JPH11186625A

JPH11186625A - 圧電素子

Info

Publication number: JPH11186625A
Application number: JP9355487A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shiono; 修塩野; Shigeru Tanaka; 田中　　滋; Hideo Suzuki; 秀夫鈴木; Seiji Watabiki; 誠次綿引; Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Motoyuki Miyata; 素之宮田; Tomio Ishida; 富雄石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電極コストを増加させることなく、圧電素子
の信頼性を向上させる。【解決手段】本圧電素子は、鉛系ペロブスカイト構造を
有する圧電セラミックス(例えば、チタン酸鉛−ジルコ
ン酸鉛等)で形成された圧電体層１０と、銀パラジウム
等で形成された内部電極層１１とが交互に何層にも積み
重ねられた積層構造を有している。但し、これら圧電体
層１０と内部電極層１１との間には、それぞれ、圧電体
層１０よりも小さな圧電性を有する耐マイグレーション
セラミックス(鉛を含有しない圧電セラミックス)で形成
された耐マイグレーション層１２を介在させてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子に係り、
特に、絶縁破壊の発生防止に有効な素子構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の圧電素子は、図１０に示すよう
に、圧電体層９０と内部電極層９１とが交互に何層にも
積み重ねられた積層構造を有している。そして、内部電
極層９１は、交互に、左右の外部電極層９３ａ,９３ｂ
に並列接続されている。尚、内部電極層９１の左右の側
面上に交互に形成されている絶縁膜９２ａ,９２ｂは、
各内部電極層９１と、これに接続されるべきでないほう
の外部電極層９３ａ,９３ｂとの間を絶縁するためのも
のである。

【０００３】さて、このような積層型の圧電素子の内部
電極層９１及び外部電極層９３ａ,９３ｂには、通常、
電気電導性の良い銀含有量が多く、しかもコストが低い
銀パラジウム合金が使用されている。ところが、そのこ
とが原因で、高温、高湿雰囲気内での使用中に、正極側
の内部電極層９１から負極側の内部電極層９１へと銀イ
オン(Ａｇ＋)が移動するマイグレーションが発生して、
圧電体層９０が絶縁破壊することがあった。

【０００４】そこで、このようなマイグレーションの発
生防止を目的として、マイグレーションが発生しやすい
内部電極層の露出部分だけを、化学的にも電気的にも安
定な白金によって形成した特開平５−１１０１５７号公
報記載の積層圧電アクチュエータが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
アクチュエータは、使用中(特に、繰り返し高速駆動中)
に内部電極層と圧電体層との間に発生する機械的応力に
よって、層間剥離を起こすことがあるという欠点があ
る。このような層間剥離が内部電極層の白金領域と圧電
体層との間に発生した場合、剥離箇所から内部電極層の
銀パラジウム領域が露出するため、内部電極層の白金部
分が所期のバリア機能を果たし得なくなる。即ち、上記
従来のアクチュエータの構造では、このような場合のマ
イグレーションの発生を防止することが困難である。ま
た、このような層間剥離は、最悪の場合には、アクチュ
エータ自体が使用不能になる原因になり得る。

【０００６】ところで、上記従来のアクチュエータは、
高価な電極材料を使用することによって、マイグレーシ
ョン発生防止を図っているが、製品の信頼性向上の要求
が厳しくなる一方で、製造コストの増加も許されない現
状においては、白金等の高価な貴金属材料の使用によっ
て図ることは、必ずしも妥当な解決策とは言えない。

【０００７】そこで、本発明は、より信頼性の高い圧電
素子を提供することを目的とする。併せて、圧電素子の
電極コストの削減を達成せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、正電極層と負電極層との間に圧電体層を
有する圧電素子であって、前記２つの電極層の内の少な
くとも一方の電極層と前記圧電体層との間に耐マイグレ
ーション層が介在し、当該耐マイグレーション層は、前
記圧電体層よりも小さな圧電性を有することを特徴とす
る圧電素子を提供する。

【０００９】このような構造によれば、正電極層から負
電極層への金属イオンの移動が耐マイグレーション層に
よって阻止されるため、白金等の高価な電極材料を使用
しなくても、絶縁破壊の原因となるマイグレーションの
発生を防止することできる。

【００１０】また、この耐マイグレーション層は、圧電
体層よりも小さな圧電性を有しているため、使用中に圧
電体層と電極層との間に発生する機械的応力を緩衝す
る。従って、層間剥離の発生を抑制することができる。

