JP6712162B2 - 圧電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子に関する。
従来、圧電セラミックス材料によって構成される圧電体と、圧電体に設けられる一対の電極とを備える圧電素子が知られている。特許文献１では、圧電体の活性部と不活性部との境界に発生する応力の低減を目的として、電極の中央部を膜状に形成するとともに、電極の外周部を網目状に形成する手法が提案されている。
しかしながら、特許文献１の手法では、圧電体の活性部と不活性部との境界に発生する応力を十分低減させられる程度に電極の外周部を網目状にしてしまうと、電極の外周部に断線が発生しやすいという問題がある。そのため、圧電体の活性部と不活性部との境界に発生する応力を抑制できる新たな手法の提案が望まれている。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、圧電体の活性部と不活性部との境界に発生する応力を抑制可能な圧電素子を提供することを目的とする。
本発明に係る圧電素子は、面方向に延びる圧電体と、圧電体に設けられる第１及び第２電極とを備える。圧電体は、面方向に垂直な厚み方向において第１及び第２電極に挟まれた活性部と、面方向において活性部に連なる不活性部とを有する。第１電極は、活性部上に配置される活性電極部を有する。活性電極部は、面方向において活性部と不活性部の境界に隣接する境界領域と、面方向において活性部と不活性部の境界から離れた内部領域とを含む。活性電極部の断面において、境界領域の単位長さ当たりの断面積は、内部領域の単位長さ当たりの断面積よりも大きい。
本発明によれば、圧電体の活性部と不活性部との境界に発生する応力を抑制可能な圧電素子を提供することができる。
（圧電素子１の構成）
（１）概要
図１は、実施形態に係る圧電素子１の構成を示す斜視図である。圧電素子１は、圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を備える。第１電極Ｅ１は、第１内部電極５と第１外部電極７を有する。第２電極Ｅ２は、第２内部電極１５と第２外部電極９を有する。圧電素子１は、例えば、ハードディスク装置（ＨＤＤ）のヘッドサスペンションに設けられるヘッドスライダを駆動するためのアクチュエータとして好適に用いられる。本実施形態に係る圧電素子１は、０．４ｋＶ／ｍｍ以上の印加電界によって駆動可能である。
（１）概要
図１は、実施形態に係る圧電素子１の構成を示す斜視図である。圧電素子１は、圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を備える。第１電極Ｅ１は、第１内部電極５と第１外部電極７を有する。第２電極Ｅ２は、第２内部電極１５と第２外部電極９を有する。圧電素子１は、例えば、ハードディスク装置（ＨＤＤ）のヘッドサスペンションに設けられるヘッドスライダを駆動するためのアクチュエータとして好適に用いられる。本実施形態に係る圧電素子１は、０．４ｋＶ／ｍｍ以上の印加電界によって駆動可能である。
（２）圧電体３
圧電体３は、長手方向に延びる略直方体状に形成される。圧電体３は、一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆを有する。一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆは、圧電体３の表面である。一対の端面３ａ，３ｂは、長手方向に対して垂直であり、互いに対向する。一対の第１側面３ｃ，３ｄは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、一対の第１側面３ｃ，３ｄと直交する。
圧電体３は、長手方向に延びる略直方体状に形成される。圧電体３は、一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆを有する。一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆは、圧電体３の表面である。一対の端面３ａ，３ｂは、長手方向に対して垂直であり、互いに対向する。一対の第１側面３ｃ，３ｄは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、一対の第１側面３ｃ，３ｄと直交する。
圧電体３は、圧電セラミック材料によって構成される。圧電セラミックス材料としては、例えばジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、及びこれらの混合物が挙げられる。また、圧電セラミックス材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズなどの酸化物が添加されていてもよい。
（３）第１電極Ｅ１
第１内部電極５は、圧電体３に埋設される。第１内部電極５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第１内部電極５は、板状に形成される。第１内部電極５は、端面３ａに露出し、かつ、端面３ｂには露出しない。第１内部電極５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第１内部電極５は、例えばＰｔによって構成することができる。第１内部電極５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
第１内部電極５は、圧電体３に埋設される。第１内部電極５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第１内部電極５は、板状に形成される。第１内部電極５は、端面３ａに露出し、かつ、端面３ｂには露出しない。第１内部電極５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第１内部電極５は、例えばＰｔによって構成することができる。第１内部電極５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
