JP2005223013A - 積層型圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に渡ってクラック等のトラブルを生じるおそれが少ない耐久性の高い積層型圧電素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】積層型圧電素子は、セラミック層１１と内部電極層１２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０と、セラミック積層体１０の外周面に形成した一対の接合面１５にそれぞれ接合した一対の外部電極とを有するものである。内部電極層１２は、導電性を有する内部電極部１２０と、内部電極部１２０の外周端部が外周面よりも内方に控えた控え部１２９とを有してなる。そして、セラミック積層体１０は、少なくとも一部の内部電極層１２に沿って、セラミック層１１に比べて弾性変形し易い応力緩和部１３を有してなる。この応力緩和部１３は、セラミック積層体１０の積層方向において、いずれかの内部電極層１２の控え部１２９に重合するように配置してある。
【選択図】図１

Description

本発明は，セラミック層と内部電極層とを積層したセラミック積層体を用いた耐久性の高い積層型圧電素子及びその製造方法に関する。

従来、例えば、外部電極を接合するための接合面において、内部電極層をなす内部電極部の外周端部を内方に控えた部分電極構造のセラミック積層体を用いた積層型圧電素子がある（例えば、特許文献１参照。）。
さらに、セラミック積層体の外周面における電気的な絶縁信頼性を高くするため、例えば、上記接合面以外の上記セラミック積層体の外周面においても内部電極部の外周端部が露出しないように構成した積層型圧電素子がある。

しかしながら、上記従来の積層型圧電素子では、次のような問題がある。すなわち、上記内部電極部を内方に控えてあり、圧電効果による変位を生じない控え部では、上記積層型圧電素子の圧電変位に応じて応力が集中するという問題がある。
そのため、上記積層型圧電素子を長期間に渡って使用すると、上記応力集中に起因して上記セラミック積層体の層間においてクラック等を生じる場合があった。
したがって、上記従来の積層型圧電素子では、高性能と、高耐久性とを両立することが容易ではなかった。

特開２００３−２０５５１１号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、長期間に渡ってクラック等のトラブルを生じるおそれが少ない耐久性の高い積層型圧電素子及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成した一対の接合面にそれぞれ接合した一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
上記内部電極層は、導電性を有する内部電極部と、該内部電極部の外周端部が上記セラミック積層体の外周面よりも内方に控えた控え部とを有してなり、
上記セラミック積層体は、少なくとも一部の上記内部電極層と積層方向に隣接して、上記セラミック層よりも形状を容易に変化し得る応力緩和部を有してなり、
該応力緩和部は、上記セラミック積層体の積層方向において、いずれかの上記内部電極層の上記控え部に重合するように配置してあることを特徴とする積層型圧電素子にある（請求項１）。

上記第１の発明の積層型圧電素子を構成する上記セラミック積層体においては、積層方向おいて上記控え部に重合するように上記応力緩和部を形成してある。
この応力緩和部は、上記のごとく上記セラミック層よりも形状を容易に変化し得るため、上記積層型圧電素子の圧電変位による伸びしろの少なくとも一部を吸収できる。
そのため、この応力緩和部に対して積層方向に重合する上記控え部では、圧電変位に応じて発生する歪みによる応力が低減される。それ故、上記セラミック積層体では、上記控え部に作用する過大な応力に起因して、層間クラック等が発生するおそれを抑制できる。

したがって、上記第１の発明の積層型圧電素子は、上記控え部を有する上記セラミック積層体が有する電気的な信頼性が高いという利点をそのまま活かしながら、長期間の使用においても上記セラミック積層体の層間クラック等が生じるおそれが少ない耐久性の高い優れた品質のものとなる。
換言すれば、層間クラック等が生じるおそれが少ない上記セラミック積層体を用いることにより、圧電変位量の大きい高性能の積層型圧電素子を得ることができる。

以上のように、上記第１の発明の積層型圧電素子は、性能が良く、かつ、上記セラミック積層体のトラブルを抑制した耐久性の高い優れた品質のものとなる。

第２の発明は、セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成した一対の接合面にそれぞれ接合した一対の外部電極とを有し、上記セラミック積層体が、導電性を有する内部電極部と、該内部電極部の外周端部が上記セラミック積層体の外周面よりも内方に控えて位置した控え部とよりなる上記セラミック層を有してなると共に、積層方向において上記控え部に重合するよう、少なくとも一部の上記内部電極層と積層方向に隣接して、上記セラミック層よりも形状を容易に変化し得る応力緩和部を形成してなる積層型圧電素子の製造方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、焼成前の中間積層体として積層するシート片を打ち抜くためのセラミクス原料よりなるグリーンシートを形成するグリーンシート形成工程と、
上記グリーンシートのうち上記シート片を得るための打ち抜き領域において、上記控え部を形成するよう、上記打ち抜き領域の外縁から内方に控えて上記内部電極部を形成するための電極材料を配設する電極配設工程と、
該電極配設工程を施した少なくとも一部の上記打ち抜き領域について、該打ち抜き領域の外周部の少なくとも一部に、焼成により消失する消失材料を含む緩和材料を配設する緩和材配設工程と、
上記グリーンシートから上記打ち抜き領域を打ち抜いて上記シート片を得る打ち抜き工程と、
打ち抜いた上記シート片を積層して上記中間積層体を形成する積層工程と、
上記中間積層体を焼成し、上記緩和材料中の上記消失材料を消失させてなる上記応力緩和部を有する上記セラミック積層体を得る焼成工程とを行うことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法にある（請求項１１）。

