JP4565349B2 - Manufacturing method of multilayer piezoelectric ceramic component - Google Patents
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Description
本発明は、積層圧電アクチュエータや積層圧電発音体等の積層型圧電セラミック部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a laminated piezoelectric ceramic component such as a laminated piezoelectric actuator and the laminated piezoelectric sounding body.
従来より、この種の積層型圧電セラミック部品は、図５に示すように、圧電セラミック層１０１ａ〜１０１ｇと内部電極層１０２ａ〜１０２ｆとが交互に積層されてセラミック素体１０３を形成し、該セラミック素体１０３の端面に外部電極１０４ａ、１０４ｂが形成されている。
Conventionally, as shown in FIG. 5, this type of multilayer piezoelectric ceramic component has piezoelectric
上記積層型圧電セラミック部品では、低コストで大きな変位量を有するものが要請されるが、そのためには内部電極層１０２ａ〜１０２ｆの薄層化が効果的である。
The multilayer piezoelectric ceramic component is required to have a large amount of displacement at low cost. For this purpose, it is effective to make the
すなわち、この種の積層型圧電セラミック部品では、電界が印加された場合、セラミック層１０１ｂ〜１０１ｆが伸縮するが、内部電極層１０２ａ〜１０２ｆの厚みが厚いとセラミック層１０１ｂ〜１０１ｆ間が内部電極層１０２ａ〜１０２ｆに拘束されるため、該セラミック層１０１ｂ〜１０１ｆの伸縮を阻害してしまう。つまり、内部電極層１０２ａ〜１０２ｆの厚みが薄いほどセラミック層１０１ｂ〜１０１ｆが伸縮しやすくなり、変位量も大きくなる。
That is, in this type of multilayer piezoelectric ceramic component, when an electric field is applied, the
しかしながら、上記積層型圧電セラミック部品では、内部電極層１０２ａ〜１０２ｆを薄層化すると内部電極の被覆率が低下し、このため電極面積が減少して電位降下が生じ、変位量が低下するという欠点がある。
However, in the multilayer piezoelectric ceramic component described above, when the
一方、電位降下を解消する技術としては、内部電極の全面積に対し、内部電極に生じた貫通孔の総面積の占める割合を４０〜０％とし、またセラミック層と同一もしくは類似組成のセラミック材料を１０〜３０重量％含んだペーストを使用して内部電極を形成した積層型電子部品が提案されている（特許文献１）。 On the other hand, as a technique for eliminating the potential drop, the ratio of the total area of the through holes formed in the internal electrode to the total area of the internal electrode is 40 to 0%, and the ceramic material having the same or similar composition as the ceramic layer A multilayer electronic component in which an internal electrode is formed using a paste containing 10 to 30% by weight is proposed (Patent Document 1).
この特許文献１では、セラミック層と同一もしくは類似組成のセラミック材料、すなわちセラミック共材を１０〜３０重量％含んだペーストを使用して内部電極を形成することにより、膜厚が２．５μｍ以下の内部電極層において、被覆率を６０〜１００％に向上させて電極面積を増加させ、これにより静電容量が低下するのを回避し、また内部電極層の収縮を抑制して焼成後に構造欠陥が発生するのを極力回避しようとしている。
In
また、被覆率を制御した技術としては、内部電極の負極にＡｇ元素を含み、正極にＡｇ元素を含まないようにし、内部電極の厚みが１〜３μｍで被覆率５０〜９９％に制御した積層型圧電素子も提案されている（特許文献２）。 Further, as a technique for controlling the covering rate, a laminated layer in which the negative electrode of the internal electrode contains Ag element and the positive electrode does not contain Ag element, and the thickness of the internal electrode is 1 to 3 μm and the covering rate is controlled to 50 to 99%. A type piezoelectric element has also been proposed (Patent Document 2).
この特許文献２では、被覆率を５０〜９９％に制御することにより、マイグレーションやデラミネーションの発生を抑制して信頼性向上を図っている。
In this
また、その他の従来技術としては、内部電極層がＰｄ及び／又はＰｔを主成分とする金属材料からなり、かつ積層方向に貫通する複数の孔を有すると共に、該孔内部に圧電セラミック板と同材質からなり、内部電極を介して対向する各々圧電セラミック板を接続する共材を配設してなる積層圧電アクチュエータが提案されている（特許文献３）。 As another conventional technique, the internal electrode layer is made of a metal material containing Pd and / or Pt as a main component and has a plurality of holes penetrating in the stacking direction. There has been proposed a laminated piezoelectric actuator made of a material and provided with a common material for connecting respective piezoelectric ceramic plates facing each other through internal electrodes (Patent Document 3).
この特許文献３では、セラミック層の厚みに対し、最小内径寸法が１／２以下の貫通孔を設けて該貫通孔をセラミック共材で充填し、さらに貫通孔が形成された非電極部と電極部との面積比を１：１以下にすることにより、分極時の歪を抑制し、界面剥離が生じるのを回避している。
In
しかしながら、特許文献１の技術を積層型圧電セラミック部品に適用した場合、単に被覆率を制御しただけでは、内部電極層中の電極が形成されていない非導電部の大きさにバラツキが生じたり、非導電部による電位降下が大きくなり、このため所望の大きな変位量を得ることができないという問題点があった。
However, when the technique of
また、特許文献２は、被覆率を５０〜９９％に制御することにより、マイグレーションやデラミネーションの発生を抑制しているものの、特許文献１と同様、積層型圧電セラミック部品に適用した場合、単に被覆率を制御しただけでは非導電部の大きさにバラツキが生じたり、非導電部による電位降下が大きくなり、このため所望の大きな変位量を得ることができないという問題点があった。
Moreover, although
特許文献３は、セラミック層の厚みに対し、最小内径寸法が１／２以下の貫通孔を設けているものの、これだけでは電位降下が生じるため所望の大きな変位量を得ることができず、また非電極部（非導電部）と電極部（導電部）との比を１：１以下とするのみでは十分な被覆率が得られず、内部電極層とセラミック層との間で界面剥離の生じるおそれがあるという問題点があった。
In
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、内部電極層が薄層であっても、大きな変位量を有し、かつ接合強度の優れた積層型圧電セラミック部品の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, even the internal electrode layer is a thin layer, has a large displacement amount, and the bonding strength superior method of fabricating the multilayer piezoelectric ceramic unit products The purpose is to provide.
積層型圧電セラミック部品では、低コストでかつ大きな変位量が求められるが、変位量の向上を阻害する主な要因としては、（１）電位降下、（２）残留応力、（３）変位阻害力の３つが考えられる。ここで、 Multilayer piezoelectric ceramic parts require a large amount of displacement at a low cost, but the main factors that hinder the improvement of the amount of displacement are (1) potential drop, (2) residual stress, and (3) displacement inhibition force. The following three are conceivable. here,
（１）電位降下とは、内部電極層中に貫通孔等の非導電部が形成される結果、該非導電部に起因した電位降下が生じ、電界と圧電定数との積で規定される変位量が低下する現象であり、特に、内部電極層を薄層化すると構造的に非導電部が増大することから、非導電部での電位降下が顕著となる。 (1) A potential drop is a displacement amount defined by the product of an electric field and a piezoelectric constant, as a result of a non-conductive part such as a through hole being formed in the internal electrode layer, resulting in a potential drop due to the non-conductive part. In particular, when the internal electrode layer is thinned, the non-conductive portion increases structurally, so that the potential drop at the non-conductive portion becomes significant.
（２）残留応力とは、セラミック層の熱膨張率と内部電極層の熱膨張率との差異に起因して応力が残留し、セラミック層の変位が抑制される現象である。 (2) Residual stress is a phenomenon in which stress remains due to the difference between the thermal expansion coefficient of the ceramic layer and the thermal expansion coefficient of the internal electrode layer, and displacement of the ceramic layer is suppressed.
（３）変位阻害力とは、電圧が印加されると、セラミック層が伸縮運動を行うが、該セラミック層は内部電極層で挟持されているため、前記セラミック層の変位が内部電極層によって阻害される現象である。 (3) Displacement inhibition force means that when a voltage is applied, the ceramic layer expands and contracts. However, since the ceramic layer is sandwiched between internal electrode layers, the displacement of the ceramic layer is inhibited by the internal electrode layer. It is a phenomenon.
そして、内部電極層を薄層化しかつ内部電極層のセラミック層への被覆率を低下させることにより、残留応力や変位阻害力を低減することができ、変位量を向上させることができると考えられるが、内部電極を薄層化したり被覆率を低下させると、非導電部が増大するため電位降下が大きくなり、変位量が却って低下してしまうおそれがある。 And, by reducing the thickness of the internal electrode layer and reducing the coverage of the internal electrode layer on the ceramic layer, it is possible to reduce the residual stress and displacement inhibition force and to improve the displacement amount. However, when the internal electrode is thinned or the coverage is reduced, the non-conductive portion increases, so that the potential drop increases and the displacement amount may decrease.
そこで、本発明者らは、変位量の向上を阻害する上記３つの要因、すなわち電位降下、残留応力及び変位阻害力を低減すべく鋭意研究を行ったところ、内部電極層のうち、非導電部の断面積を円換算した場合の平均直径ｘとセラミック層の厚みｙとの比ｘ／ｙを０．０８〜０．３３に制御すると共に、前記内部電極層の厚みｚと前記セラミック層の厚みｙとの比ｚ／ｙを０．０４〜０．４０に制御し、かつ内部電極層のセラミック層への被覆率を６０〜９５％に制御することにより、電位降下による変位量の低下を最小限に抑制しつつ、残留応力や変位阻害力を低減することができ、これにより内部電極層が薄層の場合であっても変位量と信頼性の双方を向上させることが可能な積層型圧電セラミック部品を得ることができるという知見を得た。 Therefore, the present inventors conducted intensive research to reduce the above three factors that hinder the improvement of the displacement amount, that is, the potential drop, the residual stress, and the displacement inhibition force. The ratio x / y of the average diameter x to the ceramic layer thickness y when the cross-sectional area of the film is converted into a circle is controlled to 0.08 to 0.33, and the thickness z of the internal electrode layer and the thickness of the ceramic layer The ratio of y to z / y is controlled to 0.04 to 0.40, and the coverage of the internal electrode layer on the ceramic layer is controlled to 60 to 95%, thereby minimizing the decrease in displacement due to potential drop. Multi-layered piezoelectric that can reduce residual stress and displacement inhibition force while suppressing to the limit, thereby improving both displacement and reliability even when the internal electrode layer is thin. Acquired knowledge that ceramic parts can be obtained .
