(57)【要約】【課題】層間での導通状態が確保されて、性能が維持されつつ、小型化に適した構造を有する積層型圧電素子を提供する。【解決手段】平板状の複数の圧電体（２ａ〜２ｃ）が電極層（３０ａ、３０ｂ）を介して積層された状態で焼結されてなる積層体を備えた積層型圧電素子１であって、積層体の少なくも表裏一方の面（３、４）に電極１０が形成され、当該電極と電極層とがビア２０を介して接続され、表裏一方の面を上面として、ビアは、ビアホール２３の内方に充填された導電材料２４が、上方から下方に向かって押圧されて圧縮された状態で充填されてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の複数の圧電体が電極層を介して積層された状態で焼結されてなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体の少なくも表裏一方の面に電極が形成され、当該電極と前記電極層とがビアを介して接続され、
前記表裏一方の面を上面として、
前記ビアは、ビアホールの内方に充填された導電材料が、上方から下方に向かって押圧されて圧縮された状態で充填されてなる、
ことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の積層型圧電素子であって、
前記圧電体は、ＰＺＴを含み、
前記導電材料は、銀とパラジウムとを含むとともに、当該導電材料中の前記銀と前記パラジウムを合計した質量を１００ｗｔ％として、前記パラジウムの質量割合が１０ｗｔ％以下である、
ことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の積層型圧電素子であって、
進行波型超音波モーターに用いられ、
円環状の平面形状を有し、表裏一方の面に扇状のステーター用電極と、扇状の接地用電極とが前記平面形状に沿って配置されているとともに、表裏他方の面に前記平面形状に沿う円環状の接地用電極が形成され、
前記ステーター用電極、前記扇状の接地用電極、および前記円環状の接地用電極は、前記平面形状の外周と内周の周縁から間隙を有して配置され、
前記表裏一方の面を上面として、
前記複数の圧電体の層間に形成されている電極は、当該電極の上方に接している前記圧電体の上面に形成されている電極と同じ平面形状の電極が形成されている、
ことを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】
平板状の複数の圧電体が電極層を介して積層されてなる一体的な焼結体を備えた積層型圧電素子の製造方法であって、
ペースト状の圧電材料を用いて複数のグリーンシートを作製するステップと、
複数のグリーンシートの少なくとも表裏一方の面に前記電極層となる電極を印刷形成する電極形成ステップと、
前記グリーンシートに貫通孔からなるビアホールを形成するステップと、
前記ビアホール内にペースト状の導電材料を充填する導電材料充填ステップと、
前記複数のグリーンシートを積層して積層体を得る積層ステップと、
前記積層体を焼成して前記焼結体を得る焼成ステップと、
前記焼結体の少なくとも表裏一方の面に電極を形成する電極形成ステップと、
を含み、
前記導電材料充填ステップでは、前記表裏一方の面を上面として、前記貫通孔内に前記導電材料を注入するとともに、貫通孔の上面側開口の内方をパンチングプレスすることで、前記導電材料を前記貫通孔内で圧縮させ、
前記電極形成ステップでは、当該ステップにより形成する電極と前記電極層とを、前記ビアホール内に前記導電材料が充填されてなるビアを介して導通させる、
ことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の積層型圧電素子の製造方法であって、前記導電材料充填ステップでは、前記積層体の下面に樹脂製の平板を配置することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は積層型圧電素子、および積層型圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体は、粉体状の圧電材料を平板状に成形したものを焼結させたセラミックスであり、圧電素子は、圧電体の表裏両面に箔状の電極が形成されたものである。しかし、一枚の平板状の圧電体からなる単層型圧電素子では、圧電効果による変位や応力が小さい。もちろん、有効な圧電効果を得るために１枚の圧電体を厚くすることも考えられるが、圧電体を厚くすれば当然のことながら駆動電圧を高くする必要がある。そこで、単層型圧電素子を積層し、個々の単層型圧電素子の特性を積み重ねることができる積層型圧電素子が提案されている。
【０００３】
以下の特許文献１、２には、積層型圧電素子の一形態である超音波モーターについて記載されている。また、特許文献３には、本発明に関連する技術として、多層配線基板の製造方法が記載されている。特許文献３に記載されている多層配線基板の製造方法では、最終的に多層配線基板となる半硬化状態のプリプレグシート基材の適所に貫通孔を形成し、そのプリプレグシート基材上に導電性ペーストの塗膜層を形成するとともに、プリプレグシート基材の両面をローラーで押圧する。それによって、導電ペーストを貫通孔内に充填してビアを形成している。なお、以下の非特許文献１には、ビアなどに用いられる導電材料である銀−パラジウムの共沈粉について記載され、非特許文献２には、圧電素子の特性に関する説明や圧電素子の製造方法などについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０７２５４号公報
【特許文献２】特開平７−１９３２９１号公報
