JP3150708B2 - モノリシック多層圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 圧電アクチュエータは通常、積層に配置された複数の
圧電素子から成る。そしてそれらの素子の各々は圧電セ
ラミック素子から成り、この層の両側には金属製電極が
設けられている。それらの電極に電圧が印加されると、
圧電セラミック層が反応して格子が歪み、これにより主
軸に沿って利用可能な長さの伸張が生じることになる。
この伸張は主軸に沿った層厚の2000分の１よりも僅かで
あるので、所望の絶対的な長さの伸張を達成するために
は、アクティブな圧電セラミックの層厚をそれ相応に大
きなものにしておかなければならない。しかし、個々の
圧電素子の圧電セラミックスの層厚が大きくなると、圧
電素子の応答に必要とされる電圧も大きくなってしま
う。この電圧を取り扱える範囲内に収まるようにするた
めには、圧電素子の厚さは一般に20〜200μｍとなる。
したがって多層構造における圧電アクチュエータは、所
望の長さの伸張を得るために相当数の個別素子ないし個
別層を有していなければならない。

したがって多層構造の公知の圧電アクチュエータは、
全体として多数の個別層によって構成されている。そし
てそれを製造するために、圧電セラミックの生フィルム
（green film）を電極材料と交互に配置して積層体が形
成され、合わせて１つのモノリシックな複合体となるよ
う薄片が重ね合わせられて焼結される。この種の方法は
たとえば、1983年のFerroelectrics Vol.90におけるS.T
akahashi等による論文第181〜190頁によって知られてい
る。たとえばこのような積層を複数接着することによ
り、いっそう大きな絶対変位をもつアクチュエータが得
られる。そのような手法は、たとえばアメリカ合衆国特
許US−A 54 38 232から公知である。しかしこのように
接着した積層であると、多くの適用事例において剛性が
過度に小さくなり、圧電アクチュエータによって大きな
力を伝達しなければならないときには殊に、剛性が小さ
すぎてしまう。十分に大きい剛性が得られるのは、完全
にモノリシックな多層構造設計をもつ圧電アクチュエー
タだけである。このような圧電アクチュエータだけし
か、積層状態にされた個別層から成る十分に堅牢な複合
体が得られない。

しかし、多層構造をとるモノリシックなアクチュエー
タを製造する場合、高さが増えるにつれて付加的な問題
点が発生する。薄片が重ねられて積層状に形成されたプ
レート（これには多数の個別アクチュエータが含まれて
いる）は、焼結前に分けなければならない。この場合、
比較的広い面積の生フィルムから成る積層体は、所望の
アクチュエータ面積をもつそれよりも小さい積層体に分
割される。小さい積層体は、たとえば多層コンデンサの
場合に容易に行えるように、自動装置において打ち抜く
ことができるのに対し、かなり大きい積層体であるとそ
の代わりに、分割線に沿って何度も鋸挽きプロセスを実
施しなければならない。

また、小さい積層体の場合、ラミネーションは自動装
置において短いサイクル時間で実施できるが、大きい積
層体は、ラミネーションにあたり殊に垂直方向の構造精
度を維持する目的で、きわめて綿密に積層形成を行わな
ければならない。この場合、圧力が加えられた結果、生
フィルムにおいて横断流プロセスが生じて個々の層が互
いにずれてしまう、というリスクが常に伴う。あとで接
触を行うべき領域では殊に、このことによって接触精度
が損なわれてしまう。

多層技術において用いられる有機的な結合剤はまず第
１に、生フィルムの製造とそれらのラミネーションの要
求に合わせられたものであり、焼結前に監視された雰囲
気の加熱炉内で手間のかかる結合剤除去作業を行うこと
によって、そのような結合剤を除去しなければならな
い。しかし積層体が大きくなるにつれて、結合剤除去に
あたり結合剤の拡散経路ないしはその分解生成物が何倍
にもなる。分解した結合剤の内圧が過度に大きくなるこ
とによって積層体が壊れてしまうのを防ぐためには、技
術的にきわめて煩雑なことを行わなければならず、これ
は多層コンデンサを製造する場合よりもかなり煩雑で複
雑なものである。

多層構造をとる圧電アクチュエータを製造する際に解
決しなければならない問題点が多いことから、多層コン
デンサにおいて一般的な低コストの技術による公知のモ
ノリシックな圧電アクチュエータはこれまで、最大で約
2.5〜5mmの高さに制限されていた。しかもそれら公知の
圧電アクチュエータは、先に挙げた理由から最大で約２
というアスペクト比（高さと幅の比）しか達成できなか
った。それよりも高いアクチュエータやそれよりも大き
いアスペクト比をもつアクチュエータは従来、複数の小
さい積層体の貼り合わせによって作られてきており、積
層体の剛性ひいてはその機械的な耐負荷能力は小さいも
のとなっている。

