JPH0758371A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アクチュエータとして用いる積層型圧電素子
において、内部電極の一層おきの接続工程を簡略化する
とともに、圧電膜が非常に薄く形成された薄膜の圧電素
子であっても、短絡等の接続不良を防止する。 【構成】 圧電材料膜１１と内部電極１２とが交互に積
層された圧電素子の側面に、導電性粒子３１を含有しか
つその含有濃度を膜厚方向に変化せしめた導電膜１３を
形成し、その導電膜１３の一層おきの内部電極１２と対
応する部分を、導電性粒子３１が含有濃度の低い部分を
突き破って内部電極１２と接触するように加圧し、その
加圧した部分のみを選択的に導電部１４とすることによ
り、銅箔（外部電極）１５と一層おきの内部電極１２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
る積層型圧電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】積層型圧電素子を製造する場合、内部電
極を一層お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、内部電極の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
するのは困難であった。

【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、すなわち、内部電
極の面積と素子の断面積を等しくする構造が一般的にな
っているが、このような構造の場合、内部電極を一層お
きに接続するためには、特公昭６３−１７３５４号公報
に開示されるような方法（図６）や、特開昭６２−２１
１９７４号公報に開示されるような方法（図７）を用い
て絶縁処理しなければならない。すなわち、図６に示す
積層型圧電素子では、一層おきにガラス等の絶縁物（絶
縁層）４１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、その上から外部電極となる
銀ペースト４２を塗布して、内部電極４３を一層おきに
接続している。また、図７（ａ），（ｂ）に示す積層型
圧電素子では、同じくガラス等の絶縁層５１を形成し、
一層おきに内部電極５３と絶縁層５１上に形成された外
部電極５２とが電気的に接続されている。

【０００４】しかしながら、図６および図７に示す構造
の圧電素子では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、いずれの場合にも絶縁層
を先に形成し、その後に外部電極を形成することになる
ため、それらの工程を同時に行うことはできず、しか
も、素子本体に対して直接形成しなければならないため
工程数が多く、歩留まりが低くなるという欠点がある。
また、図６に示す構造の圧電素子の場合、側面に露出す
る内部電極４３の端部に一層おきに絶縁層４１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。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４１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
等の問題があった。

【０００５】一方、図７に示す構造の圧電素子では、絶
縁層５１を比較的容易に形成できるが、絶縁層５１上の
外部電極５２と内部電極５３との接続法が難しく、スク
リーン印刷の場合では素子面と絶縁層の段差があるた
め、その段差部分では導電材ペーストの印刷が難しく、
導通不良や短絡不良が問題になっていた。さらに、いず
れの方法を用いても、絶縁層や外部電極ペーストを高温
で焼成する工程が入るため製造コストが上昇するととも
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】そこで、発明者らはこれらの問題を解決す
るため、図８に示すような分散粒子タイプの異方性導電
膜を用いて素子の製作を試みた。この異方性導電膜は、
１００μｍ程度の厚さを持つ絶縁物の接着シート６１中
に、粒径数十μｍの導電性粒子６２が互いに接触しない
ように分散された状態で含有されており、膜の厚み方向
に部分的に加圧することにより粒子同士が接触して、厚
み方向のみ導電性を持たせることができる。

【０００７】これによって、絶縁層を形成する工程が省
略され、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
続不良が皆無となった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図８に示す
ような分散粒子タイプの異方性導電膜を用いた場合、導
電性粒子６２間の距離が狭いと、粒子同士の接触により
膜の厚み方向に対して垂直方向にも導電性が得られてし
まうため、内部電極を含めた圧電膜の一層分の厚さが、
たとえば１００μｍ以下になると、一層おきの接続が困
難になるという問題点が残った。

【０００９】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、絶縁層の形成という概念を排
除して工程を簡略化し得ることはもとより、圧電膜が非
常に薄く形成された薄膜の圧電素子であっても、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
を防止できることを目的としている。