そしてそのためには、金属粉末の５〜２０倍の比表面積を有する微小なセラミック粉末を、その含有量が金属粉末及びセラミック粉末の総計に対し２０〜５０重量％となるように、前記金属粉末と共に導電性ペースト中に分散させ、かつ焼成時の酸素濃度を０．１〜１５体積％の低酸素濃度として製造する必要があるという知見を得た。For that purpose, a fine ceramic powder having a
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る積層型圧電セラミック部品の製造方法は、セラミックグリーンシートの表面に導電性ペーストを塗布して内部電極層となるべき所定の導電パターンを形成し、該導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを積層した後、導電パターンの形成されていないセラミックグリーンシートで挟持し、圧着して積層体を形成し、その後前記積層体に焼成処理を施してセラミック層と内部電極層とが交互に積層されたセラミック素体を形成し、該セラミック素体の端面に外部電極を形成する積層型圧電セラミック部品の製造方法において、前記導電性ペーストが、金属粉末と、該金属粉末の５〜２０倍の比表面積を有するセラミック粉末とを含有すると共に、該セラミック粉末の含有量が、金属粉末及びセラミック粉末の総計に対し、２０〜５０重量％となるように調製し、前記焼成処理を、酸素濃度が０．１〜１５体積％の酸素雰囲気中で行ない、前記内部電極層が導電部と非導電部とを有するように該内部電極層を形成することを特徴としている。The present invention has been made on the basis of such knowledge, and the manufacturing method of the multilayer piezoelectric ceramic component according to the present invention is a predetermined method in which a conductive paste is applied to the surface of a ceramic green sheet to form an internal electrode layer. After forming the conductive pattern and laminating the ceramic green sheet on which the conductive pattern is formed, it is sandwiched between the ceramic green sheets on which the conductive pattern is not formed and pressed to form a laminated body. In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic component, the ceramic body and the internal electrode layer are alternately laminated to form a ceramic body, and an external electrode is formed on an end face of the ceramic body. The paste contains a metal powder and a ceramic powder having a
また、導電性ペーストに含有されるセラミック粉末は、焼成時にセラミックグリーンシート側にも拡散するため、特性変動を防ぐ観点からは、少なくとも主成分がセラミックグリーンシートと同一の成分組成を有する材料を使用するのが好ましい。In addition, the ceramic powder contained in the conductive paste diffuses to the ceramic green sheet side during firing, so from the standpoint of preventing characteristic fluctuations, use at least the material whose main component has the same component composition as the ceramic green sheet. It is preferable to do this.
すなわち、本発明の積層型圧電セラミック部品の製造方法は、前記セラミック粉末は、少なくとも主成分が前記セラミックグリーンシートと同一の成分組成であることを特徴としている。That is, the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic component according to the present invention is characterized in that the ceramic powder has at least a main component having the same component composition as the ceramic green sheet.
また、本発明の積層型圧電セラミック部品の製造方法は、前記非導電部の断面積を円換算した場合の平均直径ｘと前記セラミック層の厚みｙとの比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３となるように前記非導電部を形成し、さらに前記内部電極層の厚みｚと前記セラミック層の厚みｙとの比ｚ／ｙが０．０４〜０．４０であって前記内部電極層の前記セラミック層への被覆率が６０〜９５％となるように前記内部電極層を形成することを特徴としている。In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic component of the present invention, the ratio x / y between the average diameter x and the thickness y of the ceramic layer when the cross-sectional area of the non-conductive portion is converted into a circle is 0.08 to 0. The non-conductive portion is formed so as to be .33, and the ratio z / y of the thickness z of the internal electrode layer to the thickness y of the ceramic layer is 0.04 to 0.40, and the internal electrode layer The internal electrode layer is formed so that the coverage of the ceramic layer is 60 to 95%.
また、内部電極層は、セラミック層と内部電極層との間の接合強度向上等の観点から、上述したように固形分として金属粉末とセラミック粉末とを含有した導電性ペーストを使用して形成されているため、非導電部は、空隙部とセラミック粉末が充填されたセラミック部とを有することとなる。そして、本発明者らが、非導電部の構造を解析した結果、非導電部中の空隙率を６０％以上とすることにより、接合強度を損なうことなく変位量のより一層の向上を図ることができることが分かった。Also, the internal electrode layer is formed using a conductive paste containing metal powder and ceramic powder as a solid content as described above from the viewpoint of improving the bonding strength between the ceramic layer and the internal electrode layer. Therefore, the non-conductive portion has a void portion and a ceramic portion filled with ceramic powder. As a result of analyzing the structure of the non-conductive portion by the present inventors, the displacement amount is further improved without deteriorating the bonding strength by setting the porosity in the non-conductive portion to 60% or more. I found out that
すなわち、本発明の積層型圧電セラミック部品の製造方法は、前記非導電部は、空隙部とセラミック粉末で充填されたセラミック部とを有し、前記空隙部が前記非導電部中の６０％以上を占めるように前記非導電部を形成することを特徴としている。 That is, in the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic component according to the present invention, the non-conductive portion has a void portion and a ceramic portion filled with ceramic powder, and the void portion is 60% or more of the non-conductive portion. The non-conductive portion is formed so as to occupy the area.
上記積層型圧電セラミック部品の製造方法によれば、前記導電性ペーストが、金属粉末と、該金属粉末の５〜２０倍の比表面積を有するセラミック粉末とを含有すると共に、該セラミック粉末の含有量が、金属粉末及びセラミック粉末の総計に対し、２０〜５０重量％となるように調製し、前記焼成処理を、酸素濃度が０．１〜１５体積％の酸素雰囲気中で行ない、前記内部電極層が導電部と非導電部とを有するように該内部電極層を形成するので、微小なセラミック粉末は焼結時にセラミックグリーンシートに効果的に拡散すると共に、内部電極層中の金属成分のセラミックグリーンシート内への拡散を抑制でき、内部電極層に多数の微小な非導電部を形成することができる。特に、低酸素濃度雰囲気での焼成により、内部電極層内に形成され得る貫通孔の焼結が抑制されるので、微小な空隙部が内部電極層内に略均一に分布され、これにより被覆率が低下して変位量を向上させることができる。しかも、内部電極の被覆率低下や薄層化により導電性ペーストの使用量を削減することができるため、コストの低廉化を図ることもできる。
According to the method for producing a laminated piezoelectric ceramic component, the conductive paste contains a metal powder and a ceramic powder having a
また、前記セラミック粉末は、少なくとも主成分が前記セラミックグリーンシートと同一の成分組成であるので、焼成時にセラミック粉末がセラミックグリーンシート側に拡散しても特性変動を防止することができる。In addition, since the ceramic powder has at least the same component composition as the ceramic green sheet, even if the ceramic powder diffuses to the ceramic green sheet side during firing, fluctuations in characteristics can be prevented.
また、前記非導電部の断面積を円換算した場合の平均直径ｘと前記セラミック層の厚みｙとの比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３となるように前記非導電部を形成し、さらに前記内部電極層の厚みｚと前記セラミック層の厚みｙとの比ｚ／ｙが０．０４〜０．４０であって前記内部電極層の前記セラミック層への被覆率が６０〜９５％となるように前記内部電極層を形成するので、微小かつ多数の非導電部が形成されることとなり、しかも内部電極層の厚みに対してセラミック層の厚みが適度に薄いことから、セラミック層に加わる内部電極層による残留応力や変位阻害力が低減される効果が大きくなる。そしてこれにより、電位降下による変位量低下を抑制しつつ、残留応力、及び内部電極層によるセラミック層の変位阻害力を低減することができ、したがって大きな変位量を有し、かつ良好な接合強度を有する信頼性の優れた積層型圧電セラミック部品を得ることができる。Further, the non-conductive portion is formed so that a ratio x / y of an average diameter x and a thickness y of the ceramic layer when the cross-sectional area of the non-conductive portion is converted into a circle is 0.08 to 0.33. Furthermore, the ratio z / y between the thickness z of the internal electrode layer and the thickness y of the ceramic layer is 0.04 to 0.40, and the coverage of the internal electrode layer on the ceramic layer is 60 to 95%. The internal electrode layer is formed so that a large number of non-conductive portions are formed, and the thickness of the ceramic layer is moderately thin relative to the thickness of the internal electrode layer. The effect of reducing the residual stress and the displacement inhibition force due to the applied internal electrode layer is increased. As a result, it is possible to reduce the residual stress and the displacement inhibition force of the ceramic layer due to the internal electrode layer while suppressing the decrease in the displacement amount due to the potential drop, and thus have a large displacement amount and good bonding strength. A multilayer piezoelectric ceramic component having excellent reliability can be obtained.
また、前記非導電部は、空隙部とセラミック粉末で充填されたセラミック部とを有し、前記空隙部が前記非導電部中の６０％以上を占めるように前記非導電部を形成するので、内部電極層による残留応力や変位阻害力を効果的に低減することができ、変位量や接合強度をより一層向上させることができる積層型圧電セラミック部品を得ることができる。 Further, the non-conductive portion has a void portion and a ceramic portion filled with ceramic powder, and the non-conductive portion is formed so that the void portion occupies 60% or more of the non-conductive portion. It is possible to effectively reduce the residual stress and the displacement inhibition force due to the internal electrode layer, and to obtain a multilayer piezoelectric ceramic component that can further improve the displacement amount and the bonding strength.
１ セラミック層
２ 内部電極層
５ 導電部
６ 非導電部
６ａ セラミック部
６ｂ 空隙部DESCRIPTION OF
次に、本発明の実施の形態を詳説する。 Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.
