JP3969594B2 - Piezoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータや圧電ブザー、発音体、センサ等の各種圧電素子の圧電層に用いて好適な圧電磁器組成物に関するものであり、さらには、これを用いた圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition suitable for use in piezoelectric layers of various piezoelectric elements such as actuators, piezoelectric buzzers, sounding bodies and sensors, and further relates to a piezoelectric element using the same.
例えば圧電効果によって発生する変位を機械的な駆動源として利用したアクチュエータは、消費電力や発熱量が少なく、応答性も良好であること、小型化や軽量化が可能であること等の利点を有し、広範な分野で利用されるようになってきている。 For example, an actuator that uses displacement generated by the piezoelectric effect as a mechanical drive source has advantages such as low power consumption and heat generation, good response, and miniaturization and weight reduction. However, it has come to be used in a wide range of fields.
この種のアクチュエータに用いられる圧電磁器組成物には、圧電特性、特に圧電歪定数が大きいことが要求され、これを満たす圧電磁器組成物として、例えば、チタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、及び亜鉛・ニオブ酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]により構成される3元系の圧電磁器組成物や、前記3元系の圧電磁器組成物の構成元素であるPbの一部をSr、Ba、Ca等で置換した圧電磁器組成物等が開発されている。 Piezoelectric ceramic compositions used for this type of actuator are required to have a large piezoelectric characteristic, particularly a piezoelectric strain constant. Examples of piezoelectric ceramic compositions that satisfy this requirement include lead titanate (PbTiO 3 ) and lead zirconate. (PbZrO 3 ) and zinc / lead niobate [Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ], a ternary piezoelectric ceramic composition, and the ternary piezoelectric ceramic composition Piezoelectric ceramic compositions in which a part of Pb, which is a constituent element, is substituted with Sr, Ba, Ca, or the like have been developed.
ただし、これら従来の圧電磁器組成物は、比較的高温で焼成する必要があり、また焼成が酸化性雰囲気下で行われるため、例えば内部電極を同時焼成する積層型アクチュエータ等においては、高い融点を持ち、酸化性雰囲気下で焼成しても酸化されない貴金属(例えば、PtやPd等)を用いる必要がある。その結果、コスト増を招き、製造される圧電素子の低価格化に支障をきたしている。 However, these conventional piezoelectric ceramic compositions need to be fired at a relatively high temperature, and since firing is performed in an oxidizing atmosphere, for example, in a laminated actuator that simultaneously fires internal electrodes, a high melting point is obtained. It is necessary to use a noble metal (for example, Pt, Pd, etc.) that does not oxidize even when fired in an oxidizing atmosphere. As a result, the cost is increased and the cost of the manufactured piezoelectric element is hindered.
このような状況から、本願出願人は、前記3元系の圧電磁器組成物に、Fe、Co、Ni、及びCuから選ばれる少なくとも1種を含む第1副成分、及びSb、Nb及びTaから選ばれる少なくとも1種を含む第2副成分を加えることにより低温焼成を可能とし、内部電極にAg−Pd合金等の安価な材料を使用可能とすることを提案している(特許文献1を参照)。 From such a situation, the applicant of the present application includes, in the ternary piezoelectric ceramic composition, a first subcomponent including at least one selected from Fe, Co, Ni, and Cu, and Sb, Nb, and Ta. It has been proposed that low temperature firing is possible by adding a second subcomponent including at least one selected, and that an inexpensive material such as an Ag—Pd alloy can be used for the internal electrode (see Patent Document 1). ).
