JP2008211047A - Piezoelectric element and its manufacturing method, vibrating plate, as well as vibration wave driving device - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子およびその製造方法、圧電素子を備えた振動板および振動波駆動装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element that is an electro-mechanical energy conversion element, a manufacturing method thereof, a diaphragm including the piezoelectric element, and a vibration wave driving device.
電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、またはその逆に、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気−機械エネルギー変換機能を有する圧電素子が様々な分野で利用されている。圧電材料には、チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン系の圧電ポリマー等が知られているが、構造部品や機械部品としては圧電セラミックスが広く用いられている。 Piezoelectric elements having an electro-mechanical energy conversion function capable of converting electrical energy into mechanical energy and vice versa can be used in various fields. Piezoelectric ceramics such as barium titanate and lead zirconate titanate, and polyvinylidene fluoride-based piezoelectric polymers are known as piezoelectric materials, but piezoelectric ceramics are widely used as structural parts and mechanical parts.
圧電セラミックスを用いた電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子では、一般的に、圧電セラミックスの2つの対向する表面に電極を形成し、これらの電極間に所定の電圧を印加して自発分極の向きを一定方向に揃えるための分極処理を施すことにより、圧電性を発現させる。圧電素子に外部から力や歪みを与えることにより、圧電素子に設けられた電極間に電圧を発生させたり、圧電素子に設けられた電極間に電圧を与えることにより圧電素子に振動を発生させたりすることができる。 In a piezoelectric element as an electro-mechanical energy conversion element using piezoelectric ceramics, in general, electrodes are formed on two opposing surfaces of piezoelectric ceramics, and a predetermined voltage is applied between these electrodes to cause spontaneous polarization. Piezoelectricity is expressed by performing a polarization process for aligning the directions in a certain direction. Applying force or strain to the piezoelectric element from the outside to generate a voltage between the electrodes provided on the piezoelectric element, or applying a voltage between the electrodes provided on the piezoelectric element to generate vibration in the piezoelectric element. can do.
振動を発生させる圧電素子の具体例としては、圧電ブザーや超音波モータに組み込まれる振動素子が挙げられる。これらは圧電素子の振動を金属等からなる振動板に伝達するために、圧電素子が振動板に接着剤を用いて貼り付けられた構造を有している。 Specific examples of the piezoelectric element that generates vibration include a vibration element incorporated in a piezoelectric buzzer or an ultrasonic motor. These have a structure in which a piezoelectric element is attached to a diaphragm using an adhesive in order to transmit the vibration of the piezoelectric element to a diaphragm made of metal or the like.
図6に一般的な圧電ブザーの斜視図を示す。この圧電ブザー120は、圧電セラミックス板121の表裏面にそれぞれ電極122(裏面側は図示せず)が設けられた圧電素子123が、金属からなる振動板124に貼り付けられ、圧電素子123の露出表面に形成された電極122と振動板124に対してそれぞれハンダ125によりリード線126が接続された構造を有している。なお、図6では圧電セラミックス板121と電極122を区別するために電極122をドットでハッチング表示している。
FIG. 6 shows a perspective view of a general piezoelectric buzzer. In the
振動板124にリード線126を取り付けるのは、圧電素子123の振動板124側の電極(図示せず)が振動板124と部分的に接触しており、これらの間に導通が確保されているからであり、振動板124を導通に利用することにより、圧電素子123への給電のための構造をシンプルで省スペースなものとすることができる。
The
しかしながら、振動板が絶縁材料である場合には、振動板側に位置する電極を外部に露出させるための引き回し手段を設けることが必要になる。そこで、図7に示す構造を有する圧電素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。図7Aは圧電素子130の上面図であり、図7Bはその下面図であり、図7Cは図7Aに示される矢視A−A線の断面図である。
However, when the diaphragm is an insulating material, it is necessary to provide routing means for exposing the electrode located on the diaphragm side to the outside. Accordingly, a piezoelectric element having the structure shown in FIG. 7 has been proposed (see, for example, Patent Document 1). 7A is a top view of the
この圧電素子130は、圧電セラミックス131における2つの対向する表面(つまり、表裏面)にそれぞれ表面電極132,133が形成され、表面電極132が形成された面から表面電極133が形成された面へ、表面電極132から圧電セラミックス131の端面を経由して延びた引き回し電極134が形成された構造を有している。表面電極132が設けられた面を絶縁体に接着した場合に、表面電極133と引き回し電極134を用いて、図示しない外部電源との接続が可能になる。なお、図7Aでは、表面電極133,引き回し電極134と圧電セラミックス131と区別するために、表面電極133と引き回し電極134をドットでハッチング表示しており、図7Bについては、下面全体が電極であることを示すために、表面電極132と引き回し電極134をドットでハッチング表示している。
In the
しかし、引き回し電極は、一般的に圧電セラミックスのエッジの部分で膜厚が薄くなりやすく、この部分で抵抗が大きくなったり、断線が起こりやすくなったりするという問題がある。また、圧電セラミックスが例えば0.5mm以下のような薄板形状の場合には、均一膜厚の引き出し電極を形成するための適切な塗布方法がない。引き回し電極の膜厚を一定にするために、エッジにテーパを設ける手段も考えられるが、加工コストが嵩む上に生産性が低下するという問題があり、また、特に薄板形状の圧電セラミックスに対してこのようなテーパを設けることは、引き回し電極の膜厚を一定にすることができるということを保証するものでもない。 However, the lead-out electrode generally has a problem that the film thickness tends to be thin at the edge portion of the piezoelectric ceramic, and there is a problem that the resistance becomes large or disconnection easily occurs at this portion. Further, when the piezoelectric ceramic has a thin plate shape of, for example, 0.5 mm or less, there is no appropriate coating method for forming a lead electrode with a uniform film thickness. In order to make the thickness of the lead-out electrode constant, a means of providing a taper at the edge may be considered, but there is a problem that the processing cost is increased and the productivity is lowered, and particularly for a thin plate-shaped piezoelectric ceramic. Providing such a taper does not guarantee that the film thickness of the routing electrode can be made constant.
このような問題を回避する電極としてスルーホール電極が考えられる。圧電セラミックスの製造には、一般的に粉体プレス成形法が用いられるが、プレス成形法ではスルーホールの形成は容易ではない。また、プレス成形法では、得られる圧電セラミックスの内部に微小な空隙や空孔などの欠陥が残り易く、角部の欠けや圧電体の割れも起こりやすいという欠点がある。 A through-hole electrode can be considered as an electrode for avoiding such a problem. In the production of piezoelectric ceramics, a powder press molding method is generally used, but it is not easy to form a through hole by the press molding method. Further, the press molding method has a defect that defects such as minute voids and holes are likely to remain in the obtained piezoelectric ceramic, and corner portions are not easily cracked and the piezoelectric body is easily cracked.
一方、スルーホール電極は、内部電極や表面電極と一緒にグリーンシートを同時焼成して製造される積層型圧電素子に用いられている(例えば、特許文献2参照)。圧電セラミックスは一般的に1000℃以上の高温で焼成する必要があるため、スルーホール電極と内部電極等には、このような焼成温度に耐える銀・パラジウム電極材や白金電極材が用いられる。 On the other hand, the through-hole electrode is used in a laminated piezoelectric element manufactured by simultaneously firing a green sheet together with an internal electrode and a surface electrode (see, for example, Patent Document 2). Since piezoelectric ceramics generally need to be fired at a high temperature of 1000 ° C. or higher, silver / palladium electrode materials and platinum electrode materials that can withstand such firing temperatures are used for the through-hole electrodes and internal electrodes.