【特許文献３】特開２００２−７６６１６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】科学技術情報発信・流通総合システム（J-STAGE）、”積層セラミックスコンデンサー内部電極用Ag-Pd合金粉末の合成 と評価(第2報)-Ag-Pd(70-30)合金粉末のペースト物性評価(第2報)”、[online]、[平成３０年８月１６日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcersj1988/107/1244/107_1244_391/_pdf/-char/ja＞
【非特許文献２】ＦＤＫ株式会社、”圧電セラミックス”、[online]、[平成３０年８月１６日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pdf/BZ-TEJ001.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
積層型圧電素子では、外部に露出していない内部電極に駆動信号を印加する必要がある。そのため、外部回路からの配線を内部電極に導通させる構造（以下、層間導通構造とも言う）が必要となる。上記特許文献１に記載の発明では、積層体の側面に銀ペーストなどの導電性ペーストを塗布し、その導電性ペーストを内部電極の端面に接続させている。しかし、このような配線接続構造では導電性ペーストが剥離して断線が発生したり、不要な層間に導電性ペーストが流入して短絡が発生したりする可能性がある。また、積層型圧電素子の大きさが小さくなると、同じ層で隣接する異なる電極間の間隙も小さくなり、短絡が発生する可能性が高くなる。すなわち、特許文献１に記載の超音波モーターの層間接続構造では、積層型圧電素子の小型化が難しい。
【０００７】
特許文献２に記載の圧電素子は、所謂「ランジュバン振動子」であり、複数の円環状の単層型圧電素子が積層されて中空円筒状の積層体を構成し、その中空円筒状の積層体の中空部分にボルトの軸を挿入し、そのボルトをナットで締結することで積層型圧電素子を形成している。そのため、ボルトの頭部やナットが積層体の上層や下層から突出することになり、小型薄型化を達成することが難しい。もちろん、ボルトとナットが必要であり、部品コストも増大する。
【０００８】
そこで、特許文献３に記載の技術を応用し、ビアを用いた層間導通構造を採用することが考えられる。すなわち、表面に電極が形成されたシート状の圧電体を積層させてなる積層体に孔（ビアホール）を形成し、そのビアホール内に導電材料を充填してビアを形成する。そして、積層体を焼成して積層型圧電素子を完成させる。
【０００９】
しかし、平板状の圧電体の両面に電極が形成されてなる圧電素子では、電極が形成されている領域で圧電体が振動することになる。したがって、圧電体をより効率的に振動させるためには、ビアホールの開口面積を可能な限り小さくし、圧電体の面積に対する電極の面積を大きくすることが必要となる。そして、特許文献３に記載の製造方法を含め、ビアを用いた従来の層間導通構造の形成方法では、例えば、内径が０．１ｍｍ程度の細いビアホール内に導電材料を確実に充填することが難しい。すなわち、従来の層間接続構造の形成方法では、単層型圧電素子を積層した際に上下の電極間を確実に導通させることが難しい。
【００１０】
そこで本発明は、層間での導通状態が確保されて、圧電特性が維持されているとともに、小型化に適した構造を有する積層型圧電素子と、その積層型圧電素子の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、平板状の複数の圧電体が電極層を介して積層された状態で焼結されてなる積層体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体の少なくも表裏一方の面に電極が形成され、当該電極と前記電極層とがビアを介して接続され、
前記表裏一方の面を上面として、
前記ビアは、ビアホールの内方に充填された導電材料が、上方から下方に向かって押圧されて圧縮された状態で充填されてなる、
ことを特徴とする積層型圧電素子としている。
【００１２】
前記圧電体は、ＰＺＴを含み、前記導電材料は、銀とパラジウムとを含むとともに、当該導電材料中の前記銀と前記パラジウムを合計した質量を１００ｗｔ％として、前記パラジウムの質量割合が１０ｗｔ％以下である積層型圧電素子とすることもできる。
【００１３】
また、進行波型超音波モーターに用いられ、
円環状の平面形状を有し、表裏一方の面に扇状のステーター用電極と、扇状の接地用電極とが前記平面形状に沿って配置されているとともに、表裏他方の面に前記平面形状に沿う円環状の接地用電極が形成され、
前記ステーター用電極、前記扇状の接地用電極、および前記円環状の接地用電極は、前記平面形状の外周と内周の周縁から間隙を有して配置され、
前記表裏一方の面を上面として、
前記複数の圧電体の層間に形成されている電極は、当該電極の上方に接している前記圧電体の上面に形成されている電極と同じ平面形状の電極が形成されている積層型圧電素子であってもよい。
【００１４】
本発明のその他の態様は、平板状の複数の圧電体が電極層を介して積層されてなる一体的な焼結体を備えた積層型圧電素子の製造方法であって、
ペースト状の圧電材料を用いて複数のグリーンシートを作製するステップと、
複数のグリーンシートの少なくとも表裏一方の面に前記電極層となる電極を印刷形成する電極形成ステップと、
前記グリーンシートに貫通孔からなるビアホールを形成するステップと、
前記ビアホール内にペースト状の導電材料を充填する導電材料充填ステップと、
前記複数のグリーンシートを積層して積層体を得る積層ステップと、
前記積層体を焼成して前記焼結体を得る焼成ステップと、
前記焼結体の少なくとも表裏一方の面に電極を形成する電極形成ステップと、
を含み、
