JP5200331B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料噴射装置等に用いられ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、圧電セラミック層と内部電極とが交互に積層されてなる積層体を有すると共に、積層体における隣接する内部電極間に応力緩和層を所定層毎に形成したものが知られている。
特開２００１−２６７６４６号公報

しかしながら、上記従来技術においては、圧電セラミック層がチタン酸ジルコン酸鉛等で形成され、応力緩和層がチタン酸鉛を主成分とする材料で形成されている。つまり、圧電セラミック層及び応力緩和層は、鉛系或いはチタン酸鉛系といった同様の組成系の材料で形成されている。このため、例えば焼成時に応力緩和層の鉛系成分と圧電セラミック層の鉛系成分との間で化学反応が起こりやすく、圧電セラミック層よりも強度の低い応力緩和層が形成されにくい場合があった。

このように、積層体に応力緩和層が適切に形成されていない場合には、例えば積層体の活性部における圧電体の変位時に積層体にかかる応力を十分に緩和できず、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じやすいといった問題点がある。このようにして、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じてしまうと、積層型圧電素子が絶縁破壊され、積層型圧電素子の耐久性が確保できなくなる。

そこで、本発明の目的は、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じることを防止可能な積層型圧電素子を提供することである。

すなわち、本発明は、複数の圧電体と第１電極及び第２電極を含む複数の内部電極とを交互に積層し焼結してなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、積層体は、第１電極と第２電極とが積層体の積層方向に重なり合うように構成された活性部と、第１電極と第２電極とが積層体の積層方向に重なり合わないように構成された不活性部とを有し、不活性部には、圧電体よりも強度の低い低強度層が設けられており、低強度層は、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５の何れかを含む材料で形成されていることを特徴とするものである。

このような積層型圧電素子を製造する場合は、焼成によって、複数の圧電体、複数の内部電極及び低強度層を有する積層体を得る。このとき、低強度層は、圧電体と異なる組成系の材料で形成されている。すなわち、低強度層は、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５の何れかを含む材料で形成されている。一方、圧電体は、従来のようにチタン酸ジルコン酸鉛等で形成されている。

このように、低強度層及び圧電体が互いに異なる組成系の材料で形成されているため、例えば焼成時に、低強度層の構成成分と圧電体の構成成分との間で不用な化学反応が起こりにくい。その結果、焼成後には、圧電体に比べて強度の低い低強度層が積層体の不活性部に確実に形成されている積層型圧電素子を得ることができる。

そして、このように製造された積層型圧電素子において、第１電極と第２電極との間に電圧を印加すると、両者間に電界が生じ、積層体の活性部における圧電体が積層体の積層方向に変位する。このとき、積層体の不活性部に応力が集中するが、不活性部には圧電体よりも強度の低い低強度層が適切に設けられているので、不活性部にかかる応力が低強度層によって緩和されるようになる。従って、圧電体の変位時に、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じることを防止できる。

また、低強度層は、内部電極と同一の層に形成されていてもよい。

低強度層が第１電極及び第２電極（内部電極）と同一の層に形成される場合には、低強度層の厚みと内部電極の厚みとをほぼ同一にすることで、低強度層と内部電極との間の厚みの違いによる段差を無くすことができる。従って、積層体の焼成時に上記段差による歪みの影響を少なくすることができる。

また、低強度層は、第１電極と第２電極との間の層に、活性部に入り込むように形成されていてもよい。

このことにより、例えば積層体の活性部における圧電体の変位時に、積層体の活性部にクラックが生じてしまう場合には、低強度層に沿って積層体の積層方向に対して垂直な横方向にクラックが入りやすくなる。このため、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を一層確実に防止することができる。

本発明によれば、積層型圧電素子の内部には適切な低強度層が形成されるので、積層体の積層方向に延びるクラック等が生じることを防止できる。したがって、積層型圧電素子の絶縁破壊を防止し、積層型圧電素子の耐久性を向上させることが可能となる。

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。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係わる積層型圧電素子１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１の側面図であり、図３は、図１に示した積層型圧電素子１の部分拡大断面図である。各図において、第１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に用いられるものである。

