(57)【要約】  本開示の圧電素子１は、圧電体２１および内部電極２２が交互に積層された積層体２と、積層体２の側面に設けられて内部電極２２に電気的に接続された外部電極３と、外部電極３に電気的に接続されたリード線４とを備える。さらに、外部電極３とリード線４との接合部位に外部電極３およびリード線４の反応層５を有し、反応層５は、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、リード線４に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚くなっている。これにより、外部電極３およびリード線４の反応層５とこれに隣接する部材との熱膨張差による応力が低減され、クラックを抑制することができる。【選択図】  図２
2018123354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体および内部電極が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極に電気的に接続された外部電極と、該外部電極に電気的に接続されたリード線とを備え、前記外部電極と前記リード線との接合部位に、前記外部電極および前記リード線の反応層を有し、該反応層は、前記リード線の軸方向に垂直な断面で見たときに、前記リード線に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚いことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記反応層は、前記リード線の軸方向に垂直な断面で見たときに、幅方向の端から中央部に向けて漸次厚みが厚くなっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記リード線の軸方向に垂直な断面で見たときに、前記反応層と前記外部電極との境界が前記外部電極側に凸となる凸曲線状であり、前記反応層と前記リード線との境界が前記リード線側に凸となる凸曲線状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記リード線における前記外部電極との接合部位は、他の部位よりも幅方向に膨らんでいることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電素子。
【請求項５】
前記リード線における少なくとも前記外部電極との接合部位を除く部位を、軸方向に垂直な断面で切断した断面形状が円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電素子。
【請求項６】
前記外部電極は厚み方向の積層体側にガラスを多く含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧力センサ素子として用いられる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサ素子として圧電素子を用いることができる。圧電素子は、例えば、圧電体および内部電極が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて内部電極に電気的に接続された外部電極と、該外部電極に電気的に接続されたリード線とを備える。この圧電素子として、外部電極とリード線との接合部位に、外部電極とリード線との反応層を有している例が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−４９４２６号公報
【特許文献２】特開２００８−６６５６０号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の圧電素子は、圧電体および内部電極が交互に積層された積層体と、該積層体の側面に設けられて前記内部電極に電気的に接続された外部電極と、該外部電極に電気的に接続されたリード線とを備える。さらに、前記外部電極と前記リード線との接合部位に前記外部電極および前記リード線の反応層を有し、該反応層は、前記リード線の軸方向に垂直な断面で見たときに、前記リード線に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚くなっている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すII−II線で切断した断面の要部拡大図である。
【図３】圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図４】圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図５】図４に示すＶ−Ｖ線で切断した断面の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
圧力センサ素子への要求として、より強い応力・高温環境下で繰り返し長期間安定に使用できるものが求められている。
【０００７】
しかしながら、従来の圧電素子を圧力センサ素子として高温環境下で使用すると、熱膨張差に起因して、外部電極およびリード線の反応層と外部電極との界面または外部電極およびリード線の反応層とリード線との界面の端からクラックが入り、クラックが入った部分の抵抗が増加することで、センサとしての感度が下がるおそれがある。
【０００８】
本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、外部電極およびリード線の反応層とこれに隣接する部材との熱膨張差による応力を低減してクラックの発生を抑制し、より強い応力・高温環境下での繰り返し長期間安定に優れた圧電素子を提供することを目的とする。
