JP4843948B2

JP4843948B2 - 積層型圧電素子

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Publication number: JP4843948B2
Application number: JP2005014572A
Authority: JP
Inventors: 一夫望月
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP2006203070A

Description

本発明は、例えば燃料噴射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。

従来の積層型圧電素子としては、例えば特許文献１に記載されているように、圧電セラミック層と内部電極とが交互に積層されてなる積層体を有すると共に、積層体における隣接する内部電極間に応力緩和層を所定層毎に形成したものが知られている。
特開２００１−２６７６４６号公報

しかしながら、上記従来技術においては、圧電セラミック層がチタン酸ジルコン酸鉛等で形成され、応力緩和層がチタン酸鉛を主成分とする材料で形成されている。つまり、圧電セラミック層及び応力緩和層は、互いに異なる組成系の材料で形成されている。このため、圧電セラミック層及び応力緩和層の収縮膨張率が異なることになるので、積層体の焼成時に、例えば積層体が割れたり、積層体の活性部に積層方向に延びるクラックを誘発させてしまう可能性がある。

本発明の目的は、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である。

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四角柱状の積層体を備えた積層型圧電素子であって、積層体の４つの側面のうちいずれかの対向する２つの側面の一方には、第１電極と電気的に接続された一の外部電極が設けられ、対向する２つの側面の他方には、第２電極と電気的に接続された他の外部電極が設けられており、内部電極は、積層体における外部電極が設けられた側面及び当該側面に垂直な２つの側面に露出しており、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た活性部と、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た不活性部とを有し、不活性部には、圧電体よりも密度の低い低強度層が設けられており、圧電体及び低強度層は、同一組成系の圧電材料で形成されており、低強度層は、積層体における外部電極が設けられた側面から活性部の領域内まで延びていると共に積層体における外部電極が設けられた側面に対向する側面側に位置する不活性部の領域内までは延びていないことを特徴とするものである。

このような積層型圧電素子を製造する場合は、焼成によって複数の圧電体、複数の内部電極及び低強度層を有する積層体を得る。低強度層は、圧電体と同一組成系の圧電材料で形成されている。このため、圧電体及び低強度層の収縮膨張率は同等となるため、積層体（焼結体）に割れや積層方向に延びるクラック等が生じることが防止される。また、同一組成系の圧電材料を用いることから、圧電体と低強度層との間に不用な反応が起こることは無いので、圧電体及び低強度層の形成に悪影響を及ぼすことは殆ど無い。そして、そのように製造された積層型圧電素子において、第１電極と第２電極との間に電圧を印加すると、両者間に電界が生じ、積層体の活性部における圧電体が変位する。このとき、積層体の不活性部に応力が集中するが、不活性部には圧電体よりも強度の低い低強度層が設けられているので、不活性部にかかる応力が低強度層によって緩和されるようになる。従って、圧電体の変位時に、積層体に積層方向に延びるクラックが生じることも防止できる。
また、低強度層は活性部の領域内まで延びていることにより、例えば積層体の活性部における圧電体の変位時に、積層体の不活性部にクラックが生じる場合には、低強度層に沿って積層体の積層方向に対して垂直な方向にクラックが入りやすくなるため、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を一層確実に防止することができる。

このとき、圧電体及び低強度層は、圧電材料にバインダを含む物質を混合したペーストによって形成されたものであり、低強度層を形成する圧電材料に対するバインダの量の比率が圧電体を形成する圧電材料に対するバインダの量の比率よりも大きいことが好ましい。このように圧電材料に対するバインダの量の比率を多くすると、焼成した時に穴が形成されやすくなるので、低密度となる。従って、圧電体及び低強度層の圧電材料として、全く同一組成の圧電材料を使用したときでも、低強度層を形成する圧電材料に対するバインダの量の比率を大きくするだけで、圧電体よりも密度の低い低強度層を確実に形成することができる。

また、圧電体及び低強度層は、圧電材料にバインダを含む物質を混合したペーストによって形成されたものであり、低強度層を形成する圧電材料の焼結温度が圧電体を形成する圧電材料の焼結温度よりも高くてもよい。この場合には、圧電体を形成する圧電材料の焼結温度と低強度層を形成する圧電材料の焼結温度との間の温度で積層体を焼成すると、圧電体を形成する圧電材料は完全に焼結しても、低強度層を形成する圧電材料は未焼結の状態となるので、圧電体よりも密度の低い低強度層を確実に形成することができる。

さらに、好ましくは、低強度層には、積層体の積層方向に対して垂直な方向に延びるクラックが形成されている。このような構成でも、例えば積層体の活性部における圧電体の変位時に、積層体の不活性部にクラックが生じる場合には、低強度層に沿って積層体の積層方向に対して垂直な方向にクラックが入りやすくなるため、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を一層確実に防止することができる。
また、好ましくは、積層体における低強度層と同一の層には、ダミー電極が設けられている。

