JPH04334076A - 積層型圧電素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交互電極方式の積層型
圧電素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型圧電素子は、複数の圧電セラミッ
ク層と金属層とが交互に積層され、積層された金属層の
１つ置きに一対の外部引出用リード端子を接続して構成
される。また、金属層とリード端子からなる電極構造の
相違により、２種類に大別される。一つは、交互電極方
式と呼ばれ、例えば特公昭６２−６１１７０号公報に記
載されている。その代表的な断面構造は、図５に示すよ
うに、金属層２を圧電セラミックス層１の外形よりも縦
横いずれか一方の長さが短い矩形に形成し、この金属層
２と焼成前の圧電セラミックス層のグリーンシートとを
交互に、かつ金属層２から外れるグリーンシートの部分
が金属層２の一層置きに反対側にくるように、金属層２
ａ，２ｂの位置をずらして積層した後、その積層体を焼
成し、その後、一層置きに露出する積層体の両側面の金
属層２ａ，２ｂに、一対の外部引出用リード端子３ａ，
３ｂを共通接続したものとなっている。なお、圧電セラ
ミックス層１を焼成する際に、金属層２が存在しない個
所の隣合う圧電セラミックス層１は、相互に一体化され
る。

【０００３】他の方式は、全面電極方式と呼ばれ、例え
ば特公昭６３−１７３５４号公報に記載されている。こ
の代表的な断面構造は、図６に示すように、金属層２を
圧電セラミックス層１と同一形状に形成し、この金属層
２と圧電セラミックス層１のグリーンシートとを交互に
積層し、この積層体を一体に焼成した後、積層体の一の
側面とその反対側の側面にそれぞれ露出している金属層
２ａ，２ｂの端面を一層置きに互い違いに絶縁物４で被
覆し、その両側面に露出した金属層２ａ，２ｂに一対の
外部引出用リード端子３ａ，３ｂを共通接続したものと
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示し
た従来の交互電極方式の積層型圧電素子は、圧電アクチ
ュエータとして動作する際に、積層された圧電セラミッ
クス層１の間に金属層２が介在している箇所では、圧電
セラミックス層１の厚さ方向に均一な変位が発生する。 しかし、圧電セラミックス層１の間に金属層２が介在し
ていない箇所では電界分布が不均一になり、しかも隣合
う圧電セラミックス層１相互が焼成により一体化される
ので変位することができない。このため、圧電セラミッ
クス層１に不均一な応力が発生し、最終的にはクラック
が発生して素子が破壊される恐れがあり、信頼性に欠け
るという問題があった。

【０００５】他方、図６に示した全面電極方式の積層型
圧電素子では、金属層２ａ，２ｂの側端面を一層おきに
被覆する絶縁物を形成する工程が煩雑で、生産性に劣る
という問題がある。しかも、前記金属層の側端面の絶縁
処理上から、絶縁物４の寸法が制限を受け、交互電極方
式に比べて圧電セラミックス層１の厚さを薄くすること
ができず、圧電素子の動作電圧の低減化に限界がある。

【０００６】本発明の目的は、上記従来の交互電極方式
の積層型圧電素子の問題点を解決すること、言い換えれ
ば、金属層が除去された領域を挟んで対向する圧電セラ
ミックス層の部分に作用する応力を均一化してクラック
発生を防止し、信頼性を向上できる積層型圧電素子及び
その製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電セラミックス
層と金属層とが交互に積層されてなり、前記各金属層の
外形が前記圧電セラミックス層に対応させた形状から縁
の一部領域を除去した形に形成され、該金属層が除去さ
れた領域の位置を一層置きに一致させて積層され、前記
金属層と前記圧電セラミックス層との接合面部に拡散接
合部が形成され、前記金属層が除去された領域を挟んで
対向する圧電セラミックス層の表面相互間に空隙層又は
絶縁層が形成されてなることを特徴とする。

【０００８】この場合において、前記金属層が前記圧電
セラミックス層の焼成温度より低い温度条件で前記圧電
セラミックス層と拡散接合の可能なアルミニウムと銅と
ニッケルの少くとも１つを主成分とする金属材料を用い
たものであることが好ましい。

【０００９】また、前記絶縁層は、エポキシ樹脂とポリ
イミド樹脂とフッ素樹脂の少くとも１つの有機材料、あ
るいはガラスとＳｉＯ２セラミックスの少くとも１つの
無機材料からなる電気絶縁性材料を充填して形成された
ものであることが好ましい。

