JP7128628B2 - 積層圧電セラミック部品及び圧電デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータとして利用することが可能な積層圧電セラミック部品及び圧電デバイスに関する。
圧電アクチュエータは、圧電材料と電極を備える圧電素子から構成され、電極に電圧が印加されると、逆圧電効果により圧電材料に生じる変形を利用したアクチュエータである。圧電アクチュエータには、二つの圧電アクチュエータから構成されたバイモルフ型圧電アクチュエータと呼ばれるものがある。
一般的なバイモルフ型圧電アクチュエータは、金属板の表裏両面に圧電アクチュエータを貼付した構造を備え、圧電アクチュエータの一方を伸ばし、他方を縮ませることにより全体を大きく変位させることが可能である。また、バイモルフ型圧電アクチュエータには、二つの圧電アクチュエータを一体型とした素子バイモルフ構造の圧電アクチュエータ（素子バイモルフアクチュエータ）が提供されている（例えば、特許文献１）。
このような圧電アクチュエータにおいては、大きく変位することで生じる屈曲による破壊を抑制する手法も提案されている（例えば、特許文献２）。例えば、この技術では、中心付近の圧電材料を厚くし、外部に向かって薄層化することで、圧電アクチュエータ内の電界強度に選択性を生じさせている。
しかしながら、特許文献２に記載のような技術では、１つの素子内で層厚を変更しようとすると、層厚の異なるグリーンシートを数種類用いて積層体とするため、特殊本数のロールを具備した成型機を用いることになる。このため、製造時のリードタイムが長くなり、コスト増を招来してしまう。また、素子バイモルフアクチュエータの一端を固定冶具で固定して使用する場合には、固定冶具付近で屈曲に伴う負荷が大きくなり、固定冶具付近で機械的な素子破壊に至る場合もある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高コスト化が抑制され、機械的な信頼性を向上させた積層圧電セラミック部品及び圧電デバイスを提供することにある。
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セラミック部品は、圧電セラミック体と、第１の内部電極と、第２の内部電極と、第３の内部電極と、第１の端子電極と、第２の端子電極と、第３の端子電極と、第１の表面電極と、第２の表面電極とを具備する。
上記圧電セラミック体は、長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において上記上面側の第１の領域及び上記下面側の第２の領域を有する。
上記第１の内部電極は、上記第１の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第２の内部電極は、上記第２の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第３の内部電極は、上記第１の領域の内部及び上記第２の領域の内部に形成され、上記第２の端面に引き出され、上記第１の領域の内部では上記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、上記第２の領域の内部では上記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層される。
上記第１の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の内部電極と電気的に接続される。
上記第２の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の端子電極とは電気的に絶縁され、上記第２の内部電極と電気的に接続される。
上記第３の端子電極は、上記第２の端面に形成され、上記第３の内部電極と電気的に接続される。
上記第１の表面電極は、上記上面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第１の内部電極と対向する。
上記第２の表面電極は、上記下面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第２の内部電極と対向し、上記第１の表面電極の長さより短い。
上記圧電セラミック体は、長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において上記上面側の第１の領域及び上記下面側の第２の領域を有する。
上記第１の内部電極は、上記第１の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第２の内部電極は、上記第２の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第３の内部電極は、上記第１の領域の内部及び上記第２の領域の内部に形成され、上記第２の端面に引き出され、上記第１の領域の内部では上記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、上記第２の領域の内部では上記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層される。
上記第１の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の内部電極と電気的に接続される。
上記第２の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の端子電極とは電気的に絶縁され、上記第２の内部電極と電気的に接続される。
