(57)【要約】  内部電極間のマイグレーションを防止し得るだけでなく、温度変化が繰り返し加えられた場合にも、分極度の低下による劣化が生じ難い積層型の圧電体を用いた圧電素子を提供する。  第１の電位に接続される第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第１の電位とは異なる第２の電位に接続される第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとが圧電層を介して積層されている積層型の圧電体２の第１，第２の側面２ｃ，２ｄに第１，第２の外部電極４，５がそれぞれ形成されており、第３，第４の側面２ｅ，２ｆを覆うように、導電性粒子を分散含有しており、隣り合う内部電極間のマイグレーションを防止し得るだけでなく、焦電効果に起因する分極度の低下を抑制するマイグレーション防止用外装材６，７が設けられている、圧電素子１。
2007052599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と、下面と、上面と下面とを結ぶ少なくとも１つの側面とを有する圧電体と、
前記圧電体内において、前記上面及び下面に平行に配置されており、かつ前記側面に露出している複数の内部電極とを備え、前記複数の内部電極を介して前記圧電体を構成している複数の圧電体層が積層されており、
前記複数の内部電極が、第１の電位に接続される第１の内部電極と、第１の電位とは異なる第２の電位に接続される第２の内部電極とを有し、
前記第１，第２の内部電極にそれぞれ電気的に接続されるように、前記圧電体の側面に形成された第１，第２の外部電極をさらに備える圧電素子であって、
前記第１，第２の内部電極が前記圧電体の側面に露出している部分の内、前記第１，第２の外部電極に電気的に接続されている部分以外の部分を覆うように設けられており、かつ導電性粒子が分散されているマイグレーション防止用外装材をさらに備えることを特徴とする、圧電素子。
【請求項２】
前記第１，第２の内部電極が前記圧電体の厚み方向において交互に配置されている、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記マイグレーション防止用外装材が圧電体の前記第１，第２の内部電極が圧電体層を介して重なり合っている中央部を覆っている部分において厚くされており、該中央部よりも外側の圧電体部分を覆っている部分においてマイグレーション防止用外装材の厚みが薄くされている、請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記マイグレーション防止用外装材が、合成樹脂と、合成樹脂中に分散された導電性粒子とを含む合成樹脂材料組成物である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記合成樹脂が、エポキシ樹脂である、請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記第１または第２の内部電極の両側の圧電体層が、厚み方向に伸縮するように分極処理されており、それによって圧電アクチュエータが構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部電極を介して圧電体層が積層されている積層型の圧電素子に関し、より詳細には、内部電極間のマイグレーションを防止するための構造が備えられた圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部電極が圧電体層と交互に積層されている積層型の圧電体を用いた圧電素子が知られている。【０００３】
下記の特許文献１には、このような積層型の圧電素子を用いた圧電アクチュエータが開示されている。図１５は、特許文献１に記載の圧電アクチュエータを示す概略斜視図である。圧電アクチュエータ１０１は、圧電体１０２を有する。圧電体１０２では、複数の内部電極１０３ａ〜１０３ｅが圧電体層と交互に積層されている。内部電極１０３ａ〜１０３ｅは、圧電体１０２の全側面に露出されている。【０００４】
圧電体１０２の第１の側面１０２ａに、内部電極１０３ａ，１０３ｃ，１０３ｅの露出部分を覆うように絶縁層１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃが形成されている。また、第１の側面１０２ａと対向している第２の側面１０２ｂには、絶縁層１０５ａ，１０５ｂが形成されている。絶縁層１０５ａ，１０５ｂは、内部電極１０３ｂ，１０３ｄが側面１０２ｂに露出している部分を被覆するように設けられている。【０００５】
第１，第２の側面１０２ａ，１０２ｂには、上下方向に延びるように外部電極１０６，１０７が形成されている。外部電極１０６は、内部電極１０３ｂ，１０３ｄに側面１０２ａにおいて電気的に接続されている。他方、第２の外部電極１０７は、側面１０２ｂにおいて、内部電極１０３ａ，１０３ｃ，１０３ｅに接続されている。【０００６】
他方、下記の特許文献２には、図１６に示す構造の圧電アクチュエータが開示されている。圧電アクチュエータ１１１では、積層型の圧電体１１２が用いられている。圧電体１１２内では、複数の内部電極１１３ａ〜１１３ｅが圧電体層を介して積層されている。圧電体１１２の第１の側面１１２ａには、内部電極１１３ａ，１１３ｃ，１１３ｅが、第１の側面１１２ａに露出していた部分において、凹部１１２ｃ〜１１２ｅが形成されている。この凹部１１２ｃ〜１１２ｅに、それぞれ、絶縁材料１１４ａ〜１１４ｃが充填されている。内部電極１１３ａ，１１３ｃ，１１３ｅは、第１の側面１１２ａと対向している第２の側面１１２ｂに露出している。他方、内部電極１１３ｂ，１１３ｄが、第２の側面１１２ｂに露出していた部分に、同様に凹部１１２ｆ，１１２ｇが設けられており、該凹部１１２ｆ，１１２ｇに、絶縁性材料１１５ａ，１１５ｂが充填されている。内部電極１１３ｂ，１１３ｄは、第１の側面１１２ａに露出している。そして、第１，第２の側面１１２ａ，１１２ｂに、第１，第２の外部電極１１６，１１７がそれぞれ形成されている。【０００７】