しかしながら、同時焼成法では反りや変形が起こりやすく、また、表面電極やスルーホールに小さな凹凸が生じやすいために、得られた圧電素子をそのまま振動板等に密着して貼り付けると、接着層が厚くなって圧電素子の振動が振動板に伝わり難くなり、また圧電素子を振動板に接着するために押し付けた際に圧電素子が破壊する等の問題が生じる。そこで、圧電セラミックスの表面を研削加工または研磨加工し、その加工面に銀ペーストを塗布し、焼成して、表面電極を形成している。 However, the co-firing method tends to warp and deform, and the surface electrodes and through-holes are likely to have small irregularities. When the thickness of the piezoelectric element is increased, it becomes difficult for the vibration of the piezoelectric element to be transmitted to the diaphragm, and when the piezoelectric element is pressed to adhere to the diaphragm, the piezoelectric element is broken. Therefore, the surface of the piezoelectric ceramic is ground or polished, and a silver paste is applied to the processed surface and baked to form a surface electrode.
ところが、表面電極に銀を用いると、スルーホールに充填またはスルーホール内壁に塗布された銀・パラジウム電極とこの表面電極の銀とが反応して、黒色化し、スルーホール部分が凸状を呈することがわかった。例えば厚さが0.5mm以下という薄い圧電素子では、このような凸部があると、接着層が厚くなることにより、前述した所望の振動特性が得られなくなるという問題が生じる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電セラミックスに信頼性に優れたスルーホール電極が形成されてなる圧電素子およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような圧電素子を備えた振動板と振動波駆動装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this situation, and it aims at providing the piezoelectric element by which the through-hole electrode excellent in reliability was formed in piezoelectric ceramic, and its manufacturing method. It is another object of the present invention to provide a diaphragm and a vibration wave driving device including such a piezoelectric element.
本発明の第1の観点によれば、2つの対向する面を有する圧電体に、その一方の面から他方の面への電気的導通を得るためのスルーホール電極が設けられた圧電素子の製造方法であって、圧電材料を成形してなるグリーンシートの所定位置に貫通孔を設け、その貫通孔に第1の導体ペーストを充填し、その後、複数のグリーンシートを前記貫通孔がつながるように重ねて接着し、焼成する工程と、得られた焼成体において前記貫通孔によって形成されたスルーホール電極が露出した2つの対向する面を平坦化する工程と、こうして平坦化された面にそれぞれ第2の導体ペーストを塗布し、前記焼成工程での焼成温度よりも低い温度で焼成することにより、前記平坦化された面に前記スルーホール電極と導通する表面電極を設ける工程とを有することを特徴とする圧電素子の製造方法が提供される。 According to the first aspect of the present invention, a piezoelectric element having a through-hole electrode for obtaining electrical conduction from one surface to the other surface of a piezoelectric body having two opposing surfaces is manufactured. A method is provided in which a through hole is provided at a predetermined position of a green sheet formed by molding a piezoelectric material, the first conductive paste is filled in the through hole, and then the plurality of green sheets are connected to the through hole. The steps of bonding, baking, and flattening the two opposing surfaces where the through-hole electrodes formed by the through-holes are exposed in the obtained fired body, and the surfaces thus flattened, respectively. And applying a conductive paste of No. 2 and firing at a temperature lower than the firing temperature in the firing step to provide a surface electrode that is electrically connected to the through-hole electrode on the planarized surface. Method for manufacturing a piezoelectric element characterized by is provided.
この圧電素子の製造方法において、第1の導体ペーストとしては、銀とパラジウムを含み、これらの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW1としたときに10%≦W1≦30%であるものが好適に用いられ、第2の導体ペーストとしては銀とパラジウムを含み、これらの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW2としたときに、0≦W1−W2<20の関係が満たされているものが好適に用いられる。 In this method of manufacturing a piezoelectric element, the first conductor paste contains silver and palladium, and 10% ≦ W 1 ≦ 30% when the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 1 Is preferably used, and the second conductor paste contains silver and palladium. When the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 2 , the relationship of 0 ≦ W 1 −W 2 <20 is satisfied. What has been used is preferably used.
また、第1の導体ペーストとして銀とパラジウムを導電物質として含み、第2の導体ペーストとして銀と白金を導電物質として含むものを用いることも好ましい。この場合、さらに、第1の導体ペーストにおいて銀とパラジウムの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率は10%以上30%以下であることが好ましく、第2の導体ペーストにおいて銀と白金の合計重量に占める白金の重量百分率は0.2%以上3%以下であることが好ましい。 Moreover, it is also preferable to use the first conductor paste containing silver and palladium as a conductive material and the second conductor paste containing silver and platinum as a conductive material. In this case, the weight percentage of palladium in the total weight of silver and palladium in the first conductor paste is preferably 10% or more and 30% or less, and the second conductor paste accounts for the total weight of silver and platinum. The weight percentage of platinum is preferably 0.2% or more and 3% or less.
複数のグリーンシートを貫通孔がつながるように重ねる際には、貫通孔が形成されていないグリーンシートの上に、貫通孔が形成された所定数のグリーンシートを積み重ねて、これを接着し、こうして得られた積層体を焼成する際に、貫通孔の形成されていないグリーンシートを鉛直方向下側に配置して焼成することが好ましい。このような処理方法において、貫通孔が形成されていないグリーンシートの上に貫通孔が形成された所定数のグリーンシートを積み重ねた後に、さらにその上に貫通孔が形成されていないグリーンシートを積み重ねて、これを接着し、焼成することも好ましい。 When stacking a plurality of green sheets so that the through-holes are connected, a predetermined number of green sheets with through-holes are stacked on the green sheet with no through-holes, and these are bonded together. When the obtained laminate is fired, it is preferable to fire by placing a green sheet having no through-holes on the lower side in the vertical direction. In such a processing method, after a predetermined number of green sheets having through holes formed thereon are stacked on a green sheet having no through holes, green sheets having no through holes are further stacked thereon. It is also preferable that these are bonded and fired.
本発明の第2の観点によれば、上記圧電素子の製造方法により製造される圧電素子、すなわち、板状形状を有し、その一方の主面から他方の主面へと電気的に導通するスルーホール電極を有する圧電体と、前記圧電体の一方の主面に、前記スルーホール電極と導通するように設けられた第1の表面電極と、前記圧電体の他方の主面に、前記スルーホール電極と導通するように設けられた第2の表面電極およびこの第2の表面電極と絶縁されるように設けられた第3の表面電極とを有し、前記第1,第2の表面電極において前記スルーホール電極と接合されている部分の突起高さが5μm以下であることを特徴とする圧電素子が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the piezoelectric element manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric element, that is, has a plate shape, and is electrically connected from one main surface to the other main surface. A piezoelectric body having a through-hole electrode, a first surface electrode provided on one main surface of the piezoelectric body so as to be electrically connected to the through-hole electrode, and a through-hole electrode on the other main surface of the piezoelectric body A first surface electrode having a second surface electrode provided so as to be electrically connected to the hall electrode and a third surface electrode provided so as to be insulated from the second surface electrode; The piezoelectric element is characterized in that the projection height of the portion joined to the through-hole electrode is 5 μm or less.
前記スルーホール電極は第1の導体ペーストにより形成され、前記第1,第2,第3の表面電極は第2の導体ペーストにより形成される。 The through-hole electrode is formed of a first conductive paste, and the first, second, and third surface electrodes are formed of a second conductive paste.
本発明の第3の観点によれば、絶縁体にこのような圧電素子が貼り付けられてなることを特徴とする振動板が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a diaphragm characterized in that such a piezoelectric element is attached to an insulator.
さらに本発明の第4の観点によれば、この振動板を備え、この振動板を駆動することによりこの振動板に接触した物体を動かすことを特徴とする振動波駆動装置が提供される。 Further, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided a vibration wave driving device comprising the vibration plate and moving an object in contact with the vibration plate by driving the vibration plate.