第１外部電極７は、第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３を有する。第１電極部７１は、端面３ａ上に配置される。第１電極部７１は、端面３ａの略全部を覆う。第２電極部７２は、第１側面３ｃ上に配置される。第２電極部７２は、第１側面３ｃの一端部を覆う。第３電極部７３は、第１側面３ｄ上に配置される。第３電極部７３は、第１側面３ｄの半分以上を覆う。第３電極部７３は、第２内部電極１５と対向する。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３は、一体的に形成される。第１電極部７１は、端面３ａに露出する第１内部電極５に連結される。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３は、例えばＰｔによって構成することができる。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３それぞれの厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
（４）第２電極Ｅ２
第２内部電極１５は、圧電体３に埋設される。第２内部電極１５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第２内部電極１５は、第１内部電極５と第３電極部７３の間に配置される。第２内部電極１５は、板状に形成される。第２内部電極１５は、端面３ｂに露出し、かつ、端面３ａには露出しない。第２内部電極１５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第２内部電極１５は、例えばＰｔによって構成することができる。第２内部電極１５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
第２内部電極１５は、圧電体３に埋設される。第２内部電極１５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第２内部電極１５は、第１内部電極５と第３電極部７３の間に配置される。第２内部電極１５は、板状に形成される。第２内部電極１５は、端面３ｂに露出し、かつ、端面３ａには露出しない。第２内部電極１５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第２内部電極１５は、例えばＰｔによって構成することができる。第２内部電極１５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
第２外部電極９は、第１電極部９１及び第２電極部９２を有する。第１電極部９１は、端面３ｂ上に配置される。第１電極部９１は、端面３ｂの略全部を覆う。第２電極部９２は、第１側面３ｃ上に配置される。第２電極部９２は、第１側面３ｃの半分以上を覆う。第２電極部９２は、第１内部電極５と対向する。第１電極部９１及び第２電極部９２は、一体的に形成される。第１電極部９１は、端面３ｂに露出する第２内部電極１５に連結される。第１電極部９１及び第２電極部９２は、例えばＰｔによって構成することができる。第１電極部９１及び第２電極部９２それぞれの厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
（圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の構成）
図２は、図１のII−II断面図である。以下、図２を参照しながら、圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の構成について説明する。
図２は、図１のII−II断面図である。以下、図２を参照しながら、圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の構成について説明する。
（１）圧電体３
圧電体３は、面方向に延びるように形成される。本実施形態において、面方向は、一対の第１側面３ｃ，３ｄそれぞれに平行な方向である。図２に示された面方向は、圧電素子１の長手方向と同じ方向である。圧電体３は、第１乃至第３活性部３１〜３３と、第１乃至第４不活性部４１〜４４とを有する。
圧電体３は、面方向に延びるように形成される。本実施形態において、面方向は、一対の第１側面３ｃ，３ｄそれぞれに平行な方向である。図２に示された面方向は、圧電素子１の長手方向と同じ方向である。圧電体３は、第１乃至第３活性部３１〜３３と、第１乃至第４不活性部４１〜４４とを有する。
各活性部３１〜３３は、圧電体３のうち、面方向に垂直な厚み方向において第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に挟まれた領域である。各活性部３１〜３３は、印加される電界に応じて変位可能な部位である。各不活性部４１〜４４は、圧電体３のうち、厚み方向において第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２の間に挟まれていない領域である。各不活性部４１〜４４は、電界が印加されないため実質的に変位しない。
第１活性部３１は、厚み方向において第１電極Ｅ１の第１内部電極５と第２電極Ｅ２の第２電極部９２の間に挟まれる。第１活性部３１は、第１内部電極５と第２電極部９２に電圧が印加されると変位する。第２活性部３２は、厚み方向において第１電極Ｅ１の第１内部電極５と第２電極Ｅ２の第２内部電極１５の間に挟まれる。第２活性部３２は、第１内部電極５と第２内部電極１５に電圧が印加されると変位する。第３活性部３３は、厚み方向において第１電極Ｅ１の第３電極部７３と第２電極Ｅ２の第２内部電極１５の間に挟まれる。第３活性部３３は、第３電極部７３と第２内部電極１５に電圧が印加されると変位する。各活性部３１〜３３の厚みは特に制限されないが、後述する９０度ドメイン回転による変位を大きくするには、１５μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上がより好ましい。
第１不活性部４１は、面方向において第１活性部３１の一端部に連なる。第１不活性部４１は、第１活性部３１と一体的に形成される。第２不活性部４２は、面方向において第２活性部３２及び第３活性部３３それぞれの一端部に連なる。第２不活性部４２は、第２活性部３２及び第３活性部３３と一体的に形成される。
第３不活性部４３は、面方向において第１活性部３１及び第２活性部３２それぞれの他端部に連なる。第３不活性部４３は、第１活性部３１及び第２活性部３２と一体的に形成される。第４不活性部４４は、面方向において第３活性部３３の他端部に連なる。第４不活性部４４は、第３活性部３３と一体的に形成される。
