(57)【要約】 【課題】  露出している電極からの湿気の浸入を防いで素子の耐湿性を良くし、積層時の積層ずれなどによる構造欠陥を生じることなく、長尺化可能で、内部電極層と圧電セラミック層の界面の接着力が強く折れにくい積層型圧電セラミック素子を提供すること。【解決手段】  圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるように構成され、圧電セラミック層と交差指状内部電極が配置された内部電極層とが交互に積層された積層体からなる積層型圧電セラミック素子において、各層の交差指状電極の一部分のみが積層体の側面に露出し、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を覆うように外部電極３を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるように構成され、前記圧電セラミック層と、交差指状内部電極が配置された前記内部電極層とが交互に積層された積層体からなり、前記交差指状内部電極は一対の櫛状パターンの電極が対向するように形成された積層型圧電セラミック素子において、各層の前記一対の櫛状パターンの電極の一部分のみが前記積層体の側面に露出し、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を覆うように外部電極を設けたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子。
【請求項２】
請求項１に記載の積層型圧電セラミック素子において、前記圧電セラミック層の厚みの焼上り寸法を、１〜３５μｍとしたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子。
【請求項３】
請求項１に記載の積層型圧電セラミック素子において、一枚のグリーンシート層から複数個形成された素子を切断する際に、切断刃の砥粒の粗さを最適化することで素子の表面粗さを適度に荒し、接着固定の強度を確保することを特徴とする積層型圧電セラミック素子。
【請求項４】
請求項１に記載の積層型圧電セラミック素子において、前記外部電極がガラスフリットを入れた電極ペーストを用いて形成されたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子。
【請求項５】
圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるように構成され、前記圧電セラミック層と、交差指状内部電極が配置された前記内部電極層とが交互に積層された積層体からなり、前記交差指状内部電極は一対の櫛状パターンの電極が対向するように形成する積層型圧電セラミック素子の製造方法において、各層の前記一対の櫛状パターンの電極の一部分のみが前記積層体の側面に露出し、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を覆うように外部電極を設けることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、前記圧電セラミック層の厚みの焼上り寸法を１〜３５μｍとすることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５に記載の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、一枚のグリーンシート層に複数分の素子パターンを形成し、切断して複数個の素子を得ることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、一枚のグリーンシート層から複数個形成された素子を切断する際に、切断刃の砥粒の粗さを最適化することで素子の表面粗さを適度に荒し、接着固定の強度を確保することを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法。
【請求項９】
請求項５に記載の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、前記外部電極をガラスフリットを入れた電極ペーストを用いて形成することを特徴とする請求項５記載の積層型圧電セラミック素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層型圧電セラミック素子に関し、特に長尺で信頼性の高い圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電歪材料のシートと内部電極とが交互に積層された積層型圧電素子は、低電圧で大きな歪みを発生することができるため、電歪効果を利用する素子として圧電アクチュエータ、圧電トランス等に幅広く用いられている。
