JP6199757B2 - 積層型圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、半導体製造装置等のマスフローコントローラ装置、インクジェット等の液体噴射装置、ＸＹテーブルの精密位置決め装置等に用いられる圧電アクチュエータなどの積層型圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラに関するものである。

積層型圧電素子として、圧電セラミック層、第１の内部電極層および第２の内部電極層が積層された積層体と、積層体における前記第１の内部電極層の端部および前記第２の内部電極層の端部の両方が導出された側面に設けられた圧電セラミック被覆層とを含む構成のものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

ここで、上記の構成においては、内部電極層の端部が導出された側面でのマイグレーションを防止するために、圧電セラミック被覆層（セラミックコーティング）が設けられている。

特開２００１−１３５８７２号公報

しかしながら、このような積層型圧電素子では、過酷な条件で長期間ＤＣバイアス印加されると、漏れ電界の影響で圧電セラミック被覆層における第１の内部電極層および第２の内部電極層に近い部分が徐々に分極されて、積層型圧電素子が変位する方向に延びが生じる。そのため、印加電圧をオフにしても、圧電セラミック被覆層が伸びた分だけ積層型圧電素子がもとの長さに戻らず、変位量が小さくなるおそれがあった。

長期間ＤＣバイアスを印加される過酷な使用環境にも耐えられる積層型圧電素子が求められている。

同様に、上記の積層型圧電素子を備えた圧電アクチュエータ、さらに圧電アクチュエータを備えたマスフローコントローラにおいても、過酷な使用環境にも耐えられることが求められている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、過酷なＤＣ環境で使用しても、印加電圧をオフにしたらもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子、圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラを提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電セラミック層、第１の内部電極層および第２の内部電極層が積層された積層体と、該積層体における前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端部が近接する側面に設けられた圧電セラミック被覆層とを含み、前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端部が前記圧電セラミック被覆層の設けられた側面よりも内側に位置しており、前記圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さく、前記第１の内部電極層の端部および前記第２の内部電極層の端部のそれぞれと前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間の領域に存在するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さいことを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記圧電セラミック層および前記圧電セラミック被覆層が同じ組成の圧電材料からなることを特徴とするものである。

また、本発明の積層型圧電素子は、上記の構成において、前記第１の内部電極層の端部および前記第２の内部電極層の端部と前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間にボイドがあることを特徴とするものである。

また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とするものである。

また、本発明のマスフローコントローラは、流路と、該流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、上記の圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有し、前記流量制御弁は、前記圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うことを特徴とするものである。

本発明の積層型圧電素子によれば、圧電セラミック被覆層の粒径を圧電セラミック層のセラミックス粒子よりも小さくすることによって、圧電セラミック被覆層のセラミックス粒子が分極しにくくなる。これにより、過酷なＤＣ環境で使用しても、印加電圧をオフにしたら素子がもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられる。

また、本発明の圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラにおいても、変位量を長期間安定したものとすることができる。

（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の一例の要部拡大図である。 （ａ）は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した横断面図、（ｂ）は図１（ａ）に示すＣ−Ｃ線で切断した横断面図である。 図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。 図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の他の例の要部拡大図である。 （ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した横断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線で切断した横断面図である。 本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図である。 本発明のマスフローコントローラの実施の形態の一例の構成図である。

以下、本発明の積層型圧電素子について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面の一例の要部（領域Ｘ）拡大図である。また、図２（ａ）は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した横断面図、図２（ｂ）は図１（ａ）に示すＣ−Ｃ線で切断した横断面図である。

図１および図２に示す本発明の積層型圧電素子１は、圧電セラミック層１１、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が積層された積層体１３と、積層体１３における第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部の両方が導出もしくは両方が近接する側面に設けられた圧電セラミック被覆層１４とを含み、圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａの粒径が圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径よりも小さい。

積層型圧電素子１を構成する積層体１３は、複数の圧電セラミック層１１が積層されるともに、圧電セラミック層１１の層間に第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が１層おきに交互に形成されてなるものである。積層体１３は、例えば縦４〜７ｍｍ、横４〜７ｍｍ、高さ２０〜５０ｍｍ程度の直方体状に形成されている。

