JP5298999B2

JP5298999B2 - 積層型圧電素子

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Publication number: JP5298999B2
Application number: JP2009067401A
Authority: JP
Inventors: 雅一宮野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: KR20100105390A; JP2010219464A

Description

本発明は、積層型圧電素子に関する。

積層型圧電素子として、２分割された上部電極が形成された第１圧電素子層、第１圧電素子層の下部に積層され内部接地電極が形成された第２圧電素子層、および、第２圧電素子層の下部に積層され積層面に対して第１圧電素子層に形成された上部電極と互いに対称なパターンの内部電極が形成され内部電極が形成された面の反対面に下部電極が形成された第３圧電素子層を有する圧電体と、圧電体の第１圧電素子層と第３圧電素子層に形成された電極パターンのうち互いに対角線方向にある電極パターン同士でそれぞれ電気的に接続するための第１及び第２側面電極と、圧電体の第２圧電素子層の内部接地電極と第３圧電素子層の下部電極とを電気的に接続するための第３側面電極とで構成された側面電極と、圧電体から発生した振動を外部に伝達する動力伝達部材とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２７５８８５号公報

しかしながら、上述の積層型圧電素子は、圧電素子層の上部や下部に設けられた電極同士を電気的に接続するための側面電極を備えているため、外部装置に組み込む際に他部品との接触を考慮して設計する必要があると共に、部品が大きくなることによって、素子の実装面積が大きくなってしまうという問題がある。また、電極同士を接続する側面電極は素子の外側に露出しているため、周囲の環境の影響を受けることによって信頼性に問題を生じる可能性があった。更に、これらの側面電極は圧電素子の外面に密着しているため、圧電素子の変形が阻害されてしまうことによって性能が低下してしまう場合があった。特に、側面電極が印刷焼付け電極であった場合は、接着剤にガラスが含まれているため、圧電素子の変形に大きな影響を及ぼしていた。

本発明は、素子の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることのできる積層型圧電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体層を積層することによって形成され、第一及び第二主面を有する直方体状の素体と、第一及び第二主面に対向するように素体内に配置され、素体の長手方向の中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第一電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第一電極と電気的に絶縁された第二電極を有する第一内部電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んで第一内部電極層の第一電極の電極部及び第二電極の電極部と対向するように素体内に配置されるグランド電極を有するグランド電極層と、第二主面側で圧電体層を挟んでグランド電極層と対向するように素体内に配置され、中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第三電極、及び中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に第三電極部と電気的に絶縁された第四電極を有する第二内部電極層と、第一主面に形成され、それぞれが電気的に絶縁された第一外部電極、第二外部電極、及びグランド外部電極を有する外部電極層と、素体内を圧電体層が積層される方向である厚み方向に延びて第一外部電極、第一電極及び第四電極同士を電気的に接続する第一スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びて第二外部電極、第二電極及び第三電極同士を電気的に接続する第二スルーホール導体と、素体内を厚み方向に延びてグランド外部電極及びグランド電極同士を電気的に接続するグランドスルーホール導体と、を備え、第一スルーホール導体、第二スルーホール導体及びグランドスルーホール導体は、中央位置に配置されると共に、それぞれ素体の幅方向に配列されており、長手方向に縦振動を生じると共に厚み方向に曲げ振動を生じることを特徴とする。

本発明に係る積層型圧電素子では、第一外部電極、第一電極及び第四電極同士を電気的に接続する素体内の第一スルーホール導体と、第二外部電極、第二電極及び第三電極同士を電気的に接続する素体内の第二スルーホール導体と、グランド外部電極及びグランド電極同士を電気的に接続する素体内のグランドスルーホール導体とが、素体の長手方向の中央位置に配置されると共に、それぞれ素体の幅方向に配列されている。このように、電極同士の電気的な接続が素体内に形成された各スルーホール導体によってなされているため、他部品との接触を考慮することなく設計することが可能となると共に側面電極を設けた場合に比して部品の小型化を図ることが可能となる。また、電極同士を接続するスルーホール導体は素体内部に設けられているため、周囲の環境の影響を受けることを防止することができ、信頼性を向上させることができる。ここで、グランド電極を挟んで素体の長手方向の中央位置を基準として対角の位置関係をなす第一電極と第四電極が電気的に接続されると共に同様の位置関係をなす第二電極と第三電極が電気的に接続されているため、積層型圧電素子は素体の中央位置を節（振動において振幅を生じない位置）として長手方向に縦振動と厚み方向に曲げ振動を発生させるが、本発明に係る積層型圧電素子では節となる中央位置に各スルーホール導体が形成されているため、各スルーホール導体に作用する応力を緩和することができ、信頼性を向上させることができる。更に、スルーホール導体を設けた素体部分周辺の構造は柔らかくなるが、素体の長手方向の中央位置に複数のスルーホール導体を設けることによって素体中央位置付近の構造が柔らかくなることによって変形し易くなる。これによって、素体に作用する内部応力を増加させることなく、駆動時の変位を大きくすることが可能となり、性能を向上させることが可能となる。以上によって、素子の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることができる。

