(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなり、異なる極性の内部電極層の間に位置する活性部と、前記活性部の周囲に存在する不活性部とを有する積層体を得る工程と、
前記積層体の積層方向に直交する方向の側面全周から一様な圧縮応力を加え、前記積層体を積層方向に伸長させて、積層体全体のドメインの向きを積層方向の上下いずれかの方向に配向する工程と、
前記内部電極層を介し前記積層体に電界を印加して前記活性部を分極する工程と、
を含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記積層体の積層方向の全長が４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記積層体を得る工程において、前記積層体の積層方向に直交する方向の側面上に導電ペーストを焼き付けて極性の異なる一対の外部電極を形成し、前記内部電極が異なる極性の外部電極に交互に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記分極する工程より後の工程において、前記分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を前記活性部に加えて前記分極方向を反転させる工程を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
焦電性を有する圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなり、異なる極性の内部電極の間に位置する活性部と、前記活性部の周囲に存在する不活性部とを有した積層体と、
前記積層体の積層方向に直交する側面上に導電ペーストを焼き付けて形成され、前記内部電極層が交互に接続される極性の異なる一対の外部電極と、
を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体全体を内部電極層間で印加される電界方向に沿って略配向し、かつ、前記電界方向に沿う方向において相反する方向にドメインの向きが配向された領域が前記不活性部に同時に存在し、前記電界方向に沿ったドメインの配向率が前記不活性部より低く前記活性部に存在していることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項６】
前記電界方向が、前記積層体の積層方向となることを特徴とする請求項５に記載の積層型圧電素子。
【請求項７】
前記積層体の積層方向の全長が４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電アクチュエータ等の積層型圧電素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に、従来からある一般的な積層型圧電アクチュエータ１の模式図を示す。
【０００３】
図３において、１０は積層体であり、圧電体セラミックス層１１と、内部電極層１２とを交互に積層して形成されている。内部電極層１２は、積層体１０の両側面に設けた異なる極性の外部電極１３に交互に接続されている。また、積層体１０の上下面（積層方向両端面）は、駆動させる対象物との接点となるため、保護層１４が設けられている。そして、異なる極性の外部電極１３に接続された各内部電極層１２が互いに重なり合った部分が活性部Ａとなり、活性部Ａの周囲において極性の異なる内部電極層１２どうしの絶縁性を確保するための部分が不活性部Ｂとなる。
【０００４】
不活性部Ｂや保護層１４は、圧電材料で構成されているが、電界がほとんどかからないため、分極時や圧電駆動時にひずみを生じることはない。これに対し、活性部Ａでは電界がかかってひずみが発生する。このため、分極時や圧電駆動時に、ひずみが生じる活性部Ａと、ひずみが生じない不活性部Ｂや保護層１４との間のひずみ差から応力が発生し、積層型圧電アクチュエータ１に割れが発生する。
【０００５】
図１０に、積層型圧電アクチュエータ１に割れが発生した状態を示す。特に、積層型圧電アクチュエータ１の高さ寸法Ｔが４ｍｍ以上になると、割れが発生し易くなる。高さ寸法Ｔが７ｍｍ，３０ｍｍの積層型圧電アクチュエータ１を用いて実際に分極を行ったところ、いずれの場合も割れが発生した。
【０００６】
そこで、分極時に、不活性部Ｂや保護層１４をも分極させてひずみを発生させることにより、活性部Ａと、不活性部Ｂや保護層１４との間に生じていたひずみ差を解消し、応力が発生せず、割れを防ぐことができる。
