JP2950052B2 - 圧電素子用導電性ペースト - Google Patents

圧電素子用導電性ペースト

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JP2950052B2
JP2950052B2 JP4277153A JP27715392A JP2950052B2 JP 2950052 B2 JP2950052 B2 JP 2950052B2 JP 4277153 A JP4277153 A JP 4277153A JP 27715392 A JP27715392 A JP 27715392A JP 2950052 B2 JP2950052 B2 JP 2950052B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧電素子の電極を形成す
るための圧電素子用導電性ペースト、特に変位量の大き
い圧電素子用導電性ペーストに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、各種の機械的駆動素子として、電
磁力を利用したアクチュエータに代わって、チタン酸ジ
ルコン酸鉛(PZT)磁器などのセラミックスの圧電効
果を利用した積層型圧電アクチュエータが多用されてい
る。この積層型圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能であり、しかも高精度な電圧−
変位特性を期待できるため、各種の機械的駆動素子とし
て極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変位は
本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るために
圧電素子と電極とを交互に多重に積層し絶縁保護層で被
覆された構造の圧電積層体として提供されている。
【0003】例えば、特開昭62−165381号公報
には、円板状に構成される複数の圧電素子を積層すると
共に、この複数の圧電素子の相互間にそれぞれ電極を介
在し、この電極によって上記複数の圧電素子を並列接続
するような積層型圧電アクチュエータが開示されてい
る。この積層型圧電アクチュエータは、上記電極への通
電により上記圧電素子が軸方向に伸びてアクチュエータ
として作動する。
【0004】従来、圧電素子の内部電極を形成するため
の導電性ペーストの導電性材料として、銀、銀−パラジ
ウム、白金、金などの貴金属粉末にガラスフリツト粉末
を加え、展着剤でペースト状にしたものが使われてい
る。ここでガラスフリット粉末は加熱時に焼結し貴金属
粉末を一体的に結合し、圧電素子の表面に強固に結合し
た電極を形成する。
【0005】この貴金属材料は圧電素子とのオーミック
コンタクト性が良好なので、圧電素子に優れた電気特性
を発揮させることができる。導電性材料として貴金属粉
末を使用する圧電素子用導電性ペーストとしては、例え
ば、特開昭49−38190号公報に開示されているも
のが知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の圧電素子用導電
性ペーストのガラス成分にはガラスフリット粉末が使用
されている。このため導電性材料との分散性が十分とは
いえなかった。その結果従来の圧電素子用導電性ペース
トを使用しても圧電素子本来の電気的特性を十分に生か
すことができないという問題がある。
【0007】また、貴金属有機化合物は焼き付け時の熱
処理で微細な貴金属単体となるが、その過程で貴金属粒
子が粒成長(0.05μm程度に)する。このため貴金
属粒子を微細粒子とするができず、貴金属粒子とガラス
フリットとの分散性が不十分となり、圧電素子用導電性
ペーストは圧電素子とのホーミックコンタクト性を高め
るという効果を十分いかしていないという問題がある。
【0008】また、産業界では従来の貴金属を導電性材
料として使用している圧電素子用導電性ペーストよりさ
らに高い変位量が得られる圧電素子用導電性ペースト
が、要望されている。本発明は、上記実情に鑑みてなさ
れたものであり、圧電素子本来の電気特性を十分に発揮
させることのできる圧電素子用電極が形成でき、しかも
高い変位量が得られる圧電素子用導電性ペーストを提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電素子用導電性ペーストは、導電性材料とガラス
成分と展着剤とよりなる圧電素子用導電性ペーストであ
って、前記導電性材料は加熱により分解反応して導電材
料となる貴金属有機化合物と、卑金属有機化合物とから
構成され、前記ガラス成分は加熱により分解反応してガ
ラスとなるガラス先駆有機物で構成されていることを特
徴とする。
【0010】
【作用】本発明の圧電素子用導電性ペーストは、スクリ
ーン印刷等により圧電素子上に塗布され成膜される。そ
の後、焼き付けのため熱処理される。この過程で展着剤
は揮散し、ガラス先駆有機物は分解し金属を生じるとと
もに大気中の酸素と反応しかつ互いに溶け合って極めて
微細なガラスとなる。そして生成した微細なガラスは互
いに焼結し導電性材料を構成する金属粒子と一体化す
る。ここで熱分解および反応により生じたガラスは極め
