JPH0766468A - 一体焼成型積層圧電体の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 焼成により圧電体セラミックになる板状の成
形体と、焼成により内部電極となる電極材料を交互に積
層して一体化し、次いでこれを焼成、加工した後、内部
電極の絶縁化処理、連結電極の接続、リード線の接続を
行うことにより一体焼成型積層圧電体を製造する方法に
おいて、有機成形助剤を０〜５重量％含有する圧電体セ
ラミック製造用原料粉末を板状に成形してなる成形体
に、これと接着性を有する電極材料を積層するか、また
は該成形体に接着層を介して電極材料を積層することを
特徴とする一体焼成型積層圧電体の製造法。 【効果】 大型の積層型圧電体セラミックが歩留り良
く、また、量産性良く生産できるので、大きな発生力が
必要な機械部品としての圧電アクチュエータを安価にし
かも信頼性よく製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焼成により圧電体セラ
ミックになる板状の成形体と、内部電極材料を交互に積
層した後、焼成することにより、一体焼成型の積層圧電
体、特に大発生力を有する大型の積層圧電体を製造する
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一体焼成型積層圧電体は、通常、所謂積
層コンデンサーを製造する際に用いられる方法と同様の
方法で製造される。一般的には、まず、ドクターブレー
ド法等によってシート状の成形体を製造する。例えば、
圧電体セラミックの原料であるチタン酸ジルコン酸鉛
（以下、ＰＺＴと略称する）系の原料粉末を、有機バイ
ンダー及び可塑剤、分散剤等の有機成形助剤１０〜２０
重量％と溶剤とともに混合して、有機フィルム上に一定
の厚さに流延し、溶剤を乾燥して除去した後に有機フィ
ルムから剥離してシート状の成形体（グリーンシート）
を製造する。

【０００３】次いで、得られたグリーンシート上に、例
えばＡｇ−Ｐｄからなる内部電極となるペースト状の電
極材料を所定のパターンに印刷し、乾燥後所望する大き
さに切断した後、複数枚積層して熱プレスによって一体
化を行う。このとき、加熱によりグリーンシート中の有
機バインダー及び可塑剤が反応して接着性が発現し、更
に加圧により内部電極層とグリーンシート層が接着する
ことにより一体化が行われる。この後１０００〜１２５
０℃の温度で焼成することにより、内部電極層と圧電体
セラミック層が交互に積層された積層圧電体が得られ
る。

【０００４】内部電極となるペースト状の電極材料に用
いられる金属粉末としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ等
が、耐熱性が良好なこと及び圧電体セラミックの原料粉
末と反応しないことから賞用されている。また、一体焼
成型積層圧電体を製造する別の方法としては、圧電体セ
ラミックの原料粉末を予め枚葉に成形し、焼成、加工し
て圧電体セラミック板を作成し、次いで圧電体セラミッ
ク板上に電極を形成した後複数枚積層するあるいは圧電
体セラミック板と電極材を交互に複数枚積層する、スタ
ック法と呼ばれる方法も一般的に行われている。

【０００５】例えば、特開昭６３−６５６８８号公報に
は、圧電体セラミックの原料粉末を予め板状に成形、焼
成して圧電体セラミック板とし、両面研磨等の加工を行
い、さらに両面に例えばスクリーン印刷法等によりＡｇ
等の電極ペーストを塗布、焼成して電極を形成し、得ら
れた電極の付いた圧電体セラミック板を分極後、絶縁性
の接着剤で貼り合わせて積層体を得る方法が開示されて
いる。また、特開昭５９−１３５７８４号公報には、取
り出し電極となる金属箔、例えば厚さ３０μｍのステン
レス箔とともに接着剤を用いないで接着する方法、特開
平２−１１４６８３号公報には、電極の付いていない圧
電体セラミック板をに内部電極となるペースト状の電極
材料を塗布し、該ペーストが乾ききらないうちに貼り合
わせ、その後焼成して積層体を得る方法等様々な方法が
開示されている。