本発明によれば、グリーンシートを用いて圧電セラミックスを製造する際にスルーホール電極を形成することにより導通信頼性の高いスルーホール電極を形成し、スルーホールが露出した面とスルーホールを平坦化した後に白金またはパラジウムを含む電極材を用いて表面電極を形成することによりスルーホール電極が凸状になることを抑制することができる。これにより、圧電素子を振動板等の被接着体に貼り付ける際に接着層を薄くして、圧電素子から被振動体への振動伝達効率を高めることができ、また、接着時における圧電素子の破壊を防止することができる。また、グリーンシートを用いた焼成法を用いることにより、空孔等の欠陥が少なく比重の大きい圧電セラミックスを得ることができるので、チッピング等の欠けや割れも起こり難くなる。さらに、表面電極にはスルーホール電極に用いる電極材と比べて、高価なパラジウムや白金の含有量の少ない電極材料を用いることができるので、そのコストを低減することができる。 According to the present invention, a through hole electrode having a high conduction reliability is formed by forming a through hole electrode when a piezoelectric ceramic is manufactured using a green sheet, and the surface where the through hole is exposed and the through hole are flattened. Then, by forming the surface electrode using an electrode material containing platinum or palladium, it is possible to prevent the through-hole electrode from becoming convex. This makes it possible to increase the vibration transmission efficiency from the piezoelectric element to the vibrating body by thinning the adhesive layer when the piezoelectric element is attached to the bonded body such as a vibration plate. Destruction can be prevented. Further, by using a firing method using a green sheet, it is possible to obtain a piezoelectric ceramic having a small number of defects such as holes and a large specific gravity, so that chipping and cracking are less likely to occur. Further, since an expensive electrode material having a small content of palladium or platinum can be used for the surface electrode as compared with the electrode material used for the through-hole electrode, the cost can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1に圧電素子10の斜視図を示し、図2に圧電素子10にフレキシブルプリント配線基板21が取り付けられた状態での断面図を示す。図3には、フレキシブルプリント配線基板21が取り付けられた圧電素子10を振動板22に取り付けてなる振動波駆動装置30の概略斜視図を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a perspective view of the
圧電素子10は、圧電セラミックスからなる圧電体12と、圧電体12の2つの対向する面(ここでは主面たる表裏面)の一方に設けられた表面電極13a,13bと、他方の面に設けられた表面電極14と、表面電極13bと表面電極14とを電気的に接続するスルーホール電極15を備えている。
The
表面電極13a,13bは電気的に絶縁されており、圧電体12において表面電極13a,14間に挟まれた部分が分極されている。
The
後述するように圧電体12は複数枚のグリーンシートを積層一体化して焼成することにより得られる。そのため、図2では1枚のグリーンシートに由来する層を圧電体12中に破線で示している。但し、圧電体12において各圧電層は判別できないほどに一体化し緻密化している。
As will be described later, the
フレキシブルプリント配線基板21は、例えば、ポリイミドからなる基材に銅配線が形成されているものであり、表面電極13a,13bにそれぞれ独立して外部電源(図示せず)と電気的接続が可能な配線(図示せず)を備えている。表面電極13a,13bに所定の電圧を印加することにより、結果的に表面電極13a,14間に所定の電圧が印加される。圧電素子10へのフレキシブルプリント配線基板21の接着には樹脂接着剤が用いられる。
The flexible printed wiring board 21 is formed by forming a copper wiring on a base material made of polyimide, for example, and can be electrically connected to an external power source (not shown) independently of the
振動板22への圧電素子10の接着にも樹脂接着剤が用いられる。図示しない外部電源から表面電極13a,13bに所定の高周波電圧を印加することにより結果的に表面電極13a,14に高周波電圧が印加され、圧電体12に振動を発生させることができる。この振動により、振動板22に接した移動体23に力が加えられ、この移動体23を振動板22の面内で移動させたり、振動板22上で跳ねさせたりする等して動かすことができる。
A resin adhesive is also used for bonding the
具体的に、圧電素子10としては、長さ30mm×幅4mm×厚さ0.25mmの形状のものが挙げられる。振動板22には絶縁性で振動減衰の少ない無機材料、例えば、アルミナ等のセラミックスやガラスが用いられる。前記形状の圧電素子10が取り付けられる振動板22としては、縦40mm×横60mm×厚さ0.5mmの形状のものが挙げられる。しかし、これら寸法はこのような値に限定されるものではない。
Specifically, the
次に、圧電素子10の製造方法について説明する。ここでは、長さ30mm×幅4mm×厚さ0.25mmの形状を有する圧電素子10を製造するものとして、説明することとする。
Next, a method for manufacturing the
最初に、圧電セラミック粉末(例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミックス粉末)を、ドクターブレード法,カレンダロール法等の公知のシート成形方法を用いて成形し、厚さが40〜150μm程度の長尺状グリーンシートを製造する。 First, a piezoelectric ceramic powder (for example, lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic powder) is formed using a known sheet forming method such as a doctor blade method or a calender roll method, and the thickness is about 40 to 150 μm. Manufacture a green sheet.
この長尺状グリーンシートから、圧電素子10が製造されるまでの焼成収縮や切断しろ等を考慮して、パンチング等により適切な大きさのグリーンシートを複数枚得て、各グリーンシートに、例えば直径φ0.2mmの貫通孔を所定位置に形成する。
From this long green sheet, taking into account the firing shrinkage and cutting margin until the
ここで、グリーンシートの大きさは、後に切断処理を行うことにより複数個の圧電素子を取ることができる大きさとしてもよい。その場合、最終的に得られる圧電素子の形状と大きさを考慮して、貫通孔を設ける位置を決定する。貫通孔の形成には、例えば、レーザーを用いることができる。貫通孔の穴径はφ0.2mmに限定されるものではなく、後述する第1の導体ペーストの収縮を考慮して設定され、φ0.05mm〜φ0.5mmとすることができる。 Here, the size of the green sheet may be set such that a plurality of piezoelectric elements can be obtained by performing a cutting process later. In that case, the position where the through hole is provided is determined in consideration of the shape and size of the finally obtained piezoelectric element. For example, a laser can be used to form the through hole. The diameter of the through hole is not limited to φ0.2 mm, and is set in consideration of shrinkage of the first conductor paste described later, and can be set to φ0.05 mm to φ0.5 mm.
続いて、グリーンシートに形成された貫通孔に、スクリーン印刷やインクジェット印刷,シリンダによる注入法等の方法により、スルーホール電極15を形成するための第1の導体ペーストを充填する。このとき、貫通孔の周囲の一定範囲に、第1の導体ペーストの塗布膜を形成することが好ましい。このような塗布膜を、貫通孔への第1の導体ペーストの充填と同時に行うためには、スクリーン印刷法が好適である。このような塗布膜を形成することにより、複数のグリーンシートを重ねたときに、貫通孔の位置が多少ずれてしまった場合にも、この第1の導体ペーストに由来して形成されるスルーホール電極15に電極切れが発生することを防止することができる。
Subsequently, the first conductor paste for forming the through-
この第1の導体ペーストは、後にグリーンシートと同時焼成される。一般的に、圧電セラミックスを成形してなるグリーンシートの焼成温度は、圧電セラミックスの化学組成と粉体粒径とでほぼ決まり、例えば、平均粒径が0.4μm〜1.2μm程度のジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミックスでは、大凡、1000℃〜1200℃である。第1の導体ペーストには、このような焼成温度に耐えることができる電極材料を用いる必要があり、好ましくは導電物質として銀(Ag)とパラジウム(Pd)を含むものが用いられる。 This first conductive paste is later fired simultaneously with the green sheet. In general, the firing temperature of a green sheet formed from piezoelectric ceramics is almost determined by the chemical composition of the piezoelectric ceramics and the powder particle size. For example, zirconic acid having an average particle size of about 0.4 μm to 1.2 μm. In lead titanate-based piezoelectric ceramics, the temperature is generally 1000 ° C. to 1200 ° C. For the first conductive paste, it is necessary to use an electrode material that can withstand such a firing temperature, and preferably a material containing silver (Ag) and palladium (Pd) as a conductive substance.
