JP5023515B2

JP5023515B2 - 圧電素子の製造方法。

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Description

本発明は、圧電体層と前記圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法に関するものである。

例えば、圧電ブザー、発音体、圧電センサ、圧電アクチュエータなどの圧電部品として、圧電体層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電応用製品が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような積層型圧電応用製品は、小型であり、しかも、小さな電圧で大きな機械的、物理的変位が得られるという利点がある。これらの利点は工業的要求に適応するものであるため、近年、その開発が急速に進展しつつある。

最も一般的な圧電アクチュエータとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分としたセラミック粉体をシート化し、得られたシートにＡｇ及びＰｄで構成されるペーストを印刷し、その後ペーストが印刷されたシートとペーストが印刷されていないシートとを交互に積層してグリーン積層体を作製し、このグリーン積層体の焼成後に端子電極を施すというような構成のものである。
特開２００１−２６０３４９号公報

圧電アクチュエータの利用方法としては、圧電アクチュエータに印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦにより発生する微小変位を対象物に伝えることで、その対象物を動作させるというのが一般的である。対象物が固体である場合は、アクチュエータの先端に対象物を取付け、変位を伝達させるだけで良い。しかし、対象物が液体であり、更に圧電アクチュエータの変位伝達面に液体が直接触れる場合には、液体が変位伝達面から圧電アクチュエータ内に含浸し、絶縁不良等といった圧電アクチュエータの特性劣化を引き起こすことがある。

そこで、本発明の目的は、圧電体層の変位を液体に伝達する場合の特性劣化を抑止することができる圧電素子の製造方法を提供することである。

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、液体が圧電素子内に含浸し素子の特性劣化を引き起こす原因の一つとして、液体が静電気等によって帯電されることで、素子内部の電極の方向へ液体が引き寄せられる、いわゆる電気浸透現象があることを見出した。このことを防止するためには、例えば、圧電素子の変位伝達面と液体との間に薄板など何らか隔壁を設ける必要がある。しかし、そのような隔壁を設けた場合は、圧電素子の破壊は防止できるが、隔壁を設けた分だけ変位伝達のロスが生じ、液体へ伝達できる変位量が少なくなるという問題があった。また、隔壁による伝達変位の減少分を補うためには、圧電素子をその分大きくしたり、あるいは積層する層数を増やしたりする必要があるため、素子の小型化が困難になり、製造コストが高くなるなど、更なる問題がある。

本発明者等は、液体の電気浸透現象を解析した結果、液体は変位伝達層の粒子間の隙間から圧電素子内部へ浸透（侵入）することが分かった。そこで、本発明者等は、更なる検討を行ったところ、酸化シリコンを変位伝達層内に拡散させて、この酸化シリコンが変位伝達層の粒子間の隙間を埋めれば、電気浸透現象を防止できることを見出した。本発明は、そのような新たな知見に基づいて為されたものである。

即ち、本発明は、圧電体層と、圧電体層の変位を伝える変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、圧電体用セラミックグリーンシートと変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、グリーン積層体形成工程が、変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有することを特徴とするものである。

このように、本発明の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体には、酸化シリコン層、圧電体層及び変位伝達層が含まれる。この場合、例えば焼成工程にて、酸化シリコン層を形成していた酸化シリコンが変位伝達層に拡散していく。そして、変位伝達層に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層の変位を変位伝達層を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。

このとき、グリーン積層体形成工程では、酸化シリコン層を形成する工程により酸化シリコン層が形成された変位伝達用セラミックグリーンシートを、酸化シリコン層が圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、グリーン積層体を形成してもよい。この場合に、グリーン積層体形成工程では、圧電体用セラミックグリーンシートと酸化シリコン層との間に変位伝達用セラミックグリーンシートを更に積層してグリーン積層体を形成することが好ましい。

また、グリーン積層体形成工程では、酸化シリコン層を形成する工程により酸化シリコン層が形成された変位伝達用セラミックグリーンシートを、変位伝達用セラミックグリーンシートが圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、グリーン積層体を形成してもよい。

