JP2019522381A - 複数の積層圧電素子を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の積層圧電素子（１）を製造する方法に関し、研磨剤を添加せずに積層圧電素子（１）を研磨し、積層圧電素子（１）同士の摩擦により、積層圧電素子（１）からの材料の研磨除去を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の積層圧電素子を製造する方法に関する。前記積層圧電素子は、例えば、非熱大気圧プラズマの発生に好適な圧電トランスであってもよい。

積層圧電素子を製造する際に、素子は、研磨剤としての分散粒子によって不規則な素子を研磨することで、積層圧電素子の表面を平滑にするプロセスを経ることがある。

このプロセスの欠点は、そのように製造された素子の表面が平滑性に対する要求を満たせないことが多いという点である。また、研磨剤の素子からの分離が非常に煩雑になる可能性がある。

本発明の目的は、改善された複数の積層圧電素子を製造する方法を提供することにある。本発明の上記目的を達成するための解決手段は請求項１に記載の方法である。

研磨剤を添加せずに積層圧電素子を研磨し、積層圧電素子同士の摩擦により、積層圧電素子からの材料の研磨除去を行う複数の積層圧電素子を製造する方法を提供する。

特に、積層圧電素子同士の摩擦のみで材料の研磨除去を行うことができる。そのため、該方法においては、研磨剤を使用しない。

ここで、「研磨剤」とは、材料の除去に使用可能な任意の研磨材料を指す。研磨剤は、一般的に微粒子状であり、硬質でエッジが鋭い物質である。既知の研磨剤として、例えば砂又はＺｒＯ_２が挙げられる。

本発明の方法は、研磨剤を一切使用しないことを特徴とする。研磨剤により得られる表面と比べ、積層素子同士の摩擦により得られる表面は、明らかにより平滑であることが確認された。研磨剤、例えば、０．１〜０．５ｍｍの粒度を有する砂は、研磨プロセスにおいて、積層素子の表面に著しい擦り傷を残す。そのため表面において、平坦でない部分が生じ得る。これにより、積層素子を用いてプラズマを発生させる場合に電界が局所的に強くなり、さらに積層素子における予想外の位置においてプラズマの局所的な点火を招く可能性がある。これでは、効率が低下するだけでなく、素子の破損により素子の失効が早まることもある。

それに対して、研磨剤を使用しなければ、積層素子の平滑且つ面取りされた表面を確保することができる。相応的に、本発明の方法により製造される積層圧電素子の表面には実質的に平坦でない部分がない。したがって、表面の粗さの局所的なピークによる局所的な電界増強を回避できる。積層素子の稜線領域においても平滑且つ面取りされた表面を確保できる。

該研磨剤を使用しない方法のもう一つの利点は、研磨操作の完了後、積層素子と研磨剤を分離するステップを行う必要がないことにある。このステップは非常に複雑になることがある。別に添加する研磨剤を用いなくて済むため、より簡単な方法とステップで製造することができる。したがって、該製造方法はコストが低く、且つ迅速に実施することができる。

該方法において、外面からも、積層圧電素子の稜線からも材料を研磨除去することができる。外面は、表面法線がそれぞれ積層素子の長手方向軸に垂直な４つの側面と、表面法線がそれぞれ該長手方向軸に平行な２つの端面とからなってもよい。隣り合う２つの外面は常に互いに垂直であってもよい。隣り合う２つの外面はそれぞれに１本の稜線と隣接する。該積層圧電素子は、略立方体形であってもよい。ただし、該方法は、他の形状、例えば円筒形状の積層素子にも適用される。

外面から材料の研磨除去を行うことにより、外面をより平滑にすることができ、即ち、材料の研磨除去により外面の粗さを低減させることができる。

積層素子の稜線から材料の研磨除去を行うことにより、稜線を面取りすることができる。これにより、該方法では、鋭い稜線を面取りされた稜線にすることができ、除去された材料が多くなるほど、面取りされた稜線の半径が大きくなる。圧電トランスにとって、鋭い稜線と比べ、面取りされた稜線において局所的な電界増強が発生することはない。これにより、面取りされた稜線において予想外のプラズマ点火が発生することはない。

ここで説明する方法は、各種の積層圧電素子、例えばトランス、アクチュエータ又はコンデンサの製造に適用する。

研磨時に、積層圧電素子は、分離状態とされてもよい。素子は、例えば分離状態でドラムに配置されてもよい。分離状態とは、積層素子が機械的に接続されていない状態を指す。

ここで説明する積層圧電素子に対する研磨は、積層圧電素子自体の表面を除去することを目的とする。積層圧電素子の表面の汚れを除去することは目的ではない。該製造方法において、このような表面には、通常、除去する必要がある汚れはない。

