JP2007189164A - Stacked piezoelectric element, process for fabrication thereof, and conductor paste - Google Patents

Stacked piezoelectric element, process for fabrication thereof, and conductor paste Download PDF

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克彦 五十嵐
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stacked piezoelectric element equipped with a terminal electrode having a high adhesion strength even under a low-temperature grazing. <P>SOLUTION: The stacked piezoelectric element comprises: a laminate consisting of a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer formed between a plurality of piezoelectric layers; and a terminal electrode which is jointed to the laminate and electrically connects the internal electrode layer to an external power source. A compound containing alkaline earth metal is formed at the interface between the laminate and the terminal electrode. If the piezoelectric layer contains a composite oxide comprising Pb, Ti, and Zr, the compound containing alkaline earth metal further contains Pb. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、積層型圧電素子に関し、特に積層型圧電素子の端子電極の改良に関するものである。   The present invention relates to a multilayer piezoelectric element, and more particularly to improvement of a terminal electrode of the multilayer piezoelectric element.

従来から圧電素子は電気的エネルギを逆圧電効果により機械的エネルギに変換できる特性を利用して、種々の装置の駆動源として用いられている。一般的な圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電体層の両面に導体ペーストを印刷・焼成して電極層を形成した構造を有している。しかし、圧電体層が1層では得られる変位量が小さいため、大きな変位量を得たい場合には、圧電体層と内部電極層とを積層して変位量を増やしている。これが積層型圧電素子である。   2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric elements have been used as driving sources for various devices by utilizing the characteristic that electrical energy can be converted into mechanical energy by the inverse piezoelectric effect. A general piezoelectric element has a structure in which an electrode layer is formed by printing and baking a conductor paste on both surfaces of a piezoelectric layer such as lead zirconate titanate (PZT). However, since the amount of displacement obtained with a single piezoelectric layer is small, when a large amount of displacement is desired, the amount of displacement is increased by laminating the piezoelectric layer and the internal electrode layer. This is a multilayer piezoelectric element.

図3は、積層型圧電素子1の構成例を示す断面図である。積層型圧電素子1は、複数の圧電体層11と複数の内部電極層12とを交互に積層した積層体10を備えている。圧電体層11の一層当たりの厚さは例えば1〜200μm、好ましくは20〜150μmである。なお、圧電体層11の積層数は目標とする変位量に応じて決定される。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the multilayer piezoelectric element 1. The multilayer piezoelectric element 1 includes a multilayer body 10 in which a plurality of piezoelectric layers 11 and a plurality of internal electrode layers 12 are alternately stacked. The thickness per layer of the piezoelectric layer 11 is, for example, 1 to 200 μm, preferably 20 to 150 μm. Note that the number of stacked piezoelectric layers 11 is determined according to the target displacement.

圧電体層11を構成する圧電磁器組成物は、Pb、Ti及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とするのが一般的である。
内部電極層12は、導電材料を含有している。内部電極層12を構成する導電材料として、Ag、Ag−Pd合金等の貴金属が用いられていた。しかし、貴金属材料は積層型圧電素子1のコストを上昇させる要因の一つであることから、卑金属材料であるCuを導電材料として用いることが試みられている(例えば、特許文献1、特許文献2)。
In general, the piezoelectric ceramic composition constituting the piezoelectric layer 11 is mainly composed of a composite oxide containing Pb, Ti and Zr as constituent elements.
The internal electrode layer 12 contains a conductive material. As a conductive material constituting the internal electrode layer 12, a noble metal such as Ag or an Ag—Pd alloy has been used. However, since the noble metal material is one of the factors that increase the cost of the multilayer piezoelectric element 1, it is attempted to use Cu, which is a base metal material, as a conductive material (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). ).

複数の内部電極層12は交互に逆方向に延長されており、その延長方向には内部電極層12と電気的に接続された一対の端子電極21、22がそれぞれ設けられている。端子電極21、22は、例えば、図示しないリード線を介して図示しない外部電源に対して電気的に接続される。
端子電極21、22は、Ag、Cu、Pd等の導電材料、ガラス組成物及び有機ビヒクルを含む導体ペーストを塗布後、焼き付けることにより形成される。端子電極21、22の厚さは用途等に応じて適宜決定されるが、通常、10〜50μmである。
The plurality of internal electrode layers 12 are alternately extended in opposite directions, and a pair of terminal electrodes 21 and 22 electrically connected to the internal electrode layer 12 are provided in the extension direction. The terminal electrodes 21 and 22 are electrically connected to an external power source (not shown) via a lead wire (not shown), for example.
The terminal electrodes 21 and 22 are formed by applying and then baking a conductive paste containing a conductive material such as Ag, Cu or Pd, a glass composition and an organic vehicle. Although the thickness of the terminal electrodes 21 and 22 is suitably determined according to a use etc., it is 10-50 micrometers normally.

特開2004−137106号公報JP 2004-137106 A 特開2005−285806号公報JP-A-2005-285806

内部電極層12の導電材料としてAg、Ag−Pd合金等の貴金属を用いる場合には、端子電極21、22の焼き付けの温度を比較的高く、例えば700℃程度とすることができた。これは、Ag、Ag−Pd合金等の貴金属は、この程度の温度であっても、圧電体層11への元素拡散がほとんど生じないからである。したがって、端子電極21、22用の導体ペーストに用いるガラスとして、その融点が700℃程度のPb系、Zn系ガラスを用いることができるとともに、積層体10への密着性も確保されていた。   When a noble metal such as Ag or Ag—Pd alloy was used as the conductive material of the internal electrode layer 12, the temperature for baking the terminal electrodes 21 and 22 could be made relatively high, for example, about 700 ° C. This is because noble metals such as Ag and Ag—Pd alloy hardly diffuse into the piezoelectric layer 11 even at such a temperature. Therefore, as the glass used for the conductor paste for the terminal electrodes 21 and 22, Pb-based or Zn-based glass having a melting point of about 700 ° C. can be used, and adhesion to the laminate 10 is also ensured.

ところが、内部電極層12の導電材料としてCuを用いる場合には、焼き付けの温度を従来よりも低くする必要がある。Cuは圧電体層11への拡散がしやすいためである。したがって、内部電極層12の導電材料をCuとする場合には、これまでのPb系、Zn系ガラスを用いることができない。
一方で、高速応答の次世代自動車エンジン燃料噴射制御装置の電子部品として積層型圧電素子1が注目されている。この用途に用いられる積層型圧電素子1は、積層数が数百層にまで及び、また大きさも10mm×10mm×高さ40mm程度と大きなものが要求されている。さらに、この用途の積層型圧電素子1は、高電界、高圧力下で連続的に駆動されるものであり、端子電極21、22が積層体10(圧電材料)から剥離しないような強い密着性が要求される。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、低温焼き付けによっても高い密着強度を有する端子電極を備えた積層型圧電素子を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような端子電極を得るための導電ペーストを提供することを目的とする。
However, when Cu is used as the conductive material of the internal electrode layer 12, it is necessary to lower the baking temperature as compared with the prior art. This is because Cu easily diffuses into the piezoelectric layer 11. Therefore, when the conductive material of the internal electrode layer 12 is Cu, conventional Pb-based and Zn-based glasses cannot be used.
On the other hand, the multilayer piezoelectric element 1 is attracting attention as an electronic component of a high-speed response next-generation automobile engine fuel injection control device. The multilayer piezoelectric element 1 used for this purpose is required to have a large number of stacked layers of several hundred layers and a size of about 10 mm × 10 mm × height of about 40 mm. Furthermore, the multilayer piezoelectric element 1 for this application is continuously driven under a high electric field and high pressure, and has strong adhesion so that the terminal electrodes 21 and 22 do not peel from the multilayer body 10 (piezoelectric material). Is required.
The present invention has been made on the basis of such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element including a terminal electrode having high adhesion strength even by low-temperature baking. Moreover, an object of this invention is to provide the electrically conductive paste for obtaining such a terminal electrode.