圧電アクチュエータ１０１，１１１では、いずれも、第１，第２の外部電極１０６，１０７間または第１，第２の外部電極１１６，１１７間に電界を印加することにより、圧電体層を厚み方向に伸縮させ、アクチュエータとして動作させることができる。【０００８】
一方、積層型圧電アクチュエータとして、図１７に示す圧電アクチュエータも知られている。圧電アクチュエータ１２１は、積層型の圧電体１２２を有する。ここでは、圧電体１２２内に、複数の内部電極１２３ａ〜１２３ｅが厚み方向において交互に配置されている。内部電極１２３ａ，１２３ｃ，１２３ｅは、第２の側面１２２ｂに引き出されており、第１の側面１２２ａには至っていない。他方、内部電極１２３ｂ，１２３ｄは、第１の側面１２２ａに露出しており、第２の側面１２２ｂには至っていない。従って、側面１２２ａ，１２２ｂに形成された外部電極１２６，１２７から電圧を印加することにより、アクチュエータとして動作させることができる。【０００９】
ところで、いずれの圧電アクチュエータ１０１，１１１，１２１においても、圧電体１０２，１１２，１２２の側面、すなわち外部電極が形成されていない側面において、内部電極１０３ａ〜１０３ｅ，１１３ａ〜１１３ｅ，１２３ａ〜１２３ｅが露出している。そして、厚み方向において隣り合う内部電極が異なる電位に接続されるため、圧電体１０２，１１２，１２２の側面において、内部電極間でマイグレーションが生じるおそれがあった。【００１０】
そこで、特許文献１では、積層型の圧電体１０２を覆うように、すなわち、内部電極１０３ａ〜１０３ｅが圧電体１０２の側面に露出している部分だけでなく、第１，第２の外部電極１０６，１０７をも覆うように圧電体の全側面を外装樹脂で被覆した構成が提案されている。ここでは、第１，第２の外部電極は、リード線により外部に引き出されており、該リード線が引き出されている部分を除いて、外装樹脂により、圧電体の全側面が覆われている。【００１１】
そして、外装樹脂として、アルカリ金属及び／またはアルカリ土類金属含有量が８００ｐｐｍ以下の外装樹脂が用いられている。アルカリ金属及び／またはアルカリ土類金属の含有量が８００ｐｐｍ以下とされているため、負極側の内部電極端へのアルカリ金属イオン及び／またはアルカリ土類金属イオンの集中が抑制され、マイグレーションが抑制されるとされている。なお、上記アルカリ金属及び／またはアルカリ土類金属が含有される樹脂材料については、フッ素樹脂やシリコーン樹脂などが望ましいとされている。【００１２】
他方、特許文献２では、マイグレーションを抑制するために、前述した圧電アクチュエータ１１１の圧電体１１２の側面を覆うように、被覆層を形成した構造が提案されている。特許文献２においても、第１，第２の外部電極１１６，１１７にリード線を接合し、該リード線が引き出されている部分を除いて、上記被覆層が形成されている。そして、上記被覆層は、酸化銅、酸化ニッケル、酸化錫、酸化亜鉛、酸化クロム及び酸化鉄の内少なくとも１種からなり、電気的絶縁性を有するため、マイグレーションを防止することができるとされている。【００１３】
なお、下記の特許文献３では、圧電アクチュエータの異なる電位に接続される電極間に、別部品としての電荷リーク手段を接続した回路が開示されている。ここでは、電荷リーク手段を接続することにより、焦電効果による圧電体の分極度の劣化が抑制されるとされている。
【特許文献１】特開平３−１２９７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１７７６８号公報
【特許文献３】特開昭６０−２４９８７７号公報
【発明の開示】
【００１４】
上述した圧電アクチュエータ１０１，１１１，１２１のように、積層型の圧電体を用いた圧電素子では、内部電極の両側に圧電体層が配置されている。圧電体は、一般に焦電性を有する。従って、積層型の圧電素子において、温度が上昇したり、下降した場合には、焦電効果により電荷が生じる。
【００１５】
各圧電体層が厚み方向に分極されている圧電アクチュエータでは、温度上昇時に生じる電荷による電圧の方向は、圧電体を分極する際に圧電体層に印加される電圧と同じ方向である。しかも、その方向においては分極に際して飽和分極とされているため、上記焦電作用による電荷が発生しても悪影響は生じない。
【００１６】
しかしながら、温度下降時に発生する電荷による電圧の方向は、分極時に印加される電圧とは逆方向になる。そのため、焦電効果により生じた電荷により、分極度が低下するという問題があった。
【００１７】
しかも、温度下降時に低下した分極度は、次の温度上昇時に元の分極度に戻るものではなかった。そのため、圧電アクチュエータなどの積層型の圧電素子に温度変化が繰返し与えられると、分極度が次第に低下することがわかった。特に、変位量を大きくするために、圧電体層の厚みを薄くしたり、圧電体層の比誘電率を大きくしたり、あるいは電気機械結合係数を大きくしたりした場合には、焦電効果による発生電荷量はより大きくなる。そのため、上記問題がより顕著になりがちであった。
【００１８】
従来の圧電アクチュエータでは、圧電体層が比較的厚かったので上記問題はあまり認識されていなかったものの、近年、圧電アクチュエータの小型化が進むにつれて、上記焦電効果による分極度の低下は大きな問題となってきている。
【００１９】
前述した特許文献１や特許文献２に記載のマイグレーションを防止するための外装樹脂や被覆層では、このような焦電効果による分極度の低下を防止することはできなかった。
【００２０】
