JPH08222779A

JPH08222779A - 圧電素子の製造方法

Info

Publication number: JPH08222779A
Application number: JP7025685A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kawabata; 勉川畑; Hidetoshi Shimura; 秀敏志村; Koichi Sakurai; 幸一桜井
Original assignee: Star Micronics Co Ltd
Current assignee: Star Micronics Co Ltd
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】積層グリーンシートを接合して焼成する際
に、せん断加工に起因するだれやかえり等の欠陥を容易
に解消できる圧電素子の製造方法を提供する。【構成】せん断加工によって窓３１が形成された基板
部３０を圧電活性部２１の上面および下面に密着させ等
方圧プレスを行うと、積層グリーンシートが得られる。
次に、積層グリーンシート全体を焼結可能なペーストの
中に浸漬したり、または全体に該ペーストを塗布するこ
とによって、表面全体に均一なペーストコートが形成さ
れ、特に接合部の欠陥にペーストが充填される。その
後、焼成工程を経由することによって、基板部３０およ
び圧電活性部２１のグリーンシートがセラミックに変化
するとともに、表面にコートされたペースト４２も焼結
して固化し、くびれが埋まるように滑らかな表面が形成
される。次に、電極付け工程およびカット工程を経る
と、導通不良の無い圧電素子が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック粉末をバイ
ンダで混練して成るグリーンシートを積層し焼結して得
られる圧電素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、積層セラミック製品の一例を示
す分解斜視図である。この積層セラミック製品は圧電素
子を切り出す前の中間製品であり、ＰＺＴシートが多数
積層され、各層間に内部電極が形成された圧電活性部１
と、同様にＰＺＴシートが多数積層された２枚の基板部
２とが互いに密着して構成され、その後焼成することに
よって硬化したセラミック製品になる。なお、基板部２
の中央付近には、貫通した窓３が予め形成されている。

【０００３】図９は、基板部２の窓３を打抜く様子を示
す工程図である。まず図９（ａ）において、金型の下刃
（ダイ）６の上に基板部２を乗載して、下刃６に対して
所定クリアランスを持つ上刃（パンチ）４および押え５
を下降する。次に図９（ｂ）では押え５が基板部２を押
圧して固定し、図９（ｃ）では上刃４が基板部２と接触
して塑性変形が始まり、図９（ｄ）では上刃４が基板部
２に食い込んで、上刃４と接触した部分が下刃６の下穴
に押し出され、図９（ｅ）では上刃４と接触した部分が
破断する。こうして基板部２に窓３を形成している。

【０００４】図１０は、基板部２の窓３の形状を示す断
面図である。窓３の切口を見ると、上面から順番に、塑
性変形の段階で生じただれ７と、食い込み段階で生じた
せん断面８と、破断の段階で生じた破断面９およびかえ
り１０の各部分に分かれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】基板部２に窓を形成す
る場合、金型によるせん断加工を用いると、図１０に示
すように、基板部２の下面にかえり１０が発生してしま
う。かえり１０が生じた基板部２をそのまま圧電活性部
１に密着させると、かえり１０が圧電活性部１に食い込
んでしまう。この状態で焼成すると、図１１（ａ）に示
すように、かえり１０が接触した圧電活性部１の表面に
凹みが発生する。その後、図１１（ｂ）に示すように、
蒸着やスパッタリングを用いて、基板部２の表面および
端面ならびに圧電活性部１の表面に外部電極１１を形成
すると、段差部分に外部電極１１が形成されず、導通不
良の欠陥が発生してしまう。

