(57)【要約】【課題】ブロック焼成から多層圧電素子を切り出したときに、その切断面に内部電極層の個所に生じる金属層の伸び（バリ）を無くし、多層圧電素子の信頼性を向上させる。【解決手段】内部電極層が形成された圧電セラミックのシートを複数枚積層して第１の熱処理（焼成）を行う温度Ｔ１と、ブロック焼成体から切り出して多層圧電素子を作製した後に第２の熱処理（焼成）を行う温度Ｔ２において、Ｔ１＜Ｔ２のようにする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に内部電極層が形成された圧電セラミックのシートを複数枚積層したシート積層体を形成する工程と、
前記シート積層体を熱処理してシート焼成体を形成する第１の熱処理工程と、
前記シート焼成体を分割してブロック焼成体を切り出し、多層圧電素子に分離する工程と、
前記多層圧電素子を熱処理する第２の熱処理工程とを有し、
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記第２の熱処理工程の熱処理温度よりも低いことを特徴とする多層圧電素子の形成方法。
【請求項２】
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越えない温度であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越える温度であることを特徴とする請求項１記載の多層圧電素子の形成方法。
【請求項３】
前記圧電セラミックは、ＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）とＰＴ（チタン酸鉛）とＰＺ（ジルコン酸鉛）の成分からなることを特徴とする請求項１または２記載の多層圧電素子の形成方法。
【請求項４】
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は９００〜１０００℃の範囲であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は１１５０〜１２５０℃の範囲であ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多層圧電素子の形成方法。
【請求項５】
前記内部電極層は、前記圧電セラミックと同じ組成の粉体を、５体積パーセント以上５０体積パーセント以下、好ましくは１０〜３０体積パーセントを含む金属導電体ペーストを用いて形成されることを特徴とする請求項１または３記載の多層圧電素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信頼性の高い多層圧電素子の製造方法に関し、特に、多層圧電素子の製造工程において、内部電極層を有する多層積層構造の圧電セラミック焼成体を切断して個別の圧電素子を形成するとき、切断面において内部電極層が上下に伸びたバリが生じ、その結果、内部電極間を短絡させるに至るなどの不具合の発生を効果的に抑制する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器の小型化、精密化が進み、微小な移動距離を高精度に制御可能な小型アクチュエータに用いられる圧電素子の高信頼化への要求が高まっている。例えば、磁気ディスク装置は年々大容量化が図られており、ディスクのトラック幅を狭くする必要から、トラック方向の磁気ディスク用ヘッドの位置制御を再現性良く高精度に行うことが要求され、このヘッドのアクチュエータに用いられる小型の圧電素子の高信頼性化は不可欠となっている。
【０００３】
このような圧電素子、特に小型で駆動性の高い多層（または積層）圧電素子は、従来、図６に示すようなフローによる製造工程で作製されていた。（例えば、特許文献１で示される従来の方法。）
すなわち、先ず圧電性のセラミック粉末とバインダ、溶媒とを混合してスラリーを作成し、これをシート化して圧電セラミックシートを形成する。この圧電セラミックシートの一方の面に導電性金属を含むペーストを用いてスクリーン印刷して内部電極層を形成する。このシートを所要枚数積層することで多層化した後、プレスして圧着し、脱バインダを行った後、例えば１２００℃前後の高温で焼成してシートの焼成体を得る。次に、この焼成体を、例えばダイシングソーを用いて所望の大きさのブロックに分割し、分割された側面のうち内部電極層が露出している対向する側面に駆動用電極を形成する。この後、このブロックを切断して、圧電セラミックと内部電極層とが互い違いに櫛歯上に積層されている、所要の多層圧電素子に分離する。その後、用途に応じた形での外部電極へのリード付け、および外装を施してアクチュエータ圧電素子として完成していた。つまり、従来の多くは、セラミックシートを積層後、一度の焼成を行って圧電素子の形成をしていた。
【０００４】
他方、上記の特許文献１では、積層後の焼成温度を１１２０℃（２時間）でおこない、圧電素子に切り出し後、３００〜５００℃（〜１０分）の熱処理を行うことで、潤滑油や洗浄液の分解、また残留応力の開放の結果、工程中に導入されたガラス絶縁物の絶縁不良が改善されるとしている。
【０００５】
また、特許文献２では、積層後の焼成温度を約１２００℃（数時間）でおこない、圧電素子に切り出し後、８００℃（２時間）の熱処理を行うことで、切り出しによる切断面に発生していたマイクロクラックを修復できるとしている。
【特許文献１】特開平０４−１７９２８５号公報
