JP2003046158A - 圧電素子用部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電素子用部材を形成する厚みの薄い圧電セラ
ミック板と厚みの厚い他の基板とを接着層を介して貼り
付けるにあたり、接着剤の収縮や圧電セラミック板の分
極処理により圧電素子用部材の外周部に反りが発生し、
また、うねりが発生するという課題があった。 【解決手段】圧電素子用部材１を形成する厚みの薄い圧
電セラミック板２と厚みの厚い他の基板３とを接着層４
を介して貼り付けるにあたり、圧電セラミックスからな
る基板２の少なくとも接着面２ａと反対側の表面２ｂに
おける表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ以下と
するとともに、圧電セラミック板２には、接着面２ａか
ら接着面と反対の表面２ｂに向けて分極処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、アクチュエータ、
ダイヤフラム、ブザー等の圧電素子に使用される、圧電
セラミック板と他の基板とを接着層を介して貼り合わせ
た圧電素子用部材に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、アクチュエータ、ダイヤフラム、
ブザーなどには、上面に電極層を備えた圧電セラミック
板と、この圧電セラミック板を補強あるいは固定するた
めの補助板とを導電性を有する熱硬化性接着剤からなる
接着層を介して貼り付けた圧電素子が用いられている。 【０００３】特に、アクチュエータに関しては、近年、
精密加工分野や光学分野において、サブミクロンオーダ
ーでの位置制御が求められており、この位置制御に圧電
セラミックスに電界を加えたときに起こる逆圧電効果や
電歪効果に基づく変位を利用したものが多く使用されて
いる。 【０００４】このような圧電素子を製造するには、例え
ばアルミナ、ジルコニア、フォルステライト等の絶縁性
セラミックスや樹脂あるいは金属からなる補助板の接着
面に、スキージ法、スクリーン印刷法、オフセット印刷
法、デイスペンサー等の方法にてペースト状の導電性を
有する熱硬化性接着剤を塗布した後、予め厚み方向に分
極処理を施した圧電セラミック板を重ね、加圧しながら
接着剤を加熱硬化させ、しかる後、圧電セラミック板の
上面に電極層を形成するようになっていた。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した圧
電素子を形成する圧電セラミック板と補助板とを貼り付
けるにあたり、圧電セラミック板及び補助板の接着面に
はラップ式研磨加工や平面研削加工を施して平坦に仕上
げた後、補助板の接着面にペースト状の導電性を有する
熱硬化性接着剤を塗布し、次いで圧電セラミック板を重
ねた後、加圧しながら接着剤を加熱硬化させるのである
が、圧電セラミック板の厚みが補助板より薄い場合、接
着剤が収縮することで、補助板の外周部が接着層側に反
り、その結果、圧電素子全体に反りが発生するという課
題があった。しかも、圧電セラミック板に、その上面か
ら接着面に向かう分極処理を施すと、圧電素子の反りが
さらに大きくなるといった不都合があった。 【０００６】また、圧電セラミックスからなる基板の厚
みが薄い場合、うねりを生じることがあり、このような
うねりを有する基板を補助板に貼り合わせると、圧電セ
ラミックスからなる基板はうねりを持ったまま貼り合わ
されることになり、接着層の厚みを均一にすることがで
きないといった課題があった。 【０００７】その為、このような反りやうねりがある圧
電素子用部材をアクチュエータ等に使用すると、所望の
変位が得られなかったり、変位の精度が悪いといった課
題があった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、厚みの異なる二枚の基板を接着層をを介して
貼り合わせてなり、上記二枚の基板のうち厚みの薄い基
板を圧電セラミックスにより形成した圧電素子用部材で
あって、上記圧電セラミックスからなる基板の少なくと
も接着面と反対側の表面における表面粗さを算術平均粗
さ（Ｒａ）で１μｍ以下とするとともに、上記圧電セラ
