JP5283161B2

JP5283161B2 - 積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法

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Publication number: JP5283161B2
Application number: JP2008115546A
Authority: JP
Inventors: 崇行井上
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009267114A

Description

本発明は、積層型圧電センサや、積層型圧電アクチュエータ等に用いられる積層型圧電セラミックス素子およびその製造方法に関するものである。

従来、外部からの応力で電圧を発生したり、電圧の印加により変位や力を発生したりする圧電セラミックス素子は、圧力センサや圧電アクチュエータ等に実用化されてきた。また、近年、センサの感度向上やアクチュエータの変位特性向上のため、積層型圧電セラミックス素子の普及が著しい。

図９は、従来の積層型圧電セラミックス素子を示す図で、図９（ａ）は、従来の積層型圧電セラミックス素子の上面図で、図９（ｂ）は、従来の積層型圧電セラミックス素子の斜視図である。図９に示すように、従来の積層型圧電セラミックス素子１は、複数の圧電セラミックス層２と複数の内部電極層３を交互に積層した積層体４を構成している。内部電極層３は圧電セラミックス層２の全面に配置されているため、積層体４の側面には、内部電極層３の端面が露出している。積層体４の一対の対向面には、露出した内部電極層３を一層おきに絶縁樹脂等によって被覆する絶縁部６が設けられている。この絶縁部６を覆うように、内部電極層３と電気的に接続する一対の外部電極５が形成されている。外部電極５の適所には、外部機器と電気的に接続するためのリード線等（図示せず）が半田付けや導電性接着剤で接合される。さらに、絶縁部６と、外部電極５が形成されていないもう一対の対向面には、外装樹脂層８ｃが形成される構造となっている。

図１０は、従来の積層型圧電セラミックス素子の角部の上面拡大図である。外装樹脂層８ｃは、耐湿度性と外部応力からの保護が主な目的であり、湿度や外力による特性劣化、破壊等が発生しないことを要件としていた。また、この外装樹脂層８ｃは、積層体の内部電極層３の露出した側面に、外装樹脂ペーストをディスペンサーや、スクリーン印刷等で塗布し形成するのが一般的である。しかし、このような塗布方法では、外装樹脂ペーストが表面張力により流れることや、熱硬化時の収縮、更には、外装樹脂内の気泡、塗布工程での気泡の巻き込み等が原因で、図１０に示すように、積層体の角部において、外装樹脂層８ｃの厚さが極端に薄くなる、または外層樹脂層８ｃが無く、内部電極層３が露出するという問題があった。

一方、近年、積層型圧電アクチュエータは、小型で、かつ大きな変位量を必要とする用途が更に拡大している。用途の拡大に伴い、積層型圧電セラミックス素子は、高湿度環境下での使用や、外部電極にリード線やフレキシブルケーブルを半田付けまたは導電性接着剤で接合して使用することが増加してきている。このように使用する場合には、積層型圧電セラミックス素子の角部に、半田または導電性接着剤が回りこむことによる、積層型圧電セラミックス素子の絶縁抵抗等の圧電特性や信頼性の劣化の対策が必要だった。

一般的に、絶縁抵抗等の圧電特性や信頼性が劣化する原因は、高湿度環境下で積層型圧電セラミックス素子に電圧を印加すると、内部電極、外部電極、半田、導電性接着剤に含まれる金属イオン（銀イオン）が、負極から正極に移動して電気的短絡に至る、所謂シルバーマイグレーションを発生することである。

上述した問題を改善するために、特許文献１では、積層圧電アクチュエータにおいて、外部電極にリード線を接続した後、外部電極の形成面を含む積層体の全周面に外装を施し、さらに積層体の角部には、電着法により絶縁層を形成する構造が提案されている。この構造によって、高湿度環境下においても絶縁抵抗が劣化しない耐湿性に優れた積層型圧電セラミックス素子の提供が可能となった。

特開２００３−３４７６２１公報

現在、リード線が接続された状態の積層型圧電セラミックス素子の他に、リード線等が接続されていない状態で製品となるリードレスの積層型圧電セラミック素子の需要が増加してきている。リードレスの積層型圧電セラミックス素子は、最終工程または客先で、外部電極とリード線やフレキシブルケーブル等の外部端子との接続を行うため、外部電極は表面に露出させておく必要がある。更に、外部電極の露出した部分には外装樹脂を付着させず、表面に露出させた状態にし、内部電極が露出している側面にのみ、外装樹脂層を形成することが必要である。

