(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電セラミック層と内部電極層の層間でのデラミネーション、および圧電セラミック層におけるマイクロクラックの発生をなくすとともに、内部電極層の導電性が優れ、小型で信頼性が高く、かつ製造工程を簡略化することにより製造コストを抑えた安価な積層セラミックアクチュエータ、およびその製造方法を提供する。【解決手段】湿式積層法を用いて、圧電セラミック層５と内部電極層９を形成するとともに、前記圧電セラミック層５と前記内部電極層９の間に、銀やパラジウム等の導電体粉末に、共材として添加した圧電セラミック粉末を含有してなる第１の中間層８および第２の中間層１０を設け、内部電極層９には不導体等の不純物を含有しないようにした。【選択図】図１
2010287589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック材よりなる１以上の圧電セラミック層および導電体よりなる２以上の内部電極層とを交互に積層してなる有効層部と、前記有効層部の積層方向に、前記有効層部を挟みこむように配置した前記圧電セラミック層からなる保護層部と、外部電極とを有し、前記内部電極層の端部の各々を、前記有効層部の積層方向と垂直な一方向の両端面の各々へ交互に導出することにより、前記外部電極と前記内部電極層の各々を接続した積層体からなる積層セラミックアクチュエータであって、前記圧電セラミック層と前記内部電極層の間に、少なくとも前記圧電セラミックと前記導電体を含有してなる中間層を設けることを特徴とする積層セラミックアクチュエータ。
【請求項２】
前記導電体は、銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末であることを特徴とする請求項１に記載の積層セラミックアクチュエータ。
【請求項３】
少なくとも、圧電セラミック粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合してセラミックスラリーを作製するセラミックスラリー作製工程と、導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して内部電極層用ペーストを作製する内部電極層用ペースト作製工程と、圧電セラミック粉末、導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して中間層用ペーストを作製する中間層用ペースト作製工程と、前記セラミックスラリーからグリーンシートを作製して、前記圧電セラミック層からなる第１の保護層部を形成する第１の保護層部形成工程と、前記グリーンシートを位置合わせ用定盤に配置する位置合わせ工程と、前記グリーンシートの面上に、複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第１の中間層を形成する第１の中間層形成工程と、前記第１の中間層上に、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、前記内部電極層を形成する内部電極層形成工程と、前記内部電極層上に、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第２の中間層を形成する第２の中間層形成工程と、前記第２の中間層上に、第３のスクリーン版を用いて前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥し、前記圧電セラミック層を形成する圧電セラミック層形成工程と、前記圧電セラミック層上に、複数個取りの第２のスクリーンを用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第１の中間層を形成する第１の中間層形成工程と、前記第１の中間層上に、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いて前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、前記内部電極層を形成する内部電極層形成工程と、前記内部電極層上に、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第２の中間層を形成する第２の中間層形成工程と、前記第２の中間層上に、第３のスクリーン版を用いて前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥し、前記圧電セラミック層を形成する圧電セラミック層形成工程と、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いた第１の中間層形成工程、内部電極層形成工程、および第２の中間層形成工程からなる第１の３層構造部形成工程と、前記圧電セラミック層形成工程と、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いた第１の中間層形成工程、内部電極層形成工程、および第２の中間層形成工程からなる第２の３層構造部形成工程とを複数回交互に繰り返し、前記有効層部を形成する有効層部形成工程と、前記有効層部の最上層上に前記グリーンシートを積層し、前記圧電セラミック層からなる第２の保護層部を形成する第２の保護層部形成工程と、前記第１の保護層部、前記有効層部、および前記第２の保護層部からなる積層体を圧着する圧着工程と、前記積層体中に含まれる有機物を加熱して除去する脱脂処理工程と、前記積層体を焼結して焼結体を作製する焼結工程と、前記焼結体の前記有効層部の積層方向と垂直な一方向の両端面を切断除去して、前記内部電極層の端部を前記両端面に交互に露出して導出する内部電極層端部導出工程と、