(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た素子本体と、
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、厚み０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下で金属製板状のリード部材と、
前記素子本体の前記リード部材より積層方向端部側で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と、を備え、
前記リード部材から前記応力緩和層までの距離が、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記応力緩和層は、前記素子本体の前記内部電極より積層方向端部側に設けられ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】
電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、
圧電層と内部電極とが交互に積層され、いずれの前記内部電極より積層方向端部側で外周に接し、積層面に沿った応力緩和層を有する素子本体を形成する工程と、
前記応力緩和層より積層方向中央側で、前記素子本体の側面に積層方向に沿って、前記内部電極に接続された外部電極を形成する工程と、
厚み０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下で金属製板状のリード部材を、前記応力緩和層に重なるように前記外部電極に固着させる工程と、
前記リード部材を前記応力緩和層の位置で疲労破壊させて、前記リード部材から前記応力緩和層までの距離を、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下にする工程と、を含む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、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およびその製造方法に関する。
【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３は、従来の積層型圧電アクチュエータ３００を示す断面図である。積層型圧電アクチュエータ３００は、アクチュエータ本体３１０、半田３２０およびリード線３３０を有しており、素子本体３１０は、内部に内部電極３１１、側面に外部電極３１４を有している。従来は、図３に示すように不活性部が活性部に引っ張られて変位し、その変位は不活性部自体が圧電効果で変形しないため微小であった。なお、両端の内部電極３１１の間で積層方向に内部電極３１１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。
【０００３】
こ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することが知られている。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ため、内部電極層間で積層方向に内部電極が重ならない部分すなわち不活性部に、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１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６７６４６号公報
【特許文献２】特開２０１０−７４０３３号公報
【特許文献３】特開２０１０−９８０２６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、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は、不活性部のスリットにより、不活性部が活性部に追従しやすい。また、不活性部の変位が従来の積層型圧電アクチュエータの変位より大きい。これにより、外部電極の疲労破壊防止用に埋め込まれたリード線、およびリード線を取り付けている半田によってアクチュエータ表面に発生していた引張応力が増加し、アクチュエータ表面の破壊による不良が増加している。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およびスリット４１３、側面に外部電極４１４が設けられている。
【０００６】
これに対し、外部電極４１４の疲労破壊の防止およびアクチュエータの表面４１５に発生する引張応力の低下を目的として、外部電極４１４がアクチュエータ４００の駆動に合わせて変形する構造（特許文献２参照）や、リード線４３０を直接ではなく、複数本の金属線を介して外部電極４１４に接続する構造（特許文献３参照）等が提案されている。しかしながら、このような構造を有するアクチュエータは、形状の複雑さのために製品の組み上げが困難であり、積層型圧電アクチュエータを規定のケース内に設置する製品を製作する場合には、難儀な製作過程を強いられる。
【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、製作工程を複雑化することなく、アクチュエータ表面の破壊による不良を防止することのできる積層型圧電アクチュエータを構成する圧電素子およびその製造方法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た素子本体と、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、前記素子本体の前記リード部材より積層方向端部側で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とを備えることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明の圧電素子では、積層面に沿って形成された応力緩和層がリード部材より積層方向端部側で外周に接して設けられている。これにより、圧電素子の表面がリード部材によって引っ張られた際に、応力緩和層が広がるように圧電素子が変形し、表面に発生する引張応力を軽減できる。その結果、表面の破壊による不良を防止できる。また、応力緩和層とリード部材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。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、前記素子本体の前記内部電極より積層方向端部側に設けられていることを特徴としている。これにより、応力緩和層が変形に対して不活性な保護層に位置することになり、リード部材および外部電極が疲労破壊した場合でも、導通が取れない部分が形成されるのを防止できる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電素子は、前記リード部材から前記応力緩和層までの距離が、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴としている。このように、リード部材から応力緩和層までの距離が０．３ｍｍ以下であるため、引張応力のほとんどを応力緩和層の変形によって緩和することが可能であり、引張応力の軽減をより顕著にできる。一方、リード部材から応力緩和層までの距離が０．１ｍｍ以上であるため、実際の製作が容易となる。
【００１２】
（４）また、本発明の圧電素子は、前記リード部材の厚みが、０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴としている。これにより、圧電素子の駆動により、応力緩和層の位置でリード部材を自己破断させることができる。
【００１３】
