(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部位に引き出された内部電極を有する第１の圧電層と、前記第１の部位と異なる第２の部位に引き出された内部電極を有する第２の圧電層とを、交互に複数積層するとともに、積層方向の両端部に、圧電層によるカバー部がそれぞれ形成されており、
前記第１の部位に引き出された内部電極のそれぞれに第１の極性の駆動電圧を印加する第１の外部電極と、前記第２の部位に引き出された内部電極のそれぞれに第２の極性の駆動電圧を印加する第２の外部電極とを備えた圧電素子を、多数重ねた積層型圧電構造体であって、
前記積層方向の一端側のカバー部の露出面に、第１のカバー部電極を形成し、前記積層方向の他端側のカバー部の露出面に、第２のカバー部電極を形成するとともに、
前記第１のカバー部電極が、前記カバー部の少なくとも中央付近を覆い、
該第１のカバー部電極を、カバー部を挟んで対向する内部電極と異なる極性の駆動電圧が印加される外部電極に接続し、
前記第２のカバー部電極を、カバー部を挟んで対向する内部電極と異なる極性の駆動電圧が印加される外部電極に接続し、
前記第１のカバー部電極と、対向する内部電極とによって、前記カバー部の少なくとも中央付近を分極して活性化するとともに、
前記内部電極よりも、前記カバー部電極の面積が小さい圧電素子の前記カバー部電極の周囲に絶縁層を形成し、
同一極性の駆動電圧が印加されるカバー部電極を接合するとともに、同一極性の駆動電圧が印加される外部電極が同一面となるように多数重ね、
同じ極性の外部電極同士は、コンタクトを確保するため、導電性ペーストを用いてブリッジを設けたことを特徴とする積層型圧電構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体セラミックスなどによる圧電層と内部電極層とを積層した圧電素子を更に重ねた圧電アクチュエータなどの積層型圧電構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型の圧電アクチュエータとしては、例えば、下記特許文献１記載の積層型圧電素子がある。これは、圧電体セラミックス層と内部電極層とが積層された積層体のうち、内部電極層が、積層体の異なる一側面に交互に導出された第１内部電極層と、積層体の積層方向の所定の長さ寸法毎に積層体の略全断面に渡って形成されており、積層体の少なくとも一側面に導出された第２内部電極層とからなる。最初に、前記第２内部電極層間に電界を印加して、積層体全体のドメインの向きを略積層方向に配向する全体分極が行なわれ、次に、前記第１内部電極層を介して前記積層体に電界を印加し、層間分極が行なわれる。
【０００３】
下記特許文献２記載の積層型圧電体素子は、複数の圧電体層と、該圧電体層間に配設され、同一極ごとに、互に対向する両側面に引き出された内部電極と、両面側に引き出された同一極の各内部電極と導通する２つの外部電極とを備えており、該２つの外部電極が、各同一極の内部電極が引き出された側面から上・下面にまで回り込むように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2005-108989号公報
【特許文献２】特開平7-135348号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１記載の積層型圧電素子では、両端の保護層が分極されず、圧電不活性であるため、全体としてみると、変位伝達損失が生ずる恐れがある。また、1回目の分極時に使用した電極接続を除去して２回目の分極を行う必要がある，外部電極の構造が複雑となるなどの不具合もある。
【０００６】
また、特許文献２記載の積層型圧電体素子でも、両端の圧電体層は、端側の一部が分極されるものの、特に中央付近が分極されず、圧電不活性であるため、同様に全体としてみると変位伝達損失が生ずる恐れがある。
【０００７】
本発明は、以上のような点に着目したもので、変位伝達損失を良好に低減することができ、更にはクラックの発生も防止することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の積層型圧電構造体は、第１の部位に引き出された内部電極を有する第１の圧電層と、前記第１の部位と異なる第２の部位に引き出された内部電極を有する第２の圧電層とを、交互に複数積層するとともに、積層方向の両端部に、圧電層によるカバー部がそれぞれ形成されており、前記第１の部位に引き出された内部電極のそれぞれに第１の極性の駆動電圧を印加する第１の外部電極と、前記第２の部位に引き出された内部電極のそれぞれに第２の極性の駆動電圧を印加する第２の外部電極とを備えた圧電素子を、多数重ねた積層型圧電構造体であって、