【０００６】本発明の目的は、積層グリーンシートを接
合して焼成する際に、せん断加工で生ずるだれやかえり
等が原因となって電極導通不良などの欠陥が発生するの
を容易にかつ確実に解消できる圧電素子の製造方法を提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、積層した第１
および第２のグリーンシートを用意する工程と、第１の
グリーンシートにせん断加工を行う工程と、第１のグリ
ーンシートと第２のグリーンシートとを接合する工程
と、接合したグリーンシート基板を焼結可能なペースト
で浸漬または塗布する工程と、ペーストがコートされた
グリーンシート基板を焼成する工程と、焼成によって得
られた積層セラミックの表面に電極を形成する工程とを
含むことを特徴とする圧電素子の製造方法である。また本発明は、焼結可能なペーストの粘度が、５００〜
３５００ｃｐｓ（センチポアズ）の範囲内であることを
特徴とする。また本発明は、焼結可能なペーストは、第１および第２
グリーンシートと同一材料から成るペーストであること
を特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、せん断加工された第１のグリ
ーンシートを第２のグリーンシートに接合してグリーン
シート基板を形成し、このグリーンシート基板を焼結可
能なペーストの中に浸漬したり、または基板全体に該ペ
ーストを塗布したりすることによって、厚さの均一なペ
ーストが基板表面に薄くコートされる。これによって基
板の表面形状が滑らかになり、特にせん断加工によって
発生しただれ、かえり等の欠陥にペーストが充填され、
接合部に生じたくびれが解消される。また、発生したく
びれを１つずつ補修する場合と比べて、浸漬または塗布
の方が迅速に補修できるため、作業効率が格段に向上す
る。その後、ペーストがコートされたグリーンシート基
板を焼成することによって、接合部に欠陥の無い積層セ
ラミックが得られる。その後、接合部を含む表面に電極
を形成すると、接合部での導通が確実に得られ、所望形
状にカットすると圧電素子が得られる。

【０００９】なお、本明細書で使用する「せん断加工」
とは、ａ）板材を直線または曲線に沿って切断する狭義
の「せん断」、ｂ）板材を上刃および下刃で打抜いて、
所定形状の製品に切り取る「打抜き」、ｃ）板材を上刃
および下刃で打抜いて、所定形状の穴を形成する「穴あ
け」を含む広義の概念である。

【００１０】また、焼結可能なペーストの粘度が、５０
０〜３５００ｃｐｓ（センチポアズ）の範囲内であるこ
とが好ましい。ペーストの粘度が５００ｃｐｓより小さ
いと、ペーストの厚さが薄くなり過ぎるため、ペースト
が破断面の段差を覆いきれずに、焼成後の表面が粗くな
って電極付けの際に不良率が増加する。逆に、ペースト
の粘度が３５００ｃｐｓより大きいと、ペースト自身で
固まる傾向となるため、基板の窓の部分でだれが発生し
て表面形状が凹凸になったり、接合部での充填が不均一
になる。そこで、グリーンシート基板に対してなじみが
良く、適度な表面張力となるように、５００〜３５００
ｃｐｓの粘度が選ばれる。

【００１１】また、焼結可能なペーストは、第１および
第２グリーンシートと同一材料から成るペーストである
ことによって、焼成後の密着強度が向上する。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明を適用して得られる圧電素子
を示す斜視図である。圧電素子２０は、電圧印加によっ
て伸縮する圧電活性部２１と、圧電活性部２１を両側か
ら保持する基板部３０と、圧電活性部２１の内部電極２
３、２４と電気的に接続された外部電極３２、３３など
で構成される。

【００１３】圧電活性部２１は、ＰＺＴシートが多数積
層されて構成され、各層間に内部電極２３、２４が交互
に形成される。基板部３０は、同様にＰＺＴシートが多
数積層されて構成される。こうした圧電活性部２１およ
び基板部３０は互いに密着した後、焼成によって硬化し
一体化する。その後、蒸着やスパッタリングを用いて、
圧電活性部２１および基板部３０の表面および端面に外
部電極３２、３３を形成している。圧電活性部２１の先
側端面（図１の左方）には内部電極２４が露出してお
り、外部電極３２と接続している。また、圧電活性部２
１の後側端面（図１の右方）には内部電極２３が露出し
ており、外部電極３３と接続される。

【００１４】次に圧電素子２０の動作について説明す
る。外部電極３２、３３に電圧を印加すると、内部電極
２３と内部電極２４との間に電界が発生し、圧電活性部
２１のＰＺＴ層は厚さ方向に分極し、圧電効果によって
応力が発生する。応力は圧電活性部２１に厚さ方向の縦
ひずみを発生させ、さらにポアソン比に応じた横ひずみ
を圧電素子２０の長手方向に発生する。そこで、圧電素
子２０の後側を固定すると、先端が印加電圧に応じて直
線変位することになる。こうして電気信号を機械的変位
に変換する圧電素子２０が得られる。

