(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とを含み、前記少なくとも１つの第１の電極層と前記少なくとも１つの第２の電極層とが圧電体層を挟んで交互に積層されている積層体を形成する工程（ａ）と、
前記積層体の側面の第１の領域において、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に液体の合成樹脂を配置し、該合成樹脂を硬化させることにより、少なくとも１つの第１の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記積層体の側面の前記第１の領域とは異なる第２の領域において、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に液体の合成樹脂を配置し、該合成樹脂を硬化させることにより、少なくとも１つの第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、
前記第１の領域において、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に接続されると共に、前記少なくとも１つの第１の絶縁膜の表面を通ることにより前記少なくとも１つの第１の電極層から絶縁されるように、第１の側面電極を形成する工程（ｄ）と、
前記第２の領域において、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に接続されると共に、前記少なくとも１つの第２の絶縁膜の表面を通ることにより前記少なくとも１つの第２の電極層から絶縁されるように、第２の側面電極を形成する工程（ｅ）と、
余裕係数をｎ（１＜ｎ≦５）、前記複数の圧電体層の各々の厚さをＨＮ、抗電界をＥＣとする場合に、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間にｎ・ＥＣ・ＨＮの電圧を印加することにより、前記複数の圧電体層の各々にポーリング処理を施す工程（ｆ）と、
を具備し、前記第１及び第２の絶縁膜の電気絶縁耐圧をＥとする場合に、工程（ｂ）及び（ｃ）が、前記第１の電極層と前記第１の側面電極との間の最短距離及び前記第２の電極層と前記第２の側面電極との間の最短距離がｎ・ＥＣ・ＨＮ／Ｅより大きく、前記第１及び第２の絶縁膜の幅／厚さの値が２Ｅ／（ｎ・ＥＣ）未満となるように、前記第１及び第２の絶縁膜を形成することを含む、積層型圧電素子の製造方法。
【請求項２】
工程（ｂ）及び（ｃ）が、液体供給機構を用いることにより、前記第１及び第２の電極層の端部に液体の合成樹脂を塗布し、又は、付着させることを含む、請求項１記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記合成樹脂が、少なくとも光を照射することにより硬化する合成樹脂を含む、請求項１又は２記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項４】
工程（ｂ）が、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に配置された液体の合成樹脂に光を照射することにより、該合成樹脂を硬化させることを含み、
工程（ｃ）が、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に配置された液体の合成樹脂に光を照射することにより、該合成樹脂を硬化させることを含む、
請求項３記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記合成樹脂が、少なくとも熱を与えることにより硬化する合成樹脂を含む請求項１〜４のいずれか１項記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項６】
工程（ｂ）が、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に配置された液体の合成樹脂に熱を与えることにより、該合成樹脂を硬化させることを含み、
工程（ｃ）が、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に配置された液体の合成樹脂に熱を与えることにより、該合成樹脂を硬化させることを含む、
請求項５記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記合成樹脂が、エポキシ系合成樹脂、ウレタンアクリレート系合成樹脂、シリコーン系合成樹脂、又は、オキセタン系合成樹脂を含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項８】
工程（ｂ）及び（ｃ）の各々が、粘度が５００ｍＰａ・ｓ〜３００，０００ｍＰａ・ｓである合成樹脂を用いることを含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項９】
工程（ｂ）及び（ｃ）の各々が、粘度が４，０００ｍＰａ・ｓ〜５０，０００ｍＰａ・ｓである合成樹脂を用いることを含む、請求項８記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
複数の圧電体層と少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とを含み、前記少なくとも１つの第１の電極層と前記少なくとも１つの第２の電極層とが圧電体層を挟んで交互に積層されている積層体と、
