JPH07154006A - 積層型圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜の圧電素子の接続にも対応できると共
に、絶縁層を形成する概念を排除して工程を簡略化し、
外部電極と内部電極とを確実に接続し、導通不良や絶縁
不良を防止することができる積層型圧電素子を提供する
ことである。 【構成】 圧電材料１１と内部電極１２とを交互に積層
した積層体２１を構成し、その積層体２１の側面におけ
る一層置きの内部電極１２の端部に電着塗料層１７を施
して焼き付けた後、同じ側面における他の一層置きの内
部電極１２の端部に、それぞれ幅寸法よりも高さ寸法が
大なる断面形状の導電性凸部１６を金属メッキによって
形成し、その後に、前記各電着塗料層１７を除去し、そ
の後に、積層体１２の前記側面に、導電性粒子３１を含
有する導電層１３を介して外部電極１５を圧接配置する
ことにより、前記導電性粒子３１を介して各内部電極１
２と外部電極１５とを電気的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電材料の薄膜を多数
枚積層し、電圧を印加することにより縦方向の変位を得
る積層型圧電素子及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の積層型圧電素子を製造する場
合、内部電極を一層置きに接続する必要があるが、従来
の積層コンデンサ方式を用いると、内部電極面積が素子
の断面積より小さいため電界が全面に発生せず、変位を
阻害するばかりでなく不均一な部分に応力集中が発生
し、ついには破壊するという致命的な欠点がある。ま
た、積層時の位置決めが難しく、多くても数十枚程度の
積層枚数が限界であり、同じ印加電圧の場合、素子の変
位量は積層枚数に比例するため、大きな変位量を発生す
る素子を製造することは困難であった。

【０００３】この欠点を解消するために、圧電シートの
全面に電極を印刷して積層する方法、即ち内部電極の面
積と素子の面積を等しくする構造が一般的になってい
る。ただし、この場合、内部電極を一層置きに接続する
には、特公昭６３−１７３５４号公報に開示されるよう
な方法（図８参照）や、特開昭６２−２１１９７４号公
報に開示されるような方法（図９参照）を用いて絶縁処
理しなければならない。即ち図８に示す積層型圧電素子
では一層置きにガラス等の絶縁物７１をスクリーン印刷
や電気泳動法により付着させた後、焼き付けて固着し、
その上から銀ペースト７２を塗布して内部電極を一層置
きに接続している。また、図９に示す積層型圧電素子で
は同じくガラス等の絶縁層８１を形成し、一層置きに内
部電極と絶縁層上に形成された外部電極８２とを電気的
に接続している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８及
び図９に示す構造の積層型圧電素子によれば、素子の側
面上に絶縁層を形成する工程と、その上から内部電極を
接続するための外部電極を形成する工程とが必要になる
が、いずれの場合も、絶縁層の形成工程と外部電極の形
成工程とがそれぞれ独立しているので、それ等の行程を
同時に行うことができず、直接素子に対して形成しなけ
ればならないために工程数が多く、歩留まりが低くなる
という問題点があった。また、図８に示す構造の積層型
圧電素子の場合、側面に露出する内部電極の端部に一層
置きに絶縁層が形成されているが、その方法としてスク
リーン印刷を用いた場合は印刷が非常に微細なために、
カスレ、滲み等で本来接続される部分が導通不良になっ
たり、絶縁される部分が短絡したりすることがあった。
また、電気泳動法の場合も素子の駆動電圧に耐えられる
だけの厚さの絶縁層を均一に形成することは難しく、同
じく絶縁破壊による短絡等の問題点があった。

【０００５】一方、図９に示す構造の積層型圧電素子に
よれば、絶縁層は比較的容易に形成できるが、絶縁層上
の外部電極と内部電極との接続方法が難しく、スクリー
ン印刷の場合では、同図（ｂ）の要部断面図に示される
ように、素子面と絶縁層とに段差があるため、その段差
部分では導電材ペーストの印刷が難しく、同様に導通不
良や短絡不良が問題になっていた。また、いずれの方法
を用いても、絶縁層や外部電極を高温で焼成する工程が
入るため、製造コストに影響すると共に、圧電材料膜の
厚さが１００μｍ以下になると接続が非常に困難になる
という問題点があった。

【０００６】また、本出願人はこれらの問題を解決すべ
く図１０に示すような積層型圧電素子の製造を試みた。
これは、導電性凸部９１を形成した素子の側面に対し
て、導電性粒子９２を含有する少なくとも一層以上から
なる導電層９３を加圧することにより導電性を持たせ、
外部電極である銅箔９４と一層置きの内部電極に接続さ
れている。ところが、圧電材料膜の厚さが薄くなり、内
部電極間の距離が小さくなると、導電性凸部９１とその
隣の内部電極とが近づき過ぎてしまい、短絡する恐れが
ある。また、それを防ぐために導電性凸部９１を小さく
形成すると高さも低くなるため、充分に導通や絶縁が得
られないという問題点が残った。

