JPH02267976A - 積層型セラミック素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、電歪効果を有する積層型セラミック素子およ
びその製造方法に関し、さらに詳しくは、電界誘起歪の
不均一による応力集中を防止し、特にアクチュエータ等
の用途に好適に用いられる耐久性に優れた積層型セラミ
ック素子およびその製造方法に関する。

発明の技術的背景 電歪効果を有する積層型セラミック素子は、たとえばア
クチュエータ等の用途に好適に用いられる。アクチュエ
ータとして用いられる積層型セラミック素子の一例を第
４図に示す。

第４図に示す積層型セラミック素子２では、電歪効果を
有するセラミックシート４を膜状の内部電極６ａ、６ｂ
を介して積層しである。内部電極６ａ、６ｂは、縦断面
図（第４図（Ａ））から見て千鳥状に配置してあり、一
層おき毎の内部電極６ａ。

６ｂがそれぞれ共通の外部電極８ａ、８ｂに接続しであ
る。このように内部電極６ａ、６ｂおよび外部電極８ｇ
、８ｂを配置することで、外部電極８ａ、８ｂ間に電圧
を印加するとセラミックシート４に積層方向に電界が発
生し、セラミック素子２が矢印六方向に変位し、アクチ
ュエータとして機能することになる。

このような積層型セラミック素子２では、積層されるセ
ラミックシート４相互が、内部電極６ａ。

６ｂを介在しない部分１０において一体化される構造と
なっている。

しかしながら、このような従来の積層型セラミック素子
２にあっては、上下の内部電極５ａ。

６ｂが重なり合う部分１２では強い電界が印加されるが
、その他の部分１０では電界強度が弱く、この部分１０
の変位が重なり部分１２の変位に対して極めて小さいた
め、部分１２と部分１０の境界に応力集中が起り、素子
２の耐久性を低下させる虞があった。

このような不都合を解消するために、特開昭５８−１９
６０６８号、特開昭５９−１７５１７８号公報および第
５図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、膜状の内部電極６を
セラミックシート４間の全面に設け、一層おき毎の内部
電極６の端部に絶縁層１４を設け、その上から外部電極
８ａ、８ｂを形成するようにした積層型セラミック素子
２ａが開発されている。

このようなセラミック素子２ａによれば、内部電極６が
セラミックシート４間の全面に設けられているため、セ
ラミックシート４の積層方向に均一な電界が印加され、
第４図に示すようなセラミック素子２に生じる虞のある
応力集中を防止でき、素子の耐久性を向上させることが
可能になる。

ところが、第５図に示すような積層型セラミック素子２
ａにあっては、絶縁層１４を一層おき毎の内部電極６の
端部に形成する作業が煩雑であり、製造コストが高くな
るという問題点がある。また、絶縁層１４の形成が不完
全であると、創外部電極８ａ、８ｂがショートし、不良
品が発生する虞があった。

発明の目的 本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり
、電界誘起歪の不均一による応力集中の発生を防止する
ことが可能であり、特にアクチュエータ等の用途に用い
て好適な、耐久性に優れ、かつ生産性に優れた積層型セ
ラミック素子をｔｉ供することを目的としている。

発明の概要 このような目的を達成するために、本発明に係る積層型
セラミック素子は、電歪効果を有するセラミックシート
と、このセラミ、ツクシート間に積層され、端部に切欠
部を有する膜状の内部電極と、この切欠部によってセラ
ミックシート間に形成される空所と、一層おき毎の空所
を連絡するように積層方向に伸びており、しかもこの一
層おきの空所間に位置する内部電極の端部を積層方向に
一層おき毎に接続する外部電極とを有することを特徴と
している。

本発明に係る積層型セラミック素子の製造方法は、電歪
効果を有する材料を主成分とする焼成前セラミックシー
トの片面に、端部に切欠部を有する内部電極と、この切
欠部によって形成される空所予定部分とを形成した後、
この焼成前セラミックシートを前記空所予定部分が積層
方向に隣合うセラミックシート間では、ずれた位置とな
り、層おきのセラミックシート間では同じ位置となるよ
うに複数枚積層し、さらに、セラミックシートを焼成す
ると同時に、内部電極を焼き付け、セラミックシート間
の空所予定部分に空所を形成し、さらに、一層おきの空
所間に位置する内部電極の端部を積層方向に外部電極で
接続することを特徴としている。

なお、本発明において電歪効果とは、電界によって歪が
誘起される効果をいい、より具体的には、印加電界に比
例した歪を生じる逆圧電効果および／または印加電界の
２乗に比例した歪を生じる狭義の電歪効果のことをいう
。