銀とパラジウムは全組成範囲において固溶する、所謂、全固溶という特性を示すので、銀とパラジウムの状態図(相図)から、焼成温度において溶融せず、しかも製造コストを考えて可能な限りパラジウム含有量が少ない組成を予想することできる。焼成温度が1000℃〜1200℃の場合には、銀とパラジウムの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW1{=[Pd/(Ag+Pd)]×100(%)}としたときに、10%≦W1≦30%である組成が好適に用いられる。 Silver and palladium dissolve in the entire composition range, so-called so-called solid solution characteristics. From the state diagram (phase diagram) of silver and palladium, it does not melt at the firing temperature and is possible considering the production cost. A composition with as little palladium content as possible can be expected. When the firing temperature is 1000 ° C. to 1200 ° C., the weight percentage of palladium in the total weight of silver and palladium is 10% when W 1 {= [Pd / (Ag + Pd)] × 100 (%)}. A composition satisfying ≦ W 1 ≦ 30% is preferably used.
なお、第1の導体ペーストは、導電物質としての銀およびパラジウムと、有機バインダとしてのエチルセルロースと、焼成時の収縮率調整のための圧電セラミックス粉末(グリーンシートの成形に用いたものと同じ)と、溶剤としてのα−テルピネオールとを、三本ロールで混練することにより製造することができる。銀粉末およびパラジウム粉末としては、例えば、平均粒径が約1μmの球形の共沈粉を用いることができる。但し、有機バインダや溶剤はこのような物質に限定されるものではない。 The first conductive paste is composed of silver and palladium as conductive materials, ethyl cellulose as an organic binder, and piezoelectric ceramic powder for adjusting the shrinkage during firing (the same as that used for forming the green sheet). , And α-terpineol as a solvent can be produced by kneading with three rolls. As the silver powder and the palladium powder, for example, a spherical coprecipitation powder having an average particle diameter of about 1 μm can be used. However, the organic binder and the solvent are not limited to such materials.
また、第1の導体ペーストを構成する各物質の重量百分率は、例えば、銀とパラジウムの合計量が65%、圧電セラミックス粉末が10%、有機バインダが5%、溶剤が20%とすることができ、適宜、貫通孔への充填が容易となる粘度に調節するために溶剤を添加して再混練する等の微調整が行われる。有機バインダと溶剤は、焼成時の昇温時に焼失する。第1の導体ペーストに含まれる圧電セラミックス粉末は、グリーンシートに形成された貫通孔の壁面に対して焼結接合した場合には、スルーホール電極にアンカー効果をもたらす。 The weight percentage of each material constituting the first conductor paste is, for example, 65% of the total amount of silver and palladium, 10% of the piezoelectric ceramic powder, 5% of the organic binder, and 20% of the solvent. If necessary, fine adjustment such as re-kneading by adding a solvent in order to adjust the viscosity to facilitate filling of the through-holes is performed. The organic binder and the solvent are burned off when the temperature is raised during firing. When the piezoelectric ceramic powder contained in the first conductor paste is sintered and bonded to the wall surface of the through-hole formed in the green sheet, an anchor effect is brought about on the through-hole electrode.
続いて、複数枚のグリーンシートを貫通孔の位置で合わせて、焼成後の厚さが例えば0.36mmとなるように、焼成収縮を考慮した厚さに積層する。このとき、貫通孔が形成されていないグリーンシートを、積層方向端の一方または両方に重ねることが好ましい。こうしてグリーンシートを積み重ねたものを、熱プレス装置を用いて一体化する。一般的に熱圧着と呼ばれるこの処理は、グリーンシートどうしを接着する手法の1つであることは周知の通りである。グリーンシートどうしを接着することができる限りにおいて、その手法は制限されない。 Subsequently, a plurality of green sheets are aligned at the position of the through hole, and are laminated to a thickness in consideration of firing shrinkage so that the thickness after firing becomes, for example, 0.36 mm. At this time, it is preferable that a green sheet in which no through hole is formed is stacked on one or both of the ends in the stacking direction. The green sheets stacked in this way are integrated using a hot press device. As is well known, this process, generally called thermocompression bonding, is one of the techniques for bonding green sheets together. The method is not limited as long as the green sheets can be bonded to each other.
図4に、グリーンシートを熱圧着させて得られる積層体の断面図を示す。この図4に示された積層体20は、貫通孔17が形成されていないグリーンシート16bの上に、貫通孔17が形成された所定数のグリーンシート16aを積み重ね、これを熱圧着したものである。互いにつながった貫通孔17の内部には第1の導体ペースト18が充填された状態となっている。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a laminate obtained by thermocompression bonding of a green sheet. The
貫通孔17の周囲の一定範囲に第1の導体ペースト18の塗布膜を形成している場合に、その部分が第1の導体ペースト18の鍔部19となる。図4ではこの鍔部19を厚く明瞭に描いているが、例えば、グリーンシート16aの厚さが40μm〜150μmであるのに対して、この鍔部19の厚さは1〜10μm程度である。
When the coating film of the
積層体20の最上部のグリーンシート16aの上にさらに貫通孔17が形成されていないグリーンシート16bが積み重ねられて、熱圧着されていてもよい。 なお、積層前の個々のグリーンシートにおいて、第1の導体ペーストがグリーンシートの表面より極端に高く露出するように貫通孔に充填されていると、熱圧着時に貫通孔近傍部分でのグリーンシートどうしの接着が妨げられるおそれがある。このような状態とならないように、第1の導体ペーストの充填量の上限を制御することが好ましい。
The
こうして得られた積層成形体を所定温度で焼成する。この焼成処理により、複数枚のグリーンシートが一体化した圧電セラミックスからなる圧電体12が得られる。また、グリーンシートに形成された貫通孔が連通してスルーホールとなり、貫通孔に充填された第1の導体ペーストどうしも接合されて焼成され、連続したスルーホール電極15が形成される。このスルーホール電極15は圧電体12の表裏面に露出する。
The laminated molded body thus obtained is fired at a predetermined temperature. By this firing treatment, a
貫通孔を備えていないグリーンシートが1枚だけ重ねられている場合には、この焼成工程においては、そのグリーンシートを下側にして、焼成する。貫通孔を備えていないグリーンシートを用いることにより、焼成時に貫通孔内に充填された第1の導体ペーストが貫通孔の下側開口部から垂れたり、流れ落ちたりすることを防止することができる。 When only one green sheet having no through hole is stacked, in this firing step, the green sheet is placed on the lower side and fired. By using the green sheet not provided with the through hole, it is possible to prevent the first conductor paste filled in the through hole from dripping or flowing down from the lower opening of the through hole during firing.
この焼成時には、積層成形体全体が三次元的に収縮し、同時にスルーホールの穴径と長さも短くなり、またスルーホールに充填された第1の導体ペーストに由来する電極材料も収縮する。前述した通り、第1の導体ペーストに圧電セラミックス粉末を含有させたり、配合組成を変化させたりすることで電極材料の収縮率を調整することができるが、焼成時に電極切れ(つまり、スルーホールの内部に空洞や未充填部が形成されることが生じること)のないように、グリーンシートに形成された貫通孔に充填する第1の導体ペーストの充填量の下限が設定されている必要がある。 During this firing, the entire laminated molded body contracts three-dimensionally, and at the same time, the hole diameter and length of the through hole are shortened, and the electrode material derived from the first conductor paste filled in the through hole contracts. As described above, the shrinkage rate of the electrode material can be adjusted by adding the piezoelectric ceramic powder to the first conductive paste or changing the blending composition. The lower limit of the filling amount of the first conductor paste that fills the through-hole formed in the green sheet needs to be set so that a cavity or an unfilled portion is not formed inside). .
