JP4506172B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロポンプの弁制御等において駆動源として用いられる積層型圧電素子に関する。

従来における積層型圧電素子として、例えば特許文献１に記載されたものがある。この積層型圧電素子は、多数の個別電極が形成された圧電体層とコモン電極が形成された圧電体層とが交互に積層されてなる活性層を備えている。この活性層は、個別電極とコモン電極との間に電圧が印加されることで積層方向に変位する。また、積層方向における一端には、個別電極とコモン電極との間に電圧を印加するための端子電極が多数形成された圧電体層が積層されている。

このような積層型圧電素子においては、積層方向における他端の圧電体層にマイクロポンプの弁等の駆動対象物が取り付けられる。そして、積層方向に整列した複数の個別電極とコモン電極との間に端子電極を介して電圧を印加すると、活性層において当該複数の個別電極に対応する活性部（圧電体層において圧電効果により歪みが生じる部分）が積層方向に変位し、駆動対象物を動作させることができる。

このことから、活性層の変位を積層方向における他端側（すなわち、駆動対象物が取り付けられる側）へ確実に伝達させることが重要であり、それを実現するために、個別電極やコモン電極等の内部電極が形成された活性層と端子電極が形成された圧電体層との間に不活性層を積層する場合がある。
特開２００２−２５４６３４号公報

ところで、活性層の変位を積層方向における他端側へ確実に伝達させるためには、不活性層の厚さを厚くすることが有効である。しかしながら、不活性層に形成されたスルーホールを介して導電部材により内部電極と端子電極とを接続する場合、不活性層の厚さが厚くなるほどスルーホール内への導電部材の充填が困難となり、内部電極と端子電極との電気的な接続が確実に行えないおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、内部電極が形成された活性層と端子電極が形成された圧電体層との間に不活性層を配置する場合に、当該不活性層に形成されたスルーホールを介して内部電極と端子電極とを確実に電気的に接続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、第１の内部電極が形成された第１の圧電体層と第２の内部電極が形成された第２の圧電体層とが交互に積層されてなり、第１の内部電極と第２の内部電極との間に電圧が印加されることで積層方向に変位する活性層と、第１の内部電極に電圧を印加するための第１の端子電極、及び第２の内部電極に電圧を印加するための第２の端子電極が形成された第３の圧電体層とを備える積層型圧電素子であって、活性層と第３の圧電体層との間には、第１の内部電極と第１の端子電極とを電気的に接続するための第１のスルーホール、及び第２の内部電極と第２の端子電極とを電気的に接続するための第２のスルーホールが形成された第４の圧電体層が複数層積層されてなる不活性層が、活性層に対して駆動対象物が取り付けられる側の反対側のみに位置するように配置されており、積層方向において隣り合う第４の圧電体層は、積層方向から見て第１の内部電極と第２の内部電極とが重なる領域において連続していることを特徴とする。

この積層型圧電素子においては、内部電極が形成された活性層と端子電極が形成された第３の圧電体層との間に配置される不活性層は、内部電極と端子電極とを電気的に接続するためのスルーホールが形成された第４の圧電体層が複数層積層されることで構成されている。そのため、スルーホール内に導電部材を確実に配置し得る厚さに第４の圧電体層を形成し、その第４の圧電体層を複数層積層して、活性層の変位を積層方向における第３の圧電体層の反対側（すなわち、駆動対象物が取り付けられる側）へ確実に伝達させ得る厚さに不活性層を構成することができる。これにより、不活性層に形成されたスルーホール内に導電部材が確実に配置されることになるため、不活性層に形成されたスルーホールを介して内部電極と端子電極とを確実に電気的に接続することができる。ここで、不活性層とは、第１の内部電極と第２の内部電極との間に電圧が印加されても、積層方向に変位することがない圧電体層を意味する。