このような本発明に係る積層型セラミック素子およびそ
の製造方法にあっては、セラミックシート間に介装され
る内部電極の端部に空所が形成され、この部分には内部
電極が存在しないことから、空所を内部電極の一層おき
毎に設け、この空所を積層方向に連絡するように外部電
極を設けることで、内部電極の端部を一層おき毎に容易
に接続することが可能である。しかも、この空所によっ
て、電界誘起歪の不均一による応力集中を防止すること
が可能になり、耐久性が向上し、アクチュエータ等の用
途に好適に用いられる。また本発明によれば、電歪効果
を利用した積層型アクチュエータ等の用途のみならず、
電歪効果以外のたとえば電気光学効果を主目的として電
歪効果をも有するセラミックの積層型素子における電界
誘起歪の不均一による応力集中をも防止する点でも有益
である。

発明の詳細な説明 以下、本発明を図面に示す実施例に基づき詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係る積層型セラミック素子
の縦断面図、第２図は同実施例で用いるセラミックシー
トの斜視図、第３図は本発明の他の実施例に係るセラミ
ックシートの斜視図である。

第１図に示す積層型セラミック素子２０は、たとえばプ
リンタヘッドやＸ−Ｙテーブル等のアクチュエータとし
て用いられる素子である。このセラミック素子２０は、
電歪効果を有するセラミックシート２２と、膜状の内部
電極２４とを有し、これらが交互に積層された構造を有
している。

膜状の内部電極２４は、たとえば第２図に示すように、
積層前のセラミックシート２２の表面に金属ペーストを
塗布することにより形成される。

内部型ＩＮ！２４を構成するための金属としては、たと
えば白金、パラジウム、銀−パラジウム、銀などが例示
される。セラミックシート２２は、積層状態で焼成され
ることから、内部電極２４を構成するための金属ペース
トとしては、セラミックスの焼成温度で焼付は可能な金
属ペーストを選択することが好ましい。なお、金属ペー
ストには、焼成後のセラミックシート２２と内部電極２
４との密着強度を向上させるために、ジルコニア粉末、
ガラス粉末、本電歪セラミックスの仮焼粉末等を混合さ
せるようにしても良い。

金属ペーストをセラミックシート２２の表面に塗布形成
する際には、第２図に示すように、内部電極２４の周縁
の一端部にたとえば半円状のペースト非塗布部分である
空所予定部分２６を設け、内部電極２４の端部に切欠部
２８を形成する。切欠部２８の形状や位置は特に限定さ
れず、たとえば第３図に示すように、セラミックシート
２２の一角部に形成するようにしても良い。

このような内部電極２４の膜厚は、特に限定されないが
、焼成後の膜厚で、好ましくは０．５〜２０μｍ１さら
に好ましくは１〜１０μｍである。

なお、金属ペーストの塗布は、スクリーン印刷法、ロー
ラー印刷法等の方法で行なうことができる。

セラミックシート２２は、Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉＯａ、３Ｎｂ
　　　）Ｏ、 ＰｂＺ　ｒＯ、、Ｐｂ　（Ｍｇ１７３　　２／３　　３
Ｐｂ（ＮＩ　　　Ｎｂ　　　）０３等を主成分とし、１
７３　　　　２／３ 焼成後に電歪効果を有する材質で構成されている。

積層して焼成する前のセラミックシート２２を製造する
には、たとえば次のようにして行なう。

まず、主成分となるセラミックスの仮焼粉末に、水を溶
媒に用いる場合には、ヒドロキシエチルセルロース、メ
チルセルロース、ポリビニルアルコール、ワックス系滑
剤、カルボキシメチルセルロース等の結合剤と、グリセ
リン、ポリアルキルグリコール、ソルビタン酸エステル
類、トリエチレングリコール、ベトリオール、ポリオー
ル等の可塑剤とを加えた後にこれらを混合し、成形前駆
体を作製する。また、エチルアルコール、メチルエチル
ケトン、ベンゼン、トルエン等の有機溶媒を用いる場合
には、前述した仮焼粉末に、ポリメチルメタクリレート
、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、セル
ロースアセテート等の結合剤と、ジブチルフタレート、
ポリエチレングリコール、グリセリン等の可塑剤とを加
えた後に、これらを混合し、・成形前駆体を作製する。

このような成形前駆体を、ドクターブレード法、押出成
形法などの方法により、所望厚さに成形し、乾燥後、所
定の形状に切断すれば、焼成前セラミックシート２２が
得られる。焼成前セラミックシート２２の膜厚は、特に
限定されないが、好ましくは０．０２〜２■講、さらに
好ましくは０．０５〜０．５關である。その後、焼成前
セラミックシート２２の表面に、第２図に示すように内
部電極２４を塗布形成するのである。

