JP2001244519A - 圧電素子の製造方法 - Google Patents
圧電素子の製造方法Info
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- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い特性を持ち，圧電材料と電極との接合強
度に優れて信頼性が高く，製作コストが安価で製作容易
である圧電素子の製造方法を提供すること。 【解決手段】 圧電材料と該圧電材料に設けた電極とよ
りなる圧電素子を製造する方法であって，上記電極とし
てはＣｕ電極を用い，該Ｃｕ電極と上記圧電材料とを接
触させた状態で５００〜７００℃の温度範囲に保持する
ことにより両者を直接接合する。
度に優れて信頼性が高く，製作コストが安価で製作容易
である圧電素子の製造方法を提供すること。 【解決手段】 圧電材料と該圧電材料に設けた電極とよ
りなる圧電素子を製造する方法であって，上記電極とし
てはＣｕ電極を用い，該Ｃｕ電極と上記圧電材料とを接
触させた状態で５００〜７００℃の温度範囲に保持する
ことにより両者を直接接合する。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は，電極と圧電材料とよりなる単層
や積層型の圧電素子の製造方法に関する。
や積層型の圧電素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】圧電素子は電気的信号と力学的信号とを結
ぶ変換器として広く用いられ，時計用，通信用の水晶振
動子，各種フィルタ，アクチュエータ，マイクロホン等
の数多くの応用例がある。圧電素子は圧電効果を呈する
ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）等の各種圧電材料に各種
電極を取り付けて構成されるが，この電極としては従来
Ａｇペースト焼きつけ電極が広く用いられてきた。ま
た，上記圧電素子は一枚の圧電材料に電極を設けて構成
した単層タイプの他，多数の圧電材料と電極とを交互に
積み重ねて構成した積層タイプとが知られている。
ぶ変換器として広く用いられ，時計用，通信用の水晶振
動子，各種フィルタ，アクチュエータ，マイクロホン等
の数多くの応用例がある。圧電素子は圧電効果を呈する
ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）等の各種圧電材料に各種
電極を取り付けて構成されるが，この電極としては従来
Ａｇペースト焼きつけ電極が広く用いられてきた。ま
た，上記圧電素子は一枚の圧電材料に電極を設けて構成
した単層タイプの他，多数の圧電材料と電極とを交互に
積み重ねて構成した積層タイプとが知られている。
【０００３】
【解決しようとする課題】しかしながらＡｇペースト焼
きつけ電極には次のような問題が知られている。まず，
積層型の圧電素子を製作する際にＡｇペーストを焼きつ
けた各圧電材料間に別途電極用金属板を配置する必要が
あり，コスト高で信頼性が低かった。また，Ａｇぺース
ト焼きつけ電極にはＢｉ，Ｚｎ元素等の不純物よりなる
ガラス成分が含まれており，焼きつけ時にこれらガラス
成分と圧電材料とが互いに反応するため，スパッタ法等
で形成したＡｕ電極を利用した圧電素子と比較してｄ３
１や電界誘起変位量（実施形態例２，３参照）等の圧電
素子の性能にかかわる特性が低くなりがちであった。ま
た，スパッタ法で形成したＡｕ電極はコストが高く，製
造も面倒であった。
きつけ電極には次のような問題が知られている。まず，
積層型の圧電素子を製作する際にＡｇペーストを焼きつ
けた各圧電材料間に別途電極用金属板を配置する必要が
あり，コスト高で信頼性が低かった。また，Ａｇぺース
ト焼きつけ電極にはＢｉ，Ｚｎ元素等の不純物よりなる
ガラス成分が含まれており，焼きつけ時にこれらガラス
成分と圧電材料とが互いに反応するため，スパッタ法等
で形成したＡｕ電極を利用した圧電素子と比較してｄ３
１や電界誘起変位量（実施形態例２，３参照）等の圧電
素子の性能にかかわる特性が低くなりがちであった。ま
た，スパッタ法で形成したＡｕ電極はコストが高く，製
造も面倒であった。
【０００４】更に，金属／ＰＺＴの直接接合が報告され
ているが（H.C.Cao,M.D.Graef, andA.G.Evans:J.Am. Ce
ram. Soc.,[12],3019(1993))，この時の接合温度は１０
５０℃であり，しばしば特性の劣化が認められた。ま
た，圧電素子の信頼性向上のためには電極と圧電材料と
の間に高い接合強度が必要であるが，従来技術で作製し
た圧電素子の接合強度は不充分であった。
ているが（H.C.Cao,M.D.Graef, andA.G.Evans:J.Am. Ce
ram. Soc.,[12],3019(1993))，この時の接合温度は１０
５０℃であり，しばしば特性の劣化が認められた。ま
た，圧電素子の信頼性向上のためには電極と圧電材料と
の間に高い接合強度が必要であるが，従来技術で作製し
た圧電素子の接合強度は不充分であった。
【０００５】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，高い特性を持ち，圧電材料と電極との接
合強度に優れて信頼性が高く，製作コストが安価で製作
容易である圧電素子の製造方法を提供しようとするもの
である。
されたもので，高い特性を持ち，圧電材料と電極との接
合強度に優れて信頼性が高く，製作コストが安価で製作
容易である圧電素子の製造方法を提供しようとするもの
である。
【０００６】
【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，圧電材料
と該圧電材料に設けた電極とよりなる圧電素子を製造す
る方法であって，上記電極としてはＣｕ電極を用い，該
Ｃｕ電極と上記圧電材料とを接触させた状態で５００〜
７００℃の温度範囲に保持することにより両者を直接接
合することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
と該圧電材料に設けた電極とよりなる圧電素子を製造す
る方法であって，上記電極としてはＣｕ電極を用い，該
