(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動時に発生する応力を緩和するとともに強度を向上することができる圧電素子を提供する。【解決手段】電圧の印加により伸縮する圧電素子１００であって、圧電層１１０と内部電極１２０とが交互に積層された素子本体と、積層方向に対して垂直な断面の外縁に沿って設けられた応力緩和層１４０と、を備え、応力緩和層１４０は、全体積の５％以上９５％未満が非焼結材料で形成され、その他の部分の体積の８０％以上が樹脂系の弾性接着剤により充填されている。応力緩和層１４０の空隙の８０％以上を樹脂層が充填しており、駆動時に発生する応力を緩和でき、かつ強度を向上できる。その結果、応力緩和効果を低下させることなく、矩形波駆動などの急峻な駆動の際も圧電素子の折れや剥離を防止し、圧電素子１００の信頼性を向上できる。【選択図】図１
2013197250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、
圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、
前記積層方向に対して垂直な断面の外縁に沿って設けられた応力緩和層と、を備え、
前記応力緩和層は、空隙に樹脂系の弾性接着剤が密に充填されてい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、全体積の５％以上９５％未満が非焼結材料で形成され、その他の部分の体積の８０％以上が前記樹脂系の弾性接着剤により充填さ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】
前記弾性接着剤は、硬化物性として１００％以上２００％以下の伸びおよび２０以上５０以下のショアーＡ硬度を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
前記弾性接着剤は、シリコン樹脂接着剤であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項５】
電圧の印加により伸縮する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、積層面の外縁に沿って層状の応力緩和層が形成された素子本体を準備する工程と、
前記応力緩和層の空隙を埋めるように樹脂系の弾性接着剤を塗布する工程と、
前記弾性接着剤を塗布された素子本体を、１３３Ｐａ以下の真空中で１２０℃以上に加熱して１２時間以上保持することで、前記弾性接着剤を前記応力緩和層の空隙に含浸させ硬化させる工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項６】
電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ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、積層面の外縁に沿って層状の応力緩和層が形成された圧電素子を準備し、前記圧電素子を直列に連結して圧電アクチュエータ本体を作製する工程と、
前記応力緩和層の空隙を埋めるように樹脂系の弾性接着剤を塗布する工程と、
前記弾性接着剤を塗布された圧電アクチュエータ本体を真空ベーキングする工程と、
前記真空ベーキングされた圧電アクチュエータ本体を不活性ガス雰囲気でケースに封止する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により伸縮する積層型の圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電層と内部電極が交互に積層して形成された積層型の圧電素子が、知られており、圧電アクチュエータの構成要素等として用いられている。このような圧電素子を構成する圧電層は、電圧印加により積層方向（分極方向）へ伸びるが、積層面方向へは縮む。積層型の圧電素子は、電圧印加時に変形する活性部と変形しない不活性部で構成されており、特に圧電素子の積層方向の両端面には保護層と呼ばれる不活性部がある。
【０００３】
この保護層の付近では、電圧印加時に変形する活性部と保護層との間で変形のミスマッチが生じることで応力が発生してクラックが入り短絡故障が発生していた。これに対し、保護層への応力緩和層の形成や、応力緩和層の形状を工夫することで応力を軽減した圧電素子が提案されている（たとえば、特許文献１）。
【０００４】
一方、応力緩和層が形成された積層型の圧電素子には、内部電極と外部電極との間で必要となる電気的な絶縁信頼性を向上するために、応力緩和層として形成された空隙に、空隙を残しながら絶縁材料を充填したものが開示されている（たとえば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２８６７７４号公報
【特許文献２】特許第４４７０５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献記載の圧電素子の構造では、駆動時に発生する応力により保護層あるいは活性層に設けた応力緩和層を起点に素子が折れる不具合が発生しやすくなる。特に、矩形波駆動等の急峻な駆動の際には、応力緩和層を起点に圧電素子に折れが発生する可能性が高くなる。
