(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子連として複数で直列に連結されて用いられ、矩形に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、
圧電層と内部電極とが交互に積層され、両端の内部電極より端部側の不活性領域が保護層として応力緩和構造を有する素子本体と、
前記内部電極に接続し、積層方向に沿って前記素子本体の側面に設けられた外部電極と、
固着により前記外部電極に接続され、リン青銅製で厚みが０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である板状のリード部材と、を備え、
前記リード部材は、前記圧電素子連の全体にわたって設けられ、その端部が前記保護層に重なる位置まで及ぶように形成されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記保護層は、外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層を有することを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記保護層は、前記両端の内部電極に挟まれた中央側の活性領域の密度より低い密度を有することを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電アクチュエータは、内部電極が重なっている部分、すなわち活性部のみが圧電効果を有し変位する。図４は、従来の積層型圧電アクチュエータ４００を示す断面図である。積層型圧電アクチュエータ４００は、アクチュエータ本体４１０、半田４２０およびリード線４３０を有しており、素子本体４１０は、内部に内部電極４１１、側面に外部電極４１４を有している。
【０００３】
従来の積層型圧電アクチュエータでは、図４に示すように不活性領域が活性領域に引っ張られて変位し、不活性部自体は圧電効果で変形しない。なお、両端の内部電極４１１の間で積層方向に内部電極４１１が重なっている領域、すなわち電圧の印加により変形する領域を活性領域と呼ぶ。また、その他の周囲の領域、すなわち電圧の印加によっても変形しない領域を不活性領域と呼ぶ。また、両端の内部電極より端部側の不活性領域を保護層と呼ぶ。上記のような積層型圧電アクチュエータには、電圧印加時に内部電極付近に応力が発生し、この応力は、積層型圧電アクチュエータの耐久性に悪影響を与えることが知られている。
【０００４】
これを防止するために、不活性領域に、応力緩和部として空乏層（スリット）を設け応力を緩和する技術が開発されている。たとえば特許文献２記載の圧電アクチュエータは、スリットを設けることで不良品発生率の減少や生産コストの低減等を図っている。また、特許文献１記載の圧電アクチュエータのように、複数の圧電素子を直列に連結し、内部リード電極の素子接合対応部がばね部となっている金属板で形成されたものも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４４３７０７号公報
【特許文献２】特開２００１−２６７６４６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、上記のようなスリットを設けた積層型圧電アクチュエータであっても、圧電素子変位時に外部リード端部に発生する応力で圧電素子にクラックが入って絶縁性が低下しショート故障する問題があった。
【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、複数の圧電素子を直列に連結して形成し、内部リード電極の素子接合対応部がばね部となっている金属板をリード部材として形成した圧電素子連の変位時にリード部材の直線端部に発生する応力を、保護層の応力緩和構造で低減し、クラックの発生を防止し、動作の信頼性を向上できる圧電素子を提供することを目的とする。
【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、矩形に形成され、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子であって、圧電層と内部電極とが交互に積層され、両端の内部電極より端部側の不活性領域が保護層として応力緩和構造を有する素子本体と、前記内部電極に接続し、積層方向に沿って前記素子本体の側面に設けられた外部電極と、固着により前記外部電極に接続された金属製板状のリード部材と、を備え、前記リード部材は、その端部が前記保護層に重なる位置まで及ぶように形成されていることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明の圧電素子は、変位時にリード部材の端部に発生する応力を、保護層の応力緩和構造で低減し、クラックの発生を防止し、動作の信頼性を向上できる。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電素子は、前記保護層が、外周に接して設けられ、積層面に沿って形成された応力緩和層を有することを特徴としている。これにより、応力緩和層でリード部材の端部に発生する応力を低減できる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電素子は、前記保護層が、前記両端の内部電極に挟まれた中央側の活性領域の密度より低い密度を有することを特徴としている。このような低密度の保護層により、リード部材の端部に発生する応力を低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、変位時にリード部材の端部に発生する応力を、保護層の応力緩和構造で低減し、クラックの発生を防止し、動作の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の圧電素子を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の圧電素子を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態の圧電素子を示す断面図である。
【図４】従来の圧電素子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［第１の実施形態］
（圧電素子の構成）
図１は、圧電素子１００を示す断面図である。圧電素子１００は、積層型で矩形に形成され、電圧の印加により伸縮する。圧電素子１００は、直列に連結され、連結で形成された圧電素子連は、たとえば圧電アクチュエータとして用いられる。図１に示すように、圧電素子１００は、素子本体１１０、外部電極１１４、接続層１２０、リード部材１３０および応力緩和層１１３を備える。
