JP7388177B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

圧電セラミック材料を含む圧電素体と、圧電素体に配置された一対の電極とを備えた圧電素子が知られている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。一対の電極は、互いに対向して圧電素体に配置され、圧電素体に電界を印加するような構成を有している。

国際公開第２００８／０７８４８７号 国際公開第２０１５／０６０１３２号

本発明の一つの態様は、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する圧電素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する構成について鋭意研究を行った。その結果、本発明者らは、以下の知見を新たに得て、本発明を想到するに至った。

圧電素体には、たとえば、圧電素体に配置される一対の電極を介して電界が印加されて分極処理が施される。分極処理では、圧電素体に含まれる結晶構造内の所定のイオンが移動し、圧電素体内に存在している各ドメインでの分極の向きが揃えられる。たとえば、ペロブスカイト型結晶構造（一般式：ＡＢＯ_Ｘ）では、電界の印加によってＢイオンが移動し、各ドメインでの分極の向きが揃えられる。このとき、所定の位置まで移動したＢイオンの総量が多いほど分極の状態が良好となり、圧電特性が高くなる。各ドメインにおいて、Ｂイオンが上記所定の位置に移動し、分極が所定の方向に揃うことにより好適な分極状態が得られる。
上記所定のイオンの移動しやすさは、圧電素体が当該圧電素体に配置される電極から受ける応力により異なる。たとえば、圧電素体に電界を印加する一対の電極のうち一方の電極から受ける応力が、他方の電極から受ける応力より大きい場合、上記所定のイオンは、一方の電極に向かう方向には移動しがたく、他方の電極に向かう方向には移動しやすい傾向を有する。
以上のことから、圧電素体が一方の電極から受ける応力と、圧電素体が他方の電極から受ける応力とが異なる構成を実現させた上で、分極方向が、一方の電極から他方の電極に向かう方向とされることにより、大きな分極が得られている圧電素子が実現され得る。得られている分極が大きいほど、圧電素子は、大きな変位量を示す。圧電素子では、得られている分極が大きいほど、分極方向とは逆方向に電圧が印加される状況下で使用される場合でも、分極が失われがたく、圧電素子は、高い信頼性を有する。

一つの態様に係る圧電素子は、圧電セラミック材料を含む圧電素体と、互いに対向するように圧電素体に配置されている第一電極及び第二電極と、を備えている。圧電素体が第一電極により受ける応力は、圧電素体が第二電極により受ける応力より大きい。圧電素体の分極方向は、第一電極から第二電極に向かう方向である。

上記一つの態様では、圧電素体が第一電極により受ける応力は、圧電素体が第二電極により受ける応力より大きく、かつ、圧電素体の分極方向は、第一電極から第二電極に向かう方向である。したがって、上記一つの態様は、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する。

上記一つの態様では、第一電極の被覆率は、第二電極の被覆率より大きくてもよい。この場合、圧電素体が第一電極により受ける応力は、圧電素体が第二電極により受ける応力より大きい構成が、簡易かつ確実に実現される。

上記一つの態様では、圧電素体における第一電極及び第二電極が接している面は、焼結面を含んでいてもよい。この場合、圧電素体からのセラミックスの脱粒が抑制され、圧電素体における第一電極及び第二電極の被覆の状態が良好となる。

本発明の一つの態様によれば、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する圧電素子を提供することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、本発明の第二実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。 図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図５の（ａ）及び図５の（ｂ）は、電界と分極との関係を示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第一実施形態）
初めに、図１及び図２を参照して、第一実施形態に係る圧電素子１の構成を説明する。図１は、第一実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。

圧電素子１は、圧電素体３と、圧電素体３に配置された第一電極１０及び第二電極２０とを備えている。第一電極１０及び第二電極２０は、第一方向Ａｘ１に沿って互いに対向している。第一電極１０及び第二電極２０は、圧電素体３に電界を印加するための電極である。圧電素子１は、たとえば、ハードディスク装置といった装置に用いられる。具体的には、圧電素子１は、たとえば、デュアル・アクチュエータ方式のハードディスク装置において、ボイスコイルモータ以外の第二のアクチュエータとして用いられる。

圧電素体３は、圧電セラミック材料を含み、具体的には、たとえば、圧電セラミック材料の焼結体からなる。圧電セラミック材料としては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）といったペロブスカイト型結晶構造（一般式：ＡＢＯ_Ｘ）の酸化物などが挙げられる。

