JP5153093B2

JP5153093B2 - 積層型圧電素子

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Publication number: JP5153093B2
Application number: JP2006177679A
Authority: JP
Inventors: 知宣江口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2008010529A

Description

本発明は、加圧により電圧を生じさせたり、電圧を加えて変位または力を生じさせたりする圧電センサや圧電アクチュエータ、圧電トランス、圧電バイモルフ等の積層型圧電素子に関するものであり、特に、駆動耐久性に優れた積層型圧電素子の構造に関するものである。

従来より、積層型圧電素子としては、圧電体層と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子の代表例として積層型圧電アクチュエータが知られている。積層型圧電アクチュエータは同時焼成タイプと、圧電磁器と内部電極とを交互に積層したスタックタイプとの２種類に分類されており、低電圧化、製造コスト低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータが薄層化に対して有利であるといわれている。

図１１は、従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面図である。この積層型圧電アクチュエータでは、複数の圧電体層２０１が積層された圧電体２０３の内部に内部電極２０５が圧電体層２０１を介して重なり合うように積層されて圧電駆動に寄与する活性部２０６を有する積層体２０７が形成されている。内部電極２０５は、その一方の端部が積層体２０７の側面に左右交互に露出しており、この内部電極２０５の端部が露出した積層体２０７の側面に外部電極２０９が形成されており、圧電体２０３の表面に露出しない方の内部電極２０５の端部と外部電極２０９との間には絶縁領域２１０が形成されている。

また、近年に至り、下記の特許文献１に開示されたような構造の積層型圧電素子が提案されている（図１２）。この特許文献１に開示された積層型圧電素子では、複数の圧電体層３０１が積層され、対向する第１側面３０３ａおよび第２側面３０３ｂを有する圧電体３０５内に、圧電体層３０１を介して重なり合うように厚み方向に交互に配置された第１内部電極３０７ａ、第２内部電極３０７ｂが備えられており、第１内部電極３０７ａが圧電体３０５の第１側面３０３ａに、一方、第２内部電極３０７ｂが圧電体３０５の第２側面３０３ｂに引き出されている。また、これら第１側面３０３ａ、第２側面３０３ｂにはそれぞれ第１外部電極３０９ａ、第２外部電極３０９ｂがさらに備えられている。

この場合、圧電体３０５において、第１内部電極３０７ａと第２内部電極３０７ｂとが重なり合っている部分が活性部３１１であり、また、活性部３１１と第１側面３０３ａ、第２側面３０３ｂとの間が、それぞれ第１不活性部３１３ａ、第２不活性部３１３ｂとされている。

また、第１不活性部３１３ａおよび第２不活性部３１３ｂのうち、第１外部電極３０９ａに接続されていない第２内部電極３０７ｂの端部３０７ｂｂと第１側面３０３ａとの間、および、第２外部電極３０９ｂに接続されていない第１内部電極３０７ａの端部３０７ａａと第２側面３０３ｂとの間における第１内部電極３０７ａおよび第２内部電極３０７ｂの同一平面上の延長した領域に絶縁領域３１４ａ、３１４ｂを設けてそれぞれ第１ダミー電極３１５ａ、第２ダミー電極３１５ｂがそれぞれ形成されている。

このような積層型圧電素子では第１外部電極３０９ａおよび第２外部電極３０９ｂが、それぞれ第１内部電極３０７ａおよび第２内部電極３０７ｂのみならず第１ダミー電極３１５ａ、第２ダミー電極３１５ｂとも接続されているために、積層型圧電素子の第１側面３０３ａ、第２側面３０３ｂのそれぞれにおいて、第１外部電極３０９ａ、第２外部電極３０９ｂと第１内部電極３０７ａ、第２内部電極３０７ｂとの接続部における接点不良の発生を低減できるとされている。
特開２００５−２８５８１７号公報

しかしながら、上記の図９に示された従来の積層型圧電アクチュエータでは、積層型圧電素子に電圧を印加して分極を発生させたり、また、実際に交流電場を印加して駆動させたときに、圧電体層２０１間に積層された内部電極２０５によって形成される活性部２０６の変位とともに、内部電極２０５の端部と外部電極２０９との間の絶縁領域２１０もまた分極されている状態にある。つまり、この絶縁領域２１０の分極方向は、内部電極２０５の端部と外部電極２０９との間の同一平面の延長線の方向であり、積層方向に分極して駆動する活性部２０６とは角度にして約９０°方向が違うために、絶縁領域２１０における異方的な分極によって活性部２０６における分極率や変位が低下するという問題があった。

また、図１０に示した従来の積層型圧電素子においては、圧電体層３０１間に積層された第１内部電極３０７ａ、第２内部電極３０７ｂによって形成される活性部３１１の変位とともに、第１内部電極３０７ａの端部３０７ａａと第２ダミー電極３１５ｂとの間、第２内部電極３０７ｂの端部３０７ｂｂと第１ダミー電極３１５ａとの間のそれぞれの絶縁領域３１４ａ、３１４ｂもまた分極が起こっていた。

