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JP6729100B2 - Piezoelectric element - Google Patents

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JP6729100B2 JP2016135284A JP2016135284A JP6729100B2 JP 6729100 B2 JP6729100 B2 JP 6729100B2 JP 2016135284 A JP2016135284 A JP 2016135284A JP 2016135284 A JP2016135284 A JP 2016135284A JP 6729100 B2 JP6729100 B2 JP 6729100B2
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Description

本発明は、圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element.

従来より、圧電素子として、薄型の積層型圧電素子が知られている。このような圧電素子においては、表面電極や内部電極といった電極層の間は、側面電極または圧電体層に貫設されたスルーホール導体を介して導通が図られる。 Conventionally, a thin laminated piezoelectric element has been known as a piezoelectric element. In such a piezoelectric element, electrical continuity is achieved between electrode layers such as surface electrodes and internal electrodes via side-hole electrodes or through-hole conductors penetrating the piezoelectric layer.

上記の側面電極は、素体の側面に焼き付けやスパッタ、蒸着等によって設けられることが一般的であるが、このような側面電極は、外部に露出しているため外的要因により破損したり劣化したりしやすい。一方、上記のスルーホール導体は、素体の内部に位置するため、外的要因に対して高い耐性を有する。下記引用文献1には、スルーホール導体を介して電極間の導通が図られたアクチュエータが開示されている。 The above-mentioned side electrode is generally provided on the side surface of the element body by baking, sputtering, vapor deposition, or the like, but since such a side electrode is exposed to the outside, it is damaged or deteriorated due to external factors. Easy to do. On the other hand, since the above-mentioned through-hole conductor is located inside the element body, it has high resistance to external factors. The following Patent Document 1 discloses an actuator in which conduction between electrodes is achieved via a through-hole conductor.

特開2004−207340号公報JP 2004-207340 A

上述した積層型圧電素子は、電極層と圧電体層とが交互に重なる積層体を有し、積層体は、電極材料と圧電材料とを重ねたものを焼成して得られるが、その焼成時の収縮に起因する残留応力が積層体内部に生じやすい。特に、内部電極と圧電体層とは構成材料や物性が異なるため、その界面や界面周辺に応力が集中する傾向がある。 The above-mentioned laminated piezoelectric element has a laminated body in which electrode layers and piezoelectric layers are alternately laminated, and the laminated body is obtained by firing a stack of electrode materials and piezoelectric materials. Residual stress due to the contraction of the is easily generated inside the laminate. In particular, since the internal electrode and the piezoelectric layer have different constituent materials and physical properties, stress tends to be concentrated at the interface and the periphery of the interface.

そして、焼成時等において生じる応力は、内部電極やスルーホール導体における導通不良や断線の原因となり、圧電素子の接続信頼性を低下させる。 The stress generated during firing or the like causes defective conduction or disconnection in the internal electrodes or through-hole conductors, and reduces the connection reliability of the piezoelectric element.

そこで、本開示では、接続信頼性の向上が図られた圧電素子を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present disclosure to provide a piezoelectric element with improved connection reliability.

本開示に係る圧電素子は、電極層と圧電体層とが交互に積層された積層体を備えた圧電素子であって、積層体が、電極層の一方面に重ねられた第1の圧電体層に貫設された第1のスルーホール導体と、該電極層の他方面に重ねられた第2の圧電体層に貫設された第2のスルーホール導体とを含む積層部分を有し、積層部分において、第1のスルーホール導体は、第2の圧電体層側の端面に第1の窪みを有し、かつ、第2の圧電体層が第1の窪みに入り込む突部を有し、第2のスルーホール導体は、第1の圧電体層側の端面に第2の窪みを有し、かつ、第1の圧電体層が、第2の窪みに入り込む突部を有し、第1のスルーホール導体の第1の窪みおよび第2のスルーホール導体の第2の窪みのうちの少なくとも一方に近接する少なくとも一つの空隙がある。 A piezoelectric element according to the present disclosure is a piezoelectric element including a laminated body in which electrode layers and piezoelectric layers are alternately laminated, and the laminated body is a first piezoelectric body in which one surface of the electrode layer is laminated. A laminated portion including a first through-hole conductor penetrating the layer and a second through-hole conductor penetrating the second piezoelectric layer overlaid on the other surface of the electrode layer, In the laminated portion, the first through-hole conductor has a first recess on the end face on the second piezoelectric layer side, and a protrusion into which the second piezoelectric layer enters the first recess. The second through-hole conductor has a second recess on the end surface on the side of the first piezoelectric layer, and the first piezoelectric layer has a protrusion that enters the second recess. There is at least one void proximate at least one of the first recess of the one through-hole conductor and the second recess of the second through-hole conductor.

上記圧電素子の積層部分では、電極層の一方面側の第1のスルーホール導体の第1の窪みおよび電極層の他方面側の第2のスルーホール導体の第2の窪みにより、該積層部分の内部に応力が生じたり外部から応力が付加されたりしたときに、その応力が緩和される。それにより、上記積層部分において電極層やスルーホール導体の導通不良や断線が生じる事態が抑制される。その上、上記積層部分では、第1のスルーホール導体の第1の窪みに第2の圧電体層の突部が入り込んでおり、かつ、第2のスルーホール導体の第2の窪みに第1の圧電体層の突部が入り込んでいることで、それぞれのスルーホール導体に対する圧電体層の保持力が増している。それにより、各スルーホール導体の変位や変形が抑制され、上記積層部分における導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。加えて、上記積層部分では、スルーホール導体に近接する空隙が、スルーホール導体周辺の応力や歪みを緩和するため、電極層やスルーホール導体の導通不良や断線が生じる事態がより一層抑制される。 In the laminated portion of the piezoelectric element, the laminated portion is formed by the first depression of the first through-hole conductor on one surface side of the electrode layer and the second depression of the second through-hole conductor on the other surface side of the electrode layer. When a stress is generated inside or a stress is applied from the outside, the stress is relaxed. As a result, it is possible to prevent the occurrence of defective conduction and disconnection of the electrode layers and the through-hole conductors in the laminated portion. Moreover, in the laminated portion, the protrusion of the second piezoelectric layer is inserted into the first recess of the first through-hole conductor, and the first recess is formed in the second recess of the second through-hole conductor. Since the protrusion of the piezoelectric layer is inserted, the holding force of the piezoelectric layer for each through-hole conductor is increased. This suppresses the displacement and deformation of each through-hole conductor, and further suppresses the occurrence of defective conduction and disconnection in the laminated portion. In addition, in the above-mentioned laminated portion, the void close to the through-hole conductor relieves stress and strain around the through-hole conductor, so that the occurrence of defective conduction or disconnection of the electrode layer or the through-hole conductor is further suppressed. ..

また、電圧を印加したときに圧電体層に電界が生じて変形する活性部と、電圧を印加したときに圧電体層に電界が生じない非活性部とを有し、積層部分は非活性部に位置し、第1のスルーホール導体と第2のスルーホール導体とは、積層体の積層方向から見て、活性部と非活性部の並び方向に沿って隣接している態様であってもよい。活性部は、分極時や駆動時に変形し、その活性部の変形に伴う応力や歪み等が非活性部に付加される。ただし、上記積層部分では、第1のスルーホール導体が第2の圧電体層側の端面に第1の窪みを有し、かつ、第2のスルーホール導体が第1の圧電体層側の端面に第2の窪みを有するため、上記の応力や歪みが緩和され、それにより、上記積層部分における導通不良や断線が生じる事態が抑制される。 In addition, the piezoelectric layer has an active portion where an electric field is generated and deforms when a voltage is applied, and an inactive portion where an electric field is not generated in the piezoelectric layer when a voltage is applied. And the first through-hole conductor and the second through-hole conductor are adjacent to each other along the arranging direction of the active portion and the inactive portion when viewed from the stacking direction of the stacked body. Good. The active portion is deformed at the time of polarization or driving, and stress, strain and the like due to the deformation of the active portion are added to the inactive portion. However, in the laminated portion, the first through-hole conductor has a first recess on the end surface on the side of the second piezoelectric layer, and the second through-hole conductor has an end surface on the side of the first piezoelectric layer. Since the second depression is formed in the above, the above stress and strain are alleviated, thereby suppressing the occurrence of defective conduction and disconnection in the laminated portion.

さらに、複数の空隙を含み、第1のスルーホール導体の第1の窪みおよび第2のスルーホール導体の第2の窪みのそれぞれに空隙が近接している態様であってもよい。この場合、スルーホール導体それぞれにおいて応力や歪みが緩和され、上記積層部分における導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。 Further, it may be a mode that includes a plurality of voids and the voids are close to the first recess of the first through-hole conductor and the second recess of the second through-hole conductor. In this case, stress and strain are alleviated in each of the through-hole conductors, thereby further suppressing the occurrence of defective conduction and disconnection in the laminated portion.

本開示によれば、接続信頼性の向上が図られた圧電素子が提供される。 According to the present disclosure, a piezoelectric element having improved connection reliability is provided.

第1実施形態に係る圧電素子の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the piezoelectric element according to the first embodiment. 図1に示す圧電素子のII−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the piezoelectric element shown in FIG. 図1に示す圧電素子の非活性部の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the inactive part of the piezoelectric element shown in FIG. 圧電素子の圧力が付加されたときの様子を示した図である。It is the figure which showed the mode when the pressure of the piezoelectric element was added. 圧電素子の圧力が付加されたときの様子を示した図である。It is the figure which showed the mode when the pressure of the piezoelectric element was added. 従来技術に係る圧電素子の非活性部の要部拡大断面図である。FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an inactive part of a piezoelectric element according to a conventional technique. 第2実施形態に係る圧電素子の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the piezoelectric element which concerns on 2nd Embodiment. 図7に示す圧電素子の2層目、4層目、6層目、8層目の圧電体層の平面図である。FIG. 8 is a plan view of second, fourth, sixth, and eighth piezoelectric layers of the piezoelectric element shown in FIG. 7. 図7に示す圧電素子の3層目、5層目、7層目の圧電体層の平面図である。FIG. 9 is a plan view of the third, fifth, and seventh piezoelectric layers of the piezoelectric element shown in FIG. 7. 図7に示す圧電素子の最上層の圧電体層の平面図である。FIG. 8 is a plan view of the uppermost piezoelectric layer of the piezoelectric element shown in FIG. 7. 図7に示す圧電素子のXI−XI線断面図である。FIG. 9 is a sectional view of the piezoelectric element shown in FIG. 7, taken along line XI-XI. 図7に示す圧電素子の非活性部の要部拡大断面図である。FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an inactive part of the piezoelectric element shown in FIG. 7.

