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JP2012079814A - Piezoelectric element - Google Patents

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JP2012079814A JP2010221709A JP2010221709A JP2012079814A JP 2012079814 A JP2012079814 A JP 2012079814A JP 2010221709 A JP2010221709 A JP 2010221709A JP 2010221709 A JP2010221709 A JP 2010221709A JP 2012079814 A JP2012079814 A JP 2012079814A
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

【課題】外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止するとともに、補強板が圧電素子を拘束してクラックが生じるのを防止し、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持できる圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電層111と内部電極112とが交互に積層され、電圧の印加により伸縮する矩形の圧電素子100であって、積層面に平行に層面が形成され、伸縮による応力を緩和する応力緩和層117と、側面に設けられた外部電極115と、外部電極115に接着され、一部に空隙を有する金属製の補強板120と、を備え、補強板120は、空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる程度に薄く形成され、空隙より外側の部分が外部電極120に拘束されずに応力緩和層117で区切られる空隙より内側の部分を連結する。
【選択図】図2
An object of the present invention is to prevent fatigue failure at an unselected portion of an external electrode and prevent a reinforcing plate from restraining a piezoelectric element from cracking, thereby causing selective fatigue failure at the reinforcing plate and the external electrode. Provides a piezoelectric element capable of maintaining electrical connection.
A rectangular piezoelectric element 100 in which piezoelectric layers 111 and internal electrodes 112 are alternately stacked and expands and contracts when a voltage is applied, the layer surface being formed in parallel to the stacked surface and stress that relieves stress due to expansion and contraction. A relaxation layer 117, an external electrode 115 provided on a side surface, and a metal reinforcing plate 120 bonded to the external electrode 115 and having a gap in part, the reinforcing plate 120 having a portion inside the gap. It is formed thin enough to selectively cause fatigue failure, and the portion outside the gap is not constrained by the external electrode 120 and the portion inside the gap defined by the stress relaxation layer 117 is connected.
[Selection] Figure 2

Description

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矩形の圧電素子に関する。   The present invention relates to a rectangular piezoelectric element in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and expands and contracts when a voltage is applied.

積層型の圧電素子は、圧電層と交互に積層された内部電極に電圧を印加することで伸縮させることができ、たとえばシリコンウエハを保持したステージの位置決めに応用されている。伸縮の際には、内部電極が重なりあい電界が掛かる活性部の変形に対し、電界が掛からない非活性部には大きな引っ張り応力が発生し易く、破壊が生じるおそれがある。このため非活性部に応力緩和層を設け、応力を緩和する構造が提案されている。   A laminated piezoelectric element can be expanded and contracted by applying a voltage to internal electrodes alternately laminated with piezoelectric layers, and is applied to, for example, positioning a stage holding a silicon wafer. During expansion and contraction, the internal electrode overlaps and the active portion deforms where an electric field is applied. However, a large tensile stress is easily generated in the non-active portion where no electric field is applied, which may cause destruction. For this reason, a structure has been proposed in which a stress relaxation layer is provided in the inactive portion to relieve stress.

しかし、応力緩和層部分には大きな変形が生じるため、内部電極を接続する外部電極が疲労破壊を起こしうる。この対策として、外部電極にリード線を埋めたり、伸縮性のある導電性接着剤を用いて波線状のリード線を付けたり、リード線を複数付けたりする技術が提案されている。   However, since a large deformation occurs in the stress relaxation layer portion, the external electrode connecting the internal electrodes can cause fatigue failure. As countermeasures, techniques have been proposed in which lead wires are embedded in external electrodes, wavy lead wires are attached using a stretchable conductive adhesive, or a plurality of lead wires are attached.

たとえば、特許文献1記載の積層型圧電素子は、あらかじめ溝を切った板で外部電極を補強しつつ、外部電極付近に掛かる応力を緩和している。また、特許文献2記載の積層型圧電素子は、予定亀裂位置で疲労破壊が起きても電圧が供給されるように複数の電線をつないでいる。   For example, the multilayer piezoelectric element described in Patent Document 1 relieves stress applied in the vicinity of the external electrode while reinforcing the external electrode with a plate having a groove cut in advance. In addition, the multilayer piezoelectric element described in Patent Document 2 connects a plurality of electric wires so that a voltage is supplied even if fatigue failure occurs at a planned crack position.

