(57)【要約】 【課題】  低電圧駆動のための圧電セラミックの薄層化を可能とし、安価な卑金属内部電極を用いることも出来る圧電セラミック積層素子の製造方法及び圧電セラミック積層アクチュエータを提供すること。【解決手段】  圧電セラミック１１と内部電極１２とを交互に積層してなる積層体で、この積層体の側面に設けられ、対向電極を構成する様に内部電極１２の端が１層おきにセラミック絶縁体１４で絶縁され、側面に露出したままの内部電極１２には外部電極１５が接続され、そのセラミック絶縁体１４は側面へのレジスト塗布及び露光処理を経て、エアロゾルデポジション法によって形成する。【選択図】  図１
2006303349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と内部電極層が交互に積層され、前記内部電極層の端部が積層体の外形側面に露出し、前記端部を１層おきに絶縁する複数のセラミック絶縁体を有し、絶縁されなかった端部を接続する外部電極を有する圧電セラミック積層素子の製造方法において、前記セラミック絶縁体を形成する過程は、前記内部電極層の端部が露出した外形側面の全面へ感光性のレジストをコートするか又はドライシートレジストを貼ることによりレジスト層を形成する工程と、前記内部電極層の端部を１層おきにマスクするように前記レジスト層に露光処理を施し現像液で一部を除去する工程と、１層おきに内部電極層が露出した外形側面にエアロゾルデポジション法にて絶縁セラミック膜を形成する工程と、残ったレジスト層を全て剥離する工程とを有することを特徴とする圧電セラミック積層素子の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁セラミック層は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を主成分とするセラミック、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）のいずれかからなることを特徴とする、請求項１記載の圧電セラミック積層素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の圧電セラミック積層素子の製造方法により得られた圧電セラミック積層素子を用いてアクチュエータを形成したことを特徴とする圧電セラミック積層アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック積層素子の製造方法及び圧電セラミック積層アクチュエータに関し、例えば、自動車用インジェクション、主に半導体製造装置に利用される光学装置等の精密位置決め装置やマスフローコントローラのバルブ駆動素子に利用される圧電セラミック積層アクチュエータや近年ではマイクロロボットや小型携帯機器等に使用される圧電マイクロアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電セラミック積層素子としては、圧電セラミックと内部電極を交互に積層した圧電セラミック積層アクチュエータが知られている。図３（ａ）は、従来の圧電セラミック積層アクチュエータ素子の斜視図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った縦断面図、図３（ｃ）は内部電極と外部電極の接合部を拡大して示す模式断面図である。このアクチュエータでは、圧電セラミック１１と内部電極１２が交互に積層されて積層体１３が形成され、その積層方向に対する両側面には１層おきに対向電極構造を成す様にガラスで絶縁される。この絶縁ガラス２４は水中で電荷を帯びたガラス粒子をガラスとは逆の電荷を与えた端面電極へ電気泳動させ、選択的に１層おきに付着する様に構成し、その後、大気中で焼き付けを施して形成する。ガラスで絶縁された素子側面上に外部電極１５を形成し、その外部電極上には、さらにリード線１６が半田１７により固定されている。
【０００３】
ところで、近年において、機器の小型化、低背化、低電圧化が進み、圧電セラミック積層アクチュエータにおいても同様に小型化、低背化、低電圧駆動の要求が著しく高まっている。低電圧駆動させるためには駆動に必要な電界強度を得るために電極間距離を短くする必要がある。すなわち圧電セラミックの薄層化が必要である。
【０００４】
従来の技術では、例えば特許文献１ではガラス絶縁を形成する際のガラス泳動工程に使用するガラスの粒度を微小なものにすることが提案されているが、そのとき電極間距離はせいぜい１００μｍが限界である。しかし、昨今の機器の小型化、低電圧駆動化の要求に応じるには、さらに薄層化を進める必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−８６８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この様に、圧電セラミック積層アクチュエータを低電圧駆動させるためには、電界強度を上げるためセラミック厚みを薄くする必要がある。上記従来のアクチュエータの製造方法では、ガラス絶縁を形成する際に焼き付けしたガラスが広がり、１層おきに絶縁をすることが困難になる。よって、従来製法ではセラミック層の薄層化に限界があり、それゆえ低電圧駆動に限界があり、製造方法の改善が必要になっている。
【０００７】