図１は本発明に係る積層型圧電セラミック部品としての積層圧電アクチュエータの一実施の形態を示す断面図であって、該積層圧電アクチュエータは、セラミック層１（１ａ〜１ｇ）と内部電極層２（２ａ〜２ｆ）とが交互に積層されて圧電セラミック素体３が形成され、さらに圧電セラミック素体３の上面又は下面から端面に架けて断面Ｌ字状のＡｇ等の導電性材料からなる外部電極４（４ａ、４ｂ）が形成されている。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a multilayer piezoelectric actuator as a multilayer piezoelectric ceramic component according to the present invention. The multilayer piezoelectric actuator includes a ceramic layer 1 (1a to 1g) and an internal electrode layer 2 ( 2a to 2f) are alternately laminated to form the piezoelectric
すなわち、上記積層圧電アクチュエータは、内部電極２ａ、２ｃ、２ｅの一端が一方の外部電極４ｂと電気的に接続され、内部電極２ｂ、２ｄ、２ｆの一端は他方の外部電極４ａと電気的に接続されている。そして、積層圧電アクチュエータの分極方向は、内部電極２面に対し垂直方向とされ、一層毎に互いに逆方向に分極されている。そして、外部電極４ａと外部電極４ｂとの間に電圧が印加されると、圧電横効果により矢印Ａで示す長手方向に変位する。
That is, in the laminated piezoelectric actuator, one end of the
図２は図１のＢ部拡大断面図である。尚、本実施の形態では、内部電極層２ｂ〜２ｄの一部を拡大しているが、他の部分も同様の構造を有している。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG. In this embodiment, a part of the
すなわち、内部電極層２（２ｂ〜２ｄ）は、金属粉末が焼結されてなる導電部５と、金属粉末が存在しない非導電部６とからなり、さらに非導電部６は、少なくとも主成分がセラミック層１（１ｂ〜１ｅ）と同一の組成成分のセラミック粉末が存在するセラミック部６ａと、固体の存在しない空隙部６ｂとを有している。尚、図中、Ｃ部に示すように、空隙部６ｂは必ずしも貫通している必要はない。また、例えば空隙部６ｂの一部にセラミック粉末が含まれていてもよい。また、図中、Ｄ部に示すように、セラミック部６ａは、必ずしも内部電極層２をまたがる必要はなく、内部電極層２の一部に存在するようにしてもよい。
That is, the internal electrode layer 2 (2b to 2d) includes a
そして、本実施の形態では、非導電部６の断面積を円換算した場合の平均直径ｘとセラミック層１の厚みｙとの比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３となるように制御し、また内部電極層２のセラミック層１への被覆率が６０〜９５％となるように制御しており、これにより、非導電部６の大きさが微小化されて非導電部６における電位降下による変位量低下を抑制することができ、また微小な非導電部６を多数設けることにより内部電極層２の被覆率を低減することができる。そしてその結果、内部電極層２による残留応力や変位阻害力を低減することができ、積層圧電アクチュエータの変位量及び接合強度の向上を図ることができる。
And in this Embodiment, it controls so that ratio x / y of the average diameter x at the time of converting the cross-sectional area of the
比ｘ／ｙは電位降下と相関関係があり、比ｘ／ｙが小さくなるとセラミック層１の厚さに対して平均直径ｘが相対的に小さくなることから電位降下は小さくなり変位量が向上する。一方、比ｘ／ｙが大きくなるとセラミック層１の厚みに対して平均直径ｘが相対的に大きくなることから、電位降下が大きくなり変位量が低下する。そして、前記被覆率が６０％未満になると非導電部６が過剰に増加するため、電位降下が大きくなって変位量の低下を招き、またセラミック層１と内部電極層２との間の接合強度も低下して界面剥離が生じ易くなる。一方、前記被覆率が９５％を超えると被覆率が過大となり、セラミック層１の伸縮運動を内部電極層２が拘束する変位阻害力が増大して変位量の低下を招く。また、共焼結時におけるセラミック層１の熱膨張率と内部電極層２の熱膨張率との差異に起因した残留応力により接合強度が低下するおそれがある。
The ratio x / y has a correlation with the potential drop, and when the ratio x / y becomes small, the average diameter x becomes relatively small with respect to the thickness of the
したがって、内部電極層２のセラミック層１への被覆率を６０〜９５％に制御する必要がある。
Therefore, it is necessary to control the coverage of the
また、前記比ｘ／ｙを０．０８〜０．３３としたのは以下の理由による。 The reason why the ratio x / y is set to 0.08 to 0.33 is as follows.
前記比ｘ／ｙが０．０８未満になると非導電部６の平均直径ｘが小さくなるため、被覆率の制御が難しく、被覆率が高くなってしまい、このためセラミック層１の内部電極層２への変位阻害力が増大して変位量の低下を招く。一方、前記比ｘ／ｙが０．３３を超えると非導電部６の平均直径ｘが大きくなるため、非導電部６に起因した電位降下の増加を招き、所望の大きな変位量を得ることができなくなる。
When the ratio x / y is less than 0.08, the average diameter x of the
そこで、本実施の形態では前記非導電部６の前記平均直径ｘとセラミック層ｙとの比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３となるように制御している。
Therefore, in the present embodiment, the ratio x / y between the average diameter x and the ceramic layer y of the
また、内部電極層２の厚みｚとセラミック層１の厚みｙとの比ｚ／ｙは０．０４〜０．４０とするのが好ましい。
The ratio z / y between the thickness z of the
すなわち、セラミック層１の厚みｙを内部電極層２の厚みｚに対し薄くするほど、セラミック層１に負荷される内部電極層２による残留応力や変位阻害力が相対的に増加し、十分な変位量の増加を得ることができなくなるおそれがあり、斯かる観点からは前記比ｚ／ｙを０．０４以上とするのが好ましい。一方、前記比ｚ／ｙが０．４０を超えると内部電極層２の厚みｚがセラミック層１の厚みに対して相対的に厚くなり、その結果内部電極層２の変位阻害力が大きくなるため、変位量の低下を招くおそれがある。したがって前記比ｚ／ｙは０．０４〜０．４０とするのが好ましい。
That is, as the thickness y of the
尚、内部電極層２の厚みｚは薄くなるほど、内部電極層２による残留応力や変位阻害力は低減されることから，内部電極層２の厚みｚは可能な限り薄いのが望ましく、好ましくは厚みｚは１〜２．４μｍの範囲となるように制御するのが望ましい。
Note that, as the thickness z of the
また、内部電極層２に形成された空隙部６ｂは、非導電部６（セラミック部６ａ及び空隙部６ｂ）中の６０％以上を占めるのが好ましい。
Moreover, it is preferable that the space |
すなわち、金属粉末よりも微粒のセラミック粉末を含有した導電性ペーストを使用して内部電極層２を形成することにより、共焼結時にセラミック粉末がセラミック層１にも分散し、これによりセラミック層１と内部電極層２との接合強度を向上させることができる。しかしながら、非導電部６中の空隙部６ｂの割合が６０％未満になると、内部電極層２中にセラミック部６ａが多数形成され、このため接合強度が大きくなり過ぎて変位量の低下を招くおそれがある。したがって前記空隙部６ｂは、非導電部６中、６０％以上を占めるのが好ましい。
That is, by forming the
また、導電部５は、Ａｇを主成分とすることができ、例えばＡｇを７０重量％以上含有したＡｇ−Ｐｄで形成することができる。
Further, the
すなわち、Ａｇを主成分として含有した内部電極層２では、Ａｇが低融点材料のため、一般に被覆率が低下し、接合強度の低下が生じ易いが、内部電極層２の構造を上述のようにすることにより、接合強度の低下を抑制することが可能となり、比較的安価なＡｇを主成分とした金属粉末を使用することができ、製造コストの削減が可能となる。
That is, in the
また、上記積層圧電アクチュエータは、セラミック層１の抗電界の１／１０以上の高電界で駆動させることにより、より一層大きな変位量を得ることができる。これは駆動電界が大きくなるほど変位量が増加するため、セラミック層１に負荷される内部電極層２による残留応力や変位阻害力を低減する効果がより顕著に現れるためである。
Further, the multilayer piezoelectric actuator can be obtained with a larger displacement by being driven by a high electric field that is 1/10 or more of the coercive electric field of the
次に、上記積層圧電アクチュエータの製造方法について詳述する。 Next, a manufacturing method of the multilayer piezoelectric actuator will be described in detail.
まず、セラミック素原料としてＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、必要に応じてＮｂ２Ｏ５、ＮｉＯを所定量秤量した後、該秤量物をジルコニアボール等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入し、十分に混合粉砕する。そしてその後、得られた混合粉末を所定温度（例えば、７００〜１０００℃）で仮焼して仮焼物を得、該仮焼物に溶剤と分散剤とを添加して再度ボールミル内で湿式粉砕し、ＰＺＴ系セラミック原料粉末を作製する。First, a predetermined amount of Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , and Nb 2 O 5 , NiO as required is weighed as a ceramic raw material, and then the weighed product is a ball mill containing a grinding medium such as zirconia balls And thoroughly mixed and pulverized. And after that, the obtained mixed powder is calcined at a predetermined temperature (for example, 700 to 1000 ° C.) to obtain a calcined product, a solvent and a dispersant are added to the calcined product, and wet pulverized again in a ball mill, A PZT ceramic raw material powder is produced.
次に、このようにして作製されたセラミック原料粉末に有機バインダや可塑剤を添加し、湿式で混合処理を行なってスラリー状とし、その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工を施し、セラミックグリーンシートを作製する。 Next, an organic binder and a plasticizer are added to the ceramic raw material powder thus produced, and a wet mixing process is performed to form a slurry. Thereafter, a molding process is performed using a doctor blade method, etc. Make a green sheet.
一方、以下のようにして導電性ペーストを作製する。 On the other hand, a conductive paste is produced as follows.
まず、有機溶剤中に有機バインダを溶解させた有機ビヒクルを作製する。次いで、所定の比表面積（例えば１〜３ｍ２／ｇ）を有する金属粉末を用意し、前記有機ビヒクルに前記金属粉末を混合させ、三本ロールミル等で混練し、これにより金属ペーストを得る。First, an organic vehicle in which an organic binder is dissolved in an organic solvent is prepared. Next, a metal powder having a predetermined specific surface area (for example, 1 to 3 m 2 / g) is prepared, the metal powder is mixed with the organic vehicle, and kneaded with a three-roll mill or the like, thereby obtaining a metal paste.
