JP4249465B2

JP4249465B2 - 積層型圧電素子

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Publication number: JP4249465B2
Application number: JP2002314968A
Authority: JP
Inventors: 宏卓津吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004152910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子に係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子、自動車エンジンの燃料噴射用の駆動素子等に使用される積層型圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電体と内部電極を交互に複数枚積層し、各圧電体を挟む電極間に電圧を印加し、圧電体に生じる逆圧電効果を利用して、大きな変位を得る積層型圧電アクチュエータが提案されている。
【０００３】
積層型圧電アクチュエータを作製する方法としては、同時焼成による方法がある。この同時焼成による方法では、圧電体の厚みを薄くすることが比較的容易であり、低電圧で印加電界を高くできるため、大きな変位量が得られる。
【０００４】
従来から、同時焼成による積層型圧電アクチュエータの構造としては、内部電極がアクチュエータ本体の圧電体面積より小さい、部分電極構造の積層型圧電アクチュエータが知られており、この積層型圧電アクチュエータの概略断面図を図１５に示す。
【０００５】
この積層型圧電アクチュエータでは、圧電体１と複数の内部電極２（２ａ、２ｂ）が交互に積層された状態で同時焼成され、アクチュエータ本体３が形成されており、内部電極２ａは、アクチュエータ本体３の他方の側面に形成された外部電極４ａに、内部電極２ｂは、アクチュエータ本体３の一方の側面に形成された外部電極４ｂに電気的に接続されている。内部電極２ａと内部電極２ｂで挟まれた圧電体は、図１５の矢印の方向に分極されている。
【０００６】
しかしながら、図１５に示したような部分電極構造の積層型圧電アクチュエータでは、内部電極２ａと内部電極２ｂが相互に重なり合う部分（圧電体１が内部電極２ａ、２ｂにより挟持された部分）に位置する圧電体１は逆圧電効果によって歪みが発生するが、アクチュエータ本体３の側面近傍では、圧電体１が内部電極２ａ、２ｂにより挟持されていないため逆圧電効果が発生せず、積層型圧電アクチュエータ全体としての変位量が低いという問題があった。
【０００７】
また、同一圧電体１中にて逆圧電効果によって発生する歪みが不均一になることより、内部電極２ａ、２ｂの先端付近に大きな応力集中が発生し、このような応力集中により、内部電極２ａ、２ｂ先端から圧電体１にクラックが進展して、圧電体１の破壊に至るという問題があった。
【０００８】
このような問題を解決するため、アクチュエータ本体の側面に凹溝を形成し、この凹溝内に絶縁体を充填し、これにより、内部電極の一端部と外部電極との絶縁を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
しかしながら、この特許文献１に開示された積層型圧電アクチュエータでは、凹溝の形状、寸法の効果により生じる圧電体内での電界集中、および応力集中が定量的に測定または評価されていなかったため、溝の形状、寸法が最適なものとされておらず、電界集中に起因する応力集中、および形状に起因する応力集中を充分に低減することができなかった。
【００１０】
特に、外部電極と凹溝内の絶縁体で絶縁されている内部電極先端付近では電界分布が大きく集中し、圧電体や圧電体と内部電極との界面で応力集中が発生し機械的破壊が生じたり、凹溝内の絶縁体が絶縁破壊し、寿命が短くなるという問題があった。
【００１１】