なお、上記特許文献３では、異なる電位に接続される電極間に、圧電アクチュエータとは別部品としての電荷リーク手段としての部品が接続されている回路が開示されているが、このような回路構成では、部品点数が増大し、かつ積層型の圧電素子を用いた機器の小型化を進めることはできない。
【００２１】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、他の部品を必要とすることなく、積層型の圧電素子における複数の内部電極間におけるマイグレーションを効果的に防止し得るだけでなく、温度変化が繰返し与えられた場合であっても、焦電効果に起因する分極度の低下を抑制することが可能である圧電素子を提供することにある。
【００２２】
本発明によれば、上面と、下面と、上面と下面とを結ぶ少なくとも１つの側面とを有する圧電体と、前記圧電体内において、前記上面及び下面に平行に配置されており、かつ前記側面に露出している複数の内部電極とを備え、前記複数の内部電極を介して前記圧電体を構成している複数の圧電体層が積層されており、前記複数の内部電極が、第１の電位に接続される第１の内部電極と、第１の電位とは異なる第２の電位に接続される第２の内部電極とを有し、前記第１，第２の内部電極にそれぞれ電気的に接続されるように、前記圧電体の側面に形成された第１，第２の外部電極をさらに備える圧電素子であって、前記第１，第２の内部電極が前記圧電体の側面に露出している部分の内、前記第１，第２の外部電極に電気的に接続されている部分以外の部分を覆うように設けられており、かつ導電性粒子が分散されているマイグレーション防止用外装材をさらに備えることを特徴とする、圧電素子が提供される。
【００２３】
本発明に係る圧電素子のある特定の局面では、前記第１，第２の内部電極が前記圧電体の厚み方向において交互に配置されている。
本発明に係る圧電素子の他の特定の局面では、前記マイグレーション防止用外装材が圧電体の前記第１，第２の内部電極が圧電体層を介して重なり合っている中央部を覆っている部分において厚くされており、該中央部よりも外側の圧電体部分を覆っている部分においてマイグレーション防止用外装材の厚みが薄くされている。
【００２４】
本発明に係る圧電素子のさらに他の特定の局面によれば、前記マイグレーション防止用外装材は、合成樹脂と合成樹脂中に分散された導電性粒子とを含む合成樹脂材料組成物である。
【００２５】
上記合成樹脂としては、好ましくは、エポキシ樹脂が用いられる。
【００２６】
本発明に係る圧電素子のさらに別の特定の局面では、前記第１または第２の内部電極の両側の圧電体層が、厚み方向に伸縮するように分極処理されており、それによって圧電アクチュエータが構成されている。
（発明の効果）
【００２７】
本発明に係る圧電素子では、第１，第２の内部電極が圧電体の側面に露出している部分の内、第１，第２の外部電極に電気的に接続されている部分以外の部分を覆うように、マイグレーション防止用外装材が設けられている。そして、このマイグレーション防止用外装材は、第１，第２の内部電極間のマイグレーションを防止するに至る抵抗性材料からなり、それによって第１，第２の内部電極間のマイグレーションを防止することができる。
【００２８】
加えて、圧電素子が繰り返し温度変化にさらされて焦電効果により電荷が発生したとしても、上記マイグレーション防止用外装材は、導電性粒子を分散含有しているため、発生した電荷がマイグレーション防止用外装材中の導電性粒子による電流経路により流れ出ることになり、圧電体層への電荷の流入を抑制することができる。従って、焦電効果による分極度の低下を抑制することができる。
【００２９】
なお、導電性粒子が含有されていたとしても、上記マイグレーション防止用外装材はあくまでも電気的に絶縁性の材料であり、従って、第１，第２の内部電極間におけるマイグレーションは、該マイグレーション防止用外装材を設けたことにより確実に防止される。
【００３０】
第１，第２の内部電極が、圧電体の厚み方向において交互に配置されている場合には、第１の電位に接続される第１の内部電極と第２の電位に接続される第２の内部電極とが厚み方向に隣り合うことになるが、本発明に従って、マイグレーション防止用外装材を設けることにより、第１，第２の内部電極間のマイグレーションを確実に防止することができる。
【００３１】
マイグレーション防止用外装材が、合成樹脂中に導電性粒子が分散されている合成樹脂材料からなる場合には、溶融状態の合成樹脂に導電性粒子を混練することにより、目的とするマイグレーション防止用外装材を容易に製造することができるとともに、圧電体の側面に容易に適用することができる。
【００３２】
特に、圧電体のキュリー温度を超えない温度範囲で、外装材を塗布し、硬化することができるので、外装材の付与に際して分極度が低下し難い。よって、外装材の付与後に、圧電体を再度分極する必要がない。
【００３３】
上記合成樹脂がエポキシ樹脂である場合には、硬化物が適度な弾性を有するので、長期間にわたり圧電素子を駆動した場合であっても、マイグレーション防止用外装材の剥離が生じ難い。
【００３４】
第１，第２の内部電極の両側の圧電体層が厚み方向に伸縮するように分極処理されており、それによって圧電アクチュエータが構成されている場合には、本発明に従って、電極間マイグレーションが生じ難いだけでなく、温度変化が繰り返し与えられた場合であっても、分極度の低下が生じ難い、経時による特性の劣化が少ない圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態の圧電素子の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は、その要部を示す部分切欠側面断面図であり、（ｃ）は、上記実施形態に用いられている圧電体を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、図１に示した実施形態の圧電体に形成されている第２の内部電極及び第１の内部電極をそれぞれ説明するための圧電体の平面断面図である。
