JP2007157849A - 積層型圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電変位によって生じる応力を効果的に緩和する構造を容易に形成することができると共に、優れた耐久性・信頼性を得ることができる積層型圧電素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】積層型圧電素子の製造方法において、セラミック積層体を形成するに当たっては、圧電層となるグリーンシート110と内部電極層20とを交互に積層して、中間積層体100を形成する中間積層体形成工程と、中間積層体100を焼成して、セラミック積層体を形成する焼成工程とを含む。中間積層体形成工程では、中間積層体100に重合部108と非重合部109とを形成し、かつ非重合部109となる部分の少なくとも一部に、予め空隙40を形成しておく。焼成工程では、空隙40を含む緩和層を形成する。
【選択図】図6
【解決手段】積層型圧電素子の製造方法において、セラミック積層体を形成するに当たっては、圧電層となるグリーンシート110と内部電極層20とを交互に積層して、中間積層体100を形成する中間積層体形成工程と、中間積層体100を焼成して、セラミック積層体を形成する焼成工程とを含む。中間積層体形成工程では、中間積層体100に重合部108と非重合部109とを形成し、かつ非重合部109となる部分の少なくとも一部に、予め空隙40を形成しておく。焼成工程では、空隙40を含む緩和層を形成する。
【選択図】図6
Description
本発明は、例えば、圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子の製造方法に関する。
近年、自動車の燃費、排気ガス等の対策の面から、積層型圧電素子を用いた自動車の燃料噴射用インジェクタの開発が進められている。
積層型圧電素子は、例えば圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を接合してなる。そして、上記積層型圧電素子は、内部電極層間に電圧を印加することにより、圧電層に変位が生じて駆動するように構成されている。
積層型圧電素子は、例えば圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を接合してなる。そして、上記積層型圧電素子は、内部電極層間に電圧を印加することにより、圧電層に変位が生じて駆動するように構成されている。
上記積層型圧電素子には、セラミック積層体の外周面における電気的な絶縁性を高めるために、内部電極層の端部の一部をセラミック積層体の内部に控えた電極控え構造のものがある(特許文献1参照)。
しかしながら、この電極控え構造の積層型圧電素子には、セラミック積層体の積層方向に透視した場合に、すべての内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とが存在する。そして、非重合部は、圧電変位が起こらず、駆動しない部分である。そのため、非重合部には、圧電変位に応じて応力(歪み)が集中的に生じ、セラミック積層体内部にクラック等が発生するおそれがある。また、それによって絶縁破壊等の不具合が生じるおそれがある。
しかしながら、この電極控え構造の積層型圧電素子には、セラミック積層体の積層方向に透視した場合に、すべての内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とが存在する。そして、非重合部は、圧電変位が起こらず、駆動しない部分である。そのため、非重合部には、圧電変位に応じて応力(歪み)が集中的に生じ、セラミック積層体内部にクラック等が発生するおそれがある。また、それによって絶縁破壊等の不具合が生じるおそれがある。
上記の問題を解決するために、特許文献2及び特許文献3では、内部電極間に応力を緩和するための応力緩和部(応力緩和層)を設けた積層型圧電素子の構造が提案されている。ところが、上記の文献における応力緩和部は、例えば微細なチタン酸鉛粒子を充填したものであるため、繰り返しの駆動によってチタン酸鉛粒子が移動し、圧電素子としての性能に不具合が生じるおそれがある。
また、特許文献4では、機械加工により内部電極の端部に凹溝を形成し、その凹溝に絶縁体又は導電体を充填することで応力を緩和する機能を持たせた積層型圧電素子の構造が提案されている。ところが、上記の文献では、凹溝を機械加工により形成するため、量産的な方法ではない。また、機械加工により加工面にクラックが発生し、絶縁破壊等の不具合の原因となるおそれがある。
よって、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を簡易的な方法により形成することができ、かつ、その応力緩和構造によって優れた耐久性及び信頼性を得ることができる積層型圧電素子の製造方法が望まれている。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、圧電変位によって生じる応力を効果的に緩和する構造を容易に形成することができると共に、優れた耐久性・信頼性を得ることができる積層型圧電素子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、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を配設してなる積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、予め空隙を形成しておき、上記焼成工程では、上記空隙を含む緩和層を形成する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1)。
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、予め空隙を形成しておき、上記焼成工程では、上記空隙を含む緩和層を形成する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1)。
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、上記中間積層体形成工程において、上記中間積層体の上記非重合部に、予め空隙を形成しておく。このように、焼成前の上記中間積層体に空隙を形成しておくことにより、該空隙は、上記焼成工程における焼成の後も、その空隙を維持した状態で存在する。これにより、焼成後に得られる上記セラミック積層体の上記非重合部に、上記空隙を含む上記緩和層を容易に形成することができる。この緩和層は、上記空隙を有していることにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。すなわち、上記製造方法により、上記応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
また、本発明の製造方法は、圧電変位が起こらず、駆動しない部分である上記非重合部に、上記緩和層を設ける。すなわち、圧電変位によって生じる応力が特に集中する上記非重合部に、上記緩和層を設けるのである。そのため、上記応力を、上記空隙を有する上記緩和層によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、圧電変位に応じて上記非重合部に応力が集中することを防ぐことができ、クラック等の発生を抑制することができる。
また、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
このように、本発明の製造方法によれば、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。そして、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。
第2の発明は、圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を配設してなる積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、上記グリーンシートよりも焼成温度が低いと共に上記焼成工程における収縮が大きい緩和層形成用材料を配置し、上記焼成工程では、上記緩和層形成用材料を隣接する部分よりも大きく収縮させて形成した空隙を含む緩和層を形成する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7)。
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、上記グリーンシートよりも焼成温度が低いと共に上記焼成工程における収縮が大きい緩和層形成用材料を配置し、上記焼成工程では、上記緩和層形成用材料を隣接する部分よりも大きく収縮させて形成した空隙を含む緩和層を形成する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7)。
本発明の積層型圧電素子の製造方法は、上記中間積層体形成工程において、上記中間積層体の上記非重合部に、上記緩和層形成用材料を配置する。上記緩和層形成用材料は、上記グリーンシートよりも温度が低い。また、上記グリーンシートよりも焼成工程における収縮が大きい。このように、焼成前の上記中間積層体に上記の性質を有する緩和層形成用材料を配置することにより、上記焼成工程の焼成によって、上記緩和層形成用材料が隣接する部分よりも大きく収縮し、空隙が形成される。これにより、焼成後に得られる上記セラミック積層体の上記非重合部に、上記空隙を含む上記緩和層を容易に形成することができる。すなわち、上記製造方法により、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
