JPH10233538A

JPH10233538A - 積層圧電素子

Info

Publication number: JPH10233538A
Application number: JP9037285A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kato; 純一加藤; Keiichi Takahashi; 慶一高橋; Tetsuya Furuhata; 哲也降旗
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1998-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化に有利な矩形板伸び振動モードの圧電振
動子で、、素子容量と電気機械結合係数が大きく、か
つ、層間剥離のない圧電振動素子を提供する。【解決手段】焼成体３の内部に複数の電極層４が形成さ
れた直方体形状の積層圧電素子において、前記内部電極
４は直方体の一対の相対する面に垂直かつ、他の一対の
相対する面に平行に層状に配置された複数の線、または
帯状電極であり、同一層の隣り合う電極間部が逆方向に
分極された積層圧電振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフィルタやアクチュ
エータ等に用いられる圧電振動素子、とくに圧電セラミ
ックの内部に電極を有する積層圧電素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】圧電セラミックを用いた振動素子は周波
数フィルタや微少変位を与えるアクチュエータとして広
く用いられている。この振動子は通常、焼成した圧電材
料に電極を付与し、直流高電圧を印加して分極する操作
により圧電性を発現させ、振動素子とするものである。
素子の形状は求められる周波数と振動モードから設定さ
れるが、素子の形状が決まると駆動電極の形状と電極間
の寸法が決まるため、素子の静電容量に任意性が無く、
特にセラミックの厚さを薄くすることに自ずから制限が
あるため、大きな静電容量を得ることが困難である。ま
た、近年特に要求されてきた部品の小型化のため、振動
素子を小型化すると素子の静電容量が下がり、インピー
ダンスが高くなり、回路的に使用しにくい場合がある。

【０００３】例えば、複数の静電容量の大きい素子を並
列枝に、静電容量の小さい素子を直列枝に接続するラダ
ーフィルタでは、図１３で示す正方形の角板の面拡がり
振動モードが用いられてきたが、小型にするためには図
１４で示す矩形板の伸び振動モードを使うと、素子幅を
１／３〜１／４に短縮できるので有利である。図中４１
は圧電セラミック、４２は駆動電極、４３の矢印は分極
方向、４４の矢印は振動方向を示す。しかしながら、角
板を矩形板にすると電極面積の減少による素子静電容量
の減少は避けられない。さらに、角板の面拡がり振動モ
ードでは、高い電気機械結合係数ｋ_pが利用できるが、
矩形板では振動モードとしては棒の横効果伸び振動モー
ドとなり、このモードでの電気機械結合係数はｋ₃₁であ
るから、ｋ_pに比べ小さな結合係数しか得られず、通過
帯域の広いフィルタは構成できない。小さな素子でその
静電容量を大きくする方法として、セラミックの内部に
電極を形成した積層圧電素子を用いる構造が、短冊状の
振動子形状で実開昭６０−１１９１３３号公報に、角板
形状の振動子で実開平４−７６７２４号公報に開示され
ている。後者の角板形状は図１３の角板の面拡がりモー
ドで駆動されると考えられ、高い電気機械結合係数が得
られるが、小型化には不利である。一方、前者の短冊状
振動子は小型の振動子を提供する上での効果が大きい
が、電極が短冊状の圧電板に平行に積層された平面状の
電極で構成されているため振動モードは横効果伸び振動
であり、電気機械結合係数は小さくなる。

【０００４】さらに、圧電セラミック材料と電極材料を
同時に焼成して得られる積層圧電素子では、セラミック
グリーンシート上に電極パターンを形成し、これを順次
必要枚数積層するプロセス（例えば特開昭５５−１４３
８１２号公報、）が一般的であるが、内部電極と圧電セ
ラミックの固着が弱く、層間剥離が発生することがあ
る。これに対して、特開昭５６−１６１７１０号公報の
ように、内部電極に多数の欠落部分を形成し、剥離が生
じないようにする方法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】小型化に有利な矩形板
の伸び振動モードを駆動し、かつ、高い電気機械結合係
数と大きな素子静電容量を得ることが望まれている。こ
のためには、図１５で示す棒の縦効果伸び振動を利用す
ることが考えられる。この振動モードは矩形板の長手方
向に分極された圧電体の分極に垂直方向に駆動電極を形
成した振動子であり、関係する電気機械結合係数はｋ₃₃
である。一般に、結合係数、ｋ₃₃はｋ₃₁より高く、ｋ_p
と同等の電気機械結合係数が期待できる。しかしながら
素子の電極間距離が矩形板の長さ寸法となるため容量は
図１４で示した横効果伸び振動モードよりさらに小さく
なってしまう。また、矩形板の長手方向に垂直な内部電
極を形成した積層圧電素子は、前述したようにセラミッ
クと内部電極間で剥離する場合が多い。

