JP5275746B2 - 圧電素子 - Google Patents

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Description

本発明は、接着剤、コーティング剤等の塗布装置、インクジェット装置、内燃機関の燃料噴射装置等に用いられる高速かつ正確な吐出が可能なインジェクタのアクチュエータ等に用いられる圧電素子に関する。
圧電素子の各種産業分野への用途は広く、従来はそれぞれの用途にあった素子が開発されている。その中で、比較的大きな変位（ストローク）を実現できる圧電素子に関する従来技術として、圧電的不活性部を有する内部電極構造のサブユニットを複数個積み重ねた圧電素子が特許文献１に記載されている。
また、特許文献２に示されているように、圧電材料体と内部電極を有する圧電素子チップを複数積層したチップブロックを接合層を介して複数個接合した圧電素子であって、内部電極が前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面を覆うように形成され、圧電素子の側面に露出した内部電極の端部に電気絶縁層が設けられた圧電素子がある。しかし、近年はこれらの構造面だけではなく環境負荷の少ない材料が必要とされ、従来から圧電材料として用いられていたチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）に替わる鉛を含まない材料が求められている。
鉛を含まない圧電材料として、例えば特許文献３に記載されているBaTi2O5が有望視されているが、BaTi2O5は単体では圧電性能が十分ではなく大きな変位を実現できないことがわかった。発明者らは、BaTi2O5を主構成材料とする圧電材料体と電圧印加電極とを有する圧電素子において、従来電極として用いていた白金あるいは銀-パラジウムが圧電材料であるBaTi2O5との格子整合性が悪く、これらの界面で原子配列が乱れてしまうために圧電性能、信頼性が十分得られないことを見出した。すなわちこれらの圧電素子では、電圧を印加したときに圧電材料体の十分な変位が得られない上に、時間とともに変位が減少してしまう。
特開平4−167580 号公報 特開2000−150977号公報 特開2004−231500号公報
本発明の目的は、圧電性能が高く、十分な変位を得られるとともに信頼性の高い新規な圧電素子を提供することにある。
発明者らは、電極材料に圧電材料体の主構成材料であるBaTi2O5との格子整合性が良いRuとRuO2の混合物を用いることにより、飛躍的に圧電素子の変位を大きくし、圧電素子の性能および信頼性を向上させることができることを見出した。
本発明は、BaTi2O5を主構成材料とする圧電材料体と、該圧電材料体に電圧を印加する内部電極とを有する圧電素子チップを複数積層して圧電素子チップブロックを構成し、該圧電素子チップブロックを接合層を介して複数個接合した圧電素子において、前記内部電極は前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面を覆って形成され、前記圧電素子の一側面に露出した前記内部電極に設けられた電気絶縁層と、前記圧電素子の他の側面に露出した前記内部電極と接続する外部電極とを有し、かつ前記内部電極の主構成材料がRuとRuO2の混合物であることを特徴とする。
また、圧電材料体の主構成材料であるBaTi2O5は、BaTiO3とTiO2の混合物であることを特徴とする。
また、BaTiO3とTiO2の組成比、内部電極の主構成材料であるRuとRuO2の組成比が略１：１であることを特徴とする。
さらに、圧電材料体がルチル構造の結晶粒を含有し、前記内部電極中のRuO2がルチル構造の結晶を有し、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面が略平行であることを特徴とする。圧電材料体におけるルチル構造の結晶粒はTiO2を有することを特徴とする。
さらに、圧電材料体がアナターゼ構造の結晶粒を含有し、前記内部電極中のRuO2がアナターゼ構造の結晶を有し、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面が略平行であることを特徴とする。圧電材料体におけるアナターゼ構造の結晶粒はTiO2を有することを特徴とする。
加えて、接合層と前記圧電材料体との間に内部電極層を設け、前記接合層と内部電極層の一辺に電気絶縁層を設け、該電気絶縁層の存在しない他の辺で前記内部電極層および接合層と前記外部電極とを電気的に接合したことを特徴とする。
また、接合層として導電性材料を用いことを特徴とする。
本発明は、圧電材料体の主構成材料であるBaTi2O5との格子整合性が良い内部電極の主構成材料としてRuとRuO2の混合物を用い、圧電材料体がルチル構造またはアナターゼ構造の結晶粒を含有し、内部電極中のRuO2がルチル構造またはアナターゼ構造の結晶を有し、圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面が略平行であることにより、飛躍的に圧電素子の変位を大きくし、圧電素子の性能および信頼性を向上させることができる。