また、内部電極材料に高価なパラジウムが用いられており、近年の圧電セラミックの薄層化、積層数の増加に伴い、使用するパラジウム量が増加し、製造コストが増大するという問題もある。そのため内部電極に卑金属を使用する試みがされているが、ガラス絶縁の焼き付けは大気中で行うため、内部電極が酸化してしまい、電極の抵抗が上昇してしまう問題点もある。
【０００８】
すなわち本発明の課題は、低電圧で変位駆動させるため、圧電セラミックの薄層化を可能とし、安価な卑金属内部電極を用いることも出来る圧電セラミック積層素子の製造方法及び圧電セラミック積層アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電セラミック積層素子の製造方法は、圧電セラミック層と内部電極層が交互に積層され、前記内部電極層の端部が積層体の外形側面に露出し、前記端部を１層おきに絶縁する複数のセラミック絶縁体を有し、絶縁されなかった端部を接続する外部電極を有する圧電セラミック積層素子の製造方法において、前記セラミック絶縁体を形成する過程は、前記内部電極層の端部が露出した外形側面の全面へ感光性のレジストをコートするか又はドライシートレジストを貼ることによりレジスト層を形成する工程と、前記内部電極層の端部を１層おきにマスクする様に前記レジスト層に露光処理を施し現像液で一部を除去する工程と、１層おきに内部電極層が露出した外形側面にエアロゾルデポジション法にて絶縁セラミック膜を形成する工程と、残ったレジスト層を全て剥離する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記絶縁セラミック層は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を主成分とするセラミック、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）のいずれかからなるとよい。
【００１１】
また、本発明の圧電セラミック積層アクチュエータは、前記圧電セラミック積層素子の製造方法により得られた圧電セラミック積層素子を用いて形成したことを特徴とする。
【００１２】
従来は異極間の絶縁を電気泳動、焼き付け処理をしてガラス絶縁していたため、セラミックの薄層化を進める場合には１００μｍ以下厚みは製造困難であったが、本発明の圧電セラミック積層素子では、１５μｍまでは絶縁可能になる。
【００１３】
さらに本発明によれば、ガラス絶縁を形成する際の大気中の焼き付け工程が無いので内部電極は従来のＡｇ／Ｐｄ材料はもちろん、安価な卑金属を用いても形成でき、安価な圧電セラミック積層素子が提供出来る。また、Ａｇを内部電極材料に使用しない場合は、マイグレーションによる絶縁性の劣化が防止できる。さらに従来、ガラス焼き付け時のセラミックヘの浸透や濡れ性などを考慮に入れなければならなかったが、本発明は常温でセラミックが形成可能なため、品質ばらつきが抑えられる作用もある。
【００１４】
尚、上記エアロゾルデポジション法はエアロゾル化した微粉末を真空チャンバー内にセットしたワーク上ヘノズルを通してガスと共に亜音速で衝突・固化させるセラミックの成膜方法であり、室温で熱処理なしで緻密な厚膜が形成出来る特長を持つ。
【００１５】
そのとき、絶縁用のセラミック材料にはエアロゾルデポジション法で成膜可能であるチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を主成分とするセラミック、あるいはアルミナＡｌ２Ｏ３、酸化ジルコニアＺｒＯ２、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３等の絶縁性セラミックを用いるとよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の積層圧電セラミック素子の製造方法によれば、従来の様に内部電極が全面電極構造であっても圧電セラミック層の薄層化が可能となり、低電圧駆動が可能となる。また、圧電セラミックには耐還元性を有する材料を用いることで内部電極は卑金属材料を使用することも可能となり、製造コストを安価にすることも可能である。さらに、電極材料にＡｇを使用しないことも可能であり、マイグレーションが発生しにくい信頼性に優れた圧電セラミック積層アクチュエータを提供出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態での圧電セラミック積層素子を示すもので、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面図、図１（ｃ）は内部電極と外部電極の接合部を拡大して示す模式断面図である。
【００１８】
圧電セラミック積層素子は、図１に示す様に、圧電セラミック１１とそれに等しい面積の内部電極１２とを交互に複数積層してなる積層体の側面において、内部電極１２の端部を一層おきにセラミック絶縁体１４で被覆し、絶縁体被覆していない内部電極１２の端部に銀を主成分とする導電材とガラスフリットからなる外部電極１５を接合し、外部電極１５にリード線１６を半田１７で接続固定して構成されている。
【００１９】