したがって本発明の課題は、モノリシックな多層構造
をもつ圧電アクチュエータのための簡単かつ確実な製造
方法を提供することにあり、その際、圧電アクチュエー
タは２よりも大きいアスペクト比をもち、かつ5mmより
も高い積層体の高さでモノリシックに製造できるように
し、さらに圧電アクチュエータが最適な圧電特性と高い
機械的結合強度をもつようにすることである。

本発明によればこの課題は、請求項１記載の圧電アク
チュエータの製造方法により解決される。従属請求項に
は本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明の基本的な着想は、半製品において積層体の高
さを制限してラミネーションを実施することにある。ラ
ミネート（積層物）を細分化した後、つまり広い面積を
もつ成層被着された第１の積層体（＝第１の複合体）
を、それよりも小さい所望のアクチュエータ面積をもつ
第２の積層体（＝第２の複合体）に分割した後、結合剤
の除去が行われる。次に、複数のこれら第２の複合体
を、第１の半製品の倍数となる高さまで積み上げ、軽く
押しながら焼結して本発明による圧電アクチュエータを
形成する。これにより、5mmよりも高い全高、２よりも
大きいアスペクト比をもつ本発明による圧電アクチュエ
ータを実現することができる。半製品の大きさをかなり
小さくしつまりは積層体の高さをかなり低くして第１の
積層体の成層被着（ラミネーション）を行うことによ
り、内部の電極構造について垂直方向において高い精度
が得られる。このことがきわめて重要である理由は、電
極層中に開口部が残されるよう電極が構造化されて生フ
ィルム上に印刷され、積層体におけるそれらの開口部の
精確な位置決めが適正な接触接続のために非常に大切で
あることによる。１つの複合体内におけるこのような高
度の垂直方向精度は、そのような複数の複合体を上下に
積み重ね、それに続いていっしょに焼結する際に簡単に
維持することができる。複数の複合体を上下に積み重ね
る際に生じるかもしれない僅かなずれは、ここでは問題
とならない。制限された積層体の高さをもつ第１の複合
体の分割は、コストのかからない周知のやり方で切断、
打ち抜きまたは剪断によって実施できる。必要に応じて
細分化された複合体の結合剤除去は、たとえば2mmまで
の高さの僅かな積層体の高さにおいて行われる。したが
って結合剤またはその分解生成物は、約1mmという最大
拡散経路を乗り越えなければならない。それゆえ結合剤
除去のために付加的な煩雑なプロセス監視を行うことな
く、慣用のプロセスを使用することができる。

複合体内で均一な電極構造をもつ複数の第１の複合体
を製造することにより、それぞれ異なる電極構造をもつ
複数の複合体を組み合わせて、それぞれ異なる層領域を
もつ圧電アクチュエータを簡単に製造することができ
る。その際、各層領域を、精確な電極構造、個別層の層
厚または電気的な接触接続によって区別することができ
る。したがって、圧電アクチュエータにおいて機械的に
結合されているが電気的には分離されたアクチュエータ
機能とセンサ機能を並行して実現することが容易に可能
となる。また、圧電アクチュエータにおける端部領域つ
まり頭部領域と底部領域の製造も簡単になる。それらの
領域は電気的に不活性なセラミック層の比較的大きな領
域から成り、それらの間に電極構造体を設けることもで
きるし、電極構造体を設けることなく実現することもで
きる。

本発明による圧電アクチュエータならびにその製造方
法は、使用する材料にまったく依存しない。アクチュエ
ータのために任意のPZT（ジルコン酸チタン酸鉛）セラ
ミックスを用いることができる。また、電極層を製造す
るために種々の金属含有ペーストを使用できる。プラチ
ナ粒子を含むペーストによってたとえば、良好なセラミ
ック組織つまりは良好な圧電特性に必要とされる高い最
適温度における焼結が可能となる。それよりも低い焼結
温度のためには、パラジウム／銀を含有するペーストも
適している。

