JP6274393B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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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圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and expands and contracts by applying a voltage.
従来、圧電素子には、圧電素子を変位させたときに変位する部分に対して圧電的に不活性な部分に発生する応力を緩和する応力緩和層が設けられたものが知られている。このような応力緩和層は、基本的に内部電極と同一の積層面上において内部電極を囲うように配置される(特許文献1、2参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric element is known in which a stress relaxation layer is provided to relieve stress generated in a piezoelectrically inactive portion with respect to a portion that is displaced when the piezoelectric element is displaced. Such a stress relaxation layer is disposed so as to surround the internal electrode basically on the same laminated surface as the internal electrode (see
このような内部電極と同一の積層面上に設けられた応力緩和層は、せいぜい内部電極の端までしか形成できないが、内部電極層と異なる層に応力緩和層を形成すれば圧電的に活性な層内側まで形成することができ、さらに応力を緩和することができる。 A stress relaxation layer provided on the same laminated surface as such an internal electrode can be formed only up to the end of the internal electrode. However, if the stress relaxation layer is formed in a layer different from the internal electrode layer, it is piezoelectrically active. It can be formed up to the inside of the layer, and the stress can be relaxed.
例えば、内部電極層と異なる層に応力緩和層を形成された従来の圧電素子の例として、図9、図10に示すような圧電素子が挙げられる。図9および図10において、(a)、(b)は、それぞれ斜視図および側断面図を示している。図9に示す圧電素子800は、圧電層810と内部電極820、825とが交互に積層されて形成されている。応力緩和層840は、異なる極性の内部電極820と内部電極825との間に、圧電素子800の外周に接してその一周にわたり設けられている。内部電極820は、応力緩和層840が接する外部電極850に接続され、内部電極825は、外部電極850とは異なる極性の外部電極855に接続されている。
For example, as an example of a conventional piezoelectric element in which a stress relaxation layer is formed in a layer different from the internal electrode layer, there are piezoelectric elements as shown in FIGS. 9 and 10, (a) and (b) show a perspective view and a side sectional view, respectively. The
一方、図10に示す圧電素子900は、圧電層910と内部電極920、925とが交互に積層されて形成されている。積層方向に隣り合う内部電極925の間に、圧電素子900の外周の一周にわたり応力緩和層940が設けられている。いずれの内部電極925も、同じ外部電極955に接続されている。
On the other hand, the
上記のような応力緩和層はポーラスな材質であったり、あらかじめ亀裂を生成したものである。そして、このような応力緩和層をまたいで圧電素子の側面上に外部電極が形成されている。したがって、外部電極をスクリーン印刷で形成する場合、電極ペーストが応力緩和層に入り込む危険性がある。また、その後外部電極にリード線を接続するときの半田にクリーム半田を使用した場合、半田が応力緩和層に入り込む危険性がある。 The stress relieving layer as described above is made of a porous material or has been cracked beforehand. An external electrode is formed on the side surface of the piezoelectric element across the stress relaxation layer. Therefore, when the external electrode is formed by screen printing, there is a risk that the electrode paste enters the stress relaxation layer. Further, when cream solder is used as the solder for connecting the lead wire to the external electrode thereafter, there is a risk that the solder may enter the stress relaxation layer.
応力緩和層に導電性材料が入り込んだ場合、応力緩和層は外部電極と同極の極性を持ち、上下の内部電極との間でマイグレーションを起こしやすくなり、マイグレーションを起こせばそこが破壊の起点となってしまう。 When a conductive material enters the stress relaxation layer, the stress relaxation layer has the same polarity as that of the external electrode, and migration is likely to occur between the upper and lower internal electrodes. turn into.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、応力緩和層からのマイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる圧電素子を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the piezoelectric element which can prevent the migration from a stress relaxation layer and can prevent that there becomes a starting point of destruction.
(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圧電素子であって、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、複数の圧電層あたりに1層の割合で設けられて駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、前記応力緩和層は、全内部電極を積層方向に投影して得られる活性領域に一部が含まれ、前記応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極および積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極のいずれもが、前記応力緩和層に接する外部電極と同じ極性であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately laminated and expands and contracts by application of voltage, and has a layer surface parallel to the laminated surface. And a stress relaxation layer that is formed in contact with the outer periphery and is provided in a ratio of one layer per a plurality of piezoelectric layers to relieve stress due to driving, and the stress relaxation layer projects all internal electrodes in the stacking direction. A part of the active region obtained in this manner, and either the nearest internal electrode having at least one overlap in the stacking direction of the stress relaxation layer or the nearest internal electrode having at least part of the other in the stacking direction. Is characterized by having the same polarity as the external electrode in contact with the stress relaxation layer.
