JP2007109754A - 積層圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電層上の電極形成部と電極非形成部との間の焼成時の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができる電極形状を備えた積層圧電素子を提供する。
【解決手段】奇数層に位置する電極引出し部２４Ａと偶数層に位置する電極引出し部２４Ｂとは、素子の一端面の幅方向に関し互いに異なる側に配置されているとともに、各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの基端部間の内寸Ｓ１が、当該各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの先端部間の内寸Ｓ２よりも小さく形成されている。この構成により、圧電体の表面の電極形成部Ｐ１と電極非形成部Ｐ２との間の焼成時の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができ、素子割れやヒビ、層間ショート等の発生を抑制することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、積層圧電素子に関し、更に詳しくは、圧電体の表面に内部電極が形成された圧電素子を複数積層してなり、奇数層の圧電素子の内部電極と偶数層の圧電素子の内部電極とに各々形成され、これらの内部電極を外部電極に接続するための電極引出し部を備えた積層圧電素子に関する。

積層圧電素子は、図１５に示すように、圧電体１の表面に内部電極２が形成された圧電素子を複数積層してなり、奇数層の圧電素子の内部電極と偶数層の圧電素子の内部電極との間に電圧を印加することで、圧電体の逆圧電効果による歪みを発生させる。

図１６Ａは、積層圧電素子を用いた積層圧電バイモルフ３の概略斜視図である。この積層圧電バイモルフ素子３は、中間材４の表面および裏面に積層圧電素子５ａおよび積層圧電素子５ｂをそれぞれ固着して構成されている。積層圧電素子５ａ，５ｂは、任意の電圧を加えたときに一方が伸び他方が縮むようにあらかじめ分極されている。そして、図１６Ｂに示すように、積層圧電バイモルフ素子３の一端側を固定部６に固定し、任意の電圧を加えることで素子先端に屈曲変位を発生させることができる。

積層圧電素子は、上述のように、圧電層と電極層とが交互に積層された構造となっている。このような積層圧電素子の一般的な製法は、まず図１７に示すように、圧電粉末と有機バインダ、有機溶剤等を混合したスラリー７をＰＥＴ等の支持体８上にシート成形機９を用いて薄く成形する。次に、図１８に示すように、この成形した圧電シート１０の表面に電極ペースト材１１をスクリーン印刷などにより形成する。続いて、図１９に示すように内部電極となる電極ペースト材１１を形成した圧電シート１０を複数枚積み重ね、熱圧着した積層体１２を作製する。そして、この積層体１２を図２０に示すように任意のサイズに切断し、脱脂によりバインダを熱分解した後、焼成を行うことで、所定形状の積層圧電素子１３が作製される。

一方、積層圧電素子１３の内部電極１１は、向かい合う電極間に電位差を発生させるため、図２１に示すように電気的に交互に接続させる必要がある。例えば、短冊形状のバイモルフ素子の場合でかつ素子の片側の端面から電極を引き出す必要がある場合、図２２に示すように素子の端部に各々の電極を引き出すための電極引出し部１４を形成する構造となる（下記特許文献１参照）。電極引出し部１４の形成幅は、素子端面から見て、内部電極１１の形成幅よりも小さく、かつ一様に形成されている。

この場合、図２３のように、奇数層の圧電素子の内部電極１１Ａと偶数層の圧電素子の内部電極１１Ｂとで、その電極引出し部１４Ａ，１４Ｂを互いに逆方向に片寄らせて形成し、これらを交互に重ねていく。そして、焼成後、素子の電極引出し側の端面には、電極引出し部１４Ａと電極引出し部１４Ｂとに対し、それぞれ共通の外部電極が形成されることになる。

特開２００２−３０５３３１号公報

さて、圧電素子の焼成工程では、電極形成されている圧電層の収縮量が、電極形成されていない圧電層の収縮量よりも大きくなる傾向を示す。図２４は、積層した電極パターンを上から見たときの図である。ハッチング領域Ｐ１は電極形成部であり、下層側の内部電極の電極引出し部１４Ａと上層側の内部電極１１Ｂの電極引出し部１４Ｂとの間に位置する領域Ｐ２は、電極非形成部である。

