(57)【要約】  【課題】  長期間の駆動により外部電極が特定部位で大きく変形して駆動精度が低下するのを抑制した積層型圧電素子を提供する。  【解決手段】  本開示の積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層された活性部１３、および該活性部１３の積層方向の少なくとも一端につながった不活性部１４を有する積層体１０と、該積層体１０の側面に積層方向に沿って延びて設けられ、内部電極層１２と電気的に接続された導体層１５と、該導体層１５の表面上に導電性接合材１６を介して接合され、積層方向に沿って延びて設けられた外部電極１７とを備え、活性部１３における不活性部１４との境界近傍には、活性部１３の中央部よりも圧電体層１１の厚みが厚くなっている応力緩和領域１８があり、外部電極１７は、積層体１０の側面から見て応力緩和領域１８に重なっておらず、当該応力緩和領域１８を除く活性部１３に重なって設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層および内部電極層が複数積層された活性部、および該活性部の積層方向の少なくとも一端につながった不活性部を有する積層体と、該積層体の側面に前記積層方向に沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた外部電極とを備え、前記活性部における前記不活性部との境界近傍には、前記活性部の中央部よりも圧電体層の厚みが厚くなっている応力緩和領域があり、前記外部電極は、前記積層体の側面から見て前記応力緩和領域に重なっておらず、当該応力緩和領域を除く前記活性部に重なって設けられている積層型圧電素子。
【請求項２】
前記外部電極は、前記積層方向に沿って幅方向の両側から交互に切欠かれたスリットを有している請求項１に記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記活性部は他の部位よりも破断しやすい予定破断層を複数有しており、前記外部電極は、前記積層体の側面から見て前記応力緩和領域に最も近い予定破断層と重なる位置まで設けられている請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記導電性接合材は、前記外部電極の前記積層方向に垂直な幅方向の中央部に対応する位置に、前記積層方向に沿って設けられている請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項５】
前記導電性接合材は、前記外部電極の前記積層方向に沿った方向の両端からはみ出す位置まで設けられている請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項６】
前記外部電極は積層方向の端部において幅方向に延びる延出部を有しており、前記積層体の側面を正面にしてみたときに、前記延出部は前記導体層よりも幅方向に延びている請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記積層体の側面を正面にしてみたときに、前記延出部は当該側面よりも幅方向に延びて突出している請求項６に記載の積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば圧電アクチュエータとして用いられる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電素子として、圧電体層および内部電極層が複数積層された活性部、および該活性部の積層方向の少なくとも一端につながった不活性部を有する積層体と、該積層体の側面に前記積層方向に沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた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を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−６１５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、積層型圧電素子の駆動によって、活性部は伸縮するのに対し不活性部は伸縮しないことから、これらの境界に応力がかかる。そこで、活性部における不活性部との境界近傍に位置する領域に、活性部の積層方向の中央部よりも圧電体層の厚みが厚い応力緩和領域が設けられる場合がある。これにより、活性部における不活性部との境界近傍（応力緩和領域）では、活性部の積層方向の中央部よりも変位量（伸縮量）が少なくなることから、活性部と不活性部との境界にクラックが発生するのを抑制するのに寄与することができる。
【０００５】
しかしながら、外部電極は伸縮の大きな活性部の積層方向の中央部から伸縮の小さな応力緩和領域にかけて接合されていることから、長期間の駆動によって変位量の異なる領域の境界付近に負荷がかかり、この部分で外部電極が変形してしまい、積層型圧電素子の駆動精度が低下するおそれがあった。
【０００６】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、長期間の駆動により外部電極が特定部位で変形して駆動精度が低下するのを抑制した積層型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】