前記導電材料充填ステップでは、前記表裏一方の面を上面として、前記貫通孔内に前記導電材料を注入するとともに、貫通孔の上面側開口の内方をパンチングプレスすることで、前記導電材料を前記貫通孔内で圧縮させ、
前記電極形成ステップでは、当該ステップにより形成する電極と前記電極層とを、前記ビアホール内に前記導電材料が充填されてなるビアを介して導通させる、
ことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法としている。
【００１５】
前記導電材料充填ステップにおいて、前記積層体の下面に樹脂製の平板を配置すれば、より好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、層間での導通状態が確保されて、圧電特性が維持されているとともに、小型化に適した構造を有する積層型圧電素子と、その積層型圧電素子の製造方法が提供される。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る積層型圧電素子の電極構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例に係る積層型圧電素子の製造方法を示す図である。
【図４】上記積層型圧電素子の製造方法における導電材料の圧縮工程の手順を示す図である。
【図５】上記導電材料の圧縮工程における導電材料の充填状態を示す顕微鏡写真である。
【図６】上記導電材料の圧縮工程におけるビアの周囲の起伏の状態を示す図である。
【図７】上記導電材料の圧縮工程におけるビアの周囲の立体形状を示す図である。
【図８】ビア内に充填される導電材料の熱収縮特性を示す図である。
【図９】上記実施形態に係る積層型圧電素子におけるビアホールの内周と導電材料との界面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図１０】上記実施形態に係る積層型圧電素子の断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。
【００１９】
＝＝＝層間接続構造＝＝＝
上記特許文献１や２に記載の積層型圧電素子における層間導通構造では、積層型圧電素子の小型化が難しい。したがって、ビアを用いた層間導通構造を発展させることで、上下に積層される複数の単層型圧電素子のそれぞれの電極同士（以下、層間とも言う）の導通を確保しながら積層型圧電素子の小型化を図ることが現実的である。なお、ビアを用いた層間導通構造を積層型圧電素子に適用させる場合、より細いビアホール内に確実に導電材料を充填させることが難しいという問題の他に、積層型圧電素子に特有の問題が幾つか存在する。
【００２０】
例えば、ペースト状の導電材料をビア内に充填させた時点では、導電材料は、ビアホールの開口端面と面一の状態となる。しかし、次工程までの間に導電材料中の溶剤が揮発するなどして導電材料が乾燥すると、導電材料がビアホールの開口端面に対して内方に窪んだ状態になり易い。そのため、上下方向で単層型の圧電素子を積層した際に、上層側の圧電体に形成されたビアホール内に充填されている導電材料が下層側の圧電体の上面に形成されている電極に接触せず、層間での導通不良が発生する可能性がある。
【００２１】
さらに、圧電素子を構成する圧電体は、セラミックスであり、一般的には、粉体状の圧電材料を含むグリーンシートを高温で焼成することで作製される。積層型圧電素子を作製する際には、ビアホール内の導電材料や層間に形成された電極を圧電材料と同時に焼成する工程を要する。しかし、圧電材料として一般的なＰＺＴは、鉛（Ｐｂ）を含み、導電材料には、導電性金属として銀（Ａｇ）を含んでいる。そして、圧電材料とビア内の導電材料とを同時に焼成すると、ＰｂとＡｇとが反応して、導電材料中のＡｇが焼失し、導電材料が疎の状態となる。それによって、焼成後にビアが断線したり、ビアホール内に充填した導電材料が瘠せたりして、導通不良が生じる場合があった。
【００２２】
そこで、Ａｇと圧電材料との反応を抑制するために、銀ペーストを主体とした導電材料中にパラジウム（Ｐｄ）を含ませることがある。そして、導電材料中のＰｄの割合が多いほど、高温まで電極の劣化を抑制することが可能となる。しかし、Ｐｄは高価な金属であり、Ｐｄを多量に用いれば、積層型圧電素子の製造コストを増大させる。上記非特許文献１では、導電材料中のＰｄの割合が３０ｍａｓｓ％（＝３０ｗｔ％）となっている。すなわち、導電材料中のＡｇとＰｄとの割合が７：３となっている。
【００２３】
本発明の実施形態に係る積層型圧電素子は、上述した層間導通構造を構築する上での種々の問題点を解決するための構造や構成を備えている。以下に、本発明の実施形態に係る積層型圧電素子について説明する。
【００２４】
＝＝＝実施形態＝＝＝
＜積層型圧電素子の構造＞
本発明の実施形態に係る積層型圧電素子は、複数の平板状の圧電体が積層されてなる一体的な焼結体からなる。そして、複数の圧電体のそれぞれには、少なくとも表裏一方の面に電極が形成され、本実施形態に係る積層型圧電素子は、焼結体の表裏一方に形成された電極と、積層状態にある複数の圧電体の層間に配置される電極（以下、電極層とも言う）とがビアを介して接続されてなる。
【００２５】
ここで、本発明の一実施形態として、進行波型超音波モーターに用いられる積層型圧電素子を挙げる。図１に、本実施形態に係る積層型圧電素子１の構造を示した。積層型圧電素子１は、三つの円環状の単層型圧電素子に相当する構造（以下、単層型圧電素子とも言う）が積層されてなる。ここで、各単層型圧電素子を構成する圧電体（２ａ〜２ｃ）の積層方向を上下方向とすると、図１（Ａ）は、積層型圧電素子１を上下一方の方向から見たときの外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、積層型圧電素子１を上下他方の方向から見たときの外観を示す斜視図である。ここでは、図１（Ａ）を上方から見たときの斜視図として、便宜的に上下の各方向を規定している。また、図１（Ｃ）は、積層型圧電素子１を、上下方向を含む面で切断したときの縦断面図である。