端子電極の圧電材料に対する密着強度は、導電材料とともに含まれるガラスに支配される。このガラスは、導電材料を圧電材料に接合するために含まれるものである。そこで、本発明者等はガラスの成分について検討を行った。その結果、ガラスに特定の元素が含まれている場合に、焼き付け後に圧電材料の表面に当該元素を含む化合物が形成され、この化合物層を介して端子電極が圧電材料に接合されていることを知見した。そして、この化合物を介して端子電極が圧電材料に接合されている場合に、密着強度が優れていた。   The adhesion strength of the terminal electrode to the piezoelectric material is governed by the glass contained together with the conductive material. This glass is included for bonding a conductive material to a piezoelectric material. Therefore, the present inventors examined the components of the glass. As a result, when glass contains a specific element, a compound containing the element is formed on the surface of the piezoelectric material after baking, and the terminal electrode is bonded to the piezoelectric material through this compound layer. I found out. And when the terminal electrode was joined to the piezoelectric material through this compound, the adhesion strength was excellent.

本発明の積層型圧電素子は、以上の検討に基づくものであり、複数の圧電体層と、複数の圧電体層間に形成された内部電極層とを備える積層体と、積層体に接合され、内部電極層と外部の電源とを電気的に接続する端子電極とを備え、積層体と端子電極との界面にアルカリ土類金属を含む化合物が形成されていることを特徴とする。このアルカリ土類金属を含む化合物は、積層体と端子電極との界面に層状に形成されていることが好ましい。なお、層状に化合物が形成されていれば、必ずしもその濃度が均一である必要はなく、本発明は濃度ムラがある場合をも包含する。   The multilayer piezoelectric element of the present invention is based on the above study, and is bonded to the multilayer body including a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers formed between the plurality of piezoelectric layers, A terminal electrode that electrically connects the internal electrode layer and an external power source is provided, and a compound containing an alkaline earth metal is formed at the interface between the laminate and the terminal electrode. The compound containing an alkaline earth metal is preferably formed in a layered manner at the interface between the laminate and the terminal electrode. In addition, as long as the compound is formed in a layered form, the concentration does not necessarily need to be uniform, and the present invention includes a case where the concentration is uneven.

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層がPb、Ti及びZrを構成元素とする複合酸化物を含有する場合、アルカリ土類金属を含む化合物はPbをさらに含むことが好ましい。
また本発明の積層型圧電素子において、アルカリ土類金属を含む化合物は、BaPbO、BaPbO、CaPbO、CaPbO、SrPbO及びSrPbOから選択される1種又は2種以上であることが好ましい。
本発明の積層型圧電素子は、内部電極層の導電材料をCuとする場合に特に有効である。
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when the piezoelectric layer contains a composite oxide containing Pb, Ti and Zr as constituent elements, the compound containing an alkaline earth metal preferably further contains Pb.
In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the compound containing an alkaline earth metal is one or two selected from Ba 2 PbO 4 , BaPbO 3 , Ca 2 PbO 4 , CaPbO 3 , Sr 2 PbO 4 and SrPbO 3. It is preferable that it is a seed or more.
The multilayer piezoelectric element of the present invention is particularly effective when the conductive material of the internal electrode layer is Cu.

以上の本発明による積層型圧電素子は、複数の圧電体層と、複数の圧電体層間に形成された内部電極層とを備える積層体と、積層体に接合され、内部電極層と外部の電源とを電気的に接続する端子電極とを備える積層型圧電素子の製造方法であって、圧電体層前駆体と、内部電極層前駆体とが積層された状態で焼成して積層体を得る工程と、積層体の所定領域に端子電極を形成する工程と、を備え、端子電極の形成は、導電材料、ガラス及び有機ビヒクルを含み、このガラスが、Bi:57〜87質量%、B:0.5〜12質量%、SiO:18質量%以下(但し、0を含まず)、ZnO:6〜17質量%、Al:17質量%以下(但し、0を含まず)、BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:13質量%以下(但し、0を含まず)の組成を有する端子電極前駆体を積層体の所定領域に塗布し、次いで焼き付けることによって製造される。
本発明において、内部電極層は導電材料としてCuを含有する場合には、還元性雰囲気下で焼成することが推奨される。
The multilayer piezoelectric element according to the present invention described above includes a multilayer body including a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers formed between the plurality of piezoelectric layers, and the internal electrode layer and an external power source joined to the multilayer body. A method for producing a laminated piezoelectric element comprising a terminal electrode for electrically connecting a piezoelectric layer precursor and an internal electrode layer precursor in a laminated state to obtain a laminate by firing And forming a terminal electrode in a predetermined region of the laminate, and the formation of the terminal electrode includes a conductive material, glass, and an organic vehicle, and the glass contains Bi 2 O 3 : 57 to 87% by mass, B 2 O 3 : 0.5 to 12% by mass, SiO 2 : 18% by mass or less (excluding 0), ZnO: 6 to 17% by mass, Al 2 O 3 : 17% by mass or less (provided that 0 1) or 2 or more types selected from BaO, CaO and SrO : 13 wt% or less (including not a 0) the terminal electrode precursor having a composition of coating a predetermined region of the stack, and then are prepared by baking.
In the present invention, when the internal electrode layer contains Cu as a conductive material, it is recommended to fire in a reducing atmosphere.

以上のガラスを含むペーストは、端子電極形成以外にも有効である。したがって本発明は、導電材料、ガラス及び有機ビヒクルを含み、このガラスが、Bi:57〜87質量%、B:0.5〜12質量%、SiO:18質量%以下(但し、0を含まず)、ZnO:6〜17質量%、Al:17質量%以下(但し、0を含まず)、BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:13質量%以下(但し、0を含まず)の組成を有する導体ペーストをも提供する。
この導体ペーストにおいて、導電材料としては、Ag、Au、Cu、Ni、Pt及びPdから選択される1種又は2種以上を用いることが好ましい。
The above paste containing glass is effective in addition to terminal electrode formation. Accordingly, the present invention includes a conductive material, glass, and an organic vehicle, and the glass contains Bi 2 O 3 : 57 to 87% by mass, B 2 O 3 : 0.5 to 12% by mass, and SiO 2 : 18% by mass or less. (However, 0 is not included), ZnO: 6 to 17% by mass, Al 2 O 3 : 17% by mass or less (however, 0 is not included), one or more selected from BaO, CaO, SrO The present invention also provides a conductor paste having a composition of 13% by mass or less (excluding 0).
In this conductor paste, it is preferable to use one or more kinds selected from Ag, Au, Cu, Ni, Pt and Pd as the conductive material.

本発明によれば、低温焼き付けによっても高い密着強度を有する端子電極を備えた積層型圧電素子が提供される。また本発明によれば、低温焼き付けによっても高い密着強度を有する導体ペーストが提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lamination type piezoelectric element provided with the terminal electrode which has high adhesive strength also by low temperature baking is provided. Moreover, according to this invention, the conductor paste which has high adhesive strength also by low temperature baking is provided.

積層型圧電素子1の基本的な構成は、すでに図3に基づいて説明したので省略し、ここでは図4を参照しつつ積層型圧電素子1の製造工程を説明し、本発明についてより具体的に説明する。図4は積層型圧電素子1の製造工程を示すフローチャートである。   The basic configuration of the multilayer piezoelectric element 1 has already been described with reference to FIG. 3 and will not be described. Here, the manufacturing process of the multilayer piezoelectric element 1 will be described with reference to FIG. Explained. FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing process of the multilayer piezoelectric element 1.

