(57)【要約】【課題】  小型形状において従来よりも大きな変位量が得られる積層圧電アクチュエータの製造方法を提供すること。【解決手段】  セラミックス粉末と有機溶剤を混合して作製したスラリーを所定厚みに成膜してグリーンシートを作製した後、内部電極層を印刷し、必要枚数を積層後に熱プレス等で圧着させることにより圧電セラミックス層と内部電極層が交互に積層された平板状の積層体を作製する。脱バインダ工程後、積層体を焼結し、焼結された平板状の積層体を積層方向に垂直な切断面を有する複数の矩形棒状の積層体となるように一方向に切断し、その切断面である側面に側面電極を形成する。この後、両側面電極間に電圧を印加して第１の分極処理を行う。その後は、矩形棒状の積層体を長さ方向に垂直に切断し直方体形状の個片の積層体を得、最後にリード線と半田付けを行った後にリード線に電圧を印加することにより第２の分極処理を行う。【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内部電極層とを交互に積層して平板状の積層体を作製する工程と、前記積層体を焼結する工程と、焼結された前記積層体を切断して前記積層方向に垂直な切断面を有する複数の矩形棒状の積層体を作製する工程と、前記矩形棒状の積層体の互いに対向する２つの切断面に前記内部電極層と一層おきに導通し、かつ互いに絶縁された側面電極を形成する工程と、前記矩形棒状の積層体を長さ方向に垂直に切断して複数の直方体形状を有する積層体を作製する工程と、前記直方体形状を有する積層体の前記側面電極の一部に半田固定によりリード端子を接続する工程とを含む積層圧電アクチュエータの製造方法において、
前記矩形棒状の積層体の側面電極に電圧を印加して分極を行う第１の分極処理工程と、前記直方体形状を有する積層体の前記リード端子に電圧を印加して分極を行う第２の分極処理工程とを有することを特徴とする積層圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記第１の分極処理工程において、前記積層方向に圧縮応力を付与した状態で分極を行うことを特徴とする請求項１に記載の積層圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記圧縮応力が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項２に記載の積層圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記第１の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界が前記第２の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記第１の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を２０００Ｖ／ｍｍ以上とし、前記第２の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を１０００〜１５００Ｖ／ｍｍとすることを特徴とする請求項４に記載の積層圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層して作製する積層圧電アクチュエータの製造方法に関し、特に小型の積層圧電アクチュエータの製造に適した積層圧電アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは位置決め精度が高く、発生力が大きいという特徴があり、特に圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層して一体として焼成して作製された積層圧電アクチュエータは、半導体製造装置の微細位置決め機構を始めとして、多くの分野で使用されている。近年ではデジタルスティルカメラ（ＤＳＣ）の手振れ防止機構や携帯電話のカメラユニットのオートフォーカス（ＡＦ）にも用途が展開されており、それに伴い形状の小型化が顕著に進展している。例えば、半導体製造装置の精密位置決め用途では１０ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍ程度であった形状が、ＤＳＣ用途では２ｍｍ×２ｍｍ×５ｍｍ程度となり、携帯電話のＡＦ用途では１ｍｍ×１ｍｍ×１．５ｍｍ程度へと小型化が進んでいる。
【０００３】
積層圧電アクチュエータの構成は特許文献１などに記載されており、その代表的な構成を図４に示す。図４に示すように、圧電セラミックス層１と内部電極層２とを交互に積層して一体として焼成して作製された積層方向の高さＴ、幅Ｗ１、Ｗ２を有する直方体形状の積層圧電アクチュエータ１０において、内部電極層２は１層おきに、互いに対向する幅Ｗ２を有する２つの側面の表面まで露出させ、その側面に側面電極３を設置し、その側面電極３の一部において半田５によりリード線４を接続固定している。対向する側面電極間にリード線４により外部駆動信号を印加することにより内部電極層２に挟まれた各圧電セラミックス層１に電圧が印加される構成である。内部電極層２が幅Ｗ１の全幅方向に存在せず、内部電極層２に挟まれた部分が内部に留まることから部分電極構造と称される。
