JP2007266469A

JP2007266469A - 積層型圧電体とその製造方法

Info

Publication number: JP2007266469A
Application number: JP2006091764A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Nishimoto; 昭彦西本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】外部電極がはく離したり接続不良を生じたりするのを、従来に比べて、さらに確実に防止することができる積層型圧電体と、前記積層型圧電体の製造方法とを提供する。
【解決手段】積層型圧電体１は、圧電体層２と、内部電極層３との積層体４の側面に形成した溝１１、１２内に、導電材料を充てんして、外部電極９、１０を形成した。製造方法は、圧電体層２のもとになる原料粉末を含むスラリーからなるシートの片面に、導電ペーストを、内部電極層３の平面形状にパターン形成すると共に、シートを、溝１１、１２のもとになる凹部を有する平面形状に形成し、複数枚、積層して焼成することで積層体４を形成し、次いで、溝１１、１２内に導電ペーストを充てんして焼成することで外部電極９、１０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体層と、内部電極層とが、複数層ずつ、交互に積層された積層体からなる積層型圧電体と、前記積層型圧電体の製造方法とに関するものである。

例えば、圧電アクチュエータ、超音波モータ、レゾネータ、圧電トランス、加速度センサ、超音波センサ、圧電ブザー、圧電スピーカ等の用途に、前記積層型圧電体が、広く利用されている。図１１は、従来の、積層型圧電体１の一例を示す、一部切り欠き斜視図である。図１２は、図１１の積層型圧電体１のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層３の位置での、前記内部電極層３の面方向に沿う断面図である。図１３は、図１１の積層型圧電体１のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層３の位置での、前記内部電極層３の面方向に沿う断面図である。

図１１〜図１３を参照して、この例の積層型圧電体１は、平面形状が矩形状の圧電体層２と、同じく平面形状が矩形状の内部電極層３とを、複数層ずつ、交互に積層した四角柱状の積層体４と、前記積層体４の、複数層の内部電極層３を、電気的に、外部に接続するために、前記四角柱の外周を構成する４側面５〜８のうち、互いに背向する２側面５、７に、それぞれ、積層体４を構成する各層の積層方向、すなわち、四角柱の長さ方向の略全長に亘って形成された、一対の外部電極９、１０とを備えている。

図１２を参照して、前記積層体４のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層３は、それぞれ、四角柱の、図において左側の側面７に達すると共に、他の３側面５、６、８との間に間隔をあけて形成されており、前記側面７に形成された外部電極１０と電気的に接続されていると共に、側面５に形成された外部電極９とは電気的に絶縁されている。

また、図１３を参照して、前記積層体４のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層３は、それぞれ、四角柱の、図において右側の側面５に達すると共に、他の３側面６、７、８との間に間隔をあけて形成されており、前記側面５に形成された外部電極９と電気的に接続されていると共に、側面７に形成された外部電極１０とは電気的に絶縁されている。

前記各部を備えた積層型圧電体１を、例えば、圧電アクチュエータとして使用する場合には、使用に先立って、積層体４を構成する各圧電体層２を分極処理する。分極処理の方法としては、例えば、外部電極９、１０から、前記外部電極９、１０と、電気的に、交互に接続された内部電極層３を介して、前記各圧電体層２に、直流電圧を、厚み方向に印加する方法等が挙げられる。

圧電体層２が分極処理された積層型圧電体１は、外部電極９、１０から、内部電極層３を介して、各圧電体層２に、所定の波形を有する駆動電圧を印加すると、積層体４を、前記駆動電圧の波形に応じて、四角柱の長さ方向に伸縮させるように駆動される。すなわち、印加する電圧の極性が、圧電体層２の分極方向と一致する場合は、各圧電体層２が、厚み方向に伸長するため、積層体４が、四角柱の長さ方向に伸長し、分極方向と逆極性である場合は、各圧電体層２が、厚み方向に収縮するため、積層体４が、四角柱の長さ方向に収縮する。

また、電圧の印加を停止した状態では、積層体４は、前記伸長状態と収縮状態の中間の、伸長も収縮もしない静止状態を維持する。そのため、例えば、外部電極９、１０間に、圧電体層２の分極方向と一致する極性の電圧の印加と、停止とを、交互に繰り返す波形を有する駆動電圧や、圧電体層２の分極方向と一致する極性の電圧の印加と、逆極性の電圧の印加とを、交互に繰り返す波形を有する駆動電圧を印加すると、積層型圧電体１が、積層体４を、四角柱の長さ方向に伸縮させるように駆動される。

