(57)【要約】【課題】  積層体の変位動作時に生じる応力を緩和するための溝部を、簡単に短時間で且つ圧電体に悪影響を与えることなく、積層体の側面に形成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。【解決手段】  積層型圧電素子を製造する場合、バインダ等を含有したグリーンシート９を用意し、電極パターン１０Ａ，１０Ｂを別々のグリーンシート９の表面に形成する。続いて、これらのグリーンシート９を所定の順序で積層してグリーン積層体１１を作製する。その後、カッター刃１２ａをグリーン積層体１１の側面に押し当てた状態で、カッター刃１２ａをグリーン積層体１１内に押し込むことにより、グリーン積層体１１の側面にスリット５を形成する。このとき、カッター刃１２ａを加熱した状態で、カッター刃１２ａを押し込むのが好ましい。続いて、グリーン積層体１１の脱脂及び焼成を行う。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体の側面に、前記積層体の積層方向に対して交差する方向に延在する溝部を有する積層型圧電素子の製造方法であって、
前記圧電体を形成する、バインダを含有したグリーンシートを用意し、前記グリーンシートの表面に前記内部電極を形成する工程と、
前記内部電極が形成されたグリーンシートを含む複数のグリーンシートを積層して、前記積層体を作製する工程と、
前記積層体の側面にカッター刃を当てて押し込むことにより、前記積層体の側面に前記溝部を形成する工程と、
前記溝部が形成された積層体を焼成する工程とを含むことを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記溝部を形成する工程において、前記カッター刃を加熱した状態で、前記積層体の側面に前記カッター刃を当てて押し込むことを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記溝部を形成する工程において、前記カッター刃を前記バインダのガラス転移点以上の温度で加熱することを特徴とする請求項２記載の積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層体の側面に溝部を有する積層型圧電素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばインジェクタ用の積層型圧電素子は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体と、この積層体の側面に設けられ、内部電極と電気的に接続された外部電極とを備えている。このような積層型圧電素子の中には、積層体の変位動作時に積層体にかかる応力を緩和するために、積層体の側面に、積層体の積層方向に対して交差する方向に延在する溝部を設けたものがある。積層体の側面に溝部を形成する方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、グリーン状態の積層体に対してブレードによる切削加工を施すことが知られている。
【特許文献１】特開２００４−２８８７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、ブレードによる切削加工では、高速回転するスピンドル等が必要となるため、溝部を形成するための装置が大掛かりなものとなる。また、切削による削り屑が出るため、積層体の側面の洗浄が必要となり、溝部の形成に時間がかかってしまう。さらに、切削加工時に用いる切削液が圧電体に悪影響を及ぼす可能性もある。
【０００４】
本発明の目的は、積層体の変位動作時に生じる応力を緩和するための溝部を、簡単に短時間で且つ圧電体に悪影響を与えることなく、積層体の側面に形成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ことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる積層体の側面に、積層体の積層方向に対して交差する方向に延在する溝部を有する積層型圧電素子の製造方法であって、圧電体を形成する、バインダを含有したグリーンシートを用意し、グリーンシートの表面に内部電極を形成する工程と、内部電極が形成されたグリーンシートを含む複数のグリーンシートを積層して、積層体を作製する工程と、積層体の側面にカッター刃を当てて押し込むことにより、積層体の側面に溝部を形成する工程と、溝部が形成された積層体を焼成する工程とを含むことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明に係わる積層型圧電素子は、積層体の側面に、積層体の積層方向に対して交差する方向に延在する溝部が形成されるため、内部電極に電圧を印加して積層体を変位動作させたときに、積層体にかかる応力が緩和され、積層体にクラックが生じにくくなる。本発明においては、そのような溝部を、焼成前の積層体の側面にカッター刃を当てて押し込むことによって形成する。グリーンシートはバインダによって柔軟性を有しているため、カッター刃を容易に且つ確実にグリーンシート内に入れることができる。このため、カッター刃を積層体の側面に当てて押し込むだけで、所望の溝部を形成することが可能となる。従って、ブレードによる切削加工を施す場合と異なり、大規模な装置を使用しなくて済む。また、削り屑が出ることは無いので、積層体の側面の洗浄が不要となる。これにより、積層体の側面に対する溝部の形成を、簡単に且つ短時間で行うことができる。さらに、切削液を用いることが無いため、切削液が圧電体に悪影響を及ぼすことを回避できる。
