JP2015207590A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】変位を阻害することなく電極の剥離を抑制できる圧電素子を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ素子１は、複数の圧電体層７，９と共通電極１１とが積層されてなる圧電体３と、圧電体３の表面に設けられ、圧電体３を活性化する活性部２０と、外部配線に接続される接続部２２と、を有する表面電極５と、を備え、活性部２０は、中央部の密度よりも、少なくとも端部の一部分の密度が高い。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子に関する。

圧電素子の一種として、圧電アクチュエータが知られている。例えば、特許文献１には、複数の表面電極と共通電極とを有し、複数の表面電極がマトリクス状に配置された圧電アクチェータ素子が開示されている。このような圧電アクチュエータ素子は、インクジェットプリンタのヘッドに用いられ、その際、各表面電極の接続部の表面に、外部配線基板の配線が接続される。

特開２００７−９７２８０号公報

上記従来の圧電アクチュエータ素子においては、表面電極は、外部配線基板の配線から引張方向の力が加わった場合に、その接続部において剥がれるおそれがある。そこで、電極の密度（圧電体に対する電極の被覆率）を高めて、表面電極の剥離を抑制する構造を採用することができる。しかしながら、電極密度を増大させると、圧電素子の変位を阻害するという弊害が生じ得る。

本発明は、変位を阻害することなく電極の剥離を抑制できる圧電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子は、複数の圧電体層と共通電極とが積層されてなる圧電体と、圧電体の表面に設けられ、圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部と、を有する表面電極と、を備え、活性部は、中央部の密度よりも、少なくとも端部の一部分の密度が高い。

この圧電素子では、活性部は、中央部の密度よりも、少なくとも端部の一部分の密度が高い。このように、活性部の端部の密度を中央部よりも高くすることにより、活性部の端部において圧電体に対する被覆率が高くなるため、端部において圧電体との間の接合強度の向上が図られている。したがって、圧電素子では、表面電極が圧電体から剥離することを抑制できる。一方で、活性部の中央部の密度は、端部よりも低いため、圧電体（圧電体層）の変位が阻害されることを抑制できる。以上のように、圧電素子では、変位を阻害することなく電極の剥離を抑制できる。

一実施形態においては、活性部の端部は、当該活性部の縁から活性長の３％〜３０％以上内側の位置であってもよい。このような端部に配置される活性部の密度を高くすることにより、表面電極において特に剥離し易い部分の接合強度を高めることができる。

本発明によれば、変位を阻害することなく電極の剥離を抑制できる。

一実施形態に係る圧電アクチュエータ素子を示す平面図である。 図１に示す圧電アクチュエータ素子の共通電極を示す平面図である。 図１に示す圧電アクチュエータ素子の断面構成を示す図である。 表面電極を示す図である。 表面電極の被覆状態を示す画像である。 圧電アクチュエータ素子を用いたインクジェットプリンタのヘッドを示す概略断面図である。 他の実施形態に係る圧電アクチュエータ素子の断面構成を示す図である。 他の実施形態に係る圧電アクチュエータ素子の表面電極を示す平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る圧電アクチュエータ素子を示す平面図である。図２は、図１に示す圧電アクチュエータ素子の共通電極を示す平面図である。図３は、図１に示す圧電アクチュエータ素子の断面構成を示す図である。

図１〜図３に示されるように、圧電アクチュエータ素子（圧電素子）１は、アレイ構造の薄型アクチュエータ素子である。圧電アクチュエータ素子１は、圧電体３と、表面電極５と、を備えている。圧電アクチュエータ素子１の外形寸法は、一例として、縦幅２０ｍｍ、横幅２５ｍｍである。

圧電体３は、複数（ここでは２層）の圧電体層７，９と、共通電極１１と、が積層されている。２層の圧電体層７，９のそれぞれは、圧電セラミック材料によって構成されている。圧電セラミック材料としては、主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛に、ＮｂやＳｒなどの元素を添加した圧電セラミック材料を用いることができる。圧電体層７，９は、共通電極１１を挟んで、上下に重なっている。圧電体層９の厚さは、例えば２５μｍ程度であり、圧電体層７の厚さは、例えば１５μｍ程度である。

