JP4090278B2 - 積層型圧電体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，アクチュエータなどに利用可能な積層型圧電体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
電圧を印加することにより伸縮する圧電材料からなる圧電層と該圧電層に電圧を印加するための，銀，白金，銅などの導電材料からなる内部電極層とを交互に積層して構成した積層型圧電体素子が知られている
【０００３】
従来周知の積層型圧電体素子の製造方法の一つに，圧電層と内部電極層とを交互に積層したブロック積層体を予め作成し，このブロック積層体を接着層で所定の積層高さとなるまで接着して積層型圧電体素子を作成する方法が提案されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来方法では所望の積層高さが数十ミリ程度になるような多層の積層型圧電体素子を作成することが困難であった。
すなわち，積層高さを高くするためには，圧電層の厚みにもよるが，多くの場合積層枚数が数百枚に達してしまう。従って数百枚中の数枚の圧電層，つまり１％とか２％程度の不良が圧電層に発生した場合でも，積層型圧電体素子全体が不良品となる可能性があった。
【０００５】
従来は製造時の各工程で不良率を低減すべく工夫を凝らしているが，ファインセラミックの製造工程は材料精製から成型まで含めると数十工程を要し，これらの全工程での不良率を限りなく０とすることは非常に困難である。
【０００６】
また，従来方法は接着層という異種の材料が積層型圧電体素子の間に含まれるため，圧電性能の低下や強度の低下が生じてしまう。
近年は内燃機関の燃料噴射装置等のアクチュエーターとして積層型圧電体素子を利用することが考えられており，このような過酷な使用環境（高温，雰囲気に油や腐食性ガスが多い，衝撃や振動）で，高い圧電性能を発揮するような高性能積層型圧電体素子の製造方法が求められていた。
【０００７】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，高い耐久性と高い圧電性能を発揮し，不良率が低い積層型圧電体素子の製造方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
本発明は，圧電材料よりなる圧電層と，導電材料よりなる内部電極層とを交互に積層したブロック積層体を準備し，
該ブロック積層体に分極処理を施して，該ブロック積層体単体で圧電体素子として機能可能な状態となした後，良品の上記ブロック積層体を選別する選別工程を行い，
その後，良品の上記ブロック積層体を所望の数だけ，該ブロック積層体同士が接着層となる異種材料を介在させることなく直接接触するように積層して二次積層体となし，
該二次積層体に側面電極を設け二次積層体全体が一つの圧電体素子として機能するよう構成することを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法にある（請求項１）。
【０００９】
本発明は，予め作成したブロック積層体を分極処理した後，良品のブロック積層体を選別する選別工程を行ってから，良品のブロック積層体だけを所望の個数，直に接触させて積み上げて二次積層体となし，これに側面電極を設けて積層型圧電体素子を得る方法である。
【００１０】
本発明にかかる製造方法によれば，接着層などの異種材料を含まない積層型圧電体素子を得ることができるため，以下に示すように高性能で高耐久性な積層型圧電体素子を得ることができる。
すなわち，接着層でブロック積層体を接合した場合，接着層が緩衝材的な役割を果たして各ブロック積層体ごとの伸びを吸収して，積層型圧電体素子全体の伸びが低下するという問題が生じやすくなる。本発明は接着層を持たないため，この問題が生じ難く，高性能な（同じ電圧を印加した際により伸び量が大きい）積層型圧電体素子を得ることができる。