【０００７】
図１１，１２に、従来からある積層型圧電アクチュエータ１の製造方法を示す（特許文献１，２参照）。
【０００８】
図１１に示すように、積層体１０の上下面全体に電極２０を設け、活性部Ａ以外の場所にも電界が加わるようにすることで、活性部Ａと同時に不活性部Ｂや保護層１４を分極する。その後、図１２に示すように、上下面の電極２０を除去し、積層方向に直交する方向の側面に外部電極１３を形成し、再度層間の分極を行なう。層間分極時には、積層型圧電アクチュエータ１内の圧電体層の半分は電界と逆方向に分極されているため、一旦収縮してから抗電界を越えたところで反転し、アクチュエータ全体で分極の向きが揃う。この際、伸びる部分と収縮する部分は同量であるため互いに打ち消しあい、全体としてひずみは生せず、活性部Ａと、不活性部Ｂや保護層１４との間に応力が発生せず、割れを防止できる。
【０００９】
具体的には、高さ寸法Ｔが７ｍｍの積層型圧電アクチュエータ１を用い、上下面にＡｇペーストを塗布し、８００℃にて焼付けて電極２０を形成し、絶縁油中にて全体分極（印加電圧は１０ｋＶ，電界強度は２．０ｋＶ／ｍｍ）を行った。その後、上下面の電極２０をサンドペーパにて削り取り、側面に室温下にてスパッタリング成膜によりＡｇ電極膜を形成することにより、外部電極１３を作製し、電界による分極を行った。その結果、割れが発生しなかった。
【特許文献１】特開平９−２６６３３２号
【特許文献２】特開２０００−１３３８５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、図１１，１２に示した積層型圧電アクチュエータ１の製造方法では、圧電体セラミックスを分極するために２ｋＶ／ｍｍの電界が必要であり、高さ寸法（積層方向の長さ寸法）Ｔの大きな積層型圧電アクチュエータ１では、積層型圧電アクチュエータ１全体を分極するために数１０ｋＶの電圧を要する。例えば、積層型圧電アクチュエータ１の高さ寸法Ｔが３０ｍｍの場合では、６０ｋＶの電圧が必要となる。そのため専用の電源が必要になり、さらに分極時の絶縁油に要する耐電圧も高いものが要求され、絶縁性を維持するために使用期間も短くなりコスト高になるという問題があった。
【００１１】
また、積層型圧電アクチュエータ１全体を分極するために上下面に電極２０を取り付け、さらにこれらを取り除いて、再度、側面に外部電極１３を取り付ける工程が必要となり、製造工程が複雑でコスト高になるという問題があった。
【００１２】
さらに、側面に外部電極１３を取り付ける際に、温度を圧電材料のキュリー温度以上に高くすると、図１１に示す工程にて全体に施した分極が除去されてしまう。このため、処理温度を高くして、外部電極１３の密着性を高くすることができないという問題があった。
【００１３】
本発明は、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体配向でき、分極処理時の内部応力を防いで積層型圧電素子に生じる割れを防止でき、しかも製造工程が簡単で安価であり、かつ、外部電極の密着性を高くすることができる積層型圧電素子とそ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】
【００１４】
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなり、異なる極性の内部電極層の間に位置する活性部と、前記活性部の周囲に存在する不活性部とを有する積層体を得る工程と、前記積層体の積層方向に直交する方向の側面全周から一様な圧縮応力を加え、前記積層体を積層方向に伸長させて、積層体全体のドメインの向きを積層方向の上下いずれかの方向に配向する工程と、前記内部電極層を介し前記積層体に電界を印加して前記活性部を分極する工程と、を含むものである。
【００１５】
前記電界方向は、例えば、前記積層体の積層方向となる。
【００１６】
なお、前記積層体の積層方向に直交する方向の側面上に導電ペーストを焼き付けて極性の異なる一対の外部電極を形成し、前記内部電極層が異なる極性の外部電極に交互に接続される。
【００１７】
前記積層体の積層方向の全長は、４ｍｍ以上である。
【００１８】
前記積層体を積層方向に伸長させるには、前記積層体の積層方向に直交する方向の側面全周から一様な圧縮応力を加える。
【００１９】
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、好ましくは、分極する工程より後の工程において、前記分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を前記活性部に加えて前記分極方向を反転させる工程を有する。
