(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体よりなる２枚の圧電板と、
前記２枚の圧電板で挟持された中間電極板と、
前記圧電板のそれぞれの外表面に形成された対向電極と
を有してバイモルフ構造に構成され、
前記圧電板の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ〜３．５μｍである
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電板がＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系の材料で形成される
ことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記中間電極板がシム材である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
【請求項４】
ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系の材料である焼結体を形成する工程と、
前記焼結体を所要の形にスライスして板状に形成する工程と、
前記板状の焼結体を所定の厚さに研磨して圧電板を形成する工程と、
前記圧電板の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ〜３．５μｍと成るまでエッチングする工程と、
前記圧電板の一主面にメッキによる対向電流を形成する工程と、
２枚の前記圧電板により前記対向電極が外側となるように中間電極板を挟持して接着固定する工程と
を有し、バイモルフ構造に形成した
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記中間電極板をシム板で形成する
ことを特徴とする請求項４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、各種電子機器に組み込まれる圧電素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、圧電素子とは誘電体よりなる圧電板を有し、圧電板に所定の電圧を印加、或いは所定の応力を加えることにより当該電圧或いは応力に比例した歪み或いは電圧を圧電板に発生させる素子である。
【０００３】
現在、広く利用されている圧電素子にバイモルフ圧電素子がある。このバイモルフ圧電素子は、セラミックスよりなる２枚の圧電板により中間電極板を狭持した構造を有し、前記電極板に所定の電圧を印加することにより当該電圧に比例した歪みを前記圧電板に発生させる略々短冊形状の圧電素子である。このように、バイモルフ圧電素子は印加電圧を素子厚方向の応力（変位）に変換するいわゆる逆圧電効果を有する素子であり、低圧電で比較的大きな変位量を得ることができる。前記バイモルフ圧電素子は、主にマイクロホンやヘッドホン、スピーカー等に用いられている。
【０００４】
その他に、このバイモルフ圧電素子と同様の素子としては前記圧電板と電極板を多層積み重ねて素子厚方向の大きな変位を得ることが可能である積層型の圧電素子がある。
【０００５】
特許文献１は、圧電素子の動作寿命を長くし、電極の剥がれ強度を高くするために圧電素子の面粗度を０．１〜２．３μｍとした圧電素子が記載されている。
特許文献２は、圧電素子のクラック防止のため圧電素子に接触する側の押さえ板の面粗度を１０μｍ以下とした圧電素子が記載されている。
【特許文献１】特開平８−１２５２４５号公報
【特許文献２】特開平８−１１１０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した通り、バイモルフ圧電素子の特徴は、低電圧で素子厚方向の比較的大きな変位量を得ることができる反面、変位に伴って圧電板に応力が集中する。このため圧電素子としては、駆動させると同時にクラックが発生するものがある。圧電素子は、クラックが発生すると正常な動作を継続させることが非常に困難となる。一般に圧電板の材料として広く用いられているＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系のセラミックスは、その機械的性質が脆性であるために前記の現象が特に顕著に見られ、クラック発生や動作安定性等の低下を問題しされている。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑み、圧電素子特にバイモルフ圧電素子の振れ幅を大幅に向上させ且つクラックの発生しない圧電素子及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧電素子は、誘電体よりなる圧電板を有し、圧電板に所定の圧電を印加する或いは所定の応力を加えることにより、この圧電或いは応力に比例した歪み或いは電圧を圧電板に発生させる圧電素子である。すなわち、本発明は、誘電体よりなる２枚の圧電板と、２枚の圧電板で挟持された中間電極板と、圧電板のそれぞれの外表面に形成された対向電極とを有してバイモルフ構造に構成され、圧電板の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ〜３．５μｍであることを特徴とする。ここで、上記圧電板のＲａが３．５μｍより大となると表面粗度が大きいために抗折強度が低下し品質に悪影響を及ぼす。また、Ｒａが２．５μｍより小となると当該圧電板にクラックが発生し易くなり、かつ圧電板の表面に形成される電極の被着強度が低下、すなわち形成された電極が圧電板の表面から剥離し易くなってしまうために不都合となる。
【００１０】
