JPH0758372A - 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とを交互に積
層した圧電素子において、側面に露出した内部電極１２
の端部に一層おきにニッケルメッキからなる導電性凸部
１６を形成し、その上に導電性粒子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を該凸部１６によって部分的に圧縮
させ、その圧縮した部分の導電性粒子３１が含有濃度の
低い部分を突き破って凸部１６と接触するようにし、選
択的に導電部１４とすることにより、銅箔（外部電極）
１５と導電性凸部１６ひいては内部電極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８）や、特開昭６２−２１
１９７４号公報に開示されるような方法（図９）を用い
て絶縁処理しなければならない。すなわち、図８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９（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８および図９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８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９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１０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６
１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１０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、その側面に露出する内部
電極の端部に形成された導電性凸部と、圧電素子の側面
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、さらに、その導電膜上に連
続して形成されるとともに、前記導電性凸部と導電膜を
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。さらに、導電性凸部は金属メ
ッキにより形成されている。

【００１１】

【作用】上記の構成を有する本発明の積層型圧電素子
は、その側面に対して導電膜および外部電極を均等に加
圧すると、内部電極の端部に形成された導電性凸部の存
在により、その凸部付近の導電膜のみが局部的に圧縮さ
れ、その圧縮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、導電性凸部ひい
ては内部電極と接続される。そして、導電性凸部が形成
されていない部分では圧力が小さく、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。しかも、素子側面の導電性
凸部によって導電膜を加圧し、選択的に導電性を持たせ
ることができるため位置決めが不要であり、さらに、外
部電極および内部電極の接続に、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。

【００１２】また、導電膜を樹脂接着剤からなる１層構
造によっ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】さらに、導電性凸部は、露出している内部
電極の端部に対して金属メッキによる簡単な方法で精度
よく形成することができる。

【００１４】

【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。

【００１５】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、一層おきに導電性凸部１
６が形成されるとともに、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、導電
性凸部１６に接して一層おきに導電部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を介して導電性凸部１６ひ
いては内部電極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。

【００１６】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７を参照して説明する。

【００１７】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
すように、内部電極１２が一層おきに露出するような位
置で切断した焼結体２１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。

【００１８】そして、図３に示すように、焼結体２１の
一方の側面２４において、導電性凸部を形成する以外の
部分をテープでマスキングし、かつ他方の側面２５全体
をテープでマスキングした状態で、直流電源の負極に仮
の外部電極２２を接続してニッケルメッキ浴中に沈め
る。この状態で５０ｍＡの電流を約５分間流すと、仮の
外部電極２２につながる内部電極１２の端面にニッケル
メッキが成長し、マスキングテープを剥すと、図４に示
すように、ニッケルメッキ製の導電性凸部１６が一層お
きに形成された状態となる。次に、反対側の側面２５に
も層をずらして導電性凸部１６を形成するべく、すでに
導電性凸部１６が形成された側面２４の全体と、側面２
５の一部分とをテープでマスキングして保護した後、負
極を仮の外部電極２３に接続してニッケルメッキを成長
させる。これにより、側面２５においても側面２４と一
層ずつずれて導電性凸部１６が形成される。

【００１９】焼結体とは別に、図５に示すように銅箔１
５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。

【００２０】次に、この導電膜１３を素子一個分の必要
寸法に切断し、たとえば、素子の幅より狭い幅で切断
し、導電性凸部１６が形成された焼結体２１の側面２
４、２５に、それぞれ導電性凸部１６にかかるような長
さで仮止めする。そして、一対の平面状の加圧用治具
（図６は一側面がわのみ図示）３５で挟み、均一に荷重
をかけながら全体を１５０℃で３０分間加熱すると、導
電性凸部１６の存在により、その凸部付近の導電膜１３
のみが圧縮されて、図６に示すように、銅箔１５がわに
位置する含有濃度の高い銅粉末（導電性粒子）３１が、
含有濃度の低い部分を突き破って導電性凸部１６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、さらに、導電膜１３が熱により硬化して、
同膜１３および銅箔１５が素子本体に接着され、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。

【００２１】このように、対向する側面で層をずらして
一層おきに接続された焼結体２１は、図７に破線で示す
位置で素子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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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、ニッケル粉末やアルミ、
インバー合金、銀粉末などの金属粉末を用いてもよい
し、それらの導電性粒子を適当に混合して用いてもよ
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。

【００２５】

【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。しかも、素子側面の導電性凸部
によって導電膜を加圧圧縮して、選択的に導電性を持た
せることができるため、位置決めが不要であり、製作が
きわめて容易である。

【００２６】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。

【００２７】さらに、導電性凸部は、露出している内部
電極の端部に対して金属メッキによる簡単な方法で精度
よく形成することができる。

【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は切断された積層焼結体の斜視図である。

【図３】図３は積層焼結体をテープでマスキングした状
態の斜視図である。

【図４】図４は導電性凸部が形成された状態の積層焼結
体の斜視図である。

【図５】図５は銅箔と１層構造の導電膜とを示す断面図
である。。

【図６】図６は導電膜および銅箔を加圧する状態の説明
図である。

【図７】図７は導電膜および銅箔が接着された状態の積
層焼結体の斜視図である。

【図８】図８は従来の積層型圧電素子の断面図である。

【図９】図９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ーＢ線断面図
である。

【図１０】図１０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 導電性凸部 ３１ 銅粉末（導電性粒子）

Claims (3)

【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に露出する内部電極の端部に
   形成された導電性凸部と、 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、前記導電
   性凸部と導電膜を介して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。
3. 【請求項３】 導電性凸部が金属メッキにより形成され
   ることを特徴とする請求項１または２記載の積層型圧電
   素子。