【特許文献２】特開平６−２５２４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７（７−１）に、典型的な多層圧電素子の模式図を示す。多層圧電素子１００は、圧電セラミック層１０１が図示されるように多層に積層され、駆動用電極１０２（対向面にも形成されている）に接続された第１の内部電極層１０３と、図示されない、駆動用電極１０２に対向する他側面の駆動用電極に接続された第２の内部電極層１０４とによって、内部電極層と圧電セラミックとが互い違いに櫛歯状に交差しており、二つの内部電極層の交差部分が、圧電駆動力が活性化される個所である活性部１０５となる。図示された多層圧電素子１００の場合は、活性部１０５は４層からなっていることを示す。
【０００７】
図７（７−２）は、上記の従来の方法（積層セラミックシートの焼成のみの方法）で製造された多層圧電素子における、（７−１）の図中のＡ部、すなわち多層圧電素子１００の活性部１０５の側面、つまりブロックからダイシングソーで切り出したときの活性部１０５の切断面を顕微鏡（ＳＥＭ：２次電子顕微鏡）で観察したときの図である。図中に圧電セラミック１０１の層、第１の内部電極層１０３、第２の内部電極層１０４が観察される。本図で示す圧電素子においては、圧電セラミックの粉末を焼成した圧電セラミック層１０１の厚さは約３５μｍ、金属材料としてＰｔ（白金）からなるペーストを用いた各内部電極層の厚さは約２μｍである。この様な薄い層による多層圧電素子は、例えば大容量磁気ディスク装置のヘッド用アクチュエータなどにおいて、所要の変位量や寸法制約などを実現するために用いられる。
【０００８】
図７（７−２）中のＢ部で示されるように、ここでは第２の内部電極層１０４に、約５μｍ程度の電極層の上下方向への伸び（バリ）が生じていることがわかる。この現象は、第１の内部電極層１０３、第２の内部電極層１０４に関わりなく生じ、バリの長さはまちまちであるが、〜５μｍからそれ以上に達するものも観察される。
【０００９】
このバリ発生の原因としては、ダイシングソーでのブロック切断時に、金属層である内部電極層が引き千切られるように切断されるような状況となるために金属層の外側にバリが生じる、あるいは切断時の摩擦熱による金属層の溶融のために、その金属が切断面で本来の金属層厚よりも上下に広がってバリが発生すると考えられる。
【００１０】
この様な内部電極層に生じる相対的に長いバリは、結果的に内部電極間の間隔を狭めるように働き、なかでも薄いセラミック層を有する圧電素子においては、内部電極間の短絡の原因ともなる。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、この様な切断面での電極層の上下方向への伸び（バリ）の発生を効果的に抑制し、特に薄い層が積層されて形成される多層圧電素子において、信頼性の高い圧電素子の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、一方の面に内部電極層が形成された圧電セラミックのシートを複数枚積層したシート積層体を形成する工程と、前記シート積層体を熱処理してシート焼成体を形成する第１の熱処理工程と、前記シート焼成体を分割してブロック焼成体を切り出し、多層圧電素子に分離する工程と、前記多層圧電素子を熱処理する第２の熱処理工程とを有し、前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記第２の熱処理工程の熱処理温度よりも低いことを特徴とする多層圧電素子の形成方法、によって可能となる。
【００１３】
また、前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越えない温度であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越える温度であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記圧電セラミックは、ＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）とＰＴ（チタン酸鉛）とＰＺ（ジルコン酸鉛）の成分からなることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１の熱処理工程の熱処理温度は９００〜１０００℃の範囲であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は１１５０〜１２５０℃の範囲であることを特徴とする。
【００１６】
そして、前記圧電セラミックは、ＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）とＰＴ（チタン酸鉛）とＰＺ（ジルコン酸鉛）とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方法により、ダイシングソーなどで切り出された多層圧電素子の切断面において、内部電極層からの上下方向への伸び（バリ）の発生が抑制される。これにより、特に薄い圧電セラミック層を積層して形成される多層圧電素子などでは、内部電極間の短絡などの障害を減少することが可能となり、信頼性の高い多層圧電素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
【００１９】
（実施の形態）
