JP5604250B2

JP5604250B2 - 圧電素子

Info

Publication number: JP5604250B2
Application number: JP2010221709A
Authority: JP
Inventors: 一将阿隅
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079814A

Description

本発明は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する矩形の圧電素子に関する。

積層型の圧電素子は、圧電層と交互に積層された内部電極に電圧を印加することで伸縮させることができ、たとえばシリコンウエハを保持したステージの位置決めに応用されている。伸縮の際には、内部電極が重なりあい電界が掛かる活性部の変形に対し、電界が掛からない非活性部には大きな引っ張り応力が発生し易く、破壊が生じるおそれがある。このため非活性部に応力緩和層を設け、応力を緩和する構造が提案されている。

しかし、応力緩和層部分には大きな変形が生じるため、内部電極を接続する外部電極が疲労破壊を起こしうる。この対策として、外部電極にリード線を埋めたり、伸縮性のある導電性接着剤を用いて波線状のリード線を付けたり、リード線を複数付けたりする技術が提案されている。

たとえば、特許文献１記載の積層型圧電素子は、あらかじめ溝を切った板で外部電極を補強しつつ、外部電極付近に掛かる応力を緩和している。また、特許文献２記載の積層型圧電素子は、予定亀裂位置で疲労破壊が起きても電圧が供給されるように複数の電線をつないでいる。

特開２０１０−７４０３３号公報特開２０１０−１０９０５７号公報

上記のように、従来の積層型圧電素子には、応力緩和層部分の外部電極が疲労破壊を起こしうるという問題がある。図１０は、従来の圧電素子６００を示す正面図である。外部電極６１５にリード線６２０を接着して補強しているが、応力緩和層６１７の位置でクラック６４１が生じ、外部電極６１５およびリード線６２０が破壊されている。

しかし、これに対し厚いリード線を用いて対処すると、リード線の拘束によって外部電極付近にクラックが生じうる。図１１は、従来の圧電素子７００を示す正面図である。外部電極７１５に厚いリード線７２０を接着しているが、リード線７２０の拘束によって外部電極７１５付近にクラック７４１が生じている。

上記の特許文献１記載の圧電素子のように、あらかじめ外部電極を補強する板に溝を切っておき、外部電極付近に掛かる応力を緩和することも考えられるが、必ずしも応力緩和層付近に切れ目が存在しないため、そこを基点に疲労破壊を起こし破断しうる。また、特許文献２記載のように電圧が供給されるようにリード線をつなぐことも考えられるが、作製作業が煩雑になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止するとともに、補強板が圧電素子を拘束してクラックが生じるのを防止し、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持できる圧電素子を提供すること目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する矩形の圧電素子であって、積層面に平行に層面が形成され、伸縮による応力を緩和する応力緩和層と、側面に設けられた外部電極と、前記外部電極に接着され、一部に空隙を有する金属製の補強板と、を備え、前記補強板は、前記空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる程度に薄く形成され、前記空隙より外側の部分が前記外部電極に拘束されずに前記応力緩和層で区切られる前記空隙より内側の部分を連結することを特徴としている。

このように、補強板が外部電極に接着されていることで、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止できる。その一方で、空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうることで補強板の拘束により生じる素子本体のクラックの発生を防止できる。そして、空隙より外側の部分が外部電極に拘束されずに応力緩和層で区切られる空隙より内側の部分を連結するため、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持でき、圧電素子を駆動できる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、前記空隙が前記応力緩和層の層面付近で、前記外部電極との接着領域外に配置されるように形成され、かつ前記外部電極に接着されていることを特徴としている。これにより、応力緩和層の大きな変位により空隙の内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。

（３）また、本発明の圧電素子は、前記空隙が、前記応力緩和層の存在する積層方向の各位置で、前記外部電極に接着された領域外の一方側のみに配置されていることを特徴としている。これにより、選択的な疲労破壊が一方側の空隙より外側に伝播せず、他方側は端まで伝播する。その結果、一方側のみで補強板を連結し、電気的接続を維持できる。

（４）また、本発明の圧電素子は、前記空隙が、前記積層方向に沿って、前記外部電極に接着された領域の左右交互に配置されていることを特徴としている。これにより、偏りなく伸縮の際にかかる応力のバランスをとることができる。

（５）また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、リン青銅製または銅製であって、厚さ０．２ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、素子本体の破壊を防止できる。

