JP7071172B2 - Laminated piezoelectric elements, piezoelectric vibration devices, and electronic devices - Google Patents

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Description

本発明は、圧電体と電極が交互に積層された積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器に関する。 The present invention relates to a laminated piezoelectric element in which piezoelectric bodies and electrodes are alternately laminated, a piezoelectric vibration device, and an electronic device.

圧電体が内部電極と交互に多数積層され、これらの内部電極と接続された端面電極(外部電極)を有する積層圧電素子が知られている(特許文献1参照)。積層圧電素子は、外部電極及び内部電極を介して複数の圧電体に電圧が印加されることで、圧電逆効果により伸縮する。このような積層圧電素子は、小型で大きな変位が得られるため、大きな発生力や高速応答性が要求されるアクチュエータ部品に広く用いられている。 A laminated piezoelectric element is known in which a large number of piezoelectric bodies are alternately laminated with internal electrodes and have end face electrodes (external electrodes) connected to these internal electrodes (see Patent Document 1). The laminated piezoelectric element expands and contracts due to the adverse effect of piezoelectricity when a voltage is applied to a plurality of piezoelectric bodies via an external electrode and an internal electrode. Since such a laminated piezoelectric element is small and can obtain a large displacement, it is widely used for actuator parts that require a large generated force and high-speed response.

積層圧電素子が採り得る振動モードとして、厚み方向(積層方向)に伸縮する圧電定数がd33の振動モードと、内部電極面に沿った方向に伸縮する圧電定数がd31の振動モードとが知られている。積層圧電素子は、その形状等を制御することで振動モードを制御することができる。例えば、積層圧電素子において内部電極面に沿った方向を長手方向とすることで、d31の振動モードを優位にすることができる。 As the vibration modes that can be adopted by the laminated piezoelectric element, there are known a vibration mode in which the piezoelectric constant that expands and contracts in the thickness direction (stacking direction) is d33 and a vibration mode in which the piezoelectric constant that expands and contracts in the direction along the internal electrode surface is d31. There is. The vibration mode of the laminated piezoelectric element can be controlled by controlling its shape and the like. For example, in the laminated piezoelectric element, the vibration mode of d31 can be made dominant by setting the direction along the internal electrode surface as the longitudinal direction.

特開2016-100760号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100760 国際公開2016/052582号明細書International Publication No. 2016/052582

積層圧電素子は、上述のように圧電体として機能しない複数の電極を有する。したがって、変位性能を向上させるためには、振動モードに応じた最適な構造設計が求められる。 The laminated piezoelectric element has a plurality of electrodes that do not function as a piezoelectric body as described above. Therefore, in order to improve the displacement performance, an optimum structural design according to the vibration mode is required.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric element, a piezoelectric vibration device, and an electronic device having high displacement performance.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る積層圧電素子は、積層圧電体と、複数の内部電極とを具備する。
上記積層圧電体は、第1軸方向に対向する一対の主面と、上記第1軸方向に直交し長手方向である第2軸方向に対向する一対の端面と、上記第1軸方向及び上記第2軸方向に直交する第3軸方向に対向する一対の側面とを有する。
上記複数の内部電極は、上記積層圧電体の内部に配置され、上記第1軸方向に積層される。
上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の上記第3軸方向から見た第1断面は、上記中央内部電極の上記第2軸方向から見た第2断面よりも大きな起伏を有する。
In order to achieve the above object, the laminated piezoelectric element according to one embodiment of the present invention includes a laminated piezoelectric body and a plurality of internal electrodes.
The laminated piezoelectric body has a pair of main surfaces facing in the first axial direction, a pair of end faces facing in the second axial direction orthogonal to the first axial direction, and the first axial direction and the above. It has a pair of side surfaces facing in the third axis direction orthogonal to the second axis direction.
The plurality of internal electrodes are arranged inside the laminated piezoelectric body and are laminated in the first axial direction.
Of the plurality of internal electrodes, the first cross section of the central internal electrode arranged in the central portion of the laminated piezoelectric body as viewed from the third axis direction is the first cross section of the central internal electrode as viewed from the second axis direction. It has more undulations than two cross sections.

上記構成によれば、中央部に配置された内部電極の長手方向に沿った起伏が大きいことから、長手方向に沿った変位性能を向上させることができる。 According to the above configuration, since the undulations of the internal electrodes arranged in the central portion along the longitudinal direction are large, the displacement performance along the longitudinal direction can be improved.

具体的には、上記第1断面の上記第1軸方向における中央に沿って走行し上記第2軸方向に100μmの長さを有する第1走行線と、上記第1走行線の端点間を結ぶ第1基準線との上記第1軸方向における最大乖離寸法は、上記第2断面の上記第1軸方向における中央に沿って走行し上記第3軸方向に100μmの長さを有する第2走行線と、上記第2走行線の端点間を結ぶ第2基準線との上記第1軸方向における最大乖離寸法よりも大きくてもよい。 Specifically, it connects the first traveling line running along the center of the first cross section in the first axial direction and having a length of 100 μm in the second axial direction and the end points of the first traveling line. The maximum deviation dimension in the first axial direction from the first reference line is a second traveling line that runs along the center of the second cross section in the first axial direction and has a length of 100 μm in the third axial direction. And the second reference line connecting the end points of the second traveling line may be larger than the maximum deviation dimension in the first axis direction.

このように、中央に配置された内部電極は、長手方向に沿って微小な起伏を有する構成とすることができる。 As described above, the centrally arranged internal electrode can be configured to have minute undulations along the longitudinal direction.

例えば、上記第1走行線と上記第1基準線との最大乖離寸法は、2μm以上であってもよい。 For example, the maximum deviation dimension between the first traveling line and the first reference line may be 2 μm or more.

さらに、上記複数の内部電極のうち、上記積層圧電体の上記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の上記第3軸方向から見た第3断面よりも、上記第1断面は大きな起伏を有していてもよい。 Further, among the plurality of internal electrodes, a third cross section of the peripheral internal electrode arranged at a position closest to the main surface of one of the pair of main surfaces of the laminated piezoelectric body as viewed from the third axial direction. Rather, the first cross section may have a large undulation.

これにより、周縁に配置された内部電極よりも、中央に配置された内部電極の方が大きな起伏を有する構成とすることができる。 As a result, the internal electrode arranged in the center can have a larger undulation than the internal electrode arranged in the peripheral edge.

本発明の一形態に係る圧電振動装置は、上記積層圧電素子と、振動板と、接着層と、を具備する。
上記振動板は、上記積層圧電素子に対して上記第1軸方向に対向する。
上記接着層は、上記積層圧電素子と上記振動板との間に配置されている。
The piezoelectric vibration device according to one embodiment of the present invention includes the laminated piezoelectric element, a diaphragm, and an adhesive layer.
The diaphragm faces the laminated piezoelectric element in the first axial direction.
The adhesive layer is arranged between the laminated piezoelectric element and the diaphragm.

本発明の一形態に係る電子機器は、上記積層圧電素子と、パネルと、筐体と、を具備する。
上記パネルは、上記積層圧電素子が上記第1軸方向に対向した状態で接着されている。
上記筐体は、上記パネルを保持する。
The electronic device according to one embodiment of the present invention includes the laminated piezoelectric element, a panel, and a housing.
The panel is adhered in a state where the laminated piezoelectric element faces the first axial direction.
The housing holds the panel.

以上のように、本発明によれば、変位性能の高い積層圧電素子、圧電振動装置、及び電子機器を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a laminated piezoelectric element, a piezoelectric vibration device, and an electronic device having high displacement performance.

本発明の一実施形態に係る積層圧電素子の斜視図である。It is a perspective view of the laminated piezoelectric element which concerns on one Embodiment of this invention. 上記積層圧電素子の図1のA-A'線に沿った断面図である。It is sectional drawing which follows the AA' line of FIG. 1 of the laminated piezoelectric element. 上記積層圧電素子の図1のB-B'線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the BB'line of FIG. 1 of the laminated piezoelectric element. 図2の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。FIG. 2 is an enlarged view of FIG. 2 and is a diagram showing a fine structure of a cross section of the laminated piezoelectric element. 図3の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。It is an enlarged view of FIG. 3, and is the figure which shows the fine structure of the cross section of the laminated piezoelectric element. 電圧値に対する変位量の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result of the displacement amount with respect to a voltage value. 上記積層圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the said laminated piezoelectric element. 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing process of the said laminated piezoelectric element. 上記積層圧電素子の製造過程を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing process of the said laminated piezoelectric element. 上記実施形態の変形例に係る積層圧電素子の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the laminated piezoelectric element which concerns on the modification of the said embodiment. 上記積層圧電素子の図3に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the said laminated piezoelectric element. 図10の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。It is an enlarged view of FIG. 10, and is the figure which shows the fine structure of the cross section of the laminated piezoelectric element. 図10の他の部分の拡大図であって、上記積層圧電素子の断面の微細構造を示す図である。It is an enlarged view of the other part of FIG. 10, and is the figure which shows the fine structure of the cross section of the laminated piezoelectric element. 上記積層圧電素子を用いた圧電振動装置の断面図である。It is sectional drawing of the piezoelectric vibration apparatus using the said laminated piezoelectric element. 上記積層圧電素子を用いた電子機器の平面図である。It is a top view of the electronic device using the laminated piezoelectric element. 上記電子機器の図15AのC-C'線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line CC'of FIG. 15A of the electronic device.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するX軸、Y軸、及びZ軸が示されている。X軸方向は「第2軸方向」、Y軸方向は「第3軸方向」、Z軸方向は「第1軸方向」にそれぞれ対応する。X軸、Y軸、及びZ軸は全図において共通である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings show X-axis, Y-axis, and Z-axis that are orthogonal to each other as appropriate. The X-axis direction corresponds to the "second axis direction", the Y-axis direction corresponds to the "third axis direction", and the Z-axis direction corresponds to the "first axis direction". The X-axis, Y-axis, and Z-axis are common to all drawings.