以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same elements or elements having the same function will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

まず、第1実施形態に係る圧電素子10の構成について、図1および図2を参照しつつ説明する。 First, the configuration of the piezoelectric element 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1に示すように、圧電素子10は、一方向に延びる直方体の外形を有する積層体20を備えている。積層体20の寸法は、一例として、長手方向長さ2.0mm、短手方向長さ0.5mm、厚さ0.15mmである。積層体20は、図2に示すように、複数の電極層30と複数の圧電体層36、38とを含み、電極層30と圧電体層36、38とが交互に積層されて構成されている。本実施形態では、積層体20は、電極層30を3層以上含み、圧電体層36、38を2層以上含む。図1、2では、積層体20は、電極層30と圧電体層36、38とをそれぞれ7層ずつ含んでいる。 As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 10 includes a laminated body 20 having a rectangular parallelepiped outer shape extending in one direction. The dimensions of the laminated body 20 are, for example, 2.0 mm in the longitudinal direction, 0.5 mm in the lateral direction, and 0.15 mm in thickness. As shown in FIG. 2, the laminate 20 includes a plurality of electrode layers 30 and a plurality of piezoelectric layers 36 and 38, and is configured by alternately laminating the electrode layers 30 and the piezoelectric layers 36 and 38. There is. In the present embodiment, the laminated body 20 includes three or more electrode layers 30 and two or more piezoelectric layers 36 and 38. In FIGS. 1 and 2, the laminated body 20 includes seven electrode layers 30 and seven piezoelectric layers 36 and 38, respectively.

複数の電極層30は、Ptで構成されており、Pt以外の導電材料(Ag−Pd合金、Au−Pd合金、Cu、Ni、Ag等)で構成することもできる。複数の電極層30は、スクリーン印刷等によりパターン形成されている。複数の電極層30は、電極パターンの異なる第1の電極層31、第2の電極層32および第3の電極層33で構成されている。複数の電極層30は、図2に示すように、上から順に、第1の電極層31と第2の電極層32とが交互に並んでおり、最も下の層が第3の電極層33となっている。 The plurality of electrode layers 30 are made of Pt, and may be made of a conductive material (Ag-Pd alloy, Au-Pd alloy, Cu, Ni, Ag, etc.) other than Pt. The plurality of electrode layers 30 are patterned by screen printing or the like. The plurality of electrode layers 30 are composed of a first electrode layer 31, a second electrode layer 32 and a third electrode layer 33 having different electrode patterns. As shown in FIG. 2, in the plurality of electrode layers 30, first electrode layers 31 and second electrode layers 32 are alternately arranged in order from the top, and the lowermost layer is the third electrode layer 33. Has become.

第1の電極層31の電極パターンは、積層体20の一端部20a付近に形成された短パターン31aと、短パターン31aから所定のギャップを介して積層体20の他端部20bまでの延びる長パターン31bとを含む。第2の電極層32の電極パターンは、第1の電極層31とは対称的なパターンであり、積層体20の他端部20b付近に形成された短パターン32aと、短パターン32aから所定のギャップを介して積層体20の一端部20aまでの延びる長パターン32bとを含む。第3の電極層33は、全域に形成されたパターン(いわゆるベタパターン)である。 The electrode pattern of the first electrode layer 31 has a short pattern 31a formed near one end 20a of the laminate 20 and a length extending from the short pattern 31a to the other end 20b of the laminate 20 through a predetermined gap. Pattern 31b. The electrode pattern of the second electrode layer 32 is a pattern symmetrical to the first electrode layer 31, and has a short pattern 32a formed near the other end 20b of the stacked body 20 and a predetermined pattern from the short pattern 32a. And a long pattern 32b extending to one end 20a of the stacked body 20 through the gap. The third electrode layer 33 is a pattern (so-called solid pattern) formed over the entire area.

複数の圧電体層36、38は、いずれも長方形平板状であり、一例として、長手方向長さ2.0mm、短手方向長さ0.5mm、厚さ20μmである。各圧電体層36、38は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料で構成されており、Zn、Nb等の添加物を含んでいる。複数の圧電体層36、38は、上下に電極層30が位置する圧電体層36と、上にのみ電極層30が位置する最下層の圧電体層38とを含む。 Each of the plurality of piezoelectric layers 36 and 38 has a rectangular flat plate shape, and as an example, has a longitudinal length of 2.0 mm, a lateral length of 0.5 mm, and a thickness of 20 μm. Each of the piezoelectric layers 36 and 38 is made of, for example, a piezoelectric ceramic material containing lead zirconate titanate as a main component, and contains an additive such as Zn or Nb. The plurality of piezoelectric layers 36, 38 include a piezoelectric layer 36 in which the electrode layers 30 are located above and below, and a lowermost piezoelectric layer 38 in which the electrode layers 30 are located only above.

圧電体層36には、所定箇所にスルーホール36aが貫設されており、各スルーホール36aが形成された領域には、圧電体層36の上下に位置する電極層30同士を接続するスルーホール導体40が形成されている。すなわち、スルーホール導体40は、圧電体層36に設けられたスルーホール36aに電極材料を充填して構成されている。 Through holes 36a are formed at predetermined positions in the piezoelectric layer 36, and through holes that connect the electrode layers 30 located above and below the piezoelectric layer 36 are formed in the regions where the through holes 36a are formed. The conductor 40 is formed. That is, the through-hole conductor 40 is configured by filling the through-hole 36 a provided in the piezoelectric layer 36 with the electrode material.

スルーホール導体40は、積層体20の一端部20aにおいて、スルーホール導体42として、第1の電極層31の短パターン31aと第2の電極層32の長パターン32bとを接続している。そのため、第1の電極層31の短パターン31aおよび第2の電極層32の長パターン32bはいずれも、積層体20表面の第1の電極層31の短パターン31aに接続された外部接続端子T2と電気的に接続されて、同じ極性を有する。 The through-hole conductor 40 connects the short pattern 31 a of the first electrode layer 31 and the long pattern 32 b of the second electrode layer 32 as the through-hole conductor 42 at the one end portion 20 a of the laminated body 20. Therefore, both the short pattern 31a of the first electrode layer 31 and the long pattern 32b of the second electrode layer 32 are connected to the short pattern 31a of the first electrode layer 31 on the surface of the stacked body 20 by the external connection terminal T2. And have the same polarity.

また、スルーホール導体40は、積層体20の他端部20bにおいて、スルーホール導体44として、第2の電極層32の短パターン32aと第1の電極層31の長パターン31bとを接続している。また、スルーホール導体40は、積層体20の他端部20bにおいて、スルーホール導体44として、第2の電極層32の短パターン32aと第3の電極層33とを接続している。そのため、第2の電極層32の短パターン32aと第1の電極層31の長パターン31bと第3の電極層33とはいずれも、積層体20表面の第1の電極層31の長パターン31bに接続された外部接続端子T1と電気的に接続されて、同じ極性を有する。 The through-hole conductor 40 connects the short pattern 32a of the second electrode layer 32 and the long pattern 31b of the first electrode layer 31 as the through-hole conductor 44 at the other end 20b of the laminated body 20. There is. The through-hole conductor 40 connects the short pattern 32a of the second electrode layer 32 and the third electrode layer 33 as the through-hole conductor 44 at the other end 20b of the laminated body 20. Therefore, the short pattern 32a of the second electrode layer 32, the long pattern 31b of the first electrode layer 31, and the third electrode layer 33 are all long patterns 31b of the first electrode layer 31 on the surface of the laminate 20. It is electrically connected to the external connection terminal T1 connected to and has the same polarity.

圧電素子10においては、積層体20の表面に一対の外部接続端子T1、T2が設けられており、片面に両極性の端子が露出しているため、片面側から導通を取ることができる。 In the piezoelectric element 10, since a pair of external connection terminals T1 and T2 are provided on the surface of the laminated body 20 and terminals of both polarities are exposed on one surface, conduction can be established from one surface side.

一対の外部接続端子T1、T2の間に電圧が印加されると、積層体20の一端部20a側で接続された電極群(すなわち、第1の電極層31の短パターン31aおよび第2の電極層32の長パターン32b)と、他端部20b側で接続された電極群(すなわち、第1の電極層31の長パターン31b、第2の電極層32の短パターン32aおよび第3の電極層33)とが異なる極性を有する。このとき、積層体20の両端部20a、20bに挟まれた部分、たとえば中央付近において重なり合う第1の電極層31の長パターン31bと第2の電極層32の長パターン32bとの間に電界が生じ、これらの間に位置する圧電体層36の部分が分極方向に応じて変形(伸長または収縮)する。そのため、積層体20の両端部20a、20bに挟まれた部分は、一対の外部接続端子T1、T2の間に電圧が印加された際に変形する活性部Sbとなっている。 When a voltage is applied between the pair of external connection terminals T1 and T2, the electrode group connected on the one end 20a side of the stacked body 20 (that is, the short pattern 31a and the second electrode of the first electrode layer 31). The long pattern 32b of the layer 32) and the electrode group connected on the other end 20b side (that is, the long pattern 31b of the first electrode layer 31, the short pattern 32a of the second electrode layer 32, and the third electrode layer). 33) has a different polarity. At this time, an electric field is generated between the long pattern 31b of the first electrode layer 31 and the long pattern 32b of the second electrode layer 32 that overlap each other near the center, for example, between the two end portions 20a and 20b of the stacked body 20. The portion of the piezoelectric layer 36 located between them is deformed (extended or contracted) according to the polarization direction. Therefore, the portion sandwiched by the both ends 20a and 20b of the stacked body 20 is an active portion Sb that is deformed when a voltage is applied between the pair of external connection terminals T1 and T2.

積層体20の一端部20a付近は、同じ極性の電極層部分31a、32bが重なり合う積層部分であるため、一対の外部接続端子T1、T2の間に電圧が印加されても変形はほとんど生じない。そのため、積層体20の一端部20a付近は、電圧が印加されても変形しない非活性部Saとなっている。非活性部Saは、大きな変位が生じない点から、上述したスルーホール導体40の設置に適している。積層体20の他端部20b付近も、同じ極性の電極層部分31b、32aが重なり合う積層部分であるため、一端部20a付近と同様に、電圧が印加されても変形しない非活性部Saとなっている。このように圧電素子10では、積層体20の長手方向に沿って非活性部Saと活性部Sbとが並んでいる。 The vicinity of the one end portion 20a of the laminated body 20 is a laminated portion in which the electrode layer portions 31a and 32b having the same polarity are overlapped with each other, so that even if a voltage is applied between the pair of external connection terminals T1 and T2, there is almost no deformation. Therefore, the vicinity of the one end portion 20a of the stacked body 20 is an inactive portion Sa that is not deformed even when a voltage is applied. The non-active portion Sa is suitable for installing the above-described through-hole conductor 40 because it does not cause a large displacement. The vicinity of the other end portion 20b of the laminated body 20 is also a laminated portion in which the electrode layer portions 31b and 32a having the same polarity are overlapped with each other. ing. As described above, in the piezoelectric element 10, the inactive portion Sa and the active portion Sb are arranged along the longitudinal direction of the stacked body 20.

