JP2015012007A - 圧電素子および圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電界が応力緩和層先端部に集中せず、応力緩和層の先端を起点とする破壊を防止できる圧電素子および圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電層１１０と内部電極１２０とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子１００であって、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層１４０を備え、応力緩和層１４０は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれ、応力緩和層１４０の直近２つの内部電極のうちの一方１２０ａは、電圧印加時に応力緩和層１４０に電界がかからない位置に設けられている。これにより、内部電極間には応力緩和層１４０が形成されないため、電界が応力緩和層１４０の先端部１４５に集中せず、応力緩和層１４０の先端を起点とする破壊を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子および圧電アクチュエータに関する。

近年、変位に対し電圧を印加しても変位しない不活性な部分に発生する応力を緩和するために応力緩和層が設けられた圧電素子が開発されている。応力緩和層は、内部電極と同一面上で内部電極の周囲を囲うように配置されている（例えば、特許文献１、２）。

この場合、応力緩和層は内部電極端までしか形成できないが、内部電極層と異なる層に応力緩和層を形成すれば圧電的に活性な層内側まで形成することができ、さらに応力を緩和することができる。

特許第２９９４４９２号公報 特許第２９５１１２９号公報

しかしながら、図６に示すように内部電極８２０、８３０間に応力緩和層８４０が形成された圧電素子８００では、応力緩和層８４０部分は誘電率が低いために圧電層８１５にかかる電界が応力緩和層８４０の先端部８４５に集中し、応力緩和層８４０の先端を基点に破壊することがある（図中、応力緩和層と積層方向同位置にある内部電極間に生じる電界領域をドットパターンで示す（以下、同様））。一方、このような電界の集中を避けるために、図７に示すように応力緩和層９４０を挟む内部電極９２０、９３０の電位を等しくした圧電素子９００では、その圧電層９１５のみ電圧が印加されても変位しない非活性層となり、電界に垂直方向（図の左右方向）に縮まないため、周囲を拘束し、圧電素子９００の変位を阻害してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電界が応力緩和層先端部に集中せず、応力緩和層の先端を起点とする破壊を防止できる圧電素子および圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、前記応力緩和層は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれ、前記応力緩和層の直近２つの内部電極のうちの一方は、電圧印加時に前記応力緩和層に電界がかからない位置に設けられていることを特徴としている。

これにより、内部電極間には応力緩和層が形成されないため、電界が応力緩和層先端部に集中せず、応力緩和層の先端を起点とする破壊を防止できる。なお、内部電極間隔に比べて素子幅は大きくできるため、電界に垂直方向の変位はほかの層とほとんど変わらず、周囲への拘束を小さくすることができる。

（２）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層の直近４つの内部電極のうちの１つが、前記応力緩和層と同じ積層方向位置に存在する特定の圧電層に対して、前記特定の圧電層に隣接する圧電層にかかる電界領域が対称になる位置に設けられていることを特徴としている。これにより、応力緩和層先端部にかかる応力のバランスが保たれ、破壊の起点になることを防止できる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子を直列に接着し、前記圧電素子の内部電極に接続された外部電極をリード線で接続して構成されることを特徴としている。これにより、応力緩和層が破壊の起点にならない圧電アクチュエータを提供できる。

本発明によれば、内部電極間には応力緩和層が形成されないため、電界が応力緩和層先端部に集中せず、応力緩和層の先端を起点とする破壊を防止できる。

本発明の圧電素子を示す斜視図および平断面図である。 第１の実施形態の圧電素子を示す側断面図である。 第２の実施形態の圧電素子を示す側断面図である。 各圧電素子の故障確率をワイブルプロットしたグラフである。 各圧電素子の平均故障回数およびワイブル係数を示す表である。 従来の圧電素子を示す側断面図である。 従来の圧電素子を示す側断面図である。

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

［第１の実施形態］
（圧電素子の構成）
図１は、圧電素子１００を示す斜視図および平断面図である。図２は、圧電素子１００を示す側断面図である。圧電素子１００は、圧電層１１０と内部電極１２０、１３０とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。圧電素子１００は、駆動による応力を緩和するための応力緩和層１４０を有している。応力緩和層１４０は、圧電層の何層かに１箇所の割合で形成されており、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成されている。応力緩和層１４０は、２４層の圧電層に１層の割合以上、２層の圧電層に１層の割合以下であることが好ましい。２４層の圧電層に１層の割合以上１０層の圧電層に１層の割合以下であればさらに好ましい。

図２に示すように、応力緩和層１４０は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれる。すなわち、応力緩和層１４０の先端部１４５は、図２の境界Ａの内部側に入っている。活性領域は、全内部電極１２０、１３０の積層方向への投影により形成される領域（図２の境界Ａより内部側）であり、異なる電位の内部電極が積層方向に重なり合う領域に一致する。

また、応力緩和層１４０の直近２つの内部電極１２０ａ、１３０ａのうちの一方である内部電極１２０ａは、先端が他の同じ電位が印加される内部電極１２０より少し内側になるように形成され、電圧印加時に応力緩和層１４０に電界がかからない位置に設けられている。２つの内部電極１２０ａ、１３０ａの間で電界がかかる部分（図中のドットパターン）は、境界Ｂの内部側であり、応力緩和層１４０の先端部１４５は、電界がかかる部分に含まれていない。このように、応力緩和層１４０の先端部１４５が図中の境界Ａと境界Ｂとの間に入ることが本発明の特徴となっている。

