JP2005294761A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 変位量の低減を抑止するとともに、変位量のばらつきを低減することができる積層型圧電素子を提供すること。
【解決手段】 積層型圧電素子１は、内部電極２が形成された複数の圧電シート３が積層された積層体４と、積層体４の積層方向と直交する方向に対向する積層体４の端面４ａ，４ｂに形成された外部電極５ａ，５ｂとを有している。積層体４は、内部電極２が所定の間隔を空けて配置されることによって構成された圧電的に活性な領域である活性部６と、活性部を除く領域である圧電的に不活性な非活性部７とを有している。そして、積層型圧電素子１は、活性部６の変位方向Ｘと交差する方向に活性部６を挟むように位置する非活性部７に、一対の解放部１０ａ，１０ｂが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロポンプの弁制御等、微小変位のための駆動源として用いられる積層型圧電素子に関する。

従来の積層型圧電素子の一例として、下記特許文献１に開示された圧電アクチュエータが知られている。特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、内部電極がパターン形成されている複数の圧電シートが積層したアクチュエータ本体と、このアクチュエータ本体の端面に形成された外部電極とを有している。この圧電アクチュエータにあっては、アクチュエータ本体の一方の最外層が活性部（圧電効果により歪みが生じる部分）となっており、他方の最外層が非活性部（圧電効果による歪みが生じない部分）となっている。そして、外部電極に電圧が印加されると、活性部が歪むのに対して非活性部は歪まないため、アクチュエータ本体が積層方向に屈曲して、全体が積層方向と略直交する方向（変位方向）に変位するようになっている。
特開平１１−８７７９０号公報

しかしながら、上述した圧電アクチュエータにあっては、非活性部において変位方向の変位が拘束されるため、十分な変位量を得ることができない。また、アクチュエータ本体が積層方向に屈曲するため、アクチュエータ本体の変位方向の変位量にばらつきが生じてしまう。

本発明は、上記従来技術の有する問題に鑑みてなされたものであり、変位量の低減を抑止するとともに、変位量のばらつきを低減することができる積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本発明は、積層された圧電体層の間に内部電極が配置された積層体を有する積層型圧電素子であって、積層体は、圧電的に活性な活性部と、活性部の変位方向と交差する方向に活性部を挟むように位置する圧電的に非活性な非活性部とを有し、非活性部には、活性部の変位の拘束を解放するための解放部が少なくとも一つ設けられていることを特徴とするものである。なお、本発明でいう「圧電的に活性な」とは、「圧電効果（ピエゾ効果）により歪みが生じる」ことを意味する。

本発明によれば、活性部が変位する（歪む）際に生じる非活性部による拘束力が解放部によって解放（低減）されるため、変位量の低減を抑止することができる。また、活性部を挟むように位置する非活性部の各々に解放部が設けられているため、非活性部による拘束力をバランスよく解放することができる。このため、積層型圧電素子の変位方向の変位量のばらつきを抑えることができる。

解放部は、その深さ方向が変位方向と交差する方向と一致する溝であることが好ましい。これにより、固定対象物に接着固定する際の積層型圧電素子の接着面積を低下させることなく、活性部の変位の拘束を解放することができる。したがって、積層型圧電素子の変位量を向上できると共に、積層型圧電素子を固定対象物に固定した際の接着不良や傾き等を防止することができる。

この場合、解放部は、積層体の最外層を構成する圧電体層に設けられていることが好ましい。これにより、例えば、積層型圧電素子を最外層にて所望の位置に固定したとき、活性部の変位の低減をより効果的に抑制することができる。

また、解放部は、内部電極同士の間に設けられてあってもよい。これにより、内部電極間の圧電効果による歪みを効果的に発生させることができる。

本発明によれば、活性部の変位方向と交差する方向に活性部を挟むように位置する非活性部に、活性部の変位の拘束を解放する解放部を少なくとも一つ設けたため、活性部の変位量の低減を抑止できると共に、活性部の変位量のばらつきを低減することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る積層型圧電素子の断面を示す概略図である。図１に示すように、積層型圧電素子１は、内部電極２が形成された複数の圧電シート（圧電体層）３が積層された積層体４と、この積層体４の積層方向と直交する方向に対向する積層体４の端面４ａ，４ｂに形成された外部電極５ａ，５ｂとを有している。なお、図１に示す積層型圧電素子１は、いわゆるｄ３３型のアクチュエータであり、積層方向と変位方向が同一方向となっている。

