(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミクス基板に溝を形成する第１工程と、この溝に金属を充填する第２工程と、上記圧電セラミクス基板の溝に対応して圧電セラミクス基板裏面に溝を形成する第３工程と、この溝に金属を充填して上記充填した金属と一体として内部電極及び外部電極を形成する第３工程と、この形成した内部電極及び外部電極をレーザー支援エッチングにより切断する第４工程と、を備える積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記第１工程にあって溝形成後、この溝内部に導電性の薄膜を堆積することを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記導電性の薄膜を電極として電解メッキにより金属を充填することを特徴とする、請求項２に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記第３工程にあって前記金属が露出するまで溝を加工することを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記金属を電解メッキして充填したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記第４工程にあって、前記レーザー支援エッチングにより前記内部電極を前記外部電極に対して交互に切断するとともに素子間分離をすることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記溝が格子状であることを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記溝をダイシング・ソーにより加工することを特徴とする、請求項１又は７に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項９】
前記レーザー支援エッチングにあって、反応性雰囲気として前記充填する金属のエッチャントを使用したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１０】
前記圧電セラミクス基板を、ＰＺＴ又はＰＺＴ系材料とすることを特徴とする、請求項１に記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、二次元に配列して二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータとすることを特徴とする、二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１２】
前記請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、電気配線のスイッチングアレイとすることを特徴とする、積層型圧電アクチュエータを用いたスイッチングアレイの製造方法。
【請求項１３】
前記請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、二次元に配列して二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータとし、
上記二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータを、アクチュエータ単体及び複数のアクチュエータからなるドットのいずれかを単位として触覚ディスプレイを形成することを特徴とする、積層型圧電アクチュエータを用いた触覚ディスプレイの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一次元アクチュエータアレイを一体製作するのに最適な積層型圧電アクチュエータの製造方法に関するものである。

【０００２】
【従来の技術】
通常、従来の積層型圧電アクチュエータは、圧電セラミクス粉末、バインダ及び溶媒などを混合して泥状にしたスラリーをキャスティング成膜したグリーンシート上に、内部電極となる銀ペーストを印刷したものを積層圧着し焼結することによって製造される。この積層型圧電アクチュエータは１００μｍ程度の厚さの圧電セラミクス層を１００層程度積層したものが一般的であり、１００Ｖの駆動電圧で１０μｍ程度の変位が得られる。この製造方法は、積層セラミクスコンデンサの製造方法を応用したものであり、大量かつ廉価に製造できるという特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の積層型圧電アクチュエータ製造方法では、特性の良好な積層体を得るために高い圧力をかけながら高温で焼結させる必要があり、大規模な炉等の施設が必要となる。
また、良好な圧電特性を得るには、焼結過程における圧力や温度などのパラメータの最適化が不可欠である。
【０００４】
さらに、従来の積層型圧電アクチュエータでは、積層体側面に切断後の内部電極を露出させ、この側面の内部電極端部の一層おきにガラス絶縁物を形成し、裏面には一層ずらした位置に同様にガラス絶縁物を形成し、最後にこれらの上から外部電極を塗布、焼き付けにより形成して全ての内部電極を一層おきに電気的に並列して接続しており、このガラス絶縁物をいかに正確にかつ能率良く形成するかが工業的に圧電アクチュエータ素子を大量生産するためのポイントになっている。
【０００５】