特許文献1記載の発明は、前記3元系の圧電磁器組成物や、当該3元系の圧電磁器組成物においてPbの一部をSr、Ba、Ca等で置換した圧電磁器組成物に、Fe、Co、Ni、及びCuから選ばれる少なくとも1種を含む第1副成分と、Sb、Nb及びTaから選ばれる少なくとも1種を含む第2副成分を加えることで、高い圧電歪定数を持ち、低温で焼成しても各種圧電特性を損なうことなく緻密化され、機械的強度が高められた圧電磁器組成物を実現し、この圧電磁器組成物で構成される圧電層を有する圧電素子を提供するというものである。
The invention described in
前記のように、特許文献1記載の発明によれば、ある程度の低温焼成化が可能となり、電極材料としてAg−Pd合金等の使用も可能となるが、より安価な金属(Cu)を電極材料として用いることを考えた場合、必ずしも十分とは言えない。例えば、Cuを電極材料として用いた場合、低温で焼成したとしても電極材料が圧電層中で偏析する等して特性に悪影響を及ぼすことが懸念されている。
As described above, according to the invention described in
このCuの偏析については、例えば特許文献2において、その改善が試みられている。特許文献2には、誘電セラミック層と電極層とを交互に積層した積層型誘電素子において、電極層は主に誘電セラミック層を構成するセラミック材料よりも、焼成温度における金属酸化物の標準ギブズ自由エネルギーが大きい導電性卑金属材料からなり、かつ、誘電セラミック層のうち、隣り合う正と負の電極層に挟まれた部分には、導電性卑金属材料を含む材料の偏析がない積層型誘電素子が開示されている。特許文献2によれば、隣り合う正と負の電極層に挟まれた部分に導電性卑金属材料を含む材料の偏析がないことで、誘電セラミック層の特性を十分に発揮させることができるとしている。
しかしながら、その後の本発明者らの研究によれば、前記特許文献2で検討されているような粒状の偏析の有無だけでは、圧電素子の性能の良否を判断することはできず、例えば前記粒状の偏析が無いからといって必ずしも良好な特性(加速電圧負荷寿命等)を発揮するとは限らないことがわかった。
However, according to the subsequent studies by the present inventors, the quality of the piezoelectric element cannot be judged only by the presence or absence of granular segregation as discussed in
また、特許文献2記載の発明では、基本的には電極材料としてCuOを用い、いわゆるメタライズ工程においてCuへ還元し、その後、酸素分圧10−4気圧程度の還元雰囲気中で焼成を行っている。卑金属(例えばCu)を電極材料として用いる場合、酸化性雰囲気(例えば空気中)での焼成では、低温で焼成したとしても電極材料が酸化し、導電性が損なわれるという不都合が発生するおそれがある。一方、還元雰囲気下で焼成を行った場合、得られた焼成体は空気中で焼成した焼結体に比較して多くの酸素空孔を含むため、特に高温(100℃以上)における絶縁抵抗の低下を招き、製品の高温負荷寿命(絶縁寿命)の低下を招くという不都合が生ずるおそれがある。100℃〜200℃の温度領域は、製品の作動規格温度でもあることが多く、この温度領域における絶縁抵抗の低下は、製品の信頼性を著しく損ない、大きな問題である。これらのことから、前記特許文献2記載の発明では、比較的酸素分圧の高い雰囲気で焼成を行い、電極材料であるCuの一部が酸化されていることを容認しているが、この場合、電極特性を犠牲にしていることになる。
In the invention described in
さらに、前記特許文献2記載の発明では、前記Cuの拡散や偏析を防止するために、溶融抑制物質や融点上昇物質、拡散抑制物質等を電極用ペースト材料に添加しているが、前記各物質の添加は、圧電体層を構成する誘電体磁器組成物の特性に悪影響を及ぼす可能性があり、また、製造コストや製造工数等を考えた場合にも不利である。
Furthermore, in the invention described in
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、例えばCuを内部電極層に用いた場合における最適構造化を図り、粒界の絶縁性が高められると同時に、圧電歪み特性に重要な粒内の組成を変化させず、加速電圧負荷特性等に優れた圧電磁器組成物及び圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation. For example, when Cu is used for the internal electrode layer, the optimum structure is achieved, and the insulation property of the grain boundary is enhanced. An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element which are excellent in acceleration voltage load characteristics and the like without changing the composition in the grains important for the characteristics.
前述の目的を達成するために、本発明者らは、長期に亘り種々研究を重ねてきた。その結果、前記のようにCuが粒状に偏析することは好ましくないが、Cuの粒界への偏在は、粒界の絶縁性が高められて加速電圧負荷特性の改善に寄与すること、また、前記偏在は粒内の組成をほとんど変化させないので、圧電歪み特性を損なうことがないこと等を知見するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have made various studies over a long period of time. As a result, it is not preferable that Cu segregates in a granular form as described above, but the uneven distribution of Cu in the grain boundary contributes to the improvement of the acceleration voltage load characteristics by enhancing the insulation of the grain boundary, Since the uneven distribution hardly changes the composition in the grains, it has been found that the piezoelectric strain characteristics are not impaired.
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明の圧電素子は、Pb、Ti、及びZrを構成元素とする複合酸化物を含む複数の圧電体層と、これら圧電体層間に形成されCuを含有する内部電極層とを備え、前記圧電体層は、Cuが粒界に粒状に偏析することなく、粒界から5nmの範囲内のみに偏在した構造を有することを特徴とする。 The present invention has been completed based on such findings. That is, the piezoelectric element of the present invention includes a plurality of piezoelectric layers including a composite oxide containing Pb, Ti, and Zr as constituent elements, and an internal electrode layer containing Cu formed between these piezoelectric layers, The piezoelectric layer has a structure in which Cu is segregated only within a range of 5 nm from the grain boundary without segregating in a granular manner at the grain boundary .
例えば、Cuを電極材料として使用した場合等のように、圧電磁器組成物がCuを含む場合、Cuが粒状に偏析していると特性に悪影響を及ぼすことは知られているが、それ以上の詳細構造については検討されていない。Cuが粒状に偏析していない構造であっても、粒界での絶縁性が不足し、加速電圧負荷特性が不足することがあるが、その改善については、これまで試みられたことがない。 For example, when the piezoelectric ceramic composition contains Cu, such as when Cu is used as an electrode material, it is known that if Cu is segregated in a granular form, it adversely affects the characteristics. The detailed structure has not been studied. Even if Cu is not segregated in a granular form, the insulation at the grain boundary may be insufficient and the acceleration voltage load characteristic may be insufficient. However, no improvement has been attempted so far.