【００１０】また、上記目的を達成するため、本発明の
積層型圧電素子の製造方法は、所定形状の圧電セラミッ
クス板を焼成により形成し、該圧電セラミックス板に対
応する形状から縁の一部領域を除去した形に金属板を形
成し、該金属板と前記圧電セラミックス板とを交互に積
層するに際し、前記金属板が前記除去された領域の位置
を一層置きに一致させて積層し、該積層体を前記圧電セ
ラミックス板の焼成温度より低い温度条件で熱処理する
工程を含んでなることを特徴とする。

【００１１】なお、金属層になる金属板を予め形成して
積層する方法に代えて、焼成された圧電セラミックス板
の一方の表面に縁の一部領域を除去した形に金属層を、
塗布法すなわちペースト焼成法、めっき法、蒸着法、ス
パッタ法等により形成し、これを積層して拡散接合処理
を施すようにしてもよい。

【００１２】また、上記の積層体の側面に露出する空隙
層に、電気絶縁性材料を充填する工程を付加するのが好
ましい。

【００１３】

【作用】このように構成されることから、本発明によれ
ば次の作用により上記目的が達成される。金属層が除去
された領域を挟んで対向する圧電セラミックス層の表面
相互間に空隙層又は絶縁層が形成され、隣合う圧電セラ
ミックス層が一体化されてなる連続層が形成されていな
いことから、動作時の圧電セラミックス層に作用する応
力が均一化される。つまり、金属層間に電圧を印加する
と、金属層に挟まれた圧電セラミックス層に変位が発生
し、これにより圧電セラミックス層が積層方向に伸びる
。これに応じて、空隙層又は絶縁層に挟まれた部分の圧
電セラミックス層も自由に変位できる。よって、圧電セ
ラミックス層に従来のような不均一な応力が発生しない
ので、長時間使用してもクラックの発生が起こらず信頼
性を向上することができる。

【００１４】このような構成の積層型圧電素子は、本発
明の製造方法により実現できる。すなわち、圧電セラミ
ックス板と金属板又は金属層とを接合して積層体を形成
する前に、圧電セラミックス板を焼成処理していること
から、加熱して金属板又は金属層を拡散接合する際に圧
電セラミックス板は何ら形状変化を受けない。したがっ
て、金属板又は金属層が除去された領域を挟んで対向す
る圧電セラミックス層の表面相互間に空隙層が形成され
る。なお、金属層の拡散接合に係る処理温度は、圧電セ
ラミックス板の焼成温度より低くいことが、拡散接合時
における圧電セラミックス板の形状変化を低減する点で
好ましい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 図１に本発明の一実施例の積層型圧電素子の基本構成の
斜視図を示す。図示のように、矩形の圧電セラミックス
層１と金属層２が交互に積み重ねて拡散接合された積層
体が形成されている。金属層２は圧電セラミックス層１
の矩形よりも一方向が短い形に形成され、その金属層２
が除去された部分に空隙層４が形成されている。この空
隙層４の位置は、一層置きに同じ位置になるように、か
つ隣合う空隙層４ａ，４ｂは互いに積層体の反対側側面
に位置するように形成されている。また、外部引出用リ
ード端子３ａ，３ｂは、それぞれ対応する金属層３ａ，
３ｂに共通に接続されている。圧電セラミックス層１を
形成する材料は、応力が加えられた場合に電気分極を生
じる性質すなわち圧電性を有し、また可逆性を有する誘
電体セラミックスが用いられる。具体的には、チタン酸
バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３
）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）
などが普及している。そして、これらの圧電セラミック
スの粉末を溶剤に混合してグリーンシートを作り、これ
を成形・焼成することにより圧電セラミックス層１が得
られる。

【００１６】また、金属層２は圧電セラミックス層１に
いわゆる拡散接合によって接合されている。この金属層
２の材料としては、圧電セラミックス層１の焼成温度よ
り低い温度条件で圧電セラミックス層１と拡散接合の可
能なアルミニウム、銅、ニッケルの少くとも１つを主成
分とするものが好ましい。

【００１７】このように構成されることから、本実施例
によれば、外部引出用リード端子３ａ，３ｂを介して、
金属層２ａ，２ｂ間に電圧を印加すると、圧電セラミッ
クス層１が印加電圧に応じて変形し、積層方向に機械的
出力が得られる。その際に、金属層２ａ，２ｂに挟まれ
た圧電セラミックス層１が積層方向に伸縮するが、空隙
層４に挟まれた部分の圧電セラミックス層１は、作用す
る電界が小さいので伸縮しない。しかし、その空隙層４
に挟まれた圧電セラミックス層１は自由に変位できるの
で、圧電セラミックス層１に従来のような不均一な応力
が発生しない。その結果、長時間使用してもクラックの
発生が起こらず信頼性を向上することができる。