特開2010−74033号公報JP 2010-74033 A 特開2010−109057号公報JP 2010-109057 A

上記のように、従来の積層型圧電素子には、応力緩和層部分の外部電極が疲労破壊を起こしうるという問題がある。図10は、従来の圧電素子600を示す正面図である。外部電極615にリード線620を接着して補強しているが、応力緩和層617の位置でクラック641が生じ、外部電極615およびリード線620が破壊されている。   As described above, the conventional multilayer piezoelectric element has a problem that the external electrode in the stress relaxation layer portion can cause fatigue failure. FIG. 10 is a front view showing a conventional piezoelectric element 600. The lead wire 620 is adhered and reinforced to the external electrode 615, but a crack 641 is generated at the position of the stress relaxation layer 617, and the external electrode 615 and the lead wire 620 are broken.

しかし、これに対し厚いリード線を用いて対処すると、リード線の拘束によって外部電極付近にクラックが生じうる。図11は、従来の圧電素子700を示す正面図である。外部電極715に厚いリード線720を接着しているが、リード線720の拘束によって外部電極715付近にクラック741が生じている。   However, if this is dealt with using a thick lead wire, cracks may occur in the vicinity of the external electrode due to the restraint of the lead wire. FIG. 11 is a front view showing a conventional piezoelectric element 700. Although the thick lead wire 720 is bonded to the external electrode 715, a crack 741 is generated near the external electrode 715 due to the restraint of the lead wire 720.

上記の特許文献1記載の圧電素子のように、あらかじめ外部電極を補強する板に溝を切っておき、外部電極付近に掛かる応力を緩和することも考えられるが、必ずしも応力緩和層付近に切れ目が存在しないため、そこを基点に疲労破壊を起こし破断しうる。また、特許文献2記載のように電圧が供給されるようにリード線をつなぐことも考えられるが、作製作業が煩雑になる。   As in the piezoelectric element described in Patent Document 1, it is conceivable to cut a groove in a plate that reinforces the external electrode in advance to relieve the stress applied to the vicinity of the external electrode. Since it does not exist, fatigue fracture can occur from that point and break. Moreover, although it is conceivable to connect the lead wires so that a voltage is supplied as described in Patent Document 2, the manufacturing work becomes complicated.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止するとともに、補強板が圧電素子を拘束してクラックが生じるのを防止し、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持できる圧電素子を提供すること目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and prevents fatigue destruction of unselected locations in the external electrode and prevents the reinforcing plate from restraining the piezoelectric element from causing cracks, An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that can maintain electrical connection even when selective fatigue failure occurs in a reinforcing plate and external electrodes.

(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矩形の圧電素子であって、積層面に平行に層面が形成され、伸縮による応力を緩和する応力緩和層と、側面に設けられた外部電極と、前記外部電極に接着され、一部に空隙を有する金属製の補強板と、を備え、前記補強板は、前記空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる程度に薄く形成され、前記空隙より外側の部分が前記外部電極に拘束されずに前記応力緩和層で区切られる前記空隙より内側の部分を連結することを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric element of the present invention is a rectangular piezoelectric element in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked and expands and contracts by application of a voltage, and the layer surface is parallel to the stacked surface. And a stress relieving layer that relieves stress due to expansion and contraction, an external electrode provided on a side surface, and a metal reinforcing plate that is bonded to the external electrode and has a gap in part. Is formed so thin that the portion inside the gap can be selectively damaged by fatigue, and the portion outside the gap is bound by the stress relaxation layer without being constrained by the external electrode. It is characterized by connecting.

このように、補強板が外部電極に接着されていることで、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止できる。その一方で、空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうることで補強板の拘束により生じる素子本体のクラックの発生を防止できる。そして、空隙より外側の部分が外部電極に拘束されずに応力緩和層で区切られる空隙より内側の部分を連結するため、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持でき、圧電素子を駆動できる。   As described above, since the reinforcing plate is bonded to the external electrode, it is possible to prevent fatigue failure of a non-selected portion of the external electrode. On the other hand, generation of cracks in the element body caused by restraint of the reinforcing plate can be prevented because the portion inside the gap can be selectively fatigued. And, since the portion outside the gap is not constrained by the external electrode and the portion inside the gap separated by the stress relaxation layer is connected, even if selective fatigue failure occurs in the reinforcing plate and the external electrode, electrical connection is made The piezoelectric element can be driven.

(2)また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、前記空隙が前記応力緩和層の層面付近で、前記外部電極との接着領域外に配置されるように形成され、かつ前記外部電極に接着されていることを特徴としている。これにより、応力緩和層の大きな変位により空隙の内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。   (2) Further, in the piezoelectric element according to the present invention, the reinforcing plate is formed such that the gap is disposed outside the adhesion region with the external electrode in the vicinity of the layer surface of the stress relaxation layer, and the external electrode It is characterized by being glued to. As a result, a large displacement of the stress relaxation layer can selectively fatigue fracture the inner portion of the gap.