【０００４】
図５は積層圧電アクチュエータの従来の一般的な製造プロセスの一例を示す図である。先ずセラミックス粉末１１と有機溶剤が混合されたスラリー１２を所定厚みに成膜しグリーンシート１３を作製した後、内部電極層を印刷し、必要枚数を積層後に熱プレス等で圧着させることにより圧電セラミックス層と内部電極層が交互に積層された平板状の積層体１４を作製する。不要な有機成分を除去するための脱バインダ工程を経て、平板状の積層体１４は１０００℃前後で焼結される。この後、焼結された平板状の積層体を積層方向に垂直な切断面を有する複数の矩形棒状の積層体１５となるように一方向に切断し、その切断面である側面に側面電極を設ける。ここで、矩形棒状の積層体１５の互いに対向する２つの切断面の側面電極は前記内部電極層と一層おきに導通し、かつ互いに絶縁されている。さらに、後に半田固定される部分の半田の広がりを防ぐためレジストを側面電極面に塗布した後に、矩形棒状の積層体１５を長さ方向に垂直に再度切断し、製品寸法となる直方体形状の積層体１６を得る。最後にリード線と半田付けをなされた後にリード線に電圧を印加することにより分極処理され、積層圧電アクチュエータとして完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２９６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、高さ２ｍｍを下回る小型の積層圧電アクチュエータを製造する場合の課題の１つに、リード線等の外部端子を半田接続する際の特性低下があげられる。図６に圧電セラミックスを分極するときの内部の様子を模式図に示す。図６に示す通り、分極は直流電界を圧電セラミックスに印加することにより結晶格子に歪みを生じさせ、結晶格子中の正負の電荷中心を分離して圧電性を発現させる現象であるが、圧電セラミックスと同等の高い剛性を持った半田が予め積層体の表面に広範囲に存在すると分極による歪みの発生が半田直下の部分においては抑制され、その結果、その部分の圧電特性が低下することになる。図７は半田による拘束によって積層圧電アクチュエータの変位量が減少する様子を模式的に示す図である。半田が側面に存在しない場合と比較して、半田５が側面に存在する場合は半田による拘束が存在し、その部分での歪み、変形の様子が異なるため、最終的に得られる特性が異なり、特に変位量が減少することとなる。
【０００７】
また、従来、小型化に伴って圧電セラミックス層の一層当りの厚み（以下層間と呼ぶ）が低下し、薄膜化することによって、圧電特性を決定する主要素である比誘電率の低下が顕著に現れることも知られており、その原因は積層体の内部応力の影響と推定されている。図８は一層当りの層間を３８μｍおよび２０μｍとして５０層の積層体を構成した場合の比誘電率を焼成温度を変化させた場合について比較した結果を示す図である。焼成温度の影響もあるが、層間が異なると比誘電率が大きく変化することが示されている。また、図９は層間をさらに大きく変化させて積層体を構成した場合の比誘電率を測定した結果を示す図である。但し、層間が１０００μｍの場合は、積層体ではなく、バルクの圧電セラミックスの比誘電率を示している。図９より、層間によって比誘電率が大きく影響され、薄膜化に伴って比誘電率が大きく低下する傾向が示されている。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、小型形状において従来よりも大きな変位量が得られる積層圧電アクチュエータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解消するため、本発明の積層圧電アクチュエータの製造方法は、圧電セラミックス層と内部電極層とを交互に積層して平板状の積層体を作製する工程と、前記積層体を焼結する工程と、焼結された前記平板状の積層体を切断して前記積層方向に垂直な切断面を有する複数の矩形棒状の積層体を作製する工程と、前記矩形棒状の積層体の互いに対向する２つの切断面に前記内部電極層と一層おきに導通し、かつ互いに絶縁された側面電極を形成する工程と、前記矩形棒状の積層体を長さ方向に垂直に切断して複数の直方体形状を有する積層体を作製する工程と、前記直方体形状を有する積層体の前記側面電極の一部に半田固定によりリード端子を接続する工程とを含む積層圧電アクチュエータの製造方法において、前記矩形棒状の積層体の側面電極に電圧を印加して分極を行う第１の分極処理工程と、前記直方体形状を有する積層体の前記リード端子に電圧を印加して分極を行う第２の分極処理工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記第１の分極処理工程において、前記積層方向に圧縮応力を付与した状態で分極を行ってもよく、この場合、前記圧縮応力が２００ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１１】
