JP2001102648A - Laminated piezoelectric transducer element and manufacturing method therefor - Google Patents

Laminated piezoelectric transducer element and manufacturing method therefor

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JP2001102648A
JP2001102648A JP27566499A JP27566499A JP2001102648A JP 2001102648 A JP2001102648 A JP 2001102648A JP 27566499 A JP27566499 A JP 27566499A JP 27566499 A JP27566499 A JP 27566499A JP 2001102648 A JP2001102648 A JP 2001102648A
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piezoelectric
powder
mpa
pzt
temperature
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Matsui
直樹 松井
Koji Katsuragi
廣治 葛城
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminated piezoelectric transducer element, in which laminated bodies are firmly coupled with each other and delamination hardly occurs among the laminates and which can obtain large displacement and a high drive speed. SOLUTION: A laminated piezoelectric transducer element is manufactured, in such a way that a laminate composed of alternately laminated PZT layers 23 and electrode layers 24 is formed by alternately packing a prescribed quantity of piezoelectric ceramic (hereinafter called 'PZT') powder 2 containing PZT (PbZrO3.PbTiO3) and a prescribed quantity of an electrode material, such as the platinum material, platinum foil, etc., in a cylindrical space constituted of a die 3 and punches 4 and 5. Then the die 3 and punches 4 and 5 are loaded in a discharge plasma sintering device, and the layers 23 and 24 are sintered to each other by heating the laminate in the temperature range of 850-1,100 deg.C, by supplying a pulse-like current of a prescribed voltage and a prescribed frequency to the laminate, while the powder 2 is pressurized with a pressure of >5 MPa by pressurizing the punches 4 and 5 by means of a pressurizing mechanism.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は積層型圧電変換素
子とその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multilayer piezoelectric transducer and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電変換素子は供給される電気エネルギ
を駆動力に変換する変換効率が高く、また、発生する駆
動力の制御が容易であるため、カメラ、計測機器、その
他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決めを行うアク
チエータの駆動源として利用されるようになつてきた。
2. Description of the Related Art Piezoelectric transducers have a high conversion efficiency for converting supplied electric energy into driving force and are easy to control the generated driving force, so that they can be used in cameras, measuring instruments, and other precision machines. It has been used as a drive source of an actuator for driving and positioning a drive member.

【0003】圧電変換素子として最も基本的な構成は、
単位の圧電素子を複数枚積層して構成した積層型圧電変
換素子で、単位の圧電素子を複数枚積層して構成するの
は、単位の圧電素子に発生する厚み方向の変位をできる
だけ大きくして取り出すためである。
[0003] The most basic configuration of a piezoelectric conversion element is as follows.
A multi-layer piezoelectric transducer composed of a plurality of unit piezoelectric elements laminated, and composed of a plurality of unit piezoelectric elements laminated, requires that the displacement in the thickness direction generated in the unit piezoelectric element be as large as possible. To take it out.

【0004】積層型圧電変換素子の製造方法には、大別
して2つの方法がある。第1の製造方法は単板積層型と
呼ばれるもので、圧電セラミックス材料で構成した薄板
状の圧電母材を焼成し、これを研磨して所定の積層数だ
けの枚数の圧電素子単板を作成する。次に、この圧電素
子単板の間に電極材と接着剤を兼ねる導電ペーストを挟
みながら順次積層してから所定の大きさに裁断し、所定
積層数の積層型圧電変換素子を作成するものである。
[0004] There are roughly two methods of manufacturing a laminated piezoelectric transducer. The first manufacturing method is called a single-plate laminated type, in which a thin plate-shaped piezoelectric base material made of a piezoelectric ceramic material is baked and polished to form a predetermined number of laminated piezoelectric element single plates. I do. Next, the piezoelectric element single plates are sequentially laminated while sandwiching a conductive paste also serving as an electrode material and an adhesive, and then cut into a predetermined size to produce a predetermined number of laminated piezoelectric transducers.

【0005】第2の製造方法はグリーンシート積層型と
呼ばれるもので、圧電セラミックス材料とバインダー樹
脂及び可塑剤などの添加剤とを適当な溶剤を加えて均一
に撹拌して圧電母材のスラリーを作成する。次に、この
圧電母材のスラリーをコーターなどの均一薄膜コート装
置を用いてキャリアシート上に数十μm厚で塗布し、乾
燥の上、キャリアシートから剥離することで、グリーン
シートと呼ばれる圧電母材シートが得られる。
The second manufacturing method is called a green sheet lamination type, in which a piezoelectric ceramic material and additives such as a binder resin and a plasticizer are added to an appropriate solvent and uniformly stirred to form a slurry of the piezoelectric base material. create. Next, the slurry of the piezoelectric base material is applied to a carrier sheet with a thickness of several tens of μm using a uniform thin film coating device such as a coater, dried, and then separated from the carrier sheet, thereby forming a piezoelectric sheet called a green sheet. A material sheet is obtained.

【0006】次に、このグリーンシートの表面に電極材
となる導電ペーストをスクリーン印刷などの方法で塗布
し、所定の大きさに裁断して所定の枚数だけ順次積層
し、積層体を焼成して所定の積層数の積層型圧電変換素
子を作成するものである。
Next, a conductive paste serving as an electrode material is applied to the surface of the green sheet by a method such as screen printing, cut into a predetermined size, and sequentially laminated by a predetermined number of sheets. This is for producing a predetermined number of laminated piezoelectric transducers.

【0007】焼成した圧電素子単板を積層する方法で
は、研磨及び積層作業の際に割れが発生することがある
ため、圧電素子単板の厚みに限界があり、通常は100
μm程度以上の厚みのものが使用されることが多い。こ
れに比較してグリーンシートはバインダー樹脂を含むの
で柔軟性があり、グリーンシート単板の厚みを10〜5
0μm程度の薄膜化が可能である。
In the method of laminating the baked piezoelectric element single plates, cracks may occur during the polishing and laminating operations, so that the thickness of the piezoelectric element single plate is limited.
Thicknesses of about μm or more are often used. On the other hand, since the green sheet contains a binder resin, it is flexible, and the thickness of the green sheet veneer is 10 to 5 mm.
The thickness can be reduced to about 0 μm.

【0008】このため、グリーンシート積層型の圧電変
換素子では1層当たりの層を薄くできるから電界強度を
高めることができる。このため、低電圧駆動で同一変位
を発生させる場合、単板積層型の圧電変換素子に比較し
て高さ方向(圧電単板の積層方向)の寸法が短くなり、
装置の小型化が可能となる。
For this reason, in the green sheet laminated type piezoelectric transducer, the thickness of each layer can be reduced, so that the electric field strength can be increased. Therefore, when the same displacement is generated by low-voltage driving, the dimension in the height direction (the laminating direction of the piezoelectric veneer) becomes shorter than that of the veneer-type piezoelectric transducer,
The size of the device can be reduced.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】単板積層型の圧電変換
素子でもグリーンシート積層型の圧電変換素子でも、変
位を増大させる、或いは駆動速度を増加させるために、
素子に印加する駆動パルス電圧やその駆動周波数を増大
させていくと、積層型の圧電変換素子は自己破壊してし
まう。この駆動時の破損の殆どは積層体間の剥離(以
下、層間剥離という)である。
In order to increase the displacement or the driving speed of either a single-plate laminated piezoelectric transducer or a green-sheet laminated piezoelectric transducer,
When the driving pulse voltage applied to the element and the driving frequency thereof are increased, the multi-layer piezoelectric conversion element self-destructs. Most of the damage during the driving is peeling between the laminates (hereinafter, referred to as delamination).