まず、圧電体層11を得るための主成分の出発原料として、例えば、PbO、TiO、ZrO、ZnO及びNb又は焼成によりこれら酸化物に変わり得る化合物;SrO、BaO及びCaOから選ばれる少なくとも一つの酸化物又は焼成によりこれら酸化物に変わり得る化合物等の粉末を用意し、秤量する(ステップS101)。出発原料としては、酸化物でなく、炭酸塩あるいはシュウ酸塩のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。これらの原料粉末は、通常、平均粒子径0.5〜10μm程度のものが用いられる。 First, as the main starting material for obtaining the piezoelectric layer 11, for example, PbO, TiO 2 , ZrO 2 , ZnO and Nb 2 O 5 or a compound that can be changed to these oxides by firing; SrO, BaO and CaO Powders such as at least one selected oxide or a compound that can be converted into these oxides by firing are prepared and weighed (step S101). As a starting material, not an oxide but a material that becomes an oxide by firing, such as carbonate or oxalate, may be used. As these raw material powders, those having an average particle diameter of about 0.5 to 10 μm are usually used.

必要に応じて副成分の出発原料をそれぞれ用意し、秤量する(ステップS101)。副成分の出発原料としては、例えばTa、Sb、Nb及びWOから選ばれる少なくとも一つの酸化物又は焼成によりこれら酸化物に変わり得る化合物を用いることができる。ただし、酸化物でなく、炭酸塩あるいはシュウ酸塩のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。これら副成分は、焼結性を向上させ、焼成温度をより低くする効果を奏する。 If necessary, starting materials for subcomponents are prepared and weighed (step S101). As the starting material of the subcomponent, for example, at least one oxide selected from Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Nb 2 O 5 and WO 3 or a compound that can be changed to these oxides by firing can be used. However, instead of an oxide, a material that becomes an oxide by firing, such as carbonate or oxalate, may be used. These subcomponents have the effect of improving the sinterability and lowering the firing temperature.

続いて、主成分及び副成分の出発原料を例えばボールミルを用いて湿式粉砕・混合して、原料混合物とする(ステップS102)。
なお、副成分の出発原料は、後述する仮焼成(ステップS103)の前に添加してもよいが、仮焼成後に添加するようにしてもよい。但し、仮焼成前に添加した方がより均質な圧電体層11を作製することができるので好ましい。仮焼成後に添加する場合には、副成分の出発原料には酸化物を用いることが好ましい。
Subsequently, the starting materials of the main component and the subcomponent are wet pulverized and mixed using, for example, a ball mill to obtain a raw material mixture (step S102).
In addition, although the starting material of a subcomponent may be added before temporary baking (step S103) mentioned later, you may make it add after temporary baking. However, it is preferable to add it before calcination because a more uniform piezoelectric layer 11 can be produced. When added after calcination, it is preferable to use an oxide as a starting material for the auxiliary component.

次いで、原料混合物を乾燥し、例えば、750〜950℃の温度で1〜6時間にわたり仮焼成する(ステップS103)。この仮焼成は、大気中で行っても良く、また大気中よりも酸素分圧の高い雰囲気又は純酸素雰囲気で行ってもよい。仮焼成したのち、例えば、この仮焼成物をボールミルにて湿式粉砕・混合し、主成分及び必要に応じて副成分を含む仮焼成粉とする(ステップS104)。
次に、この仮焼成粉にバインダを加えて圧電体層用ペーストを作製する(ステップS105)。具体的には以下の通りである。はじめに、例えばボールミル等を用いて、湿式粉砕によりスラリを得る。このとき、スラリの溶媒として、水もしくはエタノールなどのアルコール、又は水とエタノールとの混合溶媒を用いることができる。湿式粉砕は、仮焼成粉の平均粒径が0.5〜2.0μm程度となるまで行うことが好ましい。
Next, the raw material mixture is dried and, for example, pre-baked at a temperature of 750 to 950 ° C. for 1 to 6 hours (step S103). This pre-baking may be performed in the air, or may be performed in an atmosphere having a higher oxygen partial pressure or in a pure oxygen atmosphere than in the air. After calcination, for example, the calcination product is wet pulverized and mixed in a ball mill to obtain a calcination powder containing a main component and, if necessary, subcomponents (step S104).
Next, a binder is added to the temporarily fired powder to produce a piezoelectric layer paste (step S105). Specifically, it is as follows. First, a slurry is obtained by wet pulverization using, for example, a ball mill. At this time, water or an alcohol such as ethanol or a mixed solvent of water and ethanol can be used as a solvent for the slurry. The wet pulverization is preferably performed until the average particle size of the calcined powder becomes about 0.5 to 2.0 μm.

次いで、得られたスラリを有機ビヒクル中に分散させる。有機ビヒクルとは、バインダを有機溶剤中に溶解したものであり、有機ビヒクルに用いられるバインダは、特に限定されず、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル等の通常の各種バインダから適宜選択すればよい。また、このとき用いられる有機溶剤も特に限定されず、印刷法やシート成形法など、利用する方法に応じてテルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン、MEK(メチルエチルケトン)、ターピネオール等の有機溶剤から適宜選択すればよい。   The resulting slurry is then dispersed in an organic vehicle. The organic vehicle is obtained by dissolving a binder in an organic solvent, and the binder used in the organic vehicle is not particularly limited, and may be appropriately selected from usual various binders such as ethyl cellulose, polyvinyl butyral, and acrylic. Also, the organic solvent used at this time is not particularly limited, and it is appropriately selected from organic solvents such as terpineol, butyl carbitol, acetone, toluene, MEK (methyl ethyl ketone), terpineol and the like depending on the method used, such as printing method and sheet forming method. Just choose.

ペーストの有機ビヒクルの含有量は、特に限定されず、通常の含有量、たとえば、バインダは5〜10質量%程度、溶剤は10〜50質量%程度とすればよい。また、ペースト中には必要に応じて各種分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等から選択される添加物が含有されてもよい。
内部電極層用ペースト、端子電極用ペーストも同様の有機ビヒクルを用いればよい。
The content of the organic vehicle in the paste is not particularly limited, and may be a normal content, for example, about 5 to 10% by mass for the binder and about 10 to 50% by mass for the solvent. Moreover, the paste may contain additives selected from various dispersants, plasticizers, dielectrics, insulators, and the like, as necessary.
The same organic vehicle may be used for the internal electrode layer paste and the terminal electrode paste.

圧電体層用ペーストを水系の塗料とする場合には、水溶性のバインダや分散剤などを水に溶解させた水系ビヒクルと、仮焼成粉とを混練すればよい。水系ビヒクルに用いる水溶性バインダは特に限定されず、例えば、ポリビニルアルコール、セルロース、水溶性アクリル樹脂などを用いればよい。   When the piezoelectric layer paste is used as a water-based paint, a water-based vehicle in which a water-soluble binder, a dispersant, or the like is dissolved in water and a pre-fired powder may be kneaded. The water-soluble binder used for the water-based vehicle is not particularly limited, and for example, polyvinyl alcohol, cellulose, water-soluble acrylic resin, or the like may be used.

また、内部電極層用ペーストを作製する(ステップS106)。
内部電極層用ペーストは、導電材料としてのCu粒子と、上述した有機ビヒクルとを混練して調製される。
Also, an internal electrode layer paste is prepared (step S106).
The internal electrode layer paste is prepared by kneading Cu particles as a conductive material and the above-described organic vehicle.

また、端子電極用ペーストを作製する(ステップS107)。
端子電極用ペーストは、導電材料、ガラス及び有機ビヒクルを含む。この中で、ガラスは端子電極21、22を積層体10へ接合する役割を果たす。また、有機ビヒクルは、ペースト作製のために添加される。
導電材料としては、従来から用いられているAg、Au、Cu、Ni、Pt及びPdから選択される1種又は2種以上からなる粒子を用いることができる。この導電材料は前記元素の合金とすることもできる。この粒子の粒径は、0.1〜3.0μmの範囲から適宜選択すればよい。また、端子電極用ペーストにおける導電材料の量は50〜85質量%の範囲とすることが好ましい。50質量%未満では、金属量が少なすぎて、かすれを生じ、内部電極層12と接しない領域ができる場合がある。また、85質量%を超えると、ペースト化ができなくなる。端子電極用ペーストにおけるより好ましい導電材料の量は70〜80質量%である。
Also, a terminal electrode paste is prepared (step S107).
The terminal electrode paste includes a conductive material, glass, and an organic vehicle. In this, glass plays a role of joining the terminal electrodes 21 and 22 to the laminate 10. The organic vehicle is added for preparing a paste.
As the conductive material, particles composed of one kind or two or more kinds selected from conventionally used Ag, Au, Cu, Ni, Pt and Pd can be used. This conductive material may be an alloy of the above elements. What is necessary is just to select the particle size of this particle | grain suitably from the range of 0.1-3.0 micrometers. The amount of the conductive material in the terminal electrode paste is preferably in the range of 50 to 85% by mass. If it is less than 50% by mass, the amount of metal is too small, fading may occur, and there may be a region that does not contact the internal electrode layer 12. Moreover, when it exceeds 85 mass%, it will become impossible to paste. A more preferable amount of the conductive material in the terminal electrode paste is 70 to 80% by mass.