【図３】図３は、実施例の圧電素子に温度変化を加えた際の絶縁抵抗ＩＲの変化を示す図である。
【図４】図４は、第１の比較例の圧電素子に温度変化を加えた際の絶縁抵抗ＩＲの変化を示す図である。
【図５】図５は、実施例の圧電素子について熱衝撃サイクル試験を行なった場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図６】図６は、第２の比較例の圧電素子について熱衝撃サイクル試験を行なった場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図７】図７は、実施例及び第２の比較例の圧電素子において、測定電圧を変化させて絶縁抵抗ＩＲを測定した結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例の圧電素子において、絶縁抵抗と圧電定数ｄ３３変化率との関係を示す図である。
【図９】図９は、実施例の圧電素子において、マイグレーション防止用外装材に含有されている導電性粉末としてのカーボン粉末の添加量を変化させた場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例の圧電素子において、マイグレーション防止用外装材に含有されている導電性粉末としてのカーボン粉末の添加量を変化させた場合の絶縁抵抗値ＩＲの変化率の変化を示す図である。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子の他の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１３】図１３（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子のさらに他の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１４】図１４（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の圧電素子のさらに別の変形例の模式的側面断面図及び模式的平面断面図である。
【図１５】図１５は、従来の圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、従来の圧電素子の他の例を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、従来の圧電素子のさらに他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…圧電素子
２…圧電体
２ａ…上面
２ｂ…下面
２ｃ…第１の側面
２ｄ…第２の側面
２ｅ…第３の側面
２ｆ…第４の側面
３ａ，３ｃ，３ｅ…第２の内部電極
３ｂ，３ｄ…第１の内部電極
４，５…第１，第２の外部電極
６，７…マイグレーション防止用外装材
６Ａ，７Ａ…外装材
８…導電性粒子
２３ａ…第２の内部電極
２３ｂ…第１の内部電極
３３ａ…第２の内部電極
３３ｂ…第１の内部電極
４３ａ…第２の内部電極
４３ｂ…第１の内部電極
Ｇ１…ギャップ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。【００３８】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。圧電素子１は、積層型の圧電素子であり、アクチュエータとして用いられるものである。【００３９】
圧電素子１は、圧電体２を有する。図１（ｃ）に示すように、圧電体２は、上面２ａと下面２ｂとを有する直方体状の形状を有する。圧電体２では、上面２ａと、下面２ｂとが、第１〜第４の側面２ｃ〜２ｆにより結ばれている。第１，第２の側面２ｃ，２ｄが互いに対向しており、第３，第４の側面２ｅ，２ｆが互いに対向されている。【００４０】
圧電体２は、本実施形態では、圧電セラミックスからなる。使用する圧電セラミックスとしては、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス、あるいはチタン酸鉛系セラミックスなどを用いることができる。【００４１】
圧電体２内では、第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとが厚み方向に交互に配置されている。また、複数の内部電極３ａ〜３ｅは上面２ａ及び下面２ｂに平行であり、かつ圧電体２を構成している圧電体層を介して重なり合うように配置されている。【００４２】
図２（ａ）は、第２の内部電極３ａの平面形状を説明するための圧電体２の平面断面図であり、図２（ｂ）は、第１の内部電極３ｂの平面形状を説明するための圧電体の平面断面図である。【００４３】
図１に示す（ｃ）に示すように、第１の内部電極３ｂ，３ｄは、第１の側面２ｃに引き出されており、第２の側面２ｄには至っていない。同様に、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅは、第２の側面２ｄに引き出されており、第１の側面２ｃには至っていない。【００４４】
内部電極３ａ〜３ｅは、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｌ合金などの適宜の金属により構成されている。本実施形態では、圧電体２において、内部電極３ａ〜３ｅの両側の圧電体層は、厚み方向において逆方向に分極処理されている。他方、第１，第２の側面２ｃ，２ｄを覆うように、第１，第２の外部電極４，５が形成されている。外部電極４は、第１の内部電極３ｂ，３ｄに電気的に接続されており、第２の外部電極５は、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅに電気的に接続されている。【００４５】
