JP2020167226A - 積層型圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】積層体内部において、クラックの発生を抑制することができる積層型圧電素子を提供することを目的とする。【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、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いる。積層体の内部においては、内部電極層の外周部に位置する圧電体層に存在する外周側空孔の含有率(Ro)が、積層体の中央部に存在する中央側空孔の含有率(Rc)よりも高いことを特徴とする。【選択図】図7A
Description
本発明は、積層型圧電素子に関する。
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では、積層体の内部に生じる応力により、内部電極と圧電体層との界面でクラックが生じる場合がある。積層体の内部でクラックが発生すると、圧電素子としての特性(変位量)が低下するため、クラックの発生を抑制する技術が求められる。
たとえば、特許文献1では、内部電極層の外周にダミー電極を形成することで、製造時において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積層数が増えた場合、また素子本体が大判化した場合などには、クラックの発生を十分に抑制することができないことがある。
本発明は、このような実情を鑑みてなされ、クラックの発生を抑制することができる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、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、
前記積層体の内部において、前記内部電極層の外周部に位置する前記圧電体層に存在する外周側空孔の含有率(Ro)が、前記積層体の中央部に存在する中央側空孔の含有率(Rc)よりも高くなっている。
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、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、
前記積層体の内部において、前記内部電極層の外周部に位置する前記圧電体層に存在する外周側空孔の含有率(Ro)が、前記積層体の中央部に存在する中央側空孔の含有率(Rc)よりも高くなっている。
本発明に係る積層型圧電素子において、積層体の中央部では、空孔(中央側空孔)が少ない。これに対して、内部電極層の外周部に位置する圧電体層では、空孔(外周側空孔)の含有率が高くなっている。このような構成により、本発明では、外周側空孔が積層体内部の収縮応力を緩和することができる。このため、積層体が薄層化したとしても、または大判化した場合であっても、クラックの発生が抑制され、積層型圧電素子の特性(変位等)を向上することができる。
好ましくは、前記積層体の内部において、前記外周側空孔の含有率(Ro)と、前記中央側空孔の含有率(Rc)との差(Ro−Rc)が、2%以上、15%以下である。より好ましくは、前記含有量の差(Ro−Rc)が、3%以上、8%以下である。外周側空孔と中央側空孔の含有率の差が上記範囲内にあることで、積層型圧電素子の特性(変位等)をより向上させることができる。
また、好ましくは、前記圧電体層の前記平面において、前記内部電極層の前記引出部以外の外周部では、ギャップを介してダミー電極層が形成してある。そして、好ましくは、前記積層体の内部において、前記内部電極層と前記ダミー電極層との間の前記ギャップに対応する前記圧電体層にギャップ間空孔が形成してある。
本発明に係る積層型圧電素子では、ギャップ間空孔が存在することで、圧電体層の組成が変動することも抑制でき、高い圧電定数が得られる。
好ましくは、前記ギャップに対応する前記圧電体層において、前記ギャップ間空孔の含有率が、3%以上、20%以下である。
好ましくは、前記ギャップの幅が0.05mm以上、0.2mm以下である。
また、好ましくは、前記ギャップ間空孔の平均径が、0.04μm以上、0.18μm以下である。
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。
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、本実施形態に係る振動デバイスの概略斜視図である。図1に示すように、積層型圧電素子2は、接着層32を介して振動板30に張り付けられている。そして、積層型圧電素子2は、積層体4と第1外部電極6と第2外部電極8とで構成される。
図1は、本実施形態に係る振動デバイスの概略斜視図である。図1に示すように、積層型圧電素子2は、接着層32を介して振動板30に張り付けられている。そして、積層型圧電素子2は、積層体4と第1外部電極6と第2外部電極8とで構成される。
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4c〜4fには、外部電極6,8が形成してある箇所を除いて、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も、第1外部電極6と同様に構成してある。すなわち、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の表面4aに沿って形成してある第2表面部8bとを有し、第2側面部8aと第2表面部8bとが交差部で互いに接続されている。なお、積層体4の表面4aにおいて、第1表面部6bと第2表面部8bとは、互いに離れて形成してあり、電気的に絶縁されている。