【００１１】
また，接着層は通電しても動かないため，ブロック積層体と接着層との間に応力集中が発生しやすい。よって，応力集中によるひび，割れ，デラミネーションが発生しやすくなる。特に高周波で積層型圧電体素子を駆動する際は応力が大きくなるため，上記問題が生じやすい。本発明によればこのような問題が生じ難く，耐久性に優れた積層型圧電体素子を得ることができる。
【００１２】
さらに，本発明は，積層枚数の少ないブロック積層体から二次積層体を作成するため，ブロック積層体を作成するまでの工程での不良率が０に近くなくとも，不良品の積層型圧電体素子が生じ難い。
ブロック積層体の状態で不良品が発見されれば，この段階で除外することができるためである。また，積層枚数が少ないため，ブロック積層体は製造しやすく，製造方法の難易度も低く，不良もより生じ難いためである。
【００１３】
以上，本発明によれば，高い耐久性と高い圧電性能を発揮し，不良率が低い積層型圧電体素子の製造方法を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記本発明（請求項１）においては，圧電層を構成する圧電材料としては，従来のようにＰＺＴやその他の圧電効果を有する誘電材料を適宜使用することができる。また，内部電極層の導電材料も，従来と同様に白金や銀，パラジウム，銅などの材料を適宜使用することができる。
内部電極層は圧電層に対し印刷などによって一体的に形成することもできるが，独立した板状として構成し，その後圧電層と交互に重ねることもできる。
【００１５】
また，ブロック積層体を製造する方法は，従来知られたセラミック積層体の製造方法と同じように行えばよい。
例えば，圧電材料を含んだスラリーから圧電層用の未焼シートを作成し，これに導電材料を含んだスラリーを印刷して内部電極層用の印刷部を設けた未焼シートとなし，該未焼シートを積層圧着して作った未焼体を焼成する方法などである（詳細は実施例参照）。
【００１６】
また，本発明において，ブロック積層体相互の固定は二次積層体に設けた側面電極により実現される。
なお，上記側面電極は積層型圧電体素子の伸縮に追従できるように，可撓性のある材料や素材で構成することが好ましい。例えばメッシュ状に構成した金属材料などである。
【００１７】
また，上記ブロック積層体の側面で，二次積層体となった際に側面電極を設ける場所には，予め導電性下地材を設けておき，ブロック積層体単独で圧電体素子として機能可能となるような内部電極層同士の導通を確保することが好ましい（実施例参照）。
すなわち，圧電層一層おきに内部電極層同士の電気的な導通を確保してやることで，圧電層に積層方向の両面から異なる極性の電圧を印加することが可能となる。
【００１８】
上記導電性下地材を設けて，仮に導電性下地材に対する電圧を印加することで圧電層が伸縮できるように構成した場合，各ブロック積層体間の導通を確保するだけで，二次積層体全体を一つの圧電体素子として駆動することが可能となる。よって，側面電極だけで積層型圧電体素子を構成する多数の内部電極層の導通を確保する場合と比べて，導通不良などが生じ難く，また側面電極の設置がより容易となる。
【００１９】
また，上記内部電極層は全面電極構成，部分電極構成のいずれの構成でもよいが，部分電極構成とした場合，本発明により次のような効果を得ることができる。
部分電極構成の場合，圧電層が積層方向の両面で内部電極層と対面してる駆動部と，圧電層の片一方の面のみと内部電極層と対面する非駆動部とが形成される。駆動部は通電により伸びるが，非駆動部は圧電層に電圧が印加されないため，伸びずに静止したままである。従って，駆動部と非駆動部との境界は応力が発生する。
【００２０】
ところで，各ブロック積層体間を接着層で接合した場合を考える。