ミックスからなる基板には、上記接着面から接着面と反
対の表面に向けて分極処理を施すようにしたことを特徴
とする。 【０００９】なお、本発明において、「接着面から接着
面と反対の表面に向けて分極処理を施すようにした」と
は、圧電セラミックスからなる基板の接着面側に正の電
圧を、接着面と反対側の表面側に負の電圧をそれぞれ印
加して分極処理を施したことを言う。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。 【００１１】図１は、本発明の圧電素子用部材の一例を
示す一部を破断した斜視図、図２は本発明の圧電素子用
部材の一例を示す断面図である。 【００１２】この圧電素子用部材１は、厚みの薄い圧電
セラミックスからなる基板２と、基板２よりも厚みの厚
い他の基板３とを熱硬化性接着剤からなる接着層４を介
して貼り付けたもので、例えば、この圧電素子用部材１
をアクチュエータとして利用するには、他の基板３に、
アルミナ等の絶縁性セラミックス、あるいは金属や樹脂
を用いるとともに、接着層４に導電性を有する熱硬化性
接着剤を用い、かつ圧電セラミックスからなる基板２に
接着面２ａから接着面２ａと反対側の表面２ｂに向けて
分極処理を施し（接着面２ａに正の電圧を、接着面２ａ
と反対側の表面２ｂに負の電圧をかけて分極処理す
る）、基板２の接着面２ａと反対側の表面２ｂに、銀、
ニッケル等の金属あるいはこれらの合金を、蒸着法やメ
ッキ法にて被着して電極層を形成すれば良く、接着層４
と電極層との間に電圧を印加すれば、基板２の厚み方向
と垂直の横方向に基板２が屈曲変位をし、アクチュエー
タとして機能させることができる。 【００１３】また、このような圧電素子用部材１を製造
するには、焼結された圧電セラミックスからなる基板２
を用意し、遊離砥粒として粒径が５〜１０μｍの炭化珪
素粒子を用いた両面ラップ盤によるラップ式研磨加工を
施すか、あるいは粒径が５〜１０μｍのダイヤモンド砥
粒を固着したダイヤモンドホイールを用いた平面研削盤
による平面研削加工を施して所定の厚みを持ち、少なく
とも接着面２ａと反対側の表面２ｂにおける表面粗さを
算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下にした圧電セラ
ミックスからなる基板２を製作する。 【００１４】また、他の基板３も上述と同様な加工を行
い、基板２より厚くしたものを製作する。 【００１５】次に、圧電セラミックスからなる基板２の
接着面２ａ及び接着面２ａと反対側の表面２ｂにそれぞ
れ銀等の電極層を形成し、シリコンオイル中にて例えば
１．０〜３．０ｋＶ／ｍｍの電界を印加し、接着面２ａ
に形成した電極層に正の電圧を、接着面２ａと反対側の
表面２ｂに負の電圧を印加して分極処理を施した後、両
電極層を除去する。そして、他の基板３の接着面３ａに
ペースト状の熱硬化性接着剤を塗布し、次いで圧電セラ
ミックスからなる基板２の接着面２ａを基板３の接着面
３ａと対向させて重ねた後、加圧しながら接着剤を加熱
硬化させることにより得ることができる。 【００１６】そして、本発明の圧電素子用部材１によれ
ば、上述したように、厚みの薄い圧電セラミックスから
なる基板２に、接着面２ａから接着面２ａと反対側の表
面２ｂに向かう分極処理を施してあることを特徴とす
る。 【００１７】即ち、圧電素子用部材１を形成する厚みの
薄い圧電セラミックス（分極処理なし）からなる基板２
と、厚みの厚い他の基板３の接着面２ａ，３ａ間にペー
スト状の熱硬化性接着剤を介在させ、加圧しながら加熱
硬化させる際、接着剤が収縮し、特に基板３の接着面３
ａ側には収縮応力が、基板３の接着面３ａと反対側の表
面３ｂには引っ張りの応力が作用し、図４に示すように
圧電素子用部材１の外周部が接着層側に反ることにな
る。 【００１８】一方、圧電セラミックスからなる基板２に
は圧電効果を発揮させるため、分極処理を施すのである
が、分極前は平坦な板であっても、分極後は図３に示す
ように、電圧のプラス極側からマイナス極側への分極方
向と反対方向に基板２の外周部が反る傾向がある。 【００１９】そこで、本件発明者は、この両者の現象に
着目し、圧電素子用部材１における圧電セラミックスか
らなる基板２に、接着面２ａ（プラス極側）から接着面