共通電極１１は、上側の圧電体層７と下側の圧電体層９との間に介在している。共通電極１１は、図２に示されるように、圧電体層７と圧電体層９との間のほぼ全域に亘って形成されている。共通電極１１は、表面電極５の接続部２２に対応する箇所にスリット１１ｓを有している。共通電極１１の厚さは、後述する表面電極５の厚さよりも厚く、好ましくは表面電極５の厚さよりも５〜５０％だけ厚く、より好ましくは１０〜３０％だけ厚い。このようにすることで、後述する焼成工程において、素子の反りが発生しにくくなる。共通電極１１の構成材料には、Ａｇ−Ｐｂ合金（Ｐｄ３０％、Ａｇ７０％）が用いられる。ただし、ＰｄとＡｇの比率はこれに限らず、また、Ｐｄの代わりにＰｔを用いたり、Ａｇの代わりにＡｕを用いたりすることもでき、さらに、Ｃｕで構成される電極を使用することも可能である。

図４は、表面電極を示す図である。図４（ａ）は、表面電極の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿った断面構成を示す図である。

各表面電極５は、上側の圧電体層７の表面７ｓに設けられている。図４に示されるように、各表面電極５は、長方形状の活性部２０と、活性部２０の短辺側から長辺方向に延出する接続部２２と、を有している。各表面電極５は、図３に示されるように、活性部２０及び接続部２２の下側が圧電体層７に埋まっている。表面電極５の外形寸法は、一例として、０．４ｍｍ×０．２ｍｍである。表面電極５の厚さは、例えば１〜２μｍである。表面電極５の材料は、共通電極１１と同様のものを用いることができる。

複数の表面電極５は、圧電体層７上において、マトリクス状に所定間隔で整列されており（例えば、横方向に７５個及び縦方向に８列の合計６００個）、また、集積度を高めるために図１のように上下に隣り合う表面電極５は接続部２２側が向かい合わせになっている。なお、圧電体層７の周縁部にダミー電極を設けて、後述する外部配線基板６０との張り合わせ時にバランスを取りやすくしてもよい。

図４に示されるように、活性部２０は、第１密度領域２０ａと、第２密度領域２０ｂと、第３密度領域２０ｃと、を含んでいる。第１密度領域２０ａは、活性部２０の端部２０ｅに配置されている。具体的には、第１密度領域２０ａは、活性部２０の縁２０ｏに沿う端部２０ｅに配置され、枠状を呈している。活性部２０の端部２０ｅとは、活性部２０の縁２０ｏから、活性部２０の活性長（表面電極５の長さ寸法）の３％以上内側の位置のことを言う。第２密度領域２０ｂは、第１密度領域２０ａの内側に配置され、活性部２０の中央部を含んでいる。第２密度領域２０ｂは、略矩形形状を呈している。第３密度領域２０ｃは、第１密度領域２０ａを囲うように、第１密度領域２０ａの外側と活性部２０の縁２０ｏとの間の配置されている。

第１密度領域２０ａは、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃよりも密度が高い領域である。第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃの密度は、略同等である。活性部２０の密度は、圧電体層７に対する活性部２０の被覆率により規定される。すなわち、第１密度領域２０ａは、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃよりも、圧電体層７に対する被覆率が高い。第１密度領域２０ａの被覆率は、例えば６０％以上であり、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃの被覆率は、例えば４０％以上である。すなわち、第１密度領域２０ａの圧電体層７に対する被覆率は、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃの被覆率に対して、１．２倍以上である。

図５は、表面電極の被覆状態を示す画像である。図５（ａ）は、第１密度領域２０ａを示す画像であり、図５（ｂ）は、第２密度領域２０ｂを示す画像である。図５（ａ）に示される第１密度領域２０ａは、圧電体層７に対する被覆率が例えば６８％程度である。図５（ｂ）に示される第２密度領域２０ｂは、圧電体層７に対する被覆率が例えば４５％程度である。なお、活性部２０の接続部２２においても、第１密度領域２０ａと同等の密度としてもよい。すなわち、接続部２２の圧電体層７に対する被覆率を、６０％以上としてもよい。

