JP2012191733A - 圧電素子、圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動波モータに用いる圧電素子の非電極部をより好ましい機械的な性質にすることができ、さらに安価な製造コストで提供することが可能となる圧電素子、圧電素子を有する圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】
圧電層と電極層とが重ねられて構成された電極部と、前記電極部に接して電極層を含まない圧電層から構成された非電極部と、を含む圧電素子であって、前記非電極部は、前記電極部の圧電層よりも密度が小さい領域を含む構成を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気−機械エネルギー変換機能を有する、圧電層と電極層とが重ねられた圧電素子に関し、特に、振動波モータや圧電アクチュエータなどに適した圧電素子、圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび振動波モータに関する。

圧電材料は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気−機械エネルギー変換機能を有する代表的な材料である。
圧電材料からなる圧電素子はその特徴から、振動波モータや圧電アクチュエータなどを始めとして、多種多様な圧電素子を使った圧電アクチュエータに使われている。
特に最近は、単一の板状の圧電素子だけでなく、複数の圧電層と電極層とを交互に重ねて積層化し、一体焼成した積層圧電素子や単一板状に焼成した圧電素子を積み重ねて接着した積層圧電素子が使われている。
これは積層化によって、単一の板状の圧電素子と比べて低電圧で大きな変位や大きな力が得られるためである。とりわけ、小型化や薄層化には一体焼成した積層圧電素子が適している。
従来において、振動波駆動装置としての振動波モータでは、棒状の振動波モータの振動体の一部を構成する積層圧電素子に関して、多くの提案がなされている。この積層圧電素子は、複数の圧電材料からなる圧電層と、各圧電層の表面に設けられ、電極材料からなる電極層（内部電極とも呼ばれている）とから構成されている。

例えば、特許文献１では、棒状の振動波モータの振動体に用いられる積層圧電素子として、図９に示すような積層圧電素子が開示されている。
ここでは、積層圧電素子４０を構成する最上層を除く複数の圧電層４２の表面に、複数の電極層４３が設けられている。
電極層４３は４分割されて形成されている（図中では、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−の８種類のものが示されている。）。
そして、各電極層４３と接続されて圧電層４２の外縁部まで延びる接続電極４３ａ（図中、黒色に塗りつぶしている部分）が形成されている。
この各接続電極４３ａは、積層圧電素子４０の外周部に設けられた層間の導通を図る外部電極４４により接続されている。
積層圧電素子４０を構成する最上層の圧電層４２の表面には複数の表面電極４５が設けられ、接続電極４３ａの位置に合わせて設けられ外部電極４４と接続されている。
分極処理は、表面電極４５を介して各電極層４３のＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−に、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し、直流電圧をＡ＋に（＋）、Ａ−に（−）、Ｂ＋に（＋）、Ｂ−に（−）を印加する。これにより、振動波モータの駆動が可能な分極極性となるようにされている。

さらに、図１０は、図９の積層圧電素子４０を、棒状の振動波モータ５０の振動体５１に組み込んだ例を示す断面図である。
図１０において、積層圧電素子４０は、振動体５１を構成する中空の金属部材５３と金属部材５４の間にフレキシブル回路基板５２と一緒に挟み込まれた状態でボルト５５で固定されている。
振動体５１の軸方向一方の側には、ばね５６とばね支持体５７を介して、金属部材５４の先端部と加圧されて接触するロータ５８が配置され、回転するギヤ５９により回転出力を取り出すことができる。
棒状の振動波モータ５０の駆動方法は、振動体５１に組み込んだ積層圧電素子４０のＡ＋、Ａ−、ＡＧ＋、ＡＧ−からなるＡ相と、Ｂ＋、Ｂ−、ＢＧ＋、ＢＧ−からなるＢ相とに、時間的位相がπ／２ほど異なる交流電圧を印加する。
この結果、軸方向に対して直交する２つの曲げ振動を回転する首ふり運動に代えて励起し、振動体５１を構成する金属部材５４の先端部を摩擦面として、この金属部材５４に加圧されて接触するロータ５８が摩擦接触により回転する。