前記積層体の側面の第１の領域において、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に合成樹脂によって形成された少なくとも１つの第１の絶縁膜と、
前記積層体の側面の前記第１の領域とは異なる第２の領域において、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に合成樹脂によって形成された少なくとも１つの第２の絶縁膜と、
前記第１の領域において、前記少なくとも１つの第２の電極層の端部に接続されると共に、前記少なくとも１つの第１の絶縁膜の表面を通ることにより前記少なくとも１つの第１の電極層から絶縁されるように形成された第１の側面電極と、
前記第２の領域において、前記少なくとも１つの第１の電極層の端部に接続されると共に、前記少なくとも１つの第２の絶縁膜の表面を通ることにより前記少なくとも１つの第２の電極層から絶縁されるように形成された第２の側面電極と、
を具備し、前記複数の圧電体層の各々の厚さをＨＮ、抗電界をＥＣとし、前記第１及び第２の絶縁膜の電気絶縁耐圧をＥとする場合に、前記第１の電極層と前記第１の側面電極との間の最短距離及び前記第２の電極層と前記第２の側面電極との間の最短距離がＥＣ・ＨＮ／Ｅより大きく、前記第１及び第２の絶縁膜の幅／厚さの値が２Ｅ／ＥＣ未満である積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層構造を有する圧電素子（積層型圧電素子）、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛系ペロブスカイト構造を有する材料に代表される圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する圧電効果を生じる。このような性質を利用する圧電素子は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。圧電素子の構造は、１つの圧電体の両側に電極が形成された単層構造が基本であるが、近年のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）関連の機器の開発に伴う圧電素子の微細化及び集積化により、複数の圧電体と複数の電極とが交互に積層された積層型の圧電素子も用いられるようになっている。そのような圧電素子においては、複数の圧電体層の各々に電圧を印加するための電極を並列に接続することにより、積層構造体全体としての電極間容量を大きくすることができるので、圧電素子のサイズを小さくしても、電気インピーダンスの上昇を抑えることができる。
【０００３】
関連する技術として、特許文献１には、電歪材料の膜又は薄板と内部電極板とが交互に積層されている電歪効果素子であって、該素子の側端面に上記内部電極板の端面が露出しており、この側端面上に該内部電極板の露出部とその近傍の電歪材料のみに絶縁層が形成されている電歪効果素子が開示されている（図３、図４）。
【特許文献１】特公昭６１−３２８３５号公報（第１、３頁、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この電歪効果素子において、内部電極の端面（側端面）を含む領域に形成されている絶縁膜は、電気泳動法を用いて低融点ガラス粒子をその領域に堆積させ、その後でガラス粒子をガラス軟化点以上に加熱して溶融させ、さらに、冷却してその領域に固着させることにより形成される（第３頁、図５）。
【０００５】
このような方法によって絶縁膜を形成する場合には、積層型圧電素子において次のような問題が生じる。即ち、ガラス材料は比較的硬くて弾性が小さいので、積層型圧電素子の駆動時に圧電体層（特許文献１においては、電歪材料の膜又は薄板）が伸縮しようとしても、絶縁膜が固着している領域の変位に制動がかかってしまう。そのため、電気機械結合係数ｋ３３等によって表される圧電体の性能を十分に引き出すことができない。ここで、電気機械結合係数とは、圧電体の両面に配置された電極に電圧を印加した場合に、与えられた電気エネルギーを機械的エネルギー（振動エネルギー）に変換する効率を表す定数である。また、その内の電気機械結合係数ｋ３３とは、電圧を印加した方向と同じ方向の振動についての電気機械結合係数（縦振動モードの結合係数）に相当する。電気機械結合係数ｋ３３は、次式によって表される。
ｋ３３２＝（圧電体の振動に利用された機械的エネルギー）
／（圧電体に印加された電気的エネルギー）
特に、圧電素子を超音波診断装置において超音波を送受信する超音波トランスデューサとして利用する場合には、高い送受信感度が必要とされるので、圧電体の性能を最大限表出させることが望まれている。
【０００６】
また、従来の積層型圧電素子においては、ガラスの絶縁膜を形成するためにガラス粒子を一旦溶融するので、そのときに、絶縁膜の厚さが薄くなり、幅が広がってしまう。それにより、内部電極と側面電極との間における絶縁耐圧が低くなるので、積層型圧電素子の信頼性が低下してしまう。特に、圧電素子に圧電性能を付与するために行われる分極処理（ポーリング）においては、駆動電圧よりも大きい電圧が印加されるので、絶縁耐圧が低い領域においては、絶縁破壊が生じてしまう。また、近年、積層型圧電素子の小型化を図るために、圧電体はますます薄層化される傾向にあるため、絶縁膜の幅はできるだけ細い方が望ましい。