これにより、応力緩和層に接する外部電極から電極ペーストや半田等の導電性物質が入り込んでも直近の内部電極との間に電界がかからないため、マイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。 As a result, even if a conductive material such as electrode paste or solder enters from the external electrode in contact with the stress relaxation layer, an electric field is not applied to the nearest internal electrode, so that migration can be prevented, and that is the starting point of destruction. Can be prevented.
本発明によれば、応力緩和層とその直近の内部電極との間に電界がかからないためマイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。 According to the present invention, since an electric field is not applied between the stress relaxation layer and the nearest internal electrode, migration can be prevented, and it can be prevented that this becomes a starting point of destruction.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
[第1の実施形態]
(圧電素子の構成)
図1(a)〜(c)は、それぞれ圧電素子100を示す斜視図および平断面図である。図2は、圧電素子100を示す側断面図である。圧電素子100は、矩形体に形成され、圧電層110と内部電極120、125とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。
[First Embodiment]
(Configuration of piezoelectric element)
1A to 1C are a perspective view and a plan sectional view showing the
圧電素子100は、駆動による応力を緩和するための応力緩和層140、145を有している。応力緩和層140、145は、複数の圧電層あたりに1層の割合で設けられており、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成されている。なお、積層面とは、圧電素子の積層方向(伸縮方向)に垂直な面を指す。
The
応力緩和層140は、側面101に接して設けられ、応力緩和層145は、側面101とは反対側の側面102に接して設けられている。応力緩和層140、145は、24層の圧電層に1層の割合以上、2層の圧電層に1層の割合以下であることが好ましい。24層の圧電層に1層の割合以上10層の圧電層に1層の割合以下であればさらに好ましい。
The
図1(b)に示すように、内部電極120は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、一方の側面101に外部電極150に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極125は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面102に外部電極155に接続するための取り出し電極部が形成されている。
As shown in FIG. 1B, the
また、図1(c)に示すように、応力緩和層140は、側面101、正面103および背面104に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。同様に、応力緩和層145は、側面102、正面103および背面104に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。
Moreover, as shown in FIG.1 (c), the
図2に示すように、応力緩和層140、145は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれる。すなわち、応力緩和層140、145の先端部は、図2の境界Aの内部側に入っている。活性領域は、全内部電極120、125を積層方向(伸縮方向)に投影して得られる領域(図2の境界Aより内部側)であり、異なる電位の内部電極が積層方向に重なり合う領域に一致する。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、応力緩和層140の積層方向の一方(図中の上側方向)に一部でも重なりを有する直近の内部電極120は、応力緩和層140に接する外部電極150と同極である。また、応力緩和層140の積層方向の他方(図中の下側方向)に一部でも重なりを有する直近の内部電極120も、応力緩和層に接する外部電極150と同極である。
As shown in FIG. 2, the nearest
これにより、応力緩和層140に接する外部電極150から電極ペーストや半田等の導電性物質が入り込んでも直近の内部電極120との間に電界がかからないため、マイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。このような構造は、側面102の側に設けられた応力緩和層145および内部電極125の配置についても同様に設けられている。このように、圧電素子100では、同じ極性の内部電極に挟まれた不活性層に応力緩和層が形成されている。
Thereby, even if a conductive substance such as electrode paste or solder enters from the
(圧電素子の作製方法)
次に、上記のように構成された圧電素子100の製造方法について説明する。まず、PZT等の圧電体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。
(Method for manufacturing piezoelectric element)
Next, a method for manufacturing the
圧電体のグリーンシートを準備し、内部電極または応力緩和層が設けられる位置の各グリーンシートに対して、内部電極用および応力緩和層用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。その際には、内部電極用として電極ペースト(Ag−Pd合金等)を塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。 A piezoelectric green sheet is prepared, and a pattern for an internal electrode and a stress relaxation layer is applied to each green sheet at a position where the internal electrode or the stress relaxation layer is provided by screen printing or the like. In that case, an electrode paste (Ag—Pd alloy or the like) is applied for an internal electrode, and then dried to form a pre-fired electrode film.
応力緩和層用としては、非焼結材料(チタン酸鉛等)のペーストを塗布する。非焼結材料は、圧電素子の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。たとえば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで応力緩和層を形成するものが含まれる。 For the stress relaxation layer, a paste of a non-sintered material (such as lead titanate) is applied. The non-sintered material is a material that does not sinter during the firing temperature process of the piezoelectric element. The non-sintered material paste is obtained by mixing a non-sintered material powder, a binder, a plasticizer, and an organic solvent in a predetermined ratio. For example, the non-sintered material includes lead titanate, the binder includes ethyl cellulose, the plasticizer includes dioctyl phthalate, and the organic solvent includes butyl carbitol. The non-sintered material includes a material such as carbon that burns away during firing to form a stress relaxation layer.