図２４において、焼成時の収縮量は、Ｐ１＞Ｐ２となる。これは、電極層の収縮による影響と、電極層の溶解により圧電焼結性が促進されより収縮し易くなる等の影響と考えられる。ちなみに、圧電素子の焼成過程での収縮は、寸法比として焼成前寸法の７０％〜８５％程度になり、電極形成部Ｐ１と電極非形成部Ｐ２の収縮差は、数％〜１０％近くになる場合がある。

このように、電極形成部Ｐ１と電極非形成部Ｐ２での圧電層の収縮に差が生じると、焼成過程や焼成後の冷却過程において収縮量の差による内部応力で素子の変形が発生し、収縮量の差が著しい時には素子の割れやヒビが発生したり、電極部の層間ショートが発生するおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、圧電層上の電極形成部と電極非形成部との間の焼成時の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができる電極形状を備えた積層圧電素子を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明者らは、各層の内部電極に形成される外部電極接続用の電極引出し部の形状を所定の形状に変更することで、焼成時における圧電層の電極形成部と電極非形成部間の収縮差に起因する内部応力の発生を抑制できることを見出した。

すなわち、本発明は、圧電体の表面に内部電極が形成された圧電素子を複数積層してなり、各層の圧電素子の内部電極に各々形成され当該内部電極を外部電極に接続するための電極引出し部を当該素子の一端面に備えた積層圧電素子において、奇数層に位置する電極引出し部と偶数層に位置する電極引出し部とは、上記素子端面の幅方向に関し互いに異なる側に配置されているとともに、各層の電極引出し部の基端部間の内寸が、当該各層の電極引出し部の先端部間の内寸よりも小さく形成されている。

この構成により、圧電体の表面の電極形成部と電極非形成部との間の焼成時の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができ、素子割れやヒビ、層間ショート等の発生を抑制することが可能となる。

特に本発明において、各層の圧電素子の電極引出し部は、その先端部の形成幅よりも基端部の形成幅の方が大きくなるように形成されている。電極引出し部の基端部は、内部電極側に向かって形成幅が徐々に大きくなるように形成することができる。

具体的には、電極引出し部の基端部が傾斜部を介して内部電極と接続される構成としたり、電極引出し部の基端部が段部を介して内部電極と接続される構成とすることができる。

上記圧電体と内部電極の積層体は、一端部が固定端とされ他端部が自由端とされたバイモルフ素子あるいはモノモルフ素子として用いることができる。この場合、各層の電極引出し部は、素子の固定端側に設けられるのが好ましい。

なお、本発明に係る積層圧電素子の適用例は上述の例に限らず、超音波発生素子や圧電トランス等にも適用可能である。

以上述べたように、本発明の積層圧電素子によれば、圧電体の表面の電極形成部と電極非形成部との間の焼成時の収縮差に起因して発生する内部応力を効果的に緩和することができるので、素子割れやヒビ、層間ショート等の発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１および図２は本発明の実施の形態による積層圧電素子２３の構成を示している。この積層圧電素子２３は、シート状の圧電体２０の表面に内部電極２１（２１Ａ，２１Ｂ）が形成された圧電素子を複数積層して構成されている。各層の内部電極２１は、それぞれ電極引出し部２４（２４Ａ，２４Ｂ）を介して素子表面に形成された外部電極２５（２５Ａ，２５Ｂ）に接続されている。

電極引出し部２４は、内部電極２１と外部電極２５との間を電気的に接続するためのものであり、その形成幅は内部電極２１の形成幅よりも小さく、後述するように、内部電極２１の形成工程と同時に形成される。電極引出し部２４は、積層圧電素子２３の一方の端面２３Ｆ側に引き出され、外部電極２５も同様に、圧電素子２３の一方の端面２３Ｆ側を跨ぐようにして形成されている。そして、本実施の形態の積層圧電素子２３は、外部電極２５に所定の電圧が印加されることで、一方の端面２３Ｆを固定端とし、他方の端面２３Ｖを自由端として振動させるバイモルフ素子として構成されている。

そこで、本実施の形態の積層圧電素子２３においては、各層の圧電素子の内部電極２１に接続された電極引出し部２４は、当該素子の固定端２３Ｆの幅方向に関し互いに異なる側へ偏倚して形成されている。すなわち、図２に示したように、奇数層の圧電素子の内部電極２１Ａに接続された電極引出し部２４Ａと、偶数層の圧電素子の内部電極２１Ｂに接続された電極引出し部２４Ｂとは、互いに逆方向に片寄って形成されている。