上記従来例のように、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−に、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し、直流電圧をＡ＋に（＋）、Ａ−に（−）、Ｂ＋に（＋）、Ｂ−に（−）を印加する分極処理を施した場合には、図９において、印加する直流電圧が（＋）と（−）のように互いに逆方向の極性で隣り合う２つの電極部に挟まれた圧電層からなる非電極部４６は、分極処理時に電位差が発生し、分極されてしまうことがあるという問題を生じることが知られている。
ここで、圧電層４２と電極層４３とを重ねた領域（圧電層上に電極層が形成された領域）を電極部と呼び、この圧電層４２だけからなる電極層のない領域（電極層が形成されていない圧電層による領域）を非電極部と呼ぶこととする。
非電極部が分極されると、分極により非電極部の機械的な性質であるヤング率が変化し、分極された非電極部４６と分極されていない非電極部４７にはヤング率の差が発生する。この結果、非電極部４６と非電極部４７とを有する圧電層は、局所的にヤング率が異なることになる。さらに非電極部４６と非電極部４７とは、圧電層に対して互いに中心軸を通り直交する位置関係にある。例えば非電極部４６をＸ軸とすれば、非電極部４７はＹ軸となり、これらのＸ軸とＹ軸は直交する関係にある。このようにＸ軸方向とＹ軸方向とで異なるヤング率の領域が存在すると、この非電極部４６と非電極部４７とのヤング率の差は積層圧電素子４０を組み込んだ振動体５１では機械的性質（曲げ剛性）の異方性（剛性のむら）となり、振動振幅や位相の不均一となって現れる。
この影響は従来例の棒状の振動波モータにおいては、制御性や回転の位置精度、回転のむら、さらに均一な摩擦を阻害するなどの原因となる。
このため、特許文献２では、非電極部の幅（電極部間の距離）を広くするように工夫されている。
また別の課題として積層圧電素子はコストが高いという問題がある。圧電材料は、通常、単一の板状の単板では１２００℃程度の比較的高温で焼成され、焼成後にガラスフリット入りの銀ペーストを塗布し６００℃〜８５０℃で焼き付けて圧電素子とされる。このように圧電材料と電極材料とで焼成条件は材料の特性に応じて異なる条件で処理を行う。
一方、積層圧電素子では、圧電材料と電極とを一緒に焼成するため、電極を構成する金属材料の焼成条件まで考慮する必要がある。その結果、電極材料としては、焼成温度で溶融しない高い融点をもち、焼成しても酸化されない又は酸化され難い貴金属（銀−パラジウム合金、稀には白金など）を用いることが必要となる。
従来、積層圧電素子は圧電材料の材料組成や圧電材料の粉体粒子の微細化により、焼成温度を１１５０℃以下に下げ、例えば銀が７０重量％、パラジウムを３０重量％からなる電極材料を用いて焼成していた。
ここで、貴金属であるパラジウムや白金は特に高価であることから、電極材料費の全コストに占める割合が高く、コスト高の原因となる。
このため、低温で焼成できる圧電材料の開発が活発に行われており、低温焼成が可能となるように、銅やその他の元素を添加して焼成温度を下げる提案が多くなされている（特許文献３参照）。

特開平８−２１３６６４号公報 特開２００３−１１１４５０号公報 特開平９−１６９５６６号公報

上記したように、積層圧電素子を振動体に用いた振動波モータでは、回転のむら等を抑制するため、極性が異なる２つの電極部に挟まれた非電極部の分極によって発生するヤング率の差による機械的性質の異方性を極力少なくすることが求められる。
そのため、特許文献２のように非電極部の幅を広げることは、圧電素子の出力の点で必ずしも満足の得られるものではない。
また、積層圧電素子においては、特許文献３等のように低温焼成が可能となる提案がなされているが、さらに、圧電特性は維持しつつ可能な限り焼成温度を下げて、より低温での焼成温度で製造でき、良好な圧電特性が得られるものが望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、振動波モータに用いる圧電素子の非電極部をより好ましい機械的な性質にすることができ、さらに安価な製造コストで提供することが可能となる圧電素子、圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび振動波モータの提供を目的とする。

本発明の圧電素子は、圧電層と電極層とが重ねられて構成された電極部と、前記電極部に接して電極層を含まない圧電層から構成された非電極部と、を含む圧電素子であって、
前記非電極部は、前記電極部の圧電層よりも密度が小さい領域を含むことを特徴とする。
また、本発明の圧電アクチュエータは、上記した圧電素子を有することを特徴とする。
また、本発明の振動波モータは、上記した圧電素子と、振動体とを有し、該圧電素子により前記振動体を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、振動波モータに用いる圧電素子の非電極部をより好ましい機械的な性質にすることができ、さらに安価な製造コストで提供することが可能となる圧電素子、圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび振動波モータを提供することができる。

本発明の実施例１に係る積層圧電素子の構成を説明する分解斜視図及び斜視図を示す図である。 本発明の実施例１に係る積層圧電素子の電極部と非電極部を示す図である。 本発明の実施例１に係る積層圧電素子を振動波モータに組み込んだ構成を示す図である。 本発明を説明するための特性測定用のテストピースを示す図である。 本発明を説明する焼成温度と密度の関係を示す図である。 本発明を説明する焼成温度と機械電気結合係数の関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る積層圧電素子の分解斜視図及び断面図を示す図である。 本発明の実施例３に係る単板の圧電セラミックスと圧電素子を示す図である。 従来例の積層圧電素子の構成を説明する分解斜視図及び斜視図を示す図である。 従来例の積層圧電素子を振動波モータに組み込んだ構成を示す図である。

