JP4940550B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

この種の圧電素子として、圧電体層と、当該圧電体層を挟むように配置される一対の電極とを含む積層体を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２６８３２５号公報

本発明は、圧電体層の変位を効率的に伝えることが可能な圧電素子を提供することを課題とする。

本発明者等は、圧電体層の変位を効率的に伝達し得る圧電素子について鋭意研究を行った。その結果、本発明者等は、特に、圧電体層の変位を伝達する変位伝達層の厚みに応じて、上記変位の伝達効率が変化するという新たな事実を見出すに至った。

かかる研究結果を踏まえ、本発明に係る圧電素子は、圧電体層と、当該圧電体層を挟むように配置される一対の電極とを含む積層体を備えた圧電素子であって、積層体は、圧電体層の変位を伝達する変位伝達層を有しており、変位伝達層の厚みは、圧電体層の厚みよりも薄く設定されていることを特徴とする。

本発明に係る圧電素子では、変位伝達層の厚みが圧電体層の厚みよりも薄く設定されているので、圧電体層の変位を効率的に伝えることができる。

また、変位伝達層は、積層体における積層方向での一方の端面を構成することが好ましい。

本発明によれば、圧電体層の変位を効率的に伝えることが可能な圧電素子を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る圧電素子の好適な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。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図１あるいは図７の上下方向に対応したものである。

まず、図１〜図７に基づいて、本実施形態に係る圧電素子の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子を示す分解斜視図である。図２は、図１に示された圧電素子における、個別電極が形成された圧電体層を示す模式図である。図３及び図４は、図１に示された圧電素子における、コモン電極が形成された圧電体層を示す模式図である。図５は、図１に示された圧電素子における、外部電極が形成された圧電体層を示す模式図である。図６は、図１に示された圧電素子における、個別電極及びコモン電極を示す模式図である。図７は、本実施形態に係る圧電素子の断面構成を示す模式図である。

圧電素子ＰＥは、直方体形状の積層体１を備えており、いわゆる積層型圧電素子である。積層体１は、図１に示されるように、圧電体層３と圧電体層５とを４枚ずつ交互に積層し、さらに、圧電体層７と圧電体層９とで上下から挟み込むようにして構成されている。圧電体層３には、個別電極２が形成されている。圧電体層５には、コモン電極４が形成されている。圧電体層７には、外部電極１７，１８が形成されている。圧電体層９には、コモン電極１９が形成されている。圧電体層９は、積層体１における積層方向（以下、「積層体１における積層方向」を単に「積層方向」と称する）での一方の端面を構成する。圧電体層７は、積層方向での他方の端面を構成する。

各圧電体層３，５，７，９は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とし且つ粉体密度が８０００ｋｇ／ｍ^３の圧電性セラミック材料からなり、「１０ｍｍ×３０ｍｍ，厚さ３０μｍ」の長方形薄板状に形成されている。個別電極２、コモン電極４，１９、及び外部電極１７，１８は、銀及びパラジウムを主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。これは、以下に述べる各電極についても同様である。

圧電体層９の厚みは、圧電体層３，５，７の厚みよりも薄く設定されている。圧電体層９は、焼成により、圧電体層３，５，７と一体に形成されている。

最上層の圧電体層７から数えて３層目、５層目、７層目、９層目の各圧電体層３の上面には、図２に示されるように、多数の個別電極２がマトリックス状に配置されている。各個別電極２は、互いに所定の間隔を有して配置されることで、電気的な独立が達成され、且つ互いの振動による影響が防止されている。ここで、圧電体層３の長手方向を行方向、当該長手方向と直交する方向を列方向とすると、個別電極２は、例えば２行７５列というように配置されている（明瞭化のため図面では２行２０列とする）。

このように多数の個別電極２をマトリックス状に配置することで、多数の個別電極２を圧電体層３に効率の良く配置することができる。この結果、圧電体層３において振動に寄与する活性部（圧電体層において圧電効果により歪が生じる部分）の面積を維持しつつ、圧電素子ＰＥの小型化或いは個別電極２の高集積化を図ることができる。