前記積層方向の一端側のカバー部の露出面に、第１のカバー部電極を形成し、前記積層方向の他端側のカバー部の露出面に、第２のカバー部電極を形成するとともに、前記第１のカバー部電極が、前記カバー部の少なくとも中央付近を覆い、該第１のカバー部電極を、カバー部を挟んで対向する内部電極と異なる極性の駆動電圧が印加される外部電極に接続し、前記第２のカバー部電極を、カバー部を挟んで対向する内部電極と異なる極性の駆動電圧が印加される外部電極に接続し、前記第１のカバー部電極と、対向する内部電極とによって、前記カバー部の少なくとも中央付近を分極して活性化するとともに、前記内部電極よりも、前記カバー部電極の面積が小さい圧電素子の前記カバー部電極の周囲に絶縁層を形成し、同一極性の駆動電圧が印加されるカバー部電極を接合するとともに、同一極性の駆動電圧が印加される外部電極が同一面となるように多数重ね、同じ極性の外部電極同士は、コンタクトを確保するため、導電性ペーストを用いてブリッジを設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、カバー部の中央付近を分極して活性領域としたので、変位伝達の損失を良好に低減することができ、更にはクラックの発生も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の圧電素子を示す図である。
【図２】実施例１の積層型圧電アクチュエータにおける圧電素子の積層の様子を示す図である。
【図３】実施例１の積層型圧電アクチュエータの主要断面構造を示す図である。
【図４】実施例１の積層型圧電アクチュエータの外観と他の例を示す図である。
【図５】本発明の実施例２を示す図である。
【図６】本発明の実施例３を示す図である。
【図７】本発明の実施例４を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明では、内部電極を有する圧電層を積層した圧電素子を更に積層して、積層型圧電構造体を構成している。最初に、図１〜図４を参照しながら、実施例１を構成する圧電素子の基本的な構造について説明する。なお、内部電極の積層数は、偶数・奇数のいずれでもよいが、実施例１は偶数の場合の例である。図１(A)に示すように、圧電素子１００では、内部電極１０が表面に形成された圧電層１２と、内部電極２０が表面に形成された圧電層２２とが、交互に積層されている。従って、内部電極１０，２０の積層数と圧電層１２，２２の積層数は同じである。また、上下には、カバー部電極３０，４０が表面に形成されたカバー部３２，４２がそれぞれ積層されている。
【００１６】
カバー部電極３０，４０は、内部電極１０，２０と同様の電極形状となっており、内部電極１０，２０と重なるように形成されている。カバー部電極３０は、内部電極２０と同じ方向に引き出されており、カバー部電極４０は、内部電極１０と同じ方向に引き出されている。
【００１７】
圧電層１２，２２の表面には、内部電極１０，２０が印刷により形成されている。カバー部電極３０，４０及びカバー部３２，４２についても同様である。図１(B)には積層後の外観が示されており、同図の＃１−＃１線に沿って矢印方向に見た断面が図１(C)に示されている。図示の例では、８層の圧電層が積層されている。以上のような積層体の状態で全体を同時焼成するとともに、上下面を研磨して、カバー部３２，４２の面平滑性を確保する。
【００１８】
次に、図２(A)，(B)を参照して外側の電極形成について説明する。図２(A)は外観を示し、その＃２−＃２線に沿って矢印方向に見た断面が図２(B)に示されている。まず、カバー部電極３０，４０の周囲に、それらと同じ厚みの絶縁層３４，４４を形成し、厚み合わせを行う。その後、圧電素子１００の側面の内部電極取り出し口に、外部電極５０，６０をそれぞれ形成する。外部電極５０は内部電極１０及びカバー部電極４０の引き出し部にそれぞれ接続しており、外部電極６０は内部電極２０及びカバー部電極３０の引き出し部にそれぞれ接続している。以上のようにして、圧電素子１００が得られる。
【００１９】
次に、図２(C)に示す外観，図２(D)に示す断面のように、本実施例では、以上のような圧電素子１００を、必要数積層する。このとき、一つおきに、圧電素子１００の表裏を反転し、カバー部電極３０同士，カバー部電極４０同士がそれぞれ対向して接触する配置とするとともに、外部電極５０，６０がそれぞれ同一側面に露出する配置とする。図示の例では、３つの圧電素子１００Ａ〜１００Ｃを積層しており、中央の圧電素子１００Ｂの表裏が反転した配置となっている。
【００２０】