【０００６】圧電体セラミックの原料粉末を枚葉に成形
する方法としては、ドクターブレード法などによってシ
ート状に成形したグリーンシートを所定の大きさに打ち
抜く、あるいは金型プレス成形法等により行うことがで
きる。得られた成形体は、通常、１１００〜１３００℃
程度で焼成し、両面研磨等の機械加工を行って圧電体セ
ラミック板を製造することができる。

【０００７】上述のようにして得られた圧電体セラミッ
ク層と内部電極層が交互に積層された積層体は、内部電
極が一層おきにプラス極とマイナス極となるように、即
ち各圧電体セラミック層が電気的に並列接続となるよう
に絶縁化処理及び外部電極接続処理を行い、さらに分極
処理を行って積層型圧電体とする。各内部電極を一層お
きに絶縁あるいは接続する方法としては、通常、積層体
側面に露出している内部電極を、例えばスクリーン印刷
法により一層おきに絶縁体を塗布し、残りの一層おきの
内部電極層を接続するために導電性のペーストをスクリ
ーン印刷法により形成する方法が行われている。また、
分極処理は、例えば絶縁性オイル中で７０〜１００℃、
１０３ｋｖ／ｍｍ、５〜１５分間直流電圧を印加するこ
とにより行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように一体焼
成型の積層圧電体を製造する場合、通常、ドクターブレ
ード法あるいは押し出し法等によりシート状に成形を行
うため、得られた成形体の中には有機バインダー及び可
塑剤等の有機成形助剤が１０〜２０重量％も含まれてい
る。この為脱脂が困難であり、長い場合には数十日もか
かる等脱脂工程が非常に長くなるということだけでな
く、大発生力がでる大型の積層圧電体を製造する場合に
は、脱脂中にクラックが入ったり、完全に有機バインダ
ーが除去できない等製造歩留りが低下するという大きな
問題点があった。したがって、従来の方法によれば、こ
のような問題が発生せず歩留り良く製造できる積層圧電
体の大きさは、積層方向と直角方向の断面積で１０×１
０ｍｍ程度、積層方向の長さとして２０〜２５ｍｍ程度
が限度であった。

【０００９】一方、スタック法は大型の積層圧電体を製
造することが可能ではあるが、予め大型の枚葉の圧電体
セラミック板を製造した後積層するため、圧電体セラミ
ック板焼成時に生じる変形を修正して、平行度、平面度
を向上させるあるいは各圧電体セラミック板の厚さを所
定の厚さにするために、所謂寸法精度を上げるための圧
電体セラミック板の両面研磨等の機械的加工が必須であ
り、量産性に欠ける、コストアップする等の大きな問題
点があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、以上の様
な問題点を解決するために鋭意検討した結果、焼成によ
り圧電体セラミックになる板状の成形体中の結合剤ある
いは可塑剤等の有機成形助剤の含有量を０〜５重量％と
し、板状の成形体と接着性を有する内部電極材料とを交
互に積層して一体化を行った後、焼成することにより上
記の問題点が解決されることを見出し、本発明に到達し
た。

【００１１】即ち、本発明の要旨は、焼成により圧電体
セラミックになる板状の成形体と、焼成により内部電極
となる電極材料を交互に積層して一体化を行い、次いで
該積層体を焼成、加工、内部電極の絶縁化処理、連結電
極の接続、リード線を接続することにより一体焼成型積
層圧電体を製造する方法において、有機成形助剤を０〜
５重量％含有する圧電体セラミック製造用原料粉末を板
状に成形し、次いで該成形体と接着性を有する内部電極
材料を交互に積層して一体化を行った後、焼成すること
を特徴とする一体焼成型積層圧電体の製造法に存する。

