JP2006324518A - Piezoelectric laminate, method for manufacturing same, piezoelectric loudspeaker, and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体を積層した圧電積層体及びその製造方法，圧電スピーカ，電子機器に関し、更に具体的には、積層体の応力の改善，焼成時の融着の防止，外部電極の密着性の改善に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric laminated body in which piezoelectric bodies are laminated, a manufacturing method thereof, a piezoelectric speaker, and an electronic device, and more specifically, improvement of stress in the laminated body, prevention of fusion during firing, adhesion of external electrodes. It is about improvement.
圧電体を利用したスピーカは、簡易な電気音響変換手段として広く利用されており、特に近年は、携帯電話や携帯情報端末などの分野で広く利用されている。例えば、下記特許文献１には、駆動源として圧電積層体を利用した圧電スピーカが開示されている。 A speaker using a piezoelectric body is widely used as a simple electroacoustic conversion means, and in particular, in recent years, it has been widely used in the fields of cellular phones and portable information terminals. For example, Patent Document 1 below discloses a piezoelectric speaker that uses a piezoelectric laminate as a drive source.
この圧電積層体は、複数の圧電体シートと電極を交互に積層した構造となっている。圧電体シートとしては、例えば、ペロブスカイト型結晶構造を持つ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックスが用いられる。電極としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｄなどが用いられる。これらの圧電セラミックスと電極材料を交互に積層し、同時に焼成して、圧電積層体が作製される。積層数は、圧電積層体の変位量，剛性，コスト，ハンドリングなどの観点から、３〜５層が適している。 This piezoelectric laminate has a structure in which a plurality of piezoelectric sheets and electrodes are alternately laminated. As the piezoelectric sheet, for example, lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramics having a perovskite crystal structure is used. As the electrode, Pt, Pd, Ag / Pd, or the like is used. These piezoelectric ceramics and electrode materials are alternately laminated and fired at the same time to produce a piezoelectric laminate. The number of stacked layers is suitably 3 to 5 layers from the viewpoint of the displacement amount, rigidity, cost, handling, etc. of the piezoelectric laminate.
図５には、５層の積層例が示されている。同図(A)には圧電シートと電極パターンの様子が示されており、同図(B)には同図(A)の電極部分が取り出して示されている。最下層から説明すると、圧電シート９００の裏面には電極９０２が形成されており、表面には電極９０４が形成されている。この電極９０４には、ホール接続用のランドないし開口（圧電シートの露出部）９０６が形成されている。また、開口９０６内において、圧電シート９００に接続ホール９０８が形成されている。次の圧電シート９１０には、表面に電極９１２が形成されており、この電極９１２にはホール接続用の開口９１４が形成されている。また、開口９１４内において、圧電シート９１０に接続ホール９１６が形成されている。なお、圧電シート９１０の裏面側には電極は形成されていない。
FIG. 5 shows a laminated example of five layers. The state of the piezoelectric sheet and the electrode pattern is shown in FIG. 4A, and the electrode portion of FIG. 1A is extracted and shown in FIG. If it demonstrates from the lowest layer, the
同様に、次の圧電シート９２０の表面には、電極９２２及び開口９２４が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。開口９２４内において、圧電シート９２０に接続ホール９２６が形成されている。次の圧電シート９３０の表面には、電極９３２及び開口９３４が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。開口９３４内において、圧電シート９３０に接続ホール９３６が形成されている。次の圧電シート９４０の表面には、電極９４２が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。
Similarly, an
なお、圧電シート９１０，９２０，９３０，９４０には、下側に積層される圧電シートの接続ホール９０８，９１４，９２４，９３４にそれぞれ対応して裏面側に接続ホールが形成されている（図示せず）。
In addition, in the
以上のように電極パターンが形成された圧電シート９００〜９４０を積層すると、図５(C)に示すようになる。すなわち、電極９０２，９１２，９３２は、接続ホール９５０によって接続され、電極９０４，９２２，９４２は、接続ホール９５２によって接続されるようになる。従来は、圧電シート９００，９１０，・・・，９４０と電極９０２，９０４，９１２，・・・，９４２とを積層した図５(C)に示す状態で、同時に焼成している。
また、従来から、セラミックス薄板（圧電シートやその積層体）を焼成する場合には、薄板の曲がりや反りを防止するため、これらを複数重ねて焼成している。このとき、重ねたセラミックス薄板同士の融着を防止するため、剥離粉（まぶし粉）を使用する。前記剥離粉は、重ね合わせる面に付着させたり、あるいは、重ね合わせる面の間に、シート状にして介在させたりして利用される。剥離粉には、一般的にジルコニア粉末を用いることが多い。そのほかに、融着を防止する方法として、例えば、薄いプレートを介在させて焼成する方法がある。前記プレートとしては、例えば、ジルコニア又は安定化ジルコニアが用いられる。また、プレートと薄板の融着を減らすために、プレートをブラスト処理することもある。更には、下記特許文献２に示すように、生セラミックス薄板の中に粗い粒子を混在させたり、ジルコニア粗粒子を混在させたりする方法もある。