また、本発明の製造方法は、上記第1の発明と同様に、上記非重合部に上記緩和層を設けるのである。そのため、圧電変位によって生じる応力を、上記空隙を有する上記緩和層によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、圧電変位に応じて上記非重合部に応力が集中することを防ぐことができ、クラック等の発生を抑制することができる。
また、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
このように、本発明の製造方法によれば、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。そして、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。
上記第1の発明においては、上記中間積層体形成工程は、上記グリーンシートを形成するシート形成工程と、
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷し、かつ上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、上記接着層を印刷する印刷部と印刷しない非印刷部とを設ける接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層し、該グリーンシート間に上記非印刷部よりなる上記空隙を形成する積層工程とを含むことが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記グリーンシート間に、上記空隙を容易かつ確実に形成することができる。これにより、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を容易かつ確実に形成することができる。
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷し、かつ上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、上記接着層を印刷する印刷部と印刷しない非印刷部とを設ける接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層し、該グリーンシート間に上記非印刷部よりなる上記空隙を形成する積層工程とを含むことが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記グリーンシート間に、上記空隙を容易かつ確実に形成することができる。これにより、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を容易かつ確実に形成することができる。
また、上記シート形成工程後、上記グリーンシート上に上記内部電極層を印刷すると共に、該内部電極層を印刷した領域に隣接して該内部電極層と略同厚みのスペーサ層を印刷する電極印刷工程を行い、上記接着層印刷工程では、上記内部電極層及び上記スペーサ層上に上記接着層を印刷することが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記空隙を上記内部電極層に沿って形成することができる。そして、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を上記内部電極層に沿って形成することができる。これにより、駆動時において上記緩和層が変形することにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。
この場合には、上記空隙を上記内部電極層に沿って形成することができる。そして、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を上記内部電極層に沿って形成することができる。これにより、駆動時において上記緩和層が変形することにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。
また、上記接着層印刷工程では、上記非印刷部を設ける部分の面積は、同一面上における上記緩和層形成部の面積に対して20〜65%とすることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記空隙を充分に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分に発揮することができる。
この場合には、上記空隙を充分に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分に発揮することができる。
上記非印刷部を設ける部分の面積が、同一面上における上記緩和層形成部の面積に対して20%未満の場合には、上記緩和層による応力緩和効果を充分に得ることができないおそれがある。一方、60%を超える場合には、上記緩和層を形成した部分の強度が低下するおそれがある。これにより、駆動時において、上記緩和層にクラック等が発生するおそれがある。
また、上記接着層印刷工程では、上記緩和層形成部に、上記印刷部として上記接着層よりなる複数のミニブロックを互いに間隔を空けて印刷すると共に、上記ミニブロック間に上記非印刷部を設けることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記空隙を含む上記緩和層を容易かつ確実に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分かつ確実に発揮することができる。
なお、上記ミニブロックの断面形状は、円形、三角形、四角形等、様々な形状とすることができる。また、すべて同じ形状・大きさの上記ミニブロックを印刷してもよいし、複数の異なる形状・大きさの上記ミニブロックを印刷してもよい。
この場合には、上記空隙を含む上記緩和層を容易かつ確実に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分かつ確実に発揮することができる。
なお、上記ミニブロックの断面形状は、円形、三角形、四角形等、様々な形状とすることができる。また、すべて同じ形状・大きさの上記ミニブロックを印刷してもよいし、複数の異なる形状・大きさの上記ミニブロックを印刷してもよい。
また、上記接着層印刷工程では、上記ミニブロックを規則正しく配列して印刷してもよいし、ランダムに配列して印刷してもよい。特に、上記ミニブロックを規則正しく配列して印刷することが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記ミニブロック間に形成される上記空隙は、規則正しく配列される。そのため、焼成後の上記セラミック積層体に、規則正しく配列された上記空隙を含む上記緩和層を形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果をより一層発揮することができる。
この場合には、上記ミニブロック間に形成される上記空隙は、規則正しく配列される。そのため、焼成後の上記セラミック積層体に、規則正しく配列された上記空隙を含む上記緩和層を形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果をより一層発揮することができる。
上記第2の発明においては、上記中間積層体形成工程は、上記グリーンシートを形成するシート形成工程と、
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷すると共に、上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、該接着層と略同厚みの上記緩和層形成用材料を印刷する接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層する積層工程とを含むことが好ましい(請求項8)。
この場合には、焼成後の上記セラミック積層体において、上記緩和層形成用材料に隣接する部分に、上記空隙を容易かつ確実に形成することができる。
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷すると共に、上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、該接着層と略同厚みの上記緩和層形成用材料を印刷する接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層する積層工程とを含むことが好ましい(請求項8)。
この場合には、焼成後の上記セラミック積層体において、上記緩和層形成用材料に隣接する部分に、上記空隙を容易かつ確実に形成することができる。
また、上記シート形成工程後、上記グリーンシート上に上記内部電極層を印刷すると共に、該内部電極層を印刷した領域に隣接して該内部電極層と略同厚みのスペーサ層を印刷する電極印刷工程を行い、上記接着層印刷工程では、上記内部電極層及び上記スペーサ層上に上記接着層及び上記緩和層形成用材料を印刷することが好ましい(請求項9)。
この場合には、上記緩和層形成用材料を上記各内部電極層に沿って配置することができる。そして、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を上記内部電極層に沿って形成することができる。これにより、駆動時において上記緩和層が変形することにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。