[積層圧電素子の基本構成]
図1~3は、本発明の一実施形態に係る積層圧電素子10を示す図である。図1は、積層圧電素子10の斜視図である。図2は、積層圧電素子10の図1のA-A'線に沿った断面図である。図3は、積層圧電素子10の図1のB-B'線に沿った断面図である。
[Basic configuration of laminated piezoelectric element]
1 to 3 are views showing a laminated piezoelectric element 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view of the laminated piezoelectric element 10. FIG. 2 is a cross-sectional view of the laminated piezoelectric element 10 along the AA'line of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the laminated piezoelectric element 10 along the line BB'of FIG.

積層圧電素子10は、積層圧電体11と、第1外部電極14と、第2外部電極15と、複数の第1内部電極12と、複数の第2内部電極13と、第1表面電極16と、第2表面電極17と、を備える。 The laminated piezoelectric element 10 includes a laminated piezoelectric body 11, a first external electrode 14, a second external electrode 15, a plurality of first internal electrodes 12, a plurality of second internal electrodes 13, and a first surface electrode 16. , A second surface electrode 17 and the like.

積層圧電体11は、後述するように、複数の圧電体層20が積層されたものである。積層圧電体11は、X軸方向を向いた2つの端面11a,11bと、Y軸方向を向いた2つの側面11c,11dと、Z軸方向を向いた2つの主面11e,11fと、を有する。典型的には、各面は略矩形に構成される。
積層圧電体11は、X軸方向に沿って長手方向を有する。これにより、X軸方向に沿った伸縮が優位となり、d31の圧電定数を有する積層圧電素子10を構成することができる。
As will be described later, the laminated piezoelectric body 11 is formed by laminating a plurality of piezoelectric layer 20s. The laminated piezoelectric body 11 has two end faces 11a and 11b facing the X-axis direction, two side surfaces 11c and 11d facing the Y-axis direction, and two main surfaces 11e and 11f facing the Z-axis direction. Have. Typically, each surface is configured to be substantially rectangular.
The laminated piezoelectric body 11 has a longitudinal direction along the X-axis direction. As a result, expansion and contraction along the X-axis direction becomes dominant, and the laminated piezoelectric element 10 having a piezoelectric constant of d31 can be configured.

なお、積層圧電体11の形状は、図1~3に示すような直方体形状でなくてもよい。例えば、積層圧電体11の各面を接続する稜部は面取りされていてもよい。また、積層圧電体11の各面は曲面であってもよく、積層圧電体11は全体として丸みを帯びた形状であってもよい。 The shape of the laminated piezoelectric body 11 does not have to be a rectangular parallelepiped shape as shown in FIGS. 1 to 3. For example, the ridge portion connecting each surface of the laminated piezoelectric body 11 may be chamfered. Further, each surface of the laminated piezoelectric body 11 may be a curved surface, and the laminated piezoelectric body 11 may have a rounded shape as a whole.

積層圧電体11には、駆動電圧を供給するための複数の電極が配置される。積層圧電体11の端面11a,11bには、外部電極14,15が配置される。積層圧電体11の内部には、複数の内部電極12,13が配置され、主面11e,11fには、それぞれ表面電極16,17が配置される。第1内部電極12及び第1表面電極16は、第1外部電極14に接続され、第2内部電極13及び第2表面電極17は、第2外部電極15に接続される。 A plurality of electrodes for supplying a driving voltage are arranged on the laminated piezoelectric body 11. External electrodes 14 and 15 are arranged on the end faces 11a and 11b of the laminated piezoelectric body 11. A plurality of internal electrodes 12 and 13 are arranged inside the laminated piezoelectric body 11, and surface electrodes 16 and 17 are arranged on the main surfaces 11e and 11f, respectively. The first internal electrode 12 and the first surface electrode 16 are connected to the first external electrode 14, and the second internal electrode 13 and the second surface electrode 17 are connected to the second external electrode 15.

積層圧電体11は、圧電活性部18と、サイドマージン部19と、を有する。サイドマージン部19は、圧電活性部18のY軸方向を向いた両側面の全領域をそれぞれ覆っている。また、積層圧電体11は、必要に応じて、圧電活性部18とサイドマージン部19とを接合するための接合部を有していてもよい。 The laminated piezoelectric body 11 has a piezoelectric active portion 18 and a side margin portion 19. The side margin portion 19 covers the entire region of both side surfaces of the piezoelectric active portion 18 facing the Y-axis direction. Further, the laminated piezoelectric body 11 may have a joining portion for joining the piezoelectric active portion 18 and the side margin portion 19, if necessary.

圧電活性部18は、複数の圧電体層20を有し、これらの圧電体層20と複数の内部電極12、13とがZ軸方向に交互に積層された構成を有する。最外層の圧電体層20上には、第1表面電極16及び第2表面電極17がそれぞれ配置される。
なお、積層圧電体11のうち圧電活性を有する領域は、厳密にはZ軸方向に隣り合う内部電極12,13及び表面電極16,17が対向する領域であるが、ここでは内部電極12,13及び表面電極16,17が引き出される端面11a,11bまでの領域を圧電活性部18とする。
The piezoelectric active portion 18 has a plurality of piezoelectric layers 20, and the piezoelectric layers 20 and the plurality of internal electrodes 12 and 13 are alternately laminated in the Z-axis direction. A first surface electrode 16 and a second surface electrode 17 are arranged on the outermost piezoelectric layer 20.
Strictly speaking, the region of the laminated piezoelectric body 11 having piezoelectric activity is a region where the internal electrodes 12 and 13 and the surface electrodes 16 and 17 adjacent to each other in the Z-axis direction face each other, but here, the internal electrodes 12 and 13 are opposed to each other. The region up to the end faces 11a and 11b from which the surface electrodes 16 and 17 are drawn out is referred to as the piezoelectric active portion 18.

圧電体層20は、圧電特性を有するセラミックスで形成される。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO-PbTiO)を主成分とするペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)やタンタル酸リチウム(LiTaO)など主成分とする酸化物を用いることができる。 The piezoelectric layer 20 is made of ceramics having piezoelectric properties. Examples of such ceramics include perovskite-type oxides containing lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTIO 3 ) as a main component, and oxidation containing lithium niobate (LiNbO 3 ) and lithium tantalate (LiTaO 3 ) as main components. Things can be used.

サイドマージン部19は、内部電極12,13及び表面電極16,17を有さず、圧電活性を有さない領域である。サイドマージン部19は、圧電活性部18を保護し、内部電極12,13及び表面電極16,17の絶縁性を確保する機能を有する。サイドマージン部19は、絶縁性セラミックスで形成されればよいが、圧電体層20と同様の圧電特性を有するセラミックスを用いることにより、積層圧電体11における内部応力を緩和することができる。 The side margin portion 19 is a region that does not have the internal electrodes 12 and 13 and the surface electrodes 16 and 17 and does not have piezoelectric activity. The side margin portion 19 has a function of protecting the piezoelectric active portion 18 and ensuring the insulating properties of the internal electrodes 12 and 13 and the surface electrodes 16 and 17. The side margin portion 19 may be formed of insulating ceramics, but by using ceramics having the same piezoelectric characteristics as the piezoelectric layer 20, the internal stress in the laminated piezoelectric body 11 can be relaxed.