またアクチュエータアレイを製作する場合、個々のアクチュエータを何らかの手段で位置決めして並べる必要があり、作業効率が劣るという解決すべき課題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、焼結済み圧電セラミクス基板を用いることにより、大規模な炉などの設備や焼結条件の最適化を必要としないで、一次元アクチュエータアレイを容易に一体製作できるとともに最適な特性を持つ積層型圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法の請求項１記載の発明は、圧電セラミクス基板に溝を形成する第１工程と、溝に金属を充填する第２工程と、圧電セラミクス基板の溝に対応して圧電セラミクス基板裏面に溝を形成する第３工程と、溝に金属を充填して充填した金属と一体として内部電極及び外部電極を形成する第３工程と、形成した内部電極及び外部電極をレーザー支援エッチングにより切断する第４工程と、を備える構成とした。
【００１２】
さらに請求項２記載の発明は、上記構成に加え、第１工程にあって溝形成後、溝内部に導電性の薄膜を堆積することを特徴とするものである。
また請求項３記載の発明は、導電性の薄膜を電極として電解メッキにより金属を充填することを特徴とする。
さらに請求項４記載の発明は、第３工程にあって、金属が露出するまで溝を加工することを特徴とする。
また請求項５記載の発明は、金属を電解メッキして充填したことを特徴とする。
【００１３】
さらに請求項６記載の発明は、第４工程にあって、レーザー支援エッチングにより内部電極を外部電極に対して交互に切断するとともに素子間分離をすることを特徴とするものである。
また請求項７記載の発明は、溝が格子状であることを特徴とする。
さらに請求項８記載の発明は、溝をダイシング・ソーにより加工することを特徴とするものである。
また請求項９記載の発明は、レーザー支援エッチングにあって、反応性雰囲気として充填する金属のエッチャントを使用したことを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、圧電セラミクス基板を、ＰＺＴ又はＰＺＴ系材料とすることを特徴とする。
請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、二次元に配列して二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータとすることを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、電気配線のスイッチングアレイとすることを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項１〜１０の何れかに記載の積層型圧電アクチュエータを、二次元に配列して二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータとし、この二次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータを、アクチュエータ単体及び複数のアクチュエータからなるドットのいずれかを単位として触覚ディスプレイを形成することを特徴とする。
【００１４】
このような構成により、この発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、大規模な炉などの設備及び焼結条件の最適化が不要でかつ容易に一次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータを製造することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の積層型圧電アクチュエータは、断面が数ｍｍ×０．５ｍｍ程度で、１００μｍ程度の幅の圧電セラミクス層を積層した物である。
焼結済みの圧電セラミクス基板を用いることで、大規模な設備や焼結条件の最適化を必要としない積層型圧電アクチュエータの製造方法を実現する。
この積層型圧電アクチュエータはダイシング加工で形成した狭くて深い溝の内部に、ニッケルの電解メッキにより内部電極及び外部電極となる金属を充填し、レーザー支援エッチングにより内部電極と外部電極の接続部を局所的に切断することで、積層アクチュエータとして動作する構造を得ることができる。
【００１６】
また、本発明は、直線状に複数個の積層型圧電アクチュエータが規則的に配列した基板に対し、レーザー支援エッチングを行い、アクチュエータ各素子間の不要部分を切断することで、積層型圧電アクチュエータの一次元アレイ構造を一体成形することができるものである。
【００１７】
以下、図面に示した好適な実施の形態の詳細を説明する。
図１は本発明の積層型圧電アクチュエータ製造方法を示す図であり、（ａ）は製造工程図、（ｂ）は工程図（２）における圧電セラミクス基板の一部の上面図、（ｃ）は工程図（８）における圧電セラミクス基板の一部上面図である。
図１を参照して、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの製造方法は、先ず、図１（ａ）の工程図（１）及び（２）に示すように、厚さが５００μｍ程度の平板形状の圧電セラミクス基板１の表面に、この表面から深さが１００μｍ程度、幅が３０μｍ程度の溝を１３０μｍ程度のピッチで、図１（ｂ）に示すように格子状の溝３を加工する。
【００１８】
この溝加工には例えばダイシング・ソーを使用し、溝加工用のダイシング・ブレードとしては例えば厚さ２５μｍの非常に薄い物を使用する。
この格子状の溝３の深さは、後述する電解メッキで溝内部に空洞が生じないように金属を充填可能な１００μｍ程度と浅く形成するのがよい。
【００１９】
圧電セラミクス基板としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ3 ）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ（ＴｉX 、Ｚｒ1-X ）3 ）及び結晶成分Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ以外の微量成分を添加したＰＺＴ系材料等を使用できるが、圧電特性の良好な材料がよい。なお、ここではＰＺＴ系材料はＰＺＴも含む。