この問題に対して、ダイヤモンド円板砥石等の機械加工により、圧電体の積層方向に平行な平坦状底面を有する凹溝を形成し、該平坦状底面の積層方向における長さをＬ、前記内部電極層の厚みをｔ１、前記圧電体層の厚みをｔ２とした時、０．２≦（Ｌ−ｔ１）／ｔ２＜１の関係を満足する積層型圧電アクチュエータが知られている（特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１−１４７８８０号公報
【特許文献２】
特開２００１−７７４３６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このような積層型圧電アクチュエータでは、絶縁破壊、機械的破壊が生じにくく、高信頼性の積層型アクチュエータが得られるものの、自動車エンジンの燃料噴射用の駆動素子等に使用される積層型圧電アクチュエータでは、さらなる信頼性向上が求められていた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる素子本体と、該素子本体の側面に設けられ、かつ前記内部電極の一端部を交互に接続する一対の外部電極とを具備するとともに、前記内部電極の他端部が前記素子本体の側面に設けられた凹溝内の絶縁体により前記外部電極と絶縁されている積層型圧電素子であって、前記凹溝を有する前記素子本体は前記複数の圧電体と前記複数の内部電極とが同時焼成されて形成されており、前記凹溝内表面に前記圧電体を構成するセラミック粒子による凹凸が形成され、かつ前記凹溝の積層方向開口幅をＷ、前記内部電極の積層方向厚みをｔｅ、前記圧電体の積層方向厚みをｔとしたとき、１≦（Ｗ−ｔｅ）／ｔの関係を満足することを特徴とする。
【００１５】
本発明では、従来の機械的切削の凹溝加工では、除去される部分の方が残される部分よりも大きくなり、強度が低下するため、凹溝加工が困難となる１≦（Ｗ−ｔｅ）／ｔの関係を満足する凹溝を形成できるため、凹溝内の絶縁体で外部電極と絶縁された内部電極の先端付近の圧電体内での電界集中をさらに抑制でき、その圧電体および凹溝内の絶縁体の絶縁破壊を防止できるとともに、内部電極先端付近での電界集中に起因する圧電体および内部電極における応力集中をさらに抑制することができ、機械的破壊を防止して積層型圧電素子の信頼性を高め、長寿命化を図ることができる。
【００１６】
また、凹溝内表面には圧電体を構成するセラミック粒子による凹凸が形成されているため、凹溝内に充填される絶縁体を、アンカー効果により凹溝内に確実に保持固定できる。
【００１７】
本発明の積層型圧電素子は、圧電体の分極方向誘電率をε１、凹溝内の絶縁体の誘電率をε２とした時、ε２／ε１＜１の関係を満足することを特徴とする。このような構成を採用することにより、凹溝内の絶縁体で外部電極と絶縁された内部電極先端付近での電界集中をさらに抑制できる。
【００１８】
また、本発明の積層型圧電素子は、圧電体の分極方向の縦弾性率をＥ１、凹溝内の絶縁体の縦弾性率をＥ２とした時、Ｅ２／Ｅ１＜１の関係を満足することを特徴とする。このような構成を採用することにより、内部電極先端付近および凹溝の底面隅部付近での応力集中を更に抑制できるとともに、積層型圧電素子の変位量を大きくできる。
【００１９】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、凹溝の深さをＤ、圧電体の抵抗率をρｐ、絶縁体の抵抗率をρｉとした時、Ｄ≧（ρｉ／ρｐ）・ｔの関係を満足することを特徴とする。このような構成を採用することにより、凹溝底面に露出した内部電極と外部電極との絶縁性が高くなり、絶縁破壊を抑制できる。
【００２０】
さらに、本発明の積層型圧電素子は、凹溝内表面の凹凸を構成するセラミック粒子の粒径が２μｍ以上であることを特徴とする。このような構成を採用することにより、凹溝の底面角部での応力集中を緩和できるので、寿命を長くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一形態である積層型圧電アクチュエータを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う縦断面図である。図１において、符号１１は四角柱状の素子本体を示すもので、この素子本体１１は、複数の圧電体１３と複数の内部電極１５を交互に積層して構成されている。
