JP2007059525A - Laminated piezoelectric element and apparatus using same, and method of manufacturing laminated piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層構造を有する圧電素子(積層型圧電素子)、及び、その製造方法に関する。さらに、本発明は、そのような積層型圧電素子を用いるインクジェットヘッド、超音波撮像装置等の装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element (laminated piezoelectric element) having a laminated structure used as a piezoelectric actuator, an ultrasonic transducer, and the like, and a method for manufacturing the same. Furthermore, the present invention relates to an apparatus such as an ink jet head or an ultrasonic imaging apparatus using such a multilayer piezoelectric element.
PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の鉛系ペロブスカイト構造を有する材料に代表される圧電体は、電界を印加することにより伸縮する圧電効果を生じる。このような性質を利用する圧電素子は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。圧電素子の構造は、1つの圧電体の両側に電極が形成された単層構造が基本であるが、近年のMEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)関連の機器の開発に伴う圧電素子の微細化及び集積化により、複数の圧電体と複数の電極とが交互に積層された積層型の圧電素子も用いられるようになっている。 A piezoelectric body typified by a material having a lead-based perovskite structure such as PZT (lead zirconate titanate) produces a piezoelectric effect that expands and contracts when an electric field is applied. Piezoelectric elements that utilize such properties are used in various applications such as piezoelectric pumps, piezoelectric actuators, and ultrasonic transducers. The structure of the piezoelectric element is basically a single-layer structure in which electrodes are formed on both sides of one piezoelectric body, but the miniaturization and integration of the piezoelectric element accompanying the recent development of MEMS (micro electro mechanical system) related equipment. As a result, stacked piezoelectric elements in which a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of electrodes are alternately stacked are also used.
図10は、積層型圧電素子の構造を示す断面図である。この圧電素子は、交互に積層された圧電体層100及び内部電極層101a及び101bと、下部電極102及び上部電極103と、内部電極層101a及び101bの端面に交互に形成された絶縁膜104a及び104bと、側面電極105a及び105bとを含んでいる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the multilayer piezoelectric element. This piezoelectric element is composed of alternately stacked
側面電極105aは、絶縁膜104aによって内部電極層101aから絶縁されていると共に、内部電極層101bに接続されている。一方、側面電極105bは、絶縁膜104bによって内部電極層101bから絶縁されていると共に、内部電極層101aに接続されている。また、下部電極層102は側面電極105aに接続され、上部電極層103は側面電極105bに接続されている。
The
圧電素子の電極をこのように形成することにより、複数の圧電体層100の各々に電界を印加するための電極が並列に接続される。それにより、積層構造体全体として電極間容量が大きくなるので、圧電素子のサイズを小さくしても、電気インピーダンスの上昇を抑えることができる。
By forming the electrodes of the piezoelectric elements in this way, the electrodes for applying an electric field to each of the plurality of
ところで、図10に示す絶縁膜104a及び104bは、例えば、電気泳動法によりガラス粉末を内部電極層101a及び101bの端面に付着させたり、スクリーン印刷法によりガラス粉末を含有するペーストを所望の領域に配置することによって形成されている。そのため、圧電体層100が伸縮した場合に、圧電体層100の変位に絶縁膜104a及び104bが追随できずに、それらの界面において歪みが生じてしまう。それにより、絶縁膜104a及び104bが積層体(圧電体層100並びに内部電極層101a及び101b)から剥離し易くなるので、圧電素子の動作時における信頼性が低く、また、素子の寿命が短いという問題が生じている。
In the
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、積層体の側面に形成された絶縁膜が、積層体から剥離し難い積層型圧電素子を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element in which an insulating film formed on a side surface of a multilayer body is difficult to peel from the multilayer body.
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に配置された積層体と、該積層体の第1の側面領域において、上記複数の電極層の内の第1の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第1の絶縁膜と、上記積層体の第1の側面領域とは異なる第2の側面領域において、上記複数の電極層の内の上記第1の電極層と交互に配置された第2の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第2の絶縁膜と、第1の側面領域に形成された側面電極であって、第1の絶縁膜によって第1の電極層から絶縁されると共に、第2の電極層と電気的に接続された第1の側面電極と、第2の側面領域に形成された側面電極であって、第2の絶縁膜によって第2の電極層から絶縁されると共に、第1の電極層と電気的に接続された第2の側面電極とを具備する。 In order to solve the above problems, a multilayer piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a multilayer body in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers are alternately arranged, and a first side surface of the multilayer body. In the region, a first insulating film formed of a piezoelectric material on at least a part of the end surface of the first electrode layer of the plurality of electrode layers and a first side region different from the first side surface region of the stacked body. A second insulating film formed of a piezoelectric material on at least a part of an end surface of the second electrode layer alternately arranged with the first electrode layer among the plurality of electrode layers in the two side surface regions; And a side electrode formed in the first side region, the first side surface being insulated from the first electrode layer by the first insulating film and electrically connected to the second electrode layer An electrode and a side electrode formed in the second side surface region, wherein the second insulating film While being insulated from the second electrode layer comprises a first electrode layer and the second side electrode electrically connected.
