JP5087914B2

JP5087914B2 - 積層型圧電素子

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Publication number: JP5087914B2
Application number: JP2006329719A
Authority: JP
Inventors: 一夫望月; 一夫永田; 雄三佐原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-12-06
Also published as: DE102007049576A1; CN101197421B; CN101197421A; US20080136293A1; JP2008147247A; US7518295B2

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。

従来の積層型圧電素子としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の積層型圧電素子は、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。積層体における内部電極と同一の層には、素子の駆動時に積層体に生じる応力集中を緩和するための金属酸化物層（アルミナ層）が設けられている。
特開平５−２４３６３５号公報

しかしながら、上記従来技術のように、積層体における内部電極と同一の層に金属酸化物層を設けただけでは、素子の駆動時に積層体の積層方向に延びるクラックの発生が避けられないことがあった。この場合には、異極の内部電極同士がショートし、素子の絶縁破壊を引き起こす虞がある。

本発明の目的は、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を確実に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、積層体には、圧電体の焼結温度よりも融点が高い材料で形成された金属酸化物層が設けられており、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、金属酸化物層は、不活性部における内部電極と同一の層に形成された第１領域と、第１領域から活性部側に延びて内部電極に対して重なるように形成された第２領域とを有することを特徴とするものである。なお、ここでいう「内部電極と同一の層」は、内部電極と完全に同一の層に限られず、内部電極と略同一の層も含んでいる。

以上のような本発明の積層型圧電素子においては、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、圧電体における活性部に存在する部位が積層体の積層方向に変位する。このとき、積層体には、圧電体の変位による応力がかかることになる。しかし、積層体には、圧電体の焼結温度よりも融点が高い材料で形成された金属酸化物層が設けられている。この金属酸化物層は、素子の製造工程において積層体の焼成を行った際に、圧電体に比べて十分な焼結が行われていない。その結果、金属酸化物層は、圧電体よりも低強度となる。そして、そのような金属酸化物層は、積層体の不活性部における内部電極と同一の層に形成された第１領域と、この第１領域から活性部側に延びて内部電極に対して重なるように形成された第２領域とを有している。つまり、金属酸化物層は圧電体と内部電極との界面まで十分に延びているが、当該界面は強度的に弱いものである。従って、上述した素子の変位時には、金属酸化物層によって積層体にかかる応力集中が緩和されると共に、圧電体と内部電極との界面に沿ってクラック（横クラック）が入りやすくなる。これにより、積層体の積層方向に延びるクラック（縦クラック）の発生を確実に防止することができる。

好ましくは、第２領域は、内部電極の一部に対して重なるように形成されている。この場合には、金属酸化物層を形成する材料を必要以上に多く使用しなくて済む。従って、金属酸化物層の材料費を節約し、また積層型圧電素子の製造に要する時間を短縮することができる。

また、第２領域は、内部電極全体に対して重なるように形成されていても良い。この場合には、圧電体と内部電極との界面の強度が更に弱くなるので、圧電体と内部電極との界面に沿って横クラックが一層入りやすくなる。

また、好ましくは、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_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３の少なくとも一種を含む材料で形成されている。

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、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、圧電体における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電極との間に電圧（電界）をかけた時に圧電体の粒界で生じる熱ロスが抑えられると考えられる。従って、素子の変位時に、加える電界に対して所望の変位を得ることができる。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、積層体に縦クラックが一層生じにくくなる。

本発明によれば、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を確実に防止し、積層型圧電素子の耐久性を向上させることができる。

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。

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[(Zn_1/3Nb_2/3)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比表面積が約２．５ｍ^２／ｇ、平均粒子径が約０．６μｍのものが用いられる。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の厚さは、例えば２μｍ程度となっている。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、不活性部Ｑにおける内部電極４Ａ，４Ｂと同一の層に形成された同層領域５ａと、この同層領域５ａから活性部Ｐ側に延びて内部電極４Ａ，４Ｂの一部の上面に重なるように形成された重なり領域５ｂとからなっている。内部電極４Ａと同層に位置する同層領域５ａは、積層体２の側面２ｂに露出し、内部電極４Ｂと同層に位置する同層領域５ａは、積層体２の側面２ａに露出している。つまり、金属酸化物層５は、内部電極４Ａ，４Ｂに接するように積層体２の側面２ａ，２ｂから活性部Ｐまで延びている。同層領域５ａの厚さは、例えば内部電極４Ａ，４Ｂと同一の厚さとなっている。

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の積層方向に延在する波状の電極部８とからなっている。電極部８は、積層体２の積層方向に対して伸縮性（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、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説明する。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、図４（ａ）に示すように、電極パターン用のペーストを例えばスクリーン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をそれぞれ別々のグリーンシート９上に形成する。このとき、グリーンシート９の上面における上記不活性部Ｑに対応する一端側部分を除いた領域に電極パターン１０Ａ，１０Ｂを形成する。

さらに、例えばＺｒＯ_２粉体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（セラミック粉体）の粒子径よりも大きく、電極パターン１０Ａ，１０Ｂの厚みよりも小さいことが好ましい。