また、前記第１の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界が前記第２の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界よりも大きいことが望ましく、この場合、前記第１の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を２０００Ｖ／ｍｍ以上とし、前記第２の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を１０００〜１５００Ｖ／ｍｍとしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では直方体形状の小型積層圧電アクチュエータが半田によって外部端子と接続される際、半田を付加する前の状態でも分極を実施する。この分極を複数のアクチュエータ個体が接続された細長い矩形棒状の形態において一括して実施することで工程を簡略化し、その後、個片の直方体形状に切断された上で半田付けを行った後、再度分極を実施する。これにより、従来のような側面電極への半田付けによる圧電特性の劣化が改善でき、従来よりも大きな変位量が得られる。
【００１３】
また、本発明においては、層間の薄膜化による積層体の内部歪みを緩和するため、矩形棒状態で積層方向に圧縮応力を付与した状態で分極を実施することにより、圧電特性をさらに改善することができる。
【００１４】
さらに、部分電極構造では、側面電極の近傍部分において、一層おきの内部電極層に挟まれた不活性部分は分極されないので歪みが少ない状態であり、その内側の両側の内部電極層に挟まれて分極される活性部分は歪が大きい状態であることにより両部分間の内部応力の差が大きいことを考慮し、第１の分極処理時と個片に切断後の第２の分極処理時の電界を異なるものとすることにより、内部クラック等の欠陥の発生を防止することができる。
【００１５】
以上のように、本発明により、小型形状において従来よりも大きな変位量が得られる積層圧電アクチュエータの製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による積層圧電アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態の製造工程のフローチャートを示す図。
【図２】矩形棒状の積層体の第１の分極処理時の圧縮応力の方向を示す斜視図。
【図３】圧縮応力の大きさと得られた積層圧電アクチュエータの比誘電率の測定結果を示す図。
【図４】積層圧電アクチュエータの代表的な構成を示す図。
【図５】積層圧電アクチュエータの従来の一般的な製造プロセスの一例を示す図。
【図６】圧電セラミックスを分極するときの内部の様子の模式図。
【図７】半田による拘束によって積層圧電アクチュエータの変位量が減少する様子を模式的に示す図。
【図８】層間を３８μｍおよび２０μｍとして５０層の積層体を構成した場合の比誘電率を比較した結果を示す図。
【図９】層間をさらに大きく変化させて積層体を構成した場合の比誘電率を測定した結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明による積層圧電アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態の製造工程のフローチャートを示す図である。本実施の形態の製造方法は、図５に示した従来の製造方法と同様に、セラミックス粉末と有機溶剤を混合して作製したスラリーを所定厚みに成膜してグリーンシートを作製した後、内部電極層を印刷し、必要枚数を積層後に熱プレス等で圧着させることにより圧電セラミックス層と内部電極層が交互に積層された平板状の積層体を作製する。脱バインダ工程後、積層体を焼結し、焼結された平板状の積層体を積層方向に垂直な切断面を有する複数の矩形棒状の積層体となるように一方向に切断し、その切断面である側面に側面電極を形成する。本実施の形態においては、この後、両側面電極間に電圧を印加して第１の分極処理を行うことが従来と異なる。その後は、従来と同様、矩形棒状の積層体を長さ方向に垂直に切断し直方体形状の個片の積層体を得、最後にリード線と半田付けを行った後にリード線に電圧を印加することにより第２の分極処理を行い、積層圧電アクチュエータとして完成する。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