本発明では、例えば焼成条件等を制御することにより、圧電磁器組成物をCuが粒界に偏在した構造としており、これにより前記粒界での絶縁性が高まり、加速電圧負荷特性が大きく改善される。また、前記のようにCuを粒界に偏在させた場合、圧電磁器組成物の主体となる結晶粒の組成に影響を及ぼすことがないので、本来の圧電特性を損なうこともない。 In the present invention, for example, by controlling the firing conditions, etc., the piezoelectric ceramic composition has a structure in which Cu is unevenly distributed at the grain boundaries, thereby increasing the insulation at the grain boundaries and greatly improving the acceleration voltage load characteristics. The In addition, when Cu is unevenly distributed in the grain boundary as described above, the composition of crystal grains that are the main component of the piezoelectric ceramic composition is not affected, so that the original piezoelectric characteristics are not impaired.
前記の通り、本発明の圧電磁器組成物及び圧電素子は、Cuが粒界に偏在するという構造的な特徴をもって前記加速電圧負荷特性等を改善するものであり、前記特許文献2記載の発明のような拡散抑制物質等の添加は不要である。したがって、本発明は、粒状の偏析の有無のみを問題にしている特許文献2記載の発明とは、全く異なる技術と言うことができる。
As described above, the piezoelectric ceramic composition and the piezoelectric element of the present invention improve the acceleration voltage load characteristics and the like with a structural feature that Cu is unevenly distributed at grain boundaries. It is not necessary to add such a diffusion inhibitor. Therefore, the present invention can be said to be a completely different technique from the invention described in
本発明によれば、Cuを粒界に偏在させた構造とすることで、圧電歪み特性に優れ、且つ加速電圧負荷特性にも優れた圧電磁器組成物及び圧電素子を提供することが可能である。例えば、Cuを内部電極層の電極材料として用いた場合にも、高温での電気抵抗の低下が少なく、電気機械結合係数krにも優れた圧電素子を提供することが可能である。また、拡散抑制物質の添加等が不要であるので、製造コストや製造工数等を削減する上でも有利である。したがって、本発明によれば、安価でありながら、絶縁特性に優れ、信頼性の高い圧電磁器組成物及び圧電素子を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element that have excellent piezoelectric strain characteristics and excellent acceleration voltage load characteristics by adopting a structure in which Cu is unevenly distributed in grain boundaries. . For example, even when Cu is used as the electrode material of the internal electrode layer, it is possible to provide a piezoelectric element that has little decrease in electrical resistance at high temperatures and is excellent in electromechanical coupling coefficient kr. Further, since the addition of a diffusion suppressing substance is unnecessary, it is advantageous in reducing the manufacturing cost and the manufacturing man-hour. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element that are inexpensive and have excellent insulation characteristics and high reliability.
以下、本発明を適用した圧電磁器組成物及び圧電素子について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、本発明の圧電磁器組成物は、Pb、Ti、及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とするものである。ここで、前記複合酸化物は、例えばチタン酸鉛(PbTiO3)とジルコン酸鉛(PbZrO3)、及び亜鉛・ニオブ酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]により構成される3元系の複合酸化物や、前記3元系の複合酸化物においてPbの一部をSr、Ba、Ca等で置換した複合酸化物である。 First, the piezoelectric ceramic composition of the present invention is mainly composed of a complex oxide containing Pb, Ti, and Zr as constituent elements. Here, the composite oxide is composed of, for example, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), and zinc / lead niobate [Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ]. Or a composite oxide obtained by substituting a part of Pb with Sr, Ba, Ca, or the like in the ternary composite oxide.
具体的な組成としては、下記(1)式、あるいは(2)式で表される複合酸化物等を挙げることができる。なお、これら(1)式、あるいは(2)式において、酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、実際の組成においては、化学量論組成からのずれは許容されるものとする。 Specific examples of the composition include composite oxides represented by the following formula (1) or (2). In these formulas (1) and (2), the oxygen composition is obtained stoichiometrically, and deviation from the stoichiometric composition is allowed in the actual composition. .
Pba[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]O3 ・・・(1)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。)
Pb a [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (1)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6, and x + y + z = 1.)
(Pba−bMeb)[(Zn1/3Nb2/3)xTiyZrz]O3 ・・・(2)
(ただし、0.96≦a≦1.03、0<b≦0.1、0.05≦x≦0.15、0.25≦y≦0.5、0.35≦z≦0.6、x+y+z=1である。また、式中のMeは、Sr、Ca、Baから選ばれる少なくとも1種を表す。)
(Pb a-b Me b ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) x Ti y Zr z ] O 3 (2)
(However, 0.96 ≦ a ≦ 1.03, 0 <b ≦ 0.1, 0.05 ≦ x ≦ 0.15, 0.25 ≦ y ≦ 0.5, 0.35 ≦ z ≦ 0.6 X + y + z = 1, and Me in the formula represents at least one selected from Sr, Ca, and Ba.)