図１に示すように、積層型圧電素子１は、四角柱状の積層体２を備えている。積層体２は、複数の圧電体３と、複数の内部電極４Ａ，４Ｂとを積層し焼結してなるものである。積層型圧電素子１の寸法は、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ×３５ｍｍ程度である。圧電体３の厚さは、１層当たり８０〜１００μｍ程度である。

圧電体３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。ＰＺＴの組成としては、例えば下記のものが挙げられる。
Pb0.999[(Zn1/3Nb2/3)0.11 Ti0.425 Zr0.465]O₃ +0.2wt%Fe₂O₃+0.2wt%Sb₂O₃
また、ＰＺＴの粉体特性としては、例えばＢＥＴ比表面積は２．５ｍ^２／ｇ程度、平均粒子径は０．６μｍ程度である。このようなＰＺＴの焼結温度は、９５０℃程度である。なお、ＰＺＴに含まれるＰｂの融点は、１０００〜１２００℃程度である。

図２,３に示すように、内部電極４Ａ，４Ｂは、圧電体３を介して交互に積層されている。内部電極４Ａは、積層体２の側面２ｂの内側から反対側の側面２ａに露出するように形成され、内部電極４Ｂは、積層体２の側面２ａの内側から側面２ｂに露出するように形成されている。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂの一部が積層体２の積層方向に重なり合うこととなる。積層体２において、内部電極４Ａ，４Ｂが重なり合う部分は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加した時に圧電体３が変位する活性部Ｐであり、内部電極４Ａ，４Ｂが重なり合わない部分（積層体２の両側端部）は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加した時に圧電体３が変位しない不活性部Ｑである。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。

積層体２の不活性部Ｑには、圧電体３よりも密度（強度）の低い複数の低強度層５が形成されている。この低強度層５は、内部電極４Ａ，４Ｂからなる層と同一の層に形成されており、低強度層５の厚さは内部電極４Ａ，４Ｂからなる層の厚さとほぼ同一である。また、各低強度層５は、各側面２ａ，２ｂにおける一方の縁から内部電極４Ａ，４Ｂと接する部分まで形成されている。低強度層５は、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５の何れかを含む材料で形成されている。すなわち、低強度層５及び圧電体３は、互いに異なる組成系の材料で形成されている。ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５は、圧電体３よりも高融点（融点１５００〜２８００℃）の材料である。

積層体２の側面２ａには、各内部電極４Ａと電気的に接続された外部電極６Ａが設けられ、積層体２の側面２ｂには、各内部電極４Ｂと電気的に接続された外部電極６Ｂが設けられている。

外部電極６Ａ，６Ｂは、各々、積層体２の側面２ａ，２ｂの一部を覆うように積層体２の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、積層体２の積層方向に波状に延在する電極部８とからなっている。電極部８は、積層体２の積層方向に伸縮性（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。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。

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４を参照して説明する。図４は、積層型圧電素子１を製造する際に作製されるグリーン積層体１２の切断後の状態を示す分解斜視図である。

まず、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。

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。このとき、該ペーストをグリーンシート９の上面全面に印刷するのではなく、一端側の領域つまり２つの不活性部Ｑ（図２参照）の何れか一方に対応する領域を残すように印刷する。

続いて、上記グリーンシート９の形成方法と同様に、ＺｒＯ_２と有機バインダ樹脂及び有機溶剤等とを混合したＺｒＯ_２ペーストを更に作製する。なお、ＺｒＯ_２の代わりに、ＭｇＯまたはＮｂ_２Ｏ_５を有機バインダ樹脂及び有機溶剤等に混合させたペーストを作っても良い。

続いて、グリーンシート９の上面において、電極パターン１０Ａ又は電極パターン１０Ｂが印刷されていない領域（上記２つの不活性部Ｑの何れか一方に相当する領域）に、上記ＺｒＯ_２ペーストを例えばスクリーン印刷によって印刷することにより、ＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。このとき、当該ペーストを、電極パターン１０Ａ,１０Ｂと同じ厚さになるように印刷する。これにより、電極パターン１０Ａ又は電極パターン１０ＢとＺｒＯ_２ペースト層１１とが面一となる。