【００１０】

【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、その側面上に連続して形
成されるとともに、導電性粒子を含有し、かつその含有
濃度を膜厚方向に変化せしめた構造をなし、部分的に圧
縮することにより選択的に導電性を持たせることができ
る導電膜と、その導電膜上に連続して形成されるととも
に、内部電極と導電膜を介して電気的に接続された外部
電極とを備えている。また、導電膜は、導電性粒子を含
有する樹脂接着剤からなる１層構造とされている。

【００１１】

【作用】上記の構成を有する本発明の積層型圧電素子
は、導電膜を圧縮することにより、局部的に加圧された
含有濃度の高い部分の導電性粒子が、含有濃度の低い部
分を突き破って、内部電極と接触するようになり、所望
の部分にのみ選択的に導電性を持たせることができる。
そして、加圧されない部分は、粒子の含有濃度の低い部
分によって絶縁が確保されるため、導電性粒子が一定の
距離だけ離れるように分散されていなければならないと
いった制限はなく、含有濃度の高い部分全体に粒子を含
有させることができるので、圧電材料膜が非常に薄く形
成された薄膜の圧電素子であっても、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が起きるの
を確実に防止できる。

【００１２】また、導電膜を樹脂接着剤からなる１層構
造によつて構成しているため、高温で焼き付けたりする
などの工程が必要でなく、素子の製造コストを抑えるこ
とができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明による積層型圧電素子の断
面図であり、圧電材料膜１１と内部電極１２とが交互に
重なる積層体の側面において、素子の積層方向に全ての
圧電材料膜１１にかかるように導電膜１３が形成され、
一層おきに導電部１４を持っている。さらに、その導電
膜１３上には外部電極として銅箔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。導電膜１３は、導電性粒子を含有し、かつその含有
濃度を膜厚方向に連続的に変化せしめた１層構造になっ
ている。

【００１５】次に、図１に示される積層型圧電素子の製
造方法を図２〜図５を参照して説明する。

【００１６】先ず、ＰＺＴ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および消泡剤を添加
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
１２としてＰｄ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、熱プレスにより一
体化する。脱脂後、約１２００℃で焼結を行い、図２に
示すようなブロック状の焼結積層体５としてから、素子
単体６の１個分の大きさまでスライスする。

【００１７】素子本体とは別に、図３に示すように銅箔
１５上に平均粒径２０〜３０μｍの銅粉末（導電性粒
子）３１を含有させた樹脂接着剤、たとえば、熱硬化性
のエポキシ系接着剤を７０μｍ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軟化状態にし、
銅粉末（導電性粒子）３１を比重差により沈降させ、さ
らに半硬化の状態にする。これによって、銅粉末（導電
性粒子）３１の含有濃度を膜厚方向に連続的に変化せし
めた１層構造の導電膜１３、すなわち、銅箔１５に近い
がわほど銅粉末（導電性粒子）３１の含有濃度が高く、
銅箔１５から離れるほど含有濃度が低くなり、ついには
銅粉末（導電性粒子）３１をほとんど含有しない、ある
いは全く含有しない１層構造の導電膜１３を形成する。

【００１８】次に、この導電膜１３を素子の幅より狭い
幅で切断し、スライスした状態の素子の一つの側面に全
ての圧電材料膜１１にかかるような長さで仮止めする。
そして、図４に示すように、内部電極１２の２間隔分の
ピッチＰで、先端が０．０５ｍｍ程度のＲ（半径０．０
５ｍｍの円弧）に形成された突起状の山部１６ａを複数
個持った加圧用治具１６を用意し、その各突起状の山部
１６ａと一層おきの内部電極１２の位置がかみ合うよう
に位置決めを行い、荷重をかけながら全体を１５０℃で
３０分間加熱すると、導電膜１３および銅箔１５が素子
本体に接着されると同時に、加圧した部分の導電膜１３
において、含有濃度の高い部分の銅粉末（導電性粒子）
３１が、図５に示すように、粒子の含有濃度の低い部分
を突き破って内部電極１２と接触し、かつ外部電極であ
る銅箔１５とも接触して、導電部１４となり、一層おき
に内部電極１２と銅箔１５とが電気的に接続された形と
なる。

