JP5561247B2

JP5561247B2 - 圧電素子

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Publication number: JP5561247B2
Application number: JP2011145557A
Authority: JP
Inventors: 光尚本間; 靖行佐藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP2013012656A

Description

本発明は、圧電素子に関する。

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。特許文献１に記載の積層型圧電素子は、圧電体層と第１及び第２の駆動用内部電極とが交互に積層された駆動部、及び圧電体層と接続用内部電極とが積層された接続部とを有する積層体と、当該積層体の一方の側面に形成され、第１駆動用内部電極と導通する駆動用外部電極と、積層体の一方の側面に形成され、接続用内部電極と導通する接続用外部電極と、積層体の他方の側面に形成され、第２駆動用内部電極及び接続用内部電極のそれぞれと導通する共通外部電極とを備えている。駆動部には、積層体の上面側から下面側へと向かって圧電体層の積層方向に沿って形成されるスリットによって変位部（アクチュエータ部）が構成されている。

特開２００３−３７３０７号公報

ところで、変位部は、幅が数十μｍ程度となっている。そのため、変位部を形成するときや圧電素子を扱うときなどに、変位部が基端部側から折れることがある。特に、変位部は、基端部側において、圧電体層と内部電極との接合部分で折れ易くなっている。この問題に関して、変位部の折れ防止のために変位部を幅広に形成すると、これに伴う内部電極の対向面積の増大に応じて静電容量が大きくなる。これにより、電流が増加し、消費電力が大きくなるといった問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、消費電力の増大を抑制しつつ、変位部の破損を防止できる圧電素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧電素子は、圧電体層により構成された基部と、圧電体層を介在させて第１内部電極と第２内部電極とが交互に積層されて構成され且つ基部から第１内部電極及び第２内部電極の積層方向に延びる変位部とを有する積層体を備える圧電素子であって、変位部は、積層方向から見て略矩形状を呈し、積層方向に直交する第１の方向の長さが当該第１の方向に直交する第２の方向の長さよりも長く、第１の方向から見て、基部側の幅が先端部側の幅よりも広いことを特徴とする。

この圧電素子では、変位部の基部側の幅が先端部側の幅よりも広い。つまり、変位部の基端部の幅は、先端部の幅よりも幅広に形成されている。そのため、折れ易い変異部の基端部側の強度が確保されるため、変位部の破損を防止できる。また、変位部の先端部側の幅が狭く形成されているため、変位部の幅を全体的に広げて強度を確保する場合に比べて、内部電極の対向面積の増大を抑制でき、静電容量の増大を抑制できる。その結果、電流の増大を抑制でき、消費電力の増大を抑制できる。

第１内部電極及び第２内部電極は、第１の方向から見て、幅が略同一であることが好ましい。第１及び第２内部電極と圧電体層とは異なる材質からなるため、第１及び第２内部電極と圧電体層との接合強度は、圧電体層同士の接合強度に比べて低い。そのため、第１及び第２内部電極と圧電体層との接合部は折れ易くなっている。そこで、第１内部電極と第２内部電極との幅を略同一とすることにより、変位部において基部側になるにつれて圧電体層同士の接合面積が多くなる。したがって、破損し易い変位部の基端部側の接合強度をより確保できるため、変位部の破損をより抑制することができる。

第１内部電極及び第２内部電極は、積層方向において重なり合う第１部分と、積層方向において重なり合わない第２部分とを有し、第２部分には、開口部が形成されていることが好ましい。このような構成によれば、第１及び第２内部電極の第２部分において、第１内部電極又は第２内部電極を挟んで対向する圧電体層同士の接合面積（密着面積）を大きくすることができる。したがって、変位部における接合強度をより確保でき、変位部の破損をより抑制できる。また、第１内部電極と第２内部電極とが重なり合わない不活性部に開口部を形成するため、変位部の変位特性に影響を与えることなく、変位部の強度を確保できる。

本発明によれば、消費電力の増大を抑制しつつ、変位部の破損を防止できる。

第１実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。図１に示す積層型圧電素子を下方から見た斜視図である。（ａ）は図１におけるａ−ａ線断面図であり、（ｂ）は図１におけるｂ−ｂ線断面図である。変位部を拡大して示す斜視図である。図４を前から見た正面図である。第２実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。第３実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。図７に示す変位部に配置される内部電極の構成を示す図である。