積層圧電素子をグリーン体として研磨し、研磨後に積層圧電素子を焼結してもよい。

グリーン体とは、燃焼されていないブランクである。グリーン体とは、グリーン状態にある物体であり、即ち、燃焼プロセス又は焼結プロセスを実施する前のセラミック体である。グリーン状態では、積層素子から材料を簡単に除去することができ、それは、焼結前の積層素子の硬度は、焼結操作の実施後の硬度よりも遥かに低いためである。焼結後の材料の研磨除去は複雑になるので、焼結前に研磨プロセスを実施することが好ましい。

グリーン体は、典型的な硬質なバルク材、例えば、ボルトや、くぎ、スチールバネの硬度よりも遥かに低い硬度を有する。このような金属部材よりも、グリーン体はより柔軟的で、より高い弾性を有する。

グリーン体は、通常、予備成形のための有機結合剤を含む。該有機結合剤は、通常、軟化剤を有する。熱処理によってこの軟化剤を除去し、素子を硬化させてもよい。

圧電素子を研磨する前に、焼戻しプロセスを実施してもよい。該焼戻しプロセスにおいて、圧電素子に１００℃〜１５０℃まで上昇した温度を与えてもよい。そして、該有機結合剤の軟化剤を少なくとも部分的に除去することができる。軟化剤を除去することにより、素子の硬度が高くなる。このように、焼戻しプロセスによって所望のように素子の硬度を調節することができる。特に、該焼戻しプロセスによって圧電素子の硬度をこのように調節することができるので、素子が研磨プロセスにおいて予想外に変形することはない。

焼戻しプロセスにおいて選択する温度は使用される軟化剤によって決まる。減圧下で焼戻しプロセスを実施してもよい。

該焼戻しプロセスは、溶剤及び／又は軟化剤を、有機結合剤さらに積層圧電素子から蒸発させることができる。該焼戻しプロセスによって積層素子を硬化させる。一実施形態において、該積層圧電素子は、焼戻しプロセスの実施後に研磨剤を用いない研磨に必要な硬度を有するようになる。

焼戻しプロセスにおいて、該結合剤又は該結合剤の重合体を分解させない。結合剤をガス状態として積層圧電素子のセラミックから排出しない。そのため、該焼戻しプロセスは脱バインダではない。焼戻しプロセス期間の１００℃〜１５０℃の温度範囲では脱バインダには充分ではない。正確に言えば、重合体は焼戻しプロセス期間中に完全に残される。溶剤及び／又は軟化剤を少なくとも部分的に除去することにより素子を硬化させることができるが、該素子はグリーン体のままである。研磨剤を添加しない研磨ステップ後に脱バインダステップを実施してもよい。

該焼戻しプロセスにおいて、積層圧電素子の硬度を高めてもよい。

該焼戻しプロセスにおいて、有機結合剤の溶剤及び／又は軟化剤を該積層圧電素子から少なくとも部分的に除去してもよい。

該焼戻しプロセスにおいて、積層圧電素子に１００℃〜１５０℃の温度を与えてもよい。

研磨後に、必要に応じて素子を乾燥させてもよい。

研磨後に、及び必要に応じて乾燥後に、熱的プロセス、例えば脱バインダ及び／又は焼結を実施してもよい。

複数の積層圧電素子を入れたドラムにおいて研磨を実施し、研磨操作の実行時間、ドラム内の積層圧電素子の数、及び該ドラムの回転速度のうちの少なくとも１つを調節することにより、材料の研磨除去を所望のように調節することができる。ここで説明する３つのパラメータはそれぞれに研磨操作期間の材料の研磨除去に影響を与える。

実行時間、即ち、該ドラムの回転時間を長くすることにより、積層素子からの除去量を増大させる。実行時間と材料の研磨除去とは互いに概ね線形関係にある。

該ドラムの回転速度、即ちドラムの自転時の速度は、同様に積層素子の材料の研磨除去に影響を与える。回転速度の材料の研磨除去に対する正確な影響は、積層素子の幾何形状、サイズ及び正確な構造によって決まる。１秒当たりの研磨除去材料をできるだけ多くすることにより、研磨プロセスの持続時間を最小化するように、回転速度を選択すべきである。

ドラム内の積層圧電素子の数、即ちドラムの負荷は、同様に材料の研磨除去にとって最適な値に調節すべきである。ドラムに入れた単位容積あたりの積層素子が多すぎると、積層素子が互いに引っ掛かり、素子同士の摩擦が殆どできなくなることがある。この場合、材料の研磨除去が大いに妨害される。また、ドラムに入れた積層素子が少なすぎると、素子同士の摩擦が少なくなりすぎて、同様に実現可能な摩擦も小さくなる。