（２）第１電極Ｅ１
第１電極Ｅ１の第１内部電極５は、活性電極部１０と不活性電極部２０とを有する。活性電極部１０は、第２活性部３２上に配置される。活性電極部１０は、第１境界領域１０ａ、第２境界領域１０ｂ及び内部領域１０ｃを含む。第１境界領域１０ａは、面方向において第２活性部３２と第２不活性部４２の境界Ｌ１に隣接する。面方向における第１境界領域１０ａの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの１０％（Ｗｂ×０．１）である。第２境界領域１０ｂは、面方向において第１境界領域１０ａの反対側に設けられる。第２境界領域１０ｂは、面方向において第２活性部３２と第３不活性部４３の境界Ｌ２に隣接する。面方向における第２境界領域１０ｂの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの１０％（Ｗｂ×０．１）である。内部領域１０ｃは、第１境界領域１０ａと第２境界領域１０ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１０ｃの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの８０％（Ｗｂ×０．８）である。不活性電極部２０は、第２不活性部４２上に配置される。面方向における不活性電極部２０の長さは、第２不活性部４２の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１０（第１境界領域１０ａ）と不活性電極部２０の境界の位置は、第２活性部３２と第２不活性部４２の境界Ｌ１の位置と一致する。
第１電極Ｅ１の第１内部電極５は、活性電極部１０と不活性電極部２０とを有する。活性電極部１０は、第２活性部３２上に配置される。活性電極部１０は、第１境界領域１０ａ、第２境界領域１０ｂ及び内部領域１０ｃを含む。第１境界領域１０ａは、面方向において第２活性部３２と第２不活性部４２の境界Ｌ１に隣接する。面方向における第１境界領域１０ａの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの１０％（Ｗｂ×０．１）である。第２境界領域１０ｂは、面方向において第１境界領域１０ａの反対側に設けられる。第２境界領域１０ｂは、面方向において第２活性部３２と第３不活性部４３の境界Ｌ２に隣接する。面方向における第２境界領域１０ｂの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの１０％（Ｗｂ×０．１）である。内部領域１０ｃは、第１境界領域１０ａと第２境界領域１０ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１０ｃの長さは、第２活性部３２の長さＷｂの８０％（Ｗｂ×０．８）である。不活性電極部２０は、第２不活性部４２上に配置される。面方向における不活性電極部２０の長さは、第２不活性部４２の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１０（第１境界領域１０ａ）と不活性電極部２０の境界の位置は、第２活性部３２と第２不活性部４２の境界Ｌ１の位置と一致する。
第１電極Ｅ１の第３電極部７３は、活性電極部１１と不活性電極部２１とを有する。活性電極部１１は、第３活性部３３上に配置される。活性電極部１１は、第１境界領域１１ａ、第２境界領域１１ｂ及び内部領域１１ｃを含む。第１境界領域１１ａは、面方向において第３活性部３３と第２不活性部４２の境界Ｌ３に隣接する。面方向における第１境界領域１１ａの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの１０％（Ｗｃ×０．１）である。第２境界領域１１ｂは、面方向において第１境界領域１１ａの反対側に設けられる。第２境界領域１１ｂは、面方向において第３活性部３３と第４不活性部４４の境界Ｌ４に隣接する。面方向における第２境界領域１１ｂの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの１０％（Ｗｃ×０．１）である。内部領域１１ｃは、第１境界領域１１ａと第２境界領域１１ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１１ｃの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの８０％（Ｗｃ×０．８）である。不活性電極部２１は、第２不活性部４２上に配置される。面方向における不活性電極部２１の長さは、第２不活性部４２の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１１（第１境界領域１１ａ）と不活性電極部２１の境界の位置は、第３活性部３３と第２不活性部４２の境界Ｌ３の位置と一致する。
（３）第２電極Ｅ２
第２電極Ｅ２の第２電極部９２は、活性電極部１２と不活性電極部２２とを有する。活性電極部１２は、第１活性部３１上に配置される。活性電極部１２は、第１境界領域１２ａ、第２境界領域１２ｂ及び内部領域１２ｃを含む。第１境界領域１２ａは、面方向において第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５に隣接する。面方向における第１境界領域１２ａの長さは、第１活性部３１の長さＷａの１０％（Ｗａ×０．１）である。第２境界領域１２ｂは、面方向において第１境界領域１２ａの反対側に設けられる。第２境界領域１２ｂは、面方向において第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６に隣接する。面方向における第２境界領域１２ｂの長さは、第１活性部３１の長さＷａの１０％（Ｗａ×０．１）である。内部領域１２ｃは、第１境界領域１２ａと第２境界領域１２ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１２ｃの長さは、第１活性部３１の長さＷａの８０％（Ｗａ×０．８）である。不活性電極部２２は、第３不活性部４３上に配置される。面方向における不活性電極部２２の長さは、第３不活性部４３の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１２（第１境界領域１２ｂ）と不活性電極部２２の境界の位置は、第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６の位置と一致する。
