KR20100138931A - 압전/전왜 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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마사유키 우에타니
하루히코 이토
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엔지케이 인슐레이터 엘티디
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Abstract

본 발명의 압전/전왜 소자는, 압전/전왜체를 갖는 압전/전왜 구동부와, 압전/전왜체의 적어도 하나의 면 상에 설치되며, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 구비하고, 외부 단자 전극은, 압전/전왜체에 접촉하여 설치되며, 제1 금속 성분 및 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층과, 제2 금속 성분을 함유하고 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 갖는 전극이며, 제1 금속 성분과 제2 금속 성분은, 동일 원소계의 금속 성분인 것이다.

Description

압전/전왜 소자 및 그 제조 방법{PIEZOELECTRIC/ELECTROSTRICTIVE ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 초음파 모터 등으로서 적합한 압전/전왜 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 압전(壓電)/전왜(電歪) 재료(압전/전왜 자기 조성물, 압전/전왜 세라믹스 등이라고도 함)를 이용하여 제조되는 적층형의 압전/전왜 소자는, 전기 신호에 대한 응답 속도가 매우 고속이기 때문에, 압전 액추에이터, 필터, 압전 공진자(발진자를 포함함), 초음파 진동자, 초음파 모터, 압전 센서 등의 전자 제품에 이용되고 있다.
관련 종래 기술로서, 특허문헌 1에는, 압전용 세라믹재를 주성분으로 하는 그린 시트와, 내부 전극을 교대로 적층하여 소결한 소성체에, 절연체, 외부 전극 및 리드선을 설치하여 얻어지는 적층형의 압전 액추에이터가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에 개시된 압전 액추에이터의 내부 전극에는, 그린 시트로부터의 박리를 방지하기 위해, 은 팔라듐 합금재 및 압전용 세라믹재가 소정 비율로 함유되어 있다.
또한, 특허문헌 2 및 3에도 마찬가지로, 유전체층(압전 세라믹층)으로부터의 박리를 방지하는 관점에서, 유전체층과 대략 동질의 세라믹 분말을 함유하는 내부 전극층을 이용한 적층 칩 부품, 및 압전 세라믹층을 복수 개 적층한 적층체에, 은을 소정 비율로 함유하는 은 팔라듐 합금으로 이루어지는 전극층을 마련한 적층 압전체가 각각 개시되어 있다.
이와 같이, 종래, 전극 재료에 압전/전왜 재료를 배합함으로써, 압전/전왜체와 전극과의 밀착성을 향상시키는 수법이 알려져 있다.
또한, 적층형의 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극은, 종래, 소성을 마친 압전/전왜체 상에 유리 성분 등을 포함하는 전극 재료를 도포 등을 행한 후, 소성함으로써, 압전/전왜체의 표면(외부)에 설치되고 있었다. 즉, 외부 단자 전극을 갖는 적층형의 압전/전왜 소자를 제조하기 위해서는, 압전/전왜체의 소성과, 외부 단자 전극의 소성의, 적어도 2회의 소성을 행하고 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제11-121820호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제10-172855호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허 공개 제2006-73672호 공보
소성 횟수를 줄여 제조 공정을 간략화하기 위해, 예컨대 미소성(未燒成)의 압전/전왜체(압전/전왜 전구체) 상에 서멧 페이스트(cermet paste)의 도포 등을 행한 후, 압전/전왜체와 외부 단자 전극의 소성을 일괄적으로 동시에 행하면, 형성된 외부 단자 전극의 표면에, 서멧 페이스트에 포함되어 있던 압전/전왜 재료가 석출되어 버리는 경우가 있었다. 석출되는 압전/전왜 재료는, 통상 절연물이기 때문에, 외부 단자 전극의 도통 성능이 불충분해질 가능성이 있었다. 또한, 이러한 외부 단자 전극을 갖는 제품의 전기 특성을 평가하면, 도통이 쉽게 확보되지 않기 때문에 측정 불량으로 판단되는 경우가 있었다.
한편, 외부 단자 전극의 표면에 압전/전왜 재료가 석출되는 것을 회피하기 위해, 압전/전왜 전구체 상에 압전/전왜 재료를 함유하지 않는 전극 재료를 사용하면, 형성되는 외부 단자 전극과 압전/전왜체와의 밀착성이 불충분해져, 소성시 또는 소성 후에, 외부 단자 전극이 압전/전왜체로부터 쉽게 박리된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 외부 단자 전극이 압전/전왜체로부터 박리되는 것을 회피하기 위해, 외부 단자 전극 재료에 유리 성분이 첨가된 재료를 사용하면, 동시 소성에 의해 압전/전왜체와 외부 단자 전극을 형성하는 경우에, 압전/전왜 자기 조성물과 유리 성분이 반응하여, 압전/전왜 자기 조성물의 조성이 틀어지기 때문에, 얻어지는 압전/전왜체의 특성이 저하된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 종래 기술이 갖는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 과제는, 압전/전왜체로부터 쉽게 박리되지 않고 양호한 상태로 밀착하여, 도통 성능이 우수한 외부 단자 전극을 갖는, 저렴하게 제조 가능한 압전/전왜 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 과제를 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 외부 단자 전극의 구조를, 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층과, 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층을 구비한 적층 구조로 함으로써, 상기 과제를 달성하는 것이 가능함을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 따르면, 이하에 나타내는 압전/전왜 소자 및 압전/전왜 소자의 제조 방법이 제공된다.
[1] 압전/전왜 재료로 이루어지는 압전/전왜체를 갖는 압전/전왜 구동부와, 상기 압전/전왜체의 적어도 하나의 면 상에 설치되며, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 구비하고, 상기 외부 단자 전극은, 상기 압전/전왜체에 접촉하여 설치되며, 제1 금속 성분 및 상기 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층과, 상기 제1 전극층 상에 설치되며, 제2 금속 성분을 함유하고 상기 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 갖는 전극이며, 상기 제1 금속 성분과 상기 제2 금속 성분은, 동일 원소계의 금속 성분인 것인 압전/전왜 소자.
[2] 상기 제2 전극층의 설치 영역이, 상기 제1 전극층의 설치 영역에 비해 작은 것인 상기 [1]에 기재한 압전/전왜 소자.
[3] 상기 압전/전왜 구동부는, 내부 전극용 전극 재료로 이루어지는 내부 전극을 더 가지며, 상기 압전/전왜체와 상기 내부 전극이 교대로 적층된 적층체이고, 상기 내부 전극용 전극 재료는, 상기 제1 금속 성분 및 상기 제2 금속 성분과 동일 원소계의 제3 금속 성분을 함유하는 것인 상기 [1] 또는 [2]에 기재한 압전/전왜 소자.
