JP2006128466A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層体の積層方向への変位の阻害、及び内部電極と外部電極との電気的な接続の断線を単純な構成で抑制することができる積層型圧電素子を提供する。
【解決手段】 積層型圧電素子１は、複数の圧電体３，５と複数の内部電極１１，１３とが交互に積層されてなる積層体２と、積層体２の各側面４，６に設けられ、内部電極１１又は内部電極１３と電気的に接続された第１の外部電極２３と、第１の外部電極２３の外側に設けられ、積層体２の積層方向に沿って波状に延在する平板状の第２の外部電極２５とを備えている。そして、各側面４，６には、積層体２の積層方向と交差する方向に沿って延在する凹部３０が形成されており、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とは、凹部３０が延在する方向に対して凹部の上側及び下側のそれぞれに位置する接続部において電気的且つ物理的に接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層型圧電素子に関するものである。

従来の積層型圧電素子として、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、その積層体の側面に設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された外部電極とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極は、その全体が積層体の積層方向に延在するように形成されている。特許文献２に記載された積層型圧電素子では、外部電極は導電性線材からなるメッシュ部材であって、導電性接着剤により積層体の側面に固着されている。特許文献３に記載された積層型圧電素子では、外部電極はコイル状弾性部材である。
特開２０００−３４０８４９号公報 特開２００１−２１０８８４号公報 特開２００２−１７１００３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された積層型圧電素子には、次のような問題が存在する。

特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているため、積層体の積層方向への変位（伸縮動作）が阻害されてしまう。また、圧電素子の製造時に分極処理が施されたり、或いは圧電素子が長期間に渡って使用されたりすると、外部電極が形成された側面から積層体の内部に至るクラックが発生し、そのクラックの発生位置で外部電極が切断されて、内部電極と外部電極との電気的な接続が断線するおそれがある。

特許文献２，３に記載された積層型圧電素子では、外部電極はメッシュ部材或いはコイル状弾性部材であり、積層体の伸縮動作に追従し得ることから、積層体の積層方向への変位の阻害、及び内部電極と外部電極との電気的な接続の断線は抑制される。ところが、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されるため、圧電素子の構成が複雑になってしまう。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層体の積層方向への変位の阻害、及び内部電極と外部電極との電気的な接続の断線を単純な構成で抑制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。

上記目的を達成するために、本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、積層体の側面に設けられ、所定の内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、第１の外部電極の外側に設けられ、積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状の第２の外部電極と、を備え、側面には、積層方向と交差する方向に沿って延在する凹部が形成されており、第１の外部電極と第２の外部電極とは、凹部が延在する方向に対して凹部の一方の側及び他方の側のそれぞれに位置する接続部において電気的且つ物理的に接続されていることを特徴とする。

この積層型圧電素子においては、第２の外部電極は、積層体の積層方向に沿って波状に延在すると共に、複数の接続部において第１の外部電極と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、第２の外部電極は積層方向に伸縮性を有することとなるため、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているものに比べ、積層体の積層方向への変位が阻害されるのを抑制することができる。また、積層体において第１の外部電極が設けられた側面には、積層方向と交差する方向に沿って延在する凹部が形成されている。これにより、圧電素子の製造時に分極処理が施されたり、或いは圧電素子が長期間に渡って使用されたりして第１の外部電極が切断される場合には、凹部の形成位置で積層体にクラックが発生し、その凹部の形成位置で第１の外部電極が切断されることとなる。ところが、第１の外部電極と第２の外部電極とは、凹部が延在する方向に対して凹部の一方の側及び他方の側のそれぞれに位置する接続部において電気的且つ物理的に接続されている。このため、凹部の形成位置で第１の外部電極が切断されたとしても、その第１の外部電極と電気的に接続された所定の内部電極と第２の外部電極との電気的な接続の断線を抑制することができる。更に、この積層型圧電素子においては、第２の外部電極に、積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状のものといった極めて簡易な部材が採用されているため、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されているものに比べ、圧電素子の構成を単純化することができる。

また、凹部は、側面の一方の縁から他方の縁に渡って延在していることが好ましい。これにより、凹部の形成位置で積層体に発生するクラックが積層方向に延びるのを抑制し得るため、クラックが隣り合う内部電極間に渡って、その隣り合う内部電極同士がショートするのを防止することができる。

