JP5087822B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、マイクロポンプの弁制御等、微小変位を必要とする種々の装置の駆動源として用いられる圧電素子に関するものである。

従来の圧電素子として、次のようなものが知られている。すなわち、圧電体と、その圧電体を挟んで対向する内部電極とを有する変位層の変位伝達面とは反対側の端面に、変位層の変位を拘束するための変位拘束層が積層されてなる圧電素子である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２６８３２５号公報

ところで、上述したような圧電素子においては、変位拘束層を厚くすることで、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることができる。しかしながら、圧電素子の更なる小型化等を達成するために、変位拘束層を厚くする技術以外に、変位伝達面側への変位層の変位を大きくし得る技術が望まれている。

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、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることができる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、本発明に係る圧電素子は、圧電体と、圧電体を挟んで対向する第１の内部電極とを有し、第１の内部電極が対向する方向における一端面を変位伝達面とする変位層と、第１の内部電極が対向する方向における変位層の他端面に積層された変位拘束層と、を備え、変位層において、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のヤング率は、変位伝達面側に位置する第１の内部電極のヤング率より高いことを特徴とする。

この圧電素子では、変位層において、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のヤング率は、変位伝達面側に位置する第１の内部電極のヤング率より高くなっている。更に、第１の内部電極が対向する方向における変位層の他端面には、変位拘束層が積層されている。これらにより、変位層が変位するに際して、変位伝達面とは反対側への変位層の変位を抑制することができ、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることが可能になる。

また、第１の内部電極は銀を含んでおり、銀及びパラジウムの合計質量に対するパラジウムの質量比率は、変位層において、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のほうが、変位伝達面側に位置する第１の内部電極より高いことが好ましい。銀（Ａｇ）のヤング率とパラジウム（Ｐｄ）のヤング率とでは、Ｐｄのヤング率のほうが高いことから、この構成によって、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のヤング率を、変位伝達面側に位置する第１の内部電極のヤング率より、確実且つ容易に高くすることができる。なお、この構成には、変位伝達面側に位置する第１の内部電極、及び変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極の双方がＰｄを含む場合は勿論、変位伝達面側に位置する第１の内部電極がＰｄを含まず、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のみがＰｄを含む場合も含まれる。

また、対向する第１の内部電極は個別電極及びコモン電極であり、個別電極は略同一平面上に複数形成されていることが好ましい。これにより、圧電体において各個別電極に対応する部分を活性部（圧電効果により歪みが生じる部分）として選択的に変位させることができる。しかも、変位層において、変位伝達面とは反対側に位置する第１の内部電極のヤング率が、変位伝達面側に位置する第１の内部電極のヤング率より高くなっていることで、隣り合う活性部間における変位の干渉を抑制することが可能になる。

また、変位拘束層は第２の外部電極を有し、第２の外部電極のヤング率は、変位層において、変位伝達面側に位置する第１の内部電極のヤング率より高いことが好ましい。これにより、変位層が変位するに際して、変位伝達面とは反対側への変位層の変位を抑制することができ、変位伝達面側への変位層の変位をより一層大きくすることが可能になる。

また、本発明に係る圧電素子は、圧電体と、圧電体を挟んで対向する第１の内部電極とを有し、第１の内部電極が対向する方向における一端面を変位伝達面とする変位層と、第２の内部電極を有し、第１の内部電極が対向する方向における変位層の他端面に積層された変位拘束層と、を備え、第２の内部電極のヤング率は、第１の内部電極のヤング率より高いことを特徴とする。

この圧電素子では、変位拘束層が有する第２の内部電極のヤング率は、変位層が有する第１の内部電極のヤング率より高くなっている。これにより、変位層が変位するに際して、変位伝達面とは反対側への変位層の変位を抑制することができ、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることが可能になる。

本発明によれば、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることができる。

以下、本発明に係る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。

図１及び図２に示されるように、圧電素子１は、直方体状に形成された積層型の素子であり、圧電効果により積層方向に変位する変位層２と、変位層２の変位を拘束する変位拘束層３とを備えている。変位層２は、積層方向における変位層２の一端面２ａを変位伝達面４としており、変位拘束層３は、積層方向における変位層２の他端面２ｂに積層されている。

変位層２は、個別電極５が他端面に形成された３層の圧電体６と、コモン電極７が他端面に形成された２層の圧電体８とが交互に積層され、更に、コモン電極９が他端面に形成された１層の圧電体１１が変位拘束層３側に積層されると共に、コモン電極１２が他端面に形成された１層の圧電体１３が変位伝達面４側に積層されることで構成されている。また、変位拘束層３は、変位層２側から順に、コモン電極９が他端面に形成された１層の圧電体１１と、端子電極１４，１５が他端面に形成された１層の圧電体１６とが積層されることで構成されている。