まず、前記特許文献１に記載の技術では、圧電シート９００，９１０，・・・，９４０と電極９０２，９０４，９１２，・・・，９４２とを積層した図５(C)に示す状態で、同時に焼成している。しかしながら、圧電材料と電極材料の熱膨張率が異なっているため、緻密化後，すなわち最高温度での保持が終了した後の冷却過程において、熱膨張差に起因する残留応力が発生することになる。通常用いられている同時焼成用の電極材料（Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｄなど）は、圧電材料であるＰＺＴ系セラミックスよりも熱膨張係数が大きい。このため、冷却後のセラミックス部分には面方向に圧縮応力が作用することになる。このような残留圧縮応力が存在すると、ＰＺＴセラミックスの結晶格子が歪み、無応力状態に比べて圧電特性が劣化してしまう恐れがある。
First, in the technique described in Patent Document 1,
一方、積層体の焼成に関しては、融着防止に剥離粉をまぶす，あるいは、シート状にして重ね合わせ面に介在させる場合には、剥離粉が小さいと融着が発生する，鉛系材料であると反応してセラミックス自体の焼結性に影響を及ぼす，量が少なすぎると効果がないなどの不都合がある。おおよそ、１０μｍ以上の大きさが必要となるが、大きすぎると、変形の基点ともなる。加えて、剥離粉が焼成後にも残存し、洗浄では全て除去することが難しい。また、焼成後に電極を印刷するなどの工程においても、特性や信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。 On the other hand, regarding the firing of the laminated body, it is a lead-based material in which peeling powder is applied to prevent fusion, or when it is made into a sheet and interposed on the overlapping surface, fusion occurs when the peeling powder is small. This causes inconveniences such as affecting the sinterability of the ceramic itself and ineffective if the amount is too small. A size of about 10 μm or more is required, but if it is too large, it becomes a base point for deformation. In addition, the release powder remains after firing, and it is difficult to remove all by washing. In addition, in the process of printing the electrode after firing, there is a risk of adversely affecting the characteristics and reliability.
また、プレートを利用する方法では、まず、薄いプレートを用意しなければならないため、コストがかかる。プレートも、初期的には問題がないものの、使用頻度が増すにつれ、鉛系材料に使用すると鉛が拡散してしまう。鉛は、粒界に沿って拡散するため、プレート自体を反らせる原因となり、その結果、セラミックスの反りが大きくなる。更には、プレートからジルコニアの塊が脱落し、異物として残存してしまう。従って、剥離粉やプレートを利用する方法では、いずれも、セラミックス薄板の融着を防止するとともに、反りや曲がりを十分に抑えることは困難である。 In addition, in the method using a plate, first, a thin plate must be prepared, which is expensive. Although the plate is initially not problematic, as the frequency of use increases, lead diffuses when used for lead-based materials. Since lead diffuses along the grain boundary, it causes warping of the plate itself, and as a result, warpage of the ceramic increases. Furthermore, the zirconia lump falls off from the plate and remains as a foreign substance. Therefore, in any method using release powder or a plate, it is difficult to prevent the ceramic thin plate from being fused and to sufficiently suppress warpage and bending.
更に、前記特許文献２に記載したように、粗い粒子を混在させる方法では、部分的に活性度の違いが生じ、焼結性が不均一となるため、特に薄いものには適した方法とはいえない。また、この方法の場合では、積層タイプには、シートを層毎に変えるなどの手段を講じないと、焼結性の問題で商品の信頼性に影響してしまうというおそれもある。 Furthermore, as described in Patent Document 2, the method of mixing coarse particles partially causes a difference in activity and makes the sinterability non-uniform. I can't say that. In the case of this method, there is also a possibility that the reliability of the product may be affected by the problem of sinterability unless measures such as changing the sheet for each layer are taken for the lamination type.
本発明は、以上の点に着目したもので、圧電積層体の残留応力を低減し、圧電特性の劣化を抑制することを、その目的とするものである。他の目的は、積層体焼成時の融着の防止と外部電極の密着性の向上を図ることである。 The present invention focuses on the above points, and an object of the present invention is to reduce the residual stress of the piezoelectric laminate and suppress the deterioration of the piezoelectric characteristics. Another object is to prevent fusion during firing of the laminate and to improve the adhesion of the external electrodes.
