(57)【要約】【課題】生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】圧電セラミックス層１０１と一層おきに外部電極１０３ａ、１０３ｂに接続された内部電極１０２ａ、１０２ｂとが交互に積層された圧電素子１００の製造方法であって、圧電セラミックスのグリーンシートに、電極ペーストを塗布する工程と、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、積層成形体を脱脂し、電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含む。これにより、活性層１０４の不活性層近傍の領域１０４ｂに電極拡散の勾配が生じ、変位量にも勾配が生じるため、活性層１０４と不活性層１０５との境界に生じる応力を緩和することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層された圧電素子の製造方法であって、
圧電セラミックスのグリーンシートに、電極ペーストを塗布する工程と、
前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、
前記積層成形体を脱脂し、前記電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記電セラミックスは、ＰＺＴで形成されており、
前記電極材料は、６０：４０から９５：５までのいずれかの比で構成されたＡｇ−Ｐｄであ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】
前記グリーンシートの厚みは、６０μｍ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、圧電体と内部電極とが交互に積層された圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気／機械変換素子たる圧電素子は、圧電セラミックスの厚み縦変位（ｄ３３モード）を利用し、ミクロンオーダーでの変位量制御が可能である。圧電素子は、発生力が大きい等の特徴を有することから、精密加工装置や光学装置等の位置決め機構に使用されている。
【０００３】
積層型圧電素子としては積層コンデンサ型構造の圧電素子（以下、圧電素子）が知られている。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の圧電素子を示す正断面図および平面透視図である。圧電素子２００は、圧電セラミックス層２０１と内部電極２０２ａ、２０２ｂとが交互に積層され、内部電極２０２ａ、２０２ｂは対向する側面に一層おきに露出した構造を有している。
【０００４】
内部電極２０２ａが露出している側面において内部電極２０２ａは外部電極２０３ａに接続し、内部電極２０２ｂが露出している側面において内部電極２０２ｂは外部電極２０３ｂによって接続されている。なお、一般的な圧電素子においては、積層方向の端面には電極を形成しない。
【０００５】
図２（ｂ）は、内部電極２０２ａ、２０２ｂの典型的なパターンの重なりを示している。圧電素子２００では、内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂとが重なる。このように、活性層２０４として、内部電極２０２ａと内部電極２０２ｂに挟まれた重なり部分に電界が印加されることで、変位して圧電素子２００は駆動する。
【０００６】
一方、最上層および最下層部には電極がなく、端面付近には電界が印加されないため、圧電効果による変位は得られず、不活性層２０５となる。この活性層２０４と不活性層２０５との境界部近傍に応力が集中し、圧電素子２００の破壊に至らしめることが知られている。
【０００７】
圧電素子２００のこのような欠点を解消するために、例えば、特許文献１には、最上層および最下層の不活性層近傍の活性層における内部電極の重なり面積を、他の圧電的に活性な部分における内部電極の重なり面積よりも５０％以下にし、対向する内部電極の電極が形成されていない孔の位置を互いにずらすことにより、内部電極の重なり面積を調節している。
【０００８】
これにより、この圧電素子においては、最上層および最下層の圧電的に不活性な圧電体層の近傍における内部電極の重なり面積が小さいため、その部分の変位量が小さくなり、活性層と不活性層の境界部に活性層よりも変位の小さい層を形成している。このようにして、境界部における応力破壊を防止し、積層型圧電体素子の耐久性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０７−３０１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１記載の方法では活性層の電極面積を調節するために工程が複雑となる可能性があり、また耐久性を向上するためには、活性層の活性部を５０％以下にすることが望ましく、圧電素子の変位量や発生力が減少する可能性がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した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】