本発明は、圧電層と電極層とが重ねられて構成された電極部と、前記電極部に接して電極層を含まない圧電層から構成された非電極部と、を含む圧電素子であって、前記非電極部は、前記電極部の圧電層よりも密度が小さい領域を含むことを特徴とするものである。
本発明において圧電素子は、単層型（１つの圧電層と２つの電極層との組み合わせであるもの）であっても積層型（圧電層と電極層とが交互に複数層積層されたもの）でも適用することができる。
本発明において、非電極部の電極部に対する密度の割合は、好ましくは９４％以上９７％以下であり、最適には９５％以上９６％以下である。
非電極部の密度が電極部の密度の９４％以下になると振動特性又は機械的強度が低下し、９７％以上になると本発明の効果が小さくなる。
本願発明は、圧電層を分極すると、ヤング率が変化すること、及び圧電層の密度と、分極の方法によるヤング率の変化に相関があることを見出したという知見に基づくものである。
そして、圧電層の特定の領域に積極的に密度の異なる領域を設けることにより、機械的性質（曲げ剛性）の異方性（剛性のむら）を効果的に抑制するものである。
即ち、非電極部のヤング率を均一又はヤング率の差が小さい状態にすることで、機械的性質（曲げ剛性）の異方性（剛性のむら）を効果的に抑制するものである。

また本発明は、焼結助剤としての機能を有する特定の元素（典型的には銅元素）を圧電材料に含有させることにより、本願発明の焼成条件で焼成した場合に局所的に密度が異なる焼結体を得ることができ、すなわち圧電材料の密度分布を制御できるものである。
これは焼結助剤としての機能を有する特定の元素（典型的には銅元素）を圧電材料に含有させることで焼成温度と密度との関係を制御できることを見出したという本発明者らの知見に基づくものである。そして圧電材料を一定の焼成条件で、局所的に密度の異なる領域を容易に形成することができるものである。
また本発明において圧電層の必要な個所に焼結助剤又は銀元素を含有させる場合には、圧電層の形成時にこれらの元素を含有させても良いし、圧電層形成後に圧電層表面に塗布、イオン打ち込み等によって含有させても良い。
また、電極層に銀元素を添加しておき、電極層から圧電層に銀元素を熱処理等により拡散させて含有させることもできる。
本発明において焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）とは圧電材料の粒子が融点以下の温度で相互に結合し固く焼き締まる現象を意味する。
本発明において焼成温度とは圧電材料を熱処理する温度を意味しており、その熱処理温度を調整することによって圧電材料を焼結させるものである。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
本発明を適用した圧電素子の構成例について、図１を用いて説明する。
本発明と従来例とは、後述の圧電材料の材料組成や製造方法、焼成温度が異なっており、また電極材料の銀とパラジウムの混合比率が異なっている。
なお、以降の説明において、焼成温度とは焼成時の最高焼成温度を意味している。

図１において、積層圧電素子１を構成する複数の圧電層２の表面に、複数の電極層３が設けられている。
電極層３は、外周が圧電層２の外周よりも内周側となるように配置されると共に、圧電層２において４分割に形成されている（図中では、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−の８種類のものが示されている。）。
同一の層に形成された各電極層３は互いに非導通となっている。
そして、圧電層２の表面には、各電極層３と接続されて圧電層２の外縁部まで延びる接続電極３ａ（図中黒色に塗りつぶしている部分）が形成されている。
接続電極３ａは、８種の電極層３に対して圧電層２の一層おきに積層圧電素子１の軸方向において、円周方向でも同一の位置関係となるように形成されている。この同一の位置同士の接続電極３ａは、積層圧電素子１の外周部に設けられた層間の導通を図る電極である外部電極４（図中において、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−、ＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し８本）により接続されている。

積層圧電素子１を構成する最上層の圧電層の表面の外周部周辺には、周方向に沿って複数の表面電極５が設けられており、接続電極３ａの位置に合わせて設けられ外部電極４と接続されている。外部電極４は電極層間の導通を図るように設けられている。
そして、この表面電極５を介して各電極層３のＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−に、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対して、直流電圧として（＋）と（−）を印加し、後述の振動波モータの駆動が可能な分極極性となるように分極処理を行う。
分極処理は後述の条件で、表面電極５を介して各電極層３のＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−に、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し、直流電圧をＡ＋に（＋）、Ａ−に（−）、Ｂ＋に（＋）、Ｂ−に（−）を印加する。
すなわち、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し、Ａ＋は極性（＋）、Ａ−は極性（−）、Ｂ＋は極性（＋）、Ｂ−は極性（−）になるようにする。