【０００７】
本開示の積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が複数積層された活性部、および該活性部の積層方向の少なくとも一端につながった不活性部を有する積層体と、該積層体の側面に前記積層方向に沿って延びて設けられ、前記内部電極層と電気的に接続された導体層と、該導体層の表面上に導電性接合材を介して接合され、前記積層方向に沿って延びて設けられた外部電極とを備え、前記活性部における前記不活性部との境界近傍には、前記活性部の中央部よりも圧電体層の厚みが厚くなっている応力緩和領域があり、前記外部電極は、前記積層体の側面から見て前記応力緩和領域に重なっておらず、当該応力緩和領域を除く前記活性部に重なって設けられている。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の積層型圧電素子によれば、長期間の駆動により外部電極が特定部位で変形して駆動精度が低下するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本開示の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図３】本開示の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図４】本開示の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図５】本開示の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図６】本開示の積層型圧電素子の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態の積層型圧電素子の例について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本開示の積層型圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す本開示の積層型圧電素子１は、圧電体層１１および内部電極層１２が複数積層された活性部１３、および該活性部１３の積層方向の少なくとも一端につながった不活性部１４を有する積層体１０と、該積層体１０の側面に積層方向に沿って延びて設けられ、内部電極層１２と電気的に接続された導体層１５と、該導体層１５の表面上に導電性接合材１６を介して接合され、積層方向に沿って延びて設けられた外部電極１７とを備え、活性部１３における不活性部１４との境界近傍には、活性部１３の中央部よりも圧電体層１１の厚みが厚くなっている応力緩和領域１８があり、外部電極１７は、積層体１０の側面から見て応力緩和領域１８に重なっておらず、当該応力緩和領域１８を除く活性部１３に重なって設けられている。
【００１２】
積層型圧電素子１を構成する積層体１０は、圧電体層１１および内部電極層１２が積層されてなるもので、例えば圧電体層１１および内部電極層１２が交互に複数積層されてなる活性部１３と、活性部１３の積層方向の少なくとも一端につながった圧電体層１１からなる不活性部１４とを有し、例えば縦０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、横０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、高さ５ｍｍ〜１００ｍｍの直方体状に形成されている。なお、図に示す例では、不活性部１４は活性部１３の積層方向両端に設けられている。
【００１３】
積層体１０を構成する圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。この圧電体層１１の厚みは、例えば３μｍ〜２５０μｍとされる。
【００１４】
積層体１０を構成する内部電極層１２は、圧電体層１１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、圧電体層１１と交互に積層されている。この材料として、例えば低温での焼成が可能な銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。図に示す例では、正極および負極（もしくはグランド極）がそれぞれ積層体１０の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。この内部電極層１２の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとされる。
【００１５】
積層体１０を構成する活性部１３における不活性部１４との境界近傍には、活性部１３の中央部よりも圧電体層１１の厚みが厚くなっている応力緩和領域１８がある。これにより、活性部１３の積層方向の中央部よりも、活性部１３における不活性部１４との境界近傍（応力緩和領域１８）の変位量（伸縮量）が小さくなるので、活性部１３と不活性部１４との境界にクラックが発生するのを抑制するのに寄与することができる。
【００１６】
応力緩和領域１８における圧電体層１１の厚みは、活性部１３の積層方向の中央部の厚みの例えば１．２倍〜３．０倍の厚みの範囲内で設定される。また、応力緩和領域１８に