【０００９】
以下、本実施形態の圧電素子について図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図２は図１に示すII−II線で切断した断面の要部拡大図である。
【００１１】
図１および図２に示す圧電素子１は、圧電体２１および内部電極２２が交互に積層された積層体２と、積層体２の側面に設けられて内部電極２２に電気的に接続された外部電極３と、外部電極３に電気的に接続されたリード線４とを備える。さらに、外部電極３とリード線４との接合部位に、外部電極３およびリード線４の反応層５を有し、反応層５は、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、リード線４に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚い。
【００１２】
積層体２は、圧電体２１と内部電極２２とが交互に積層された部分と、積層方向両端部に設けられた圧電体２１のみが積層された部分とを有している。
【００１３】
この積層体２は、例えば縦０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜１００ｍｍの四角柱状（直方体状）にされている。積層体２としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。
【００１４】
積層体２を構成する圧電体２１は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）などを用いることができる。この圧電体２１の厚みは、例えば３〜２５０μｍとされる。
【００１５】
積層体２を構成する内部電極２２は、圧電体２１となるセラミックスと同時焼成されたものである。内部電極２２の材料として、例えば銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
【００１６】
内部電極２２は、互い違いに配置された第１の内部電極２２１と第２の内部電極２２２とからなり、図に示す例では、第１の内部電極２２１および第２の内部電極２２２がそれぞれ積層体２の対向する一対の側面に互い違いに引き出されて、後述する積層体２の側面に設けられた一対の外部電極３とそれぞれ電気的に接続されている。第１の内部電極２２１および第２の内部電極２２２の厚みは、例えば０．１〜５μｍとされる。
【００１７】
なお、積層体２には、応力を緩和するための層であって、内部電極として機能しない金属層等が含まれていてもよい。
【００１８】
そして、第１の内部電極２２１および第２の内部電極２２２のいずれか一方の端面が達する積層体２の一対の側面にはそれぞれ外部電極３が設けられ、第１の内部電極２２１または第２の内部電極２２２と電気的に接続されている。この外部電極３は、例えばＡｇやＣｕなどの金属を含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極３を積層体２の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極３の厚みは５〜７０μｍとされる。
【００１９】
外部電極３にはリード線４が接合され、電気的に接続されている。そして、外部電極３はリード線４を介して外部回路と電気的に接続される。
【００２０】
また、リード線４としては、例えば四角形など多角形、円形、楕円形などの断面形状を有する銅などからなる金属線を使用することができる。そして、例えば、直径５０〜５００μｍで、表面にＮｉメッキが施された銅線や、表面がエナメルコートされた銅線などを使用することもできる。
【００２１】
そして、外部電極３とリード線４との接合部位には、外部電極３およびリード線４の反応層５がある。さらに、反応層５は、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、リード線４に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚くなっている。
【００２２】
これにより、外部電極３およびリード線４の反応層５とこれに隣接する部材（外部電極３あるいはリード線４）との熱膨張差に起因する応力を、反応層５の幅の中央部（リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときの幅方向の中央部）に集めることができる。言い換えると、反応層５の厚みの厚い中央部は熱膨張量が大きく熱応力がかかるが、反応層５の厚みの薄い端部は熱膨張量が小さく熱応力がかかりにくくすることができる。その結果、反応層５と外部電極３との界面および反応層５とリード線４との界面の端にクラックが生じるのを抑制することができる。
【００２３】
ここで、反応層５とは、外部電極３とリード線４とが接合される際にこれらの少なくとも一方が溶融するなどしてできた層のことである。図に示す反応層５は、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、幅方向の端から中央部に向けて漸次厚みが厚くなっている形状であるが、例えば段階的に厚みが厚くなっているような形状であってもよい。
【００２４】
なお、反応層５は、外部電極３の一部およびリード線４の一部が反応してできた層であって、外部電極３の一部またはリード線４の一部とも言えなくもないが、便宜上反応層５と外部電極３およびリード線４とは異なる部材であるものとする。
【００２５】
反応層５の最も厚い部分の厚みは、例えば５〜５０μｍとされる。また、反応層５の幅はリード線４の形状や幅に合わせて適宜決定される。
【００２６】
リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、幅方向の端から中央部に向けて漸次厚みが厚くなっている形態の例として、反応層５と外部電極３との境界が外部電極３側に凸となる凸状（例えば凸曲線状）、反応層５とリード線４との境界がリード線４側に凸となる凸状、どちら側の境界においても凸となる凸状などの形態が挙げられる。なお、ここでいう凸状とは、例えば凸曲線状である。
【００２７】
特に、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、反応層５が外部電極３側とリード線４側のどちらにも凸曲線状になっている形状であってよい。すなわち、リード線４の軸方向に垂直な断面で見たときに、反応層５と外部電極３との境界が外部電極３側に凸となる凸曲線状であり、反応層５とリード線４との境界がリード線４側に凸となる凸曲線状である形状であってよい。これにより、反応層５の中央部にかかる応力を外部電極３側とリード線４側との両側に分散でき、さらにこれらの界面の端にかかる応力を小さくできる。
【００２８】
また、図３、図４および図４に示すＶ−Ｖ線で切断した断面の要部拡大図である図５に示すように、リード線４における外部電極３との接合部位４１は、他の部位よりも幅方向に膨らんでいてもよい。
【００２９】
図３に示す形態は、リード線４として外部電極に接合される接合部位４１があらかじめ幅方向に膨らんだ形状に加工されたものである。
【００３０】
一方、図４および図５に示す形態は、熱源をリード線４に押し当てるなどしてリード線４を外部電極３に接合する場合に、この接合と同時にリード線４がつぶれて幅方向に膨らんだ形状の接合部位４１が設けられたものである。例えば、先端を７００〜１２００℃に加熱した金属棒もしくはアルミナなどのセラミック棒からなる熱源を、エナメルコートされた銅線からなるリード線４の上から押し当てて、リード線４を構成する銅を溶かしながら熱源をさらに圧力をかけて接合させる。このとき、リード線４の接合部位４１が幅方向に膨らんだ形状になる。なお、リード線４の銅が外部電極３の銀と反応して、リード線４に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚い反応層５が形成されつつ、リード線４が外部電極３に接合される。
【００３１】
ここで、リード線４を正面に見たときのリード線４の幅（外部電極３との接合部位４１以外の部位の幅）が例えば０．２〜２ｍｍのとき、外部電極３との接合部位４１（幅方向に膨らんだ部位）の幅は例えば１．５〜２．５倍の幅とされる。
【００３２】
このような形状であることで、反応層５を正面に見たときの外周形状が円形に近づき、応力が集中する反応層５の最も厚みの厚い部分となる中央部が外周（端）の全ての位置からほぼ均等な距離に位置するようになるので、さらに界面の端への応力を小さくできる。
【００３３】
また、図４に示すように、リード線４における少なくとも外部電極３との接合部位４１を除く部位を、軸方向に垂直な断面で切断した断面形状が円形状であってもよい。このような形状であると、リード線４の外部電極３との接合部位を除く部位の外周にエッジが無く、振動が集中するような箇所が無いので、反応層５の界面付近で生じる応力の減衰に寄与することができる。また、ノイズがリード線４の外側の空間に伝搬しやすくなるので、リードを伝わる電気信号の振動ノイズが低減される。
【００３４】
また、外部電極３は厚み方向の積層体２側にガラスを多く含んでいるのがよい。例えば銀を主成分とする外部電極３が２層構造であったとき、積層体２側の層をガラスが多く含まれる層とし、外表面側の層をガラスが少ない層とすることができる。このような構成とすると、外部電極３と積層体２との接合強度を大きくするとともに、銀と銅との反応層５中にガラスを分散させた構造とすることができ、反応層５の界面が増えることで応力を緩和させることができる。
【００３５】
なお、リード線４として、表面がＮｉメッキされた銅線の場合、リード線４と外部電極３とが接した部分だけに反応層５ができる。一方、リード線４として、表面にＮｉメッキが無い銅線の場合、反応が進行することで、リード線４の外部電極３に接していない部分にも反応層５を設けることができる。
【００３６】
次に、本実施形態の圧電素子１の製造方法について説明する。
【００３７】
まず、圧電体２１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このスラリーを用いてグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
【００３８】
次に、内部電極２２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて内部電極２２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電体２１および内部電極２２を備えた積層体２を作製する。
【００３９】
なお、積層体２は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体２１と内部電極２２を複数積層してなる積層体２を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
【００４０】
次に、内部電極２２と外部との電気的なやり取りをするために、積層体２の側面に外部電極３を形成する。外部電極３は、以下に述べる方法により形成することができる。最初に、例えば銀粉末や銅粉末および可塑剤を添付混合することで導電性ペーストを作製する。次に、この導電性ペーストを上記の積層体２の側面の内部電極２２が露出している箇所に、スクリーン印刷法やディスペンス方式を用いて所定の厚みや幅を制御して外部電極３のパターンで例えば５〜７０μｍの厚さ塗布し、５００〜８００℃の温度で焼き付ける。ここで、導電性ペーストにはガラス粉末を含有させてもよく、ガラス粉末の量を異ならせた導電性ペーストを２段階に塗布してもよい。