圧電体層38は、上にのみ第3の電極層33が位置するため、積層体20の両端部20a、20b同様、一対の外部接続端子T1、T2の間に電圧が印加されても変形はほとんど生じない。圧電体層38には、スルーホール導体46が貫設されている。スルーホール導体46は、圧電体層38に設けられたスルーホールに電極材料を充填して構成することができる。スルーホール導体46は、電極層30の導通を目的としないダミーのスルーホール導体であり、たとえば部品の表裏や極性を識別するために用いられ得る。 Since the third electrode layer 33 is located only on the piezoelectric layer 38, the piezoelectric layer 38 is not deformed even when a voltage is applied between the pair of external connection terminals T1 and T2, like both ends 20a and 20b of the multilayer body 20. It hardly happens. Through-hole conductors 46 are provided through the piezoelectric layer 38. The through-hole conductor 46 can be formed by filling the through-hole provided in the piezoelectric layer 38 with an electrode material. The through-hole conductor 46 is a dummy through-hole conductor that is not intended for the conduction of the electrode layer 30, and can be used, for example, to identify the front and back of a component or the polarity.

積層体20では、一対の外部接続端子T1、T2の間に電圧が印加されても変形が実質的に生じない部分(すなわち、両端部20a、20bおよび最下層の圧電体層38)にのみ、スルーホール導体42、44、46が設けられている。 In the laminated body 20, only the portions where the deformation does not substantially occur even when a voltage is applied between the pair of external connection terminals T1 and T2 (that is, both end portions 20a and 20b and the lowermost piezoelectric layer 38), Through-hole conductors 42, 44, 46 are provided.

続いて、非活性部Saにおける電極層30および圧電体層36の構成について、図3を参照しつつ説明する。図3は、積層体20の他端部20b側の非活性部Saの断面を示している。 Next, the configurations of the electrode layer 30 and the piezoelectric layer 36 in the inactive portion Sa will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a cross section of the inactive portion Sa on the other end 20b side of the laminated body 20.

図3に示すように、非活性部Saでは、同じ極性を有する電極層30(より詳しくは、電極層31b、32a)が、圧電体層36を介して重なっている。なお、説明の便宜上、重なり合う電極層30を上側から順に、第1層30A、第2層30B、第3層30C、第4層30Dとも称す。また、第1層30Aと第2層30Bとの間に介在する圧電体層36を特に第1の圧電体層36Aと称し、第2層30Bと第3層30Cとの間に介在する圧電体層36を特に第2の圧電体層36Bと称し、第3層30Cと第4層30Dとの間に介在する圧電体層36を特に第3の圧電体層36Cと称す。 As shown in FIG. 3, in the inactive portion Sa, the electrode layers 30 having the same polarity (more specifically, the electrode layers 31b and 32a) overlap each other with the piezoelectric layer 36 interposed therebetween. For convenience of explanation, the overlapping electrode layers 30 are also referred to as a first layer 30A, a second layer 30B, a third layer 30C, and a fourth layer 30D in order from the upper side. In addition, the piezoelectric layer 36 interposed between the first layer 30A and the second layer 30B is referred to as a first piezoelectric layer 36A, and the piezoelectric body interposed between the second layer 30B and the third layer 30C. The layer 36 is particularly referred to as a second piezoelectric layer 36B, and the piezoelectric layer 36 interposed between the third layer 30C and the fourth layer 30D is particularly referred to as a third piezoelectric layer 36C.

隣り合う第1層30A、第2層30B、第3層30C、第4層30Dの層間は、圧電体層36に貫設されたスルーホール導体40により接続されている。たとえば、第1の圧電体層36Aに貫設された第1のスルーホール導体40Aは、上下に位置する第1層30Aと第2層30Bとを接続する。第2の圧電体層36Bに貫設された第2のスルーホール導体40Bは、上下に位置する第2層30Bと第3層30Cとを接続する。第3の圧電体層36Cに貫設された第3のスルーホール導体40Cは、上下に位置する第3層30Cと第4層30Dとを接続する。 The layers of the first layer 30A, the second layer 30B, the third layer 30C, and the fourth layer 30D which are adjacent to each other are connected by a through-hole conductor 40 penetrating the piezoelectric layer 36. For example, the first through-hole conductor 40A penetrating the first piezoelectric layer 36A connects the upper and lower first layers 30A and 30B. The second through-hole conductor 40B penetratingly provided in the second piezoelectric layer 36B connects the second layer 30B and the third layer 30C located above and below. The third through-hole conductor 40C penetratingly provided in the third piezoelectric layer 36C connects the third layer 30C and the fourth layer 30D located above and below.

ただし、上下に隣り合うスルーホール導体40同士は、厚さ方向(積層体20の積層方向)から見て重なっておらず、隣接している。具体的には、第1の圧電体層36Aの第1のスルーホール導体40Aと、第2の圧電体層36Bの第2のスルーホール導体40Bとは、厚さ方向から見て重なっておらず、積層体20の長手方向(図の左右方向)にズレて配置されている。また、第2のスルーホール導体40Bと、第3の圧電体層36Cの第3のスルーホール導体40Cとも、厚さ方向から見て重なっておらず、図の左右方向にズレて配置されている。第3の圧電体層36Cの第3のスルーホール導体40Cは、第1の圧電体層36Aの第1のスルーホール導体40Aと、厚さ方向から見て重なっている。スルーホール導体40のズレ量は、たとえば、スルーホール導体40の最大半径以上であることが好ましく、スルーホール導体40の最大直径以上であることがより好ましい。 However, the through-hole conductors 40 that are vertically adjacent to each other do not overlap with each other when viewed in the thickness direction (the stacking direction of the stacked body 20) and are adjacent to each other. Specifically, the first through-hole conductor 40A of the first piezoelectric layer 36A and the second through-hole conductor 40B of the second piezoelectric layer 36B do not overlap with each other when viewed in the thickness direction. The stacks 20 are arranged so as to be displaced in the longitudinal direction (left and right direction in the drawing). Also, the second through-hole conductor 40B and the third through-hole conductor 40C of the third piezoelectric layer 36C do not overlap with each other when viewed in the thickness direction, and are arranged so as to be displaced in the left-right direction in the drawing. .. The third through-hole conductor 40C of the third piezoelectric layer 36C overlaps with the first through-hole conductor 40A of the first piezoelectric layer 36A when viewed in the thickness direction. The amount of deviation of the through-hole conductor 40 is preferably, for example, not less than the maximum radius of the through-hole conductor 40, and more preferably not less than the maximum diameter of the through-hole conductor 40.

次に、上述した圧電素子10を作製する手順について説明する。 Next, a procedure for manufacturing the piezoelectric element 10 described above will be described.

まず、圧電体層36の形成に用いる圧電セラミック粉に、バインダおよび有機溶剤などを加えてペーストにする。そして、得られたペーストを、たとえばドクターブレード法を用いて所定寸法のグリーンシートを複数枚作製する。このとき、バインダに対する可塑剤の割合を調整し、充分に変形するようにする。 First, a binder and an organic solvent are added to the piezoelectric ceramic powder used for forming the piezoelectric layer 36 to form a paste. Then, using the obtained paste, for example, a plurality of green sheets having predetermined dimensions are manufactured by using a doctor blade method. At this time, the ratio of the plasticizer to the binder is adjusted so that the binder is sufficiently deformed.

各グリーンシートには、スルーホール導体40を形成する箇所に、YAGレーザを用いてスルーホールを形成しておく。 A through hole is formed in each green sheet at the position where the through hole conductor 40 is formed by using a YAG laser.

各グリーンシート上に、電極層30となる電極ペースト(たとえば、Pd−Ag合金(Pd:Ag=3:7))を、上述したパターンとなるようにスクリーン印刷法を用いて塗布形成する。電極ペーストが塗布されると、グリーンシートに形成されたスルーホールに電極ペーストが充填されるが、電極ペーストの乾燥時の収縮率に応じて電極ペーストのスルーホールへの充填率が調整される。また、焼成時の収縮率を80%以下にすることで、後述する窪み40aが効率的に形成される。 An electrode paste (for example, Pd—Ag alloy (Pd:Ag=3:7)) to be the electrode layer 30 is applied and formed on each green sheet by the screen printing method so as to have the above-described pattern. When the electrode paste is applied, the through holes formed in the green sheet are filled with the electrode paste, and the filling rate of the electrode paste into the through holes is adjusted according to the shrinkage rate of the electrode paste during drying. Further, by setting the shrinkage rate during firing to 80% or less, the recess 40a described later is efficiently formed.

続いて、電極ペーストがそれぞれに印刷された複数のグリーンシートを重ね合わせ、さらに温間等方圧プレス(WIP)等のプレス処理をおこない、積層体グリーンを得る。温間等方圧プレスでは、たとえば約80℃の温度下で約250MPaで加圧する。このとき、スルーホール部近傍の電極層となるべき部分を高温等圧下で湾曲させる。 Subsequently, a plurality of green sheets each having an electrode paste printed thereon are overlapped with each other, and a pressing process such as warm isostatic pressing (WIP) is performed to obtain a green laminate. In a warm isostatic press, pressure is applied at about 250 MPa at a temperature of about 80°C, for example. At this time, a portion to be an electrode layer in the vicinity of the through hole portion is curved under high temperature and constant pressure.

そして、得られた積層体グリーンを焼成する。具体的には、積層体グリーンを安定化ジルコニアで構成されたセッターに載せて、脱バインダ処理をおこない、さらに、積層体グリーンを載せたセッターを安定化ジルコニア質の匣鉢に入れて、約1100℃で焼成する。 Then, the obtained laminated body green is fired. Specifically, the laminated green is placed on a setter made of stabilized zirconia to perform binder removal treatment, and the setter on which the laminated green is placed is placed in a stabilized zirconia-shaped casket, and about 1100 Bake at ℃.

焼成後、所定の分極処理を施して、圧電素子10が完成する。分極処理では、たとえば、100℃の温度下で電界強度2kV/mmの電圧を3分間印加する。 After firing, a predetermined polarization process is performed to complete the piezoelectric element 10. In the polarization treatment, for example, a voltage having an electric field strength of 2 kV/mm is applied for 3 minutes at a temperature of 100°C.

上述した手順により得られた圧電素子10においては、図3に示すように、各スルーホール導体40の積層体20の積層方向に関する両端部に窪み40aが形成される。たとえば、第1の圧電体層36Aに貫設された第1のスルーホール導体40Aは、上面に第1のスルーホール導体40Aの側(図3における下側)に窪んだ窪み40aを有し、かつ、下面(第2の圧電体層36B側の端面)に第1のスルーホール導体40Aの側(図3における上側)に窪んだ窪み40aを有する。同様に、第2のスルーホール導体40Bおよび第3のスルーホール導体40Cも、上下面それぞれに窪み40aを有する。 In the piezoelectric element 10 obtained by the above-described procedure, as shown in FIG. 3, the recesses 40a are formed at both ends of each through-hole conductor 40 in the stacking direction of the stack 20. For example, the first through-hole conductor 40A penetratingly provided in the first piezoelectric layer 36A has an indent 40a on the upper surface side of the first through-hole conductor 40A (lower side in FIG. 3), Further, the lower surface (the end surface on the second piezoelectric layer 36B side) has a recess 40a recessed on the first through-hole conductor 40A side (upper side in FIG. 3). Similarly, the second through-hole conductor 40B and the third through-hole conductor 40C also have depressions 40a on the upper and lower surfaces, respectively.