【００２６】
図１（Ａ）に示したように、積層型圧電素子１の上面３には、円環を円周に沿って分割させてなる複数の扇状の電極１０が形成されている。そして、各電極１０にビア２０が一つずつ形成されている。なお、図１（Ａ）では、互いに位相が９０゜ずれたＡ相とＢ相のそれぞれの駆動信号が印加されるステーター用電極１１が、斜線の向きが異なるハッチングで示されている。また、接地用電極１２が編み目のハッチングで示されている。
【００２７】
接地用電極１２は、中心角θ１を有する扇状で、ステーター用電極１１は、中心角θ２を有する扇状で、扇状の接地用電極（以下、扇状接地用電極１２とも言う）の中心角θ１の等角二等分線に対して線対称となるようにＡ相とＢ相のそれぞれのステーター用極１１が、それぞれ四つずつ形成されている。また、図１（Ｂ）に示したように、積層型圧電素子１の下面４には、円環状の平面形状に沿う円環状の接地用電極（以下、円環状接地用電極１３とも言う）が一つだけ形成されている。
【００２８】
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）、（Ｂ）におけるａ−ａ矢視断面に相当する縦断面図であり、図１（Ｃ）に示したように、積層型圧電素子１は、上方から下方に向かって、最上層の圧電体（以下、最上層圧電体２ａとも言う）、中間層の圧電体（以下、中間層圧電体２ｂとも言う）、および最下層の圧電体（以下、最下層圧電体２ｃとも言う）が電極層（３０ａ、３０ｂ）を介してこの順に積層されている。そして、本実施例では、中間層圧電体２ｂの上面と最下層圧電体２ｃの上面とに形成された電極１０が電極層（３０ａ、３０ｂ）となっている。
【００２９】
したがって、最上層圧電体２ａ、当該最上層圧電体２ａの上面に形成された電極１０、および最上層圧電体２ａと中間層圧電体２ｂとの間に介在する電極層３０ａを構成する電極１０によって最上層の単層型圧電素子５ａが形成され、最上層圧電体２ａと中間層圧電体２ｂとの間に介在する電極層３０ａを構成する電極１０、中間層圧電体２ｂ、および中間層圧電体２ｂと最下層圧電体２ｃとの間に介在する電極層３０ｂを構成する電極１０によって中間層の単層型圧電素子５ｂが形成される。中間層圧電体２ｂと最下層圧電体２ｃとの間に介在する電極層３０ｂを構成する電極１０、最下層圧電体２ｃ、および最下層圧電体２ｃの下面に形成されている電極１０によって最下層の単層型圧電素子５ｃが形成される。
【００３０】
そして、積層型圧電素子１の上面３に形成されているステーター用極１１および扇状接地用電極１２は、最上層圧電体２ａや中間層圧電体２ｂに形成されているビア（２１および２２）を介して電極層（３０ａ、３０ｂ）における同種の電極１０に接続されている。また、積層型圧電素子１の下面４に形成されている円環状接地用電極１３と、中間層圧電体２ｂと最下層圧電体２ｃとの層間の電極層３０ｂにおける同種の電極１０とは、最下層圧電体２ｃに形成されているビア２２を介して接続されている。
【００３１】
図２に、本実施例の積層型圧電素子１を構成する各圧電体（２ａ〜２ｃ）に形成されているビア（２１、２２）と、積層型圧電素子１の電極層（３０ａ、３０ｂ）を構成する電極１０の形成状態とを示した。図２（Ａ）は、最上層圧電体２ａの上面３における電極１０の構造と、当該最上層圧電体２ａにおけるビア２０の形成状態とを示しており、図１（Ａ）に示したものと同様である。図２（Ｂ）は、最上層圧電体２ａと中間層圧電体２ｂとの間に介在する電極層（以下、第１電極層３０ａとも言う）の電極構造と、中間層圧電体２ｂにおけるビア２０の形成状態とを示している。図２（Ｃ）は、中間層圧電体２ｂと最下層圧電体２ｃとの間に介在する電極層（以下、第２電極層３０ｂとも言う）の電極構造と、最下層圧電体２ｃにおけるビア２０の形成状態とを示している。そして、図２（Ｄ）は、最下層圧電体２ｃの下面４における電極１０の構造と、当該最下層圧電体２ｃにおけるビア２０の形成状態とを示しており、図１（Ｂ）に示したものと同様である。
【００３２】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したように、最上層圧電体２ａと中間層圧電体２ｂについては、ステーター用電極１１および扇状接地用電極１２のそれぞれに対応する位置にビア（２１、２２）が形成されており、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示したように、最下層圧電体２ｃについては、扇状接地用電極１２に対応する位置にのみビア２２が形成されている。
【００３３】
また、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示したように、中間層圧電体２ｂの上面には、円環状接地用電極１４が第１電極層３０ａとして形成され、最下層圧電体２ｃの上面には、扇状の複数のステーター用極１１と扇状接地用電極とが第２電極層３０ｂとして形成されている。そして、図２（Ｂ）に示したように、第１電極層３０ｂを形成する円環状接地用電極１４には、最上層圧電体２ａの上面３に形成されているステーター用電極１１と上下方向で短絡しないように、第２電極層３０ｂのステーター用電極１１に接続されるビア２１の周囲に間隙３１が形成されている。
【００３４】