次に、前記セラミック原料粉末と少なくとも主成分が同一の組成成分を有するセラミック原料を用意し、該セラミック原料をビーズ攪拌型粉砕機等の強制撹拌装置に投入して粉砕処理を施し、これにより金属粉末の比表面積Ｓ１に対し５〜２０倍の比表面積Ｓ２を有するセラミック粉末（セラミック共材）を作製する。 Next, a ceramic raw material having at least the same component as the ceramic raw material powder is prepared, and the ceramic raw material is put into a forced stirring device such as a bead stirring type pulverizer to perform a pulverization treatment, thereby making a metal A ceramic powder (ceramic co-material) having a specific surface area S2 of 5 to 20 times the specific surface area S1 of the powder is produced.
次いで、このセラミック粉末と上記有機ビヒクルとを混合し、上記ビーズ攪拌型粉砕機等の強制撹拌装置を使用してセラミック粉末を有機ビヒクル中に十分に分散させ、これによりセラミックペーストを得る。 Next, the ceramic powder and the organic vehicle are mixed, and the ceramic powder is sufficiently dispersed in the organic vehicle using a forced stirring device such as the bead stirring pulverizer, thereby obtaining a ceramic paste.
ここで、上述のようにセラミック粉末の比表面積Ｓ２を金属粉末の比表面積Ｓ１に対し５〜２０倍となるようにしたのは以下の理由による。 Here, the reason why the specific surface area S2 of the ceramic powder is 5 to 20 times the specific surface area S1 of the metal powder as described above is as follows.
すなわち、セラミック粉末の比表面積Ｓ２を金属粉末の比表面積Ｓ１に対し５倍未満とした場合は、セラミック粉末の平均粒径が大きくなって導電性ペースト中のセラミック粉末の分散性が低下し、内部電極層２の非導電部６の径が大きくなったり被覆率が低くなるため、十分な変位量や接合強度を得ることができなくなるおそれがある。一方、セラミック粉末の比表面積Ｓ２が金属粉末の比表面積Ｓ１に対し２０倍を超える場合は、導電性ペースト中に含まれるセラミック粉末セラミック粉末の平均粒径が過度に細かくなり、その結果これらセラミック粉末同士が凝集してしまい、このためセラミック粉末がセラミック層中に十分に拡散せず、内部電極層２の非導電部６の径が大きくなり、変位量や接合強度の低下を招くおそれがある。
That is, when the specific surface area S2 of the ceramic powder is less than 5 times the specific surface area S1 of the metal powder, the average particle size of the ceramic powder is increased and the dispersibility of the ceramic powder in the conductive paste is reduced, Since the diameter of the
このような理由から本実施の形態では、セラミック粉末の比表面積Ｓ２を金属粉末の比表面積Ｓ１に対し５〜２０倍となるようにしている。 For this reason, in the present embodiment, the specific surface area S2 of the ceramic powder is set to 5 to 20 times the specific surface area S1 of the metal powder.
次に、固形分（金属粉末及びセラミック粉末）中のセラミック粉末の含有量が２０〜５０重量％となるように上記金属ペーストと上記セラミックペーストとを三本ロールミル等で混練し、これにより導電性ペーストが作製される。 Next, the metal paste and the ceramic paste are kneaded with a three-roll mill or the like so that the content of the ceramic powder in the solid content (metal powder and ceramic powder) is 20 to 50% by weight. A paste is made.
このようにセラミック粉末の含有量を固形分に対し、２０〜５０重量％とすることにより、焼成時にセラミック粉末をセラミックグリーンシート側に効果的に拡散することができる。 Thus, by making content of ceramic powder into 20 to 50 weight% with respect to solid content, ceramic powder can be effectively spread | diffused to the ceramic green sheet side at the time of baking.
尚、セラミック粉末の含有量を２０〜５０重量％としたのは、セラミック粉末の含有量が２０重量％未満になると、内部電極層中の非導電部の径が大きくなって被覆率が低下し、６０％以上の被覆率を確保するのが困難となる。また前記含有量が５０重量％を超えるとセラミック層１に拡散しなかったセラミック粉末がセラミック部６ａを形成するため接合強度が過度に大きくなり、このため変位量の低下を招くおそれがあるからである。
The ceramic powder content is set to 20 to 50% by weight. When the ceramic powder content is less than 20% by weight, the diameter of the non-conductive portion in the internal electrode layer is increased and the coverage is reduced. , It becomes difficult to ensure a coverage of 60% or more. On the other hand, if the content exceeds 50% by weight, the ceramic powder that has not diffused into the
次いで、上述した導電性ペーストを使用し、上記セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷を施して導電パターンを形成する。 Next, using the conductive paste described above, screen printing is performed on the ceramic green sheet to form a conductive pattern.
尚、本実施の形態では、導電性ペーストに含まれるセラミック粉末は、少なくとも主成分が、セラミックグリーンシートを形成するセラミック材料と同一の組成成分を有するセラミック原料を使用しているが、必ずしも主成分が同一の組成成分である必要はない。しかしながら、導電性ペーストに含まれるセラミック粉末は、焼成時にセラミック層側に拡散するため、特性変動を防止する観点から、少なくとも主成分が、セラミックグリーンシートを形成するセラミック材料と同一の組成成分を有するセラミック原料を使用するのがより好ましい。 In the present embodiment, the ceramic powder contained in the conductive paste uses a ceramic raw material having at least the main component having the same composition as the ceramic material forming the ceramic green sheet. Need not be the same compositional component. However, since the ceramic powder contained in the conductive paste diffuses to the ceramic layer side during firing, at least the main component has the same composition component as the ceramic material forming the ceramic green sheet from the viewpoint of preventing characteristic fluctuations. More preferably, ceramic raw materials are used.
次に、これら電極パターンがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートを積層した後、電極パターンがスクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで挟持し、圧着して積層体を作製する。次いで、この積層体を所定寸法に切断してアルミナ製の匣（さや）に収容し、所定温度（例えば、２００〜５００℃）で脱バインダ処理を行った後、酸素濃度が０．１〜１５体積％の酸素濃度雰囲気下、所定温度（例えば、９５０〜１１００℃）で焼成処理を施し、セラミック層１と内部電極層２とが交互に積層された圧電セラミック素体３を形成する。
Next, after laminating ceramic green sheets on which these electrode patterns are screen-printed, they are sandwiched between ceramic green sheets on which the electrode patterns are not screen-printed, and pressed to produce a laminate. Next, the laminate is cut to a predetermined size, accommodated in an alumina cocoon, and after a binder removal treatment at a predetermined temperature (for example, 200 to 500 ° C.), the oxygen concentration is 0.1 to 15 A firing process is performed at a predetermined temperature (for example, 950 to 1100 ° C.) in an oxygen concentration atmosphere of volume% to form the piezoelectric
ここで、焼成雰囲気を上記低酸素雰囲気としたのは以下の理由による。 Here, the reason why the firing atmosphere is the low oxygen atmosphere is as follows.
金属粉末よりも大きな比表面積を有するセラミック粉末をセラミック層中に積極的に拡散させることにより、微小な非導電部６を内部電極層２中に多数形成することができるが、さらに、大気中よりも低い酸素濃度０．１〜１５体積％の酸素濃度雰囲気で焼成することにより、内部電極中の金属成分がセラミック層へ拡散することを防ぐと共に、非導電部６中の空隙部６ｂが焼結によって閉塞状態となるのを防止することができ、その結果、微小な空隙部６ｂを非導電部６全体に対し６０％以上とすることができ、これにより上述した内部電極層２を有する積層圧電アクチュエータの製造が可能となる。
By actively diffusing a ceramic powder having a specific surface area larger than that of the metal powder into the ceramic layer, a large number of minute
さらに、低酸素雰囲気で焼成した場合、内部電極層２の昇降温時の酸化膨張や還元収縮を抑制できるため、セラミック層１と内部電極層２との界面での接合強度を強固に維持することが可能となる。
Furthermore, when firing in a low oxygen atmosphere, the oxidative expansion and reduction shrinkage during the temperature rise and fall of the
そして、このような接合強度の強化と微小な非導電部６の形成との相乗効果により、より一層の変位量及び信頼性の向上した積層圧電アクチュエータを得ることが可能となる。
And, by such a synergistic effect of strengthening the bonding strength and forming the minute
また、酸素濃度を０．１〜１５体積％としたのは、酸素濃度が０．１体積％未満となると、被覆率が低下する傾向があり、空隙部６ｂの制御が難しくなるからであり、一方酸素濃度が１５体積％を超えると焼成雰囲気が大気に近くなるため、空隙部６ｂが焼結により塞がれ易くなるため、上述した所望の内部電極層２を形成することができなくなり、変位量の向上を図ることができず、また接合強度の向上を図ることができなくなるからである。
Further, the reason why the oxygen concentration is 0.1 to 15% by volume is that when the oxygen concentration is less than 0.1% by volume, the coverage tends to decrease, and the control of the
尚、上述した低酸素雰囲気では、金属粉末としてＰｄを含有したＡｇ−Ｐｄ粉末を使用した場合、Ｐｄの酸化還元反応自体を抑制することができるため、昇降温時のＰｄの体積変化による接合強度の劣化を抑制することができ、これにより変位量の低下を招くことなく、接合強度のより一層の向上を図ることができる。 In addition, in the low oxygen atmosphere mentioned above, when Ag-Pd powder containing Pd is used as the metal powder, the Pd oxidation-reduction reaction itself can be suppressed. Deterioration of this can be suppressed, and thereby the joint strength can be further improved without causing a decrease in displacement.