前記目的を達成するため、本発明は、電極を形成した圧電シートを多数積層して焼成する際に、前記圧電シートに内部電極を形成し、内部電極が形成された圧電シートを積層して圧着し、内部電極を圧電シートと同時に焼成するとともに、焼成後の圧電積層体に低温プロセスを利用して外部電極を形成することを特徴とする。主要は形態の一つは、前記圧着時に、圧電シートの積層体の表面に所定の粗さを形成することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。 In order to achieve the above object, according to the present invention, when a large number of piezoelectric sheets on which electrodes are formed are stacked and fired, internal electrodes are formed on the piezoelectric sheets, and the piezoelectric sheets on which the internal electrodes are formed are stacked and pressed. The internal electrode is fired simultaneously with the piezoelectric sheet, and the external electrode is formed on the fired piezoelectric laminate using a low temperature process. One of the main features is that a predetermined roughness is formed on the surface of the laminate of piezoelectric sheets during the press bonding. The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
本発明によれば、圧電積層体の外部電極が、圧電シートと内部電極を積層して焼成した後に、圧電積層体に低温プロセスで形成されるので、圧電積層体の残留応力が低減され、圧電特性の劣化を抑制することができる。また、圧電シートの積層体の圧着時に、該積層体の表面に、所定の表面粗さが形成されるので、積層体焼成時の融着の防止と、外部電極の密着性の向上を図ることができる。 According to the present invention, since the external electrode of the piezoelectric laminate is formed on the piezoelectric laminate by a low-temperature process after the piezoelectric sheet and the internal electrode are laminated and fired, the residual stress of the piezoelectric laminate is reduced and the piezoelectric laminate is reduced. Deterioration of characteristics can be suppressed. In addition, since a predetermined surface roughness is formed on the surface of the laminated body when the laminated body of the piezoelectric sheet is pressed, prevention of fusion at the time of firing the laminated body and improvement in adhesion of the external electrode are achieved. Can do.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on examples.
最初に、図１を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。この実施例は、３枚の圧電シートを積層した例である。図１(A)には、圧電シートと電極パターンの様子が示されており、圧電シート１１０の平面図が図１(C)に示されている。また、図１(A)から電極部分を取り出して示したものが図１(B)である。これらの図において、最下層の圧電シート１００の表面には、内部電極１０２が形成されている。この内部電極１０２には、ホール接続用の開口１０４が形成されている。また、開口１０４内において、圧電シート１００の裏面側に接続するための接続ホール１０６が形成されている。なお、圧電シート１００の裏面には、電極パターンは形成されない。
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, three piezoelectric sheets are laminated. FIG. 1A shows a state of the piezoelectric sheet and the electrode pattern, and a plan view of the
次に、圧電シート１１０の表面には、内部電極１１２が形成されている。この内部電極１１２には、ホール接続用の開口１１４が形成されている。また、開口１１４内において、圧電シート１１０の裏面側に接続するための接続ホール１１６が形成されている。更に、前記圧電シート１００の接続ホール１０６に接続するための接続ホール１１８が形成されている。次に、最上層の圧電シート１２０は、表裏いずれにも電極パターンは形成されていないが、下層の圧電シート１１０の接続ホール１１６に接続するための接続ホール１２２が形成されている。
Next,
圧電シート１００，１１０，１２０としては、ＰＺＴ系セラミックスが使用される。具体的には、(1)相境界組成のＰｂＴｉＯ２−ＰｂＺｒＯ２，あるいは、(2)前記(1)に対して、使用温度範囲に合わせたキュリー点の変更やその他の特性改善のために、ＭｎやＺｎなどの微量添加成分を加えたもの，を用いる。そして、粒径を１μｍ以下に粉砕した該ＰＺＴセラミックス粉末を、水あるいは有機溶媒に分散させ、適当なバインダを添加してスラリとする。次に、該スラリを、ドクターブレード法などの既知の方法でシート化する。
As the