また、本発明の1つの観点に係る積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体層と複数の電極層とを交互に配置することにより積層体を形成する工程(a)と、上記積層体の第1の側面領域において、上記複数の電極層の内の第1の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第1の絶縁膜を形成する工程(b)と、上記積層体の第1の側面領域とは異なる第2の側面領域において、上記複数の電極層の内の上記第1の電極層と交互に配置された第2の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、第1の側面領域に、第1の絶縁膜によって第1の電極層から絶縁されると共に、第2の電極層と電気的に接続される第1の側面電極を形成する工程(d)と、第2の側面領域に、第2の絶縁膜によって第2の電極層から絶縁されると共に、第1の電極層と電気的に接続される第2の側面電極を形成する工程(e)とを具備する。 In addition, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a step (a) of forming a multilayer body by alternately arranging a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers; A step (b) of forming a first insulating film with a piezoelectric material on at least a part of an end surface of the first electrode layer of the plurality of electrode layers in the first side surface region of the body; In a second side surface region different from the first side surface region of the plurality of electrode layers, at least a part of the end surface of the second electrode layer alternately arranged with the first electrode layer is piezoelectric. A step (c) of forming a second insulating film by a material, and being electrically insulated from the first electrode layer by the first insulating film and electrically connected to the second electrode layer in the first side surface region; Forming a first side electrode to be formed, and a second insulating region in the second side region. While it is insulated from the second electrode layer by a membrane, comprising a step (e) forming a second side surface electrodes which are connected to the first electrode layer and electrically.
本発明によれば、絶縁膜を圧電材料によって形成することにより、絶縁膜が圧電体層の変位に追随して伸縮するようになるので、絶縁膜と積層体との剥離を抑制することができる。それにより、圧電素子の動作の信頼性を向上させると共に、圧電素子及びそれを含む機器の寿命を伸ばすことが可能となる。 According to the present invention, since the insulating film is formed of the piezoelectric material, the insulating film expands and contracts following the displacement of the piezoelectric layer, so that peeling between the insulating film and the laminate can be suppressed. . As a result, the reliability of the operation of the piezoelectric element can be improved, and the lifetime of the piezoelectric element and the device including the piezoelectric element can be extended.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す一部断面斜視図である。
図1に示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子は、例えば、底面の一辺が200μm〜1.0mm程度で高さが300μm〜1.0mm程度の柱状の構造体である。また、この積層型圧電素子は、複数の圧電体層10と、複数の内部電極層11a及び11bと、下部電極層12と、上部電極層13と、絶縁膜14a及び14bと、側面電極15a及び15bとを含んでいる。圧電体層10と内部電極層11a及び11bとは交互に配置されており、下部電極層12及び上部電極層13と共に、積層体を形成している。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view showing the structure of a multilayer piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element according to this embodiment is a columnar structure having, for example, a side of the bottom surface of about 200 μm to 1.0 mm and a height of about 300 μm to 1.0 mm. The multilayer piezoelectric element includes a plurality of