そしてこの後、圧電セラミック素体３の端面所定領域にＡｇ等からなる外部電極用同導電性ペーストを塗布し、所定温度（例えば、７５０℃〜８５０℃）で焼付け処理を行って外部電極４ａ、４ｂを形成し、さらに所定の分極処理を行ない、これにより積層圧電アクチュエータが製造される。尚、外部電極４ａ、４ｂは、密着性が良好であればよく、例えばスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成方法で形成してもよい。
After that, the same conductive paste for external electrode made of Ag or the like is applied to a predetermined region of the end face of the piezoelectric
このように本実施の形態では、金属粉末の比表面積Ｓ１の５〜２０倍の比表面積Ｓ２を有するセラミック粉末を固形分（金属粉末及びセラミック粉末）に対し２０〜５０重量％含有した導電性ペーストを使用し、酸素濃度が０．１〜１５体積％の低酸素濃度雰囲気で焼成処理を施しているので、内部電極層２は、導電部５に非導電部６が点在した状態に形成されると共に、非導電部６の平均直径ｘとセラミック層２の厚みｙとの比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３であり、内部電極層２の被覆率が６０〜９５％であり、さらに内部電極層２の厚みｚとセラミック層１の厚みｙとの比ｚ／ｙが０．０４〜０．４０であり、しかも非導電部６中、空隙部６ｂが６０％以上を占めるように内部電極層が形成されているので、変位量が大きくしかもセラミック層１と内部電極層２との間の接合強度が強く信頼性の優れた積層圧電アクチュエータを製造することができる。
Thus, in this Embodiment, the electrically conductive paste which contains 20-50 weight% of ceramic powder which has 5-20 times specific surface area S2 of metal powder specific surface area S1 with respect to solid content (metal powder and ceramic powder). Is used, and the baking process is performed in a low oxygen concentration atmosphere having an oxygen concentration of 0.1 to 15% by volume. Therefore, the
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では、金属ペーストとセラミックペーストとを混練させて導電性ペーストを作製しているが、金属粉末とセラミック共材とを所定量の配合比で混合させた後、有機ビヒクルと混練させて導電性ペーストを作製するようにしてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. In the above embodiment, the conductive paste is prepared by kneading the metal paste and the ceramic paste. However, the metal powder and the ceramic co-material are mixed in a predetermined amount and then kneaded with the organic vehicle. Thus, a conductive paste may be produced.
また、上記実施の形態では積層型圧電セラミック部品として積層圧電アクチュエータを例に説明したが、高い圧電定数が要求される積層圧電発音体や積層圧電センサに好適であり、また、積層構造、素子形状、変位や力の方向、分極方向、電圧印加方向も上記実施の形態に限定されるものでもない。 In the above embodiment, the multilayer piezoelectric actuator is described as an example of the multilayer piezoelectric ceramic component. However, the multilayer piezoelectric actuator is suitable for a multilayer piezoelectric sounding body or multilayer piezoelectric sensor that requires a high piezoelectric constant, and has a multilayer structure and element shape. Further, the direction of displacement or force, the direction of polarization, and the direction of voltage application are not limited to the above embodiment.
さらに、上記実施の形態では、セラミック素原料としてＰｂ３Ｏ４等の酸化物を使用したが、炭酸塩や水酸化物等を使用することもできるのはいうまでもない。Furthermore, in the above embodiment, using an oxide such as Pb 3 O 4 as a ceramic raw materials, it is needless to say it is also possible to use carbonates or hydroxides.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。 Next, examples of the present invention will be specifically described.
まず、セラミック素原料としてＰｂ３Ｏ４、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＮｉＯ、Ｎｂ２Ｏ５を所定量秤量した後、該秤量物をジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入し、２４時間混合粉砕する。そしてその後、得られた混合粉末を温度９００℃で仮焼して仮焼物を得た。次いでこの後、該仮焼物に溶剤と分散剤とを添加して再度ボールミルで２４時間湿式粉砕し、組成式０．２５Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−０．３５ＰｂＺｒＯ3−０．４０ＰｂＴｉＯ3で表されるＰＺＴ系セラミック原料粉末を作製した。First, a predetermined amount of Pb 3 O 4 , ZrO 2 , TiO 2 , NiO, and Nb 2 O 5 was weighed as a ceramic raw material, and the weighed material was put into a ball mill containing a grinding medium such as zirconia. Mix and grind for hours. Then, the obtained mixed powder was calcined at a temperature of 900 ° C. to obtain a calcined product. Then, after that, a solvent and a dispersant are added to the calcined product, and wet pulverized again by a ball mill for 24 hours, and the composition formula 0.25Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 −0.35PbZrO 3 −0. A PZT ceramic raw material powder represented by 40 PbTiO 3 was produced.
次に、上記セラミック粉末原料に対し、有機バインダとしてのエチルセルロース樹脂や分散剤としてのポリカルボン酸塩溶液を添加し、溶媒として水を用いてスラリーを作製し、ドクターブレード法を使用し、セラミックグリーンシートを作製した。尚、セラミックグリーンシートの厚みは、焼結後のセラミック層の厚みｙが２０μｍ又は４０μｍとなるように成形加工した。 Next, an ethyl cellulose resin as an organic binder and a polycarboxylate solution as a dispersant are added to the ceramic powder raw material, a slurry is prepared using water as a solvent, and a doctor blade method is used. A sheet was produced. The thickness of the ceramic green sheet was molded so that the thickness y of the sintered ceramic layer was 20 μm or 40 μm.
次に、ＡｇとＰｄとの重量比Ａｇ／Ｐｄが７／３〜９／１に配合された比表面積が１〜３ｍ２／ｇの金属粉末と、前記ＰＺＴ系セラミック原料粉末と同一組成成分を有する比表面積が１５〜４０ｍ２／ｇのセラミック粉末（セラミック共材）を、セラミック共材の含有量が固形分（金属粉末及びセラミック共材）の総計に対し０〜５０重量％となるように配合し、該配合物をエチルセルロース樹脂（有機バインダ）と共にテルペン系溶剤（有機溶媒）中に分散させ、これにより、導電性ペーストを作製した。Next, a metal powder having a specific surface area of 1 to 3 m 2 / g, in which the weight ratio Ag / Pd of Ag to Pd is 7/3 to 9/1, and the same composition component as the PZT ceramic raw material powder Ceramic powder (ceramic co-material) having a specific surface area of 15 to 40 m 2 / g so that the content of the ceramic co-material is 0 to 50% by weight with respect to the total solid content (metal powder and ceramic co-material) It mix | blended and this compound was disperse | distributed in the terpene-type solvent (organic solvent) with ethylcellulose resin (organic binder), and, thereby, the electrically conductive paste was produced.
次に、焼結後の内部電極層の厚みｚが１〜３μｍとなるように塗布膜の厚みを調整しながら、上記セラミックグリーンシート上に上記内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷した。そして、これらスクリーン印刷が施されたセラミックグリーンシートを所定枚数積層した後、スクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで挟み、圧着して積層体を作製した。次いで、これらの積層体をアルミナ製の匣（さや）に収容し、脱バインダ処理を行った後、焼成温度が９６０℃〜１０４０℃、酸素濃度が０．３〜２１体積％の焼成雰囲気で８時間焼成処理を施し、これにより各セラミック層の厚みｙが２０μｍ又は４０μｍで、総厚みが０．１〜０．６ｍｍのセラミック素体を作製した。尚、焼成時の酸素濃度はＮ２ガスとＯ２ガスにより調整した。Next, the conductive paste for internal electrodes was screen-printed on the ceramic green sheet while adjusting the thickness of the coating film so that the thickness z of the internal electrode layer after sintering was 1 to 3 μm. Then, a predetermined number of the screen-printed ceramic green sheets were laminated, and then sandwiched between the ceramic green sheets that were not screen-printed, followed by pressure bonding to produce a laminate. Next, after these laminates were accommodated in an alumina pod and subjected to a binder removal treatment, the firing temperature was 960 ° C. to 1040 ° C. and the oxygen concentration was 0.3 to 21% by volume in a firing atmosphere. A timed baking treatment was performed, whereby a ceramic body having a thickness y of 20 μm or 40 μm and a total thickness of 0.1 to 0.6 mm was produced. The oxygen concentration during sintering was adjusted with N 2 gas and O 2 gas.
続いてセラミック素体を縦３ｍｍ、横１３ｍｍに切断し、Ｎｉ−Ｃｕをターゲットとしてスパッタリング処理を施し、セラミック素体の上下両面から側面部に架けてＮｉ−Ｃｕ膜を形成し、さらにＡｇをターゲットとしてスパッタリング処理を施し、Ｎｉ−Ｃｕ膜上にＡｇ膜を成膜し、これによりＮｉ−Ｃｕ膜及びＡｇ膜の２層構造からなる外部電極を形成した。 Subsequently, the ceramic body is cut into a length of 3 mm and a width of 13 mm, a sputtering process is performed using Ni—Cu as a target, a Ni—Cu film is formed on both sides of the ceramic body from the upper and lower sides, and Ag is further targeted. Sputtering was performed, and an Ag film was formed on the Ni—Cu film, thereby forming an external electrode having a two-layer structure of the Ni—Cu film and the Ag film.
そしてその後、６０℃の絶縁オイル中で、３ｋＶ／ｍｍの電界を負荷して２０分間分極処理を施し、これにより試料番号１〜２４の積層圧電素子を作製した。
Then, a polarization process was performed for 20 minutes by applying an electric field of 3 kV / mm in insulating oil at 60 ° C., thereby producing laminated piezoelectric elements of
次に、試料番号１〜２４の圧電定数｜ｄ31｜及び引張強度Ｘを測定し、それぞれ積層圧電素子の変位量及び接合強度、すなわち信頼性を評価した。Next, the piezoelectric constants | d 31 | and tensile strength X of the
ここで、圧電定数｜ｄ31｜は、今回使用したセラミック材料の抗電界である１０００Ｖ／ｍｍの１／２、すなわち５００Ｖ／ｍｍの電界を印加したときの変位量を接触式変位計で測定し、算出した。Here, the piezoelectric constant | d 31 | is measured with a contact displacement meter when the electric field of 1/2 of 1000 V / mm, ie, 500 V / mm, which is the coercive electric field of the ceramic material used this time, is applied. Calculated.
また、引張強度Ｘは、積層圧電素子の両主面に金属片をそれぞれ接着し、該金属片を引っ張り試験機で引っ張り、セラミック層と内部電極層との接合面が剥離したときの値を求めた。尚、本実施例では、引張強度で内部電極層とセラミック層との接合強度を評価した。 Further, the tensile strength X is obtained by bonding metal pieces to both main surfaces of the laminated piezoelectric element, pulling the metal pieces with a tensile tester, and peeling off the joint surface between the ceramic layer and the internal electrode layer. It was. In this example, the bonding strength between the internal electrode layer and the ceramic layer was evaluated based on the tensile strength.