圧電素体３は、略直方体形状を有し、互いに対向している第一主面３ａ及び第二主面３ｂを有する。第一主面３ａ及び第二主面３ｂは、第一方向Ａｘ１に沿って対向しており、圧電素体３の外表面の一部を成している。圧電素体３は、たとえば、複数の圧電体層が積層されて構成されており、たとえば、圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。各圧電体層が積層される方向は、第一方向Ａｘ１に沿うことができる。各圧電体層が互いに重なり合っている層の境界は、たとえば、視認できない程度に一体化されている。圧電素体３は、第一方向Ａｘ１に沿って、たとえば、長さ０．０８ｍｍ程度を有する。

圧電素体３は、互いに対向している第一端面３ｃ及び第二端面３ｄを更に有する。第一端面３ｃと第二端面３ｄとは、第一方向Ａｘ１に交差する第二方向Ａｘ２に沿って対向しており、圧電素体３の外表面の一部を成している。第二方向Ａｘ２は、略直方体形状の圧電素体３において、たとえば、その長手方向である。圧電素体３は、第二方向Ａｘ２に沿って、たとえば、長さ１．１ｍｍ程度を有する。

圧電素体３は、互いに対向している第一側面３ｅ及び第二側面３ｆを更に有する。第一側面３ｅと第二側面３ｆとは、第一方向Ａｘ１及び第二方向Ａｘ２に交差する第三方向Ａｘ３に沿って対向しており、圧電素体３の外表面の一部を成している。第三方向Ａｘ３は、略直方体形状の圧電素体３において、たとえば、その短手方向である。圧電素体３は、第三方向Ａｘ３に沿って、たとえば、長さ０．７５ｍｍ程度を有する。

第一主面３ａ及び第二主面３ｂは、第一端面３ｃと第二端面３ｄとを接続するように、第二方向Ａｘ２に沿って延びている。また、第一主面３ａ及び第二主面３ｂは、第一側面３ｅと第二側面３ｆとを接続するように、第三方向Ａｘ３に沿って延びている。
第一端面３ｃ及び第二端面３ｄは、第一主面３ａと第二主面３ｂとを接続するように、第一方向Ａｘ１に沿って延びている。また、第一端面３ｃ及び第二端面３ｄは、第一側面３ｅと第二側面３ｆとを接続するように、第三方向Ａｘ３に沿って延びている。
第一側面３ｅ及び第二側面３ｆは、第一端面３ｃと第二端面３ｄとを接続するように、第二方向Ａｘ２に沿って延びている。また、第一側面３ｅ及び第二側面３ｆは、第一主面３ａと第二主面３ｂとを接続するように、第一方向Ａｘ１に沿って延びている。

本実施形態では、第一電極１０は、圧電素体３の外表面のうち、第一主面３ａ上に設置された外部電極である。第一電極１０は、第一主面３ａ上において、第一端面３ｃから第二端面３ｄに達するまで延在し、また、第一側面３ｅから第二側面３ｆに達するまで延在している。すなわち、第一電極１０は、第一主面３ａの全体を覆うように設置されることができる。第一電極１０は、第二主面３ｂ上、第一端面３ｃ上、第二端面３ｄ上、第一側面３ｅ上、及び第二側面３ｆ上のいずれにも配置されていない。

第一電極１０は、たとえば、圧電素体３側から順に、Ｃｒ層、Ｎｉ－Ｃｒ合金層、及びＡｕ層が積層された構造、すなわち、Ｃｒ層を下層、Ｎｉ－Ｃｒ合金層を中間層、Ａｕ層を上層としたＣｒ／Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造を有する。この積層構造は、下層にＣｒ層を有することにより、下層にＣｒ層を有しない場合に比べて圧電素体３への応力が大きい。圧電素体３は、第一電極１０の近傍において、電極から受ける応力が比較的大きい部分を有する。本実施形態では、中間層のＮｉ－Ｃｒ合金層は、Ｎｉ－Ｃｕ層であってよく、また、第一電極１０は、その応力が第二電極２０より大きくなるのであれば、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ合金層、Ａｕ層、又はＣｒ層、Ｎｉ層といった同様の金属からなる単層構造を有してもよい。

第一電極１０が積層構造を有する場合、たとえば、Ｃｒ層の厚みは、５０～２００ｎｍであり、Ｎｉ－Ｃｒ合金層の厚みは、２０～４００ｎｍである。また、Ａｕ層の厚みは、たとえば、５０～２００ｎｍである。第一電極１０が単層構造を有する場合、その厚みは、たとえば、１２０～８００ｎｍである。