おいては、圧電体層１１は積層方向の中央部側から外側にいくにつれて厚みが増していくのがよい。このとき、互いに隣接する圧電体層１１の厚みの関係は、外側に位置する圧電体層１１の厚みが積層方向の中央部側に位置する圧電体層１１の厚みの例えば１．２倍〜２．０倍に設定されるのがよい。
【００１７】
積層体１０の側面には、導体層１５が積層方向に沿って延びて設けられ、内部電極層１２と電気的に接続されている。具体的には、導体層１５が積層体１０の対向する一対の側面にそれぞれ設けられ、積層体１０の対向する一対の側面に互い違いに導出された内部電極層１２とそれぞれ電気的に接続されている。この導体層１５は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、例えば５μｍ〜５００μｍの厚さとされる。なお、導体層１５は当該導体層１５が設けられた側面に導出された全ての内部電極層１２と電気的に接続されることから、後述の外部電極１７よりも長く形成される。
【００１８】
導体層１５の表面上には、導電性接合材１６を介して外部電極１７が設けられている。ここで用いられる導電性接合材１６としては、例えばＡｇ粉末やＣｕ粉末など導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接着剤が挙げられる。導電性接合材１６は、例えば５μｍ〜５００μｍの厚さとされる。
【００１９】
また、外部電極１７は、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等の板状体からなり、例えば幅０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍとされたものである。
【００２０】
そして、図１に示すように、外部電極１７は、積層体１０の側面から見て応力緩和領域１８に重なっておらず、当該応力緩和領域１８を除く活性部１３に重なって設けられている。変位量の少ない応力緩和領域１８を避けるように外部電極１７を接合することで、外部電極１７の動きがほぼ均一になり、変位量の異なる境界付近への伸縮時の応力集中により外部電極１７がこの部位で大きく変形するのを抑制し、長期間にわたって駆動しても駆動精度が低下するのを抑制することができる。
【００２１】
ここで、図２に示すように、外部電極１７は、積層方向の端部において幅方向に延びる延出部１７１を有しており、積層体１０の側面を正面にしてみたときに、延出部１７１は導体層１５よりも幅方向に延びているのがよい。このとき、延出部１７１の導体層１５よりも幅方向に延びている部分は、導体層１５と導電性接合材１６によって接合されていないのがよい。そして、導体層１５と導電性接合材１６によって接合されていない部分である延出部１７１の先端部に、例えばリード部材が接合されて外部回路と接続されるのがよい。
【００２２】
この構成により、外部電極１７の積層方向の端部に延出部を有さずに、当該端部に直接リード部材が接合される構成に比べて、積層体１０の伸縮により外部電極１７とリード部材との接合部にかかる応力の負荷を小さくできる。また、積層方向に延びる延出部を有して当該延出部を介してリート部材が接合される構成に比べても、応力が分散されて外部電極１７とリード部材との接合部にかかる応力の負荷を小さくできる。
【００２３】
特に、積層体１０の側面を正面にしてみたときに、延出部１７１は当該側面よりも幅方向に延びて突出しているのがよい。リード部材の接合部の位置が積層体１０の伸縮する活性部から遠ざかることとなり、接合部にかかる応力負荷がより小さくなって破損を抑制できる。また、突入電流による外部電極１７の剥がれや積層体１０への影響を抑制できるとともに、積層体１０の自己発熱による接合部への熱的影響も抑制することができる。
【００２４】
ここで、外部電極１７としては、図１および図２に示すような平板状のものに限られず、図３に示すように積層方向に沿って幅方向の両側から交互に切欠かれたスリット１７２
を有している金属板を採用することができる。これにより、積層体１０が変位する際に追従性を持ち、積層型圧電素子１の変位量を長期間にわたって安定化させることができる。
【００２５】
ここで、スリット１７２は、幅方向の一方側および他方側から交互に延びて、例えば幅０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、長さ０．３ｍｍ〜９．５ｍｍに形成されたものである。幅方向の一方側から延びるスリット１７２と他方側から延びるスリット１７２とは、通常同じ長さになっている。このスリット１７２は、先端が平坦であってもよく丸みを帯びていてもよい。また、スリット１７２の先端が他の部位の幅よりも幅広に形成されていてもよく、スリット１７２の先端に向かって幅が次第に狭くなるテーパー状であってもよく、スリット１７２の先端に向かって幅が次第に広くなるテーパー状であってもよい。このように様々なバリエーションが挙げられる。なお、外部電極１７としては、網目状に加工されたもの（図示せず）なども採用できる。
【００２６】
また、図１乃至図３に示す外部電極１７は、積層体１０の側面から見て外部電極１７が応力緩和領域１８に近接するぎりぎりまでの長さとなっているが、これよりも短くてもよい。例えば、図４に示すように、活性部１３が他の部位よりも破断しやすい予定破断層１９を複数有しているとき、外部電極１７は積層体１０の側面から見て応力緩和領域１８に最も近い予定破断層１９と重なる位置まで設けられていれば、短くてもよい。
