(57)【要約】【課題】過剰な振動による自己発熱が原因となって圧電性を失うことから防止する保護機能が付加されたチップ状圧電素子を提供する。【解決手段】積層体３を構成するように積層された複数の圧電体層２間の界面に沿ってそれぞれ形成された内部電極５，６と積層体３の端面１１，１２上に形成された外部端子電極７，８とを、正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体９，１０によって電気的に接続する。自己発熱による温度上昇が生じたとき、サーミスタ接続体９，１０の抵抗値が上昇し、圧電体層２に印加される電圧を低下させ、そこでの振動を抑制して、温度上昇を抑制する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、前記圧電体の一部に接するように設けられる導体とを備え、前記導体は、良導体からなる電極と正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体とが直列接続された導電経路を与えている、チップ状圧電素子。
【請求項２】
前記サーミスタ接続体は、前記圧電体の外表面上に設けられ、前記電極は、前記サーミスタ接続体の外表面上に設けられる、請求項１に記載のチップ状圧電素子
【請求項３】
前記圧電体は、積層体を構成するように積層された複数の圧電体層によって与えられ、前記電極は、前記圧電体層の積層方向に関して交互に配置されながら、前記圧電体層間の界面に沿ってそれぞれ形成される、第１および第２の内部電極と、前記積層体の積層方向に延びる端面に沿ってそれぞれ形成される、第１および第２の外部端子電極とを備え、前記第１および第２の内部電極の少なくとも一方と前記第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方とは、前記サーミスタ接続体を介して互いに電気的に接続される、請求項１に記載のチップ状圧電素子。
【請求項４】
前記サーミスタ接続体は、前記第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されかつ前記積層体の前記端面にまで引き出された状態で前記圧電体層間の界面に沿って形成され、前記第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、前記サーミスタ接続体の引き出し端部に電気的に接続されるように前記積層体の前記端面上に形成される、請求項３に記載のチップ状圧電素子。
【請求項５】
前記第１および第２の内部電極は、前記積層体の前記端面にまで引き出された状態で形成され、前記サーミスタ接続体は、前記第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されるように前記積層体の前記端面上に形成され、前記第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、前記サーミスタ接続体の外表面上に形成される、請求項３に記載のチップ状圧電素子。
【請求項６】
前記第１および第２の内部電極は、前記積層体の前記端面にまで引き出された状態で形成され、前記導体は、前記第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されるように前記積層体の前記端面上に形成される、良導体からなる中間導体膜をさらに備え、前記サーミスタ接続体は、前記中間導体膜上に形成され、前記第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、前記サーミスタ接続体の外表面上に形成される、請求項３に記載のチップ状圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チップ状圧電素子に関するもので、特に、正温度特性を有するサーミスタによる保護機能が付加されたチップ状圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この発明にとって興味ある圧電素子の用途として、たとえばパワーエネルギー源としての圧電素子の使用があり、より具体的には、超音波式霧化器または超音波式加湿器に備える超音波振動子、圧電トランス、高周波かつ高圧力下で使用されるアクチュエータ（たとえば、ディーゼルエンジン用アクチュエータ）などとしての圧電素子の使用がある。
【０００３】
このような用途に向けられる圧電素子には、過剰な振動による自己発熱が原因となって、分極が除去されてしまうという問題がある。
【０００４】
