WO2011148969A1 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element including a thin fired piezoelectric body having high flatness.
- piezoelectric actuators that use distortion (displacement, deformation) based on the reverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to the piezoelectric body, and charge generation that occurs when pressure is applied to the piezoelectric body based on similar effects Development of piezoelectric devices such as piezoelectric sensors using (polarization) is underway.
- the core of the piezoelectric device is a piezoelectric element with a piezoelectric body sandwiched between electrodes.
- the piezoelectric body can be manufactured by forming a piezoelectric material into a film shape by a thin film method and firing it at a high temperature (hereinafter referred to as a fired piezoelectric body).
- a fired piezoelectric body By appropriately selecting the type of material to be added to the piezoelectric material, it is possible to obtain a fired piezoelectric body having a high piezoelectric constant and generating a large displacement. And if a piezoelectric constant is high, since it is less necessary to make the fired piezoelectric body thin in order to obtain predetermined characteristics, handling performance is improved.
- a piezoelectric element composed of a fired piezoelectric body capable of obtaining a large displacement can be reduced in size, and is preferably applied to a piezoelectric device whose power consumption and responsiveness change depending on weight or a product using the piezoelectric device.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-68751
- Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-60000
- Patent Document 1 discloses a piezoelectric actuator having a structure in which a piezoelectric element is bonded to a metal plate.
- Patent Document 2 discloses a method for manufacturing a piezoelectric element that obtains a piezoelectric element by laminating an electrode and a piezoelectric body on a dummy material and then removing the dummy material.
- the area to be bonded to the metal plate varies unless it is a flat piezoelectric element, and it is difficult to obtain a predetermined displacement.
- a flat fired piezoelectric body is required.
- a (fired) piezoelectric body may be slightly warped depending on the thickness of the electrode and the material of the dummy material.
- the piezoelectric material is a material that is greatly deformed by firing. If the piezoelectric material is thinly formed (a thin green sheet is obtained) and fired at a high temperature, the piezoelectric material is easily deformed. Therefore, it is difficult to obtain a flat (high flatness) thin fired piezoelectric body as a component of the piezoelectric element.
- a thin fired piezoelectric body can be obtained by firing a thick green sheet and then performing processing such as cutting and polishing. It is done.
- processing such as cutting and polishing
- a great amount of labor and time are required, resulting in poor productivity.
- the adhesion of other members is poor, and an adhesive may be required when incorporating the piezoelectric element having the fired piezoelectric body into a piezoelectric device or product. In these respects, a fired piezoelectric body that is processed and thinned after firing is not preferable.
- phase transformation and spontaneous polarization can occur in the fired piezoelectric body due to stress due to processing, but it is difficult to process the front and back surfaces under exactly the same conditions in order to reduce the thickness. Therefore, based on the different processing conditions, a difference tends to occur in the degree of crystal orientation on the front and back surfaces of the fired piezoelectric body and the spontaneous polarization state before the polarization treatment. If so, undulation will occur during the subsequent polarization process, and it is impossible to obtain a thin fired piezoelectric body with high flatness as the one after the polarization process.
- a piezoelectric material is formed into a film shape on the substrate and fired to obtain a fired piezoelectric body.
- differences in crystal orientation and crystal form are likely to occur on the front and back surfaces of the sintered piezoelectric body.
- undulation may occur when the substrate is peeled off and taken out, or when the polarization process is performed later.
- it is a thin green sheet, if it is fired alone on the setter, undulation is unlikely to occur, but the crystal orientation degree and crystal form are different between the surface exposed to the firing atmosphere and the surface in contact with the setter. Differences are likely to occur, and if this difference occurs, undulations are likely to occur during the subsequent polarization process. In any case, it is difficult to obtain a thin fired piezoelectric body with high flatness.
- a sintered piezoelectric body with low flatness in which undulation has occurred is, for example, a laminated body of one layer or several layers, and has a total thickness of 20 ⁇ m or less.
- the displacement of the piezoelectric element is several times as large as the displacement in the plane direction, and a piezoelectric element having such a fired piezoelectric body is not preferable.
- a thin fired piezoelectric body obtained by molding and firing a piezoelectric material has a problem that it has a low strength and is easily broken when handled.
- the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the object of the present invention is to provide means for obtaining a piezoelectric element having a high flatness and a thin fired piezoelectric body.
- the piezoelectric material is formed into a thin green sheet (green sheet A), and a green sheet (green sheet B) several times thicker than that is used as a reinforcing plate.
- the laminated body is integrated and a laminated body is obtained. After firing the laminated body, the reinforcing plate formed by firing the green sheet B is removed by processing. By doing so, it was found that the above problems were solved.
- a method of manufacturing a piezoelectric element having a process of forming a film-like electrode on a portion formed by firing the green sheet A in a fired piezoelectric body with a reinforcing plate.
- the method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a single plate piezoelectric element in which electrodes are disposed on both surfaces (main surfaces) of a fired piezoelectric body, or a front and back surfaces of a laminate in which a plurality of fired piezoelectric bodies and electrodes are laminated.
- the green sheet A (green sheet) is fired to become a fired piezoelectric body.
- the thick green sheet B (green sheet) is a reinforcing plate for firing that prevents the thin green sheet A (green sheet) from being deformed during firing.
- the green sheet B (green sheet) joined to the green sheet A (green sheet) is fired to form a fired piezoelectric body with a reinforcing plate.
- the reinforcing plate is a portion that was the green sheet B (reinforcing plate for firing) before firing.
- the reinforcing plate is substantially a portion that was the same green sheet (raw ceramic material (preferably the same piezoelectric material as the fired piezoelectric material)) as the green sheet including the portion that later becomes the fired piezoelectric material. .
- the thickness T and the in-plane maximum length L of the green sheet A are based on the thickness T and the in-plane maximum length L of the sintered piezoelectric body of the piezoelectric element to be obtained. Further, it may be determined in consideration of the shrinkage rate. This is because the thickness T and the maximum in-plane length L of the green sheet A are different from the thickness T and the maximum in-plane length L of the sintered piezoelectric body of the piezoelectric element due to shrinkage due to high-temperature firing. .
- the green sheet B is preferably thicker than the green sheet A. Specifically, for example, if the thickness of the green sheet A is 10 ⁇ m, the green sheet B is preferably more than 10 ⁇ m and several tens ⁇ m (for example, 50 ⁇ m to 90 ⁇ m). It may be on the order of 100 ⁇ m.
- the film-like electrode may be formed by any one selected from a film forming means group consisting of a spin coating method, a sputtering method, a dip method, and a non-contact coating method. preferable.
- the green sheet B having an opening at a portion facing the portion to be a fired piezoelectric body is joined to at least one surface of the green sheet A and obtained by firing. Since the reinforcing plate (part) in the fired piezoelectric body with the reinforcing plate is the portion that was the green sheet B before firing, naturally, the reinforcing plate has an opening.
- the peeling plate is peelable by light irradiation or heating.
- a piezoelectric element in the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, after the process of forming the film-like electrode, by cutting based on any one means selected from a cutting means group consisting of laser, etching, blasting, dicer, and machining. It is preferable to have a process of obtaining a piezoelectric element by removing from the fired piezoelectric body with a reinforcing plate other than the fired piezoelectric body portion on which the film-like electrode is formed.
- a fired piezoelectric body in which crystals (of the fired piezoelectric body) are not oriented.
- the lattice distortion amount calculated by the Hall method from the X-ray diffraction profile is small.
- the (002) plane strength I 002 in the X-ray diffraction profile (in addition to a small amount of distortion in that case)
- the ratio I 002 / I 200 of the (200) plane strength I 200 is preferably 1.5 to 5.0.
- the ratio I 002 / I 200 is particularly preferably 1.5 to 3.0. Within this range, cracks do not occur during continuous driving.
- the ratio I 002 / I 200 between the (002) plane intensity I 002 and the (200) plane intensity I 200 in the X-ray diffraction profile is It is preferable that one surface and the other surface are substantially the same. This means that there is no difference in crystal orientation, crystal morphology, and spontaneous polarization state between one surface and the other. Note that the ratio I 002 / I 200 being substantially the same means the case where up to one decimal place is the same. In such a state, the amount of displacement in the surface direction during driving can be made particularly larger than the amount of displacement in the direction perpendicular to the surface.
- a piezoelectric element having any one of the above-described fired piezoelectric bodies and film-like electrodes formed on both faces constituted by the fired surfaces of the fired piezoelectric bodies.
- a piezoelectric material having a fired piezoelectric body having a multilayer structure and a film-like electrode formed on both surfaces constituted by fired surfaces of the fired piezoelectric body, and the adhesive layer being a film-like electrode An element is provided.
- the method of manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a process of producing a green sheet A including a portion that will later become a fired piezoelectric body using a piezoelectric material, and a fired piezoelectric body that is later fired on at least one side of the green sheet A.
- the green sheet A and the green sheet B (reinforcing plate for firing) are fired at the same time because the green sheet A in the fired piezoelectric body with the reinforcing plate has a process of forming a film-like electrode at the fired portion. Since the deformation during firing of the green sheet A including the portion to be the fired piezoelectric body can be suppressed, naturally, the fired piezoelectric body is hardly deformed during firing, and has a high flatness and is thin.