【００２７】
なお、積層体１０の伸縮による応力で例えば内部電極層１２を切断するようなクラックなど積層型圧電素子１の駆動に大きな影響が生じるのを抑制するために、あらかじめ破断しやすい箇所として複数の予定破断層１９が設けられ、当該複数の予定破断層１９で問題ない程度にクラックを生じさせて応力を積層体１０の全体に分散するためのものである。ここで、外部電極１７が積層体１０の側面から見て応力緩和領域１８に最も近い予定破断層１９と重なる位置まで設けられていることで、予定破断層１９に生じるクラックが進展して積層体１０が破断してしまうのを抑制することができる。
【００２８】
また、図５に示すように、導電性接合材１６は外部電極１７の積層方向に垂直な幅方向の中央部に対応する位置に積層方向に沿って設けられていてもよい。ここで、外部電極１７の幅方向の中央部とは、外部電極１７を幅方向で４等分したときの内側の２等分の領域のことを意味する。このような構成により、外部電極１７が伸縮しやすく、積層体１０の伸縮に追従しやすくなる。
【００２９】
また、図６に示すように、外部電極１７の積層方向に沿った方向の両端からはみ出す位置まで設けられているのがよい。導電性接合材１６が外部電極１７よりも長く設けられていることで、外部電極１７が積層方向の端から剥がれにくくなるとともに、導体層１５の保護および補強の効果も奏する。
【００３０】
なお、積層型圧電素子１としては上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更、各構成の組み合わせが可能である。
【００３１】
次に、本実施の形態の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
【００３２】
まず、圧電体層１１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸
ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。
【００３３】
次に、内部電極層１２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて内部電極層１２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００℃〜１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電体層１１および内部電極層１２を備えた積層体１０を作製する。
【００３４】
このとき、積層体１０は、圧電体層１１および内部電極層１２が交互に複数積層されてなる活性部１３と、活性部１３の積層方向の少なくとも一端、好ましくは両端に圧電体層１１からなる不活性部１４とを有するように作製される。また、積層体１０を構成する活性部１３における不活性部１４との境界近傍には、活性部１３の中央部よりも圧電体層１１の厚みが厚くなっている応力緩和領域１８を有するように作製される。ここで、圧電体層１１の厚みを厚くするには、セラミックグリーンシートの厚みを厚くすればよい。
【００３５】
なお、積層体１０は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層１１と内部電極層１２とを複数積層してなる積層体１０を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
【００３６】
その後、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、導体層１５のパターンで積層体１０の側面にスクリーン印刷法等によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、導体層１５を形成する。
【００３７】
次に、導体層１５の表面上に導電性接合材１６を介して外部電極１７を接合する。
【００３８】
ここで、導電性接合材１６は、Ａｇ粉末やＣｕ粉末などの導電性の良好な金属粉末を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる導電性接着剤のペーストを用い、例えばディスペンス方式により所定の厚みや幅、長さに制御して形成する。
【００３９】
また、外部電極１７は、応力緩和領域１８にかからない範囲で適宜長さを調整したものや、必要により幅方向の両側から交互に切欠かれたスリットを有しているものを用意して、導体層１５の所望の位置に接合すればよい。
【００４０】
以上の方法により、積層型圧電素子１を作製することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・積層型圧電素子
１０・・・積層体
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・活性部
１４・・・不活性部
１５・・・導体層
１６・・・導電性接合材
１７・・・外部電極
１７１・・・延出部
１７２・・・スリット
１８・・・応力緩和領域
１９・・・予定破断層
【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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