(3)また、本発明の圧電素子は、前記空隙が、前記応力緩和層の存在する積層方向の各位置で、前記外部電極に接着された領域外の一方側のみに配置されていることを特徴としている。これにより、選択的な疲労破壊が一方側の空隙より外側に伝播せず、他方側は端まで伝播する。その結果、一方側のみで補強板を連結し、電気的接続を維持できる。   (3) Further, in the piezoelectric element of the present invention, the gap is disposed only on one side outside the region bonded to the external electrode at each position in the stacking direction where the stress relaxation layer exists. It is a feature. Thereby, the selective fatigue failure does not propagate outside the gap on one side, and the other side propagates to the end. As a result, it is possible to connect the reinforcing plates only on one side and maintain the electrical connection.

(4)また、本発明の圧電素子は、前記空隙が、前記積層方向に沿って、前記外部電極に接着された領域の左右交互に配置されていることを特徴としている。これにより、偏りなく伸縮の際にかかる応力のバランスをとることができる。   (4) Moreover, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the gaps are alternately arranged on the left and right of the region bonded to the external electrode along the stacking direction. Thereby, it is possible to balance the stress applied during expansion and contraction without deviation.

(5)また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、リン青銅製または銅製であって、厚さ0.2mm以下であることを特徴としている。これにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、素子本体の破壊を防止できる。   (5) Moreover, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the reinforcing plate is made of phosphor bronze or copper and has a thickness of 0.2 mm or less. Thereby, the reinforcing plate can cause selective fatigue failure, and can prevent the element body from being destroyed.

(6)また、本発明の圧電素子は、前記補強板が、SUS製であって、厚さ0.1mm以下であることを特徴としている。これにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、素子本体の破壊を防止できる。   (6) Moreover, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the reinforcing plate is made of SUS and has a thickness of 0.1 mm or less. Thereby, the reinforcing plate can cause selective fatigue failure, and can prevent the element body from being destroyed.

(7)また、本発明の圧電素子は、前記空隙の外向き凹部の形状が、円弧または緩やかな多角形であることを特徴としている。これにより、選択的な疲労破壊が空隙より外側に伝播しないため、外部電極の電気的接続を維持することができる。なお、空隙の外向き凹部とは、空隙の素子本体の側面側の形状を指し、たとえば空隙が円形であればその外向き凹部は円弧となる。   (7) Moreover, the piezoelectric element of the present invention is characterized in that the shape of the outward recess of the gap is an arc or a gentle polygon. Thereby, since selective fatigue failure does not propagate outside the gap, the electrical connection of the external electrode can be maintained. The outward concave portion of the gap refers to the shape of the gap on the side of the element body. For example, if the void is circular, the outward concave portion is an arc.

本発明によれば、外部電極における選択されていない箇所の疲労破壊を防止するとともに、補強板が圧電素子を拘束してクラックが生じるのを防止し、補強板および外部電極に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持できる。   According to the present invention, the fatigue failure of the non-selected portion of the external electrode is prevented, and the reinforcement plate restrains the piezoelectric element from being cracked. Even if this occurs, electrical connection can be maintained.

第1の実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a piezoelectric element according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子を示す正面図である。It is a front view which shows the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る圧電素子の作製方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing method of the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. (a)第1の実施形態に係る圧電素子の使用時の態様を示す正面図である。(b)素子本体の使用時の態様を示す正面図である。(A) It is a front view which shows the aspect at the time of use of the piezoelectric element which concerns on 1st Embodiment. (B) It is a front view which shows the aspect at the time of use of an element main body. (a)〜(e)補強板に形成された孔の例を示す図である。(A)-(e) It is a figure which shows the example of the hole formed in the reinforcement board. (a)第2の実施形態に係る圧電素子を示す正面図である。(b)第2の実施形態に係る圧電素子の使用時の態様を示す正面図である。(A) It is a front view which shows the piezoelectric element which concerns on 2nd Embodiment. (B) It is a front view which shows the aspect at the time of use of the piezoelectric element which concerns on 2nd Embodiment. (a)比較例の圧電素子を示す正面図である。(b)比較例の素子本体を示す正面図である。(A) It is a front view which shows the piezoelectric element of a comparative example. (B) It is a front view which shows the element main body of a comparative example. 補強板の材質と厚みについての実験結果を示す表である。It is a table | surface which shows the experimental result about the material and thickness of a reinforcement board. 従来の圧電素子を示す正面図である。It is a front view which shows the conventional piezoelectric element. 従来の圧電素子を示す正面図である。It is a front view which shows the conventional piezoelectric element.