本発明は、端子電極用のペーストに含まれるガラスの組成に特徴を有している。このガラスは、以下の組成を有している。各化合物が以下の範囲を外れると、後述する実施例に示すように、必要な密着強度が得られない。
Bi:57〜87質量%
:0.5〜12質量%
SiO:18質量%以下(但し、0を含まず)
ZnO:6〜17質量%
Al:17質量%以下(但し、0を含まず)
BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:13質量%以下(但し、0を含まず)
The present invention is characterized by the composition of the glass contained in the terminal electrode paste. This glass has the following composition. If each compound is out of the following range, the necessary adhesion strength cannot be obtained as shown in the examples described later.
Bi 2 O 3: 57~87 wt%
B 2 O 3: 0.5~12 wt%
SiO 2 : 18% by mass or less (excluding 0)
ZnO: 6 to 17% by mass
Al 2 O 3 : 17% by mass or less (excluding 0)
1 type or 2 types or more selected from BaO, CaO, SrO: 13 mass% or less (however, 0 is not included)

好ましいガラスの組成は以下の通りである。
Bi:60〜85質量%
:1〜10質量%
SiO:15質量%以下(但し、0を含まず)
ZnO:8〜15質量%
Al:15質量%以下(但し、0を含まず)
BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:10質量%以下(但し、0を含まず)
A preferred glass composition is as follows.
Bi 2 O 3: 60~85 wt%
B 2 O 3: 1~10 wt%
SiO 2 : 15% by mass or less (excluding 0)
ZnO: 8 to 15% by mass
Al 2 O 3 : 15% by mass or less (however, 0 is not included)
One or more selected from BaO, CaO, SrO: 10% by mass or less (excluding 0)

より好ましいガラスの組成は以下の通りである。
Bi:65〜75質量%
:4〜8質量%
SiO:0.3〜10質量%
ZnO:10〜15質量%
Al:0.2〜10質量%
BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:0.1〜8質量%
A more preferable glass composition is as follows.
Bi 2 O 3: 65~75 wt%
B 2 O 3: 4~8 wt%
SiO 2 : 0.3 to 10% by mass
ZnO: 10 to 15% by mass
Al 2 O 3 : 0.2 to 10% by mass
One or more selected from BaO, CaO and SrO: 0.1 to 8% by mass

端子電極用ペーストにおけるガラスの量は3〜20質量%の範囲とすることが好ましい。3質量%未満では、積層体10に対する十分な密着性を確保することができない。また、20質量%を超えると、ガラスが導電材料の焼結を阻害するようになり、端子電極21、22に十分な導電性を付与することができない。端子電極用ペーストにおけるより好ましいガラスの量は5〜15質量%である。   The amount of glass in the terminal electrode paste is preferably in the range of 3 to 20% by mass. If it is less than 3% by mass, sufficient adhesion to the laminate 10 cannot be ensured. Moreover, when it exceeds 20 mass%, glass will inhibit sintering of a conductive material, and sufficient electroconductivity cannot be provided to the terminal electrodes 21 and 22. The more preferable amount of glass in the terminal electrode paste is 5 to 15% by mass.

以上では圧電体層用ペースト、内部電極層用ペースト及び端子電極用ペーストを順番に作製しているが、並行して作製してもよいし、逆の順番でもよいことは言うまでもない。   In the above, the piezoelectric layer paste, the internal electrode layer paste, and the terminal electrode paste are produced in order, but it goes without saying that they may be produced in parallel or in the reverse order.

次に、以上のペーストを用いて焼成の対象であるグリーンチップ(積層体)を作製する(ステップS108)。
印刷法を用いグリーンチップを作製する場合は、圧電体層用ペーストを、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の基板上に所定厚さで複数回印刷して、図3に示すように、グリーン状態の外側圧電体層11aを形成する。次に、このグリーン状態の外側圧電体層11aの上に、内部電極層用ペーストを所定パターンで印刷して、グリーン状態の内部電極層(内部電極層前駆体)12aを形成する。次に、このグリーン状態の内部電極層12aの上に、前記同様に圧電体層用ペーストを所定厚さで複数回印刷して、グリーン状態の圧電体層(圧電体層前駆体)11bを形成する。次に、このグリーン状態の圧電体層11bの上に、内部電極層用ペーストを所定パターンで印刷して、グリーン状態の内部電極層12bを形成する。グリーン状態の内部電極層12a、12b…は、対向して相異なる端部表面に露出するように形成する。以上の作業を所定回数繰り返し、最後に、グリーン状態の内部電極層12の上に、前記同様に圧電体層用ペーストを所定厚さで所定回数印刷して、グリーン状態の外側圧電体層11cを形成する。その後、加熱しながら加圧、圧着し、所定形状に切断してグリーンチップ(積層体)とする。
以上では、印刷法によりグリーンチップを作製する例を説明したが、シート成形法を用いてグリーンチップを作製することもできる。
Next, a green chip (laminated body) to be fired is manufactured using the above paste (step S108).
When producing a green chip using a printing method, a piezoelectric layer paste is printed a plurality of times on a substrate such as polyethylene terephthalate at a predetermined thickness, and as shown in FIG. The body layer 11a is formed. Next, the internal electrode layer paste is printed in a predetermined pattern on the green outer piezoelectric layer 11a to form a green internal electrode layer (internal electrode layer precursor) 12a. Next, on the internal electrode layer 12a in the green state, the piezoelectric layer paste is printed a plurality of times with a predetermined thickness in the same manner as described above to form the piezoelectric layer (piezoelectric layer precursor) 11b in the green state. To do. Next, the internal electrode layer paste is printed in a predetermined pattern on the green piezoelectric layer 11b to form the green internal electrode layer 12b. The internal electrode layers 12a, 12b,... In the green state are formed so as to be opposed to each other and exposed at different end surfaces. The above operation is repeated a predetermined number of times. Finally, the piezoelectric layer paste is printed a predetermined number of times with a predetermined thickness on the green internal electrode layer 12 to form the green outer piezoelectric layer 11c. Form. Then, it pressurizes and pressure-bonds, heating, cut | disconnects to a predetermined shape, and is set as a green chip (laminated body).
In the above, an example in which a green chip is manufactured by a printing method has been described. However, a green chip can also be manufactured by using a sheet forming method.

次に、グリーンチップについて脱バインダ処理を行う(ステップS109)。
脱バインダ処理において、内部電極層前駆体中の導電材料によってその雰囲気を決定する必要がある。貴金属を導電材料として用いる場合には、脱バインダを大気中で行っても良く、また大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気又は純酸素雰囲気で行っても良い。しかし、Cuを導電材料として用いる場合には、酸化を考慮する必要があり、還元性雰囲気下での加熱を採用すべきである。一方で、脱バインダ処理において、圧電体層前駆体に含まれる酸化物、例えばPbOが還元されることを考慮する必要がある。例えば導電材料としてCuを用いる場合、CuとCuOの平衡酸素分圧(以下、単にCuの平衡酸素分圧)及びPbとPbOの平衡酸素分圧(以下、単にPbの平衡酸素分圧)に基づいて、いかなる還元性雰囲気を脱バインダ処理に適用するか設定することが好ましい。
Next, the binder removal process is performed on the green chip (step S109).
In the binder removal process, the atmosphere needs to be determined by the conductive material in the internal electrode layer precursor. When a noble metal is used as the conductive material, the binder removal may be performed in the air, or may be performed in an atmosphere having a higher oxygen partial pressure than in the air or a pure oxygen atmosphere. However, when using Cu as a conductive material, it is necessary to consider oxidation, and heating in a reducing atmosphere should be employed. On the other hand, it is necessary to consider that an oxide contained in the piezoelectric layer precursor, such as PbO, is reduced in the binder removal process. For example, when Cu is used as the conductive material, the equilibrium oxygen partial pressure of Cu and Cu 2 O (hereinafter simply referred to as equilibrium oxygen partial pressure of Cu) and the equilibrium oxygen partial pressure of Pb and PbO (hereinafter simply referred to as equilibrium oxygen partial pressure of Pb). Based on the above, it is preferable to set what reducing atmosphere is applied to the binder removal treatment.