これにより、変位層２は、圧電体６，８と、各圧電体６，８を挟んで対向する個別電極５及びコモン電極７とを少なくとも有することになる。また、個別電極５及びコモン電極７が対向する方向は、積層方向と一致することになる。なお、圧電体６，８，１１，１３，１６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミック材料により厚さ３０μｍ程度に形成されている。

変位拘束層３側に積層された２層の圧電体６の他端面には、図３に示されるように、長方形状の個別電極５が互いに所定の間隔をとって複数形成されており、圧電体６において各個別電極５の端部５ａに対応する部分には、スルーホール１７が形成されている。更に、圧電体６の他端面には、中継電極１８が形成されており、圧電体６において中継電極１９に対応する部分には、スルーホール１９が形成されている。なお、個別電極５及び中継電極１８は、Ａｇを主成分とする導電性材料により形成されている。また、スルーホール１７，１９内には、Ａｇを主成分とする導電性材料が充填されている。

変位伝達面４側に積層された１層の圧電体６の他端面にも、上述した圧電体６と同様に、個別電極５及び中継電極１８が形成されている。ただし、図４に示されるように、変位伝達面４側に積層された１層の圧電体６は、スルーホール１７が形成されていない点で上述した圧電体６と異なっている。

圧電体８の他端面には、図５に示されるように、積層方向において各個別電極５の端部５ａと対向するように中継電極２１が形成されており、圧電体８において各中継電極２１に対応する部分には、スルーホール１７が形成されている。更に、圧電体８の他端面には、積層方向から見て、個別電極５における端部５ａ以外の部分の全てを含むようにコモン電極７が形成されており、圧電体８において圧電体６の他端面上の中継電極１８と対向する部分には、スルーホール１９が形成されている。なお、コモン電極７及び中継電極２１は、Ａｇを主成分とする導電性材料により形成されている。

圧電体１３の他端面には、図６に示されるように、その略全面を覆うようにコモン電極１２が形成されている。なお、コモン電極１２は、Ａｇを主成分とする導電性材料により形成されている。

圧電体１１の他端面には、図５に示されるように、積層方向において各個別電極５の端部５ａと対向するように中継電極２２が形成されており、圧電体１１において各中継電極２２に対応する部分には、スルーホール２３が形成されている。更に、圧電体１１の他端面には、積層方向から見て、個別電極５における端部５ａ以外の部分の全てを含むようにコモン電極９が形成されており、圧電体１１において圧電体６の他端面上の中継電極１８と対向する部分には、スルーホール２４が形成されている。なお、コモン電極９及び中継電極２２は、Ａｇ及びＰｄを主成分とする導電性材料により形成されている。また、スルーホール２３，２４内には、Ａｇ及びＰｄを主成分とする導電性材料が充填されている。

圧電体１６の他端面には、図７に示されるように、積層方向において各個別電極５の端部５ａと対向するように端子電極１４が形成されており、圧電体１６において各端子電極１４に対応する部分には、スルーホール２３が形成されている。更に、圧電体１６の他端面には、積層方向において中継電極１８と対向するように端子電極１５が形成されており、圧電体１６において端子電極１５に対応する部分には、スルーホール２４が形成されている。これらの端子電極１４，１５には、駆動電源に接続するために、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）等のリード線が半田付けされる。

以上により、圧電素子１においては、各端子電極１４に対して複数の個別電極５が積層方向に整列し、整列した端子電極１４及び個別電極１５が中継電極２１,２２及びスルーホース１７，２３を介して電気的に接続されることになる。更に、圧電素子１においては、端子電極１５に対して、複数のコモン電極７，９，１２が積層方向に整列し、整列した端子電極１５及びコモン電極７，９，１２が中継電極１８及びスルーホール１９，２４を介して電気的に接続されることになる。

なお、図２に示されるように、積層方向に整列するスルーホール１７，２３を、互いの中心軸がずれるように各圧電体６，８，１１，１６に形成することで、スルーホール１７，２３による電気的な接続をより確実化することができる。このことは、積層方向に整列するスルーホール１９，２４についても同様である。

このような圧電素子１における電気的接続により、所定の端子電極１４と端子電極１５との間に電圧が印加されると、その所定の端子電極１４に対して積層方向に整列する個別電極５と、変位層２のコモン電極７，９，１２との間に電圧が印加されることになる。そうすると、変位層２の圧電体６，８，１１において、電圧が印加された個別電極５とコモン電極７，９，１２とで挟まれた部分が活性部として変位することになる。