前記複合酸化物は、いわゆるペロブスカイト構造を有しており、Pb、及び(2)式における置換元素Meについては、ペロブスカイト構造のいわゆるAサイトに位置する。ZnやNb、Ti、Zrは、ペロブスカイト構造のいわゆるBサイトに位置する。 The composite oxide has a so-called perovskite structure, and Pb and the substitution element Me in the formula (2) are located at a so-called A site of the perovskite structure. Zn, Nb, Ti, and Zr are located at the so-called B site of the perovskite structure.
前記(1)式や(2)式で表される複合酸化物において、Aサイト元素の割合aは、0.96≦a≦1.03であることが好ましい。Aサイト元素の割合aが0.96未満であると、低温での焼成が困難になるおそれがある。逆に、Aサイト元素の割合aが1.03を越えると、得られる圧電磁器の密度が低下し、その結果、十分な圧電特性が得られなくなるおそれがあり、機械的強度も低下するおそれがある。 In the composite oxide represented by the formula (1) or formula (2), the ratio a of the A site element is preferably 0.96 ≦ a ≦ 1.03. If the A-site element ratio a is less than 0.96, firing at low temperatures may be difficult. On the contrary, when the ratio a of the A site element exceeds 1.03, the density of the obtained piezoelectric ceramic is lowered, and as a result, sufficient piezoelectric characteristics may not be obtained, and the mechanical strength may also be lowered. is there.
前記(2)式で表される複合酸化物においては、Pbの一部を置換元素Me(Sr,Ca,Ba)で置換しているが、これにより圧電歪定数を大きくすることができる。ただし、置換元素Meの置換量bが多くなりすぎると、焼結性が低下してしまい、その結果、圧電歪定数が小さくなり、機械強度も低下する。また、キュリー温度も置換量bの増加に伴って低下する傾向にある。したがって、置換元素Meの置換量bは、0.1以下とすることが好ましい。 In the composite oxide represented by the above formula (2), a part of Pb is substituted with the substitution element Me (Sr, Ca, Ba), but this can increase the piezoelectric strain constant. However, if the substitution amount b of the substitution element Me is too large, the sinterability is lowered, and as a result, the piezoelectric strain constant is reduced and the mechanical strength is also lowered. Also, the Curie temperature tends to decrease as the substitution amount b increases. Therefore, the substitution amount b of the substitution element Me is preferably 0.1 or less.
一方、Bサイト元素のうち、ZnとNbの割合xは、0.05≦x≦0.15とすることが好ましい。前記割合xは焼成温度に影響を与え、この値が0.05未満であると焼成温度を低下させる効果が不足するおそれがある。逆に0.15を越えると、焼結性に影響を及ぼし、その結果、圧電歪定数が小さくなるとともに、機械的強度が低下するおそれがある。 On the other hand, among the B site elements, the ratio x between Zn and Nb is preferably 0.05 ≦ x ≦ 0.15. The ratio x affects the firing temperature. If this value is less than 0.05, the effect of lowering the firing temperature may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.15, the sinterability is affected, and as a result, the piezoelectric strain constant may be reduced and the mechanical strength may be reduced.
Bサイト元素のうちTiの割合y及びZrの割合zは、圧電特性の観点から好ましい範囲が設定される。具体的には、Tiの割合yは、0.25≦y≦0.5であることが好ましく、Zrの割合zは、0.35≦z≦0.6であることが好ましい。前記範囲内に設定することで、モルフォトロピック相境界(MPB)付近において、大きな圧電歪定数を得ることができる。 Of the B site elements, the Ti ratio y and the Zr ratio z are preferably set in terms of piezoelectric characteristics. Specifically, the Ti ratio y is preferably 0.25 ≦ y ≦ 0.5, and the Zr ratio z is preferably 0.35 ≦ z ≦ 0.6. By setting it within the above range, a large piezoelectric strain constant can be obtained in the vicinity of the morphotropic phase boundary (MPB).
本発明の圧電磁器組成物は、前記複合酸化物を主成分とするものであるが、これに加えて副成分を含んでいてもよい。この場合、副成分としては、Ta、Sb、Nb、及びWから選ばれる少なくとも1種である。前記副成分を添加することで、圧電特性及び機械的強度を向上させることができる。ただし、これら副成分の含有量は、酸化物換算で1.0質量%以下とすることが好ましい。例えばTaの場合、Ta2O5換算で1.0質量%以下、Sbの場合、Sb2O3換算で1.0質量%以下、Nbの場合、Nb2O5換算で1.0質量%以下、Wの場合、WO3換算で1.0質量%以下である。前記副成分の含有量が、前記酸化物換算で1.0質量%を越えると、焼結性が低下し、圧電特性が低下するおそれがある。 The piezoelectric ceramic composition of the present invention contains the composite oxide as a main component, but may contain subcomponents in addition to this. In this case, the subcomponent is at least one selected from Ta, Sb, Nb, and W. By adding the subcomponent, piezoelectric characteristics and mechanical strength can be improved. However, the content of these subcomponents is preferably 1.0% by mass or less in terms of oxide. For example, in the case of Ta, 1.0% by mass or less in terms of Ta 2 O 5 , in the case of Sb, 1.0% by mass or less in terms of Sb 2 O 3 , and in the case of Nb, 1.0% by mass in terms of Nb 2 O 5 Hereinafter, in the case of W, it is 1.0 mass% or less in terms of WO 3 . If the content of the subcomponent exceeds 1.0% by mass in terms of the oxide, the sinterability may be reduced and the piezoelectric characteristics may be deteriorated.