第２電極Ｅ２の第２電極部９２は、活性電極部１２と不活性電極部２２とを有する。活性電極部１２は、第１活性部３１上に配置される。活性電極部１２は、第１境界領域１２ａ、第２境界領域１２ｂ及び内部領域１２ｃを含む。第１境界領域１２ａは、面方向において第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５に隣接する。面方向における第１境界領域１２ａの長さは、第１活性部３１の長さＷａの１０％（Ｗａ×０．１）である。第２境界領域１２ｂは、面方向において第１境界領域１２ａの反対側に設けられる。第２境界領域１２ｂは、面方向において第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６に隣接する。面方向における第２境界領域１２ｂの長さは、第１活性部３１の長さＷａの１０％（Ｗａ×０．１）である。内部領域１２ｃは、第１境界領域１２ａと第２境界領域１２ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１２ｃの長さは、第１活性部３１の長さＷａの８０％（Ｗａ×０．８）である。不活性電極部２２は、第３不活性部４３上に配置される。面方向における不活性電極部２２の長さは、第３不活性部４３の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１２（第１境界領域１２ｂ）と不活性電極部２２の境界の位置は、第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６の位置と一致する。
第２電極Ｅ２の第２内部電極１５は、活性電極部１３と不活性電極部２３とを有する。活性電極部１３は、第３活性部３３上に配置される。活性電極部１３は、第１境界領域１３ａ、第２境界領域１３ｂ及び内部領域１３ｃを含む。第１境界領域１３ａは、面方向において第３活性部３３と第２不活性部４２の境界Ｌ３に隣接する。面方向における第１境界領域１３ａの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの１０％（Ｗｃ×０．１）である。第２境界領域１３ｂは、面方向において第１境界領域１３ａの反対側に設けられる。第２境界領域１３ｂは、面方向において第３活性部３３と第４不活性部４４の境界Ｌ４に隣接する。面方向における第２境界領域１３ｂの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの１０％（Ｗｃ×０．１）である。内部領域１３ｃは、第１境界領域１３ａと第２境界領域１３ｂの間に設けられる。面方向における内部領域１３ｃの長さは、第３活性部３３の長さＷｃの８０％（Ｗｃ×０．８）である。不活性電極部２３は、第４不活性部４４上に配置される。面方向における不活性電極部２３の長さは、第４不活性部４４の長さに応じて適宜設定される。面方向において、活性電極部１３（第２境界領域１３ｂ）と不活性電極部２３の境界の位置は、第３活性部３３と第４不活性部４４の境界Ｌ４の位置と一致する。
（活性電極部１０〜１３の構成）
以下において、活性電極部１０〜１３の構成について説明する。
以下において、活性電極部１０〜１３の構成について説明する。
上述のとおり、活性電極部１０〜１３は、互いに同様の構成を有する。そのため、以下においては、活性電極部１０〜１３の代表として、第２電極部９２の活性電極部１２について説明する。また、活性電極部１２の第１境界領域１２ａと第２境界領域１２ｂは、互いに同様の構成を有する。そのため、以下においては、第１境界領域１２ａと第２境界領域１２ｂの代表として、第１境界領域１２ａについて説明する。
（１）第１境界領域１２ａ
図３は、図２の部分拡大図である。図３では、第１境界領域１２ａの断面が模式的に示されている。
図３は、図２の部分拡大図である。図３では、第１境界領域１２ａの断面が模式的に示されている。
第１境界領域１２ａは、第２電極部９２の活性電極部１２のうち、面方向において第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５に隣接する領域である。面方向における第１境界領域１２ａの長さは、第１活性部３１の長さＷａの１０％（Ｗａ×０．１）である。第１境界領域１２ａは、内部領域１２ｃに連なる。
本実施形態において、第１境界領域１２ａは、断続的に形成されている。第１境界領域１２ａは、連続的な層状には形成されていない。第１境界領域１２ａは、第１活性部３１の表面を部分的に被覆している。第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａは、１００％未満である。第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａは、８０％以上とすることができ、８５％以上が好ましく、９０％以上がより好ましく、９５％以上が特に好ましい。第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａは、第１境界領域１２ａの断面のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像から、第１境界領域１２ａの全長（Ｗａ×０．１）に対する第１活性部３１との総接触長さの割合である。
第１境界領域１２ａは、面方向における単位長さ当たりの断面積Ｒａ（μｍ２／μｍ）を有する。単位長さ当たりの断面積Ｒａ（μｍ２／μｍ）は、以下のようにして算出される。
まず、第１境界領域１２ａの断面のＳＥＭ画像を取得する。次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐ（ＵＲＬ；http://fishers.dtdns.net/software/pickmap/index.html#1）を用いて、ＳＥＭ画像上の第１境界領域１２ａのみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによってＳＥＭ画像を二値化する。