図2および図3A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または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10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例示されるが、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も導電材料で構成され、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。また、第1外部電極6および第2外部電極8は、AgやCuなどの導電性金属粉と、SiO2等のガラス粉末とを混合し、焼き付け処理することで形成しても良い。なお、第1外部電極6および第2外部電極8の外側には、さらに、上記各種金属を含む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、PbZrxTi1−xO3(PTZ)、BaTiO3(BT)、BiNaTiO3(BNT)、BiFeO3(BFO)、(Bi2O2)2+(Am−1BmO3m+1)2−(BLSF)、(K,Na)NbO3(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3A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。
本実施形態では、振動板30が、積層型圧電素子2の振動を増幅するために用いられる。振動板30は、弾性を有する材質で構成すれば良く、特に限定されないが、たとえばNi、Ni−Fe合金、黄銅、ステンレス鋼等の金属材料が例示される。また、振動板30の厚みおよび大きさは、積層型圧電素子2の使用形態に応じて適宜決定すればよく、特に限定されない。たとえば、振動板30の厚みは、0.1mm〜0.5mmとすることができ、振動板30の大きさは、平面視において素子本体の1倍〜3倍程度とすることができる。
前述したように積層型圧電素子2は、接着層32を介して振動板30に張り付けられる。接着層32は、たとえばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ブチラール樹脂等の接合材料で構成される。ただし、接着層32は、導電性のフィラーを含まずに電気絶縁性を有していることが好ましい。接着層32が電気絶縁性を有することで、振動板30を金属で構成したとしても、第1外部電極6と第2外部電極8とが短絡することはない。
また、接着層32の厚みについては、好ましくは10μm〜1000μmである。接着層32の厚みを上記の範囲とすることで、積層型圧電素子2と振動板30との密着性を確保しつつも、積層型圧電素子2から発生する振動を振動板30へ有効に伝達することができる。
図4Aは、積層体4に含まれる電極パターン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から成る電極パターン24aが積層されている。
図4Aに示す電極パターン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。なお、本実施形態において、ギャップ20の幅W3は、0.03mm以上0.3mm以下とすることができ、好ましくは0.05mm以上0.2mm以下である。
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。
また、本実施形態において、第1外部電極6の第1側面部6aは、内部電極16のY軸方向の幅W1と同一、もしくは幅W1よりも小さい幅で形成してあり、ダミー電極層18と第1側面部6aとは接続されていない。すなわち、ダミー電極層18は、内部電極層16および外部電極6,8と電気的に絶縁されており、圧電特性の発現には寄与していない。このように第1側面部6aと第2側面部8aとを形成することで、第1外部電極6と第2外部電極8とは、ダミー電極層18を介して短絡することが無い。
なお、第1外部電極6と第2外部電極8との電気的絶縁を確保するためには、ダミー電極層18の側方パターン18a,18bにスリットを形成しても良いし、側方パターン18a,18bの端部が辺4d1に露出しないようにダミー電極層18を形成しても良い。その場合、第1外部電極6の第1側面部6aは、圧電体層10のY軸方向の幅Wyと同等の幅とすることができる。
また、本実施形態において、ダミー電極層18は、ダミー電極層18と内部電極層16との熱収縮挙動の差が、内部電極層16と圧電体層10との熱収縮挙動の差よりも小さくなるように設計することが好ましい。また、ダミー電極層18は、導電性金属を含んでいることが好ましく、ダミー電極層18と内部電極層18とを、同じ材質で構成しても良いし、異なる材質で構成しても良い。
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、電極パターン24aは、一層置きに向きを変えて積層することが好ましい。より具体的には、2層目以降の電極パターン24aは、各層置きにZ軸を軸として180度回転して積層される。そのため、内部電極層16の引出部16aは、辺4c1と辺4d1とに交互に露出して、第1側面部6aまたは第2側面部8aに接続される。
図5に示すように、圧電体層10と電極パターン24a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層以上であればよく、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。
本実施形態において、積層体4の内部の圧電体層10では、複数の空孔22が形成してある。空孔22は、積層体内部での場所に応じて、その含有率が異なっている。
図6は、図3Aにおいて積層体4の中央部に相当する領域VIを拡大した概略断面図である。図6に示すように、積層体4の中央部では、ほとんど空孔が存在していない。圧電体層10と内部電極層16とが緻密に積層されていると考えられる。ただし、後述する製造過程においてグリーンシートを積層する際に、わずかに気泡が介在することがあり、それに起因して中央側空孔22aが形成される。積層体4の中央部は圧電活性部12に該当するため、中空側空孔22aの含有率は少ないことが好ましく、具体的には所定の断面積あたり10%以下であり、0%であっても良い。