本発明の圧電磁器組成物は、前記の通り、Pb、Ti、及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とするものであるが、その粒界にCuが偏在された構造を有することが大きな特徴である。前記複合酸化物を主成分とする圧電磁器組成物は、例えば図1に模式的に示すように、複合酸化物の結晶粒Aの集合体として構成される。ここで、各結晶粒Aの境界部分、すなわち粒界には、いわゆる粒界層Bが非常に薄い層として存在するが、本発明の圧電磁器組成物においては、この粒界層BにCuが偏在している。 As described above, the piezoelectric ceramic composition of the present invention is mainly composed of a composite oxide containing Pb, Ti, and Zr as constituent elements, and has a structure in which Cu is unevenly distributed at the grain boundaries. Is a big feature. The piezoelectric ceramic composition containing the composite oxide as a main component is configured as an aggregate of crystal grains A of the composite oxide, for example, as schematically shown in FIG. Here, at the boundary portion of each crystal grain A, that is, at the grain boundary, a so-called grain boundary layer B exists as a very thin layer. In the piezoelectric ceramic composition of the present invention, Cu is present in the grain boundary layer B. It is unevenly distributed.
このように粒界層BにCuが偏在することは、例えばEPMAでは解析することができず、解析にはFE−TEM(電界放射型透過電子顕微鏡)等の手法が必要である。本発明の圧電磁器組成物をFE−TEMにより解析すると、粒界、あるいは三重点にCuのピークが見られる。 Such uneven distribution of Cu in the grain boundary layer B cannot be analyzed by, for example, EPMA, and a technique such as FE-TEM (field emission transmission electron microscope) is required for the analysis. When the piezoelectric ceramic composition of the present invention is analyzed by FE-TEM, a Cu peak is seen at the grain boundary or triple point.
前記Cuは、粒界のみに偏在することが理想的であるが、前記結晶粒Aの粒界層Bと接する部分に一部Cuが入り込んでいても構わない。ただし、あまり内部にまでCuが入り込むことは好ましくなく、Cuが存在するのは結晶粒1の界面から10nm以内とすることが好ましい。また、前記Cuは、前記粒界層Bに存在する他、例えば粒状に偏析していてもよいが、この粒状の偏析はなるべく少ない方が好ましく、粒状の偏析が全く無いことがより好ましい。
Ideally, the Cu is unevenly distributed only at the grain boundaries, but Cu may partially enter the portion of the crystal grain A that contacts the grain boundary layer B. However, it is not preferable that Cu enters the inside so much that Cu is preferably within 10 nm from the interface of the
前記Cuを前記粒界に偏在させる方法は任意であるが、例えばCuを接触させた状態で圧電磁器組成物を適正な焼成条件で焼成すればよい。これにより、Cuが圧電磁器組成物中に拡散し、前記構造が得られる。したがって、圧電素子において、内部電極層にCuを用い、適正な条件で焼成すれば、各圧電体層において、前記構造が実現されることになる。そこで、以下においては、圧電素子について説明する。 Although the method of unevenly distributing the Cu at the grain boundaries is arbitrary, for example, the piezoelectric ceramic composition may be fired under appropriate firing conditions in a state where Cu is in contact. Thereby, Cu diffuses into the piezoelectric ceramic composition, and the structure is obtained. Therefore, in the piezoelectric element, when Cu is used for the internal electrode layer and fired under appropriate conditions, the structure is realized in each piezoelectric layer. Therefore, the piezoelectric element will be described below.