脱バインダ処理の温度が300℃未満では脱バインダを円滑に行うことができず、650℃を超えても温度に見合う脱バインダの効果を得ることができずエネルギの浪費になる。また、脱バインダ処理の時間は、温度及び雰囲気によって定める必要があるが、0.5〜50時間の範囲で選定することができる。さらに、脱バインダ処理は、焼成と別個に独立して行うことができるし、焼成と連続的に行うことができる。焼成と連続的に行う場合には、焼成の昇温過程で脱バインダ処理を実行すればよい。   If the temperature of the binder removal process is less than 300 ° C., the binder removal cannot be performed smoothly, and if it exceeds 650 ° C., the effect of the binder removal corresponding to the temperature cannot be obtained and energy is wasted. The binder removal time needs to be determined depending on the temperature and atmosphere, but can be selected in the range of 0.5 to 50 hours. Further, the binder removal treatment can be performed independently of the firing and can be performed continuously with the firing. In the case where the firing is continuously performed, the binder removal process may be performed in the firing temperature increasing process.

脱バインダ処理の後に、焼成(ステップS110)を行う。
焼成も脱バインダと同様に、内部電極層前駆体中の導電材料によってその雰囲気を決定する必要がある。
焼成の温度は、圧電体層11を構成する圧電磁器組成物に応じて適宜定める必要がある。低温焼成が可能な圧電磁器組成物を用いる場合には800〜1200℃の範囲で行うことができる。なお、焼成温度は、緻密な焼結体を得ることができること、内部電極層12を構成する導電材料を溶融させないことを前提に定められる。
After the binder removal process, firing (step S110) is performed.
As with the binder removal, the atmosphere needs to be determined by the conductive material in the internal electrode layer precursor.
The firing temperature needs to be appropriately determined according to the piezoelectric ceramic composition constituting the piezoelectric layer 11. When using a piezoelectric ceramic composition that can be fired at a low temperature, it can be carried out in a range of 800 to 1200 ° C. The firing temperature is determined on the premise that a dense sintered body can be obtained and the conductive material constituting the internal electrode layer 12 is not melted.

焼成後の圧電体層11は、Pb、Ti及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とすることが好ましい。この複合酸化物の例としては、例えばチタン酸鉛(PbTiO)とジルコン酸鉛(PbZrO)及び亜鉛・ニオブ酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O]により構成される3元系の複合酸化物や、前記3元系の複合酸化物においてPbの一部をSr、Ba、Ca等で置換した複合酸化物が掲げられる。 The fired piezoelectric layer 11 preferably contains a composite oxide containing Pb, Ti and Zr as constituent elements. Examples of the composite oxide include, for example, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), and zinc / lead niobate [Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ]. Examples thereof include ternary composite oxides and composite oxides in which part of Pb in the ternary composite oxide is substituted with Sr, Ba, Ca, or the like.

具体的な組成としては、下記(1)式、あるいは(2)式で表される複合酸化物を挙げることができる。なお、これら(1)式、あるいは(2)式において、酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、実際の組成においては、化学量論組成からのずれは許容されるものとする。   Specific examples of the composition include composite oxides represented by the following formula (1) or (2). In these formulas (1) and (2), the oxygen composition is obtained stoichiometrically, and deviation from the stoichiometric composition is allowed in the actual composition. .

Pb[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O ・・・(1)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6, and x + y + z = 1.)

(Pba−bMe)[(Zn1/3Nb2/3TiZr]O ・・・(2)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。また、式中のMeは、Sr、Ca、Baから選ばれる少なくとも1種を表す。)
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (2)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6 X + y + z = 1, and Me in the formula represents at least one selected from Sr, Ca, and Ba.)

前記複合酸化物は、いわゆるペロブスカイト構造を有しており、Pb及び(2)式における置換元素Meについては、ペロブスカイト構造のいわゆるAサイトに位置する。ZnやNb、Ti、Zrは、ペロブスカイト構造のいわゆるBサイトに位置する。   The composite oxide has a so-called perovskite structure, and Pb and the substitution element Me in the formula (2) are located at a so-called A site of the perovskite structure. Zn, Nb, Ti, and Zr are located at the so-called B site of the perovskite structure.

前記(1)式や(2)式で表される複合酸化物において、Aサイト元素の割合aは、0.96≦a≦1.03であることが好ましい。Aサイト元素の割合aが0.96未満であると、低温での焼成が困難になるおそれがある。逆に、Aサイト元素の割合aが1.03を超えると、得られる圧電磁器組成物の密度が低下し、その結果、十分な圧電特性が得られなくなるおそれがあり、機械的強度も低下するおそれがある。さらに好ましいAサイト元素の割合aは0.98≦a≦1.01であり、より好ましいAサイト元素の割合aは0.99≦a≦1.005である。   In the composite oxide represented by the formula (1) or formula (2), the ratio a of the A site element is preferably 0.96 ≦ a ≦ 1.03. If the A-site element ratio a is less than 0.96, firing at low temperatures may be difficult. On the contrary, when the ratio a of the A site element exceeds 1.03, the density of the obtained piezoelectric ceramic composition is lowered, and as a result, sufficient piezoelectric characteristics may not be obtained, and the mechanical strength is also lowered. There is a fear. A more preferable A-site element ratio a is 0.98 ≦ a ≦ 1.01, and a more preferable A-site element ratio a is 0.99 ≦ a ≦ 1.005.

前記(2)式で表される複合酸化物においては、Pbの一部を置換元素Me(Sr,Ca,Ba)で置換しているが、これにより圧電歪定数を大きくすることができる。ただし、置換元素Meの置換量bが多くなりすぎると、焼結性が低下してしまい、その結果、圧電歪定数が小さくなり、機械強度も低下する。また、キュリー温度も置換量bの増加に伴って低下する傾向にある。したがって、置換元素Meの置換量bは、0.1以下とすることが好ましい。さらに好ましい置換元素Meの置換量bは0.06以下であり、より好ましい置換元素Meの置換量bは0.04以下である。   In the composite oxide represented by the above formula (2), a part of Pb is substituted with the substitution element Me (Sr, Ca, Ba), but this can increase the piezoelectric strain constant. However, if the substitution amount b of the substitution element Me is too large, the sinterability is lowered, and as a result, the piezoelectric strain constant is reduced and the mechanical strength is also lowered. Also, the Curie temperature tends to decrease as the substitution amount b increases. Therefore, the substitution amount b of the substitution element Me is preferably 0.1 or less. A more preferable substitution amount b of the substitution element Me is 0.06 or less, and a more preferred substitution amount b of the substitution element Me is 0.04 or less.