【００１８】なお、逆に、積層体の積層方向に機械力を
作用させると、その作用力に応じた電気的出力が外部引
出用リード端子３ａ，３ｂに出力される。

【００１９】次に、図１実施例の積層型圧電素子の製造
方法の実施例について、図２と図３を参照して説明する
。図２に示す実施例は、まず、グリーンシートを焼成し
て圧電セラミックス板１１を予め形成し、これとは別に
圧電セラミックス板１の矩形よりも一方向が短い形の金
属板１２を形成する。次に、圧電セラミックス板１１と
金属板１２を交互に積層する。このとき、隣合う金属板
１２ａ，１２ｂを図示のように交互にずらし、積層体の
一の側面には金属板１２ａが露出し、反対側の側面には
金属板１２ｂが露出するように配設する。なお、本図で
は説明を簡単にするために５個の部材を積層したものを
示したが、実際には多数の部材が使われることは言うま
でもない。このような積層体をホットプレスを用いて加
圧しながら加熱処理し、金属板１２と圧電セラミックス
板１１とを拡散接合させる。この拡散接合の処理条件は
、圧電セラミックスの種類により定まる焼成温度と、金
属板１２の種類により定まる拡散接合温度等に基づいて
設定する。特に、拡散接合温度がセラミックスの焼成温
度よりも低いことが肝要である。本実施例では、圧電セ
ラミックス板１１として１２００〜１３００℃で焼成し
たチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を
用い、金属板１２の材料としては、圧電セラミックス板
１１の焼成温度以下で拡散接合が可能な、例えばアルミ
ニウムを主成分とする金属材料、銅を主成分とする金属
材料、ニッケルを主成分とする金属材料のいずれかが適
用できる。

【００２０】拡散接合処理の条件としては、例えば、ホ
ットプレスを用い、アルゴンガス雰囲気中で０．０１〜
１ｋｇ／ｍｍ２の圧力で加圧しながら、１５〜６０分間
加熱することによった。ここで、加熱温度は金属板１２
の材質により異なる。例えば、アルミニウムを主成分と
する金属材料を用いる場合は５８０〜７００℃、銅を主
成分とする金属材料の場合は７００〜１１００℃、ニッ
ケルを主成分とする金属材料の場合は９００〜１２００
℃を選択する。

【００２１】このようにして積層体を形成した後、積層
体の空隙層４が露出している側面に、電気伝導性を有す
る金属材料からなる外部引出用リード端子３をペースト
焼成法などを用いて形成することにより、積層型圧電素
子の基本構造が得られる。

【００２２】上述した実施例製法によれば、圧電セラミ
ックス板１１が予め焼成されていることから、金属板１
２との拡散接合の加熱処理時に、金属板２から外れた位
置で対向する部分の圧電セラミックス板１１では拡散接
合が行われず、一体化がなされないので、空隙部４を形
成することができる。

【００２３】図３に示した実施例製法が、図２実施例製
法と相違する点は、金属板１２を用いず、グリーンシー
トを焼成して得られた圧電セラミックス板１１の一方の
表面に、前記金属板１２に対応するパターンの金属層２
２を塗布などにより形成したことにある。これを積み重
ねたて金属層２２と圧電セラミックス板１１とを拡散接
合する工程以降は図２の場合と同様である。金属層２２
の塗布方法としては、ペースト焼成法、めっき法、蒸着
法、スパッタ法など周知の方法が適用できる。