Ｃｕ電極と上記圧電材料とを接触させた状態で５００〜
７００℃の温度範囲に保持することにより両者を直接接
合することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
【０００７】本発明において最も注目すべきことは，Ｃ
ｕ電極を用い，該Ｃｕ電極と圧電材料とを接触させた状
態で５００〜７００℃の温度範囲に保持することにより
両者を直接接合することである。温度が７００℃より高
くなるとＣｕ電極と圧電材料とが相互反応して圧電材料
が変質するおそれがある。よって，得られた圧電素子の
誘電損失が大きくなり，電圧駆動したときにロスが大き
く，発熱が大きくなるおそれがある。
ｕ電極を用い，該Ｃｕ電極と圧電材料とを接触させた状
態で５００〜７００℃の温度範囲に保持することにより
両者を直接接合することである。温度が７００℃より高
くなるとＣｕ電極と圧電材料とが相互反応して圧電材料
が変質するおそれがある。よって，得られた圧電素子の
誘電損失が大きくなり，電圧駆動したときにロスが大き
く，発熱が大きくなるおそれがある。
【０００８】５００℃未満である場合は，電極と圧電材
料との接合強度が弱く，圧電素子の使用時に短時間で電
極の剥離が生じてしまうおそれがある。なお，この問題
は特に圧電素子を積層型として利用した場合，また圧電
素子をアクチュエータとして利用する場合に顕著であ
る。なお，上記Ｃｕ電極とはＣｕのみよりなる電極の
他，Ｃｕ合金よりなる電極も指している。この場合のＣ
ｕ合金としては，ニッケルシルバー，リン青銅，マンガ
ニン，銅ニッケル，ベリリウム銅，真鍮等が挙げられ
る。
料との接合強度が弱く，圧電素子の使用時に短時間で電
極の剥離が生じてしまうおそれがある。なお，この問題
は特に圧電素子を積層型として利用した場合，また圧電
素子をアクチュエータとして利用する場合に顕著であ
る。なお，上記Ｃｕ電極とはＣｕのみよりなる電極の
他，Ｃｕ合金よりなる電極も指している。この場合のＣ
ｕ合金としては，ニッケルシルバー，リン青銅，マンガ
ニン，銅ニッケル，ベリリウム銅，真鍮等が挙げられ
る。
【０００９】次に，本発明の作用につき説明する。この
製造方法により，特に圧電材料に対し電極を直接接合す
ることが可能となるため，積層型の圧電素子を製作する
際に圧電材料間に電極用金属板等を配置する必要がなく
なり，安価なコストで強度に優れた高信頼性の圧電素子
を得ることができる。また，上述の温度範囲においてＣ
ｕ電極を直接接合しているため，Ｃｕと圧電材料との間
での相互反応を防止することができ，誘電損失が従来の
Ａｇペースト焼きつけ電極等と同等以下で，電界誘起変
位量が高い等という特性に優れた圧電素子を得ることが
できる。
製造方法により，特に圧電材料に対し電極を直接接合す
ることが可能となるため，積層型の圧電素子を製作する
際に圧電材料間に電極用金属板等を配置する必要がなく
なり，安価なコストで強度に優れた高信頼性の圧電素子
を得ることができる。また，上述の温度範囲においてＣ
ｕ電極を直接接合しているため，Ｃｕと圧電材料との間
での相互反応を防止することができ，誘電損失が従来の
Ａｇペースト焼きつけ電極等と同等以下で，電界誘起変
位量が高い等という特性に優れた圧電素子を得ることが
できる。
【００１０】以上，本発明によれば，高い特性を持ち，
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
【００１１】なお，圧電材料の特性としては，後述の実
施形態例で測定した，静電容量，誘電損失，誘電率，電
気機械結合定数〔Ｋｐ〕，圧電電圧出力センサ定数〔ｇ
３３〕，圧力電荷センサ定数〔ｄ３１〕，電界誘起変位
量等のパラメータが挙げられる。これらパラメータの詳
細は各実施形態例に記載した。
施形態例で測定した，静電容量，誘電損失，誘電率，電
気機械結合定数〔Ｋｐ〕，圧電電圧出力センサ定数〔ｇ
３３〕，圧力電荷センサ定数〔ｄ３１〕，電界誘起変位
量等のパラメータが挙げられる。これらパラメータの詳
細は各実施形態例に記載した。
【００１２】また，上記圧電材料としては，Ｐｂ（Ｚｒ
xＴｉ1-x）Ｏ3（ここでｘ＝０〜１），（KxＮａ1-x）Ｎ
ｂＯ3（ここでｘ＝０〜１），｛ＢｉxK(1-x)/2Ｎａ
(1-x)/2｝ＴｉＯ3（ここでｘ＝０〜１）等を使用でき
る。
xＴｉ1-x）Ｏ3（ここでｘ＝０〜１），（KxＮａ1-x）Ｎ
ｂＯ3（ここでｘ＝０〜１），｛ＢｉxK(1-x)/2Ｎａ
(1-x)/2｝ＴｉＯ3（ここでｘ＝０〜１）等を使用でき
る。
【００１３】次に，請求項２に記載の発明は，圧電材料
と該圧電材料に設けた電極よりなる圧電素子を製造する
方法であって，上記圧電材料に対しろう材を配置し，該
ろう材の融点の±１００℃の温度範囲に維持することに
より上記ろう材より電極を圧電材料に対し直接形成する
ことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。温度がろ
う材の融点の±１００℃の範囲外である場合は，圧電材
料とろう材とが反応し，両者の間に界面反応物が生成
し，圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電
界誘起変位量等が小さくなるおそれがある。
と該圧電材料に設けた電極よりなる圧電素子を製造する
方法であって，上記圧電材料に対しろう材を配置し，該
ろう材の融点の±１００℃の温度範囲に維持することに
より上記ろう材より電極を圧電材料に対し直接形成する
ことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。温度がろ
う材の融点の±１００℃の範囲外である場合は，圧電材
料とろう材とが反応し，両者の間に界面反応物が生成
し，圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電
界誘起変位量等が小さくなるおそれがある。
【００１４】この製造方法により，特に圧電材料に対し
電極を直接設けることが可能となるため，積層型の圧電
素子を製作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置
する必要がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信