【０００７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、積層型圧電素子において、圧電体層の変位に対する制動を抑制すると共に、圧電体層の薄層化に適した絶縁膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体層と少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とを含み、少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とが圧電体層を挟んで交互に積層されている積層体を形成する工程（ａ）と、該積層体の側面の第１の領域において、少なくとも１つの第１の電極層の端部に液体の合成樹脂を配置し、該合成樹脂を硬化させることにより、少なくとも１つの第１の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、上記積層体の側面の第１の領域とは異なる第２の領域において、少なくとも１つの第２の電極層の端部に液体の合成樹脂を配置し、該合成樹脂を硬化させることにより、少なくとも１つの第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、第１の領域において、少なくとも１つの第２の電極層の端部に接続されると共に、少なくとも１つの第１の絶縁膜の表面を通ることにより少なくとも１つの第１の電極層から絶縁されるように、第１の側面電極を形成する工程（ｄ）と、第２の領域において、少なくとも１つの第１の電極層の端部に接続されると共に、少なくとも１つの第２の絶縁膜の表面を通ることにより少なくとも１つの第２の電極層から絶縁されるように、第２の側面電極を形成する工程（ｅ）と、余裕係数をｎ（１＜ｎ≦５）、複数の圧電体層の各々の厚さをＨＮ、抗電界をＥＣとする場合に、第１の電極層と第２の電極層との間にｎ・ＥＣ・ＨＮの電圧を印加することにより、複数の圧電体層の各々にポーリング処理を施す工程（ｆ）とを具備し、第１及び第２の絶縁膜の電気絶縁耐圧をＥとする場合に、工程（ｂ）及び（ｃ）が、第１の電極層と第１の側面電極との間の最短距離及び第２の電極層と第２の側面電極との間の最短距離がｎ・ＥＣ・ＨＮ／Ｅより大きく、第１及び第２の絶縁膜の幅／厚さの値が２Ｅ／（ｎ・ＥＣ）未満となるように、第１及び第２の絶縁膜を形成することを含む。
【０００９】
また、本発明の１つの観点に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体層と少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とを含み、少なくとも１つの第１の電極層と少なくとも１つの第２の電極層とが圧電体層を挟んで交互に積層されている積層体と、該積層体の側面の第１の領域において、上記少なくとも１つの第１の電極層の端部に合成樹脂によって形成された少なくとも１つの第１の絶縁膜と、上記積層体の側面の第１の領域とは異なる第２の領域において、上記少なくとも１つの第２の電極層の端部に合成樹脂によって形成された少なくとも１つの第２の絶縁膜と、第１の領域において、上記少なくとも１つの第２の電極層の端部に接続されると共に、少なくとも１つの第１の絶縁膜の表面を通ることにより少なくとも１つの第１の電極層から絶縁されるように形成された第１の側面電極と、第２の領域において、上記少なくとも１つの第１の電極層の端部に接続されると共に、少なくとも１つの第２の絶縁膜の表面を通ることにより少なくとも１つの第２の電極層から絶縁されるように形成された第２の側面電極とを具備し、上記複数の圧電体層の各々の厚さをＨＮ、抗電界をＥＣとし、第１及び第２の絶縁膜の電気絶縁耐圧をＥとする場合に、第１の電極層と第１の側面電極との間の最短距離及び第２の電極層と第２の側面電極との間の最短距離がＥＣ・ＨＮ／Ｅより大きく、第１及び第２の絶縁膜の幅／厚さの値が２Ｅ／ＥＣ未満である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、比較的弾性の高い合成樹脂によって内部電極層の側端部の絶縁膜を形成するので、積層型圧電素子の駆動時に絶縁膜が圧電体層の変位を制動するのを抑制することができる。また、ポーリング時における積層型圧電素子の耐久性を保ちながら、幅／厚さの値が小さい（即ち、アスペクト比が高い）絶縁膜を形成できるようになるので、圧電体層の薄層化にも対応することが可能となる。従って、積層型圧電素子の性能及び信頼性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す一部断面斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子は、例えば、底面の一辺（長さＬ、幅Ｗ）が２００μｍ〜１．０ｍｍ程度で高さＨＴＯＴＡＬが３００μｍ〜１．０ｍｍ程度の柱状の構造体である。この積層型圧電素子は、複数の圧電体層１０並びに複数の内部電極層１１ａ及び１１ｂを含む積層体と、内部電極層１１ａ及び１１ｂの１つの端部にそれぞれ形成されている絶縁膜１２ａ及び１２ｂとを含んでいる。また、本実施形態に係る積層型圧電素子は、積層体の２つの側面にそれぞれ形成されている側面電極１３ａ及び１３ｂとを含んでも良い。さらに、本実施形態に係る積層型圧電素子は、下部電極層１４及び上部電極層１５を含んでも良い。
【００１２】