この場合には、上記緩和層形成用材料を上記各内部電極層に沿って配置することができる。そして、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を含む上記緩和層を上記内部電極層に沿って形成することができる。これにより、駆動時において上記緩和層が変形することにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。
また、上記接着層と上記緩和層形成用材料とは、主成分として含まれるセラミックス原料粉末が同じであり、上記接着層に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aと上記緩和層形成用材料に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bとは、A>1.05Bの関係を満たすことが好ましい(請求項10)。
この場合には、上記緩和層形成用材料に隣接する部分に、上記空隙及び該空隙を含む上記緩和層を確実に形成することができる。
この場合には、上記緩和層形成用材料に隣接する部分に、上記空隙及び該空隙を含む上記緩和層を確実に形成することができる。
また、上記接着層に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aは、0.3〜0.8μmであることが好ましい(請求項11)。また、上記緩和層形成用材料に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bは、0.1〜0.6μmであることが好ましい(請求項12)。
この場合には、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を充分かつ確実に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分かつ確実に発揮することができる。
この場合には、焼成後の上記セラミック積層体に、上記空隙を充分かつ確実に形成することができる。これにより、上記緩和層による応力緩和効果を充分かつ確実に発揮することができる。
上記第1の発明及び上記第2の発明においては、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであることが好ましい(請求項13)。
上記インジェクタは、高温雰囲気下という過酷な状態で使用される。そのため、上記の優れた積層型圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、信頼性及び耐久性を向上させることができ、インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。
上記インジェクタは、高温雰囲気下という過酷な状態で使用される。そのため、上記の優れた積層型圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、信頼性及び耐久性を向上させることができ、インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。
(実施例1)
上記第1の発明の実施例にかかる積層型圧電素子の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、図1〜図13に示すごとく、圧電材料よりなる圧電層11と導電性を有する内部電極層20とを交互に積層してなるセラミック積層体10を有し、セラミック積層体10の側面101、102に外部電極34を配設してなる積層型圧電素子1を製造する方法である。
セラミック積層体10を形成するに当たっては、圧電層11となるグリーンシート110と内部電極層20とを交互に積層して、中間積層体100を形成する中間積層体形成工程と、中間積層体100を焼成して、セラミック積層体10を形成する焼成工程とを含む。
上記第1の発明の実施例にかかる積層型圧電素子の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、図1〜図13に示すごとく、圧電材料よりなる圧電層11と導電性を有する内部電極層20とを交互に積層してなるセラミック積層体10を有し、セラミック積層体10の側面101、102に外部電極34を配設してなる積層型圧電素子1を製造する方法である。
セラミック積層体10を形成するに当たっては、圧電層11となるグリーンシート110と内部電極層20とを交互に積層して、中間積層体100を形成する中間積層体形成工程と、中間積層体100を焼成して、セラミック積層体10を形成する焼成工程とを含む。
そして、中間積層体形成工程では、中間積層体100の積層方向に透視した場合に、すべての内部電極層20が重合する領域である重合部108と、少なくとも一部の内部電極層20しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部109とを形成し、かつ非重合部109の少なくとも一部に、予め空隙40を形成しておく。また、焼成工程では、空隙40を含む緩和層4を形成する。
以下、これを詳説する。
以下、これを詳説する。
<中間積層体形成工程>
中間積層体形成工程では、シート形成工程、電極印刷工程、接着層印刷工程、及び積層工程の4つの工程を行う。
中間積層体形成工程では、シート形成工程、電極印刷工程、接着層印刷工程、及び積層工程の4つの工程を行う。
まず、シート形成工程を行う。
圧電材料となるセラミックス原料粉末を準備し、800〜950℃で仮焼する。そして、仮焼粉に純水、分散剤等を加えてスラリー状とし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてスラリー状とし、ボールミルにより混合する。このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整を行う。
圧電材料となるセラミックス原料粉末を準備し、800〜950℃で仮焼する。そして、仮焼粉に純水、分散剤等を加えてスラリー状とし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてスラリー状とし、ボールミルにより混合する。このスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整を行う。
そして、図1に示すごとく、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム119上に塗布し、一定厚みのグリーンシート110を長尺状に成形する。図1では、長尺のグリーンシート110の一部分を示してある。
なお、本例では、圧電材料となるセラミックス原料としては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を用いた。また、グリーンシート110の成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。
なお、本例では、圧電材料となるセラミックス原料としては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を用いた。また、グリーンシート110の成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。
次に、電極印刷工程を行う。
図1に示すごとく、成形したグリーンシート110の打ち抜き領域50において、内部電極層20をスクリーン印刷する。そして、内部電極層20を印刷した部分と他の部分との高さを略一致させるため、内部電極層20が印刷されていない部分に、内部電極層20と同じ厚みでスペーサ層111をスクリーン印刷する。
なお、ここでいう打ち抜き領域50とは、後の工程においてグリーンシート110を打ち抜く領域のことである。また、本例の打ち抜き領域50は、樽型形状を呈しているが、作製するセラミック積層体10の形状によって、例えば円形、四角形、八角形等の様々な形状に変更することができる。
図1に示すごとく、成形したグリーンシート110の打ち抜き領域50において、内部電極層20をスクリーン印刷する。そして、内部電極層20を印刷した部分と他の部分との高さを略一致させるため、内部電極層20が印刷されていない部分に、内部電極層20と同じ厚みでスペーサ層111をスクリーン印刷する。
なお、ここでいう打ち抜き領域50とは、後の工程においてグリーンシート110を打ち抜く領域のことである。また、本例の打ち抜き領域50は、樽型形状を呈しているが、作製するセラミック積層体10の形状によって、例えば円形、四角形、八角形等の様々な形状に変更することができる。
また、本例では、後述する打ち抜き積層装置によるグリーンシート110の打ち抜きと積層とを効率よく進めるために、予め長尺のグリーンシート110の長手方向に、側面に露出している内部電極層20の向きが交互に逆向きになるようにして印刷を施しておく(図1参照)。
また、内部電極層20としては、Ag/Pd合金を用いた。これ以外にも、Ag、Pd、Cu、Ni等の単体、Cu/Ni等の合金を用いることができる。また、スペーサ層111としては、グリーンシート110と同材料のものを用いた。
また、内部電極層20としては、Ag/Pd合金を用いた。これ以外にも、Ag、Pd、Cu、Ni等の単体、Cu/Ni等の合金を用いることができる。また、スペーサ層111としては、グリーンシート110と同材料のものを用いた。
次に、接着層印刷工程を行う。
図2に示すごとく、印刷した内部電極層20及びスペーサ層111の上に、グリーンシート110を積層する際の接着効果を高めるための接着層112をスクリーン印刷する。このとき、後述する中間積層体100の非重合部109となる部分のうち、緩和層4を形成する緩和層形成部400には、接着層112を印刷する印刷部と印刷しない非印刷部とを設けるための非印刷部形成層41を形成する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部のうち、内部電極層20が側面に露出する側の半周部分である。