【0010】そのため、素子への印加電圧や駆動周波数
の限界は、素子の絶縁破壊が生じる以下の電圧で、且つ
層間剥離の生じない範囲の電圧、周波数とされている。
即ち、層間剥離による素子破壊のため、素子への電圧印
加に際しては、急激な素子の伸長による歪みの集中を抑
えるため、駆動パルスの波形の急激な立ち上げを避けた
り、駆動周波数も変位が急激に増大する共振周波数以下
とするなど、様々な制約がある。
[0010] Therefore, the limits of the voltage applied to the element and the driving frequency are set to a voltage below the voltage at which dielectric breakdown of the element occurs and a voltage and frequency within a range in which delamination does not occur.
That is, when the voltage is applied to the element, the concentration of the strain due to the sudden expansion of the element is suppressed, and thus the drive pulse waveform is prevented from rising sharply and the drive frequency is also rapidly changed. There are various restrictions, such as lowering the resonance frequency.

【0011】積層型の圧電変換素子の層間剥離の防止に
は、素子と電極材との接合強度を高める必要がある。ま
た、単板積層型の圧電変換素子では、積層体の傾きや各
層間の電界強度を揃えるため、圧電素子単板をラッピン
グ加工等の研磨加工を施して高精度の平面と厚みを持つ
素子に仕上げる必要がある。また、グリーンシート積層
型の圧電変換素子では、焼成時に反りが発生して不良品
となり、歩留まりが良くない。このように、積層型の圧
電変換素子では製造過程で幾つかの解決を必要とする課
題があるが、この発明は、上記課題を解決することを目
的とするものである。
In order to prevent delamination of the laminated piezoelectric conversion element, it is necessary to increase the bonding strength between the element and the electrode material. In addition, in the case of a single-plate laminated type piezoelectric transducer, in order to equalize the inclination of the laminate and the electric field strength between the layers, the piezoelectric element single plate is polished by lapping or the like to obtain a highly accurate flat and thick element. Need to finish. Further, in the green sheet laminated type piezoelectric transducer, warpage occurs during firing, resulting in a defective product, and the yield is not good. As described above, there are problems that need to be solved in the manufacturing process in the case of a laminated piezoelectric conversion element. However, the present invention aims to solve the above problems.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するもので、請求項1の発明は、圧電材料と電極材料
とを交互に積層し、圧縮して各層間の密着性を高めた状
態で、5MPaを超える圧力をかけながら温度を850
℃以上1100℃未満で通電焼結法により焼結させたこ
とを特徴とする積層型圧電変換素子である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems. According to the first aspect of the present invention, a piezoelectric material and an electrode material are alternately laminated and compressed to increase the adhesion between the respective layers. In this state, the temperature was increased to 850 while applying a pressure exceeding 5 MPa.
A multilayer piezoelectric conversion element characterized by being sintered by an electric conduction sintering method at a temperature of not less than 1100 ° C and not more than 1100 ° C.

【0013】請求項2の発明は、前記請求項1の発明に
おいて、圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛を含む粉体或
いはその粉体を使用したグリーンシートであり、電極材
料が白金、パラジウム、ニッケルから選択される少なく
とも1種類を含む粉体、箔、或いは導電ペーストであ
り、5MPaを超える圧力をかけながら温度を850℃
以上1100℃未満、好ましくは10MPaを超える圧
力をかけながら温度900℃以上1000℃以下で通電
焼結法により焼結させたことを特徴とする積層型圧電変
換素子である。また、前記通電焼結法には放電プラズマ
焼結法を使用することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the piezoelectric material is a powder containing lead zirconate titanate or a green sheet using the powder, and the electrode material is platinum, palladium, nickel or the like. Powder, foil or conductive paste containing at least one selected from the group consisting of: 850 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa
A multi-layer piezoelectric conversion element characterized by being sintered by a current sintering method at a temperature of 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less while applying a pressure of less than 1100 ° C., preferably more than 10 MPa. Further, a spark plasma sintering method can be used as the electric current sintering method.

【0014】請求項4の発明は、圧電材料と電極材料と
を交互に積層し、圧縮して各層間の密着性を高めた状態
で、5MPaを超える圧力をかけながら温度を850℃
以上1100℃未満、好ましくは10MPaを超える圧
力をかけながら温度900℃以上1000℃以下で通電
焼結法により焼結させた後、室温まで冷却することを特
徴とする積層型圧電変換素子の製造方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, a piezoelectric material and an electrode material are alternately laminated, and the temperature is increased to 850 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa in a state where the adhesion between the layers is increased by compression.
A method for producing a multilayer piezoelectric transducer, comprising sintering at a temperature of 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less while applying a pressure of at least 1100 ° C., preferably over 10 MPa, and then cooling to room temperature. It is.

【0015】請求項5の発明は、前記請求項4の発明に
おいて、圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛を含む粉体或
いはその粉体を使用したグリーンシートであり、電極材
料が白金、パラジウム、ニッケルから選択される少なく
とも1種類を含む粉体、箔、或いは導電ペーストであ
り、5MPaを超える圧力をかけながら温度を850℃
以上1100℃未満、好ましくは10MPaを超える圧
力をかけながら温度900℃以上1000℃以下で通電
焼結法により焼結させた後、室温まで冷却することを特
徴とする積層型圧電変換素子の製造方法である。また、
前記通電焼結法には放電プラズマ焼結法を使用すること
ができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the piezoelectric material is a powder containing lead zirconate titanate or a green sheet using the powder, and the electrode material is platinum, palladium or nickel. Powder, foil or conductive paste containing at least one selected from the group consisting of: 850 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa
A method for producing a multilayer piezoelectric transducer, comprising sintering at a temperature of 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less while applying a pressure of at least 1100 ° C., preferably over 10 MPa, and then cooling to room temperature. It is. Also,
A spark plasma sintering method can be used for the electric current sintering method.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を説
明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0017】[放電プラズマ焼結法]まず、通電焼結法
の1つである放電プラズマ焼結法について説明する。放
電プラズマ焼結法とは、成形型の中に装填した粉体に加
圧しながらパルス状電流を通電して放電プラズマを発生
させて焼結させるもので、粒子の成長を起こさずに焼結
し、原料粉体よりも高密度の焼結体を製造することがで
きる焼結法である。
[Spark Plasma Sintering Method] First, a spark plasma sintering method, which is one of the electric current sintering methods, will be described. Discharge plasma sintering is a method of sintering by generating a discharge plasma by applying a pulsed current while applying pressure to the powder loaded in the mold, and sintering without causing particle growth. This is a sintering method capable of producing a sintered body having a higher density than the raw material powder.

【0018】即ち原料の粉体を加圧しながらパルス状電
流を通電すると共に、そのピーク電流とパルス幅を制御
して材料温度を制御しつつ圧縮焼結する。粉体粒子間隙
に生ずる放電現象を利用して放電プラズマ、放電衝撃圧
力などによる粒子表面の浄化活性化作用、及び電場に生
ずる電解拡散効果やジュール熱による熱拡散効果、加圧
による塑性変形力などが焼結を促進する。
That is, a pulse-shaped current is applied while the raw material powder is being pressed, and the peak current and the pulse width are controlled to compress and sinter while controlling the material temperature. Utilization of discharge phenomena generated in the gaps between powder particles, activation of purification of particle surfaces by discharge plasma, discharge impact pressure, etc., electrolytic diffusion effect of electric field, thermal diffusion effect by Joule heat, plastic deformation force by pressurization, etc. Promotes sintering.