前記積層型圧電体１としては、近年、圧電体層２のもとになる原料粉末を含むスラリーをシート状に成形し、前記シートの片面に、導電ペーストを、内部電極層３の平面形状にパターン形成すると共に、シートを、圧電体層２の平面形状に打ち抜いた後、打ち抜いたシートを、複数枚、積層して焼成する、同時焼成法によって積層体４を形成した、いわゆる同時焼成タイプのものが、普及しつつある。

前記同時焼成タイプの積層型圧電体１は、あらかじめ、所定の平面形状を有する平板状に形成した圧電体層と、内部電極層とを、交互に積み重ねて積層体を形成する、いわゆるスタックタイプのものに比べて、駆動の低電圧化、小型化の点や、製造コストを低減する点で有利である。同時焼成タイプの積層型圧電体１において、外部電極９、１０は、導電ペーストを、積層体４の、四角柱の２側面５、７に、それぞれ、前記外部電極９、１０の形状にパターン形成した後、焼成して形成される。

ところが、近年の、電子機器類の小型化、低背化、軽量化に伴って、積層型圧電体についても、さらに小型で、しかも、変位量の大きいものが求められると共に、高電界、高圧力等の、より過酷な条件下で、長時間に亘って連続的に駆動できることが求められつつあることから、同時焼成タイプの積層型圧電体１の構造についても、更なる改良をするために、種々、検討されている。

特に、従来の、同時焼成タイプの積層型圧電体１においては、前記高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際に、外部電極９、１０が、積層体４からはく離したり、はく離しないまでも、内部電極層３との間の接続抵抗が大きくなったりするという問題があり、その改善が求められている。

特許文献１には、外部電極９、１０のもとになる導電ペースト中に、有機のバインダを含有させ、前記バインダを、導電ペーストの焼成時に、熱分解させて除去することで、前記外部電極９、１０を、前記バインダが除去された跡が連続したボイドとなった、三次元網目状構造を有する多孔質導電体として、積層体４の伸縮に対する追従性を向上させることで、前記積層体４の伸縮によって、外部電極９、１０に加わる応力を緩和して、積層型圧電体１の駆動時に、積層体４からはく離したり、内部電極層３との間で接続不良を生じたりするのを抑制することが記載されている。

また、特許文献２には、積層体４の、外部電極９、１０を形成する側面５、７を、＃６０００より粗い砥石で研削して粗面化すると共に、外部電極９、１０のもとになる導電ペーストとして、ガラス質を１％以上含有するものを使用し、さらに、導電ペーストを、前記ガラス質の軟化点より高く、かつ、導電ペーストが、厚み方向に１０％以上、収縮する温度で焼成することが記載されている。

前記温度で焼成を行うと、導電ペーストの、焼き付け時の収縮による応力によって、積層体４の側面５、７の表層部に亀裂を生じさせると共に、前記亀裂内に、ガラス質を浸入させて、いわゆる、アンカー効果を生じさせることができるため、外部電極９、１０が、積層体４からはく離したり、内部電極層３との間で接続不良を生じたりするのを抑制できると考えられている。
特開２００５−２１７１８０号公報（請求項１７、段落[００５７]〜[００５８]、段落[００７７]〜[００８０]）特開２００５−３４０５４０号公報（請求項１、６、段落[００４７]、段落[００５８]〜[００６３]、図２(a)(b)）

ところが、特許文献１、２に記載された構成でも、外部電極が、積層体からはく離したり、接続不良を生じたりするのを、確実に防止できない場合がある。例えば、従来の積層型圧電体では、積層体の四角柱の側面から突出させて、外部電極を形成しているため、前記外部電極が、外的な衝撃に弱く、衝撃を受けると、外部電極が破損して、積層体からはく離したり、接続不良を生じたりしやすいという問題がある。

本発明の目的は、外部電極がはく離したり接続不良を生じたりするのを、従来に比べて、さらに確実に防止することができる積層型圧電体と、前記積層型圧電体の製造方法とを提供することにある。

請求項１記載の発明は、圧電体層と、内部電極層とが、複数層ずつ、交互に積層された積層体と、前記積層体の、複数層の内部電極層を、電気的に、外部に接続するための外部電極とを備えた積層型圧電体であって、前記積層体の外周面に、内部電極層に達し、かつ、積層体を構成する各層の積層方向に伸びる溝が形成され、前記溝内に、内部電極層と接触させて、導電材料が充てんされて、溝の開口で露出した表面が、溝の両側の外周面と同一平面、または外周面より内方に位置する外部電極が構成されていることを特徴とする積層型圧電体である。

