JP2020123664A - 積層型圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子本体の変形を抑制し、平面度が改善された積層型圧電素子を提供すること。【解決手段】互いに直交する第１軸と第２軸とを含む平面に沿って形成してある圧電体層と、圧電体層に積層してある内部電極層とダミー電極層と、を有する積層体と、積層体の第１軸に垂直な側面に形成してある側面電極と、を有する積層型圧電素子である。内部電極層は、積層体の一側面に露出する引出部を有し、引出部で側面電極と電気的に接続してある。ダミー電極層は、上記平面においてギャップを介して内部電極層の引出部以外の周囲を取り囲むように形成してあり、ダミー電極層の少なくとも１以上の箇所に、スリット部が形成してあることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、積層型圧電素子とこれを利用した圧電アクチュエータに関する。

積層型圧電素子は、内部電極と圧電体層とが積層された構造を有し、単位体積当たりの変位量や駆動力を、非積層型の圧電素子に比べて大きくすることが可能である。この積層型圧電素子においては、内部電極層間のマイグレーションによる短絡を防止するために、内部電極層の積層面積が圧電体層の積層面積よりも小さくなっていることが通例である。しかし、このような積層構造では、内部電極層が存在する箇所と存在しない箇所とで収縮差が発生するため、積層体の変形やクラックなどが生じるおそれがある。

このような問題に対処するため、特許文献１には、内部電極層の外周にダミー電極を形成し、製造時に圧電体層にクラックが発生することを防止する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１で開示されている技術では、圧電体層の厚みが薄い場合や、圧電体層の積層数が増えた場合、また素子本体が大判化した場合には、積層体の変形を十分に抑制できないことが、発明者等によって明らかになった。

特許第３７９４２９２号

本発明は、このような実情を鑑みてなされ、素子本体の変形を抑制し、平面度が改善された積層型圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る積層型圧電素子は、互いに直交する第１軸と第２軸とを含む平面に沿って形成してある圧電体層と、前記圧電体層に積層してある内部電極層とダミー電極層と、を有する積層体と、
前記積層体の前記第１軸に垂直な側面に形成してある側面電極と、を有し、
前記内部電極層は、前記積層体の一側面に露出する引出部を有し、前記引出部で前記側面電極と電気的に接続してあり、
前記ダミー電極層は、前記平面においてギャップを介して前記内部電極層の前記引出部以外の周囲を取り囲むように形成してあり、
前記ダミー電極層の少なくとも１以上の箇所に、スリット部が形成してあることを特徴とする。

本発明に係る積層型圧電素子では、内部電極層の周囲にダミー電極層が形成してあり、そのダミー電極層にスリット部が形成してある。本発明では、仮に素子本体が薄く大判化した場合であっても、焼成工程で積層体が変形することを抑制でき、焼成後の平面度が向上した積層型圧電素子が得られることを発明者等は見出した。

なお、変形抑制効果が発現するのは、以下に示す理由が考えられる。積層型圧電素子の積層体（素子本体）は、圧電体層となるセラミックグリーンシート（セラミック層）と、電極パターンとなる導電性ペースト（電極層）とを積層し、これを焼成することで得られる。焼成工程において、各層は体積収縮を伴うが、セラミック層と電極層とで熱収縮の挙動が異なる。

一般的に、セラミック層よりも電極層の収縮率が大きいため、電極層側には収縮応力が発生し、セラミック層側には引張応力が発生すると考えられる。このような積層体の内部に生じる応力によって、積層体が変形してしまうと考えられる。本発明では、ダミー電極層にスリット部を形成することで、スリット部で応力を逃がすことができる。すなわち本発明に係る積層型圧電素子は、焼成工程での熱収縮の影響を受け難く、焼成後の積層体の変形を抑制することができる。

また、本発明に係る積層型圧電素子では、ダミー電極層にスリット部を形成することで、良好な平面度を確保しつつも内部電極層の面積比率を上げることができる。より具体的には、本発明に係る積層型圧電素子では、前記平面に沿った前記圧電体層の面積（Ａｐ）に対する前記内部電極層の面積（Ａｅ）の比率を、０．９５≦Ａｅ／Ａｐ≦０．９９とすることができる。内部電極層の面積は、圧電特性を発揮する圧電活性領域の面積と対応しているため、内部電極層の面積比率を上げることで、圧電素子の比誘電率εと圧電定数ｄ３３（またはｄ３１）とを向上させることができる。

好ましくは、前記スリット部が、前記ダミー電極層の前記引出部側の端部から所定間隔以上離れた位置で、前記ダミー電極層に形成してある。また、好ましくは、前記所定間隔は、前記ダミー電極層の前記第１軸に沿った第１軸幅に対して、１／８以上の間隔であり、さらに好ましくは、１／６以上である。

このような位置にスリット部を形成することで、本発明に係る積層型圧電素子では、ダミー電極層に生じる応力をより効果的に緩和することができ、平面度の改善効果が高くなる。

また、前記ダミー電極層は、たとえば前記第１軸方向に沿う２つの側方パターンと、前記第２軸方向に沿う連結パターンと、を有してもよく、前記連結パターンは、前記引出部とは反対側に位置し、前記側方パターンと接続していてもよい。好ましくは、前記スリット部の形成箇所は、前記ダミー電極層の前記連結パターンまたは前記側方パターンの中央である。