【０００６】本発明はこのような従来技術の欠点を解決
し、小型化に有利な矩形板の伸び振動モードを励起し、
かつ、高い結合係数と大きな素子静電容量、および層間
での剥離がない積層圧電素子を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の請求項１記載の積層圧電素子は、直方体形
状の圧電セラミックと、前記圧電セラミックの一対の相
対する面に垂直でかつ前記圧電セラミック内に含まれる
複数の線状または帯状電極とを備え、前記線状または帯
状電極が前記圧電セラミックの他の一対の相対する面に
平行に層状に配置され、同一層の隣り合う電極間部が逆
方向に分極されているものである。

【０００８】本発明の請求項１記載の積層圧電素子にお
いて、複数層に形成された線、または帯状電極は隣接す
る層間でほぼ同一位置にあることが好ましく、より高い
電気機械結合係数が得られるものである。

【０００９】また、本発明の請求項１記載の積層圧電素
子の複数層の同一平面に形成された線、または帯状電極
がひとつおきに直方体の両側端部に交互に露出し、露出
した電極端部が直方体側面で接続することにより、内部
電極との接続を容易にするものである。

【００１０】さらに、本発明の請求項１記載の積層圧電
素子の複数層の同一平面に形成された線、または帯状電
極が、一端でひとつおきに接続電極で接続された２対の
向かい合った櫛形構造とすることにより、内部電極の接
続を容易にするものである。

【００１１】本発明の請求項４記載の積層圧電素子は、
直方体形状の圧電セラミックと、前記圧電セラミックの
一対の相対する面に垂直でかつ前記圧電セラミック内に
含まれる複数の線状または帯状電極とを備え、前記線状
または帯状電極が前記圧電セラミックの他の一対の相対
する面に平行に層状に配置され、前記圧電セラミックの
他のもうひとつの一対の相対する面に平行でかつ前記線
状または帯状電極のうちのいずれか一つの電極が存在す
る断面上に、前記いずれか一つの電極が存在する層と一
つ置きに並んだすべての層が前記線状または帯状電極の
うちの一つの電極を必ず有し、前記断面のうち隣り合う
断面同志は同一層に前記線状または帯状電極を有せず、
隣り合う層間部が前記断面方向に逆方向に分極され、隣
り合う前記断面間部が層方向に逆方向に分極されている
ものである。

【００１２】さらに、本発明の請求項１または請求項４
記載の積層圧電素子の電極端部が露出した直方体側面
が、露出電極端部のすくなくとも一部を残して低誘電率
材料で被覆され、その上に導電層が形成されて露出電極
を接続することにより、浮遊容量が小さな積層圧電素子
を得るものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
を参照して説明する。

【００１４】以下に、本発明の請求項１の一の実施の形
態の構成を、その製作工程に従って説明する。図１は本
発明の請求項１の一の実施の形態における積層圧電素子
を分解して示す斜視図、図２は図１の積層圧電素子を示
す全体斜視図である。

