JPH11261121A - 積層圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分極処理時における電気的なトラブルが生じ
にくい積層圧電素子を提供する。 【解決手段】 電気−機械エネルギー変換機能を有する
材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼
結された積層圧電素子において、分極処理に使用する表
面の電極層（５−１〜５−３）の厚さと、導通回路機能
を有する電極層の厚さ（６−２）を他の内部の電極層
（６−３，６−４，６−５）の厚さより厚くした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は積層圧電素子に係
り、特に分極処理時におけるトラブルの発生を防止でき
る積層圧電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば電気−機械エネルギー変換
機能を有する圧電セラミックス等の電気−機械エネルギ
ー変換材料で形成された圧電体である圧電セラミックス
（層）と、電極材料（層）とを交互に積層した積層圧電
素子が提案されている。

【０００３】この積層圧電素子は、例えば同じ厚さの単
一の板状の圧電セラミックスと比較した場合、低い印加
電圧で大きな変形歪や大きな発生力が得られるので、近
年、特に圧電アクチュエータや振動波モータ等の振動駆
動装置を構成する振動体の駆動部に検討され適用されつ
つある。

【０００４】このような積層圧電素子の製造方法は、主
に焼成前の圧電セラミックス粉末を有機バインダーと混
合したシート状の成形体（グリーンシート）の層と、電
極ペーストの層を焼結前に各々複数枚重ね合せ熱圧着し
て一体化した後に焼成して形成する焼結一体型の方法で
あり、圧電セラミックスの層をより薄く形成でき、より
小型で信頼性の高い積層圧電素子が可能となる。

【０００５】一般に、上述の製造に用いる電極材料は、
圧電セラミックスと同時焼成を行うので、融点の高い貴
金属（白金、パラジウム、銀など）を単一もしくは混合
して使用しており、圧電セラミックスの焼結温度にもよ
るが、通常は銀−パラジウムの重量比が５：５〜８：２
で使用されている。

【０００６】これらの貴金属は高価であり、積層圧電素
子の材料費の中でも最も高いコストを占める。そこで電
極層は積層圧電素子として製造可能な範囲でさらに、性
能上問題のない範囲でできるだけ薄くなるように電極材
料、有機バインダー、溶剤、その他添加物からなる電極
ペーストとこれを層に形成する例えばスクリーン印刷法
を工夫して製造している。

【０００７】そして、このようにして形成された圧電素
子を実際の使用に合わせて伸縮させるための分極処理が
行われることになり、最上層の表面電極層はこの分極処
理の際に接触電極として使用されるが、分極処理の終了
後においては、削除され、表面に露出する個々のスルー
ホール（スルーホールに導電体を充填したものをスルー
ホール電極と称したり、バイヤホール等と称することも
ある）と駆動回路との接続を可能としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、積層圧電素
子は使用する前に圧電セラミックス層に電圧を印加する
分極処理が行われるが、通常、高温下（８０℃〜２００
℃）で３ＫＶ／ｍｍ〜１ＫＶ／ｍｍの電圧を３０分間〜
１時間程印加して処理を行っていた。

【０００９】この処理の際、積層圧電素子は従来の単板
の圧電素子と比べ静電容量が著しく大きいため、印加直
後に流れる電流も非常に大きくなり、前述の薄い電極
層、とりわけ、分極処理のための直流電源から直接接触
する積層圧電素子の表面電極層とこの表面電極層と各内
部電極層をつなぐ導体電極のつなぎ部分に大きな電流が
流れるため、スパークが発生し易く、その結果溶断が起
り、分極処理ができなくなったり、スパークによる衝撃
で素子の破壊が生じることがあった。

【００１０】また、積層圧電素子は各内部電極層をつな
ぐ導体電極に回路基板に使われるスルーホールを応用し
た素子であり、直流電源と直接接触する表面電極層以外
に配線用回路機能を有する内部電極層（後述）を有して
おり、この配線用の電極層においても上記と同様の理由
で配線用の電極層と、導体電極のつぎ目部分でスパーク
や溶断が生じ、素子が破壊することもあった。

【００１１】本出願に係る発明の目的は、分極処理時に
おける電気的なトラブルが生じにくい積層圧電素子を提
供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本出願に係る発明の目的
を実現する第１の構成は、電気−機械エネルギー変換機
能を有する材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ね
て積層し焼結された積層圧電素子において、分極処理に
使用する表面の電極層の厚さを内部の電極層の厚さより
も厚くしたものである。

【００１３】本出願に係る発明の目的を実現する第２の
構成は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の
層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結され
た積層圧電素子において、導通回路機能を有する電極層
の厚さを他の内部の電極層の厚さより厚くしたものであ
る。

【００１４】本出願に係る発明の目的を実現する第３の
構成は、電気−機械エネルギー変換機能を有する材料の
層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼結され
た積層圧電素子において、分極処理に使用する表面の電
極層の厚さと、導通回路機能を有する電極層の厚さを他
の内部の電極層の厚さより厚くしたものである。

