(57)【要約】【課題】分極処理時以後に圧電活性領域と圧電不活性領域の境界に応力が発生せず、長期駆動時にクラックが発生しにくい積層型圧電素子を提供する。【解決手段】複数の圧電体層２と複数の内部電極３とが交互に積層された圧電積層体１と、圧電積層体１の側面に設けられた外部電極５とを有し、内部電極３は、圧電体層２の周辺から所定の間隔を隔てて圧電体層２の内部に形成されており、圧電体層２の、内部電極３の形成されていない領域に、内部電極３と電気的に絶縁された分極用電極４が形成されている。分極用電極４は、圧電積層体１の側面に設けられた一対の分極用外部電極６と接続されている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された圧電積層体と、前記圧電積層体の側面に設けられ、前記内部電極と１層おきに交互に接続された一対の外部電極とを有する積層型圧電素子であって、
前記内部電極は、前記圧電体層の周辺から所定の間隔を隔てて前記圧電体層の内部に形成され、
前記圧電体層の、前記内部電極の形成されていない部分に、前記内部電極と電気的に絶縁された分極用電極が形成され、
前記分極用電極は、前記圧電積層体の側面に設けられた一対の分極用外部電極と接続されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記分極用電極は前記圧電積層体の各層に形成され、
前記分極用電極は、前記一対の分極用外部電極と、１層おきに交互に接続されている請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記外部電極と、前記分極用外部電極とは、前記圧電積層体の互いに異なった側面に設けられている請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項４】
前記分極用電極は前記内部電極と、前記圧電体層の同一面上に形成されている請求項１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、複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された圧電積層体と、前記圧電積層体の側面に設けられ、前記内部電極と１層おきに交互に接続された一対の外部電極とを有する積層型圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体層は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。
この圧電体層をアクチュエータなどに利用する場合、圧電体層１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体層を複数枚積層して形成した積層型圧電素子が作製されることがある。この積層型圧電素子は、積層された各圧電体層に電圧を印加して全体で数〜数十μｍ伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。
【０００３】
このような積層型圧電素子には、同時焼成タイプと、圧電板と電極薄板を交互に積層したスタックタイプの２種類に分類されており、厚みの薄い圧電板を多数枚積層して焼成することが比較的容易であることから、低電圧高変位化及び小型化が可能な同時焼成タイプの積層型圧電アクチュエータがその優位性を示しつつある。
このような同時焼成タイプの積層型圧電素子では、一枚の圧電体層厚みは１００μｍ以下と薄いことが多く、電極間の絶縁の確保が不可欠である。そこで対向する電極が同一側面に露出する部分には絶縁層の形成を行う必要があるが、圧電体層の厚みが薄いために、絶縁層の形成が困難である。
【０００４】
そこで、圧電体層の電極パターンについては、２つの異なる電位に接続される電極が、積層圧電体層の側面と当該側面に対向する他の側面にそれぞれ引き出されて１対の外部電極を形成している構造が一般的である。
これは、交互に異なる電位に接続される２種類の電極が、圧電セラミックを介して積層されている積層セラミックコンデンサにおけるのと同様である。
【０００５】
また、電極材料が駆動電圧によりマイグレーションを起こし短絡するのを防ぐために、前記外部電極と接続される部分以外は、内部電極を圧電積層体内部に密閉する構造、つまり、圧電体層の端辺から離れた圧電体層の内部に電極を形成し（この電極を「内部電極」という）、外部電極との接続部のみを圧電積層体の側面に露出させる構造が一般的である。
【０００６】