[4] 상기 압전/전왜 구동부는, 기둥형 적층체이고, 그 측면에 설치되며, 상기 외부 단자 전극과 상기 내부 전극을 전기적으로 접속하는 측면 전극을 더 구비한 것인 상기 [3]에 기재한 압전/전왜 소자.
[5] 상기 압전/전왜 재료는, 티탄산지르콘산납계의 압전/전왜 자기 조성물인 것인 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재한 압전/전왜 소자.
[6] 상기 압전/전왜 자기 조성물은, Pb를 PbO 환산으로 65∼70 질량%, Ti를 TiO2 환산으로 7.0∼16.0 질량%, Zr를 ZrO2 환산으로 10.5∼24.5 질량%, Sb를 Sb2O3 환산으로 0.65∼1.05 질량%, Nb를 Nb2O5 환산으로 0.5∼0.8 질량%, Cu를 CuO 환산으로 0.3∼0.7 질량%, W를 WO3 환산으로 0.6∼1.5 질량%, 및 Mn을 MnO2 환산으로 0.3∼0.7 질량% 함유하고, Cu와 W의 함유비가, 몰비로 1.5:1∼2.5:1인 것인 상기 [5]에 기재한 압전/전왜 소자.
[7] 상기 제1 금속 성분 및 상기 제2 금속 성분은, Ag, Pd, Pt 혹은 Au, 또는 이들의 합금을 주성분으로 하는 것인 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재한 압전/전왜 소자.
[8] 상기 제1 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)을 포함하는 것이고, 상기 제1 금속 성분과 상기 압전/전왜 재료의 합계에 대한 상기 압전/전왜 재료의 함유 비율이 10∼50 체적%인 것인 상기 [7]에 기재한 압전/전왜 소자.
[9] 상기 제2 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)을 포함하는 것인 상기 [7] 또는 [8]에 기재한 압전/전왜 소자.
[10] 상기 [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재한 압전/전왜 소자를 제조하는 방법으로서, 압전/전왜 전구체의 면 상에, 제1 금속 성분 및 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제1 전극층 전구부(前驅部)를 형성하는 공정과, 상기 제1 전극층 전구부 상에, 상기 제1 금속 성분과 동일 원소계의 제2 금속 성분을 함유하며, 상기 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제2 전극층 전구부를 형성하는 공정과, 상기 압전/전왜 전구체, 상기 제1 전극층 전구부 및 상기 제2 전극층 전구부를 일체적으로 소성하여, 압전/전왜체의 면 상에, 상기 압전/전왜체에 접촉하여 설치되는 제1 전극층 및 제1 전극층 상에 설치되는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 갖고, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 설치하는 공정을 포함하는 것인 압전/전왜 소자의 제조 방법.
본 발명의 압전/전왜 소자는, 압전/전왜체로부터 쉽게 박리되지 않고 양호한 상태로 밀착하여, 도통 성능이 우수한 외부 단자 전극을 갖는 것으로, 저렴하게 제조 가능하다고 하는 효과를 발휘하는 것이다.
또한, 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법에 따르면, 압전/전왜체로부터 쉽게 박리되지 않고 양호한 상태로 밀착하여, 도통 성능이 우수한 외부 단자 전극을 갖는 압전/전왜 소자를 간편하고 저렴하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 압전/전왜 소자의 일 실시 형태를 모식적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 압전/전왜 소자에 이용되는 외부 단자 전극의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 일 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 다른 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 4b는 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 또 다른 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 또 다른 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 또 다른 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 7은 종래의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 일 실시 형태를 설명하는 흐름도이다.
도 8은 실시예 3에서 얻은 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극 표면의 전자 현미경 사진이다.
도 9는 비교예 4에서 얻은 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극 표면의 전자 현미경 사진이다.
도 10a는 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 10b는 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11a는 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 11b는 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 적층 기판의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 13a는 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 13b는 도 13a의 압전/전왜 소자를 A선으로 절단한 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 13c는 도 13a의 압전/전왜 소자를 B선으로 절단한 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 14는 내부 전극의 설치 양태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 15는 공통 내부 전극의 설치 양태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 16은 외부 단자 전극의 설치 양태의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 17은 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 분해하여 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 18은 측면 전극의 설치 양태의 일례를 모식적으로 나타내는 정면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자의 통상의 지식에 기초하여 이하의 실시 형태에 대하여 적절하게 변경, 개량 등이 가해진 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
1. 압전/전왜 소자:
(압전/전왜 소자의 구성)
도 1은, 본 발명의 압전/전왜 소자의 일 실시 형태를 모식적으로 나타내는 부분 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(10)는, 압전/전왜 구동부(1)를 구성하는 압전/전왜체(2)[압전/전왜 구동부(1)의 최상층에 배치되는 최상층 압전/전왜체(2a)]의 면 상에, 막 형상의 외부 단자 전극(3)이 설치된 것이다. 이 외부 단자 전극(3)은, 압전/전왜체(2)[최상층 압전/전왜체(2a)]에 접촉하여 설치되는 제1 전극층(3a)과, 이 제1 전극층(3a) 상에 설치되는 제2 전극층(3b)을 갖는, 소위 적층 구조를 갖는 전극이다.
제1 전극층(3a)은, (1) 전극용의 제1 금속 성분 및 (2) 압전/전왜체(2)를 구성하는 압전/전왜 재료와 동일 조성 또는 대략 동일한 조성의 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료(소위 「서멧 페이스트」)로 이루어지는 전극층이다. 즉, 압전/전왜체(2)[최상층 압전/전왜체(2a)]와 직접적으로 접촉한 상태로 설치되는 제1 전극층(3a)에는, 압전/전왜 재료가 함유되어 있기 때문에, 최상층 압전/전왜체(2a)와 제1 전극층(3a)은 충분히 높은 강도로 밀착되어 있다.
한편, 제2 전극층(3b)은, 전극용의 제2 금속 성분을 함유하지만, 전술한 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료로 이루어지는 전극층이다. 즉, 제1 전극층(3a) 상에 설치되는 제2 전극층(3b)은, 압전/전왜 재료가 실질적으로 함유되지 않은 재료를 이용하여 형성된 전극층이기 때문에, 절연물인 압전/전왜 재료가 그 외표면 상에 석출되는 일이 (거의) 없어, 양호한 도통 성능이 확보되고 있다. 또한, 본 명세서에서 말하는 「압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은」이란, 외부 단자 전극의 도통 성능에 영향을 미치지 않는 정도의 극미량이면 함유될 가능성이 있는 것을 의미한다. 단, 제2 전극 재료에는, 압전/전왜 재료가 함유되어 있지 않는(즉, 함유 비율=O%인) 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 압전/전왜 소자(10)의 외부 단자 전극(3)은, 전술한 적층 구조를 갖는 것이다. 외부 단자 전극(3)은, 제1 전극층(3a)에 있어서 압전/전왜체(2)와의 밀착성을 확보하며, 제2 전극층(3b)에 있어서 전극으로서의 도통 성능을 확보하고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(10)는, 압전/전왜체로부터 쉽게 박리되지 않고 양호한 상태로 밀착된, 도통 성능이 우수한 외부 단자 전극(3)을 갖는 것이다.