【０００３】
図６は、従来技術による圧電アクチュエータの内部電極パターン例を表した図である。従来の素子では、図６に示す内部電極パターン例のように内部電極２が面状になっている。また、図７は、従来技術による積層型圧電素子の斜視図である。図７は、図６で示した内部電極２を有する圧電体１を積層したものである。この積層型圧電素子は、電歪材料からなるシート７と内部電極８からなっている。一般的な構造は、電歪材料からなるシート７の間に内部電極８を挟んで積層し、この内部電極８を交互に、異なる外部電極９に接続させたものである。なお、この電歪材料は圧電セラミックが用いられている。ここで、内部電極８を電歪材料からなるシート７の全面に形成する技術［図６（ａ）の内部電極パターンに相当する］が知られており（例えば特許文献１）、内部電極８を素子全面に形成することにより、電極端子間に電圧を印加した場合、電歪材料からなるシート７内の電界分布が一様となり、素子は均一に変形し、応力集中も起こらない。すなわち、素子はほぼ電歪材料固有の変形量を示し、かつ破壊し難くなる。なお、内部電極８を交互に異なる外部電極９に接続する際の絶縁確保のために、図６（ｂ）のように、側面近傍を除いて内部電極２を設ける場合もある。
【０００４】
図８は、従来技術による圧電トランスの斜視図である。図８で例示した圧電トランスでは、圧電セラミックスにより作られた矩形板１１の長さ方向の共振モードが利用されている。矩形板１１の長さ方向を２つに区分した一方には対向する電極１２ａ，１２ｂがトランス入力用として配置され、対向する電極１２ａ，１２ｂは、それぞれ矩形板の長側面にて外部電極１８に接続されている。
【０００５】
矩形板の他方の区分において、対向電極として矩形板の厚さ方向に直交する同一面上で対向する第１の櫛歯状電極１４ａ及び第２の櫛歯状電極１４ｂとこれらの各一端で接続する第１の共通電極１３ａ及び第２の共通電極１３ｂとからなる交差指電極１０が、矩形板の厚さ方向に出力用電極として複数層配置され、交差指電極１０はそれぞれ、矩形板の長側面にて外部電極１８に接続されている（例えば特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２５２５３７号公報
【特許文献２】特開平８−１４８７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の積層型圧電セラミック素子のような従来の積層構造では、素子の設計（特性）変更の場合、対向する内部電極間の距離を調整する。内部電極間の距離を決める因子はグリーンシートの厚みと枚数であるので、従来、３０μｍ層間としていたところを４０μｍ層間に変更するような時には、まず３０μｍ層間のものを作製する場合は１５μｍのシートを２枚重ねる方法がとられ、４０μｍ層間のものを作製する場合は１５μｍのシート２枚に加え１０μｍのシートを加える方法、もしくは２０μｍのシートを２枚重ねる方法などがとられる。このように、層間の厚みを変更する場合には複数種の厚みのシートが必要となってくるため、特性の変更の度に大幅な工程の変更を必要としていた。
【０００８】
さらに、特許文献１の積層型圧電体のような電歪材料のシートと内部電極とが交互に積層された積層型圧電セラミック素子は、低電圧で大きな歪みを発生するが変位方向と積層方向が同じである。従って、変位量を大きくとるために長尺化を計る場合には、その分、積層する枚数を増やす必要があり、積層数を増やすに従って、積層ずれなどによる構造欠陥が生じたり、内部電極層と圧電セラミック層の界面の接着力が弱く折れやすくなるという課題があった。
【０００９】
また、特許文献２のような電極の緻密性は、一般的に低く、露出している電極からは湿気の浸入の恐れがあり、素子の耐湿性が悪くなる。図８の場合は、電極１２ａ，１２ｂ、第１の共通電極１３ａ，第２の共通電極１３ｂ、第１の櫛歯状電極１４ａ、第２の共通電極１４ｂが外部に露出しているので、露出している電極からの湿気の浸入を防いで素子の耐湿性を良くする必要がある。
【００１０】