たとえば、超音波式霧化器において、フロートスイッチに異常がある状態で空焚きした場合、霧化される液体がないので、圧電素子からなる超音波振動子のインピーダンスが低下し、発振回路から過剰な電流が供給される。この過剰な電流の供給により、超音波振動子は、高周波で過剰な振動がもたらされ、自己発熱する。このとき、霧化される液体がないため、冷却作用が及ぼされず、超音波振動子に備える圧電体は、キュリー点付近まで温度上昇する。その結果、超音波振動に備える圧電体の分極が除去され、圧電性が失われることがある。
【０００５】
このような問題を解決するため、超音波振動子に過剰な電流が流れないように、超音波振動子と直列に抵抗を接続することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
他方、圧電トランスの場合、これを駆動する駆動回路の異常により、過剰な電流が圧電トランスに供給されることがある。この場合においても、圧電トランスは、高周波で過剰に振動し、自己発熱によりキュリー点付近にまで温度上昇する。その結果、圧電トランスに備える圧電体の分極が除去され、圧電性が失われることがある。
【０００７】
このような問題を解決するため、過剰な電流の発生を検知して、駆動回路にフィードバックし、電源供給を停止させる保護回路を圧電トランスと組み合わせることが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６３−３１５１６５号公報
【特許文献２】
特開平８−１０７６７８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に記載の技術では、超音波振動子に直列に接続される抵抗の抵抗値は、通常の液体霧化時の超音波振動子の液中でのインピーダンスに対しては十分に小さく、空焚き時の超音波振動子の空中でのインピーダンスに対しては十分な大きな値としている。しかしながら、この抵抗の抵抗値を霧化量が著しく低下しない程度に選んでも、空焚きに耐え得る時間は延びるものの、結局は、温度上昇により、超音波振動子に備える圧電体の圧電性が失われてしまうという問題を回避できない。
【００１０】
他方、特許文献２に記載の技術では、保護回路が複雑であるため、それによるコスト上昇を招くとともに、保護回路自体に異常があると対応できないという問題がある。
【００１１】
また、圧電素子に備える圧電体において、キュリー点の高い圧電材料を用いることも、上述した問題の解決に有効であるが、これには限界があり、より高いパワーが入力される状況下では、圧電体の温度上昇を完全に防止することはできない。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る圧電素子を提供しようとすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、自己発熱をもたらす過剰な振動を生じさせないようにするための保護機能がそれ自身に一体的に組み込まれた、チップ状圧電素子に向けられるものである。
【００１４】
この発明に係るチップ状圧電素子は、前述した技術的課題を解決するため、圧電体と、この圧電体の一部に接するように設けられる導体とを備え、導体は、良導体からなる電極と正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体とが直列接続された導電経路を与えるように構成されることを特徴としている。
【００１５】
この発明に係るチップ状圧電素子によれば、圧電体の過剰な振動による自己発熱が生じたとき、正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体の抵抗値が上昇し、当該チップ状圧電素子に印加される電圧のほとんどがこのサーミスタ接続体に印加されるようになる。したがって、サーミスタ接続体は、圧電体に印加される電圧を低下させるように作用し、その結果、圧電体の振動を抑制して、圧電体の温度上昇を抑制する。
【００１６】
この発明に係るチップ状圧電素子において、圧電体が単板構造を有している場合、たとえば、サーミスタ接続体は、圧電体の外表面上に設けられ、電極は、サーミスタ接続体の外表面上に設けられる。
【００１７】
他方、圧電体が積層構造を有する場合、すなわち、圧電体が、積層体を構成するように積層された複数の圧電体層によって与えられる場合、電極は、圧電体層の積層方向に関して交互に配置されながら、圧電体層間の界面に沿ってそれぞれ形成される、第１および第２の内部電極と、積層体の積層方向に延びる端面に沿ってそれぞれ形成される、第１および第２の外部電極とを備え、第１および第２の内部電極の少なくとも一方と第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方とが、サーミスタ接続体を介して互いに電気的に接続される。