【００１５】１はジルコンチタン酸鉛を主成分とする圧
電材料粉体と有機バインダーを混合してシート成型され
たセラミックグリーンシートである。このグリーンシー
ト上に銀−パラジウムペーストを印刷して帯状電極２を
形成する。図１のように電極が印刷された複数のグリー
ンシートを積み重ね、上下よりおよそ１００ＭＰａの圧
力を加えてグリーンシート同士を接着して一体化する。
一体化した積層体を空気中で４００〜５００℃に加熱し
てバインダーを焼却し、セラミックの焼成に適した温度
で焼成し、図２で示す焼成体を得る。帯状電極２は積層
の上下でそろっている方が、分極や駆動時の電界が均一
となりやすいのでより望ましい。焼成体３の側面には内
部電極４が露出している。図２では、簡単のために１つ
の素子のみを示したが、複数の素子を形成する電極パタ
ーンを印刷し、積層後に個々の素子に切断したのち焼成
してもよいし、積層、焼成後に個々の素子に切断しても
かまわない。焼成温度は使用する圧電材料の組成やその
粒径に依存するが、電極として銀や銀−パラジウムを用
いる場合には、その融点以下である９００〜１１５０℃
で焼成できることが望ましい。

【００１６】図３は図２の正面の一部を拡大した図であ
る。焼成された素子は図３のＡ群の電極とＣ群の電極の
様な一つおきの電極を接続し、隣接するＢ群の電極群と
の間で直流高電界として３ｋＶ／ｍｍを印加して分極処
理を行う。このとき、試料をオイル中に入れ、１００℃
程度に加熱した方が分極させやすい。この結果、圧電セ
ラミックは５の矢印で示したように電極群を挟んで逆向
きに分極される。分極後に同じ接続により、交流電界を
印加すると分極方向と平行に交流電界が印加されること
になり、圧電振動モードは棒の縦効果伸び振動と近似で
きる振動が励起され、矩形板の長さ寸法で決まる周波数
で共振する。このとき、電気機械結合係数はｋ₃₃と同等
の値が得られる。

【００１７】つぎに、このような積層圧電素子の電極接
続を容易にする方法を図４により説明する。図４は前記
積層圧電素子の電極接続を容易にする方法で各電極を接
続した場合の電極が形成されている層での断面図であ
る。１１は圧電セラミックを示す。セラミックグリーン
シートの上に帯状電極１２を交互に反対側の端面に露出
するように形成し、これを積層し、焼成する。その後端
面に端面電極１３を形成する。端面電極はＣｒ−Ａｕ等
の蒸着で形成したが、Ａｇペーストの焼き付け電極でも
差し支えない。このような構成により、露出した個々の
電極を接続しなくてもよいので、接続が簡単となる。

【００１８】前記実施の形態における積層圧電素子の電
極接続を容易にする別の方法を図５、６により説明す
る。図５は前記積層圧電素子の電極接続を容易にする別
の方法で各電極を接続した場合の電極が形成されている
層での断面図であり、図６は図５の場合の全体斜視図で
ある。１４は圧電セラミックを示す。セラミックグリー
ンシートの上に帯状で交互に端部で接続された２対の向
かい合った櫛形電極パターン１５を形成し積層する。帯
状電極を接続する電極部分１６はセラミックの端面に露
出させる。露出した電極を接続するには、図６で示すよ
うに素子１７の側面に露出した電極１８の中央部に接続
電極１９を形成すればよい。この接続電極１９は素子間
を接続し、ラダー回路を構成するために接続する電極と
して使用する。

【００１９】次に、本発明の請求項４の一の実施の形態
の構成を、その製作工程に従って説明する。図７は本発
明の請求項４の一の実施の形態における積層圧電素子を
分解して示す斜視図、図８は図７の積層圧電素子を示す
全体斜視図である。

【００２０】本実施の形態の製作工程は前記請求項１の
一の実施形態で述べたものと概ね同じであるが、電極パ
ターンの形成方法において、若干異なる。すなわち、第
１の層となるセラミックグリーンシート２０の上に帯状
電極パターン２１、２２を印刷し、次の層は帯状電極２
１と２２の中間になるように帯状電極２３を形成して、
必要な枚数これを繰り返し、積層体を得るものである。
図８で示すように得られた焼成体２４は、同一層の電
極、例えば２５と２６、の中央に隣接する層の帯状電極
２７がに露出している。

