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JP2010161286A - Laminated piezoelectric element and method of manufacturing the same - Google Patents

Laminated piezoelectric element and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2010161286A
JP2010161286A JP2009003581A JP2009003581A JP2010161286A JP 2010161286 A JP2010161286 A JP 2010161286A JP 2009003581 A JP2009003581 A JP 2009003581A JP 2009003581 A JP2009003581 A JP 2009003581A JP 2010161286 A JP2010161286 A JP 2010161286A
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Japan
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piezoelectric
layer
piezoelectric layer
polarization
surface side
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JP2009003581A
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Inventor
Hiroyuki Hayashi
裕之 林
Satoshi Inaizumi
聡 稲泉
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated piezoelectric element for obtaining a large displacement amount, and also reliably suppressing the generation of cracks due to displacement. <P>SOLUTION: The laminated piezoelectric element 1 includes: a laminated piezoelectric material 2 where internal piezoelectric layers 4-7 are laminated between the outermost layer piezoelectric layers 3, 8, internal electrodes 11-15 are laminated between the adjacent piezoelectric layers, and an upper surface electrode 9 and a lower surface electrode 10 are formed on the upper surface and the lower surface; and first and second external electrodes 14, 17. The adjacent piezoelectric layers are treated by polarization in opposite directions concerning a thickness direction. The polarization degree of the outermost layer piezoelectric layers 3, 8 is set lower than that of the internal piezoelectric layers 4-7. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えばアクチュエータなどに用いられる積層型圧電素子及びその製造方法に関し、より詳細には、複数の圧電体層が内部電極を介して積層されている積層圧電体を用いた積層型圧電素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a laminated piezoelectric element used for, for example, an actuator and a manufacturing method thereof, and more specifically, a laminated piezoelectric element using a laminated piezoelectric body in which a plurality of piezoelectric layers are laminated via internal electrodes. And a manufacturing method thereof.

従来、プリンターのヘッドの駆動や磁気ディスク駆動装置のヘッドの駆動に圧電アクチュエータが広く用いられている。圧電アクチュエータでは、圧電体の変位により駆動力が得られる。従って、長期間使用している内に、駆動に伴って圧電体に繰り返し大きな応力が加わり、クラックが生じるおそれがあった。特に、薄い圧電体を用いた圧電アクチュエータでは、このようなクラックが生じやすいため、クラックを抑制することが強く求められている。   Conventionally, piezoelectric actuators have been widely used to drive printer heads and magnetic disk drive heads. In the piezoelectric actuator, a driving force is obtained by displacement of the piezoelectric body. Accordingly, there is a possibility that a large stress is repeatedly applied to the piezoelectric body during driving for a long period of time and a crack is generated. In particular, in a piezoelectric actuator using a thin piezoelectric body, such a crack is likely to occur, and thus it is strongly required to suppress the crack.

下記の特許文献1には、このようなクラックを抑制するための製造方法が開示されている。図13は、特許文献1に記載の圧電素子の製造方法を説明するための模式的正面断面図である。図13に示す圧電装置では、基板1001上に、密着層1002を介して、圧電素子1003が積層されている。圧電素子1003は、密着層1002上において、第1の電極層1004、圧電体薄膜層1005及び第2の電極層1006を順次成膜することにより形成されている。ここでは、圧電体薄膜層1005の成膜時に収縮応力を付与している。成膜後の冷却時に基板1001と圧電体薄膜層1005との収縮量差により、圧電体薄膜層1005に生じる引張応力が緩和されている。   The following Patent Document 1 discloses a manufacturing method for suppressing such cracks. FIG. 13 is a schematic front cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a piezoelectric element described in Patent Document 1. In the piezoelectric device shown in FIG. 13, a piezoelectric element 1003 is stacked on a substrate 1001 with an adhesion layer 1002 interposed therebetween. The piezoelectric element 1003 is formed by sequentially forming a first electrode layer 1004, a piezoelectric thin film layer 1005, and a second electrode layer 1006 on the adhesion layer 1002. Here, shrinkage stress is applied when the piezoelectric thin film layer 1005 is formed. Due to the difference in shrinkage between the substrate 1001 and the piezoelectric thin film layer 1005 during cooling after film formation, the tensile stress generated in the piezoelectric thin film layer 1005 is relaxed.

特開2004−119703号公報JP 2004-119703 A

特許文献1に記載の製造方法では、圧電体薄膜層1005自体に成膜後の冷却に際し圧縮応力を付与し、圧電体薄膜層1005に生じる引張応力が緩和されている。それによって、クラックの発生が抑制されている。このような方法によれば、繰り返し駆動された際のクラックも抑制されると考えられている。   In the manufacturing method described in Patent Document 1, compressive stress is applied to the piezoelectric thin film layer 1005 itself upon cooling after film formation, and the tensile stress generated in the piezoelectric thin film layer 1005 is relaxed. Thereby, the occurrence of cracks is suppressed. According to such a method, it is considered that cracks when repeatedly driven are also suppressed.

しかしながら、特許文献1に記載の方法は、スパッタリングなどの薄膜堆積法により圧電体層を形成する場合にのみ適用可能な方法にすぎない。すなわち、成膜時の応力を利用するものであるため、圧電体グリーンシートを積層して得られる積層圧電体を用いた圧電素子には用いることはできない。   However, the method described in Patent Document 1 is only a method applicable only when the piezoelectric layer is formed by a thin film deposition method such as sputtering. That is, since the stress at the time of film formation is used, it cannot be used for a piezoelectric element using a laminated piezoelectric material obtained by laminating piezoelectric green sheets.

近年、より大きな変位を得るために、複数の圧電体層が積層されている積層圧電体を用いた圧電アクチュエータが様々な分野で用いられている。積層圧電体においても、小型化及び小型でありながら大きな変位を得るために、圧電体層は薄くなってきている。そのため、使用している内に、積層圧電体表面にクラックが生じるおそれがあった。積層圧電体における圧電体層の厚みが薄くなるにつれて、または積層圧電体自体の厚みが薄くなるにつれて、クラックが生じやすくなるため、クラックの抑制が強く求められている。   In recent years, in order to obtain a larger displacement, piezoelectric actuators using a laminated piezoelectric material in which a plurality of piezoelectric layers are laminated are used in various fields. Also in the laminated piezoelectric material, in order to obtain a large displacement while being downsized and small, the piezoelectric material layer is getting thinner. Therefore, there is a possibility that cracks may occur on the surface of the laminated piezoelectric material during use. Since cracks are likely to occur as the thickness of the piezoelectric layer in the multilayer piezoelectric body becomes thinner or as the thickness of the multilayer piezoelectric body itself becomes thinner, suppression of cracks is strongly demanded.

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、圧電体層におけるクラックが生じ難い、信頼性に優れた積層圧電体を用いた積層型圧電素子及びその製造方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element using a multilayer piezoelectric body that eliminates the above-described drawbacks of the above-described prior art, is less likely to cause cracks in the piezoelectric layer, and has excellent reliability, and a method for manufacturing the same. .

