JP2015198158A - 圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能な圧電素子を提供すること。
【解決手段】圧電素子１は、互いに対向する一対の主面３ａ，３ｂを有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板３と、一対の主面３ａ，３ｂ上に配置されている一対の電極５，６と、を備え、一対の主面３ａ，３ｂは、梨地面であり、一対の電極５，６は、梨地面である主面３ａ，３ｂに沿って主面３ａ，３ｂ上に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子に関する。

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

特開２００１−５７４４９号公報

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

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

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

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

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

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

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

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

上記梨地面は、ブラスト処理により形成されている梨地面であってもよい。この場合、山谷がより一層強調された梨地面を簡便に実現できる。

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

本実施形態に係る圧電素子の断面構成を模式的に示す断面図及びその一部拡大図である。 自然面、ブラスト面及び研磨面を模式的に示す一部断面図である。 自然面、ブラスト面及び研磨面の写真図である。 本実施形態に係る圧電素子の分極状態を分極処理前の圧電素子及び従来の圧電素子と比較して説明する図である。 実施例及び比較例に係る圧電素子における圧電歪定数の測定結果を示すグラフである。

まず、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る圧電素子１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子の断面構成を模式的に示す断面図及びその一部拡大図である。図２は、自然面、ブラスト面及び研磨面を模式的に示す一部断面図である。図３は、自然面、ブラスト面及び研磨面の写真図である。

圧電素子１は、図１に示されるように、圧電基板３と、一対の電極５，６と、を備えている。圧電素子１は、たとえば、磁気ディスクを備えたディスク装置などに適用される。すなわち、デュアル・アクチュエータ方式のディスク装置において、ボイスコイルモータ以外の第二のアクチュエータとして、圧電素子１が用いられる。圧電素子１は、矩形板状を呈している。圧電素子１の厚さは、たとえば、０．０３ｍｍ〜５ｍｍに設定される。

圧電基板３は、互いに対向する一対の主面３ａ，３ｂと、一対の主面３ａ，３ｂを連結するように一対の主面３ａ，３ｂの対向方向に延びる側面３ｃと、を有している。一対の主面３ａ，３ｂは、図１に示されるような山谷を有する梨地面である。本実施形態では、圧電基板３は、矩形板状を呈している。したがって、圧電基板３は、４つの側面３ｃを有している。圧電基板３の厚さは、たとえば、３０μｍ〜２００μｍに設定される。

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

一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ上に配置されている。一対の電極５，６は、梨地面である一対の主面３ａ，３ｂに沿って一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されているので、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。一対の電極５，６は、たとえば、スパッタリング法又は蒸着法などにより一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されている。一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ全体を覆っている。側面３ｃは、一対の電極５，６で覆われていない。一対の電極５，６は、圧電基板３に電界を印加するための電極として機能する。一対の電極５，６は、たとえば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、又はＰｔからなる。一対の電極５，６の厚さは、たとえば、２０ｎｍ〜１μｍに設定される。

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

次に、上述した圧電素子１の製造過程について説明する。

まず、圧電基板３を構成する圧電セラミック粉（原料粒子）にバインダや有機溶剤などの成分を加え、圧電セラミック粉のペーストを得る。次に、ペーストから所定厚さのグリーンシートを作成する。グリーンシートは、たとえば、ドクターブレード法により作成される。所定厚さは、たとえば、５０μｍ〜５００μｍに設定される。

次に、作成したグリーンシートを重ね合わせて積層体とする。その後、積層体を積層方向にプレス処理することにより、圧電体グリーンを得る。プレス処理は、たとえば、一軸プレス機などを用い、金型を５０℃〜１００℃ほどの温度に保持した状態で、圧力を約１００ＭＰａとして行われる。

次に、得られた圧電体グリーンに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、たとえば、圧電体グリーンを安定化ジルコニアで構成されたセッターに載置した状態で施される。続いて、圧電体グリーンを焼成し、圧電体を得る。焼成は、たとえば、圧電体グリーンを載置した状態でセッターをマグネシア質の匣鉢に入れ、１１００℃にて行われる。

次に、得られた圧電体の各主面をブラスト処理する。ブラスト処理に使用される研磨材は、たとえば、アルミナ、ガラスビーズ、又は炭化ケイ素などである。研磨材の中心径は、例えば１〜３μｍとし、研磨材の噴出し圧力は、例えば０．１〜０．５ＭＰａとするとよい。ブラスト処理は、湿式ブラスト処理及び乾式ブラスト処理のいずれでもよい。ブラスト処理を行うことにより、圧電体の各主面は梨地面となる。

