(57)【要約】【課題】大きな変位量を得ることができるだけでなく、変位に伴うクラックの発生を確実に抑制することができる積層型圧電素子を提供する。【解決手段】最外層圧電体層３，８間に内側圧電体層４〜７が積層されており、隣り合う圧電体層間に内部電極１１〜１５が積層されており、上面に上面電極９が下面に下面電極１０が形成されている積層圧電体２と、第１，第２の外部電極１４，１７とを有し、隣り合う圧電体層が厚み方向において逆方向に分極処理されており、最外層圧電体層３，８の分極度が内側圧電体層４〜７の分極度よりも低くされている、積層型圧電素子１。【選択図】図１
2010161286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と、下面とを有する積層圧電体と、
前記積層圧電体の外表面に形成された第１及び第２の外部電極とを備え、
前記積層圧電体が、上面側及び下面側にそれぞれ配置された上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層と、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層間に積層された内側圧電体層と、前記上面及び下面にそれぞれ形成された上面電極及び下面電極と、隣り合う圧電体層間に配置された内部電極とを備え、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くされている、積層型圧電素子。
【請求項２】
前記上面電極及び下面電極が前記第１の外部電極に電気的に接続されており、前記内部電極が、前記第１の外部電極に電気的に接続されている第１の内部電極と、前記第２の外部電極に電気的に接続されている第２の内部電極とを有する、請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層よりも厚くされている、請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しくされている、請求項１または２に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層型圧電素子の製造方法であって、
上面側最外層圧電体層、下面側最外層圧電体層、第１及び第２の外部電極、上面電極並びに下面電極を有する前記積層型圧電体を用意する工程と、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くなるように積層型圧電体を分極処理する工程とを備える、積層型圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記積層型圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが前記内側圧電体層の厚みよりも厚い積層圧電体を用意し、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層並びに内側圧電体層に同じ大きさの電界を印加して分極処理を行う、請求項５に記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記積層圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しい積層圧電体を用意し、
前記積層圧電体を分極する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層に、前記内側圧電体層に比べて弱い電界を印加して分極を行う、請求項５に記載の積層圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアクチュエータなどに用いられる積層型圧電素子及びその製造方法に関し、より詳細には、複数の圧電体層が内部電極を介して積層されている積層圧電体を用いた積層型圧電素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリンターのヘッドの駆動や磁気ディスク駆動装置のヘッドの駆動に圧電アクチュエータが広く用いられている。圧電アクチュエータでは、圧電体の変位により駆動力が得られる。従って、長期間使用している内に、駆動に伴って圧電体に繰り返し大きな応力が加わり、クラックが生じるおそれがあった。特に、薄い圧電体を用いた圧電アクチュエータでは、このようなクラックが生じやすいため、クラックを抑制することが強く求められている。
【０００３】
