JP6623970B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element.
例えば特許文献1には、インクジェット方式のプリンタのプリンタヘッドに用いられる積層型圧電素子が記載されている。この積層型圧電素子は、圧電体層と第1及び第2の駆動用内部電極とが交互に積層された駆動部、及び圧電体層と接続用内部電極とが積層された接続部とを有する積層体と、当該積層体の一方の側面に形成され第1の駆動用内部電極と導通する駆動用外部電極と、積層体の一方の側面に形成され接続用内部電極と導通する接続用外部電極と、積層体の他方の側面に形成され第2の駆動用内部電極及び接続用内部電極と導通する共通外部電極とを備えている。駆動部には、積層体の上面側から下面側へと向かうスリットにより分断された複数個のアクチュエータユニットが構成されている。 For example, Patent Literature 1 describes a multilayer piezoelectric element used for a printer head of an inkjet printer. This laminated piezoelectric element has a driving section in which piezoelectric layers and first and second driving internal electrodes are alternately laminated, and a connecting section in which piezoelectric layers and connection internal electrodes are laminated. A laminated body, a driving external electrode formed on one side surface of the laminated body and conducting to the first driving internal electrode, and a connecting external electrode formed on one side surface of the laminated body and conducting to the connecting internal electrode And a common external electrode formed on the other side surface of the laminate and electrically connected to the second driving internal electrode and the connection internal electrode. The drive unit includes a plurality of actuator units separated by slits extending from the upper surface side to the lower surface side of the stacked body.
特許文献1に記載されるような圧電素子では、機械加工によりスリットを形成すると、圧電体層と電極との間で剥離が発生する場合がある。また、電極が複数の電極層で構成されていると、電極内で剥離が発生する場合もある。前者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後から比較的顕著に表れる。したがって、検査による不良品のスクリーニングが比較的容易である。これに対し、後者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後は比較的少ない。したがって、検査による不良品のスクリーニングが比較的困難である。検査から漏れた不良品は経年劣化し易いため、信頼性が低下する懼れがある。 In a piezoelectric element described in Patent Literature 1, when a slit is formed by machining, peeling may occur between a piezoelectric layer and an electrode. When the electrode is composed of a plurality of electrode layers, peeling may occur in the electrode. In the former case, the influence on the piezoelectric characteristics and appearance appears relatively immediately after the production. Therefore, screening of defective products by inspection is relatively easy. On the other hand, in the latter case, the influence on the piezoelectric characteristics and appearance is relatively small immediately after production. Therefore, it is relatively difficult to screen defective products by inspection. Defective products leaked from the inspection are liable to deteriorate over time, which may reduce the reliability.
本発明は、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることが可能な圧電素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric element capable of suppressing peeling in an electrode and improving reliability.
本発明に係る圧電素子は、圧電体と、圧電体上に設けられたスパッタ電極と、を備え、スパッタ電極は、第一金属材料からなる第一電極領域と、第一電極領域上に位置し、第一金属材料とは異なる第二金属材料からなる第二電極領域と、第一電極領域と第二電極領域との間に設けられた第三電極領域と、を有し、第三電極領域は、第一金属材料及び第二金属材料が混在している領域である。 The piezoelectric element according to the present invention includes a piezoelectric body and a sputter electrode provided on the piezoelectric body, and the sputter electrode is located on the first electrode region made of the first metal material and the first electrode region. A second electrode region made of a second metal material different from the first metal material, and a third electrode region provided between the first electrode region and the second electrode region, Is a region where the first metal material and the second metal material are mixed.
本発明に係る圧電素子では、スパッタ電極が、第一電極領域及び第二電極領域に加えて、第一電極領域と第二電極領域との間に第三電極領域を有している。第三電極領域では、第一電極領域を構成する第一金属材料、及び第二電極領域を構成する第二金属材料が混在している。第三電極領域と第一電極領域との接合強度(密着強度)、及び第三電極領域と第二電極領域との接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる第一電極領域と第二電極領域との接合強度よりも高い。このため、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることができる。 In the piezoelectric element according to the present invention, the sputter electrode has a third electrode region between the first electrode region and the second electrode region in addition to the first electrode region and the second electrode region. In the third electrode region, the first metal material forming the first electrode region and the second metal material forming the second electrode region are mixed. Both the bonding strength (adhesion strength) between the third electrode region and the first electrode region and the bonding strength between the third electrode region and the second electrode region are different from those of the first electrode region and the second electrode region, which are completely different from each other. It is higher than the bonding strength with the electrode area. For this reason, peeling in the electrode can be suppressed, and the reliability can be improved.
本発明に係る圧電素子において、スパッタ電極は、スリットにより複数の電極部分に分けられていてもよい。この場合、例えば、機械的加工によりスパッタ電極を分けるとすると、電極内の剥離が生じ易いので、電極領域間の接合強度を高める上記構成が特に有効となる。 In the piezoelectric element according to the present invention, the sputter electrode may be divided into a plurality of electrode portions by slits. In this case, for example, if the sputtered electrodes are separated by mechanical processing, the above-described configuration for increasing the bonding strength between the electrode regions is particularly effective, because separation within the electrodes is likely to occur.
本発明に係る圧電素子において、スリットは、圧電体まで達しており、圧電体は、各電極部分に対応する複数の圧電体部分に分けられていてもよい。この場合、各圧電体部分を互いに独立して駆動することができる。 In the piezoelectric element according to the present invention, the slit may reach the piezoelectric body, and the piezoelectric body may be divided into a plurality of piezoelectric bodies corresponding to the respective electrode parts. In this case, the respective piezoelectric portions can be driven independently of each other.
本発明に係る圧電素子において、第三電極領域では、第一金属材料に対して第二金属材料が混在する割合が、第一電極領域から第二電極領域に向かうにしたがって徐々に増加していてもよい。この場合、第三電極領域の第一電極領域側に第一金属材料が多く含まれるので、第三電極領域と第一電極領域との接合強度を更に高めることができる。また、第三電極領域の第二電極領域側に第二金属材料が多く含まれるので、第三電極領域と第二電極領域との接合強度を更に高めることができる。この結果、電極内の剥離を更に抑制することができる。 In the piezoelectric element according to the present invention, in the third electrode region, the proportion of the second metal material mixed with the first metal material gradually increases from the first electrode region toward the second electrode region. Is also good. In this case, a large amount of the first metal material is included on the first electrode region side of the third electrode region, so that the bonding strength between the third electrode region and the first electrode region can be further increased. Further, since a large amount of the second metal material is included on the second electrode region side of the third electrode region, the bonding strength between the third electrode region and the second electrode region can be further increased. As a result, peeling in the electrode can be further suppressed.
本発明に係る圧電素子において、第一金属材料はCrであり、第二金属材料はCuであってもよく、第一金属材料はCuであり、第二金属材料はSnAgであってもよい。 In the piezoelectric element according to the present invention, the first metal material may be Cr, the second metal material may be Cu, the first metal material may be Cu, and the second metal material may be SnAg.
本発明に係る圧電素子によれば、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the piezoelectric element which concerns on this invention, it becomes possible to suppress peeling in an electrode and to improve reliability.
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment is an example for describing the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following contents. In the description, the same reference numerals will be used for the same elements or elements having the same functions, and redundant description will be omitted.
図1〜図4に示されるように、圧電素子1は、いわゆる積層型圧電素子であり、積層体2と、外部電極3,4とを備える。圧電素子1の長さ(図1〜図4のX軸方向における大きさ)は、例えば27.85mm以上27.91mm以下程度である。圧電素子1の幅(図1〜図4のY軸方向における大きさ)は、例えば2.56mm以上2.66mm以下程度である。圧電素子1の厚さ(図1〜図4のZ軸方向における大きさ)は、例えば0.27mm以上0.54mm以下程度である。 As shown in FIGS. 1 to 4, the piezoelectric element 1 is a so-called multilayer piezoelectric element, and includes a multilayer body 2 and external electrodes 3 and 4. The length (the size in the X-axis direction of FIGS. 1 to 4) of the piezoelectric element 1 is, for example, approximately not less than 27.85 mm and not more than 27.91 mm. The width (the size in the Y-axis direction in FIGS. 1 to 4) of the piezoelectric element 1 is, for example, about 2.56 mm or more and 2.66 mm or less. The thickness (the size in the Z-axis direction in FIGS. 1 to 4) of the piezoelectric element 1 is, for example, about 0.27 mm or more and 0.54 mm or less.