外部電極４，５は、導電性材料をめっきもしくはスパッタリング等により付与することにより、あるいは導電ペーストを固化させることにより形成され得る。【００４６】
内部電極３ａ〜３ｅ及び圧電体２を構成している圧電体層が上記のように構成されており、かつ内部電極３ａ〜３ｅの両側の圧電体層が厚み方向に逆方向に分極処理されているので、外部電極４，５から、第１の電位及び第１の電位とは異なる第２の電位を印加することにより、厚み方向に伸縮させることができる。すなわち、上面２ａと下面２ｂとを結ぶ方向である厚み方向において伸縮するアクチュエータとして動作させることができる。【００４７】
本実施形態の圧電素子１の特徴は、図１（ａ）に示すように、第３，第４の側面２ｅ，２ｆに、それぞれ、マイグレーション防止用外装材６，７が形成されていることにある。【００４８】
上記マイグレーション防止用外装材６は、図１（ｂ）に部分側面断面図で示すように、合成樹脂と、合成樹脂に分散された導電性粒子８とを含む合成樹脂材料組成物からなる。ここで、合成樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などの適宜の合成樹脂を用いることができるが、本実施形態では、エポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の硬化物は、耐湿性に優れているので耐環境特性を高めることができ、かつ硬化物が適度な弾性を有するので、圧電体が伸縮したとしても圧電体２の外表面から剥離し難い。【００４９】
上記導電性粒子８として、本実施形態では、カーボン粒子が用いられている。もっとも、導電性粒子としては、Ａｇ、ＡｕまたはＣｕもしくはこれらの合金などの金属粒子を用いてもよい。【００５０】
上記導電性粒子８の分散の程度はあくまでもマイグレーションを防止し得るように電気的抵抗性を示し、さらに後述する焦電効果に基づく電荷を流出させる電流路が形成されるように、制御される必要がある。【００５１】
すなわち、マイグレーション防止用外装材６，７は、側面２ｅ，２ｆに形成されており、側面２ｅ，２ｆでは、第１の電位に接続される第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第２の電位に接続される第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとが隣接している。この隣り合う内部電極間におけるマイグレーションを防止するために、すなわち、マイグレーションを防止するのに足る絶縁抵抗を有するようにマイグレーション防止用外装材６，７の絶縁抵抗値を設計すればよい。【００５２】
さらに、上記導電性粒子８は、温度変化にさらされた際に、圧電体２において生じた焦電電荷が流れる電流経路を形成し、焦電電荷に基づく電圧を低下させるように機能する。従って、このような性能を果たすように導電性粒子８を分散させればよく、それによって、温度変化にさらされたとしても、焦電電荷による分極度の低下を抑制することができる。【００５３】
上記マイグレーション防止用外装材６，７は、合成樹脂を溶融し、導電性粒子８を混練し、しかる後、圧電体２の側面２ｅ，２ｆに塗布し、硬化させることにより形成することができる。もっとも、マイグレーション防止用外装材６，７の形成方法は特に限定されるものではない。【００５４】
なお、本実施例では、側面２ｅ，２ｆの全領域がマイグレーション防止用外装材６，７により被覆されているが、側面２ｅ，２ｆの全領域がマイグレーション防止用外装材６，７により必ずしも被覆されておらずともよい。内部電極３ａ〜３ｅの露出している部分のみが少なくともマイグレーション防止用外装材６，７により被覆されておればよい。【００５５】
本実施形態では、側面２ｅ，２ｆをマイグレーション防止用外装材６，７により被覆してマイグレーションを防止しただけでなく、前記導電性粒子８が分散されており、焦電電荷に基づく電流を逃がし得るように構成されているため、長期間使用する内に、温度変化が与えられたとしても、分極度の低下が生じ難い、経時的な特性の安定性に優れた圧電素子１を提供することができる。これを具体的な実験例に基づき明らかにする。【００５６】
電極間に挟まれている圧電体層の厚みがそれぞれ３０μｍであり、圧電体層の層数が７０層であり、高さが２．５ｍｍ、幅及び奥行きが１．２ｍｍの圧電体２を用意した。なお、圧電体２において、内部電極３ａ〜３ｅの先端と、内部電極３ａ〜３ｅが露出していない側の側面２ｃまたは２ｄとの間のギャップの距離を０．１ｍｍ、すなわち、第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとの重なり部分の第１，第２の側面２ｃ，２ｄを結ぶ方向の長さを１．０ｍｍとした。使用した材料は、圧電体２がＰＺＴ系セラミックス、内部電極３ａ〜３ｅはＡｇ−Ｐｄとし、外部電極４，５は、Ａｇ薄膜により形成した。【００５７】
また、固形分としてのエポキシ樹脂９７重量％と、導電性粒子８としての粒径１０μｍ以下、比重１．８のカーボン粒子３重量％とを、溶媒と混練してなる組成物を圧電体２の側面２ｅ，２ｆに塗布し、硬化させることにより、厚み８μｍのマイグレーション防止用外装材６，７を形成した。【００５８】
比較のために、外装材が形成されていないことを除いては同様に構成された第１の比較例の素子を別途用意した。【００５９】
上記実施例の圧電素子及び第１の比較例の圧電素子に表面に結露を生じさせた後、温度変化を与え、直流４Ｖを通電し、絶縁抵抗ＩＲの変化を測定した。温度変化サイクルとしては、５℃及び相対湿度６０％で２０分間維持した後、２５℃及び相対湿度９０％の条件に変更し、再度２０分間維持するサイクルを１サイクルとし、このサイクルを繰り返し、測定電圧４Ｖでの絶縁抵抗の変化を測定した。実施例の結果を図３に、第１の比較例の結果を図４に示す。なお、図３及び図４では、多数のサンプルについての測定結果を示した。ただし、図３では各サンプルの結果が重なり合って見にくいために最大、最小値の幅で示している。【００６０】