以上のうち、圧電層１２，２２としては、例えば、層厚が２５μｍの圧電性セラミックスのグリーンシートを使用する。内部電極１０，２０としては、Ag，Ag/Pd(モル比が7/3〜95/5)，Pt，Cu，Niなどを使用する。内部電極１０，２０は、圧電層１２，２２の表面の５０％以上を覆うように、印刷により形成する。内部電極１０，２０を形成した圧電層１２，２２は、全体で２０層積層する。カバー部３２としては、層厚が２５μｍの圧電性セラミックスのグリーンシートを積層し、全体の厚みが２００μｍとなるように枚数調整したものを使用する。カバー部４２についても、同様である。カバー部電極３０，４０は、前記内部電極１０，２０と同様である。絶縁層３４，４４としては、例えばポリイミドなどを使用する。外部電極５０，６０としては、例えばAgを使用し、スパッタ蒸着，熱硬化樹脂による接着などで形成するが、密着性を考えると焼き付けによる形成が望ましい。
【００２１】
次に、図３に断面を示すように、以上のような配置の圧電素子１００Ａ〜１００Ｃを連結する。連結方法の一例を示すと、カバー部電極３０同士，４０同士の接合については、剛性のとれた接着剤を用い、その表面にスパッタ蒸着など各種方法で導電性を付与した接着層７０によって接合する。あるいは、弾性の高い導電性接着剤を使用する。また、絶縁層３４同士，４４同士の接合については、電極間の絶縁性を確保するため、更にエポキシなどによる絶縁層７２を設けるようにする。そして、同じ極性の外部電極５０同士，６０同士は、コンタクトを確保するため、導電性ペーストなどを用いてブリッジ７４を設ける。
【００２２】
以上の状態で、外部電極５０，６０間に分極電圧を印加することで、圧電層１２，２２，カバー部３２，４２の分極が行われる。例えば、外部電極５０にプラス電圧，外部電極６０にマイナス電圧を印加する。これにより、圧電不活性層が分極され、活性層となる。なお、このような一体分極処理ではなく、図２(A)，(B)に示した圧電素子１００の状態で、外部電極５０，６０に電圧を印加することで、分極処理を行うようにしてもよい。図３には、各層の分極方向が矢印で示されており、内部電極１０，２０やカバー部電極３０，４０を挟んで分極方向が反転している。
【００２３】
なお、圧電層１２，２２と、カバー部３２，４２とで、厚みが異なる。分極処理の電極間印加電圧は同じであるため、厚みの違いによって、実効電界強度が異なる。このため、圧電層１２，２２と、カバー部３２，４２とで、分極状態（歪）に差が生ずるが、圧電層１２，２２の厚みと、カバー部３２，４２の厚みの組み合わせで、分極状態の差を規定することができる。この分極処理により、積層型圧電アクチュエータ１１０が得られる。図４(A)には、その外観が示されている。
【００２４】
次に、本実施例の作用について説明すると、積層型圧電アクチュエータ１１０を駆動するときは、外部電極５０，６０に駆動電圧を印加する。すると、圧電層１２，２２に印加電界に応じて歪が生じ、積層型圧電アクチュエータ１１０が全体として変形するようになり、アクチュエータとして機能する。このとき、本実施例では、カバー部３２，４２も変位するため、圧電層１２，２２と、カバー部３２，４２との間で生ずる歪差が低減されるようになり、クラックの発生が抑制されるようになる。更に、圧電層１２，２２の活性領域の面積と、カバー部３２，４２の活性領域の面積とが等しいため、圧電層１２，２２によって生ずる変位伝達のカバー部３２，４２による損失が、良好に低減されるようになる。
【００２５】
なお、前記実施例では、カバー部電極３０，４０と内部電極１０，２０とが同じ面積で重なるようになっているが、仮にカバー部電極３０，４０を内部電極１０，２０よりも大きな面積で形成したとしても、カバー部３２，４２の分極された活性領域の大きさはほぼ同等である。従って、カバー部電極３０，４０を内部電極１０，２０よりも大きな面積で形成してもよいが、同じ面積の場合と実質的な差はない。
【００２６】
逆に、図４(B)に示す圧電素子１２０のように、カバー部電極３０Ａを内部電極１０Ａよりも小さい面積とすると、カバー部の活性領域は狭くなるが、カバー部の中央付近での変位が大きいことからすると、中央付近が分極されていれば、連結体としたときの変位伝達損失の低減やクラック発生の防止を図ることができる。
【００２７】
図４(C)に示す圧電素子１２２は、カバー部電極３０Ｂを円形とした例である。この例では、内部電極１０Ｂが四隅でカバー部電極３０Ａと重ならず、カバー部が分極されないが、中央付近ではカバー部も分極されるので、同様に変位伝達損失が低減され、クラックの発生防止も図ることができる。
【００２８】
以上のように、本実施例によれば、次のような効果がある。
(1)カバー部３２，４２に内部電極１０，２０と同一の形状の回り込みを行ってカバー部電極３０，４０を形成することとしたので、圧電層１２，２２間と同じ電界有効面積をカバー部３２，４２に付与する分極が可能である。カバー部３２，４２と圧電層１２，２２間の電界有効面積が等しい状態で圧電活性層となるため、連結体としたときの変位伝達損失を低減することができる。