請求項１記載の発明においては、外部電極が、圧電体層と内部電極層との積層体の外周面に設けた溝内に、導電材料を充てんすることで、溝の開口で露出した表面が、溝の両側の外周面と同一平面、または外周面より内方に位置するように形成されているため、前記外部電極は、従来の、積層体の外周面（四角柱の側面等）から外方へ突出して形成される外部電極に比べて、外的な衝撃を受けにくい。

その上、前記外部電極は、溝を構成する複数面の内周面に接触して形成され、通常は平面である積層体の外周面に接触して形成される従来の外部電極に比べて、積層体に対する接触面積が大きいことから、外的な衝撃に強い。また、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際にも、従来の外部電極に比べて、はく離したり、接続不良を生じたりしにくい。そのため、請求項１記載の発明によれば、外的な衝撃を受けた際や、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際に、外部電極がはく離したり、接続不良を生じたりするのを、従来に比べて、さらに確実に防止することができる。

また、請求項１記載の発明によれば、先に説明したように、外部電極の表面が、積層体の、溝の外周面と同一平面、または外周面より内方に位置するように形成されているため、積層型圧電体の、全体の容積を、従来に比べて小さくすることができ、積層型圧電体の、さらなる小型化の要求に、十分に対応することもできる。

請求項２記載の発明は、溝の、積層体を構成する各層の、面方向の形状が、積層体の外周面側で開口幅が狭く、面方向の内方へ向けて、開口幅が徐々に広くなる略台形状に形成されている請求項１記載の積層型圧電体である。請求項２記載の発明によれば、溝の平面形状を、前記のように略台形状にすることで、前記溝の縁部を、外部電極の、溝からの抜け止めとして機能させることができるため、外的な衝撃を受けた際や、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際に、外部電極がはく離したり、接続不良を生じたりするのを、より一層、確実に防止することができる。

請求項３記載の発明は、外部電極の、溝の開口で露出した表面が、算術平均粗さＲａが１μｍ以下の平滑面とされている請求項１記載の積層型圧電体である。請求項３記載の発明によれば、例えば、外部電極に駆動電圧を供給するためのリード線等を接合するための半田等に対する、外部電極の濡れ性を向上することができる。

請求項４記載の発明は、圧電体層のもとになる原料粉末を含むスラリーを調製する工程と、前記スラリーを、シート状に成形する工程と、前記シートの片面に、内部電極層のもとになる導電ペーストを、前記内部電極層の平面形状にパターン形成する工程と、前記シートに、溝のもとになる凹部を形成する工程と、前記シートを、複数枚、積層して、積層体の前駆体を形成する工程と、前記前駆体を焼成して、圧電体層と、内部電極層とが、複数層ずつ、交互に積層されていると共に、外周面に溝を有する積層体を形成する工程と、前記積層体の溝に、外部電極のもとになる導電ペーストを充てんした後、焼成して、積層体の、複数層の内部電極層を、電気的に、外部に接続するための外部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする積層型圧電体の製造方法である。

請求項４記載の発明によれば、前記本発明の積層型圧電体を、いわゆる同時焼成法によって、効率よく生産できる上、製造される積層型圧電体の、駆動のさらなる低電圧化や、より一層の小型化が可能となる。

本発明によれば、外部電極がはく離したり接続不良を生じたりするのを、従来に比べて、さらに確実に防止することができる積層型圧電体と、前記積層型圧電体の製造方法とを提供することができる。

図１は、本発明の積層型圧電体１の一例を示す、一部切り欠き斜視図である。図２は、図１の積層型圧電体１のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層３の位置での、前記内部電極層３の面方向に沿う断面図である。図３は、図１の積層型圧電体１のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層３の位置での、前記内部電極層３の面方向に沿う断面図である。図４は、図１の積層型圧電体１の、各層の積層方向の断面図である。

図１〜図４を参照して、この例の積層型圧電体１は、平面形状が矩形状の圧電体層２と、同じく平面形状が矩形状の内部電極層３とを、複数層ずつ、交互に積層した四角柱状の積層体４と、前記積層体４の、複数層の内部電極層３を、電気的に、外部に接続するために、前記四角柱の外周を構成する４側面５〜８のうち、互いに背向する２側面５、７に、積層体４を構成する各層の積層方向、すなわち、四角柱の長さ方向の略全長に亘って形成した溝１１、１２内に、導電材料を充てんすることで構成された、一対の外部電極９、１０とを備えている。

図２を参照して、前記積層体４のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層３は、それぞれ、四角柱の、図において左側の側面７に達すると共に、他の２側面６、８、および側面５から内方に凹入した溝１１との間に間隔をあけて形成されており、前記側面７から内方に凹入した溝１２内に形成された外部電極１０と電気的に接続されていると共に、溝１１内に形成された外部電極９とは電気的に絶縁されている。

