(57)【要約】【課題】製造時の手間をできるだけ軽減し、かつ、自己破断の問題を解消することができるロール型圧電素子を提供する。【解決手段】薄板状に成型されたセラミック系圧電材料からなる圧電材料層３１とその表面に白金又は銀−パラジウムを主成分とする電極材料を塗布して形成された電極層３４とが積層した積層体３０を筒状に巻いて形成される圧電素子であって、前記圧電材料の焼成時における収縮率と異なる収縮率を持つ電極材料を用いる。電極材料と圧電材料との収縮率の差は、３％以上であることが好ましく、特に、焼成後の前記圧電素子の外径が１．３ｍｍ以下のときは、５％以上の差を有することが好ましい。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状に成型されたセラミック系圧電材料からなる圧電材料層とその表面に電極材料を塗布して形成された電極層とが積層した積層体を筒状に巻いて形成される圧電素子であって、
前記圧電材料の焼成時における収縮率と異なる収縮率を持つ電極材料を用いることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
焼成前の寸法に対する焼成後の寸法の百分率で表される収縮率が、電極材料と圧電材料とで３％以上の差を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
焼成前の体積に対する焼成後の体積の百分率で表される収縮率が、焼成後の前記圧電素子の直径が１．３ｍｍ以下のときは、電極材料と圧電材料とで５％以上の差を有することを特徴とする、請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記電極材料は、白金又は銀−パラジウムを主成分とする材料であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電素子。
【請求項５】
前記電極材料は、前記積層体を巻き上げたときに最外周に位置し、かつ、軸に略垂直な方向に切断する部分には塗布形成されていないことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータなどに好適に使用される圧電素子の構造、特にロール型圧電素子の構造に関し、特に、圧電素子に使用する圧電材料及び電極材料の材料特性に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１に示すようなロール型圧電素子が存在する。このタイプのロール型圧電素子１０は、図１（ａ）に示すように、薄板状圧電材料層１１，１２と電極層１３，１４とが積層して構成される積層体を各層に隙間がないように渦巻き状に配置した構造を有している（特許文献１参照）。
【０００３】
このタイプのロール型圧電素子１０は、図２に示したように、グリーンシートとよばれるセラミック系圧電材料の表面に印刷などの手段により電極を設けた積層体を用い、第１の積層体１１の電極形成面が第２の積層体１２の電極非形成面と対向するように重ね合わせ、巻き取り軸１８を用いて、積層体の一端から矢印８１で示すように２枚重ねて筒状に巻き上げていき、その後所定の温度で焼成することにより製作される。巻き取り軸１８は焼成時に焼失するか、又は、巻き取り後に巻き上げた積層体から引き抜かれるため、ロール型圧電素子１０は、図１に示したように、中央部分に穴１５を有している。
【０００４】
このロール型圧電素子１０は、電極１３，１４を外部へ取り出すため、２枚の積層体１１，１２の巻き終わりをずらし、図１（ｂ）に示すように、圧電素子１０の側面に露出している電極１３，１４にそれぞれ配線１６，１７を取りつける。
【０００５】
また、図３に示すように、圧電セラミック薄板の積層体を１枚のみ用いて構成するロール型圧電素子１０ａも存在する（特許文献２参照）。このタイプのロール型圧電素子１０ａは、セラミック系圧電材料の両面に電極を形成した積層体を用い、図３（ｃ）に示すように、積層体１９の中央部分を巻き取り軸１８の軸方向に伸びる隙間１８ｂに挟み、矢印８２で示されるように２つ折りにして筒状に巻き取ることにより製作される。そして、図３（ａ）に示すように、電極１３ａ，１４ａを外部へ取り出すため、２枚の積層体１１ａ，１２ａの巻き終わりをずらし、図３（ｂ）に示すように、圧電素子１０ａの側面に露出している電極１３ａ，１４ａにそれぞれ配線１６，１７を取りつける。
【０００６】
しかし、薄板状圧電材料の積層体をロール状に巻いた圧電素子は、その構造上、変位性能を阻害する要因が含まれており、特に巻き取り密度が高い場合に、変位阻害が顕著に表れる。特に電極層を薄く形成した場合にその問題が大きい。
【０００７】