このような内部電極１２０、１３０、１２０ａと応力緩和層１４０の配置により、応力緩和層１４０の機能を維持しつつ、電界が応力緩和層の先端部１４５に集中するのを防止し、応力緩和層の先端部１４５を起点とする破壊を防止できる。なお、内部電極１２０ａ、１３０ａの間隔に比べて素子幅は大きくできるため、局所的に内部電極１２０ａを上記のような設計にしても電界に垂直方向の変位は他の圧電層とほとんど変わらず、周囲への拘束を小さくすることができる。

（圧電素子の作製方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、ＰＺＴ等の圧電体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。

圧電体のグリーンシートを準備し、図１の断面位置に相当する各グリーンシートに対して、内部電極用および応力緩和層用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。その際には、応力緩和層は、内部電極の何層かに１箇所の割合になるように設計する。また、内部電極用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。

その際には、応力緩和層の直近２つの内部電極のうちの一方の先端が他の同じ電位が印加される内部電極の先端より少し内側になるように形成する。応力緩和層の直近４つの内部電極のうちの１つが、応力緩和層と同じ積層方向位置に存在する特定の圧電層に対して、特定の圧電層に隣接する圧電層にかかる電界領域が対称になる位置に設けるとさらに好ましい。

応力緩和層用として非焼結材料（チタン酸鉛等）のペーストを塗布する。非焼結材料は、圧電素子の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。例えば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで応力緩和層を形成するものが含まれる。

次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。

このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、非焼結材料は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層１４０が形成される。そして、焼結体を適宜加工し、圧電素子１００を作製できる。

（圧電アクチュエータ）
上記のような圧電素子を用いて圧電アクチュエータを構成できる。圧電アクチュエータは、圧電素子を直列に接着し、圧電素子の内部電極に接続された外部電極をリード線で接続して構成される。これにより、応力緩和層が破壊の起点にならない圧電アクチュエータを提供できる。

例えば、複数の圧電素子を積層方向に接着して多連化し、多連化された圧電素子に分極処理を行い、キャップを被せることで圧電素子が多連化されたポジショナ用アクチュエータを作製できる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、圧電層１１５に隣接する両側の圧電層にかかる電界のバランスまでは考慮していないが、そこまで考慮して設計することもできる。図３は、圧電素子２００を示す側断面図である。応力緩和層２４０の直近４つの内部電極２３０ａ、２２０ａ、２３０ｂ、２２０ｂのうちの１つである内部電極２２０ｂは、応力緩和層１４０と同じ積層方向位置に存在する特定の圧電層２１５に対して、特定の圧電層２１５に隣接する圧電層２１６、２１７にかかる電界領域が対称になる位置に設けられている。

言い換えると、同じ電位が印加される内部電極２２０ａの先端位置と内部電極２２０ｂの先端位置とが一致しており、３つの圧電層２１５、２１６、２１７の電界がかかる領域の大きさが同じになっている（図中の境界Ｂの内側）。これにより、応力緩和層２４０の先端部２４５にかかる応力のバランスが保たれ、破壊の起点になるのを防止できる。

［実施例、比較例］
図２、図３に示す形態の圧電素子をそれぞれ実施例１、２として作製した。また、図６、図７に示す形態の圧電素子をそれぞれ比較例１、２として作製した。６×６×１０ｍｍの寸法で内部電極１２０層、応力緩和層１１層の圧電素子を実施例１、２、比較例１、２として作製した。

作製した圧電素子に同じ電圧を印加したところ、比較例１の変位は約１１μｍ、比較例２の変位は約１０μｍであった。一方、実施例１、２の変位は、約１１μｍとなり、これらに対して比較例１の変位の優位差は無かった。

また、各圧電素子を５Ｈｚで０−１５０Ｖの矩形波で駆動した。図４は、各圧電素子の故障確率をワイブルプロットしたグラフである。図５は、各圧電素子の平均故障回数およびワイブル係数を示す表である。比較例１では平均故障回数が２２．１百万回、比較例２では４５．２百万回であった。比較例１の故障箇所は５／１０が応力緩和層の先端部で残りはそれ以外の場所であった。比較例２では応力緩和層端部の故障は見られなかった。

また、実施例１の平均故障回数は４９．９百万回、実施例２の平均故障回数は５４．１百万回となり、いずれも比較例１、２に比べて故障し難いが、実施例１より実施例２の方がさらに故障し難いことが分かった。なお、実施例１、２のいずれも応力緩和層の先端を起点とした破壊は見られなかった。

１００ 圧電素子
１１０、１１５ 圧電層
１２０、１３０ 内部電極
１２０ａ、１３０ａ 応力緩和層に直近の２つの内部電極
１４０ 応力緩和層
１４５ 応力緩和層の先端部
２００ 圧電素子
２１５、２１６、２１７ 圧電層
２２０ａ、２２０ｂ、２３０ａ、２３０ｂ 応力緩和層に直近の４つの内部電極
２４０ 応力緩和層
２４５ 応力緩和層の先端部
Ａ 活性領域の境界
Ｂ 電界がかかる領域の境界

Claims (3)

1. 圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、
   積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、
   前記応力緩和層は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれ、
   前記応力緩和層の直近２つの内部電極のうちの一方は、電圧印加時に前記応力緩和層に電界がかからない位置に設けられていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記応力緩和層の直近４つの内部電極のうちの１つは、前記応力緩和層と同じ積層方向位置に存在する特定の圧電層に対して、前記特定の圧電層に隣接する圧電層にかかる電界領域が対称になる位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 請求項１または請求項２記載の圧電素子を直列に接着し、前記圧電素子の内部電極に接続された外部電極をリード線で接続して構成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
   

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