【００２１】図９は図８の正面の一部を拡大した図であ
り、Ｄ群の電極とＦ群の電極を接続し、Ｅ群の電極との
間で分極処理を行う。この結果、圧電体は２８の矢印で
示す方向に分極される。分極後に同じ接続で交流電界を
印加すると圧電体は分極方向に伸縮する。このとき、矩
形板の長さ方向では、それぞれの電極間部で同位相で振
動するが、厚み方向では各層の間で逆位相となり、矩形
板全体の伸縮振動は励起されない。これにより、矩形板
はその長さ寸法で決まる周波数で共振し、棒の横効果伸
び振動の結合係数ｋ₃₁より、高い結合係数が得られる。

【００２２】つぎに、このような積層圧電素子の電極接
続を容易にする方法を図１０により説明する。図１０は
前記積層圧電素子の電極接続を容易にする方法で各電極
を接続した場合の電極が形成されている断面での断面図
である。セラミック２９中に帯状電極３０と３１が交互
に左右の側面に露出するように形成する。３１の帯状電
極はこの断面には無く、紙面の奥行き方向にずれて存在
している。露出した帯状電極３０と３１をそれぞれＡｇ
ペーストの焼付けや蒸着により形成した端面電極３２と
３３で接続することにより、必要な電気接続が容易に得
られる。

【００２３】前記実施の形態における積層圧電素子の電
極接続を容易にする別の方法を図１１により説明する。
図１１は前記積層圧電素子の電極接続を容易にする別の
方法で各電極を接続した場合の電極が形成されている断
面での断面図である。まず、セラミックグリーンシート
３４に帯状電極３６とこれらを接続する電極３８を形成
し、第１層を作成する。次に同様にグリーンシート３５
の上に電極３７と３９を形成し、これを複数回繰り返し
て積層体を得る。積層焼成した後には、電極３８と３９
は反対側の側面に露出しており、これに図６の１９で示
したような接続電極を形成することにより、容易に電気
接続が得られる。

【００２４】また、前記請求項１の一の実施の形態にお
ける積層圧電素子と前記請求項４の一の実施の形態にお
ける積層圧電素子に共通する電気接続方法を図１２によ
り説明する。図１２は前記共通する電気接続方法で各電
極を接続した場合の積層圧電素子の全体斜視図である。
積層素子の両側面に電極が形成された場合、この電極間
の浮遊容量は圧電素子に並列に挿入されることになり、
できるだけ小さいことが望まれる。従って、図３の露出
したＡ群とＣ群、あるいは図９のＤ群とＦ群の電極を図
１２の４０で示す様に樹脂、またはガラスのような低誘
電率材料で被覆し、反対側側面ではＢ群やＥ群の電極を
被覆する。その後、Ａｇペーストや蒸着電極で露出した
ままの電極群を相互に接続すれば、浮遊容量の小さな端
部電極が形成できる。

【００２５】なお、本発明の電極は、前記実施の形態に
おいて、当該電極（図９においては２７’）の隣り合う
層の最も近い２つの帯状電極（図９においては２５’と
２６’）の中間になるように形成されるとしたが、性能
上許容できる範囲で前記最も近い２つの帯状電極のうち
どちらか一方に近づけて形成されるとしても良い。

【００２６】また、本発明の電極は、前記請求項１の一
の実施の形態および前記請求項４の一の実施の形態にお
いて、帯状電極として説明したが、棒状電極としても良
い。

【００２７】本発明の電極は、積層体の各層全面に存在
せず、セラミック層中に電極が存在する形態であるた
め、電極金属とセラミックの接合強度が弱くても層間で
剥離することがない。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明の積層圧電素子に
よれば、小型化に有利な矩形板の伸び振動モードにより
高い電気機械結合係数と大きな素子静電容量を得ること
が可能であり、かつ、セラミックと内部電極間で剥離す
ることがない積層圧電素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１の一の実施の形態における積
層圧電素子を分解して示す斜視図である。