次に、８つの図面を参照しながら実施例に基づき本発
明による方法について詳細に説明する。

図１は、電極材料の印刷された生フィルムの平面図で
ある。

図２は、複数の印刷された生フィルムから成る積層体
の断面図である。

図３は、ラミネーション後の上記の積層体の斜視図で
ある。

図４〜図６は、あとで形成される圧電アクチュエータ
のそれぞれ異なる領域に対応する種々の構造をもつ複合
体を示す図であって、それぞれ図３の対角線Ａ−Ｂに沿
って切断したかたちで示されている。

図７は、種々の複合体が型枠内に配置された様子を示
す図である。

図８は、電気端子の設けられた完成した圧電アクチュ
エータを示す図である。

1.圧電アクチュエータの製造 できるかぎり均一に混合された出発材料は公知の方法
によって製造可能であり、たとえば混合酸化物法また
は、たとえばゾル・ゲル法、クエン酸塩法、ショウ酸塩
法などの化学的手法、あるいは他の有機金属化合物の前
駆物質によって構成することができる。混合酸化物法で
は、セラミックのために与えられる全陽イオンがそれら
の酸化物のかたちで互いに混合され、ついでPZTへ変換
されるのに対し、他の製造方法は望ましい陽イオンの有
機金属化合物による混合された溶液から出発する。溶液
の沈殿あるいはいわゆるゾル・ゲル法における段階的な
濃縮によって、以降の固体においてきわめて均質な陽イ
オンの分布が得られる。たとえばこの場合、通常の組成
のセラミック粉末Pb_0.97Nd_0.02（Zr_0.54Ti_0.46）O₃が得
られる。

か焼の後、生成物は新たに粉砕され、均質化される。
次に、有機結合剤および水と混合され、したがって泥質
物が形成される。その後、生フィルムが圧伸あるいは鋳
造され、これは乾燥後にたとえば20〜200μｍの厚さを
有するものである。

生フィルムの乾燥後、生成物に電極材料が設けられ、
これはたとえば、銀／パラジウム合金（質量比70/30）
の粉末が合わせて印刷可能な軟度で結合剤中に含まれて
いるようなペーストが印刷されることによって行われ
る。もっとも、たとえばプラチナなど他の導電性材料の
粉末を有するペーストを用いることも可能である。

その際、生フィルムの基本平面上に、複数の圧電素子
のための電極構造体を１つのステップで印刷することが
できる。この場合に有利であるのは、あとで行われる接
触のために個々の圧電素子ごとに電極構造体中に少なく
とも１つの開口部を設けることである。

図１には、電極材料の印刷された生フィルムの平面図
が示されている。この印刷作業は、印刷領域１と空けた
まま残される非印刷領域２を含むパターンに従って行わ
れる。ここでセクションラインSLは、広い面積の生フィ
ルムを、所望のアクチュエータ面積をもつそれよりも小
さい複合体にあとで分割されることを表している。この
図では、３×３個の小さい複合体を有する生フィルムが
描かれている。あとで形成される圧電アクチュエータに
対する望ましい基本面積次第で、任意の別のラスタおよ
び／または別の電極パターン1,2も考えられる。図１の
セクションラインによって示されている正方形のラスタ
は、たとえば14mmというエッジの長さを有している。

一方、電極層に関して、焼結後に約２〜３μｍの厚さ
の１つのまとまった電極層が生じる程度に多くの電極材
料が印刷される。

図2:電極材によって印刷された圧電セラミック生フィ
ルムS1,S2,S3...は必要に応じて乾かされ、次に上下に
積み重ねられ、それによって圧電セラミック層３と電極
層５が交互に配置されるようになる。さらに電極層につ
いて、最初の電極層において図１の非印刷領域２に相応
する既述の開口部４の各々の上に、電極材料の印刷され
た隣り合う次の電極層の平面１が配置されるよう、やは
り交互に積層される。これは図１に示されている電極パ
ターンの場合には、フィルムに対し垂直な軸を中心にフ
ィルムを180゜旋回させることによって達成される。図
２には、電極材料５の印刷された生フィルム３が積層状
に交互に配置されている様子が略示されている。このよ
うに交互に配置した結果、電極パターンに関し各層が１
つおきに合同となる。その間に位置するやはり互いに合
同の層では、開口部４がずらされている。

このようにして、典型的には２〜3mmという全高を超
えない程度の個数の互いに上下に位置する個別層によっ
て、積層体が形成される。１つの生フィルムの厚さがた
とえば100μｍであれば、これは約30個の個別層に相応
する。