【0019】放電プラズマ焼結装置としては、原料粉体
の加熱・冷却及び加圧ができ、放電を起すだけの電圧を
印加できるものが必要である。
As the discharge plasma sintering apparatus, one capable of heating, cooling and pressurizing the raw material powder and applying a voltage sufficient to generate a discharge is required.

【0020】図1は放電プラズマ焼結装置の構成の概略
を示す図で、放電プラズマ焼結装置1は、粉体2を装填
し成形する成形型であるダイ3と、そのダイ3の上下に
配置された一対の圧縮及び通電用のパンチ4、5から構
成される。
FIG. 1 is a view schematically showing the structure of a discharge plasma sintering apparatus. A discharge plasma sintering apparatus 1 includes a die 3 which is a molding die for loading and molding a powder 2 and a die 3 above and below the die 3. It is composed of a pair of compression and energization punches 4, 5 arranged.

【0021】パンチ4、5は、その上下に延長部4a、
5aが設けられており、加圧機構12から供給される油
圧その他の手段により延長部4a、5aを介してパンチ
4、5が粉体2を加圧し、圧縮するように構成されてい
る。また、延長部4a、5aの内部には冷却水路9a、
9bが形成されていて冷却機構15から供給される冷却
水によりパンチ4、5が冷却されるように構成されてい
る。
The punches 4 and 5 are provided with upper and lower extensions 4a,
5a is provided, and the punches 4 and 5 are configured to press and compress the powder 2 through the extension portions 4a and 5a by hydraulic pressure or other means supplied from the pressing mechanism 12. Further, cooling water passages 9a are provided inside the extension portions 4a and 5a.
9b is formed, and the punches 4 and 5 are configured to be cooled by cooling water supplied from the cooling mechanism 15.

【0022】また、ダイ3とパンチ4、5及びその延長
部4a、5aは真空チャンバー8の内部に収納されてい
る。真空チャンバー8は雰囲気制御機構14に接続され
ており、ダイ3とパンチ4、5を所定の真空度の真空中
に保つか、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中
に保つか、さらには大気雰囲気中に保つこともできるよ
うに構成されている。
The die 3, the punches 4, 5 and their extensions 4a, 5a are housed inside a vacuum chamber 8. The vacuum chamber 8 is connected to an atmosphere control mechanism 14, and keeps the die 3 and the punches 4, 5 in a vacuum of a predetermined degree of vacuum, or in an atmosphere of an inert gas such as argon gas, and furthermore, in the atmosphere. It is configured so that it can be kept in the atmosphere.

【0023】ダイ3とパンチ4、5は、グラファイト等
の導電性部材で構成され、パンチ4、5の端部にはそれ
ぞれ電極6、7が取り付けられており、電極6、7は焼
結用電源13に接続され、ダイ3の内部に装填された粉
体2にパルス電流を供給するように構成されている。
The die 3 and the punches 4 and 5 are made of a conductive material such as graphite, and electrodes 6 and 7 are attached to the ends of the punches 4 and 5 respectively. It is connected to a power supply 13 and configured to supply a pulse current to the powder 2 loaded inside the die 3.

【0024】また、加圧機構12、焼結用電源13、雰
囲気制御機構14、冷却機構15を制御するために制御
装置11が設けられており、制御装置11には図示され
ていないが、ダイ3の温度、圧力、その他の情報を検出
するセンサが接続され、所定の制御が実行されるように
構成されている。
A control device 11 is provided for controlling the pressurizing mechanism 12, the sintering power supply 13, the atmosphere control mechanism 14, and the cooling mechanism 15, and the control device 11 has a die (not shown). Sensors for detecting temperature, pressure, and other information are connected to each other so that predetermined control is performed.

【0025】以上の構成において、圧電セラミックスの
粉体2を所望形状のダイ3及びパンチ4、5で構成され
る空間に装填し、真空チャンバー8に所定の雰囲気ガス
を注入すると共に、加圧機構12によりパンチ4、5を
加圧駆動して粉体2を加圧しながら焼結用電源13から
パルス電流を供給することで、所望の形状の焼結体を作
成することができる。
In the above-described configuration, the piezoelectric ceramic powder 2 is loaded into a space formed by the die 3 and the punches 4 and 5 having a desired shape, a predetermined atmospheric gas is injected into the vacuum chamber 8, and a pressurizing mechanism is provided. By supplying a pulse current from the power source 13 for sintering while pressing the powders 2 by pressing the punches 4 and 5 by the 12, a sintered body having a desired shape can be produced.

【0026】[圧電変換素子の焼結成形工程]以下、上
記した放電プラズマ焼結装置を使用した圧電変換素子の
焼結成形工程について説明する。
[Sintering and Forming Step of Piezoelectric Conversion Element] The sintering and forming step of the piezoelectric conversion element using the above-mentioned discharge plasma sintering apparatus will be described below.

【0027】図2は、ダイ3及びパンチ4、5の内部に
圧電セラミックスの粉体を装填した状態の断面図であ
る。まず、ダイ3及びパンチ4、5はグラファイト製の
ものを使用する。ダイ3の内周面に焼き付き防止のため
にカーボンペーパー21を巻く。下側のパンチ5をダイ
3の内面に挿入し、パンチ5の上にもパンチ5と同じ直
径に切り出したカーボンペーパー22を置く。
FIG. 2 is a sectional view showing a state in which the piezoelectric ceramic powder is loaded in the die 3 and the punches 4 and 5. First, the die 3 and the punches 4 and 5 are made of graphite. A carbon paper 21 is wound around the inner peripheral surface of the die 3 to prevent seizure. The lower punch 5 is inserted into the inner surface of the die 3, and the carbon paper 22 cut out to the same diameter as the punch 5 is also placed on the punch 5.

【0028】次に、ダイ3とパンチ5で構成された円筒
状の空間に、圧電セラミックス(圧電材料)としてチタ
ン酸ジルコン酸鉛、略称PZT(PbZrO3 ・PbT
iO 3 )を主成分とする圧電セラミックス粉末(以下、
PZTという)を装填し、その上に電極材料、例えば白
金粉末を装填し、これらの材料を交互に所定量づつ装填
し、PZT層23と電極層24とが交互に積層された複
数層の積層体が構成されるように装填する。このとき、
最上層と最下層にPZT層が位置するように積層する。
Next, a cylinder constituted by the die 3 and the punch 5
In the space of the shape, the piezoelectric ceramic (piezoelectric material)
Lead zirconate, abbreviated PZT (PbZrOThree・ PbT
iO Three) As the main component (hereinafter, referred to as piezoelectric ceramic powder)
PZT) and an electrode material such as white
Gold powder is charged, and these materials are charged alternately by a predetermined amount.
And a PZT layer 23 and an electrode layer 24 alternately stacked.
It is loaded so that several layers of the laminate are formed. At this time,
The layers are stacked such that the PZT layer is located on the uppermost layer and the lowermost layer.

【0029】所定積層数が終了した後、最上層のPZT
層の上にカーボンペーパー25を置き、その上からパン
チ4をダイ3に挿入して蓋をする。
After the predetermined number of layers is completed, the uppermost PZT
The carbon paper 25 is placed on the layer, and the punch 4 is inserted into the die 3 from above, and the lid is closed.

