(57)【要約】【課題】  変位の阻害及び断線の発生を抑制すると共に、信頼性向上、小型化及び低コスト化を図ることが可能な積層型圧電素子を提供すること。【解決手段】  積層型圧電素子ＰＥは、圧電体層３，５と内部電極１１，１３とを交互に積層してなる積層体１と、積層体１の側面１ａ，１ｂに設けられ、且つ、内部電極１１，１３を交互に電気的に接続する第１の外部電極２３と、第１の外部電極２３に重なるようにそれぞれ配置され、積層体１の積層方向において不連続に電気的且つ機械的に第１の外部電極２３に接続されている第２の外部電極２５と、を備える。第２の外部電極２５は、積層方向において不連続に配置される第１の部分２５ａと、積層方向と交差する方向に伸び、且つ、第１の部分２５ａ同士をつなぐ第２の部分２５ｂとを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、且つ、前記内部電極を交互に電気的に接続する複数の外部電極と、を備えており、
前記外部電極は、
前記積層体の積層方向において不連続に配置される第１の部分と、
前記積層方向と交差する方向に伸び、且つ、前記第１の部分同士をつなぐ第２の部分と、を有することを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記外部電極は、平板状であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、
前記積層体の側面に設けられ、且つ、前記内部電極を交互に電気的に接続する複数の第１の外部電極と、
前記第１の外部電極に重なるようにそれぞれ配置され、前記積層体の積層方向において不連続に電気的且つ機械的に前記第１の外部電極に接続されている複数の第２の外部電極と、を備えており、
前記第２の外部電極は、
前記積層方向において不連続に配置される第１の部分と、
前記積層方向と交差する方向に伸び、且つ、前記第１の部分同士をつなぐ第２の部分と、を有することを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】
前記第２の外部電極は、平板状であることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記第１の部分は、前記積層方向に伸びていることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の積層型圧電素子として、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、当該積層体の側面に設けられ、且つ、内部電極を交互に電気的に接続する複数の外部電極とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極は、この全体が積層体の積層方向に伸びるように形成されている。特許文献２に記載された積層型圧電素子では、外部電極は、導電性線材からなるメッシュ部材であって、導電性接着剤により積層体の側面に固着されている。特許文献３に記載された積層型圧電素子では、外部電極は、コイル状弾性部材である。
【特許文献１】特開２０００−３４０８４９号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０８８４号公報
【特許文献３】特開２００２−１７１００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１〜３に記載された積層型圧電素子には、次のような問題が生じる。
【０００４】
特許文献１に記載された積層型圧電素子では、外部電極が積層体の積層方向に伸びているため、素子の積層方向への変位（伸縮動作）を阻害する。また、積層型圧電素子を長期間にわたり連続して駆動した場合、素子の伸縮動作に耐えきれず、外部電極が断線することがある。
【０００５】
特許文献２及び３に記載された積層型圧電素子では、外部電極がメッシュ部材あるいはコイル状弾性部材であるので、素子の伸縮動作に追従して、外部電極の断線を抑制することができる。しかしながら、外部電極自体の構成が複雑となり、内部電極との電気的な接続が困難となり、接続不良が生じる懼れがある。また、外部電極が積層方向に直交する方向に厚みを有することから、素子が大型化する懼れもある。また、メッシュ部材あるいはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材を用意する必要があるため、コストが高くなる懼れもある。
【０００６】
本発明の目的は、変位の阻害及び断線の発生を抑制すると共に、信頼性向上、小型化及び低コスト化を図ることが可能な積層型圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、積層体の側面に設けられ、且つ、内部電極を交互に電気的に接続する複数の外部電極と、を備えており、外部電極は、積層体の積層方向において不連続に配置される第１の部分と、積層方向と交差する方向に伸び、且つ、第１の部分同士をつなぐ第２の部分と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る積層型圧電素子では、外部電極が第１の部分と第２の部分とを有するので、外部電極全体が積層体の積層方向に伸びるものに比して、素子の積層方向への変位を阻害するのを抑制できると共に、積層型圧電素子を長期間にわたり連続して駆動した場合でも、外部電極が断線するのを抑制できる。
【０００９】
また、本発明では、外部電極が、第１の部分と第２の部分とを有するといった極めて簡易な構成となるため、メッシュ部材あるいはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材を用意する必要がない。この結果、低コスト化及び小型化を図ることができると共に、内部電極との電気的な接続を容易に行うことができる。