研磨時に、積層素子は水媒体で包まれてもよい。この場合に、積層素子の表面の材料は水によって研磨除去されないので、水は研磨剤として機能しない。積層圧電素子の研磨期間、ドラム内には、積層素子のほかは特に水と空気のみが存在し得る。水の代替又は補充として、他の液体を用いてもよい。

水又は他の液体は、研磨除去された材料を浮遊状態に維持させるためのものである。液体を媒体として用いなければ、研磨除去された材料は粉塵として素子の表面に沈積して付着することがある。この場合、さらなる除去の妨げになり、或いは、少なくとも研磨除去の難度が高くなる。また、水又は他の液体を媒体として用いることにより、圧電素子の動きを弱め、動きを全体的に均一にし、積層圧電素子から材料をより均一に除去する。

さらに、水は表面張力に影響を与えるために用いることができる。このため、水に石鹸を添加してもよい。

積層圧電素子は、非熱大気圧プラズマを発生させるためのプラズマ発生器に適用する圧電トランスであってもよい。このような素子にとって、局所的な電界増強により予想外のプラズマ点火が発生すると、素子の破損を招くことから、平滑で、面取りされた表面が特に重要である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は積層圧電素子の透視図を示す。 図２は本発明の方法により製造される積層素子の細部写真を示す。 図３はＺｒＯ_２を研磨剤として用いて製造される比較例の積層素子の細部写真を示す。 図４は研磨剤を用いて製造される比較例の積層素子の他の細部写真を示す。

図１は本発明の方法により製造される積層圧電素子１の透視図である。積層圧電素子１は圧電トランスである。該圧電トランスは、特に非熱大気圧プラズマを発生させるための装置に応用することができる。

圧電トランスとは、圧電効果に基づき、従来の磁気トランスと異なる共振トランスの構造形式の一つであり、エレクトロメカニカルシステムである。該圧電トランスは、例えばローゼン型トランスである。

積層圧電素子１は、入力領域２と出力領域３とを有し、出力領域３は長手方向ｚに沿って入力領域２に接続されている。入力領域２において、積層圧電素子１は複数の電極４を有し、これらの電極に交流電圧が印加されてもよい。電極４は、積層圧電素子１の長手方向ｚに沿って延びている。電極４は、長手方向ｚに垂直な積層方向ｘに沿って圧電材料５と交互に積層している。また、圧電材料５は積層方向ｘに沿って分極されている。

ｙ方向ｙは、積層方向ｘ及び長手方向ｚのそれぞれに対して垂直である。

電極４は積層圧電素子１の内部に設けられており、内部電極とも呼ばれる。積層圧電素子１は、第１側面６と、第１側面６に対向する第２側面７とを有する。第１側面６には、第１外部電極８が設けられている。第２側面７には、第２外部電極（不図示）が設けられている。内蔵電極４は、積層方向ｘに沿って、第１外部電極８又は第２外部電極と交互に電気的に接触している。

また、積層圧電素子１は、互いに対向し、第１側面６及び第２側面７に対して垂直に設けられている第３側面２０と第４側面２１とを有する。第３及び第４側面２０、２１の表面法線はそれぞれ積層方向ｘに沿っている。

電極４の間に印加される低交流電圧によって入力領域２を制御することができる。圧電効果に基づいて、先ず、入力側に印加される交流電圧が機械振動に変換される。該機械振動の周波数は主に積層圧電素子１の幾何形状及び機械構造によって決まる。

出力領域３は圧電材料９を有し、内蔵電極を有していない。該出力領域における圧電材料９は長手方向ｚに沿って分極されている。出力領域３の圧電材料９は、入力領域２の圧電材料５と同じ材料であってもよく、圧電材料５と圧電材料９との区別は分極方向にある。出力領域３において、圧電材料９は、単一のモノリシック層として成形され、長手方向ｚに沿って完全に分極されている。また、出力領域３における圧電材料９は単一の分極方向を有する。

交流電圧が入力領域２における電極４に印加されると、圧電材料５、９内に機械波が形成され、出力領域３における圧電効果によって、出力電圧を生じる。出力領域３は出力側端面１０を有する。したがって、出力領域３において、端面１０と入力領域２の電極４の末端との間に電圧が発生する。ここで、出力側端面１０に高圧が発生する。また、該出力側端面と積層圧電素子の周囲との間にも大きな電位差が生じ、これは、プロセスガスをイオン化させるための強電界を発生させるのに十分である。