【００２０】
次に、工程図（３）に示すように格子状の溝３の溝内部を含む圧電セラミクス基板１表面上に導電性の薄膜５をスパッターなどで堆積し、工程図（４）に示すように圧電セラミクス基板１上面の堆積した薄膜を研磨して取り除く。
導電性の薄膜は膜の密着性がよくスパッタリングで形成可能な物が好ましい。
例えば本実施形態ではＡｕ／Ｃｒを使用した。
【００２１】
次いで工程図（５）に示すように、導電性の薄膜５を電極として、例えばニッケルの電解メッキを行い、格子状の溝３内部を金属電極７、例えばニッケルで充填する。図示していないが本実施形態ではニッケルの電解メッキ浴として、内部応力が低く、高速なメッキが可能なスルファミン酸ニッケル及び塩化ニッケルの混合浴を用いた。
【００２２】
次に工程図（６）に示すように、圧電セラミクス基板１裏面から金属電極７が露出する約４００μｍの深さまで第一回目のダイシング加工と位置を合わせて、第二回目のダイシング可能を行う。このとき底部に金属電極が露出しないと、次の電解メッキを行うことが不可能となるので、第二回目のダイシング位置及び深さは正確に合わせる必要がある。
【００２３】
そして、工程図（７）に示すように、第一回目にメッキしたニッケルを電極として第二回目のニッケル電解メッキを行い、格子状の溝３をニッケルで完全に充填し、電極部９を形成する。
このようにダイシングと電解メッキを二回行うことにより幅の狭い高アスペクト比の溝に空洞を生じずに金属を充填することができる。
なお、後述するがこの電極部は積層型圧電アクチュエータの内部電極及び外部電極になるが、本実施形態では同時に一体的に形成可能である。
【００２４】
最後に、工程図（８）及び図１（ｃ）に示すように、レーザー支援エッチング（以下、「ＬＡＥ」と記す）により、反応性雰囲気中で試料の表面にレーザーを収束して照射し、電極部９を内部電極１３と外部電極１５とが交互につながっているように局所的に切断する。
【００２５】
このＬＡＥによる局所的にエッチングする技術は、使用するレーザーの波長や反応性雰囲気の組み合わせによって、各種の圧電セラミクスに適用できる。
なお、工程図（８）及び図１（ｃ）における１１は切断部を示す。また工程図（８）は図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面の一部を端面に示す。
【００２６】
図２は本実施形態に係る格子状の溝に電極部が形成された圧電セラミクス基板の上面図であり、（ａ）は図１（ａ）の工程図（８）で示した圧電セラミクス基板の両端部に形成されていた金属電極を除去した上面図、（ｂ）は（ａ）図の一方の端部を切断した上面図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、内部電極１３が交互に外部電極１５につながっているように電極部９を切断し、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、同時に積層型圧電アクチュエータ素子２０間の分離も行い、この積層型圧電アクチュエータ素子２０が一次元アレイ構造に形成される。
【００２８】
したがって、本実施形態の積層型圧電アクチュエータの製造方法では、ＬＡＥによって圧電セラミクス基板の一部をつないだまま素子間だけを分離することができるので、一体型の一次元のアクチュエータ・アレイが容易に製作できるとともに、層数の多い積層アクチュエータが製造できる。
【００２９】
次に本実施形態に係るＬＡＥについて説明する。
図３は本実施形態に係るＬＡＥ装置概略図である。
図３を参照して本実施形態に係るＬＡＥ装置３０は、パルスステージ２１と、このパルスステージを駆動するパルスモータードライバー２３と、パルスステージを制御するステージコントローラ２５と、このステージコントローラとＮｄ：ＹＡＧレーザー２９に同期制御信号を送り制御するコンピュータ２７と、反射鏡３１と、レンズ３３と、ＰＺＴ３５を固定台３６に取り付けると共にＦｅＣｌ3 水溶液３７中に入れた容器３９とを備えている。
なお、図３中の矢印は制御信号の流れを示す。
【００３０】
通常、ＰＺＴのＬＡＥでは反応性雰囲気としてＫＯＨ水溶液が使用されるが、本実施形態ではＰＺＴと同時にニッケルのエッチングを行う必要がある。ニッケルはＫＯＨ水溶液に対する耐性が高く、レーザー光によってアシストしても容易にはエッチングされない。そこで、ＫＯＨの代わりに、ニッケルのエッチャントの一つであるＦｅＣｌ3 水溶液を使用する。
【００３１】
しかし、通常使用されるような３０〜４０ｗｔ％程度の溶液を使用すると、レーザーを照射していない部分までエッチングされてしまうので、２〜５ｗｔ％の希薄な水溶液を使用するのが好ましい。
このようにＦｅＣｌ3 水溶液ではレーザー光を照射した部分が加熱され、化学反応が促進された結果、ニッケル部分もエッチングすることができる。
【００３２】
次に、本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータについて説明する。
図１に示した製造工程は、一枚の圧電セラミクス基板上に複数の積層型圧電アクチュエータを形成したもので、一次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータが製造できる。これらを切り離してアクチュエータ単体として使用することも可能である。
【００３３】
本発明に係る積層型圧電アクチュエータは、一方の外部電極に立設した内部電極と、他方の外部電極に立設した内部電極とを相互に対向して設け、これら一以上の両内部電極間に圧電体を固定して挟み込んだ構造を備えるものである。
【００３４】
図４は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ単体の外観図である。