また、第４の圧電体層には、第１のスルーホール内の導電部材に接続された第１の中継電極、及び第２のスルーホール内の導電部材に接続された第２の中継電極が形成されていることが好ましい。これにより、中継電極を介して積層方向において隣り合うスルーホールを中継電極の領域内でずらして（一直線上に配列されないように）形成することができるため、積層方向において隣り合うスルーホール内の導電部材と中継電極とを確実に接続することが可能になる。

本発明によれば、内部電極が形成された活性層と端子電極が形成された圧電体層との間に不活性層を配置する場合に、当該不活性層に形成されたスルーホールを介して内部電極と端子電極とを確実に電気的に接続することができる。

以下、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。同図に示すように、上下方向を積層型圧電素子１の積層方向とし、この積層方向をＺ軸方向としてＸＹＺ座標系を設定する。

積層型圧電素子１は、陽極電極（第１の内部電極）２が形成された圧電体層（第１の圧電体層）３と陰極電極（第２の内部電極）４が形成された圧電体層（第２の圧電体層）５とが交互に積層されてなる活性層６と、この活性層６の上方に配置されて、陽極電極２に電圧を印加するための端子電極（第１の端子電極）７及び陰極電極４に電圧を印加するための端子電極（第２の端子電極）８が形成された圧電体層（第３の圧電体層）９とを備えている。

活性層６と圧電体層９との間において活性層６の上側には、陽極電極２と端子電極７とを電気的に接続するためのスルーホール（第１のスルーホール）１１、及び陰極電極４と端子電極８とを電気的に接続するためのスルーホール（第２のスルーホール）１２が形成された圧電体層（第４の圧電体層）１３が複数層積層されてなる不活性層１４が配置されている。更に、この不活性層１４と圧電体層９との間には圧電体層５が１層配置されている。また、活性層６の下側には、マイクロポンプの弁等の駆動対象物が取り付けられる圧電体層１５が配置されている。

なお、圧電体層３，５は、活性層６の最上層及び最下層が圧電体層５となるように活性層６において交互に８９層積層され、圧電体層１３は連続した状態で８層積層されている。従って、積層型圧電素子１は、１００層の圧電体層３，５，９，１３，１５が積層されることで構成されている。また、各圧電体層３，５，９，１３，１５は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料により「８ｍｍ×８ｍｍ，厚さ８０μｍ」の正方形薄板状に形成されている。

次に、各圧電体層３，５，９，１３，１５について、より詳細に説明する。図２に示すように、圧電体層３の上面においてＹ軸方向における一端側の縁部には、Ｘ軸方向に延在する長方形状の中継電極１６が形成されており、この中継電極１６は、その直下において圧電体層３に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。更に、圧電体層３の上面において中継電極１６が形成されていない領域には、陽極電極２が中継電極１６及び圧電体層３の外周部から所定の間隔をとって長方形状に形成されている。この陽極電極２は、圧電体層３においてＹ軸方向における他端側の縁部に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。

また、図３に示すように、圧電体層５の上面においてＹ軸方向における他端側の縁部には、Ｘ軸方向に延在する長方形状の中継電極１８が形成されており、この中継電極１８は、その直下において圧電体層５に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。更に、圧電体層５の上面において中継電極１８が形成されていない領域には、陰極電極４が中継電極１８及び圧電体層５の外周部から所定の間隔をとって長方形状に形成されている。この陰極電極４は、圧電体層５においてＹ軸方向における一端側の縁部に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。なお、活性層６の最下層の圧電体層５は、Ｙ軸方向における一端側の縁部にスルーホール１７が形成されていない点で他の圧電体層５と異なっている。

また、図４に示すように、最上層の圧電体層９の上面には、Ｘ軸方向に延在する長方形状の端子電極７,８が形成されている。端子電極７は、積層方向において圧電体層５の中継電極１８に対向しており、端子電極８は、積層方向において圧電体層３の中継電極１６に対向している。各端子電極７，８は、それぞれの直下において圧電体層９に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。なお、これらの端子電極７，８には、駆動電源に接続するためのリード線が半田付けされる。