一方、図7Aは、図3Aにおいて内部電極層16の外周部14に相当する領域VIIAを拡大した概略断面図である。図7Aに示すように、内部電極層16の外周部14では、外周側空孔22bが形成してある。外周側空孔22bは、ダミー電極層18間に形成されるダミー電極側空孔22b1と、ギャップ20間に形成されるギャップ間空孔22b2とに区別することができる。
本実施形態では、内部電極層16の外周部14に位置する外周側空孔22bの含有率Roが、中央側空孔22aの含有率Rcよりも高くなっている。また、内部電極層16の外周側においては、ギャップ間空孔22b2の含有率が、ダミー電極側空孔22b1の含有率よりも高い傾向となる。さらに各空孔22a,22bの平均径は、0.05μm以上、0.2μm以下であることが好ましく、0.04μm以上、0.18μm以下であることがより好ましい。
なお、本実施形態において、「含有率Roが含有率Rcよりも高い」とは、測定誤差の影響を鑑みて、含有率の差(Ro−Rc)が2%以上であることを意味する。また、各空孔22a,22bは、FE−SEM等により積層体4の断面を観察することで実測することができる。本実施形態において、各空孔22a,22bの含有率および空孔径は、以下に示す手法により定義する。
まず、空孔の含有率および空孔径を解析する前段階として、FE−SEMにより積層体4の断面を観察し、少なくとも10箇所の解析領域Aを選択する。中央側空孔22aについて解析する場合には、積層体4の略中心位置(すなわち、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向のいずれにおいても略中央となる位置)において、図6に示すような解析領域A1(Ya1×Za1)を10箇所以上選択する。なお、中央側空孔22aの解析において、解析する断面は、X−Z断面(図2)もしくはY−Z断面(図3A)のいずれの断面であっても良い。
また、外周側空孔22bについて解析する場合には、Y−Z断面を採り、内部電極層16の外周部14で、かつX軸方向およびZ軸方向の略中央部において、図7Aに示すような解析領域A2i(Ya2i×Za2)を10箇所以上選択する。さらに、ギャップ間空孔22b2について、特にギャップ20間での含有率を解析する場合には、ギャップ20間のY軸方向の略中央位置で、かつZ軸方向の略中央位置において、解析領域A2ii(Ya2ii×Za2)を10箇所以上選択する。なお、各解析領域A1,A2i,A2iiの大きさは、観測の簡便さと正確性を考慮して適宜決定すればよい。
空孔の含有率および空孔径は、上記において撮影した各解析領域A1,A2i,A2iiの断面写真を、画像解析用のソフトウェアに読み込み、空孔22を所定の条件で判別することで算出する。その際に、空孔の含有率は、解析領域Aの面積Saに対する空孔面積総和Shの比率(Sh/Sa)として算出する。また、空孔径は、空孔22の面積を円相当径に換算することで得られる。本実施形態において、空孔の含有率および空孔径は、少なくとも10箇所の解析領域Aの平均値として表記する。
次に、本実施形態に係る積層型圧電素子2の製造方法について説明する。製造方法は、特に限定されないが、たとえば以下に示す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、その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、その後乾燥させることで、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、図5に示すように、電極パターン24aの向きを変えて積層する。また、焼成後に積層体4の表面4aと構成するZ軸の最上層では、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。
ダミー電極側空孔22b1とギャップ間空孔22b2とは、その大半が焼成工程で生成されると考えられる。特にギャップ間空孔22b2は、主として、焼成工程において内部電極層16とダミー電極層18とが体積収縮する過程で、各電極層16,18が圧電体層10を相互に引き合うことで形成されると考えられる。したがって、空孔の含有率および空孔径は、焼成条件により制御できる。特に、中央側空孔22aに対して外周側空孔22bの含有率を高くするためには、焼成時の昇温速度、保持時間、保持温度を制御すれば良い。
焼成工程において、保持温度を高くし、積層体4に与える熱量を増やすと、焼結が過度となり、圧電体層10に含まれるPb,Bi,K,Na等の成分が多く揮発する。そのため、積層体4の内部で空孔22が多く形成される。しかし、焼結が過度となると、積層体4の外周部14のみならず中央部においても、揮発成分が抜けていき、圧電特性が悪くなる傾向となる。本実施形態では、特に昇温速度を遅くすることで、中央側空孔22aの発生を抑えつつも、外周側空孔22bの含有率(Ro)を高くしている。
具体的には、焼成時の昇温速度は、300℃/h〜1500℃/h程度とすることが一般的であるが、本実施形態では、200℃/h以下としている。通常よりも昇温速度を遅くすることで、外周側空孔22bが発生し易くなり、含有率(Ro)が高くなる傾向となる。その一方で、積層体4の中央部では、空孔が少なく密度を高くすることができる。また、焼成時の保持時間は、好ましくは15min〜240minである。
焼結工程を経て得られた積層体4については、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により、第1外部電極6および第2外部電極8を形成する。積層体4の表面4aから側面4dにかけては、第1外部電極6が形成され、積層体4の表面4aから側面4cにかけては、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4d〜4fには、絶縁性樹脂が塗布され、絶縁層が形成されても良い。