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。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

[第1の実施形態]
(圧電素子の構造)
図1は、圧電素子100を示す斜視図、図2は、正面図、図3は、断面図である。図1および図3において、矢印Fは正面に向かう方向を示している。また、図3は、図1に示す面Sによる断面を示している。なお、図面では、長手方向の両端側を省略して圧電素子100を示している。
[First Embodiment]
(Piezoelectric element structure)
1 is a perspective view showing the piezoelectric element 100, FIG. 2 is a front view, and FIG. 3 is a cross-sectional view. In FIG. 1 and FIG. 3, an arrow F indicates a direction toward the front. FIG. 3 shows a cross section taken along the plane S shown in FIG. In the drawings, the piezoelectric element 100 is shown by omitting both end sides in the longitudinal direction.

図1〜図3に示すように、圧電素子100は、圧電層111と内部電極112とが交互に積層されて矩形に形成されている。そして、内部電極112に電圧を印加することで伸縮する。圧電素子100は、圧電層111、内部電極112、外部電極115、応力緩和層117、補強板120を備えている。   As shown in FIGS. 1 to 3, the piezoelectric element 100 has a rectangular shape in which piezoelectric layers 111 and internal electrodes 112 are alternately stacked. And it expands and contracts by applying a voltage to the internal electrode 112. The piezoelectric element 100 includes a piezoelectric layer 111, an internal electrode 112, an external electrode 115, a stress relaxation layer 117, and a reinforcing plate 120.

圧電素子100は、圧電層111と内部電極112が一体焼成される単位素子105が連結された素子本体110に補強板120を接着して形成されている。単位素子105の連結は接着剤で行うが、必ずしも限定されない。また、連結せず単一の単位素子105のみで圧電素子100を形成してもよい。   The piezoelectric element 100 is formed by adhering a reinforcing plate 120 to an element body 110 to which a unit element 105 in which a piezoelectric layer 111 and an internal electrode 112 are integrally fired is connected. The unit elements 105 are connected by an adhesive, but are not necessarily limited. Alternatively, the piezoelectric element 100 may be formed by only a single unit element 105 without being connected.

圧電層111は、たとえばPZTのような圧電体により形成されている。一連の内部電極112に挟まれている圧電体は、分極処理により分極されている。圧電層111の一層は、実際には30μm〜100μm程度であり、非常に薄いが、図では簡略化して模式的に示している。   The piezoelectric layer 111 is formed of a piezoelectric material such as PZT. The piezoelectric body sandwiched between the series of internal electrodes 112 is polarized by a polarization process. One layer of the piezoelectric layer 111 is actually about 30 μm to 100 μm and is very thin, but is schematically shown in the drawing.

内部電極112は、圧電層111と交互に積層され、圧電体に埋設されている。内部電極112に電圧を印加し、圧電体に電界をかけることで、圧電素子100を駆動することができる。   The internal electrodes 112 are alternately stacked with the piezoelectric layers 111 and are embedded in the piezoelectric body. The piezoelectric element 100 can be driven by applying a voltage to the internal electrode 112 and applying an electric field to the piezoelectric body.

外部電極115は、圧電素子100の側面で内部電極112の取り出し部分に接続されている。外部電極115は、AgやAg/Pd等のペーストを印刷し、焼き付けることで形成できる。外部電極115を介して内部電極112に電圧が印加される。   The external electrode 115 is connected to the lead-out portion of the internal electrode 112 on the side surface of the piezoelectric element 100. The external electrode 115 can be formed by printing and baking a paste such as Ag or Ag / Pd. A voltage is applied to the internal electrode 112 via the external electrode 115.

応力緩和層117は、活性領域の周囲の領域に、積層面に平行、すなわち伸縮方向に垂直に層面が形成されている。その結果、圧電素子100の伸縮による応力を緩和する。なお、単位素子105同士を連結する結合部分117aも応力緩和の作用を有するため、機能的には応力緩和層117とみなすことができる。   The stress relaxation layer 117 has a layer surface in a region around the active region that is parallel to the laminated surface, that is, perpendicular to the expansion and contraction direction. As a result, stress due to expansion and contraction of the piezoelectric element 100 is relieved. In addition, since the coupling portion 117a that connects the unit elements 105 also has a stress relieving action, it can be functionally regarded as the stress relieving layer 117.

なお、圧電素子100は、加工代として積層方向の両端部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、内部電極の積層方向への投影が重なり合う中央の活性領域と内部電極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ため、応力緩和層117が必要となる。   The piezoelectric element 100 can be divided into a protective layer provided at both ends in the stacking direction and an active layer that is driven by application of a voltage as a processing allowance. Further, the active layer can be divided into a central active region where projections in the stacking direction of the internal electrodes overlap and a peripheral region provided so that the internal electrodes do not short-circuit with the outside. The active region is a region that is actually driven in the piezoelectric element 100. The active region is driven by a voltage, but the surrounding region is not deformed by the application of the voltage and a stress is generated. Therefore, the stress relaxation layer 117 is necessary.