続いて、電極パターン１０Ａ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が印刷されたグリーンシート９と、電極パターン１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が印刷されたグリーンシート９とを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、更に電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が印刷されていないグリーンシート９を最外層に所定数だけ積層することにより、グリーン積層体１２を作製する。

続いて、グリーン積層体１２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１２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４に示すように、電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１がグリーン積層体１２の側面に露出するようになる。

続いて、切断後のグリーン積層体１２をセッターに載せ、当該グリーン積層体１２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１２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１２の焼成を例えば１０００℃程度の温度で２時間程度行う。これにより、グリーン積層体１２
が収縮焼結され、焼結体として上記の積層体２が得られる。

このとき、ＺｒＯ_２ペースト層１１はグリーンシート９と異なる組成系の材料で形成されているため、上記焼成時に、ＺｒＯ_２ペースト層１１とグリーンシート９との焼結反応性が抑制され、両者間で不用な化学反応が起こりにくい。しかも、ＺｒＯ_２ペースト層１１の融点はグリーンシート９の融点よりも低いため、ＺｒＯ_２ペースト層１１はグリーンシート９に比べて十分に焼結されない。その結果、焼成によって、ＺｒＯ_２ペースト層１１は、接合強度の弱い低強度層５になる。

また、低強度層５が内部電極４Ａ，４Ｂからなる層と同一の層に形成されているため、低強度層５の厚みと内部電極４Ａ，４Ｂからなる層の厚みとがほぼ同一になる。これにより、焼成時にグリーン積層体１２の歪みが起こりにくくなる。

続いて、積層体２の側面２ａに外部電極６Ａを形成すると共に、積層体２の側面２ｂに外部電極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積層体２の側面２ａ，２ｂに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、側面２ａ，２ｂ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。この分極処理では、積層体２の不活性部Ｑに応力が集中することになるが、不活性部Ｑには他の部分よりも強度の弱い低強度層５が設けられているため、その低強度層５に横方向（積層体２の積層方向に対して垂直な方向）に延びるクラックが入ることがある。以上により、積層型圧電素子１が完成する。

そして、このように製造された積層型圧電素子において、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に挟まれた活性部Ｐの圧電体に電界が生じ、当該圧電体が積層体２の積層方向に変位するようになる。このとき、積層体２の不活性部Ｑに応力が集中するが、不活性部Ｑには圧電体３よりも強度の低い低強度層５がしっかりと設けられているので、不活性部Ｑにかかる応力が低強度層５によって緩和されるようになる。従って、圧電体３の変位時に、積層体２の積層方向に延びるクラック等が生じることを防止できる。

また、例えば積層型圧電素子１が長期間にわたって使用されることで、活性部Ｐの圧電体の変位により積層体２の側面２ａ，２ｂから積層体２の内部に至るクラックが発生する場合には、そのクラックは低強度層５に沿って積層体２の横方向（積層体２の積層方向に対して垂直な方向）に延びるようになる。従って、圧電体３の変位時に、積層体２の積層方向に延びるクラック等が生じることを防止できる。

以上のように本実施形態によれば、低強度層５はＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５の何れかを含む材料で形成されているので、圧電体３よりも強度の低い低強度層５が確実に得られる。これにより、積層型圧電素子１の製造時や、積層型圧電素子１の駆動時に、積層体２に積層方向に延びるクラックが発生することを防止できる。従って、内部電極４Ａ，４Ｂ同士のショートが防止され、積層型圧電素子１の絶縁破壊を避けることができる。その結果、積層型圧電素子１の品質が向上する。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係る積層型圧電素子１の側面図であり、図６は、図５に示した積層型圧電素子１の部分拡大断面図である。なお、以下においては、説明を簡略にするために、第１実施形態と異なる部分を中心に記載する。

各図において、本実施形態の積層型圧電素子１では、低強度層５は、積層体２の不活性部Ｑにおいて、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極４Ａ,４Ｂ間の層に形成されている。更に、低強度層５は、不活性部Ｑの領域から活性部Ｐの領域内まで延びるように形成されている。