なお、接着層112としては、グリーンシート110と同材料のものを用いた。
図2に示すごとく、印刷した内部電極層20及びスペーサ層111の上に、グリーンシート110を積層する際の接着効果を高めるための接着層112をスクリーン印刷する。このとき、後述する中間積層体100の非重合部109となる部分のうち、緩和層4を形成する緩和層形成部400には、接着層112を印刷する印刷部と印刷しない非印刷部とを設けるための非印刷部形成層41を形成する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部のうち、内部電極層20が側面に露出する側の半周部分である。
なお、接着層112としては、グリーンシート110と同材料のものを用いた。
ここで、非印刷部形成層41について説明する。非印刷部形成層41は、図3(a)に示すごとく、接着層112を印刷する印刷部として、接着層112よりなる複数のミニブロック411を互いに間隔を空けながら印刷して形成されている。本例では、すべて同じ大きさである円形のミニブロック411がドット状(島状)に印刷されており、規則正しく配列している。また、各ミニブロック411間には、接着層112を印刷しない非印刷部412が形成されている。非印刷部412の面積は、同一面上における緩和層形成部400(非印刷部形成層41)の面積に対して45%である。
なお、本例の各ミニブロック411の形状は円形であるが、四角形(図3(b))、三角形(図3(c))等の様々な形状を採用することができる。また、すべて同じ形状・大きさのミニブロック411を印刷したが、複数の異なる形状・大きさのミニブロック411を印刷することもできる。
また、本例のミニブロック411の印刷形状はドット状(島状)であるが、その他の様々な印刷形状を採用することができる。また、ミニブロック411を規則正しく配列して印刷したが、ランダムに配列して印刷することもできる。
また、本例のミニブロック411の印刷形状はドット状(島状)であるが、その他の様々な印刷形状を採用することができる。また、ミニブロック411を規則正しく配列して印刷したが、ランダムに配列して印刷することもできる。
次に、積層工程を行う。
グリーンシート110の打ち抜きと積層とを同時に進行できるよう構成されている打ち抜き積層装置(図示略)を用いて、グリーンシート110の打ち抜きと積層とを並行して行う。なお、上記打ち抜き積層装置としては、例えばグリーンシート110を打ち抜くためのトムソン刃等を備えた打ち抜き手段と、打ち抜いたグリーンシート110を積層して積層体を形成し、それを保持する積層体保持手段とを有するものを用いることができる。
グリーンシート110の打ち抜きと積層とを同時に進行できるよう構成されている打ち抜き積層装置(図示略)を用いて、グリーンシート110の打ち抜きと積層とを並行して行う。なお、上記打ち抜き積層装置としては、例えばグリーンシート110を打ち抜くためのトムソン刃等を備えた打ち抜き手段と、打ち抜いたグリーンシート110を積層して積層体を形成し、それを保持する積層体保持手段とを有するものを用いることができる。
まず、印刷を施したグリーンシート110をキャリアフィルム119ごと上記打ち抜き積層装置にセットし、グリーンシート110の打ち抜き領域50を打ち抜く。これにより、図4のシート片51を得る。
次に、図5に示すごとく、得られたシート片51を、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるようにして積層する。このとき、上下端には、最終的に保護層12となる保護層形成用シート120を積層しておく。なお、保護層形成用シート120は、グリーンシート110と同材料のものである。
次に、図5に示すごとく、得られたシート片51を、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるようにして積層する。このとき、上下端には、最終的に保護層12となる保護層形成用シート120を積層しておく。なお、保護層形成用シート120は、グリーンシート110と同材料のものである。
これにより、図6に示すごとく、中間積層体100を得る。中間積層体100には、積層方向に透視した場合に、すべての内部電極層20が重合する領域である重合部108と、少なくとも一部の内部電極層20しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部109とが形成されている。また、中間積層体100は、一対の側面101、102を有しており、内部電極層20は、側面101、102に交互に露出した状態となっている。
また、図6、図7に示すごとく、中間積層体100の非重合部109において、各グリーンシート110間には、接着層112を印刷しない非印刷部412を設けておいたことにより、その場所に空隙40が形成されている。言い換えれば、印刷部としての接着層112よりなるミニブロック411間に、空隙40が形成されている。
次に、中間積層体100の側面101、102に、側面電極形成用の側面電極材料を塗布する(図示略)。これは、後の焼成により、セラミック積層体10の側面101、102に、内部電極層20との導通性を向上させるための側面電極30(図13参照)を形成する工程である。なお、側面電極30を設けない構成とすることもできるため、その場合には、上記の工程を省くことができる。
<焼成工程>
次に、焼成工程を行う。
まず、焼成を行う前に、中間積層体100に対して脱脂を行う。加熱条件としては、80時間かけて500℃まで昇温し、5時間保持する。これにより、中間積層体100に含まれている有機成分を除去する。そして、脱脂後の中間積層体100に対して、最高温度1065℃で2時間焼成を行う。
次に、焼成工程を行う。
まず、焼成を行う前に、中間積層体100に対して脱脂を行う。加熱条件としては、80時間かけて500℃まで昇温し、5時間保持する。これにより、中間積層体100に含まれている有機成分を除去する。そして、脱脂後の中間積層体100に対して、最高温度1065℃で2時間焼成を行う。
これにより、図8〜図10に示すごとく、セラミック積層体10を得る。セラミック積層体10は、圧電材料よりなる圧電層11と導電性を有する内部電極層20とを交互に積層してなり、重合部108と非重合部109とを有している。なお、接着層112は、圧電層11の一部となって形成され、スペーサ層111は、内部電極層20の端部を内部に控えた部分である電極控え部19となっている。また、セラミック積層体10の上下端には、保護層12が形成されており、側面101、102には、側面電極30(図示略)が形成されている。
また、同図に示すごとく、セラミック積層体10の非重合部109には、中間積層体100に形成されていた空隙40が、焼成後も空隙40を維持した状態で存在する。そして、空隙40を含む緩和層4が内部電極層20に沿って形成されている。
また、図9に示すごとく、各空隙40間には、微小なクラックよりなる開放部413が周方向に形成されている。この開放部413の微小なクラックは、接着層112よりなるミニブロック411(図7参照)が隣接するグリーンシート110よりも僅かに先行して焼成収縮を起こすことにより生じたものである。
また、図9に示すごとく、各空隙40間には、微小なクラックよりなる開放部413が周方向に形成されている。この開放部413の微小なクラックは、接着層112よりなるミニブロック411(図7参照)が隣接するグリーンシート110よりも僅かに先行して焼成収縮を起こすことにより生じたものである。
次に、焼成工程後は、セラミック積層体10の側面101、102に一対の外部電極34を配設する工程を行う。
図11に示すごとく、セラミック積層体10の側面101、102に形成した側面電極30上に、導電性接着剤33を塗布する。そして、図12に示すごとく、導電性接着剤33上に、外部電極34を配置する。そして、導電性接着剤33を加熱硬化させ、外部電極34を接合する。最後に、図示を省略するが、セラミック積層体10の側面全周を絶縁樹脂よりなるモールド材35によってモールドする(図13参照)。
図11に示すごとく、セラミック積層体10の側面101、102に形成した側面電極30上に、導電性接着剤33を塗布する。そして、図12に示すごとく、導電性接着剤33上に、外部電極34を配置する。そして、導電性接着剤33を加熱硬化させ、外部電極34を接合する。最後に、図示を省略するが、セラミック積層体10の側面全周を絶縁樹脂よりなるモールド材35によってモールドする(図13参照)。
なお、本例では、導電性接着剤33としては、絶縁樹脂としてのエポキシ樹脂に導電性フィラーとしてのAgを分散させたものを用いた。上記絶縁樹脂としては、上記以外にもシリコーン、ウレタン、ポリイミド等の各種樹脂を用いることができる。また、導電性フィラーとしては、上記以外にも白金、Cu、Ni等を用いることができる。
また、外部電極34としては、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルを用いた。これ以外にも、パンチングメタル等を用いることができる。
また、モールド材35としては、シリコーン樹脂を用いた。これ以外にも、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。
また、外部電極34としては、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルを用いた。これ以外にも、パンチングメタル等を用いることができる。
また、モールド材35としては、シリコーン樹脂を用いた。これ以外にも、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。
以上により、図13の積層型圧電素子1を得る。