内部電極12,13は、Z軸方向に積層された複数の圧電体層20の間に、Z軸方向に沿って交互に配置されている。第1内部電極12は、第1外部電極14に接続され、第2外部電極15から離間している。第2内部電極13は、第2外部電極15に接続され、第1外部電極14から離間している。これにより、Z軸方向に隣り合う内部電極12,13が、これらの間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。内部電極12,13は、例えば矩形状に形成される。
内部電極12,13は、圧電セラミックスとの反応性が低い銀(Ag)や銀-パラジウム(Pd)を主成分とする導体、あるいは銅(Cu)、白金(Pt)などを含む導体で形成することができる。あるいは、これらの材料にセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。
The internal electrodes 12 and 13 are alternately arranged along the Z-axis direction between the plurality of piezoelectric layers 20 stacked in the Z-axis direction. The first internal electrode 12 is connected to the first external electrode 14 and is separated from the second external electrode 15. The second internal electrode 13 is connected to the second external electrode 15 and is separated from the first external electrode 14. As a result, the internal electrodes 12 and 13 adjacent to each other in the Z-axis direction can apply a driving voltage to the piezoelectric layer 20 between them. The internal electrodes 12 and 13 are formed in a rectangular shape, for example.
The internal electrodes 12 and 13 are formed of a conductor containing silver (Ag) or silver-palladium (Pd) as a main component, which has low reactivity with piezoelectric ceramics, or a conductor containing copper (Cu), platinum (Pt), or the like. be able to. Alternatively, these materials may contain a ceramic component or a glass component.

表面電極16,17は、最外層の圧電体層20上にそれぞれ配置され、第1表面電極16は主面11e上、第2表面電極17は主面11f上にそれぞれ配置される。第1表面電極16は、第1外部電極14に接続され、第2外部電極15から離間している。第2表面電極17は、第2外部電極15に接続され、第1外部電極14から離間している。
第1表面電極16は、主面11eに最も近い第2内部電極13との間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。第2表面電極17は、主面11fに最も近い第1内部電極12との間の圧電体層20に駆動電圧を印加できる。表面電極16,17と最外層の内部電極12,13との間の圧電体層20は、一層でもよいし、複数層でもよい。
表面電極16,17により、積層圧電体11の圧電活性領域を増やすことができ、積層圧電体11全体を伸縮させることができる。
表面電極16,17は、内部電極12,13と同様の矩形状にそれぞれ形成されてもよいが、所定のパターンを有していてもよい。
表面電極16,17は、銀(Ag)、銀にシリカ(Si)を主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケル(Ni)などで形成することができる。
The surface electrodes 16 and 17 are arranged on the outermost piezoelectric layer 20, respectively, the first surface electrode 16 is arranged on the main surface 11e, and the second surface electrode 17 is arranged on the main surface 11f. The first surface electrode 16 is connected to the first external electrode 14 and is separated from the second external electrode 15. The second surface electrode 17 is connected to the second external electrode 15 and is separated from the first external electrode 14.
The first surface electrode 16 can apply a driving voltage to the piezoelectric layer 20 between the first surface electrode 16 and the second internal electrode 13 closest to the main surface 11e. The second surface electrode 17 can apply a driving voltage to the piezoelectric layer 20 between the second surface electrode 17 and the first internal electrode 12 closest to the main surface 11f. The piezoelectric layer 20 between the surface electrodes 16 and 17 and the innermost electrodes 12 and 13 of the outermost layer may be a single layer or a plurality of layers.
With the surface electrodes 16 and 17, the piezoelectric active region of the laminated piezoelectric body 11 can be increased, and the entire laminated piezoelectric body 11 can be expanded and contracted.
The surface electrodes 16 and 17 may be formed in the same rectangular shape as the internal electrodes 12 and 13, respectively, but may have a predetermined pattern.
The surface electrodes 16 and 17 can be formed of silver (Ag), a silver compound containing silver containing glass containing silica (Si) as a main component, nickel (Ni), or the like.

外部電極14,15は、積層圧電体11の端面11a,11bを覆い、端面11a,11bに接続する4つの面(2つの側面11c,11d及び2つの主面11e,11f)に延出している。これにより、外部電極14,15のいずれにおいても、X-Z平面に平行な断面及びX-Y平面に平行な断面の形状がU字状となっている。なお、外部電極14,15は、端面11a,11bのみに形成されていてもよい。
外部電極14,15は、例えば、銀、銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケルなどで構成される。
The external electrodes 14 and 15 cover the end faces 11a and 11b of the laminated piezoelectric body 11 and extend to four surfaces (two side surfaces 11c and 11d and two main surfaces 11e and 11f) connected to the end faces 11a and 11b. .. As a result, in each of the external electrodes 14 and 15, the shape of the cross section parallel to the XY plane and the cross section parallel to the XY plane is U-shaped. The external electrodes 14 and 15 may be formed only on the end faces 11a and 11b.
The external electrodes 14 and 15 are composed of, for example, silver, a silver compound containing silver containing glass or the like containing silica as a main component, nickel, or the like.

上記の構成により、積層圧電素子10では、第1外部電極14と第2外部電極15との間に電圧が印加されると、第1内部電極12と第2内部電極13との間の複数の圧電体層20に電圧が加わる。これにより、複数の圧電体層20がX軸方向に伸縮する。さらに、表面電極16,17により最外層の圧電体層20にも電圧が印加されることから、圧電活性部18全体をX軸方向に伸縮させることができる。 With the above configuration, in the laminated piezoelectric element 10, when a voltage is applied between the first external electrode 14 and the second external electrode 15, a plurality of plurality of layers between the first internal electrode 12 and the second internal electrode 13 are applied. A voltage is applied to the piezoelectric layer 20. As a result, the plurality of piezoelectric layers 20 expand and contract in the X-axis direction. Further, since the voltage is applied to the outermost piezoelectric layer 20 by the surface electrodes 16 and 17, the entire piezoelectric active portion 18 can be expanded and contracted in the X-axis direction.

なお、本実施形態に係る積層圧電素子10の基本構成は、図1~3に示す構成に限定されず、適宜変更可能である。例えば、内部電極12,13の枚数や圧電体層20の厚さは、積層圧電素子10に求められるサイズや性能に応じて、適宜決定可能である。 The basic configuration of the laminated piezoelectric element 10 according to the present embodiment is not limited to the configurations shown in FIGS. 1 to 3, and can be appropriately changed. For example, the number of internal electrodes 12 and 13 and the thickness of the piezoelectric layer 20 can be appropriately determined according to the size and performance required for the laminated piezoelectric element 10.

[内部電極の詳細構成]
積層圧電素子10は、長手方向であるX軸方向に沿って内部電極12,13が複数の起伏を有することを特徴とする。
図2及び図3に示すように、内部電極12,13は、X軸方向と平行な断面で観察されY軸方向と平行な断面では観察されない複数の起伏を有する。ここで、複数の内部電極12,13のうち、積層圧電体11の中央部に配置された内部電極を中央内部電極21とし、中央内部電極21を例に挙げて起伏の構成を説明する。
なお、中央内部電極21は、第1内部電極12及び第2内部電極13のどちらであってもよい。
[Detailed configuration of internal electrodes]
The laminated piezoelectric element 10 is characterized in that the internal electrodes 12 and 13 have a plurality of undulations along the X-axis direction which is the longitudinal direction.
As shown in FIGS. 2 and 3, the internal electrodes 12 and 13 have a plurality of undulations observed in a cross section parallel to the X-axis direction and not in a cross section parallel to the Y-axis direction. Here, among the plurality of internal electrodes 12 and 13, the internal electrode arranged in the central portion of the laminated piezoelectric body 11 is referred to as the central internal electrode 21, and the central internal electrode 21 is taken as an example to explain the undulating configuration.
The central internal electrode 21 may be either the first internal electrode 12 or the second internal electrode 13.

図2に示すように、中央内部電極21のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第1断面22とする。一方、図3に示すように、中央内部電極21のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第2断面23とする。これらの図に示すように、第1断面22は、Z軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第2断面23は、ほぼ平坦に構成される。すなわち、第1断面22は第2断面23よりも大きな起伏を有する。このことから、中央内部電極21の電極面には、Y軸方向に沿った稜線を有しX軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。 As shown in FIG. 2, the cross section of the central internal electrode 21 seen from the Y-axis direction (that is, a cross section parallel to the X-axis direction and orthogonal to the Y-axis direction) is defined as the first cross section 22. On the other hand, as shown in FIG. 3, the cross section of the central internal electrode 21 seen from the X-axis direction (that is, the cross section parallel to the Y-axis direction and orthogonal to the X-axis direction) is referred to as the second cross section 23. As shown in these figures, the first cross section 22 has a plurality of undulations protruding or depressed in the Z-axis direction, but the second cross section 23 is configured to be substantially flat. That is, the first cross section 22 has a larger undulation than the second cross section 23. From this, it can be said that the electrode surface of the central internal electrode 21 is formed with wavy undulations having a ridgeline along the Y-axis direction and traveling in the X-axis direction.