【００２０】
本発明の積層型圧電素子は、焦電性を有する圧電体セラミックス層と内部電極層とを積層してなり、異なる極性の内部電極の間に位置する活性部と、前記活性部の周囲に存在する不活性部とを有した積層体と、前記積層体の積層方向に直交する側面上に導電ペーストを焼き付けて形成され、前記内部電極層が交互に接続される極性の異なる一対の外部電極と、を備えた積層型圧電素子であって、前記積層体全体を内部電極層間で印加される電界方向に沿って略配向し、かつ、前記電界方向に沿う方向において相反する方向にドメインの向きが配向された領域が前記不活性部に同時に存在し、前記電界方向に沿ったドメインの配向率が前記不活性部より低く前記活性部に存在しているものである。
【００２１】
本発明の積層型圧電素子とその製造方法によると、積層体の側面から圧縮応力を加えることで、積層体を異なる極性の内部電極層間で印加される電界方向に伸長させて、積層体全体のドメインの向きを略電界方向に配向させるので、内部電極層を介し積層体に電界を印加して活性部を分極する際に、活性部と不活性部との間でひずみ差が発生せず、内部応力を防ぎ、分極時や長時間の圧電駆動時における積層型圧電素子に割れが発生するのを防止できる。
【００２２】
特に、積層方向の長さ寸法が大きい積層型圧電素子にて有効である。例えば、積層方向の長さ寸法Ｔが４ｍｍ以上のものは、全体分極ならびに層間分極をともに電界印加で行った場合、層間分極時に活性部と不活性部とにかかる応力の差が、一般的な圧電セラミックス（ＰＺＴ）が有する引張強度である３０〜４０ＭＰａを越えてしまい、割れることがある。これに対し、積層体の側面から圧縮応力を加えて全体分極を行った場合、このような割れは生じない。
【００２３】
しかも、積層体の側面から圧縮応力を加え、機械的に分極させるので、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体配向できる。特に、積層方向の長さ寸法が大きいものであっても電界をかける必要がないので、高電圧設備を必要とせず、分極処理には従来からある分極用の設備で足り、低コストで容易に全体配向できる。
【００２４】
また、積層体の側面から圧縮応力を加えて全体分極を行うので、最終的に取り除く全体分極用の電極を形成する必要がなく、全体分極用電極の形成や除去工程が不要となり、製造が簡単で安価である。
【００２５】
また、積層体の積層方向に直交する方向の側面上に、導電ペーストを高温にて焼き付けて外部電極を形成した状態で、積層体の側面から圧縮応力を加えて全体分極するので、外部電極の密着性を十分に高くすることができる。
【００２６】
さらに、不活性部の分極方向は活性部の分極方向と平行であるが、一方向に揃っているわけではないので、温度変化によって内部電極面に焦電荷が生じても、向きの異なるドメイン間で打ち消し合って電流が発生せず、不活性部の分極が低下して収縮することはない。よって、内部電極に生じる焦電荷に起因するクラックの発生を防止することができる。
【００２７】
積層型圧電素子を製造するのに、分極する工程より後の工程において、分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を活性部に加えて分極方向を反転させることにより、不活性部のドメインの向きが先の配向工程により内部電極間で印加される電界方向に配向したものとなっている状態で保持しつつ、活性部に９０°ドメインの配向成分が増した結晶を増やすことになり、駆動電圧を印加したときの圧電素子の伸び率が、この分極反転処理を行っていないものに比べても大きなものとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の積層型圧電素子とその製造方法によれば、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体配向でき、分極処理時の内部応力を防いで積層型圧電素子に生じる割れを防止でき、しかも製造工程が簡単で安価であり、かつ、外部電極の密着性を高くすることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施の態様を図１および図２に基づいて説明する。
【００３０】
図１は積層型圧電アクチュエータを機械的に分極処理する際の模式図、図２は積層型圧電アクチュエータの層間を電界により分極処理する際の模式図である。
【００３１】
なお、積層型圧電アクチュエータ１の構造は図３に示した例と同様である。