頼性の圧電素子を得ることができる。また，ろう材はガ
ラス成分やＢｉ等の不純物元素を含まないため界面反応
物等が生じず，大きな圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電
ひずみ定数）や電界誘起変位量等を持つ圧電素子を得る
ことができる。また，上述の温度範囲においてろう材よ
り電極を直接形成しているため，ろう材と圧電材料との
反応が生じ難く界面反応物等が生じず，大きな圧電電荷
センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界誘起変位量
等を持つ圧電素子を得ることができる。
電極を直接設けることが可能となるため，積層型の圧電
素子を製作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置
する必要がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信
頼性の圧電素子を得ることができる。また，ろう材はガ
ラス成分やＢｉ等の不純物元素を含まないため界面反応
物等が生じず，大きな圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電
ひずみ定数）や電界誘起変位量等を持つ圧電素子を得る
ことができる。また，上述の温度範囲においてろう材よ
り電極を直接形成しているため，ろう材と圧電材料との
反応が生じ難く界面反応物等が生じず，大きな圧電電荷
センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界誘起変位量
等を持つ圧電素子を得ることができる。
【００１５】以上，本発明によれば，高い特性を持ち，
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
【００１６】また，上記ろう材としては，例えばＢＡｇ
８（Ａｇ７９％，Ｃｕ２１％）を用いることができる。
その他，銀ろう（ＪＩＳ規格Ｚ３２６１），銅ろうおよ
び黄銅ろう（ＪＩＳＺ３２６２），アルミニウムろう
（ＪＩＳＺ３２６３），リン銅ろう（ＪＩＳＺ３２６
４），ニッケルろう（ＪＩＳＺ３２６５），金どう（Ｊ
ＩＳＺ３２６６），パラジウムろう（ＪＩＳＺ３２６
７）等も使用することができる。
８（Ａｇ７９％，Ｃｕ２１％）を用いることができる。
その他，銀ろう（ＪＩＳ規格Ｚ３２６１），銅ろうおよ
び黄銅ろう（ＪＩＳＺ３２６２），アルミニウムろう
（ＪＩＳＺ３２６３），リン銅ろう（ＪＩＳＺ３２６
４），ニッケルろう（ＪＩＳＺ３２６５），金どう（Ｊ
ＩＳＺ３２６６），パラジウムろう（ＪＩＳＺ３２６
７）等も使用することができる。
【００１７】次に，請求項３に記載の発明は，圧電材料
と該圧電材料に設けた電極よりなる圧電素子を製造する
方法であって，上記電極としては金属電極を用い，上記
圧電材料に対しろう材を介して金属電極を配置し，上記
ろう材の融点の±１００℃の温度範囲に保持することに
より上記圧電材料に上記金属電極を接合することを特徴
とする圧電素子の製造方法にある。温度がろう材の融点
の±１００℃の範囲外である場合は，圧電材料とろう材
とが反応し，両者の間に界面反応物が生成し，圧電素子
の圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界
誘起変位量等が小さくなるおそれがある。
と該圧電材料に設けた電極よりなる圧電素子を製造する
方法であって，上記電極としては金属電極を用い，上記
圧電材料に対しろう材を介して金属電極を配置し，上記
ろう材の融点の±１００℃の温度範囲に保持することに
より上記圧電材料に上記金属電極を接合することを特徴
とする圧電素子の製造方法にある。温度がろう材の融点
の±１００℃の範囲外である場合は，圧電材料とろう材
とが反応し，両者の間に界面反応物が生成し，圧電素子
の圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界
誘起変位量等が小さくなるおそれがある。
【００１８】この製造方法により，特に圧電材料に対し
電極を直接設けることが可能となるため，積層型の圧電
素子を製作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置
する必要がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信
頼性の圧電素子を得ることができる。また，ろう材はガ
ラス成分やＢｉ等の不純物元素を含まないため界面反応
物等が生じず，大きな圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電
ひずみ定数）や電界誘起変位量等を持つ圧電素子を得る
ことができる。また，上述の温度範囲においてろう材よ
り電極を直接形成しているため，ろう材と圧電材料との
反応が生じ難く界面反応物等が生じず，大きな圧電電荷
センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界誘起変位量
等を持つ圧電素子を得ることができる。
電極を直接設けることが可能となるため，積層型の圧電
素子を製作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置
する必要がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信
頼性の圧電素子を得ることができる。また，ろう材はガ
ラス成分やＢｉ等の不純物元素を含まないため界面反応
物等が生じず，大きな圧電電荷センサ定数ｄ３１（圧電
ひずみ定数）や電界誘起変位量等を持つ圧電素子を得る
ことができる。また，上述の温度範囲においてろう材よ
り電極を直接形成しているため，ろう材と圧電材料との
反応が生じ難く界面反応物等が生じず，大きな圧電電荷
センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）や電界誘起変位量
等を持つ圧電素子を得ることができる。
【００１９】以上，本発明によれば，高い特性を持ち，
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製
作コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を
提供することができる。
【００２０】なお，上記ろう材としては前述したものと
同様のろう材を使用することができる。また，上記金属
電極としては，Ｃｕ電極の他，ニッケルシルバー，リン
青銅，マンガニン，銅ニッケル，ベリリウム銅，真鍮等
を使用することができる。
同様のろう材を使用することができる。また，上記金属
電極としては，Ｃｕ電極の他，ニッケルシルバー，リン
青銅，マンガニン，銅ニッケル，ベリリウム銅，真鍮等
を使用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる圧電素子の製造方法につき
説明する。本例にかかる製造方法は，圧電材料と該圧電
材料に設けた電極とよりなる圧電素子を製造する方法で
あって，上記電極としてはＣｕ電極を用い，該Ｃｕ電極
と上記圧電材料とを接触させた状態で５００〜７００℃
の温度範囲に保持することにより両者を直接接合するも
のである。
説明する。本例にかかる製造方法は，圧電材料と該圧電
材料に設けた電極とよりなる圧電素子を製造する方法で
あって，上記電極としてはＣｕ電極を用い，該Ｃｕ電極
と上記圧電材料とを接触させた状態で５００〜７００℃
の温度範囲に保持することにより両者を直接接合するも
のである。
【００２２】以下詳細に説明する。ＬａとＮｂとを添加
したＰｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3を１２００℃で焼結し
た後，得られた焼結体をダイヤモンドパッド＃６００番
で研磨して，直径２０ｍｍ，厚み５００μｍの試料片を
作成した。この試料片を本例の圧電材料として利用す
る。
したＰｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3を１２００℃で焼結し
た後，得られた焼結体をダイヤモンドパッド＃６００番
で研磨して，直径２０ｍｍ，厚み５００μｍの試料片を
作成した。この試料片を本例の圧電材料として利用す
る。
【００２３】本例にかかる製造方法について詳細に説明
する。Ｃｕ電極として，純度９９．９％で厚み４０μｍ
の銅箔を用いた。上記銅箔を試料片の上下に貼着した
後，真空度１．３３３Ｐaで５００℃から１０００℃の
間の所定の処理温度（５００℃，６００℃，７００℃，
７５０℃，８００℃，９００℃，１０００℃の７種類，
図１及び図２のプロット点参照）まで２００℃／時間で
昇温した後，１０分間保持し，上下のパンチ棒により荷
重を１０ＭＰａ加えて銅箔の加熱接合を行った。その後
２００℃／時間で室温まで温度を下げた。その後，シリ
コンオイル中で温度１００℃で１０分間，直流電圧２０
００Ｖ／ｍｍを印加して，分極処理を施した。
する。Ｃｕ電極として，純度９９．９％で厚み４０μｍ
の銅箔を用いた。上記銅箔を試料片の上下に貼着した
後，真空度１．３３３Ｐaで５００℃から１０００℃の
間の所定の処理温度（５００℃，６００℃，７００℃，
７５０℃，８００℃，９００℃，１０００℃の７種類，
図１及び図２のプロット点参照）まで２００℃／時間で
昇温した後，１０分間保持し，上下のパンチ棒により荷
重を１０ＭＰａ加えて銅箔の加熱接合を行った。その後
２００℃／時間で室温まで温度を下げた。その後，シリ
コンオイル中で温度１００℃で１０分間，直流電圧２０
００Ｖ／ｍｍを印加して，分極処理を施した。
【００２４】次に，比較例にかかる製造方法による圧電
素子について説明する。この圧電素子はＡｇペーストを
焼きつけて作成した電極を持った圧電素子である。Ａｇ
ペーストは昭栄化学のＰＺＴ用銀電極Ｈ４５１０を用い
た。上記Ａｇペーストを＃２００番のメッシュで圧電材
料にスクリーン印刷した後，空気中７００℃で１０分の
熱処理を施して焼きつけた。その後，シリコンオイル中
で温度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍｍ
を印加して，分極処理を施した。
素子について説明する。この圧電素子はＡｇペーストを
焼きつけて作成した電極を持った圧電素子である。Ａｇ
ペーストは昭栄化学のＰＺＴ用銀電極Ｈ４５１０を用い
た。上記Ａｇペーストを＃２００番のメッシュで圧電材
料にスクリーン印刷した後，空気中７００℃で１０分の
熱処理を施して焼きつけた。その後，シリコンオイル中
で温度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍｍ
を印加して，分極処理を施した。
【００２５】（静電容量，誘電損失，誘電率）シリコン
オイル中で分極処理する前の各圧電素子をヒューレット
パッカード社（以下ＨＰ社）製のインピーダンスアナラ
イザーＨＰ４１９４Ａを用いて，周波数１ＫＨｚで測定
し，静電容量については図１にかかる線図に，誘電損失
については図２にかかる線図にプロットした。また，本
例の製造方法にかかる圧電素子で処理温度が７００℃で
あったもの（以下試料１とする），比較例の製造方法に
かかる圧電素子（以下比較試料Ｃ１とする）の誘電率，
誘電損失について，表１に記載した。なお，静電容量が
大きい場合，小さな体積で大きな静電容量を持つ小型で
大容量のコンデンサ素子を得ることができる。また，誘
電損失は電圧出力型加速度センサの電圧ノイズ源と関係
があるため，誘電損失が小さければ小さい程，Ｓ／Ｎ比
が大きく高感度の電圧出力型加速度センサを得ることが
できる。また，誘電率が大きい場合，小さな体積で大き
な静電容量を持つ小型で大容量のコンデンサ素子を得る
ことができる。
オイル中で分極処理する前の各圧電素子をヒューレット
パッカード社（以下ＨＰ社）製のインピーダンスアナラ
イザーＨＰ４１９４Ａを用いて，周波数１ＫＨｚで測定
し，静電容量については図１にかかる線図に，誘電損失
については図２にかかる線図にプロットした。また，本
例の製造方法にかかる圧電素子で処理温度が７００℃で
あったもの（以下試料１とする），比較例の製造方法に
かかる圧電素子（以下比較試料Ｃ１とする）の誘電率，
誘電損失について，表１に記載した。なお，静電容量が
大きい場合，小さな体積で大きな静電容量を持つ小型で
大容量のコンデンサ素子を得ることができる。また，誘
