(57)【要約】【課題】絶縁膜とセラミック層の間の剥離、並びに絶縁膜およびセラミック層のクラックなどによる破壊を防止した高信頼性の積層型圧電セラミック素子を提供すること。【解決手段】絶縁膜４の形成において、内部電極層２の端面を１つ置きに被覆すると共に、セラミック層１の端面における厚さの方向の５０〜９８％を被覆する構造にして、絶縁膜４付近のセラミック層１における電界集中を防ぐ。【選択図】　図２
2004063886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と内部電極層が交互に積層されて一体化された積層体と、この積層体における積層方向にほぼ平行な２つの表面の各々について、内部電極層の露出部が１つ置きに電気的に接続されて、前記圧電セラミック層へ電圧を印加する対向電極が形成されるように、前記内部電極層の前記露出部を１つ置きに被覆する絶縁膜が設けられ、前記絶縁膜によって被覆されなかった内部電極層の前記露出部を電気的に接続する外部電極膜が設けられた積層型圧電セラミック素子において、前記絶縁膜は、前記２つの表面の各々について、前記内部電極層の前記露出部を１つ置きに被覆するとともに、被覆される内部電極層の露出部に隣接する前記圧電セラミック層の露出面における厚さ方向の５０％〜９８％を占める領域をほぼ矩形状に被覆するように設けられていることを特徴とする積層型圧電セラミック素子。
【請求項２】
前記絶縁膜は、ガラス、結晶化ガラス、金属酸化物などの無機物、または、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機物、または、前記無機物と前記有機物との複合体からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電セラミック素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的加圧により電圧を生じさせたり、電圧を加えて変位または力を生じさせる圧電素子に係り、特に、圧電アクチュエータとして好適な積層型圧電セラミック素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この分野では、圧電セラミック層を３層以上とし、内部電極層を２層以上として、素子側面に内部電極が１層おきに対向電極となるように絶縁膜と外部電極膜を形成した圧電セラミック素子において、その絶縁膜は、内部電極とこれに接続されない外部電極との絶縁が主な目的であり、絶縁破壊しないこと、および変位を拘束しないことを要件とする形状に形成されていた。
【０００３】
近年、小型で、かつ大きな変位量を必要とする用途の増加に応じ、セラミック層の薄膜化が進み、また、高速動作の要求が増加している。このような使用状況では、変位時にセラミック層と絶縁膜の境界に生じる応力が増大し、絶縁膜またはセラミック層の機械的な強度を超えてしまい、素子の破壊に至るという問題が耐久性の観点から重要になってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、絶縁膜とセラミック層の間の剥離、並びに絶縁膜およびセラミック層のクラックなどによる破壊を防止した高信頼性の積層型圧電セラミック素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電セラミック素子は、圧電セラミック層と内部電極層が交互に積層されて一体化された積層体と、この積層体における積層方向にほぼ平行な２つの表面の各々について、内部電極層の露出部が１つ置きに電気的に接続されて、前記圧電セラミック層へ電圧を印加する対向電極が形成されるように、前記内部電極層の前記露出部を１つ置きに被覆する絶縁膜が設けられ、前記絶縁膜によって被覆されなかった内部電極層の前記露出部を電気的に接続する外部電極膜が設けられた積層型圧電セラミック素子であって、前記絶縁膜は、前記２つの表面の各々について、前記内部電極層の前記露出部を１つ置きに被覆するとともに、被覆される内部電極層の露出部に隣接する前記圧電セラミック層の露出面における厚さ方向の５０％〜９８％を占める領域をほぼ矩形状に被覆するように設けられている。
【０００６】
また、前記絶縁膜は、ガラス、結晶化ガラス、金属酸化物などの無機物、または、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機物、または、前記無機物と前記有機物との複合体からなることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の一形態における積層型圧電セラミック素子を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の積層型圧電セラミック素子を示す斜視図である。１は圧電体のセラミック層、２は内部電極層、３は外部電極膜、４は絶縁膜、５は不活性層、６はリード線、そして、７ａと７ｂは伸び方向を示す。
【０００９】
図１に示すように、本発明の積層型圧電セラミック素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ２あるいはチタン酸バリウムＢａＴｉＯ３を主成分とする圧電体の複数のセラミック層１と複数の内部電極層２とを交互に積層してなるアクチュエータ本体の少なくとも２つの側面において、内部電極層２の端部（側面への露出部）に、対向電極を形成するように、絶縁膜４をまず１つ置きに形成し、絶縁膜４により被覆されない内部電極層２の端部は外部電極膜３に接続されて、外部と電気的接続を行うためのリード線６が設けられている。また、アクチュエータ本体の上下に、複数の圧電体からなる不活性層５が設けられている。
【００１０】
この素子に電圧を印加すると、セラミック層は図１の７ａおよび７ｂの方向に伸びる。このとき、伸び量は電界強度に比例し、その電界強度は内部電極間距離に反比例する。
【００１１】