また、図３を参照して、前記積層体４のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層３は、それぞれ、四角柱の、図において右側の側面５に達すると共に、他の２側面６、８、および側面７から内方に凹入した溝１２との間に間隔をあけて形成されており、前記側面５から内方に凹入した溝１１内に形成された外部電極９と電気的に接続されていると共に、溝１２内に形成された外部電極１０とは電気的に絶縁されている。そのため、図４を参照して、積層体４を構成する内部電極層３は、積層順に、外部電極９、１０と、電気的に、交互に接続されている。

図５は、図１の積層型圧電体１のうち、溝１１、１２と、前記溝１１、１２内に形成された外部電極９、１０の、積層体４を構成する各層の、面方向の形状を示す拡大断面図である。図５を参照して、この例では、前記外部電極９、１０の、溝１１、１２の開口で露出した表面が、積層体４の、前記溝１１、１２の両側の外周面である四角柱の側面５、７と同一平面に位置するように形成されている。そのため、外部電極９、１０は、従来の、積層体４の外周面から外方へ突出して形成される外部電極に比べて、外的な衝撃を受けにくい。

その上、前記外部電極９、１０は、溝１１、１２を構成する複数面（図では３面）の内周面に接触して形成され、通常は平面である積層体４の外周面に接触して形成される従来の外部電極に比べて、積層体４に対する接触面積が大きいことから、外的な衝撃に強い。また、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際にも、従来の外部電極に比べて、はく離したり、接続不良を生じたりしにくい。

しかも、この例では、溝１１、１２の、面方向の形状が、積層体４の外周面である四角柱の側面５、７で開口幅Ｗ₁が狭く、かつ、最奥部で開口幅Ｗ₂が広い上、前記側面５、７から最奥部へ向けて、開口幅が徐々に広くなると共に、奥行きＤ₁が、幅方向の全域で等しい略台形状に形成されている。そのため、前記溝１１、１２の縁部を、外部電極９、１０の、溝１１、１２からの抜け止めとして機能させて、外的な衝撃を受けた際や、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際に、前記外部電極９、１０が、積層体４からはく離したり、内部電極層３との間で接続不良を生じたりするのを、より一層、確実に防止することができる。

図６は、溝１１、１２と外部電極９、１０の、面方向の形状の変形例を示す拡大断面図である。図６を参照して、この例では、溝１１、１２の、面方向の形状が、奥行きＤ₂が、幅方向の全域で等しく、かつ、積層体４の外周面である四角柱の側面５、７から最奥部まで、開口幅Ｗ₃が等しい矩形状に形成されている点が、先の例と相違している。

この例では、溝１１、１２の縁部による、抜け止めの効果は得られないが、外部電極９、１０の、溝１１、１２の開口で露出した表面が、積層体４の、前記溝１１、１２の両側の外周面である四角柱の側面５、７と同一平面に位置するように形成されていると共に、外部電極９、１０が、溝１１、１２を構成する複数面（図では３面）の内周面に接触して形成されているため、従来の、積層体４の外周面から外方へ突出して形成される外部電極に比べて、外的な衝撃を受けた際や、高電界、高圧力等の過酷な条件下で、連続的に駆動させた際に、前記外部電極９、１０が、積層体４からはく離したり、内部電極層３との間で接続不良を生じたりするのを防止する効果を得ることはできる。

なお、図示していないが、外部電極９、１０の、溝１１、１２の開口で露出した表面は、積層体４の、前記溝１１、１２の両側の外周面である四角柱の側面５、７より内方に、一段、凹入させた位置に形成してもよい。外部電極９、１０の、溝１１、１２の開口で露出した表面は、日本工業規格ＪＩＳＢ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語，定義及び表面性状パラメータ」において規定された、輪郭曲線としての粗さ曲線の算術平均粗さＲａが１μｍ以下の平滑面とされているのが好ましい。

外部電極９、１０の表面の、算術平均粗さＲａが、前記範囲以内であれば、外部電極に駆動電圧を供給するためのリード線等を接合するための半田等に対する、外部電極の濡れ性を向上することができる。そのため、外部電極９、１１を、リード線等と、より強固に接合して、積層型圧電体１の信頼性を向上することができる。

前記各部のうち、圧電体層２は、従来同様に、ペロブスカイト型のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系、ニオブ酸系、チタン酸ビスマスナトリウム系、タングステンブロンズ型、ビスマス層状構造等の、種々の圧電材料によって形成することができる。個々の圧電体層２の厚みは２０〜１００μｍ、特に３０〜７０μｍであるのが好ましい。圧電体層２の厚みが、前記範囲未満では、特に、積層体４を、同時焼成法によって形成する際に、内部電極層３のもとになる導電ペーストからの、金属の拡散によって、個々の圧電体層２の圧電特性が低下して、積層型圧電体１の全体として見たときの圧電歪み定数ｄ₃₃や、圧電出力定数ｇ₃₃が低下するおそれがある。

