JP4581744B2

JP4581744B2 - セラミック素子

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Publication number: JP4581744B2
Application number: JP2005054661A
Authority: JP
Inventors: 誠志佐々木; 一志立本
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006245042A

Description

本発明は、主電極と中継用電極とがセラミック層を介して交互に積層されてなる圧電素子等のセラミック素子に関するものである。

セラミック素子の中には、例えば特許文献１に記載されているような圧電アクチュエータがある。この文献に記載の圧電アクチュエータは、内部電極が印刷された圧電セラミックグリーンシートを複数積層して一体化し、焼成した圧電セラミック体を有し、この圧電セラミック体には、積層方向に延在するスルーホールが形成され、このスルーホールの内部には、各層の内部電極同士を電気的に接続する導体リードが設けられている。このようにスルーホールを積層方向に対してストレートに形成した場合には、グリーンシート積層時の位置ズレや、焼成時におけるスルーホール内の導電材料（導体リード）の収縮により、導電材料の断線が生じるという問題があった。

このような不具合を解決するためには、例えば特許文献２に記載されているように、ダミー電極を介して上下のスルーホール同士を接続すると共に、上下のスルーホールが同軸とならないように、積層方向に対してスルーホールを１層おきに千鳥状に配置することが知られている。
特開２０００−２６１０５５号公報特開２００２−３７４６８５号公報

しかしながら、素子の小型化を実現しようとしたり、１素子内に内部電極（主電極）を高密度に配置しようとした場合には、上記従来技術（特許文献２）のようにダミー電極（中継用電極）を挟んで上下に位置するスルーホール同士を単純にずらしただけでは、上下の各スルーホール内に充填された導電材料同士を確実に接続することは困難であり、各層の主電極の接続不良（断線）を引き起こすことがある。

本発明の目的は、スルーホール及び中継用電極を介して、各層の主電極同士の電気的接続を確実に行うことができるセラミック素子を提供することである。

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、セラミック層に設けるスルーホールの径、中継用電極の面積、中継用電極を挟んで配置されるスルーホールの位置関係が最適化されていないと、素子の小型化及び高集積化を実現しようとした場合に、焼成時に生じるスルーホールの収縮等によって、スルーホール内の導電材料の断線が起こりやすくなることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は、主電極と中継用電極とがセラミック層を介して交互に積層されてなるセラミック素子であって、セラミック層における中継用電極に対応する領域内には、導電材料が充填され主電極と中継用電極とを電気的に接続するスルーホールが設けられており、中継用電極は、実質的に矩形状をなしていると共に、主電極の延びる方向に対して垂直な方向に延びており、中継用電極の面積が０．２５ｍｍ^２以下であり、中継用電極に対して積層方向の両側に位置する各スルーホールは、セラミック層における中継用電極の対角線上に対応する部位において中継用電極の中心を挟むように形成されており、スルーホールの最大半径をｒとしたときに、中継用電極に対して積層方向の両側に位置する各スルーホール同士は、積層方向に対して垂直な方向にｒ以上離れていることを特徴とするものである。

このようなセラミック素子においては、中継用電極の面積を０．２５ｍｍ^２以下とすることにより、素子の小型化及び主電極の高密度化を図ることが可能となる。このとき、中継用電極に対して積層方向の両側に位置する各スルーホール同士を、積層方向に対して垂直な方向にスルーホールの最大半径ｒ以上だけ離すことにより、セラミック素子を作製すべく、主電極及び中継用電極とセラミック層とを積層してなる積層体を一体焼成したときに、各スルーホールの収縮（特にスルーホール内に充填された導電材料の収縮）の影響が互いに及ぶことが抑えられる。この事は、本発明者等による実験やシミュレーション等によって明らかにされている。これにより、スルーホール内の導電材料の断線が防止されるため、各層の主電極同士の電気的接続を確実に行うことができる。
また、中継用電極の形状を矩形状とすることにより、複数の主電極をマトリクス状に配列した構成とする場合に、主電極をスペース効率良く配置可能となるため、素子の小型化及び主電極の高密度化に有利となる。なお、中継用電極の形状としては、完全矩形状に限らず、略矩形状であっても良い。また、中継用電極に対して積層方向の両側に位置する各スルーホールを、セラミック層における中継用電極の対角線上に対応する部位に形成することにより、中継用電極を挟んで位置する各スルーホール間の距離、中継用電極の縁から各スルーホールまでの距離を十分にとることができる。