作製した積層型圧電素子1において、セラミック積層体10は、図10、図13に示すごとく、上述したように圧電層11と内部電極層20とを交互に積層してなる。また、セラミック積層体10は、内部電極層20の端部の一部が側面101、102に露出せず、電極控え部19によって内部に控えた、いわゆる電極控え構造を有している。
作製した積層型圧電素子1において、セラミック積層体10は、図10、図13に示すごとく、上述したように圧電層11と内部電極層20とを交互に積層してなる。また、セラミック積層体10は、内部電極層20の端部の一部が側面101、102に露出せず、電極控え部19によって内部に控えた、いわゆる電極控え構造を有している。
また、同図に示すごとく、セラミック積層体10は、積層方向に透視した場合に、すべての内部電極層20が重合する領域である重合部108と、少なくとも一部の内部電極層20しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部109とを有する。非重合部109には、空隙40を含む緩和層4が各内部電極層20に沿って形成されている。緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向半周において形成されている。また、緩和層4は、積層方向において、側面101側と側面102側とに交互に形成されている。
また、図13に示すごとく、セラミック積層体10の側面101、102には、内部電極層20の端部の一部が交互に露出した状態となっており、配設された一対の側面電極30と電気的に導通している。また、一対の側面電極30上には、導電性接着剤33を介して外部電極34が接合されている。また、セラミック積層体10の側面全周は、側面電極30、導電性接着剤33、及び外部電極34を覆うように、モールド材35によってモールドされている。
なお、本例のセラミック積層体10は、断面樽型形状を呈している。セラミック積層体10の断面形状としては、本例の樽型に限定されるものではなく、例えば、円形、四角形、八角形等の様々な形状を用途、使用状況に合わせて変更することができる。
次に、本例の積層型圧電素子1の製造方法における作用効果について説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、中間積層体形成工程において、中間積層体100の非重合部109に、予め空隙40を形成しておく。このように、焼成前の中間積層体100に空隙40を形成しておくことにより、空隙40は、焼成工程における焼成の後も、空隙40を維持した状態で存在する。これにより、焼成後に得られるセラミック積層体10の非重合部109に、空隙40を含む緩和層4を容易に形成することができる。この緩和層4は、空隙40を有していることにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。すなわち、本例の製造方法により、上記応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、中間積層体形成工程において、中間積層体100の非重合部109に、予め空隙40を形成しておく。このように、焼成前の中間積層体100に空隙40を形成しておくことにより、空隙40は、焼成工程における焼成の後も、空隙40を維持した状態で存在する。これにより、焼成後に得られるセラミック積層体10の非重合部109に、空隙40を含む緩和層4を容易に形成することができる。この緩和層4は、空隙40を有していることにより、圧電変位によって生じる応力を分散・緩和することができる。すなわち、本例の製造方法により、上記応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
また、本例の製造方法は、圧電変位が起こらず、駆動しない部分である非重合部109に、緩和層4を設ける。すなわち、圧電変位によって生じる応力が特に集中する非重合部109に、緩和層4を設けるのである。そのため、上記応力を、空隙40を有する緩和層4によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、圧電変位に応じて非重合部109に応力が集中することを防ぐことができ、クラック等の発生を抑制することができる。
また、本例の製造方法により製造された積層型圧電素子1は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、本例の製造方法により製造された積層型圧電素子1は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、本例では、中間積層体形成工程において、グリーンシート110を形成するシート形成工程と、非重合部109となる部分のうち、緩和層4を形成する緩和層形成部40に、接着層112を印刷する印刷部(ミニブロック411)と印刷しない非印刷部412とを設ける接着層印刷工程と、グリーンシート110間に非印刷部412よりなる空隙40を形成する積層工程とを行う。そのため、グリーンシート110間に、空隙40を容易かつ確実に形成することができる。これにより、焼成後のセラミック積層体10に、空隙40を含む緩和層4を容易かつ確実に形成することができる。
また、接着層印刷工程では、非印刷部412を設ける部分の面積は、同一面上における緩和層形成部400の面積に対して45%である。そのため、空隙40を充分に形成することができる。これにより、緩和層4による応力緩和効果を充分に発揮することができる。
また、接着層印刷工程では、緩和層形成部400に、印刷部として接着層112よりなる複数のミニブロック411を互いに間隔を空けて印刷すると共に、ミニブロック411間に非印刷部412を設ける。また、ミニブロック411を規則正しく配列して印刷する。そのため、焼成後のセラミック積層体10に、規則正しく配列された空隙40を含む緩和層4を形成することができる。これにより、緩和層4による応力緩和効果をより一層発揮することができる。
また、緩和層4において、各空隙40間に、微小なクラックよりなる開放部413を周方向に形成する。この開放部413も、周方向に形成された微小なクラックにより、圧電変位によって生じる応力を緩和することができる。これにより、緩和層4による応力緩和効果をさらに向上させることができる。
このように、本例の製造方法によれば、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。そして、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。
なお、セラミック積層体10において、緩和層4の形成位置・形状は、中間積層体100の時点で予め形成する空隙40の位置・形状によって変化させることができる。したがって、本例では、緩和層4を各内部電極層20に沿って設けたが、図14に示すごとく、3層おきの内部電極層20に沿って設けたり、その他様々な位置に設けたりすることができる。また、本例では、緩和層4をセラミック積層体10の外周部の周方向半周において設けたが、周方向全周において設けることもできるし、側面101、102のみに設けることもできる。
(実施例2)
上記第2の発明の実施例にかかる積層型圧電素子の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、図15〜図22に示すごとく、セラミック積層体10を形成するに当たっては、実施例1と同様に、中間積層体形成工程と焼成工程とを含む。
上記第2の発明の実施例にかかる積層型圧電素子の製造方法について、図を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、図15〜図22に示すごとく、セラミック積層体10を形成するに当たっては、実施例1と同様に、中間積層体形成工程と焼成工程とを含む。
そして、中間積層体形成工程では、中間積層体100に重合部108と非重合部109とを形成し、かつ非重合部109の少なくとも一部に、グリーンシート110よりも焼成温度が低いと共に焼成工程における収縮が大きい緩和層形成用材料42を配置する。また、焼成工程では、緩和層形成用材料42を隣接する部分よりも大きく収縮させて形成した空隙40を含む緩和層4を形成する。
以下、これを詳説する。
以下、これを詳説する。
<中間積層体形成工程>
中間積層体形成工程では、実施例1と同様に、シート形成工程、電極印刷工程、接着層印刷工程、及び積層工程の4つの工程を行う。
中間積層体形成工程では、実施例1と同様に、シート形成工程、電極印刷工程、接着層印刷工程、及び積層工程の4つの工程を行う。
まず、シート形成工程及び電極印刷工程では、図1に示すごとく、実施例1と同様に、キャリアフィルム119上にグリーンシート110を成形する。そして、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、内部電極層20及びスペーサ層111をスクリーン印刷する。
次に、接着層印刷工程では、図15に示すごとく、印刷した内部電極層20及びスペーサ層111の上に、非重合部109となる部分のうち、緩和層4を形成する緩和層形成部400に、緩和層形成用材料42をスクリーン印刷すると共に、グリーンシート110と同材料よりなる接着層112をスクリーン印刷する。
なお、接着層112(グリーンシート110)と緩和層形成用材料42とは、主成分として含まれるセラミックス原料粉末が同じであり、どちらもジルコン酸チタン酸鉛(PZT)粉末である。接着層112に含まれるセラミックス原料粉末の平均粒径Aと緩和層形成用材料42に含まれるセラミックス原料粉末の平均粒径Bとは、A>1.05Bの関係を満たしている。本例の平均粒径Aは0.5μm、平均粒径Bは0.3μmである。