積層体１３を構成する複数の圧電セラミック層１１は、圧電特性を有する圧電磁器（圧電セラミックス）からなり、圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａは平均粒径が例えば１．７〜４．０μｍに形成されたものである。この圧電磁器としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。図１および図２に示す積層体１３は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２は、例えば銀、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金、銀−白金、銅などからなるものであり、圧電セラミック層１１の層間に交互に形成され、積層順に交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電セラミック層１１に駆動電圧を印加するものである。具体的には、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２は、一方が正極で他方が負極（もしくはグランド極）となっていて、それぞれ積層体１３の対向する１組の側面に互い違いに導出されてその端面の一部が露出している。すなわち、対向する１組の側面の一方に第１の内部電極層１２１の端部が導出され、他方に第２の内部電極層１２２の端部が導出されている。

第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のうちの一方の端部が導出された側面にはそれぞれ導体層１５が設けられて、第１の内部電極層１２１または第２の内部電極層１２２と電気的に接続されている。導体層１５は、例えば銀とガラスからなる導体ペーストを塗布して焼き付けて形成されたものである。導体層１５の厚みは、例えば５〜５００μｍとされる。

図示しないが、導体層１５の表面上には、導電性接合材を介して外部電極板が取り付けられるのがよい。

外部電極板としては、銅、鉄、ステンレス、リン青銅等からなる板状体であり、例えば幅０．５〜１０ｍｍ、厚み０．０１〜１．０ｍｍに形成されたものである。積層体１３の伸縮により生じる応力を緩和する効果の高い形状として、例えば長手方向（積層方向）に垂直な幅方向にスリットの入った形状、網目状に加工された金属板などであってもよい。また、スリットにかえてまたはスリットとともに孔、特に幅方向に延びる孔が設けられた構成であってもよい。このスリットおよび孔が積層体１３の積層方向に複数配置されているのが好ましく、特に圧電セラミック層１１の層間に第１の内部電極層１２１および第２
の内部電極層１２２が１層おきに交互に形成されて積層された領域（活性部）に対応する位置に複数配置されているのが好ましい。

導電性接合材としては、はんだや、例えばＡｇ粒子やＣｕ粒子など導電性の良好な導電粒子を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂であるのが好ましい。導電性接合材は、例えば５〜５００μｍの厚さに形成される。

なお、外部電極板が取り付けられる場合に、導体層１５が設けられなくてもよい。

一対の導体層１５または外部電極板にそれぞれリード線またはリードピンがはんだなどによって取り付けられ、駆動電圧が印加されるようになっている。

そして、対向する他の１組の側面には、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が導出もしくは近接している。ここで、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が側面に導出しているとは、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が内側から側面まで延びて形成されていることを意味し、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が側面に近接しているとは、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が内側から側面近傍まで延びて形成されていることを意味している。この側面には、第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２との間で、当該側面を経て生じるマイグレーションを防止するために、圧電セラミック被覆層１４が設けられている。

圧電セラミック被覆層１４は、積層型圧電素子１を駆動した際の積層体１３の駆動変形（伸縮）に追随でき、圧電セラミック被覆層１４が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。

具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ｌｎ_１−ＸＳｉ_ＸＡｌＯ_{３＋０．５Ｘ}（Ｌｎは、Ｓｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。ｘ＝０．０１〜０．３）などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料が挙げられる。

ここで、圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａの粒径は、圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径よりも小さくなっている。

圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａの粒径を、圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径よりも小さくすることによって、圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａが分極しにくくなる。これはセラミックス粒子１４ａが小さくなると、サイズ効果（表面の低誘電率層の割合の増加、結晶相の相転移、結晶歪みの影響）によって、強誘電性が低下する為である。これにより圧電セラミック被覆層１４のセラミックス粒子１４ａを小さくすることにより、過酷なＤＣ環境で使用しても、印加電圧をオフにしたら積層型圧電素子１がもとの長さに戻り、変位量低下が抑えられる。

例えば圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの平均粒径が１．７μｍ〜４．０μｍの範囲であるのに対し、圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａの平均粒径は、低コスト化および強誘電性を抑える点で、０．５μｍ〜１．６μｍの範囲が好ましい。

なお、セラミック粒子の平均粒径は、測定試料の表面を鏡面研磨し、例えば燐酸を用いてエッチングを行って粒界を溶かした後、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による例えば１０００倍の画像の所定領域について複数の線を引いて各線の粒界との交点の数を数える、いわゆるインタセプト法により求めることができる。