また、本発明に係る積層型圧電素子において、一の圧電体層に形成された第一スルーホール導体、第二スルーホール導体及びグランドスルーホール導体は、厚み方向に隣接する圧電体層に形成された第一スルーホール導体、第二スルーホール導体及びグランドスルーホール導体と厚み方向から見て重ならないことが好ましい。このように、各スルーホール導体を圧電体層ごとに位置をずらした千鳥配列とすることによって、厚み方向から見て同じ位置に設けた場合に比して応力集中及び接続不良を低減することができる。

本発明によれば、素子の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る積層型圧電素子の斜視図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１に示す積層型圧電素子の展開図斜視図である。積層型圧電素子の各振動モードを示した図である。積層型圧電素子がローターを駆動させる様子を示した図である。本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。積層・プレス工程で得られる積層体を示す斜視図である。本実施形態に係る積層型圧電素子と従来の積層型圧電素子の駆動時の変位の大きさを示す図である。本発明の第二実施形態に係る積層型圧電素子の素体の展開斜視図であって、図３に対応する図である。本発明の第三実施形態に係る積層型圧電素子の素体の展開斜視図であって、図３に対応する図である。図１０に示すＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。本発明の第四実施形態に係る積層型圧電素子の素体の展開斜視図であって、図３に対応する図である。本発明の変形例に係る積層型圧電素子の斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

［第一実施形態］
図１〜図３を参照して、本発明の第一実施形態に係る積層型圧電素子の構成を説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る積層型圧電素子１の斜視図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１に示す積層型圧電素子１の展開図斜視図である。なお、図２及び図３では積層型圧電素子の長手方向の中央に一点鎖線ＣＬが付されている。図３においてはスルーホールは微小であるため省略し、図中において上下方向に延びる一点鎖線が通過する位置にスルーホール導体が形成されるものとする。

図１に示すように、積層型圧電素子１は、交流電圧を印加されて駆動することによって、被駆動体であるローター３を移動させる機能を有している。積層型圧電素子１は、複数の圧電体層を積層して一体化することによって形成された直方体状の素体２と、ローター３と接触して移動させる摩擦チップ４Ａ，４Ｂとを備えている。積層型圧電素子１の素体２は、図１における上面である長方形状の第一主面２ａ及び下面である長方形状の第二主面２ｂを備えている。以下の説明においては、第一及び第二主面２ａ，２ｂの長辺方向を素体２の「長手方向」、短辺方向を素体２の「幅方向」、第一及び第二主面２ａ，２ｂが対向する方向、すなわち圧電体層を積層する積層方向を素体２の「厚み方向」と称する。この素体２は、長手方向の大きさが１〜２０ｍｍ、幅方向の大きさが１〜１０ｍｍ、厚み方向の大きさが０．２〜５ｍｍ程度に設定されている。

素体２の第一主面２ａの長手方向の中央位置には、他の外部装置を実装する際の外部電極となる外部電極層１１が形成されている。この外部電極層１１は、第一主面２ａの長手方向の中央位置において幅方向に配列されると共に、それぞれが電気的に絶縁された第一外部電極１２、グランド外部電極１３、第二外部電極１４から構成されている。この第一外部電極１２は幅方向の一端側で矩形状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続され、グランド外部電極１３は幅方向の中央位置で矩形状に形成されると共に外部装置のグランド端子に接続され、第二外部電極１４は幅方向の他端側で矩形状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続される。第一外部電極１２、グランド外部電極１３、第二外部電極１４は、素体２の第一主面２ａにＡｇ等を主成分とする電極ペーストを転写した後に所定温度（例えば、７００℃程度）にて焼き付け、更に電気めっきを施すことにより形成される。電気めっきには、Ｎｉ／Ａｕ等を用いることができる。

素体２の第二主面２ｂには、ローター３を移動させるための摩擦チップ４Ａ，４Ｂが取り付けられている。この摩擦チップ４Ａ，４Ｂは、超硬、ジルコニアあるいはアルミナから構成されており、円柱部材を断面半円状に切断し、その切断面を第二主面２ｂの二箇所に接着することによって取り付けられている。素体２の長手方向の大きさをＬとした場合、摩擦チップ４Ａ，４Ｂは、それぞれ素体２の長手方向の一端２ｃから１／３Ｌの位置において素体２の幅方向へ向かって半円柱が延びるように取り付けられると共に、素体２の長手方向の他端２ｄから１／３Ｌの位置において素体２の幅方向へ向かって半円柱が延びるように取り付けられる（図２参照）。

図２及び図３に示すように、圧電特性（すなわち、通電されることによって変形する）を有する長方形板状の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０と、中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層（グランド電極層）４１、第二内部電極層５１、第二グランド電極層６１とが積層された積層体として構成されている。中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層（グランド電極層）４１、第二内部電極層５１、第二グランド電極層６１は、素体２内において圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０の積層方向（すなわち素体２の厚み方向）に沿ってそれぞれ一層ずつ配置されている。製造時においては、上述の外部電極層１１は素体２の第一主面２ａとなる圧電体層１０の上面に形成され、中継電極層２１は圧電体層２０の上面に形成され、第一内部電極層３１は圧電体層３０の上面に形成され、第一グランド電極層４１は圧電体層４０の上面に形成され、第二内部電極層５１は圧電体層５０の上面に形成され、第二グランド電極層６１は圧電体層６０の上面に形成される。実際の積層型圧電素子１では、複数の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０は、互いの間の境界が視認できない程度に一体化されている。

圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料からなる。また、圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０の厚みは、例えば１０〜１００μｍ程度である。

中継電極層２１は、圧電体層２０の長手方向の中央位置において幅方向に配列されると共に、それぞれが電気的に絶縁された第一中継電極２２、グランド中継電極２３、第二中継電極２４から構成されている。この第一中継電極２２は幅方向の一端側で矩形状に形成され、グランド中継電極２３は幅方向の中央位置で幅方向に延びる長方形状に形成され、第二中継電極２４は幅方向の他端側で矩形状に形成される。

第一内部電極層３１は、それぞれが電気的に絶縁された第一電極３２、グランド中継電極３３、第二電極３４から構成されている。このグランド中継電極３３は、長手方向の中央位置において厚み方向から見て上方のグランド中継電極２３と重なるように長方形状に形成されている。第一電極３２は、素体２の長手方向の中央位置よりも一端２ｃ側（すなわち、圧電体層３０の一端３０ｃ側）に配置される電極部３２ａと、長手方向中央位置に形成される中継電極部３２ｂとを備えて構成されている。電極部３２ａは、グランド中継電極３３よりも一端３０ｃ側の圧電体層３０上面の略全領域を覆うように矩形状に形成されている。中継電極部３２ｂは、電極部３２ａから長手方向の中央位置に突出すると共に、厚み方向からみて上方の第一中継電極２２と重なるように矩形状に形成されている。また、第二電極３４は、素体２の長手方向の中央位置よりも他端２ｄ側（すなわち、圧電体層３０の他端３０ｄ側）に配置される電極部３４ａと、長手方向中央位置に形成される中継電極部３４ｂとを備えて構成されている。電極部３４ａは、グランド中継電極３３よりも他端３０ｄ側の圧電体層３０上面の略全領域を覆うように矩形状に形成されている。中継電極部３４ｂは、電極部３４ａから長手方向の中央位置に突出すると共に、厚み方向からみて上方の第二中継電極２４と重なるように矩形状に形成されている。

第一グランド電極層４１は、それぞれが電気的に絶縁された第一中継電極４２、グランド電極４３、第二中継電極４４から構成されている。グランド電極４３は、圧電体層４０上面の略全面を覆うように略矩形状に形成されている。具体的には、グランド電極４３は、厚み方向から見て上方の電極部３２ａ、電極部３４ａ及びグランド中継電極２３，３３の全てと重なるように形成されていると共に、長手方向の中央位置において、圧電体層４０の幅方向の両端側に矩形状の凹部が形成されている。当該凹部には、それぞれ第一中継電極４２及び第二中継電極４４が形成されており、厚み方向から見て、第一中継電極４２は中継電極部３２ｂ及び第一中継電極２２と重なるように形成され、第二中継電極４４は中継電極部３４ｂ及び第二中継電極２４と重なるように形成されている。

第二内部電極層５１は、それぞれが電気的に絶縁された第三電極５４、グランド中継電極５３、第四電極５２から構成されている。このグランド中継電極５３は、長手方向の中央位置において厚み方向から見て上方のグランド中継電極２３，３３と重なるように長方形状に形成されている。第三電極５４は、素体２の長手方向の中央位置よりも一端２ｃ側（すなわち、圧電体層５０の一端５０ｃ側）に配置される電極部５４ａと、長手方向中央位置に形成される中継電極部５４ｂとを備えて構成されている。電極部５４ａは、グランド中継電極５３よりも一端５０ｃ側の圧電体層５０上面の略全領域を覆うように矩形状に形成されることによって、厚み方向から見て上方の電極部３２ａ及びグランド電極４３の一部と重なるように形成されている。中継電極部５４ｂは、電極部５４ａから長手方向の中央位置に突出すると共に、厚み方向からみて上方の第二中継電極２４，４４及び中継電極部３４ｂと重なるように矩形状に形成されている。また、第四電極５２は、素体２の長手方向の中央位置よりも他端２ｄ側（すなわち、圧電体層５０の他端５０ｄ側）に配置される電極部５２ａと、長手方向中央位置に形成される中継電極部５２ｂとを備えて構成されている。電極部５２ａは、グランド中継電極５３よりも他端５０ｄ側の圧電体層５０上面の略全領域を覆うように矩形状に形成されることによって、厚み方向から見て上方の電極部３４ａ及びグランド電極４３の一部と重なるように形成されている。中継電極部５２ｂは、電極部５２ａから長手方向の中央位置に突出すると共に、厚み方向からみて上方の第一中継電極２２，４２及び中継電極部３２ｂと重なるように矩形状に形成されている。

