JP5205689B2

JP5205689B2 - 積層型圧電素子

Info

Publication number: JP5205689B2
Application number: JP2005244335A
Authority: JP
Inventors: 誠志佐々木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: JP2007059697A

Description

本発明は、例えば内燃機関の燃料噴射装置等の駆動源として用いられる積層型圧電素子に関する。

従来の積層型圧電素子として、圧電体層を介在させて第１の内部電極と第２の内部電極とが交互に積層されてなる積層体を備え、第１の内部電極の外縁部及び第２の内部電極の外縁部が積層体の側面に到達していないものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような積層型圧電素子によれば、積層体の側面を介したマイグレーションの発生を防止することができる。
特開２０００−２６１０５５号公報

上述したような積層型圧電素子においては、第１の内部電極の外縁部及び第２の内部電極の外縁部が積層体の側面に到達していないため、積層方向から見て第１の内部電極及び第２の内部電極と重なる圧電体層の活性部分が、積層方向から見て第１の内部電極及び第２の内部電極と重ならない圧電体層の非活性部分に囲まれることになる。従って、上述したような積層型圧電素子には、分極時や駆動時に活性部分が伸縮するのに対してその活性部分を囲む非活性部分が伸縮しないため、積層体の側面にクラックが発生し易いという問題がある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、分極時や駆動時に積層体の側面にクラックが発生するの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を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る積層型圧電素子は、圧電体層を介在させて第１の内部電極と第２の内部電極とが交互に積層されてなる積層体を備える積層型圧電素子であって、圧電体層には、第１の内部電極同士を電気的に接続するための第１のスルーホール、及び第２の内部電極同士を電気的に接続するための第２のスルーホールが形成されており、第１の内部電極は、第２のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が積層体の側面に到達するように設けられ、第２の内部電極は、第１のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が積層体の側面に到達するように設けられ、第１のスルーホールと積層体の側面との最短距離は、第１のスルーホールと圧電体層の中心との距離より大きく、第２のスルーホールと積層体の側面との最短距離は、第２のスルーホールと圧電体層の中心との距離より大きく、第１のスルーホール及び第２のスルーホールの形成は、積層体の積層方向から見た場合に、第１のスルーホールと第２のスルーホールとの間に、第１の内部電極と第２の内部電極とが重なる圧電体層の活性部分が存在しないように、第１の内部電極と第２の内部電極とが重ならない圧電体層の非活性部分において行われることを特徴とする。

この積層型圧電素子では、第１の内部電極は、圧電体層に形成された第２のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が積層体の側面に到達するように設けられ、同様に、第２の内部電極は、圧電体層に形成された第１のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が積層体の側面に到達するように設けられている。そのため、積層方向から見て第１の内部電極及び第２の内部電極と重ならない圧電体層の非活性部分が、積層方向から見て第１の内部電極及び第２の内部電極と重なる圧電体層の活性部分に囲まれることになる。さらに、第１のスルーホールと積層体の側面との最短距離は、第１のスルーホールと圧電体層の中心との距離より大きく、第２のスルーホールと積層体の側面との最短距離は、第２のスルーホールと圧電体層の中心との距離より大きくなっている。従って、この積層型圧電素子によれば、分極時や駆動時に伸縮する活性部分が伸縮しない非活性部分を囲むことになるため、積層体の側面にクラックが発生するのを防止することができる。なお、圧電体層の中心とは、圧電体層を積層方向から見た場合の圧電体層の中心を意味する。

本発明によれば、分極時や駆動時に積層体の側面にクラックが発生するのを防止することができる。

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。なお、本実施形態において、「上」、「下」等の語は、図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

図１及び図２に示されるように、積層型圧電素子１は、内部電極（第１の内部電極）２が上面に形成された複数（例えば、１７５層）の圧電体層３と、内部電極（第２の内部電極）４が上面に形成された複数（例えば、１７５層）の圧電体層５とが交互に積層されてなる積層体６を備えている。すなわち、積層体６においては、圧電体層３，５を介在させて複数の内部電極２と複数の内部電極４とが交互に積層されている。

積層体６の下側には、複数（例えば、１２層）の圧電体層７が積層されている。一方、積層体６の上側には、接続用電極８，９が上面に形成された複数（例えば、１１層）の圧電体層１１が積層されており、最上層には、端子電極１２，１３が上面に形成された圧電体層１９が積層されている。このように、積層体６を挟むように圧電体層７，１１が積層されているのは、積層体６の保護、及び燃料噴射装置等に対する積層型圧電素子１の組込みの容易化のためである。