圧電セラミック被覆層１４の厚みについては、欠陥を防ぐとともに駆動時の変位量を確保する点で、５μｍ〜３０μｍが好ましい。

さらに、圧電セラミック層１１および圧電セラミック被覆層１４が同じ組成の圧電材料からなるのが好ましい。これらを同じ組成の圧電材料とすることにより、圧電特性が同じなので、分極を制御しやすくなる。また、同一組成の為、密着性も良くなり、さらに圧電セラミック層１１の組成ずれが起きることがない為、酸素空孔の発生が抑制されて耐久性も良くなる。

また、図３に示すように、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が圧電セラミック被覆層１４の設けられた側面に近接して当該側面よりも内側に位置している場合において、第１の内部電極層１２１の端部と圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間の領域（領域Ｙ）に存在するセラミック粒子１３ａおよび第２の内部電極層１２２の端部と圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間の領域（領域Ｙ）に存在するセラミック粒子１３ａの粒径が、圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径よりも小さいのが好ましい。変位の応力が集中する第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部のそれぞれと圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間に、圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径よりも小さい粒径のセラミック粒子１３ａからなる領域（領域Ｙ）を設けることで、第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部の変位を抑え、結果的に応力を小さくするので、耐久性が良くなる。

また、図４に示すように、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が圧電セラミック被覆層１４の設けられた側面に近接して当該側面よりも内側に位置している場合において、第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部のそれぞれと圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間にボイド１３ｂがあるのが好ましい。ボイド１３ｂの存在により応力緩和ができるので、さらに耐久性が優れたものとなる。

なお、図１および図２に示す積層型圧電素子１は、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２の両方の端部が導出または近接する側面が、導体層１５の形成された側面とは異なる側面であったが、図５に示すように、導体層１５の形成された側面において導体層１５の形成されていない領域にこれと導通しないように第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部の両方が導出または近接していてもよい。図５の形態の場合、導体層１５と同じ側面における導体層１５の形成されていない領域まで、圧電セラミック被覆層１４が設けられている。本発明における積層型圧電素子１は、このような形態であってもよい。

次に、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について説明する。図６は、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図６に示す例の圧電アクチュエータ１０は上述の積層型圧電素子１と、積層型圧電素子１を内部に収容するケース２とを備えている。

ケース２は、例えばＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼のＪＩＳ規格）やＳ
ＵＳ３１６Ｌ（オーステナイト系ステンレス鋼のＪＩＳ規格）などの金属材料で形成されたものである。具体的には、上面に圧電素子１の下面が当接された基体２１と、下面に圧電素子１の上面が当接された蓋体２２と、基体２１と蓋体２２とに接合された筒体２３とを有している。

基体２１（下側蓋体）は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉のフランジ状になっている。また、基体２１にはリードピン３１を挿通可能な貫通孔２１１が２つ形成されており、リード線３２と電気的に接続されたリードピン３１を貫通孔２１１に挿通させて導体層１５と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔２１１の隙間には軟質ガラス３４を充填していて、リードピン３１を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。なお、筒体２３との溶接のために、基体２１の上面に例えば環状の突起が設けられていてもよい。

蓋体２２は、基体２１と同様にＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料からなる。そして、蓋体２２は、外径が筒体２３の内径と同じ程度に形成されており、後述する筒体２３の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周が例えばレーザー溶接などの溶接により接合されている。そして、蓋体２２には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子１の上端部が当接している。ここで、凹部の内周壁面を覆うように絶縁材が設けられ、導体層１５同士の短絡等が防止されていてもよい。

また、筒体２３は、基体２１および蓋体２２と同様にＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料からなるもので、所定の形状のシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどにより、例えばベロー（蛇腹）形状などの複数の周方向の溝２３１を有する形状に形成されたものである。具体的には、図に示す筒体２３は、溝２３１の部分で外径および内径が小さくなるように、内側に湾曲して形成されたものである。この筒体２３は、圧電素子１に電圧を印加した際に圧電素子１（積層体１３）の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数によってそのバネ定数を調整している。例えば、筒体２３の厚みが０．１〜０．２ｍｍで、溝数は積層体１３の高さが２０ｍｍのときは３本程度、積層体１３の高さが４０ｍｍのときは６本程度である。

そして、筒体２３の一端側開口は円筒状に形成され、筒体２３の他端側開口は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状に形成されている。このように、筒体２３の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体２３が下端部に鍔部２３２を有する構造になっている。

