JP2013518422A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、互いに上下に配設された複数の圧電層（２、２’、２’’、２’’’、３、３’、３’’、３’’’）とその間に配設された電極層（４，５）から成る積層体（１ａ）を有する圧電素子（１）に関する。前記積層体（１ａ）は第１圧電定数を備える少なくとも１つの第１圧電層（２）と、直接これに隣接して、第２圧電定数を備える少なくとも１つの第２圧電層（３）とを有する。圧電定数は、電極層（４，５）に印加された電圧による電界に垂直な方向の圧電層（２，３）の歪みを表す。第１圧電定数は第２圧電定数とは異なる。
【選択図】図４

Description

本発明は圧電層を備える圧電素子に関する。

例えば、積層圧電アクチュエータのような積層圧電素子は、圧電材料からなる複数の層を含む。一般的に、アクチュエータ全体に同じ圧電材料が使用される。

圧電アクチュエータは、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

独国特許発明第１０２ ３４ ７８７号明細書（ＤＥ １０２ ３４ ７８７ Ｃ１） 独国特許出願公開１０３ ０７ ８２５号明細書（ＤＥ １０３ ０７ ８２５ Ａ１）

本発明の課題は、より優れた特性を備える圧電素子を提供することにある。

互いに上下に配設された複数の圧電層と、当該複数の圧電層の間に配設された電極層とから成る積層体を有する圧電素子であって、前記積層体が第１圧電定数を備える少なくとも１つの第１圧電層と、当該第１圧電層に直接隣接して、第２圧電定数を備える少なくとも１つの第２圧電層とを有する圧電素子が提供される。圧電定数は、電極層に印加された電圧での電界に垂直な方向の圧電層の歪みを表す。第１圧電定数は第２圧電定数とは異なる。

特に、圧電素子は積層構造の圧電アクチュエータとして構成してもよい。

圧電定数は、電極層に所定の電圧を印加した場合における、電界に垂直な方向の圧電層の歪みの大きさの尺度である。圧電定数が異なる２つの材料を互いに接触させると、極性が生じている間、それらの接触境界においては２つの材料の歪みが異なるために、機械的応力の差が生じ得る。これは両材料間の接触境界でのクラック形成を促進し得る。

こうしたクラックは、同一の電気極性を有する電極のみが存在するアクチュエータのいわゆる不活性領域では、例えば２つの圧電層の境界、すなわち１つの電極層の平面内に延びてもよい。クラックが、反対の極性の電極が交互に上下に配設されたアクチュエータのいわゆる活性領域に進入する際に、クラックの進入が制御されずに折れ曲がる場合、クラックは２つ以上の電極層にまたがる可能性がある。この場合、短絡が生じる可能性があり、圧電アクチュエータの故障につながり得る。従って、積層圧電アクチュエータの信頼性及び寿命は、場合によって生じるクラックの制御に依存する。発生するクラックの折れ曲がりは、第１圧電層及び第２圧電層の圧電定数が異なることによって防止され得る。

ここで示される圧電素子において、第１圧電層及び第２圧電層は、好ましくは両層間に接触境界が形成されるようにそれぞれ選択される。第１圧電層と第２圧電層との圧電定数の相違は、電極層に電圧が印加されると、接触境界の領域に、基本的に電極層に平行に延びるクラックが生じるために十分なほど大きいことが好ましい。

従って、ここで示される圧電素子は、クラックが生じる領域を予め決めることができるという利点を有する。更に、発生するクラックの延び具合も予め決めることができる。異なる圧電定数を備える圧電層を用いることにより、制御されることによって特に電極層に平行に延びるクラックが生じ、制御されずに折れ曲がるクラックが回避され得るように、圧電材料に生じる機械的応力を、特に解消することができる。こうして制御されずに生じて延びるクラックが２つ以上の電極層にまたがることを避けることができる。

有利な実施態様にて、圧電素子は多孔質の構造を有さない。

少なくとも２つの電極層にまたがる圧電材料中のクラックと異なり、内部電極に平行または少なくとも基本的に平行に延びるクラックは、アクチュエータの寿命の短縮の原因となることはほとんどない。ここで「基本的に」とは、クラックが、必ず完全に直線でかつ数学的な意味で平行というわけではないけれども、電極層に沿った主たる延長方向をもって延び、特に２つ以上の電極層にまたがり得るようには延びないことを言う。

素子の好ましい実施態様において、２つの圧電定数の一方は、他方よりも１．２乃至３．０倍大きい。

圧電層の圧電定数が大きいほど、電極層に電圧を印加することによって生ぜしめられる所定の強さの電界に垂直な方向の層における歪みは大きい。２つの圧電定数の一方は、他方よりも１．２乃至３．０倍、好ましく１．３乃至２．０倍大きい。こうして生じる圧電層の異なる歪みにより、意図的に局所的な応力を生じさせ、クラックを圧電層間の接触境界に意図的に発生及び伸長させるように、再び応力を解消することができる。こうして圧電材料の寿命を著しく伸ばすことができる。