また、前記範囲を超える場合には、限られたサイズの中で、積層体４を構成することができる、圧電体層２の層数が少なくなるため、やはり、積層型圧電体１の全体として見たときの圧電歪み定数ｄ₃₃や、圧電出力定数ｇ₃₃が低下するおそれがある。これに対し、圧電体層２の厚みが、前記範囲内であれば、高感度で、低電圧駆動が可能である上、小型の積層型圧電体１を得ることができる。

内部電極層３は、耐酸化性に優れる上、電気抵抗の小さい銀を主体として形成されているのが好ましい。ただし銀は、特に、積層体４を、同時焼成法によって形成する際に、圧電体層２に拡散しやすく、拡散によって、先に説明したように、圧電体層２の圧電特性を低下させるおそれがあるため、前記拡散を防止して、圧電体層２に、本来の圧電特性を付与することを考慮すると、他の金属との合金の状態で用いるのが好ましい。

銀と合金を形成する他の金属としては、前記金属自体の、あるいは合金としての、化学的な安定性や、導電性等を考慮するとパラジウムが好ましい。また、銀とパラジウムの合金における、銀の割合は７０重量％以上であるのが好ましい。前記範囲より銀の割合が少ない場合には、内部電極層３に、良好な導電性を付与できないおそれがある。

また、内部電極層３には、圧電体層２と同じ成分が含有されているのが好ましい。内部電極層３に、圧電体層２と同じ成分を含有させることで、焼成時の、圧電体層２の組成の変化を抑制すると共に、圧電体層２と、内部電極層３との密着力を高めて、前記圧電体層２と内部電極層３との間でのはく離のない、信頼性の高い積層型圧電体１を得ることができる。

外部電極９、１０は、導電成分としての銀または銀を含む合金と、ガラス成分との混合物によって形成するのが好ましい。導電成分として、銀または銀を含む合金を用いることで、外部電極９、１０のヤング率を低くして、積層体４の伸縮に対する追従性を向上させて、前記積層体４の伸縮によって、外部電極９、１０に加わる応力を緩和することができる。また、ガラス成分を含有させることによって、積層体４と、外部電極９、１０との密着力を向上させることもできる。そのため、外部電極９、１０が、積層体４からはく離したり、内部電極層３との間で接続不良を生じたりするのを抑制することができる。

図７〜図１０は、前記積層型圧電体１を、本発明の製造方法によって製造する各工程を示す斜視図である。本発明の製造方法では、前記図７の工程に至る前に、まず、圧電体層２のもとになる原料粉末、例えば、圧電材料の仮焼粉末と、有機バインダ等とを含むスラリーを調製した後、前記スラリーを、公知のシート成形法によって、シート状に成形する。シート（いわゆるセラミックグリーンシート）は、圧電体層２の１つ分の大きさに形成してもよいが、前記シートの、ひいては積層体４や積層型圧電体１の生産性を向上することを考慮すると、同一面内に、複数個の圧電体層２となる領域を含む大きさに形成するのが好ましい。

原料粉末は、先に説明した、厚み２０〜１００μｍの微細な圧電体層２のもとになる、厚みや平面形状が小さい上、溝１１、１２のもとになる微細な凹部を有するシートを、再現性よく形成するための良好な加工性を、前記シートに付与することを考慮すると、平均粒径が０．８μｍ以下であるのが好ましい。

有機バインダとしては、例えばアクリル系、ブチラール系等の高分子化合物が挙げられる。また、スラリーには、さらに必要に応じて、分散剤としての、アニオン系、カチオン系、ノニオン系等の界面活性剤や、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ジイソノニルフタレート等の可塑剤等の、各種添加剤を含有させることもできる。前記各成分と共にスラリーを構成する分散媒としては、水もしくは各種の有機溶媒が挙げられる。

次に、前記シートの片面の、圧電体層２となる領域に重ねて、内部電極層３のもとになる導電ペーストを、例えば、スクリーン印刷法等の、周知のパターン形成方法によって、前記内部電極層３の平面形状にパターン形成する。導電ペーストとしては、先に説明した銀の合金等の粉末を、導電成分として含有すると共に、必要に応じて、先に説明した圧電体層２と同じ成分としての圧電材料の粉末や、有機バインダ、可塑剤等を添加したものが挙げられる。前記各成分と共に導電ペーストを構成する分散媒としては、水もしくは各種の有機溶媒が挙げられる。