図２は、図１において斜線で示す断面Ｃを示す図で、電極部Ｅと非電極部Ｄを示す図である。
圧電層２と電極層３を交互に重ねた電極部Ｅ（破線で囲まれた領域）と、電極部Ｅに挟まれた圧電層２だけからなる非電極部Ｄ１（破線で囲まれた領域）と外周部に電極層のない圧電層だけからなる非電極部Ｄ２（破線で囲まれた領域）を示している。
非電極部Ｄ１は図１において非電極部６の断面に相当する。なお、図１において、非電極部７は分極されていない非電極部である。
さらに、図３は図１の積層圧電素子１を棒状の振動波モータ１０の振動体１１に組み込んで構成した積層型圧電アクチュエータの例を示す断面図である。
図３において、中央部に貫通孔を有する積層圧電素子１は、表面電極５がフレキシブル回路基板１２と接触すると共に、振動体１１を構成する中空の金属部材１３と金属部材１４の間に配置されている。
ボルト１５を金属部材１３側から挿入して金属部材１４にねじ込むことにより、金属部材１３と金属部材１４の間に積層圧電素子１とフレキシブル回路基板１２が挟み込まれた状態で固定される。

振動体１１の軸方向一方の側には、ばね１６とばね支持体１７を介して、金属部材１４の先端部と加圧されて接触するロータ１８が配置されており、ロータ１８と一体となり回転するギヤ１９により振動波モータ１０の回転出力を取り出すことができる。
フレキシブル回路基板１２は、積層圧電素子１の外部電極４に接続された表面電極５と不図示の駆動回路に接続され、駆動用の交流電圧が積層圧電素子１に印加される。
棒状の振動波モータ１０の駆動原理は、振動体１１に組み込んだ積層圧電素子１のＡ＋、Ａ−、ＡＧ＋、ＡＧ−からなるＡ相と、Ｂ＋、Ｂ−、ＢＧ＋、ＢＧ−からなるＢ相とに、時間的位相がπ／２ずれた振動体１１の共振周波数近傍の交流電圧を印加する。
これにより、軸方向に対して直交するＡ相とＢ相の２つの曲げ振動を回転する首ふり運動に代えて励起することができる。
この結果、振動体１１を構成する金属部材１４の先端部を摩擦面として、金属部材１４が首振り運動を行い、この金属部材１４に加圧されて接触する接触部材であるロータ１８が摩擦接触により回転する。

つぎに、本実施例における積層圧電素子の製造方法について説明する。
まず、圧電材料として、特開平５−１０５５１１号公報に示すように、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＳｒＣＯ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２およびＮｂ_２Ｏ_５の各粉末原料を、組成比がモル比で、Ｐｂ０．９５、Ｓｒ０．０８、Ｚｒ０．５１、Ｔｉ０．４９、Ｎｂ０．０３になるように配合した。
そして、ボ−ルミル中で純水と共に５時間混合し１１０℃で乾燥した後、９５０℃で空気中で２時間仮焼しペロブスカイト相結晶構造を有する原料粉末（仮焼粉末）を調製した。
この原料粉末（仮焼粉末）にＭｎＣＯ_３を０．０１５（Ｚｒ＋Ｔｉ＝１とした場合のモル比）添加し、同じく純水と共に混合し乾燥させた。
そして、本実施例においては、圧電材料に対して低温焼結助剤として酸化銅（ＣｕＯ）を０．５重量％添加した。
さらに、一般的な粉体混合粉砕機で純水と共に混合して均一に分散させ、粒径も細かくして平均粒径を約０．４〜０．５μｍとし１１０℃で乾燥させた。
ここで、酸化銅の添加量は少ないと効果がなく、多いと絶縁抵抗が低くなり過ぎて分極が難しくなるので０．２から０．８重量％が好ましい。
なお、特許文献３等にもあるように、低温焼結助剤としては必要に応じて銅元素以外の元素、例えばタングステンや亜鉛なども添加しても良い。

