JP4343552B2

JP4343552B2 - 積層圧電素子

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Publication number: JP4343552B2
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Inventors: 誠志佐々木; 一志立本
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Filing date: 2003-02-27
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロポンプの弁制御等、微小変位のための駆動源として用いられる積層圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来におけるこの種の積層圧電素子は、例えば下記の特許文献１に開示されている。この特許文献１記載の積層圧電素子は、多数の個別電極をパターン形成した圧電シートと、コモン電極をパターン形成した圧電シートとを交互に積層し、積層圧電素子の厚さ方向に整列した各個別電極を、圧電シートに形成したスルーホールを介して導電部材により接続したものである。このような積層圧電素子においては、所定の個別電極とコモン電極との間に電圧を印加することで、圧電シートにおいて当該所定の個別電極に対応する活性部（圧電効果により歪みが生じる部分）を選択的に変位させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２５４６３４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した積層圧電素子にあっては、厚さ方向に整列する各個別電極の端が導電部材により互いに接続されているため、これら個別電極間の活性部の変位が抑制され、その変位量が低下してしまうという問題があった。このような問題は、積層圧電素子の小型化或いは個別電極の高集積化を図るために個別電極を小型化するほど顕著になる。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電シートにおける活性部の変位量の低下を防止することのできる積層圧電素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る積層圧電素子は、圧電シートを介在させて第１の内部電極と第２の内部電極とを配置した積層圧電素子であって、第１の内部電極は、第２の内部電極とにより圧電シートに電界を生じさせる電極部と、圧電シートに形成されたスルーホール内の導電部材に接続される接続部とを有し、電極部においては、長手方向の長さが、長手方向と直交する方向の幅よりも長くなっており、接続部は、電極部の長手方向に沿った中心線から偏倚して形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この積層圧電素子の圧電シートにおいては、第１の内部電極の電極部と第２の内部電極とに挟まれた部分が活性部となり、第１の内部電極と第２の内部電極との間に電圧が印加されると、この活性部が変位することになる。このとき、第１の内部電極は、圧電シートのスルーホール内の導電部材に接続された接続部を有しているが、この接続部は、電極部の長手方向に沿った中心線から偏倚して形成されている。これにより、電極部の長手方向に沿った中心線上に接続部が形成される場合に比べ、圧電シートの活性部に追従した電極部の変位が導電部材との接続により抑制されるのを軽減することができる。したがって、この積層圧電素子によれば、圧電シートにおける活性部の変位量の低下を防止することが可能になる。なお、「電極部の長手方向に沿った中心線」とは、電極部の長手方向に沿って電極部の幅（長手方向と直交する方向の幅）のほぼ中央を通る線を意味する。
【０００８】
また、第１の内部電極は、圧電シートの一端面側に個別電極として複数形成されていることが好ましい。その理由としては、上述したように、第１の内部電極においては圧電シートの活性部に追従した電極部の変位の抑制が軽減されるため、第１の内部電極を個別電極として複数形成するに際し、第１の内部電極の小型化を図ることができるからである。
【０００９】
また、第１の内部電極は、圧電シートの一端面側にマトリックス状に配置されていることが好ましい。これにより、圧電シートに対して複数の第１の内部電極を効率良く配置することが可能になる。
【００１０】
また、接続部は、互いに隣り合う電極部の間隙に位置していることが好ましい。第１の内部電極を個別電極として複数形成する場合、電気的に独立させるべく互いに隣り合う電極部間に所定の間隙を設ける必要があるが、この間隙に接続部を位置させることで、圧電シートに対して第１の内部電極をより一層効率良く配置することが可能になる。これにより、各活性部の面積を維持しつつ、積層圧電素子の小型化或いは個別電極の高集積化を図ることができる。
【００１１】