【0030】内部にPZT層23と電極層24とが交互
に積層されたダイ3及びパンチ4、5を先に説明した放
電プラズマ焼結装置1に装着し、真空チャンバー8に所
定の雰囲気ガスを注入すると共に、加圧機構12により
パンチ4、5を加圧駆動して粉体2を加圧しながら焼結
用電源13から所定の電圧と周波数のパルス電流を供給
して加熱し、焼結させる。この処理を放電プラズマ焼結
処理という(以下、SPS処理と略称する場合があ
る)。
The die 3 and the punches 4 and 5 in which the PZT layers 23 and the electrode layers 24 are alternately laminated are mounted on the discharge plasma sintering apparatus 1 described above, and a predetermined atmospheric gas is supplied to the vacuum chamber 8. At the same time, the punches 4 and 5 are driven by the pressurizing mechanism 12 to drive and press the powder 2 to supply a pulse current of a predetermined voltage and frequency from the sintering power supply 13 to heat and sinter. . This process is called a discharge plasma sintering process (hereinafter, may be abbreviated as SPS process).

【0031】次に、前記SPS処理工程で得られた焼結
体の加熱酸化処理を行う。即ち、上記したダイ3及びパ
ンチ4、5はグラファイト製であるため、焼成の完了し
た焼結体の表面にはグラファイトが付着して黒変し、更
にグラファイトの還元作用でPZTの組成に一部酸素欠
陥が生じることで電気抵抗が低下し、焼結体が導電性に
なつている場合がある。
Next, a heat oxidation treatment is performed on the sintered body obtained in the SPS processing step. That is, since the above-mentioned die 3 and punches 4 and 5 are made of graphite, graphite adheres to the surface of the sintered body which has been fired and turns black, and a part of the PZT composition is reduced by the reduction action of graphite. Occurrence of oxygen vacancies lowers the electrical resistance, and the sintered body may become conductive.

【0032】このため、電気炉を使用して、焼結体を酸
素もしくは空気雰囲気の中で600℃〜850℃に加熱
して付着したグラファイトを熱分解して除去すると共に
還元されたPZTの組成の酸素欠陥が解消(即ち酸化)
されると、PZT層23と電極層24とが交互に積層さ
れた積層型圧電変換素子が完成する。
Therefore, the sintered body is heated to 600 ° C. to 850 ° C. in an oxygen or air atmosphere using an electric furnace to thermally decompose and remove the adhered graphite and to reduce the composition of reduced PZT. Eliminates oxygen deficiency (ie oxidation)
Then, a stacked piezoelectric transducer in which the PZT layers 23 and the electrode layers 24 are alternately stacked is completed.

【0033】上記した加熱酸化処理では、グラファイト
を熱分解するに十分な高温度での加熱酸化処理が望まし
く、600℃以上での加熱が望ましいが、一方、850
℃以上で加熱すると、圧電材料であるPZTを構成する
成分の1つである鉛成分がPbOとして蒸発し始め、組
成が変化して性能が著しく低下してしまうので、600
℃〜850℃の温度範囲が適当である。
In the above-mentioned thermal oxidation treatment, it is desirable to carry out thermal oxidation treatment at a high temperature sufficient to thermally decompose graphite, and it is desirable to carry out heating at 600 ° C. or higher.
When heated at a temperature of at least C., the lead component, which is one of the components constituting PZT, which is a piezoelectric material, starts to evaporate as PbO, and the composition changes to significantly lower the performance.
A temperature range from ℃ to 850 ℃ is suitable.

【0034】[実施例1]以下、積層型圧電変換素子
(以下、PZT素子という)の具体的な製造工程の実施
例を説明する。まず、実施例1は、圧電材料としてPZ
T粉末を、電極材料として白金粉末を使用したものであ
る。また、この実施例では、ダイ3の内径は約20.2
mm、ダイ3の外径は約40mmとする。また、PZT
粉末層の厚みは約100μm、白金粉末層の厚みは約5
μmとし、PZT層23の積層数は10、電極層24の
積層数は9である。
[Embodiment 1] Hereinafter, an embodiment of a specific manufacturing process of a laminated piezoelectric transducer (hereinafter, referred to as a PZT element) will be described. First, in Example 1, PZ was used as the piezoelectric material.
The T powder uses platinum powder as an electrode material. In this embodiment, the inner diameter of the die 3 is about 20.2.
mm and the outer diameter of the die 3 is about 40 mm. Also, PZT
The thickness of the powder layer is about 100 μm, and the thickness of the platinum powder layer is about 5
μm, the number of layers of the PZT layer 23 is 10, and the number of layers of the electrode layer 24 is 9.

【0035】SPS処理では、温度上昇速度を100℃
/minとし、この条件が満たされるように供給パルス
電流を設定し、1000℃まで加熱してこの状態に5分
間維持した後、室温まで自然冷却した。このときの加圧
条件は40MPaである。
In the SPS process, the temperature rise rate is 100 ° C.
/ Min, the supply pulse current was set so as to satisfy this condition, heated to 1000 ° C., maintained in this state for 5 minutes, and then cooled naturally to room temperature. The pressure condition at this time is 40 MPa.

【0036】焼成の完了した焼結体は、上下端面にカー
ボンペーパー22、25が焼き付いて固着した状態にあ
るから、上下端面のカーボンペーパー22、25を研磨
して取り除き、更に、800℃で2時間加熱して加熱酸
化処理し、付着したグラファイトを熱分解し、PZT素
子の組成の酸素欠陥を解消した。
The fired sintered body is in a state where the carbon papers 22 and 25 are baked and fixed to the upper and lower end surfaces. Therefore, the carbon papers 22 and 25 on the upper and lower end surfaces are polished and removed. The resultant was heated and oxidized by heating, and the attached graphite was thermally decomposed to eliminate oxygen deficiency in the composition of the PZT element.

【0037】加熱酸化処理による電極間の電気抵抗の変
化を説明する。前記通り、放電プラズマ焼結処理を行な
つた直後は、表面に付着したグラファイトのため各電極
間の電気抵抗は数kΩ〜数十kΩ程度になつており、積
層型圧電変換素子の電極間に電圧を印加して分極するに
は電気抵抗が低すぎる。
The change in electric resistance between the electrodes due to the heat oxidation treatment will be described. As described above, immediately after performing the discharge plasma sintering process, the electrical resistance between the electrodes is about several kΩ to several tens of kΩ due to the graphite adhered to the surface, and between the electrodes of the multilayer piezoelectric conversion element. The electric resistance is too low to polarize by applying a voltage.

【0038】即ち、分極時の必要電界は圧電変換素子を
構成する材料であるPZTの組成で異なるにしても、通
常1500〜3000V/mmである。上記した実施例
1の場合、必要分極電界は60℃で1500V/mmで
あり、焼結処理の後は、PZT素子1層の厚みが約80
μmに収縮しているから、分極処理のための印加電圧
は、1500×0.08=120Vになる。放電プラズ
マ焼結処理を行なつた直後は各電極間の電気抵抗が低い
から、この電圧120Vを電極間に印加すると電極間で
放電して素子が破壊されてしまうので、加熱酸化処理に
より電極間の電気抵抗を高抵抗状態にすることが不可欠
となる。
That is, the required electric field at the time of polarization is usually 1500 to 3000 V / mm, even if it depends on the composition of PZT which is a material constituting the piezoelectric transducer. In the case of Example 1 described above, the required polarization electric field is 1500 V / mm at 60 ° C., and after the sintering process, the thickness of one PZT element layer is about 80%.
Since it has contracted to μm, the applied voltage for the polarization process is 1500 × 0.08 = 120V. Immediately after the discharge plasma sintering process is performed, the electric resistance between the electrodes is low. Therefore, when a voltage of 120 V is applied between the electrodes, a discharge occurs between the electrodes and the element is destroyed. It is indispensable to make the electrical resistance of the high resistance state.