次に、外部電極6,8を形成した積層型圧電素子2を、振動板30に張り付ける。当該工程では、まず振動板30の表面に、接着層32を構成する接着材料を塗布し、薄く引き伸ばす。その後、プレス等の手段により、積層型圧電素子2を振動板に押し付けて密着させる。その際、素子本体を押し付ける力は、積層体4の中央部にかかるようにすることが好ましい。
振動板を張り付ける前、またはその後において、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、一枚のシートに多数の電極パターン24aが形成されたグリーンシートが用いられてもよい。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。
前述したように、本実施形態に係る積層型圧電素子2では、内部電極層16の外周部14に存在する外周側空孔22bの含有率(Ro)が、積層体4の中央部に存在する中央側空孔22aの含有率(Rc)よりも高くなっている。このような構成により、積層体4の外周部14では、圧電体層10に弾力性や伸縮性が具備される。すなわち、積層型圧電素子2の製造時または使用時において、外周側空孔22bが、圧電活性部12と不活性部との間で、内部応力や伸縮差を緩和する働きを示すと考えられる。したがって、本実施形態の積層型圧電素子2では、積層体4の内部におけるクラックの発生を抑制でき、積層型圧電素子2の特性が低下することがない。
したがって、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、積層体4の内部でクラックが発生することを抑制できる。また、クラックを抑制できることにより、本実施形態の積層型圧電素子2では、特性(変位等)が低下することがない。
また、本実施形態では、大きい変位を得るために、積層型圧電素子2に振動板30を張り付けている。このような使用態様においては、素子本体が大判化するほど、積層型圧電素子2と振動板30との密着性が悪化する傾向となる。特に、積層型圧電素子2と振動板30との間の接着層32において、気泡や余剰な接着成分が介在していると、積層型圧電素子2から振動板30への振動の伝達が阻害され、十分な変位を得ることが困難となる。
本実施形態の積層型圧電素子2では、積層体4の中央部では空孔が少なくなっているのに対して、外周部14では外周側空孔22bが多くなっている。そのため、積層型圧電素子2と振動板30とを張り合わせる際に、接着層32に介在する気泡や余剰な接着剤が、積層体4の中央側から外周側に向かって移動し、接着層32間から排出され易くなっている。したがって、本発明に係る積層型圧電素子2においては、積層型圧電素子2と振動板との密着性が高くなり、より高い変位を得ることができる。
なお、外周側空孔22bの含有率(Ro)と、中央側空孔22aの含有率(Rc)との差(Ro−Rc)は、好ましくは2%以上、15%以下である。より好ましくは、上記含有量の差(Ro−Rc)が、3%以上、8%以下である。外周側空孔22bと中央側空孔22aの含有率の差が上記範囲内にあることで、クラックの発生を抑制しつつも、積層型圧電素子2の特性(変位等)をより向上させることができる。
さらに、本実施形態の積層型圧電素子2では、ギャップ間空孔22b2により、圧電体層10の組成が変動することを抑制できる。その理由としては、以下に示す事由が考えられる。
ダミー電極層18が積層されている積層体4の外周縁近傍では、圧電体層10に含まれるPb,Bi,K,Naといった揮発成分が、焼成工程で揮発し外部に放出される。ダミー電極側空孔22b1は、主として、この揮発過程で生成すると考えられ、ダミー電極層18間では、圧電体層10の組成が若干変動する。ただし、積層体4の外周部14では、圧電特性の発現に寄与しないため、多少の組成変動が起きても問題はない。
本実施形態では、ギャップ間空孔22b2が、揮発成分を積層体4の内部に留める働きを成し、圧電活性部12からは揮発成分が流出し難くなっていると考えられる。したがって、圧電活性部12においては、圧電体層10の組成が変動し難く、高い圧電定数を有する積層型圧電素子2が得られる。
なお、本実施形態では、ギャップ間空孔22b2の含有率が、3%以上、20%以下であることが好ましい。ギャップ20間での空孔の含有率が上記範囲内にあることで、クラックの抑制と良好な圧電特性の確保とを、より適正に両立することができる。
また、前述したように、ギャップ間空孔22b2の平均径は、0.04μm以上、0.18μm以下であることがより好ましい。空孔径が上記範囲内にあることで、クラックの抑制と良好な圧電特性の確保とを、より適正に両立することができる。
さらに、本実施形態において、ギャップ20の幅W3は、0.05mm以上、0.2mm以下であることがより好ましい。ギャップ20の幅W3が上記範囲内にあることで、ギャップ間空孔22b2が介在する領域が適正な範囲となり、クラックの発生をさらに低減することができる。
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、圧電体層10の厚みが薄くなると積層体が変形し易く、クラックも発生し易い。しかし、本実施形態では、圧電体層10の厚みが1〜50μmの場合であっても、上述した効果により、クラックの発生を抑制できる。同様に、圧電体層10の積層数については、3〜20層と、積層数が多い場合でも、上述した効果により、クラックの発生を抑制できる。
また、圧電体層10の面積については、大判化するほど振動板30に張り付ける際に、気泡や余剰な接着材料が介在し易くなる。しかし、本実施形態では、圧電体層10の面積が100(Wx)mm×100(Wy)mm以上と広い場合にも、上述した効果により、積層型圧電素子2と振動板30との密着性が確保でき、高い変位が得られる。また同様に、クラックの発生も抑制できる。
第2実施形態
以下、図3B、図4Bおよび図7B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、説明を省略し、同じ符号を使用する。
以下、図3B、図4Bおよび図7B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、説明を省略し、同じ符号を使用する。