なお、本発明においては、上記圧電板の材料としては主にセラミックス、例えば圧電定数の大きなＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系のセラミックスの焼結体を用い、また、中間電極板の材料としては主にシム材を用いることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系の材料である焼結体を形成する工程と、焼結体を所要の形にスライスして板状に形成する工程と、板状の焼結体を所定の厚さに研磨して圧電板を形成する工程と、圧電板の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ〜３．５μｍと成るまでエッチングする工程と、圧電板の一主面にメッキによる対向電流を形成する工程と、２枚の圧電板により対向電極が外側となるように中間電極板を挟持して接着固定する工程とを有し、バイモルフ構造に形成したことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る圧電素子では、誘電体よりなる圧電板の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、２．５μｍ以上３．５μｍ以下とすることで、圧電素子動作中に圧電板に応力がかかって大きな変位を示しても、圧電板の算術平均粗さが向上されているために疲労が少なく、多数回の使用に対しても優れた耐久性を示す。
【００１３】
本発明に係る圧電素子においては、特にバイモルフ圧電素子を想定しており、低電圧により比較的大きな応力が圧電板にかかって大きな変位量を示しても、前記の如く圧電板の表面性が改善されているために圧電板の疲労は極めて少ないものとなる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子の製造方法では、圧電材料による焼結体をスライスして所定の厚さに研磨した後、表面をエッチング処理することにより、圧電板表面の研磨歪みを除去すると共に、圧電板の表面粗さ、即ち算術平均粗さの最適化を図ることができ、振れ幅を向上してクラック発生のない圧電素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る圧電素子によれば、圧電素子構成部品である圧電材の表面粗さの適正化を図ることにより、製品の振れ幅を向上させクラックの発生のない圧電素子を提供することができる。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、圧電素子構成部品である圧電材の表面粗さを適正化し、製品の振れ幅を向上させ、且つ、クラック発生のない圧電素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る圧電素子をバイモルフ圧電素子（以下、単に圧電素子と示す）に適用した場合の一実施の形態を示す。ここで、バイモルフ圧電素子とは、前述したように２枚の圧電板により中間電極を狭持した構造を有し、圧電板に所定の電圧を印加することにより当該電圧に比例した歪みを圧電板に発生させる素子である。本実施の形態に係る圧電素子１は、ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系のセラミックスを材料とする２枚の圧電板２，３によって狭持されたシム材を材料とする中間電極板４とから構成されている。圧電素子１の上面及び下面、すなわち、圧電板２の上面２a上及び圧電板３の下面３ｂ上にはそれぞれ電極５，６が形成されて対向電極とされている。
【００１８】
そして本実施の形態では、特に、各圧電板２，３の表面、即ち各圧電板２，３の表面のそれぞれの上面２ａ，３ａ及び下面２ｂ及び３ｂの算術平均粗さＲａが、２．５μｍ以上３．５μｍ以下で形成されている。ここで、圧電板２，３のそれぞれの上面２ａ，３ａ及び下面２ｂ,３ｂの算術平均粗さＲａが３．５μｍより大きくなると、表面粗度が大きいために圧電板の抗折強度が著しく低下してしまう、また、算術平均粗さＲａが２．５μｍより小さくなると当該電圧板２，３の上面２ａ及び下面３ｂに形成される電極５，６が圧電板にクラックが発生し易くなり、且つ、圧電板２，３の上面２ａ及び下面３ｂから剥離し易くなってしてしまうために不都合となる。
【００１９】
図２は、バイモルフ圧電素子の製造工程を示す。先ず、具体的に圧電素子を作製するに際しては、低電圧でも比較的大きな変位量を得るために圧電定数の大きなＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系のセラミックスの焼結体（以下、単にＰＺＴ焼結体と示す）を用いる。次に、このＰＺＴ焼結体を厚さ約２２０μｍにスライス加工する。
【００２０】
次いで、ラップ工程においては、＃１０００砥粒を用いて小判型のＰＺＴ焼結体を厚さ約１９０μｍに調整する。このラップ処理によりスライス状のＰＺＴ焼結体の表面は最も平坦化される。次に、エッチング工程においては、フッ硝酸水溶液を用いて研磨したＰＺＴ焼結体を３分間エッチング処理する。このエッチング工程では、後に各圧電板２，３の上面２ａ，３ａ及び下面２ｂ及び３ｂとなる前記ＰＺＴ焼結体の表面粗さ、即ち算術平均粗さＲａが２．５μｍ以上３．５μｍ以下となるように調整する。
【００２１】
その後、無電解めっき法により、各ＰＺＴ焼結体の一主面にメッキを施して対向電極となる各電極５，６を形成する。次に、１５０〜１７０μｍ厚の中間電極板４となるシム材の両面にエポキシ系接着剤を塗布して、各電極５，６がメッキ形成された各ＰＺＴ焼結体により各電極５，６が外側となるように中間電極板４を狭持して接着固定する。
【００２２】
そして、中間電極板４を介した各ＰＺＴ焼結体に対して、シリコンオイル中にて温度８０℃に加熱しながら分極処理を施した後、所定の短冊形状に加工することにより圧電素子が完成する。