【００１２】
（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、圧電セラミックス層と一層おきに外部電極に接続された内部電極とが交互に積層された圧電素子の製造方法であって、圧電セラミックスのグリーンシートに、電極ペーストを塗布する工程と、前記電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し積層成形体に成形する工程と、前記積層成形体を脱脂し、前記電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する工程と、を含むことを特徴としている。
【００１３】
このように、積層成形体を脱脂したものを電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成することで、不活性層近傍において電極材料の圧電セラミック層への拡散を進めることができる。その結果、活性層の不活性層近傍の領域に電極拡散の勾配が生じ、変位量にも勾配が生じるため、活性層と不活性層との境界に生じる応力を緩和することができる。また、変位量や発生力は大きく変わらない。そのように応力を緩和できる圧電素子を簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
【００１４】
（２）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記電セラミックスが、ＰＺＴで形成されており、前記電極材料は、６０：４０から９５：５までのいずれかの比で構成されたＡｇ−Ｐｄであることを特徴としている。
【００１５】
これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、９７０℃から１２７０℃の範囲となり、ＰＺＴの圧電素子の焼成に適した温度で焼成して、境界に生じる応力を緩和した緻密な圧電素子を得ることができる。
【００１６】
（３）また、本発明の圧電素子の製造方法は、前記グリーンシートの厚みが、６０μｍ以上であることを特徴としている。これにより、圧電素子の圧電セラミックス層の厚みが大きくなり、電極材料が圧電セラミック層へ極度に拡散するのを防止できる。その結果、圧電素子の導通による絶縁破壊を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、生産性に優れた工程で、変位量や発生力を維持しつつ、応力破壊し難く長寿命化した圧電素子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の圧電素子を示す正断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）それぞれ従来の圧電素子を示す正断面図および平面透視図である
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
（圧電素子の構成）
図１は、圧電素子１００を示す正断面図である。図１に示すように、圧電素子１００は、積層型の圧電素子であり、圧電セラミックス層１０１と内部電極１０２ａ、１０２ｂとが交互に積層されている。圧電セラミックス層１０１は、ＰＺＴ等の圧電セラミックスで形成されており、予め分極されている。内部電極１０２ａ、１０２ｂは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等やこれらの合金で形成されており、一層おきに外部電極１０３ａ、１０３ｂに接続されている。ただし、焼成温度を考慮すると、上記の材料のうち、Ａｇ−Ｐｄが好ましく、特に６０：４０から９５：５までのいずれかの比で構成されたＡｇ−Ｐｄが好ましい。また、７０：３０から９０：１０までのいずれかの比で構成されたＡｇ−Ｐｄであればさらに好ましい。圧電素子１００は、外部電極１０３ａ、１０３ｂを介して内部電極１０２ａ、１０２ｂへ電圧を印加することで伸縮する。
【００２１】
圧電素子１００は、活性層１０４と不活性層１０５の領域に区分できる。活性層１０４は、圧電セラミックス層１０１と内部電極１０２ａ、１０２ｂとが交互に積層され、一方の端面に最も近い内部電極１０２ａと他方の端面に最も近い内部電極１０２ｂにより挟まれた領域である。すなわち、内部電極１０２ａ、１０２ｂへの電圧印加に対して伸縮する領域を指している。
【００２２】