圧電体層10は、例えば、100μm程度の厚さを有しており、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の鉛系ペロブスカイト構造を有する複合酸化物によって形成されている。なお、図1には、3層の圧電体層10が表されているが、圧電体層は、少なくとも2層あれば良く、4層以上あっても良い。
The
内部電極層11a及び11bは、例えば、3μm程度の厚さを有しており、アルミニウム(Al)、金(Ag)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、ロジウム(Rh)等の金属材料や、合金(例えば、銀パラジウム)や、それらの金属の内の少なくとも1つを含む金属酸化物によって形成されている。また、内部電極層11a及び11bは、1種類の材料によって形成されていても良いし、異なる複数の材料によって形成された複数層構造を有していても良い。後者の例として、圧電体層10上に、密着層として50nm程度の酸化チタン(TiO2)層を形成し、その上に、導電層として3μm程度の白金(Pt)層を形成することにより、導電層と圧電体層10との密着性を高めることができる。
また、圧電体層10が4層以上配置される場合には、内部電極層11aと内部電極層11bとは、圧電体層10を挟んで交互に配置される。
The
When four or more
下部電極層12及び上部電極層13は、内部電極層11a及び11bと同様に、1層構造であっても良いし、密着層及び導電層を含む複数層構造を有していても良い。
絶縁膜14aは、PZT等の圧電材料により、積層体の1つの側面に露出した内部電極層11aの端面を覆うように形成されている。また、絶縁膜14bは、PZT等の圧電材料によって、積層体の反対側の側面に露出した内部電極層11bの端面を覆うように形成されている。絶縁膜14a及び14bによる絶縁機能を高めるためには、内部電極層11a及び11bの端面だけでなく、隣接する圧電体層10の一部の領域にも絶縁膜14a及び14bを形成することが望ましい。そのため、本実施形態において、絶縁膜14a及び14bは、厚さが約3μmの内部電極層に対して、その上下の圧電体層10側に約3μmずつはみ出るように形成されている。また、絶縁膜14a及び14bが薄すぎる場合には、絶縁破壊や分極反転が生じるおそれがあるので、本実施形態においては、絶縁膜14a及び14bの厚さを約10μmとしている。
Similarly to the
The
側面電極15aは、絶縁膜14aの表面を通るように積層体の側面に形成されることにより、内部電極11aから絶縁されると共に、内部電極11bに接続されている。また、側面電極15bは、絶縁膜14bの表面を通るように積層体の別の側面に形成されることにより、内部電極11bから絶縁されると共に、内部電極11aに接続されている。さらに、側面電極15aは下部電極層12に接続されており、側面電極層15bは上部電極層13に接続されている。
The
このような積層型圧電素子に、下部電極層12及び上部電極層13を介して電圧が供給された場合に、下部電極層12及び内部電極層11bを含む第1群の電極と、上部電極層13及び内部電極層11aを含む第2群の電極とにより、各圧電体層10に電界が印加される。その結果、各圧電体層10における圧電効果により、積層型圧電素子が全体として伸縮する。
When a voltage is supplied to such a laminated piezoelectric element via the
次に、絶縁膜14a及び14bを圧電材料によって形成する理由を、図2を参照しながら説明する。図2に示す矢印は、図1に示す圧電体層10並びに絶縁膜14a及び14bの分極の向きを示している。
ここで、分極の向きとは、絶縁体(又は、誘電体、本実施形態においては、圧電体層及び絶縁膜を含む)内の多数の電子双極子が所定の方向に揃っている(分極している)場合に、絶縁体全体に生じている電荷の偏りにおいて、負電荷側から正電荷側に向かう方向をいう。この方向は、絶縁体中の全電気双極子モーメントのベクトル和によって定まる。従って、絶縁体内に、絶縁体全体とは異なる方向を向いている電気双極子が一部に存在している場合においても、絶縁体全体における電荷の偏りに基づく方向が、その絶縁体の分極の向きとなる。
Next, the reason why the
Here, the direction of polarization means that a large number of electronic dipoles in an insulator (or a dielectric, including a piezoelectric layer and an insulating film in this embodiment) are aligned in a predetermined direction (polarized). The direction of the charge from the negative charge side toward the positive charge side in the bias of the charge generated in the entire insulator. This direction is determined by the vector sum of all electric dipole moments in the insulator. Therefore, even when there are some electric dipoles in the insulator that are oriented in a different direction from the whole insulator, the direction based on the charge bias in the whole insulator is the polarization of the insulator. It becomes the direction.