第二グランド電極層６１は、それぞれが電気的に絶縁された第一中継電極６２、グランド電極６３、第二中継電極６４から構成されている。グランド電極６３は、圧電体層６０上面の略全面を覆うように略矩形状に形成されている。具体的には、グランド電極６３は、厚み方向から見て上方の電極部３２ａ，５２ａ、電極部３４ａ，５４ａ及びグランド中継電極２３，３３，５３の全てと重なるように形成されていると共に、長手方向の中央位置において、圧電体層６０の幅方向の両端側に矩形状の凹部が形成されている。当該凹部には、それぞれ第一中継電極６２及び第二中継電極６４が形成されており、厚み方向から見て、第一中継電極６２は中継電極部３２ｂ，５２ｂ及び第一中継電極２２，４２と重なるように形成され、第二中継電極６４は中継電極部３４ｂ，５４ｂ及び第二中継電極２４，４４と重なるように形成されている。

第一中継電極２２，４２，６２、中継電極部３２ｂ，５２ｂ及び圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０においてそれらに対応する位置には、厚み方向へ貫通するスルーホール（不図示）が形成されると共に、第一スルーホール導体６が形成される。これによって、第一外部電極１２、第一中継電極２２、第一電極３２、第一中継電極４２、第四電極５２、第一中継電極６２が互いに電気的に接続される。また、グランド中継電極２３，３３，５３、グランド電極４３，６３の長手方向中央位置及び圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０においてそれらに対応する位置には、厚み方向へ貫通するスルーホール（不図示）が形成されると共に、グランドスルーホール導体７が形成される。これによって、グランド外部電極１３、グランド中継電極２３、グランド中継電極３３、グランド電極４３、グランド中継電極５３、グランド電極６３が互いに電気的に接続される。また、第二中継電極２４，４４，６４、中継電極部３４ｂ，５４ｂ及び圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０においてそれらに対応する位置には、厚み方向へ貫通するスルーホール（不図示）が形成されると共に、第二スルーホール導体８が形成される。これによって、第二外部電極１４、第二中継電極２４、第二電極３４、第二中継電極４４、第三電極５４、第二中継電極６４が互いに電気的に接続される。これによって、第一スルーホール導体６とグランドスルーホール導体７と第二スルーホール導体８とは、素体２の長手方向の中央位置に配置されると共に、それぞれ素体２の幅方向に配列される構成となる。これらのスルーホール導体は、導電材を含んでいる。各スルーホール導体に含まれる導電材としては、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｎ及びＮｉからなる群より選ばれる１種以上の金属、又は上記金属を１種以上含む合金からなることが好ましい。各スルーホール導体の直径は、例えば２０〜１００μｍ程度である。

各電極層及び圧電体層からなる素体２は、厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２及び素体２を振動させる駆動層ＬＹ３から構成されている。駆動層ＬＹ３は、第一内部電極層３１、圧電体層３０、第一グランド電極層４１、圧電体層４０、第二内部電極層５１、圧電体層５０、第二グランド電極層６１から構成されている。厚み調整層ＬＹ１は、圧電体層１０、中継電極層２１、圧電体層２０から構成されている。また、厚み調整層ＬＹ２は、圧電体層６０、圧電体層７０から構成されている。厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２は、製造時に圧電素子を研磨して厚みを調整することによって、振動の周波数調整を行うことができる。また、厚み調整層ＬＹ１及びＬＹ２は略同一の厚みとされていることによって、厚み調整層ＬＹ１と駆動層ＬＹ３と厚み調整層ＬＹ２とは、厚み方向に対称な構成となっている。

駆動層ＬＹ３において、第一内部電極層３１と第一グランド電極層４１とに挟まれた圧電体層３０と、第一グランド電極層４１と第二内部電極層５１とに挟まれた圧電体層４０と、第二内部電極層５１と第二グランド電極層６１とに挟まれた圧電体層５０は、それぞれ分極処理が施されている。分極処理においては、第一内部電極層３１から第一グランド電極層４１に向かって分極され、第二内部電極層５１から第一グランド電極層４１に向かって分極される。

次に、積層型圧電素子１の動作について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、積層型圧電素子１の各振動モードを示した図である。図５は、積層型圧電素子１がローター３を駆動させる様子を示した図である。積層型圧電素子１は、駆動時においては２つの共振モードを有しており、具体的には、図４（ａ）に示すような素体２の長手方向に振動する縦振動モードと、図４（ｂ）に示すような素体２の厚み方向への曲げ振動モードの重ね合わせによって振動する。縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数は、素体２の厚み調整層ＬＹ１及びＬＹ２（図２参照）の研磨によってあわせられる。図５では、縦振動モードと曲げ振動モードが重ね合わされた様子が示されており、第一電極３２とグランド電極４３と圧電体層３０とから構成される活性部Ａ１、及び第四電極５２とグランド電極４３とグランド電極６３と圧電体層４０と圧電体層５０とから構成される活性部Ａ４を駆動させると、図５（ａ）に示すように摩擦チップ４Ｂがローター３を移動させる。一方、第二電極３４とグランド電極４３と圧電体層３０とから構成される活性部Ａ２、及び第三電極５４とグランド電極４３とグランド電極６３と圧電体層４０と圧電体層５０とから構成される活性部Ａ３を駆動させると、図５（ｂ）に示すように摩擦チップ４Ａがローター３を移動させる。また、第一外部電極１２と第二外部電極１４に位相を９０度ずらした電圧を印加して駆動させると、摩擦チップ４Ａ，４Ｂにそれぞれ位相が１８０度ずれた楕円運動が生じ、交互にローター３に摩擦力が作用して、ローター３を移動させることができる。