前記焼結体の前記内部電極層の端部が露出した前記両端面に、外部電極を形成する外部電極形成工程と、前記焼結体を所望の形状に切断加工して、複数の焼結体素子を作製する切断加工工程と、前記焼結体素子の前記有効層部の積層方向と垂直な他方向の両端面を絶縁保護する絶縁コーティング処理工程と、前記焼結体素子の前記外部電極間に直流電圧を印加して、前記圧電セラミック層を分極する分極処理工程とを有することを特徴とする請求項１および２に記載の積層セラミックアクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記中間層用ペーストは、銀−パラジウム混合粉、銀−パラジウム供沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末に、共材となる前記圧電セラミック粉末を、無機物比率で５０重量部以上添加して混合した混合粉末を、前記有機樹脂とともに、前記有機溶剤中に分散してなるものであることを特徴とする請求項３に記載の積層セラミックアクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層してなる積層セラミックアクチュエータ、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層セラミックアクチュエータは、これまで主に産業用の機能デバイスとして使用されていたが、近年さらに、携帯電話機等に搭載されるカメラ装置のオートフォーカス機構やズーム機構等の機構部品に使用される民生用の機能デバイスとして、その用途を拡大しつつある。そして、これら機構部品の小型化にともない、積層セラミックアクチュエータの小型化への要求も高まっている。また、その使用環境に対する要求条件も厳しくなってきており、積層セラミックアクチュエータに対する高い信頼性が求められている。
【０００３】
特に、積層セラミックアクチュエータの製造過程における焼結時、あるいは積層セラミックアクチュエータを使用して電圧変位を繰り返す過程で発生する、積層された圧電セラミック層と内部電極層の層間が剥離するデラミネーションや、圧電セラミック層のマイクロクラック等に対する対策は、積層セラミックアクチュエータの信頼性およびその品質を維持する上で重要である。
【０００４】
例えば特許文献１には、このようなデラミネーション、およびマイクロクラック等を発生させないようにする技術、すなわち、圧電セラミックを主成分とする複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の内部電極層とを備えた圧電積層体であって、前記内部電極層がセラミック粒子を含有し、前記圧電セラミック層の厚みＴ、前記内部電極層の厚みｔ、および前記セラミック粒子の平均粒径ｄが、（ｔ／３）≦ｄ≦（Ｔ／２）の関係を満足するようにして、層間の密着性を高めた圧電積層体に関する技術について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４４０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の積層セラミックアクチュエータは、乾式積層法で製造するのが一般的である。以下、乾式積層法で製造する従来の積層セラミックアクチュエータについて、図３および図４を参照しながら説明する。
【０００７】
図４は、従来の積層セラミックアクチュエータの製造工程を示すフローチャートである。
【０００８】
乾式積層法で積層セラミックアクチュエータを製造する場合、図４に示すように、まず、圧電セラミック粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合してセラミックスラリーを作製する（ステップＳ１）。そして、前記セラミックスラリーを用いて、ドクターブレード法等により圧電セラミック層のみからなる第１のグリーンシートを作製する（ステップＳ２）。また予め、銀−パラジウム混合粉末等の導電体粉末を、有機樹脂とともに有機溶剤中へ分散して作製した内部電極層用ペーストを準備しておく。そして、前記内部電極層用ペーストを用いて、圧電セラミック層上に、スクリーン印刷法により内部電極層をスクリーン印刷および乾燥して形成する（ステップＳ３）。これにより圧電セラミック層および内部電極層からなる第２のグリーンシートを作製する。
【０００９】
さらに、前記第１のグリーンシートおよび前記第２のグリーンシートの各々を、任意の形状に打ち抜き加工する（ステップＳ４）。そして、所望の保護層部の厚み、所望の圧電セラミック層および内部電極層の積層数、所望の内部電極層の間隔、および所望の有効層部の厚み等を得るように、前記第１のグリーンシートと前記第２のグリーンシートを適宜選択して、順次、金型へ投入して積層する（ステップＳ５）。そしてこれに、前記金型を介して積層方向から圧縮力を加え、積層した前記第１のグリーンシートと前記第２のグリーンシートの各々を圧着する（ステップＳ６）。
【００１０】
そして、圧着して得た積層体を、その内部に含まれる有機物を除去するために、加熱して脱脂処理する（ステップＳ７）。さらにこれを、例えば１０００ないし１２００℃の高温で焼結して焼結体とする（ステップＳ８）。さらに前記焼結体の、積層方向と垂直な一方向の両端面を切断除去して、内部電極層の端部を、前記両端面に露出して導出する（ステップＳ９）。
【００１１】
