(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子を作製する工程と、
この積層型圧電素子を分極する工程と、
この分極工程後に行う工程であって、電圧無印加時における前記不活性部の縁端部を基準とし、電圧印加時に前記縁端部が積層方向に垂直な一方向側に偏って振れる振れ量を△Ｒとするとき、電圧印加時における積層方向の伸び量△Ｌに対する前記振れ量△Ｒの比を検出する工程と、
前記比が小さくなるように前記積層型圧電素子の側面を研削加工する工程と、
この研削加工された側面を基準にして他の側面を研削加工する工程と、
を備えたことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項２】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子を作製する工程と、
この積層型圧電素子を分極する工程と、
この分極工程後に行う工程であって、電圧無印加時における前記不活性部の縁端部を基準とし、電圧印加時に前記縁端部が積層方向に垂直な一方向側に偏って振れる振れ量を△Ｒとするとき、電圧印加時における積層方向の伸び量△Ｌに対する前記振れ量△Ｒの比を検出する工程と、
前記振れ量△Ｒの振れ方向を基準にして前記積層型圧電素子を冶具に取り付ける工程と、
前記積層型圧電素子の側面を研削加工する工程であって、前記振れ量△Ｒを基準にして前記積層型圧電素子を研削方向に対して傾斜させた状態で、積層型圧電素子の前記振れ方向側の側面を平面研削盤により研削加工する工程と、
この研削加工された側面を基準にして他の側面を研削加工する工程と、
前記不活性部の両端面を研削加工する工程と、
を備えたことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に用いられる積層型圧電素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電歪効果を利用して大きな変位量を得るために、圧電体と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータが提案されている。このような積層型の圧電アクチュエータには、同時焼成タイプと焼結した圧電磁器と内部電極板を交互に積層したスタックタイプの２種類に分類されており、低電圧化、製造コストの低減の面から考慮すると、同時焼成タイプの積層型の圧電アクチュエータが薄層化および加工性に対して有利であるために、その優位性を増しつつある。
【０００３】
図６に、従来の同時焼成タイプの積層型圧電素子の構造を示した。図６のように圧電体１と内部電極２が交互に積層され、その積層方向端部は不活性層５を備えている。内部電極２はその一方の端部が左右交互に絶縁体３で被覆され、その上から外部電極４が内部電極２と左右各々一層おきに導通するように形成されている。そしてさらに外部電極４上には、リード線６がハンダ７により固定されている。
【０００４】
同時焼成タイプの積層型圧電素子として、例えば、特開平４−２３７１７２号公報には、アクチュエータ本体の側面に露出した内部電極の端部に一層おきにガラスからなる絶縁層を被覆し、Ｎｉ、Ａｇ等の耐酸化性良好な金属からなる外部電極には、絶縁層と同じピッチで、且つ絶縁層の断面よりやや大きい凹部を形成し、この凹部内に絶縁層を収容するようにして、且つ、凹部間の凸部に、絶縁層が形成されていない内部電極の端部を導電材＋ガラスフリット等からなる導電性ペーストで接合することにより、外部電極と一方の内部電極との電気的接続を確保し、他方の内部電極との絶縁を確保した積層型圧電アクチュエータが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年においては、小型の圧電アクチュエータに対して、大きな圧力下で大きな変位量を確保するために高い電界を印加し、しかも長期間連続駆動させるということが行われている。このように厳しい使用環境で使用されるため、圧電アクチュエータに電圧を印加した際の伸びの方向が圧電アクチュエータの積層方向からずれると、圧電アクチュエータを保持する周囲の構造部に片当たりして、その際の応力集中により圧電アクチュエータが破壊する恐れがある。
【０００６】
この点に関して、スタックタイプの圧電アクチュエータの場合、均一な厚みとなるように機械加工した圧電磁器を積層するため、電圧印加時の積層方向に垂直な方向の振れはほとんどない。
【０００７】
しかしながら、同時焼成タイプの積層型圧電素子の場合、圧電材料をテープ成形し、得られたセラミックグリーンシートを所定のサイズに切断後、該セラミックグリーンシートの表面に内部電極をプリントし、積層、加圧密着させ、さらに脱脂焼成することにより積層体を形成するため、圧電材料からなるセラミックグリーンシートの厚みや生密度のバラツキにより、焼成後の圧電磁器が微妙に変形してしまう。このため、電圧印加時に積層方向の伸びに加え、積層方向に垂直な方向の振れがわずかながら発生する。このため、本来の変位量が減少するとともに、積層型圧電素子に片荷重が加わり、結果として曲げ応力が発生するようになり、これが長期に亘ると圧電素子が破損するという問題があった。
【０００８】
