特許 6274393 圧電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6274393

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】圧電素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/083 20060101AFI20180129BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20180129BHJP

   H01L 41/273 20130101ALI20180129BHJP

   H01L 41/297 20130101ALI20180129BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20180129BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/083

   H01L41/047

   H01L41/273

   H01L41/297

   H01L41/09

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-180325(P2013-180325)

(22)【出願日】2013年8月30日

(65)【公開番号】特開2015-50289(P2015-50289A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2016年7月14日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(72)【発明者】

【氏名】阿隅 一将

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２０６１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１０５３８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１４０３７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０３５４３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０２１４１７５１（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２１６８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２８４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３５１６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１０２６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−００３３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２７０９４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／００−４１／４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、
積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、複数の圧電層あたりに１層の割合で設けられて駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、
前記応力緩和層のそれぞれ全ては、全内部電極を積層方向に投影して得られ、前記積層方向において内部電極全てが重なり合う領域である活性領域に一部が含まれ、
前記応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極および積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極のいずれもが、前記応力緩和層に接する外部電極と同じ極性であることを特徴とする圧電素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、圧電素子には、圧電素子を変位させたときに変位する部分に対して圧電的に不活性な部分に発生する応力を緩和する応力緩和層が設けられたものが知られている。このような応力緩和層は、基本的に内部電極と同一の積層面上において内部電極を囲うように配置される（特許文献１、２参照）。

【0003】

このような内部電極と同一の積層面上に設けられた応力緩和層は、せいぜい内部電極の端までしか形成できないが、内部電極層と異なる層に応力緩和層を形成すれば圧電的に活性な層内側まで形成することができ、さらに応力を緩和することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第２９９４４９２号公報

【特許文献2】特許第２９５１１２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば、内部電極層と異なる層に応力緩和層を形成された従来の圧電素子の例として、図９、図１０に示すような圧電素子が挙げられる。図９および図１０において、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ斜視図および側断面図を示している。図９に示す圧電素子８００は、圧電層８１０と内部電極８２０、８２５とが交互に積層されて形成されている。応力緩和層８４０は、異なる極性の内部電極８２０と内部電極８２５との間に、圧電素子８００の外周に接してその一周にわたり設けられている。内部電極８２０は、応力緩和層８４０が接する外部電極８５０に接続され、内部電極８２５は、外部電極８５０とは異なる極性の外部電極８５５に接続されている。

【0006】

一方、図１０に示す圧電素子９００は、圧電層９１０と内部電極９２０、９２５とが交互に積層されて形成されている。積層方向に隣り合う内部電極９２５の間に、圧電素子９００の外周の一周にわたり応力緩和層９４０が設けられている。いずれの内部電極９２５も、同じ外部電極９５５に接続されている。

【0007】

上記のような応力緩和層はポーラスな材質であったり、あらかじめ亀裂を生成したものである。そして、このような応力緩和層をまたいで圧電素子の側面上に外部電極が形成されている。したがって、外部電極をスクリーン印刷で形成する場合、電極ペーストが応力緩和層に入り込む危険性がある。また、その後外部電極にリード線を接続するときの半田にクリーム半田を使用した場合、半田が応力緩和層に入り込む危険性がある。

【0008】

応力緩和層に導電性材料が入り込んだ場合、応力緩和層は外部電極と同極の極性を持ち、上下の内部電極との間でマイグレーションを起こしやすくなり、マイグレーションを起こせばそこが破壊の起点となってしまう。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、応力緩和層からのマイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる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】

【0010】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する圧電素子であって、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成され、複数の圧電層あたりに１層の割合で設けられて駆動による応力を緩和する応力緩和層を備え、前記応力緩和層は、全内部電極を積層方向に投影して得られる活性領域に一部が含まれ、前記応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極および積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極のいずれもが、前記応力緩和層に接する外部電極と同じ極性であることを特徴としている。

