JP6265013B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

圧電素子として、互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備えているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。圧電素子（圧電基板）は、圧電セラミックの各結晶粒が分極されることにより、圧電特性を発現している。

特開２００１−５７４４９号公報

本発明は、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能な圧電素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図り得る圧電素子について、調査研究を行った。その結果、本発明者らは、以下の事実を見出した。

圧電セラミックの各結晶粒は、形状の変化を伴い分極される。圧電基板上には、電極が配置されている。このため、圧電基板における電極との界面及び界面近傍に位置する結晶粒（以下、単に、「界面近傍に位置する結晶粒」と称する）は、電極により、形状の変化が抑制されることとなり、その分極が阻害されてしまう懼れがある。分極が阻害された結晶粒が存在していると、圧電素子（圧電基板）では、発現する圧電特性の低下は否めない。すなわち、界面近傍に位置する結晶粒の分極の阻害が軽減されれば、圧電素子は、優れた圧電特性を発現することとなる。

一対の電極により圧電基板に電界を印加し、圧電素子を駆動する際に、圧電基板は変位しようとするものの、電極自体は変位しようとはしない。このため電極は、圧電基板の変位を阻害するように作用し、圧電素子の変位量が小さくなってしまう懼れがある。すなわち、圧電基板の変位の阻害が軽減されれば、圧電素子は、変位量の向上が図られることとなる。

そして、本発明者らは、更なる調査研究を行い、以下の事実を見出し、本発明を想到するに至った。

圧電基板の主面が梨地面であり、梨地面に沿って梨地面上に形成されている電極は、結晶粒が分極される際に、界面近傍に位置する結晶粒の変形の阻害を軽減する。圧電素子が駆動される際に、梨地面上に形成された上記電極は、圧電基板の変位の阻害を軽減する。

そこで、本発明に係る圧電素子は、互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備え、一対の主面は、自然面且つ梨地面であり、一対の電極は、自然面且つ梨地面である主面に沿って主面上に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る圧電素子では、各電極は、自然面且つ梨地面である主面に沿って主面上に形成されているので、電極自体が、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。このため、各電極は、主面に平行な方向での電極自身の変形を許容しやすく、各電極は、界面近傍に位置する結晶粒の変形の阻害を軽減するとともに、圧電基板の変位の阻害を軽減する。この結果、圧電特性が優れるとともに、変位量の向上を図ることができる。本発明では、一対の主面が自然面であることから、圧電基板の主面を構成している結晶粒が脱落（剥離）し難い。

本発明によれば、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能な圧電素子を提供することができる。

本実施形態に係る圧電素子の断面構成を模式的に示す断面図及びその一部拡大図である。 グリーンシートの製造過程の一例を説明するための図である。 グリーンシートの製造過程の一例を説明するための図である。 圧電基板母材（圧電基板）の主面（表面）の形状を説明するための図である。 本実施形態に係る圧電素子の分極状態を対比例と比較して説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る圧電素子１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子の断面構成を模式的に示す断面図及びその一部拡大図である。

圧電素子１は、図１に示されるように、圧電基板３と、一対の電極５，６と、を備えている。圧電素子１は、たとえば、磁気ディスクを備えたディスク装置などに適用される。すなわち、デュアル・アクチュエータ方式のディスク装置において、ボイスコイルモータ以外の第二のアクチュエータとして、圧電素子１が用いられる。圧電素子１は、矩形板状を呈している。圧電素子１の厚さは、たとえば、４５μｍ〜２００μｍに設定される。

圧電基板３は、互いに対向する一対の主面３ａ，３ｂと、一対の主面３ａ，３ｂを連結するように一対の主面３ａ，３ｂの対向方向に延びる側面３ｃと、を有している。本実施形態では、圧電基板３は、矩形板状を呈している。したがって、圧電基板３は、４つの側面３ｃを有している。圧電基板３の厚さは、たとえば、４０μｍ〜２００μｍに設定される。

一対の主面３ａ，３ｂは、図１に示されるような山谷を有する梨地面である。一対の主面３ａ，３ｂは、自然面でもある。自然面は、ブラスト処理及び研磨処理などの表面処理（機械的な加工処理）が施されていない面である。すなわち、自然面は、焼成により成長した結晶粒の形状に起因した形状を呈する面である。自然面は、焼成により成長した結晶粒により構成されることから、結晶粒が密集した比較的緻密な面でもある。このように、一対の主面３ａ，３ｂは、自然面として、山谷を有する形状を呈している。