また、グリーン積層体形成工程では、圧電体用セラミックグリーンシートと変位伝達用セラミックグリーンシートとを積層した後に、酸化シリコン層を形成する工程により変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコン層を形成することによりグリーン積層体を形成してもよい。

これらの場合には、酸化シリコンが変位伝達層に拡散していくため、変位伝達層には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層の酸化シリコン層側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。一方、変位伝達層の酸化シリコン層側に対する反対側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、圧電素子の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。

本発明によれば、圧電体層の変位を液体に伝達する場合に、帯電した液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。このことにより、圧電素子の変位伝達層と液体との間に素子とは別体の隔壁等を設ける必要が無くなるため、素子の小型化及び製造コストの低減化を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る圧電素子の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態の圧電素子２の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図１は、第１実施形態に係わる製造方法による圧電素子２を備えた圧電アクチュエータ１を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。各図に示す圧電アクチュエータ１は、例えばマイクロポンプユニットに用いられる液体制御用の圧電装置である。

図１及び図２に示すように、圧電アクチュエータ１は、積層型の圧電素子２と、この圧電素子２の底面に接合された液体流通部３とを備えている。圧電素子２は直方体状のグリーン積層体４を有し、グリーン積層体４は、活性領域層５と、この活性領域層５の液体流通部３側に配置された変位伝達層６とからなっている。

活性領域層５は、圧電体層７と、この圧電体層７を挟んで対向するように配置され、圧電体層７を伸縮（変位）動作させるための複数の内部個別電極８及び内部コモン電極９とを複数層にわたって有している。各内部個別電極層８及び内部コモン電極９は、圧電体層７を介して交互に積層されている。圧電体層７において、各内部個別電極８と内部コモン電極９とに挟まれた複数の部位は、各内部個別電極８と内部コモン電極９との間に電圧が印加された時に実際に伸縮する圧電活性部７ａを構成している。

グリーン積層体４の上面には、各層の複数の内部個別電極８とそれぞれ電気的に接続された複数の個別端子電極１０と、各層の内部コモン電極９と電気的に接続されたコモン端子電極１１とが設けられている。

圧電体層７は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。内部個別電極８及び内部コモン電極９は、例えばＡｇ―Ｐｄ合金で形成され、個別端子電極１０及びコモン端子電極１１は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕのいずれかで形成されている。圧電体層７の厚みは、後述する焼成後の時点において、例えば３０μｍ程度である。内部個別電極８及び内部コモン電極９の厚みは、例えば０．２〜５．０μｍ程度である。

このような活性領域層５に対して下側に積層された変位伝達層６は、液体流通部３内を流通する液体に圧電体層７の圧電活性部７ａの変位を伝える層である。変位伝達層６は圧電体層７と同等な材料で形成することが好ましい。このことにより、後述するように、変位伝達層６を圧電体層７と同じ工程で作ることができるため、グリーン積層体４の製作が容易に行える。変位伝達層６は二つの層（二つの変位伝達層６０）により構成されており、二層のそれぞれの厚みは、後述する焼成後の時点において、例えば１５μｍ程度である。

変位伝達層６には酸化シリコン（例えば、ＳｉＯ_２）が染み込まれている。この酸化シリコンは、後述する圧電アクチュエータ１を製造する手順（圧電素子の製造方法）によって、変位伝達層６を構成する二層の間に塗布されていた酸化シリコンペースト（酸化シリコン層）から変位伝達層６に拡散されてきたものである。図２は、変位伝達層６内の酸化シリコンの濃度を変位伝達層６を表す部分における点の数でイメージしている。図２に示すように、緻密な数の点で表されている変位伝達層６の中央内部は酸化シリコンの濃度が高く、上記中央内部に対して反対側、つまり活性領域層５側及び液体流通部３側といった変位伝達層６の両縁側は酸化シリコンの濃度が低い。すなわち、変位伝達層６には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成されている。

圧電素子２は、具体的には、図３に示すように、複数種類（ここでは６種類）のシート状の層を積層した構造を有している。なお、図３は、圧電素子２の分解斜視図である。以下、圧電素子２を構成する各層について、図４〜図９を更に参照しながら詳細に説明する。

