JP2006245026A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 隣り合う変位部間で、共通電極となる第１の内部電極の電位が異なるのを防止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１Ａにおいては、隣り合う変位部３，４の各内部電極６と接続された外部電極１３が、基部２、及び隣り合う変位部３，４により画定された溝１２の内面に一体的に形成されている。このように、隣り合う変位部３，４の各内部電極６と接続された外部電極１３が一体的に形成されることで、隣り合う変位部３，４間で、共通電極となる内部電極６の電位が異なるのを防止することができ、隣り合う変位部３，４間での変位特性のばらつきを低減することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層型圧電素子に関する。

従来の積層型圧電素子として、第１の内部電極と第２の内部電極とが圧電体層を介在させて交互に積層された部分を有する一対の変位部が所定の間隔をとって基部上に設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような積層型圧電素子は、各変位部がスリット状の溝により複数のアクチュエータ部に分割されて、第１の内部電極及び第２の内部電極のそれぞれが共通電極及び個別電極とされることで、圧電アクチュエータとして用いられる。このように構成された圧電アクチュエータにおいては、例えばグランドへの接続により所定の電位に維持される共通電極と、任意のアクチュエータ部の個別電極との間に電位差が与えられることで、当該アクチュエータ部が変位させられる。
特開平８−１０８５３４号公報（図６）

しかしながら、上述したような積層型圧電素子には、次のような問題が存在する。すなわち、各変位部の側面に形成されて第１の内部電極と接続された外部電極が、基部上に形成されたグランド電極等と導電部材により接続されるため、外部電極とグランド電極等との間の接続抵抗が一対の変位部間でばらつくおそれがある。これにより、一対の変位部間で、共通電極となる第１の内部電極の電位が異なってしまい、その結果、一対の変位部間で変位特性もばらつくおそれがある。

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、隣り合う変位部間で、共通電極となる第１の内部電極の電位が異なるのを防止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、基部と、基部上に設けられ、第１の内部電極と第２の内部電極とが圧電体層を介在させて交互に積層された部分を有する複数の変位部と、基部、及び隣り合う変位部により画定された溝の内面に一体的に形成され、隣り合う変位部の第１の内部電極と接続された外部電極と、を備えることを特徴とする。

この積層型圧電素子においては、隣り合う変位部の第１の内部電極と接続された外部電極が、基部、及び隣り合う変位部により画定された溝の内面に一体的に形成されている。このように、隣り合う変位部の第１の内部電極と接続された外部電極が一体的に形成されることで、隣り合う変位部間で、共通電極となる第１の内部電極の電位が異なるのを防止することができ、隣り合う変位部間での変位特性のばらつきを低減することが可能になる。

また、基部及び変位部は、焼成により一体的に形成されていることが好ましい。このように、基部及び変位部が焼成により一体的に形成されることで、複数の変位部が焼成により別個に形成されて基部上に設けられる場合に比べ、隣り合う変位部間での変位特性のばらつきをより一層低減することが可能になる。

また、基部及び変位部が焼成により一体的に形成される場合、隣り合う変位部は、長尺状に形成されており、その長手方向と直交する方向に沿って並設されていることが好ましい。変位部がスリット状の溝により複数のアクチュエータ部に分割されることを考慮すると、変位部は長尺状に形成されることが望ましいが、長尺状に形成された変位部が単体で焼成されると、変位部に撓み等の変形が生じるおそれがある。これに対し、長尺状に形成された変位部がその長手方向と直交する方向に沿って基部上に並設された状態で焼成されるため、隣り合う変位部を連結する基部によって変位部の変形が抑制される。

本発明に係る積層型圧電素子によれば、隣り合う変位部間で、共通電極となる第１の内部電極の電位が異なるのを防止することができる。

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。
［第１実施形態］

図１〜図３に示されるように、積層型圧電素子１Ａは、複数の圧電体層が積層されてなる略直方体形状の基部２を備えており、この基部２上には、長尺状に形成された直方体形状の一対の変位部３，４が並設されている。具体的には、一対の変位部３，４は、所定の間隔をとって、各変位部３，４の長手方向と直交する方向に沿って基部２上に並設されている。

各変位部３，４は、内部電極（第１の内部電極）６が形成された複数の圧電体層７と、内部電極（第２の内部電極）８が形成された複数の圧電体層９とが交互に積層され、更に、基部２と反対側の最外層に圧電体層１１が積層されることで構成されている。これにより、各変位部３，４は、内部電極６と内部電極８とが圧電体層７，９を介在させて交互に積層された部分を有することになる。