そして、前記焼結体の、積層方向と垂直な一方向の一方の端面に導出された内部電極層の端部の各々を、例えば正極となるようにし、仮の電極を形成する（ステップＳ１０）。そして、電気泳動法等により、前記内部電極層の端部に対し、絶縁ガラスによる絶縁処理を一つおきに施し（ステップＳ１１）、ガラス焼付けを行なう（ステップＳ１２）。また、前記焼結体の、積層方向と垂直な一方向の他方の端面に導出された内部電極層の端部の各々を、例えば負極となるようにし、仮の電極を形成する（ステップＳ１３）。そして、電気泳動法等により、前記内部電極層の端部に対し、絶縁ガラスによる絶縁処理を一つおきに施し（ステップＳ１４）、ガラス焼付けを行なう（ステップＳ１５）。その後、内部電極層の端部が導出された前記焼結体の両端面に対して、例えば銀ペースト等を塗布、焼付けして外部電極を形成する（ステップＳ１６）。
【００１２】
そして、前記外部電極を形成した後の焼結体を、所望の形状に切断加工して複数の焼結体素子を作製する（ステップＳ１７）。さらに前記切断加工により、前記焼結体素子の、積層方向と垂直な他方向の両端面に露出した、内部電極層の端部に絶縁コーティング処理を施す（ステップＳ１８）。最後に、前記焼結体素子の外部電極間に直流電圧を印加して、前記圧電セラミック層を分極する（ステップＳ１９）。
【００１３】
図３は、従来の積層セラミックアクチュエータの構造を示す断面図である。図３（ａ）は、従来の積層セラミックアクチュエータの、積層方向と垂直な他方向の断面を示す。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ部の拡大図である。
【００１４】
図３（ａ）に示すように、上述した製造工程に従って製造した積層セラミックアクチュエータ１は、圧電セラミック層５と内部電極層９が交互に積層され、積層方向と垂直な一方向の両端面の各々には、絶縁ガラス１１による絶縁処理、および外部電極７が施されている。ただし前記絶縁ガラス１１による絶縁処理は、各々の端面において互い違いとなるように、導出した内部電極層９の複数の端部に対し、一つおきに施すようにしている。すなわち、一つの内部電極層９において、一方の端面に導出した前記内部電極層９の端部、例えば正極となる側の端部に前記絶縁ガラス１１による絶縁処理を施した場合は、他方の端面に導出した前記内部電極層９の端部、例えば負極となる側の端部には前記絶縁ガラス１１による絶縁処理を施さないようにしたものである。そして、前記絶縁ガラス１１による絶縁処理を施さない前記内部電極層９の端部の各々と電気的に接続する外部電極７を、前記両端面に形成したものである。
【００１５】
また、図３（ｂ）に示すように、互い違いに積層される圧電セラミック層５と内部電極層９は、各々の層の全面で直に接した状態にある。すなわち、銀等の導電体からなる内部電極層９の下層および上層には、材質の異なる圧電セラミックからなる圧電セラミック層５を直に配置した構造となっている。
【００１６】
積層セラミックアクチュエータの小型化を図るためには、グリーンシートそのものを薄くすることが必要であるが、その取り扱いはより難しくなり、小型化を阻む一因となっていた。
【００１７】
また、従来の積層セラミックアクチュエータは、圧電セラミック層と内部電極層の各々の上層および下層の全面で直に接した構造であるので、積層体を焼結して焼結体を作製する際に、圧電セラミック層の熱収縮率と内部電極層の熱収縮率との間に差があること等が原因で、その層間が剥離する、いわゆるデラミネーションを引き起こすという問題がある。また、焼結体素子を分極する際に、印加する直流電圧による自己変位が原因で、あるいは積層セラミックアクチュエータを使用して電圧変位を繰り返し行なうことが原因で、圧電セラミック層にマイクロクラックを引き起こすという問題がある。
【００１８】
上述した特許文献１に記載の技術では、このようなデラミネーションおよびマイクロクラック等を発生させないようにするために、内部電極層中に、特定の粒径を有する圧電セラミック粒子を共材として含有した構成としているが、この場合、圧電セラミック層と内部電極層との密着性はある程度高まるが、内部電極層の電気抵抗が大きくなり、その結果、積層セラミックアクチュエータの駆動特性に悪影響を及ぼす可能性があるため、共材の添加量には限界があった。通常、内部電極層には不導体等の不純物を含有しないほうが電気特性的には好ましい。
【００１９】
また、従来の積層セラミックアクチュエータの製造工程においては、導出した内部電極層の端部の各々に対して行う絶縁ガラスによる絶縁処理等は、製造上必須の工程であるが、このような工程に要する時間は多大であるため、積層セラミックアクチュエータの製造コストの削減を妨げる一因となっていた。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、圧電セラミック層と内部電極層の層間でのデラミネーション、および圧電セラミック層におけるマクロクラックの発生をなくし、小型で信頼性が高く、かつ製造工程を簡略化することにより製造コストを抑えた安価な積層セラミックアクチュエータ、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
すなわち本発明によれば、圧電セラミック材よりなる１以上の圧電セラミック層および導電体よりなる２以上の内部電極層とを交互に積層してなる有効層部と、前記有効層部の積層方向に、前記有効層部を挟みこむように配置した前記圧電セラミック層からなる保護層部と、外部電極とを有し、前記内部電極層の端部の各々を、前記有効層部の積層方向と垂直な一方向の両端面の各々へ交互に導出することにより、前記外部電極と前記内部電極層の各々を接続した積層体からなる積層セラミックアクチュエータであって、前記圧電セラミック層と前記内部電極層の間に、少なくとも前記圧電セラミックと前記導電体を含有してなる中間層を設けた積層セラミックアクチュエータが得られる。
【００２２】
本発明によれば、前記導電体は、銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末である前記積層セラミックアクチュエータが得られる。
【００２３】
