JP6591910B2

JP6591910B2 - 圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP6591910B2
Application number: JP2016033391A
Authority: JP
Inventors: 柴田　清人; 清人柴田; 友好加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: JP2017152532A

Description

本発明は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子およびその製造方法に関する。

従来、図３（ａ）に示すように、圧電セラミックス２１０と内部電極２２１、２２２が交互に積層され、素子側面の外部電極２７１、２７２により内部電極２２１、２２２が１層おきに並列に接続される圧電素子２００が知られている。一方、外部電極を設けるのが不適切な場合に素子内部のスルーホール電極で内部電極同士を接続している圧電素子も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２１１０４７号公報

上記のような積層型の圧電素子に対して、近年、小型化、薄層化が求められる場面が増えており、図３（ｂ）に示すように、両端の内部電極より端部側の保護層の厚みを（例えば５０μｍ程度まで）小さくすることがある。この場合、側面の外部電極３７１、３７２が素子の積層方向の端面にはみ出して平面を確保できない。このような圧電素子３００では、基準面に対して正確な変位の取出しができなくなる。

また、仮にはみ出さないとしても、図３（ｃ）に示すように、側面に外部電極４７１、４７２があると、圧電素子４００を金属部材９００へ設置する際に外部電極４７１、４７２と金属部材９００間の絶縁確保が困難になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化または薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる圧電素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、圧電セラミックスで形成された圧電層と、前記圧電層と交互に積層された内部電極と、素子本体を貫通し、前記内部電極が１層おきに並列に接続されるスルーホール電極と、を備え、前記内部電極のうち積層方向の両端に設けられた内部電極より端部側の圧電層である保護層の厚さが１００μｍ未満であることを特徴としている。

これにより、小型化、薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。また、素子の側面に外部電極を設けず、積層方向の一方の端面だけに外部電極を設ければよいため、配線が容易である。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記スルーホール電極に接続し、積層方向の一対の端面のいずれか一方のみに設けられた外部電極を更に備えることを特徴としている。これにより、外部電極が一方の端面だけにあるので、外部との配線が容易になる。また、他方の端面を基準面として使用できるため、変位を正確に取り出せる。また、外部電極が一方の端面だけにあるので他方の端面を金属部材に設置しても短絡の危険がない。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極のうち隣り合う電極の間の距離がいずれも５０μｍ未満であることを特徴としている。このような構造にもかかわらず、スルーホール電極で電気的接続が行なわれ、外部電極が端面の一方の面だけにあるので配線が容易になる。

（４）また、本発明の圧電素子の製造方法は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、電極パターンを印刷したグリーンシートの積層体にスルーホール電極用の孔を設ける工程と、前記スルーホール電極用の孔に、電極用の金属粒子が２０〜５０ｖｏｌ％を占めるように固形分の占有率を調整され、固形分の量を４５〜５５ｖｏｌ％に調整された電極ペーストを注入する工程と、前記電極ペーストを充填された積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴としている。

上記のような電極ペーストを用いることで、ペースト乾燥後は金属粒子が２０〜５０ｖｏｌ％を占め、その後の焼成により電極中に金属粒子が充填される。これにより、圧電素子が小型化、薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。また、上記のような電極ペーストの調整によりスルーホール電極部分について焼成工程で素子厚みに影響する盛り上がりが生じない。

本発明によれば、圧電素子が小型化または薄層化されても、素子に基準面を確保して変位を正確に取り出せ、金属部材へ設置する際に絶縁を確保することができる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ本発明の圧電素子の平面図、側面図および側断面図である。金属部材上に配置された本発明の圧電素子の側断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ従来の圧電素子の側断面図である。

次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（圧電素子）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ圧電素子１００の平面図、側面図および側断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）の断面１ｃの断面図を示している。図２は、金属部材９００上に配置された圧電素子１００の側断面図である。圧電素子１００は、矩形体に形成され、一方の主面が金属部材９００に接着される積層型の圧電素子である。圧電素子１００は、圧電層１１０、内部電極１２１、１２２、スルーホール電極１７１、１７２を備え、スルーホール電極１７１、１７２への電圧の印加により伸縮する。

圧電層１１０は、例えばＰＺＴやチタン酸バリウム等の圧電セラミックスで層状に形成されている。圧電層１１０は、内部電極１２１、１２２との積層方向に分極されている。

内部電極１２１、１２２は、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ等の金属で形成され、圧電層１１０と交互に積層されている。内部電極１２１、１２２は、スルーホール電極１７１、１７２によってそれぞれ並列に１層おきに接続されている。これにより、圧電素子１００の側面に外部電極を設ける必要がなくなる。