【００１２】以下本発明を詳細に説明する。本発明にお
いて、有機成形助剤とは結合剤、可塑剤、分散剤、離形
剤等を意味する。圧電体セラミックの原料粉末として
は、焼成により圧電体セラミックとなるものであれば特
に限定されるものではない。有機成形助剤を０〜５重量
％含有する圧電体セラミック製造用原料粉末を板状に成
形する方法としては、これらの原料粉末を容易に板状に
成形することが可能な金型プレス法が好ましいが、安定
に板状の成形体が得られる方法であれば特に限定される
ものではない。

【００１３】本発明において、圧電体セラミック製造用
原料粉末中の有機成形助剤の含有量は０〜５重量％、好
ましくは０〜３重量％である。有機成形助剤の含有量
は、できるだけ少ないほうが好ましく、５重量％を越え
ると脱脂が非常に困難になるため好ましくない。金型プ
レス法により板状に成形する場合は、有機成形助剤を０
〜５重量％含有する圧電体セラミック製造用原料粉末を
水に混合したスラリーをスプレードライヤー等を用いて
顆粒化して原料として用いる。得られた顆粒状の原料を
冠形に充填し、通常、５００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ²
の成形圧で一軸プレス成形を行う。

【００１４】しかして、通常、このような低結合剤量の
成形体は、積層して一体化する際に加圧、加熱等を行っ
ても成形体の接着性が小さいため積層一体化を行うこと
は困難である。本発明においては、該成形体と焼成によ
り内部電極となる電極材料をそれぞれ複数枚所定枚数積
層一体化するために、内部電極となる電極材料を接着剤
として用いて一体化する。即ち、本発明においては、内
部電極材料として接着性を有する内部電極材料を用いる
ことを特徴とするが、この場合の接着性とは、焼成前の
積層体を取り扱う際に充分な強度が保たれるものであれ
ばよい。

【００１５】積層一体化の方法としては、例えば、焼成
後に内部電極となる金属粉末と、結合剤、可塑剤、分散
剤及び溶剤などを混練してなる電極ペーストを、上述の
ようにして成形された焼成により圧電体セラミックにな
る板状の成形体上に塗布し、該ペーストが乾かないうち
に、即ち乾燥して硬化するまえに所定枚数積層し、加
圧、加熱して電極ペースト中の溶剤等の揮発成分を除去
し、乾燥した一体化された積層体を得ることができる。
電極ペーストを該板状の成形体上に塗布する方法として
は、例えばスクリーン印刷法、刷毛塗り法、スプレー噴
霧法等が挙げられる。

【００１６】内部電極となるペースト状の電極材料に用
いられる金属粉末としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ等
が好ましい。また、予めシート状に成形した接着性を有
する電極シートを作成しておき、焼成により圧電体セラ
ミックになる板状の成形体と該電極シートを交互に積層
した後、加圧、加熱することにより乾燥した一体化され
た積層体を得ることができる。この場合、接着性を有す
る電極シートとしては、それ自身常温では接着性は無い
が、加熱により接着性が生ずるもの、電極シートの片面
又は両面に接着層を形成させたものを用いてもよい。さ
らに、焼成により圧電体セラミックになる板状の成形体
の片面又は両面に接着層を形成させたものを用いること
もできる。

【００１７】電極シートを作成する方法としては、例え
ば、内部電極となる電極材料用の金属粉末と、結合剤、
可塑剤、分散剤及び溶剤などを混練してスラリーとし、
その後ドクターブレード法等により有機フィルム上に１
０〜３０μｍの厚さに成形、乾燥後、有機フィルムから
剥離して所定形状に打ち抜く方法が挙げられる。また、
ベースフィルムとなる有機フィルム上に剥離層を形成
し、その上に内部電極となる電極材料用の金属粉末と、
結合剤、可塑剤、分散剤及び溶剤などを混練して得られ
るペースト状混合物をスクリーン印刷法等により所定の
パターンに印刷塗布して転写材とした後、熱、レーザ
ー、水などによりベースフィルムから剥離する方法を用
いることもできる。この転写法を用いる場合は、ベース
フィルム上に形成するとあ材料の構成を変えて、剥離層
／接着剤層／電極材料層／接着層となるように転写材を
形成し、転写材自身に接着製を持たせてもよい。