電損失は電圧出力型加速度センサの電圧ノイズ源と関係
があるため，誘電損失が小さければ小さい程，Ｓ／Ｎ比
が大きく高感度の電圧出力型加速度センサを得ることが
できる。また，誘電率が大きい場合，小さな体積で大き
な静電容量を持つ小型で大容量のコンデンサ素子を得る
ことができる。
【００２６】（電気機械結合定数〔Ｋｐ〕，圧電電圧出
力センサ定数〔ｇ３３〕）試料１及び比較試料Ｃ１をＨ
Ｐ社製のインピーダンスアナライザーＨＰ４１９４Ａを
用いて共振反共振法により直径方向振動モードを測定し
た。測定結果を表１に記載した。なお，電気機械結合定
数〔Ｋｐ〕が大きい場合，昇圧比が大きく，電気変換損
失が少ない，優れた圧電トランス素子を得ることができ
る。また，圧電電圧出力センサ定数〔ｇ３３〕は，圧電
素子よりなる圧電型加速度センサの出力電圧に比例する
ため，ｇ３３が大きければ大きいほど感度の高い加速度
センサを得ることができる。
力センサ定数〔ｇ３３〕）試料１及び比較試料Ｃ１をＨ
Ｐ社製のインピーダンスアナライザーＨＰ４１９４Ａを
用いて共振反共振法により直径方向振動モードを測定し
た。測定結果を表１に記載した。なお，電気機械結合定
数〔Ｋｐ〕が大きい場合，昇圧比が大きく，電気変換損
失が少ない，優れた圧電トランス素子を得ることができ
る。また，圧電電圧出力センサ定数〔ｇ３３〕は，圧電
素子よりなる圧電型加速度センサの出力電圧に比例する
ため，ｇ３３が大きければ大きいほど感度の高い加速度
センサを得ることができる。
【００２７】（電界誘起変位量）試料１及び比較試料Ｃ
１は，圧縮応力２０ＭＰａのもとで厚み１ｍｍあたり−
４００Ｖから２０００Ｖの高電圧をサイン波で，０．０
１Ｈｚで印加したときの変位量をレーザー変位計で測定
した。測定結果を表１に記載した。なお，電界誘起変位
量が大きい場合，小型で大きな変位量を発生する優れた
圧電アクチュエータ変位素子を得ることができる。
１は，圧縮応力２０ＭＰａのもとで厚み１ｍｍあたり−
４００Ｖから２０００Ｖの高電圧をサイン波で，０．０
１Ｈｚで印加したときの変位量をレーザー変位計で測定
した。測定結果を表１に記載した。なお，電界誘起変位
量が大きい場合，小型で大きな変位量を発生する優れた
圧電アクチュエータ変位素子を得ることができる。
【００２８】以下，測定結果について説明する。図１の
線図から本例及び比較例にかかる製造方法による圧電素
子の静電容量と処理温度との関係が分かる。つまり，本
例にかかる製法において，Ｃｕ電極と圧電材料とを接合
する際の温度が８００℃を越えると静電容量が大きく低
下することが分かった。これはＣｕと圧電材料との界面
に誘電率の低い物質が生成するためと考えられる。ま
た，従来品であるＡｇペーストからなる電極を設けた圧
電素子と同程度の静電容量を確保するためには，接合の
温度を５００℃〜７００℃とする必要があることが分か
った。また，同図より接合の温度が６００℃である場合
に従来のＡｇペーストの電極を持った圧電素子と同程度
の静電容量が得られることが分かった。
線図から本例及び比較例にかかる製造方法による圧電素
子の静電容量と処理温度との関係が分かる。つまり，本
例にかかる製法において，Ｃｕ電極と圧電材料とを接合
する際の温度が８００℃を越えると静電容量が大きく低
下することが分かった。これはＣｕと圧電材料との界面
に誘電率の低い物質が生成するためと考えられる。ま
た，従来品であるＡｇペーストからなる電極を設けた圧
電素子と同程度の静電容量を確保するためには，接合の
温度を５００℃〜７００℃とする必要があることが分か
った。また，同図より接合の温度が６００℃である場合
に従来のＡｇペーストの電極を持った圧電素子と同程度
の静電容量が得られることが分かった。
【００２９】次に，図２の線図から本例及び比較例にか
かる製造方法による圧電素子の誘電損失と処理温度との
関係が分かる。つまり，本例にかかる製法において，Ｃ
ｕ電極と圧電材料とを接合する際の温度が８００℃を越
えると誘電損失が大きく上昇することが分かった。ま
た，従来品であるＡｇペーストからなる電極を設けた圧
電素子と同程度の誘電損失を維持するためには，接合の
温度を５００℃〜７００℃とする必要があることが分か
った。また，同図より接合の温度が６００℃である場合
に従来のＡｇペーストの電極を持った圧電素子と同程度
の誘電損失が得られることが分かった。
かる製造方法による圧電素子の誘電損失と処理温度との
関係が分かる。つまり，本例にかかる製法において，Ｃ
ｕ電極と圧電材料とを接合する際の温度が８００℃を越
えると誘電損失が大きく上昇することが分かった。ま
た，従来品であるＡｇペーストからなる電極を設けた圧
電素子と同程度の誘電損失を維持するためには，接合の
温度を５００℃〜７００℃とする必要があることが分か
った。また，同図より接合の温度が６００℃である場合
に従来のＡｇペーストの電極を持った圧電素子と同程度
の誘電損失が得られることが分かった。
【００３０】表１より知れるごとく，電気機械結合係数
Ｋｐは比較試料Ｃ１と試料１は，６８％以上の高い値を
持つことが分かった。また，比較試料Ｃ１と比べて試料
１のほうがｇ３３が大きかった。圧電加速度センサの出
力電圧はｇ３３に比例するので，本例にかかる製造方法
より得た圧電素子を利用することで，Ａｇペーストより
なる電極の従来圧電素子よりも感度の高い圧電加速度セ
ンサを得ることができる。
Ｋｐは比較試料Ｃ１と試料１は，６８％以上の高い値を
持つことが分かった。また，比較試料Ｃ１と比べて試料
１のほうがｇ３３が大きかった。圧電加速度センサの出
力電圧はｇ３３に比例するので，本例にかかる製造方法
より得た圧電素子を利用することで，Ａｇペーストより
なる電極の従来圧電素子よりも感度の高い圧電加速度セ
ンサを得ることができる。
【００３１】また，比較試料Ｃ１と試料１の誘電損失は
同等の大きさの約２％であった。本例にかかる製造方法
により得た圧電素子を利用することで，ノイズの小さな
圧電型加速度センサが作成可能であることが分かった。
同等の大きさの約２％であった。本例にかかる製造方法
により得た圧電素子を利用することで，ノイズの小さな
圧電型加速度センサが作成可能であることが分かった。
【００３２】また，比較試料Ｃ１と比べて試料１は電界
誘起変位量が大きかった。本例にかかる製造方法により