焼成時において電極層に発生する収縮応力は、電極パターンの外周縁の中央部に集中し易いと考えられる。本発明では、スリット部を形成する箇所を、応力が集中し易い各パターンの中央とすることで、より効果的に応力を逃がすことができる。そのため、各電極パターンの中央位置での積層体の盛り上がりやへこみを防止することが可能となり、積層体の変形をより効果的に防止することができる。

好ましくは、本発明に係る積層型圧電素子では、前記スリット部が、前記ダミー電極層を等分する前記第１軸に平行な中心線に対して線対称となる箇所で、２以上形成してある。このようにスリット部を規則的に形成することで、本発明では、ダミー電極層の一部で部分的に応力が集中することを防ぐことができ、積層体の変形防止効果を高めることができる。

好ましくは、前記スリット部の幅は、０．０３〜０．６ｍｍである。このような範囲であれば、スリット部の形成が容易であり、かつ、ダミー電極層の機能を十分に確保することができる。

好ましくは、前記内部電極層の角部に、曲率半径０．１ｍｍ以上の丸みがつけられている。

内部電極層の角部では、分極時に直流電界を印加した際に、電界が集中し易い。特に圧電体層に非鉛系の材料を使用する場合には、分極に要する定格電圧が高くなるため、分極時に内部電極層の角部でショートが発生し易くなる。本発明では、内部電極層の角部に、丸みをつけることで、角部に電界が集中することを防ぎ、分極時にショート不良が発生することを効果的に抑制することができる。

本発明に係る積層型圧電素子は、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換素子として利用することができる。たとえば、本発明に係る積層型圧電素子は、圧電アクチュエータや、圧電ブザー、圧電サウンダ、超音波モータ、スピーカ等に適用でき、特に圧電アクチュエータとして好適に利用できる。圧電アクチュエータとは、より具体的には、ハプティックデバイス用、レンズ駆動用、ＨＤＤのヘッド駆動用、インクジェットプリンタのヘッド駆動用、燃料噴射弁駆動用等の用途が挙げられる。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子を示す概略斜視図である。 図２は、図１におけるII−II線に沿って切断した概略断面図である。 図３は、図１におけるIII−III線に沿って切断した概略断面図である。 図４Ａは、図１の積層型圧電素子に含まれる第１電極パターンを示す平面図である。 図４Ｂは、図１の積層型圧電素子に含まれる第２電極パターンを示す平面図である。 図５は、図１に示す積層型圧電素子の分解斜視図である。 図６は、他の実施形態に係る積層型圧電素子に含まれる電極パターンを示す平面図である。 図７Ａは、他の実施形態に係る積層型圧電素子に含まれる電極パターンを示す平面図である。 図７Ｂは、他の実施形態に係る積層型圧電素子に含まれる電極パターンを示す平面図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

第１実施形態
図１は、本実施形態に係る積層型圧電素子２の概略斜視図である。図１に示すように、積層型圧電素子１０は、積層体４と第１外部電極６と第２外部電極８とを有する。

積層体４は、略直方体形状であり、Ｚ軸方向と略垂直な表面４ａおよび裏面４ｂと、Ｘ軸（第１軸）方向と略垂直な側面４ｃ，４ｄと、Ｙ軸（第２軸）方向と略垂直な側面４ｅ，４ｆとを有する。なお、積層体４の側面４ｅおよび４ｆには、絶縁性の保護層（図示省略）が形成してあってもよい。図面においてＸ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに略垂直である。

第１外部電極６は、積層体４の側面４ｄに沿って形成してある第１側面部６ａと、積層体４の表面４ａに沿って形成してある第１表面部６ｂとを有する。第１側面部６ａと第１表面部６ｂとは、ともに略矩形状であって、それらの交差部で互いに接続されている。なお、第１側面部６ａと第１表面部６ｂとは、図面上分けて示しているが、実際には一体として形成してある。

第２外部電極８は、積層体４の側面４ｃに沿って形成してある第２側面部８ａと、積層体４の裏面４ｂに沿って形成してある第２裏面部８ｂとを有する。第１外部電極６と同様に、第２側面部８ａと第２裏面部８ｂとは、ともに略矩形状であって、それらの交差部で互いに接続し、一体として形成してある。図１に示すように、第１表面部６ｂと第２裏面部８ｂとは、積層体４のＺ軸方向と垂直な平面（積層体４の表面４ａ、または裏面４ｂ）よりも小さく、第１外部電極６と第２外部電極８とは互いに絶縁してある。

図２および図３に示すように、積層体４は、圧電体層１０と内部電極層１６とが積層方向（Ｚ軸方向）に沿って交互に積層された内部構造を有する。内部電極層１６は、引出部１６ａが積層体側面４ｃおよび４ｄに交互に露出するように積層してあり、この露出した引出部１６ａで、第１外部電極６もしくは第２外部電極８と電気的に接続している。

本実施形態では、積層体４の中央部における圧電体層１２は、内部電極層１６に挟まれた圧電活性部１２を有する。すなわち、圧電活性部１２とは、図２および図３における点線で囲まれた領域を意味し、互いに極性の異なる第１外部電極６と第２外部電極８とを介して電圧が印加され、機械的な変位を生じる部分となる。

内部電極層１６は、導電材料で構成される。導電材料としては、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属およびこれらの合金（Ａｇ−Ｐｄなど）、あるいはＣｕ、Ｎｉ等の卑金属およびこれらの合金などが挙げられるが、特に限定されない。第１外部電極６および第２外部電極８を構成する導電材料も特に限定されず、内部電極を構成する導電材料と同様の材料を用いることができる。なお、さらに、第１外部電極６および第２外部電極８の外側には、上記各種金属のメッキ層やスパッタ層が形成してあってもよい。