従って、この積層圧電素子２３の固定端２３Ｆ側から見て、奇数層の電極引出し部２４Ａは一方側（図１において左方側）に集中し、偶数層の電極引出し部２４Ｂは他方側（図１において右方側）へ集中している。そして、外部電極２５は、電極引出し部２４Ａに共通に接続された電極部２５Ａと、電極引出し部２４Ｂに共通に接続された電極部２５Ｂとによって構成されている。

次に、この積層圧電素子２３の各層の圧電素子の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂは、外部電極２５Ａ，２５Ｂ側の先端部の形成幅よりも内部電極２１Ａ，２１Ｂ側の基端部の形成幅の方が大きく形成されている（図２）。特に本実施の形態では、電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの基端部は傾斜部２４Ｓ，２４Ｓを介して内部電極２１Ａ，２１Ｂと接続されることで、内部電極２１Ａ，２１Ｂ側に向かって形成幅が徐々に大きくなるように形成されている。

各層における電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの傾斜部２４Ｓ，２４Ｓは、図２に示したように奇数層側と偶数層側とで互いに向き合うように形成されている。その結果、この積層圧電素子２３の各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂは、平面的に見て、図３Ａに示すような関係となる。図においてハッチングで示した領域Ｐ１は電極形成領域であり、電極引出し部２４Ａと電極引出し部２４Ｂとの間の領域Ｐ２は電極非形成領域である。

図３Ａは、一方の電極引出し部２４Ａの傾斜面２４Ｓと他方の電極引出し部２４Ｂの傾斜面２４Ｓとを各々の電極引出し部の基端部側で相互に交差させ、略Ｖ字形状の境界部をもつ電極非形成部Ｐ２を形成した例を示している。また、図３Ｂに示すように、一方の電極引出し部２４の傾斜面２４Ｓと他方の電極引出し部２４Ｂの傾斜面２４Ｓとを各々の電極引出し部の基端部側で相互に離間させ、略台形状の境界部をもつ電極非形成部Ｐ２としてもよい。この電極非形成部Ｐ２の電極形成領域Ｐ１に対する境界部の形状は、傾斜面２４Ｓ，２４Ｓの傾斜角によって調整可能である。

図３Ａ，Ｂに示したように、本実施の形態の積層圧電素子２３は、その固定端２３Ｆに臨む各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの先端部間の内寸Ｓ２が、電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの基端部間の内寸（Ｓ１）よりも大きくなっている。後述するように、焼成時における電極形成部Ｐ１と電極非形成部Ｐ２間の熱収縮差に起因する素子の割れやヒビ等を回避するために、Ｓ１はＳ２に比べて小さく形成される。なお、図３Ａは、Ｓ１＝０の例を示している。

以上のように構成される本実施の形態の積層圧電素子２３は、図示しない中間材の両面に各々固着され、任意の電圧に対して一方の素子が伸び他方の素子が縮むような分極の向きにすることにより、外部電極２５Ａ，２５Ｂ間に所定の電圧を印加することで、図１６Ｂに示したように、各々の素子の自由端に屈曲変位を発生させるアクチュエータを構成することができる。

続いて、以上のように構成される積層圧電素子２３の製造方法について説明する。図４はその製造プロセスを示す工程図である。

（混合工程）
混合工程前は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐｂ（鉛）などの原料の秤量や混合、仮焼などの圧電材料特有の工程がある。これらの圧電材料は粉末状態になっており、一般的には粒径をメジアン径で１μｍ以下に微細粉末化される。この微粉末と、有機溶剤を混ぜて溶液を作るのが混合工程で、例えばエタノール、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）などの有機溶剤と、アクリル系等のバインダー樹脂、消泡剤等を所定の混合比率で混ぜ合わせる。なお本例ではチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料を用いるが、これ以外にもチタン酸バリウム系等の他の圧電材料を用いてもよい。

（シート成形工程）
混合によって圧電粉末は溶液内に分散した状態となり、これをスラリーと呼ぶ。このスラリーを図１７に示したようなシート成形機を用いて薄い塗膜を作り、この状態で乾燥させると、ある程度の柔軟性をもったシート（グリーンシート）ができあがる。