まず、電極付きセラミック層１３は、図４に示すように、圧電体層７の上面に、上記の内部個別電極８に相当する複数の個別電極パターン１８とコモン電極中継パターン１９とを有している。複数の個別電極パターン１８は、長方形状の圧電体層７の上面に２次元的に配列されている。コモン電極中継パターン１９は、圧電体層７の上面の一端部に形成されている。また、電極付きセラミック層１３には、各個別電極パターン１８と電気的に接続された複数のスルーホール２０と、コモン電極中継パターン１９と電気的に接続されたスルーホール２１とが設けられている。スルーホール２０，２１内には、例えばＡｇ―Ｐｄ合金からなる導電材料が充填されている。

電極付きセラミック層１４は、図５に示すように、上記の電極付きセラミック層１３と同様に、圧電体層７の上面に、複数の個別電極パターン１８とコモン電極中継パターン１９とを有している。電極付きセラミック層１４には、電極付きセラミック層１３と同様のスルーホール２１が設けられているが、スルーホール２０は設けられていない。

電極付きセラミック層１５は、図６に示すように、圧電体層７の上面に、上記の内部コモン電極９に相当するコモン電極パターン２２と複数の個別電極中継パターン２３とを有している。コモン電極パターン２２は、各個別電極パターン１８に対応する位置に形成された複数の電極パターン部２２ａと、コモン電極中継パターン１９に対応する位置に形成された電極パターン部２２ｂとを含んでいる。個別電極中継パターン２３は、個別電極パターン１８に対応する位置において電極パターン部２２ａと隣接するように形成されている。また、電極付きセラミック層１５には、各個別電極中継パターン２３と電気的に接続された複数のスルーホール２４と、コモン電極パターン２２と電気的に接続されたスルーホール２５とが設けられている。スルーホール２４，２５内には、例えばＡｇ―Ｐｄ合金からなる導電材料が充填されている。

電極付きセラミック層１６は、図７に示すように、変位伝達層６０の上面に、内部コモン電極９に相当するコモン電極パターン２６を有している。電極付きセラミック層１６には、個別電極中継パターン及びスルーホールが設けられていない。なお、コモン電極パターン２６は、電極付きセラミック層１６の上面全面にベタ状に形成しても良い。

酸化シリコン拡散セラミック層１６１は、図８に示すように、変位伝達層６０の上面に酸化シリコンが拡散されてなる。なお、図８及び図３においては、酸化シリコンが変位伝達層６０に拡散していった様子を変位伝達層６０の表面上の点で表す。この酸化シリコンは、後述する焼成工程の前に変位伝達層６０の前駆体である変位伝達用セラミックグリーンシートの上面全面に塗布されていた酸化シリコンペーストから、焼成工程の際に変位伝達層６０に拡散されたものである。

電極付きセラミック層１７は、図９に示すように、圧電体層７の上面に、上記の複数の個別端子電極１０とコモン端子電極１１とを有している。個別端子電極１０は、上記の電極付きセラミック層１５の個別電極中継パターン２３に対応する位置に形成されている。コモン端子電極１１は、上記の電極付きセラミック層１３のコモン電極中継パターン１９に対応する位置に形成されている。また、電極付きセラミック層１７には、各個別端子電極１０と電気的に接続された複数のスルーホール２７と、コモン端子電極１１と電気的に接続されたスルーホール２８とが設けられている。スルーホール２７，２８内には、例えばＡｇ―Ｐｄ合金からなる導電材料が充填されている。

図３に戻り、圧電素子２は、上から順に、電極付きセラミック層１７、電極付きセラミック層１５、電極付きセラミック層１３、…、電極付きセラミック層１５、電極付きセラミック層１４（以上、圧電体層７を積層してなる活性領域層５）、電極付きセラミック層１６及び酸化シリコン拡散セラミック層１６１（以上、変位伝達層６）を重ねた構造をなしている。そして、個別端子電極１０は、電極付きセラミック層１７のスルーホール２７、電極付きセラミック層１５の個別電極中継パターン２３及びスルーホール２４、電極付きセラミック層１３の個別電極パターン１８及びスルーホール２０を介して、下から３層目の電極付きセラミック層１４の個別電極パターン１８と電気的に接続されている。また、コモン端子電極パターン１１は、電極付きセラミック層１７のスルーホール２８、電極付きセラミック層１５のコモン電極パターン２２及びスルーホール２５、電極付きセラミック層１３のコモン電極中継パターン１９及びスルーホール２１、電極付きセラミック層１４のコモン電極中継パターン１９及びスルーホール２１を介して、電極付きセラミック層１６のコモン電極パターン２６と電気的に接続されている。