仮に接着層をブロック積層体の全面に設けた場合，駆動部と非駆動部とを接着層が連結することになる。そのため，接着層を設けない場合と比較してより大きな応力が，駆動部と非駆動部との間に発生し，素子割れやクラック，デラミネーションの原因となる。
従って，本発明にかかる製造方法のようにブロック積層体間を直接接触させるのみで接着層を使わないことで，上記問題を生じないようにすることができる。また，接着層を駆動部のみ，非駆動部のみに設けることも考えられるが，接着面積が狭く接着力が不十分となったり，接着層の部分的な形成は非常に難しいため，実用的とは言い難い。
【００２１】
なお，上記ブロック積層体同士が当接する面は，例え後述する実施例のような研磨を行った場合であっても非常に細かい凹凸があるため，ブロック積層体同士を当接させるだけで十分に両者を密着させることができる。
ただし，ブロック積層体同士の位置ずれを防ぐために側面電極による固定を必要とする。
【００２２】
また，上記ブロック積層体は，分極処理を施した後，良品を選別する選別工程を行う。
ブロック積層体の不良品を予め選別して除去することができるため，所望の積層高さを有する二次積層体を歩留まり率高く製造することができる。
なお，選別工程としては，クラックや割れ，デラミネーションなどの物理的損傷を見つける工程や，静電容量や絶縁抵抗，圧電性能（印加する電圧と伸びとの関係）などを測定し，所定の値を満たしているかどうかチェックする工程がある。
【００２３】
また，上記積層型圧電体素子の外側面を絶縁被膜で覆うことが好ましい（請求項２）。
これにより，積層型圧電体素子と外部との間で絶縁効果を確実に得ることができる。
また，積層型圧電体素子の表面全体を覆うような絶縁被膜は，各ブロック積層体を拘束して，これらの位置ずれを防止することができる。
絶縁被膜は後述するように絶縁性樹脂のチューブを用いたり，樹脂のモールドを利用して構成することができる。
【００２４】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例）
本発明にかかる積層型圧電体素子の製造方法について説明する。
図１〜図７に示すごとく，圧電材料よりなる圧電層１０と，導電材料よりなる内部電極層１１，１２とを交互に積層したブロック積層体１を準備する。
そして，ブロック積層体１に分極処理を施して，該ブロック積層体１を単体で圧電体素子として機能可能な状態とする。
その後，上記ブロック積層体１を所望の数だけ，ブロック積層体１同士が直接接触するように積層して二次積層体２００とする。
そして上記二次積層体２００に側面電極２４を設け二次積層体２００全体が一つの圧電体素子として機能するよう構成する。
また上記積層型圧電体素子１の外側面を絶縁被膜２０で覆う。
【００２５】
以下，詳細に説明する。
本例の製造方法による積層型圧電体素子１は，図１に示すごとく，圧電層１０と内部電極層１１，１２とが交互に積層したブロック積層体１を複数個積層した二次積層体２００と，該二次積層体２００の積層方向両端に設けたダミーブロック１９と，二次積層体２００の側面２０１，２０２に設けた側面電極２４及び該側面電極２４と電気的導通を確保して接続したリード線２５とよりなる。
上記圧電層１０はＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）よりなり，内部電極層１１，１２は銀パラジウム電極よりなる。
【００２６】
また，本例の二次積層体２００はブロック積層体１が直接当接して積層することにより構成されており，各ブロック積層体１の境界を符合２６で示した。符合は付したがブロック積層体１の境界は直にブロック積層体１同士が当接しており，他の部材を挟んでいない。
さらに，図１や他の図面では見やすくするために積層枚数を少なく記載したが，本例にかかるブロック積層体１は圧電層１０が２０枚，またブロック積層体１を１９個積層して積層型圧電体素子２とした。
また，圧電層１０の厚みは０．１ミリ，内部電極層１１，１２の厚みは０．００３ミリ，ダミーブロック１９の厚みは１．０ミリである。