【００１８】内部電極となる電極シートに用いられる金
属粉末としては、ペースト状の電極材料の場合と同様に
Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ等が好ましい。また、電極シー
トに用いられる結合剤としては、電極シート自身に接着
性を持たせる場合には、熱可塑性樹脂に可塑剤を適量添
加して、常温では接着性を有さないが、加熱とともに軟
化して接着性を発現するものが好ましい。例えば、熱可
塑性樹脂としてはブチラール樹脂、アクリル酸系の樹
脂、可塑剤としてはフタル酸エステル系のもの等、通常
のドクターブレード法に使用される熱可塑性樹脂、可塑
剤を用いることができる。

【００１９】ペースト状の電極材料及び電極シート中に
含まれる結合剤等の有機成分の含有量は、圧電体セラミ
ック中の有機成分の含有量と同様少ないほうが好ましい
が、焼成前の積層体中の内部電極の厚さは、通常約１０
μｍ程度と薄く、焼成中に容易に脱脂することができる
ため、脱脂不良に対する影響は少なく、特に限定される
ものではない。

【００２０】

【作用】圧電体セラミック中の結合剤等の有機成分の含
有量を非常に少なくすることにより、脱脂が容易にな
り、脱脂工程の大幅な短縮が可能になるばかりでなく、
大型の積層圧電体を歩留りよく製造することが可能にな
る。また、スタック法で必要な枚葉の両面研磨等の機械
加工が不要になり、量産性に優れる、製造コストが低減
する等の効果を奏する。

【００２１】

【実施例】以下本発明を実施例について更に詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限りこれ等の実施
例に限定されるものではない。

【００２２】実施例１ 圧電体原料粉末として、ＰＺＴ径の複合酸化物粉末（平
均粒径０．８μｍ）、結合剤として乾燥後の重量比で
０．８重量％となるようにポリビニルアルコール（以下
ＰＶＡと略称する）、分散剤０．２重量％及び離形剤
０．２重量％、即ち有機成形助剤の総量を１．２重量％
とし、これらの原料粉末をボールミルを用いて分散媒で
ある水に分散させ、得られたスラリーをスプレードライ
ヤーを用いて平均粒径が約５０μｍの顆粒を作成した。
得られた顆粒を直径２０ｍｍの超硬製の金型に充填し、
成形圧２ｔ／ｃｍ² で一軸加圧成形を行って、厚さ０．
６ｍｍ及び厚さ２．４ｍｍの二種類の板状の成形体を複
数枚製造した。

【００２３】次に、図２に示すように、得られた厚さ
０．６ｍｍの成形体８及び厚さ２．４ｍｍのの成形体
８’の片面にスクリーン印刷法により、Ｐｔ粉末、有機
結合剤および溶剤等からなるＰｔペースト（昭栄化学製
ＭＬ−３８２２）を塗布し、このＰｔペーストが乾燥し
ないうちに、第１層目として厚さ２．４ｍｍの成形体
８’、第２層目から第５９層目までは厚さ０．６ｍｍの
成形体８、第６０層目は厚さ２．４ｍｍの成形体８’
（第６０層目の成形体８’にはＰｔペーストは塗布して
いない）を順次積層して積層体を得た。ここで用いたＰ
ｔペーストは、乾燥する前は接着性を有するが乾燥して
しまうと接着性が小さくなるため、Ｐｔペーストが乾か
ないうちに積層することが必要である。

【００２４】さらに、得られた積層体を積層体の外径と
概略同寸法の内径を有する金型中に挿入し、積層方向に
約２００ｋｇ／ｃｍ² の荷重で加圧しながら、１５０℃
で１５分間加熱乾燥を行ってＰｔペースト中の溶剤を除
去し、積層一体化した。得られた一体化した積層体を６
００℃の温度まで１℃／分で昇温して４時間保持した
後、さらに１０℃／分で１２４０℃まで昇温して８４時
間保持して積層焼結体を得た。得られた積層焼結体は、
上下に厚さ２ｍｍの圧電体セラミック層を有し、中央に
は厚さ０．５ｍｍの圧電体セラミック層と内部電極であ
る厚さ０．００５〜０．０１ｍｍのＰｔ層が交互に積層
されている。