【００１５】図２は、圧電素子２０の製造方法を示す工
程図である。まず工程Ｓ１において、ＰＺＴ粉末、バイ
ンダ、可塑剤、分散剤、界面活性剤、消泡剤、純水等を
所定比率で混合してスラリー状のグリーンシート原料を
調合する。次に工程Ｓ２では、スラリー状の原料を移動
するＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの
上に載せて、ブレードを用いて厚さ２６〜２７μｍ程度
に均一に延ばしてグリーンシートを成型し、その後グリ
ーンシートとＰＥＴフィルムとを剥離してそれぞれロー
ル状に巻き取る。

【００１６】ここから圧電活性部２１の工程Ｓ３〜Ｓ７
と、基板部３０の工程Ｓ８〜Ｓ１２とに分かれる。工程
Ｓ３において、ロール状に巻き取られたグリーンシート
を解きつつ、たとえば１００ｍｍ×９０ｍｍの寸法に裁
断し、工程Ｓ４で裁断シートに透過光を照射して、ピン
ホールや異物等の欠陥の有無を検査して、不良シートを
除去する。工程Ｓ５では、図１の内部電極２３、２４の
形状に対応した２種類の印刷パターンを用いて、裁断シ
ート上に電極ペーストをスクリーン印刷し、工程Ｓ６で
室温で２分間放置してインク表面を滑らかにするレベリ
ングを行い、温度６０℃で４分間放置して乾燥させる。
こうして得られた２種類の電極パターンが印刷されたシ
ートを交互に合計１９枚積層し、さらに印刷無しのシー
トを２枚ずつ両側に積層して、圧電活性部２１の焼成前
の積層グリーンシートを得る。

【００１７】一方、工程Ｓ８〜Ｓ９では、工程Ｓ３〜Ｓ
４と同様に、ロール状のグリーンシートを解きつつ所定
寸法に裁断した後、欠陥検査を行う。工程Ｓ１０では、
裁断シートを１４枚積層した後、塩化ビニル樹脂製の袋
に収納して真空引きを約１００秒間行って密閉し、さら
に別の袋に収納して真空引きを約３０秒間行って密閉
し、耐水性向上のため２重袋構造の真空パックを施す。
工程Ｓ１１では、ＷＩＬ（温水静水圧ラミネート）装置
を用いて、真空パック状態の積層グリーンシートを水等
の液体で充たされた高圧容器内に投入し、温度６０℃、
静水圧５００ｋｇ／ｃｍ² 、圧力保持時間５分間の条件
で等方圧プレスを施す。この等方圧プレスはパスカルの
原理を利用したもので、両側から挟む方式の機械的プレ
スと比べて、表面形状に凹凸があっても印加圧力の大き
さおよび方向が均一になるため、積層グリーンシートの
密着性を格段に向上させることができる。次に工程Ｓ１
２で真空パックを開封し、積層グリーンシートを金型に
セットし、打抜きによるせん断加工を行って、基板部３
０に窓を形成する。

【００１８】次に工程Ｓ１３において、工程Ｓ７で得ら
れた圧電活性部２１用の積層グリーンシートの両面に工
程Ｓ１２で得られた基板部３０用の積層グリーンシート
を配置し、治具を用いて相互に位置決めし、水系グルー
を塗布して、温度４０℃、圧力４０ｋｇ／ｃｍ² 、プレ
ス時間５秒間の条件でプレスし、積層グリーンシート同
士を仮圧着する。

【００１９】図３は工程Ｓ１３で得られる積層グリーン
シートの分解断面図であり、図４はその平面図である。
内部電極２３が印刷されたＰＺＴシート２２と内部電極
２４が印刷されたＰＺＴシート２２とを交互に積層して
圧電活性部２１を構成し、さらに圧電活性部２１の上面
および下面には窓３１が形成された基板部３０を密着さ
せる。基板部３０には８×６個の窓３１が形成され、図
１に示す圧電素子２０の先端同士および後端同士が連設
するように配置される。窓３１の領域では内部電極２
３、２４同士が重なるように印刷しており、焼成後は内
部電極２３、２４で挟またれ部分が圧電動作を行う。な
お、全体の厚さを均一化するため、窓３１以外の幅広部
分でも内部電極２３、２４同士を重ねているが、この部
分は内部電界が印加されず圧電動作を行わない。

