JP5500308B2 - 圧電素子およびこれを用いた圧電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関し、さらに詳しくは、圧電ポンプなどの圧電装置への実装が容易な圧電素子に関する。また、本発明は、前記圧電素子を用いた圧電装置に関する。

近時、小型で高精度のポンプ、ブロア、ファンなどの駆動源として、圧電素子が用いられている。そして、この用途の圧電素子としては、比較的低い電圧で駆動でき、圧電素子の中央部で大きな変位量を得ることができ、さらに経時的に特性が劣化しないものが求められている。

これらの要求を満たすものとして、たとえば、特許文献１（ＷＯ２００８／００７６３４）に開示された、圧電ポンプの駆動源用の圧電素子がある。

図１０および図１１に、特許文献１に開示された圧電素子４００を示す。ただし、図１０は斜視図、図１１は分解斜視図である。

圧電素子４００は、複数の圧電体層１０１ａ〜１０１ｈが積層されてなる圧電体１０１を備える。圧電体１０１の表面には、第１端子１１１、第２端子１１２、第３端子１１３が並んで形成されている。

最上層の圧電体層１０１ａの表面には、矩形のグランド電極１２１が形成されている。グランド電極１２１は、第２端子１１２に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｂの表面には、中央部に円形の中心電極１２４が形成され、その周囲に環状の周辺電極１２５が形成されている。中心電極１２４は、第３端子１１３に引き出され、周辺電極１２５は、第１端子１１１に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｃの表面には、矩形のグランド電極１２１が形成されている。グランド電極１２１は、第２端子１１２に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｄの表面には、中央部に円形の中心電極１２４が形成され、その周囲に環状の周辺電極１２５が形成されている。中心電極１２４は、第３端子１１３に引き出され、周辺電極１２５は、第１端子１１１に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｅの表面には、矩形のグランド電極１２１が形成されている。グランド電極１２１は、第２端子１１２に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｆの表面には、中央部に円形の中心電極１２４が形成され、その周囲に環状の周辺電極１２５が形成されている。中心電極１２４は、第１端子１１１に引き出され、周辺電極１２５は、第３端子１１３に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｇの表面には、矩形のグランド電極１２１が形成されている。グランド電極１２１は、第２端子１１２に引き出されている。

その次の圧電体層１０１ｈの表面には、中央部に円形の中心電極１２４が形成され、その周囲に環状の周辺電極１２５が形成されている。中心電極１２４は、第１端子１１１に引き出され、周辺電極１２５は、第３端子１１３に引き出されている。また、圧電体層１０１ｈの裏面には、矩形のグランド電極１２１が形成されている。そして、そのグランド電極１２１は、第２端子１１２に引き出されている。

なお、従来の圧電素子４００は、上下両表面に、それぞれ、グランド電極１２１が露出しているが、上下両表面に、それぞれ、電極の形成されていない圧電体層を積層し、グランド電極１２１が露出しないように構成することも可能である。

かかる構造からなる圧電体１０１は、たとえば、導電ペーストなどにより必要な電極（グランド電極１２１、中心電極１２４、周辺電極１２５）が形成された、圧電体層１０１ａ〜１０１ｈを形成するための圧電性グリーンシートを積層し、加圧し、焼成するなどの方法により形成される。また、第１端子１１１、第２端子１１２、第３端子１１３は、たとえば、焼成後の圧電体１０１の表面に、導電ペーストを焼付けるなどの方法により形成される。

圧電素子４００は、たとえば、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１端子１１１、第２端子１１２、第３端子１１３に、直流電圧を印加することにより分極される。なお、図１２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、圧電素子４００の分極工程を示す説明図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の一点鎖線Ｘ‐Ｘ部分を示す。なお、図１２（Ｂ）においては、分極方向をわかり易く示すため、幅方向に対して、高さ方向を拡大して示している。

図１２（Ａ）に示すように、第１端子１１１にマイナス電圧、第２端子１１２にグランド電圧、第３端子１１３にプラス電圧が印加される。この結果、図１２（Ｂ）に示すように、圧電素子４００を構成する圧電体層１０１ａ〜１０１ｈは、それぞれ、図中、矢印で示す方向に分極される。図１２（Ｂ）からわかるように、各圧電体層１０１ａ〜１０１ｈは、中心部分と周辺部分とにおいて、分極方向が逆になっている。また、中心電極１２４、周辺電極１２５の、第１端子１１１、第３端子１１３への引き出し方が異なるため、圧電体層１０１ａ〜１０１ｄと圧電体層１０１ｅ〜１０１ｈとにおいて、分極の繰返し順序が異なっている。

このような構造からなり、かつ分極された圧電素子４００は、たとえば、圧電ポンプなどの圧電装置の駆動源として用いられる。図１３（Ａ）、（Ｂ）に、圧電素子４００を駆動源に用いた圧電ポンプ５００を示す。なお、図１３（Ａ）は斜視図、図１３（Ｂ）は断面図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）の一点鎖線Ｙ‐Ｙ部分を示す。

圧電ポンプ５００は、ポンプ本体１３１を備える。ポンプ本体１３１には、中空のポンプ室１３１ａと、ポンプ室１３１ａの上方を開口した開口部１３１ｂと、ポンプ室１３１ａにつながる２つの孔１３１ｃ、１３１ｄとが形成されている。