圧電体層１０は、例えば、１００μｍ程度の厚さを有しており、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛系ペロブスカイト構造を有することのある圧電材料を用いて形成されている。なお、図１には、５層の圧電体層１０が表されているが、圧電体層は少なくとも２層あれば良く、６層以上あっても構わない。
【００１３】
複数の内部電極層１１ａ及び１１ｂは、例えば、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有しており、圧電体層１０を挟んで交互に積層されている。内部電極層１１ａ及び１１ｂは、１種類の材料によって形成されていても良いし、異なる複数の材料によって形成された複数層構造を有していても良い。前者の例としては、白金（Ｐｔ）や銀パラジウム（Ａｇ／Ｐｄ）等の金属材料が挙げられる。また、後者の例としては、５０ｎｍ程度の酸化チタン（ＴｉＯ２）によって形成された密着層と、３μｍ程度の白金（Ｐｔ）によって形成された導電層とを含む２層構造の電極が挙げられる。
【００１４】
積層体の１つの側面（図１においては左側）において、内部電極層１１ａの端部には絶縁膜１２ａが形成されている。また、積層体の別の側面（図１においては右側）において、内部電極層１１ｂの端部には絶縁膜１２ｂが形成されている。これらの絶縁膜１２ａ及び１２ｂは、エポキシ系、ウレタンアクリレート系、シリコーン系合成樹脂、又は、オキセタン系等の合成樹脂によって形成されている。このような樹脂においては、ヤング率が、例えば、１．３×１０９Ｐａ〜２．０×１０９Ｐａ（１．３×１０１０ｄｙｎ・ｃｍ−２〜２．０×１０１０ｄｙｎ・ｃｍ−２）と、ガラス等に比較して非常に小さい。そのため、積層型圧電素子を駆動することによって各圧電体層１０が伸縮しようとするときには、絶縁膜１２ａ及び１２ｂもその伸縮（変位）に追随できるので、絶縁膜に起因する変位の制動はほとんどなくなる。
【００１５】
図２は、図１に示す絶縁膜１２ａ及び１２ｂを拡大して示している。図２においては、側面電極１３ａ及び１３ｂが省略されている。図２に示すように、各絶縁膜１２ａ及び１２ｂは、例えば、半円柱に似た形状を有している。
絶縁膜１２ａ及び１２ｂの幅（ｔＷ）は、内部電極層１２ａ及び１２ｂの端部を覆うことができる範囲で、なるべく狭くする方が望ましい。絶縁膜が、隣接する内部電極層の端部にかからないようにするためである。この条件は、１つの圧電体層の厚さＨＮを用いて、次式（１）によって表すことができる。
ｔＷ＝２ＳＨＮ  、Ｓ＜１  …（１）
式（１）において、Ｓは安全係数であり、実用的には０．７程度を上限とすることが望ましい。また、圧電体層１０の厚さは、圧電体層の積層数をＮとすると、ＨＮ＝ＨＴＯＴＡＬ／Ｎであり、例えば、５０μｍ〜１００μｍ程度である。絶縁膜の幅ｔＷは、例えば、内部電極層の厚さ（１μｍ〜３μｍ程度）の３倍程度から１４０μｍ程度までとなるように設計される。
【００１６】
一方、絶縁膜１２ａ及び１２ｂの厚さｔＨは、内部電極層１１ａ及び１１ｂと側面電極１３ａ及び１３ｂとの間における絶縁耐圧に関係するので、ポーリング時における積層型圧電素子の耐久性を高めるために、なるべく厚くする方が望ましい。
【００１７】
また、圧電素子の作製時には、圧電体に圧電性能を付与するためのポーリング（分極）処理が行われる。そのため、ポーリング処理時の印加電圧に耐え得るように絶縁膜１２ａ及び１２ｂのサイズを設計することが重要である。ここで、内部電極層１１ａ及び１１ｂの厚さは、圧電体層１０の厚さと比較して非常に小さいので、以下の説明においては、内部電極層１１ａ及び１１ｂの厚さを考慮しない。
【００１８】
図２に示すように、内部電極層１１ａ又は１１ｂの端部から絶縁膜１２ａ又は１２ｂの表面まで（側面電極１３ａ及び１３ｂとの境界まで）の最短距離をｈＺとすると、最短距離ｈＺはポーリング電圧に耐え得る厚さを有していなくてはならない。そのため、絶縁膜１２ａ及び１２ｂの電気絶縁耐圧をＥ（Ｖ／ｍ）、ポーリング電圧をＶＰとすると、ｈＺ＞ＶＰ／Ｅを満たすことが必要である。また、圧電体層の抗電界をＥＣ、厚さをＨＮとすると、ポーリング電圧ＶＰをＥＣ・ＨＮより大きくしなくてはならない。そこで、ポーリング電圧ＶＰを、ＶＰ＝ｎ・ＥＣ・ＨＮ（ｎ＞１）と表すと、次式（２）が成り立つ。
ｈＺ＞ｎ・ＥＣ・ＨＮ／Ｅ，ｎ＞１…（２）
ここで、ｎは余裕係数であり、圧電体層を十分にポーリングするために、通常、ｎ＝３〜５程度とされる。
【００１９】
そこで、式（１）の変形式ＨＮ＝ｔＷ／２Ｓを式（２）に代入すると、次式（３）が導かれる。
ｈＺ＞ｎ・ＥＣ・ｔＷ／２ＳＥ
ｔＷ／ｈＺ＜２ＳＥ／ｎＥＣ，ｎ＞１，Ｓ＜１  …（３）
【００２０】
ここで、図２に示すように、絶縁膜１２ａ及び１２ｂの断面が半円形状又は半楕円形状（ｔＨ≦ｔＷ／２）を有している場合に、最短距離ｈＺは、絶縁膜の高さｔＨに一致する。
式（３）より、ｎ＞１、Ｓ＜１を考慮すると、絶縁膜の幅／高さ比（ｔＷ／ｔＨ）の上限は２Ｅ／ＥＣより小さくなる。また、安全係数Ｓの望ましい範囲Ｓ＝０．４〜０．７、及び、余裕係数ｎの望ましい範囲ｎ＝３〜５を考慮すると、適切なｔＷ／ｔＨの範囲は、ｔＷ／ｔＨ＜０．１６Ｅ／ＥＣ（Ｓ＝０．４、ｎ＝３の場合）、ｔＷ／ｔＨ＜０．４７Ｅ／ＥＣ（Ｓ＝０．７、ｎ＝５の場合）等となる。
【００２１】