次に、図７を参照して、前記シートに、溝１１、１２のもとになる凹部１４を形成すると共に、シートを、圧電体層２の平面形状に略対応した平面形状に形成する加工をする。シートの加工方法としては、例えば、パンチングや金型による打ち抜きの他、レーザによる加工を採用することもできる。そうすると、片面に、内部電極層３のもとになる導電ペースト層１３を有すると共に、前記凹部１４を備えたシート１５が得られる。

次に、図８、図９を参照して、前記シート１５を、凹部１４を利用して位置合わせしながら、導電ペースト層１３の位置が、先に説明した内部電極層３の位置に対応して交互に配置されるように、向きを交互に逆転させた状態で、複数枚、積層すると共に、最上層には、導電ペースト層１３を形成していないシート１５を積層した後、５０〜２００℃に加熱しながら、積層方向に、１０〜２００ＭＰａの圧力をかけて一体化する。

そして、一体化された複数枚のシート１５の外形を、圧電体層２の平面形状と一致するように仕上げ加工して、積層体４の前駆体１６を形成した後、前記前駆体１６を、３００〜６００℃で５〜４０時間焼成して、有機バインダ等の有機物を除去すると共に、原料粉末を焼結させて、積層体４を形成する。

次に、図１０を参照して、前記積層体４の、凹部１４が積層方向に繋がれて形成された溝１１、１２に、それぞれ、外部電極９、１０のもとになる導電ペースト１７を、任意の印刷法によって印刷する等して充てんする。導電ペースト１７としては、先に説明した導電成分のもとになる、銀または銀を含む合金の粉末と、ガラス成分のもとになるガラス粉末とを含有すると共に、必要に応じて、有機バインダ、可塑剤等を添加したものが挙げられる。

前記各成分と共に導電ペースト１７を構成する分散媒としては、水もしくは各種の有機溶媒が挙げられる。前記銀等の粉末は、微細な溝１１、１２内に、隙間なく充てんすることを考慮すると、平均粒径が１０μｍ以下であるのが好ましい。前記粉末は、焼成によって、導電性に優れた外部電極９、１０を形成することを考慮すると、平均粒径が０．１μｍ以上であるのが好ましい。

次に、前記積層体４を、ガラス粉末の融点以上で、かつ内部電極層３を構成する銀の合金等の融点以下の温度に加熱して、導電ペースト１７を焼成して、外部電極９、１０を形成すると、図１の積層型圧電体１が製造される。なお、外部電極９、１０のもとになる導電ペースト１７は、溝１１、１２に、直接に充てんするのではなく、あらかじめ、前記導電ペースト１７を用いて、外部電極用のペーストシートを作製した後、前記ペーストシートを、溝１１、１２に充填するようにしてもよい。

前記焼成によって、内部電極層３と、外部電極９、１０との接合界面においては、前記内部電極層３中の銀の合金と、外部電極９、１０中の銀とが相互に拡散するため、内部電極層から拡散したパラジウムを、一般的な分析手法、例えば電子プローブマイクロアナライザ分析（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）等によって分析することで、内部電極層３と、外部電極９、１０との接合状態を確認することができる。

外部電極９、１０は、まず、溝１１、１２内に、５重量％程度のガラス粉末を含むペーストを充てんし、焼成して形成した下地層と、前記下地層の上に、前記導電ペースト１７を充てんし、焼成して形成した導電層とを有する２層構造に形成してもよい。また、単層構造の外部電極９、１０や、２層構造の外部電極９、１０のうちの導電層には、半田等の濡れ性を低下させない程度のガラス粉末を含有させてもよい。

《実施例》
出発原料として、それぞれ、純度９９％以上のＰｂ₃Ｏ₄、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＷＯ₃、およびＹｂ₂Ｏ₃の各粉末を、トータルの組成比がＰｂ_0.9475Ｂａ_0.03Ｓｒ_0.02（Ｚｒ_0.5275Ｔｉ_0.4725）_0.9825（Ｙｂ_0.5714Ｗ_0.4286）_0.0175Ｏ₃となるように配合し、５φのジルコニアボールおよび水を加えて、ボールミルを用いて混合した。そして、得られた混合物を、１２０℃で乾燥後、昇温速度２００℃／時間で９５０℃まで昇温して３時間、仮焼した後、５φのジルコニアボールを加えて、ボールミルを用いて粉砕して、平均粒径０．６５μｍ、比表面積２．３ｍ²／ｇの、圧電体層のもとになる原料粉末を得た。