本実施形態では、第二電極２０は、圧電素体３の外表面のうち、第二主面３ｂ上に設置され外部電極である。第二電極２０は、第二主面３ｂ上において、第一端面３ｃから第二端面３ｄに達するまで延在し、また、第一側面３ｅから第二側面３ｆに達するまで延在している。すなわち、第二電極２０は、第二主面３ｂの全体を覆うように設置されることができる。第二電極２０は、第一主面３ａ、第一端面３ｃ上、第二端面３ｄ上、第一側面３ｅ上、及び第二側面３ｆ上のいずれにも配置されていない。

第二電極２０は、たとえば、圧電素体３側から順に、Ｎｉ－Ｃｒ合金層及びＡｕ層が積層された構造、すなわち、Ｎｉ－Ｃｒ合金層を下層、Ａｕ層を上層としたＮｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造を有する。この積層構造は、下層にＣｒ層を有するＣｒ／Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造に比べて圧電素体３への応力が小さい。圧電素体３は、第二電極２０の近傍において、電極から受ける応力が比較的小さい部分を有する。本実施形態では、中間層のＮｉ－Ｃｒ合金層は、Ｎｉ－Ｃｕ層であってよく、また、第二電極２０は、その応力が第一電極１０より小さくなるのであれば、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ合金層、Ａｕ層、又はＣｒ層、Ｎｉ層といった同様の金属からなる単層構造を有してもよい。

第二電極２０が積層構造を有する場合、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ合金層の厚みは、２０～４００ｎｍであり、Ａｕ層の厚みは、５０～２００ｎｍである。第二電極２０が単層構造を有する場合、その厚みは、たとえば、７０～６００ｎｍである。本実施形態では、圧電素体３が第一電極１０と第二電極２０とによって挟まれた構造を有しているので、たとえば、圧電素体３の変形を抑制することができる。

圧電素子１においては、第一電極１０及び第二電極２０のうち、第一電極１０が比較的硬度の高い材料によって構成される一方で、第二電極２０が比較的硬度の低い材料によって構成されているので、圧電素体３が第一電極１０から受ける応力は、圧電素体３が第二電極２０から受ける応力より大きい。すなわち、圧電素体３に配置される電極の硬度の違いによって、圧電素体３が電極から受ける応力が異なっている。

第一電極１０及び第二電極２０の形成方法としては、たとえば、めっき法が用いられる。めっき法は、スパッタリング法、蒸着法、電解めっき法、又は焼き付け法を含む。本実施形態では、第一電極１０及び第二電極２０は、めっき層である。

圧電素体３における第一電極１０及び第二電極２０が接している面は、焼結面を含んでいてもよい。焼結面は、圧電セラミック材料の焼結体の表面を形成し、自然面と同様の表面構成を有する。自然面とは、焼成により成長した結晶粒の表面により構成される面であり、自然面には凹凸が存在する。本実施形態では、第一主面３ａ及び第二主面３ｂが、焼結面であることができる。圧電素体３が焼結面を含んでよいので、圧電素体３からのセラミックスの脱粒が抑制され、圧電素体３における第一電極１０及び第二電極２０の被覆の状態が良好となる。

本実施形態では、第一電極１０の被覆率は、第二電極２０の被覆率より大きくてもよい。具体的には、第一電極１０の被覆率は、９５～１００であり、第二電極２０の被覆率は、６５～９５である。本実施形態では、圧電素体３が第一電極１０により受ける応力は、圧電素体３が第二電極２０により受ける応力より大きい構成が、簡易かつ確実に実現される。

第一電極１０及び第二電極２０が、共に、同様の材料によって構成される場合には、第一電極１０は、第二電極２０よりも大きな厚さを有することができる。具体的には、スパッタリング法、蒸着法、又は電解めっき法によって形成された場合、第一電極１０の厚さは、１２０～８００ｎｍであり、第二電極２０の厚さは、７０～６００ｎｍである。焼き付け法によって形成された場合、第一電極１０の厚さは、２～７μｍであり、第二電極２０の厚さは、５～１２μｍである。これらの場合、圧電素体３が第一電極１０により受ける応力は、圧電素体３が第二電極２０により受ける応力より大きい構成が、簡易かつ確実に実現される。

第一電極１０と第二電極２０との組み合わせは、圧電素体３に電界を印加するための電極として機能する。したがって、圧電素子１は、圧電素体３に電界を印加するための一対の電極、すなわち、第一電極１０と第二電極２０とを備えている。圧電素子１では、圧電素体３は、第一電極１０と第二電極２０との間に活性領域ＥＡ１を有し、活性領域ＥＡ１は、圧電素子１に印加された電界に応じて変位する。

