(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において積層方向に垂直な一連の断面上で前記圧電素子の外周に接して形成され、駆動による応力を緩和する複数の応力緩和層を備え、
前記圧電素子の外周に沿った前記各応力緩和層の長さと外周の一辺の長さの比は、１２．５％以上３３％以下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記複数の応力緩和層は、前記積層方向に投影して得られる投影領域の総和が連続していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記応力緩和層が形成された一連の断面のうち、隣り合う断面上で最も近い応力緩和層同士の間では、前記応力緩和層の前記積層方向への投影領域が互いに重なることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
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の製造方法であって、
圧電セラミックスのグリーンシートに電極ペーストおよび所定の焼成温度過程では焼結しない非焼結材料を印刷する工程と、
前記印刷が施されたグリーンシート含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、
前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、
前記焼成された焼成体を分極処理する工程と、を含み、
前記非焼結材料は、焼成体となったときに、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において、前記焼成体の外周の一辺より短い領域を占め、かつ前記外周に接するように印刷されることを特徴とする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、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その製造方法に関し、特に発生する応力の緩和に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、圧電セラミックスと電極を積層した構造を有している。電圧を印加した時に活性な部分は変形するが、不活性な部分は変形しない。そのため、素子内部で応力が発生する。
【０００３】
このような応力を緩和する方法の一つに、応力緩和層を設ける方法が知られている（たとえば特許文献１、２参照）。特許文献１、２には、変位させたときに圧電的に不活性な部分に発生する応力を緩和する応力緩和層が、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圧電素子が開示されている。
【０００４】
図９は、このような従来の圧電素子１０００の（ａ）斜視図、（ｂ）（ｃ）断面図、（ｄ）使用後の斜視図である。圧電素子１０００の断面は、応力緩和層１０５０は、内部電極１０２０の周囲を囲うように配置されている。外部電極１０３０に電圧を印加すると、応力緩和層１０５０により圧電素子の変形で発生した応力が緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２９９４４９２号公報
【特許文献２】特許２９５１１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図９（ｄ）に示すように焼成時に応力緩和層１０８０が必要以上に開くことがある。応力緩和層１０８０は、材料力学的な欠陥となり、横方向の荷重に対して破壊の起点となりうる。特に圧電素子１０００の角部分が荷重に弱い。また、一体焼成によって形成された応力緩和層１０５０の場合、応力緩和層１０５０が不均一になることが多く、応力緩和層１０５０の角の部分に応力が集中し破壊しやすい。そのため、積層方向に垂直の方向の力に対して弱く、圧電素子を利用した製品の製造工程では折損等の不良が発生する場合がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子を利用した製品の製造工程で不良率を低減し、駆動時には内部の応力を緩和できる圧電素子およびその製造方法を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（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、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において積層方向に垂直な一連の断面上で外周に接して形成され、駆動による応力を緩和する複数の応力緩和層を備え、前記各応力緩和層の外周に沿った長さは、外周の一辺より短いことを特徴としている。
【０００９】
これにより、圧電素子の伸縮により応力が発生した場合、応力緩和層により圧電素子内にかかる応力を低減させ、圧電素子の破壊を防ぐことができる。その一方で、応力緩和層が外周の一辺より短いため、応力緩和層が破壊の起点とならず不良が生じ難い。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電素子は、前記複数の応力緩和層が、前記積層方向に投影して得られる投影領域の総和が連続していることを特徴としている。これにより、応力が局所的に集中して発生するのを防止し、応力を一様に緩和することができる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が形成された一連の断面のうち、隣り合う断面上で最も近い応力緩和層同士の間で、前記応力緩和層の前記積層方向への投影領域が互いに重なることを特徴としている。これにより、積層方向に生じる応力を効率的に緩和することができる。