図３から明らかなように、実施例の圧電素子１では、温度変化サイクル５を２０サイクル程度繰り返す内に、若干絶縁抵抗ＩＲは低下したものの、その後１００サイクル繰り返した後においても、絶縁抵抗ＩＲはほとんど低下しなかった。すなわち、耐結露性が高められ、結露によるマイグレーションが確実に防止されていることがわかる。また、サンプル間における結果のばらつきも小さかった。【００６１】
他方、第１の比較例では、図４から明らかなように、多くのサンプルにおいて温度変化サイクルを２０サイクル繰り返した時点で絶縁抵抗ＩＲが大きく低下していることがわかる。これは、結露による通電により、すなわちマイグレーションによって絶縁抵抗が急激に低下したためである。しかも、サンプルによって、絶縁抵抗ＩＲの低下度合いが大きく異なっていた。【００６２】
従って、実施例によれば結露によるマイグレーションをより確実に抑制し得ることがわかる。【００６３】
次に、上記カーボン粒子が含有されていない材料、すなわちエポキシ樹脂のみを用いて外装材が側面２ｅ，２ｆに形成されていることを除いては実施例と同様とされている第２の比較例の素子を別途用意した。【００６４】
第２の比較例の圧電素子では、測定電圧４Ｖでの絶縁抵抗は１ＧΩであったのに対し、実施例の圧電素子では、上記カーボン粒子が含有されているため、同条件での絶縁抵抗値は１００ＭΩであった。これは、カーボン粒子によりマイグレーション防止用外装材中に導電路が形成され、電荷が移動可能になったことを示している。【００６５】
次に、上記実施例及び第２の比較例の圧電素子について、それぞれ、−４０℃に３０分維持し、次に＋８５℃に３０分維持する工程を１サイクルとして、熱衝撃試験を行い、圧電定数ｄ３３の変化を測定した。図５は実施例の結果を、図６は第２の比較例の結果を示す。なお、この熱衝撃試験においても、実施例及び第２の比較例のいずれにおいても多数のサンプルについて測定を行なった。ただし、図５では各サンプルの結果が重なり合って見にくいために最大、最小値の幅で示している。【００６６】
図５から明らかなように、実施例では、５００サイクル経過後も、圧電定数ｄ３３はほとんど変化しなかった。これに対して、図６から明らかなように第２の比較例では、１００サイクル未満の段階で既に圧電定数ｄ３３が大きく低下していることがわかる。しかも、第２の比較例では、サンプル間のばらつきが非常に大きいことがわかる。【００６７】
そして、従来例に相当する第２の比較例では、温度変化による焦電効果により、分極度が劣化し、圧電定数ｄ３３が熱衝撃試験のサイクル数が増加するにつれて大きく低下していたのに対し、実施例ではほとんど低下せず、圧電定数ｄ３３の変化率は５％以内に留まっていることがわかる。よって、外装材中に導電性粒子を分散させたことにより、焦電効果による分極度の低下を効果的に抑制し得ることがわかる。【００６８】
また、図７は、実施例及び第２の比較例の圧電素子に対し、測定電圧を変化させて絶縁抵抗を測定した結果を示す。図７において、●は実施例の結果を、×は第２の比較例の結果を示す。上記実施例の圧電素子では、測定電圧の増加に従って、絶縁抵抗ＩＲが低下していることがわかる。デジタルカメラモジュール用などの小型のアクチュエータとして用いられる場合の駆動電圧は、数Ｖ程度であり、このような低電圧では実施例の圧電素子の絶縁抵抗ＩＲは高く、焦電電界に相当する数十Ｖの電圧では絶縁抵抗ＩＲが低くなっていることがわかる。駆動時は外部抵抗に対し絶縁抵抗が高いことが要求されるが、焦電電界に相当する高い電圧に対しては、外装材の絶縁抵抗は低い方が望ましい。従って、図７に示すように、実施例の圧電素子では、低い電圧の場合に絶縁抵抗ＩＲが高く、焦電効果による電流を流出させる際の比較的高い電圧における絶縁抵抗ＩＲが低いので、絶縁抵抗の電圧依存性が望ましい状態となっていることがわかる。【００６９】
次に、実施例の圧電素子について、図５及び図６に示した結果を得た上記熱衝撃試験を１００サイクル行った後の絶縁抵抗と、圧電定数ｄ３３変化率との関係を図８に示す。ここでは、絶縁抵抗の測定電圧は５０Ｖとした。【００７０】
図８から明らかなように、本実施例では、絶縁抵抗ＩＲが低くなることにより、圧電定数ｄ３３の変化率が小さくなり、従って、分極度の低下が抑制されていることがわかる。【００７１】
また、上記実施例において、外装材６，７への導電性粒子８としてのカーボン粒子の添加量を３重量％だけでなく、０．５重量％、２．０重量％、４．０重量％及び７．０重量％と変化させ、圧電定数ｄ３３の変化率及び絶縁抵抗ＩＲを測定した。圧電定数ｄ３３の変化率及び絶縁抵抗値ＩＲとの導電性粒子の添加量との関係を図９及び図１０に示す。【００７２】
図９から明らかなように、導電性粒子の添加量が増加すると、耐焦電性が高められ、圧電定数ｄ３３の変化率が小さくなることがわかる。もっとも、絶縁抵抗ＩＲについては、導電性粒子の添加量が増大するにつれて低下する。従って、絶縁抵抗を高めるには、導電性粒子は少ない方が望ましく、焦電効果による分極度の劣化を防止するには、導電性粒子の添加量は多い方が好ましい。両者を勘案すると、導電性粒子の添加量は、合成樹脂と導電性粒子との合計１００重量％中０．５〜４．０重量％の範囲であることが望ましい。【００７３】
上記実施形態の圧電素子では、第１，第２の内部電極３ａ〜３ｅは、第３，第４の側面２ｅ，２ｆのいずれかが露出するように設けられていたが、図１１〜図１３に示すように、様々なパターンの内部電極を用いてもよい。図１１（ａ），（ｂ）では、第２の内部電極２３ａ及び第１の内部電極２３ｂは、それぞれ、圧電体２の第３の側面２ｅには露出しているが、第４の側面２ｆとの間には、ギャップＧ１を隔てられている。すなわち、Ｌ字状のギャップＧ１が設けられている。この場合、第３の側面２ｅのマイグレーション防止用外装材６のみが設けられておればよく、第４の側面２ｆ側にはマイグレーション防止用外装材７は設けられずともよい。【００７４】