このようにして、実施形態に係る積層型圧電素子１では、上下方向で同じ領域に形成されているステーター用電極１１同士、および扇状接地用電極１２と円環状接地用電極（１３、１４）同士が所定のビア（２１、２２）を介して接続されている。なお、ビア（２１、２２）を形成するビアホールが貫通孔である場合、焼成時にビア（２１、２２）の周囲に割れが発生する可能性がある。そこで、積層型圧電素子１の上面３から下面４まで互いに導通させる必要がある扇状接地用電極１２および円環状接地用電極（１３、１４）については、ビア２０が、上下方向で直線状に形成されないようにしている。すなわち、図１（Ｃ）にも示したように、最上層圧電体２ａの上面３に形成されている扇状接地用電極１２と第２電極層３０ａにおける扇状接地用電極１３とを接続するために第１圧電体２ａおよび第２圧電体２ｂに形成されているビア２２の位置と、最下層圧電体２ｃの上面と下面とに形成されている扇状接地用電極１２と円環状接地用電極１４とを接続するためのビア２２の位置とが上下方向で異なるようにしている。
【００３５】
なお、本実施形態に係る積層型圧電素子１では、最下層圧電体２ｃにもビア２２が形成されて、第２電極層３０ｂの扇状接地用電極１２と下面４の円環状接地用電極１３とが接続されているが、下面４の円環状接地用電極１３を、上面３の扇状接地用電極１２とは別の配線によって外部回路に接続するのであれば、第２電極層３０ｂの扇状接地用電極１２や、最下層圧電体２ｃのビア２２は必要ない。
【００３６】
＝＝＝積層型圧電素子の製造方法＝＝＝
次に、上記実施形態に係る積層型圧電素子１の製造方法を本発明の実施例として挙げる。本実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法は、周知のグリーンシート法を用いてセラミックスを作製する手順を基本としている。図３に積層型圧電素子１の作製手順を示した。まず、周知のドクターブレード法などを用い、粉体状の圧電材料とバインダーとを含むスラリーをＰＥＴフィルム上に塗工してシート状にしたものを円環状に型抜きする。そして、円環状に形成されたスラリーを乾燥させることで、円環状のグリーンシートを作製する（ｓ１）。ここでは３以上の奇数枚の円環状のグリーンシートを作製する。なお、グリーンシートに含ませる圧電材料としては、周知のＰＺＴ−ＰＮＮ系やＰＺＴ―ＰＭＳ系のものを使用することができる。本実施例では、ＰＺＴ―ＰＭＳ系の圧電材料に焼結助剤としてＣｕＯを添加したものにバインダーを加えてスラリーを作製した。
【００３７】
次に、各円環状のグリーンシートのそれぞれについて、パンチングマシーンなどを用いて所定の位置にビアホールを形成し（ｓ２）、そのビアホール内に粉体状の銀を含んだペースト状の導電材料を注入する（ｓ３）。そして、本実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法では、この導電材料をビアホールに注入した後に、導電材料を圧縮する（ｓ５）。それによって、ＰＺＴが含まれる圧電材料と、Ｐｄが含まれない導電材料、あるいはＡｇに対してＰｄの割合が少ない導電材料とを同時に焼成しても、断線が発生し難くなるようにしている。
【００３８】
図４に、ビアホール２３内に導電材料２４を圧縮された状態で充填するための工程（ｓ４、ｓ５）の概略を示した。また、図５に上下方向から見たときのビア２０の顕微鏡写真を示した。さらに、図６に、周知のレーザー顕微鏡を用いて測定した、ビア２０とその周囲における起伏の状態を示した。そして、ビアホール２３内に導電材料２４を圧縮した状態で充填するためには、まず、ＰＥＴフィルム４０上にスラリーを塗工したのち、ＰＥＴフィルム４０ごと円環状に打ち抜くことで作製されたグリーンシート１００に対し、ＰＥＴフィルム（以下、塗工用フィルム４０とも言う）側から、当該塗工用フィルム４０とともにパンチングマシーンなどを用いて打ち抜くことでビアホール２３を形成しておく。
【００３９】
次に、図４（Ａ）に示したように、ビアホール２３内に、塗工用フィルム４０の上方から、導電材料２４を、ディスペンサーを用いて注入する。図５（Ａ）、（Ｂ）に、図４（Ａ）に示した状態にあるビアホール２３周辺の顕微鏡写真を示した。図５（Ａ）は、ビアホール２３を、塗工用フィルム４０側から見たときの顕微鏡写真であり、図５（Ｂ）は、グリーンシート１００の下方からビアホール２３を見たときの顕微鏡写真である。また、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示されているビアホール２３の形成領域を、図５（Ａ）、（Ｂ）の中に示したｘ方向、およびｙ方向に走査したときの起伏の状態を示した。
【００４０】
図６（Ａ）に示したように、導電材料２４は、塗工用フィルム４０側では、ビアホールを形成したときに当該塗工用フィルム４０に開いた孔（図４、符号２５）の周囲で盛り上がりつつ、ビアホール２３の内方側となる領域では自重によって浅く窪んだ状態となっている（図４、符号２６参照）。そして、その窪み２６の深さは、塗工用フィルム４０の下面の位置よりも上方となっている。また、図６（Ｂ）に示したように、グリーンシート１００の下面（図５、符号１０１）側では、導電材料２４が、ビアホール２３の開口端面にまで達しておらず、ビアホール２３の内方に向かって窪んだ状態となっている（図５、符号２７参照）。
【００４１】
次に、図４（Ｂ）に示したように、グリーンシート１００の下方に樹脂製のフィルム（例えば、ＰＥＴフィルム、以下、パンチング用フィルム４２）を積層するとともに、塗工用フィルム４０側からビア２０の形成領域に、ビアホール２３の内径にほぼ一致する外径を有するピン４１の先端を当て、そのピン４１を上方からパンチングマシーンを用いて加圧する。それによって、ビアホール２３内の導電材料２４が圧縮される。なお、導電材料２４に対する圧縮の度合いは、パンチングマシーンによるピン４１の押し込み深さによって調整している。
【００４２】