従って、本発明は、露出している電極からの湿気の浸入を防いで素子の耐湿性を良くし、積層時の積層ずれなどによる構造欠陥を生じることなく、長尺化が可能で、内部電極層と圧電セラミック層の界面の接着力が強く折れにくい積層型圧電セラミック素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるように構成され、圧電セラミック層と、交差指状内部電極が配置された内部電極層とが交互に積層された積層体からなり、交差指状内部電極は一対の櫛状パターンの電極が対向するように形成された積層型圧電セラミック素子において、各層の一対の櫛状パターンの電極の一部分のみが積層体の側面に露出し、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を全部覆うように外部電極を設けたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子が得られる。
【００１２】
また、本発明では、圧電圧電セラミック層の焼上り寸法が、１μｍ以下は現在の技術では成膜困難であり、また、３５μｍ以上では電界の回り込みが不足し、充分な変位を得るのが難しいため、圧電セラミック層の厚みの焼上り寸法を、１〜３５μｍとしたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子が得られる。
【００１３】
また、本発明では、生産性を上げるために、一枚のグリーンシート層に複数個分の素子パターンを印刷することで形成し、切断して複数個の素子が得られることを特徴とする積層型圧電セラミック素子が得られる。
【００１４】
また、本発明では、一枚のグリーンシート層から複数個形成された素子を切断する際に、切断刃の砥粒の粗さを最適化することで素子の表面粗さを適度に荒し、接着固定の強度を確保することを特徴とする積層型圧電セラミック素子が得られる。
【００１５】
また、本発明では、外部電極がガラスフリットを入れた電極ペーストを用いて形成されたことを特徴とする積層型圧電セラミック素子が得られる。
【００１６】
また、本発明では、圧電セラミック層が３層以上と内部電極層が２層以上となるように構成され、圧電セラミック層と、交差指状内部電極が配置された内部電極層とが交互に積層された積層体からなり、交差指状内部電極は一対の櫛状パターンの電極が対向するように形成する積層型圧電セラミック素子の製造方法において、各層の一対の櫛状パターンの電極の一部分のみが積層体の側面に露出し、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を全部覆うように外部電極を設けることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法が提案される。
【００１７】
また、本発明では、積層型圧電セラミック素子の製造方法において、圧電セラミック層の厚みの焼上り寸法を１〜３５μｍとすることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法が提案される。
【００１８】
また、本発明では、一枚のグリーンシート層に複数分の素子パターンを形成し、切断して複数個の素子を得ることを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法が提案される。
【００１９】
また、本発明では、一枚のグリーンシート層から複数個形成された素子を切断する際に、切断刃の砥粒の粗さを最適化することで素子の表面粗さを適度に荒し、接着固定の強度を確保することを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法が提案される。
【００２０】
また、本発明では、積層型圧電セラミック素子の製造方法において、外部電極をガラスフリットを入れた電極ペーストを用いて形成することを特徴とする積層型圧電セラミック素子の製造方法が提案される。
【発明の効果】
【００２１】
従来の電歪材料のシートと内部電極とが交互に積層された積層型圧電セラミック素子は、低電圧で大きな歪みを発生することができるが、従来構造では変位量増大のために長尺化を行う場合、積層数の増加を伴うことになる。このように、長尺化により積層数が増加する場合は、積層ずれなどによる構造欠陥が発生したり、内部電極層と圧電セラミック層の界面の接着力が弱く折れやすくなるとの問題がある。しかし、本発明では、積層方向が長尺化する方向と異なり、長尺化しても積層数の増加がないので、上記問題は起こらない。
【００２２】
さらに、交差指内部電極を一対の櫛状パターンが対向するように形成することによっても電界の廻り込みにより従来の電極パターンの場合と同様に、低電圧で大きな歪みを発生させることができる。従って、従来と同等の変位特性を持ち、長尺で信頼性の高い圧電アクチュエータを得ることができる。
【００２３】
また、従来の積層型圧電セラミック素子は、特性の仕様変更で層間の厚みを変更する場合には複数種の厚みのシートが必要で、特性の変更の度に大幅な工程の変更を必要としていたが、本発明では櫛状の電極パターンを数種類持っておけば印刷する電極櫛状パターンを変更するだけで内部電極層間距離を変更することができる。