【００２４】本実施例によっても、図２実施例と同一の
効果が得られる。

【００２５】図４に本発明の積層型圧電素子の他の実施
例の斜視図を示す。本実施例は、図２の実施例の空隙部
４に電気絶縁材を充填して絶縁層５を形成したものであ
る。電気絶縁材としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹
脂、フッ素樹脂などの有機材料、あるいはガラス、Ｓｉ
Ｏ２セラミックスなどの無機材料を適用できる。電気絶
縁性材料を充填する方法は次のとおりである。拡散接合
が終了した段階で形成される空隙層４に、有機材料を溶
解した有機溶剤、又は無機材料の微粒子が分散している
ゾル状溶剤を、真空含浸あるいは加圧含浸後、乾燥・焼
成する。なお、焼成は次工程の外部引出用リード端子３
の形成と兼ねても良い。この構造によると外部引出用リ
ード端子３が絶縁層５の充填物によって支持されるため
信頼性の向上、および外部引出用リード端子３を形成す
る際に空隙層４にペーストが流入するのを防止できると
いう効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、金
属層が除去された領域を挟んで対向する圧電セラミック
ス層の表面相互間に空隙層又は絶縁層が形成され、隣合
う圧電セラミックス層が一体化されてなる連続層が形成
されていないことから、動作時の圧電セラミックス層に
作用する応力が均一化される。これにより、圧電セラミ
ックス層に従来のような不均一な応力が発生しないので
、長時間使用してもクラックの発生が起こらず信頼性を
向上することができる。

【００２７】また、本発明の製造方法によれば、圧電セ
ラミックス板と金属板又は金属層とを接合して積層体を
形成する前に、圧電セラミックス板を焼成処理している
ことから、加熱して金属板又は金属層を拡散接合する際
に圧電セラミックス板は何ら形状変化を受けないので、
金属板又は金属層が除去された領域を挟んで対向する圧
電セラミックス層の表面相互間に空隙層を形成できる。

【００２８】また、本発明の積層型圧電素子によれば、
交互電極方式であることから、低電圧動作を確保できる
と共に、生産性に優れた製造方法の効果を保持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る積層型圧電素子の基本
構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の製造方法の一実施例を説明するための
図である。

【図３】本発明の製造方法の他の一実施例を説明するた
めの図である。

【図４】本発明の一実施例に係る積層型圧電素子の基本
構成を示す斜視図である。

【図５】従来の交互電極方式の積層型圧電素子の一例の
縦断面図である。

【図６】従来の全面電極方式の積層型圧電素子の一例の
縦断面図である。

【符号の説明】

１　　　　圧電セラミックス層 ２，２ａ，２ｂ　　金属層 ３，３ａ，３ｂ　　外部引出用リード端子４，４ａ，４
ｂ　　空隙層 ５　　　　絶縁層 １１　　圧電セラミックス板 １２　　金属板 ２２　　金属層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数の圧電セラミックス層と金属層と
   が交互に積層されてなり、前記各金属層の外形が前記圧
   電セラミックス層に対応させた形状から縁の一部領域を
   除去した形に形成され、該金属層が除去された領域の位
   置を一層置きに一致させて積層され、前記金属層と前記
   圧電セラミックス層との接合面部に拡散接合部が形成さ
   れ、前記金属層が除去された領域を挟んで対向する圧電
   セラミックス層の表面相互間に空隙層又は絶縁層が形成
   されてなる積層型圧電素子。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記金属層が前記
   圧電セラミックス層の焼成温度より低い温度条件で前記
   圧電セラミックス層と拡散接合の可能なアルミニウムと
   銅とニッケルの少くとも１つを主成分とする金属材料で
   あることを特徴とする積層型圧電素子。
3. 【請求項３】　　請求項１において、前記絶縁層が、エ
   ポキシ樹脂とポリイミド樹脂とフッ素樹脂の少くとも１
   つの有機材料、又はガラスとＳｉＯ２セラミックスの少
   くとも１つの無機材料からなる電気絶縁性材料で形成さ
   れたことを特徴とする積層型圧電素子。
4. 【請求項４】　　所定形状の圧電セラミックス板を焼成
   により形成し、該圧電セラミックス板の形状から縁の一
   部領域を除去した形に金属板を形成し、該金属板と前記
   圧電セラミックス板とを交互に積層するに際し、前記金
   属板が除去された領域の位置を一層置きに一致させて積
   層し、該積層体を前記圧電セラミックス板の焼成温度よ
   り低い温度条件で熱処理する工程を含んでなる積層型圧
   電素子の製造方法。
5. 【請求項５】　　所定形状の圧電セラミックス板を焼成
   により形成し、該圧電セラミックス板の一方の表面に縁
   の一部領域を除去した形に金属層を形成し、該金属層が
   形成された圧電セラミックス板を前記金属層が除去され
   た領域の位置を一層置きに一致させて積層し、該積層体
   を前記圧電セラミックス板の焼成温度より低い温度条件
   で熱処理する工程を含んでなる積層型圧電素子の製造方
   法。
6. 【請求項６】　　請求項４又は５において、前記積層体
   の側面に露出する空隙層に、電気絶縁性材料を充填する
   工程を含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法
   。