本発明によれば、上面と、下面とを有する積層圧電体と、前記積層圧電体の外表面に形成された第1及び第2の外部電極とを備え、前記積層圧電体が、上面側及び下面側にそれぞれ配置された上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層と、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層間に積層された内側圧電体層と、前記上面及び下面にそれぞれ形成された上面電極及び下面電極と、隣り合う圧電体層間に配置された内部電極とを備え、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くされている。   According to the present invention, a laminated piezoelectric body having an upper surface and a lower surface, and first and second external electrodes formed on an outer surface of the laminated piezoelectric body, the laminated piezoelectric body includes: The upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer disposed on the lower surface side, the inner piezoelectric layer laminated between the upper surface side outermost layer piezoelectric layer and the lower surface side outermost layer piezoelectric layer, and An upper electrode and a lower electrode formed on the upper surface and the lower surface, respectively, and an internal electrode disposed between adjacent piezoelectric layers, and the degree of polarization of the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer is The degree of polarization of the inner piezoelectric layer is lower.

本発明に係る積層型圧電素子のある特定の局面では、前記上面電極及び下面電極が前記第1の外部電極に電気的に接続されており、前記内部電極が、前記第1の外部電極に電気的に接続されている第1の内部電極と、前記第2の外部電極に電気的に接続されている第2の内部電極とを有する。この構造では、上面電極及び下面電極が第1の外部電極に電気的に接続されて同電位となるため、外部との電気的接続に際しての方向性をなくすことができる。   In a specific aspect of the multilayer piezoelectric element according to the present invention, the upper surface electrode and the lower surface electrode are electrically connected to the first external electrode, and the internal electrode is electrically connected to the first external electrode. First internal electrodes connected to each other and a second internal electrode electrically connected to the second external electrode. In this structure, since the upper electrode and the lower electrode are electrically connected to the first external electrode and have the same potential, the directionality in electrical connection with the outside can be eliminated.

本発明に係る積層型圧電素子の他の特定の局面では、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層よりも厚くされている。この場合には、分極処理に際し、全ての圧電体層に同じ強度の電界を印加すればよいため、分極処理が容易となる。   In another specific aspect of the multilayer piezoelectric element according to the present invention, the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer are thicker than the inner piezoelectric layer. In this case, since the electric field having the same intensity may be applied to all the piezoelectric layers in the polarization process, the polarization process becomes easy.

本発明に係る積層型圧電素子のさらに他の特定の局面では、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しくされている。この場合には、同一の厚みの複数枚の圧電体グリーンシートを積層することにより、積層圧電体を容易に得ることができる。   In still another specific aspect of the multilayer piezoelectric element according to the present invention, the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer have the same thickness as the inner piezoelectric layer. In this case, a laminated piezoelectric body can be easily obtained by laminating a plurality of piezoelectric green sheets having the same thickness.

本発明の製造方法は、本発明の製造方法であって、上面側最外層圧電体層、下面側最外層圧電体層、第1及び第2の外部電極、上面電極並びに下面電極を有する前記積層型圧電体を用意する工程と、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くなるように積層形圧電体を分極処理する工程とを備える。   The manufacturing method of the present invention is the manufacturing method of the present invention, wherein the laminated body has an upper surface side outermost piezoelectric layer, a lower surface side outermost piezoelectric layer, first and second external electrodes, an upper surface electrode, and a lower surface electrode. Preparing a piezoelectric layer and polarizing the stacked piezoelectric body so that the polarization degree of the uppermost piezoelectric layer and the lowermost piezoelectric layer is lower than that of the inner piezoelectric layer. And a process for processing.

本発明に係る積層型圧電素子の製造方法のある特定の局面では、前記積層型圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが前記内側圧電体層の厚みよりも厚い積層圧電体を用意し、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層並びに内側圧電体層に同じ大きさの電界を印加して分極処理を行う。この場合には、全ての圧電体層に同じ電界強度の電界を印加して分極処理を行うことができるので、分極が容易である。   In a specific aspect of the manufacturing method of the multilayer piezoelectric element according to the present invention, in the step of preparing the multilayer piezoelectric body, the thickness of the uppermost surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer is set to the inner side. Prepare a laminated piezoelectric material that is thicker than the thickness of the piezoelectric layer, and apply an electric field of the same magnitude to the upper surface side outermost piezoelectric layer, the lower surface side outermost piezoelectric layer, and the inner piezoelectric layer to perform polarization processing. . In this case, since polarization processing can be performed by applying an electric field having the same electric field strength to all the piezoelectric layers, polarization is easy.

本発明に係る積層型圧電素子の製造方法のさらに他の特定の局面では、前記積層圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しい積層圧電体を用意し、前記積層圧電体を分極する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層に、前記内側圧電体層に比べて弱い電界を印加して分極される。この場合には、分極に先立つ積層圧電体の製造に際し、同じ厚みの複数枚の圧電体グリーンシートを用意するだけでよいため、積層圧電体の製造工程の簡略化を図ることができる。   In still another specific aspect of the method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the present invention, in the step of preparing the multilayer piezoelectric body, the thicknesses of the upper surface side outermost layer piezoelectric material layer and the lower surface side outermost layer piezoelectric material layer are: In the step of preparing a laminated piezoelectric body having a thickness equal to the thickness of the inner piezoelectric layer and polarizing the laminated piezoelectric body, the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer are formed on the inner piezoelectric layer. It is polarized by applying a weak electric field. In this case, it is only necessary to prepare a plurality of piezoelectric green sheets having the same thickness when manufacturing the laminated piezoelectric body prior to polarization, so that the manufacturing process of the laminated piezoelectric body can be simplified.

本発明に係る積層型圧電素子によれば、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、内側圧電体層の分極度よりも低くされているので、分極に伴う分極歪が内側圧電体層に比べ最外層圧電体層において小さくされる。そのため、最外層圧電体層に圧縮応力を付与することができ、駆動に際し積層圧電体が変位した場合に最外層圧電体層における変位量が抑制され、それによってクラックの発生を抑制することができる。   According to the multilayer piezoelectric element according to the present invention, the degree of polarization of the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer is lower than the degree of polarization of the inner piezoelectric layer. The polarization strain is reduced in the outermost piezoelectric layer compared to the inner piezoelectric layer. Therefore, compressive stress can be applied to the outermost piezoelectric layer, and when the laminated piezoelectric member is displaced during driving, the amount of displacement in the outermost piezoelectric layer is suppressed, thereby suppressing the occurrence of cracks. .

(a)は本発明の一実施形態の積層圧電素子の製造方法における分極工程を説明するための模式的正面断面図であり、(b)は本実施形態の積層型圧電素子の斜視図である。(A) is a typical front sectional view for explaining a polarization step in the method for manufacturing a multilayer piezoelectric element of one embodiment of the present invention, and (b) is a perspective view of the multilayer piezoelectric element of the present embodiment. . (a),(b)は、本発明の一実施形態において用意する内部電極形状を説明するための各平面図である。(A), (b) is each top view for demonstrating the internal electrode shape prepared in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態において用意される積層型圧電体の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the laminated piezoelectric material prepared in one embodiment of the present invention. (a),(b)は、分極前のドメインの状態及び分極後のドメインの状態を示す模式図である。(A), (b) is a schematic diagram which shows the state of the domain before polarization, and the state of the domain after polarization. 分極前後のドメインの形状の変化を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the change of the shape of the domain before and behind polarization. 積層型圧電体の最外層圧電体層と内側圧電体層との応力関係を説明するための模式的正面図である。FIG. 5 is a schematic front view for explaining a stress relationship between an outermost piezoelectric layer and an inner piezoelectric layer of a multilayer piezoelectric body. (a)及び(b)は、積層型圧電体が上方に突となるように変位した場合、下方に突となるように変位した場合の各変位状態を示す模式図である。(A) And (b) is a schematic diagram which shows each displacement state at the time of displacing so that a lamination type piezoelectric material may protrude upwards and to protrude downward. 本発明の第2の実施形態の積層型圧電素子分極工程を説明するための模式的正面断面図である。It is typical front sectional drawing for demonstrating the lamination type piezoelectric element polarization process of the 2nd Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、それぞれ、第2の実施形態の積層型圧電素子の製造方法において形成される内部電極形状を説明するための各平面図である。(A)-(c) is each top view for demonstrating the internal electrode shape formed in the manufacturing method of the lamination type piezoelectric element of 2nd Embodiment, respectively. 本発明の第2の実施形態において、積層圧電素子に分極用電極を形成した状態を示す斜視図である。In the 2nd Embodiment of this invention, it is a perspective view which shows the state in which the electrode for polarization was formed in the laminated piezoelectric element. 本発明の第2の実施形態の積層型圧電素子の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the lamination type piezoelectric element of the 2nd Embodiment of this invention. 従来の積層型圧電素子において生じるクラックの状態を示す模式的正面断面図である。It is typical front sectional drawing which shows the state of the crack which arises in the conventional lamination type piezoelectric element. 従来の圧電素子の製造方法を説明するための正面断面図である。It is front sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the conventional piezoelectric element.