上述した圧電アクチュエータ素子１においては、表面電極５の接続部２２に後述する外部配線基板６０の配線６２を電気的に接続して、個別電極である表面電極５と共通電極１１との間に電圧が印加される。なお、配線６２と共通電極１１との導通には、図１に示されるスルーホール２５が用いられる。それにより、表面電極５の活性部２０と共通電極１１との間の圧電体層７が活性化されて変位する。

続いて、上記構成を有する圧電アクチュエータ素子１の製造方法について説明する。

圧電アクチュエータ素子１を作製する際には、まず、準備工程として、圧電体層７，９となる圧電グリーンシートを準備する。圧電グリーンシートは、圧電体層７，９を構成する圧電セラミック粉にバインダや有機溶剤などの成分を加えてペースト化し、例えばドクターブレード法によって所定厚さに作製される。なお、圧電グリーンシートには、スルーホールのための貫通孔が例えばＹＡＧレーザにより設けられる。

次に、電極形成工程として、上側の圧電体層７となる圧電グリーンシート上に、表面電極５のとなる電極パターンを形成すると共に、下側の圧電体層９となる圧電グリーンシート上に、共通電極１１となる電極パターンを形成する。電極パターンの形成には、例えば電極ペーストを塗布するスクリーン印刷が採用され得る。電極ペーストは、Ａｇ−Ｐｂ合金（Ｐｄ：３０％、Ａｇ：７０％）を含むペーストである。共通電極１１となる電極パターンは、圧電体層９に対する被覆率が６０％以上となるように形成されることが好ましい。

表面電極５となる電極パターンは、圧電グリーンシートの表面上において、活性部２０の第１密度領域２０ａとなる部分が、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃとなる部分よりも密度が高くなるように、すなわち圧電グリーンシートに対する被覆率が高くなるように印刷される。このように、活性部２０において密度が異なるように印刷する方法としては、第１密度領域２０ａとなる部分のみを２度印刷する方法（すなわち、２度塗り）がある。また、印刷方向とスキージの追い込み量を最適にし、印刷製版の厚みを厚くして、第１密度領域２０ａとなる電極パターンの厚みを厚く形成してもよい。

その後、プレス工程として、表面電極５となる電極パターンが形成された圧電グリーンシートと、共通電極１１となる電極パターンが形成された圧電グリーンシートとを重ね合わせて、その積層方向（すなわち、圧電グリーンシートの厚さ方向）に沿ってプレスする。プレス方法としては、温間等方圧プレス（ＷＩＰ）等の等方圧プレスや、一軸プレスを用いることができる。プレス条件は、一例として、水温６５℃、圧力８０ＭＰａである。

最後に、焼成工程として、プレスされた圧電グリーンシートを焼成することで、図１に示した圧電アクチュエータ素子１が得られる。より詳しくは、焼成工程において、プレスされた圧電グリーンシートを安定化ジルコニアで構成されたセッターに載せて脱バインダ処理を行った後、そのセッターをマグネシア質の匣鉢に入れて、１１００℃にて焼成する。なお、焼成後は、分極処理（例えば、１００℃で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を３分間印加）する。

続いて、上述した圧電アクチュエータ素子１のインクジェットプリンタのヘッドへの適用について、図６を参照しながら説明する。図６は、圧電アクチュエータ素子を用いたインクジェットプリンタのヘッドを示す概略断面図である。

インクジェットプリンタのヘッドに適用するときには、流路部材５０上に、圧電アクチュエータ素子１を接合する。流路部材５０には、表面電極５に対応する領域に、互いに隔壁で仕切られた複数のインク室５１が設けられている。

そして、圧電アクチュエータ素子１上には、圧電アクチュエータ素子１の表面に対面するように、フレキシブルプリント基板である外部配線基板６０がＣＯＦ（チップオンフィルム）実装される。外部配線基板６０は、各圧電アクチュエータ素子１に駆動電圧を印加するためのリード線等の配線６２を複数備えている。配線６２は、表面電極５の接続部２２と対面する位置において、導電ペースト６３を介して、表面電極５と電気的に接続される。導電ペースト６３としては、例えば異方性導電樹脂ペースト（ＡＣＰ）が用いられる。