下記の特許文献１には、このようなクラックを抑制するための製造方法が開示されている。図１３は、特許文献１に記載の圧電素子の製造方法を説明するための模式的正面断面図である。図１３に示す圧電装置では、基板１００１上に、密着層１００２を介して、圧電素子１００３が積層されている。圧電素子１００３は、密着層１００２上において、第１の電極層１００４、圧電体薄膜層１００５及び第２の電極層１００６を順次成膜することにより形成されている。ここでは、圧電体薄膜層１００５の成膜時に収縮応力を付与している。成膜後の冷却時に基板１００１と圧電体薄膜層１００５との収縮量差により、圧電体薄膜層１００５に生じる引張応力が緩和されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１９７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の製造方法では、圧電体薄膜層１００５自体に成膜後の冷却に際し圧縮応力を付与し、圧電体薄膜層１００５に生じる引張応力が緩和されている。それによって、クラックの発生が抑制されている。このような方法によれば、繰り返し駆動された際のクラックも抑制されると考えられている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、スパッタリングなどの薄膜堆積法により圧電体層を形成する場合にのみ適用可能な方法にすぎない。すなわち、成膜時の応力を利用するものであるため、圧電体グリーンシートを積層して得られる積層圧電体を用いた圧電素子には用いることはできない。
【０００７】
近年、より大きな変位を得るために、複数の圧電体層が積層されている積層圧電体を用いた圧電アクチュエータが様々な分野で用いられている。積層圧電体においても、小型化及び小型でありながら大きな変位を得るために、圧電体層は薄くなってきている。そのため、使用している内に、積層圧電体表面にクラックが生じるおそれがあった。積層圧電体における圧電体層の厚みが薄くなるにつれて、または積層圧電体自体の厚みが薄くなるにつれて、クラックが生じやすくなるため、クラックの抑制が強く求められている。
【０００８】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、圧電体層におけるクラックが生じ難い、信頼性に優れた積層圧電体を用いた積層型圧電素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上面と、下面とを有する積層圧電体と、前記積層圧電体の外表面に形成された第１及び第２の外部電極とを備え、前記積層圧電体が、上面側及び下面側にそれぞれ配置された上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層と、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層間に積層された内側圧電体層と、前記上面及び下面にそれぞれ形成された上面電極及び下面電極と、隣り合う圧電体層間に配置された内部電極とを備え、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くされている。
【００１０】
本発明に係る積層型圧電素子のある特定の局面では、前記上面電極及び下面電極が前記第１の外部電極に電気的に接続されており、前記内部電極が、前記第１の外部電極に電気的に接続されている第１の内部電極と、前記第２の外部電極に電気的に接続されている第２の内部電極とを有する。この構造では、上面電極及び下面電極が第１の外部電極に電気的に接続されて同電位となるため、外部との電気的接続に際しての方向性をなくすことができる。
【００１１】
本発明に係る積層型圧電素子の他の特定の局面では、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層よりも厚くされている。この場合には、分極処理に際し、全ての圧電体層に同じ強度の電界を印加すればよいため、分極処理が容易となる。
【００１２】
本発明に係る積層型圧電素子のさらに他の特定の局面では、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しくされている。この場合には、同一の厚みの複数枚の圧電体グリーンシートを積層することにより、積層圧電体を容易に得ることができる。
【００１３】
本発明の製造方法は、本発明の製造方法であって、上面側最外層圧電体層、下面側最外層圧電体層、第１及び第２の外部電極、上面電極並びに下面電極を有する前記積層型圧電体を用意する工程と、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くなるように積層形圧電体を分極処理する工程とを備える。
【００１４】