【００２５】得られた積層焼結体は、外周をセンタレス
研削機を用いて外径を１６ｍｍにするとともに内部電極
を側面に露出させた。一層おきに各内部電極を並列に接
続するために、図１に示すように、奇数番目の内部電極
層１の露出している端面の一部に絶縁性ガラスペースト
をスクリーン印刷により塗布し、次いで偶数番目の内部
電極層１’の露出している端面の一部に絶縁性ガラスペ
ーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥後８００℃
１５分間焼成して絶縁層２とした。次いで、奇数番目同
士、偶数番目同士の内部電極層をそれぞれ接続するため
に、連絡電極４としてＡｇペーストを同様にスクリーン
印刷により塗布し、乾燥後６００℃で１５分間焼成し
た。さらに、リード線６を半田付けしたのち、温度７０
℃で直流電圧１０００Ｖを５分間印加して分極処理を行
って、積層圧電体５を得た。

【００２６】実施例２ 実施例１で用いたのと同様の板状の成形体８、８’を用
い、内部電極を以下のようにして形成して積層一体化し
た。まず、原料となるＰｔ粉末（粒径２〜５μｍ）１６
５．７ｇ（９４．０重量％）、有機バインダーとしてポ
リビニルブチラール樹脂（積水化学工業（株）製ＢＬ−
１）４．８ｇ（２．７重量％）、可塑剤としてジブチル
フタル酸を４．２ｇ（２．４重量％）、分散剤を１．７
ｇ（１．０重量％）及び溶剤としてエチルセロソルブ１
６．７ｇをそれぞれ秤量し、ボールミルで混合、分散さ
せて電極スラリーを得た。次いで、得られた電極スラリ
ーをポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上
にドクターブレード法により、乾燥時の厚さが約２０μ
ｍとなるように塗布し、乾燥後、ＰＥＴフィルムより剥
離してシート状に成形した。さらに、直径２０ｍｍの大
きさに打ち抜いて内部電極用シートを得た。

【００２７】次いで、図３に示すように、得られた内部
電極用シート９と実施例１で用いたのと同様の板状の成
形体８、８’とを交互に積層して積層体を得た。得られ
た積層体を積層体の外径と概略同寸法の内径を有する金
型中に挿入し、積層方向に約２００ｋｇ／ｃｍ² の荷重
で加圧しながら、１５０℃で１５分間加熱を行って積層
一体化した。さらに、実施例１と同様にして、焼成、加
工、内部電極の絶縁化処理、連絡電極の接続、リード線
の半田付けをして積層圧電体を得た。

【００２８】実施例３ 実施例１で用いたのと同様の板状の成形体８、８’を用
い、内部電極を以下のようにして形成した。まず、図４
に示したように剥離層１１として水溶性の貼着剤が塗布
されている転写印刷用のスライド紙１０上に、実施例２
で用いたのと同様の電極スラリーを用いて、直径２０ｍ
ｍの大きさに複数個スクリーン印刷を行い、乾燥して内
部電極用シート１２が形成された転写シート１３を得
た。次いで、得られた転写シートを水で湿らせて台紙で
あるスライド紙１０から剥離して内部電極用シート１２
を得た。得られた内部電極用シート１２を実施例１で用
いたのと同様の板状の成形体８、８’の片面に貼着し
た。以下、実施例１と同様にして積層、一体化、焼成、
加工、内部電極の絶縁化処理、連絡電極の接続、リード
線の半田付けをして積層圧電体を得た。

