JP3870812B2 - Manufacturing method of multilayer piezoelectric element - Google Patents
Manufacturing method of multilayer piezoelectric element Download PDFInfo
- Publication number
- JP3870812B2 JP3870812B2 JP2002088842A JP2002088842A JP3870812B2 JP 3870812 B2 JP3870812 B2 JP 3870812B2 JP 2002088842 A JP2002088842 A JP 2002088842A JP 2002088842 A JP2002088842 A JP 2002088842A JP 3870812 B2 JP3870812 B2 JP 3870812B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- green
- sheet
- unfired
- green sheet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【0001】
【技術分野】
本発明は,圧電層と内部電極層とを交互に積層して構成した駆動層の両端に第1と第2の保護層を備えた積層型圧電体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
圧電層と内部電極層とを交互に積層した駆動層と,該駆動層における積層方向の両端に設けた第1と第2の保護層とよりなる圧電体素子が知られている。
近年,自動車エンジンにおける燃料噴射装置の駆動源として上記圧電体素子を使用することがある。この用途に用いる圧電体素子は低電圧で高い出力が得られ,かつ信頼性,耐久性に優れていることが必要である。
このような用途に供する圧電体素子は,圧電層の厚みを薄く,圧電層の積層枚数を非常に多くして(数百層),高い出力を発揮できるよう構成することが多い。
【0003】
【解決しようとする課題】
ところで,上記駆動層の両端に第1,第2の保護層を設けた積層型圧電体素子は,焼成を終えた駆動層に別途作成した保護層を後工程によって接着して作製することが多い(後述する比較例参照)。
【0004】
しかしながら,この方法により設けた保護層にはいくつか問題点がある。
(1)後工程を行う分手間がかかり,生産効率やコストの点で不利である。
(2)圧電体素子の出力が保護層との接着部分で減少するおそれがある。
(3)自動車内燃機関の燃料噴射用という過酷な使用環境では,保護層を接着するだけでは剪断力を十分に緩和できない。
【0005】
また,他の保護層の形成方法として,特開平8−8471にプレス成形体として保護層を作成し,これを焼成前の駆動層に圧着し両者を共に一体焼成する方法が提示されている。しかし,積層枚数が非常に多く数百層に達する圧電体素子では焼成時の駆動層と保護層との間の収縮率の差から変形が発生し,デラミネーション(層間剥離)が生じるおそれがある。
【0006】
また,特開平9−270540に示す圧電体素子は保護層も駆動層と同じ構成である。すなわち,駆動層と同様に保護層も圧電層と内部電極層とが交互に積層された状態にあるが,駆動層と異なり保護層は外部から電源を供給するための側面電極などを持っていない。よって,保護層の圧電層は伸縮しない。
【0007】
この構成の積層型圧電体素子での問題は,駆動層を構成する圧電層が非常に薄い場合は強度高い保護層が得られない点,また保護層の内部電極層に用いた電極材料が無駄になり,特に電極材料として使用する銀・パラジウムが高価で経済的でない点である。
【0008】
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので,クラックやデラミネーションなどの欠陥が少なく,耐久性に優れ,生産効率に優れ,コスト安である積層型圧電体素子の製造方法を提供しようとするものである。
【0009】
【課題の解決手段】
本発明は,圧電層と内部電極層とを交互に積層した駆動層と該駆動層の積層方向の両端面にそれぞれ第1と第2の保護層を備えた積層型圧電体素子を,
第1の未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第1の保護層用の第1の未焼部と,該第1の未焼部に対し内部電極層用印刷部を設けた圧電層用未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第3の未焼部と,該第3の未焼部に対し第2の未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第2の保護層用の第2の未焼部とよりなる未焼積層体を焼成することにより製造する方法であって,
上記未焼積層体を得るにあたり,
少なくとも積層型圧電体素子を1個作製することが可能な分量の第1及び第2の未焼シート,圧電層用未焼シートを採取可能な大きさを有する大型未焼シートを準備し,
上記大型未焼シートにおいて圧電層用未焼シートとなる部分に内部電極層用印刷部を印刷形成し,上記大型未焼シートにおいて第1及び第2の未焼シート,圧電層用未焼シートとなる部分に接着層を印刷形成し,
次いで,上記大型未焼シートより第1の未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を積層圧着して第1の未焼部となし,続いて圧電層用未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を第1の未焼部に積層圧着して第3の未焼部を形成し,更に続いて第2の未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を第3の未焼部に積層圧着して第2の未焼部とすることを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法にある(請求項1)。
なお,本明細書においては,以下,適宜,「第1の・・・」は「第1・・・」と記載して「の」を省略する場合があるが,意味は同じである。これは,「第1」に限らず「第2」及び「第3」を用いる場合においても同様である。また,「第1と第2の・・・」,「第1及び第2の・・・」,及び「第1及び第2・・・」という表現は,いずれも「第1の・・・及び第2の・・・」を示すものである。
【0010】
本発明の作用効果につき説明する。
本発明にかかる製造方法では,焼成して第1と第2の保護層,駆動層となる第1と第2の未焼シート,圧電層用未焼シートを1枚の大型未焼シートより採取する。同じシートから採取するため,材質や性状に違いが少なく,焼成時に保護層にかかる部分と駆動層にかかる部分との間で焼成収縮差が生じ難く,これに起因するクラックやデラミネーションなどを防止することができ,強度低下も生じ難い。
【0011】