第二電極２０は、小さな応力を有するので、圧電素体３が第二電極２０により受ける応力は比較的小さい。このため、第二電極２０が圧電素体３の変位を阻害することが抑制されて、第二電極２０近傍での活性領域ＥＡ１の変位量は比較的大きい。一方、第一電極１０は、大きな応力を有するので、圧電素体３が第一電極１０により受ける応力は比較的大きい。このため、第一電極１０は、圧電素体３の変位を阻害し易く、第一電極１０近傍での活性領域ＥＡ１の変位量は小さくなる傾向がある。本実施形態では、圧電素体３が第一電極１０により受ける応力は、圧電素体３が第二電極２０により受ける応力より大きい。

圧電素子１の作製に際しては、活性領域ＥＡ１の分極方向が、第一電極１０から第二電極２０に向かう方向になるように電界が印加される。この方向に電界が印加されるのは、圧電素体３において、たとえば、それに含まれる材料のイオン、たとえば、ペロブスカイト型結晶構造（一般式：ＡＢＯ_Ｘ）では、Ｂサイトのプラスイオンは、第二電極２０から第一電極１０に向かうよりも、第一電極１０から第二電極２０に向かう方が動きやすいからである。

分極処理は、たとえば、常温下で行なわれる。分極処理は、常温のほか、たとえば、８０℃から１５０℃程度に加熱して行なわれてもよい。加熱して分極処理を行う場合には、分極電界を印加状態からゼロにするときに、圧電素体３の温度が常温の状態になっていることが好ましい。エージングによる分極の劣化、圧電素子１の駆動による分極の劣化をより効果的に抑制するためである。圧電素子１の駆動に際しては、第一電極１０を正極とし、第二電極２０を負極として電界が印加される。

以上説明したように、本実施形態では、圧電素体３は、第一電極１０と第二電極２０との間に位置する領域を有する。この領域は、第一電極１０から応力を受ける第一部分と、第二電極２０から応力を受ける第二部分とを有する。第一部分が受ける応力は、第二部分が受ける応力より大きい。したがって、本実施形態は、圧電素体３が、第一部分及び第二部分を有する、すなわち、第一電極１０及び第二電極２０から受ける応力が互いに異なる部分を有する構成を実現する。
圧電素体３の分極方向は、第一電極１０から第二電極２０に向かう方向である。したがって、本実施形態は、分極方向が、第一部分から第二部分に向かう方向、すなわち、第一電極１０から応力を受ける部分から、第二電極２０から応力を受ける部分に向かう方向とされている構成を実現する。これらの結果、本実施形態では、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する。

（第二実施形態）
次に、図３及び図４を参照して、第二実施形態に係る圧電素子１ｐの構成を説明する。図３は、第二実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。

圧電素子１ｐは、圧電素体５と、圧電素体５に配置された第一電極３０及び第二電極４０とを備えている。第一電極３０及び第二電極４０は、圧電素体５に電界を印加するための電極である。圧電素体５は、第一実施形態と同様に、圧電セラミック材料を含み、例えば、セラミック材料の焼結体からなる。

圧電素体５は、第一実施形態と同様に、略直方体形状を有し、第一主面５ａ及び第二主面５ｂと、第一端面５ｃ及び第二端面５ｄと、及び第一側面５ｅ及び第二側面５ｆとを有する。これらの面は、圧電素体５の外表面を成している。

第一主面５ａ及び第二主面５ｂは、第一方向Ｂｘ１に沿って対向しており、圧電素体５は、たとえば、第一実施形態と同様に複数の圧電体層が積層されて構成されている。圧電素体５は、第一方向Ｂｘ１に沿って、たとえば、長さ０．１ｍｍ程度を有する。
第一端面５ｃと第二端面５ｄとは、第一方向Ｂｘ１に交差する第二方向Ｂｘ２に沿って対向しており、第二方向Ｂｘ２は、略直方体形状の圧電素体５において、たとえば、その長手方向である。圧電素体５は、第二方向Ｂｘ２に沿って、たとえば、長さ１．１ｍｍ程度を有する。
第一側面５ｅと第二側面５ｆとは、第一方向Ｂｘ１及び第二方向Ｂｘ２に交差する第三方向Ｂｘ３に沿って対向しており、第三方向Ｂｘ３は、略直方体形状の圧電素体５において、たとえば、その短手方向である。圧電素体５は、第三方向Ｂｘ３に沿って、たとえば、長さ０．７５ｍｍ程度を有する。