本実施例の積層圧電素子１の製作の前に、テストピースを作り焼成条件について検討した。
テストピースは次の２種を作った。１つ目のテストピースＴａは、積層した電極部を想定したテストピースであり、図４のように、外径１５ｍｍ、厚さ約０．９ｍｍで円板形状である。
ここで、圧電層２Ｔａは厚み９０μｍで９層構造となっており、圧電層２Ｔａのほとんど全面となる外径１４．８ｍｍに厚さ約２〜３μｍの電極層３Ｔａを形成している。そして電極層３Ｔａは接続電極を介して１層おきに２つの外部電極４Ｔａで導通を図っている。
なお、テストピースＴａの表裏の最上層と最下層は約４５μｍの厚さからなる圧電層であり、絶縁層の役目をしている。
また、電極層３Ｔａを形成する電極材料は銀９５重量％とパラジウム５重量％とした。焼成後に外部電極４Ｔａはガラスフリット入りの銀ペーストを塗布し約７５０℃で焼き付けて設けた。
２つ目のテストピースＴｂは、非電極部を想定したテストピースであり、焼成後に厚さ約９０μｍとなる圧電シートを電極層なしに１０層重ねて形成した円板形状である。
いずれのテストピースも圧電層は同一材料（材料及び焼結助剤）であり、電極層の有無と構成層の数が異なる。
これらを焼成し、アルキメデス法により密度を測定した。そして、テストピースＴａは２つの外部電極４Ｔａのうち、一方の外部電極４Ｔａをグランドとしもう一方の外部電極４Ｔａに３００Ｖを１２０℃オイル中で３０分間ほど印加して分極処理を施した。

インピーダンスアナライザーにより共振周波数と反共振周波数を測定し圧電特性のひとつである円板の径方向振動の電気機械結合係数ｋｒを求めた。焼成温度は８６０℃から９６０℃に変え、焼成温度の保持時間は２時間とした。
図５は横軸が焼成温度であり、縦軸が密度である。焼成温度が上がるとともに密度が上がるが、電極部を想定したテストピースＴａの方が密度が早く上がり緻密化が進み、焼成温度は９００℃以上で密度は７．７５ｇ／ｃｍ^３となりほぼ飽和し緻密化は完了しているものと考えられる。
一方、非電極部を想定したテストピースＴｂは密度の上がり方が遅く９６０℃にならないと密度の値は飽和しないことから、９４０℃では緻密化は完了していないと考えられる。
また、９４０℃で焼成した非電極部を想定したテストピースＴｂの密度は７．５ｇ／ｃｍ^３であり、９４０℃以下で焼成した場合のテストピースＴｂの密度は電極部を想定したテストピースＴａが緻密化したものであり、密度７．７５ｇ／ｃｍ^３の９７％以下である。なお、電極部と非電極部の双方とも緻密化し焼結が完了するのは焼成温度が９６０℃以上である。従って本実施例のテストピースの構成を有する電極部と非電極部とが共存する圧電体素子の場合には、９４０℃で焼成することにより、非電極部分を局所的に低密度とすることができる。但し、上記９４０℃という焼成温度は、圧電材料の組成や、昇温時間、加える焼結助剤の種類や量等によっても変化するため、予め予備実験等により、温度と焼結状態との関係を把握しておき、焼成温度を決定することが好ましい。

また、図６に示すように、電極部を想定したテストピースＴａの機械電気結合係数ｋｒを測定した。
図６は横軸が焼成温度であり縦軸が機械電気結合係数ｋｒであり、焼成温度が９００℃以上になれば電極部の特性は本来の圧電特性であるｋｒ５６．４％にほぼ達している。
このように、低温焼結助剤を添加することにより、焼成温度は従来よりも下げられる。
また、電極部が早く焼結が進む理由は、低温焼結助剤の添加による効果以外に電極層の銀元素が圧電層へ拡散し焼結を進めていると考えられる。
銀も低温焼結助剤と同じく圧電セラミックスの結晶粒界に液相として侵入し、焼結助剤として低温での焼結を促進している。この結果、電極層の銀元素が拡散した領域（電極部に対応する領域）が、銀元素が拡散していない領域（非電極部に対応）よりも低い温度で焼結し、密度が高くなるものと考えられる。

積層圧電素子１の製造は、前述の圧電材料と有機バインダから、ドクターブレード法により圧電層となるグリーンシートを作り、このグリーンシート上の所定位置にスクリーン印刷によって電極材料のペーストからなる電極層３と接続電極３ａを形成した。電極材料は銀９５重量％とパラジウム５重量％とした。
電極材料ペーストは、電極材料粉末に圧電材料粉末を加え、有機バインダと有機溶剤を用いた有機ビヒクルを３本ロールで混練して作った。
そして、このグリーンシートを所定の枚数平面状に重ね、加圧して積層化した。この後、圧電層と電極層を同時焼成により一体化焼成し分極処理を行った。焼成温度は９００℃から９４０℃で、保持時間は量産条件に合わせ２時間とした。
そして、両面ラップ加工と外径を研削加工により仕上げた。
本実施例の積層圧電素子１は、外径が約１０ｍｍ、内径が約２．８ｍｍ、厚さが２．４ｍｍであり、圧電層２の厚さは約９０μｍ、圧電層２の層数は２４層とした。
電極層３の厚さは約２〜３μｍで、電極層３の層数は２５層とした。また、電極層３の外径は９ｍｍである。また、圧電層２４層の上下には保護層と呼ばれる不活性な層を１層ずつ設けてある。
なお、電極層３を４つに分割する非電極部Ｄ１の幅０．５ｍｍとした。外周の非電極部Ｄ２の幅は０．５ｍｍである。