また、凹部は、積層方向から見た際に、少なくとも積層体の不活性部の全体と重なるように形成されていることが好ましい。これにより、凹部の形成位置で積層体にクラックが発生すること自体を抑制することができる。

また、凹部は、隣り合う内部電極間に形成されていることが好ましい。これにより、例えば凹部に絶縁部材を配置するなどの絶縁処理をしなくても、積層体において凹部が形成された側面に設けられた第１の外部電極と、その第１の外部電極と電気的に接続されていない内部電極とがショートするのを防止することができる。

また、積層体において凹部が形成された位置には、隣り合う圧電体間の接着力を低下させる接着力低下層が積層されていることが好ましい。これにより、凹部の形成位置で積層体に発生するクラックは接着力低下層に沿って延びることとなるため、クラックが隣り合う内部電極間に渡って、その隣り合う内部電極同士がショートするのを防止することができる。

本発明に係る積層型圧電素子によれば、積層体の積層方向への変位の阻害、及び内部電極と外部電極との電気的な接続の断線を単純な構成で抑制することができる。

以下、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２に示されるように、積層型圧電素子１は、多角柱形状（ここでは、四角柱形状）の積層体２を備えている。積層体２は、当該積層体２の積層方向（以下、単に「積層方向」という）に平行で且つ互いに対向するように位置する第１の側面４と第２の側面６とを有している。

積層体２は、圧電体３と圧電体５とが交互に積層されてなる集合体が圧電体１０を介在させて複数積層され、更に、圧電体７と圧電体９とで上下から挟み込まれるようにして構成されている。各圧電体３，５，７，９，１０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料からなり、矩形薄板状に形成されている。ここでは、各圧電体３，５，７，９，１０の厚さは５０〜１００μｍである。

積層体２は、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とダミー電極（接着力低下層）２０とを有している。第１の内部電極１１、第２の内部電極１３及びダミー電極２０はそれぞれ圧電体３の上面、圧電体５の上面及び圧電体１０の上面に形成されている。各電極１１，１３，２０は、例えば、銀及びパラジウムを主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、各電極１１，１３，２０の厚さは０．５〜５μｍである。

積層体２では、圧電体３，５を介在させて第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とが積層されている。これにより、積層体２では、複数の圧電体３，５と複数の内部電極１１，１３とが交互に積層されることとなる。

第１の内部電極１１は、第２の側面６よりも内側から第１の側面４に露出するように形成されている。すなわち、第１の内部電極１１の第２の側面６側の端は、第２の側面６から所定の距離だけ離れて位置しており、第１の内部電極１１は、第２の側面６に露出していない。

第２の内部電極１３は、第１の側面４よりも内側から第２の側面６に露出するように形成されている。すなわち、第２の内部電極１３の第１の側面４側の端は、第１の側面４から所定の距離だけ離れて位置しており、第２の内部電極１３は、第１の側面４に露出していない。

これにより、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とは、積層方向から見た際に、それらの一部同士が重なることとなる。なお、圧電体３，５において当該一部同士により挟まれた部分が活性部Ａとなり、圧電体３，５において当該一部同士により挟まれていない部分が不活性部Ｂとなる（図３参照）。

ダミー電極２０は、第１の側面４よりも内側から第２の側面６よりも内側に渡るように形成されている。すなわち、ダミー電極２０の第１の側面４側の端は、第１の側面４から所定の距離だけ離れて位置しており、ダミー電極２０の第２の側面６側の端は、第２の側面６から所定の距離だけ離れて位置している。

積層体２の各側面４，６には、積層方向と交差する方向（ここでは、積層方向と直交する方向）に沿って延在する溝状の凹部３０が複数形成されている。より具体的には、側面４に形成された凹部３０は、圧電体１０と圧電体３との境界上において、側面４の一方の縁４ａから他方の縁４ｂに渡って延在している。側面６に形成された凹部３０は、圧電体１０と圧電体３との境界上において、側面６の一方の縁６ａから他方の縁６ｂに渡って延在している。これにより、各凹部３０は、積層方向において隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に形成されることとなる。