- the fired piezoelectric body is not thinned by processing after firing. Therefore, labor and time can be reduced compared with the case of processing, and productivity is high. Further, the surface of the sintered piezoelectric body of the piezoelectric element obtained by the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is not a processed surface but an unprocessed sintered surface, and therefore has good adhesion to other members.
- phase transformation or spontaneous polarization based on processing stress does not occur in the fired piezoelectric body, and there is little difference in the degree of crystal orientation on the front and back surfaces of the fired piezoelectric body and the spontaneous polarization state before the polarization treatment. Therefore, a piezo-electric element including a thin fired piezoelectric body with high flatness that hardly generates swell even by the subsequent polarization treatment is obtained.
- the piezoelectric element manufacturing method provides a piezoelectric element including a thin fired piezoelectric body having a high flatness, and a piezoelectric material is formed into a film shape on a substrate, or a thin green sheet is directly formed on a setter. , Not mounted and fired. Since the thick green sheet B having the opening facing the portion to be the fired piezoelectric body is joined to the thin green sheet A and fired, firing is performed in a state where no stress is applied to the portion to be the fired piezoelectric body. Done. For this reason, differences in crystal orientation and crystal form are unlikely to occur on the front and back surfaces of the obtained sintered piezoelectric material, and undulation is unlikely to occur during the subsequent polarization treatment. Accordingly, a piezoelectric element including a thin fired piezoelectric body having high flatness can be obtained.
- the green sheet B is thicker than the green sheet A, it is easy to obtain the above effect. That is, the deformation at the time of firing of the green sheet A including the portion to be a fired piezoelectric body can be surely suppressed, and as a result, a thin fired piezoelectric body with high flatness that has been difficult to obtain conventionally. Can be easily obtained.
- the fired piezoelectric body is, for example, a laminated body of one layer or several layers, and the total thickness is 20 ⁇ m or less. Even if it is thin, the displacement when a potential is applied is aligned in one direction, which is preferable as a piezoelectric element.
- the fired piezoelectric body according to the present invention has high strength because the crystal of the piezoelectric body is not oriented.
- the fired piezoelectric body according to the present invention has substantially the same surface roughness on both sides and is not machined, so there are no microcracks and good durability. Since there is no anisotropy on the front and back surfaces, it is easier to displace in the surface direction.
- the piezoelectric element according to the present invention has the fired piezoelectric body according to the present invention as a constituent element, and has the effect that the above-described effects led by the fired piezoelectric body according to the present invention are manifested.
- FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and illustrates steps (1) to (7).
- FIG. 3B is a cross-sectional view showing an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and showing steps (8) to (13) subsequent to steps (1) to (7) in FIG. 3A. It is a perspective view which shows the aspect of the piezoelectric element in an Example. It is a graph which shows the result of an Example.
- FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and illustrates steps (I) to (VI).
- FIG. 7B is a cross-sectional view showing an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and shows steps (VII) to (X) subsequent to steps (I) to (VI) in FIG. 7A.
- FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and illustrates steps (I) to (VI).
- FIG. 7B is a cross-sectional view showing an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and shows steps (VII) to (X) subsequent to steps (I) to (VI) in FIG. 7A.
- FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and illustrates steps (a) to (g).
- FIG. 8B is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention, and illustrates steps (h) to (j) subsequent to steps (a) to (g) in FIG. 8A.
- the manufacturing method of the piezoelectric element according to the present invention described below is a method for simultaneously manufacturing a plurality of piezoelectric elements (multi-piece).
- the drawings are schematic diagrams drawn so that the manufacturing process can be easily understood. For example, it is naturally understood that the thickness of the sintered piezoelectric material and the thickness of the electrodes are not drawn in a preferable state. Should.
- a fired piezoelectric body 1 shown in FIG. 1 is a single-layer piezoelectric body.
- the planar shape of the fired piezoelectric body 1 is rectangular, but the outer shape of the fired piezoelectric body is not particularly limited. Considering productivity, it is desirable that the outer shape is obtained by machining, and a shape formed by a straight line, for example, a polygon, particularly a rectangle is preferable.
- the piezoelectric element obtained by the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention is not shown, but is formed by forming film-like electrodes on both surfaces constituted by the fired surface of the fired piezoelectric body 1 shown in FIG. It is.
- the piezoelectric element has a film-like electrode formed on both surfaces constituted by a fired surface and a film-like electrode formed on a surface between single layers by using a fired piezoelectric body having a multilayer structure.
- a laminate structure of electrodes, piezoelectric bodies, electrodes, piezoelectric bodies, and electrodes may be repeated.
- the number of stacked layers is preferably 3 as the number of piezoelectric bodies and 4 as the number of electrodes, and may be more.
- a green sheet 21 (green sheet A) is manufactured using a piezoelectric material (see FIG. 2).
- the green sheet 21 (green sheet A) includes a portion that later becomes a fired piezoelectric body.
- a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, etc. are added to and mixed with ceramic powder such as lead zirconate titanate to produce a slurry, and after defoaming, a reverse roll coater method, a doctor blade method, etc.
- a green sheet having the above-mentioned thickness is produced by this method, and then a green sheet 21 having a desired size can be obtained by a method such as punching using a mold or laser processing.
- a green sheet 22 (green sheet B) thicker than the green sheet 21 is produced.
- the green sheet 22 (green sheet B) is a reinforcing plate for firing.
- a binder, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and the like are added to and mixed with ceramic powder such as lead zirconate titanate as in the case of the green sheet 21 to prepare a slurry.
- a green sheet having a desired thickness is prepared by a method such as a coater method or a doctor blade method, and then the green shape is formed into a sintered piezoelectric body later by a method such as punching using a mold or laser processing.
- the green sheet 22 can be obtained by opening a portion that is equal to or larger than the sheet 21 and that later faces a portion that becomes a sintered piezoelectric body.
- step 3A (1) the fired piezoelectric body 23 with a reinforcing plate is obtained by firing the green sheet 21 including a portion that will later become a fired piezoelectric body, and the green sheet 22 that is a reinforcing plate for firing.
- the portion where the green sheet 22 is fired is referred to as a reinforcing plate even after firing, and the reinforcing plate in the fired piezoelectric member 23 with the reinforcing plate refers to that portion.
- resist patterning is performed to form a film-like electrode (see step (2) in FIG. 3A). That is, for example, by the exposure method, the surface of the sintered piezoelectric member 23 with the reinforcing plate on the side where the reinforcing plate (the portion where the green sheet 22 (green sheet B) is fired) is not attached, and the portion that will later become an electrode is excluded.
- a resist 31 is applied to the portion.
- a film-like electrode 33 made of a conductive material (for example, gold) is formed by, for example, sputtering treatment (see step (3) in FIG. 3A). Thereafter, if the resist 31 is removed with, for example, a release agent, only the film-like electrode 33 remains (see step (4) in FIG. 3A).
- resist patterning is performed in order to separate the portions that will later become piezoelectric elements, and the fired piezoelectric member 23 with a reinforcing plate is further reinforced (see step (5) in FIG. 3A). That is, the resist 131 is applied to the portion excluding the portion to be cut of the fired piezoelectric member 23 with the reinforcing plate, for example, by an exposure method. At the same time, for example, a resin 34 is filled on the side of the fired piezoelectric member 23 with the reinforcing plate on which the reinforcing plate (the portion where the green sheet 22 (green sheet B) is fired) is attached. The resist 131 may be applied after filling the resin 34.
- a part of the fired piezoelectric member 23 with the reinforcing plate is cut, and the portions that will later become piezoelectric elements are individually separated (see step (6) in FIG. 3A).
- the resist 131 is removed using, for example, a release agent (see step (7) in FIG. 3A).
- step (8) in FIG. 3B the separately produced release plate 35 is joined and integrated (see step (8) in FIG. 3B).
- An adhesive film can be used as the peeling plate 35, which may be peeled off and removed later.
- the resin 34 is removed using a release agent or the like (see step (9) in FIG. 3B).
- step (10) in FIG. 3B the electrode 33 (lower electrode) and ( A sintered piezoelectric body 1 having no reinforcing plate is provided (step (10) in FIG. 3B is drawn upside down with respect to step (11) and thereafter).
- resist patterning is performed to form the upper electrode (see step (11) in FIG. 3B). That is, the resist 231 is applied to the surface of the release plate 35 where the fired piezoelectric body 1 is not formed, for example, by an exposure method. Then, an electrode 36 (upper electrode) made of a conductive material (for example, gold) is formed by, for example, sputtering (see step (12) in FIG. 3B). Then, if the resist 231 is removed with, for example, a release agent, only the film-like electrode 36 remains.
- a conductive material for example, gold
- the piezoelectric element 100 includes a fired piezoelectric body 1 and electrodes 33 and 36 disposed on both sides thereof.
- the peeling plate 35 may be peeled from the piezoelectric element 100 according to the application.
- a sheet that can be peeled off by heat or a sheet that can be peeled off by UV light can be suitably used as the peeling plate 35.