図2は、積層型の圧電素子の一例を示すものである。積層型の圧電素子1は、図2に示すように、複数の圧電体層2の間に内部電極層3が挿入された積層体4を備えており、この積層体4が活性部分として変位に寄与する。圧電体層2の1層当たりの厚さは、任意に設定することができるが、例えば1μm〜100μm程度に設定するのが通常である。積層体4の両側には、不活性領域として内部電極層3が形成されていない圧電層領域を有するが、この部分の圧電層の厚さは、内部電極層3間の圧電体層2の厚さよりも厚く設定される場合もある。
FIG. 2 shows an example of a laminated piezoelectric element. As shown in FIG. 2, the multilayer
前記内部電極層3は、例えば交互に逆方向に延長されており、各延長方向の端部には、それぞれ内部電極層3と電気的に接続された端子電極5,6が設けられている。前記端子電極5,6は、例えばAu等の金属をスパッタリングすることにより形成されていてもよいし、電極用ペーストを焼き付けることにより形成されていてもよい。端子電極5,6の厚さは、用途や積層型圧電素子1のサイズ等によって適宜設定されるが、通常は、10μm〜50μm程度である。
The internal electrode layers 3 are alternately extended in opposite directions, for example, and
圧電素子において、前記内部電極層3は、各圧電体層2に電圧を印加する電極としての機能を有するものであり、当然のことながら導電材料により構成される。この場合、導電材料として、Ag、Au、Pt、Pd等の貴金属を用いることもできるが、本発明では、前記粒界への偏在を目的として、Cuを含む電極材料を用いる。具体的には、Cuペーストを塗布することにより前記内部電極層3を形成する。前記Cuを電極材料として用いることで、積層型圧電素子1の製造コストの削減にも繋がる。一方、前記圧電体層2には圧電磁器組成物を用いるが、使用する圧電磁器組成物は、前述の通り、Pb、Ti、及びZrを構成元素とする複合酸化物を主成分とする圧電磁器組成物である。
In the piezoelectric element, the internal electrode layer 3 has a function as an electrode for applying a voltage to each
以上が積層型の圧電素子1の基本的な構成であるが、本発明の圧電素子1において特徴的なのは、前記の通り、複合酸化物を主成分とする結晶粒の粒界にCuが偏在された構造を有することである。圧電体層2において、Cuが粒界に偏在した構造を有することにより、粒界の絶縁性が高められ、例えば加速電圧負荷特性が向上する。また、前記Cuの偏在により圧電体層2の主体となる前記複合酸化物の結晶粒の組成を変化させることもないので、圧電歪み特性も維持される。
The basic configuration of the multilayer
前記圧電素子の圧電体層2において、Cuが粒界に偏在した構造とするには、前記圧電素子を焼成する際の焼成条件を適正に制御する必要がある。例えば、先ず、本発明の圧電素子は、還元焼成条件において焼成されたものであることが好ましい。圧電素子の作製に際し、酸化性雰囲気中で焼成すると、例えば内部電極層3の電極材料として貴金属を用いる必要がある。これに対して、還元焼成条件において焼成すれば、安価なCuを内部電極層3に用いることができる。ここで、還元焼成条件としては、例えば、焼成温度800℃〜1200℃、酸素分圧1×10−10〜1×10−6気圧である。
In the
前記還元焼成条件での焼成を行った場合、高温での電気抵抗の低下が問題になるが、本発明の圧電素子の場合、前記の通り圧電体層2はCuが粒界に偏在した構造を有するので、これを回避することが可能である。すなわち、本発明の積層型圧電素子では、還元焼成条件で焼成されたものであるので、内部電極層3にCuを用いることができ、しかも高温での電気抵抗の低下を解消することが可能である。
When firing under the reduction firing condition, a decrease in electrical resistance at a high temperature becomes a problem. However, in the case of the piezoelectric element of the present invention, the
以下、本発明の圧電素子1の製造するのに好適な製造方法の一例について説明する。以下に説明する条件で焼成することにより、前記Cuが粒界に偏在する構造を作り出すことができる。
Hereinafter, an example of a manufacturing method suitable for manufacturing the
圧電素子1を作製するには、先ず、積層工程を行うが、この積層工程では、圧電体層2の原料を用意し、目的とする組成に応じて秤量した後、バインダー等を加えてセラミック原料混合物とする。圧電体層2の原料には、圧電体層2を構成する元素の酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、水酸化物等が用いられるが、例えば圧電体層2が前記チタン酸ジルコン酸鉛である場合、酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)が原料として用いられる。次いで、このセラミック原料混合物をシート状に成形し、セラミック前駆体層を形成する。
In order to manufacture the
同様に、内部電極層3の原料である例えば金属銅を用意し、バインダー等を加えて内部電極原料混合物とする。内部電極層3の原料としては、前記金属銅を単独で用いても良いし、他の材料と混合して用いても良い。この場合、他の材料としては、例えば焼成後に金属銅となる銅酸化物あるいは有機銅化合物、さらには金属銅以外の金属や金属酸化物、有機金属化合物等を挙げることができる。また、内部電極原料混合物には、必要に応じて分散剤、可塑剤、誘電体材料、絶縁体材料等の添加物を添加してもよい。 Similarly, for example, metallic copper as a raw material of the internal electrode layer 3 is prepared, and a binder or the like is added to obtain an internal electrode raw material mixture. As a raw material for the internal electrode layer 3, the metal copper may be used alone or in combination with other materials. In this case, examples of the other material include a copper oxide or an organic copper compound that becomes metal copper after firing, a metal other than metal copper, a metal oxide, an organic metal compound, and the like. Moreover, you may add additives, such as a dispersing agent, a plasticizer, a dielectric material, an insulator material, to an internal electrode raw material mixture as needed.