このような従来の積層型圧電素子の一般的な構造を、図９〜図１１に示す。
図９は、１つの圧電体層２の上に形成された内部電極パターンを示す。内部電極３は、正方形状の圧電体層２の内部に形成されており、この圧電体層２の周囲は内部電極３が形成されない部分となっている。この内部電極３が形成されない部分は、電界がかからないので「圧電不活性領域」といわれる。また、この内部電極３が形成された電界のかかる部分は、「圧電活性領域」といわれる。
【０００７】
内部電極３は、一方向が突出して圧電体層の端辺に達している。この端辺に達した部分３ａに、外部電極５が接続される。
図１０は、隣接する他層の上に形成された内部電極パターンを示す。内部電極３は、一方向（図９と逆の方向）が突出して圧電体層２の他の端辺に達している。この他の端辺に達した部分３ｂに、もう一方の外部電極５が接続される。
【０００８】
このような層が複数積み重ねられて、図１１に示すような断面構造を有する積層型圧電素子が作製される。
【特許文献１】特開平３−２７００８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１９１０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、圧電体は、焼結後の状態では、図１２（ａ）に示すように、分極方向がランダムになっている。このため、圧電特性を示さない。
そこで、直流電圧を印加する分極工程を加えることにより、ランダムであった分極方向を１方向に揃えることができ、圧電特性が発現する。この直流電圧を印加したとき、圧電体層の長さが電圧印加方向に伸びるとともに、電圧印加方向と垂直な面内では縮んでしまう（図１２（ｂ）の矢印参照）。
【００１０】
この現象を、積層型圧電素子に適用すると、図１３（ａ）〜（ｃ）に示したようになる。図１３（ａ）は、圧電体層２に電界をかけていない状態を示す。
圧電体層２の上下に設けた内部電極３に電界を印加して分極させると、図１３（ｂ）に示すように、内部電極３で挟まれない圧電不活性領域は、分極処理後でも積層方向に伸びないのに対し、圧電対体の上下を内部電極３で挟まれた圧電活性領域は、分極処理により積層方向に伸びるため、圧電活性領域と圧電不活性領域の境界に応力が発生する。
【００１１】
また、駆動用電圧を印加した場合は、図１３（ｃ）に示すように、圧電不活性領域が伸びないのに対し、圧電活性領域はさらに伸びるため、圧電不活性領域と圧電活性領域境界にさらに大きな応力が発生し、長期駆動時にクラックが発生する。
そこで、本発明は、分極処理を行っても圧電活性領域と圧電不活性領域の境界に応力が発生せず、長期駆動時にクラックが発生しにくい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】
【００１２】
本発明の積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の内部電極とが交互に積層された圧電積層体と、前記圧電積層体の側面に設けられ、前記内部電極と１層おきに交互に接続された一対の外部電極とを有するものである。前記内部電極は、前記圧電体層の周辺から所定の間隔を隔てて前記圧電体層の内部に形成されており、前記圧電体層の、前記内部電極の形成されていない部分に、前記内部電極と電気的に絶縁された分極用電極が形成されている。前記分極用電極は、前記圧電積層体の側面に設けられた一対の分極用外部電極と接続されている。
【００１３】
この発明の効果を、図１４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図１４（ａ）に示すように、分極用電極４が形成されている部分は、圧電体層２の上下が内部電極３で挟まれていない圧電不活性領域に相当する。前記内部電極３によって、圧電活性領域を分極すると同時に、あるいは圧電活性領域を分極する時間的前又は後に、前記分極用電極４によって、圧電不活性領域を分極すると、分極された状態は、図１４（ｂ）のようになる。すなわち、圧電活性領域及び圧電不活性領域は、圧電体層２の長さが、ともに電圧印加方向に伸び、電圧印加方向と垂直な面内ではともに縮むので、分極時以後に、圧電活性領域と圧電不活性領域の境界に応力が発生することを防ぐことができる。
【００１４】
また、図１４（ｃ）に示すように、積層型圧電素子に対する駆動用電圧印加時に圧電活性領域が伸びても、圧電不活性領域が分極されているので、圧電不活性領域が分極されていない場合と比較して、変形の差による応力を小さくすることができる。このことにより、長期駆動時でも積層型圧電素子にクラックが発生することを防止できる。