圧電基板３は、圧電セラミックからなる。圧電セラミックとしては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ［ＰｂＴｉＯ_３］、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム［ＢａＴｉＯ_３］などが挙げられる。

一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ上に配置されている。一対の電極５，６は、梨地面である一対の主面３ａ，３ｂに沿って一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されているので、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。すなわち、各電極５，６の表面も、対応する主面３ａ，３ｂの形状が反映された、梨地面である。

一対の電極５，６は、たとえば、スパッタリング法又は蒸着法などにより一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されている。一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ全体を覆っている。側面３ｃは、一対の電極５，６で覆われていない。一対の電極５，６は、圧電基板３に電界を印加するための電極として機能する。一対の電極５，６は、たとえば、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、又はＰｔなどからなる。電極５，６は、複数の電極層からなっていてもよい。この場合、Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる電極層上に、Ａｕからなる電極層が積層されていてもよい。一対の電極５，６の厚さは、たとえば、１００ｎｍ〜４００ｎｍに設定される。

圧電基板３の側面３ｃは、樹脂（不図示）で覆われていてもよい。この場合、樹脂は、側面３ｃ全体を覆うように配置されていてもよい。樹脂の材料には、エポキシ樹脂などが用いられる。

次に、上述した圧電素子１の製造過程について説明する。

まず、圧電基板３を構成する圧電セラミック粉（原料粒子）にバインダや有機溶剤などの成分を加え、セラミックペーストを得る。次に、得られたセラミックペーストを用いて、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートを形成する。グリーンシートの厚みは、たとえば、１５μｍ〜１００μｍに設定される。

一対の主面が梨地面とされたグリーンシートは、図２に示された過程により形成することができる。図２は、グリーンシートの製造過程の一例を説明するための図である。

図２の（ａ）に示されるように、表面が梨地面とされた基材（たとえば、ＰＥＴフィルムなど）ＢＭ上で、セラミックペーストをシート状に成形し、一方の主面のみが梨地面とされた複数のグリーンシートＧ１を得る。セラミックペーストの成形は、たとえば、ドクターブレード法を用いることができる。ここでは、一方の主面のみが梨地面とされたグリーンシートを切断して、複数のグリーンシートＧ１を得てもよい。

次に、図２の（ｂ）に示されるように、一方の主面のみが梨地面とされた２枚のグリーンシートＧ１を用意し、他方の主面同士が当接するように、２枚のグリーンシートＧ１を重ね合わせる。すなわち、２枚のグリーンシートＧ１は、梨地面とされた主面の裏面同士が当接するように重ね合わさせる。これにより、図２の（ｃ）に示されるように、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートＧ２が得られる。グリーンシートＧ２は、２枚のグリーンシートＧ１からなる積層体として構成されている。

一対の主面が梨地面とされたグリーンシートは、図３に示された過程により形成してもよい。図３は、グリーンシートの製造過程の一例を説明するための図である。

図３の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、得られたセラミックペーストからグリーンシートＧ３を形成した後、プレス加工により、グリーンシートＧ３の一対の主面を梨地状に成形し、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートＧ４を得てもよい。ここでは、成型面が梨地面とされた一対の金型Ｄを用い、一対の金型ＤでグリーンシートＧ３をプレスすることにより、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートＧ４を得てもよい。また、図３の（ｃ）に示されるように、押し出し成型機ＥＭを用い、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートＧ４を形成してもよい。グリーンシートＧ４は、いずれの場合も、１枚のグリーンシートからなる。

次に、一対の主面が梨地面とされたグリーンシートを所定の形状（たとえば、正方形状など）に成形した後、脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、たとえば、成形されたグリーンシートを安定化ジルコニアで構成されたセッターに載置した状態で施される。続いて、脱バインダ処理が施されたグリーンシートを焼成し、圧電基板母材を得る。焼成は、たとえば、グリーンシートを載置した状態でセッターをマグネシア質の匣鉢に入れ、１０００〜１２００℃程度の温度で２〜４時間程度行われる。これにより、一対の主面が梨地面とされた圧電基板母材が得られる。

図４を参照し、圧電基板母材（圧電基板）の主面（表面）の形状を説明する。図４は、圧電基板母材（圧電基板）の主面（表面）の形状を説明するための模式図である。図４中では、（ａ）は、主面が梨地面でなく且つ自然面である圧電基板母材（圧電基板）の断面構成を示している。同じく（ｂ）は、主面が梨地面且つ自然面である圧電基板母材（圧電基板３）の断面構成を示している。同じく（ｃ）は、主面が研磨面である圧電基板母材（圧電基板）の断面構成を示している。