積層体2は、一対の端面2a,2bと、一対の主面2c,2dと、一対の側面2e,2fと、を有する。端面2a,2bは、積層体2の長手方向において対向している。端面2a,2bの対向方向は、積層体2の長手方向であり、図1〜図4のX軸方向である。端面2a,2bは、互いに略平行に延び、かつ、X軸方向に略直交している。 The laminate 2 has a pair of end surfaces 2a and 2b, a pair of main surfaces 2c and 2d, and a pair of side surfaces 2e and 2f. The end surfaces 2a and 2b face each other in the longitudinal direction of the multilayer body 2. The facing direction of the end faces 2a and 2b is the longitudinal direction of the laminate 2 and is the X-axis direction in FIGS. The end faces 2a and 2b extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the X-axis direction.
主面2c,2dは、積層体2の厚さ方向において対向している。主面2c,2dの対向方向は、積層体2の厚さ方向であり、図1〜図4のZ軸方向である。主面2c,2dは、互いに略平行に延び、かつ、Z軸方向に略直交している。主面2c,2dは、端面2a,2bを連結している。側面2e,2fは、積層体2の幅方向において対向している。側面2e,2fの対向方向は、積層体2の幅方向であり、図1〜図4のY軸方向である。側面2e,2fは、互いに略平行に延び、かつ、Y軸方向に略直交している。側面2e,2fは、端面2a,2b及び主面2c,2dを連結している。 The main surfaces 2c and 2d face each other in the thickness direction of the multilayer body 2. The direction in which the main surfaces 2c and 2d face each other is the thickness direction of the laminate 2 and is the Z-axis direction in FIGS. The main surfaces 2c and 2d extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the Z-axis direction. The main surfaces 2c and 2d connect the end surfaces 2a and 2b. The side surfaces 2 e and 2 f face each other in the width direction of the multilayer body 2. The facing direction of the side surfaces 2e and 2f is the width direction of the laminate 2 and is the Y-axis direction in FIGS. The side surfaces 2e and 2f extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the Y-axis direction. The side surfaces 2e and 2f connect the end surfaces 2a and 2b and the main surfaces 2c and 2d.
積層体2は、8つの積層体部分10と、2つの積層体部分11とを有する。2つの積層体部分11は、X軸方向に沿って互いに離間して配置されている。8つの積層体部分10は、2つの積層体部分11の間にX軸方向に沿って配列されている。積層体部分10,11の数は、上述の数に限られず、それぞれ少なくとも一つずつであってもよい。 The laminate 2 has eight laminate portions 10 and two laminate portions 11. The two laminated body portions 11 are arranged apart from each other along the X-axis direction. The eight laminate portions 10 are arranged between the two laminate portions 11 along the X-axis direction. The number of the laminate portions 10 and 11 is not limited to the number described above, and may be at least one each.
積層体部分10は、図1及び図2に示されるように、駆動部50と、基部51の一部とからなる。いずれの積層体部分10においても、駆動部50は、Z軸方向に沿うように基部51から同一方向に向けて延びている。駆動部50と基部51とは、一体成形されている。駆動部50は、圧電的に活性な活性部(活性領域)を含む。 As shown in FIGS. 1 and 2, the laminated body portion 10 includes a driving unit 50 and a part of the base 51. In any one of the stacked body portions 10, the driving unit 50 extends from the base 51 in the same direction along the Z-axis direction. The drive unit 50 and the base 51 are integrally formed. The drive unit 50 includes a piezoelectrically active active unit (active region).
駆動部50は、Y軸方向及びZ軸方向のそれぞれから見て、矩形状を呈している。駆動部50のうちY軸方向において対向する側面のうち一方は、側面2eの一部をなしている。駆動部50のうちY軸方向において対向する側面のうち他方は、側面2fの一部をなしている。駆動部50のうちZ軸方向において対向する側面のうち一方は、駆動部50の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面2cの一部をなしている。 The drive unit 50 has a rectangular shape when viewed from each of the Y-axis direction and the Z-axis direction. One of the side surfaces of the drive unit 50 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2e. The other of the side surfaces of the drive unit 50 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2f. One of the side surfaces of the drive unit 50 facing each other in the Z-axis direction connects one side surface and the other side surface of the drive unit 50 and forms a part of the main surface 2c.
Y軸方向における駆動部50の長さは、X軸方向における駆動部50の長さよりも長い。X軸方向において隣り合う駆動部50の間には、スリットSが形成されている。従って、本実施形態においては、9本のスリットSが存在する。スリットSは、Y軸方向に沿って延び側面2e,2f側に開口すると共に、Z軸方向に沿って延び主面2c側に開口している。 The length of the driving unit 50 in the Y-axis direction is longer than the length of the driving unit 50 in the X-axis direction. A slit S is formed between adjacent driving units 50 in the X-axis direction. Therefore, in the present embodiment, there are nine slits S. The slit S extends along the Y-axis direction and opens on the side surfaces 2e and 2f, and extends along the Z-axis direction and opens on the main surface 2c side.
図5の(a)及び図6に詳しく示されるように、駆動部50は、複数の圧電体層30と、矩形状を呈する複数の内部電極31,32とを含む。圧電体層30及び内部電極31,32は、Z軸方向において積層されている。圧電体層30及び内部電極31,32の積層方向(以下、積層方向という。)は、主面2c,2dの対向方向であり、積層体2の厚さ方向であり、図1〜図4のZ軸方向である。 As shown in detail in FIGS. 5A and 6, the driving unit 50 includes a plurality of piezoelectric layers 30 and a plurality of rectangular internal electrodes 31 and 32. The piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 31, 32 are stacked in the Z-axis direction. The laminating direction of the piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 31 and 32 (hereinafter referred to as the laminating direction) is the direction in which the main surfaces 2c and 2d are opposed to each other, is the thickness direction of the laminated body 2, and is illustrated in FIGS. This is the Z-axis direction.
圧電体層30は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zrx,Ti1−x)O3)を主成分とする圧電セラミックス材料からなる。実際の圧電素子1では、各圧電体層30は、視認できない程度に一体化されている。本実施形態では、各圧電体層30の厚さは、10μm以上50μm以下程度に設定されていてもよい。 Piezoelectric layer 30, for example, lead zirconate titanate: comprising (PZT Pb (Zr x, Ti 1-x) O 3) of a piezoelectric ceramic material mainly. In the actual piezoelectric element 1, the respective piezoelectric layers 30 are integrated so as not to be visually recognized. In the present embodiment, the thickness of each piezoelectric layer 30 may be set to about 10 μm or more and about 50 μm or less.
複数の内部電極31は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極31は、互いに略平行に延び、かつ、Z軸方向に略直交している。内部電極31の数は特に限定されないが、図5の(a)及び図6では10枚である。内部電極31の一端は、側面2eまで延びており、側面2eに露出している。内部電極31の他端は、側面2fの近傍にまで延びているが、側面2e,2fの対向方向において側面2fから離れている。そのため、内部電極31の他端は、側面2fには露出していない。 The plurality of internal electrodes 31 are arranged along the stacking direction so as to face each other in the stacking direction. The internal electrodes 31 extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the Z-axis direction. The number of the internal electrodes 31 is not particularly limited, but is ten in FIGS. 5A and 6. One end of the internal electrode 31 extends to the side surface 2e and is exposed on the side surface 2e. The other end of the internal electrode 31 extends to the vicinity of the side surface 2f, but is separated from the side surface 2f in a direction facing the side surfaces 2e and 2f. Therefore, the other end of the internal electrode 31 is not exposed on the side surface 2f.
複数の内部電極32は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極32は、互いに略平行に延び、かつ、Z軸方向に略直交している。内部電極32の数は、特に限定されないが、図5の(a)及び図6では10枚である。内部電極32の一端は、側面2fまで延びており、側面2fに露出している。内部電極32の他端は、側面2eの近傍にまで延びているが、側面2e,2fの対向方向において側面2eから離れている。そのため、内部電極32の他端は、側面2eには露出していない。 The plurality of internal electrodes 32 are arranged along the stacking direction so as to face each other in the stacking direction. The internal electrodes 32 extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the Z-axis direction. The number of the internal electrodes 32 is not particularly limited, but is ten in FIGS. 5A and 6. One end of the internal electrode 32 extends to the side surface 2f and is exposed on the side surface 2f. The other end of the internal electrode 32 extends to the vicinity of the side surface 2e, but is separated from the side surface 2e in the direction in which the side surfaces 2e and 2f face each other. Therefore, the other end of the internal electrode 32 is not exposed on the side surface 2e.