従来技術の電着法による積層体の角部の外装は、積層型圧電セラミックス素子を電着液に浸漬し、電気的に外装樹脂を付着させる方法である。この方法では、リード線のある積層型圧電セラミックス素子には、製造が可能であるが、リードレスの積層型圧電セラミックス素子では、外部電極にも外装樹脂が付着してしまうため、製造が非常に困難であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記の場合においても製造が容易で、高湿度環境下においても絶縁抵抗が劣化しない、信頼性に優れた積層型圧電セラミックス素子とその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明によると、複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とを交互に積層し一体化した前駆体素子を所定の寸法に切断して形成される積層体を備え、前記内部電極層を対向電極とし、前記前駆体素子の側面に露出した前記内部電極層を一層おきに絶縁部で被覆し、前記絶縁部を覆い前記内部電極層と電気的に接続する対の外部電極を形成し、前記前駆体素子を切断して前記積層体を形成し、前記外部電極は、外部機器と電気的に接続される外部端子接続部を有し、前記外部端子接続部となる外部電極を表面に露出させる積層型圧電セラミックス素子の製造方法であって、前記積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子の側面に形成した外部電極の両側に第１の外装樹脂層を形成した後、前記前駆体素子を切断して前記積層体を形成し、前記前駆体素子の切断面に第２の外装樹脂層を形成することを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法が得られる。

また、本発明によると、前記外装樹脂層の厚さは、１０μｍ以上、２００μｍ以下とすることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法が得られる。

本発明は、外部電極が表面に露出している積層型圧電セラミックス素子において、外装樹脂層を、積層体に形成された外部電極の両側、角部および内部電極が露出した側面に形成し、角部の外装樹脂層の厚さを確保する構造である。この構造を採用することにより、半田や導電性接着剤が積層圧電セラミックス素子の角部に回りこんでも、絶縁抵抗が劣化しにくい、信頼性に優れた積層型圧電セラミックス素子を提供することができる。また、外部電極が表面に露出しているため、リード線の接続された従来の積層型圧電セラミックス素子だけでなく、リードレスの積層型圧電セラミックス素子も容易な製造方法で提供することが可能となる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の積層型圧電セラミックス素子を示す図で、図１（ａ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の上面図で、図１（ｂ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の斜視図である。また、図２は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の外装前の状態を示す図である。

図１、図２に示すように、本発明の積層型圧電セラミックス素子１は、複数の圧電セラミックス層２と複数の内部電極層３を交互に積層した積層体４を備えている。内部電極層３は圧電セラミックス層２の全面に配置されているため、積層体４の側面には、内部電極層３の端面が露出している。積層体４の一対の対向面には、露出した内部電極層３を一層おきに絶縁樹脂等によって被覆する絶縁部６が設けられている。この絶縁部６を覆うように、内部電極層３と電気的に接続する一対の外部電極５が形成されている。積層体４に形成された外部電極５の両側には、第１の外装樹脂層８ａが形成され、内部電極層３が露出しているもう一対の対向面には、第２の外装樹脂層８ｂが形成されている。外部電極５は表面に露出しており、外部電極５の適所には、用途に応じて、リード線やフレキシブルケーブル等が接合され、外部機器との電気的な接続がなされる構造となっている。

積層型圧電セラミックス素子１は、分極処理が施されており、電圧を印加すると、圧電セラミックス層２は、内部電極層３間の距離にかかる電界強度に応じて、図２の変位方向７ａ−７ｂ方向に伸び、その伸び量は電界強度に比例して増加する。

次に、本発明の積層型圧電セラミックス素子の製造方法について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子の一部を示す図である。圧電セラミックス材料から作製されたグリーンシートと、このグリーンシート上に電極ペーストを印刷形成した電極ペースト層とを所定の枚数に積層し、熱プレス後、１０００℃〜１３００℃の範囲で焼結し前駆体素子９を作製する。焼結後の前駆体素子９において、焼結前のグリーンシート層が圧電セラミックス層２、電極ペースト層が内部電極層３となる。前駆体素子９は、所定の寸法で切断されて積層体４になる。図３は、前駆体素子９の一部のみを示したが、前駆体素子９は、切断して積層体４を複数個とれるように、ある程度、横長のほうが生産性が高く望ましい。