以下の実施の形態において、便宜上必要があるときは複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数値（個数、数値、量、範囲等を含む）に言
及する場合、特に明示しまたは原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に
明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、本発明に必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは
、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実
質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値
および範囲についても同様である。
以下、本発明の実施の形態を図により詳細に説明する。本発明の第１の実施例を図１に示す。圧電素子１において、BaTi2O5を主構成材料とする圧電材料体２の積層方向と垂直な表面の全面を覆うように一対の内部電極３を形成して圧電素子チップＴとする。なお、本実施例において主構成材料とは、成分全体に５０％以上含まれる材料を意味し、本発明の効果を挙げるために、各成分は成分全体に５０％以上含まれる必要がある。
BaTi2O5は、チタン酸バリウムBaTiO3と酸化チタンTiO2の混合物からなり、その組成比は１：１が最も圧電素子としての性能が高い。但し１：１以外の組成比、例えば０．７：１．０等でも本発明に使用可能な十分な圧電性能を得ることができる。
圧電作用を生じさせるために、圧電素子チップＴは圧電材料体１を一対の内部電極２で挟む構造とする。内部電極３は、BaTi2O5と格子整合性の良い材料であるRuとRuO2の混合物を主構成材料とする。RuとRuO2の組成比は１：１が最も圧電素子としての性能が高い。但し圧電材料体と同じく１：１以外の組成比でも本発明に使用可能な十分な圧電性能を得ることができる。
ここでBaTiO3は六方格子結晶構造を持ち、同じく六方格子結晶構造を持つRuに対し圧電材料体２と内部電極３の界面の原子配列が規則的な安定状態となる。また六方格子結晶構造は緻密な原子間配列を持ち原子間引力が強く、印加される電界により大きな変位が発生する。さらに、使用回数を重ねる際に生じる圧電性能の経時的劣化に対しても安定している。
内部電極３は、圧電作用が半導体チップ断面にほぼ均等に生じる程度に圧電材料体１を被覆すれば良い。
本実施例の圧電素子1は、圧電材料体2と内部電極3からなる圧電素子チップＴを複数積層して圧電素子チップブロックＢを構成し、さらに２個の圧電素子チップブロックＢを接合層７によって接合したものである。圧電素子チップブロックＢ内では、隣接する圧電素子チップで内部電極２を共用している。図１では圧電素子チップブロックＢ内に圧電素子チップは３個形成されており、圧電素子チップブロックＢの最も外側の圧電材料体１は圧電作用を持たない。
また、内部電極３の端部には、外部電極５と絶縁するために電気絶縁層４を設けている。図１では、電気絶縁層４は内部電極３と上下の外部電極５との間に交互に形成される。電気絶縁層４が存在しない内部電極３の周囲の他の部分において内部電極３と外部電極５とを電気的に接合し、外部電極５にはさらにリード線６を設ける。
図２に圧電材料体と内部電極の各種組み合わせに対する最大変位量を示す。実施例１においては、圧電素子の最大変位量が０.０７％ 程度に達する。図２から、内部電極に従来用いられていた白金や銀-パラジウム合金に替えてRuとRuO2の混合物を内部電極として用いることで、圧電素子の最大変位量を飛躍的に大きくできることがわかる。
次に、アナターゼ構造の結晶粒としてTiO2を持つBaTi2O5を圧電材料体とし、内部電極中のRuO2をアナターゼ構造の結晶を持つものとし、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面を略平行とした圧電素子を構成した。この場合には、圧電材料体と内部電極の界面における格子整合性が更に高くなり図２に示すように、実施例１の圧電材料体およびランダムな配向をもつ内部電極の組み合わせの場合よりもさらに最大変位量が大きくなる。
さらに、ルチル構造の結晶粒としてTiO2を持つBaTi2O5を圧電材料体とし、内部電極中のRuO2をルチル構造の結晶を持つものとし、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面を平行とした圧電素子を構成した。この場合には、図２に示すように、圧電材料体と内部電極の界面における格子整合性が最も高くなり、実施例１、２に比べて最大変位量が最も大きくなった。
ここで、前述したアナターゼ結晶構造はルチル結晶構造が若干捩れて構成された準安定的結晶構造をもつ。
