(57)【要約】【課題】工業的に生産が容易で、電界印加時のき裂の発生を防止することが可能なセラミック積層型電気機械変換素子の提供。【解決手段】セラミック積層型電気機械変換素子１は、電界の印加により変位する複数のセラミックス層２と、セラミックス層２と交互に重ねられてセラミックス層２と共に積層体４を形成する複数の内部電極層３と、応力を緩和する溝１０と、を備える。各内部電極層３は部分電極７と無電極部８とを有し、各セラミックス層２に所定の電界を印加する外部電極９が部分電極７に一層おきに接続されている。溝１０は、積層体４の積層方向に沿った側辺部４ａ，４ｂに配置されている。この側辺部４ａ，４ｂにおいて溝１０が設けられていない溝不存在領域の積層方向の長さＬ１は、外部電極９から所定の電界が印加されたときに溝不存在領域においてき裂が発生する最小破壊長さよりも小さく設定されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界の印加により変位する材質よりなる複数のセラミックス層と複数の内部電極層とが交互に重ねられて一体に焼結された積層体と、該積層体の側面に配置された１対の外部電極とを備え、各内部電極層は部分電極と無電極部とからなり、前記部分電極は前記１対の外部電極と一層おきに交互に電気的に接続されるセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記積層体の積層方向に沿った側部には、応力を緩和する溝が形成され、
前記溝は、前記側部のうち当該溝を含まない溝不存在領域の前記積層方向に連続する最大長さを、前記セラミックス層に所定の電界が印加されたときに前記溝不存在領域においてき裂が発生する最小破壊長さよりも小さく抑えている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝は、当該溝を除去した状態の溝不存在領域において、前記セラミックス層に所定の電界が印加されたときに発生する応力がセラミックス層の破壊強度を超えて最大となる部分の近傍に配置されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝は、前記積層体の積層方向の全体の長さをほぼ等分割する位置に配置されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝は、前記セラミックス層に形成され、前記積層体の積層方向に沿った側面から該積層方向と略直交する方向へ延びている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項５】
請求項４に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝が形成されたセラミックス層の厚さは、他のセラミックス層の厚さよりも大きく形成されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝を含み前記積層方向と略直交する断面において、前記セラミックス層のほぼ全ての領域は、当該セラミックス層と隣り合って対となる部分電極によって挟まれている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項７】
請求項６に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記積層体は、略角柱状であり、
前記内部電極層は、前記セラミックス層を挟んで交互に重ねられた第１内部電極層と第２内部電極層とからなり、
前記第１内部電極層と第２内部電極層とは、矩形板形状のうち一つの角部が切除された部分電極と、前記切除された角部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状であり、
前記第１内部電極層の無電極部と前記第２内部電極層の無電極部とは、前記積層体の相対向する２つの側辺部にそれぞれ配置され、
前記溝は、前記側辺部にそれぞれ形成されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項８】
請求項６に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記積層体は、略角柱状であり、
前記内部電極層は、前記セラミックス層を挟んで交互に重ねられた第１内部電極層と第２内部電極層とからなり、
前記第１内部電極層と第２内部電極層とは、矩形板形状の一辺に切り欠き部を有する部分電極と、前記切り欠き部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状であり、
前記第１内部電極層の無電極部と前記第２内部電極層の無電極部とは、前記積層体の相対向する２つの側面にそれぞれ面して配置され、