【００１５】本出願に係る発明の目的を実現する第４の
構成は、前記分極処理に使用する表面の電極層の厚さを
平均４〜６μｍとし、内部の電極層の厚さを２〜３μｍ
以下としたものである。

【００１６】本出願に係る発明の目的を実現する第５の
構成は、導通回路機能を有する電極層の厚さを平均４〜
６μｍとし、その他の電極層の厚さを平均２〜３μｍと
したものである。

【００１７】本出願に係る発明の目的を実現する第６の
構成は、分極処理に使用する表面の電極層の厚さを平均
４〜６μｍとし、導通回路機能を有する電極層の厚さを
平均４〜６μｍとし、その他の電極層の厚さを平均２〜
３μｍとしたものである。

【００１８】本出願に係る発明の目的を実現する第７の
構成は、各電極層間を導通するためにスルーホールを用
いるものである。

【００１９】上記の構成によれば、積層圧電素子の分極
処理時に発生するスパークによって起こる電極層と各電
極層間をつなぐ導体電極の溶断での素子の分極不良を防
止することができる。また、スパークや溶断の発生を防
ぐための電圧の印加方法たとえば少しづつ電圧を上げる
など特別手段や装置を用いることなく短時間での分極が
可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１、図２
は本発明の第１の実施の形態を示す。

【００２１】図１は積層圧電素子１の分極処理時の外観
図、図２は第１層の表面電極層５（各電極は５−１〜５
−３）および２層目以降の電極層６（６−２〜）をつな
ぐスルーホールである最上部の導体電極３（３−１〜３
−１２）および２層目以降の導体電極４（４−２−１〜
９・・・）を示す。

【００２２】本実施の形態の積層圧電素子は、外径φ１
０ｍｍ、内径φ２．８ｍｍ、厚さ約２ｍｍであり、第１
層（直径φ９．５ｍｍ）と第２層から第２２層（直径φ
９ｍｍ）の電極層からなり、これらの電極層は圧電セラ
ミックス粉末と有機バインダーからなる厚さ９０μｍの
グリーンシート（不図示）上にスクリーン印刷法により
電極ペーストを印刷して形成した。

【００２３】また、スルーホール３，４は、同じくグリ
ーンシートに約０．１ｍｍの穴をあけ、穴の内部に電極
ペーストを充填して各電極層間の導通が図れるように形
成した。使用した電極ペーストの電極材料は、銀とパラ
ジウムで重量比で６：４である。これらのグリーンシー
トと電極層は精度よく同位相に重ね合せ熱プレスにより
それぞれ圧着させ、その後最高温度１１２０℃で焼成
し、焼成により約２０％収縮した。

【００２４】なお、スルーホールは第１層の電極層から
第２３層までつながっているのは３−２〜３−９であ
り、３−１は第３層まで（第３層のＳは信号を出力する
ためのセンサ用の電極層）、３−１０〜３−１２は本積
層圧電素子の位置認識用のスルーホールである。

【００２５】ここで、第１層の電極層５−１〜５−３
は、分極処理の際に、図１で分極用の直流電源から直接
にコンタクトピン２で電圧が印加される表面電極層であ
る。分極処理は、図１で直流電源８を用い、ＧＮＤを基
準にして（＋）側に１８０Ｖ、（−）側に−１８０Ｖを
印加し、１５０℃のシリコーンオイル中で１時間かけて
行った。

【００２６】本実施の形態では、第１層の電極層５の厚
さを他の電極層６よりも厚くしている。

【００２７】従来、第１層から第２２層の電極層の厚さ
は高価な貴金属を使用していることから、できるだけ薄
く形成していたが、現状の電極ペーストとスクリーン印
刷法では薄くて１μｍ台であり、平均２〜３μｍとなっ
ていた。

【００２８】この状態で、前述の条件で分極処理を行う
と、印加直後はいわばコンデンサーに充電がなされるの
と同じ原理で急激に電流が流れ（本積層素子の静電容量
は（＋）（−）側で各々６５ｎＦを有する）、スルーホ
ール電極３−２〜３−９と電極層５−１〜５−３のつな
ぎ目部分でスパークが発生し易く、前述のごとく溶断に
よる分極不良や、スパークの衝撃による素子の破壊が発
生することがあった。そこで、スクリーンの版を変更
し、表面電極層５−１〜５−３の厚さを平均４〜６μｍ
にしたところ発生は殆どなくなった。

【００２９】表面電極層５の厚さをさらに厚くすればよ
り効果は確実になる。これは表面電極層５の厚みを増や
すことで、スルーホール表面との導通が確実になり、電
気抵抗が減少することでスパーク溶断が起りにくくなっ
たと思われる。ただあまり厚くなってもコストが上り不
適切である。

【００３０】また、本実施の形態は、スルーホールによ
る導体電極を用いているが、スルーホール以外に良く使
用される、素子側面に設ける導体電極である側面電極に
関しても電極層を厚くすることは同様の効果がみられ
た。