式（２）及び（３）によって示される条件に、具体的な数値を代入する。例えば、絶縁膜１２ａ及び１２ｂをエポキシ樹脂（電気絶縁耐圧Ｅ＝９×１０７Ｖ／ｍ）によって形成する場合に、余裕係数ｎを３、抗電界ＥＣを２×１０６Ｖ／ｍ、圧電体層の厚さＨＮを５０μｍとすると、絶縁膜の厚さ（又は、内部電極層の端部から絶縁膜の表面までの最短距離）を少なくとも３．３×１０−６ｍとすれば良い。また、安全係数Ｓを０．７とすると、絶縁膜の幅／厚さの比が約２１以内となるように、絶縁膜の幅を決定すれば良い。
【００２２】
後述するように、本実施形態においては、絶縁膜に対するこのような条件（サイズ及び形状）を達成するために、ある程度粘性のある液体の合成樹脂を用いて絶縁膜を形成している。
【００２３】
再び、図１を参照すると、側面電極１３ａは、内部電極層１１ｂの端部に接続されると共に、絶縁膜１２ａの表面を通ることにより内部電極層１１ａから絶縁されるように形成されている。また、側面電極１３ｂは、内部電極層１１ａの端部に接続されると共に、絶縁膜１２ｂの表面を通ることにより内部電極層１１ｂから絶縁されるように形成されている。
【００２４】
下部電極層１４は側面電極１３ａに接続されており、上部電極層１５は、側面電極１３ｂに接続されている。これらの下部電極層１４及び上部電極層１５は、内部電極層１１ａ及び１１ｂと同様に、１種類の材料によって形成されていても良いし、密着層及び導電層を含む複数層構造を有していても良い。
【００２５】
このような積層型圧電素子に、下部電極層１４及び上部電極層１５を介して電圧を供給する。それにより、各圧電体層１０における圧電効果により、積層型圧電素子が全体として伸縮する。このとき、先にも述べたように、樹脂によって形成されている絶縁膜１２ａ及び１２ｂは、各圧電体層１０の変位に追随する。そのため、各圧電体層１０は、絶縁膜１２ａ及び１２ｂに制動されることなく、本来の圧電性能を発揮することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法は、内部電極層の端部の絶縁膜を、ディスペンサを用いて形成することを第１の特徴としている。また、本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法は、絶縁膜の材料として、光硬化型（例えば、紫外線硬化型）の合成樹脂を用いることを第２の特徴としている。
【００２７】
まず、図３の（ａ）に示すように、複数の圧電体層２０と複数の電極層２１とが交互に積層された積層体を作製する。本実施形態においては、各層の厚さが約１００μｍの５層の圧電体層２０と、各層の厚さが約２μｍの４層の電極層２１とを積層する。圧電体層２０の材料はＰＺＴであり、電極層２１の材料は銀パラジウムである。
【００２８】
この積層体は、例えば、グリーンシート法を用いて作製しても良いし、銀パラジウム膜を形成したＰＺＴバルク材を積層することにより作製しても良いし、粉体状の材料を下層に向けて高速で吹き付けることにより材料を堆積させるエアロゾルデポジション（ＡＤ）法を用いて作製しても良い。なお、ＡＤ法は、セラミックス膜の形成方法として近年注目されている成膜方法である。
【００２９】
次に、そのようにして作製された積層体を所望の形状及び大きさに切断することにより、図３の（ｂ）に示す積層体２２を作製する。本実施形態においては、長さが約２５ｍｍとなるように積層体を切断し、さらに、幅が約５ｍｍとなるように積層体を切断する。その後に、アセトン等を用いて積層体２２をクリーニングし、絶縁膜形成面へのゴミの付着がないことを確認しておくことが望ましい。
【００３０】
次に、積層体２２の側面に露出している電極層２１の端部に絶縁膜を形成する。図４は、絶縁膜を形成するためのディスペンサ（ディスペンスシステム）を示す模式図である。ここで、ディスペンサとは、液体を定量供給するための装置又はシステムのことであり、液体の供給を制御するための制御装置（コントローラ）及び周辺機器を含んでいる。図４に示すように、本実施形態においては、コントローラ３０と、アダプタチューブ３１と、シリンジ３２と、プランジャ３３と、ノズル３４と、ノズルステージ３５と、試料ステージ３６と、治具３７とを含むシステムが用いられる。
コントローラ３０は、ステージの位置及び変位、並びに、ノズルからの液体吐出量（吐出速度）を含むディスペンサ全体の動作を制御する。コントローラ３０は、アダプタチューブ３１を介してシリンジ３２にエアを供給するためのコンプレッサを備えている。
【００３１】
シリンジ３２は、絶縁膜の材料である液体の合成樹脂が配置される容器であり、先端にはノズル３４が取り付けられている。このノズルは、内径が、例えば、１００μｍ以下の高精細ノズルである。或いは、ノズル３４の替わりにニードルを用いても良い。このシリンジ３２に、アダプタチューブ３１を介してエアを供給することにより、プランジャ３３がエアの圧力に応じて押し下げられる。それにより、シリンジ３２に充填された液体がノズル３４から吐出する。このノズル３４からの液体吐出量は、シリンジ３２に供給されるエアの圧力によって調節される。
【００３２】
ノズルステージ３５は、シリンジ３２を固定するための治具を備えており、コントローラ３０の制御の下でＸ軸方向に移動する。また、試料ステージ３６は、試料（本実施形態においては、積層体２２）を固定するための治具３７を備えており、治具３７は、コントローラ３０の制御の下でＹ軸方向に移動する。さらに、この治具３７には、あおり角θを調整するための機構が設けられている。
【００３３】
このようなディスペンサにおいて、積層体２２を、絶縁膜形成面が上を向き、電極層２１がＹ軸と並行になるように、治具３７を用いて試料ステージ３６にセットする。また、あおり角θの調整機構により、絶縁膜形成面が水平になるように調整しておく。一方、シリンジ３２に光硬化型樹脂を配置し、真空中で脱泡を行った後でノズルステージ３５にセットする。さらに、ノズル３４の先端を顕微鏡で観察しながら、光硬化型樹脂の塗布開始点に位置を合わせる。