また,接着層を利用して各第1と第2の未焼シート,圧電層用未焼シートを接着するため,第1,第2の未焼シート,圧電層用未焼シートの圧着時に加える圧力を下げることができる。接着の圧力が大きくなることで,未焼シート内に欠陥などが発生し,焼成後のマイクロクラックの原因となる。低圧力で接着可能となる本発明の製造方法によれば上記問題を防ぐことができる。
よって,上記問題に起因するクラックやデラミネーションなどを防止することができ,積層型圧電体素子の強度低下も生じ難い。
【0012】
また,本発明にかかる製造方法では,第1,第2の未焼シートや圧電層用未焼シートを大型未焼シートから打ち抜くと同時に積層して未焼積層体を構成する。
よって,大型未焼シートから採取する工程と積層する工程とを別々に行う必要がない。従って,未焼積層体の製作効率が高まり,生産速度も向上する。よって,製作コストも安価となる。
さらに,保護層は圧電層と同じ材料で構成され,内部電極層のような高価な材料を含まないため,原料コストが安価となる。
【0013】
以上,本発明によれば,クラックやデラミネーションなどの欠陥が少なく,耐久性に優れ,生産効率に優れ,コスト安である積層型圧電体素子の製造方法を得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
上記第1の発明(請求項1)において圧電層及び第1及び第2の保護層は,通常圧電体素子で用いる誘電材料にて構成することができる。多く利用されるのはPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)であるが,他の材料を用いることもできる。
また,内部電極層はPt,Agなどの各種電極材料を使用することができる。
【0015】
また,上記接着層は,圧電層や第1,第2の保護層と同じまたは似た材料より構成したペーストより構成することが好ましい。
接着層の性状が圧電層,第1,第2の保護層と異なる場合は焼成収縮などにより,クラックやデラミネーションが生じるおそれがある。
【0016】
また,上記接着層の厚みは乾燥厚みで3〜17μmとすることが好ましい。
乾燥厚みとは,印刷形成した直後ではなく,乾燥収縮を終えた後の厚みである。
この厚みが3μm未満である場合は,大型未焼シート等に接着層の液状の成分(バインダーなど)が浸透し,接着する前に乾燥しきって接着力が失われるおそれがある。また,3μm未満の接着層は印刷形成することが困難である。
さらに,17μmより厚い場合は,印刷形成が難しく,積層後に側面からはみ出すおそれがある。なお,接着層は7μmとすることがより好ましい。
【0017】
また,上記大型未焼シートの長手方向は積層型圧電体素子を少なくとも1個作製するに必要な枚数の第1,第2未焼シート,圧電層用未焼シートを採取できるだけの長さを備えることが好ましい。
生産効率の点から,長尺の大型未焼シートを準備して,連続的に多数の未焼積層体を作製することが好ましい(実施例参照)。
【0018】
【実施例】
以下に,図面を用いて本発明の実施例について説明する。
(実施例)
本例は,図1に示すごとく,圧電層132と内部電極層131とを交互に積層した駆動層13と該駆動層13の積層方向の両端面にそれぞれ第1と第2の保護層11,12を備えた積層型圧電体素子1を製造する方法について説明する。
【0019】
この方法は,図2に示すごとく,第1未焼シート310を所定の枚数接着層35を介して積層した第1保護層11用の第1未焼部21と,該第1未焼部21に対し内部電極層用印刷部331を設けた圧電層用未焼シート332を所定の枚数接着層35を介して積層した第3未焼部23と,該第3未焼部23に対し第2未焼シート320を所定の枚数接着層35を介して積層した第2保護層12用の第2未焼部22とよりなる未焼積層体2を焼成することにより,積層型圧電体素子1を製造する方法である。
【0020】
上記未焼積層体2を得る方法を簡単に説明する。
図2〜図8に示すごとく,少なくとも積層型圧電体素子1を1個作製することが可能な分量の第1及び第2未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332を採取可能な大きさを有する大型未焼シート30を準備する。
上記大型未焼シート30において圧電層用未焼シート332となる部分に内部電極層用印刷部331を印刷形成し,上記大型未焼シート30において第1及び第2未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332となる部分に接着層35を印刷形成する。
【0021】
そして,上記大型未焼シート30より第1の未焼シート310を打ち抜くと同時に積層圧着して第1未焼部21となし,続いて圧電層用未焼シート332を打ち抜くと同時に積層圧着して第1の未焼部21に積層して第3未焼部23を形成し,更に第2の未焼シート320を打ち抜くと同時に積層圧着して第3の未焼部23に積層して第2の未焼部22となす。
これにより,図2にかかる,第1未焼部21,第3未焼部23,第2未焼部22からなる未焼積層体2を得る。
【0022】
以下,詳細に説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は,図1に示すごとく,第1の保護層11と第2の保護層12との間に駆動層13を有する構成で,駆動層13は圧電層132と内部電極層131とが交互に積層した構成,また第1及び第2の保護層11,12は,圧電層132と同じ組成のセラミック層110,120が積層した構成である。
【0023】
駆動層13における内部電極層131は圧電層132表面の一部を覆う部分電極であり,積層型圧電体素子1の側面101と102に対し,内部電極層131の端面135が圧電層132の一層おきに露出する。
積層型圧電体素子1の側面101,102には側面電極14が設けてあり,各側面101,102に露出した内部電極層131の端面135は側面電極14により電気的な導通が確保される。
側面電極14は導電性ペースト140によりリード端子141と接続し,リード端子141は図示を略した外部電源と接続する。
【0024】
上記駆動層13の圧電層132,第1及び第2保護層11,12はPZT,内部電極層131はPt・Agよりなる。また,以下に記述するように未焼積層体の状態では,圧電層132や第1,第2の保護層11,12を構成するセラミック層110,120の間はすべて接着層35で接着されているが,この接着層35は圧電層132やセラミック層110,120と同組成であるため,焼成後は圧電層132やセラミック層110,120と略一体化する。よって,図1の記載では省略した。
【0025】
また,本例の駆動層13や第1,第2の保護層11,12の積層枚数は,駆動層13は圧電層132が100μm(焼成前)で100枚積層,第1,第2の保護層11,12はセラミック層110,120が100μm(焼成前)で各5枚づつ積層した。図面は見やすさを優先して積層枚数を少なく記載した。
【0026】
次に,本例の製造方法の詳細について説明する。
図3(a)に示すごとく,大型未焼シート30を準備する。
PZTよりなる平均粒径0.5μmのセラミック材料を1000g準備する。