好ましくは、スルーホールは、中継用電極の縁から、積層方向に対して垂直な方向にｒ以上離れている。この場合には、主電極及び中継用電極とセラミック層とを積層してなる積層体を一体焼成したときに、スルーホール内の導電材料と中継用電極とセラミック層との収縮の差による影響が互いに及ぶことも抑えられる。これにより、スルーホール内の導電材料の断線が更に防止されるため、各層の主電極同士の電気的接続をより確実に行うことができる。

さらに、好ましくは、スルーホールの最大半径ｒが５０μｍ以下である。これにより、面積が０．２５ｍｍ^２以下である中継用電極に対して、中継用電極を挟んで位置する各スルーホール間の最適距離、中継用電極の縁から各スルーホールまでの最適距離を得ることが可能となる。

本発明によれば、スルーホール及び中継用電極を介して、各層の主電極同士の電気的接続を確実に行うことができる。これにより、セラミック素子の小型化及び高集積化に十分に対処することが可能となる。

以下、本発明に係わるセラミック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、本発明に係わるセラミック素子の一実施形態として積層型圧電素子を示す分解斜視図である。同図において、積層型圧電素子１は、複数の内部個別電極２及びコモン中継用電極３が形成されたセラミック層である圧電体４，５と、内部コモン電極６及び複数の個別中継用電極７が形成されたセラミック層である圧電体８，９と、複数の個別端子電極１０及びコモン端子電極１１が形成されたセラミック層である圧電体１２とを備えている。

積層型圧電素子１は、上から順に圧電体１２、圧電体８、圧電体４、圧電体８、圧電体４、圧電体８、圧電体４、圧電体８、圧電体５及び圧電体９を積み重ねた構造をなしている。つまり、内部個別電極２と個別中継用電極７とは、圧電体８及び圧電体４を介して交互に積層され、内部コモン電極６とコモン中継用電極３とは、圧電体４，５及び圧電体８を介して交互に積層されている。

圧電体４，５、圧電体８，９及び圧電体１２は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。内部個別電極２、コモン中継用電極３、内部コモン電極６及び個別中継用電極７は、例えばＡｇ及びＰｄで形成されている。個別端子電極１０及びコモン端子電極１１は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕのいずれかで形成されている。圧電体４等の寸法は、例えば１０ｍｍ×３０ｍｍ程度であり、圧電体４等の１層当たりの厚みは、例えば１５〜１００μｍ程度である。

圧電体４の上面には、図２に示すように、複数の内部個別電極２及びコモン中継用電極３が形成されている（上述）。内部個別電極２及びコモン中継用電極３は、いずれも矩形状をなしている。内部個別電極２は、圧電体４の上面にマトリックス状に配列されている。このとき、内部個別電極２の形状は長方形状であるため、内部個別電極２のマトリックス化をスペース効率良く行うことが可能となる。コモン中継用電極３は、圧電体４の上面の一端部に配置されている。

また、圧電体４において、各内部個別電極２に対応する領域内にはスルーホール１３がそれぞれ形成され、コモン中継用電極３に対応する領域内にはスルーホール１４が形成されている。スルーホール１３，１４は、圧電体４の縁部近傍に形成されている。スルーホール１３，１４内には、例えばＡｇ及びＰｄからなる導電材料が充填されている。このとき、導電材料は、スルーホール１３，１４を形成する圧電体４の内壁面のみに充填（図７及び図８の導電材料Ｐを参照）しても良く、或いはスルーホール１３，１４全体に充填しても良い。スルーホール１３内の導電材料は内部個別電極２と電気的に接続され、スルーホール内１４の導電材料はコモン中継用電極３と電気的に接続されている。