【００１８】
上記のような積層構造を有するチップ状圧電素子には、いくつかの実施態様がある。
【００１９】
第１の実施態様では、サーミスタ接続体は、第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されかつ積層体の端面にまで引き出された状態で圧電体層間の界面に沿って形成される。そして、第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、サーミスタ接続体の引出し端部に電気的に接続されるように積層体の端面上に形成される。
【００２０】
第２の実施態様では、第１および第２の内部電極は、積層体の端面にまで引き出された状態で形成され、サーミスタ接続体は、第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されるように積層体の端面上に形成される。そして、第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、サーミスタ接続体の外表面上に形成される。
【００２１】
第３の実施態様では、第１および第２の内部電極は、第２の実施態様の場合と同様、積層体の端面にまで引き出された状態で形成される。他方、前述した導体の一部を構成するものとして、第１および第２の内部電極の少なくとも一方に電気的に接続されるように、良導体からなる中間導体膜が積層体の端面上に形成され、サーミスタ接続体は、この中間導体膜上に形成される。そして、第１および第２の外部端子電極の少なくとも一方は、サーミスタ接続体の外表面上に形成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は、この発明の第１の実施形態を説明するためのものである。ここで、図１は、チップ状圧電素子１を断面で示す正面図である。
【００２３】
図１に示したチップ状圧電素子１は、積層構造を有するもので、圧電体からなる複数の圧電体層２を積層してなる積層体３を備えている。
【００２４】
チップ状圧電素子１は、また、圧電体層２によって与えられる圧電体の一部に接するように設けられる導体４として、良導体からなる電極５〜８と正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体９および１０とを備えていて、導体４は、電極５〜８とサーミスタ接続体９および１０とが直列接続された導電経路を与えている。
【００２５】
より詳細には、電極としては、第１および第２の内部電極５および６ならびに第１および第２の外部端子電極７および８が形成される。第１および第２の内部電極５および６は、圧電体層２の積層方向に関して交互に配置されながら、圧電体層２間の界面に沿ってそれぞれ形成される。第１および第２の外部端子電極７および８は、積層体３の積層方向に延びる、相対向する端面１１および１２に沿ってそれぞれ形成される。
【００２６】
図２は、図１に示したチップ状圧電素子１を特定の断面で示した平面図であり、（ａ）は、第１の内部電極５が通る面に沿う断面で示した平面図であり、（ｂ）は、第２の内部電極６が通る面に沿う断面で示した平面図である。
【００２７】
図１および図２を参照して、サーミスタ接続体９を介して、第１の内部電極５と第１の外部端子電極７とが互いに電気的に接続され、かつ、サーミスタ接続体１０を介して、第２の内部電極６と第２の外部端子電極とが互いに電気的に接続されている。
【００２８】
特に、この実施形態では、サーミスタ接続体９および１０は、それぞれ、第１および第２の内部電極５および６に電気的に接続されながら、積層体３の端面１１および１２にまで引き出された状態で圧電体層２間の界面に沿って形成されている。そして、第１および第２の外部端子電極７および８は、それぞれ、上述したサーミスタ接続体９および１０の引出し端部に電気的に接続されるように積層体３の端面１１および１２上に形成される。
【００２９】
このように、圧電体層２を構成する圧電体に対して圧電効果を与えるための導体４において、電極５および７とサーミスタ接続体９とが直列接続された導電経路ならびに電極６および８とサーミスタ接続体１０とが直列接続された導電経路が与えられるので、チップ状圧電素子１は、それ自身によって、図３に示すような等価回路を実現することになる。すなわち、図３に示すように、チップ状圧電素子１は、圧電素子として機能する圧電素子機能エレメント１３と正特性サーミスタとして機能する正特性サーミスタ機能エレメント１４とが直列接続された等価回路を、それ自身によって実現することができる。
