(57)【要約】【課題】簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】一体焼成したブロックの切り分けを伴う圧電素子の製造方法であって、圧電セラミック層と電極層を積層して、長さと高さの比が２．０以上の矩形に形成した成形体のブロック１００を準備する準備工程と、準備されたブロック１００の長手方向に対して垂直な切り込み１２０を、圧電素子となる部分１１０を区画する位置に、保護層となる部分１１２より深く設ける切り込み工程と、切り込み１２０がなされたブロック１００を一体で焼成する焼成工程と、焼成されたブロックの積層方向の両端面を加工し、圧電素子を切り分ける加工工程と、を含む。ブロック１００の表面と内部との間に生じる焼成収縮の差を緩和して、簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体焼成したブロックの切り分けを伴う圧電素子の製造方法であって、
圧電セラミック層と電極層を積層して、長さと高さの比が２．０以上の矩形に形成した成形体のブロックを準備する準備工程と、
前記準備されたブロックの長手方向に対して垂直な切り込みを、圧電素子となる部分を区画する位置に、保護層となる部分より深く設ける切り込み工程と、
前記切り込みがなされたブロックを一体で焼成する焼成工程と、
前記焼成されたブロックの積層方向の両端面を加工し、圧電素子を切り分ける加工工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記切り込み工程は、前記準備されたブロックの長手方向にわたり前記圧電素子となる部分の１区画毎に設けることを特徴とする請求項１記載の圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記準備されたブロックの長さと高さの比が２．７以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の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、一体焼成したブロックの切り分けを伴う圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電素子は、複数の圧電セラミックス層と電極を交互に積層し、圧着した後、焼成、加工を経て得られる。このような圧電素子には、通常、電極の設けられていない保護層と呼ばれるセラミックスだけの層が素子の上下に形成されている。保護層は、寸法精度を要求される積層圧電素子にとって、焼成後の加工代となっている。
【０００３】
積層型の圧電素子では、電極層の成分が焼成時にセラミックス中に拡散するため活性層の焼成収縮が保護層と異なり焼成時の変形や剥離などの問題が発生する。特に、複数個の素子を一体のブロックで焼成し、後に加工で切り出す場合、反りが増大してその後の加工に支障をきたす。
【０００４】
その対策として保護層に浮遊電極層を設け、活性層と同様の組成にする製造方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。また、焼成パターンを段階的なものに調整する方法（特許文献４参照）や、電極材料の組成を調整することにより収縮率の差を低減する方法（特許文献５参照）も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２２１３５７号公報
【特許文献２】特開平０９-２７０５４０号公報
【特許文献３】特開２００１−３５８３７４号公報
【特許文献４】特開平１０−１８２２４４号公報
【特許文献５】特開２００５−１２６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、保護層に浮遊電極を設けた場合、加工により浮遊電極が露出しやすくなる。また、焼成パターンを調整して収縮の差を緩和したとしても、収縮を完全に一致させることはできない。また、組成を変更させる場合、積層するシートを複数種類用意する必要があり、手間となる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子の製造方法は、一体焼成したブロックの切り分けを伴う圧電素子の製造方法であって、圧電セラミック層と電極層を積層して、長さと高さの比が２．０以上の矩形に形成した成形体のブロックを準備する準備工程と、前記準備されたブロックの長手方向に対して垂直な切り込みを、圧電素子となる部分を区画する位置に、保護層となる部分より深く設ける切り込み工程と、前記切り込みがなされたブロックを一体で焼成する焼成工程と、前記焼成されたブロックの積層方向の両端面を加工し、圧電素子を切り分ける加工工程と、を含むことを特徴としている。
【０００９】
このように本発明の圧電素子の製造方法では、所定形状の成形体のブロックに対し上記のような切り込みを、圧電素子として切り分けられる区画の位置に、保護層となる部分より深く設けるため、ブロックの表面と内部との間に生じる焼成収縮の差を緩和して、簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる。その結果、想定通りにブロックを加工し、所望の寸法の圧電素子を得ることができる。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記切り込み工程で、前記準備されたブロックの長手方向にわたり前記圧電素子となる部分の１区画毎に設けることを特徴としている。これにより、各圧電素子あたりに生じる焼成収縮の差を緩和し、効果的に焼成されたブロックの反りを防止できる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記準備されたブロックの長さと高さの比が２．７以上であることを特徴としている。これにより、本来なら焼成収縮力により反りが生じやすい成形体ブロックの形状について、焼成時の反りを防止できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる。その結果、想定通りにブロックを加工し、所望の寸法の圧電素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）（ｂ）それぞれ第１の実施形態における成形体のブロックを示す平面図、側面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）それぞれ第２の実施形態における成形体のブロックを示す平面図、側面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）それぞれ比較例における成形体のブロックを示す平面図、側面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）それぞれ比較例における成形体のブロックを示す平面図、側面図である。