（６）また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、ＳＵＳ製であって、厚さ０．１ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、素子本体の破壊を防止できる。

（７）また、本発明の圧電素子は、前記空隙の外向き凹部の形状が、円弧または緩やかな多角形であることを特徴としている。これにより、選択的な疲労破壊が空隙より外側に伝播しないため、外部電極の電気的接続を維持することができる。なお、空隙の外向き凹部とは、空隙の素子本体の側面側の形状を指し、たとえば空隙が円形であればその外向き凹部は円弧となる。

本発明によれば、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止するとともに、補強板が圧電素子を拘束してクラックが生じるのを防止し、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持できる。

第１の実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。第１の実施形態に係る圧電素子を示す正面図である。第１の実施形態に係る圧電素子を示す断面図である。第１の実施形態に係る圧電素子の作製方法を示す概略図である。（ａ）第１の実施形態に係る圧電素子の使用時の態様を示す正面図である。（ｂ）素子本体の使用時の態様を示す正面図である。（ａ）〜（ｅ）補強板に形成された孔の例を示す図である。（ａ）第２の実施形態に係る圧電素子を示す正面図である。（ｂ）第２の実施形態に係る圧電素子の使用時の態様を示す正面図である。（ａ）比較例の圧電素子を示す正面図である。（ｂ）比較例の素子本体を示す正面図である。補強板の材質と厚みについての実験結果を示す表である。従来の圧電素子を示す正面図である。従来の圧電素子を示す正面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（圧電素子の構造）
図１は、圧電素子１００を示す斜視図、図２は、正面図、図３は、断面図である。図１および図３において、矢印Ｆは正面に向かう方向を示している。また、図３は、図１に示す面Ｓによる断面を示している。なお、図面では、長手方向の両端側を省略して圧電素子１００を示している。

図１〜図３に示すように、圧電素子１００は、圧電層１１１と内部電極１１２とが交互に積層されて矩形に形成されている。そして、内部電極１１２に電圧を印加することで伸縮する。圧電素子１００は、圧電層１１１、内部電極１１２、外部電極１１５、応力緩和層１１７、補強板１２０を備えている。

圧電素子１００は、圧電層１１１と内部電極１１２が一体焼成される単位素子１０５が連結された素子本体１１０に補強板１２０を接着して形成されている。単位素子１０５の連結は接着剤で行うが、必ずしも限定されない。また、連結せず単一の単位素子１０５のみで圧電素子１００を形成してもよい。

圧電層１１１は、たとえばＰＺＴのような圧電体により形成されている。一連の内部電極１１２に挟まれている圧電体は、分極処理により分極されている。圧電層１１１の一層は、実際には３０μｍ〜１００μｍ程度であり、非常に薄いが、図では簡略化して模式的に示している。

内部電極１１２は、圧電層１１１と交互に積層され、圧電体に埋設されている。内部電極１１２に電圧を印加し、圧電体に電界をかけることで、圧電素子１００を駆動することができる。

外部電極１１５は、圧電素子１００の側面で内部電極１１２の取り出し部分に接続されている。外部電極１１５は、ＡｇやＡｇ／Ｐｄ等のペーストを印刷し、焼き付けることで形成できる。外部電極１１５を介して内部電極１１２に電圧が印加される。

応力緩和層１１７は、活性領域の周囲の領域に、積層面に平行、すなわち伸縮方向に垂直に層面が形成されている。その結果、圧電素子１００の伸縮による応力を緩和する。なお、単位素子１０５同士を連結する結合部分１１７ａも応力緩和の作用を有するため、機能的には応力緩和層１１７とみなすことができる。

なお、圧電素子１００は、加工代として積層方向の両端部に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極の積層方向への投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形せず応力が生じるため、応力緩和層１１７が必要となる。

補強板１２０は、金属製であり、外部電極１１５に接着され、外部電極１１５を補強している。これにより、補強板１２０は外部電極１１５のクラックを防止できる。一方では、補強板１２０は、薄く形成されており、応力緩和層１１７の位置で選択的に疲労破壊を起こす。なお、選択的に生じさせる疲労破壊は、上記のクラックとは異なる。