圧電セラミックス層２に使用される材料としては、圧電定数が高い値を示す材料を使用するのが好ましく、例えば、ニッケルニオブ酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミック粉末が使用される。また、内部電極層３に使用される材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄや、これらの合金からなる電極ペーストが好適に使用できる。

次に、前駆体素子９の側面に露出した内部電極層３に、絶縁部６を一層おきに電気泳動法等の方法により絶縁物を付着させて、焼き付けすることにより形成する。さらに、絶縁部６を覆って一層おきに内部電極層３と導通するように、積層体４に対して一対の外部電極５が形成される。

絶縁部６は、無機酸化物、特にＳｉＯ₂を主成分とする無機酸化物が好適に使用でき、絶縁樹脂であっても良い。また、外部電極５に使用される材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉやこれらの合金からなる電極ペーストが好適に用いられる。また、外部電極５の形成は、スクリーン印刷、スパッタ、蒸着等の方法が好適に用いられる。

図４は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子に第１の外装樹脂層を形成した状態を示す図である。また、図５は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子を切断加工した状態を示す図である。絶縁部６と外部電極５が形成された前駆体素子９において、外部電極５の両側に、ディスペンサーまたはスクリーン印刷により、外装樹脂ペーストを塗布、硬化させ、第１の外装樹脂層８ａを形成する。その後、図４の切断位置１０ａ、１０ｂをダイヤモンドブレード等を用いて、所定の寸法に切断加工し、図５の積層体４を作製する。このように切断した切断面には、内部電極層３が露出した構造となっている。

図６は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の積層体に第２の外装樹脂層を形成した状態を示す図で、図６（ａ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の斜視図で、図６（ｂ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の角部の上面拡大図である。第１の外装樹脂層８ａを形成し、切断加工した積層体４の内部電極層３が露出した切断面に、ディスペンサーまたはスクリーン印刷により、外装樹脂ペーストを塗布、硬化させ、第２の外装樹脂層８ｂを形成する。以上の製造方法を採用することにより、図６（ｂ）に示すように、外部電極５の両側に形成した第１の外装樹脂層８ａの厚みの分も、第２の外装樹脂層８ｂを形成することが出来る。このため、積層型圧電セラミック素子の角部の厚さが安定して確保でき、角部の厚さが極端に薄くなることや露出することが無くなる。

第１の外装樹脂層８ａ、第２の外装樹脂層８ｂに使用される材質としては、耐湿度性の良い樹脂が望ましく、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、第１の外装樹脂層８ａと第２の外装樹脂層８ｂは、異なる材質を用いてもよいし、これらの樹脂を複数組み合わせて、多層構造としてもよい。

本発明の積層型圧電セラミック素子について、実施例を挙げて具体的に説明する。

（実施例１）
まず、ジルコン酸チタン酸鉛とニッケルニオブ酸鉛とを主成分とする圧電セラミックス粉末を使用し、バインダーと共に有機溶剤中で分散混合させ、スラリーを作製した。このスラリーをドクターブレード法にて成膜し、厚さ５０μｍのグリーンシートを作製した。グリーンシート上にＡｇ／Ｐｄからなる電極ペーストを厚さ５μｍにスクリーン印刷し、乾燥させた。次に、電極ペーストが印刷されたグリーンシートを積層し、熱プレス後、１１００℃で焼成した。焼成された前駆体素子９をガラス粉末が分散された浴槽内に浸漬させ、電気泳動法により、前駆体素子９の対向する一対の側面の内部電極層３が露出した箇所に、一層おきに絶縁部６を形成した。その後、前駆体素子９の対向する側面の絶縁部６を覆うように、Ａｇからなる電極ペーストをスクリーン印刷により、５μｍの厚さに塗布し、５００℃で焼き付けし、外部電極５を形成した。前述した製造方法で、図３に示す、高さ３ｍｍ、横方向長さ２ｍｍ、縦方向長さ１．２ｍｍの前駆体素子９を作製した。このとき、前駆体素子９の横方向長さは、量産上、製造し易い寸法にすることができ、一定の間隔で外部電極５を形成し、後述する第１の外装樹脂層８ａの形成後、所定の位置で切断加工し、複数個の積層体４を製造することができる。