この図１０に示した絶縁領域３１４ａ、３１４ｂの分極方向は、第１内部電極３０７ａの端部３０７ａａと第２側面３０３ａ、第２内部電極３０７ｂの端部３０７ｂｂと第１側面３０３ｂとの間の同一平面の延長線の方向であり、この場合も積層方向に分極して駆動する活性部３１１とは角度にして約９０°方向が違うために、絶縁領域３１４ａ、３１４ｂにおける異方的な分極によって活性部３１１における分極率や変位が低下するという問題があった。

従って、本発明は、外部電極に接続されない内部電極の端部と圧電体本体の側面との間の絶縁領域における分極を低減でき、これにより活性部における分極率や変位の低下を抑え高変位かつ耐久性に優れた積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、（１）複数の圧電体層が積層され、対向する第１側面および第２側面を有する圧電体の内部に配置された第１内部電極および第２内部電極を備え、
前記第１内部電極が前記圧電体の前記第１側面に、前記第２内部電極が前記圧電体の前記第２側面に引き出されて配置されており、前記第１側面および前記第２側面にはそれぞれ前記第１内部電極に接続された第１外部電極、および前記第２内部電極に接続された第２外部電極を備え、前記第１内部電極の端部と前記第２側面との間の前記第１内部電極の延長上の領域に、前記第２外部電極に接続された第２ダミー電極が前記第１内部電極の端部との間に絶縁部を介して形成され、前記第２内部電極の端部と前記第１側面との間の前記第２内部電極の延長上の領域に、前記第１外部電極に接続された第１ダミー電極が前記第２内部電極の端部との間に絶縁部を介して形成されている積層型圧電素子であって、前記絶縁部の比誘電率を前記圧電体層よりも低く、前記第１ダミー電極と前記第１内部電極との間に、前記第１外部電極に接続された第３ダミー電極が設けられ、前記第２ダミー電極と前記第２内部電極との間に、前記第２外部電極に接続された第４ダミー電極が設けられていることを特徴とする。

上記積層型圧電素子では、（２）前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛によって形成されており、前記絶縁部がチタン酸鉛、チタン酸ビスマス酸ストロンチウムおよびチタン酸ビスマス酸バリウムから選ばれる１種によって形成されていることが望ましい。

本発明の積層型圧電素子によれば、上記の第１内部電極の端部と第２外部電極との間、および第２内部電極の端部と第１外部電極との間、あるいは、上記の第１内部電極の端部と第２ダミー電極との間、および第２内部電極の端部と第１ダミー電極との間の圧電体層上の絶縁部の比誘電率よりも低くしたことにより、上記した絶縁部における分極を小さくできる。このため絶縁部から活性部への異方的な分極の影響が小さくなり、活性部における分極および変位の低下が抑えられ、高変位かつ耐久性に優れた積層型圧電素子を得ることができる。また、第３ダミー電極および第４ダミー電極を上記のような構成で設けることにより、接続部が増え、接続強度が増すため、耐久性が高くなり、変位のサイクル数が増加しても変位量の低下を小さくできる。

図１は本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ‘における縦断面図である。図３は図２の拡大図であり、第１内部電極、第２内部電極とから形成される活性部、不活性部（比誘電率の低い絶縁領域）を説明するための模式図である。

本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層１が積層され、対向する第１側面３ａ、第２側面３ｂを有する圧電体５の内部に、圧電体層１を介して重なり合うように厚み方向に交互に配置された第１内部電極７ａ、第２内部電極７ｂが備えられて積層体１０が形成されている。この場合、第１内部電極７ａは圧電体５の第１側面３ａに、一方、第２内部電極７ｂは圧電体５の第２側面３ｂに引き出されている。また、第１側面３ａ、第２側面３ｂには、それぞれ第１外部電極８ａ、第２外部電極８ｂが備えられている。さらに、この第１外部電極８ａおよび第２の外部電極８ｂにはリード線８ａａ、８ｂｂがそれぞれ接続固定されている。

この積層型圧電素子では、第１内部電極７ａ、第２内部電極７ｂが圧電体層１を介して重なり合っている部分が活性部９であり、活性部９と、第１側面３ａ、第２側面３ｂとの間が、それぞれ第１不活性部１１ａ、第２不活性部１１ｂとされている。

また、第１不活性部１１ａ、第２不活性部１１ｂのうち、第１外部電極８ａに接続されているが第２外部電極８ｂに接続されていない第１内部電極７ａの端部７ａａと第２側面３ｂとの間の圧電体層１上の第１内部電極７ａの延長上の領域、および第２外部電極８ｂに接続されているが第１外部電極８ａに接続されていない第２内部電極７ｂの端部７ｂｂと第１側面３ａとの間の圧電体層１上の第２内部電極７ｂの延長上の領域（第１不活性部１１ａ、第２不活性部１１ｂ内）にそれぞれ絶縁部１４が形成されている。