外部電極５ａ，５ｂは、例えば銀ペーストを塗布されたものである。そして、積層型圧電素子１を駆動する（変位させる）ために、例えば、図示しない外部電源に電気的に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）等を用いてリード線が半田等により接続され、電圧が印加されるようになっている。

圧電シート３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックスを主成分とする長方形薄板状に形成されている。また、内部電極２は、銀及びパラジウムを主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。

並列する内部電極２は、それぞれ交互に積層体４の端面４ａ，４ｂの縁部まで引き出されており、外部電極５ａ，５ｂにそれぞれ交互に接続されている。したがって、外部電極５ａ，５ｂに電圧が印加されたとき、隣り合う内部電極２，２は互いに異なる極性となる。

積層体４は、内部電極２が所定の間隔を空けて配置されることで構成された圧電的に活性な領域である活性部６と、活性部を除く領域である圧電的に不活性な非活性部７とを有している。活性部６は、図１に示す内部電極２と二点鎖線とによって囲まれた斜線領域であって、隣り合う内部電極２が積層方向Ｘに重複している領域である。また、活性部６の変位方向と交差する方向に活性部６を挟むように位置する非活性部７は、隣り合う内部電極２が積層方向Ｘに重複していない領域であり、端面４ａ，４ｂの各々と活性部６との間の領域である。

また、積層型圧電素子１は、非活性部７のうちの、積層方向（活性部６の変位方向）Ｘと略直交する方向に活性部６を挟むように位置する部分であって、積層体４の最外層を構成する圧電シート３ａに、積層方向Ｘに略直交する方向と深さ方向とが一致する溝状の解放部１０ａ，１０ｂが一対設けられている。

以上のような積層型圧電素子１は、最外層が接着剤８を介して固定対象物９に固定されており、外部電極５ａ，５ｂに外部から電圧が印加されると活性部６が歪み、固定対象物９から離隔する方向（図に示す積層方向Ｘの上方向）に積層型圧電素子１が変位する。このとき、解放部１０ａ，１０ｂは、非活性部７によって活性部６の変位を拘束するように働く積層方向Ｘの力を解放する。

図２は、従来の積層型圧電素子の外部電極に電圧を印加したときの状態を示す概略図であり、図３は、図１に示す積層型圧電素子１の外部電極５ａ，５ｂに電圧を印加したときの状態を示す概略図である。なお、図２，３では、外部電極及び外部電極に電圧を印加する外部電源等の図示を省略している。

図２（ａ）に示す積層型圧電素子８０では、非活性部７に解放部が設けられていないため、積層体４における固定対象物９との接着面側の角部に位置する非活性部７ａ，７ａ（図のクロスハッチング部分）によって、活性部６の変位を拘束する力が働くため活性部６の歪み量が低減され、したがって積層体４の変位量が小さくなる。

一方、図２（ｂ）に示す積層型圧電素子９０では、積層体４の一方の端面４ａにおける固定対象物９との接着面側に断面Ｌ字状の切欠部９１が設けられており、積層体４の一方の端面４ｂにおける固定対象物９との接着面側は上記非活性部７ａとなっている。この積層型圧電素子９０の外部電極に電圧を印加すると、非活性部７ａでは活性部６の変位を拘束する力が働き、切欠部９１では活性部６の変位を拘束する力が解放されるため、積層体４の切欠部９１側が非活性部７ａ側よりも大きな変位量となる。したがって、積層体４の上端面が、積層方向Ｘと直交する方向に対して傾斜する。

これに対し、本実施形態に係る積層型圧電素子１は、外部電極５ａ，５ｂに電圧が印加されると、図３に示すように、活性部６の変位に伴って解放部１０ａ，１０ｂの溝幅が広がり、非活性部７による活性部６の変位を拘束する力が解放される。これにより、積層体４の変位の低減が抑制されるため、積層型圧電素子１の変位量は、図２（ａ）に示す従来の積層型圧電素子８０に比して大きくなる。また、解放部１０ａ，１０ｂは、積層方向Ｘと直交する方向に活性部６を挟むように位置する非活性部７に設けられているため、活性部６の変位を拘束する力が、積層体４の幅方向（積層方向Ｘに直交する方向）においてほぼ均等に解放される。このため、積層体４が変位したとき、積層体４の上端面が積層方向Ｘと直交する方向に対し傾斜することなく略平行に保たれ、したがって積層型圧電素子１の変位量のばらつきが低減される。