第一電極３０は、圧電素体５の外表面上に形成される外部電極であり、第一実施形態の第一電極１０と同様の層構造と厚さを有し、同様の製法により形成されることができる。第一電極３０は、第一電極部分３１と、第二電極部分３２と、第三電極部分３３とを有する。第一電極部分３１は、第一主面５ａ上に配置され、第二電極部分３２は、第二端面５ｄ上に配置されている。第三電極部分３３は、第二主面５ｂ上に配置されている。第一電極部分３１及び第三電極部分３３は、第一方向Ｂｘ１において、互いに対向している。第一電極部分３１、第二電極部分３２及び第三電極部分３３は、圧電素体５の外表面上において一体的に形成されている。第一電極部分３１と第二電極部分３２とは、第一主面５ａと第二端面５ｄとが成す稜部６ａにおいて、互いに連結され、第二電極部分３２と第三電極部分３３とは、第二端面５ｄと第二主面５ｂとが成す稜部６ｂにおいて、互いに連結されている。

第一電極部分３１は、第一主面５ａ上において、第一側面５ｅから第二側面５ｆに達するまで延在している。第一電極部分３１は、第一主面５ａ上において、第二端面５ｄから第一端面５ｃに向かって延在し、第一端面５ｃとは離間している。第一電極部分３１は、第一端面５ｃ側に電極端部３１ｃを有し、電極端部３１ｃは、第一端面５ｃとの間に間隔Ｓ３１を成している。間隔Ｓ３１は、たとえば、１０～１００μｍである。間隔Ｓ３１がこの範囲にあるとき、第一電極３０と第二電極４０との短絡を防ぐことができ、また、圧電素体５からのセラミックスの脱粒を効果的に抑制することができる。第二電極部分３２は、第二端面５ｄの全体を覆うように配置されている。

第三電極部分３３は、第二主面５ｂ上において、第一側面５ｅから第二側面５ｆに達するまで延在している。第三電極部分３３は、第二主面５ｂ上において、第二端面５ｄから第一端面５ｃに向かって延在し、第一端面５ｃとは離間している。第三電極部分３３は、第一端面５ｃ側に電極端部３３ｃを有し、電極端部３３ｃは、第一端面５ｃとの間に間隔Ｓ３３を成している。間隔Ｓ３３は、たとえば、１０～１００μｍである。間隔Ｓ３３がこの範囲にあるとき、第一電極３０と第二電極４０との短絡を防ぐことができ、また、圧電素体５からのセラミックスの脱粒を効果的に抑制することができる。第一電極３０は、第一端面５ｃ上、第一側面５ｅ上及び第二側面５ｆ上のいずれにも配置されていない。

圧電素体５における第一電極１０が接している面は、焼結面を含んでいてもよい。本実施形態では、第一主面５ａ及び第二主面５ｂが、焼結面であることができて、第一電極１０の第一電極部分３１は、焼結面である第一主面５ａに接することができる。第三電極部分３３は、焼結面である第二主面５ｂに接することができる。

第二電極４０は、内部電極４１を有する。本実施形態では、圧電素子１ｐは、圧電素体５内に配置される内部電極として、内部電極４１のみを有する。内部電極４１は、第一方向Ｂｘ１において、第一電極３０の第一電極部分３１及び第三電極部分３３と対向するように、圧電素体５内に形成されている。内部電極４１と第一電極部分３１との距離は、第一方向Ｂｘ１に沿って、たとえば、２０～１００μｍである。内部電極４１と第三電極部分３３との距離は、第一方向Ｂｘ１に沿って、たとえば、２０～１００μｍである。内部電極４１の形状は、第一方向Ｂｘ１に沿った方向から見て、たとえば、略矩形である。

内部電極４１は、第二方向Ｂｘ２に沿って、第一端面５ｃから第二端面５ｄに向かって圧電素体５内で延在する。内部電極４１は、第一端面５ｃに露出していると共に、第二方向Ｂｘ２において、第二端面５ｄから離間している。内部電極４１は、第二方向Ｂｘ２において互いに対向する一対の電極端面４１ｃ及び電極端面４１ｄを有し、電極端面４１ｃは、圧電素体５の第一端面５ｃに露出する一方で、電極端面４１ｄは、圧電素体５の第二端面５ｄに露出していない。

間隔Ｓ４１は、電極端面４１ｄと第二端面５ｄとの間隔であり、たとえば、１０～１００μｍである。圧電素子１ｐは、間隔Ｓ４１を有することにより、内部電極４１と第一電極３０との短絡を防ぐことができ、また、圧電素子１ｐにおける分極処理時に生じる歪や駆動時に生じる変位のバランスを良好にとることができる。

内部電極４１は、第三方向Ｂｘ３に沿って、圧電素体５内で延在し、互いに対向する一対の電極側面４１ｅ及び電極側面４１ｆを有する。本実施形態では、電極側面４１ｅは、圧電素体５の第一側面５ｅに露出し、電極側面４１ｆは、圧電素体５の第二側面５ｆに露出している。