圧電体層１０の材質は、圧電効果あるいは逆圧電効果を示す材料であれば、特に限定されず、たとえば、ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３（ＰＴＺ）、ＢａＴｉＯ３（ＢＴ）、ＢｉＮａＴｉＯ_３（ＢＮＴ）、ＢｉＦｅＯ_３（ＢＦＯ）、（Ｂｉ_２Ｏ_２）^２＋（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_3ｍ＋1）^２−（ＢＬＳＦ）、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３（ＫＮＮ）などが挙げられる。また、特性向上等のために副成分が含有されていてもよく、その含有量は、所望の特性に応じて適宜決定すればよい。

なお、圧電体層１０の厚みは、特に限定されないが、本実施形態では、好ましくは０．５〜１００μｍ程度である。同様に、内部電極層１６の厚みも特に限定されないが、好ましくは、０．５〜２．０μｍ程度である。また、図２および図３に示すように、積層体４の表面４ａおよび裏面４ｂには、圧電体層１０が配置されている。

図４Ａは、積層体４に含まれる第１電極パターン２４ａの概略平面図である。図４ＡのＺ軸方向の下方には、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面に沿って圧電体層１０があり、圧電体層１０は、積層体４の側面４ｃ〜４ｆ（図１参照）に対応する辺４ｃ１〜４ｆ１を有している。そして、圧電体層１０の表面には、内部電極層１６とダミー電極層１８から成る第１電極パターン２４ａとが積層されている。

図４Ａに示す第１電極パターン２４ａにおいて、内部電極層１６は、辺４ｄ１に露出する引出部１６ａを有している。ダミー電極層１８は、ギャップ２０を介して内部電極層１６の引出部１６ａ以外の端縁を取り囲むように形成されている。そのため、内部電極層１６とダミー電極層１８とは、電気的に絶縁されている。

本実施形態において、ダミー電極層１８の外周縁は、積層体４の側面４ｃ〜４ｆに露出しており、辺４ｅ１に沿う第１側方パターン１８ａと、辺４ｆ１に沿う第２側方パターン１８ｂと、辺４ｃ１に沿う連結パターン１８ｃとを有する。連結パターン１８ｃは、引出部１６ａの反対側に位置しており、２つの側方パターン１８ａおよび１８ｂと互いに接続されている。

ダミー電極層１８は、内部電極層１６と同程度の熱収縮挙動を示す材質で構成してあればよく、特に限定されないが、内部電極層１６を構成する導電材料と同じ材質を用いることが、好ましい。内部電極層１６とダミー電極層１８とを同じ材質で構成することで、印刷法等による積層体４の製造時において、内部電極層１６とダミー電極層１８とを同時に形成することができ、製造は容易となる。ただし、ダミー電極層と内部電極層とを、異なる組成または材質で構成してもよい。

また、ギャップ２０の幅Ｗ１は、内部電極層１６とダミー電極層１８とが接触しないように設計すればよく、本実施形態において、好ましくは、０．０３〜０．６ｍｍであり、より好ましくは、０．１〜０．５ｍｍである。この範囲内であれば、内部電極層１６とダミー電極層１８との絶縁距離を十分に確保でき、かつ、ダミー電極層１８の機能が損なわれることもない。

図４Ａに示すように、ダミー電極層１８には、各パターン１８ａ〜１８ｃの中央部において、それぞれ１個ずつスリット部２２が形成してある。また、スリット部２２は、ダミー電極層１８の外周縁と内周縁とを貫通して、ダミー電極層１８が長手方向に沿って分離されるように形成してある。

また、スリット部２２の幅Ｗ２は、好ましくは、０．０３〜０．６ｍｍであり、より好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。このような範囲であれば、スリット部の形成が容易であり、かつ、ダミー電極層１８の機能を十分に確保することができる。

図５は、本実施形態に係る積層型圧電素子２の分解斜視図である。図５に示すように、圧電体層１０を３層以上積層する場合には、第１電極パターン２４ａと第２電極パターン２４ｂとを交互に積層する必要がある。図４Ｂに、第２電極パターン２４ｂの概略平面図を示す。

第２電極パターン２４ｂは、Ｚ軸を軸として第１電極パターン２４ａを１８０度回転させた形態を有する。すなわち、第２電極パターン２４ｂでは、内部電極層１６の引出部１６ａが辺４ｃ１に露出しており、ダミー電極層１８の連結パターン１８ｃは、辺４ｄ１に露出している。これら以外の構成は、第１電極パターン２４ａと同じである。

図５に示すように、圧電体層１０と電極パターン２４ａ、２４ｂとを複数積層することで、非積層型の圧電素子よりも、変位量や駆動量を大きくすることが可能である。本実施形態において、圧電体層１０の積層数は、２以上であればよく、上限は特に限定されないが、好ましくは、３〜２０層程度である。圧電体層１０の積層数は、積層型圧電素子２の用途に応じて適宜決定すればよい。

本実施形態に係る積層型圧電素子２の製造方法は、特に限定されないが、たとえば以下のような方法で製造することができる。

まず、積層体４の製造工程について、説明する。積層体４の製造工程では、焼成後に圧電体層１０となるセラミックグリーンシートと、焼成後に内部電極層１６およびダミー電極層１８となる導電性ペーストとを準備する。