このように、積層圧電素子１は高電界を発生させると、電気励起によって気体又は液体をイオン化させることができる。気体又は液体の原子又は分子をイオン化させてプラズマを形成する。積層圧電素子１の表面における電界強度がプラズマの点火電界強度を超えると、イオン化が常に発生する。また、原子又は分子のイオン化に必要な電界強度をプラズマの点火電界強度と称する。

積層圧電素子１は、出力側端面１０と対向する入力側端面２２を更に有する。積層圧電素子１は稜線２３を更に有する。稜線２３は面取りされていてもよい。

製造期間において、積層圧電素子１に対して研磨剤を使用せずに研磨プロセスを行い、積層圧電素子１の他の積層圧電素子における摩擦により、積層圧電素子１からの材料の研磨除去を行う。

図２はここで説明する方法により製造される積層圧電素子１の一部の細部写真を示しており、素子同士の摩擦によって、積層圧電素子１の側面６、７、２０、２１、端面２１、２２、及び稜線２３から、材料の研磨除去を行ったものである。積層素子は、分離状態でドラムに設けられている。

対比として、図３は、ＺｒＯ_２を研磨剤として用いる研磨プロセスを経た比較例の積層素子の細部写真を示す。

図２と図３の対比が示すように、研磨剤を使用しないことにより、粗さのより低い側面と平滑で面取りされた稜線が得られるように、積層素子の側面及び稜線から材料を除去することができる。このように、積層素子の外面に平坦でない部分が生じることを回避できる。これによって、このような平坦でない部分による予想外のプラズマ点火を防止することができる。

図４は予め焼戻しプロセスを実施せずに研磨粒子を有する研磨剤を用いて研磨した比較例の積層圧電素子の細部写真を示す。図４に示すように、研磨粒子２４は研磨操作において積層圧電素子に押し込まれ、研磨プロセス後にもこの積層圧電素子に残っている。研磨粒子２４は積層素子１に悪影響をもたらす。例えば、表面が非常に平坦でない状態になる。

積層圧電素子の研磨剤を使用しない研磨と比べると、研磨剤を使用する利点は、表面の除去をより速やかに行えることしかない。しかし、それは、図３に示すように研磨剤を使用する場合の表面粗さの大幅な増大、及び研磨剤の粒子が表面に入り込む可能性という欠点を打ち消すことはできない。

代替手段として、セラミックテーパ体によって、研磨剤を添加せずに積層圧電素子に対して共に研磨してもよい。これによって得られる表面平滑度は、積層圧電素子１同士の摩擦によって得られる材料の研磨除去の結果と似ている。しかし、この場合はやはり研磨後に積層圧電素子とセラミックテーパ体とを分離させるための別のステップが必要である。

積層圧電素子１同士を摩擦させると、平滑な表面を得ることができる。研磨プロセスを２時間実施すれば、積層圧電素子１の稜線を所望のように面取りすることができる。

１ 積層圧電素子
２ 入力領域
３ 出力領域
４ 電極
５ 圧電材料
６ 第１側面
７ 第２側面
８ 第１外部電極
９ 圧電材料
１０ 出力側端面
２０ 第３側面
２１ 第４側面
２２ 入力側端面
２３ 稜線
２４ 研磨粒子
ｘ 積層方向
ｙ ｙ方向
ｚ 長手方向

Claims (9)

1. 研磨剤を添加せずに積層圧電素子（１）を研磨し、前記積層圧電素子（１）同士の摩擦により、前記積層圧電素子（１）からの材料の研磨除去を行う複数の積層圧電素子（１）を製造する方法。
2. 前記積層圧電素子（１）をグリーン体として研磨し、研磨後に前記積層圧電素子（１）を焼結する
   請求項１に記載の方法。
3. 前記積層圧電素子（１）を研磨する前に、前記積層圧電素子（１）に上昇した温度を与える焼戻しプロセスを実施する
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記焼戻しプロセスにおいて、前記積層圧電素子（１）の硬度を高める
   請求項３に記載の方法。
5. 前記焼戻しプロセスにおいて、有機結合剤の溶剤及び／又は軟化剤を少なくとも部分的に前記積層圧電素子（１）から除去する
   請求項３又は４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記焼戻しプロセスにおいて、前記積層圧電素子（１）に１００℃〜１５０℃の温度を与える
   請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 複数の前記積層圧電素子（１）を入れたドラムにおいて研磨を実施し、研磨操作の実行時間、前記ドラム内の積層圧電素子の数、及び前記ドラムの回転速度のうちの少なくとも一つを調節することにより、前記材料の研磨除去を所望のように調節する
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記積層圧電素子（１）は、研磨時に水媒体によって包まれる
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記積層圧電素子（１）は圧電トランスである
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。

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