第１圧電層及び第２圧電層は、異なるキュリー温度を備えることができ、その結果として、それらの層は異なる圧電定数を備えることができる。

キュリー温度は圧電層の分極率の尺度であり、従って所定の強度の電界中での層の歪み特性の尺度でもある。圧電層のキュリー温度は、その層の圧電定数と直接関係している。特に、圧電材料のキュリー温度が上昇するにつれ、圧電定数は下がり、そして圧電材料の歪み特性は低下する。

素子の好ましい実施態様において、第１圧電層と第２圧電層とのキュリー温度の差は、２０℃乃至２００℃である。

圧電層のキュリー温度を上述したように選択することにより、電界中における層の異なる歪みを生ぜしめることができ、その結果して、特に圧電層間の接触境界において、意図するようなクラックが形成され、またクラックは基本的に電極層に平行に延びることになる。第１圧電層及び第２圧電層のキュリー温度の差は２０℃乃至２００℃、好ましくは２０℃乃至８０℃であってもよい。キュリー温度の差は、例えば、圧電層のドーピング、好ましくは異なるドーピングにより達成可能である。

素子の好ましい実施態様において、第１圧電層及び第２圧電層は、セラミック材料、ドープ物質、ドープ物質濃度、使用される出発材料の粒径、層厚等の特性のうち少なくとも１つが異なる。

異なる圧電定数を備える第１圧電層及び第２圧電層を形成するために、層は上記の特性のうちの１つのみが異なっていてもよく、又は上記の特性のうちの幾つかが異なっていてもよい。ここで第１圧電層及び第２圧電層が上記の特性の１つのみ、または少数のみが異なっている場合、加工性及び製造工程の経済性の点で有利となり得る。

例えば、第１圧電層は鉛を含むセラミック材料、又はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）をベースとするセラミック材料を備えてもよい。第２圧電層は、鉛を含まないセラミック材料を備えてもよい。これらに代えて、第１圧電層及び第２圧電層のそれぞれが鉛を含まないセラミック材料を有し、上記の特性のうち１つ、例えばセラミック材料のドープの点で異なってもよい。

素子の一実施態様として、第１圧電層及び第２圧電層のそれぞれは、複数の化学元素から成るセラミック材料を有し、当該元素のそれぞれは特定の濃度で存在している。第１圧電層及び第２圧電層は、セラミック材料の元素のうち少なくとも１つの濃度が互いに異なってもよい。

第１圧電層及び第２圧電層のそれぞれがＰＴＺをセラミック材料として構成されている場合、第１圧電層及び第２圧電層は、例えばチタン含有量、すなわち元素チタンの濃度が互いに異なってもよい。

素子の一実施態様として、第１圧電層及び第２圧電層は同一の化学元素で構成されたセラミック材料を備えており、ここで当該セラミック材料は、セラミック材料中の元素のうちの少なくとも１つの濃度に依存して、２つの異なる構造を示す。第１圧電層及び第２圧電層を構成する前記セラミック材料の前記少なくとも１つの元素の濃度は、第１圧電層が第１構造のセラミック材料を、第２圧電層が第２構造のセラミック材料を備えるようにそれぞれ選択されている。

換言すれば、セラミック材料は、セラミック材料の第１構造と第２構造との間に存在する、いわゆるモルフォトロピック相境界を有していてもよい。こうして第１圧電層及び第２圧電層は、１つの元素の濃度が異なるセラミック材料を備えるため、当該セラミック材料はその元素の濃度に依存して相転移をなし、第１圧電層のセラミック材料は第２圧電層のセラミック材料とは異なる構造で存在することになる。ここでモルフォトロピック相境界は、相転移によって明確に境界付けられて形成される必要はなく、２つの結晶構造間の連続的な転移によって形成されてもよい。第１構造と第２構造とを異ならしめるために、第１圧電層の圧電定数と第２圧電層の圧電定数とは異なることが好ましい。

例えば、ＰＺＴはチタン約５０mol％、ジルコン酸約５０mol％の領域にモルフォトロピック相境界を備えるが、これらの数値はセラミック材料の厳密な組成に依存する。チタン約４６mol％からチタンの含有量が増加するにつれ、圧電定数はモルフォトロピック相境界を超えるまでは増加するため、圧電素子のために例えばチタン含有量が４６mol％より少ない第１圧電層と、チタン含有量が約４８mol％の第２圧電層とを選択することができる。

第１圧電層及び第２圧電層のために、元素に関しては等しく、且つ少なくとも１つの元素の濃度が第１圧電層と第２圧電層とで異なるセラミック材料を選択することにより、第１及び第２圧電層の間の接触境界における圧電層の応力を正確に制御することが可能になるという利点が生じる。特にセラミック材料中の少なくとも１つの元素の濃度の相違によって、すなわち上記場合において、例えばセラミック材料中のチタン含有量を変えることにより、第１圧電定数及び第２圧電定数を適合させることが可能である。