て微細であるため、金属粒子の界面および圧電素子の界
面に介在し、ガラス成分の量が少なくとも、金属粒子を
強固に結合するとともに圧電素子の表面に強固に接合す
る。
【0011】そして導電性材料の貴金属有機化合物、卑
金属有機化合物は焼き付け時の熱処理により金属単体と
なる。導電性材料に卑金属が存在しない場合は、生成し
た貴金属は粒成長して粒子径が約0.05μmとなる。
しかし、導電性材料に卑金属が存在すると、卑金属は貴
金属粒子の粒界に存在して、貴金属の粒成長を抑制する
働きをする。このため貴金属粒子の粒径は0.02μm
以下となる。なお、卑金属は、焼き付け時に表面に酸化
膜が形成されるため粒成長は殆ど起こらず粒径は0,0
05μm以下である。
【0012】また導電性材料の貴金属成分および卑金属
成分は、有機化合物の形態から生成するため、ガラス先
駆有機物は極めて均一な混合状態となり、その混合状態
は焼き付け過程においても保持される。この結果、導電
性材料と圧電素子とのオーミツクコンタクト性が高くな
り、貴金属有機化合物のみのものと比べて圧電素子の電
気的特性が向上し、圧電素子の変位量が著しく増大す
る。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
導電性材料としては、表1に示すように貴金属有機化合
物であるトリメチル金〔Au2 (CH3 6 〕および卑
金属有機化合物のトリフェニルアルミ〔(C65 3
Al〕を、ガラス成分としては、ガラスを構成する金属
成分である硼素(B)、珪素(Si)及び鉛(Pb)の
先駆有機物であるトリフェニルボラン〔(C6 5 3
B〕、テトラフェニルシラン〔(C6 5 4 Si〕、
テトラフェニルプランバン〔(C6 5 4 Pb〕を用
いた。
【0014】
【表1】 前記したトリメチル金、トリフェニルアルミを表2に示
すグラム(g)数とトリフェニルボラン2g,テトラフ
ェニルシラン1gおよびテトラフェニルプランバン2g
秤量して各々100gとし、それらにそれぞれエチルセ
ルロース1.7g、ターピネオール12gを配合し、ら
いかい機で十分に混練して合計113.7gの圧電素子
用導電性ペースト5種類を調製した。
【0015】なお、試料No.4は参考例として調製し
たもので、卑金属のトリフェニルアルミを10gと多量
に使用している。また、No.5は従来例の代表として
調製したもので、トリフェニルアルミを使用せず、金属
成分としては貴金属のみとしている。これらのペースト
をそれぞれ図1に示すPZT(PbZrO3 ・PbTi
3)系セラミックスよりなる円板状の圧電素子(φ1
5mm×t0.5mm)1の両面に300メッシュのス
クリーン印刷機で印刷した。この後乾燥(80℃10分
間)し、大気雰囲気下500〜800℃の温度で10〜
30分間熱処理して焼き付けた。この焼き付け工程でエ
チルセルロースとターピネオールは揮散して除去され、
トリメチル金は分解して超微細な金粉末となり、トリフ
ェニルボラン、テトラフェニルシラン、テトラフェニル
プランバンはそれぞれ分解して硼素、珪素及び鉛になる
とともに大気中の酸素と反応しかつ互いに反応して硼珪
酸鉛ガラスになる。
【0016】
【表2】 得られた5種類の電極2を焼き付けされた圧電素子1の
中のNo.2とNo.5の2種類の電極2と圧電素子1
との界面をTEM観察で観察した結果を図2および図3
の模式図に示す。図2に示す本発明の実施例の圧電素子
用導電性ペーストを使用したものは、金の粒子3が平均
粒径で約0.02μmと極めて小さい。しかもこの超微
細な金粒子3の境界にガラス4が介在し、金粒子3を一
体的に結合している。一方従来例の代表として調製した
No.5の卑金属有機化合物を配合しない圧電素子用導
電性ペーストを用いたものは、図3に示すように、金粒
子3’の粒径が約0.05μmと図2の金粒子3に比較
して極めて大きい。
【0017】また、EPMA分析の結果、アルミ粒子は
粒径が約0.005μmで金粒子の粒界に存在している
ことが確認された。以上のようにして電極2を形成した
5種類の圧電素子をシリコーンオイル中で電極2の両面
に直流1.5kVの電圧を印加して分極処理をおこなっ
た。次にこれら5種類の圧電素子をそれぞれ−200〜
+600Vのパルス電圧を印加してパルス駆動させ、各
圧電素子の変位量を測定した。これら測定された変位量
を表1に合わせて示す。
【0018】なお、No.4の圧電素子用導電性ペース
トを使用したものは電極剥離が生じ、変位量の測定がで
きなかった。表2より、No.1からNo3の本発明に
かかる圧電素子用導電性ペーストを使用した圧電素子の
変位量は1.10〜1.05μmと、卑金属有機化合物
を使用しない従来の圧電素子用導電性ペーストを使用し
た圧電素子の変位量1.02μmより高い変位量をも
つ。これは、電極2の金粒子3が卑金属粒子の存在によ
り粒成長が抑制されので、圧電素子1と電極2との接触
面積が高くなることを示している。なお、No.4の圧
電素子用導電性ペーストに見られるように、卑金属成分
が多くなりすぎると圧電素子1と電極2との接着性が低
下して剥離がおきる。したがって卑金属成分の配合量は
その変位量から推測して2重量%程度が最適と思われ
る。