また、第２の内部電極は、圧電シートの他端面側にコモン電極として形成され、圧電シートの面方向において電極部を含む形状を有することが好ましい。このように第２の内部電極をコモン電極とすることで、第２の内部電極の形成や、対向する第１の内部電極との位置合わせが容易になる。しかも、第２の内部電極が圧電シートの面方向において第１の内部電極の電極部を含む形状であるため、圧電シートにおいて各電極部に対向する部分の全体を活性部として有効に用いることができる。
【００１２】
また、圧電シートに対して最外層に積層される最外層シートを備え、最外層シートには、圧電シートの厚さ方向において接続部に対向する外部電極が形成されていることが好ましい。この最外層シートに形成された外部電極には、例えば駆動電源に接続するためにリード線が取り付けられるが、この外部電極は第１の内部電極の接続部に対向する位置（すなわち、圧電シートの厚さ方向において対応する位置）に形成されている。これにより、第１の内部電極の電極部及び圧電シートの活性部がリード線に押さえつけられて、それらの変位が阻害されるということを防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る積層圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態に係る積層圧電素子１は、個別電極（第１の内部電極）２が形成された圧電シート３と、コモン電極（第２の内部電極）４が形成された圧電シート５とを４枚ずつ交互に積層し、さらに、端子電極が形成される圧電シート（最外層シート）７とベースとなる圧電シート９とで上下から挟み込むようにして構成されている。
【００１５】
なお、各圧電シート３，５，７，９は、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスを主成分とし、例えば「１０ｍｍ×３０ｍｍ，厚さ３０μｍ」の長方形薄板状に形成されている。また、個別電極２及びコモン電極４は、銀及びパラジウムを主成分とし、スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。これは、以下に述べる各電極についても同様である。
【００１６】
この積層圧電素子１において、最上層（すなわち最外層）の圧電シート７から数えて３層目、５層目、７層目の圧電シート３ａの上面には、図２に示すように、多数の個別電極２がマトリックス状に配置されている。ここで、圧電シート３ａの長手方向を行方向、当該長手方向と直交する方向を列方向とすると、個別電極２は、例えば４行７５列というように配置されている（明瞭化のため図面では４行２０列とする）。このように多数の個別電極２をマトリックス状に配置することで、圧電シート３ａに対して効率の良い配置が可能になる。また、隣り合う個別電極２，２は、互いに所定の間隔をとることによって、電気的な独立が達成され、且つ互いの振動による影響が防止されている。
【００１７】
さらに、圧電シート３ａの上面の縁部には、上下に位置する圧電シート５のコモン電極４，４を電気的に接続するための中間電極６が形成されている。この中間電極６は、その直下において圧電シート３ａに形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。
【００１８】
上述の個別電極２は、図３に示すように、コモン電極４とにより圧電シート３ａに電界を生じさせるための長方形状の電極部１１を有している。この電極部１１は、その長手方向が圧電シート３ａの長手方向と直交するよう配置され、電極部１１の長手方向における一端部１１ａには、正方形状の接続部１２が形成されている。これらの電極部１１と接続部１２とは、電極部１１の長手方向に沿った中心線（すなわち、電極部１１の重心を通る線）Ｌから接続部１２の中心（すなわち重心）位置を偏倚させた状態で、幅細のネック部１２ａを介して一体的に形成されている。
【００１９】
このような形状を有する個別電極２は、１行目と２行目とにおいて接続部１２が隣接し、３行目と４行目とにおいて接続部１２が隣接するように配置されている。そして、各接続部１２は、その直下において圧電シート３ａに形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続されている。
【００２０】
なお、９層目に位置する圧電シート３ｂの上面にも、上述した３層目、５層目、７層目の圧電シート３ａと同様に個別電極２がマトリックス状に配置されている。ただし、図４に示すように、９層目の圧電シート３ｂは、スルーホール１３が形成されていない点で上述の圧電シート３ａと異なっている。
【００２１】
また、最上層の圧電シート７から数えて２層目、４層目、６層目、８層目の圧電シート５の上面には、図５に示すように、積層圧電素子１の厚さ方向において圧電シート３の各接続部１２に対向するように中間電極１６が形成されている（以下、「積層圧電素子１の厚さ方向」、すなわち「圧電シート３，５の厚さ方向」を単に「厚さ方向」という）。そして、各中間電極１６は、その直下において圧電シート５に形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続されている。
【００２２】