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。   Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.

図1(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態における積層型圧電素子の分極工程を説明するための正面断面図及び該積層型圧電素子を示す斜視図である。   FIGS. 1A and 1B are a front cross-sectional view for explaining a polarization process of a multilayer piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention and a perspective view showing the multilayer piezoelectric element.

積層型圧電素子1は、積層圧電体2を有する。積層圧電体2は、本実施形態では、直方体状の形状を有する。   The multilayer piezoelectric element 1 has a multilayer piezoelectric body 2. In the present embodiment, the laminated piezoelectric body 2 has a rectangular parallelepiped shape.

積層圧電体2は、上面2aから下面2bに向かって複数の圧電体層を積層した構造を有する。より具体的には、上面2a側に、上面側最外層圧電体層3が配置されており、下面2b側に下面側最外層圧電体層8が配置されている。上面側最外層圧電体層3と、下面側最外層圧電体層8との間に、複数の内側圧電体層4〜7が積層されている。   The laminated piezoelectric body 2 has a structure in which a plurality of piezoelectric layers are laminated from the upper surface 2a to the lower surface 2b. More specifically, the upper surface side outermost piezoelectric layer 3 is disposed on the upper surface 2a side, and the lower surface side outermost piezoelectric layer 8 is disposed on the lower surface 2b side. A plurality of inner piezoelectric layers 4 to 7 are laminated between the upper surface side outermost piezoelectric layer 3 and the lower surface side outermost piezoelectric layer 8.

また、上面2a上に上面電極9が形成されており、下面2b上に下面電極10が形成されている。   An upper surface electrode 9 is formed on the upper surface 2a, and a lower surface electrode 10 is formed on the lower surface 2b.

また、積層圧電体2内においては、上方から順に複数の内部電極11〜15が形成されている。内部電極11〜15は、隣り合う圧電体層間に配置されており、第1の内部電極12,14と、第2の内部電極11,13,15とに区別される。   In the laminated piezoelectric body 2, a plurality of internal electrodes 11 to 15 are formed in order from above. The internal electrodes 11 to 15 are arranged between adjacent piezoelectric layers, and are distinguished into first internal electrodes 12 and 14 and second internal electrodes 11, 13 and 15.

第1の内部電極12,14と、第2の内部電極11,13,15とが、積層圧電体2の厚み方向において交互に配置されている。   The first internal electrodes 12, 14 and the second internal electrodes 11, 13, 15 are alternately arranged in the thickness direction of the laminated piezoelectric body 2.

なお、最外側の圧電体層である上面側最外層圧電体層3の厚み及び下面側最外層圧電体層8の厚みは、内側圧電体層4〜7の厚みよりも厚くされている。   The thickness of the uppermost piezoelectric layer 3 on the upper surface side and the thickness of the outermost piezoelectric layer 8 on the lower surface side, which are the outermost piezoelectric layers, are larger than the thicknesses of the inner piezoelectric layers 4-7.

上面側最外層圧電体層3、内側圧電体層4〜7及び下面側最外層圧電体層8は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような適宜の圧電セラミックスからなり、図示の矢印で示すように、厚み方向に分極処理されている。また、隣り合う圧電体層の分極方向が厚み方向に逆方向となるように、圧電体層3〜8が分極処理されている。   The upper surface side outermost piezoelectric layer 3, the inner piezoelectric layers 4 to 7, and the lower surface side outermost piezoelectric layer 8 are made of appropriate piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate ceramics, as indicated by the arrows in the figure. In addition, it is polarized in the thickness direction. In addition, the piezoelectric layers 3 to 8 are polarized so that the polarization directions of adjacent piezoelectric layers are opposite to the thickness direction.

図1(b)に示すように、第1,第2の外部電極16,17が積層圧電体2の側面に形成されている。第1の外部電極16は、上面電極9、下面電極10及び第1の内部電極12,14に電気的に接続されている。他方、第2の外部電極17は、第2の内部電極11,13,15に電気的に接続されている。   As shown in FIG. 1B, first and second external electrodes 16 and 17 are formed on the side surface of the laminated piezoelectric body 2. The first external electrode 16 is electrically connected to the upper surface electrode 9, the lower surface electrode 10, and the first internal electrodes 12 and 14. On the other hand, the second external electrode 17 is electrically connected to the second internal electrodes 11, 13, 15.

上記積層型圧電素子1の製造に際しては、まず、第1のマザーの圧電体グリーンシートを用意する。マザーの圧電体グリーンシート上に複数の第1の内部電極を印刷する。同様に、第2のマザーの圧電体グリーンシート上に複数の第2の内部電極を印刷する。次に、複数の第1の内部電極が印刷された第1のマザーの圧電体グリーンシートと、上記第2のマザーの圧電体グリーンシートとを交互に積層し、上下に無地のマザーの圧電体グリーンシートを積層し、マザーの積層体を得る。最外層圧電体層3,8を構成する圧電体グリーンシートのみ、内側圧電体層4〜7を構成するための圧電体グリーンシートよりも厚みが厚くされている。このマザーの積層体を厚み方向に圧着した後、切断することにより積層体生チップを得る。切断は、焼成後に行っても良い。   In manufacturing the multilayer piezoelectric element 1, first, a first mother piezoelectric green sheet is prepared. A plurality of first internal electrodes are printed on the mother piezoelectric green sheet. Similarly, a plurality of second internal electrodes are printed on the piezoelectric green sheet of the second mother. Next, a first mother piezoelectric green sheet on which a plurality of first internal electrodes are printed and the second mother piezoelectric green sheet are alternately stacked, and a plain mother piezoelectric body is vertically stacked. Laminate green sheets to obtain a mother laminate. Only the piezoelectric green sheets constituting the outermost piezoelectric layers 3 and 8 are thicker than the piezoelectric green sheets for constituting the inner piezoelectric layers 4 to 7. The mother laminate is pressure-bonded in the thickness direction and then cut to obtain a laminate raw chip. Cutting may be performed after firing.