内部電極１０２，１１２としては、前記ＰＺＴ系セラミックスの焼結温度で溶融したり、酸化や鉛と反応しないような金属を用いる。具体的には、白金や銀／パラジウム合金が好適である。まず、乾燥したＰＺＴ系セラミックスの圧電シート１００，１１０，１２０に、内部電極１０２，１１２用の金属を塗布する。塗布方法としては、ペーストを用いるスクリーン印刷法など既知の方法を用いることができる。また、上下方向の電極を接続するために、圧電シート１００，１１０，１２０に穴をあけ、内部に金属を充填して接続ホール１０６，１１６とする。このとき、電極が積層方向で交互に接続できるように、電極パターンに開口１０４，１１４を形成する。また当初外部電極は印刷しないが、後で外部電極と接続ホール１１６が接続できるように、最表面の圧電シート１２０にも接続ホール１２２の充填印刷を行なう。
As the
以上のように内部電極１０２，１１２のみの印刷を終えた圧電シート１００，１１０，１２０を積層し、熱圧着などにより一体化する。この熱圧着時に、所定の表面粗さのシートで、積層した圧電シートを挟んで熱圧着する。このシートは、例えば、表面をサンドブラスト等であらしたＰＥＴフィルムや、紙，不織布など、粗面を有するシートであれば使用可能である。そして、該積層体を、所望の形状に切り抜き（図１は切り抜いた後の状態を示す）、成形体とする。次に、該成形体をＰＺＴ系セラミックスの焼結温度にて焼成・焼結する。標準的なＰＺＴ系セラミックスの場合、この温度は９００〜１２００℃程度である。焼成後は、図１(D)に主要断面を示すようになる。すなわち、内部電極１１２は、内部電極１０２の開口１０４を貫通する接続ホール１３０（１０６及び１１８）によって図の下面側に引き出され、内部電極１０２は、内部電極１１２の開口１１４を貫通する接続ホール１３２（１１６及び１２２）によって、図の上面側に引き出される。
As described above, the
焼成・冷却終了後、本実施例では、得られた図１(D)の焼結体の表裏面に、同図(E)に示すように、外部電極１４０，１４２が形成される。このとき、外部電極１４０，１４２は表裏面の接続ホール１３０及び１３２の引出部分を覆うようにして、これらの接続ホール１３０及び１３２と接続される。外部電極の形成方法としては、スパッタリング法やメッキ法など、実質的な積層体主面の温度が、応力が生ずる恐れのある２００℃を超えないような低温プロセスであれば、既知の手法を用いることができる。電極材料としては、スパッタリング法であれば、金，銀，ニッケル，アルミニウムなどを用いることが可能である。また、メッキ法であれば、無電解ニッケルメッキなどを用いることができる。
After the firing and cooling are finished, in this embodiment,
このような低温プロセスを使用することで、ＰＺＴ系セラミックスに発生する残留応力を、外部電極を内部電極と同時に焼成する場合に比べて、大幅に低減することが可能となる。また、圧電特性の劣化も小さく押さえることが可能となる。すなわち、焼成ないし焼結後の冷却過程で発生する熱応力の大きさは、ＰＺＴ系セラミックスと電極の体積比率に依存する。すなわち、内部電極１０２，１１２と外部電極１４０，１４２を同時焼成しないことで、圧電シート３層であれば電極層数が１／２に、後述する圧電シート５層であれば電極層数が２／３と少なくなる。このため、圧電シートに発生する残留圧縮応力をそれだけ小さくすることができる。残留応力が小さくなれば、格子の歪みも小さくなり、より無応力状態に近い特性を得ることができる。
By using such a low-temperature process, it is possible to significantly reduce the residual stress generated in the PZT-based ceramics as compared with the case where the external electrode is fired simultaneously with the internal electrode. In addition, the deterioration of the piezoelectric characteristics can be suppressed to a small level. That is, the magnitude of the thermal stress generated in the cooling process after firing or sintering depends on the volume ratio between the PZT ceramic and the electrode. That is, by not firing the
以上のように、外部電極１４０，１４２を、積層体焼結後に低温プロセスで形成することで、圧電シート１００，１１０，１２０の残留圧縮応力を低減でき、それに伴う圧電特性劣化を抑制することができる。従って、以上のようにして作製した圧電積層体を用いて圧電スピーカを構成すれば、外部電極１４０，１４２を同時焼成したものに比べて音圧を高くすることができる。この効果は、圧電シート１００，１１０，１２０の層厚が薄い場合に特に効果が大きく、薄層化により電界強度を向上させて音圧の増大を図るような層厚の薄い圧電素子を得る場合には効果が大きい。また、アスペクト比，すなわち電極の直径と電極間の距離の比が１００以上で良好な結果が現れ、特に５００以上とすると更に顕著な効果を得ることができる。また、焼成後の積層体の外部電極形成面の表面粗さＲａが０．４０〜０．７５μｍであれば、外部電極１４０，１４２の密着性をより向上させることができるとともに、焼結時に複数の積層体を重ね合わせても、融着を防止することができる。
As described above, the
次に、図２を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。上述した実施例は圧電シートを３層積層した例であるが、本実施例は圧電シートを５層積層した例である。図２(A)には、圧電シートと電極パターンの様子が示されており、図２(A)から電極部分を取り出して示したものが図２(B)である。これらの図において、最下層の圧電シート２００の表面には、電極２０２が形成されている。この電極２０２には、ホール接続用の開口２０４が形成されている。また、開口２０４内において、圧電シート２００の裏面側に接続するための接続ホール２０６が形成されている。なお、圧電シート２００の裏面には、電極パターンは形成されない。
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. Although the embodiment described above is an example in which three layers of piezoelectric sheets are laminated, this embodiment is an example in which five layers of piezoelectric sheets are laminated. FIG. 2 (A) shows the state of the piezoelectric sheet and the electrode pattern, and FIG. 2 (B) shows the electrode portion extracted from FIG. 2 (A). In these drawings, an