前駆体素子９の外部電極５の両側に、外装樹脂ペーストをスクリーン印刷、硬化し、図４に示すように、第１の外装樹脂層８ａを形成した。外装樹脂ペーストは、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂を用いてそれぞれ作製した。外装樹脂ペーストの硬化条件は、１５０℃、１時間とし、硬化後の厚さ、即ち第１の外装樹脂層８ａの厚さが２０μｍとなるように調整した。

次に、前駆体素子９を、図５に示すように、横方向長さが１．２ｍｍになるように、ダイヤモンドブレードにて切断加工し、積層体４を作成した。従って、積層体４の寸法は高さ３ｍｍ、縦横長さ１．２ｍｍの角柱状となる。

さらに、内部電極層３が露出している切断面に、外装樹脂ペーストをスクリーン印刷、硬化し、図６に示すように、第２の外装樹脂層８ｂを形成し、本発明の積層型圧電セラミックス素子１を作製した。外装樹脂ペーストは、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂を用いて、それぞれ作製した。外装樹脂ペーストの硬化条件は、１５０℃、１時間とし、硬化後の厚さ、即ち第２の外装樹脂層８ｂの厚さが２０μｍとなるように調整した。なお、本実施例では、第１の外装樹脂層８ａと第２の外装樹脂層８ｂに使用する外装樹脂ペーストは同一のものを使用した。

（比較例１）
比較例として、図９に示す、従来の積層型圧電セラミックス素子を作製した。積層体４を構成する材料と製造方法は、本発明の実施例と同様としたので、説明を省略する。積層体４は、高さ３ｍｍ、縦横長さ１．２ｍｍの角柱状とした。この積層体４の内部電極層３が露出した一対の側面にのみ、外装樹脂ペーストをスクリーン印刷、硬化し、外装樹脂層８ｃを２０μｍの厚さで形成した。外装樹脂ペーストは、エポキシ系樹脂を使用し、硬化条件は１５０℃、１時間とした。

上述した方法で作製した実施例１の積層型圧電セラミックス素子と、比較例１として作製した従来の積層型圧電セラミックス素子について、高湿度負荷試験を行った。高湿度負荷試験は、４０℃、９０％ＲＨの空気雰囲気の恒温層中で、積層型圧電セラミックス素子に、直流５０Ｖを印加し、１０００時間駆動させた。所定の時間の経過時に、それぞれの積層型圧電セラミックス素子について、絶縁抵抗を測定した。

図７は、実施例１に係る積層型圧電セラミックス素子の高湿度負荷試験の結果である。図７示すように、従来の積層型圧電セラミックス素子と比較して、本発明の積層型圧電セラミックス素子は、５００時間を経過しても絶縁抵抗が低下しにくく、耐湿度性が改善されていることがわかった。従って、本発明の積層型セラミックス素子の構造を採用することによって、高湿度環境下においても、絶縁抵抗が劣化しにくい、長期間に亘る信頼性に優れた積層型セラミックス素子が得られることが確認できた。また、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂ともに従来素子に比べ、耐湿度性が改善されているが、フッ素系樹脂を用いた場合が耐湿度性が最も良いことも確認できた。

（実施例２）
実施例２に係る積層型圧電セラミックス素子について、具体的に説明する。実施例２は、実施例１の積層型圧電セラミックス素子と材質、製造方法は同様であるため、説明を省略する。実施例２では、第１の外装樹脂層８ａと第２の外装樹脂層８ｂの厚さを１μｍから１０００μｍまで変化させて、各外装樹脂層の厚さの異なる積層型圧電セラミックス素子１をそれぞれ作製した。外装樹脂ペーストは、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂をそれぞれ使用した。

（比較例２）
比較例２についても、比較例１の積層型圧電セラミックス素子と同様の材質、製造方法であるため、説明を省略する。比較例２では、外装樹脂層８ｃの厚さを、１μｍから１０００μｍまで変化させて、外装樹脂層８ｃの厚さの異なる積層型圧電セラミックス素子１をそれぞれ作製した。外装樹脂ペーストは、エポキシ系樹脂を使用した。