図１及び図２に戻り、各個別端子電極１０及びコモン端子電極１１には、電圧印加用のリード線２９が半田等により接合されている。このリード線２９は、例えばフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）で構成されている。

このような圧電素子２の変位伝達面１２側に位置する液体流通部３は、圧電体層７の変位が伝達される液体を収容するための複数の液室３０を有している。各液室３０は、各内部個別電極１０に対応する位置に形成されている。液体流通部３の一端側には、各液室３０に液体を導入するための液体流入口３１が設けられている。また、液体流通部３の底部には、圧電体層７の変位が液体に伝わった時に液室３０から液体を流出させる複数の液体流出口３２が設けられている。液体流通部３は、ニッケル合金鋼やクロム合金鋼等の金属系材料、樹脂、セラミック等で形成されている。また、液室３０に導入される液体は、例えば純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものである。

引き続いて、上述した圧電アクチュエータ１を製造する手順（圧電素子の製造方法）について図１０を参照しながら説明する。図１０は、圧電アクチュエータ１を製造する手順を説明するためのフローチャートである。

まず、例えばＰＺＴを主成分とした圧電セラミック粉体を用意し、これに有機バインダ・有機溶剤等を混合した圧電セラミックペーストを作製する（ステップＳ１）。

次に、ＰＥＴフィルムをキャリアフィルムとして上記圧電セラミックペーストをシート成形することで、圧電体層７となるセラミックグリーンシート及び変位伝達層６０となるセラミックグリーンシートを形成する。このとき、上記圧電体用グリーンシートの厚みは、後述するステップＳ９の焼成後の時点における圧電体層７の厚みが例えば３０μｍ程度になるように形成される。一方、上記変位伝達用グリーンシートの厚みは、後述するステップＳ９の焼成工程後の時点における変位伝達層６０の厚みが例えば１５μｍ程度になるように形成される（ステップＳ２、グリーンシート用意工程）。

次に、例えばＹＡＧの３次高調波レーザ光をグリーンシートの所定位置に対して照射して穴開けを行うことで、グリーンシートにスルーホールを形成する。このとき、スルーホールを、後述するステップＳ９の焼成工程後に穴径が例えば４０μｍとなるように加工する。そして、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料と有機バインダ・有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、例えばスクリーン印刷法によりスルーホール内に導電ペーストを充填する（ステップＳ３）。

次に、例えば上記スルーホール内に充填された導電ペーストと同様の導電ペーストを用いて、例えばスクリーン印刷法により圧電体用グリーンシートの一面に内部電極パターンを形成する。（ステップＳ４）。

次に、例えば上記スルーホール内に充填された導電ペーストと同様の導電ペーストを用いて、例えばスクリーン印刷法により変位伝達用グリーンシートの一面に内部電極パターンを形成する。（ステップＳ５）。

次に、酸化シリコンペーストを用意し、変位伝達用グリーンシートに塗布する。このとき、酸化シリコンペーストを、例えばスクリーン印刷法により変位伝達用グリーンシートの一面全面に約２μｍの厚みで塗布する。酸化シリコンペーストは、例えばＳｉＯ_２を有機バインダ・有機溶剤等に３０重量％で混合して作製される（ステップＳ６）。

次に、内部電極パターンが印刷されたグリーンシート、及び酸化シリコンペーストが塗布されたグリーンシートを所定の枚数だけ所定の順序（図３参照）で積層し、グリーン積層体４を形成する。このとき、図３に示すように、後に酸化シリコン拡散セラミック層１６１となるセラミックグリーンシートにおいて、酸化シリコンペーストが塗布された一面が後に電極付きセラミック層１６となるセラミックグリーンシートに接するように積層し、グリーン積層体４を形成する（ステップＳ７、グリーン積層体形成工程）。