図４中の（ａ）に示されるように、梨地面でなく且つ自然面である主面は、焼成により成長した結晶粒の形状に起因して、山谷を有する形状を呈する。図４中の（ｂ）に示されるように、梨地面且つ自然面である主面は、自然面の山谷が強調された形状を呈する。図４中の（ｃ）に示されるように、研磨処理された研磨面は、自然面の山の部分が削り取られて、山谷が均されたような形状を呈する。

得られた圧電基板母材の各主面に対して、それぞれ電極膜を形成する。各電極膜は、たとえば、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、又はＰｔなどからなる。各電極膜は、スパッタリング法又は蒸着法などにより圧電基板母材に形成される。各電極膜は、圧電基板母材の自然面且つ梨地面である各主面に沿って各主面上に形成され、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。圧電基板母材は、個片化された状態の複数の圧電基板３が繋がった状態である。各電極膜は、個片化された状態の複数の各電極５，６が繋がった状態である。

以上の過程により、圧電基板母材及び電極膜を備える圧電素子基板が得られる。次に、圧電素子基板に分極処理を行う。分極処理では、たとえば、１００℃の温度下で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を５分間印加する。

次に、分極処理後の圧電素子基板をダイサーなどの切断機で製品形状に加工する。これにより、圧電基板３及び各電極５，６を備え且つ個片化された圧電素子１が得られる。

次に、図５を参照して、上述した圧電素子１の作用及び効果を対比例と比較して説明する。ここでは、対比例を、圧電基板の一対の主面が梨地面でなく且つ自然面である圧電素子としている。また、圧電素子基板ではなく、圧電素子に分極処理が施されるとして説明する。図５は、本実施形態に係る圧電素子の分極状態を対比例と比較して説明する図である。図５中、（ａ）は、図１に示された圧電素子の分極処理前における自発分極の状態を説明する図である。同じく、（ｂ）は、対比例における分極状態を説明する図である。同じく、（ｃ）は、図１に示された圧電素子の分極処理後における分極状態を説明する図である。図５では、図面を簡略化するため、圧電基板の各主面は平面として示されている。

図５中の（ａ）に示されるように、圧電基板３は、圧電セラミックの多結晶体であり、複数の結晶粒８を含んでいる。分極処理前の圧電素子１は、各結晶粒８の自発分極の方向がランダムである。すなわち、結晶粒８ごとに自発分極の方向が、自然発生的にあらゆる方向を向いて揃っていないため、この状態で電圧を印加しても、各結晶粒８は自身の自発分極の向きに変位しようとして変位が相互に打ち消し合い、全体として変位が生じ難い。分極処理前の圧電素子１は、厚さＤ_０、厚さ方向に直交する方向での長辺の長さＬ_０である。

図５中の（ｂ）に示されるように、対比例の圧電素子１１は、互いに対向する一対の主面１３ａ，１３ｂ及び４つの側面１３ｃを有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板１３と、各主面１３ａ，１３ｂ上に配置されている一対の電極１５，１６と、を備えている。各主面１３ａ，１３ｂは、自然面である。一対の電極１５，１６は、自然面である各主面１３ａ，１３ｂに沿って各主面１３ａ，１３ｂ上に形成されている。圧電基板１３は、圧電セラミックの多結晶体であり、複数の結晶粒１８を含んでいる。圧電素子１１は、圧電基板１３の各主面１３ａ，１３ｂが梨地面ではなく、自然面である点で、本実施形態の圧電素子１と主に相違し、それ以外の点で共通する。

圧電素子１１では、図示しないが、分極処理前は、図５中の（ａ）に示された圧電素子１と同様に、圧電セラミックの各結晶粒１８の自発分極の方向がランダムで、全体として変位が生じ難い状態である。分極処理前の圧電素子１１は、厚さＤ_０、長辺の長さＬ_０である。分極処理は、一対の電極１５，１６間に電圧を印加し、圧電基板１３に電界を印加することにより行われる。その結果、各結晶粒１８の変形を伴いながら、図５中の（ｂ）に示されるような分極状態が得られる。分極処理後の圧電素子１１は、厚さＤ_１（＞Ｄ_０）、厚さ方向に直交する方向での長さＬ_１（＜Ｌ_０）である。