【図２】図１の積層圧電素子を示す全体斜視図である。

【図３】図２の正面の一部を拡大した図である。

【図４】本発明の請求項１の一の実施の形態における積
層圧電素子の電極接続を容易にする方法で各電極を接続
した場合の電極が形成されている層での断面図である。

【図５】本発明の請求項１の一の実施の形態における積
層圧電素子の電極接続を容易にする別の方法で各電極を
接続した場合の電極が形成されている層での断面図であ
る。

【図６】図５の場合の全体斜視図である。

【図７】本発明の請求項４の一の実施の形態における積
層圧電素子を分解して示す斜視図である。

【図８】図７の積層圧電素子を示す全体斜視図である。

【図９】図８の正面の一部を拡大した図である。

【図１０】本発明の請求項４の一の実施の形態における
積層圧電素子の電極接続を容易にする方法で各電極を接
続した場合の電極が形成されている断面での断面図であ
る。

【図１１】本発明の請求項４の一の実施の形態における
積層圧電素子の電極接続を容易にする別の方法で各電極
を接続した場合の電極が形成されている断面での断面図
である。

【図１２】前記請求項１の一の実施の形態における積層
圧電素子と前記請求項４の一の実施の形態における積層
圧電素子に共通する電気接続方法で各電極を接続した場
合の積層圧電素子の全体斜視図である。

【図１３】角板面拡がりモードの振動子と振動を示す図
である。

【図１４】棒の横効果伸びモードの振動子と振動を示す
図である。

【図１５】棒の縦効果伸びモードの振動子と振動を示す
図である。

【符号の説明】

１,２０セラミックグリーンシート２,２１，２２，２３帯状電極３,２４焼成体４,２５，２６，２７内部電極５,２８分極の方向４１圧電セラミック４２駆動電極４３分極方向を示す矢印４４振動方向を示す矢印

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直方体形状の圧電セラミックと、前記圧
電セラミックの一対の相対する面に垂直でかつ前記圧電
セラミック内に含まれる複数の線状または帯状電極とを
備え、前記線状または帯状電極が前記圧電セラミックの
他の一対の相対する面に平行に層状に配置され、同一層
の隣り合う電極間部が逆方向に分極されていることを特
徴とする積層圧電素子。
【請求項２】前記圧電セラミックの他のもうひとつの
一対の相対する面に平行で、前記線状または帯状電極の
うちのいずれか一つの電極が存在する断面上に、すべて
の層が前記線状または帯状電極電極のうちの一つの電極
を必ず有することを特徴とする請求項１に記載の積層圧
電素子。
【請求項３】同一層に配置された前記線状または帯状
電極が、ひとつおきに前記一対の相対する面の各面に交
互に露出し、露出した電極端部が前記一対の相対する面
の各面毎に接続されていることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の積層圧電素子。
【請求項４】直方体形状の圧電セラミックと、前記圧
電セラミックの一対の相対する面に垂直でかつ前記圧電
セラミック内に含まれる複数の線状または帯状電極とを
備え、前記線状または帯状電極が前記圧電セラミックの
他の一対の相対する面に平行に層状に配置され、前記圧
電セラミックの他のもうひとつの一対の相対する面に平
行でかつ前記線状または帯状電極のうちのいずれか一つ
の電極が存在する断面上に、前記いずれか一つの電極が
存在する層と一つ置きに並んだすべての層が前記線状ま
たは帯状電極のうちの一つの電極を必ず有し、前記断面
のうち隣り合う断面同志は同一層に前記線状または帯状
電極を有せず、隣り合う層間部が前記断面方向で逆方向
で分極され、隣り合う前記断面間部が層方向で逆方向に
分極されていることを特徴とする積層圧電素子。
【請求項５】前記線状または帯状電極が、ひとつおき
の層毎に前記一対の相対する面の各面に交互に露出し、
露出した電極端部が前記一対の相対する面の各面毎に接
続されていることを特徴とする請求項４記載の積層圧電
素子。
【請求項６】各面で露出した前記電極端部の前記接続
は、同一層毎に接続されていることを特徴とする請求項
３または５に記載の積層圧電素子。
【請求項７】前記電極端部が露出した一対の相対する
面の各面は、露出した前記電極端部のすくなくとも一部
を残して低誘電率材料によって被覆され、その上に導電
層が形成されて、前記露出した前記電極端部のすくなく
とも一部を接続したことを特徴とする請求項３または５
に記載の積層圧電素子。
【請求項８】前記電極端部が露出した一対の各面毎
に、前記各層の電極端部は互いに接続されていることを
特徴とする請求項６に記載の積層圧電素子。