(2)カバー部電極３０，４０は、分極後剥離する必要はなく、製造の工数軽減が可能であるのみならず、そのまま連結体の接続に用いることができ、外部電極５０，６０間同士の接続後、連結体の一体分極が可能となる。
(3)圧電層１２，２２とカバー部３２，４２の厚みが異なることにより、実効電界強度も異なり、圧電活性層となった両者の分極状態が異なる。しかし、圧電層１２，２２の厚みとカバー部３２，４２の厚みを規定することで、両者の分極状態の差（歪み差）を規定した設計が可能となる。
(4)カバー部３２，４２を圧電層１２，２２と同じ圧電活性層とすることで、カバー部３２，４２の歪が圧電層１２，２２に近づく。このため、変位時のクラック防止ないし低減を図ることができる。
(5)本発明のサンプルについて実験を行い、上述した従来技術（特許文献２）の積層型圧電体素子と比較したところ、次の表１に示すような結果が得られた。駆動電圧ON/OFFを1,000,000回行った後の製品１００個当たりのクラック発生率について比較すると、従来技術では５０個についてクラックが発生したのに対し、本発明では発生しなかった。また、カバー部を分極しない場合と比較して、相対変位量が１．２５となり、変位も増大した。
【表１】
0005584066.tif 000002
【実施例２】
【００２９】
次に、図５を参照しながら、実施例２について説明する。この実施例は、カバー部電極を圧電素子の表裏にそれぞれ形成することで、圧電素子間の接続を簡便に行うようにしたものである。図５(A)は圧電素子２００の外観を示し、図５(B)は積層する際の上下配置の様子を示し、図５(C)は、積層したアクチュエータとしての一例を示す。なお、上述した実施例と同一ないし対応する要素には、同一の符号を用いる。これらの図において、圧電素子２００の外部電極６０は、上面側のカバー部電極２３０Ａと下面側のカバー部電極２３０Ｂにそれぞれ接続している。一方、外部電極５０は、下面側のカバー部電極２４０Ａと上面側のカバー部電極２４０Ｂにそれぞれ接続している。
【００３０】
圧電素子２００の上面側では、図５(Ａ)に示すように、カバー部電極２３０Ａがカバー部電極２４０Ｂよりも面積が大きく設定されており、それらの周囲には、両電極の絶縁及び厚み合わせのための絶縁層２３４が形成されている。圧電素子２００の下面側では、図５(Ａ)と逆の関係となっており、カバー部電極２４０Ａがカバー部電極２３０Ｂよりも面積が大きく設定されており、それらの周囲には、両電極の絶縁及び厚み合わせのための絶縁層２４４が形成されている。
【００３１】
以上のような圧電素子２００は、図５(Ｂ)に示すように、一つ置きに上下を反転して積層される。図示の例では、圧電素子２００Ａと２００Ｃは同じ向きであるが、圧電素子２００Ｂは、上下を反転して積層されている。このようにすることで、圧電素子２００Ａ，２００Ｂの間では、カバー部電極２４０Ａ同士，カバー部電極２３０Ｂ同士がそれぞれ接合し、圧電素子２００Ｂ，２００Ｃの間では、カバー部電極２３０Ａ同士，カバー部電極２４０Ｂ同士がそれぞれ接合するようになる。
【００３２】
カバー部３２，４２は、面積の広いカバー部電極２３０Ａと内部電極１０によって挟まれた領域，面積の広いカバー部電極２４０Ａと内部電極２０によって挟まれた領域が分極されるため、上述した実施例１と比較して活性領域は狭くなるが、中心部分はいずれも分極されるため、同様に変位伝達損失が低減され、クラックの発生も防止されるようになる。また、駆動電圧印加のための引き出し線を同一端面に設けることができる。
【００３３】
更に、本実施例では、圧電素子２００の上下面に、極性の異なるカバー部電極がいずれも露出しているので、そのまま積層することで、外部電極間の接続を行なうことができる。図５(C)にはその一例が示されており、圧電素子２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃを図５(B)のように積層し、接着剤等を使用することなく、バネ手段２５０によって積層状態を維持している。なお、バネ手段２５０と両端の間には、絶縁等のためにスペーサ２５２を設けている。また、外部に対し変位を与える構造が設けられている（図示せず）。
【実施例３】
【００３４】
次に、図６を参照しながら、実施例３について説明する。上述した実施例は、圧電素子の上下面における主要なカバー電極の極性が逆となる場合であり、圧電層の積層数（内部電極の積層数と同じ）は偶数であったが、本実施例では奇数となっている。図６において、圧電素子３００の外部電極６０は、上面側のカバー部電極３３０Ａと下面側のカバー部電極３３０Ｂにそれぞれ接続している。外部電極５０は、カバー部電極とは接続しておらず、外部電極５０とカバー部電極３３０Ａ，３３０Ｂとの間には、両電極の絶縁及び厚み合わせのための絶縁層３３４，３４４が形成されている。