図４を参照して、積層型圧電アクチュエータ単体４０は、内部電極４３が交互に外部電極４５，４５に接続され、この内部電極４３，４３間に圧電セラミクス４１が挟まれ、層構造をなす圧電セラミクス４１が外部電極４５，４５に対して間隙４６を有する。つまり、櫛形の電極４５，４５を２つ相互に噛み合わせ、内側に位置する電極４３，４３間に圧電セラミクス４１を挟んだ構造を有する。
この積層型圧電アクチュエータ単体４０の外部電極４５，４５に電圧印加可能に電気端子４８が設けられる。
【００３５】
圧電セラミクスのＰＺＴ層の幅Ｌ1 は１００μｍ、ニッケル内部電極４３の幅Ｌ2 は３０μｍ、厚さｄは５００μｍである。
特性を評価するために、（ａ）幅Ｗが３ｍｍ、ＰＺＴ層数Ｎが２３層、（ｂ）幅Ｗが２ｍｍ、ＰＺＴ層数Ｎが６０層、（ｃ）幅Ｗが２ｍｍ、ＰＺＴ層数Ｎが１２０層、の同形状の積層型圧電アクチュエータを作製した。
これらの積層型圧電アクチュエータを分極した後、電圧を印加して変位を測定した。分極条件は１００℃、ＤＣ２００Ｖ、３０分である。
【００３６】
図５は本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの変位特性図である。
図５に示すように、１００Ｖの電圧を加えたとき圧電効果により、Ｎが２３層で２．５μｍ、Ｎが１２０層で７．３μｍの変位が得られる。これらの値は使用した材料の圧電定数から計算される変位とほぼ一致しており、バルク材料の圧電特性がそのまま反映されている。
したがって本発明に係る積層型圧電アクチュエータでは変位発生力や周波数応答についても圧電特性から計算される特性が得られる。
【００３７】
従来のグリーンシートの積層体を焼結するプロセスでは、焼結時の条件の変化によって圧電特性がばらつく恐れがあるが、本実施形態では圧電セラミクスのバルク材料をダイシングするため圧電特性のばらつきが生じる恐れが無く、特性の揃った積層型圧電アクチュエータを製作することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の使用方法について説明する。
図６は本発明に係る触覚ディスプレイ用アクチュエータ・アレイの外観図である。
図６に示すように、本発明に係る触覚ディスプレイ用アクチュエータ・アレイ５０は、例えば配線基板５３上に一次元アレイ構造積層型圧電アクチュエータ５１を二次元状に配列したものであり、各積層型圧電アクチュエータ単体又はドット状を形成する複数の積層型圧電アクチュエータを触覚に対応する点ドットにして触覚ディスプレイに利用するものである。
【００３９】
また一次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータでは、電気配線のスイッチングアレイに適用可能であり、また積層型圧電アクチュエータ単体ではディスクなどのポジショナーとしても利用可能である。
【００４０】
なお、本発明は例示的な実施の形態について説明したが、開示した実施形態に関して、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変更、省略、追加が可能であることは当業者において自明である。したがって本発明は実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された構成要素によって規定される範囲及びその均等範囲を包含するものとして理解されなければならない。
さらに好適な実施の形態において説明する具体的な数値等は本発明の範囲を限定するものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明の積層型圧電アクチュエータでは、圧電特性のばらつきがなく、最適な変位発生力や周波数応答を得ることができるという効果を有する。
また本発明の積層型圧電アクチュエータの製造方法では、大規模な炉などの設備及び焼結条件の最適化が不要でかつ容易に一次元アレイ構造の積層型圧電アクチュエータを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電アクチュエータ製造方法を示す図であり、（ａ）は製造工程図、（ｂ）は工程図（２）における圧電セラミクス基板の一部上面図、（ｃ）は工程図（８）における圧電セラミクス基板の一部上面図である。
【図２】本実施形態に係る格子状の溝に電極部が形成された圧電セラミクス基板の上面図であり、（ａ）は図１（ａ）の工程図（８）で示した圧電セラミクス基板の両端部に形成されていた金属電極を除去した上面図、（ｂ）は（ａ）図の一方の端部を切断した上面図である。
【図３】本実施形態に係るＬＡＥ装置の概略図である。
【図４】本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータ単体の外観図である。
【図５】本実施形態に係る積層型圧電アクチュエータの変位特性図である。
【図６】本発明に係る触覚ディスプレイ用アクチュエータ・アレイの外観図である。
【符号の説明】
１    圧電セラミクス基板
３    格子状の溝
５    薄膜
７    金属電極
９    電極部
１１  切断部
１３，４３  内部電極
１５，４５  外部電極
２０  積層型圧電アクチュエータ素子
２１  パルスステージ
２３  パルスモータードライバー
２５  ステージコントローラ
２７  コンピュータ
２９  レーザー
３１  反射鏡
３３  レンズ
３５  ＰＺＴ
３６  固定台
３７  ＦｅＣｌ3 水溶液
３９  容器
４０  積層型圧電アクチュエータ単体
４１  圧電セラミクス
４６  間隙
４８  電気端子
５０  触覚ディスプレイ用アクチュエータ・アレイ
５１  一次元アレイ構造積層型圧電アクチュエータ
５３  配線基板
【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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