内部電極４Ａ，４Ｂが積層方向に重なり合っている部分は、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加したときに圧電体３が変位する活性部Ｐとなっており、内部電極４Ａ，４Ｂが積層方向に重なり合っていない部分（積層体２の両側端部）は、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加したときに圧電体３が変位しない不活性部Ｑとなっている。

積層体２の不活性部Ｑには、電気絶縁性を有すると共に圧電体３よりも密度（強度）の低い金属酸化物層５が複数形成されている。金属酸化物層５は、内部電極４Ａ，４Ｂと同一の層に形成されている。また、金属酸化物層５の厚さは、内部電極４Ａ，４Ｂとほぼ同一の厚さとなっている。内部電極４Ａと同層に位置する金属酸化物層５の一端は、内部電極４Ａと接し、同金属酸化物層５の他端は、積層体２の側面２ｂに露出している。内部電極４Ｂと同層に位置する金属酸化物層５の一端は、内部電極４Ｂと接し、同金属酸化物層５の他端は、積層体２の側面２ａに露出している。

金属酸化物層５は、圧電体３の主成分であるＰＺＴの焼結温度よりも融点が高く且つＰＺＴに固溶する材料により形成されている。このような材料としては、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３の少なくとも一種を含む材料が挙げられる。つまり、金属酸化物層５と圧電体３とは、互いに異なる組成系の材料で形成されている。なお、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３の融点は、１５００〜２８００℃程度である。

積層体２の側面２ａには、各内部電極４Ａに電気的に接続された外部電極６Ａが固定され、積層体２の側面２ｂには、各内部電極４Ｂと電気的に接続された外部電極６Ｂが固定されている。

外部電極６Ａ，６Ｂは、積層体２の側面２ａ，２ｂの中央部分をそれぞれ覆うように積層体２の積層方向に延在する矩形板状の電極部７ａ，７ｂと、この電極部７ａ，７ｂの外側にそれぞれ配置され、積層体２の積層方向に延在する波状の電極部８ａ，８ｂとからなっている。電極部８ａ，８ｂは、積層体２の積層方向に対して伸縮性（柔軟性）をもつように電極部７ａ，７ｂにそれぞれ接合されている。電極部７ａ，７ｂは、例えばＡｇ、Ａｕ及びＣｕのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。電極部８ａ，８ｂは、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、フレキシブル基板等で形成されている。

次に、上述した積層型圧電素子１の製造方法について、図４を用いて説明する。同図において、まず、ＰＺＴを主成分とするセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したグリーンシート用のペーストを準備する。そして、例えばドクターブレード法によってグリーンシート用のペーストをキャリアフィルム（図示せず）上に塗布することにより、上記の圧電体３を形成するグリーンシート９を複数枚形成する。

続いて、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合した電極パターン用のペーストを作製する。そして、例えばスクリーン印刷によって電極パターン用のペーストをグリーンシート９上に印刷することにより、上記の内部電極４Ａ，４Ｂに相当する電極パターン１０Ａ，１０Ｂを別々のグリーンシート９上に形成する。このとき、電極パターン１０Ａ，１０Ｂを、グリーンシート９の上面における上記の不活性部Ｑに対応する一端側部分を除いた領域に印刷する。

さらに、例えばＺｒＯ_２を含むセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したＺｒＯ_２ペーストを作製する。なお、用いるＺｒＯ_２粉体の粒子径は、圧電材料粉体の粒子径よりも大きいことが好ましい。そして、例えばスクリーン印刷によって、グリーンシート９の上面における電極パターン１０Ａまたは電極パターン１０Ｂが印刷されていない領域（上記の不活性部Ｑに対応する一端側部分）にＺｒＯ_２ペーストを印刷することにより、ＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。このとき、ＺｒＯ_２ペースト層１１が電極パターン１０Ａ，１０Ｂと面一になるように、ＺｒＯ_２ペーストを印刷するのが好ましい。

続いて、電極パターン１０Ａ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が形成されたグリーンシート９と、電極パターン１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が形成されたグリーンシート９とを所定の順序で積層する。そして、電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が形成されていないグリーンシート９を保護層として最外層に所定枚数ずつ積層する。これにより、グリーン積層体１２が形成される。

続いて、グリーン積層体１２を約６０℃の温度で加熱しながら積層方向にプレス加工した後、そのグリーン積層体１２を例えばダイヤモンドブレードにより所定の寸法に切断してチップ化する。これにより、図４に示すように、電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１がグリーン積層体１２の側面に露出するようになる。