次に、図３に本発明による第４の実施例を示す。これは圧電素子１０において、接合層１１と圧電材料体１３の間にも内部電極１２を設け、接合層１１の端部に電気絶縁層１５を設け、電気絶縁層１５の存在しない他端部において、内部電極１２と外部電極１４とを電気的に接合したものである。本実施例の場合、接合層１１に隣接する圧電材料体１３にも電場を形成することが可能であることから、図１の素子と同一長さで比べた場合にさらに大きな変位を得ることができる。
図４は、本発明による第５の実施例を示す。これは圧電素子２０において、例えば導電性の接着剤等からなる導電性材料により接合層２１を形成し、接合層２１を介して圧電材料体２３を接合し、電気絶縁層２５と外部電極２４とを形成したものである。この場合も実施例４と同様に圧電的に不活性な部分を少なくできることから、実施例４と同様に大きな変位を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発
明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。
本発明の実施例１の圧電素子の基本的構造を示す縦断面図である。 従来例と比較した本発明の実施例１乃至３の変位量を示すグラフである。 本発明の実施例４の圧電素子構造を示す縦断面図である。 本発明の実施例５の圧電素子構造を示す縦断面図である。
符号の説明
１、１０、２０…圧電素子、２、１３、２３…圧電材料体、３、１２…内部電極、４、１５、２５…電気絶縁層、５、１４、２４…外部電極、６…リード線、７、１１、２１…接合層、Ｔ…圧電素子チップ、Ｂ…圧電素子チップブロック

Claims (10)

  1. BaTi2O5を主構成材料とする圧電材料体と、該圧電材料体に電圧を印加する内部電極とを有する圧電素子チップを複数積層して圧電素子チップブロックを構成し、該圧電素子チップブロックを接合層を介して複数個接合した圧電素子において、
    前記内部電極は前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面を覆って形成され、前記圧電素子の一側面に露出した前記内部電極に設けられた電気絶縁層と、前記圧電素子の他の側面に露出した前記内部電極と接続する外部電極とを有し、かつ前記内部電極の主構成材料がRuとRuO2の混合物であり、前記圧電材料体がルチル構造の結晶粒を含有し、前記内部電極中のRuO2がルチル構造の結晶を有し、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面が略平行であることを特徴とする圧電素子。
  2. 請求項１に記載された圧電素子において、前記圧電材料体の主構成材料であるBaTi2O5は、BaTiO3とTiO2の混合物であることを特徴とする圧電素子。
  3. 請求項２に記載された圧電素子において、BaTiO3とTiO2の組成比が略１：１であることを特徴とする圧電素子。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載された圧電素子において、前記内部電極の主構成材料であるRuとRuO2の組成比が略1：1であることを特徴とする圧電素子。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載された圧電素子において、前記圧電材料体におけるルチル構造の結晶粒はTiO2を有することを特徴とする圧電素子。
  6. BaTi2O5を主構成材料とする圧電材料体と、該圧電材料体に電圧を印加する内部電極とを有する圧電素子チップを複数積層して圧電素子チップブロックを構成し、該圧電素子チップブロックを接合層を介して複数個接合した圧電素子において、
    前記内部電極は前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面を覆って形成され、前記圧電素子の一側面に露出した前記内部電極に設けられた電気絶縁層と、前記圧電素子の他の側面に露出した前記内部電極と接続する外部電極とを有し、かつ前記内部電極の主構成材料がRuとRuO2の混合物であり、前記圧電材料体がアナターゼ構造の結晶粒を含有し、前記内部電極中のRuO2がアナターゼ構造の結晶を有し、前記圧電材料体の積層方向に垂直な断面と前記内部電極中のRu(001)面およびRuO2(001)面が略平行であることを特徴とする圧電素子。
  7. 請求項６に記載された圧電素子において、前記圧電材料体の主構成材料であるBaTi2O5は、BaTiO3とTiO2の混合物であることを特徴とする圧電素子。
  8. 請求項７に記載された圧電素子において、BaTiO3とTiO2の組成比が略１：１であることを特徴とする圧電素子。
  9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載された圧電素子において、前記内部電極の主構成材料であるRuとRuO2の組成比が略1：1であることを特徴とする圧電素子。
  10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載された圧電素子において、前記圧電材料体におけるアナターゼ構造の結晶粒はTiO2を有することを特徴とする圧電素子。
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