【００２２】
内部電極１５の端部は素子本体１１の３側面に露出しており、また、内部電極１５の上下両側に位置する圧電体１３は、向きが反対となるように分極処理され、図１（ｂ）に示す矢印の方向に分極処理されている。
【００２３】
内部電極１５は積層順に交互に第１内部電極１５ａまたは第２内部電極１５ｂとされ、第１内部電極１５ａと第２内部電極１５ｂに異なる電位を与えることによって、圧電体１３に厚さ方向の電界を印加できる。
【００２４】
素子本体１１は四角柱状であり、その４側面のうち対向する側面が外部電極形成用側面１６ａ、１６ｂとされ、これらの外部電極形成用側面１６ａ、１６ｂに外部電極１７ａ、１７ｂがそれぞれ形成されている。外部電極１７ａには第１内部電極層１５ａの端部が接続され、第２内部電極層１５ｂの端部とは絶縁され、また外部電極１７ｂには第２内部電極層１５ｂが接続され、第１内部電極層１５ａの端部とは絶縁されている。
【００２５】
即ち、第１内部電極層１５ａの一端部は外部電極形成用側面１６ａに露出し、第２内部電極層１５ｂの他端部は、外部電極形成用側面１６ａに形成された凹溝１９内に充填された絶縁体２１により、外部電極形成用側面１６ａには露出していない。このため、外部電極形成用側面１６ａに外部電極１７ａを形成した際には、第１内部電極層１５ａの一端部のみが外部電極１７ａと接続されることになる。
【００２６】
一方、第２内部電極層１５ｂの一端部は外部電極形成用側面１６ｂに露出し、第１内部電極層１５ａの他端部は、外部電極形成用側面１６ｂに形成された凹溝１９内に充填された絶縁体２１により、外部電極形成用側面１６ｂには露出していない。このため、外部電極形成用側面１６ｂに外部電極１７ｂを形成した際には、第２内部電極層１５ｂの一端部のみが外部電極１７ｂと接続されることになる。
【００２７】
即ち、外部電極形成用側面１６ａに形成された凹溝１９の底面２３の中央部には、第２内部電極層１５ｂの他端部が露出し、外部電極１７ａとは絶縁体２１により絶縁され、外部電極形成用側面１６ｂに形成された凹溝１９の底面２３の中央部には、第１内部電極層１５ａの他端部が露出し、外部電極１７ｂとは絶縁体２１により絶縁されている。
【００２８】
そして、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、図２に示すように、圧電体１３と内部電極１５が交互に積層された積層方向における、凹溝１９の開口幅をＷ、圧電体１３の厚さをｔ、内部電極１５の厚さをｔｅとしたとき、１≦（Ｗ−ｔｅ）／ｔを満足している。
【００２９】
このような関係を満足せしめたのは、（Ｗ−ｔｅ）／ｔの値が１よりも小さい場合には、凹溝１９の底面２３に露出する内部電極１５先端部近傍の圧電体１３に応力が集中し易く、この部分にクラック等が入り、破損し易くなるからである。
【００３０】
一方、（Ｗ−ｔｅ）／ｔ＞１．８であると、凹溝１９間に残存する圧電体１３の強度が不足し、アクチュエータ駆動時に凹溝１９の底面角部付近で残存した圧電体１３が折れ易くなる傾向があるため、（Ｗ−ｔｅ）／ｔ≦１．８であることが望ましい。
【００３１】
以上のように構成された積層型圧電アクチュエータは、従来の製法では、（Ｗ−ｔｅ）／ｔの値を、凹溝機械加工時に破損する危険性が高いため設定するはずのない、１以上とすることができ、この場合には、応力集中を更に緩和することができるので、疲労寿命をいっそう向上させることができる。また、この積層型圧電アクチュエータの場合、応力集中する個所が内部電極先端付近の圧電磁器と、凹溝底面角部付近の圧電磁器であるが、（Ｗ−ｔｅ）／ｔの値を１以上とすることにより、応力集中部の距離を離すことができ、応力集中部周辺の高応力部の重なり部分を減らすことができ、内部電極１５先端と凹溝底面角部の間の圧電磁器における応力値を低下させることができる。