【００３１】（第２の実施の形態）本実施の形態は、第
１層の電極層に加え、図２に示す第２層の電極層６−２
の厚さを他の電極層よりも厚くしたものである。

【００３２】第２層の電極層６−２は、図１に示すよう
にスルーホール３−４と４−２−４，３−５と４−２−
５，３−７と４−２−７，３−８と４−２−８，３−９
と４−２−９の５ケ所は第２層の電極層を介して下の第
３層のスルーホールへ導通が行われており、導通回路機
能を持つ配線用の内部電極層でもある。

【００３３】図３は、スルーホール３−４と４−２−４
の半径方向の横断面の模式図を示す。分極に使用する電
極層５−１につながるスルーホール３−４は第２層６−
２の電極層を介して、スルーホール４−２−４と導通が
図られている。

【００３４】図において、電極層を厚くすることでスル
ーホール３−４と電極層５−１との接続部、同じくスル
ーホール３−４と電極層６−２、スルーホール４−２−
４と電極層６−２の各々の接続部の部分の電気抵抗が減
少し、導通がより確実になりスパーク溶断の発生がなく
なる。

【００３５】一方、スルーホール３−２，３−３，３−
６は真直ぐに第２２層までスルーホールにより導通が図
られる。なお、スルーホール３−１，３−１０〜３−１
２については前述の通りである。

【００３６】従来第２層の電極層も平均２〜３μｍとな
っていたが、分極処理直後は急激に流れる電流のためス
パークが発生し分極不良や第１層の表面にクラックが生
じたり、素子全体の破壊が生じたりする問題が頻繁して
発生していた。そこで第２層の電極層の厚さを平均４〜
６μｍにしたところ発生はほとんどなくなった。

【００３７】ただし、電極層の厚さをさらに厚くする
と、第２層は内部電極層であるため第１層の電極層が形
成された圧電セラミック層と剥離し易くなった。これは
基本的に電極層は圧電セラミック層とは化学的に反応し
ておらず電極層が厚くなると剥離が起り易いものと考え
られる。そのため第２層の回路用電極層の厚さは４〜６
μｍが最適である。

【００３８】なお、実際の厚くする電極膜は第２層の全
領域でなくてもスルーホールのある３−４と４−２−
４，３−５と４−２−５，３−７と４−２−７，３−８
と４−２−８，３−９と４−２−９のある領域だけで良
いが、製造上（スクリーン印刷法）、第２層全域の電極
膜の厚さを厚くした方が容易である。

【００３９】なお、上記した積層圧電素子の用途として
は、２方向の曲げ振動の合成で進行波を形成する振動波
モータ等の振動波駆動装置における振動体を構成する振
動発生源として利用されるものであるが、特に、この目
的に限定されたものではなく電極層の構成を変更すれば
他の目的の振動発生源として使用することが可能であ
り、例えば積層の圧電トランスなどにも充分に適用可能
である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
分極処理時に起こる不良を減らし、積層圧電素子の良品
率を向上させるとともに、分極処理に使用する電源やそ
の電圧条件やその昇圧方法、手段に特別に工夫を行うこ
となく短時間での分極処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す斜視図。

【図２】図１の積層圧電素子の各層の平面図。

【図３】第２の実施の形態の積層圧電素子の一部側断面
図。

【符号の説明】

１ 積層圧電素子 ２ コンタクトピン ３，４ スルーホール導体電極 ５ 第１層分極用表面電極層 ６ 第２層回路用電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 孝宏 埼玉県鴻巣市寺谷835−11 (72)発明者 江崎 徹 東京都北区浮間１−３−１−315

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換機能を有する
   材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼
   結された積層圧電素子において、 分極処理に使用する表面の電極層の厚さを内部の電極層
   の厚さよりも厚くしたことを特徴とした積層圧電素子。
2. 【請求項２】 電気−機械エネルギー変換機能を有する
   材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼
   結された積層圧電素子において、 導通回路機能を有する電極層の厚さを他の内部の電極層
   の厚さより厚くしたことを特徴とする積層圧電素子。
3. 【請求項３】 電気−機械エネルギー変換機能を有する
   材料の層と電極材料の層とを交互に複数重ねて積層し焼
   結された積層圧電素子において、 分極処理に使用する表面の電極層の厚さと、導通回路機
   能を有する電極層の厚さを他の内部の電極層の厚さより
   厚くしたことを特徴とする積層圧電素子。
4. 【請求項４】 前記分極処理に使用する表面の電極層の
   厚さを平均４〜６μｍとし、内部の電極層の厚さを２〜
   ３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の積
   層圧電素子。
5. 【請求項５】 導通回路機能を有する電極層の厚さを平
   均４〜６μｍとし、その他の電極層の厚さを平均２〜３
   μｍとしたことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電
   素子。
6. 【請求項６】 分極処理に使用する表面の電極層の厚さ
   を平均４〜６μｍとし、導通回路機能を有する電極層の
   厚さを平均４〜６μｍとし、その他の電極層の厚さを平
   均２〜３μｍとしたことを特徴とする請求項３に記載の
   積層圧電素子。
7. 【請求項７】 各電極層間を導通するためにスルーホー
   ルを用いたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５
   または６に記載の積層圧電素子。