（電極印刷工程）
作製されたグリーンシートの上にスクリーン印刷などによって内部電極２１および電極引出し部２４の印刷形成を行う。このとき、シートはロール状でもよいし、あるいは印刷前に所定のサイズに打ち抜かれていてもよい。内部電極材は、圧電素子の焼成温度を考慮し、本実施の形態では、Ａｇ（銀）とＰｄ（パラジウム）の合金ペーストが用いられる。ＡｇとＰｄの合金はＰｄ比率が増えれば焼成温度を高くすることができ、例えばＰｄ比率を１０〜４０％程度とする。なお、電極ペーストに使用されている有機溶剤とグリーンシートの樹脂成分との反応については注意が必要である。

（積層圧着工程）
次に、電極ペーストが印刷されたグリーンシートを目的とする層数だけ積み重ねる。このとき、各々のシートの電極の位置が相互にずれないようにする。具体的には、各シートの所定の隅部に複数の位置決め用の孔を形成しておき、これらの位置決め孔に位置決めピンを嵌合させて全シートを積層する。積層されたグリーンシートは、熱圧着により一体化させる。その後、必要に応じて、このシート積層体を所定サイズに切断する。

（脱脂工程）
熱圧着した積層シートは、必要に応じて分断機などにより所定のサイズに分断し、これを脱脂炉に入れて、積層シートに含まれる有機材料（有機溶剤やバインダー樹脂）を熱分解する。脱脂温度は、使用する樹脂の熱分解特性により決定されるが、本例では４００℃〜６００℃程度とする。また、脱脂時の昇温速度は、樹脂の分解速度を考慮して適宜に決定される。分解速度を速くし過ぎると脱脂後の素子に膨れや割れが発生するので注意が必要である。

（焼成工程）
脱脂した素子は、基本的には圧電粉末と電極材料の残存のみとなり、これを更に高温で焼成してセラミックス体にする。焼成温度は、一般的な圧電素子は１２００℃〜１３００℃程度であるが、内部電極の溶解温度を考慮して決定される。上述のとおり、内部電極材のＰｄ比率により電極の溶解温度は異なり、１０〜４０％の範囲であれば、１０００℃〜１２００℃程度の焼成温度となる。

（外形加工工程）
焼成後の素子は、必要に応じて外形加工を施す。外形加工の目的は、素子の形状を安定化させることや、内部電極に形成された電極引出し部２４の先端部を素子端面に露出させることである。図５に外形加工前後の素子の形態を示す。

（外部電極形成）
次に、外形加工した素子の表面に外部電極２５となる表面電極を印刷する。電極材料には例えばＡｇペーストが用いられる。表面電極（外部電極）２５は、図１に示したように、素子２３の端面２３Ｆに露出した電極引出し部２４と接続される。これにより、外部電極２５Ａと内部電極２１Ａとの間、および外部電極２５Ｂと内部電極２１Ｂとの間が、それぞれ電極引出し部２４Ａおよび電極引出し部２４Ｂを介して相互に導通される。

（分極処理工程）
最後に、作製した積層圧電素子２３の分極処理を行う。図６Ａ，Ｂは素子の分極処理工程を示している。図の例は、外部電極２５Ａに直流電源２６の正極を、外部電極２５Ｂに直流電源２６の負極をそれぞれ接続している。これにより、隣接する複数組の電極間にそれぞれ並列的に電源電圧が印加され、これら電極間に挟まれている圧電体２０の分極処理が行われる。

以上のようにして、本実施の形態の積層圧電素子２３が製造される。

ところで、上述した積層圧電素子２３の製造工程、特に焼成工程においては、圧電体の焼成工程における電極形成部と電極非形成部との収縮率差に起因して発生する内部応力による素子の割れやヒビを抑える必要がある。

そこで、本実施の形態では、内部電極２１の電極引出し部２４の形状を図３Ａ，Ｂに示したような傾斜部２４Ｓを設け、電極引出し部２４の基端部間の内寸Ｓ１を先端部間の内寸Ｓ２よりも小さくすることで、焼成時における内部応力を緩和し素子割れやヒビの発生を抑えるようにしている。傾斜部２４Ｓの形成は、電極ペースト材を印刷するスクリーン印刷板のパターン形状の変更だけで済む。

内部応力の緩和についてはシミュレーションによる解析で電極引出し部の形状変化による効果が確認されている。以下、従来の電極引出し部の形状と本発明の電極引出し部の形状とによる応力分布のシミュレーション解析を中心に本発明の効果について説明する。