次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、第１境界領域１２ａの総断面積を算出する。図３において、第１境界領域１２ａの総断面積Ｒｂは、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の和である。
次に、第１境界領域１２ａの長さ（Ｗａ×０．１）で総断面積Ｒｂを除すことによって、単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を算出する。図３において、単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）は、（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｗａ×０．１）である。そして、さらに４つの断面において単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を同様に算出する。計５つの断面は、長手方向に直交する幅方向（図３の紙面に垂直な方向）において第１境界領域１２ａを均等に６分割して得られる断面とする。
５つの断面それぞれから算出した単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を算術平均した値が、第１境界領域１２ａの単位長さ当たりの断面積Ｒａ（μｍ２／μｍ）である。
（２）内部領域１２ｃ
図４は、図２の部分拡大図である。図４では、内部領域１２ｃの断面が模式的に示されている。
図４は、図２の部分拡大図である。図４では、内部領域１２ｃの断面が模式的に示されている。
内部領域１２ｃは、第２電極部９２の活性電極部１２のうち、面方向において第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５（図３参照）から離れた領域である。内部領域１２ｃは、境界Ｌ５から第１境界領域１２ａの長さ（Ｗｂ×０．１）より大きく離れている。
本実施形態において、内部領域１２ｃは、断続的に形成されている。内部領域１２ｃは、連続的な層状には形成されていない。内部領域１２ｃは、第１活性部３１の表面を部分的に被覆している。内部領域１２ｃによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｑａは、１００％未満である。内部領域１２ｃによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｑａは、９５％以下とすることができ、９０％以下が好ましく、８５％以下がより好ましく、８３％以下が特に好ましい。
内部領域１２ｃは、面方向における単位長さ当たりの断面積Ｓａ（μｍ２／μｍ）を有する。単位長さ当たりの断面積Ｓａ（μｍ２／μｍ）は、以下のようにして算出される。
まず、内部領域１２ｃの断面のＳＥＭ画像を取得する。次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、ＳＥＭ画像上の内部領域１２ｃのみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによってＳＥＭ画像を二値化する。
次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、上述した第１境界領域１２ａの長さ（Ｗａ×０．１）における内部領域１２ｃの総断面積を算出する。図４において、第１境界領域１２ａの長さ（Ｗａ×０．１）における内部領域１２ｃの総断面積Ｓｂは、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４及びＳ５の和である。
次に、第１境界領域１２ａの長さ（Ｗａ×０．１）で総断面積Ｓｂを除すことによって、単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を算出する。図４において、単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）は、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｓ５）／（Ｗａ×０．１）である。そして、さらに４つの断面において単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を同様に算出する。計５つの断面は、長手方向に直交する幅方向（図４の紙面に垂直な方向）において内部領域１２ｃを均等に６分割して得られる断面とする。
５つの断面それぞれから算出した単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を算術平均した値が、内部領域１２ｃの単位長さ当たりの断面積Ｓａ（μｍ２／μｍ）である。
（３）単位長さ当たりの断面積Ｒａと単位長さ当たりの断面積Ｓａ
第１境界領域１２ａの単位長さ当たりの断面積Ｒａは、内部領域１２ｃの単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きい。
第１境界領域１２ａの単位長さ当たりの断面積Ｒａは、内部領域１２ｃの単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きい。
このように、第１境界領域１２ａは、内部領域１２ｃに比べて電極密度が高いため、第１活性部３１のうち第１境界領域１２ａと接する部位では、第１活性部３１のうち内部領域１２ｃと接する部位に比べて大きな圧縮応力がかかる。そのため、第１活性部３１のうち第１境界領域１２ａと接する部位では、第１活性部３１のうち内部領域１２ｃと接する部位に比べて、分極時に圧縮応力を緩和する方向（すなわち、厚み方向）へ９０度ドメイン回転が起こりやすい。従って、圧電体３に電界を印加した場合、第１活性部３１のうち第１境界領域１２ａと接する部位では、９０度ドメイン回転による変位が小さく、逆電圧効果による変位が優勢になるため、全体としての変位は小さくなる。その結果、第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５に発生する応力を低減させることができるため、第１活性部３１と第１不活性部４１の境界Ｌ５付近にクラックが発生することを抑制できる。このような効果は、第１境界領域１２ａだけでなく、第１境界領域１０ａ、第２境界領域１０ｂ、第１境界領域１１ａ、第２境界領域１１ｂ及び第２境界領域１２ｂによっても奏されるものである。