すなわち、圧電素子の電極材料には、セラミックスの焼成温度に耐えるため、白金や銀−パラジウムなどの貴金属が一般に用いられる。これらは高価であるため、製造時の材料コストの面からは電極層の厚みを薄くすることが望ましい。そして、従来の圧電素子では、焼成時の収縮差によるそりやクラックの発生を抑えるため、セラミックス圧電材料と電極材料の収縮率を等しくするのが通常である。
【０００８】
ところが、従来の技術で電極層を薄くしてロール型圧電素子を製造した場合、素子の分極処理の段階で、素子の割れによる破壊が多発するという問題が発生した。すなわち、ロール型圧電素子では、積層体をロール状に巻き取るため、圧電材料層が曲面となる。焼成によって全体が一様に収縮すると、各圧電材料層中に歪みが生じ、その歪みが内部応力として残存する。
【０００９】
そのため、特に電極層を薄くすると、圧電材料層間の密着性が高まり、内部応力が十分に緩和されず、分極処理時に起こる素子の変形によって、素子が自己破断する。
【００１０】
このようなロール型圧電素子の自己破断の問題を解消するため、特開２００２−２３７６２３号公報（特許文献３）には、積層体の層間に隙間を設けることにより、分極時の内部応力を緩和する技術が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２９９２７３号公報
【特許文献２】
特開２００１−４４５２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２３７６２３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このロール型圧電素子は、積層体の層間に隙間設けるために、圧電材料層に部分的に凸部を設けたり、積層体を他のシート材料と共に巻き取ったりする工程を要し、製造時の手間がかかる点で製造上の問題があった。
【００１３】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、製造時の手間をできるだけ軽減し、かつ、自己破断の問題を解消することができるロール型圧電素子を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成のロール型圧電素子を提供する。
【００１５】
圧電素子は、薄板状に成型されたセラミック系圧電材料からなる圧電材料層とその表面に電極材料を塗布して形成された電極層とが積層した積層体を筒状に巻いて形成されるロール型のものである。そして、前記圧電材料の焼成時における収縮率と異なる収縮率を持つ電極材料を用いる。
【００１６】
上記構成において、積層体を構成する圧電材料層と電極層の焼成時の収縮率が異なるため、焼成時にそりを生じ、ロール状に巻き上げられた隣り合う積層体の間に微小な空隙が生じる。この空隙は、積層体の各層がミクロンオーダーで動くことができる程度の幅を有していればよい。よって、半径方向に隣り合う積層体の層の間が密着しておらず、隙間を有するので、積層体の層の個々の圧電縦効果及び圧電横効果による変形が阻害されない。したがって、拮抗する応力が圧電素子に働かず、圧電素子に内部応力が働かない。また、このような隣り合う積層体の間に隙間を生じたとしても、ロール型の圧電素子では、分極方向と垂直な方向の変位を利用するため、変位性能に影響することがない。
【００１７】
また、物性の異なる材料を使用するだけで、特に新たな操作手順を加える必要もなく、従来の製造工程をそのまま使用することができることから、上記構成の圧電素子によれば、簡便かつ容易に自己破断の問題を解消することができる。
【００１８】
本発明の圧電素子は、具体的には以下のように種々の態様で構成することができる。
【００１９】
焼成前の寸法に対する焼成後の寸法の百分率で表される収縮率が、電極材料と圧電材料とで３％以上の差を有することが好ましい。また、焼成前の体積に対する焼成後の体積の百分率で表される収縮率が、焼成後の前記圧電素子の直径が１．３ｍｍ以下のときは、電極材料と圧電材料とで５％以上の差を有することが好ましい。
【００２０】
上記構成において、ロール型圧電素子の焼成後の外径が小さくなるほど巻き曲率が小さく、また、全巻長も短くなるため、焼成時の応力緩和がされにくく、分極時の素子の変形によって自己破断が起こる傾向が大きくなる。このため、圧電素子の直径が所定寸法以下のときは、電極材料と圧電材料との収縮率の差を５％以上とすることにより、自己破断の問題を防止することができる。
【００２１】
また、前記電極材料は、白金又は銀−パラジウムを主成分とする材料であることが好ましい。
【００２２】
また、前記電極材料は、前記積層体を巻き上げたときに最外周に位置し、かつ、軸に略垂直な方向に切断する部分には塗布形成されていないことが好ましい。このように積層体がロール状に巻き上げられた場合に切断する部分に電極材料が塗布されていないことにより、切断時に電極のバリが生じることを防止し、バリの発生に伴う正負間電極の短絡の問題を起こすことがない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係るロール型圧電素子について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