このような積層型圧電セラミック素子の耐久性について、まず、絶縁膜４がセラミック層１の側面への露出面を被覆する厚さ方向の割合が５０％より少ない場合を説明する。
【００１２】
図４は、絶縁膜とその周辺部に発生するクラックの様子を示す断面図である。
【００１３】
このように被覆する割合が小さい場合、絶縁膜付近の電極間距離、すなわち、内部電極上の点Ｃ１と、外部電極上の点Ｃ２の間の距離は小さくなり、電界集中が生じる。その結果、Ｃ１−Ｃ２間の単位長さ当たりの伸び量は、内部のセラミック層における、Ｂ１−Ｂ２間での単位長さ当たりの伸び量の１．５〜２倍程度に増加する。
【００１４】
このようにして、絶縁膜４とセラミック層１の境界付近に応力が集中する。また、図４のＣ２−Ｃ３の付近では、電界が疎になるため、電界が密の領域と疎の領域の境界に応力が集中し、クラック９が発生する原因となる。
【００１５】
また、絶縁膜４には、符号８で示すような剥離またはクラックが発生する。
【００１６】
この絶縁膜４付近の電界集中を抑え、応力を低減するように、絶縁膜４をセラミック層１の厚さの５０〜９８％と幅広く覆うことで、Ｃ１−Ｃ２間の距離を大きくして、セラミック層１と絶縁膜４の境界の応力、またはセラミック層１における電界の疎密の境界に生じる応力を低減して、破壊を防止することができる。
【００１７】
さらに詳しく説明する。図３は、絶縁膜付近を示す断面図である。１はセラミック層、２は内部電極層、４は絶縁膜であり、ｔ０はセラミック層１の厚さを示し、ｔ１　は絶縁膜４がセラミック層１の一方を覆う厚さ方向の幅を示している。
【００１８】
ここで、ｔ１／ｔ０が５０％以上になるように幅広く、絶縁膜４を形成することにより、絶縁膜４付近の電界集中を抑え、応力集中を避けることができる。また、ｔ１／ｔ０が９８％を超えると、内部電極層と外部電極膜の電気的接続において、製造上の困難が生じる。
【００１９】
ところで、１つ置きの内部電極層を電気的に接続する外部電極の形成において、絶縁膜の材質としては、ガラス、結晶化ガラス、金属酸化物などの無機物が使用できる。
【００２０】
また、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機物も使用できる。
【００２１】
さらに、前記無機物と前記有機物との複合体を使用することもできる。
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、図１、図３および図４は、実施の形態の説明で既に用いた図面である。
【００２３】
図１は、本発明の実施例における積層型圧電セラミック素子を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図の一部を示す図である。
【００２４】
図１および図２に示すように、まず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ２を主成分とする圧電体の複数のセラミック層１と、複数の内部電極層２とを交互に積層して、さらにその上下に複数の圧電体からなる不活性層５を設けた。
【００２５】
その積層体の２つの側面において、内部電極層２の端部（側面への露出部）に、各々のセラミック層１に並列に電圧を印加するように対向電極を形成するために、ガラスの絶縁膜４をまず１つ置きに形成し、ガラスの絶縁膜４により被覆されなかった内部電極層２の端部を外部電極膜３に接続して、さらに外部との電気的接続を行うためのリード線６を設けた。
【００２６】
図２に示すように、絶縁膜４は内部電極層２の端部（側面への露出部）を１つ置きに覆うと共に、セラミック層１の端部の厚さ方向の５０％〜９８％を矩形状に覆うように形成された。
【００２７】
それに対して、セラミック層１の端部を絶縁膜４で覆う割合を９８％より大きくした場合は、内部電極層２と外部電極膜３との接続部において、内部電極層２の端部への外部電極膜３の塗布が困難であり、電気的な接続が不十分となり、圧電動作性能が損なわれてしまい、本来の機能を維持できなかった。
【００２８】
また、セラミック層１の端部を絶縁膜４で覆う割合を５０％未満にした場合には、セラミック層１または絶縁膜４において、動作中にクラックまたは剥離が発生し、耐久性が低下した。
【００２９】
また、上記の絶縁膜の材質として、ガラス以外にも、結晶化ガラス、金属酸化物などの無機物を使用することができた。
【００３０】
また、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機物を使用した場合にも、良好な外部電極を形成することができた。
【００３１】
さらに、前記無機物と前記有機物との複合体を使用することもできた。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の積層型圧電セラミック素子は、絶縁膜の形成において、セラミック層を幅広く覆うことにより、絶縁膜付近のセラミック層の電界集中を低減でき、絶縁膜とセラミック層の境界に生じる応力およびセラミック層中の電界の疎密により生じる応力を緩和し、絶縁膜とセラミック層の剥離、並びに絶縁膜およびセラミック層の破壊を防止することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電セラミック素子を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図の一部を示す図。
【図３】絶縁膜付近を示す断面図。
【図４】絶縁膜とその周辺部に発生するクラックの様子を示す断面図。
【符号の説明】
１　　セラミック層
２　　内部電極層
３　　外部電極膜
４　　絶縁膜
５　　不活性層
６　　リード線
７ａ，７ｂ　　伸び方向
８　　剥離またはクラック
９　　クラック
【図１】
2004063886.tif 000003
【図２】
2004063886.tif 000004
【図３】
2004063886.tif 000005
【図４】
2004063886.tif 000006