補強板120は、金属製であり、外部電極115に接着され、外部電極115を補強している。これにより、補強板120は外部電極115のクラックを防止できる。一方では、補強板120は、薄く形成されており、応力緩和層117の位置で選択的に疲労破壊を起こす。なお、選択的に生じさせる疲労破壊は、上記のクラックとは異なる。   The reinforcing plate 120 is made of metal and is bonded to the external electrode 115 to reinforce the external electrode 115. Thereby, the reinforcing plate 120 can prevent the external electrode 115 from cracking. On the other hand, the reinforcing plate 120 is formed thin and selectively causes fatigue failure at the position of the stress relaxation layer 117. Note that the fatigue failure that is selectively generated is different from the above-described crack.

補強板120は、孔121a、121bのように一部に空隙を有する。孔121aおよび孔121bは、正面から見たときの左右に設けられている。孔121aおよび孔121bは、同じ応力緩和層117上に設けられており、そのように配置されるよう予め補強板120が形成される。補強板120は、圧電素子100の伸縮により孔121aと孔121bに挟まれた内側A(外部電極115側すなわち素子本体110の正面中央側)の部分が選択的に疲労破壊する。このような補強板120の疲労破壊により圧電素子100が過度に拘束されず、クラックが生じるのを防止できる。   The reinforcing plate 120 has a gap in part, like the holes 121a and 121b. The hole 121a and the hole 121b are provided on the left and right when viewed from the front. The hole 121a and the hole 121b are provided on the same stress relaxation layer 117, and the reinforcing plate 120 is formed in advance so as to be arranged as such. In the reinforcing plate 120, a portion of the inner side A (external electrode 115 side, that is, the front center side of the element body 110) sandwiched between the holes 121a and 121b due to expansion and contraction of the piezoelectric element 100 is selectively fatigued. It is possible to prevent the piezoelectric element 100 from being excessively constrained by the fatigue failure of the reinforcing plate 120 and causing cracks.

孔121a、121bより外側B(素子本体110の側面側、矢印B)の部分は外部電極115に接着していないため、外部電極115に拘束されず、疲労破壊しない。その結果、孔121a、121bより外側の部分が応力緩和層117で区切られる孔121a、121bより内側の部分を連結し、電気的接続を維持している。したがって、補強板120および外部電極115に選択的な疲労破壊が生じても電気的接続を維持でき、圧電素子100を駆動できる。   The portion B outside the holes 121a and 121b (side surface side of the element body 110, arrow B) is not bonded to the external electrode 115, and thus is not restrained by the external electrode 115 and does not fatigue. As a result, the portions outside the holes 121a and 121b are connected to the portions inside the holes 121a and 121b separated by the stress relaxation layer 117, and the electrical connection is maintained. Therefore, even if selective fatigue failure occurs in the reinforcing plate 120 and the external electrode 115, electrical connection can be maintained and the piezoelectric element 100 can be driven.

また、孔121a、121bが、応力緩和層117の層面付近の積層方向位置で、外部電極115との接着領域外に配置されるように、補強板120は形成され、かつ外部電極に接着されている。これにより、応力緩和層117の大きな変位により孔121aと孔121bに挟まれた内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。すなわち孔121aと孔121b(空隙)より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる。なお、孔121a、121bの好適な形状については後述する。   Further, the reinforcing plate 120 is formed and adhered to the external electrode so that the holes 121a and 121b are disposed outside the adhesion region with the external electrode 115 at the position in the stacking direction near the layer surface of the stress relaxation layer 117. Yes. Thereby, the inner portion sandwiched between the hole 121a and the hole 121b can be selectively fatigued by a large displacement of the stress relaxation layer 117. That is, the portion inside the holes 121a and 121b (voids) can be selectively fatigued. Note that suitable shapes of the holes 121a and 121b will be described later.

補強板120は、リン青銅製または銅製であることが好ましい。その場合、厚さを0.2mm以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができる。補強板120は、SUS製であってもよい。この場合には、厚さは0.1mm以下であることが疲労破壊を生じさせるには好適である。   The reinforcing plate 120 is preferably made of phosphor bronze or copper. In that case, the reinforcing plate can cause selective fatigue failure by setting the thickness to 0.2 mm or less. The reinforcing plate 120 may be made of SUS. In this case, the thickness is preferably 0.1 mm or less in order to cause fatigue failure.