【００３２】
積層型圧電アクチュエータ１について説明する。
【００３３】
まず、圧電材料がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の粉末からなる圧電体セラミックス層１１を構成するグリーンシート上に、ＡｇＰｄ粉を含む内部電極層１２となる導電ペーストを印刷する。導電ペーストの印刷パターンは、複数のグリーンシートを積み重ねて積層体１０を構成した際に、積層体１０の積層方向に直交する方向にて対向する一対の側面から電極端部を交互に取り出せるような形状とする。また、電極端部の取り出し位置は、対角など他の場所でもよいが、絶縁性を確保するための不活性部Ｂを構成するギャップＧが必要である。
【００３４】
次に、焼成後に高さ寸法Ｔが３０ｍｍになるように印刷済みグリーンシートを積み重ねた後、積層方向両端面から圧力をかけて圧着する。さらに、焼成後の積層方向に直交する断面形状が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形になるようにダイシング加工して切断する。そして、脱脂処理（３００℃×２０時間）および焼成処理（１１００℃×５時間）を行う。
【００３５】
なお、圧電材料はＰＺＴ以外の圧電性セラミックスでもよく、導電ペーストもＡｇやＣｕ等の他の導電材料でもよい。また、積層型圧電アクチュエータ１の高さ寸法Ｔを大きくするために、高さの低い焼成済み積層体を積み重ねて接着してもよい。
【００３６】
次に、積層体１０の電極を取り出した側面に外部電極１３を取り付ける。すなわち、積層体１０の対向する一対の側面にそれぞれＡｇペーストを印刷し、８５０℃で焼き付ける。外部電極１３の取り付けは、スパッタ成膜や蒸着等の十分に密着性が得られる方法にて行なってもよい。以上のようにして、積層型圧電アクチュエータ１が作製される。
【００３７】
次に、分極処理について説明する。
【００３８】
図１を用いて、機械的に平行な全体分極を発生させる工程について説明する。
【００３９】
積層型圧電アクチュエータ１を金型１５に収納し、緩衝材のゴム１６を介して静水圧処理（６０℃、１９０ＭＰａの容器内に６００秒投入）する。金型１５には、積層型圧電アクチュエータ１の高さ方向からの圧力を防げる構造のものを使用し、分極させたい方向には力を加えず、その方向と直交する方向のみに圧縮応力を加える。すなわち、積層型圧電アクチュエータ１の上下面の保護層１４と金型１５との間には、それぞれ隙間１７が形成されており、積層型圧電アクチュエータ１が上下方向に伸長するのを妨げないように構成されている。また、圧縮時の温度は、室温からキュリー温度未満であればよい。なお、静水圧処理であれば積層型圧電アクチュエータ１の側面から２方向同時に圧縮応力を加えることができ効果的であるが、剛体プレス等を用いた１方向からの圧縮応力を１回あるいは方向を変えて複数回行ってもよい。
【００４０】
このようにして、積層体１０の側面から圧縮応力を加えて機械的に全体分極を行った結果、積層体１０の活性部Ａと不活性部Ｂおよび保護層１４を含む全体のドメイン（分域）の向きが略積層方向（ほぼ１８０°ドメイン）に配向する（矢印参照）。なお、分極の方向は略積層方向に平行であるが、一方に揃っているものではない。すなわち、分極時に発生する割れを防ぐためのポイントは、活性部Ａの分極により生じる残留ひずみと同じ大きさに、不活性部Ｂがひずんでいることであるから、分極の方向はひずみに平行であればよく、一方に揃っていなくともよい。
【００４１】
図２に、活性部Ａを分極させる工程、すなわち層間を電界により分極させる工程の模式図を示す。
【００４２】
図１の圧縮処理が終った後、金型１５ならびにゴム１６を取り除き、温度８０℃のシリコンオイル槽内にて、外部電極１３，１３の一方を正極とし、他方を負極とした状態でその正負電極間に３ｋＶ／ｍｍの電界を加えて層間を分極し、活性部Ａの分極方向を揃える。なお、分極時の槽内温度は６０℃からキュリー温度未満であればよく、その温度の抗電界に合わせて印加電界を変える。
【００４３】
このように構成された積層型圧電素子とその製造方法によると、積層体１０の側面から圧縮応力を加えることで、積層体１０を積層方向に伸長させて、積層体１０全体のドメインの向きを略積層方向に配向させるので、内部電極層１２を介し積層体１０に電界を印加して層間分極する際に、活性部Ａと不活性部Ｂとの間でひずみ差は発生しない。すなわち、活性部Ａでは分極の向きは分極させる方向の両方向に揃っていることから、層間分極時にそれ以上配向することなく、また両方向の分極により全体のひずみを打ち消しあって、層間分極時にひずみを発生しない。なお、分極時に発生するひずみは完全に０にならなくともよく、＋０．０２％以下であればよい。また、ひずみ差がマイナスになる（積層体１０が縮む）分には問題ない。このように、活性部Ａと不活性部Ｂとの間にひずみを発生しないため内部応力を防ぐことができ、分極時や長時間の圧電駆動時における積層型圧電アクチュエータ１に割れが発生するのを防止できる。
