JP3013568B2

JP3013568B2 - 圧電素子用導体ペースト材料及び圧電素子用電極

Info

Publication number: JP3013568B2
Application number: JP4008291A
Authority: JP
Inventors: 洋一寺井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-01-21
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH05198858A

Description

【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体ペースト材料、及び圧電素子用
電極に関する。

【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６３−１４２８７５号公報
には、導体ペースト材料がスクリーン印刷されたチタン
酸ジルコン酸鉛のグリーンシートを複数枚積層し、１１
５０〜１２５０℃で焼成した後、絶縁保護層で被覆し、
さらに分極処理することにより、圧電素子と内部電極と
が交互に積層されて一体化された積層型圧電アクチュエ
ータが開示されている。なお上記分極処理は、一般に室
温〜１５０℃の雰囲気中で内部電極を介して圧電素子に
所定の電圧を印加することにより行われる。この積層型
圧電アクチュエータは、上記内部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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記内部電
極を形成するための導体ペースト材料として、銀、銀−
パラジウム、白金、金などの貴金属材料を用いるのが主
流である。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ものの、コストが高いという欠
点がある。このため近年、上記導体ペースト材料とし
て、コストの低い卑金属材料が使われ始めている。

【０００５】しかし、卑金属材料は貴金属材料に比べて
圧電素子とのオーミックコンタクト性が低い。このた
め、卑金属材料で圧電素子用電極を形成した場合、圧電
素子の分極性が低下し、圧電素子本来の電気特性を十分
に発揮させることができないという問題点がある。本発
明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、低コスト
で、しかも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を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電素子用導体ペースト材料は、母材としての卑金
属粒子と、該卑金属粒子より粒径が小さくかつ比重が大
きい添加材としての貴金属粒子とを含むことを特徴とす
る。また本発明の圧電素子用電極は、圧電素子の表面に
形成される圧電素子用電極であって、母材としての卑金
属粒子と、該卑金属粒子より粒径が小さくかつ比重が大
きい添加材としての貴金属粒子とからなり、前記貴金属
粒子は、前記圧電素子との界面に集まって分散している
ことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明の圧電素子用導体ペースト材料は、母材
としての卑金属粒子と、該卑金属粒子より粒径が小さく
かつ比重が大きい添加材としての貴金属粒子とを含む。
このペースト材料を圧電素子の表面に塗布して、水平状
態で所定時間静置しておくと、粒径が小さくかつ比重が
大きい貴金属粒子が圧電素子との界面に沈降して集ま
る。この状態で焼成すれば、貴金属粒子が圧電素子との
界面に集まって分散した圧電素子用電極を形成すること
ができる。

【０００８】この貴金属粒子が圧電素子との界面に集ま
って分散した圧電素子用電極は、圧電素子とのオーミッ
クコンタクト性の良好な貴金属粒子が圧電素子と多く接
触するので、圧電素子の分極性が良好となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。（実施例１）表１に示す金属成分組成及び平均粒径をも
つ金属混合粒子１００ｇ、低融点ガラスフリット１０
ｇ、エチルセルロース２．０ｇ、及びテレピネオール２
０ｇを配合し、らいかい機で混練して導体ペースト材料
を調整した。なお、Ａｌの比重はｄ²⁰＝２．７、Ｐｄの
比重はｄ²⁰＝１２．０３である。

【００１０】

【表１】ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃・ＰｂＴｉＯ₃）系セラミックス
よりなる円板状の圧電素子（φ１７ｍｍ×ｔ０．５ｍ
ｍ）１を水平に維持した状態で、この圧電素子２の片面
全面に、上記導体ペースト材料をスクリーン印刷した。
この導体ペースト材料が印刷された圧電素子１を水平の
まま約３０分間静置した後、１２０℃で１０分間乾燥し
た。これにより、圧電素子１の片面に１０μｍの厚さの
導体ペースト膜２ａを形成した（図１参照）。