ここで好ましくは、同一のドープ物質が同一のドープ物質濃度で存在することである。第１圧電層及び第２圧電層に同一のドープ物質を用いることは、圧電素子の加工において特別な利点を提供できる。これは、第１圧電層と第２圧電層との間の化学的不均一性がこのようにして低く保たれ得るため、当該圧電層の焼結挙動に影響しないからである。この場合において、第１圧電層と第２圧電層との間で焼結収縮を特に適合させる必要はない。

別の実施態様において、第１圧電層及び第２圧電層は、粒径の異なる出発粉末から製造されたセラミック材料を有するようにしている。ここで、出発粉末の粒径は０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、出発粉末の粒径の差は０．１μｍ以上かつ１．５μｍ以下である。

圧電素子のセラミック層は、例えば焼結補助剤のような追加成分のほかにセラミック粉末を含むような、いわゆるグリーンシートから製造することができる。例えばスクリーン印刷法により、グリーンシートに電極層を塗布することができる。次に、グリーンシートは当該電極層とともに焼結される。ここで、化学的組成は同一であるが、焼結工程前の出発粉末の粒径が異なるセラミック材料は、圧電定数が異なる第１圧電層及び第２圧電層を製造するのに適し得る。特に、出発粉末がより粗いセラミック材料は、焼結工程終了後において通常より粗い粒子となり、この結果として圧電定数はより大きくなり、そして所定の強さ電界に垂直な方向の圧電材料の歪みはより大きくなり得る。

ここで粒径とは、特に、各状態におけるセラミック材料の粒径の分布の中間値ｄ５０を言う。従って、以下において、当該中間値ｄ５０を粒径ｄ５０と称する。焼結工程前の第１圧電層及び第２圧電層の出発粉末の粒径ｄ５０は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であることが可能で、好ましくは０．４μｍ以上かつ１．２μｍ以下である。第１圧電層の粒径ｄ５０の第２圧電層の粒径ｄ５０値に対する差は、０．１μｍ以上かつ１．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下であってもよい。上記の粒径及び粒径差は、第１圧電定数及び第２圧電定数が同時に適切に選択されれば、圧電素子の加工性にとって特に有利となる。

更に、第１圧電層及び第２圧電層は、添加されるドープ物質が異なってもよい。特に、第１圧電層及び第２圧電層は、同一の元素を含み、かつ各元素を同一の濃度で含む同一のセラミック材料を備える場合において、第１圧電層のセラミック材料には、第２圧電層のセラミック材料に添加されるものとは別のドープ物質が添加されている。この場合、第１圧電層が例えばネオジム（Ｎｄ）でドープされ、第２圧電層が亜鉛（Ｚｎ）とニオブ（Ｎｂ）の混合物でドープされていてもよい。このようなドープ物質の組み合わせは、特にＰＺＴの場合に有利であるが、他のセラミック材料の場合にも有利となり得る。

更に、第１圧電層及び第２圧電層が異なるドープ物質濃度を備えていてもよい。この場合、両方の層のドープ物質自体が同一であってもよい。セラミック材料がＰＺＴであってドープ物質がＺｎとＮｂとの混合物である場合、例えば第１圧電層が２mol％のドープ物質濃度を備え、第２圧電層が５mol％のドープ物質濃度を備えていてもよい。ここで、各態様におけるドープ物質及びドープ物質濃度は、各態様のセラミック材料並びに第１圧電層及び第２圧電層にとって適切な圧電定数に依存する。

素子の更なる別な実施態様は、第１圧電層は第１層厚を有し、第２圧電層は第２層厚を有している。ここで、第１層厚と第２層厚とは互いに異なり、第１層厚と第２層厚との比は１．１以上３．０で以下ある。

第１層厚及び第２層厚を調節することにより、第１層厚の第１圧電定数と第２層厚の第２圧電定数とを適合させることができる。第１層厚の第２層厚に対する相違は、標準的な膜厚に関して、１．１以上３．０以下、好ましくは１．３以上２．５以下となり得る。

素子の少なくとも１つの実施態様によれば、圧電素子の積層体は直接上下に配設された層の配列を有する。当該配列は、電極層に印加される電圧によって第１極性を備える第１電極層、第１圧電層、電極層に印加された電圧によって第２極性を備える第２電極層、第２圧電層、及び更なる第１電極層から構成されている。

こうして積層方向に隣り合う第１電極層及び第２電極層１つずつの間に第１圧電層が配設され、当該第２電極層と当該第２電極層に対して隣り合う更なる第１電極層との間に第２圧電層が配設されている。