本発明の積層型圧電素子において、前記分極用電極は、前記内部電極と同様に、前記圧電積層体の各層に形成され、前記分極用電極は、前記一対の分極用外部電極と、１層おきに交互に接続されている構造であってもよい。この構造であれば、分極時に、分極用電極と内部電極とを同電位にすることが容易にでき、電極間でスパークする可能性がなくなる。また、分極時に分極用電極と内部電極に同じ値の電圧を印加すればよく、１種類の電源を用意するだけでよい。
【００１５】
前記外部電極と、前記分極用外部電極とは、前記圧電積層体の互いに異なった側面に設けられていることが、分極処理時の短絡を避けるために望ましい。
前記分極用電極は、前記内部電極と前記圧電体層の同一面上に形成されているものであれば、電極形成工程で分極用電極と内部電極とを同時に形成することができ、製造工程が簡略化される。
【００１６】
前記圧電積層体の積層方向上部及び下部には、圧電体からなる保護層が設けられ、当該保護層は分極されていることが望ましい。保護層を圧電体層と同じ圧電体で構成し、保護層を分極することにより、分極処理時に、圧電体層と保護層の境界に応力が発生することを防ぐことができ、駆動用電圧印加時に圧電体層が積層方向に垂直な面内で収縮しても、変形の差による応力を、保護層が分極されていない場合と比較して、小さくすることができる。これにより、長期駆動時でもクラックが発生することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１、図２は、本発明の積層型圧電素子を構成する、内部電極３と分極用電極４とが形成された圧電体層２を示す平面図である。図１は、ある１枚の圧電体層２の上に形成された電極パターンを示し、図２は当該層に接する他の圧電体層２の上に形成された電極パターンを示す図である。
【００１８】
これら二種類の圧電体層２（図１、図２）が交互に積層されて、図３に示すような圧電積層体１が形成される。各圧電体層２に形成された電極パターンは、一枚の圧電体層２を上下に挟んで対向することになる。
電極パターンのうち、内部電極３は、正方形状の圧電体層２の内部に形成されており、この圧電体層２の周囲は、内部電極３が形成されない部分となっている。
【００１９】
この内部電極３が形成されない部分が内部電極３の電界がかからない「圧電不活性領域」となる。また、内部電極３が形成された電界のかかる部分が「圧電活性領域」となる。
圧電不活性領域の幅（内部電極３と圧電体層２端辺との距離）は、絶縁が確保でき、分極用電極４を形成できる幅に設定する。例えば、圧電体層２が正方形であれば、 圧電不活性領域の幅 は、積層型圧電素子の幅（正方形の一辺の長さ）の１０分の１〜 ５分の１ に設定するとよい。
【００２０】
一つの圧電体層２上の内部電極３は、図１に示すように、一方向が突出して圧電体層２の右端辺に露出している。この端辺に引き出された部分３ａに、外部電極（後述）が接続される。
図２は、隣接する他層の圧電体層２上に形成された電極パターンを示す。内部電極３は、一方向（図１と逆の方向）が突出して圧電体層２の他の端辺に達している。この他の端辺に達した部分３ｂに、もう一方の外部電極が接続される。
【００２１】
このように、内部電極３は、交互に積み重ねられる圧電体層２の左右端辺にそれぞれ露出している。内部電極３は同一端辺には露出しないため、圧電積層体１を形成した後の長期駆動時に、電極材料のマイグレーションにより電極間が短絡をすることを防ぐことができる。
なお、内部電極３の引き出し部分の幅は、細すぎる場合は引き出し部分の抵抗が高くなりすぎるために、駆動時に流れる電流で発熱してしまい、駆動の効率が低下する。したがって引き出し部分の幅は、前記積層型圧電素子の幅の１／１０以上であることが望ましい。
【００２２】
また、圧電不活性領域には、図１に示すように、内部電極３を取り囲むように分極用電極４が形成されている。分極用電極４は、内部電極３の突出部３ａの形成された部分で開口しており、内部電極３と接触しないようになっている。また、分極用電極４も突出部４ａを備えている。この突出部４ａは、圧電体層２の下端辺に露出している。
図２では、分極用電極４は、内部電極３を取り囲むように形成されている。前記内部電極３の突出部３ｂの形成された部分で分極用電極４は開口しており、内部電極３と接触しないようになっている。また、この分極用電極４も突出部４ｂを備えており、圧電体層２の上端辺に露出している。
【００２３】