前記溝は、前記側面にそれぞれ形成されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項９】
請求項６に記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記積層体は、略角柱状であり、
前記内部電極層は、前記セラミックス層を挟んで交互に重ねられた第１内部電極層と第２内部電極層とからなり、
前記第１内部電極層と第２内部電極層とは、矩形板形状の三辺に連続する切り欠き部を有する部分電極と、前記切り欠き部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状であり、
前記第１内部電極層の部分電極と前記第２内部電極層の部分電極とは、前記積層体の相対向する２つの側面にそれぞれ面して配置され、
前記溝は、前記積層体の４つの側面に亘って環状に形成されている
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９いずれかに記載のセラミック積層型電気機械変換素子であって、
前記溝の先端は、湾曲面状である
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のセラミック積層型電気機械変換素子の製造方法であって、
セラミック粉末と有機バインダとを含むグリーンシートの表面に、内部電極層を形成する金属ペーストを塗布し、
前記金属ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し、
積層されたグリーンシートの集合体を焼結して前記積層体を生成し、
焼結後の前記積層体に前記溝を形成する
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のセラミック積層型電気機械変換素子の製造方法であって、
セラミック粉末と有機バインダとを含むグリーンシートの表面に、内部電極層を形成する金属ペーストを塗布し、
前記金属ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し、
積層されたグリーンシートの集合体に前記溝を形成し、
前記溝を有する集合体を焼結して前記積層体を生成する
ことを特徴とするセラミック積層型電気機械変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック積層型電気機械変換素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック積層型電気機械変換素子は、一般に、複数のセラミックス層と複数の内部電極層とが交互に重ねられて一体に焼結された積層体と、１対の外部電極と、を備え、各内部電極層は、内部電極としての部分電極を有する。外部電極は、積層体の２つの側面上にそれぞれ配置され、部分電極に一層おきに電気的に接続される。
【０００３】
各部分電極は、電極面積が素子（積層体）の断面積よりも小さく、その縁端面は、２つの外部電極が配置された積層体の２つの側面の少なくとも一方で露出している。各部分電極は、自身の縁端面が露出する積層体の側面においてこの側面上に配置された外部電極とは電気的に接続するが、縁端面が露出しない積層体の側面上に配置された外部電極とは電気的に接続していない。
【０００４】
セラミックス層は、圧電又は電歪セラミックスを主成分とし、外部電極間に電圧が印加されることにより機械的に変位する。各内部電極層の部分電極が設けられていない領域（以下、無電極部という）の存在により、１対の隣り合う内部電極層間のセラミックス層には、当該２つの内部電極層の部分電極に挟まれた部分と挟まれない部分とが存在する。外部電極間に電圧が印加されたとき、上記２つの部分のうち部分電極に挟まれた部分は変位するが、部分電極に挟まれない部分は変位せず、両者の境界付近に応力が発生する。そして、発生する最大応力がセラミックス層の破壊強度を超えてしまうと、き裂が発生して破損を生じる恐れがある。また、き裂は、耐湿特性を著しく劣化させる原因となる。このため、高湿度雰囲気中で素子に電界を印加して駆動すると、き裂を通して内部電極を形成する金属がマイグレーションを起こし、絶縁性が要求される部位において部分電極と外部電極とが電気的に導通してしまう恐れがある。
【０００５】