セラミックグリーンシートは、たとえば以下のような方法で製造される。まず、圧電体層１０を構成する材料の原料を湿式混合等の手段によって均一に混合した後、乾燥させる。次に、適切に選定された焼成条件で仮焼成し、仮焼粉を湿式粉砕する。そして、粉砕された仮焼粉末にバインダを加えてスラリー化する。次に、スラリーをドクターブレード法またはスクリーン印刷法等の手段によってシート化し、その後に乾燥させてセラミックグリーンシートを得る。なお、圧電体層１０を構成する材料の原料には、不可避不純物が含まれていてもよい。

次に、導電材を含む電極用ペーストを、印刷法等の手段により、セラミックグリーンシートの上に塗布する。これにより、所定のパターンの内部電極ペースト膜とダミー電極ペースト膜とが形成されたグリーンシートが得られる。

次に、準備したグリーンシートを所定の順番で積層する。すなわち、第１電極パターン２４ａが印刷されたグリーンシートと、第２電極パターン２４ｂが印刷されたグリーンシートとを交互に積層する。また、焼成後に積層体の表面４ａを構成する部分では、セラミックグリーンシートのみを積層する。

さらに、積層後に圧力を加えて圧着し、乾燥工程や脱バインダ工程等の必要な工程を経た後、積層体４を得るために焼成を行う。内部電極層をＡｇ−Ｐｄ合金等の貴金属で構成する場合、焼成は、炉内温度８００〜１２００℃の大気圧条件下で行うことが好ましい。また、内部電極層をＣｕ，Ｎｉ等の卑金属で構成する場合、焼成は、酸素分圧が１×１０^−７〜１×１０^−９ＭＰａ、炉内温度が８００〜１２００℃の雰囲気下で行うことが好ましい。この焼成工程で積層体を焼結する過程において、圧電体層および電極層（内部電極層およびダミー電極層）では、体積収縮を伴う。

以上の工程を経て得られた積層体４に、外部電極を形成する。外部電極の形成では、スパッタ法や蒸着法、メッキ、もしくはディップコーティングといった手法が用いられる。積層体４の表面４ａから側面４ｄにかけて、第１外部電極６が形成され、積層体４の裏面４ｂから側面４ｃにかけて、第２外部電極８が形成される。なお、外部電極６，８が形成されない積層体４の側面４ｅと４ｆとには、絶縁性樹脂が塗布され、絶縁層が形成されてもよい。

外部電極を形成した後は、圧電体層１０に圧電活性を持たせるために、分極処理が施される。分極は、８０度〜１２０度程度の絶縁油の中で、第１外部電極６および第２外部電極８に１〜１０ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加することで行う。なお印加する直流電界は、圧電体層１０を構成する材質に依存する。このような過程を経て、図１に示す積層型圧電素子２が得られる。

なお、上記において、１個の積層型圧電素子を得るための手順を示したが、実際には、一枚のシートに多数の電極パターン２４が形成されたグリーンシートが用いられる。このようなシートを用いて形成された集合積層体は、焼成前もしくは焼成後に適宜切断されることによって、最終的に図１に示すような素子の形状となる。

本実施形態では、圧電体層１０の厚みが薄い場合や、圧電体層１０の積層数が多い場合、また積層体４の積層面積が広く大判化した場合などでも、ダミー電極層１８にスリット部２２が形成してあることで、製造時における積層体４の変形をより効果的に抑制することができ、積層体４の平面度を飛躍的に向上させることができる。

スリット部２２により変形抑制効果が発現するのは、以下に示す理由によると考えられる。積層型圧電素子２の積層体４は、前述した焼成工程において、圧電体層１０と電極パターン２４とが体積収縮する。この際、圧電体層１０と電極パターン２４とで熱収縮の挙動が異なる。

一般的に、圧電体層１０よりも電極パターン２４の収縮率が大きいため、電極パターン２４側には収縮応力が発生し、圧電体層１０側には引張応力が発生する。このような積層体４の内部に生じる応力によって、積層体４が変形してしまうと考えられる。本実施形態では、ダミー電極層１８にスリット部２２を形成することで、スリット部２２で応力を逃がすことができる。したがって、本実施形態に係る積層型圧電素子２は、焼結工程での熱収縮の影響を受け難く、積層体４の変形を顕著に抑制することができる。

本実施形態において、圧電体層１０の厚みや積層数、および積層体４の大きさは、特に限定されないが、以下に示すような場合に、より効果的に適用できる。圧電体層１０の厚みについては、前述したように、圧電体層１０の厚みが薄くなると積層体４は変形し易くなるが、本実施形態では１〜５０μｍの場合であっても、平面度のよい積層体４が得られる。同様に、圧電体層１０の積層数については、２〜２０層と、積層数が多い場合でも、平面度のよい積層体４が得られる。また、圧電体層１０の面積については、１００（Ｗｘ）ｍｍ×１００（Ｗｙ）ｍｍ以上と広い場合にも、平面度のよい積層体４が得られる。

また、本実施形態では、スリット部２２により顕著な変形抑制効果が得られるため、内部電極層１６の面積比率を上げることができる。

具体的には、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面において、圧電体層１０の面積（Ａｐ）に対する内部電極層１６の面積（Ａｅ）の比率を、０．９５≦Ａｅ／Ａｐ≦０．９９とすることができる。内部電極層１６の面積（Ａｅ）は、圧電特性を発揮する圧電活性部１２の体積と対応しているため、内部電極層１６の面積比率をあげることで、圧電素子の比誘電率εと圧電定数ｄ３３（またはｄ３１）とを向上させることができる。