【００１１】即ち、このような構造によれば、電極コス
トを増加させることなく、圧電素子の信頼性を向上させ
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１３】最初に、本実施の形態に係る圧電素子の基
本構造について説明する。

【００１４】本圧電素子は、図１に示すように、鉛系ペ
ロブスカイト構造を有する圧電セラミックス(例えば、
チタン酸鉛−ジルコン酸鉛(ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃)
等)で形成された圧電体層１０と、銀パラジウム(Ａｇ／
Ｐｄ)等で形成された内部電極層１１とが交互に何層に
も積み重ねられた積層構造を有している。但し、これら
圧電体層１０と内部電極層１１との間には、それぞれ、
圧電体層１０よりも小さな圧電性を有する耐マイグレー
ションセラミックス(鉛を含有しない圧電セラミックス)
で形成された耐マイグレーション層１２を介在させてあ
る。尚、ここでいう「圧電体層１０よりも小さな圧電性」
とは、圧電体層１０よりも印加電圧に対する歪が小さい
ことを意味している。

【００１５】そして、従来技術の欄で説明した圧電素子
(図１０参照)と同様な接続構造によって、本圧電素子の
内部電極層１１も、交互に、左右の外部電極層に並列接
続されている。

【００１６】このような構造によれば、正極側の内部電
極層１１から負極側の内部電極層への金属イオン(銀イ
オン)の移動が耐マイグレーション層１２によって阻止
されるため、白金等の高価な電極材料を使用しなくて
も、絶縁破壊の原因となるマイグレーションの発生を防
止することができる。また、この耐マイグレーション層
１２は、圧電体層１０よりも小さな圧電性を有してお
り、使用中に内部電極層１１と圧電体層１０との間に発
生する機械的応力の緩衝材としても機能するため、圧電
素子の信頼性低下の要因となる層間剥離等の発生を防止
することができる。即ち、本構造によれば、電極コスト
を増加させることなく、従来よりも、圧電素子の信頼性
を向上させることができる。

【００１７】そして、本構造により信頼性の向上が達成
されることは、実験的にも立証されている。即ち、本圧
電素子と従来の圧電素子(図１０参照)とに対して、それ
ぞれ、１０００時間に渡る直流高電圧(約１５０ＶＤＣ)
の耐電圧試験を実行した結果、図２に示すように、従来
の圧電素子の圧電体層の絶縁抵抗値には、マイグレーシ
ョンの発生に起因すると見られる急激な低下が表れるの
に対して、本圧電素子の圧電体層の絶縁抵抗値には、こ
のような変化が表れないことが確認された。更に、耐圧
試験後の光学顕微鏡による観察の結果、本圧電素子は、
直流高電圧の連続印加に対しても、クラック、層間剥離
等を起こすことなく十分に耐え得ることが確認済され
た。

【００１８】尚、本実施の形態では、圧電体層１０と正
負両極の内部電極層１１との間に、それぞれ、耐マイグ
レーション層１２を介在させているが、必ずしも、この
ようにする必要はない。例えば、図３に示すように、圧
電体層１２と少なくとも正負何れか一方の極の内部電極
層１１との間に耐マイグレーション層１２を介在させる
だけでも、ほぼ同様な効果を得ることができる。

【００１９】また、本実施の形態では、圧電体層１０と
正負両極の内部電極層１１との間に、それぞれ、耐マイ
グレーション層１２を一層づつ介在させているが、材質
の異なる２層以上の耐マイグレーション層１２を介在さ
せても構わない。

【００２０】また、より確実にマイグレーションの発生
防止を達成するためには、図４に示すように、圧電体層
１０の側面(例えば、四側面の内の二面以上)を耐マイグ
レーション層で被覆することによって、高温雰囲気や湿
性雰囲気から圧電体層１０を保護することを推奨する。
尚、この場合、耐マイグレーション層１２が設けられて
いない側面に外部電極層を形成することが望ましい。

【００２１】また、図５に示すように、内部電極層１１
と圧電体層１０との間には耐マイグレーション層を介在
させず、圧電体層１０の側面(例えば、四側面の内の二
面以上)を耐マイグレーション層１２で被覆するだけで
も、高温雰囲気や湿性雰囲気から圧電体層１０が保護さ
れるため、マイグレーション発生防止には効果的であ
る。尚、この効果を立証するため、この圧電素子及び従
来の圧電素子(図１０参照)の各２０個に対して実行した
耐電圧試験(１５０ＶＤＣ)の結果を図６に示しておく。