このような不都合を回避することを目的とした構造として、素子の積層方向と平行な側面上に、幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの溝を、素子の周囲全体に２ｍｍの間隔で形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平６−５７９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の構造では、素子（積層体）の長さに対して形成する溝の数が多い。例えば、素子の長さが３０ｍｍの場合には、１４本の溝を形成しなければならず、製造上の負担となり、工数及びコストの増大を招く。また、溝を素子の周囲全体に形成することも、製造上の負担となり、工数及びコストの増大を招く。
【０００８】
そこで、本発明は、工業的に生産が容易で、電界印加時のき裂の発生を防止することが可能なセラミック積層型電気機械変換素子とその製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るセラミック積層型電気機械変換素子は、積層体と１対の外部電極とを備えている。積層体は、電界の印加により変位する材質よりなる複数のセラミックス層と、複数の内部電極層と、が交互に重ねられ、両者が一体に焼結されたものである。１対の外部電極は、積層体の側面に配置されている。各内部電極層は、部分電極と無電極部とからなり、部分電極は、１対の外部電極と一層おきに交互に電気的に接続されている。
【００１０】
積層体の積層方向に沿った側部には、応力を緩和する溝が形成されている。この溝は、積層体の側部のうち溝を含まない溝不存在領域の積層方向に連続する最大長さを、セラミックス層に所定の電界が印加されたときに溝不存在領域においてき裂が発生する最小破壊長さよりも小さく抑えている。セラミックス層は、いわゆる圧電セラミックスや電歪セラミックスを主成分とする。
【００１１】
上記構成では、外部電極に電圧が印加されたとき、セラミックス層のうち積層方向で隣り合って対となる２つの部分電極に挟まれた部分は変位するが、この２つの部分電極に挟まれない部分は変位しない。このため、両者の境界（隣り合う２つの部分電極に挟まれる部分と挟まれない部分との境界）に応力が発生する。発生する応力の大きさは、積層体の積層方向の両端から中央部に向かって増大し、所定位置で最大応力となる。この最大応力は、積層体の側部において応力を緩和する溝を含まない領域（以下、溝不存在領域と称する）の積層方向の長さの増減に応じて増減する。
【００１２】
これに対し、本発明では、セラミックス層に所定の電界が印加されたときにき裂が発生する溝不存在領域の積層方向の最小の長さ（以下、最小破壊長さと称する）を実験的に又は計算によって予め求め、各溝不存在領域の積層方向の長さがこの最小破壊長さよりも小さくなるように、応力を緩和するための溝を配置している。
【００１３】
この最小破壊長さは、印加する電界の強さ、セラミックス層の材質や寸法形状、部分電極の寸法形状等の諸条件によって決定される。従って、溝不存在領域の積層方向の長さが最小破壊長さよりも小さくなるように溝を配置することによって、き裂の発生及び成長を確実に防止することができる。
【００１４】
また、溝の数は、溝不存在領域の積層方向の長さを最小破壊長さよりも小さくする最少数で済み、多数の溝を形成する必要がない。従って、製造上の負担が少なくて済み、工業的に生産が容易である。
【００１５】
溝不存在領域においてセラミックス層に所定の電界が印加されたときに発生する応力がセラミックス層の破壊強度を超えて最大となる部分（最大応力発生部）の近傍に、応力を緩和する溝を配置しても良い。
【００１６】
これにより、溝不存在領域に発生する最大応力を、セラミックス層の破壊強度よりも小さくなるように効果的に低減させることができ、き裂の発生をより確実に抑えることができる。
【００１７】
応力を緩和する溝を、積層体の積層方向の全体の長さをほぼ等分割する位置に配置しても良い。
【００１８】
発生する最大応力の大きさが溝不存在領域の積層方向の長さによって一律に決定される場合、各溝不存在領域の積層方向の長さがほぼ等しくなるように溝を配置することによって、各溝不存在領域における最大応力がセラミックス層の破壊強度を超えないように、発生する応力を効率的に分散させることができる。従って、積層体の全域において、最大応力を効率良く低減させて、き裂の発生を抑えることができる。
【００１９】
溝を、積層体の積層方向に沿った側面から積層方向と略直交する方向へ延びるように、セラミックス層に形成しても良い。
【００２０】
上記構成では、外部電極が溝内へ侵入している場合であっても、溝が内部電極層と異なった別の平面内のセラミックス層内に存在するため、絶縁性が要求される部分における外部電極と部分電極との導通を確実に防止することができる。
【００２１】
溝が形成されたセラミックス層の厚さを、他のセラミックス層の厚さよりも大きく形成しても良い。
【００２２】