分極処理後の圧電素子１１では、各結晶粒１８の自発分極の方向が、各主面１３ａ，１３ｂの対向方向に平行な方向に概ね揃っている。しかしながら、界面近傍に位置する結晶粒１８は、各電極１５，１６により形状の変形が抑制されることとなり、分極が阻害される。したがって、界面近傍に位置する結晶粒１８では、他の各結晶粒１８に比べて、自発分極の方向が揃い難い。このように分極が阻害され、自発分極の方向が揃っていない結晶粒１８が存在していると、圧電素子１１（圧電基板１３）では、発現する圧電特性の低下は否めない。

一対の電極１５，１６間に電圧を印加し、圧電基板１３に微少電界を印加することにより、圧電素子１１を駆動する際に、圧電基板１３は変位しようとするものの、電極１５，１６自体は変位しようとはしない。このため、電極１５，１６は、圧電基板１３の変位を阻害するように作用し、圧電素子１の変位量が小さくなってしまう懼れがある。

これに対し、図５中の（ｃ）に示されるように、分極処理後の圧電素子１では、各結晶粒８の自発分極の方向が、界面近傍に位置する結晶粒８も含めて、各主面３ａ，３ｂの対向方向に平行な方向に概ね揃っている。これは、各電極５，６が、梨地面である各主面３ａ，３ｂに沿って各主面３ａ，３ｂ上に形成されているためである。各電極５，６は、各主面３ａ，３ｂに平行な方向での各電極５，６自身の変形を許容しやすく、圧電素子１では、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害が軽減される。したがって、界面近傍に位置する結晶粒８においても、自発分極の方向が揃いやすい。分極処理後の圧電素子１は、厚さＤ_２（＞Ｄ_１＞Ｄ_０）、厚さ方向に直交する方向での長さＬ_２（＜Ｌ_１＜Ｌ_０）である。

以上のように、本実施形態においては、各電極５，６は、自然面且つ梨地面である主面に沿って主面３ａ，３ｂ上に形成されているので、電極５，６自体が、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。このため、各電極５，６は、主面に平行な方向での電極５，６自身の変形を許容しやすく、各電極５，６は、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害を軽減するとともに、圧電基板３の変位の阻害を軽減する。この結果、圧電素子１は、圧電特性が優れるとともに、変位量の向上が図られている。

本実施形態では、一対の主面３ａ，３ｂが自然面であることから、圧電基板３の主面を構成している結晶粒が脱落（剥離）し難い。このため、結晶粒の脱落に起因する各電極５，６の圧電基板３からの剥離を防ぐことができる。

自然面は、一般に、密集した結晶粒の表面で構成される緻密な面である。このため、圧電素子基板を切断により個片化する際に、圧電基板母材の各主面が梨地面でなく且つ自然面である場合、切断の際の衝撃などにより、圧電基板母材の各主面及び当該各主面近傍に位置する結晶粒が粒内で破断される懼れがある。この場合、結晶粒が破断面で割れてしまい、結晶粒の破片が圧電基板母材から脱落することがある。個片化の際に割れない場合でも、圧電素子が駆動される際に、結晶粒の変形により、結晶粒が破断面で割れてしまい、電極を伴って、圧電基板から結晶粒の破片が脱落することもある。

圧電基板母材の各主面が、梨地面且つ自然面であり、山谷を有する形状を呈しているため、圧電素子基板を切断により個片化する際に、切断の際の衝撃などにより、圧電基板母材の各主面及び当該各主面近傍に位置する結晶粒が粒内で破断される場合でも、粒内で破断される結晶粒数が減少する。これにより、結晶粒の破片の脱落が、個片化の際及び駆動の際のいずれにおいても抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

圧電素子１（圧電基板３）は、矩形板状を呈しているとしたが、これに限られない。円板状や、円柱状、直方体状であってもよい。

圧電基板３の厚さは、特に制限されない。圧電基板３の厚さが薄いほど、圧電基板３における界面近傍に位置する結晶粒８の占める割合が高まる。したがって、厚さが薄い圧電基板３を備える圧電素子１ほど、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができるという効果が顕著となりやすい。圧電基板３の厚さが０．２ｍｍ以下のときに上記効果がより顕著となる。

一対の主面が梨地面とされたグリーンシートは、３枚以上のグリーンシートが積層された積層体として構成されていてもよい。

１…圧電素子、３…圧電基板、３ａ，３ｂ…主面、５，６…電極。

Claims (2)

1. 互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、
   前記一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備え、
   前記一対の主面は、自然面且つ梨地面であり、
   前記一対の電極は、自然面且つ梨地面である前記主面に沿って前記主面上に形成されており、
   前記一対の電極の各表面は、対応する前記主面の形状が反映された梨地面であることを特徴とする圧電素子。
2. 前記一対の電極の厚さは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。