一方、内部領域１２ｃでは、第１境界領域１２ａに比べて電極密度が低いため、第１活性部３１のうち内部領域１２ｃと接する部位では、第１活性部３１のうち第１境界領域１２ａと接する部位に比べて小さな圧縮応力がかかる。そのため、第１活性部３１のうち内部領域１２ｃと接する部位では、第１活性部３１のうち第１境界領域１２ａと接する部位に比べて、分極時に圧縮応力を緩和する方向（すなわち、厚み方向）へ９０度ドメイン回転が起こりにくい。従って、圧電体３に電界を印加した場合、第１活性部３１のうち内部領域１２ｃと接する部位では、９０度ドメイン回転による変位が大きく、逆電圧効果による変位よりも優勢になるため、全体としての変位は大きくなる。その結果、上述のように第１境界領域１２ａにおける変位が小さくなったとしても、第１活性部３１全体としての変位量は確保される。このような効果は、内部領域１２ｃだけでなく、内部領域１０ｃ、内部領域１１ｃ及び内部領域１３ｃ内部領域１２ｃによっても奏されるものである。
単位長さ当たりの断面積Ｓａに対する単位長さ当たりの断面積Ｒａの比（Ｒａ／Ｓａ）は、１．０よりも大きければよいが、１．０５以上が好ましく、１．１５以上がより好ましい。
（４）被覆率Ｐａと被覆率Ｑａ
第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａは、内部領域１２ｃによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｑａよりも大きい。すなわち、平面視において、第１境界領域１２ａの充填率は、内部領域１２ｃの充填率よりも大きい。
第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａは、内部領域１２ｃによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｑａよりも大きい。すなわち、平面視において、第１境界領域１２ａの充填率は、内部領域１２ｃの充填率よりも大きい。
被覆率Ｑａに対する被覆率Ｐａの比（Ｐａ／Ｑａ）は、１．０よりも大きければよいが、１．０５以上が好ましく、１．１５以上がより好ましい。
（５）活性電極部１２の作製方法
活性電極部１２の作製方法について説明する。
活性電極部１２の作製方法について説明する。
まず、Ｐｔなどの導電材を含む導電性ペーストを調製する。
次に、圧電セラミックス材料のスラリーを用いて第１活性部３１用のグリーンシートを作製する。そして、グリーンシートの表面に導電性ペーストをスクリーン印刷法などによって塗布することによって、活性電極部１２を含む第２電極部９２の成形体を形成する。この際、グリーンシートの表面のうち第１境界領域１２ａ及び第２境界領域１２ｂを形成する領域への導電性ペーストの塗布にはメッシュサイズの大きなスクリーンを用い、グリーンシートの表面のうち内部領域１２ｃを形成する領域への導電性ペーストの塗布にはメッシュサイズの小さなスクリーンを用いる。これによって、第１境界領域１２ａの単位長さ当たりの断面積Ｒａを、内部領域１２ｃの単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きくすることができる。
その後、第１活性部３１用のグリーンシートと第２電極部９２の成形体を焼成（１０５０℃〜１２５０℃、１時間〜４時間）することによって、第１活性部３１と第２電極部９２とが同時に形成される。
（他の実施形態）
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
上記実施形態において、圧電素子１は、第１内部電極５と第１外部電極７を有する第１電極Ｅ１と、第２内部電極１５と第２外部電極９を有する第２電極Ｅ２とを備えることとしたが、これに限られるものではない。圧電素子１は、圧電体３に電界を印加することのできる一対の電極を備えていればよく、その構成、サイズ及び材料などに制限はない。従って、本発明に係る一対の電極は、圧電素子１以外の様々な態様の圧電素子に適用可能である。
上記実施形態において、第２電極Ｅ２の第２電極部９２のうち活性電極部１２は、第１境界領域１０ａ、第２境界領域１０ｂ及び内部領域１０ｃを有することとしたが、これに限られるものではない。活性電極部１２は、内部領域１０ｃと、第１境界領域１０ａ及び第２境界領域１０ｂのいずれか一方とを有していればよい。
上記実施形態において、第１電極Ｅ１の第１内部電極５のうちの活性電極部１０、第１電極Ｅ１の第３電極部７３のうちの活性電極部１１、第２電極Ｅ２の第２電極部９２のうちの活性電極部１２、及び第２電極Ｅ２の第２内部電極１５のうちの活性電極部１３は、互いに同様の構成（すなわち、２つの境界領域と１つの内部領域１０ｃを含む構成）であることとしたが、これに限られるものではない。活性電極部１０〜１３のいずれかの活性電極部が、１つの境界領域と１つの内部領域とを有していれば、上述した効果を得ることができる。
上記実施形態において、第２電極Ｅ２の第２電極部９２のうち活性電極部１２では、第１境界領域１２ａと内部領域１２ｃの両方とも連続的な層状には形成されていないこととしたが、両方とも層状に形成されていてもよい。すなわち、活性電極部１２の断面において、第１境界領域１２ａによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｐａと、内部領域１２ｃによる第１活性部３１の表面の被覆率Ｑａは、それぞれ１００％であってもよい。この場合には、第１境界領域１２ａと内部領域１２ｃそれぞれの厚みを調整することによって、第１境界領域１２ａの単位長さ当たりの断面積Ｒａを内部領域１２ｃの単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きくすることができる。第１境界領域１２ａの厚みは１．２μｍ以上とすることができ、１．３μｍ以上が好ましく、１．４μｍ以上がより好ましい。内部領域１２ｃの厚みは０．９μｍ以下とすることができ、０．８μｍ以下が好ましく、０．７μｍ以下がより好ましい。
上記実施形態では、第１電極Ｅ１の第１内部電極５のうちの不活性電極部２０、第１電極Ｅ１の第３電極部７３のうちの不活性電極部２１、第２電極Ｅ２の第２電極部９２のうちの不活性電極部２２、及び第２電極Ｅ２の第２内部電極１５のうちの不活性電極部２３それぞれの構成について特に説明していないが、不活性電極部２０〜２３は、第１境界領域１２ａや第２境界領域１２ｂと同じ構成（電極密度）であってもよいし、内部領域１２ｃと同じ構成（電極密度）であってもよい。