変位部３の各圧電体層７上においては、内部電極６の内側縁部は、変位部３の内側側面３ａに達しており、内部電極６の外側縁部は、変位部３の外側側面３ｂに達していない。同様に、変位部４の各圧電体層７上においては、内部電極６の内側縁部は、変位部４の内側側面４ａに達しており、内部電極６の外側縁部は、変位部４の外側側面４ｂに達していない。ただし、変位部３の各圧電体層７上において変位部３の長手方向における一端部では、内部電極６の外側縁部の一部６ａが変位部３の外側側面３ｂに達しており、同様に、変位部４の各圧電体層７上において変位部４の長手方向における一端部では、内部電極６の外側縁部の一部６ａが変位部４の外側側面４ｂに達している。

変位部３の各圧電体層９上においては、内部電極８の内側縁部は、変位部３の内側側面３ａに達しておらず、内部電極８の外側縁部は、変位部３の外側側面３ｂに達している。同様に、変位部４の各圧電体層９上においては、内部電極８の内側縁部は、変位部４の内側側面４ａに達しておらず、内部電極８の外側縁部は、変位部４の外側側面４ｂに達している。なお、各変位部３，４の各圧電体層９上において各変位部３，４の長手方向における一端部には、内部電極８は形成されていない。

また、基部２、及び隣り合う変位部３，４により画定された溝１２の内面には、外部電極１３が一体的に形成されている。この外部電極１３は、各変位部３，４の各内部電極６の内側縁部と接続されている。そして、変位部３の外側側面３ｂにおいて変位部３の長手方向における一端部には外部電極１４が形成されており、この外部電極１４は、変位部３の各内部電極６の外側縁部の一部６ａと接続されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂにおいて変位部４の長手方向における一端部には外部電極１４が形成されており、この外部電極１４は、変位部４の各内部電極６の外側縁部の一部６ａと接続されている。

更に、変位部３の外側側面３ｂには、変位部３の各内部電極８の外側縁部と接続された外部電極１５が形成されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂには、変位部４の各内部電極８の外側縁部と接続された外部電極１５が形成されている。なお、変位部３の外側側面３ｂにおいては、外部電極１４と外部電極１５とが所定の間隔をとって変位部３の長手方向に沿って並設されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂにおいては、外部電極１４と外部電極１５とが所定の間隔をとって変位部４の長手方向に沿って並設されている。

以上のように構成された積層型圧電素子１Ａは、図４に示されるように、各変位部３，４において外部電極１５が形成された部分が、溝１２と直交する方向に延びる溝２１により複数のアクチュエータ部２２に分割されて、内部電極６及び内部電極８のそれぞれが共通電極２３及び個別電極２４とされることで、圧電アクチュエータ２０Ａとして用いられる。なお、溝２１の底面は、外部電極１３において溝１２の底面に形成された部分には達していない。つまり、外部電極１３において溝１２の底面に形成された部分は、溝２１によって分割されていない。

このように構成された圧電アクチュエータ２０Ａは、種々の装置において基部２が所定の部位に固定された状態で使用される。そして、外部電極１３，１４を介した例えばグランドへの接続により所定の電位に維持される共通電極２３と、任意のアクチュエータ部２２の個別電極２４との間に、外部電極１４、及びアクチュエータ部２２毎に分割された外部電極１５を端子電極として電位差が与えられることで、当該アクチュエータ部２２が変位させられる。

次に、積層型圧電素子１Ａ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、圧電体層７，９等となるグリーンシートをドクターブレード法により成形する。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、その導電ペーストを用いて、内部電極６に対応する電極パターン、及び内部電極８に対応する電極パターンのそれぞれを別々のグリーンシート上にスクリーン印刷法により形成する。そして、基部２を構成する圧電体層となるグリーンシート、内部電極６に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、内部電極８に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、及び圧電体層１１となるグリーンシートを上述した順序で積層して、積層体グリーンを作製する。

続いて、その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、その積層方向に所定の圧力（例えば、１００ＭＰａ程度）でプレスした後、積層体グリーンを所定の大きさに切断する。そして、その積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂した後、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。その後、溝１２に相当する溝を切削により形成することで、焼成により一体的に形成された基部２、及び隣り合う変位部３，４を得る。