【００３０】
したがって、チップ状圧電素子１に高いパワーが入力されたとき、圧電体層２の過剰な振動によって自己発熱が生じ、圧電体層２の温度が上昇しても、この温度上昇が直ちにサーミスタ接続体９および１０に伝わり、正特性サーミスタ機能を有するサーミスタ接続体９および１０での抵抗値が増大する。その結果、圧電体層２に印加される電圧が低くなり、圧電体層２の温度上昇が抑えられる。したがって、圧電体層２における分極が除去され、圧電性が失われることを防止できる。
【００３１】
上述した効果をより確実に発揮させるためには、図１に示すように、正特性サーミスタ機能を有するサーミスタ接続体９および１０が、チップ状圧電素子１に一体化されて組み込まれていることが重要である。たとえば、圧電素子に直列に接続される正特性サーミスタ素子が圧電素子とは別部品とされている場合には、圧電素子における温度上昇を正特性サーミスタによって検知する際に少なからず時間差があるため、正特性サーミスタ素子による保護機能を十分に発揮させることができないことがある。また、正特性サーミスタ機能を有していない通常の抵抗体が用いられる場合には、通常時においても、圧電体に印加される電圧が低下してしまうので、圧電体において十分な圧電効果を発揮させることができないことがある。
【００３２】
サーミスタ接続体９および１０において必要とする室温抵抗値は、サーミスタ接続体９および１０の形状等を変えることによって調整することができる。
【００３３】
たとえば、サーミスタ接続体９および１０を、室温抵抗値が０．２Ωであり１５０℃での抵抗値が１．６ｋΩとなるように設定したチップ状圧電素子１を、前述の特許文献１に記載された超音波式霧化器に備える超音波振動子として用いて、空焚き時間と霧化量との関係を調査したところ、表１に示すような結果が得られた。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１において、「空焚き時間」は、超音波式霧化器に液体がない状態において、超音波振動子を高周波で駆動させた時間を示している。また、「霧化量」は、空焚き後において、超音波式霧化器に液体を充填した状態で超音波振動子を高周波で駆動させたときの霧化量を示すもので、超音波式霧化器の重量変化から求めたものである。この「霧化量」については、正特性サーミスタ機能を有するサーミスタ接続体９および１０を備える場合すなわち「サーミスタ接続体あり」の場合と、このようなサーミスタ接続体のないチップ状圧電素子を用いた場合すなわち「サーミスタ接続体なし」の場合とについて測定した。
【００３６】
表１に示すように、「サーミスタ接続体なし」の場合には、「空焚き時間」が２秒を超えたとき、霧化機能が失われてしまう。これは、圧電体層を構成する圧電体のキュリー点付近まで温度上昇し、分極が除去され、圧電性が劣化したためである。
【００３７】
他方、「サーミスタ接続体あり」の場合には、「空焚き時間」が長くなっても、空焚き前の霧化量が維持されている。これは、「サーミスタ接続体あり」の場合には、空焚きしても、圧電体層２を構成する圧電体のキュリー点より低い温度に保たれるので、圧電性が劣化しなかったためである。
【００３８】
図１に示すようなチップ状圧電素子１は、たとえば、次のようにして製造されることができる。
【００３９】
たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末を含むスラリーを作製し、これにドクターブレード法を適用して、厚み２０〜１００μｍ程度のグリーンシートを得る。このグリーンシートは、圧電体層２となるべきものである。次に、グリーンシートを、必要に応じて切断した後、グリーンシート上に、図２に示すような内部電極５および６となるべき導電性ペースト膜を印刷により形成し、次いで乾燥した後、サーミスタ接続体９および１０となるべきサーミスタ材料を含むサーミスタペースト膜を印刷により形成する。
【００４０】
次に、上述のように導電性ペースト膜およびサーミスタペースト膜が形成された複数のグリーンシートを積層するとともに、その上下に印刷が施されていないグリーンシートを積層し、これらを圧着した後、１０００〜１２００℃程度の温度で数時間焼成することによって、焼結した積層体３を得る。
【００４１】