【００４４】
具体的に、高さ寸法Ｔが３０ｍｍの積層型圧電アクチュエータ１を用いて、本実施の形態による分極を行ったところ、割れは発生しなかった。
【００４５】
また、積層体１０の側面から圧縮応力を加え、機械的に分極させるので、分極時に高い電圧をかける必要がなく低コストで容易に全体配向できる。特に、積層方向の長さ寸法が大きいものであっても電界をかける必要がないので、高電圧設備を必要とせず、分極処理には従来からある分極用の設備で足り、低コストで容易に全体配向できる。
【００４６】
また、積層体１０の側面から圧縮応力を加えて全体分極を行うので、外部電極１３は内部電極層１２とつなぐ面にのみ形成すればよく、最終的に取り除く全体分極用の電極を形成する必要がなく、全体分極用電極の形成や除去工程が不要となり、製造が簡単で安価である。
【００４７】
また、積層体１０の積層方向に直交する方向の側面上に、導電ペーストを高温にて焼き付けて外部電極１３を形成した状態で、積層体１０の側面から圧縮応力を加えて全体分極でき、分極処理前に外部電極１３の作製を終えているため、焼き付けなどの密着力の強い電極作製方法を用いることができ、外部電極１３の密着性を十分に高くすることができる。
【００４８】
また、不活性部Ｂが存在する構造としたので、内部電極層１２の正負電極間の絶縁性を十分に確保できる。しかも、積層型圧電アクチュエータ１の作製と同時に絶縁部Ｇを形成でき、簡便で、少ない工程で作製することができる。
【００４９】
さらに、積層型圧電アクチュエータ１内の電界方向の残留応力を解消するため、駆動時の電界時の電界方向に対して、縦方向、横方向、すべり方向いずれのひずみ方向に駆動する場合においても有効である。
【００５０】
なお、積層型圧電アクチュエータ１の断面が矩形の場合は積層方向に対して直交する２方向から、また断面が円形の場合には全周に同時に力を加えると本発明の効果を与えやすい。また、両側から圧縮する代わりに、積層体１０の上下から引っ張って上下方向に伸長させ、全体分極を行ってもよい。
【００５１】
また、図１のように圧縮力を加えた状態で、図２のように層間に電界を加えて分極してもよい。すなわち、圧縮力を加えた状態で、分極可能な電界をミリ秒オーダーの一瞬のみ印加するようにしてもよい。
【００５２】
次に、上述した実施形態と同様の製造工程を経て得られた積層型圧電アクチュエータ１について、さらに、活性部に対して分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を加えて、分極方向を反転させる工程を有する積層型圧電素子の製造方法の実施形態および実施例を図４〜図９に基づいて説明する。図４は、本発明の他の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの抗電界以上の電界を活性部に加えて分極方向を反転させる工程の模式図である。図５は、圧電体結晶粒内の未分極状態のドメインを示す模式図である。図６は、本発明に係る製造方法の分極処理した状態の積層型圧電アクチュエータの活性部および不活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ａ）と、従来もしくは比較例１の積層型圧電アクチュエータの活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ｂ）である。図７は、本発明に係る製造方法の分極処理した後に、さらに、分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を活性部に加えて分極方向を反転させる工程を経た積層型圧電アクチュエータの活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ａ）と、不活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ｂ）である。図８は、図７（ａ）に示す積層型圧電アクチュエータに駆動電圧を印加した状態を示す活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図である。図９は、本発明に係る製造方法で製造された圧電素子の実施例と、比較例１，２の駆動電圧と、その電圧印加による素子の伸び量とを測定した結果を示すグラフである。