これにPVB(ポリビニルブチラール)よりなるバインダーを40gと適量の溶剤を添加してスラリーを得る。上記スラリーをドクターブレード法で成形して,厚さ100μmの大型未焼シート30を得る。
この大型未焼シート30の幅は圧電層132等が数枚採取できる程度の長さ,長尺方向は本例の未焼成形体2の数個〜数十個分に相当する圧電層132等が採取できる程度の長さとする。
【0027】
次に,大型未焼シート30に,図3(b)や図4に示すごとく,厚さ6μmの内部電極層用印刷部331を設ける。
上記内部電極層用印刷部331は,PdとAgとよりなる平均粒径0.5μmの電極材料を1000g準備し,これにPVB(ポリビニルブチラール)よりなるバインダーを40gと適量の溶剤を添加して内部電極層用スラリーとし,スクリーン印刷を利用して形成する。
【0028】
スクリーン印刷について説明する。
図5に示すごとく,二つのローラー41,43の間にガイド42を配置した搬送装置49上にキャリアフィルム45を配置する。上記キャリアフィルム45上に内部電極層用のスラリーを盛った印刷マスク4を配置する。この印刷マスク4は枠体40と該枠体40内に張ったスクリーン41よりなり,スクリーン41は内部電極層用印刷部331の形状にスラリーを落とすための印刷孔402を持つ。
そして,上記印刷マスク4上からキャリアフィルム45上に配した大型未焼シート30にスラリーを落として所定の形状の内部電極層用印刷部331を多数形成する。
【0029】
またスクリーン印刷の代わりに次の方法で印刷部を形成することもできる。
図6に示すごとく,二つのローラー41,43の間にガイド42を配置した搬送装置49上にキャリアフィルム45を配置する。上記キャリアフィルム45上に内部電極層用のスラリーを噴出可能としたジェットノズル46を設置して,ジェットノズル46から内部電極層用のスラリーをキャリアフィルム45に配した大型未焼シート30に射出し,所定の形状の内部電極層用印刷部331を多数形成する。
【0030】
ところで大型未焼シート30の使い方を図4を用いて説明する。まず大型未焼シート30は次のような領域を有する。
すなわち,第1保護層用領域301は第1保護層11となるセラミック層110用の第1未焼シート310の採取場所,第2保護層用領域302は第2保護層12となるセラミック層120用の第2未焼シート320の採取場所となる。
また駆動層用領域303は駆動層13となる圧電層用未焼シート332を採取する部分で,内部電極層131は駆動層13にしか存在しないため,内部電極層用印刷部331は駆動層用領域303にのみ設ける。
【0031】
このように大型未焼シート30は,第1保護層用採取領域301,駆動層用採取領域303,第2保護層用採取領域302に区分できる。これら三つの領域をあわせた領域300が積層型圧電体素子1の1個分に相当する第1,第2未焼シート310,320及び圧電層用未焼シート332を得る場所となる。
【0032】
本例の製造方法では,図4にA列として示したように,1個の積層型圧電体素子1にかかる領域300が大型未焼シート30の長手方向に沿って一列に多数確保される。
そして,大型未焼シート30の幅方向に位置を揃えて,上記領域300が配列して確保される。
【0033】
なお,各領域は説明上記載したもので,実際の未焼積層体2作製の際は,点線で囲った第1未焼シート310,圧電層用未焼シート332,第2未焼シート320にかかる部分のみが打ち抜かれる。
【0034】
次いで,内部電極層用印刷部331を設けた大型未焼シート30に対し,図3(c)に示すごとく,厚さ11μmの接着層35を設ける。
接着層用のスラリーは,PZT(大型未焼シートで用いたものと同じ材料)よりなる平均粒径0.6μmのセラミック材料を100g準備し,これにPVBよりなるバインダーを12g添加して作製する。
【0035】
この接着層用スラリーを前述した図5や図6に示す方法と同様にして大型未焼シート30に印刷し,接着層35となす。この接着層35は第1未焼シート310,圧電層用未焼シート332,第2未焼シート320と同じ大きさ,形状である。または,複数の内部電極層用印刷部の全体を被覆するように接着層35を設けることもできる。
【0036】
次いで,大型未焼シート30より第1,第2未焼シート310,320や圧電層用未焼シート332を打ち抜き,該打ち抜きと同時に積層して未焼積層体2を得る。図3(d)に打ち抜かれた状態での第1,第2の未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332を示す。本例の製法では打ち抜きと同時に積層してしまうため,図3(d)のように各未焼シートが単独の状態となることはないが,説明のために図示した。
【0037】
上記打ち抜きと積層は図7及び図8に示すごとき,打ち抜き積層装置6を用いて行った。
この装置6は,大型未焼シート30の打ち抜きを行うパンチ61と,該パンチ61により打ち抜かれた第1,第2未焼シート310,320や圧電層用未焼シート332を積層すると共に積層途中の未焼積層体2を支持するホルダ64とよりなり,大型未焼シート30の下側に配置する下型62,上側に配置するダイ型63とを備える。
【0038】
パンチ61は大型未焼シート30の幅方向に対して同時に複数の第1未焼シート310等を打ち抜くために,支承部610により連結した複数のパンチ部619を備えた構成を有する。
また,ホルダ64も,支承部640によって連結した複数のホルダ部641を備える。ホルダ部641は,図8に示すごとく,未焼積層体2を支持する凹状部642と該凹状部642に連通する空気穴643を備える。
【0039】
図示を略したポンプがホルダ部641の空気穴643を通じて凹状部642の内部を吸引し,この吸引力が未焼積層体2をホルダ部641に固定する。
また,図2や図8に示すように,未焼積層体2の最上面209と凹状部642の天井面644との間には未焼積層体2をホルダ部641から容易に取り外すことができるようにダミーシート29を設ける。
未焼積層体2の最上面209は図2に示すごとく接着層35となるため,ダミーシート29を設けないとホルダ部641に未焼積層体2が強く接着してしまい,はずれなくなる可能性がある。
【0040】
上記下型62は,パンチ部619の先端が通過するガイド穴620を備える。また,上記ダイ型63もガイド穴630を備える。大型未焼シート30が上記下型62とダイ型63との間にはさまれた状態で,パンチ部619により第1,第2未焼シート310,320や圧電層用未焼シート332が打ち抜かれる。
【0041】
上記装置6を用いた打ち抜き積層を説明する。
すなわち,大型未焼シート30を打ち抜き積層装置6の下型62とダイ型63との間に導入する。
この状態でパンチ部619を図面下方向から上方向へ移動し,大型未焼シート30より第1,第2未焼シート310,320や圧電層用未焼シート332を打ち抜く。
【0042】
図7に示すごとく,内側電極層印刷部331,接着層35を所定の場所に設けた大型未焼シート30をローラー450において,キャリアフィルム45と剥離しつつ,打ち抜き積層装置6の下型62,ダイ型63との間に送り出した。