各凹部３０は、積層方向から見た際に、少なくとも積層体２の不活性部Ｂの全体と重なるように形成されている（図３参照）。そして、側面４に形成された凹部３０の底面には、ダミー電極２０の第１の側面４側の端が露出しており、側面６に形成された凹部３０の底面には、ダミー電極２０の第２の側面６側の端が露出している。つまり、積層体２において各凹部３０が形成された位置には、ダミー電極２０が積層されていることとなる。

積層体２の各側面４，６には、外部電極２１が設けられている。外部電極２１は、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを含んで構成されている。第１の外部電極２３は、各側面４，６の一部を覆うように形成されている。第１の外部電極２３は、例えば、銀を主成分とする導電材料からなり、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。ここでは、第１の外部電極２３の厚さは１〜４０μｍである。

第１の側面４に形成された第１の外部電極２３は、第１の側面４において、当該第１の側面４に露出する第１の内部電極１１と電気的に接続されている。第２の側面６に形成された第１の外部電極２３は、第２の側面６において、当該第２の側面６に露出する第２の内部電極１３と電気的に接続されている。

第２の外部電極２５は、各第１の外部電極２３の外側に配置され、積層方向に沿って波状に延在している。第２の外部電極２５は、例えば、銅及びその合金、ニッケル及びその合金、ステンレス鋼或いはベリリウム銅等の導電材料、又はフレキシブル基板からなり、平板状に形成されている。導電材料にはめっきが施されていてもよい。ここでは、第２の外部電極２５の厚さは５０〜１５０μｍ程度である。

第２の外部電極２５は、第１の部分２５ａと第２の部分２５ｂとを有している。第１の部分２５ａは、積層方向に沿って延在し、積層方向において不連続に配置されている。第２の部分２５ｂは、積層方向と交差する方向（ここでは、積層方向と直交する方向）に沿って延在し、第１の部分２５ａ同士を繋いでいる。これにより、第２の外部電極２５は、全体として、積層方向に沿って矩形波状（すなわち、パルス波状）に延在することとなる。

第２の外部電極２５は、図３に示されるように、凹部３０が延在する方向に対して凹部３０の上側（一方の側）及び下側（他方の側）のそれぞれに位置する少なくとも１つの接続部Ｐにおいて、半田２７により不連続に第１の外部電極２３と電気的且つ物理的（すなわち、機械的）に接続されている。つまり、接続部Ｐは、凹部３０が延在する方向に沿って凹部３０を通るラインの上側（一方の側）及び下側（他方の側）のそれぞれに少なくとも１つ位置している。なお、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを、各接続部Ｐにおいてスポット溶接により或いは導電性接着剤により接続してもよい。

以上のように構成された積層型圧電素子１においては、第１の側面４に形成された第１の外部電極２３と第２の側面６に形成された第１の外部電極２３との間に電圧が印加されると、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に電圧が印加されることとなる。これにより、圧電体３，５においては、活性部Ａに電界が生じ、当該活性部Ａが積層方向に変位することとなる。なお、ダミー電極２０には、第１の外部電極２３と電気的に接続されていないことから、電圧は印加されない。また、不活性部Ｂには、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とで挟まれていないことから、電界は生じない。

次に、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を主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、その基体ペーストを用いて、各圧電体層３，５，７，９，１０となるグリーンシートを成形する。また、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料（例えば、銀：パラジウム＝７：３）に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

続いて、第１の内部電極１１に対応する電極パターン、第２の内部電極１３に対応する電極パターン、及びダミー電極２０に対応する電極パターンをそれぞれ別々のグリーンシート上に形成する。各電極パターンの形成は、上述した導電ペーストをスクリーン印刷することで行われる。なお、ダミー電極２０に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート上において凹部３０に対応する領域には、カーボンペースト等の樹脂ペーストを塗布して樹脂層２９を形成しておく（図４参照）。