【００３４】
また、オペレータが、コントローラ３０に対して、光硬化型樹脂の塗布開始点、塗布終了点、治具３７の移動速度、積層体２２（絶縁膜形成面）とノズル３４の先端との間隔、光硬化型樹脂の吐出圧力等をプログラムする。
【００３５】
コントローラ３０の制御の下で、光硬化型樹脂の塗布が開始される。ノズル３４が先端から光硬化型樹脂を吐出しながら、治具３７がＹ軸方向に移動し、それにより、電極層２１の端部に液体の光硬化型樹脂が塗布される。さらに、光硬化型樹脂の塗布領域に光（例えば、紫外線（ＵＶ））が照射される。液体の光硬化型樹脂は、光を照射されることにより硬化し、その結果、絶縁膜２３が形成される。このようにして、積層体２２に対して１列の光硬化型樹脂の塗布が終了すると、ノズルステージ３５がＸ軸方向に次の塗布開始点（１つおきの電極層の端部）まで移動し、同様に絶縁膜２３の形成が行われる。
【００３６】
同様に、積層体２２の反対側の面についても、絶縁膜２３が形成される。それにより、図５の（ａ）に示すように、２つの側面に互い違いに絶縁膜２３ａ及び２３ｂが形成された積層体が得られる。
ここで、電極層の端部に配置された液体の合成樹脂の形状及びサイズは、流体が流れ出す前に素早く硬化させれば、硬化後においてもあまり変化しない。従って、液体の合成樹脂を配置する際には、図２を参照しながら説明したように、圧電体層の抗電圧や合成樹脂の電気絶縁耐圧等を考慮して、合成樹脂の配置幅や配置高さを決定することができる。
【００３７】
次に、図５の（ｂ）に示すように、積層体２２の２つの絶縁膜形成面に、側面電極２４ａ及び２４ｂをそれぞれ形成し、さらに、下部電極層２５及び上部電極層２６を形成する。これらの電極は、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）等の導電性金属を用いて、蒸着又はスパッタ法等の公知の方法により形成することができる。その際には、下部電極層２５が側面電極２４ｂから絶縁され、上部電極層２６が側面電極２４ａから絶縁されるように、予めマスク等を形成しておく。それにより、本実施形態に係る積層型圧電素子が完成する。
【００３８】
さらに、側面電極２４ａ又は下部電極層と、側面電極２４ｂ又は上部電極層２６との間に、各圧電体層２０の抗電界ＥＣ×厚さＨＮより大きく、且つ、式（２）を満たす電圧ＶＰ（望ましくはＥＣ×ＨＮの３倍〜５倍程度）を印加することにより、圧電体層２０をポーリングする。それにより、積層型圧電素子に圧電性能が付与される。なお、このポーリング処理は、通常、絶縁オイル中において行われる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、下部電極層２５及び上部電極層２６を最後に形成しているが、図３の（ａ）に示す積層体を形成する際に、最下層及び最上層にも電極層を配置することにより、内部電極層と共に下部電極層２５及び上部電極層２６を形成しても良い。また、図５の（ｂ）に示す積層型圧電素子を破線に示す方向に切断することにより、さらに小型の積層型圧電素子を作製しても良い。
【００４０】
次に、本実施形態において絶縁膜の材料として用いるのに適した合成樹脂について説明する。
本実施形態においては、幅対厚さの比（ｔＷ／ｔＨ比）が低く（即ち、アスペクト比が高い）、十分な弾性を有する絶縁膜を形成するために、液体の合成樹脂を硬化させる。液体の樹脂を用いる場合には、ディスペンサを用いることによって所望の領域に所望の幅で液体の合成樹脂を塗布し、液体の粘度を調整することによって所望の厚さを得ることが可能となる。
【００４１】
液体の合成樹脂としては、粘度が５００ｍＰａ・ｓ〜３０００００ｍＰａ・ｓ程度のものを用いることが望ましく、さらに好ましくは、粘度が４０００ｍＰａ・ｓ〜５００００ｍＰａ・ｓ程度のものを用いることが望ましい。合成樹脂の粘度において５００ｍＰａ・ｓを下限とする理由は、合成樹脂の粘度が低すぎるとノズルから吐出した合成樹脂がすぐに流れてしまうので、塗布領域の幅が広く、厚さが薄くなってしまうからである（即ち、ｔＷ／ｔＨ比が上昇する）。例えば、２００ｍＰａ・ｓ程度の低粘度の合成樹脂を、内径が１００μｍ程度のノズルから吐出すると、絶縁膜の幅はすぐに２００μｍ以上に広がってしまう。そのような合成樹脂は、本実施形態におけるように、１つの圧電体層が１００μｍ程度の厚さを有する積層体に対応することができない。本来絶縁膜を形成すべきでない内部電極層の端部まで、合成樹脂が及んでしまうからである。また、合成樹脂の広がりに伴ってその厚さは薄くなるので、圧電体層を分極処理する際の絶縁耐圧（１００μｍ厚の圧電体層の場合には、例えば、６００Ｖ程度）を確保することができなくなってしまう。
【００４２】
一方、合成樹脂の粘度の上限を３００，０００ｍＰａ・ｓとする理由は、合成樹脂の粘度が高すぎると、合成樹脂をノズルから吐出する際に必要な圧力が、通常のコンプレッサによっては得ることが困難な大きさ（例えば、１．５ＭＰａ程度）になってしまうからである。また、そのように粘度の高い合成樹脂は均一に吐出することが困難なので、その結果形成された絶縁膜の幅も不均一になってしまう。
【００４３】