圧電体５の上面には、図３に示すように、圧電体４と同様に、複数の内部個別電極２及びコモン中継用電極３が形成されている（上述）。圧電体５には、圧電体４と同じスルーホール１４が形成されているが、上記のスルーホール１３は形成されていない。

圧電体８の上面には、図４に示すように、内部コモン電極６及び複数の個別中継用電極７が形成されている（上述）。内部コモン電極６及び個別中継用電極７は、いずれも矩形状をなしている。内部コモン電極６は、圧電体８の上面における両側縁部を除いた領域に略ベタ状に形成されている。複数の個別用中継電極７は、圧電体８の上面の両側縁部に内部コモン電極６を挟むように形成されている。

また、圧電体８において、内部コモン電極６に対応する領域内にはスルーホール１５が形成され、各個別中継用電極７に対応する領域内にはスルーホール１６がそれぞれ形成されている。スルーホール１５，１６は、圧電体８の縁部近傍に形成されている。スルーホール１５，１６内には、上記のスルーホール１３，１４と同様に導電材料が充填されている。スルーホール１５内の導電材料は内部コモン電極６と電気的に接続され、スルーホール１６内の導電材料は個別中継用電極７と電気的に接続されている。

圧電体９の上面には、図５に示すように、圧電体８と同様に内部コモン電極６が形成されている。圧電体９には、圧電体８に形成したような個別中継用電極７及びスルーホール１５，１６は設けられていない。なお、内部コモン電極６は、圧電体９の上面全面にベタ状に形成しても良い。

圧電体１２の上面には、図６に示すように、複数の個別端子電極１０及びコモン端子電極１１が形成されている（上述）。個別端子電極１０及びコモン端子電極１１は、いずれも矩形状をなしている。個別端子電極１０は、個別中継用電極７に対応する部位に形成され、コモン端子電極１１は、コモン中継用電極８に対応する部位に形成されている。

また、圧電体１２において、各個別端子電極１０に対応する領域内にはスルーホール１７がそれぞれ形成され、コモン端子電極１１に対応する領域内にはスルーホール１８が形成されている。スルーホール１７，１８は、圧電体１２の縁部近傍に形成されている。スルーホール１７，１８内には、上記のスルーホール１３，１４と同様に導電材料が充填されている。スルーホール１７内の導電材料は個別端子電極１０と電気的に接続され、スルーホール１８内の導電材料はコモン端子電極１１と電気的に接続されている。

このような積層型圧電素子１において、個別端子電極１０は、スルーホール１７、個別中継用電極７、スルーホール１６及びスルーホール１３を介して各層の内部個別電極２と電気的に接続されている。コモン端子電極１１は、スルーホール１８、スルーホール１５、コモン中継用電極３及びスルーホール１４を介して各層の内部コモン電極６と電気的に接続されている。なお、スルーホール１３，１４、スルーホール１５，１６及びスルーホール１７，１８の形状としては、導電材料を充填しやすくするために、上面側の径が下面側の径よりも大きいテーパー状であるのが好ましい（図７参照）。

個別端子電極１０と個別中継用電極７と内部個別電極２とをつなぐためのスルーホール１３，１７及びスルーホール１６は、図７に示すように、積層方向に対して１層おきに千鳥状に配置されている。また、コモン端子電極１１とコモン中継用電極３と内部コモン電極６とをつなぐためのスルーホール１５及びスルーホール１４，１８も、図示はされていないが、積層方向に対して１層おきに千鳥状に配置されている。

ここで、個別中継用電極７の面積が大きいほど、個別中継用電極７に対して上下に位置するスルーホール１３，１７とスルーホール１６との接続が行いやすくなるが、これでは素子の小型化及び内部個別電極２の高密度化が困難となる。１素子内に３００個以上の内部個別電極２を効率良く高密度に配列する場合には、個別中継用電極７の面積を０．２５ｍｍ^２以下とする必要がある。