次に、前記原料粉末と、バインダとしてのポリビニルブチラール樹脂と、分散剤としてのポリカルボン酸のアミドアミン塩と、可塑剤としてのジブチルフタレートと、分散媒としてのトルエンとを配合し、１５φのジルコニアボールを加えて、ボールミルを用いて３２時間、混合してスラリーを調製し、前記スラリーを、ドクターブレード法によって、基板上に塗布した後、乾燥させて、圧電体層２のもとになる、厚み５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。

次に、銀とパラジウムの比率が、重量比で７０：３０である、平均粒径０．８μｍの、銀−パラジウム合金の粉末と、カルボン酸系の分散剤と、バインダとしてのアクリル系樹脂と、可塑剤としてのジイソノニルフタレートと、分散媒としてのα−テルピネオールとを配合して、内部電極層３のもとになる導電ペーストを調製した。そして、前記導電ペーストを、スクリーン印刷法によって、先に作製したセラミックグリーンシートの片面に、内部電極層３の平面形状にパターン形成した。

次に、金型を用いて、導電ペーストを乾燥させた後のセラミックグリーンシートに、溝１１、１２のもとになる凹部１４を形成すると共に、シートを、圧電体層２の平面形状に略対応した平面形状に形成する加工をして、図７に示すように、片面に、内部電極層３のもとになる導電ペースト層１３を有すると共に、前記凹部１４を備えたシート１５を作製した。

凹部１４の形状は、図５に示す、四角柱の側面５、７で開口幅Ｗ₁が狭く、かつ、最奥部で開口幅Ｗ₂が広い上、前記側面５、７から最奥部へ向けて、開口幅が徐々に広くなると共に、奥行きＤ₁が、幅方向の全域で等しい略台形状、または、図６に示す、奥行きＤ₂が、幅方向の全域で等しく、かつ、積層体４の外周面である四角柱の側面５、７から最奥部まで、開口幅Ｗ₃が等しい矩形状とした。

次に、図８、図９に示すように、前記シート１５を、凹部１４を利用して位置合わせしながら、導電ペースト層１３の位置が、内部電極層３の位置に対応して交互に配置されるように、向きを交互に逆転させた状態で、９９枚、積層すると共に、最上層には、導電ペースト層１３を形成していないシート１５を１枚、積層した後、静水圧プレスを用いて、７５℃に加熱しながら、積層方向に、７５ＭＰａの圧力を１分間、加えて一体化した。

次に、一体化された計１００枚のシート１５の外形を、圧電体層２の平面形状と一致するように、１２ｍｍ×１２ｍｍの矩形状に仕上げ加工して、積層体４の前駆体１６を形成した後、前記前駆体１６を、６００℃で１０時間、焼成してバインダ等の有機物を除去し、次いで、昇温速度２００℃／時間で１１００℃まで昇温して３時間、大気中でさらに焼成して原料粉末を焼結させて、積層体４を作製した。

次に、平均粒径が０．５μｍ、１μｍ、および２μｍの３種のうち、いずれかの銀粉末と、バインダとしてのアクリル系樹脂と、可塑剤としてのジイソノニルフタレートと、分散媒としてのα−テルピネオールとを配合して、外部電極９、１０のもとになる導電ペーストを調製した。そして、図１０に示すように、前記導電ペーストを、スクリーン印刷法によって、先に作製した積層体４の溝１１、１２に充てんし、乾燥後、８００℃で３０分間焼成して外部電極９、１０を形成して、図１に示す積層型圧電体１を製造した。

前記積層型圧電体１の外部電極９、１０に、それぞれリード線を接合し、前記リード線を介して、３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１５分間、印加して圧電体層２を分極させて、圧電アクチュエータを得た。そして、前記圧電アクチュエータの外部電極９、１０に、リード線を介して、１８５Ｖの、極性が分極方向と一致する直流電圧を印加したところ、積層体４が、四角柱の長さ方向に１２μｍ、伸長しているのが確認された。

また、前記圧電アクチュエータの外部電極９、１０に、リード線を介して、１８５Ｖの、極性が分極方向と一致する直流電圧の印加と、停止とを、交互に繰り返す波形を有する駆動電圧（周波数１５０Ｈｚ）を印加して、積層体４を、１億サイクルに亘って、伸長と静止とを繰り返す駆動をさせた後、外観を確認したところ、外部電極９、１０にスパークや断線等の異常は見られず、良好な耐久性を有することが確認された。