この積層体生チップを焼成することにより、焼結体を得る。この焼結体の上面及び下面に上面電極9及び下面電極10を形成することにより、上記積層圧電体2を得ることができる。なお、上記上面電極9及び下面電極10は、焼結前にマザーの積層体段階で導電ペーストを印刷し、上記焼成により完成させてもよい。いずれにしても、上記積層圧電体2の製造は、周知のセラミックス一体焼成技術を用いて行われる。   The laminated green chip is fired to obtain a sintered body. The laminated piezoelectric body 2 can be obtained by forming the upper surface electrode 9 and the lower surface electrode 10 on the upper surface and the lower surface of the sintered body. The upper surface electrode 9 and the lower surface electrode 10 may be completed by printing a conductive paste at the mother laminate stage before sintering and sintering. In any case, the multilayer piezoelectric body 2 is manufactured using a well-known ceramic integrated firing technique.

図2(a)は、第1の内部電極12の平面形状を説明するための模式的平面図であり、図2(b)は第2の内部電極11の平面形状を説明するための模式的平面図である。第1の内部電極12は、積層圧電体2の平面形状よりも小さい矩形形状を有し、積層圧電体2の長辺側側面に引き出されている引出し部12aを有する引出し部11a以外の部分では、積層圧電体2の外表面よりも内側に位置している。   FIG. 2A is a schematic plan view for explaining a planar shape of the first internal electrode 12, and FIG. 2B is a schematic plan view for explaining the planar shape of the second internal electrode 11. It is a top view. The first internal electrode 12 has a rectangular shape smaller than the planar shape of the multilayer piezoelectric body 2, and is in a portion other than the lead portion 11 a having the lead portion 12 a led to the long side surface of the multilayer piezoelectric body 2. , Located on the inner side of the outer surface of the laminated piezoelectric body 2.

他方、図2(b)に示すように、第2の内部電極11は、同じく矩形形状を有し、ただし積層圧電体2の長辺側側面の一方の端面側に寄せられた位置に設けられた引出し部11aを有する。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, the second internal electrode 11 has a rectangular shape, but is provided at a position close to one end face side of the long side surface of the laminated piezoelectric body 2. It has a drawer part 11a.

図3に示されているように、第1の内部電極と第2の内部電極とが厚み方向において交互に配置されている。そして、上面電極9及び下面電極10は、第1の内部電極12と同様に、積層圧電体2の長辺側側面の中央に引き出されている引出し部9a,10aを有する。   As shown in FIG. 3, the first internal electrodes and the second internal electrodes are alternately arranged in the thickness direction. Similarly to the first internal electrode 12, the upper surface electrode 9 and the lower surface electrode 10 have extraction portions 9 a and 10 a that are extracted at the center of the long side surface of the multilayer piezoelectric body 2.

従って、第1の外部電極16に、上面電極9、下面電極10及び第2の内部電極11,13,15が電気的に接続されている。第2の外部電極17に、第2の内部電極11,13,15が電気的に接続されている。   Accordingly, the upper electrode 9, the lower electrode 10, and the second inner electrodes 11, 13, 15 are electrically connected to the first external electrode 16. The second internal electrodes 11, 13, 15 are electrically connected to the second external electrode 17.

これらの電極材料については特に限定されず、例えばAg、Ag−Pd、Al、Cuなどの適宜金属もしくは合金により形成することができる。   These electrode materials are not particularly limited, and can be formed from an appropriate metal or alloy such as Ag, Ag—Pd, Al, or Cu, for example.

上記積層圧電体2を得た後に、図1(a)に示すように、電圧を印加することにより分極処理が行われる。上面電極9、下面電極10及び第1の内部電極12,14にプラスの電位を、第2の内部電極11,13,15にマイナスの電位を印加する。具体的には、第1,第2の外部電極16,17間にこのような電位差を与えればよい。それによって、図示の矢印で示すように各圧電体層が上述したように分極処理される。この場合、上面側最外層圧電体層3及び下面側最外層圧電体層8の厚みが残りの圧電体層である内側圧電体層4〜7の厚みよりも厚くされているので、最外層圧電体層3,8の分極度は、内側圧電体層4〜7の分極度よりも低くなる。   After obtaining the laminated piezoelectric material 2, as shown in FIG. 1A, a polarization process is performed by applying a voltage. A positive potential is applied to the upper surface electrode 9, the lower surface electrode 10 and the first internal electrodes 12, 14, and a negative potential is applied to the second internal electrodes 11, 13, 15. Specifically, such a potential difference may be given between the first and second external electrodes 16 and 17. As a result, as shown by the arrows in the figure, each piezoelectric layer is polarized as described above. In this case, the thickness of the uppermost piezoelectric layer 3 and the lowermost piezoelectric layer 8 is set to be larger than the thickness of the inner piezoelectric layers 4 to 7 as the remaining piezoelectric layers. The degree of polarization of the body layers 3 and 8 is lower than the degree of polarization of the inner piezoelectric layers 4 to 7.

本実施形態の積層型圧電素子1では、最外層圧電体層3,8の分極度が相対的に低くされているため、使用時のクラックの発生を抑制することができる。これを以下においてより具体的に説明する。   In the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment, since the degree of polarization of the outermost piezoelectric layers 3 and 8 is relatively low, the occurrence of cracks during use can be suppressed. This will be described more specifically below.

使用に際しては、第1,第2の外部電極16,17間に電位が与えられる。使用時と分極時とで、内部電極と外部電極の接続を一部変更するように、内部電極の形状を工夫することで、図7のような変位を実現することができる。図7のような振動は、例えばバイモルフ構造を有する圧電素子で可能である。その結果、例えば、図7(a)に実線Aで示す変位状態または、図7(b)に実線Bで示す変位状態に破線の状態から変化することになる。例えば、第1の外部電極16にプラスの電位を、第2の外部電極17にマイナスの電位を与えた場合、図7(a)に示すように、最外層圧電体層3及び内側圧電体層5,6が電位方向に延び、内側圧電体層6,7及び下面側最外層圧電体層8が図面方向に収縮することになるため、図7(a)の変位状態Aが実現される。   In use, a potential is applied between the first and second external electrodes 16 and 17. 7 can be realized by devising the shape of the internal electrode so that the connection between the internal electrode and the external electrode is partially changed between use and polarization. The vibration as shown in FIG. 7 is possible with a piezoelectric element having a bimorph structure, for example. As a result, for example, the displacement state indicated by the solid line A in FIG. 7A or the displacement state indicated by the solid line B in FIG. For example, when a positive potential is applied to the first external electrode 16 and a negative potential is applied to the second external electrode 17, as shown in FIG. 7A, the outermost piezoelectric layer 3 and the inner piezoelectric layer 5 and 6 extend in the potential direction, and the inner piezoelectric layers 6 and 7 and the lower surface side outermost piezoelectric layer 8 contract in the drawing direction, so that the displacement state A in FIG. 7A is realized.

第1,第2の外部電極16,17に印加される電界の極性を逆転すると、図7(b)に示す変位状態Bが実現されることになる。いずれの場合においても、積層圧電体2においては、最外層圧電体層3または最外層圧電体層8を表面に大きな引張応力が加わることになる。この場合、全ての圧電体層の分極度が等しい場合には、最外側の圧電体層の表面に大きな引張応力が加わるため、図12に示す従来の積層圧電体1011のように積層圧電体1012の上面1012aまたは下面1012bの中央領域にクラックCが生じがちとなる。   When the polarities of the electric fields applied to the first and second external electrodes 16 and 17 are reversed, the displacement state B shown in FIG. 7B is realized. In any case, in the laminated piezoelectric body 2, a large tensile stress is applied to the surface of the outermost piezoelectric layer 3 or the outermost piezoelectric layer 8. In this case, when all the piezoelectric layers have the same degree of polarization, a large tensile stress is applied to the surface of the outermost piezoelectric layer, so that the laminated piezoelectric material 1012 as in the conventional laminated piezoelectric material 1011 shown in FIG. Crack C tends to occur in the central region of the upper surface 1012a or the lower surface 1012b.