少なくとも１つの更なる別な実施態様によれば、圧電素子の積層体は直接上下に配設された層の配列を有する。当該配列は、電極層に印加される電圧によって第１極性を備える第１電極層、第１圧電層、第２圧電層、及び前記第１電極層と隣り合い且つ電極層に印加される電圧によって第２極性を備える第２電極層から構成されている。すなわち、第１圧電層及び第２圧電層はともに第１電極層と当該第１電極層に対して隣り合う第２電極層との間に存在する。

更に、上記したような直接上下に配設された層の配列の双方は、１つの圧電素子内に配設されてもよい。

素子の一実施態様において、第１圧電層の数量は第２圧電層の数量と異なるようにしている。

特に、当該圧電素子は、ただ１つの第２圧電層、及び複数の第１圧電層を備える積層体を有してもよい。これに代えて、圧電素子は、第２圧電層も複数有していてもよい。好ましくは、積層体内のすべての層の５％乃至２０％が第２圧電層である。

本発明の一実施態様として、積層体が同数の第１圧電層及び第２圧電層を有し、これにより積層体の全圧電層の半分が第１圧電層又は第２圧電層であるようにしている。

圧電アクチュエータの概略図である。 圧電アクチュエータの概略図である。 圧電アクチュエータの概略図である。 一実施形態による圧電材料の概略図である。 一実施形態による圧電材料の概略図である。 一実施形態による圧電素子の概略図である。 別な実施形態による圧電素子の概略図である。 更に別な実施形態による圧電素子の概略図である。 更に別な実施形態による圧電素子の概略図である。 ２つの異なる圧電材料の歪みＤを、電界強度Ｅの関数として示すグラフである。 異なる圧電材料の圧電定数ｄ３１を、キュリー温度Ｔ_cの関数として示すグラフである。 圧電定数ｄ３１を、ジルコン酸チタン酸鉛ベースの圧電材料中のチタン含有量Ｔの関数として表したグラフである。

以下において、上述した実施態様の説明のため、図１乃至１０と結び付けて、典型的な例として幾つかの圧電素子について述べる。

実施例及び図面において、同一の構成要素または同一の作用を奏する構成要素のそれぞれは、同一の参照符号が付されている場合がある。図示の要素、及び要素間の大きさの関係は基本的に縮尺通りに示さず、むしろ個々の要素、例えば層、構成部分、構成要素、領域のような要素はよりよく表せるように、またはよりよく理解されるように、誇張した厚みや大きさをもって表わす場合もある。

図１は、圧電材料の複数の圧電層１００と、圧電層１００の間の内部電極９２、９３を含む積層体９１を有する積層圧電アクチュエータを示す。本実施例においては、アクチュエータ全体に同じ圧電材料が用いられている。

アクチュエータにおいては、内部電極９２、９３に対して容易にアクセスできるように、同一の電気極性に割り当てられた内部電極９２、９３の一方だけが、アクチュエータの一方のへりの領域、すなわち不活性領域９７にまで延びているように構成されている。同一の電気極性に割り当てられた内部電極９２、９３の他方は、当該アクチュエータの一方側のへりまでには完全に延びていない。アクチュエータの内部領域、すなわち活性領域９６では、反対の極性の内部電極９２、９３が交互に上下に配置されている。従って、内部電極９２、９３はそれぞれ櫛のような構造を成し、互いの内に押し入れられた櫛の形に構成されている。積層体９１の外側の金属被膜９４、９５との接触面を介して電圧を印加することができる。

内部電極９２、９３が交互に上下に配設されている積層体９１の活性領域９６には、内部電極９２、９３に電圧を印加することにより電界が形成される。これによりアクチュエータの圧電材料の歪みが引き起こされる。積層体９１の不活性領域９７には、内部電極９２、９３に電圧を印加することにより極めて弱い電界しか形成されないため、この領域では、圧電材料の歪みがほとんど生じない。これにより、特に不活性領域９７に引張応力が生じ、この引張応力はクラックを生じさせ得る(図２Ａ及び２Ｂのクラック９８及び９９参照)。

図２Ａ及び２Ｂは圧電アクチュエータの概略図を示す。特に、図２Ａ及び２Ｂは図１に示された積層体９１の一部の領域を示す。

図２Ｂに示されているように、内部電極９２、９３に電圧が印加されると、活性領域と不活性領域における圧電材料の歪みの違いによりクラック９９が生じるが、このクラック９９は内部電極９２、９３にほとんど平行に延びている。図２Ａに示された実施例と違って、内部電極９２、９３にほとんど平行に延びるクラックは、アクチュエータの故障にはつながらない。

しかしながら、圧電アクチュエータには、図２Ａに示されているように、これと並んで不活性領域９７から活性領域９６に移る際に折れ曲がるクラック９８も生じ、この場合クラック９８が図２Ａに示唆されているように内部電極９２、９３にまたがることもあり得、その場合には短絡が生じる。この種のクラック９８は圧電アクチュエータの故障につながる。