図5に焼成により得られる圧電体12の断面図を示す。この図5には、先の熱圧着工程において貫通孔を備えていないグリーンシートが1枚のみ積層され、熱圧着され、焼成されて得られた焼成体において、スルーホール電極15が露出している面側におけるスルーホール電極15近傍の構造が示されている。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the
圧電体12の表面には焼成後には多少の凹凸が存在するが、スルーホール電極15の端面は、その表面に露出して見えるように凸状であり、その高さhは0<h≦0.1mmの関係を満たしていることが好ましい。先に説明した熱圧着時のグリーンシートどうしの接着を妨げない充填量で、しかも、焼成時の電極切れが起こらないようにするためには、第1の導体ペーストに由来する電極材料はグリーンシートより焼成収縮が小さい(つまり、収縮しない)ことが好ましい。
Although the surface of the
上述した通りのグリーンシートを積層,一体化して焼成することにより圧電セラミックスを製造する方法は、従来、積層型圧電アクチュエータのような内部電極を有する圧電素子の製造に用いられているものであるが、その場合には、圧電セラミックス層は内部電極を介して接合されるために、圧電セラミックス層間の接合強度はあまり高いものではなく、圧電セラミックス層ごとの緻密性もたかいものではない。また、圧電セラミックスの一般的な製造方法である粉体プレス成形法や押出成形法では、内部に微小な空隙や空孔などの欠陥が残って比重が小さく、また機械的強度も小さく、さらに圧電体の角部に欠けが生じたり、圧電体に割れが生じたりし易くなる等の欠点がある。 The method for manufacturing piezoelectric ceramics by stacking, integrating and firing green sheets as described above is conventionally used for manufacturing piezoelectric elements having internal electrodes such as stacked piezoelectric actuators. In this case, since the piezoelectric ceramic layer is bonded via the internal electrode, the bonding strength between the piezoelectric ceramic layers is not so high, and the density of each piezoelectric ceramic layer is not high. Also, the powder press molding method and extrusion molding method, which are general methods for producing piezoelectric ceramics, have defects such as minute voids and voids remaining in the interior, resulting in low specific gravity and low mechanical strength. There are drawbacks such as chipping at the corners of the body and cracks in the piezoelectric body.
これに対して、上述したように、内部電極を設けることなくグリーンシートを積層,一体化して焼成することにより圧電セラミックスを製造する方法では、グリーンシートどうしが接着され、その境界を判別することができないほどに緻密で、内部に微小な空隙や空孔が少なく、比重の大きな圧電セラミックスを得ることができる。例えば、粉体プレス成形法では比重が約7.6のものを得るのが限界であるのに対し、グリーンシートを積層,一体化して焼成する方法では、比重が約7.8の圧電セラミックスを得ることができる、この差は、空隙や空孔の少ない圧電セラミックスが得られていることを示している。 On the other hand, as described above, in the method of manufacturing piezoelectric ceramics by stacking, integrating, and firing green sheets without providing internal electrodes, the green sheets are bonded to each other and the boundary between them can be determined. Piezoelectric ceramics with such a high density that the density is so small that there are few microscopic voids and pores inside can be obtained. For example, the powder press molding method has a limit of obtaining a specific gravity of about 7.6, whereas the method of laminating, integrating and firing green sheets is to produce a piezoelectric ceramic having a specific gravity of about 7.8. This difference, which can be obtained, indicates that a piezoelectric ceramic with few voids and holes is obtained.
緻密で欠陥の少ない圧電セラミックスでは、切断加工時やハンドリング時に角部が欠けるという問題の発生も極めて少なくなる。これにより製造歩留が向上し、生産コストを下げることができる。また、欠陥の少ない圧電セラミックスは、所定の高周波電圧を印加して振動させる場合に、より大きな電力を投入しても割れの発生が抑えられるという特徴を有している。 A dense piezoelectric ceramic with few defects is extremely less likely to have a problem of corners being cut during cutting or handling. As a result, the production yield can be improved and the production cost can be reduced. In addition, a piezoelectric ceramic with few defects has a feature that, when a predetermined high frequency voltage is applied and vibrated, the occurrence of cracking can be suppressed even when a larger amount of power is applied.
このように薄いグリーンシートを多数枚積層して一体化し、焼成することで板状の圧電セラミックスを製造する方法は、スルーホールが形成し易いばかりでなく、緻密で信頼性に優れた圧電セラミックスの製造に適している。 A method for producing a plate-shaped piezoelectric ceramic by laminating a large number of thin green sheets in this way and firing them is not only easy to form a through hole but also a dense and highly reliable piezoelectric ceramic. Suitable for manufacturing.
さて、こうして得られた圧電体12の表裏面を、例えば、遊離砥粒を用いる両面ラップ加工機により同時にラッピング(研磨)し、圧電体12の厚みが約0.36mmであったものを厚さ0.25mmまで削り込む。先に貫通孔が形成されていないグリーンシートを用いている場合には、そのグリーンシートに由来する部分を全てラッピングにより除去する。このような両面ラッピングを行うことにより、均一な厚さの圧電体12を短時間で得ることができる。なお、このような圧電体12の厚さ調整加工は、片面ずつ行ってもよく、その際に研削加工機を使用してもよい。
The front and back surfaces of the
図5に示す破線B−Bは、ラッピング加工により現れる面の高さを示している。両面ラップ加工によりスルーホール電極15もまたラッピングされるので、スルーホール電極15の端面(露出面)は圧電体12の表裏面と同一平面に位置する。
A broken line BB shown in FIG. 5 indicates the height of the surface appearing by the lapping process. Since the through-
切断機を用いて、スルーホールの位置を考慮して、長さ30mm×幅4mmで切り出す。こうして切り出した圧電体12の表裏面にそれぞれ、スクリーン印刷により表面電極13a,13,14を形成するための第2の導体ペーストを、先に図1に示した通りのパターンで印刷する。圧電体12の表裏面は両面ラッピングにより平坦化されているので、印刷膜厚を一定にすることができ、しかもスルーホール電極15とのコンタクトを確実に行うことができる。
Using a cutting machine, taking out the position of the through-hole, it is cut out with a length of 30 mm and a width of 4 mm. A second conductor paste for forming the
なお、図1に示されるように、第2の導体ペースト印刷領域を圧電体12の外周よりも一定距離だけ内側としているのは、圧電体12の外周一杯に第2の導体ペーストを塗布すると、圧電体12の側面にペーストが流れ出して、反対側の面の印刷電極と導通するおそれがあるからであり、こうして側面に付着したペーストを除去する手間を省くためである。
As shown in FIG. 1, the second conductor paste print area is set a certain distance from the outer periphery of the
印刷された第2の導体ペーストを所定温度で乾燥させた後、所定温度に加熱することにより、第2の導体ペーストに含まれる固形成分を圧電体12に焼き付ける。こうして形成される表面電極13a,13b,14の厚さは、例えば3μm〜5μmとされる。
After the printed second conductor paste is dried at a predetermined temperature, the solid component contained in the second conductor paste is baked onto the
ここで使用される第2の導体ペーストとしては銀とパラジウムを含み、これらの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW2{=[Pd/(Ag+Pd)]×100(%)}としたときに、0≦W1−W2<20の関係が満たされるものが好適に用いられ、これによりスルーホール電極15の突起高さを低く抑えることができる。
The second conductive paste used here contains silver and palladium, and the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 2 {= [Pd / (Ag + Pd)] × 100 (%)}. , 0 ≦ W 1 −W 2 <20 is preferably used, whereby the projection height of the through-
また、第2の導体ペーストには、銀とパラジウムを圧電体12の表面に焼き付けるためのガラスフリットが固形成分として含まれていることが、形成される表面電極13a,13b,14の圧電体12への密着強度を高める観点から好ましい。ガラスフリットを含む導電ペーストの焼成温度は、ガラスフリットの組成で焼き付け温度が決まる。ガラスフリットとしてホウケイ酸鉛系ガラスを用いることで、焼き付け温度を650℃〜800℃に設定することができる。
In addition, the second conductor paste contains glass frit for baking silver and palladium on the surface of the
なお、パラジウムのコストは銀に比べると20倍〜30倍にもなることから、電極材料コストを低く抑える観点から、振動板への接着に支障が生じない範囲で、パラジウムの含有率をできるだけ少なくすることが好ましい。また、そのためには、低温での焼き付けが可能となるようにガラスフリットの組成を調節することが好ましい。さらに、パラジウムは空気中で酸化/還元反応を起こすために、パラジウム含有量を少なくすることは表面電極に酸化/還元反応に起因する凹凸の発生を抑制し、電極の電気抵抗を下げる点でも有利である。 In addition, since the cost of palladium is 20 to 30 times that of silver, from the viewpoint of keeping the electrode material cost low, the palladium content should be as low as possible without causing any problem in adhesion to the diaphragm. It is preferable to do. For this purpose, it is preferable to adjust the composition of the glass frit so that baking at a low temperature is possible. Furthermore, since palladium undergoes an oxidation / reduction reaction in the air, reducing the palladium content is advantageous in that it suppresses the occurrence of unevenness due to the oxidation / reduction reaction on the surface electrode and lowers the electrical resistance of the electrode. It is.