次に、緩く積み重ねられた個別層に対し型押しが加え
られ、これによって積層体は約100Mpaの１軸の圧力のも
と、ほぼ均衡状態で圧縮される。すでに室温であって
も、しかし有利にはいくらか高められた温度と大気条件
のもとで、結合剤の流動性ゆえに、理論的なセラミック
密度の48％から60％までセラミック密度が上昇すること
になる。その際に内圧と体積の補償が行われ、この場
合、たとえば電極パターンの開口部４がセラミック材料
によって完全に充填される。このようにしてラミネーシ
ョン中、積層体ないしは完成した複合体内部の密度と圧
力の勾配も均等化される。

図３には、このようにして製造された複合体の斜視図
が示されている。ここでは、もとの開口部４はセラミッ
ク材料３によって完全に充填されている。積層状態に貼
り合わせられた個別層から成る硬い複合体は十分な塑性
も有しているので、この複合体をこの段階においてセク
ションラインにより設定されたラスタに従い、望ましい
基本面積をもつ相応の個数の小さい複合体に分割するこ
とができる。この分割は高度に自動化された１つのプロ
セスにおいて、切断または打ち抜きによって行うことが
できる。なお、付加的に印刷された（図示されていな
い）カットマークに基づき、複合体の分割をビデオプロ
セスによって観察し、コンピュータを用いて監視するこ
とができる。

次のステップにおいて、このように分割され層状に重
ね合わせられた積層体（複合体）から結合剤が取り除か
れる。これは加熱ステップにおいて行われ、その際、約
500℃までゆっくりと温度を上昇させ、これと同時に酸
素の分圧を上げることにより、有機的な結合剤が外方拡
散し、突発的に分解しセラミック構造体が壊されないよ
うになる。したがって、この方法におけるあとの時相に
おいてはじめて結合剤の酸化が行われ、ないしは熱的分
解により断片が生じる、という条件が得られる。その
際、複合体の高さがたとえば3mmのように僅かであるこ
とによって、結合剤の分解生成物および／または酸化生
成物に対する拡散経路が短くなる。この実施例の場合、
最大で８容積パーセントの酸素を含有する雰囲気におい
て温度が500℃まで上昇する場合、結合剤除去は24時間
以内で完了する。結合剤除去にあたり寸法の変化は認め
られず、それゆえ積層の歪みは認められない。それゆ
え、複合体における垂直方向の構造精度が維持される。

本発明による圧電アクチュエータは種々の複数の複合
体によって構成できる、最も簡単な事例の場合（図４〜
図６参照）、圧電アクチュエータは少なくとも１つの中
間部MTから成り、これは既述の規則的に交互に配置され
た電極構造を有している。積層体の上端部には頭部KTが
設けられる。これは頭部プレート６を有しており、この
プレートは、アクティブでないすなわち電気的に接続さ
れた電極相を有しているかまたは、まったく電極層を有
していない。セラミックフィルムだけから成る頭部プレ
ート６は、圧電アクチュエータの力の伝達を改善するた
めに用いることができる。底部FTも相応の構造を有して
おり、その底部プレート７は頭部KTの頭部プレート６と
同じように構成できる。

その際、材料の使用を最少限に抑える目的で、印刷さ
れる電極層のパターンを変形し、頭部および底部ならび
に相応の個数の中間部を含めた完全な圧電アクチュエー
タを、ただ１つの層状に重ね合わせられた積層体によっ
て製造することができる。この場合、等しくまたはそれ
ぞれ異なるように構成された中間部の個数は、できあが
った圧電アクチュエータにおける所望の変位レベルに従
って合わせられ、他方、この変位レベルによって圧電ア
クチュエータの高さが決まる。

図７には、結合剤の除去された頭部、中間部および底
部がぴったりと合った型枠９に所望の高さまで積み重ね
られ、型押し部材10によって重みの加えられている様子
が描かれている。次に、10〜100kPaの軽い圧力のもと、
酸化性雰囲気内で焼結が行われる。たとえば丸いプレス
型はその直径に関して、互いに積み重ねられた複合体の
打ち抜き寸法に対応する。型枠と型押し部材は再利用可
能なものであるとよく、焼結中にセラミックと反応を起
こさない材料から成るとよい。たとえば酸化アルミニウ
ムまたは酸化マグネシウムが非常に適している。また、
圧力は、型押し部材の上に載せられる付加的なおもりに
よって簡単に生じさせることができる。この付加的なお
もりの材料としても有効であるのは、1130℃の酸化性雰
囲気内で安定しており、それ自体焼結雰囲気に有害作用
を及ぼさないものである。