本発明に係る積層型圧電素子の製造方法のある特定の局面では、前記積層型圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが前記内側圧電体層の厚みよりも厚い積層圧電体を用意し、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層並びに内側圧電体層に同じ大きさの電界を印加して分極処理を行う。この場合には、全ての圧電体層に同じ電界強度の電界を印加して分極処理を行うことができるので、分極が容易である。
【００１５】
本発明に係る積層型圧電素子の製造方法のさらに他の特定の局面では、前記積層圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しい積層圧電体を用意し、前記積層圧電体を分極する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層に、前記内側圧電体層に比べて弱い電界を印加して分極される。この場合には、分極に先立つ積層圧電体の製造に際し、同じ厚みの複数枚の圧電体グリーンシートを用意するだけでよいため、積層圧電体の製造工程の簡略化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る積層型圧電素子によれば、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、内側圧電体層の分極度よりも低くされているので、分極に伴う分極歪が内側圧電体層に比べ最外層圧電体層において小さくされる。そのため、最外層圧電体層に圧縮応力を付与することができ、駆動に際し積層圧電体が変位した場合に最外層圧電体層における変位量が抑制され、それによってクラックの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態の積層圧電素子の製造方法における分極工程を説明するための模式的正面断面図であり、（ｂ）は本実施形態の積層型圧電素子の斜視図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態において用意する内部電極形状を説明するための各平面図である。
【図３】本発明の一実施形態において用意される積層型圧電体の分解斜視図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、分極前のドメインの状態及び分極後のドメインの状態を示す模式図である。
【図５】分極前後のドメインの形状の変化を説明するための模式図である。
【図６】積層型圧電体の最外層圧電体層と内側圧電体層との応力関係を説明するための模式的正面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、積層型圧電体が上方に突となるように変位した場合、下方に突となるように変位した場合の各変位状態を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の積層型圧電素子分極工程を説明するための模式的正面断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、第２の実施形態の積層型圧電素子の製造方法において形成される内部電極形状を説明するための各平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態において、積層圧電素子に分極用電極を形成した状態を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の積層型圧電素子の外観を示す斜視図である。
【図１２】従来の積層型圧電素子において生じるクラックの状態を示す模式的正面断面図である。
【図１３】従来の圧電素子の製造方法を説明するための正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１９】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態における積層型圧電素子の分極工程を説明するための正面断面図及び該積層型圧電素子を示す斜視図である。
【００２０】
積層型圧電素子１は、積層圧電体２を有する。積層圧電体２は、本実施形態では、直方体状の形状を有する。
【００２１】
積層圧電体２は、上面２ａから下面２ｂに向かって複数の圧電体層を積層した構造を有する。より具体的には、上面２ａ側に、上面側最外層圧電体層３が配置されており、下面２ｂ側に下面側最外層圧電体層８が配置されている。上面側最外層圧電体層３と、下面側最外層圧電体層８との間に、複数の内側圧電体層４〜７が積層されている。
【００２２】
また、上面２ａ上に上面電極９が形成されており、下面２ｂ上に下面電極１０が形成されている。
【００２３】
また、積層圧電体２内においては、上方から順に複数の内部電極１１〜１５が形成されている。内部電極１１〜１５は、隣り合う圧電体層間に配置されており、第１の内部電極１２，１４と、第２の内部電極１１，１３，１５とに区別される。