次に、図４を参照しながら積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックスを主成分とする圧電材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合してペーストを作製し、圧電シート３となる長方形薄板状のグリーンシートを複数成形する。また、所定比率の銀とパラジウムからなる金属材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合することで、電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。そして、グリーンシートの各々に対し導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、内部電極２を形成する。このとき、内部電極２は、その一部がグリーンシートの縁部まで引き出された状態に形成する。

このようにして内部電極が形成された複数のグリーンシートを積層し、積層方向にプレスを行って積層体グリーンを作製する。内部電極２は、積層体グリーンシートの対向する端面（積層体４の端面４ａ，４ｂ）に交互に引き出された状態に積層する。そして、積層体グリーンを脱脂・焼成し、図４（ａ）に示す積層体４を得る。

続いて、図４（ｂ）に示すように、積層体４の端面４ａ，４ｂに、スパッタや真空蒸着、銀ペースト印刷等により、外部電極５ａ，５ｂを形成する。その後、外部電極５ａ，５ｂに所定の電圧を印加して分極処理を行う。これにより、外部電極５ａ，５ｂの各々には、積層方向に並列する内部電極２が一つおきに接続される。したがって、外部電極５ａ，５ｂを異なる極性とすることにより、隣り合う内部電極２を互いに異なる極性とすることができる。

次に、積層体４の最外層を構成する圧電シート３ａに、ダイサやスライサ等を用いて外部電極５ａ，５ｂと共に積層体４に切り込みを入れる。これにより、図４（ｃ）に示すように、積層方向Ｘに略直交する方向と深さ方向とが一致する溝状の解放部１０ａ，１０ｂが形成され、積層型圧電素子１が完成する。

図５は、積層型圧電素子１の外部電極５ａ，５ｂを除いた状態を示す概略斜視図である。同図に示すように、溝状の解放部１０ａ，１０ｂは、積層体４の端面４ａ，４ｂの各々に、各面の端から端まで連続して切り込まれた状態に形成されている。なお、積層型圧電素子１は、例えば、幅Ｗが２．０ｍｍ程度、高さＨが２．０ｍｍ程度、長さＬが２０ｍｍ程度に形成され、解放部１０ａ，１０ｂは溝幅Ｍが１０〜２０μｍ程度に形成される。このような積層型圧電素子１は、適宜、図５に示す状態からその用途に応じて桁加工が施され、例えば、幅１００μｍの桁状の積層型圧電素子が長さＬの方向に配列されるように加工される。

図６は、他の形態の積層型圧電素子の製造方法を示す図である。図６に示す積層型圧電素子２０は、外部電極５ａ，５ｂの形成方法が異なり、積層体４の一側の端面に外部電極５ａ，５ｂの両方が配された構造となっている。

このような積層型圧電素子２０を形成する場合は、まず、図４（ａ）に示す積層体４を上述した手順により形成する（図６（ａ）参照）。次に、図６（ｂ）に示すように、ダイサやスライサ等を用いて、積層体４の一側の端面（図では端面４ｂ）に切り込みを入れて溝（解放部１０ｂ）を形成する。次いで、図６（ｃ）に示すように、積層体４の両端面４ａ，４ｂ及び底面４ｃに、スパッタや真空蒸着、銀ペースト印刷等によって外部電極膜５を形成する。そして、ダイサやスライサ等を用いて、積層体４の他側の端面（図では端面４ａ）に切り込みを入れて溝（解放部１０ａ）を形成する。これにより、外部電極膜５は２つに分断され、積層体４の端面４ａ上に形成された外部電極５ａと、積層体４の端面４ｂ，底面４ｃ及び端面４ａの上に連続して形成された外部電極５ｂとが形成される。以上により、積層型圧電素子２０が完成する。

このような積層型圧電素子２０では、一方の端面に２つの外部電極５ａ，５ｂの両方が配された構造となっているため、リード線等と外部電極５ａ，５ｂとの接続作業が容易になると共に、積層型圧電素子２０を搭載した製品の省スペース化、構造の簡素化等を図ることができる。

図７は、本実施形態に係る積層型圧電素子の変形例を示す図である。図７（ａ）に示す積層型圧電素子３０は、固定対象物９との接着面側の角部が面取りされて（切り欠かれて）なる解放部３１ａ，３１ｂが設けられている。これにより、外部電極５ａ，５ｂに電圧が印加されたとき、解放部３１ａ，３１ｂが、積層型圧電素子１の解放部１０ａ，１０ｂと同様に機能するため、積層体４の変位量のばらつきが低減され、さらに積層体４の変位の低減が抑制される。