図１〜図３は、本発明の実施の形態を説明するのに用いる、多層圧電素子を形成するための工程模式図である。本実施例においては、先ず、圧電セラミック粉末としてＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛）およびＰＺ（ジルコン酸鉛）の成分の粉末を用い、そのモル比は、例えば、０．５ＰＮＮ：０．３５ＰＴ：０．１５ＰＺとした。これを所定量の有機バインダ、例えばＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を用いて混合してスラリー化し、ドクターブレード法によって、図１（１−１）に示す様に、焼成前の、厚さ約６０μｍの圧電セラミックシート１（グリーンシート）を得る。
【００２０】
この圧電セラミックシート１上に、前記のＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺの粉末を２０体積％含むＰｔ（白金）ペーストをスクリーン印刷法によって、膜厚が約５μｍとなる内部電極パターンを塗布する。そして、図１（１−２）に示す様に、内部電極２が塗布された圧電セラミックシート１を所要枚数分用意し、それを積層した後、プレスして圧着し、図１（１−３）に示すように、シート積層体３を作製する。
【００２１】
次に、このシート積層体３を、大気中の雰囲気で、５００℃の電気炉内に保持して、脱バインダを行った後、これを、大気中の雰囲気、９００℃の電気炉内で、約３時間の第１の熱処理（焼成）を行い、図２（２−１）の示す、シート焼成体４を作製する。そして、これを、ダイシングソーを用いて、所定方向にブロックに分割し、図２（２−２）に示すように、ブロック焼成体５を作製する。
【００２２】
次に、このブロック焼成体５の対向する側面に内部電極層が露出している両露出側面に、Ｐｔ（白金）からなる駆動用電極を形成する。その様子を図２（２−３）に示す。同図の（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図であり、これらの図から解るように、ブロック焼成体５に駆動用電極６が形成されている。（ｂ）側面図に見られるように、内部電極２の露出側面（対向する側面も同様）に駆動用電極６が形成されている。
【００２３】
次に、図３（３−１）に示すように、駆動用電極６が形成されたブロック焼成体５を、ダイシングソーを用いて所定方向に、所定サイズに切断して、圧電セラミック層と内部電極層とが互い違いに櫛歯状に積層された構造をなす多層圧電素子７を切り出す。図示されているように、多層圧電素子７の側面に（図示されない対向の側面も同様）、駆動用電極６が形成されている。更に、この多層圧電素子７を、再度焼成処理を行うべく、大気中の雰囲気、１１５０℃の電気炉内で、約３時間の第２の熱処理（焼成）を行って、図３（３−２）に示すように、本発明に係る、第２の熱処理済みの多層圧電素子８を作製する。
【００２４】
こうして作製した多層圧電素子は、セラミック層の厚さは約３５μｍ、内部電極層の厚さは約２μｍであった。もちろん、これらの厚さは、圧電セラミックシート１（グリーンシート）の厚さや、スクリーン印刷時のペーストの厚さによって適宜制御することが可能である。
【００２５】
以上の実施例を工程フローとして、図４に示す。図６の従来の方法の工程フローと比較して明らかのように、２回の熱処理（焼成）を行い、かつ一度目の熱処理の温度Ｔ１は二度目の熱処理の温度Ｔ２より熱処理温度（焼成温度）を低くして形成した、
本実施例による多層圧電素子の切断面と、従来のように、一度の熱処理（積層プレス後に、大気中、１１５０℃で３時間の焼成）で、それ以外は同一条件で形成した多層圧電素子の切断面との比較を図５に示す。
【００２６】
図５（５−１）は、従来の一度の熱処理工程による圧電素子の切断面の顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときの図であり、圧電セラミック層１０を挟んで、第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２が形成されているが、いずれの内部電極層にも約５μｍないしそれ以上の内部電極層の上下方向への伸び（バリ）が観察されている。それに対して、図５（５−２）は本発明になる二度の熱処理による圧電素子の切断面の顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときの図である。こらから解るように、圧電セラミック層１３を挟んで、第１の内部電極層１４および第２の内部電極層１５が形成されているが、いずれの内部電極層もほとんどバリの発生は観察されず、著しくバリの発生が抑制されている（最大でも２μｍ以下となっている）多層圧電素子を形成することができた。
【００２７】
本実施例では、第１の熱処理温度を９００℃とし、第２の熱処理温度を１１５０℃としたが、第１の熱処理温度を９００〜１０００℃の範囲で変え、第２の熱処理温度を１１５０〜１２５０℃の範囲に変えても、同様な効果を得ることを確認した。
【００２８】
このように、第１の熱処理温度を上記の範囲の比較的低い温度設定することで、圧電セラミックが十分な緻密化が達成されていない状況になっており、切断時に発生した内部電極層のバリが、その後の第２の熱処理をより高温度に設定して行うことで、圧電セラミックと内部電極層が十分な緻密化が行われる際、バリも収縮すると考えられる。
【００２９】
なお、先に示した、特許文献１および２においては、いずれも２回の熱処理を行って（素子に分離後の熱処理を加えて）いるが、共に、先ず高温で圧電セラミック層の十分な緻密化が熱処理（焼成）を行い、素子に分離後に最初の熱処理より低い温度で熱処理を行っている。このため、本発明で得られたような、特に薄い積層による多層圧電素子で問題となるバリの発生に対する抑制効果は得られない。