このような起伏は、少なくとも中央内部電極21が有していればよいが、図2に示すように全ての内部電極12,13が有していてもよい。あるいは、中央内部電極21を含む1又は複数の内部電極12,13のみが有していてもよい。起伏の形状は、内部電極12,13間において略同一であってもよいし、異なっていてもよい。 Such undulations may be possessed by at least the central internal electrode 21, but may be possessed by all the internal electrodes 12 and 13 as shown in FIG. Alternatively, only one or more internal electrodes 12, 13 including the central internal electrode 21 may have. The shape of the undulations may be substantially the same or different between the internal electrodes 12 and 13.

中央内部電極21の微視的な形状についてさらに説明する。
図4及び5は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦50μm×横250μmの視野で観察した積層圧電体11の断面を示す図である。図4は、図2の拡大図に相当し、積層圧電体11のX軸方向及びZ軸方向における中央部のY軸方向に直交する断面を示す。図5は、図3の拡大図に相当し、積層圧電体11のY軸方向及びZ軸方向における中央部のX軸方向に直交する断面を示す。図4及び図5には、いずれも中央内部電極21が示されており、図4には第1断面22の一部が、図5には第2断面23の一部が、それぞれ示されている。
The microscopic shape of the central internal electrode 21 will be further described.
FIGS. 4 and 5 are views showing a cross section of the laminated piezoelectric body 11 observed with a scanning electron microscope in a field of view of 50 μm in length × 250 μm in width. FIG. 4 corresponds to an enlarged view of FIG. 2 and shows a cross section of the laminated piezoelectric body 11 orthogonal to the Y-axis direction of the central portion in the X-axis direction and the Z-axis direction. FIG. 5 corresponds to an enlarged view of FIG. 3 and shows a cross section of the laminated piezoelectric body 11 orthogonal to the X-axis direction of the central portion in the Y-axis direction and the Z-axis direction. 4 and 5 both show the central internal electrode 21, a part of the first cross section 22 is shown in FIG. 4, and a part of the second cross section 23 is shown in FIG. 5, respectively. There is.

図4に示すように、第1断面22のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第1走行線22aと規定する。また、第1走行線22aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第1基準線22bと規定する。第1断面22では、第1基準線22bに対して第1走行線22aがZ軸方向に乖離している。第1走行線22aの第1基準線22bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T1は、例えば2μm以上である。 As shown in FIG. 4, a virtual line traveling along the center of the first cross section 22 in the Z-axis direction and having a length of 100 μm (L) in the X-axis direction is defined as the first traveling line 22a. Further, a virtual straight line connecting the end points of the first traveling line 22a is defined as the first reference line 22b. In the first cross section 22, the first traveling line 22a deviates from the first reference line 22b in the Z-axis direction. The maximum deviation dimension T1 along the Z-axis direction of the first traveling line 22a with respect to the first reference line 22b is, for example, 2 μm or more.

一方、図5に示すように、第1断面22と同様に第2断面23に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第2断面23のZ軸方向の中央に沿って走行しY軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第2走行線23aと規定する。また、第2走行線23aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第2基準線23bと規定する。同図に示すように、第2断面23では、第1基準線22bに対して第1走行線22aがZ軸方向にほぼ乖離しておらず、第2走行線23aの第2基準線23bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T2は、約0μmである。つまり、最大乖離寸法T1は、最大乖離寸法T2よりも大きい。 On the other hand, as shown in FIG. 5, a traveling line and a reference line are defined for the second cross section 23 as well as the first cross section 22. That is, a virtual line traveling along the center of the second cross section 23 in the Z-axis direction and having a length of 100 μm (L) in the Y-axis direction is defined as the second traveling line 23a. Further, a virtual straight line connecting the end points of the second traveling line 23a is defined as the second reference line 23b. As shown in the figure, in the second cross section 23, the first traveling line 22a does not deviate from the first reference line 22b in the Z-axis direction, and the second traveling line 23a with respect to the second reference line 23b. The maximum dissociation dimension T2 along the Z-axis direction is about 0 μm. That is, the maximum dissociation dimension T1 is larger than the maximum dissociation dimension T2.

このように、中央内部電極21は、第1断面22において観察され第2断面23では観察されない微小な複数の起伏を有している。実験により、上記構成の積層圧電体11に電圧が印加された場合、X軸方向の変位量が高まることが明らかになった。以下、当該実験結果について説明する。 As described above, the central internal electrode 21 has a plurality of minute undulations observed in the first cross section 22 and not in the second cross section 23. From the experiment, it was clarified that the amount of displacement in the X-axis direction increases when a voltage is applied to the laminated piezoelectric body 11 having the above configuration. The results of the experiment will be described below.

図6は、積層圧電素子の外部電極に印加する電圧値と変位量との関係を示すグラフであり、横軸が電圧値[V]、縦軸がX軸方向の変位量[nm]を示す。また、実線は、中央内部電極21が起伏を有する本実施形態の実施例に係る圧電積層素子の結果を示す。破線は、全体的に平坦な内部電極を有する本実施形態の比較例に係る圧電積層素子の結果を示す。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the voltage value applied to the external electrode of the laminated piezoelectric element and the displacement amount, and the horizontal axis shows the voltage value [V] and the vertical axis shows the displacement amount [nm] in the X-axis direction. .. Further, the solid line shows the result of the piezoelectric laminated element according to the embodiment of the present embodiment in which the central internal electrode 21 has undulations. The broken line shows the result of the piezoelectric laminated element according to the comparative example of this embodiment having an overall flat internal electrode.

同図に示すように、実施例に係る圧電積層素子は、比較例に係る圧電積層素子と比較して、同一の電圧を印加した場合にX軸方向の変位量が約20%高まることが確認された。この理由としてはいくつか考えられるが、一つは、起伏により内部電極12,13の表面積が大きくなり、同一の電圧を印加した際の駆動電流が高まることが挙げられる。また、電界分布の寄与や、内部電極による圧電体への拘束力の低下等、複数の要因があるとも考えられる。 As shown in the figure, it was confirmed that the piezoelectric laminated element according to the embodiment has a displacement amount of about 20% in the X-axis direction when the same voltage is applied as compared with the piezoelectric laminated element according to the comparative example. Was done. There are several possible reasons for this, but one is that the surface area of the internal electrodes 12 and 13 increases due to the undulations, and the drive current when the same voltage is applied increases. It is also considered that there are multiple factors such as the contribution of the electric field distribution and the decrease of the binding force on the piezoelectric body by the internal electrodes.

[積層圧電素子10の基本的な製造方法]
図7は、積層圧電素子10の製造方法を示すフローチャートである。図8~9は、積層圧電素子10の製造過程を示す図である。以下、積層圧電素子10の基本的な製造方法について、図7に沿って、図8~9を適宜参照しながら説明する。
[Basic manufacturing method of laminated piezoelectric element 10]
FIG. 7 is a flowchart showing a method of manufacturing the laminated piezoelectric element 10. 8 to 9 are views showing a manufacturing process of the laminated piezoelectric element 10. Hereinafter, a basic manufacturing method of the laminated piezoelectric element 10 will be described with reference to FIGS. 8 to 9 with reference to FIGS. 7.

(ステップS01:セラミックシート積層)
ステップS01では、図8に示すように、積層圧電体11を形成するための第1セラミックシート101、第2セラミックシート102、第3セラミックシート103及び第4セラミックシート104を積層し、セラミック積層体105を作製する。本ステップでは、第1セラミックシート101及び第2セラミックシート102がZ軸方向に交互に積層され、この積層体の上下面にそれぞれ第3セラミックシート103及び第4セラミックシート104が積層される。なお、各セラミックシートの積層枚数は図8の例に限定されない。
(Step S01: Laminating ceramic sheets)
In step S01, as shown in FIG. 8, the first ceramic sheet 101, the second ceramic sheet 102, the third ceramic sheet 103, and the fourth ceramic sheet 104 for forming the laminated piezoelectric body 11 are laminated, and the ceramic laminate is formed. 105 is made. In this step, the first ceramic sheet 101 and the second ceramic sheet 102 are alternately laminated in the Z-axis direction, and the third ceramic sheet 103 and the fourth ceramic sheet 104 are laminated on the upper and lower surfaces of the laminated body, respectively. The number of laminated ceramic sheets is not limited to the example shown in FIG.

セラミックシート101,102,103,104は、圧電セラミックスを主成分とする未焼成の圧電体グリーンシートとして構成される。圧電体グリーンシートは、圧電セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製し、例えば、ロールコーターやドクターブレードなどを用いてシート状に成形される。 The ceramic sheets 101, 102, 103, 104 are configured as unfired piezoelectric green sheets containing piezoelectric ceramics as a main component. The piezoelectric green sheet is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramics, a binder made of an organic polymer, and a plasticizer to prepare a ceramic slurry, which is molded into a sheet using, for example, a roll coater or a doctor blade. Will be done.