そして、窪み40aにより、スルーホール導体40が部分的に薄く(すなわち、積層方向長さが短く)なる。図3に示すように、各スルーホール導体40A、40B、40Cの窪み40a部分における厚さは、圧電体層36の厚さよりも薄くなっている。 Then, the recess 40a makes the through-hole conductor 40 partially thin (that is, the length in the stacking direction is short). As shown in FIG. 3, the thickness of each of the through-hole conductors 40A, 40B, and 40C in the recess 40a is smaller than that of the piezoelectric layer 36.

また、各スルーホール導体40に形成された窪み40aに、圧電体層36の突部36bがそれぞれ入り込んでいる。たとえば、第1のスルーホール導体40Aの下面の窪み40aに、第2の圧電体層36Bの上向きの突部36bが入り込んでいる。また、第2のスルーホール導体40Bの上面の窪み40aに、第1の圧電体層36Aの下向きの突部36bが入り込んでいる。 Further, the protrusions 36b of the piezoelectric layer 36 are inserted in the depressions 40a formed in each through-hole conductor 40, respectively. For example, the upward protrusion 36b of the second piezoelectric layer 36B is inserted into the recess 40a on the lower surface of the first through-hole conductor 40A. Further, the downward projection 36b of the first piezoelectric layer 36A is inserted into the recess 40a on the upper surface of the second through-hole conductor 40B.

このようなスルーホール導体40の形状、電極層30の形状および圧電体層36の形状は、圧電素子10の作製時に、スルーホール近傍の電極層を高温等圧下で湾曲させたことで得られると考えられる。 The shape of the through-hole conductor 40, the shape of the electrode layer 30, and the shape of the piezoelectric layer 36 can be obtained by bending the electrode layer in the vicinity of the through hole under high temperature and constant pressure when the piezoelectric element 10 is manufactured. Conceivable.

また、上述した手順により得られた圧電素子10においては、各スルーホール導体40に近接した複数の空隙48が形成される。より詳しくは、複数の空隙48はそれぞれ、積層体20の積層方向に関して各スルーホール導体40の端部に近接しており、各スルーホール導体40の窪み40aに入り込むように位置している。さらに詳しくは、空隙48は、スルーホール導体40の窪み40aに入り込んだ圧電体層36の突部36bに位置している。各空隙48は、図3に示すように、電極層30の延在方向に沿って一方向に延びる断面を有している。また、各空隙48の内部は不活性ガスで充たされている。 Further, in the piezoelectric element 10 obtained by the above-described procedure, a plurality of voids 48 that are close to each through-hole conductor 40 are formed. More specifically, each of the plurality of voids 48 is close to the end of each through-hole conductor 40 in the stacking direction of the stacked body 20, and is located so as to enter the recess 40 a of each through-hole conductor 40. More specifically, the void 48 is located at the protrusion 36b of the piezoelectric layer 36 that has entered the recess 40a of the through-hole conductor 40. As shown in FIG. 3, each void 48 has a cross section that extends in one direction along the extending direction of the electrode layer 30. In addition, the inside of each void 48 is filled with an inert gas.

以上において説明したとおり、圧電素子10は、電極層30と圧電体層36とが交互に積層された積層体20を備えた圧電素子であって、積層体20が、電極層30Bの一方面に重ねられた第1の圧電体層36Aに貫設された第1のスルーホール導体40Aと、該電極層30Bの他方面に重ねられた第2の圧電体層36Bに貫設された第2のスルーホール導体40Bとを含む積層部分として、非活性部Saを有している。非活性部Saにおいて、第1のスルーホール導体40Aは下面(第2の圧電体層36B側の端面)に第1の窪み40aを有し、かつ、第2の圧電体層36Bが第1の窪み40aに入り込む突部36bを有し、第2のスルーホール導体40Bは上面(第1の圧電体層36A側の端面)に第2の窪み40aを有し、かつ、第1の圧電体層36Aが、第2の窪み40aに入り込む突部36bを有している。そして、第1のスルーホール導体40Aの第1の窪み40aおよび第2のスルーホール導体40Bの第2の窪み40aに近接する複数の空隙48がある。 As described above, the piezoelectric element 10 is a piezoelectric element including the laminate 20 in which the electrode layers 30 and the piezoelectric layers 36 are alternately laminated, and the laminate 20 is provided on one surface of the electrode layer 30B. The first through-hole conductor 40A penetratingly provided on the first piezoelectric layer 36A that is stacked, and the second through-hole conductor 40A that is secondly provided on the second piezoelectric layer 36B that is stacked on the other surface of the electrode layer 30B. The inactive portion Sa is provided as a laminated portion including the through-hole conductor 40B. In the inactive portion Sa, the first through-hole conductor 40A has the first depression 40a on the lower surface (the end surface on the second piezoelectric layer 36B side), and the second piezoelectric layer 36B is the first The second through-hole conductor 40B has the protrusion 36b that enters the recess 40a, the second recess 40a is formed on the upper surface (the end surface on the side of the first piezoelectric layer 36A), and the first piezoelectric layer 36A has a protrusion 36b that enters the second recess 40a. Then, there are a plurality of voids 48 adjacent to the first recess 40a of the first through-hole conductor 40A and the second recess 40a of the second through-hole conductor 40B.

上述した圧電素子10では、圧電素子10を作製する際の焼成のときに非活性部Saに生じる内部応力(すなわち、焼成時の収縮による残留応力)や外部から非活性部Saに付加された応力は、第1のスルーホール導体40A下面の窪み40aと第2のスルーホール導体40B上面の窪み40aとによって緩和される。それにより、たとえばスルーホール導体40の変形や断裂等が抑制され、非活性部Saにおける電極層30やスルーホール導体40の導通不良や断線が生じる事態が抑制される。 In the piezoelectric element 10 described above, the internal stress (that is, the residual stress due to contraction during firing) that occurs in the inactive portion Sa during firing when manufacturing the piezoelectric element 10 and the stress applied to the inactive portion Sa from outside. Are alleviated by the depression 40a on the lower surface of the first through-hole conductor 40A and the depression 40a on the upper surface of the second through-hole conductor 40B. As a result, for example, the deformation or breakage of the through-hole conductor 40 is suppressed, and the occurrence of defective conduction or disconnection of the electrode layer 30 or the through-hole conductor 40 in the inactive portion Sa is suppressed.

その上、非活性部Saでは、スルーホール導体40の窪み40aに圧電体層36の突部36bが入り込んでいるため、スルーホール導体40に対する圧電体層36の保持力が増している。スルーホール導体40の端面(上下面)が平坦であり圧電体層が入り込んでいない構成に比べ、スルーホール導体40の窪み40aに圧電体層36の突部36bが入り込んでいる構成では、スルーホール導体40の変位や変形が抑制または阻害される。その結果、非活性部Saにおける導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。 Moreover, in the inactive portion Sa, the protrusion 36b of the piezoelectric layer 36 is inserted into the recess 40a of the through-hole conductor 40, so that the holding force of the piezoelectric layer 36 with respect to the through-hole conductor 40 is increased. Compared with the configuration in which the end surface (upper and lower surfaces) of the through-hole conductor 40 is flat and the piezoelectric layer is not inserted, in the configuration in which the protrusion 36b of the piezoelectric layer 36 is inserted in the recess 40a of the through-hole conductor 40, The displacement or deformation of the conductor 40 is suppressed or hindered. As a result, it is possible to further suppress the occurrence of defective conduction and disconnection in the inactive portion Sa.

加えて、非活性部Saでは、スルーホール導体40に近接する空隙48が、スルーホール導体40周辺の応力や歪みを緩和するため、電極層30やスルーホール導体40の導通不良や断線が生じる事態がより一層抑制される。特に、上述した実施形態においては、非活性部Saには複数の空隙48があり、複数のスルーホール導体40のそれぞれに空隙48が近接している。そのため、複数のスルーホール導体40それぞれにおいて応力や歪みが緩和され、非活性部Saにおける導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。 In addition, in the non-active portion Sa, the void 48 close to the through-hole conductor 40 relieves stress and strain around the through-hole conductor 40, so that the electrode layer 30 and the through-hole conductor 40 have poor electrical continuity and disconnection. Is further suppressed. In particular, in the above-described embodiment, the inactive portion Sa has a plurality of voids 48, and the voids 48 are close to the plurality of through-hole conductors 40, respectively. Therefore, stress and strain are alleviated in each of the plurality of through-hole conductors 40, and a situation in which poor conduction or disconnection in the inactive portion Sa is further suppressed.

空隙48の位置は、スルーホール導体40に対して積層体20の積層方向に近接した位置(すなわち、縦並びの位置)に限らず、積層方向に直交する方向に近接した位置(すなわち、横並びの位置)であってもよい。 The position of the void 48 is not limited to a position close to the through-hole conductor 40 in the stacking direction of the stacked body 20 (that is, a vertical position), but a position close to a direction orthogonal to the stacking direction (that is, a horizontal position). Position).

なお、方向や大きさが多様な応力や歪みを緩和するために、複数の空隙48それぞれの位置(スルーホール導体40に対する相対位置)や寸法は一様でなく、不均一および不規則にすることができる。スルーホール導体40に対して積層体20の積層方向に近接した位置(すなわち、縦並びの位置)に限らず、積層方向に直交する方向に近接した位置(すなわち、横並びの位置)であってもよい。 It should be noted that the positions (relative positions with respect to the through-hole conductor 40) and dimensions of each of the plurality of voids 48 are not uniform, and are uneven and irregular in order to relax stresses and strains having various directions and sizes. You can The position is not limited to a position close to the through-hole conductor 40 in the stacking direction of the stacked body 20 (that is, a vertical position), but may be a position close to the through-hole conductor 40 in a direction orthogonal to the stacking direction (that is, a horizontal position). Good.

また、圧電素子10では、積層体20の一端部20a側の非活性部Saが、上述した他端部20b側の非活性部Saと同様の電極層30、圧電体層36およびスルーホール導体40の構成を有しているため、一端部20a側の非活性部Saでも上記と同様の効果が得られる。 Further, in the piezoelectric element 10, the inactive portion Sa on the one end portion 20a side of the laminated body 20 has the same electrode layer 30, the piezoelectric body layer 36, and the through-hole conductor 40 as the inactive portion Sa on the other end portion 20b side described above. Since the above configuration is provided, the same effect as described above can be obtained even in the inactive portion Sa on the one end portion 20a side.