また、試料番号１又は試料番号１２を基準とし、圧電定数の増加率Δ｜ｄ31｜及び引張強度の増加率ΔＸを算出した。In addition, the increase rate Δ | d 31 | of the piezoelectric constant and the increase rate ΔX of the tensile strength were calculated using the
次に、セラミック層と内部電極層との接合面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、内部電極の被覆率、非導電部の断面積を円換算した場合の平均直径ｘを画像解析により求めて、比ｘ／ｙ、及び比ｚ／ｙを算出した。 Next, the bonding surface of the ceramic layer and the internal electrode layer is observed with a scanning electron microscope (SEM), and the average diameter x when the coverage of the internal electrode and the cross-sectional area of the non-conductive portion are converted into a circle is analyzed by image analysis. The ratio x / y and the ratio z / y were calculated.
表１は試料番号１〜２４の積層圧電素子の作製条件を示し、表２はその測定結果を示している。
Table 1 shows the manufacturing conditions of the laminated piezoelectric elements of
試料番号１〜１１はセラミック層の厚みｙが４０μｍの場合である。このうち試料番号１は、内部電極層中にセラミック共材が含有されておらず、しかも酸素濃度が２１体積％の大気雰囲気で焼成処理を行なった従来例であり、この試料番号１と試料番号２〜１０とを対比することにより、各試料番号の変位量及び接合強度を評価することができる。
すなわち、試料番号６は、比ｘ／ｙが０．３７と大きく、非導電部の平均直径ｘが１４．７μｍと大きいため、被覆率が４９％に低下し、このため圧電定数｜ｄ31｜が３２４ｐＣ／Ｎと低く、試料番号１に対し１．５％も低下している。また、被覆率が４９％と低いことから、引張強度Ｘも７．９ＭＰａと低く、試料番号１に対し引張強度Ｘは７．１％も低下している。That is, in Sample No. 6, since the ratio x / y is as large as 0.37 and the average diameter x of the non-conductive portion is as large as 14.7 μm, the coverage is reduced to 49%, and therefore the piezoelectric constant | d 31 | Is as low as 324 pC / N, which is 1.5% lower than Sample No. 1. Moreover, since the coverage is as low as 49%, the tensile strength X is also as low as 7.9 MPa, and the tensile strength X is decreased by 7.1% with respect to the
試料番号１０は、比ｘ／ｙが０．４１と大きく、非導電部の平均直径ｘが１６．５μｍと大きいため、被覆率が４５％に低下し、このため圧電定数｜ｄ31｜が３１５ｐＣ／Ｎと低く、試料番号１に対し４．３％も低下している。また、被覆率が４５％と低いことから、引張強度Ｘも７．４ＭＰａと低く、試料番号１に対し１２．９％も低下している。In Sample No. 10, since the ratio x / y is as large as 0.41 and the average diameter x of the non-conductive portion is as large as 16.5 μm, the coverage is reduced to 45%, and therefore the piezoelectric constant | d 31 | is 315 pC. / N, which is 4.3% lower than Sample No. 1. Moreover, since the coverage is as low as 45%, the tensile strength X is also as low as 7.4 MPa, which is 12.9% lower than the
これに対して試料番号２〜５、７〜９、及び１１は、比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３、被覆率が６０〜９４％であるので、圧電定数｜ｄ31｜は３３８〜３６２ｐＣ／Ｎと大きく、試料番号１に対し２．７〜１０．０％も増加しており、変位量が向上することが分かった。また、引張強度Ｘも８．５〜９．８ＭＰａであり、試料番号１１は試料番号１と引張強度Ｘは同等であるが、試料番号２〜５及び７〜９は、試料番号１に対し１．２〜２１．２％も増加しており、接合強度が向上することが分かった。On the other hand,
試料番号１２〜２４はセラミック層の厚みｙが２０μｍの場合である。このうち試料番号１２は、内部電極層中にセラミック共材が含有されておらず、しかも酸素濃度が２１体積％の大気雰囲気で焼成処理を行なった従来例であり、この試料番号１２と試料番号１３〜２４とを対比することにより、各試料番号の変位量及び接合強度を評価することができる。 Sample numbers 12 to 24 are cases in which the thickness y of the ceramic layer is 20 μm. Sample No. 12 is a conventional example in which a ceramic co-material is not contained in the internal electrode layer and the baking treatment is performed in an air atmosphere having an oxygen concentration of 21% by volume. Sample No. 12 and Sample No. By comparing 13 to 24, the displacement amount and bonding strength of each sample number can be evaluated.
すなわち、試料番号１７は、比ｘ／ｙが０．６５と大きく、非導電部の平均直径ｘが１３．１μｍと大きいため、被覆率が４８％となって試料番号１２に対し０．６％も低く、圧電定数｜ｄ31｜も３１３ｐＣ／Ｎと低く、しかも、引張強度Ｘも８．４ＭＰａとなって試料番号１２に対し４．５％も低く、接合強度が低下している。これは金属粉末の比表面積Ｓ１に対するセラミック共材の比表面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１が「２」と小さく、したがってセラミック共材の平均粒径が大きいことから、該セラミック共材の分散性が低下し、その結果、上述のように内部電極層の非導電部の径が拡大して被覆率が低下し、諸特性の悪化を招いたものと思われる。That is, in the sample number 17, the ratio x / y is as large as 0.65 and the average diameter x of the non-conductive portion is as large as 13.1 μm, so that the coverage is 48%, which is 0.6% with respect to the sample number 12. The piezoelectric constant | d 31 | is as low as 313 pC / N, and the tensile strength X is 8.4 MPa, which is 4.5% lower than that of the sample number 12 and the bonding strength is reduced. This is because the ratio S2 / S1 of the specific surface area S2 of the ceramic co-material to the specific surface area S1 of the metal powder is as small as “2”, and thus the average particle size of the ceramic co-material is large. As a result, as described above, the diameter of the non-conductive portion of the internal electrode layer is increased, the coverage is lowered, and various characteristics are deteriorated.
試料番号２０は、比ｘ／ｙが０．７３と大きく、非導電部の平均直径ｘが１４．７μｍと大きいため、被覆率が４８％に低下し、このため圧電定数｜ｄ31｜が３０９ｐＣ／Ｎと低く、試料番号１２に対し１．９％も低下している。また、被覆率が４８％と低いことから、引張強度Ｘも８．０ＭＰａと低く、試料番号１２に対し引張強度Ｘは９．１％も低下している。In Sample No. 20, the ratio x / y is as large as 0.73 and the average diameter x of the non-conductive portion is as large as 14.7 μm, so that the coverage is reduced to 48%, and therefore the piezoelectric constant | d 31 | is 309 pC. / N, which is 1.9% lower than Sample No. 12. Moreover, since the coverage is as low as 48%, the tensile strength X is also as low as 8.0 MPa, and the tensile strength X is decreased by 9.1% with respect to the sample number 12.
試料番号２３は、比ｘ／ｙが０．８５と大きく、非導電部の平均直径ｘが１７．０μｍと大きいため、被覆率が４１％に低下し、このため圧電定数｜ｄ31｜が２９５ｐＣ／Ｎと低く、試料番号１２に対し６．３％も低下している。また、被覆率が４１％と低いことから、引張強度Ｘも７．１ＭＰａと低く、試料番号１２に対し１９．３％も低下している。In Sample No. 23, since the ratio x / y is as large as 0.85 and the average diameter x of the non-conductive portion is as large as 17.0 μm, the coverage is reduced to 41%, and thus the piezoelectric constant | d 31 | is 295 pC. / N, which is 6.3% lower than Sample No. 12. Moreover, since the coverage is as low as 41%, the tensile strength X is also as low as 7.1 MPa, which is 19.3% lower than the sample number 12.
これに対して試料番号１３〜１６、１８、１９、２１、２２、及び２４は、比ｘ／ｙが０．１６〜０．３３、被覆率が６１〜９５％であるので、圧電定数｜ｄ31｜は３２４〜３５７ｐＣ／Ｎと大きく、試料番号１２に対し２．９〜１３．３％も増加しており、変位量が向上することが分かった。また、引張強度Ｘも８．８〜１０．８ＭＰａであり、試料番号２４は試料番号１２と引張強度Ｘは同等であるが、試料番号１３〜１６、１８、１９、２１、及び２２は、試料番号１２に対し１．１〜２２．７％も増加しており、接合強度が向上することが分かった。On the other hand, sample numbers 13 to 16, 18, 19, 21, 22, and 24 have a ratio x / y of 0.16 to 0.33 and a coverage of 61 to 95%. 31 | is as large as 324 to 357 pC / N, which is increased by 2.9 to 13.3% with respect to Sample No. 12, indicating that the amount of displacement is improved. Further, the tensile strength X is also 8.8 to 10.8 MPa, the sample number 24 is equal to the sample number 12 and the tensile strength X, but the sample numbers 13 to 16, 18, 19, 21, and 22 are the samples. It increased by 1.1 to 22.7% with respect to No. 12, indicating that the bonding strength was improved.
また、表１から明らかなように、被覆率が６０〜９０％の範囲では、圧電定数の増加率Δ｜ｄ31｜は５．８〜１３．３％と大幅に増加し、また、被覆率が７５〜９５％の範囲で引張強度の増加率ΔＸは４．５〜２２．７％と大幅に増加することが分かった。Further, as is apparent from Table 1, when the coverage is in the range of 60 to 90%, the increase rate Δ | d 31 | of the piezoelectric constant is significantly increased to 5.8 to 13.3%, and the coverage is It was found that the tensile strength increase rate ΔX was significantly increased to 4.5 to 22.7% in the range of 75 to 95%.
図３は試料番号１９（本発明実施例）のＳＥＭ画像であり、黒く見えるのが非導電部である。また図４は試料番号１２（従来例）のＳＥＭ画像である。 FIG. 3 is an SEM image of sample number 19 (Example of the present invention), and the non-conductive portion appears black. FIG. 4 is an SEM image of sample number 12 (conventional example).