内部電極31,32は、Ag(銀)及びPd(パラジウム)を主成分とする導電材料からなっていてもよい。内部電極31,32の厚さは、例えば、0.5μm以上3μm以下程度に設定されていてもよい。導電材料として、Cu(銅)を用いてもよい。積層方向において隣り合う内部電極31と内部電極32との間隔は、例えば10μm以上50μm以下程度、すなわち隣り合う内部電極31と内部電極32との間に位置する圧電体層30の厚さと同程度に設定されていてもよく、20μm程度に設定されていてもよい。 The internal electrodes 31 and 32 may be made of a conductive material containing Ag (silver) and Pd (palladium) as main components. The thickness of the internal electrodes 31 and 32 may be set to, for example, about 0.5 μm or more and 3 μm or less. Cu (copper) may be used as the conductive material. The interval between the internal electrodes 31 and 32 adjacent in the stacking direction is, for example, about 10 μm or more and 50 μm or less, that is, the same as the thickness of the piezoelectric layer 30 located between the adjacent internal electrodes 31 and 32. It may be set, or may be set to about 20 μm.
内部電極31と内部電極32とは、積層方向において交互に並んでいる。図6に示されるように、内部電極31,32は、積層方向において重なり合う部分Pと、積層方向において重なり合わない部分Qとを有する。部分Pは、駆動部50のうち活性部に対応する部分である。部分Qは、駆動部50のうち不活性部に対応する部分である。 The internal electrodes 31 and the internal electrodes 32 are alternately arranged in the stacking direction. As shown in FIG. 6, the internal electrodes 31 and 32 have a portion P overlapping in the stacking direction and a portion Q not overlapping in the stacking direction. The part P is a part of the driving unit 50 corresponding to the active part. The part Q is a part corresponding to the inactive part of the driving unit 50.
積層体部分11は、図1及び図2に示されるように、非駆動部52と、基部51の一部とからなる。いずれの積層体部分11においても、非駆動部52は、Z軸方向に沿うように基部51から同一方向に向けて延びている。非駆動部52が基部51から延びる方向は、駆動部50が基部51から延びる方向と同じである。非駆動部52と基部51とは、一体成形されている。非駆動部52は、圧電的に不活性な不活性部(不活性領域)を含む。 As shown in FIGS. 1 and 2, the laminated body portion 11 includes a non-driving portion 52 and a part of the base portion 51. In each of the laminated body portions 11, the non-driving portion 52 extends in the same direction from the base portion 51 along the Z-axis direction. The direction in which the non-driving section 52 extends from the base 51 is the same as the direction in which the driving section 50 extends from the base 51. The non-driving section 52 and the base section 51 are integrally formed. The non-drive unit 52 includes an inactive portion (inactive region) that is piezoelectrically inactive.
非駆動部52のうちY軸方向において対向する側面のうち一方は、側面2eの一部をなしている。非駆動部52のうちY軸方向において対向する側面のうち他方は、側面2fの一部をなしている。非駆動部52のうちZ軸方向において対向する側面のうち一方は、非駆動部52の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面2cの一部をなしている。非駆動部52のうち側面2e側には、Z軸方向に延びる溝35が形成されている。 One of the side surfaces of the non-driving unit 52 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2e. The other of the side surfaces of the non-driving portion 52 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2f. One of the side surfaces of the non-driving unit 52 that faces each other in the Z-axis direction connects one side surface and the other side surface of the non-driving unit 52 and forms a part of the main surface 2c. On the side surface 2e side of the non-driving portion 52, a groove 35 extending in the Z-axis direction is formed.
図5の(b)に詳しく示されるように、非駆動部52は、複数の圧電体層30と、矩形状を呈する複数の内部電極33とを含む。圧電体層30及び内部電極33は、Z軸方向において積層されている。圧電体層30及び内部電極33の積層方向は、圧電体層30及び内部電極31,32の積層方向と略同一である。 As shown in detail in FIG. 5B, the non-driving section 52 includes a plurality of piezoelectric layers 30 and a plurality of rectangular internal electrodes 33. The piezoelectric layer 30 and the internal electrode 33 are stacked in the Z-axis direction. The laminating direction of the piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 33 is substantially the same as the laminating direction of the piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 31 and 32.
複数の内部電極33は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極33同士は、圧電体層30を介して隣り合い、かつ、対向している。内部電極33は、互いに略平行に延び、かつ、Z軸方向に略直交している。内部電極33の数は、特に限定されないが、図5の(b)では20枚である。内部電極33の一端は、側面2fまで延びており、側面2fに露出している。内部電極33の他端は、側面2eまで延びており、側面2eに露出している。 The plurality of internal electrodes 33 are arranged along the stacking direction so as to face each other in the stacking direction. The internal electrodes 33 are adjacent to each other via the piezoelectric layer 30 and face each other. The internal electrodes 33 extend substantially parallel to each other and are substantially orthogonal to the Z-axis direction. The number of the internal electrodes 33 is not particularly limited, but is 20 in FIG. 5B. One end of the internal electrode 33 extends to the side surface 2f and is exposed on the side surface 2f. The other end of the internal electrode 33 extends to the side surface 2e and is exposed on the side surface 2e.
内部電極33は、Ag及びPdを主成分とする導電材料からなっていてもよい。内部電極33の厚さは、例えば、0.5μm以上3μm以下程度に設定されていてもよい。導電材料として、Cuを用いてもよい。積層方向において隣り合う内部電極33の直線距離は、例えば10μm以上50μm以下程度、すなわち隣り合う内部電極33間に位置する圧電体層30の厚さと同程度に設定されていてもよく、20μm程度に設定されていてもよい。 The internal electrode 33 may be made of a conductive material containing Ag and Pd as main components. The thickness of the internal electrode 33 may be set to, for example, about 0.5 μm or more and 3 μm or less. Cu may be used as the conductive material. The linear distance between the adjacent internal electrodes 33 in the stacking direction may be set to, for example, about 10 μm or more and about 50 μm or less, that is, may be set to be about the same as the thickness of the piezoelectric layer 30 located between the adjacent internal electrodes 33, or about 20 μm. It may be set.
基部51は、直方体形状を呈している。基部51のうちX軸方向において対向する側面のうち一方は、端面2aの一部をなしている。基部51のうちX軸方向において対向する側面のうち他方は、端面2bの一部をなしている。基部51のうちY軸方向において対向する側面のうち一方は、側面2eの一部をなしている。基部51のうちY軸方向において対向する側面のうち他方は、側面2fの一部をなしている。基部51のうちZ軸方向において対向する側面のうち一方は、基部51の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面2dの一部をなしている。 The base 51 has a rectangular parallelepiped shape. One of the side surfaces of the base portion 51 facing each other in the X-axis direction forms a part of the end surface 2a. The other of the side surfaces of the base portion 51 facing each other in the X-axis direction forms a part of the end surface 2b. One of the side surfaces of the base portion 51 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2e. The other of the side surfaces of the base portion 51 facing each other in the Y-axis direction forms a part of the side surface 2f. One of the side surfaces of the base portion 51 facing each other in the Z-axis direction connects one side surface and the other side surface of the base portion 51 and forms a part of the main surface 2d.
図2、図3、図5及び図6に示されるように、基部51は、複数の圧電体層30と、内部電極34とを含む。圧電体層30及び内部電極34は、Z軸方向において積層されている。圧電体層30及び内部電極34の積層方向は、圧電体層30及び内部電極31,32の積層方向と略同一である。 As shown in FIGS. 2, 3, 5, and 6, the base 51 includes the plurality of piezoelectric layers 30 and the internal electrodes 34. The piezoelectric layer 30 and the internal electrode 34 are stacked in the Z-axis direction. The laminating direction of the piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 34 is substantially the same as the laminating direction of the piezoelectric layer 30 and the internal electrodes 31 and 32.