前記内部電極原料混合物を前記セラミック前駆体層上に例えばスクリーン印刷することにより、内部電極前駆体層を形成する。以上により内部電極前駆体層を形成したセラミック前駆体層を複数積層し、セラミック前駆体層と内部電極前駆体層を交互に積層した積層体を得る。 The internal electrode precursor layer is formed by, for example, screen printing the internal electrode raw material mixture on the ceramic precursor layer. As described above, a plurality of ceramic precursor layers on which the internal electrode precursor layers are formed are stacked to obtain a stacked body in which the ceramic precursor layers and the internal electrode precursor layers are alternately stacked.
前述の積層工程の後、脱脂工程において、得られた積層体に対して脱脂処理を行う。脱脂工程は、積層体を構成する各セラミック前駆体層、内部電極前駆体層に含まれるバインダー等を加熱により分解除去する工程である。 After the above-mentioned lamination process, a degreasing process is performed with respect to the obtained laminated body in a degreasing process. The degreasing step is a step of decomposing and removing the ceramic precursor layer and the binder contained in the internal electrode precursor layer constituting the laminate by heating.
この脱脂工程は、通常は酸素を含む雰囲気(例えば大気中)で行われるものであり、本発明の製造方法においても前記酸素を含む雰囲気で行ってもよいが、脱脂工程での金属銅の酸化を抑えるためには、脱脂工程を還元雰囲気で行うことが好ましい。また、窒素(N2)あるいはアルゴン(Ar)等の不活性ガスと水蒸気、必要に応じて水素を含む雰囲気ガスを導入し、式(3)に示した酸素分圧雰囲気中で前記脱脂工程を行うことも、好ましい形態である。
p(O2)≦(25331×Kp)2/3 ・・・(3)
[ただし、式中Kpは水の解離平衡定数を表す。また、酸素分圧p(O2)の単位はPaである。]
This degreasing step is usually performed in an atmosphere containing oxygen (for example, in the air), and in the production method of the present invention, it may be performed in the atmosphere containing oxygen, but oxidation of metallic copper in the degreasing step In order to suppress this, it is preferable to perform the degreasing step in a reducing atmosphere. In addition, an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar), water vapor, and, if necessary, an atmosphere gas containing hydrogen is introduced, and the degreasing step is performed in an oxygen partial pressure atmosphere represented by Formula (3). It is also a preferred form to do.
p (O 2 ) ≦ (25331 × Kp) 2/3 (3)
[Wherein Kp represents the dissociation equilibrium constant of water. The unit of oxygen partial pressure p (O 2 ) is Pa. ]
前記のように、不活性ガスと水蒸気を含む雰囲気ガスを導入し、式(3)に示した酸素分圧雰囲気中で脱脂工程を行う場合、酸素分圧は式(4)に示した範囲内であることがより好ましい。
Kp2×106≦p(O2)≦(25331×Kp)2/3 ・・・(4)
[ただし、式中Kpは水の解離平衡定数を表す。また、酸素分圧p(O2)の単位はPaである。]
As described above, when an atmosphere gas containing an inert gas and water vapor is introduced and the degreasing step is performed in the oxygen partial pressure atmosphere shown in the formula (3), the oxygen partial pressure is within the range shown in the formula (4). It is more preferable that
Kp 2 × 10 6 ≦ p (O 2 ) ≦ (25331 × Kp) 2/3 (4)
[Wherein Kp represents the dissociation equilibrium constant of water. The unit of oxygen partial pressure p (O 2 ) is Pa. ]
酸素分圧が前記範囲を下回ると、セラミック前駆体層に含まれる鉛が還元されて金属鉛が生じ易くなり、その結果、セラミック材料の特性が低下したり、金属鉛が内部電極前駆体層に含まれる金属銅と反応して溶出する等の問題が生ずるおそれがある。金属鉛が金属銅と反応して溶出すると、内部電極前駆体層を焼成することにより形成される内部電極層3において、断線等の原因になるおそれがある。 When the oxygen partial pressure is below the above range, lead contained in the ceramic precursor layer is reduced and metal lead is easily generated, resulting in deterioration of the characteristics of the ceramic material or metal lead in the internal electrode precursor layer. There is a possibility that problems such as elution by reacting with metallic copper contained may occur. If metallic lead reacts with metallic copper and is eluted, internal electrode layer 3 formed by firing the internal electrode precursor layer may cause disconnection or the like.
