JP2003309298A

JP2003309298A - 圧電／電歪素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003309298A
Application number: JP2002116128A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Namekawa; 政彦滑川; Kazuyoshi Shibata; 和義柴田; Masaki Iwamoto; 正樹岩本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】薄肉・大面積でも変形、破損が生じるの防止
できる、強度、耐衝撃性、取扱い性、寸法精度、位置精
度、素子特性の安定性、ならびに製造歩留まりに優れた
圧電／電歪素子を提供する。【解決手段】平面が矩形状をなし、外形の幅寸法ａ
（ｍｍ）と奥行き寸法ｂ（ｍｍ）とが、ａ＋ｂ＜１００
の関係を満足する圧電／電歪薄膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ２、
２Ｄと、圧電／電歪薄膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ２、２Ｄを挟
持するように設けられた内部電極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃ
と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は圧電／電歪素子に
関し、さらに詳しくは、薄肉で破損されにくい圧電／電
歪素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学、磁気記録、精密加工、印刷
などの各種の分野において、例えば光路長や位置などを
サブミクロンオーダで制御したり、振動を精密に制御す
るための薄型で小面積の変位素子が要望されている。こ
の要望に応える変位素子としては、例えば強誘電体など
でなる圧電／電歪材料に電圧を印加したときに起こる逆
圧電効果や電歪効果に因る変位を利用するものがある。

【０００３】従来、この種の薄型で小面積の変位素子と
しては、積層型の圧電／電歪素子がある。この圧電／電
歪素子は、複数の圧電／電歪層と電極層とを交互に積層
してなる。このような圧電／電歪素子を製造するには、
まず、原料を秤量し、粉砕してバインダと共に混合し、
さらに脱泡した後、シート状に形成して矩形状のグリー
ンシート（焼成により圧電／電歪セラミック層になる）
を所定形状とする。このグリーンシートの一方の表面に
所定領域に亘って導電ペーストを印刷して電極層を形成
する。次に、この電極層が適宜印刷されたグリーンシー
トを積層圧着し、必要に応じて切断して形成した圧電／
電歪素子前駆体を焼成して積層体を作製する。この結
果、グリーンシートは、上記したように、焼成されて圧
電体セラミック層となり、この圧電体セラミック層に外
部電極を適宜形成して圧電／電歪素子が作製される。

【０００４】このような構成の積層型の圧電／電歪素子
を用いてユニモルフ型アクチュエータを作製するには、
振動板の上に、圧電／電歪素子を接着固定した後、外形
を所定寸法に加工すればよい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た積層型の圧電／電歪素子を用いたユニモルフ型アクチ
ュエータにおいては、積層型の圧電／電歪素子が小面積
であるため、組み立て後に加工する場合に取り数が少な
く原料歩留まりが低いものであった。通常、圧電／電歪
材料には鉛化合物が用いられることが多く、このため、
鉛分を多く含む廃棄物が多く発生し、その廃棄物の処理
コストが嵩むという問題点があった。

【０００６】また、積層型の圧電／電歪素子を用いたユ
ニモルフ型アクチュエータの製造においては、焼成され
た積層型の圧電／電歪セラミックをハンドリングして搬
送・組立が行われる。

【０００７】しかし、従来の圧電／電歪セラミックは、
破壊靱性が低くハンドリングが困難であった。このた
め、薄肉で大面積の圧電／電歪素子の原盤を用いて圧電
／電歪素子を作製することは困難であった。そして、従
来のように薄肉で小面積の圧電／電歪素子の前駆体を焼
成して作製した圧電／電歪素子では、中央部と周辺部と
の特性が異なるという問題点があった。これのように特
性が異なる理由は、圧電／電歪材料として、焼成時に組
成変化し易い鉛化合物が多いため、圧電／電歪素子前駆
体の中央部と周辺部とで組成が変化することが原因と考
えられる。このため、上記したような薄型で小面積の圧
電／電歪素子では、最終的な特性にばらつきが発生し易
いものであった。

【０００８】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。そこで、本発明は、薄肉・大面積でも変
形、破損の発生を防止できる、強度、耐衝撃性、取扱い
性、寸法精度、位置精度、素子特性の安定性、ならびに
原料歩留まりに優れた圧電／電歪素子およびその製造方
法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の特徴は、平面が矩形状をなし、外形
の幅寸法ａ（ｍｍ）と奥行き寸法ｂ（ｍｍ）とが、ａ＋
ｂ＜１００の関係を満足する圧電／電歪薄膜と、この圧
電／電歪薄膜を挟持するように設けられた少なくとも一
対の電極と、を備えることを要旨とする。特に、この発
明では、外形の幅寸法ａ（ｍｍ）と奥行き寸法ｂ（ｍ
ｍ）とが、ａ＋ｂ＜７０、さらにａ＋ｂ＜４０であるこ
とが好ましい。

【００１０】このような構成とすることにより、薄型で
不良率の少ない圧電／電歪素子を得ることができる。

【００１１】また、第１の特徴に係る発明では、圧電／
電歪薄膜の厚さ寸法ｔが０．３ｍｍ以下、好ましくは
０．２ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以下で
ある。このような厚さ寸法に設定することにより、圧電
／電歪素子の変位特性を確実に得ることができる。

【００１２】さらに、第１の特徴に係る発明では、圧電
／電歪薄膜の積層数が１５以下、好ましくは１０以下、
さらに好ましくは５以下である。このような構成とする
ことにより、圧電／電歪素子の使用中に絶縁破壊が発生
することを抑制できる。