圧電素子１ｐでは、内部電極４１は、たとえば、圧電素体５との同時焼成によって作製され、たとえば、Ａｇ－Ｐｄ合金からなり、Ａｇ及びＰｄからなる粒子を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。このＡｇ－Ｐｄ合金電極において、Ａｇ及びＰｄの割合は、例えば、Ａｇ：Ｐｄ＝７：３である。内部電極４１の材料としては、Ａｇ－Ｐｄ合金のほか、たとえば、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びこれらの合金といった導電性材料が挙げられる。内部電極４１は、これらの導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されてもよい。内部電極４１の厚みは、たとえば、０．２～３μｍである。

圧電素体５における第二電極４０が接している面は、焼結面を含んでいてもよい。内部電極４１は、たとえば、圧電素体５との同時焼成によって作製されるので、内部電極４１と接している圧電素体５の面は、焼結面であることができる。

第二電極４０は、外部電極４２を更に有する。外部電極４２は、圧電素体５の外表面である第一端面５ｃの全体を覆うように配置されている。外部電極４２は、第一端面５ｃに露出する内部電極４１の電極端面４１ｃをすべて覆うように配置されている。内部電極４１は、第一端面５ｃにおいて、外部電極４２に連結され、内部電極４１は、外部電極４２に電気的に接続される。外部電極４２は、第二方向Ｂｘ２に沿って、第一電極３０の第二電極部分３２に対向している。外部電極４２は、第一主面５ａ上、第二主面５ｂ上、第二端面５ｄ上、第一側面５ｅ上、及び第二側面５ｆ上のいずれにも配置されていない。

外部電極４２は、たとえば、圧電素体５側から順に、Ｎｉ－Ｃｒ合金層及びＡｕ層が積層された構造、すなわち、Ｎｉ－Ｃｒ合金層を下層とし、Ａｕ層を上層としたＮｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造を有する。外部電極４２は、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ合金層、Ａｕ層、又はＣｒ層、Ｎｉ層といった同様の金属からなる単層構造を有してもよい。外部電極４２の形成方法としては、たとえば、めっき法が用いられる。めっき法は、スパッタリング法、蒸着法、又は電解めっき法を含む。本実施形態では、外部電極４２は、めっき層である。

外部電極４２が積層構造を有する場合、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ合金層の厚みは、２０～４００ｎｍであり、Ａｕ層の厚みは、５０～２００ｎｍである。外部電極４２が単層構造を有する場合、たとえば、外部電極４２の厚みは、７０～６００ｎｍである。本実施形態では、圧電素体５が第一電極３０と外部電極４２とによって挟まれた構造を有しているので、たとえば、圧電素体５の変形を抑制することができる。

第一電極３０と第二電極４０の内部電極４１との組み合わせは、圧電素体５に電界を印加するための電極として機能する。したがって、圧電素子１ｐは、圧電素体５に電界を印加するための一対の電極、すなわち、第一電極３０と内部電極４１とを備えている。

圧電素子１ｐでは、圧電素体５は、第一電極３０と内部電極４１との間に活性領域を有し、活性領域は、圧電素子１ｐに印加された電界に応じて変位する。本実施形態では、特に、第一電極３０の第一電極部分３１と内部電極４１と間に活性領域ＥＢ１、及び第一電極３０の第三電極部分３３と内部電極４１と間に活性領域ＥＢ２が含まれる。活性領域ＥＢ１と活性領域ＥＢ２とは、第一方向Ｂｘ１に沿って、一つの内部電極４１の両側に位置している。

第二電極４０では、内部電極４１は、たとえば、Ａｇ－Ｐｄ合金などにより構成されるので、その硬度は低く、また、内部電極４１は、圧電素体５と同時焼成されるので、圧電素体５が内部電極４１により受ける応力は比較的小さい。圧電素体５は、第二電極４０の近傍において、電極から受ける応力が小さい部分を有する。このため、内部電極４１が圧電素体５の変位を阻害することが抑制されて、内部電極４１近傍での活性領域ＥＡ１の変位量は比較的大きい。一方、第一電極３０は、たとえば、Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造によって構成されるので、その硬度は高く、また、第一電極３０は、焼成後のめっき法などによって金属層を形成することにより得られるので、圧電素体５が第一電極３０により受ける応力は比較的大きい。圧電素体３は、第一電極３０の近傍において、電極から受ける応力が大きい部分を有する。このため、第一電極３０は、圧電素体５の変位を阻害し易く、第一電極３０近傍での活性領域ＥＡ１の変位量は小さくなる傾向がある。本実施形態では、圧電素体５が第一電極３０により受ける応力は、圧電素体５が内部電極４１により受ける応力より大きい。本実施形態では、内部電極４１は、焼結金属層である。