次に、圧電シート２１０の表面には、電極２１２が形成されている。この電極２１２には、ホール接続用の開口２１４が形成されている。また、開口２１４内において、圧電シート２１０の裏面側に接続するための接続ホール２１６が形成されている。更に、前記圧電シート２００の接続ホール２０６に接続するための接続ホール２１８が形成されている。圧電シート２２０，２３０についても同様であり、図示の通りとなっている。
Next, an
次に、最上層の圧電シート２４０は、表裏いずれにも電極パターンは形成されていないが、下層の圧電シート２３０の接続ホール２３６に接続するための接続ホール２４２が形成されている。圧電シート２００，２１０，・・・，２４０や電極２０２，２１２，・・・，２３２の材料は、上述した実施例１と同様である。
Next, the uppermost
以上のように内部電極のみの印刷を終えた圧電シート２００，２１０，・・・，２４０を積層し、上述した実施例１と同様に焼成・焼結する。焼成後は、図２(C)に主要断面を示すようになる。すなわち、電極２１２，２３２が、開口２０４，２２４を貫通する接続ホール２５０（２０６，２１８，２２６，２３８）によって図の下面側に引き出され、電極２０２，２２２が、開口２１４，２３４を貫通する接続ホール２５２（２１４，２２８，２３４，２４２）によって図の上面側に引き出される。焼成・冷却終了後、得られた図２(C)の焼結体の表裏面に、同図(D)に示すように、外部電極２６０，２６２がそれぞれ低温プロセスで形成される。本実施例によっても、前記実施例１と同様に、外部電極と内部電極を同時に焼成した場合と比較して、残留圧縮応力が２／３に低減され、圧電特性が改善されるようになる。
As described above, the
次に、図３を参照しながら、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、電極を２分割して交互に接続するようにしたものである。図３(A)には、圧電シートと電極パターンの様子が示されており、図３(A)から電極部分を取り出して示したものが図３(B)の実線である。これらの図において、最下層の圧電シート３００の表面には、分割電極３０２，３０６が形成されており、それぞれ接続ランド３０４，３０８が形成されている。圧電シート３００の裏面には、電極パターンは形成されない。次の圧電シート３１０の表面には、分割電極３１２，３１６が形成されており、それぞれ接続ランド３１４，３１８が形成されている。圧電シート３１０の裏面には、電極パターンは形成されない。
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the electrodes are divided into two and are connected alternately. FIG. 3A shows the state of the piezoelectric sheet and the electrode pattern. The solid line in FIG. 3B shows the electrode portion taken out from FIG. 3A. In these drawings, divided
次に、最上層の圧電シート３２０は、表裏いずれにも電極パターンは形成されていないが、下層の圧電シート３１０の接続ランド３１４，３１８に接続するための接続ホール３２２，３２４が形成されている。圧電シート３００，３１０，３２０や電極３０２，３０６，・・・，３１６の材料は、上述した実施例１と同様である。
Next, the uppermost
以上のように内部電極のみの印刷を終えた圧電シート３００，３１０，３２０を積層し、上述した実施例１と同様に焼成・焼結する。そして、焼成後に、図３(B)に鎖線で示すように、外部の分割電極５００，５０４，５１０，５１４をそれぞれ低温プロセスで形成する。これにより、接続ホール６００によって、分割電極５０４，３０２，３１６，５１０が接続され、接続ホール６０２によって、分割電極５００，３０６，３１２，５１４が接続される。このような接続によって、上下が異なる極性となるように、電圧を印加できるようになる。本実施例によっても、上述した実施例と同様の効果を得ることができる。
As described above, the
次に、本発明に関して行なった実験例について説明する。最初に、実験例１〜８及び比較例１〜８により、外部電極を積層体焼成後に形成する場合と、外部電極と内部電極を同時に積層して焼成した場合との比較を行うとともに、実験例９〜１２により、外部電極を形成するスパッタ材料をニッケルにしたものについての検討を行った。
(1)実験例１・・・材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ２）を用い、これをトルエン及びエタノールの混合溶媒中に分散させ、ポリビニルブチラート系のバインダを添加してシート化した。この圧電シートの厚みは、２０μｍとした。乾燥した圧電シート上に、Ｐｔペーストで、直径１８ｍｍ，厚さ２μｍとなるように印刷した。印刷パターンは図１(B)に示した通りである。印刷した圧電シート２枚と印刷していない圧電シート１枚に、図１(A)に示したように接続ホールを設け、同じ電極ペーストを充填印刷した。印刷後、積層・熱圧着し、φ１９の型で打抜いて成形体とした。この成形体を空気中１２００℃で焼成し、図１(D)に示す積層圧電体を得た。次に、該積層圧電体の表面に、銀スパッタによって図１(E)のように厚さ５０ｎｍの外部電極を形成した。ついで、Ｘ線回折装置により、ＰＺＴの回折ピークのすれを精密に測定し、それから残留応力を算出した。また、該圧電積層体を、アルミニウム製のフレームにシリコン接着剤で貼り付け、１Ｖの直流電圧を印加した際の変位を、レーザー干渉計により測定した。
Next, experimental examples performed in connection with the present invention will be described. First, according to Experimental Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 8, the external electrode is formed after firing the laminate and the external electrode and the internal electrode are simultaneously laminated and fired, and the experimental example From 9 to 12, investigations were made on nickel sputtering material for forming the external electrode.