本発明の積層セラミックアクチュエータは、１以上の圧電セラミック層と２以上の内部電極層の各々を互い違いに積層してなる有効層部を有する積層体であるが、前記有効層部を構成する、任意の内部電極層と、その間近にある内部電極層とは、前記積層体の積層方向と垂直な一方向に対して、一定のずれ量を確保して配置するのがよい。例えば、前記積層体の、積層方向と垂直な一方向の一方の端面を正極側となるようにし、同他方の端面を負極側となるようにしたとき、前記任意の内部電極層の一方の端部は前記正極側へは導出するが、同他方の端部は前記負極側へは導出しないものとし、また、前記間近にある内部電極層の他方の端部は前記負極側へは導出するが、同一方の端部は前記正極側へは導出しないものとするのが好適である。
【００２４】
また前記有効層部は、前記有効層部の積層方向の両側から、圧電セラミック層からなる保護層部で挟み込まれている。そして、前記有効層部および保護層部からなる、前記積層体の、積層方向と垂直な一方向の一方の端面、すなわち正極側と、同他方の端面、すなわち負極側の各々に対して外部電極を形成して、内部電極層の各々と電気的に接続するのがよい。
【００２５】
また、前記積層体の圧電セラミック層と、前記圧電セラミック層と内部電極層の間には、前記内部電極層を構成する、例えば銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末等の導電体粉末へ、前記圧電セラミック層を構成する圧電セラミックの粉末を共材として添加した部材からなる中間層を設けるのがよい。すなわち、前記有効層部は、前記内部電極層と、前記内部電極層に隣接する下層に配置した第１の中間層と、前記内部電極層に隣接する上層に配置した第２の中間層とで構成される３層構造からなる部分、すなわち３層構造部を含むものであるのがよい。
【００２６】
このような構成とすることにより、第１の中間層および第２の中間層が、圧電セラミック層と内部電極層とを媒介し、両者の密着性を高めることができる。また、内部電極層には、導電性を阻害する不純物を含有しないので、内部電極層の電気抵抗を小さくすることができる。
【００２７】
本発明によれば、少なくとも、圧電セラミック粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合してセラミックスラリーを作製するセラミックスラリー作製工程と、導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して内部電極層用ペーストを作製する内部電極層用ペースト作製工程と、圧電セラミック粉末、導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して中間層用ペーストを作製する中間層用ペースト作製工程と、前記セラミックスラリーからグリーンシートを作製して、前記圧電セラミック層からなる第１の保護層部を形成する第１の保護層部形成工程と、前記グリーンシートを位置合わせ用定盤に配置する位置合わせ工程と、前記グリーンシートの面上に、複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第１の中間層を形成する第１の中間層形成工程と、前記第１の中間層上に、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、前記内部電極層を形成する内部電極層形成工程と、前記内部電極層上に、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第２の中間層を形成する第２の中間層形成工程と、前記第２の中間層上に、第３のスクリーン版を用いて前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥し、前記圧電セラミック層を形成する圧電セラミック層形成工程と、前記圧電セラミック層上に、複数個取りの第２のスクリーンを用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第１の中間層を形成する第１の中間層形成工程と、前記第１の中間層上に、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いて前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、前記内部電極層を形成する内部電極層形成工程と、前記内部電極層上に、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いて前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥し、第２の中間層を形成する第２の中間層形成工程と、前記第２の中間層上に、第３のスクリーン版を用いて前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥し、前記圧電セラミック層を形成する圧電セラミック層形成工程と、前記複数個取りの第１のスクリーン版を用いた第１の中間層形成工程、内部電極層形成工程、および第２の中間層形成工程からなる第１の３層構造部形成工程と、前記圧電セラミック層形成工程と、前記複数個取りの第２のスクリーン版を用いた第１の中間層形成工程、内部電極層形成工程、および第２の中間層形成工程からなる第２の３層構造部形成工程とを複数回交互に繰り返し、前記有効層部を形成する有効層部形成工程と、前記有効層部の最上層上に前記グリーンシートを積層し、前記圧電セラミック層からなる第２の保護層部を形成する第２の保護層部形成工程と、前記第１の保護層部、前記有効層部、および前記第２の保護層部からなる積層体を圧着する圧着工程と、前記積層体中に含まれる有機物を加熱して除去する脱脂処理工程と、前記積層体を焼結して焼結体を作製する焼結工程と、前記焼結体の前記有効層部の積層方向と垂直な一方向の両端面を切断除去して、前記内部電極層の端部を前記両端面に交互に露出して導出する内部電極層端部導出工程と、前記焼結体の前記内部電極層の端部が露出した前記両端面に、外部電極を形成する外部電極形成工程と、前記焼結体を所望の形状に切断加工して、複数の焼結体素子を作製する切断加工工程と、前記焼結体素子の前記有効層部の積層方向と垂直な他方向の両端面を絶縁保護する絶縁コーティング処理工程と、前記焼結体素子の前記外部電極間に直流電圧を印加して、前記圧電セラミック層を分極する分極処理工程とを有する前記積層セラミックアクチュエータの製造方法が得られる。