【００３２】
また、圧電体１３の分極方向の誘電率ε１と絶縁体２１の誘電率ε２との比は、ε２／ε１＜１とされており、これにより、凹溝１９の底面２３に露出した内部電極１５先端付近の圧電体１３における集中電界値を低下させることができる。内部電極１５の電界集中を抑え、絶縁破壊を防止するという点から、ε２／ε１≦０．１であることが望ましい。
【００３３】
さらに、圧電体１３の分極方向の縦弾性率（ヤング率）Ｅ１と絶縁体２１のヤング率Ｅ２との比は、Ｅ２／Ｅ１＜１とされており、これにより、圧電体１３が駆動によりひずみを発生したときに、絶縁体２１と圧電体１３のひずみの不一致によって、凹溝１９の上下に位置する圧電体１３に曲げ力が発生することを緩和できる。凹溝１９の上下に位置する圧電体１３に曲げ力による破壊を防止するという点から、Ｅ２／Ｅ１≦０．１であることが望ましい。
【００３４】
また、凹溝１９の深さをＤ、圧電体１３の厚みをｔ、圧電体１３の抵抗率をρｐ、絶縁体２１の抵抗率をρｉとすると、Ｄ≧（ρｉ／ρｐ）・ｔという関係を満たしている。これにより、内部電極１５間に高電界を印加したときに、内部電極１５先端と、接続されてない方の外部電極１７、すなわち、内部電極１５ａの先端と外部電極１７ｂの間で絶縁破壊する危険性が低くなる。
【００３５】
本発明の積層型圧電アクチュエータは、素子本体１１を複数個、接着剤を介して連結することで、変位量を大きくする事ができる。変位量を大きくする為には、圧電体１３と内部電極１５の積層数を多くすれば良いが、一度に多数積層するのは製造上困難性が増大し、歩留りが低下するので、比較的少ない積層数の素子本体１１を複数個接着した方が、歩留り、信頼性が向上する。
【００３６】
本発明の積層型圧電アクチュエータの製法について説明する。先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、アクリル樹脂や、ブチラール樹脂などの有機高分子からなる有機バインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、例えばスリップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００３７】
このグリーンシートを所定の寸法に打ち抜いた後、図３（ａ）に示すようにグリーンシート３１の片面に、内部電極となる、例えば銀、銀−パラジウム、Ｃｕを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷し、乾燥させて内部電極パターン３３を形成する。
【００３８】
この後、内部電極パターン３３上に、図３（ｂ）に示すように、作製したグリーンシート３５を、内部電極パターン３３を挟むように重ね、加圧してシート積層体３７を作製する。尚、図３（ａ）のように、広いグリーンシート３１の中央部に導電性ペーストを塗布し、この導電性ペーストを覆うようにグリーンシート３５を積層し、これをカットして、図３（ｂ）に示すようなシート積層体３７を作製する。このようなシート積層体３７を多数作製する。
【００３９】
次に打ち抜き装置を用いて、図４に示すように、複数のシート積層体３７にそれぞれ多数の貫通孔３９を規則的に整列した状態で形成する。これらの貫通孔３９は、凹溝１９の大きさによって寸法は異なってくるが、例えば幅２ｍｍ、長さ１０ｍｍ程度の大きさの長方形形状とする。
【００４０】
そして、図５（ａ）に示すように、複数のシート積層体３７に形成した多数の貫通孔３９に飛散物質４１を充填する。この飛散物質４１は、脱バイ〜焼成時（熱処理時）に飛散する物質からなるもので、低温域で分解飛散する低温分解有機物と、高温域で分解飛散する高温分解有機物とから構成されている。
【００４１】
低温分解有機物としては、アクリル樹脂や、ブチラール樹脂などの有機高分子樹脂等があるが、本発明では、セラミックグリーンシート３１に用いられるバインダ樹脂を、低温分解有機物として用いている。特に、低温分解有機物として、シート積層体３７同士の加熱圧着時の接着力、及び脱バイ時の易分解性の点からアクリル樹脂が望ましい。尚、本発明では、低温分解有機物とは、６００℃までに分解飛散する有機物である。