次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層する。なお、積層体の作製前に、予め、応力緩和層が、内部電極の何層かに1箇所の所定の割合で形成されるように設計しておく。その際には、応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極と、応力緩和層の積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極とが、応力緩和層に接する外部電極と同極になるように設計する。 Next, a plurality of green sheets on which an electrode film and a non-sintered material film are formed are stacked. In addition, before producing the laminated body, it is designed in advance so that the stress relaxation layer is formed at a predetermined ratio at one place in several layers of the internal electrode. In that case, the stress relaxation layer is formed by the nearest internal electrode having at least one overlap in one of the lamination directions of the stress relaxation layer and the nearest internal electrode having at least one overlap in the other of the lamination directions of the stress relaxation layer. Design to have the same polarity as the external electrode in contact with the layer.
次に、積層されたグリーンシートをプレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。 Next, after the laminated green sheet is press-molded, it is heated to degrease the organic components in the green sheet, the electrode paste, and the non-sintered material paste. The organic component is decomposed by heating to become a gas and escapes from the green sheet or paste film.
このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、非焼結材料は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層140、145が形成される。そして、焼結体を適宜加工し、圧電素子100を作製できる。
The laminated body thus degreased is fired. At this time, the non-sintered material is not sintered, and the stress relaxation layers 140 and 145 are formed at locations where the non-sintered material is applied. Then, the sintered body can be appropriately processed to produce the
(圧電アクチュエータ)
上記のような圧電素子100を用いて圧電アクチュエータを構成できる。圧電アクチュエータは、圧電素子100を直列に接着し、圧電素子100の内部電極120、125に接続された外部電極150、155をリード線で接続して構成される。これにより、応力緩和層140、145が破壊の起点にならない圧電アクチュエータを提供できる。
(Piezoelectric actuator)
A piezoelectric actuator can be configured using the
例えば、複数の圧電素子100を積層方向に接着して多連化し、多連化された圧電素子100に分極処理を行い、キャップを被せることで圧電素子100が多連化されたポジショナ用アクチュエータを作製できる。
For example, a positioner actuator in which a plurality of
[参考例]
図3は、活性層に応力緩和層が設けられた参考例の圧電素子200を示す斜視図である。図4(a)〜(c)は、いずれも参考例の圧電素子200を示す平断面図である。図5は、参考例の圧電素子200を示す側断面図である。圧電素子200は、矩形体に形成され、圧電層210と内部電極220、220a、225、225aとが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。
[ Reference example ]
FIG. 3 is a perspective view showing a
図4(a)に示すように、内部電極220は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、側面201に外部電極250に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極225は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面202に外部電極255に接続するための取り出し電極部が形成されている。
As shown in FIG. 4A, the
また、図4(b)、図5に示すように、応力緩和層240は、側面201、202、正面203および背面204に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではロ字状である。
As shown in FIGS. 4B and 5, the
一方、図4(c)、図5に示すように、内部電極225aは、外周の内側に矩形に形成され、側面202側に、外部電極255に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極225aは、側面201側の端部が応力緩和層240より内側の位置になるように形成されている。同様に、内部電極220aは、外周の内側に矩形に形成され、側面201側に、外部電極250に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極220aは、側面202側の端部が応力緩和層240より内側の位置になるように形成されている。
On the other hand, as shown in FIGS. 4C and 5, the
このような配置において、内部電極225aは、応力緩和層240に接する外部電極250とは異なる極性の電極として応力緩和層240の積層面に直近の積層面の位置に設けられている。そして、内部電極225aは、電圧印加時に隣合う内部電極220aに対して生じる電界が、応力緩和層240にかからない位置に設けられている。このような配置は、内部電極220aと応力緩和層240との位置についても同様である。
In such an arrangement, the
これにより、応力緩和層240を活性層に設けるとともに、活性層を多く設けることができ、効率の良い圧電素子を構成できる。また、電界が応力緩和層240の先端部に集中せず、応力緩和層240の先端を起点とする破壊を防止できる。
Thereby, while providing the
[参考例]
上記参考例では、応力緩和層が活性層に設けられているが、さらに応力緩和層に接する外部電極とは異なる極性の電極として応力緩和層の積層面に直近の積層面の位置に設けられた内部電極が応力緩和層と同一の積層面に設けられている。
[ Reference example ]
In the above reference example , the stress relaxation layer is provided in the active layer, but is further provided as an electrode having a polarity different from that of the external electrode in contact with the stress relaxation layer at the position of the lamination surface closest to the lamination surface of the stress relaxation layer. internal electrodes that are provided in the same lamination plane and the stress relaxation layer.