本発明の第１実施形態に係るロール型圧電素子は、１枚の薄板状圧電材料層の両面に電極を設けた積層体を、略中央部分で２つに折ることにより、２つの薄板状圧電材料層と電極層とにし、この２つ折りの積層体を折り目部分から渦巻き状に巻き上げるものである。この圧電素子の製造工程は、図３に示した従来のロール型圧電素子と共通のものである。
【００２５】
このロール型圧電素子は、具体的には、例えば、以下の製造方法により製造される。まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末と樹脂、溶剤を混練した粘液状のスラリー作成する。このスラリーを用いて、以下のように薄板状圧電材料層を作成する。
【００２６】
薄板状の圧電材料層を形成する一般的な方法としては、ドクターブレード法がある。図４は、ドクターブレード法により薄板状圧電材料層３１を製作する手順を説明する図である。図４に示すように、ＰＺＴを含有するスラリー３１ａを平板３２に塗布し、平板３２から一定距離に保った板状のドクターブレード３３を矢印５２に示すように移動させてスラリー３１ａをかき取ることで、薄板状圧電材料層３１を製作する。
【００２７】
次に、製作された一般にグリーンシートとよばれる薄板状圧電材料層３１の両面に、例えば、電極材料を印刷して電極層３４を設置し、積層体３０を製作する。電極材料としては、白金を主成分とする白金ペースト又は、銀−パラジウムを主成分とする銀−パラジウムペーストが用いられる。この電極層３４構成する電極材料は、その焼成時の収縮率が、上記の圧電材料の収縮率と異なるものが用いられる。このとき、これらの電極材料はコスト的な問題からできるだけ薄く塗布することが望ましい。
【００２８】
図５は、電極層が付された積層体の構成を示す図である。図５に示すように、電極層３４は、積層体３０をロール状に巻き上げたときに、最も外側に位置する部分には、塗布されていない非塗布部分３５を櫛状に設ける。
【００２９】
次に、ロール状に巻き上げた積層体を焼成する。上記のように積層体３０を構成する電極層と圧電材料層との収縮率が異なるため、積層体を焼成すると、積層体にそりが生じ、隣り合う積層体の間に微小な空隙が生じる。この空隙は、電極層と圧電材料層との収縮率の差に起因するものであるので、両者の収縮率の差が大きくなるにつれて、より大きな空隙が生じると考えられ、後述するように、差が大きくなるにつれて破断の発生率が少なくなる。
【００３０】
焼成された積層体３０は、ダイシングソーなどを用いて、破線Ｃで示した切断位置が、ロール状積層体の最外層に露出している非塗布部分３５と一致するように所定の大きさに切断される。このように切断位置を決定することにより、切断時に電極のバリが生じることを防止し、バリの発生に伴う正負間電極の短絡の問題を防止することができる。
【００３１】
最後に素子の最外周面に露出している＋、−の両電極面にリード線をつけロール状の圧電素子が完成する。
【００３２】
（実施例１）
収縮率２３．７％（焼成前外径１．０ｍｍの素子が焼成後０．７６３ｍｍとなる。）のＰＺＴを含有するスラリーを圧電材料とし、収縮率を異ならせた白金ペーストを電極材料として上述の方法によって、素子外径Ｄが１．３ｍｍ以上のものと１．３ｍｍ以下のものとの２種類ロール型圧電素子を作成し、電界強度Ｅ＝１．５ｋＶ／ｍｍ及び電界強度Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍとした場合の各分極処理時における圧電素子の破断の発生を検討した。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示すとおり、ＰＺＴとほぼ等しい２４．７％の収縮率を持つＰｔペーストを使用したロール型圧電素子の場合、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電界強度で分極処理を行ったときには、外径１．３ｍｍ以上の素子では、１２％の素子に破断が生じた。分極処理時の電界強度をＥ＝１．５ｋＶ／ｍｍにすると、破断率は８％となった。１．５ｋＶ／ｍｍでの分極処理は、通常の使用においては、性能に問題はないが、過酷な環境下での使用や逆起電圧への耐性などの信頼性面での問題が生じるおそれがある。
【００３５】
ＰＺＴよりも小さい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率１７．７％（ＰＺＴとの差：６．０％）の電極材料を用いた素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行っても、破断の発生率は０．５％に抑えられた。さらに収縮率の小さい電極材料を用いた圧電素子では、破断は発生しなかった。