焼結のためにも、やはり最大焼結温度に達するまで温
度プログラムが実行される。これは、温度監視部を備え
た単一の加熱炉内で、または相応にそれぞれ異なる温度
に調整された複数の領域をもつ連続加熱炉によって行う
ことができる。この実施例の場合、焼結は1130℃の温度
で24時間後に完了する。

その結果、最適な構成のセラミック構造と、高い焼結
温度ゆえの良好な圧電特性をもち、セラミック層と電極
層との結合強度の高い、モノリシックな圧電アクチュエ
ータが実現される。それに応じて、モノリシックな圧電
アクチュエータは高い剛性をもつようになり、それゆえ
大きな力の伝達が可能となる。

図８には完成した圧電アクチュエータが示されてお
り、これは電気的な接触を形成するため互いに対向する
コーナーにおいてストライプ状に電極材料と接触してい
る。個別層ごとに電極構造体が交互に配置されているた
め、このような接触部材13はそのつど１つおきに電極層
に触れており、他方、対向するエッジに固定された接触
部材14はその間に位置する電極層と接触している。この
ようにして、（各電極層の間に位置する）圧電層を電気
的に結線することができるようになり、これによって圧
電アクチュエータの最適な動作が可能となる。

本発明による圧電アクチュエータによれば、高さｈと
エッジの長さｂとの比から求められるアスペクト比を、
約５までの値とすることができる。基本的に、これより
も高くて細い圧電アクチュエータを製造することもでき
るが、それに付随して焼結時の破損率も高くなる。型枠
の内側寸法は、型押し部材の寸法ないしは結合剤の除去
された複合体の寸法に整合されている。しかし、焼結に
あたり３つの空間軸すべてにおいて約15％の直線的な収
縮が認められるので、焼結時に型枠は積層体を最初だけ
しか支えられない。それゆえ焼結プロセスが進むと、高
すぎたり細すぎたりする圧電アクチュエータの場合、積
層体が折れ曲がってしまうおそれがある。

本発明による圧電アクチュエータにおいて特筆すべき
利点は、接触エッジの領域において電極の垂直方向の構
造精度がアスペクト比とは無関係なことである。型押し
および積層形成時の許容差や僅かな偏差に起因して、順
次連続する２つの中間部においてたしかに電極構造の僅
かなそしてこの方法特有の歪みが生じるけれども、確実
な接触接続に関しては問題とはならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カール ルビッツ ドイツ連邦共和国 Ｄ―85521 オット ブルン レントゲンシュトラーセ 20 (56)参考文献 特開 昭63−51615（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−288074（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−264784（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モノリシックな多層構造をもつ圧電アクチ
   ュエータの製造方法において、 結合剤を含む圧電セラミック生フィルム（５）の一方の
   側に、電極材料（３）から成る層を印刷し、 所望の基本面積のｎ倍の面積をもつ圧電セラミック生フ
   ィルムを用意し、 印刷された圧電セラミック生フィルムを緩く上下に積み
   重ねて第１の積層体を形成し、該積層体において圧電セ
   ラミック生フィルムと電極材料が交互の順序で生じるよ
   うに積み重ね、 前記第１の積層体を１軸の押圧により成層被着させて第
   １の複合体を形成し、 成層被着された該第１の複合体を切断または打ち抜きに
   よって、所望の基本面積をもつｎ個の第２の複合体に分
   割し、 温度を上昇させて該第２の複合体から結合剤を取り除
   き、 結合剤の取り除かれた複数の複合体（FT,MT,KT）を型枠
   （９）内で上下に積み重ね、それら複数の複合体は少な
   くとも１つの頭部（KT）と中間部（MT）と底部（FT）を
   含むそれぞれ異なる電極構造の複合体から成り、これら
   の複合体のうち頭部（KT）と底部（FT）は、圧電セラミ
   ック生フィルムだけで電極材料の設けられていない部分
   を含み、 前記の複数の複合体を１軸の圧力下で焼結させて、所望
   の個数の個別層を有し２〜５のアスペクト比と少なくと
   も5mmの高さをもつ圧電アクチュエータを形成すること
   を特徴とする、 圧電アクチュエータの製造方法。
2. 【請求項２】圧電セラミック生フィルム（５）から成る
   前記第１の積層体を、約100Mpaの１軸の圧力で成層被着
   する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】焼結を10〜100kPaの一定圧力下で行う、請
   求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】生フィルム上に、銀およびパラジウムを含
   有するペーストから成る電極層を被着し、1130℃の最大
   温度において酸化性雰囲気内で焼結を実施する、請求項
   １〜３のいずれか１項記載の方法。