得た圧電素子を利用することで，変位量の大きな圧電ア
クチュエータ変位素子が作成可能であることが分かっ
た。
誘起変位量が大きかった。本例にかかる製造方法により
得た圧電素子を利用することで，変位量の大きな圧電ア
クチュエータ変位素子が作成可能であることが分かっ
た。
【００３３】（接合強度）また，本例にかかる製造方法
による圧電素子に対し粘着テープを用いた引き剥がし試
験を行った。その結果，４００℃で接合したものはＣｕ
電極がはがれてしまったが，６００℃以上の接合ではは
がれなかった。
による圧電素子に対し粘着テープを用いた引き剥がし試
験を行った。その結果，４００℃で接合したものはＣｕ
電極がはがれてしまったが，６００℃以上の接合ではは
がれなかった。
【００３４】本例にかかる作用効果について説明する。
本例の製造方法により，特に圧電材料に対し電極を直接
接合することが可能となるため，積層型の圧電素子を製
作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置する必要
がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信頼性の圧
電素子を得ることができる。また，上述の温度範囲にお
いてＣｕ電極を直接接合しているため，Ｃｕと圧電材料
との間での相互反応を防止することができ，誘電損失が
小さく，電界誘起変位量が高い特性に優れた圧電素子を
得ることができる。
本例の製造方法により，特に圧電材料に対し電極を直接
接合することが可能となるため，積層型の圧電素子を製
作する際に圧電材料間に電極用金属板等を配置する必要
がなくなり，安価なコストで強度に優れた高信頼性の圧
電素子を得ることができる。また，上述の温度範囲にお
いてＣｕ電極を直接接合しているため，Ｃｕと圧電材料
との間での相互反応を防止することができ，誘電損失が
小さく，電界誘起変位量が高い特性に優れた圧電素子を
得ることができる。
【００３５】以上，本例によれば，高い特性を持ち，圧
電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製作
コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を提
供することができる。
電材料と電極との接合強度に優れて信頼性が高く，製作
コストが安価で製作容易である圧電素子の製造方法を提
供することができる。
【００３６】
【表１】
【００３７】実施形態例２ 本例は圧電材料に対しろう材を配置し，該ろう材の融点
の±１００℃の温度範囲に維持することにより上記ろう
材より電極を圧電材料に対し直接形成することで製造す
る圧電素子について説明する。
の±１００℃の温度範囲に維持することにより上記ろう
材より電極を圧電材料に対し直接形成することで製造す
る圧電素子について説明する。
【００３８】本例で使用する圧電材料は実施形態例１と
同じものである。ろう材として，ろう材金属粉末をペー
スト状にしたＡｇ７９％Ｃｕ２１％組成のろう材である
ＢＡｇ８を用いた。融点は７８０℃である。このろう材
ペーストを＃２００番のメッシュで圧電材料にスクリー
ン印刷した後，真空中（１．３３３Ｐａ）７００℃また
は８００℃で１０分の熱処理を施してろう材を圧電材料
に溶融付け（８００℃）または拡散接合（７００℃）さ
せることで電極を形成した。その後シリコンオイル中
で，温度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍ
ｍを印加して，分極処理を施した。
同じものである。ろう材として，ろう材金属粉末をペー
スト状にしたＡｇ７９％Ｃｕ２１％組成のろう材である
ＢＡｇ８を用いた。融点は７８０℃である。このろう材
ペーストを＃２００番のメッシュで圧電材料にスクリー
ン印刷した後，真空中（１．３３３Ｐａ）７００℃また
は８００℃で１０分の熱処理を施してろう材を圧電材料
に溶融付け（８００℃）または拡散接合（７００℃）さ
せることで電極を形成した。その後シリコンオイル中
で，温度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍ
ｍを印加して，分極処理を施した。
【００３９】得られた圧電素子で，８００℃で溶融付け
したものを試料２，７００℃で拡散接合したものを試料
３とする。これら試料２，試料３にかかる圧電素子のＫ
ｐ，誘電率，誘電損失，電界誘起変位量を実施形態例１
と同様の方法で測定し，表２に記載した。また，圧電電
荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）の測定は，ＨＰ
社製のインピーダンスアナライザーＨＰ４１９４Ａを用
いて共振反共振法により，直径方向振動モードを測定し
た。この結果も表２に記載した。また，実施形態例１に
かかる比較試料Ｃ１の測定値も比較のために表２に記載
した。
したものを試料２，７００℃で拡散接合したものを試料
３とする。これら試料２，試料３にかかる圧電素子のＫ
ｐ，誘電率，誘電損失，電界誘起変位量を実施形態例１
と同様の方法で測定し，表２に記載した。また，圧電電
荷センサ定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）の測定は，ＨＰ
社製のインピーダンスアナライザーＨＰ４１９４Ａを用
いて共振反共振法により，直径方向振動モードを測定し
た。この結果も表２に記載した。また，実施形態例１に
かかる比較試料Ｃ１の測定値も比較のために表２に記載
した。
【００４０】表２より知れるごとく，比較試料Ｃ１と試
料２，３はほぼ同じ大きさの電気機械結合定数Ｋｐを有
することが分かった。
料２，３はほぼ同じ大きさの電気機械結合定数Ｋｐを有
することが分かった。
【００４１】また，比較試料Ｃ１と比べて試料２，試料
３のほうがｄ３１が大きかった。電荷あるいは電流出力
型圧電加速度センサの出力電圧は圧電電荷センサ定数ｄ
３１に比例するので，本例にかかる製造方法より得た圧
電素子を利用することで，Ａｇペーストよりなる電極の
従来圧電素子よりも感度の高い電荷あるいは電流出力型
圧電加速度センサが作成可能となることが分かった。更
に，７００℃の拡散接合より，８００℃の溶融ろう付け
のほうが，より感度の高い電荷あるいは電流出力型圧電