図７（ｂ）に示す積層型圧電素子４０は、積層体４の最外層を構成する圧電シート３ａに一対の解放部４４ａ，４４ｂが設けられており、さらに、内部電極２同士の間のそれぞれに解放部４１ａ〜４４ａ，４１ｂ〜４４ｂが活性部を挟むようにして設けられている。この積層型圧電素子４０は、図４に示す製造方法によって製造され、ダイサやスライサ等にて積層体４に切り込みを入れる際に、内部電極２同士の間にも切り込みを入れることにより、複数の解放部４１ａ〜４４ａ，４１ｂ〜４４ｂが形成されている。これにより、内部電極２間の圧電効果による歪みを効果的に発生させることができる。また、複数の解放部が形成されているため、より効果的に積層体４の変位の低減が抑制される。

図７（ｃ）に示す積層型圧電素子６０は、上述した積層型圧電素子４０と同じ積層体４を有している（解放部の数、位置等が同じである）。しかし、図６示す製造方法によって製造されていることにより、外部電極５１ｂが積層体４の端面４ｂ，底面４ｃ及び端面４ａの上に連続して形成されている点で積層型圧電素子４０とは異なっている。これにより、図７（ｂ）に示す積層型圧電素子４０において、積層体４の一方の端面に２つの外部電極５１ａ，５１ｂが配された構造とすることができる。

上述した積層型圧電素子１，２０，４０，６０では、解放部が、積層方向に交差する方向と深さ方向とが一致した溝状を呈している。したがって、固定対象物９に接着固定する際の接着面積が積層型圧電素子３０に比して大きくなるため、固定対象物９に固定した際の接着不良や傾き等が防止される。

また、積層型圧電素子１，２０，４０，６０において、解放部は、積層体４の最外層を構成する圧電シート３ａに設けられ、固定対象物９と活性部６との間に配される。したがって、活性部６の変位の拘束をより効果的に解放させることができる。

図８は、本実施形態に係る積層型圧電素子のさらなる変形例を示す図である。同図に示す積層型圧電素子７０は、ｄ３１型のアクチュエータとなっている。すなわち、上述した積層型圧電素子１，２０，３０，４０，６０では、積層方向Ｘと変位方向が一致しているが、積層型圧電素子７０では積層方向Ｘと変位方向Ｙが略直交している。

積層型圧電素子７０は、上記積層型圧電素子１と同様に、内部電極２が形成された複数の圧電シート３が積層された積層体４と、積層体４の端面４ａ，４ｂに形成された外部電極５ａ，５ｂとを有している。

そして、積層体４は、並列する内部電極２により構成された領域の活性部６と、活性部を除く領域の非活性部７とを有している。非活性部７のうち、変位方向Ｙに活性部６を挟むように位置した領域の一方（図８に示す非活性部７Ｒ）は、固定対象物９に固定されている。また、活性部６の積層方向Ｘに活性部６を挟むように位置する非活性部７Ａ，７Ｂには、積層方向Ｘに切り込まれた溝状の解放部７１ａ，７１ｂがそれぞれ設けられている。

このような積層型圧電素子７０では、外部電極５ａ，５ｂに外部から電圧が印加されると活性部６が歪み、積層方向Ｘと直交する方向（変位方向Ｙ）に積層型圧電素子１が変位する。このとき、解放部７１ａ，７１ｂは、活性部６の変位に伴って溝幅が広がり、非活性部７による活性部６の変位を拘束する力（変位方向Ｙに働く力）を解放する。したがって、積層型圧電素子７０の変位の低減が抑制される。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、解放部は、活性部の変位方向と交差する方向に活性部を挟むように位置する非活性部に少なくとも一つ設けられてあればよく、活性部を挟むように位置する非活性部には、一方に１つ他方に２つというように、それぞれ異なる数の解放部が設けられてあってもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げ、図９〜図１２を参照して本発明の積層型圧電素子の内容をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
（比較例１）

図９は、図１０に示す積層型圧電素子１００における上端面Ｓの幅Ｗ方向の変位分布を示す図である。図１０に示す積層型圧電素子１００は、積層体４における固定対象物９との接着面側の一方の角部が切り取られた構造を有している（外部電極５ｂ側に切欠部１０１が形成されている）。

このような積層型圧電素子１００の各寸法は、幅Ｗを２．０ｍｍ、高さＨを２．０ｍｍとした。そして、積層型圧電素子１００を、外部電極５ａ，５ｂに１．５（ｋＶ／ｍｍ）相当の電圧を印加することにより変位させ、上端面Ｓの幅方向の変位量（μｍ）を測定した。