また、図５に示すように、圧電体層１３の上面には、積層方向において圧電体層５の中継電極１８に対向するようにＸ軸方向に延在する長方形状の中継電極（第１の中継電極）１９が形成されている。更に、圧電体層１３の上面には、積層方向において圧電体層３の中継電極１６に対向するようにＸ軸方向に延在する長方形状の中継電極（第２の中継電極）２１が形成されている。中継電極１９は、その直下において圧電体層１３に形成されたスルーホール１１内の導電部材に接続され、中継電極２１は、その直下において圧電体層１３に形成されたスルーホール１２内の導電部材に接続されている。

また、図６に示すように、最下層の圧電体層１５の上面には、積層方向から見て圧電体層３の陽極電極２及び圧電体層５の陰極電極４と重なる外形を有する陽極電極２２が圧電体層１５の外周部から所定の間隔をとって形成されている。

以上のように電極パターンが形成された圧電体層３，５，９，１３，１５の積層によって、図７に示すように、最上層の端子電極７に対しては、積層方向において陽極電極２，２２及び中継電極１８，１９が整列し、整列した各電極２，１８，１９，２２は、スルーホール１１，１７内の導電部材２３により電気的に接続されることになる。一方、最上層の端子電極８に対しては、積層方向において陰極電極４及び中継電極１６，２１が整列し、整列した各電極４，１６，２１は、スルーホール１２，１７内の導電部材２３により電気的に接続されることになる。

このような積層型圧電素子１における電気的接続により、端子電極７と端子電極８との間に電圧を印加すると、陽極電極２，２２と陰極電極４との間にも電圧が印加される。これにより、活性層６の圧電体層３，５において陽極電極２，２２と陰極電極４とで挟まれた部分に電界が生じ、当該部分が活性部として積層方向に変位することになる。

以上のように、積層型圧電素子１においては、陽極電極２及び陰極電極４が形成された活性層６と端子電極７，８が形成された圧電体層９との間に配置される不活性層１４は、スルーホール１１，１２が形成された圧電体層１３が複数層積層されることで構成されている。そのため、スルーホール１１，１２内に導電部材２３を確実に配置し得る厚さに圧電体層１３を形成し（例えば、スルーホール１１，１２の内径が５０μｍ以下の場合、圧電体層１３の厚さは１００μｍ以下にするのが好ましい）、その圧電体層１３を複数層積層して、活性層６の変位を圧電体層１５側（すなわち、駆動対象物が取り付けられる側）へ確実に伝達させ得る厚さに不活性層１４を構成することができる。これにより、不活性層１４に形成されたスルーホール１１，１２内に導電部材２３が確実に配置されることになるため、スルーホール１１を介して導電部材２３により陽極電極２と端子電極７とを確実に接続することができ、同様に、スルーホール１２を介して陰極電極４と端子電極８とを確実に接続することができる。

また、不活性層１４を構成する圧電体層１３には、スルーホール１１内の導電部材２３に接続された中継電極１９、及びスルーホール１２内の導電部材２３に接続された中継電極２１が形成されている。これにより、図７に示すように、中継電極１９を介して積層方向において隣り合うスルーホール１１，１１を中継電極１９の領域内でずらして（一直線上に配列されないように）形成することができるため、積層方向において隣り合うスルーホール１１，１１内の導電部材２３と中継電極１９とを確実に接続することが可能になる。同様にして、積層方向において隣り合うスルーホール１２，１２内の導電部材２３と中継電極２１とを確実に接続することが可能になる。なお、積層型圧電素子１においては、他のスルーホール１７も一直線上に配列されないように形成されているため、各スルーホール１７内の導電部材２３と各電極２，４，１６，１８とも確実に接続される。