また、分極前に積層型圧電素子の上下端面を加工し、上下端面の平行度の精度を上げ、駆動時に片荷重が発生しないように加工しても圧電磁器の厚みバラツキ等により、分極後、この平行度がくずれてしまう。結果として、そのまま駆動させると積層型圧電素子に片荷重が加わり、曲げ応力が発生し、更にこれが長期に渡ると圧電素子が破壊し、安定した耐久性を示さないという問題があった。
【０００９】
本発明は、本来の変位量を減少させずに長期間安定に使用できる耐久性の高い積層型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子を作製する工程と、この積層型圧電素子を分極する工程と、この分極工程後に行う工程であって、電圧無印加時における前記不活性部の縁端部を基準とし、電圧印加時に前記縁端部が積層方向に垂直な一方向側に偏って振れる振れ量を△Ｒとするとき、電圧印加時における積層方向の伸び量△Ｌに対する前記振れ量△Ｒの比を検出する工程と、前記比が小さくなるように前記積層型圧電素子の側面を研削加工する工程と、この研削加工された側面を基準にして他の側面を研削加工する工程と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子を作製する工程と、この積層型圧電素子を分極する工程と、この分極工程後に行う工程であって、電圧無印加時における前記不活性部の縁端部を基準とし、電圧印加時に前記縁端部が積層方向に垂直な一方向側に偏って振れる振れ量を△Ｒとするとき、電圧印加時における積層方向の伸び量△Ｌに対する前記振れ量△Ｒの比を検出する工程と、前記振れ量△Ｒの振れ方向を基準にして前記積層型圧電素子を冶具に取り付ける工程と、前記積層型圧電素子の側面を研削加工する工程であって、前記振れ量△Ｒを基準にして前記積層型圧電素子を研削方向に対して傾斜させた状態で、積層型圧電素子の前記振れ方向側の側面を平面研削盤により研削加工する工程と、この研削加工された側面を基準にして他の側面を研削加工する工程と、前記不活性部の両端面を研削加工する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明の積層型圧電素子の一実施例を示す斜視図、図２は図１のＡ―Ａ’線断面図である。
【００１４】
図１、２示すように、本発明の積層型圧電素子１０は、複数の圧電体１と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体１ａの側面において、内部電極２の端部に一層おきに絶縁体３を形成し、絶縁体３を形成していない内部電極２の端部を一対の外部電極４の各々に接続し、各外部電極層４にリード線６を接続固定し、端部に不活性層５を備えてなる。
【００１５】
本発明の積層型圧電素子１０は、図３に示すように、電圧印加時に積層方向の伸び量ΔＬに対する不活性部５の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比を１０％以下としたものである。振れ量ΔＲが前記伸び量ΔＬの１０％を越えると、本来の変位量が減少するとともに、積層型圧電素子１０に片荷重が加わり、結果として曲げ応力が発生するようになり、これが長期に亘ると圧電素子が破損するという問題が発生する。
【００１６】
以下、振れ量ΔＲの比を１０％以下とするための前記積層型圧電素子１０の加工方法を具体的に説明する。
【００１７】
まず、作製した積層型圧電素子１０の振れ量ΔＲを検出し、図４（ａ）に示すように、前記積層型圧電素子１０を積層方向の平行度が調整できるジグ１１に貼り付ける。この時、触れΔＲの振れ方向が上向きになるようにセットする。この後、このジグを平面研削盤にセットし、ダイヤルインジケーターで前記積層型圧電素子１１の上面の振れ量ΔＲが１μｍ以下になるようにジグ１１を上下方向に仮調整する。その後、（ｂ）に示すように、振れΔＲ分だけ前記積層型圧電素子１０を傾け、両端不活性部に差ができるようにジグ１１を精密に調整する。次に、（ｃ）に示すように、平面研削盤１２にて積層型圧電素子１０の側面が全面加工されるまで研削する。そして、ジグ１１から前記積層型圧電素子１０を取り外し、（ｄ）に示すように、全面加工した側面を基準にして、他の側面を平行度１μｍ以下になるように加工する。最後に、（ｅ）のように不活性部の両端面を加工する。
【００１８】
次に外部電極を再度形成し、評価装置にて伸び量ΔＬおよび振れ量ΔＲを再測定し、振れ量ΔＲが伸び量ΔＬに対して１０％以下になっていることを確認する。そして、もし振れ量ΔＲが１０％以下になっていない場合は、上記の操作を繰り返す。
【００１９】
このように、電圧印加時に積層型圧電素子１０の積層方向の伸び量ΔＬに対し、前記積層体端部に設置された不活性部５の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比が１０％以下であるように積層型圧電素子１０を加工し調整することにより、長時間駆動してもその耐久性にバラツキが生じず、安定した耐久性をしめす高信頼性のアクチュエータを提供することが出来る。
【００２０】
また、本発明では、図１に示すように、左右交互に形成されている内部電極２の取出し部に５０〜２００μｍ程度の深さの絶縁層３を埋設していることにより、上記のように側面加工を施しても、絶縁体３が除去されることはない。
