JP5444593B2 - 積層型圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子に関する。

複数の内部電極と複数の圧電体層とを交互に積層してなる従来の積層型圧電素子として、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。かかる文献に記載の積層型圧電素子は、一方の最外層を構成する圧電体層を他の圧電体層よりも厚くすることで、一方の最外層に印加される電界強度を他の圧電体層に印加される電界強度よりも弱めている。
特許第３５１１９８１号公報

上述の積層型圧電素子では、一方の最外層を構成する圧電体層の厚さが他の圧電体層の厚さと異なるため、熱収縮率格差によって焼成時に変形が生じてしまうことがあった。

そこで、積層型圧電素子として焼成時の変形を抑制可能なものが望まれるが、積層型圧電素子においては、焼成時の変形抑制だけでなく、駆動時の変位量が十分であることも望まれていた。また、分極時に圧電体層の活性領域と不活性領域との間で発生する応力が大きくなると、分極時あるいは駆動時にクラック等が生じやすくなるため、この応力によるクラック等を抑制することも望まれていた。

以上の点を踏まえ、本発明は、焼成時の変形を抑制できると共に、駆動時に十分な変位量を得ながら応力によるクラック等を抑えることが可能な積層型圧電素子を提供することを課題とする。

本発明に係る積層型圧電素子は、複数の内部電極と複数の圧電体層とが交互に積層された積層体と、内部電極に接続された外部電極とを備える積層型圧電素子であって、複数の圧電体層のうち、一方の最外層を構成する第１の圧電体層と他方の最外層を構成する第２の圧電体層とは、厚さが同一であると共に、外部電極に電圧を印加した際に伸縮する活性領域と伸縮しない不活性領域とをそれぞれ有しており、複数の圧電体層が延びる方向において、第２の圧電体層の活性領域は、第１の圧電体層の活性領域よりも短くなっており、複数の圧電体層のうち、第１の圧電体層と第２の圧電体層との間に位置し且つ複数の圧電体層の積層方向における中央位置よりも第２の圧電体層側に配された第３の圧電体層は、活性領域を有していないことを特徴とする。

本発明の積層型圧電素子では、一方の最外層を構成する第１の圧電体層と他方の最外層を構成する第２の圧電体層とが同一の厚さを有している。一対の最外層の厚さが同じであるため、熱収縮率格差による焼成時の表面の変形が生じにくくなり、その結果、積層型圧電素子全体としても焼成時の変形が生じにくくなる。また、第１及び第２の圧電体層が共に活性領域と不活性領域とを有するので、分極時において一方の最外層で発生する応力と他方の最外層で発生する応力との間に、差が生じにくくなる。その結果、かかる応力差により積層型圧電素子の外側に歪みが生じ、これが一因となって分極時あるいは駆動時にクラックが発生するということを抑制できる。その上、一方の最外層と他方の最外層との間に、活性領域を有さない第３の圧電体層を挟むので、他の圧電体層にて分極時に発生する応力を、この第３の圧電体層によって緩和することができる。

更に本発明の積層型圧電素子では、第２の圧電体層の活性領域が第１の圧電体層の活性領域よりも短くなっている。このように一方の最外層と他方の最外層とで活性領域の長さを変えることにより、一方の最外層の変位量と他方の最外層の変位量とが異なることとなるため、積層型圧電素子全体としての変位量を相乗的に高めることができる。また、活性領域を有さない第３の圧電体層を、積層方向における中央位置よりも第２の圧電体層側に配しているので、中央位置よりも他方の最外層側は比較的伸縮が生じにくい部分となる。これに対して、中央位置よりも一方の最外層側は、長い活性領域を有する第１の圧電体層が形成されているため、伸縮が比較的生じやすい部分となる。このように、積層体の一方の側を比較的伸縮が生じやすい部分とし、他方の側を比較的伸縮が生じにくい部分とすることにより、一方の側で生じた変位を他方の側で増長させることとなる。その結果、積層型圧電素子Ｅ１全体としての変位量をより大きくすることができる。