【００１２】
（４）また、本発明の圧電素子は、前記各応力緩和層の外周に沿った長さと外周の一辺の長さの比が、１２．５％以上３３％以下であることを特徴としている。これにより、適当に応力の緩和と機械的な強度のバランスをとり、圧電素子の機能を維持しつつ、不良を防止することができる。
【００１３】
（５）また、本発明の圧電素子の製造方法は、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の製造方法であって、圧電セラミックスのグリーンシートに電極ペーストおよび所定の焼成温度過程では焼結しない非焼結材料を印刷する工程と、前記印刷が施されたグリーンシート含め、圧電セラミックスのグリーンシートを積層して圧着する工程と、前記圧着により得られた成形体を脱脂、焼成する工程と、前記焼成された焼成体を分極処理する工程と、を含み、前記非焼結材料は、焼成体となったときに、内部電極の積層方向への投影が重なり合う活性領域の周囲において外周の一辺より短い領域を占め、かつ前記外周に接するように印刷されることを特徴としている。これにより、内部にかかるストレスを低減させ、破壊され難い圧電素子を製造できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電素子を利用した製品の製造工程で不良率を低減し、駆動時には内部の応力を緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る圧電素子を示す斜視図である。
【図２】（ａ）（ｂ）本発明に係る圧電素子を示す透視図である。
【図３】（ａ）（ｂ）本発明に係る圧電素子を示す平断面図である。
【図４】グリーンシートを示す斜視図である。
【図５】本発明に係る圧電素子を示す斜視図である。
【図６】従来の圧電素子の（ａ１）、（ａ２）斜視図、（ｂ１）、（ｂ２）断面図、（ｃ１）、（ｃ２）断面図である。
【図７】本発明に係る圧電素子の（ａ１）〜（ａ３）斜視図、（ｂ１）〜（ｂ３）断面図、（ｃ１）〜（ｃ３）断面図である。
【図８】本発明に係る圧電素子の（ａ４）、（ａ５）斜視図、（ｂ４）、（ｂ５）断面図、（ｃ４）、（ｃ５）断面図である。
【図９】従来の圧電素子の（ａ）斜視図、（ｂ）断面図、（ｃ）断面図、（ｄ）斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（圧電素子の構成）
図１は、圧電素子１００を示す斜視図である。また、図２（ａ）、（ｂ）は、いずれも圧電素子１００を示す透視図である。圧電素子１００は、矩形に形成されている。圧電素子１００は、圧電層１１０と内部電極１２０とが積層方向Ｚについて交互に積層され、圧電層１１０は厚み方向の互い違いの向きに分極されている。圧電層１１０は、たとえばＰＺＴのような圧電材料で構成される。内部電極１２０は、対向する側面上で外部電極１３０に取り出されており、隣り合う内部電極１２０に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極１２０へ電圧を印加することで各圧電層１１０が伸縮し、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電アクチュエータとして圧電素子１００を説明しているが、本発明は必ずしもこれに限定されない。また、圧電素子１００は矩形に限らず、様々な形態をとりうる。
【００１８】
圧電素子１００は、加工代として積層方向Ｚの両端部に設けられた保護層１４１、１４３と電圧の印加により駆動する活性層１４２とに区分できる。さらに、活性層１４２は、内部電極１２０の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域１４５と内部電極１２０が外部とショートしないように設けられた周囲の領域１４６とに区分できる。活性領域１４５は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域１４５は電圧により駆動するが、その周囲の領域１４６は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。
【００１９】
応力緩和層１５０は、活性領域１４５の周囲の領域１４６において区切られて複数形成されている。また、各応力緩和層１５０は、積層方向Ｚに垂直な一連の断面上で外周に接している。その結果、応力を外に逃がし、圧電素子１００の駆動による応力を緩和することができる。
【００２０】
また、各応力緩和層１５０の外周に沿った長さＷｒは、外周の一辺（側面の幅）の長さＷより短く、応力緩和層１５０は、積層方向Ｚに垂直な断面上で細かく区切られた領域として複数存在している。これにより、焼成の結果、応力緩和層１５０が外部に対して開いても、不良として破壊の起点とはなり難い。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、複数の応力緩和層１５０は積層方向Ｚに垂直な断面１４７上の活性領域の周囲に断続的に存在している。そして、応力緩和層１５０の間で、圧電層が繋がっている領域１６０は３次元的に連続しているため、圧電素子１００は機械的な強度を保つことができる。各応力緩和層１５０の外周に沿った長さＷｒと外周一辺の長さＷの比は、１２．５％以上３３％以下であることが好ましい。これにより、応力緩和層１５０は破壊の起点になりにくくなり、応力緩和の効果と機械的な強度のバランスを適切に実現できる。
【００２２】
図２（ｂ）は、応力緩和層１５０とその積層方向Ｚの投影を示している。図２（ｂ）示すように、複数の応力緩和層１５０を積層方向Ｚに投影して得られる投影領域の総和の領域１７０は連続している。積層方向Ｚに垂直な一つの断面１４７については各応力緩和層１５０が占める領域は断続的であるが、複数の断面についての投影を重ねた総和の領域１７０は連続している。