【００５３】
図４を参照して説明すると、積層型圧電アクチュエータ１の積層体全体を内部電極層間で印加される電界方向に伸長させて積層体全体のドメインの向きを略電界方向に配向した後、活性部を分極する分極工程に続いて、この積層体１０の圧電材料ＰＺＴの抗電界以上の電界を正負のピーク値とする三角波を積層体１０の電極１３，１３に加える。この三角波の電界は、例えば５波長分印加する。これにより、活性部Ａに対して分極時とは逆向きの抗電界以上の電界が印加されることになる。なお、抗電界以上の電界ではあっても先の分極時に印加する電圧よりは低い電界である。分極時の電界よりも高い電圧を印加すると、積層体１０が割れたり、絶縁破壊が生じるおそれが高くなるためである。
【００５４】
上記のように分極時とは逆向きに抗電界以上の電界を印加することによって、活性部におけるドメインの配向度を低下させることになり、９０°ドメインの効果が得られるものとなっている。以下に、分極工程とは逆向きに抗電界以上の電界を印加することについての技術的な意義を説明する。
【００５５】
分極前の活性部のドメインは、図５に模式的に示す未分極状態となっていて、分極させる方向に沿った配向成分となる１８０°ドメインと、分極させる方向の直交方向に沿った配向成分となる９０°ドメインとが混在するものとなっている。図６（ａ）に模式的に示すように、本願請求項１に係る発明の全体配向工程および分極工程を経て、不活性部の配向性を高めたものでは、活性部においても不活性部と同様ドメインにおける１８０°ドメインが電界印加前に歪み方向に配向したものとなっている。この時、この分極工程を経た状態、すなわち電界印加前に既に１８０°ドメイン方向に配向していることが分かった。このため、電界印加したときの圧電素子の伸び率は比較的低いままであり、その伸び率を高くすることに改善の余地がある。なお、図６（ｂ）は、従来における通常の分極処理したときの活性部の１８０°ドメインと９０°ドメインとの配向について模式的に示しており、活性部について、９０°ドメインが多く残留するため、駆動電圧印加時には１８０°ドメインの圧電歪みに、９０°ドメインの配向が上乗せされ伸び率が大きくなることを示している。図６（ａ）に示す状態の活性部に対して、分極時とは逆向きの抗電界以上の電界（電圧）を印加することによって、図７（ａ）に模式的に示すように、９０°ドメインが増加する。逆向きの抗電界以上の電界を印加する際、完全に電界と同方向に配向していればイオン位置の変化だけで９０°ドメインには戻らないが、電界方向に完全に配向していない一部のドメインにおいては反転時に９０°方向に変位成分を持つため、さらにその一部が９０°ドメインに戻る。このようにして、活性部のドメインの一部が９０°と成ることによって、図６（ｂ）に示す通常の分極のみのように、１８０°ドメインと９０°ドメインとが一方に大きく偏ることなく混在する状態となり、圧電定数を大きなものとすることができる。
【００５６】
なお、不活性部については、電極１３，１３に与える分極時と逆向きの抗電界以上の電界が印加されるものではない（内部電極層間に印加する電界が不活性部に極性を変更するものとはならない）から、図７（ｂ）に示すように、１８０°ドメインの歪み方向での配向度が高いままとなっている。
【００５７】
これによって、図６（ａ）のようにほとんど１８０°ドメインの圧電歪みからなる伸びに対して活性部において９０°ドメインが増加した分、９０°ドメインの配向による伸びが加わるため、圧電定数は大きくなる。したがって、この製造方法で製造された圧電素子をアクチュエータとして作動させたとき、その伸び率は高いものとなる。図８は、駆動用の電圧を印加したときのドメインの状態を例示するものである。この駆動時には、９０°ドメインは殆どなくなる。
【００５８】
したがって、本願請求項１に係る発明の分極工程を経た場合、活性部のドメインにおける１８０°ドメインでの配向度が高いものとなっているが、その分極工程よりも後に、さらに分極方向とは逆向きの抗電界以上の電界（電圧）を印加することによって、活性部におけるドメインの分極の配向度を低下させて、圧電定数を大きくすることで、圧電型積層体を伸張させるときの伸び率を高めることができる。そこで、本願請求項６に係る工程まで行うことで、分極処理時の内部応力を防いで積層型圧電素子に生じる割れを防ぎながら、かつ、圧電定数が良好な積層型圧電素子を得ることができる。なお、図４において、圧電定数の大きくなったドメインについては、その分極の高さ方向（駆動方向）成分の大きさと向きを示す矢印の大きさを小さく表示している。