スリット部２２を形成しない場合には、内部電極層１６の面積比率を上記のような範囲にすることが実用上困難である。すなわち、上記した内部電極層１６の面積比率（Ａｅ／Ａｐ）の範囲は、従来技術では到達し得ない効果を示している。

なお、図４Ａに示すように、本実施形態では、ダミー電極層１８にスリット部２２が３つ形成してある。ただし、本発明の効果を得るためには、これに限定されず、スリット部２２は少なくとも１つ形成してあればよい。また、スリット部２２は、その形成箇所や形態に工夫を施すことで、前述した本発明の効果をより高めることができる。

具体的には、スリット部２２は、以下に示す箇所に形成することが好ましい。

図４Ａに示すように、ダミー電極層１８の第１側方パターン１８ａと第２側方パターン１８ｂとは、引出部１６ａと同じく辺４ｄ１に露出する端縁１８ｄと１８ｅとを有する。スリット部２２は、この端縁１８ｄと１８ｅとから所定間隔ｄ以上離れた位置に形成してあることが好ましい。なお、所定間隔ｄは、好ましくは、ダミー電極層１８のＸ軸方向の幅Ｗｘに対して、１／８以上であり、より好ましくは、１／６以上である。このような位置にスリット部を形成することで、ダミー電極層１８に生じる応力をより効果的に緩和することができ、平面度の改善効果が高まる。

なお、端縁１８ｄ，１８ｅから所定間隔以上離れた位置に少なくとも１以上のスリット部２２が形成してあれば、端縁１８ｄ，１８ｅから上記所定間隔以内の範囲にスリット部２２を形成してもよい。

また、図４Ａに示すように、スリット部２２の形成箇所は、ダミー電極層１８の各パターン１８ａ〜１８ｃの中央部であることが好ましい。

焼成時において、ダミー電極層１８に発生する収縮応力は、各パターン１８ａ〜１８ｃの中央部に集中し易い。そのため、ダミー電極層が連続的に形成され、スリット部がない場合には、積層体４のＸ軸方向の中心位置、またはＹ軸方向の中心位置で、盛り上がりやへこみが生じやすい。スリット部２２の形成箇所を、応力が集中し易い各パターン１８ａ〜１８ｃの中央とすることで、より効果的に応力を逃がすことができ、変形防止効果を高めることができる。

またスリット部２２の形態については、ダミー電極層１８を長手方向に分断するようにダミー電極層１８の外周縁と内周縁を貫通する形態（図４Ａ参照）であることが好ましい。このようにスリット部２２を形成することで、ダミー電極層１８を介して第１外部電極６と第２外部電極８とが通電することがなくなり、短絡を防ぐことができる。そのため、積層体４の側面４ｃおよび４ｄの全面に側面電極を形成することが可能となる。

ただし、スリット部２２は、必ずしもダミー電極層１８を分離するような形態である必要はなく、ダミー電極層１８の外周縁と内周縁とを貫通しない切り込みのような形状であってもよい。また、Ｘ軸またはＹ軸に対して斜めに形成してあってもよい。

スリット部２２を切り込み状とした場合、図１に示す外部電極６および８の側面部６ａと８ａとは、Ｙ軸方向の幅を、内部電極層１６の幅Ｗ３（図４Ａ参照）よりも小さくなるように形成することが好ましい。側面部６ａ，８ａの幅をＷ３よりも大きくすると、ダミー電極層１８を介して第１外部電極６と第２外部電極８とが接続し、短絡が発生してしまうためである。

第２実施形態
以下、図６に基づいて、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態における第１実施形態と共通の構成に関しては、説明を省略する。

図６は、第２実施形態に係る積層型圧電素子２ａに含まれる電極パターン２４ｃを示す概略平面図である。図６に示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子２ａは、内部電極層１７の構成が異なること以外は、第１実施形態の積層型圧電素子２と同様であり、同様な作用効果を奏する。

図６に示すように、電極パターン２４ｃに含まれる内部電極層１７では、引出部１７ａとは反対側の角部１７ｂに丸みがつけられている。この角部１７ｂの丸みは、曲率半径０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

内部電極層１７の角部１７ｂでは、分極時に直流電界を印加した際に、電界が集中し易い。特に、圧電体層１０を非鉛系の材質で構成する場合には、分極に要する電圧がＰＺＴよりも高くなるため、分極時に内部電極層の角部でショートが発生し易くなる。本実施形態では、内部電極層１７の角部１７ｂに、丸みをつけることで、角部１７ｂに電界が集中することを防ぎ、分極時にショート不良が発生することを効果的に抑制することができる。

第３実施形態
以下、図７Ａに基づいて、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態における第１実施形態と同一の構成に関しては、説明を省略する。

図７Ａは、第３実施形態に係る積層型圧電素子２ｂに含まれる電極パターン２４ｄを示す概略平面図である。図７Ａに示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子２ｂは、スリット部２２の個数と形成箇所が異なること以外は、第１実施形態の積層型圧電素子２と同様であり、同様の作用効果を奏する。

図７Ａに示すように、本実施形態では、ダミー電極層１８の各パターン１８ａ〜１８ｃの中央から左右対称の位置に、スリット部２２が各２個ずつ形成してある。スリット部２２をこのような位置に形成することで、ダミー電極層１８は、ダミー電極層１８を等分する中心線ＣＬに対して線対称なパターンを構成する。

このようにスリット部２２を規則的に形成することで、焼成工程でダミー電極層１８に生じる応力を等分し、部分的に応力が集中することを防ぐことができる。そのため本実施形態に係る積層型圧電素子では、積層体４の変形抑制効果をより高めることができる。なお、第１実施形態では、説明を省略したが、図４Ａと図４Ｂおよび後述する図７Ｂに示している電極パターンも、中心線ＣＬに対して線対称な位置にスリット部２２が形成してあるといえる。