上記第３の端子電極は、上記第２の端面に形成され、上記第３の内部電極と電気的に接続される。
上記第１の表面電極は、上記上面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第１の内部電極と対向する。
上記第２の表面電極は、上記下面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第２の内部電極と対向し、上記第１の表面電極の長さより短い。
このような構成によれば、第１の内部電極と第３の内部電極の間で電圧を印加することにより第１の領域の圧電セラミック体を変形させ、第２の内部電極と第３の内部電極の間で電圧を印加することにより第２の領域の圧電セラミック体を変形させることができる。従って、第１の領域と第２の領域の変形はそれぞれ独立して制御することが可能である。さらに、この構成では、上記上面に形成され、第３の端子電極と電気的に接続され、第２の端面から伸びて第１の内部電極と対向する第１の表面電極と、上記下面に形成され、第３の端子電極と電気的に接続され、第２の端面から伸びて第２の内部電極と対向する第２の表面電極とが配置され、第２の表面電極の長さよりも第１の表面電極の長さが短く構成されている。このため、積層圧電セラミック部品においては、固定冶具で固定されたときに、固定冶具付近に印加される応力が分散されて、素子破壊が抑制される。
上記の積層圧電セラミック部品では、上記第１の内部電極、上記第２の内部電極及び上記第３の内部電極の幅と、上記一対の側面の間の距離は、同じでもよい。
このような構成によれば、第１の内部電極、第２の内部電極及び第３の内部電極の幅が圧電セラミック体の幅と同一であり、第１の内部電極、第２の内部電極及び第３の内部電極は圧電セラミック体の側面に露出している。第１の内部電極、第２の内部電極及び第３の内部電極が圧電セラミック体の内部に埋設され、側面に露出していない場合には、これらの内部電極の側面を被覆する圧電セラミック体（サイドマージン）による拘束によって積層圧電セラミック部品の変形が抑制されるが、上記構成によればサイドマージンによる拘束が生じず、変位性能の低下を防止することが可能である。
上記の積層圧電セラミック部品では、上記一対の側面、上記上面の一部及び上記下面の一部は、上記圧電セラミック体とは異なる絶縁膜で覆われ、上記上面に形成された上記絶縁膜の長さは、上記第２の表面電極の長さと同じでもよい。
このような構成によれば、上記上面側で第１の端子電極、第２の端子電極及び第１の表面電極が絶縁膜から露出され、第１の端子電極、第２の端子電極及び第１の表面電極からなる３端子への電気的接続が可能になる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電デバイスは、振動部材と、上記振動部材に実装された積層圧電セラミック部品とを具備する。
上記積層圧電セラミック部品は、圧電セラミック体と、第１の内部電極と、第２の内部電極と、第３の内部電極と、第１の端子電極と、第２の端子電極と、第３の端子電極と、第１の表面電極と、第２の表面電極とを有する。
上記圧電セラミック体は、長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において上記上面側の第１の領域及び上記下面側の第２の領域を有する。
上記第１の内部電極は、上記第１の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第２の内部電極は、上記第２の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第３の内部電極は、上記第１の領域の内部及び上記第２の領域の内部に形成され、上記第２の端面に引き出され、上記第１の領域の内部では上記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、上記第２の領域の内部では上記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層される。
上記第１の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の内部電極と電気的に接続される。
上記第２の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の端子電極とは電気的に絶縁され、上記第２の内部電極と電気的に接続される。
上記第３の端子電極は、上記第２の端面に形成され、上記第３の内部電極と電気的に接続される。
上記第１の表面電極は、上記上面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第１の内部電極と対向する。
上記第２の表面電極は、上記下面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第２の内部電極と対向し、上記第１の表面電極の長さより短い。
上記積層圧電セラミック部品は、圧電セラミック体と、第１の内部電極と、第２の内部電極と、第３の内部電極と、第１の端子電極と、第２の端子電極と、第３の端子電極と、第１の表面電極と、第２の表面電極とを有する。
上記圧電セラミック体は、長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において上記上面側の第１の領域及び上記下面側の第２の領域を有する。
上記第１の内部電極は、上記第１の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第２の内部電極は、上記第２の領域の内部に形成され、上記第１の端面に引き出される。