【００１０】
また、外部電極は、平板状であることが好ましい。この場合には、より一層の小型化を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、積層体の側面に設けられ、且つ、内部電極を交互に電気的に接続する複数の第１の外部電極と、第１の外部電極に重なるようにそれぞれ配置され、積層体の積層方向において不連続に電気的且つ機械的に第１の外部電極に接続されている複数の第２の外部電極と、を備えており、第２の外部電極は、積層方向において不連続に配置される第１の部分と、積層方向と交差する方向に伸び、且つ、第１の部分同士をつなぐ第２の部分と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る積層型圧電素子では、第２の外部電極が第１の部分と第２の部分とを有すると共に積層方向において不連続に電気的且つ機械的に第１の外部電極に接続されているので、外部電極全体が積層体の積層方向に伸びるものに比して、素子の積層方向への変位を阻害するのを抑制できると共に、積層型圧電素子を長期間にわたり連続して駆動した場合でも、第２の外部電極が断線するのを抑制できる。また、積層体の側面に設けられる第１の外部電極に断線が生じた場合でも、上述したように第２の外部電極が接続されているので、内部電極への導通路が確保されることとなり、圧電素子としての機能が損なわれることはない。
【００１３】
また、本発明では、第２の外部電極が、第１の部分と第２の部分とを有するといった極めて簡易な構成となるため、メッシュ部材あるいはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材を用意する必要がない。この結果、低コスト化及び小型化を図ることができると共に、第１の外部電極を通して内部電極との電気的な接続を容易に行うことができる。
【００１４】
また、第２の外部電極は、平板状であることが好ましい。この場合には、より一層の小型化を図ることができる。
【００１５】
また、上記第１の部分は、積層方向に伸びていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、変位の阻害及び断線の発生を抑制すると共に、信頼性向上、小型化及び低コスト化を図ることが可能な積層型圧電素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る積層型圧電素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
まず、図１〜図３に基づいて、本実施形態に係る積層型圧電素子の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る積層型圧電素子を示す概略斜視図である。図２は、本実施形態に係る積層型圧電素子の断面構成を説明するための模式図である。図３は、第１の外部電極と第２の外部電極との接続関係を示す模式図である。
【００１９】
積層型圧電素子ＰＥは、多角柱形状（本実施形態においては、四角柱形状）の積層体１を備えている。積層体１は、当該積層体１における積層方向（以下、「積層体１における積層方向」を単に「積層方向」と称する）に平行且つ互いに対向するように位置する第１の側面１ａと第２の側面１ｂとを有している。
【００２０】
積層体１は、図１に示されるように、圧電体層３と圧電体層５とを交互に積層し、さらに、圧電体層７と圧電体層９とで上下から挟み込むようにして構成されている。各圧電体層３，５，７，９は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電性セラミック材料からなり、矩形薄板状に形成されている。本実施形態において、圧電体層３，５の厚みは、例えば８０〜１００μｍである。
【００２１】
積層体１は、積層された第１の内部電極１１及び第２の内部電極１３を有している。第１の内部電極１１は、圧電体層３に形成されている。第２の内部電極１３は、圧電体層５，９に形成されている。第１の内部電極１１及び第２の内部電極１３は、例えば、銀及びパラジウムを主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成することができる。
【００２２】
積層体１では、圧電体層３，５を介在させて第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とが積層されている。これにより、積層体１では、複数の圧電体層３，５と複数の内部電極１１，１３とが交互に積層されることとなる。本実施形態において、第１及び第２の内部電極１１，１３の厚みは、例えば０．５〜５μｍである。
【００２３】
第１の内部電極１１は、図２にも示されるように、第２の側面１ｂよりも内側から第１の側面１ａに露出するように形成されている。すなわち、第１の内部電極１１の第２の側面１ｂ側の端は、第２の側面１ｂから所定の長さ離れて位置している。第１の内部電極１１は、第２の側面１ｂに露出していない。
【００２４】
第２の内部電極１３は、図２にも示されるように、第１の側面１ａよりも内側から第２の側面１ｂに露出するように形成されている。すなわち、第２の内部電極１３の第１の側面１ｂ側の端は、第１の側面１ａから所定の長さ離れて位置している。第２の内部電極１３は、第１の側面１ａに露出していない。第２の内部電極１３は、積層方向から見て、その一部が第１の内部電極１１に重なるように位置している。
【００２５】