そして、開口部１３１ｂは、ダイヤフラム１３２により塞がれ、ダイヤフラム１３２に圧電素子４００が接着固定されている。

また、孔１３１ｃには流入側の逆止弁１３３が取り付けられ、孔１３１ｄには流出側の逆止弁１３４が取り付けられている。流入側の逆止弁１３３は、外部からポンプ室１３１ａへの流体の流入は許容するが、逆方向への流出は阻止するように機能する。流出側の逆止弁１３３は、ポンプ室１３１ａから外部への流体の流出は許容するが、逆方向の流入は阻止するように機能する。

また、ポンプ本体１３１の上面には、３つの金属端子部材１４１、１４２、１４３が固定されている。そして、金属端子部材１４１は圧電素子４００の第１端子１１１に、金属端子部材１４２は第２端子１１２に、金属端子部材１４３は第３端子１１３に、それぞれ、導電ペースト、はんだなどの接合材により接続されている。なお、図１３（Ａ）においては、接合材の図示を省略している。

図１４（Ａ）〜（Ｃ）に、圧電ポンプ５００の駆動状態を示す。なお、図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ説明図であり、図１４（Ｂ）、（Ｃ）は、図１４（Ａ）の圧電素子４００の一点鎖線Ｚ‐Ｚ部分を示す。なお、図１４（Ｂ）においては、圧電素子４００を構成する圧電体層１０１ａ〜１０１ｈの伸長、収縮をわかり易く示すため、幅方向に対して、高さ方向を拡大して示している。

図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電素子４００は、圧電ポンプ５００を駆動するにあたり、駆動電源である交流電源の一方の端子を、金属端子部材１４２を経由して第２端子１１２に接続し、交流電源の他方の端子を、金属端子部材１４１を経由して第１端子１１１と、金属端子部材１４３を経由して第３端子１１３とに接続している。なお、交流電源は、正弦波を発生させるものには限られず、矩形波などを発生させるものであってもよい。

圧電素子４００の圧電体１０１を構成する圧電体層１０１ａ〜１０１ｈは、図１２（Ｂ）に示すように分極されているため、交流が印加されると、ある時点において、たとえば、図１４（Ｂ）の矢印に示すように、部分的に伸長または収縮する。たとえば、この時点においては、圧電体層１０１ａ〜１０１ｄの中央部は収縮し、その周囲の周辺部は伸長する。一方、圧電体層１０１ｅ〜１０１ｄの中央部は伸長し、その周囲の周辺部は収縮する。この結果、圧電素子４００は、図１４（Ｃ）において斜線矢印で示すように、中央部が下方向に屈曲変位し、周辺部が上方向に屈曲変位する。

そして、交流電源の極性が変わると、圧電素子４００は、図１４（Ｂ）、（Ｃ）に示したのとは逆の挙動を示す。すなわち、圧電体層１０１ａ〜１０１ｄの中央部は伸長し、その周囲の周辺部は収縮し、圧電体層１０１ｅ〜１０１ｄの中央部は収縮し、その周囲の周辺部は伸長する。そして、圧電素子４００は、中央部が上方向に屈曲変位し、周辺部が下方向に屈曲変位する。

交流電圧が印加され、圧電素子４００が、これらの挙動を繰り返すことにより、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示す圧電ポンプ５００は、流体が孔１３１ｃからポンプ室１３１ａに流入され、さらに、ポンプ室１３１ａに流入された流体が孔１３１ｄから外部に流出される。

以上の構成からなる従来の圧電素子４００は、圧電体１０１が圧電体層１０１ａ〜１０１ｈに多層化して構成され、かつ各圧電体層１０１ａ〜１０１ｈが中心部分と周辺部分とにおいて逆方向に分極されているため、比較的低い電圧で駆動することができ、かつ圧電素子４００の中央部で大きな変位量を得ることができる。したがって、この圧電素子４００を駆動源に用いた圧電装置（圧電ポンプ５００など）は、小さな消費電力で、効率よく機能する。

また、従来の圧電素子４００は、使用に際して、同一の層に形成された中心電極１２４と周辺電極１２５との間のエレクトロマイグレーションが防止されており、経時的に特性が劣化しないという特長も備えている。すなわち、使用に際して、同一の層に形成された中心電極と周辺電極との電位が異なると、一定期間の使用の後に、中心電極と周辺電極との間でエレクトロマイグレーションが起こり、両者間が短絡して、特性が劣化する、あるいは、圧電素子が壊れてしまうおそれがあるという問題があった。特に、中心電極、周辺電極の主成分に、Ａｇを用いた場合に、この問題は大きかった。

これに対し、圧電素子４００は、使用の際には、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、交流電源の、一方の端子が第２端子１１２に接続され、他方の端子が第１端子１１１および第３端子１１３に接続され、第１端子１１１と第３端子１１３とは常に同電位になっている。この結果、圧電素子４００内の全ての中心電極１２４と周辺電極１２５とは常に同電位になっており、同一の層に形成された中心電極１２４と周辺電極１２５との間のエレクトロマイグレーションが発生することはなく、両者間が短絡することがない。圧電素子４００は、エレクトロマイグレーションに起因して、経時的に特性が劣化することや、壊れてしまうことがない。

ＷＯ２００８／００７６３４

上述したとおり、特許文献１（ＷＯ２００８／００７６３４）に開示された従来の圧電素子４００は、比較的低い電圧で駆動でき、圧電素子の中央部で大きな変位量を得ることができ、さらに経時的に特性が劣化しないという、優れた特長を備えている。

しかしながら、圧電素子４００には、圧電ポンプなどの圧電装置の駆動源として使用する場合に、第１端子１１１、第２端子１１２、第３端子１１３の３つの端子の全てに交流電源（駆動電源）の端子を接続しなければならず、圧電装置の設計自由度が妨げられる、圧電装置の製造が煩雑になるという問題があった。