上記実施形態において、各活性電極部に含まれる各境界領域の面方向における長さは、各活性電極部が接触する活性部の全長の１０％であり、各活性電極部に含まれる各内部領域の面方向における長さは、各活性電極部が接触する活性部の全長の８０％であることとしたが、これに限られるものではない。各境界領域の面方向における長さは、各活性電極部が接触する活性部の全長の１０％以上であればよく、各内部領域の面方向における長さは、各活性電極部が接触する活性部の全長の１０％以上であればよい。
以下において本発明に係る実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜３の作製）
図５は、実施例１〜３に係る圧電素子の製造方法を説明するための図である。
図５は、実施例１〜３に係る圧電素子の製造方法を説明するための図である。
まず、主成分としてのＰＺＴ粉末５００ｇ、ビヒクル、分散剤及び可塑剤を混合したスラリーを用いて、圧電体用のグリーンシートを３枚作製した。
次に、３枚の圧電体用グリーンシートの表面に所定パターンでＰｔを含む導電性ペーストを印刷した。この際、図５に示すように、活性電極部と不活性電極部を一体的に形成するとともに、活性電極部において一対の境界領域と内部領域を一体的に形成した。一対の境界領域それぞれの長さを、圧電体用グリーンシートのうち活性部となる領域の長さの１０％とし、内部領域の長さを、圧電体用グリーンシートのうち活性部となる領域の長さの８０％とした。
また、一対の境界領域の塗布にはメッシュサイズの大きなスクリーンを用い、内部領域の塗布にはメッシュサイズの小さなスクリーンを用いた。これによって、後述するように、一対の境界領域それぞれにおける単位長さ当たりの断面積Ｒａを、内部領域における単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きくした。
次に、導電性ペーストが印刷された３枚の圧電体用グリーンシートを熱圧着して積層体を形成した。そして、積層体の両側面に導電性ペーストを印刷した（図１参照）。
次に、導電性ペーストが印刷された積層体を焼成（１１５０℃、２時間）して、Ｐｔ電極付き圧電素子を作製した。実施例１に係る圧電素子のサイズは、長さ１．０ｍｍ×幅０．３ｍｍ×厚み０．０８ｍｍであった。
（比較例１〜３の作製）
図６は、比較例１〜３に係る圧電素子の製造方法を説明するための図である。
図６は、比較例１〜３に係る圧電素子の製造方法を説明するための図である。
比較例１〜３では、図６に示すように、活性電極部及び不活性電極部を一体的に形成するとともに、実施例１の内部領域の形成条件によって全体を一様なメッシュサイズのスクリーンを用いて形成した。それ以外は実施例１と同じ工程にて圧電素子を作製した。比較例１〜３に係る圧電素子のサイズは、実施例１〜３に係る圧電素子のサイズと同じであった。
（断面積と被覆率の測定）
（１）ＳＥＭ画像の取得
実施例１〜３及び比較例１〜３を長手方向に切断して（図２参照）、Ｐｔ電極の活性電極部のうち境界領域と内部領域の断面をＳＥＭで観察した。なお、観察対象は、図２に示した第１電極Ｅ１のうち第１内部電極５の活性電極部１０に統一した。
（１）ＳＥＭ画像の取得
実施例１〜３及び比較例１〜３を長手方向に切断して（図２参照）、Ｐｔ電極の活性電極部のうち境界領域と内部領域の断面をＳＥＭで観察した。なお、観察対象は、図２に示した第１電極Ｅ１のうち第１内部電極５の活性電極部１０に統一した。
図７は、活性電極部のうち境界領域の断面ＳＥＭ画像であり、図８は、活性電極部のうち内部領域の断面ＳＥＭ画像である。
図７，８から分かるとおり、境界領域は高密度に形成されているのに対して、内部領域は低密度に形成されていることが確認できた。
（２）境界領域における単位長さ当たりの断面積Ｒａ
まず、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、境界領域の断面ＳＥＭ画像上の境界領域のみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによって断面ＳＥＭ画像を二値化した。そして、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、境界領域の総断面積Ｒｂを算出した。
まず、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、境界領域の断面ＳＥＭ画像上の境界領域のみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによって断面ＳＥＭ画像を二値化した。そして、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、境界領域の総断面積Ｒｂを算出した。
次に、境界領域の全長（圧電体活性部の１０％長）で境界領域の総断面積Ｒｂを除すことによって、単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を算出した。そして、さらに４つの断面において単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を同様に算出した。計５つの断面は、長手方向に直交する幅方向において境界領域を均等に６分割して得られた断面である。５つの断面それぞれから算出した単位長さ当たりの断面積Ｒｃ（μｍ２／μｍ）を算術平均することによって、境界領域の単位長さ当たりの断面積Ｒａ（μｍ２／μｍ）を求めた。
（３）境界領域による圧電体活性部の被覆率
また、境界領域の断面ＳＥＭ画像から、境界領域の全長（圧電体活性部の１０％長）に対する圧電体活性部との総接触長さの割合を算出することによって、境界領域による圧電体活性部の被覆率を求めた。
また、境界領域の断面ＳＥＭ画像から、境界領域の全長（圧電体活性部の１０％長）に対する圧電体活性部との総接触長さの割合を算出することによって、境界領域による圧電体活性部の被覆率を求めた。
（４）内部領域における単位長さ当たりの断面積Ｓａ