【００３０】
また、実施例において、圧電セラミックの粉末の組成として、０．５ＰＮＮ：０．３５ＰＴ：０．１５ＰＺの体積比のものを使用したが、この組成比に限られるものではなく、適宜組成比を変化させて、所要の圧電効果を有する圧電素子を形成できる。
【００３１】
圧電セラミックの材料に関しては、実施例ではＰＮＮ―ＰＴ―ＰＺの混合粉末を用いて説明を行ったが、これに限られない。例えば、ニッケルニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマスなどを単体で、あるいは混合物として含まれるセラミックを挙げることができる。それらの材料に応じて、本発明の方法によって、第１の熱処理温度と第２の熱処理温度を適宜選択することで、実施例と同様の効果を得ることが可能となる。
【００３２】
また、実施例において、内部電極用ペーストとして、圧電セラミックと同じ組成の粉体が２０体積％含む金属導電体（Ｐｔ）ペーストを用いた。このように圧電セラミックと同じ組成の粉体を混入することは、圧電セラミック層と内部電極層との密着性を向上するために有効な方法である。またこれの混合比は２０体積％に限らず、５体積％以上５０％以下、１０〜３０体積％にすることが好ましく、これによって所要の抵抗値を適宜得ることができる。
【００３３】
また、本実施例では駆動用電極として、本実施例の製造工程においては、ブロック焼成体に駆動用電極を形成し、この後、圧電素子に分割して、再度熱処理を加えるために、その熱処理温度に耐え得る代表的な材料としてＰｔを用いたが、これに限らない。また、駆動用電極の形成を圧電素子分割後に行う工程を採用すれば、耐熱温度のより低い材料を適用することも可能となる。
【００３４】
以上の実施例を含む実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００３５】
（付記１）
一方の面に内部電極層が形成された圧電セラミックのシートを複数枚積層したシート積層体を形成する工程と、
前記シート積層体を熱処理してシート焼成体を形成する第１の熱処理工程と、
前記シート焼成体を分割してブロック焼成体を切り出し、多層圧電素子に分離する工程と、
前記多層圧電素子を熱処理する第２の熱処理工程とを有し、
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記第２の熱処理工程の熱処理温度よりも低いことを特徴とする多層圧電素子の形成方法。
【００３６】
（付記２）
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越えない温度であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は、前記圧電セラミックの緻密化温度を越える温度であることを特徴とする付記１記載の多層圧電素子の形成方法。
【００３７】
（付記３）
前記圧電セラミックは、ＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）とＰＴ（チタン酸鉛）とＰＺ（ジルコン酸鉛）の成分からなることを特徴とする付記１または２記載の多層圧電素子の形成方法。
【００３８】
（付記４）
前記第１の熱処理工程の熱処理温度は９００〜１０００℃の範囲であり、前記第２の熱処理工程の熱処理温度は１１５０〜１２５０℃の範囲であることを特徴とする付記１ないし３のいずれかに記載の多層圧電素子の形成方法。
【００３９】
（付記５）
前記内部電極層は、前記圧電セラミックと同じ組成の粉体を、５体積パーセント以上５０体積パーセント以下、好ましくは１０〜３０体積パーセントを含む金属導電体ペーストを用いて形成されることを特徴とする付記１または３記載の多層圧電素子の形成方法。
【００４０】
（付記６）
前記金属導電体はＰｔ（白金）であることを特徴とする付記５記載の多層圧電素子の形成方法。
【００４１】
（付記７）
前記圧電セラミックの、ＰＮＮ（ニッケルニオブ酸鉛）とＰＴ（チタン酸鉛）とＰＺ（ジルコン酸鉛）の各成分のモル比は、順に０．５：０．３５：０．１５であることを特徴とする付記３記載の多層圧電素子の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の多層圧電素子を形成するための工程模式図（その１）
【図２】本発明の多層圧電素子を形成するための工程模式図（その２）
【図３】本発明の多層圧電素子を形成するための工程模式図（その３）
【図４】多層圧電素子を形成するための本発明の方法の製造工程フロー
【図５】本発明の効果を説明するための図
【図６】多層圧電素子を形成するための従来の方法の製造工程フロー
【図７】従来の方法による多層圧電素子の切断面に生じるバリを説明する図
【符号の説明】
【００４３】
１    圧電セラミックシート
２    内部電極
３    シート積層体
４    シート焼成体
５    ブロック焼成体
６、１０２    駆動用電極
７    多層圧電素子（第２の熱処理前）
８    多層圧電素子（第２の熱処理後）
１０、１３、１０１    圧電セラミック層
１１、１４、１０３    第１の内部電極層
１２，１５、１０４    第２の内部電極層
１００    多層圧電素子
１０５    活性部
【図１】
2007134561.tif 000003
【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】
2007134561.tif 000008
【図７】
2007134561.tif 000009