(作製方法)
次に、上記のような構成を有する圧電素子100の作製方法を説明する。図4は、圧電素子100の作製方法を示す概略図である。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 100 having the above configuration will be described. FIG. 4 is a schematic view showing a method for manufacturing the piezoelectric element 100.

単位素子105は、圧電層111と内部電極112とを積層して焼成することで形成される。一方、補強板120の材料となる金属板は好適な厚さのものを選び、外部電極115より幅広で、かつ単位素子105を連結した素子本体110の長さを有するように加工する。また、素子本体110に貼付したときに応力緩和層117の位置で、かつ外部電極より外側に孔121a、121bを設ける。孔121a、121bを開けた方が、応力緩和層117を回避するように金属板を作製するより位置合わせが容易である。また、プレス成形等で孔を開けてもよいが、エッチングで開ける方が、作業が容易になるため好ましい。   The unit element 105 is formed by laminating and baking the piezoelectric layer 111 and the internal electrode 112. On the other hand, the metal plate used as the material of the reinforcing plate 120 is selected to have a suitable thickness, and is processed so as to be wider than the external electrode 115 and have the length of the element body 110 to which the unit elements 105 are connected. In addition, holes 121a and 121b are provided at the position of the stress relaxation layer 117 when attached to the element body 110 and outside the external electrodes. Positioning the holes 121a and 121b is easier to align than making a metal plate so as to avoid the stress relaxation layer 117. Moreover, although a hole may be formed by press molding or the like, it is preferable to open by etching because the operation becomes easier.

そして、単位素子105を連結し、外部電極115に重なる領域130に、補強板120を半田付けで接着する。そして、単位素子105を連結して得られた素子本体110の所定の位置に補強板120を接着することで、圧電素子100を形成することができる。なお、半田に変えて導電性接着剤を用いて接着してもよい。   Then, the unit elements 105 are connected, and the reinforcing plate 120 is bonded to the region 130 overlapping the external electrode 115 by soldering. The piezoelectric element 100 can be formed by adhering the reinforcing plate 120 to a predetermined position of the element body 110 obtained by connecting the unit elements 105. Note that, instead of solder, a conductive adhesive may be used for bonding.

(使用態様)
次に、圧電素子100を実際に使用する際の態様を説明する。図5(a)は、圧電素子100の使用時の態様を示す正面図である。図5(b)は、使用時の素子本体110を示す正面図である。
(Usage mode)
Next, a mode when the piezoelectric element 100 is actually used will be described. FIG. 5A is a front view showing an aspect when the piezoelectric element 100 is used. FIG. 5B is a front view showing the element body 110 in use.

図5(a)に示すように、圧電素子100を伸縮させることで、応力緩和層117部分の変位が大きくなり、補強板120の孔121aと孔121bに挟まれた部分に疲労破壊141が生じる。疲労破壊141は予め生じさせておいてもよい。また、その際には、図5(b)に示すように、外部電極115の応力緩和層117と重なる部分にも疲労破壊142が生じている。   As shown in FIG. 5A, when the piezoelectric element 100 is expanded and contracted, the displacement of the stress relaxation layer 117 increases, and a fatigue fracture 141 occurs in the portion sandwiched between the hole 121a and the hole 121b of the reinforcing plate 120. . The fatigue failure 141 may be generated in advance. Further, at that time, as shown in FIG. 5B, the fatigue failure 142 occurs also in the portion of the external electrode 115 that overlaps the stress relaxation layer 117.

選択的に疲労破壊141を生じさせることで、補強板120は、外部電極115を補強しつつ、応力緩和層117の位置では応力を緩和している。一方では、外部電極115の選択的な疲労破壊で分断された電気的接続を、補強板120が維持している。すなわち、補強板120の孔121a、121bの外側の部分が繋がっていることで通電している。   By selectively causing fatigue failure 141, the reinforcing plate 120 reinforces the external electrode 115 and relieves stress at the position of the stress relieving layer 117. On the other hand, the reinforcing plate 120 maintains the electrical connection divided by the selective fatigue failure of the external electrode 115. That is, electricity is supplied by connecting the outer portions of the holes 121a and 121b of the reinforcing plate 120 to each other.

(孔の形状)
上記の圧電素子100の例では、孔121a、121bの形状が円であるが、必ずしもこれに限られない。図6(a)〜(e)は、補強板120に形成された孔121aの例を示す図である。孔121a、121bの形状には、円の他に多角形が考えられる。その中でも、図6(a)〜(c)に示すように、孔121aの外向き凹部122aの形状は、円弧または緩やかな多角形であることが好ましい。これにより、図6(d)、(e)に示すような選択的な疲労破壊141の空隙より外側への伝播が生じないため、外部電極の電気的接続を維持することができる。
(Hole shape)
In the example of the piezoelectric element 100 described above, the shapes of the holes 121a and 121b are circles, but are not necessarily limited thereto. 6A to 6E are views showing examples of holes 121a formed in the reinforcing plate 120. FIG. In addition to a circle, a polygon may be considered as the shape of the holes 121a and 121b. Among these, as shown in FIGS. 6A to 6C, the shape of the outward recess 122a of the hole 121a is preferably an arc or a gentle polygon. As a result, the selective fatigue breakdown 141 as shown in FIGS. 6 (d) and 6 (e) does not propagate outward from the gap, and the electrical connection of the external electrodes can be maintained.