圧電セラミックは、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミックス材料で形成されている。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。圧電セラミック１１の間には内部電極１２が積層されているが、この内部電極１２は貴金属であるＡｇ／Ｐｄの他にも圧電セラミック１１に耐還元性を付与すれば、卑金属で形成することも可能である。卑金属としては、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｕ／Ｎｉ合金等があり、特に焼成時に酸化されにくいという点からＣｕが望ましい。異極間の絶縁には従来法ではガラスを用いたが、本発明では絶縁性セラミックが用いられる。本発明のセラミックによる絶縁形成はエアロゾルデポジション法にて成される。
【００２０】
各圧電セラミック１１に所定の電圧を印加し、圧電セラミック１１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用を成す。従来、圧電セラミックの厚み、つまり内部電極間の距離は２５０〜１００μｍであったが、近年の低電圧駆動化の要求から１００〜１５μｍが望まれている。また、圧電セラミック積層アクチュエータは電圧を印加してより大きな変位量を得るために、積層数を増加させる方法がとられるが、上記のような薄い圧電セラミック厚みを採用することにより、アクチュエータとしての小型化、低背化も達成でき、本発明の圧電セラミック積層素子も充分対応する。
【００２１】
外部電極１５は、Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ等の導電性を備えた金属及びそれらの合金から構成されていても良いが、外部電極１５は、内部電極と同一金属又は同一合金を主成分とすることが望ましい。外部電極１５にはリード線１６が半田１７により接続固定され、このリード線１６は外部電極１５を外部の電圧供給部に接続する働きをなす。
【００２２】
本発明による圧電セラミック積層素子の製造方法について説明する。まず、ＰＺＴ等の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機樹脂からなるバインダー、ＭＦＧ（メチルプロピレングリコール）、ＢＣ（ブチルカルビトール）等の有機溶剤とＤＯＰ（フタル酸ジオチル）、ＢＰＢＧ（ブチルフタリルグリコール酸ブチル）等の可塑剤とを混合、分散させてスラリーを作製し、そのスラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成型法により圧電セラミック１１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００２３】
次に、例えばＡｇ／Ｐｄ粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ぺーストを作製し、これを前記各グリーンシートの上面にスクリーン印刷によって１〜５μｍの厚みに印刷する。そして、上面に導電性ぺーストが印刷されたグリーンシートを複数積層するとともに、この積層体の上下面に、導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを複数積層し、熱プレスにより一体化し、その後、この積層体をバインダーの種類に合わせて４００〜５００℃間の温度を選択して脱バインダー熱処理を行った後、大気雰囲気中１０００℃で焼成することによって作製される。
【００２４】
図２は焼結した積層体の内部電極を１層おきに絶縁する工程を示している。また、図２（ｃ）〜図２（ｇ）の各図には下側に部分拡大図を付けた。まず、図２（ａ）の様に焼成した積層体３１を切断線３９に沿って、図２（ｂ）の様に所定の大きさにスライス加工し、図２（ｃ）の様にスライス加工された積層体３２の側面にレジストをコート又はシートレジストを貼り付けてレジスト膜３３を形成する。その後、露出している内部電極層を１層おきにマスキングし、露光する。次に、露光部分のレジストを除去し、図２（ｄ）の様に１層おきに内部電極を露出させ、図２（ｅ）の様にセラミック膜をエアロゾルデポジション法によりノズル３４からエアロゾル化した微粉末を噴出し絶縁セラミック膜３５を成形する。その後、レジストを全部剥離させ、図２（ｆ）の様に１層おきに内部電極がセラミック膜により絶縁される。また、この側面と対向する側面についても同様な工程を施し、対向電極構造を成す様に１層おきにセラミックで絶縁する。その後、図２（ｇ）の様にセラミック絶縁した面上ヘガラスフリット入りのＡｇ外部電極ぺーストをスクリーン印刷法で形成し、乾燥後、焼き付けし、外部電極３６を形成する。その外部電極３６を形成した後、個々の大きさに切断し、リード線を半田により接続することにより本発明の積層セラミック圧電素子を作製する。また、電圧印加用の電源をつなぎ、分極処理などを行い、本発明の積層セラミック圧電アクチュエータを得る。
【実施例】
【００２５】
次に本発明の実施例を挙げてさらに説明する。圧電歪み定数ｄ33＝８５０ｐｍ／Ｖであり、組成が５０Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ3−１５ＰｂＺｒＯ3−３５ＰｂＴｉＯ3で表される平均粒径が０．７μｍの圧電セラミックスの仮焼粉末５０ｗｔ％、アクリル樹脂系バインダー５ｗｔ％、溶剤としてメチルプロピレングリコール（ＭＦＧ）を３８ｗｔ％、ブチルカルビトール（ＢＣ）が１０ｗｔ％、可塑剤としてフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）が２ｗｔ％となる組成でホモジナイサーにて混合、分散してスラリーを作製し、そのスラリーをドクターブレード法にて２５μｍ厚みに調整して、セラミックグリーンシートを作製した。
