JP2004014777A

JP2004014777A - 積層型圧電セラミックス素子

Info

Publication number: JP2004014777A
Application number: JP2002165598A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Inoue; 井上　崇行; Yoichi Mamiya; 間宮　洋一
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP3946580B2

Abstract

【課題】セラミックス層の境界、またはセラミックス層の変位により生じる絶縁層の応力を低減し、絶縁層とセラミックス層の剥離や絶縁層の破壊を防止し、絶縁性に優れた高信頼性の積層型圧電セラミックス素子を提供すること。
【解決手段】積層圧電セラミックス素子の絶縁層を熱膨張係数の小さい圧電セラミックスで形成する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの応力を検知し電圧を発生する積層型圧電センサや電圧を加えて変位や力を発生する積層型圧電アクチュエータ等に用いられる積層型圧電セラミックス素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、外部からの応力で電圧を発生したり、電圧の印加により変形する圧電セラミックスは、圧力センサーや圧電アクチュエータ等に実用化されてきた。また、近年、センサーの感度向上やアクチュエータの変位特性向上のため、圧電セラミックス層と内部電極層を交互に積層一体化し、積層体の側面に露出した前記内部電極層上に一層おきに絶縁層を形成し、該絶縁層上に前記内部電極層に接続する一対の対向外部電極を形成した構造の積層型圧電セラミックス素子の普及が著しい。前記絶縁層は、内部電極と外部電極の電気的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していた。
【０００３】
係る構造体に関しては、公知文献として公開特許公報昭５９―１１５５７９や特許出願公告平２―５６８３０に開示された電歪効果素子がある。該電歪効果素子は、電歪材料の板と内部電極板が交互に積層され、側端面上の内部電極層の露出部とその近傍の電歪材料上のみに絶縁層や有機絶縁層またはフィラーを含む有機絶縁層を形成した構造で、前記電歪効果素子が伸縮しても、前記絶縁材料にクラックの発生が無く、絶縁性、信頼性が高い電歪効果素子である。
【０００４】
しかしながら、前述の電歪効果素子では、電歪材料の板の厚さが薄くなり、高い電界強度で繰り返し電歪効果素子を伸縮させると、絶縁層にクラックが生じたり、絶縁層と電歪材料層が剥離し絶縁性を失うという問題があった。
【０００５】
また、近年、自動車のエンジンルーム内や高温蒸着装置内等の１００℃以上の高温雰囲気中で、積層型圧電セラミックス素子を使用する用途が増加し、熱履歴による圧電セラミックスと絶縁層の熱膨張係数の異なりが原因で、圧電セラミックス層と絶縁層の境界に応力が生じ、該応力により絶縁層にクラックが生じたり、絶縁層と圧電セラミックス層が剥離し絶縁性を失うという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、セラミックス層と絶縁層との境界付近に生じる応力を減少し、セラミックス層と絶縁層の剥離およびクラックが発生しない、絶縁性に優れ、高信頼性の積層型圧電セラミックス素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の圧電セラミックス層と内部電極層を交互に積層して一体化した積層体で、該積層体の側面に露出した前記内部電極層が対向電極となるように前記内部電極層の露出部上に１層おきに絶縁層を形成し、前記内部電極層の露出部に電気的に接続する一対の外部電極を形成した積層型圧電セラミックス素子において、前記絶縁層の熱膨張係数が前記圧電セラミックス層の熱膨張係数以下の絶縁材料で形成されていることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子が得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、前記絶縁層を形成する材料が、圧電セラミックスであり、該圧電セラミックスが、前記積層型圧電セラミックス素子の圧電セラミックス層と同じ組成系の圧電セラミックスであり、かつ前記積層型圧電セラミックス素子の圧電セラミックス層の９５〜６０％の圧電歪定数ｄ３３値を有する圧電セラミックスであることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、前記絶縁層を形成する圧電セラミックスが、低温焼結処理を施した粉末の焼き付け体であり、該粉末の粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記低温焼結処理を施す圧電セラミックス粉末は、ホウケイ酸系ガラスや、酸化鉛、ケイ酸鉛、ゲルマン酸鉛、ビスマス酸リチウムの低融点物質のうち少なくとも一種類を０．１〜２０重量％含んだ混合体であることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子が得られる。
【００１１】
通常、積層型圧電セラミックス素子に用いられる圧電セラミックスの３０℃〜５００℃の温度範囲における熱膨張係数は、およそ４０×１０^−７／ｄｅｇ程度であり、絶縁層には、ホウケイ酸亜鉛系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスが用いられ、これら絶縁ガラスの前記温度範囲における熱膨張係数は、４０〜１００×１０^−７／ｄｅｇである。この熱膨張係数の差が熱履歴による絶縁層とセラミックス層の境界に引張応力を発生させるので、絶縁層の剥離やクラックの原因となる。
【００１２】