【００２４】
第１の内部電極１２，１４と、第２の内部電極１１，１３，１５とが、積層圧電体２の厚み方向において交互に配置されている。
【００２５】
なお、最外側の圧電体層である上面側最外層圧電体層３の厚み及び下面側最外層圧電体層８の厚みは、内側圧電体層４〜７の厚みよりも厚くされている。
【００２６】
上面側最外層圧電体層３、内側圧電体層４〜７及び下面側最外層圧電体層８は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような適宜の圧電セラミックスからなり、図示の矢印で示すように、厚み方向に分極処理されている。また、隣り合う圧電体層の分極方向が厚み方向に逆方向となるように、圧電体層３〜８が分極処理されている。
【００２７】
図１（ｂ）に示すように、第１，第２の外部電極１６，１７が積層圧電体２の側面に形成されている。第１の外部電極１６は、上面電極９、下面電極１０及び第１の内部電極１２，１４に電気的に接続されている。他方、第２の外部電極１７は、第２の内部電極１１，１３，１５に電気的に接続されている。
【００２８】
上記積層型圧電素子１の製造に際しては、まず、第１のマザーの圧電体グリーンシートを用意する。マザーの圧電体グリーンシート上に複数の第１の内部電極を印刷する。同様に、第２のマザーの圧電体グリーンシート上に複数の第２の内部電極を印刷する。次に、複数の第１の内部電極が印刷された第１のマザーの圧電体グリーンシートと、上記第２のマザーの圧電体グリーンシートとを交互に積層し、上下に無地のマザーの圧電体グリーンシートを積層し、マザーの積層体を得る。最外層圧電体層３，８を構成する圧電体グリーンシートのみ、内側圧電体層４〜７を構成するための圧電体グリーンシートよりも厚みが厚くされている。このマザーの積層体を厚み方向に圧着した後、切断することにより積層体生チップを得る。切断は、焼成後に行っても良い。
【００２９】
この積層体生チップを焼成することにより、焼結体を得る。この焼結体の上面及び下面に上面電極９及び下面電極１０を形成することにより、上記積層圧電体２を得ることができる。なお、上記上面電極９及び下面電極１０は、焼結前にマザーの積層体段階で導電ペーストを印刷し、上記焼成により完成させてもよい。いずれにしても、上記積層圧電体２の製造は、周知のセラミックス一体焼成技術を用いて行われる。
【００３０】
図２（ａ）は、第１の内部電極１２の平面形状を説明するための模式的平面図であり、図２（ｂ）は第２の内部電極１１の平面形状を説明するための模式的平面図である。第１の内部電極１２は、積層圧電体２の平面形状よりも小さい矩形形状を有し、積層圧電体２の長辺側側面に引き出されている引出し部１２ａを有する引出し部１１ａ以外の部分では、積層圧電体２の外表面よりも内側に位置している。
【００３１】
他方、図２（ｂ）に示すように、第２の内部電極１１は、同じく矩形形状を有し、ただし積層圧電体２の長辺側側面の一方の端面側に寄せられた位置に設けられた引出し部１１ａを有する。
【００３２】
図３に示されているように、第１の内部電極と第２の内部電極とが厚み方向において交互に配置されている。そして、上面電極９及び下面電極１０は、第１の内部電極１２と同様に、積層圧電体２の長辺側側面の中央に引き出されている引出し部９ａ，１０ａを有する。
【００３３】
従って、第１の外部電極１６に、上面電極９、下面電極１０及び第２の内部電極１１，１３，１５が電気的に接続されている。第２の外部電極１７に、第２の内部電極１１，１３，１５が電気的に接続されている。
【００３４】
これらの電極材料については特に限定されず、例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｌ、Ｃｕなどの適宜金属もしくは合金により形成することができる。
【００３５】
上記積層圧電体２を得た後に、図１（ａ）に示すように、電圧を印加することにより分極処理が行われる。上面電極９、下面電極１０及び第１の内部電極１２，１４にプラスの電位を、第２の内部電極１１，１３，１５にマイナスの電位を印加する。具体的には、第１，第２の外部電極１６，１７間にこのような電位差を与えればよい。それによって、図示の矢印で示すように各圧電体層が上述したように分極処理される。この場合、上面側最外層圧電体層３及び下面側最外層圧電体層８の厚みが残りの圧電体層である内側圧電体層４〜７の厚みよりも厚くされているので、最外層圧電体層３，８の分極度は、内側圧電体層４〜７の分極度よりも低くなる。
【００３６】
本実施形態の積層型圧電素子１では、最外層圧電体層３，８の分極度が相対的に低くされているため、使用時のクラックの発生を抑制することができる。これを以下においてより具体的に説明する。
【００３７】