したがって本発明によれば、焼成時の変形を抑制できると共に、駆動時に十分な変位量を得ながら応力によるクラック等を抑えることが可能な積層型圧電素子を得ることができる

また、本発明の積層型圧電素子は、積層体は積層方向に沿う一対の側面を備えており、第１の圧電体層の活性領域は、積層方向と直交する方向における中央部分から一方の側面側にかけて連続的に形成されており、第２の圧電体層の活性領域は、中央部分よりも他方の側面側に形成されており、第１及び第２の圧電体層の活性領域は、積層方向から見たときに互いに重なりを有さないことが好ましい。この場合、一方の側面寄りの部分を固定した状態で積層型圧電素子を駆動したときに、第１の圧電体層の活性領域による伸縮と、第２の圧電体層の活性領域による伸縮との相乗的作用がより効果的に発揮されるため、積層型圧電素子をいっそう大きく変位させることができる。

本発明によれば、焼成時の変形を抑制できると共に、駆動時に十分な変位量を得ながら分極応力を緩和することが可能な積層型圧電素子を提供することができる。

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。

図１（ａ）は本実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した積層型圧電素子の側面図である。

本実施形態の積層型圧電素子は、例えば、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）を駆動機構としたハードディスクドライブ（ＨＤＤ）において、アクチュエータとして用いられるものである。図１（ａ）に示されるように、本実施形態の積層型圧電素子Ｅ１は、直方体状の積層体２を備えている。積層体２は、６つの圧電体層３と、５つの電極層４（内部電極）及び電極層５とを交互に積層してなるものであり、圧電体層３の積層方向に互いに対向する第１及び第２の主面２ａ，２ｂと、第１及び第２の主面２ａ，２ｂに隣り合い且つ圧電体層３の積層方向に沿う第１及び第２の側面２ｃ，２ｄと、第１及び第２の主面２ａ，２ｂ及び第１及び第２の側面２ｃ，２ｄに隣り合う第３及び第４の側面２ｅ，２ｆとを有している。

電極層４は、電極層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅで構成されている。電極層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅは、この並びで積層体２の第１の主面２ａ側から順に形成されており、特に電極層４ａ〜４ｄはその一部領域が圧電体層３を挟んで対向するように交互に積層されている。電極層４ａ，４ｃは積層体２の第２の側面（他方の側面）２ｄに引き出されており、電極層４ｂ，４ｄ，４ｅは積層体２の第１の側面（一方の側面）２ｃに引き出されている。また、電極層４ｅ上には圧電体層３を介して電極層５が形成されている。電極層５は、積層体２の第２の主面２ｂに露出すると共に、その一部領域が圧電体層３を挟んで電極層４ｅと対向するように配置されている。電極層５は、積層体２の第２の側面２ｄに引き出されている。電極層４ａ〜４ｅ，５は、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料からなっている。なお、電極層４ａ〜４ｅ，５は、Ａｕ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料からなるとしてもよい。

積層体２の第１の側面２ｃには、電極層４ｂ，４ｄ，４ｅと電気的に接続された外部電極６ａが設けられている。この外部電極６ａは、積層体２の第１の側面２ｃから第１の主面２ａまで延在している。積層体２の第２の側面２ｄには、電極層４ａ，４ｃ，５と電気的に接続された外部電極６ｂが設けられている。この外部電極６ｂは、積層体２の第２の側面２ｄから第１の主面２ａまで延在している。外部電極６ａ，６ｂは、第１の主面２ａにおいて所定の距離隔てられている。外部電極６ａ，６ｂには、電圧印加用のリード線（図示せず）が接続されている。このような外部電極６ａ，６ｂは、例えばＡｕ等で形成されている。