上記構成では、溝を有さないセラミックス層の厚さを小さく設定して、印加する電圧の大きさを小さく抑えつつ素子の変位量を増大させることができると共に、溝を形成するセラミックス層の厚さを大きく設定して、溝の加工作業を容易に行うことができ、工業的生産が一段と容易となる。
【００２３】
溝の先端を、湾曲面状としても良い。
【００２４】
例えば、溝の先端が角部を有する場合には、この角部をきっかけとしてき裂が発生し成長する可能性がある。これに対し、溝の先端を湾曲面状とすれば、き裂の発生のきっかけとなる角部が存在しないので、き裂の発生をより確実に防止することができる。
【００２５】
積層方向と略直交し且つ溝を含む断面において、セラミックス層のほぼ全ての領域が、セラミックス層と隣り合って対となる部分電極によって挟まれるように、溝を形成しても良い。
【００２６】
上記構成では、積層方向と略直交し且つ溝を含むセラミックス層の断面において、そのほぼ全ての領域が電界の印加によってほぼ均一に変位するので、積層体に発生する応力が良好に緩和され、最大応力の低減をより確実に図ることができる。
【００２７】
積層体を、略角柱状とし、内部電極層を、セラミックス層を挟んで交互に重ねられた第１内部電極層と第２内部電極層とから構成しても良い。第１内部電極層と第２内部電極層とを、矩形板形状のうち一つの角部が切除された部分電極と、前記切除された角部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状としても良い。第１内部電極層の無電極部と第２内部電極層の無電極部とを、積層体の相対向する２つの側辺部にそれぞれ配置し、溝を、２つの側辺部にそれぞれ形成しても良い。
【００２８】
また、第１内部電極層と第２内部電極層とを、矩形板形状の一辺に切り欠き部を有する部分電極と、切り欠き部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状としても良い。第１内部電極層の無電極部と第２内部電極層の無電極部とを、積層体の相対向する２つの側面にそれぞれ面して配置し、溝を、２つの側面にそれぞれ形成しても良い。
【００２９】
また、第１内部電極層と第２内部電極層とを、矩形板形状の三辺に連続する切り欠き部を有する部分電極と、切り欠き部に配置された無電極部と、を備えた略矩形板形状としても良い。第１内部電極層の部分電極と第２内部電極層の部分電極とを、積層体の相対向する２つの側面にそれぞれ面して配置し、溝を、積層体の４つの側面に亘って環状に形成しても良い。
【００３０】
本発明に係るセラミック積層型電気機械変換素子は、セラミック粉末と有機バインダとを含むグリーンシートの表面に、内部電極層を形成する金属ペーストを塗布し、このグリーンシートを積層し、積層されたグリーンシートの集合体を焼結して積層体を生成し、焼結後の積層体に溝を形成することにより製造しても良い。
【００３１】
また、セラミック粉末と有機バインダとを含むグリーンシートの表面に、内部電極層を形成する金属ペーストを塗布し、このグリーンシートを積層し、積層されたグリーンシートの集合体に溝を形成し、溝を有する集合体を焼結して積層体を生成することにより製造しても良い。
【００３２】
このように焼結前のグリーンシートの集合体に対して溝を形成する方法は、溝を形成する作業を容易に行うことができる点と、溝を形成する際に生じた残留歪みが焼結時に解消するという点で優れている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明に係るセラミック積層型電気機械変換素子の一実施形態を示す斜視図、図２は図１の積層体の一部のセラミックス層を透視した斜視図、図３は図１の  ＩＩＩ−ＩＩＩ  矢視断面図、図４は図１のＶＩ−ＶＩ矢視断面図、図５は図１のＶ−Ｖ矢視断面図図である。
【００３５】
図１〜図５に示すように、セラミック積層型電気機械変換素子１は、電界の印加により変位する複数のセラミックス層２と、複数の内部電極層３と、一対の外部電極９と、応力を緩和するための溝１０と、を備えている。セラミックス層２と内部電極層３とは、交互に重ねられて一体化され、積層体４を形成する。内部電極層３は一層おきに２つの外部電極９にそれぞれ接続され、外部電極９からの電圧印加によって各セラミックス層２に所定の電界が印加される。セラミックス層２及び内部電極層３は共に矩形板形状であり、積層体４は角柱状である。各セラミックス層２は、ほぼ同じ厚さを有している。なお、積層体４の形状は、角柱状に限定されず、例えば円柱状や中空円筒状等、様々な形状に設定することができる。
【００３６】
内部電極層３は、第１内部電極層５と第２内部電極層６とに分けられる。セラミックス層２と内部電極層３とは、セラミックス層２、第１内部電極層５、セラミックス層２、第２内部電極層６、セラミックス層２…の順に積層されている。すなわち、第１内部電極層５と第２内部電極層６とは、セラミックス層２を挟んで交互に重ねられている。