- an electrode layer to be an internal electrode is separately formed on the green sheet by a screen printing method or the like. Then, the green sheet and the above-described green sheet 21 (see FIG. 2) are joined so as to sandwich the electrode formation surface, and a laminated green sheet is produced (in the case of three or more layers, this process is repeated). ). Thereafter, the laminated green sheet and the above-described green sheet 22 (see FIG. 2) are joined. Then, through the process shown in FIG. 3A, a multilayer piezoelectric body can be obtained. A through hole may be formed in the green sheet 21 in order to conduct with the internal electrode.
- FIGS. 7A and 7B The embodiment of the piezoelectric element manufacturing method according to the present invention has been described above with reference to FIGS. 2, 3A, and 3B. Further, based on another embodiment shown in FIGS. 7A and 7B. explain. First, in the same manner as the piezoelectric element manufacturing method described above, a fired piezoelectric body 723 with a reinforcing plate is manufactured (see step (I) in FIG. 7A). Next, a through hole 711 is formed in the sintered piezoelectric member 723 with a reinforcing plate using, for example, a laser (see step (II) in FIG. 7A). When the fired piezoelectric body 723 with the reinforcing plate is manufactured, it may be stamped with a mold.
- resist patterning is performed, and a paste (conductive material (for example, gold)) is applied by a spin coat method, and the conductive material is applied to both surfaces of the sintered piezoelectric member 723 with reinforcing plate and the through holes 711 in which the through holes 711 are formed.
- Film-like electrodes 733 and 734 made of (for example, gold) are formed (see step (III) in FIG. 7A).
- the electrodes 733 and 734 can also be formed by sputtering. Patterning may be performed by laser processing.
- the fired piezoelectric body 723 with a reinforcing plate is further reinforced, and resist patterning is performed in order to separate the portions to be piezoelectric elements later. That is, the side of the sintered piezoelectric body 723 with a reinforcing plate on which the reinforcing plate (fired portion) is attached is filled with resin 744 (see step (IV) in FIG. 7A), and the reinforcing plate is attached by, for example, an exposure method.
- a resist 741 is applied to a portion of the fired piezoelectric body 723 excluding a portion to be cut (see step (V) in FIG. 7A).
- the resin 744 may be filled after the resist 741 is applied.
- the resist 741 is removed by, for example, a release agent (see step (VII) in FIG. 7B), and then the resin 744 is removed by using a release agent or the like.
- a peeling plate 736 is pasted only on the portion of the sintered piezoelectric body 723 with a reinforcing plate that will later become a piezoelectric element (see step (VIII) in FIG. 7B), and the portion that becomes the piezoelectric element is separated and taken out. (See step (IX) in FIG. 7B).
- step (IX) is upside down with respect to the other processes, and the portions that later become piezoelectric elements are individually separated on one surface of the peeling plate 736.
- the portion to be a piezoelectric element later includes a sintered piezoelectric body (701) obtained by removing the reinforcing plate portion and the like from the sintered piezoelectric body 723 with a reinforcing plate, and electrodes 733 and 734.
- the release plate 736 is preferably made of a foamed material and loses adhesive strength when heated. Further, as the peeling plate 736, for example, a UV tape can be used.
- the release plate 736 is removed, individually separated piezoelectric elements 700 can be obtained.
- the release plate 736 may be heated to a temperature higher than the release temperature.
- the release plate 736 is irradiated with UV light. Is detached from the piezoelectric element 700.
- the obtained piezoelectric element 700 is composed of the fired piezoelectric body 701 (without the reinforcing plate) and the electrodes 733 and 734. Thereafter, if heat treatment is required, the piezoelectric element 700 can be transferred to the tray 761 and the heat treatment can be performed separately (see step (X) in FIG. 7B).
- a fired piezoelectric body 823 with a reinforcing plate is manufactured (see step (a) in FIG. 8A).
- a paste conductive material (for example, gold)
- a film-like material made of a conductive material for example, gold
- Electrodes 833 and 834 are formed (see step (b) in FIG. 8A). The electrodes 833 and 834 can also be formed by sputtering.
- resist patterning is performed in order to separate the electrodes 833 and 834 into individual portions that will later become piezoelectric elements. That is, resists 841 and 842 are applied to the portions to be left of the electrodes 833 and 834, for example, by an exposure method (see step (c) in FIG. 8A).
- the portion to be a piezoelectric element later is mainly a sintered piezoelectric body (801) obtained by removing the reinforcing plate portion from the sintered piezoelectric body 823 with a reinforcing plate (see step (j) in FIG. 8B (described later)), an electrode 833,834.
- the wet etching process can be performed by immersing in an aqueous solution mainly containing potassium iodide or ammonium iodide.
- the fired piezoelectric body 823 with a reinforcing plate is further reinforced, and resist patterning is performed for removing a part of the fired piezoelectric body 823 with a reinforcing plate. That is, a resin 844 is filled on the side of the sintered piezoelectric body 823 with a reinforcing plate on which the reinforcing plate is attached, and a resist 843 is formed on a portion excluding the portion to be cut in the sintered piezoelectric body 823 with a reinforcing plate by, for example, an exposure method. Apply (see step (e) in FIG. 8A). The resin 844 may be filled after the resist 843 is applied. In place of applying the resist 843, a dry resist film may be attached.
- the resin 844 expands, stress from the filled resin 844 to the fired piezoelectric body 823 with the reinforcing plate may increase, and the fired piezoelectric body 823 with the reinforcing plate may be broken, which is not preferable.
- a resin that can be dissolved in an aqueous solution as the resin 844.
- an unexposed negative resist can be used.
- the resin is prevented from expanding because it is excellent in solubility in an aqueous solution of acid or alkali, a solvent, or the like.
- a part of the fired piezoelectric member 823 with a reinforcing plate is excised by wet etching or blasting (see step (f) in FIG. 8A).
- the part to be cut is a part corresponding to one side surface of the part to be a piezoelectric element later (see step (f) in FIG. 8A and step (j) in FIG. 8B (described later)).
- the reinforcing plate of the sintered piezoelectric member 823 with the reinforcing plate still remains without being separated.
- FIG. 8A shows a cross section, and in the step (f) of FIG.
- a resin 836 is applied to both surfaces of the fired piezoelectric member 823 with a reinforcing plate so as to cover the entire portion that will later become a piezoelectric element (see step (g) in FIG. 8A).
- This resin 836 later becomes a protective film that protects the piezoelectric element from the surroundings, prevents adhesion of particles, and contributes to stable driving of the piezoelectric element even in a high temperature and high humidity environment.
- this resin 836 is patterned. That is, a through hole 845 that leads to the electrode 833 from the outside is formed in the resin 836 (see step (h) in FIG. 8B).
- a photosensitive resin photoresist
- this patterning can be performed by exposure and development, and the manufacturing cost is reduced.
- the through hole 845 is plated, for example, to form a terminal electrode 846 (see step (i) in FIG. 8B).
- this piezoelectric element 800 is mainly composed of a fired piezoelectric body 801 (without a reinforcing plate) and electrodes 833 and 834, which are made of a resin 836 which is a protective film.
- the terminal electrode 846 is formed while being covered.
- the material (piezoelectric material) of the fired piezoelectric body (green sheet A) is not particularly limited as long as it is a material that causes an electric field induced strain such as a piezoelectric effect or an electrostrictive effect.
- Semiconductor ceramics, ferroelectric ceramics, and antiferroelectric ceramics can be used, and may be appropriately selected and used depending on the application. Moreover, even if it is a material which requires a polarization process, the material which is not required may be sufficient.
- preferable piezoelectric materials include lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead nickel tantalate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, antimony niobium.
- BNT bismuth neodymium titanate
- potassium niobate examples thereof include sodium, strontium bismuth tantalate, copper tungsten barium, bismuth ferrate, or a composite oxide composed of two or more of these.
- These materials include rare earth elements, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, tantalum, lithium, bismuth, tin, copper and other oxides. May be added or substituted.
- a material in which a part of lead is substituted with strontium and a part of zirconium and / or titanium is substituted with niobium can exhibit high material properties. Therefore, it is preferable.
- a material obtained by adding lithium bismutate, lithium borate, lithium carbonate, lead germanate or the like to the above materials is more preferable because it can exhibit high material properties while realizing low-temperature firing of the piezoelectric body.
- the adjustment of the piezoelectric material is prepared as follows, taking as an example a material whose main component is (Pb, Sr) (Zr, Ti, Nb) O 3 whose composition is represented by a predetermined formula. I can do it.
- a desired ratio of the content of each element of Pb, Sr, Nb, Zr, and Ti in the carbonate for example, SrCO 3
- a compound containing a plurality of these elements for example, SrCO 3
- a mixture is prepared by mixing using a ball mill, an attritor, a bead mill or the like.
- the average particle size of the mixture is preferably 1 ⁇ m or less in order to enable uniform mixing, and more preferably 0.5 ⁇ m or less. If the prepared mixture is calcined at 750 to 1300 ° C., a piezoelectric ceramic composition can be obtained.
- the ratio of the intensity of the strongest diffraction line of the perovskite phase to the intensity of the strongest diffraction line of the pyrochlore phase in the diffraction intensity of the obtained piezoelectric ceramic composition by an X-ray diffractometer is preferably 5% or less. More preferably.
- a piezoelectric material (powder) having a desired particle diameter can be obtained by pulverizing the above piezoelectric ceramic composition with a pulverizer such as a ball mill, an attritor, or a bead mill.