上記第３の内部電極は、上記第１の領域の内部及び上記第２の領域の内部に形成され、上記第２の端面に引き出され、上記第１の領域の内部では上記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、上記第２の領域の内部では上記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層される。
上記第１の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の内部電極と電気的に接続される。
上記第２の端子電極は、上記第１の端面に形成され、上記第１の端子電極とは電気的に絶縁され、上記第２の内部電極と電気的に接続される。
上記第３の端子電極は、上記第２の端面に形成され、上記第３の内部電極と電気的に接続される。
上記第１の表面電極は、上記上面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第１の内部電極と対向する。
上記第２の表面電極は、上記下面に形成され、上記第３の端子電極と電気的に接続され、上記第２の端面から伸びて上記第２の内部電極と対向し、上記第１の表面電極の長さより短い。
このような構成によれば、振動部材に実装された積層圧電セラミック部品が固定冶具で固定されたときに、固定冶具付近に印加される応力が分散されて、素子破壊が抑制される。
以上述べたように、本発明によれば、高コスト化が抑制され、機械的な信頼性が高い積層圧電セラミック部品及び圧電デバイスが提供される。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。本発明の実施形態に係る積層圧電セラミック部品について説明する。
［蓄電圧電セラミック部品の構成］
図１及び図２は、本実施形態に係る積層圧電セラミック部品１００の斜視図であり、図２は、図１の反対側から見た図である。
図１及び図２は、本実施形態に係る積層圧電セラミック部品１００の斜視図であり、図２は、図１の反対側から見た図である。
図１及び図２に示すように、積層圧電セラミック部品１００は、圧電セラミック体１０１、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３、第３内部電極１０４、第１表面電極１０５、第２表面電極１０６、第１端面端子電極１０７、第２端面端子電極１０８、第３端面端子電極１０９、第１表面端子電極１１０及び第２表面端子電極１１１を備える。
圧電セラミック体１０１は、圧電性セラミック材料からなる。圧電セラミック体１０１は、Ｚ軸方向に並ぶ複数の圧電セラミック層を含む。圧電セラミック層は、Ｚ軸方向において、第１内部電極１０２と第３内部電極１０４との間に設けられるとともに、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４との間に設けられる。本実施形態では、圧電セラミック層も圧電セラミック体１０１と呼称する。
圧電セラミック体１０１は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）又は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）等からなるものとすることができる。
図１及び図２に示すように圧電セラミック体１０１は、直方体形状を有する。Ｘ軸方向を長さ方向、Ｙ軸方向を幅方向、Ｚ軸方向を厚さ方向とすると、圧電セラミック体１０１は、長さ＞幅＞厚さとなる形状を有する。
圧電セラミック体１０１の表面について、幅方向（Ｙ軸方向）に対向する面を第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂとし、長さ方向（Ｘ軸方向）に対向する面を第１端面１０１ｃ及び第２端面１０１ｄとする。また、厚み方向（Ｚ軸方向）に対向する面を上面１０１ｅ及び下面１０１ｆとする。
図３は、第１側面１０１ａを示す平面図であり、図４は、第２側面１０１ｂを示す平面図である。
図５は、第１端面１０１ｃを示す平面図であり、図６は、第２端面１０１ｄを示す平面図である。
図７は、上面１０１ｅを示す平面図であり、図８は、下面１０１ｆを示す平面図である。
図５は、第１端面１０１ｃを示す平面図であり、図６は、第２端面１０１ｄを示す平面図である。
図７は、上面１０１ｅを示す平面図であり、図８は、下面１０１ｆを示す平面図である。
図３及び図４に示すように、圧電セラミック体１０１は、Ｚ軸方向において区分けされた、上面１０１ｅ側の第１領域１０１ｇと、下面１０１ｆ側の第２領域１０１ｈを有する。第１領域１０１ｇの厚みと第２領域１０１ｈの厚みは、１：１が好適である。
第１内部電極１０２は、第１領域１０１ｇの内部に形成され、圧電セラミック体１０１を介して第３内部電極１０４及び第１表面電極１０５と対向する（図３及び図４参照）。図９は、第１内部電極１０２を示す積層圧電セラミック部品１００の断面図であり、図３及び図４のＡ－Ａ線での断面図である。図９に示すように第１内部電極１０２は、第１端面１０１ｃに引き出されて第１端面１０１ｃに部分的に露出し、第１端面端子電極１０７に電気的に接続されている。
また、第１内部電極１０２は、圧電セラミック体１０１の幅（Ｙ軸方向）と同一の幅を有し、第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出する（図３及び図４参照）。第１内部電極１０２の層数は、特に限定されず、一層又は複数層とすることができる。