【００２３】
また、応力緩和層１５０が形成された積層方向に連なる一連の断面のうち、隣り合う断面上で最も近い応力緩和層同士の間では、応力緩和層１５０積層方向Ｚへの投影領域が互いに重なっている。たとえば、隣り合う断面の投影の重なり領域の長さｄは応力緩和層１５０の長さＷｒに対して、ｄ／Ｗｒが０．１以上になるように設計されていることが好ましい。これにより、複数の応力緩和層１５０が断続的に設けられていても十分に応力が緩和される。なお、図１には隣り合う断面の投影の重なり領域の長さｄ、応力緩和層の長さＷｒ、外周一辺の長さＷが示されている。
【００２４】
図３（ａ）（ｂ）は、圧電素子１００を示す平断面図である。いずれも内部電極１２０が設けられている断面を示した図である。図３（ａ）（ｂ）に示すように中央に内部電極１２０が設けられており、その周囲の領域に応力緩和層１５０および圧電体が繋がっている領域１６０が交互に設けられている。なお、図中では応力緩和層１５０の領域を密度の薄い点描パターンで示している。
【００２５】
（圧電素子の製造方法）
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、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。
【００２６】
図４は圧電素子の製造工程の一部を示す斜視図である。図４に示すような圧電体のグリーンシート２００を準備し、グリーンシート２００には内部電極１２０用および応力緩和層１５０用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極１２０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。
【００２７】
そして、さらに応力緩和層１５０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１００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。たとえば、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１５０を形成するものが含まれる。
【００２８】
非焼結材料のペーストは、電極ペーストを塗布した領域２２０の周囲で細かく区切られた領域に塗布される。非焼結材料のペーストが印刷された各領域２５０は、焼成体となったときに、外周の一辺より短く、かつ外周に接するように設ける。
【００２９】
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。
【００３０】
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１５０が形成される。そして、焼結体を適宜加工し、加工された複数の焼結体を積層方向に接着して多連化する。多連化された焼成体に分極処理を行い、キャップを被せることで圧電素子１００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。
【００３１】
また、圧電素子１００は、焼成の結果、応力緩和層１５０が必要以上に開く場合がある。図５は、一部の応力緩和層の開いた圧電素子１００を示す斜視図である。図５に示すような圧電素子１００の若干数の応力緩和層１８０は外部に向かって大きく開口している。しかし、図９に示すような応力緩和層１０８０とは異なり、外周の一辺に対して応力緩和層の長さが小さいため、開いた応力緩和層１８０は破壊の起点とならない。
【実施例】
【００３２】
それぞれ応力緩和層の長さの異なる設計で、複数種の焼成体を作製し、それぞれのタイプについて６個の焼成体を積層方向の端面を接着して多連化した。そして、多連化された焼成体を分極してキャップを被せて、得られたポジショナの変位量を測定し、工程上の不良率を記録した。
【００３３】
（比較例１、２）
図６（ａ１）〜（ａ２）、（ｂ１）〜（ｂ２）、（ｃ１）〜（ｃ２）は、それぞれ比較例１および比較例２を示す斜視図、左側面取り出し電極位置の断面図、右側面取り出し電極位置の断面図である。比較例１の圧電素子１１００は、内部電極１１２０の周囲全体に連続した応力緩和層１１５０を有している。応力緩和層１１５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が１となるように設けられている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子１１００を変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００３４】
一方、比較例２の圧電素子１２００は、内部電極１２２０の周囲の２辺に連続した応力緩和層１１５０を有している。応力緩和層１１５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が０．９となるように設けられている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子１２００についても接着工程による多連化を行い、ポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００３５】
（実施例１〜５）
図７（ａ１）〜（ａ３）、（ｂ１）〜（ｂ３）、（ｃ１）〜（ｃ３）、図８（ａ４）〜（ａ５）、（ｂ４）〜（ｂ５）、（ｃ４）〜（ｃ５）は、それぞれ実施例１〜５の斜視図、左側面取り出し電極位置の断面図、右側面取り出し電極位置の断面図である。
【００３６】