なお、圧電体層１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（以下ＰＺＴと略す）を主成分とする圧電セラミックス材料等で形成されている。上記成分の圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ_３３が高いという利点がある。また、圧電セラミックスとしては、コスト面から、Ｐｄ比率の低いＡｇ／Ｐｄ合金を用いることが望ましいが、このためには９８０℃〜１１００℃程度で焼成可能な圧電セラミックスを用いることが望ましい。

そして本発明の積層型圧電素子においては、絶縁部１４の比誘電率を圧電体層１の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛よりも低くしたことが重要である。この場合、絶縁部１４の厚みが第１内部電極７ａ、第２内部電極７ｂと同一厚みであると異種材料による活性部９への影響を低減できるという利点がある。

そして、本発明の積層型圧電素子では圧電体層１がチタン酸ジルコン酸鉛によって形成され、また絶縁部１４となる材料としてチタン酸鉛(ＰｂＴｉＯ_３)、チタン酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ_４Ｂｉ_４Ｏ_１５）およびチタン酸ビスマス酸バリウム（ＢａＴｉ_４Ｂｉ_４Ｏ_１５）から選ばれる１種であることが望ましい。これらの材料の比誘電率は、室温において、チタン酸鉛が２２０、チタン酸ビスマス酸ストロンチウムおよびチタン酸ビスマス酸バリウムがいずれも１５０であり、本発明の積層型圧電素子を構成する圧電体層１の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛の２３００に対して、いずれも比誘電率が１／１０以下であり、これにより第１内部電極７ａの端部と第２外部電極８ｂとの間、第２内部電極７ｂの端部と第１外部電極８ａとの間の圧電体層１上の絶縁領域１３における分極を低減でき、活性部９における分極率や変位への影響を低減できる。この場合、同時焼成しても活性部９を構成するチタン酸ジルコン酸鉛へ拡散しても影響の少ないという点および耐電圧がチタン酸ジルコン酸鉛よりも高いという点でチタン酸鉛が特に好ましい。

一方、絶縁領域１３を低誘電率化せずに圧電体層１の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛で構成したものは絶縁領域１３に大きな分極が発生するため、その影響により活性部９１の分極率や変位が低下する恐れがある。

次に、本発明の他の形態について説明する。

図４は、ダミー電極を有する本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。図５は、図４のＡ−Ａ‘における縦断面図である。図６は、図５の拡大図であり、第１内部電極、第２内部電極、第１ダミー電極および第２ダミー電極とから形成される活性部、不活性部および比誘電率の低い絶縁領域を説明するための模式図である。

本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層５１が積層され、対向する第１側面５３ａ、第２側面５３ｂを有する圧電体５５の内部に、圧電体層５１を介して重なり合うように厚み方向に交互に配置された第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂが備えられて積層体６０が形成されている。この場合、第１内部電極５７ａは圧電体５５の第１側面５３ａに、一方、第２内部電極５７ｂは圧電体５５の第２側面５３ｂに引き出されている。また、第１側面５３ａ、第２側面５３ｂには、それぞれ第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂが備えられている。さらに、この第１外部電極５８ａおよび第２外部電極５８ｂにはリード線５８ａａ、５８ｂｂがそれぞれ接続固定されている。

この積層型圧電素子では、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂが重なり合っている部分が活性部５９であり、活性部５９と、第１側面５３ａ、第２側面５３ｂとの間が、それぞれ第１不活性部６１ａ、第２不活性部６１ｂとされている。

また、第１不活性部６１ａ、第２不活性部６１ｂのうち、第１外部電極５８ａに接続されているが第２外部電極５８ｂに接続されていない第１内部電極５７ａの端部５７ａａと第２側面５３ｂとの間の圧電体層５１上の第１内部電極５７ａの延長上の領域、および第２外部電極５８ｂに接続されているが第１外部電極５８ａに接続されていない第２内部電極５７ｂの端部５７ｂｂと第１側面５３ａとの間の第２内部電極５７ｂの延長上の領域にそれぞれ絶縁部６４を設けて第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂが形成されている。

本発明の積層型圧電素子では、上述のように、圧電体５５の第１側面５３ａおよび第２側面５３ｂに、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａおよび第２ダミー電極６５ｂが圧電体層５１を介して交互に現れる構造体とすることで、第１外部電極５８ａと第１内部電極５７ａとの間、および、第２外部電極５８ｂと第２内部電極５７ｂとの間で相互拡散による接続ポイントが増し、接続ポイントの間隔を短くできるため、圧電体５５と第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂとの間の接続強度を高めることができる。この場合、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂの全層において第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂが形成されていることが活性部５９における圧電変位のばらつきを小さくできるという点で望ましい。

