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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