そして、導電材料２４を圧縮したならば、図４（Ｃ）に示したように、パンチング用フィルム４２をグリーンシート１００から剥離する。本実施例では、導電材料２４を圧縮する際に、グリーンシート１００の下方に柔軟性のある樹脂製のパンチング用フィルム４２を積層することで、導電材料２４がグリーンシート１００の下面１０１に対して上方に引き込まれ難くしている。具体的には、パンチング用フィルム４２をグリーンシート１００の下方に積層することで、導電材料２４は、ビアホール２３内で上方から押圧された際にグリーンシート１００の下面１０１より下方に突出する。そのため、ピン４１が引き抜かれるときの負圧によって導電材料２４が少し上方に吸い上げられたとしても、導電材料２４が、グリーンシート１００の下面１０１に対して起伏がない状態を維持できる。
【００４３】
図５（Ｃ）は、導電材料２４を圧縮した後にビア２０をグリーンシート１００の下方から見たときの顕微鏡写真であり、図６（Ｃ）は、図５（Ｃ）に示したビア２０とその周辺の起伏の状態を示している。また、図５（Ｄ）は、導電材料２４を圧縮した後のビア２０を塗工用フィルム４０側から見たときの顕微鏡写真である。図６（Ｄ）は、図５（Ｄ）に示したビア２０とその周辺の起伏の状態を示している。
【００４４】
そして、図６（Ｃ）に示したように、グリーンシート１００の下面１０１では、ビア２０の形成領域が、その周囲に対して起伏がない状態になっていることが確認できる。なお、ビア２０を塗工用フィルム４０側から見ると、図６（Ｄ）に示したように、ビア２０の形成領域では、導電材料２４が、塗工用フィルム４０の上面よりも下方に押圧されて圧縮されていることがわかる。なお、ビアホール２３内の導電材料２４を圧縮したならば、図４（Ｄ）に示したように、塗工用フィルム４０の孔２５の周囲に付着した導電材料２４を除去し、その上で、塗工用フィルム４０を剥離して、ビアホール２３内に導電材料２４が充填された状態のグリーンシート１００を完成させる。図５（Ｅ）に、導電材料２４が除去された状態のビア２０を、塗工用フィルム４０側から見たときの顕微鏡写真を示した。また、図６（Ｅ）に、図５（Ｅ）に示したビア２０とその周辺の起伏の状態を示した。当初、図５（Ａ）に示したように、ビアホール２３の内方から塗工用フィルム４０の上面にまで注入されていた導電材料２４が、図５（Ｅ）に示したように、塗工用フィルム４０の厚さ（約２０μｍ）分だけ圧縮されていることがわかる。
【００４５】
そして、上述した導電材料２４の注入工程（ｓ４）と圧縮工程（ｓ５）とを、最上層圧電体２ａ、中間層圧電体２ｂ、および最下層圧電体２ｃのそれぞれに対応する円環状のグリーンシートに対して実行する。参考までに、図７に、ビア２０とその周囲の起伏の状態に生成した立体図を示した。図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は、ぞれぞれ、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）、および図６（Ａ）〜図６（Ｅ）に対応している。
【００４６】
上述した手順により、ビアホール２３内に導電材料２４が充填された状態の円環状のグリーンシート１００を得たならば、そのグリーンシート１００に対し、図１（Ｃ）に示した電極層（３０ａ、３０ｂ）に対応する電極１０を形成する。すなわち、中間層圧電体２ｂと最下層圧電体２ｃとに対応するグリーンシートの上面に、図２（Ｂ）と図２（Ｃ）とに示した配置と形状の電極（１４、１１、１２）を形成する。なお、これらの電極（１４、１１、１２）を形成するためには、例えば、スクリーン印刷法により、グリーンシートの表面に選択的に所定の形状となるように銀ペースト、あるいはビアホール２３内に充填したものと同様の導電材料２４を印刷すればよい。
【００４７】
次に、最上層圧電体２ａ、中間層圧電体２ｂ、および最下層圧電体２ｃのそれぞれに対応するグリーンシート１００をこの順に積層したものを圧着するとともに（ｓ６）、積層および圧着により得た積層体を熱処理してグリーンシート１００中のバインダーを除去する脱バインダー工程を実行する（ｓ７）。そして、脱バインダー工程（ｓ７）を経た積層体を焼成し、一体化された円環状の焼結体を得る。
【００４８】
なお、実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法によれば、ビア２０を形成するために用いた導電材料２４は、グリーンシート１００の下面１０１に対して面一か盛り上がった状態でビアホール２３に充填されているため、積層および圧着工程（ｓ６）では、上層のグリーンシート１００に設けられたビアホール２３内の導電材料２４が、下層のグリーンシート１００の上面に形成されている電極１０に確実に接触する。そして、焼成工程（ｓ８）で得られる焼結体は、層間の電極１０同士が確実に導通した状態となっている。なお、電極層（３０ａ、３０ｂ）を構成する電極１０は、焼成工程（ｓ８）において各層の圧電体（２ａ〜２ｃ）の表面に焼き付けられる。
【００４９】
焼成工程ｓ８によって、層間に電極層（３０ａ、３０ｂ）が形成された円環状の焼結体を得たならば、その焼結体の上面および下面に、図２（Ａ）および図２（Ｄ）に示した構造の電極（１１、１２、１３）を形成する（ｓ９）。電極（１１、１２、１３）の形成手順については、電極層（３０ａ、３０ｂ）の電極１０と同様に、焼結体の上面と下面とに銀ペーストを印刷して電極（１１、１２、１３）のパターンを形成するとともに、焼結体を所定の温度で熱処理して印刷された銀ペーストを焼結体の表面に焼き付ければよい。そして、この時点で、積層型圧電素子１が備える全ての電極１０が形成される。なお、焼結体の上面と下面とに電極を形成したならば、必要に応じ、円環状の焼結体の外周を切削し、焼結体の周縁にまで電極が配置されるようにしてもよい。
【００５０】
そして、全ての電極１０が形成されたならば、円環状の焼結体を分極させて積層型圧電素子１を完成させる（ｓ１０）。分極工程（ｓ１０）では、例えば、分極前の積層型圧電素子１である焼結体を所定の温度（例えば、１００℃）のシリコンオイル中に浸漬するとともに、各ビア２０に端子となるピンを立て、そのピンを介して電極間に上下方向の電界(例えば、２ｋＶ／ｍｍ）を所定時間(例えば、１５ｍｉｎ)印加することで焼結体を分極させる。