本実施例の製造方法の具体的な例を以下に説明する。本実施例で作製する積層圧電アクチュエータの完成品の外形寸法は、図４において、Ｗ１＝０．８ｍｍ、Ｗ２＝０．８ｍｍ、Ｔ＝１．５ｍｍであり、内部電極層にＡｇ−Ｐｄ合金を用い、層間２０μｍで層数は６０層である。図５の従来の製造方法によって平板状の積層体の作製およびその焼成まで実施し、その焼成後に積層体をダイシングソーにて０．８ｍｍピッチで平行に切断して矩形棒状の積層体を得る。次に両側の切断面にスパッタリングによってＡｇ膜からなる側面電極を設けた後、その側面電極に電圧を印加して第１の分極処理を行う。次に切断面に直交する方向に再度０．８ｍｍピッチで切断することによって前記の形状の直方体形状の積層体を得る。最後に側面電極の一部にリード線を半田付けし、そのリード線に電圧を印加して第２の分極処理を行い実施例１により作製された積層圧電アクチュエータが完成する。
【００２０】
ここで、本実施例の効果を確認するため、本実施例での作製と同時に、従来の製造方法、すなわち、上記の第１の分極処理をしないで第２の分極処理のみを行って完成させる比較例の積層圧電アクチュエータも作製した。実施例１の第１の分極処理、および、実施例１および比較例の第２の分極処理の条件は、いずれも直流４０Ｖを１分間印加することにより行い、分極処理時の温度は１５０℃で同一とした。
【００２１】
表１に実施例１および比較例の製造方法で作製された積層圧電アクチュエータの電気特性の一例を示す。実施例１は比較例に比べて静電容量が７％増大しており、これに伴い６Ｖ印加時の変位量が約８％増大していることがわかる。
【００２２】
圧電セラミックスの分極特性は一般に知られている様に、抗電界を超えた電界を付加する場合ほぼ可逆であって、複数回の分極処理によっては最終的に得られる静電容量等の電気特性が変動することはない。実施例１の比較例との相違は、単に２回の分極処理を実施していることではなく、分極による歪みを抑制してしまう半田を設ける以前の矩形棒の状態で全体に均一な分極歪みを与えていたことによると考えられる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
（実施例２）
次に本発明による積層圧電アクチュエータの製造方法の実施例２について説明する。本実施例の製造方法は、第１の分極処理工程において、矩形棒状の積層体の積層方向に圧縮応力を付与した状態で分極を行うこと以外は実施例１の製造方法と同様である。本実施例は、実施例１の効果に加えて、層間の薄膜化による積層体の内部歪みを緩和することを目的とする。図２は矩形棒状の積層体２０の第１の分極処理時の圧縮応力の方向を示す斜視図である。本実施例においては積層方向の圧縮応力２１を印加した。
【００２５】
本実施例の製造方法の具体的な例および作用効果を以下に説明する。本実施例２で作製する積層圧電アクチュエータの完成品の外形寸法、内部電極層、層間、層数などは実施例１と同じである。また、第１の分極処理工程以外の工程も実施例１と同様である。なお、圧電セラミックス層の薄膜化時の圧電特性を低下させる要因として、焼成後にセラミックス内部に発生する歪みを仮定し、この方向を特定することで本実施の形態の製造方法を見出すことができたものであり、本実施例２では、比誘電率の低下が応力歪みによることを確認するため、矩形棒状の積層体での第１の分極処理を実施する際に、圧縮応力の方向および大きさを変えながら静電容量の変化、すなわち比誘電率の変化を測定した。
【００２６】
圧縮応力は積層圧電アクチュエータを予圧治具に挟むことにより加えた。完成後の積層圧電アクチュエータの静電容量をＬＣＲメータにて測定し、比誘電率を求めた。予圧治具はネジの回転角度により圧力を可変することが出来るものである。図２に示すように、積層方向、すなわち圧電セラミックスのｄ３３方向の圧縮応力２１を加えた時と、積層方向に垂直な方向、すなわちｄ３１方向の圧縮応力２２を加えた時を比較測定した結果、圧縮応力２１の場合は圧力が増加するにつれて比誘電率が大きくなったが、圧縮応力２２の場合は比誘電率は若干減少した。このことは、焼結後の積層体の圧電セラミックス層の内部では、ｄ３１方向の圧縮応力、ｄ３３方向の引っ張り応力が働いており、それが比誘電率に影響を与えていることを示唆するものである。
【００２７】
本実施例では比誘電率を高めるため、圧縮応力２１を加えながら第１の分極処理を行い、圧縮応力の大きさによる比誘電率の変化を測定した。実施例１と同様に、第１および第２の分極処理はいずれも直流４０Ｖを１分間印加することにより行った。図３に圧縮応力の大きさと得られた積層圧電アクチュエータの比誘電率の測定結果を示す。圧力を高くしていくと比誘電率が大幅に回復することが分かる。加圧することにより分極時に歪みが解放され易くなる傾向があり、それによって比誘電率が回復したものと推定される。圧縮応力の大きさが２００ＭＰａ以上では比誘電率は飽和する傾向にあることがわかる。
【００２８】
（実施例３）