ここで、上記第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂおよび絶縁部６４のそれぞれの幅は、圧電体５５における第１側面５３ａ、第２側面５３ｂ間の幅をｗとし、同方向の第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂの幅をｗ１、第１側面５３ａ、第２側面５３ｂからの第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂの幅をｗ２、第１内部電極５７ａの端部５７ａａと第２ダミー電極６５ｂとの間、第２内部電極５７ｂの端部５７ｂｂと第１ダミー電極６５ａとの間の絶縁部６４の幅をｗ３、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂの重なる活性部５９の幅をｗ４とすると、ｗ１、ｗ４が大きいと圧電性に寄与する有効面積が大きくなり圧電特性を高められるという利点がある。

また、第１ダミー電極６５ａおよび第２ダミー電極６５ｂのそれぞれの幅ｗ２が大きいと圧電体５５へのアンカー効果により第１外部電極５８ａおよび第２外部電極５８ｂの圧電体５５への接着力を高められるという利点がある。

また、第１内部電極５７ａの端部と第２ダミー電極６５ｂとの間、第２内部電極５７ｂの端部と第１ダミー電極６５ａとの間のそれぞれの絶縁部６４の幅ｗ３が大きい場合には、異なる電位である第１内部電極５７ａと第２ダミー電極６５ｂとの間、第２内部電極５７ｂと第１ダミー電極６５ａとの間の絶縁性を確保でき、電圧印加時のスパークを抑制できるという利点がある。このため本発明の積層型圧電素子を構成する絶縁部６４は緻密化したものが望ましく、密度が９５％以上であればさらに好ましい。

なお、この積層型圧電素子の場合、圧電体５５と、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂとの間の上記の構成により接続ポイント間の第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂの繰り返し疲労による断線を抑制し、電力供給パスが確実強固なものとなり、高電界で連続駆動させた場合においても第１外部電極５８ａと第１内部電極５７ａ、第２外部電極５８ｂと第２内部電極５７ｂとの接続部が剥離したりするといった問題が生じるのを防ぐことができる。

さらに本発明の積層型圧電素子においても、上記した第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂを有しない積層型圧電素子の場合と同様、絶縁部６４の比誘電率を圧電体層５１よりも低くしたことが重要であり、この場合も、絶縁部１４の厚みが第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂと同一厚みであると異種材料による活性部５９への影響を低減できるという利点がある。

なお、この積層型圧電素子においても、上記したダミー電極６５ａ、６５ｂを有しない積層型圧電素子の場合と同様、圧電体層５１がチタン酸ジルコン酸鉛によって形成された場合、また絶縁部１４となる材料としてチタン酸鉛(ＰｂＴｉＯ_３)、チタン酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ_４Ｂｉ_４Ｏ_１５）およびチタン酸ビスマス酸バリウム（ＢａＴｉ_４Ｂｉ_４Ｏ_１５）から選ばれる１種が好適であり、図１の積層型圧電素子の場合と同様、上述した効果が得られる。一方、絶縁領域６３を低誘電率化せずに圧電体層１の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛で構成したものは絶縁部６４に大きな分極が発生するため、その影響により活性部９１の分極率や変位が低下する恐れがある。

図７は、本発明のもう一つの積層型圧電素子を示す部分的断面模式図である。この積層型圧電素子では、第１ダミー電極１１５ａと第１内部電極１１７ａとの間の圧電体層１１１中に第１外部電極１１８ａに接続するように、また、第２ダミー電極１１５ｂと第２内部電極１１７ｂとの間の圧電体層１１１中に第２外部電極１１８ｂに接続するように第４ダミー電極１１５ｄが形成されている。

本発明では、第３ダミー電極１１５ｃおよび第４ダミー電極１１５ｄを上記のような構成で設けることにより、第１外部電極１１８ａと第１内部電極１１７ａ、第２外部電極１１８ｂと第２内部電極１１７ｂとの間の接続部が増え、接続強度が増すため耐久性が高くなり、変位のサイクル数を増すことができる。このため変位のサイクル数が増加しても変位量の低下を小さくできるという利点がある。これは圧電体１１５の第１側面１１３ａ、第２側面１１３ｂにおける第１不活性部１１１ａおよび第２不活性部１１１ｂが厚み方向への変位を緩和する領域となるため、接続ポイント間の変位量を低下させることで、第１内部電極１１７ａと第１外部電極１１８ａ、および第２内部電極１１７ｂと第２外部電極１１８ｂにおけるそれぞれの接続点での疲労による断線を抑制できるためである。

また、第１外部電極１１８ａ、第２外部電極１１８ｂの幅を０．５〜２ｍｍの範囲にまで狭くすることができ、積層型圧電素子の小型化にも適する。

なお、この構造においても、第１内部電極１１７ａ、第２内部電極１１７ｂと同一厚みで、圧電体層１１１の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛よりも比誘電率の低い絶縁部１２４が設けられる。