上述の個別電極２は、長方形状に形成され、その長手方向が圧電体層３の長手方向と直交するように配置されている。各個別電極２は、その外方側端部の直下において圧電体層３に形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続されている（最も下側（９層目）の圧電体層３を除く）。

圧電体層３の上面における長手方向の縁部には、上下に位置する圧電体層５のコモン電極４，１９を電気的に接続するための中間電極６が形成されている。この中間電極６は、その直下において圧電体層３に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。

最上層の圧電体層７から数えて２層目、４層目、６層目、８層目の圧電体層５の上面には、図３に示されるように、長方形状のコモン電極４が形成されている。このコモン電極４は、圧電体層３，５の厚さ方向、すなわち積層方向から見て、圧電体層３における各個別電極２の外方側端部以外の部分と重なるように、ベタ状に形成されている。コモン電極４は、積層方向において圧電体層３の中間電極６に対向するよう圧電体層５に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。

各圧電体層５の上面には、積層方向において圧電体層３の各個別電極２の外方側端部に対向するように中間電極１６が形成されている。各中間電極１６は、その直下において圧電体層５に形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続されている。

最上層の圧電体層７から数えて１０層目（最下層）の圧電体層９の上面には、図４に示されるように、長方形状のコモン電極１９が形成されている。これにより、コモン電極１９は、各電極２，４，１９のうち積層方向に見て最端に位置し、圧電体層９に隣接することとなる。コモン電極１９は、コモン電極４と同じく、積層方向において圧電体層３の中間電極６に対向するよう圧電体層５に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。

コモン電極１９は、積層方向から見て圧電体層９と同一形状に形成されている。すなわち、圧電体層９におけるコモン電極１９に隣接する面（コモン電極１９が形成される面）全体が当該コモン電極１９により覆われるように、ベタ状に形成されている。これにより、圧電体層９側から積層方向に見た場合、図６に示されるように、コモン電極１９と積層方向に隣り合う複数の個別電極２の全体が、コモン電極１９により隠されることとなる。

最上層の圧電体層７の上面には、図５に示されるように、積層方向において圧電体層５の各中間電極１６に対向するよう外部電極１７が形成されている。また、圧電体層７の上面には、積層方向において圧電体層３の中間電極６に対向するよう外部電極１８が形成されている。各外部電極１７は、その直下において圧電体層７に形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続されている。外部電極１８は、その直下において圧電体層７に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。

最上層の各外部電極１７，１８は、駆動電源に電気的に接続するためのリード線を取り付けるべく銀の焼付電極が施され、圧電素子ＰＥの端子電極として機能する。

以上のような電極パターンが形成された圧電体層３，５，７，９を積層することで、最上層の各外部電極１７に対しては、厚さ方向において４つの個別電極２が中間電極１６を介在させて整列し、整列した各電極２，１６，１７は、スルーホール１３内の導電部材により電気的に接続されることになる。より詳細には、図７に示されるように、厚さ方向において互いに隣り合う個別電極２，２は、中間電極１６を介在させてスルーホール１３内の導電部材１４により電気的に接続されることになる。

一方、最上層の外部電極１８に対しては、積層方向において４つのコモン電極４と最下層のコモン電極１９とが中間電極６を介在させて整列し、整列した各電極４，６，１８，１９は、スルーホール８内の導電部材１４により電気的に接続されることになる。

このような圧電素子ＰＥにおける電気的接続により、所定の外部電極１７と外部電極１８との間に電圧（例えば、外部電極１７を正の電位、外部電極１８を負の電位とする。）を印加すると、所定の外部電極１７下に整列する個別電極２とコモン電極４，１９との間に電圧が印加されることとなる。これにより、圧電体層３，５においては、図３に示されるように、個別電極２の外方側端部以外の部分とコモン電極４，１９とで挟まれる部分に電界が生じ、当該部分が活性部２１として変位することになる。したがって、電圧を印加する外部電極１７を選択することで、マトリックス状に配置された個別電極２に対応する活性部２１のうち、選択した外部電極１７下に整列する活性部２１を厚さ方向に変位させることができる。このとき、圧電体層９は、活性部２１の変位を伝達する層、いわゆる変位伝達層として機能する。