【００２４】
また、内部電極の緻密性の低さによる耐湿性の問題は、素子をカットして切り出す際に、素子外部に露出する内部電極の側面を限定させ、該露出した個所に電気的に接続するように、かつ該露出した部分を全部覆うように外部電極を設けることにより、素子への湿気等の浸入を防止することができる。さらに、外部電極としてガラスフリットの添加された電極ペーストを用いることで耐湿性が向上する。加えて、積層型圧電セラミック素子の周囲全体をセラミックで覆っているため、従来の内部電極の露出部を絶縁テープ等で覆う方法と異なり、湿気等の浸入防止効果が高く、素子の劣化を防止することができる。
【００２５】
また、切断する際の切断刃の砥粒粗さを荒くすることにより素子表面の粗さが変わり、接着の際のアンカー効果が働き、接着強度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態の積層型圧電セラミック素子の外観図を示している。また、図２は、本発明の実施の形態の積層型圧電セラミック素子の模式斜視図で、図１の内部に隠れている内部電極を透かして表現している。図２に示された内部電極１９は外部に露出しておらず、ガラスフリット入り外部電極３に電気的に接続されるとともに外部電極により、外部から覆われている。
【００２８】
また、積層型圧電セラミック素子はその内部電極２とセラミックからなる圧電体１とを同時焼成して形成される。例えば、圧電体１にはジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ２系の圧電セラミックスが電歪材料として適している。また、複数の内部電極２には、ＡｇとＰｄの混合粉、セルロースおよび溶剤などから構成された電極ペーストを用いれば良い。
【００２９】
さらに、図２に示すように、２つの側面において、露出している内部電極１９の端部がガラスフリット入りＡｇ粉ペーストなどを焼付けて形成した外部電極３と接続され、外部と電気的接続を行うためのリード線４と外装樹脂（図１では省略）から構成される。リード線４を通じて圧電セラミックの分極方向６に電界をかけると図１の変位方向５の示す方向に変位が生じる。
【００３０】
図３は、素子１個分の交差指状の内部電極パターン図である。第１の櫛歯状電極１７ａは第１の共通電極１５ａに接続されており、また、第２の櫛歯状電極１７ｂは第２の共通電極１５ｂに接続されており、各電極は対向するように配置されている。第１の櫛歯状電極１７ａと第２の櫛歯状電極１７ｂは間隔を置き、交わることがない。また、ガラスフリット入り外部電極３との接続が可能なように素子外部に内部電極パターンの一部分である内部電極１９のみが切断後に露出するようなパターンとなっている。また、このような素子パターンを一枚のグリーンシート層に複数個分の印刷することで一回の印刷、積層で複数の素子が形成でき、生産性が向上する。
【００３１】
図４は、図２のＡ平面の断面を示す模式図である。図４は本発明の積層型圧電セラミック素子の内部を示すものであり、断面上部から見た内部電極２は一層一層平行に配列されたパターンを示す。従来の素子では、図６に示す従来の内部電極パターン例のように内部電極２が面状になっている状態であるのに対し、本発明の内部電極２のパターンでは、図４のように、圧電体１の圧電セラミック層の厚みの距離を持った平行な複数の線状であるが、従来構造と同様にこの面に垂直な方向の変位を得ることができる。特に、線間隔を１〜３５μｍとすることにより従来構造と同程度の変位を得ることができる。このような圧電セラミックス層の厚みの焼き上がり寸法が１〜３５μｍの間隔においては、内部電極の焼成時に内部電極成分がセラミック部に拡散し、見かけ上、内部電極がセラミック層に向かって延びたのと同等の現象が起こり、また、内部電極の交差指間で電界が回り込む（離れあった電極間が繋がったように振る舞う）現象が起こるため、Ａ平面に面状の電極があるのと同様に変位する。
【００３２】
図５は、図３のパターン図で印刷された素子を切り出す際の切断カットラインを示した図である。このように素子をカットして切り出す際に、素子外部に露出する内部電極１９の側面が一部分のみになるように限定させる。
【００３３】
図７のような従来の積層型圧電素子においても外部電極９はＡｇ粉ペーストの焼付けで形成されるが、本発明ではさらに混入されたガラスフリットでガラス化するので耐湿性が良好になる。図１、図２に示すように、内部電極部１９を全面的にガラスフリットの添加された電極ペーストで覆うことで、電極は外部電極以外を露出させないようにしたので、素子への湿気等の浸入を防止することができる。外部電極にガラスフリットを入れた電極ペーストを用いて焼付けすると、ガラスフリットがない場合に比べ、耐湿負荷性が２倍以上に向上する。