すなわち、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電素子４００においては、第１端子１１１と第３端子１１３とに、交流電源から常に同電位の電圧が印加されるにもかかわらず、第１端子１１１と第３端子１１３との間には第２端子１１２が存在するため、第１端子１１１と第３端子１１３とに、別々に交流電源の端子を接続しなければならなかった。そのため、圧電素子４００を駆動源として使用するポンプなどの圧電装置において、設計自由度が妨げられる、製造が煩雑になるという問題があった。

本発明は、上述した従来の圧電素子の有する課題を解決するためになされたものであり、その手段として本発明の圧電素子は、複数の圧電体層が積層されてなる圧電体と、圧電体の圧電体層の層間に、１層おきに形成された、複数のグランド電極と、圧電体の圧電体層の層間のうち、グランド電極が形成されていない層間に、それぞれ、その中央部に形成された、複数の中心電極と、圧電体の圧電体層の層間のうち、中心電極が形成された層間に、それぞれ、中心電極を囲むように形成された、複数の周辺電極とを備え、圧電体の表面には、第１端子、第２端子、第３端子、第４端子、第５端子が、順に並んで形成され、グランド電極が、第３端子に引き出されるとともに、圧電体を、圧電体層の積層方向の中央の層間面で２分割し、一方を第１部分、他方を第２部分とした場合に、第１部分に形成された中心電極が、第４端子に引き出され、第２部分に形成された周辺電極が、第１端子および第４端子に引き出され、第１部分に形成された周辺電極が、第２端子および第５端子に引き出され、第２部分に形成された中心電極が、第２端子に引き出されるか、または、第１部分に形成された中心電極が、第２端子に引き出され、第２部分に形成された周辺電極が、第２端子および第５端子に引き出され、第１部分に形成された周辺電極が、第１端子および第４端子に引き出され、第２部分に形成された中心電極が、第４端子に引き出されるようにした。

圧電体への分極は、第３端子をグランドに接続するとともに、第１端子および第４端子の少なくとも一方にプラス電圧を印加し、第２端子および第５端子の少なくとも一方にマイナス電圧を印加するか、または、第１端子および第４端子の少なくとも一方にマイナス電圧を印加し、第２端子および第５端子の少なくとも一方にプラス電圧を印加しておこなうことができる。この結果、圧電体を構成する圧電体層のうち、グランド電極と、中心電極および周辺電極とで挟まれた圧電体層は、中心部分と周辺部分とにおいて、逆方向に分極される。

また、圧電体の圧電体層の層間相互における電気的接続は、たとえば、圧電体層を貫通して形成された孔に導電性物質を充填して形成した充填ビアによりおこなうことができる。

なお、充填ビアにより、２層以上の圧電体層を介して離隔した層間相互において電気的接続をはかる場合には、隣接する圧電体層のそれぞれに形成された充填ビアを、圧電体層の積層方向に透視した場合に、相互にずらして形成するようにしても良い。この場合には、充填ビアが積層方向に連続して形成されることに起因する圧電体の変形を防止することができる。

また、充填ビアにより、隣り合わない層間の電気的接続をはかる場合には、途中の層間に中継電極を形成することができ、それらの中継電極が、複数からなり、圧電体層の積層方向に透視した場合に重なっている場合には、それらの中継電極を、２種以上の形状からそれぞれ選択して形成するか、同一形状のものを相互にずらして形成するか、同一形状のもの回転して形成するようにしてもよい。この場合には、各中継電極を形成することにより発生する段差を、圧電体を圧電体層の積層方向に透視した場合に分散して配置することができ、中継電極を形成したことに起因する圧電体の変形を防止することができる。

また、本発明の圧電素子は、ポンプ、ブロア、ファンなどの圧電装置の駆動源として、圧電装置本体に実装して使用することができる。この場合には、交流電源の一方の端子を、圧電素子の第３端子に接続し、交流電源の他方の端子を、圧電素子の第１端子および第２端子の両方、または、圧電素子の第４端子および第５端子の両方に接続すればよい。

また、交流電源の端子と第１端子ないし第５端子との接続は、金属端子部材を介しておこない、第１端子ないし第５端子の表面の、金属端子部材が接触する部分には、充填ビアを形成しないようにしてもよい。この場合には、充填ビアに金属端子部材が接触することに起因する、充填ビア、圧電体などの破損や傷つきを防止することができる。

本発明の圧電素子は、上述した構成としたため、圧電装置への実装が容易であり、圧電装置の設計自由度が向上し、圧電装置の製造も容易になる。すなわち、本発明の圧電素子は、交流電源の一方の端子を、圧電素子の第３端子に接続し、交流電源の他方の端子を、圧電素子の第１端子および第２端子の両方、または、圧電素子の第４端子および第５端子の両方に接続すればよく、従来よりも接続を簡略化することが可能であり、最低２カ所に接続すれば使用することができる。