本実施形態では、内部電極34の数は1つである。図7に詳しく示されるように、内部電極34は、基部51内において、積層方向と直交する面に沿って基部51の一方の側面から他方の側面にわたるように延びている。本実施形態では、内部電極34は、積層方向と直交する面に沿って基部51のほぼ全域にわたって延びている。内部電極34は、積層方向から見て、駆動部50及び非駆動部52と重なり合っている。内部電極34のうち端面2a,2b寄りの両端は、端面2a,2bのそれぞれに露出していない。内部電極34のうち側面2e寄りの端は、側面2eに露出している。内部電極34のうち側面2f寄りの端は、側面2fに露出している。 In the present embodiment, the number of the internal electrodes 34 is one. As shown in detail in FIG. 7, the internal electrode 34 extends from one side surface to the other side surface of the base 51 along a plane perpendicular to the stacking direction in the base 51. In the present embodiment, the internal electrodes 34 extend over substantially the entire area of the base 51 along a plane orthogonal to the laminating direction. The internal electrode 34 overlaps the driving unit 50 and the non-driving unit 52 when viewed from the lamination direction. Both ends of the internal electrode 34 near the end faces 2a and 2b are not exposed to the end faces 2a and 2b, respectively. The end of the internal electrode 34 near the side surface 2e is exposed on the side surface 2e. The end of the internal electrode 34 near the side surface 2f is exposed to the side surface 2f.
図1に示されるように、外部電極3は、側面2eの全面にわたって設けられている。外部電極3は、側面2eを構成する圧電体層30上に設けられているとも言える。外部電極3は、各積層体部分10(具体的には駆動部50)における側面2eに設けられた電極部分3aと、各積層体部分11における側面2eに設けられた電極部分3bと、を有している。電極部分3aは、図5の(a)にも示されるように、内部電極31のうち側面2eに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。電極部分3bは、図5の(b)にも示されるように、内部電極33,34のうち側面2eに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。 As shown in FIG. 1, the external electrode 3 is provided over the entire side surface 2e. It can be said that the external electrode 3 is provided on the piezoelectric layer 30 constituting the side surface 2e. The external electrode 3 has an electrode portion 3a provided on the side surface 2e of each laminated body portion 10 (specifically, the driving section 50) and an electrode portion 3b provided on the side surface 2e of each laminated body portion 11. are doing. As shown in FIG. 5A, the electrode portion 3a is physically and electrically connected to the end of the internal electrode 31 exposed on the side surface 2e. As shown in FIG. 5B, the electrode portion 3b is physically and electrically connected to the end of the internal electrodes 33 and 34 exposed on the side surface 2e.
各電極部分3a及び各電極部分3bは、互いに物理的、かつ、電気的に独立している。X軸方向において隣り合う電極部分3aの間には、スリットSが形成されている。つまり、外部電極3は、スリットSにより、複数の電極部分3aに分けられていると言える。更に、スリットSは、外部電極3から積層体2まで達しており、積層体2は、スリットSにより、各電極部分3aに対応する複数の積層体部分10に分けられていると言える。積層体2は圧電体層30を含むため、圧電体層30が、スリットSにより、各電極部分3aに対応する複数の圧電体部分に分けられているとも言える。 Each electrode portion 3a and each electrode portion 3b are physically and electrically independent of each other. A slit S is formed between adjacent electrode portions 3a in the X-axis direction. That is, it can be said that the external electrode 3 is divided into the plurality of electrode portions 3a by the slit S. Further, the slit S extends from the external electrode 3 to the laminate 2, and the laminate 2 can be said to be divided into a plurality of laminate portions 10 corresponding to the respective electrode portions 3 a by the slit S. Since the laminate 2 includes the piezoelectric layer 30, it can be said that the piezoelectric layer 30 is divided by the slits S into a plurality of piezoelectric portions corresponding to the respective electrode portions 3a.
図8に詳しく示されるように、外部電極3は、スパッタリング法により形成されたスパッタ電極であり、電極領域RA〜REを有している。図8では、電極部分3aが図示されているが、電極部分3bも同様の構成である。電極領域RA〜REは、側面2e上に電極領域RA〜REの順で設けられている。電極領域RAは、積層体2上に直接設けられている。電極領域RBは、電極領域RA上に直接設けられている。電極領域RCは、電極領域RB上に直接設けられ、電極領域RBを介して電極領域RA上に位置している。電極領域RDは、電極領域RC上に直接設けられている。電極領域REは、電極領域RD上に直接設けられ、電極領域RDを介して電極領域RC上に位置している。外部電極3は、互いに異なる金属材料M1〜M3を含んでいる。金属材料M1は、例えばCrである。金属材料M2は、例えばCuである。金属材料M3は、例えばSnAg、Au、Ag、又はPdAgである。 As shown in detail in FIG. 8, the external electrodes 3 are sputtered electrode formed by sputtering, has an electrode area R A to R E. Although FIG. 8 shows the electrode portion 3a, the electrode portion 3b has the same configuration. Electrode region R A to R E is provided on the side surface 2e in the order of the electrode region R A to R E. The electrode region RA is provided directly on the laminate 2. Electrode region R B is provided directly on the electrode region R A. Electrode area R C is provided directly on the electrode region R B, it is positioned on the electrode region R A through the electrode region R B. The electrode region RD is provided directly on the electrode region RC . Electrode area R E is provided directly on the electrode area R D, are positioned on the electrode area R C via the electrode region R D. The external electrode 3 includes different metal materials M1 to M3. The metal material M1 is, for example, Cr. The metal material M2 is, for example, Cu. The metal material M3 is, for example, SnAg, Au, Ag, or PdAg.
電極領域RAは、金属材料M1からなる領域である。具体的には、電極領域RAは、金属材料M1を50%以上含む領域であればよい。電極領域RBは、電極領域RAと電極領域RCとの間に設けられ、金属材料M1及び金属材料M2が混在している領域である。電極領域RCは、金属材料M2からなる領域である。具体的には、電極領域RCは、金属材料M2を50%以上含む領域であればよい。電極領域RDは、電極領域RCと電極領域REとの間に設けられ、金属材料M2及び金属材料M3が混在している領域である。電極領域REは、金属材料M3からなる領域である。具体的には、電極領域REは、金属材料M3を50%以上含む領域であればよい。 The electrode region RA is a region made of the metal material M1. Specifically, the electrode region RA may be a region containing 50% or more of the metal material M1. Electrode region R B is provided between the electrode region R A and the electrode area R C, which is a region where the metal material M1 and the metal material M2 are mixed. The electrode region RC is a region made of the metal material M2. Specifically, the electrode region RC may be a region containing 50% or more of the metal material M2. Electrode area R D is provided between the electrode region R C and electrode area R E, which is a region where the metal material M2 and the metal material M3 are mixed. The electrode region RE is a region made of the metal material M3. Specifically, the electrode area R E may be any region that contains a metal material M3 50% or more.
電極領域RBでは、金属材料M1に対して金属材料M2が混在する割合が、電極領域RAから電極領域RCに向かうにしたがって徐々に(連続的に)増加している。言い換えると、電極領域RBでは、金属材料M2に対して金属材料M1が混在する割合が、電極領域RAから電極領域RCに向かうにしたがって徐々に減少している。つまり、電極領域RBでは、膜厚方向(Y軸方向)に沿って金属材料M1に対して金属材料M2が混在する割合が徐々に変化する。 In the electrode area R B, the proportion of the metal material M2 are mixed to the metal material M1 is, gradually increases (continuously) toward the electrode region R A to the electrode area R C. In other words, in the electrode region R B, the proportion of metal material M1 are mixed to the metal material M2, which gradually decreases toward the electrode region R A to the electrode area R C. That is, in the electrode region R B, metal material M2 is the rate is gradually changed to mixed to the metal material M1 along the thickness direction (Y-axis direction).
電極領域RDでは、金属材料M2に対して金属材料M3が混在する割合が、電極領域RCから電極領域REに向かうにしたがって徐々に増加している。言い換えると、電極領域RDでは、金属材料M3に対して金属材料M2が混在する割合が、電極領域RCから電極領域REに向かうにしたがって徐々に減少している。つまり、電極領域RDでは、膜厚方向(Y軸方向)に沿って金属材料M2に対して金属材料M3が混在する割合が徐々に変化する。 In the electrode area R D, ratio of the metal material M3 are mixed to the metal material M2 has gradually increased toward the electrode region R C to the electrode region R E. In other words, in the electrode region R D, the proportion of metal material M2 are mixed to the metal material M3, is gradually decreased toward the electrode region R C to the electrode region R E. That is, in the electrode region RD , the proportion of the metal material M3 mixed with the metal material M2 gradually changes along the film thickness direction (Y-axis direction).