【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、薄膜の圧電素子の接続にも対応
できると共に、外部電極と内部電極とを確実に接続して
導通不良や絶縁不良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を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の積層型圧電素子は、圧電材料と内部電極と
が交互に積層された積層体の側面に露出する一層置きの
内部電極の端部に導電性凸部を形成し、その導電性凸部
が形成された前記積層体の側面に、導電性粒子を含有す
る導電層を介して外部電極を押圧配置することにより、
前記導電性粒子を介して前記内部電極と外部電極とを電
気的に接続するようにした積層型圧電素子において、前
記各導電性凸部を、それぞれ圧電材料積層方向の幅寸法
よりもその積層方向と直交する高さ寸法が大となる断面
形状に構成したものであめる。

【０００９】

【作用】前記の構成を有する本発明の積層型圧電素子に
よれば、圧電材料と内部電極とを交互に積層した積層体
を構成し、その積層体の側面における一層置きの内部電
極の端部に電着塗料層を施して焼き付けた後、同じ側面
における他の一層置きの内部電極の端部に、それぞれ圧
電材料積層方向の幅寸法よりもその積層方向と直交する
高さ寸法が大となる断面形状を有する導電性凸部が金属
メッキによって形成し、その後に、前記各電着塗料層を
除去し、その後に、積層体の前記側面に、導電性粒子を
含有する導電層を介して外部電極を圧接配置することに
より、前記導電性粒子を介して各内部電極と外部電極と
を電気的に接続する。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明を具体化した一実施例を図１
乃至図７を参照して詳細に説明する。

【００１１】図１に本実施例の積層型圧電素子の断面図
を示す。膜状の圧電材料１１と内部電極１２とが交互に
重なる積層体２１の側面において素子の積層方向に全て
の圧電材料膜にかかるように導電膜１３が形成され、一
層おきの内部電極１２の端部に対応して導電性凸部１６
が形成されている。さらに、その上面には外部電極とし
ての銅箔１５が形成され、導電部１４を介して内部電極
１２と電気的に接続されている。前記導電膜１３は導電
粒子３１を含有する層１３ａと含有しない層１３ｂとか
ら成っている。

【００１２】ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分
とする圧電材料を所望の組成に混合した後、８５０℃で
仮焼成した粉末に５重量部のバインダーと微量の可塑材
及び消泡剤を添加し、有機溶媒中に分散させスラリー状
にする。このスラリーをドクターブレード法により所定
の厚さに成形してグリーンシートとする。このグリーン
シート上に内部電極としてのパラジュウムペーストをス
クリーン印刷し、所定寸法に打ち抜いたものを所定枚数
積層して熱プレスにより一体化する。脱脂後、約１２０
０℃で焼結を行い、図２に示すように、内部電極１２が
一層置きに露出するような位置で切断した焼結積層体２
１に、仮の外部電極２２、２３を塗布焼き付けし、さら
に、別の一対の側面２４、２５が露出するように切断す
る。

【００１３】そして、積層体２１の側面２５全体をテー
プでマスキングし、仮の外部電極２２に直流電源の負極
を接続し、焼き付け時に塗料が流動性を持たない程度に
顔料を多く含ませたエポキシカチオン電着塗料中に沈
め、１５０Ｖの電圧を３分間かけて電着させる。その
後、１５０℃で３０分間焼き付けすることにより、図３
に示すような柱状の電着塗料層１７が一層置きの各内部
電極１２の端部に形成される。その各電着塗料層１７
は、圧電材料積層方向の幅寸法が圧電材料１１の一層分
の厚み寸法よりも大きく設定されると共に、積層方向と
直交する幅寸法も同程度以上に設定される。

【００１４】次に、直流電源の負極に仮の外部電極２３
を接続してニッケルメッキ浴中に沈め、５０ｍＡの電流
を約１５分間流すと、図４に示すように、仮の外部電極
２３につながる内部電極１２、即ち、先ほど電着塗料層
１７が形成されなかった他の一層置きの内部電極１２の
端面に、それぞれニッケルメッキの導電性凸部１６が形
成される。このとき、ニッケルメッキの成長は柱状に形
成された電着塗料層１７に倣い、それぞれ高さ方向に長
く偏平した楕円形状となる。つまり、圧電材料積層方向
の幅寸法よりもその積層方向と直交する高さ寸法が大と
なり、しかも開放端部が円弧状となる断面形状に形成さ
れる。同様にして、反対側の側面２５においても、前記
側面２４の場合とは一層ずらした各内部電極１２の端部
に導電性凸部１６を形成する。その後、不要になった電
着塗料層１７はブラスト等で除去する。

【００１５】また、積層体２１とは別に、図５に示すよ
うに、銅箔１５上に平均粒径２０〜３０μｍの銅粉末に
よる導電性粒子３１を含有させた接着剤、たとえば、熱
硬化性のエポキシ系接着剤を５０μｍ程度の厚さに均一
に塗布し、硬化温度よりも低い温度で加熱して半硬化の
状態にし、さらに、その上に導電性粒子３１を全く含ま
ない接着剤のみを同様に塗布、加熱して半硬化させる。
これによって、導電性粒子３１を含有したエポキシ系接
着剤からなる層１３ａと、エポキシ系接着剤のみからな
る層１３ｂとの２層構造の導電膜１３を形成する。