図２に示される一部断面図は、（ａ）が自然面、（ｂ）がブラスト面、（ｃ）が研磨面に対応する。図２（ａ）に示されるように、ブラスト処理及び研磨処理などの表面処理がされていない自然面は、焼成により成長した結晶粒の形状に起因して、山谷を有する形状を呈する。図２（ｂ）に示されるように、ブラスト処理されたブラスト面は、自然面の山谷が強調された形状を呈する。図２（ｃ）に示されるように、研磨処理された研磨面は、自然面の山の部分が削り取られて、山谷が均されたような形状を呈する。

図３に示される写真図は、（ａ）が自然面、（ｂ）がブラスト面、（ｃ）が研磨面に対応する。図３（ｂ）のブラスト面は、梨地面であり、研磨材としてアルミナを用いて湿式ブラスト処理を行うことにより得られた主面である。図３（ｃ）の研磨面は、研磨材としてアルミナを用いてラップ研磨して得られた主面である。図３に示されるように、ブラスト面は、自然面及び研磨面とは相違し、表面の山谷が強調されている。

ブラスト処理後、圧電体の各主面に対して、それぞれ電極膜を形成する。各電極膜は、たとえば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、又はＰｔからなる。各電極膜は、スパッタリング法又は蒸着法などにより形成される。各電極膜は、圧電体の梨地面である各主面に沿って各主面上に形成され、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。圧電体は、個片化された状態の複数の圧電基板３が繋がった状態であり、各電極膜は、個片化された状態の複数の各電極５，６が繋がった状態である。なお、圧電体の梨地面を乾式ブラスト処理により形成した場合は、梨地面上に残渣が残り、梨地面と電極膜との接着強度が落ちてしまうことがある。このため、梨地面上の残渣を電極膜の形成前に除去してもよい。残差の除去は、例えば、梨地面を十分に洗浄することにより行ってもよい。

以上の過程により、圧電体及び電極膜を備える圧電素子基板が得られる。次に、圧電素子基板に分極処理を行う。分極処理では、たとえば、１００℃の温度下で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を３分間印加する。続いて、分極処理後の圧電素子基板をダイサーなどの切断機で製品形状に加工する。これにより、個片化された圧電基板３及び各電極５，６を備える圧電素子１が得られる。

次に、上述のように構成された圧電素子１の作用及び効果について説明する。ここでは、図４を参照して、圧電素子１と従来の圧電素子とを比較しながら、圧電素子１の作用及び効果について説明する。図４は、本実施形態に係る圧電素子の分極状態を分極処理前の圧電素子及び従来の圧電素子と比較して説明する図であり、具体的には、図４（ａ）は、図１の圧電素子の分極処理前における自発分極の状態を説明する図であり、図４（ｂ）は、従来の圧電素子の分極処理後における分極状態を説明する図であり、図４（ｃ）は、図１の圧電素子の分極処理後における分極状態を説明する図である。

図４（ａ）に示されるように、圧電基板３は、圧電セラミックの多結晶体であり、複数の結晶粒８を含んでいる。分極処理前の圧電素子１は、各結晶粒８の自発分極の方向がランダムである。すなわち、結晶粒８ごとに自発分極の方向が、自然発生的にあらゆる方向を向いて揃っていないため、この状態で電圧を印加しても、各結晶粒８は自身の自発分極の向きに変位しようとして変位が相互に打ち消し合い、全体として変位が生じ難い。分極処理前の圧電素子１は、厚さＤ_０、長辺の長さＬ_０である。

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

圧電素子１１では、図示しないが、分極処理前は、圧電素子１と同様に、圧電セラミックの各結晶粒１８の自発分極の方向がランダムで、全体として変位が生じ難い状態である。分極処理前の圧電素子１１は、厚さＤ_０、長辺の長さＬ_０である。分極処理は、一対の電極１５，１６間に電圧を印加し、圧電基板１３に電界を印加することにより行われる。その結果、各結晶粒１８の変形を伴いながら、図４（ｂ）に示されるような分極状態が得られる。分極処理後の圧電素子１１は、厚さＤ_１（＞Ｄ_０）、長辺の長さＬ_１（＜Ｌ_０）である。

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

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

これに対して、図４（ｃ）に示されるように、分極処理後の圧電素子１では、各結晶粒８の自発分極の方向が、界面近傍に位置する結晶粒８も含めて、各主面３ａ，３ｂの対向方向に平行な方向に概ね揃っている。これは、各電極５，６が、梨地面である各主面３ａ，３ｂに沿って各主面３ａ，３ｂ上に形成されているためである。各電極５，６は、各主面３ａ，３ｂに平行な方向での各電極５，６自身の変形を許容しやすく、圧電素子１では、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害が軽減される。したがって、界面近傍に位置する結晶粒８においても、自発分極の方向が揃いやすい。分極処理後の圧電素子１は、厚さＤ_２（＞Ｄ_１＞Ｄ_０）、長辺の長さＬ_２（＜Ｌ_１＜Ｌ_０）である。