【００１３】そして、第１の特徴に係る発明では、電極
の少なくとも１層がサーメット、特に圧電／電歪セラミ
ックとＰｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ等の金属からなるサーメ
ットでなることが好ましい。このように電極をサーメッ
トで形成することにより、この電極と圧電／電歪薄膜と
の熱膨脹差を低減することが可能となり、焼成温度と実
際の使用温度（室温近傍）の温度差で発生する内部応力
に起因する剥離を抑制する作用があり、圧電／電歪素子
の信頼性を向上できる他、内部応力に起因する圧電／電
歪素子の電界誘起歪の低下を抑制できる。また、電圧を
印加しても歪みが発生しないＰｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ等
の金属の圧電／電歪素子に対する相対的な体積が少なく
なるため、圧電／電歪素子の変位を大きくすることがで
きる。

【００１４】本発明の第２の特徴は、振動板固定部を有
する振動板を備えた圧電／電歪デバイスにおけるこの振
動板に固定されると共に、少なくとも１層以上の圧電／
電歪層と、少なくとも２層の電極層とを有する薄肉の圧
電／電歪素子であって、この圧電／電歪層表面の平均粒
径が３０μｍ以下であることを要旨とする。

【００１５】第２の特徴に係る発明では、圧電／電歪層
表面の平均粒径を３０μｍ以下とすることで、破壊靱性
が良好となり、ハンドリングの際や、圧電／電歪デバイ
スに衝撃が伝わった際に破損が発生することを抑制する
作用がある。

【００１６】なお、第２の特徴に係る発明では、圧電／
電歪層表面の平均粒径が好ましくは２０μｍ以下、さら
に好ましくは１０μｍ以下である。圧電／電歪層表面の
材料粒径を２０μｍ以下にすることで、圧電／電歪素子
の駆動時や熱衝撃印加時に破壊が発生することを抑制す
る作用がある。特に、圧電／電歪層表面の材料粒径を１
０μｍ以下にすることで、上記作用に加えて、高湿度下
でも絶縁破壊が発生することを抑制する作用がある。

【００１７】また、第２の特徴に係る発明では、圧電／
電歪素子の厚さの振動板の厚さに対する比が０.５〜１
０、前記振動板固定部の長さに対する圧電／電歪素子の
長さの比が１.２５以上、幅が０.８ｍｍ以上の外形を有
することが好ましい。なお、振動板の厚さに対する厚さ
の比は好ましくは０.８〜５、さらに好ましくは１〜３
である。このような構成とすることにより、振動板との
組み付け時に振動板のうねりに追従し易くなり、接着剤
の厚みが部位によらず一定となり、圧電／電歪デバイス
の変位特性ばらつきを小さくする作用がある。

【００１８】さらに、第２の特徴に係る発明では、圧電
／電歪素子の長さの振動板固定部の長さに対する比は、
２以上、さらには３以上であることが好ましい。

【００１９】また、第２の特徴に係る発明では、圧電／
電歪素子の幅寸法が１.５ｍｍ以上であることが好まし
い。このように、幅寸法を１.５ｍｍ以上とすることに
より、圧電／電歪素子の焼成時の組成変動が少ない部分
を多く得ることができるため、製造効率を向上できる。

【００２０】さらに、第２の特徴に係る発明では、圧電
／電歪層が１５層以下、好ましくは１〜１０層、さらに
好ましくは２〜８層とすることが望ましい。このような
積層数とすることにより、絶縁破壊を抑制する作用があ
る。すなわち、圧電／電歪層の積層数が１５層より多い
と、圧電／電歪素子における電極長が長くなり、且つ電
極間距離が短くなることに起因して電圧印加時の絶縁破
壊が発生し易くなる。また、圧電／電歪層の積層数を１
０以下とすることで、十分な変位を確保することができ
る。

【００２１】そして、第２の特徴に係る発明では、電極
層の少なくとも１層がサーメットであることが好まし
い。このような構成とすることにより、電極材料と圧電
／電歪材料との熱膨脹差に起因する剥離や変位低下を抑
制して、圧電／電歪素子の信頼性が向上する。また、サ
ーメットの使用により、圧電／電歪素子中の、電界を印
加しても歪まない金属部分の体積を少なくすることがで
きるため、圧電／電歪素子の変位を大きくすることがで
きる。

【００２２】本発明の第３の特徴は、圧電／電歪素子の
製造方法であって、セラミック基板上に、熱処理で消失
する付着防止層を形成した後、この付着防止層上にスク
リーン印刷法を用いて圧電／電歪素子前駆体を形成し、
その後、この圧電／電歪素子前駆体を焼成することを要
旨とする。

【００２３】この第３の特徴に係る発明では、セラミッ
ク基板が焼成された圧電／電歪材料層でもよいし、未焼
成の圧電／電歪材料層でもよい。また、このセラミック
基板は、圧電／電歪材料でない、焼成されたセラミック
材料層と、焼成された圧電／電歪材料層との２層構造と
してもよい。さらに、セラミック基板は、圧電／電歪材
料でない、未焼成のセラミック材料層と、未焼成の圧電
／電歪材料層との２層構造でなる構成としてもよい。さ
らにまた、圧電／電歪材料でない、焼成されたセラミッ
ク材料層と、未焼成の圧電／電歪材料層との２層構造が
好ましい。また、セラミック基板の圧電／電歪材料層
は、グリーンシート形成法やスクリーン印刷法で形成し
てもよい。そして、圧電／電歪素子前駆体を、セラミッ
ク基板上に複数配置することが好ましい。