【0019】導電性材料の金属とガラス先駆有機物の分
解生成物である金属全てを100重量%とした金属換算
で、好ましいガラス先駆有機物の配合割合は、0.5〜
9.5重量%程度となる。上記実施例では、卑金属有機
化合物として、有機アルミ化合物を用いたが、他に熱処
理により微細な粒子となり、貴金属の粒成長を抑制でき
るものであれば使用できる。したがって、アルミニウム
(Al)の有機化合物以外に、ニツケル(Ni)、コバ
ルト(Co)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、鉄(Fe)
等の卑金属の有機化合物でも同様の効果が得られる。な
お、導電性ペ−スト中の卑金属成分の量は0.1〜5重
量%の範囲が好ましい。
【0020】導電性材料の貴金属有機化合物として金の
先駆体であるトリメチル金を使用したが、他の金を含む
有機化合物であってもよい。また、従来から知られてい
るように、貴金属としては金以外に銀、銀−パラジウ
ム、白金、ロジウムなどが知られている。従って銀、銀
−パラジウム、白金、ロジウムなどの貴金属の有機化合
物が使用できる。たとえば、実施例に示した以外に貴金
属化合物としては、酢酸パラジウム、クロロ金、ジクロ
ロパラジウム〔PdCl(C8 12)〕、ビスパラジウ
ム〔Pd(η−C3 5 )〕等を挙げることができる。
【0021】加熱により分解し反応してガラスとなるガ
ラス先駆有機物は、生成するものが従来と同じガラス成
分となる有機物の組合せであればよい。たとえば、ほう
酸鉛ガラスとなるほう素(B)、珪素(Si)、鉛(P
b)の有機化合物の組合せが挙げられる。本発明の圧電
素子用導電性ペーストを構成する展着剤は、従来と同じ
ものを使用できる。ペースト全体を100重量%とした
とき、展着剤は10〜23%程度が好ましい。
【0022】また、圧電素子としては、PZT素子以外
に、PT素子、BLSF素子等にも適用可能である。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、導
電性材料を貴金属有機化合と卑金属有機化合物を、ガラ
ス成分をガラス先駆有機物を使用することで構成成分を
均一に分散させたものとすることができる。導電性材料
は、加熱処理時にそれぞれ金属単体粒子となるが、貴金
属の粒界には卑金属が分散されて存在しているので、貴
金属粒子の粒成長が抑制できる。その結果、微細な貴金
属の電極が形成できる。
【0024】また、ガラス成分は、加熱により分解し反
応してガラスとなるガラス先駆有機物を使用すること
で、加熱処理時に分解して反応して極めて微細なガラス
を生ずる。このため本発明の圧電素子用導電性ペースト
は少量のガラス成分で良いため導電性材料と圧電素子と
の接触面積が大きくオーミツクコンタクト性が優れ、圧
電素子の変位量が増大する。
【0025】また、本願の導電性材料を使用すること
で、微細な金属粒子とすることができるので、電極の厚
さをより薄くできる。例えは、本実施例の圧電素子用導
電性ペーストでは、従来5μm程度の電極厚さを必要と
していたものが、0.2μm程度と薄くできる。電極全
体の体積では1/25程度となり、圧電素子用導電性ペ
ーストの使用量がそれだけ少なくなり、コストダウンと
なる。
【0026】さらに変位量が増大するため同じ大きさの
変位を得るのに必要とする駆動電圧を低くできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧電素子の両面に圧電素子用電極を形成した状
態を示す断面図である。
【図2】本実施例に係る圧電素子用導電性ペーストを使
用して形成した電極と圧電素子との界面部分を拡大した
模式図である。
【図3】従来の圧電素子用導電性ペーストを使用して形
成した電極と圧電素子との界面部分を拡大した模式図で
ある。
【符号の説明】
1は圧電素子、2は電極、3は金粒子、4はガラスであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01B 1/16 C03C 4/14 H01L 41/04 H05K 1/09

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性材料とガラス成分と展着剤とより
    なる圧電素子用導電性ペーストであって、 前記導電性材料は加熱により分解反応して導電材料とな
    る貴金属有機化合物と、卑金属有機化合物とから構成さ
    れ、前記ガラス成分は加熱により分解反応してガラスと
    なるガラス先駆有機物で構成されていることを特徴とす
    る圧電素子用導電性ペースト。
JP4277153A 1992-10-15 1992-10-15 圧電素子用導電性ペースト Expired - Lifetime JP2950052B2 (ja)

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JP5370332B2 (ja) * 1995-09-19 2013-12-18 セイコーエプソン株式会社 圧電体素子およびインクジェット式記録ヘッド
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