【００３７】
各内部電極層３（５，６）は、部分電極７と無電極部８とを有し、無電極部８では、隣接するセラミックス層２同士が一体化している。各部分電極７は、矩形板形状のうち一つの角部が切除された形状であり、この切除された角部が無電極部８を構成する。第１内部電極層５の無電極部８と第２内部電極層６の無電極部８とは、積層体４の相対向する２つの側辺部４ａ，４ｂにそれぞれ配置されている。すなわち、第１内部電極層５の無電極部８と第２内部電極層６の無電極部８とは、積層方向と略平行な２つの積層軸（側辺部４ａ近傍の第１積層軸及び側辺部４ｂ近傍の第２積層軸）上にそれぞれ配置されている。２つの外部電極９は、この側辺部４ａ，４ｂ上にそれぞれ配置され、固定されている。これにより、一方の外部電極９は、第１内部電極層５の部分電極７に電気的に接続され、第２内部電極層６の部分電極７とは絶縁状態に維持される。また、他方の外部電極９は、第２内部電極層６の部分電極７に電気的に接続され、第１内部電極層５の部分電極７とは絶縁状態に維持される。
【００３８】
溝１０は、積層体４の側辺部（側部）４ａ，４ｂのセラミックス層２にそれぞれ形成されている。溝１０の先端１０ａは、湾曲面状に形成されている。溝１０の幅（積層方向の高さ）は、数１０μｍ程度である。外部電極９には、焼き付け金属ペーストが使用され、溝１０の部分において、外部電極９はブリッジを形成し、分断されることない。また、仮に外部電極９が溝１０の内部まで侵入したとしても、溝１０は部分電極７と異なった平面内に存在するため、絶縁性が要求される部分における外部電極９と部分電極７との導通（例えば、図３において、外部電極９とその下方の第２内部電極層６の部分電極７との導通）を確実に防止することができる。
【００３９】
溝１０は、積層方向と略直交し且つ溝１０を含む断面において、セラミックス層２のほぼ全ての領域が、セラミックス層２と隣り合って対となる部分電極７によって挟まれるような寸法形状を有している。換言すると、積層方向から視た状態で、部分電極７の無電極部８の端縁が溝１０の先端とほぼ完全に重なるか又は溝１０の先端１０ａが無電極部８の端縁８ａよりも僅かに内側に配置される（図５参照）ように、無電極部８及び溝１０が設定されている。
【００４０】
溝１０を有するセラミックス層２の厚さは、溝１０を有さない他のセラミックス層２の厚さよりも大きく形成されている。
【００４１】
セラミックス層２は、いわゆる圧電セラミックス又は電歪セラミックスからなる。圧電セラミックス及び電歪セラミックスは、共に電界（電圧）を印加すると歪む（変位する）という特性を有する。圧電セラミックスの代表的な材料としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  やＢａＴｉＯ３  などがある。電歪セラミックスの代表的な材料としては、Ｐｂ（Ｍｇ１／３  Ｎｂ２／３  ）Ｏ３  −ＰｂＴｉＯ３  やＰｂ（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）Ｏ３  −ＰｂＴｉＯ３  や（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  などがある。なお、圧電セラミックスの場合、分極の向きを一方向に揃えるためのいわゆる分極処理を施す必要がある。また、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  はＰＺＴと、ＢａＴｉＯ３  はＢＴと、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３  ）Ｏ３  −ＰｂＴｉＯ３  はＰＭＮ−ＰＴと、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３  ）Ｏ３  −ＰｂＴｉＯ３  はＰＮＮ−ＰＴと、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  はＰＬＺＴと、それぞれ略称される。
【００４２】
溝１０を有さないセラミックス層２では、隣り合った対の部分電極７に挟まれる部分は電界の印加によって積層方向へ変位（伸張）するが、部分電極７に挟まれない部分は変位せず、この両者の境界付近に応力が発生する。溝１０を有するセラミックス層２では、そのほぼ全域が隣り合った対の部分電極７に挟まれる。このため、電界の印加により層全域に亘って均一に変位が生じ、積層方向への歪み（変位）が拘束されることがないので、積層方向への応力は基本的に発生せず、また発生したとしてもその大きさは極めて小さい。
【００４３】