【００４２】
また、高温分解有機物としては、フェノール粉末、アクリルビーズ、カーボンビーズ、もしくはカーボンファイバーがある。焼成温度近くまで、残留するという点、及びアクリル樹脂やブチラール樹脂などの有機高分子樹脂と混合してシート状飛散物質の作製が容易という点から、高温分解有機物としては、カーボンビーズ、もしくはカーボンファイバーが望ましい。尚、本発明においては、高温分解有機物とは、７５０℃でも分解せずに残留する有機物である。
【００４３】
低温分解有機物と高温分解有機物の混合比率は、高温分解有機物１００重量部に対して低温分解有機物を２５〜６０重量部であることが望ましく、特に収縮を合致させるという点から、低温分解有機物は３５〜４５重量部であることが望ましい。
【００４４】
貫通孔３９に充填される飛散物質４１は、低温分解有機物と高温分解有機物を混合したスラリー状のものであっても良く、また、低温分解有機物と高温分解有機物の混合物をシート状に成形し、このシート状飛散物質４１を貫通孔３９内に収納しても良い。
【００４５】
シート状に成形された飛散物質４１を貫通孔３９内に収納することにより、飛散物質４１の貫通孔３９からのはみ出しを防止することができる。シート状の飛散物質４１を、シート積層体３７の貫通孔３９内に収容するには、図５（ｂ）に示すように、シート積層体３７の表面に飛散物質シート４３を積層し、これを、貫通孔３９を形成するために作製したプレス型により、押出量を制御して打ち抜き加工し、この後、シート積層体３７の表面に残存する飛散物質シート４３を剥離することにより、貫通孔３９内にシート状の飛散物質４１が収容されたシート積層体３７を作製できる。
【００４６】
シート積層体３７の貫通孔３９に、シート状の飛散物質４１を充填する場合、上記のようにして、貫通孔３９内にシート状の飛散物質４１を収容したシート積層体３７を加圧して、シート積層体３７とシート状の飛散物質４１との厚み差を小さくすることが望ましい。特に厚み差は５μｍ以下とすることが望ましい。これにより、加圧一体化する工程において、シート積層体３７とシート状飛散物質４１の収縮率を同等にすることが可能となり、シート積層体３７とシート状飛散物質４１の収縮差に伴う積層界面の空隙、もしくは変形を防止することが可能となる。
【００４７】
飛散物質シート４３は、上記した高温分解有機物と、アクリル樹脂や、ブチラール樹脂などの低温分解有機物と、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、グリーンシート３１と同様に、例えばスリップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍにて作製される。
【００４８】
この後、貫通孔３９に飛散物質４１が充填されたシート積層体３７を、交互に位置をずらして積層し、その後、５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧して一体化し、図６に示すような積層体を作製する。
【００４９】
この後、積層体を、図６（ａ）、（ｂ）で示す一点鎖線で、即ち、貫通孔３９中央部で切断して、図７（ａ）に示すように、内部に飛散物質４１が充填された凹溝１９が、対向する側面に内部電極パターン３３一層置きに形成された、素子本体成形体５３を作製する。尚、グリーンシート３１、３５は全て同一厚みとした。
【００５０】
この素子本体成形体５３は、対向する側面に内部電極パターン３３一層置きに凹溝１９が形成されており、これらの凹溝１９の底面中央には内部電極パターン３３端が露出し、さらに凹溝１９内には熱処理により分解する飛散物質４１が充填されている。
【００５１】