【００１９】別の側面においても、同様に一層分ずらし
て内部電極１２と銅箔１５を導電膜１３を介して接続す
る。この後、銅箔１５の一部に電力供給用のリード線を
取り付け、外装および分極を施して完成品となる。

【００２０】ときに、本実施例における導電膜１３は、
銅粉末（導電性粒子）３１の含有濃度を膜厚方向に連続
的に変化せしめた１層構造としているため、たとえば、
銅箔１５上に平均粒径２０〜３０μｍの銅粉末（導電性
粒子）３１を含有させた樹脂接着剤、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、その上に接着剤のみを同様に均一に塗
布、加熱して半硬化させ、これによって、銅粉末（導電
性粒子）３１を含有したエポキシ系接着剤からなる層
と、エポキシ系接着剤のみからなる層との、２層構造か
らなる導電膜１３を用いた場合に比べ、次のような効果
がある。

【００２１】第１に、樹脂接着剤を塗布するために２度
スクリーン印刷をしなくてもよく、工数低減となる。ま
た、２度の加熱工程を必要としない。第２に、２層構造
の場合は、２度スクリーン印刷をすることにより、導電
膜に厚みムラが生じ易いが、１層構造の場合は、膜厚の
調整が２層構造より楽である。

【００２２】なお、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。たとえば、導電性粒子３１とし
て、銅粉末を用いる代わりに、ニッケルや銀などの金属
粉末を用いてもよい。また、銅箔１５の一方をそのまま
延長すればリード線の代わりになる。さらに、前記加圧
用治具１６を２つ用意してその各山部と谷部とがかみ合
うような位置で素子を挟めば、２面同時に加圧すること
ができる。

【００２３】

【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は、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押さえることができ、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
続不良を皆無とし得ることはもとより、圧電材料膜が非
常に薄く形成された薄膜の圧電素子であっても、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
を起こすおそれはない。

【００２４】また、導電膜を導電性粒子を含有する樹脂
接着剤からなる１層構造としているため、たとえば、導
電性粒子を比重差により沈降させる等の方法で容易に製
造することができ、しかも、高温で焼き付けたりするな
どの工程が必要でなく、素子の製造コストを押さえるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示す積層型圧電素子
の断面図である。

【図２】図２はブロック状の焼結積層体から素子１個分
の大きさまで切り出す説明図である。

【図３】図３は銅箔と１層構造の導電膜とを示す断面図
である。

【図４】図４は導電膜を加圧する工程の説明図である。

【図５】図５は加圧により導電部が形成された状態を示
す説明図である。

【図６】図６は従来の積層型圧電素子の断面図である。

【図７】図７は従来の他の積層型圧電素子を示すもの
で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図
である。

【図８】図８は先に提案された異方性導電膜の断面図で
ある。

【符号の説明】

１１ 圧電材料膜 １２ 内部電極 １３ 導電膜 １４ 導電部 １５ 銅箔（外部電極） １６ 加圧用治具 ３１ 銅粉末（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
   ている積層型圧電素子であって、 その積層型圧電素子の側面上に連続して形成されるとと
   もに、導電性粒子を含有し、かつその含有濃度を膜厚方
   向に変化せしめた構造をなし、部分的に圧縮することに
   より選択的に導電性を持たせることができる導電膜と、 その導電膜上に連続して形成されるとともに、前記内部
   電極と導電膜を介して電気的に接続された外部電極とを
   備えたことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 【請求項２】 前記導電膜は、導電性粒子を含有する樹
   脂接着剤からなる１層構造であることを特徴とする請求
   項１記載の積層型圧電素子。