【図５】反りの測定方法を説明するための側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
［第１の実施形態］
本発明の圧電素子の製造方法は、一体焼成したブロックを切り分けて積層型の圧電素子を得るものである。積層型の圧電素子は、変位量を大きくするために積層枚数が多くなりうる。したがって、圧電素子は積層方向に長い形状になるため、はじめに圧電素子単位に切り分けると細長くなって、両端面を加工しにくくなる。したがって、ブロックのまま焼成、加工するのが好ましい。このように、一体の成形体のブロックを焼成し、その後切り分けることで効率的な製造を可能にしている。
【００１６】
しかし、一方でブロックのまま積層方向の両端面を加工する場合、反りがあると、ブロックの中の素子位置によって保護層の厚みが異なってしまう。したがって、十分な保護層の厚みを確保するためには、圧電素子の製造工程においてブロックに反りを生じさせないことが重要である。なお、保護層を厚く設計する方法も考えられるが、この場合には電極層を減らす必要が生じ、変位量が減少するため、好ましい方法とはいえない。
【００１７】
圧電素子を製造するためには、まず、ＰＺＴ等の圧電材料を混合し、仮焼し、微粉砕してスラリー化する。そして、スラリーを用いてグリーンシートを作製し、グリーンシート上に内部電極として所定パターンでＡｇやＡｇ／Ｐｄ等の電極ペーストを印刷しておき、印刷されたグリーンシートを設計通りに積層して圧着し、圧着体を作製する。得られた圧着体は、素子複数個分の長さと高さの比が２．０以上のブロックに切断する。このようにして矩形の成形体のブロックが得られる。そして、成形体のブロックには、切り込みを設ける。
【００１８】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ成形体のブロック１００を示す平面図、側面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示す成形体のブロック１００は、積層方向Ｈに対して垂直な幅方向Ｗと長さ方向Ｌに２×８で切り出せる圧電素子が得られるよう設計されている。図１（ａ）、（ｂ）では、圧電素子になる部分１１０の区画を破線で示している（以下、同様）。図１に示す例では、２×８で切り出せる大きさであるがこれに限定されるものではない。
【００１９】
成形体のブロック１００は、圧電セラミック層と電極層を交互に積層された活性層となる部分１１１と、圧電セラミック層のみで形成された保護層になる部分１１２とで形成されている。保護層になる部分１１２は、電極パターンを介さずにグリーンシートを積層することで形成できる。図１（ａ）、（ｂ）では、活性層となる部分１１１をドットパターンで示している（以下、同様）。焼成時に活性層となる部分１１１と保護層になる部分１１２のそれぞれが異なる収縮率で収縮することで反りが生じうる。
【００２０】
成形体のブロック１００に設けられた切り込み１２０は、成形体のブロック１００の長手方向Ｌに垂直で圧電素子として切り分けられる区画の位置に設けられている。また、切り込み１２０は、積層方向Ｈ向きの深さが保護層になる部分１１２より深くなるように形成されている。
【００２１】
これにより、ブロックの表面と内部との間に生じる焼成収縮の差を緩和して、簡便な方法で焼成時のブロックの反りを確実に防止できる。その結果、想定通りにブロックを加工し、所望の寸法の圧電素子を得ることができる。切り込み１２０の深さは、成形体のブロック１００が焼成や加工時に形状を維持できる程度の深さまでであれば、深くすることができる。
【００２２】
なお、切り込み１２０は、成形体のブロック１００の長手方向にわたり圧電素子となる部分１１０の１区画毎に設けることが好ましい。これにより、各圧電素子あたりに生じる焼成収縮の差を緩和し、効果的に焼成されたブロックの反りを防止できる。
【００２３】
また、切り込み１２０は、長さと高さの比が２．０以上の成形体のブロック１００になされることが好ましい。このような成形体のブロック１００を対象とすることで、本来なら焼成収縮力により反りが生じやすい形状について、焼成時の反りを防止でき、大きな効果が得られる。
【００２４】
次に、切り込みがなされた成形体のブロック１００を一体で焼成する。そして、焼成されたブロックの積層方向の両端面（保護層の表面）を加工し、設計された区画で圧電素子として切り分ける。このようにして、積層型の圧電素子を作製することができる。得られた積層型の圧電素子は、たとえばアクチュエータとしてポジショナ（位置決め装置）、マスフローコントローラ等に用いられる。
【００２５】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、切り込み１２０が成形体のブロック１００の長手方向にわたり圧電素子となる部分１１０の１区画毎に設けられているが、必ずしも圧電素子となる部分の１区画毎に設けられている必要はない。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ２区画毎に切り込み２２０が設けられた成形体のブロック２００を示す平面図、側面図である。成形体のブロック２００も、第１の実施形態と同様に、圧電素子になる部分２１０で構成され、その中が圧電セラミック層と電極層を交互に積層された活性層となる部分２１１と、圧電セラミック層のみで形成された保護層になる部分２１２とで形成されている。