上記第２の発明の積層型圧電素子の製造方法では、上記緩和材配設工程において上記打ち抜き領域の外周部の少なくとも一部に上記緩和材料を塗布しておく。
そして、その後、積層した上記中間積層体を焼成する上記焼成工程により、上記緩和材料中の上記消失材料を消失させることで上記応力緩和部を形成している。
このように、焼成により消失する上記消失材料を少なくも一部に含む上記緩和材料を用いれば、上記中間積層体の焼成と同時に、効率良く上記応力緩和部を形成することができる。

ここで、例えば、上記消失材料のみを含む上記緩和材料を用いれば、上記応力緩和部は、上記内部電極層に沿うスリット状の間隙となる。または、例えば、上記緩和材料の一部として上記消失材料を含めれば、虫食い状に多数の孔を有する多孔質性の低密度部分として上記応力緩和部を形成することができる。
そして、間隙としての上記応力緩和部や、多孔質性の上記応力緩和部などを形成し、該応力緩和部を上記セラミック層よりも変形し易いように形成すると、上記第１の発明のごとく耐久性と性能とを両立した優れた品質を有する積層型圧電素子を得ることができる。

さらに、上記セラミック積層体では、上記内部電極層に対して積層方向に隣接するように上記応力緩和部を形成してある。
そのため、上記セラミック積層体を作製するに当たっては、例えば、１枚の上記シート片のみにより上記各セラミック層を形成し、かつ、焼成により上記応力緩和部をなす部材を２枚の上記シート片の層間に配置することができる。
一方、上記セラミック層の積層方向の中間の位置に上記応力緩和部を形成する場合には、例えば、２枚以上のシート片から１層の上記セラミック層を形成し、そのシート片の層間に上記応力緩和部を形成するための部材を配置する必要がある。

このように上記セラミック積層体では、上記１枚のシート片のみから上記各セラミック層を形成し、該各セラミック層を薄くできる。そして、上記セラミック層の層厚を薄くした上記セラミック積層体を利用すれば、駆動電圧を抑制でき、効率の良い上記積層型圧電素子を構成することが可能になる。
なお、当然ながら、上記セラミック積層体を作製するに当たって、複数の上記シート片を積層して上記各セラミック層を形成することもできる。

上記第１の発明においては、上記各接合面のうち一方の接合面において上記内部電極部を露出している一層おきの上記内部電極層は、他方の接合面において上記控え部を有してなり、かつ、上記他方の接合面において上記内部電極部を露出している一層おきの上記内部電極層は、上記一方の接合面において上記控え部を有してなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記各接合面において、上記一層おきの内部電極層に上記控え部を設けることにより、上記接合面における電気的な絶縁性の確保が容易になる。

また、上記各接合面では、上記控え部と積層方向に隣接する箇所を避けて、上記内部電極部と積層方向に隣接する箇所に上記応力緩和部を形成してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記接合面において、上記控え部を形成した上記内部電極層の上記内部電極部をセラミクス材料により完全に近く密封でき、電気的な絶縁信頼性を向上できる。

また、上記応力緩和部は、積層方向において該応力緩和部が隣接する上記内部電極層に沿って、上記各接合面の両方に面して形成してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記各接合面に設けた上記控え部に作用する応力の大きさを、効果的に低減することができる。

また、上記各内部電極層の上記控え部は、上記セラミック積層体の外周面のうち上記各接合面を除く外周面である絶縁外周面の周方向のおける全範囲に渡って形成してあり、かつ、上記応力緩和部は、上記絶縁外周面の周方向における全範囲に渡って形成してあることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記絶縁外周面に設けた上記控え部により、上記絶縁外周面における電気的な絶縁性の確保を容易にできると共に、上記絶縁外周面に設けた上記応力緩和部により、上記絶縁外周面に設けた上記控え部に過大な応力が作用するおそれを抑制することができる。

また、上記応力緩和部は、積層方向の全ての上記内部電極層又は、１層以上１２層以下おきの上記内部電極層と積層方向に隣接して形成してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記応力緩和部を配置したことにより、上記控え部での応力集中を効果的に抑制することができる。
特に、全ての上記内部電極層に沿って上記応力緩和部を形成した場合には、上記控え部に作用する応力を最も効果的に抑制することができる。

ここで、上記緩和材料を配設した中間積層体を精度良く焼成するには、一般に、時間をかけて徐々に焼成する必要がある。時間をかけて焼成すれば、上記セラミック積層体において、該セラミック積層体自体や上記応力緩和部の形状精度を維持しつつ、高強度の上記セラミック積層体を形成できる。
一方、上記１層以上１２層以下おきの上記内部電極層に沿って上記応力緩和部を配置する場合には、上記控え部において応力集中を抑制するという作用効果と、上記セラミック積層体の形状精度や焼成効率等とを両立することができる。

また、上記応力緩和部は、スリット状を呈する間隙であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記応力緩和部の形状変更のし易さを無限大にして、上記控え部に作用する応力を最も効果的に低減することができる。

また、上記応力緩和部は、多孔質性のセラミクス材料よりなる薄い層状を呈する部分であることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記多孔質性のセラミクス材料により上記応力緩和部を形成すれば、該応力緩和部は、確実性高く、稠密なセラミクス材料よりなる上記セラミック層よりも弾性変形し易い部分になる。

また、上記応力緩和部は、スリット状を呈する間隙に電気的な絶縁性を有する絶縁材料を充填した部分であることが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記絶縁材料を充填した上記応力緩和部により、該応力緩和部と積層方向に隣接する上記内部電極層の電気的な絶縁性を向上できる。