【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、駆動時に発生する応力を緩和するとともに強度を向上できる圧電素子、その製造方法および圧電アクチュエータ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、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、圧電層と内部電極とが交互に積層された素子本体と、前記積層方向に対して垂直な断面の外縁に沿って設けられた応力緩和層と、を備え、前記応力緩和層は、空隙に樹脂系の弾性接着剤が密に充填されていることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明の圧電素子は、応力緩和層の空隙に樹脂系の弾性接着剤が密に充填された構成を有しており、駆動時に発生する応力を緩和でき、かつ強度を向上できる。その結果、応力緩和効果を低下させることなく、矩形波駆動などの急峻な駆動の際も圧電素子の折れや剥離を防止し、圧電素子の信頼性を向上できる。そして、折れを懸念することなく圧電素子を設計することが可能となる。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電素子は、前記応力緩和層が、全体積の５％以上９５％未満が非焼結材料で形成され、その他の部分の体積の８０％以上が前記樹脂系の弾性接着剤により充填されていることを特徴としている。このように本発明の圧電素子は、樹脂系の弾性接着剤が密に充填された応力緩和層により、駆動時に発生する応力を緩和でき、かつ強度を向上できる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電素子は、前記弾性接着剤が、硬化物性として１００％以上２００％以下の伸びおよび２０以上５０以下のショアーＡ硬度を有することを特徴としている。
【００１２】
このように、弾性接着剤が硬化物性として１００％以上２００％以下の伸びを有することで、応力緩和効果を維持できる。また、ショアーＡ硬度が２０以上５０以下であるため、急峻な駆動に対しても空隙が折れの起点になるのを防止できる。
【００１３】
（４）また、本発明の圧電素子は、前記弾性接着剤が、シリコン樹脂接着剤であることを特徴としている。これにより、弾性接着剤は応力緩和効果を維持しつつ、強度を向上させることができる。また、シリコン樹脂接着剤を用いることで製造時におけるコスト低下の効果も得られる。
【００１４】
（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、積層面の外縁に沿って層状の応力緩和層が形成された素子本体を準備する工程と、前記応力緩和層の空隙を埋めるように樹脂系の弾性接着剤を塗布する工程と、前記弾性接着剤を塗布された素子本体を、１３３Ｐａ以下の真空中で１２０℃以上に加熱して１２時間以上保持することで、前記弾性接着剤を前記応力緩和層の空隙に含浸させ硬化させる工程と、を含むことを特徴としている。これにより、応力緩和層の空隙に弾性接着剤を充填し、発生する応力を緩和可能にするとともに強度を向上した圧電素子を作製することができる。
【００１５】
（６）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ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、積層面の外縁に沿って層状の応力緩和層が形成された圧電素子を準備し、前記圧電素子を直列に連結して圧電アクチュエータ本体を作製する工程と、前記応力緩和層の空隙を埋めるように樹脂系の弾性接着剤を塗布する工程と、前記弾性接着剤を塗布された圧電アクチュエータ本体を真空ベーキングする工程と、前記真空ベーキングされた圧電アクチュエータ本体を不活性ガス雰囲気でケースに封止する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、圧電素子の応力緩和層の空隙に弾性接着剤を充填し、発生する応力を緩和可能にするとともに強度を向上した圧電アクチュエータを作製できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、圧電素子の駆動時に発生する応力を緩和でき、かつ強度を向上できる。その結果、応力緩和効果を低下させることなく、矩形波駆動などの急峻な駆動の際も圧電素子の折れや剥離を防止し、圧電素子の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）、（ｂ）本発明の圧電素子を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図、断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す断面１ｂによる断面図である。圧電素子１００は、素子本体および応力緩和層で構成されている。素子本体は、圧電層１１０と内部電極１２０とが積層方向Ｚについて交互に積層され、矩形体状に形成されている。圧電層１１０は、たとえばＰＺＴのような圧電材料で構成され、厚み方向の互い違いの向きに分極されている。
【００２０】
応力緩和層１４０は、積層方向に垂直な断面（積層面）の外縁に沿って、すなわち活性領域の周囲の領域に設けられている。その結果、応力を外に逃がし、圧電素子１００の駆動による応力を緩和することができる。応力緩和層１４０のうち、全体積の５％以上９５％未満が非焼結材料で占められており、その他の部分の体積の８０％以上が樹脂系の弾性接着剤により充填されている。応力緩和層１４０は、非焼結材料に生じた空隙に弾性接着剤が密に充填されて形成されている。
【００２１】
弾性接着剤が一定以上充填されていることで、駆動時に発生する応力を緩和でき、かつ強度を向上できる。その結果、応力緩和効果を低下させることなく、矩形波駆動などの急峻な駆動の際も圧電素子１００の折れや剥離を防止し、圧電素子１００の信頼性を向上できる。そして、折れを懸念することなく圧電素子１００を設計することも可能となる。
【００２２】
弾性接着剤は、硬化物性として１００％以上２００％以下の伸びおよび２０以上５０以下のショアーＡ硬度を有することが好ましい。これにより、応力緩和層１４０は、応力緩和効果を維持しつつ、折れの起点になることもなく圧電素子１００の強度を向上させることができる。また、弾性接着剤は、特にシリコン樹脂接着剤からなるのが好ましい。シリコン樹脂接着剤を用いることで製造時におけるコスト低下の効果も得られる。