本発明によれば、積層体に割れや積層方向に延びるクラック等が生じることを防止できる。これにより、第１電極から第２電極まで延びるクラックの発生が回避されるため、積層型圧電素子の絶縁破壊を防止し、積層型圧電素子の耐久性を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係わ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、本発明に係わる積層型圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。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と複数の内部電極４Ｂとを積層し焼結してなるものである。積層型圧電素子１の寸法は、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ×３５ｍｍ程度である。圧電体３の厚さは、１層当たり８０〜１００μｍ程度である。

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。ＰＺＴの組成としては、例えば下記のものが挙げられる。
Pb0.999[(Zn1/3 Nb2/3)0.11 Ti0.425 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比表面積は２．５ｍ^２／ｇ程度、平均粒子径は０．６μｍ程度である。このようなＰＺＴの焼結温度は、９５０℃程度である。

内部電極４Ａ，４Ｂは、圧電体３を介して交互に積層されている。内部電極４Ａは、積層体２の側面２ｂの内側から反対側の側面２ａに露出するように形成され、内部電極４Ｂは、積層体２の側面２ａの内側から側面２ｂに露出するように形成されている。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂの一部が積層体２の積層方向に重なり合うこととなる。積層体２において、内部電極４Ａ，４Ｂが重なり合う部分は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加した時に圧電体３が変位する活性部Ｐであり、内部電極４Ａ，４Ｂが重なり合わない部分（積層体２の両側端部）は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加した時に圧電体３が変位しない不活性部Ｑ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で形成されている。

積層体２の不活性部Ｑには、圧電体３よりも密度（強度）の低い複数の低強度層５が一定層数毎に設けられている。これらの低強度層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間の位置に活性部Ｐの領域内まで延びるように形成されている。また、各低強度層５は、各側面２ａ，２ｂにおける一方の縁から他方の縁にわたって形成されている（図１参照）。低強度層５は、圧電体３を形成する圧電セラミック材料と同一組成の圧電セラミック材料で形成されている。

低強度層５には、積層体２の横方向（積層体２の積層方向に対して垂直な方向）に延びるクラック（スリット）が入っていても良い。この積層体２の横方向に延びるクラックは、積層体２の活性部Ｐにおける圧電体３の変位時に、積層体２の不活性部Ｑにかかる応力を減じる働きをする。

積層体２の側面２ａには、各内部電極４Ａと電気的に接続された外部電極６Ａが設けられ、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が設けられている。

外部電極６Ａ，６Ｂは、各々、積層体２の側面２ａ，２ｂの一部を覆うように積層体２の積層方向に延在する電極部７と、この電極部７の外側に配置され、積層体２の積層方向に波状に延在する電極部８とからなっている。電極部８は、積層体２の積層方向に伸縮性（柔軟性）をもつように電極部７に接合されている。電極部７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８は、例えばＣｕ及びその合金、Ｎｉ及びその合金、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を製造する方法について、図４により説明する。まず、ＰＺＴを主成分とした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ペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記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となるセラミックグリーンシート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ペーストを作製する。そして、そのペーストをスクリーン印刷することにより、上記の内部電極４Ａに相当する電極パターン１０Ａ及び上記の内部電極４Ｂに相当する電極パターン１０Ｂを、別々のグリーンシート９の上面に形成する。

続いて、グリーンシート９の形成方法と同様に、ＰＺＴを主成分とした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ペーストを作製する。そして、そのペーストをスクリーン印刷することにより、電極パターン１０Ａが印刷されたグリーンシート９及び電極パターン１０Ｂが印刷されたグリーンシート９とは異なるグリーンシート９の上面の所定部分に、上記の低強度層５となるセラミック層１１を形成する。このとき、セラミック粉体に混合される有機バインダ樹脂の量の比率を、グリーンシート９を形成するセラミック粉体に混合される有機バインダ樹脂の量の比率よりも大きくする。

続いて、電極パターン１０Ａが印刷されたグリーンシート９と電極パターン１０Ｂが印刷されたグリーンシート９とセラミック層１１が印刷されたグリーンシート９とを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、更に電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びセラミック層１１が印刷されていないグリーンシート９を最外層に積層することにより、グリーン積層体１２を作製する。

続いて、グリーン積層体１２を６０℃程度の温度で加熱しながら１００ＭＰａ程度の圧力で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及びセラミック層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をセッターに載せ、当該グリーン積層体１２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、脱脂後のグリーン積層体１２が載置されたセッターをこう鉢炉内に入れ、当該グリーン積層体１２の焼成を例えば１０００℃程度の温度で２時間程度行う。これにより、グリーン積層体１２が収縮焼結され、焼結体として上記の積層体２が得られる。