図６は、絶縁膜の材料の特性と、それらの材料を用いて絶縁膜が形成された積層型圧電素子の特性を示している。図６に示す試料Ｎｏ．１は、単層の圧電素子である（絶縁膜なし）。試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．１２は、絶縁膜として光（紫外線）硬化型樹脂を使用した積層型圧電素子であり、電極層の端部に液体の合成樹脂を塗布した後で、そこに紫外線を照射することにより樹脂を硬化させたものである。試料Ｎｏ．１３は、絶縁膜として、加熱により熱重合反応を生じて硬化する熱硬化型樹脂を使用した積層型圧電素子であり、電極層の端部に液体の合成樹脂を塗布した後で、試料を６０℃に１時間保つことにより樹脂を硬化させたものである。試料Ｎｏ．１４は、絶縁膜としてガラスを使用した積層型圧電素子であり、電気泳動法を用いて電極層の端部にガラス粒子を付着させた後で、加熱によりガラス粒子を軟化させ、さらに冷却することによりガラスを固着させたものである。
【００４４】
合成樹脂を用いて作製された試料Ｎｏ．２、４〜１１及び１３（粘度：５００ｍＰａ・ｓ〜１００，０００ｍＰａ・ｓ）においては、いずれも、良好な電気機械結合係数ｋ３３が得られていた（ｋ３３＝０．６７〜０．６９）。これは、圧電体単体の試料Ｎｏ．１における値（ｋ３３＝０．７１）と比較しても、満足できる数値と言える。試料Ｎｏ．４〜１１、１３においては、ｔＷ／ｔＨ比も１４以下に収まっており、圧電体層の薄層化に十分耐え得る範囲であると言える。試料Ｎｏ．２におけるｔＷ／ｔＨ比は若干大きいが（ｔＷ／ｔＨ＝２８．５）、圧電体層の厚さが１００μｍ程度であれば使用することは可能である。
【００４５】
それらと比較して、試料Ｎｏ．３においては、樹脂材料を用いているものの、粘度が低すぎるために（２００ｍＰａ・ｓ）、ディスペンサから吐出されると、光硬化するより先に隣の内部電極層まで広がってしまった（幅が約２００μｍ）。従って、このように粘度の低すぎる樹脂を用いて積層型圧電素子を作製することは困難であると言える。
【００４６】
また、試料Ｎｏ．１２においては、粘度が高すぎるために（５００，０００ｍＰａ・ｓ）、ノズルから樹脂を均一な幅で吐出することができなかった。従って、このように粘度の高すぎる樹脂は、積層型圧電素子の絶縁膜を形成するためには不適切であると言える。
【００４７】
さらに、試料Ｎｏ．１４においては、望ましい範囲のｔＷ／ｔＨ比を得ることはできたが、電気機械結合係数ｋ３３が低下してしまった。これは、ガラス材料のヤング率（５２．０×１０９Ｐａ、又は、５２．０×１０１０ｄｙｎ・ｃｍ−２）が樹脂材料のヤング率（１．３０×１０９Ｐａ〜１．８５×１０９Ｐａ、又は、１．３０×１０１０ｄｙｎ・ｃｍ−２〜１．８５×１０１０ｄｙｎ・ｃｍ−２）と比較して極めて大きいためである。これより、側面の絶縁膜によって圧電体の変位が制動されることにより、積層型圧電素子の機能が低下することが確認された。
【００４８】
このように、本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法においては、液体の状態で適切な粘度を有する合成樹脂を用いることにより、性能の良い積層型圧電素子を作製することができる。
ここで、先に説明した積層型圧電素子の製造方法において、光硬化型の合成樹脂を用いているのは、合成樹脂の塗布面に光を照射しながらディスペンサにより合成樹脂を塗布し、又は、合成樹脂を塗布した直後に光を照射することにより、塗布されたままの形状（例えば、半円柱に似た形状）やアスペクト比を概ね維持したまま硬化させることができるからである。この点において、光硬化型は、熱硬化型と異なり、液体が硬化するまでの時間が短く、硬化させるための設備は簡単なもの（例えば、紫外線源）で済み、試料を移動させるための手間が省けるので有利である。
【００４９】
一方、熱硬化型の合成樹脂を用いる場合においても、性能の良い積層型圧電素子を作製することができるのは、上記の通りである。しかしながら、熱硬化型を用いる場合には、光硬化型を用いる場合に比較して、硬化させるまで時間が長くなる傾向があるので（例えば、約１時間）、その間に樹脂の形状が著しく変形するのを避けるために、ある程度（例えば、１５，０００ｍＰａ・ｓ）以上の粘度を有する樹脂を用いることが望ましい。
【００５０】
また、光硬化型の合成樹脂を用いる場合においても、加熱により熱重合反応を生じさせて硬化させても良いし、光照射と加熱とを併用しても良い。後者の場合には、光照射のみを行う場合に比較して硬化速度を促進することができる。
さらに、光硬化型及び熱硬化型のいずれの合成樹脂を用いる場合においても、乾燥により合成樹脂を硬化させても良い。この場合には、光照射や加熱を行う場合よりも硬化するまでに長時間を要するので、比較的粘度の高い樹脂を用いることが望ましい。
【００５１】
本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を用いて積層型圧電素子を製造し、その性能を測定した。実施例においては、ウレタンアクリレート系光硬化型樹脂として、ケミテック株式会社製の紫外線硬化性樹脂５Ｘ７６７及びＵ−１４５５を用い、エポキシ系光硬化型樹脂として、米国のエポキシテクノロジー社製のエポテックＯＧ１１５及びＯＧ１４２を用いた。また、ディスペンサとしては、蛇の目ミシン工業株式会社製の卓上ロボットＪＲ２０００シリーズ（JANOME JR2000mini +EFD2200XL）を用いた。
また、比較例として、電気泳動法によりガラス粒子を付着させる方法を用いて積層型圧電素子を作製した。
【００５２】
実施例及び比較例における積層型圧電素子の特性を以下に示す。