図1及び図4に示されるように、外部電極4は、側面2fの全面にわたって設けられている。外部電極4は、側面2fを構成する圧電体層30上に設けられているとも言える。外部電極4は、各積層体部分10における側面2fに設けられた電極部分4aと、各積層体部分11における側面2fに設けられた電極部分4bと、を有している。電極部分4aは、図5の(a)にも示されるように、内部電極32のうち側面2fに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。電極部分4bは、図5の(b)にも示されるように、内部電極33,34のうち側面2fに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 4, the external electrode 4 is provided over the entire side surface 2f. It can be said that the external electrode 4 is provided on the piezoelectric layer 30 constituting the side surface 2f. The external electrode 4 has an electrode portion 4a provided on the side surface 2f of each laminated body portion 10 and an electrode portion 4b provided on the side surface 2f of each laminated body portion 11. As shown in FIG. 5A, the electrode portion 4a is physically and electrically connected to the end of the internal electrode 32 exposed on the side surface 2f. As shown in FIG. 5B, the electrode portion 4b is physically and electrically connected to the ends of the internal electrodes 33 and 34 exposed on the side surface 2f.
上述のように外部電極3の各電極部分3a,3bは、互いに物理的、かつ、電気的に独立しているのに対し、外部電極4の各電極部分4a,4bは、主面2d側の端部で互いに一体的に接続されている。X軸方向において隣り合う各電極部分4aの間には、主面2c側にスリットSが形成されている。つまり、外部電極4は、スリットSにより、複数の電極部分4aに分けられていると言える。更に、スリットSは、外部電極4から積層体2まで達しており、積層体2は、各電極部分4aに対応する複数の積層体部分10に分けられていると言える。積層体2は圧電体層30を含むため、圧電体層30が、スリットSにより、各電極部分4aに対応する複数の圧電体部分に分けられているとも言える。外部電極4は、外部電極3と同様に、スパッタリング法により形成されたスパッタ電極であり、電極領域RA〜REを有している。 As described above, the electrode portions 3a and 3b of the external electrode 3 are physically and electrically independent of each other, whereas the electrode portions 4a and 4b of the external electrode 4 are on the main surface 2d side. The ends are integrally connected to each other. A slit S is formed between the adjacent electrode portions 4a in the X-axis direction on the main surface 2c side. That is, it can be said that the external electrode 4 is divided into the plurality of electrode portions 4a by the slit S. Further, the slit S extends from the external electrode 4 to the laminate 2, and it can be said that the laminate 2 is divided into a plurality of laminate portions 10 corresponding to the respective electrode portions 4a. Since the laminate 2 includes the piezoelectric layer 30, it can be said that the piezoelectric layer 30 is divided into a plurality of piezoelectric portions corresponding to the respective electrode portions 4a by the slits S. External electrodes 4, like the external electrode 3, a sputter electrode formed by sputtering, has an electrode area R A to R E.
X軸方向において、積層体2のうち2つの溝35の間に位置する部分であって、側面2eと主面2dとがなす角部分には、積層体2が切り欠かれた切欠部36が形成されている。切欠部36は、側面2e及び主面2dに対して傾斜する傾斜面である。 In the X-axis direction, a notch 36 in which the laminate 2 is cut out is a portion of the laminate 2 located between the two grooves 35 and at a corner formed by the side surface 2e and the main surface 2d. Is formed. The notch 36 is an inclined surface inclined with respect to the side surface 2e and the main surface 2d.
以上のように構成される圧電素子1においては、内部電極31と電極部分3aとが電気的に接続されており、これらが同極である。内部電極32〜34と、電極部分3bと、外部電極4(すなわち、電極部分4a,4b)と、とが電気的に接続されており、これらが同極である。内部電極31及び電極部分3aと、内部電極32〜34、電極部分3b、及び外部電極4とは、電気的に接続されていない。 In the piezoelectric element 1 configured as described above, the internal electrode 31 and the electrode portion 3a are electrically connected and have the same polarity. The internal electrodes 32 to 34, the electrode portion 3b, and the external electrode 4 (that is, the electrode portions 4a and 4b) are electrically connected and have the same polarity. The internal electrode 31 and the electrode portion 3a are not electrically connected to the internal electrodes 32-34, the electrode portion 3b, and the external electrode 4.
電極部分3aと、電極部分3b及び外部電極4との間に電圧が印加されると、内部電極31と内部電極32との間にも電圧が印加される。そのため、駆動部50のうち活性部に位置する圧電体層30に電界が生じ、駆動部50が変位する。一方、非駆動部52においては、圧電体層30が内部電極33の間に位置しているので、圧電体層30に電界が生じない。そのため、非駆動部52は変位しない。 When a voltage is applied between the electrode portion 3a, the electrode portion 3b, and the external electrode 4, a voltage is also applied between the internal electrode 31 and the internal electrode 32. Therefore, an electric field is generated in the piezoelectric layer 30 located on the active part of the driving unit 50, and the driving unit 50 is displaced. On the other hand, in the non-driving section 52, since the piezoelectric layer 30 is located between the internal electrodes 33, no electric field is generated in the piezoelectric layer 30. Therefore, the non-drive unit 52 is not displaced.
続いて、圧電素子1の製造方法の一例について説明する。まず、PZTを主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダ及び有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、その基体ペーストを用いて圧電体層30となるグリーンシートをドクターブレード法により成形する。また、所定比率のAgとPdとからなる金属材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。 Subsequently, an example of a method for manufacturing the piezoelectric element 1 will be described. First, a base paste is prepared by mixing an organic binder, an organic solvent, and the like with a piezoelectric ceramic material containing PZT as a main component, and a green sheet to be the piezoelectric layer 30 is formed by a doctor blade method using the base paste. Further, a conductive material for forming an electrode pattern is prepared by mixing an organic binder, an organic solvent, and the like with a metal material composed of Ag and Pd at a predetermined ratio.
次に、導電ペーストを用いて、内部電極31〜34に対応する電極パターンのそれぞれをグリーンシート上にスクリーン印刷法により形成する。そして、内部電極31及び内部電極33に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、内部電極32及び内部電極33に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、内部電極34に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、及び電極パターンが形成されていないグリーンシートをこの順に積層して、積層体グリーンを作製する。 Next, using a conductive paste, each of the electrode patterns corresponding to the internal electrodes 31 to 34 is formed on a green sheet by a screen printing method. Then, a green sheet on which electrode patterns corresponding to the internal electrodes 31 and 33 are formed, a green sheet on which electrode patterns corresponding to the internal electrodes 32 and 33 are formed, and an electrode pattern corresponding to the internal electrodes 34 are formed. The laminated green sheet and the green sheet on which the electrode pattern is not formed are laminated in this order to produce a laminate green.
続いて、積層体グリーンを所定の温度(例えば、60℃程度)で加熱しながら、積層方向に所定の圧力でプレスした後、積層体グリーンを所定の大きさに切断する。そして、積層体グリーンを所定の温度(例えば、400℃程度)で脱脂した後、所定の温度(例えば、1100℃程度)で所定時間焼成して、積層体2を得る。 Subsequently, the laminate green is pressed at a predetermined pressure in the laminating direction while heating the laminate green at a predetermined temperature (for example, about 60 ° C.), and then the laminate green is cut into a predetermined size. Then, after the laminate green is degreased at a predetermined temperature (for example, about 400 ° C.), it is baked at a predetermined temperature (for example, about 1100 ° C.) for a predetermined time to obtain a laminate 2.