また、上記応力緩和部の積層方向の厚さは、１μｍ以上１８μｍ以下であることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記セラミック層の厚さを十分に確保しながら、効率良く上記応力緩和部を形成することができる。

上記第２の発明においては、上記緩和材料は、焼成により消失する上記消失材料のみからなることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、焼成により上記セラミック積層体を得ると同時に、スリット状の間隙としての上記応力緩和部を効率良く形成することができる。

また、上記緩和材料は、上記セラミクス原料中に上記消失材料を分散してなるものであることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、焼成により上記セラミック積層体を得ると同時に、上記消失材料が消失してなる孔を多数有する多孔性を呈する上記応力緩和部を効率良く形成することができる。

また、上記消失材料は、パウダー状を呈するカーボン粒子、樹脂粒子、又は、パウダー状の有機物粒子等を炭化させてなる炭化有機物粒子よりなることが好ましい（請求項１４）。
上記消失材料として上記カーボン粒子を用いる場合には、熱による形状変化が少ないという上記カーボン粒子の特性が有効に作用するため、形状精度良く上記応力緩和部を形成することができる。

一方、上記消失材料として上記炭化有機物粒子を用いる場合には、上記応力緩和部を形成するのに要するコストを抑制することができる。
なお、上記有機物粒子としては、例えば、大豆や、トウモロコシを粉砕してなる粒子や、樹脂材料を粉砕してなる粒子等がある。
さらになお、上記炭化有機物粒子とは、上記有機物粒子が含有する水分の一部を除去することにより、ある程度炭化させて、流動性及び分散性が良好な微粒子の状態となった粒子をいう。

（実施例１）
本例は、圧電変位時に発生する応力を緩和するための応力緩和部１３を備えた積層型圧電素子１及び、その製造方法に関する例である。この内容について、図１〜図１３を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１は、図１及び図２に示すごとく、セラミック層１１と内部電極層１２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０と、該セラミック積層体１０の外周面に形成した一対の接合面１５にそれぞれ接合した一対の外部電極１８とを有するものである。

上記内部電極層１２は、図１に示すごとく、導電性を有する内部電極部１２０と、該内部電極部１２０の外周端部がセラミック積層体１０の外周面よりも内方に控えた控え部１２９とを有してなる。
そして、上記セラミック積層体１０は、少なくとも一部の内部電極層１２と積層方向に隣接して、セラミック層１１よりも形状を容易に変化し得る応力緩和部１３を有してなる。
そして、該応力緩和部１３は、セラミック積層体１０の積層方向において、いずれかの内部電極層１２の控え部１２９に重合するように配置してある。
以下に、この内容について詳しく説明する。

本例のセラミック積層体１０は、図１に示すごとく、セラミクス材料からなる直径８ｍｍ、厚さ８０μｍのセラミック層１１と、積層面全面に形成した直径７．５ｍｍ、厚さ３μｍの内部電極層１２とを交互に４００層積層してなるものである。
そして、このセラミック積層体１０は、図１に示すごとく、略円柱状を呈する積層体の外周面に、相互に対面する一対の接合面１５を形成してなる断面樽形状を呈している。
なお、セラミック積層体１０の断面形状としては、本例の樽形に限定されるものではなく、用途、使用状況に合わせて四角形などの多角形等に変更可能である。

そして、各内部電極層１２は、いずれか一方の接合面１５においてのみ内部電極部１２０の外周端部を露出しており、かつ、内部電極部１２０を露出させた一方の接合面１５を除いては、各内部電極部１２０の外周端部を内方に控えて位置してある。
そして、一方の接合面１５において内部電極部１２０を露出している一層おきの内部電極層１２は、他方の接合面１５においては内部電極部１２０の外周端部を控えた控え部１２９を形成しており、かつ、上記他方の接合面１５において内部電極部を露出している一層おきの内部電極層１２は、上記一方の接合面１５においては内部電極部１２０の外周端部を控えた控え部１２９を形成している。

すなわち、本例のセラミック積層体１０は、内部電極部１２０の外周端部の一部を内方に控えた控え部１２９を備えた、いわゆる部分電極構造を呈している。そして、本例のセラミック積層体１０は、この部分電極構造の採用によって、接合面１５及び該接合面１５を除く外周面である絶縁外周面１６における電気的な絶縁信頼性を向上している。

さらに、本例のセラミック積層体１０は、１層おきの内部電極層１２に沿って、セラミック積層体１０の外周部全周に渡るスリット状の間隙としての応力緩和部１３を有している。
本例では、図２に示すごとく、セラミック積層体１０の積層方向において、応力緩和部１３が控え部１２９を包含しつつ重合するよう、控え部１２９の形成幅Ｇ＝０．２５ｍｍに対して応力緩和部１３の形成幅Ｗ＝０．３ｍｍとし、応力緩和部１３の形成幅Ｗを若干、幅広くしてある。
また、本例では、厚さ８０μｍのセラミック層１１に対して、およそ厚さ６μｍのスリット状の間隙として応力緩和部１３を形成してある。

そして、本例の積層型圧電素子１は、同図に示すごとく、接着性を有する導電性樹脂材料である樹脂銀１８０を用いて接合面１５に外部電極１８を接合したうえ、さらに、外周面を全周に渡ってモールド樹脂１８５を用いてモールドしてなるものである。
なお、本例で使用した樹脂銀１８０及びモールド樹脂１８５としては、その使用状態においてある程度の粘性を呈するものを使用した。すなわち、上記６μｍ厚の応力緩和部１３に対して毛細管現象等を生じるおそれが少なく、その内部に浸入するおそれが極めて少ないような粘性を呈するものを使用した。
そのため、本例では、セラミック積層体１０においてスリット状の間隙として形成した応力緩和部１３は、積層型圧電素子１に組み込まれた後にも、そのまま間隙の状態を維持している。