使用に際しては、第１，第２の外部電極１６，１７間に電位が与えられる。使用時と分極時とで、内部電極と外部電極の接続を一部変更するように、内部電極の形状を工夫することで、図７のような変位を実現することができる。図７のような振動は、例えばバイモルフ構造を有する圧電素子で可能である。その結果、例えば、図７（ａ）に実線Ａで示す変位状態または、図７（ｂ）に実線Ｂで示す変位状態に破線の状態から変化することになる。例えば、第１の外部電極１６にプラスの電位を、第２の外部電極１７にマイナスの電位を与えた場合、図７（ａ）に示すように、最外層圧電体層３及び内側圧電体層５，６が電位方向に延び、内側圧電体層６，７及び下面側最外層圧電体層８が図面方向に収縮することになるため、図７（ａ）の変位状態Ａが実現される。
【００３８】
第１，第２の外部電極１６，１７に印加される電界の極性を逆転すると、図７（ｂ）に示す変位状態Ｂが実現されることになる。いずれの場合においても、積層圧電体２においては、最外層圧電体層３または最外層圧電体層８を表面に大きな引張応力が加わることになる。この場合、全ての圧電体層の分極度が等しい場合には、最外側の圧電体層の表面に大きな引張応力が加わるため、図１２に示す従来の積層圧電体１０１１のように積層圧電体１０１２の上面１０１２ａまたは下面１０１２ｂの中央領域にクラックＣが生じがちとなる。
【００３９】
これに対して、本実施形態の積層型圧電素子１では、このようなクラックＣの発生を抑制することができる。これは、以下の理由による。分極処理に際し、分極用電界Ｅが圧電体層に加わることになる。この場合、図４（ａ）に模式的に示すように圧電体層を形成している各ドメインＤに、矢印Ｅで示す電界が印加される。なお、ドメインＤ中の矢印は、各ドメインにおける分極軸方向である。上記電界Ｅが加わると、ドメインＤの分極軸方向が変化され、図４（ｂ）に示すように、多数のドメインＤの分極軸方向が分極用電界Ｅの方向に沿って揃うこととなる。なお、中には、電界Ｅの方向に分極軸方向が揃わないドメインＤも存在する。
【００４０】
この場合、図４（ａ）において、分極用電界Ｅの方向と分極軸方向が等しいドメインＤや分極用電界Ｅの方向と分極軸方向が余り変わらないドメインＤの分極軸方向は、電界Ｅの印加により、電界Ｅとほぼ同じ方向となる。これに対して、分極用電界Ｅの方向と逆方向の分極軸方向の場合には、分極処理を施しても、分極用電界Ｅの大きさによっては、分極軸方向は変化しない。また、分極用電界Ｅの方向と分極軸方向が大きな角度をなしている場合、例えば９０°の角度をなしている場合には、分極用電界Ｅが印加されると、分極軸方向が大きく変化することとなる。
【００４１】
分極用電界Ｅが加わった場合に、分極軸方向が大きく変化するドメインの場合、図５に示すように、分極前には、分極用電界Ｅの方向と直交する方向の寸法Ｓ０であったのが、分極歪を受け、Ｓ１と小さくなる。これは、ドメインの分極軸方向が分極用電界方向に揃えられる際に、分極用電界Ｅの方向と直交する方向に収縮することになる。すなわち、分極に際しドメインが回転する量が大きいほど、言い換えれば分極度が高くなるほど、上記分極による歪が大きくなり、分極電界Ｅの方向と直交する方向の寸法は小さくなる。
【００４２】
本実施形態では、分極に際し、最外層圧電体層３，８の厚みが相対的に厚いため、分極に際して厚み方向に加わる電界の大きさは、内側圧電体層４〜７に比べて低くなる。そのため、最外層圧電体層３，８における分極歪は相対的に内側圧電体層４，７における分極歪に対して相対的に小さくなる。その結果、図６に模式的に示すように、最外層圧電体層３における分極度が低く、分極歪が小さいため、最外層圧電体層３を圧縮応力Ｆが、内側圧電体層４には引張応力Ｇが付与される。
【００４３】
このようにして、上面側最外層圧電体層３に面方向における圧縮応力が付与されることになる。同様に、下面側最外層圧電体層８においても面方向に圧縮応力が付与されることとなる。
【００４４】
従って、積層型圧電素子１では、積層圧電体２の駆動に際し、図７（ａ）または（ｂ）に示す変位状態ＡまたはＢが実現され、最外層圧電体層３または最外層圧電体層８の外表面に大きな引張応力が加わったとしても、上記圧縮応力が予め付与されているので、変位を抑制し、それによってクラックの発生が抑制されている。
【００４５】
次に、具体的な実験例につき説明する。
【００４６】
第１の実施形態に従って、以下の容量で積層圧電体を作製した。チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスラリーを用い、厚み２０μｍの圧電体グリーンシートを得た。次に、圧電体グリーンシート上に、ＡｇとＰｄを重量比で８：２の割合で含むＡｇ／Ｐｄ導電ペーストを１．０μｍの厚みにスクリーン印刷した。このようにして得られたマザーの圧電体グリーンシートを各実施形態の製造方法に従って、複数枚積層し、ただし焼結後の厚みが内側の圧電体層と最外層の圧電体層とが異なるように、複数種の圧電体グリーンシートを用いた。このようにして、内部電極積層数が１４層のマザーの積層体を得た。