【００３４】
アクチュエータは、変位や振動を伝達するため、ベースに貼り付け固定したり、素子の端部に棒状のステイを貼り付ける場合が多い。その際、端面の表面粗さが小さいと接着固定力が弱い場合があるが、本願発明では、端面の表面粗さを荒らすことで表面に凹凸を形成し、接着剤が表面の凹凸に入り込むことによるアンカー効果により、接着強度を向上させる。端面の表面粗さを荒らすためには、複数個分の素子からカットする際に切断刃の砥粒粗さを最適化することにより、接着固定の強度を確保することが可能となる。
【実施例】
【００３５】
圧電セラミック層の厚みの焼上り寸法を変化させて、本発明の積層型圧電セラミック素子を作製した。なお、焼成条件は、空気中で、温度が１１００℃、時間が２時間である。作製したサンプルについて、高温放置試験と変位の評価を行った。高温放置試験の条件は、温度が８５℃、印加電圧が１５０Ｖである。また、変位の測定は、レーザー変位計を用いて計測した。
【００３６】
比較例とした従来構造は、焼上りの層の数が４５層で、シート厚みが１００μｍとなる積層型圧電素子で、この素子に１００Ｖの印加電圧をかけると、平均変位が２．８〜３．１μｍである。従来構造と同程度となる変位方向５の変位が得られるように、第１と第２の櫛歯状電極の数がそれぞれ２５本で、櫛歯状電極の数が合計５０本の電極で、電極間距離を１００μｍとして、圧電セラミック層の厚みの焼き上がり寸法のみを変えて積層型圧電セラミック素子を作製した。できた素子に１００Ｖの印加電圧をかけて変位の測定を行った。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１は、この交差指パターンを用い、焼上りの層の厚みを変化させて素子の変位を確認した結果である。また、実施例１〜５において、高温放置試験での信頼性には問題は見られないので、本願発明の積層型圧電セラミック素子の信頼性の高いことが確認された。
【００３９】
実施例１では、充分な変位が得られることがわかった。従って、焼き上がり層の厚みをより薄くしても充分な変位を得ることはできると考えられるが、焼上りの層の厚みを１μｍ以下にするには現在の技術では困難であり、実験的には製造可能であるが、工業的に生産する場合には信頼性が劣り、生産性も悪化する。
【００４０】
実施例２、実施例３についても、変位は充分であり、特に問題点はない。以上より、焼上がり層厚み寸法が１〜２６μｍでは従来構造並の変位が得られ、生産面でも信頼性にも問題は見られないことがわかった。
【００４１】
実施例４では、従来構造と比べ、変位の減少がみられた。しかし、この程度の減少は、交差指間隔を縮め、交差指の数を増やすことで同等の変位を出すことができるので、充分実用できる範囲であることがわかった。また、実施例５では、変位が激減しており、電界の回り込みが期待できないことが分かった。以上の結果より、３８μｍ以上では変位の減少傾向が見られたため、信頼性も加味して圧電セラミック層の厚みを焼上り１〜３５μｍが適当と判断した。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態の積層型圧電セラミック素子の外観図。
【図２】本発明の実施の形態の積層型圧電セラミック素子の模式斜視図。
【図３】素子１個分の交差指状の内部電極パターン図。
【図４】図２のＡ平面の断面を示す模式図。
【図５】図３のパターン図で印刷された素子を切り出す際の切断カットラインを示した図。
【図６】従来技術による圧電アクチュエータの内部電極パターン例を表す図。図６（ａ）は内部電極パターン図、図６（ｂ）は側面近傍を除いた内部電極パターン図。
【図７】従来技術による積層型圧電素子の斜視図。
【図８】従来技術による圧電トランスの斜視図。
【符号の説明】
【００４３】
１    圧電体
２，８，１９    内部電極
３，９，１８  外部電極
４    リード線
５    変位方向
６    分極方向
７    電歪材料からなるシート
１０    交差指電極
１１    矩形板
１２ａ，１２ｂ    電極
１３ａ，１５ａ    第１の共通電極
１３ｂ，１５ｂ    第２の共通電極
１４ａ，１７ａ    第１の櫛歯状電極
１４ｂ，１７ｂ    第２の櫛歯状電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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