JP2014011340A

JP2014011340A - 圧電素子

Info

Publication number: JP2014011340A
Application number: JP2012147429A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inada; 豊稲田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: JP6047317B2

Abstract

【課題】保護層に生じる応力を低減し、クラックの発生を防止できる圧電素子を提供する。
【解決手段】矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、電圧が印加される内部電極と、内部電極と交互に積層された圧電層１１１と、を備え、内部電極１１５、１１６は、取り出し部以外は、積層方向に平行な側面に露出せず、積層方向の両端面の周縁角部１１３ａは、面取りされており、積層方向の両端の内部電極１１６は、積層方向の中央側の内部電極１１５より小さい。これにより、内部電極１１５、１１６から素子外面までの距離を両端の内部電極１１６と中央側の内部電極１１５とでなるべく均等にし、それぞれの位置で生じる応力の差を小さくすることができる。その結果、保護層１１８に生じる応力の集中を低減し、クラックの発生を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子に関する。

積層型の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層して形成されている（特許文献１参照）。図６（ａ）、（ｂ）は、いずれも従来の圧電素子５００を示す側面図である。図６（ａ）は、電圧を印加しない状態を示し、図６（ｂ）は、電圧の印加により圧電素子５００が積層方向に伸びた状態を示している。なお、素子内の破線は内部電極の位置を示している。

圧電素子５００は、電圧印加により積層方向（分極方向）へ伸びるが、面方向へは縮む。圧電素子５００が圧電素子の側面に内部電極が露出しない電極隠し構造を有する場合には、内部電極の周囲の不活性領域および両端の保護層５１８は変形せず、圧電層に電圧が印加される活性領域のみ伸縮する。

図７（ａ）、（ｂ）は、いずれも従来の圧電素子５００を示す平断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、交互に印刷され積層されているそれぞれの内部電極のパターンを示している。圧電素子５００が、このような電極隠し構造を有する場合には、不活性領域５１７および保護層５１８は変形せず、活性領域５１５のみ伸縮し、電極面上では矢印で示す応力が発生する。このようにして生じる応力を緩和するために内部電極層間の内部電極が重ならない不活性領域に空隙等を設けている圧電素子が研究されている（特許文献２、３参照）。

特開２００４−２７４０３０号公報特開平８−２７４３８１号公報特許３８９４８６１号公報

圧電素子５００に応力が発生する際には、矩形体をなす活性領域の各面の中央部に比べて角の方が素子外面まで距離が長くて拘束力が強く、活性領域の角付近に応力が集中する。このような原因により、過負荷な駆動や繰返しの駆動で応力集中部にクラックが入り、短絡故障が発生する。

これに対し、上記のように不活性領域に空隙等を設けて対応することはできるが、保護層や不活性領域の形状に起因する応力の集中を十分には解消できない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、保護層と活性層との界面に生じる応力集中を低減し、クラックの発生を防止できる圧電素子を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、電圧が印加される内部電極と、前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、前記内部電極は、取り出し部以外は、積層方向に平行な側面に露出せず、前記積層方向の両端面の周縁角部は、面取りされており、前記積層方向の両端の内部電極は、前記積層方向の中央側の内部電極より小さいことを特徴としている。

これにより、内部電極から素子外面までの距離を両端の内部電極と中央側の内部電極とでなるべく均等にし、それぞれの位置で生じる応力の差を小さくすることができる。その結果、保護層と活性層との界面に生じる応力の集中を低減し、クラックの発生を防止できる。また、圧電素子を接着により連結したとき全面接着となっても応力緩和を図ることができる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極により形成される活性領域の前記積層方向に平行な面への投影形状と、素子本体の断面形状が概略相似していることを特徴としている。これにより、位置に応じた内部電極と素子外形との距離の相違をさらに小さくし、応力集中を低減できる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記内部電極が、隅部の角が取れた略矩形状に形成され、前記側面同士により形成される柱角部は、面取りされていることを特徴としている。これにより、内部電極から素子外面までの距離を内部電極の四辺中央付近と隅部とでなるべく同じにし、それぞれの位置で生じる応力を均等にすることができる。その結果、不活性部に生じる応力集中を低減し、クラックの発生を防止できる。その結果、クラック発生部の、絶縁性の低下に伴う放電を防止できる。

（４）また、本発明の圧電素子は、外部電極に接続する取り出し部以外の前記内部電極の形状と、前記積層方向に垂直な断面の形状とが、概略相似していることを特徴としている。これにより、内部電極と素子外形との距離の位置による相違をさらに小さくし、応力集中を低減できる。

（５）また、本発明の圧電素子は、前記積層方向の端面の面積が、前記積層方向の中央側の内部電極の面積以上であることを特徴としている。これにより、十分な発生力を確保することができる。なお、発生力は、電圧印加で変位する量を収縮させるのに必要な応力である。変位一定のもとでは、圧電素子の断面積が大きい方が剛性が大きくなり発生力も大きくなる。