【００２１】
前記圧電体１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3（以下ＰＺＴと略す）あるいは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3を主成分とする圧電セラミックス材料等で形成されている。この圧電セラミックスは、その圧電特性を示す圧電歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。
【００２２】
また、圧電体の厚み、つまり内部電極２間の距離は、５０〜２５０μｍが好ましい。積層型圧電素子１０は電圧を印加した際により大きな変位量を得るために、積層数を増加させる方法がとられるが、積層数を増加させた場合には圧電体１の厚みが厚すぎるとアクチュエータの小型化、薄型化ができなくなり、一方、圧電体１の厚みが薄すぎると絶縁破壊する。従って、圧電体１の厚みは５０〜２５０μｍとすることが望ましい。
【００２３】
前記圧電体１は、上下に多数積層されており、その間に内部電極２が配されている。前記内部電極２は銀、パラジウム、銀−パラジウム合金等の金属材料で形成されており、各圧電体１に所定の電圧を印加し、圧電体１に逆圧電効果による変位を起こさせる作用をなす。
【００２４】
前記、複数の圧電体１と複数の内部電極２とを交互に積層してなる積層体１ａは、先ず、ＰＺＴ等の圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子から成るバインダーと、ＤＢＰ（フタル酸ジオチル）、ＤＯＰ（フタル酸ジブチル）等の可塑剤とを混合してスラリーを作製するとともに、該スラリーを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成型法により圧電体１となるセラミックグリーンシートを作製する。
【００２５】
次に、銀−パラジウム粉末にバインダー、可塑剤等を添加混合して導電性ペーストを作製し、これを前記各セラミックシートの上面にスクリーン印刷等によって１〜４０μｍの厚みに印刷する。
【００２６】
そして、最後に上面に導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを上下に積層、所定の温度で脱バインダーを行った後、９００〜１２００℃で焼成することによって作製される。
【００２７】
さらに、前記積層体１ａのすべての側面には、前記内部電極２が露出しているが、少なくとも一つの側面において内部電極２の端部を含む圧電体１の端部に一層おきに深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅５０〜３００μｍの溝が形成されており、該溝部にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等の絶縁体３が充填されている。
【００２８】
このような構造とすることにより、内部電極を交互に取出すことが可能となり、また、電界の不均一により発生する応力を低減することができる。
【００２９】
前記内部電極２は絶縁体３によって端部が互い違いに一層おきに絶縁され、内部電極２の絶縁されていない他方の端部は後述する積層体１ａの側面に形成される正極および負極を成す一対の外部電極４に接続される。
【００３０】
なお、前記絶縁体３は積層体１ａとの接合を強固とするために積層体１ａの変位に対し、追従する弾性率が低い材料、具体的にはシリコーンゴム等が好適である。
【００３１】
また、前記積層体１ａの側面に一対の外部電極４が被着形成されており、該外部電極４には、積層されている内部電極２が一層おきに電気的に接合されている。また、前記外部電極４はそれに接続されている各内部電極２に圧電体１を逆圧電効果により変位させるに必要な電圧を共通に供給する作用をなす。さらに、前記外部電極４にはリード線６が接続固定されている。このリード線６は外部電極４を外部の電圧供給部に接続する作用をなす。そして、前記積層体１ａの積層方向の両端面には、積層体１ａを機械的に保持し、発生する力を外部へ伝達するための不活性部５が積層され、接合されている。この後、外部電極４に０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加することにより積層体１ａ全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電素子１０を得る。
【００３２】
このようにして得られた積層型圧電素子１０を、上下面の平行度が１μｍ以下、側面との直角度が１μｍ以下になるように加工し、図５に示す評価用装置にセットする。
【００３３】
図５に示す評価用装置は、所定の予荷重が印加できるようになっており、且つ積層方向の変位を測定するために非接触型の変位計２１が２個、また積層型圧電素子１０の端部にある不活性部５のラジアル方向の振れΔＲが測定できるように非接触型の変位計２２が複数個装備されている。
【００３４】
【実施例】
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００３５】
