JPH09153649A - 積層型圧電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型圧電素子の製造における工程数を減ら
して、製造を簡略化させる。 【解決手段】 内部電極を形成した圧電セラミックグリ
ーンシートを、端部をずらして交互に積み重ねた積層体
を形成する工程と、積層体を焼成し一体化する工程と、
一体化した積層体の両端部に絶縁体を形成する工程と、
積層体の両端部を、交互に積み重ねた内部電極の一端が
交互に現れる位置で切断する工程と、切断した面の端部
に露出した内部電極と接続する一対の外部電極を形成す
る工程とを採って積層型圧電素子を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電材料の膜を積
層してなる例えば積層型圧電アクチュエータや積層型圧
電トランス等の積層型圧電素子の製造方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】積層型圧電素子の製造方法の一つとし
て、圧電セラミックグリーンシートの表面に内部電極の
層を形成し、それを多数枚積層した後に焼成して一体化
するとともに、一体化した積層体の内部電極を一層おき
に交互に接続して外部電極とする製造方法がある。

【０００３】ここで、積層体の内部電極を一層おきに交
互に接続する方法として、多くの方法が考えられてい
る。例えば、最も簡便な方法として次に示すような方法
がある。

【０００４】図１１に圧電素子の概略断面図を示すよう
に、圧電セラミックグリーンシート１０１の片面に、そ
の端部に余白を残して内部電極１０２をパターニングし
て形成し、この圧電セラミックグリーンシート１０１を
面内で交互に１８０度回転させて積み重ね、最上層は内
部電極１０２が形成されない圧電セラミックグリーンシ
ートとし、これを焼成して一体化した積層体１００を作
製する。このとき積層体１００の両側面には一層おきに
内部電極１０２が露出しており、両側面１００ａおよび
１００ｂでちょうど１層分ずれている。この積層体１０
０の両側面１００ａ，１００ｂにそれぞれ露出した内部
電極１０２と接続する外部電極１０３を設けることで積
層型圧電・電歪素子１１０を完成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法により積層型圧電・電歪素子を作製すると、積層体
の端部に内部電極１０２の重合しない部分ａが形成さ
れ、この部分ａは圧電効果による変位が生じないため、
内部電極１０２が重合し圧電効果による変位を生じる部
分ｂとの間に大きな応力歪みを生じて素子に応力破壊が
生じる。これを防止するためには素子に加える駆動電界
強度を低く抑えなければならず、素子の圧電効果を充分
に引き出すことができない。

【０００６】上述の問題点を解決する方法として、例え
ばスリットを形成して応力を分散させる方法や、内部電
極と外部電極との接続方法を工夫する方法が考えられて
いる。

【０００７】前者のスリットを形成する方法は、例えば
図１２に圧電素子の概略断面図を示すように、内部電極
１０２が端部までパターニングされた圧電セラミックグ
リーンシート１０１を積層一体化した後に、積層体の側
面に一層おきに、両側面に交互に機械加工によりスリッ
ト１０５を形成し、このスリット１０５に絶縁物１０４
を埋設した後、外部電極１０３を設けて積層体１００内
の内部電極１０２と接合することにより、積層型圧電・
電歪素子１１０を形成するもので、切削および絶縁体埋
設の工程に多大な工程数を必要とする。

【０００８】後者の方法は、例えば図１３に圧電素子の
概略断面図を示すように、内部電極１０２が端部までパ
ターニングされた圧電セラミックグリーンシート１０１
を積層一体化した後に、電気泳動法の操作により積層体
の側面で一層おきに内部電極１０２を被覆する絶縁物１
０４を設け、側面に露出する内部電極１０２が両側面で
異なるようにして外部電極１０３に接続することによ
り、積層型圧電・電歪素子１１０を形成するもので、こ
の場合も電気泳動法による絶縁物の形成工程に多大な工
程数を必要とする。

【０００９】本発明は上述の点に鑑み、上述の従来方法
の欠点を解消し、製造を簡略化することができる積層型
圧電素子の製造方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電素子
の製法は、内部電極を形成した圧電セラミックグリーン
シートを、端部をずらして交互に積み重ねた積層体を形
成する工程と、積層体を焼成し一体化する工程と、一体
化した積層体の両端部に絶縁体を形成する工程と、積層
体の両端部を、交互に積み重ねた内部電極の一端が交互
に現れる位置で切断する工程と、切断した面の端部に露
出した内部電極と接続する一対の外部電極を形成する工
程とを有するものである。