【0039】図3は、放電プラズマ焼結処理を行なつた
直後の電極間の電気抵抗と、加熱処理を行なつたときの
電極間の電気抵抗を示すものである。図3から明らかな
ように、SPS処理直後では、抵抗値は103 乃至10
7 Ωであつたものが、加熱酸化処理により109 Ω以上
となることがわかる。
FIG. 3 shows the electrical resistance between the electrodes immediately after performing the discharge plasma sintering process and the electrical resistance between the electrodes after performing the heating process. As is clear from FIG. 3, immediately after the SPS processing, the resistance value is 10 3 to 10 3
It can be seen that the value of 7 Ω becomes 10 9 Ω or more by the heat oxidation treatment.

【0040】図4は、SPS処理で製作したPZT素子
の、SPS処理時の最高到達温度及び加圧条件と、完成
した変換素子で得られる変位量の関係を測定した結果を
示す図で、横軸は放電プラズマ焼結処理の最高到達温度
(℃)を、縦軸は変位量(nm)を示す。
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the relationship between the maximum temperature and pressure applied during SPS processing and the amount of displacement obtained with the completed conversion element of the PZT element manufactured by SPS processing. The axis represents the maximum temperature (° C.) of the spark plasma sintering treatment, and the axis of ordinate represents the displacement (nm).

【0041】この測定においては、サンプルPZT素子
は上下にそれぞれ1個の非活性のPZT素子と、その中
間に8個の活性PZT素子からなる10層のPZT素子
を使用し、ダイ3をそれぞれ、850℃、900℃、9
50℃、1000℃、1050℃にまで100℃/mi
nの割合で昇温し、5分間保持した後、室温まで冷却し
た。また、加圧力として、5MPa、10MPa、20
MPa、40MPa、60MPaの5つの条件を設定し
た。図4において、線(a)は加圧力10MPa、線
(b)は加圧力20MPa、線(c)は加圧力40MP
a、線(d)は加圧力60MPaの場合を示す。
In this measurement, the sample PZT element uses a 10-layer PZT element consisting of one inactive PZT element at the top and bottom and eight active PZT elements in the middle, and the die 3 850 ° C, 900 ° C, 9
100 ℃ / mi up to 50 ℃, 1000 ℃, 1050 ℃
The temperature was raised at a rate of n, held for 5 minutes, and then cooled to room temperature. Further, as the pressing force, 5 MPa, 10 MPa, 20
Five conditions of MPa, 40 MPa, and 60 MPa were set. In FIG. 4, the line (a) has a pressure of 10 MPa, the line (b) has a pressure of 20 MPa, and the line (c) has a pressure of 40 MPa.
a and line (d) show the case of a pressure of 60 MPa.

【0042】ダイの温度は、グラファイト製のダイ3の
表面温度を放射温度計で測定した。なお、ダイの内部に
あるPZT素子の焼結温度は、加圧条件によつても異な
るが、ダイの表面温度よりも100℃〜250℃高いこ
とが熱電対を組み込んたダミーサンプルの温度計測で確
認されている。予めダイの内部温度と表面温度との相関
関係を調べることで、実際のPZT素子の焼結温度を管
理するようにした。
The die temperature was measured by measuring the surface temperature of the graphite die 3 with a radiation thermometer. The sintering temperature of the PZT element inside the die differs depending on the pressurization condition, but it is 100 ° C to 250 ° C higher than the die surface temperature in the temperature measurement of the dummy sample incorporating the thermocouple. Has been confirmed. The actual sintering temperature of the PZT element was managed by checking the correlation between the internal temperature of the die and the surface temperature in advance.

【0043】サンプルPZT素子材料には、林化学工業
株式会社のHIZIRCO−ADを使用した。この材料
のカタログ値の圧電定数d33の値570×10-12
/Vから計算した理論変位量は、直流電圧80Vを印加
の場合364nmである。
As a sample PZT element material, HIZIRCO-AD manufactured by Hayashi Chemical Industry Co., Ltd. was used. The value of the piezoelectric constant d33 of the catalog value of this material is 570 × 10 −12 m
The theoretical displacement calculated from / V is 364 nm when a DC voltage of 80 V is applied.

【0044】サンプルPZT素子を上記した条件でSP
S処理、加熱酸化処理、分極処理を行い、完成したサン
プルPZT素子に80Vの直流電圧を印加し、その変位
量を測定した結果が図4である。なお、変位量の測定に
は日本真空技術株式会社製の段差計Dektakを使用
した。
The sample PZT element was set to SP under the above conditions.
FIG. 4 shows the result of applying a DC voltage of 80 V to the completed sample PZT device after performing the S process, the heat oxidation process, and the polarization process, and measuring the displacement amount. Note that a step meter Dektak manufactured by Japan Vacuum Engineering Co., Ltd. was used for measuring the displacement amount.

【0045】図4から明らかなように、加圧力が大きい
と、より低い焼結温度でも変位性能を向上する傾向にあ
り、ダイの温度が900℃、加圧力20MPa以上で、
ほぼ理論変位量の80%以上の実変位量が得られること
がわかる。
As is apparent from FIG. 4, when the pressing force is large, the displacement performance tends to be improved even at a lower sintering temperature, and when the die temperature is 900 ° C. and the pressing force is 20 MPa or more,
It can be seen that an actual displacement of 80% or more of the theoretical displacement can be obtained.

【0046】また、測定変位の大小はあるものの、全て
の条件で圧電変換素子としての変位性能の得られること
が確認された。1050℃では全ての加圧条件において
変位性能が低下しているのは、高温度ではPZTを構成
する成分の1つである鉛成分がPbOとして蒸発してい
るためで、これはEDXを使用したPbの定量分析でP
bの量が減少していることが確認されている。
Further, it was confirmed that the displacement performance as a piezoelectric transducer was obtained under all conditions, although the measured displacement was large or small. At 1050 ° C., the displacement performance decreased under all pressurization conditions because at high temperatures, the lead component, one of the components constituting PZT, was evaporated as PbO, and this was due to the use of EDX. Pb in quantitative analysis of Pb
It has been confirmed that the amount of b has decreased.

【0047】図4には示されていないが、1100℃を
越えると、PbOの蒸発傾向が著しくなり、PZTの組
成が変化して変位性能が低下するばかりでなく、PbO
のガス蒸気圧によりグラファイト製のダイが破損するな
ど、放電プラズマ焼結処理が困難になる。なお、図4に
は加圧力が5MPaの場合のデータが示されていない
が、これは加圧力5MPaでは安定して通電することが
できず、目的の温度まで昇温することができなかつたた
めである。また、加圧力の上限を60MPaとしたの
は、グラファイト製のダイの強度の制約によるもので、
より強度の高い材料で構成したダイを使用する場合は、
さらに加圧力を高めることが可能である。
Although not shown in FIG. 4, when the temperature exceeds 1100 ° C., the tendency of evaporation of PbO becomes remarkable, so that not only the composition of PZT changes but the displacement performance decreases, but also PbO
Discharge plasma sintering becomes difficult, for example, the graphite die is damaged by the gas vapor pressure of the gas. Note that FIG. 4 does not show data in the case where the pressure is 5 MPa, but this is because current could not be stably supplied at a pressure of 5 MPa, and the temperature could not be increased to a target temperature. is there. The reason why the upper limit of the pressing force is set to 60 MPa is due to the restriction of the strength of the graphite die.
When using dies made of stronger materials,
Further, the pressing force can be increased.

【0048】図5は、上記した積層型圧電変換素子の、
放電プラズマ焼結処理の最高到達温度及び加圧条件と、
かさ比重の関係の測定結果を示す図を示したもので、横
軸は放電プラズマ焼結処理の最高到達温度(℃)を、縦
軸はかさ比重を示す。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the above-mentioned laminated piezoelectric transducer.
The maximum temperature and pressure conditions of the spark plasma sintering process,
The figure which shows the measurement result of the relationship of a bulk specific gravity is shown, the horizontal axis | shaft shows the highest attainment temperature (degreeC) of a discharge plasma sintering process, and a vertical axis | shaft shows a bulk specific gravity.