圧電アクチュエータ素子１は、外部配線基板６０の配線６２により、個別電極である表面電極５と共通電極１１との間に電圧が印加されると、表面電極５の活性部２０と共通電極１１との間の圧電体層７が活性化されて変位する。すると、インク室５１内に供給されたインクが加圧されて、吐出孔からインク滴が吐出される。このようなインクジェットプリンタのヘッドは、高速で高精度なインク吐出が可能であり、高速印刷に好適である。

以上説明したように、本実施形態の圧電アクチュエータ素子１は、表面電極５の活性部２０において、活性部２０の端部２０ｅに位置する第１密度領域２０ａの密度が第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃの密度よりも高い。これにより、圧電アクチュエータ素子１では、第１密度領域２０ａにおいて圧電体層７に対する被覆率が高くなるため、第１密度領域２０ａによって圧電体３との間の接合強度の向上が図られている。したがって、圧電アクチュエータ素子１では、表面電極５が圧電体３（圧電体層７）から剥離することを抑制できる。また、圧電アクチュエータ素子１では、第２密度領域２０ｂ及び第３密度領域２０ｃの密度が第１密度領域２０ａに比べて低いため、圧電体３（圧電体層７）の変位が表面電極５により阻害されることを抑制できる。

特に、第１密度領域２０ａは、電極剥離が生じ易い活性部２０の端部２０ｅに設けられているため、端部２０ｅにおいて圧電体３と表面電極５との接合強度を確保できる。したがって、圧電アクチュエータ素子１では、表面電極５の剥離を効果的に抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでない。図７は、他の実施形態に係る圧電アクチュエータ素子の断面構成を示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、活性部２０の第１密度領域２０ａは、第２密度領域２０ｂよりも厚み寸法が大きくてもよい。第１密度領域２０ａの厚み寸法は、例えば１．３ｕｍであり、第２密度領域２０ｂの厚み寸法は、例えば１．０ｕｍである。このように、第１密度領域２０ａの厚み寸法を第２密度領域２０ｂの厚み寸法よりも大きくすることにより、第１密度領域２０ａの密度を、第２密度領域２０ｂの密度よりも高くすることができる。

図８は、他の実施形態に係る圧電アクチュエータ素子の表面電極を示す平面図である。図８に示されるように、表面電極３０は、活性部３２と、接続部３４と、を有している。活性部３２は、第１密度領域３２ａと、第２密度領域３２ｂと、を含んでいる。第１密度領域３２ａは、活性部３２の長辺方向の端部３２ｅに配置され、活性部３２の短辺方向に沿って延在していると共に、活性部３２の長辺方向において対向している。このような表面電極３０を有する圧電アクチュエータ素子においても、第１密度領域３２ａにおいて、圧電体層７に対する被覆率が高くなるため、第１密度領域３２ａによって圧電体３との間の接合強度の向上が図られている。したがって、圧電アクチュエータ素子では、表面電極３０が圧電体３（圧電体層７）から剥離することを抑制できる。また、圧電アクチュエータ素子では、第２密度領域３２ｂの密度が第１密度領域３２ａに比べて低いため、圧電体３（圧電体層７）の変位が表面電極３０により阻害されることを抑制できる。

共通電極１１において、端部の密度を中央部の密度よりも高く設定してもよい。

上記実施形態では、圧電体層が２層である積層構造のみを示したが、層数は適宜変更可能であり、電極の層数も適宜変更可能である。また、圧電体層の厚さも適宜変更可能である。さらに、ダミー層を挿入してもよい。

１…圧電アクチュエータ素子（圧電素子）、３…圧電体、５，３０…表面電極、７，９…圧電体層、７ｓ…表面、１１…共通電極、２０，３２…活性部、２２，３４…接続部、２０ｅ，３２ｅ…端部、２０ｏ…縁。

Claims (2)

1. 複数の圧電体層と共通電極とが積層されてなる圧電体と、
   前記圧電体の表面に設けられ、前記圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部と、を有する表面電極と、を備え、
   前記活性部は、中央部の密度よりも、少なくとも端部の一部分の密度が高い、圧電素子。
2. 前記活性部の前記端部は、当該活性部の縁から活性長の３％〜３０％以上内側の位置である、請求項１記載の圧電素子。