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７を参照して説明する。図７は、図４と同様に、積層型圧電素子１を製造する際に作製されるグリーン積層体１２の切断後の状態を示す分解斜視図である。

まず、第１実施形態と同様に、複数枚のセラミックグリーンシート９を形成し、更に電極パターン１０Ａ,１０Ｂを別々のグリーンシート９の上面に形成する。

続いて、第１実施形態と同様に、ＺｒＯ_２ペーストを作製した後、電極パターン１０Ａが印刷されたグリーンシート９及び電極パターン１０Ｂが印刷されたグリーンシート９とは異なるグリーンシート９の上面にＺｒＯ_２ペーストをスクリーン印刷することにより、上記の低強度層５となるＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。このとき、ＺｒＯ_２ペーストを、グリーンシート９の上面の両端側部分（上記不活性部Ｑに対応する領域と上記活性部Ｐに対応する領域の一部）にＺｒＯ_２ペースト層１１を形成する。

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ＺｒＯ_２ペースト層１１が印刷されたグリーンシート９とを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、更に電極パターン１０Ａ，１０Ｂ及びＺｒＯ_２ペースト層１１が印刷されていないグリーンシート９を最外層に積層することにより、グリーン積層体１２を作製する。

その後、第１実施形態と同様に、プレス加工工程、切断工程、脱脂（脱バインダ）工程、焼成工程を経て積層体２を得た後、外部電極６Ａ,６Ｂを形成し、最後に分極処理を行うことにより、積層型圧電素子１が完成する。

このような第２実施形態によれば、低強度層５は不活性部Ｑから活性部Ｐの領域内に入り込んでいるため、活性部Ｐの圧電体３の変位時に、活性部Ｐにクラックが生じてしまう場合には、積層体２の積層方向に対して垂直な横方向に、つまり低強度層５に沿った方向にクラックが入りやすくなる。このため、積層体２の積層方向に延びるクラックの発生を一層確実に防止することができる。

なお、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、圧電体３、内部電極４Ａ，４Ｂ及び低強度層５を有する積層体２の構造については、種々変形可能である。例えば、図８に示すように、低強度層５を内部電極４Ａ，４Ｂの所定の層数毎に設けても良く、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極４Ａ，４Ａ間または内部電極４Ｂ，４Ｂ間の位置に形成しても良い。更に、低強度層５を積層体２の一側面から他側面にわたって全体的に形成しても良い。この場合には、積層体２の側面から低強度層５に入るクラックは、そのまま低強度層５に沿って横方向に延びることになる。これにより、積層体２の積層方向に延びるクラックがより一層生じにくくなる。

第１実施形態に係る積層型圧電素子１を示す斜視図である。 図１に示した積層型圧電素子１の側面図である。 図１に示した積層体２の部分拡大断面図である。 図１に示した積層型圧電素子１を製造する際に作製されるグリーン積層体１２の切断後の状態を示す分解斜視図である。 第２実施形態に係る積層型圧電素子１の側面図である。 図５に示した積層体２の部分拡大断面図である。 図５に示した積層型圧電素子１を製造する際に作製されるグリーン積層体１２の切断後の状態を示す分解斜視図である。 図５に示した積層体２の他の変形例を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、３…圧電体、４Ａ…内部電極（第１電極）、４Ｂ…
内部電極（第２電極）、５…低強度層、Ｐ…活性部、Ｑ…不活性部。

Claims (1)

1. 複数の圧電体と第１電極及び第２電極を含む複数の内部電極とを交互に積層し焼結してなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、
   前記積層体は、前記第１電極と前記第２電極とが前記積層体の積層方向に重なり合うように構成された活性部と、前記第１電極と前記第２電極とが前記積層体の積層方向に重なり合わないように構成された不活性部とを有し、
   前記不活性部には、前記圧電体よりも強度の低い低強度層が設けられており、
   前記低強度層は、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５の何れかを含む材料で形成され、
   前記低強度層は、前記内部電極と同一の層に形成され、
   前記低強度層の厚さは、前記内部電極からなる層の厚さとほぼ同一であり、
   前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする材料で形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。

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