【００２９】実施例４ 実施例１で用いたのと同様の板状の成形体８、８’を用
い、内部電極を以下のようにして形成した。まず、図５
に示したように剥離層１５として融点が６０〜７０℃の
ワックスを約１μｍの厚さに塗布した１０μｍ厚さのＰ
ＥＴフィルムをベースフィルム１４とし、その上に実施
例３で用いたのと同様の電極スラリーを用いて、直径２
０ｍｍの大きさに複数個スクリーン印刷を行い、乾燥し
て、内部電極用シート１６が形成された熱転写シート１
７を得た。

【００３０】得られた熱転写シート１７を実施例１で用
いたのと同様の板状の成形体上に重ねて熱転写を行い、
板状の成形体の片面に内部電極用シート１６を転写形成
した。以下、実施例１と同様にして積層、一体化、焼
成、加工、内部電極の絶縁化処理、連絡電極の接続、リ
ード線の半田付けをして積層圧電体を得た。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、大型の積層型圧電体が
歩留り良く、また、量産性良く生産できるので、大きな
発生力が必要な機械部品としての圧電アクチュエータを
安価にしかも信頼性よく製造することができ、産業上非
常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層型圧電体の構成を示す概略図。

【図２】実施例１の積層一体化方法を示す模式図。

【図３】実施例２の積層一体化方法を示す模式図。

【図４】実施例３の転写シートを示す模式図。

【図５】実施例４の熱転写シートを示す模式図。

【符号の説明】

１、１’ 内部電極層 ２ 絶縁層 ３ 圧電体セラミック層 ４ 連絡電極 ５ 積層圧電体 ６ リード線 ７ 電極ペースト ８、８’ 板状の成形体 ９ 内部電極用シート 10 転写印刷用のスライド紙 11、15 剥離層 12、16 内部電極用シート 13 転写シート 14 ベースフィルム 17 熱転写シート

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【手続補正書】

【提出日】平成６年８月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】即ち、本発明の要旨は、焼成により圧電体
セラミックになる板状の成形体と、焼成により内部電極
となる電極材料を交互に積層して一体化し、次いでこれ
を焼成、加工した後、内部電極の絶縁化処理、連結電極
の接続、リード線の接続を行うことにより一体焼成型積
層圧電体を製造する方法において、有機成形助剤を０〜
５重量％含有する圧電体セラミック製造用原料粉末を板
状に成形してなる成形体に、これと接着性を有する電極
材料を積層するか、または該成形体に接着層を介して電
極材料を積層することを特徴とする一体焼成型積層圧電
体の製造法、に存する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相原 仁志 神奈川県小田原市成田1060番地 化成オプ トニクス株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼成により圧電体セラミックになる板状
   の成形体と、焼成により内部電極となる電極材料を交互
   に積層して一体化を行い、次いで該積層体を焼成、加
   工、内部電極の絶縁化処理、連結電極の接続、リード線
   を接続することにより、一体焼成型積層圧電体を製造す
   る方法において、有機成形助剤を０〜５重量％含有する
   圧電体セラミック製造用原料粉末を板状に成形し、次い
   で該成形体と接着性を有する内部電極材料を交互に積層
   して一体化を行った後、焼成することを特徴とする一体
   焼成型積層圧電体の製造法。
2. 【請求項２】 有機成形助剤を０〜５重量％含有する圧
   電体セラミック製造用粉末をプレス成形して得られた板
   状の成形体を用いる請求項１の一体焼成型積層圧電体の
   製造法。
3. 【請求項３】 焼成により内部電極となるペースト状の
   電極材料を板状の成形体に塗布し、ペースト状の電極材
   料が乾燥して硬化する前に、ペースト状の電極材料を塗
   布した板状の成形体を複数枚積層し、加圧乾燥する請求
   項１の一体焼成型積層圧電体の製造法。
4. 【請求項４】 焼成により内部電極となる電極材料とし
   て予めシート状に成形した電極材料を用いる請求項１の
   一体焼成型積層圧電体の製造法。
5. 【請求項５】 焼成により内部電極となる電極材料を転
   写法により板状の成形体の片面に形成する請求項１の一
   体焼成型積層圧電体の製造法。