図７は、従来の積層圧電素子の電極引出し部の応力解析モデルである。図７に示すように、電極非形成部Ｐ２は、隣接する２層の電極引出し部１４Ａ，１４Ｂの間に挟まれており、形成幅は一様で、電極形成部Ｐ１との境界部は四角形状となっている。そして、焼成による電極形成部Ｐ１の寸法は焼成前寸法の７０％、同じく電極非形成部Ｐ２の寸法は焼成前寸法の８５％として、面内の応力分布のシミュレーション解析を行った。なお、電極形成部Ｐ１の形成長を１０ｍｍ、電極非形成部Ｐ２の形成長を３ｍｍ、電極引出し部１４Ａ，１４Ｂの形成幅を各々１ｍｍとした。

図８Ａ，Ｂは図７に示した応力解析モデルのシミュレーション結果を示している。図８Ａは面内の応力のスカラー量分布であり、図８Ｂは面内の応力のベクトル図である。図８Ｂにおいて、両端の矢印が外向きの成分を引張応力、内向きの成分を圧縮応力で示し、矢印の長さは力の大きさを示している。なお、図９〜図１１および図１４についても同様である。

図８Ｂに示したように、電極非形成部（Ｐ２）には圧縮応力が加わっており、電極形成部（Ｐ１）には引張応力が加わっていることが解る。引張応力の最大値は、０．７５３ｅ１０（０．７５３×１０¹⁰）［Ｎ／ｍ²］であり、その発生位置は、電極引出し部１４Ａ，１４Ｂの基端部にあたる電極形成部と非形成部との境界部にある。焼成時に引張応力が加わることにより、圧電体の焼結過程での空孔の発生や割れを発生させ、溶解した電極材が空孔や割れに浸透して層間の短絡を誘発したり、焼成割れなどの不具合を引き起こす。

一方、図９Ａ，Ｂは、本実施の形態の積層圧電素子のように、電極引出し部２４の基端部に傾斜部２４Ｓを形成したときのシミュレーション結果を示している。図９Ａ，Ｂに示すように、電極引出し部２４の基端部に傾斜部２４Ｓを形成することにより、引張応力や圧縮応力の集中が緩和され、最大引張応力は０．６６８ｅ１０［Ｎ／ｍ²］にまで低下させることができた。

また、図１０Ａ，Ｂに示すように、電極引出し部２４の基端部に形成される傾斜部２４Ｓの傾斜角を更に大きくすることで、最大引張応力は０．５７４ｅ１０［Ｎ／ｍ²］にまで低下させることができた。電極引出し部２４の基端部において各層の傾斜部２４Ｓが互いに交差する程度に傾斜部２４Ｓの傾斜角を大きくし、電極形成部と非形成部との境界部をＶ字形状にした実施形態（図３Ａ参照）においては、図１１Ａ，Ｂに示すように最大引張応力は更に低減し、その大きさは０．４４７ｅ１０［Ｎ／ｍ²］であった。

以上のように、傾斜部２４Ｓの傾斜角は大きくし、各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂの基端部間の内寸Ｓ１をその先端部間の内寸Ｓ２よりも小さくするほど、内部応力（引張応力）の低減効果が著しくなることが解る。

従って、本実施の形態の積層圧電素子２３によれば、焼成時における電極形成部と非形成部との間の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができるので、素子割れやヒビ、層間ショートといった種々の不具合を効果的に抑えることが可能となる。

次に、電極引出し部２４の傾斜部２４Ｓの傾斜量について図１２を参照して説明する。電極引出し部２４の寸法は、素子の幅寸法による制約を受ける。図１２はこの関係を示した模式図である。

まず、幅方向については、素子幅Ｗに対して、内部電極２１の幅外形方向のマージンＧと、内部電極２１間の短絡に対するマージンＳ２（電極引出し部２４の先端部間の内寸）が必要となる。各電極引出し部２４の先端部の形成幅Ｄ１，Ｄ２は、Ｄ１＝Ｄ２＝（Ｗ−２Ｇ−Ｓ２）／２となる。例えばＷ＝３ｍｍの場合、外形に対するマージンＧは、内部電極印刷の位置精度や焼成時の収縮バラツキや外形加工時の加工位置バラツキ等を考慮すると、Ｇ＝０．１〜０．３ｍｍ程度となる。また、内部電極間の短絡に対するマージンＳ２は、高温高湿状態での絶縁性確保やマイグレーション等を考慮すると、０．６ｍｍ以上は必要となる。よって、Ｄ１＝Ｄ２は幅３ｍｍの素子の場合、０．９〜１．１ｍｍ程度となる。