【００２４】また、第３の特徴に係る発明では、付着防
止層が昇華する物質でなることが好ましい。付着防止層
が、気化蒸発する前に、液相となる物質であると圧電／
電歪素子前駆体を部分的に溶かしてしまい、焼成後の圧
電／電歪素子に形状不良が発生したり、圧電／電歪素子
前駆体の溶けた部分がセラミック基板に密着することに
より、焼成後の圧電／電歪素子がセラミック基板に固着
してしまうのに対し、昇華性物質を用いることにより、
焼成時に付着防止層を融解させることなく消失させるこ
とができるため、前記の問題が発生しない。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る圧電／電歪素
子およびその製造方法の詳細を図面に示す実施の形態に
基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、
各材料層の厚みや寸法は以下の説明を参照して判断すべ
きものである。また、図面相互間においても互いの寸法
の関係や比率が異なる部分が含まれることは勿論であ
る。

【００２６】ここで、本発明における圧電／電歪素子と
は、逆圧電効果ならびに電歪効果あるいは圧電効果によ
り、電気的エネルギーと機械的エネルギーとを相互に変
換する素子を包含する概念である。したがって、各種ア
クチュエータや振動子などの能動素子、特に、逆圧電効
果や電歪効果による変位を利用した変位素子として用い
られる他、圧電効果による起電力を利用したセンサとし
ても用いられる。

【００２７】［実施の形態］（圧電／電歪素子）図１は、第１の実施の形態に係る圧
電／電歪素子１を上下を逆に置いた状態を示す斜視図で
ある。図１に示すように、この実施の形態に係る圧電／
電歪素子１は、例えば４層の圧電／電歪層２Ａ、２Ｂ、
２Ｃ、２Ｄと、これらの圧電／電歪層２Ａ、２Ｂ、２
Ｃ、２Ｄの互いに隣接する層同士の間に介在される例え
ば３層の内部電極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、これら内部電
極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃが交互に接続された一対の外部電
極層４Ａ、４Ｂとを備えてなる。そして、この圧電／電
歪素子１は、上下一対の底面がともに長方形状をなす概
ね台形状の積層体構造を有する。

【００２８】この実施の形態に係る圧電／電歪素子１に
おいて、圧電／電歪層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは、圧電
或いは電歪効果などの電界誘起歪みを示す材料であれ
ば、何れの材料でもよく、また誘電体セラミックス材料
や強誘電体セラミックス材料であっても、何等差し支え
なく、更には分極処理が必要な材料であっても、またそ
れが不必要な材料であってもよいが、好ましくはジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする材料、マグ
ネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、
ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）を主成分とする材料、
亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、マンガンニオブ酸
鉛を主成分とする材料、アンチモン錫酸鉛を主成分とす
る材料、チタン酸鉛を主成分とする材料、チタン酸バリ
ウムを主成分とする材料、さらにはこれらの複合材料等
が用いられる。なお、ＰＺＴ系を主成分とする材料に、
ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガ
ン等の酸化物や、それらの他の化合物を添加物として含
んだ材料、例えばＰＬＺＴ系となるように、前記材料に
所定の添加物を適宜に加えても何等差し支えない。ま
た、内部電極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび外部電極層４
Ａ、４Ｂは、サーメットで形成されている。このサーメ
ットは、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点金属
類、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の
合金を主成分とする金属に、酸化鉛、酸化チタン、酸化
ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化ニ
ッケル、酸化亜鉛、酸化マンガン、酸化アンチモン、酸
化錫、酸化ランタン、酸化バリウム及びこれらの化合物
である、ジルコン酸チタン鉛を主成分とする材料、マグ
ネシウムニオブ酸鉛を主成分とする材料、ニッケルニオ
ブ酸鉛を主成分とする材料、アンチモン錫酸鉛を主成分
する材料、チタン酸鉛を主成分とする材料、チタン酸バ
リウムを主成分とする材料の単体或いは混合物が複合化
されてなる。

【００２９】この圧電／電歪素子１では、底面ｆ１から
底面ｆ２へ向けて積層される圧電／電歪層２Ａ、２Ｂ、
２Ｃ、２Ｄが漸次幅が奥行きが狭くなるように設定され
ている。この結果、圧電／電歪素子１全体では、奥行き
方向の両側に斜面ｆ３、ｆ４が形成されている。

【００３０】また、この圧電／電歪素子１においては、
図１に示す幅寸法ａと奥行き寸法ｂとの和ａ＋ｂが１０
０ｍｍよりも小さくなるように設定されている。さら
に、圧電／電歪素子１の厚さ寸法ｔは、０.３ｍｍ以下
に設定されている。

【００３１】このように設定したことにより、本実施の
形態に係る圧電／電歪素子１では、１σの上限で所望の
変位特性を得ることができる。したがって、ａ＋ｂ＜１
００ｍｍの条件下で、圧電／電歪素子１の厚さ寸法ｔを
０.３ｍｍ以下にすると、圧電／電歪素子としたときに
平均で所望の変位特性が得られる。さらに、ａ＋ｂ＜１
００ｍｍの条件下で、圧電／電歪素子１の厚さ寸法ｔを
０.１５ｍｍ以下にすると、圧電／電歪素子としたとき
に１σの下限で平均で所望の変位特性が得られる。