したがって、圧電セラミックスより熱膨張係数の小さな絶縁材料を用いることは、前記引張応力の低減になり、圧電セラミックス層と絶縁層の境界剥離や、絶縁層の破壊を防止し、また圧電セラミックス層の変位により生じる絶縁層の応力を低減し、絶縁層の破壊を防止することができる。また、絶縁層を圧電セラミックスで形成することで、電圧印加時に圧電セラミックス層と同様に絶縁層も変位し、セラミックス層の変位により生じる絶縁層の応力が低減し、絶縁層の破壊を防止することができるので、絶縁性に優れ、高信頼性の積層型圧電セラミックス素子を提供することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明における積層型圧電セラミックス素子の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ´線断面図の一部である。図１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、或いはチタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックス材料と銀／パラジウム合金電極材料を用いて、複数の圧電セラミックス層１と複数の内部電極層２を交互に積層してなる積層型圧電セラミックス素子の側面において、露出した前記内部電極層２の端部に対向電極となるように一層置きに絶縁体４を形成し、一層置きに露出している前記内部電極層２の端部は銀の外部電極３に接続し、該外部電極３には外部電源と電気的接続を行うためのリード線６が接続されている。該リード線６に電圧を印加すると、圧電セラミックス層は内部電極間距離で決まる電界強度に応じて変位方向７ａ−７ｂの方向に変位する。
【００１５】
前記圧電セラミックスと従来絶縁層に使用していたガラスの熱膨張率の測定結果を図３に示した。図３から、圧電セラミックスの熱膨張率はキュリー温度前後で変化している。これは、結晶構造の変化による影響であり、圧電セラミックスであれば組成による影響はほとんどなく、キュリー温度に依存する。また、前述のとおり、従来、絶縁層に使用していたガラスの熱膨張率が圧電セラミックスより大きいことが分かる。圧電セラミックス層材料よりも熱膨張率の高いガラスを絶縁層に用いると、冷却中に引張応力が発生しガラスにクラックが生ずるので、絶縁層には圧電セラミッスク層材料と膨張率が同じか低い材料が必要である。
【００１６】
また、絶縁層４を圧電セラミックスで形成する場合、焼き付け温度は７００℃以上の高温になり、前記絶縁層４が圧電セラミックス層１に拡散し易く、該拡散の影響を回避するためには、前記絶縁層４には前記圧電セラミックス層１と同じ組成、もしくは、前記圧電セラミックス層と同じ元素を含有する組成系の圧電セラミックスを用いる必要がある。
【００１７】
また、絶縁層４の焼き付け温度が、圧電セラミックス層１の焼結温度に近い場合、前記圧電セラミックス層１の粒成長や、圧電セラミックスの主成分である鉛が蒸発し、圧電特性が劣化し易いので、圧電セラミックス層の焼結温度よりも１００℃以上低温で焼き付けする必要がある。
【００１８】
本発明者等は、前記焼き付け温度の低温化を検討結果、絶縁材料の圧電セラミックス粉末の粒子径を１μｍ以下に微粉末化し、また低融点物質を混合することにより１００℃〜２００℃焼き付け温度の低温化が可能であることを見出した。
【００１９】
図４に、絶縁層形成用の圧電セラミックスの平均粒径をパラメータとして、焼き付け温度と相対密度の測定結果を示した。前記圧電セラミックス粉末の粒子径を１μｍ以下の微粉末とすることで、圧電セラミックスを１００℃以上低温で焼結することができ、平均粒子径０．１μｍでは焼き付け温度９００℃で緻密な焼結体を形成することができている。
【００２０】
また、低融点物質の混合では、圧電セラミックスの圧電特性と絶縁性を劣化させないことが重要であり、ホウケイ酸系ガラス、酸化鉛、ケイ酸鉛、ゲルマニウム酸鉛、ビスマス酸リチウムなどの低融点絶縁物のうち少なくとも１種類を０．１〜２０重量％含んだ混合体とすると、鉛系圧電セラミックスの圧電特性を劣化させずに焼き付け温度を１００℃以上、下げられることを見出した。表１に、各低融点物質を添加した時の諸特性を示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
また、図５には、絶縁層の圧電セラミックスの圧電歪定数ｄ_３３値が積層型圧電セラミックス素子の圧電セラミックスの圧電歪定数ｄ_３３値より高い場合の前記絶縁層の破壊モードを示した。絶縁層４を、圧電歪定数ｄ_３３値が高い圧電セラミックスで形成すると、積層型圧電セラミックス素子に電圧を印加した時に、絶縁層４にクラック８ａが発生する。これは、外部電極３の下の絶縁層４は、内部電極層２と外部電極３との間に電界が発生するため圧電効果で変位するが、外部電極３のない部分の絶縁層４は、電界が発生しないため変位せず、その結果、絶縁層４の変位部と非変位部の境界に応力が集中し、クラック８ａが発生する。
【００２３】
そこで、絶縁層４に用いる圧電セラミックスに圧電セラミックス層１よりも圧電歪定数ｄ_３３値が９５〜６０％である低い圧電セラミックス材料を用いることにより、絶縁層４の変位部と非変位部の応力集中を緩和することができ、クラック８ａの発生を防止することが可能である。しかし、圧電歪定数ｄ_３３値が６０％以下の圧電セラミックス材料を用いると、図５に示したように、クラック８ｂが発生するので、本発明の効果が得られず、絶縁層４に用いる圧電セラミックスの圧電歪定数ｄ_３３値は、圧電セラミックス層１の圧電歪定数ｄ_３３値の９５〜６０％であることが必要である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁層を熱膨張係数の小さい圧電セラミックスで形成することにより、絶縁体層とセラミックス層の境界、またはセラミックス層の変位により生じる絶縁層の応力を低減し、絶縁層とセラミックス層の剥離や絶縁層の破壊を防止し、絶縁性に優れた高信頼性の積層型圧電セラミックス素子を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の積層型圧電セラミックス素子を示す斜視図。
【図２】
図１中のＡ−Ａ´線の断面図の一部。
【図３】
圧電セラミックスとガラスの熱膨張率の測定結果を示す図。
【図４】
圧電セラミックスの平均粒径をパラメータとした焼き付け温度と相対密度を示す図。
【図５】圧電歪定数が異なる場合の絶縁層の破壊モードを示す図。
【符号の説明】
１　　圧電セラミックス層
２　　内部電極層
３　　外部電極
４　　絶縁層
５　　圧電セラミックスの不活性層
６　　リード線
７ａ　　変位方向
７ｂ　　変位方向
８ａ　　絶縁層のクラック
８ｂ　　絶縁層のクラック