次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法について説明する。
ここでは、特に、本例の積層型圧電素子１を特徴付ける上記セラミック積層体１０を形成する工程を中心に説明する。
上記セラミック積層体１０を形成するに当たっては、図３に示すごとく、セラミクス材料よりなるシート状のグリーンシート５０を形成するグリーンシート形成工程と、グリーンシート５０のうちシート片２４（図４）を打ち抜く打ち抜き領域５２のうち上記控え部１２９（図１）を形成する部分を残し、焼成により内部電極部１２０を形成する電極材料３１を配設する電極配設工程と、図５に示すごとく、該電極配設工程を施した少なくとも一部の上記打ち抜き領域５２の一部に、焼成により消失する消失材料を少なくとも一部に含む緩和材料３３を配設する緩和材配設工程と、上記打ち抜き領域５２を打ち抜いてシート片２４、２６（図４、図６）を得る打ち抜き工程と、図９に示すごとく、打ち抜いたシート片２４、２６を積層し、焼成によりセラミック積層体１０となる中間積層体３０を形成する積層工程と、図１及び図１０に示すごとく、中間積層体３０を焼成し、緩和材料３３中の消失材料を消失させてなる応力緩和部１３を有するセラミック積層体１０を得る焼成工程とを行う。

本例のセラミック積層体１０を形成するに当たっては、まず、圧電素子材料であるスラリーをシート状に延ばしたグリーンシート５０（図３）を作製するグリーンシート形成工程を実施する。ここで、上記スラリーとは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミクスになるセラミクス原料にバインダーと微量の可塑剤及び消泡剤を添加した後、有機溶媒中に分散させたものである。

本例のグリーンシート形成工程では、ドクターブレード法によってスラリーをキャリアフィルム５５（図３）上に塗布し、厚さ１００μｍのグリーンシート５０を生成した。
なお、スラリーからグリーンシート５０を生成する方法としては、本例のドクターブレード法の他、押出成形法その他種々の方法を採ることができる。

次に、上記電極配設工程では、図３に示すごとく、グリーンシート５０の打ち抜き領域５２における内周部と、樽形状の打ち抜き領域５２の一方の直線部５２１がなす外周部とに上記電極材料３１を配設する。
なお、本例では、打ち抜き領域５２における電極材料３１を配設した部分と、他の部分との印刷高さを略一致させるため、電極材料３１を配設した領域の外縁と、打ち抜き領域５２の外縁との隙間に上記スラリーよりなるスペーサ部３２を印刷した。

したがって、後工程の上記打ち抜き工程において、上記電極配設工程を施した打ち抜き領域５２を打ち抜けば、図４に示すごとく、樽形状を呈するセラミクス原料層２４０の一方の直線部２４１においてのみ外周部と接するよう、打ち抜き領域１０１の内周部を中心に電極材料３１を配設したシート片２４が得られる。本例のシート片２４の表面には上記スペーサ部３２を配設してあるため、シート片２４は積層するのに適した略平坦な表面を呈する。
なお、このスペーサ部３２は、焼成したセラミック積層体１０において上記控え部１２９（図１）を形成する部分である。

次に、上記緩和材配設工程では、図５に示すごとく、上記電極配設工程を施した打ち抜き領域５２の外周部の全周に渡って、さらに、焼成により消失する消失材料のみからなる緩和材料３３を配設する。
なお、本例では、緩和材料３３を配設した外周部との印刷高さと略一致させることと、積層する際の接着効果を高めることとを目的として、打ち抜き領域５２の内周部には上記スラリーよりなる接着部３４を配設した。

本例では、上記消失材料としては、熱変形が少なく、上記応力緩和部１３（図１）の形状精度を高く維持し得るカーボン粒子よりなる材料を使用した。
なお、本例のカーボン粒子のほか、炭化させたパウダー状の炭化有機物粒子を用いることができる。この炭化有機物粒子は、パウダー状の有機物粒子を炭化して得ることができるほか、炭化させた有機物を粉砕して得ることもできる。
さらに、上記有機物としては、樹脂等の高分子材料や、コーンや大豆や小麦等を用いることができる。この場合には、製造コストを抑制することができる。特に、コーンや大豆や小麦等を用いれば、環境にとって優しい自然の材料を用いて上記セラミック積層体１０を製造することができる。

したがって、後工程の上記打ち抜き工程において、電極配設工程を施した後、上記の緩和材配設工程を施した打ち抜き領域５２を打ち抜けば、図６に示すごとく、焼成により内部電極層１２（図１）を形成する電極材料３１の配設層に沿って、外周部全周に渡って緩和材料３３を配設したシート片２６が得られる。ここで、緩和材料３３の内周側には上記接着部３４を配設してあるため、シート片２６は積層するのに適した略平坦な表面を呈する。
なお、上記緩和材料３３を配設した外周部は、焼成したセラミック積層体１０においてスリット状の間隙をなす応力緩和部１３（図１）を形成する部分である。