本発明の第１実施形態にかかる圧電素子１００を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる圧電素子１００の分解斜視図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態にかかる圧電素子１００を製造する際の分極工程を示す説明図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一点鎖線Ｓ‐Ｓ部分を示す。 図４（Ａ）は、図１〜図３に示した圧電素子１００を駆動源に使用した、本発明の第１実施形態にかかる圧電装置である圧電ポンプ２００を示す斜視図である。図４（Ｂ）は、圧電ポンプ２００を示す断面図であり、図４（Ａ）一点鎖線Ｔ‐Ｔ部分を示す。 図５（Ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる圧電ポンプ２００において、第１端子１１および第２端子１２と金属端子部材４１との接続部分を示した部分平面図である。また、図５（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、変形例である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態にかかる圧電ポンプ２００の使用状態を示す説明図であり、図６（Ｂ）、（Ｃ）は図６（Ａ）の一点鎖線Ｕ‐Ｕ部分にかかる圧電素子１００を示す。 第１実施形態にかかる圧電素子１００の変形例を示す部分断面図である。 図８（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、第１実施形態にかかる圧電素子１００の変形例を示す部分断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる圧電素子３００を示す斜視図である。 従来の圧電素子４００を示す斜視図である。 従来の圧電素子４００の分解斜視図である。 図１２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、従来の圧電素子４００を製造する際の分極工程を示す説明図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の一点鎖線Ｘ‐Ｘ部分を示す。 図１３（Ａ）は、図１０〜図１２に示した従来の圧電素子４００を駆動源に使用した、従来の圧電ポンプ５００を示す斜視図である。図１３（Ｂ）は、従来の圧電ポンプ５００を示す断面図であり、図１３（Ａ）の一点鎖線Ｙ‐Ｙ部分を示す。 図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、従来の圧電ポンプ５００の使用状態を示す説明図であり、図１４（Ｂ）、（Ｃ）は図１４（Ａ）の一点鎖線Ｚ‐Ｚ部分にかかる圧電素子４００を示す。

以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。

［第１実施形態］
図１および図２に、本発明の第１実施形態にかかる圧電素子１００を示す。ただし、図１は斜視図、図２は分解斜視図である。

圧電素子１００は、複数の圧電体層１ａ〜１ｊが積層されてなる圧電体１を備える。圧電体１には、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする、圧電性セラミックスを用いることができる。

圧電体１の表面、すなわち最上層に積層された圧電体層１ａの表面には、第１端子１１、第２端子１２、第３端子１３、第４端子１４、第５端子１５が並んで形成されている。また、これらの端子とは離れた部分に、ダミー端子１６が形成されている。第１端子１１、第２端子１２、第３端子１３、第４端子１４、第５端子１５、ダミー端子１６は、それぞれ、圧電体層１ａを貫通して形成された孔に導電性物質を充填して形成された充填ビアを経由して、圧電体１の内部と接続されている。なお、図においては、見易さのために、充填ビア（図において黒い点で示されているもの）に符号を付していないが、以下の記述において、接続関係を適宜説明する。なお、本実施形態においては、各接続部分において接続の信頼性を上げるために、それぞれ２つの充填ビアを用いて接続をはかっている。しかしながら、各接続部分の接続は、１つの充填ビアを用いておこなってもよい。

そして、次の圧電体層１ｂの表面には、中央部にやや大きい円形のグランド電極２１が形成され、その周囲に環状のダミー電極２２が形成されている。グランド電極２１は、圧電体層１ｂの一辺に沿って、引き出し電極２１ａが形成されている。また、その圧電体層１ｂの一辺に沿って、引き出し電極２１ａの一方側に隣接して中継電極２３ａと２３ｂとが、引き出し電極２１ａの他方側に隣接して中継電極２３ｃと２３ｄとが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ａに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ａは第１端子１１に、中継電極２３ｂは第２端子１２に、引き出し電極２１ａは第３端子１３に、中継電極２３ｃは第４端子１４に、中継電極２３ｄは第５端子１５に、ダミー電極２２はダミー端子１６に、それぞれ、接続されている。

そして、次の圧電体層１ｃの表面には、中央部に円形の中心電極２４が形成され、その周囲に環状の周辺電極２５が形成されている。中心電極２４は、圧電体層１ｃの一辺に沿って、引き出し電極２４ａが形成されている。また、周辺電極２５は、圧電体層１ｃの引き出し電極２４ａが形成されたのと同じ辺に沿って、引き出し電極２４ａを間に挟んで、２つの引き出し電極２５ａと２５ｂが形成されている。さらに、引き出し電極２４ａと引き出し電極２５ａとの間には、グランド中継電極２６が形成されている。さらに、引き出し電極２５ａの、グランド中継電極２６とは反対側に隣接して、中継電極２３ｅが形成されている。この結果、圧電体層１ｃの一辺には、中継電極２３ｅ、引き出し電極２５ａ、グランド中継電極２６、引き出し電極２４ａ、引き出し電極２５ｂが、順に形成されていることになる。さらに、圧電体層１ｃの表面の、中継電極２３ｅが形成されている部分と対角線上の部分に、中継電極２３ｆが形成されている。そして、圧電体層１ｂに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ｅは中継電極２３ａに、引き出し電極２５ａは中継電極２３ｂに、グランド中継電極２６は引き出し電極２１ａに、引き出し電極２４ａは中継電極２３ｃに、引き出し電極２５ｂは中継電極２３ｄに、中継電極２３ｆはダミー電極２２に、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｄは、上述した圧電体層１ｂと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｄの表面には、グランド電極２１、引き出し電極２１ａ、ダミー電極２２、中継電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｃに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ａは中継電極２３ｅに、中継電極２３ｂは引き出し電極２５ａに、引き出し電極２１ａはグランド中継電極２６に、中継電極２３ｃは引き出し電極２４ａに、中継電極２３ｄは引き出し電極２５ｂに、ダミー電極２２は中継電極２３ｆに、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｅは、上述した圧電体層１ｃと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｅの表面には、中心電極２４、引き出し電極２４ａ、周辺電極２５、引き出し電極２５ａ、２５ｂ、グランド中継電極２６、中継電極２３ｅ、２３ｆが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｄに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ｅは中継電極２３ａに、引き出し電極２５ａは中継電極２３ｂに、グランド中継電極２６は引き出し電極２１ａに、引き出し電極２４ａは中継電極２３ｃに、引き出し電極２５ｂは中継電極２３ｄに、中継電極２３ｆはダミー電極２２に、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｆは、上述した圧電体層１ｂ、１ｄと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｆの表面には、グランド電極２１、引き出し電極２１ａ、ダミー電極２２、中継電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｅに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ａは中継電極２３ｅに、中継電極２３ｂは引き出し電極２５ａに、引き出し電極２１ａはグランド中継電極２６に、中継電極２３ｃは引き出し電極２４ａに、中継電極２３ｄは引き出し電極２５ｂに、ダミー電極２２は中継電極２３ｆに、それぞれ、接続されている。