電極引出し部２４の基端部間の距離（内寸）Ｓ１は０でもよいが、電極印刷位置バラツキや積層時のバラツキ等を考慮すると、０．２ｍｍ以上は必要となり、この場合、傾斜部２４Ｓの幅方向寸法Ｋｙは最小０．２ｍｍとなる。

次に、素子の長さ方向については、電極引出し部２４の形成長さＬはできるだけ短いことが望まれるが、内部電極２１の印刷位置精度や焼成時の収縮バラツキや外形加工時の加工位置バラツキ等を考慮すると、１ｍｍ以上は必要となる。実際に電極引出し部２４に傾斜部２４Ｓを設けた場合、外形加工によって傾斜部２４Ｓを素子端面から露出させると、内部電極２１間の短絡に対するマージンＳ２が減ることになり、好ましくない。従って、外形加工時に傾斜部２４Ｓが素子端面から露出しない設定が必要となり、バラツキを考慮すると、傾斜部２４Ｓの素子長さ方向寸法をＫｘとしたとき、Ｌ−Ｋｘは最小でも０．５ｍｍは必要となる。

以上のことから、Ｋｙは最小０．２ｍｍ、Ｋｘは最小０．５ｍｍとなる。ここで、傾斜比＝Ｋｙ／Ｋｘと定義すると、最小時の条件では、傾斜比は、０．２ｍｍ／０．５ｍｍ＝０．４となる。なお、図９Ａ，Ｂに示したシミュレーション結果では傾斜比は０．２５、図１０Ａ，Ｂに示したシミュレーション結果では傾斜比は０．３５、図１１Ａ，Ｂに示したシミュレーション結果では傾斜比は０．６である。図９〜図１１に示した解析モデルを基に実際の試作を行ったところ、従来形状（図８）の電極構造では素子割れや層間ショートが散在的に発生していたのに対し、本実施の形態によれば素子割れや層間ショート不良をほぼ無くすことができた。特に、図１０に示した電極構造については、素子割れや層間ショート不良の発生が皆無であったことが確認されている。

（第２の実施の形態）
図１３および図１４は本発明の第２の実施の形態を示している。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、各層の圧電素子の電極引出し部２４（２４Ａ，２４Ｂ）の基端部側に段部２４Ｔを設けることで、電極引出し部２４の先端部の形成幅よりも基端部の形成幅を大きくしている点で、上述の第１の実施の形態と異なっている。この電極引出し部２４の段部２４Ｔは、図１３Ａに示したように奇数層側と偶数層側とで互いに向き合うように形成されている。

その結果、この積層圧電素子の各層の電極引出し部２４Ａ，２４Ｂは、平面的に見て、図１３Ｂに示すような関係となり、電極引出し部２４の基端部間の内寸Ｓ１が、電極引出し部２４の先端部間の内寸Ｓ２よりも小さく形成されている。なお、図においてハッチングで示した領域Ｐ１は電極形成領域であり、電極引出し部２４Ａと電極引出し部２４Ｂとの間の領域Ｐ２は電極非形成領域である。

図１４Ａ，Ｂは、上述した電極引出し部構造を有する応力解析モデルのシミュレーション結果を示している。本実施の形態においても、従来の電極引出し部構造に比べて最大引張応力が低減し、その大きさは０．６４２ｅ１０［Ｎ／ｍ²］であった。

従って、本実施の形態においても上述の第１の実施の形態と同様に、焼成時における電極形成部と非形成部との間の収縮差に起因して発生する内部応力を緩和することができるので、素子割れやヒビ、層間ショートといった種々の不具合を効果的に抑えることが可能となる。実際に試作を行って検証したところ、本実施の形態によっても素子割れや層間ショート不良をほぼ無くすことができたことを確認した。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、各層の電極引出し部の基端部間の内寸Ｓ１が当該各層の電極引出し部の先端部間の内寸Ｓ２よりも小さくなるために、各層の電極引出し部に傾斜部２４Ｓあるいは段部２４Ｔを設けたが、傾斜部２４Ｓは直線状に限らず、曲線状に形成されてもよく、また、段部２４Ｔは１段に限らず、２段以上の多段としてもよい。