続いて、薄膜形成法（スパッタリング法や真空蒸着法等）により、溝１２の内面に外部電極１３を形成すると共に、変位部３の外側側面３ｂ及び変位部４の外側側面４ｂに外部電極１４，１５を形成する。そして、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１Ａを得る。

以上説明したように、積層型圧電素子１Ａにおいては、隣り合う変位部３，４の内部電極６と接続された外部電極１３が、基部２、及び隣り合う変位部３，４により画定された溝１２の内面に一体的に形成されている。このように、隣り合う変位部３，４の内部電極６と接続された外部電極１３が一体的に形成されることで、隣り合う変位部３，４間で、共通電極となる内部電極６の電位が異なるのを防止することができ、隣り合う変位部３，４間での変位特性のばらつきを低減することが可能になる。

また、基部２、及び隣り合う変位部３，４が焼成により一体的に形成されることで、各変位部３，４が焼成により別個に形成されて基部２上に固定される場合に比べ、隣り合う変位部３，４間での変位特性のばらつきをより一層低減することが可能になる。しかも、各変位部３，４が焼成により別個に形成されて基部２上に固定される場合に比べ、各変位部３，４の高さのばらつきが抑えられるため、圧電アクチュエータ２０Ａをアッセンブルする過程において、各アクチュエータ部２２の高さを揃えるための研磨工程を省略することができ、コストダウンを図ることが可能になる。

また、各変位部３，４がスリット状の溝により複数のアクチュエータ部２２に分割されることを考慮すると、各変位部３，４は長尺状に形成されることが望ましいが、長尺状に形成された各変位部３，４が単体で焼成されると、各変位部３，４に撓み等の変形が生じるおそれがある。ところが、長尺状に形成された各変位部３，４がその長手方向と直交する方向に沿って基部２上に並設された状態で一体として焼成されるため、隣り合う変位部３，４を連結する基部２によって各変位部３，４の変形が抑制される。
［第２実施形態］

図５〜図７に示されるように、積層型圧電素子１Ｂは、複数の圧電体層が積層されてなる略直方体形状の基部２を備えており、この基部２上には、長尺状に形成された直方体形状の一対の変位部３，４が並設されている。具体的には、一対の変位部３，４は、所定の間隔をとって、各変位部３，４の長手方向と直交する方向に沿って基部２上に並設されている。

各変位部３，４は、内部電極（第１の内部電極）６が形成された複数の圧電体層７と、内部電極（第２の内部電極）８が形成された複数の圧電体層９とが交互に積層され、更に、内部電極１６が形成された複数の圧電体層１７が基部２側の最外層に積層され、圧電体層１１が基部２と反対側の最外層に積層されることで構成されている。これにより、各変位部３，４は、内部電極６と内部電極８とが圧電体層７，９を介在させて交互に積層された部分を有することになる。

変位部３の各圧電体層７上においては、内部電極６の内側縁部は、変位部３の内側側面３ａに達しており、内部電極６の外側縁部は、変位部３の外側側面３ｂに達していない。同様に、変位部４の各圧電体層７上においては、内部電極６の内側縁部は、変位部４の内側側面４ａに達しており、内部電極６の外側縁部は、変位部４の外側側面４ｂに達していない。

変位部３の各圧電体層９上においては、内部電極８の内側縁部は、変位部３の内側側面３ａに達しておらず、内部電極８の外側縁部は、変位部３の外側側面３ｂに達している。同様に、変位部４の各圧電体層９上においては、内部電極８の内側縁部は、変位部４の内側側面４ａに達しておらず、内部電極８の外側縁部は、変位部４の外側側面４ｂに達している。

変位部３の各圧電体層１７上においては、内部電極１６の内側縁部は、変位部３の内側側面３ａに達しており、内部電極１６の外側縁部は、変位部３の外側側面３ｂに達している。同様に、変位部４の各圧電体層１７上においては、内部電極１６の内側縁部は、変位部４の内側側面４ａに達しており、内部電極１６の外側縁部は、変位部４の外側側面４ｂに達している。

また、基部２、及び隣り合う変位部３，４により画定された溝１２の内面には、外部電極１３が一体的に形成されている。この外部電極１３は、各変位部３，４の各内部電極６の内側縁部及び各内部電極１６の内側縁部と接続されている。そして、変位部３の外側側面３ｂにおいて各圧電体層１７の外側側面に相当する部分から基部２の側面に掛けては、外部電極１８が形成されており、この外部電極１８は、変位部３の各内部電極１６の外側縁部と接続されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂにおいて各圧電体層１７の外側側面に相当する部分から基部２の側面に掛けては、外部電極１８が形成されており、この外部電極１８は、変位部４の各内部電極１６の外側縁部と接続されている。