上述の振動は、図２及び図５を参照して、素体２の長手方向の中央位置と、一端２ｃから１／６Ｌの位置と、他端２ｄから１／６Ｌの位置とを節（振動において振幅を生じない位置）とすると共に、一端２ｃと、他端２ｄと、一端２ｃから１／３Ｌの位置（すなわち摩擦チップ４Ａが取り付けられる位置）と、他端２ｄから１／３Ｌの位置（すなわち摩擦チップ４Ｂが取り付けられる位置）とを最大振幅を生じる位置とする。

次に、本実施形態に係る積層型圧電素子１の製造方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る積層型圧電素子１の製造方法を示すフローチャートである。図６に示すように、積層型圧電素子１の製造工程は、塗料化工程Ｓ１から工程を開始する。この塗料化工程Ｓ１では圧電体層１０〜７０の材料となる圧電材料と溶剤とバインダーを混ぜて塗料化がなされる。次に、シート化工程Ｓ２が行われる。シート化工程Ｓ２では、ペットフィルム上にＳ１で塗料化された塗料を圧電体層１枚あたりの厚みにシート化する。

シート化工程Ｓ２が終了すると、スルーホール形成工程Ｓ３が行われる。このスルーホール形成工程Ｓ３では、後にスルーホール導体６，７，８が形成される所定の位置にスルーホールが形成される。シートにスルーホールが形成された後、内部電極印刷工程Ｓ４が行われる。この工程では、切断前の各圧電体層１０〜７０の上面に、それぞれの電極パターン及びスルーホール導体パターンが印刷される。このとき、各圧電体層１０〜７０に対して、外部電極層１１、中継電極層２１、第一内部電極層３１、第一グランド電極層４１、第二内部電極層５１、第二グランド電極層６１及びスルーホール導体６，７，８のパターンが形成される。電極パターンが形成されると、積層・プレス工程Ｓ５が行われる。この工程では、切断前の圧電体層１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０が上からこの順番で積層し、プレスを行う。これによって図７に示すような積層体８０が得られる。プレス後、脱バインダ・焼成工程Ｓ６が行われる。この工程では、積層体８０の脱バインダ処理が行われると共に、焼成処理が行われる。

積層体８０の焼成後、研磨工程Ｓ７が行われる。研磨工程Ｓ７では、厚み調整層ＬＹ１，ＬＹ２の研磨を行うことによって、縦振動モードの共振周波数と曲げ振動モードの共振周波数とが合わせられる。具体的には、圧電体層１０あるいは圧電体層７０の研磨が行われる。研磨の後、表面電極印刷工程Ｓ８がおこなわれる。この工程では、圧電体層１０に形成されて圧電体層１０の上面に露出しているスルーホール導体６，７，８と外部回路とを電気的に接続するための第一外部電極１２、グランド外部電極１３、第二外部電極１４のパターンを圧電体層１０の上面に印刷し焼付けする。次に、分極工程Ｓ９が行われる。この分極工程Ｓ９では、圧電材料の極性を揃えるために、分極処理が行われる。その後、積層体８０を、素体２ごとに切断する個品切断工程Ｓ１０が行われる。

個別に切断された素体２はバレル研磨機に入れられ、バレル研磨工程Ｓ１１が行われる。研磨後、素体２の第二主面２ｂに摩擦チップ４Ａ，４Ｂが接着されるチップ接着工程Ｓ１２が行われる。最後に、電気特性を検査する電気特性検査工程Ｓ１３と外観検査工程Ｓ１４が行われて、図６に示す製造工程が終了する。

次に、上述のように構成された積層型圧電素子１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る積層型圧電素子１では、第一外部電極１２、第一電極３２及び第四電極５２同士を電気的に接続する素体２内の第一スルーホール導体６と、第二外部電極１４、第二電極３４及び第三電極５４同士を電気的に接続する素体２内の第二スルーホール導体８と、グランド外部電極１３及びグランド電極４３，６３同士を電気的に接続する素体２内のグランドスルーホール導体７とが、素体２の長手方向の中央位置に配置されると共に、それぞれ素体２の幅方向に配列されている。このように、電極同士の電気的な接続が素体２内に形成された各スルーホール導体６，７，８によってなされているため、他部品との接触を考慮することなく設計することが可能となると共に、従来の積層型圧電素子のように側面電極を設けた場合に比して部品の小型化を図ることが可能となる。また、電極同士を接続するスルーホール導体６，７，８は素体２内部に設けられているため、周囲の環境の影響を受けることを防止することができるため、信頼性を向上させることができる。また、外部に側面電極があった場合は、製造時において、積層体８０を形成して、素体ごとに切断した後、各々の素体について側面電極を形成する工程が追加されるが、素体２内にスルーホール導体６，７，８を設けることによって、積層体８０切断後の側面電極形成工程を省略することが可能となる。