第２内部電極１０３は、第２領域１０１ｈの内部に形成され、圧電セラミック体１０１を介して第３内部電極１０４及び第２表面電極１０６と対向する（図３及び図４参照）。図１０は、第２内部電極１０３を示す積層圧電セラミック部品１００の断面図であり、図３及び図４のＢ－Ｂ線での断面図である。図１０に示すように第２内部電極１０３は、第１端面１０１ｃに引き出されて第１端面１０１ｃに部分的に露出し、第２端面端子電極１０８に電気的に接続されている。
また、第２内部電極１０３は、圧電セラミック体１０１の幅（Ｙ軸方向）と同一の幅を有し、第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出する（図３及び図４参照）。第２内部電極１０３の層数は、特に限定されず、一層又は複数層とすることができる。
第３内部電極１０４は、第１領域１０１ｇ及び第２領域１０１ｈの内部に形成されている。
第３内部電極１０４は、第１領域１０１ｇの内部では、第１内部電極１０２と厚さ方向（Ｚ軸方向）に所定の距離をおいて第１内部電極１０２と交互に積層され、圧電セラミック体１０１を介して第１内部電極１０２と対向する（図３及び図４参照）。
また、第３内部電極１０４は、第２領域１０１ｈの内部では、第２内部電極１０３と厚さ方向（Ｚ軸方向）に所定の距離をおいて第２内部電極１０３と交互に積層され、圧電セラミック体１０１を介して第２内部電極１０３と対向する（図３及び図４参照）。
図１１は、第３内部電極１０３を示す積層圧電セラミック部品１００の断面図であり、図３及び図４のＣ－Ｃ線での断面図である。図１１に示すように第３内部電極１０４は、第２端面１０１ｄに引き出されて第２端面１０１ｄに露出し、第３端面端子電極１０９に電気的に接続されている。
また、第３内部電極１０４は、圧電セラミック体１０１の幅（Ｙ軸方向）と同一の幅を有し、第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出する（図３及び図４参照）。第３内部電極１０４の層数は、第１内部電極１０２及び第２内部電極１０３の層数に応じた数とすることができる。
第１表面電極１０５は、第２端面１０１ｄ側から伸びて上面１０１ｅに形成され（図１参照）、第３端面端子電極１０９に電気的に接続されている。第１表面電極１０５は、Ｚ軸方向において圧電セラミック体１０１を介して第１内部電極１０２に対向する。また、第１表面電極１０５は、上面１０１ｅにおいて第１表面端子電極１１０及び第２表面端子電極１１１とは離間し、これらとは電気的に絶縁されている（図７参照）。
第２表面電極１０６は、第２端面１０１ｄ側から伸びて下面１０１ｆに形成され、第３端面端子電極１０９に電気的に接続されている。（図２参照）。第２表面電極１０６は、圧電セラミック体１０１を介して第２内部電極１０３と対向する。但し、Ｘ軸方向において、第２表面電極１０６の長さは、第１表面電極１０５の長さより短い。
第１端面端子電極１０７は、第１端面１０１ｃに形成され（図１参照）、第１内部電極１０２に電気的に接続されている。また、第１端面端子電極１０７は、第２内部電極１０３及び第２端面端子電極１０８とは、電気的に絶縁されている。第１端面端子電極１０７は、第１端面１０１ｃにおいて上面１０１ｅと下面１０１ｆの間に形成され、第１表面端子電極１１０に電気的に接続されている。
第２端面端子電極１０８は、第１端面１０１ｃに形成され（図１参照）、第２内部電極１０３に電気的に接続されている。また、第２端面端子電極１０８は、第１内部電極１０２及び第１端面端子電極１０７とは、電気的に絶縁されている。第２端面端子電極１０８は、第１端面１０１ｃにおいて上面１０１ｅと下面１０１ｆの間に形成され、第２表面端子電極１１１に電気的に接続されている。
第３端面端子電極１０９は、第２端面１０１ｄに形成され（図２参照）、第３内部電極１０４に電気的に接続されている。また、第３端面端子電極１０９は、第２端面１０１ｄにおいて上面１０１ｅと下面１０１ｆの間に形成され、第１表面電極１０５及び第２表面電極１０６に電気的に接続されている。
第１表面端子電極１１０は、上面１０１ｅに形成されている（図１参照）。第１表面端子電極１１０は、第１端面端子電極１０７に電気的に接続され、第２表面端子電極１１１及び第１表面電極１０５とは、電気的に絶縁されている。
第２表面端子電極１１１は、上面１０１ｅに形成されている（図１参照）。第２表面端子電極１１１は、第２端面端子電極１０８に電気的に接続され、第１表面端子電極１１０及び第１表面電極１０５とは、電気的に絶縁されている。
第１内部電極１０２、第２内部電極１０３、第３内部電極１０４、第１表面電極１０５、第２表面電極１０６、第１端面端子電極１０７、第２端面端子電極１０８、第３端面端子電極１０９、第１表面端子電極１１０及び第２表面端子電極１１１は、導電性材料からなる。この導電性材料は、例えばＡｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ｐｄ、Ｃｕ及びＮｉのいずれかとすることができる。
積層圧電セラミック部品１００は、以上のような構成を有する。上記のように第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４は、圧電セラミック体１０１の内部に形成され、圧電セラミック体１０１を介して第１内部電極１０２と第３内部電極１０４が対向し、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４が対向する。第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４は、互いに絶縁されている。