【００２３】
本実施の形態に係る圧電素子の製造方法によれば、最適な算術平均粗さの圧電素子を形成することができる。
【００２４】
ここで、いくつかの実験例について説明する。これらの実験は、前記一実施の形態の圧電素子について、その表面性の改善効果について調べたものであり実験１においては前記圧電素子を振動させた時の振れ幅の値と１００枚振動させた時のクラックの発生率を調査した。実験２においては圧電板２及び３の抗折強度を調べた。
【００２５】
先ず、図３は、圧電素子を振動させて測定する説明図である。即ち、この実験１は、圧電素子を冶具Aに固定し電圧３８０Vｐ−ｐ、周波数６０Ｈｚの電流を圧電素子１に流し圧電素子１の先端部Bを振動させる。変位Cをレーザー変位計Ｄで求めこの値を振れ幅とした。
図４に示すように、振動作業を圧電素子１００枚に行いクラックの発生枚数を調べ、圧電素子１００枚中のクラックＦの発生枚数の割合をクラック発生率とする。
【００２６】
次いて、実験２においては、先ず圧電板２及び３のサンプルを用いて長さ２０ｍｍ、幅７ｍｍ、厚み０．１９ｍｍの形状に加工を行なった。図５は、このサンプルを用いたとき抗折強度の測定を示す。図５では、加重測定装置１１の裁量部１２にサンプルの圧電板２，３が水平に裁量され、この圧電板２，３に対して上方から加圧子１３によって垂直方向の加重が掛けられ、圧電板２，３が折れたときの加重で抗折強度が測定される。
【００２７】
上述した実験で使用した算術平均粗さが違うサンプルは、ＰＺＴ焼結体に対するメッキ工程前のエッチング時間が異なる。すなわち、表１に示すサンプル１〜９はエッチング時間を０〜８分までを１分毎にエッチング時間を変化させたサンプルであり、エッチング時間の増減により算術平均粗さが変化する。
【００２８】
これらの処理の結果、サンプル１(エッチング時間０分)で算術平均粗さが１．５μｍとなりエッチング時間の増加と共に算術平均粗さが大きくなる。最大のエッチング時間は８分で算術平均粗さが４．3μｍとなる。
【００２９】
なお、実験１及び実験２において、各サンプルは実験１では前記圧電素子、実験２では圧電板１又は２であるが、ここでは便宜上どちらについてもサンプル１〜９として示した。
実験１及び実験２の結果を以下の表１に併せて示す。
【００３０】
【表１】
0004736315.tif 000002
【００３１】
図６は、表１のサンプルデータをもとにプロットしたグラフである。横軸は、算術平均粗さ、縦軸は、抗折強度（Ｎ／ｍｍ２）、クラック発生率（％）及び振れ幅（μｍ）である。
このように、サンプル１〜４については、図３の実験１においてクラックが発生した。算術平均粗さ（Ra）が１．５μｍ〜２．３μｍの範囲では圧電素子振動によるクラックが発生する。サンプル１〜４では、ラップ工程で発生する歪みが残っており、クラックが発生し易くなるものと考えられる。サンプル５〜９についてはクラックの発生は見られなかった。サンプル５〜９では、エッチング工程で発生する歪みが除去されるためにクラックが発生しにくくなるものと考えられる。実験２において抗折強度はサンプル１〜サンプル７までは算術平均粗さ（Ra）が大きくなるにつれて抗折強度も劣化する傾向が見られた。サンプル８の表面粗さが３．９μｍになると急激に劣化し表面にエッチングされた粉状の破片が付着するのが確認された。
【００３２】
本実施の形態に係る圧電素子によれば、圧電板２又は３の算術平均粗さ（Ra）を２．５μｍ〜３．５μｍの範囲で加工することにより、圧電素子の動作中に圧電板２、３に大きな変位を示しても圧電板２、３の算術平均粗さ（Ra）の範囲内であれば振動に対する表面の応力の緩和が効果的に起こりクラックの発生が低減される。したがって、圧電素子を振動させた時の品質が向上し振れ幅９４０μｍ以上が得られて性能も向上する。
【００３３】
本発明を適用した一実施の形態について説明したが、本発明はこれらの一実施の形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で形状、材質、寸法及び作製方法等、任意に変更することが可能である。
【００３４】
本発明に係る圧電素子は、マイクロホン、ヘッドホン、スピーカーに適用されるほか磁気記録再生装置、例えば、ダイナミックトラッキング方式のＶＴＲに適用し好適である。このＶＴＲでは、バイモルフ圧電素子の先端にビデオヘッドを取り付けてヘッドをトラックに追従させるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る圧電素子の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る圧電素子の一実施の形態を示す製造工程である。
【図３】本発明に係る圧電素子の振れ幅を測定する模式図である。
【図４】本発明に係る圧電素子を振動させた時のクラックの発生位置を示す説明図である。
【図５】本発明に係る圧電素子の抗折強度を測定する模式図である。
【図６】本発明に係る圧電素子の一実施の形態を示す算術平均粗さ、クラック発生率、抗折強度及び振れ幅のグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１・・圧電素子、２、３・・圧電板、４・・中間電極板、５、６・・電極、１１・・加重測定装置、１２・・裁量部、１３・・加圧子
【図１】
0004736315.tif 000003
【図２】
0004736315.tif 000004
【図３】
0004736315.tif 000005
【図４】
0004736315.tif 000006
【図５】
0004736315.tif 000007
【図６】
0004736315.tif 000008