【００１６】そして、導電膜１３を、積層体２１の側面
２４、２５に対して、それぞれの導電性凸部１６にかか
るような大きさで切断して仮止めする。次に、図６に示
すように、ほぼ１８０℃に熱した一対の平面状の加圧用
治具（図６は一側面側のみ図示）５３で挟み、数ｋｇの
荷重をかけて熱圧着すると、導電性凸部１６の部分のみ
が他の部分よりも高い圧力で部分的に加圧されることに
なる。その結果、図７に示すように、高い圧力で加圧さ
れた部分の導電性粒子３１がエポキシ系接着剤のみから
なる層１３ｂを突き破り、導電性凸部１６に接触すると
共に銅箔１５にもつながって導電部１４となり、一層置
きの各内部電極１２が銅箔１５に接続される。

【００１７】このように、互いに反対側の各側面で層を
ずらして一層置きの各内部電極１２に銅箔１５を接続し
た積層体２１は素子１個分に切断された後、銅箔１５の
一部に電力供給用のリード線を取り付け、樹脂外装およ
び分極処理を施して完成品となる。

【００１８】なお、前記各導電性凸部１６については、
その高さ寸法が幅寸法に対して大きく設定されているた
め、従来よりも小さな幅で接続に必要な凸部の高さを得
ることができ、内部電極１２の間隔が狭くなっても対応
することができる。

【００１９】また、導電膜１３の材料として樹脂接着剤
を用いたため、高温の焼成が必要でなく、絶縁材料や外
部電極２３と内部電極１２との接続の際に接続不良の原
因になりやすい導電ペーストを用いる必要がない。

【００２０】尚、本発明は上述した実施例に限定される
ものではなく、その主旨を逸脱しない限り種々の変更を
加えることができる。例えば、導電性粒子として、銅粉
末の代わりにニッケル粉末や銀粉末等を用いてもよく、
材質、形状、粒径等も種々変更でき、また、銅箔の一方
をそのまま延ばせばリード線の代わりをすることもでき
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の積層型圧電素子によれば、圧電材料膜が薄くなっ
ても充分に対応できると共に、絶縁層を個々の素子に形
成する必要がなく、高温での焼成工程もないため大幅に
工程を削減でき、素子の製造コストを低く押さえること
ができる。また、外部電極の形成工程において、導電材
または絶縁材のペーストを用いていないため、滲みやカ
スレによる接続不良が減少する等の優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層型圧電素子の断面図である。

【図２】切断された焼結積層体の斜視図である。

【図３】電着塗料層が形成された状態の断面図である。

【図４】導電性凸部が形成された状態の断面図である。

【図５】銅箔と２層構造の導電膜とを示す断面図であ
る。

【図６】導電膜および銅箔を加圧する状態の説明図であ
る。

【図７】導電膜を加圧して導電性を持つ状態を示す断面
図である。

【図８】従来の積層型圧電素子の断面図である。

【図９】従来の他の積層型圧電素子を示す図である。

【図１０】先に提案された積層型圧電素子の断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ 圧電材料 １２ 内部電極 １３ 導電膜 １３ａ 導電粒子を含有する層 １３ｂ 導電粒子を含有しない層 １４ 導電部 １５ 銅箔 １６ 導電性凸部 １７ 電着塗料層 ２１ 積層体 ３１ 導電性粒子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料と内部電極とが交互に積層され
   た積層体の側面に露出する一層置きの内部電極の端部に
   導電性凸部を形成し、その導電性凸部が形成された前記
   積層体の側面に、導電性粒子を含有する導電層を介して
   外部電極を押圧配置することにより、前記導電性粒子を
   介して前記内部電極と外部電極とを電気的に接続するよ
   うにした積層型圧電素子において、 前記各導電性凸部を、それぞれ圧電材料積層方向の幅寸
   法よりもその積層方向と直交する高さ寸法が大となる断
   面形状に構成したことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 【請求項２】 圧電材料と内部電極とを交互に積層した
   積層体を構成し、その積層体の側面における一層置きの
   内部電極の端部に電着塗料層を施して焼き付けた後、同
   じ側面における他の一層置きの内部電極の端部に、それ
   ぞれ圧電材料積層方向の幅寸法よりもその積層方向と直
   交する高さ寸法が大となる断面形状を有する導電性凸部
   を金属メッキによって形成し、その後に、前記各電着塗
   料層を除去し、その後に、積層体の前記側面に、導電性
   粒子を含有する導電層を介して外部電極を圧接配置する
   ことにより、前記導電性粒子を介して各内部電極と外部
   電極とを電気的に接続するようにしたことを特徴とする
   積層型圧電素子の製造方法。