そして,凹状部642内を図示を略したポンプで吸引しながら,ここにダミーシート29をセットする。なお,ダミーシート29の装着はコレット方式で行うこともできる。吸着させるにしろコレット方式にしろ,いずれの方式も量産時に適する。
そして,大型未焼シート30における第1保護層用採取領域301にかかる部分より順次打ち抜き積層を行う
【0043】
打ち抜かれた第1未焼シート310はガイド穴630を通過して,ホルダ64のダミーシート29に対し圧接し,続く他の第1未焼シート310,圧電層用未焼シート332,最後に第2の未焼シート320がそれぞれ所定の枚数圧着積層する。このようにしてホルダ64に未焼積層体2が形成される。
なお,この積層圧着の際の圧力はおよそ0.02〜0.1MPaとなる。
【0044】
打ち抜きを終えて残った大型未焼シート30の残骸は,巻き取り機48によって回収する。
また,図6において,斜線を付した部分はこれから打ち抜こうとする第1,第2未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332である。打ち抜き装置6より図面右側の白抜きの箇所は打ち抜きを終えた跡である。
【0045】
積層を終えた未焼積層体2はホルダ部641の凹状部642の吸引を行っているポンプを停止して,開放することで取り外すことができる。
未焼積層体2を外した後は一端大型未焼シート30を停止させ,ホルダ部641に再びダミーシート29をセットする。そして再び大型未焼シート30を送出して,次の第1保護層用採取領域301にかかる部分より再び順次打ち抜き積層を行って,次の未焼積層体2を連続的に製造する。
【0046】
そして,得られた未焼積層体2をバインダーを除去するための加熱を行い,続いて温度1000℃で2時間保持して焼成した。なお,ダミーシート29は焼成時に焼失する素材より構成するため,後に残らない。
そして,側面電極14,リード部141等を取り付けて,本例にかかる積層型圧電体素子1を得た。
【0047】
上記方法にして得た積層型圧電体素子1の各部を観察したが,デラミネーションもクラックも生じていなかった。
また,上記と同じ製造方法で,駆動層13の圧電層132を250枚積層,第1,第2の保護層11,12はセラミック層110,120を各10枚づつ積層して積層型圧電体素子1を作製した。
このもの素子についてもデラミネーションもクラックも生じていなかった。
【0048】
本例にかかる作用効果について説明する。
本例の製造方法では,焼成して第1と第2の保護層11,12,駆動層13となる第1と第2の未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332を1枚の大型未焼シート30より採取する。同じシートから採取するため,材質や性状に違いが少なく,焼成時に保護層11,12にかかる部分と駆動層13にかかる部分との間で焼成収縮差が生じ難く,これに起因するクラックやデラミネーションなどを防止することができ,強度低下も生じ難い。
【0049】
また,接着層35を利用して各第1と第2の未焼シート310,320,圧電層用未焼シート332を接着するため,これらの未焼シートの積層圧着時に加える圧力を下げることができる。
接着の圧力が大きい場合は,未焼シート内に欠陥などが発生し,焼成後のマイクロクラックの原因となる。低圧力で接着可能となる本例を利用することで,上記問題を防ぐことができる。
【0050】
また,本例にかかる製造方法では,第1,第2の未焼シート310,320や圧電層用未焼シート332を大型未焼シート30から打ち抜くと同時に積層して未焼積層体2を構成する。よって,大型未焼シートから採取する工程と積層する工程とを別々に行う必要がなくて,製作効率が高まり,生産速度も向上する。よって,製作コストも安価となる。
さらに,第1,第2保護層11,12は圧電層132とが同じ材料で構成され,内部電極層131のような高価な材料を第1,第2保護層11,12が含まないため,原料コストが安価となる。
【0051】
以上,本例によれば,クラックやデラミネーションなどの欠陥が少なく,耐久性に優れ,生産効率に優れ,コスト安である積層型圧電体素子の製造方法を得ることができる。
なお,本例では大型未焼シート30を下から上へと打ち抜いたが,反対に上から下へと打ち抜いて,積層を行うこともできる。
【0052】
(比較例)
図9に示すごとき,積層型圧電体素子9を次のように作製した。
駆動部13を本例と同様に作製するが,第1と第2の保護層91,92は,圧電層132を作製する際に用いたPZTからスラリーを作製し,これを射出成形して所定の大きさ,形状の未焼体とした。焼成前の未焼シートを積層して構成した状態の駆動部に上記未焼体を(1)接着層(実施例と同じものを利用する)で接合して未焼積層体を得る。
または,加圧治具に駆動部と上記未焼体を組み込み(2)80℃で30分加圧後,圧力を30MPaにして1分間加圧して加圧接合して未焼積層体を得る。
【0053】
上記(1),(2)により得た未焼積層体を実施例と同じ条件で焼成したところ,(1)は保護層と駆動層との間にクラックが生じ剥離するという問題が起きてしまった。
(2)は,高い加圧力にて加熱加圧接合するため密度にバラツキが生じる。そのために焼成時の収縮が均一でないとクラックが生じ,剥離するという問題が起きてしまった。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例における,積層型圧電体素子の断面説明図。
【図2】実施例における,未焼積層体の断面説明図。
【図3】実施例における,大型未焼シートに内部電極層用印刷部,接着層を形成するプロセスの説明図。
【図4】実施例における,大型未焼シートに内部電極層用印刷部を形成した状態の平面説明図。
【図5】実施例における,スクリーン印刷による内部電極層用印刷部形成の説明図。
【図6】実施例における,ノズルからの噴射による内部電極層用印刷部形成の説明図。
【図7】実施例における,打ち抜き積層の説明図。
【図8】実施例における,打ち抜き積層の要部説明図。
【図9】比較例における,積層型圧電体素子の断面説明図。
【符号の説明】
1...積層型圧電体素子,
11...第1保護層,
12...第2保護層,
13...駆動層,
131...内部電極層,
132...圧電層,
2...未焼積層体,
21...第1未焼部,
22...第2未焼部,
23...第3未焼部,
30...大型未焼シート,
310...第1未焼シート,
320...第2未焼シート,
331...内部電極層用未焼部,
332...圧電層用未焼シート,
35...接着層,[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a method for manufacturing a laminated piezoelectric element having first and second protective layers on both ends of a drive layer configured by alternately laminating piezoelectric layers and internal electrode layers.