加工後に外部電極４と表面電極５はガラスフリット入りの銀電極ペーストをスクリーン印刷で印刷し、約７５０℃で焼き付けて設けた。
分極処理は、表面電極５を介して各電極層３のＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−に、グランドであるＡＧ＋、ＡＧ−、ＢＧ＋、ＢＧ−に対し、つぎのように分極処理を行った。
すなわち、直流電圧として＋３００Ｖと−３００Ｖを３０分間、１２０℃のオイル中で印加し、振動波モータの駆動が可能な分極極性となるように分極処理を行った。
ここで、焼成後の積層圧電素子１の断面を観察すると電極部Ｅと非電極部Ｄ１、Ｄ２は色調が異なり、充分に緻密化した電極部Ｅは黒色化している。
これに対して、２つの電極部Ｅに挟まれた非電極部Ｄ１と外周部の非電極部Ｄ２は、上記電極部Ｅの黒色とは異なり茶色からこげ茶色であり、まだ充分に緻密化していないことが観察された。

本発明において「充分に緻密化」とは、焼成温度を変化させた場合の当該焼結体の密度変化を測定した場合に、焼成温度を上昇させても密度が全く増加しない、又は増加する割合が小さく飽和しているとみなせる状態を意味する。
また、適正な焼成温度以上に上げ過ぎると、密度の低下を招く場合がある。さらに同時に、圧電特性である先に示した電気機械結合係数ｋｒの低下を招くこともある。この関係から、圧電層のテストピース（サンプル）の焼成温度と密度との関係を調べ、焼成温度を上昇させていった場合に、密度が低下し始めたら、焼成温度が高すぎると判断できる。
本発明においては焼成温度を上昇させた場合に密度の変化が０．２％以下であれば「充分に緻密化」とみなす。また、本発明において上記密度は、アルキメデス法により測定することが好ましい。
本発明において焼成温度の決定は、電極部は充分緻密化する温度で、かつ非電極部は電極部の密度に対して９４％以上９７％以下となる温度を選択することが重要である。焼成温度の決定方法は、先に説明したように、圧電層の電極部のテストピースと非電極部のテストピースの焼成温度と密度の変化の関係を予め求めておき、その結果に基づいて設定することが好ましい。

また、焼成温度を８６０から９６０℃まで変えて焼成した積層圧電素子１から電極部Ｅと２つの電極部Ｅに挟まれた非電極部Ｄをダイサーにより試験片を切出し密度を測定したところ、図５とほぼ同じ密度であることも確認した。
密度が同じであることから機械電気結合係数ｋｒも同じであると予想できる。
さらに、非電極部は密度が小さく緻密化していないのでヤング率も低いことを示しており、電極部で発生する変位や応力に対して拘束力は少なくなる。
そして、極性の異なる電極部で挟まれた非電極部Ｄ１の圧電特性も密度が低く緻密化していないので従来例の非電極部より分極後の圧電特性も劣り、分極によるヤング率の変化も少なくなる。即ち分極に対して鈍感になり、その結果非電極部のヤング率は分極工程の前後で大きく変化しない。

例えば、図５において、テストピースＴｂの９４０℃での密度はテストピースＴａの８８０℃での密度とほぼ同じである。
そして、図６で、テストピースＴａの９４０℃と８８０℃では特性には明らかに差があり、テストピースＴｂの９４０℃での圧電特性が劣っていると推測できる。
この焼成温度９００℃〜９４０の℃積層圧電素子１を用いて、棒状の振動波モータ１０に組み込んでモータ性能を測定した。
その結果、従来の銀７０重量％とパラジウム３０重量％の電極材料を用いて焼成温度１１５０℃で作った積層圧電素子と同等で遜色のないモータ性能（回転数とトルク）となった。
そして、振動波モータにとって不要な機械的特性の異方性の影響も減少し、振動波モータの回転位置精度や回転のむらなどは実際に測定し評価すると回転位置精度は高くなり、回転むらは少なくなった。さらに、摩耗の状態なども改善されていることが確認できた。
以上のように、テストピースＴａのように電極部Ｅの焼成が完了し緻密化するような焼成温度９００〜９４０℃で積層圧電素子を焼成することで、テストピースＴｂのように非電極部Ｄがまだ充分に緻密化されていなくとも電極部Ｅで充分な圧電特性を発揮できる。
つまり、電極部Ｅと非電極部Ｄの双方が緻密化する焼成温度よりも約２０〜６０℃ほど低い温度（焼成温度に対する温度差が２０〜６０℃）での焼成が可能である。