そして、圧電素子１に圧縮荷重をかけた状態で筒体２３と基体２１との溶接がなされ、圧電素子１は筒体２３、基体２１および蓋体２２によって形成される収納空間に不活性ガスとともに封入されて圧電アクチュエータ１０が構成されている。

このようなケース２にて積層型圧電素子１が封止されているため、例えば腐食性のガス中、水中等でも使用することができる。また、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のイオンマイグレーションを抑制するために、不活性ガスを用いて封止してもよい。

以上の構成により、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子を搭載しているため、変位量が長期間安定した圧電アクチュエータとすることができる。

次に、本実施の形態の積層型圧電素子１および圧電アクチュエータ１０の製造方法について説明する。

まず、圧電セラミック層１１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、８５０〜１１００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電セラミック層１１、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２を備えた積層体１３を作製する。

なお、積層体１３は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電セラミック層１１、第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２を複数積層してなる積層体１３を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。

次に、積層体１３の第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２（両極）が露出した対向する他の１組の側面に、圧電セラミック被覆層１４となる酸化物のインクを例えばディッピングやスクリーン印刷によって形成する。このとき、焼成後の密着性をより強固にするため、積層体１３の側面の表面を研磨等で粗しておくとよい。その後、８５０〜１１００℃で焼成し、積層体１３の側面に酸化物からなる圧電セラミック被覆層１４を形成する。

ここで、酸化物のインクは、例えば、安定化ジルコニアや、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などからなる酸化物の粉体を溶剤、分散剤、可塑剤およびバインダーの溶液に分散させた後、３本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製可能である。また、溶剤、分散剤、酸化物の粉体が入ったボールミルを回転させ、粉体を粉砕、及び解砕した後、バインダーおよび可塑剤を投入し、更に回転させる方法でも作製可能である。

ここで、圧電セラミック被覆層１４を構成するセラミック粒子１４ａの粒径を圧電セラミック層１１を構成するセラミック粒子１１ａの粒径より小さくする方法として、圧電セラミック被覆層１４の焼結前の粉砕粒子径を圧電セラミック層１１の焼結前の粉砕粒子径よりも大きくすることによって、焼結活性が低下し、焼結後の粒径を小さくすることができる。

そして、圧電セラミック被覆層１４は、ディッピングでは、酸化物のインクの中へ、積層体１３の第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２（両極）が露出した側面を浸し、引き上げた後、乾燥させて形成する。このとき、インクの粘度や引き上げ速度を適宜調整することにより、圧電セラミック被覆層１４の厚みを制御することができる。また、スクリーン印刷では積層体１３の大きさに合わせて、製版に印刷開口部を設け、その中にインクを充填し、積層体１３の側面にインクを塗布し、乾燥させて形成する。この
とき、インクの粘度、製版メッシュ数、印刷速度等を適宜調整することにより、圧電セラミック被覆層１４の厚みを制御することができる。

なお、図３および図４に示す形態とするには、まず第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部と圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間の領域を設けるようにこの領域に凹部を形成するために、エッチング液に浸漬し、積層体１３の側面に露出した第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部をエッチングする。このときエッチング液として、圧電セラミック層１１を溶かさないアルカリ系（シアン化ナトリウム系など）のエッチング液を用いるのがよい。また、急激にエッチングすると、エッチング深さにばらつきを生じる為、エッチング液の濃度を３０％以下として、液温を３０℃以下にするのが良い。

そして、前述の第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部をエッチングして凹部を設けた後に、ディッピングもしくはスクリーン印刷する。例えば、図３に示した構造とするには、圧電セラミック被覆層１４と同じような粒径となるようなインクを用いて、インクレオロジーの降伏値が低いインクに調整し、凹部の内部電極端部までインクが侵入するようにすれば良い。また、図４に示した第１の内部電極層１２１の端部および第２の内部電極層１２２の端部と圧電セラミック被覆層１４が設けられた側面との間にボイド１３ｂを形成するには、インクレオロジーの降伏値が高いインクに調整し、凹部の奥までインクが侵入しにくくすれば良い。

なお、圧電セラミック被覆層１４の形成工程について、積層成形体（積層体１３の生の状態）に酸化物のインクを塗布した後、同時に焼成を行なう方法であってもよく、積層体１３（焼結後の状態）に酸化物のインクを塗布した後、再度焼成を行なう方法であってもよい。