【００２２】次に、内部電極層１１と圧電体層１０と耐
マイグレーション層１２との積層構造を有する圧電素子
(図１もしくは図３)の製造方法について説明する。但
し、ここでは、圧電体層を形成するための圧電材料とし
てチタン酸鉛−ジルコン酸鉛を使用し、耐マイグレーシ
ョン層を形成するための圧電材料として、チタン酸バリ
ウムを使用することとする。

【００２３】チタン酸鉛−ジルコン酸鉛を主成分とする
セラミックス原料粉末と溶剤と適量の有機バインダー等
とをボールミルで十分混合して、適当な粘度のスラリー
を予め調整しておく。そして、ドクターブレード装置を
用いて、このスラリーをシート状に成形してグリーンシ
ートを作成し、図７(ａ)に示すように、このグリーンシ
ートから適当な大きさの矩形片(以下、圧電シートと呼
ぶ)を切り出しておく。或るいは、セラミックス原料粉
末からバルク体(焼結体や結晶)を作成し、図７(ｂ)に示
すように、このバルク体から適当な厚さの圧電シートを
切り出すようにしても構わない。

【００２４】同様に、チタン酸バリウムを主成分とする
セラミックス原料粉末からもグリーンシート若しくはバ
ルク体を作成し、このグリーンシート若しくはバルク体
から矩形片(以下、耐マイグレーション圧電シートと呼
ぶ)を切り出しておく。

【００２５】その後、各耐マイグレーション圧電シート
の表面もしくは各圧電シートの表面に、銀パラジウム粉
末を含むペースト(以下、銀パラジウムペーストと呼ぶ)
をスクリーン印刷する。或るいは、スパッタリング等に
よって、各耐マイグレーション圧電シートの表面もしく
は各圧電シートの表面に銀パラジウム薄膜を成膜する
か、各耐マイグレーション圧電シートの表面もしくは各
圧電シートの表面に薄板状や薄網状の銀パラジウム材を
接着剤で接着するようにしても構わない。

【００２６】その後、圧電シートと耐マイグレーション
圧電シートとを交互に所定枚数だけ積み重ねることによ
って、積層体を形成する。但し、各圧電シートの両面等
に銀パラジウム材を接着した場合には、このときにも接
着剤が必要となる。

【００２７】その後、この積層体を一体焼結する。これ
により、積層構造を有する焼結体が形成される。

【００２８】その後、この焼結体の圧電体層１０の側面
に、左右交互に、軟化点５００℃〜７００℃程度のガラ
ス粉末を含むペーストをスクリーン印刷した後、これを
適当な温度で焼成することによって絶縁膜を形成する。
或るいは、この焼結体の圧電体層１０の側面に、左右交
互に、軟化点５００℃〜７００℃程度のガラス粉末を付
着させた後、これを適当な温度で焼成するようにしても
構わない。

【００２９】その後、この焼結体の左右の側面に外部電
極層を形成する。これにより、内部電極層１１が一層お
きに左右の外部電極層に並列接続され、図１に示した圧
電素子が完成する。

【００３０】尚、以上の製造方法は、あくまで一例であ
り、ここで利用している方法を他の方法によって代替す
ることは一向に差しつかえない。例えば、耐マイグレー
ション材シートを用いる代わりに、圧電シートの片面若
しくは両面に、チタン酸バリウム粉末を含むペーストを
スクリーン印刷するか、ゾルゲル法、スパッタリング法
等によってチタン酸バリウム粒子を成膜するようにして
もよい。或るいは、チタン酸バリウム粉末を分散させた
溶液またはスラリー中に圧電体シートを浸漬させてか
ら、それを乾燥または熱処理するようにしてもよい。図
４、図５に示したように圧電体層１０の側面を耐マイグ
レーション層１２で被覆する場合には、耐マイグレーシ
ョン材シートを用いるよりも、むしろ、これら代替方法
の何れかを用いた方が、接着剤が不要となるという点で
有利である。