【００３２】そして、このような設定の圧電／電歪素子
１において、圧電／電歪層の積層数は、圧電／電歪層２
Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの４層である。本実施の形態にお
いては、ａ＋ｂ＜１００ｍｍで、圧電／電歪素子１の厚
さ寸法ｔを０.３ｍｍ以下に設定した条件下で、圧電／
電歪層の積層数を１５以下とすることで圧電／電歪層が
絶縁破壊されることを防止できる。

【００３３】また、本実施の形態に係る圧電／電歪素子
１においては、内部電極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび外部
電極層４Ａ、４Ｂを、圧電／電歪層を構成するセラミッ
クと同組成或いは類似組成のセラミックと金属の混合物
であるサーメットで形成しているため、サーメットのセ
ラミックと圧電／電歪層のセラミックが焼結することに
より、電極層と圧電／電歪層の結合が強化されることに
加え、熱膨張率差に起因する内部応力が低減されて、こ
れら電極層と圧電／電歪層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄとが
剥離することを抑制できる。

【００３４】なお、下表１は、図１に示すように、本実
施の形態に係る圧電／電歪素子１の外形の幅寸法ａ（ｍ
ｍ）と外形の奥行き寸法ｂ（ｍｍ）を漸次変えたときの
圧電／電歪素子１の不良率（不良発生率）を示してい
る。また、図２は、下表１に基づいて圧電／電歪素子１
の不良率が１００％となる区域と、不良率０％の区域
と、不良率０〜１００％の区域（二点鎖線は不良率５０
％を示す）とを示す。

【００３５】

【表１】上記表１および図２から、圧電／電歪素子１の外形の幅
寸法ａと奥行き寸法ｂとの和が１００ｍｍより短い（ａ
＋ｂ＜１００ｍｍ）ときに、圧電／電歪素子１の不良率
が１００％未満となることが判る。また、ａ＋ｂ＜７０
ｍｍ、さらにはａ＋ｂ＜４０ｍｍであることが圧電／電
歪素子１の不良率を低くできることが判る。

【００３６】また、本実施の形態に係る圧電／電歪素子
１では、厚さ寸法ｔを０.３ｍｍ以下に設定したが、好
ましくは、厚さ寸法ｔが０.２ｍｍ以下、さらに好まし
くは、０.１５ｍｍ以下が望ましい。

【００３７】さらに、上記の寸法条件下において、圧電
／電歪層の積層数を４としたが、上記したように１５以
下、好ましくは１０以下、さらに好ましくは５以下であ
る。

【００３８】［圧電／電歪素子の製造方法］次に、本実
施の形態に係る圧電／電歪素子１の製造方法を図３〜図
６を用いて説明する。

【００３９】（１）まず、図３に示すような、例えばジ
ルコニア、アルミナ、マグネシアなどの酸化物でなる所
定の大きさのセラミック基板１０を用意する。このセラ
ミック基板１０は、スクリーン印刷の台としての機能と
焼成用基板としての機能を有する。

【００４０】（２）次に、このセラミック基板の上に、
圧電／電歪素子１の圧電／電歪層と同じ組成の圧電／電
歪材料粉末分散ペーストを、圧電／電歪素子１よりも長
い寸法を有する複数列の領域に印刷し、乾燥させて、組
成バッファー層を形成する。

【００４１】（３）この組成バッファー層の上に、カー
ボン粉末あるいは昇華する物質であるテオブロミン粉末
分散ペーストを圧電／電歪ペーストと同じ形状に印刷
し、乾燥させて図３に示すような付着防止層１１を形成
する。

【００４２】（４）次に、図３に示すように、付着防止
層１１の上の複数の並行な素子形成領域Ａの上に、スク
リーン印刷法を用いて、材料が白金−圧電／電歪材料サ
ーメットでなる電極用ペーストを、外部電極層４Ａの一
部（圧電／電歪層２Ａの下面に沿った面積の広い電極部
分）、および外部電極層４Ｂの一部（圧電／電歪層２Ａ
の下面に沿った面積の狭い電極部分）となるように形成
する。その後、スクリーン印刷法にて、圧電／電歪層２
Ａを形成する。図４に示す圧電／電歪層２Ａは、上記し
たように幅寸法（ａ）と奥行き寸法（ｂ）との和が１０
０ｍｍ未満となるように設定されている。そして、図５
に示すように、圧電／電歪層２Ａの上に、スクリーン印
刷法にて、順次、内部電極層３Ａ、圧電／電歪層２Ｂ、
内部電極層３Ｂ、圧電／電歪層２Ｃ、内部電極層３Ｃ、
圧電／電歪層２Ｄ、外部電極層４Ａを印刷、乾燥を繰り
返して積層体を作製する。なお、外部電極層４Ａは、台
形状の積層体の傾斜する側壁を覆うようにスクリーンが
設定されている。同様に、内部電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃに
おいても、積層体の側壁を覆うように設定されている。
なお、図５において符号１２は、スクリーン（印刷用
版）を示している。内部電極層３Ａ、３Ｂ、３Ｃおよび
外部電極層４Ｂは、外部電極層４Ａと同様のＰｔ−圧電
／電歪材料サーメットで形成する。