次に、本発明の積層型圧電素子の構造に基いた駆動について図４〜図６に示した積層型圧電素子をもとに説明する。上記したように本発明の積層型圧電素子における圧電体層５１の間に形成された第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂは変位に寄与する駆動電極となるものであり、一方、ダミー電極６５ａ、６５ｂは、この駆動電極である第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂとは独立して逆の電位となるように第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂと接続されている。こうして第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂから印加された電圧は、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂに供給され、活性部５９の圧電体層５１に逆圧電効果による変位を起こさせる。

次に、上述した本発明の積層型圧電素子を構成する電極材料について、これも図４〜図６の積層型圧電素子を元に説明する。この積層型圧電素子では、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂ、および第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂがＡｇ−Ｐｄの合金からなることが好ましい。

このように第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂ、および第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂをともにＡｇおよびＰｄの合金とすることで、第１外部電極５８ａと第１内部電極５７ａとの間、第１外部電極５８ａと第１ダミー電極６５ａの間の接続部、第２外部電極５８ｂと第２内部電極５７ｂとの間、第２外部電極５８ｂと第２ダミー電極６５ｂとの間の接続部で、それぞれおこるＡｇおよびＰｄの相互拡散による接合を強固なものにできる。

これは、例えば、第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂ、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａおよび第２ダミー電極６５ｂをそれぞれ構成する導電材中のＡｇの濃度と第１外部電極６５ａ、第２外部電極６５ｂ中のＡｇの濃度とが拡散により接合部およびその近傍においてほぼ等しくなるように作用するためであり、高電界、高圧力下で長時間連続駆動させる場合においても、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂと、第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂとを断線することなく優れた耐久性を有することができる。

特に、本発明では、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂについてＰｄ量をＡ、Ａｇ量をＢとしたときに、質量比で、０＜Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．４の関係であり、第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂについて、質量比で、０＜Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．０５の関係を満足することが望ましい。

本発明では、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂを０＜Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．４とすることで、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、ダミー電極６５ａ、６５ｂを圧電体層１の焼結温度に近づけることができるとともに、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂに含まれるＡｇの圧電体層５１への固溶を抑制し、これによる圧電特性の低下を抑えることができるという利点がある。また第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂにもＰｄを含ませることにより第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂのマイグレーションを抑制できるという利点がある。なお、リード線は導電性が高いという理由から銅線が用いられる。

次に、本発明の積層型圧電素子の製法を説明する。図８は、ダミー電極を有する本発明の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。この模式図ではダミー電極を内部電極と同一面に形成する場合である。

本発明の積層型圧電素子は、先ず、ＰＺＴ等の圧電セラミックスの合成粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製し、このスラリーを周知のドクターブレード法等のテープ成形法により圧電体層１となるグリーンシート１５１を作製する。グリーンシート１５１の厚みは１０〜３００μｍであることが望ましい。グリーンシート１５１の厚みは１０μｍ以上であると絶縁性が高まり、かつ導体パターン１５７ａ、１５７ｂを形成したときに段差をグリーンシート１５１側に吸収できるという利点がある。一方、グリーンシート１５１の厚みが３００μｍ以下であると、積層数を増やしても薄型の圧電素子を形成でき、小型化に有利となる。また、圧電体層５１の薄層化は変位量を大きくできるという利点がある。

次に、グリーンシート１５１上に、焼成後において、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂをなす第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂを形成する。これら第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、第１ダミー電極パターン１６５ａおよび第２ダミー電極パターン１６５ｂ用の導電性ペーストはＡｇ−Ｐｄ粉末に対して、バインダ、可塑剤、および必要に応じて圧電セラミックスの合成粉末であるＰＺＴ粉末等を添加混合し混合して得られる。これをグリーンシート１５１の上面にスクリーン印刷等のパターン形成法により形成する。その厚みは１〜４０μｍであることが望ましい。第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂの厚みが１μｍ以上であると印刷パターンのかすれや空隙などを低減でき有効面積を大きく確保できるという利点がある。第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂの厚みが４０μｍ以下であるとグリーンシート１５１上において第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂと第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂによる段差を小さくでき、製造コストを低減できるという利点がある。

次に、グリーンシート１５１上に形成した第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂの中で、図８におけるＡ部分である第１内部電極パターン１５７ａの端部と第２ダミー電極パターン１６５ｂ、第２内部電極パターン１５７ｂの端部１５７ｂｂと第１ダミー電極パターン１６５ａとの間の領域にグリーンシート１５１の主成分である圧電セラミックスよりも低誘電率のセラミック粉末を含むセラミックペーストを印刷して低誘電率パターン１６３を形成する。この場合、Ａ部分の導体パターンの段差を低減することもできる。