コモン電極１９と積層方向に隣り合う複数の個別電極２の全体が圧電体層９側から積層方向に見てコモン電極１９により隠されている。したがって、個別電極２の外方側端部以外の部分とコモン電極４，１９との間に電界を生じさせた際、圧電体層９の下面（積層体１の一方の端面）には、個別電極２と同じ電荷、すなわちコモン電極１９と反対の電荷が生じることはない。

次に、上述した圧電素子ＰＥの作製手順について説明する。まず、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスを主成分とする圧電材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製する。次いで、作製した基体ペーストを用いて、各圧電体層３，５，７，９となる素材シート（グリーンシート）を成形する。このとき、圧電体層９となる素材シートの厚みを各圧電体層３，５，７となる素材シートの厚みよりも薄く設定しておく。また、所定比率の銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）とからなる金属材料（例えば、Ａｇ：Ｐｄ＝７：３）に有機バインダや有機溶剤等を混合することにより、電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

続いて、各圧電体層３，５，７，９となる素材シートの所定の位置にレーザ光を照射してスルーホール８，１３を形成する。このとき用いるレーザは、ＹＡＧの３次高波長レーザである。スルーホール８，１３の孔径は、４０〜５０μｍとする。次に、スルーホール８，１３内に導電部材を形成する。導電部材の形成は、上述した導電ペーストを用いた充填スクリーン印刷にて行う。

次に、圧電体層３となる素材シートに対して、個別電極２に対応する電極パターンを形成する。圧電体層５となる素材シートに対して、コモン電極４及び中間電極１６に対応する電極パターンを形成する。圧電体層９となる素材シートに対して、コモン電極１９に対応する電極パターンを形成する。圧電体層７となる素材シートに対して、外部電極１７，１８に対応する電極パターンを形成する。各電極パターンの形成は、上述した導電ペーストを用いたスクリーン印刷にて行う。

次に、各電極パターンが形成された素材シートを上述した順序となるように積層する。その後、積層された１０枚の素材シートを、６０℃の熱を加えながら、１００ＭＰａの圧力で積層方向にプレスして、積層体グリーンを製作する。作製した積層体グリーンを所定の大きさに切断する。切断した積層体グリーンを４００℃前後で脱脂する。その後、密閉されたさや（匣鉢）内において、１１００℃程度で２時間焼成して、１０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの焼結体を得る。圧電体層９となる焼結シートは、他の圧電体層３，５，７となる焼結シートとともに一体に形成されることとなる。

次に、圧電体層７となる焼結シート上の外部電極１７，１８に対して、銀の焼付電極を施し、リード接続用の端子電極を形成する。その後、温度１２０℃で３分間に渡って、電界強度３ｋＶ／ｍｍになるように分極処理を行い、圧電素子ＰＥを得る。なお、端子電極の材料として、上述した銀に替えて金や銅を用いてもよい。また、端子電極の形成方法としては、焼き付けに替えてスパッタリング法や無電解めっき法等を用いることができる。

以上のように、本実施形態によれば、圧電体層９の厚みが圧電体層３，５の厚みよりも薄く設定されているので、圧電体層３，５（活性部２１）の変位を効率的に伝えることができる。

また、本実施形態によれば、個別電極２とコモン電極４，１９との間に電界を生じさせた際に、圧電体層９の下面、すなわち外部電極１７，１８が形成された端面に積層方向で対向する端面（積層体１の一方の端面）には、コモン電極１９と反対の電荷が生じない。このため、圧電体層９の下面を動作面として液体に直接触れさせたとしても、圧電体層９の下面近傍に位置する液体は、コモン電極１９と反対の電荷には帯電しない。したがって、圧電体層９の下面近傍に位置する液体は、個別電極２とコモン電極１９との間に生じる電界に引き寄せられず、積層体１内に浸入することはない。この結果、圧電素子ＰＥの絶縁劣化を抑止することができる。