【００２３】
内部電極１２０は、対向する圧電素子１００の側面上で外部電極１３０に取り出されており、隣り合う内部電極１２０に異なる電圧を印加できるように形成されている。内部電極１２０へ電圧を印加することで各圧電層１１０が歪み、圧電素子全体が伸縮する。なお、圧電アクチュエータ用のものとして圧電素子１００を説明するが、本発明の用途は必ずしもこれに限定されない。
【００２４】
圧電素子１００は、積層方向Ｚの両端側に設けられた保護層と電圧の印加により駆動する活性層とに区分できる。さらに、活性層は、内部電極１２０の積層方向Ｚへの投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極１２０が外部とショートしないように設けられた周囲の領域とに区分できる。活性領域は、圧電素子１００において実際に駆動する領域である。活性領域は電圧により駆動するが、その周囲の領域は、電圧の印加により変形せず応力が生じる。
【００２５】
（圧電アクチュエータの構成）
上記の圧電素子１００により圧電アクチュエータを構成することができる。図２は、圧電アクチュエータ２００の断面図である。図２に示すように、圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ本体１５０、ベース２１０、封止材２２０およびケース２３０を備えている。
【００２６】
圧電アクチュエータ本体１５０は、圧電素子１００、外部電極１３０、リード線１６０、シム１８０、突起１９０を備えている。複数の圧電素子１００が積層方向（伸縮方向）に直列に連結されており、両端にはシム１８０が固着されている。また、先端側のシム１８０上には突起１９０が設けられている。圧電素子１００の対向する側面上にそれぞれ外部電極１３０が設けられ、各外部電極１３０と接続するように２本のリード線１６０が設けられている。これらのリード線１６０は、ベース２１０の２つの孔に挿通されており、外部の駆動電源に接続されている。ベース２１０の孔は、いずれも封止材２２０で封止されている。
【００２７】
（圧電素子および圧電アクチュエータの製造方法）
次に、上記のように構成された圧電素子１００の製造方法について説明する。まず、圧電体の粉体を含むスラリーを用い、引き上げ成形、ドクターブレード成形、押出成形等の方法によってグリーンシートを形成する。グリーンシートには内部電極１２０用および応力緩和層１４０用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。内部電極１２０用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前の電極膜を形成する。
【００２８】
そして、さらに応力緩和層用として非焼結材料（チタン酸鉛等）のペーストを塗布する。その際には、内部電極１２０を囲む形状になるように設計し、塗布する。非焼結材料とは、圧電素子１００の焼成温度過程では焼結しない材料である。非焼結材料のペーストは、非焼結材料の粉末、バインダ、可塑剤および有機溶剤を所定の割合で混合して得られる。たとえば、非焼結材料にはチタン酸鉛、バインダにはエチルセルロース、可塑剤にはフタル酸ジオクチル、有機溶剤にはブチルカルビトールが挙げられる。なお、非焼結材料にはカーボン等、焼成時に焼き飛んで応力緩和層１４０を形成するものが含まれる。
【００２９】
次に、電極膜および非焼結材料膜が形成された複数のグリーンシートを積層し、プレス成形した後、加熱して、グリーンシート、電極ペーストおよび非焼結材料ペースト中の有機成分を脱脂する。有機成分は加熱によって分解され気体となってグリーンシートやペースト膜から抜ける。
【００３０】
このようにして脱脂された積層体を焼成する。このとき、チタン酸鉛は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層１４０が形成される。応力緩和層１４０には、チタン酸鉛が充填されているが、体積の５〜９５％を占める層状の空隙が生じている。焼成後の積層体を適宜加工することで分極前の焼成体が得られる。そして、焼成体に外部電極１３０を設け、積層方向Ｚの端面で接着して直列に連結し、両端にシム１８０を固着させて（多連化）リード線１６０を外部電極に接続し、多連化した焼成体を分極処理する。このようにして、圧電素子１００を連結した圧電アクチュエータ本体１５０を作製できる。
【００３１】
次に、圧電アクチュエータ本体１５０の外周、すなわち圧電素子１００の素子本体の外周に樹脂系の弾性接着剤を塗布する。そして、その圧電アクチュエータ本体１５０を真空ベーキングする。弾性接着剤を塗布された素子本体を、１３３Ｐａ以下の真空中で１２０℃以上に加熱して１２時間以上保持する。このようにすることで、弾性接着剤を応力緩和層の空隙に含浸させ硬化させる。
【００３２】
このように処理された圧電アクチュエータ本体１５０を不活性ガス雰囲気でケース２３０に封止する。このようにして圧電アクチュエータ２００を作製することができる。これにより、圧電素子１００の応力緩和層の空隙に弾性接着剤を充填した圧電アクチュエータ２００が得られる。その結果、応力緩和層の空隙に弾性接着剤を充填し、発生する応力を緩和可能にするとともに強度を向上した圧電アクチュエータ２００を作製することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１００  圧電素子
１１０  圧電層
１２０  内部電極
１３０  外部電極
１４０  応力緩和層
１５０  圧電アクチュエータ本体
１６０  リード線
１８０  シム
１９０  突起
２００  圧電アクチュエータ
２１０  ベース
２２０  封止材
２３０  ケース
Ｚ  積層方向
【図１】
2013197250.tif 000003
【図２】
2013197250.tif 000004