以上のように、前記内部電極３の突出部３ａ，３ｂは、それぞれ圧電体層２の左右端辺に露出し、分極用電極４の突出部４ａ，４ｂは、それぞれ圧電体層２の上下端辺に露出している。
図４〜図６は、圧電積層体１の断面図であり、図４は、内部電極３の突出部３ａ，３ｂを通るＢ−Ｂ線（図１参照）で切った断面図であり、図５は内部電極３の突出部３ａ，３ｂを通らないＣ−Ｃ線で切った断面図であり、図６は、分極用電極４の突出部４ａを通るＤ−Ｄ線で切った断面図である。
【００２４】
また図７は圧電積層体１の外観斜視図であり、図８は横断面図である。
図４、図７、図８に示すように、圧電積層体１の対向する二面には、それぞれ外部電極５が形成されている。内部電極３の左右に引き出された部分３ａ，３ｂは、それぞれ圧電積層体１の当該二面に形成された外部電極５に接続される。
また、図７、図８に示すように、圧電積層体１のもう一方の対向する二面には、それぞれ分極用外部電極６が形成されている。分極用外部電極６には、分極用電極４の引き出された部分４ａ，４ｂがそれぞれ接続されている。
【００２５】
さらに、図４、図５、図６に示すように、圧電積層体１の上部及び下部に、同じ種類の圧電体からなる保護層７を設けている。保護層７には電極パターンは存在しない。
このように圧電積層体１の対向する二面に外部電極５を形成し、圧電積層体１のもう一方の対向する二面に分極用外部電極６を形成することにより、外部電極５の形成面と分極用外部電極６の形成面とを分離することができるので、分極処理時、外部電極５と分極用外部電極６にそれぞれ分極用電圧を印加するとき、短絡の起こらない構造となっている。
【００２６】
次に、本発明の積層型圧電素子の製造方法を説明する。
前記セラミックス層の材料として、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電セラミックスを用いることが出来る。
このＰＺＴの仮焼粉を０．３〜３μｍに粉砕した原料と、バインダー、可塑剤、溶媒を混合してスラリーを作成し、ドクターブレードで厚み５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを形成する。
【００２７】
内部電極３及び分極用電極４は、銀−パラジウム（７０／３０）合金を主成分とし、これに平均粒径０．３〜３μｍの圧電セラミック仮焼粉末を１０〜４０体積％添加した導体ペーストを、前記セラミックグリーンシートに約２〜５μｍの厚みでスクリーン印刷して形成する。
このような導体ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを、所定の枚数だけ積層して積層成形体を作成し、この積層成形体の上下面に、導体ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数枚積層する。この導体ペーストが印刷されていないグリーンシートは焼成後、保護層７となる部分である。
【００２８】
なお、積層成形体の製造方法は特に限定されるものではなく、グリーンシートと導体パターンが積層された積層成形体が得られればよい。
次に、この積層成形体を加熱しながら２０〜１２０ＭＰａで加圧し、積層成形体を一体化し、柱状の圧電積層体１を得る。この圧電積層体１を所定の大きさに切断した後、大気中において、４００〜８００°Ｃで５〜４０時間加熱して脱脂を行い、ついで９００〜１２００°Ｃで２〜５時間本焼成を行い、圧電積層体１を得る。
【００２９】
次に、この圧電積層体１の四端面に、それぞれ  Ａｇ−ガラスを含む導体ペーストを塗布し、５００〜９００°Ｃの温度で熱処理して、外部電極５及び分極用外部電極６を形成する。
このようにして積層型圧電素子を作製することができる。
この積層型圧電素子に分極処理を行うには、外部電極５に所定の直流電圧を印加することで圧電活性領域を分極するとともに、分極用外部電極６に所定の直流電圧をかけることで、圧電不活性領域を分極する。
【００３０】
外部電極５に電圧を印加する分極工程と、分極用外部電極６に電圧を印加する分極工程とは、同時に行ってもよく、一方を先に、他方を後に行ってもよい。
圧電活性領域と圧電不活性領域を同時に分極するときは、同一の圧電体層２の同一面内に配置された内部電極３と分極用電極４が同電位になるように電圧を印加することが望ましい。
【００３１】
同電位であれば、隣接した内部電極３と分極用電極４間でスパークする可能性がなく、また、圧電不活性領域の分極状態（分極ベクトルの向きと大きさ）を圧電活性領域と同じ分極状態に合わせることができるためである。