【００１６】
素子本体１１０は、圧電層１１２と内部電極１１１とが交互に積層されている。素子本体１１０は、保護層１１６に応力緩和構造として応力緩和層１１３を有する。外部電極１１４は、内部電極１１１に接続し、積層方向に沿って素子本体１１０の側面に設けられている。接続層１２０は、たとえば半田で形成され、外部電極１１４とリード部材１３０とを接続する。接続層１２０は、応力を低減するため小さいほうが好ましい。
【００１７】
リード部材１３０は、金属製板状に形成され、固着により外部電極１１４に接続されている。リード部材１３０は、リン青銅、銅、ＳＵＳ等の金属により形成されている。たとえばリン青銅製のリード部材１３０については、特に規定はないが、圧電素子の変位を阻害しないよう薄い方がよい。ただし、余り薄すぎると圧電素子の変位により疲労破壊することがあるので厚みを、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下程度にするとよい。リード部材１３０は、その端部が保護層１１６に重なる位置まで及ぶように形成されている。これにより、変位時にリード部材１３０の端部に発生する応力を、保護層１１６の応力緩和構造で低減し、クラックの発生を防止し、動作の信頼性を向上できる。
【００１８】
応力緩和層１１３は、保護層１１６の積層面に沿って外周に接して設けられている。これにより、応力緩和層１１３が広がるように圧電素子１００が変形し、表面１１５に発生する引張応力を軽減できる。図１に示す例では、応力緩和層１１３は、素子本体１１０のリード部材１３０より積層方向端部側に設けられている。
【００１９】
また、応力緩和層１１３とリード部材１３０との位置関係で引張応力を軽減する構成であるため、製品として組み上げるのが容易であり、製作工程を複雑化することがない。応力緩和層１１３は、たとえば空乏層（スリット）で形成されるが、上記の効果を有するものであれば圧電体より弾性の小さい材料で形成されていてもよい。
【００２０】
また、応力緩和層１１３は、素子本体の内部電極１１１より積層方向端部側、すなわち保護層１１６内に設けられている。これにより、変位時にリード部材１３０の端部に発生する応力を緩和し、負担を軽減できる。
【００２１】
なお、図２に示すように、圧電素子２００には、素子本体１１０のリード部材２３０の端部より積層方向中心側に応力緩和層１１３が形成されていてもよい。言い換えれば、接続層２２０およびリード部材２３０が応力緩和層１１３に重なっていてもよい。
【００２２】
（圧電素子の製造方法）
まず、圧電層１１２と内部電極１１１とが交互に積層された素子本体１１０を形成する。このとき、保護層１１６に、外周に接し、積層面に沿った応力緩和層１１３を形成する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ／Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成することで素子本体を得ることができる。
【００２３】
応力緩和層１１３の形成には、焼結しない材料、例えばＰｂＴｉＯ３を応力緩和層１１３の位置に印刷しておく。この際に、ロ字状となる応力緩和層１１３の印刷パターンとともにその中心部に外部とは接続されていない電極パターンを印刷することが好ましい。これにより、圧着工程で応力緩和層１１３の形成面にプレス圧を均等にかけることができる。その結果、設計通りに応力緩和層１１３を形成でき、十分な応力緩和機能を持たせることができる。
【００２４】
次に、焼成後に焼結しない材料が消失することで、スリット状の応力緩和層１１３を形成することができる。なお、図１、２に示す例では応力緩和層は１層であるが、複数層として形成されていてもよい。
【００２５】
次に、端部が保護層１１６に重なる位置まで及ぶように、素子本体１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極１１１に接続された外部電極１１４を形成する。たとえば、素子本体１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１４を形成できる。このようにして得られた複数の圧電素子を直列に連結して形成し、内部リード電極の素子接合対応部がばね部となっている金属板をリード部材として、圧電素子連を形成する。
【００２６】
金属製板状のリード部材１３０は、応力緩和層１１３に重なるように外部電極１１４に固着させる。あらかじめ所定の寸法を有するリード部材１３０を用意し、たとえば半田で取り付けることができる。リード部材１３０は、予め、その端部が保護層１１６まで及ぶ長さに設計しておき、各端部が各方向の保護層１１６に重なるように固着させる。このようにして圧電素子１００を製作することができる。
【００２７】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、保護層１１６は、活性領域の圧電体と同じ材料で同様に構成されており、両者の密度は同じであるが、保護層が、活性領域の密度より低い密度を有するように構成されていてもよい。図３は、密度の低い保護層３１６を有する圧電素子３００の断面図である。
【００２８】
たとえば、保護層３１６は、活性領域の圧電体と同じ材料の多孔質とすることができる。活性領域の圧電体と同じ材料を用いて粉末プレス法で製造し、へキシレングリコールを添加して保護層３１６にあたる成形体部分を作製し、焼成後の保護層３１６を多孔質にすることができる。また、保護層３１６のみ焼成密度が下がる材料を使用してもよい。その場合には、保護層３１６の焼結密度を９４〜９７％程度に低くして応力緩和を図ってもよい。このような低密度の保護層３１６により、リード部材１３０の端部に発生する応力を低減できる。
【００２９】
以上のように、本発明の圧電素子は、保護層が応力緩和構造を有し、リード部材は、その端部が保護層に重なる位置まで及ぶように形成されているため、変位時にリード部材の端部に発生する応力を、保護層の応力緩和構造で低減し、クラックの発生を防止し、動作の信頼性を向上できる。
【符号の説明】
【００３０】
１００  圧電素子
１１０  素子本体
１１１  内部電極
１１２  圧電層
１１３  応力緩和層
１１４  外部電極
１１５  表面
１１６  保護層
１２０  接続層
１３０  リード部材
２００  圧電素子
２２０  接続層
２３０  リード部材
３００  圧電素子
３１６  保護層
【図１】
0005859755.tif 000002
【図２】
0005859755.tif 000003
【図３】
0005859755.tif 000004
【図４】
0005859755.tif 000005