ここで、接着層112と緩和層形成用材料42のように、主成分として含まれるセラミックス原料粉末が同じである場合、一般的に、その平均粒径が小さいほど焼成温度が低くなり、また焼成による収縮が始まる温度も低くなる。すなわち、緩和層形成用材料42は、接着層112(グリーンシート110)よりも焼成温度が低くなる。また、接着層112よりも、同じ焼成温度の場合に収縮が大きい材料となる。
次に、積層工程では、打ち抜き積層装置(図示略)を用いて、グリーンシート110の打ち抜き領域50を打ち抜き、図16に示すごとく、シート片52を得る。
そして、得られたシート片52を、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図17、図18に示すごとく、中間積層体100を得る。
ここで、中間積層体100の側面101、102には、側面電極形成用の側面電極材料を塗布しておく(図示略)。
そして、得られたシート片52を、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図17、図18に示すごとく、中間積層体100を得る。
ここで、中間積層体100の側面101、102には、側面電極形成用の側面電極材料を塗布しておく(図示略)。
<焼成工程>
次に、焼成工程では、焼成を行う前に、中間積層体100を加熱し、脱脂を行う。そして、脱脂後の中間積層体100に対して、焼成を行う。
次に、焼成工程では、焼成を行う前に、中間積層体100を加熱し、脱脂を行う。そして、脱脂後の中間積層体100に対して、焼成を行う。
これにより、図19〜図21に示すごとく、セラミック積層体10を得る。セラミック積層体10は、実施例1と同様に、圧電層11と内部電極層20とを交互に積層してなり、重合部108と非重合部109とを有している。また、セラミック積層体10の側面101、102には、側面電極30(図示略)が形成されている。
また、同図に示すごとく、セラミック積層体10の非重合部109には、中間積層体100に配置した緩和層形成用材料42と隣接する部分に空隙40が形成されている。これは、焼成工程において、緩和層形成用材料42が隣接する部分よりも大きく収縮したことにより形成されたものである。本例では、緩和層形成用材料42と、その直上に積層したグリーンシート110との間に、空隙40が形成されている(図20参照)。そして、空隙40を含む緩和層4が、各内部電極層20に沿って形成されている。
次に、焼成工程後は、実施例1と同様に、セラミック積層体10の側面101、102に一対の外部電極34を配設する工程を行う。
以上により、図22の積層型圧電素子を得る。
なお、その他の製造方法(用いた材料、脱脂・焼成条件等を含む)は、実施例1と同様である。
以上により、図22の積層型圧電素子を得る。
なお、その他の製造方法(用いた材料、脱脂・焼成条件等を含む)は、実施例1と同様である。
作製した積層型圧電素子1において、セラミック積層体10は、図21、図22に示すごとく、上述したように圧電層11と内部電極層20とを交互に積層してなり、電極控え構造を有している。
また、同図に示すごとく、セラミック積層体10は、重合部108と非重合部109とを有する。非重合部109には、空隙41を含む緩和層4が各内部電極層20に沿って形成されている。緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向半周において形成されている。また、緩和層4は、側面101側と側面102側とに交互に形成されている。
なお、その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
また、同図に示すごとく、セラミック積層体10は、重合部108と非重合部109とを有する。非重合部109には、空隙41を含む緩和層4が各内部電極層20に沿って形成されている。緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向半周において形成されている。また、緩和層4は、側面101側と側面102側とに交互に形成されている。
なお、その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
次に、本例の積層型圧電素子1の製造方法における作用効果について説明する。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、中間積層体形成工程において、中間積層体100の非重合部109に、緩和層形成用材料42を配置する。緩和層形成用材料42は、グリーンシートよりも温度が低い。また、グリーンシート110よりも焼成工程における収縮が大きい。このように、焼成前の中間積層体100に上記の性質を有する緩和層形成用材料42を配置することにより、焼成工程の焼成によって、緩和層形成用材料42が隣接する部分よりも大きく収縮し、空隙40が形成される。つまり、本例のように、グリーンシート110又はグリーンシート110と実質的に同材料の部分(接着層112)との間に、空隙40を形成することができる。これにより、焼成後に得られるセラミック積層体10の非重合部109に、空隙40を含む緩和層4を容易に形成することができる。すなわち、本例の製造方法により、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
本例の積層型圧電素子1の製造方法は、中間積層体形成工程において、中間積層体100の非重合部109に、緩和層形成用材料42を配置する。緩和層形成用材料42は、グリーンシートよりも温度が低い。また、グリーンシート110よりも焼成工程における収縮が大きい。このように、焼成前の中間積層体100に上記の性質を有する緩和層形成用材料42を配置することにより、焼成工程の焼成によって、緩和層形成用材料42が隣接する部分よりも大きく収縮し、空隙40が形成される。つまり、本例のように、グリーンシート110又はグリーンシート110と実質的に同材料の部分(接着層112)との間に、空隙40を形成することができる。これにより、焼成後に得られるセラミック積層体10の非重合部109に、空隙40を含む緩和層4を容易に形成することができる。すなわち、本例の製造方法により、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。
また、本例の製造方法は、実施例1と同様に、非重合部109に緩和層4を設けるのである。そのため、圧電変位によって生じる応力を、空隙40を有する緩和層4によって効果的に分散・緩和することができる。これにより、圧電変位に応じて非重合部109に応力が集中することを防ぐことができ、クラック等の発生を抑制することができる。
また、本例の製造方法により製造された積層型圧電素子1は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、本例の製造方法により製造された積層型圧電素子1は、上記の優れた効果により、長期間の使用においても高い品質・性能を維持することができる。そしてそれ故、優れた耐久性及び信頼性を有するものとなる。
また、本例では、中間積層体形成工程において、グリーンシート110を形成するシート形成工程と、非重合部109となる部分のうち、緩和層4を形成する緩和層形成部400に、緩和層形成用材料42を印刷する接着層印刷工程と、グリーンシート110を積層する積層工程とを行う。そのため、焼成後のセラミック積層体10において、緩和層形成用材料42に隣接する部分、すなわち本例における緩和層形成用材料42とグリーンシート110又は接着層112との間に、空隙40を容易かつ確実に形成することができる。
また接着層112と緩和層形成用材料42とは、主成分として含まれるセラミックス原料粉末が同じであり、接着層112に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aと緩和層形成用材料42に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bとは、A>1.05Bの関係を満たす。そのため、緩和層形成用材料42に隣接する部分に、空隙40及び空隙40を含む緩和層4を確実に形成することができる。
また、接着層112に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aは、0.5μmであり、緩和層形成用材料42に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bは、0.3μmである。そのため、焼成後のセラミック積層体10に、空隙40を充分かつ確実に形成することができる。これにより、緩和層4による応力緩和効果を充分かつ確実に発揮することができる。
このように、本例の製造方法によれば、実施例1と同様に、圧電変位によって生じる応力を緩和する構造を容易に形成することができる。そして、上記製造方法により製造された積層型圧電素子は、優れた耐久性・信頼性を有するものとなる。
なお、セラミック積層体10において、緩和層4の形成位置・形状は、中間積層体100の時点で配置する緩和層形成用材料42の位置・形状によって変化させることができる。したがって、本例では、緩和層4を各内部電極層20に沿って設けたが、3層おきの内部電極層20に沿って設けたり(図14参考)、その他様々な位置に設けたりすることができる。また、本例では、緩和層4をセラミック積層体10の外周部の周方向半周において設けたが、周方向全周において設けることもできるし、側面101、102のみに設けることもできる。
(実施例3)
本例は、実施例1の積層型圧電素子1の製造方法において、空隙40を含む緩和層4を内部電極層20間の中間位置に形成する例である。この内容について、図を用いて説明する。
本例は、実施例1の積層型圧電素子1の製造方法において、空隙40を含む緩和層4を内部電極層20間の中間位置に形成する例である。この内容について、図を用いて説明する。