以上の実験では、電極材料は銀９５重量％とパラジウム５重量％とした。もちろんパラジウム５重量％以上でも問題はなかった。
また、この焼成温度９００〜９４０℃であれば、銀の融点は約９６０℃であるので銀１００重量％においても機械電気結合係数ｋｒが５６．４％前後の健全な圧電素子を得ることができた。
但し、銀１００重量％では使用する環境が高湿下では、銀イオンが移動してショートを起こす、いわゆるマイグレーションが起こる懸念もあるため、多少のパラジウムは添加しても良いと思われる。
９４０℃以下の焼成温度において、好ましい銀とパラジウムの比率は銀１００重量％から銀９５重量％パラジウム５重量％である。
なお、本発明の圧電素子には厳密に言うと、圧電積層素子の表裏に厚さ約９０μｍの１層の圧電層２があるが、この部分も非電極部Ｄに近い同じ密度となって充分緻密化してはいない。
しかし、実際に振動波モータに組み込んで駆動しても、この表裏に厚さ約９０μｍの圧電層の振動波モータへの影響はないことも確認できた。
また、高温高湿（８０℃，９０％ＲＨ）の環境試験においても、従来のものと比べて遜色のないことが確認された。
すなわち、圧電積層素子の表裏の厚さ約９０μｍの圧電層や外周部の非電極部Ｄは電極部Ｅを覆う電気的な絶縁層として、また機械的な保護層としての機能を長時間、充分に果たし、従来と比べも遜色のないことが確認された。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と別の形態の積層圧電素子１’の構成例を図７を用いて説明する。
図７（ａ）は積層圧電素子１’の分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）において矢印で示す断面図である。
実施例１と圧電材料の材料組成や製造方法、焼成温度などは同じである。積層圧電素子１’と実施例１の積層圧電素子１との違いは二つある。
一つは、圧電層２’の上に設けた電極層３’が外周に露出しており内周部には非電極部を有していることである。
他の一つは、積層圧電素子１での外部電極４の代わりに、８本の導電材料が充填されたスルーホール５’によって各電極層３’間の導通を図るようにしたことである。
なお、スルーホール５’は電極層や圧電層と一緒に一体焼成して作られる。スルーホール５’に充填された導電材料も電極層と同じ銀とパラジウムからなる。
スルーホール５’は最上層の圧電層２’と表面からわずかに突出し、振動波モータの振動体に組み込んだ場合は図３の積層圧電素子１と同じようにフレキシブル回路基板１２と接触し導通を図ることができる。

本実施例においても、電極部Ｅの焼成が完了し緻密化するような焼成温度９００〜９４０℃で積層圧電素子１’を焼成した。
結果は実施例１と同様に、非電極部Ｄがまだ充分に緻密化されていなくとも電極部Ｅで振動波モータとしての積層圧電素子として充分な圧電特性となった。

以上で説明した本発明の圧電素子は、例えば特開２００１−２６７６４６号公報の、本発明と同じように電極層（内部電極）が形成されていない非電極部を有する積層型圧電アクチュエータ等に、好適に適用することができる。
本発明の圧電アクチュエータにおいては、非電極部は電極部よりヤング率が低いので、電極部に対して拘束力の発生が少なく応力緩和層と同等な性質を有する。そのため、圧電素子のクラックの抑制を図ることが可能となる。
また、本発明の構成によれば、振動波モータにおいて、その回転位置精度や回転のむらを改善し、均一な摩耗による長寿命化などの効果が期待できる。
また、より低温での焼成が可能となり高価な貴金属であるパラジウムの使用量を少なくできる。
さらに、低温での焼成は使用する電力消費量の低減、焼成炉の管理の容易化なども実現できる。これらにより、製造コストを下げ安価な圧電素子を提供することが可能となる。
さらには、非電極部は緻密化していないので電極部よりも密度やヤング率が小さくなり、さらに分極されても圧電特性は劣るので、電極部で発生する変位や応力に対して非電極部の影響を少なくすることができる。
具体的には、振動波モータに用いている積層圧電素子の分割された電極部間の非電極部や外周部や内周部の非電極部の電極部への不要な拘束力を少なくすることができる。
同様に、従来の積層型圧電アクチュエータに起こり易い、電極部と非電極部との境界でのクラックの抑制を図ることが可能となる。