また、個別中継用電極７の大きさに併せて、スルーホール１３，１６，１７の径を大きくしたほうが、スルーホール１３，１６，１７内への導電材料Ｐの充填が容易に行えるが、圧電体４，８，１２の厚みに対してスルーホール１３，１６，１７の径を必要以上に大きくすると、焼成時（後述）にスルーホール部分での歪みが大きくなる。このため、スルーホール１３，１６，１７の最大直径としては、圧電体４，８，１２の厚みの１．５倍を越えない範囲とするのが望ましい。このとき、例えば個別中継用電極７の面積が０．２５ｍｍ^２以下である場合には、スルーホール１３，１６，１７の最大半径（以下、スルーホール最大半径）ｒは５０μｍ以下であるのが望ましい。

個別中継用電極７に対して上側に位置するスルーホール１３，１７と個別中継用電極７に対して下側に位置するスルーホール１６とは、図８に示すように、個別中継用電極７の一方の対角線上に対応する部位において個別中継用電極７の中心を挟むように形成されているのが好ましい。なお、図７は、個別中継用電極７の一方の対角線に沿った断面図である。そして、スルーホール１３，１７の縁とスルーホール１６の縁との間の積層方向に対して垂直な方向に沿った最短距離Ｄ_１は、スルーホール最大半径ｒ以上である。また、個別中継用電極７の縁とスルーホール１３，１６，１７の縁との間の積層方向に対して垂直な方向の最短距離Ｄ_２は、好ましくはスルーホール最大半径ｒ以上である。このとき、スルーホール１３，１７とスルーホール１６とを個別中継用電極７の対角線上に対応する部位に離して配置することにより、上記の距離Ｄ_１，Ｄ_２がかせぎやすくなる。

コモン中継用電極３の面積は、上記の個別中継用電極７の面積と同じであり、スルーホール１４，１５，１８の最大半径は、上記のスルーホール最大半径ｒと同じである。また、コモン中継用電極３に対して上側に位置するスルーホール１５とコモン中継用電極３に対して下側に位置するスルーホール１４との位置関係は、上記のスルーホール１３，１７とスルーホール１６との位置関係と同じであり、コモン中継用電極３とスルーホール１４，１５との位置関係は、上記の個別中継用電極７とスルーホール１３，１６，１７との位置関係と同じである。

以上のように構成された積層型圧電素子１において、何れかの個別端子電極１０とコモン端子電極１１との間に所定の電圧を印加すると、当該個別端子電極１０に対応する内部個別電極２と内部コモン電極６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４，８において当該内部個別電極２と内部コモン電極６とに挟まれた部分（圧電活性部）に電界が生じ、その圧電活性部が積層方向に変位するようになる。

次に、上述した積層型圧電素子１を製造する手順について説明する。まず、例えばＰＺＴを主成分とした圧電セラミックを用意し、これに有機バインダ・有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、ＰＥＴフィルムをキャリアフィルムとしてペーストをシート成形することで、上記の圧電体（セラミック層）４，８，１２となるセラミックグリーンシートを形成する。シート成形後、グリーンシートは、キャリアフィルムごとリールに巻き取られ、次工程に用いられる。

続いて、グリーンシートをキャリアフィルムごと加工装置内に搬送し、例えばＹＡＧの３次高調波レーザ光をグリーンシートの所定位置に対して照射することで、グリーンシートにスルーホールを形成する。このとき、レーザの照射条件（マスク径、加工エネルギー等）を変えることにより、スルーホールの径及び形状を変えることが可能となる。そして、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料と有機バインダ・有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、スクリーン印刷法等によりスルーホール内に導電ペーストを充填する。

続いて、例えばスルーホール内に充填されたものと同じ導電ペーストを用いて、スクリーン印刷法等によりグリーンシートの表面の所定領域に、上記の内部個別電極２、コモン中継用電極３、内部コモン電極６及び個別中継用電極７となる内部電極パターンを形成する。

続いて、内部電極パターンが印刷された各種のグリーンシートを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、更にその上に、内部電極パターンが印刷されていないグリーンシートを積層することにより、グリーン積層体を形成する。このとき、グリーンシート上の基準位置を基にしてカメラによる画像処理を行い、積層するグリーンシートの位置決めを行うことで、内部電極パターンの相対位置が分かりやすくなり、グリーンシート同士の積層ズレを避けることが可能となる。