例えば、分極用電極４同士の上下の間隔が内部電極３同士の上下の間隔の例えば２倍である場合は、分極時の電圧を２倍にする必要があり、分極処理時に２種類の電源を用意する必要がある。したがって、分極用電極４の間隔と内部電極３の間隔は同じであることが、１つの電源を使用できるという意味で望ましい。このためには、分極用電極４は、内部電極３と同様、圧電積層体１の各層に形成されていることが望ましい。
【００３２】
以上に説明したように、内部電極３を圧電体層２の端辺より間隔を隔てることにより形成された圧電不活性領域を分極用電極４で分極することにより、圧電活性領域のみを分極する従来の分極処理と比べると、圧電不活性領域も圧電活性領域も、分極処理により、ともに積層方向に伸びる。このため、圧電活性領域と圧電不活性領域の境界に応力が発生しにくくなる。
【００３３】
また、分極処理が終了し、積層型圧電素子を積層型圧電アクチュエータとして実際に使用する場合も、駆動用電圧印加時に、圧電活性領域と圧電不活性領域で発生する発生する応力を小さくでき、長期連続駆動時のクラック発生を防止することができる。したがって、積層型圧電素子の寿命を延ばし、信頼性を増すことができる。
また本発明では、圧電積層体１の積層方向上部及び下部には、圧電体からなる保護層７が設けられ、当該保護層７は分極されていることが望ましい。このときは、分極用の金属板を保護層７に押し当てて、内部電極３との間、および、分極用電極４との間に電圧をかけることで分極を実現できる。保護層７の表面に導電性樹脂で仮の電極を形成して電圧を印加し、分極終了後に除去しても良い。保護層７に分極処理を行うことで、駆動用電圧印加時に圧電体層２と保護層７の間に発生する応力を小さくでき、長期連続駆動時のクラック発生を防止することができる。
【００３４】
このような積層型圧電素子を利用して積層型圧電アクチュエータを製作すると、長期間使用しても安定して動作するという利点が得られる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、図１〜図８で示した実施例では、内部電極３と分極用電極４は同一面内に配置され、分極用電極４同士の上下の間隔は内部電極３同士の上下の間隔と同じであったが、圧電不活性領域が分極できる構造であれば、内部電極３と分極用電極４は常に同一面内に配置されていなくてもよく、内部電極３のみが形成された圧電体層２、又は分極用電極４のみが形成された圧電体層２が存在してもよい。ただしこの場合、セラミックグリーンシートに、内部電極３のみのパターンと、外部電極５のみのパターンを別々に印刷して積層する必要がある。よって、工程簡略化の面からは、内部電極３と分極用電極４は同一面内にあることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の積層型圧電素子において、内部電極３と分極用電極４を設けた圧電体層２の電極パターンを示す平面図である。
【図２】圧電体層２の他の電極パターンを示す平面図である。
【図３】積層型圧電素子の圧電体層２と電極との積層構造を示す分解斜視図である。
【図４】積層型圧電素子の、図１のＢ−Ｂ’断面図である
【図５】積層型圧電素子の、図１のＣ−Ｃ’断面図である
【図６】積層型圧電素子の、図１のＤ−Ｄ’断面図である
【図７】積層型圧電素子の外観斜視図である。
【図８】積層型圧電素子の内部電極３、分極用電極４、外部電極５、分極用外部電極６の配置を示す平面図である。
【図９】従来の積層型圧電素子の、圧電体層２の電極パターンを示す平面図である。
【図１０】従来の圧電体層２の他の電極パターンを示す平面図である。
【図１１】従来の積層型圧電素子の断面図である。
【図１２】圧電体の分極処理前後の分極方向を示す模式図である。
【図１３】従来の積層型圧電素子の、分極による圧電体層２の変形を説明する模式図である。
【図１４】本発明の積層型圧電素子の、圧電活性領域と圧電不活性領域の境界の変形を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  圧電積層体
２  圧電体層
３  内部電極
３ａ，３ｂ  突出部
４  分極用電極
４ａ，４ｂ  突出部
５  外部電極
６  分極用外部電極
７  保護層
【図１】
2007266468.tif 000003
【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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