本発明では、焼成前セラミックシート２２の成形方法は
、特に限定されないが、好ましくは溶媒として水を用い
、押出成形法によりシートを得る成形方法が好ましい。

このような成形方法によれば、結合剤および／または可
塑剤の配合量を減少させることが容易であり、乾燥後に
得られるシート同士の非接着性が向上し、これらを積層
して焼成する際に、切欠部２８によって形成される空所
予定部分２６において、上下のシート２２が接着するの
を防止でき、この部分に空所３０を形成することが容易
になる。なお、有機溶媒を用いた押出成形法、または有
機溶媒もしくは水を用いたドクターブレード法によって
も、結合剤および可塑剤の種類や配合量によっては、空
所３０を形成するための非接着性セラミックシート２２
を得ることも可能である。

結合剤および可塑剤の種類や量およびセラミックシート
２２の乾燥条件は、焼成前セラミックシート２２同士を
１５０℃以下、２００ｋｇ／ｃｄ以下の条件で加圧した
場合に、引張り剪断接着強さが焼成前セラミックシート
２２自身の引張り強さの好ましくは１０％以下、特に好
ましくは５％以下となるように選ばれる。

溶媒として水を用い、押出成形法により、焼成前セラミ
ックシート２２を成形する際における、結合剤の添加量
は、仮焼粉末を１００重量部とした場合には、好ましく
は１〜１０重量部、特に好ましくは２〜５重量部である
。また、可塑剤の添加量は、好ましくは１〜１０重量部
、特に好ましくは２〜５重量部である。

このようにして成形、乾燥した後、所定の形状に切断し
た焼成前セラミックシート２２の片面には、前述したよ
うに空所予定部分２６が形成されるように端部に切欠部
２８を有する内部電極２４が形成される。次に、このよ
うに内部電極２４が形成されたセラミックシート２２を
、第２図に示す斜視図で空所予定部分２６が左右交互に
位置するように複数枚積層し、さらに熱プレスにて圧着
した後、所定の温度でセラミックシート２２を脱脂およ
び焼成すると同時に、内部電極２４を焼き付け、セラミ
ックシート２２と内部電極２４とを接着する。なお、脱
脂に先立って積層体をさらに所定の大きさに切断しても
良いが、焼成後に切断するようにしても良い。また空所
予定部分２６を必ずしも左右交互に配置する必要はなく
、積層方向に隣合うセラミックシート間ではずれた位置
となり、一層おきのセラミックシート間では同じになる
ように配置すれば良い。

このようにして積層体を焼成したとしても、切欠部２８
によって形成される空所予定部分２６においては、上下
のセラミックシート２２相互が接着せず、この部分に空
所３０が形成される。

その後、一層おき毎の空所３０を積層方向に連絡するよ
うに、しかもこの一層おきの空所３０間に位置する内部
電極２４の端部を一層おき毎に接続するように一対の外
部電極３２．３２を形成すれば、本発明に係る積層型セ
ラミック素子２０が得られる。外部電極３２．３２とし
ては、特に限定されないが、たとえば銀、ハンダ等が用
いられる。外部電極３２の形成方法も゛特に限定されな
いが、たとえば銀ペーストを積層方向に沿って塗布後焼
付ければ良い。なお外部電極３２の幅は、切欠部２８の
幅よりも小さいことが必要である。大きいと、創外部電
極３２．３２が内部電極２４を介してショートするから
である。外部電極３２にリード線３４を接続して電源３
６から電圧を加えれば、セラミック素子２０の積層方向
に電界が印加され、積層方向に変位し、アクチュエータ
等として機能することになる。

発明の詳細 な説明してきたように、本発明によれば、セラミックシ
ート間に介装される内部電極の端部に空所が形成され、
この部分には内部電極が存在しないことから、空所を内
部電極の一層おき毎に設け、この空所を積層方向に連絡
するように外部電極を設けることで、内部電極の端部を
一層おき毎に容易に接続することが可能である。しかも
、この空所によって、電界誘起歪の不均一による応力集
中を防止することが可能になり、耐久性が向上し、本発
明に係る積層型セラミック素子をアクチュエータ等の用
途に好適に用いることができる。

また本発明によれば、電歪効果を利用した積層型アクチ
ュエータ等の用途のみならず、電歪効果以外のたとえば
電気光学効果を主目的として電歪効果をも有するセラミ
ックの積層型素子における電界誘起歪の不均一による応
力集中をも防止する点でも有益である。