なお、圧電体層３，５，７，１１，１９は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミック材料により、一辺の長さが７．５ｍｍ程度で厚さが８０μｍ程度の正方形薄板状に形成されている。また、内部電極２，４及び接続用電極８、９は、銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする材料により形成されており、端子電極１２，１３は、Ａｇの焼付けにより形成されている。

図３に示されるように、圧電体層３の中央部には、積層方向に整列した内部電極２同士を電気的に接続するためのスルーホール（第１のスルーホール）１４、及び積層方向に整列した内部電極４同士を電気的に接続するためのスルーホール（第２のスルーホール）１５が形成されており、スルーホール１４，１５内には、Ａｇ及びＰｄを主成分とする材料により貫通電極が形成されている。圧電体層３の上面には、スルーホール１５の直上に位置してその内部の貫通電極と接続された正方形状の接続用電極１６がＡｇ及びＰｄを主成分とする材料により形成されている。

内部電極２は、所定の間隔をとって接続用電極１６を包囲し、且つその外縁部２ａが圧電体層３の側面３ａに到達するように圧電体層３の上面に形成されている。換言すれば、積層型圧電素子１においては、内部電極２は、積層方向から見てスルーホール１５を包囲し、且つその外縁部２ａが積層体６の側面６ａに到達するように設けられている（図２参照）。

図４に示されるように、圧電体層５の中央部には、上述した圧電体層３と同様に、スルーホール１４，１５が形成されており、スルーホール１４，１５内には、Ａｇ及びＰｄを主成分とする材料により貫通電極が形成されている。圧電体層５の上面には、スルーホール１４の直上に位置してその内部の貫通電極と接続された正方形状の接続用電極１７がＡｇ及びＰｄを主成分とする材料により形成されている。

内部電極４は、所定の間隔をとって接続用電極１７を包囲し、且つその外縁部４ａが圧電体層５の側面５ａに到達するように圧電体層５の上面に形成されている。換言すれば、積層型圧電素子１においては、内部電極４は、積層方向から見てスルーホール１７を包囲し、且つその外縁部４ａが積層体６の側面６ａに到達するように設けられている（図２参照）。

図５に示されるように、圧電体層１１の中央部には、上述した圧電体層３，５と同様に、スルーホール１４，１５が形成されており、スルーホール１４，１５内には、Ａｇ及びＰｄを主成分とする材料により貫通電極が形成されている。接続用電極８は、正方形状に形成されており、スルーホール１４の直上に位置してその内部の貫通電極と接続されている。また、接続用電極９は、正方形状に形成されており、スルーホール１５の直上に位置してその内部の貫通電極と接続されている。

図６に示されるように、圧電体層１９の中央部には、上述した圧電体層３，５と同様に、スルーホール１４，１５が形成されており、スルーホール１４，１５内には、Ａｇ及びＰｄを主成分とする材料により貫通電極が形成されている。端子電極１２は、正方形状に形成されており、スルーホール１４の直上に位置してその内部の貫通電極と接続されている。また、端子電極１３は、正方形状に形成されており、スルーホール１５の直上に位置してその内部の貫通電極と接続されている。端子電極１２，１３には、駆動電源に接続するために、銅箔糸線等のリード線が半田付けされる。

以上により、積層型圧電素子１においては、端子電極１２及び複数の内部電極２が接続用電極８，１７及びスルーホース１４内の貫通電極を介して電気的に接続されることになる。また、端子電極１３及び複数の内部電極４が接続用電極９，１６及びスルーホール１５内の貫通電極を介して電気的に接続されることになる。なお、図２に示されるように、積層方向に整列するスルーホール１４を、互いの中心軸がずれるように各圧電体層３，５，１１，１９に形成することで、スルーホール１４内の貫通電極による電気的な接続をより確実化することができる。このことは、積層方向に整列するスルーホール１５についても同様である。

このような積層型圧電素子１における電気的接続により、端子電極１２と端子電極１３との間に電圧が印加されると、内部電極２と内部電極４との間に電圧が印加されることになる。そうすると、圧電体層３，５において内部電極２と内部電極４とで挟まれた活性部分（すなわち、積層方向から見て内部電極２及び内部電極４と重なる圧電体層３，５の活性部分）が伸縮することになる。

次に、上述した積層型圧電素子１の作製手順について説明する。

まず、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製する。そして、この基体ペーストを用いて圧電体層３，５，７，１１，１９となるグリーンシートを成形する。

続いて、圧電体層３，５，１１，１９となるグリーンシートの所定の位置にレーザ光を照射し、直径８０μｍ程度のスルーホール１４，１５を形成する。そして、スルーホール１４，１５内に対して、導電ペーストを用いて充填スクリーン印刷を行い、貫通電極を形成する。