【００３６】
一方、ＰＺＴよりも大きい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率２６．８％（ＰＺＴとの差：３．１％）の電極材料を用いた圧電素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行っても破断の発生率は４％に抑えられた。さらに収縮率の大きい電極材料を用いた圧電素子では、破断は発生しなかった。
【００３７】
また、外径１．３ｍｍ未満の圧電素子では、積層体間の密着性が高くなるため、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電界強度で分極処理した場合には、９５％の素子に破断が生じた。分極処理時の電界強度をＥ＝１．５ｋＶ／ｍｍにすると、破断率は１５％となったが、上述のように過酷な環境下での使用や逆起電圧への耐性などの信頼性面での問題が生じるおそれがある。
【００３８】
ＰＺＴよりも小さい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率１７．７％（ＰＺＴとの差：６．０％）の電極材料を用いた素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合、７５％の圧電素子に破断が発生したが、Ｅ＝１．５ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合は、破断は発生しなかった。収縮率１４．６％（ＰＺＴとの差：９．１％）の電極材料や、さらに収縮率の小さい電極材料を用いた素子では、いずれの電極強度で分極処理しても破断は発生しなかった。
【００３９】
一方、ＰＺＴよりも大きい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率２６．８％（ＰＺＴとの差：３．１％）の電極材料を用いた圧電素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合、８０％の素子に破断が発生した。収縮率２８．８％（ＰＺＴとの差：５．１％）の電極を用いた素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合の破断の発生率は６％に抑えられた。収縮率３２．８％（ＰＺＴとの差：９．１％）の電極材料を用いた場合は、破断は発生しなかった。
【００４０】
このように、焼成後の素子の外径Ｄが１．３ｍｍ以上の圧電素子では、ＰＺＴとの収縮率差が３％以上のＰｔ電極材料を用いると、分極時の圧電素子の自己破断の発生を抑えるのに十分な効果があり、収縮率差が５％以上のＰｔ電極材料を用いると、その効果はさらに大きくなった。
【００４１】
また、焼成後の素子の外径Ｄが１．３ｍｍ未満の圧電素子では、ＰＺＴとの収集率差が５％以上のＰｔ電極材料を用いると、分極時の素子の自己破断の発生を抑えるのに十分な効果があり、収縮率差が７％以上のＰｔ電極材料を用いると、その効果はさらに大きくなった。
【００４２】
（実施例２）
電極材料として銀−パラジウムペーストを使用した場合について、上記実施例１と同様に圧電素子の破断の発生を検討した。結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
銀−パラジウムペーストを電極材料として用いた場合であっても、上記実施例と同様の効果が得られた。すなわち、表２に示すとおり、ＰＺＴとほぼ等しい２２．９％の収縮率を持つ銀−パラジウムペーストを使用したロール型圧電素子の場合、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電界強度で分極処理を行ったときには、外径１．３ｍｍ以上の素子では、７．５％の素子に破断が生じた。分極処理時の電界強度をＥ＝１．５ｋＶ／ｍｍにすると、破断率は３％となった。１．５ｋＶ／ｍｍでの分極処理は、通常の使用においては、性能に問題はないが、過酷な環境下での使用や逆起電圧への耐性などの信頼性面での問題が生じるおそれがある。
【００４５】
ＰＺＴよりも小さい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率１８．２％（ＰＺＴとの差：５．５％）の電極材料を用いた素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行っても、破断の発生率は１．５％に抑えられた。さらに収縮率の小さい電極材料を用いた圧電素子では、破断は発生しなかった。
【００４６】