一方、不活性層１０５は、内部電極１０２ａ、１０２ｂの無い端面付近の圧電セラミックス層１０１をいい、内部電極１０２ａ、１０２ｂに電圧を印加しても伸縮しない。圧電素子１００は、活性層のうち中央領域１０４ａと比べて、不活性層近傍の領域１０４ｂの方が内部電極１０２ａ、１０２ｂの電極材料が多く拡散している。その結果、電圧印加時に活性層の不活性層近傍の領域１０４ｂの変位量に勾配ができる。そして、活性層１０４と不活性層１０５との境界に生じる応力を緩和することができる。また、そのように応力を緩和できる圧電素子１００は、簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
【００２３】
（圧電素子の製造方法）
上記の圧電素子１００の製造方法を説明する。まず、予め秤量、混合し、仮焼、粉砕等を経て所望の圧電セラミックスの粉末を準備する。圧電セラミック粉末は、ＰＺＴで形成されていることが好ましい。その圧電セラミックスの粉末に有機媒体を混合してスラリーを作製し、ドクターブレード等で圧電セラミックスのグリーンシートを製造する。
【００２４】
グリーンシートの厚みは、６０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、圧電素子１００の圧電セラミックス層１０１の厚みが大きくなり、電極材料が圧電セラミックス層１０１へ極度に拡散するのを防止できる。その結果、圧電素子１００の導通による絶縁破壊を防止できる。
【００２５】
上記のようにして得られた圧電セラミックスのグリーンシートに、電極ペーストを塗布する。電極材料は、６０：４０から９５：５までのいずれかの比で構成されたＡｇ−Ｐｄであることが好ましい。これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、９７０℃から１２７０℃の範囲となり、ＰＺＴの圧電素子に適した温度で焼成できる。また、電極材料は、７０：３０から９０：１０の比で構成されたＡｇ−Ｐｄであることがさらに好ましい。これにより、電極材料の固相線から液相線の温度範囲が、１０００℃から１１６０℃の範囲となる。このようにして活性層１０４と不活性層１０５の境界に生じる応力を緩和した緻密な圧電素子１００を得ることができる。そして、電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層して成形し、積層成形体を得ることができる。
【００２６】
次に、積層成形体を脱脂し、圧電セラミックスと電極ペーストとを一体焼成する。その際には、電極ペーストに含まれる電極材料の固相線から液相線の温度範囲で焼成する。これにより、電極材料が圧電セラミックス層１０１内を拡散し、活性層１０４と不活性層１０５との境界に近いほど圧電セラミックス層１０１に多く拡散する。なお、電極材料がＡｇ−Ｐｄ等の合金電極材料の場合には、各元素の配合比における固相線から液相線の温度範囲で焼成すればよい。
【００２７】
上記の作用により、電圧印加時に活性層１０４の不活性層近傍の領域１０４ｂの変位量に勾配ができる。その勾配により活性層１０４と不活性層１０５との境界に生じる応力を緩和することができる。また、そのように応力を緩和できる圧電素子１００は、設計に従って内部電極のパターン等を制御するようなものではなく、簡易に製造することができ、生産性を向上できる。
【００２８】
通常の焼成では電極金属の圧電セラミックス層１０１への拡散を防ぐため、電極金属の融点より２０℃以上低い温度で行うことが一般的に良いとされる。しかし、上記の方法では、電極金属の固相線から液相線の温度範囲で焼成を行う。
【００２９】
これにより、電極金属の圧電セラミックス層１０１への拡散が進む。このとき、活性層１０４のうち不活性層近傍の領域１０４ｂでは不活性層１０５への電極金属の拡散が起こるため、活性層１０４の中央領域１０４ａと比較し電極金属の拡散量が多くなる。そのため、不活性層近傍の領域１０４ｂでは不活性層１０５との境界部に近づくにつれて内部電極１０２ａ、１０２ｂの金属面積に勾配が生じる。
【００３０】
その結果、金属面積の勾配に応じて不活性層近傍の領域１０４ｂの変位量にも勾配が生じるため、不活性層１０５との境界部に集中する応力が分散される。また電極の拡散が進むことで、不活性層１０５と境界部の内部電極１０２ａ、１０２ｂとの接触面積が減る。これにより、応力により境界面に亀裂が生じた場合も、不活性層１０５と内部電極１０２ａ、１０２ｂとの接触箇所が剥離するにとどまり、クラックが成長せず絶縁破壊等の大きな故障に至らない。
【００３１】
なお、圧電セラミックス層１０１へのＡｇの過剰な拡散による絶縁抵抗の低下を防止するためには、圧電セラミックス層１０１の厚みを増加させる方法以外に、駆動時の圧電素子１００の温度上昇を抑える方法や、アニーリングやＭｎ等のドーパントの添加により圧電セラミックス層１０１の酸素欠陥を抑制する方法が考えられる。
【符号の説明】
【００３２】
１００  圧電素子
１０１  圧電セラミックス層
１０２ａ、１０２ｂ  内部電極
１０３ａ、１０３ｂ  外部電極
１０４  活性層
１０４ａ  中央領域
１０４ｂ  不活性層近傍の領域
１０５  不活性層
【図１】
2014072329.tif 000003
【図２】
2014072329.tif 000004