次に、積層体３の端面１１および１２上に、たとえば銀を含む導電性ペーストを塗布し、焼き付けることにより、外部端子電極７および８を形成する。そして、外部端子電極７および８間に直流電圧を印加することによって、圧電体層２における内部電極５および６が対向する部分を分極する。
【００４２】
図４ないし図９は、それぞれ、この発明の他の実施形態を示している。ここで、図４ないし図７は、図１に相当する図である。図４ないし図７において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４３】
図４に示した第２の実施形態によるチップ状圧電素子１ａは、第１の実施形態によるチップ状圧電素子１と比較して、第１の内部電極５と第１の外部端子電極７とを互いに電気的に接続する箇所においてのみ、サーミスタ接続体９が設けられていることを特徴としている。
【００４４】
図５に示した第３の実施形態によるチップ状圧電素子１ｂは、第１の実施形態によるチップ状圧電素子１と比較して、サーミスタ接続体９および１０が積層体３の端面１１および１２上にそれぞれ形成されることを特徴としている。より詳細には、第１および第２の内部電極５および６は、それぞれ、積層体３の端面１１および１２にまで引き出された状態で形成され、サーミスタ接続体９および１０は、それぞれ、第１および第２の内部電極５および６に電気的に接続されるように積層体３の端面１１および１２上に形成される。そして、第１および第２の外部端子電極７および８は、それぞれ、サーミスタ接続体９および１０の外表面上に形成される。
【００４５】
図６に示した第４の実施形態によるチップ状圧電素子１ｃは、上述の第３の実施形態によるチップ状圧電素子１ｂと比較して、第１の内部電極５にのみ電気的に接続されるようにサーミスタ接続体９が積層体３の一方の端面１１上にのみ形成されることを特徴としている。
【００４６】
図６に示した第４の実施形態の変形例として、第２の内部電極６に関連して、図１に示すような構造が採用されてもよい。
【００４７】
図７に示した第５の実施形態によるチップ状圧電素子１ｄは、たとえば図５に示した第３の実施形態によるチップ状圧電素子１ｂと比較して、導体４として、第１および第２の内部電極５および６にそれぞれ電気的に接続されるように積層体３の端面１１および１２上にそれぞれ形成される、良導体からなる中間導体膜１５および１６をさらに備えることを特徴としている。サーミスタ接続体９および１０は、それぞれ、中間導体膜１５および１６上に形成され、第１および第２の外部端子電極７および８は、それぞれ、サーミスタ接続体９および１０の外表面上に形成される。
【００４８】
図７に示した第５の実施形態の変形例として、たとえば第１の内部電極５にのみ関連して、中間導体膜１５、サーミスタ接続体９および外部端子電極７からなる積層構造が採用され、第２の内部電極６には、外部端子電極８が直接接続されるようにしてもよい。この場合、さらに他の変形例として、第２の内部電極６については、図１に示した構造、あるいは図５に示した構造のいずれかが採用されてもよい。
【００４９】
図４ないし図７に示した第２ないし第５の実施形態によっても、図３に示した等価回路を実現することができる。
【００５０】
以上説明した第１ないし第５の実施形態では、チップ状圧電素子１、１ａ、１ｂ、１ｃおよび１ｄは積層構造を有するものであったが、この発明は、単板構造のチップ状圧電素子に対しても適用することができる。図８および図９には、それぞれ、単板構造を有するチップ状圧電素子が示されている。
【００５１】
図８に示した第６の実施形態によるチップ状圧電素子２１は、板状の圧電体からなる圧電体板２２を備えている。圧電体板２２は、円板状であっても角板状であってもよい。
【００５２】
圧電体板２２の一部に接するように導体２３が設けられている。導体２３は、圧電体板２２を介して対向するように、圧電体板２２の相対向する主面２４および２５上にそれぞれ設けられる。
【００５３】
より詳細には、導体２３は、圧電体板２２の主面２４および２５上にそれぞれ設けられる、正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体２６および２７と、サーミスタ接続体２６および２７の外表面上に設けられる、良導体からなる電極２８および２９とを備えている。電極２８および２９は、圧電体板２２に接しないように、各々の周縁部は、電極２８および２９の各周縁部より外側に位置しないようにされる。
【００５４】
以上のように構成されたとき、導体２３は、電極２８とサーミスタ接続体２６とが直列接続された導電経路、および電極２９とサーミスタ接続体２７とが直列接続された導電経路を与える状態となる。したがって、図３に示した等価回路を実現することができる。