さらに、圧電シート５の上面にはコモン電極４が形成されているが、このコモン電極４は、１列目及び２列目の中間電極１６の集合と、３列目及び４列目の中間電極１６の集合とのそれぞれを、所定の間隔をとって包囲している。このコモン電極４は、図３に示すように、圧電シート３，５の面（上面）方向において圧電シート３の各電極部１１を含む形状を有している。換言すれば、コモン電極４は、厚さ方向から見て圧電シート３の各電極部１１の全体と重なる形状を有している。これにより、圧電シート３，５において各電極部１１に対向する部分の全体を、振動に寄与する活性部として有効に用いることができる。
【００２３】
なお、コモン電極４は、圧電シート５の外周部から所定の間隔をとって形成されると共に、厚さ方向において圧電シート３の中間電極６に対向するよう圧電シート５に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。
【００２４】
また、図６に示すように、最上層の圧電シート７の上面には、厚さ方向において圧電シート５の各中間電極１６に対向するよう外部電極１７が形成され、厚さ方向において圧電シート３の中間電極６に対向するよう外部電極１８が形成されている。そして、各外部電極１７は、その直下において圧電シート７に形成されたスルーホール１３内の導電部材に接続され、外部電極１８は、その直下において圧電シート７に形成されたスルーホール８内の導電部材に接続されている。なお、各外部電極１７，１８は、駆動電源に電気的に接続するためのリード線を取り付けるべく銀の焼付電極が施され、積層圧電素子１の端子電極として機能する。
【００２５】
さらに、図７に示すように、最下層の圧電シート９の上面には、圧電シート５のコモン電極４の外形と同等の外形を有する長方形状のコモン電極１９が、圧電シート９の外周部から所定の間隔をとって形成されている。
【００２６】
以上のように電極パターンが形成された圧電シート３，５，７，９を積層することで、各圧電シート３においては、上面を一端面側として個別電極２が、下面を他端面側としてコモン電極４又はコモン電極１９が形成されることになる。一方、各圧電シート５においては、下面を一端面側として個別電極２が、上面を他端面側としてコモン電極４又はコモン電極１９が形成されることになる。
【００２７】
そして、最上層の各外部電極１７に対しては、厚さ方向において４つの個別電極２が中間電極１６を介在させて整列し、整列した各電極２，１６，１７は、スルーホール１３内の導電部材により電気的に接続されることになる。より詳細には、図８に示すように、厚さ方向において互いに隣り合う個別電極２，２は、それらの接続部１２，１２間に中間電極１６を介在させてスルーホール１３内の導電部材１４により電気的に接続されることになる。なお、厚さ方向において隣接するスルーホール１３，１３を、それらの中心軸線が偏倚するように形成すると、それらの間に位置する接続部１２又は中間電極１６に対する各スルーホール１３の接続をより確実なものとすることができる。
【００２８】
一方、最上層の外部電極１８に対しては、厚さ方向において４つのコモン電極４と最下層のコモン電極１９とが中間電極６を介在させて整列し、整列した各電極４，６，１８，１９は、スルーホール８内の導電部材により電気的に接続されることになる。
【００２９】
このような積層圧電素子１における電気的接続により、所定の外部電極１７と外部電極１８との間に電圧を印加すると、所定の外部電極１７下に整列する個別電極２とコモン電極４，１９との間に電圧が印加されることになる。これにより、圧電シート３，５においては、図８に示すように、個別電極２の電極部１１とコモン電極４，１９とで挟まれる部分に電界が生じ、当該部分が活性部２１として変位することになる。したがって、電圧を印加する外部電極１７を選択することで、マトリックス状に配置された個別電極２の各電極部１１に対応する活性部２１のうち、選択した外部電極１７下に整列する活性部２１を厚さ方向に変位させることができる。よって、積層圧電素子１は、マイクロポンプの弁制御等、微小変位を必要とする種々の装置の駆動源に適用することができる。
【００３０】
以上のように構成された積層圧電素子１おいては、所定の個別電極２とコモン電極４，１９との間に電圧が印加されるとその間の活性部２１が変位し、これにより、個別電極２の電極部１１は、その長手方向において上方に突出するよう弓なりに撓むことになる。このとき、個別電極２の接続部１２は、上下に位置する中間電極１６に導電部材１４を介して接続されているために厚さ方向への変位が規制される。
【００３１】
しかしながら、この接続部１２は、電極部１１の端部１１ａにおいて、電極部１１の長手方向に沿った中心線Ｌから偏倚して形成されている（すなわち、電極部１１の長手方向と直交する方向に沿った中心線からも偏倚することになる）。しかも、接続部１２は、細幅のネック部１２ａを介して電極部１１に接続されている。
【００３２】
これらにより、例えば電極部１１の長手方向に沿った中心線Ｌ上に接続部１２が直接形成される場合に比べ、電極部１１は活性部２１の変位に追従してより撓み易くなる。したがって、この積層圧電素子１によれば、活性部２１の変位量の低下を防止して、活性部２１を十分に変位させることができる。
【００３３】