また、不活性層１４と圧電体層９との間に圧電体層５が配置されていることから、次のような効果が奏される。すなわち、仮に圧電体層５が配置されず、不活性層１４を構成する圧電体層１３のみが積層されると、圧電体層１３では、その上面の両縁部にのみ中継電極１９，２１が形成されているため、圧電体層１３と中継電極１９，２１との収縮率の差によって積層型圧電素子１が変形するおそれがある。そこで、陰極電極４及び中継電極１８が上面のほぼ全面に渡って形成された圧電体層５を不活性層１４の上側に配置することで、前述した積層型圧電素子１の変形を防止することができる。

次に、上述した積層型圧電素子１の作製手順について説明する。まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、この基体ペーストを用いて各圧電体層３，５，９，１３，１５となるグリーンシートを成形する。また、銀及びパラジウムを主成分とする材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合して導電ペーストを作製する。

続いて、各圧電体層３，５，９，１３，１５となるグリーンシートの所定の位置にレーザ光を照射してスルーホール１１，１２，１７を形成する。そして、スルーホール１１，１２，１７内に対して、導電ペーストを用いて充填スクリーン印刷を行い、導電部材２３を形成する。その後、各圧電体層３，５，１３，１５となるグリーンシートに対しては、導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、各電極２，４，１６，１８，１９，２１，２２を形成する。また、最上層の圧電体層９となるグリーンシートに対しては、導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、下地電極を形成する。

続いて、電極パターンが形成されたグリーンシートを上述した順序で積層し、積層方向にプレスを行って積層体グリーンを作製する。この積層体グリーンを脱脂・焼成した後、圧電体層９となる焼結シートの下地電極に対して銀の焼付電極を施し、端子電極７，８を形成する。その後、分極処理を行って積層型圧電素子１を完成させる。なお、端子電極７，８の材料として金や銅等を用いてもよい。また、端子電極７，８の形成方法としてスパッタリングや無電界メッキ法等を採用してもよい。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。同図に示すように、上下方向を積層型圧電素子３１の積層方向とし、この積層方向をＺ軸方向としてＸＹＺ座標系を設定する。

積層型圧電素子３１は、個別電極（第１の内部電極）３２が形成された圧電体層（第１の圧電体層）３３とコモン電極（第２の内部電極）３４が形成された圧電体層（第２の圧電体層）３５とが交互に積層されてなる活性層３６と、この活性層３６の上方に配置されて、個別電極３２に電圧を印加するための端子電極（第１の端子電極）３７及びコモン電極３４に電圧を印加するための端子電極（第２の端子電極）３８が形成された圧電体層（第３の圧電体層）３９とを備えている。

活性層３６と圧電体層３９との間において活性層３６の上側には、個別電極３２と端子電極３７とを電気的に接続するためのスルーホール（第１のスルーホール）４１、及びコモン電極３４と端子電極３８とを電気的に接続するためのスルーホール（第２のスルーホール）４２が形成された圧電体層（第４の圧電体層）４３が複数層積層されてなる不活性層４４が配置されている。更に、この不活性層４４と圧電体層３９との間には圧電体層３５が１層配置されている。また、活性層３６の下側には、マイクロポンプの弁等の駆動対象物が取り付けられる圧電体層４５が配置されている。

なお、圧電体層３３，３５は、活性層３６の最上層及び最下層が圧電体層３５となるように活性層３６において交互に５層積層され、圧電体層４３は連続した状態で２層積層されている。従って、積層型圧電素子３１は、１０層の圧電体層３３，３５，３９，４３，４５が積層されることで構成されている。また、各圧電体層３３，３５，３９，４３，４５は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料により「１２ｍｍ×１２ｍｍ，厚さ８０μｍ」の正方形薄板状に形成されている。

次に、各圧電体層３３，３５，３９，４３，４５について、より詳細に説明する。図９に示すように、圧電体層３３の上面には、多数の長方形状の個別電極３２がマトリックス状に配置されている。各個別電極３２は、その長手方向がＹ軸方向に沿うように配置されており、隣り合う個別電極３２，３２は、所定の間隔をとることによって電気的な独立が達成され、且つ互いの振動による影響が防止されている。