또한, 압전/전왜체(2)의 소성과 외부 단자 전극(3)의 소성을 일괄적으로 동시에 행한 경우라도, 압전/전왜 재료가 외부 단자 전극(3)의 표면 상[제2 전극층(3b)의 표면 상]에 석출되는 일이 없다. 따라서, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(10)는, 압전/전왜체(2)와 외부 단자 전극(3)을 일괄적으로 동시에 소성하여 제조하는 것이 가능하기 때문에, 소성 횟수를 줄여 제조 공정을 간략화하며, 간편하고 저렴하게 제조할 수 있는 것이다.
본 실시 형태의 압전/전왜 소자(10)의 외부 단자 전극(3)은, 소위 「유리 성분」이 실질적으로 함유되어 있지 않은 전극이다. 외부 단자 전극에 유리 성분이 실질적으로 함유되어 있지 않으면, 동시 소성에 의해 압전/전왜체와 외부 단자 전극을 형성하는 경우에, 압전/전왜 자기 조성물과 유리 성분이 반응하는 일이 없다. 이 때문에, 형성되는 압전/전왜체의 조성이 쉽게 변동하지 않아, 얻어지는 압전/전왜체의 압전 특성이 저하되지 않기 때문에 바람직하다. 게다가, 외부 단자 전극에 유리 성분이 실질적으로 함유되지 않으므로, 외부 단자 전극의 도체 저항이 쉽게 높아지지 않는다고 하는 효과도 있다.
본 명세서에서 말하는 「유리 성분」의 구체예로서는, SiO2, PbO, B2O3, ZnO, 및 Bi2O3 등이 함유되는 납 유리, 붕규산 유리, 납-붕규산 유리 등을 들 수 있다.
또한, 본 명세서에서 말하는 「유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은」이란, 동시 소성에 의해 외부 단자 전극과 동시에 형성되는 압전/전왜체의 조성에 영향을 미치지 않는 정도의 극미량(구체적으로는 1 질량% 미만)이면 함유될 가능성이 있는 것을 의미한다. 단, 외부 단자 전극에는, 유리 성분이 함유되어 있지 않은(즉, 함유 비율=O%인) 것이 바람직하다.
제1 전극층의 두께(T1)는, 2.0∼8.0 ㎛인 것이 바람직하고, 3.0∼7.0 ㎛인 것이 더 바람직하다. 제1 전극층의 두께(T1)가 2.0 ㎛ 미만이면, 소성시의 수축에 의해 제1 전극층의 유효 전극 면적이 좁아져, 제2 전극층이 최외층의 압전/전왜층에 접하는 상태가 되기 때문에, 전극이 쉽게 박리되는 경우가 있다. 한편, 8.0 ㎛을 초과하면, 제2 전극층(3b)의 표면에 압전/전왜 재료가 쉽게 석출되는 경우가 있다.
제2 전극층의 두께(T2)는, 2.0∼8.0 ㎛인 것이 바람직하고, 3.0∼7.0 ㎛인 것이 더 바람직하다. 제2 전극층의 두께(T2)가 2.0 ㎛ 미만이면, 지나치게 얇아지기 때문에, 제2 전극층(3b)의 표면에 압전/전왜 재료가 석출되는 경우가 있다. 한편, 8.0 ㎛을 초과하면, 전극의 소결 응력이 강해지기 때문에, 외부 단자 전극의 윤곽을 따라 압전/전왜체에 균열이 생기는 경우가 있다.
또한, 외부 단자 전극(3) 전체의 두께(=T1+T2)는, 5.0∼16.0 ㎛인 것이 바람직하고, 7.0∼13.0 ㎛인 것이 더 바람직하다. 외부 단자 전극(3) 전체의 두께가 5.0 ㎛ 미만이면, 압전/전왜체 중의 절연체[예컨대, 산화구리(CuO) 등]가 제2 전극층(3b)의 표면에 석출되는 경우가 있다. 한편, 16.0 ㎛을 초과하면, 전극의 소결 응력이 강해지기 때문에, 외부 단자 전극의 윤곽을 따라 압전/전왜체에 균열이 생기는 경우가 있다.
도 2는, 본 발명의 압전/전왜 소자에 이용되는 외부 단자 전극의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 외부 단자 전극(3)을 구성하는 제2 전극층(3b)의 설치 영역은, 제1 전극층(3a)의 설치 영역에 비해 작은 것이 바람직하다. 제1 전극층(3a)과 제2 전극층(3b) 각각의 설치 영역을, 양자의 관계에서 이와 같이 설정함으로써, 외부 단자 전극(3b)이 직접적으로 압전/전왜층에 접하는 일이 없어지기 때문에, 외부 단자 전극(3)이 압전/전왜체로부터 박리되는 일이 없다. 또한, 제1 전극층의 설치 영역과 제2 전극층의 설치 영역의 치수 차(D)는, 외부 단자 전극(3)의 형성 수법의 정밀도 범위 내에서, 외부 단자 전극(3b)의 면적이 최대가 되도록 설정하면 된다.
도 10a는, 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 10b는, 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 10a 및 도 10b에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(30)는, 원판형(원기둥형)의 압전/전왜체(12)[압전/전왜 구동부(21)]와, 이 압전/전왜체(12)의 대향하는 한 쌍의 면 상에 설치된 막 형상의 외부 단자 전극(33, 43)을 구비하고 있다. 외부 단자 전극(33, 43)은, 각각 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층(33a, 43a)과, 이들 제1 전극층(33a, 43a) 상에 설치된, 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층(33b, 43b)을 구비하고 있다. 도 10a 및 도 10b에 나타낸 바와 같은 구성을 갖는 압전/전왜 소자(30)는, 예컨대 초음파 탐상기, 부저 등으로서 적합하다.
도 10a 및 도 10b에 나타내는 압전/전왜 소자(30)를, 예컨대 초음파 탐상기나 부저로서 이용하는 경우를 상정하면, 압전/전왜 소자의 직경(D1)은 15∼25 mm 정도이고, 압전/전왜 소자의 높이(H3)는 1.5∼2.5 mm 정도이다.
도 11a는, 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 11b는, 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(40)는, 판형(직방체형)의 압전/전왜체(22)[압전/전왜 구동부(31)]와, 이 압전/전왜체(22)의 대향하는 한 쌍의 면 상, 및 하나의 측면 상에 설치된 막 형상의 외부 단자 전극(53, 63, 73)을 구비하고 있다. 외부 단자 전극(53, 63, 73)은, 모두 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층(53a, 63a, 73a)과, 이들 제1 전극층(53a, 63a, 73a) 상에 설치된, 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층(53b, 63b, 73b)을 구비하고 있다. 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같은 구성을 갖는 압전/전왜 소자(40)는, 예컨대 압전 변압기 등으로서 적합하다.