第2の導体ペーストは、具体的には、導電物質として銀とパラジウムの合金粉と、ガラスフリット粉末と、有機バインダとしてのエチルセルロースと、溶剤としのα−テルピネオールとを、重量百分率で、導電物質が70%、ガラスフリットが5%、有機バインダが5%、溶剤が20%となるように秤量し、これらを3本ロール等で混練し、作製することができる。銀とパラジウムの合金粉としては平均粒径が約1μmのもの、ガラスフリット粉末としては平均粒径が数μmのものを使用することができ、銀とパラジウムの合金粉に代えて、銀とパラジウムそれぞれの粉末を混合して用いてもよい。溶剤量の加減によりペーストの粘度を微調整することができる。 Specifically, the second conductive paste comprises, as a conductive material, silver and palladium alloy powder, glass frit powder, ethyl cellulose as an organic binder, and α-terpineol as a solvent in weight percentage. Is 70%, the glass frit is 5%, the organic binder is 5%, and the solvent is 20%. Silver and palladium alloy powder with an average particle diameter of about 1 μm can be used, and glass frit powder with an average particle diameter of several μm can be used. Instead of silver and palladium alloy powder, silver and palladium can be used. You may mix and use each powder. The viscosity of the paste can be finely adjusted by adjusting the amount of the solvent.
第2の導体ペーストとしては、パラジウムの代わりに白金(Pt)を含むものを用いることができ、銀と白金の全重量に占める白金の重量百分率をW3{=[Pt/(Ag+Pt)]×100(%)}としたときに、W3=0.3%〜3%の関係が満たされるものが好適に用いられる。W3<0.3%の場合にはスルーホール電極15の突起高さを低く抑えることができず、一方、W3>3%の場合には、白金は銀に比べて極めて高価であるので、ペーストコストが高くなるという問題が生じる。
As the second conductive paste, one containing platinum (Pt) instead of palladium can be used, and the weight percentage of platinum in the total weight of silver and platinum is expressed as W 3 {= [Pt / (Ag + Pt)] × 100 (%)}, a material satisfying the relationship of W 3 = 0.3% to 3% is preferably used. When W 3 <0.3%, the projection height of the through-
銀と白金を含む第2の導体ペーストの調製方法は、上述した銀とパラジウムを含む導体ペーストの調製方法と同じである。すなわち、銀と白金を混合した粉末(例えば、平均粒径が0.5μmの銀粉末と、平均粒径が0.3μmの白金粉末)と、ガラスフリットと、有機バインダ(例えば、エチルセルロース)と、溶剤(例えば、α−テルピネオール)を所定比となるように秤量し、それらを三本ロール等で混練することにより製造することができる。 The method for preparing the second conductor paste containing silver and platinum is the same as the method for preparing the conductor paste containing silver and palladium described above. That is, a powder in which silver and platinum are mixed (for example, a silver powder having an average particle diameter of 0.5 μm and a platinum powder having an average particle diameter of 0.3 μm), a glass frit, an organic binder (for example, ethyl cellulose), A solvent (for example, α-terpineol) is weighed so as to have a predetermined ratio, and can be produced by kneading them with a three-roll or the like.
白金のコストは銀に比べ数十倍から百倍にもなるが、パラジウムと比較すると銀に対する混合比を極めて少なくすることができるため、パラジウムを用いる場合よりもコスト高にはならない。また、白金はパラジウムとは異なり、酸化/還元反応を起こさないために、凹凸の少ない滑らか表面電極を形成することができる。このことは、圧電素子にフレキシブルプリント配線基板を貼り付けたり、圧電素子を振動板に貼り付けたりする際に好ましい特性となる。また、白金はパラジウムのように電気抵抗を大きくすることがないので、表面電極での不要な熱の発生が抑えられ、投入した電力を効率的に振動エネルギーに変換することができるようになるので、振動板をより大きく振動させることができるようになる。 The cost of platinum is several tens to one hundred times that of silver, but the mixing ratio with respect to silver can be extremely reduced as compared with palladium, so that the cost is not higher than when palladium is used. In addition, unlike palladium, platinum does not cause an oxidation / reduction reaction, so that a smooth surface electrode with few irregularities can be formed. This is a preferable characteristic when the flexible printed wiring board is attached to the piezoelectric element or the piezoelectric element is attached to the diaphragm. In addition, platinum does not increase the electrical resistance unlike palladium, so generation of unnecessary heat at the surface electrode can be suppressed, and the input power can be efficiently converted into vibration energy. The diaphragm can be vibrated more greatly.
このような第2の導体ペーストを用いて表面電極13a,13b,14を形成した後、圧電体12を分極処理する。この分極処理は、圧電体12をそのキュリー温度以下の所定温度に保持された絶縁油中等に浸し、表面電極13aと表面電極14との間に所定の電圧を所定時間印加することにより行われ、例えば、絶縁油の温度を120℃、印加電圧を3kV/mm、電圧印加時間を30分とする。圧電体12の分極処理は高温乾燥機等を用いて、空気中で行うこともできる。こうして圧電体12に圧電性を発現させることにより圧電素子10が得られる。製造された圧電素子10に樹脂接着剤を用いてフレキシブルプリント配線基板21を接着し、さらにこの圧電素子10を振動板22に樹脂接着剤を用いて接着することにより、振動波駆動装置30を製造することができる。
After forming the
次に、第1の導体ペーストの組成と第2の導体ペーストの組成との関係について、実施例を参照しながら、詳細に説明する。 Next, the relationship between the composition of the first conductor paste and the composition of the second conductor paste will be described in detail with reference to examples.
第1の導体ペーストとしてW1=30%の銀・パラジウムペーストを用いた場合について説明する。上述した圧電素子10の製造方法に従うことを条件として、グリーンシート積層成形体の焼成温度を1200℃とし、得られた圧電体に両面ラッピングを施した試料を所定数作製した。各試料のラッピング加工面に、W2=0%,10%,20%,30%で調製された第2の導体ペーストをスクリーン印刷し、750℃で焼成することにより、表面電極を形成した。スルーホール電極が形成されている部分が他の平坦な領域よりもどの程度突出しているかを接触式表面粗さ計を用いて測定した結果を表1に示す。
スルーホール電極の突起高さは、W2=0%の試料1では7〜12μm、W2=10%の試料2では4〜9μm、W2=20%の試料3では2〜5μm、W2=30%の試料4では0〜2μmであった。 The protrusion height of the through-hole electrode is 7 to 12 μm in the sample 1 with W 2 = 0%, 4 to 9 μm in the sample 2 with W 2 = 10%, 2 to 5 μm in the sample 3 with W 2 = 20%, and W 2. In the sample 4 of 30%, it was 0 to 2 μm.