【００４３】（４）最後に、各材料層の有機成分や付着
防止膜１１が残らない程度の速度で昇温させ、例えば最
高温度１１００〜１３００℃で焼成を行う。この結果、
図６に示すように、付着防止膜１１が消失して圧電／電
歪素子１をセラミック基板１０（＋バッファー層）から
容易に離脱させることができる。

【００４４】上記した本実施の形態の製造方法によれ
ば、焼成後の圧電／電歪層の平均粒径は３０μｍ以下と
なっており、平均粒径が３０μｍより大きなものに比較
して破壊靱性が向上している。これは、粒径が大きい
と、粒内破壊が起こりやすいためであると考えられる。
本実施の形態に係る製造方法で製造した圧電／電歪素子
１では、破壊靱性が高くなるため、ハンドリングによる
破損が生じにくく、不良発生頻度が低くなっている。

【００４５】（圧電／電歪素子の落下試験）なお、上記
した製造方法にて製造された圧電／電歪素子１におい
て、圧電／電歪材料の平均粒径を変えたものを用意し、
これら圧電／電歪層の表面粒径の異なる圧電／電歪素子
を高さ１０ｃｍから肉厚２０ｍｍのＳＵＳ３０４でなる
板上に１０回落下させて容量が２％以上低下したものを
不良とした。図７は、このような落下試験結果を示すグ
ラフであり、圧電／電歪材料の平均粒径と圧電／電歪素
子の不良発生頻度（％）を示すグラフである。図７から
判るように、焼成後の圧電／電歪層表面の平均粒径が３
０μｍより大きくなると不良発生頻度が飛躍的に高くな
っている。換言すれば、圧電／電歪層の表面粒径が３０
μｍより小さくなれば、不良発生頻度が少なくなり、不
良率の少ない圧電／電歪素子を製造することができる。

【００４６】（圧電／電歪素子の変位特性）また、上記
落下試験と同様に、圧電／電歪材料の粒径を変えた圧電
／電歪素子を用意し、それぞれの圧電／電歪素子を３ｋ
Ｖ／ｍｍで分極後、０〜３ｋＶ／ｍｍで１ｋＨｚのｓｉ
ｎ波で１００時間駆動後に圧電／電歪素子の変位を測定
した。そして、圧電／電歪素子の変位が５％以上低下し
たものを不良とした。その結果を図８に示す。

【００４７】図８に示されるように、平均粒径が２０μ
ｍ以下で不良発生頻度が大幅に低くなり、変位特性の良
好な圧電／電歪素子を安定して製造できることが判る。

【００４８】（圧電／電歪素子の高温・高湿耐久性）さ
らに、上記した各試験と同様に、圧電／電歪材料の粒径
を変えた圧電／電歪素子を用意し、温度８５℃、湿度８
５％の環境下において、１ｋＨｚのｓｉｎ波で１００時
間の駆動後に、各圧電／電歪素子の変位を測定した。そ
して、圧電／電歪素子の変位が５％以上変化したものを
不良とした。その結果を図９に示す。

【００４９】図９に示されるように、平均粒径が１０μ
ｍ以下で不良発生頻度が大幅に低くなり、高温・高湿耐
久性が向上していることが判る。

【００５０】（圧電／電歪素子の厚さ／振動板の厚さと
変位との関係）次に、本実施の形態に係る圧電／電歪素
子１を、図１０に示すような振動板固定部１３に固定さ
れた振動板１４の基部に接着剤で固定したときの、圧電
／電歪素子１の厚みｔ１と振動板ｔ２との関係を調べ
た。まず、１００μｍの厚さの振動板に各種厚さ寸法の
圧電／電歪素子を接着し、変位を測定（変位の最大限を
１００％として表記）した。図１１は、その結果を示す
グラフである。図１１に示されるように、圧電／電歪素
子厚みと振動板厚みの比が０.５〜１０（好ましくは０.
８〜１０、さらに好ましくは１〜３）の範囲で良好な変
位特性を得ることができる。なお、この変位測定では、
振動板の厚さを１００μｍに設定したが、５０μｍ、１
５０μｍとした場合でも、同様の結果が得られた。

【００５１】（圧電／電歪素子の長さ／振動板固定部の
長さと変位との関係）図１０に示すように圧電／電歪素
子１を振動板１４に固定したときの、圧電／電歪素子の
長さＬ２／振動板固定部の長さＬ１と、変位との関係を
調べた。図１２は、その結果を示すグラフである。

【００５２】図１２に示すように、圧電／電歪素子の長
さＬ２／振動板固定部の長さＬ１が１.２５以上（好ま
しくは２以上、さらに好ましくは３以上）で良好な変位
特性を備えることが判る。

【００５３】なお、例えば、図１８に示すような構造の
圧電／電歪デバイス２０においても、圧電／電歪素子の
長さＬ２／振動板固定部の長さＬ１が１.２５以上（好
ましくは２以上、さらに好ましくは３以上）で良好な変
位特性を備える。なお、この圧電／電歪デバイス２０
は、図１８に示すように、所定間隔を隔てて相対向する
可動板部３１、３１と、これら可動板部３１、３１の一
方の端部側でこれら可動板部３１、３１同士の間に介在
されるように形成された固定部３２と、が一体に形成さ
れた基体３０を備え、これら一対の可動板部３１、３１
の一方の端部側で対向外側面に、それぞれ圧電／電歪素
子４０が接着、固定されてなる。