一方、Bサイト元素のうち、ZnとNbの割合xは、0.05≦x≦0.15とすることが好ましい。前記割合xは焼成温度に影響を与え、この値が0.05未満であると焼成温度を低下させる効果が不足するおそれがある。逆に0.15を超えると、焼結性に影響を及ぼし、その結果、圧電歪定数が小さくなるとともに、機械的強度が低下するおそれがある。さらに好ましいZnとNbの割合xは0.06≦x≦0.125であり、より好ましいZnとNbの割合xは0.08≦x≦0.1である。   On the other hand, among the B site elements, the ratio x between Zn and Nb is preferably 0.05 ≦ x ≦ 0.15. The ratio x affects the firing temperature. If this value is less than 0.05, the effect of lowering the firing temperature may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.15, the sinterability is affected. As a result, the piezoelectric strain constant may be reduced and the mechanical strength may be reduced. A more preferable ratio x of Zn and Nb is 0.06 ≦ x ≦ 0.125, and a more preferable ratio x of Zn and Nb is 0.08 ≦ x ≦ 0.1.

Bサイト元素のうちTiの割合y及びZrの割合zは、圧電特性の観点から好ましい範囲が設定される。具体的には、Tiの割合yは、0.25≦y≦0.5であることが好ましく、Zrの割合zは、0.35≦z≦0.6であることが好ましい。前記範囲内に設定することで、モルフォトロピック相境界(MPB)付近において、大きな圧電歪定数を得ることができる。さらに好ましいTiの割合yは0.275≦y≦0.48であり、より好ましいTiの割合yは0.3≦y≦0.45である。また、さらに好ましいZrの割合zは0.375≦z≦0.55であり、より好ましいZrの割合zは0.35≦z≦0.5である。   Of the B-site elements, the Ti ratio y and the Zr ratio z are preferably set in terms of piezoelectric characteristics. Specifically, the Ti ratio y is preferably 0.25 ≦ y ≦ 0.5, and the Zr ratio z is preferably 0.35 ≦ z ≦ 0.6. By setting it within the above range, a large piezoelectric strain constant can be obtained in the vicinity of the morphotropic phase boundary (MPB). A more preferable Ti ratio y is 0.275 ≦ y ≦ 0.48, and a more preferable Ti ratio y is 0.3 ≦ y ≦ 0.45. A more preferable Zr ratio z is 0.375 ≦ z ≦ 0.55, and a more preferable Zr ratio z is 0.35 ≦ z ≦ 0.5.

以上の工程を経て作製された積層体10は、例えばバレル研磨やサンドブラストなどにより端面研磨を施し、前述した端子電極用ペーストを印刷、焼き付けることにより端子電極21、22を形成する(ステップS111)。
この工程の手順を図5に示している。
端子電極用ペーストを印刷(ステップS201)した後に、端子電極用ペーストを乾燥し、次いで脱バインダを行う(ステップS202)。脱バインダの条件は、積層体10を得る工程における条件を踏襲することができる。ただし、積層体10はすでに焼成されたものであるから、大気のような酸化性において脱バインダを行ってもCuの酸化は軽微である。
脱バインダを酸化性雰囲気で行った場合には、次に、還元処理を行う(ステップS203)。脱バインダの過程で、内部電極層12を構成するCuの一部が酸化することが想定されるため、還元処理を施すことにより金属Cuに戻すのである。還元処理は、還元ガス、例えば水素と不活性ガスの混合ガス雰囲気で300〜500℃に加熱保持すればよい。
還元処理の後に、焼き付けを行う。焼き付けは、不活性ガス雰囲気、500〜600℃で0.1〜3時間程度保持すればよい。
以上により、図3に示した積層型圧電素子1を得ることができる。
The laminated body 10 manufactured through the above steps is subjected to end face polishing by, for example, barrel polishing or sand blasting, and the terminal electrodes 21 and 22 are formed by printing and baking the above-described terminal electrode paste (step S111).
The procedure of this process is shown in FIG.
After the terminal electrode paste is printed (step S201), the terminal electrode paste is dried, and then the binder is removed (step S202). The binder removal conditions can follow the conditions in the process of obtaining the laminate 10. However, since the laminated body 10 has already been baked, the oxidation of Cu is slight even if the binder is removed in an oxidizing property such as the atmosphere.
When the binder removal is performed in an oxidizing atmosphere, a reduction process is performed (step S203). In the process of removing the binder, it is assumed that a part of Cu constituting the internal electrode layer 12 is oxidized. Therefore, the reduction process is performed to return the metal Cu. The reduction treatment may be performed by heating and holding at 300 to 500 ° C. in a reducing gas atmosphere such as a mixed gas atmosphere of hydrogen and an inert gas.
After the reduction treatment, baking is performed. The baking may be held in an inert gas atmosphere at 500 to 600 ° C. for about 0.1 to 3 hours.
Thus, the multilayer piezoelectric element 1 shown in FIG. 3 can be obtained.

下記の主成分に対して、副成分としてTaを1質量%添加して圧電磁器組成物を作製した。
主成分:(Pb0.992Me0.03)[(Zn1/3Nb2/30.1Ti0.43Zr0.47]O
A piezoelectric ceramic composition was prepared by adding 1% by mass of Ta 2 O 5 as an auxiliary component to the following main components.
Main component: (Pb 0.992 Me 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3

圧電磁器組成物は、次のようにして作製した。先ず、主成分の原料として、PbO粉末、SrCO粉末、BaCO粉末、CaCO粉末、ZnO粉末、Nb粉末、TiO粉末、ZrO粉末を用意し、前記主成分の組成となるように秤取した。なお、式中のMeはSr、Ba、Caのいずれかである。次に、ボールミルを用いてこれら原料を湿式混合し、大気中において900℃で4時間仮焼した。
得られた仮焼物を微粉砕した後、ボールミルを用いて湿式粉砕した。これを乾燥した後、有機ビヒクルとしてアクリル系樹脂を加えて造粒し、1軸プレス成形機を用いて50MPaの圧力で加圧して直径13mm、厚さ1.5mmの成形体を得た。成形体を大気中、350℃で10分間保持することにより脱バインダを行い、次いで大気中、900℃で8時間保持する焼成を行って基板を得た。
The piezoelectric ceramic composition was produced as follows. First, PbO powder, SrCO 3 powder, BaCO 3 powder, CaCO 3 powder, ZnO powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, and ZrO 2 powder are prepared as the main component raw materials, and the composition of the main component is obtained. Weighed as follows. In the formula, Me is any one of Sr, Ba, and Ca. Next, these raw materials were wet mixed using a ball mill and calcined at 900 ° C. for 4 hours in the air.
The obtained calcined product was finely pulverized and then wet pulverized using a ball mill. After drying this, an acrylic resin was added as an organic vehicle for granulation, and pressure was applied at a pressure of 50 MPa using a uniaxial press molding machine to obtain a molded body having a diameter of 13 mm and a thickness of 1.5 mm. The binder was removed by holding the molded body at 350 ° C. for 10 minutes in the air, and then baking was performed at 900 ° C. for 8 hours in the air to obtain a substrate.

また、以下の手順で導体ペーストを作製した。
表1〜表8に示す導電材料粉末(平均粒径0.6μm)、表1〜表8に示す組成のガラス粉末及び有機ビヒクルを用意した。導電材料粉末:75質量%、ガラス粉末:10質量%、有機ビヒクル:残部を混合して導体ペーストを得た。なお、有機ビヒクルとしては、アルカリ系樹脂を用いた。
Moreover, the conductor paste was produced in the following procedures.
Conductive material powders (average particle size 0.6 μm) shown in Tables 1 to 8, glass powders and organic vehicles having the compositions shown in Tables 1 to 8 were prepared. Conductive material powder: 75% by mass, glass powder: 10% by mass, organic vehicle: remainder were mixed to obtain a conductor paste. Note that an alkaline resin was used as the organic vehicle.

図6に示すように、得られた基板S((Pb0.992Me0.03)[(Zn1/3Nb2/30.1Ti0.43Zr0.47]O)上にスクリーン印刷法により導体ペーストを印刷、乾燥した後に大気中、350℃で10分間保持することにより脱バインダを行った。ついで、350℃、4%H−Nガス雰囲気で30分間保持する還元処理を行った後に、560℃、Nガス雰囲気中で10分間保持する焼き付けを行って導体膜Cを形成した。なお、ここでの還元処理はガラスの耐還元性を確認するために行った。ガラスが還元して金属になった場合、接着性が確保されなくなる。 As shown in FIG. 6, on the obtained substrate S ((Pb 0.992 Me 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3 ) After the conductor paste was printed and dried by screen printing, the binder was removed by holding in the atmosphere at 350 ° C. for 10 minutes. Next, after performing a reduction treatment that was held at 350 ° C. in a 4% H 2 —N 2 gas atmosphere for 30 minutes, baking was carried out at 560 ° C. in an N 2 gas atmosphere for 10 minutes to form a conductor film C. In addition, the reduction process here was performed in order to confirm the reduction resistance of glass. When the glass is reduced to become a metal, the adhesiveness is not ensured.