次に、ステップＳ７にて形成したグリーン積層体４に対し、例えば６０℃程度の熱を加えながら１００ＭＰａ程度の圧力でプレス加工を行い、各層のグリーンシートを圧着させる（ステップＳ８）。

次に、グリーン積層体４を所定の寸法に切断する。そして、グリーン積層体４をセッターに載せ、グリーン積層体４の脱脂（脱バインダ）を例えば４００℃前後の温度で１０時間程度行う。その後、グリーン積層体４が載置されたセッターを密閉匣鉢内に入れ、グリーン積層体４の焼成を例えば１１００℃程度の温度で２時間程度行い、焼結体として図１〜３に示すグリーン積層体４を得る（ステップＳ９）。

次に、焼成後のグリーン積層体４の上面に、例えばＡｇからなる個別端子電極１０及びコモン端子電極１１を形成する。端子電極１０，１１の形成手法としては、焼付、スパッタリング、無電解メッキ法などが用いられる（ステップＳ１０）。

次に、はんだ等により各端子電極１０，１１にリード線２９を接続する。そして、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体層７の厚みに対する電界強度が３ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う。これにより、圧電素子２が完成する（ステップＳ１１）。

その後、別に作製した液体流通部３を接着剤により圧電素子２の底面（変位伝達面）１２に貼り付けることにより、圧電アクチュエータ１が得られる（ステップＳ１２）。

このような手順によって得られた圧電アクチュエータ１は、以下のように動作する。すなわち、液体流通部３の各液室３０には予め液体が入っており、液体が圧電素子２の底面１２に接触している。その状態で、コモン端子電極１１がＧＮＤ電位となるように何れかの個別端子電極１０とコモン端子電極１１との間にリード線２９を介して所定の電圧を印加すると、選択された個別端子電極１０に対応する内部個別電極８と内部コモン電極９との間に電圧が印加されることとなる。これにより、各層の圧電体層７における当該内部個別電極８と内部コモン電極９との間の部位（圧電活性部７ａ）に電界が生じ、この圧電活性部７ａがグリーン積層体４の積層方向に変位するようになる。そして、その圧電活性部７ａの変位が、変位伝達層６を介して対応する液室３０内の液体に伝えられる。これにより、当該液室３０の容積が減少し、その容積減少分に相当する量の液体が液体流出口３２から吐出される。

続いて、第１実施形態の作用及び効果について説明する。第１実施形態の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体４には、酸化シリコンペースト（酸化シリコン層）、圧電体層７及び変位伝達層６が含まれる。この場合、ステップＳ９の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していく。そして、変位伝達層６に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層７の変位を変位伝達層６を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層６と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子２の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子２の信頼性を向上させることが可能となる。

また、酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していくため、変位伝達層６には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、活性領域層５側と液体流通部３側を両端とする変位伝達層６の中央内部は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、活性領域層５側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子２の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第１実施形態の圧電素子２の製造方法によれば、圧電素子２の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。

したがって、圧電素子２の絶縁不良等を避けるために、圧電素子２と液体流通部３との間に隔壁を設ける必要が無くなる。このため、液体に対する圧電体層７の変位伝達が隔壁によって阻害されることは無いため、隔壁による伝達変位量のロス分を補うべくグリーン積層体４の層数を必要以上に増大させなくて済む。これにより、圧電素子２ひいては圧電アクチュエータ１の小型化が図れると共に、これらの製造コストの上昇を抑えることができる。

上記説明した第１実施形態の効果を検証するため、以下のように実験を行った。まず、酸化シリコン層を変位伝達層６中に含む素子のサンプルとして、第１実施形態の製造方法により作製した圧電素子２を１０個用意する。更に、酸化シリコン層を変位伝達層６中に含まない素子のサンプルとして、図３に示した酸化シリコン拡散セラミック層１６１の代わりに、電極付きセラミック層１６の厚みを２倍にして作製した圧電素子２´を１０個用意する。そして、各圧電素子にリード線２９を取り付けて、端子電極に電圧を印加できる状態にした。続いて、各圧電アクチュエータの液体流通部内に液体を充填し封印した。液体としては、純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものを用いた。続いて、圧電体層の厚み当たり１ｋＶ／ｍｍのＤＣ電圧を全ての個別端子電極に同時に印加した。そして、各圧電アクチュエータに対して定期的に静電気を印加し、液体を帯電した。