まず、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、内部領域の断面ＳＥＭ画像上の内部領域のみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによって断面ＳＥＭ画像を二値化した。そして、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、内部領域の総断面積Ｓｂを算出した。
まず、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、内部領域の断面ＳＥＭ画像上の内部領域のみが抽出されるように閾値をＲＧＢの平均値に調整することによって断面ＳＥＭ画像を二値化した。そして、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、内部領域の総断面積Ｓｂを算出した。
次に、境界領域の全長（圧電体活性部の１０％長）で内部領域の総断面積Ｓｂを除すことによって、単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を算出した。そして、さらに４つの断面において単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を同様に算出した。計５つの断面は、長手方向に直交する幅方向において内部領域を均等に６分割して得られる断面である。５つの断面それぞれから算出した単位長さ当たりの断面積Ｓｃ（μｍ２／μｍ）を算術平均することによって、内部領域の単位長さ当たりの断面積Ｓａ（μｍ２／μｍ）を求めた。
（５）内部領域による圧電体活性部の被覆率
また、内部領域の断面ＳＥＭ画像から、内部領域の全長（圧電体活性部の８０％長）に対する圧電体活性部との総接触長さの割合を算出することによって、内部領域による圧電体活性部の被覆率を求めた。
また、内部領域の断面ＳＥＭ画像から、内部領域の全長（圧電体活性部の８０％長）に対する圧電体活性部との総接触長さの割合を算出することによって、内部領域による圧電体活性部の被覆率を求めた。
（圧電体におけるクラックの観察）
実施例１〜３の圧電素子と比較例１〜３の圧電素子を所定条件（１０ｋＨｚ、１００時間、±１ｋＶ／ｍｍ）で連続駆動した後、電子顕微鏡を用いて、圧電体活性部と圧電体不活性部との境界付近におけるクラック（長さ５μｍ以上、幅１μｍ以上）の有無を確認した。表１では、実施例１の圧電素子と比較例１の圧電素子それぞれ５０個ずつについて、クラックが１箇所でも確認された圧電素子を破損品としてカウントしたときの破損品発生率である。なお、観察対象は、図２に示した第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６に統一した。
実施例１〜３の圧電素子と比較例１〜３の圧電素子を所定条件（１０ｋＨｚ、１００時間、±１ｋＶ／ｍｍ）で連続駆動した後、電子顕微鏡を用いて、圧電体活性部と圧電体不活性部との境界付近におけるクラック（長さ５μｍ以上、幅１μｍ以上）の有無を確認した。表１では、実施例１の圧電素子と比較例１の圧電素子それぞれ５０個ずつについて、クラックが１箇所でも確認された圧電素子を破損品としてカウントしたときの破損品発生率である。なお、観察対象は、図２に示した第１活性部３１と第３不活性部４３の境界Ｌ６に統一した。
表１に示すように、境界領域の単位長さ当たりの断面積Ｒａを、内部領域の単位長さ当たりの断面積Ｓａよりも大きくした実施例１〜３では、圧電体活性部と圧電体不活性部との境界付近にクラックが発生することを抑制できた。これは、境界領域の電極密度を高くしたことによって、活性部のうち境界領域と接する領域に大きな圧縮応力がかかったため、分極時に９０度ドメイン回転が促進され、その結果、活性部のうち境界領域と接する領域では９０度ドメイン回転による変位を小さくできたからである。
１ 圧電素子
３ 圧電体
３１〜３３ 活性部
４１〜４４ 不活性部
１０〜１３ 活性電極部
１０ａ〜１３ａ 第１境界領域
１０ｂ〜１３ｂ 第２境界領域
１０ｃ〜１３ｃ 内部領域
２０〜２３ 不活性電極部
Ｅ１ 第１電極
Ｅ２ 第２電極
Ｗａ 第１活性部３１の長さ
Ｗｂ 第２活性部３２の長さ
Ｗｃ 第３活性部３２の長さ
３ 圧電体
３１〜３３ 活性部
４１〜４４ 不活性部
１０〜１３ 活性電極部
１０ａ〜１３ａ 第１境界領域
１０ｂ〜１３ｂ 第２境界領域
１０ｃ〜１３ｃ 内部領域
２０〜２３ 不活性電極部
Ｅ１ 第１電極
Ｅ２ 第２電極
Ｗａ 第１活性部３１の長さ
Ｗｂ 第２活性部３２の長さ
Ｗｃ 第３活性部３２の長さ
Claims (7)
- 面方向に延びる圧電体と、
前記圧電体の内部に埋設された第１及び第２内部電極と、
を備え、
前記圧電体は、前記面方向に垂直な厚み方向において前記第１及び第２内部電極に挟まれた活性部と、前記面方向において前記活性部に連なる不活性部とを有し、
前記第１内部電極は、前記活性部上に配置される活性電極部を有し、
前記活性電極部は、前記面方向において前記活性部と前記不活性部の境界に隣接する境界領域と、前記面方向において前記活性部と前記不活性部の前記境界から離れた内部領域とを含み、
前記活性電極部の断面において、前記境界領域の単位長さ当たりの断面積は、前記内部領域の単位長さ当たりの断面積よりも大きく、
前記断面において、前記境界領域及び前記内部領域のそれぞれは、断続的に形成される、
圧電素子。 - 前記境界領域による前記活性部の表面被覆率は、前記内部領域による前記活性部の表面被覆率よりも大きい、
請求項１に記載の圧電素子。 - 前記境界領域による前記活性部の表面被覆率は、９０％以上であり、
前記内部領域による前記活性部の表面被覆率は、８５％以下である、
請求項２に記載の圧電素子。 - 前記境界領域の厚みは、前記内部領域の厚みよりも厚い、
請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電素子。 - 前記境界領域の厚みは、１．２μｍ以上であり、
前記内部領域の厚みは、０．９μｍ以下である、
請求項４に記載の圧電素子。 - 前記活性部の厚みは、２．０μｍ以下である、
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電素子。 - ０．４ｋＶ／ｍｍ以上の印加電界によって駆動可能な、
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電素子。
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