このグリーンシートの片面に、内部電極２となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを４００枚積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを１０枚積層した。この導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートの部分が不活性部となる。
【００３６】
次に、この積層体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダー処理を実施し、１１００℃で２時間の本焼成することにより積層型圧電素子本体となる積層焼結体を得た。その後、該積層焼結体の外周４面を研磨し、互いに向き合う面の平行度が２μｍ以下になるように加工した。その後、前記積層焼結体の上下端面を外周面に対して直角度が２μｍ以下、上下端面の平行度が２μｍ以下になるように加工した。
【００３７】
次に、素子本体の２つの側面において、内部電極２端部を含む圧電体１の端部に、該２側面において互い違いになるように、１層おきに深さ１００μｍ、積層方向の幅５０μｍの溝を形成し、絶縁体３を充填した。この後、絶縁されていない内部電極２の他方の端面は、予め塗布しておいた導電性耐熱接着剤に厚み０．５ｍｍの導電性部材の銀箔を密着させた状態で２００℃に加熱し、加熱硬化させることにより、外部電極４を形成し、この外部電極に１ｋＶの分極電圧を印加し、素子全体を分極処理して積層型圧電素子１０を作製した。同様な手法により積層型圧電素子を２０本作製した。
【００３８】
次に、積層型圧電素子１０を図５に示す評価用装置にセットし、２０ＭＰａの予荷重を加えた後、表１に示すように１５０〜２００Ｖの電圧を印加し、積層方向の伸び量ΔＬ、及び不活性部５のラジアル方向の振れ量ΔＲおよびその方向を測定した。その後、図４に示すように、前記積層型圧電素子１０を積層方向の平行度が調整できるジグ１１に振れ量ΔＲが上向きになるように張り付け、平面研削盤にセットする。そして、張り付けた積層型圧電素子１０面の振れ量ΔＲを伸び量ΔＬの１０％以下となるように平行度を調整した。その後、振れ量ΔＲの分だけ積層型圧電素子１０の端部が上昇するように平行度を調整した。そして、平面研削盤にて側面全面を平面加工する。次に他の側面を全面加工した側面を基準にして平面研削盤にて加工し、平行度１μｍ以下に仕上げた。この後、側面を基準にし、直角度１μｍ以下に不活性部５の端面を仕上げる。次に、前記評価装置にて伸び量ΔＬおよび振れ量ΔＲを再測定し、振れ量ΔＲが伸び量ΔＬに対し１０％以下になっていることを確認した。
【００３９】
このようにして、不活性部５の上下端面を再加工し、種々のΔＲ／ΔＬの比をもつ積層型圧電アクチュエータを作製した。
【００４０】
次に、これら積層型圧電素子１０の耐久性を比較するために、０Ｖから＋２００Ｖの直流電界を２００Ｈｚの周波数にて印加する耐久試験を行った。結果を表１に示した。
【００４１】
【表１】
0004109433.tif 000002
【００４２】
表１からも判るように、振れ量ΔＲが伸び量ΔＬに対し１０％を越える試料１１〜２０はその耐久性にバラツキがあり、安定した耐久性を示さない。また、駆動しなくなった試料を観察した結果、試料にクラックが発生しており、この部位を起点に両極間にてショートしているのが確認された。
【００４３】
これに対し、振れ量ΔＲが伸び量ΔＬに対し１０％以下である試料１〜１０は１×１０9回まで問題なく駆動することが判る。また耐久試験終了後に、これら試料１〜１０の外観を観察したが、長期駆動によるクラック等の発生がなく、安定した耐久性を示した。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の積層型圧電素子では、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し、端部に不活性部を備えてなる積層型圧電素子であって、電圧印加時の積層方向の伸び量ΔＬに対しする前記不活性部の積層方向に垂直な振れ量ΔＲの比が１０％以下積層型圧電素子とすることにより、積層型圧電素子の本来の変位をロスすることなく、かつ片当たり等による曲げ応力が発生せず、耐久性が良好で、且つ高信頼性のアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の積層型圧電素子の触れ量を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は本発明の積層型圧電素子の振れ量の調整方法を示す図である。
【図５】本発明の積層型圧電素子の変位量及び振れ量を測定する評価装置である。
【図６】従来の積層型圧電素子を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：圧電体
２：内部電極
３：絶縁体
４：外部電極
５：不活性層
６：リード線
７：ハンダ
【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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