そして、次の圧電体層１ｇの表面には、上述した圧電体層１ｃ、１ｅと同様に、中心電極２４、引き出し電極２４ａ、周辺電極２５、引き出し電極２５ａ、２５ｂ、グランド中継電極２６、中継電極２３ｅ、２３ｆが、それぞれ形成されているが、圧電体層１ｃ、１ｅとは、一部の電極において配置が異なっている（形成されている順番が異なっている）。すなわち、圧電体層１ｇの一辺においては、引き出し電極２５ａ、引き出し電極２４ａ、グランド中継電極２６、引き出し電極２５ｂ、中継電極２３ｅが、順に形成されている。そして、圧電体層１ｆに形成された充填ビアを介して、引き出し電極２５ａは中継電極２３ａに、引き出し電極２４ａは中継電極２３ｂに、グランド中継電極２６は引き出し電極２１ａに、引き出し電極２５ｄは中継電極２３ｃに、中継電極２３ｅは中継電極２３ｄに、中継電極２３ｆはダミー電極２２に、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｈは、上述した圧電体層１ｂ、１ｄ、１ｆと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｈの表面には、グランド電極２１、引き出し電極２１ａ、ダミー電極２２、中継電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｇに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ａは引き出し電極２５ａに、中継電極２３ｂは引き出し電極２４ａに、引き出し電極２１ａはグランド中継電極２６に、中継電極２３ｃは引き出し電極２５ｂに、中継電極２３ｄは中継電極２３ｅに、ダミー電極２２は中継電極２３ｆに、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｉは、上述した圧電体層１ｇと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｉの表面には、中心電極２４、引き出し電極２４ａ、周辺電極２５、引き出し電極２５ａ、２５ｂ、グランド中継電極２６、中継電極２３ｅ、２３ｆが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｈに形成された充填ビアを介して、引き出し電極２５ａは中継電極２３ａに、引き出し電極２４ａは中継電極２３ｂに、グランド中継電極２６は引き出し電極２１ａに、引き出し電極２５ｂは中継電極２３ｃに、中継電極２３ｅは中継電極２３ｄに、中継電極２３ｆはダミー電極２２に、それぞれ、接続されている。

次の圧電体層１ｊは、上述した圧電体層１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈと同じ電極パターンを備えており、圧電体層１ｊの表面には、グランド電極２１、引き出し電極２１ａ、ダミー電極２２、中継電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが、それぞれ形成されている。そして、圧電体層１ｉに形成された充填ビアを介して、中継電極２３ａは引き出し電極２５ａに、中継電極２３ｂは引き出し電極２４ａに、引き出し電極２１ａはグランド中継電極２６に、中継電極２３ｃは引き出し電極２５ｂに、中継電極２３ｄは中継電極２３ｅに、ダミー電極２２は中継電極２３ｆに、それぞれ、接続されている。

この結果、圧電体１は、圧電体層１ａ〜１ｊの積層方向の中央である、圧電体層１ｅと１ｆとの層間面を界にして、上側半分の第１部分１Ａ（圧電体層１ａ〜１ｅ）に形成された中心電極２４が、第４端子１４に接続され、下側半分の第２部分１Ｂ（圧電体層１ｆ〜１ｊ）に形成された周辺電極２５が、第１端子１１と、第４端子１４とに接続される。また、第１部分１Ａに形成された周辺電極２５が、第２端子１２と、第５端子１５とに接続され、第２部分１Ｂに形成された中心電極２４が、第２端子１２に接続される。また、圧電体１に形成された全てのグランド電極２１が、第３端子１３に接続される。さらに、圧電体１に形成された全てのダミー電極２２が、ダミー端子１６に接続される。

なお、各電極の引き出し方を変更することにより、第１部分１Ａに形成された中心電極２４を、第２端子１２に接続し、第２部分１Ｂに形成された周辺電極２５を、第２端子１２と、第５端子１５とに接続し、第１部分１Ａに形成された周辺電極２５を、第１端子１１と、第４端子１４とに接続し、第２部分１Ｂに形成された中心電極２４を、第４端子１４に接続するようにしてもよい。

