JP2827299B2 - 積層圧電セラミックス素子の製造方法 - Google Patents

積層圧電セラミックス素子の製造方法

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は積層圧電セラミックス素子の製造方法に係
り、特に、圧電セラミックス層が積層方向に対して垂直
な方向に分極させられている積層圧電セラミックス素子
の製造方法に関するものである。
従来の技術 インクジェットや超音波モータなどのアクチュエータ
として圧電セラミックス素子が利用されているが、この
ような圧電セラミックス素子の一種に、圧電セラミック
ス層と内部電極層とを交互に積層した積層圧電セラミッ
クス素子がある。そして、このような積層圧電セラミッ
クス素子の製造に際して、近年、圧電セラミックス材料
をシート状に成形するとともに、そのシートの一方また
は両方の面に内部電極層を構成する金属電極材料を印刷
し、これを複数積み重ねて圧着した後一体焼成してセラ
ミックス化し、その後、その焼成体の側面に上記金属電
極材料に1層おきに接続された一対の外部電極を形成
し、その外部電極を用いて上記焼成された圧電セラミッ
クスに分極処理を行うようにしたものがある。このよう
な製造方法によれば、予め焼成された圧電セラミックス
の薄板に電極を塗布して分極したものを接着剤で複数接
合する場合に比較して、製造工程が少なく生産性が大幅
に向上するとともに、圧電セラミックス層を薄くするこ
とが可能で駆動電圧を下げることができるなど、種々の
優れた効果を享受できる。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、かかる製造方法によって製造される積
層圧電セラミックス素子は、内部電極層の存在により上
記分極処理を行う際の電圧がその内部電極層に印加され
るため、圧電セラミックス層の分極方向が層の厚み方
向、すなわち積層方向に限定され、縦効果の変位による
積層方向の変位や振動しか得られないという問題があっ
た。すなわち、複数の圧電セラミックス層および内部電
極層が交互に積層されるとともに、圧電セラミックス層
が積層方向に対して垂直な方向に分極させられ、厚み滑
り効果により積層方向に対して垂直な方向の変位や振動
が得られる積層圧電セラミックス素子の製造に際して
は、上記製造方法を適用できないため、従来通り予め厚
さ方向に対して垂直な方向に分極処理された圧電セラミ
ックスの薄板に、分極方向に対して平行な面に電極を塗
布したものを接着剤で複数接合して製造しなければなら
なかったのである。
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、そ
の目的とするところは、複数の圧電セラミックス層およ
び内部電極層が交互に積層され且つその圧電セラミック
ス層は積層方向に対して垂直な方向に分極させられてい
る積層圧電セラミックス素子の製造に際しても上記製造
方法を適用できるようにすることにある。
課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、複数の圧電
セラミックス層および内部電極層が交互に積層され且つ
その圧電セラミックス層は積層方向に対して垂直な方向
に分極させられている積層圧電セラミックス素子の製造
方法であって、(a)前記圧電セラミックス層を構成す
る圧電セラミックス材料を用意する工程と、(b)その
圧電セラミックス材料よりもキュリー温度が低く且つそ
のキュリー温度以上で電気抵抗が急激に増大して絶縁体
となる正温度特性のサーミスタ材料を前記内部電極層の
構成材料として用意する工程と、(c)前記圧電セラミ
ックス材料および前記サーミスタ材料をシート状に成形
して交互に積層する積層工程と、(d)その積層工程に
よって作製された積層体を一体に焼成する焼成工程と、
(e)前記サーミスタ材料のキュリー温度よりも高く且
つ前記圧電セラミックス材料のキュリー温度よりも低い
温度により、前記積層体の積層方向に対して垂直な方向
に電界を印加し、前記焼成工程において焼成された圧電
セラミックスに分極処理を行う分極工程とを有すること
を特徴とする。
ここで、上記圧電セラミックス層を構成する圧電セラ
ミックス材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)系,チタン酸鉛(PT)系等の強誘電性を有する
セラミックス材料が用いられる。また、内部電極層を構
成するサーミスタ材料としては、例えばチタン酸バリウ
ム系のセラミックス材料等が好適に用いられる。
作用および発明の効果 すなわち、本発明方法は、内部電極層として圧電セラ
ミックス材料よりもキュリー温度が低く且つそのキュリ
ー温度以上で電気抵抗が急激に増大して絶縁体となる正
温度特性のサーミスタ材料を用い、そのサーミスタ材料
および圧電セラミックス材料をシートに成形して交互に
積層した後一体焼成し、その後に、サーミスタ材料のキ
ュリー温度よりも高く且つ圧電セラミックス材料のキュ
リー温度よりも低い温度、換言すればサーミスタ材料が