도 11a 및 도 11b에 나타내는 압전/전왜 소자(40)를, 예컨대 압전 변압기로서 이용하는 경우를 상정하면, 압전/전왜 소자의 길이(L3)는 25∼35 mm 정도이고, 압전/전왜 소자의 높이(H4)는 4∼6 mm 정도이며, 압전/전왜 소자의 폭(W3)은 8∼12 mm 정도이다.
도 13a는, 본 발명의 압전/전왜 소자의 또 다른 실시 형태를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 13a에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자(20)는, 압전/전왜 구동부(11)를 구비하고 있다. 이 압전/전왜 구동부(11)는, 복수의 막 형상의 압전/전왜체와 복수의 막 형상의 내부 전극을 교대로 적층하여 구성된 기둥형 적층체이다. 또한, 압전/전왜 소자(20)의 측면에는 측면 전극(6, 16)이 설치되어 있다. 이 측면 전극(6, 16)은, 외부 단자 전극(13, 23)과 내부 전극을 전기적으로 접속하고 있다.
도 13b는, 도 13a의 압전/전왜 소자(20)를 A선으로 절단한 상태를 나타내는 부분 단면도이다. 또한, 도 13c는, 도 13a의 압전/전왜 소자(20)를 B선으로 절단한 상태를 나타내는 부분 단면도이다. 도 13b 및 도 13c에 나타낸 바와 같이, 압전/전왜 소자(20)의 측면에 설치되어 있는 측면 전극(6, 16)은, 외부 단자 전극(13, 23)과 마찬가지로, 압전/전왜체(2)에 접촉하여 설치되는 제1 전극층(6a, 16a)과, 제1 전극층(6a, 16a) 상에 설치되는 제2 전극층(3b)을 각각 갖는, 소위 적층 구조를 갖는 전극인 것이 바람직하다. 또한, 측면 전극(6)은, 압전/전왜 소자(20)를 A선으로 절단한 단면에 있어서 공통 내부 전극(17)과 전기적으로 접속되어 있다(도 13b 참조). 또한, 측면 전극(16)은, 압전/전왜 소자(20)를 B선으로 절단한 단면에 있어서 내부 전극(7a)과 전기적으로 접속되어 있다(도 13c 참조).
도 13a에 나타낸 바와 같은, 기둥형 적층체인 압전/전왜 구동부(11)를 구비한 압전/전왜 소자(20)의 외형 치수에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 사용 양태에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 예컨대, 압전/전왜 소자(20)를 초음파 모터로서 사용하는 경우를 상정하면, 압전/전왜 소자의 높이(H2)는 0.4∼3 mm 정도, 압전/전왜 소자의 길이(L2)는 2∼10 mm 정도 및 압전/전왜 소자의 폭(W2)은 0.5∼3 mm 정도이다.
(압전/전왜 재료)
압전/전왜 구동부(11)를 형성하는 압전/전왜체는, 압전/전왜 재료에 의해 구성되어 있다. 압전/전왜 재료의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 압전/전왜 특성의 관점에서, 티탄산지르콘산납(PZT)계의 압전/전왜 자기 조성물인 것이 바람직하다. 또한, PZT계의 압전/전왜 자기 조성물로서는, Pb를 PbO 환산으로 65∼70 질량%, Ti를 TiO2 환산으로 7.0∼16.0 질량%, Zr를 ZrO2 환산으로 10.5∼24.5 질량%, Sb를 Sb2O3 환산으로 0.65∼1.05 질량%, Nb를 Nb2O5 환산으로 0.5∼0.8 질량%, Cu를 CuO 환산으로 0.3∼0.7 질량%, W를 WO3 환산으로 0.6∼1.5 질량%, 및 Mn을 MnO2 환산으로 0.3∼0.7 질량% 함유하며, Cu와 W의 함유비가, 몰비로 1.5:1∼2.5:1인 것을 적합예로서 들 수 있다. 상기한 조성을 갖는 압전/전왜 자기 조성물은, 소성 온도가 1050℃ 이하여도 충분히 치밀화되어, 우수한 압전/전왜 특성을 발휘한다. 또한, 상기한 조성을 갖는 압전/전왜 자기 조성물을 이용하여 제조한 압전/전왜 소자는, 공진 주파수의 온도 변화율이 작다고 하는 특성을 갖고 있다.
(제1 전극 재료)
제1 전극 재료에는, 압전/전왜 재료 외에, 일반적인 압전/전왜 소자의 전극을 구성하기 위해 이용되는 전극용의 금속 성분인 제1 금속 성분이 포함된다. 이 제1 금속 성분의 구체예로서는, Ag, Pd, Pt 혹은 Au, 또는 이들의 합금을 주성분으로 하는 것을 들 수 있다. 그 중에서도, Ag 및 Pd를 포함하는 공침법(共沈法)에 의해 얻어지는 금속, 또는 Ag 및 Pd를 포함하는 합금 등의 금속 성분이 바람직하다. 또한, 이 제1 금속 성분은, 압전/전왜체로부터의 박리를 효과적으로 억지(抑止)한다고 하는 관점에서는, Ag과 Pd의 합금인 것이 바람직하다.
제1 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)을 포함하는 것이 바람직하다. Ag와 Pd의 함유 비율이 상기한 수치 범위인 금속 성분을 이용함으로써, 소성시에 Ag가 압전/전왜체로 확산되는 양을 억제할 수 있다. 또한, 제1 전극 재료에 함유되는 압전/전왜 재료의 비율은, 제1 금속 성분과 압전/전왜 재료의 합계를 100 체적%로 한 경우에, 10∼50 체적%인 것이 바람직하고, 15∼30 체적%인 것이 더 바람직하며, 18∼22 체적%인 것이 특히 바람직하다. 제1 전극 재료에 함유되는 압전/전왜 재료의 비율을 상기한 수치 범위로 함으로써, 형성되는 외부 단자 전극의 압전/전왜체로부터의 박리를 보다 효과적으로 억지하는 것이 가능해진다.
(제2 전극 재료)
제2 전극 재료에도, 제1 전극 재료와 마찬가지로 일반적인 압전/전왜 소자의 전극을 구성하기 위해 이용되는 전극용의 금속 성분인 제2 금속 성분이 포함된다. 이 제2 금속 성분은, 제1 전극 재료에 함유되는 제1 금속 성분과, 동일 원소계인 것이다. 제1 금속 성분과 제2 금속 성분이 동일 원소계이면, 형성되는 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 밀착성이 향상되기 때문에 바람직하다. 또한, 본 명세서에서 말하는 「동일 원소계」란, 동일한 금속 원소가 과부족 없이 함유되어 있는 것을 말한다. 단, 복수 종류의 금속 원소가 함유되어 있는 경우, 이들 금속 원소의 비율(함유 비율)은, 동일하더라도 다르더라도 좋다.