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、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１に示す積層型圧電素子を下方から見た斜視図である。図３（ａ）は、図１におけるａ−ａ線断面図であり、図３（ｂ）は、図１におけるｂ−ｂ線断面図である。

各図に示すように、積層型圧電素子１は、積層体２と、第１外部電極３と、第２外部電極４と、第３外部電極５ａ，５ｂと、第４外部電極６とを備えている。積層型圧電素子１は、例えば、長さが３６．９５ｍｍ〜３７．０５ｍｍ程度に設定され、幅が１．８５ｍｍ〜１．９５ｍｍ程度に設定され、厚みが０．９５ｍｍ〜１．０５ｍｍ程度に設定されている。

積層体２は、積層体２の長手方向に向かい合って互いに平行をなす一対の第１及び第２端面２ａ，２ｂと、一対の第１及び第２端面２ａ，２ｂ間を連結するように伸び且つ圧電体層３０（後述）の積層方向において互いに対向する一対の第１及び第２主面２ｃ，２ｄと、一対の第１及び第２主面２ｃ，２ｄを連結するように伸び且つ互いに対向する一対の第１及び第２側面２ｅ，２ｆとを有している。図１では、一対の第１及び第２端面２ａ，２ｂの対向方向をＸ方向、一対の第１及び第２側面２ｅ，２ｆの対向方向をＹ方向、一対の第１及び第２主面２ｃ，２ｄの対向方向をＺ方向としている。

積層体２は、第１部分２０と、第２部分２１ａと、第３部分２１ｂとを含んでいる。第１部分２０は、圧電的に活性な活性部（活性領域）を含む部分であり、積層体２において第１及び第２端面２ａ，２ｂの間に位置している。具体的には、第１部分２０は、積層体２の中央部分に位置している。

図４及び図５に示すように、第１部分２０には、変位部５０が形成されている。変位部５０は、圧電体層３０により構成される基部５１から延びている（基部５１に立設されている）。変位部５０と基部５１とは、一体成形されている。変位部５０は、圧電体層３０を介在させて第１内部電極３１と第２内部電極３２とが交互に積層されている。すなわち、変位部５０は、基部５１から第１内部電極３１及び第２内部電極３２の積層方向（以下、単に積層方向）に沿って延びている。各圧電体層３０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を主成分とする圧電セラミックス材料からなる。実際の積層型圧電素子１では、各圧電体層３０は、視認できない程度に一体化されている。本実施形態では、各圧電体層３０の厚みは、１０μｍ〜５０μｍ程度である。

変位部５０は、Ｘ方向において複数（ここでは８つ）並設されており、所定の間隔で離間している。変位部５０は、積層方向（Ｚ方向）から見て長方形状を呈しており、積層方向に直交する第１の方向（Ｙ方向）の長さが、第１の方向に直交する第２の方向（Ｘ方向）の長さよりも長い。

変位部５０は、その第１の方向（第１側面２ｅ側）から見て、略台形状を呈している。具体的には、変位部５０は、第１の方向から見て、基端部側（基部５１側）の幅Ｄ１が先端部側の幅Ｄ２よりも広い。換言すれば、変位部５０の先端部側の幅Ｄ２は、基端部側の幅Ｄ１よりも狭い。つまり、変位部５０は、先端に向かうにつれて幅が細くなる。変位部５０の側面は、平坦な傾斜面である。図４に示すように、変位部５０では、第１内部電極３１及び第２内部電極３２がその側面に露出している。

隣り合う変位部５０の間には、等間隔で形成された複数（ここでは９本）のスリットＳが形成されている。スリットＳは、第１主面２ｃ側に開口し、且つＹ方向に延びるように形成されている。スリットＳは、略台形状に形成されており、第１主面２ｃ側から第２主面２ｄ側に向かって幅が狭まっている。

第１内部電極３１は、積層方向において所定の間隔をあけて複数（ここでは６層）配置されている。第１内部電極３１は、一端が第１側面２ｅに引き出されており、第１側面２ｅに露出している。第２内部電極３２は、積層方向において所定の間隔をあけて複数（ここでは７層）配置されている。第２内部電極３２は、一端が第２側面２ｆに引き出されており、第２側面２ｆに露出している。第１内部電極３１及び第２内部電極３２は、銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする導電材料からなる。本実施形態では、第１内部電極３１及び第２内部電極３２の厚みは、０．５μｍ〜３μｍ程度である。なお、導電材料としては、Ｃｕ（銅）を用いることもできる。