以上のように構成された圧電素子１では、変位層２の他端面２ｂに変位拘束層３が積層されていると共に、変位拘束層３が有する電極９，２２、及び変位層２において変位伝達面４とは反対側に位置する電極（ここでは、変位拘束層３側の最外層の電極）９，２２のヤング率が、変位層２において変位伝達面４側に位置する電極（ここでは、変位拘束層３側の最外層の電極以外の電極）５，７，１２，１８，２１のヤング率より高くなっている。これは、電極５，７，１２，１８，２１がＡｇ（ヤング率８．２７×１０^１０Ｐａ）を主成分とする導電性材料により形成されているのに対し、電極９，２２がＡｇ及びＰｄ（ヤング率１１．３×１０^１０Ｐａ）を主成分とする導電性材料により形成されているからである。従って、変位層２が変位するに際して、変位伝達面４とは反対側への変位層２の変位を抑制することができ、変位伝達面４側への変位層の変位を大きくすることが可能になる。

また、圧電体６の他端面に個別電極５が複数形成されているため、圧電体６，８，１１において各個別電極５に対応する部分を活性部として選択的に変位させることができる。しかも、変位層２の他端面２ｂに変位拘束層３が積層されていると共に、変位拘束層３が有する電極９，２２、及び変位層２において変位伝達面４とは反対側に位置する電極９，２２のヤング率が、変位層２において変位伝達面４側に位置する電極５，７，１２，１８，２１のヤング率より高くなっていることで、隣り合う活性部間における変位の干渉を抑制することが可能になる。

次に、上述した圧電素子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や有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製する。そして、この基体ペーストを用いて各圧電体６，８，１１，１３，１６となるグリーンシートを成形する。

続いて、各圧電体６，８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１７，１９を形成する。そして、スルーホール１７，１９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う。その後、圧電体６となるグリーンシートに対して、導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、電極５，１８を形成する。同様に、圧電体８となるグリーンシートに電極７，２１を形成し、圧電体１３となるグリーンシートに電極１２を形成する。なお、ここで用いる導電ペーストは、Ａｇに有機バインダや有機溶剤等を混合して作製したものである。

また、各圧電体１１，１６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２３，２４を形成する。そして、スルーホール２３，２４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う。その後、圧電体１１となるグリーンシートに対して、導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、電極９，２２を形成する。同様に、圧電体１６となるグリーンシートに端子電極１４，１５の下地電極を形成する。なお、ここで用いる導電ペーストは、Ａｇ及びＰｄに有機バインダや有機溶剤等を混合して作製したものである。

続いて、電極が形成されたグリーンシートを所定の順序で積層し、積層方向にプレスを行って各層を圧着させた後、所定の寸法に切断し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１６となる焼結シートに対してＡｇの焼付電極を施し、端子電極１４，１５を形成する。なお、端子電極１４，１５の材料としてＡｕやＣｕ等を用いてもよい。また、端子電極１４，１５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。端子電極１４，１５を形成した後、最後に、分極処理を行って圧電素子１を完成させる。

次に、上述した圧電素子１の比較例及び実施例について説明する。

圧電素子１の比較例及び実施例として、各電極において、Ａｇ及びＰｄの合計質量に対するＡｇ及びＰｄの質量比率を次のようにしたものを作製した。

すなわち、圧電素子１の比較例として、変位拘束層が有する電極、及び変位層において変位伝達面とは反対側に位置する電極における当該質量比率をＡｇ：Ｐｄ＝７０：３０とし、変位層において変位伝達面側に位置する電極における当該質量比率をＡｇ：Ｐｄ＝７０：３０としたものを作製した。また、圧電素子１の実施例として、変位拘束層が有する電極、及び変位層において変位伝達面とは反対側に位置する電極における当該質量比率をＡｇ：Ｐｄ＝７０：３０とし、変位層において変位伝達面側に位置する電極における当該質量比率をＡｇ：Ｐｄ＝７５：２５、８０：２０、８５：１５、９５：５、１００：０としたものを作製した。

なお、個別電極の活性エリアは、長さ１．５ｍｍ、幅１５０μｍとし、素子内に７５個×４列の２次元マトリックス状に配置した。７５個の配列方向においては、個別電極の端部間の間隔を２５０μｍとし、４列の配列方向においては、個別電極の端部間の間隔を１ｍｍとした。

駆動電界強度を活性層の厚さ１ｍｍ当たり１ｋＶとして、隣り合う活性部間における変位の干渉について調べた。その結果、変位層において変位伝達面側に位置する電極におけるＰｄの質量比率を低くした素子ほど、隣り合う活性部間における変位の干渉の抑制効果が向上することが分かった。変位層において変位伝達面側に位置する電極におけるＰｄの質量比率が１５質量％以下の素子で、隣り合う活性部間における変位の干渉の影響が殆ど無くなった。