続いて、積層体2の側面2e,2fに対応する面に、スパッタリング法により外部電極3,4を形成する。外部電極3,4は、例えば、図9に示されるようなスパッタリング装置100により形成される。図9の紙面垂直方向がスパッタリング装置100の上下方向である。スパッタリング装置100は、いわゆるインライン方式の装置である。スパッタリング装置100は、成膜対象となる積層体2の搬送方向Aの上流側から順に、加熱室101と、ロード室102と、スパッタ室103と、アンロード室104と、取出室105とを備えている。加熱室101とロード室102との間、ロード室102とスパッタ室103との間、スパッタ室103とアンロード室104との間、及びアンロード室104と取出室105との間には、それぞれバルブ106〜109が設けられている。ロード室102、スパッタ室103、及びアンロード室104は、それぞれ真空ポンプ110〜112を備えており、内部を真空状態に保つことができるように構成されている。 Subsequently, the external electrodes 3 and 4 are formed on the surfaces corresponding to the side surfaces 2e and 2f of the multilayer body 2 by a sputtering method. The external electrodes 3 and 4 are formed by, for example, a sputtering apparatus 100 as shown in FIG. 9 is the vertical direction of the sputtering apparatus 100. The sputtering device 100 is a so-called in-line type device. The sputtering apparatus 100 includes a heating chamber 101, a load chamber 102, a sputter chamber 103, an unload chamber 104, and an unload chamber 105 in order from the upstream side in the transport direction A of the stacked body 2 to be formed. ing. Between the heating chamber 101 and the load chamber 102, between the load chamber 102 and the sputter chamber 103, between the sputter chamber 103 and the unload chamber 104, and between the unload chamber 104 and the extraction chamber 105, respectively. Valves 106 to 109 are provided. The load chamber 102, the sputter chamber 103, and the unload chamber 104 include vacuum pumps 110 to 112, respectively, and are configured so that the inside can be maintained in a vacuum state.
スパッタリング装置100は、搬送装置113を更に備えており、各室を経由しながら積層体2を搬送することができるように構成されている。搬送装置113は、例えば、積層体2を直立させた状態で搬送するように構成されている。なお、搬送装置113は、積層体2を寝かせた状態で搬送してもよい。スパッタ室103の側面には、搬送方向Aの上流側から順に、ターゲットT1〜T3がターゲット保持部121〜123にそれぞれ保持された状態で並んで設けられている。ターゲットT1〜T3は、それぞれ金属材料M1〜M3により構成されている。スパッタ室103の側面におけるターゲットT1とターゲットT2との間、及びターゲットT2とターゲットT3との間には、それぞれ仕切板(防着板)124,125が設けられている。仕切板124,125は、スパッタ室103の側面からスパッタ室103の内方に向かって移動することで、スパッタ室103を搬送方向Aに沿って仕切るため部材である。 The sputtering apparatus 100 further includes a transfer device 113, and is configured to transfer the stacked body 2 while passing through each chamber. The transport device 113 is configured to transport the stacked body 2 in an upright state, for example. Note that the transport device 113 may transport the stacked body 2 in a laid state. On the side surface of the sputtering chamber 103, targets T1 to T3 are provided side by side in a state held by the target holding units 121 to 123 in order from the upstream side in the transport direction A. The targets T1 to T3 are made of metal materials M1 to M3, respectively. Between the target T1 and the target T2 and between the target T2 and the target T3 on the side surface of the sputtering chamber 103, partition plates (proof plates) 124 and 125 are provided, respectively. The partition plates 124 and 125 are members that move the sputter chamber 103 along the transport direction A by moving from the side surface of the sputter chamber 103 toward the inside of the sputter chamber 103.
このようなスパッタリング装置100によって外部電極3,4を形成する方法について説明する。まず積層体2が加熱室101に投入された後、積層体2がヒータにより所定温度まで加熱される。このときバルブ106〜109はそれぞれ閉じられた状態である。また、仕切板124,125はいずれもスパッタ室103の内方に移動し、スパッタ室103は搬送方向Aに沿って仕切られた状態である。続いて、バルブ106が開けられ、積層体2が搬送装置113によりロード室102に搬送される。バルブ106が再び閉じられ、ロード室102が真空状態とされる。続いて、バルブ107が開けられ、積層体2が搬送装置113によりスパッタ室103に搬送される。スパッタ室103では、ターゲットT1〜T3に電圧が印加され、ターゲットT1〜T3を用いたスパッタリングが行われる。ターゲットT1〜T3は、ターゲット保持部121〜123にそれぞれ設けられた冷却装置(不図示)により冷却されている。スパッタ室103には、スパッタガス導入部(不図示)によりAr等のスパッタガスが導入されている。積層体2は、搬送装置113によりスパッタ室103内を一定速度で搬送される。 A method for forming the external electrodes 3 and 4 by using such a sputtering apparatus 100 will be described. First, after the stack 2 is put into the heating chamber 101, the stack 2 is heated to a predetermined temperature by a heater. At this time, the valves 106 to 109 are each in a closed state. In addition, the partition plates 124 and 125 are both moved inside the sputtering chamber 103, and the sputtering chamber 103 is in a state of being partitioned along the transport direction A. Subsequently, the valve 106 is opened, and the stack 2 is transferred to the load chamber 102 by the transfer device 113. The valve 106 is closed again, and the load chamber 102 is evacuated. Subsequently, the valve 107 is opened, and the stacked body 2 is transferred to the sputtering chamber 103 by the transfer device 113. In the sputtering chamber 103, a voltage is applied to the targets T1 to T3, and sputtering using the targets T1 to T3 is performed. The targets T1 to T3 are cooled by cooling devices (not shown) provided in the target holding units 121 to 123, respectively. A sputtering gas such as Ar is introduced into the sputtering chamber 103 by a sputtering gas introduction unit (not shown). The laminate 2 is transported at a constant speed in the sputtering chamber 103 by the transport device 113.
積層体2がターゲットT1と対向する位置を通過する際、積層体2の表面には金属材料M1からなる薄膜(電極領域RA)が形成される。続いて、仕切板124がスパッタ室103の側面に移動し、積層体2がターゲットT2と対向する位置まで移動する。これにより、積層体2の表面には、金属材料M1及び金属材料M2が混在している薄膜(電極領域RB)が形成される。積層体2がターゲットT1から離れて、ターゲットT2に近づくにしたがって、積層体2に堆積される薄膜中の金属材料M1の割合が徐々に減少し、反対に金属材料M2の割合が徐々に増加する。よって、電極領域RBは、電極領域RAから離れるにしたがって、金属材料M1に対して金属材料M2が混在する割合が徐々に増えるような構成となる。 When the multilayer body 2 passes through a position facing the target T1, a thin film (electrode region RA ) made of the metal material M1 is formed on the surface of the multilayer body 2. Subsequently, the partition plate 124 moves to the side surface of the sputtering chamber 103, and moves to a position where the stacked body 2 faces the target T2. Accordingly, a thin film (electrode region R B ) in which the metal material M1 and the metal material M2 are mixed is formed on the surface of the multilayer body 2. As the laminate 2 moves away from the target T1 and approaches the target T2, the proportion of the metal material M1 in the thin film deposited on the laminate 2 gradually decreases, and conversely, the proportion of the metal material M2 gradually increases. . Thus, the electrode region R B is, with distance from the electrode region R A, the metal material M2 is gradually increased as composition ratio is to mix the metal material M1.
続いて、仕切板124がスパッタ室103の内方に移動する。これにより、積層体2の表面には金属材料M2からなる薄膜(電極領域RC)が形成される。続いて、仕切板125がスパッタ室103の側面に移動し、積層体2がターゲットT3と対向する位置まで移動する。これにより、積層体2の表面には、金属材料M2及び金属材料M3が混在している薄膜(電極領域RD)が形成される。積層体2がターゲットT2から離れて、ターゲットT3に近づくにしたがって、積層体2に堆積される薄膜中の金属材料M2の割合が徐々に減少し、反対に金属材料M3の割合が徐々に増加する。よって、電極領域RDは、電極領域RCから離れるにしたがって、金属材料M2に対して金属材料M3が混在する割合が徐々に増えるような構成となる。 Subsequently, the partition plate 124 moves inside the sputtering chamber 103. Thus, a thin film (electrode region R C ) made of the metal material M2 is formed on the surface of the multilayer body 2. Subsequently, the partition plate 125 moves to the side surface of the sputtering chamber 103, and moves to a position where the stacked body 2 faces the target T3. Thus, a thin film (electrode region R D ) in which the metal material M2 and the metal material M3 are mixed is formed on the surface of the multilayer body 2. As the laminate 2 moves away from the target T2 and approaches the target T3, the proportion of the metal material M2 in the thin film deposited on the laminate 2 gradually decreases, and conversely, the proportion of the metal material M3 gradually increases. . Therefore, in the electrode region RD , the ratio of the metal material M3 mixed with the metal material M2 gradually increases as the distance from the electrode region RC increases.