【0049】図5において、線(a)は加圧力10MP
a、線(b)は加圧力20MPa、線(c)は加圧力4
0MPa、線(d)は加圧力60MPaの場合を示す。
In FIG. 5, line (a) is a pressure of 10MPa.
a, line (b) is pressure 20MPa, line (c) is pressure 4
0MPa and the line (d) show the case of a pressure of 60MPa.

【0050】この測定においては、上記したサンプルP
ZT素子の各層の間をダイシングソーで切断して電極層
を含まないブロックを切り出し、浮力法によりかさ比重
を測定した。図4と対比すると、比重が高く緻密に焼結
できる条件が変位性能の高い条件と一致していることが
分かる。なお、サンプルPZT素子材料のカタログ比重
は7.7である。
In this measurement, the sample P
Each layer of the ZT element was cut with a dicing saw to cut out a block containing no electrode layer, and the bulk specific gravity was measured by a buoyancy method. In comparison with FIG. 4, it can be seen that the conditions under which the specific gravity is high and the sintering can be performed densely coincide with the conditions under which the displacement performance is high. The catalog specific gravity of the sample PZT element material is 7.7.

【0051】図6は、上記したサンプルPZT素子の積
層間の破断強度の試験結果を示す図である。破断強度試
験は、サンプルPZT素子20を、断面が1mm角の積
層PZT素子になるように積層方向に直交する方向に切
断し、その1mm角の断面を図7に示す上下2つの部材
からなる保持具31、32の間に配置して接着し、図示
しないインストロン社製の万能試験機で引つ張り試験を
行つた。
FIG. 6 is a diagram showing the test results of the breaking strength between the stacks of the above-mentioned sample PZT elements. In the breaking strength test, the sample PZT element 20 was cut in a direction orthogonal to the lamination direction so that the cross section became a 1 mm square laminated PZT element, and the 1 mm square cross section was held by two upper and lower members shown in FIG. It was placed between the tools 31 and 32 and adhered, and a tensile test was performed using a universal testing machine (not shown) manufactured by Instron.

【0052】図6においてNBと表示されているもの
は、素子自体は破断せず、最終的に保持具31、32と
PZT素子20との接着部Sで剥離したことを示してい
る。この場合、剥離時の強度が3kgf/mm2 以下
で、接着不良と考えられる場合は、再試験した。
In FIG. 6, what is indicated by NB indicates that the element itself did not break, but ultimately peeled off at the bonding portion S between the holders 31, 32 and the PZT element 20. In this case, when the strength at the time of peeling was 3 kgf / mm 2 or less and it was considered that the adhesion was poor, the test was repeated.

【0053】図6から明らかなように、SPS処理によ
り作成されたPZT素子の積層間の破断強度は、従来の
製造法による市販のものの積層間の破断強度よりも十分
に高いことが分かる。
As is apparent from FIG. 6, the breaking strength between the layers of the PZT element prepared by the SPS process is sufficiently higher than the breaking strength between the layers of the commercially available PZT element manufactured by the conventional manufacturing method.

【0054】[実施例2]実施例2は、電極材料として
白金箔を使用したものである。先に説明した実施例1で
は電極材料として白金粉末やパラジウム粉末を使用した
が、粉末であるためある程度の厚み、少なくとも5μm
程度の厚みの層状に積層する必要があり、圧電変換素子
の製造コストが高くなる。
Example 2 In Example 2, a platinum foil was used as an electrode material. In the first embodiment described above, platinum powder or palladium powder was used as the electrode material.
It is necessary to stack the layers in a layer having a thickness of about the same, which increases the manufacturing cost of the piezoelectric transducer.

【0055】そこで、実施例2では電極材料として白金
箔を使用した。白金以外の他の耐熱性及び耐蝕性の高い
金属箔を使用することも可能である。その他の構成及び
製造方法は、実施例1と同じであるから説明を省略す
る。完成した積層型圧電変換素子の変位特性も実施例1
のものと変らない。
Therefore, in Example 2, platinum foil was used as an electrode material. It is also possible to use a metal foil having high heat resistance and corrosion resistance other than platinum. The other configuration and the manufacturing method are the same as those in the first embodiment, and thus the description is omitted. Example 1 also shows the displacement characteristics of the completed laminated piezoelectric transducer.
It is no different from that of.

【0056】図8は実施例2のサンプルPZT素子の積
層間の破断強度の試験結果を示す図である。破断強度試
験は、実施例1の破断強度試験と同じ方法によつた。図
8から明らかなように、実施例2のPZT素子は実施例
1のものに比較して破断強度が低いが、従来の製造法に
よる市販のものの積層間の破断強度よりも十分に高いこ
とが分かる。
FIG. 8 is a view showing the test results of the breaking strength between the layers of the sample PZT element of Example 2. The breaking strength test was performed by the same method as the breaking strength test of Example 1. As is clear from FIG. 8, the PZT element of Example 2 has a lower breaking strength than that of Example 1, but it is sufficiently higher than the breaking strength between the laminations of a commercially available one manufactured by the conventional manufacturing method. I understand.

【0057】[実施例3]実施例3は、PZT層を構成
するのに、PZT粉末に代えて予め所定の厚みに形成し
たグリーンシートを使用したものである。グリーンシー
トについては、本願明細書の発明の詳細な説明の、従来
技術の説明において既に説明したとおりである。
Example 3 In Example 3, a PZT layer was formed by using a green sheet previously formed to a predetermined thickness instead of PZT powder. The green sheet is as already described in the description of the related art in the detailed description of the invention of the present specification.

【0058】積層型の圧電変換素子を低電圧で駆動して
且つ高い変位特性を得るには、PZT層の1層当たりの
厚みを薄くして電界強度を高め、さらに積層数を増加さ
せるのが一般的である。
In order to drive the stacked piezoelectric transducer at a low voltage and obtain high displacement characteristics, it is necessary to reduce the thickness of each PZT layer to increase the electric field strength and further increase the number of stacked layers. General.

【0059】実施例1や実施例2のように、PZT層を
構成するのにPZT粉末を使用すると、PZT層の厚み
にばらつきが生じたり、層間の電極がPZT層を突き抜
けて他の層間の電極と短絡するなどの支障が発生する可
能性が高くなる。
When the PZT powder is used to form the PZT layer as in the first and second embodiments, the thickness of the PZT layer varies, or the electrodes between the layers penetrate the PZT layer and are interposed between the other layers. The possibility of occurrence of troubles such as a short circuit with the electrode is increased.

【0060】特に、大口径のダイを使用して素子の面積
が大きくなるほど、PZT層の厚みを薄くすることは上
記したばらつきや短絡などの支障が発生しやすくなる。
そこで、実施例3では、PZT層を構成するのに、予め
所定の厚みに形成したグリーンシートを使用したもので
ある。
In particular, as the area of the element is increased by using a large-diameter die, reducing the thickness of the PZT layer is more likely to cause the above-described problems such as variations and short circuits.
Therefore, in the third embodiment, a green sheet formed to a predetermined thickness in advance is used to form the PZT layer.