これに対して、本実施形態の積層型圧電素子1では、このようなクラックCの発生を抑制することができる。これは、以下の理由による。分極処理に際し、分極用電界Eが圧電体層に加わることになる。この場合、図4(a)に模式的に示すように圧電体層を形成している各ドメインDに、矢印Eで示す電界が印加される。なお、ドメインD中の矢印は、各ドメインにおける分極軸方向である。上記電界Eが加わると、ドメインDの分極軸方向が変化され、図4(b)に示すように、多数のドメインDの分極軸方向が分極用電界Eの方向に沿って揃うこととなる。なお、中には、電界Eの方向に分極軸方向が揃わないドメインDも存在する。   On the other hand, in the multilayer piezoelectric element 1 of the present embodiment, the occurrence of such cracks C can be suppressed. This is due to the following reason. In the polarization process, a polarization electric field E is applied to the piezoelectric layer. In this case, an electric field indicated by an arrow E is applied to each domain D forming the piezoelectric layer as schematically shown in FIG. In addition, the arrow in the domain D is the polarization axis direction in each domain. When the electric field E is applied, the polarization axis direction of the domain D is changed, and the polarization axis directions of many domains D are aligned along the direction of the polarization electric field E as shown in FIG. In addition, there is also a domain D in which the polarization axis direction is not aligned with the direction of the electric field E.

この場合、図4(a)において、分極用電界Eの方向と分極軸方向が等しいドメインDや分極用電界Eの方向と分極軸方向が余り変わらないドメインDの分極軸方向は、電界Eの印加により、電界Eとほぼ同じ方向となる。これに対して、分極用電界Eの方向と逆方向の分極軸方向の場合には、分極処理を施しても、分極用電界Eの大きさによっては、分極軸方向は変化しない。また、分極用電界Eの方向と分極軸方向が大きな角度をなしている場合、例えば90°の角度をなしている場合には、分極用電界Eが印加されると、分極軸方向が大きく変化することとなる。   In this case, in FIG. 4A, the polarization axis direction of the domain D in which the direction of the polarization electric field E and the polarization axis direction are the same or the domain D in which the polarization electric field E direction and the polarization axis direction are not much different is When applied, the direction is substantially the same as the electric field E. On the other hand, in the case of the polarization axis direction opposite to the direction of the polarization electric field E, the polarization axis direction does not change depending on the magnitude of the polarization electric field E even if the polarization process is performed. Further, when the direction of the polarization electric field E and the polarization axis direction are at a large angle, for example, at an angle of 90 °, when the polarization electric field E is applied, the polarization axis direction changes greatly. Will be.

分極用電界Eが加わった場合に、分極軸方向が大きく変化するドメインの場合、図5に示すように、分極前には、分極用電界Eの方向と直交する方向の寸法Sであったのが、分極歪を受け、Sと小さくなる。これは、ドメインの分極軸方向が分極用電界方向に揃えられる際に、分極用電界Eの方向と直交する方向に収縮することになる。すなわち、分極に際しドメインが回転する量が大きいほど、言い換えれば分極度が高くなるほど、上記分極による歪が大きくなり、分極電界Eの方向と直交する方向の寸法は小さくなる。 In the case of a domain in which the polarization axis direction changes greatly when the polarization electric field E is applied, the dimension S 0 in the direction orthogonal to the direction of the polarization electric field E is before polarization as shown in FIG. the is, it received a polarization distortion, small and S 1. This contracts in a direction orthogonal to the direction of the polarization electric field E when the domain polarization axis direction is aligned with the polarization electric field direction. That is, the greater the amount of domain rotation during polarization, in other words, the higher the degree of polarization, the greater the strain due to the polarization and the smaller the dimension in the direction orthogonal to the direction of the polarization electric field E.

本実施形態では、分極に際し、最外層圧電体層3,8の厚みが相対的に厚いため、分極に際して厚み方向に加わる電界の大きさは、内側圧電体層4〜7に比べて低くなる。そのため、最外層圧電体層3,8における分極歪は相対的に内側圧電体層4,7における分極歪に対して相対的に小さくなる。その結果、図6に模式的に示すように、最外層圧電体層3における分極度が低く、分極歪が小さいため、最外層圧電体層3を圧縮応力Fが、内側圧電体層4には引張応力Gが付与される。   In the present embodiment, the thickness of the outermost piezoelectric layers 3 and 8 is relatively large during polarization, so that the magnitude of the electric field applied in the thickness direction during polarization is lower than that of the inner piezoelectric layers 4 to 7. Therefore, the polarization strain in the outermost piezoelectric layers 3 and 8 is relatively smaller than the polarization strain in the inner piezoelectric layers 4 and 7. As a result, as schematically shown in FIG. 6, since the degree of polarization in the outermost piezoelectric layer 3 is low and the polarization strain is small, the outermost piezoelectric layer 3 has a compressive stress F, and the inner piezoelectric layer 4 has A tensile stress G is applied.

このようにして、上面側最外層圧電体層3に面方向における圧縮応力が付与されることになる。同様に、下面側最外層圧電体層8においても面方向に圧縮応力が付与されることとなる。   In this way, compressive stress in the surface direction is applied to the upper surface side outermost piezoelectric layer 3. Similarly, a compressive stress is applied to the lower surface side outermost piezoelectric layer 8 in the surface direction.

従って、積層型圧電素子1では、積層圧電体2の駆動に際し、図7(a)または(b)に示す変位状態AまたはBが実現され、最外層圧電体層3または最外層圧電体層8の外表面に大きな引張応力が加わったとしても、上記圧縮応力が予め付与されているので、変位を抑制し、それによってクラックの発生が抑制されている。   Therefore, in the multilayer piezoelectric element 1, the displacement state A or B shown in FIG. 7A or 7B is realized when the multilayer piezoelectric body 2 is driven, and the outermost piezoelectric layer 3 or the outermost piezoelectric layer 8 is realized. Even if a large tensile stress is applied to the outer surface, the compressive stress is applied in advance, so that the displacement is suppressed, thereby suppressing the occurrence of cracks.

次に、具体的な実験例につき説明する。   Next, specific experimental examples will be described.

第1の実施形態に従って、以下の容量で積層圧電体を作製した。チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスラリーを用い、厚み20μmの圧電体グリーンシートを得た。次に、圧電体グリーンシート上に、AgとPdを重量比で8:2の割合で含むAg/Pd導電ペーストを1.0μmの厚みにスクリーン印刷した。このようにして得られたマザーの圧電体グリーンシートを各実施形態の製造方法に従って、複数枚積層し、ただし焼結後の厚みが内側の圧電体層と最外層の圧電体層とが異なるように、複数種の圧電体グリーンシートを用いた。このようにして、内部電極積層数が14層のマザーの積層体を得た。   In accordance with the first embodiment, a laminated piezoelectric material was manufactured with the following capacity. Using a lead zirconate titanate ceramic slurry, a piezoelectric green sheet having a thickness of 20 μm was obtained. Next, an Ag / Pd conductive paste containing Ag and Pd at a weight ratio of 8: 2 was screen-printed on a piezoelectric green sheet to a thickness of 1.0 μm. A plurality of mother piezoelectric green sheets obtained in this way are laminated according to the manufacturing method of each embodiment, but the thickness after sintering is different between the inner piezoelectric layer and the outermost piezoelectric layer. A plurality of types of piezoelectric green sheets were used. In this way, a mother laminate having 14 internal electrode layers was obtained.