[0002]
[Prior art]
There is known a piezoelectric element including a driving layer in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and first and second protective layers provided at both ends of the driving layer in the stacking direction.
In recent years, the piezoelectric element is sometimes used as a drive source for a fuel injection device in an automobile engine. The piezoelectric element used for this purpose is required to have a high output at a low voltage and to be excellent in reliability and durability.
Piezoelectric elements used for such applications are often configured to exhibit high output by reducing the thickness of the piezoelectric layer and increasing the number of stacked piezoelectric layers (several hundred layers).
[0003]
[Problems to be solved]
By the way, a laminated piezoelectric element in which the first and second protective layers are provided on both ends of the drive layer is often produced by bonding a separately prepared protective layer to the drive layer after firing in a subsequent process. (Refer to a comparative example described later).
[0004]
However, the protective layer provided by this method has some problems.
(1) It takes time and labor to perform the post-process, which is disadvantageous in terms of production efficiency and cost.
(2) There is a possibility that the output of the piezoelectric element may be reduced at the adhesion portion with the protective layer.
(3) In a harsh environment such as for fuel injection of an automobile internal combustion engine, the shearing force cannot be sufficiently relaxed only by adhering the protective layer.
[0005]
As another method for forming a protective layer, JP-A-8-8471 proposes a method in which a protective layer is produced as a press-molded product, which is pressure-bonded to a driving layer before firing, and both are integrally fired. However, piezoelectric elements that have a very large number of layers and reach hundreds of layers may be deformed due to the difference in shrinkage between the drive layer and the protective layer during firing, resulting in delamination. .
[0006]
Further, in the piezoelectric element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-270540, the protective layer has the same configuration as the driving layer. That is, like the drive layer, the protective layer is in a state where the piezoelectric layer and the internal electrode layer are alternately laminated, but unlike the drive layer, the protective layer does not have a side electrode for supplying power from the outside. . Therefore, the piezoelectric layer of the protective layer does not expand and contract.
[0007]
The problems with the multilayer piezoelectric element with this configuration are that a protective layer with high strength cannot be obtained when the piezoelectric layer constituting the driving layer is very thin, and the electrode material used for the internal electrode layer of the protective layer is wasted. In particular, silver / palladium used as an electrode material is expensive and not economical.