また、圧電素子10では、活性部Sbにおける伸縮や振動等の変形に伴い、活性部Sbから非活性部Saへ応力や歪みが付加されたときに、そのような応力や歪みも第2層30Bや第3層30Cによって緩和される。 In addition, in the piezoelectric element 10, when stress or strain is applied from the active portion Sb to the non-active portion Sa due to deformation such as expansion or contraction or vibration of the active portion Sb, such stress or strain also occurs in the second layer 30B. And is relaxed by the third layer 30C.

ここで、活性部Sbから非活性部Saへ付加される応力や歪みについて、図4および図5を参照しつつ説明する。 Here, the stress and strain applied from the active portion Sb to the inactive portion Sa will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

図4は、一対の外部接続端子T1、T2間の電圧印加により、活性部Sbが積層体20の長手方向に伸長したときの非活性部Saの状態を示している。このとき、非活性部Saには、活性部Sbと非活性部Saとの並び方向である積層体20の長手方向からの圧縮応力や圧縮歪みが付加される。そのため、非活性部Saは、積層体20の長手方向に関して全体的に縮む。ただし、非活性部Sa内のスルーホール導体40および圧電体層36が上述した構成を有するため、非活性部Saの縮みに応じて窪み40aの深さを深くすることで、電極層30に対する圧縮応力および圧縮歪みは緩和される。このようなスルーホール導体40の窪み40aの深化は、非活性部Saが高さ方向から引っ張られたときにも生じ得る。 FIG. 4 shows a state of the inactive portion Sa when the active portion Sb extends in the longitudinal direction of the stacked body 20 by applying a voltage between the pair of external connection terminals T1 and T2. At this time, a compressive stress or a compressive strain is applied to the inactive portion Sa from the longitudinal direction of the stacked body 20, which is the direction in which the active portion Sb and the inactive portion Sa are arranged. Therefore, the inactive portion Sa shrinks as a whole in the longitudinal direction of the stacked body 20. However, since the through-hole conductor 40 and the piezoelectric layer 36 in the inactive portion Sa have the above-described configuration, the depth of the recess 40a is increased according to the contraction of the inactive portion Sa, so that the electrode layer 30 is compressed. Stress and compressive strain are relieved. Such deepening of the recess 40a of the through-hole conductor 40 may occur even when the inactive portion Sa is pulled from the height direction.

図5は、一対の外部接続端子T1、T2間の電圧印加により、活性部Sbが積層体20の長手方向に収縮したときの非活性部Saの状態を示している。このとき、非活性部Saには、活性部Sbと非活性部Saとの並び方向である積層体20の長手方向からの引張応力や引張歪みが付加される。そのため、非活性部Saは、積層体20の長手方向に関して全体的に伸びる。ただし、非活性部Sa内のスルーホール導体40および圧電体層36が上述した構成を有するため、非活性部Saの伸びに応じて窪み40aの深さを浅くすることで、電極層30に対する引張応力および引張歪みは緩和される。このようなスルーホール導体40の窪み40aの平坦化は、非活性部Saが高さ方向から圧縮されたときにも生じ得る。 FIG. 5 shows a state of the inactive portion Sa when the active portion Sb contracts in the longitudinal direction of the stacked body 20 due to the voltage application between the pair of external connection terminals T1 and T2. At this time, a tensile stress or a tensile strain is applied to the inactive portion Sa from the longitudinal direction of the stacked body 20, which is the direction in which the active portion Sb and the inactive portion Sa are arranged. Therefore, the non-active portion Sa extends entirely in the longitudinal direction of the stacked body 20. However, since the through-hole conductor 40 and the piezoelectric layer 36 in the inactive portion Sa have the above-described configuration, the depth of the recess 40a is reduced according to the extension of the inactive portion Sa, so that the tensile force with respect to the electrode layer 30 is reduced. Stress and tensile strain are relieved. Such flattening of the depression 40a of the through-hole conductor 40 can occur even when the inactive portion Sa is compressed in the height direction.

図6に、従来技術に係る圧電素子の非活性部の要部拡大断面図を示す。図6において、符号52、54、56はそれぞれ、電極層、圧電体層、スルーホール導体を示す。図6に示すように、従来技術に係るスルーホール導体56の端面(上下面)は平坦であり、窪みがなく、そのため、従来技術に係る圧電素子では非活性部に付加される応力や歪みを緩和することができない。その結果、電極層52がスルーホール導体56から脱離したり断線したりする事態が生じ得る。 FIG. 6 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of an inactive part of a piezoelectric element according to a conventional technique. In FIG. 6, reference numerals 52, 54 and 56 represent an electrode layer, a piezoelectric layer and a through hole conductor, respectively. As shown in FIG. 6, the end surface (upper and lower surfaces) of the through-hole conductor 56 according to the related art is flat and has no depression. Therefore, in the piezoelectric element according to the related art, stress or strain applied to the inactive portion is not generated. Cannot be mitigated. As a result, the electrode layer 52 may be detached from the through-hole conductor 56 or disconnected.

上述した圧電素子10では、分極時や駆動時に活性部Sbから非活性部Saへ付加される応力や歪みについても緩和される。それにより、上記積層部分において電極層30やスルーホール導体40の導通不良や断線が生じる事態が抑制される。 In the piezoelectric element 10 described above, the stress and strain applied from the active portion Sb to the inactive portion Sa at the time of polarization or driving is also relaxed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of defective conduction and disconnection of the electrode layer 30 and the through-hole conductor 40 in the laminated portion.

次に、第2実施形態に係る圧電素子100の構成について、図7〜10を参照しつつ説明する。 Next, the configuration of the piezoelectric element 100 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

図7に示されるように、圧電素子100は、個別電極102が形成された複数の圧電体層103と、コモン電極104が形成された複数の圧電体層105とが交互に積層され、更に、端子電極117、118が形成された圧電体層107が最上層に積層されることで構成されている。 As shown in FIG. 7, in the piezoelectric element 100, a plurality of piezoelectric layers 103 having the individual electrodes 102 formed thereon and a plurality of piezoelectric layers 105 having the common electrode 104 formed thereon are alternately laminated. The piezoelectric layer 107 on which the terminal electrodes 117 and 118 are formed is laminated on the uppermost layer.

圧電素子100は、一方向に延びる直方体の外形を有する積層体101を備えている。積層体101の寸法は、一例として、長手方向長さ30.0mm、短手方向長さ15.0mm、厚さ0.30mmである。 The piezoelectric element 100 includes a laminated body 101 having a rectangular parallelepiped outer shape extending in one direction. The dimensions of the laminated body 101 are, for example, a length in the longitudinal direction of 30.0 mm, a length in the lateral direction of 15.0 mm, and a thickness of 0.30 mm.

複数の圧電体層103、107は、いずれも長方形平板状であり、一例として、長手方向長さ30.0mm、短手方向長さ15.0mm、厚さ30μmである。各圧電体層36は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料で構成されており、Nb、Sr等の添加物を含んでいる。 Each of the plurality of piezoelectric layers 103 and 107 has a rectangular flat plate shape, and as an example, the length in the longitudinal direction is 30.0 mm, the length in the lateral direction is 15.0 mm, and the thickness is 30 μm. Each piezoelectric layer 36 is made of, for example, a piezoelectric ceramic material containing lead zirconate titanate as a main component, and contains additives such as Nb and Sr.

各圧電体層103、105、107は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス材料からなり、例えば「15mm×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102、コモン電極104および端子電極117、118は、Ag−Pd合金(Ag70wt%、Pd30wt%)で構成されており、Ag−Pd合金以外の導電材料(Ag−Pt合金、Au−Pd合金、Cu、Ni等)で構成することもできる。スクリーン印刷によりパターン形成されたものである。 Each of the piezoelectric layers 103, 105, and 107 is made of a piezoelectric ceramic material containing lead zirconate titanate as a main component, and is formed in a rectangular thin plate shape of, for example, “15 mm×30 mm, thickness 30 μm”. The individual electrode 102, the common electrode 104, and the terminal electrodes 117 and 118 are made of Ag-Pd alloy (Ag 70 wt %, Pd 30 wt %), and conductive materials other than Ag-Pd alloy (Ag-Pt alloy, Au-). Pd alloy, Cu, Ni, etc.). The pattern is formed by screen printing.

最上層の圧電体層107から数えて2層目、4層目、6層目、8層目の圧電体層103の上面には、図8に示されるように、複数の長方形状の個別電極102が千鳥配置されている。各個別電極102は、その長手方向が圧電体層103の長手方向と直交するように配置されており、隣り合う個別電極102、102は、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。 As shown in FIG. 8, a plurality of rectangular individual electrodes are formed on the upper surface of the second, fourth, sixth, and eighth piezoelectric layers 103 counted from the uppermost piezoelectric layer 107. 102 are staggered. The individual electrodes 102 are arranged such that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the longitudinal direction of the piezoelectric layer 103, and the individual electrodes 102, 102 adjacent to each other are electrically separated from each other by a predetermined distance. Moreover, the influence of mutual vibration is prevented.

ここで、圧電体層3の長手方向を列方向、当該長手方向と直交する方向を行方向とすると、個別電極102は、例えば4行に並べて千鳥状に配置される。複数の個別電極102を千鳥配置にすることで、圧電体層103に対して効率の良い配置が可能となるため、圧電体層103において変形に寄与する活性部の面積を維持しつつ、圧電素子100の小型化或いは個別電極102の高集積化を図ることができる。 Here, when the longitudinal direction of the piezoelectric layer 3 is the column direction and the direction orthogonal to the longitudinal direction is the row direction, the individual electrodes 102 are arranged in, for example, four rows in a zigzag pattern. By arranging the plurality of individual electrodes 102 in a zigzag manner, it is possible to arrange them efficiently with respect to the piezoelectric layer 103. Therefore, while maintaining the area of the active portion that contributes to deformation in the piezoelectric layer 103, the piezoelectric element The miniaturization of 100 or the high integration of the individual electrodes 102 can be achieved.

各個別電極102は、近接する個別電極との間で対向する端部を接続端部102aとし、その接続端部102aの直下において、図11に示すように、圧電体層103に貫設されたスルーホール導体114に接続されている。スルーホール導体114は、圧電体層103に設けられたスルーホール136aに電極材料を充填して構成されている。 Each of the individual electrodes 102 has a connection end 102a at an end facing the adjacent individual electrode, and is provided directly below the connection end 102a, as shown in FIG. 11, to penetrate the piezoelectric layer 103. It is connected to the through-hole conductor 114. The through-hole conductor 114 is configured by filling the through-hole 136a provided in the piezoelectric layer 103 with an electrode material.

更に、圧電体層103の上面の縁部には、上下に位置する圧電体層105のコモン電極104同士を電気的に接続するための中継電極106が形成されている。この中継電極106は、その直下において圧電体層103に貫設されたスルーホール導体114に接続されている。 Further, a relay electrode 106 for electrically connecting the common electrodes 104 of the upper and lower piezoelectric layers 105 is formed on the edge of the upper surface of the piezoelectric layer 103. The relay electrode 106 is connected to a through-hole conductor 114 that is provided directly below the relay electrode 106 so as to penetrate the piezoelectric layer 103.