【００３１】ところで、圧電素子の信頼性をより一層高
めるためには、圧電体層を形成するための圧電材料とし
て、ＡＢＯ₃ペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電
材料、例えば、チタン酸鉛−ジルコン酸鉛等を使用し、
耐マイグレーション層を形成するための圧電材料とし
て、ＡＢＯ₃のＡ元素と置換しやすいアルカリ土類(金属
周期表第II族に属する金属元素)を含む圧電材料、特
に、酸化バリウム(ＢａＯ)、酸化カルシウム(ＣａＯ)、
酸化ストロンチウム(ＳｒＯ)等、圧電体層１０の特性を
悪化させにくい酸化物を使用することを推奨する。

【００３２】これらの圧電材料を焼結前の段階で積層化
すれば、その後の一体焼結の際に、ＡＢＯ₃のＡ元素が
アルカリ土類金属と置換するため、図８に示すように、
圧電体層１０と耐マイグレーション層１２との間に、圧
電体層１０側から耐マイグレーション層１２側にかけて
アルカリ土類金属の濃度が徐々に変化する拡散層１３が
形成される。尚、圧電シートの表面にアルカリ土金属層
を形成した後、これらの圧電シートを焼成してから銀パ
ラジウム材と積層化しても、圧電体層１０と耐マイグレ
ーション層１２との間には、同様な拡散層が形成され
る。

【００３３】但し、実際には、図９に示したように、圧
電体層１０と拡散層１３との間、及び、拡散層１３と耐
マイグレーション層１２との間に明確な境界があるわけ
ではない。従って、例えば酸化バリウムを使用した場
合、圧電体層１０と内部電極層１２との間の組成成分
は、圧電体層１０側から内部電極層１２側に向かって、
ＰＺＴ⇒(Ｂａ、Ｐｂ)ＺＴ⇒(Ｂａ)ＺＴ⇒ＢａＯという
ように徐々に変化する。

【００３４】このように徐々に組成成分が変化する層
は、その圧電率も徐々に変化するものであるため、使用
時に発生する機械的応力の緩衝性に優れている。従っ
て、層間剥離の発生率を更に抑制することが可能とな
る。

【００３５】尚、このような拡散層の存在が有益である
ことは、図３、図５に示した圧電素子についても同様で
あることは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係る構造によれば、電極コスト
を増加させることなく、圧電素子の信頼性を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の外観図
である。

【図２】本発明の実施の一形態に係る圧電素子と従来の
圧電素子とに対する耐電圧試験結果を示した図である。

【図３】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の外観図
である。

【図４】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の外観図
である。

【図５】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の外観図
である。

【図６】本発明の実施の一形態に係る圧電素子と従来の
圧電素子とに対する耐電圧試験結果を示した図である。

【図７】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の製造方
法を説明するための図である。

【図８】本発明の実施の一形態に係る圧電素子の外観図
である。

【図９】周期表第II族に属する金属元素の濃度勾配図で
ある。

【図１０】(ａ)は、従来の圧電素子の外観図であり、
(ｂ)は、そのＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１０…圧電体層１１…内部電極層１２…耐マイグレーション層１３…拡散層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者綿引誠次茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者林原光男茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮田素之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者石田富雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正電極層と負電極層との間に圧電体層を有
する圧電素子であって、前記２つの電極層の内の少なくとも一方の電極層と前記
圧電体層との間に耐マイグレーション層が介在し、当該耐マイグレーション層は、前記圧電体層よりも小さ
な圧電性を有することを特徴とする圧電素子。
【請求項２】請求項１記載の圧電素子であって、前記圧電体層の外縁面の一部または全部を被覆した耐マ
イグレーション層を有し、当該耐マイグレーション層は、前記圧電体層よりも小さ
な圧電性を有することを特徴とする圧電素子。
【請求項３】正電極層と負電極層との間に圧電体層を有
する圧電素子であって、前記圧電体層の外縁面の一部または全部を被覆した耐マ
イグレーション層を有し、当該耐マイグレーション層は、前記圧電体層よりも小さ
な圧電性を有することを特徴とする圧電素子。
【請求項４】請求項１、２及び３の内の何れか１項記載
の圧電素子であって、前記耐マイグレーション層は、周期表第II族に属する金
属元素の内の少なくとも１種類の金属元素を含有するこ
とを特徴とする圧電素子。
【請求項５】請求項４記載の圧電素子であって、前記圧電体層と前記耐マイグレーション層との間に、前
記金属元素の濃度勾配を有する拡散層が介在することを
特徴とする圧電素子。