図１２（ａ），（ｂ）に示すように、第２の内部電極３３ａ及び第１の内部電極３３ｂは、それぞれ、側面２ｃ及び側面２ｄの一部に引き出されていてもよい。【００７５】
また、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、第２の内部電極４３ａ及び第１の内部電極４３ｂは、それぞれ、圧電体２の１つの側面２ｃにおいて引き出されていてもよい。すなわち、第１，第２の内部電極は直方体状の圧電体２の４つの側面の内、１つの側面において、部分的に異なる領域に引き出されていてもよい。その場合には、第１，第２の外部電極は、側面２ｄ上において互いに接触しないように形成されることになる。すなわち、第１，第２の外部電極もまた、１つの側面２ｄに形成されることになる。【００７６】
図１４は、本発明に係る圧電素子のさらに別の変形例を示す略図的側面断面図である。【００７７】
図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態の圧電素子１では、外装材６Ａ，７Ａは、圧電体２の側面２ｅ，２ｆの全面において均一な厚みに設けられていた。これに対して、図１４（ａ）に示す変形例のように、外装材６Ａ，７Ａは、中央部において相対的に厚みが厚く、中央部の外側の領域に相対的に薄くされていてもよい。ここで、中央部とは、第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第１の内部電極とは異なる電位に接続される第２の内部電極３ａ，３ｃ，３eとが圧電体層を介して重なり合っている部分を意味し、周辺部とは、上記中央部よりも圧電体の厚み方向外側の領域を言うものとする。【００７８】
上記のように、周辺部において外装材６Ａ，７Ａの厚みを薄くした場合には、圧電体２の厚み方向両端からの外装材６Ａ，７Ａの剥離すなわち側面２ａ，２ｆと上面２ａ、下面２ｂとの端線もしくはその近傍からの外装材６Ａ，７Ａの剥離が生じ難くなる。そのため、特性ばらつきが少なく、信頼性に優れた圧電素子を安定に供給することができる。【００７９】
なお、図１４（ａ）では、外装材６Ａ，７Ａの中央部に対して、上記周辺部は、圧電体２の両面２ａ側及び下面２ｂ側に、すなわち上下方向外側に配置されていたが、これに限定されるものではない。例えば、図１４（ｂ）に示す変形例では、外装材６Ｂ，７Ｂは、圧電体の側面２ｅ，２ｆ上の中央部において相対的に厚く、横方向両側に位置する周辺部において厚みが薄くされている。なお、図１４（ｂ）における中央部とは、図１（ａ）及び（ｃ）において、第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとが圧電体層を重なり合っている部分の側面２ｅ，２ｆに露出している部分であり、周辺部とは、該中央部よりも側面２ｃ側及び側面２ｄ側に位置している部分である。このように、外装材の厚みを中央部において相対的に厚くし、周辺部において相対的に薄くした構成は、圧電体２の上下方向に厚み分布を有するものであってもよく、横方向にすなわち側面２ｃと側面２ｄとを結ぶ方向において、厚み分布を有するものであってもよく、これらの双方を併用したものであってもよい。
好ましくは、上記外装材６Ａ，７Ａ，６Ｂ，７Ｂの中央部の厚みの平均値を、周辺部における厚みの平均値の２倍以上とすることが望ましい。【００８０】
また、マイグレーションを防止したり、焦電効果による分極度の低下を防止したりするためには、外装材はある程度の厚みを有することが望ましく、例えば、少なくとも８μｍ程度とされることが望ましい。これに対して、周辺部では、異なる電位に接続される内部電極が圧電体層を介して重なり合っていないので、外装材の厚みを相対的に薄くしても、マイグレーションや焦電効果による分極度の低下は生じ難いため、問題は生じない。【００８１】
なお、上述したように、内部電極がギャップを隔てて、他方の電位に接続される外部電極が形成される側面と隔てられている圧電体２を用いた例につき説明したが、図１５及び図１６に示したように、圧電体の側面に絶縁層を形成した構造、あるいは圧電体の側面に凹部を形成し、凹部に絶縁性材料を充填した構造の圧電素子にも、本発明を適用することができる。【００８２】
また、上記実施形態では、圧電体は直方体状の形状を有していたが、円柱状あるいは円板状等の形状を有していてもよく、その場合には側面は１つの円筒状曲面となる。【００８３】
上記実施形態では、圧電アクチュエータにつき説明したが、本発明は、内部電極が圧電体層と積層された積層型の圧電素子に広く適用することができる。従って、圧電共振子等にも適用することができる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月16日(2007.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態の圧電素子の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は、その要部を示す部分側面断面図であり、（ｃ）は、上記実施形態に用いられている圧電体を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、図１に示した実施形態の圧電体に形成されている第２の内部電極及び第１の内部電極をそれぞれ説明するための圧電体の平面断面図である。
【図３】図３は、実施例の圧電素子に温度変化を加えた際の絶縁抵抗ＩＲの変化を示す図である。
【図４】図４は、第１の比較例の圧電素子に温度変化を加えた際の絶縁抵抗ＩＲの変化を示す図である。