そして、上面に第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂおよび低誘電率パターン１６３が形成されたグリーンシート１５１を複数枚積層し、この積層体成形体とし、これを所定の温度で脱脂を行った後、９８０〜１１００℃で焼成することによって積層体６０を作製する。

図９は、ダミー電極を有しない図１の構成の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。図９に示すように第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂを形成しないで、その領域にまで低誘電率パターン１６３を広げて形成することで、上記図１の構成の積層型圧電素子を得ることができる。

図１０は、第３ダミー電極および第４ダミー電極を有する図７に示す構成の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。例えば、第４ダミー電極パターン１６５ｄのみ印刷したグリーンシート１５１を形成して、その上面側に第１内部電極パターン１５７ａと第２ダミー電極パターン１６５ｂおよび低誘電率パターン１６３を形成したグリーンシート１５１を貼り合わせるように配置し、一方で、第３ダミー電極パターン１６５ｃのみ印刷したグリーンシート１５１を形成して、その上面側に第２内部電極パターン１５７ｂと第１ダミー電極パターン１６５ａおよび低誘電率パターン１６３を形成したグリーンシート１５１を貼り合わせるように配置し、これらを図１０のように交互に積層する。

ここで、コスト面から、第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂ、第３ダミー電極パターン１６５ｃ、第４ダミー電極パターン１６５ｄを形成するＡｇ−Ｐｄ粉末およびこの粉末の合金としてはＰｄ比率の低いものが望ましく、特に、Ｐｄ比率が３０質量％以下のものがより好ましい。このためには圧電体層１が１０５０℃以下で焼成できる材料であることが望ましく、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３を主成分とし、副成分としてＰｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３などを含有させた材料を圧電体磁器に用いることが好ましい。変位特性に応じて、ＰｂサイトをＢａやＳｒ等のアルカリ土類金属元素で置換してもよい。また、第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂ、第３ダミー電極パターン１６５ｃ、第４ダミー電極パターン１６５ｄを構成するＡｇ−ＰｄはＡｇとＰｄの合金粉末を用いても、Ａｇ粉末とＰｄ粉末の混合物を用いても良い。なお、Ａｇ粉末とＰｄ粉末の混合物を用いた場合においても、焼成時にＡｇ−Ｐｄの合金が形成される。ＡｇとＰｄの合金粉末を用いるとＡｇのマイグレーションを抑制できるという利点がある。

また、第１内部電極パターン１５７ａ、第２内部電極パターン１５７ｂ、および第１ダミー電極パターン１６５ａ、第２ダミー電極パターン１６５ｂ、第３ダミー電極パターン１６５ｃ、第４ダミー電極パターン１６５ｄを形成するための導電性ペーストに添加する圧電材（圧電セラミックスの合成粉末）の比率は、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂと圧電体層５１との接合強度、ならびに第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂの抵抗値を低くするという理由から、焼成後における第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、または第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂ中に金属成分が７５〜９３質量％、残部として圧電材が７〜２５質量％含まれることが望ましい。

次に、第１外部電極５８ａおよび第２外部電極５８ｂの形成方法を説明する。例えば、まず、粒径０．１〜１０μｍのＡｇ−Ｐｄの合金粉末からなる混合物にバインダを加えて外部電極ペーストを調製する。

調製した外部電極ペーストを積層体６０の第１側面５３ａおよび第２側面５３ｂの外部電極の形成面に印刷し、Ａｇ−Ｐｄ合金の融点以下の温度で焼き付けを行い、積層体６０の側面５３ａ、５３ｂにそれぞれ第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂを形成する。

この第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂの厚みは積層体６０の伸縮に追従できるという理由から５０μｍ以下が好ましく、積層体６０から剥離を防止するという点で５μｍ以上が好ましい。

外部電極ペースト中のＡｇ−Ｐｄ合金粉末中のＰｄ比率を質量比で０＜Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．０５としたのは、第１外部電極５８ａおよび第２外部電極５８ｂにおけるＡｇのマイグレーションを抑制するとともに、これら第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂと、第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂ、第１ダミー電極６５ａ、第２ダミー電極６５ｂとの間のＰｄ濃度差を小さくすることで、相互拡散による接合強度を高められるという理由からである。

また、上記外部電極ペーストには半田との濡れ性を低下させない程度のガラスフリットを含有してもよい。ガラスフリットの含有量が多いと、半田濡れ性が悪くリード線５８ａａ、５８ｂｂの第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂへの接合強度が低下し、駆動中にリード線５８ａａ、５８ｂｂが外れてしまう恐れがあるからである。

その後、第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂのそれぞれにリード線５８ａａ、５８ｂｂを半田等で接続し、リード線５８ａａ、５８ｂｂを介して一対の第１外部電極５８ａおよび第２外部電極５８ｂに１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、積層体６０を分極処理することによって、製品としての積層型圧電素子が完成する。