続いて、仕切板125がスパッタ室103の内方に移動する。これにより、積層体2の表面には金属材料M3からなる薄膜(電極領域RE)が形成される。続いて、バルブ108が開けられ、積層体2が搬送装置113によりアンロード室104に搬送される。アンロード室104は、予め真空状態とされている。積層体2がスパッタ室103から搬出されると、アンロード室104は、ベントガスの導入により大気圧状態とされる。続いて、バルブ109が開けられ、積層体2は、搬送装置113により取出室105に搬送された後、スパッタリング装置100から外部に取り出される。 Subsequently, the partition plate 125 moves inside the sputtering chamber 103. Thus, a thin film (electrode region R E ) made of the metal material M3 is formed on the surface of the multilayer body 2. Subsequently, the valve 108 is opened, and the stack 2 is transferred to the unload chamber 104 by the transfer device 113. The unloading chamber 104 is previously in a vacuum state. When the laminate 2 is carried out of the sputtering chamber 103, the unloading chamber 104 is brought into an atmospheric pressure state by introducing a vent gas. Subsequently, the valve 109 is opened, and the stacked body 2 is transferred to the extraction chamber 105 by the transfer device 113, and then is taken out of the sputtering device 100.
以上のようにして、スパッタリング装置100によって外部電極3,4が形成された積層体2を得ることができる。スパッタリング装置100は、片面ずつ成膜を行う構成であるが、ターゲットT1〜T3をスパッタ室103の両側面に配置することにより、両面同時に成膜を行うこともできる。 As described above, the stacked body 2 on which the external electrodes 3 and 4 are formed by the sputtering apparatus 100 can be obtained. Although the sputtering apparatus 100 is configured to perform film formation on one side at a time, it is also possible to perform film formation on both sides simultaneously by disposing the targets T1 to T3 on both sides of the sputtering chamber 103.
次に、外部電極3,4が形成された積層体2において、側面2eに対応する面にZ軸方向に沿って溝35を形成する。そして、側面2eと主面2dとの角部分に、切欠部36を形成する。続いて、主面2cに対応する面に、Y軸方向及びZ軸方向に延びるスリットSを形成する。スリットSは、例えば直径2μmのワイヤーを備えるワイヤーソーによって形成される。以上により、圧電素子1が得られる。 Next, in the laminated body 2 on which the external electrodes 3 and 4 are formed, a groove 35 is formed on the surface corresponding to the side surface 2e along the Z-axis direction. Then, a notch 36 is formed at a corner between the side surface 2e and the main surface 2d. Subsequently, a slit S extending in the Y-axis direction and the Z-axis direction is formed on a surface corresponding to the main surface 2c. The slit S is formed by, for example, a wire saw having a wire having a diameter of 2 μm. Thus, the piezoelectric element 1 is obtained.
上述のような圧電素子1では、外部電極3,4が、積層体2側から順に並ぶ電極領域RA〜REを有するスパッタ電極として構成されている。電極領域RAと電極領域RCとの間に設けられた電極領域RBでは、電極領域RAを構成する金属材料M1、及び電極領域RCを構成する金属材料M2が混在している。電極領域RBと電極領域RAとの接合強度、及び電極領域RBと電極領域RCとの接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる電極領域RAと電極領域RCとの接合強度よりも高い。更に、電極領域RCと電極領域REとの間に設けられた電極領域RDでは、電極領域RCを構成する金属材料M2及び電極領域REを構成する金属材料M3が混在している。電極領域RDと電極領域RCとの接合強度、及び電極領域RDと電極領域REとの接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる電極領域RCと電極領域REとの接合強度よりも高い。これらのことから、外部電極3,4では、電極内の剥離、特に各電極領域間の剥離を抑制することができる。 In the piezoelectric element 1 as described above, the external electrodes 3 and 4, and a laminated body 2 side as the sputter electrode having an electrode area R A to R E arranged in this order. In the electrode region disposed between the electrode region R A and the electrode area R C R B, a metal material M2 that constitutes the metal material M1 constituting the electrode region R A, and the electrode area R C are mixed. Bonding strength between the electrode region R B and electrode area R A, and both the bonding strength between the electrode region R B and electrode area R C is quite different made of a metal material electrode region R A and the electrode area R C together Higher than joint strength. Further, in the electrode region R D is provided between the electrode region R C and electrode area R E, a metal material M3 that constitutes the metal material M2 and the electrode area R E constituting the electrode area R C are mixed . Bonding strength between the electrode region R D and the electrode area R C, and both the bonding strength between the electrode region R D and the electrode area R E is the exactly the electrode regions made of different metal materials R C and electrode area R E together Higher than joint strength. For these reasons, in the external electrodes 3 and 4, peeling in the electrodes, particularly peeling between the electrode regions can be suppressed.
圧電素子の製造工程において、例えば、機械加工を施すことにより、積層体と外部電極との間で剥離が発生したり、外部電極内で剥離が発生したりする場合がある。特に、後者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後は比較的少ないため、検査による不良品のスクリーニングが比較的困難である。この結果、不良品が検査から漏れ、経年劣化を起こして信頼性を低下させる懼れがある。圧電素子1では、上述のように、電極内の剥離が生じ難くなる。これにより、信頼性を向上させることができる。 In the manufacturing process of the piezoelectric element, for example, by performing machining, peeling may occur between the laminate and the external electrode, or peeling may occur in the external electrode. In particular, in the latter case, since the influence on the piezoelectric characteristics and appearance is relatively small immediately after the production, screening of defective products by inspection is relatively difficult. As a result, a defective product may be omitted from the inspection, deteriorate over time, and the reliability may be reduced. In the piezoelectric element 1, as described above, peeling in the electrode hardly occurs. Thereby, reliability can be improved.
電極領域RBでは、金属材料M1に対して金属材料M2が混在する割合が、電極領域RAから電極領域RCに向かうにしたがって徐々に増加している。このため、電極領域RBの電極領域RA側に金属材料M1が多く含まれるので、電極領域RBと電極領域RAとの接合強度を更に高めることができる。また、電極領域RBの電極領域RC側に金属材料M2が多く含まれるので、電極領域RBと電極領域RCとの接合強度を更に高めることができる。更に、電極領域RDでは、金属材料M2に対して金属材料M3が混在する割合が、電極領域RCから電極領域REに向かうにしたがって徐々に増加している。このため、電極領域RDの電極領域RC側に金属材料M2が多く含まれるので、電極領域RDと電極領域RCとの接合強度を更に高めることができる。また、電極領域RDの電極領域RE側に金属材料M3多く含まれるので、電極領域RDと電極領域REとの接合強度を更に高めることができる。これらのことから、電極内の剥離を更に抑制することができる。 In the electrode area R B, the proportion of the metal material M2 are mixed to the metal material M1 has gradually increased toward the electrode region R A to the electrode area R C. Therefore, since the metal material M1 is abundant in the electrode region R A side of the electrode region R B, it is possible to further increase the bonding strength between the electrode region R B and electrode area R A. Further, since the metal material M2 is abundant in the electrode area R C side of the electrode region R B, it is possible to further increase the bonding strength between the electrode region R B and electrode area R C. Furthermore, the electrode area R D, ratio of the metal material M3 are mixed to the metal material M2 has gradually increased toward the electrode region R C to the electrode region R E. Therefore, since the metal material M2 is abundant in the electrode area R C side of the electrode region R D, it is possible to further increase the bonding strength between the electrode region R D and the electrode area R C. Also, because it contains a metal material M3 much to the electrode area R E side of the electrode region R D, it is possible to further increase the bonding strength between the electrode region R D and the electrode area R E. For these reasons, peeling in the electrode can be further suppressed.
ここで、金属材料M1をCr、金属材料M2をCu、金属材料M3をSnAgとするスパッタ電極をPZTからなる圧電体上に形成し、断面をSEM(Scanning Electron Microscope)で観察した結果について説明する。スパッタ電極は、図9のスパッタリング装置100に対応する装置により実施形態の手順に沿って、総厚が約1.5μmとなるように形成した。図10に示されるように、PZTからなる圧電体とCrからなる領域との境界に比べると、Crからなる領域とCuからなる領域との境界、及びCuからなる領域とSnAgからなる領域との境界は、いずれも不鮮明となっている。これは、Crからなる領域とCuからなる領域との間には、Cr及びCuが混在する領域が形成されると共に、Cuからなる領域とSnAgからなる領域との間には、Cu及びSnAgが混在する領域が形成されているためと推察される。 Here, the result of forming a sputter electrode using Cr as the metal material M1, Cu as the metal material M2, and SnAg as the metal material M3 on a piezoelectric body made of PZT and observing the cross section with an SEM (Scanning Electron Microscope) will be described. . The sputter electrode was formed by a device corresponding to the sputtering device 100 of FIG. 9 according to the procedure of the embodiment so that the total thickness was about 1.5 μm. As shown in FIG. 10, as compared with the boundary between the piezoelectric body composed of PZT and the region composed of Cr, the boundary between the region composed of Cr and the region composed of Cu, and the boundary between the region composed of Cu and the region composed of SnAg are different. The boundaries are all blurred. This is because a region where Cr and Cu are mixed is formed between the region made of Cr and the region made of Cu, and Cu and SnAg are formed between the region made of Cu and the region made of SnAg. It is presumed that a mixed area was formed.