続いて、グリーン積層体に対し、例えば６０℃程度の熱を加えながら１００ＭＰａ程度の圧力でプレス加工を行い、各層のグリーンシートを圧着させる。その後、グリーン積層体を所定の寸法に切断する。

続いて、グリーン積層体をセッターに載せ、グリーン積層体の脱脂（脱バインダ）を例えば４００℃前後の温度で１０時間程度行う。その後、グリーン積層体が載置されたセッターを密閉匣鉢内に入れ、グリーン積層体の焼成を例えば１１００℃程度の温度で２時間程度行い、焼結体を得る。

続いて、焼成後の素子の上面に、例えばＡｇからなる個別端子電極１０及びコモン端子電極１１を形成する。端子電極１０，１１の形成手法としては、焼付、スパッタリング、無電解メッキ法などが用いられる。

最後に、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体４，８の厚みに対する電界強度が３ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を例えば３分間印加することにより、素子の分極処理を行う。これにより、圧電セラミックアクチュエータとしての積層型圧電素子１が完成する。

このような積層型圧電素子１の製造工程において、グリーン積層体をプレスしたときには、グリーン積層体の積層方向にスルーホールが押しつぶされることで変形し、スルーホールの開口部が広がってしまう傾向にある。このとき、個別中継用電極７に対して上下に位置するスルーホール１３，１７とスルーホール１６とが積層方向に対して垂直な方向に近づきすぎていると、グリーン積層体のプレス時に、スルーホール１３，１７とスルーホール１６とが重なってしまう。このため、グリーン積層体の焼成時に、グリーンシートの収縮率よりもスルーホール１３，１６，１７内の導電材料Ｐの収縮率が大きくなることから、導電材料Ｐの断線が起こりやすくなる。また、その時には導電材料Ｐの接続状態が確保されていても、その後の素子の分極時や駆動時に、素子の歪みにより導電材料Ｐが断線することがある。このような不具合は、コモン中継用電極３の上下に位置するスルーホール１４，１５同士でも起こりうる。

これに対し、本実施形態の積層型圧電素子１では、個別中継用電極７に対して上下に位置するスルーホール１３，１７とスルーホール１６とをスルーホール最大半径ｒ以上離して配置するようにしたので、グリーン積層体のプレス時に、スルーホール１３，１７とスルーホール１６とが重なってつながることが防止される。このため、その後のグリーン積層体の焼成時に、スルーホール１３，１６，１７内に充填された導電材料Ｐの収縮の影響による導電材料Ｐの断線が起こりにくくなる。また、素子の分極時や駆動時に発生する歪みによる導電材料Ｐの断線も起こりにくくなる。さらに、スルーホール１３，１６，１７は、個別中継用電極７の縁からスルーホール最大半径ｒ以上離れて配置されているので、グリーン積層体の焼成時に、スルーホール１３，１６，１７内の導電材料Ｐと個別中継用電極７とグリーンシートとの収縮率の差による影響に起因した導電材料Ｐの断線も起こりにくくなる。

また、コモン中継用電極３に対して上下に位置するスルーホール１４，１５同士をスルーホール最大半径ｒ以上離して配置すると共に、スルーホール１４，１５を個別中継用電極７の縁からスルーホール最大半径ｒ以上離して配置したので、グリーン積層体の焼成時などにおいて、スルーホール１４，１５内に充填された導電材料Ｐの断線が起こりにくくなる。

このように各スルーホール内の導電材料Ｐの断線不良が防止されるので、個別端子電極１０と各層の内部個別電極２との電気的接続、コモン端子電極１１と各層の内部コモン電極６との電気的接続を確実に確保することができる。従って、積層型圧電素子１の小型化及び内部個別電極２の高密度化を図りつつ、積層型圧電素子１の信頼性を向上させることが可能となる。