本発明によれば、矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子において、保護層と活性層との界面に生じる応力集中を低減し、クラックの発生を防止できる。

第１の実施形態の圧電素子の斜視図である。第１の実施形態の圧電素子の側断面図である。（ａ）、（ｂ）いずれも第１の実施形態の圧電素子の平断面図である。第２の実施形態の圧電素子の側断面図である。（ａ）、（ｂ）いずれも第２の実施形態の圧電素子の平断面図である。（ａ）、（ｂ）いずれも従来の圧電素子を示す側面図である。（ａ）、（ｂ）いずれも従来の圧電素子を示す平断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電素子１００の斜視図である。圧電素子１００は、矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子である。圧電素子１００は、矩形体として形成されており、素子本体１１０に外部電極１２０が設けられている。

図２は、圧電素子１００の側断面図である。素子本体１１０は、圧電層１１１と内部電極１１５とが積層方向Ｚについて交互に積層され、圧電層１１１は厚み方向の互い違いの向きに分極されている。なお、図１の破線は内部電極１１５の位置を示している。柱角部１１３は、圧電素子１００の積層方向に平行な側面同士により形成され、面取りされている。なお、柱角部１１３は、言い換えると圧電素子１００の積層方向Ｚに平行な側面四角部である。

圧電層１１１は、たとえばＰＺＴのような圧電材料で構成される。内部電極１１５は、対向する側面１１２上で外部電極１２０に取り出されており、隣り合う内部電極１１５に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極１１５へ電圧を印加することで各圧電層１１１が伸縮し、圧電素子全体が伸縮する。

圧電素子１００は、加工代として積層方向Ｚの両端部に設けられた保護層１１８と電圧の印加により駆動する活性層１１９とに区分できる。さらに、活性層１１９は、内部電極１１５の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域１１４と内部電極１１５が外部とショートしないように設けられた周囲の不活性領域１１７とに区分できる。活性領域１１４は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域１１４は電圧により駆動するが、その周囲の不活性領域１１７は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。

また、積層方向の両端面の周縁角部１１３ａは、面取りされている。そして、積層方向の両端の内部電極１１６（保護層１１８の界面の内部電極を含む電極）は、積層方向の中央側の内部電極１１５より小さい。これにより、両端の内部電極１１６から素子外面までの距離と中央側の内部電極１１５から素子外面までの距離とをなるべく均等にし、それぞれの位置で生じる応力の差を小さくすることができる。その結果、保護層１１８と活性層１１９との界面に生じる応力集中を低減し、クラックの発生を防止できる。また、圧電素子を接着により連結したとき全面接着となっても応力緩和を図ることができる。

図２に示すように、積層方向の端面１１８ａの面積は、積層方向の中央側の内部電極１１５の面積以上である事が好ましい。これにより、十分な発生力を確保できる。

図３（ａ）、（ｂ）は、いずれも圧電素子１００を示す平断面図であり、内部電極１１５が設けられている断面を示した図である。

内部電極１１５は、外部電極１２０が設けられた側面１１２の取り出し部１１５ａ以外の側面には露出せず、電極隠し構造として形成されている。内部電極１１５は、隅部１１５ｂの角が取れた略矩形状に形成されている。これにより、内部電極１１５から素子外面までの距離を、圧電素子１００の四辺中央付近と隅部１１５ｂとにおいてなるべく同じにし、それぞれの位置で生じる応力を均等にすることができる。その結果、隅部１１５ｂに発生する引っ張り応力で生じるクラックを低減できる。その結果、クラック発生部の絶縁性の低下に伴う放電を防止できる。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、取り出し部１１５ａ以外の内部電極１１５の形状と、素子本体１１０の積層方向に垂直な断面の形状とは、概略相似していることが好ましい。これにより、内部電極１１５と素子外面との距離の位置による相違を小さくし、応力集中を低減できる。なお、辺中央部における内部電極１１５と素子外面との距離ｄ_０を基準としたとき、最大となる内部電極１１５と素子外面との距離ｄから基準の距離ｄ_０を引いた値が、基準の距離ｄ_０の２０％以下であることが好ましい。この範囲内となるように圧電素子１００が形成されることで、十分に隅部１１５ｂにおける応力の集中を低減できる。なお、以上の特徴をまとめると、活性領域１１４の形状と素子本体１１０の外面の形状とは相似していることが好ましい。

（圧電素子の製造方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、圧電体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。

このような圧電体のグリーンシートを準備し、グリーンシートには内部電極１１５、１１６用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極１１５、１１６用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。このとき、内部電極１１５となる領域として角のとれた矩形を印刷でき、かつ両端の内部電極１１６となる領域として、内部電極１１５と中心が同一軸上で相似形の小さい印刷領域を印刷できるスクリーンを設計し準備しておく。