圧電素子１ｐの作製に際しては、活性領域ＥＡ１の分極方向が、第一電極３０から内部電極４１に向かう方向になるように電界が印加される。より具体的には、活性領域ＥＢ１の分極方向が、第一電極３０の第一電極部分３１から内部電極４１に向かう方向になるように電界が印加され、活性領域ＥＢ２の分極方向が、第一電極３０の第三電極部分３３から内部電極４１に向かう方向になるように電界が印加される。この方向に電界が印加されるのは、圧電素体５において、たとえば、それに含まれる材料のイオン、たとえば、ペロブスカイト型結晶構造（一般式：ＡＢＯ_Ｘ）では、Ｂサイトのプラスイオンは、内部電極４１から第一電極３０に向かうよりも、第一電極３０から内部電極４１に向かう方が動きやすいからである。分極処理は、たとえば、常温下で行なわれる。

以上説明したように、本実施形態では、圧電素体５は、第一電極３０と、第二電極４０の内部電極４１との間に位置する領域を有する。この領域は、第一電極３０から応力を受ける第一部分と、内部電極４１から応力を受ける第二部分とを有する。第一部分が受ける応力は、第二部分が受ける応力より大きい。したがって、本実施形態は、圧電素体５が、第一部分及び第二部分を有する、すなわち、第一電極３０及び第二電極４０から受ける応力が互いに異なる部分を有する構成を実現する。
圧電素体５の分極方向は、第一電極３０から第二電極４０の内部電極４１に向かう方向である。したがって、本実施形態は、分極方向が、第一部分から第二部分に向かう方向、すなわち、第一電極３０から応力を受ける部分から、内部電極４１から応力を受ける部分に向かう方向とされている構成を実現する。これらの結果、本実施形態では、大きな変位量を示すとともに、高い信頼性を有する。

圧電素子１ｐでは、第二電極４０の内部電極４１は、たとえば、圧電素体５との同時焼成によって作製されるので、内部電極４１にも焼結反応が起こる。焼結反応による焼結金属層として構成される内部電極４１は、金属材料が焼結する過程で、金属材料同士が互いに引き合うために、複数の孔が形成される傾向にある。したがって、圧電素体５において、内部電極４１によって被覆されていない部分がランダムに発生し、内部電極４１の被覆率が低くなる傾向がある。一方、第一電極３０は、焼成後のめっき法などで形成されるので、緻密であり、孔などが形成されがたい傾向にある。このため、圧電素体５の第一電極３０が設置される領域によって被覆されていない部分は生じ難く、第一電極３０の被覆率が高くなる傾向がある。

本実施形態では、第一電極３０の被覆率は、第二電極４０の内部電極４１の被覆率より大きい。具体的には、第一電極３０の被覆率は、９５～１００であり、内部電極４１の被覆率は、６０～９５である。本実施形態では、圧電素体５が第一電極３０により受ける応力は、圧電素体５が内部電極４１により受ける応力より大きい構成が、簡易かつ確実に実現される。したがって、圧電素子１ｐにおいては、第一電極３０と、第二電極４０の内部電極４１との材質及び作製法の違いにより、圧電素体５が電極から受ける応力が異なっている。すなわち、めっき層として構成される第一電極３０から圧電素体５が受ける応力は、焼結金属層として構成される内部電極４１から圧電素体が受ける応力より大きくなっている。

圧電素体５における第一電極３０及び第二電極４０が接している面は、焼結面を含んでいてもよいので、圧電素体５からのセラミックスの脱粒が抑制され、圧電素体５における第一電極３０及び第二電極４０の被覆の状態が良好となる。

以下、本発明の実施例及び比較例により、第一実施形態の圧電素子１について更に説明する。本発明は、下記例に制限されない。

（実施例１）
（圧電素子の作製）
実施例１に係る圧電素子の作製においては、初めに、圧電セラミック材料として、ＰＺＴを用いてグリーンを作製した。続いて、グリーンを焼成し、圧電基板を作製した。圧電基板の厚さは、０．０８ｍｍであった。

続いて、圧電基板の一の面（第二主面３ｂのための面）に対して、スパッタリング法により、Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造のための積層電極膜を形成した。具体的には、Ｎｉ－Ｃｒ合金からなる下層用電極膜を形成し、この電極膜の上に、Ａｕからなる上層用電極膜を形成した。下層用電極膜の厚さは、３００ｎｍ程度であり、上層用電極膜の厚さは、１００ｎｍ程度であった。この一の面上に形成された積層電極膜は、第二電極のための積層電極膜である。