次に、導体膜C上に、Snめっきを施したL字状のCu線Wを図6に示すようにはんだ付けした。Cu線Wを図6の矢印で示す方向に10mm/minの速度で引張りながら、基板Sから導体膜Cが剥離したときの強度を密着強度として測定した。その結果を表1〜8に示す。なお、表1〜8の測定に用いられた基板Sの材質は、以下の通りである。
表1〜6:(Pb0.992Sr0.03)[(Zn1/3Nb2/30.1Ti0.43Zr0.47]O
表7:(Pb0.992Ba0.03)[(Zn1/3Nb2/30.1Ti0.43Zr0.47]O
表8:(Pb0.992Ca0.03)[(Zn1/3Nb2/30.1Ti0.43Zr0.47]O
また、導体膜Cが剥離した後に、基板S上の生成物をX線回折により同定し、BaPbO、BaPbO、CaPbO、CaPbO、SrPbO、SrPbOの生成の有無を確認した。その結果を表1〜6にあわせて示す。
Next, an L-shaped Cu wire W plated with Sn was soldered on the conductor film C as shown in FIG. While pulling the Cu wire W in the direction indicated by the arrow in FIG. 6 at a speed of 10 mm / min, the strength when the conductor film C peeled from the substrate S was measured as the adhesion strength. The results are shown in Tables 1-8. In addition, the material of the board | substrate S used for the measurement of Tables 1-8 is as follows.
Tables 1 to 6: (Pb 0.992 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3
Table 7: (Pb 0.992 Ba 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3
Table 8: (Pb 0.992 Ca 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3
Further, after the conductor film C is peeled off, the product on the substrate S is identified by X-ray diffraction, and the production of Ba 2 PbO 4 , BaPbO 3 , Ca 2 PbO 4 , CaPbO 3 , Sr 2 PbO 4 , SrPbO 3 is identified. The presence or absence was confirmed. The results are shown in Tables 1-6.

表1に示すように、ガラス組成が本発明の範囲外(No.1〜11)だと、密着強度が全く得られなかった。これに対して、ガラス組成が本発明の範囲内(No.12〜29)にあると、15N以上、さらには20N以上の密着強度が得られ、積層型圧電素子の端子電極として十分な密着性が得られることがわかった。
高い密着強度が得られたもののX線回折の結果、ガラスにBaOが含まれる場合には、基板S上にBaPbO又はBaPbOが生成している。ガラスにCaOが含まれる場合には、基板S上にCaPbO又はCaPbOが生成している。また、ガラスにSrOが含まれる場合には、基板S上にSrPbO又はSrPbOが生成している。一方で、密着強度が得られなかったものは、BaOを含んでいるにも係らず、BaPbO又はBaPbOの生成が確認されなかった。ガラスが結晶化したために、基板Sとガラスが反応しなかったものと解される。
As shown in Table 1, when the glass composition was outside the range of the present invention (No. 1 to 11), no adhesion strength was obtained. On the other hand, when the glass composition is within the range of the present invention (Nos. 12 to 29), an adhesion strength of 15 N or more, further 20 N or more is obtained, and sufficient adhesion as a terminal electrode of the multilayer piezoelectric element. Was found to be obtained.
As a result of X-ray diffraction although high adhesion strength is obtained, Ba 2 PbO 4 or BaPbO 3 is formed on the substrate S when the glass contains BaO. When the glass contains CaO, Ca 2 PbO 4 or CaPbO 3 is generated on the substrate S. Further, when the glass contains SrO, Sr 2 PbO 4 or SrPbO 3 is formed on the substrate S. On the other hand, in the case where the adhesion strength was not obtained, the production of Ba 2 PbO 4 or BaPbO 3 was not confirmed despite containing BaO. It is understood that the substrate S and the glass did not react because the glass was crystallized.

以上の結果より、アルカリ土類金属元素(Ba、Ca、Sr)を含む化合物が生成されることにより、圧電体材料からなる基板Sに対する導電層の密着性が確保される。また、上記生成物はアルカリ土類金属元素(Ba、Ca、Sr)に加えて、Pbが含まれており、このPbは基板Sに含まれている元素であり、ガラス中のアルカリ土類金属元素(Ba、Ca、Sr)と基板Sに含まれるPbとが反応して上記化合物が生成したものと解される。
また、表2〜表8に示すように、導電材料がAg以外であっても、上記と同様の結果が得られた。
From the above results, the compound containing the alkaline earth metal element (Ba, Ca, Sr) is generated, thereby ensuring the adhesion of the conductive layer to the substrate S made of the piezoelectric material. Further, the product contains Pb in addition to the alkaline earth metal elements (Ba, Ca, Sr), and this Pb is an element contained in the substrate S, and the alkaline earth metal in the glass. It is understood that the compound (Ba, Ca, Sr) and Pb contained in the substrate S reacted to form the compound.
Further, as shown in Tables 2 to 8, the same results as above were obtained even when the conductive material was other than Ag.

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実施例1で得られた仮焼物を粉砕した圧電磁器組成物粉末に有機ビヒクルを加え、混練して圧電体層用ペーストを作製した。それとともに、導電材料であるCu粉末を有機ビヒクルと混練し、内部電極層用ペーストを作製した。続いて、圧電体層用ペースト及び内部電極層用ペーストを用いて、印刷法により積層体の前駆体であるグリーンチップを作製した。積層数は20であり、各圧電体層の厚さが70μm、各内部電極層の厚さは3μmである。さらに、脱バインダ処理を行い、還元焼成条件で焼成し、積層体を得た。還元焼成条件としては、還元性雰囲気(酸素分圧1×10−10〜1×10−6気圧)下、焼成温度900℃で8時間焼成を行った。 An organic vehicle was added to the piezoelectric ceramic composition powder obtained by pulverizing the calcined product obtained in Example 1, and kneaded to prepare a piezoelectric layer paste. At the same time, Cu powder as a conductive material was kneaded with an organic vehicle to produce an internal electrode layer paste. Subsequently, a green chip, which is a precursor of the multilayer body, was produced by a printing method using the piezoelectric layer paste and the internal electrode layer paste. The number of stacked layers is 20, the thickness of each piezoelectric layer is 70 μm, and the thickness of each internal electrode layer is 3 μm. Furthermore, binder removal processing was performed, and firing was performed under reducing firing conditions to obtain a laminate. As reducing firing conditions, firing was performed for 8 hours at a firing temperature of 900 ° C. under a reducing atmosphere (oxygen partial pressure of 1 × 10 −10 to 1 × 10 −6 atm).