【００２６】
次に、平均粒径が０．５μｍ、Ａｇ／Ｐｄ＝８０／２０の粉末６０ｗｔ％、バインダーとしてエチルセルロース４ｗｔ％、溶剤としてテルピネオールが３６ｗｔ％の組成になるよう３本ロールにて混練し、これをグリーンシートの上面ヘスクリーン印刷法にてベタパターン２μｍ厚み目標にスクリーンメッシュは４００メッシュを用いて、各種印刷条件を調整し、形成した。そして、Ａｇ／Ｐｄぺーストが印刷されたグリーンシート２００枚を積層するとともに、この積層体の上下面に、導電性ぺーストが印刷されていないグリーンシートを１０層ずつ積層し、７０℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ２、３０分の条件にて熱プレス機で一体化させた。この積層体を大気雰囲気中、４５０℃で脱バインダーを行った後、大気雰囲気中、１０００℃で焼成し、内部電極の厚みが１．５μｍで、圧電セラミックの厚みが２０μｍ、圧電セラミック、内部電極の各々の積層数が２００層の積層体を得た。
【００２７】
その後、ワイヤーソーにより焼結された積層体を積層方向に対し垂直に２ｍｍ厚みのスライス体とした。スライスした積層体の内部電極が露出する面に、レジストをコートし、レジスト膜を形成した。そして露出している内部電極の端部へ１層おきにマスク出来るようなプレートにて露光処理、レジスト除去を施し、１層おきにマスクキング処理をした。続いて、平均粒径が０．５μｍのＰＺＴ粉末を準備し、マスキングしていない露出した内部電極端部にエアロゾルデポジション法により面全体に成膜する様に５μｍ厚みにセラミックでコートした。その後、付着しているレジストを全部除去し、内部電極が１層おきに絶縁された構造体を作成した。さらに対向する面に対しても同様の処理を施し、内部電極が対向電極構造を成す様にセラミックで内部電極を１層おきに絶縁した。
【００２８】
次に、平均粒径５μｍのＡｇ粉末が５０ｗｔ％と、平均粒径５μｍのケイ素を主成分とする軟化点が６００℃の非晶質のほうけい酸塩ガラス粉末が５ｗｔ％、バインダーとしてエチルセルロースが５ｗｔ％、溶剤としてテルピネオールが４０ｗｔ％となる様に充分に３本ロールミルにて混合して銀ガラス導電性ぺーストを作製し、前記積層体のセラミック絶縁を形成した面に露出した内部電極が全部接続する様にスクリーン印刷法にてｌ０μｍ厚みに印刷し、大気雰囲気８００℃で焼き付けを行い、外部電極を形成した。そして、個々のアクチュエータとするために、ワイヤーソーにより２ｍｍ幅の素子になる様に切断して、形状が２ｍｍ×２ｍｍ×４．６ｍｍの圧電セラミック積層層素子を得た。その後、外部電極にリード線を半田にて接続し、正極及び負極の外部電極にリード線を介して５０Ｖ、１５分間印加して分極処理を行い、積層セラミック圧電アクチュエータを作製した。
【００２９】
得られた積層型圧電アクチュエータに１０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に１．５μｍの設計値通りの変位量が得られた。また、絶縁抵抗値は８．０×ｌ０８Ωを示し、使用上充分な絶縁性も確保できた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態での圧電セラミック積層素子を示し、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った縦断面図、図１（ｃ）は内部電極と外部電極の接合部を示す模式断面図。
【図２】本発明に係る積層体の内部電極を１層おきに絶縁する工程を示し、図２（ａ）は積層体をスライス加工する工程の図、図２（ｂ）はスライス加工した積層体の図、図２（ｃ）はスライス加工された積層体にレジスト膜を形成する工程の図、図２（ｄ）は１層おきに内部電極を露出させる工程の図、図２（ｅ）はセラミック膜をエアロデポジション法により成形する工程の図、図２（ｆ）は内部電極が１層おきにセラミック膜により絶縁された状態を示す図、図２（ｇ）は外部電極を形成し個々の大きさに切断した状態を示す図。
【図３】従来の圧電セラミック積層アクチュエータ素子を示し、図３（ａ）は、その斜視図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った縦断面図、図３（ｃ）は内部電極と外部電極の接合部を拡大して示す模式断面図。
【符号の説明】
【００３１】
１１    圧電セラミック
１２    内部電極
１３    積層体
１４    セラミック絶縁体
１５    外部電極
１６    リード線
１７    半田
２４    絶縁ガラス
３１    焼結した積層体
３２    スライス加工された積層体
３３    レジスト膜
３４    ノズル
３５    絶縁セラミック膜
３６    外部電極
３９    切断線
【図１】
2006303349.tif 000003
【図２】
2006303349.tif 000004
【図３】
2006303349.tif 000005