図３Ａ乃至３Ｃは一実施形態による圧電材料の概略図を示す。これらの圧電材料は積層圧電アクチュエータに使用するのに適している。

ここで図３Ａに示されているように、第１圧電材料１０１は第１圧電定数ｄ３１を有する。第２圧電材料１０２は第２圧電定数ｄ３１を有する。２つの圧電定数ｄ３１の一方は、２つの圧電定数ｄ３１の他方よりも、１．３倍〜２．０倍大きいことが好ましい。図示の実施例においては、第２圧電定数ｄ３１の方が第１圧電定数ｄ３１よりも大きい。例えば、第２圧電定数ｄ３１は、第１圧電定数ｄ３１の２倍である。しかしながら、第１圧電定数ｄ３１のほうが第２圧電定数ｄ３１よりも大きな値を有するように代えてもよい。

ここで、圧電定数ｄ３１は、電極層（ここでは明確に図示せず）に印加された電圧での電界に垂直な方向の圧電材料の歪みの尺度である。

図３Ｂは、第１圧電材料１０１と第２圧電材料１０２との間に機械的接触がない場合における、電極層への電圧印加による第１圧電材料１０１と第２圧電材料１０２の変形を概略的に示す。ここで、電圧印加により生じる電界は、プラス及びマイナス記号により示されている。図面を簡素化するために、電極層を図示していない。電界によって引き起こされる典型的な一例としての変形が、第２圧電材料１０２について矢印１０３、１０４で示されている。ここで、矢印１０３は電界の力線に垂直な方向の第２圧電材料１０２の変形を示す。矢印１０４は電界の力線に平行な方向の変形を示す。ここで、圧電定数がより大きい第２圧電材料１０２は、第１圧電材料１０１よりも歪みが大きい。

圧電材料１０１、１０２を互いに接触させた状態で焼結した場合（ここでは示されていない）に電極層に電圧を印加すると、図３Ｃに示されているように、第１圧電材料１０１及び第２圧電材料１０２の変形が生じる。第１圧電材料１０１及び第２圧電材料１０２は互いに固く結合されているため、電界中での第１圧電材料１０１及び第２圧電材料１０２の歪みの相違と、その結果として第１圧電材料１０１には圧縮応力１０６、第２圧電材料１０２には引張応力１０５が生じることと、から第１圧電材料１０１と第２圧電材料１０２との間の接触境界に機械的応力が生じる。これにより、第１圧電材料１０１と第２圧電材料１０２との間の接触境界に応力の勾配が形成され、当該応力の勾配はこの領域でのクラック形成につながるはずである。ここで、発生するクラックは基本的に接触境界、特に電極層に平行に延びるため、２つ以上の電極層にまたがることが抑制される。このようにして、圧電定数ｄ３１の違いとそれによる第１圧電材料１０１及び第２圧電材料１０２の歪みの相違とにより、制御されずに折れ曲がるクラック(例えば図２のクラック９８を参照)は回避され、特に電極層に平行に延びる制御されたクラックが第１圧電材料１０１と第２圧電材料１０２との間の接触境界で促進されるように、機械適応力が生ぜしめられる。

図４は一実施形態による圧電素子の概略図を示す。

図４には、積層構造の圧電アクチュエータとして構成され、互いに上下に配設された圧電層２、２’、３とその間に配設された第１電極層４及び第２電極層５から成る積層体１ａを有する圧電素子１が示されている。見やすいように、圧電層２，２’，３と、第１電極層４及び第２電極層５の一部とにだけ参照符号が付されている。破線は圧電層を示すために記載されている。

積層体１ａは第１圧電定数ｄ３１を有する少なくとも１つの第１圧電層２と、直接的に第１圧電層２に隣接し、第２圧電定数ｄ３１を有する少なくとも１つの第２圧電層３とを有する。第１圧電定数ｄ３１と第２圧電定数ｄ３１とは互いに異なる。例えば、第２圧電定数ｄ３１は、第１圧電定数ｄ３１の２倍である。しかしながらこのような場合に代えて、第１圧電定数ｄ３１を第２圧電定数ｄ３１よりも大きくしてもよい。見やすいように、第１電極層４及び第２電極層５と接触して電圧を供給するための、積層体１の外側の金属被覆は示されていない。第１電極層４及び第２電極層５は、本実施例においては銅から構成されている。第１電極層４及び第２電極層５は、銅に代えて、例えば以下の材料または材料の混合物（銀、プラチナ、銅とパラジウムの合金または混合物、銀とパラジウムの合金または混合物、プラチナと銀の合金または混合物）のうちの１つを有してもよい。