２ａの反対側の表面２ｂ（マイナス極側）に向けて分極
処理を施すことで、接着剤の収縮に伴い反りを発生させ
ようとする力を、分極処理により基板２を変形させよう
とする力で相殺させ、図２に示すように、反りが少ない
圧電素子用部材１が得られることを見出した。 【００２０】また、圧電セラミックスからなる基板２へ
の分極処理にあたっては、電界の強度を大きくすること
で分極の度合いが大きくなり、その結果、反り具合も大
きくなる。従って、分極処理時に加える電界強度を、圧
電セラミックスの圧電特性を損なわない範囲で制御する
ことにより、圧電素子用部材１の反りをさらに低減する
ことが可能となる。 【００２１】ただし、圧電素子用部材１における圧電セ
ラミックスの圧電効果を十分に発揮させるためには、圧
電セラミックスからなる基板２に加える分極方向を設定
するだけでなく、圧電セラミックスからなる基板２の少
なくとも接着面２ａと反対側の表面２ｂにおける表面粗
さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ以下とすることが重
要である。 【００２２】即ち、圧電セラミックスからなる基板２の
少なくとも接着面２ａと反対側の表面２ｂにおける表面
粗さが粗いと、分極処理により発生する引っ張り応力が
表面全体にわたって均一に発生せず、局部的に負荷され
るため、うねりを伴った反りが発生するものと考えられ
る。 【００２３】そして、本件発明者の実験によれば、圧電
セラミックスからなる基板２の接着面２ａと反対側の表
面２ｂにおける表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１．
０μｍを超えると、うねりを伴った反りを十分に解消す
ることができず、圧電セラミックスからなる基板２の少
なくとも接着面２ａと反対側の表面２ｂにおける表面粗
さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下とすること
で、圧電セラミックスからなる基板２の接着面２ａと反
対側の表面２ｂ全体に引っ張り応力を一様に発生させ、
うねりの度合いを十分に低減することができるため、他
の基板３に貼り合わせれば、接着層４の厚みを均一にす
ることができ、反りの少ない圧電素子用部材１が得られ
ることを見出し、本発明に至った。 【００２４】好ましくは圧電セラミックスからなる基板
２の少なくとも接着面２ａと反対側の表面２ｂにおける
表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍ以下とす
ることが良く、このようにすることで圧電素子用部材１
の反りをより一層低減することができる。 【００２５】なお、基板３の表面粗さについては特に限
定するものではないが、圧電素子用部材１の安定した変
位が得られるようにするため、算術平均粗さ（Ｒａ）で
５μｍ以下とすれば良い。 【００２６】ところで、このような圧電素子用部材１の
基板２を形成する圧電セラミックスとしては、特に限定
するものではないが、アクチュエータ、ダイヤフラム、
ブザー等の振動源として一般的に用いられている、チタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、チタン酸鉛（ＰＴ
系）、あるいはこれらを主成分とし、圧電定数等を高め
るためにＭｇ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、ＴｅやＳｒ、
Ｂａ等を少なくとも一種以上置換した圧電セラミックス
を用いることができる。 【００２７】また、圧電セラミックスからなる基板２に
貼り付ける他の基板３としては、目的や用途にあわせ
て、金属、樹脂、セラミックス等の材料の中から適宜選
択して用いれば良く、例えば、金属としては、スズ、ア
ルミニウム、銅、ニッケル、チタン、鉄、モリブデン、
あるいはこれらを含有した合金、さらにはステンレス等
を用いることができ、また、セラミックスとしては、ア
ルミナ、ジルコニア、フォルステライト、窒化珪素等を
主成分とする絶縁性セラミックスを用いることができ
る。なお、圧電素子用部材１を例えばブザー等に利用す
る場合、基板３のヤング率が高すぎると効率良く振動し
ない可能性があるため、このような場合、基板３をヤン