図8に示すように、第1セラミックシート101には第1内部電極12に対応する未焼成の第1内部電極112が形成され、第2セラミックシート102には第2内部電極13に対応する未焼成の第2内部電極113が形成されている。また、第3セラミックシート103には、第1表面電極16に対応する未焼成の第1表面電極114が形成される。第4セラミックシート104の一方の面には第1内部電極12に対応する未焼成の第1内部電極112が形成され、他方の面には第2表面電極17に対応する未焼成の第2表面電極115が形成される。 As shown in FIG. 8, the first ceramic sheet 101 is formed with an unfired first internal electrode 112 corresponding to the first internal electrode 12, and the second ceramic sheet 102 is not corresponding to the second internal electrode 13. The second internal electrode 113 for firing is formed. Further, the unfired first surface electrode 114 corresponding to the first surface electrode 16 is formed on the third ceramic sheet 103. An unfired first internal electrode 112 corresponding to the first internal electrode 12 is formed on one surface of the fourth ceramic sheet 104, and an unfired second surface corresponding to the second surface electrode 17 is formed on the other surface. The electrode 115 is formed.

内部電極112,113及び表面電極114,115は、任意の導電性ペーストをセラミックシート101,102,103,104に塗布することによって形成することができる。導電性ペーストの塗布方法は、公知の技術から任意に選択可能であり、例えば、スクリーン印刷法やグラビア印刷法を用いることができる。 The internal electrodes 112, 113 and the surface electrodes 114, 115 can be formed by applying an arbitrary conductive paste to the ceramic sheets 101, 102, 103, 104. The method for applying the conductive paste can be arbitrarily selected from known techniques, and for example, a screen printing method or a gravure printing method can be used.

なお、セラミックシート103,104各々とセラミックシート101,102の積層構造との間に、導電性ペーストが塗布されていないセラミックシートを1又は複数枚配置することも可能である。これにより、表面電極16,17と内部電極12,13の間の圧電体層20の厚みを調整することができる。なお、この場合、第4セラミックシート104には内部電極が形成されず、第2表面電極115のみが形成される。 It is also possible to arrange one or more ceramic sheets to which the conductive paste is not applied between each of the ceramic sheets 103 and 104 and the laminated structure of the ceramic sheets 101 and 102. Thereby, the thickness of the piezoelectric layer 20 between the surface electrodes 16 and 17 and the internal electrodes 12 and 13 can be adjusted. In this case, the internal electrode is not formed on the fourth ceramic sheet 104, and only the second surface electrode 115 is formed.

(ステップS02:圧着)
ステップS02では、セラミック積層体105を圧着する。これによりセラミックシート101,102,103,104が一体化され、図9に示す未焼成の積層チップ111が形成される。積層チップ111は、焼成前かつ分極処理前の積層圧電体11に相当する。セラミック積層体105の圧着には、例えば、一軸加圧や静水圧加圧などを用いることが好ましい。これにより、積層チップ111を高密度化することが可能である。
(Step S02: crimping)
In step S02, the ceramic laminate 105 is crimped. As a result, the ceramic sheets 101, 102, 103, 104 are integrated to form the unfired laminated chip 111 shown in FIG. The laminated chip 111 corresponds to the laminated piezoelectric body 11 before firing and before the polarization treatment. For crimping of the ceramic laminate 105, for example, uniaxial pressurization or hydrostatic pressure pressurization is preferably used. This makes it possible to increase the density of the laminated chip 111.

図9は、ステップS02で得られる積層チップ111の斜視図である。積層チップ111には、圧電活性部116及びサイドマージン部117が形成されている。内部電極112,113の間にはセラミック層118が形成されており、最上面及び最下面にはそれぞれ表面電極114,115が形成されている。 FIG. 9 is a perspective view of the laminated chip 111 obtained in step S02. The laminated chip 111 is formed with a piezoelectric active portion 116 and a side margin portion 117. A ceramic layer 118 is formed between the internal electrodes 112 and 113, and surface electrodes 114 and 115 are formed on the uppermost surface and the lowermost surface, respectively.

なお、積層チップ111に対応する複数の領域が形成された積層シートを圧着後切断し、積層チップ111を個片化してもよい。この場合、積層シートを構成するセラミックシートは、複数の内部電極及び表面電極に対応する電極パターンを有している。これにより、一つの積層シートから複数の積層チップを作製することができる。
また、圧電活性部116のみからなる積層体を形成した後、当該積層体の両側面にサイドマージン部117を形成してもよい。
The laminated sheet in which a plurality of regions corresponding to the laminated chips 111 are formed may be crimped and then cut to individualize the laminated chips 111. In this case, the ceramic sheet constituting the laminated sheet has an electrode pattern corresponding to a plurality of internal electrodes and surface electrodes. This makes it possible to produce a plurality of laminated chips from one laminated sheet.
Further, after forming a laminated body consisting of only the piezoelectric active portion 116, side margin portions 117 may be formed on both side surfaces of the laminated body.

(ステップS03:焼成)
ステップS03では、ステップS02で得られた未焼成の積層チップ111を焼結させることにより、積層圧電体11に対応する積層チップを作製する。本ステップにより得られた積層チップは、分極処理前の積層圧電体11に相当し、図1~3に示す積層圧電体11と同様の構成を有する。
(Step S03: Firing)
In step S03, the unfired laminated chip 111 obtained in step S02 is sintered to produce a laminated chip corresponding to the laminated piezoelectric body 11. The laminated chip obtained by this step corresponds to the laminated piezoelectric body 11 before the polarization treatment, and has the same configuration as the laminated piezoelectric body 11 shown in FIGS. 1 to 3.

ステップS03における焼成方法は、積層チップ111の組成や焼結温度に基づいて決定可能である。例えば、300~500℃で脱バインダ処理を行った後、900~1200℃程度で焼成することができる。また、焼成は、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下、又は低酸素分圧雰囲気下において行うことができる。 The firing method in step S03 can be determined based on the composition of the laminated chip 111 and the sintering temperature. For example, after performing a binder removal treatment at 300 to 500 ° C., it can be fired at about 900 to 1200 ° C. Further, the calcination can be performed, for example, in a reducing atmosphere, an atmospheric atmosphere, or a low oxygen partial pressure atmosphere.

(ステップS04:外部電極形成)
ステップS04では、ステップS03で得られた積層チップに外部電極14,15を形成することにより、積層圧電素子10に対応するセラミック素子を作製する。本ステップにより得られたセラミック素子は、分極処理前の積層圧電素子10に相当し、図1~3に示す積層圧電素子10と同様の構成を有する。
(Step S04: External electrode formation)
In step S04, a ceramic element corresponding to the laminated piezoelectric element 10 is manufactured by forming the external electrodes 14 and 15 on the laminated chip obtained in step S03. The ceramic element obtained by this step corresponds to the laminated piezoelectric element 10 before the polarization treatment, and has the same configuration as the laminated piezoelectric element 10 shown in FIGS. 1 to 3.

ステップS04では、例えば、焼成後の積層チップのX軸方向両端面を覆うように未焼成の電極材料を塗布する。電極材料は、例えば銀(Ag)等を主成分とした導電性ペーストであってもよい。塗布された未焼成の電極材料を、例えば、還元雰囲気下、大気雰囲気下又は低酸素分圧雰囲気下において焼き付けを行うことにより、外部電極14,15が形成される。なお、外部電極14,15の形成方法は、密着性が良好で内部電極及び表面電極への通電が良好であればよく、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いてもよい。 In step S04, for example, an unfired electrode material is applied so as to cover both end faces in the X-axis direction of the fired laminated chips. The electrode material may be, for example, a conductive paste containing silver (Ag) or the like as a main component. External electrodes 14 and 15 are formed by baking the applied unfired electrode material, for example, in a reducing atmosphere, an air atmosphere, or a low oxygen partial pressure atmosphere. As the method for forming the external electrodes 14 and 15, any method may be used as long as the adhesion is good and the internal electrode and the surface electrode are well energized, and a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, or the like may be used.

なお、上記のステップS04における処理の一部を、ステップS03の前に行ってもよい。例えば、ステップS03の前に未焼成の積層チップ111のX軸方向両端面に未焼成の電極材料を塗布してもよい。これにより、ステップS03において、未焼成の積層チップ111の焼成と電極材料の焼き付けとを同時に行うことができる。 A part of the process in step S04 may be performed before step S03. For example, the unfired electrode material may be applied to both end faces in the X-axis direction of the unfired laminated chip 111 before step S03. As a result, in step S03, the unbaked laminated chip 111 can be fired and the electrode material can be fired at the same time.