ここで、上述のように、グランド電極４３を挟んで素体２の長手方向の中央位置を基準として対角の位置関係をなす第一電極３２と第四電極５２が電気的に接続されると共に同様の位置関係をなす第二電極３４と第三電極５４が電気的に接続されているため、積層型圧電素子１は素体２の中央位置（中央線ＣＬの位置）を節として長手方向に縦振動と厚み方向の曲げ振動を発生させるが、本実施形態に係る積層型圧電素子１では節となる中央位置に各スルーホール導体６，７，８が形成されているため、各スルーホール導体６，７，８に作用する応力を緩和することができ、信頼性を向上させることができる。更に、スルーホール導体を設けた素体部分周辺の構造は柔らかくなるが、素体２の長手方向の中央位置に複数のスルーホール導体６，７，８を設けることによって素体２中央位置付近の構造が柔らかくなることによって変形し易くなる。具体的には、図８に示すように、スルーホール導体が長手方向の中央位置に形成されていない従来の積層型圧電素子Ｐの変位（図中で変位ＤＰ２で示される）に比して、本実施形態の積層型圧電素子１の変位（図中で変位ＤＰ１で示される）が大きくなる。これによって、素体２に作用する内部応力を増加させることなく、駆動時の変位を大きくすることが可能となり、性能を向上させることが可能となる。以上によって、積層型圧電素子１の小型化を図ると共に信頼性及び性能を向上させることができる。

［第二実施形態］
図９は、本発明の第二実施形態に係る積層型圧電素子の素体１０２の展開斜視図であって、図３に対応する図である。本発明の第二実施形態に係る積層型圧電素子が第一実施形態に係る積層型圧電素子１と異なる点は、素体２の圧電体層１０上面に形成される外部電極層１１とは異なるパターンの外部電極層１１１を形成した点である。

具体的には、図９に示すように、第二実施形態に係る積層型圧電素子の外部電極層１１１は、第一外部電極１１２、グランド外部電極１１３、及び第二外部電極１１４を備えて構成されている。グランド外部電極１１３は、素体１０２（すなわち圧電体層１０）の長手方向の中央位置であって、幅方向の中央位置に矩形状に形成されている。また、第一外部電極１１２は、圧電体層１０の一端１０ｃから長手方向全長の１／６の位置に矩形状に形成された接続電極部１１２ａと、接続電極部１１２ａから略Ｌ字状に引き出された中継電極部１１２ｂとを備えて構成されている。中継電極部１１２ｂの端部は、グランド外部電極１１３と幅方向に隣接するように圧電体層１０の長手方向の中央位置まで及んでいる。この中継電極部１１２ｂは第一スルーホール導体６と電気的に接続されると共に、接続電極部１１２ａは外部装置の電圧の出力端子に接続される。また、第二外部電極１１４は、圧電体層１０の他端１０ｄから長手方向全長の１／６の位置に矩形状に形成された接続電極部１１４ａと、接続電極部１１４ａから略Ｌ字状に引き出された中継電極部１１４ｂとを備えて構成されている。中継電極部１１４ｂの端部は、グランド外部電極１１３と幅方向に隣接するように圧電体層１０の長手方向の中央位置まで及んでいる。この中継電極部１１４ｂは第二スルーホール導体８と電気的に接続されると共に、接続電極部１１４ａは外部装置の電圧の出力端子に接続される。

この第二実施形態に係る積層型圧電素子によれば、第一外部電極１１２及び第二外部電極１１４のうち、外部装置の端子が接続される接続電極部１１２ａ，１１４ａが、振動時において振動の節となる素体１０２の端部から長手方向全長の１／６の位置にそれぞれ形成されている。従って、外部装置の端子から積層型電子素子が振動によって外れることを防止し、部品の信頼性を高めることができる。

［第三実施形態］
図１０は、本発明の第三実施形態に係る積層型圧電素子の素体２０２の展開斜視図であって、図３に対応する図である。図１１は、図１０に示すＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。本発明の第三実施形態に係る積層型圧電素子が第一実施形態に係る積層型圧電素子１と異なる点は、素体２の圧電体層１０上面に形成される外部電極層１１とは異なるパターンの外部電極層２１１を形成した点、及び一つの電極に対して複数本のスルーホール導体を形成すると共に圧電体層ごとにスルーホール導体の形成位置をずらした点である。