【００１１】また、本発明の他の積層型圧電素子の製法
は、内部電極を形成した圧電セラミックグリーンシート
を端部をずらして交互に積み重ねた一次積層素体と、圧
電セラミックグリーンシートからなる二次積層素体とを
積層してなる積層体を形成する工程と、積層体を焼成し
一体化する工程と、一体化した積層体の両端部に絶縁体
を形成する工程と、積層体の両端部を、交互に積み重ね
た内部電極の一端が交互に現れる位置で切断する工程
と、一次積層素体の切断面の端部に露出した内部電極を
接続する一対の一次外部電極を形成する工程と、二次積
層素体の切断面に、端部に露出した内部電極及び、二次
積層素体の下面に形成された導電体にそれぞれ接続する
一対の二次外部電極を形成する工程とを有するものであ
る。

【００１２】上述の本発明の製造方法によれば、製造工
程の工程数を少なくして、積層型圧電素子、例えば積層
型圧電アクチュエータ、積層型圧電トランス等の製造方
法を簡略化することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係る積層型圧電素子の製造方法の実施例について説明す
る。

【００１４】図１は、本発明製法を適用して作製した積
層型圧電アクチュエータ素子の一例の概略断面図を示
す。この圧電アクチュエータ素子１９は、図中縦方向に
積層された複数の圧電効果を示すセラミックシート３
と、各セラミックシート３の両面に配置された内部電極
６により構成され、これらの内部電極６に通電すること
で各セラミックシート３が圧電効果により厚み方向に変
位する素子である。

【００１５】そして、本例の圧電アクチュエータ素子１
９は、内部電極６を有する各セラミックシート３が交互
にずれるように積層されて、その両端部のそれぞれ交互
に形成された凹部内に絶縁体１４が埋め込まれ、この複
数の絶縁体１４により外部電極１８が内部電極６とアク
チュエータ素子１９の端部において一つおきに接続され
る。また、外部電極１８は圧電アクチュエータ素子１９
の両端部で内部電極６と互い違いに接続される。従って
両端の外部電極１８に電圧を印加することでセラミック
シート３に電界を印加することができ、これにより圧電
アクチュエータ素子１９は積層方向で変位する。

【００１６】次に、本発明製法によるこの圧電アクチュ
エータ素子１９の製造方法について説明する。まず、チ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラ
ミックを所望の組成に混合した後、８００から８５０℃
の温度で仮焼成し、その後粉砕処理して微粉末とし、こ
れにバインダーと微量の可塑剤および消泡剤を添加し、
有機溶媒中に分散させてスラリーとする。このスラリー
をドクターブレード法により所定の厚さに塗布し、セラ
ミックグリーンシート２を作製する。次に、このセラミ
ックグリーンシート２の片面に内部電極６として高耐熱
性の導電ペースト例えばＡｇ−Ｐｄペーストをスクリー
ン印刷して、セラミックシート部材１０を作製する。

【００１７】このセラミックシート部材１０を所定の形
状に打ち抜いた後に、図２に示すように、これを一枚お
きに端をずらして所定の枚数積層させ、最上層には内部
電極６が形成されていないセラミックグリーンシート２
を配して、これを熱間プレスにより一体化させる。さら
にこれを４００〜５００℃で加熱して脱脂を行った後、
１１００〜１２００℃で燒結を行い、ブロック状の積層
体１１を作製する。図３に、この積層体１１の側面図を
示す。図３は図２のＳの方向から見た側面図である。

【００１８】次に、図４に示すように、互い違いに積み
重ねられた積層体１１の両端部に絶縁体１４を形成し、
その後、交互に積み重ねた内部電極６の一端が積層体１
１の端部に露出するような位置、すなわち図中Ａ−
Ａ′、Ｂ−Ｂ′において切断する。

【００１９】絶縁体１４としては、樹脂、ガラス、ある
いはセラミックを用いることができるが、圧電セラミッ
クが変位するときに絶縁体１４の周辺に過大な応力が集
中するため、この絶縁体１４には変形しやすいもの、あ
るいは圧電セラミックよりも強度が弱いものが好まし
い。これにより変形に伴う応力を分散し圧電セラミック
の破壊を防止することができる。

【００２０】絶縁体１４の形成は、例えば粘度の低い状
態で塗布したり、ゾルゲル法やパウダービームデポジシ
ョン法、あるいは特に互い違いに積み重ねられることに
よって端部に形成される凹部が狭小である場合には真空
薄膜形成法などにより積層体１１の端部の凹部に形成さ
れる。

【００２１】この後、図５に示すように、切断面に導電
体を塗布して、一対の外部電極１８（１８ａ，１８ｂ）
を形成し、切断面に露出した内部電極６と接続する。こ
のとき内部電極６は一枚毎にずらして積層されているた
め、一対の外部電極１８ａ，１８ｂに一枚毎に交互に接
続されることになる。

【００２２】さらに、一対の外部電極１８ａ，１８ｂに
直流電圧を印加して１２０℃のシリコンオイル中で、約
３０分間の加熱して分極処理をすることにより、図１に
示す目的の積層型の圧電アクチュエータ素子１９が完成
する。

【００２３】次に本発明製法を昇圧用縦型圧電トランス
（積層型圧電トランス）の製造に適用した場合について
説明する。

【００２４】図６は、本発明製法を適用して作製した昇
圧用縦型圧電トランスの一例の概略断面図を示す。図６
に示すこの圧電トランス素子２９は、縦方向に積層され
た複数の圧電効果を示すセラミックシート１３と各セラ
ミックシート１３の両面に配置された内部電極１６によ
り構成された積層素体（一次側）２３と圧電セラミック
１７が形成されてなる積層素体（二次側）２４とが２つ
連結一体化されてなる。

【００２５】一次側の積層素体２３は、セラミックシー
ト１３とその主面に形成された内部電極１６を介して積
層され、各セラミックシート１３が端部を互いにずらし
て積層されて、セラミックシート１３が後退している側
の端部には絶縁体２２が形成されてなる。そして、積層
素体２３の両側面に外部電極２８（２８ａ，２８ｂ）
が、露出した内部電極１６と接続するように絶縁体２２
とセラミックシート１３とに亘って形成されている。

【００２６】二次側の積層素体２４は、最上部の上面に
内部電極１６が形成され、最上部の一方の端部に絶縁体
２２が形成された圧電セラミック１７からなり、さらに
外部電極３０ａが内部電極１６に接続し、また圧電セラ
ミックの下面に形成した導電層２５に接続する外部電極
３０ｂが形成されてなる。尚、圧電セラミックの下面の
導電層２５は、内部電極１６で形成することもできる。

【００２７】この圧電トランス素子２９では、一方の積
層素体（一次側）２３の内部電極１６に外部電極２８ａ
および２８ｂを通じて交流電圧を印加することにより、
各セラミックシート１３が圧電効果により厚み縦振動を
発生し、このとき印加した交流電圧の周波数が圧電トラ
ンス素子２９の厚み縦振動の共振周波数の近傍の場合に
は、もう一方の積層素体（二次側）２４でも比較的大き
な機械歪みが得られ、一次側とは逆に圧電効果により外
部電極３０ａおよび３０ｂ間に交流電圧が発生する。

【００２８】この積層型圧電トランス素子２９において
は、圧電トランス素子２９の側面に埋め込まれた複数の
絶縁体２２により、一次側の外部電極２８（２８ａ，２
８ｂ）は素子の両端部で内部電極１６と互い違いに接続
されており、したがって両端の外部電極２８ａおよび２
８ｂに交流電圧を印加することによりセラミックシート
１３に交流電界を印加することができ、これにより積層
方向での機械信号を与えることができる。

【００２９】次に、本発明製法による、この圧電トラン
ス素子の製造方法について説明する。まず、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミックを
所望の組成に混合した後、８００から８５０℃の温度で
仮焼成し、その後粉砕処理して微粉末とし、これにバイ
ンダーと微量の可塑剤および消泡剤を添加し、有機溶媒
中に分散させてスラリーとする。このスラリーをドクタ
ーブレード法により所定の厚さに塗布しセラミックグリ
ーンシート１２を作製する。このセラミックグリーンシ
ート１２の片面に内部電極１６として高耐熱性の導電ペ
ースト、例えばＡｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印刷し
て、セラミックシート部材２０を作製する。

【００３０】このセラミックシート部材２０を所定の形
状に打ち抜いた後に、図７に示すように、このセラミッ
クシート部材２０を一枚おきに端をずらして所定の枚数
積層させ、最上層には内部電極１６が形成されたセラミ
ックグリーンシート１２を配して、一次側積層素体２３
を得る。さらに、１枚のセラミックシート部材２０とそ
の下に複数のセラミックグリーンシート１２とを積層
し、二次側積層素体２４を得る。これら一次側積層素体
２３と二次側積層素体２４とを重ね合わせて、これを熱
間プレスにより連結一体化させる。さらにこれを４００
〜５００℃で加熱して脱脂を行った後、１１００〜１２
００℃で燒結を行い、ブロック状の積層体２１を作製す
る。図８に、この積層体２１の断面図を示す。この図８
は図７のＳの方向から見た断面図である。このとき二次
側の積層素体２４では、セラミックグリーンシート１２
が間に内部電極１６を介さずに積層されているため、燒
結により積層したセラミックグリーンシート１２が一体
化して圧電セラミック１７となる。

【００３１】次に、図９に示すように、互い違いに積み
重ねられた積層体２１の両端部に絶縁体２２を形成し、
その後、交互に積み重ねた内部電極１６の一端が積層体
２１の端部に露出するような位置、すなわち図中Ａ−
Ａ′、Ｂ−Ｂ′において切断する。

【００３２】絶縁体２２としては、樹脂、ガラス、ある
いはセラミックを用いることができるが、圧電セラミッ
クが変位するときに絶縁体２２の周辺に過大な応力が集
中するため、この絶縁体２２には変形しやすいもの、あ
るいは圧電セラミックよりも強度が弱いものが好まし
く、また機械振動によりセラミックが１２０〜１８０℃
程度まで温度上昇するために耐熱性も要求される。これ
により変形に伴う応力を分散し圧電セラミックの破壊を
防止することができる。

【００３３】絶縁体２２の形成は、例えば粘度の低い状
態で塗布したり、ゾルゲル法やパウダービームデポジシ
ョン法、あるいは特に互い違いに積層されることによっ
て端部に形成される凹部が狭小である場合には真空薄膜
形成法などにより積層体端部の凹部に形成される。

【００３４】この後、図１０に示すように、切断面の一
次側積層素体２３の部分に導電体を塗布して、一対の一
次側外部電極２８（２８ａ，２８ｂ）を形成し、内部電
極１６と接続する。このとき内部電極１６は一枚毎にず
らして積層されているため、一対の外部電極２８（２８
ａ，２８ｂ）に一枚毎に交互に接続されることになる。
さらに、切断面の二次側積層素体２４の上部側面と底面
に導電体を形成し、それぞれ一対の二次側外部電極３０
（３０ａ，３０ｂ）および導電層２５を形成する。

【００３５】さらに、対をなす２組の外部電極２８ａ，
２８ｂおよび３０ａ，３０ｂに直流電圧を印加して１２
０℃のシリコンオイル中で、約３０分間の加熱して分極
処理をすることにより、図６に示す目的の積層型圧電ト
ランス素子２９が完成する。

【００３６】このようにして、積層型圧電アクチュエー
タや積層縦型圧電トランス等の圧電素子を容易に、簡素
な製造工程により製造することができる。

【００３７】即ち、セラミックシート部材１０，２０を
１枚毎に互い違いとなるように積層し、その積層体１
１，２１の両端部の全体に絶縁体１４，２２を形成した
後、両端部を内部電極６、１６が露出するようにＡ−
Ａ′，Ｂ−Ｂ′において切断し、その後両端部に露出す
る内部電極６，１６に接続するように外部電極１８（１
８ａ，１８ｂ），２８（２８ａ，２８ｂ）を形成するよ
うにしているので、前述した図１２または図１３のよう
に、複数のスリットを形成して絶縁物を埋め込んだり、
または端部に臨む内部電極を選択的に被覆するような細
かな加工工程がなく、容易、かつ精度よく製造すること
ができる。

【００３８】このとき製造された圧電素子は、従来の圧
電素子において見られるように、圧電効果により変位が
生じたときに、応力歪みにより応力破壊をすることがな
い。従って、圧電素子に印加する駆動電界強度を大きく
とることができ、圧電素子の圧電効果を充分に発揮する
ことができる。

【００３９】圧電素子に用いる材料は、上述のＰＺＴに
限らず、他の誘電体材料、特に自発分極を有する強誘電
体材料を用いて構成することができ、これに本発明製法
を適用して同様の効果を得ることができる。

【００４０】本発明の製法は、上述の例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様
々な構成が取り得る。

【００４１】

【発明の効果】上述の本発明による圧電素子の製法によ
れば、複雑な工程を必要とすることなく、積層型圧電素
子の製造工程を簡略化し、製造コストを低減することが
できる。

【００４２】また、従来の圧電素子において見られるよ
うに、圧電効果により変位が生じたときに、応力歪みに
より応力破壊をすることがなく、素子に印加する駆動電
界強度を大きくとることができ、素子の圧電効果を充分
に発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明製法を適用した積層型圧電アクチュエー
タ素子の一例の斜視図である。

【図２】図１の積層型圧電アクチュエータ素子の一製造
工程の工程図（斜視図）である。

【図３】図１の積層型圧電アクチュエータ素子の一製造
工程の工程図（斜視図）である。

【図４】図１の積層型圧電アクチュエータ素子の一製造
工程の工程図（断面図）である。

【図５】図１の積層型圧電アクチュエータ素子の一製造
工程の工程図（断面図）である。

【図６】本発明の他の製法を適用した積層型縦型圧電ト
ランス素子の一例の斜視図である。

【図７】図６の圧電トランス素子の一製造工程の工程図
（斜視図）である。

【図８】図６の圧電トランス素子の一製造工程の工程図
（斜視図）である。

【図９】図６の圧電トランス素子の一製造工程の工程図
（断面図）である。

【図１０】図６の圧電トランス素子の一製造工程の工程
図（断面図）である。

【図１１】従来の積層圧電素子の概略断面図である。

【図１２】他の従来の積層圧電素子の概略断面図であ
る。

【図１３】さらに他の従来の積層圧電素子の概略断面図
である。

【符号の説明】

２、１２ セラミックグリーンシート ３、１３ セラミックシート ６、１６ 内部電極 １０、２０ セラミックシート部材 １１、２１ 積層体 １４、２２ 絶縁体 １７ 圧電セラミック １８ 外部電極 １９ 圧電アクチュエータ素子 ２３ 一次側積層素体 ２４ 二次側積層素体 ２５ 導電層 ２８ 一次側外部電極 ２９ 圧電トランス素子 ３０ 二次側外部電極 １００ 積層体 １０１ 圧電セラミックグリーンシート １０２ 内部電極 １０３ 外部電極 １０４ 絶縁物 １１０ 積層型圧電・電歪素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部電極を形成した圧電セラミックグリ
   ーンシートを、端部をずらして交互に積み重ねた積層体
   を形成する工程と、 上記積層体を焼成し一体化する工程と、 上記一体化した積層体の両端部に絶縁体を形成する工程
   と、 上記積層体の両端部を、交互に積み重ねた内部電極の一
   端が交互に現れる位置で切断する工程と、 上記切断した面の端部に露出した内部電極と接続する一
   対の外部電極を形成する工程とを有することを特徴とす
   る積層型圧電素子の製造方法。
2. 【請求項２】 内部電極を形成した圧電セラミックグリ
   ーンシートを端部をずらして交互に積み重ねた一次積層
   素体と、圧電セラミックグリーンシートからなる二次積
   層素体とを積層してなる積層体を形成する工程と、 上記積層体を焼成し一体化する工程と、 上記一体化した積層体の両端部に絶縁体を形成する工程
   と、 上記積層体の両端部を、交互に積み重ねた内部電極の一
   端が交互に現れる位置で切断する工程と、 上記一次積層素体の切断面の端部に露出した内部電極を
   接続する一対の一次外部電極を形成する工程と、 上記二次積層素体の切断面に、端部に露出した内部電極
   及び、二次積層素体の下面に形成された導電体にそれぞ
   れ接続する一対の二次外部電極を形成する工程とを有す
   ることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。