続いて、切断後のグリーン積層体１２をセッター（図示しない）に載せ、約４００℃の温度下でグリーン積層体１２の脱脂（脱バインダ）処理を１０時間程度行う。そして、脱脂後のグリーン積層体１２をこう鉢炉内に入れ、例えば９５０〜１０００℃の温度下でグリーン積層体１２の焼成を２時間程度行う。これにより、グリーンシート９、電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が焼結され、焼結体としての積層体２が得られる。

このとき、ＺｒＯ_２ペースト層１１はグリーンシート９と異なる組成系の材料で形成されているので、ＺｒＯ_２ペースト層１１とグリーンシート９との焼結反応性が抑制され、両者間で不用な化学反応が起こることが無い。しかも、ＺｒＯ_２ペースト層１１の融点はグリーンシート９の焼結温度よりも高いので、ＺｒＯ_２ペースト層１１はグリーンシート９に比べて焼結されにくい。このため、焼結後には、ＺｒＯ_２ペースト層１１は、圧電体３との接合強度が低い金属酸化物層５となる。

また、ＺｒＯ_２ペースト層１１が電極パターン１０Ａ，１０Ｂと面一になるように形成されているので、ＺｒＯ_２ペースト層１１と電極パターン１０Ａ，１０Ｂとの段差に起因したグリーン積層体１２の歪みの発生を防止することができる。

次いで、積層体２の側面２ａ，２ｂに外部電極６Ａ，６Ｂをそれぞれ形成する。具体的には、例えばＡｇを主成分とする導電ペーストを積層体２の側面２ａ，２ｂにスクリーン印刷し、例えば７００℃程度の温度下で焼付処理を行うことで、積層体２の側面２ａ，２ｂに電極部７ａ，７ｂをそれぞれ形成する。なお、電極部７ａ，７ｂの形成方法としては、スパッタリング法や無電解めっき法を用いても良い。そして、例えば半田付けによって、波状の電極部８ａ，８ｂを電極部７ａ，７ｂにそれぞれ接合する。

最後に、圧電体３の厚み方向の電界強度が約２ｋＶ／ｍｍとなるように、例えば１２０℃の温度下で所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う。このとき、積層体２の不活性部Ｑに応力が集中するが、不活性部Ｑには金属酸化物層５が複数層にわたって形成されているので、不活性部Ｑにかかる応力が金属酸化物層５により緩和される。従って、積層体２の積層方向に延びるクラック等が生じにくくなる。以上により、図１〜図３に示すような積層型圧電素子１が完成する。

このように製造された積層型圧電素子１において、外部電極６Ａ，６Ｂ間に電圧が印加されると、外部電極６Ａ，６Ｂと接続された内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧が印加され、両者間に電界が生じ、積層体２の活性部Ｐにおける圧電体３が積層体２の積層方向に変位するようになる。このときにも、積層体２の不活性部Ｑに応力が集中するが、上述したように不活性部Ｑにかかる応力が金属酸化物層５により緩和される。従って、この場合にも、積層体２の積層方向に延びるクラック等が生じにくくなる。

ところで、金属酸化物層５を形成する材料として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５等のようにＰｂ系材料と反応して液相を形成する材料を用いた場合、これらの材料はＰＺＴに固溶せずに粒界成分となりやすい。このため、例えばＡｌ_２Ｏ_３ペースト層を含むグリーン積層体を焼成したときに、Ａｌ_２Ｏ_３がグリーンシート９の粒界に析出するため、ＰＺＴの粒子成長を妨げ、グリーンシート９における単位厚み当たりの粒界の数が多くなる。この場合には、製造後の積層型圧電素子において、外部電極６Ａ，６Ｂ間に電圧を印加して内部電極４Ａ，４Ｂ間に電界をかけたときに、圧電体３の粒界により熱ロスが発生する。このため、加えた電界に対して圧電体３の変位が十分に得られなくなり、圧電特性の低下につながる。

これに対し本実施形態では、金属酸化物層５を形成する材料として、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３といったＰＺＴに固溶する材料を用いるので、グリーン積層体１２の焼成時に、ＺｒＯ_２等の成分がグリーンシート９の粒界に析出されず、グリーンシート９における単位厚み当たりの粒界数の増大が抑制される。このため、製造後の積層型圧電素子１において、外部電極６Ａ，６Ｂ間に電圧を印加して内部電極４Ａ，４Ｂ間に電界をかけたときに、圧電体３の粒界による熱ロスの発生が低減される。従って、加えた電界に対して十分な圧電体３の変位が得られるようになり、所望の圧電特性が確保される。

また、圧電体３における単位厚み当たりの粒界数の増大が抑制されるため、積層体２の積層方向に延びるクラック等がより生じにくくなる。

以上のように本実施形態によれば、積層型圧電素子１の所望の圧電特性を損なうこと無く、積層型圧電素子１の分極処理時や駆動時に、積層体２の積層方向に延びるクラック等の発生を防止することができる。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂ間のショートが防止され、積層型圧電素子１の絶縁破壊を回避することができる。その結果、積層型圧電素子１の品質を向上させることが可能となる。