しかる後、脱バインダー工程を実施した後、積層体を1000℃で焼成し、マザーの焼結体を得た。このマザーの焼結体をダイサーにより切断し、17mm×17mm×厚み0.3mmのチップを得た。このチップにおいて、内部電極積層数は14層であり、内側圧電体層の厚みは17μmであり、最外層の圧電体層は下記の表1に示すように、16、25または32μmとした。   Thereafter, after performing the binder removal step, the laminate was fired at 1000 ° C. to obtain a mother sintered body. This mother sintered body was cut with a dicer to obtain a chip of 17 mm × 17 mm × thickness 0.3 mm. In this chip, the number of laminated internal electrodes was 14, the thickness of the inner piezoelectric layer was 17 μm, and the outermost piezoelectric layer was 16, 25, or 32 μm as shown in Table 1 below.

次に、第1,第2の外部電極並びに上面電極及び下面電極を、Niを63重量%以上、Cuを30重量%含むモネル合金により形成した。厚みは0.2μmとした。しかる後、第1,第2の外部電極16,17間に3.0kV/mmの電界を2分間印加し、分極処理を行った。   Next, the first and second external electrodes, the upper surface electrode, and the lower surface electrode were formed of a Monel alloy containing 63 wt% or more of Ni and 30 wt% of Cu. The thickness was 0.2 μm. Thereafter, an electric field of 3.0 kV / mm was applied between the first and second external electrodes 16 and 17 for 2 minutes to perform polarization treatment.

このようにして、下記の表1に示す試料番号1〜4の圧電素子を得た。   In this way, piezoelectric elements of sample numbers 1 to 4 shown in Table 1 below were obtained.

Figure 2010161286
Figure 2010161286

上記のようにして得られた複数種の積層型圧電素子において、最外層圧電体層に加わる分極電界と、内側圧電体層の分極に際し加わる分極電解の比を求めた。この分極電界比を下記の表2に示す。   In the plurality of types of laminated piezoelectric elements obtained as described above, the ratio of the polarization electric field applied to the outermost piezoelectric layer and the polarization electrolysis applied during the polarization of the inner piezoelectric layer was determined. The polarization electric field ratio is shown in Table 2 below.

上記複数種の積層型圧電素子につき、上記分極電界比に対する圧縮応力、すなわち、最外層圧電体層に付与される圧縮応力と、湿中駆動試験における故障時間と、変位量とを以下の要領で求めた。   For the plurality of types of stacked piezoelectric elements, the compressive stress with respect to the polarization electric field ratio, that is, the compressive stress applied to the outermost piezoelectric layer, the failure time in the wet driving test, and the displacement amount are as follows. Asked.

1)圧縮応力
μ−XRDスペクトルにより、PZT相の222ピークを用いて、試料中央部すなわち圧電体層中の応力を測定した。X線回折では、試料のあおり方向(ψ)の角度を変更し、それぞれにあおり角度で測定した。試料に応力が存在すると、あおり角ψが大きいほど、ピークがシフトする。このシフト量から応力を求めることができる。試料番号1におけるピークシフト量を100%とした場合の圧縮応力の比率を、圧縮応力付与率とし、下記の表2に示す。
1) Compressive stress Using the μ-XRD spectrum, the stress in the central portion of the sample, that is, the piezoelectric layer was measured using the 222 peak of the PZT phase. In the X-ray diffraction, the angle in the tilt direction (ψ) of the sample was changed, and each sample was measured with the tilt angle. When stress is present in the sample, the peak shifts as the tilt angle ψ increases. The stress can be obtained from this shift amount. The ratio of the compressive stress when the peak shift amount in sample number 1 is 100% is defined as the compressive stress application rate and is shown in Table 2 below.

Figure 2010161286
Figure 2010161286

2)湿中駆動試験における故障開始時間
信頼性を評価するために、60℃相対湿度95%の雰囲気中で、駆動周波数を15Hzとし、12Vの駆動電圧を印加し、故障に至るまでの時間を求めた。
2) Failure start time in driving test in humidity In order to evaluate the reliability, the drive frequency was set to 15 Hz in a 60 ° C. and 95% relative humidity atmosphere, and a drive voltage of 12 V was applied. Asked.

結果を表3に示す。   The results are shown in Table 3.

Figure 2010161286
Figure 2010161286

3)変位量の測定
15Hzの駆動周波数で12Vの電圧を印加し、変位量を測定した。結果を下記の表4に示す。
3) Measurement of displacement amount A voltage of 12 V was applied at a driving frequency of 15 Hz, and the displacement amount was measured. The results are shown in Table 4 below.

Figure 2010161286
Figure 2010161286

表2〜表4から明らかなように、本発明の実施例に相当する試料番号2,3では、最外層圧電体層に圧縮応力が相対的に付与され、そのため、試料番号1の積層型圧電素子に比べ、湿中試験における故障開始時間が遥かに長く、信頼性に優れていることがわかる。   As is apparent from Tables 2 to 4, in Sample Nos. 2 and 3 corresponding to the examples of the present invention, a compressive stress is relatively applied to the outermost piezoelectric layer. It can be seen that the failure start time in the humidity test is much longer than that of the device, and the reliability is excellent.

また、試料番号4の積層型圧電素子では、上面電極及び下面電極を形成しなかったが、この試料番号4に比べ、試料番号2,3の積層型圧電素子では、大きな変位量の得られることがわかる。   Further, in the laminated piezoelectric element of sample number 4, the upper surface electrode and the lower surface electrode were not formed, but in comparison with this sample number 4, the laminated piezoelectric element of sample numbers 2 and 3 can obtain a large amount of displacement. I understand.

なお、積層型圧電素子の最外層圧電体層における変位を内側の圧電体層の半分以下とするには、すなわち大きな変位量とクラック防止とのバランスを図る上には、最外層圧電体層の分極度は、内側圧電体層の分極度の30%以上とすることが望ましい。この場合に、信頼性が大幅に高められることとなる。従って、本実施形態では、好ましくは、最外層圧電体層の厚みを、内側圧電体層の厚みの3.3倍以下とすることが望ましく、その場合には、第1,第2の外部電極を用いて電極処理を施した場合、最外層圧電体層の分極度を確実に内側圧電体層の30%以上とすることができる。   In order to make the displacement of the outermost piezoelectric layer of the multilayer piezoelectric element less than half of that of the inner piezoelectric layer, that is, in order to balance a large amount of displacement and crack prevention, The polarization degree is desirably 30% or more of the polarization degree of the inner piezoelectric layer. In this case, the reliability is greatly improved. Therefore, in the present embodiment, it is preferable that the thickness of the outermost piezoelectric layer is not more than 3.3 times the thickness of the inner piezoelectric layer. In this case, the first and second external electrodes When the electrode treatment is performed using the outermost piezoelectric layer, the degree of polarization of the outermost piezoelectric layer can surely be 30% or more of the inner piezoelectric layer.