【００５１】
このように、実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法では、ビアホール２３内に注入した導電材料２４をさらに圧縮している。それによって、導電材料２４が乾燥してもビアホール２３の開口端面に導電材料２４が露出し、上層と下層の電極１０同士を、ビア２０を介して確実に導通させることができる。また、導電材料２４は、ディスペンサーなどによってビア２０の形成位置にのみ供給されることから、必要最小限の導電材料２４しか使用しない。したがって、実施例の方法で作製された積層型圧電素子１はより安価なものとなる。そして、ＰＺＴを含む圧電体（２ａ〜２ｃ）と銀ペーストを主体とした導電材料２４とを用いる場合であっても、導電材料２４がビアホール２３内に圧縮された状態で充填されるので、導電材料２４中のＰｄの割合が少なくても、焼成後のビアホール２３内には十分な量の導電材料２４が残存し、層間での断線が生じ難い。
【００５２】
＝＝＝特性評価＝＝＝
＜サンプル＞
次に、上記実施形態に係る積層型圧電素子１の特性を評価するために、図４、図５に示した手順や工程で作製した積層型圧電素子１をサンプルとして作製した。具体的には、３層型、５層型、および７層型の積層型圧電素子を実施例のサンプルとして作製した。各サンプルは、複数層分の圧電体の厚さの合計（例えば、０．３ｍｍ）が等しくなるように作製されている。
【００５３】
また、５層型の積層型圧電素子では、上方から下方に向けて３層目と４層目の圧電体の上面に図２（Ａ）と図２（Ｂ）とに示した電極１０が形成され、５層目の圧電体を最下層圧電体として、その上面と下面とに、図２（Ｃ）と図２（Ｄ）とに示した電極１０が形成されている。７層型の積層型圧電素子では、最上層から４層目までの圧電体に、５層型の積層型圧電素子と同様の電極１０が形成され、第５層と第６層の圧電体に図２（Ａ）と図２（Ｂ）とに示した電極１０が形成されている。そして、第７層の圧電体を最下層圧電体として、その上面と下面とに、図２（Ｃ）と図２（Ｄ）とに示した電極１０が形成されている。さらに、比較例のサンプルとして、単層型の圧電素子も作製した。すなわち、積層型圧電素子における複数層分の圧電体と同じ厚さの１層分の圧電体の表裏に図２（Ｄ）と図２（Ｅ）とに示した電極１０が形成されている圧電素子を比較例のサンプルとして作製した。
【００５４】
＜導電材料＞
実施例、および比較例のサンプルには、ＡｇとＰｄとの比率が９：１となる銀ペーストに、１０ｗｔ％のＡｌ２Ｏ３を添加した導電材料２４を用いた。この導電材料２４は、上記非特許文献１に記載されていたＡｇとＰｄの比率が７：３の導電材料よりもＰｄの割合が低く、より安価なものとなっている。また、Ａｌ２Ｏ３は、周知のごとく、焼成時における導電材料２４の収縮率をグリーンシートの収縮率に整合させるためのものである。図８に、導電材料２４およびグリーンシート１００を昇温させていったときの熱収縮率の変化を示した。図８には、グリーンシート１００、Ａｌ２Ｏ３を含まない導電材料２４、およびＡｌ２Ｏ３を含む導電材料２４の熱収縮率と、昇温速度（温度）とが示されている。
【００５５】
図８に示したように、グリーンシート１００は、約７００℃で収縮が発生し、Ａｌ２Ｏ３を含まない導電材料２４は、グリーンシートよりも低い５００℃付近で収縮が発生している。また、温度が高くなるのに従って、導電材料２４の収縮率は、グリーンシートの収縮率に対してより大きくなっていく。したがって、Ａｌ２Ｏ３を含まない導電材料２４は、焼成時にビアホール２３の内面から剥がれる可能性がある。一方、Ａｌ２Ｏ３が１０ｗｔ％添加された導電材料２４では、約８００℃で収縮し始めており、熱収縮率も小さい。したがって、Ａｌ２Ｏ３が１０ｗｔ％添加された導電材料２４は、焼成後でも、ビアホール２３の内面に密着した状態を維持できる。
【００５６】
図９は、焼成後のビア２０の状態を示す顕微鏡写真である。図９（Ａ）は、Ａｌ２Ｏ３を含まない導電材料２４を用いたビア２０を示しており、図９（Ｂ）は、ビアホール２３に、Ａｌ２Ｏ３が１０ｗｔ％添加された導電材料２４が充填されてなるビア２０を示している。図９（Ａ）に示したように、Ａｌ２Ｏ３を含まない導電材料２４を用いたビア２０では、ビアホール２３の平面形状が変形していることがわかる。これは、焼成時に、ビアホール２３の内面が、先に熱収縮した導電材料２４に引っ張られたためと考えることができる。また、ビアホール２３と導電材料２４との界面に発生したクラックによって、ビアホール２３の内周と導電材料２４の外周とに隙間２８ができている。一方、図９（Ｂ）に示したように、Ａｌ２Ｏ３が１０ｗｔ％添加された導電材料２４を用いたビア２０では、ビアホール２３の変形やクラックの発生がなかった。なお、Ａｌ２Ｏ３は、グリーンシートと導電材料との熱収縮率を整合させるためのものである。したがって、焼成温度が低い圧電材料を用いるなどして、ビアの変形やクラックの発生を抑制することができるのであれば、導電材料にはＡｌ２Ｏ３が含まれていなくてもよい。
【００５７】
＜圧電特性＞
上述したＡｇとＰｄの割合が９：１で、１０ｗｔ％の量のＡｌ２Ｏ３が添加された導電材料２４を用いて実施例のサンプルと、比較例のサンプルとを作製するとともに、各サンプルの圧電特性を調べた。ここでは、圧電特性として、共振点でのインピーダンスＺｒ（Ω）、比較例のサンプルの静電容量Ｃｐ（ｎＦ）と実施例のサンプルの並列静電容量Ｃｐ（ｎＦ）、機械的損失係数ｔａｎδ（％）、および共振点での位相θ（ｄｅｇ）を調べた。
【００５８】
以下の表１に、各サンプルの圧電特性を示した。
【００５９】
【表１】
2020043095.tif 000003