【０００７】
好ましくは、溝部を形成する工程において、カッター刃を加熱した状態で、積層体の側面にカッター刃を当てて押し込む。これにより、積層体の側面にカッター刃を押し込むときに、グリーンシートにおけるカッター刃の当たる部分の柔軟性が更に高くなるので、カッター刃をグリーンシート内に入れ易くなる。また、同様の理由から、カッター刃をグリーンシート内から抜き易くなる。従って、積層体の側面に対する溝部の形成を、更に簡単に且つ短時間で行うことができる。
【０００８】
このとき、溝部を形成する工程において、カッター刃をバインダのガラス転移点以上の温度で加熱するのが好ましい。この場合には、グリーンシートにおけるカッター刃の当たる部分が十分に柔らかくなるので、カッター刃をグリーンシート内に一層入れ易くなると共に、カッター刃をグリーンシート内から一層抜き易くなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積層体の側面にカッター刃を当てて押し込むので、積層体の変位動作時に生じる応力を緩和するための溝部を、簡単に短時間で且つ圧電体に悪影響を与えることなく、積層体の側面に形成することができる。これにより、クラックが発生しにくい積層型圧電素子を効率的に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係わる積層型圧電素子の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の機能を有する要素には、同じ符号を付することとし、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明に係わる積層型圧電素子の製造方法の一実施形態によって製造される積層型圧電素子を示す斜視図であり、図２は、その積層型圧電素子の側面図である。各図において、積層型圧電素子１は、例えば自動車に搭載される内燃機関のインジェクタ（燃料噴射装置）に用いられるものである。
【００１２】
積層型圧電素子１は、多角柱状（ここでは四角柱状）の積層体２を備えている。積層体２は、圧電体３を介して複数の内部電極４Ａと複数の内部電極４Ｂとが交互に積層されてなる構造を有している。圧電体３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。内部電極４Ａ，４Ｂは、例えばＡｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。積層型圧電素子１の寸法は、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ×３５ｍｍ程度である。圧電体３の厚さは、例えば１層当たり８０〜１００μｍ程度である。内部電極４Ａ，４Ｂの厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度である。
【００１３】
内部電極４Ａは、積層体２の側面２ｂの内側から反対側の側面２ａに露出するように形成され、内部電極４Ｂは、積層体２の側面２ａの内側から側面２ｂに露出するように形成されている。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂの一部が積層体２の積層方向に重なり合うこととなる。圧電体３において、隣り合う異極の内部電極４Ａ，４Ｂに挟まれる部分は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加した時に伸縮動作（変位）する活性部であり、これ以外の部分は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加しても変位しない不活性部である。
【００１４】
積層体２の側面２ａ，２ｂには、積層体２の積層方向に対して直交（交差）する方向に延在するスリット（溝部）５が一定層数毎に設けられている。これらのスリット５は、内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧を印加して積層体２を変位動作させたときに、積層体２にかかる応力を緩和するために形成されている。各スリット５は、積層体２の側面２ａ，２ｂにおける一方の縁から他方の縁にわたって形成されている。スリット５の長さ（側面２ａ，２ｂからスリット５の底までの長さ）は、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度であり、スリット５の開口幅は、例えば１０〜８０μｍ程度である。
【００１５】
積層体２の側面２ａには、各内部電極４Ａと電気的に接続された外部電極６Ａが設けられ、積層体２の側面２ｂには、各内部電極４Ｂと電気的に接続された外部電極６Ｂが設けられている。
【００１６】
外部電極６Ａ，６Ｂは、各々、積層体２の側面２ａ，２ｂの一部を覆うように積層体２の積層方向に延在する電極部７と、この電極部７の外側に配置され、積層体２の積層方向に波状に延在する電極部８とからなっている。電極部８は、積層体２の積層方向に伸縮性（柔軟性）をもつように電極部７にスポット的に接合されている。電極部７は、例えばＡｇ、Ａｕ及びＣｕのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。電極部８は、例えばＣｕ及びその合金、Ｎｉ及びその合金、フレキシブル基板等で形成されている。