加速度センサが得られることが分かった。
３のほうがｄ３１が大きかった。電荷あるいは電流出力
型圧電加速度センサの出力電圧は圧電電荷センサ定数ｄ
３１に比例するので，本例にかかる製造方法より得た圧
電素子を利用することで，Ａｇペーストよりなる電極の
従来圧電素子よりも感度の高い電荷あるいは電流出力型
圧電加速度センサが作成可能となることが分かった。更
に，７００℃の拡散接合より，８００℃の溶融ろう付け
のほうが，より感度の高い電荷あるいは電流出力型圧電
加速度センサが得られることが分かった。
【００４２】また，比較試料Ｃ１に対して，試料２，試
料３は大きな誘電率となった。また，７００℃の拡散接
合により，８００℃の溶融ろう付けの方が大きな誘電率
であり，より小型で大容量のコンデンサ素子が作成可能
であることが分かった。
料３は大きな誘電率となった。また，７００℃の拡散接
合により，８００℃の溶融ろう付けの方が大きな誘電率
であり，より小型で大容量のコンデンサ素子が作成可能
であることが分かった。
【００４３】また，比較試料Ｃ１と試料２，試料３は同
等の誘電損失であった。誘電損失は電圧加速度センサの
ノイズ源であるので，拡散接合，溶融，ろう付け接合に
よりノイズの小さいセンサが作成可能であることが分か
った。
等の誘電損失であった。誘電損失は電圧加速度センサの
ノイズ源であるので，拡散接合，溶融，ろう付け接合に
よりノイズの小さいセンサが作成可能であることが分か
った。
【００４４】また，比較試料Ｃ１に対して，試料２，試
料３は同等以上の大きさの電界誘起変位量であることが
分かった。拡散接合および溶融ろう付け接合により変位
量の大きな圧電アクチュエータ素子が作成可能であるこ
とが分かった。
料３は同等以上の大きさの電界誘起変位量であることが
分かった。拡散接合および溶融ろう付け接合により変位
量の大きな圧電アクチュエータ素子が作成可能であるこ
とが分かった。
【００４５】
【表２】
【００４６】実施形態例３ 本例は電極としては金属電極を用い，圧電材料に対しろ
う材を介して金属電極を配置し，上記ろう材の融点の±
１００℃の温度範囲に保持することにより上記圧電材料
に上記金属電極を接合することで作製した圧電素子につ
いて説明する。
う材を介して金属電極を配置し，上記ろう材の融点の±
１００℃の温度範囲に保持することにより上記圧電材料
に上記金属電極を接合することで作製した圧電素子につ
いて説明する。
【００４７】以下，詳細に説明する。本例で使用する圧
電材料は実施形態例１と同じものである。ろう材とし
て，ろう材金属粉末をペースト状にしたＡｇ７９％Ｃｕ
２１％組成のろう材であるＢＡｇ８を用いた。融点は７
８０℃である。このろう材ペーストを＃２００番のメッ
シュで圧電材料の上下の面にスクリーン印刷した後，厚
み１０μｍの銅金属箔よりなる金属電極をろう材上に配
置した。このものに対し，銅金属箔に対し荷重１０ＭＰ
ａを付与し，１．３３３Ｐａの真空中７００℃で１０分
間熱処理を施した。これにより，圧電材料と金属電極を
ろう材により接合した。その後シリコンオイル中で，温
度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍｍを印
加して，分極処理を施した。得られた圧電素子を試料４
とする。
電材料は実施形態例１と同じものである。ろう材とし
て，ろう材金属粉末をペースト状にしたＡｇ７９％Ｃｕ
２１％組成のろう材であるＢＡｇ８を用いた。融点は７
８０℃である。このろう材ペーストを＃２００番のメッ
シュで圧電材料の上下の面にスクリーン印刷した後，厚
み１０μｍの銅金属箔よりなる金属電極をろう材上に配
置した。このものに対し，銅金属箔に対し荷重１０ＭＰ
ａを付与し，１．３３３Ｐａの真空中７００℃で１０分
間熱処理を施した。これにより，圧電材料と金属電極を
ろう材により接合した。その後シリコンオイル中で，温
度１００℃で１０分間，直流電圧２０００Ｖ／ｍｍを印
加して，分極処理を施した。得られた圧電素子を試料４
とする。
【００４８】この試料４にかかる圧電素子のＫｐ，誘電
率，誘電損失，電界誘起変位量を実施形態例１と同様の
方法で測定し，表２に記載した。また，圧電電荷センサ
定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）の測定を，実施形態例２
と同様に行い，結果を表２に記載した。
率，誘電損失，電界誘起変位量を実施形態例１と同様の
方法で測定し，表２に記載した。また，圧電電荷センサ
定数ｄ３１（圧電ひずみ定数）の測定を，実施形態例２
と同様に行い，結果を表２に記載した。
【００４９】表２より知れるごとく，比較試料Ｃ１と試
料４は同等の大きさの電気機械結合係数Ｋｐを有するこ
とが分かった。
料４は同等の大きさの電気機械結合係数Ｋｐを有するこ
とが分かった。
【００５０】また，比較試料Ｃ１と比べて試料４のほう
がｄ３１が大きかった。電荷あるいは電流出力型圧電加
速度センサの出力電圧は圧電電荷センサ定数ｄ３１に比
例するので，本例にかかる製造方法より得た圧電素子を
利用することで，Ａｇペーストよりなる電極の従来圧電
素子よりも感度の高い電荷あるいは電流出力型圧電加速
度センサが作成可能となることが分かった。
がｄ３１が大きかった。電荷あるいは電流出力型圧電加
速度センサの出力電圧は圧電電荷センサ定数ｄ３１に比
例するので，本例にかかる製造方法より得た圧電素子を
利用することで，Ａｇペーストよりなる電極の従来圧電
素子よりも感度の高い電荷あるいは電流出力型圧電加速
度センサが作成可能となることが分かった。
【００５１】また，比較試料Ｃ１に比べ試料４は大きな
誘電率であった。これにより，本例にかかる製造方法に
より得た素子により，小型で容量の大きいコンデンサ素
子が作成可能であることが分かった。
誘電率であった。これにより，本例にかかる製造方法に
より得た素子により，小型で容量の大きいコンデンサ素
子が作成可能であることが分かった。
【００５２】また，比較試料Ｃ１に対し，試料４は大き
な電界誘起変位量であった。本例にかかる製造方法によ
り，小型で変位量の大きな圧電アクチュエータ変位素子
が作成可能となることが分かった。
な電界誘起変位量であった。本例にかかる製造方法によ
り，小型で変位量の大きな圧電アクチュエータ変位素子