かかる構造からなる圧電体１は、たとえば、表面に導電ペーストが塗布されて、必要な端子（第１端子１１、第２端子１２、第３端子１３、第４端子１４、第５端子１５、ダミー端子１６）、必要な電極（グランド電極２１、引き出し電極２１ａ、ダミー電極２２、中心電極２４、引き出し電極２４ａ、中継電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、周辺電極２５、引き出し電極２５ａ、２５ｂ、グランド中継電極２６）が形成され、また貫通して形成された孔に導電ペーストが充填されて、必要な充填ビアが形成された、圧電体層１ａ〜１ｊを形成するための圧電性グリーンシートを作成し、これらを積層し、加圧し、所定のプロファイルで焼成するなどの方法により形成される。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、圧電素子１００の分極工程を示す説明図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一点鎖線Ｓ‐Ｓ部分を示す。なお、図３（Ｂ）においては、分極方向をわかり易く示すため、幅方向に対して、高さ方向を拡大して示している。

圧電素子１００の分極においては、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第３端子１３をグランドに接続したうえで、第１端子１１、第４端子１４にプラス電圧、第２端子１２、第５端子１５にマイナス電圧を印加する。プラス電圧は、たとえば３０Ｖ〜５０Ｖの範囲から選択され、マイナス電圧は、たとえば−５０Ｖ〜−３０Ｖの範囲から選択され、印加する時間は、たとえば１秒〜１２０秒間である。なお、ダミー端子１６は、分極工程には用いない。なお、印加するプラス電圧とマイナス電圧とを逆にし、第１端子１１、第４端子１４にマイナス電圧、第２端子１２、第５端子１５にプラス電圧を印加するようにしてもよい。

この結果、図３（Ｂ）に示すように、圧電素子１を構成する圧電体層１ｂ〜１ｉは、それぞれ、図中、矢印で示す方向に分極される。なお、最上層の圧電体層１ａと最下層の圧電体層１ｊは分極されない。

図３（Ｂ）からわかるように、各圧電体層１ｂ〜１ｉは、中心部分と周辺部分とにおいて、分極方向が逆になっている。また、第１部分１Ａに形成された中心電極２４と、第２部分１Ｂに形成された周辺電極２５とが、第１端子１１と第４端子１４とに接続され、第１部分１Ａに形成された周辺電極２５と、第２部分１Ｂに形成された中心電極２４とが、第２端子１２と第５端子１５とに接続されているため、第１部分１Ａの圧電体層１ｂ〜１ｅと、第２部分１Ｂの圧電体層１ｆ〜１ｉとにおいて、分極の繰返し順序が異なっている。

このような構造からなり、かつ分極された圧電素子１００は、たとえば、圧電ポンプなどの圧電装置の駆動源として用いられる。図４（Ａ）、（Ｂ）に、圧電素子１００を駆動源に用いた、本発明の第１実施形態にかかる圧電ポンプ２００を示す。なお、図４（Ａ）は斜視図、図４（Ｂ）は断面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の一点鎖線Ｔ‐Ｔ部分を示す。

圧電ポンプ２００は、ポンプ本体３１を備える。ポンプ本体３１には、中空のポンプ室３１ａと、ポンプ室３１ａの上方を開口した開口部３１ｂと、ポンプ室３１ａにつながる２つの孔３１ｃ、３１ｄとが形成されている。

そして、開口部３１ｂは、ダイヤフラム３２により塞がれ、ダイヤフラム３２に圧電素子１００が接着固定されている。

また、孔３１ｃには流入側の逆止弁３３が取り付けられ、孔３１ｄには流出側の逆止弁３４が取り付けられている。流入側の逆止弁３３は、外部からポンプ室３１ａへの流体の流入は許容するが、逆方向への流出は阻止するように機能する。流出側の逆止弁３４は、ポンプ室３１ａから外部への流体の流出は許容するが、逆方向の流入は阻止するように機能する。

また、ポンプ本体３１の上面には、２つの金属端子部材４１、４２が固定されている。そして、金属端子部材４１は圧電素子１００の第１端子１１と第２端子１２とに、金属端子部材４２は第３端子１３に、それぞれ、導電ペースト、はんだなどの接合材により接続されている。一方、第４端子１４と第５端子１５とには、金属端子部材は接続されない。（なお、図４（Ａ）においては、接合材の図示を省略している。）。

図５（Ａ）に、金属端子部材４１と、第１端子１１および第２端子１２との接続状態を示す。金属端子部材４１は、第１端子１１と第２端子１２の両方に、部分的に接触している。このとき、金属端子部材４１は、第１端子１１と第２端子１２の充填ビア（図において黒い点で示されているもの）が形成された部分には接触しないことが好ましい。金属端子部材４１が充填ビアに接触することに起因して、充填ビア、圧電体１などが破損したり傷ついたりするのを防止するためである。そして、図において、鎖線で囲んだ部分に、導電ペーストなどの接合材が付与されて、第１端子１１および第２端子１２と金属端子部材４１とが接続されている。

図５（Ｂ）、（Ｃ）に、第１端子１１および第２端子１２と、金属端子部材４１との接続についての変形例を示す。図５（Ｂ）に示すように、金属端子部材４１は、一方の端子、たとえば、第２端子１２とのみ接触するようにし、他方の端子である第１端子１１とは、接合材で接続するようにしてもよい。あるいは、図５（Ｃ）に示すように、金属端子部材４１は、両方の端子、第１端子１１および第２端子１２のいずれとも接触しないようにし、これらとは接合材で接続するようにしてもよい。