このとき、上述したように、セラミック層１１を形成するセラミック材料に対する有機バインダ樹脂の量の比率を、セラミックグリーンシート９を形成するセラミック材料に対する有機バインダ樹脂の量の比率よりも大きくしてあるので、セラミック層１２には穴が形成されやすくなる。このため、セラミック層１２は、圧電体３よりも密度（強度）の低い低強度層５となる。

ここで、セラミック層１２はグリーンシート９と同じ組成のＰＺＴを主成分とするセラミック材料で形成されているため、セラミック層１２の収縮率はグリーンシート９の収縮率と同等になる。このため、グリーンシート９の上面に、ＰＺＴとは異なる材料、例えばバインダ（樹脂塗料）やＰＴ（チタン酸鉛）を塗布または印刷して焼成した場合と異なり、積層体２にひび割れが発生したり、積層体２に積層方向に延びるクラックを誘発させることは殆ど無い。また、グリーンシート９及びセラミック層１２のセラミック材料は同一組成であるため、グリーンシート９とセラミック層１２との間に不用な反応が起こることも無い。このため、圧電体３及び低強度層５の一部の組成が変わってしまうことが防止されると共に、低強度層５が全体的にきれいに焼け上がるように形成される。

続いて、積層体２の側面２ａに外部電極６Ａを形成すると共に、積層体２の側面２ｂに外部電極６Ｂを形成する。具体的には、まず例えば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た後、例えば７００℃程度の温度で焼付処理を行うことで、側面２ａ，２ｂにそれぞれ電極部７を形成する。なお、この電極部７の形成手法としては、焼付の代わりにスパッタリング法や無電解メッキ法等を用いても良い。そして、波状に延びる電極部８を、例えば半田付けにより複数の箇所で電極部７と接合する。

最後に、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体３の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように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。この分極処理では、積層体２の不活性部Ｑに応力が集中することになるが、不活性部Ｑには他の部分よりも強度の弱い低強度層５が設けられているため、その低強度層５に横方向（積層体２の積層方向に対して垂直な方向）に延びるクラックが入ることがある。以上により、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ることになる。これにより、各内部電極４Ａ，４Ｂに挟まれた活性部Ｐの圧電体３に電界が生じ、当該圧電体３が積層体２の積層方向に変位するようになる。

ここで、積層体２の不活性部Ｑには低強度層５が形成されているので、例えば積層型圧電素子１が長期間にわたって使用されることで、活性部Ｐの圧電体３の変位により積層体２の側面２ａ，２ｂから積層体２の内部に至るクラックが発生する場合には、そのクラックは低強度層５に沿って積層体２の横方向に延びるようになる。このとき、低強度層５を活性部Ｐの領域内まで形成しておくことにより、圧電体３の変位時に、積層体２の横方向に延びるクラックが生じやすくなる。また、上述したように低強度層５に予めクラックが入っている場合には、積層体２の横方向に延びるクラックが更に生じやすくなる。従って、圧電体３の変位時に他の不活性部Ｑにかかる応力が十分に緩和されるので、積層体２の積層方向にクラックが入ることは無い。

また、低強度層５にクラックが生じることで、万が一その位置で外部電極６Ａ，６Ｂの電極部７が切断されたとしても、その電極部７には波状の電極部８が接続されているので、内部電極４Ａと外部電極６Ａとの電気的接続、内部電極４Ｂと外部電極６Ｂとの電気的接続は確保されたままとなる。

以上のように本実施形態によれば、積層体２の圧電体３及び低強度層５を同一組成の圧電セラミック材料で形成するので、積層型圧電素子１の製造時に、焼成によって積層体２に割れや積層方向に延びるクラック等が発生することを防止できる。また、積層型圧電素子１の駆動時に、積層体２に積層方向に延びるクラックが発生することも防止できる。従って、内部電極４Ａ，４Ｂ同士のショートが防止され、積層型圧電素子１の絶縁破壊を避けることができる。その結果、積層型圧電素子１の品質が向上する。

上述した積層型圧電素子１では、低強度層５の材料として、圧電体３の材料と全く同じ組成のＰＺＴを主成分とするセラミック材料を使用し、セラミック材料に対する有機バインダ樹脂の量の比率を変えることにより、圧電体３よりも低い密度を有する低強度層５を形成したが、低強度層５の形成手法としては、特にこれに限定されない。

例えば、低強度層５の材料として、圧電体３の材料と同一組成系で且つ圧電体３の材料よりも焼結温度の高いＰＺＴを主成分とするセラミック材料を使用しても良い。ＰＺＴの焼結温度を高くするには、ＰＺＴの組成自体を変えても良いし、或いは圧電体３を形成するＰＺＴよりも粉体（粒子）の大きなＰＺＴを用いれば良い。このＰＺＴとしては、例えば下記のものが挙げられる。
Pb[Ti0.47 Zr0.53]O₃ +0.5wt%Nb₂O₅
また、ＰＺＴの粉体特性としては、例えばＢＥＴ比表面積が１．４ｍ^２／ｇ程度、平均粒子径が１．５μｍ程度である。このようなＰＺＴの焼結温度は、１２００℃程度である。