【0011】

これにより、応力緩和層に接する外部電極から電極ペーストや半田等の導電性物質が入り込んでも直近の内部電極との間に電界がかからないため、マイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、応力緩和層とその直近の内部電極との間に電界がかからないためマイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】（ａ）〜（ｃ）それぞれ第１の実施形態の圧電素子を示す斜視図および平断面図である。

【図2】第１の実施形態の圧電素子を示す側断面図である。

【図3】参考例の圧電素子を示す斜視図である。

【図4】（ａ）〜（ｃ）それぞれ参考例の圧電素子を示す平断面図である。

【図5】参考例の圧電素子を示す側断面図である。

【図6】（ａ）〜（ｃ）それぞれ参考例の圧電素子を示す斜視図および平断面図である。

【図7】参考例の圧電素子を示す側断面図である。

【図8】（ａ）、（ｂ）それぞれ各圧電素子の故障確率をワイブルプロットしたグラフならびに各圧電素子の平均圧電印加時間およびワイブル係数を示す表である。

【図9】（ａ）、（ｂ）それぞれ従来の圧電素子を示す斜視図および側断面図である。

【図10】（ａ）、（ｂ）それぞれ従来の圧電素子を示す斜視図および側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

［第１の実施形態］
（圧電素子の構成）
図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図および平断面図である。図２は、圧電素子１００を示す側断面図である。圧電素子１００は、矩形体に形成され、圧電層１１０と内部電極１２０、１２５とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。

【0018】

圧電素子１００は、駆動による応力を緩和するための応力緩和層１４０、１４５を有している。応力緩和層１４０、１４５は、複数の圧電層あたりに１層の割合で設けられており、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成されている。なお、積層面とは、圧電素子の積層方向（伸縮方向）に垂直な面を指す。

【0019】

応力緩和層１４０は、側面１０１に接して設けられ、応力緩和層１４５は、側面１０１とは反対側の側面１０２に接して設けられている。応力緩和層１４０、１４５は、２４層の圧電層に１層の割合以上、２層の圧電層に１層の割合以下であることが好ましい。２４層の圧電層に１層の割合以上１０層の圧電層に１層の割合以下であればさらに好ましい。

【0020】

図１（ｂ）に示すように、内部電極１２０は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、一方の側面１０１に外部電極１５０に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極１２５は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面１０２に外部電極１５５に接続するための取り出し電極部が形成されている。

【0021】

また、図１（ｃ）に示すように、応力緩和層１４０は、側面１０１、正面１０３および背面１０４に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。同様に、応力緩和層１４５は、側面１０２、正面１０３および背面１０４に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。

【0022】

図２に示すように、応力緩和層１４０、１４５は、電圧の印加により変位する活性領域に一部が含まれる。すなわち、応力緩和層１４０、１４５の先端部は、図２の境界Ａの内部側に入っている。活性領域は、全内部電極１２０、１２５を積層方向（伸縮方向）に投影して得られる領域（図２の境界Ａより内部側）であり、異なる電位の内部電極が積層方向に重なり合う領域に一致する。

【0023】

図２に示すように、応力緩和層１４０の積層方向の一方（図中の上側方向）に一部でも重なりを有する直近の内部電極１２０は、応力緩和層１４０に接する外部電極１５０と同極である。また、応力緩和層１４０の積層方向の他方（図中の下側方向）に一部でも重なりを有する直近の内部電極１２０も、応力緩和層に接する外部電極１５０と同極である。

【0024】

これにより、応力緩和層１４０に接する外部電極１５０から電極ペーストや半田等の導電性物質が入り込んでも直近の内部電極１２０との間に電界がかからないため、マイグレーションを防止でき、そこが破壊の起点となるのを防止できる。このような構造は、側面１０２の側に設けられた応力緩和層１４５および内部電極１２５の配置についても同様に設けられている。このように、圧電素子１００では、同じ極性の内部電極に挟まれた不活性層に応力緩和層が形成されている。

【0025】

（圧電素子の作製方法）
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、ＰＺＴ等の圧電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。