図４で示すように従来例は、セラミック層が内部電極層で完全に被覆されているのに対し、図３に示す本発明実施例は、非導電部が露出して均一に分布していることが観察され、したがって、セラミック共材を含有した導電性ペーストを使用し、低酸素濃度雰囲気で焼成することにより、内部電極の構造（被覆率及び非導電部の平均直径ｘ）を制御できることが分かった。 As shown in FIG. 4, in the conventional example, the ceramic layer is completely covered with the internal electrode layer, whereas in the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the non-conductive portion is exposed and distributed uniformly. Therefore, by using a conductive paste containing a ceramic co-material and firing in a low oxygen concentration atmosphere, the structure of the internal electrode (coverage and average diameter x of non-conductive part) can be controlled. I understood.
まず、〔実施例１〕と同様の方法・手順で作製したセラミックグリーンシートを用意した。 First, a ceramic green sheet prepared by the same method and procedure as in [Example 1] was prepared.
また、ＡｇとＰｄとの重量比Ａｇ／Ｐｄを７／３又は８／２に配合し、セラミック共材を固形分の総計に対し０重量％又は３０重量％となるように配合した以外は、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極用導電性ペーストを作製した。 Moreover, the weight ratio Ag / Pd of Ag and Pd is blended to 7/3 or 8/2, and the ceramic co-material is blended so as to be 0% by weight or 30% by weight with respect to the total solid content, A conductive paste for internal electrodes was produced by the same method and procedure as in [Example 1].
次に、焼結後の内部電極層の厚みｚが２．４μｍとなるように上記セラミックグリーンシート上に上記内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷し、その後、〔実施例１〕と同様の方法・手順で積層体を作製した。次いで、これら積層体をアルミナ製の匣（さや）に収容し、脱バインダ処理を行った後、焼成温度が１０００℃又は１０４０℃で、酸素濃度が０．５体積％又は２１体積％の焼成雰囲気で８時間焼成処理を施し、これにより各セラミック層の厚みｙが６〜１００μｍで、総厚みが０．１〜０．６ｍｍのセラミック素体を作製し、その後は〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号３１〜４１の積層圧電素子を作製した。 Next, the conductive paste for internal electrodes is screen-printed on the ceramic green sheet so that the thickness z of the sintered internal electrode layer is 2.4 μm, and then the same method as in [Example 1] -The laminated body was produced in the procedure. Next, after these laminates are housed in alumina pods and subjected to binder removal treatment, a firing atmosphere in which the firing temperature is 1000 ° C. or 1040 ° C. and the oxygen concentration is 0.5% by volume or 21% by volume. A ceramic body having a thickness y of 6 to 100 μm and a total thickness of 0.1 to 0.6 mm is prepared. Then, the same as in Example 1 is performed. The laminated piezoelectric elements of sample numbers 31 to 41 were produced by the method / procedure.
次に、〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号３１〜４１の圧電定数｜ｄ31｜、その増加率Δ｜ｄ31｜、引張強度Ｘ、その増加率ΔＸを求め、各積層圧電素子の変位量及び接合強度、すなわち信頼性を評価した。また、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極の被覆率、比ｘ／ｙ、及び比ｚ／ｙを算出した。Next, the piezoelectric constants | d 31 |, the increase rate Δ | d 31 |, the tensile strength X, and the increase rate ΔX of sample numbers 31 to 41 were obtained by the same method and procedure as in [Example 1]. The displacement amount and bonding strength of the piezoelectric element, that is, reliability was evaluated. Further, the internal electrode coverage, the ratio x / y, and the ratio z / y were calculated by the same method and procedure as in [Example 1].
表３は試料番号３１〜４１の積層圧電素子の作製条件を示し、表４はその測定結果を示している。 Table 3 shows the manufacturing conditions of the laminated piezoelectric elements of sample numbers 31 to 41, and Table 4 shows the measurement results.
表３、４中、＊＊印を付した試料番号３１、３３、３５、３７及び３９は、セラミック層の厚みｙが６〜１００μｍの範囲で異なるが、内部電極層がセラミック共材を含有せずＡｇ／Ｐｄが７／３に配合された金属粉末からなり、また大気雰囲気（酸素濃度：２１体積％）下、温度１０４０℃で焼成した場合であり、従来例を示している。 In Tables 3 and 4, sample numbers 31, 33, 35, 37, and 39 marked with ** differ in the thickness y of the ceramic layer in the range of 6 to 100 μm, but the internal electrode layer contains the ceramic co-material. This is a case where it is made of a metal powder in which Ag / Pd is blended to 7/3 and is fired at a temperature of 1040 ° C. in an air atmosphere (oxygen concentration: 21% by volume), and shows a conventional example.
また、試料番号３２、３４、３６、３８及び４０は、上記従来例に対応する本発明実施例であり、内部電極層に３０重量％のセラミック共材を含有し、金属粉末をＡｇ／Ｐｄが８／２となるように配合し、また酸素濃度が０．５体積％の低酸素濃度雰囲気下、温度１０００℃で焼成した場合を示している。 Sample numbers 32, 34, 36, 38 and 40 are examples of the present invention corresponding to the above-described conventional example, the internal electrode layer contains 30% by weight of ceramic co-material, and the metal powder is made of Ag / Pd. The case where it mix | blends so that it may become 8/2 and it baked at the temperature of 1000 degreeC in the low oxygen concentration atmosphere whose oxygen concentration is 0.5 volume% is shown.
従来例（＊＊印）と本発明実施例との対比から明らかなように、本発明実施例は内部電極層中に３０重量％のセラミック共材を含有し、酸素濃度が０．５体積％の低酸素濃度雰囲気で焼成しているので、比ｘ／ｙが０．０８〜０．３３であって被覆率が８０〜９４％に低減されているため、それぞれの従来例に対し圧電定数｜ｄ３１｜は０．９〜８．４％増加しており変位量が向上することが分かった。また、引張強度Ｘも５．０〜７．８％増加しており、接合強度が向上することが分かった。As is clear from the comparison between the conventional example (marked with **) and the example of the present invention, the example of the present invention contains 30% by weight of ceramic co-material in the internal electrode layer, and the oxygen concentration is 0.5% by volume. Since the ratio x / y is 0.08 to 0.33 and the coverage is reduced to 80 to 94%, the piezoelectric constant | d 31 | increased by 0.9 to 8.4%, and it was found that the amount of displacement was improved. Moreover, the tensile strength X was also increased by 5.0 to 7.8%, and it was found that the bonding strength was improved.
また、試料番号４１は、内部電極層中に３０重量％のセラミック共材を含有し、酸素濃度が０．５体積％の低酸素濃度雰囲気で焼成しているものの、比ｘ／ｙが０．３８であり、０．３３を超えており、したがって被覆率が９７％と大きくても非導電部の平均直径ｘが大きくなるため、非導電部に起因した電位降下が大きくなり、圧電定数｜ｄ31｜が２７０ｐＣ／Ｎとなって従来例よりも低下し、所望の大きな変位量を到底得ることができないことが分った。Sample No. 41 contains 30% by weight of a ceramic co-material in the internal electrode layer and fired in a low oxygen concentration atmosphere with an oxygen concentration of 0.5% by volume, but the ratio x / y is 0.00. 38, which exceeds 0.33. Therefore, even if the coverage is as large as 97%, the average diameter x of the non-conductive portion increases, so that the potential drop due to the non-conductive portion increases, and the piezoelectric constant | d 31 | was 270 pC / N, which was lower than the conventional example, and it was found that a desired large displacement could not be obtained.
まず、〔実施例１〕と同様の方法・手順で作製したセラミックグリーンシートを用意した。 First, a ceramic green sheet prepared by the same method and procedure as in [Example 1] was prepared.
また、ＡｇとＰｄとの重量比Ａｇ／Ｐｄを７／３又は９／１に配合し、セラミック共材を固形分の総計に対し０重量％又は４０重量％となるように配合した以外は、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極用導電性ペーストを作製した。 Moreover, the weight ratio Ag / Pd of Ag and Pd was blended to 7/3 or 9/1, and the ceramic co-material was blended so as to be 0% by weight or 40% by weight with respect to the total solid content, A conductive paste for internal electrodes was produced by the same method and procedure as in [Example 1].
次に、焼結後の内部電極層の厚みｚが２μｍ又は３μｍとなるように上記セラミックグリーンシート上に上記内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷し、その後、〔実施例１〕と同様の方法・手順で積層体を作製した。次いで、これら積層体をアルミナ製の匣（さや）に収容し、脱バインダ処理を行った後、焼成温度が９６０℃又は１０４０℃で、酸素濃度が０．５体積％又は２１体積％の焼成雰囲気で８時間焼成処理を施し、これにより各セラミック層の厚みｙが２０μｍで、総厚みが０．１〜０．６ｍｍのセラミック素体を作製し、その後は〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号５１〜６０の積層圧電素子を作製した。 Next, the conductive paste for internal electrodes is screen-printed on the ceramic green sheet so that the thickness z of the sintered internal electrode layer becomes 2 μm or 3 μm, and then the same method as in [Example 1] -The laminated body was produced in the procedure. Next, after these laminates are accommodated in an alumina pod and subjected to a binder removal treatment, a firing atmosphere in which the firing temperature is 960 ° C. or 1040 ° C. and the oxygen concentration is 0.5% by volume or 21% by volume. A ceramic body having a thickness y of each ceramic layer of 20 μm and a total thickness of 0.1 to 0.6 mm was prepared by the above-described method for 8 hours. The laminated piezoelectric element of sample numbers 51-60 was produced by the procedure.
次に、〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号５１〜６０の圧電定数｜ｄ31｜を駆動電界を変更して測定し、またその増加率Δ｜ｄ31｜、引張強度Ｘ、その増加率ΔＸを求め、各積層圧電素子の変位量及び接合強度、すなわち信頼性を評価した。また、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極の被覆率、比ｘ／ｙ、及び比ｚ／ｙを算出した。Next, the piezoelectric constants | d 31 | of sample numbers 51 to 60 are measured by changing the driving electric field by the same method and procedure as in [Example 1], and the increase rate Δ | d 31 | The increase rate ΔX was obtained, and the displacement amount and the bonding strength, that is, the reliability of each laminated piezoelectric element were evaluated. Further, the internal electrode coverage, the ratio x / y, and the ratio z / y were calculated by the same method and procedure as in [Example 1].
表５は試料番号５１〜６０の積層圧電素子の作製条件を示し、表６はその測定結果を示している。 Table 5 shows the manufacturing conditions of the laminated piezoelectric elements of sample numbers 51 to 60, and Table 6 shows the measurement results.