【００４７】
しかる後、脱バインダー工程を実施した後、積層体を１０００℃で焼成し、マザーの焼結体を得た。このマザーの焼結体をダイサーにより切断し、１７ｍｍ×１７ｍｍ×厚み０．３ｍｍのチップを得た。このチップにおいて、内部電極積層数は１４層であり、内側圧電体層の厚みは１７μｍであり、最外層の圧電体層は下記の表１に示すように、１６、２５または３２μｍとした。
【００４８】
次に、第１，第２の外部電極並びに上面電極及び下面電極を、Ｎｉを６３重量％以上、Ｃｕを３０重量％含むモネル合金により形成した。厚みは０．２μｍとした。しかる後、第１，第２の外部電極１６，１７間に３．０ｋＶ／ｍｍの電界を２分間印加し、分極処理を行った。
【００４９】
このようにして、下記の表１に示す試料番号１〜４の圧電素子を得た。
【００５０】
【表１】
2010161286.tif 000003
【００５１】
上記のようにして得られた複数種の積層型圧電素子において、最外層圧電体層に加わる分極電界と、内側圧電体層の分極に際し加わる分極電解の比を求めた。この分極電界比を下記の表２に示す。
【００５２】
上記複数種の積層型圧電素子につき、上記分極電界比に対する圧縮応力、すなわち、最外層圧電体層に付与される圧縮応力と、湿中駆動試験における故障時間と、変位量とを以下の要領で求めた。
【００５３】
１）圧縮応力
μ−ＸＲＤスペクトルにより、ＰＺＴ相の２２２ピークを用いて、試料中央部すなわち圧電体層中の応力を測定した。Ｘ線回折では、試料のあおり方向（ψ）の角度を変更し、それぞれにあおり角度で測定した。試料に応力が存在すると、あおり角ψが大きいほど、ピークがシフトする。このシフト量から応力を求めることができる。試料番号１におけるピークシフト量を１００％とした場合の圧縮応力の比率を、圧縮応力付与率とし、下記の表２に示す。
【００５４】
【表２】
2010161286.tif 000004
【００５５】
２）湿中駆動試験における故障開始時間
信頼性を評価するために、６０℃相対湿度９５％の雰囲気中で、駆動周波数を１５Ｈｚとし、１２Ｖの駆動電圧を印加し、故障に至るまでの時間を求めた。
【００５６】
結果を表３に示す。
【００５７】
【表３】
2010161286.tif 000005
【００５８】
３）変位量の測定
１５Ｈｚの駆動周波数で１２Ｖの電圧を印加し、変位量を測定した。結果を下記の表４に示す。
【００５９】
【表４】
2010161286.tif 000006
【００６０】
表２〜表４から明らかなように、本発明の実施例に相当する試料番号２，３では、最外層圧電体層に圧縮応力が相対的に付与され、そのため、試料番号１の積層型圧電素子に比べ、湿中試験における故障開始時間が遥かに長く、信頼性に優れていることがわかる。
【００６１】
また、試料番号４の積層型圧電素子では、上面電極及び下面電極を形成しなかったが、この試料番号４に比べ、試料番号２，３の積層型圧電素子では、大きな変位量の得られることがわかる。
【００６２】
なお、積層型圧電素子の最外層圧電体層における変位を内側の圧電体層の半分以下とするには、すなわち大きな変位量とクラック防止とのバランスを図る上には、最外層圧電体層の分極度は、内側圧電体層の分極度の３０％以上とすることが望ましい。この場合に、信頼性が大幅に高められることとなる。従って、本実施形態では、好ましくは、最外層圧電体層の厚みを、内側圧電体層の厚みの３．３倍以下とすることが望ましく、その場合には、第１，第２の外部電極を用いて電極処理を施した場合、最外層圧電体層の分極度を確実に内側圧電体層の３０％以上とすることができる。
【００６３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る積層型圧電素子の分極方法を説明するための正面断面図であり、図１０は分極の際の分極用電極が積層型圧電体表面に形成されている構造を示す斜視図である。本実施形態では、積層圧電体２２は、厚みが等しい複数の圧電体層２３〜２８を有する。すなわち、最外層圧電体層２３，２８は、内側圧電体層２４〜２７と等しい厚みとされている。そして、積層圧電体２２の上面２２ａには、上面電極２９が形成されており、下面２２ｂには下面電極３０が形成されている。複数の内部電極３１〜３５は、隣り合う圧電体層間に配置されている。
【００６４】
図９（ａ）は、上面電極２９の電極パターンを示す平面図であり、積層圧電体２２の一方の長辺側側面中央に引き出されている引出し部２９ａが設けられている。同様に、下面電極３０にも、積層圧電体２２の一方の長辺側側面中央に引き出された引出し部が設けられている。