(1) Experimental Example 1 PZT (Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 2 ) was used as a material, and this was dispersed in a mixed solvent of toluene and ethanol, and a polyvinyl butyrate binder Was added to form a sheet. The thickness of this piezoelectric sheet was 20 μm. On the dried piezoelectric sheet, it printed with the Pt paste so that it might become 18 mm in diameter and 2 micrometers in thickness. The print pattern is as shown in FIG. As shown in FIG. 1A, two printed piezoelectric sheets and one unprinted piezoelectric sheet were provided with connection holes, and the same electrode paste was filled and printed. After printing, lamination and thermocompression bonding were performed, and a molded body was punched out with a φ19 mold. This molded body was fired in air at 1200 ° C. to obtain a laminated piezoelectric body shown in FIG. Next, an external electrode having a thickness of 50 nm was formed on the surface of the laminated piezoelectric material by silver sputtering as shown in FIG. Subsequently, the deviation of the diffraction peak of PZT was accurately measured with an X-ray diffractometer, and the residual stress was calculated therefrom. Further, the piezoelectric laminate was attached to an aluminum frame with a silicon adhesive, and the displacement when a DC voltage of 1 V was applied was measured with a laser interferometer.
(2)実験例２〜１２・・・前記実験例１に準じた手法により、圧電シートの材料をＰＺＴ−ＰＭＮの低温焼結材料とするとともに、電極材料をＡｇ／Ｐｄとし、焼成温度を９００℃にしたもの（実験例２，４，６，８，１０，１２）、圧電シートの厚みを１５μｍとしたもの（実験例３，４，７，８，１１，１２）、圧電シートの積層数を５層としたもの（実験例５，６，７，８）、外部電極を形成するスパッタ材料をニッケルにしたもの（実験例９，１０，１１，１２）について、それぞれ同様の測定を行った。 (2) Experimental Examples 2 to 12: Using the method according to Experimental Example 1, the material of the piezoelectric sheet is PZT-PMN low-temperature sintered material, the electrode material is Ag / Pd, and the firing temperature is 900. ℃ (Experimental Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12), Piezoelectric sheet thickness of 15 μm (Experimental Examples 3, 4, 7, 8, 11, 12), Number of piezoelectric sheets stacked The same measurement was carried out for each of the five layers (Experimental Examples 5, 6, 7, and 8) and the sputtering material for forming the external electrode made of nickel (Experimental Examples 9, 10, 11, and 12). .
一方、上述した実験例１〜８に対応して、外部電極も内部電極と同じペーストで焼結前に印刷して形成し、同時焼成したものを比較例１〜８とした。これらの実験例と比較例の条件と測定結果をまとめたものが、次の表１である。
外部電極を積層焼成後に形成した実験例１〜８と、外部電極と内部電極を同時に積層して焼成した比較例１〜８の残留応力を比較すれば明らかなように、比較例の方が残留応力値が実験例の１．５〜２倍となっている。また、圧電特性に関係する誘電率も、残留応力が大きい比較例のほうが、残留応力が小さい実験例よりも小さく、最終的に得られる変位量も、比較例のほうが実験例よりも小さくなっている。更に、実験例９〜１２に示す通り、本発明で示す範囲内で作製したものについては、電極材料としてはニッケルのような卑金属でも同様の効果が認められた。 As is clear from comparison of the residual stresses of the experimental examples 1 to 8 in which the external electrodes are formed after the lamination firing and the comparative examples 1 to 8 in which the external electrodes and the internal electrodes are laminated and fired at the same time, the comparative example is more residual. The stress value is 1.5 to 2 times that of the experimental example. Also, the dielectric constant related to the piezoelectric characteristics is smaller in the comparative example having a large residual stress than in the experimental example having a small residual stress, and the finally obtained displacement amount is also smaller in the comparative example than in the experimental example. Yes. Furthermore, as shown in Experimental Examples 9 to 12, the same effect was recognized even when a base metal such as nickel was used as the electrode material for the electrode materials manufactured within the range shown in the present invention.