グ率が２００ＧＰａ以下のジルコニア等のセラミックス
や金属等で形成することにより、圧電セラミックスから
なる基板２の電圧付加による振動が基板３によって減衰
されず、効率良く振動させることができ、好ましい。ま
た、高い接着強度が要求されるような場合には、基板２
を形成する圧電セラミックスとの熱膨張差ができるだけ
近似した材料を基板３に用いることが好ましい。 【００２８】また、上記基板２及び３の寸法は用途によ
り様々であるが、例えば角板の場合、１０ｍｍ〜２５０
ｍｍ×２０ｍｍ〜３００ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍ
の寸法の基板を用いれば良い。 【００２９】さらに、接着層４を形成する熱硬化性接着
剤としては、エポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、
フェノール系接着剤等の一般的な熱硬化性接着剤を用い
ることができ、中でも高い接着強度が得られるエポキシ
系接着剤が好適である。また、接着層４に導電性を持た
せる場合には、上記熱硬化性接着剤中に導電性を有する
導電性付与剤を添加したものを用いれば良い。 【００３０】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は、図１及び図２に示す圧電素子用部材１に
限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範
囲であれば、改良や変更できることはいう迄もない。 【００３１】 【実施例】ここで、圧電セラミックスからなる厚みの薄
い基板と、圧電セラミック製の基板より厚みの厚い他の
基板とを熱硬化性接着剤からなる接着層を介して貼り合
わせた圧電素子用部材において、圧電セラミックスから
なる基板の分極方向と、接着面と反対側の表面における
表面粗さを異ならせた時の反りの大きさやうねりの有無
ついて調べる実験を行った。 【００３２】具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を主成分とする圧電セラミックスからなり、その板
厚が０．７ｍｍの基板を用意し、この基板の上下面に銀
の電極層をそれぞれ被着し、電極層間に通電して基板厚
み方向に２．０ｋＶ／ｍｍの電界を負荷して分極処理を
施した後、上下の電極膜を取り除き、粒径５μｍの炭化
珪素砥粒を用いてラップ加工を行うことにより、外形寸
法が５０ｍｍ×５０ｍｍで、接着面と反対側の表面にお
ける表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜
３．０μｍの範囲で異ならせた板厚が０．２ｍｍの基板
をそれぞれ製作した。 【００３３】次に、ジルコニアセラミックス及びモリブ
デンからなり、外形寸法が５０ｍｍ×５０ｍｍ、板厚が
０．７ｍｍである他の基板の接着面にエポキシ系接着剤
（商品名；ＥＰＯＴＥＫ３５３−ＮＤ）を転写法にて塗
布した後、上記圧電セラミックスからなる基板の接着面
を貼り合わせ、真空チャンバー内にて、８ＫＰａの減圧
下で、加圧しながら１００〜１５０℃の温度で熱処理す
ることによって、エポキシ系接着剤を硬化させることに
より、試料となる圧電素子用部材を製作した。 【００３４】なお、他の基板の表面粗さは算術平均粗さ
（Ｒａ）で１．０μｍとなるようにした。 【００３５】そして、得られた各圧電素子用部材の反り
の大きさとうねりの有無を測定した。 【００３６】なお、圧電セラミックスからなる基板の反
りの大きさとうねりの有無、及び圧電素子用部材の反り
の大きさは、表面粗さ測定機を使用して、圧電セラミッ
クスからなる基板及び圧電素子用部材の表面上の対角線
上にて測定長さ５０ｍｍでの表面粗さ曲線の形状から測
定した。反りは表面曲線の最上部（測定開始点または終
了点）と最下部（測定中央部または基板の中央部付近）
の高さの差とした。また、うねりについては表面曲線の
形状を見て有るか無いかの判断をした。 【００３７】また、圧電セラミックスからなる基板と貼
り合わせる他の基板については、基板表面の算術平均粗
さ（Ｒａ）が０．１μｍ〜０．２μｍのものを使用し
た。 【００３８】それぞれの結果は表１に示す通りである。 【００３９】 【表１】【００４０】この結果、表１より判るように、試料Ｎ