Claims

複数の圧電セラミックス層と内部電極層を交互に積層して一体化した積層体で、該積層体の側面に露出した前記内部電極層が対向電極となるように前記内部電極層の露出部上に１層置きに絶縁層を形成し、前記内部電極層の露出部に電気的に接続する一対の外部電極を形成した積層型圧電セラミックス素子において、前記絶縁層の熱膨張係数が前記圧電セラミックス層の熱膨張係数以下の絶縁材料で形成されていることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子。
前記絶縁層を形成する材料が、圧電セラミックスであ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ス素子。
前記絶縁層を形成する圧電セラミックスが、前記積層型圧電セラミックス素子の圧電セラミックス層と同じ組成系の圧電セラミックスであることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電セラミックス素子。
前記絶縁層を形成する圧電セラミックスが、前記積層型圧電セラミックス素子の圧電セラミックス層の９５〜６０％の圧電歪定数ｄ_３３値を有する圧電セラミックスであることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電セラミックス素子。
前記絶縁層を形成する圧電セラミックスが、低温焼結処理を施した粉末の焼き付け体であることを特徴とする請求項２乃至４に記載の積層型圧電セラミック素子。
前記低温焼結処理を施す圧電セラミックス粉末の粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電セラミックス素子。
前記低温焼結処理を施す圧電セラミックス粉末は、ホウケイ酸系ガラスや、酸化鉛、ケイ酸鉛、ゲルマン酸鉛、ビスマス酸リチウムの低融点物質のうち少なくとも一種類を０．１〜２０重量％含んだ混合体であることを特徴とする請求項５及び６に記載の積層型圧電セラミックス素子。