次に、実験例１３〜２１により、積層体の焼成前の表面粗さについての検討を行った。図４(A)は、実験例１３〜２１の積層構造を示す分解斜視図，図４(B)は焼成前の重ね合わせの様子を示す斜視図，図４(C)は、焼成後の積層体の断面図である。表２は、実験例１３〜２１の条件と試験結果をまとめたものである。
(3)実験例１３〜２１・・・ＰＺＴ材料粉末に、有機溶剤，バインダ，分散剤，可塑剤等を加えてスラリー状にし、該スラリーを、ドクターブレード法で厚さ２７μｍの圧電シートとした。該圧電シートを所定の大きさに切断後、図４(A)に示すように、３枚の圧電シート１００，１１０，１２０を重ねて積層体１６０とした。なお、前記圧電シート１００，１１０，１２０には、実施例１と同様に内部電極１０２，１１２が適宜手法で印刷されている。前記積層体１６０を圧着する際に、サンドブラスト処理をしたＰＥＴシート１５０，１５２を、サンドブラスト面が積層体１６０に向くように両面に設置する。以下の表２には、実験例１３〜２１のＰＥＴシート１５０，１５２の表面粗さが示されている。
(3) Experimental Examples 13 to 21: An organic solvent, a binder, a dispersing agent, a plasticizer, and the like are added to a PZT material powder to form a slurry, and the slurry is formed into a piezoelectric sheet having a thickness of 27 μm by a doctor blade method. . After the piezoelectric sheet was cut into a predetermined size, as shown in FIG. 4A, three
圧着後の積層体１６０の表面には、前記ＰＥＴシート１５０，１５２のサンドブラスト面の粗さが圧着転写されている。例えば、実験例１８を見ると、ＰＥＴシート１５０，１５２の表面粗さＲａが０．７μｍであると、圧着後（すなわち、図４(B)に示す焼成前の状態）の積層体１６０の表面粗さＲａは、０．６３μｍである。これを所定の大きさに打ち抜いたのち、図４(B)に示すように、積層体１６０を２０段重ねて、セッタ１６２の上にのせる。なお、前記ＰＥＴシート１５０及び１５２は、前記打ち抜き時には剥離されている。そして、積層体１６０を２０段重ねた上に、重さ０．８ｇのジルコニア製薄板をのせ、サヤの四隅にカーボンチップをのせ、蓋をして所定の温度で焼成を行った。焼成後、超音波洗浄器（４０ｋＨｚ，１００Ｗ，内容量２Ｌ）に入れ、１０〜３０秒振動を加え、その後、水分を乾燥させて、図４(C)に示すように、外部電極を形成する表面に所定の粗さが形成された積層体１６０を得た。
The roughness of the sandblasted surfaces of the
その結果、ブラスト処理をしたＰＥＴシート１５０，１５２によって適度な粗さを積層体１６０に転写することで、焼成後の融着を防止することができた。また、この方法では、積層体１６０の変形も少なく、楕円などの形状不良が発生することもなかった。ＰＥＴシート１５０，１５２の表面粗さが超音波剥離に与える影響をみると、前記表２に示すように、焼成後の積層体の粗さＲａが、０．４０μｍ以上，すなわち、ＰＥＴシート１５０及び１５２の粗さＲａが、０．６μｍ以上であれば、ほぼ１００％の確率で剥離が可能であることが確認された。その一方で、ＰＥＴシート１５０及び１５２の粗さＲａが１．２μｍ以上（すなわち、焼成後の積層体１６０の粗さＲａが０．９０μｍ以上）になると、ＰＥＴシート１５０，１５２の除去作業時に、シートが切れてしまうという現象が見られた。従って、実験例１３〜２１に示すように、積層体１６０が薄い場合は、焼成後の積層体１６０の表面粗さＲａが、０．４０〜０．７５μｍ程度が適切な範囲となる。なお、このような粗さの範囲は、積層体１６０自体の厚みにも影響されると思われるため、より厚い積層体を用いる場合には、粗さの適正範囲も広がるものと考えられる。
As a result, it was possible to prevent fusion after firing by transferring an appropriate roughness to the laminate 160 by the blasted
このように、積層体１６０の外部電極を形成する面に、所定の粗さを形成することによって、外部電極の密着性を高めることができる。そのほか、焼成時の積層体１６０同士の融着や、変形防止，更には、従来技術のスペーサー法で発生する異物不良，クラックの発生，ピンホール不良などの不都合も低減することができる。
Thus, the adhesion of the external electrode can be enhanced by forming a predetermined roughness on the surface of the laminate 160 where the external electrode is to be formed. In addition, it is possible to reduce the inconveniences such as fusion between the
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料，形状，寸法は一例であり、同様の作用を奏するように適宜変更可能である。例えば、前記実施例では、圧電シートの積層体の表面に所定の粗さを設けるために、表面がブラスト処理されたＰＥＴシートを用いて、そのブラスト面で前記積層体の表面を挟んで圧着することとしたが、これも一例であり、ＰＥＴ以外の有機ブラストフィルムや、紙，不織布などを利用するようにしてもよい。
(2)圧電シートの積層数も任意であり、必要に応じて適宜増減してよい。また、前記実験例で示した積層体の重ね段数も一例であり、例えば、４０段程度に増やしたり、１２段程度に減らしたりするなど、必要に応じて適宜変更してよい。
(3)前記実施例では、圧電シートや電極の全体形状を略円形としたが、同様の効果を奏するものであれば、形状は適宜変更可能である。
(4)本発明の圧電積層体を利用して圧電スピーカを構成するときは、金属などによって構成された振動板に、前記圧電積層体を貼り付けるようにすればよい。この場合に、振動板の表裏に圧電積層体を設けたバイモルフ構造としてもよいし、表裏いずれか一方の面にのみ圧電積層体を設けたユニモルフ構造としてもよい。
(5)上述した実施例３では、電極を圧電シートの主面で２分割したが、これも一例であり、同様の効果を奏するように適宜分割数を変更してよい。
(6)本発明の圧電積層体を利用した圧電スピーカの好適な応用例としては、携帯電話，携帯情報端末（ＰＤＡ），ボイスレコーダ，ＰＣ（パソコン）などの各種電子機器のスピーカが挙げられるが、他の公知の各種の電子機器に適用することを妨げるものではない。
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following are also included.