第１圧電層２と第２圧電層３は、それぞれ隣り合う２つの第１電極層４と第２電極層５との間に配設されている。従って、本実施例の積層体１ａは、第１電極層４及び第２電極層５に印加される電圧であって第１極性を有する第１電極層４、第１圧電層２、第１電極層４及び第２電極層５に印加される電圧であって第２極性を有する第２電極層５、第２圧電層３、及び更なる第１電極層４から成る層の配列を有する。図４に示された実施例において、第１圧電層２、２’の数量は、第２圧電層３の数量と異なっている。特に、圧電素子１は、ただ１つの第２圧電層３と複数の第１圧電層２、２’とを有する。なお、圧電素子１は、複数の第２圧電層３を有していてもよい（例えば、図５を参照）。

図３Ａ乃至３Ｃに関して説明したように、熱処理、鍍金、半田付け、ポーリング工程の際、または圧電素子の駆動中における電界に垂直な方向の第１圧電層２及び第２圧電層３の歪みの相違により、第１圧電層２と第２圧電層３との間の接触境界６に局所的な応力が発生するように、第１圧電層２と第２圧電層３との圧電定数ｄ３１は異なっている。こうした局所的応力は、接触境界６の領域におけるクラック発生につながる。ここで、クラックは、基本的に第１電極層４及び第２電極層５に対して平行に延びる。

更に、積層体１ａは、更なる第１圧電層２’を有し、当該第１圧電層２’も直接第２圧電層３に隣接して配設され、第２圧電層３とともに更なる接触境界６’を形成し、当該接触境界６’においても、第１電極層４及び第２電極層５に対して基本的に平行に延びるクラックが意図的に形成され得る。

本実施例において、第１圧電層２、２’及び第２圧電層３は、それぞれジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）をベースとするセラミック材料を有する。第２圧電層３は第１圧電層２、２’とは成分チタンの濃度が異なる組成を備え、その結果として、第１圧電層２、２’及び第２圧電層３の圧電定数ｄ３１は異なることになる。第１圧電層２、２’及び第２圧電層３の層厚は図示の実施例では同じであるが、互いに異なっていてもよい。

第１圧電層２、２’と第２圧電層３とで異なる圧電定数ｄ３１を達成するため、上述のチタン濃度に加え又はその代わりとして、本実施例及び他の実施例にて、第１圧電層２、２’及び第２圧電層３は、それぞれのセラミック材料、ドープ物質、ドープ物質濃度、又はそれぞれに使用される出発材料の粒径の観点において異なっていてもよい。例えば、第１圧電層２、２’は鉛を含むセラミック材料、例えばＰＺＴを備えていてもよく、第２圧電層３は鉛を含まないセラミック材料を備えていてもよい。

これに加え、又はこの代わりとして、第１圧電層２、２’及び第２圧電層３は異なるキュリー温度を備えることによって異なる圧電定数ｄ３１を有するようにしてもよい。

圧電材料の歪み、圧電材料のキュリー温度、及び圧電定数ｄ３１に係る実施例について、図８乃至１０を参照しつつ説明する。

図５は、別な実施形態による圧電素子の概略図を示す。

図４の実施例と比較すると、圧電素子の積層体１ａは、複数の第１圧電層２、２’、２’’、２’’’と、これと並び且つ交互に上下に配設された複数の第２圧電層３、３’、３’’、３’’’とを有し、このような構成の結果として、クラックが意図的に生ぜしめられ得る複数の接触境界６、６’、６’’、６’’’が形成されている。図示の実施例では積層体１ａは同数の第１、第２圧電層を有しており、従って積層体１ａの全圧電層の５０％が第２圧電層３として形成されている。

この実施例においても、積層体１ａは、第１電極層４及び第２電極層５に印加される電圧によって第１極性を備える第１電極層４、第１圧電層２、第１電極層４及び第２電極層５に印加される電圧によって第２極性を備える第２電極層５、第２圧電層３、及び更なる第１電極層４から成る層の配列を有している。

図６及び７は、更に別な実施形態による圧電素子の概略図を示す。

図６及び図７においては、第１圧電層２及び第２圧電層３が直接互いに隣接し、特に、第１電極層４とそれと隣り合う第２電極層５と間に第１圧電層２及び第２圧電層３が共に配設されている点で、図４及び図５の実施例とは異なる、圧電素子の別な実施例が示されている。

図６の実施例によれば、積層体１ａ中には、隣り合う２つの電極層（第１電極層４及び第２電極層５）の間に１つの第１圧電層２が配設され、そして、当該１つの第１圧電層２に直接隣接して１つの第２圧電層３が配設されるように１度だけ積層されている。積層体１ａ中には、このほかに多数の第１圧電層２が隣り合う２つの電極層（第１電極層４及び第２電極層５）の間に配設置されている。

図７の実施例によれば、すべての隣り合う２つの電極層（第１電極層４及び第２電極層５）の間に第１圧電層２、２’、２’’、２’’’と第２圧電層３、３’、３’’、３’’’とが１つずつ配設されている。これにより、隣り合う２つの第１電極層４と第２電極層５との間のそれぞれに、意図的にクラックが生ぜしめられ得る接触境界６、６’、６’’、６’’’が形成され得る。