- the average particle size of the piezoelectric material (powder) is preferably 0.05 to 1.0 ⁇ m, and more preferably 0.1 to 0.5 ⁇ m.
- the maximum particle size of the piezoelectric material (powder) is preferably 3.0 ⁇ m or less, and more preferably 1.5 ⁇ m or less.
- the particle size of the piezoelectric material (powder) may be adjusted by heat treating the pulverized product at 400 to 750 ° C.
- the piezoelectric material may be prepared by, for example, an alkoxide method or a coprecipitation method.
- the piezoelectric material described above can also be used for the material of the reinforcing plate (green sheet B). In order to make the degree of thermal expansion the same, it is preferable to use the same material as the fired piezoelectric body (green sheet A).
- a conductive metal is employed as the electrode material.
- simple metals such as aluminum, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum, ruthenium, palladium, rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, iridium, platinum, gold, or lead, or these
- an alloy composed of two or more types, for example, one of silver-platinum, platinum-palladium, silver-palladium, etc., alone or in combination of two or more.
- a mixture or cermet of these materials and aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, cerium oxide, glass, piezoelectric material, or the like may be used. In selecting these materials, it is preferable to select them according to the type of piezoelectric material.
- Example 1 A piezoelectric element 10 was obtained by forming electrodes on both sides of a rectangular fired piezoelectric body having one short side fixed by the method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention (see FIG. 4). ).
- the thickness of the fired piezoelectric body was 15 ⁇ m
- the maximum length (long side) in the surface of the rectangular fired piezoelectric body was 5 mm
- the short side was 3 mm.
- the surface roughness Ra of the fired piezoelectric body was 0.19 ⁇ m on one side and 0.1 ⁇ m on the other side.
- the maximum amount of undulation was 5 ⁇ m, and the variation in thickness was 0.6 ⁇ m.
- FIG. 5 shows the result of measuring each displacement when the electric field is changed.
- the displacement in the thickness direction (Z direction) of the fired piezoelectric body of the piezoelectric element 10 is always smaller than the displacement in the plane direction (X direction). In other words, the piezoelectric element 10 has a large displacement in the surface direction (X direction).
- Example 2 A sintered piezoelectric body having a square of 1 mm ⁇ 1 mm and a thickness of 15 ⁇ m was obtained. Except for the outer shape of the obtained fired piezoelectric material, it was produced according to Example 1.
- the surface (fired surface) of the fired piezoelectric body was irradiated with X-rays, and the X-ray diffraction profile was measured in the range of 40 ° to 50 ° by the 2 ⁇ / ⁇ method.
- the results are shown in FIG. X-ray diffraction profiles shown in Figure 6, the intensity I 002 of (002) plane, the intensity I 200 of (200) plane, the ratio I 002 / I 200 of was 2.0.
- the back surface (fired surface) of the same fired piezoelectric material was irradiated with X-rays, and the X-ray diffraction profile was measured in the range of 40 ° to 50 ° by the 2 ⁇ / ⁇ method.
- the results are shown in FIG. It was determined from X-ray diffraction profiles shown in Figure 6, the intensity I 002 of (002) plane, the ratio I 002 / I 200 of the intensity I 200 of (200) plane was 2.0.
- electrodes were formed by sputtering Au on both surfaces of the fired piezoelectric body, and a polarization treatment was performed by applying a voltage of 5 kV / mm for 15 minutes. Then, when the amount of waviness was measured, it was 2 ⁇ m. Then, a driving durability test was conducted for 1 hour with a 10 V, 5 kHz rectangular wave, and it was confirmed that there was no problem.
- the surface (polished surface) of the fired piezoelectric body was irradiated with X-rays, and the X-ray diffraction profile was measured in the range of 40 ° to 50 ° by the 2 ⁇ / ⁇ method.
- the results are shown in FIG. X-ray diffraction profiles shown in Figure 6, the intensity I 002 of (002) plane, the intensity I 200 of (200) plane, the ratio I 002 / I 200 of, was 0.1.
- Example 2 polarization treatment was performed in the same manner as in Example 1 while the back surface was a fired surface, and the subsequent undulation was measured to be 60 ⁇ m.
- a driving durability test was performed for 1 hour with a rectangular wave of 10 V and 5 kHz, cracks occurred in 5 of 10 samples.
- Comparative Example 2 In the same manner as Comparative Example 1, a sintered piezoelectric body having a square of 1 mm ⁇ 1 mm and a thickness of 50 ⁇ m was obtained. Next, the surface of the fired piezoelectric body was polished using 0.05 ⁇ m colloidal silica to obtain a fired piezoelectric body having a thickness of 15 ⁇ m.
- the surface (polished surface) of the fired piezoelectric body was irradiated with X-rays, and the X-ray diffraction profile was measured in the range of 40 ° to 50 ° by the 2 ⁇ / ⁇ method.
- the results are shown in FIG. X-ray diffraction profiles shown in Figure 6, the intensity I 002 of (002) plane, the intensity I 200 of (200) plane, the ratio I 002 / I 200 of, was 1.3.