【００５９】
なお、図６（ａ）に示す活性部のドメイン、図６（ｂ）に示す活性部のドメイン、図７（ａ）に示す活性部のドメイン、図８に示す活性部のドメインをそれぞれ同一のドメインについて示すものとして、その分極電圧印加方向でのドメインの長さをそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌａとすると、圧電変位（駆動電圧印加時と駆動電圧印加前との分極電圧印加方向でのドメインの長さの差）ｄｎ（Ｌａ−Ｌｎ）は、ｄ２，ｄ３＞ｄ１の関係になる。
【００６０】
また、分極方向とは逆向きの抗電界以上の電界（電圧）を印加する方法としては、正負の電圧（ただし分極方向とは逆向きの電圧については抗電界以上となることが必要条件）を繰り返して与えてもよいし、分極方向とは逆向きの印加電圧によって抗電界以上となっている状態でその電圧の保持時間を長く取って印加してもよく、さらに電圧を印加するときの立ち上がり速度などを適宜設定してもよい。要は、一回以上の分極反転を活性部について生じさせることである。
【実施例】
【００６１】
本発明において分極工程を経た後、さらに、活性部に対して分極工程での分極方向とは逆向きの抗電界以上の電界を印加する工程を有する上記実施の形態の製造方法で製造された積層圧電素子の実施例を説明する。本発明に係る積層圧電素子としての積層圧電アクチュエータについて、本発明者は、分極処理後、分極方向とは逆向きの抗電界以上の電圧として上述実施の形態のように三角波を５波長時間電界印加した後、アクチュエータの伸び方向に正の電圧のみが加わるようにオフセットした三角波を外部電極に加えながらアクチュエータの伸び量を測定した。その測定結果を図９のグラフに実線で示している。図９の横軸は電圧を示し、縦軸はアクチュエータの伸び量を示す。なお、図９には、後述する比較例１，２の積層圧電アクチュエータについての上記測定と同様に行った結果をグラフとして示している。
【００６２】
比較例１について説明する。まず、比較例１の積層圧電アクチュエータの製造過程について説明する。圧電材料ＰＺＴの粉末からなるグリーンシート上に、ＡｇＰｄ粉を含む導電ペーストを印刷する。次に、焼成後に高さが３０ｍｍになるように印刷済みグリーンシートを積み重ねた後、上下面から圧力をかけて圧着する。また、焼成後の側面視断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形となるようにダイシング加工する。そして、脱脂処理（３００℃×２０時間）および、焼成（１１００℃×５時間）を行って、積層圧電アクチュエータを作製する。なお、この際、圧電材料としてはＰＺＴ以外の圧電性セラミックでもよく、導電ペーストもＡｇやＣｕといった他の材料でもよい。印刷時のパターンはアクチュエータにしたときの対向する２側面から電極短部を交互に取り出せる形状とする。電極端部の取り出し位置は対角など他の場所でも構わないが、絶縁性を確保するための不活性部を構成するギャップが必要である。
【００６３】
ギャップの形状を、ギャップの面積が小さく、応力が集中し易い角をもたない曲線のみから成る形状として、不活性部に発生する分極割を極力小さくした。
【００６４】
アクチュエータの電極を取り出した面に外部電極を取り付ける。電極の取り付け方法、および内部電極間の分極方法は実施例と同じである。
【００６５】
この比較例１の場合、分極時に不活性部に割れが入る結果となった。ただし、変位量の測定は可能であった。しかしながら、分極時に上記のような割れが入ることで不良品と判定される。なお、この比較例１における活性部のドメインの状態は、図６（ｂ）に示した通常の分極処理をしたものと同様となっている。この比較例１についても、実施例の積層圧電アクチュエータと同様、アクチュエータの伸び方向に正の電圧のみが加わるようにオフセットした三角波を外部電極に加えながらアクチュエータの伸び量を測定した。なお、本発明実施例と比較例１とはほぼ同じ結果が得られているので、ほぼ同じ測定結果が得られ、その結果を示す図９のグラフは重なったものとなっている。
【００６６】