図６及び７の実施例の代わりに、隣り合う２つの第１電極層４と第２電極層５との間に２つ以上の第１圧電層及び１つの第２圧電層を配設してもよい。その他、図４及び５の実施例に関して説明した特徴はすべて、図６及び７で説明した実施例にもあてはまる。

図８には、典型的な例として示す２つの異なる圧電材料の、電界に垂直な方向の歪みＤ（％）を、電界強度Ｅ(kV/mm)の関数として示す曲線７、７’、８、８’を含むグラフが示されている。上述の実施例の第１及び第２圧電層はこれらの圧電材料から製造可能である。

電界に垂直な方向の歪みＤが曲線７、７’で示されている圧電材料は、２９０ｐＣ／Ｎの圧電定数ｄ３１を有する。電界に垂直な方向の歪みＤが曲線８、８’で示されている圧電材料は、１７０ｐＣ／Ｎの圧電定数ｄ３１を有する。曲線７、８のそれぞれは、電界が強まる際のそれぞれの圧電材料の歪みＤを示し、曲線７’、８’のそれぞれは、電界が弱まる際のそれぞれの圧電材料の歪みＤを示す。これによれば、両材料とも電界が弱まる場合の所定の電界強度Ｅによる電界に垂直な方向の歪みＤは、電界が強まる場合よりも大きい。従って、それぞれの圧電材料について、ヒステリシス曲線７、７’乃至８、８’が見られる。

両圧電材料とも、歪みＤは、電界強度Ｅがここで示されている約３kV/mmの最大強度Ｅにまで増大するにつれて、大きくなる。圧電定数ｄ３１が曲線８、８’の材料より大きい曲線７、７’の材料では、３．０kV/mmの最大電界強度Ｅで、電界に垂直な方向に０．０８５％に至る大きな歪みＤが達せられる。これに対し圧電定数ｄ３１がより小さい曲線８、８’の材料は、３．０kV/mmの最大電界強度Ｅで、はっきりとより小さい０．０４５の歪みＤを示す。これにより、本実施例ではそれぞれの圧電材料の圧電定数ｄ３１が相違し、これにともなって最大歪みＤの相違は約２倍である。

図９には、ＰＺＴベースの異なる圧電材料の圧電定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）が、それぞれのキュリー温度Ｔ_cに依存することを示すグラフ９が示されている。ここで圧電材料のキュリー温度Ｔ_cは約１５０℃乃至約３５０℃の範囲にある。圧電定数ｄ３１の値は、それぞれの材料のキュリー温度Ｔ_cが上昇につれて低下する。従って、圧電材料のキュリー温度Ｔ_cが高いほど、所定の強度の電界中での材料の歪みは小さくなる。こうして圧電層のキュリー温度Ｔ_cを適切に選択することにより、所定の強度の電界で異なる層の歪みを達成することができ、これは特に圧電層間の接触境界での意図するようなクラック形成、並びに基本的に電極層に平行なクラックの延びにつながる。

図９から、同じキュリー温度Ｔ_cを備える圧電層について、圧電定数ｄ３１の値にばらつきが出ることがわかる。このばらつきは３００℃で１５０ｐＣ／Ｎ乃至２４０ｐＣ／Ｎの範囲にある。このばらつきは、例えばセラミック材料の欠陥によってドメインの変化が阻まれるというような、物理的影響により引き起こされ得る。

図１０には、一実施例によるジルコン酸チタン酸鉛ベースの圧電材料における、圧電定数ｄ３１のチタン含有量Ｔに対する依存性を表すグラフ１０が示されている。参照符号１１は、チタン濃度約４８mol％にある圧電材料のモルフォトロピック相境界を示す。モルフォトロピック相境界を超えた後、チタン含有量Ｔが増加するにつれて圧電定数ｄ３１が減少することが見て取れる。

第１圧電層及び第２圧電層のために、例えば同じ組成のＰＺＴのようなセラミック材料であって、それぞれのチタン含有量Ｔにより、異なる圧電定数ｄ３１をモルフォトロピック相境界１１の異なる側に備えるセラミック材料を選択してもよい。これにより、例えば第１圧電層のためには、チタン含有量Ｔが約４８mol％、好ましくは（図１０にて点１２によって示された）４６mol％よりも少ない材料を、第２圧電層のためには、チタン含有量Ｔが（図１０にてモルフォトロピック相境界１１近くの点によって示される）約４８mol％の材料を選択し、第１圧電定数ｄ３１が第２圧電定数ｄ３１よりも小さくなるようにしてもよい。

予め明に言及したセラミック材料はもっぱら典型的な例として挙げたものであって、説明した実施形態を限定するものではない。むしろ予め説明した実施態形及び実施例は、言及したセラミック材料とは別の圧電セラミック材料を有していてもよい。