内部電極１２１、１２２のうち隣り合う電極の間の距離は、いずれも５０μｍ未満であることが好ましい。このように薄層化した構造により高い効率で圧電素子として動作可能である。薄層化している状態で、スルーホール電極１７１、１７２が設けられることで配線が容易になる。

スルーホール電極１７１、１７２は、素子本体を貫通し、それぞれ内部電極１２１、１２２に接続されている。その結果、内部電極１２１、１２２を取り出す外部電極１７１ａ、１７２ａは、側面に存在しない。したがって、積層方向の端面１５０に側面上の電極がはみ出ることもないため、小型化、薄層化されても、図２に示すように基準面（端面１６０に相当）を確保して変位を正確に取り出せる。そして、金属部材９００へ設置する際に絶縁を確保することができる。例えば、圧電素子１００の厚さｔが５００μｍ未満のときには高い効果が見込める。

保護層１１０ａ、１１０ｂは、内部電極１２１、１２２の積層方向に垂直な一対の端面１５０、１６０から、内部電極１２１、１２２のうち最近接の電極までの領域（言い換えると端の内部電極よりさらに端部側の圧電層）である。保護層１１０ａ、１１０ｂの厚さｔ１、ｔ２は、１００μｍ未満であり、３０μｍ未満であることが好ましい。保護層１１０ａ、１１０ｂのような伸縮に寄与しない層は小さい方が、効率が高い。

外部電極１７１ａ、１７２ａは、スルーホール電極１７１、１７２に接続し、一対の端面１５０、１６０のいずれか一方（図１、２の例では、端面１５０）のみに設けられていることが好ましい。これにより、配線が容易になり、他方の端面１６０を金属部材９００に設置しても短絡するおそれがない。

上記のように構成された圧電素子１００は、例えば、ステージやマスフローコントローラの弁を被駆動体とする精密位置決め用の圧電アクチュエータ、圧電トランス、医療用のプローブに用いることができる。

（圧電素子の製造方法）
圧電素子１００の製造工程を説明する。まず、所定の配合で圧電材料、溶媒、バインダ等を混合し、押し出し成形でグリーンシートを形成する。得られたグリーンシートに電極ペーストで電極パターンを印刷して、それらを積層し、金型で積層体を打ち抜く。そして、打ち抜かれた積層体にスルーホール電極用の孔を設け、電極ペーストを所定量まで注入する。

この際には、Ａｇ／Ｐｄ等の電極用の金属粒子が固形分の２０〜５０ｖｏｌ％を占めるように調整し、さらに電極ペーストの固形分の量を４５〜５５ｖｏｌ％に調整する。そして孔の体積に対し、十分に充填するように電極ペーストを孔に注入することが好ましい。プレス時、焼成時にセラミックス成形体が収縮するため、当初の金属粉末そのものの充填率を低くしておく。なお、電極ペーストの注入の際には、併せてスルーホール電極に接続される外部電極も設けてもよい。

充填された電極ペーストを乾燥させると、乾燥収縮が生じ、孔を埋める電極の両主面端部がロート状にへこむ。乾燥後の電極ペーストは金属粒子が有機物の樹脂（バインダ）に分散し、有機物のネットワークに金属粒子が分散した多孔体のような構造を形成する。このとき固形分のみが残留しており、有機物に対する金属粒子の占有率は、２０〜５０％である。

このようにして準備された積層体をプレスしつつ焼成する。焼成体を生成できる。積層方向の端面の外部電極は、圧電セラミックスと同時に焼成してもよい。なお、焼成すると、電極は焼成収縮により乾燥時と比べ体積比で５０％程度に縮む。その結果、スルーホール電極部分に素子厚みに影響する盛り上がりが生じない。焼成体は、研削して加工し、加工で得られた焼成体の外部電極にリード線を接続する。そして、活性領域の圧電層を分極することで、圧電素子１００が得られる。上記のように予め電極ペーストの成分を調整することで、素子厚みに影響する盛り上がりを防止し、スルーホール電極を有する薄い圧電素子を形成することができる。

１００圧電素子
１１０圧電層
１１０ａ、１１０ｂ保護層
１２１、１２２内部電極
１５０、１６０端面
１７１、１７２スルーホール電極
１７１ａ、１７２ａ外部電極
９００金属部材

Claims

電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、
電極パターンを印刷したグリーンシートの積層体にスルーホール電極用の孔を設ける工程と、
前記スルーホール電極用の孔に、電極用の金属粒子が２０〜５０ｖｏｌ％を占めるように固形分の占有率を調整され、固形分の量を４５〜５５ｖｏｌ％に調整された電極ペーストを注入する工程と、
前記電極ペーストを充填された積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。