[0008]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element having few defects such as cracks and delamination, excellent durability, excellent production efficiency, and low cost. It is something to be offered.
[0009]
[Means for solving problems]
According to the present invention, there is provided a multi-layer piezoelectric element including a driving layer in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and first and second protective layers on both end surfaces in the stacking direction of the driving layer.
A first first green portion of the protective layer of the first unsintered sheet are layered with a prescribed number of adhesive layers, provided the printing portion internal electrode layer with respect to green portion of the first stacked through a third green part the green sheet for a piezoelectric layer laminated through a predetermined number adhesive layer, the predetermined number adhesive layer and a second green sheet to green part of the third a method of manufacturing by firing become more green laminate and the second of the second green portion of the protective layer, and
In obtaining the unfired laminate,
Prepare at least stacked aliquot capable piezoelectric element to one producing the first and second green sheet, a large green sheet having a size capable of collecting green sheet for a piezoelectric layer,
The printing portion internal electrode layer formed by printing on the portion to be a green sheet for a piezoelectric layer in the large green sheet, the first and second green sheet in the large green sheet, the green sheet for a piezoelectric layer An adhesive layer is printed on
Next, the first unfired sheet is punched from the large unfired sheet, and at the same time, a predetermined number of sheets are stacked and pressure-bonded to form the first unfired portion, and then the piezoelectric layer unfired sheet is punched at the same time as the predetermined number of sheets. the laminated crimped to the first green part to form a third green part, further followed by the second green sheet punched out at the same time a predetermined number of sheets stacked crimped to the third green part The present invention is a method for manufacturing a laminated piezoelectric element, characterized in that the second unfired part is formed.
In the present specification, hereinafter, “first...” Is sometimes referred to as “first...” And “no” may be omitted, but the meaning is the same. This applies not only to “first” but also to “second” and “third”. In addition, the expressions “first and second...”, “First and second...”, And “first and second. And second ... ".
[0010]
The function and effect of the present invention will be described.
In the manufacturing method according to the present invention, the first and second protective layers, the first and second unfired sheets serving as the driving layers, and the unfired piezoelectric layer sheet are collected from one large unfired sheet by firing. To do. Since it is collected from the same sheet, there is little difference in material and properties, and it is difficult for firing shrinkage difference between the part applied to the protective layer and the part applied to the drive layer during firing, preventing cracks and delamination caused by this. It is possible to reduce the strength.
[0011]
In addition, since the first and second green sheets and the piezoelectric layer green sheet are bonded using the adhesive layer, the first and second green sheets and the piezoelectric layer green sheet are applied during pressure bonding. The pressure can be lowered. Increased bonding pressure causes defects in the unfired sheet and causes microcracks after firing. According to the manufacturing method of the present invention that enables bonding at a low pressure, the above-mentioned problems can be prevented.
Therefore, cracks and delamination due to the above problems can be prevented, and the strength of the multilayer piezoelectric element is hardly reduced.
[0012]
In the manufacturing method according to the present invention, the first and second unfired sheets and the unfired piezoelectric layer sheet are punched from the large unfired sheet and are laminated at the same time to form an unfired laminate.
Therefore, there is no need to perform the process of collecting from the large green sheet and the process of laminating separately. Therefore, the production efficiency of the unfired laminate is increased and the production speed is also improved. Therefore, the manufacturing cost is also low.
Furthermore, since the protective layer is made of the same material as the piezoelectric layer and does not include an expensive material such as the internal electrode layer, the raw material cost is low.
[0013]
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element that has few defects such as cracks and delamination, is excellent in durability, is excellent in production efficiency, and is low in cost.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the first aspect of the invention (invention 1), the piezoelectric layer and the first and second protective layers can be made of a dielectric material which is usually used in a piezoelectric element. PZT (lead zirconate titanate) is often used, but other materials can be used.
In addition, various electrode materials such as Pt and Ag can be used for the internal electrode layer.
[0015]
The adhesive layer is preferably made of a paste made of the same or similar material as the piezoelectric layer and the first and second protective layers.
If the properties of the adhesive layer are different from those of the piezoelectric layer and the first and second protective layers, cracks and delamination may occur due to firing shrinkage and the like.
[0016]
The adhesive layer preferably has a dry thickness of 3 to 17 μm.
The dry thickness is the thickness after the drying shrinkage is completed, not immediately after the print formation.
When this thickness is less than 3 μm, the liquid component (binder, etc.) of the adhesive layer permeates into a large unfired sheet and the like, and the adhesive force may be lost by drying before bonding. Also, it is difficult to print and form an adhesive layer of less than 3 μm.
Furthermore, when it is thicker than 17 μm, it is difficult to form a print, and there is a possibility that it protrudes from the side surface after lamination. The adhesive layer is more preferably 7 μm.
[0017]
Further, the longitudinal direction of the large green sheet has a length sufficient to collect the first and second green sheets and the piezoelectric layer green sheet necessary for producing at least one laminated piezoelectric element. It is preferable.
From the viewpoint of production efficiency, it is preferable to prepare a long, large unfired sheet and continuously produce a large number of unfired laminates (see Examples).
[0018]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Example)
In this example, as shown in FIG. 1, the driving layers 13 in which the
[0019]
As shown in FIG. 2, this method includes a first unfired portion 21 for the first protective layer 11 in which a predetermined number of first
[0020]
A method for obtaining the
As shown in FIGS. 2 to 8, the first and second
An internal electrode
[0021]
Then, the first
Thereby, the unfired
[0022]
This will be described in detail below.