本例では、シート片２４とシート片２６とを交互に効率良く打ち抜きながら積層できるよう、図７に示すごとく、長手方向に長く形成したグリーンシート５０上において、シート片２４用の打ち抜き領域５２とシート片２６用の打ち抜き領域５２とを長手方向に交互に配置しておいた。
なお、シート片２４用の打ち抜き領域５２において電極材料３１が接する直線部５２１と、シート片２６用の打ち抜き領域５２において電極材料３１が接する直線部５２１とが、交互に逆方向を向くように配置してある。

次に、本例では、図８に示すごとく、上記打ち抜き工程と上記積層工程とを同時進行できるように構成した打ち抜き積層装置６を用いて、シート片２４、２６の打ち抜きと積層とを並行して実施する。ここでは、同図に示すごとく、グリーンシート５０からシート片２４、２６を打ち抜いて、順次、積層していき中間積層体３０を作製する。

ここで、本例の打ち抜き積層装置６の構成及び動作について説明する。打ち抜き積層装置６は、図８に示すごとく、シート片２４、２６の打ち抜きと、積層とを並行して実施できるよう構成された装置である。
この打ち抜き積層装置６は、中空構造の図示しない積層ホルダと、該積層ホルダに向けてストロークするパンチ６１と、該パンチ６１を挿通する穴６２０を有し、積層ホルダの下端に配設されたダイ６２と、該ダイ６２と対面するようにグリーンシート５０を載置する載置テーブル６６とを有している。

上記打ち抜き積層装置６は、パンチ６１とダイ６２との組み合わせにより、グリーンシート５０からシート片２４、２６を打ち抜くように構成してある。
さらに、上記積層ホルダの内部には、下端面に吸着面を形成してなるウェイト部材としてのガイド６５を、パンチ６１のストローク方向に摺動可能に配置してある。このガイド６５によれば、形成した中間積層体３０を積層方向に加圧しながら保持できる。

上記の打ち抜き積層装置６を用いて中間積層体３０を作製するに当たっては、図８に示すごとく、キャリアフィルム５５（図７）から剥がしたグリーンシート５０を載置テーブル６６に載置して、パンチ６１の打ち抜き位置に打ち抜き領域５２（図７）を合致させる。
その後、グリーンシート５０を長手方向に前進させながら、シート片２４とシート片２６とを交互に打ち抜き、上記積層ホルダの内部において積層していく。そして、図９に示すごとく、該積層ホルダの内部において中間積層体３０を形成する。
なお、本例の中間積層体３０では、同図に示すごとく、その積層方向の両端において、２枚のセラミクス原料層２４０を重ね合わせてある。該２枚のセラミクス原料層２４０は、図１０に示すごとく、焼成により、セラミック積層体１０の両端部の保護層２５を形成する。

次に、焼成工程において、上記の中間積層体３０を焼成してセラミック積層体１０を得る。本例の焼成工程では、図示しない焼成炉により実施した。
そして、炉内温度１０５０℃に到達するまで１５時間かけて徐々に加熱していき、その後、炉内温度を２時間保持して焼成した後、炉冷を実施した。

このように焼成炉の炉内温度を制御すれば、中間積層体３０における緩和材料３１を配設した部分の形状を精度良く維持しながら、セラミクス原料層２４０等をなすセラミクス原料を焼結させていくことができる。さらに、セラミクス原料を焼結させる過程中に緩和材料３１を消失させて、形状精度良く上記応力緩和部１３を形成することができる。そして、形状良く応力緩和部１３を形成すれば、焼成により得たセラミック積層体１０全体の積層精度及び、その強度を高くできるのである。

図９及び図１０に示すごとく、得られたセラミック積層体１０においては、セラミクス原料層２４０は焼成によりセラミック層１１を形成し、上記スラリーよりなる接着部３４は焼成によりセラミック層１１の一部を形成する。
さらに、電極材料３１は焼成により内部電極部１２０を形成し、上記スラリーよりなるスペーサ部３２はセラミクス材料よりなる控え部１２９を形成する。そして、内部電極部１２０と控え部１２９とは、内部電極層１２０を形成する。

一方、上記消失材料のみからなる緩和材料３３は、焼成により消失し、スリット状の間隙である応力緩和部１３を形成する。
特に、本例のカーボン粒子よりなる緩和材料３３によれば、熱による変形が少ないため、形状精度良く応力緩和部１３を形成できる。

そして、本例の積層型圧電素子１は、図２に示すごとく、上記のように形成したセラミック積層体１０に外部電極１８を取り付けると共に、外周面をモールドしてなるものである。
セラミック積層体１０の接合面１５に対しては、樹脂銀１８０を用いて外部電極１８を接合してある。また、外部電極１８を接合した後のセラミック積層体１０の外周面は、その全周に渡ってモールド樹脂１８５を用いて覆ってある。

以上のように、本例のセラミック積層体１０は、１層おきの内部電極層１２に沿って、セラミック積層体１０の外周部全周に渡るスリット状の間隙としての応力緩和部１３を有している。
すなわち、上記セラミック積層体１０では、その積層方向において、圧電効果を生じない上記控え部１２９に対して、上記応力緩和部１３が重合するように配置してある。

この応力緩和部１３によれば、該応力緩和部１３を持たない一般的な部分電極構造のセラミック積層体において控え部１２９に作用する応力を抑制することができる。
特に、本例のように多積層のセラミック積層体１０では、積層方向に多数の控え部１２９が重合していることに起因して、上記の応力が積層方向に重畳して、さらに大きくなるおそれが高い。
そのため、本例の積層型圧電素子１では、控え部１２９に作用する応力の抑制に対して、応力緩和部１３が極めて有効に作用し得る。