その後、大気中において４００〜８００℃で５〜４０時間の脱バイを行なう。この際、飛散物質４１が分解飛散し、素子本体成形体５３の対向する側面に凹溝１９が形成される。その後、脱バイと連続して９００〜１２００℃で２〜５時間で本焼成が行われ、図８に示すように、圧電体１３と内部電極１５が交互に積層された素子本体６１が作製される。この素子本体６１は柱状で、対向する側面には、底面に内部電極１５端が露出する凹溝１９が、一側面において内部電極１５一層おきに形成されている。
【００５２】
凹溝１９は断面が矩形状をしており、凹溝１９間の圧電体は変形せず、凹溝１９を形成する圧電体、即ち凹溝１９の対向する側面はほぼ平行とされている。また、グリーンシート３１の厚みを同一厚みとしたため、凹溝１９の底面２３の積層方向中央には内部電極１５の端部が露出している。凹溝１９の内表面は、焼き上がり面とされており、何等加工されていないため、圧電体１３を形成するセラミック粒子により凹凸が形成されている。即ち、凹溝１９の内表面には、一部が埋設されたセラミック粒子により凹凸が形成されている。
【００５３】
この後、例えば、素子本体６１の凹溝１９が形成された側面において、凹溝１９以外の素子本体６１の側面に露出した内部電極１５およびこの内部電極１５の近傍の圧電体１３表面に、銀ガラス導電性ペーストを塗布乾燥し、この銀ガラス導電性ペーストに金属板を押圧するように荷重を加えた状態で７００〜９５０℃で熱処理することにより、銀ガラス導電性ペースト中のガラスが溶融し、溶融したガラス中に存在する銀成分が内部電極１５の端部に集合し、図９に示すように、素子本体６１の側面から突出する突起状導電性端子６５が形成されるとともに、該突起状導電性端子６５の先端部に金属板からなる外部電極６３を接合する。
【００５４】
この後、凹溝１９内及び外部電極６３と素子本体６１との間に絶縁樹脂６９を充填し、また、内部電極１５端が露出している素子本体６１の他の側面にも絶縁樹脂６９を被覆して、積層型圧電アクチュエータを作製できる。
【００５５】
以上のような積層型圧電アクチュエータの製法では、素子本体成形体５３の凹溝１９内に充填された飛散物質４１が、低温域で分解飛散する、セラミックグリーンシート３１に用いられるバインダ樹脂と同一の低温分解有機物と、高温域で分解飛散する高温分解有機物とを含有するため、脱バイ〜焼成工程の低温時においては低温分解有機物と高温分解有機物により、また高温時には高温分解有機物により、凹溝１９を形成するグリーンシート３１、３５が固化するまで形状を保持でき、これにより、凹溝１９形状の変形を防止してほぼ設計通りの矩形状とすることができ、１≦（Ｗ−ｔｅ）／ｔ≦１．８を満足させることができる。さらに、凹溝１９におけるクラックや積層界面のデラミネショーンなどの欠陥がない寸法通りの凹溝を確実にかつ一挙に形成できる。
【００５６】
また、低温分解有機物が、セラミックグリーンシートに用いられるバインダ樹脂と同一であるため、加圧して一体化する場合における飛散物質の積層方向への収縮をグリーンシートにさらに近づけることができ、また、低温域での脱脂状態をグリーンシートに近づけることができ、凹溝の変形や、凹溝近傍におけるクラックやデラミネーションを抑制できる。
【００５７】
また、上記した製法を用いることにより、従来の機械的加工では困難であった、素子本体６１の側面に形成された多数の凹溝１９の底面中央に内部電極１５端を露出させることができ、信頼性を向上できる。
【００５８】
また、このような製法によれば、凹溝１９内表面には圧電体１３を構成するセラミック粒子による凹凸が形成されているため、この凹溝１９内に充填される絶縁体２１を、アンカー効果により凹溝１９内に保持固定でき、信頼性を向上できる。また、（Ｗ−ｔｅ）／ｔ＝１を満足するには、グリーンシート３１、３５の厚さを同一とすることにより、即ちグリーンシートの厚さが１種類だけで済むので、製造コストを下げることができる。
【００５９】
さらに、（Ｗ−ｔｅ）／ｔ＞１とするには、図７（ｂ）に示すように、シート積層体３７を積層する際に、これらのシート積層体３７間に、素子本体成形体５３の両側面に凹溝１９を形成するための、飛散物質４１が充填された貫通穴３９を有するグリーンシート３８を介装することにより容易に達成できる。この場合にはさらに信頼性を向上できる。