積層圧電セラミック部品１００のサイズは、特に限定されないが、長さ（Ｘ軸方向）をＬ、幅（Ｙ軸方向）をＷとすると、Ｌ／Ｗは、１６～５０程度が好適である。また厚み（Ｚ軸方向）は、０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度が好適である。また、第１表面電極１０５から露出された圧電セラミック体１０１の長さに対する第２表面電極１０６から露出された圧電セラミック体１０１の長さの割合は、１．７％以上５０％以下である。この割合が１．７％よりも小さくなると、セラミック部品をクランピングするための位置決め精度が悪くなるため好ましくなく、５０％より大きくなると、第２端面１０１ｄにおける変位量が損なわれ、好ましくない。一例として、Ｘ軸方向において、第１表面電極１０５から露出された圧電セラミック体１０１の長さは、２ｍｍであり、第２表面電極１０６から露出された圧電セラミック体１０１の長さは、５ｍｍである。
［蓄電圧電セラミック部品の動作］
積層圧電セラミック部品１００は、第１内部電極１０２と第３内部電極１０４の間と、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４の間にそれぞれ独立して電圧を印加することができる。
積層圧電セラミック部品１００は、第１内部電極１０２と第３内部電極１０４の間と、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４の間にそれぞれ独立して電圧を印加することができる。
第１内部電極１０２と第３内部電極１０４の間に電圧を印加すると、第１内部電極１０２と第３内部電極１０４の間の圧電セラミック体１０１に逆圧電効果が発生し、第１領域１０１ｇにＸ軸方向において変形（伸縮）を生じる。また、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４の間に電圧を印加すると、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４の間の圧電セラミック体１０１に逆圧電効果が発生し、第２領域１０１ｈにＸ軸方向において変形（伸縮）を生じる。
このように積層圧電セラミック部品１００では、第１領域１０１ｇと第２領域１０１ｈの変形を独立して制御することができる。第１領域１０１ｇ及び第２領域１０１ｈがそれぞれＸ軸方向に変形することにより、積層圧電セラミック部品１００をＺ軸方向において変形（屈曲）させることが可能である。
図１２（ａ）、（ｂ）は、積層圧電セラミック部品１００に印加される電圧波形の例である。図１２（ａ）は、第１内部電極１０２と第３内部電極１０４の間の電圧（Ｖ１）の波形であり、図１２（ｂ）は、第２内部電極１０３と第３内部電極１０４の間の電圧（Ｖ２）の波形である。なお、Ｖ０は、第３内部電極１０４の電位を示す。同図に示すように、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を同位相の逆バイアスとすることにより、第１領域１０１ｇと第２領域１０１ｈの一方を伸張させ、他方を縮小させることが可能である。
なお、第１領域１０１ｇの厚みと第２領域１０１ｈの厚みを１：１とすることにより、第１領域１０１ｇと第２領域１０１ｈの変形量が対称的となり、好適である。また、電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２の波形は、図９に示すものに限られず、サイン波や三角波であってもよい。
ここで、積層圧電セラミック部品１００の一端がクランプ等の固定冶具で固定されたときの動作を説明する。
まず、図１３（ａ）に、比較例に係る積層圧電セラミック部品５００が動作する例を示す。
比較例に係る積層圧電セラミック部品５００では、Ｘ軸方向において、第２表面電極５０６の長さが第１表面電極１０５の長さと同じになっている。このような構成の場合、固定冶具２５１として、上部把持部２５１ｕの長さと、下部把持部２５１ｄの長さとが同じ冶具が用いられる。これは、固定冶具２５１を用いれば、第１表面電極１０５及び第２表面電極５０６が固定冶具２５１によって噛まれず、広い面積にわたって圧電セラミック体１０１の機能が発揮され、積層圧電セラミック部品において大きな振動Ｖが得られるからである。
しかしながら、積層圧電セラミック部品５００を動作しつつ、固定冶具２５１によって積層圧電セラミック部品５００の一端が把持され続けると、上部把持部２５１ｕの先端と下部把持部２５１ｄの先端とを結ぶ線５００Ｌを基準に積層圧電セラミック部品５００が振動することから、線５００Ｌ付近にＺ軸方向の局所的な応力Ｓ１が発生する。これにより、固定冶具２５１付近において、圧電セラミック体１０１が粉砕したり、圧電セラミック体１０１と各電極とが剥離したりする現象がおき得る。
これに対して、図１３（ｂ）は、本実施形態に係る積層圧電セラミック部品１００が動作する例である。
本実施形態に係る積層圧電セラミック部品１００では、Ｘ軸方向において、第２表面電極１０６の長さが第１表面電極１０５の長さよりも短く構成されている。このような構成であれば、第２表面電極１０６がより短くなった分、変位が抑制された不活性領域が増加する。さらに、このような構成であれば、第１表面電極１０５及び第２表面電極１０６が供に噛まれない固定冶具として、上部把持部２５２ｕと、上部把持部２５２ｕよりも長さが長い下部把持部２５２ｄとを持つ固定冶具２５２を用いることができる。
これにより、固定冶具２５２に把持された積層圧電セラミック部品１００においては、固定冶具２５２によっても強制的に変位が抑制され、内部応力は、上部把持部２５２ｕの先端と下部把持部２５２ｄの先端とを結ぶ線１００Ｌに沿って主に発生する（応力Ｓ２）。この応力Ｓ２は、図示するように、Ｚ軸方向とは非平行の斜め成分を多く持つことになり、応力Ｓ１に比べて積層圧電セラミック部品内で力が分散される。