以上のような本発明に係わる積層型圧電素子において、個別中継用電極に対して上下に位置する各スルーホール間の距離がスルーホール内の導電材料の断線に与える影響について、実際に検証を行った。

ここで、使用する素子内には、２００組の個別電極がマトリックス状に配置されている。また、個別中継用電極の面積は０．２５ｍｍ^２（０．６２５ｍｍ×０．４ｍｍ）、各スルーホールの最大半径ｒは５０μｍとなっている。

このような積層型圧電素子を２０個作製し、２００組全ての個別電極に対応するスルーホール内の導電材料が接続されている素子数を調べた。このとき、全ての個別電極に対して所定の素子容量が得られる素子を良品とした。なお、素子容量の測定は、ＬＣＲメータによって行った。その時の結果を図９に示す。

図９から分かるように、個別中継用電極に対して上下に位置する各スルーホール間の距離がスルーホール最大半径ｒ（５０μｍ）以上である場合には、素子の良品率が１００％であった。これにより、本発明の効果が実証できた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、内部個別電極２及び内部コモン電極６が交互に複数層積層されてなる構造としたが、特に大きな変位量を必要としないのであれば、個別電極及びコモン電極の層数は各々１層だけであっても良い。この場合には、個別中継用電極７及びコモン中継用電極３も、１層だけあれば良い。

また、上記実施形態では、個別中継用電極７及びコモン中継用電極３の形状を、正方形を含む完全矩形状または略矩形状としたが、中継用電極の形状としては特にこれには限られず、例えば円形状や楕円形状などであっても良い。

さらに、上記実施形態は圧電素子についてであるが、本発明のセラミック素子は、特に圧電素子に限定されず、セラミックコンデンサ等にも適用可能である。

本発明に係わるセラミック素子の一実施形態として積層型圧電素子を示す分解斜視図である。図１に示した内部個別電極及びコモン中継用電極が形成された圧電体の平面図である。図１に示した内部個別電極及びコモン中継用電極が形成された他の圧電体の平面図である。図１に示した内部コモン電極及び個別中継用電極が形成された圧電体の平面図である。図１に示した内部コモン電極及び個別中継用電極が形成された他の圧電体の平面図である。図１に示した個別端子電極及びコモン端子電極が形成された圧電体の平面図である。図１に示した積層型圧電素子の垂直方向拡大断面図である。図４に示した圧電体において個別中継用電極の部分の平面図である。個別中継用電極に対して上下に位置する各スルーホール間の距離と素子良品率との関係についての検証結果を示したグラフである。

符号の説明

１…積層型圧電素子（セラミック素子）、２…内部個別電極（主電極）、３…コモン中継用電極、４，５…圧電体（セラミック層）、６…内部コモン電極（主電極）、７…個別中継用電極、８，９…圧電体（セラミック層）、１０…個別端子電極（主電極）、１１…コモン端子電極（主電極）、１２…圧電体（セラミック層）、１３〜１８…スルーホール、Ｐ…導電材料。

Claims

主電極と中継用電極とがセラミック層を介して交互に積層されてなるセラミック素子であって、
前記セラミック層における前記中継用電極に対応する領域内には、導電材料が充填され前記主電極と前記中継用電極とを電気的に接続するスルーホールが設けられており、
前記中継用電極は、実質的に矩形状をなしていると共に、前記主電極の延びる方向に対して垂直な方向に延びており、
前記中継用電極の面積が０．２５ｍｍ^２以下であり、
前記中継用電極に対して積層方向の両側に位置する前記各スルーホールは、前記セラミック層における前記中継用電極の対角線上に対応する部位において前記中継用電極の中心を挟むように形成されており、
前記スルーホールの最大半径をｒとしたときに、前記中継用電極に対して積層方向の両側に位置する各スルーホール同士は、前記積層方向に対して垂直な方向にｒ以上離れていることを特徴とするセラミック素子。
前記スルーホールは、前記中継用電極の縁から、前記積層方向に対して垂直な方向にｒ以上離れていることを特徴とする請求項１記載のセラミック素子。
前記スルーホールの最大半径ｒが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のセラミック素子。