次に、必要により、銀を主成分とする導電性粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、導体層１５のパターンで積層体１３の側面にスクリーン印刷法等によって印刷後、乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、導体層１５を形成する。

そして、導体層１５にそれぞれリード線３２をはんだ３３で取り付けて、積層型圧電素子１が完成する。

次に、貫通孔２１１が形成され、軟質ガラス３４によってこの貫通孔２１１を貫くようにそれぞれリードピン３１が固定された基体２１の上面に積層型圧電素子１を接着剤で固定するとともに、リード線３２とリードピン３１とをはんだ付けで接続する。

次に、ＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒を圧延加工により、ベローズ形状を形成した筒体２３とＳＵＳ３０４製の蓋体２２とをレーザー溶接によって溶接する。

次に、筒体２３と蓋体２２とを溶接したものを基体２１に接着した積層型圧電素子１に被せ、所定の荷重で筒体２３を引張り、積層型圧電素子１に荷重を印加する。

次に、筒体２３と基体２１とが重なったところをレーザー溶接で溶接し、積層型圧電素子１を封入（ケース２を封止）する。

次に、ケース２の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きして、ケース２内の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース２内の窒素パージを行なう。その後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接する
ことにより、穴を塞ぎ、ケース２内への不活性ガスの注入を完了する。

その後、基体２１に取り付けられたリードピン３１に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１３（圧電セラミック層１１）を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ１０が完成する。

完成した圧電アクチュエータ１０は、リードピン３１を介して外部電源と接続して、圧電セラミック層１１に電圧を印加することにより、各圧電セラミック層１１を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、半導体製造装置のガス制御を目的としたマスフローコントローラとして機能させることが可能となる。

なお、本実施の形態の積層型圧電素子は、半導体製造装置等のマスフローコントローラに限らず、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置等の精密位置決め装置等としても用いることができる。

次に、これまで説明してきた圧電アクチュエータを備えたマスフローコントローラについて説明する。図７は、マスフローコントローラの実施の形態の一例の構成図である。

図７に示すマスフローコントローラ４は、流路４１と、流路４１内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部４２と、上述の圧電アクチュエータ１０を備えた流体の流量を制御する流量制御弁４３と、制御回路部４４とを有しており、流量制御弁４３は圧電アクチュエータ１０の伸縮により流量制御を行うものである。

流路４１には、例えばガスなどの流体が流れるようになっていて、流入口４１１から流入して流出口４１２から流出するようになっている。

流路４１の一部には、流量センサ部４２が例えばバイパス状に接続されていて、この流量センサ部４２が流路４１内を流れる流体の流量（質量流量）を検出するようになっている。

流量センサ部４２で検出された流量信号は、増幅回路にて増幅されるなどして、制御回路部４４へ伝達される。

制御回路部４４では、制御回路部４４へ伝達された流量信号があらかじめ設定された流量信号と比較される。

そして、伝達された流量信号とあらかじめ設定された流量信号との差をなくすような駆動信号（駆動電圧）が流量制御弁４３を形成する圧電アクチュエータ１０に入力される。

圧電アクチュエータ１０は、入力された駆動電圧に応じて伸縮し、この伸縮により流量制御弁４３の開閉量が制御され、流路４１を流れる流体の流量を制御するようになっている。

上述したように、変位量低下が抑えられた積層型圧電素子を搭載している圧電アクチュエータを備えているため、変位量が長期間安定したマスフローコントローラとすることができる。

本発明の実施例の圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）を主成分とする圧電体セラミックスの粉末にバインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電セラミック層となるセラミックグリーンシートを作製した。

次に、銀−パラジウム合金にバインダーを加えて作製した内部電極層となる導電性ペーストを、セラミックグリーンシートにスクリーン印刷法により印刷した印刷体を２６０枚積層し、その上下に導電性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各２０枚積層した積層成形体を作製した。

次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで切断した後、積層成形体を４００℃で脱脂し、１０００℃で３時間焼成して積層焼結体を作製した。得られた積層焼結体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦５ｍｍ、横５ｍｍであり、高さが３５ｍｍであった。

次に、焼成して得られた積層体に、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう側面に研削加工処理をしたのち、シアン化ナトリウム系のアルカリ性エッチング液に積層型圧電素子を１分間浸漬した後、積層型圧電素子を純水で３０分間洗浄した。