さらに，本例において各圧電層１０の形状を正方形としたが，円，楕円などの各種形状を選択することができる。
【００２７】
上記ブロック積層体１は部分電極構成を有し，内部電極層１１はブロック積層体１の側面１０１に，内部電極層１２はブロック積層体１の側面１０２に側端部が露出するよう構成する。
またブロック積層体の側面１０１，１０２は導電性下地材１４を設け，各側面１０１，１０２に露出する内部電極層１１，１２の側端部を電気的に接続する。
【００２８】
上記ダミーブロック１９はブロック積層体１を所望の積層高さに積層した後，積層方向の両端面に配置する。上記ダミーブロック１９は，積層型圧電体素子２を収納するハウジング（図示略）との絶縁を行ったり，積層型圧電体素子２の機械的強度を増大させるために設けた。また，ダミーブロック１９の材質は圧電層１０と同じとした。
【００２９】
側面電極２４は，ブロック積層体１の各側面１０１，１０２に設けた電極下地材１４を覆うように，二次積層体２００の側面２０１，２０２に対し導電性接着剤で貼り付けた。側面電極２４はメッシュ状で金属金網から構成する。また，外部電源（図示略）への接続用のリード線２５を側面電極２４に接続する。
【００３０】
また，積層型圧電体素子２の側面２０１，２０２を含む側面全体は絶縁被膜２０で覆われている。この絶縁被膜２０は，テトラフルオロエチレンからなるチューブを二次積層体２００に嵌めて構成した。
なお，エポキシ，ポリイミド等の樹脂材料からなるチューブで絶縁被膜を構成することができる。さらに，絶縁被膜を樹脂モールド構成とすることもできる。
【００３１】
次に製造方法の詳細について説明する。
圧電層１０用の圧電材料としてＰＺＴの粉末を準備する。
この粉末を粉砕して（材料粉砕工程），他の添加剤やバインダーを加え（調合工程），圧電層用のスラリーを得る（スラリー精製工程）。
図２（ａ）に示すごとく，ＰＥフィルム３０上に上記スラリーから圧電層用の未焼シート３１を成型する（シート成型工程）。
【００３２】
続いて，図２（ｂ）に示すごとく，所定の大きさに未焼シート３１を打ち抜いて，切片３２を得る（打ち抜き工程）。この切片３２に内部電極層用のペーストを塗布し，印刷部３３とする（印刷工程）。内部電極層用のペーストは，電極材料であるＡｇとＰｄとの粉末をバインダーに混合して作成する。
また，上記切片３２に対する印刷部３３の形成に際して，向きが交互となるように１８０°回転した形状の印刷部３３を備えた切片３２をそれぞれ作成して，以下の積層工程では向きの異なる切片３２を交互に積層する（図３（ａ）参照）。
【００３３】
次に，図３（ａ）に示すごとく，印刷済みの切片３２を２０枚積層する。そして，積層方向の両端面の下側にダミーシート３４１を１枚，上側に２枚のダミーシート３４２，３４３を積層する。さらに，ダミーシート３４１，３４３の上下面に各１枚の剥離シート３４４，３４５を設ける（積層工程）。
【００３４】
ダミーシート３４１，３４３は圧電層と同一組成で焼成後に研磨して平面を出すために積層する。ダミーシート３４２は圧電層と同一組成で二次積層時に隣接するブロック積層体との絶縁を取るために配置する。ダミーシート３４３には切断位置出し用のマーカー印刷部３４０を備える。
また，剥離シート３４４，３４５はポリイミド製フィルムで，積層治具から取り出しやすくするために設ける。
【００３５】
この積層は金型よりなる積層治具３５内で行い，積層を終えた後は，図３（ｂ）に示すごとく，上から加圧する（加圧成型工程）。
ここで用いる積層治具３５は，ヒータ３５３を内蔵した台座３５２と積層方向と垂直方向を規制する側部型３５１と，積層したものを上下から挟む下型３５４，上型３５５とよりなる。上型３５５の上方から加圧して，積層した切片３２を相互に圧着する。
このときの加圧力は１１ＭＰａで，ヒータ３５３によって型の内部は９０℃程度に加熱される。
以上により圧着体３６を得る。
【００３６】