本例のセラミック積層体１０では、応力緩和部１３に沿って位置する内部電極層１２の控え部１２９においては、該控え部１２９と隣接するようにスリット状の間隙としての応力緩和部１３を形成してある。
そのため、上記セラミック積層体１０を組み込んだ本例の積層型圧電素子１では、応力緩和部１３と隣接する控え部１２９に対して、応力が作用するおそれが格段に少ない。

一方、応力緩和部１３に隣接してない控え部１２９においては、該控え部１２９を挟んで積層方向に隣り合う応力緩和部１３によって、積層方向から重畳的に作用する応力を遮断できる。
そのため、上記の応力緩和部１３に隣接していない控え部１２９では、積層方向から重畳して応力が作用することを防止できる。それ故、控え部１２９に作用する応力が過大となるのを効果的に抑制できるのである。
したがって、上記応力緩和部１３に隣接しない内部電極層１２についても、その控え部１２９に作用する応力は格段に小さくなる。

このように控え部１２９に作用する応力を抑制した上記セラミック積層体１０を用いて構成した本例の積層型圧電素子１は、圧電変位による歪みに起因して層間剥離等を生じるおそれが少なく、長期間に渡って初期性能を発揮し得る優れたものとなる。
また、圧電効果を阻害する上記応力を抑制した本例の積層型圧電素子１は、圧電効率の高い優れた性能を有するものとなる。

なお、本例のスリット状を呈する応力緩和部１３は、絶縁材料等を充填せず、隙間のままとしたが、これに代えて、応力緩和部１３の内部に絶縁材料を充填することもできる。
この絶縁材料としては、例えば、シリコーンポッティング剤（例えば、株式会社スリーボンド製スリーボンド１２３０）や、ポリイミド系樹脂等の柔軟性に優れた材料を用いることが好ましい。これらの絶縁材料によれば、該絶縁材料を充填した後、加熱乾燥して絶縁材料を収縮させることで、若干の空隙を内部に有する応力緩和部１３を形成できる。この場合には、内部に形成した空隙により、この応力緩和部１３による応力抑制効果を高く維持しながら電気的な絶縁信頼性を向上することができる。

なお、上記絶縁材料の充填は、例えば、液状の絶縁材料をディスペンスノズルから吐出するディスペンサ装置を用いれば、極めて効率良く実施することができる。
すなわち、スリット状の応力緩和部の開口部にディペンスノズルを近接させて液状の絶縁材料を吐出すれば、毛細管現象により非常に効率良く絶縁材料を充填することができる。

なお、上記セラミック積層体１０の各接合面１５においては、該接合面１５において露出する各内部電極部１２０の外周端部に焼付け電極を接合した後、本例と同様の樹脂銀１８０を用いて外部電極１８５を接合することもできる。上記焼付け電極によれば、内部電極部１２０の外周端部との接合強度を向上でき、両者の接合状態をさらに長期間に渡って確実性高く維持できるようになる。

さらになお、本例のセラミック積層体１０では、１層おきの内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を形成したが、これに代えて、全ての内部電極層１２（図１１）あるいは、２層おきの内部電極層１２（図１２）あるいは、３層おきの内部電極層１２（図１３）に沿って応力緩和部１３を形成することもできる。さらに、図示しないが、４層以上おきの内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を形成することもできる。

ここで、応力緩和部１３を配置する間隔を狭くすれば、控え部１２９に作用する応力を低減する効果を向上することができる。一方、応力緩和部１３を配置する間隔を広くすれば、セラミック積層体１０の積層精度や強度を向上することができる。
特に、１層以上３層以下おきの内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を形成すれば、控え部１２９に作用する応力を低減する効果と、セラミック積層体１０の積層精度及び強度とを高いレベルで両立して優れた品質の積層型圧電素子１を得ることができる。

（実施例２）
本例は、実施例１のセラミック積層体を基にして、積層断面における応力緩和部の配設形状を変更した例である。この内容について、図１４〜図１９を用いて説明する。
本例の上記緩和材配設工程では、図１４に示すごとく、打ち抜き領域５２の樽形状をなす一対の直線部５２１のうち電極材料３１を控えた一方の直線部５２１には、緩和材料３３を配設しない。
したがって、後工程の上記打ち抜き工程において、実施例１と同様の電極配設工程を施した後、上記の緩和材配設工程を施した打ち抜き領域５２を打ち抜けば、図１５に示すごとく、電極材料を含み、焼成により内部電極層１２（図１７）を形成する層に沿って、上記一方の直線部５２１（図１４）を除く外周部に緩和材料３３を配設したシート片２６が得られる。

本例では、シート片２４（図４）とシート片２６とを交互に効率良く打ち抜きながら積層できるよう、図１６に示すごとく、長手方向に長く形成したグリーンシート５０上において、シート片２４用の打ち抜き領域５２とシート片２６用の打ち抜き領域５２とを長手方向に交互に配置しておいた。
なお、シート片２４用の打ち抜き領域５２において電極材料３１が接する直線部５２１と、シート片２６用の打ち抜き領域５２において電極材料３１が接する直線部５２１とが、交互に逆方向を向くように配置してある。

そして、長手方向に長いグリーンシート５０から交互に打ち抜いたシート片２６とシート片２４とを順番に積層し、図示しない中間積層体を得る。
その後、この中間積層体を焼成すれば、図１７に示すごとく、控え部１２９を形成した接合面１５において応力緩和部１３を形成せず、かつ、内部電極部１２０の外周端部を露出させた接合面１５及び、接合面１５を除く外周面において応力緩和部１３を形成したセラミック積層体１０を得る。