次に、平均粒径が０．８μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末にバインダー及び可塑剤を加えてインクを作製し、圧電セラミック被覆層の厚みが２０μｍとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の対向する１組の側面に印刷し、その後、１０００℃で焼成し、積層体の対向する１組の側面に被膜を形成した。

次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の対向する他の１組の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、７００℃程度の温度で焼き付け処理して導体層を形成した後、これにはんだ付けにてリード線を接続した。

次に、ＳＵＳ３０４で円板形状の蓋体を作製した。また、同じくＳＵＳ３０４で円板を作製した後、２箇所に穴を開け、軟質ガラスでリードピンを取り付けた基体を作製した。

次に、基体の上面に積層型圧電素子を接着剤で固定し、導体層にはんだ付けしたリード線と基体に取り付けられたリードピンとをはんだ付けで電気的に接続した。

次に、ＳＵＳ３０４製のシームレス管を圧延加工することによりベローズ形状の筒体を作製し、この筒体と蓋体とをレーザー溶接で溶接し、これを基体に接着した積層型圧電素子に被せ、所定の荷重で筒体を基体側に引っ張り、積層型圧電素子に荷重を印加した後、筒体と基体とが重なったところをレーザー溶接で溶接し、積層型圧電素子の封止を行なった。

次に、筒体と蓋体と基体とからなるケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きして、ケース内の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ高純度窒素ガスを注入し、ケース内の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して、穴を塞ぎ、窒素パージを完了させ、図１に示すような本発明の実施例の圧電アクチュエータを作製した。

なお、本発明の実施例の圧電アクチュエータにおいて、圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の平均粒径は、１．２μｍであつた。なお、圧電セラミック層を構成す
るセラミック粒子の平均粒径は、２．４μｍであった。

また、比較例として、圧電セラミック被膜層を構成するセラミック粒子の平均粒径、圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の平均粒径が、ともに２．４μｍのものを作製した。

これらの圧電アクチュエータに、リード線およびリードピンを介して３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して、ポーリング処理を行った。この積層型圧電素子に１５０Ｖの直流電圧を印加したところ、積層方向に５０μｍの変位量（初期変位量）が得られた。

さらに、ＤＣ１５０Ｖ、５５℃の試験条件で５００時間経過後の変位量の確認を行った結果、比較例の圧電アクチュエータの変位量が４７μｍであったのに対し、実施例の圧電アクチュエータの変位量が４９μｍとなり、ほとんど変化が見られなかった。

１・・・積層型圧電素子
１０・・・圧電アクチュエータ
１１・・・圧電セラミック層
１１ａ・・・セラミック粒子
１２１・・・第１の内部電極層
１２２・・・第２の内部電極層
１３・・・積層体
１３ａ・・・セラミック粒子
１３ｂ・・・ボイド
１４・・・圧電セラミック被覆層
１４ａ・・・セラミック粒子
１５・・・導体層
２・・・ケース
２１・・・基体
２２・・・蓋体
２３・・・筒体
２１１・・・貫通孔
３１・・・リードピン
３２・・・リード線
３３・・・はんだ
３４・・・軟質ガラス
４・・・マスフローコントローラ
４１・・・流路
４１１・・・流入口
４１２・・・流出口
４２・・・流量センサ部
４３・・・流量制御弁
４４・・・制御回路部

Claims (5)

1. 圧電セラミック層、第１の内部電極層および第２の内部電極層が積層された積層体と、該積層体における前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端部が近接する側面に設けられた圧電セラミック被覆層とを含み、
   前記第１の内部電極層および前記第２の内部電極層の両方の端部が前記圧電セラミック被覆層の設けられた側面よりも内側に位置しており、
   前記圧電セラミック被覆層を構成するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さく、
   前記第１の内部電極層の端部および前記第２の内部電極層の端部のそれぞれと前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間の領域に存在するセラミック粒子の粒径が前記圧電セラミック層を構成するセラミック粒子の粒径よりも小さいことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 前記圧電セラミック層および前記圧電セラミック被覆層が同じ組成の圧電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 前記第１の内部電極層の端部および前記第２の内部電極層の端部のそれぞれと前記圧電セラミック被覆層が設けられた側面との間にボイドがあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電素子。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を内部に収容するケースとを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 流路と、該流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、請求項４に記載の圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有し、前記流量制御弁は、前記圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うことを特徴とするマスフローコントローラ。

Images