圧電体層３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。圧電体層３のうち、外部電極６ａ，６ｂと電極層４ａ間に位置する圧電体層３ａ(第１の圧電体層)が、積層体２の一方の最外層、すなわち第１の主面２ａ側の最外層を構成し、電極層５と電極層４ｅ間に位置する圧電体層３ｂ(第２の圧電体層)が、積層体２の他方の最外層、すなわち第２の主面２ｂ側の最外層を構成している。圧電体層３ａと圧電体層３ｂとは、厚さが同一となっている。また、圧電体層３のうち、電極層４ｄ，４ｅ間に位置する圧電体層３ｃ(第３の圧電体層)は、圧電体層３ａ，３ｂの約３倍の厚さを有している。なお本実施形態において、電極層４ａ〜４ｄ間に位置する３つの圧電体層３は、圧電体層３ａ，３ｂと同一の厚さをそれぞれ有している。

圧電体層３ｃを除く各圧電体層３は、外部電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加した時に伸縮する活性領域７と、伸縮しない不活性領域とをそれぞれ有している。各圧電体層３において、活性領域７を除く領域が不活性領域に相当する。活性領域７は、外部電極６ａと電極層４ａ、電極層４ａと電極層４ｂ、電極層４ｂと電極層４ｃ、電極層４ｃと電極層４ｄ、及び電極層４ｅと電極層５、が重なり合う領域である。

図１（ｂ）に示すように、第１の主面２ａにおいて、外部電極６ａは積層方向と直交する方向における中央位置８を越えて第２の側面２ｄ側まで延在している。また、電極層４ａは、上述した中央位置８を越えて第１の側面２ｃ側まで延在している。これにより、活性領域７のうち、外部電極６ａと電極層４ａとが重なり合ってなる活性領域７ａは、中央位置８の周辺部分（中央部分）から第１の側面２ｃ側にかけて、連続的に形成されることとなる。

一方、第２の主面２ｂにおいて、電極層５は中央位置８を越えることなく第２の側面２ｄ側に延在している。また、電極層４ｅは、中央位置８を越えて第２の側面２ｄ側まで延在している。これにより、活性領域７のうち、電極層４ｅと電極層５とが重なり合ってなる活性領域７ｂは、中央位置８の周辺部分には至らず、当該部分よりも第２の側面２ｄ側に形成されることとなる。

このように、電極層４ｅと電極層５とが重なり合ってなる活性領域７ｂは、外部電極６ａと電極層４ａとが重なり合ってなる活性領域７ａよりも短くなっている。また、活性領域７ａ，７ｂは、積層方向から見たときに互いに重ならないように形成されている。例えば圧電体層３ａ，３ｂの厚さが約１３μｍであり、積層体２の積層方向における長さ（高さ）が約１１５μｍである場合には、活性領域７ｂの長さＤ１は約０．２ｍｍ以下とする。なおこのとき、積層体２の第１の主面２ａにおいて、外部電極６ａ，６ｂ間の距離Ｄ２は約０．２ｍｍ以下とする。

電極層４ｄと電極層４ｅとの間に位置する圧電体層３ｃは、他の圧電体層３と異なり、活性領域を有していない。この圧電体層３ｃは、積層方向における中央位置９よりも圧電体層３ｂ側に配されている。

次に、上述した積層型圧電素子Ｅ１を製作する手順について説明する。まず、圧電体層３を形成するグリーンシートを成形する。グリーンシートを作製するにあたって、例えばＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、グリーンシートを複数枚作製する。

次に、グリーンシートに、電極層４ａ〜４ｅ及び電極層５に相当する電極パターンを複数、より具体的には、後述する分割チップ数に対応する数、形成する。電極パターンを形成するにあたって、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。なお、導電材料はＡｕ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成されたものを用いるとしてもよい。そして、そのペーストをグリーンシートにスクリーン印刷して乾燥させることにより、電極層４ａ〜４ｅ，５に相当する電極パターンが形成されたグリーンシートをそれぞれ得る。