そして、活性部２１の変位を十分に発揮させ得ることから、各個別電極２の小型化が可能になり、積層圧電素子１自体の小型化、或いは「１０ｍｍ×３０ｍｍ」の長方形内に４行７５列というような個別電極２の高集積化を達成することができる。
【００３４】
また、最上層の圧電シート７の上面に形成された各外部電極１７には、銀の焼付電極が施された後、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）等を用いてリード線が半田等により接続されるが、各外部電極１７は個別電極２の接続部１２の上方に位置していることから、個別電極２の電極部１１及び活性部２１がリード線に押さえつけられて、それらの変位が阻害されるということも防止される。
【００３５】
さらに、積層圧電素子１においては、上述したように接続部１２が電極部１１に対して偏倚していることから、接続部１２に対する電極部１１の変位の影響が少なく、これにより、接続部１２の上方に位置する外部電極１７に対する変位の影響も少なくなる。したがって、接続部１２とリード線との接続がより確実に維持される。
【００３６】
なお、積層圧電素子１は、以下に述べる手順で作製される。まず、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスを主成分とする圧電材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合してペーストを作製し、各圧電シート３，５，７，９となるグリーンシートを成形する。また、所定比率の銀とパラジウムとからなる金属材料に有機バインダ・有機溶剤等を混合することで、電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。
【００３７】
続いて、各圧電シート３，５，７，９となるグリーンシートの所定の位置にレーザ光を照射してスルーホール８，１３を形成する。その後、スルーホール８，１３内に対し導電ペーストを用いて充填スクリーン印刷を行い、導電部材１４を形成する。さらに、グリーンシートに対し導電ペーストを用いてスクリーン印刷を行い、各電極２，４，１７，１９等を形成する。
【００３８】
このようにして電極パターンが形成されたグリーンシートを上述の順序で積層し、積層方向にプレスを行って積層体グリーンを作製する。この積層体グリーンを脱脂・焼成した後、分極処理を行って積層圧電素子１を完成させる。
【００３９】
以上のような積層圧電素子１の作製においては、個別電極２の電極部１１とにより圧電シート３，５に電界を生じさせる電極をコモン電極４，１９として形成するため、当該電極のパターン形成や、対向する電極部１１との積層時の位置合わせが容易になる。
【００４０】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る積層圧電素子１は、図９に示すように、第１実施形態に係る積層圧電素子１と同様の積層パターンで構成されるが、主に個別電極２の形状において第１実施形態に係る積層圧電素子１と異なる。以下、第１実施形態に係る積層圧電素子１との相違点を中心に、第２実施形態に係る積層圧電素子１について説明する。
【００４１】
図１０に示すように、最上層の圧電シート７から数えて３層目、５層目、７層目の圧電シート３ａの上面には、例えば４行７５列というように（明瞭化のため図面では４行１８列とする）マトリックス状に配置された多数の個別電極２と、スルーホール８内の導電部材に接続された中間電極６とが形成されている。
【００４２】
個別電極２は、図１１に示すように、コモン電極４とにより圧電シート３ａに電界を生じさせるための長方形状の電極部１１を有し、この電極部１１の長手方向における一端部１１ａには、スルーホール１３内の導電部材に接続された正方形状の接続部１２が一体的に形成されている。この接続部１２は、その重心位置を電極部１１の長手方向に沿った中心線Ｌから偏倚させた状態で、互いに隣り合う電極部１１，１１の間隙Ｓに位置している。
【００４３】
なお、図１２に示すように、９層目に位置する圧電シート３ｂの上面にも個別電極２がマトリックス状に配置されるが、スルーホール１３が形成されていない点で上述の圧電シート３ａと異なる。
【００４４】
また、最上層の圧電シート７から数えて２層目、４層目、６層目、８層目の圧電シート５の上面には、図１３に示すように、厚さ方向において圧電シート３の各接続部１２に対向するように中間電極１６が形成され、各中間電極１６は、スルーホール１３内の導電部材に接続されている。
【００４５】
さらに、圧電シート５の上面には、１列目と２列目との間で対向する中間電極１６の組と、３列目と４列目との間で対向する中間電極１６の組とを、それぞれ組ごとに所定の間隔をとって包囲するようコモン電極４が形成され、このコモン電極４は、スルーホール８内の導電部材に接続されている。そして、図１１に示すように、このコモン電極４もまた、圧電シート３，５の面方向において圧電シート３の各電極部１１を含む形状を有している。
【００４６】