【００２８】
本発明によれば、前記中間層用ペーストは、銀−パラジウム混合粉、銀−パラジウム供沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末に、共材となる前記圧電セラミック粉末を、無機物比率で５０重量部以上添加して混合した混合粉末を、前記有機樹脂とともに、前記有機溶剤中に分散してなるものである前記積層セラミックアクチュエータの製造方法が得られる。
【００２９】
本発明の積層セラミックアクチュエータは、スクリーン印刷法により、セラミックスラリーと、内部電極層用ペーストと、中間層用ペーストを用いて、湿式積層法で形成した、圧電セラミック層、内部電極層、および中間層を積層してなる有効層部と、セラミックスラリーを用いて作製したグリーンシートからなる保護層部とで構成される積層体を作製した後、前記積層体を圧着、脱脂、および焼結して焼結体を作製し、さらに前記内部電極層の端部が導出された、前記焼結体の、積層方向と垂直な一方向の両端面に対し、外部電極を形成して、これを複数の焼結体素子に切り分け、さらに前記焼結体素子に対し、前記焼結体素子の積層方向と垂直な他方向の両端面、すなわち外部電極が形成されない両端面に絶縁コーティングを施した後、前記焼結体素子を分極処理することによって製造するのがよい。
【００３０】
前記セラミックスラリーは、圧電セラミック粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して作製したものであるのがよい。また前記内部電極層用ペーストは、導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して作製したものであるのがよい。また中間層用ペーストは、前記圧電セラミック粉末、前記導電体粉末、有機樹脂、および有機溶剤を混合して作製したものであるのがよい。そして前記導電体粉末に、共材となる前記圧電セラミック粉末を、無機物比率で５０重量部以上添加して混合するのがよい。なお前記導電体粉末は、導電性を有した、任意の金属粉末等であってよいが、銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末等の導電体粉末であるのが好適である。
【００３１】
前記積層体は、その最下層に第１の保護層部、その上層に有効層部、さらにその上層に第２の保護層部を配置してなるのがよい。ピンガイドを使用して、位置合わせ用定盤に固定した前記第１の保護層部、すなわち前記セラミックスラリーを用いて作製したグリーンシート上に、前記中間層用ペーストを用いて第１の中間層をスクリーン印刷および乾燥し、さらに前記第１の中間層上に、内部電極層用ペーストを用いて内部電極層をスクリーン印刷および乾燥し、さらに前記内部電極層上に、前記中間層用ペーストを用いて第２の中間層をスクリーン印刷および乾燥し、さらに前記第２の中間層上に、前記セラミックスラリーを用いて圧電セラミック層をスクリーン印刷および乾燥し、所望の回数だけこの工程を繰り返して行なって前記有効層部を形成し、前記有効層部の上層に、前記第２の保護層部、すなわち前記セラミックスラリーを用いて作製したグリーンシートを積層するのがよい。
【００３２】
ただし、前記第１の中間層、内部電極層、および第２の中間層からなる、第１の３層構造部を形成するために使用する、複数個取りの第１のスクリーン版、および前記第１の３層構造部の間近にある第２の３層構造部を形成するために使用する、複数個取りの第２のスクリーン版には、前記積層体を形成したときに、前記積層体と垂直な一方向に一定のずれ量が生じるように、異なる印刷パターンを設けるのがよい。また前記第３のスクリーン版は、グリーンシートの上面と同等の面域を印刷することが可能な印刷パターンを有したものであるのがよい。
【００３３】
このように、ピンガイドを使用して位置合わせ用定盤に固定した保護層部に対して、湿式積層法で有効層部を形成する方法を用いることにより、位置決め精度を高めることができる。また、圧電セラミック層厚、内部電極層厚、第１の中間層厚、および第２の中間層厚を制御し、これらを可能な限り薄くすることができるので、小型の積層セラミックアクチュエータを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００３４】
上述した構成および製造方法とすることによって、本発明は以下のような効果を奏す。すなわち本発明の積層セラミックアクチュエータは、湿式積層法を用いるとともに、圧電セラミック層と内部電極層の間に、両者の熱収縮率の差異に起因する剥離を抑制する機能を有した中間層を設けるようにしたので、各層の位置決め精度を高めるとともに、積層体の焼結時等のデラミネーションや、焼結体素子の分極時等のマイクロクラックの発生を抑えることができ、さらに内部電極層は不純物を含有しないことから、電気抵抗を小さくすることができる。これにより、小型で信頼性が高く、かつ製造工程を簡略化することにより製造コストを抑えた安価な積層セラミックアクチュエータ、およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の積層セラミックアクチュエータの構造を示す断面図。図１（ａ）は、本発明の積層セラミックアクチュエータの積層方向と垂直な他方向の断面。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部の拡大図。