【００２７】
ブロック２００を焼成し、加工して切り分けることで圧電素子を得ることができる。各部分の収縮差は、２区画毎に切り込み２２０が設けられている場合であっても、焼成収縮による反りを十分に緩和できる。なお、反り量に応じて切り込み位置を３区画毎にしてもよいし、もっと間隔を空けてもよい。
【００２８】
［実施例１］
上記のような製造方法に沿ってブロックを焼成し、反りを測定した。まず、厚さ７０μｍのグリーンシートを用意した。活性層として電極ペーストを印刷したシートを１７０枚、その上下に保護層として電極を印刷しないシートを２０枚ずつ積層した。両側の保護層を１ｍｍずつ、活性層を８．５ｍｍで、両側の加工代を０．２５ｍｍずつで設計した。
【００２９】
成形体のブロックには、形状１、２として図１、図２に示すブロック１００、２００のような形状を用いた。形状１については、圧着体を２×８、２×４、１×３、１×２のそれぞれの圧電素子が得られる大きさのブロックに切り分け、さらに、長手方向にわたって１区画ずつ積層方向に保護層となる部分を超える十分な深さの切り込みを入れた。形状２については、圧着体を２×８、２×４、１×３、１×２のそれぞれの圧電素子が得られる大きさのブロックに切り分け、さらに、長手方向にわたって２区画ずつ積層方向に保護層となる部分を超える十分な深さの切り込みを入れた。
【００３０】
また、形状３、４として、図３、図４に示すブロック８００、９００のような形状を用いた。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ形状３（比較例）における成形体のブロック８００を示す平面図、側面図である。ブロック８００、９００の構造は、切り込みの有無や形状を除きブロック１００、２００と同様である。ブロック８００は、切り込みを有していない。ブロック８００は、２×８の圧電素子になる部分８１０が切り分けられている。また、図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ形状４（比較例）における成形体のブロック９００を示す平面図、側面図である。ブロック９００は、２×８の圧電素子になる部分９１０が切り分けられている。ブロック９００は、保護層９１２の半分の深さの切り込み９２０を有している。
【００３１】
形状３については、圧着体を圧電素子になる部分が２×８、２×４、１×３、１×２のそれぞれで区画される大きさのブロックに切り分けた。形状４では、圧着体を圧電素子になる部分９１０が２×８、２×４、１×３、１×２のそれぞれで区画される大きさのブロック９００に切り分け、さらに、長手方向にわたって１区画ずつ積層方向の両端面の保護層となる部分の半分まで切り込みを入れた。
【００３２】
このように作製した形状１〜４の各ブロックを焼成した。このとき２×８の形状で焼成されたブロックの大きさは、いずれも約Ｌ５４ｍｍ×Ｗ１４ｍｍ×Ｈ１０．５ｍｍであった。また、ブロックの長さＬと高さＨの比Ｌ／Ｈは、２×８、２×４、１×３、１×２のそれぞれについて、５．１、２．７、２．０、１．４であった。そして、得られた焼成後の各ブロックの反りを測定した。図５は、反りの測定方法を説明するための側面図である。図５に示すように、焼成されたブロックについて全体の厚さ（最も高い点と低い点との差）を測定し、最も厚さの小さい位置での厚さを測定し、これらの差を反りとして測定した。表１は、得られた測定結果を示している。
【表１】
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【００３３】
表１によれば、形状１、２では、いずれも反りが０．１ｍｍ以内であり、十分に小さいことが分かった。一方、形状３、４では、Ｌ／Ｈが２．０以上では、反りが０．２５ｍｍ以上であった。外部電極を形成する際には、外部電極が素子の端面にはみ出ない必要があり、保護層を最低０．２５ｍｍ確保する必要がある。
【００３４】
形状３、４では、Ｌ／Ｈが２．０以上においていずれも反りが０．２５ｍｍ以上であったため、加工代の０．２５を超え、圧電素子の高さを１０ｍｍに加工できない状況であった。圧電素子の高さを１０ｍｍに加工できるようにするためには、保護層厚みの設計値を１．１〜１．３ｍｍ以上にしなければならなくなり、その分電極層を減らす必要が生じるため反りを０．２５ｍｍより小さくすることが好ましい。
【００３５】
［実施例２］
次に、両側の保護層をグリーンシート４０枚分ずつ設け、上記と同様の製造方法に沿ってブロックを焼成し、反りを測定した。成形体のブロックには、形状１〜４のものを用いた。各形状については、圧着体を２×８の圧電素子が得られる大きさのブロックに切り分けた。形状１〜４の切り込みの設け方は、上記の実施例と同様である。
【００３６】
このように作製した形状１〜４の各ブロックを焼成した。焼成されたブロックの大きさは、いずれも約Ｌ５４ｍｍ×Ｗ１４ｍｍ×Ｈ１０．５ｍｍであった。また、ブロックの長さＬと高さＨの比Ｌ／Ｈは、５．１であった。そして、得られた焼成後の各ブロックの反りを測定した。表２は、得られた測定結果を示している。
【表２】
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【００３７】
表２によれば、形状１、２では、いずれも反りが０．１５ｍｍ以内であり、十分に小さいことが分かった。形状３、４では、反りが０．２５ｍｍ以上であった。このように保護層の厚さを２倍にしても切り込みによる効果は、大きく変わらないことが分かった。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００  ブロック
１１０、２１０  圧電素子になる部分
１１１、２１１  活性層になる部分
１１２、２１２  保護層になる部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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