図8は、本発明の第2の実施形態に係る積層型圧電素子の分極方法を説明するための正面断面図であり、図10は分極の際の分極用電極が積層型圧電体表面に形成されている構造を示す斜視図である。本実施形態では、積層圧電体22は、厚みが等しい複数の圧電体層23〜28を有する。すなわち、最外層圧電体層23,28は、内側圧電体層24〜27と等しい厚みとされている。そして、積層圧電体22の上面22aには、上面電極29が形成されており、下面22bには下面電極30が形成されている。複数の内部電極31〜35は、隣り合う圧電体層間に配置されている。   FIG. 8 is a front cross-sectional view for explaining a polarization method of the multilayer piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows that a polarization electrode for polarization is formed on the surface of the multilayer piezoelectric body. It is a perspective view which shows the structure made. In the present embodiment, the laminated piezoelectric body 22 has a plurality of piezoelectric layers 23 to 28 having the same thickness. That is, the outermost piezoelectric layers 23 and 28 have the same thickness as the inner piezoelectric layers 24 to 27. An upper surface electrode 29 is formed on the upper surface 22a of the multilayer piezoelectric body 22, and a lower surface electrode 30 is formed on the lower surface 22b. The plurality of internal electrodes 31 to 35 are disposed between adjacent piezoelectric layers.

図9(a)は、上面電極29の電極パターンを示す平面図であり、積層圧電体22の一方の長辺側側面中央に引き出されている引出し部29aが設けられている。同様に、下面電極30にも、積層圧電体22の一方の長辺側側面中央に引き出された引出し部が設けられている。   FIG. 9A is a plan view showing an electrode pattern of the upper surface electrode 29, and an extraction portion 29 a that is extracted at the center of one long side side surface of the laminated piezoelectric body 22 is provided. Similarly, the lower surface electrode 30 is also provided with a lead-out portion that is led out to the center of one long-side side surface of the multilayer piezoelectric body 22.

第1の内部電極32,34は、図9(c)に示すように、積層圧電体22の一方の長辺側側面において、一端側に寄せられた位置に設けられた引出し部32aを有する。内部電極34も、同様の位置に設けられた引出し部を有する。   As shown in FIG. 9C, the first internal electrodes 32 and 34 have a lead portion 32 a provided at a position close to one end side on one long side side surface of the laminated piezoelectric body 22. The internal electrode 34 also has a lead portion provided at the same position.

他方、第2の内部電極31は、図9(b)に示すように、積層圧電体22の一方の長辺側側面において、一方端側に寄せられた位置に設けられた引出し部31aを有する。他の第2の内部電極33,35も、同じ位置に引出し部を有する。図10に示すように、上面電極29の引出し部29aに電気的に接続されるように、第1の分極用電極41が設けられている。第1の分極用電極41は、下面電極30にも電気的に接続されている。他方、第1の内部電極32,34の引出し部32aに電気的に接続されるように第2の分極用外部電極42が形成されている。   On the other hand, as shown in FIG. 9B, the second internal electrode 31 has a lead portion 31 a provided at a position close to one end side on one long side surface of the laminated piezoelectric body 22. . The other second internal electrodes 33 and 35 also have lead portions at the same position. As shown in FIG. 10, the first polarization electrode 41 is provided so as to be electrically connected to the lead portion 29 a of the upper surface electrode 29. The first polarization electrode 41 is also electrically connected to the lower surface electrode 30. On the other hand, a second polarization external electrode 42 is formed so as to be electrically connected to the lead portion 32a of the first internal electrodes 32, 34.

さらに、第2の内部電極31の引出し部31aに電気的に接続されるように、積層圧電体22の一方の長辺側側面において、端部に寄せられて第3の分極用電極43が形成されている。   Further, the third polarization electrode 43 is formed by being brought close to the end on one long side surface of the laminated piezoelectric body 22 so as to be electrically connected to the lead portion 31 a of the second internal electrode 31. Has been.

第1〜第3の分極用電極41〜43に、図8に示すように、V、2V、0〔V〕の電圧を印加する。このようにして、圧電体層23〜28が図8の矢印で示すように分極処理される。この場合、最外層圧電体層23,28には、電圧Vの直流電界Eが印加され、他の内側圧電体層24〜27には、2V−0=2Vの電圧に相当する電界Eが印加されることになる。従って、最外層圧電体層23,28に加わる電界強度Eは、内側圧電体層24〜27に加わる電界強度Eの半分となり、最外層圧電体層23,28の分極度が相対的に低くなる。 As shown in FIG. 8, voltages V 1 , 2V 1 , and 0 [V] are applied to the first to third polarization electrodes 41 to 43. In this manner, the piezoelectric layers 23 to 28 are polarized as shown by arrows in FIG. In this case, a DC electric field E 1 having a voltage V 1 is applied to the outermost piezoelectric layers 23 and 28, and the other inner piezoelectric layers 24 to 27 correspond to a voltage of 2V 1 −0 = 2V 1. so that the electric field E 0 is applied. Therefore, the electric field strength E 1 applied to the outermost piezoelectric layers 23 and 28 is half of the electric field strength E 0 applied to the inner piezoelectric layers 24 to 27, and the degree of polarization of the outermost piezoelectric layers 23 and 28 is relatively high. Lower.

よって、本実施形態においても第1の実施形態と同様に、最外層圧電体層23,28の分極度が相対的に低いため、分極歪の差による圧縮応力が最外層圧電体層23,28に付与されることとなる。   Therefore, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the degree of polarization of the outermost piezoelectric layers 23 and 28 is relatively low, so that the compressive stress due to the difference in polarization strain is applied to the outermost piezoelectric layers 23 and 28. Will be granted.

次に、図11に示すように、第1,第2の分極用電極41,42を電気的に接続するように電極膜を形成することにより、第1の外部電極46が形成される。そして、第3の分極用電極43を第2の外部電極として用い、両外部電極間に電圧を印加することにより、第1の実施形態と同様に駆動することができる。   Next, as shown in FIG. 11, the first external electrode 46 is formed by forming an electrode film so as to electrically connect the first and second polarization electrodes 41 and 42. Then, the third polarization electrode 43 is used as the second external electrode, and a voltage can be applied between the external electrodes to drive the same as in the first embodiment.

本実施形態においても、最外層圧電体層23,28の分極度が相対的に低くされているので、第1の実施形態の積層型圧電素子と同様に、最外層圧電体層における変位を抑制し、クラックの発生を確実に抑制することが可能となる。   Also in this embodiment, since the degree of polarization of the outermost piezoelectric layers 23 and 28 is relatively low, the displacement in the outermost piezoelectric layer is suppressed as in the stacked piezoelectric element of the first embodiment. As a result, the occurrence of cracks can be reliably suppressed.

第2の実施形態においても、最外層圧電体層23,28の分極度は相対的に低ければよいが、内側圧電体層24〜27の分極度の30%以上とすることが、十分な変位量でクラックを抑制する上で好ましい。従って、内側圧電体層を加える電界強度の3/10以上の電界強度を与えて最外層圧電体層23,28を分極処理することが望ましい。それによって、湿中試験における故障停止に至る時間10倍程度長くすることが可能となる。   Also in the second embodiment, the degree of polarization of the outermost piezoelectric layers 23 and 28 only needs to be relatively low, but it is sufficient that the degree of polarization of the inner piezoelectric layers 24 to 27 is 30% or more. It is preferable in terms of suppressing cracks by the amount. Therefore, it is desirable to polarize the outermost piezoelectric layers 23 and 28 by applying an electric field strength of 3/10 or more of the electric field strength applied to the inner piezoelectric layer. As a result, it is possible to lengthen the time to failure stop in the humidity test by about 10 times.