次に、電極パターンが形成されたグリーンシートを重ねて加熱圧着し、シート積層体を得る。このとき、電極層４ｄに相当する電極パターンが形成されたグリーンシートと電極層４ｅに相当する電極パターンが形成されたグリーンシートとの間には、電極パターンが形成されていないグリーンシートを２枚積層する。これにより、電極層４ｄ，４ｅ間に位置する圧電体層３ｃがその他の圧電体層３の約３倍の厚さとなる。

続いて、得られたシート積層体を切断して、チップ形状のシート積層体を複数得る。チップ形状のシート積層体をセッターに載せ、シート積層体の脱脂（脱バインダ）を４００℃程度の大気雰囲気中にて１０時間程度行う。その後、シート積層体が載置されたセッターを密閉炉内に入れ、１１００℃程度の大気中にてシート積層体の焼成を２時間程度行い、焼結体を得る。本実施形態において、焼成後の各グリーンシートの厚さは約１３μｍとなり、そのため焼結体の厚さは電極層の厚みが加わり約１１５μｍとなる。

得られた焼結体に、温度１２０℃の環境下で、焼結体の厚みに対する電界強度が２〜３ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を３分間印加することにより、焼結体の分極処理を行う。分極処理は、隣り合う圧電体層３の分極方向が互いに反転の関係となるように行う。これにより、圧電体層３と電極層４，５とを有する、図１に示される積層体２が得られることとなる。

その後、積層体２の側面に金をスパッタリングすることにより外部電極６ａ，６ｂを形成する。このとき、積層体２の第１の主面２ａにおける外部電極６ａ，６ｂ間の距離Ｄ２が約０．２ｍｍ以下となるようにする。以上の工程を経て、積層型圧電素子Ｅ１が完成する

このようにして製造された積層型圧電素子Ｅ１に関して、実際に行った評価について説明する。図２は、積層型圧電素子Ｅ１の評価方法を説明するための図である。

より具体的は、シミュレーションを用いて、積層型圧電素子Ｅ１の圧電歪定数ｄ_３１方向の変位評価を行った。すなわち、積層型圧電素子Ｅ１を用意し、この積層型圧電素子Ｅ１における積層体２の第１の側面２ｃ側を固定して、外部電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加した。そして、電圧印加前の積層型圧電素子Ｅ１（図２の積層型圧電素子Ｅ１ａ）を基準とし、電圧印加時の積層型圧電素子Ｅ１（図２の積層型圧電素子Ｅ１ｂ）について、外部電極６ｂの角部における変位量Ｂ１を計測した。なお、積層型圧電素子Ｅ１としては、活性領域７ｂの長さＤ１が０．１ｍｍ又は０．２ｍｍ、外部電極６ａ，６ｂ間の距離Ｄ２が０．１ｍｍ又は０．２ｍｍとなっているものを用意した。

上述の積層型圧電素子Ｅ１とは別に、図３に示すように、８つの圧電体層１３と６つの電極層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆとを交互に積層してなる積層体１２を備える積層型圧電素子Ｅ２を用意する。電極層１４ａ〜１４ｇで挟まれた圧電体層１３が有する活性領域１７は、すべて同一の長さとなっている。この積層型圧電素子Ｅ２において、電極層１４ａ〜１４ｃは積層体１２の第２の側面１２ｄに引き出されており、電極層１４ｄ〜１４ｆは積層体１２の第１の側面１２ｃに引き出されている。積層体１２の第１の側面１２ｃ及び第２の側面１２ｄは、図１に示す積層体２の第１の側面２ｃ及び第２の側面２ｄに相当する。この積層型圧電素子Ｅ２についても、積層型圧電素子Ｅ１と同様にして変位量を計測した。