- Example 2 polarization treatment was performed in the same manner as in Example 1 while the back surface was a fired surface, and the subsequent undulation was measured to be 15 ⁇ m. Then, when a driving durability test was performed for 1 hour with a rectangular wave of 10 V and 5 kHz, cracks occurred in one of ten samples.
- Measurement of the amount of waviness after the polarization treatment was performed with a KEYENCE laser displacement meter, LK-G5000.
- the piezoelectric element manufacturing method includes a measuring instrument, an optical modulator, an optical switch, a microvalve, a transport device, an image display device (display, projector, etc.), an image drawing device, a micropump, a droplet discharge device, a micro
- Various piezoelectric actuators piezoelectric devices
- piezoelectric devices applied to mixing devices, microstirring devices, microreactors, etc.
- various piezoelectric sensors piezoelectric devices used to detect fluid characteristics, sound pressure, microweight, acceleration, etc. Is preferably used as a means for manufacturing a piezoelectric element.
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Abstract
圧電材料を用いて、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAを作製する過程と、そのグリーンシートAの少なくとも片面に、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっているグリーンシートBを接合し、その後、焼成をして、グリーンシートBが焼成されてなる補強板の付いた補強板付焼成圧電体を得る過程と、その補強板付焼成圧電体における前記グリーンシートAが焼成されてなる部分に、膜状の電極を形成する過程と、を有する圧電素子の製造方法である。この圧電素子の製造方法によれば、平面度の高い、薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得ることが出来る。
Description
本発明は、平面度が高く且つ薄い焼成圧電体を備える、圧電素子を製造する方法に関する。
近年、光学、精密機械、半導体製造等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位制御デバイスが所望されるようになってきている。これに応え、圧電体に電界を加えたときに起こる逆圧電効果等に基づく歪み(変位、変形)を利用した圧電アクチュエータや、同様の効果に基づき圧電体に圧力を加えたときに起こる電荷発生(分極)を利用した圧電センサ等の、圧電デバイスの開発が進められている。
圧電デバイスの中核をなすものは、圧電体を電極で挟んでなる圧電素子である。このうち圧電体は、圧電材料を薄膜法によって膜状に成形し、高温で焼成して作製することが出来る(以下、焼成圧電体という)。圧電材料に添加する材料の種類を適切に選定すれば、圧電定数が高い、大きな変位を発生する焼成圧電体を得ることが可能である。そして、圧電定数が高ければ、所定の特性を得るために焼成圧電体を薄くする必要性が小さいため、ハンドリング性能が向上する。一方、大きな変位を得ることが出来る焼成圧電体で構成される圧電素子は、小型化することが可能となり、重量によって消費電力、応答性が変わる圧電デバイスないしそれを用いた製品に、好ましく適用される。
圧電素子に関する先行技術文献として、例えば、特許文献1(特開2001-68751号公報)及び特許文献2(特開2006-60000号公報)を挙げることが出来る。特許文献1には、圧電素子を金属板に接着する構造の圧電アクチュエータが開示されている。又、特許文献2には、ダミー材の上に電極及び圧電体を積層し、その後、ダミー材を除去することによって、圧電素子を得る圧電素子の製造方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示された圧電アクチュエータでは、フラットな圧電素子でないと金属板に接着する面積がばらつき、所定変位を得ることが難しい。そして、フラットな圧電素子にするためには、フラットな焼成圧電体が必要である。又、特許文献2に開示された圧電素子の製造方法では、電極の厚さや、ダミー材の材質によって、(焼成)圧電体に微小な反りが発生するおそれがある。
このように、圧電素子においては、反りがなくフラットで、薄い焼成圧電体が望まれているといえる。しかしながら、圧電材料は焼成による変形が大きい材料であり、圧電材料を薄く成形して(薄いグリーンシートを得て)高温で焼成すれば、尚のこと変形し易い。従って、圧電素子の構成要素として、フラットな(平面度が高い)薄い焼成圧電体を得ることは難しい。
これに対し、圧電材料を厚くすれば焼成による変形を抑制することが出来るから、厚いグリーンシートを焼成し、その後、切削・研磨等の加工を施すことによって、薄い焼成圧電体が得られるとも考えられる。しかしながら、切削・研磨等の加工によって、薄い焼成圧電体を得るためには、大変な労力、時間を要し、生産性に劣ることとなる。又、加工面は、平滑過ぎるが故に、他の部材の密着性が悪く、その焼成圧電体を有する圧電素子を、圧電デバイスないし製品に組み込む際に、接着剤が必要になる場合がある。これらの点において、焼成後に加工されて薄くなった焼成圧電体は、好ましいものとはいえない。更に、加工による応力によって焼成圧電体に相変態や自発分極が生じ得るところ、薄くするために表裏面を全く同じ条件で加工することは困難である。従って、加工条件が異なることに基づき、焼成圧電体の表裏面における結晶配向度や分極処理前の自発分極状態に差異が生じ易い。そうなれば、のちの分極処理の際に、うねりが発生してしまい、分極処理後のものとして、平面度の高い、薄い焼成圧電体を得ることは出来ない。
一方、焼成後の加工によらないで薄い焼成圧電体を得るべく、基板の上に圧電材料を膜状に成形し、これを焼成して焼成圧電体を得ようとすると、基板との間の格子定数の違いや熱膨張の違いから、やはり、焼成圧電体の表裏面において結晶配向度や結晶形態に差異が生じ易い。これらの差異が生じると、基板から剥離させて取り出す際や、のちの分極処理の際に、うねりが生じてしまう場合がある。又、薄いグリーンシートであっても、セッター上において単独で焼成すれば、うねりは起こり難くなると思われるが、焼成雰囲気に晒される面とセッターに接した面とでは、結晶配向度や結晶形態に差異が生じ易く、この差異が生じれば、同じように、のちの分極処理の際にうねりが生じ易い。何れにしても、平面度の高い、薄い焼成圧電体を得ることは困難である。
うねりが生じた平面度の低い焼成圧電体は、例えば1層又は数層の積層体であって全体の厚みが20μm以下の薄いものである場合には、電位をかけたときに、厚さ方向への変位が面方向の変位に対して数倍となってしまう場合があり、そのような焼成圧電体を有する圧電素子は、好ましいものではない。
以上の他に、圧電材料を成形し、焼成してなる、薄い焼成圧電体においては、その強度が低いため、ハンドリングする際に割れ易い、という問題がある。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、平面度の高い、薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得る手段を提供することにある。研究が重ねられた結果、圧電素子の製造過程において、圧電材料を薄いグリーンシート(グリーンシートA)に成形し、それよりも数倍厚いグリーンシート(グリーンシートB)を補強板として、グリーンシートAの、のちに得ようとする焼成圧電体となる部分以外に、重ねて一体化し、積層体を得て、その積層体を焼成した後に、加工によりグリーンシートBが焼成されてなる補強板を除去していくことによって、上記課題が解決されることが見出された。
即ち、先ず、本発明によれば、圧電材料を用いて、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAを作製する過程と、そのグリーンシートAの少なくとも片面に、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっているグリーンシートBを接合し、その後、焼成をして、グリーンシートBが焼成されてなる補強板の付いた補強板付焼成圧電体を得る過程と、その補強板付焼成圧電体における前記グリーンシートAが焼成されてなる部分に、膜状の電極を形成する過程と、を有する圧電素子の製造方法が提供される。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、焼成圧電体の両面(主面)に電極が配設された単板の圧電素子、又は、焼成圧電体と電極が複数積層された積層体の表裏の両面(主面)に電極が配設された積層型の圧電素子、であって、両面(主面)が焼成面で構成され面方向に対して厚さ方向変位が小さな焼成圧電体を備える、圧電素子を製造する方法である。本発明に係る圧電素子の製造方法において、グリーンシートA(グリーンシート)は、焼成されて焼成圧電体となるものである。厚いグリーンシートB(グリーンシート)は、薄いグリーンシートA(グリーンシート)が、焼成の際に変形するのを防止する焼成用の補強板である。このグリーンシートB(グリーンシート)が、グリーンシートA(グリーンシート)に接合されたものが、焼成されて補強板付焼成圧電体となる。焼成された補強板付焼成圧電体のうち補強板とは、焼成前にグリーンシートB(焼成用の補強板)であった部分である。即ち、補強板は、実質的には、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートと同じグリーンシート(生のセラミック材料(好ましくは焼成圧電体と同じ圧電材料))であった部分である。
本発明に係る圧電素子の製造方法において、グリーンシートAの厚さT及び面内の最大長Lは、得ようとする圧電素子の焼成圧電体の厚さT及び面内の最大長Lを基に、収縮率を考慮して、決定すればよい。高温の焼成によって縮んで、グリーンシートAの厚さT及び面内の最大長Lと、圧電素子の焼成圧電体の厚さT及び面内の最大長Lとは、異なるものとなるからである。
本発明に係る圧電素子の製造方法においては、グリーンシートBが、グリーンシートAより厚いことが好ましい。具体的には、例えば、グリーンシートAの厚さを10μmとすれば、グリーンシートBは10μm超であって、数十μm(例えば50μm~90μm)であることが好ましい。百μmオーダーであってもよい。
本発明に係る圧電素子の製造方法においては、膜状の電極が、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1によって形成されることが好ましい。
本発明に係る圧電素子の製造方法では、グリーンシートAの少なくとも片面に、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっているグリーンシートBを接合するのであり、焼成されて得られる補強板付焼成圧電体における補強板(部分)は、焼成前にグリーンシートBであった部分であるから、補強板には、当然に開口が存在することになる。本発明に係る圧電素子の製造方法においては、補強板付焼成圧電体を得る過程の後、補強板の開口に、樹脂を充填する過程を有することが好ましい。