[第2の実施形態]
上記の実施形態では、補強板120の孔121a、121bは、積層面に平行に並んで2つ形成されているが、一方のみに形成されていてもよい。図7(a)は、圧電素子200を示す正面図である。図7(b)は、圧電素子200の使用時の態様を示す正面図である。
[Second Embodiment]
In the above embodiment, the two holes 121a and 121b of the reinforcing plate 120 are formed in parallel to the laminated surface, but may be formed in only one of them. FIG. 7A is a front view showing the piezoelectric element 200. FIG. 7B is a front view showing an aspect when the piezoelectric element 200 is used.

図7(a)に示すように、孔221a、221bは、応力緩和層117の存在する積層方向の各位置で、外部電極115に接着された領域外の一方側のみに配置されている。したがって、選択的な疲労破壊241が生じたとき、疲労破壊241は一方側の孔221aより外側には伝播せず、他方側は端まで伝播する。その結果、孔221aのある一方側のみで補強板220を連結し、電気的接続を維持できる。   As shown in FIG. 7A, the holes 221a and 221b are arranged only on one side outside the region bonded to the external electrode 115 at each position in the stacking direction where the stress relaxation layer 117 exists. Therefore, when the selective fatigue failure 241 occurs, the fatigue failure 241 does not propagate outside the hole 221a on one side and propagates to the end on the other side. As a result, it is possible to connect the reinforcing plate 220 only on one side having the hole 221a and maintain the electrical connection.

孔221a、221bは、積層方向に沿って、外部電極115に接着された領域の左右交互に配置されている。これにより、偏りなく伸縮の際にかかる応力のバランスをとることができる。なお、単位素子105の構造は圧電素子100と同様である。   The holes 221a and 221b are alternately arranged on the left and right of the region bonded to the external electrode 115 along the stacking direction. Thereby, it is possible to balance the stress applied during expansion and contraction without deviation. The structure of the unit element 105 is the same as that of the piezoelectric element 100.

[実施例]
圧電素子の補強板の材料および厚さについて実験を行った。補強板の材料は、リン青銅、銅、SUS304を用いた。厚さは、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.3mmのものを用意した。このような補強板を用いて圧電素子を作製した。なお、リン青銅、銅の補強板は半田付けで外部電極に接着し、SUSの補強板は導電性接着剤で接着した。
[Example]
Experiments were conducted on the material and thickness of the reinforcing plate of the piezoelectric element. The material of the reinforcing plate was phosphor bronze, copper, or SUS304. Thicknesses of 0.05 mm, 0.1 mm, 0.15 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm were prepared. A piezoelectric element was manufactured using such a reinforcing plate. The phosphor bronze and copper reinforcing plates were bonded to the external electrodes by soldering, and the SUS reinforcing plates were bonded to each other with a conductive adhesive.

このようにして作製した圧電素子を伸縮させたところ、薄い補強板を用いた実施例の圧電素子100では、補強板120に疲労破壊141が生じ、応力が緩和されるとともに、素子本体110内には破壊が生じなかった。一方、以下に説明するように厚い補強板を用いた比較例の圧電素子500は素子本体510内部に破壊が生じた。   When the piezoelectric element manufactured in this way is expanded and contracted, in the piezoelectric element 100 of the embodiment using the thin reinforcing plate, the fatigue failure 141 occurs in the reinforcing plate 120, the stress is relieved, and the element body 110 includes No destruction occurred. On the other hand, as described below, the piezoelectric element 500 of the comparative example using a thick reinforcing plate was broken inside the element body 510.

図8(a)は、比較例の圧電素子500を示す正面図である。図8(b)は、比較例の素子本体110を示す正面図である。図8に示すように、厚い補強板520を用いた場合には、補強板520の応力緩和層117付近には選択的な疲労破壊が生じなかった。また、外部電極115の端部付近から、外部電極115をむしり取ろうとしたときにできるようなクラック541が生じた。   FIG. 8A is a front view showing a piezoelectric element 500 of a comparative example. FIG. 8B is a front view showing the element body 110 of the comparative example. As shown in FIG. 8, when the thick reinforcing plate 520 was used, selective fatigue failure did not occur in the vicinity of the stress relaxation layer 117 of the reinforcing plate 520. In addition, a crack 541 was generated from the vicinity of the end of the external electrode 115, which could be generated when the external electrode 115 was peeled off.