【００５４】この圧電／電歪デバイス２０は、圧電／電
歪素子４０、４０の駆動によって、一対の可動板部３
１、３１が変位し、あるいは可動板部３１、３１の変位
を圧電／電歪素子４０により検出する構成を有する。例
えば、図１８に示す圧電／電歪デバイス２０では、可動
板部３１と圧電／電歪素子４０とでアクチュエータ部３
３、３３が構成されている。また、一対の可動板部３
１、３１の他方の端部には、互いに内側に向けて突出す
るように肉厚に形成された可動部３４、３４形成されて
いる。これら可動部３４は、可動板部３１の変位動作に
伴って変位する。この結果、図１８に示すように、光学
機器、精密機器、ハードディスクドライブのヘッド等の
微細位置制御を必要とする部品５０を駆動することがで
きる。

【００５５】なお、図１８に示す台形状の圧電／電歪素
子４０の上下を反対に固定部３２に貼着してよい。この
ような構造の圧電／電歪デバイスにおいても、圧電／電
歪素子の長さＬ２／振動板固定部の長さＬ１が１.２５
以上（好ましくは２以上、さらに好ましくは３以上）で
良好な変位特性を備える。

【００５６】また、図１９に示すように、一対の可動板
３１、３１の他方の端部側で対向側面に、それぞれ圧電
／電歪素子４０が、接着、固定されるようにしてもよ
い。このような構成の圧電／電歪デバイスにおいては、
圧電／電歪素子の長さＬ２／可動部３４、３４の長さＬ
３が１.２５以上（好ましくは２以上さらに好ましくは
３以上）で良好な変位特性を備える。

【００５７】（圧電／電歪素子の幅と変位との関係）上
記構成の圧電／電歪素子を幅方向にスライスして変位を
測定した。その結果、図１３に示す結果が得られた。両
端各０.７ｍｍ程度は変位特性が低い（あるいはばらつ
きの原因になる）ので、最低でも幅１.５ｍｍ以上と
し、変位特性の安定している箇所を使用することが望ま
れる。また、両端の変位が低い部分は、電子線プローブ
マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成分析の結
果、組成変動していることが判った。このような結果か
ら、薄肉で大面積の圧電／電歪素子の原盤を作製し、こ
の原盤から周縁部を除いた領域から圧電／電歪素子の前
駆体を切り出せば、多くの圧電／電歪素子前駆体を取る
ことができる。

【００５８】（圧電／電歪層の数と変位特性と不良発生
率との関係）圧電／電歪素子の層数を漸次変えたものの
変位と不良発生率とを測定した。その結果を図１４のグ
ラフに示す。本実施の形態の上記した寸法条件下におい
て、圧電／電歪層の数は１５以下、好ましくは１０以
下、さらに好ましくは５以下が望ましいことが判った。

【００５９】以上、第１の実施の形態について説明した
が、本実施の形態では圧電／電歪素子１の製造に際し
て、グリーンシート積層法を用いてもよい。

【００６０】［その他の実施の形態］（圧電／電歪素子）以上、本発明の実施の形態について
説明したが、上記の実施形態の開示の一部をなす論述お
よび図面はこの発明を限定するものであると理解するべ
きではない。この開示から当業者には様々な代替実施の
形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【００６１】例えば、上記した実施の形態では、断面台
形状の圧電／電歪素子１について本発明を適用して説明
したが、図１５〜図１７に示すような直方体形状の圧電
／電歪素子２０にも本発明を適用することができる。こ
の圧電／電歪素子２０は、図１５に示すように、圧電／
電歪層２１と電極層２２とを交互に積層してなる積層体
２３と、この積層体２３の互いに対向する２つの側面で
各電極層２２を交互に共通接続するとともに、この積層
体２３の上下面に延伸するように形成された互いに電気
的に分離された一対の外部電極層２４、２５とを備えて
いる。この圧電／電歪素子２０は、厚さ方向に圧電／電
歪層２１が６層、電極が外部電極層２４、２５を含めて
７層が交互に積層されている。この圧電／電歪素子２０
においても、上記した実施の形態と同様な寸法に設定す
ることにより、不良発生率の低下や、破壊靱性の向上、
変位特性の向上などを奏することができる。

【００６２】（圧電／電歪素子の製造方法）このような
圧電／電歪素子２０を製造するには、まず、図１６に示
すように、圧電／電歪層２１と同様の組成でなる焼成さ
れたセラミック基板３０の上に、上記した第１の実施の
形態と同様の付着防止膜３１を形成する。その後、圧電
／電歪材料のグリーンシートの表面に電極層を形成した
ものを順次積層して積層体を形成し、この積層体（圧電
／電歪素子前駆体）をセラミック基板３０と共に焼成を
行えばよい。本実施の形態においても焼成により付着防
止膜３１が消失して、圧電／電歪素子２０をセラミック
基板３０から離脱させることができる。

【００６３】本実施の形態では、焼成の際に台として機
能するセラミック基板３０を圧電／電歪材料で形成して
いるため、基板側の成分が圧電／電歪層２１へ拡散して
圧電／電歪素子２０の特性に影響を与えることを防止で
きる。

【００６４】なお、本実施の形態においては、積層体を
形成する際に、グリーンシート積層法を用いたが、上記
した実施の形態と同様にスクリーン印刷法用いて形成し
てもよい。