【００６５】
第１の内部電極３２，３４は、図９（ｃ）に示すように、積層圧電体２２の一方の長辺側側面において、一端側に寄せられた位置に設けられた引出し部３２ａを有する。内部電極３４も、同様の位置に設けられた引出し部を有する。
【００６６】
他方、第２の内部電極３１は、図９（ｂ）に示すように、積層圧電体２２の一方の長辺側側面において、一方端側に寄せられた位置に設けられた引出し部３１ａを有する。他の第２の内部電極３３，３５も、同じ位置に引出し部を有する。図１０に示すように、上面電極２９の引出し部２９ａに電気的に接続されるように、第１の分極用電極４１が設けられている。第１の分極用電極４１は、下面電極３０にも電気的に接続されている。他方、第１の内部電極３２，３４の引出し部３２ａに電気的に接続されるように第２の分極用外部電極４２が形成されている。
【００６７】
さらに、第２の内部電極３１の引出し部３１ａに電気的に接続されるように、積層圧電体２２の一方の長辺側側面において、端部に寄せられて第３の分極用電極４３が形成されている。
【００６８】
第１〜第３の分極用電極４１〜４３に、図８に示すように、Ｖ１、２Ｖ１、０〔Ｖ〕の電圧を印加する。このようにして、圧電体層２３〜２８が図８の矢印で示すように分極処理される。この場合、最外層圧電体層２３，２８には、電圧Ｖ１の直流電界Ｅ１が印加され、他の内側圧電体層２４〜２７には、２Ｖ１−０＝２Ｖ１の電圧に相当する電界Ｅ０が印加されることになる。従って、最外層圧電体層２３，２８に加わる電界強度Ｅ１は、内側圧電体層２４〜２７に加わる電界強度Ｅ０の半分となり、最外層圧電体層２３，２８の分極度が相対的に低くなる。
【００６９】
よって、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、最外層圧電体層２３，２８の分極度が相対的に低いため、分極歪の差による圧縮応力が最外層圧電体層２３，２８に付与されることとなる。
【００７０】
次に、図１１に示すように、第１，第２の分極用電極４１，４２を電気的に接続するように電極膜を形成することにより、第１の外部電極４６が形成される。そして、第３の分極用電極４３を第２の外部電極として用い、両外部電極間に電圧を印加することにより、第１の実施形態と同様に駆動することができる。
【００７１】
本実施形態においても、最外層圧電体層２３，２８の分極度が相対的に低くされているので、第１の実施形態の積層型圧電素子と同様に、最外層圧電体層における変位を抑制し、クラックの発生を確実に抑制することが可能となる。
【００７２】
第２の実施形態においても、最外層圧電体層２３，２８の分極度は相対的に低ければよいが、内側圧電体層２４〜２７の分極度の３０％以上とすることが、十分な変位量でクラックを抑制する上で好ましい。従って、内側圧電体層を加える電界強度の３／１０以上の電界強度を与えて最外層圧電体層２３，２８を分極処理することが望ましい。それによって、湿中試験における故障停止に至る時間１０倍程度長くすることが可能となる。
【００７３】
第１，第２の実施形態から明らかなように、最外層圧電体層の分極度が相対的に低ければ、最外層圧電体層の厚みは内側圧電体層と等しくともよく、異なっていてもよい。
【００７４】
第２の実施形態では、全ての圧電体層２３〜２８の厚みが等しいため、用意する圧電体グリーンシートの種類を少なくすることができ、積層圧電体２２を容易に得ることができる。これに対して、第１の実施形態では、分極に際し、複雑な電気的接続構造を必要とせず、最終的に用いられる第１，第２の外部電極をそのまま第１，第２の分極用電極として用いることができるので、分極工程の簡略化及び製造工程の簡略化を図ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１…積層型圧電素子
２…積層圧電体
２ａ…上面
２ｂ…下面
３…上面側最外層圧電体層
４〜７…内側圧電体層
８…下面側最外層圧電体層
９…上面電極
９ａ…引出し部
１０…下面電極
１０ａ…引出し部
１１，１３，１５…第２の内部電極
１１ａ…引出し部
１２，１４…第１の内部電極
１２ａ…引出し部
１６…第１の外部電極
１７…第２の外部電極
２２…積層圧電体
２２ａ…上面
２２ｂ…下面
２３，２８…最外層圧電体層
２４〜２７…内側圧電体層
２９…上面電極
２９ａ…引出し部
３０…下面電極
３１，３３，３５…第２の内部電極
３１ａ…引出し部
３２，３４…第１の内部電極
３２ａ…引出し部
３４…内部電極
４１…第１の分極用電極
４２…第２の分極用外部電極
４３…第３の分極用電極
４６…第１の外部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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