電界の印加に起因して積層体４に発生する積層方向の応力の大きさは、積層体４の積層方向の両端から中央部に向かって増大し、所定位置で最大応力となる。この最大応力は、積層体４の側辺部４ａ，４ｂのうち溝１０を含まない領域（以下、溝不存在領域と称する）の積層方向の長さの増減に応じて増減する。
【００４４】
また、本実施形態のように、溝１０を有さないセラミックス層２の形状及び配置方向が積層方向において一様であり、無電極部８が積層方向に沿って交互に配置され、各セラミックス層２がほぼ同じ厚さを有している場合、溝不存在領域における最大応力は、溝不存在領域の積層方向のほぼ中央部分で生じ、その最大応力の大きさは、溝不存在領域の積層方向の長さＬ１の増減に応じて増減する。そして、電界を印加した際に、溝不存在領域の積層方向の長さＬ１が所定値（最小破壊長さ）Ｌｍ以上であるとき、最大応力発生部においてセラミックス層２にき裂が発生する。この最小破壊長さＬｍは、印加する電界の強さ（外部電極９間の電圧の大きさ）、セラミックス層２の材質や寸法形状、部分電極７の寸法形状等の諸条件によって一義的に決定される。本実施形態では、溝１０が設けられていない場合（積層体４の側辺部４ａ，４ｂの全域を溝不存在領域とした場合）に最大応力が発生する積層体４の積層方向の中央部分に、溝１０が形成されている。また、溝不存在領域の積層方向の長さ（積層体４の端から溝１０まで長さ）Ｌ１は、最小破壊長さＬｍよりも小さく設定されている。
【００４５】
例えば、全長Ｌが３０ｍｍ、積層方向と直交する断面が７ｍｍ×７ｍｍの略正方形、セラミックス層と内部電極層とを合わせた１層の長さ（高さ）が８０μｍ、積層数が３７５層であり、応力緩和のための溝を有さない積層体（素子）に対し、印加する電圧の強さを徐々に上昇させると、９６０Ｖ／ｍｍの電界を印加したときに、積層方向の略中央付近において、積層体の側面に、部分電極の端から無電極部へ向けて内部電極層に沿った小さなき裂が発生する。このような結果は、破壊実験を行ったり、有限要素法等を用いた計算などを行うことによって得ることができる。すなわち、上記積層体では、９６０Ｖ／ｍｍの電界印加時の最小破壊長さＬｍが３０ｍｍであり、積層体の全長が３０ｍｍ以上となる場合に、溝不存在領域の積層方向の長さが３０ｍｍ未満となるように、応力緩和のための溝１０を設ければ良い。
【００４６】
積層方向における溝１０の数は、溝不存在領域の積層方向の長さＬ１が最小破壊長さＬｍよりも小さく設定されるように決定すれば良い。この場合、溝１０の形成は製造作業の煩雑化を招くため、積層方向における溝１０の数はできるだけ少ない方が好ましい。具体的には、積層体４の全長Ｌと最小破壊長さＬｍと積層方向における溝１０の配置個所の数ｎとの関係が、Ｌ／ｎ＜Ｌｍを満たす最小整数値のｎを求め、ｎ箇所の溝１０を、積層体４の全長Ｌを（ｎ＋１）等分する位置に配置すれば良い。例えば、２カ所に溝１０を配置する場合には積層体４の積層方向の全長Ｌをほぼ３等分する位置に、３カ所に配置する場合にはほぼ４等分する位置にそれぞれ配置すれば良い。
【００４７】
本実施形態に係る素子１は、例えばセラミックコンデンサ等の製造に用いられるセラミックグリーンシートの積層体を焼結する方法によって得ることができる。具体的には、圧電あるいは電歪セラミックス粉末を作成する工程と、粉末に有機バインダ等を加えて混練しグリーンシート化する工程と、得られたグリーンシートの表面に部分電極７となる金属電極ペーストを印刷する工程と、印刷後のグリーンシートを積層する工程と、この積層体（生積層体）を焼結して一体化する工程と、部分電極７を並列接続するように外部電極９を形成する工程と、によって製造される。なお、圧電セラミックスの場合には、最後に、外部電極間に直流電圧を印加する分極処理工程が加えられる。
【００４８】
溝１０は、焼結後の積層体４に形成しても良く、焼結前の生積層体に形成しても良い。溝１０の形成は、ダイシングソーやワイヤーソーやレーザ加工機などを用いて行う。焼結前の生積層体に対して溝１０を形成する方法は、溝１０を形成する作業を容易に行うことができる点と、溝１０を形成する際に生じた残留歪みが焼結時に解消するという点で優れている。
【００４９】
本実施形態によれば、溝不存在領域の積層方向の長さＬ１は、外部電極９に所定の電圧が印加されたときに溝不存在領域においてき裂が発生する最小破壊長さＬｍよりも小さく設定されているので、応力を緩和する溝１０によって、き裂の発生及び／又は成長を確実に防止することができる。
【００５０】
また、溝１０の数は、溝不存在領域の積層方向の長さＬ１を最小破壊長さＬｍよりも小さくさせる最少数で済み、多数の溝１０を形成する必要がない。従って、製造上の負担が少なくて済み、工業的に生産が容易である。
【００５１】
各溝不存在領域の積層方向の長さＬ１がほぼ等しくなるように溝１０が配置されているので、発生する応力を各溝不存在領域に均等に分散させることができる。従って、積層体４の全域において効率良く最大応力の低減を図ることができる。