計測した積層型圧電素子Ｅ１の変位量を積層型圧電素子Ｅ２の変位量で除算し、得られた除算値を変位量の増加率とした。変位量の増加率を表１に示す。

表１からもわかるとおり、本実施形態の積層型圧電素子Ｅ１では、電圧印加時の変位量が図３に示す積層型圧電素子Ｅ２に比べて大きくなる。

以上詳細に説明したように、本実施形態の積層型圧電素子Ｅ１では、積層体２において第１の主面２ａ側の最外層を構成する圧電体層３ａと、第２の主面２ｂ側の最外層を構成する圧電体層３ｂとが、同一の厚さを有している。一対の最外層の厚さが同じであるため、熱収縮率格差による焼成時の表面の変形が生じにくくなり、その結果、積層型圧電素子Ｅ１全体としても焼成時の変形が生じにくくなる。また、圧電体層３ａ，３ｂが共に活性領域７ａ，７ｂと不活性領域とを有するので、第１の主面２ａ側で発生する分極時の応力と、第２の主面２ｂ側で発生する分極時の応力との間に、差が生じにくくなる。その結果、積層型圧電素子Ｅ１の外側が分極時に歪むことが原因で、分極時あるいは駆動時にクラックが発生するということを抑制できる。その上、第１の主面２ａ側の最外層と第２の主面２ｂ側の最外層との間に、活性領域を有さない圧電体層３ｃを挟むので、他の圧電体層３にて分極時に発生する応力を、この圧電体層３ｃによって緩和することができる。

更に積層型圧電素子Ｅ１では、圧電体層３ｂの活性領域７ｂが圧電体層３ａの活性領域７ａよりも短くなっている。このように一方の最外層と他方の最外層とで活性領域の長さを変えることにより、一方の最外層の変位量と他方の最外層の変位量とが異なることとなるため、積層型圧電素子Ｅ１全体としての変位量を相乗的に高めることができる。また積層型圧電素子Ｅ１では、積層方向における中央位置９よりも圧電体層３ｂ側に、活性領域を有さない圧電体層３ｃを形成している。これにより、中央位置９よりも第２の主面２ｂ側は比較的伸縮が生じにくい部分となる。これに対して、中央位置９よりも第１の主面２ａ側は、活性領域を有する圧電体層３が４層形成されているため、伸縮が生じやすい部分となる。このように、積層体２の一方の側を比較的伸縮が生じやすい部分とし、他方の側を比較的伸縮が生じにくい部分とすることによって、積層体２の一方の側で生じた変位を他方の側で増長させることが可能となり、積層型圧電素子Ｅ１全体としての変位量をより大きくすることができる。

したがって本実施形態によれば、焼成時の変形を抑制できると共に、駆動時に十分な変位量を得ながら応力によるクラック等を抑えることが可能な積層型圧電素子Ｅ１を得ることができる。

また、本実施形態の積層型圧電素子Ｅ１では、外部電極６ａと電極層４ａとが重なり合ってなる活性領域７ａは、中央位置８の周辺部分から第１の側面２ｃ側にかけて、連続的に形成されている。一方、電極層４ｅと電極層５とが重なり合ってなる活性領域７ｂは、中央位置８の周辺部分には至らず、当該部分よりも第２の側面２ｄ側に形成されている。更に、活性領域７ａ，７ｂは、積層方向から見たときに互いに重ならないように形成されている。この場合、第１の側面２ｃ寄りの部分を固定した状態で積層型圧電素子Ｅ１を駆動すると、活性領域７ａによる伸縮と、第２の圧電体層の活性領域による伸縮との相乗的作用がより効果的に発揮されるため、積層型圧電素子Ｅ１をいっそう大きく変位させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、圧電体層３ａ，３ｂ及び電極層４ａ〜４ｄ間に位置する圧電体層３の厚さを約１３μｍとしたが、圧電体層の厚さはこれに限られない。

また、本実施形態では、電極層４ｄ，４ｅ間に位置する圧電体層３ｃは圧電体層３ａ，３ｂの約３倍の厚さを有しているとしたが、少なくとも約２倍の厚さを有していればよい。

また、本実施形態では、積層体２は６つの圧電体層３と５つの電極層４を有するとしたが、圧電体層及び電極層の数はこれに限られない。また、圧電体層３、電極層４、電極層５、及び外部電極６ａ，６ｂに用いられる材料は、上述したものに限られない。