제2 금속 성분의 구체예로서는, Ag, Pd, Pt 혹은 Au, 또는 이들의 합금을 주성분으로 하는 것을 들 수 있다. 그 중에서도, Ag 및 Pd를 포함하는 공침법에 의해 얻어지는 금속, 또는 Ag 및 Pd를 포함하는 합금 등의 금속 성분이 바람직하다. 또한, 이 제2 금속 성분은, Ag와 Pd의 합금인 것이 바람직하다. 또한, 제2 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)를 포함하는 것이 바람직하고, 제1 금속 성분과 동일한 것이 더 바람직하다.
(내부 전극용 전극 재료)
본 발명의 압전/전왜 소자가, 예컨대 도 13a에 나타낸 바와 같은, 적층 구조를 갖는 압전/전왜 구동부(11)를 구비한 것인 경우에, 이 압전/전왜 구동부를 구성하는 내부 전극은, 예컨대 내부 전극용 전극 재료에 의해 구성되어 있다. 또한, 이 내부 전극용 전극 재료에는, 통상적으로 전극용의 금속 성분인 제3 금속 성분이 함유되어 있다. 이 제3 금속 성분은, 전술한 제1 금속 성분 및 제2 금속 성분과 동일 원소계인 것이 바람직하다. 제3 금속 성분이, 제1 금속 성분 및 제2 금속 성분과 동일 원소계인 것이면, 내부 전극과 외부 단자 전극의 접속 부분의 밀착 강도가 향상되며, 마이그레이션(migration) 특성의 관점에서 바람직하다. 제3 금속 성분의 구체예로서는, 제1 금속 성분의 구체예로서 열거한 것과 동일한 것을 들 수 있다.
2. 압전/전왜 소자의 제조 방법:
다음에, 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 압전/전왜체의 제조 방법은, 압전/전왜 전구체의 면 상에, 제1 금속 성분 및 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제1 전극층 전구부를 형성하는 공정(이하, 「공정(1)」이라고도 함)과, 제1 전극층 전구부 상에, 상기 제1 금속 성분과 동일 원소계의 제2 금속 성분을 함유하며, 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제2 전극층 전구부를 형성하는 공정(이하, 「공정(2)」라고도 함)과, 압전/전왜 전구체, 제1 전극층 전구부, 및 제2 전극층 전구부를 일체적으로 소성하여, 압전/전왜체의 면 상에, 압전/전왜체에 접촉하여 설치되는 제1 전극층 및 제1 전극층 상에 설치되는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 갖고, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 설치하는 공정(이하, 「공정(3)」이라고도 함)을 포함하는 것이다.
[공정(1)]
공정(1)에서는, 압전/전왜 전구체의 면 상에 제1 전극 재료를 막 형상으로 설치하여, 제1 전극층 전구부를 형성한다. 압전/전왜 전구체는, 소성을 통해 압전/전왜체가 되는, 압전/전왜 재료를 이용하여 얻어지는 미소성의 성형체이다. 이 압전/전왜 전구체는, 예컨대 압전/전왜 재료를 성형함으로써 제조할 수 있다. 또한, 압전/전왜 재료를 성형한 후, 소성을 통해 내부 전극이 되는 내부 전극용 전극 재료를 스크린 인쇄법 등에 의해 막 형상으로 설치하고, 필요에 따라 접착층을 더 형성하는 것 등에 의해 적층 구조로 하더라도 좋다.
압전/전왜 재료(압전/전왜 자기 조성물)를 조제하기 위해서는, 우선 Pb, Sb, Nb, Zr, Ti, Mn, Cu, W의 각 원소 단체, 이들 각 원소의 산화물(PbO, Pb3O4, Sb2O3, Nb205, Ti02, ZrO2, MnO, MnO2, CuO, Cu2O, WO3 등), 탄산염(MnCO3 등), 또는 이들 각 원소를 복수 종 함유하는 화합물(SbNbO2 등) 등을, 각 원소의 함유율이 원하는 조성 비율이 되도록 혼합한다. 혼합 방법으로서는, 일반적인 방법을 이용하면 되고, 예컨대 볼밀을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 볼밀 장치 내에 소정량의 각종 원료, 옥석(玉石), 물을 넣고, 소정 시간만큼 회전시켜 혼합 슬러리를 조제한다. 조제한 혼합 슬러리에 포함되는 수분을 증발시켜 건조하거나 또는 여과하는 등 하여 제거함으로써, 혼합 원료를 얻을 수 있다. 얻어진 혼합 원료를 500∼1000℃에서 하소한 후, 볼밀, 어트리터(attritor), 비드밀 등의 일반적인 분쇄 장치를 이용하여 분쇄하면, 입자형의 압전/전왜 자기 조성물을 조제할 수 있다. 또한, 압전/전왜 자기 조성물은, 일부의 원료를 혼합하여 얻어지는 혼합 원료를 하소·분쇄한 복수 종류의 이차 원료를 조제하고, 조제한 복수 종류의 이차 원료를 혼합하여 얻어지는 혼합 원료를 하소 및 분쇄함으로써도 조제할 수 있다.
조제한 입자형의 압전/전왜 자기 조성물의 평균 입자경은, 0.03∼1.0 ㎛인 것이 바람직하고, 0.05∼0.5 ㎛인 것이 더 바람직하다. 입자경의 조정은, 분쇄하여 얻어진 입자형의 압전/전왜 자기 조성물을, 400∼750℃에서 열처리함으로써 행하더라도 좋다. 미세한 입자일수록 다른 입자와 일체화하여 입자경의 편차가 적은 입자경을 갖춘 압전/전왜체를 형성 가능해지기 때문에 바람직하다. 또한, 압전/전왜 자기 조성물은, 예컨대 알콕시드법이나 공침법 등에 의해 조제하더라도 좋다.
조제한 압전/전왜 자기 조성물(압전/전왜 재료)에, 가소제, 분산제 및 용매 등을 첨가하고, 볼밀 등의 일반적인 혼합 장치를 이용하여 슬러리화한 후, 닥터 블레이드 등의 일반적인 시트 성형기에 의해 테이프 성형 등을 행하면, 막 형상의 압전/전왜 전구체인 그린 성형체를 얻을 수 있다.
계속해서, 얻어진 그린 성형체(압전/전왜 전구체)의 한쪽 면 상에, 제1 전극 재료를, 원하는 치수 및 패턴에 의해 막 형상으로 설치하여 제1 전극층 전구부를 형성한다. 이 제1 전극층 전구부는, 소성을 통해 외부 단자 전극의 일부를 구성하는 제1 전극층이 되는 부분이다. 제1 전극층 전구부를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 정밀하게 고속으로 형성 가능한 점에서, 일반적인 막 형성 장치를 이용하는 스크린 인쇄법이 바람직하다.