本発明に係る圧電素子の製造方法においては、膜状の電極を形成する過程の後、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1の方法によって、焼成圧電体部分の両面又は片面、若しくは電極の表面に、膜状の樹脂からなり剥離が可能な剥離板を接合する過程を有することが好ましい。
本発明に係る圧電素子の製造方法においては、剥離板が、光の照射又は加熱によって剥離が可能なものであることが好ましい。
本発明に係る圧電素子の製造方法においては、膜状の電極を形成する過程の後、レーザー、エッチング、ブラスト、ダイサー、機械加工からなる切断手段群から選ばれる何れか1の手段に基づく切断によって、補強板付焼成圧電体から、膜状の電極を形成した焼成圧電体部分以外を除去して、圧電素子を得る過程を有することが好ましい。
次に、本発明によれば、(焼成圧電体の)結晶が配向していない焼成圧電体が提供される。
本発明に係る焼成圧電体においては、X線回折プロファイルからHall法で算出される格子歪み量が小さいことが好ましい。
本発明に係る焼成圧電体においては、(圧電体が)正方晶であり、(その場合に歪み量が小さいだけでなく、)X線回折プロファイルにおける、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200が、1.5~5.0であることが好ましい。本発明に係る焼成圧電体においては、その比I002/I200は、1.5~3.0であることが特に好ましい。その範囲内であれば、連続駆動時にクラックが生じない。
本発明に係る焼成圧電体は、X線回折プロファイルにおける、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200が、(焼成圧電体の)一の面と他の面とで略同一であることが好ましい。これは、結晶配向度、結晶形態、及び自発分極状態が、一の面と他の面とで、差異がないことを意味する。尚、比I002/I200が略同一であるとは、小数点1桁まで同じである場合をいう。そのような状態であれば、駆動時の面方向の変位量を、面に垂直方向の変位量よりも、特に大きくすることが出来る。
次に、上記した何れかの焼成圧電体と、その焼成圧電体の焼成面で構成される両面に形成された膜状の電極と、を有する圧電素子が提供される。
次に、複層構造を有する焼成圧電体と、その焼成圧電体の焼成面で構成される両面に形成された膜状の電極と、を有し、接着層が、膜状の電極である圧電素子が提供される。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電材料を用いて、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAを作製する過程と、そのグリーンシートAの少なくとも片面に、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっているグリーンシートBを接合し、その後、焼成をして、グリーンシートBが焼成されてなる補強板の付いた補強板付焼成圧電体を得る過程と、その補強板付焼成圧電体におけるグリーンシートAが焼成されてなる部分に、膜状の電極を形成する過程と、を有するので、グリーンシートAとグリーンシートB(焼成用の補強板)が同時に焼成され、焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAの、焼成時の変形を抑えることが出来るから、当然に、焼成時に焼成圧電体は変形し難く、平面度の高い、薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得ることが可能である。又、焼成後に、補強板(グリーンシートBであった部分)が付いているから、ハンドリングが容易であり、焼成圧電体に、割れの問題が生じ難い。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、平面度の高い薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得るに際し、焼成後に加工によって焼成圧電体を薄くしていない。そのため、加工による場合に比して、労力、時間を少なくすることが出来、生産性が高い。又、本発明に係る圧電素子の製造方法によって得られる圧電素子の焼成圧電体の表面は、加工面ではなく、未加工焼成面であるため、他の部材との接着性が良好である。更に、加工によって薄くしないため、加工応力に基づく相変態や自発分極が、焼成圧電体に生じず、焼成圧電体の表裏面における結晶配向度や分極処理前の自発分極状態に差異が少ない。従って、のちの分極処理によっても、うねりが発生し難く、平面度の高い薄い焼成圧電体を備える圧電素子が得られる。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、平面度の高い薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得るに際し、基板の上に圧電材料を膜状に成形したり、薄いグリーンシートをセッター上に、直接、載置して、焼成を行っていない。焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっている厚いグリーンシートBを薄いグリーンシートAに接合して、焼成をするので、焼成圧電体となる部分に応力がかからない状態で、焼成が行われる。そのため、得られる焼成圧電体の表裏面において結晶配向度や結晶形態に差異が生じ難く、のちの分極処理の際に、うねりが生じ難い。従って、平面度が高く薄い焼成圧電体を備える圧電素子が得られる。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、その好ましい態様において、グリーンシートBがグリーンシートAより厚いので、上記の効果を得易い。即ち、焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAの、焼成時の変形を、確実に抑えることが出来、その結果、従来は得ることが困難であった、平面度が高い、薄い焼成圧電体を備える圧電素子を、容易に得ることが可能である。
本発明に係る圧電素子の製造方法で得られる圧電素子は、焼成圧電体にうねりが生じていないため、焼成圧電体が、例えば1層又は数層の積層体であって全体の厚みが20μm以下の薄いものであっても、電位をかけたときの変位が、一の方向に揃い、圧電素子として好ましいものといえる。
本発明に係る焼成圧電体は、圧電体の結晶が配向していないので、強度が強い。
本発明に係る焼成圧電体は、その好ましい態様において、両面の表面粗さが略同一であり、機械加工をしたものではないので、微小クラックがなく、耐久性がよい。表裏面で異方性がないため、より面方向への変位をさせ易い。
本発明に係る圧電素子は、本発明に係る焼成圧電体を構成要素とし、本発明に係る焼成圧電体が導く上記の効果を、現に発現するところに効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。
尚、以下に説明される本発明に係る圧電素子の製造方法は、複数の圧電素子を同時に作製するもの(多個取り)である。図面は、製造過程が理解し易いように描かれた模式図であり、例えば、焼成圧電体の厚さと、電極の厚さは、好ましい状態には描かれていないことは、当然に理解されるべきである。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、平面度が高く薄い焼成圧電体を備える圧電素子を得る方法であるので、先ず、焼成圧電体について説明する。図1に示される焼成圧電体1は、単層の圧電体である。この焼成圧電体1の平面形状は長方形であるが、焼成圧電体の外形は、特に限定されるものではない。生産性を考慮すると、機械加工で得られる外形の形状であることが望ましく、直線で形成される形状、例えば多角形、特に長方形が好ましい。
本発明に係る圧電素子の製造方法によって得られる圧電素子は、図示しないが、図1に示される焼成圧電体1の、焼成面で構成される両面に、膜状の電極を形成してなるものである。圧電素子は、複層構造を有する焼成圧電体を用いて、焼成面で構成される両面に形成された膜状の電極と、単層の間の面に形成された膜状の電極を有する態様を採ることが出来る。即ち、電極、圧電体、電極、圧電体、電極という積層構造を繰り返してなるものであってもよい。この場合の積層数としては、圧電体の数として3、電極の数として4が好ましく、それ以上であってもよい。
次に、本発明に係る圧電素子の製造方法について、その実施形態を示して説明する。本発明に係る焼成圧電体の製造方法では、圧電材料を用いて、グリーンシート21(グリーンシートA)を作製する(図2を参照)。このグリーンシート21(グリーンシートA)は、のちに焼成圧電体となる部分を含むものである。例えば、ジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末に、バインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合して、スラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法によって、上記の厚さを有するグリーンシートを作製し、その後、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、所望の大きさのグリーンシート21を得ることが出来る。
又、別途、グリーンシート21より厚い、グリーンシート22(グリーンシートB)を作製する。このグリーンシート22(グリーンシートB)は、焼成用の補強板である。例えば、グリーンシート21の場合と同じジルコン酸チタン酸鉛等のセラミックス粉末に、バインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合して、スラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法によって、所望の厚さを有するグリーンシートを作製し、その後、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、外形をのちに焼成圧電体となる上記グリーンシート21と同等か又は大きくし、且つ、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分を開口して、グリーンシート22を得ることが出来る。
そして、グリーンシート21とグリーンシート22を接合した後に、使用する圧電材料に基づき800~1600℃の範囲の適切な温度で、焼成をして、補強板付焼成圧電体23を得る(図2及び図3Aの工程(1)を参照)。即ち、補強板付焼成圧電体23は、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシート21、及び、焼成用の補強板であるグリーンシート22を、焼成してなるものである。グリーンシート22が焼成された部分を、焼成後においても、補強板と呼び、補強板付焼成圧電体23における補強板とは、その部分を指す。
次いで、膜状の電極を形成するためにレジストパターニングを行う(図3Aの工程(2)を参照)。即ち、例えば露光法によって、補強板付焼成圧電体23の補強板(グリーンシート22(グリーンシートB)が焼成された部分)の付いていない側の面であって、のちに電極となる部分を除く部分に、レジスト31を塗布する。そして、例えばスパッタ処理によって、導電性材料(例えば金)からなる膜状の電極33を形成する(図3Aの工程(3)を参照)。その後、例えば剥離剤によって、レジスト31を除去すれば、膜状の電極33のみが残る(図3Aの工程(4)を参照)。
次に、のちに圧電素子となる部分を、個々に分離するために、レジストパターニングを行うとともに、補強板付焼成圧電体23の更なる補強を行なう(図3Aの工程(5)を参照)。即ち、例えば露光法によって、補強板付焼成圧電体23の切断したい部分を除く部分に、レジスト131を塗布する。併せて、補強板付焼成圧電体23の補強板(グリーンシート22(グリーンシートB)が焼成された部分)の付いている側に、例えば樹脂34を充填する。樹脂34を充填してから、レジスト131を塗布してもよい。そして、例えばウエットエッチング処理又はブラスト処理によって、補強板付焼成圧電体23の一部を切断して、のちに圧電素子となる部分を、個々に分離する(図3Aの工程(6)を参照)。その後、例えば剥離剤によって、レジスト131を除去する(図3Aの工程(7)を参照)。