【図５】図５は、実施例の圧電素子について熱衝撃サイクル試験を行なった場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図６】図６は、第２の比較例の圧電素子について熱衝撃サイクル試験を行なった場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図７】図７は、実施例及び第２の比較例の圧電素子において、測定電圧を変化させて絶縁抵抗ＩＲを測定した結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例の圧電素子において、絶縁抵抗と圧電定数ｄ３３変化率との関係を示す図である。
【図９】図９は、実施例の圧電素子において、マイグレーション防止用外装材に含有されている導電性粉末としてのカーボン粉末の添加量を変化させた場合の圧電定数ｄ３３の変化率の変化を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例の圧電素子において、マイグレーション防止用外装材に含有されている導電性粉末としてのカーボン粉末の添加量を変化させた場合の絶縁抵抗値ＩＲを示す図である。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子の他の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１３】図１３（ａ），（ｂ）は、本発明の圧電素子のさらに他の変形例における第２の内部電極及び第１の内部電極の形状を説明するための圧電体の各平面断面図である。
【図１４】図１４（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の圧電素子のさらに別の変形例の模式的側面断面図及び模式的平面断面図である。
【図１５】図１５は、従来の圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、従来の圧電素子の他の例を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、従来の圧電素子のさらに他の例を示す斜視図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】  図３から明らかなように、実施例の圧電素子１では、温度変化サイクルを２０サイクル程度繰り返す内に、若干絶縁抵抗ＩＲは低下したものの、１００サイクル繰り返した後においても、絶縁抵抗ＩＲはほとんど低下しなかった。すなわち、耐結露性が高められ、結露によるマイグレーションが確実に防止されていることがわかる。また、サンプル間における結果のばらつきも小さかった。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】  図１２（ａ），（ｂ）に示すように、第２の内部電極３３ａ及び第１の内部電極３３ｂは、それぞれ、側面２ｄ及び側面２ｃの一部に引き出されていてもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】  また、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、第２の内部電極４３ａ及び第１の内部電極４３ｂは、それぞれ、圧電体２の１つの側面２ｄにおいて引き出されていてもよい。すなわち、第１，第２の内部電極は直方体状の圧電体２の４つの側面の内、１つの側面において、部分的に異なる領域に引き出されていてもよい。その場合には、第１，第２の外部電極は、側面２ｄ上において互いに接触しないように形成されることになる。すなわち、第１，第２の外部電極もまた、１つの側面２ｄに形成されることになる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】  上記のように、周辺部において外装材６Ａ，７Ａの厚みを薄くした場合には、圧電体２の厚み方向両端からの外装材６Ａ，７Ａの剥離すなわち側面２ｅ，２ｆと上面２ａ、下面２ｂとの端線もしくはその近傍からの外装材６Ａ，７Ａの剥離が生じ難くなる。そのため、特性ばらつきが少なく、信頼性に優れた圧電素子を安定に供給することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】  なお、図１４（ａ）では、外装材６Ａ，７Ａの中央部に対して、上記周辺部は、圧電体２の上面２ａ側及び下面２ｂ側に、すなわち上下方向外側に配置されていたが、これに限定されるものではない。例えば、図１４（ｂ）に示す変形例では、外装材６Ｂ，７Ｂは、圧電体の側面２ｅ，２ｆ上の中央部において相対的に厚く、横方向両側に位置する周辺部において厚みが薄くされている。なお、図１４（ｂ）における中央部とは、図１（ａ）及び（ｃ）において、第１の内部電極３ｂ，３ｄと、第２の内部電極３ａ，３ｃ，３ｅとが圧電体層を介して重なり合っている部分の側面２ｅ，２ｆに露出している部分であり、周辺部とは、該中央部よりも側面２ｃ側及び側面２ｄ側に位置している部分である。このように、外装材の厚みを中央部において相対的に厚くし、周辺部において相対的に薄くした構成は、圧電体２の上下方向に厚み分布を有するものであってもよく、横方向にすなわち側面２ｃと側面２ｄとを結ぶ方向において、厚み分布を有するものであってもよく、これらの双方を併用したものであってもよい。  好ましくは、上記外装材６Ａ，７Ａ，６Ｂ，７Ｂの中央部の厚みの平均値を、周辺部における厚みの平均値の２倍以上とすることが望ましい。
【国際調査報告】
2007052599.tif 000020
2007052599.tif 000021
2007052599.tif 000022
2007052599.tif 000023