補強板１２０は、孔１２１ａ、１２１ｂのように一部に空隙を有する。孔１２１ａおよび孔１２１ｂは、正面から見たときの左右に設けられている。孔１２１ａおよび孔１２１ｂは、同じ応力緩和層１１７上に設けられており、そのように配置されるよう予め補強板１２０が形成される。補強板１２０は、圧電素子１００の伸縮により孔１２１ａと孔１２１ｂに挟まれた内側Ａ（外部電極１１５側すなわち素子本体１１０の正面中央側）の部分が選択的に疲労破壊する。このような補強板１２０の疲労破壊により圧電素子１００が過度に拘束されず、クラックが生じるのを防止できる。

孔１２１ａ、１２１ｂより外側Ｂ（素子本体１１０の側面側、矢印Ｂ）の部分は外部電極１１５に接着していないため、外部電極１１５に拘束されず、疲労破壊しない。その結果、孔１２１ａ、１２１ｂより外側の部分が応力緩和層１１７で区切られる孔１２１ａ、１２１ｂより内側の部分を連結し、電気的接続を維持している。したがって、補強板１２０および外部電極１１５に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持でき、圧電素子１００を駆動できる。

また、孔１２１ａ、１２１ｂが、応力緩和層１１７の層面付近の積層方向位置で、外部電極１１５との接着領域外に配置されるように、補強板１２０は形成され、かつ外部電極に接着されている。これにより、応力緩和層１１７の大きな変位により孔１２１ａと孔１２１ｂに挟まれた内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。すなわち孔１２１ａと孔１２１ｂ（空隙）より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。なお、孔１２１ａ、１２１ｂの好適な形状については後述する。

補強板１２０は、リン青銅製または銅製であることが好ましい。その場合、厚さを０．２ｍｍ以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができる。補強板１２０は、ＳＵＳ製であってもよい。この場合には、厚さは０．１ｍｍ以下であることが疲労破壊を生じさせるには好適である。

（作製方法）
次に、上記のような構成を有する圧電素子１００の作製方法を説明する。図４は、圧電素子１００の作製方法を示す概略図である。

単位素子１０５は、圧電層１１１と内部電極１１２とを積層して焼成することで形成される。一方、補強板１２０の材料となる金属板は好適な厚さのものを選び、外部電極１１５より幅広で、かつ単位素子１０５を連結した素子本体１１０の長さを有するように加工する。また、素子本体１１０に貼付したときに応力緩和層１１７の位置で、かつ外部電極より外側に孔１２１ａ、１２１ｂを設ける。孔１２１ａ、１２１ｂを開けた方が、応力緩和層１１７を回避するように金属板を作製するより位置合わせが容易である。また、プレス成形等で孔を開けてもよいが、エッチングで開ける方が、作業が容易になるため好ましい。

そして、単位素子１０５を連結し、外部電極１１５に重なる領域１３０に、補強板１２０を半田付けで接着する。そして、単位素子１０５を連結して得られた素子本体１１０の所定の位置に補強板１２０を接着することで、圧電素子１００を形成することができる。なお、半田に変えて導電性接着剤を用いて接着してもよい。

（使用態様）
次に、圧電素子１００を実際に使用する際の態様を説明する。図５（ａ）は、圧電素子１００の使用時の態様を示す正面図である。図５（ｂ）は、使用時の素子本体１１０を示す正面図である。

図５（ａ）に示すように、圧電素子１００を伸縮させることで、応力緩和層１１７部分の変位が大きくなり、補強板１２０の孔１２１ａと孔１２１ｂに挟まれた部分に疲労破壊１４１が生じる。疲労破壊１４１は予め生じさせておいてもよい。また、その際には、図５（ｂ）に示すように、外部電極１１５の応力緩和層１１７と重なる部分にも疲労破壊１４２が生じている。

選択的に疲労破壊１４１を生じさせることで、補強板１２０は、外部電極１１５を補強しつつ、応力緩和層１１７の位置では応力を緩和している。一方では、外部電極１１５の選択的な疲労破壊で分断された電気的接続を、補強板１２０が維持している。すなわち、補強板１２０の孔１２１ａ、１２１ｂの外側の部分が繋がっていることで通電している。