(ステップS05:分極処理)
ステップS05では、焼成後の積層チップを分極処理して圧電活性を付与する。分極処理には、外部電極14,15を用いて積層圧電体11に電圧を印加してもよいし、その他の給電部材を内部電極12,13及び表面電極16,17に接続して電圧を印加してもよい。
これにより、積層圧電素子10が製造される。
(Step S05: Polarization treatment)
In step S05, the laminated chips after firing are subjected to polarization treatment to impart piezoelectric activity. For the polarization treatment, a voltage may be applied to the laminated piezoelectric body 11 using the external electrodes 14 and 15, or a voltage is applied by connecting other feeding members to the internal electrodes 12 and 13 and the surface electrodes 16 and 17. You may.
As a result, the laminated piezoelectric element 10 is manufactured.

なお、ステップS05をステップS04の前に行ってもよい。この場合は、給電部材を内部電極12,13及び表面電極16,17に接続して電圧を印加する。これによっても、焼成後の積層圧電体11に対して分極処理を行うことができる。 In addition, step S05 may be performed before step S04. In this case, the feeding member is connected to the internal electrodes 12 and 13 and the surface electrodes 16 and 17, and a voltage is applied. This also enables the polarization treatment of the laminated piezoelectric body 11 after firing.

[内部電極の製造方法]
本実施形態に係る積層圧電素子10の内部電極12,13は、以下のように製造することができる。
[Manufacturing method of internal electrodes]
The internal electrodes 12 and 13 of the laminated piezoelectric element 10 according to the present embodiment can be manufactured as follows.

例えば、ステップS02の圧着工程において、弾性変形可能なゴムからなるラバーシートを有するプレス装置を用いて一軸加圧することができる。具体的には、プレス装置の上板と下板の双方にラバーシートを取り付け、これらのラバーシートの間にセラミック積層体105を配置して、一軸加圧する。ラバーシートは、加圧時に、セラミック積層体105の微小な厚みの違い等によって弾性変形する。変形したラバーシートにより圧着されることで、起伏を有する内部電極112,113を形成することができる。 For example, in the crimping step of step S02, uniaxial pressurization can be performed using a press device having a rubber sheet made of elastically deformable rubber. Specifically, rubber sheets are attached to both the upper plate and the lower plate of the press device, and the ceramic laminate 105 is arranged between these rubber sheets to apply uniaxial pressure. The rubber sheet is elastically deformed at the time of pressurization due to a slight difference in thickness of the ceramic laminate 105 or the like. By being crimped by the deformed rubber sheet, the internal electrodes 112 and 113 having undulations can be formed.

あるいは、グリーンシート又は内部電極の組成を調整し、焼成時におけるグリーンシートと導電性ペーストとの収縮率の差によって内部電極12,13を形成してもよい。あるいは、材料の組成を調整するとともに、圧着時にラバーシートを用いてもよい。 Alternatively, the composition of the green sheet or the internal electrode may be adjusted to form the internal electrodes 12 and 13 by the difference in the shrinkage ratio between the green sheet and the conductive paste at the time of firing. Alternatively, a rubber sheet may be used at the time of crimping while adjusting the composition of the material.

[変形例]
図10及び図11は、本実施形態の変形例に係る積層圧電素子30の構成を示す図である。図10はY軸方向に直交する断面図であり、図2に対応する。図11はX軸方向に直交する断面図であり、図3に対応する。積層圧電素子30は、積層圧電体11と、第1外部電極14と、第2外部電極15と、複数の第1内部電極32と、複数の第2内部電極33と、第1表面電極16と、第2表面電極17と、を備え、内部電極32,33の構成が積層圧電素子10とは異なる。以下、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
[Modification example]
10 and 11 are views showing the configuration of the laminated piezoelectric element 30 according to the modified example of the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view orthogonal to the Y-axis direction and corresponds to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view orthogonal to the X-axis direction and corresponds to FIG. The laminated piezoelectric element 30 includes a laminated piezoelectric body 11, a first external electrode 14, a second external electrode 15, a plurality of first internal electrodes 32, a plurality of second internal electrodes 33, and a first surface electrode 16. The second surface electrode 17 is provided, and the configurations of the internal electrodes 32 and 33 are different from those of the laminated piezoelectric element 10. Hereinafter, the same reference numerals will be given to the same configurations, and the description thereof will be omitted.

本変形例において、内部電極32,33のうち、積層圧電体11の中央部に配置された中央内部電極41の電極面には、中央内部電極21と同様の起伏が形成される。一方で、内部電極32,33のうち、主面11eに最も近い位置に配置された周縁内部電極44は、全体として平坦に形成される。なお、中央内部電極41及び周縁内部電極44は、第1内部電極32及び第2内部電極33のどちらであってもよい。また、周縁内部電極44は、内部電極32,33のうち主面11fに最も近い位置に配置されたものであってもよい。 In this modification, of the internal electrodes 32 and 33, the same undulations as the central internal electrode 21 are formed on the electrode surface of the central internal electrode 41 arranged in the central portion of the laminated piezoelectric body 11. On the other hand, of the internal electrodes 32 and 33, the peripheral internal electrode 44 arranged at the position closest to the main surface 11e is formed flat as a whole. The central internal electrode 41 and the peripheral internal electrode 44 may be either the first internal electrode 32 or the second internal electrode 33. Further, the peripheral peripheral internal electrode 44 may be one arranged at a position closest to the main surface 11f among the internal electrodes 32 and 33.

図10に示すように、中央内部電極41のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第1断面42とする。また、図11に示すように、中央内部電極41のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第2断面43とする。これらの図に示すように、第1断面42は、Z軸方向に対して突出又は陥没する複数の起伏を有するが、第2断面43は、ほぼ平坦に構成される。このことから、中央内部電極41の電極面にも、Y軸方向に沿った稜線を有しX軸方向に進行する波状の起伏が形成されていると言える。 As shown in FIG. 10, the cross section of the central internal electrode 41 seen from the Y-axis direction (that is, the cross section parallel to the X-axis direction and orthogonal to the Y-axis direction) is defined as the first cross section 42. Further, as shown in FIG. 11, the cross section of the central internal electrode 41 seen from the X-axis direction (that is, the cross section parallel to the Y-axis direction and orthogonal to the X-axis direction) is referred to as the second cross section 43. As shown in these figures, the first cross section 42 has a plurality of undulations protruding or depressed in the Z-axis direction, while the second cross section 43 is configured to be substantially flat. From this, it can be said that the electrode surface of the central internal electrode 41 also has ridges along the Y-axis direction and has wavy undulations traveling in the X-axis direction.

一方、図10に示すように、周縁内部電極44のY軸方向から見た断面(すなわちX軸方向に平行でY軸方向に直交する断面)を第3断面45とし、図11に示すように、周縁内部電極44のX軸方向から見た断面(すなわちY軸方向に平行でX軸方向に直交する断面)を第4断面46とする。これらの図に示すように、第3断面45及び第4断面46のいずれも、ほぼ平坦に構成される。このことから、周縁内部電極44は、全体として平坦に構成されると言える。 On the other hand, as shown in FIG. 10, the cross section of the peripheral internal electrode 44 seen from the Y-axis direction (that is, the cross section parallel to the X-axis direction and orthogonal to the Y-axis direction) is defined as the third cross section 45, and as shown in FIG. The cross section of the peripheral internal electrode 44 seen from the X-axis direction (that is, a cross section parallel to the Y-axis direction and orthogonal to the X-axis direction) is referred to as a fourth cross section 46. As shown in these figures, both the third cross section 45 and the fourth cross section 46 are configured to be substantially flat. From this, it can be said that the peripheral internal electrode 44 is configured to be flat as a whole.

中央内部電極41及び周縁内部電極44の微視的な形状についてさらに説明する。
図12及び図13は、いずれも走査型電子顕微鏡によって縦50μm×横250μmの視野で観察した積層圧電体11の断面を示す図である。図12は、図10の拡大図に相当し、積層圧電体11のX軸方向及びZ軸方向における中央部のY軸方向に直交する断面を示す。図13も、図10の拡大図に相当し、積層圧電体11のY軸方向における中央部でかつ主面11e付近の断面を示す図である。図12には中央内部電極41の第1断面42の一部が示されており、図13には周縁内部電極44の第3断面45の一部が示されている。
The microscopic shapes of the central internal electrode 41 and the peripheral internal electrode 44 will be further described.
12 and 13 are both views showing a cross section of the laminated piezoelectric body 11 observed with a scanning electron microscope in a field of view of 50 μm in length × 250 μm in width. FIG. 12 corresponds to an enlarged view of FIG. 10 and shows a cross section of the laminated piezoelectric body 11 orthogonal to the Y-axis direction of the central portion in the X-axis direction and the Z-axis direction. FIG. 13 also corresponds to an enlarged view of FIG. 10, and is a view showing a cross section of the laminated piezoelectric body 11 at the center in the Y-axis direction and near the main surface 11e. FIG. 12 shows a part of the first cross section 42 of the central internal electrode 41, and FIG. 13 shows a part of the third cross section 45 of the peripheral internal electrode 44.