図１０に示すように、第三実施形態に係る積層型圧電素子の外部電極層２１１は、第一外部電極２１２、グランド外部電極２１３、及び第二外部電極２１４を備えて構成されている。この第一外部電極２１２は幅方向の一端側で矩形状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続され、第二外部電極２１４は幅方向の他端側で矩形状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続されている。グランド外部電極２１３は幅方向の中央位置において、第一外部電極２１２と第二外部電極２１４との間を通過するように長手方向に延びるように略Ｉ字状に形成されている。すなわちグランド外部電極２１３は、長手方向の両端部に矩形状の接点部２１３ａと接点部２１３ｂと備えると共に、接点部２１３ａ，２１３ｂ同士を接続する接続部２１３ｃを備えている。なお、圧電体層２０に形成される中継電極層２２１の第一中継電極２２２とグランド中継電極２２３と第二中継電極２２４は、同形状に形成されるとともに素体２０２の幅方向に等間隔に配列されている。これに伴って、第一中継電極４２，６２、中継電極部３２ｂ，５２ｂ、第二中継電極４４，６４、中継電極部３４ｂ，５４ｂの形状は第一実施形態に比して幅広となると共に、グランド中継電極３３，５３、グランド電極４３，６３の長手方向中央位置の形状は第一実施形態に比して幅狭となる。

この第三実施形態に係る積層型圧電素子によれば、グランド外部電極２１３が素体２０２の長手方向に延びた形状となっている。従って、製造時の分極工程において、接点部２１３ａあるいは接点部２１３ｂをプローブの接触部として利用すれば、第一外部電極２１２あるいは第二外部電極２１４のプローブ接続点とグランド外部電極２１３のプローブ接続点との間の距離を大きくすることができる。これによって、分極時のプローブの接触の確実性を向上させることができると共に、素子の小型化を図ることができる。

また、第三実施形態に係る積層型圧電素子では、図１１に示すように、第一外部電極２１２と第一中継電極２２２とが圧電体層１０に設けられた４つの第一スルーホール導体２０６Ａによって電気的に接続される。圧電体層２０〜６０にもそれぞれ４つの第一スルーホール導体２０６Ｂ〜２０６Ｆが形成される（２０６Ｃは不図示）。圧電体層１０と厚み方向に隣接する圧電体層２０に形成された第一スルーホール導体２０６Ｂは、厚み方向から見て第一スルーホール導体２０６Ａと重ならないように、素体２０２の幅方向にずれて配置されている。このように、第一スルーホール導体２０６Ａ〜Ｆは、圧電体層ごとに幅方向の位置がずらされた千鳥配列とされている。また、グランド外部電極２１３とグランド中継電極２２３とが圧電体層１０に設けられた４つのグランドスルーホール導体２０７Ａによって電気的に接続される。圧電体層２０〜６０にもそれぞれ４つのグランドスルーホール導体２０７Ｂ〜２０７Ｆが形成される（２０７Ｃは不図示）。圧電体層１０と厚み方向に隣接する圧電体層２０に形成されたグランドスルーホール導体２０７Ｂは、厚み方向から見てグランドスルーホール導体２０７Ａと重ならないように、素体２０２の幅方向にずれて配置されている。このように、グランドスルーホール導体２０７Ａ〜２０７Ｆは、圧電体層ごとに幅方向の位置がずらされた千鳥配列とされている。また、第二外部電極２１４と第二中継電極２２４とが圧電体層１０に設けられた４つの第二スルーホール導体２０８Ａによって電気的に接続される。圧電体層２０〜６０にもそれぞれ４つの第二スルーホール導体２０８Ｂ〜２０８Ｆが形成される（２０８Ｃは不図示）。圧電体層１０と厚み方向に隣接する圧電体層２０に形成された第二スルーホール導体２０８Ｂは、厚み方向から見て第二スルーホール導体２０８Ａと重ならないように、素体２０２の幅方向にずれて配置されている。このように、第二スルーホール導体２０８Ａ〜２０８Ｆは、圧電体層ごとに幅方向の位置がずらされた千鳥配列とされている。なお、本実施形態においては、各圧電体層のみにスルーホールが形成され、各電極にはスルーホールが形成されない。

以上のように、第三実施形態に係る積層型圧電素子においては、各スルーホール導体を圧電体層ごとに位置をずらした千鳥配列とすることによって、厚み方向から見て同じ位置に設けた場合に比して応力集中及び接続不良を低減することができる。

［第四実施形態］
図１２は、本発明の第四実施形態に係る積層型圧電素子の素体３０２の展開斜視図であって、図３に対応する図である。本発明の第四実施形態に係る積層型圧電素子が第三実施形態に係る積層型圧電素子と異なる点は、素体２の圧電体層１０上面に形成される外部電極層２１１とは異なるパターンの外部電極層３１１を形成した点である。

具体的には、図１２に示すように、第四実施形態に係る積層型圧電素子の外部電極層３１１は、第一外部電極３１２、グランド外部電極３１３、及び第二外部電極３１４を備えて構成されている。この第一外部電極３１２は幅方向の一端側で内周へ向かって開口するコ字状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続され、第二外部電極３１４は幅方向の他端側で内周へ向かって開口するコ字状に形成されると共に外部装置の電圧の出力端子に接続されている。グランド外部電極３１３は幅方向の中央位置において、矩形状に形成されている。第一外部電極３１２は、素体３０２の長手方向の中央位置において当該長手方向の両端へ向かって延在する接続部３１２ｃと、接続部３１２ｃの両端で圧電体層１０の内周側へ突出する矩形状の接点部３１２ａ，３１２ｂとを備えて構成されている。また、第二外部電極３１４は、素体３０２の長手方向の中央位置において当該長手方向の両端へ向かって延在する接続部３１４ｃと、接続部３１４ｃの両端で圧電体層１０の内周側へ突出する矩形状の接点部３１４ａ，３１４ｂとを備えて構成されている。