図3Bは、第2実施形態に係る積層型圧電素子3のY−Z断面の概略図である。また、図4Bは、積層型圧電素子3の電極パターン24bを示す平面図である。図3B,図4Bに示すように、積層型圧電素子3では、第1実施形態と異なり、内部電極層16の外周にダミー電極層が形成されていない。そのため内部電極層16の外周部14では、圧電体層10のみが積層されている。
このような積層構造において、内部電極層16の大きさ(W1×W2)は、圧電体層の大きさ(Wx×Wy)に対して、0.90倍〜0.98倍程度であることが好ましい。上記範囲内とすることで、外周側空孔が発生する領域を確保できると共に、圧電活性部12の領域を十分に確保することができる。
第2実施形態の積層型圧電素子3においても、積層体4の内部に複数の空孔22が形成してある。積層体4の中央部に存在する中央側空孔22aについては、その形成過程と含有率(Rc)とが、第1実施形態と共通しており、図6に示す様態で観測される。
一方、内部電極層16の外周部14では、図7Bに示すように、外周側空孔22cが形成してある。外周側空孔22cは、第1実施形態の外周側空孔22b1と形成過程が共通しており、焼成時において圧電体層10に含まれるPb,Bi,K,Na等の揮発成分が、積層体4の外部に放出されることで形成されると考えられる。そのため、積層体4の外表面に近いほど外周側空孔22cが多く存在し、内部電極層16側に近づくに連れて少なくなる。なお、第2実施形態においても、空孔の含有率Rc,Roは、第1実施形態と同様に特定される。
第2実施形態においても、外周側空孔22cの含有率Roが、中央側空孔22aの含有率Rcよりも高くなっており、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。ただし、第2実施形態では、ダミー電極層18が存在しないため、第1実施形態の積層型圧電素子2のほうが本実施形態の積層型圧電素子3よりも圧電特性が高い傾向となる。第2実施形態の圧電活性部12では、第1実施形態の積層型圧電素子2と比べて揮発成分が、積層体4の外部に流出し易いためであると考えられる。
以上、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、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、上述した実施形態において、積層型圧電素子2,3は、略矩形の平面視形状を有しているが、これに限定されるものではなく、円形や楕円形、多角形等の平面視形状であっても良い。振動板30についても同様であり、振動板30の平面視形状は、円形や楕円形、多角形等の形状であっても良い。また、図4Aに示す電極パターン24aと、図4Bに示すダミー電極層18を有しない電極パターン24bとを、交互に積層しても良い。
また、前述したように内部電極層16とダミー電極層18とは、異なる材質で構成しても良く、ダミー電極層18を構成する材質の熱収縮開始温度を、内部電極層16よりも高くすることができる。このように内部電極層16とダミー電極層18とを構成することで、ギャップ間空孔22b2は形成され易くなる。また、内部電極層16とダミー電極層18とを異質材で構成する場合には、ギャップ20の幅W3の最適範囲が、同質材で構成する場合よりも広くなり、0.03mm以上0.6mm以下とすることができ、より好ましくは、0.05mm以上0.3mm以下とすることができる。
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。
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。なお、実施例1および2については、ダミー電極層は形成せずに、図4Bに示す電極パターン24b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層以上積層した後、これ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。そして、この焼成前積層体を、大気圧雰囲気下、昇温速度200℃/h以下の条件で焼成した。各実施例の詳細な焼成条件を、表1に示す。実施例1,2では、昇温速度を従来よりも遅くし、長時間かけて焼成することで、内部電極層の外周部に空孔を形成している。
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。このようにして作成した積層体について、一対の外部電極を形成し分極処理を施すことで、積層型圧電素子の試料を作製した。各実施例については、それぞれ1000個の試料を作成し、後述する評価を行った。
(実施例3〜14)
実施例3〜14では、内部電極層の外周にギャップを介してダミー電極層を形成した。ダミー電極層は、内部電極層と同じ組成のAg−Pd合金とした。なお、ギャップ幅W3については、実施例3〜10では、平均0.2mmとし、実施例11〜14では、水準を振って積層体試料を作製した。
実施例3〜14では、内部電極層の外周にギャップを介してダミー電極層を形成した。ダミー電極層は、内部電極層と同じ組成のAg−Pd合金とした。なお、ギャップ幅W3については、実施例3〜10では、平均0.2mmとし、実施例11〜14では、水準を振って積層体試料を作製した。
また、各実施例3〜10では、焼成条件の水準を振って積層体試料を作製した。特に、実施例3〜5については、昇温速度を200℃/h、保持温度を1000℃に統一したうえで、実施例毎に保持時間を変更した。また、実施例6〜8については、昇温速度を実施例3〜5よりも遅くし、100℃/hとしたうえで、実施例毎に保持時間を変更した。さらに実施例9,10については、保持温度を変更した。各実施例の詳細な焼成条件を、表1に示す。
なお、実施例3〜14の上記以外の構成は、実施例1,2と共通しており、同様の評価を行った。
(比較例1)
比較例1では、実施例1と同様にダミー電極層を形成していないが、焼成時の条件を変更した。具体的には、実施例1よりも昇温速度を早くするとともに(1500℃/h)、保持時間を短くして(15min)、積層体試料を作製した。比較例1の上記以外の構成は、実施例1と共通しており、同様の評価を行った。
