JP2007019420A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的容易に製造でき、耐クラック性に優れた積層型圧電素子を提供する。
【解決手段】 積層型圧電素子１は、圧電体３と内部電極４とが交互に積層されてなる複数層の積層体２を備える。これらの積層体２の間には、圧電体３と同一組成系の圧電材料で形成され、圧電体３よりも密度の低い緩衝層５が介在されている。圧電体３、内部電極４及び緩衝層５は、一体焼結されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電体と内部電極とを有する積層型圧電素子に関するものである。

従来の積層型圧電素子としては、例えば特許文献１に記載されているように、圧電体と内部電極とが交互に積層されてなる積層体素子同士を、接合層を介して積層したものが知られている。このような積層型圧電素子では、内部電極に電圧を印加し、積層方向に重なり合う異極の内部電極に挟まれた圧電体を伸縮させることで、積層体を任意に変位させることができる。
特開２００５−４５０８６号公報

しかしながら、上述したような積層型圧電素子においては、複数の積層体素子を形成し、これらの積層体素子同士を接合層により接合しているので、積層型圧電素子の製造が複雑で製造工程が多くなり、量産性が悪いという問題があった。また、接合層は、例えば圧電体と熱膨張率が異なるガラス系の材料や高分子材料により形成されているので、耐クラック性で劣り、特に熱衝撃により積層体素子にクラックが入りやすくなる。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、比較的容易に製造でき、耐クラック性に優れた積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本発明は、圧電体と内部電極とが交互に積層されてなる複数層の積層体を備えた積層型圧電素子であって、各層の積層体の間には、圧電体と同一組成系の圧電材料で形成され、圧電体よりも密度の低い緩衝層が介在されており、圧電体、内部電極及び緩衝層は、一体焼結されていることを特徴とするものである。

このような本発明の積層型圧電素子では、圧電体と内部電極とが交互に積層されてなる各層の積層体の間に、圧電体よりも密度の低い緩衝層を設けることにより、内部電極に電圧を印加して圧電体を変位（伸縮）させたときに、積層体にかかる応力が緩和されるようになる。ここで、圧電体と内部電極と緩衝層とを一体焼結することにより、積層体同士を接着剤で接合しなくて済む。このため、製造工程が簡略化され、積層型圧電素子を比較的簡単に製造することができる。さらに、緩衝層を圧電体と同一組成系の圧電材料で形成することにより、圧電体及び緩衝層の熱膨張率は同等となるため、一体焼結時に積層方向に延びるクラック等が生じにくくなる。

好ましくは、緩衝層の上面及び下面は、圧電体と接している。これにより、圧電体より密度の低い緩衝層が内部電極に直接影響を与えることが防止されるため、積層体を適切に変位させることができる。また、緩衝層は圧電体と接するが、これらは同一組成系の圧電材料で形成されているので、一体焼結時に圧電体と緩衝層との間に不要な反応が起こることは無い。

また、好ましくは、緩衝層を形成する圧電材料の焼結温度は、圧電体を形成する圧電材料の焼結温度より高くなっている。これにより、例えば圧電体を形成する圧電材料の焼結温度と同じ温度で圧電体と内部電極と緩衝層とを一体焼結すると、圧電体を形成する圧電材料は完全に焼結しても、緩衝層を形成する圧電材料は未焼結（素焼き）の状態となるので、緩衝層を簡単かつ確実に形成することができる。

本発明によれば、積層型圧電素子を比較的容易に製造できるので、積層型圧電素子の大量生産を実現でき、製造コストを低減することが可能となる。また、積層体の耐クラック性が高くなるので、積層型圧電素子の耐久性を向上させることができる。

以下、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る積層型圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。図２は、図１に示した積層型圧電素子の側面図である。ここで、本実施形態の積層型圧電素子１は、例えば、自動車に搭載される内燃機関の燃料噴射装置として採用されるものである。各図において、本実施形態の積層型圧電素子１は、四角柱状の素子本体２０を備えている。素子本体２０は、複数層の積層体２と、各層の積層体２の間に介在された緩衝層５とを有している。

積層体２は、圧電体３と内部電極４とが交互に積層されてなるものである。各積層体２の最上層及び最下層は、圧電体３となっている。圧電体３は、例えば９５０℃で焼結するＺｎＮｂ系ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのセラミックスを主成分とする材料からなり、「１０ｍｍ×３０mm、厚さ３０μｍ」の長方形板状に形成されている。

内部電極４は、積層体２の側面２ａの内側から反対側の側面２ｂに露出するように形成された内部電極４Ａと、積層体２の側面２ｂの内側から側面２ａに露出するように形成された内部電極４Ｂとからなっている。内部電極４A、４Bは、例えばＡｇ、Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。