本実施形態において、圧電材料によって形成された絶縁膜14a及び14bの分極は、圧電体層10の分極の向きに応じて決定されている。即ち、図2に示すように、1つの内部電極層を挟む2つの圧電体層の分極がその内部電極層側を向いている場合に(図2においては、内部電極層11a)、その内部電極層の端面に形成された絶縁膜は、その内部電極層の反対側を向くように分極処理されている(図2においては、絶縁膜14a)。一方、1つの内部電極層を挟む2つの圧電体層の分極がその内部電極層の反対側を向いている場合に(図2においては、内部電極層11b)、その内部電極層の端面に形成された絶縁膜は、その内部電極層側を向くように分極処理されている(図2においては、絶縁膜14b)。
In the present embodiment, the polarizations of the
このように絶縁膜14a及び14bの分極の向きを決めることの利点は、次の通りである。積層型圧電素子に所定の極性の電界を印加することにより、例えば、内部電極層11aを挟む2つの圧電体層10が収縮した場合に、絶縁膜14aは、内部電極層11aと側面電極15aとによって形成される電界により圧電効果を生じて、図の左右方向に伸張し、上下方向に収縮する。反対に、積層型圧電素子に逆極性の電界を印加することにより、2つの圧電体層10が伸張した場合に、絶縁膜14aは、図の左右方向に収縮し、図の上下方向に伸張する。即ち、絶縁膜14a及び14bの分極の向きと圧電体層10の分極の向きとが、図2に示す関係にある場合には、絶縁膜14a及び14bは、圧電体層10の伸縮に追随して伸縮する。それにより、絶縁膜14a及び14bと積層体との界面における歪みが抑制されるので、絶縁膜14a及び14bの剥離を防止することができる。
The advantages of determining the polarization directions of the insulating
次に、本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について、図3及び図4を参照しながら説明する。
まず、図3の(a)に示すように、圧電体層20と、内部電極層21a及び21bを積層することによりシート状の積層体を作製する。積層体シートの作製方法としては、電極層が形成された圧電材料のバルク材を重ね合わせる方法や、グリーンシート法や、成膜により基板上に圧電体層と電極層とを順次形成する方法等の内のいずれの方法を用いても良い。成膜方法としては、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション(aerosol deposition:AD)法、スクリーン印刷法等の公知の方法を用いることができる。ここで、AD法とは、原料の粉体(原料粉)をガスに分散させることによりエアロゾルを生成し、それをノズルから基板に向けて噴射して下層に衝突させることにより、原料を基板上に堆積させる成膜方法であり、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。なお、AD法によって圧電体層20を形成した場合には、圧電材料の結晶性を向上させるために、所定の温度(例えば、500℃〜1000℃程度)の酸素雰囲気又は空気中で熱処理(ポストアニール)しても良い。
さらに、図3の(a)の破線に示すように、積層体シートから所定の大きさのワークピースを切り出す。
Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 3A, a
Furthermore, as shown with the broken line of (a) of FIG. 3, the workpiece of a predetermined magnitude | size is cut out from a laminated body sheet | seat.
次に、図3の(b)に示すように、ワークピースの向かい合う2つの側面に露出した内部電極層21a及び21bの端面を互い違いに覆うように、絶縁膜22a及び22bを形成する。絶縁膜22a及び22bの形成方法は特に限定されないが、圧電材料の粉体を原料粉として用いたAD法を行うことが望ましい。AD法によれば、所定の大きさ及び形状の開口を有するノズルを用いることにより、所望の領域に所望の厚さの圧電膜を形成することが可能である。
Next, as shown in FIG. 3B, insulating
次に、図3の(c)に示すように、側面電極23a及び23b、下部電極層24、並びに、上部電極層25を形成する。これらの電極の形成方法としては、スクリーン印刷法や、側面電極23aと上部電極層25との絶縁部分、及び、側面電極23bと下部電極層24との絶縁部分に予めレジストマスクを形成してメッキを施す方法等を用いることができる。
なお、下部電極層24及び上部電極層25については、図3の(a)に示す積層体シートを作製する工程において、先に形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 3C,
Note that the
次に、図4の(a)及び(b)に示すように、側面電極が形成されたワークピースに、第1及び第2の分極処理を施す。
分極処理は、ワークピースの下部電極層24及び上部電極層25に分極処理用の電極を配置して、ワークピースを分極処理用電極ごとシリコンオイル中に浸し、ヒータによりシリコンオイルを所定の温度まで加熱して、所定時間、電源装置によりワークピースに電界を印加することにより行われる。それにより、各圧電体層20において、下部電極層24、内部電極21a及び21b、並びに、上部電極層25の極性に応じて、電気双極子が所定の向きに揃えられる。また、各絶縁膜22a及び22bにおいても、内部電極21a及び21bと、側面電極23a及び23bとの極性に応じて、電気双極子が所定の向きに揃えられる。さらに、所定時間経過後に、ワークピースに電界を印加した状態でシリコンオイル中において除冷する。ここで、シリコンオイル中においてワークピースに電界を印加するのは、圧電体層20及び絶縁膜22a及び22bの温度を高くして分極し易くすると共に、側面電極が形成されていない領域における絶縁破壊を防止するためである。また、電界を印加しながらワークピースを徐冷するのは、ワークピースが冷却する前に電圧を下げると、一旦揃えられた電気双極子の向きが、再び元の状態に戻ってしまう可能性があるからである。
Next, as shown to (a) and (b) of FIG. 4, the 1st and 2nd polarization process is performed to the workpiece in which the side surface electrode was formed.