なお、最下層の圧電体層103の上面にも、上述した2層目、4層目、6層目、8層目の圧電体層103と同様に個別電極102が千鳥配置されている。ただし、最下層の圧電体層103は、中継電極106及びスルーホール導体114が形成されていない点で、2層目、4層目、6層目、8層目の圧電体層103と異なっている。 In addition, the individual electrodes 102 are also arranged in a staggered manner on the upper surface of the lowermost piezoelectric layer 103, similarly to the above-described second, fourth, sixth, and eighth piezoelectric layers 103. However, the lowermost piezoelectric layer 103 is different from the second, fourth, sixth, and eighth piezoelectric layers 103 in that the relay electrode 106 and the through-hole conductor 114 are not formed. There is.

また、最上層の圧電体層107から数えて3層目、5層目、7層目、9層目の圧電体層105の上面には、図9に示されるように、積層体101の積層方向(すなわち、積層型圧電素子100の厚さ方向)において圧電体層103の各接続端部102aに対向するように中継電極116が形成されている。各中継電極116は、その直下において、図11に示すように、圧電体層105に貫設されたスルーホール導体114に接続されている。スルーホール導体114は、圧電体層105に設けられたスルーホール136aに電極材料を充填して構成されている。 Further, as shown in FIG. 9, a laminated body 101 is laminated on the upper surface of the third, fifth, seventh and ninth piezoelectric layers 105 counted from the uppermost piezoelectric layer 107. The relay electrode 116 is formed so as to face each connection end portion 102a of the piezoelectric layer 103 in the direction (that is, the thickness direction of the laminated piezoelectric element 100). Immediately below each relay electrode 116, as shown in FIG. 11, it is connected to a through-hole conductor 114 penetrating the piezoelectric layer 105. The through-hole conductor 114 is configured by filling the through-hole 136a provided in the piezoelectric layer 105 with an electrode material.

更に、圧電体層105の上面にはコモン電極104が形成されている。このコモン電極104は、1行目及び2行目の中継電極116の集合と、3行目及び4行目の中継電極116の集合とのそれぞれを所定の間隔をとって包囲すると共に、積層方向から見て、各個別電極102の接続端部102aを除く部分と重なっている。これにより、圧電体層103、105において各個別電極102の接続端部102aを除く部分に対向する部分の全体を、変形に寄与する活性部(図11の活性部Sb)として有効に用いることができる。また、コモン電極104は、圧電体層105の外周部から所定の間隔をとって形成され、積層方向において圧電体層103の中継電極106に対向するように圧電体層105に貫設されたスルーホール導体114に接続されている。 Further, the common electrode 104 is formed on the upper surface of the piezoelectric layer 105. The common electrode 104 surrounds the set of the relay electrodes 116 in the first and second rows and the set of the relay electrodes 116 in the third and fourth rows with a predetermined interval and in the stacking direction. Seen from the above, it overlaps with the portion of each individual electrode 102 excluding the connection end portion 102a. As a result, it is possible to effectively use the entire portion of the piezoelectric layers 103 and 105 that faces the portion of each individual electrode 102 excluding the connection end portion 102a as an active portion (active portion Sb in FIG. 11) that contributes to deformation. it can. In addition, the common electrode 104 is formed at a predetermined distance from the outer peripheral portion of the piezoelectric layer 105, and is a through-hole provided in the piezoelectric layer 105 so as to face the relay electrode 106 of the piezoelectric layer 103 in the stacking direction. It is connected to the hole conductor 114.

なお、9層目の圧電体層105の上面にも、上述した3層目、5層目、7層目の圧電体層105と同様に中継電極116及びコモン電極104が形成されている。ただし、9層目の圧電体層105は、積層方向において圧電体層103の中継電極106に対向するスルーホール導体114が形成されていない点で、3層目、5層目、7層目の圧電体層105と異なっている。 Note that the relay electrode 116 and the common electrode 104 are formed on the upper surface of the ninth piezoelectric layer 105 as well as the above-described third, fifth, and seventh piezoelectric layers 105. However, the ninth piezoelectric layer 105 is the third, fifth, and seventh layers in that the through-hole conductor 114 facing the relay electrode 106 of the piezoelectric layer 103 in the stacking direction is not formed. It is different from the piezoelectric layer 105.

また、最上層の圧電体層107の上面には、図10に示されるように、積層方向において圧電体層103の各個別電極102の接続端部102aに対向するように端子電極117が形成され、積層方向において圧電体層103の中継電極106に対向するように端子電極118が形成されている。各端子電極117、118は、その直下において圧電体層107に貫設されたスルーホール導体114に接続されている。 Further, as shown in FIG. 10, a terminal electrode 117 is formed on the upper surface of the uppermost piezoelectric layer 107 so as to face the connection end portion 102a of each individual electrode 102 of the piezoelectric layer 103 in the stacking direction. The terminal electrode 118 is formed so as to face the relay electrode 106 of the piezoelectric layer 103 in the stacking direction. Each of the terminal electrodes 117 and 118 is connected to the through-hole conductor 114 that is provided directly below the through-hole conductor 114 that penetrates the piezoelectric layer 107.

これらの端子電極117、118には、駆動電源に接続するためにFPC(flexible printed circuit board)等のリード線が半田付けされる。そのため、リード線を半田付けするに際して半田を載せ易くすべく、端子電極117、118においては、Ag及びPdにより構成された導電材料からなる下地電極層上に、半田ぬれ性を良好にするためにAgにより構成された導電材料からなる表面電極層が形成されている。 Lead wires such as an FPC (flexible printed circuit board) are soldered to these terminal electrodes 117 and 118 for connecting to a driving power source. Therefore, in order to facilitate the placement of the solder when soldering the lead wires, the terminal electrodes 117 and 118 have good solder wettability on the base electrode layer made of a conductive material composed of Ag and Pd. A surface electrode layer made of a conductive material composed of Ag is formed.

最上層の圧電体層107に形成された端子電極117、118の厚さは、他の電極層102、104、116の厚さよりも厚く、約1〜2μmである。端子電極117、118の厚さは、他の電極層102、104、116の厚さに対して、好ましくは5〜50%、より好ましくは10〜30%厚い。 The thickness of the terminal electrodes 117 and 118 formed on the uppermost piezoelectric layer 107 is thicker than the thickness of the other electrode layers 102, 104 and 116, and is about 1 to 2 μm. The thickness of the terminal electrodes 117 and 118 is preferably 5 to 50%, and more preferably 10 to 30% thicker than the thickness of the other electrode layers 102, 104 and 116.

なお、最上層の圧電体層107の上面の周縁部にはダミー電極パターンを配置してもよい。周縁部にダミー電極パターンを配置することにより、プレス時の圧力の偏りが少なくなり、プレス後のグリーン密度のばらつきを低減できるという効果が得られる。 A dummy electrode pattern may be arranged on the peripheral portion of the upper surface of the uppermost piezoelectric layer 107. By arranging the dummy electrode pattern on the peripheral portion, it is possible to obtain an effect that the bias of the pressure at the time of pressing is reduced and the variation of the green density after pressing can be reduced.

以上のように電極パターンが形成された圧電体層103、105、107の積層によって、最上層の端子電極118に対しては、積層方向において4つのコモン電極104が中継電極106を介在させて整列し、整列した各電極層104、106は、スルーホール導体114により電気的に接続されることになる。 By stacking the piezoelectric layers 103, 105, and 107 having the electrode patterns formed as described above, the four common electrodes 104 are aligned in the stacking direction with the relay electrode 106 interposed therebetween with respect to the uppermost terminal electrode 118. The aligned electrode layers 104 and 106 are electrically connected by the through hole conductor 114.

また、最上層の各端子電極117に対しては、積層方向において5つの個別電極102が中継電極116を介在させて整列し、整列した各電極層102、116は、図11に示されるように、スルーホール導体114により電気的に接続されることになる。 Further, with respect to each terminal electrode 117 of the uppermost layer, the five individual electrodes 102 are aligned in the stacking direction with the relay electrode 116 interposed, and the aligned electrode layers 102 and 116 are arranged as shown in FIG. , And is electrically connected by the through-hole conductor 114.

なお、積層体101の積層方向から見て隣り合うスルーホール導体114は、図11に示すように、それぞれの中心軸が重ならないように設計されており、積層方向から見て所定の間隔を空けて個別電極102の延在方向に沿って隣接するように、各圧電体層103、105に形成されている。隣り合うスルーホール導体114をこのように配置することで、スルーホール導体114による電気的な接続が確実化されている。 The through-hole conductors 114 adjacent to each other when viewed in the stacking direction of the stacked body 101 are designed so that their central axes do not overlap each other, as shown in FIG. The piezoelectric layers 103 and 105 are formed so as to be adjacent to each other along the extending direction of the individual electrode 102. By arranging the adjacent through-hole conductors 114 in this way, electrical connection by the through-hole conductors 114 is ensured.

積層型圧電素子100は、上述したとおりの電気的接続となっているため、所定の端子電極117と端子電極118との間に電圧を印加すると、個別電極102とコモン電極104との間に電圧が印加されて、個別電極102とコモン電極104とで圧電体層103、105が挟まれた部分である活性部Sbが変位する。したがって、電圧を印加する端子電極117を選択することで、マトリックス状に配置された各個別電極102に対応する活性部Sbのうち、選択した端子電極117下に整列する活性部Sbを積層方向に変位させることができる。このような積層型圧電素子100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される。 Since the multilayer piezoelectric element 100 is electrically connected as described above, when a voltage is applied between the predetermined terminal electrode 117 and the terminal electrode 118, the voltage is applied between the individual electrode 102 and the common electrode 104. Is applied, the active portion Sb, which is a portion where the piezoelectric layers 103 and 105 are sandwiched between the individual electrode 102 and the common electrode 104, is displaced. Therefore, by selecting the terminal electrode 117 to which a voltage is applied, among the active parts Sb corresponding to the individual electrodes 102 arranged in a matrix, the active parts Sb aligned below the selected terminal electrode 117 are stacked in the stacking direction. It can be displaced. Such a laminated piezoelectric element 100 is applied to a drive source of various devices that require minute displacement, such as valve control of a micropump.

一方、個別電極102の接続端部102aと中継電極116とが重なる部分は、同じ極性の電極層31a、32bが重なり合う積層部分であるため、電圧が印加されてもほとんど変形しない。そのため、図11に示すように、個別電極102の接続端部102aと中継電極116とが重なる部分は、変形に寄与しない非活性部Saとなっている。また、最上層の圧電体層107は下にのみ個別電極102が位置するため、電圧が印加されても変形はほとんど生じない。積層体101では、電圧が印加されても変形が実質的に生じない部分(すなわち、個別電極102の接続端部102aと中継電極116とが重なる部分)にのみ、スルーホール導体114が設けられている。 On the other hand, the portion where the connection end portion 102a of the individual electrode 102 and the relay electrode 116 overlap is a laminated portion where the electrode layers 31a and 32b having the same polarity overlap each other, and therefore is hardly deformed even when a voltage is applied. Therefore, as shown in FIG. 11, the portion where the connection end portion 102a of the individual electrode 102 and the relay electrode 116 overlap is an inactive portion Sa that does not contribute to deformation. Further, since the individual electrode 102 is located only below the uppermost piezoelectric layer 107, there is almost no deformation even when a voltage is applied. In the laminated body 101, the through-hole conductor 114 is provided only in a portion where deformation does not substantially occur even when a voltage is applied (that is, a portion where the connection end portion 102a of the individual electrode 102 and the relay electrode 116 overlap). There is.