１ 圧電素子
１ａ 積層体
２、２’、２’’、２’’’ 第１圧電層
３、３’、３’’、３’’’ 第２圧電層
４ 第１電極層
５ 第２電極層
６、６’ 接触境界
７、７’ 歪み
８、８’ 歪み
９ 圧電定数
１０ 圧電定数
１１ モルフォトロピック相境界
１２ 点
９１ 積層体
９２ 内部電極
９３ 内部電極
９４ 金属被膜
９５ 金属被膜
９６ 活性領域
９７ 不活性領域
９８ クラック
９９ クラック
１００ 圧電層
１０１ 圧電材料
１０２ 圧電材料
１０３ 電界の力線に垂直な材料の変形
１０４ 電界の力線に平行な材料の変形
１０５ 引張応力
１０６ 圧縮応力

Claims (14)

1. 互いに上下に配設された複数の圧電層（２、２’、２’’、２’’’、３、３’、３’’、３’’’）とその間に配設された電極層（４、５）から成る積層体（１ａ）を有する圧電素子（１）であって、
   前記積層体（１ａ）は第１圧電定数を備える少なくとも１つの第１圧電層（２）と、
   前記第１圧電層に直接的に隣接し、第２圧電定数を備える少なくとも１つの第２圧電層（３）と、を有し、
   前記第１圧電定数及び前記第２圧電定数は、前記電極層（４、５）に印加された電圧よる電界に垂直な方向の前記圧電層（２、３）の歪みを表し、
   前記第１圧電定数は、前記第２圧電定数とは異なることを特徴とする圧電素子（１）。
2. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）は、両層（２，３）間に接触境界（６）が形成されるようにそれぞれ選択されており、
   前記第１圧電定数と前記第２圧電定数との相違は、前記電極層（４，５）に対する電圧の印加によって前記圧電層（２，３）に歪みが生じることにより、前記電極層（４，５）に対して基本的に平行に延びるクラックが前記接触境界（６）の領域に形成されるのに十分なほど大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子（１）。
3. 前記第１圧電定数及び前記第２圧電定数の一方は、他方よりも１．２乃至３．０倍大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子（１）。
4. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）は、異なるキュリー温度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
5. 前記第１圧電層（２）のキュリー温度と前記第２圧電層（３）のキュリー温度との差は、２０℃乃至２００℃であることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子（１）。
6. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）は、セラミック材料、ドープ物質、ドープ物質濃度、出発材料の粒径、及び層厚のうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
7. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）は、それぞれが特定の濃度で存在する複数の元素から成るセラミック材料を有し、前記セラミック材料の元素のうちの少なくとも１つの濃度が互いに異なっていることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子（１）。
8. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）のそれぞれは、同一の複数の元素を備えるセラミック材料から形成されており、
   前記セラミック材料は、前記セラミック材料中の元素のうち少なくとも１つの濃度に依存して２つの異なる構造を示し、
   前記第１圧電層（２）又は前記第２圧電層（３）を成す前記セラミック材料の前記少なくとも１つの元素の濃度のそれぞれは、前記第１圧電層（２）が第１構造のセラミック材料を、前記第２圧電層（３）が第２構造のセラミック材料を備えるように選択されていることを特徴とする請求項７に記載の圧電素子（１）。
9. 前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）は、粒径の異なる出発粉末から製造されたセラミック材料を有し、
   前記出発粉末の粒径は、０．３μｍ以上かつ２．０μｍ以下であり、
   前記出発粉末の粒径の差は、０．１μｍ以上かつ１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
10. 前記第１圧電層（２）は第１層厚を、前記第２圧電層（３）は第２層厚を有し、
    前記第１層厚と前記第２層厚とは互いに異なり、前記第１層厚と前記第２層厚との比は１．１以上かつ３．０以下であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
11. 前記積層体（１ａ）は、互いに上下に直接的に配設された層の配列を有し、
    前記配列は、前記電極層（４，５）に印加される電圧で第１極性を備える第１電極層（４）、前記第１圧電層（２）、前記電極層（４，５）に印加される電圧で第２極性を備える第２電極層（５）、前記第２圧電層（３）、及び更なる第１電極層（４）から構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
12. 前記積層体（１ａ）は、互いに上下に直接的に配設された層の配列を有し、
    前記配列は、前記電極層（４，５）に印加される電圧で第１極性を備える第１電極層（４）、前記第１圧電層（２）、前記第２圧電層（３）、及び前記第１電極層と隣り合い且つ前記電極層（４，５）に印加される電圧で第２極性を備える第２電極層（５）から構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
13. 前記第１圧電層（２）の数量は、前記第２圧電層（３）の数量と相違していることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。
14. 前記積層体は同数の前記第１圧電層（２）及び前記第２圧電層（３）を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧電素子（１）。

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