図9は、補強板の材質と厚みについての実験結果を示す表である。図9に示すように、
リン青銅製または銅製の補強板を用いる場合、厚さを0.2mm以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、単位素子内の破壊を防止できることが実証された。また、SUS製の補強板を用いる場合には、厚さを0.1mm以下とすることにより、補強板は選択的な疲労破壊を起こすことができ、単位素子内の破壊を防止できることが実証された。
FIG. 9 is a table showing experimental results regarding the material and thickness of the reinforcing plate. As shown in FIG.
In the case of using a phosphor bronze or copper reinforcing plate, it was proved that the reinforcing plate can cause selective fatigue failure by preventing the damage in the unit element by setting the thickness to 0.2 mm or less. . In addition, when using a SUS reinforcing plate, it is proved that the reinforcing plate can cause selective fatigue failure by preventing the damage in the unit element by setting the thickness to 0.1 mm or less. It was.

100 圧電素子
105 単位素子
110 素子本体
111 圧電層
112 内部電極
115 外部電極
117 応力緩和層
117a 結合部分
120 補強板
121a、121b 孔
122a 孔の外向き凹部
130 半田付けの領域
141 疲労破壊
200 圧電素子
220 補強板
221a、221b 孔
241 疲労破壊
A 孔に挟まれた内側
B 孔より外側
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric element 105 Unit element 110 Element main body 111 Piezoelectric layer 112 Internal electrode 115 External electrode 117 Stress relaxation layer 117a Joint part 120 Reinforcing plate 121a, 121b Hole 122a Hole outward recess 130 Soldering area 141 Fatigue failure 200 Piezoelectric element 220 Reinforcing plates 221a, 221b Hole 241 Fatigue fracture A Inside B sandwiched between the holes Outside the hole

Claims (7)

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矩形の圧電素子であって、
積層面に平行に層面が形成され、伸縮による応力を緩和する応力緩和層と、
側面に設けられた外部電極と、
前記外部電極に接着され、一部に空隙を有する金属製の補強板と、を備え、
前記補強板は、前記空隙より内側の部分が選択的に疲労破壊しうる程度に薄く形成され、前記空隙より外側の部分が前記外部電極に拘束されずに前記応力緩和層で区切られる前記空隙より内側の部分を連結することを特徴とする圧電素子。
Piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked, and are rectangular piezoelectric elements that expand and contract by application of voltage,
A layer surface is formed in parallel to the laminated surface, and a stress relaxation layer that relieves stress due to expansion and contraction,
An external electrode provided on the side surface;
A metal reinforcing plate bonded to the external electrode and partially having a gap,
The reinforcing plate is formed so thin that a portion inside the gap can be selectively damaged by fatigue, and a portion outside the gap is bound by the stress relaxation layer without being constrained by the external electrode. A piezoelectric element characterized by connecting inner portions.
前記補強板は、前記空隙が前記応力緩和層の層面付近で、前記外部電極との接着領域外に配置されるように形成され、かつ前記外部電極に接着されていることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。   The reinforcing plate is formed so as to be disposed outside the adhesion region with the external electrode in the vicinity of the layer surface of the stress relaxation layer and bonded to the external electrode. 1. The piezoelectric element according to 1. 前記空隙は、前記応力緩和層の存在する積層方向の各位置で、前記外部電極に接着された領域外の一方側のみに配置されていることを特徴とする請求項2記載の圧電素子。   3. The piezoelectric element according to claim 2, wherein the void is disposed only on one side outside the region bonded to the external electrode at each position in the stacking direction where the stress relaxation layer exists. 前記空隙は、前記積層方向に沿って、前記外部電極に接着された領域の左右交互に配置されていることを特徴とする請求項3記載の圧電素子。   4. The piezoelectric element according to claim 3, wherein the gaps are alternately arranged on the left and right of the region bonded to the external electrode along the stacking direction. 前記補強板は、リン青銅製または銅製であって、厚さ0.2mm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, wherein the reinforcing plate is made of phosphor bronze or copper and has a thickness of 0.2 mm or less. 前記補強板は、SUS製であって、厚さ0.1mm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to claim 1, wherein the reinforcing plate is made of SUS and has a thickness of 0.1 mm or less. 前記空隙の外向き凹部の形状は、円弧または緩やかな多角形であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧電素子。   The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, wherein a shape of the outward concave portion of the gap is an arc or a gentle polygon.
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