次に、電極膜が形成された複数のグリーンシートを印刷領域の小さいものが両端になる順序で積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。

このようにして脱脂された積層体を焼成し、得られた素子本体１１０を適宜加工し、外部電極１２０を印刷、焼き付けする。加工の際には、隣り合う側面により形成される素子本体１１０の柱角部１１３および端面の周縁角部１１３ａを面取りし、側断面および平断面の角が取れた形状に整える。たとえば、内部電極１１５の柱角部１１３が側面に対して４５°の直線で角を取っているに場合には、素子本体１１０の隅部１１５ｂも側面に対して４５°の平面で角を取る。すなわち、各断面形状が互いに相似していることが好ましい。

また、内部電極１１６およびこれと隣り合う内部電極１１５で形成される活性領域１１４の傾斜と端面の周縁角部１１３ａの傾斜も同じであることが好ましい。なお、両端面の内部電極１１６として、保護層界面の内部電極のみを小さくして活性領域の両端面に傾斜をつけることが好ましいが、保護層界面の内部電極含む連続した数枚の内部電極で活性領域１１４の両端面に傾斜をつけてもよい。

ポジショナ用アクチュエータを作製する場合には、作製した複数の圧電素子１００を積層方向に直列に連結し、いわゆる多連化を行なう。多連化された圧電素子１００は分極処理を行ない、キャップを被せることでポジショナ用アクチュエータを作製できる。

このように、内部電極１１５の四つの隅部１１５ｂを角の取れた形状とし、かつ素子本体１１０の外形の側面が形成する柱角部１１３を面取りした圧電素子１００を製造することができる。その結果、内部電極１１５と素子表面の距離を周囲で同一にすることができ、素子変形時に内部電極１１５の隅部１１５ｂに発生する応力集中を低減させることでクラックによる故障を軽減する。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、素子本体１１０の面取りとして、端面の周縁角部１１３ａおよび柱角部１１３の角を側面１１２に対して４５°の面に研削しているが、丸面取りで加工してもよい。図４は、圧電素子２００の側断面図である。また、図５（ａ）、（ｂ）は、素子本体２１０および内部電極２１５の隅部２１５ｂがいずれも丸く形成された圧電素子２００を示す平断面図である。図４、５に示す圧電素子２００は、基本的には圧電素子１００と同様の構造を有している。素子本体２１０は、矩形体であり、側面が形成する柱角部２１３は丸く形成されている。また、両端面の周縁角部２１３ａも丸面取りされ、丸く形成されている。

内部電極２１５は、外部電極に接続される取り出し部２１５ａ以外は概略矩形に形成されており、隅部２１５ｂは丸くなっている。また、内部電極２１５の周囲には、不活性領域２１７が設けられている。取り出し部２１５ａ以外の内部電極２１５の形状と、素子本体の積層方向に垂直な断面の形状とは、相似していることが好ましい。また、活性領域２１４の形状と素子本体２１０の外面の形状とは相似していることが好ましい。

なお、上記の実施形態において、保護層界面の２層の電極面積を小さくして保護層を面取りし応力緩和を図っているのは、面取りすることで電極隠し構造で電極の端部と外形の距離が近くなることの対応策として取り入れているものであり、面取りを伴わない従来技術とは相違している。

１００圧電素子
１１０素子本体
１１１圧電層
１１２側面
１１３柱角部
１１３ａ周縁角部
１１４活性領域
１１５中央側の内部電極
１１５ａ取り出し部
１１５ｂ内部電極の隅部
１１６両端の内部電極
１１７不活性領域
１１８保護層
１１８ａ積層方向の端面
１１９活性層
１２０外部電極
２００圧電素子
２１３柱角部
２１５内部電極
２１５ａ取り出し部
２１５ｂ内部電極の隅部
２１７不活性領域
２１８保護層

Claims

矩形体に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、
電圧が印加される内部電極と、
前記内部電極と交互に積層された圧電層と、を備え、
前記内部電極は、取り出し部以外は、積層方向に平行な側面に露出せず、
前記積層方向の両端面の周縁角部は、面取りされており、
前記積層方向の両端の内部電極は、前記積層方向の中央側の内部電極より小さいことを特徴とする圧電素子。
前記内部電極により形成される活性領域の前記積層方向に平行な面への投影形状と、素子本体の断面形状とが概略相似していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記内部電極は、隅部の角が取れた略矩形状に形成され、
前記側面同士により形成される柱角部は、面取りされていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電素子。
外部電極に接続する取り出し部以外の前記内部電極の形状と、前記積層方向に垂直な断面の形状とが、概略相似していることを特徴とする請求項３記載の圧電素子。
前記積層方向の端面の面積は、前記積層方向の中央側の内部電極の面積以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電素子。