積層体１の第１及び第２の側面１ａ，１ｂには、図１及び図２に示されるように、外部電極２１がそれぞれ設けられている。外部電極２１は、第１の外部電極２３と、第２の外部電極２５とを含んで構成されている。第１の外部電極２３は、第１及び第２の側面１ａ，１ｂのそれぞれ一部を覆うように形成されている。第１の外部電極２３は、例えば、銀を主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成することができる。本実施形態において、第１の外部電極２３の厚みは、例えば１〜２０μｍである。
【００２６】
第１の側面１ａに形成された第１の外部電極２３は、第１の側面１ａにおいて、当該第１の側面１ａに露出する第１の内部電極１１と電気的に接続される。第２の側面１ｂに形成された第１の外部電極２３は、第２の側面１ｂにおいて、当該第２の側面１ｂに露出する第２の内部電極１３と電気的に接続される。これにより、第１の外部電極２３は、内部電極１１，１３を一層おきに交互に電気的に接続することとなる。
【００２７】
第２の外部電極２５は、第１及び第２の側面１ａ，１ｂに直交する方向から見て、第１の外部電極２３に重なるように配置されている。第２の外部電極２５は、平板状であり、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、あるいは、ベリリウム銅等からなる。本実施形態において、第２の外部電極２５の厚みは、例えば１５０μｍ程度である。
【００２８】
第２の外部電極２５は、第１の部分２５ａと、第２の部分２５ｂとを有している。第１の部分２５ａは、積層方向に伸び、且つ、積層方向において不連続に配置されている。第２の部分２５ｂは、積層方向と交差する方向（本実施形態においては、直交方向）に伸び、且つ、第１の部分２５ａ同士をつないでいる。これにより、第２の外部電極２５は、クランク形状を呈することとなる。
【００２９】
第２の外部電極２５は、図３に示されるように、積層方向において不連続に電気的且つ機械的に第１の外部電極２３に接続されている。本実施形態において、第２の外部電極２５は、箇所Ｗにおいて、スポット溶接により第１の外部電極２３に接続されている。第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とが接続される箇所Ｗの間隔は、圧電体層３，５の数層（例えば、５、６層）分、すなわち４００〜６００μｍに設定することができる。
【００３０】
第１の側面１ａに形成された第１の外部電極２３と第２の側面１ｂに形成された第１の外部電極２３との間に電圧（例えば、第１の側面１ａに形成された第１の外部電極２３を正の電位、第２の側面１ｂに形成された第１の外部電極２３を負の電位とする。）を印加すると、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３との間に電圧が印加されることとなる。これにより、圧電体層３，５においては、第１の内部電極１１と第２の内部電極１３とで挟まれる領域に電界が生じ、当該領域が活性部として変位することになる。
【００３１】
次に、上述した積層型圧電素子ＰＥの作製手順について説明する。
【００３２】
まず、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスを主成分とする圧電材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製する。次いで、作製した基体ペーストを用いて、各圧電体層３，５，７，９を構成することとなる素材シート（グリーンシート）を成形する。また、所定比率の銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）とからなる金属材料（例えば、Ａｇ：Ｐｄ＝７：３）に有機バインダや有機溶剤等を混合することにより、電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。
【００３３】
次に、成形した素材シートに、第１の内部電極１１に対応する電極パターンを形成する。また、第１の内部電極１１に対応する電極パターンを形成された素材シートとは別の素材シートに、第２の内部電極１３に対応する電極パターンを形成する。各電極パターンの形成は、上述した導電ペーストを用いたスクリーン印刷にて行う。
【００３４】
次に、電極パターンが形成された素材シートと、電極パターンが形成されていない素材シートとを積層して、積層体グリーンを作製する。このとき、電極パターンが形成された素材シートは、積層方向から見て第２の内部電極１３に対応する電極パターンの一部が第１の内部電極１１に対応する電極パターンに重なるように積層される。素材シートの積層数は、例えば３５０層程度である。
【００３５】
次に、作製した積層体グリーンを、加熱しながら、所定の圧力（例えば、１００ＭＰａ程度）で積層方向にプレスする。加熱温度は、例えば６０℃程度である。そして、プレスした積層体グリーンを所定の大きさに切断する。積層体グリーンの切断には、例えばダイヤモンドブレードを用いることができる。このとき、第１の内部電極１１及び第２の内部電極１３が対応する側面に露出することとなる。
【００３６】
次に、切断した積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂（脱バインダ）した後、焼成する。これにより、積層体１が得られることとなる。焼成温度は、例えば１１００℃程度である。焼成時間は、例えば２時間程度である。
【００３７】
次に、焼成して得られた積層体１の第１及び第２の側面１ａ，１ｂに、銀を主成分とする導電ペーストを印刷した後に所定温度（例えば、７００℃程度）にて焼き付け、第１の外部電極２３を形成する。第１の外部電極２３を形成するための導電ペーストとしては、銀を主成分とするもの以外に、金（Ａｇ）を主成分とするものや、銅を主成分とするもの等を用いることができる。第１の外部電極２３の形成方法としては、焼き付けに替えて、スパッタリング法や無電解めっき法等を用いることができる。