このように低強度層５を圧電体３よりも焼結温度の高いセラミック材料、つまり焼結性の低いセラミック材料で形成することにより、図４に示すようなグリーン積層体１２の焼成を例えば１０００℃程度の温度で行うと、グリーンシート９は完全に焼結しているにも拘らず、セラミック層１１は未焼結の状態となる。従って、特にセラミック材料に対する有機バインダ樹脂の量を調整しなくても、圧電体３に比べて十分に低い密度を有する低強度層５を形成することができる。

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、圧電体３、内部電極４Ａ，４Ｂ及び低強度層５を有する積層体２の構造については、種々変形可能である。具体的には、図５に示すように、低強度層５を、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間の位置に形成しても良い。

また、図６に示すように、積層体２の両側端部に形成された各低強度層５間にダミー電極１３を設けても良い。このダミー電極１３を有する積層体２を作製する場合には、図示はしないが、セラミックグリーンシートの上面に、低強度層５に対応するセラミック層とダミー電極１３に対応する電極パターンとを印刷した後、このグリーンシートと電極パターン付きグリーンシートとを積層すれば良い。このように積層体２にダミー電極１３を設けることにより、ダミー電極１３を挟む上下の圧電体３同士の接着力が低下するため、低強度層５に生じるクラックはダミー電極１３に沿って横方向に延びることになる。これにより、積層体２の積層方向に延びるクラックがより一層生じにくくなる。

さらに、図７に示すように、低強度層５を、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間の位置に形成すると共に、積層体２の両側端部に形成された各低強度層５間にダミー電極１３を設けても良い。

また、図８に示すように、低強度層５を積層体２の一側面から他側面にわたって全体的に形成しても良い。この場合には、積層体２の側面から低強度層５に入るクラックは、そのまま低強度層５に沿って横方向に延びることになる。これにより、積層体２の積層方向に延びるクラックがより一層生じにくくなる。

また、上記実施形態の積層型圧電素子では、低強度層５が積層体２の活性部Ｐの領域内まで延びるように形成されているが、低強度層５を積層体２の不活性部Ｑのみに形成しても勿論構わない。

さらに、上記実施形態の積層型圧電素子では、積層体２の形状を四角柱状としたが、他の多角柱形状や円柱形状であっても良い。また、積層体２の側面において外部電極６Ａ，６Ｂを設ける位置としては、互いに接触しない位置であれば良い。

本発明に係わる積層型圧電素子の一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切断後の状態を示す分解斜視図である。図３に示した積層体の変形例を示す部分拡大断面図である。図３に示した積層体の他の変形例を示す部分拡大断面図である。図３に示した積層体の更に他の変形例を示す部分拡大断面図である。図３に示した積層体の更に他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…低強度層、Ｐ…活性部、Ｑ…不活性部。

Claims

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四角柱状の積層体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体の４つの側面のうちいずれかの対向する２つの側面の一方には、前記第１電極と電気的に接続された一の外部電極が設けられ、前記対向する２つの側面の他方には、前記第２電極と電気的に接続された他の外部電極が設けられており、
前記内部電極は、前記積層体における前記外部電極が設けられた側面及び当該側面に垂直な２つの側面に露出しており、
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た活性部と、前記活性部の両側に位置し、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た不活性部とを有し、
前記不活性部には、前記圧電体よりも密度の低い低強度層が設けられており、
前記圧電体及び前記低強度層は、同一組成系の圧電材料で形成されており、
前記低強度層は、前記積層体における前記外部電極が設けられた側面から前記活性部の領域内まで延びていると共に前記積層体における前記外部電極が設けられた側面に対向する側面側に位置する前記不活性部の領域内までは延びていないことを特徴とする積層型圧電素子。
前記圧電体及び前記低強度層は、圧電材料にバインダを含む物質を混合したペーストによって形成されたものであり、
前記低強度層を形成する圧電材料に対するバインダの量の比率が前記圧電体を形成する圧電材料に対するバインダの量の比率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
前記圧電体及び前記低強度層は、圧電材料にバインダを含む物質を混合したペーストによって形成されたものであり、
前記低強度層を形成する圧電材料の焼結温度が前記圧電体を形成する圧電材料の焼結温度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
前記低強度層には、前記積層体の積層方向に対して垂直な方向に延びるクラックが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の積層型圧電素子。
前記積層体における前記低強度層と同一の層には、ダミー電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の積層型圧電素子。