緩衝層５は、その上面全体及び下面全体が圧電体３と接するように形成されている。緩衝層５は、圧電体３を形成する圧電セラミック材料と同一組成の圧電セラミック材料、例えば、ＣｏＮｂ系ＰＺＴ等のセラミックスを主成分とする材料で形成されている。ここで、緩衝層５を形成する圧電セラミック材料の焼結温度は、圧電体３を形成する圧電セラミック材料の焼結温度より高い、例えば１１００℃である。なお、ＰＺＴの焼結温度を高くするには、例えばＰＺＴの組成自体を変えても良いし、或いは圧電体３を形成するＰＺＴよりも粉体（粒子）の大きなＰＺＴを用いれば良い。緩衝層５も、圧電体３と同様に、例えば「１０ｍｍ×３０mm、厚さ３０μｍ」の長方形板状に形成されている。

素子本体２０は、内部電極４Ａ、４Ｂが圧電体３及び緩衝層５を介して交互に積層されるように形成されている。そして、素子本体２０において、内部電極４A、４Bが積層方向に重なり合う領域は、圧電体３の伸縮動作（変位）に寄与する活性領域を形成し、内部電極４A、４Bが重なり合わない領域（両端部領域）は、圧電体３の伸縮動作に寄与しない不活性領域を構成している。

このような素子本体２０の両側面には、内部電極４Ａ、４Ｂと電気的に接続された外部電極６Ａ、６Ｂが設けられている。外部電極６Ａ、６Ｂは、積層された各積層体２の側面２ａ，２ｂの一部を覆うように積層方向に延在する電極部７と、この電極部７の外側に配置され、積層方向に波状に延在する波状電極部８とからなっている。波状電極部８は、積層方向に伸縮性（柔軟性）をもつように電極部７に接合されている。電極部７は、例えばＡｇ、Ａｕ及びＣｕのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。波状電極部８は、例えばＣｕ及びその合金、Ｎｉ及びその合金、フレキシブル基板等で形成されている。

このような積層型圧電素子１において、外部電極６Ａ、６Ｂ間に電圧が印加されると、外部電極６Ａ、６Ｂと接続された内部電極４Ａ、４Ｂ間に電圧が印加されることになる。これにより、各内部電極４Ａ、４Ｂに挟まれた活性領域の圧電体３に電界が生じ、当該圧電体３が積層体２の積層方向に変位するようになる。

ここで、素子本体２０には、所定層ごとに緩衝層５が形成されているので、例えば積層型圧電素子１が長時間にわたって使用されることで、圧電体３の変位により素子本体２０の両側面から素子本体２０の内部に至るクラックが発生する場合には、そのクラックは緩衝層５に沿って、横方向に延びるようになる。従って、圧電体３の変位時に素子本体２０にかかる応力が十分に緩和されるので、積層体２の積層方向にクラックが発生することは無い。

また、緩衝層５にクラックが生じることで、万が一その位置で外部電極６Ａ、６Ｂの電極部７が切断されたとしても、その電極部７には波状の電極部８が接続されているので、内部電極４Ａと外部電極６Ａとの電気的接続、内部電極４Ｂと外部電極６Ｂとの電気的接続は確保されたままとなる。

次に、上述した積層型圧電素子１を製造する方法について、図３により説明する。まず、例えばＺｎＮｂ系ＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム（図示せず）上に塗布することにより、上記の圧電体３となるセラミックグリーンシート９を複数枚形成する。

グリーンシート９の形成方法と同様に、例えばＣｏＮｂ系ＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム（図示せず）上に塗布し、上記の緩衝層５となるセラミックグリーンシート１１を複数枚形成する。

続いて、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、そのペーストをスクリーン印刷することにより、上記の内部電極４Ａに相当する電極パターン１０Ａ及び、上記の内部電極４Ｂに相当する電極パターン１０Ｂを、別々のグリーンシート９の上面に形成する。

続いて、電極パターン１０Ａが印刷されたグリーンシート９と、電極パターン１０Ｂが印刷されたグリーンシート９と、電極パターン１０Ａ，１０Ｂが印刷されていないグリーンシート９を所定の枚数だけ所定の順序で積層し、上記積層体２となるグリーン積層体１２を複数作製する。更に、これらのグリーン積層体１２を、グリーンシート１１を介して積層し、電極パターン１０Ａ，１０Ｂが印刷されていないグリーンシート９を最上層及び最下層に積層することにより、上記の素子本体２０となるグリーン積層体１３を作製する。なお、グリーン積層体１３において、グリーンシート９の積層数を、例えば３５０層とし、例えば３０層おきにグリーンシート１１を配置する構成とした。