図６（Ａ）〜（Ｃ）に、圧電ポンプ２００の駆動状態を示す。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ説明図であり、図６（Ｂ）、（Ｃ）は、図６（Ａ）の圧電素子１００の一点鎖線Ｕ‐Ｕ部分を示す。なお、図６（Ｂ）においては、圧電素子１００を構成する圧電体層１ａ〜１ｊの伸長、収縮をわかり易く示すため、幅方向に対して、高さ方向を拡大して示している。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電素子１００は、圧電ポンプ２００を駆動するにあたり、駆動電源である交流電源の一方の端子を、金属端子部材４２を経由して第３端子１３に接続し、交流電源の他方の端子を、金属端子部材４１を経由して第１端子１１および第２端子１２に接続している。交流電源としては、たとえば、１Ｖ〜２０Ｖの交流を発生させるものが用いられる。なお、交流電源は、正弦波を発生させるものには限られず、矩形波などを発生させるものであってもよい。

圧電素子１００の圧電体１を構成する圧電体層１ａ〜１ｊは、図３（Ｂ）に示すように分極されている（ただし、最上層の圧電体層１ａと最下層の圧電体層１ｊは分極されていない）。そのため、交流が印加されると、ある時点において、たとえば、図６（Ｂ）の矢印に示すように、部分的に伸長または収縮する。たとえば、この時点においては、圧電体層１ｂ〜１ｅの中央部は収縮し、その周囲の周辺部は伸長する。一方、圧電体層１ｆ〜１ｉの中央部は伸長し、その周囲の周辺部は収縮する。この結果、圧電素子１００は、図６（Ｃ）において斜線矢印で示すように、中央部が下方向に屈曲変位し、周辺部が上方向に屈曲変位する。

そして、交流電源の極性が変わると、圧電素子１００は、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示したのとは逆の挙動を示す。すなわち、圧電体層１ｂ〜１ｅの中央部は伸長し、その周囲の周辺部は収縮し、圧電体層１ｆ〜１ｉの中央部は収縮し、その周囲の周辺部は伸長する。そして、圧電素子１００は、中央部が上方向に屈曲変位し、周辺部が下方向に屈曲変位する。

交流電圧が印加され、圧電素子１００が、これらの挙動を繰り返すことにより、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す圧電ポンプ２００は、流体が孔３１ｃからポンプ室３１ａに流入され、さらに、ポンプ室３１ａに流入された流体が孔３１ｄから外部に流出される。

本実施形態にかかる圧電素子１００は、圧電体１が圧電体層１ａ〜１ｊに多層化して構成され、かつ各圧電体層１ｂ〜１ｉが中心部分と周辺部分とにおいて逆方向に分極されているため、比較的低い電圧で駆動することができ、かつ圧電素子１００の中央部で大きな変位量を得ることができる。したがって、圧電素子１００を駆動源に用いた、本実施形態にかかる圧電ポンプ２００は、小さな消費電力で、効率よく機能する。また、同一の層に形成された中心電極２４と周辺電極２５とには、常に同電位が印加されるため、両者間でエレクトロマイグレーションが発生することはなく、両者間が短絡することがない。

そして、圧電素子１００は、２つの金属端子部材４１、４２を接続するだけで駆動でき、従来のように３つの金属端子部材を接続しなくてもよいため、実装が容易である。また、圧電素子１００を駆動源に用いた圧電ポンプ２００も、設計自由度が向上し、製造も容易になっている。

以上、第１実施形態にかかる、圧電素子１００、および圧電素子１００を駆動源に用いた圧電ポンプ２００について説明した。しかしながら、本発明は上記内容に限定されることはなく、発明の主旨に沿って、種々の変更をなすことができる。

たとえば、圧電素子１００は、図２などに示すように、第１部分１Ａを圧電体層１ａ〜１ｅの５層、第２部分１Ｂも圧電体層１ｆ〜１ｊの５層で構成しているが、層数はこれらには限られず、層数を増減することができる。たとえば、層数を増やす場合には、第１部分１Ａについては、圧電体層１ｂと圧電体層１ｃとを組合せにし、所望の組合せ数を、たとえば、圧電体層１ａの下に追加すればよく、第２部分１Ｂについては、圧電体層１ｆと圧電体層１ｇとを組合せにし、所望の組合せ数を、たとえば、圧電体層１ｅの下に追加すればよい。

また、図２に示すように、たとえば、複数の中継電極２３ａ、中継電極２３ｅを、交互に、充填ビアにより積層方向に接続する場合に、充填ビアを、積層方向に透視した場合の同じ位置に重ねて形成するのではなく、図７に示すように、相互にずらして形成してもよい。この場合には、充填ビアが積層方向に連続して形成されることに起因する圧電体１の変形を防止することができる。

また、中継電極の形状、形成位置についても、画一的に同一形状のものを上下に積層するのではなく、図８（Ａ）に示すように、たとえば、矩形の中継電極２３ｇ、円形の中継電極２３ｈ、矩形の中継電極２３ｉ、円形の中継電極２３ｊを積層したり、図８（Ｂ）に示すように、ある形状のもの、たとえば、矩形のものを一定の角度ずつ回転させた中継電極２３ｋ〜２３ｎを積層したり、図８（Ｃ）に示すように、ある形状のもの、たとえば矩形のものを水平方向にずらせた中継電極２３ｏ〜２３ｒを積層するようにしてもよい。この場合には、各中継電極を形成することにより発生する段差が、同じ位置に積み重なり、圧電体の表面に大きな段差が発生することを防止することができるため、中継電極を形成したことに起因する圧電体の変形を防止することができる。

また、本実施形態にかかる圧電ポンプ２００は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、駆動電源である交流電源の一方の端子を第３端子１３に接続し、交流電源の他方の端子を第１端子１１および第２端子１２に接続しているが、交流電源の他方の端子は、第１端子１１および第２端子１２に代えて、第４端子１４および第５端子１５に接続するようにしてもよい。