第１内部電極３１と第２内部電極３２とは、圧電体層３０を挟んで互いに対向するように、圧電体層３０の対向方向に沿って交互に配置されている。積層方向で見て、第１主面２ｃ側及び第２主面２ｄ側には、第２内部電極３２が位置している。

第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂは、圧電的に不活性な不活性部（不活性領域）を含む部分であり、積層体２の第１端面２ａ側、第２端面２ｂ側にそれぞれ位置している。すなわち、第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂは、積層体２の長手方向（第１及び第２端面２ａ，２ｂの対向方向）において、第１部分２０を挟むように設けられている。第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂは、複数の圧電体層３０と第３内部電極３３とが交互に積層されている。第２部分２１ａと第３部分２１ｂとは、同様の構成を有している。

第３内部電極３３は、圧電体層３０の積層方向において所定の間隔をあけて複数（ここでは９層）配置されている。第３内部電極３３は、一端が第１側面２ｅに引き出されていると共に、他端が第２側面２ｆに引き出されており、第１側面２ｅ及び第２側面２ｆに露出している。第３内部電極３３は、第１内部電極３１及び第２内部電極３２と物理的且つ電気的に絶縁されている。第３内部電極３３は、第２外部電極４と第３外部電極５ａ，５ｂとを接続する接続用電極である。第３内部電極３３は、銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）を主成分とする導電材料からなる。本実施形態では、第３内部電極３３の厚みは、０．５μｍ〜３μｍ程度である。

第１外部電極３は、第１側面２ｅに設けられている。第１外部電極３は、第１側面２ｅにおいて第１部分２０に対応する位置に形成されており、第１内部電極３１の一端に物理的且つ電気的に接続されている。第１外部電極３のそれぞれは、互いに物理的且つ電気的に独立している。第１外部電極３は、Ｃｒ，Ｃｕ／Ｎｉ，Ａｕの３層の金属膜からなる。第１外部電極３の厚みは、０．３μｍ〜５．０μｍ程度である。この外部電極の構成は、第２〜第４外部電極４〜６についても同様である。なお、Ａｕの金属膜の代わりに、Ａｇ、又はＡｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｓｎを用いることもできる。

第２外部電極４は、第２側面２ｆに設けられている。第２外部電極４は、第２側面２ｆの全面に亘って形成されており、第２内部電極３２及び第３内部電極３３の一端に物理的且つ電気的に接続されている。第２外部電極４は、第２内部電極３２及び第３内部電極３３のいずれにも接続される共通外部電極である。第２外部電極４は、変位部５０の形状に対応した形状を成しており、変位部５０に対応した位置において凹凸を呈している。

第３外部電極５ａ，５ｂは、第１側面２ｅに設けられている。第３外部電極５ａ，５ｂは、第１側面２ｅにおいて第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂに対応する位置、すなわち第１側面２ｅの長手方向の両端側に形成されており、第３内部電極３３の一端に物理的且つ電気的に接続されている。第３外部電極５ａ，５ｂと第１外部電極３とは、第１側面２ｅ上において互いに電気的に絶縁されている。

第４外部電極６は、第２主面２ｄに設けられている。第４外部電極６は、第２主面２ｄの全面に亘って形成されており、第２外部電極４及び第３外部電極５ａ，５ｂに物理的且つ電気的に接続されている。すなわち、第４外部電極６は、第２外部電極４及び第３外部電極５ａ，５ｂを電気的に接続している。第４外部電極６は、第１外部電極３と電気的に絶縁されている。第４外部電極６は、第２外部電極４と第３外部電極５ａ，５ｂとを接続する接続用電極である。また、第４外部電極６は、基板（支持体）等に導電性接着剤にて接続される際の接続面となる。

第１外部電極３と第３外部電極５ａ，５ｂとの間には、溝３４，３５がそれぞれ形成されている。すなわち、溝３４，３５は、第１部分２０と第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂとの境界部分に形成されている。溝３４，３５は、積層体２の第１側面２ｅにおいて、積層方向に沿って形成されている。この溝３４，３５により、第１外部電極３と第３外部電極５ａ，５ｂとは、物理的且つ電気的に絶縁されている。