[공정(2)]
공정(2)에서는, 공정(1)로 형성한 제1 전극층 전구부 상에 제2 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제2 전극층 전구부를 형성한다. 이 제2 전극층 전구부는, 소성을 통해 외부 단자 전극의 일부를 구성하는 제2 전극층이 되는 부분이다. 제2 전극층 전구부를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 정밀하게 고속으로 형성 가능한 점에서, 일반적인 막 형성 장치를 이용하는 스크린 인쇄법이 바람직하다.
[공정(3)]
공정(3)에서는, 압전/전왜 전구체, 제1 전극층 전구부 및 제2 전극층 전구부를 일체적으로 소성한다. 소성을 통해 압전/전왜 전구체는 압전/전왜체가 되고, 제1 전극층 전구부와 제2 전극층 전구부는, 각각 제1 전극층과 제2 전극층이 되어 외부 단자 전극을 일체적으로 구성한다.
소성은, 전기로 등의 가열 장치를 이용하여 종래의 방법에 따라 행하면 된다. 소성 온도는, 압전/전왜 재료나 전극 재료의 조성 등에도 좌우되지만, 예컨대 제1 금속 성분 및 제2 금속 성분이, Ag, Pd, 또는 이들의 공침분(共沈粉) 혹은 합금분인 경우에는, 통상적으로 860∼960℃, 바람직하게는 880∼940℃이다. 또한, 통상적으로 최고 온도의 유지 시간은 1.0∼5.0 시간이고, 바람직하게는 1.5∼3.5 시간이다.
전술한 바와 같이, 제2 전극층 전구부를 형성하는 데 사용한 제2 전극 재료는, 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 전극 재료이다. 이 때문에, 압전/전왜 전구체, 제1 전극층 전구부, 및 제2 전극층 전구부를 일체적으로 소성한 경우라도, 형성되는 외부 단자 전극의 표면 상(제2 전극층의 표면 상)에 압전/전왜 재료가 석출되는 일이 없다. 따라서, 지금까지 별도의 공정으로 실시하고 있던 압전/전왜체의 소성과 외부 단자 전극의 소성을 일괄적으로 실시하는 것이 가능해져, 제조 공정을 단축할 수 있다.
(압전/전왜 소자의 제조)
도 3은, 본 발명의 압전/전왜 소자의 제조 방법의 일 실시 형태를 설명하는 흐름도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 압전/전왜 소자의 제조 방법에서는, 압전/전왜 재료를 테이프 성형하여 얻은 복수의 그린 성형체에, 스크린 인쇄법 등에 의해 내부 전극 재료를 각각 인쇄한다. 필요에 따라 접착제층을 형성한 후, 최상층에 배치되는 하나의 그린 성형체에 제1 및 제2 전극 재료를 순차적으로 인쇄한다. 제1 및 제2 전극 재료가 인쇄된 그린 성형체가 최상층이 되도록 복수의 그린 성형체를 적층하고, 필요에 따라 가압하여 일체화시킨 후에 1회째의 소성[소성(1)]을 실시하면, 도 12에 나타낸 바와 같은 적층 기판(4)을 얻을 수 있다.
도 12에 나타내는 적층 기판(4)은, 복수의 제품부(5)를 갖는 것이다. 이 적층 기판(4)을 제품부(5)의 외형을 따라 분할하여 복수의 분할체를 얻고, 얻어진 각각의 분할체의 측면에 측면 전극 재료의 인쇄 등을 행한 후, 2번째의 소성[소성(2)]을 실시하면, 도 13a에 나타낸 바와 같은 압전/전왜 소자(20)를 얻을 수 있다.
도 7은, 종래의 압전/전왜의 제조 방법의 일 실시 형태를 설명하는 흐름도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 종래에는 압전/전왜 재료의 소성과 전극의 소성을 별도로 실시해야 했기 때문에, 소성(1) 및 소성(2), 즉 적어도 2회[측면 전극의 소성[소성(3)]을 포함시키면, 적어도 3회]의 소성을 실시해야 했다. 이에 비하여, 본 실시 형태의 압전/전왜의 제조 방법에서는, 압전/전왜 재료의 소성과 전극의 소성을 동시에 실시할 수 있기 때문에, 제조 공정이 간략화되어, 에너지 비용의 면에서도 바람직하다.
또한, 도 3에 나타내는 실시 형태에 있어서는, 소성(1)에 이어 적층 기판의 분할을 실시하고 있지만, 도 4a에 나타내는 실시 형태와 같이, 분할 후에 소성(1)을 실시하더라도 좋고, 게다가 도 4b에 나타내는 실시 형태와 같이, 분할 후에 소성하지 않고 측면 전극 재료를 인쇄하며, 그 후, 소성(1)을 실시하더라도 좋다. 도 4a에 나타내는 실시 형태의 경우는, 소성 횟수가 1회뿐이기 때문에, 제조 공정이 더욱 간략화되어, 에너지 비용의 면에서도 더 바람직하다. 또한, 도 5 및 6에 나타내는 실시 형태와 같이, 그린 성형체를 적층한 후에, 제1 및 제2 전극 재료의 인쇄를 실시하더라도 좋다.
도 13a에 나타내는 압전/전왜 소자(20)는, 압전/전왜 구동부(11)의 최상층에 배치되는 압전/전왜체의 면 상의 3곳에 외부 단자 전극(13, 23)이 설치되어 있다. 또한, 압전/전왜 구동부(11)의 측면에는, 외부 단자 전극(13)과 내부 전극, 및 외부 단자 전극(23)과 내부 전극을 각각 전기적으로 접속하는 2개의 측면 전극(6, 16)이 설치되어 있다. 또한, 압전/전왜 구동부(11)의, 도면에 나타나지 않는 측면에는, 외부 단자 전극(23)과 내부 전극을 전기적으로 접속하는 측면 전극이 설치되어 있다.
도 13a에 나타내는 압전/전왜 구동부(11)는, 도 14∼도 16에 나타낸 바와 같은 설치 양태의 전극[내부 전극(7a), 공통 전극(17), 외부 단자 전극(13, 23)]을 갖는 복수 종류의 기판 요소(11a, 11c, 11d)가 적층됨으로써 구성되어 있다. 또한, 도 17에, 본 발명의 압전/전왜 소자의 다른 실시 형태를 분해하여 모식적으로 나타내는 정면도를 나타낸다. 복수 종류의 기판 요소(11a, 11c, 11d)의 적층 매수나 적층 순서 등은, 압전/전왜 소자의 사용 목적 등에 따라 적절하게 설계된다. 이 압전/전왜 구동부(11)의 측면에 측면 전극(6, 16)을 설치하면, 도 18에 나타낸 바와 같은 압전/전왜 소자(20)를 제조할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다.