続いて、グリーン積層体１３を６０℃程度の温度で加熱しながら１００ＭＰａ程度の圧力で積層方向にプレス加工した後、そのグリーン積層体１３を例えばダイヤモンドブレードにより所定の寸法に切断する。これにより、図３に示すように、電極パターン１０Ａ，１０Ｂがグリーン積層体１３の側面に露出するようになる。

そして、切断後のグリーン積層体１３をセッターに載せ、当該グリーン積層体１３の脱脂（脱バインダ）を例えば４００℃前後の温度で１０時間程度行う。その後、脱脂後のグリーン積層体１３が載置されたセッターをこう鉢炉内に入れ、当該グリーン積層体１３の焼結を例えば、９５０℃程度の温度で２時間程度行う。

このとき、緩衝層５を圧電体３よりも焼結温度の高い圧電材料で形成し、圧電体３の焼結温度で一体焼結しているので、グリーンシート９は完全に焼結しているにも拘らず、グリーンシート１１は未焼結の状態（素焼き状態）となる。従って、特にセラミック材料に対する有機バインダ樹脂の量を調整しなくても、圧電体３に比べて十分に低い密度を有する緩衝層５を所定層おきに簡単かつ確実に形成できる。

ここで、グリーン積層体１２において、電極パターン１０Ａ、１０Ｂ同士が重なり合う領域（活性領域）では、焼結時に電極パターン１０Ａ、１０Ｂの材料であるＡｇが拡散し、焼結を促進させることになる。このため、活性領域における緩衝層５の密度よりも、不活性領域における緩衝層５の密度が低くなる。

また、グリーンシート９、１１は、同一組成系の圧電材料で形成されているので、一体焼結時にグリーンシート９とグリーンシート１１との間で不要な反応が起こることは無い。これにより、緩衝層５が全体的にきれいに焼け上がるようになる。

続いて、素子本体２０の両側面に外部電極６Ａ、６Ｂを形成する。具体的には、まず例えばＡｇを主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷した後、例えば７００℃程度の温度で焼付処理を行うことで、素子本体２０の両側面にそれぞれ電極部７を形成する。なお、この電極部７の形成手法としては、焼付の代わりにスパッタリング法や無電解メッキ法等を用いても良い。そして、波状に延びる波状電極部８を、例えば半田付けにより複数の箇所で電極部７と接合する。

最後に、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体３の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う。以上により、積層型圧電素子１が完成する。

以上このように本実施形態の積層型圧電素子１では、各層の積層体２の間に、圧電体３よりも密度の低い緩衝層５を備えているので、燃料噴射装置等の苛酷な環境条件の下での運転時においても、圧電体３が変位したときに積層体２にかかる応力が緩衝層５で緩和され、上下方向に延びるクラック等の破損が起きにくくなる。これにより、異極の内部電極４Ａ，４Ｂ同士のショートが防止されるため、素子の絶縁破壊を避けることができる。さらに、圧電体３及び緩衝層５が同一組成の圧電材料で形成されているので、積層体２同士をガラス系の材料や高分子材料の接合層により接合した場合に比べ、一体焼結時に、上下方向に延びるクラック等が発生しにくくなる。従って、積層型圧電素子１の耐久性及び信頼性を向上させることができる。

また、圧電体３、内部電極４及び緩衝層５が一体焼結して形成されるので、積層型圧電素子１を比較的簡単に製造でき、製造コストを低減することが可能となる。

以上、本発明に係わる積層型圧電素子の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の積層型圧電素子１では、素子本体２０の形状を四角柱状としたが、他の多角柱形状や円柱形状であっても良い。素子本体２０の側面において外部電極６Ａ及び６Ｂを設ける位置としては、互いに接触しない位置であれば良い。

本発明に係わる積層型圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示した積層型圧電素子の側面図である。 図１に示した積層型圧電素子を製造する際に作製されるグリーン積層体の切断後の状態を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、３…圧電体、４、４Ａ、４Ｂ…内部電極、５…緩衝層

Claims (3)

1. 圧電体と内部電極とが交互に積層されてなる複数層の積層体を備えた積層型圧電素子であって、
   前記各層の積層体の間には、前記圧電体と同一組成系の圧電材料で形成され、前記圧電体よりも密度の低い緩衝層が介在されており、
   前記圧電体、前記内部電極及び前記緩衝層は、一体焼結されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記緩衝層の上面及び下面は、前記圧電体と接していることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記緩衝層を形成する圧電材料の焼結温度は、前記圧電体を形成する圧電材料の焼結温度より高いことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の積層型圧電素子

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