また、以上の実施の形態では、本発明に係る積層圧電素子を圧電バイモルフ素子に適用した例について説明したが、これに限らず、超音波発生装置や圧電トランス、圧電スピーカ、発振回路・フィルタ回路、圧電振動ジャイロセンサ、更には積層セラミックコンデンサ等にも本発明は適用可能である。

本発明の第１の実施の形態による積層圧電素子２３の全体斜視図である。 積層圧電素子２３の内部構造を示す分解斜視図である。 積層圧電素子２３の電極引出し部２４を示す要部概略平面図である。 積層圧電素子２３の製造方法を説明する工程フロー図である。 積層圧電素子２３の製造方法における外形加工工程を説明する加工前後の素子平面図である。 積層圧電素子２３の製造方法における素子の分極処理工程を説明する図である。 従来の積層圧電素子における電極引出し部の応力解析モデル図である。 従来の積層圧電素子における電極引出し部周辺の応力分布を示すシミュレーション結果である。 本発明に係る積層圧電素子２３の一構成例における電極引出し部周辺の応力分布を示すシミュレーション結果である。 本発明に係る積層圧電素子２３の他の構成例における電極引出し部周辺の応力分布を示すシミュレーション結果である。 本発明に係る積層圧電素子２３の更に他の構成例における電極引出し部周辺の応力分布を示すシミュレーション結果である。 本発明に係る積層圧電素子２３の電極引出し部の構成の一具体例を説明する模式図である。 本発明の第２の実施の形態による積層圧電素子の内部構造を示し、Ａは分解斜視図、Ｂは電極引出し部周辺の平面図である。 図１３に示した積層圧電素子の電極引出し部周辺の応力分布を示すシミュレーション結果である。 積層圧電素子の概略構成を示す模式図である。 積層圧電素子を用いて圧電バイモルフ素子を示す図であり、Ａは概略斜視図、Ｂは一作用を説明する側面図である。 積層圧電素子の一製造工程であるシート成形工程を説明する図である。 積層圧電素子の一製造工程である電極ペースト材の印刷工程を説明する図である。 積層圧電素子の一製造工程であるシート積層工程を説明する図である。 積層圧電素子の一製造工程である素子切断工程を説明する図である。 積層圧電素子の電極接続構成を説明する図である。 従来の圧電バイモルフ素子の電極接続構造を示す斜視図である。 従来の圧電バイモルフ素子の内部構造を示す分解斜視図である。 従来の圧電バイモルフ素子の電極引出し部の構成を説明する要部平面図である。

符号の説明

２０…圧電体、２１，２１Ａ，２１Ｂ…内部電極、２３…積層圧電素子、２３Ｆ…素子の固定端、２３Ｖ…素子の自由端、２４，２４Ａ，２４Ｂ…電極引出し部、２４Ｓ…傾斜部、２４Ｔ…段部、２５，２５Ａ，２５Ｂ…外部電極、Ｐ１…電極形成部、Ｐ２…電極非形成部、Ｓ１…電極引出し部の基端部間の内寸、Ｓ２…電極引出し部の先端部間の内寸

Claims (6)

1. 圧電体の表面に内部電極が形成された圧電素子を複数積層してなり、各層の圧電素子の内部電極に各々形成され当該内部電極を外部電極に接続するための電極引出し部を当該素子の一端面に備えた積層圧電素子において、
   奇数層に位置する電極引出し部と偶数層に位置する電極引出し部とは、前記素子端面の幅方向に関し互いに異なる側に配置されているとともに、
   各層の電極引出し部の基端部間の内寸が、当該各層の電極引出し部の先端部間の内寸よりも小さく形成されている
   ことを特徴とする積層圧電素子。
2. 前記各層の電極引出し部は、先端部の形成幅よりも基端部の形成幅の方が大きく形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層圧電素子。
3. 前記電極引出し部の基端部は、前記内部電極側に向かって形成幅が徐々に大きくなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電素子。
4. 前記電極引出し部の基端部は、傾斜部を介して前記内部電極と接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電素子。
5. 前記電極引出し部の基端部は、段部を介して前記内部電極と接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電素子。
6. 前記圧電体と前記内部電極の積層体は、一端部が固定端とされ他端部が自由端とされているとともに、前記各層の電極引出し部は、前記固定端側に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層圧電素子。