As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element 1 according to this example has a
[0023]
The
The
The
[0024]
The
[0025]
In addition, the
[0026]
Next, details of the manufacturing method of this example will be described.
As shown in FIG. 3A, a large
1000 g of a ceramic material made of PZT and having an average particle size of 0.5 μm is prepared.
To this, 40 g of a binder made of PVB (polyvinyl butyral) and an appropriate amount of solvent are added to obtain a slurry. The slurry is formed by a doctor blade method to obtain a large
The large
[0027]
Next, as shown in FIG. 3B and FIG. 4, an internal electrode
The internal electrode
[0028]
Screen printing will be described.
As shown in FIG. 5, a
Then, the slurry is dropped from the printing mask 4 onto the large
[0029]
Further, instead of screen printing, the printing section can be formed by the following method.
As shown in FIG. 6, a
[0030]
By the way, how to use the large
That is, the first
The
[0031]
In this way, the large
[0032]
In the manufacturing method of this example, as shown as row A in FIG. 4, a large number of
And the said area |
[0033]
Each region is described in the explanation, and when the actual
[0034]
Next, as shown in FIG. 3C, an
The slurry for the adhesive layer is prepared by preparing 100 g of a ceramic material having an average particle size of 0.6 μm made of PZT (the same material as that used for the large unfired sheet) and adding 12 g of a binder made of PVB thereto. .
[0035]
The adhesive layer slurry is printed on the large
[0036]
Next, the first and second
[0037]
The punching and laminating were performed using a punching and
The
[0038]
The
The
[0039]
A pump (not shown) sucks the inside of the
Further, as shown in FIG. 2 and FIG. 8, the
Since the
[0040]
The
[0041]
The punching lamination using the
That is, the large
In this state, the
[0042]
As shown in FIG. 7, the large
And the dummy sheet |
Then, punching and laminating are sequentially performed from a portion of the large
The punched first
In addition, the pressure at the time of this lamination | stacking crimping | combination will be about 0.02-0.1 MPa.
[0044]
The remnants of the large
In FIG. 6, the hatched portions are the first and second
[0045]
The unfired
After removing the
[0046]
And the obtained unbaked
And the
[0047]
Although each part of the multilayer piezoelectric element 1 obtained by the above method was observed, neither delamination nor cracks occurred.
Further, by the same manufacturing method as described above, 250
Neither delamination nor cracks occurred in this device.
[0048]
The effect concerning this example is demonstrated.
In the manufacturing method of this example, the first and second protective layers 11 and 12 and the first and second
[0049]
In addition, since the first and second
When the bonding pressure is high, defects or the like occur in the unfired sheet, causing microcracks after firing. By using this example that can be bonded at a low pressure, the above problem can be prevented.
[0050]
In the manufacturing method according to this example, the first and second
Furthermore, since the first and second protective layers 11 and 12 are made of the same material as the
[0051]
As described above, according to this example, it is possible to obtain a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element having few defects such as cracks and delamination, excellent durability, excellent production efficiency, and low cost.
In this example, the large
[0052]
(Comparative example)
As shown in FIG. 9, the multilayer
The
Alternatively, the drive unit and the unfired body are incorporated in a pressure jig. (2) After pressurizing at 80 ° C. for 30 minutes, the pressure is set to 30 MPa, and pressure bonding is performed for 1 minute to obtain an unfired laminate.
[0053]
When the unfired laminate obtained by the above (1) and (2) was fired under the same conditions as in the example, (1) had a problem that a crack was generated between the protective layer and the driving layer, causing peeling. It was.
In (2), since the heat and pressure bonding is performed with a high pressure, the density varies. Therefore, if the shrinkage at the time of firing is not uniform, cracks occur and the problem of peeling occurs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a multilayer piezoelectric element in an example.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of an unfired laminated body in an example.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a process for forming an internal electrode layer printing portion and an adhesive layer on a large unfired sheet in an example.
FIG. 4 is an explanatory plan view showing a state in which the internal electrode layer printing portion is formed on the large green sheet in the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of formation of a printing part for internal electrode layers by screen printing in an example.
FIG. 6 is an explanatory diagram of formation of a printing part for internal electrode layers by jetting from a nozzle in an example.
FIG. 7 is an explanatory diagram of punching lamination in an example.
FIG. 8 is an explanatory view of a main part of punching lamination in an example.
FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of a multilayer piezoelectric element in a comparative example.