実施例１の圧電素子３００は、内部電極３２０の周囲に複数の応力緩和層３５０を有している。応力緩和層３５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が１２．５％となるように設けられている。また、応力緩和層３５０が設けられた隣接する断面同士では応力緩和層３５０の積層方向の投影は重ならず、互い違いに配置されている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子３００を複数作製し、変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００３７】
実施例２の圧電素子４００は、内部電極４２０の周囲に複数の応力緩和層４５０を有している。応力緩和層４５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が２５％となるように設けられている。また、応力緩和層４５０が設けられた隣接する断面同士では応力緩和層４５０の積層方向の投影は重ならず、互い違いに配置されている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子４００を複数作製し、変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００３８】
実施例３の圧電素子５００は、内部電極５２０の周囲に複数の応力緩和層５５０を有している。応力緩和層５５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が３３％となるように設けられている。また、応力緩和層５５０が設けられた隣接する断面同士では応力緩和層５５０の積層方向の投影は重ならず、互い違いに配置されている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子５００を複数作製し、変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００３９】
実施例４の圧電素子６００は、内部電極６２０の周囲に複数の応力緩和層６５０を有している。応力緩和層６５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が１７％となるように設けられている。また、応力緩和層６５０が設けられた隣接する断面同士では応力緩和層６５０の積層方向の投影は１７％重なるよう配置されている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子６００を複数作製し、変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００４０】
実施例５の圧電素子７００は、内部電極７２０の周囲に複数の応力緩和層７５０を有している。応力緩和層７５０は、応力緩和層長さ対側面長さ比が１９％となるように設けられている。また、応力緩和層７５０が設けられた隣接する断面同士では応力緩和層７５０の積層方向の投影は２５％重なるよう配置されている。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような圧電素子７００を複数作製し、変位方向に接着し多連化してポジショナを作製した。そして、変位量を測定し、接着工程での不良率を記録した。
【００４１】
表１は、比較例１、２および実施例１〜５について応力緩和層の形状および配置と、変位量の比率、接着工程の不良率を示している。
【表１】
0005635319.tif 000002
【００４２】
接着工程の不良の主な原因は、焼成体の接着後の作業中に折れる不良である。比較例１、２では、接着工程において不良がそれぞれ０．５％、０．２５％発生した。これに対し、実施例１〜５のように、応力緩和層長さを側面長さの３３％以下にすることで、接着工程における不良率が０．１％未満となり、不良がほとんど無くなった。さらに応力緩和層長さを側面長さの２５％以下に設計したところ接着工程で折れる不良はなくなった。
【００４３】
比較例１のポジショナの変位量を１００％としたときの変位量を測定した。比較例２、実施例３、実施例５の変位量は、比較例１のものとほぼ同じで１００％であった。実施例１では５％程度、実施例２と実施例４では２％程度変位量が小さくなった。これは、応力緩和層を短くした場合、応力緩和層がない部分の拘束によって変位が阻害されているためと考えられる。
【００４４】
一方、実施例５については隣合う断面の応力緩和層の投影を積層方向に重ねることで上述の拘束が緩和でき、変位が阻害されなくなったものと考えられる。これにより、応力緩和層が形成された一連の断面のうち、隣り合う断面上で最も近い応力緩和層同士の間では、応力緩和層の積層方向への投影領域が互いに重なる。そのため、接着工程での不良率低減のみならず、変位量も確保されていることが考えられる。
【００４５】
このように、応力緩和層長さ対側面長さを１２．５％以上、３３％以下とすることで不良率を低減することができることを確認できた。また、重なり長さ対応力緩和長さを２５％以上とすることで十分な変位量を確保できることを確認できた。
【符号の説明】
【００４６】
１００、３００、４００、５００、６００、７００  圧電素子
１１０  圧電層
１２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０  内部電極
１３０  外部電極
１４１  保護層
１４２  活性層
１４５  活性領域
１４６  周囲の領域
１４７  断面
１５０、３５０、４５０、５５０、６５０、７５０  応力緩和層
１６０  圧電体が繋がっている領域
１７０  投影領域の総和の領域
１８０  開いた応力緩和層
２００  グリーンシート
２２０  電極ペーストを塗布した領域
２５０  非焼結材料のペーストが印刷された各領域
Ｚ  積層方向
【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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