また、図１４に示すように、最上層の圧電シート７の上面には、厚さ方向において圧電シート５の各中間電極１６に対向するよう外部電極１７が形成され、各外部電極１７はスルーホール１３内の導電部材に接続されている。さらに、厚さ方向において圧電シート３の中間電極６に対向するよう外部電極１８が形成され、外部電極１８はスルーホール８内の導電部材に接続されている。そして、最下層の圧電シート９の上面には、図７と同様に、圧電シート５のコモン電極４の外形と同等の外形を有する長方形状のコモン電極１９が形成されている。
【００４７】
以上のように電極パターンが形成された圧電シート３，５，７，９を積層することで、第１実施形態に係る積層圧電素子１と同様の電気的接続が達成されるが、この第２実施形態に係る積層圧電素子１の圧電シート３においては、個別電極２の接続部１２が互いに隣り合う電極部１１，１１の間隙Ｓに位置している。そのため、圧電シート３に対して個別電極２をより一層効率良く配置することが可能になる。これにより、積層圧電素子１における各活性部２１の面積を維持しつつ、積層圧電素子１の小型化或いは個別電極２の高集積化を図ることができる。
【００４８】
別の視点から捉えれば、積層圧電素子１のサイズを一定とした場合、接続部１２を電極部１１，１１の間隙Ｓに位置させた分、電極部１１をその長手方向に長くとることができ、積層圧電素子１における各活性部２１の活性長を長くすることが可能になる。
【００４９】
本発明は上述の第１及び第２実施形態に限定されない。例えば、第１及び第２実施形態は、個別電極２の電極部１１が長方形状、接続部１２が正方形状の場合であったが、電極部１１を楕円形状、接続部１２を円形状とするなど、電極部１１及び接続部１２は種々の形状をとることが可能である。このように種々の形状をとった場合にも、電極部１１の長手方向に沿った中心線Ｌから接続部１２を偏倚させて個別電極２を形成すれば、第１及び第２実施形態と同様の作用効果が奏される。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る積層圧電素子によれば、圧電シートにおける活性部の変位量の低下を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る積層圧電素子の第１実施形態の分解斜視図である。
【図２】図１に示す積層圧電素子の３層目、５層目、７層目の圧電シートの平面図である。
【図３】図２に示す圧電シートの要部を示す拡大平面図である。
【図４】図１に示す積層圧電素子の９層目の圧電シートの平面図である。
【図５】図１に示す積層圧電素子の２層目、４層目、６層目、８層目の圧電シートの平面図である。
【図６】図１に示す積層圧電素子の最上層の圧電シートの平面図である。
【図７】図１に示す積層圧電素子の最下層の圧電シートの平面図である。
【図８】図１に示す積層圧電素子の長手方向に垂直な拡大断面図である。
【図９】本発明に係る積層圧電素子の第２実施形態の分解斜視図である。
【図１０】図９に示す積層圧電素子の３層目、５層目、７層目の圧電シートの平面図である。
【図１１】図１０に示す圧電シートの要部を示す拡大平面図である。
【図１２】図９に示す積層圧電素子の９層目の圧電シートの平面図である。
【図１３】図９に示す積層圧電素子の２層目、４層目、６層目、８層目の圧電シートの平面図である。
【図１４】図９に示す積層圧電素子の最上層の圧電シートの平面図である。
【符号の説明】
１…積層圧電素子、２…個別電極（第１の内部電極）、３，５…圧電シート、７…圧電シート（最外層シート）、４，１９…コモン電極（第２の内部電極）、８，１３…スルーホール、１１…電極部、１２…接続部、１４…導電部材、１７，１８…外部電極、Ｌ…中心線、Ｓ…間隙。

Claims

圧電シートを介在させて第１の内部電極と第２の内部電極とを配置した積層圧電素子であって、
前記第１の内部電極は、前記第２の内部電極とにより前記圧電シートに電界を生じさせる電極部と、前記圧電シートに形成されたスルーホール内の導電部材に接続される接続部とを有し、
前記電極部においては、長手方向の長さが、前記長手方向と直交する方向の幅よりも長くなっており、
前記接続部は、前記電極部の前記長手方向に沿った中心線から偏倚して形成されていることを特徴とする積層圧電素子。
前記第１の内部電極は、前記圧電シートの一端面側に個別電極として複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層圧電素子。
前記第１の内部電極は、前記圧電シートの一端面側にマトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項２記載の積層圧電素子。
前記接続部は、互いに隣り合う前記電極部の間隙に位置していることを特徴とする請求項２又は３記載の積層圧電素子。
前記第２の内部電極は、前記圧電シートの他端面側にコモン電極として形成され、前記圧電シートの面方向において前記電極部を含む形状を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項記載の積層圧電素子。
前記圧電シートに対して最外層に積層される最外層シートを備え、
前記最外層シートには、前記圧電シートの厚さ方向において前記接続部に対向する外部電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の積層圧電素子。