表１に示したように、実施例のサンプル２〜４は、十分な圧電特性を有していることがわかる。そして、単層型のサンプル１のＣｐ（＝０．４３ｎＦ）に対し、層数が３、５、および７となるサンプル２、サンプル３、およびサンプル４では、Ｃｐが層数を二乗した９倍、２５倍、４９倍とほぼ一致し、層数とＣｐとの関係がほぼ理論通りになっていることがわかる。すなわち、実施例のサンプルでは、Ａｇに対してＰｄの割合が低い銀ペーストからなる導電材料２４を用いながら、層間導通構造が確実に構築されていることが確認できた。
【００６０】
図１０に、７層型のサンプル４の縦断面の電子顕微鏡写真を示した。図１０において、点線の枠５０内に示された領域を見ると、上層側の圧電体２に形成されているビア２０の下端２７が下層側の圧電体２と層間に形成されている電極層３０の電極１０の上面に当接しつつ、電極層３０にめり込んでいることが確認できる。これは、積層型圧電素子１の製造過程における導電材料２４の圧縮工程（図３、ｓ５）により、導電材料２４がビアホール２３内で圧縮された状態で充填されているため、積層・圧着工程（図３、ｓ６）では、上層側のグリーンシート１００のビアホール２３に充填された高密度の導電材料２４が下層側のグリーンシート１００の上面を押圧し、下層側のグリーンシート１００の上面が窪んだ状態になったためと考えることができる。そして、焼成工程ｓ８により、下層側のグリーンシート１００が、その窪んだ状態で焼結したものと考えることができる。また、ビアホール２３内の導電材料２４が、当該ビアホール２３を拡径するよう充填されている。したがって、積層型圧電素子１のビア２０が、ビアホール２３内の導電材料２４をパンチングプレス加工などにより圧縮した状態で充填したものであれば、その積層型圧電素子１の断面を観察したとき、上層の圧電体（２ａまたは２ｂ）のビア２０の下端が下層側の圧電体（２ｂまたは２ｃ）の上面にめり込んでいるとともに、ビアホール２３が導電材料２４によって拡径された状態の層間導通構造が確認されるはずである。そして、図１０における実施形態に係る積層型圧電素子１の層間導通構造によれば、導電材料２４にＰｄが含まれておらず、焼成によって導電材料中のＡｇの一部が消失した状態であっても、導電材料２４は密な状態を維持しているとともに、十分な量のＡｇが残存して、確実に層間の導通が確保されたものとなることは、想像に難くない。
【００６１】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法では、導電材料の圧縮工程（ｓ５）においてグリーンシート１００の下面１０１にパンチング用フィルム４２を配置していた。それによって、ビアホール２３内の導電材料２４を上方から押圧した際に、導電材料２４がグリーンシート１００の下面１０１よりも下方に突出し、ビアホール２３３の開口端面から導電材料２４が確実に露出するようにしていた。
【００６２】
もちろん、導電材料２４がビアホール２３内で十分に密な状態で圧縮されているのであれば、その後の積層・圧着工程（ｓ６）で、柔軟なグリーンシート１００よりも変形し難い密な導電材料２４が確実にビアホール２３の開口端面から下方に突出する。すなわち、導電材料２４の注入工程（ｓ４）における導電材料２４の供給量を多くし、圧縮工程（ｓ５）におけるパンチングプレスの圧力を大きくすれば、金属などの硬い物質の表面にグリーンシート１００を載置した状態で圧縮行程（ｓ５）を行ってもよい。
【００６３】
上記実施形態に係る積層型圧電素子１は、中間層圧電体２ｂの上面と最下層圧電体２ｃの上面とに、それぞれ、第１電極層４０ａと第２電極層４０ｂとが形成されていたが、第１電極層３０ａを最上層圧電体２ａの下面に形成したり、第２電極層３０ｂを中間層圧電体２ｂの下面に形成したりしてもよい。また、上層側の圧電体（２ａまたは２ｂ）の下面と下層側の圧電体（２ｂまたは２ｃ）の上面とに互いに鏡像の関係となる電極１０ｇ形成されていてもよい。いずれにしても、本実施形態に係る積層型圧電素子１は、圧電体（２ａ〜２ｃ）の少なくとも表裏一方の面に電極１０が形成されて、各圧電体（２ａ〜２ｃ）が電極層（３０ａ、３０ｂ）を介して積層された構造を有していればよい。
【００６４】
上記実施例に係る積層型圧電素子１の製造方法では、電極１０を、銀ペーストなどの導電材料を印刷することで形成していたが、スパッタリングや蒸着などの方法によって形成してもよい。
【００６５】
また、当然のことながら、本発明の実施形態に係る積層型圧電素子１は、上記の超音波モーター用のものに限らない。例えば、各種アクチュエータや振動子などの能動素子、あるいは振動センサーや変位センサーなどの受動素子など、あらゆる圧電素子の用途に適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  積層型圧電素子、２，２ａ〜２ｃ  圧電体、３  積層型圧電素子の上面、
４  積層型圧電素子の下面、５ａ〜５ｃ  単層型圧電素子、１０,１１〜１４  電極、
２０〜２２  ビア、２３  ビアホール、２４  導電材料、３０ａ,３０ｂ  電極層、
１００  グリーンシート
【図１】
2020043095.tif 000004
【図２】
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【図３】
2020043095.tif 000006
【図４】
2020043095.tif 000007
【図５】
2020043095.tif 000008
【図６】
2020043095.tif 000009
【図７】
2020043095.tif 000010
【図８】
2020043095.tif 000011
【図９】
2020043095.tif 000012
【図１０】
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