ここで、Ｘ軸方向を行方向、Ｙ軸方向を列方向とすると、個別電極３２は、２行８列というように配置されている。このように、多数の個別電極３２をマトリックス状に配置することで、圧電体層３３に対して効率の良い配置が可能となるため、圧電体層３３において振動に寄与する活性部の面積を維持しつつ、積層型圧電素子３１の小型化或いは個別電極３２の高集積化を図ることができる。

なお、１行目及び２行目の個別電極３２は、Ｙ軸方向における外方側の端部を接続端部３２ａとし、その接続端部３２ａの直下において圧電体層３３に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。

更に、圧電体層３３の上面の縁部には、上下に位置する圧電体層３５のコモン電極３４，３４を電気的に接続するための中継電極４６が形成されている。この中継電極４６は、その直下において圧電体層３３に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。

また、図１０に示すように、圧電体層３５の上面には、積層方向において圧電体層３３の各接続端部３２ａに対向するように中継電極４８が形成されている。各中継電極４８は、その直下において圧電体層３５に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。

更に、圧電体層３５の上面には、１行目の中継電極４８と２行目の中継電極４８とで挟まれるように長方形状のコモン電極３４が形成されている。このコモン電極３４は、積層方向から見て、各個別電極３２の接続端部３２ａを除く部分と重なっている。これにより、圧電体層３３，３５において各個別電極３２の接続端部３２ａを除く部分に対向する部分の全体を、振動に寄与する活性部として有効に用いることができる。

なお、コモン電極３４は、積層方向において圧電体層３３の中継電極４６に対向するように圧電体層３５に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。ただし、活性層３６の最下層の圧電体層３５においては、積層方向において圧電体層３３の中継電極４６に対向するスルーホール１７が形成されていない。

また、図１１に示すように、最上層の圧電体層３９の上面には、積層方向において圧電体層３５の各中継電極４８に対向するように端子電極３７が形成され、積層方向において圧電体層３３の中継電極４６に対向するように端子電極３８が形成されている。各端子電極３７，３８は、その直下において圧電体層３９に形成されたスルーホール１７内の導電部材に接続されている。なお、これらの端子電極３７，３８には、駆動電源に接続するためのリード線が半田付けされる。

また、図１２に示すように、圧電体層４３の上面には、積層方向において圧電体層３５の中継電極４８に対向するように中継電極（第１の中継電極）４９が形成され、積層方向において圧電体層３３の中継電極４６に対向するように中継電極（第２の中継電極）５１が形成されている。各中継電極４９は、その直下において圧電体層４３に形成されたスルーホール４１内の導電部材に接続され、中継電極５１は、その直下において圧電体層４３に形成されたスルーホール４２内の導電部材に接続されている。

また、図１３に示すように、最下層の圧電体層４５の上面には、積層方向において圧電体層３３の各個別電極３２に対向するように、個別電極３２と同等形状の個別電極５２が形成されている。

以上のように電極パターンが形成された圧電体層３３，３５，３９，４３，４５の積層によって、図１４に示すように、最上層の端子電極３７に対しては、積層方向において個別電極３２，５２及び中継電極４８，４９が整列し、整列した各電極３２，４８，４９，５２は、スルーホール４１，１７内の導電部材２３により電気的に接続されることになる。一方、最上層の端子電極３８に対しては、積層方向においてコモン電極３４及び中継電極４６，５１が整列し、整列した各電極３４，４６，５１は、スルーホール４２，１７内の導電部材２３により電気的に接続されることになる。

このような積層型圧電素子３１における電気的接続により、所定の端子電極３７と端子電極３８との間に電圧を印加すると、当該所定の端子電極３７下に整列する個別電極３２，５２とコモン電極３４との間にも電圧が印加される。これにより、活性層３６の圧電体層３３，３５において電圧が印加された個別電極３２，５２とコモン電極３４とで挟まれた部分に電界が生じ、当該部分が活性部として積層方向に変位することになる。