図11、12に示すように、非活性部Saでは、同じ極性を有する電極層130(より詳しくは、個別電極102、中継電極116)が、圧電体層103、105を介して重なっている。なお、説明の便宜上、重なり合う電極層130を上側から順に、第1層130A、第2層130B、第3層130C、第4層130Dとも称す。また、第1層130Aと第2層130Bとの間に介在する圧電体層103を特に第1の圧電体層136Aと称し、第2層130Bと第3層130Cとの間に介在する圧電体層105を特に第2の圧電体層136Bと称し、第3層130Cと第4層130Dとの間に介在する圧電体層103を特に第3の圧電体層136Cと称す。 As shown in FIGS. 11 and 12, in the inactive portion Sa, the electrode layers 130 (more specifically, the individual electrodes 102 and the relay electrodes 116) having the same polarity are overlapped with each other via the piezoelectric layers 103 and 105. For convenience of explanation, the overlapping electrode layers 130 are also referred to as a first layer 130A, a second layer 130B, a third layer 130C, and a fourth layer 130D in order from the upper side. Further, the piezoelectric layer 103 interposed between the first layer 130A and the second layer 130B is referred to as a first piezoelectric layer 136A in particular, and the piezoelectric body interposed between the second layer 130B and the third layer 130C. The layer 105 is particularly referred to as a second piezoelectric layer 136B, and the piezoelectric layer 103 interposed between the third layer 130C and the fourth layer 130D is particularly referred to as a third piezoelectric layer 136C.

隣り合う第1層130A、第2層130B、第3層130C、第4層130Dの層間は、圧電体層103、105に貫設されたスルーホール導体114により接続されている。ただし、上下に隣り合うスルーホール導体114同士は、厚さ方向(積層体101の積層方向)から見て重なっておらず、隣接している。具体的には、第1の圧電体層136Aの第1のスルーホール導体114Aと、第2の圧電体層136Bの第2のスルーホール導体114Bとは、厚さ方向から見て重なっておらず、図の左右方向(すなわち、個別電極102の延在方向)にズレて配置されている。また、第2のスルーホール導体114Bと、第3の圧電体層136Cの第3のスルーホール導体114Cも、厚さ方向から見て重なっておらず、図の左右方向にズレて配置されている。第3の圧電体層136Cの第3のスルーホール導体114Cは、第1の圧電体層136Aの第1のスルーホール導体114Aと、厚さ方向から見て重なっている。スルーホール導体114のズレ量は、たとえば、スルーホール導体114の最大半径以上であることが好ましく、スルーホール導体114の最大直径以上であることがより好ましい。 The interlayers of the first layer 130A, the second layer 130B, the third layer 130C, and the fourth layer 130D that are adjacent to each other are connected by a through-hole conductor 114 penetrating the piezoelectric layers 103 and 105. However, the vertically adjacent through-hole conductors 114 do not overlap with each other when viewed in the thickness direction (the stacking direction of the stacked body 101) and are adjacent to each other. Specifically, the first through-hole conductor 114A of the first piezoelectric layer 136A and the second through-hole conductor 114B of the second piezoelectric layer 136B do not overlap with each other when viewed in the thickness direction. , Are displaced in the left-right direction of the figure (that is, the extending direction of the individual electrode 102). Also, the second through-hole conductor 114B and the third through-hole conductor 114C of the third piezoelectric layer 136C do not overlap with each other when viewed in the thickness direction, and are arranged so as to be displaced in the left-right direction in the drawing. .. The third through-hole conductor 114C of the third piezoelectric layer 136C overlaps the first through-hole conductor 114A of the first piezoelectric layer 136A when viewed in the thickness direction. The amount of deviation of the through-hole conductor 114 is preferably, for example, not less than the maximum radius of the through-hole conductor 114, and more preferably not less than the maximum diameter of the through-hole conductor 114.

圧電素子100を作製する手順は、上述した圧電素子10を作製する手順と同様である。すなわち、所定パターンの電極ペーストを塗布したグリーンシートを重ねて、温間等方圧プレス等のプレス処理をおこない、積層グリーンシートを得る。このとき、スルーホール近傍の電極層となるべき部分を高温等圧下で湾曲させる。そして、得られた積層体グリーンを焼成するとともに所定の分極処理を施して、圧電素子100が完成する。 The procedure for producing the piezoelectric element 100 is the same as the procedure for producing the piezoelectric element 10 described above. That is, a green sheet coated with an electrode paste having a predetermined pattern is overlaid and subjected to a pressing process such as warm isostatic pressing to obtain a laminated green sheet. At this time, the portion to be the electrode layer near the through hole is curved under high temperature and constant pressure. Then, the obtained laminated body green is fired and subjected to a predetermined polarization treatment to complete the piezoelectric element 100.

上述した手順により得られた圧電素子100においては、図12に示すように、各スルーホール導体114の積層体101の積層方向に関する両端部に窪み114aが形成される。たとえば、第1の圧電体層136Aに貫設された第1のスルーホール導体114Aは、上面に第1のスルーホール導体114Aの側(図11における下側)に窪んだ窪み114aを有し、かつ、下面(第2の圧電体層136B側の端面)に第1のスルーホール導体114Aの側(図11における上側)に窪んだ窪み114aを有する。同様に、第2のスルーホール導体114Bおよび第3のスルーホール導体114Cも、上下面それぞれに窪み114aを有する。 In the piezoelectric element 100 obtained by the procedure described above, as shown in FIG. 12, the recesses 114a are formed at both ends of each through-hole conductor 114 in the stacking direction of the stack 101. For example, the first through-hole conductor 114A penetrating the first piezoelectric layer 136A has a recess 114a on the upper surface, which is recessed on the first through-hole conductor 114A side (lower side in FIG. 11). Further, the lower surface (the end surface on the second piezoelectric layer 136B side) has a recess 114a which is recessed on the first through-hole conductor 114A side (upper side in FIG. 11). Similarly, the second through-hole conductor 114B and the third through-hole conductor 114C also have depressions 114a on the upper and lower surfaces, respectively.

そして、窪み114aにより、スルーホール導体114が部分的に薄く(すなわち、積層方向長さが短く)なる。図11に示すように、各スルーホール導体114A、114B、114Cの窪み114a部分における厚さは、圧電体層136A、136B、136Cの厚さよりも薄くなっている。 Then, the recess 114a partially thins the through-hole conductor 114 (that is, the length in the stacking direction is short). As shown in FIG. 11, the thickness of each of the through-hole conductors 114A, 114B, 114C at the recess 114a is thinner than the thickness of the piezoelectric layers 136A, 136B, 136C.

また、各スルーホール導体114に形成された窪み114aに、圧電体層136A、136B、136Cの突部136bがそれぞれ入り込んでいる。たとえば、第1のスルーホール導体114Aの下面の窪み114aに、第2の圧電体層136Bの上向きの突部136bが入り込んでいる。また、第2のスルーホール導体114Bの上面の窪み114aに、第1の圧電体層136Aの下向きの突部136bが入り込んでいる。 Further, the protrusions 136b of the piezoelectric layers 136A, 136B, 136C are respectively inserted in the depressions 114a formed in each through-hole conductor 114. For example, the upward protrusion 136b of the second piezoelectric layer 136B is inserted in the depression 114a on the lower surface of the first through-hole conductor 114A. Further, the downward protrusion 136b of the first piezoelectric layer 136A is inserted in the recess 114a on the upper surface of the second through-hole conductor 114B.

このようなスルーホール導体114の形状、電極層130の形状および圧電体層103、105の形状は、圧電素子100の作製時に、スルーホール近傍の電極層を高温等圧下で湾曲させたことで得られると考えられる。 The shape of the through-hole conductor 114, the shape of the electrode layer 130, and the shapes of the piezoelectric layers 103 and 105 are obtained by bending the electrode layer in the vicinity of the through hole at the time of manufacturing the piezoelectric element 100 under high temperature and constant pressure. It is thought to be done.

また、上述した手順により得られた圧電素子100においては、各スルーホール導体114に近接した複数の空隙148が形成される。より詳しくは、複数の空隙148はそれぞれ、積層体101の積層方向に関して各スルーホール導体114の端部に近接しており、各スルーホール導体114の窪み114aに入り込むように位置している。さらに詳しくは、空隙148は、スルーホール導体114の窪み114aに入り込んだ圧電体層136A、136B、136Cの突部136bに位置している。各空隙148は、図12に示すように、電極層130の延在方向に沿って一方向に延びる断面を有している。また、各空隙148の内部は不活性ガスで充たされている。 Further, in the piezoelectric element 100 obtained by the procedure described above, a plurality of voids 148 are formed near each through-hole conductor 114. More specifically, each of the plurality of voids 148 is close to the end of each through-hole conductor 114 in the stacking direction of the stacked body 101, and is located so as to enter the recess 114 a of each through-hole conductor 114. More specifically, the void 148 is located at the protrusion 136b of the piezoelectric layer 136A, 136B, 136C that has entered the recess 114a of the through-hole conductor 114. As shown in FIG. 12, each void 148 has a cross section that extends in one direction along the extending direction of the electrode layer 130. The inside of each void 148 is filled with an inert gas.

第2実施形態に係る圧電素子100は、電極層130と圧電体層103、105とが交互に積層された積層体101を備えた圧電素子であって、積層体101が、電極層130Bの一方面に重ねられた第1の圧電体層136Aに貫設された第1のスルーホール導体114Aと、該電極層130Bの他方面に重ねられた第2の圧電体層136Bに貫設された第2のスルーホール導体114Bとを含む積層部分として、非活性部Saを有している。非活性部Saにおいて、第1のスルーホール導体114Aは下面(第2の圧電体層136B側の端面)に第1の窪み114aを有し、かつ、第2の圧電体層136Bが第1の窪み114aに入り込む突部136bを有し、第2のスルーホール導体114Bは上面(第1の圧電体層136A側の端面)に第2の窪み114aを有し、かつ、第1の圧電体層136Aが、第2の窪み114aに入り込む突部136bを有している。そして、第1のスルーホール導体114Aの第1の窪み114aおよび第2のスルーホール導体114Bの第2の窪み114aに近接する複数の空隙148がある。 The piezoelectric element 100 according to the second embodiment is a piezoelectric element including a laminated body 101 in which electrode layers 130 and piezoelectric layers 103 and 105 are alternately laminated, and the laminated body 101 is one of the electrode layers 130B. The first through-hole conductor 114A penetratingly provided on the first piezoelectric layer 136A stacked on the one side, and the first through-hole conductor 114A penetrating on the second piezoelectric layer 136B stacked on the other side of the electrode layer 130B. The inactive portion Sa is provided as a laminated portion including the second through-hole conductor 114B. In the inactive portion Sa, the first through-hole conductor 114A has the first depression 114a on the lower surface (the end surface on the second piezoelectric layer 136B side), and the second piezoelectric layer 136B is the first The second through-hole conductor 114B has a protrusion 136b that enters the depression 114a, the second through-hole conductor 114B has the second depression 114a on the upper surface (the end surface on the side of the first piezoelectric layer 136A), and the first piezoelectric layer 136A has a protrusion 136b that enters the second recess 114a. Then, there are a plurality of voids 148 adjacent to the first recess 114a of the first through-hole conductor 114A and the second recess 114a of the second through-hole conductor 114B.