第４実施形態
以下、図７Ｂに基づいて、本発明の第４実施形態について説明する。なお、第４実施形態における第１実施形態と同一の構成に関しては、説明を省略する。

図７Ｂは、第４実施形態に係る積層型圧電素子２ｃに含まれる電極パターン２４ｅを示す概略平面図である。図７Ｂに示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子２ｅは、スリット部２２の個数と形成箇所が異なること以外は、第１実施形態の積層型圧電素子２と同様であり、同様の作用効果を奏する。

図７Ｂに示すように、ダミー電極層１８の各パターン１８ａ〜１８ｃにおいて、スリット部２２は、各辺４ｅ１，４ｆ１，４ｃ１を６等分する位置で等間隔に形成してある。図７Ａの説明で述べたとおり、電極パターン２４ｅについても、中心線ＣＬに対して線対称な位置にスリットが形成してあるといえる。

電極パターン２４ｅのように、スリット部２２の個数は、所定の範囲内で多いほうが好ましい。スリット部２２の個数が所定の範囲内で多いほど、焼成工程でダミー電極層１８に発生する応力を効果的に分散させることができ、積層体４に残留する応力をより小さくすることができる。

ただし、スリット部２２の個数が多くなり過ぎると、ダミー電極層としての本来の機能（変形防止）を阻害するおそれがある。たとえば図７Ｂに示すように、ダミー電極層１８の各パターン１８ａ〜１８ｃに形成されるスリット部の個数は、それぞれ１〜１０程度であることが好ましい。ダミー電極層１８は３つのパターンで構成されているため、各パターン１８ａ〜１８ｃに、各１〜１０のスリット部２２を形成すると、スリット部２２の全数は、３〜３０個となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。たとえば、図７Ａに示す電極パターン２４ｄと、図７Ｂに示す電極パターン２４ｅとを交互に積層して、積層体を形成しても良い。また、図４Ａ〜図７Ｂに示す電極パターン２４ａ〜２４ｅのいずれかと、ダミー電極層１８を有しない電極パターン（図示しない）やスリット部２２を有しない電極パターン（図示しない）とを交互に積層しても良い。

また、本発明に係る積層型圧電素子は、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換素子として利用することができる。たとえば、本発明に係る積層型圧電素子は、圧電アクチュエータや、圧電ブザー、圧電サウンダ、超音波モータ、スピーカ等に適用でき、特に圧電アクチュエータとして好適に利用できる。圧電アクチュエータとは、より具体的には、ハプティックデバイス用、レンズ駆動用、ＨＤＤのヘッド駆動用、インクジェットプリンタのヘッド駆動用、燃料噴射弁駆動用等の用途が挙げられる。

以下、本発明をさらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。

（実験１）
まず、圧電体層がＰＺＴ系セラミックスで構成されるように、化学的に純粋な主成分原料と副成分原料とを所定量秤量し、ボールミルにより湿式混合した。混合後、８００℃〜９００℃で仮焼成し、再度ボールミルにて粉砕処理を行った。こうして得られた仮焼粉末に、バインダを加えてスラリー化した。さらに、そのスラリーをスクリーン印刷法によりシート状とし、その後乾燥させてセラミックグリーンシートを得た。

次に、印刷法により、Ａｇ−Ｐｄ合金を主成分として含む導電性ペーストを、セラミックグリーンシートの上に塗布した。この際、焼成後にスリット部を含むダミー電極層と内部電極層とが形成されるように、所定のパターンで、電極パターンを印刷した。

こうして得られたグリーンシートを、所定の順番で９層以上積層し、焼成前の積層体を得た。さらに、この積層体に圧力を加えて圧着し、乾燥処理および脱バインダ処理を施した後、焼成を行った。なお、焼成は、炉内温度を９００℃とし、大気圧条件下で行った。

本実験１では、スリット部の個数と形成箇所とを変えて実験を行い、実施例１〜３０に示す積層体サンプルを得た。各実施例のスリット部の個数と形成箇所は、表１に示す。また、各実施例については、それぞれ１００個の積層体を作成し、以下に示す評価を行った。

なお、本実験例１における焼成後の積層体は、幅（Ｗｘ）３０ｍｍ×奥行（Ｗｙ）３０ｍｍ×厚み０．１ｍｍの略直方体形状であった。また、圧電体層の厚みは、平均で１０μｍであり、内部電極層の厚みは、平均で１μｍであった。さらに、ダミー電極層と内部電極層との間の幅（Ｗ１）は、平均０．３ｍｍであり、ダミー電極層に形成したスリット部の幅（Ｗ２）は、平均０．２ｍｍであった。

（比較例１）
ダミー電極層にスリット部を形成しないこと以外は、実施例１〜３０と同様にして、比較例１に係る積層体試料を作製した。

平面度の測定
比較例１および実施例１〜３０で得られた積層体試料の平面度は、ＣＮＣ画像測定機（株式会社ニコンインステック製、ＮＥＸＩＶ ＶＭＺ−Ｒ６５５５）を用いて測定した。平面度の測定は、レーザー光を積層体に照射して得た高さデータを基に、最小二乗平面を作り、その最小二乗平面を基準面としたときの最大高さと最小高さを算出することにより行う。平面度は、最大高さ−最小高さで現され、平面度の値が小さいほど、積層体の変形が少ないといえる。なお測定は、一つの実施例につき９００回実施し、その平均値をとり、測定結果として表１に示した。なお、平面度の目標値は、３００μｍ以下とする。