これにより、積層圧電セラミック部品１００を動作させたときには、固定冶具２５２で固定された一端付近に負荷がかかりにくくなり、例えば、圧電セラミック体１０１の粉砕、圧電セラミック体１０１と各電極との剥離が抑制される。この結果、積層圧電セラミック部品１００では、素子破壊がより起こりにくくなり、信頼性が向上する。
また、積層圧電セラミック部品１００では、圧電セラミック体１０１、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４のそれぞれの層厚を略同じに設定できるので、特殊な成型法や層厚の異なるグリーンシートを必要としない。これにより、工程簡略化とリードタイム向上が実現し、高コスト化が抑制される。
なお、本実施形態では、第２表面電極１０６の長さが第１表面電極１０５の長さよりも長く構成されてもよい。このような構成あれば、固定冶具２５２を図１３（ｂ）とは逆さにして用いることとができ、同様の効果が得られる。
また、固定冶具２５２は、絶縁材で構成されてもよく、金属で構成されてもよい。特に、固定冶具２５２が金属で構成された場合には、第１端面端子電極１０７と第２端面端子電極１０８とが短絡しないように、固定冶具２５２と積層圧電セラミック部品１００との間に絶縁材（接着剤）等が介設される。
［サイドマージンレス構造について］
積層圧電セラミック部品１００は、上述のように第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４が第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出した構造を有する。
積層圧電セラミック部品１００は、上述のように第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４が第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出した構造を有する。
図１４は、さらに別の比較例に係る積層圧電セラミック部品３００の斜視図である。
同図に示すように積層圧電セラミック部品３００は、圧電セラミック体３０１、表面電極３０２、第１端子電極３０３及び第２端子電極３０４を備える。また、積層圧電セラミック部品３００は、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４に相当する図示しない内部電極を備える。
積層圧電セラミック部品３００では、内部電極は、側面に露出しておらず、圧電セラミック体３０１の内部に埋設されている。内部電極の側面側には、図１４に示すように圧電材料からなるサイドマージンＳが設けられている。
このサイドマージンＳは、積層圧電セラミック部品３００が駆動される際、Ｚ軸方向において内部電極によって挟まれていないため、積層圧電セラミック部品３００の変位を抑制する拘束部として作用する。これにより、積層圧電セラミック部品３００の変位性能を低下させる。
これに対し、積層圧電セラミック部品１００では、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４のそれぞれの幅と、一対の側面１０１ａ、１０１ｂの間の距離は、同じである。すなわち、積層圧電セラミック部品１００では、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４が第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂに露出し、サイドマージンを有していない。このため、サイドマージンによる拘束作用を受けず、大変位を生じさせることが可能であり、かつ変位性能の低下を防止することが可能である。
［絶縁膜について］
積層圧電セラミック部品１００は、絶縁膜を備えていてもよい。図１５は、絶縁膜１１２を備える積層圧電セラミック部品１００を示す斜視図である。
積層圧電セラミック部品１００は、絶縁膜を備えていてもよい。図１５は、絶縁膜１１２を備える積層圧電セラミック部品１００を示す斜視図である。
同図に示すように絶縁膜１１２は、積層圧電セラミック部品１００の外周を被覆する。ここで、Ｘ軸方向において、上面１０１ｅに形成された絶縁膜１１２の長さが第２表面電極１０６の長さと同じになっている。すなわち、絶縁膜１１２には、第１表面端子電極１１０、第２表面端子電極１１１及び第１表面電極１０５の一部を露出させる開口１１２ａが設けられている。積層圧電セラミック部品１００では、１つの開口１１２ａを介して第１表面端子電極１１０、第２表面端子電極１１１及び第１表面電極１０５への電気的接続（３端子接続）が可能になる。これにより、配線構造がコンパクトになる。
絶縁膜１１２が被覆する範囲は、図１５に示すものに限られず、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４が露出する第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂを少なくとも被覆するものであればよい。
絶縁膜１１２の材料は、絶縁性材料であれば特に限定されないが、例えばＳｉＮやアクリル樹脂等の絶縁性樹脂が好適である。なお、絶縁膜１１２は、圧電セラミック体１０１とは異なる材料であり、軟らかい材料を利用することが可能であるため、絶縁膜１１２による拘束作用は、極めて小さいものとすることができる。すなわち、積層圧電セラミック部品１００では、変位性能の低下が防止される。
［製造方法について］
積層圧電セラミック部品１００の製造方法について説明する。
積層圧電セラミック部品１００の製造方法について説明する。