次に、別途、作製された剥離板35を接合し一体化する(図3Bの工程(8)を参照)。剥離板35としては接着フィルムを使用することが出来、これは、のちに、剥離し、取り除いてもよい。そして、剥離剤等を用いて、樹脂34を除去する(図3Bの工程(9)を参照)。更に、補強板付焼成圧電体23のうちの電極33が配設されていない部分を除去すれば(図3Bの工程(10)を参照)、剥離板35に、電極33(下部電極)と、(補強板の付いていない)焼成圧電体1と、が配設されたものが得られる(図3Bの工程(10)は、工程(11)以降に対し、上下反対に描かれている)。
次に、上部電極を形成するために、レジストパターニングを行う(図3Bの工程(11)を参照)。即ち、例えば露光法によって、剥離板35における焼成圧電体1が形成されていない面に、レジスト231を塗布する。そして、例えばスパッタ処理によって、導電性材料(例えば金)からなる電極36(上部電極)を形成する(図3Bの工程(12)を参照)。そして、例えば剥離剤によって、レジスト231を除去すれば、膜状の電極36のみが残る。
その後、剥離板35を切断すれば、個々に分離した圧電素子100が得られる(図3Bの工程(13)を参照)。圧電素子100は、焼成圧電体1とその両面に配設された電極33,36と、を有する。ここで、既述の通り、用途に応じ、圧電素子100から剥離板35を剥離してもよい。剥離する場合、剥離板35として、熱により剥離可能なシートやUV光により剥離可能なシートを、好適に使用することが出来る。
尚、圧電体が2層以上の場合には、先ず、別途、グリーンシート上に、内部電極となる電極層を、スクリーン印刷法等で形成する。そして、そのグリーンシートと、既述のグリーンシート21(図2を参照)を、電極形成面を挟むように接合し、積層グリーンシートを作製する(3層以上の場合には、この工程を繰り返す)。その後、その積層グリーンシートと既述のグリーンシート22(図2を参照)を接合する。そして、図3Aに示した工程を経れば、多層の圧電体を得ることが可能である。尚、内部電極と導通をとるために、グリーンシート21にスルーホールを形成してもよい。
以上、本発明に係る圧電素子の製造方法について、図2、図3A、及び図3Bを参照しながら実施形態を説明したが、更に、図7A、図7Bに示される別の実施形態に基づいて説明する。先ず、既述の圧電素子の製造方法と同様にして、補強板付焼成圧電体723を作製する(図7Aの工程(I)を参照)。次いで、補強板付焼成圧電体723に、例えばレーザーを用いて、スルーホール711を形成する(図7Aの工程(II)を参照)。補強板付焼成圧電体723を作製する際に、金型で打ち抜き成形をしておいてもよい。この場合には、グリーンシートAとグリーンシートBを接合した後に、金型で打ち抜き成形をして、その後、スルーホールの開いた状態で、使用する圧電材料に基づき800~1600℃の範囲の適切な温度で、焼成をして、補強板付焼成圧電体723を得る。
そして、例えばレジストパターニングを行い、ペースト(導電性材料(例えば金))をスピンコート法で塗布して、スルーホール711を形成した補強板付焼成圧電体723の両面及びスルーホール711に、導電性材料(例えば金)からなる膜状の電極733,734を形成する(図7Aの工程(III)を参照)。電極733,734の形成は、スパッタ処理で行なうことも出来る。パターニングはレーザー加工によって行なってもよい。
次に、補強板付焼成圧電体723の更なる補強を行なうとともに、のちに圧電素子となる部分を個々に分離するためにレジストパターニングを行う。即ち、補強板付焼成圧電体723の補強板(が焼成された部分)の付いている側に、樹脂744を充填するとともに(図7Aの工程(IV)を参照)、例えば露光法によって、補強板付焼成圧電体723における切断したい部分を除く部分に、レジスト741を塗布する(図7Aの工程(V)を参照)。レジスト741を塗布してから、樹脂744を充填してもよい。そして、例えばウエットエッチング処理又はブラスト処理によって、補強板付焼成圧電体723の一部を切断して、のちに圧電素子となる部分を、個々に分離する(図7Aの工程(VI)を参照)。
その後、例えば剥離剤によって、レジスト741を除去し(図7Bの工程(VII)を参照)、次いで、剥離剤等を用いて、樹脂744を除去する。更に、補強板付焼成圧電体723のうち、のちに圧電素子となる部分のみに、剥離板736を貼付し(図7Bの工程(VIII)を参照)、その圧電素子となる部分を分離して取り出す(図7Bの工程(IX)を参照)。図7A及び図7Bにおいて、工程(IX)のみ、他の工程と上下が反対であり、のちに圧電素子となる部分は、剥離板736の一の面で分離して個々に存在する。のちに圧電素子となる部分とは、補強板付焼成圧電体723から補強板部分等を除去した焼成圧電体(701)と、電極733,734と、からなるものである。剥離板736としては、好ましくは発泡した材料からなり、熱を加えると接着力がなくなるものを用いることが出来る。又、剥離板736として、例えばUVテープを使用することも可能である。
そして、剥離板736を取り外せば、個々に分離した圧電素子700が得られる。剥離板736として熱を加えると接着力がなくなるものを用いた場合には剥離温度以上に加熱すればよく、剥離板736としてUVテープを使用する場合にはUV光を照射すれば、剥離板736は、圧電素子700から外れる。得られる圧電素子700は、既述のように、(補強板の付いていない)焼成圧電体701と、電極733,734と、からなるものである。この後、熱処理を要する場合には、圧電素子700をトレー761に移して、別途、その熱処理を行うことが出来る(図7Bの工程(X)を参照)。
以上、本発明に係る圧電素子の製造方法について、図7A及び図7Bを参照しながら実施形態を説明したが、更に、図8A、図8Bに示される別の実施形態に基づいて説明する。先ず、既述の圧電素子の製造方法と同様にして、補強板付焼成圧電体823を作製する(図8Aの工程(a)を参照)。次いで、ペースト(導電性材料(例えば金))をスピンコート法で塗布して、補強板付焼成圧電体823の両面(補強板部分を除く)に、導電性材料(例えば金)からなる膜状の電極833,834を形成する(図8Aの工程(b)を参照)。電極833,834の形成は、スパッタ処理で行なうことも出来る。
そして、電極833,834を、のちに圧電素子となる部分毎に、個々に分離するために、レジストパターニングを行う。即ち、例えば露光法によって、電極833,834の残すべき部分に、それぞれレジスト841,842を塗布する(図8Aの工程(c)を参照)。のちに圧電素子となる部分とは、主に、補強板付焼成圧電体823から補強板部分等を除去した焼成圧電体(801)(図8Bの工程(j)を参照(後述))と、電極833,834と、からなるものである。その後、例えばウエットエッチング処理又はブラスト処理によって、残すべき電極833,834以外を、除去する(図8Aの工程(d)を参照)。例えば導電性材料が金(Au)ならば、ウエットエッチング処理は、よう化カリウム又はよう化アンモニウムを主成分とする水溶液に浸漬することによって、行うことが可能である。
次に、補強板付焼成圧電体823の更なる補強を行なうとともに、補強板付焼成圧電体823の一部分を切除するためのレジストパターニングを行う。即ち、補強板付焼成圧電体823の補強板の付いている側に、樹脂844を充填するとともに、例えば露光法によって、補強板付焼成圧電体823における切断しようとする部分を除く部分に、レジスト843を塗布する(図8Aの工程(e)を参照)。レジスト843を塗布してから、樹脂844を充填してもよい。又、レジスト843の塗布の代わりに、ドライレジストフィルムを貼付してもよい。ここで、樹脂844の膨張があると、その充填された樹脂844から補強板付焼成圧電体823に対する応力が増加し、補強板付焼成圧電体823が割れることがあり、好ましくない。これを防止すべく、樹脂844として、水溶液で溶解可能な樹脂を用いることが好ましい。例えば、露光していないネガレジスト等を用いることが出来る。このような樹脂を用いると、酸やアルカリの水溶液、溶剤等への溶解性に優れるため、樹脂の膨張は防止される。
そして、例えばウエットエッチング処理又はブラスト処理によって、補強板付焼成圧電体823の一部を切除する(図8Aの工程(f)を参照)。切除する部分は、のちに圧電素子となる部分における一方の側面にあたる部分である(図8Aの工程(f)及び図8Bの工程(j)(後述)を参照)。但し、この段階では、未だ、補強板付焼成圧電体823の補強板は、切り離されず残っている。又、図8Aは断面を示しているので、その図8Aの工程(f)において、のちに圧電素子となる部分が分離しているように見えるが、のちに圧電素子となる部分は、補強板付焼成圧電体823のうち切除されない部分で繋がっており、個々に分離されていない。その後、剥離剤等を用いて、樹脂844及びレジスト843を除去する。
次いで、のちに圧電素子となる部分全体を覆うように、補強板付焼成圧電体823の両面に、樹脂836を塗布する(図8Aの工程(g)を参照)。この樹脂836は、のちに周囲から圧電素子を護る保護膜となり、パーティクルの付着を防止するとともに、高温高湿環境下においても圧電素子の安定駆動に寄与する。そして、この樹脂836をパターニングする。即ち、樹脂836に、外から電極833に通じるような、スルーホール845を形成する(図8Bの工程(h)を参照)。樹脂836として、感光性樹脂(フォトレジスト)を用いれば、このパターニングは、露光、現像によって行うことが出来、製造コストが安価となる。その後、そのスルーホール845に、例えばメッキを施して、端子電極846を形成する(図8Bの工程(i)を参照)。
そして、例えばレーザー加工機、ダイサー等を使用し、切断によって、不要な補強板付焼成圧電体823(特に補強板部分)及び不要な樹脂836を取り除けば、個々に分離した圧電素子800が得られる(図8Bの工程(j)を参照)。この圧電素子800は、既述のように、主に、(補強板の付いていない)焼成圧電体801と、電極833,834と、からなるものであり、それらが保護膜である樹脂836で覆われるとともに、端子電極846が形成されたものである。
次に、圧電素子に用いられる材料について説明する。焼成圧電体(グリーンシートA)の材料(圧電材料)としては、圧電効果若しくは電歪効果等の電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。半導体セラミック、強誘電体セラミック、及び反強誘電体セラミックを用いることが可能であり、用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。
具体的には、好ましい圧電材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、アンチモンニオブ酸鉛、イッテリビウムニオブ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム(BNT)、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、又は、これらのうちの2種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。これらの材料には、希土類元素、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が添加もしくは置換されていてもよい。これらのなかでも、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛の複合酸化物において、鉛の一部をストロンチウムで置換し、ジルコニウム及び/またはチタンの一部をニオブで置換した材料は、高い材料特性を発現出来るので好ましい。上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ホウ酸リチウム、炭酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料は、圧電体の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来るので、更に好ましい。