そして、第2実施形態に係る圧電素子100は、上述した第1実施形態に係る圧電素子10同様、圧電素子100を作製する際の焼成のときに非活性部Saに生じる内部応力や外部から非活性部Saに付加された応力は、第1のスルーホール導体114A下面の窪み114aと第2のスルーホール導体114B上面の窪み114aとによって緩和される。それにより、たとえばスルーホール導体114の変形や断裂等が抑制され、電極層130やスルーホール導体114の導通不良や断線が生じる事態が抑制される。 The piezoelectric element 100 according to the second embodiment is similar to the piezoelectric element 10 according to the first embodiment described above in that the internal stress generated in the inactive portion Sa during firing when manufacturing the piezoelectric element 100 and the external stress from the outside. The stress applied to the active portion Sa is relaxed by the depression 114a on the lower surface of the first through-hole conductor 114A and the depression 114a on the upper surface of the second through-hole conductor 114B. As a result, for example, the deformation or breakage of the through-hole conductor 114 is suppressed, and the occurrence of defective conduction or disconnection of the electrode layer 130 or the through-hole conductor 114 is suppressed.

その上、非活性部Saでは、スルーホール導体114の窪み114aに圧電体層103、105の突部136bが入り込んでいるため、スルーホール導体114に対する圧電体層103、105の保持力が増している。スルーホール導体40の端面(上下面)が平坦であり圧電体層が入り込んでいない構成に比べ、スルーホール導体114の窪み114aに圧電体層103、105の突部136bが入り込んでいる構成では、スルーホール導体114の変位や変形が抑制または阻害される。その結果、非活性部Saにおける導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。 In addition, in the inactive portion Sa, the protrusions 136b of the piezoelectric layers 103 and 105 enter the depressions 114a of the through-hole conductor 114, so that the holding force of the piezoelectric layers 103 and 105 with respect to the through-hole conductor 114 increases. There is. Compared to the configuration in which the end surface (upper and lower surfaces) of the through-hole conductor 40 is flat and the piezoelectric layer is not embedded, in the configuration in which the protrusions 136b of the piezoelectric layers 103 and 105 are embedded in the recess 114a of the through-hole conductor 114 The displacement or deformation of the through-hole conductor 114 is suppressed or hindered. As a result, it is possible to further suppress the occurrence of defective conduction and disconnection in the inactive portion Sa.

加えて、非活性部Saでは、スルーホール導体114に近接する空隙148が、スルーホール導体114周辺の応力や歪みを緩和するため、電極層130やスルーホール導体114の導通不良や断線が生じる事態がより一層抑制される。特に、上述した実施形態においては、非活性部Saには複数の空隙148があり、複数のスルーホール導体114のそれぞれに空隙148が近接している。そのため、複数のスルーホール導体114それぞれにおいて応力や歪みが緩和され、非活性部Saにおける導通不良や断線が生じる事態がさらに抑制される。 In addition, in the non-active portion Sa, the void 148 close to the through-hole conductor 114 relieves the stress and strain around the through-hole conductor 114, so that the electrode layer 130 and the through-hole conductor 114 have poor conduction or disconnection. Is further suppressed. In particular, in the above-described embodiment, the non-active portion Sa has a plurality of voids 148, and the voids 148 are close to the plurality of through-hole conductors 114, respectively. Therefore, stress and strain are alleviated in each of the plurality of through-hole conductors 114, and a situation in which conduction failure or disconnection occurs in the inactive portion Sa is further suppressed.

空隙148の位置は、上述した第1実施形態の空隙148の位置同様、スルーホール導体114に対して縦並びの位置や横並びの位置であってもよい。 The position of the void 148 may be a position vertically aligned or a position horizontally aligned with the through-hole conductor 114, like the position of the void 148 of the first embodiment described above.

また、第2実施形態に係る圧電素子100は、上述した第1実施形態に係る圧電素子10同様、非活性部Saの積層部分では、スルーホール導体114および圧電体層103、105が上述した構成を有するため、分極時や駆動時に活性部Sbから非活性部Saへ付加される応力や歪みについても緩和される。それにより、上記積層部分において電極層130やスルーホール導体114の導通不良や断線が生じる事態が抑制される。 Further, in the piezoelectric element 100 according to the second embodiment, similarly to the piezoelectric element 10 according to the first embodiment described above, the through-hole conductor 114 and the piezoelectric layers 103 and 105 have the above-described configuration in the laminated portion of the inactive portion Sa. Therefore, the stress and strain applied from the active portion Sb to the inactive portion Sa at the time of polarization or driving can be relaxed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of defective conduction or disconnection of the electrode layer 130 and the through-hole conductor 114 in the laminated portion.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、圧電素子の積層体の電極層や圧電体層の層数は、上述した積層部分を構成するに最低限必要な層数(すなわち、3層以上の電極層と2層以上の圧電体層)以上であれば、適宜増減することができる。また、積層体の総厚さ、電極層の厚さおよび圧電体層の厚さも、適宜増減することができる。さらに、非活性部Saにおける空隙の数は、適宜増減することができ、非活性部Sa内に一つだけある態様(たとえば、第1のスルーホール導体および第2のスルーホール導体のいずれか一方にのみ近接する空隙)や、各スルーホール導体に一つずつある態様、各スルーホール40導体に複数ある態様等であってもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the number of layers of the electrode layers and the piezoelectric layers of the laminated body of the piezoelectric element is the minimum number of layers required to form the above-mentioned laminated portion (that is, three or more electrode layers and two or more piezoelectric layers). ) If it is above, it can increase or decrease suitably. Further, the total thickness of the laminated body, the thickness of the electrode layer and the thickness of the piezoelectric layer can be appropriately increased or decreased. Furthermore, the number of voids in the inactive portion Sa can be appropriately increased or decreased, and there is only one in the inactive portion Sa (for example, one of the first through-hole conductor and the second through-hole conductor). May be present in each through hole conductor, a plurality of holes may be provided in each through hole conductor, and a plurality of holes may be provided in each through hole 40 conductor.

10、100…圧電素子、20、101…積層体、30、31、32、33、102、104、116、130…電極層、36、38、103、105、107…圧電体層、36a、136a…スルーホール、36b、136b…突部、40、42、44、46、114…スルーホール導体、40a、114a…窪み、48、148…空隙、Sa…非活性部、Sb…活性部。 10, 100... Piezoelectric element, 20, 101... Laminated body, 30, 31, 32, 33, 102, 104, 116, 130... Electrode layer, 36, 38, 103, 105, 107... Piezoelectric layer, 36a, 136a ... through holes, 36b, 136b... projections, 40, 42, 44, 46, 114... through hole conductors, 40a, 114a... depressions, 48, 148... voids, Sa... inactive portions, Sb... active portions.

Claims (3)

電極層と圧電体層とが交互に積層された積層体を備えた圧電素子であって、
前記積層体が、前記電極層の一方面に重ねられた第1の圧電体層に貫設されて該第1の圧電体層を介して積層方向に隣り合う前記電極層の間に介在する第1のスルーホール導体と、該電極層の他方面に重ねられた第2の圧電体層に貫設されて該第2の圧電体層を介して積層方向に隣り合う前記電極層の間に介在する第2のスルーホール導体とを含む積層部分を有し、
前記積層部分において、
前記第1のスルーホール導体は、前記第2の圧電体層側の端面に第1の窪みを有し、かつ、前記第2の圧電体層が前記第1の窪みに入り込む突部を有し、
前記第2のスルーホール導体は、前記第1の圧電体層側の端面に第2の窪みを有し、かつ、前記第1の圧電体層が、前記第2の窪みに入り込む突部を有し、
前記第1のスルーホール導体の前記第1の窪みおよび前記第2のスルーホール導体の前記第2の窪みのうちの少なくとも一方に近接する少なくとも一つの空隙がある、圧電素子。
A piezoelectric element comprising a laminate in which electrode layers and piezoelectric layers are alternately laminated,
The laminated body is provided so as to penetrate the first piezoelectric layer laminated on one surface of the electrode layer and is interposed between the electrode layers adjacent to each other in the laminating direction via the first piezoelectric layer . One through-hole conductor and the second piezoelectric layer that is formed on the other surface of the electrode layer and penetrates through the second piezoelectric layer . A second through-hole conductor having a laminated portion including
In the laminated portion,
The first through-hole conductor has a first recess on the end surface on the side of the second piezoelectric layer, and also has a protrusion into which the second piezoelectric layer enters the first recess. ,
The second through-hole conductor has a second recess on the end surface on the side of the first piezoelectric layer, and the first piezoelectric layer has a protrusion that enters the second recess. Then
A piezoelectric element having at least one void adjacent at least one of the first recess of the first through-hole conductor and the second recess of the second through-hole conductor.
電圧を印加したときに圧電体層に電界が生じて変形する活性部と、電圧を印加したときに圧電体層に電界が生じない非活性部とを有し、
前記積層部分は前記非活性部に位置し、
前記第1のスルーホール導体と前記第2のスルーホール導体とは、前記積層体の積層方向から見て、前記活性部と前記非活性部の並び方向に沿って隣接している、請求項1に記載の圧電素子。
The piezoelectric layer has an active portion where an electric field is generated and deforms when a voltage is applied, and an inactive portion where an electric field is not generated in the piezoelectric layer when a voltage is applied,
The laminated portion is located in the inactive portion,
The first through-hole conductor and the second through-hole conductor are adjacent to each other along the arrangement direction of the active portion and the inactive portion when viewed from the stacking direction of the stacked body. The piezoelectric element according to 1.
複数の前記空隙を含み、前記第1のスルーホール導体の前記第1の窪みおよび前記第2のスルーホール導体の前記第2の窪みのそれぞれに前記空隙が近接している、請求項1または2に記載の圧電素子。 The void including a plurality of the voids, wherein the void is close to each of the first recess of the first through-hole conductor and the second recess of the second through-hole conductor. The piezoelectric element according to 1.
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