【0061】実施例3では、厚み30μmのグリーンシ
ートの片面に白金ペーストをスクリーン印刷して、厚み
3μm程度の電極を形成する。次に、この電極の形成さ
れたグリーンシートをダイ3の内径に適合する寸法の円
盤に打ち抜き、ダイ3の内部に電極面を上側にして所定
枚数積層する。最上部には電極の形成されていないグリ
ーンシートを積層する。
In the third embodiment, platinum paste is screen-printed on one side of a green sheet having a thickness of 30 μm to form an electrode having a thickness of about 3 μm. Next, the green sheet on which the electrodes are formed is punched into a disk having a size suitable for the inner diameter of the die 3, and a predetermined number of the green sheets are stacked inside the die 3 with the electrode surface facing upward. A green sheet on which no electrode is formed is laminated on the uppermost part.

【0062】その後、実施例1や実施例2と同様にSP
S処理、加熱酸化処理、分極処理を行い、積層型の圧電
変換素子が完成する。但し、放電プラズマ焼結処理では
500℃までの昇温は緩やかに、例えば50℃/min
程度とし緩やかに昇温する。また、この緩やかな昇温期
間では加圧も低めに、例えば10MPaとし、グリーン
シート内部のバインダーなどの熱分解により発生したガ
スが十分に抜けるようにする。500℃までの昇温が完
了した後は、実施例1や実施例2と同じ昇温条件、加圧
条件とした。
Thereafter, as in the first and second embodiments, the SP
By performing the S treatment, the heat oxidation treatment, and the polarization treatment, a laminated piezoelectric conversion element is completed. However, in the spark plasma sintering process, the temperature rise up to 500 ° C. is gradual, for example, 50 ° C./min.
And slowly raise the temperature. Also, during this gradual heating period, the pressure is set low, for example, 10 MPa, so that the gas generated by the thermal decomposition of the binder and the like inside the green sheet is sufficiently released. After the heating up to 500 ° C. was completed, the same heating and pressurizing conditions as in Examples 1 and 2 were used.

【0063】完成した積層型圧電変換素子の変位性能
は、同一積層枚数では、実施例1のものとほぼ同一の変
位性能が得られる。PZT層にグリーンシートを使用
し、各層を均一な厚みの薄層にすることが容易で、積層
枚数を増加することが可能であるから、実施例1や実施
例2のものと同一の体積で変位量の大きな圧電変換素子
を作成することができる。
As for the displacement performance of the completed laminated piezoelectric transducer, the same displacement performance as that of the first embodiment can be obtained with the same number of laminated layers. Since a green sheet is used for the PZT layer, each layer can be easily formed into a thin layer having a uniform thickness, and the number of laminated layers can be increased. A piezoelectric transducer having a large displacement can be produced.

【0064】図9は実施例3のサンプルPZT素子の積
層間の破断強度の試験結果を示す図である。破断強度試
験は、実施例1の破断強度試験と同じ方法によつた。図
9から明らかなように、実施例3のものは実施例2のも
のに比較して破断強度が低いが、従来の製造法による市
販のものの積層間の破断強度よりも十分に高いことが分
かる。
FIG. 9 is a view showing the test results of the breaking strength between the layers of the sample PZT element of Example 3. The breaking strength test was performed by the same method as the breaking strength test of Example 1. As is clear from FIG. 9, the sample of Example 3 has a lower breaking strength than that of Example 2, but is sufficiently higher than the breaking strength between the layers of a commercially available product obtained by the conventional manufacturing method. .

【0065】以上説明した、放電プラズマ焼結法により
作成された積層型圧電変換素子は、成形型の中で加圧状
態で焼結するから、外形が反るなどの歪や内部電極がう
ねるなどの変形が生じることなく焼成することができる
から、焼成後に、研磨したりラッピングするなどの2次
加工を殆ど必要としない。
As described above, since the laminated piezoelectric transducer manufactured by the discharge plasma sintering method is sintered in a pressurized state in a molding die, distortion such as warping of the outer shape and swelling of the internal electrode are caused. Since the baking can be performed without causing the deformation, the baking requires little secondary processing such as polishing or lapping.

【0066】また、先に説明したとおり、成形型として
グラファイトを使用する場合は、グラファイトが焼結さ
れた素子の表面に付着して黒変し、またグラファイトの
還元作用でPZT素子の組成に一部酸素欠陥が生じて電
気抵抗が低下している場合があるので、グラファイトを
除去し、酸素欠陥が生じた材料を酸化するために加熱処
理を行う必要がある。
As described above, when graphite is used as a molding die, graphite adheres to the surface of the sintered element and turns black, and the reduction action of graphite reduces the composition of the PZT element. In some cases, electrical resistance is lowered due to partial oxygen deficiency. Therefore, it is necessary to perform heat treatment to remove graphite and oxidize the material having the oxygen deficiency.

【0067】しかし、アルミナやジルコニア等のセラミ
ックスや、高温強度の高い金属や耐熱合金などの、還元
作用のない材料で作成した成形型を使用する場合は、上
記したグラファイトの付着による障害は生じないので、
加熱処理の必要もない。
However, when using a mold made of a material having no reducing action, such as ceramics such as alumina or zirconia, or a metal or a heat-resistant alloy having high high-temperature strength, the above-mentioned obstacles due to the adhesion of graphite do not occur. So
There is no need for heat treatment.

【0068】放電プラズマ焼結法の特徴を整理すれば、
以下の通りである。第1に、通常の電気炉で焼成する時
は約12時間を要するが、放電プラズマ焼結法により積
層型圧電変換素子を焼成するときは15分乃至30分で
行うことができる。
The characteristics of the spark plasma sintering method can be summarized as follows.
It is as follows. First, it takes about 12 hours when firing in a normal electric furnace, but it can be performed in 15 to 30 minutes when firing a multilayer piezoelectric conversion element by a discharge plasma sintering method.

【0069】第2に、粉末状の圧電材料をそのまま焼成
することができるので、バインダーや可塑剤を含む材料
の調整が不要となり、焼成前の脱バインダー処理も不要
となる。そして焼成過程では粒子の成長を抑え高密度の
焼結体を得ることができる。
Second, since the powdered piezoelectric material can be fired as it is, there is no need to adjust a material containing a binder or a plasticizer, and it becomes unnecessary to remove the binder before firing. In the firing step, the growth of particles is suppressed, and a high-density sintered body can be obtained.

【0070】第3に、通常の焼成では結合が困難な異種
材料間の結合が比較的容易であり、電極を介在させた多
数の圧電材料からなる積層体を効果的に強固に結合させ
ることができる。
Third, the bonding between different kinds of materials, which is difficult to bond by ordinary firing, is relatively easy, and it is possible to effectively and firmly bond a laminate made of a large number of piezoelectric materials with electrodes interposed therebetween. it can.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の積層型
圧電変換素子は、圧電材料と電極材料とを所望の積層数
だけ積層し、圧縮して各層間の密着性を高めた状態で高
い圧力の下で通電して焼結する放電プラズマ焼結法(S
PS)により作成されるので、積層体相互が強固に結合
して積層体間での剥離が生じる可能性が著しく低い。
As described above, according to the multilayer piezoelectric transducer of the present invention, a piezoelectric material and an electrode material are laminated in a desired number of layers, and compressed to increase the pressure between the layers to increase the adhesion. Plasma sintering method (S
PS), the possibility that the laminates are strongly bonded to each other and peeling between the laminates is extremely low.

【0072】これにより、従来の積層型圧電変換素子の
場合よりも、素子に印加する駆動パルス電圧やその駆動
周波数を増大させることが可能となり、従来のものより
も変位を増加させたり駆動速度を高めることが可能とな
る。
As a result, it becomes possible to increase the drive pulse voltage applied to the element and the drive frequency thereof, as compared with the case of the conventional multilayer piezoelectric transducer, thereby increasing the displacement and the drive speed as compared with the conventional one. It is possible to increase.