［実施例］ 以下、本発明をさらに具体的な実施例に基づき説明する
。

実施例ｌ ＰｂＴｉ０　５ＰｂＺｒＯ、Ｐｂ　（ＭｇＢ３Ｎｂ２１
３）０３を主成分とする電歪セラミック材料の仮焼粉末
に、水を溶媒として結合剤であるメチルセルロースと可
塑剤であるグリセリンを加えた後、よく混合し成形前駆
体を作製した。この成形前駆体を押出成形法により、厚
さ１２０μｍのグリーンシートに成形し、乾燥した。こ
れを所定の形状に切断し、その片面にスクリーン印刷法
によって銀−パラジウムペーストを塗布し、第２図に示
す様に半円状のペースト非塗布部分である空所予定部分
２６以外の場所に内部電極２４を形成した。印刷塗布し
たグリーンシートを１００枚積層し、熱プレスにより圧
着した。積層に際しては、半円状の空所予定部分２６が
積層方向に隣あうシート間では左右交互に位置し、一層
置きのシート間では同じ位置しなる様にした。得られた
積層体を５００℃で脱脂した後、１１００℃で焼成した
後、−個ずつの素子に切断した。

かくして得られた積層型焼結体の断面を走査型電子顕微
鏡で観察したところ、内部電極２４の膜厚は２〜３μｍ
であり、空所予定部分２６に高さ２〜３μｍの空所３０
が形成されていることを確認した。

次に、第２図に示す様に外部電極３２．３２を銀ペース
トを塗布焼付けることにより形成し、層おきの空所間に
位置する内部電極２４の端部を積層方向に電気的に接続
した。さらに、外部電極にリード線をハンダ付けにより
取付け、このリード線を介して所定の直流電圧を印加す
ることにより分極処理を施し、第１図に示す様な積層型
セラミック素子２０とした。

この積層型セラミック素子の寸法は、縦×横×高さ一５
ｗＸ５龍×１０龍であり、これに１００Ｖの直流電圧を
印加したところ、１１μｍの変位を示した。さらに、こ
の素子に最高電圧１００Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波電
圧パルスを連続的に印加して素子の寿命試験を行なった
ところ、電圧パルスを約１億回印加した後も、変位量の
低下はなく、素子の破壊も認められなかった。これに対
し、第４図のごとき従来型の積層素子は、同様の寿命試
験において、１万回前後の電圧パルスを印加したところ
で、素子の破壊が認められた。

したがって、本発明による積層型セラミック素子は、第
４図のごとき積層型セラミック素子と比較した場合・に
は、内部電極の端部に形成された空所によって、電界誘
起歪の不均一による応力集中を防止することができるた
め、耐久性が大幅に優れるという特徴を有している。ま
た、第５図のごとき積層型セラミック素子と比較した場
合には、絶縁層を一層おき毎に内部電極の端部に形成す
るといった作業を全く必要とせず、かつ絶縁層形成の不
備による不良品の発生といった問題を回避できるため、
簡便でかつ高い歩留まりで生産が可能であるという特徴
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る積層型セラミック素子
の縦断面図、第２図は同実施例で用いるセラミックシー
トの斜視図、第３図は本発明の他の実施例に係るセラミ
ックシートの斜視図、第４．５図は従来例に係る積層型
セラミック素子の断面図であり、（Ａ）は縦断面図、（
Ｂ）は横断面図である。 ０・・・積層型セラミック素子 ２・・・セラミックシート ６・・・空所予定部分 ０・・・空所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電歪効果を有するセラミックシートと、このセラミ
   ックシート間に積層され、端部に切欠部を有する膜状の
   内部電極と、この切欠部によってセラミックシート間に
   形成される空所と、一層おき毎の空所を連絡するように
   積層方向に伸びており、しかもこの一層おきの空所間に
   位置する内部電極の端部を積層方向に一層おき毎に接続
   する外部電極とを有する積層型セラミック素子。 ２）電歪効果を有する材料を主成分とする焼成前セラミ
   ックシートの片面に、端部に切欠部を有する内部電極と
   、この切欠部によって形成される空所予定部分とを形成
   した後、この焼成前セラミックシートを前記空所予定部
   分が積層方向に隣合うセラミックシート間では、ずれた
   位置となり、一層おきのセラミックシート間では同じ位
   置となるように複数枚積層し、さらに、セラミックシー
   トを焼成すると同時に、内部電極を焼き付け、セラミッ
   クシート間の空所予定部分に空所を形成し、さらに、一
   層おきの空所間に位置する内部電極の端部を積層方向に
   外部電極で接続することを特徴とする積層型セラミック
   素子の製造方法。