【００１１】上記圧電素子１の他方の片面全面に、上記
と同様に１０μｍの厚さの導体ペースト膜２ｂを形成し
た（図２参照）。両面に導体ペースト膜２ａ、２ｂが形
成された圧電素子１を空気中にて６００℃で２０分間焼
成して、圧電素子１の両面に圧電素子用電極２１、２２
を形成した。なお、焼成後の電極２１の圧電素子１との
界面部分を拡大して観察した結果を図３の模式図に示す
ように、母材としてのＡｌ粒子（卑金属粒子）３間に添
加材としてのＰｄ粒子（貴金属粒子）４が分散するとと
もに、圧電素子１との界面に大部分のＰｄ粒子４が集ま
って分散していた。（評価）シリコーンオイル中にて、圧電素子１の両電極
２１、２２にＤＣ１．５ｋＶの電圧を印加して分極処理
を行い、インピーダンスアナライザーでｄ₃₃を測定し
た。その結果を図４に示す。なお図４中、線図ＡはＰｄ
粒子の平均粒径を０．０５μｍ、及び０．１μｍとした
ときの結果を示し、線図ＢはＰｄ粒子の平均粒径を０．
３μｍとしたときの結果を示し、線図ＣはＰｄ粒子の平
均粒径を０．５μｍとしたときの結果を示し、線図Ｄは
Ｐｄ粒子の平均粒径を０．７μｍとしたときの結果を示
し、線図ＥはＰｄ粒子の平均粒径を１．０μｍ以上とし
たときの結果を示す。また、金属成分としてＰｄ１００
重量％（平均粒径０．１μｍ）としたときの結果を図４
に合わせて示す。

【００１２】図４からも明らかなように、母材としての
卑金属粒子（Ａｌ粒子）に、所定の平均粒径をもつ添加
材としての貴金属粒子（Ｐｄ粒子）を少量添加すること
により、貴金属粒子１００％のものと同レベルの電気特
性を得ることが可能である。これは、圧電素子とのオー
ミックコンタクト性の良好なＰｄ粒子が圧電素子と多く
接触しているためと考えられる。

【００１３】また、Ｐｄ粒子の平均粒径が大きくなるに
つれてｄ₃₃の向上率が低下し、Ｐｄの平均粒径が０．５
μｍより大きくなると（線図Ｄ又はＥ）、十分な電気特
性を得ることができなくなる。したがって、Ｐｄ粒子の
平均粒径は０．０５〜０．５０μｍ（線図Ａ、Ｂ又は
Ｃ）の範囲が好ましいことがわかる。またＰｄ粒子の平
均粒径が０．０５〜０．１μｍのとき（線図Ａ）、Ｐｄ
粒子を金属成分全体に対して２重量％以上添加すれば十
分な電気特性を得ることができ、Ｐｄ粒子の平均粒径が
０．５μｍのとき（線図Ｃ）でも、Ｐｄ粒子を金属成分
全体に対して１５重量％以上添加すれば十分な電気特性
を得ることができる。なお、Ｐｄ粒子を必要以上に添加
してもｄ₃₃の向上率は増加しない。このため、Ｐｄ粒子
の平均粒径に応じて、金属成分全体に対するＰｄ粒子の
最適添加量を決定することができる。

【００１４】なお、母材としての卑金属粒子（Ａｌ粒
子）の平均粒径を１μｍ以下として上記と同様に電極を
形成した結果、サブミクロンオーダーのＡｌ粒子は大気
中又は焼成中での酸化が著しく、電気抵抗値が平均粒径
１μｍ以上のものと比べて、１０倍以上に上昇した。ま
た、圧電素子との密着強度も著しく低下した。このた
め、母材としての卑金属粒子の平均粒径は１μｍ以上と
することが好ましい。このことは、卑金属粒子全般に言
えることである。（実施例２）卑金属粒子としてのＡｌ粒子の代わりにＮ
ｉ粒子（平均粒径３μｍ、比重ｄ²⁵＝８．８４５）を用
い、貴金属粒子として平均粒径が０．０５μｍ、０．１
０μｍのＰｄ粒子を用いて実施例１と同様の導体ペース
ト材料を準備した。そして、実施例１と同様に、圧電素
子の両面に圧電素子用電極を形成するとともに分極し、
ｄ₃₃を測定した。