【００５２】
溝１０を、積層体４に溝１０が設けられていない場合（積層体４の側辺部４ａ，４ｂの全域を溝不存在領域とした場合）に最大応力が発生する積層体４の積層方向の中央部分に配置したので、発生する最大応力をより効果的に低減させることができる。
【００５３】
溝１０を、セラミックス層２に、積層方向と略直交するように配置したので、外部電極９が溝１０内へ侵入している場合であっても、溝１０が内部電極層と異なった別の平面内のセラミックス層２内に存在する。このため、絶縁性が要求される部分における外部電極９と部分電極７との導通を確実に防止することができる。
【００５４】
溝１０の先端１０ａを湾曲面状としたので、溝１０の存在がき裂の発生を助長することが抑えられ、き裂の発生をより確実に防止することができる。
【００５５】
また、一般に、印加する電圧の大きさを小さく抑えつつ素子１の変位量を増大させるためには、セラミックス層２の厚さをできるだけ小さく設定する方が有利である。一方、溝１０の形成作業性の点からは、セラミックス層２の厚さを大きく設定する方が有利である。ここで、本実施形態では、溝１０を有するセラミックス層２の数は溝１０を有さない他のセラミックス層２の数に比して極めて少なく、且つ、溝１０を有するセラミックス層２の厚さは、他のセラミックス層２の厚さよりも大きく形成している。従って、製造の煩雑化を招くことなく、低電圧による変位量の増大化を図ることができる。
【００５６】
図６〜図１０に、上記実施形態の変形例を、図１１〜図１５に、上記実施形態の他の変形例をそれぞれ示す。これらの変形例は、部分電極の形状が上記実施形態と相違し、これに合わせて溝の形状が相違するものであり、その他の基本構成は上記実施形態と同様である。なお、図７及び図１２では、便宜上セラミックス層を透視して部分電極を示している。
【００５７】
図６〜図１０の内部電極層１２は、矩形板形状の一辺に切り欠き部を有する（矩形板形状の四辺のうち一辺部分が切除された形状を有する）部分電極１３と、この切り欠き部に配置された無電極部１４と、を備えた略矩形板形状であり、第１内部電極層１５の無電極部１４と第２内部電極層１６の無電極部１４とは、積層体４の相対向する２つの側面（側部）４ｃ，４ｄにそれぞれ面して配置されている。外部電極９は、積層体４の２つの側面４ｃ，４ｄ上に配置されている。溝１７の先端１７ａは、湾曲面状に形成されている。溝１７は、積層体４の２つの側面４ｃ，４ｄ上にそれぞれ配置され、積層体４の積層方向の中央部分のセラミック層２に形成されている。溝不存在領域の積層方向の長さＬ１は、最小破壊長さＬｍよりも小さく設定されている。
【００５８】
溝１７は、積層方向と略直交し且つ溝１７を含む断面において、セラミックス層２のほぼ全ての領域が、セラミックス層２と隣り合って対となる部分電極１３によって挟まれるような寸法形状を有している。換言すると、積層方向から視た状態で、部分電極１３の無電極部１４の先端が溝１７の先端１７ａとほぼ完全に重なるか又は溝１７の先端１７ａが無電極部１４の先端１４ａよりも僅かに内側に配置される（図１０参照）ように、無電極部１４及び溝１７が設定されている。溝１７を有するセラミックス層２の厚さは、溝１７を有さない他のセラミックス層２の厚さよりも大きく形成されている。
【００５９】
図１１〜図１５の内部電極層２０は、矩形板形状の三辺に連続する切り欠き部を有する（矩形板形状の四辺のうち三辺部分が略Ｕ状に切除された形状を有する）部分電極２１と、この切り欠き部に配置された無電極部２２と、を備えた略矩形板形状であり、第１内部電極層２３の部分電極２１と第２内部電極層２４の部分電極２１とは、積層体４の相対向する２つの側面（側部）４ｃ，４ｄにそれぞれ交互に面して配置されている。外部電極９は、積層体４の２つの側面４ａ，４ｂ上に配置されている。溝２５は、この２つの側面４ｃ，４ｄを含む積層体４の４つの側面に亘って環状に配置され、積層体４の積層方向の中央部分のセラミック層２に形成されている。溝不存在領域の積層方向の長さＬ１は、最小破壊長さＬｍよりも小さく設定されている。
【００６０】
溝２５、積層方向と略直交し且つ溝２５を含む断面において、セラミックス層２のほぼ全ての領域が、セラミックス層２と隣り合って対となる部分電極２１によって挟まれるような寸法形状を有している。換言すると、積層方向から視た状態で、部分電極２１の無電極部２２の先端２２ａが溝２５の先端２５ａとほぼ完全に重なるか又は溝２５の先端２５ａが無電極部２２の先端２２ａよりも僅かに内側に配置される（図１５参照）ように、無電極部２２及び溝２５が設定されている。溝２５を有するセラミックス層２の厚さは、溝２５を有さない他のセラミックス層２の厚さよりも大きく形成されている。
【００６１】