【図２】本発明の積層セラミックアクチュエータの製造工程を示すフローチャート。
【図３】従来の積層セラミックアクチュエータの構造を示す断面図。図３（ａ）は、従来の積層セラミックアクチュエータの積層方向と垂直な他方向の断面。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ部の拡大図。
【図４】従来の積層セラミックアクチュエータの製造工程を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。
【００３７】
図２は、本発明の積層セラミックアクチュエータの製造工程を示すフローチャートである。
【００３８】
本発明の積層セラミックアクチュエータは、湿式積層法を用いて形成した有効層部と、グリーンシートを用いて形成した保護層部とからなる積層体を、圧着、脱脂、および焼結して焼結体を作製し、これに外部電極を形成して、さらにこれを複数の焼結体素子に切り分けた後、これらに分極処理を施してなるものである。
【００３９】
図２に示すように、まず、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミック粉末、バインダーとして使用するポリビニールブチラールやアクリル樹脂等の有機樹脂、およびエチルセルソルブ等の有機溶剤を混合してセラミックスラリーを作製する（ステップＳ１）。そして、前記セラミックスラリーを用いて、ドクターブレード法により圧電セラミック層のみからなるグリーンシートを作製する（ステップＳ２）。また予め、銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、または銀−パラジウム合金粉末等の導電体粉末を、エチセルセルロース等の有機樹脂とともに、α−テルピネオール等の有機溶剤中へ分散して作製した内部電極層用ペースト、および、銀−パラジウム混合粉末、銀−パラジウム共沈粉末、銀−パラジウム合金粉末等の導電体粉末と、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミック粉末を、エチセルセルロース等の有機樹脂とともに、α−テルピネオール等の有機溶剤中へ分散して作製した中間層用ペーストを準備しておく。
【００４０】
次に、ステップＳ２で作製したグリーンシートを、位置合わせ用定盤に配置し、熱発泡剥離粘着シートを用いて固定する（ステップＳ３）。そして、前記グリーンシートが固定された位置合わせ用定盤を、スクリーン印刷機にセットする。
【００４１】
引き続き、スクリーン印刷機にセットされた、位置合わせ用定盤へ固定済みのグリーンシートの上面に対し、スクリーン印刷法により、複数個取りの第１のスクリーン版を用いて、前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、第１の中間層を形成する（ステップＳ４）。さらに、前記第１の中間層の上面に対し、複数個取りの第１のスクリーン版を用いて、前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、内部電極層を形成する（ステップＳ５）。またさらに、前記内部電極層の上面に対し、複数個取りの第１のスクリーン版を用いて、前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、第２の中間層を形成する（ステップＳ６）。そしてさらに、前記第２の中間層の上面に対し、第３のスクリーン版を用いて、前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥して、圧電セラミック層を形成する（ステップＳ７）。
【００４２】
引き続き、前記圧電セラミック層の上面に対し、複数個取りの第２のスクリーン版を用いて、前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、第１の中間層を形成する（ステップＳ８）。さらに、前記第１の中間層の上面に対し、複数個取りの第２のスクリーン版を用いて、前記内部電極層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、内部電極層を形成する（ステップＳ９）。またさらに、前記内部電極層の上面に対し、複数個取りの第２のスクリーン版を用いて、前記中間層用ペーストをスクリーン印刷および乾燥して、第２の中間層を形成する（ステップＳ１０）。そしてさらに、前記第２の中間層の上面に対し、第３のスクリーン版を用いて、前記セラミックスラリーをスクリーン印刷および乾燥して、圧電セラミック層を形成する（ステップＳ１１）。
【００４３】
なお、前記第１のスクリーン版、および前記第２のスクリーン版には、積層体を形成したときに、前記積層体と垂直な一方向に一定のずれ量が生じるように、異なる印刷パターンを設けている。また前記第３のスクリーン版は、前記グリーンシートの上面と同等の面域を印刷することが可能な印刷パターンを有したものである。
【００４４】
そして、第１の中間層、内部電極層、および第２の中間層からなる３層構造部が、所望の数量得られるまで、第１の３層構造部形成工程（ステップＳ４〜Ｓ６）、圧電セラミック層形成工程（ステップＳ７）、第２の３層構造部形成工程（ステップＳ８〜Ｓ１０）、および圧電セラミック層形成工程（ステップＳ１１）からなる一連の工程を、繰り返して行なって有効層部を形成する。
【００４５】