【００１７】
このような積層型圧電素子１において、外部電極６Ａ，６Ｂ間に電圧が印加されると、外部電極６Ａ，６Ｂと接続された内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧が印加されることになる。これにより、異極の内部電極４Ａ，４Ｂに挟まれた圧電体３（活性部）に電界が生じ、当該圧電体３が積層体２の積層方向に伸縮し、これに伴って積層体２が変位する。ここで、積層体２の側面２ａ，２ｂにはスリット５が形成されているので、積層体２にかかる応力がスリット５によって緩和される。これにより、積層体２にクラックが入りにくくなるため、内部電極４Ａ，４Ｂ同士の電気的ショートが防止され、積層型圧電素子１の絶縁破壊を避けることができる。
【００１８】
次に、上述した積層型圧電素子１を製造する方法について、図３に示すフローチャートにより説明する。
【００１９】
まず、ＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、図４に示すように、上記の圧電体３となるセラミックグリーンシート９を複数枚形成する（手順１０１）。
【００２０】
続いて、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、そのペーストをスクリーン印刷することにより、図４に示すように、上記の内部電極４Ａに相当する電極パターン１０Ａ及び上記の内部電極４Ｂに相当する電極パターン１０Ｂを、別々のグリーンシート９の表面に形成する（手順１０２）。
【００２１】
続いて、電極パターン１０Ａが印刷されたグリーンシート９と電極パターン１０Ｂが印刷されたグリーンシート９と電極パターン１０Ａ，１０Ｂが印刷されていないグリーンシート９とを、図４に示すように所定の枚数だけ所定の順序で積層することにより、グリーン積層体１１を作製する（手順１０３）。
【００２２】
続いて、グリーン積層体１１を、所定の温度（例えば６０℃程度）で加熱しながら、所定の圧力（例えば１００ＭＰａ程度）で積層方向にプレスする（手順１０４）。そして、そのグリーン積層体１１を例えばダイヤモンドブレードにより所定の寸法に切断する（手順１０５）。これにより、図４に示すように、電極パターン１０Ａ，１０Ｂがグリーン積層体１１の側面に露出するようになる。
【００２３】
続いて、グリーン積層体１１の側面に、所定間隔で上記のスリット（溝部）５を形成する（手順１０６）。スリットの形成は、具体的には、図５に示すように、Ｖ字状のカッター刃１２ａを有する板型カッター１２を使用して、以下のようにして行う。
【００２４】
即ち、まずグリーン積層体１１の側面１１ａ，１１ｂが上下に位置するように、グリーン積層体１１を横置きする。そして、板型カッター１２のカッター刃１２ａがグリーン積層体１１の積層方向に対して直交する方向に延びるように、カッター刃１２ａをグリーン積層体１１の側面１１ａまたは側面１１ｂのスリット形成位置に押し当てる。なお、スリット形成位置は、異極の電極パターン１０Ａ，１０Ｂの絶縁距離を十分に確保すべく、例えば２枚のグリーンシート９が間に介在されている電極パターン１０Ａ，１０Ｂの中間部であるのが望ましい。
【００２５】
そして、グリーン積層体１１の側面１１ａまたは側面１１ｂにカッター刃１２ａを当てたまま、図６に示すように、カッター刃１２ａを側面１１ａ，１１ｂの対向方向に沿ってグリーン積層体１１内に押し込んでいく。ここで、グリーンシート９には有機バインダ樹脂が含有されているため、グリーンシート９は比較的柔らかい状態となっている。このため、グリーン積層体１１に対してカッター刃１２ａを押し込むと、カッター刃１２ａはグリーンシート９内にスムーズに入り込んでいく。これにより、グリーン積層体１１の側面１１ａ，１１ｂに、カッター刃１２ａの刃幅に対応する開口幅をもったスリット５を容易に且つ確実に形成することができる。その後、所定長のスリット５が形成されたら、グリーン積層体１１内からカッター刃１２ａを抜き出す。
【００２６】
このとき、カッター刃１２ａをヒータ（図示せず）により加熱した状態で、グリーン積層体１１に対してカッター刃１２ａを押圧すると、グリーンシート９におけるカッター刃１２ａが触れている部分の柔軟性が更に高くなる。このため、カッター刃１２ａがグリーンシート９内に入り込み易くなると共に、グリーンシート９内からカッター刃１２ａを引き抜き易くなる。なお、カッター刃１２ａの加熱温度は、グリーンシート９に含まれる有機バインダ樹脂のガラス転移点（例えば６０℃程度）以上の温度であるのが好適である。
【００２７】
また、グリーン積層体１１の側面１１ａ，１１ｂにスリット５を形成する手法としては、図７に示すように、ワイヤ状のカッター刃１３を使用しても良い。この場合には、例えば２つの支持点間に所定の張力で張られたワイヤ状のカッター刃１３に電流を流すことによってカッター刃１３を加熱した状態で、カッター刃１３をグリーン積層体１１の側面１１ａまたは側面１１ｂに当てて押し込むようにする。これにより、グリーン積層体１１の側面１１ａ，１１ｂに、カッター刃１３の外径に対応する開口幅をもったスリット５を容易に且つ確実に形成することができる。
【００２８】
図３に戻り、上記手順１０６のスリットの加工工程を実施した後、グリーン積層体１１をセッター（図示せず）上に載せ、グリーン積層体１１の脱脂（脱バインダ）を例えば３５０〜４００℃程度の温度で行う（手順１０７）。その後、脱脂後のグリーン積層体１１が載置されたセッターを密閉こう鉢炉（図示せず）内に入れ、グリーン積層体１１の焼成を例えば１０００℃程度の温度で２時間程度行う（手順１０８）。これにより、グリーン積層体１１が収縮焼結され、焼結体として上記の積層体２が得られる。