こうして各圧電アクチュエータを５００時間連続的に駆動し、各圧電アクチュエータの駆動前と駆動後の状態を確認した。具体的には、各圧電アクチュエータの駆動開始から５００時間経過後に、液体流通部から液体を排出し、各圧電素子の絶縁抵抗を調べた。

上記比較実験の結果、酸化シリコン層を変位伝達層６中に含む素子に対する実験では、実験前後に絶縁抵抗値の変化は見られないことが確認できた。一方、酸化シリコン層を変位伝達層６中に含まない素子に対する実験では、全ての素子に絶縁抵抗値の劣化が認められた。更に、酸化シリコン層を変位伝達層６中に含まない素子に対する実験において、絶縁抵抗値が初期値（１×１０^１０）に比べて４桁以上劣化した値（１×１０^８〜１×１０^６）となる場合もあった。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態の圧電素子２の製造方法について図１１及び図１２を参照しながら説明する。なお、以下においては、説明を簡略にするために、第１実施形態と異なる部分についてのみ記載する。

図１１は、第２実施形態の製造方法によって作製された圧電素子２の分解斜視図である。第２実施形態の製造方法におけるステップＳ７のグリーン積層体形成工程においては、図１１に示すように、後に酸化シリコン拡散セラミック層１６１となるセラミックグリーンシートにおいて、酸化シリコンペーストが塗布されていない一面が後に電極付きセラミック層１６となるセラミックグリーンシートに接するように積層し、グリーン積層体４を形成する。なお、後に酸化シリコン拡散セラミック層１６１となるセラミックグリーンシートの他の一面（後に電極付きセラミック層１６となるセラミックグリーンシート側に対して反対側の一面）には、酸化シリコンペーストが塗布されている（酸化シリコン層が形成されている）。

図１２は、上記の製造方法によって作製された圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。図１２に示すように、変位伝達層６には酸化シリコンが染み込まれている。この酸化シリコンは、後に酸化シリコン拡散セラミック層１６１となるセラミックグリーンシートにおける上記他の一面に塗布されていた酸化シリコンペーストから拡散されてきたものである。

図１２は、変位伝達層６内の酸化シリコンの濃度を変位伝達層６を表す部分における点の数でイメージしている。図１２に示すように、緻密な数の点で表されている変位伝達層６の液体流通部３側は酸化シリコンの濃度が高く、上記液体流通部３側の反対側、つまり活性領域層５側は酸化シリコンの濃度が低い。すなわち、変位伝達層６には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成されている。

続いて、第２実施形態の作用及び効果について説明する。第２実施形態の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体４には、酸化シリコンペースト（酸化シリコン層）、圧電体層７及び変位伝達層６が含まれる。この場合、ステップＳ９の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していく。そして、変位伝達層６に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層７の変位を変位伝達層６を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層６と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子２の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子２の信頼性を向上させることが可能となる。

また、酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していくため、変位伝達層６には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層６の液体流通部３側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、変位伝達層６の活性領域層５側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子２の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第２実施形態の圧電素子２の製造方法によれば、圧電素子２の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態の圧電素子２の製造方法について図１２〜１４を参照しながら説明する。なお、以下においては、説明を簡略にするために、第１実施形態と異なる部分についてのみ記載する。

図１３は、第３実施形態の製造方法を説明するためのフローチャートである。第３実施形態においては、図１３に示すように、変位伝達用グリーンシートに電極が形成されるステップＳ５の次に、ステップＳ７のグリーン積層体形成工程が行われる。このグリーン積層体形成工程においては、図１４に示すように、内部電極パターンが印刷された複数のグリーンシートと、酸化シリコンペーストが塗布されてない変位伝達用グリーンシートとを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、グリーン積層体４を形成する。なお、図１４は、第３実施形態の製造方法を説明するための圧電素子２の分解斜視図である。図１４において、変位伝達用グリーンシートのいずれの一面にも酸化シリコンペーストが塗布されていない。