【００６５】また、本実施の形態においては、焼成の際
に台として用いるセラミック基板３０を圧電／電歪材料
を焼成して形成したものを用いたが、未焼成の圧電／電
歪材料でなる基板として用いてもよい。さらに、図１７
に示すように、セラミック基板３０として、圧電／電歪
材料でない焼成されたセラミック材料層３２と、焼成さ
れた若しくは未焼成の圧電／電歪材料層３３との２層構
造でなる構成としてもよい。このような他の実施の形態
に係る圧電／電歪素子２０においても、上記した実施の
形態に係る圧電／電歪素子１と同様な寸法設定や圧電／
電歪層の数の設定などを適用が可能であり、同様の結果
を得ることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、薄型で不良率の少ない圧電／電歪素子を確実
に得ることができる。

【００６７】また、本発明によれば、所望の変位特性を
有する圧電／電歪素子を実現することができる。

【００６８】さらに、使用中に絶縁破壊が発生しにくい
圧電／電歪素子を提供することができる。

【００６９】また、本発明によれば、電極と圧電／電歪
薄膜との剥離を抑制して圧電／電歪素子の信頼性を向上
できる。

【００７０】さらに、本発明では、破壊靱性（ハンドリ
ング性）が良好な圧電／電歪素子を実現でき、ハンドリ
ングにより変形や破損が発生することを抑制する効果が
ある。加えて、圧電／電歪素子の駆動時や熱衝撃印加時
に破壊が発生することを抑制する効果がある。そして、
本発明によれば、高湿度下でも絶縁破壊が発生しにくい
圧電／電歪素子を製造することができる。

【００７１】また、本発明によれば、圧電／電歪デバイ
スの変位特性ばらつきを小さくする効果がある。

【００７２】さらに、本発明によれば、変位特性の良好
な圧電／電歪素子を多数個取りでき、製造効率を高める
ことができる。

【００７３】また、本発明によれば、変位特性の良好な
圧電／電歪素子を実現できる。

【００７４】さらに、本発明によれば、電極層をサーメ
ットとすることにより、電極材料と圧電／電歪材料とが
剥離することを抑制して、圧電／電歪素子の信頼性を向
上できるとともに、内部応力を低減して、変位の低下を
抑制できる。加えて、サーメットは電圧を印加しても変
位しない金属部材の体積が小さいため、圧電／電歪層と
電極との相対変位が大きくなる。このため、圧電／電歪
素子の変位を大きくすることができる。

【００７５】また、本発明によれば、着防止層が昇華す
る物質でなるため、焼成時に付着防止層を消失させて容
易に圧電／電歪素子をセラミック基板から取り外すこと
ができる。また、セラミック基板から圧電／電歪素子側
へ不純物が拡散することを防止でき、特性の適正な圧電
／電歪素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電／電歪素子の実施の形態を示
す斜視図である。

【図２】圧電／電歪素子の幅寸法と奥行寸法と不良発生
率との関係を示すグラフである。

【図３】実施の形態に係る圧電／電歪素子の製造方法に
おいてセラミック基板へ付着防止膜を付けた状態を示す
平面図である。

【図４】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の圧電／電
歪層を示す平面図である。

【図５】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の製造方法
の工程を示す断面説明図である。

【図６】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の製造方法
の工程を示す断面説明図である。

【図７】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の圧電／電
歪材料の平均粒径と落下試験による不良発生頻度との関
係を示すグラフである。

【図８】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の圧電／電
歪材料の平均粒径を変えた圧電／電歪素子の電圧印加試
験での不良発生頻度を示すグラフである。

【図９】圧電／電歪材料の粒径を変えた圧電／電歪素子
を温度８５℃、湿度８５％の環境下において、１ｋＨｚ
のｓｉｎ波で１００時間の駆動後に、各圧電／電歪素子
の変位を測定した結果を示すグラフである。

【図１０】振動板固定部に固定された振動板に圧電／電
歪素子を接着した状態を示す説明図である。

【図１１】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の厚さ寸
法の振動板の厚さ寸法に対する比率と変位との関係を示
すグラフである。

【図１２】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の長さの
振動板固定部の長さに対する比率と変位との関係を示す
グラフである。

【図１３】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の幅方向
位置と変位との関係を示すグラフである。