本実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図および側面図である。 本実施形態に係る積層型圧電素子の評価方法を説明するための図である。 他の積層型圧電素子を示す側面図である。

符号の説明

２…積層体、２ａ…第１の主面、２ｂ…第２の主面、２ｃ…第１の側面、２ｄ…第２の側面、３，３ａ〜３ｃ…圧電体層、４，４ａ〜４ｅ，５…電極層、６ａ，６ｂ…外部電極、７，７ａ，７ｂ…活性領域、Ｅ１…積層型圧電素子。

Claims (2)

1. 複数の内部電極と複数の圧電体層とが交互に積層された積層体と、前記複数の内部電極のうち対応する内部電極に接続された複数の外部電極とを備える積層型圧電素子であって、
   前記積層体は、前記複数の内部電極と前記複数の圧電体層との積層方向に互いに対向する第１及び第２の主面と、前記第１及び第２の主面に隣り合い且つ前記積層方向に沿う第１及び第２の側面と、前記第１及び第２の主面並びに前記第１及び第２の側面に隣り合う第３及び第４の側面と、を有し、
   前記複数の外部電極は、前記第１の側面と前記第１の主面とに延在するように設けられている第１の外部電極と、前記第２の主面に設けられている電極層と接続され且つ前記第２の側面に設けられている第２の外部電極と、を有し、
   前記複数の内部電極は、前記積層方向で互いに交互に配置されたそれぞれ複数の第１及び第２の内部電極と、前記電極層と対向するように配置され且つ前記第１の側面に引き出されて前記第１の外部電極に接続された第３の内部電極と、を含み、
   前記複数の第１の内部電極は、前記第２の側面に引き出されて前記第２の外部電極に接続され、前記複数の第２の内部電極は、前記第１の側面に引き出されて前記第１の外部電極に接続され、
   前記複数の圧電体層のうち、前記第１の主面側の最外層を構成する第１の圧電体層と前記第２の主面側の最外層を構成する第２の圧電体層とは、厚さが同一であり、
   前記第１の圧電体層は、記複数の第１の内部電極のうち前記第１の外部電極と対向するように配置された第１の内部電極と前記第１の外部電極とが重なり合っている領域であって、前記第１及び第２の外部電極に電圧を印加した際に伸縮する活性領域と、該活性領域を除く領域であって、伸縮しない不活性領域と、を有し、
   前記第２の圧電体層は、前記電極層と前記第３の内部電極とが重なり合っている領域であって、前記第１及び第２の外部電極に電圧を印加した際に伸縮する活性領域と、該活性領域を除く領域であって、伸縮しない不活性領域と、を有しており、
   前記複数の圧電体層が延びる方向において、前記第２の圧電体層の前記活性領域は、前記第１の圧電体層の前記活性領域よりも短くなっており、
   前記複数の圧電体層のうち、前記第１の圧電体層と前記第２の圧電体層との間に位置し且つ前記積層方向における中央位置よりも前記第２の圧電体層側に配された第３の圧電体層は、前記活性領域を有しておらず、
   前記積層体における前記中央位置よりも前記第１の主面側の最外層側は、前記積層体における前記中央位置よりも前記第２の主面側の最外層側よりも伸縮が生じやすく、前記積層体における前記中央位置よりも前記第１の主面側の最外層側で生じた変位が前記積層体における前記中央位置よりも前記第２の主面側の最外層側で増長することを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記第１の圧電体層の前記活性領域は、前記積層方向と直交する方向における中央部分から前記第１の側面側にかけて連続的に形成されており、
   前記第２の圧電体層の前記活性領域は、前記中央部分よりも前記第２の側面側に形成されており、
   前記第１及び第２の圧電体層の前記活性領域は、前記積層方向から見たときに互いに重なりを有さないことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。

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