そして、図４（ｂ）に示すように、ＺｒＯ_２ペーストを例えばスクリーン印刷することにより、グリーンシート９上及び電極パターン１０Ａ，１０Ｂ上にＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。このとき、グリーンシート９の上面における電極パターン１０Ａ，１０Ｂが印刷されていない電極未印刷領域（上記不活性部Ｑに対応する領域）にＺｒＯ_２ペースト層１１を形成すると共に、電極パターン１０Ａ，１０Ｂの上面における電極未印刷領域側の端部領域にＺｒＯ_２ペースト層１１を重ねるように形成する。

続いて、図５に示すように、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。

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、金属酸化物層５は、上述したように同層領域５ａ及び重なり領域５ｂからなっているが、焼成によるグリーン積層体１２の収縮によって、内部電極４Ａ，４Ｂに重なる重なり領域５ｂの厚みが同層領域５ａの厚みより小さくなる。

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７を形成する。なお、電極部７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８を電極部７に接合する。

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。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、圧電体３における活性部Ｐに含まれる部位が積層体２の積層方向に変位するようになる。

このとき、積層体２における活性部Ｐと不活性部Ｑとの境界部に応力が発生するが、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、積層体２にかかる応力は、金属酸化物層５の同層領域５ａ側端部に集中するようになる。従って、積層体２の積層方向に延びるクラック（縦クラック）が生じにくくなる。

また、金属酸化物層５は、積層体２の不活性部Ｑにおける内部電極４Ａ，４Ｂと同一の層に形成された同層領域５ａと、この同層領域５ａから活性部Ｐ側に延びて内部電極４Ａ，４Ｂ上に重なるように形成された重なり領域５ｂとからなっている。つまり、金属酸化物層５は、積層体２の側面２ａ，２ｂから圧電体３と内部電極４Ａ，４Ｂとの界面まで延びている。圧電体３はＰＺＴを主成分とする圧電セラミック材料で形成され、内部電極４Ａ，４Ｂは導電材料で形成されているため、圧電体３と内部電極４Ａ，４Ｂとの接着力は弱く、両者の界面は強度的に低いものとなっている。従って、外部電極６Ａ，６Ｂ間に電圧を印加して積層型圧電素子１を駆動（変位）させた際に、圧電体３と内部電極４Ａ，４Ｂとの界面に沿ってクラック（横クラック）が入りやすくなる。これにより、積層体２に縦クラックが一層生じにくくなる。

なお、上記の分極処理時にも、電界を印加するため積層体２に応力が発生するが、積層型圧電素子１の駆動時と同様に、金属酸化物層５が存在することで積層体２に縦クラックが生じにくい構造となっている。

また、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い可能性がある。

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、ＰＺＴの粒子成長が進み、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が低減されるため、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が少なくなることから、圧電体３の粒界に沿ったランダムな方向へのクラックの進行が抑えられるため、この点でも積層体２に縦クラックが生じにくくなる。

以上のように本実施形態によれば、積層型圧電素子１の駆動時や分極処理時に、積層体２に縦クラックが発生することが防止される。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の絶縁破壊を避けることができる。また、積層型圧電素子１の圧電特性の劣化を抑えることもできる。その結果、積層型圧電素子１の耐久性及び性能を向上させることが可能となる。

図６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７は、図６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における内部電極４Ａ，４Ｂと同一の層に形成された同層領域５ａと、この同層領域５ａから活性部Ｐ側に延びて内部電極４Ａ，４Ｂの上面全体に重なるように形成された重なり領域５ｂとからなっている。つまり、金属酸化物層５は、内部電極４Ａ，４Ｂに接するように積層体２の側面２ａから側面２ｂまで延びている。

このような金属酸化物層５を形成するには、まず前述の図４（ａ）に示すように、グリーンシート９の上面の一部領域に電極パターン１０Ａ，１０Ｂを形成した後、例えば上述したＺｒＯ_２ペーストをスクリーン印刷することで、グリーンシート９の上面の電極未印刷領域と電極パターン１０Ａ，１０Ｂの上面全体とにＺｒＯ_２ペースト層１１（図４参照）を形成する。そして、第１実施形態と同様に、積層、プレス加工、切断、脱バインダ及び焼成を順に行う。

このような本実施形態においても、積層型圧電素子１の駆動時や分極処理時に、積層体２に縦クラックが発生することを防止できるため、積層型圧電素子１の耐久性向上につながる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、金属酸化物層５の重なり領域５ｂが内部電極４Ａ，４Ｂの上に重なるような構成としたが、図８に示すように、金属酸化物層５の重なり領域５ｂの上に内部電極４Ａ，４Ｂの少なくとも一部が重なるような構成としても良い。

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の製造する際に、グリーンシートの上部に電極パターン及びＺｒＯ_２ペースト層を形成する工程を示す図である。図４（ｂ）に示したグリーンシートを含む複数種類のグリーンシートを積層して得ら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６に示した積層体の層構造を示す部分拡大断面図である。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、５ａ…同層領域（第１領域）、５ｂ…重なり領域（第２領域）、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積層体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体には、前記圧電体の焼結温度よりも融点が高い材料で形成された金属酸化物層が設けられており、
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、
前記金属酸化物層は、前記不活性部における前記内部電極と同一の層に形成された第１領域と、前記第１領域から前記活性部側に延びて前記内部電極に対して重なるように形成された第２領域とを有することを特徴とする積層型圧電素子。
前記第２領域は、前記内部電極の一部に対して重なるよう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。
前記第２領域は、前記内部電極全体に対して重なるよう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。
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_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_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請求項１〜３のいずれか一項記載の積層型圧電素子。