図6(a)〜(c)は、それぞれ参考例の圧電素子300を示す斜視図および平断面図である。図7は、参考例の圧電素子300を示す側断面図である。圧電素子300は、矩形体に形成され、圧電層310と内部電極320、325とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。
6A to 6C are a perspective view and a plan sectional view showing a
圧電素子300は、駆動による応力を緩和するための応力緩和層340、345を有している。応力緩和層340、345は、複数の圧電層あたりに1層の割合で設けられており、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成されている。
The
図6(b)に示すように、内部電極320は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、一方の側面301側に外部電極350に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極325は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面302側に外部電極355に接続するための取り出し電極部が形成されている。
As shown in FIG. 6B, the
図6(c)に示すように、応力緩和層340は、側面301、正面303および背面304に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。内部電極325aは、矩形に形成され、側面302側に外部電極355に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極325aは、応力緩和層340と同一の積層面に設けられており、応力緩和層340との間には十分な間隙が空けられている。
As shown in FIG. 6C, the
このように、応力緩和層340に接する外部電極350とは異なる極性の電極として、応力緩和層340の積層面に直近の積層面の位置に設けられた内部電極325aは、応力緩和層340と同一の積層面に設けられている。これにより、活性層を多く設けられるとともに、バランス良く応力緩和層を配置した圧電素子を構成できる。
As described above, the
同様に、応力緩和層345は、側面302および正面303、背面304に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。内部電極320aは、矩形に形成され、側面301側に外部電極350に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極320aは、応力緩和層345と同一の積層面に設けられており、応力緩和層345との間には十分な間隙が空けられている。
Similarly, the
[実施例、比較例]
図1〜2、図6〜7に示す形態の圧電素子100、300をそれぞれ実施例1、2として作製した。また、図9、図10に示す形態の圧電素子800、900をそれぞれ比較例1、2として作製した。6×6×10mmの寸法で内部電極を120層、応力緩和層を11層有する圧電素子を実施例1、2および比較例1、2として作製した。
[Examples and Comparative Examples]
作製した圧電素子に同じ電圧を印加したところ、実施例1の変位は11μm、実施例2の変位は10μmであった。一方、比較例1の変位は、10μmであり、比較例2の変位は、11μmであった。 When the same voltage was applied to the produced piezoelectric element, the displacement in Example 1 was 11 μm and the displacement in Example 2 was 10 μm. On the other hand, the displacement of Comparative Example 1 was 10 μm, and the displacement of Comparative Example 2 was 11 μm.
また、各圧電素子を5Hzで0−150Vの矩形波で駆動した。図8(a)は、各圧電素子の故障確率をワイブルプロットしたグラフである。図8(b)は、各圧電素子の平均圧電印加時間およびワイブル係数を示す表である。図8(a)、(b)によれば、比較例1、2に対して、実施例1、2では明らかに圧電印加時間あたりの故障確率が低減していることが分かった。また、特に実施例1より実施例2の方がさらに故障し難いことが分かった。 Each piezoelectric element was driven with a rectangular wave of 0 to 150 V at 5 Hz. FIG. 8A is a graph obtained by Weibull plotting the failure probability of each piezoelectric element. FIG. 8B is a table showing the average piezoelectric application time and the Weibull coefficient of each piezoelectric element. 8A and 8B show that the failure probability per piezoelectric application time is clearly reduced in Examples 1 and 2 compared to Comparative Examples 1 and 2. In particular, it was found that Example 2 was more difficult to break down than Example 1.
100 圧電素子
101、102 側面
103 正面
104 背面
110 圧電層
120、125 内部電極
140、145 応力緩和層
150、155 外部電極
200 圧電素子
201、202 側面
210 圧電層
220、220a、225、225a 内部電極
240、245 応力緩和層
250、255 外部電極
300 圧電素子
301、302 側面
303 正面
304 背面
310 圧電層
320、320a、325、325a 内部電極
340、345 応力緩和層
350、355 外部電極
A 活性領域の境界
100
Claims (1)
積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、複数の圧電層あたりに1層の割合で設けられて駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、
前記応力緩和層のそれぞれ全ては、全内部電極を積層方向に投影して得られ、前記積層方向において内部電極全てが重なり合う領域である活性領域に一部が含まれ、
前記応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極および積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極のいずれもが、前記応力緩和層に接する外部電極と同じ極性であることを特徴とする圧電素子。 Piezoelectric elements in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and expand and contract by application of voltage,
A stress relief layer that has a layer surface parallel to the laminated surface, is formed in contact with the outer periphery, is provided at a rate of one layer per a plurality of piezoelectric layers, and relaxes stress due to driving;
Each of the stress relaxation layers is obtained by projecting all internal electrodes in the stacking direction, and part of the active region is an area where all the internal electrodes overlap in the stacking direction,
Both the nearest internal electrode that overlaps at least partially in one of the lamination directions of the stress relaxation layer and the nearest internal electrode that overlaps at least partially in the other of the lamination directions are both external electrodes in contact with the stress relaxation layer and A piezoelectric element having the same polarity.
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