【００２０】図２に戻って、工程Ｓ１４では、工程Ｓ１
０と同様な２重袋構造の真空パックを施し、工程Ｓ１５
でＷＩＬ装置に投入し、温度６５℃の温浴に２０分間放
置し、さらに温度６０℃のＷＩＬ装置容器内に２分間放
置した後、温度６０℃、静水圧１０００ｋｇ／ｃｍ² 、
圧力保持時間２０分間の条件で等方圧プレスを施す。

【００２１】次に工程Ｓ１６において、圧電活性部２１
と基板部３０との接合部に発生したくびれを補修するた
め、積層グリーンシート全体を焼結可能なペーストの中
に浸漬したり、または全体に該ペーストを塗布する。そ
の後、工程Ｓ１７で表面にコートされたペーストを乾燥
させる。

【００２２】次に工程Ｓ１８で、積層グリーンシートを
ＭｇＯから成るセッター基板で挟んだ後、温度５００℃
で１．５時間加熱して、グリーンシート内のバインダを
気化させる仮焼を行って、工程Ｓ１９で温度１１５５℃
で３時間加熱して焼成する本焼を行うと、厚さ１ｍｍ程
度の積層セラミックが得られる。

【００２３】次に工程Ｓ２０において、積層セラミック
をシリコンウエハにワックスで固定し、ダイシングソー
を用いて所定形状に切断する。

【００２４】図５（ａ）は、工程Ｓ２０で切断された積
層セラミックの平面図である。図４に示す窓３１の配列
において、窓３１以外の幅狭部分および幅広部分の中心
を切断すると、図５（ａ）に示す８個の窓３１を有する
形状が得られ、幅狭部分が圧電素子２０の先端に対応
し、幅広部分が圧電素子２０の後端に対応する。

【００２５】図２に戻って、工程Ｓ２１では、切断され
た積層セラミックの表面を研磨した後、内部電極２３、
２４が露出するように端面を研磨する。工程Ｓ２２で積
層セラミックをクロロセン溶媒で超音波洗浄および蒸気
洗浄を行ってワックスを除去し、さらに工程Ｓ２３で界
面活性剤、純水、イソプロピルアルコールなどを用いて
超音波洗浄を行ってから充分に乾燥させる。

【００２６】次に工程Ｓ２４で積層セラミックをマスキ
ング治具に収納した後、蒸着やスパッタリング等を用い
て、Ｃｒ（厚さ０．２μｍ）、Ｎｉ（厚さ０．４μ
ｍ）、Ａｕ（厚さ０．２μｍ）の順で成膜し、図５
（ｂ）に示すような外部電極３２、３３を形成する。工
程Ｓ２５で図５（ｂ）の積層セラミックを８個に分割し
て、図５（ｃ）に示すように、窓３１が１つの積層セラ
ミックにカットして、さらに幅８０μｍ程度にカットす
ると、図１に示す圧電素子２０が多数得られる。

【００２７】図６は、工程Ｓ１６、Ｓ１７の一例を示す
工程図である。工程Ｓ１５において、せん断加工によっ
て窓３１が形成された基板部３０を圧電活性部２１の上
面および下面に密着させ、ＷＩＬ装置による等方圧プレ
スを行うと、グリーンシートの積層物が得られる。この
とき、基板部３０と圧電活性部２１の接合部において、
せん断加工のかえりに起因するくびれが発生する。そこ
で、図６（ａ）に示すように、等方圧プレスで得られた
積層グリーンシート４０をワイヤで吊り下げて、焼結可
能なペースト４２の中に徐々に降下させて、図６（ｂ）
に示すように、完全に浸漬させる。その後、図６（ｃ）
に示すように、積層グリーンシート４０を徐々に引き上
げながら、エアードライヤ等を用いて表面に残留した余
分なペーストを吹き飛ばして、図６（ｄ）に示すよう
に、オーブン等の加熱乾燥炉４３に投入して温度６０℃
程度に加熱して乾燥させる。こうして図７に示すよう
に、厚さの均一なペースト４２を積層グリーンシート４
０表面に薄くコートすることができ、特にせん断加工に
よって発生しただれ、かえり等の欠陥にペースト４２が
充填され、接合部に生じたくびれが解消される。

【００２８】ここで、ペースト４２として、ＰＺＴペー
ストやガラスペーストなど焼結可能なものが選ばれる
が、圧電活性部２１および基板部３０と同一材料から成
るペースト、たとえばＰＺＴペーストであることが好ま
しく、これによって焼成後の密着強度を向上させること
ができる。

【００２９】また、積層グリーンシート４０の表面形状
を滑らかに形成するためには、ペースト４２の粘度は、
５００〜３５００ｃｐｓ（センチポアズ）の範囲内であ
ることが好ましい。

【００３０】また、ここでは積層グリーンシート４０を
ペースト４２中に浸漬する例を示したが、ふで、はけ、
ブラシ等を用いて全体塗布してもよく、またペースト４
２をスプレー状に全面に吹き付け塗布してもよく、余分
なペーストを高圧エアで吹き飛ばすことによって、均一
なペーストコートを得ることができる。

【００３１】その後、工程Ｓ１８の仮焼、工程Ｓ１９の
本焼を経由することによって、基板部３０および圧電活
性部２１の積層グリーンシートがセラミックに変化する
とともに、表面全体に塗布したペースト４２も焼結して
固化し、くびれが埋まるように滑らかな表面が形成され
る。次に、工程Ｓ２４において、図５（ｂ）に示すよう
な外部電極３２、３３を形成すると、ペースト４２が焼
結した部分の表面に電極が形成され、窓３１の段差部で
の導通不良を防止できる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、厚
さの均一なペーストを表面全体に薄くコートできるた
め、グリーンシート基板の表面形状が滑らかになり、特
にせん断加工によって発生した欠陥にペーストが充填さ
れて、接合部に生じたくびれを解消できる。したがっ
て、基板焼成後は接合部に欠陥の無い積層セラミックが
得られ、積層セラミック表面に電極を形成した場合、接
合部での導通不良を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して得られる圧電素子を示す斜視
図である。

【図２】圧電素子２０の製造方法を示す工程図である。

【図３】工程Ｓ１３で得られる積層グリーンシートの分
解断面図である。

【図４】工程Ｓ１３で得られる積層グリーンシートの平
面図である。

【図５】図５（ａ）は工程Ｓ２０で切断された積層セラ
ミックの平面図であり、図５（ｂ）は工程Ｓ２４で外部
電極３２、３３を形成した状態の平面図であり、図５
（ｃ）は工程Ｓ２５でカットした状態の平面図である。

【図６】工程Ｓ１６、Ｓ１７の一例を示す工程図であ
る。

【図７】工程Ｓ１７で得られる積層グリーンシートの部
分断面図である。

【図８】積層セラミック製品の一例を示す分解斜視図で
ある。

【図９】図８の基板部２の窓３を打抜く様子を示す工程
図である。

【図１０】基板部２の窓３の形状を示す断面図である。

【図１１】図１１（ａ）は基板部２と圧電活性部１との
密着部分を示す拡大図であり、図１１（ｂ）は外部電極
１１の欠陥を示す拡大図である。

【符号の説明】

２０圧電素子２１圧電活性部２２ＰＺＴシート２３、２４内部電極３０基板部３１窓３２、３３外部電極４２ペースト４３加熱乾燥炉

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層した第１および第２のグリーンシー
トを用意する工程と、第１のグリーンシートにせん断加工を行う工程と、第１のグリーンシートと第２のグリーンシートとを接合
する工程と、接合したグリーンシート基板を焼結可能なペーストで浸
漬または塗布する工程と、ペーストがコートされたグリーンシート基板を焼成する
工程と、焼成によって得られた積層セラミックの表面に電極を形
成する工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方
法。
【請求項２】焼結可能なペーストの粘度が、５００〜
３５００ｃｐｓ（センチポアズ）の範囲内であることを
特徴とする請求項１記載の圧電素子の製造方法。
【請求項３】焼結可能なペーストは、第１および第２
グリーンシートと同一材料から成るペーストであること
を特徴とする請求項１記載の圧電素子の製造方法。