第1,第2の実施形態から明らかなように、最外層圧電体層の分極度が相対的に低ければ、最外層圧電体層の厚みは内側圧電体層と等しくともよく、異なっていてもよい。   As is clear from the first and second embodiments, if the degree of polarization of the outermost piezoelectric layer is relatively low, the thickness of the outermost piezoelectric layer may be equal to or different from that of the inner piezoelectric layer. Good.

第2の実施形態では、全ての圧電体層23〜28の厚みが等しいため、用意する圧電体グリーンシートの種類を少なくすることができ、積層圧電体22を容易に得ることができる。これに対して、第1の実施形態では、分極に際し、複雑な電気的接続構造を必要とせず、最終的に用いられる第1,第2の外部電極をそのまま第1,第2の分極用電極として用いることができるので、分極工程の簡略化及び製造工程の簡略化を図ることができる。   In the second embodiment, since the thicknesses of all the piezoelectric layers 23 to 28 are equal, the types of piezoelectric green sheets to be prepared can be reduced, and the laminated piezoelectric body 22 can be easily obtained. On the other hand, in the first embodiment, no complicated electrical connection structure is required for polarization, and the first and second external electrodes that are finally used are directly used as the first and second polarization electrodes. Therefore, the polarization process and the manufacturing process can be simplified.

1…積層型圧電素子
2…積層圧電体
2a…上面
2b…下面
3…上面側最外層圧電体層
4〜7…内側圧電体層
8…下面側最外層圧電体層
9…上面電極
9a…引出し部
10…下面電極
10a…引出し部
11,13,15…第2の内部電極
11a…引出し部
12,14…第1の内部電極
12a…引出し部
16…第1の外部電極
17…第2の外部電極
22…積層圧電体
22a…上面
22b…下面
23,28…最外層圧電体層
24〜27…内側圧電体層
29…上面電極
29a…引出し部
30…下面電極
31,33,35…第2の内部電極
31a…引出し部
32,34…第1の内部電極
32a…引出し部
34…内部電極
41…第1の分極用電極
42…第2の分極用外部電極
43…第3の分極用電極
46…第1の外部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated piezoelectric element 2 ... Laminated piezoelectric body 2a ... Upper surface 2b ... Lower surface 3 ... Upper surface side outermost layer piezoelectric material layer 4-7 ... Inner piezoelectric material layer 8 ... Lower surface side outermost layer piezoelectric material layer 9 ... Upper surface electrode 9a ... Lead-out Part 10: Bottom electrode 10a ... Leader part 11, 13, 15 ... Second internal electrode 11a ... Leader part 12, 14 ... First internal electrode 12a ... Leader part 16 ... First external electrode 17 ... Second external part Electrode 22 ... Laminated piezoelectric material 22a ... Upper surface 22b ... Lower surface 23,28 ... Outermost layer piezoelectric material layer 24-27 ... Inner piezoelectric material layer 29 ... Upper surface electrode 29a ... Leader portion 30 ... Lower surface electrodes 31,33,35 ... Second Internal electrode 31a ... leader 32,34 ... first internal electrode 32a ... leader 34 ... internal electrode 41 ... first polarization electrode 42 ... second polarization external electrode 43 ... third polarization electrode 46 ... First external electrode

Claims (7)

上面と、下面とを有する積層圧電体と、
前記積層圧電体の外表面に形成された第1及び第2の外部電極とを備え、
前記積層圧電体が、上面側及び下面側にそれぞれ配置された上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層と、上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層間に積層された内側圧電体層と、前記上面及び下面にそれぞれ形成された上面電極及び下面電極と、隣り合う圧電体層間に配置された内部電極とを備え、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くされている、積層型圧電素子。
A laminated piezoelectric body having an upper surface and a lower surface;
First and second external electrodes formed on the outer surface of the multilayer piezoelectric body,
The laminated piezoelectric material is laminated between an upper surface side outermost layer piezoelectric material layer and a lower surface side outermost layer piezoelectric material layer disposed on the upper surface side and the lower surface side, respectively, and between the upper surface side outermost layer piezoelectric material layer and the lower surface side outermost layer piezoelectric material layer. An inner piezoelectric layer, and upper and lower electrodes formed on the upper and lower surfaces, respectively, and an internal electrode disposed between adjacent piezoelectric layers,
The multilayer piezoelectric element, wherein a degree of polarization of the upper surface side outermost piezoelectric layer and a lower surface side outermost piezoelectric layer is lower than that of the inner piezoelectric layer.
前記上面電極及び下面電極が前記第1の外部電極に電気的に接続されており、前記内部電極が、前記第1の外部電極に電気的に接続されている第1の内部電極と、前記第2の外部電極に電気的に接続されている第2の内部電極とを有する、請求項1に記載の積層型圧電素子。   The upper surface electrode and the lower surface electrode are electrically connected to the first external electrode, the internal electrode is electrically connected to the first external electrode, and the first electrode The multilayer piezoelectric element according to claim 1, further comprising: a second internal electrode electrically connected to the two external electrodes. 前記最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層よりも厚くされている、請求項1または2に記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein a thickness of the outermost piezoelectric layer is larger than that of the inner piezoelectric layer. 前記最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しくされている、請求項1または2に記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein a thickness of the outermost piezoelectric layer is equal to a thickness of the inner piezoelectric layer. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層型圧電素子の製造方法であって、
上面側最外層圧電体層、下面側最外層圧電体層、第1及び第2の外部電極、上面電極並びに下面電極を有する前記積層型圧電体を用意する工程と、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の分極度が、前記内側圧電体層の分極度よりも低くなるように積層型圧電体を分極処理する工程とを備える、積層型圧電素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the lamination type piezoelectric element given in any 1 paragraph of Claims 1-4,
Preparing the multilayer piezoelectric body having an upper surface side outermost piezoelectric layer, a lower surface side outermost piezoelectric layer, first and second external electrodes, an upper surface electrode, and a lower surface electrode;
A step of polarizing the laminated piezoelectric body so that the degree of polarization of the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer is lower than the degree of polarization of the inner piezoelectric layer. A method for manufacturing a piezoelectric element.
前記積層型圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが前記内側圧電体層の厚みよりも厚い積層圧電体を用意し、
前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層並びに内側圧電体層に同じ大きさの電界を印加して分極処理を行う、請求項5に記載の積層型圧電素子の製造方法。
In the step of preparing the multilayer piezoelectric body, a multilayer piezoelectric body is prepared in which the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer are thicker than the inner piezoelectric layer,
6. The method of manufacturing a multilayer piezoelectric element according to claim 5, wherein polarization processing is performed by applying an electric field of the same magnitude to the upper surface side outermost piezoelectric layer, the lower surface side outermost piezoelectric layer, and the inner piezoelectric layer.
前記積層圧電体を用意する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層の厚みが、前記内側圧電体層の厚みと等しい積層圧電体を用意し、
前記積層圧電体を分極する工程において、前記上面側最外層圧電体層及び下面側最外層圧電体層に、前記内側圧電体層に比べて弱い電界を印加して分極を行う、請求項5に記載の積層圧電素子の製造方法。
In the step of preparing the laminated piezoelectric material, a laminated piezoelectric material is prepared in which the thickness of the uppermost piezoelectric layer and the lowermost piezoelectric layer is equal to the thickness of the inner piezoelectric layer,
6. In the step of polarizing the laminated piezoelectric material, polarization is performed by applying a weak electric field to the upper surface side outermost piezoelectric layer and the lower surface side outermost piezoelectric layer as compared with the inner piezoelectric layer. The manufacturing method of the lamination piezoelectric element of description.
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