In the polarization treatment, electrodes for polarization treatment are arranged on the
図4の(a)に示すように、第1の分極処理は、各圧電体層20の分極方向を揃えるために、例えば、200℃のシリコンオイル中において、ワークピースの電極に400V程度の電圧を印加することにより行われる。ここで、一般に、PZTの分極処理は、1cm当たり40kV(at 200℃)の電圧で行われるので、本実施形態におけるように、各圧電体層20の厚さが100μm程度である場合には、印加電圧は400V(at 200℃)程度となる。なお、この分極処理により、絶縁膜22a及び22bも所定の向きに分極される。
As shown in FIG. 4A, in the first polarization process, a voltage of about 400 V is applied to the workpiece electrode in, for example, 200 ° C. silicon oil in order to align the polarization direction of each
図4の(b)に示すように、第2の分極処理は、絶縁膜22a及び22bの分極のみを反転させるために、例えば、各電極の極性を第1の分極処理から反転させ、室温のシリコンオイル中において、ワークピースの電極に60V程度の電圧を印加することにより行われる。ここで、厚さが10μm程度の絶縁膜22a及び22bを分極するためには、200℃のシリコンオイル中において、40V程度の電圧で足りるが、本実施形態においては、室温のシリコンオイル中において分極を反転させるために、電圧を高めに設定している。
さらに、第1及び第2の分極処理が施されたワークピースをシリコンオイルから取り出し、洗浄することにより、本実施形態に係る積層型圧電素子が完成する。
As shown in FIG. 4B, in the second polarization process, in order to reverse only the polarization of the insulating
Furthermore, the multilayered piezoelectric element according to this embodiment is completed by taking out the workpiece subjected to the first and second polarization treatments from the silicon oil and washing it.
図5は、本実施形態に係る積層型圧電素子の変形例を示す斜視図である。
ここで、図1に示す積層型圧電素子においては、側面電極15a及び15bは、積層体の側面の奥行き方向全体に形成されているが、内部電極11a及び11b、下部電極12、並びに、上部電極13を接続する所定の配線が形成できれば、必ずしも全体に形成する必要はない。
FIG. 5 is a perspective view showing a modification of the multilayer piezoelectric element according to the present embodiment.
Here, in the stacked piezoelectric element shown in FIG. 1, the
図5に示すように、この変形例においては、内部電極層11a及び11bの端面の一部に絶縁膜30a及び30bがそれぞれ形成されており、側面電極31a及び31bは、それらの絶縁膜30a及び30bの表面を通るように配置されることにより、内部電極層11a及び11bからそれぞれ絶縁されている。
As shown in FIG. 5, in this modification, insulating
この変形例のように、絶縁膜及び側面電極を積層体の側面の一部に形成する場合には、2つの側面電極が互いに接触するおそれがなければ、それらが配置される領域は必ずしも向かい合う2つの側面になくても良い。例えば、絶縁膜30a及び側面電極31aと、絶縁膜30b及び側面電極31bとを、隣り合う2つの側面にそれぞれ形成しても良いし、1つの側面に形成しても良い。
In the case where the insulating film and the side electrode are formed on a part of the side surface of the laminate as in this modification, the region where the two side electrodes are not necessarily in contact with each other unless the two side electrodes are in contact with each other. It does not have to be on one side. For example, the insulating
次に、図6及び図7を参照しながら、本実施形態に係る積層型圧電素子の駆動方法について説明する。以下の説明においては、絶縁膜14a及び14bの抗電界(分極が反転する大きさの電界)を発生させる電圧より小さい電圧を低電圧といい、絶縁膜14a及び14bの抗電界を発生させる電圧より大きい電圧を高電圧という。
Next, a driving method of the multilayer piezoelectric element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the following description, a voltage lower than a voltage that generates a coercive electric field (an electric field having a magnitude that reverses polarization) of the insulating
(1)低電圧で駆動する場合
図6の(a)に示すように、各圧電体層10に形成される電界の向きが、圧電体層10の分極の向きと反対になっている場合に、各圧電体層10は収縮する。そのとき、絶縁膜14a及び14bに形成される電界の向きは、絶縁膜14a及び14bの分極の向きと揃うので、絶縁膜14a及び14bは、図の左右方向に伸張して上下方向に収縮する。一方、図6の(b)に示すように、各圧電体層10に形成される電界の向きが、各圧電体層10の分極の向きと揃っている場合に、各圧電体層10は伸張する。そのとき、絶縁膜14a及び14bは、図の左右方向に収縮して上下方向に伸張する。このように、積層型圧電素子を低電圧で駆動する場合には、印加される電界がいずれの極性であっても、絶縁膜14a及び14bは、各圧電体層10の変位に追随することができる。従って、この場合には、積層型圧電素子をバイポーラ駆動することが可能であるし、いずれかの極性でユニポーラ駆動することも可能である。
(1) When driving at a low voltage As shown in FIG. 6A, when the direction of the electric field formed in each
(2)高電圧で駆動する場合