さらに、前記有効層部の上層、すなわち最上層に、前記ステップＳ２で作製したグリーンシートを積層して（ステップＳ１２）積層体を作製する。そして、前記積層体の第１の保護層部、有効層部、および第２の保護層部を一体化するために、積層方向から一定の圧縮力を加えて圧着する（ステップＳ１３）。
【００４６】
次に、圧着後の前記積層体に対して、特定の温度プロファイル、例えば４００ないし５００℃の範囲で、数時間加熱する脱脂処理を行い、積層体中に含有する有機物を除去する（ステップＳ１４）。
【００４７】
次に、脱脂処理した積層体を、密閉容器に投入して、特定の温度プロファイル、例えば１０００ないし１２００℃の範囲で、１ないし６時間かけて焼結して、焼結体を作製する（ステップＳ１５）。
【００４８】
次に、前記焼結体の、積層方向と垂直な一方向の両端面を切断除去して、内部電極層の端部を、前記両端面に露出して導出する（ステップＳ１６）。
【００４９】
次に、内部電極層の端部が導出した、前記焼結体の前記両端面に対し、スパッタ法により、ニッケルや銀等からなる外部電極を形成する（ステップＳ１７）。
【００５０】
次に、外部電極を形成した後の焼結体を、所望の形状に切断加工して複数の焼結体素子を作製する（ステップＳ１８）。
【００５１】
次に、前記切断加工により、内部電極層の端部が露出した、前記焼結体素子の、積層方向と垂直な他方向の両端面に対し、絶縁コーティング処理を施し、外部との電気的絶縁を確保する（ステップＳ１９）。
【００５２】
最後に、１００℃前後に加熱した絶縁オイル中に、絶縁コーティング処理済みの焼結体素子を浸漬した状態で、前記焼結体の外部電極の正極および負極間に一定の直流電圧、例えば１ないし２ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加して、圧電セラミック層を分極する（ステップＳ２０）。
【００５３】
上述した製造工程に従って製造することにより、本発明の積層セラミックアクチュエータを得ることができる。
【００５４】
図１は、本発明の積層セラミックアクチュエータの構造を示す断面図である。図１（ａ）は、本発明の積層セラミックアクチュエータの、積層方向と垂直な他方向の断面を示す。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部の拡大図である。
【００５５】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、上述した製造工程に従って製造した積層セラミックアクチュエータ１は、圧電セラミック層５と、３層構造部６とが交互に積層された構造であり、積層方向と垂直な一方向の両端面の各々には、互い違いに内部電極層９の端部が導出されている。そして前記両端面の各々には、導出された前記内部電極層９の端部と電気的に接続する外部電極７が施されている。
【００５６】
また、３層構造部６は、第１の中間層８、内部電極層９、および第２の中間層１０からなるものであり、前記第１の中間層８および前記第２の中間層１０は、前記内部電極層９を構成する導電体、すなわち銀−パラジウム混合粉、銀−パラジウム共沈粉、または銀−パラジウム合金粉等を含む部材中に、共材として、圧電セラミック層５を構成する圧電セラミック、すなわちチタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛等を添加してなる部材を用いて形成されている。このように、本発明の積層セラミックアクチュエータ１の構造は、従来の積層セラミックアクチュエータ１の構造とは異なり、材質の異なる圧電セラミック層５と内部電極層９とは、直に接触しない構造である。そして、圧電セラミック層５と内部電極層９の間に介在する、前記第１の中間層８および前記第２の中間層１０は、前記圧電セラミック層５と前記内部電極層９との密着性を高める効果をもたらすものである。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の積層セラミックアクチュエータの実施例について、上述の実施の形態で示した構成の積層セラミックアクチュエータを基にして、図１および図２を参照しながら説明する。
【００５８】
（実施例）
第１の保護層部２および第２の保護層部４を形成するグリーンシート、および有効層部３を形成する圧電セラミック層５の圧電セラミック粉末として、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした、ＮＥＣトーキン株式会社製のネペック（登録商標）Ｎ−１０材の粉末を使用した。ネペックＮ−１０材は、比誘電率が３４４０、および圧電定数がｄ３３＝６３５×１０−１２ｍ／Ｖのものである。またバインダーとなる有機樹脂として、ポリビニールブチラールを使用し、有機溶剤として、エチルセルソルブを使用した。そして、ネペックＮ−１０材の粉末を、ポリビニールブチラールとともに、エチルセルソルブ液中に分散して、これらを混合し、セラミックスラリーを得た。
【００５９】
また、有効層部３の内部電極層９の導電体として、銀−パラジウム合金粉末を使用した。またバインダーとなる有機樹脂として、エチルセルロースを使用し、有機溶剤として、α−テルピネオールを使用した。そして、銀−パラジウム合金粉末を、エチルセルロースとともに、α−テルピネオール液中に分散して、これらを混合し、内部電極層用ペーストを得た。
【００６０】
また、有効層部３の第１の中間層８および第２の中間層１０の導電体として、銀−パラジウム合金粉末：３５質量部を使用し、共材となる圧電セラミック粉末として、ネペックＮ−１０材の粉末：３５質量部を使用し、銀−パラジウム合金粉末に対し、ネペックＮ−１０材の粉末の割合が無機物比率で５０質量部となるようにした。またバインダーとなる有機樹脂として、エチルセルロースを使用し、有機溶剤として、α−テルピネオールを使用し、エチルセルロースおよびα−テルピネオールを合わせて３０質量部とした。