【００５５】
第６の実施形態の変形例として、サーミスタ接続体２６および２７のいずれか一方が省略され、省略されたサーミスタ接続体２６または２７上に形成されていた電極２８または２９が圧電体板２２の主面２４または２５上に直接設けられてもよい。
【００５６】
図９に示した第７の実施形態によるチップ状圧電素子３１は、板状の圧電体からなる圧電体板３２を備え、圧電体板３２の相対向する各端部３３および３４上に導体３５が設けられている。
【００５７】
導体３５は、圧電体板３２の端部３３および３４の各々における外表面上にそれぞれ設けられる、正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体３６および３７と、サーミスタ接続体３６および３７の各々の外表面上にそれぞれ設けられる、良導体からなる電極３８および３９とを備えている。電極３８および３９の端縁部は、サーミスタ接続体３６および３７の端縁部より外側に位置しないようにされ、それによって、電極３８および３９が圧電体板３２に接触しないようにされる。
【００５８】
上述のように構成されたとき、導体３５は、電極３８とサーミスタ接続体３６とが直列接続された導電経路、および電極３９とサーミスタ接続体３７とが直列接続された導電経路を与える状態となる。したがって、図３に示した等価回路を実現することができる。
【００５９】
第７の実施形態の変形例として、サーミスタ接続体３６および３７のいずれか一方が省略され、省略されたサーミスタ接続体３６または３７上に形成されていた電極３８または３９が、圧電体板３２の端部３３または３４上に直接形成されてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、圧電体に接するように設けられた導体において、良導体からなる電極と正温度特性を有するサーミスタ材料からなるサーミスタ接続体とが直列接続された導電経路が与えられるので、圧電体の過剰な振動による自己発熱が生じたとき、直ちに、正特性サーミスタ機能を有するサーミスタ接続体の抵抗値が上昇し、チップ状圧電素子に印加される電圧の大部分がサーミスタ接続体に印加される状態とすることができる。したがって、圧電体がキュリー点付近にまで温度上昇することが抑制され、圧電体の分極が除去されて圧電性を失うことがないように保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるチップ状圧電素子１を断面で示す正面図である。
【図２】図１に示したチップ状圧電素子１を断面で示す平面図であり、（ａ）は、第１の内部電極５が通る面に沿う断面を示し、（ｂ）は、第２の内部電極６が通る面に沿う断面を示している。
【図３】図１に示したチップ状圧電素子１が与える等価回路を示す図である。
【図４】この発明の第２の実施形態によるチップ状圧電素子１ａを断面で示す正面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態によるチップ状圧電素子１ｂを断面で示す正面図である。
【図６】この発明の第４の実施形態によるチップ状圧電素子１ｃを断面で示す正面図である。
【図７】この発明の第５の実施形態によるチップ状圧電素子１ｄを断面で示す正面図である。
【図８】この発明の第６の実施形態によるチップ状圧電素子２１を断面で示す正面図である。
【図９】この発明の第７の実施形態によるチップ状圧電素子３１を断面で示す正面図である。
【符号の説明】
１，  １ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２１，３１  チップ状圧電素子
２  圧電体層
３  積層体
４，２３，３５  導体
５，６  内部電極
７，８  外部端子電極
９，１０，２６，２７，３６，３７  サーミスタ接続体
１１，１２    端面
１５，１６  中間導体膜
２８，２９，３８，３９  電極
【図１】
2004363429.tif 000004
【図２】
2004363429.tif 000005
【図３】
2004363429.tif 000006
【図４】
2004363429.tif 000007
【図５】
2004363429.tif 000008
【図６】
2004363429.tif 000009
【図７】
2004363429.tif 000010
【図８】
2004363429.tif 000011
【図９】
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