このような変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
【実施例】
図１に示す本実施形態に係るセラミック積層型電気機械変換素子と比較サンプルとを、下記の方法にそれぞれ従って作製し、比較試験を行った。
【００６３】
ＰＺＴ系圧電セラミックス粉末を準備し、粉末１００重量部に対してアクリル樹脂５重量部、テルピネオールを主成分とした有機溶剤２０重量部とを混合したスラリーを作製し、これをＰＥＴフィルム上にキャスティング後乾燥して、厚さが約０．１ｍｍのセラミックグリーンシートとした。内部電極材料用金属ペーストには白金ペーストを使用し、上記グリーンシートの片面上に印刷塗布を施した。部分電極構造を有するグリーンシート１０１枚を、ペースト印刷面を上に積み重ね、その上にペーストを印刷していないグリーンシートを重ねて、熱プレスを用いて圧着した。得られた生積層体に溝を形成し、４００℃の温度で４８時間熱処理して脱脂し、その後１２００℃の温度で１時間焼結し一体化した。焼結後の各内部電極の層間は約０．０８ｍｍであった。この焼結体を、断面７ｍｍ×７ｍｍ、長さ１０ｍｍの寸法に加工した。外部電極ペーストを素子側辺に塗布して乾燥させ、各内部電極（部分電極）を電気的に並列接続した。
【００６４】
得られた素子に対して２つの外部電極間に１６０Ｖ（電界強度約２ｋＶ／ｍｍ）の直流電圧を１分間印加して分極処理を施したが、素子にき裂が生じることはなかった。その後再び分極時と同方向に１６０Ｖの直流電圧を印加したところ、素子は長さ方向（積層方向）で０．０１２ｍｍの伸び変位を発生していることが確認された。また、最大変位が０．０１２ｍｍとなるように変調したパルス電圧を印加して間歇駆動を行ったが、素子が機械的に破壊することはなかった。
【００６５】
他方、上記と同じ寸法形状で溝を有さない素子（比較サンプル）を作製し、１６０Ｖの直流電圧を印加して分極処理を施したところ、長さ方向（積層方向）の中央部分の側面に内部電極層に沿ったき裂が生じた。この状態で、上記条件で間歇駆動を行ったところ、数万サイクル程度で素子はき裂部分から機械的に破壊した。
【００６６】
本発明は、一例として説明した上述の実施形態、その変形例、及び実施例に限定されることはない。すなわち、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、工業的に生産が容易で、且つ電界印加時のき裂の発生を防止することが可能なセラミック積層型電気機械変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミック積層型電気機械変換素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の積層体の一部のセラミックス層を透視した斜視図である。
【図３】図１の  ＩＩＩ−ＩＩＩ  矢視断面図である。
【図４】図１のＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ矢視断面図図である。
【図６】変形例を示す斜視図である。
【図７】図６の積層体の一部のセラミックス層を透視した斜視図である。
【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視断面図である。
【図９】図６のＩＸ−ＩＸ矢視断面図である。
【図１０】図６のＸ−Ｘ矢視断面図図である。
【図１１】他の変形例を示す斜視図である。
【図１２】図１１の積層体の一部のセラミックス層を透視した斜視図である。
【図１３】図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ矢視断面図である。
【図１４】図１１の  ＩＸＶ−ＩＸＶ  矢視断面図である。
【図１５】図１１のＸＶ−ＸＶ矢視断面図図である。
【符号の説明】
１  セラミック積層型電気機械変換素子
２  セラミックス層
３、１２、２０  内部電極層
４  積層体
４ａ，４ｂ  積層体の側辺部（側部）
４ｃ，４ｄ  積層体の側面（側部）
５、１５、２３  第１内部電極層
６、１６、２４  第２内部電極層
７、１３、２１  部分電極
８、１４、２２  無電極部
９  外部電極
【図１】
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【図２】
2005011913.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005011913.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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