図7の(a)に示すように、各圧電体層10に形成される電界の向きが、圧電体層10の分極の向きと反対であり、絶縁膜14a及び14bに形成される電界の向きが、絶縁膜14a及び14bの分極の向きと揃っている場合には、絶縁膜14a及び14bは、各圧電体層10の収縮に追随することができる。しかし、図7の(b)に示すように、絶縁膜14a及び14bに形成される電界の向きが、絶縁膜14a及び14bの分極の向きと反対になった場合に、絶縁膜14a及び14bに高い電界を印加することにより分極が反転してしまう。すると、各圧電体層10が伸張するときに、絶縁膜14a及び14bは、図の上下方向に収縮することになり、各圧電体層10の変位に追随できない。従って、高電圧で駆動する場合には、積層型圧電素子を、図7の(a)に示す極性でユニポーラ駆動することのみが可能である。
(2) When Driving at High Voltage As shown in FIG. 7A, the direction of the electric field formed in each
以上説明した本実施形態に係る積層型圧電素子は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサ等として用いられる。その際には、積層型圧電素子を単体で使用することも可能であるし、積層型圧電素子を1次元又は2次元に配列することにより、圧電素子アレイとして利用することも可能である。 The multilayer piezoelectric element according to this embodiment described above is used as a piezoelectric pump, a piezoelectric actuator, an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves in an ultrasonic probe, and the like. In that case, the laminated piezoelectric element can be used alone or can be used as a piezoelectric element array by arranging the laminated piezoelectric elements in one or two dimensions.
図8は、本実施形態に係る積層型圧電素子を、インクジェットヘッドの駆動用アクチュエータとして用いる例を示す断面図である。図8に示すインクジェットヘッドは、2次元状に配置された複数の積層型圧電素子40と、共通配線41と、振動板42と、隔壁43と、ノズルプレート44とを含んでいる。また、このインクジェットヘッドは、駆動回路47に接続されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example in which the multilayer piezoelectric element according to this embodiment is used as an actuator for driving an inkjet head. The ink jet head shown in FIG. 8 includes a plurality of stacked
隔壁43は、振動板42とノズルプレート44との間の空間を複数の領域に仕切っている。それにより、積層型圧電素子40に対応する位置に、インクが充填される複数の圧力室45が形成されている。また、ノズルプレート44には、複数の圧力室45に対応して、複数の吐出口(ノズル部)46が形成されている。
The
このようなインクジェットヘッドにおいて印字を行う場合には、駆動回路47において駆動信号を生成して、所定の積層型圧電素子40に供給する。それにより、積層型圧電素子40が伸縮するので、振動板42が変形し、積層型圧電素子40に対応する圧力室45の容積が変化する。その結果、圧力室45の内部に充填されているインクが加圧されて吐出口46から滴下する。
When printing is performed with such an ink jet head, a drive signal is generated in the
図9は、本実施形態に係る積層型圧電素子を、超音波トランスデューサとして利用する例を示す図である。図9に示す超音波撮像装置は、被検体に当接して用いられる超音波用探触子と、超音波撮像装置本体とを含んでいる。超音波用探触子は、超音波トランスデューサアレイ50と、音響整合層51と、音響レンズ52と、バッキング層53とを含んでいる。これらの各部は、筐体54に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ50から引き出された配線は、ケーブル55を介して超音波撮像装置本体60に接続されている。超音波撮像装置本体60は、制御部61と、駆動回路62と、送受信切換回路63と、受信回路64と、表示部65とを含んでいる。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which the multilayer piezoelectric element according to the present embodiment is used as an ultrasonic transducer. The ultrasonic imaging apparatus shown in FIG. 9 includes an ultrasonic probe used in contact with a subject and an ultrasonic imaging apparatus main body. The ultrasonic probe includes an
超音波トランスデューサアレイ50は、2次元マトリクス状に配置された複数の積層型圧電素子(超音波トランスデューサ)50aと、それらの間に配置されたエポキシ樹脂等の充填材50bとを含んでいる。また、音響整合層51は、超音波を伝えやすいガラスや、セラミックや、金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消させる。さらに、音響レンズ52は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波を所定の深度において集束させる。バッキング層53は、例えば、エポキシ樹脂やゴムにフェライト又は金属の粉体やPZTの粉体を混入した材料のように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ50から発生した不要な超音波を早く減衰させる。
The
超音波撮像を行う場合には、まず、制御部61の制御の下で、送受信切換回路63が送信側に切り換えられる。そして、駆動回路62において生成された駆動信号が、ケーブル55を介して各超音波トランスデューサ50aに供給される。それにより、各超音波トランスデューサ50aが伸縮し、被検体に向けて超音波が送信される。また、被検体から反射された超音波エコーが超音波用探触子に伝播すると、各超音波トランスデューサ50aは伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、ケーブル55を介して超音波撮像装置本体に伝送され、制御部61の制御の下で送受信切換回路63が受信側に切り換えられることにより、超音波受信信号として受信回路64に取り込まれる。さらに、受信信号は、受信回路64において、TGC(タイム・ゲイン・コンペンセーション)増幅や遅延加算等の所定の信号処理を受け、表示部65に出力される。表示部65においては、入力された受信信号に基づいて、超音波画像がCRT等の画面に表示される。