[Explanation of symbols]
1. . . Laminated piezoelectric element,
11. . . A first protective layer,
12 . . A second protective layer,
13. . . Driving layer,
131. . . Internal electrode layer,
132. . . Piezoelectric layer,
2. . . Unfired laminate,
21. . . 1st unbaked part,
22. . . Second unbaked part,
23. . . Third unburned part,
30. . . Large green sheet,
310. . . First green sheet,
320. . . Second green sheet,
331. . . Unfired part for internal electrode layer,
332. . . Green sheet for piezoelectric layer,
35. . . Adhesive layer,
Claims (1)
第1の未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第1の保護層用の第1の未焼部と,該第1の未焼部に対し内部電極層用印刷部を設けた圧電層用未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第3の未焼部と,該第3の未焼部に対し第2の未焼シートを所定の枚数接着層を介して積層した第2の保護層用の第2の未焼部とよりなる未焼積層体を焼成することにより製造する方法であって,
上記未焼積層体を得るにあたり,
少なくとも積層型圧電体素子を1個作製することが可能な分量の第1及び第2の未焼シート,圧電層用未焼シートを採取可能な大きさを有する大型未焼シートを準備し,
上記大型未焼シートにおいて圧電層用未焼シートとなる部分に内部電極層用印刷部を印刷形成し,上記大型未焼シートにおいて第1及び第2の未焼シート,圧電層用未焼シートとなる部分に接着層を印刷形成し,
次いで,上記大型未焼シートより第1の未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を積層圧着して第1の未焼部となし,続いて圧電層用未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を第1の未焼部に積層圧着して第3の未焼部を形成し,更に続いて第2の未焼シートを打ち抜くと同時に所定の枚数を第3の未焼部に積層圧着して第2の未焼部とすることを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法。A laminated piezoelectric element comprising a driving layer in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately laminated, and first and second protective layers on both end surfaces in the laminating direction of the driving layer;
A first first green portion of the protective layer of the first unsintered sheet are layered with a prescribed number of adhesive layers, provided the printing portion internal electrode layer with respect to green portion of the first stacked through a third green part the green sheet for a piezoelectric layer laminated through a predetermined number adhesive layer, the predetermined number adhesive layer and a second green sheet to green part of the third a method of manufacturing by firing become more green laminate and the second of the second green portion of the protective layer, and
In obtaining the unfired laminate,
Prepare at least stacked aliquot capable piezoelectric element to one producing the first and second green sheet, a large green sheet having a size capable of collecting green sheet for a piezoelectric layer,
The printing portion internal electrode layer formed by printing on the portion to be a green sheet for a piezoelectric layer in the large green sheet, the first and second green sheet in the large green sheet, the green sheet for a piezoelectric layer An adhesive layer is printed on
Next, the first unfired sheet is punched from the large unfired sheet, and at the same time, a predetermined number of sheets are stacked and pressure-bonded to form the first unfired portion, and then the piezoelectric layer unfired sheet is simultaneously punched out the laminated crimped to the first green part to form a third green part, further followed by the second green sheet punched out at the same time a predetermined number of sheets stacked crimped to the third green part A method for manufacturing a laminated piezoelectric element, characterized in that a second unfired part is formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002088842A JP3870812B2 (en) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | Manufacturing method of multilayer piezoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002088842A JP3870812B2 (en) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | Manufacturing method of multilayer piezoelectric element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003282994A JP2003282994A (en) | 2003-10-03 |
JP3870812B2 true JP3870812B2 (en) | 2007-01-24 |
Family
ID=29234589
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002088842A Expired - Fee Related JP3870812B2 (en) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | Manufacturing method of multilayer piezoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3870812B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007207881A (en) * | 2006-01-31 | 2007-08-16 | Denso Corp | Laminated piezoelectric element and method for manufacturing the same |
CN112234138B (en) * | 2020-10-28 | 2022-08-12 | 中科传感技术(青岛)研究院 | Preparation method of large-size multilayer piezoelectric ceramic |
-
2002
- 2002-03-27 JP JP2002088842A patent/JP3870812B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003282994A (en) | 2003-10-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4035988B2 (en) | Ceramic laminate and manufacturing method thereof | |
CN1258826C (en) | Packed piezoelectric device and its manufacture method and piezoelectric actuator | |
JP5052619B2 (en) | Multilayer piezoelectric element, injection device including the same, and fuel injection system | |
JP3994877B2 (en) | Comb-shaped piezoelectric actuator and manufacturing method thereof | |
JP3740991B2 (en) | Green sheet laminating apparatus, green sheet laminating method, and multilayer ceramic electronic component manufacturing method | |
JP4771649B2 (en) | Manufacturing method of multilayer electronic component | |
JP5043311B2 (en) | Piezoelectric laminate and manufacturing method thereof, piezoelectric speaker, electronic device | |
JP3870812B2 (en) | Manufacturing method of multilayer piezoelectric element | |
JP2003101092A (en) | Laminated piezoelectric element and manufacturing method therefor, and injection device | |
JP5070438B2 (en) | Multilayer piezoelectric element | |
JP4569153B2 (en) | Multilayer piezoelectric element and manufacturing method thereof | |
JP2004522323A (en) | Manufacturing method and manufacturing apparatus for ceramic electronic components | |
JP4352670B2 (en) | Manufacturing method of multilayer piezoelectric element | |
JP3891009B2 (en) | Method for manufacturing ceramic laminate | |
JP4275914B2 (en) | Manufacturing method of multilayer electronic components | |
JP4349820B2 (en) | Manufacturing method of multilayer electronic components | |
JP4659368B2 (en) | Manufacturing method of multilayer electronic components | |
JP2739117B2 (en) | Manufacturing method of multilayer ceramic element | |
JPH11354379A (en) | Method and apparatus for manufacturing laminate | |
JP3279721B2 (en) | Multilayer piezoelectric actuator and method of manufacturing the same | |
JP4022062B2 (en) | Multilayer piezoelectric element and jetting apparatus using the same | |
JP3894861B2 (en) | Multilayer piezoelectric element and injection device | |
JP4280043B2 (en) | Manufacturing method of multilayer electronic components | |
JP2000114611A (en) | Multi-layer piezoelectric element | |
JP2003017357A (en) | Method of manufacturing laminated ceramic electronic component |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040610 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060719 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060725 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060823 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060823 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060926 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20061009 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |