JPH02267977A - 積層型セラミック素子の製造方法 - 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（＾））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８ａ
、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！・４の積層方向に電界が
発生し、セラミック素子２が矢印Ａ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６ａ６ｂ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６ａ。

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５９−１７５１７６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、両性部電極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
ラミック素子を提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、このセラミックシート間に積層される膜状の内部電
極と、この内部電極に対して所定圧ＭＭれて前記セラミ
ックシートの端部間に積層されるブロック層と、前記セ
ラミックシート相互間で、しかも前記内部電極とブロッ
ク層との間に形成される空所と、一層おき毎のブロック
層を連絡す・るように積層方向に伸びており、しかもこ
の一層おきのブロック層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、内部電極と、この内部電極に対して所定距
離離れて位置するブロック層と、内部電極とブロック層
の間に位置す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ブロック層が積層方向に隣合
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、一層おきのブロック層間
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
［７た歪を牛【′、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しろ狭義の電歪効用のことを
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、セラミックシト間に介装される
内部電極の端部に空所を介してブロック層が形成され、
このブロック層が内部電極と導通し、ないことから、こ
のブロック層を積層方向に・一層おき毎に連絡するよう
に外部電極を設（ｊることで、内部電極の端部を一層お
き毎に容易に接続４−ることか０１能である。ｔ、かも
、本発明ではブロック層をｒ１゛するために、外部電極
を素子のす１側に塗布形成する際に、この外部電極を構
成する材料が内部電極側に流れ込まず、一対の外部電極
が内部電極を介１−２でショートすることを有効に防１
１−することができる。さらに、このブロック層と内部
電極との間に設けられた空所によって、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、電歪効用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テーブル等のアクデー１エータ、
に１７て用いられる素子である。このセラミック素子２
０は、電歪効果をａするセラミックシート２２と、膜状
の内部電極２４とを（−４Ｌ、−れらが交互に積層され
た構造をａ１〜でいる。

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
ゆ酊することにより形成される。

内部ｆｉｔ！ｉ２４を構成するための金属と１〜では、
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（＝Ｊけ
可能な金属ペーストを選択するこ々が好ましい。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２４との密着強度を同士させるために、ジルコニ
ア粉末、ガラス粉末、本電歪セラミックの仮焼粉末等を
混合させるようにしても良い。

金属ベース］・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
縁の一端部近傍にベースト非塗布部分である空所予定部
分２６を設け、この空所予定部分２６によって所定型Ｍ
Ｕだけ離れたシート２２の一端１部表面にブロック層２
つを形成する。

ブロック層２９は、内部電極２４と同様な金属ペースト
を用いて形成することが経済的であるが、これに限らず
、他の材質、たとえば非導電性材料で形成１．でも良い
。たた１２、ブロック層２９の膜厚は、内部電極２４の
膜厚と略同−であることが好まし２い。セラミックシー
トを積層する際における平坦性を確保するためである。

なお、ブロック層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
部表面に形成するように１−でも良い。この実施例では
、ブロック層２９は三角形状となる。この実施例の場合
も、内部電極２４とブロック層２９とは、非導通状態と
なる。

このようなブロック層２９および内部電極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
．５〜２０μｍ、さらに好まり、　＜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、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒ０　
　　、　　Ｐｂ　　（Ｍｇ　　　　　Ｎｂ　　　　　）
　　０　　．３　　　　　　　　　　１／３　　　　２
／３　　　　３Ｐｂ（Ｎｉ　　　Ｎｂ　　　）０３等を
主成分とし、１７３　　　　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、ペトリオール、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　ｍ＋ｓ　、
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およびブロック層２９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、内部電極２４とブロック層２９との
間に形成された空所予定部分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
うに内部電極２４とそれに離間してブロック層２９が形
成される。次に、このように内部電極２４およびブロッ
ク層２９が形成されたセラミックシート２２を、第２図
に示す斜視図でブロック層２９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およびブロック層２９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、ブロック層２９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【、て積層体を焼成したとｌ、でも、内部電
極２４とブロック層２９との間の空所予定部分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、一層おき毎のブロック層２９を積層方向に連絡
するように、しかもこの一層おきのブロック層２９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１゜では、特に限定されないが、たとえば
銀、ノ＼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
に沿って塗布後焼イ・１ければ良い。なお外部電極３２
の幅は、ブロック層２９の幅よりも小さいことが好まし
い。大きいと、外部電極３２を塗布形成する際に、ブロ
ック層以外の部分で外部電極３２が内部電極２４と接触
し、内外部電極３２゜３２が内部電極２４を介してシシ
ートする虞があるからである。

外部電極３２にリード線３４を接続（２て電源３６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１７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を介してブ
ロック層が形成され、このブロック層が内部電極と導通
しないことから、このブロック層を積層方向に一層おき
毎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、本発明ではブロック層を有するために、外部
電極を素子の片側に塗布形成する際に、この外部電極を
構成する材料が内部電極側に流れ込まず、一対の外部電
極が内部電極を介してショートすることをｒｆ効に防止
することができる。ざらに、このブロック層と内部電極
との間に設けられた空所によって、電界誘起歪の不均一
による応力集中を１！ｌｊ　、１トすることがＦｉＪ能
になり、耐久性が向」ニし、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１．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［−１的として
電歪効果をもａするセラミックの積層型素子にお１プる
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
ａ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１ ＰｂＴ　ｔｏ　　、　ＰｂＺ　ｒｏ　　、　Ｐ　ｂ　（
Ｍｇ１７３Ｎｂ　　　）０　　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１２、乾燥した。これを所定の形状に切断１２、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図に示す様に内部電極２４と幅ｇ
が０．５ｍｍのベースト非塗布部分である空所予定部分
２６を介］２て分離されたブロック層２９とを同時に形
成した。

印刷塗布したグリーンシートを１００枚積層重、熱プレ
スにより圧着（また。積層に際しては、ブロック層２９
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になる様にした。得られ
た積層体を５００℃で脱脂ｊ７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おにびブロック層２
９の膜厚は２〜３μｍであり、内部電極２４とブロック
層２９の隙間に高さ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、層おきのブロック
層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
關Ｘ５ｓ■×１０龍であり、これに１００Ｖの直流電圧
を印加したところ、１０μｍ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
、内部電極とブロック層との間に設けられた空所によっ
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
部の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。 ２０・・・積層型セラミック素子 ２２・・・セラミックシート　　２４・・・内部電極２
６・・・空所予定部分　　　　２９・・・ブロック層３
０・・・空所　　　　　　　　３２・・・外部電極第　
　１ 図 ２゜

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る膜状の内部電極と、この内部
   電極に対して所定距離離れて前記セラミックシートの端
   部間に積層されるブロック層と、前記セラミックシート
   相互間で、しかも前記内部電極とブロック層との間に形
   成される空所と、一層おき毎のブロック層を連絡するよ
   うに積層方向に伸びており、しかもこの一層おきのブロ
   ック層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、内部電極と、この内部電極に対し
   て所定距離離れて位置するブロック層と、内部電極とブ
   ロック層の間に位置す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ブロック層が積層方
   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、一層おきのブロ
   ック層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。