電気機械結合係数ｋ３３      圧電歪定数ｄ３３
実施例（光硬化型樹脂絶縁膜）    ０．６７              ６４５ｐｍ／Ｖ
比較例（ガラス絶縁膜）          ０．６３              ６００ｐｍ／Ｖ
この結果に示すように、側面の絶縁膜を、従来のガラス材料から樹脂材料に変更することにより、積層型圧電素子の性能が１０％弱向上することが確認された。
【００５３】
以上説明した本実施形態においては、ディスペンサを用いることにより内部電極層の端部に液体の合成樹脂を塗布しているが、それ以外の液体供給機構を用いることにより、内部電極層の端部に合成樹脂を配置しても良い。例えば、インクジェット方式やスクリーン印刷法等を用いて合成樹脂を配置しても良いし、カートリッジが設けられたスタンプを内部電極層の端部に押下することにより合成樹脂を配置しても良い。或いは、ニードルの先に液体の合成樹脂を付着させ、そのニードルで内部電極層の端部をなぞったり、ニードルから合成樹脂を滴下することにより、合成樹脂を配置しても良い。
【００５４】
また、本実施形態においては、光硬化型樹脂を塗布しながら、樹脂に対する光照射を行っているが、積層体の１つの側面に対して樹脂の塗布を終了した後に、その側面に光を照射することにより、光硬化型樹脂を一斉に硬化させても良い。この場合においても、他の種類の樹脂を用いる場合よりも早く硬化させることができるので、絶縁膜のアスペクト比を高い状態に維持することが容易である。
【００５５】
また、本実施形態においては、積層型圧電素子が直方体の形状を有する場合について説明したが、その他にも様々な素子形状を用いることができる。例えば、積層型圧電素子の形状は、三角柱や五角柱等の多角柱状や、円柱状であっても良い。また、絶縁膜及び側面電極が形成される領域（側面領域）についても、２つの側面電極同士の接触を避けることができれば、向かい合う２つの側面（図１参照）に限定されない。例えば、図７に示すように、積層体２２の隣り合う２つの側面に、絶縁膜４１及び４２をそれぞれ形成し、それらの表層に、絶縁領域４３を挟む２つの側面電極４４及び４５を形成しても良い。或いは、図８に示すように、積層体２２の１つの側面に絶縁膜５１及び５２を互い違いになるように形成し、それらの表層に、下部電極２５に接続される側面電極５３と、上部電極２６に接続される側面電極５４とを並べて形成しても良い。なお、図８においては、絶縁膜５１及び５２、並びに、側面電極５３及び５４が、複数の領域に分けて形成されている。この場合には、積層体２２を破線の位置で切断することにより、複数の積層型圧電素子を同時に得ることができる。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、絶縁膜を合成樹脂によって形成することにより、積層型圧電素子の駆動時に十分な変位を得ることができる。また、ディスペンサ等の液体供給機構を用いて液体の合成樹脂を電極層の端部に配置するので、工程が簡単になると共に、圧電体層の薄層化に対応することが容易になる。さらに、本実施形態においては、ポーリング処理を考慮して絶縁膜のサイズや形状を規定するので、絶縁破壊を生じさせることなく、圧電体層を十分にポーリングすることが可能になる。従って、小型で、圧電性能の高い積層型圧電素子を得ることができ、そのような積層型圧電素子が適用される機器（超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等）の性能を向上させることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層型圧電素子及びその製造方法において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す一部断面斜視図である。
【図２】図１に示す絶縁膜を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法において用いられるディスペンサの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。
【図６】絶縁膜の材料の特性と、それらの材料を用いて絶縁膜が形成された積層型圧電素子の特性を示す図である。
【図７】絶縁膜及び側面電極の形成領域のバリエーションを示す図である。
【図８】絶縁膜及び側面電極の形成領域のバリエーションを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０、２０  圧電体層
１１ａ、１１ｂ、２１  内部電極層
１２ａ、１２ｂ、２３、２３ａ、２３ｂ、４１、４２、５１、５２  絶縁膜
１３ａ、１３ｂ、２４ａ、２４ｂ、４４、４５、５３、５４  側面電極
１４、２５  下部電極層
１５、２６  上部電極層
２２  積層体
３０  コントローラ
３１  アダプタチューブ
３２  シリンジ
３３  プランジャ
３４  ノズル
３５  ノズルステージ
３６  試料ステージ
３７  治具
４３  絶縁領域
【図１】
0005139672.tif 000002
【図２】
0005139672.tif 000003
【図３】
0005139672.tif 000004
【図４】
0005139672.tif 000005
【図５】
0005139672.tif 000006
【図６】
0005139672.tif 000007
【図７】
0005139672.tif 000008
【図８】
0005139672.tif 000009