そして、ネペックＮ−１０材の粉末および銀−パラジウム合金粉末を、エチルセルロースとともに、α−テルピネオール液中に分散して、これらを混合し、中間層用ペーストを得た。
【００６１】
そして、前記セラミックスラリー、前記内部電極層用ペースト、および前記中間層用ペーストを用い、図２に示した製造工程に従って、積層体を作製し、圧着した。ただし、圧着後の第１の保護層部２および第２の保護層部４の厚さが、各々３４０μｍとなるように、ドクターブレード法によりグリーンシートを作製し、また、圧着後の有効層部３における電極間距離、すなわち任意の３層構造部６とその間近にある３層構造部６との間の距離、換言すれば任意の３層構造部６とその間近にある３層構造部６との間にある圧電セラミック層５の厚さが、３４．５μｍとなるように、スクリーン印刷法によりスクリーン印刷して積層し、積層体を作製している。なお、前記積層体を得るために要した積層数は４９層である。
【００６２】
さらに前記積層体を、加熱温度：５００℃、昇温時間：３時間の加熱温度条件で脱脂処理した。引き続き、脱脂処理後の前記積層体を、焼結温度：１２００℃、昇温時間：６時間の焼結条件で、密閉容器中で焼結した。
【００６３】
その後、できあがった焼結体の、積層方向と垂直な一方向の両端面を切断除去して内部電極層９の端部を露出して導出し、前記両端面に対し、スパッタ法により、ニッケル層および銀層を形成して外部電極７とした。そしてこれを切断加工して、長さ１．２ｍｍ×幅１．２ｍｍ×厚さ２．４７ｍｍの寸法を有した長方体形状の、複数の焼結体素子を得た。さらに、前記切断加工により、内部電極層９が露出した前記焼結体素子の、積層方向と垂直な他方向の両端面に対し、絶縁コーティング処理した。そして、前記焼結体素子を絶縁オイル中に浸漬した状態で、外部電極７の正極および負極間に、２ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加して、圧電セラミック層５を分極して、図１に示す構造を有した、本発明の積層セラミックアクチュエータ１を得た。
【００６４】
（比較例）
比較例として、図４に示す製造工程に従って製造し、図３に示す構造を有した、従来の積層セラミックアクチュエータについて、外形寸法、積層数、および層厚等が、本実施例と同等である試料を作製した。
【００６５】
本発明の積層セラミックアクチュエータの信頼性を確認するために、絶縁破壊試験を行なった。表１に、本発明の積層セラミックアクチュエータおよび従来の積層セラミックアクチュエータ各々の絶縁破壊試験結果を示す。絶縁破壊試験は、試料の外部電極の正極および負極間に直流電圧を印加し続けて、試料が絶縁破壊したときの破壊電圧値を確認することによって行なった。なお、絶縁破壊試験に使用した試料数は、各々５０個である。
【００６６】
【表１】
2010287589.tif 000003
【００６７】
表１に示すように、比較例の破壊電圧の平均値が１０６．９Ｖであるのに対し、実施例の破壊電圧の平均値は１３９．８Ｖと、高い値を示した。また、比較例の標準偏差は５．５Ｖであるのに対し、実施例の標準偏差は３．７Ｖと、ばらつきが小さい。このことから、本発明の積層セラミックアクチュエータは、従来の積層セラミックアクチュエータに比べて、絶縁破壊性能を約３０％以上向上させることが可能であるとともに、そのばらつきも抑えることが可能であることが確認された。したがって、上述した本発明の積層セラミックアクチュエータの製造方法を用いることにより、圧電セラミック層と内部電極層の層間でのデラミネーションやマイクロクラック等を発生させない、高い信頼性、および安定した品質を実現する積層セラミックアクチュエータを得ることができる。
【００６８】
以上説明したように、本発明の積層セラミックアクチュエータは、湿式積層法を用いて有効層部を形成したので、各層の位置決め精度を高めることができる。また、圧電セラミック層と内部電極層の間に、両者の熱収縮率の差異に起因する剥離を抑制する機能を有した中間層を設けるようにしたので、積層体の焼結時等のデラミネーションや、焼結体素子の分極時等のマイクロクラックの発生を抑えることができる。さらに、中間層のみが共材を含有するようにして、内部電極層には不純物を含有しないようにしたので、内部電極層の電気抵抗を小さくすることができる。また、従来の製造方法における、絶縁ガラスによる絶縁処理等の工程を省くことができる。これにより、小型で信頼性が高く、かつ製造工程を簡略化することにより製造コストを抑えた安価な積層セラミックアクチュエータ、およびその製造方法を提供することができる。
【００６９】
なお、上述した実施例は、本発明の実施形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は、上述した実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変形が可能である。
【００７０】
本発明は、産業用や民生用の機器等に使用される精密制御用の機能デバイス等に関連する技術分野、およびこれに関連する応用技術分野に利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  積層セラミックアクチュエータ
２  第１の保護層部
３  有効層部
４  第２の保護層部
５  圧電セラミック層
６  ３層構造部
７  外部電極
８  第１の中間層
９  内部電極層
１０  第２の中間層
１１  絶縁ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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