以上のように、積層型圧電素子３１においても、個別電極３２及びコモン電極３４が形成された活性層３６と端子電極３７，３８が形成された圧電体層３９との間に配置される不活性層４４は、スルーホール４１，４２が形成された圧電体層４３が複数層積層されることで構成されている。従って、第１実施形態の積層型圧電素子１と同様に、スルーホール４１を介して導電部材２３により個別電極３２と端子電極３７とを確実に接続することができ、また、スルーホール４２を介してコモン電極３４と端子電極３８とを確実に接続することができる。

なお、上述した積層型圧電素子３１も、第１実施形態の積層型圧電素子１と同様の作製手順で作製される。

第１実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。 図１に示す積層型圧電素子の活性層において陽極電極が形成された圧電体層の平面図である。 図１に示す積層型圧電素子の活性層において陰極電極が形成された圧電体層の平面図である。 図１に示す積層型圧電素子において端子電極が形成された最上層の圧電体層の平面図である。 図１に示す積層型圧電素子の不活性層において中継電極が形成された圧電体層の平面図である。 図１に示す積層型圧電素子において陽極電極が形成された最下層の圧電体層の平面図である。 図１に示す積層型圧電素子のＸ軸方向に垂直な断面図である。 第２実施形態の積層型圧電素子の分解斜視図である。 図８に示す積層型圧電素子の活性層において個別電極が形成された圧電体層の平面図である。 図８に示す積層型圧電素子の活性層においてコモン電極が形成された圧電体層の平面図である。 図８に示す積層型圧電素子において端子電極が形成された最上層の圧電体層の平面図である。 図８に示す積層型圧電素子の不活性層において中継電極が形成された圧電体層の平面図である。 図８に示す積層型圧電素子において個別電極が形成された最下層の圧電体層の平面図である。 図８に示す積層型圧電素子のＸ軸方向に垂直な断面図である。

符号の説明

１，３１…積層型圧電素子、２…陽極電極（第１の内部電極）、３，３３…圧電体層（第１の圧電体層）、４…陰極電極（第２の内部電極）、５，３５…圧電体層（第２の圧電体層）、６，３６…活性層、７，３７…端子電極（第１の端子電極）、８，３８…端子電極（第２の端子電極）、９，３９…圧電体層（第３の圧電体層）、１１，４１…スルーホール（第１のスルーホール）、１２，４２…スルーホール（第２のスルーホール）、１３，４３…圧電体層（第４の圧電体層）、１４，４４…不活性層、１９，４９…中継電極（第１の中継電極）、２１，５１…中継電極（第２の中継電極）、２３… 導電部材、３２…個別電極（第１の内部電極）、３４…コモン電極（第２の内部電極）。

Claims (3)

1. 第１の内部電極が形成された第１の圧電体層と第２の内部電極が形成された第２の圧電体層とが交互に積層されてなり、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に電圧が印加されることで積層方向に変位する活性層と、
   前記第１の内部電極に電圧を印加するための第１の端子電極、及び前記第２の内部電極に電圧を印加するための第２の端子電極が形成された第３の圧電体層とを備える積層型圧電素子であって、
   前記活性層と前記第３の圧電体層との間には、前記第１の内部電極と前記第１の端子電極とを電気的に接続するための第１のスルーホール、及び前記第２の内部電極と前記第２の端子電極とを電気的に接続するための第２のスルーホールが形成された第４の圧電体層が複数層積層されてなる不活性層が、前記活性層に対して駆動対象物が取り付けられる側の反対側のみに位置するように配置されており、
   前記積層方向において隣り合う前記第４の圧電体層は、前記積層方向から見て前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とが重なる領域において連続していることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記不活性層と前記第３の圧電体層との間には、前記第２の内部電極が形成された前記第２の圧電体層が配置されていることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
3. 前記第４の圧電体層には、前記第１のスルーホール内の導電部材に接続された第１の中継電極、及び前記第２のスルーホール内の導電部材に接続された第２の中継電極が形成されてい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。
   

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