一方、ＰＺＴよりも大きい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率２７．３％（ＰＺＴとの差：３．６％）の電極材料を用いた圧電素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行っても破断の発生率は０％に抑えられた。さらに収縮率の大きい電極材料を用いた圧電素子では、破断は発生しなかった。
【００４７】
また、外径１．３ｍｍ未満の圧電素子では、積層体間の密着性が高くなるため、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電界強度で分極処理した場合には、６５％の素子に破断が生じた。分極処理時の電界強度をＥ＝１．５ｋＶ／ｍｍにすると、破断率は１１％となったが、上述のように過酷な環境下での使用や逆起電圧への耐性などの信頼性面での問題が生じるおそれがある。
【００４８】
ＰＺＴよりも小さい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率１８．２％（ＰＺＴとの差：５．５％）の電極材料を用いた素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合、３３％の圧電素子に破断が発生したが、Ｅ＝１．５ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合は、破断は発生しなかった。さらに収縮率の小さい電極材料を用いた素子では、いずれの電極強度で分極処理しても破断は発生しなかった。
【００４９】
一方、ＰＺＴよりも大きい収縮率を持つＰｔペーストを用いた場合、収縮率２７．３％（ＰＺＴとの差：３．６％）の電極材料を用いた圧電素子では、Ｅ＝２．０ｋＶ／ｍｍの電解強度で分極処理を行った場合、３％の素子に破断が発生した。さらに収縮率が大きい電極材料を用いた場合は、破断は発生しなかった。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態にかかるロール型圧電素子によれば、焼成時にセラミックス系圧電材料の収縮率と異なる収縮率を示す電極材料を使用することにより、積層体が焼成時にそりを生じ、ロール状に巻き上げられた隣り合う積層体の間に微小な空隙が生じる。よって、半径方向に隣り合う積層体の層の間が密着しておらず、隙間を有するので、積層体の各層個々の圧電縦効果及び圧電横効果による変形が阻害されないため、素子内部の応力に起因する素子の破壊不良を大幅に削減することができる。
【００５１】
また、物性の異なる材料を使用するだけで、特に新たな操作手順を加える必要もなく、従来の製造工程をそのまま使用することができることから、上記構成の圧電素子によれば、簡便かつ容易に自己破断の問題を解消することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００５３】
たとえば、上記実施形態では、セラミックス系圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用しているが、これに限定されるものではなく、チタン酸バリウム（ＢＴ）やチタン酸ビスマスナトリウム（ＢＮＴ）及びこれらの固溶体（ＢＮＢＴ）、その他の圧電セラミックス（Ｓｒ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｙ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｓｎ，ランタノイド元素などを含んでいてもよい。）にも使用可能である。また、電極材料についても、白金や銀−パラジウムペーストに限定されず，他の電極材料も使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のロール型圧電素子の構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】図１の圧電素子の製造過程の説明図である。
【図３】従来のロール型圧電素子の他の例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は製造過程の説明図である。
【図４】ドクターブレード法による薄板状圧電材料層の製作過程の説明図である。
【図５】本発明にかかる圧電素子の積層体の構成を示す斜視図であり、（ａ）は巻き上げ前、（ｂ）は巻上げ後の状態を示す。
【符号の説明】
３０  積層体
３１  薄膜状圧電材料層
３２  薄板
３３  ドクターブレード
３４  電極層
３５  非塗布部分
【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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