（孔の形状）
上記の圧電素子１００の例では、孔１２１ａ、１２１ｂの形状が円であるが、必ずしもこれに限られない。図６（ａ）〜（ｅ）は、補強板１２０に形成された孔１２１ａの例を示す図である。孔１２１ａ、１２１ｂの形状には、円の他に多角形が考えられる。その中でも、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、孔１２１ａの外向き凹部１２２ａの形状は、円弧または緩やかな多角形であることが好ましい。これにより、図６（ｄ）、（ｅ）に示すような選択的な疲労破壊１４１の空隙より外側への伝播が生じないため、外部電極の電気的接続を維持することができる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、補強板１２０の孔１２１ａ、１２１ｂは、積層面に平行に並んで２つ形成されているが、一方のみに形成されていてもよい。図７（ａ）は、圧電素子２００を示す正面図である。図７（ｂ）は、圧電素子２００の使用時の態様を示す正面図である。

図７（ａ）に示すように、孔２２１ａ、２２１ｂは、応力緩和層１１７の存在する積層方向の各位置で、外部電極１１５に接着された領域外の一方側のみに配置されている。したがって、選択的な疲労破壊２４１が生じたとき、疲労破壊２４１は一方側の孔２２１ａより外側には伝播せず、他方側は端まで伝播する。その結果、孔２２１ａのある一方側のみで補強板２２０を連結し、電気的接続を維持できる。

孔２２１ａ、２２１ｂは、積層方向に沿って、外部電極１１５に接着された領域の左右交互に配置されている。これにより、偏りなく伸縮の際にかかる応力のバランスをとることができる。なお、単位素子１０５の構造は圧電素子１００と同様である。

［実施例］
圧電素子の補強板の材料および厚さについて実験を行った。補強板の材料は、リン青銅、銅、ＳＵＳ３０４を用いた。厚さは、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍのものを用意した。このような補強板を用いて圧電素子を作製した。なお、リン青銅、銅の補強板は半田付けで外部電極に接着し、ＳＵＳの補強板は導電性接着剤で接着した。

このようにして作製した圧電素子を伸縮させたところ、薄い補強板を用いた実施例の圧電素子１００では、補強板１２０に疲労破壊１４１が生じ、応力が緩和されるとともに、素子本体１１０内には破壊が生じなかった。一方、以下に説明するように厚い補強板を用いた比較例の圧電素子５００は素子本体５１０内部に破壊が生じた。

図８（ａ）は、比較例の圧電素子５００を示す正面図である。図８（ｂ）は、比較例の素子本体１１０を示す正面図である。図８に示すように、厚い補強板５２０を用いた場合には、補強板５２０の応力緩和層１１７付近には選択的な疲労破壊が生じなかった。また、外部電極１１５の端部付近から、外部電極１１５をむしり取ろうとしたときにできるようなクラック５４１が生じた。

図９は、補強板の材質と厚みについての実験結果を示す表である。図９に示すように、
リン青銅製または銅製の補強板を用いる場合、厚さを０．２ｍｍ以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、単位素子内の破壊を防止できることが実証された。また、ＳＵＳ製の補強板を用いる場合には、厚さを０．１ｍｍ以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、単位素子内の破壊を防止できることが実証された。

１００圧電素子
１０５単位素子
１１０素子本体
１１１圧電層
１１２内部電極
１１５外部電極
１１７応力緩和層
１１７ａ結合部分
１２０補強板
１２１ａ、１２１ｂ孔
１２２ａ孔の外向き凹部
１３０半田付けの領域
１４１疲労破壊
２００圧電素子
２２０補強板
２２１ａ、２２１ｂ孔
２４１疲労破壊
Ａ孔に挟まれた内側
Ｂ孔より外側

Claims

圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する矩形の圧電素子であって、
積層面に平行に層面が形成され、伸縮による応力を緩和する応力緩和層と、
側面に設けられた外部電極と、
前記外部電極に接着され、一部に空隙を有する金属製の補強板と、を備え、
前記補強板は、前記空隙が前記応力緩和層の層面付近で、前記外部電極との接着領域外に配置されるように形成されるとともに、前記空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる程度に薄く形成され、かつ前記外部電極に接着されていることを特徴とする圧電素子。
前記空隙は、前記応力緩和層の存在する積層方向の各位置で、前記外部電極に接着された領域外の一方側のみに配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記空隙は、前記積層方向に沿って、前記外部電極に接着された領域の左右交互に配置されていることを特徴とする請求項２記載の圧電素子。
前記補強板は、リン青銅製または銅製であって、厚さ０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
前記補強板は、ＳＵＳ製であって、厚さ０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
前記空隙の外向き凹部の形状は、円弧または緩やかな多角形であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電素子。