【００１５】その結果、ｄ₃₃の向上率は最大で６％であ
った。この原因としては、貴金属粒子としてのＰｄ粒子
が卑金属粒子としてのＮｉに固溶してＰｄの効果が小さ
くなったため、オーミックコンタクト性が十分に向上し
なかったものと考えられる。このことは、電極と圧電素
子との界面を焼成前後で観察した結果を比較すると、焼
成前では界面に分散していたＰｄ粒子が焼成後ではＮｉ
粒子中に部分的に拡散していたことからも明らかであ
る。

【００１６】これにより、卑金属粒子と貴金属粒子との
組合せ及び組成は、貴金属粒子が卑金属粒子に固溶しな
いような組合せ及び組成とすることが好ましいことがわ
かる。なお、上記実施例では、貴金属粒子としてＰｄ粒
子を用いたが、貴金属粒子の種類としては、卑金属粒子
よりも比重の大きいものであればよい。具体的にはＰｄ
の他にＰｔ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができ、これら
の一種以上とすることもできる。また卑金属粒子の種類
としては、貴金属粒子よりも比重の小さいものであれば
よい。具体的には、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉ
ｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどの粒子から選ばれる一種以上とする
ことができる。ただし、卑金属粒子と貴金属粒子との組
合せ及び組成は、上述したように互いに固溶しないよう
な組合せ及び組成とすることが好ましい。（比較例）上記実施例１のＡｌ粒子の代わりにＡｇ粒子
（平均粒径３μｍ）を用い、貴金属粒子として平均粒径
が０．０５μｍ、０．１０μｍのＰｄ粒子を用いて実施
例１と同様の導体ペースト材料を準備した。そして、実
施例１と同様に、圧電素子の両面に圧電素子用電極を形
成するとともに分極し、ｄ₃₃を測定した。

【００１７】その結果、Ａｇ粒子にＰｄ粒子を添加して
も、Ａｇ粒子単独の場合よりもｄ₃₃が向上することはな
かった。これはＰｄがＡｇに固溶するためであり、これ
によりＡｇ粒子にＰｄ粒子を添加してもオーミックコン
タクト性の向上は無かったことがわかる。

【００１８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、母
材としての卑金属粒子に添加材として所定の貴金属粒子
を加えることにより、貴金属のみからなる従来の圧電素
子用電極と同等の電気特性を確保することができ、卑金
属粒子を用いる分だけコスト低減を図ることができる。

【００１９】また、卑金属のみからなる従来の圧電素子
用電極と比べて、圧電素子の駆動電圧を小さくすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電素子の片面に導体ペースト材料を塗布した
状態を示す断面図である。

【図２】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３】本実施例に係る圧電素子用電極の圧電素子との
界面部分を拡大した模式図である。

【図４】Ｐｄ粒子添加量とｄ₃₃向上率との関係を示す線
図である。

【符号の説明】１は圧電素子、２ａは導体ペースト膜、２１、２２は圧
電素子用電極、３はＡｌ粒子、４はＰｄ粒子である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】母材としての卑金属粒子と、該卑金属粒
子より粒径が小さくかつ比重が大きい添加材としての貴
金属粒子とを含むことを特徴とする圧電素子用導体ペー
スト材料。
【請求項２】圧電素子の表面に形成される圧電素子用
電極であって、母材としての卑金属粒子と、該卑金属粒
子より粒径が小さくかつ比重が大きい添加材としての貴
金属粒子とからなり、前記貴金属粒子は、前記圧電素子との界面に集まって分
散していることを特徴とする圧電素子用電極。