また、前記１億サイクルの駆動後に、再び、圧電アクチュエータの外部電極９、１０に、リード線を介して、１８５Ｖの、極性が分極方向と一致する直流電圧を印加して、積層体４の、四角柱の長さ方向の伸長量を測定したところ、その低下率は、いずれも１０％以下であった。特に、凹部を略台形状としたものは、伸長量の低下率が７％以下であって、良好な耐久性を示した。また、凹部を略台形状とすると共に、外部電極９、１０のもとになる導電ペーストに、平均粒径が０．５μｍ、または１μｍの銀粉末を含有させたものは、前記外部電極９、１０の表面の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であって、リード線との接合が良好であったため、伸長量の低下率は５％以下であって、さらに良好な耐久性を示した。

《比較例》
比較のため、図１１に示すように、積層体４に溝１１、１２を形成せず、前記積層体４の側面５、７突出させて、外部電極９、１０を形成したこと以外は、実施例１と同様にして、従来構造の積層型圧電体１を作製し、圧電体層２を分極させて、圧電アクチュエータを得た。そして、前記圧電アクチュエータの外部電極９、１０に、リード線を介して、１８５Ｖの、極性が分極方向と一致する直流電圧を印加したところ、積層体４が、四角柱の長さ方向に１２μｍ、伸長しているのが確認された。

しかし、前記圧電アクチュエータの外部電極９、１０に、リード線を介して、実施例と同じ波形を有する駆動電圧（周波数１５０Ｈｚ）を印加して、積層体４を、伸長と静止とを繰り返す駆動をさせたところ、８０００万サイクルで、積層体４から外部電極９、１０がはく離してしまった。

本発明の積層型圧電体の一例を示す、一部切り欠き斜視図である。図１の積層型圧電体のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層の位置での、前記内部電極層の面方向に沿う断面図である。図１の積層型圧電体のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層の位置での、前記内部電極層の面方向に沿う断面図である。図１の積層型圧電体の、各層の積層方向の断面図である。図１の積層型圧電体のうち、溝と、前記溝内に形成された外部電極の、積層体を構成する各層の、面方向の形状を示す拡大断面図である。溝と外部電極の、面方向の形状の変形例を示す拡大断面図である。前記積層型圧電体を、本発明の製造方法によって製造する各工程を示す斜視図である。前記積層型圧電体を、本発明の製造方法によって製造する各工程を示す斜視図である。前記積層型圧電体を、本発明の製造方法によって製造する各工程を示す斜視図である。前記積層型圧電体を、本発明の製造方法によって製造する各工程を示す斜視図である。従来の、積層型圧電体の一例を示す、一部切り欠き斜視図である。図１１の積層型圧電体のうち、上から数えて奇数番目の内部電極層の位置での、前記内部電極層の面方向に沿う断面図である。図１１の積層型圧電体のうち、上から数えて偶数番目の内部電極層の位置での、前記内部電極層の面方向に沿う断面図である。

符号の説明

１積層型圧電体
２圧電体層
３内部電極層
４積層体
５側面
６側面
７側面
８側面
９外部電極
１０外部電極
１１溝
１２溝
１３導電ペースト層
１４凹部
１５シート
１６前駆体
１７導電ペースト

Claims

圧電体層と、内部電極層とが、複数層ずつ、交互に積層された積層体と、前記積層体の、複数層の内部電極層を、電気的に、外部に接続するための外部電極とを備えた積層型圧電体であって、前記積層体の外周面に、内部電極層に達し、かつ、積層体を構成する各層の積層方向に伸びる溝が形成され、前記溝内に、内部電極層と接触させて、導電材料が充てんされて、溝の開口で露出した表面が、溝の両側の外周面と同一平面、または外周面より内方に位置する外部電極が構成されていることを特徴とする積層型圧電体。
溝の、積層体を構成する各層の、面方向の形状が、積層体の外周面側で開口幅が狭く、面方向の内方へ向けて、開口幅が徐々に広くなる略台形状に形成されている請求項１記載の積層型圧電体。
外部電極の、溝の開口で露出した表面が、算術平均粗さＲａが１μｍ以下の平滑面とされている請求項１記載の積層型圧電体。
圧電体層のもとになる原料粉末を含むスラリーを調製する工程と、前記スラリーを、シート状に成形する工程と、前記シートの片面に、内部電極層のもとになる導電ペーストを、前記内部電極層の平面形状にパターン形成する工程と、前記シートに、溝のもとになる凹部を形成する工程と、前記シートを、複数枚、積層して、積層体の前駆体を形成する工程と、前記前駆体を焼成して、圧電体層と、内部電極層とが、複数層ずつ、交互に積層されていると共に、外周面に溝を有する積層体を形成する工程と、前記積層体の溝に、外部電極のもとになる導電ペーストを充てんした後、焼成して、積層体の、複数層の内部電極層を、電気的に、外部に接続するための外部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする積層型圧電体の製造方法。