積層体２の第１部分２０において、側面２ｅと主面２ｄとの角部分には、切欠部３６が設けられている。切欠部３６は、側面２ｅと主面２ｄとの角部分において積層体２の長手方向に沿って形成されており、溝３４と溝３５との間に設けられている。切欠部３６は、側面２ｅ及び主面２ｄに対して傾斜する傾斜面である。この切欠部３６により、第１外部電極３と第４外部電極６とは、物理的且つ電気的に絶縁されている。

積層型圧電素子１では、第１外部電極３と第２外部電極４との間に電圧を印加すると、第１内部電極３１と第２内部電極３２との間にも電圧が印加される。そして、変位部５０（第１部分２０）では、圧電体層３０において、第１内部電極３１と第２内部電極３２との間の領域に電界が生じ、当該領域が変位する。このとき、第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂでは、圧電体層３０において第３内部電極３３の間に電界が生じないため、変位が生じない。

続いて、上述の構成を有する積層型圧電素子１の製造方法について説明する。

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し、その基体ペーストを用いて圧電体層３０となるグリーンシートをドクターブレード法により成形する。また、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

次に、導電ペーストを用いて、第１〜第３内部電極３１〜３３に対応する電極パターンのそれぞれをグリーンシート上にスクリーン印刷法により形成する。そして、第１内部電極３１及び第３内部電極３３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、第２内部電極３２及び第３内部電極３３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、及び圧電体層３０となるグリーンシートを積層して、積層体グリーンを作製する。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、６０℃程度）で加熱しながら、積層方向に所定の圧力でプレスした後、積層体グリーンを所定の大きさに切断する。そして、積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂した後、所定の温度（例えば、１１００℃程度）で所定時間焼成して、積層体２を得る。

続いて、積層体２の側面２ｅ，２ｆ及び主面２ｄに対応する面に、Ｃｒ，Ｃｕ／Ｎｉ，Ａｕの順に３層の金属膜をスパッタリング法により形成して外部電極を形成する。そして、積層体２において側面２ｅに対応する面に積層方向に沿って溝３４，３５を形成することにより、外部電極を分断して第１外部電極３及び第３外部電極５ａ，５ｂを形成する。また、積層体２の側面２ｅと主面２ｄとの角部分に切欠部３６を形成することにより、外部電極を分断して第１外部電極３と第４外部電極６とを形成する。

続いて、第１部分２０にスリットＳを例えばダイシングブレードによって形成する。このとき、スリットＳは、変位部５０の基端部側の幅Ｄ１が先端部側の幅Ｄ２よりも広くなるように形成する。すなわち、第１主面２ｃ側から第２主面２ｄに向かうにつれて、幅が狭くなる（先細になる）スリットＳを形成する。これにより、第１部分２０に変位部５０が構成される。以上により、積層型圧電素子１が得られる。

以上説明したように、積層型圧電素子１では、変位部５０の基端部側の幅Ｄ１が先端部側の幅Ｄ２よりも広い。そのため、折れ易い基端部側の強度が確保されるため、変位部５０の破損を防止できる。また、変位部５０の先端部側の幅Ｄ２が狭く形成されているため、変位部５０の幅を全体的に広くする場合に比べて、静電容量の増大を抑制できる。その結果、電流の増大を抑制でき、消費電力の増大を抑制できる。

［第２実施形態］
続いて、第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る積層型圧電素子の変位部を示す斜視図である。図６に示すように、第１部分２０に形成される変位部５０Ａは、第１内部電極３１Ａ及び第２内部電極３２Ａの構成が第１実施形態と異なっている。

第１内部電極３１Ａは、変位部５０Ａの第１の方向から見て、その幅が略同一である。すなわち、第１内部電極３１Ａの両端部は、積層方向において略一直線上に揃っている。第２内部電極３２Ａは、変位部５０Ａの第１の方向から見て、その幅が略同一である。すなわち、第２内部電極３２Ａの両端部は、積層方向において略一直線上に揃っている。なお、ここで言う略同一は、第１内部電極３１Ａ及び第２内部電極３２Ａの幅が一致していてもよいし、例えば０．０１〜０．１μｍ程度の寸法差があってもよい。

ここで、第１内部電極３１Ａ及び第２内部電極３２Ａと圧電体層３０とは異なる材質であるため、第１内部電極３１Ａ及び第２内部電極３２Ａと圧電体層３０との接合強度は、圧電体層３０同士の接合強度に比べて低い。そこで、第１内部電極３１Ａ及び第２内部電極３２Ａの幅を略同一とすることにより、変位部５０Ａでは、基端部側になるにつれて圧電体層３０同士の接合面積が大きくなる。したがって、変位部５０Ａでは、基端部側の接合強度を確保することができ、破損を防止することができる。