【００４１】
次に、リード線４を外部電極３に接合する。このとき、例えば、先端を７００〜１２００℃に加熱した金属棒もしくはアルミナなどのセラミック棒からなる熱源を、エナメルコートされた銅線からなるリード線４の上から押し当てて、リード線４を構成する銅を溶かしながら熱源をさらに圧力をかけて接合させる。この際、リード線４の溶融が始まってから熱源を押し当てることで、リード線４に沿った幅を有するとともに、当該幅の中央部の厚みが最も厚い反応層５を形成でき、圧電素子１を作製することができる。
【００４２】
なお、外部電極３に含まれるガラスの量が多いと反応層５が外部電極３側に凸となりにくく、リード線４側に凸となりやすくなる。
【００４３】
また、断面形状が四角形状のリード線の場合において、熱源を押し当てる圧力をあまり加えずに接触させると、リード線４の接合部位４１がつぶれずに、反応層５の中央部だけが厚くなる。特に、銅線の表面にＮｉメッキしたリード線４を用いて、接合部位４１だけＮｉメッキを剥いで銅を露出させておくと、その部位だけ反応しやすくなって、反応層５の中央部のみをより厚くすることができる。
【実施例】
【００４４】
本開示の圧電素子の実施例について説明する。【００４５】
実施例の圧電素子を以下のようにして作製した。【００４６】
まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーおよび可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製した。このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法により厚み５０μｍの圧電体となるセラミックグリーンシートを作製した。【００４７】
次に、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて、内部電極となる導電性ペーストを作製した。【００４８】
次に、セラミックグリーンシートの片面に、内部電極となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを５０層した。また、内部電極となる導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシート５０枚を中心にして、その上下に、内部電極となる導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシート合計１０枚を積層した。そして、９８０〜１１００℃で焼成し、平面研削盤を用いて所定の形状に研削して、３ｍｍ角の積層体を得た。【００４９】
次に、外部との電気のやりとりをする為に、積層体の側面にＡｇを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により外部電極を形成した。【００５０】
ここで、実施例（試料１）として図２に示す反応層を作製した。具体的には、リード線は直径１５０μｍのエナメルコートされた銅線を使用し、先端が８００〜９００℃に加熱されたアルミナのセラミック棒を使用し、これをリード線に押し当て、銅と銀の反応層を形成しつつ接合を行った。この際、リード線の溶融が始まってから、外部電極上に５〜１０Ｎの力で押し当て、リード線を広げながら１５〜３０秒間反応させることで、幅方向の端から中央部にいくにつれて徐々に厚みが厚くなる反応層を形成した。【００５１】
一方、比較例（試料２）として、反応層が幅方向の端が中央部よりも厚くなるものを作製した。具体的には、レーザー溶接法を用い、反応層の外側から溶融させることで、幅方向の端の厚みが厚くなるものを作製した。【００５２】
これらの圧電素子について、外力を加え電荷を取り出す方法にて圧力センサ出力を測定したところ、約１，０００Ｎの外力を加えた時、約１５ｍＣの電荷が得られた。【００５３】
また、これらの圧電素子について、１，０００Ｎの荷重を２００Ｈｚの振動で１．０×１０9回繰り返し加える耐久性試験を行った。【００５４】
その後、実施例である試料１の圧電素子は、反応層付近をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）で分析した結果、反応層の端部周辺にクラックの発生はなかった。さらに、この圧電素子の出力信号を評価すると、耐久性試験前と同等の値が得られ、特性劣化はしていなかった。【００５５】
これに対し、比較例である試料２の圧電素子は、ＳＥＭの分析の結果、反応層の端部にクラックが有り、端部付近の断面を観察すると、端部にあるクラックが反応層の内部にまで進展していた。さらに、試料２の出力信号を測定すると、信頼性試験前より３０％低い値が得られ、劣化していた。【００５６】
以上の結果から、本開示の圧電素子は、外部電極およびリード線の反応層とこれに隣接する部材との熱膨張差による応力が低減され、クラックが抑制されていて、長期間の耐久性に優れていることがわかる。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・圧電素子
２・・・積層体
２１・・圧電体
２２・・内部電極
３・・・外部電極
４・・・リード線
５・・・反応層
【図１】
2018123354.tif 000003
【図２】
2018123354.tif 000004
【図３】
2018123354.tif 000005
【図４】
2018123354.tif 000006
【図５】
2018123354.tif 000007
【国際調査報告】
2018123354.tif 000008
2018123354.tif 000009
2018123354.tif 000010
2018123354.tif 000011