続いて、第１の内部電極１１に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、第２の内部電極１３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、及びダミー電極２０に対応する電極パターンが形成されたグリーンシートを上述した順序で積層し、更に、電極パターンが形成されていないグリーンシートを最外層に積層して、積層体グリーンを作製する。ここでは、グリーンシートの積層数は３５０層程度である。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、６０℃程度）で加熱しながら、所定の圧力（例えば、１００ＭＰａ程度）で積層方向にプレスした後、その積層体グリーンを所定の大きさに切断する。積層体グリーンの切断は、例えば、ダイヤモンドブレードにより行われる。これにより、図４及び図５に示されるように、第１の内部電極１１及び第２の内部電極１３がそれぞれ第１の側面４及び第２の側面６に露出し、樹脂層２９が第１の側面４及び第２の側面６に露出することとなる。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂（すなわち、脱バインダ）した後、所定の温度（例えば、１１００℃程度）で所定の時間（例えば、２時間程度）焼成することで、図６に示されるように、樹脂層２９が飛んで凹部３０が形成された積層体２を得る。

続いて、積層体２の各側面４，６に、銀を主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定の温度（例えば、７００℃程度）で焼き付けて、第１の外部電極２３を形成する。なお、第１の外部電極２３の形成には、スパッタリング法や無電解めっき法等を適用してもよい。

続いて、用意した第２の外部電極２５を、半田付けにより各接続点Ｐにおいて第１の外部電極２３と接続する。第２の外部電極２５は、例えば、ニッケル合金からなる板材にスズめっきを施し、矩形波形状に加工することで得られる。

最後に、分極処理（例えば、温度１２０℃の環境下で、強度が２ｋＶ／ｍｍになるように３分間にわたって電界を印加する）を施して、積層型圧電素子１を得る。

以上説明したように、積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５は、積層方向に沿って波状に延在すると共に、複数の接続部Ｐにおいて第１の外部電極２３と電気的且つ物理的に接続されている。これにより、第２の外部電極２５は積層方向に伸縮性を有することとなるため、外部電極の全体が積層体の積層方向に延在しているものに比べ、積層体２の積層方向への変位が阻害されるのを抑制することができる。

また、積層体２において第１の外部電極２３が形成された側面４，６には、積層方向と交差する方向に沿って延在する凹部３０が形成されている。これにより、圧電素子１の製造時に分極処理が施されたり、或いは圧電素子１が長期間に渡って使用されたりして第１の外部電極２３が切断される場合には、凹部３０の形成位置で積層体２にクラックが発生し、その凹部３０の形成位置で第１の外部電極２３が切断されることとなる。ところが、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とは、凹部３０が延在する方向に対して凹部３０の上側及び下側のそれぞれに位置する接続部Ｐにおいて電気的且つ物理的に接続されている。このため、凹部３０の形成位置で第１の外部電極２３が切断されたとしても、その第１の外部電極２３と電気的に接続された第１の内部電極１１又は第２の内部電極１３と第２の外部電極２５との電気的な接続の断線を抑制することができる。

更に、積層型圧電素子１においては、第２の外部電極２５に、積層方向に沿って波状に延在する平板状のものといった極めて簡易な部材が採用されているため、外部電極にメッシュ部材或いはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材が採用されているものに比べ、圧電素子１の構成を単純化することができる。

また、側面４に形成された凹部３０は、側面４の一方の縁４ａから他方の縁４ｂに渡って延在しており、同様に、側面６に形成された凹部３０は、側面６の一方の縁６ａから他方の縁６ｂに渡って延在している。これにより、各凹部３０の形成位置で積層体２に発生するクラックが積層方向に延びるのを抑制し得るため、クラックが隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に渡って、その隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とがショートするのを防止することができる。

また、各凹部３０は、積層方向から見た際に、少なくとも積層体２の不活性部Ｂの全体と重なるように形成されている。これにより、凹部３０の形成位置で積層体２にクラックが発生すること自体を抑制することができる。

また、各凹部３０は、隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に形成されている。これにより、例えば凹部３０に絶縁部材を配置するなどの絶縁処理をしなくても、積層体２において各凹部３０が形成された側面４，６に形成された第１の外部電極２３と、その第１の外部電極２３と電気的に接続されていない第１の内部電極１１又は第２の内部電極１３とがショートするのを防止することができる。