比較例1では、実施例1と同様にダミー電極層を形成していないが、焼成時の条件を変更した。具体的には、実施例1よりも昇温速度を早くするとともに(1500℃/h)、保持時間を短くして(15min)、積層体試料を作製した。比較例1の上記以外の構成は、実施例1と共通しており、同様の評価を行った。
(比較例2)
比較例2では、実施例3と同様にダミー電極層を形成しているが、焼成時の昇温速度を実施例3よりも早く(1500℃/h)し、積層体試料を作製した。比較2の上記以外の構成は、実施例3と共通しており、同様の評価を行った。
比較例2では、実施例3と同様にダミー電極層を形成しているが、焼成時の昇温速度を実施例3よりも早く(1500℃/h)し、積層体試料を作製した。比較2の上記以外の構成は、実施例3と共通しており、同様の評価を行った。
(比較例3)
比較例3では、比較例1と同様にして積層体試料を作製しており、積層体の内部では、ほとんど空孔が形成されていない。ただし、比較例3では、外部電極形成時に、外部電極原料中に焼失粒子を含有させ、外部電極内に空孔を形成した。なお、外部電極内での空孔の含有率は、8%であり、空孔の平均径は、133nmであった。
比較例3では、比較例1と同様にして積層体試料を作製しており、積層体の内部では、ほとんど空孔が形成されていない。ただし、比較例3では、外部電極形成時に、外部電極原料中に焼失粒子を含有させ、外部電極内に空孔を形成した。なお、外部電極内での空孔の含有率は、8%であり、空孔の平均径は、133nmであった。
(評価)
空孔の評価
前述したように、FE−SEMにより図6〜図7Bに示す解析領域A1〜A3に対応する断面写真を撮影した。各領域での空孔の含有率と空孔径とは、上記断面写真を画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(Mac−View)により解析することで測定した。
空孔の評価
前述したように、FE−SEMにより図6〜図7Bに示す解析領域A1〜A3に対応する断面写真を撮影した。各領域での空孔の含有率と空孔径とは、上記断面写真を画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(Mac−View)により解析することで測定した。
クラックの評価
クラックの評価は、製造後の積層体試料について、FE−SEMにて断面を観察することで行った。具体的には、以下の手順でクラック発生率を算出した。まず、1000個の積層体試料から無作為に100個の試料を抽出し、これを樹脂に固定して任意の断面を鏡面研磨することで、SEM観察用の試料を得た。そして、各試料について断面を観察した際に、圧電体層での割れや圧電体層と電極層との間での剥がれ等があった試料をカウントし、クラック発生率を算出した。クラック発生率については、10%以下を良好な範囲と判断する。
クラックの評価は、製造後の積層体試料について、FE−SEMにて断面を観察することで行った。具体的には、以下の手順でクラック発生率を算出した。まず、1000個の積層体試料から無作為に100個の試料を抽出し、これを樹脂に固定して任意の断面を鏡面研磨することで、SEM観察用の試料を得た。そして、各試料について断面を観察した際に、圧電体層での割れや圧電体層と電極層との間での剥がれ等があった試料をカウントし、クラック発生率を算出した。クラック発生率については、10%以下を良好な範囲と判断する。
圧電定数d 33 の測定
各比較例および各実施例の圧電定数d33(圧電出力定数)は、d33メータを用いて、ベルリンコート法により測定した。圧電定数d33は、圧電素子に振動を加えた際に、素子本体に発生する電荷を計測することで算出される。なお、圧電体層がPZTを主成分とする場合には、圧電定数d33が400×10−12C/N以上であれば良好と判断する。
各比較例および各実施例の圧電定数d33(圧電出力定数)は、d33メータを用いて、ベルリンコート法により測定した。圧電定数d33は、圧電素子に振動を加えた際に、素子本体に発生する電荷を計測することで算出される。なお、圧電体層がPZTを主成分とする場合には、圧電定数d33が400×10−12C/N以上であれば良好と判断する。
変位の評価
まず、変位の評価を行う前段階として、協立化学産業社製のワールドロック830を接着剤として用い、Ni-Fe合金からなる振動板の表面に、各実施例の積層型圧電素子試料を張り付けた。振動板のサイズは、80mm×60mmとし、接着剤の塗布量は、全ての実施例および比較例を通じて一定となるように制御した。こうして得た振動デバイスの試料をニコン社製のデジマイクロに設置し、12V印加した時の変位量を測定した。なお、変位量の測定は、各実施例および比較例につき、10個の試料について行い、その平均値を表1に示す。振動デバイスとしての変位量については、圧電体層がPZTを主成分とする場合、30μm以上を良好と判断する。
まず、変位の評価を行う前段階として、協立化学産業社製のワールドロック830を接着剤として用い、Ni-Fe合金からなる振動板の表面に、各実施例の積層型圧電素子試料を張り付けた。振動板のサイズは、80mm×60mmとし、接着剤の塗布量は、全ての実施例および比較例を通じて一定となるように制御した。こうして得た振動デバイスの試料をニコン社製のデジマイクロに設置し、12V印加した時の変位量を測定した。なお、変位量の測定は、各実施例および比較例につき、10個の試料について行い、その平均値を表1に示す。振動デバイスとしての変位量については、圧電体層がPZTを主成分とする場合、30μm以上を良好と判断する。
表1に示すように、比較例1〜3については、従来通り、昇温速度が速く保持時間が短い条件で焼成しているため、積層体内部でほとんど空孔が形成されておらず、中央側空孔と外周側空孔とで含有率にほとんど差がない。その結果、比較例1および2では、クラック発生率が高く、圧電定数d33と変位量ともに基準値を満足できていない。比較例3については、外部電極に空孔が形成してあるため、ある程度クラックの発生を抑制できるが、圧電定数d33や変位量の基準値を満足できていない。