表５、６中、＊＊印を付した試料番号５１、５３、５５、５７及び５９は、駆動電界が１〜１０００Ｖ／ｍｍの範囲で異なるが、内部電極層がセラミック共材を含有せずＡｇ／Ｐｄが７／３に配合された金属粉末からなり、また大気雰囲気（酸素濃度：２１体積％）下、温度１０４０℃で焼成した場合であり、従来例を示している。 In Tables 5 and 6, sample numbers 51, 53, 55, 57 and 59 marked with ** differ in the driving electric field range of 1-1000 V / mm, but the internal electrode layer does not contain ceramic co-material. This is a case where it is made of a metal powder in which Ag / Pd is mixed in 7/3, and is fired at a temperature of 1040 ° C. in an air atmosphere (oxygen concentration: 21% by volume), which shows a conventional example.
また、試料番号５２、５４、５６、５８及び６０は、上記従来例に対応する本発明実施例であり、内部電極層に４０重量％のセラミック共材を含有し、金属粉末は、Ａｇ／Ｐｄが９／１に配合され、また酸素濃度が０．５体積％の低酸素濃度雰囲気下、温度９６０℃で焼成した場合を示している。 Sample numbers 52, 54, 56, 58 and 60 are examples of the present invention corresponding to the above-described conventional example, and the internal electrode layer contains 40% by weight of ceramic co-material, and the metal powder is Ag / Pd. Is blended in 9/1, and the case where firing is performed at a temperature of 960 ° C. in a low oxygen concentration atmosphere with an oxygen concentration of 0.5 vol% is shown.
従来例（＊＊印）と本発明実施例との対比から明らかなように、本発明実施例は内部電極層中に４０重量％のセラミック共材を含有し、酸素濃度が０．５体積％の低酸素濃度雰囲気で焼成しているので、比ｘ／ｙが０．３０であって被覆率が８２％に低減されており、それぞれの従来例に対し圧電定数｜ｄ31｜は２．９〜１０．７％増加しており変位量が向上することが分かった。また、引張強度Ｘも３．４％増加しており、接合強度が向上し、信頼性の向上することが分かった。As is clear from the comparison between the conventional example (marked **) and the example of the present invention, the example of the present invention contains 40% by weight of the ceramic co-material in the internal electrode layer, and the oxygen concentration is 0.5% by volume. Since the ratio x / y is 0.30 and the coverage is reduced to 82%, the piezoelectric constant | d 31 | is 2.9 for each of the conventional examples. It was found that the displacement was improved by ˜10.7%. Moreover, the tensile strength X was also increased by 3.4%, and it was found that the bonding strength was improved and the reliability was improved.
また、本実施例で使用しているセラミック層の抗電界は１０００Ｖ／ｍｍであるが、この抗電界の１／１０以上の電界、すなわち１００〜１０００Ｖ／ｍｍで駆動させた場合（試料番号５４、５６、５８及び６０）は、圧電定数｜ｄ31｜が５．０〜１０．７％と大幅に増加しており、また引張強度の増加率ΔＸは同等であるので、セラミック層の抗電界の１／１０以上の高電界で駆動させることにより、接合強度（信頼性）を損なうことなくより一層大きな変位量を得ることができることが分かった。Further, the coercive electric field of the ceramic layer used in this example is 1000 V / mm, but when driven at an electric field of 1/10 or more of this coercive electric field, that is, 100 to 1000 V / mm (sample number 54, 56, 58 and 60), the piezoelectric constant | d 31 | is greatly increased to 5.0 to 10.7%, and the increase rate ΔX of the tensile strength is the same. It was found that by driving with a high electric field of 1/10 or more, a larger displacement amount can be obtained without impairing the bonding strength (reliability).
まず、〔実施例１〕と同様の方法・手順で作製したセラミックグリーンシートを用意した。 First, a ceramic green sheet prepared by the same method and procedure as in [Example 1] was prepared.
また、ＡｇとＰｄとの重量比Ａｇ／Ｐｄを７／３又は８／２に配合し、セラミック共材を固形分の総計に対し０重量％又は２５重量％となるように配合した以外は、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極用導電性ペーストを作製した。 Moreover, the weight ratio Ag / Pd of Ag and Pd is blended to 7/3 or 8/2, and the ceramic co-material is blended so as to be 0% by weight or 25% by weight based on the total solid content, A conductive paste for internal electrodes was produced by the same method and procedure as in [Example 1].
次に、焼結後の内部電極層の厚みｚが２．４μｍとなるように上記セラミックグリーンシート上に上記内部電極用導電性ペーストをスクリーン印刷し、その後、〔実施例１〕と同様の方法・手順で積層体を作製した。次いで、これら積層体をアルミナ製の匣（さや）に収容し、脱バインダ処理を行った後、焼成温度が１０４０℃で、酸素濃度が０．１〜２１体積％の焼成雰囲気で８時間焼成処理を施し、これにより各セラミック層の厚みｙが２０μｍで、総厚みが０．１〜０．６ｍｍのセラミック素体を作製し、その後は〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号６１〜６７の積層圧電素子を作製した。 Next, the conductive paste for internal electrodes is screen-printed on the ceramic green sheet so that the thickness z of the sintered internal electrode layer is 2.4 μm, and then the same method as in [Example 1] -The laminated body was produced in the procedure. Next, these laminates are accommodated in an alumina pod (sheath) and subjected to a binder removal treatment, followed by a firing treatment for 8 hours in a firing atmosphere at a firing temperature of 1040 ° C. and an oxygen concentration of 0.1 to 21% by volume. As a result, a ceramic body having a thickness y of 20 μm and a total thickness of 0.1 to 0.6 mm was prepared. After that, sample No. 61 was prepared by the same method and procedure as in [Example 1]. -67 laminated piezoelectric elements were produced.
次に、〔実施例１〕と同様の方法・手順で試料番号６１〜６７の圧電定数｜ｄ３１｜、その増加率Δ｜ｄ３１｜、引張強度Ｘ、その増加率ΔＸを求め、各積層圧電素子の変位量及び接合強度、すなわち信頼性を評価した。また、〔実施例１〕と同様の方法・手順で内部電極の被覆率、比ｘ／ｙ、及び比ｚ／ｙを算出した。また、内部電極層をＳＥＭで観察し画像解析して非導電部中の空隙率を求めた。Next, the piezoelectric constants | d 31 |, the increase rate Δ | d 31 |, the tensile strength X, and the increase rate ΔX of Sample Nos. 61 to 67 are obtained by the same method and procedure as in [Example 1]. The displacement amount and bonding strength of the piezoelectric element, that is, reliability was evaluated. Further, the internal electrode coverage, the ratio x / y, and the ratio z / y were calculated by the same method and procedure as in [Example 1]. In addition, the internal electrode layer was observed with an SEM and image analysis was performed to determine the porosity in the non-conductive portion.
表７は試料番号６１〜６７の積層圧電素子の作製条件を示し、表８はその測定結果を示している。 Table 7 shows the production conditions of the laminated piezoelectric elements of sample numbers 61 to 67, and Table 8 shows the measurement results.
表７、表８中、＊＊印を付した試料番号６１は、内部電極層がセラミック共材を含有せずＡｇ／Ｐｄが７／３に配合された金属粉末からなり、また大気雰囲気（酸素濃度：２１体積％）下、温度１０４０℃で焼成した場合であり、従来例を示している。 In Tables 7 and 8, Sample No. 61 marked with ** is made of a metal powder in which the internal electrode layer does not contain a ceramic co-material and Ag / Pd is blended in 7/3, and the atmosphere (oxygen) This is a case of baking at a temperature of 1040 ° C. under a concentration of 21% by volume, and shows a conventional example.
これに対し試料番号６２〜６７は、内部電極層中に２５重量％のセラミック共材を含有し、酸素濃度が０．５〜１５体積％の低酸素濃度雰囲気で焼成しているので、比ｘ／ｙが０．１８〜０．２７であって被覆率が７９〜９４％に低減されており、また非導電部の空隙率も６２〜９５％となりセラミック部の過剰な形成が抑制されており、その結果、従来例に対し圧電定数｜ｄ31｜は２．５〜９．２％と増加し、引張強度Ｘも１．１〜９．２％と増加し、変位量及び接合強度（信頼性）が向上することが分かった。On the other hand, sample numbers 62 to 67 contain 25% by weight of ceramic co-material in the internal electrode layer and fired in a low oxygen concentration atmosphere having an oxygen concentration of 0.5 to 15% by volume. / Y is 0.18 to 0.27, the coverage is reduced to 79 to 94%, and the porosity of the non-conductive part is also 62 to 95%, and excessive formation of the ceramic part is suppressed. As a result, the piezoelectric constant | d 31 | increased from 2.5 to 9.2%, and the tensile strength X also increased from 1.1 to 9.2%, compared to the conventional example. It was found that the property was improved.
また、酸素濃度が低くなるに伴い圧電定数の増加率Δ｜ｄ31｜が増大し、変位量がより一層向上することも分かった。It was also found that the piezoelectric constant increase rate Δ | d 31 | increased as the oxygen concentration decreased, and the amount of displacement was further improved.
Claims (4)
前記導電性ペーストが、金属粉末と、該金属粉末の５〜２０倍の比表面積を有するセラミック粉末とを含有すると共に、該セラミック粉末の含有量が、金属粉末及びセラミック粉末の総計に対し、２０〜５０重量％となるように調製し、 The conductive paste contains a metal powder and a ceramic powder having a specific surface area 5 to 20 times that of the metal powder, and the content of the ceramic powder is 20 with respect to the total of the metal powder and the ceramic powder. Prepared to be ~ 50 wt%,
前記焼成処理を、酸素濃度が０．１〜１５体積％の酸素雰囲気中で行ない、前記内部電極層が導電部と非導電部とを有するように該内部電極層を形成することを特徴とする積層型圧電セラミック部品の製造方法。 The firing process is performed in an oxygen atmosphere having an oxygen concentration of 0.1 to 15% by volume, and the internal electrode layer is formed so that the internal electrode layer has a conductive portion and a non-conductive portion. Manufacturing method of multilayer piezoelectric ceramic component.
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