本例のセラミック積層体１０の各接合面１５では、内部電極層１２の控え部１２９に隣接して応力緩和部１３が形成されることがない。
そのため、本例のセラミック積層体１０の全ての内部電極層１２は、控え部１２９を設けた側の接合面１５においてセラミクス材料により完全に近く密閉される。
それ故、本例のセラミック積層体１０によれば、接合面１５における電気的な絶縁性を高く確保して、積層型圧電素子１の電気的な信頼性を向上することができる。

なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１の同様である。
また、本例では、セラミック積層体１０の積層方向における応力緩和部１３の配置は、１層おきの内部電極層１２に沿うようにした。これに代えて、実施例１と同様、この配置間隔を変更することができる。例えば、図１８に示すごとく、２層の内部電極層１２おきに、すなわち、３層の内部電極層１２ごとの１層の内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を配置することもできる。

さらに、なお、図１９に示すごとく、全ての内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を形成すると共に、隣り合って積層した内部電極層１２に沿って形成した応力緩和部１３が積層方向に重合しないようすることも有効である。
すなわち、同図の応力緩和部１３は、積層方向に略直交する断面において、半円状に近い配設形状を呈している。
それ故、本例のセラミック積層体１０の外周面では、隣り合う内部電極層１２に沿う各応力緩和部１３が、積層方向に隣り合って開口していないのである。
上記のように応力緩和部１３を形成すれば、全ての内部電極層１２に沿って応力緩和部１３を形成した場合であっても、セラミック積層体１０の外周面における電気的絶縁性を確保し易くできるのである。

（実施例３）
本例は、実施例１或いは実施例２のセラミック積層体の応力緩和部を、多孔性セラミクス材料により形成した例である。本例の内容について、図２０及び図２１を用いて説明する。
本例では、消失材料のみよりなる緩和材料に代えて、図２０に示すごとく、実施例１のセラミック原料よりなるスラリー中に、消失材料としてのカーボン粒子３３３を分散させてなる緩和材料３３を用いている。
なお、図２０は、中間積層体３０における緩和材料３３を配設した部分の周辺を拡大した断面構造を図示しており、図２１は、セラミック積層体１０における応力緩和部１３の周辺を拡大した断面構造を図示している。

本例では、上記消失材料としては、図２０に示すごとく、スラリーを形成するピエゾ粒子の平均粒子径の約６倍に当たる平均粒子径３μｍのカーボン粒子３３３を用いた。そして、１００体積％の緩和材料３３に対して、およそ２５体積％の消失材料が含まれるようにスラリーと消失材料とを混合した。

この緩和材料３３を配設した中間積層体３０を焼成したセラミック積層体１０では、図２１に示すごとく、カーボン粒子３３３の消失孔１３０を多数有する多孔性セラミクス材料により形成されたスリット状の応力緩和部１３が形成される。多孔性セラミクス材料により応力緩和部１３を形成すれば、稠密なセラミクス材料からなるセラミック層１１と比較して応力緩和部１３の剛性を低くすることができる。
さらに、多孔性セラミクス材料によれば、焼成時において応力緩和部１３となる部分の形状を精度高く維持することができ、焼成したセラミック積層体１０の形状精度を高くすることができる。また、焼成後のセラミック積層体１０において、上記応力緩和部１３は、多孔性構造に基づく適度な柔軟性を発揮し得る部分になる。

そのため、本例のセラミック積層体１０は、形状精度に優れ、かつ、控え部１２９（図１）に作用する応力を抑制し得るものとなり、このセラミック積層体１０を用いて形成した積層型圧電素子１は、優れた特性を有するものとなる。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例１或いは実施例２と同様である。

ここで、上記消失材料をなす、例えば、カーボン粒子等の平均粒子径は、ピエゾ粒子の平均粒子径の２倍以上２０倍以内にするのが好ましい。
消失材料をなす粒子の平均粒子径を上記の範囲とすることにより、セラミクス材料中に適切な大きさの孔を形成することができ、形成する応力緩和部１３の形状精度と、強度とを両立することができる。

さらに、１００体積％の緩和材料３３に対する消失材料の体積割合は、１０体積％以上４０体積％以内とするのが好ましい。
消失材料の体積割合を上記の範囲とすることにより、形成する応力緩和部１３の形状精度と、強度とを両立することができる。
特に、１００体積％の緩和材料３３中の消失材料の体積割合を１０体積％以上４０体積％以内の範囲にすれば、応力緩和部１３を形状精度高く形成することができる。また、１００体積％の緩和材料３３中の消失材料の体積割合を１０体積％以上３０体積％以内の範囲にすれば、応力緩和部１３についてある程度の強度を確保することができる。

実施例１における、セラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例１における、積層型圧電素子の断面構造を示す断面図。 実施例１における、電極配設工程の内容を説明する説明図。 実施例１における、グリーンシートから打ち抜いたシート片その１を示す斜視図。 実施例１における、電極配設工程及び緩和材配設工程の内容を説明する説明図。 実施例１における、グリーンシートから打ち抜いたシート片その２を示す斜視図。 実施例１における、シート片打ち抜き用のグリーンシートを示す斜視図。 実施例１における、打ち抜き積層装置によるシート片の打ち抜き、積層の様子を説明する説明図。 実施例１における、中間積層体の断面構造を示す断面図。 実施例１における、セラミック積層体の断面構造を示す断面図。 実施例１における、その他のセラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例１における、その他のセラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例１における、その他のセラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例２における、電極配設工程及び緩和材配設工程の内容を説明する説明図。 実施例２における、グリーンシートから打ち抜いたシート片を示す斜視図。 実施例２における、シート片打ち抜き用のグリーンシートを示す斜視図。 実施例２における、セラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例２における、その他のセラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例２における、その他のセラミック積層体の積層構造を示す構造図。 実施例３における、中間積層体における緩和材料を配設した部分の周辺の構造を示す拡大断面図。 実施例３における、セラミック積層体における応力緩和部の構造を示す拡大断面図。