ところで、液体が積層体１内に浸入するのを防ぐために、圧電体層９の下面に保護層を設ける構成が考えられる。しかしながら、保護層を設けた場合、当該保護層が活性部２１の変位を阻害する要因となり、変位が少なくなってしまう。保護層による変位の減少分を補う手法として、素子を大きくする、すなわち圧電体層の層数を増やすことが挙げられるが、素子が大型化すると共に、コストが嵩むこととなる。しかしながら、本実施形態に係る圧電素子ＰＥでは、上述したように、液体が積層体１内に浸入しないので、保護層を設ける必要はなく、素子の大型化や高コスト化といった問題は招かない。

また、本実施形態においては、圧電体層９の下面が動作面として液体に接するので、コモン電極１９は液体に直接触れない。これにより、圧電体層９が保護層としても機能し、コモン電極１９を液体から保護することができる。まだ、圧電体層９は他の圧電体層３，５と同じ圧電材料からなるため、活性部２１の変位を阻害することがない。

また、本実施形態においては、圧電体層９におけるコモン電極１９に隣接する面全体が、当該コモン電極１９により覆われている。これにより、コモン電極１９と積層方向に隣り合う複数の個別電極２の全体を、コモン電極１９により圧電体層９側から積層方向に見て確実に隠すことができる。

また、本実施形態において、個別電極２はマトリックス状に複数配列されている。これにより、個別電極２毎に独立して電圧を印加することができるため、１つの素子内に複数の変位部位、すなわち活性部が含まれることとなる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施形態において、変位伝達層（圧電体層９）は、積層体１における積層方向での一方の端面を構成しているが、これに限られることなく、積層体１の内層を構成するものであってもよい。

また、本実施形態では、変位伝達層は圧電体層３，５と同じ圧電材料にて構成されているが、これに限られることなく、圧電体層３，５と異なる材料にて構成されていてもよい。しかしながら、変位伝達層のデラミネーション及び積層体の強度を考慮すると、変位伝達層は圧電体層３，５と同じ材料にて構成されることが好ましい。また、変位伝達層は、他の圧電体層３，５と一体に形成されることが好ましい。

また、圧電体層９は、１層に限られることなく、複数層であってもよい。圧電体層９が複数層からなる場合は、複数層の合計での厚みが圧電体層３，５の厚みよりも薄く設定されていればよい。

本実施形態に係る圧電素子を示す分解斜視図である。 図１に示された圧電素子における、個別電極が形成された圧電体層を示す模式図である。 図１に示された圧電素子における、コモン電極が形成された圧電体層を示す模式図である。 図１に示された圧電素子における、コモン電極が形成された圧電体層を示す模式図である。 図１に示された圧電素子における、外部電極が形成された圧電体層を示す模式図である。 図１に示された圧電素子における、個別電極及びコモン電極を示す模式図である。 本実施形態に係る圧電素子の断面構成を示す模式図である。

符号の説明

１…積層体、２…個別電極、３，５，７，９…圧電体層、４，１９…コモン電極、６，１６…中間電極、８，１３…スルーホール、１７，１８…外部電極、２１…活性部、ＰＥ…圧電素子。

Claims (2)

1. 圧電体層と、当該圧電体層を挟むように配置される一対の電極とを含む積層体を備えた圧電素子であって、
   前記積層体は、前記圧電体層の変位を伝達する変位伝達層を有しており、
   一方の前記電極は、マトリックス状に配置された複数の個別電極からなり、
   他方の前記電極は、前記変位伝達層に隣接すると共に、前記複数の個別電極の全体を前記積層体の積層方向から見て隠すように配置されたコモン電極からなり、
   前記変位伝達層は、前記圧電体層と同じ圧電材料にて構成されると共に、前記圧電体層と一体に形成され、
   前記変位伝達層の厚みは、前記圧電体層の厚みよりも薄く設定されていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記変位伝達層は、前記積層体における積層方向での一方の端面を構成することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。

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