上記圧着体３６を積層治具３５から外し，剥離シート３４４，３４５を取り除く。
図４に示すごとく，切断部材３７を用いて圧着体３６を切断位置３７０で切断する（切断工程）。これにより未焼体３６１を得る。なお，圧着体３６の端部は端材３６０として，有機物脱脂後，焼成時の雰囲気鉛として利用する。
そして，未焼体３６１を温度１０６０℃，４時間で焼成し（焼成工程），焼成体３６２を得る。その後，図５（ａ）に示すごとく，焼成体３６２の表面を砥石３８で研磨する（研磨工程）。
【００３７】
次いで，図５（ｂ）に示すごとく，導電性下地材１４を焼成体３６２の側面に設ける。設ける位置は，焼成体３６２の側面で，二次積層体２００となった際に側面電極２４を設ける場所である。すなわち，圧電層１０一層おきに内部電極層１１（または１２）同士の電気的な導通を確保できるような帯状の導電膜として導電性下地材１４を設けた（導電下地材形成工程）。
また，導電性下地材１４は，導電性ペースト（銀，白金をバインダーと混合する）を所定の場所に塗布し，温度６００℃程度で焼き付けて作成する。
【００３８】
その後，図６（ａ）に示すごとく，上記焼成体３６２に設けた導電性下地材１４に対し負極４１２と正極４１１とを接触させ，直流電源４１より電流を流して，分極する（分極処理工程）。これにより，単体で圧電体素子として機能可能なブロック積層体１０を得る。
続いて，図６（ｂ）に示すごとく，ブロック積層体１０を検査装置４２にかけて，性能や品質の検査を行う。ここで性能が低かったり，圧電効果を示さないような不良品を選別する（選別工程）。
なお，選別工程における具体的な検査項目は，
（１）割れ，クラック，デラミネーションの検査
（２）電圧を印加した際の伸び量の検査
（３）静電容量の検査
（４）絶縁抵抗の検査
である。
【００３９】
その後，図７（ａ）に示すごとく，検査に合格した良品のブロック積層体１のみを所望の積層高さ（図面では記載を省略したが実際には１９個）まで積み上げ，その両端に予め圧電層１０と同じ材料で作成したダミーブロック１９を配置して二次積層体２００とした（二次積層工程）。ダミーブロック１９の厚みは１．０ミリである。
【００４０】
そして，二次積層体２００の側面で電極下地材１４が露出した部分に側面電極２４を設ける（側面電極形成工程）。この側面電極２４は銅やステンレス製等でメッシュ状の素材よりなる。また，側面電極２４は導電性の接着剤を用いて接着する。さらに側面電極２４に導電性ペーストを用いてリード線２５を接続する。
【００４１】
最後に，上記二次積層体２００の全面（ただし積層方向の上下の端面をのぞく）を被覆するように絶縁被膜２０を設けた（絶縁被膜形成工程）。この被膜はテトラフルオロエチレンよりなるチューブである。
このようにして本例にかかる積層型圧電体素子２を得た。
【００４２】
本例の製造方法から得た積層型圧電体素子に耐久試験を施した。
また，比較例として，図８に示すごとき，一体焼成の積層型圧電体素子９も準備して，こちらにも同じ耐久試験を施した。
本例の積層型圧電体素子２と比較に用いた従来の素子９は，ともに圧電層１０，９０や内部電極層１１，１２，９１，９２の厚みや材質，全体の積層枚数や大きさなど，ブロック積層体１からなる二次積層体２００で本例にかかる素子２を構成した以外はすべて同じようにした。
【００４３】
その結果，本例にかかる積層型圧電体素子２は２×１０⁹以上の作動耐久性能を発揮した。また，従来タイプの素子９も同様の作動耐久性能を発揮した。
このように本例にかかる積層型圧電体素子２は一体焼成した素子９と同じような性能を発揮することができる。しかしながら，従来の素子９に比べて，本例にかかる積層型圧電体素子の不良率は１／３以下であった。
【００４４】
また，本例と同じ構成であるが，各ブロック積層体１をシリコン，エポキシ等の樹脂よりなる接着層で接合し，温度１６０℃，１時間で軽く焼成して一体化して作成した積層型圧電体素子を準備した。
この積層型圧電体素子の作動耐久性能は６×１０⁸と本例の素子２よりも低かった。