積層圧電セラミック部品１００は、シート部材を積層することによって製造することができる。図１６（ａ）～図１６（ｅ）は、シート部材を示す模式図である。図１６（ａ）は、第１表面電極１０５、第１表面端子電極１１０、第２表面端子電極１１１及び圧電セラミック体２０１からなるシート部材２１０を示し、図１６（ｂ）は、第１内部電極１０２及び圧電セラミック体２０１からなるシート部材２２０を示す。
図１６（ｃ）は、第３内部電極１０４及び圧電セラミック体２０１からなるシート部材２３０を示し、図１６（ｄ）は、第２内部電極１０３及び圧電セラミック体２０１からなるシート部材２４０を示す。図１６（ｅ）は、第２表面電極１０６及び圧電セラミック体２０１からなるシート部材２５０を示す。
まず、シート部材２５０上に、圧電セラミック体のみからなるシート部材（以下、圧電体シート部材）を積層し、その上にシート部材２４０、圧電体シート部材、シート部材２３０を順に積層する。さらに、圧電体シート部材を介してシート部材２４０とシート部材２３０を交互に積層する。
続いて、圧電体シート部材を介してシート部材２２０とシート部材２３０を交互に積層し、その上に圧電体シート部材及びシート部材２１０を順に積層する。続いてこの積層体を圧着し、加熱等によりバインダーを除去する。
続いて、焼成を行う。この段階では、各内部電極は、圧電セラミック体２０１に埋設され、サイドマージンが形成される。続いて熱処理により第１端面１０１ｃに第１端面端子電極１０７及び第２端面端子電極１０８を形成し、第２端面１０１ｄに第３端面端子電極１０９を形成する。
続いて、サイドマージンをカットし、除去する。これにより、圧電セラミック体２０１から圧電セラミック体１０１が形成される。サイドマージンのカットは、ダイシングやレーザ照射により行うことができる。サイドマージンのカットにより、第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂが形成され、第１内部電極１０２、第２内部電極１０３及び第３内部電極１０４が第１側面１０１ａ及び第２側面１０１ｂから露出する（図１参照）。
続いて、開口１１２ａを除いて絶縁膜１１２を形成する（図１６参照）。絶縁膜１１２は、ミストデポジッション、スパッタ又はディップ等の方法で形成することができる。その後、第１表面端子電極１１０及び第２表面端子電極１１１と電気的導通をとり、直流電圧を印加する。これにより分極処理がなされ、圧電セラミック体１０１が活性化する。
積層圧電セラミック部品１００は、以上のようにして製造することが可能である。なお、積層圧電セラミック部品１００の製造方法は、ここに示すものに限られない。
［圧電デバイスについて］
積層圧電セラミック部品１００は、振動部材に実装され、圧電デバイスを構成することができる。図１７は、積層圧電セラミック部品１００を備える圧電デバイス４００の模式図である。同図に示すように圧電デバイス４００は、積層圧電セラミック部品１００、振動部材４１０及び固定冶具２５２を備える。
積層圧電セラミック部品１００は、振動部材に実装され、圧電デバイスを構成することができる。図１７は、積層圧電セラミック部品１００を備える圧電デバイス４００の模式図である。同図に示すように圧電デバイス４００は、積層圧電セラミック部品１００、振動部材４１０及び固定冶具２５２を備える。
振動部材４１０は、ディスプレイのガラスパネルや金属板であり特に限定されない。接合部４２０は、樹脂等であり、積層圧電セラミック部品１００を振動部材４１０に接合する。
積層圧電セラミック部品１００は、上面１０１ｅのうち、第１端面１０１ｃ側の領域が固定冶具２５２に接合されている。第１表面端子電極１１０、第２表面端子電極１１１及び第１表面電極１０５には、図示しない配線が電気的に接続されている。
各電極に電圧が印加されると、上述のように積層圧電セラミック部品１００には、Ｚ軸方向に変形を生じる（図中矢印）。これにより、振動部材４１０を振動させることが可能である。なお、積層圧電セラミック部品１００の実装方法は、ここに示すものに限られず、例えば上面１０１ｅの全体を接合部４２０に接合してもよい。
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。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合させることができる。
１００、３００、５００…積層圧電セラミック部品
１０１…圧電セラミック体
１００Ｌ、５００Ｌ…線
１０１ａ…第１側面
１０１ｂ…第２側面
１０１ｃ…第１端面
１０１ｄ…第２端面
１０１ｅ…上面
１０１ｆ…下面
１０１ｇ…第１領域
１０１ｈ…第２領域
１０２…第１内部電極
１０３…第２内部電極
１０４…第３内部電極
１０５…第１表面電極
１０６、５０６…第２表面電極
１０７…第１端面端子電極
１０８…第２端面端子電極
１０９…第３端面端子電極
１１０…第１表面端子電極
１１１…第２表面端子電極
１１２…絶縁膜
１１２ａ…開口
２０１、３０１…圧電セラミック体
２１０、２３０、２４０、２５０…シート部材
２５１、２５２…固定冶具
２５１ｕ、２５２ｕ…上部把持部
２５１ｄ、２５２ｄ…下部把持部
３０２…表面電極
３０３…第１端子電極
３０４…第２端子電極
４００…圧電デバイス
４１０…振動部材
４２０…接合部
１０１…圧電セラミック体
１００Ｌ、５００Ｌ…線
１０１ａ…第１側面
１０１ｂ…第２側面
１０１ｃ…第１端面
１０１ｄ…第２端面
１０１ｅ…上面
１０１ｆ…下面
１０１ｇ…第１領域
１０１ｈ…第２領域
１０２…第１内部電極
１０３…第２内部電極
１０４…第３内部電極
１０５…第１表面電極
１０６、５０６…第２表面電極
１０７…第１端面端子電極