次に本発明による積層圧電アクチュエータの製造方法の実施例３について説明する。本実施例の製造方法は、第１の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を２０００Ｖ／ｍｍ以上とし、第２の分極処理工程において前記圧電セラミックス層に印加される電界を１０００〜１５００Ｖ／ｍｍとすること以外は実施例２の製造方法と同様である。本実施例は、実施例２の効果に加えて、側面電極の近傍部分において、分極されない不活性部分と分極された活性部分との間の内部応力の差による内部クラック等の欠陥の発生を防止することを目的とする。
【００２９】
上述したように、従来の部分電極構造の積層圧電アクチュエータにおいては、内部電極層の一方が側面電極まで到達しない部分は一般に不活性部と称され、その内側の両極によって挟まれ分極される活性部との境界に分極歪みの差を生じ易く、場合によってはこの歪みの差による内部応力のために、微小クラック等が存在することで強度の低下をきたす場合がある。上記の実施例１、２により作製される積層圧電アクチュエータは従来の製造方法によるものよりもさらに圧電特性を増加させるものであり、変位量を大きくできるので、上記の境界部の内部応力には充分な注意が必要となる。
【００３０】
そこで本実施例では、矩形棒状の積層体での第１の分極処理と半田によりリード端子を接続された状態での第２の分極処理の条件を調整し、積層圧電アクチュエータの強度を最適に保持する条件を用いることができる。
【００３１】
本実施例の製造方法の具体的な例を以下に説明する。本実施例３で作製する積層圧電アクチュエータの完成品の外形寸法、内部電極層、層間、層数などは実施例２と同じである。また、第１および第２の分極処理工程以外の工程も実施例２と同様である。本実施例の第１の分極処理の条件は積層方向の圧縮応力の大きさを２００ＭＰａとして、第２の実施例と同様に直流４０Ｖを１分間印加することにより行った。但し、第２の分極処理は印加する電圧を４つの条件で行った。
【００３２】
すなわち、第２の分極処理は、分極時の温度と電圧印加時間を一定とし、本実施例に使用した圧電セラミックス材料の抗電界が５００Ｖ／ｍｍであることから、電界の大きさがそれぞれ７５０Ｖ／ｍｍとなる条件（１）、１０００Ｖ／ｍｍとなる条件（２）、１５００Ｖ／ｍｍとなる条件（３）、２０００Ｖ／ｍｍとなる条件（４）の４つの電圧値を用いた。これらの４つの条件により作製し、完成した積層圧電アクチュエータについて電気特性とアクチュエータの抗折強度を測定した。
【００３３】
表２に電気特性の代表例として比誘電率および静電容量、１ｋＨｚ、６Ｖｐｐの電圧印加時の変位量、および抗折強度の測定結果を示す。なお、表２には前述の比較例、実施例１および圧縮応力が２００ＭＰａの場合の実施例２により作製された積層圧電アクチュエータについても合わせて示している。本実施例３においては半田が付加されていない第１の分極処理は、この段階でできるだけ分極を飽和させるため、２０００Ｖ／ｍｍの電界となる電圧４０Ｖを印加しているが、この後の個片の形態となった状態での第２の分極処理の電界の大きさによって、比誘電率および静電容量、変位量、抗折強度の値が異なっている。実施例２及びそれと等価である実施例３の条件（４）では、静電容量、変位量が最大であるが、抗折強度が低下している。一方、第２の分極処理での電界が最も低い実施例３の条件（１）は強度は大きいが、変位量が小さく、比較例との差が小さい。変位量の目標値を２００ｎｍとし、また抗折強度の目標値を１００ＭＰａとすると、実施例３の条件（２）と（３）が上記の両目標を満たしバランスが取れた特性となっている。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
以上述べたように、本発明の積層圧電アクチュエータの製造方法によれば、特に高さが２ｍｍ未満のような小型の積層圧電アクチュエータであっても従来よりも大きな変位量が得られる。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、製造する積層圧電アクチュエータの構成によって設計変更可能である。例えば、積層圧電アクチュエータの形状、用いる圧電セラミックス材料、層間、層数、側面電極への半田付け条件などによって、第１および第２の分極処理時の圧縮応力の大きさ、電界の大きさなどを最適化することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１      圧電セラミックス層
２      内部電極層
３      側面電極
４      リード線
５      半田
１０    積層圧電アクチュエータ
１１    セラミックス粉末
１２    スラリー
１３    グリーンシート
１４    平板状の積層体
１５、２０    矩形棒状の積層体
１６    直方体形状の積層体
２１、２２    圧縮応力
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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