ｏ．１〜７のように、圧電セラミックスからなる基板
に、その接着面（正の電圧）から接着面と反対の表面
（負の電圧）に向けて分極処理を施せば、試料Ｎｏ．
８，９のように、圧電セラミックスからなる基板に、接
着面と反対の表面（正の電圧）から接着面（負の電圧）
に向けて分極処理を施したものと比較して圧電素子用部
材１の反りを大幅に低減できることが判る。 【００４１】ただし、試料Ｎｏ．５〜７のように、圧電
セラミックスからなる基板の接着面と反対側の表面にお
ける表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍを超
えると、圧電セラミックスからなる基板にうねりを伴っ
た反りが発生し、その結果、この圧電セラミックスから
なる基板を貼り合わせた圧電素子用部材もまた反りが大
きくなっていた。 【００４２】これに対し、試料Ｎｏ．１〜４に示すよう
に、圧電セラミックスからなる基板に、その接着面（正
の電圧）から接着面と反対の表面（負の電圧）に向けて
分極処理を施すとともに、圧電セラミックスからなる基
板の接着面と反対側の表面における表面粗さを算術平均
粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下とすれば、圧電セラミッ
クスからなる基板にうねりを生じることがなく、その結
果、この圧電セラミックスからなる基板を貼り合わせた
圧電素子用部材の反りを極めて小さくすることができ、
優れていた。 【００４３】この結果、圧電セラミックスからなる基板
に、その接着面（正の電圧）から接着面と反対の表面
（負の電圧）に向けて分極処理を施すとともに、圧電セ
ラミックスからなる基板の接着面と反対側の表面におけ
る表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下と
すれば、反りの少ない圧電素子用部材を得ることがで
き、この圧電素子用部材をアクチュエータに用いれば、
安定して所望の変位を発生させることができることが判
る。 【００４４】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、厚みの
異なる二枚の基板を接着層を介して貼り合わせてなり、
上記の基板のうち厚みの薄い基板を圧電セラミックスに
より形成した圧電素子であって、上記圧電セラミックス
からなる基板の少なくとも接着面と反対側の表面におけ
る表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ以下とする
とともに、上記圧電セラミックスからなる基板には、上
記接着面から接着面と反対の表面に向けて分極処理をす
ることにより、反りやうねりのない圧電素子用部材を提
供することができ、例えばこの圧電素子用部材をアクチ
ュエータに用いれば、安定して所望の変位が得られる信
頼性の高い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】本発明の圧電素子用部材の一例を示す一部を破
断した斜視図である。 【図２】本発明の圧電素子用部材の一例を示す断面図で
ある。 【図３】分極処理した圧電セラミックスからなる基板の
反り状態を示す断面図である。 【図４】厚みの薄い圧電セラミックスからなる基板と厚
みの厚い他の基板とを貼り合わせた時の状態を示す断面
図である。 【符号の説明】 １：圧電素子用部材 ２：圧電セラミックスからなる基
板 ２ａ：接着面 ２ｂ：接着面と反対側の表面 ３：他の基板 ３ａ：接
着面 ３ｂ：接着面と反対側の表面 ４：接着層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】厚みの異なる二枚の基板を接着層を介して
   貼り合わせてなり、上記二枚の基板のうち厚みの薄い基
   板を圧電セラミックスにより形成した圧電素子用部材で
   あって、上記圧電セラミックスからなる基板の少なくと
   も接着面と反対側の表面における表面粗さを算術平均粗
   さ（Ｒａ）で１μｍ以下とするとともに、上記圧電セラ
   ミックスからなる基板には、上記接着面から接着面と反
   対の表面に向けて分極処理を施してあることを特徴とす
   る圧電素子用部材。