圧電材料の調整については、その組成が所定の式で表される(Pb、Sr)(Zr、Ti、Nb)O3を主成分とするものを例にとると、以下のようにして調製することが出来る。先ず、Pb、Sr、Nb、Zr、又はTiの各元素からなる単体、これら各元素の酸化物(例えば、PbO、Pb3O4、Nb2O5、TiO2、ZrO2)、これら各元素の炭酸塩(例えば、SrCO3、)、又はこれら各元素を複数含有する化合物等を、Pb、Sr、Nb、Zr、及びTiの各元素の含有率が、式(1)に示す所望の割合になるように、例えば、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等を用いて混合して、混合物を調製する。混合物の平均粒径は、1μm以下とすることが、均一な混合が可能となるために好ましく、0.5μm以下とすることが更に好ましい。調製した混合物を750~1300℃で仮焼すれば、圧電磁器組成物を得ることが出来る。
Pb0.98Sr0.02Nb0.015(Zr0.525Ti0.475)0.985O3 ・・・ (1)
Pb0.98Sr0.02Nb0.015(Zr0.525Ti0.475)0.985O3 ・・・ (1)
得られる圧電磁器組成物の、X線回折装置による回折強度における、パイロクロア相の最強回折線の強度に対するペロブスカイト相の最強回折線の強度の比は、5%以下であることが好ましく、2%以下であることが更に好ましい。
上記の圧電磁器組成物を、例えば、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の粉砕装置で粉砕することにより、所望の粒径の圧電材料(粉末)を得ることが出来る。圧電材料(粉末)の平均粒径は、0.05~1.0μmであることが好ましく、0.1~0.5μmであることが更に好ましい。又、圧電材料(粉末)の最大粒径は3.0μm以下であることが好ましく、1.5μm以下であることが更に好ましい。尚、圧電材料(粉末)の粒径の調整は、粉砕物を400~750℃で熱処理することにより行ってもよい。これにより、微細な粒子ほど、他の粒子と一体化して、粒径の揃った粉末となり、粒径が揃った圧電素子とすることが出来る。又、圧電材料は、例えば、アルコキシド法や共沈法等によって調製してもよい。
補強板(グリーンシートB)の材料についても、上記の圧電材料を用いることが出来る。熱膨張の程度を同じにすべく、焼成圧電体(グリーンシートA)と同じ材料を用いることが好ましい。
次に、電極の材料としては、導電性の金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら2種類以上からなる合金、例えば、銀-白金、白金-パラジウム、銀-パラジウム等を1種単独で又は2種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料の選定にあたっては、圧電材料の種類に応じて選択することが好ましい。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)本発明に係る圧電素子の製造方法によって、一の短辺が固定された長方形の焼成圧電体の両面に、電極を形成して、圧電素子10を得た(図4を参照)。焼成圧電体の厚さは15μmであり、長方形である焼成圧電体の面内の最大長(長辺)は5mmであり、短辺は3mmであった。焼成圧電体の表面粗さRaは、一の面では0.19μm、他の面では0.1μmであった。うねり量は最大5μm、厚さのばらつきは0.6μmであった。
尚、製造に際しては、(グリーンシートAの)圧電材料として、0.17Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.03Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.43PbTiO3-0.37PbZrO3を使用した。焼成用の補強板(グリーンシートB)についても、同じ(圧電)材料を使用し、厚さを80μmとした。成形手段(グリーンシート作製手段)としては、ドクターブレード法を用いた。補強板の開口は、金型による打抜加工によって開けた。焼成は、1200℃で2時間行った。電極は、金(Au)を使用し、スパッタ処理によって形成した。
得られた圧電素子を室温で5kV/mmで分極した後、電極間に電界をかけ、レーザードップラー振動計(グラフテック社製、型番AT3011、AT3500)を用いて、X方向及びZ方向の(図4を参照)変位を測定した。電界を変化させたときの、それぞれの変位を測定した結果を、図5に示す。図5によれば、圧電素子10の焼成圧電体の厚さ方向(Z方向)の変位が、常に、面方向(X方向)の変位より、小さいことがわかる。換言すれば、圧電素子10は、面方向(X方向)の変位が大きい。
(実施例2)1mm×1mmの正方形で、厚さが15μmの焼成圧電体を得た。得た焼成圧電体の外形以外は、実施例1に準じて作製した。
そして、その焼成圧電体の表面(焼成面)にX線を照射し、X線回折プロファイルを、2θ/θ法によって、40°~50°の範囲で、測定した。結果を図6に示す。図6に示されるX線回折プロファイルより、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200は、2.0であった。
同じ焼成圧電体の裏面(焼成面)にX線を照射し、X線回折プロファイルを、2θ/θ法によって、40°~50°の範囲で、測定した。結果を図6に示す。図6に示されるX線回折プロファイルより求めた、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200は、2.0であった。
次に、焼成圧電体の両面にAuをスパッタして電極を形成し、5kV/mmの電圧を15分印加して分極処理を行った。その後、うねり量を測定したところ、2μmであった。そして、10V、5kHzの矩形波で、1時間、駆動耐久試験を行い、問題ないことを確認した。
(比較例1)焼成用の補強板(グリーンシートB)を使用せずに、単にグリーンシート(グリーンシートA)を焼成する公知の製造方法によって、1mm×1mmの正方形で、厚さが50μmの焼成圧電体を得た。次いで、その焼成圧電体の表面を、#800のスポンジ研磨材を使用して研磨し、厚さが15μmの焼成圧電体を得た。尚、これらの違い以外は、実施例1と同条件とした。
そして、その焼成圧電体の表面(研磨面)にX線を照射し、X線回折プロファイルを、2θ/θ法によって、40°~50°の範囲で、測定した。結果を図6に示す。図6に示されるX線回折プロファイルより、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200は、0.1であった。
次に、裏面は焼成面としたまま、実施例1と同様にして分極処理を行い、その後のうねり量を測定したところ、60μmであった。そして、10V、5kHzの矩形波で、1時間、駆動耐久試験を行ったところ、10の試料中、5つでクラックが発生した。
(比較例2)比較例1と同様にして、1mm×1mmの正方形で、厚さが50μmの焼成圧電体を得た。次いで、その焼成圧電体の表面を、0.05μmのコロイダルシリカを使用して研磨し、厚さが15μmの焼成圧電体を得た。
そして、その焼成圧電体の表面(研磨面)にX線を照射し、X線回折プロファイルを、2θ/θ法によって、40°~50°の範囲で、測定した。結果を図6に示す。図6に示されるX線回折プロファイルより、(002)面の強度I002と、(200)面の強度I200と、の比I002/I200は、1.3であった。
次に、裏面は焼成面としたまま、実施例1と同様にして分極処理を行い、その後のうねり量を測定したところ、15μmであった。そして、10V、5kHzの矩形波で、1時間、駆動耐久試験を行ったところ、10の試料中、1つでクラックが発生した。
実施例2、比較例1、2において、使用したX線回折装置は、理学電機製RINT2500である。Cu-Kα線を線源とし、グラファイトモノクロメータを検出器の手前に設置し、X線発生条件を、35kV-30mA、スキャン幅0.02°、スキャン速度2°/分、発散スリット1°、受光スリット0.3mmとして測定し、2θ=43°~46°の範囲に強度の大きい2つのピークが存在することを確認した。このうち44.2°に現れたピークが(002)面であり、45.2°に現れたピークが(200)面である。
分極処理後のうねり量の測定は、キーエンス製のレーザー変位計、LK-G5000で行った。
(考察)実施例2、比較例1、2の結果より、研磨を行うことによって、X線回折プロファイルにおける、(200)面の(X線)強度が減少することがわかる。これは研磨(加工)により応力が加わったため、と考えられる。そのため、研磨面における比I002/I200は、焼成面より大きく低下した。
本発明に係る圧電素子の製造方法は、計測器、光変調器、光スイッチ、マイクロバルブ、搬送装置、画像表示装置(ディスプレイ、プロジェクタ等)、画像描画装置、マイクロポンプ、液滴吐出装置、微小混合装置、微小撹拌装置、微小反応装置、等に適用される各種の圧電アクチュエータ(圧電デバイス)や、流体特性、音圧、微小重量、加速度等の検出に用いられる各種の圧電センサ(圧電デバイス)に設けられる、圧電素子を製造する手段として、好適に利用される。
1:焼成圧電体、10,100:圧電素子、21:グリーンシートA(グリーンシート)、22:グリーンシートB(グリーンシート)、23:補強板付焼成圧電体、31,131,231:レジスト、33:電極、34:樹脂、35:剥離板、36:電極、700:圧電素子、701:焼成圧電体、711:スルーホール、723:補強板付焼成圧電体、733,734:電極、736:剥離板、741:レジスト、744:樹脂、761:トレー、800:圧電素子、801:焼成圧電体、823:補強板付焼成圧電体、833,834:電極、836:樹脂、841,842,843:レジスト、844:樹脂、845:スルーホール、846:端子電極。
Claims (7)
- 圧電材料を用いて、のちに焼成圧電体となる部分を含むグリーンシートAを作製する過程と、
そのグリーンシートAの少なくとも片面に、のちに焼成圧電体となる部分に対面する部分が開口になっているグリーンシートBを接合し、その後、焼成をして、前記グリーンシートBが焼成されてなる補強板の付いた、補強板付焼成圧電体を得る過程と、
その補強板付焼成圧電体における前記グリーンシートAが焼成されてなる部分に、膜状の電極を形成する過程と、
を有する圧電素子の製造方法。 - 前記グリーンシートBが、グリーンシートAより厚い請求項1に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記膜状の電極が、スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1によって形成される請求項1又は2に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記補強板付焼成圧電体を得る過程の後、
前記補強板の前記開口に、樹脂を充填する過程を有する請求項1~3の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。 - 前記膜状の電極を形成する過程の後、
スピンコート法、スパッタ法、ディップ法、非接触塗布法からなる膜形成手段群から選ばれる何れか1の方法によって、前記焼成圧電体部分の両面又は片面、若しくは前記電極の表面に、膜状の樹脂からなり剥離が可能な剥離板を接合する過程を有する請求項1~4の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。 - 前記剥離板が、光の照射又は加熱によって剥離が可能なものである請求項5に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記膜状の電極を形成する過程の後、
レーザー、エッチング、ブラスト、ダイサー、機械加工からなる切断手段群から選ばれる何れか1の手段に基づく切断によって、補強板付焼成圧電体から、膜状の電極を形成した焼成圧電体部分以外を除去して、圧電素子を得る過程を有する請求項1~6の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
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