図８は、実施例２に係る積層型圧電セラミックス素子で高湿度負荷試験を５００時間行った結果である。図８に示すように、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃの厚みを１０μｍ以上、２００μｍ以下にすることにより、絶縁抵抗は高い値を示すことがわかった。また、従来の積層型圧電セラミックス素子と比較して、本発明の積層型圧電セラミックス素子は、耐湿度性が改善されていることがわかった。１０μｍ未満、２００μｍ超では絶縁抵抗の値が低く、耐湿度性が悪い。これは、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃ内の気泡は３μｍ〜１０μｍの大きさであることが確認されているため、１０μｍ未満では、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃに含まれる気泡などの欠陥に水分が浸入し、絶縁抵抗が低下するためである。さらに、各外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃの厚みが２００μｍを超えると、外装樹脂自身が水分を吸収するため、マイグレーションを促進させ、絶縁抵抗が低下する。

即ち、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃの厚みを１０μｍ以上とすることにより、気泡などの欠陥があった場合でも、十分な外装樹脂厚みがあるため、高湿度環境下においても、絶縁抵抗が劣化しにくい。また、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃの厚みを２００μｍ以下とすることにより、外装樹脂が吸収した水分量が微量であるためマイグレーションが発生しにくい。従って、外装樹脂層８（８ａ，８ｂ）、８ｃの厚みは１０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。

以上説明したように、本発明の積層型圧電セラミックス素子の構造と製造方法を採用することによって、外部電極が表面に露出した構造の積層型圧電セラミックス素子においても、容易な製造方法で、積層型圧電セラミック素子の角部の外装樹脂層の厚さを確保することが可能となった。従って、高湿度環境下で使用される場合においても、絶縁抵抗が劣化しにくい、信頼性に優れた積層型圧電セラミックス素子を提供することが可能となった。

本発明の積層型圧電セラミックス素子を示す図。図１（ａ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の上面図。図１（ｂ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の斜視図。本発明の積層型圧電セラミックス素子の外装前の状態を示す図。本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子の一部を示す図。本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子に第１の外装樹脂層を形成した状態を示す図。本発明の積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子を切断加工した状態を示す図。本発明の積層型圧電セラミックス素子の積層体に第２の外装樹脂層を形成した状態を示す図。図６（ａ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の斜視図。図６（ｂ）は、本発明の積層型圧電セラミックス素子の角部の上面拡大図。実施例１に係る積層型圧電セラミックス素子の高湿度負荷試験の結果。実施例２に係る積層型圧電セラミックス素子で高湿度負荷試験を５００時間行った結果。従来の積層型圧電セラミックス素子を示す図。図９（ａ）は、従来の積層型圧電セラミックス素子の上面図。図９（ｂ）は、従来の積層型圧電セラミックス素子の斜視図。従来の積層型圧電セラミックス素子の角部の上面拡大図。

符号の説明

１積層型圧電セラミックス素子
２圧電セラミックス層
３内部電極層
４積層体
５外部電極
６絶縁部
７ａ変位方向
７ｂ変位方向
８ａ第１の外装樹脂層
８ｂ第２の外装樹脂層
８、８ｃ外装樹脂層
９前駆体素子
１０ａ切断位置
１０ｂ切断位置

Claims

複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とを交互に積層し一体化した前駆体素子を所定の寸法に切断して形成される積層体を備え、前記内部電極層を対向電極とし、前記前駆体素子の側面に露出した前記内部電極層を一層おきに絶縁部で被覆し、前記絶縁部を覆い前記内部電極層と電気的に接続する対の外部電極を形成し、前記前駆体素子を切断して前記積層体を形成し、前記外部電極は、外部機器と電気的に接続される外部端子接続部を有し、前記外部端子接続部となる外部電極を表面に露出させる積層型圧電セラミックス素子の製造方法であって、前記積層型圧電セラミックス素子の前駆体素子の側面に形成した外部電極の両側に第１の外装樹脂層を形成した後、前記前駆体素子を切断して前記積層体を形成し、前記前駆体素子の切断面に第２の外装樹脂層を形成することを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の製造方法。
前記外装樹脂層の厚さは、１０μｍ以上、２００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電セラミックス素子の製造方法。