符号の説明

１ 積層型圧電素子
１０ セラミック積層体
１１ セラミック層
１２ 内部電極層
１２０ 内部電極部
１２９ 控え部
１３ 応力緩和部
１５ 接合面
１８ 外部電極
１８０ 樹脂銀
１８５ モールド樹脂
２４、２６ シート片
２４０ セラミクス原料層
２４１ 直線部
３０ 中間積層体
３１ 電極材料
３２ スペーサ部
３３ 緩和材料
３４ 接着部
５０ グリーンシート
５２ 打ち抜き領域
５２１ 直線部
６ 打ち抜き積層装置

Claims (14)

1. セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成した一対の接合面にそれぞれ接合した一対の外部電極とを有する積層型圧電素子において、
   上記内部電極層は、導電性を有する内部電極部と、該内部電極部の外周端部が上記セラミック積層体の外周面よりも内方に控えた控え部とを有してなり、
   上記セラミック積層体は、少なくとも一部の上記内部電極層と積層方向に隣接して、上記セラミック層よりも形状を容易に変化し得る応力緩和部を有してなり、
   該応力緩和部は、上記セラミック積層体の積層方向において、いずれかの上記内部電極層の上記控え部に重合するように配置してあることを特徴とする積層型圧電素子。
2. 請求項１において、上記各接合面のうち一方の接合面において上記内部電極部を露出している一層おきの上記内部電極層は、他方の接合面において上記控え部を有してなり、かつ、上記他方の接合面において上記内部電極部を露出している一層おきの上記内部電極層は、上記一方の接合面において上記控え部を有してなることを特徴とする積層型圧電素子。
3. 請求項２において、上記各接合面では、上記控え部と積層方向に隣接する箇所を避けて、上記内部電極部と積層方向に隣接する箇所に上記応力緩和部を形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
4. 請求項２において、上記応力緩和部は、積層方向において該応力緩和部が隣接する上記内部電極層に沿って、上記各接合面の両方に面して形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記各内部電極層の上記控え部は、上記セラミック積層体の外周面のうち上記各接合面を除く外周面である絶縁外周面の周方向のおける全範囲に渡って形成してあり、かつ、上記応力緩和部は、上記絶縁外周面の周方向における全範囲に渡って形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、上記応力緩和部は、積層方向の全ての上記内部電極層又は、１層以上１２層以下おきの上記内部電極層と積層方向に隣接して形成してあることを特徴とする積層型圧電素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記応力緩和部は、スリット状を呈する間隙であることを特徴とする積層型圧電素子。
8. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記応力緩和部は、多孔質性のセラミクス材料よりなる薄い層状を呈する部分であることを特徴とする積層型圧電素子。
9. 請求項１〜６のいずれか１項において、上記応力緩和部は、スリット状を呈する間隙に電気的な絶縁性を有する絶縁材料を充填した部分であることを特徴とする積層型圧電素子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項において、上記応力緩和部の積層方向の厚さは、１μｍ以上１８μｍ以下であることを特徴とする積層型圧電素子。
11. セラミック層と内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体と、該セラミック積層体の外周面に形成した一対の接合面にそれぞれ接合した一対の外部電極とを有し、上記セラミック積層体が、導電性を有する内部電極部と、該内部電極部の外周端部が上記セラミック積層体の外周面よりも内方に控えて位置した控え部とよりなる上記セラミック層を有してなると共に、積層方向において上記控え部に重合するよう、少なくとも一部の上記内部電極層と積層方向に隣接して、上記セラミック層よりも形状を容易に変化し得る応力緩和部を形成してなる積層型圧電素子の製造方法において、
    上記セラミック積層体を形成するに当たっては、焼成前の中間積層体として積層するシート片を打ち抜くためのセラミクス原料よりなるグリーンシートを形成するグリーンシート形成工程と、
    上記グリーンシートのうち上記シート片を得るための打ち抜き領域において、上記控え部を形成するよう、上記打ち抜き領域の外縁から内方に控えて上記内部電極部を形成するための電極材料を配設する電極配設工程と、
    該電極配設工程を施した少なくとも一部の上記打ち抜き領域について、該打ち抜き領域の外周部の少なくとも一部に、焼成により消失する消失材料を含む緩和材料を配設する緩和材配設工程と、
    上記グリーンシートから上記打ち抜き領域を打ち抜いて上記シート片を得る打ち抜き工程と、
    打ち抜いた上記シート片を積層して上記中間積層体を形成する積層工程と、
    上記中間積層体を焼成し、上記緩和材料中の上記消失材料を消失させてなる上記応力緩和部を有する上記セラミック積層体を得る焼成工程とを行うことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
12. 請求項１１において、上記緩和材料は、焼成により消失する上記消失材料のみからなることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
13. 請求項１１において、上記緩和材料は、上記セラミクス原料中に上記消失材料を分散してなるものであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
14. 請求項１１〜１３のいずれか１項において、上記消失材料は、パウダー状を呈するカーボン粒子、樹脂粒子、又は、パウダー状の有機物粒子等を炭化させてなる炭化有機物粒子よりなることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。

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