次に、得られた積層型圧電素子はリード線５８ａａ、５８ｂｂを外部の電圧供給装置に接続してリード線５８ａａ、５８ｂｂおよび第１外部電極５８ａ、第２外部電極５８ｂを介して第１内部電極５７ａ、第２内部電極５７ｂに電圧を印加することにより各圧電体層１に逆圧電効果を生じさせることができ、これにより大きな変位が得られ、例えば、エンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることができる。

本発明の積層型圧電素子を以下のようにして作製した。圧電体層となる圧電セラミックスとして、下記式で表されるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする組成物を用いた。

組成物はＰｂ_３Ｏ_４、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＷＯ_３およびＹｂ_２Ｏ_３を用いて、Ｐｂ_{０．９８３}（Ｂａ，Ｓｒ）_０．０５Ｗ_０．０１Ｙｂ_{０．００７}（Ｚｒ_{０．５１５}Ｔｉ_{０．４８５}）_{０．９８３}Ｏ_３＋αとなるように組成を調製した。

次に、上記組成の圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダ、および可塑剤を混合したスラリを調製し、ドクターブレード法により厚み１００μｍのグリーンシートを作製した。

次に、このグリーンシートの片面に導電性ペーストを印刷して、所望の構成に応じて第１内部電極パターン、第２内部電極パターン、第１ダミー電極パターン、第２ダミー電極パターンを形成した。

なお、図７の積層型圧電素子を作製する場合には、厚み５０μｍのグリーンシートを用意し、第３ダミー電極パターンのみ、もしくは第４ダミー電極パターンのみを形成したグリーンシートを予め作製しておき、このグリーンシートの第３ダミー電極パターン、もしくは第４ダミー電極パターン側に印刷パターンのない厚み５０μｍのグリーンシートを重ねたものを作製し、この第３ダミー電極パターンのみ、もしくは第４ダミー電極パターンのみ有するグリーンシートの表面に第１内部電極パターン、第２内部電極パターン、第１ダミー電極パターンおよび第２ダミー電極パターンを形成した。

導電性ペーストの組成はＡｇ：Ｐｄ＝７０：３０（質量％）およびＡｇ：Ｐｄ＝９０：１０（質量％）を調製し、この金属成分８５質量％に対してグリーンシートに用いた圧電セラミックスの仮焼粉末１５質量％を加えた。また、第１内部電極パターンおよび第２内部電極パターン、第１ダミー電極パターンおよび第２ダミー電極パターンの厚みはいずれも３μｍとした。積層型圧電素子の試料を作製する場合の内部電極パターン、第１ダミー電極、第２ダミー電極、第３ダミー電極および第４ダミー電極の組成は同じにした。

次に、図１の積層型圧電素子を作製する場合には、グリーンシート上に形成した第１内部電極パターン、第２内部電極パターンの端部側に低誘電率パターンを形成した。

図４および図７の積層型圧電素子を作製する場合には、グリーンシート上に形成した第１内部電極パターン、第２内部電極パターンの端部と第１ダミー電極パターン、第２ダミー電極パターンとのそれぞれの間（図４の積層体６０における絶縁部６４）に少なくとも内部電極パターンと同一厚みで、圧電体層の主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛よりも比誘電率の低いセラミックス粉末（チタン酸鉛、チタンビスマス酸ストロンチウム、チタンビスマス酸バリウム）をそれぞれ含有するセラミックペーストを印刷して低誘電率パターンを形成した。

次に、上記第１内部電極パターン、第２内部電極パターン、第１ダミー電極パターン、第２ダミー電極パターンおよび低誘電率パターンを形成したグリーンシートをそれぞれの７０枚積層し、１０７５℃で焼成して図１に示す積層体を得た。作製した積層体の寸法は外辺が７×７ｍｍ、第１内部電極、第２内部電極は第１ダミー電極、第２ダミー電極および絶縁領域（低誘電率パターン）の長辺に平行な方向の幅を６ｍｍとし、ダミー電極および絶縁領域（低誘電率パターン）を設けない各電極パターンに長辺に垂直な方向の幅は６．５ｍｍとした。第１〜４ダミー電極および絶縁領域（低誘電率パターン）の幅は０．５ｍｍとした。

次に、Ａｇ１００質量％、Ａｇ：Ｐｄ＝９８：２およびＡｇ：Ｐｄ＝９５：５の比率の合金粉末のそれぞれにバインダを混合して３種類の外部電極ペーストを調製した。次に、調製した外部電極ペーストを積層体の側面の所定の領域にスクリーン印刷により印刷を行い、乾燥した後８００℃で３０分の焼き付けを行い第１、第２外部電極を形成した。第１、第２外部電極の厚みは平均で２５μｍ、幅は平均で２ｍｍとした。