更に、変位部３の外側側面３ｂには、変位部３の各内部電極８の外側縁部と接続された外部電極１９が形成されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂには、変位部４の各内部電極８の外側縁部と接続された外部電極１９が形成されている。なお、変位部３の外側側面３ｂにおいては、外部電極１８と外部電極１９とが所定の間隔をとって変位部３の積層方向に沿って並設されている。同様に、変位部４の外側側面４ｂにおいては、外部電極１８と外部電極１９とが所定の間隔をとって変位部４の積層方向に沿って並設されている。

以上のように構成された積層型圧電素子１Ｂは、図８に示されるように、各変位部３，４において外部電極１９が形成された部分が、溝１２と直交する方向に延びる溝２１により複数のアクチュエータ部２２に分割されて、内部電極６及び内部電極８のそれぞれが共通電極２３及び個別電極２４とされることで、圧電アクチュエータ２０Ｂとして用いられる。なお、溝２１の底面は、内部電極１６には達していない。つまり、内部電極１６は、溝２１によって分割されていない。

このように構成された圧電アクチュエータ２０Ｂは、種々の装置において基部２が所定の部位に固定された状態で使用される。そして、外部電極１３、内部電極１６及び外部電極１８を介した例えばグランドへの接続により所定の電位に維持される共通電極２３と、任意のアクチュエータ部２２の個別電極２４との間に、外部電極１８、及びアクチュエータ部２２毎に分割された外部電極１９を端子電極として電位差が与えられることで、当該アクチュエータ部２２が変位させられる。

なお、積層型圧電素子１Ｂは、上述した積層型圧電素子１Ａと同様の製造方法によって製造される。つまり、基部２、及び隣り合う変位部３，４は、焼成により一体的に形成される。

以上説明したように、積層型圧電素子１Ｂによれば、上述した積層型圧電素子１Ａと同様に、隣り合う変位部３，４の内部電極６と接続された外部電極１３が一体的に形成されているため、隣り合う変位部３，４間で、共通電極となる内部電極６の電位が異なるのを防止することができ、隣り合う変位部３，４間での変位特性のばらつきを低減することが可能になる。

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記各実施形態においては、基部２は、複数の圧電体層が積層されて構成されていたが、基部２は、圧電体層と異なる部材によって構成されていてもよい。

また、上記各実施形態においては、基部２、及び隣り合う変位部３，４は、焼成により一体的に形成されていたが、基部２、及び隣り合う変位部３，４のそれぞれを別個に形成して、各変位部３，４を基部２上に固定するようにしてもよい。

また、上記第１実施形態においては、変位部４の長手方向における一端面に外部電極を形成して、外部電極１３と外部電極１４とを接続するようにしてもよい。このような構成により、外部電極１３と外部電極１４との間の接続抵抗を下げることができる。

本発明に係る積層型圧電素子の第１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分解斜視図である。 図１に示されたIII−III線に沿っての断面図である。 図１に示された積層型圧電素子から構成された圧電アクチュエータの斜視図である。 本発明に係る積層型圧電素子の第２実施形態の斜視図である。 図５に示された積層型圧電素子の分解斜視図である。 図５に示されたVII−VII線に沿っての断面図である。 図５に示された積層型圧電素子から構成された圧電アクチュエータの斜視図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…積層型圧電素子、２…基部、３，４…変位部、６…内部電極（第１の内部電極）、７，９…圧電体層、８…内部電極（第２の内部電極）、１２…溝、１３…外部電極。

Claims (3)

1. 基部と、
   前記基部上に設けられ、第１の内部電極と第２の内部電極とが圧電体層を介在させて交互に積層された部分を有する複数の変位部と、
   前記基部、及び隣り合う前記変位部により画定された溝の内面に一体的に形成され、隣り合う前記変位部の前記第１の内部電極と接続された外部電極と、を備えることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記基部及び前記変位部は、焼成により一体的に形成され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. 隣り合う前記変位部は、長尺状に形成されており、その長手方向と直交する方向に沿って並設されていることを特徴とする請求項２記載の積層型圧電素子。
   

Images