続いて、圧電基板の他の面（第一主面３ａのための面）に対して、スパッタリング法により、Ｃｒ／Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造のための積層電極膜を形成した。具体的には、Ｃｒからなる下層用電極膜を形成し、この電極膜の上に、Ｎｉ－Ｃｒ合金からなる中間層用電極膜を形成した。次に、中間層用電極膜の上に、Ａｕからなる上層用電極膜を形成した。下層用電極膜の厚さは、１００ｎｍ程度であり、中間層用電極膜の厚さは、３００ｎｍ程度であった。上層用電極膜の厚さは、１００ｎｍ程度であった。この他の面上に形成された積層電極膜は、第一電極のための積層電極膜である。

積層電極膜の形成後、分極処理を行った。分極処理においては、第一電極のための積層電極膜を正極とし、第二電極のための積層電極膜を負極として電界を印加した。分極処理は、常温で行った。分極処理の後、圧電基板を切断し、個々の圧電素子を形成した。圧電素子は、概ね１．１ｍｍ×０．７５ｍｍ×０．０８ｍｍのサイズを有した。

（素子特性の評価）
本実施例で作製した圧電素子に対して、交流電界（Ｖ［ｋＶ／ｍｍ］）を印加し、分極（Ｐ［μＣ／ｃｍ^２］）の大きさを測定した。分極測定では、第一電極を正極とし、第二電極を負極として電界を印加した。室温下で測定した。

測定結果を図５の（ａ）に示す。図５の（ａ）は、実施例１に係る電界と分極との関係を示す線図（ヒステリシスループ）であり、分極測定を行った結果である。本実施例では、大きな分極が得られると共に、ヒステリシスループは、測定した全ての圧電素子においてほぼ同一であった。

（信頼性の評価）
本実施例で作製した１０個の圧電素子に対して、信頼性評価として１５０℃の環境下において、５００Ｈｚの矩形波によって電圧±３０Ｖを印加する駆動試験を行った。駆動試験では、第一電極を正極とし、第二電極を負極として電界を印加した。駆動試験を５００時間行った後に圧電特性の変化を調べた結果、本実施例の全素子において、駆動試験前後の圧電特性の変化量は２％～３％程度であった。

（比較例１）
（圧電素子の作製）
比較例１では、第一電極のための積層電極膜を形成する条件を除いて、実施例１と同様に圧電素子を作製した。本比較例では、第一電極のための積層電極膜は、第二電極のための積層電極膜と同じ材料、層構造及び厚さとを有する電極膜とした。第二電極のための積層電極膜は、Ｎｉ－Ｃｒ／Ａｕ積層構造の電極膜であった。

（素子特性の評価）
本比較例で作製した圧電素子に対して、実施例１と同様に、交流電界（Ｖ［ｋＶ／ｍｍ］）を印加し、分極（Ｐ［μＣ／ｃｍ^２］）を測定した。測定では、第一電極を正極とし、第二電極を負極として電界を印加した。室温下で測定した。

測定結果を図５の（ｂ）に示す。図５の（ｂ）は、比較例１に係る電界と分極との関係を示す線図であり、分極測定を行った結果である。本比較例では、全ての圧電素子の約９７％の素子において、図５の（ａ）に示される実施例１の結果と同様の結果が得られたが、残り約３％の素子においては、図５の（ｂ）に示されるような圧電特性が見られた。すなわち、本比較例では、全ての圧電素子の約３％の素子において、実施例１のような大きな分極は得られなかった。

（信頼性の評価）
本比較例で作製した１０個の圧電素子に対して、実施例１と同様に、信頼性評価のための試験を行った。本比較例でも、第一電極を正極とし、第二電極を負極として電界を印加した。駆動試験を５００時間行った後、本比較例の全素子において、それらの圧電特性が駆動試験前に比べて１０％～１５％低下した。

１…圧電素子、１ｐ…圧電素子、３…圧電素体、５…圧電素体、１０…第一電極、２０…第二電極、３０…第一電極、４０…第二電極。

Claims (3)

1. 圧電セラミック材料を含む圧電素体と、
   互いに対向するように前記圧電素体に配置されている第一電極及び第二電極と、
   を備え、
   前記圧電素体が前記第一電極により受ける応力は、前記圧電素体が前記第二電極により受ける応力より大きく、
   前記圧電素体の分極方向は、前記第一電極から前記第二電極に向かう方向である、圧電素子。
2. 前記第一電極の被覆率は、前記第二電極の被覆率より大きい、請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記圧電素子における前記第一電極及び前記第二電極が接している面は、焼結面を含んでいる、請求項１又は２に記載の圧電素子。

Images