【００６０】
本発明者は、圧電効果を考慮した有限要素法による応力解析および電場解析を実施した。積層型圧電素子の形状は７ｍｍ角で高さは２０ｍｍで、圧電体の積総数は１５０層であるが、解析は積層構造の周期性を考慮し、内部電極３層に挟まれた圧電体２層分をモデルとし、２次元平面ひずみ問題として解析を行なった。モデルでは、圧電体１３の厚さｔは１００μｍ、内部電極１５の厚さｔｅは２μｍとし、凹溝１９の深さＤは２００μｍ、凹溝１９の開口幅Ｗは１０２μｍとした。有限要素法モデルを図１０に示す。溝の角付近は応力集中するため細かく要素分割しており、要素数は６６７６、節点数は６７６７であった。
【００６１】
解析に用いた材料は、圧電体は一般的なＰＺＴ、内部電極は銀／パラジウムとしＡｇ：Ｐｄ＝７０：３０とした。また凹溝に埋める絶縁体はシリコンゴムとした。
【００６２】
解析条件としては、圧電体の積層方向に平行に１０ＭＰａの圧力がかかっているとした。また、分極処理は互いに隣合った内部電極にそれぞれ３００ボルト、０ボルトの直流電圧をかけて行い、駆動は互いに隣合った内部電極にそれぞれ１５０ボルト、０ボルトをかけて行うものとした。
【００６３】
本発明者は、上記有限要素法解析モデルを基準として、積層方向の凹溝１９の積層方向開口幅Ｗを変化させ、（Ｗ−ｔｅ）／ｔの値を変化させた積層型圧電アクチュエータについて、最大発生応力と磁器静的強度の比を求めた。この結果を図１１に記載した。凹溝１９の開口幅Ｗ以外の寸法と解析条件は、上記と同様である。
【００６４】
この図１１から、（Ｗ−ｔｅ）／ｔが０〜０．２になると急激に低下し、この状態から１．８まで次第に低下することが判る。
【００６５】
図１２はε２／ε１と内部電極先端付近の圧電体１３において発生する大きな電界値の、素子本体の側面より充分内部の圧電体１３に発生する一様な電界値に対する比を、上記と同様の条件で解析して得た結果であり、内部電極先端で生じる電界集中はε２／ε１＝０．１を境に上昇することから、ε２／ε１≦１、特には０．１以下であることが望ましいことが判る。
【００６６】
図１３は絶縁体２１のヤング率Ｅ２と圧電体１３の分極方向ヤング率Ｅ１との比Ｅ２／Ｅ１と、アクチュエータの変位（圧電体２層分）との関係を、上記と同様の条件で解析して得た結果であり、アクチュエータの変位はＥ２／Ｅ１＜１の範囲で大きくなり、Ｅ２／Ｅ１≦０．０１であると特に変位が大きくなり、望ましいことが判る。
【００６７】
図１４は凹溝１９の底面角部に設けたＲと、凹溝底面角部付近の圧電磁器に発生する最大主応力値との関係を、上記と同様の条件で解析して得た結果である。図１４によると、凹溝底面角部のＲが２μｍ以上であれば、凹溝底面角部の応力集中よりも他の部分における応力集中が大きくなる為、凹溝底面角部がアクチュエータ破壊のボトルネックとはならないと考えられる。更に、Ｒが３μｍ以上であれば凹溝角部付近での応力集中は圧電磁器の強度（１００ＭＰａ程度）より充分低く、破壊の危険性は殆ど無くなるといえる。
【００６８】
セラミックスにおいては、クラックの先端はプロセスゾーンなどの微小欠陥等の為に磁器の粒径程度の丸みを持っていると見なせることが知られているので、凹溝底面角部も磁器粒径程度の丸みを持っていると考えることが可能である。従って、凹溝の底面角部にＲを設ける代わりに、磁器粒径を２μｍ以上にすれば、凹溝底面角部付近の応力集中が緩和され、特に磁器粒径を３μｍ以上とすることが望ましいことが判る。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子では、凹溝内の絶縁体で外部電極と絶縁された内部電極の先端付近の圧電体内での電界集中の度合いが低下し、その圧電体内および凹溝内の絶縁体の絶縁破壊を防止できるとともに、内部電極先端付近での電界集中に起因する圧電体および内部電極における応力集中を抑制することができ、機械的破壊を防止して積層型圧電素子の信頼性を高め、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電素子を示すもので、（ａ）平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面の一部を示す図である。