評価
表１のスリット部の形成箇所について、位置Ａとは、ダミー電極層の各パターン１８ａ〜１８ｃの中央部である。また、位置Ｂとは、各パターン１８ａ〜１８ｃの中央部から左右対称の位置である。また、位置Ｃとは、中心線ＣＬに対して線対称の位置である。さらに、位置Ｄとは、スリット形成箇所が、位置Ａ〜Ｃ以外の位置であることを意味する。

表１では、実施例１〜３０について、スリット形成箇所が位置Ａ〜Ｄのいずれかに該当する場合に「Ｙ」を示している。したがって、実施例２５は、図４Ａに示す電極パターン２４ａに対応し、実施例２７は、図７Ａに示す電極パターン２４ｄに対応し、実施例２９は、図７Ｂに示す電極パターン２４ｅに対応している。

表１に示すように、スリット部を形成することで、比較例１よりも平面度が改善されていることが確認できる。また、スリット部の個数が多いほど、平面度が小さくなり、積層体の変形抑制効果が高くなることがわかる。

実施例１〜６では、スリット部が、側方パターン１８ａまたは１８ｂの端縁１８ｄ，１８ｅから所定間隔ｄ以上離れた位置に形成されていた。ここで、本実施例において所定間隔ｄとは、電極パターン２４のＸ軸方向の幅Ｗｘに対して、（１／８）の間隔である。実施例１〜６は、目的の平面度を満たしており、上記位置にスリット部を形成することで積層体の変形を効果的に抑制できることが確認できた。

実施例１〜６を比較すると、スリット部を連結パターンに形成することで、平面度の値が低くなっていることがわかる。スリット部が１つの場合には、連結パターンに形成することで、ダミー電極層がおおよそ２等分されることになり、側方パターンに形成するよりも変形抑制効果が大きくなるためだと考えられる。

また、実施例１〜６を比較すると、各パターンの中央部（位置Ａ）にスリット部を形成した実施例１〜３のほうが、実施例４〜６よりも、平面度の値が小さくなっている。同様の傾向は、実施例１３〜１５、２５、２９でも確認でき、各パターンの中央部にスリット部を形成することで、より高い効果が得られることが確認できた。

さらに、実施例７〜１２の結果を比較すると、実施例７〜９のほうが、実施例１０〜１２よりも平面度の値が小さい。スリット部を各パターンの中央から左右対称の位置Ｂに形成することで、積層体の変形抑制効果が高まることが確認された。

実施例７〜１２では、ダミー電極層のパターン１８ａ〜１８ｃから、いずれか１つのパターンを選択し、選択した１つのパターンにスリット部を２個形成している。これに対して実施例１３〜１８は、パターン１８ａ〜１８ｃから、２つのパターンを選択し、選択した２つのパターンにそれぞれスリット部を形成している。表１より、実施例１３〜１８のほうが、実施例７〜１２よりも、高い変形抑制効果が得られ、平面度の値が小さくなっている。

また、実施例１９〜２４と実施例２５〜２６とを比較すると、スリット部の総数が多い実施例１９〜２４よりも、個数の少ない実施例２５〜２６のほうが、平面度が小さくなっていることがわかる。積層体の変形抑制効果は、単にスリット部の個数に依存するわけではなく、スリット部の形成箇所も影響を与えていることがわかる。

以上のように実施例７〜２５を比較すると、スリット部を偏った位置に形成するよりも、各パターン１８ａ〜１８ｃにそれぞれ形成したほうが、積層体の変形を効果的に抑制できることが確認された。

さらに、実施例２５，２７，２９の結果から、スリット部を複数個形成する場合、スリット部は、中心線ＣＬに対して線対称となる位置Ｃに形成することで、平面度の値が小さくなることが確認できた。

実施例１〜３０を総評すると、本実験では、スリット部を位置Ａ〜Ｃに該当する箇所において、一定の規則性をもって複数個配置することで、積層体の変形をより効果的に抑制できることが確認された。

（実験２）
実験１では、同じ電極パターンを反転させて交互に積層することで、積層体を構成していた。実験２では、異なる電極パターン（実施例２５〜３０）を交互に積層することで、実施例３１〜４５に係る積層体試料を作製し、その平面度を測定した。その結果を表２に示す。なお、実施例３１〜４５の上記以外の構成は、実験１と共通している。

異なる電極パターンを積層した実施例３１〜４５でも、平面度の値が低く、積層体の変形抑制効果が損なわれないことが確認された。また、実施例２７（図７Ａ）と２９（図７Ｂ）の電極パターンを積層した実施例４１で最も平面度の値が低くなった。

（実験３）
実験３では、図４Ａに示す実施例２５の電極パターン２４ａにおいて、スリット幅と内部電極層の面積比を変えて実験を行い、実施例４６〜４９に示す積層体サンプルを得た。なお、実施例４６〜４９の上記以外の構成は、実施例２５の構成と共通している。実施例４６〜４９の平面度を測定した結果を表３に示す。

表３に示すように、実施例４６〜４９の結果により、スリット部の幅が、０．０３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲であれば、目的の平面度が得られることが確認できた。さらに、実施例４６と４８とを比較すると、スリット部の幅は、０．０３ｍｍよりも０．６ｍｍと広くしたほうが、平面度の改善効果が高くなる傾向となる。