本例において、電極印刷工程及び接着層印刷工程では、図23に示すごとく、内部電極層20を印刷した電極含有シート片53と緩和層4を形成するための緩和層形成シート片54の2種類のシート片を得るため、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、内部電極層20、スペーサ層111、及び接着層112の印刷を施す。
同図に示すごとく、電極含有シート片53用には、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、内部電極層20及びスペーサ層111をスクリーン印刷する。そして、内部電極層20及びスペーサ層111の上に、接着層112をスクリーン印刷する。
また、緩和層形成シート片54用には、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、接着層112をスクリーン印刷する。このとき、緩和層形成部400に、実施例1と同様の構成の非印刷部形成層41を形成する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部分109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部全体である。
また、緩和層形成シート片54用には、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、接着層112をスクリーン印刷する。このとき、緩和層形成部400に、実施例1と同様の構成の非印刷部形成層41を形成する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部分109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部全体である。
次に、積層工程では、打ち抜き積層装置(図示略)を用いて、グリーンシート110の打ち抜き領域50を打ち抜き、電極含有シート片53及び緩和層形成シート片54(図23参照)を得る。
そして、得られた両シート片53、54を交互に積層する。また、電極含有シート片53においては、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図24に示すごとく、中間積層体100を得る。
そして、得られた両シート片53、54を交互に積層する。また、電極含有シート片53においては、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図24に示すごとく、中間積層体100を得る。
次に、焼成工程では、中間積層体100に対して、脱脂・焼成を行い、図25、図26に示すごとく、セラミック積層体10を得る。
焼成工程後は、実施例1と同様の工程を行い、積層型圧電素子1を得る。
なお、その他の製造方法は、実施例1と同様である。
焼成工程後は、実施例1と同様の工程を行い、積層型圧電素子1を得る。
なお、その他の製造方法は、実施例1と同様である。
作製した積層型圧電素子1において、セラミック積層体10には、図25、図26に示すごとく、各内部電極層20間の中間位置に、空隙40を含む緩和層4が形成されている。緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向全周において形成されている。
なお、その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
なお、その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
この場合には、空隙40を含む緩和層4は、各内部電極層20間の中間位置に形成されている。また、緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向全周において形成されている。そのため、緩和層4による応力緩和効果をより一層発揮することができる。
その他は、実施例1と同様の作用効果を有する。
その他は、実施例1と同様の作用効果を有する。
なお、本例では、緩和層4を各内部電極層20間の中間位置に設けたが、図27に示すごとく、1層おきの内部電極層20間の中間位置に設けたり、その他様々な位置に設けたりすることができる。
(実施例4)
本例は、実施例2の積層型圧電素子1の製造方法において、空隙40を含む緩和層4を内部電極層20間の中間位置に形成する例である。この内容について、図を用いて説明する。
本例は、実施例2の積層型圧電素子1の製造方法において、空隙40を含む緩和層4を内部電極層20間の中間位置に形成する例である。この内容について、図を用いて説明する。
本例において、電極印刷工程及び接着層印刷工程では、図28に示すごとく、内部電極層20を印刷した電極含有シート片53と緩和層形成用材料42を印刷した緩和層形成シート片55の2種類のシート片を得るため、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、内部電極層20、スペーサ層111、接着層112、及び緩和層形成用材料42の印刷を施す。
同図に示すごとく、電極含有シート片53用には、実施例3と同様に、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、内部電極層20、スペーサ層111、及び接着層112をスクリーン印刷する。
また、緩和層形成シート片55用には、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、接着層112をスクリーン印刷すると共に、緩和層形成部400に緩和層形成用材料42をスクリーン印刷する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部分109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部全体である。
また、緩和層形成シート片55用には、グリーンシート110の打ち抜き領域50に、接着層112をスクリーン印刷すると共に、緩和層形成部400に緩和層形成用材料42をスクリーン印刷する。なお、本例の緩和層形成部400は、非重合部分109となる部分、すなわち打ち抜き領域50の外周部全体である。
次に、積層工程では、打ち抜き積層装置(図示略)を用いて、グリーンシート110の打ち抜き領域50を打ち抜き、電極含有シート片53及び緩和層形成シート片55(図28参照)を得る。
そして、得られた両シート片53、55を交互に積層する。また、電極含有シート片53においては、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図29に示すごとく、中間積層体100を得る。
そして、得られた両シート片53、55を交互に積層する。また、電極含有シート片53においては、側面に露出している内部電極層20の向きが交互になるように積層する。これにより、図29に示すごとく、中間積層体100を得る。
次に、焼成工程では、中間積層体100に対して、脱脂・焼成を行い、図30、図31に示すごとく、セラミック積層体10を得る。
焼成工程後は、実施例2と同様の工程を行い、積層型圧電素子1を得る。
なお、その他の製造方法は、実施例2と同様である。
焼成工程後は、実施例2と同様の工程を行い、積層型圧電素子1を得る。
なお、その他の製造方法は、実施例2と同様である。
作製した積層型圧電素子1において、セラミック積層体10には、図30、図31に示すごとく、各内部電極層20の間の中間位置に、空隙41を含む緩和層4が形成されている。緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向全周において形成されている。
なお、その他の基本的な構成は、実施例2と同様である。
なお、その他の基本的な構成は、実施例2と同様である。
この場合には、空隙40を含む緩和層4は、各内部電極層20間の中間位置に形成されている。また、緩和層4は、セラミック積層体10の外周部の周方向全周において形成されている。そのため、緩和層4による応力緩和効果をより一層発揮することができる。
その他は、実施例2と同様の作用効果を有する。
その他は、実施例2と同様の作用効果を有する。
なお、本例では、緩和層4を各内部電極層20間の中間位置に設けたが、1層おきの内部電極層20間の中間位置に設けたり(図27参考)、その他様々な位置に設けたりすることができる。
(実施例5)
本例は、実施例1〜4の製造方法により製造した積層型圧電素子1をインジェクタ6の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ6は、図32に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ6は、同図に示すごとく、駆動部としての積層型圧電素子1が収容される上部ハウジング62と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部64が形成される下部ハウジング63を有している。
本例は、実施例1〜4の製造方法により製造した積層型圧電素子1をインジェクタ6の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ6は、図32に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ6は、同図に示すごとく、駆動部としての積層型圧電素子1が収容される上部ハウジング62と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部64が形成される下部ハウジング63を有している。