(1) The materials, shapes, and dimensions shown in the above-described embodiments are examples, and can be appropriately changed so as to achieve the same effect. For example, in the embodiment, in order to provide a predetermined roughness on the surface of the laminate of piezoelectric sheets, a PET sheet whose surface is blasted is used and the surface of the laminate is sandwiched between the blast surfaces. However, this is also an example, and an organic blast film other than PET, paper, non-woven fabric, or the like may be used.
(2) The number of stacked piezoelectric sheets is also arbitrary, and may be appropriately increased or decreased as necessary. Further, the number of stacked layers of the laminated body shown in the experimental example is also an example, and may be appropriately changed as necessary, for example, increased to about 40 or reduced to about 12.
(3) In the above-described embodiment, the overall shape of the piezoelectric sheet or electrode is substantially circular. However, the shape can be appropriately changed as long as the same effect is obtained.
(4) When a piezoelectric speaker is constructed using the piezoelectric laminate of the present invention, the piezoelectric laminate may be attached to a diaphragm made of metal or the like. In this case, a bimorph structure in which the piezoelectric laminate is provided on the front and back of the diaphragm may be used, or a unimorph structure in which the piezoelectric laminate is provided on only one of the front and back surfaces.
(5) In Example 3 described above, the electrode is divided into two on the main surface of the piezoelectric sheet, but this is also an example, and the number of divisions may be changed as appropriate so as to achieve the same effect.
(6) Preferable application examples of the piezoelectric speaker using the piezoelectric laminate of the present invention include speakers of various electronic devices such as a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a voice recorder, and a PC (personal computer). It does not prevent application to other known various electronic devices.
本発明によれば、外部電極を、積層体焼結後に低温プロセスで形成することで、圧電シートの残留圧縮応力を低減でき、それに伴う圧電特性劣化を抑制することができるので、圧電スピーカの音圧向上に好適である。また、積層体の圧着時に、外部電極を形成する面に所定の表面粗さを設けることとしたので、外部電極の密着性の向上，焼結時の融着防止，成形不良の改善などにも好適である。 According to the present invention, since the external electrode is formed by a low-temperature process after sintering the laminated body, the residual compressive stress of the piezoelectric sheet can be reduced, and the accompanying deterioration of piezoelectric characteristics can be suppressed. Suitable for improving pressure. In addition, when the laminate is crimped, the surface on which the external electrode is formed is provided with a predetermined surface roughness, which improves the adhesion of the external electrode, prevents fusion during sintering, and improves molding defects. Is preferred.
１００，１１０，１２０：圧電シート
１０２，１１２：内部電極
１０４，１１４：開口
１０６，１１６，１１８，１２２，１３０，１３２：接続ホール
１４０，１４２：外部電極
１５０，１５２：ＰＥＴシート
１６０：積層体
１６２：セッタ
２００，２１０，２２０，２３０，２４０：圧電シート
２０２，２１２，２２２，２３２：電極
２０４，２１４，２２４，２３４：開口
２０６，２１６，２１８，２２６，２２８，２３６，２３８，２４２，２５０，２５２：接続ホール
２６０，２６２：外部電極
３００，３１０，３２０：圧電シート
３０２，３０６，３１２，３１６：電極
３０４，３０８，３１４，３１８：接続ランド
３２２，３２４：接続ホール
５００，５０４，５１０，５１４：分割電極
６００，６０２：接続ホール
９００，９１０，９２０，９３０，９４０：圧電シート
９０２，９０４，９１２，９２２，９３２，９４２：電極
９０６，９１４，９２４，９３４：開口
９０８，９１６，９２６，９３６，９５０，９５２：接続ホール
100, 110, 120:
Claims (16)
前記圧電シートに内部電極を形成するステップ，
このステップによって内部電極が形成された圧電シートを、積層して圧着するステップ，
前記内部電極を圧電シートと同時に焼成するステップ，
このステップによって焼成された圧電積層体に、低温プロセスを利用して外部電極を形成するステップ，
を含むことを特徴とする圧電積層体の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric laminate in which a large number of piezoelectric sheets on which electrodes are formed are laminated and fired,
Forming internal electrodes on the piezoelectric sheet;
A step of laminating and crimping the piezoelectric sheets on which internal electrodes are formed by this step
Firing the internal electrode simultaneously with the piezoelectric sheet;
Forming an external electrode on the piezoelectric laminate fired by this step using a low-temperature process;
The manufacturing method of the piezoelectric laminated body characterized by the above-mentioned.
内部電極は圧電シートと同時に焼成され，
外部電極は低温プロセスを利用して形成された，
ことを特徴とする圧電積層体。 A piezoelectric laminate in which a large number of piezoelectric sheets on which electrodes are formed are laminated and fired,
The internal electrodes are fired at the same time as the piezoelectric sheet,
The external electrode was formed using a low temperature process,
The piezoelectric laminated body characterized by the above-mentioned.
An electronic apparatus using the piezoelectric speaker according to claim 15.
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