（５）また、本発明の圧電素子の製造方法は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子の製造方法であって、圧電層と内部電極とが交互に積層され、積層方向端部付近で外周に接し、積層面に沿った応力緩和層を有する素子本体を形成する工程と、前記応力緩和層より積層方向中央側で、前記素子本体の側面に積層方向に沿って、前記内部電極に接続された外部電極を形成する工程と、金属製板状のリード部材を、前記応力緩和層に重なるように前記外部電極に固着させる工程と、前記リード部材を前記応力緩和層の位置で疲労破壊させる工程と、を含むことを特徴としている。
【００１４】
このように、本発明の圧電素子の製造方法では、最端の応力緩和層を跨ぐ形でリード部材を配置し、圧電素子の連続駆動により疲労破壊させて、リード部材から応力緩和層までの距離をゼロに近い状態を作り出すことが可能である。この場合、既存の寸法の範囲で製作可能であり、外観の大幅な変更を要しない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧電素子の表面に発生する引張応力を軽減でき、表面の破壊による不良を防止できる。また、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧電素子を示す断面図である。
【図２】本発明の圧電素子を示す拡大断面図である。
【図３】従来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】
【００１７】
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。
【００１８】
（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、たとえば圧電アクチュエータである。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。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。
【００１９】
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としての半田の厚みに関しては、小さいほうが好ましい。素子変位時に発生する応力が小さくなり負担が減るためである。
【００２０】
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。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で外周に接して設けられ、積層面に沿って形成されている。これにより、圧電素子１００の表面１１５（端面）がリード部材１３０によって引っ張られた際に、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。
【００２１】
その結果、表面１１５の破壊による不良を防止できる。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。
【００２２】
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、すなわち保護層内に設けられていることが好ましい。これにより、応力緩和層１１３が変形に対して不活性な保護層に位置することになり、リード部材１３０および外部電極１１４が疲労破壊した場合でも、導通が取れない部分が形成されるのを防止できる。
【００２３】
なお、素子本体１１０のリード部材より積層方向中心側に他の応力緩和層が形成されている方が、応力緩和層１１３が効果的に機能する。他の応力緩和層により不活性領域の応力が緩和されるとともに表面１１５の応力は大きくなる。応力緩和層１１３は、この表面１１５の応力を緩和することができる。
【００２４】
図２は、圧電素子１００を示す拡大断面図である。図２に示すように、応力緩和層１１３の位置は、圧電素子１００に設けられるリード部材１３０および半田の端点より外側（圧電素子の端側）に配置する。応力緩和層１１３を外部電極１１４の端より中心側に配置した場合、リード部材１３０および外部電極１１４の疲労破壊によって導通が取れない部分が形成される可能性がある。これを避けるため、応力緩和層１１３は保護層内に配置することが望ましい。図２に示す配置により、圧電素子１００の表面１１５がリード部材１３０および半田によって引っ張られた際に、応力緩和層１１３が広がるように変形し、表面１１５に発生する引張応力を軽減することができる。
【００２５】
圧電素子１００が駆動した際には応力緩和層１１３が広がるように変形し、表面１１５に発生する引張応力の軽減が可能であるものの、応力緩和層１１３の端点からリード部材１３０および接続層１２０の端点までの距離Ａの存在により表面１１５に引張応力が発生する。距離Ａが極端に小さくなった状態では、引張応力のほとんどを応力緩和層１１３の変形によって緩和することが可能である。距離Ａが０ｍｍである場合には、最も引張応力を軽減することができるが、実際に距離Ａを０ｍｍとすることは製作上困難である。
【００２６】
このような事情を考慮すれば、リード部材１３０から応力緩和層１１３までの距離Ａは、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。距離Ａを０．３ｍｍ以下にすることで、引張応力のほとんどをスリットの変形によって緩和することが可能であり、引張応力の軽減をより顕著にできる。一方、リード部材１３０から応力緩和層１１３までの距離を０．１ｍｍ以上にすることで、実際の製作が容易となる。
【００２７】
（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、積層方向端部付近で外周に接し、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。電極ペーストの印刷の際には、焼結しない材料を応力緩和層１１３の位置に印刷しておく。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。
【００２８】
次に、応力緩和層１１３より積層方向中央側で、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。
【００２９】
次に、金属製板状のリード部材１３０を、応力緩和層１１３に重なるように外部電極１１４に固着させる。予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の材料には、リン青銅を用い、リード部材１３０の厚みは、０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。リン青銅製のリード部材については、厚みを０．１ｍｍ以上にすることでリード部材の形状を保つことができ、一方、０．１５ｍｍ以下である場合に自己破断を確認できたためである。
【００３０】
あらかじめ応力緩和層１１３が、素子本体１１０のリード部材１３０より積層方向端部側で外周に接して設けられるように設計されている場合には、これで圧電素子１００の製作は終了する。最端の応力緩和層１１３を跨ぐ形でリード部材１３０を配置する場合には、さらにリード部材１３０を応力緩和層１１３の位置で疲労破壊させる。疲労破壊は圧電素子１００の連続駆動により行うことができる。これにより、リード部材１３０から応力緩和層１１３までの距離をゼロに近い状態を作り出すことが可能である。この場合、既存の寸法の範囲で製作可能であり、外観の大幅な変更を要しない。
【符号の説明】
【００３１】
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
１２０  接続層（半田）
１３０  リード部材
【図１】
0005768229.tif 000002
【図２】
0005768229.tif 000003
【図３】
0005768229.tif 000004
【図４】
0005768229.tif 000005