【図１４】本実施の形態に係る圧電／電歪素子の圧電／
電歪層の数と変位との関係を示すグラフである。

【図１５】他の実施の形態に係る圧電／電歪素子の斜視
図である。

【図１６】他の実施の形態に係る圧電／電歪素子の製造
工程を示す断面図である。

【図１７】他の実施の形態に係る圧電／電歪素子の製造
工程を示す断面図である。

【図１８】他の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスの
平面図である。

【図１９】他の実施の形態に係る圧電／電歪デバイスの
平面図である。

【符号の説明】

１、２０圧電／電歪素子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２１圧電／電歪層３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、２２内部電極層１０、３０セラミック基板１１、３１付着防止膜１３振動板固定部１４振動板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｄ (72)発明者岩本正樹愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面が矩形状をなし、外形の幅寸法ａ
（ｍｍ）と奥行き寸法ｂ（ｍｍ）とが、ａ＋ｂ＜１００
の関係を満足する圧電／電歪薄膜と、前記圧電／電歪薄膜を挟持するように設けられた少なく
とも一対の電極と、を備えることを特徴とする圧電／電
歪素子。
【請求項２】請求項１記載の圧電／電歪素子であっ
て、ａ＋ｂ＜７０であることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項３】請求項１記載の圧電／電歪素子であっ
て、ａ＋ｂ＜４０であることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
された圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪薄膜の厚さ寸法ｔが０．３ｍｍ以下であ
ることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項５】請求項４記載の圧電／電歪素子であっ
て、前記圧電／電歪薄膜の厚さ寸法ｔが０．２ｍｍ以下であ
ることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項６】請求項４記載の圧電／電歪素子であっ
て、前記圧電／電歪薄膜の厚さ寸法ｔが０．１５ｍｍ以下で
あることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
された圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪薄膜の積層数が１５以下であることを特
徴とする圧電／電歪素子。
【請求項８】請求項７記載の圧電／電歪素子であっ
て、前記圧電／電歪薄膜の積層数が１０以下であることを特
徴とする圧電／電歪素子。
【請求項９】請求項７記載の圧電／電歪素子であっ
て、前記圧電／電歪薄膜の積層数が５以下であることを特徴
とする圧電／電歪素子。
【請求項１０】請求項１乃至請求項９のいずれかに記
載された圧電／電歪素子であって、前記電極の少なくとも１層がサーメットでなることを特
徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１１】振動板固定部を有する振動板を備えた
圧電／電歪デバイスにおける前記振動板に固定されると
共に、少なくとも１層以上の圧電／電歪層と、少なくと
も２層の電極層とを有する薄肉の圧電／電歪素子であっ
て、前記圧電／電歪層表面の平均粒径が３０μｍ以下である
ことを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１２】請求項１１記載の圧電／電歪素子であ
って、前記圧電／電歪層表面の平均粒径が２０μｍ以下である
ことを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１３】請求項１１記載の圧電／電歪素子であ
って、前記圧電／電歪層表面の平均粒径が１０μｍ以下である
ことを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１４】請求項１１乃至請求項１３のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記振動板の厚さに対する厚さの比が０.５〜１０、前
記振動板固定部の長さに対する長さの比が１.２５以
上、幅が０.８ｍｍ以上の外形を有することを特徴とす
る圧電／電歪素子。
【請求項１５】請求項１１乃至請求項１３のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記振動板の厚さに対する厚さの比が０.８〜５である
ことを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１６】請求項１１乃至請求項１３のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記振動板の厚さに対する厚さの比が１〜３であること
を特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１７】請求項１１乃至請求項１６のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記振動板固定部の長さに対する長さの比が２以上であ
ることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１８】請求項１１乃至請求項１６のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記振動板固定部の長さに対する長さの比が３以上であ
ることを特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項１９】請求項１１乃至請求項１６のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記幅寸法が１.５ｍｍ以上であることを特徴とする圧
電／電歪素子。
【請求項２０】請求項１１乃至請求項１９のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層が１５層以下であることを特徴とする
圧電／電歪素子。
【請求項２１】請求項１１乃至請求項１９のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層が１〜１０層であることを特徴とする
圧電／電歪素子。
【請求項２２】請求項１１乃至請求項１９のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記圧電／電歪層が２〜８層であることを特徴とする圧
電／電歪素子。
【請求項２３】請求項１１乃至請求項２２のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記電極層の少なくとも１層がサーメットであることを
特徴とする圧電／電歪素子。
【請求項２４】セラミック基板上に、熱処理で消失す
る付着防止層を形成した後、前記付着防止層上にスクリーン印刷法を用いて圧電／電
歪素子前駆体を形成し、その後、前記圧電／電歪素子前駆体を焼成することを特
徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【請求項２５】請求項２４記載の圧電／電歪素子の製
造方法であって、前記セラミック基板が焼成された圧電／電歪材料層でな
ることを特徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【請求項２６】請求項２４記載の圧電／電歪素子の製
造方法であって、前記セラミック基板が未焼成の圧電／電歪材料層でなる
ことを特徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【請求項２７】請求項２４記載の圧電／電歪素子の製
造方法であって、前記セラミック基板が、圧電／電歪材料でない、焼成さ
れたセラミック材料層と、焼成された圧電／電歪材料層
との２層構造でなることを特徴とする圧電／電歪素子の
製造方法。
【請求項２８】請求項２４記載の圧電／電歪素子の製
造方法であって、前記セラミック基板が、圧電／電歪材料でない、未焼成
のセラミック材料層と、未焼成の圧電／電歪材料層との
２層構造でなることを特徴とする圧電／電歪素子の製造
方法。
【請求項２９】請求項２５乃至請求項２８のいずれか
に記載された圧電／電歪素子の製造方法であって、前記圧電／電歪材料層を、グリーンシート形成法で形成
することを特徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【請求項３０】請求項２５乃至請求項２８のいずれか
に記載された圧電／電歪素子の製造方法であって、前記圧電／電歪材料層を、スクリーン印刷法で形成する
ことを特徴とする圧電／電歪素子の製造方法。
【請求項３１】請求項２９または請求項３０に記載さ
れた圧電／電歪素子の製造方法であって、前記圧電／電歪素子前駆体を、前記セラミック基板上に
複数配置することを特徴とする圧電／電歪素子の製造方
法。
【請求項３２】請求項２４乃至請求項３１のいずれか
に記載された圧電／電歪素子であって、前記付着防止層が昇華する物質でなることを特徴とする
圧電／電歪素子の製造方法。