When performing ultrasonic imaging, first, the transmission /
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層型圧電素子及びその製造方法において利用することが可能である。さらに、本発明は、そのような積層型圧電素子を用いるインクジェットヘッド、超音波用探触子等の装置において利用することが可能である。 The present invention can be used in a laminated piezoelectric element used as a piezoelectric actuator, an ultrasonic transducer, and the like and a manufacturing method thereof. Furthermore, the present invention can be used in apparatuses such as an inkjet head and an ultrasonic probe using such a multilayer piezoelectric element.
10、20 圧電体層
11a、11b、21a、21b 内部電極層
12、24 下部電極層
13、25 上部電極層
14a、14b、22a、22b、30a、30b 絶縁膜
15a、15b、23a、23b、31a、31b 側面電極
40 積層型圧電素子
41 共通配線
42 振動板
43 隔壁
44 ノズルプレート
45 圧力室
46 吐出口(ノズル部)
47 駆動回路
50 超音波トランスデューサアレイ
50a 積層型圧電素子(超音波トランスデューサ)
50b 充填材
51 音響整合層
52 音響レンズ
53 バッキング層
54 筐体
55 ケーブル
60 超音波撮像装置本体
61 制御部
62 駆動回路
63 送受信切換回路
64 受信回路
65 表示部
10, 20
47
50b Filler 51
Claims (9)
前記積層体の第1の側面領域において、前記複数の電極層の内の第1の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第1の絶縁膜と、
前記積層体の第1の側面領域とは異なる第2の側面領域において、前記複数の電極層の内の前記第1の電極層と交互に配置された第2の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第2の絶縁膜と、
前記第1の側面領域に形成された側面電極であって、前記第1の絶縁膜によって前記第1の電極層から絶縁されると共に、前記第2の電極層と電気的に接続された第1の側面電極と、
前記第2の側面領域に形成された側面電極であって、前記第2の絶縁膜によって前記第2の電極層から絶縁されると共に、前記第1の電極層と電気的に接続された第2の側面電極と、
を具備する積層型圧電素子。 A laminate in which a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers are alternately arranged;
A first insulating film formed of a piezoelectric material on at least a part of an end surface of the first electrode layer of the plurality of electrode layers in the first side surface region of the stacked body;
At least part of the end surface of the second electrode layer arranged alternately with the first electrode layer of the plurality of electrode layers in a second side surface region different from the first side surface region of the stacked body. A second insulating film formed of a piezoelectric material;
A side electrode formed in the first side region, wherein the first electrode is insulated from the first electrode layer by the first insulating film and electrically connected to the second electrode layer. Side electrodes of
A side electrode formed in the second side region, wherein the second electrode is insulated from the second electrode layer by the second insulating film and electrically connected to the first electrode layer. Side electrodes of
A laminated piezoelectric element comprising:
前記第1の電極層の端面に形成された前記第1の絶縁膜の分極が前記第1の電極層の反対側を向いていると共に、前記第2の電極層の端面に形成された前記第2の絶縁膜の分極が前記第2の電極層側を向いている、
請求項1記載の積層型圧電素子。 Polarization of two piezoelectric layers adjacent to each other with the first electrode layer interposed therebetween is directed to the first electrode layer side, and two piezoelectric layers adjacent to each other with the second electrode layer interposed therebetween. The polarization of the body layer faces away from the second electrode layer;
The polarization of the first insulating film formed on the end surface of the first electrode layer is directed to the opposite side of the first electrode layer, and the first electrode formed on the end surface of the second electrode layer. The polarization of the insulating film 2 faces the second electrode layer side,
The multilayer piezoelectric element according to claim 1.