得られた積層体に、端子電極を形成した。端子電極用ペーストは実施例1の表1中のNo.13のガラスを用いたものとした。また、端子電極の形成は実施例1と同様にして行った。
得られた積層型圧電素子について圧電特性を評価した。評価はインピーダンスアナライザーより素子の静電容量C、共振周波数fr、反共振周波数faを求め、圧電歪定数d33を求めた。その結果、700pc/Nであり、良好な圧電特性が得られた。
また、端子電極と積層体の界面をX線回折するとともに、当該界面の断面をSEM(Scanning Electron Microscope)及びEPMA(Electron Probe Micro-Analyzer)により観察した。X線回折チャートを図1に、SEM及びEPMA観察結果を図2に示す。図1に示すように、X線回折によりBaPbOが生成していることがわかった。また、図2のEPMAによる元素マッピング像より、端子電極と積層体の間にBa及びPbが層状に偏析していることがわかる。なお、Baについては、特に化合物量の多い特定の部分が強調されているために点在しているように見える。しかし、これは単にBaの濃度が不均一なだけであって、層状に偏析していることには変わりはない。以上のX線回折及びEPMAの元素マッピングは、BaPbOが端子電極と積層体の間に層状に存在していることを特定している。
A terminal electrode was formed on the obtained laminate. The terminal electrode paste is No. 1 in Table 1 of Example 1. 13 glasses were used. The terminal electrode was formed in the same manner as in Example 1.
The piezoelectric characteristics of the obtained multilayer piezoelectric element were evaluated. In the evaluation, the capacitance C, resonance frequency fr, and antiresonance frequency fa of the element were obtained from an impedance analyzer, and the piezoelectric strain constant d33 was obtained. As a result, it was 700 pc / N, and good piezoelectric characteristics were obtained.
In addition, X-ray diffraction was performed on the interface between the terminal electrode and the laminate, and the cross section of the interface was observed by SEM (Scanning Electron Microscope) and EPMA (Electron Probe Micro-Analyzer). The X-ray diffraction chart is shown in FIG. 1, and the SEM and EPMA observation results are shown in FIG. As shown in FIG. 1, it was found that Ba 2 PbO 4 was generated by X-ray diffraction. Moreover, it can be seen from the element mapping image by EPMA in FIG. 2 that Ba and Pb are segregated in layers between the terminal electrode and the laminate. In addition, Ba seems to be scattered because a specific portion with a particularly large amount of compound is emphasized. However, this is merely that the concentration of Ba is not uniform, and the segregation in layers is not changed. The above X-ray diffraction and element mapping of EPMA specify that Ba 2 PbO 4 exists in a layered manner between the terminal electrode and the laminate.

本実施例における端子電極と積層体の界面のX線回折チャートである。3 is an X-ray diffraction chart of an interface between a terminal electrode and a laminate in the present example. 本実施例における端子電極と積層体の界面断面のSEM像及びEPMAによる元素マッピング像を示す図である。It is a figure which shows the elemental mapping image by the SEM image and EPMA of the interface cross section of the terminal electrode and laminated body in a present Example. 本実施の形態における積層型圧電素子の一構成例を示す図である。It is a figure which shows one structural example of the lamination type piezoelectric element in this Embodiment. 本実施の形態における積層型圧電素子の製造手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of the lamination type piezoelectric element in this Embodiment. 本実施の形態における端子電極の形成手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the formation procedure of the terminal electrode in this Embodiment. 本実施例における導電膜の密着強度の測定方法を示す図である。It is a figure which shows the measuring method of the adhesive strength of the electrically conductive film in a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…積層型圧電素子、10…積層体、11…圧電体層、12…内部電極層、21,22…端子電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated piezoelectric element, 10 ... Laminated body, 11 ... Piezoelectric layer, 12 ... Internal electrode layer, 21, 22 ... Terminal electrode

Claims (9)

複数の圧電体層と、複数の前記圧電体層間に形成された内部電極層とを備える積層体と、
前記積層体に接合され、前記内部電極層と外部の電源とを電気的に接続する端子電極とを備え、
前記積層体と前記端子電極との界面にアルカリ土類金属を含む化合物が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
A laminate including a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer formed between the plurality of piezoelectric layers;
A terminal electrode joined to the laminate and electrically connecting the internal electrode layer and an external power source;
A multilayer piezoelectric element, wherein a compound containing an alkaline earth metal is formed at an interface between the multilayer body and the terminal electrode.
前記圧電体層がPb、Ti及びZrを構成元素とする複合酸化物を含み、
前記アルカリ土類金属を含む化合物がPbをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の積層型圧電素子。
The piezoelectric layer includes a composite oxide having Pb, Ti and Zr as constituent elements,
2. The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the compound containing an alkaline earth metal further contains Pb.
前記アルカリ土類金属を含む化合物が、BaPbO、BaPbO、CaPbO、CaPbO、SrPbO及びSrPbOから選択される1種又は2種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の積層型圧電素子。 The alkaline earth metal-containing compound is one or more selected from Ba 2 PbO 4 , BaPbO 3 , Ca 2 PbO 4 , CaPbO 3 , Sr 2 PbO 4 and SrPbO 3. The multilayer piezoelectric element according to claim 1 or 2. 前記内部電極層の導電材料がCuであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the conductive material of the internal electrode layer is Cu. 前記アルカリ土類金属を含む化合物が、前記積層体と前記端子電極との界面に層状に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の積層型圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the compound containing the alkaline earth metal is formed in a layered manner at an interface between the multilayer body and the terminal electrode. 複数の圧電体層と、複数の前記圧電体層間に形成された内部電極層とを備える積層体と、
前記積層体に接合され、前記内部電極層と外部の電源とを電気的に接続する端子電極とを備える積層型圧電素子の製造方法であって、
圧電体層前駆体と、内部電極層前駆体とが積層された状態で焼成して前記積層体を得る工程と、
前記積層体の所定領域に端子電極を形成する工程と、を備え、
前記端子電極の形成は、導電材料、ガラス及び有機ビヒクルを含み、
前記ガラスが、
Bi:57〜87質量%、
:0.5〜12質量%、
SiO:18質量%以下(但し、0を含まず)、
ZnO:6〜17質量%、
Al:17質量%以下(但し、0を含まず)、
BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:13質量%以下(但し、0を含まず)の組成を有する端子電極前駆体を前記積層体の所定領域に塗布し、次いで焼き付けることにより行われることを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
A laminate including a plurality of piezoelectric layers and an internal electrode layer formed between the plurality of piezoelectric layers;
A method of manufacturing a multilayer piezoelectric element comprising a terminal electrode joined to the multilayer body and electrically connecting the internal electrode layer and an external power source,
Firing the piezoelectric layer precursor and the internal electrode layer precursor in a laminated state to obtain the laminate;
Forming a terminal electrode in a predetermined region of the laminate, and
The formation of the terminal electrode includes a conductive material, glass and an organic vehicle,
The glass is
Bi 2 O 3: 57~87 wt%,
B 2 O 3: 0.5~12 wt%,
SiO 2 : 18% by mass or less (excluding 0),
ZnO: 6 to 17% by mass,
Al 2 O 3 : 17% by mass or less (however, not including 0),
A terminal electrode precursor having a composition of one or more selected from BaO, CaO, and SrO: 13 mass% or less (excluding 0) is applied to a predetermined region of the laminate, and then baked. A method for manufacturing a laminated piezoelectric element, characterized in that
前記内部電極層は前記導電材料としてCuを含み、還元性雰囲気下で焼成することを特徴とする請求項6に記載の積層型圧電素子の製造方法。   The method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to claim 6, wherein the internal electrode layer includes Cu as the conductive material and is fired in a reducing atmosphere. 導電材料、ガラス及び有機ビヒクルを含み、
前記ガラスが、
Bi:57〜87質量%、
:0.5〜12質量%、
SiO:18質量%以下(但し、0を含まず)、
ZnO:6〜17質量%、
Al:17質量%以下(但し、0を含まず)、
BaO、CaO、SrOから選択される1種又は2種以上:13質量%以下(但し、0を含まず)の組成を有することを特徴とする導体ペースト。
Including conductive materials, glass and organic vehicles,
The glass is
Bi 2 O 3: 57~87 wt%,
B 2 O 3: 0.5~12 wt%,
SiO 2 : 18% by mass or less (excluding 0),
ZnO: 6 to 17% by mass,
Al 2 O 3 : 17% by mass or less (however, not including 0),
A conductor paste having a composition of one or more selected from BaO, CaO, and SrO: 13% by mass or less (excluding 0).
前記導電材料が、Ag、Au、Cu、Ni、Pt及びPdから選択される1種又は2種以上であることを特徴とする請求項8に記載の導体ペースト。   The conductive paste according to claim 8, wherein the conductive material is one or more selected from Ag, Au, Cu, Ni, Pt and Pd.
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