これに対して、本発明の実施例1〜14では、積層体内部における空孔の含有率が、各比較例に対して高くなっている。また、全ての実施例で、外周側空孔の含有率Roが、中央側空孔の含有率Rcよりも高くなっている。その結果、実施例1〜14では、クラック発生率が10%以下に抑制されると共に、変位量が30μm以上と高くなっている。この結果から、積層体内部に空孔を形成する(特に外周側空孔)ことの優位性が確認できた。
次に、各実施例について比較すると、ダミー電極層を形成した実施例3〜14では、実施例1および2よりも圧電定数d33の値が高くなっており、基準値を満たしている。この結果から、ギャップ間に空孔を形成することで、揮発成分の流出が抑制でき、高い圧電定数d33が得られることが確認できた。なお、比較例2については、ダミー電極層が形成してあるものの、ギャップ間に空孔が形成されていないため、揮発成分の流出を防止できず、圧電定数d33の値が低くなっている。
また、実施例1〜14において、外周側空孔の含有率Roと中央側空孔の含有率Rcとの差(Ro−Rc)が、3%〜8%の範囲内にある実施例3〜7,10〜14では、変位量が39μm以上と高くなっている。この結果から、含有率の差(Ro−Rc)を上記範囲内とすることで、変位特性の向上に特に寄与することが確認できた。
次に、焼成条件と空孔の含有率との関係性について考察する。中央側空孔および外周側空孔の含有率については、実施例3〜5と実施例6〜8とを比較すると、昇温速度を遅くすることで、含有率が高くなる傾向が確認できる。保持時間についても同様の傾向が確認でき、保持時間を長くすると、それに伴って空孔の含有率が高くなる。さらに、実施例4,9,10を比較すると、保持温度を高くするほど、空孔の含有率が高くなる傾向が確認できる。以上の結果から、積層体内部に所望の空孔を形成するためには、昇温速度を200℃/h以下としたうえで、各焼成条件を制御すれば良いことがわかる。
なお、ギャップ間空孔についても、上記と同様の傾向が確認でき、昇温速度を遅くする、保持時間を長くする、もしくは保持温度を高くすると、それに伴って含有率が高くなると共に、空孔径も大きくなる傾向が確認できる。また、ギャップ間空孔の含有率と各特性との関係性について考察すると、ギャップ間空孔の含有率が3%〜20%の範囲内にある場合には、クラックの抑制と良好な圧電特性の確保とが両立できていることが確認できる。同様に、ギャップ間空孔の平均径と各特性との関係性についても、空孔径が40nm以上180nm以下である場合には、クラックの抑制と良好な圧電特性とが両立できている。
一方、実施例11については、ギャップ間空孔の含有率と空孔径とが上記範囲の下限値を下回っているため、他の実施例と比較してクラック発生率が高くなっている。また、実施例8については、ギャップ間空孔の含有率と空孔径とが上記範囲の上限値を超えているため、揮発成分の流出量が多く、他の実施例と比較して圧電定数d33の値が低い。この結果から、ギャップ間空孔の含有率および空孔径は、所定の範囲内に制御することが効果的であることが確認できた。
さらに、実施例4,11〜14において、ギャップ幅W3と各特性との関係性について考察すると、ギャップ幅W3が0.05mm以上0.2mm以下である場合には、クラック発生率が5%以下に抑制できていることが確認できる。一方、ギャップ幅W3が狭い実施例11では、他の実施例と比較してクラック発生率が高くなっている。この理由として、ギャップ幅W3が狭いと、空孔が介在する領域が狭くなり、空孔によるクラック抑制効果が弱まることが考えられる。
また、ギャップ幅W3が広い実施例14においても、ギャップ幅W3の拡張に伴ってクラック発生率が高くなる傾向が確認できる。ギャップ幅が広いと、圧電体層に空孔が形成され難くなると考えられる。
(実験2)
実験2では、圧電体層もしくはダミー電極層の組成を変えて、積層型圧電素子の試料を作製した。
実験2では、圧電体層もしくはダミー電極層の組成を変えて、積層型圧電素子の試料を作製した。
実施例21および22では、圧電体層を構成する材質を変更しており、実施例21でBFO−BT(鉄酸ビスマス−チタン酸バリウム)、実施例22でKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)を使用した。実施例21および22の製造条件は、実験1の実施例4と共通しているが、圧電体層の材質を変更したことに伴い焼成時の保持温度を変更している。また、実験2においても、実験1と同様の評価を実施したが、BFO−BTを使用した場合、圧電定数d33の基準値は200×10−12C/N以上とし、変位量の基準値は20μm以上とする。同様に、KNNを使用した場合、圧電定数d33の基準値は250×10−12C/N以上とし、変位量の基準値は20μm以上とする。
実施例24では、ダミー電極層を、内部電極層とは組成の異なるAg−Pd合金で構成した。具体的には、内部電極層の組成がAg90−Pd10であるのに対し、ダミー電極層ではPd比率を上げてAg80−Pd20とした。なお実施例23は、実施例24と対比するための実施例であり、内部電極層とダミー電極層とを同じ組成で構成した。実験2の各実施例について、その特性等を評価した結果を表2に示す。
(比較例21,22)
比較例21および22は、実施例21および22に対応する比較例であり、BFO−BTまたはKNNを用いて圧電体層を形成した。ただし、比較例21および22では、ダミー電極層を形成しておらず、また焼成についても、従来通り、昇温速度が速く保持時間が短い条件で実施した。比較例21および22における上記以外の構成は、実施例21および22と共通している。評価結果を、表2に示す。
比較例21および22は、実施例21および22に対応する比較例であり、BFO−BTまたはKNNを用いて圧電体層を形成した。ただし、比較例21および22では、ダミー電極層を形成しておらず、また焼成についても、従来通り、昇温速度が速く保持時間が短い条件で実施した。比較例21および22における上記以外の構成は、実施例21および22と共通している。評価結果を、表2に示す。