また、圧電素子1では、外部電極3,4が、電極領域RA〜REが対向する方向に沿って形成されたスリットSにより、複数の電極部分3a,4bに分けられている。例えば、機械的加工により外部電極3,4が分けられるとすると、外部電極3,4内の剥離が生じ易いので、電極領域RA〜RE間の接合強度を高める本実施形態の構成が特に有効となる。 Further, in the piezoelectric element 1, the external electrodes 3 and 4, the slit electrode region R A to R E are formed along a direction opposite S, a plurality of electrode portions 3a, it is divided into 4b. For example, when the external electrodes 3 and 4 is divided by mechanical processing, because it is easy peeling of the external electrodes 3 and 4 is caused, the configuration of the present embodiment to increase the bonding strength between the electrode region R A to R E is particularly Becomes effective.
また、圧電素子1では、スリットSは、積層体2まで達しており、積層体2は、各電極部分3a,4bに対応する複数の積層体部分10に分けられている。これにより、各積層体部分10を互いに独立して駆動することができる。 Further, in the piezoelectric element 1, the slit S reaches the laminate 2, and the laminate 2 is divided into a plurality of laminate portions 10 corresponding to the electrode portions 3a and 4b. Thereby, each laminated body part 10 can be driven independently of each other.
本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The present invention is not necessarily limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.
例えば、積層体2の主面2c,2d以外の面に、外部電極3,4と同じ構成のスパッタ電極が設けられていてもよい。外部電極3,4は、少なくとも電極領域RA〜RC、又は電極領域RC〜REを有していればよい。電極領域RBでは、膜厚方向において、金属材料M1に対して金属材料M2が混在する割合が一定であってもよいし、段階的に変化してもよい。電極領域RDでは、膜厚方向において、金属材料M2に対して金属材料M3が混在する割合が一定であってもよいし、段階的に変化してもよい。本発明に係る圧電素子は、積層型圧電素子に限られず、内部電極を有さない圧電基板上に、外部電極3,4のようなスパッタ電極が設けられたものであってもよい。 For example, a sputter electrode having the same configuration as the external electrodes 3 and 4 may be provided on a surface other than the main surfaces 2c and 2d of the multilayer body 2. External electrodes 3 and 4 may have at least the electrode area R A to R C, or electrode regions R C to R E. In the electrode area R B, in the film thickness direction, the proportion of metallic materials M2 are mixed is may be constant with respect to the metal material M1, it may be changed stepwise. In the electrode region RD , the mixing ratio of the metal material M3 to the metal material M2 in the film thickness direction may be constant or may be changed stepwise. The piezoelectric element according to the present invention is not limited to a laminated piezoelectric element, and may be one in which sputter electrodes such as the external electrodes 3 and 4 are provided on a piezoelectric substrate having no internal electrodes.
1…圧電素子、2…積層体、3,4…外部電極、3a,3b…電極部分、4a,4b…電極部分、10…積層体部分、30…圧電体層、RA〜RE…電極領域。 1 ... piezoelectric element, 2 ... laminates, 3,4 ... external electrodes, 3a, 3b ... electrode portion, 4a, 4b ... electrode portion, 10 ... laminate portion, 30 ... piezoelectric layer, R A to R E ... electrode region.
Claims (10)
前記スパッタ電極は、
第一金属材料からなる第一電極領域と、
前記第一電極領域上に位置し、前記第一金属材料とは異なる第二金属材料からなる第二電極領域と、
前記第一電極領域と前記第二電極領域との間に設けられた第三電極領域と、
前記第二電極領域上に位置し、前記第一金属材料及び前記第二金属材料とは異なる第三金属材料からなる第四電極領域と、
前記第二電極領域と前記第四電極領域との間に設けられた第五電極領域と、を有し、
前記第三電極領域は、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域であり、
前記第五電極領域は、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域であり、
前記スパッタ電極は、前記圧電体と対向した面、及び、前記圧電体と反対側に露出した面を有し、
前記第三電極領域では、前記第一金属材料に対して前記第二金属材料が混在する割合が、前記第一電極領域から前記第二電極領域に向かうにしたがって徐々に増加し、
前記第五電極領域では、前記第二金属材料に対して前記第三金属材料が混在する割合が、前記第二電極領域から前記第四電極領域に向かうにしたがって徐々に増加している、圧電素子。 A piezoelectric body, and a sputter electrode provided on the piezoelectric body,
The sputter electrode,
A first electrode region made of a first metal material,
A second electrode region located on the first electrode region and made of a second metal material different from the first metal material,
A third electrode region provided between the first electrode region and the second electrode region,
A fourth electrode region located on the second electrode region and made of a third metal material different from the first metal material and the second metal material,
Having a fifth electrode region provided between the second electrode region and the fourth electrode region ,
The third electrode region is a region where the first metal material and the second metal material are mixed,
The fifth electrode region is a region where the second metal material and the third metal material are mixed,
The sputter electrode has a surface facing the piezoelectric body, and a surface exposed on the opposite side to the piezoelectric body ,
In the third electrode region, the proportion of the second metal material mixed with the first metal material gradually increases from the first electrode region toward the second electrode region,
In the fifth electrode region, the ratio of the third metal material mixed with the second metal material gradually increases from the second electrode region toward the fourth electrode region. .
前記圧電体は、各前記電極部分に対応する複数の圧電体部分に分けられている、請求項3に記載の圧電素子。 The slit extends to the piezoelectric body,
The piezoelectric element according to claim 3, wherein the piezoelectric body is divided into a plurality of piezoelectric bodies corresponding to each of the electrode parts.
前記第二金属材料はCuである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子。 The first metal material is Cr;
Wherein the second metal material is Cu, the piezoelectric element according to any one of claims 1-4.
前記圧電体を形成する工程後に、前記圧電体を搬送しながら、前記圧電体上にスパッタ電極を形成する工程と、を含み、
前記スパッタ電極を形成する工程は、前記圧電体の搬送方向の上流側から順に並んで設けられた、第一金属材料により構成された第一ターゲット、前記第一金属材料とは異なる第二金属材料により構成された第二ターゲット、及び前記第一金属材料及び前記第二金属材料とは異なる第三金属材料により構成された第三ターゲットを用い、前記圧電体を搬送しながら行われ、
前記スパッタ電極を形成する工程では、
前記第一ターゲットにより、前記第一金属材料からなる領域を形成して、
前記第一ターゲット及び前記第二ターゲットにより、前記第一金属材料からなる領域上に、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域を形成して、
前記第二ターゲットにより、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域上に、前記第二金属材料からなる領域を形成して、
前記第二ターゲット及び前記第三ターゲットにより、前記第二金属材料からなる領域上に、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域を形成して、
前記第三ターゲットにより、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域上に、前記第三金属材料からなる領域を形成する、圧電素子の製造方法。 Forming a piezoelectric body;
After the step of forming the piezoelectric body, while carrying the piezoelectric body, the step of forming a sputter electrode on the piezoelectric body,
The step of forming the sputter electrode is provided in order from the upstream side in the transport direction of the piezoelectric body, a first target made of a first metal material, a second metal material different from the first metal material Using a third target composed of a third metal material different from the second target, and the first metal material and the second metal material, is performed while transporting the piezoelectric body,
In the step of forming the sputter electrode,
By the first target, to form a region made of the first metal material,
Wherein the first target and the second target, the region consisting of the first metallic material, to form a region in which the first metallic material and the second metal material are mixed,
By the second target, in a region where the first metal material and said second metal material are mixed, forming a region consisting of the second metal material,
By the second target and the third target, on the region made of the second metal material, to form a region where the second metal material and the third metal material are mixed,
A method for manufacturing a piezoelectric element , wherein a region made of the third metal material is formed on a region where the second metal material and the third metal material are mixed by the third target .
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