【００３５】
本実施例の場合は、図６に示すように、圧電素子３００を同じ向きで重ねることで、積層型のアクチュエータを得ることができる。なお、カバー部電極３３０Ａ，３３０Ｂの接続，外部電極５０の接続の方法は、図３に示した実施例１と同様でよい。
【実施例４】
【００３６】
次に、図７を参照しながら、実施例４について説明する。本実施例でも、圧電層の積層数は奇数となっている。図７において、圧電素子４００の外部電極６０は、上面側のカバー部電極４３０Ａと下面側のカバー部電極４３０Ｂにそれぞれ接続している。一方、外部電極５０は、上面側のカバー部電極４４０Ａと下面側カバー部電極４４０Ｂにそれぞれ接続している。
【００３７】
本実施例では、圧電素子４００の上面及び下面のいずれの側においても、外部電極６０に接続するカバー部電極４３０Ａ，４３０Ｂが、外部電極５０に接続するカバー部電極４４０Ａ，４４０Ｂよりも面積が大きく設定されており、それらの周囲には、両電極の絶縁及び厚み合わせのための絶縁層４３４，４４４が形成されている。
【００３８】
本実施例の場合も、図７に示すように、圧電素子４００を同じ向きで重ねることで、積層型のアクチュエータを得ることができる。本実施例では、圧電素子４００の上下面に、極性の異なるカバー部電極がいずれも露出しているので、そのまま積層することで、外部電極間の接続を行なうことができる。また、駆動電圧印加のための引き出し線を同一端面に設けることができる。
【００３９】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した各部の形状・寸法，材料，圧電層の積層数，圧電素子の積層数などは、いずれも一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例を組み合わせることも任意である。例えば、圧電素子を複数積層した場合に、その上下両端もしくは上下どちらかの圧電素子の表面については、カバー電極構造を図５(A)のような形状とすることで、駆動電圧印加のための引き出し線を同一端面に設けることができる。
(3)カバー部電極を保護するための保護層を更に形成してもよい。保護層としては、柔軟性のある材料を用いるようにする。
(4)本発明の積層型圧電構造体の適用例としては、積層型の圧電アクチュエータが好適であるが、それ以外のものに適用することを妨げるものではない。
(5)前記実施例では、圧電層の積層数が偶数の圧電素子同士，もしくは奇数の圧電素子同士を、それぞれ積層したが、圧電層の積層数が偶数の圧電素子と奇数の圧電素子を積層するようにしてもよい。例えば、図３の圧電素子１００Ｃの代わりに、図６の圧電素子３００を積層するという具合である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、カバー部の少なくとも中央付近を分極して活性化することとしたので、連結体としたときの変位伝達損失の低減やクラック発生の防止を図ることができるので、積層型の圧電アクチュエータなどに好適である。
【符号の説明】
【００４１】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，２０：内部電極
１２，２２：圧電層
２０：内部電極
２２：圧電層
３０，３０Ａ，３０Ｂ，４０：カバー部電極
３２，４２：カバー部
３４，４４：絶縁層
４０：カバー部電極
５０，６０：外部電極
６０：外部電極
７０：接着層
７２：絶縁層
７４：ブリッジ
１００，１００Ａ〜１００Ｃ：圧電素子
１１０：積層型圧電アクチュエータ
１２０，１２２：圧電素子
２００：圧電素子
２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ：圧電素子
２３０Ａ，２３０Ｂ：カバー部電極
２３４：絶縁層
２４０Ａ，２４０Ｂ：カバー部電極
２４４：絶縁層
２５０：バネ手段
２５２：スペーサ
３００：圧電素子
３３０Ａ，３３０Ｂ：カバー部電極
３３４，３４４：絶縁層
３４０Ａ，３４０Ｂ：カバー部電極
４００：圧電素子
４３０Ａ，４３０Ｂ：カバー部電極
４３４，４４４：絶縁層
４４０Ａ，４４０Ｂ：カバー部電極
【図１】
0005584066.tif 000003
【図２】
0005584066.tif 000004
【図３】
0005584066.tif 000005
【図４】
0005584066.tif 000006
【図５】
0005584066.tif 000007
【図６】
0005584066.tif 000008
【図７】
0005584066.tif 000009