表2に示すように、比較例21および22については、積層体内部でほとんど空孔が形成されておらず、中央側空孔と外周側空孔とで含有率にほとんど差がない。その結果、クラック発生率が高く、圧電定数d33と変位量ともに基準値を満足できていない。
これに対して、実施例21および22では、積層体内部における空孔の含有率が、比較例21および22と比較して高くなっている。また、外周側空孔の含有率Roが、中央側空孔の含有率Rcよりも高くなっている。その結果、実施例21および22では、クラック発生率が10%以下に抑制されると共に、圧電定数d33と変位量ともに基準値を満たしている。この結果から、圧電体層の組成を変えた場合であっても、クラックの発生を抑制でき、圧電特性が優れる積層型圧電素子が得られることが確認できた。
また、実施例23と24とを比較すると、ダミー電極層の組成を変えた実施例24では、実施例23よりもギャップ間空孔の含有率が高く、空孔径も大きくなっていることが確認できる。この理由として、内部電極層とダミー電極層とで組成を変えることにより、各電極層が圧電体層を引き寄せる力に差が生じ、ギャップ間に空孔が形成され易くなったと考えられる。なお、実施例23および24のいずれも、クラックの発生を十分に抑制できており、圧電定数d33と変位量ともに基準値を満たしている。したがって、ダミー電極層を異種材質で構成した場合でも、同質材で構成する場合と同等の作用効果を奏することが確認できた。
2,3 … 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表面部
10 … 圧電体層
12 … 圧電活性部
14 … 外周部
16 … 内部電極層
16a… 引出部
18 … ダミー電極層
18a,18b … 側方パターン
18c … 連結パターン
20 … ギャップ
22a,22b,22b1,22b2,22c … 空孔
24,24a〜24e … 電極パターン
4c1〜4f1… 辺
30 … 振動板
32 … 接着層
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表面部
10 … 圧電体層
12 … 圧電活性部
14 … 外周部
16 … 内部電極層
16a… 引出部
18 … ダミー電極層
18a,18b … 側方パターン
18c … 連結パターン
20 … ギャップ
22a,22b,22b1,22b2,22c … 空孔
24,24a〜24e … 電極パターン
4c1〜4f1… 辺
30 … 振動板
32 … 接着層
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、PbZrxTi1−xO3(PZT)、BaTiO 3 (BT)、BiNaTiO3(BNT)、BiFeO3(BFO)、(Bi2O2)2+(Am−1BmO3m+1)2−(BLSF)、(K,Na)NbO3(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。
本実施形態では、振動板30が、積層型圧電素子2の振動を増幅するために用いられる。振動板30は、弾性を有する材質で構成すれば良く、特に限定されないが、たとえばNi、Ni−Fe合金、黄銅、ステンレス鋼等の金属材料が例示される。また、振動板30の厚みおよび大きさは、積層型圧電素子2の使用形態に応じて適宜決定すればよく、特に限定されない。たとえば、振動板30の厚みは、0.1mm〜0.5mmとすることができ、振動板30の大きさは、X軸方向およびY軸方向の幅を、平面視において素子本体の1倍〜3倍程度とすることができる。
本実施形態では、内部電極層16の外周部14に位置する外周側空孔22bの含有率Roが、中央側空孔22aの含有率Rcよりも高くなっている。また、内部電極層16の外周側においては、ギャップ間空孔22b2の含有率が、ダミー電極側空孔22b1の含有率よりも高い傾向となる。さらに各空孔22a,22bの平均径は、0.04μm以上、0.2μm以下であることが好ましく、0.04μm以上、0.18μm以下であることがより好ましい。
Claims (8)
- 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、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、
前記積層体の内部において、前記内部電極層の外周部に位置する前記圧電体層に存在する外周側空孔の含有率(Ro)が、前記積層体の中央部に存在する中央側空孔の含有率(Rc)よりも高い、積層型圧電素子。 - 前記積層体の内部において、前記外周側空孔の含有率(Ro)と、前記中央側空孔の含有率(Rc)との差(Ro−Rc)が、2%以上、15%以下である請求項1に記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体の内部において、前記外周側空孔の含有率(Ro)と、前記中央側空孔の含有率(Rc)との差(Ro−Rc)が、3%以上、8%以下である請求項1に記載の積層型圧電素子。
- 前記圧電体層の前記平面において、前記内部電極層の前記引出部以外の外周部では、ギャップを介してダミー電極層が形成してある請求項1〜3のいずれかに記載の積層型圧電素子。
- 前記積層体の内部において、
前記内部電極層と前記ダミー電極層との間の前記ギャップに対応する前記圧電体層に、ギャップ間空孔が形成してある請求項4に記載の積層型圧電素子。 - 前記ギャップに対応する前記圧電体層において、前記ギャップ間空孔の含有率が、3%以上、20%以下である請求項5に記載の積層型圧電素子。
- 前記ギャップの幅が0.05mm以上、0.2mm以下である請求項4〜6に記載の積層型圧電素子。
- 前記ギャップ間空孔の平均径が、0.04μm以上、0.18μm以下である請求項5〜7に記載の積層型圧電素子。
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