このように、第2の導体ペーストとしてパラジウムを所定量含むものを用いることにより、スルーホール電極の突起が抑制されることが確認された。これは、第2の導体ペーストの焼き付け温度がグリーンシートの焼成温度よりも低温であり、パラジウムの含有量が増えることで銀の拡散が抑制されたためと考えられる。 As described above, it was confirmed that the protrusion of the through-hole electrode was suppressed by using the second conductive paste containing a predetermined amount of palladium. This is probably because the baking temperature of the second conductor paste is lower than the firing temperature of the green sheet, and the diffusion of silver is suppressed by increasing the palladium content.
圧電素子を振動板に接着して振動波駆動装置を構成する場合、通常、圧電素子から振動板への振動伝達が効率よく行われ、しかもこれらの間の接着強度が確保されるように、接着層の厚さは約5μmとされる。 When a vibration wave drive device is configured by bonding a piezoelectric element to a diaphragm, it is usually bonded so that vibration is efficiently transmitted from the piezoelectric element to the diaphragm and the bonding strength between them is secured. The layer thickness is about 5 μm.
そのため、W2=0%である試料1の圧電素子を用いて構成した振動波駆動装置では、圧電素子に形成されたスルーホール電極の突起高さが7〜12μmであるために接着層は通常よりも厚くなり、振動板の振動の減衰が通常より大きくなった。また、W2=10%である試料2の圧電素子を用いて構成した振動波駆動装置では、圧電素子に形成されたスルーホール電極の突起高さは4〜9μmであるため、接着層が通常よりも厚くなる場合もあり、振動板の振動の減衰も通常より大きくなることがあった。 For this reason, in the vibration wave driving device configured using the piezoelectric element of Sample 1 where W 2 = 0%, the adhesive layer is usually used because the projection height of the through-hole electrode formed on the piezoelectric element is 7 to 12 μm. The vibration attenuation of the diaphragm became larger than usual. Further, in the vibration wave driving device configured using the piezoelectric element of sample 2 where W 2 = 10%, the protrusion height of the through-hole electrode formed on the piezoelectric element is 4 to 9 μm, and thus the adhesive layer is usually used. In some cases, the thickness of the vibration plate becomes thicker, and the vibration attenuation of the diaphragm may be larger than usual.
これに対して、W2=20%,30%である試料3,4の圧電素子をそれぞれ用いて構成した振動波駆動装置では、圧電素子に形成されたスルーホール電極の突起高さが5μm以下であるために、接着層の厚さを通常厚さとすることができ、そのため振動板の振動の減衰も問題のないレベルであった。 On the other hand, in the vibration wave driving device configured using the piezoelectric elements of samples 3 and 4 where W 2 = 20% and 30%, the protrusion height of the through-hole electrode formed in the piezoelectric element is 5 μm or less. For this reason, the thickness of the adhesive layer can be set to a normal thickness, so that the vibration attenuation of the diaphragm is at a level with no problem.
第1の導体ペーストとしてW1=20%の銀・パラジウムペーストを用いた場合について説明する。上述した圧電素子10の製造方法に従うことを条件として、グリーンシート積層成形体の焼成温度を1100℃とし、得られた圧電体に両面ラッピング加工を施した試料を所定数作製した。各試料のラッピング加工面に、W2=0%,5%,10%,20%で調製された第2の導体ペーストをスクリーン印刷し、750℃で焼成することにより、表面電極を形成し、スルーホール電極の突起高さを測定した。その結果を表1に併記する。
The case where a silver / palladium paste of W 1 = 20% is used as the first conductor paste will be described. On the condition that the method for manufacturing the
スルーホール電極の突起高さは、W2=0%の試料5では4〜8μm、W2=5%の試料6では3〜6μm、W2=10%の試料7では1〜4μm、W2=20%の試料8では0〜2μmであった。 The protrusion height of the through-hole electrode is 4 to 8 μm in the sample 5 with W 2 = 0%, 3 to 6 μm in the sample 6 with W 2 = 5%, 1 to 4 μm in the sample 7 with W 2 = 10%, and W 2. = 20% for Sample 8 0-2 μm.
W2=0,5%である試料5,6の圧電素子を用いて構成した振動波駆動装置では、圧電素子に形成されたスルーホール電極の突起高さが5μmを超えることがあり、そのため接着層が厚くなって、振動板の振動の減衰が通常より大きくなることがあった。一方、W2=10,20%である試料7,8の圧電素子を用いて構成した振動波駆動装置では、接着層を通常の厚さとすることができ、そのため振動板の振動の減衰も問題のないレベルであった。 In the vibration wave driving device configured using the piezoelectric elements of Samples 5 and 6 where W 2 = 0,5%, the protrusion height of the through-hole electrode formed on the piezoelectric element may exceed 5 μm, and hence the bonding As the layer becomes thicker, the vibration attenuation of the diaphragm may be larger than usual. On the other hand, in the vibration wave driving device configured using the piezoelectric elements of Samples 7 and 8 where W 2 = 10, 20%, the adhesive layer can have a normal thickness, and therefore, vibration attenuation of the diaphragm is also a problem. There was no level.
第1の導体ペーストとしてW1=10%の銀・パラジウムペーストを用いた場合について説明する。上述した圧電素子10の製造方法に従うことを条件として、グリーンシート積層成形体の焼成温度を1000℃とし、得られた圧電体に両面ラッピング加工を施した試料を所定数作製した。各試料のラッピング加工面に、W2=0%,5%,10%で調製された第2の導体ペーストをスクリーン印刷し、750℃で焼成することにより、表面電極を形成し、スルーホール電極の突起高さを測定した。その結果を表1に併記する。
The case where a silver / palladium paste of W 1 = 10% is used as the first conductor paste will be described. On the condition that the method for manufacturing the
スルーホール電極の突起高さは、W2=0%の試料9では3〜5μm、W2=5%の試料10では1〜3μm、W2=10%の試料11では0〜2μmであった。これらの試料9〜11の圧電素子を用いて構成した振動波駆動装置では、接着層を通常の厚さとすることができ、そのため振動板の振動の減衰も問題のないレベルであった。
The protrusion height of the through-hole electrode was 3 to 5 μm for the sample 9 with W 2 = 0%, 1 to 3 μm with the
上述の通り、0≦W1−W2<20の関係が満たされていれば、スルーホール電極の突起高さは低く抑制されることが確認された。 As described above, it was confirmed that if the relationship of 0 ≦ W 1 −W 2 <20 is satisfied, the protrusion height of the through-hole electrode is suppressed to be low.
上述した圧電素子10の製造方法に従うことを条件として、第1の導体ペーストとしてW1=30%の銀・パラジウムペーストを用い、積層成形体の焼成温度を1200℃とし、得られた圧電体に両面ラッピング加工を施した試料を所定数作製した。一方、銀と白金の全重量に占める白金の重量百分率をW3{=[Pt/(Ag+Pt)]×100(%)}としたときに、W3=0%,0.1%,0.2%,0.3%,0.5%,1.0%,3.0%となる第2の導体ペーストを作製した。各試料のラッピング加工面に、これらの所定の重量百分率W3に調製されたペーストをスクリーン印刷し、750℃で焼成することにより、表面電極を形成し、スルーホール電極の突起高さを測定した。その結果を表2に示す。
スルーホール電極の突起高さは、W3=0%の試料12では8〜11μm、W3=0.1%の試料13では7〜9μm、W3=0.2%の試料14では2〜4μm、W3=0.3%の試料15では1〜3μm、W3=0.5%の試料16では1〜2μm、W3=1.0%の試料17では1〜2μm、W3=3.0%の試料18では0〜1μmとなった。
The protrusion height of the through-hole electrode is 8 to 11 μm for the
先に述べた通り、圧電素子を振動板に接着する場合の接着層の厚さは約5μmであるから、これよりもスルーホール電極の突起高さが低くなる圧電素子を得るためには、0.2%≦W3≦3%のペーストを用いればよいことがわかる。但し、この条件は、スルーホール電極におけるW1=30%の場合に得られた結果であって、スルーホール電極におけるW1<30%の場合には、W3<0.2%のものを用いることもできる。 As described above, since the thickness of the adhesive layer when the piezoelectric element is bonded to the diaphragm is about 5 μm, in order to obtain a piezoelectric element in which the protrusion height of the through-hole electrode is lower than this, 0 It can be seen that a paste of .2% ≦ W 3 ≦ 3% may be used. However, this condition is a result obtained when W 1 = 30% in the through-hole electrode, and when W 1 <30% in the through-hole electrode, W 3 <0.2%. It can also be used.