【0026】

圧電体のグリーンシートを準備し、内部電極または応力緩和層が設けられる位置の各グリーンシートに対して、内部電極用および応力緩和層用のパターンをスクリーン印刷等により塗布する。その際には、内部電極用として電極ペースト（Ａｇ−Ｐｄ合金等）を塗布し、その後、乾燥させて焼成前電極膜を形成する。

【0027】

応力緩和層用としては、非焼結材料（チタン酸鉛等）のペーストを塗布する。非焼結材料は、圧電素子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を形成するものが含まれる。

【0028】

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する。なお、積層体の作製前に、予め、応力緩和層が、内部電極の何層かに１箇所の所定の割合で形成されるように設計しておく。その際には、応力緩和層の積層方向の一方に一部でも重なりを有する直近の内部電極と、応力緩和層の積層方向の他方に一部でも重なりを有する直近の内部電極とが、応力緩和層に接する外部電極と同極になるように設計する。

【0029】

次に、積層されたグリーンシートをプレス成形した後、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、非焼結材料は焼結せず、非焼結材料を塗布した箇所には応力緩和層１４０、１４５が形成される。そして、焼結体を適宜加工し、圧電素子１００を作製できる。

【0031】

（圧電アクチュエータ）
上記のような圧電素子１００を用いて圧電アクチュエータを構成できる。圧電アクチュエータは、圧電素子１００を直列に接着し、圧電素子１００の内部電極１２０、１２５に接続された外部電極１５０、１５５をリード線で接続して構成される。これにより、応力緩和層１４０、１４５が破壊の起点にならない圧電アクチュエータを提供できる。

【0032】

例えば、複数の圧電素子１００を積層方向に接着して多連化し、多連化された圧電素子１００に分極処理を行い、キャップを被せることで圧電素子１００が多連化されたポジショナ用アクチュエータを作製できる。

【0033】

［参考例］
図３は、活性層に応力緩和層が設けられた参考例の圧電素子２００を示す斜視図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、いずれも参考例の圧電素子２００を示す平断面図である。図５は、参考例の圧電素子２００を示す側断面図である。圧電素子２００は、矩形体に形成され、圧電層２１０と内部電極２２０、２２０ａ、２２５、２２５ａとが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。

【0034】

図４（ａ）に示すように、内部電極２２０は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、側面２０１に外部電極２５０に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極２２５は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面２０２に外部電極２５５に接続するための取り出し電極部が形成されている。

【0035】

また、図４（ｂ）、図５に示すように、応力緩和層２４０は、側面２０１、２０２、正面２０３および背面２０４に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではロ字状である。

【0036】

一方、図４（ｃ）、図５に示すように、内部電極２２５ａは、外周の内側に矩形に形成され、側面２０２側に、外部電極２５５に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極２２５ａは、側面２０１側の端部が応力緩和層２４０より内側の位置になるように形成されている。同様に、内部電極２２０ａは、外周の内側に矩形に形成され、側面２０１側に、外部電極２５０に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極２２０ａは、側面２０２側の端部が応力緩和層２４０より内側の位置になるように形成されている。

【0037】

このような配置において、内部電極２２５ａは、応力緩和層２４０に接する外部電極２５０とは異なる極性の電極として応力緩和層２４０の積層面に直近の積層面の位置に設けられている。そして、内部電極２２５ａは、電圧印加時に隣合う内部電極２２０ａに対して生じる電界が、応力緩和層２４０にかからない位置に設けられている。このような配置は、内部電極２２０ａと応力緩和層２４０との位置についても同様である。

【0038】

これにより、応力緩和層２４０を活性層に設けるとともに、活性層を多く設けることができ、効率の良い圧電素子を構成できる。また、電界が応力緩和層２４０の先端部に集中せず、応力緩和層２４０の先端を起点とする破壊を防止できる。

【0039】

［参考例］
上記参考例では、応力緩和層が活性層に設けられているが、さらに応力緩和層に接する外部電極とは異なる極性の電極として応力緩和層の積層面に直近の積層面の位置に設けられた内部電極が応力緩和層と同一の積層面に設けられている。