図12に示すように、第1断面42のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第1走行線42aと規定する。また、第1走行線42aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第1基準線42bと規定する。第1断面42では、第1基準線42bに対して第1走行線42aがZ軸方向に乖離している。第1走行線42aの第1基準線42bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T1'は、例えば2μm以上である。 As shown in FIG. 12, a virtual line traveling along the center of the first cross section 42 in the Z-axis direction and having a length of 100 μm (L) in the X-axis direction is defined as the first traveling line 42a. Further, a virtual straight line connecting the end points of the first traveling line 42a is defined as the first reference line 42b. In the first cross section 42, the first traveling line 42a deviates from the first reference line 42b in the Z-axis direction. The maximum deviation dimension T1'along the Z-axis direction of the first traveling line 42a with respect to the first reference line 42b is, for example, 2 μm or more.

一方で、図13に示すように、第3断面45に対しても走行線、基準線を規定する。すなわち、第3断面45のZ軸方向の中央に沿って走行しX軸方向に100μm(L)の長さを有する仮想的な線を、第3走行線45aと規定する。また、第3走行線45aの端点間を結ぶ仮想的な直線を、第3基準線45bと規定する。同図に示すように、第3断面45では、第3基準線45bに対して第3走行線45aがZ軸方向にほぼ乖離しておらず、第3走行線45aの第3基準線45bに対するZ軸方向に沿った最大乖離寸法T3は、約0μmである。つまり、最大乖離寸法T1'は最大乖離寸法T3よりも大きい。 On the other hand, as shown in FIG. 13, a traveling line and a reference line are also defined for the third cross section 45. That is, a virtual line traveling along the center of the third cross section 45 in the Z-axis direction and having a length of 100 μm (L) in the X-axis direction is defined as the third traveling line 45a. Further, a virtual straight line connecting the end points of the third traveling line 45a is defined as the third reference line 45b. As shown in the figure, in the third cross section 45, the third traveling line 45a does not deviate from the third reference line 45b in the Z-axis direction, and the third traveling line 45a with respect to the third reference line 45b. The maximum dissociation dimension T3 along the Z-axis direction is about 0 μm. That is, the maximum dissociation dimension T1'is larger than the maximum dissociation dimension T3.

このように、中央部に配置された中央内部電極41に起伏が形成されていれば、主面11e,11f付近の周縁内部電極44に起伏が形成されていなくてもよい。この構成によっても、図6で説明した実験と同様の実験により、積層圧電体11の変位量を高めることができることが確認された。 As described above, if the central internal electrode 41 arranged in the central portion has undulations, the peripheral internal electrodes 44 near the main surfaces 11e and 11f may not have undulations. It was confirmed that the displacement amount of the laminated piezoelectric body 11 can be increased by the same experiment as the experiment described with reference to FIG. 6 even with this configuration.

なお、積層圧電体11の中央部に配置された1又は複数の内部電極32,33のみが起伏を有していてもよいし、中央部から主面11e,11f付近の内部電極32,33に近づくに従い次第に起伏が小さくなるように構成してもよい。 It should be noted that only one or a plurality of internal electrodes 32, 33 arranged in the central portion of the laminated piezoelectric body 11 may have undulations, or from the central portion to the internal electrodes 32, 33 near the main surfaces 11e, 11f. It may be configured so that the undulations gradually become smaller as it approaches.

[圧電振動装置]
積層圧電素子10は、圧電横効果によってX軸方向に動作する圧電アクチュエータとして広く利用可能である。積層圧電素子10の用途の一例として、振動を発生させる圧電振動装置が挙げられる。以下、積層圧電素子10を用いて構成されたユニモルフ型の圧電振動装置50について説明する。
[Piezoelectric vibrating device]
The laminated piezoelectric element 10 can be widely used as a piezoelectric actuator that operates in the X-axis direction due to the piezoelectric lateral effect. An example of an application of the laminated piezoelectric element 10 is a piezoelectric vibration device that generates vibration. Hereinafter, a unimorph type piezoelectric vibration device 50 configured by using the laminated piezoelectric element 10 will be described.

図14は、圧電振動装置50の断面図である。圧電振動装置50は、積層圧電素子10と、振動板51と、接着層52と、を備える。振動板51は、XY平面に沿って延びる平板として構成され、積層圧電素子10の第1主面11eに対向して配置されている。接着層52は、積層圧電素子10と振動板51との間に配置されている。 FIG. 14 is a cross-sectional view of the piezoelectric vibration device 50. The piezoelectric vibration device 50 includes a laminated piezoelectric element 10, a diaphragm 51, and an adhesive layer 52. The diaphragm 51 is configured as a flat plate extending along the XY plane, and is arranged so as to face the first main surface 11e of the laminated piezoelectric element 10. The adhesive layer 52 is arranged between the laminated piezoelectric element 10 and the diaphragm 51.

振動板51は、例えば、金属やガラスなどで形成され、Z軸方向に可撓性を有する。接着層52は、樹脂材料などによって形成され、積層圧電素子10と振動板51とを接合している。接着層52は、積層圧電素子10のZ軸方向下部に密着し、振動板51のZ軸方向上面に密着している。 The diaphragm 51 is made of, for example, metal or glass, and has flexibility in the Z-axis direction. The adhesive layer 52 is formed of a resin material or the like, and joins the laminated piezoelectric element 10 and the diaphragm 51. The adhesive layer 52 is in close contact with the lower portion of the laminated piezoelectric element 10 in the Z-axis direction and is in close contact with the upper surface of the diaphragm 51 in the Z-axis direction.

接着層52は、積層圧電体11の第1主面11eと振動板51との間に充填され、積層圧電体11と振動板51とを広範囲で接合している。これにより、圧電振動装置50では、積層圧電素子10と振動板51との間における接着層52を介した高い接合強度が得られる。 The adhesive layer 52 is filled between the first main surface 11e of the laminated piezoelectric body 11 and the diaphragm 51, and the laminated piezoelectric body 11 and the diaphragm 51 are joined in a wide range. As a result, in the piezoelectric vibration device 50, high bonding strength can be obtained via the adhesive layer 52 between the laminated piezoelectric element 10 and the diaphragm 51.

圧電振動装置50では、接着層52による積層圧電素子10と振動板51との接合強度が高いため、積層圧電素子10を大きく伸縮させた場合であっても、積層圧電素子10が振動板51から剥がれにくい。このため、圧電振動装置50では、振動板51の大きい振動が維持される。 In the piezoelectric vibration device 50, since the bonding strength between the laminated piezoelectric element 10 and the diaphragm 51 due to the adhesive layer 52 is high, the laminated piezoelectric element 10 is connected to the diaphragm 51 even when the laminated piezoelectric element 10 is greatly expanded and contracted. Hard to peel off. Therefore, in the piezoelectric vibration device 50, the large vibration of the diaphragm 51 is maintained.

[電子機器]
図15A,15Bは、積層圧電素子10を用いた電子機器60を模式的に示す図である。図15Aは、電子機器60の平面図である。図15Bは、電子機器60の図15AのC-C'線に沿った断面図である。電子機器60は、一般的にスマートフォンと呼ばれる多機能型の携帯通信端末として構成される。
[Electronics]
15A and 15B are diagrams schematically showing an electronic device 60 using the laminated piezoelectric element 10. FIG. 15A is a plan view of the electronic device 60. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line CC'of FIG. 15A of the electronic device 60. The electronic device 60 is configured as a multifunctional mobile communication terminal generally called a smartphone.

電子機器60は、積層圧電素子10と、筐体61と、パネル62と、を有する。筐体61は、XY平面に沿って矩形に延びる底板61aと、底板61aの周縁からZ軸方向上方に延びる枠体61bと、を有し、Z軸方向上方に開放された箱型に形成されている。パネル62は、XY平面に沿って矩形に延び、筐体61をZ軸方向上方から閉塞している。 The electronic device 60 includes a laminated piezoelectric element 10, a housing 61, and a panel 62. The housing 61 has a bottom plate 61a extending rectangularly along the XY plane and a frame body 61b extending upward in the Z-axis direction from the peripheral edge of the bottom plate 61a, and is formed in a box shape open upward in the Z-axis direction. ing. The panel 62 extends rectangularly along the XY plane and closes the housing 61 from above in the Z-axis direction.

筐体61は、電子機器60の様々な機能を実現するための回路基板や電子部品などの各構成(不図示)を収容する。パネル62は、タッチパネルとして構成されている。つまり、パネル62は、画像を表示する画像表示機能と、ユーザの手指などによる入力操作を検出する入力機能と、を兼ね備えている。 The housing 61 accommodates each configuration (not shown) such as a circuit board and electronic components for realizing various functions of the electronic device 60. The panel 62 is configured as a touch panel. That is, the panel 62 has both an image display function for displaying an image and an input function for detecting an input operation by a user's finger or the like.