このように、白金はその含有率が少なくても、スルーホール電極と銀との反応,拡散を抑えてスルーホール電極の突起を低く抑える効果を示すことが確認された。なお、銀粉末と白金粉末としては粒径の小さい粉末を用いる方が両者の混合分散が容易であるが、平均粒径は0.2μm〜1.2μmであれば、実用上、支障はない。 Thus, it was confirmed that even if the content of platinum is small, the reaction and diffusion between the through-hole electrode and silver are suppressed and the effect of suppressing the protrusion of the through-hole electrode is reduced. In addition, it is easier to mix and disperse the silver powder and the platinum powder having a small particle diameter as long as the average particle diameter is 0.2 μm to 1.2 μm, but there is no practical problem.
以上、本発明の実施の形態および実施例について具体例を挙げながら説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、表面電極13aはスルーホール電極15とは導通しないので、表面電極13aの形成には、導電物質が銀100%の導体ペーストを用いることができ、これにより電極材料コストを下げることができる。但し、スクリーン印刷に用いる版を代える等の作業が必要になる。
While the embodiments and examples of the present invention have been described with specific examples, the present invention is not limited to such embodiments. For example, since the
また、表面電極を形成するための第2の導体ペーストには圧電体への密着性を促進させるようなビスマス酸化物、鉛酸化物、酸化銅など金属酸化物を添加してもよい。導体ペーストを製造するための有機バインダと溶剤はそれぞれ上述したエチルセルロース,α−テルピネオールに限定されるものではなく、ペーストを製造することができ、焼成時や焼き付け時に消失するものであればよい。有機バインダや溶剤を変更した場合には、所望の粘度を有するペーストを得るために、ペースト製造に用いられる各種原料の組成比は、適宜変更される。 Moreover, you may add metal oxides, such as bismuth oxide, lead oxide, and copper oxide which promote the adhesiveness to a piezoelectric material to the 2nd conductor paste for forming a surface electrode. The organic binder and the solvent for producing the conductor paste are not limited to ethyl cellulose and α-terpineol, respectively, as long as they can produce the paste and disappear when firing or baking. When the organic binder and the solvent are changed, the composition ratio of various raw materials used for paste production is appropriately changed in order to obtain a paste having a desired viscosity.
10…圧電素子、12…圧電体、13a,13b,14…表面電極、15…スルーホール電極、16a…グリーンシート(貫通孔有り)、16b…グリーンシート(貫通孔無し)、17…貫通孔、18…第1の導体ペースト、19…第1の導体ペーストの鍔部、20…積層体、21…フレキシブルプリント配線基板、22…振動板、23…移動体、30…振動波駆動装置。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
圧電材料を成形してなるグリーンシートの所定位置に貫通孔を設け、その貫通孔に第1の導体ペーストを充填し、その後、複数のグリーンシートを前記貫通孔がつながるように重ねて接着し、焼成する工程と、
得られた焼成体において前記貫通孔によって形成されたスルーホール電極が露出した2つの対向する面を平坦化する工程と、
こうして平坦化された面にそれぞれ第2の導体ペーストを塗布し、前記焼成工程での焼成温度よりも低い温度で焼成することにより、前記平坦化された面に前記スルーホール電極と導通する表面電極を設ける工程とを有することを特徴とする圧電素子の製造方法。 A piezoelectric element manufacturing method in which a through-hole electrode for obtaining electrical conduction from one surface to the other surface of a piezoelectric body having two opposing surfaces is provided,
A through hole is provided at a predetermined position of the green sheet formed by forming the piezoelectric material, the first conductive paste is filled in the through hole, and then a plurality of green sheets are stacked and bonded so that the through hole is connected, A firing step;
Flattening two opposing surfaces in which the through-hole electrodes formed by the through-holes are exposed in the obtained fired body;
A surface electrode which is electrically connected to the through-hole electrode on the planarized surface by applying the second conductor paste to the planarized surface and firing at a temperature lower than the firing temperature in the firing step. And a step of providing the piezoelectric element.
前記第2の導体ペーストは銀とパラジウムを含み、これらの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW2とすると、0≦W1−W2<20の関係が満たされていることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。 The first conductive paste contains silver and palladium, and the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 1 , and 10% ≦ W 1 ≦ 30%,
The second conductive paste contains silver and palladium, and the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 2, and the relationship of 0 ≦ W 1 −W 2 <20 is satisfied. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1.
前記第2の導体ペーストは、銀と白金の合計重量に占める白金の重量百分率が0.2%以上3%以下であることを特徴とする請求項3に記載の圧電素子の製造方法。 In the first conductive paste, the weight percentage of palladium in the total weight of silver and palladium is 10% or more and 30% or less,
4. The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 3, wherein the second conductive paste has a weight percentage of platinum in a total weight of silver and platinum of 0.2% to 3%.
こうして得られた積層体を焼成する際に、前記貫通孔の形成されていないグリーンシートを鉛直方向下側に配置して焼成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の圧電素子の製造方法。 When stacking the plurality of green sheets so that the through-holes are connected, a predetermined number of green sheets with the through-holes are stacked on the green sheet without the through-holes and bonded together And
When firing the laminated body obtained in this way, the green sheet in which the through-hole is not formed is disposed on the lower side in the vertical direction and fired. A method for manufacturing the piezoelectric element according to the above.
前記圧電体の一方の主面に、前記スルーホール電極と導通するように設けられた第1の表面電極と、
前記圧電体の他方の主面に、前記スルーホール電極と導通するように設けられた第2の表面電極およびこの第2の表面電極と絶縁されるように設けられた第3の表面電極とを有し、
前記第1,第2の表面電極において前記スルーホール電極と接合されている部分の突起高さが5μm以下であることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric body having a plate-like shape and having a through-hole electrode electrically conducting from one main surface to the other main surface;
A first surface electrode provided on one main surface of the piezoelectric body so as to be electrically connected to the through-hole electrode;
A second surface electrode provided to be electrically connected to the through-hole electrode and a third surface electrode provided to be insulated from the second surface electrode on the other main surface of the piezoelectric body; Have
The piezoelectric element according to claim 1, wherein a protrusion height of a portion of the first and second surface electrodes joined to the through-hole electrode is 5 μm or less.
前記第1,第2の表面電極は銀とパラジウムを含み、これらの合計重量に占めるパラジウムの重量百分率をW2とすると、0≦W1−W2<20の関係が満たされていることを特徴とする請求項7に記載の圧電素子。 The through-hole electrode contains silver and palladium, and the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 1 , and 10% ≦ W 1 ≦ 30%,
The first and second surface electrodes contain silver and palladium, and the relationship of 0 ≦ W 1 −W 2 <20 is satisfied when the weight percentage of palladium in the total weight of these is W 2. The piezoelectric element according to claim 7.
前記第1,第2の表面電極は銀と白金を含み、これらの合計重量に占める白金の重量百分率が0.2%以上3%以下であることを特徴とする請求項7に記載の圧電素子。 The through-hole electrode contains silver and palladium, and the weight percentage of palladium in the total weight of these is 10% or more and 30% or less,
8. The piezoelectric element according to claim 7, wherein the first and second surface electrodes contain silver and platinum, and a weight percentage of platinum in a total weight of these is 0.2% or more and 3% or less. .
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