【0040】

図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ参考例の圧電素子３００を示す斜視図および平断面図である。図７は、参考例の圧電素子３００を示す側断面図である。圧電素子３００は、矩形体に形成され、圧電層３１０と内部電極３２０、３２５とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する。

【0041】

圧電素子３００は、駆動による応力を緩和するための応力緩和層３４０、３４５を有している。応力緩和層３４０、３４５は、複数の圧電層あたりに１層の割合で設けられており、積層面に平行な層面を有し、外周に接して形成されている。

【0042】

図６（ｂ）に示すように、内部電極３２０は、外周の内側に基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、一方の側面３０１側に外部電極３５０に接続するための取り出し電極部が形成されている。同様に、内部電極３２５は、基本的に外周の形状と相似形の矩形に形成され、他方の側面３０２側に外部電極３５５に接続するための取り出し電極部が形成されている。

【0043】

図６（ｃ）に示すように、応力緩和層３４０は、側面３０１、正面３０３および背面３０４に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。内部電極３２５ａは、矩形に形成され、側面３０２側に外部電極３５５に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極３２５ａは、応力緩和層３４０と同一の積層面に設けられており、応力緩和層３４０との間には十分な間隙が空けられている。

【0044】

このように、応力緩和層３４０に接する外部電極３５０とは異なる極性の電極として、応力緩和層３４０の積層面に直近の積層面の位置に設けられた内部電極３２５ａは、応力緩和層３４０と同一の積層面に設けられている。これにより、活性層を多く設けられるとともに、バランス良く応力緩和層を配置した圧電素子を構成できる。

【0045】

同様に、応力緩和層３４５は、側面３０２および正面３０３、背面３０４に接するように外周に沿って設けられており、平断面図ではコ字状である。内部電極３２０ａは、矩形に形成され、側面３０１側に外部電極３５０に接続するための取り出し電極部が形成されている。内部電極３２０ａは、応力緩和層３４５と同一の積層面に設けられており、応力緩和層３４５との間には十分な間隙が空けられている。

【0046】

［実施例、比較例］
図１〜２、図６〜７に示す形態の圧電素子１００、３００をそれぞれ実施例１、２として作製した。また、図９、図１０に示す形態の圧電素子８００、９００をそれぞれ比較例１、２として作製した。６×６×１０ｍｍの寸法で内部電極を１２０層、応力緩和層を１１層有する圧電素子を実施例１、２および比較例１、２として作製した。

【0047】

作製した圧電素子に同じ電圧を印加したところ、実施例１の変位は１１μｍ、実施例２の変位は１０μｍであった。一方、比較例１の変位は、１０μｍであり、比較例２の変位は、１１μｍであった。

【0048】

また、各圧電素子を５Ｈｚで０−１５０Ｖの矩形波で駆動した。図８（ａ）は、各圧電素子の故障確率をワイブルプロットしたグラフである。図８（ｂ）は、各圧電素子の平均圧電印加時間およびワイブル係数を示す表である。図８（ａ）、（ｂ）によれば、比較例１、２に対して、実施例１、２では明らかに圧電印加時間あたりの故障確率が低減していることが分かった。また、特に実施例１より実施例２の方がさらに故障し難いことが分かった。

【符号の説明】

【0049】

１００ 圧電素子
１０１、１０２ 側面
１０３ 正面
１０４ 背面
１１０ 圧電層
１２０、１２５ 内部電極
１４０、１４５ 応力緩和層
１５０、１５５ 外部電極
２００ 圧電素子
２０１、２０２ 側面
２１０ 圧電層
２２０、２２０ａ、２２５、２２５ａ 内部電極
２４０、２４５ 応力緩和層
２５０、２５５ 外部電極
３００ 圧電素子
３０１、３０２ 側面
３０３ 正面
３０４ 背面
３１０ 圧電層
３２０、３２０ａ、３２５、３２５ａ 内部電極
３４０、３４５ 応力緩和層
３５０、３５５ 外部電極
Ａ 活性領域の境界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】