前記第1及び第2の絶縁膜に抗電界より小さい電界強度を与える電圧で前記積層型圧電素子をバイポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。 The laminated piezoelectric element according to claim 1 or 2,
A drive circuit for bipolarly driving the multilayer piezoelectric element with a voltage that gives an electric field strength smaller than a coercive electric field to the first and second insulating films;
A device comprising:
前記第1及び第2の絶縁膜に抗電界より小さい電界強度を与える電圧で前記積層型圧電素子をユニポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。 The laminated piezoelectric element according to claim 1 or 2,
A driving circuit for unipolarly driving the multilayer piezoelectric element with a voltage that gives an electric field strength smaller than a coercive electric field to the first and second insulating films;
A device comprising:
前記第1及び第2の絶縁膜に抗電界より大きい電界強度を与える電圧で、且つ、前記第1及び第2の絶縁膜の分極を反転させない極性で前記積層型圧電素子をユニポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。 The laminated piezoelectric element according to claim 1 or 2,
A driving circuit for unipolarly driving the laminated piezoelectric element with a voltage that gives a higher electric field strength than the coercive electric field to the first and second insulating films, and with a polarity that does not reverse the polarization of the first and second insulating films When,
A device comprising:
前記積層体の第1の側面領域において、前記複数の電極層の内の第1の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第1の絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記積層体の第1の側面領域とは異なる第2の側面領域において、前記複数の電極層の内の前記第1の電極層と交互に配置された第2の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第2の絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記第1の側面領域に、前記第1の絶縁膜によって前記第1の電極層から絶縁されると共に、前記第2の電極層と電気的に接続される第1の側面電極を形成する工程(d)と、
前記第2の側面領域に、前記第2の絶縁膜によって前記第2の電極層から絶縁されると共に、前記第1の電極層と電気的に接続される第2の側面電極を形成する工程(e)と、
を具備する積層型圧電素子の製造方法。 A step (a) of forming a laminate by alternately arranging a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers;
A step (b) of forming a first insulating film with a piezoelectric material on at least a part of an end surface of the first electrode layer of the plurality of electrode layers in the first side surface region of the stacked body;
At least part of the end surface of the second electrode layer arranged alternately with the first electrode layer of the plurality of electrode layers in a second side surface region different from the first side surface region of the stacked body. And (c) forming a second insulating film from the piezoelectric material,
Forming in the first side surface region a first side electrode that is insulated from the first electrode layer by the first insulating film and electrically connected to the second electrode layer ( d) and
Forming a second side surface electrode in the second side surface region, which is insulated from the second electrode layer by the second insulating film and electrically connected to the first electrode layer ( e) and
A method for manufacturing a laminated piezoelectric element comprising:
その後に、前記積層体に第1の極性と逆の第2の極性で第1の電界よりも小さい第2の電界を印加することにより、前記第1及び第2の絶縁膜の分極のみを反転させるための第2の分極処理を施す工程(g)と、
をさらに具備する請求項6又は7記載の積層型圧電素子の製造方法。 Applying a first electric field having a first polarity to the stacked body to perform at least a first polarization process for aligning the polarization of the plurality of piezoelectric layers in a predetermined direction;
Thereafter, by applying a second electric field smaller than the first electric field with a second polarity opposite to the first polarity to the stacked body, only the polarization of the first and second insulating films is inverted. A step (g) of applying a second polarization treatment for
The method for producing a laminated piezoelectric element according to claim 6 or 7, further comprising:
工程(g)が、前記複数の圧電体層の分極を反転させずに、前記第1の電極層の端面に形成された前記第1の絶縁膜の分極が前記第1の電極層の反対側を向くと共に、前記第2の電極層の端面に形成された前記第2の絶縁膜の分極が前記第2の電極層側を向くように第2の分極処理を施すことを含む、
請求項8記載の積層型圧電素子の製造方法。 In the step (f), the polarization of two piezoelectric layers adjacent to each other with the first electrode layer interposed therebetween is directed to the first electrode layer side, and adjacent to the second electrode layer therebetween. Applying a first polarization treatment such that the polarization of the two piezoelectric layers is directed to the opposite side of the second electrode layer,
In the step (g), the polarization of the first insulating film formed on the end face of the first electrode layer is opposite to the first electrode layer without inverting the polarization of the plurality of piezoelectric layers. And applying a second polarization treatment so that the polarization of the second insulating film formed on the end face of the second electrode layer faces the second electrode layer side,
The method for producing a multilayer piezoelectric element according to claim 8.
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