次に、比較例２について説明する。まず、比較例２の積層圧電アクチュエータの製造過程について説明する。圧電材料ＰＺＴの粉末からなるグリーンシート上に、ＡｇＰｄ粉を含む導電ペーストを印刷する。次に、焼成後に高さが３０ｍｍになるように印刷済みグリーンシートを積み重ねた後、上下面から圧力をかけて圧着する。また、焼成後の側面視断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形となるようにダイシング加工する。そして、脱脂処理（３００℃×２０時間）および、焼成（１１００℃×５時間）を行って、積層圧電アクチュエータを作製する。なお、この際、ＰＺＴ以外の圧電性セラミックでもよく、導電ペーストもＡｇやＣｕといった他の材料でもよい。印刷時のパターンはアクチュエータにしたときの対向する２側面から電極短部を交互に取り出せる形状とする。電極端部の取り出し位置は対角など他の場所でも構わないが、絶縁性を確保するための不活性部を構成するギャップが必要である。アクチュエータの電極を取り出した面に外部電極を取り付ける。Ａｇペーストを印刷し、８００℃で焼き付ける。続いて、アクチュエータを金型に収納し、緩衝材のゴムを介して静水圧処理（６０℃、１９０ＭＰａの容器内に６００秒投入）する。この際、金型にはアクチュエータの高さ方向から圧力を妨げる構造のものを使用する。圧縮処理が終わった後、温度８０℃のシリコンオイル槽内にて、正負電極間に３ｋＶ／ｍｍの電界を加えて層間を分極し、分極方向を一方向に揃える。なお、この比較例２における活性部のドメインの状態は、図６（ａ）に示した分極処理をしたものと同様になっている。この比較例２についても、実施例の積層圧電アクチュエータと同様、アクチュエータの伸び方向に正の電圧のみが加わるようにオフセットした三角波を外部電極に加えながらアクチュエータの伸び量を測定した。その結果を、図９のグラフにおいて、破線で示している。
【００６７】
この比較例２の場合、分極割れを生じなかった。また、圧電変位を測定し、圧電定数を算出したところ、比較例１より約３０ｐｍ／Ｖ小さい値であった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の積層型圧電素子とその製造方法は、例えば内部電極を施した圧電体セラミックスを層状に多数積層してなる積層型圧電アクチュエータならびにその製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの機械的な分極工程の模式図
【図２】本発明の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの電界による分極工程の模式図
【図３】一般的な積層型圧電アクチュエータの模式図
【図４】本発明の他の実施の形態における積層型圧電アクチュエータの抗電界以上の電界を活性部に加えて分極方向を反転させる工程の模式図
【図５】圧電体結晶粒内の未分極状態のドメインを示す模式図
【図６】本発明に係る製造方法の分極処理した状態の積層型圧電アクチュエータの活性部および不活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ａ）と、従来もしくは比較例１の積層型圧電アクチュエータの活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ｂ）
【図７】本発明に係る製造方法の分極処理した後に、さらに、分極方向とは逆方向に抗電界以上の電界を活性部に加えて分極方向を反転させる工程を経た積層型圧電アクチュエータの活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ａ）と、不活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図（ｂ）
【図８】図７（ａ）に示す積層型圧電アクチュエータに駆動電圧を印加した状態を示す活性部における圧電体結晶粒内の分極状態のドメインを示す模式図
【図９】本発明に係る製造方法で製造された圧電素子の実施例と、比較例１，２の駆動電圧と、その電圧印加による素子の伸び量とを測定した結果を示すグラフ
【図１０】従来例における積層型圧電アクチュエータの割れの状態を示す模式図
【図１１】従来例における積層型圧電アクチュエータの全体分極時の模式図
【図１２】従来例における積層型圧電アクチュエータの電極層間の分極時の模式図
【符号の説明】
【００７０】
１  積層型圧電アクチュエータ（積層型圧電素子）
１０  積層体
１１  圧電体セラミックス層
１２  内部電極層
１３  外部電極
１４  保護層
Ａ  活性部
Ｂ  不活性部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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