この第四実施形態に係る積層型圧電素子によれば、第一外部電極３１２及び第二外部電極３１４が素体２０２の長手方向に延びた形状となっている。従って、製造時の分極工程において、接点部３１２ａ，３１４ａあるいは接点部３１２ｂ，３１４ｂをプローブの接触部として利用すれば、第一外部電極３１２あるいは第二外部電極３１４のプローブ接続点とグランド外部電極３１３のプローブ接続点との間の距離を大きくすることができる。これによって、分極時のプローブの接触の確実性を向上させることができると共に、素子の小型化を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、必ずしも上述した実施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様々な変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、素体の第二主面側に半円柱状の摩擦チップを取り付けたが、これに代えて、円柱状の摩擦チップを取り付けてもよい。あるいは、第二主面側に断面半円状の溝を形成して、そこに円柱状の摩擦チップを埋め込んで、摩擦チップの半円分のみが素体から突出する構成としてもよい。更に、図１３（ａ）に示すように、長手方向の端面に摩擦チップ４Ｃを取り付けてもよく、あるいは、図１３（ｂ）に示すように円柱状の摩擦チップ４Ｄを取り付けてもよい。また、素体の長手方向の端面に断面半円状の溝を形成して円柱状の摩擦チップを埋めてもよい。

また、図１１に示す例では、各電極間のスルーホール導体を千鳥配列としたが、第一実施形態に示す直線状のスルーホール導体を各電極に対して幅方向に複数本形成してもよい。

１…積層型圧電素子、２，１０２，２０２，３０２…素体、２ａ…第一主面、２ｂ…第二主面、２ｃ…一端、２ｄ…他端、６，２０６Ａ〜２０６Ｆ…第一スルーホール導体、７，２０７Ａ〜２０７Ｆ…グランドスルーホール、８，２０８Ａ〜２０８Ｆ…第二スルーホール導体、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０…圧電体層、１１，１１１，２１１，３１１…外部電極層、１２，１１２，２１２，３１２…第一外部電極、１３，１１３，２１３，３１３…グランド外部電極、１４，１１４，２１４，３１４…第二外部電極、３１…第一内部電極層、３２…第一電極、３２ａ…電極部、３４…第二電極、３４ａ…電極部、４１…第一グランド電極層（グランド電極層）、４３…グランド電極、５１…第二内部電極層、５２…第四電極、５２ａ…電極部、５４…第三電極、５４ａ…電極部。

Claims

複数の圧電体層を積層することによって形成され、第一及び第二主面を有する直方体状の素体と、
前記第一及び第二主面に対向するように前記素体内に配置され、前記素体の長手方向の中央位置よりも一端側に配置される電極部を含む第一電極、及び前記中央位置よりも他端側に配置される電極部を含むと共に前記第一電極と電気的に絶縁された第二電極を有する第一内部電極層と、
前記第二主面側で前記圧電体層を挟んで前記第一内部電極層の前記第一電極の前記電極部及び前記第二電極の前記電極部と対向するように前記素体内に配置されるグランド電極を有するグランド電極層と、
前記第二主面側で前記圧電体層を挟んで前記グランド電極層と対向するように前記素体内に配置され、前記中央位置よりも前記一端側に配置される電極部を含む第三電極、及び前記中央位置よりも前記他端側に配置される電極部を含むと共に前記第三電極部と電気的に絶縁された第四電極を有する第二内部電極層と、
前記第一主面に形成され、それぞれが電気的に絶縁された第一外部電極、第二外部電極、及びグランド外部電極を有する外部電極層と、
前記素体内を前記圧電体層が積層される方向である厚み方向に延びて前記第一外部電極、前記第一電極及び前記第四電極同士を電気的に接続する第一スルーホール導体と、
前記素体内を前記厚み方向に延びて前記第二外部電極、前記第二電極及び前記第三電極同士を電気的に接続する第二スルーホール導体と、
前記素体内を前記厚み方向に延びて前記グランド外部電極及び前記グランド電極同士を電気的に接続するグランドスルーホール導体と、を備え、
前記第一スルーホール導体、前記第二スルーホール導体及び前記グランドスルーホール導体は、前記中央位置に配置されると共に、それぞれ前記素体の幅方向に配列されており、
前記長手方向に縦振動を生じると共に前記厚み方向に曲げ振動を生じることを特徴とする積層型圧電素子。
一の前記圧電体層に形成された前記第一スルーホール導体、前記第二スルーホール導体及び前記グランドスルーホール導体は、前記厚み方向に隣接する前記圧電体層に形成された前記第一スルーホール導体、前記第二スルーホール導体及び前記グランドスルーホール導体と前記厚み方向から見て重ならないことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。