【００２９】
続いて、積層体２の側面２ａに外部電極６Ａを形成すると共に、積層体２の側面２ｂに外部電極６Ｂを形成する（手順１０９）。具体的には、まず例えばＡｇを主成分とする導電ペーストを積層体２の側面２ａ，２ｂにスクリーン印刷した後、例えば７００℃程度の温度で焼付処理を行うことで、側面２ａ，２ｂに電極部７を形成する。なお、この電極部７の形成手法としては、焼付の代わりにスパッタリング法や無電解メッキ法等を用いても良い。そして、波状に延びる電極部８を、例えば半田付けにより複数の箇所で電極部７と接合する。
【００３０】
最後に、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体３の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う（手順１１０）。以上により、積層型圧電素子１が完成する。
【００３１】
以上のように本実施形態にあっては、グリーン積層体１１の焼成を行う前に、グリーン積層体１１の側面にカッター刃１２ａまたはカッター刃１３を当てて押し込んでスリット５を形成するので、例えばブレードによる切削加工を行ってスリットを形成する場合に比べて、極めて簡単にスリット５の形成を行うことができる。また、切削加工のように切削屑が発生することは無いので、グリーン積層体１１の洗浄工程やその後の乾燥工程が不要となり、スリット５の形成に要する時間を短縮することができる。さらに、切削加工の場合と異なり、高速回転するスピンドル等の装置が不要となるため、スリット５の形成に使用する装置が簡素化され、製造コストを削減することができる。また、切削加工で使用される切削液はグリーンシート９に悪影響を及ぼす可能性があるが、本手法では切削液を使うことは無いので、そのような不具合を確実に避けることができる。
【００３２】
これらにより、積層体２の変位動作時に生じる応力を緩和するためのスリット５を有する高品質の積層型圧電素子を効率的に且つ安価に製造することが可能となる。
【００３３】
なお、本発明に係わる積層型圧電素子の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
例えば上記実施形態では、積層体２における隣り合う異極の内部電極４Ａ，４Ｂの間にスリット５が設けられているが、図８に示すように、隣り合う内部電極が同一極である領域を有する積層体２を作製し、この積層体２における内部電極４Ａ，４Ａ間及び内部電極４Ｂ，４Ｂ間にスリット５を形成しても良い。
【００３５】
このような構造を有する積層体２では、圧電体３における内部電極４Ａ，４Ａ間及び内部電極４Ｂ，４Ｂ間の部分は、電圧を印加しても伸縮しない不活性部となる。このため、図９に示すように、上記と同様にグリーン積層体１１の側面１１ａまたは側面１１ｂにカッター刃１２ａを当てて押し込んで、スリット５を形成する際に、所定のスリット形成位置からずれた位置にカッター刃１２ａが押し込まれても、不活性部の範囲内であれば、スリット５が電極パターン１０Ａ，１０Ｂの絶縁性に影響を与えることは無い。従って、電極パターン１０Ａ，１０Ｂの絶縁距離を気にすることなく、スリット５を形成することができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、Ｖ字状のカッター刃１２ａやワイヤ状のカッター刃１３を用いて、グリーン積層体１１にスリット５を形成したが、使用するカッター刃としては、特にこれらに限られず、グリーン積層体１１に対して押し込むだけでスリット５を形成できるものであれば何でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係わる積層型圧電素子の製造方法の一実施形態によって製造される積層型圧電素子を示す斜視図である。
【図２】図１に示した積層型圧電素子の側面図である。
【図３】図１に示した積層型圧電素子を製造する工程を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した積層型圧電素子を製造する際に作製されるグリーン積層体の切断後の状態を示す分解斜視図である。
【図５】図４に示したグリーン積層体の側面にスリットを形成する方法を示す斜視図である。
【図６】図５に示したＶ字状のカッター刃によりグリーン積層体の側面にスリットを形成する様子を示す断面図である。
【図７】図４に示したスリット加工工程を実施する他の方法として、ワイヤ状のカッター刃によりグリーン積層体の側面にスリットを形成する様子を示す断面図である。
【図８】本発明に係わる積層型圧電素子の製造方法の一実施形態によって製造される積層型圧電素子の変形例を示す側面図である。
【図９】図８に示した積層体となるグリーン積層体の側面にスリットを形成する方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…積層型圧電素子、２…積層体、３…圧電体、４Ａ，４Ｂ…内部電極、５…スリット（溝部）、９…セラミックグリーンシート、１０Ａ，１０Ｂ…電極パターン、１１…グリーン積層体、１２ａ…カッター刃、１３…カッター刃。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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