［実施例３］
実施例１の図５の非電極部を想定したテストピースＴｂはすでに述べたように、積層圧電素子であるテストピースＴａとは異なり、９６０℃にならないと緻密化は完了しない。
しかし、テストピースＴｂのような言わば１層の圧電層からなる単板の圧電セラミックス（単層型）であっても、より低温で焼成が可能となることは好ましい。そこで、実施例３として、テストピースＴｂのような単板の圧電セラミックスをより低温での焼成が可能となる方法について、図８を用いて説明する。
図８（ａ）は焼成前のテストピースＴｂ’であり、実施例１のテストピースＴｂと実施例１で用いた銀９５重量％とパラジウム５重量％からなる電極材料ペーストを表面（表裏）に印刷塗布した電極層である電極３Ｔｂ’とからなる。
このテストピースＴｂ’を焼成すると、電極３Ｔｂ’の銀元素が圧電セラミックス内部に拡散し、圧電材料に含まれる低温焼結助剤である酸化銅の効果とともに、圧電セラミックスの焼結を実施例１と同じように早く進めることできる。

このように、単板の圧電セラミックスの焼成においても、銀元素の拡散が可能となるように銀元素を含む電極層をあらかじめ形成しておくことで、銀元素の拡散を促し、より低温での焼成が可能となる。
しかしながら、テストピースＴｂ’は実施例１の図５のテストピースＴａとは異なり、焼成温度の保持時間が２時間では焼成温度９００℃では緻密化せず、９３５℃から９４５℃で緻密化した。
これは、テストピースＴｂ’は厚み１．０ｍｍの単板形状で表面に電極３Ｔｂ’が印刷された状態であり、厚み９０μｍで９層の圧電層２Ｔａと、この圧電層２Ｔａを挟む厚さ約２〜３μｍの電極層３Ｔａからなる、テストピースＴａとは焼成時の圧電層への銀元素の拡散状態が異なるためである。
焼成したテストピースＴｂ’は電極３Ｔｂ’を形成した圧電素子としてそのまま使う場合もあるが、通常、焼成しただけの状態では、圧電セラミックスの変形やその表面には凹凸が発生する。
そこで、図８（ｂ）のように、焼成後にテストピースＴｂ’に両面ラップ加工を施し、その表面に印刷塗布した電極３Ｔｂ’とその近傍の圧電セラミックスを削り落とし厚さを０．９ｍｍから０．５ｍｍに加工して平坦化した。その後、図８（ｃ）のように電極４Ｔｂ’を設け圧電素子とした。
この電極４Ｔｂ’は実施例１で用いた外部電極４Ｔａと同じように、ガラスフリット入りの銀ペーストを塗布し約７５０℃で焼き付けてある。

そして、２つの電極４Ｔｂ’の一方をグランドとし、もう一方に１．５ｋＶを１２０℃のオイル中で３０分間ほど印加して分極処理を施した。
その結果、テストピースＴｂ’は圧電素子としての機械電気結合係数ｋｒは５５．２％になった。単板の圧電セラミックの厚さや焼成温度や焼成温度の保持時間を変えることによって、密度や機械電気結合係数は異なってくる。
さらに、単板の圧電セラミックスの焼成において、銀元素の拡散が可能となる銀電極を含む電極の外形形状（パターン）を変えることで、圧電セラミックス板に任意の外形形状の緻密化した領域を形成することが可能となる。
すなわち、これは実施例１の積層圧電素子１の電極層３のように４つに分割された電極層と、電極層とは密度の異なる電極層３に挟まれた非電極部６、７を、単板の圧電セラミックスにも形成することが可能であることを意味する。
以上のように、本発明によれば圧電素子ばかりでなく、圧電層が１層で電極層が２層からなるような単層型である単板の圧電セラミックスにも、より低温で焼成が可能になり、また単板の圧電セラミックスにも密度の小さい領域を設けることが可能となる。

１、１’：積層圧電素子
２、２’：圧電層
３、３’：電極層
４：外部電極
５：表面電極
５’：スルーホール
１０：振動波モータ
１１：振動体
Ｄ：非電極部
Ｅ：電極部

Claims (8)

1. 圧電層と電極層とが重ねられて構成された電極部と、前記電極部に接して電極層を含まない圧電層から構成された非電極部と、を含む圧電素子であって、
   前記非電極部は、前記電極部の圧電層よりも密度が小さい領域を含むことを特徴とする圧電素子。
2. 前記圧電層は低温焼結助剤を含み、前記電極層は銀元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記低温焼結助剤は、銅元素を含むことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記圧電素子は、最高焼成温度が９４０℃以下で焼成されて形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電素子。
5. 前記非電極部の密度は、前記電極部の密度の９４％以上、９７％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子。
6. 前記非電極部は、分極極性の異なる隣り合う２つの電極部によって挟まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電素子を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電素子と、振動体とを有し、前記圧電素子により前記振動体を駆動することを特徴とする振動波モータ。

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