【0073】さらに、従来の単板積層型の圧電変換素子
の場合のように、積層体の傾きや各層間の電界強度を揃
えるため、圧電素子単板をラッピング加工等の研磨加工
を施して高精度の平面と厚みを持つ素子に仕上げる必要
がなく、また、グリーンシート積層型の圧電変換素子の
場合のように焼成時に反りが発生して不良品となること
がなく、また、通常の電気炉では15時間以上必要とし
ていた圧電変換素子の焼成が、放電プラズマ焼結法(S
PS)によれば、冷却時間を入れても約30分で完結
し、時間的にも生産性を著しく向上させることができる
など、顕著な効果を奏するものである。
Further, as in the case of the conventional single-plate laminated type piezoelectric transducer, in order to equalize the inclination of the laminate and the electric field strength between the layers, the piezoelectric element single plate is subjected to a polishing process such as lapping or the like. It is not necessary to finish the device with a plane and thickness with high precision, and it does not cause warpage during firing as in the case of a green sheet laminated type piezoelectric conversion element, resulting in a defective product. The firing of the piezoelectric conversion element, which was required for 15 hours or more, was changed to the discharge plasma sintering method (S
According to (PS), even if a cooling time is included, it is completed in about 30 minutes, and the productivity can be remarkably improved in terms of time, and a remarkable effect is exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】放電プラズマ焼結装置の構成の概略を示す図。FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a spark plasma sintering apparatus.

【図2】ダイ及びパンチ内部に圧電セラミックス粉体を
装填した状態を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a state in which a piezoelectric ceramic powder is loaded inside a die and a punch.

【図3】実施例1の放電プラズマ焼結処理を行なつた直
後の電極間の電気抵抗と、加熱処理を行なつたときの電
極間の電気抵抗を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the electrical resistance between the electrodes immediately after performing the discharge plasma sintering process of Example 1 and the electrical resistance between the electrodes when performing the heating process.

【図4】実施例1の放電プラズマ焼結処理時の最高到達
温度及び加圧条件と、完成した圧電変換素子で得られる
変位量の関係を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the maximum temperature and the pressurizing condition during the discharge plasma sintering process of Example 1 and the displacement obtained by the completed piezoelectric transducer.

【図5】実施例1の放電プラズマ焼結処理時の最高到達
温度及び加圧条件と、完成した圧電変換素子のかさ比重
の関係を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the highest temperature and the pressurizing condition during the discharge plasma sintering process of Example 1 and the bulk specific gravity of the completed piezoelectric transducer.

【図6】実施例1の圧電変換素子の積層間の破断強度の
試験結果を示す図。
FIG. 6 is a view showing a test result of the breaking strength between the layers of the piezoelectric transducer of Example 1.

【図7】破断強度試験に使用する保持具と圧電変換素子
の接着状態を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a bonding state between a holder and a piezoelectric conversion element used in a breaking strength test.

【図8】実施例2の圧電変換素子の積層間の破断強度の
試験結果を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a test result of the breaking strength between the layers of the piezoelectric transducer of Example 2.

【図9】実施例3の圧電変換素子の積層間の破断強度の
試験結果を示す図。
FIG. 9 is a view showing a test result of the breaking strength between the layers of the piezoelectric transducer of Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 放電プラズマ焼結装置 2 粉体 3 ダイ 4、5 パンチ 4a、5a 延長部 6、7 電極 8 真空チャンバー 9a、9b 冷却水路 11 制御装置 12 加圧機構 13 焼結用電源 14 雰囲気制御機構 15 冷却機構 21、22、25 カーボンペーパー 23 PZT層 24 電極層 REFERENCE SIGNS LIST 1 discharge plasma sintering device 2 powder 3 die 4, 5 punch 4 a, 5 a extension 6, 7 electrode 8 vacuum chamber 9 a, 9 b cooling water channel 11 controller 12 pressurizing mechanism 13 sintering power supply 14 atmosphere control mechanism 15 cooling Mechanism 21, 22, 25 Carbon paper 23 PZT layer 24 Electrode layer

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電材料と電極材料とを交互に積層し、
圧縮して各層間の密着性を高めた状態で、5MPaを超
える圧力をかけながら温度を850℃以上1100℃未
満で通電焼結法により焼結させたことを特徴とする積層
型圧電変換素子。
1. A piezoelectric material and an electrode material are alternately laminated,
A laminated piezoelectric conversion element characterized by being sintered by an electric current sintering method at a temperature of 850 ° C. or more and less than 1100 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa while compressing to increase the adhesion between layers.
【請求項2】 圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛を含む
粉体或いはその粉体を使用したグリーンシートであり、
電極材料が白金、パラジウム、ニッケルから選択される
少なくとも1種類を含む粉体、箔、或いは導電ペースト
であり、5MPaを超える圧力をかけながら温度を85
0℃以上1100℃未満、好ましくは10MPaを超え
る圧力をかけながら温度900℃以上1000℃以下で
通電焼結法により焼結させたことを特徴とする請求項1
記載の積層型圧電変換素子。
2. The piezoelectric material is a powder containing lead zirconate titanate or a green sheet using the powder.
The electrode material is a powder, foil, or conductive paste containing at least one selected from platinum, palladium, and nickel, and the temperature is raised to 85 while applying a pressure exceeding 5 MPa.
2. Sintering by a current sintering method at a temperature of 900.degree. C. to 1000.degree. C. while applying a pressure of 0.degree. C. to less than 1100.degree. C., preferably more than 10 MPa.
The multilayer piezoelectric transducer according to any one of the preceding claims.
【請求項3】 前記通電焼結法が、放電プラズマ焼結法
であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の積
層型圧電変換素子。
3. The multi-layer piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electric current sintering method is a discharge plasma sintering method.
【請求項4】 圧電材料と電極材料とを交互に積層し、
圧縮して各層間の密着性を高めた状態で、5MPaを超
える圧力をかけながら温度を850℃以上1100℃未
満、好ましくは10MPaを超える圧力をかけながら温
度900℃以上1000℃以下で通電焼結法により焼結
させた後、室温まで冷却することを特徴とする積層型圧
電変換素子の製造方法。
4. A piezoelectric material and an electrode material are alternately laminated,
In a state where the adhesion between the layers is increased by compression, the temperature is 850 ° C. or more and less than 1100 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa, and preferably 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less while applying a pressure exceeding 10 MPa. A method for manufacturing a laminated piezoelectric transducer, comprising sintering by a method and cooling to room temperature.
【請求項5】 圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を
含む粉体或いはその粉体を使用したグリーンシートであ
り、電極材料が白金、パラジウム、ニッケルから選択さ
れる少なくとも1種類を含む粉体、箔、或いは導電ペー
ストであり、5MPaを超える圧力をかけながら温度を
850℃以上1100℃未満、好ましくは10MPaを
超える圧力をかけながら温度900℃以上1000℃以
下で通電焼結法により焼結させた後、室温まで冷却する
ことを特徴とする請求項4記載の積層型圧電変換素子の
製造方法。
5. A powder containing lead zirconate titanate as a piezoelectric material or a green sheet using the powder, and a powder or foil containing at least one kind of electrode material selected from platinum, palladium and nickel. Or a conductive paste, after sintering at a temperature of 850 ° C. to less than 1100 ° C. while applying a pressure exceeding 5 MPa, preferably at a temperature of 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less while applying a pressure exceeding 10 MPa. 5. The method according to claim 4, wherein cooling is performed to room temperature.
【請求項6】 前記通電焼結法が、放電プラズマ焼結法
であることを特徴とする請求項4記載の積層型圧電変換
素子の製造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the electric current sintering method is a discharge plasma sintering method.
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