また、積層体２において各凹部３０が形成された位置には、ダミー電極２０が積層されている。これにより、ダミー電極２０を介して隣り合う圧電体３と圧電体１０との接着力が低下するため、凹部３０の形成位置で積層体２に発生するクラックはダミー電極２０に沿って延びることとなる。従って、クラックが隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に渡って、その隣り合う第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とがショートするのを防止することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、積層体２の形状は、多角柱形状に限られず、円柱形状であってもよい。そして、積層体２において外部電極２１が設けられる側面は、互いに対向するように位置する２つの側面に限られず、隣り合う２つの側面であってもよい。なお、積層体２が円柱形状である場合には、外部電極２１は、互いに接触しない位置であれば、側面の任意の領域に設けられる。

また、第２の外部電極２５は、積層方向に沿って矩形波状に延在するものに限られず、積層方向に沿って三角波状に延在するものであってもよいし、積層方向に沿って正弦波状に延在するものであってもよい。このように、積層方向に沿って波状に延在するものであれば、第２の外部電極２５は、積層方向への伸縮性を有することとなる。

また、第１の内部電極１１は、第２の側面６に設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第２の側面６に露出してもよい。同様に、第２の内部電極１３は、第１の側面４に設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第１の側面４に露出してもよい。

また、側面４に形成された凹部３０は、側面４の一方の縁４ａから他方の縁４ｂに渡って延在するものに限られず、同様に、側面６に形成された凹部３０は、側面６の一方の縁６ａから他方の縁６ｂに渡って延在するものに限られない。更に、各凹部３０は、積層方向から見た際に、少なくとも積層体２の不活性部Ｂの全体と重なるように形成されるものに限られない。つまり、凹部３０が、積層体２の側面４，６において、積層方向と交差する方向に沿って延在するものであれば、積層体２にクラックが発生する位置を凹部３０の形成位置に制御することができる。

また、積層体２において凹部３０が形成された位置に積層されるものはダミー電極２０に限られず、圧電体３，１０と異なる材料からなる層等、隣り合う圧電体３と圧電体１０との接着力を低下させ得る接着力低下層であればよい。なお、積層体２において凹部３０が形成された位置に、ダミー電極２０等の接着力低下層が積層されなくても、積層体２にクラックが発生する位置を凹部３０の形成位置に制御することができる。

また、積層体２の側面４，６に機械加工を施すことにより、凹部３０を形成してもよい。

本発明に係る積層型圧電素子の一実施形態の斜視図である。 図１に示された積層型圧電素子の断面図である。 図１に示された積層型圧電素子の拡大断面図である。 図１に示された積層型圧電素子の製造方法における積層体グリーンの切断後の積層体の分解斜視図である。 図１に示された積層型圧電素子の製造工程における積層体グリーンの切断後の積層体の拡大断面図である。 図１に示された積層型圧電素子の製造工程における脱脂・焼成後の積層体の拡大断面図である。

符号の説明

１…積層型圧電素子、２…積層体、３，５…圧電体、４…第１の側面、４ａ，６ａ…一方の縁、４ｂ，６ｂ…他方の縁、６…第２の側面、１１…第１の内部電極、１３…第２の内部電極、２０…ダミー電極、２３…第１の外部電極、２５…第２の外部電極、３０…凹部、Ｂ…不活性部、Ｐ…接続部。

Claims (5)

1. 複数の圧電体と複数の内部電極とが交互に積層されてなる積層体と、
   前記積層体の側面に設けられ、所定の前記内部電極と電気的に接続された第１の外部電極と、
   前記第１の外部電極の外側に設けられ、前記積層体の積層方向に沿って波状に延在する平板状の第２の外部電極と、を備え、
   前記側面には、前記積層方向と交差する方向に沿って延在する凹部が形成されており、
   前記第１の外部電極と前記第２の外部電極とは、前記凹部が延在する方向に対して前記凹部の一方の側及び他方の側のそれぞれに位置する接続部において電気的且つ物理的に接続されていることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記凹部は、前記側面の一方の縁から他方の縁に渡って延在していることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記凹部は、前記積層方向から見た際に、少なくとも前記積層体の不活性部の全体と重なるように形成さ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. 前記凹部は、隣り合う前記内部電極間に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の積層型圧電素子。
5. 前記積層体において前記凹部が形成された位置には、隣り合う前記圧電体間の接着力を低下させる接着力低下層が積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の積層型圧電素子。

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