(압전/전왜 자기 조성물의 제조)
PbO를 68.5 질량%, TiO2를 11.7 질량%, ZrO2를 17.5 질량%, Sb2O3를 0.90 질량%, Nb2O5를 0.82 질량%, MnCO3를 MnO2 환산으로 0.60 질량%가 되도록 각각의 원료를 계량하고, 소정량의 물과 함께 볼밀로 24시간 혼합하여 조제 슬러리를 얻었다. 얻어진 조제 슬러리를 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 혼합 원료를 얻었다. 얻어진 혼합 원료를 마그네시아제 시스(sheath) 내에 넣고 마그네시아제 뚜껑을 덮어, 전기로 중에서 1000℃로 가열하여 하소함으로써 하소물을 얻었다. 얻어진 하소물을, 소정량의 물과 함께 볼밀로 소정 시간 분쇄한 후, 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 제1 이차 원료를 얻었다.
PbO를 53.3 질량%, CuO를 19.0 질량%, WO3를 27.7 질량%가 되도록 각각의 원료를 계량하고, 소정량의 물과 함께 볼밀로 24시간 혼합하여 조제 슬러리를 얻었다. 얻어진 조제 슬러리를 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 혼합 원료를 얻었다. 얻어진 혼합 원료를 마그네시아제 시스 내에 넣고 마그네시아제 뚜껑을 덮어, 전기로 중에서 800℃로 가열하여 하소함으로써 하소물을 얻었다. 얻어진 하소물을, 소정량의 물과 함께 볼밀로 소정 시간 분쇄한 후, 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 제2 이차 원료를 얻었다.
제1 이차 원료를 97.4 질량부, 제2 이차 원료를 2.6 질량부, 및 소정량의 물을 볼밀에 넣고, 24시간 혼합하여 조제 슬러리를 얻었다. 얻어진 조제 슬러리를 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 혼합 원료를 얻었다. 얻어진 혼합 원료를 마그네시아제 시스 내에 넣고 마그네시아제 뚜껑을 덮어, 전기로 중에서 800℃로 가열하여 하소함으로써 하소물을 얻었다. 얻어진 하소물을, 소정량의 물과 함께 볼밀로 소정 시간 분쇄한 후, 열풍 건조기 내에 넣고 수분을 증발시켜, 건조시킴으로써 압전/전왜 자기 조성물을 얻었다.
(참고예 1∼18)
압전/전왜 자기 조성물, 분산재, 가소제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 조제하고, 닥터블레이드법에 의해 테이프 성형하여 그린 시트를 제작했다. 또한, 제작한 그린 시트의 두께는, 소성 후에 36 ㎛가 되도록 설계했다. 그린 시트 상에, 표 1에 나타내는 금속 성분(공침법에 의해 조제한 Ag-Pd 공침분, Ag-Pd 합금분, 또는 Pt)을 함유하는 페이스트형의 전극 재료를, 스크린 인쇄법에 의해 소정 형상으로 인쇄했다. 또한, 전극 재료의 두께는, 소성 후에 1.5 ㎛가 되도록 인쇄했다. 또한, 전극 재료 상에, 소성 후에 두께가 2.0 ㎛가 되도록 접착층을 인쇄했다.
30층분의 인쇄를 마친 그린 시트를 적층하고 열압착하여, 100개(=20×5)의 제품부를 갖는 적층 기판을 제작했다. 제작한 적층 기판의 높이(H1)는 1.6 mm, 적층 기판의 길이(L1)는 100 mm, 적층 기판의 폭(W1)은 100 mm였다. 제작한 적층 기판을, 전기로 중에서 900℃로 소성(최고 온도 유지 시간: 3시간)한 후, 분할하여 100개의 제품부를 절취했다. 절취한 제품부 각각의 측면부에, Ag-Pd 합금분[Ag:Pd=70:30(질량비)]을 함유하는 페이스트형의 측면 전극 재료를 사용해 측면 전극을 설치하여 100개의 압전/전왜 소자를 제조했다. 제조한 압전/전왜 소자의 높이(H2)는 1.2 mm, 압전/전왜 소자의 길이(L2)는 5.0 mm, 압전/전왜 소자의 폭(W2)은 2.0 mm였다.
제조한 압전/전왜 소자의 표면을 실체 현미경(15배)으로 관찰하고, 외부 단자 전극의 압전/전왜체로부터 박리의 유무를 검사하여, 전극 박리 발생율을 산출했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
(실시예 1)
압전/전왜 자기 조성물, 분산재, 가소제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 조제하고, 닥터블레이드법에 의해 테이프 성형하여 그린 시트를 제작했다. 그린 시트 상에, Ag-Pd 합금분[Ag:Pd=7:3(질량비)]을 97 질량%, 및 압전/전왜 자기 조성물을 3 질량%(단, Ag-Pd 합금분과 압전/전왜 자기 조성물의 합계=100 질량%) 함유하는 페이스트형의 제1 전극 재료를, 스크린 인쇄법에 의해 소정 형상으로 인쇄했다. 또한, 제1 전극 재료의 두께는, 소성 후에 형성되는 제1 전극층의 두께(T1)(도 1 참조)가 5.0 ㎛가 되도록 인쇄했다. 계속해서, 인쇄한 제1 전극 재료 상에, Ag-Pd 합금분[Ag:Pd=7:3(질량비)]을 함유하는 페이스트형의 제2 전극 재료를, 스크린 인쇄법에 의해 소정 형상으로 인쇄했다. 또한, 제2 전극 재료의 두께는, 소성 후에 형성되는 제2 전극층의 두께(T2)(도 1 참조)가 5.0 ㎛가 되도록 인쇄했다. 또한, 제1 전극층의 설치 영역과 제2 전극층의 설치 영역의 치수 차(D)(도 2 참조)가 20 ㎛가 되도록 인쇄했다.
30층분의 인쇄를 마친 그린 시트를 적층하여, 도 12에 나타낸 바와 같은, 100개(=20×5)의 제품부(5)를 갖는 적층 기판(4)을 제작했다. 제작한 적층 기판의 높이(H1)는 1.28 mm, 적층 기판의 길이(L1)는 100 mm, 적층 기판의 폭(W1)은 100 mm였다. 제작한 적층 기판을, 전기로 중에서 900℃로 소성한 후, 분할하여 100개의 제품부(5)를 절취했다. 절취한 제품부(5) 각각의 측면부에, Ag-Pd 합금분[Ag:Pd=7:3(질량비)]을 함유하는 페이스트형의 측면 전극 재료를 사용해 측면 전극을 설치하여, 도 13a에 나타낸 바와 같은 100개의 압전/전왜 소자(20)를 제조했다. 제조한 압전/전왜 소자의 높이(H2)는 1.2 mm, 압전/전왜 소자의 길이(L2)는 5.0 mm, 압전/전왜 소자의 폭(W2)은 2.0 mm였다.