【図２】図１の凹溝およびその近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】積層型圧電素子の製法に用いられるシート積層体の工程図であり、（ａ）はグリーンシート上に内部電極パターンを形成した平面図、（ｂ）は内部電極パターンをグリーンシートで挟持した断面図である。
【図４】シート積層体に多数の貫通孔を規則的に形成した平面図である。
【図５】（ａ）は貫通孔に飛散物質を充填したシート積層体を示す断面図、（ｂ）（ｃ）はシート状飛散物質を貫通孔に充填する工程図である。
【図６】（ａ）は飛散物質が充填されたシート積層体を交互に位置をずらして積層した状態を示す断面図、（ｂ）はその平面図である。
【図７】（ａ）は素子本体成形体の断面図であり、（ｂ）はシート積層体間に、凹溝開口幅Ｗを大きくするためのグリーンシートを介装した状態を示す断面図である。
【図８】素子本体の断面図である。
【図９】積層型圧電素子の断面図である。
【図１０】有限要素法解析モデルの主要部拡大図である。
【図１１】凹溝の開口幅と、発生する最大主応力の圧電体層強度との比の関係を示すグラフである。
【図１２】絶縁体の誘電率ε２と圧電体の分極方向誘電率ε１の比ε２／ε１と、素子本体側面より充分内部で発生する一様電界値に対する電界集中比の関係を示すグラフである。
【図１３】絶縁体のヤング率Ｅ２と圧電体の分極方向ヤング率Ｅ１との比Ｅ２／Ｅ１と、アクチュエータの変位（圧電体２層分）との関係を示すグラフである。
【図１４】凹溝の底面角部のＲと凹溝の底面角部付近の圧電体に発生する最大主応力値との関係を示すグラフである。
【図１５】従来の積層型圧電アクチュエータの一部の断面図である。
【符号の説明】
１１・・・素子本体
１３・・・圧電体
１５ａ、１５ｂ・・・内部電極
１７ａ、１７ｂ・・・外部電極
１９・・・凹溝
２１・・・絶縁体
ｔｅ・・・内部電極の厚さ
ｔ・・・圧電体の厚さ
Ｗ・・・凹溝の開口幅

Claims

複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる素子本体と、該素子本体の側面に設けられ、かつ前記内部電極の一端部を交互に接続する一対の外部電極とを具備するとともに、前記内部電極の他端部が前記素子本体の側面に設けられた凹溝内の絶縁体により前記外部電極と絶縁されている積層型圧電素子であって、前記凹溝を有する前記素子本体は前記複数の圧電体と前記複数の内部電極とが同時焼成されて形成されており、前記凹溝内表面に前記圧電体を構成するセラミック粒子による凹凸が形成され、かつ前記凹溝の積層方向開口幅をＷ、前記内部電極の積層方向厚みをｔｅ、前記圧電体の積層方向厚みをｔとしたとき、１≦（Ｗ−ｔｅ）／ｔの関係を満足することを特徴とする積層型圧電素子。
前記圧電体の分極方向誘電率をε１、前記凹溝内の前記絶縁体の誘電率をε２とした時、ε２／ε１＜１の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
前記圧電体の分極方向の縦弾性率をＥ１、前記凹溝内の前記絶縁体の縦弾性率をＥ２とした時、Ｅ２／Ｅ１＜１の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の積層型圧電素子。
前記凹溝の深さをＤ、前記圧電体の抵抗率をρｐ、前記絶縁体の抵抗率をρｉとした時、Ｄ≧（ρｉ／ρｐ）・ｔの関係を満足することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。
前記凹溝内表面の凹凸を構成する前記セラミック粒子の粒径が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の積層型圧電素子。