なお、パネル62は、タッチパネルに限定されず、上記のような構成を有さなくてもよい。例えば、パネル62は、画像表示機能を有さず、入力機能のみを有するタッチパッドであってもよい。また、パネル62は、電子機器60に別途設けられたタッチパネルを保護する保護パネルであってもよい。 The panel 62 is not limited to the touch panel, and may not have the above-mentioned configuration. For example, the panel 62 may be a touch pad that does not have an image display function but has only an input function. Further, the panel 62 may be a protective panel for protecting the touch panel separately provided in the electronic device 60.

積層圧電素子10は、パネル62のZ軸方向下面に接着され、筐体61内において底板61aに対向している。パネル62のZ軸方向下面における積層圧電素子10の位置は任意に決定可能である。電子機器60では、パネル62が、図14に示す圧電振動装置50における振動板51の機能を果たす。 The laminated piezoelectric element 10 is adhered to the lower surface of the panel 62 in the Z-axis direction and faces the bottom plate 61a in the housing 61. The position of the laminated piezoelectric element 10 on the lower surface of the panel 62 in the Z-axis direction can be arbitrarily determined. In the electronic device 60, the panel 62 functions as the diaphragm 51 in the piezoelectric vibration device 50 shown in FIG.

つまり、電子機器60は、積層圧電素子10のX軸方向への伸縮により、パネル62を振動させることができる。このため、パネル62は、良好に振動可能なガラスやアクリル樹脂などを主原料とすることが好ましい。また、積層圧電素子10とパネル62とを接着する接着層は、圧電振動装置50の接着層52と同様の構成であることが好ましい。 That is, the electronic device 60 can vibrate the panel 62 by expanding and contracting the laminated piezoelectric element 10 in the X-axis direction. Therefore, it is preferable that the panel 62 is mainly made of glass, acrylic resin, or the like that can vibrate well. Further, it is preferable that the adhesive layer for adhering the laminated piezoelectric element 10 and the panel 62 has the same configuration as the adhesive layer 52 of the piezoelectric vibrating device 50.

電子機器60は、パネル62を振動させて、気導や骨伝導などによって音を発生させることによって、ユーザに音声情報を提供することができる。また、電子機器60は、パネル62を振動させることによって、例えばパネル62に対して入力操作を行うユーザに対して、触覚を提示することもできる。 The electronic device 60 can provide voice information to the user by vibrating the panel 62 to generate sound by air conduction, bone conduction, or the like. Further, the electronic device 60 can also present a tactile sensation to, for example, a user who performs an input operation on the panel 62 by vibrating the panel 62.

なお、パネル62のZ軸方向上面は、典型的には平面であるが、例えば、湾曲面などであってもよい。また、電子機器60は、スマートフォンに限定されず、例えば、タブレット端末、ノートパソコン、携帯電話、腕時計、フォトスタンド、各種機器のリモコンや操作部などとして構成されていてもよい。 The upper surface of the panel 62 in the Z-axis direction is typically a flat surface, but may be, for example, a curved surface. Further, the electronic device 60 is not limited to a smartphone, and may be configured as, for example, a tablet terminal, a notebook computer, a mobile phone, a wristwatch, a photo stand, a remote controller or an operation unit of various devices.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made.

例えば、積層圧電素子10が表面電極16,17を有すると説明したが、表面電極を有さなくてもよい。この場合、積層圧電体11の主面11e,11f付近には絶縁性セラミックスで形成されたカバー部が形成される。これにより、圧電積層体のZ軸方向に関してもカバー部で保護することができる。 For example, although it has been described that the laminated piezoelectric element 10 has the surface electrodes 16 and 17, it is not necessary to have the surface electrodes. In this case, a cover portion made of insulating ceramics is formed in the vicinity of the main surfaces 11e and 11f of the laminated piezoelectric body 11. As a result, the cover portion can protect the piezoelectric laminate in the Z-axis direction as well.

10,30…積層圧電素子
11…積層圧電体
12,13,32,33…内部電極
21,41…中央内部電極
22,42…第1断面
23,43…第2断面
44…周縁内部電極
45…第3断面
50…圧電振動装置
51…振動板
52…接着層
60…電子機器
61…筐体
62…パネル
10, 30 ... Laminated piezoelectric element 11 ... Laminated piezoelectric body 12, 13, 32, 33 ... Internal electrode 21, 41 ... Central internal electrode 22, 42 ... First cross section 23, 43 ... Second cross section 44 ... Peripheral internal electrode 45 ... Third section 50 ... Piezoelectric vibrating device 51 ... Vibrating plate 52 ... Adhesive layer 60 ... Electronic equipment 61 ... Housing 62 ... Panel

Claims (6)

第1軸方向に対向する一対の主面と、前記第1軸方向に直交し長手方向である第2軸方向に対向する一対の端面と、前記第1軸方向及び前記第2軸方向に直交する第3軸方向に対向する一対の側面とを有する積層圧電体と、
前記積層圧電体の内部に配置され、前記第1軸方向に積層された複数の内部電極と
前記一対の端面を覆い、前記複数の内部電極が前記第1軸方向に沿って交互に引き出された一対の外部電極と
を具備し、
前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の中央部に配置された中央内部電極の前記第3軸方向から見た第1断面は、その全体にわたって前記中央内部電極の前記第2軸方向から見た第2断面よりも大きな起伏を有する
積層圧電素子。
A pair of main surfaces facing in the first axial direction, a pair of end faces orthogonal to the first axial direction and facing the second axial direction in the longitudinal direction, and orthogonal to the first axial direction and the second axial direction. A laminated piezoelectric body having a pair of side surfaces facing each other in the third axis direction,
A plurality of internal electrodes arranged inside the laminated piezoelectric body and laminated in the first axial direction ,
With the pair of external electrodes covering the pair of end faces and having the plurality of internal electrodes drawn out alternately along the first axial direction.
Equipped with
Of the plurality of internal electrodes, the first cross section of the central internal electrode arranged in the central portion of the laminated piezoelectric body as viewed from the third axis direction is the entire area thereof from the second axis direction of the central internal electrode. A laminated piezoelectric element having a larger undulation than the second cross section seen.
請求項1に記載の積層圧電素子であって、
前記第1断面の前記第1軸方向における中央に沿って走行し前記第2軸方向に100μmの長さを有する第1走行線と、前記第1走行線の端点間を結ぶ直線である第1基準線との前記第1軸方向における最大乖離寸法は、前記第2断面の前記第1軸方向における中央に沿って走行し前記第3軸方向に100μmの長さを有する第2走行線と、前記第2走行線の端点間を結ぶ直線である第2基準線との前記第1軸方向における最大乖離寸法よりも大きい
積層圧電素子。
The laminated piezoelectric element according to claim 1.
A first straight line that runs along the center of the first cross section in the first axial direction and connects the first traveling line having a length of 100 μm in the second axial direction and the end points of the first traveling line. The maximum deviation dimension in the first axial direction from the reference line is a second traveling line traveling along the center of the second cross section in the first axial direction and having a length of 100 μm in the third axial direction. A laminated piezoelectric element larger than the maximum deviation dimension in the first axial direction from the second reference line, which is a straight line connecting the end points of the second traveling line.
請求項2に記載の積層圧電素子であって、
前記第1走行線と前記第1基準線との前記最大乖離寸法は、2μm以上である
積層圧電素子。
The laminated piezoelectric element according to claim 2.
A laminated piezoelectric element having a maximum dissociation dimension of 2 μm or more between the first traveling line and the first reference line.
請求項1から3のうちいずれか一項に記載の積層圧電素子であって、
前記複数の内部電極のうち、前記積層圧電体の前記一対の主面のうちの一方の主面に最も近い位置に配置された周縁内部電極の前記第3軸方向から見た第3断面よりも、前記第1断面は大きな起伏を有する
積層圧電素子。
The laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3.
Of the plurality of internal electrodes, the peripheral internal electrodes arranged at positions closest to the main surface of one of the pair of main surfaces of the laminated piezoelectric material, as compared with the third cross section seen from the third axial direction. , The first cross section is a laminated piezoelectric element having large undulations.
請求項1から4のいずれか1項に記載の積層圧電素子と、
前記積層圧電素子に対して前記第1軸方向に対向する振動板と、
前記積層圧電素子と前記振動板との間に配置された接着層と、
を具備する圧電振動装置。
The laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4,
A diaphragm facing the laminated piezoelectric element in the first axial direction,
An adhesive layer arranged between the laminated piezoelectric element and the diaphragm,
A piezoelectric vibration device equipped with.
請求項1から4のいずれか1項に記載の積層圧電素子と、
前記積層圧電素子が前記第1軸方向に対向した状態で接着されたパネルと、
前記パネルを保持する筐体と、
を具備する電子機器。
The laminated piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4,
A panel to which the laminated piezoelectric element is bonded in a state of facing the first axial direction,
The housing that holds the panel and
An electronic device equipped with.
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