また、変位層において変位伝達面側に位置する電極におけるＰｄの質量比率を低くした素子では、変位伝達面側への変位層の変位が５％〜１０％大きくなることが分かった。

なお、電極におけるＰｄの質量比率が３０質量％を越えると、素子の脱脂・焼成時に電極の膨張によりデラミネーションが発生し易くなるため、電極におけるＰｄの質量比率は３０質量％以下が好ましい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、圧電素子が積層型であり、その変位層が複数層の圧電体を有していたが、変位層は、１層の圧電体を有するものであってもよい。

また、変位拘束層が電極を有していなくても、更には、変位拘束層が設けられていなくても、変位層において変位伝達面とは反対側に位置する電極のヤング率が、変位層において変位伝達面側に位置する電極のヤング率より高くなっていれば、変位層が変位するに際して、変位伝達面とは反対側への変位層の変位を抑制することができ、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることができる。

また、変位層が有する全ての電極のヤング率が同等であっても、変位拘束層が有する電極のヤング率が、変位層が有する電極のヤング率より高くなっていれば、変位層が変位するに際して、変位伝達面とは反対側への変位層の変位を抑制することができ、変位伝達面側への変位層の変位を大きくすることができる。

また、上述した実施形態におけるＰｄに替えてＰｔを用いてもよい。Ｐｔ（ヤング率１６．８×１０^１０Ｐａ）は、Ｐｄ（ヤング率１１．３×１０^１０Ｐａ）と同様に、Ａｇ（ヤング率８．２７×１０^１０Ｐａ）よりヤング率が高いからである。そして、ＰｔはＰｄよりヤング率が高いことから、変位拘束層が有する電極、及び変位層において変位伝達面とは反対側に位置する電極のＰｄの一部をＰｔに替えれば、変位伝達面側への変位層の変位をより大きくすることができる。

また、上述した実施形態におけるＡｇに替えてＡｕを用いてもよい。Ａｕ（ヤング率７．８×１０^１０Ｐａ）は、Ａｇ（ヤング率８．２７×１０^１０Ｐａ）と同様に、Ｐｄ（ヤング率１１．３×１０^１０Ｐａ）よりヤング率が低いからである。そして、ＡｕはＡｇよりヤング率が低いことから、変位層において変位伝達面側に位置する電極のＡｇの一部をＡｕに替えれば、変位伝達面側への変位層の変位をより大きくすることができる。

本発明に係る圧電素子の一実施形態の斜視図である。 図１に示されたII―II線に沿っての断面図である。 個別電極が他端面に形成された圧電体の平面図である。 個別電極が他端面に形成された圧電体の平面図である。 コモン電極が他端面に形成された圧電体の平面図である。 コモン電極が他端面に形成された圧電体の平面図である。 端子電極が他端面に形成された圧電体の平面図である。

符号の説明

１…圧電素子、２…変位層、２ａ…一端面、２ｂ…他端面、３…変位拘束層、４…変位伝達面、５…個別電極、６，８，１１，１３，１６…圧電体、７，９，１２…コモン電極。

Claims (5)

1. 圧電体と、前記圧電体を挟んで対向する第１の内部電極とを有し、前記第１の内部電極が対向する方向における一端面を変位伝達面とする変位層と、
   前記第１の内部電極が対向する方向における前記変位層の他端面に積層された変位拘束層と、を備え、
   前記変位層において、前記変位伝達面とは反対側に位置する前記第１の内部電極のヤング率は、前記変位伝達面側に位置する前記第１の内部電極のヤング率より高いことを特徴とする圧電素子。
2. 前記第１の内部電極は銀を含んでおり、
   銀及びパラジウムの合計質量に対するパラジウムの質量比率は、前記変位層において、前記変位伝達面とは反対側に位置する前記第１の内部電極のほうが、前記変位伝達面側に位置する前記第１の内部電極より高いことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 対向する前記第１の内部電極は個別電極及びコモン電極であり、前記個別電極は略同一平面上に複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
4. 前記変位拘束層は第２の外部電極を有し、
   前記第２の外部電極のヤング率は、前記変位層において、前記変位伝達面側に位置する前記第１の内部電極のヤング率より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の圧電素子。
5. 圧電体と、前記圧電体を挟んで対向する第１の内部電極とを有し、前記第１の内部電極が対向する方向における一端面を変位伝達面とする変位層と、
   第２の内部電極を有し、前記第１の内部電極が対向する方向における前記変位層の他端面に積層された変位拘束層と、を備え、
   前記第２の内部電極のヤング率は、前記第１の内部電極のヤング率より高いことを特徴とする圧電素子。

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