図９では、上端面Ｓの外部電極５ｂ側（切欠部１０１側）の端部を測定位置０（ｍｍ）とし、そこから外部電極５ａまでの変位量の分布を示している。図９に示すように、上端面Ｓは、切欠部１０１が形成されている側の変位量が大きくなって傾斜することが確認された。
（比較例２）

比較例２は、図２（ａ）に示す積層型圧電素子８０における上端面の幅方向の変位分布を測定した。本比較例２においても比較例１と同様に、積層型圧電素子８０について、幅Ｗを２．０ｍｍ、高さＨを２．０ｍｍとし、外部電極５ａ，５ｂに１．５（ｋＶ／ｍｍ）相当の電圧を印加することにより変位させ、上端面の幅方向の変位量（μｍ）を測定した。その結果を図１１中の折れ線Ｌ_８０に示す。
（実施例１）

実施例１は、図７（ａ）に示す積層型圧電素子３０における上端面の幅方向の変位分布を測定した。本実施例１においても比較例１，２と同様に、積層型圧電素子３０について、幅Ｗを２．０ｍｍ、高さＨを２．０ｍｍとし、外部電極５ａ，５ｂに１．５（ｋＶ／ｍｍ）相当の電圧を印加することにより変位させ、上端面の幅方向の変位量（μｍ）を測定した。その結果を図１１中の折れ線Ｌ_３０に示す。

図１１に示すように、実施例１の積層型圧電素子３０は、変位後の上端面が傾斜することなく滑らかな曲線を描き、中央付近（測定位置８００mm〜１２００ｍｍ付近）では変位量がばらつくことなく近い値で推移することが確認された。また、比較例２の積層型圧電素子８０に比して、変位量が上端面全体に渡って大きくなることが確認された。

図１２は、比較例２に係る積層型圧電素子８０に対する実施例１に係る積層型圧電素子３０の変位増加率（％）を示す図である。図１２に示すように、実施例１に係る積層型圧電素子３０は、比較例２に係る積層型圧電素子８０に比して全体的に変位量が増加しており、解放部を設けたことによって変位の拘束が解放され、変位量の低減が抑制されることが確認された。

本発明の実施形態に係る積層型圧電素子の断面を示す概略図である。 従来の積層型圧電素子の外部電極に電圧を印加したときの状態を示す概略図である。 図１に示す積層型圧電素子の外部電極に電圧を印加したときの状態を示す概略図である。 図１に示す積層型圧電素子の製造方法を示す図である。 図１に示す積層型圧電素子の外部電極を除いた状態を示す概略斜視図である。 他の形態の積層型圧電素子の製造方法を示す図である。 本実施形態に係る積層型圧電素子の変形例を示す図である。 本実施形態に係る積層型圧電素子のさらなる変形例を示す図である。 図１０に示す積層型圧電素子における上端面の幅方向の変位分布を示す図である。 比較例１に係る積層型圧電素子を示す概略図である。 比較例２及び実施例１に係る積層型圧電素子の上端面における幅方向の変位量を測定した結果を示す図である。 比較例２に係る積層型圧電素子に対する実施例１に係る積層型圧電素子の変位増加率を示す図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…内部電極、３…圧電シート（圧電体層）、４…積層体、５ａ，５ｂ…外部電極、６…活性部、７，７ａ，７ａ，７Ｒ，７Ａ，７Ｂ…非活性部、１０ａ，１０ｂ…解放部、２０…積層型圧電素子、３０…積層型圧電素子、３１ａ，３１ｂ…解放部、４０…積層型圧電素子、４１ａ〜４４ａ，４１ｂ〜４４ｂ…解放部、５１ａ，５１ｂ…外部電極、６０…積層型圧電素子、７０…積層型圧電素子、７１ａ，７１ｂ…解放部、Ｘ…積層方向（変位方向）、Ｙ…変位方向。

Claims (4)

1. 積層された圧電体層の間に内部電極が配置された積層体を有する積層型圧電素子であって、
   前記積層体は、圧電的に活性な活性部と、前記活性部の変位方向と交差する方向に前記活性部を挟むように位置する圧電的に非活性な非活性部とを有し、
   前記非活性部には、前記活性部の変位の拘束を解放するための解放部が少なくとも一つ設けられていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記解放部は、その深さ方向が前記変位方向と交差する方向と一致する溝であることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記解放部は、前記積層体の最外層を構成する前記圧電体層に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の積層型圧電素子。
4. 前記解放部は、前記内部電極同士の間に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の積層型圧電素子。
   

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