제조한 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극의 표면에 프로브 핀을 대어, LCR 미터로 정전 용량을 측정했다. 통상, 정전 용량이 수십 nF가 되는 바, 정전 용량이 약 0 nF가 된 소자를 「오픈 불량」이라고 평가하고, 측정 불량 발생율을 산출했다(단, 실제로는 1 nF에서 이하의 것을 「오픈 불량」으로 평가함). 측정 불량 발생율은 O%였다.
(실시예 2∼8, 비교예 1∼10)
압전/전왜 자기 조성물이 표 1에 나타내는 비율로 전극 재료에 함유되고, 형성되는 외부 단자 전극을 표 1에 나타내는 구조로 한 것 이외에는, 전술한 실시예 1과 마찬가지로 하여 압전/전왜 소자를 제조했다. 제조한 압전/전왜 소자의 측정 불량 발생율의 산출 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 3 및 비교예 4에서 얻은 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극 표면의 전자 현미경 사진을 도 8 및 도 9에 각각 나타낸다. 도 8 및 도 9에 나타내는 전자 현미경 사진으로부터, 비교예 4에서 얻은 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극 표면에는, 압전/전왜 자기 조성물이 흰 입자형으로 석출되어 있는 데 비하여, 실시예 3에서 얻은 압전/전왜 소자의 외부 단자 전극 표면에는, 흰 입자가 석출되지 않음이 분명하다.
Figure pct00002
본 발명의 압전/전왜 소자는, 초음파 모터, 압전 변압기, 발음체, 액추에이터, 센서 등으로서 적합하다.
1, 11, 21, 31: 압전/전왜 구동부
2, 12, 22: 압전/전왜체
2a: 최상층 압전/전왜체
3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73: 외부 단자 전극
3a, 6a, 13a, 33a, 43a, 53a, 63a, 73a: 제1 전극층
3b, 6b, 13b, 33b, 43b, 53b, 63b, 73b: 제2 전극층
4: 적층 기판
5: 제품부
6, 16: 측면 전극
7a: 내부 전극
10, 20, 30, 40: 압전/전왜 소자
11a, 11c, 11d: 기판 요소
17: 공통 내부 전극
D: 제1 전극층의 설치 영역과 제2 전극층의 설치 영역의 치수 차
D1: 압전/전왜 소자의 직경
H1: 적층 기판의 높이
H2, H3, H4: 압전/전왜 소자의 높이
L1: 적층 기판의 길이
L2, L3: 압전/전왜 소자의 길이
T1: 제1 전극층의 두께
T2: 제2 전극층의 두께
W1: 적층 기판의 폭
W2, W3: 압전/전왜 소자의 폭

Claims (10)

  1. 압전(壓電)/전왜(電歪) 재료로 이루어지는 압전/전왜체를 갖는 압전/전왜 구동부와, 상기 압전/전왜체의 적어도 하나의 면 상에 설치되며, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 포함하고,
    상기 외부 단자 전극은, 상기 압전/전왜체에 접촉하여 설치되고 제1 금속 성분 및 상기 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료로 이루어지는 제1 전극층과, 상기 제1 전극층 상에 설치되며 제2 금속 성분을 함유하고 상기 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료로 이루어지는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 갖는 전극이며,
    상기 제1 금속 성분과 상기 제2 금속 성분은, 동일 원소계의 금속 성분인 것인 압전/전왜 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극층의 설치 영역은, 상기 제1 전극층의 설치 영역에 비해 작은 것인 압전/전왜 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전/전왜 구동부는, 내부 전극용 전극 재료로 이루어지는 내부 전극을 더 갖고, 상기 압전/전왜체와 상기 내부 전극이 교대로 적층된 적층체이며,
    상기 내부 전극용 전극 재료는, 상기 제1 금속 성분 및 상기 제2 금속 성분과 동일 원소계의 제3 금속 성분을 함유하는 것인 압전/전왜 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압전/전왜 구동부는 기둥형 적층체이고,
    그 측면에 설치되어, 상기 외부 단자 전극과 상기 내부 전극을 전기적으로 접속하는 측면 전극을 더 포함하는 것인 압전/전왜 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전/전왜 재료는 티탄산지르콘산납계의 압전/전왜 자기 조성물인 것인 압전/전왜 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압전/전왜 자기 조성물은 Pb를 PbO 환산으로 65∼70 질량%, Ti를 TiO2 환산으로 7.0∼16.0 질량%, Zr를 ZrO2 환산으로 10.5∼24.5 질량%, Sb를 Sb2O3 환산으로 0.65∼1.05 질량%, Nb를 Nb2O5 환산으로 0.5∼0.8 질량%, Cu를 CuO 환산으로 0.3∼0.7 질량%, W를 WO3 환산으로 0.6∼1.5 질량% 및 Mn을 MnO2 환산으로 0.3∼0.7 질량% 함유하고,
    Cu와 W의 함유비가, 몰비로 1.5:1∼2.5:1인 것인 압전/전왜 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 금속 성분 및 상기 제2 금속 성분은, Ag, Pd, Pt 혹은 Au, 또는 이들의 합금을 주성분으로 하는 것인 압전/전왜 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)를 포함하는 것이고,
    상기 제1 금속 성분과 상기 압전/전왜 재료의 합계에 대한, 상기 압전/전왜 재료의 함유 비율이 10∼50 체적%인 압전/전왜 소자.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제2 금속 성분은, 60∼90 질량%의 Ag 및 10∼40 질량%의 Pd(단, Ag+Pd=100 질량%)을 포함하는 것인 압전/전왜 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재한 압전/전왜 소자를 제조하는 방법으로서, 압전/전왜 전구체의 면 상에, 제1 금속 성분 및 압전/전왜 재료를 함유하는 제1 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제1 전극층 전구부(前驅部)를 형성하는 공정과,
    상기 제1 전극층 전구부 상에, 상기 제1 금속 성분과 동일 원소계의 제2 금속 성분을 함유하며, 상기 압전/전왜 재료를 실질적으로 함유하지 않은 제2 전극 재료를 막 형상으로 설치하여 제2 전극층 전구부를 형성하는 공정과,
    상기 압전/전왜 전구체, 상기 제1 전극층 전구부, 및 상기 제2 전극층 전구부를 일체적으로 소성하여, 압전/전왜체의 면 상에, 상기 압전/전왜체에 접촉하여 설치되는 제1 전극층, 및 제1 전극층 상에 설치되는 제2 전극층을 구비한 적층 구조를 가지며, 유리 성분을 실질적으로 함유하지 않은 막 형상의 외부 단자 전극을 설치하는 공정
    을 포함하는 압전/전왜 소자의 제조 방법.
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