さらに、圧電素子１００を駆動源に用いる圧電装置は、圧電ポンプには限られず、圧電ブロアや圧電ファンなどであってもよい。

［第２実施形態］
図９に、本発明の第２実施形態にかかる圧電素子３００を示す。ただし、図９は斜視図である。

第１実施形態にかかる圧電素子１００では、圧電体１の内部において、圧電体層１ａ〜１ｉに形成した充填ビアを経由して、層間の電気的接続をおこなっている（図１および図２参照）。

これに対し、第２実施形態にかかる圧電素子３００では、図９に示すように、充填ビアに代えて、圧電体１の側面を含んで形成された第１端子５１、第２端子５２、第３端子５３、第４端子５４、第５端子５５、ダミー端子５６を経由して、層間の電気的接続をおこなうようにした。これにともない、図示しないが、各圧電体層に形成された、グランド接続電極、中継電極、引き出し電極は、それぞれ、各圧電体層の辺に接するように形成されている。第２実施形態にかかる圧電素子３００の他の構成は、第１実施形態にかかる圧電素子１００と同じである。

このように、本発明においては、層間の電気的接続を、充填ビアに代えて、圧電体１の側面に形成された端子を経由しておこなうこともできる。

１：圧電体
１ａ〜１ｊ：圧電体層
１１、５１：第１端子
１２、５２：第２端子
１３、５３：第３端子
１４、５４：第４端子
１５、５５：第５端子
２１：グランド電極
２１ａ：引き出し電極
２２：ダミー電極
２３ａ〜２３ｒ：中継電極
２４：中心電極
２４ａ：引き出し電極
２５：周辺電極
２５ａ：引き出し電極
２６：グランド中継電極
３１：ポンプ本体
３１ａ：ポンプ室
３１ｂ：開口
３１ｃ、３１ｄ：孔
３２：ダイヤフラム
３３、３４：逆止弁
４１、４２：金属端子部材
１００、３００：圧電素子
２００：圧電ポンプ（圧電装置）

Claims (8)

1. 複数の圧電体層が積層されてなる圧電体と、
   前記圧電体の前記圧電体層の層間に、１層おきに形成された、複数のグランド電極と、
   前記圧電体の前記圧電体層の層間のうち、前記グランド電極が形成されていない層間に、それぞれ、その中央部に形成された、複数の中心電極と、
   前記圧電体の前記圧電体層の層間のうち、前記中心電極が形成された層間に、それぞれ、前記中心電極を囲むように形成された、複数の周辺電極と、を備えた圧電素子であって、
   前記圧電体の表面には、第１端子、第２端子、第３端子、第４端子、第５端子が、順に並んで形成され、
   前記グランド電極が、前記第３端子に引き出されるとともに、
   前記圧電体を、前記圧電体層の積層方向の中央の層間面で２分割し、一方を第１部分、他方を第２部分とした場合に、
   前記第１部分に形成された前記中心電極が、前記第４端子に引き出され、前記第２部分に形成された前記周辺電極が、前記第１端子および前記第４端子に引き出され、前記第１部分に形成された前記周辺電極が、前記第２端子および前記第５端子に引き出され、前記第２部分に形成された前記中心電極が、前記第２端子に引き出されているか、または、前記第１部分に形成された前記中心電極が、前記第２端子に引き出され、前記第２部分に形成された前記周辺電極が、前記第２端子および前記第５端子に引き出され、前記第１部分に形成された前記周辺電極が、前記第１端子および前記第４端子に引き出され、前記第２部分に形成された前記中心電極が、前記第４端子に引き出されている圧電素子。
2. 前記圧電体を構成する前記圧電体層のうち、前記グランド電極と、前記中心電極および前記周辺電極とで挟まれた圧電体層が、中心部分と周辺部分とにおいて、逆方向に分極されている、請求項１に記載された圧電素子。
3. 前記圧電体の前記圧電体層の層間相互における電気的接続が、前記圧電体層を貫通して形成された孔に導電性物質を充填して形成された、充填ビアを経由しておこなわれている、請求項１または２に記載された圧電素子。
4. 前記充填ビアにより、２層以上の前記圧電体層を介して離隔した層間相互において電気的接続をはかるにあたり、隣接する前記圧電体層のそれぞれに形成された前記充填ビアが、前記圧電体層の積層方向に透視した場合に、相互にずらして形成されている、請求項３に記載された圧電素子。
5. 前記充填ビアにより、隣り合わない層間の電気的接続をはかるにあたり、途中の層間に中継電極が形成され、当該中継電極は、複数からなり、前記圧電体層の積層方向に透視した場合に重なっており、かつ、当該複数の中継電極は、それぞれ、２種以上の形状からそれぞれ選択されて形成されているか、同一形状のものが相互にずらされて形成されているか、同一形状のものが回転されて形成されている、請求項３または４に記載された圧電素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載された圧電素子を、駆動源として、圧電装置本体に実装した圧電装置であって、
   交流電源の一方の端子が、前記圧電素子の前記第３端子に接続され、
   前記交流電源の他方の端子が、前記圧電素子の前記第１端子および前記第２端子の両方、または、前記圧電素子の前記第４端子および前記第５端子の両方に接続されている圧電装置。
7. 前記交流電源の端子と前記第１端子ないし前記第５端子との接続は、金属端子部材を介しておこなわれ、前記第１端子ないし前記第５端子の表面の、前記金属端子部材が接触する部分には、前記充填ビアが形成されていない、請求項６に記載された圧電装置。
8. 前記圧電装置が圧電ポンプである、請求項６または７に記載された圧電装置。

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