また、表３において、内部電極層の面積比率とは、圧電体層の面積（Ａｐ）に対する内部電極層の面積（Ａｅ）の比率（Ａｅ／Ａｐ）を意味する。表３に示すように、スリット部を有しない比較例１では、内部電極層の面積比率が０．９５だと目標の平面度を確保できない。そのため、スリット部を形成しない場合には、内部電極層の面積比率をさらに小さくする必要がある。

これに対して、実施例４６〜４９では、スリット部の幅が０．０３〜０．６ｍｍの範囲内であれば、内部電極層の面積比を０．９９と広くしたとしても、目標の平面度３００μｍ以下を満足できることが確認された。

（実験４）
実験４では、図６に示す電極パターン２４ｃを用いて積層体サンプルを作製した。すなわち、実験４に係る実施例５０、５２、５４、５６は、内部電極層の角部に、曲率半径０．１ｍｍの丸みがつけられている。また、実施例の１〜４９では、圧電体層が鉛を含有するＰＺＴ系セラミックで構成されていたが、実施例５３〜５６の積層体サンプルでは、非鉛系のＢＦＯ−ＢＴを使用した。なお、実施例５０〜５６の上記以外の構成は、実施例２５の構成と共通している。

また、実験４に係る実施例５０〜５１と実施例２５の積層体サンプルには、焼成後、一対の外部電極を形成した。そして、その積層型圧電素子に、試験的に直流電界を印加し、各サンプルでショートが発生するか否かを調査した。なお、各実施例につき１００個のサンプルについて実験を行い、ショート率を算出した。その結果を、表４に示す。

表４に示すように、圧電体層が非鉛系の材質で構成してある実施例５３〜５６については、鉛系のＰＺＴを使用した実施例よりも、平面度の値が若干高くなる。これは、圧電体層の熱収縮挙動の違いに起因するが、非鉛系の材質を用いた場合であっても、目的の平面度を満足できる。本実験により、本発明では、スリット部を形成することで、材質を変更したとしても、変形抑制効果が得られることが確認できた。

非鉛系の材質を使用する場合には、分極に要する電圧が、ＰＺＴなどの鉛系の材質を使用する場合よりも数倍高くなる。そのため、非鉛系の材質を使用した実施例５３〜５６については、鉛系の材質を使用する場合に比較して、数倍高い電圧をかけてショート率の試験を行った。その結果、６．０ｋＶ／ｍｍの電圧（分極に要する電圧よりも高い試験電圧）を印加した実施例５５では、約３％の確率でショートが発生する結果となった。しかし、同じ電圧を印加した実施例５６については、ショートが発生していない。この結果から、電界が集中し易い内部電極層の角部に丸みをつけることで、ショート不良の発生を効果的に抑制できることが確認できた。

２ … 積層型圧電素子
４ … 積層体
４ａ … 積層体表面
４ｂ … 積層体裏面
４ｃ〜４ｆ … 積層体側面
６ … 第１外部電極
６ａ … 第１側面部
６ｂ … 第１表面部
８ … 第２外部電極
８ａ … 第２側面部
８ｂ … 第２裏面部
１０ … 圧電体層
１２ … 圧電活性部
１６，１７ … 内部電極層
１６ａ，１７ａ … 引出部
１７ｂ … 角部
１８ … ダミー電極層
１８ａ，１８ｂ … 側方パターン
１８ｃ … 連結パターン
１８ｄ，１８ｅ … 端縁
２０ … ギャップ
２２ … スリット部
２４，２４ａ〜２４ｅ … 電極パターン
４ｃ１〜４ｆ１… 辺

Claims (9)

1. 互いに直交する第１軸と第２軸とを含む平面に沿って形成してある圧電体層と、前記圧電体層に積層してある内部電極層とダミー電極層と、を有する積層体と、
   前記積層体の前記第１軸に垂直な側面に形成してある側面電極と、を有し、
   前記内部電極層は、前記積層体の一側面に露出する引出部を有し、前記引出部で前記側面電極と電気的に接続してあり、
   前記ダミー電極層は、前記平面においてギャップを介して前記内部電極層の前記引出部以外の周囲を取り囲むように形成してあり、
   前記ダミー電極層の少なくとも１以上の箇所に、スリット部が形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記スリット部は、前記ダミー電極層の前記引出部側の端縁から所定間隔以上離れた位置で、前記ダミー電極層に形成してあることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記所定間隔は、前記ダミー電極層の前記第１軸に沿った第１軸幅に対して１／８以上の間隔であることを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電素子。
4. 前記ダミー電極層は、前記第１軸方向に沿う２つの側方パターンと、前記第２軸方向に沿う連結パターンと、を有し、
   前記連結パターンは、前記引出部とは反対側に位置し、前記側方パターンと接続しており、
   前記スリット部の形成箇所が、前記ダミー電極層の前記連結パターンまたは前記側方パターンの中央であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層型圧電素子。
5. 前記スリット部は、前記ダミー電極層を等分する前記第１軸に平行な中心線に対して線対称となる箇所で、２以上形成してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層型圧電素子。
6. 前記スリット部の幅が、０．０３〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の積層型圧電素子。
7. 前記平面に沿った前記圧電体層の面積（Ａｐ）に対する前記内部電極層の面積（Ａｅ）の比率が、０．９５≦Ａｅ／Ａｐ≦０．９９であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の積層型圧電素子。
8. 前記内部電極層の角部には、曲率半径０．１ｍｍ以上の丸みがつけられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の積層型圧電素子。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の積層型圧電素子を有する圧電アクチュエータ。