ステップＳ８のプレス加工工程の次に、３０重量％の酸化シリコンに有機バインダ・有機溶剤等を混合して作製した酸化シリコンペーストを、例えばスクリーン印刷法により、図１４に示すグリーン積層体４の一面全面（グリーン積層体４において、後に変位伝達層６となる側の一面全面）に約２μｍの厚みで塗布する（ステップＳ６１）。

そして、ステップＳ６１にて酸化シリコンペーストが塗布されたグリーン積層体４に対して、第１実施形態と同様に、ステップＳ９以後の工程が行われ、圧電アクチュエータ１が得られる。

このような第３実施形態の製造方法によって作製された圧電アクチュエータ１を図１２に示す。図１２に示すように、変位伝達層６には酸化シリコンが染み込まれている。この酸化シリコンは、ステップＳ７のグリーン積層体４の形成及びステップＳ８のプレス加工後に、ステップＳ６１にて塗布された酸化シリコンペーストから変位伝達層６に拡散されてきたものである。

続いて、第３実施形態の作用及び効果について説明する。第３実施形態の圧電素子の製造方法によれば、ステップＳ６１によって、グリーン積層体４に酸化シリコンペーストが塗布される。この場合、ステップＳ９の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していく。そして、変位伝達層６に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層６の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層７の変位を変位伝達層６を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層６と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子２の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子２の信頼性を向上させることが可能となる。

また、酸化シリコンが変位伝達層６に拡散していくため、変位伝達層６には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層６の液体流通部３側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、変位伝達層６の活性領域層５側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子２の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第３実施形態の圧電素子２の製造方法によれば、圧電素子２の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。

なお、本発明に係わる圧電素子及び圧電アクチュエータは、上記３つの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、圧電体層７を複数積層した構造としたが、特に大きな変位量を必要としないのであれば、圧電体層７は単層であっても良い。また、変位伝達層６においても、単層として構成しても良い。

更に、各層の内部個別電極８の数や配列構成等については、特に上記実施形態のものには限られない。また、各層の内部個別電極８同士及び各層の内部コモン電極９同士の電気的接続手段としては、上記実施形態のようなスルーホールに限られず、例えばグリーン積層体４の側面に形成された外部電極としても良い。

第１実施形態に係わる製造方法によって製造された圧電アクチュエータ１を示す斜視図である。図１に示した圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。図２に示した圧電素子２の分解斜視図である。図３に示した電極付きセラミック層１３を示す平面図である。図３に示した電極付きセラミック層１４を示す平面図である。図３に示した電極付きセラミック層１５を示す平面図である。図３に示した電極付きセラミック層１６を示す平面図である。図３に示した酸化シリコン拡散セラミック層１６１を示す平面図である。図３に示した電極付きセラミック層１７を示す平面図である。第１実施形態に係わる製造方法を示すフローチャートである。第２実施形態の製造方法による圧電素子２の分解斜視図である。第２実施形態の製造方法による圧電アクチュエータ１の一部側断面図である。第３実施形態に係わる製造方法を示すフローチャートである。第３実施形態の製造方法による圧電素子２の分解斜視図である。

符号の説明

１…圧電アクチュエータ、２…圧電素子、３…液体流通部、６…変位伝達層、７…圧電体層、８…内部個別電極、９…内部コモン電極。

Claims

圧電体層と、前記圧電体層の変位を伝える変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記酸化シリコン層が形成された前記変位伝達用セラミックグリーンシートを、前記酸化シリコン層が前記圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
前記グリーン積層体形成工程では、前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記酸化シリコン層との間に変位伝達用セラミックグリーンシートを更に積層して前記グリーン積層体を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
圧電体層と、前記圧電体層の変位を伝える変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記酸化シリコン層が形成された前記変位伝達用セラミックグリーンシートを、前記変位伝達用セラミックグリーンシートが前記圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
圧電体層と、前記圧電体層の変位を伝える変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとを積層した後に、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記変位伝達用セラミックグリーンシートに前記酸化シリコン層を形成することにより前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。