１０８…第２端面端子電極
１０９…第３端面端子電極
１１０…第１表面端子電極
１１１…第２表面端子電極
１１２…絶縁膜
１１２ａ…開口
２０１、３０１…圧電セラミック体
２１０、２３０、２４０、２５０…シート部材
２５１、２５２…固定冶具
２５１ｕ、２５２ｕ…上部把持部
２５１ｄ、２５２ｄ…下部把持部
３０２…表面電極
３０３…第１端子電極
３０４…第２端子電極
４００…圧電デバイス
４１０…振動部材
４２０…接合部
Claims (3)
- 長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において前記上面側の第１の領域及び前記下面側の第２の領域を有する圧電セラミック体と、
前記第１の領域の内部に形成され、前記第１の端面に引き出された第１の内部電極と、
前記第２の領域の内部に形成され、前記第１の端面に引き出された第２の内部電極と、
前記第１の領域の内部及び前記第２の領域の内部に形成され、前記第２の端面に引き出され、前記第１の領域の内部では前記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、前記第２の領域の内部では前記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層された第３の内部電極と、
前記第１の端面に形成され、前記第１の内部電極と電気的に接続された第１の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第１の端面端子電極と電気的に接続された第１表面端子電極と、
前記第１の端面に形成され、前記第１の端面端子電極とは電気的に絶縁され、前記第２の内部電極と電気的に接続された第２の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第２の端面端子電極と電気的に接続された第２表面端子電極と、
前記第２の端面に形成され、前記第３の内部電極と電気的に接続された第３の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第３の端面端子電極と電気的に接続され、前記第２の端面から伸びて前記第１の内部電極と対向する第１の表面電極と、
前記下面に形成され、前記第３の端面端子電極と電気的に接続され、前記第２の端面から伸びて前記第２の内部電極と対向し、前記第１の表面電極の長さより短い第２の表面電極と
を具備し、
前記一対の側面、前記上面の一部及び前記下面の一部は、前記圧電セラミック体とは材料が異なる絶縁膜で覆われ、前記上面に形成された前記絶縁膜の長さは、前記第２の表面電極の長さと同じであり、
前記絶縁膜には、前記第１表面端子電極、前記第２表面端子電極及び前記第１の表面電極の一部が露出する開口が設けられている
積層圧電セラミック部品。 - 請求項１に記載の積層圧電セラミック部品であって、
前記第１の内部電極、前記第２の内部電極及び前記第３の内部電極の幅と、前記一対の側面の間の距離は、同じである
積層圧電セラミック部品。 - 振動部材と、
固定治具と、
前記振動部材に前記固定治具を介して実装された積層圧電セラミック部品とを具備し、
前記積層圧電セラミック部品は、
長さ＞幅＞厚さである直方体形状であり、厚さ方向に対向する上面及び下面と、長さ方向に対向する第１の端面及び第２の端面と、幅方向に対向する一対の側面とを有し、厚さ方向において前記上面側の第１の領域及び前記下面側の第２の領域を有する圧電セラミック体と、
前記第１の領域の内部に形成され、前記第１の端面に引き出された第１の内部電極と、
前記第２の領域の内部に形成され、前記第１の端面に引き出された第２の内部電極と、
前記第１の領域の内部及び前記第２の領域の内部に形成され、前記第２の端面に引き出され、前記第１の領域の内部では前記第１の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層され、前記第２の領域の内部では前記第２の内部電極と厚さ方向に所定の距離をおいて交互に積層された第３の内部電極と、
前記第１の端面に形成され、前記第１の内部電極と電気的に接続された第１の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第１の端面端子電極と電気的に接続された第１表面端子電極と、
前記第１の端面に形成され、前記第１の端面端子電極とは電気的に絶縁され、前記第２の内部電極と電気的に接続された第２の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第２の端面端子電極と電気的に接続された第２表面端子電極と、
前記第２の端面に形成され、前記第３の内部電極と電気的に接続された第３の端面端子電極と、
前記上面に形成され、前記第３の端面端子電極と電気的に接続され、前記第２の端面から伸びて前記第１の内部電極と対向する第１の表面電極と、
前記下面に形成され、前記第３の端面端子電極と電気的に接続され、前記第２の端面から伸びて前記第２の内部電極と対向し、前記第１の表面電極の長さより短い第２の表面電極とを有し、
前記一対の側面、前記上面の一部及び前記下面の一部は、前記圧電セラミック体とは材料が異なる絶縁膜で覆われ、前記上面に形成された前記絶縁膜の長さは、前記第２の表面電極の長さと同じであり、
前記絶縁膜には、前記第１表面端子電極、前記第２表面端子電極及び前記第１の表面電極の一部が露出する開口が設けられ、
前記上面のうちの前記開口を含む前記第１の端面側の領域が前記固定治具に接合されている
圧電デバイス。
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