【００４５】
さらに，本例にかかる積層型圧電体素子１に１５０Ｖの電圧を付与した際の伸びは０．０４ミリであるが，接着層で各ブロック積層体を接合して作成した積層型圧電体素子（図示略）は同じ電圧を加えても０．０３５ミリしか伸びなかった。また，ヤング率も３０ＧＰａ程度と低かった。
【００４６】
次に本例の作用効果について説明する。
本例の製造方法によれば，接着層などの異種材料を含まない積層型圧電体素子２を得ることができる。そのため，各ブロック積層体１の伸びを足し合わせた値がそのまま積層型圧電体素子２の伸びとなり，高性能である。
また，接着層は通電しても動かないため，ブロック積層体と接着層との間に応力集中が発生しやすい。本例は接着層がないため応力の過剰な集中もなく，耐久性に優れた積層型圧電体素子２を得ることができる。
【００４７】
さらに，本例積層枚数の少ないブロック積層体１から二次積層体２００を作成するため，ブロック積層体１を作成するまでの工程での不良率が０に近くなくとも，不良品の積層型圧電体素子２が生じ難い。さらに本例ではブロック積層体１の段階で選別を行っているため，より不良が生じ難い。
【００４８】
以上，本例によれば，高い耐久性と高い圧電性能を発揮し，不良率が低い積層型圧電体素子の製造方法を提供することができる。
【００４９】
（比較例）
図８に示す，従来タイプの積層型圧電体素子９について説明する。
この圧電体素子９は，圧電層９０用の未焼シートに内部電極層９１，９２用の印刷部を設けて，これを所望の積層高さとなるまで積み上げ，また積層方向の両端にダミーブロック９９となる未焼シートを設け，一体的に焼成する。
その後，側面に側面電極９４やリード線（図示略）を設けて圧電体素子として機能するよう構成した。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における，積層型圧電体素子の説明図。
【図２】実施例における，積層型圧電体素子の製造工程（シート成型工程，打ち抜き工程，印刷工程）を示す説明図。
【図３】図２に続く，積層型圧電体素子の製造工程（積層工程，加圧成型工程）を示す説明図。
【図４】図３に続く，積層型圧電体素子の製造工程（切断工程）を示す説明図。
【図５】図４に続く，積層型圧電体素子の製造工程（研磨工程，導電下地材形成工程）を示す説明図。
【図６】図５に続く，積層型圧電体素子の製造工程（分極処理工程，選別工程）を示す説明図。
【図７】図６に続く，積層型圧電体素子の製造工程（二次積層工程，側面電極形成工程，絶縁被膜形成工程）を示す説明図。
【図８】従来タイプの一体焼成で作成した積層型圧電体素子の説明図。
【符号の説明】
１．．．ブロック積層体，
１０．．．圧電層，
１１，１２．．．内部電極層，
２．．．積層型圧電体素子，
２０．．．絶縁被膜，
２００．．．二次積層体，

Claims (2)

1. 圧電材料よりなる圧電層と，導電材料よりなる内部電極層とを交互に積層したブロック積層体を準備し，
   該ブロック積層体に分極処理を施して，該ブロック積層体単体で圧電体素子として機能可能な状態となした後，良品の上記ブロック積層体を選別する選別工程を行い，
   その後，良品の上記ブロック積層体を所望の数だけ，該ブロック積層体同士が接着層となる異種材料を介在させることなく直接接触するように積層して二次積層体となし，
   該二次積層体に側面電極を設け二次積層体全体が一つの圧電体素子として機能するよう構成することを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法。
2. 請求項１において，上記積層型圧電体素子の外側面を絶縁被膜で覆うことを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法。

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