このように、本実施形態に係る圧電素子１は、従来の圧電素子１１よりも優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができる。圧電素子１の梨地面は、ブラスト処理により形成されているので、山谷がより一層強調された梨地面を簡便に実現できる。

ここで、本実施形態によれば、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能であることを、実施例と比較例とによって、具体的に示す。

実施例では、上述した実施形態に係る圧電素子１に対応する圧電素子を用いた。実施例に係る圧電素子では、サンプルサイズは１．５ｍｍ×１ｍｍ、厚さ０．１０ｍｍとした。圧電基板は、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミック粉（Ｐｂ［Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７］Ｏ_３＋０．５ｗｔ％ＷＯ_３）を用い、厚さ１００μｍとした。各電極膜は、Ｃｒ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造（圧電基板側から順にＣｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層が積層された構造）とし、スパッタリング法により、厚さ５００ｎｍで形成した。圧電基板の各主面は、湿式ブラスト処理により梨地面とした。湿式ブラスト処理は、研磨材として中心径２μｍのアルミナを用いるとともに、液体として水を用い、研磨材の噴出し圧力を０．１５ＭＰａにして行った。

比較例では、上述した従来の圧電素子１１に対応する圧電素子を用いた。比較例に係る圧電素子では、圧電基板の各主面は、湿式ブラスト処理を行わず、自然面のままとした以外は、実施例と同じ条件とした。実施例と比較例とでは、長辺方向伸び振動の圧電歪定数ｄ_３１を測定した。各例とも、圧電素子のサンプル数を１２個とし、各サンプルの測定結果の平均値を求めた。

図５は、実施例及び比較例に係る圧電素子における圧電歪定数の測定結果を示すグラフである。圧電歪定数とは、圧電体の圧電特性を示す定数である。すなわち、圧電歪定数とは、圧電体に電界を印加したときにどれだけ変位するかを表す定数である。図５に示されるように、比較例に係る圧電素子における圧電歪定数ｄ_３１の平均値は約２２５（１０^−１２ｍＶ）であったのに対して、実施例に係る圧電素子における圧電歪定数ｄ_３１の平均値は約２３３（１０^−１２ｍＶ）であった。

したがって、実施例に係る圧電素子は、比較例に係る圧電素子よりも圧電特性が優れ、変位量が向上することが確認された。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、ブラスト処理は、焼成後の圧電体の各主面に対して行うとしたが、焼成前の圧電体グリーンの各主面に対して行ってもよい。

各主面３ａ，３ｂの梨地面は、ブラスト処理で形成されているとしたが、ブラスト処理以外の方法で形成されていてもよい。たとえば、グリーンシートを重ね合わせた積層体に対してプレス処理を行う際に、梨地状の圧痕が残るような梨地面を有したプレス金型を使用してもよい。

各電極５，６は、スパッタリング法又は蒸着法などにより形成されているとしたが、これに限られない。各電極５，６は、スパッタリング法のように膜の内部応力を大きくする成膜方法により形成された場合であっても、梨地面である各主面３ａ，３ｂに沿って各主面３ａ，３ｂ上に形成されていることにより、各主面３ａ，３ｂに平行な方向での電極自身の変形を許容しやすい。したがって、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害を軽減するとともに、圧電基板３の変位の阻害を軽減する。この結果、圧電素子１では、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができる。

圧電素子１（圧電基板３）は、矩形板状を呈しているとしたが、これに限られない。円板状や、円柱状、直方体状であってもよい。圧電基板３の厚さは、特に制限されないが、厚さが薄い方が、圧電基板３における界面近傍に位置する結晶粒８の占める割合が高まるため、圧電素子１では、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができるという効果が顕著となりやすい。圧電素子１の厚さが０．５ｍｍ以下であって、圧電基板３の厚さが０．２ｍｍ以下のときにこの効果がより顕著となる。

１…圧電素子、３…圧電基板、３ａ，３ｂ…主面（梨地面）、５，６…電極。

Claims (2)

1. 互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、
   前記一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備え、
   前記一対の主面は、梨地面であり、
   前記一対の電極は、前記梨地面である前記主面に沿って前記主面上に形成されていることを特徴とする圧電素子。
2. 前記梨地面は、ブラスト処理により形成されている梨地面であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。