【００３８】
次に、用意した第２の外部電極２５を半田付けにより、第１の外部電極２３に接続する。第２の外部電極２５は、例えば、ベリリウム銅からなる板材をクランク形状に加工し、ＮｉめっきとＳｎめっきとを施すことにより得ることができる。第２の外部電極２５と第１の外部電極２３との接続方法は、上述したスポット溶接に替えて、スポット溶接、ロウ付け、導電性接着剤による接着等を用いることができる。
【００３９】
次に、分極処理（例えば、温度１２０℃の環境下で、強度が２ｋＶ／ｍｍになるように３分間にわたって電界を印加する）を施し、積層型圧電素子ＰＥを得る。
【００４０】
以上のように、本実施形態においては、第２の外部電極２５が第１の部分２５ａと第２の部分２５ｂとを有すると共に積層方向において不連続に電気的且つ機械的に第１の外部電極２３に接続されているので、外部電極全体が積層体１の積層方向に伸びるものに比して、積層型圧電素子ＰＥの積層方向への変位を阻害するのを抑制できる。また、積層型圧電素子ＰＥを長期間にわたり連続して駆動した場合でも、第２の外部電極２５が断線するのを抑制でき、信頼性が向上する。
【００４１】
また、積層体１の側面に設けられる第１の外部電極２３に断線が生じた場合でも、上述したように第２の外部電極２５が接続されているので、内部電極１１，１３への導通路が確保されることとなる。このため、積層型圧電素子ＰＥは、圧電素子としての機能が損なわれることはない。
【００４２】
また、第２の外部電極２５が、第１の部分２５ａと第２の部分２５ｂとを有するといった極めて簡易な構成となるため、メッシュ部材あるいはコイル状弾性部材といった特殊形状の部材を用意する必要がない。この結果、低コスト化及び小型化を図ることができると共に、第１の外部電極２３を通して内部電極１１，１３との電気的な接続を容易に行うことができる。
【００４３】
また、第２の外部電極２５が平板状であるので、より一層の小型化を図ることができる。
【００４４】
第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とが接続される箇所Ｗの間隔は、圧電体層３，５の５、６層分（４００〜６００μｍ）に設定することが好ましい。箇所Ｗの間隔が上記設定した値よりも狭い場合には、積層方向への変位の阻害を抑制する効果が薄れることとなる。箇所Ｗの間隔が上記設定した値よりも広い場合には、第１の外部電極２３に断線が生じた場合、内部電極１１，１３が多くなるため、内部電極１１，１３への導通路を確保し難くなる。これらのことから、箇所Ｗの間隔は圧電体層３，５の５、６層分（４００〜６００μｍ）に設定することが好ましい。
【００４５】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。積層体１の形状は、多角柱形状に限られることなく、円柱形状であってもよい。積層体１において、外部電極２１を設ける側面は、互いに対向するように位置する２つの側面に限られることなく、隣り合う２つの側面であってもよい。また、積層体１が円柱形状である場合には、外部電極２１は、互いに接触しない位置であれば、側面の任意の領域に設けられることとなる。
【００４６】
第２の外部電極２５の形状は、上述したクランク形状に限られることなく、図４及び図５に示されるように、ジグザク形状や蛇行形状であってもよい。第２の外部電極２５がジグザク形状及び蛇行形状である場合、第１の部分２５ａは積層方向と交差する方向に伸びることとなる。第２の外部電極２５は、第１の外部電極２３に接続できるのであれば、波打っていてもよい。
【００４７】
第１の内部電極１１は、第２の側面１ｂに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第２の側面１ｂに露出してもよい。また、第２の内部電極１３も同様に、第１の側面１ａに設けられる外部電極２１と電気的に絶縁されるのであれば、第１の側面１ａに露出してもよい。
【００４８】
本実施形態において、外部電極２１は第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを含んで構成されているが、第１の外部電極２３を省略し、第２の外部電極２５のみで構成されてもよい。この場合、第１の外部電極２３と第２の外部電極２５とを含んで構成されるものに比して、積層方向への変位を阻害するのを抑制する効果が薄れるものの、外部電極全体が積層体の積層方向に伸びるものに比べれば、上記抑制効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態に係る積層型圧電素子を示す概略斜視図である。
【図２】本実施形態に係る積層型圧電素子の断面構成を説明するための模式図である。
【図３】第１の外部電極と第２の外部電極との接続関係を示す模式図である。
【図４】本実施形態に係る積層型圧電素子の一変形例を示す概略斜視図である。
【図５】本実施形態に係る積層型圧電素子の一変形例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…積層体、１ａ…第１の側面、１ｂ…第２の側面、３，５…圧電体層、１１…第１の内部電極、１３…第２の内部電極、２１…外部電極、２３…第１の外部電極、２５…第２の外部電極、２５ａ…第１の部分、２５ｂ…第２の部分、ＰＥ…積層型圧電素子、Ｗ…第１の外部電極と第２の外部電極とが接続される箇所。
【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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