［第３実施形態］
続いて、第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る積層型圧電素子の変位部を示す斜視図である。図８は、図７に示す変位部に配置される内部電極の構成を示す図である。図７及び図８に示すように、第１部分２０に形成される変位部５０Ｂは、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂの構成が第１実施形態と異なっている。

第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂは、積層方向において重なり合う第１部分Ｐと、積層方向において重なり合わない第２部分Ｑとを有している。図７では、変位部５０Ｂにおいて第１部分Ｐ及び第２部分Ｑに対応する部分を示している。第１内部電極３１Ｂの第２部分Ｑ、つまり第１側面２ｅ側の端部３１Ｂａには、開口部Ｋが形成されている。開口部Ｋは、第１内部電極３１Ｂの幅方向に沿って複数（ここでは５つ）形成されている。

第２内部電極３２Ｂの第２部分Ｑ、つまり第２側面２ｆ側の端部３２Ｂａには、開口部Ｋが形成されている。開口部Ｋは、第２内部電極３２Ｂの幅方向に沿って複数（ここでは５つ）形成されている。

変位部５０Ｂでは、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂの第２部分に開口部Ｋが形成されているため、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂを挟んで対向する圧電体層３０同士が開口部Ｋの部分において接合されている。第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂと圧電体層３０とは異なる材質であるため、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂと圧電体層３０との接合強度は、圧電体層３０同士の接合強度に比べて弱い。

そこで、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂの端部に開口部Ｋを形成することにより、開口部Ｋを介して圧電体層３０同士を接合することができる。これにより、変位部５０Ｂの第１の方向の両端部において、接合強度をより確保することができ、変位部５０Ｂ（第１部分２０）の強度の向上を図れる。したがって、例えばダイシングブレードによりスリットＳを形成するときに、ダイシングブレードの進入による変位部５０Ｂの破損を防止できる。

また、開口部Ｋは、第１内部電極３１Ｂ及び第２内部電極３２Ｂにおいて、この第１内部電極３１Ｂと第２内部電極３２Ｂとが重なり合わない第２部分Ｑに形成されている。すなわち、開口部Ｋは、圧電的に不活性な不活性部に形成されている。したがって、変位部５０Ｂの変位特性の影響を与えることなく、変位部５０Ｂの強度を確保できる。

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、上記実施形態では、積層体２が第１部分２０、第２部分２１ａ及び第３部分２１ｂを含む構成としているが、積層体２の構成はこれに限定されない。

また、上記実施形態では、積層体２の第２主面２ｄに、第２外部電極４と第３外部電極５ａ，５ｂとを接続する第４外部電極６を形成しているが、第４外部電極６は設けられなくてもよい。つまり、第２外部電極４と第３外部電極５ａ，５ｂとの接続は、第３内部電極３３だけであってもよい。

１…積層型圧電素子、２…積層体、３０…圧電体層、３１，３１Ａ，３１Ｂ…第１内部電極、３２，３２Ａ，３２Ｂ…第２内部電極、５０，５０Ａ，５０Ｂ…変位部、５１…基部、Ｄ１…基端部側の幅、Ｄ２…先端部側の幅、Ｋ…開口部、Ｐ…第１部分、Ｑ…第２部分。

Claims

圧電体層により構成された基部と、圧電体層を介在させて第１内部電極と第２内部電極とが交互に積層されて構成され且つ前記基部から前記第１内部電極及び前記第２内部電極の積層方向に延びる変位部とを有する積層体を備える圧電素子であって、
前記変位部は、
前記積層方向から見て略矩形状を呈し、前記積層方向に直交する第１の方向の長さが当該第１の方向に直交する第２の方向の長さよりも長く、
前記第１の方向から見て、前記基部側の幅が先端部側の幅よりも広く、
前記第１内部電極及び前記第２内部電極は、前記圧電体層を挟んで対向すると共に、前記第１の方向から見て、幅が略同一であり、
前記変位部は、前記基部側になるにつれて前記圧電体層同士の接合面積が多くなることを特徴とする圧電素子。
前記第１内部電極及び前記第２内部電極は、前記積層方向において重なり合う第１部分と、前記積層方向において重なり合わない第２部分とを有し、
前記第２部分には、開口部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。