絶縁体となる一方圧電セラミックス材料が未だ強誘電性
を有する温度により、前記積層体の積層方向に対して垂
直な方向に電界を印加して分極処理を行うようにしたの
である。この場合に、上記サーミスタ材料は分極処理を
行う際には絶縁体であるため、圧電セラミックスは積層
方向に対して垂直な方向に良好に分極させられる一方、
その分極処理後にサーミスタ材料のキュリー温度以下ま
で温度が低下すると、そのサーミスタ材料は導電体とな
って内部電極層として機能するようになり、その内部電
極層に駆動電圧が印加されることにより、厚み滑り効果
により積層方向に対して垂直な方向の変位や振動が得ら
れるのである。
このように、本発明方法によれば、複数の圧電セラミ
ックス層および内部電極層が交互に積層されるととも
に、圧電セラミックス層が積層方向に対して垂直な方向
に分極させられ、厚み滑り効果により積層方向に対して
垂直な方向の変位や振動が得られる積層圧電セラミック
ス素子が、層の厚さ方向に分極させられた圧電セラミッ
クス層と内部電極層とが交互に積層された積層圧電セラ
ミックス素子を製造する場合と同様にして製造できるよ
うになり、製造工程が少なくなって生産性が大幅に向上
するのである。また、圧電セラミックス層を薄くするこ
とが可能で、駆動電圧を下げたり変位部分の面積を小さ
くしたりすることができる一方、圧電セラミックス材料
やサーミスタ材料を適当に選択することにより圧電セラ
ミックス層と内部電極層との接合強度を高めることがで
きるなど、種々の優れた効果が得られる。
実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。
先ず第3図は、本発明方法に従って製造された積層圧
電セラミックス素子の一例を説明する構成図で、この積
層圧電セラミックス素子10は、交互に積層された複数の
圧電セラミックス層12および内部電極層1から成り、圧
電セラミックス層12は積層方向に対して垂直な方向すな
わち図の左右方向に分極させられている。また、圧電セ
ラミックス層12は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン
酸鉛系のセラミックスにて構成されている一方、内部電
極層14は、上記チタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックス
よりもキュリー温度が低く且つそのキュリー温度以上で
電気抵抗が急激に増大して絶縁体となるチタン酸バリウ
ム系のセラミックスにて構成されている。なお、図の圧
電セラミックス層12に示されている矢印は分極方向を表
している。
次に、かかる積層圧電セラミックス素子10の製造方法
を説明する。
先ず、上記圧電セラミックス層12を構成するチタン酸
ジルコン酸鉛系のセラミックス材料、および内部電極層
14を構成するチタン酸バリウム系のセラミックス材料を
用意し、それ等をドクターブレード法などによりそれぞ
れ所定の厚さのシート状に成形して交互に積層した後加
熱圧着し、所定の寸法形状に切断して一体焼成する。こ
れにより、第1図に示されているように前記積層圧電セ
ラミックス素子10と同様な一体焼結積層体16が得られる
が、この段階では、圧電セラミックス層12の自発分極の
方向はランダムである。なお、上記圧電セラミックス層
12を構成するチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックス材
料は圧電セラミックス材料に相当し、内部電極層14を構
成するチタン酸バリウム系のセラミックス材料は、圧電
セラミックス材料よりもキュリー温度が低く且つそのキ
ュリー温度以上で電気抵抗が急激に増大して絶縁体とな
る正温度特性のサーミスタ材料に相当する。
次に、第2図に示されているように、上記積層体16の
積層方向における両側面に一対の分極用電極18を形成す
るとともに、シリコンオイル等の絶縁オイル20が満たさ
れたオイルバス22中において、分極電源24により一対の
分極用電極18間に電圧を印加する。上記絶縁オイル20の
温度は、内部電極層14のキュリー温度よりも高く且つ圧
電セラミックス層12のキュリー温度よりも低い温度、例
えば130℃程度に定められており、内部電極層14は絶縁
体となるのに対し圧電セラミックス層12は未だ強誘電性
を有する。このため、一対の分極用電極18間に電圧が印
加されることにより、積層体16にはその積層方向に対し
て垂直な方向に電界が印加され、圧電セラミックス層12
はその積層方向に対して垂直な方向に良好に分極させら
れる。
そして、上記積層体16から分極用電極18を取り外すこ
とにより、前記積層圧電セラミックス素子10が得られ
る。この積層圧電セラミックス素子10の通常の使用温度
は内部電極層14のキュリー温度よりも充分に低く、その
内部電極層14は導電体となって駆動用の電極として機能
する。例えば第4図に示されている圧電アクチュエータ
は、それ等の内部電極層14間に直接駆動電源26を接続し
たもので、積層方向にバイアス電界が印加されることに