その後、圧電体層３となるグリーンシートに対して、導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、電極２，１６を形成する。同様に、圧電体層５となるグリーンシートに電極４，１７を形成し、圧電体層１１，１９となるグリーンシートに電極８，９を形成する。

なお、ここでは、Ａｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された金属材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して導電ペーストを作製したが、Ａｇ及びＰｄに替えて、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）或いはこれらの合金を用いてもよい。

続いて、電極が形成されたグリーンシート及び圧電体層７となるグリーンシートを所定の順序で積層した後、６０℃程度に加熱しながら１００ＭＰａの圧力で積層方向にプレスを行って各層を圧着させ、積層体グリーンを得る。そして、積層体グリーンを所定の寸法に切断する。

続いて、所定の寸法に切断された積層体グリーンに対して、４００℃の温度で１０時間脱脂を行った後、１１００℃の温度で２時間焼成を行い、焼結体を得る。そして、焼結体において圧電体層１９となる焼結シートに対してＡｇの焼付けを施し、端子電極１２，１３を形成する。

なお、端子電極１２，１３の材料としてＡｕや銅（Ｃｕ）等を用いてもよい。また、端子電極１２，１３の形成方法としてスパッタリングや無電界メッキ法等を採用してもよい。

最後に、端子電極１２，１３が形成された焼結体に対して、１２０℃の温度下で電界強度が２〜３ｋＶ／ｍｍとなるように３分間分極処理を行い、積層型圧電素子１を得る。

以上説明したように、積層型圧電素子１においては、内部電極２は、圧電体層３の中央部に形成されたスルーホール１５を包囲し、且つその外縁部２ａが積層体６の側面６ａに到達するように設けられ、同様に、内部電極４は、圧電体層５の中央部に形成されたスルーホール１４を包囲し、且つその外縁部４ａが積層体６の側面６ａに到達するように設けられている。そのため、積層方向から見て内部電極２及び内部電極４と重ならない圧電体層３，５の非活性部分Ｎが、積層方向から見て内部電極２及び内部電極４と重なる圧電体層３，５の活性部分Ａに囲まれることになる（図２参照）。従って、積層型圧電素子１によれば、分極時や駆動時に伸縮する活性部分Ａが伸縮しない非活性部分Ｎを囲んでいるため、積層体６の側面６ａにクラックが発生するのを防止することができる。

また、積層型圧電素子１おいては、スルーホール１４と積層体６の側面６ａとの最短距離は、スルーホール１４と圧電体層３，５の中心との距離より大きく、スルーホール１５と積層体６の側面６ａとの最短距離は、スルーホール１５と圧電体層３，５の中心との距離より大きくなっている。これにより、分極時や駆動時に積層体６の側面６ａにクラックが発生するのを効果的に防止することが可能になる。

本発明に係る積層型圧電素子の一実施形態の斜視図である。図１に示されたII―II線に沿っての断面図である。内部電極が上面に形成された圧電体層の平面図である。内部電極が上面に形成された圧電体層の平面図である。接続用電極が上面に形成された圧電体層の平面図である。端子電極が上面に形成された圧電体層の平面図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…内部電極（第１の内部電極）、２ａ…外縁部、３，５…圧電体層、４…内部電極（第２の内部電極）、４ａ…外縁部、６…積層体、６ａ…側面、１４…スルーホール（第１のスルーホール）、１５…スルーホール（第２のスルーホール）。

Claims

圧電体層を介在させて第１の内部電極と第２の内部電極とが交互に積層されてなる積層体を備える積層型圧電素子であって、
前記圧電体層には、前記第１の内部電極同士を電気的に接続するための第１のスルーホール、及び前記第２の内部電極同士を電気的に接続するための第２のスルーホールが形成されており、
前記第１の内部電極は、前記第２のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が前記積層体の側面に到達するように設けられ、前記第２の内部電極は、前記第１のスルーホールを包囲し、且つその外縁部が前記積層体の側面に到達するように設けられ、
前記第１のスルーホールと前記積層体の側面との最短距離は、前記第１のスルーホールと前記圧電体層の中心との距離より大きく、前記第２のスルーホールと前記積層体の側面との最短距離は、前記第２のスルーホールと前記圧電体層の中心との距離より大きく、
前記第１のスルーホール及び前記第２のスルーホールの前記形成は、前記積層体の積層方向から見た場合に、前記第１のスルーホールと前記第２のスルーホールとの間に、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とが重なる前記圧電体層の活性部分が存在しないように、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とが重ならない前記圧電体層の非活性部分において行われることを特徴とする積層型圧電素子。