が作成可能となることが分かった。
【００５３】
【発明の効果】上述のごとく，本発明によれば，高い特
性を持ち，圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性
が高く，製作コストが安価で製作容易である圧電素子の
製造方法を提供することができる。
性を持ち，圧電材料と電極との接合強度に優れて信頼性
が高く，製作コストが安価で製作容易である圧電素子の
製造方法を提供することができる。
【図１】実施形態例１における，製造時の温度と静電容
量との関係を示す線図。
量との関係を示す線図。
【図２】実施形態例１における，製造時の温度と誘電損
失との関係を示す線図。
失との関係を示す線図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G026 BA02 BB22 BB28 BF15 BF16 BF17 BF18 BF20 BF22 BF44 BG02 BG22 BH09
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電材料と該圧電材料に設けた電極とよ
りなる圧電素子を製造する方法であって，上記電極とし
てはＣｕ電極を用い，該Ｃｕ電極と上記圧電材料とを接
触させた状態で５００〜７００℃の温度範囲に保持する
ことにより両者を直接接合することを特徴とする圧電素
子の製造方法。 - 【請求項２】 圧電材料と該圧電材料に設けた電極より
なる圧電素子を製造する方法であって，上記圧電材料に
対しろう材を配置し，該ろう材の融点の±１００℃の温
度範囲に維持することにより上記ろう材より電極を圧電
材料に対し直接形成することを特徴とする圧電素子の製
造方法。 - 【請求項３】 圧電材料と該圧電材料に設けた電極より
なる圧電素子を製造する方法であって，上記電極として
は金属電極を用い，上記圧電材料に対しろう材を介して
金属電極を配置し，上記ろう材の融点の±１００℃の温
度範囲に保持することにより上記圧電材料に上記金属電
極を接合することを特徴とする圧電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000055784A JP2001244519A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 圧電素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000055784A JP2001244519A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 圧電素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001244519A true JP2001244519A (ja) | 2001-09-07 |
Family
ID=18576850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000055784A Pending JP2001244519A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 圧電素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001244519A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004266261A (ja) * | 2003-02-12 | 2004-09-24 | Denso Corp | 積層型圧電体素子及びその製造方法 |
| US6972060B2 (en) | 2002-04-05 | 2005-12-06 | Nippon Soken, Inc. | Method for producing stacked ceramic body |
| US6989627B2 (en) | 2003-02-12 | 2006-01-24 | Denso Corporation | Stacked piezoelectric device |
| US7377788B2 (en) | 2004-01-16 | 2008-05-27 | Kabushiki Kaisha Nihon Micronics | Electrical connecting apparatus and contact |
-
2000
- 2000-03-01 JP JP2000055784A patent/JP2001244519A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6972060B2 (en) | 2002-04-05 | 2005-12-06 | Nippon Soken, Inc. | Method for producing stacked ceramic body |
| JP2004266261A (ja) * | 2003-02-12 | 2004-09-24 | Denso Corp | 積層型圧電体素子及びその製造方法 |
| US6989627B2 (en) | 2003-02-12 | 2006-01-24 | Denso Corporation | Stacked piezoelectric device |
| US7073265B2 (en) | 2003-02-12 | 2006-07-11 | Denso Corporation | Stacked piezoelectric device and method of fabricating same |
| JP4590868B2 (ja) * | 2003-02-12 | 2010-12-01 | 株式会社デンソー | 積層型圧電体素子及びその製造方法 |
| US7377788B2 (en) | 2004-01-16 | 2008-05-27 | Kabushiki Kaisha Nihon Micronics | Electrical connecting apparatus and contact |
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