図５は、本発明に係る積層型圧電素子の第２実施形態の側面図であり、図６は、図５に示した積層型圧電素子の層構造を示す部分拡大断面図である。図中、第１実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の積層型圧電素子１は、第１実施形態と同様に、圧電体３、内部電極４Ａ，４Ｂ及び金属酸化物層５からなる積層体２を備えている。金属酸化物層５は、積層体２の不活性部Ｑにおいて、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極４Ａ，４Ｂ間の層に形成されている。また、金属酸化物層５は、積層体２の不活性部Ｑから僅かに活性部Ｐに入り込むように形成されている。

このような積層型圧電素子１を製造する場合、図７に示すように、第１実施形態と同様に、複数のグリーンシート９を形成し、電極パターン１０Ａ，１０Ｂをそれぞれ別々のグリーンシート９上に形成する。また、電極パターン１０Ａまたは電極パターン１０Ｂが形成されたグリーンシート９とは異なるグリーンシート９の両端部分（不活性部Ｑに対応する領域と活性部Ｐに対応する領域の一部とを含む部分）にＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。

電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１を形成した後、電極パターン１０Ａが形成されたグリーンシート９と、電極パターン１０Ｂが形成されたグリーンシート９と、ＺｒＯ_２ペースト層１１が形成されたグリーンシート９とを所定の順序で積層する。また、電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が形成されていないグリーンシート９を保護層として最外層に積層する。これにより、グリーン積層体１２が形成される。

その後、第１実施形態と同様のプレス加工、切断、脱脂（脱バインダ）及び焼成を行うことにより、積層体２を得る。そして、積層体２の側面２ａ，２ｂに外部電極６Ａ，６Ｂを設け、最後に分極処理を行うことにより、図５及び図６に示すような積層型圧電素子１が完成する。

本実施形態の積層型圧電素子１においても、所望の圧電特性を損なうこと無く、積層体２の積層方向に延びるクラック等の発生を防止することができる。また、金属酸化物層５が不活性部Ｑから活性部Ｐの領域内に入り込むように形成されているため、仮に積層体２の活性部Ｐにクラック等が生じたとしても、このクラック等が金属酸化物層５に沿って積層体の積層方向と直交する方向（横方向）に延びやすくなる。これにより、積層体２の積層方向に延びるクラック等の発生をより確実に防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、積層体２の層構造については、種々の変形が可能である。その一例として、図８に示すように、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極４Ａ，４Ａ間または内部電極４Ｂ，４Ｂ間に金属酸化物層５を設けたり、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極間において金属酸化物層５を積層体２の側面２ａから側面２ｂまで全体的に設けても良い。

本発明に係る積層型圧電素子の第１実施形態を示す斜視図である。 図１に示した積層型圧電素子の側面図である。 図１に示した積層体の層構造を示す部分拡大断面図である。 図１に示した積層型圧電素子を製造する際に作製されるグリーン積層体の分解斜視図である。 本発明に係る積層型圧電素子の第２実施形態を示す側面図である。 図５に示した積層型圧電素子の層構造を示す部分拡大断面図である。 図５に示した積層型圧電素子を製造する際に作製されるグリーン積層体の分解斜視図である。 積層体の層構造の変形例を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、３…圧電体、４Ａ…内部電極（第１電極）、４Ｂ…内部電極（第２電極）、５…金属酸化物層、Ｐ…活性部、Ｑ…不活性部。

Claims (3)

1. 複数の圧電体と第１電極及び第２電極を含む複数の内部電極とを交互に積層し焼結してなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、
   前記積層体は、前記第１電極と前記第２電極とが前記積層体の積層方向に重なり合うように構成されてなる活性部と、前記活性部の両側に設けられ、前記第１電極と前記第２電極とが前記積層体の積層方向に重なり合わないように構成されてなる不活性部とを有し、
   前記不活性部には、前記圧電体の焼結温度よりも融点が高く且つ前記圧電体に固溶する材料で形成された金属酸化物層が設けられ、
   前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料で形成され、
   前記金属酸化物層は、ＺｒＯ _２ 、ＭｇＯ、Ｎｂ _２ Ｏ _５ 、Ｔａ _２ Ｏ _５ 、ＣｅＯ _２ 、Ｙ _２ Ｏ _３ の少なくとも一種を含む材料で形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記金属酸化物層は、前記内部電極と同一の層に形成され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. 前記金属酸化物層は、前記第１電極と前記第２電極との間の層に前記活性部に入り込むように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の積層型圧電素子。

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