上部ハウジング62は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴621内に、積層型圧電素子1が挿通固定されている。
縦穴621の側方には、高圧燃料通路622が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング62上側部に突出する燃料導入管623内を経て外部のコモンレール(図示略)に連通している。
縦穴621の側方には、高圧燃料通路622が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング62上側部に突出する燃料導入管623内を経て外部のコモンレール(図示略)に連通している。
上部ハウジング62上側部には、また、ドレーン通路624に連通する燃料導出管625が突設し、燃料導出管625から流出する燃料は、燃料タンク(図示略)へ戻される。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部(積層型圧電素子)1との間の隙間60を経由し、さらに、この隙間60から上下ハウジング62、63内を下方に延びる図示しない通路によって後述する3方弁651に連通してしる。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部(積層型圧電素子)1との間の隙間60を経由し、さらに、この隙間60から上下ハウジング62、63内を下方に延びる図示しない通路によって後述する3方弁651に連通してしる。
噴射ノズル部64は、ピストンボデー631内を上下方向に摺動するノズルニードル641と、ノズルニードル641によって開閉されて燃料溜まり642から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔643を備えている。燃料溜まり642は、ノズルニードル641の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路622の下端部がここに開口している。ノズルニードル641は、燃料溜まり642から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室644から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室644の圧力が降下すると、ノズルニードル641がリフトして、噴孔643が開放され、燃料噴射がなされる。
背圧室644の圧力は3方弁651によって増減される。3方弁651は、背圧室644と高圧燃料通路622、またはドレーン通路624と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路622またはドレーン通路624へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部1により、その下方に配設される大径ピストン652、油圧室653、小径ピストン654を介して、駆動される。
そして、本例においては、上記構成のインジェクタ6における駆動源として、実施例1〜4の製造方法により製造した積層型圧電素子1を用いている。この積層型圧電素子1は、上記のごとく、優れた耐久性・信頼性を有するものである。そのため、インジェクタ6全体の性能向上を図ることができる。
1 積層型圧電素子
10 セラミック積層体
100 中間積層体
108 重合部
109 非重合部
11 圧電層
110 グリーンシート
20 内部電極層
4 緩和層
40 空隙
6 インジェクタ
10 セラミック積層体
100 中間積層体
108 重合部
109 非重合部
11 圧電層
110 グリーンシート
20 内部電極層
4 緩和層
40 空隙
6 インジェクタ
Claims (13)
- 圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を配設してなる積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、予め空隙を形成しておき、上記焼成工程では、上記空隙を含む緩和層を形成することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 請求項1において、上記中間積層体形成工程は、上記グリーンシートを形成するシート形成工程と、
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷し、かつ上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、上記接着層を印刷する印刷部と印刷しない非印刷部とを設ける接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層し、該グリーンシート間に上記非印刷部よりなる上記空隙を形成する積層工程とを含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 請求項2において、上記シート形成工程後、上記グリーンシート上に上記内部電極層を印刷すると共に、該内部電極層を印刷した領域に隣接して該内部電極層と略同厚みのスペーサ層を印刷する電極印刷工程を行い、上記接着層印刷工程では、上記内部電極層及び上記スペーサ層上に上記接着層を印刷することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項2又は3において、上記接着層印刷工程では、上記非印刷部を設ける部分の面積は、同一面上における上記緩和層形成部の面積に対して20〜65%とすることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項2〜4のいずれか1項において、上記接着層印刷工程では、上記緩和層形成部に、上記印刷部として上記接着層よりなる複数のミニブロックを互いに間隔を空けて印刷すると共に、上記ミニブロック間に上記非印刷部を設けることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項5において、上記接着層印刷工程では、上記ミニブロックを規則正しく配列して印刷することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に外部電極を配設してなる積層型圧電素子を製造する方法において、
上記セラミック積層体を形成するに当たっては、上記圧電層となるグリーンシートと上記内部電極層とを交互に積層して、中間積層体を形成する中間積層体形成工程と、
上記中間積層体を焼成して、上記セラミック積層体を形成する焼成工程とを含み、
上記中間積層体形成工程では、上記中間積層体の積層方向に透視した場合に、すべての上記内部電極層が重合する領域である重合部と、少なくとも一部の上記内部電極層しか重合しない、あるいは全く重合しない領域である非重合部とを形成し、かつ該非重合部の少なくとも一部に、上記グリーンシートよりも焼成温度が低いと共に上記焼成工程における収縮が大きい緩和層形成用材料を配置し、上記焼成工程では、上記緩和層形成用材料を隣接する部分よりも大きく収縮させて形成した空隙を含む緩和層を形成することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 請求項7において、上記中間積層体形成工程は、上記グリーンシートを形成するシート形成工程と、
上記グリーンシート表面上の最上部に、該グリーンシートと同材料よりなる接着層を印刷すると共に、上記非重合部となる部分のうち、上記緩和層を形成する緩和層形成部に、上記接着層と略同厚みの上記緩和層形成用材料を印刷する接着層印刷工程と、
上記グリーンシートを積層する積層工程とを含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。 - 請求項8において、上記シート形成工程後、上記グリーンシート上に上記内部電極層を印刷すると共に、該内部電極層を印刷した領域に隣接して該内部電極層と略同厚みのスペーサ層を印刷する電極印刷工程を行い、上記接着層印刷工程では、上記内部電極層及び上記スペーサ層上に上記接着層及び上記緩和層形成用材料を印刷することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項8又は9において、上記接着層と上記緩和層形成用材料とは、主成分として含まれるセラミックス原料粉末が同じであり、上記接着層に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aと上記緩和層形成用材料に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bとは、A>1.05Bの関係を満たすことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項10において、上記接着層に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Aは、0.3〜0.8μmであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項10又は11において、上記緩和層形成用材料に含まれる上記セラミックス原料粉末の平均粒径Bは、0.1〜0.6μmであることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
- 請求項1〜12において、上記積層型圧電素子は、インジェクタの駆動源として用いられるインジェクタ用圧電アクチュエータであ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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