その後、第１、第２外部電極にリード線を接続し３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行い、図１、４、７に示すような積層型圧電素子である積層型圧電アクチュエータを作製した。これらの積層型圧電アクチュエータを室温で０〜＋１８５Ｖの交流電界を１５０Ｈｚの周波数で印加して１．５億サイクルまで駆動試験を行った。

比較例として積層体中に低誘電率パターンを形成しないものを作製し、これも同様の評価を行った。試料数は各１０個とし変位量は平均値を求めた。

表１の結果から明らかなように、上記のようにして得られた積層型圧電素子アクチュエータに対して１８５Ｖの直流電圧を印加したところ、本発明の積層型圧電アクチュエータである試料Ｎｏ．１〜７、９、１０では初期の積層方向の最大変位量が９．１μｍ以上であり、１億サイクルまでの駆動試験後においても積層方向の最大変位量は８．９μｍ以上であった。

特に、外部電極をＡｇ：Ｐｄ＝９５：５（質量％）とし、第２のダミー電極を設けた試料Ｎｏ．５では、外部電極にスパークや断線等の異常が見られず、１．５億サイクル後においても最大変位量が９．１μｍであった。

一方、比較例として積層体中に低誘電率パターンを形成しなかった試料Ｎｏ．８、１１では、１８５Ｖの直流電圧を印加した初期の積層方向の変位量が８．５μｍおよび８．６μｍであった。これは、第１内部電極および第２内部電極のそれぞれの端部と、第１ダミー電極、第２ダミー電極とのそれぞれの間の絶縁領域の圧電体層が第１内部電極および第２内部電極のそれぞれの面内の方向に沿って分極したために活性部の変位が小さくなったためである。

本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ’における縦断面図である。図２の拡大図であり、第１内部電極、第２内部電極とから形成される活性部、不活性部（比誘電率の低い絶縁部）を説明するための模式図である。ダミー電極を有する本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。図４のＡ−Ａ’における縦断面図である。図５の拡大図であり、第１内部電極、第２内部電極、第１ダミー電極および第２ダミー電極とから形成される活性部、不活性部および比誘電率の低い絶縁部を説明するための模式図である。本発明のもう一つの積層型圧電素子を示す部分的断面模式図である。ダミー電極を有する本発明の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。ダミー電極を有しない図１の構成の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。第３ダミー電極および第４ダミー電極を有する図７に示す構成の積層型圧電素子の製法を示す模式図である。従来の積層型圧電アクチュエータを示す断面模式図である。ダミー電極を有する従来の積層型圧電アクチュエータを示す部分的断面模式図である。

符号の説明

１、５１、１１１・・・・・・・圧電体層
３ａ、５３ａ・・・・・・・・・第１側面
３ｂ、５３ｂ・・・・・・・・・第２側面
５、５５・・・・・・・・・・・圧電体
７ａ、５７ａ、１１７ａ・・・・第１内部電極
７ｂ、５７ｂ、１１７ｂ・・・・第２内部電極
８ａ、５８ａ、１１８ａ・・・・第１外部電極
８ｂ、５８ｂ、１１８ｂ・・・・第２外部電極
１４、６４、１２４・・・・・・絶縁部
６５ａ、１１５ａ・・・・・・・第１ダミー電極
６５ｂ、１１５ｂ・・・・・・・第２ダミー電極
１１５ｃ・・・・・・・・・・・第３ダミー電極
１１５ｄ・・・・・・・・・・・第４ダミー電極

Claims

複数の圧電体層が積層され、対向する第１側面および第２側面を有する圧電体の内部に配置された第１内部電極および第２内部電極を備え、前記第１内部電極が前記圧電体の前記第１側面に、前記第２内部電極が前記圧電体の前記第２側面に引き出されて配置されており、前記第１側面および前記第２側面にはそれぞれ前記第１内部電極に接続された第１外部電極、および前記第２内部電極に接続された第２外部電極を備え、前記第１内部電極の端部と前記第２側面との間の前記第１内部電極の延長上の領域に、前記第２外部電極に接続された第２ダミー電極が前記第１内部電極の端部との間に絶縁部を介して形成され、前記第２内部電極の端部と前記第１側面との間の前記第２内部電極の延長上の領域に、前記第１外部電極に接続された第１ダミー電極が前記第２内部電極の端部との間に絶縁部を介して形成されている積層型圧電素子であって、前記絶縁部の比誘電率が前記圧電体層よりも低く、前記第１ダミー電極と前記第１内部電極との間に、前記第１外部電極に接続された第３ダミー電極が設けられ、前記第２ダミー電極と前記第２内部電極との間に、前記第２外部電極に接続された第４ダミー電極が設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛によって形成されており、前記絶縁部がチタン酸鉛、チタン酸ビスマス酸ストロンチウムおよびチタン酸ビスマス酸バリウムから選ばれる１種によって形成されている請求項１に記載の積層型圧電素子。