より、厚み滑り効果により積層方向に対して垂直な方向
の変位が発生する。また、第5図に示されている圧電ア
チュエータは、内部電極層14の両端面に交互に一層おき
に絶縁体28を塗布するとともにその上に導電体製のリボ
ン状外部電極30を形成し、その外部電極30に交流電源32
を接続して交流電圧を印加するようにしたもので、積層
方向と直角な方向に定在波を発生し、超音波モータ等に
利用される。
このように、本実施例では、圧電セラミックス層12を
構成するセラミックス材料と内部電極層14を構成するセ
ラミックス材料とを交互に積層して一体焼成した後分極
処理を行って積層圧電セラミックス素子10を製造するよ
うになっているため、予め厚さ方向に対して垂直な方向
に分極処理された圧電セラミックスの薄板に、分極方向
に対して平行な面に電極を塗布したものを接着剤で複数
接合して製造する場合に比較して、製造工程が少なくな
って生産性が大幅に向上するのである。
また、このような製造方法を採用することにより、圧
電セラミックス層12の厚さを従来品に比較して薄くする
ことが可能となり、駆動電圧を下げたり変位部分の面積
を小さくしたりすることができる。これにより、例えば
ドロップオンデマンド方式の圧電インクジェットによる
プリンタヘッドのマルチノズルに前記第4図の圧電アク
チュエータを利用する場合には、その解像度を大幅に向
上させることができる。また、第5図の圧電アクチュエ
ータを超音波モータに利用する場合には、その超小型化
を図ることが可能となる。
更に、本実施例の積層圧電セラミックス素子10は、圧
電セラミックス層12としてチタン酸ジルコン酸鉛系のセ
ラミックスが用いられているとともに、内部電極層14と
してチタン酸バリウム系のセラミックスが用いられてい
るため、それ等の焼成温度や焼成時の収縮率が比較的近
似しており、且つ結晶構造が共にペロブスカイト型であ
るところから焼成後の結合強度が高く、接着剤で接合し
ていた従来品に比較して接合強度の劣化が少なくなり、
優れた耐久性が得られる利点がある。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一具体例であ
り、例えば圧電セラミックス材料やサーミスタ材料を適
宜変更したり、それ等の材料に必要に応じてバインダ等
を加えたりしても差支えないなど、本発明は当業者の知
識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法による製造過程において製造された
一体焼結積層体を示す構成図である。第2図は第1図の
積層体の圧電セラミックス層に分極処理を行う工程を説
明する図である。第3図は第1図および第2図の工程を
経て製造された積層圧電セラミックス素子の構成図であ
る。第4図および第5図は、それぞれ第3図の積層圧電
セラミックス素子を利用した圧電アクチュエータの一例
を示す図である。 10:積層圧電セラミックス素子 12:圧電セラミックス層 14:内部電極層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−132490(JP,A) 特開 昭58−196079(JP,A) 特開 平2−132870(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 41/083 H01L 41/09 H01L 41/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の圧電セラミックス層と内部電極層と
    が交互に積層され且つ該圧電セラミックス層は積層方向
    に対して垂直な方向に分極させられている積層圧電セラ
    ミックス素子の製造方法であって、 前記圧電セラミックス層を構成する圧電セラミックス材
    料を用意する工程と、 該圧電セラミックス材料よりもキュリー温度が低く且つ
    該キュリー温度以上で電気抵抗が急激に増大して絶縁体
    となる正温度特性のサーミスタ材料を前記内部電極層の
    構成材料として用意する工程と、 前記圧電セラミックス材料および前記サーミスタ材料を
    シート状に成形して交互に積層する積層工程と、 該積層工程によって作製された積層体を一体に焼成する
    焼成工程と、 前記サーミスタ材料のキュリー温度よりも高く且つ前記
    圧電セラミックス材料のキュリー温度よりも低い温度に
    より、前記積層体の積層方向に対して垂直な方向に電界
    を印加し、前記焼成工程において焼成された圧電セラミ
    ックスに分極処理を行う分極工程と を有することを特徴とする積層圧電セラミックス素子の
    製造方法。
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KR100501179B1 (ko) * 2003-03-12 2005-09-13 주식회사 바낙스 홀로그램 시트를 이용한 낚싯대 제조방법

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