前述のように、不活性ガスと水蒸気を含む雰囲気ガスを用いて脱脂処理を行った場合、水蒸気は、残留炭素成分である炭化水素あるいは炭素と反応し、残留炭素の分解除去を促進する作用を発揮する。したがって、水蒸気の導入量は、前記酸素分圧となるように設定することが好ましく、具体的には7mol%以上とすることが好ましい。水蒸気の導入量がこれよりも少ないと、バインダーの分解除去が不十分となって残留炭素が多くなり、特に、セラミック前駆体層の積層数が多くなったり、各セラミック前駆体層の大きさが大きくなった場合に、内部における残留炭素の量が多くなるおそれがある。また、水蒸気の導入量が多くなり過ぎると、酸素分圧が大きくなり過ぎて、内部電極前駆体層に含まれる金属銅が亜酸化銅(Cu2O)に変化し易くなることから、水蒸気の導入量は50mol%以下とすることが好ましい。亜酸化銅は、例えば680℃においてセラミック層(圧電体層2)中に拡散し、特性を劣化させる原因となる。 As described above, when the degreasing treatment is performed using an atmosphere gas containing an inert gas and water vapor, the water vapor reacts with hydrocarbon or carbon which is a residual carbon component to promote decomposition and removal of the residual carbon. Demonstrate. Therefore, the amount of water vapor introduced is preferably set so as to be the oxygen partial pressure, specifically 7 mol% or more. If the amount of water vapor introduced is less than this, decomposition and removal of the binder will be insufficient, resulting in a large amount of residual carbon.In particular, the number of laminated ceramic precursor layers will increase, and the size of each ceramic precursor layer will increase. When it becomes large, there is a possibility that the amount of residual carbon inside increases. Further, if the amount of introduced water vapor is too large, the oxygen partial pressure becomes too large, and the metallic copper contained in the internal electrode precursor layer is likely to change into cuprous oxide (Cu 2 O). The amount introduced is preferably 50 mol% or less. Cuprous oxide diffuses into the ceramic layer (piezoelectric layer 2) at, for example, 680 ° C., and causes deterioration in characteristics.
水蒸気は、また、解離平衡により酸素を発生させるとともに、水素濃度が増大しても酸素分圧の変化を抑制する作用も有している。ここで、水蒸気の解離平衡を利用して脱脂処理時における酸素分圧を調整することにより、極めて低い酸素分圧に調整することが可能となる。脱脂処理時の酸素分圧が高いと、内部電極前駆体層に含まれる金属銅が酸化して膨張し、クラックが発生する等の障害が発生するおそれがある。前記水蒸気を利用して酸素分圧を低い値に制御可能であるので、前記金属銅の酸化によるクラックの発生を抑えることが可能である。なお、脱脂処理の際の雰囲気制御としては、例えば雰囲気ガスとして酸素を導入することも考えられるが、酸素の導入では、前記クラックが発生しないように酸素分圧を低く制御することは極めて難しく、この点でも水蒸気による酸素分圧の制御が有利である。 Water vapor also generates oxygen by dissociation equilibrium and has an action of suppressing changes in oxygen partial pressure even when the hydrogen concentration increases. Here, by adjusting the oxygen partial pressure at the time of degreasing using the dissociation equilibrium of water vapor, it becomes possible to adjust to an extremely low oxygen partial pressure. If the oxygen partial pressure during the degreasing process is high, the copper metal contained in the internal electrode precursor layer may oxidize and expand to cause a failure such as a crack. Since the oxygen partial pressure can be controlled to a low value using the water vapor, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to oxidation of the metallic copper. In addition, as the atmosphere control during the degreasing process, for example, oxygen may be introduced as an atmosphere gas. Also in this respect, the control of the oxygen partial pressure by water vapor is advantageous.
前記不活性ガスと水蒸気を含む雰囲気ガスを導入し、式(3)に示した酸素分圧雰囲気中で脱脂工程を行う場合、雰囲気ガスとして水素を水蒸気とともに導入することも可能である。水素も残留炭素を除去する作用を有するからである。ただし、水素の導入量が多いと酸素分圧が低下して却って残留炭素が多くなったり、セラミック前駆体層に含まれる鉛が還元され易くなる場合があるので、雰囲気ガスにおける水素濃度を10molppm以下とすることが好ましい。 In the case of introducing an atmosphere gas containing the inert gas and water vapor and performing the degreasing step in the oxygen partial pressure atmosphere shown in the formula (3), hydrogen can be introduced together with water vapor as the atmospheric gas. This is because hydrogen also has an action of removing residual carbon. However, if the amount of hydrogen introduced is large, the oxygen partial pressure is lowered and the residual carbon is increased, or lead contained in the ceramic precursor layer is likely to be reduced, so the hydrogen concentration in the atmospheric gas is 10 molppm or less. It is preferable that
前記脱脂工程において、脱脂処理時の温度は、600℃以下とすることが好ましい。脱脂処理温度が600℃を超えると、鉛系のセラミック材料が焼結し始めるので、緻密化して通気孔が閉塞し、バインダーの分解揮発が妨げられるおそれがあるからである。 In the degreasing step, the temperature during the degreasing treatment is preferably 600 ° C. or lower. This is because if the degreasing temperature exceeds 600 ° C., the lead-based ceramic material starts to sinter, so that the densification may occur and the ventilation holes may be blocked, and decomposition and volatilization of the binder may be hindered.
前述の脱脂工程の後、焼成工程において積層体を焼成する。本発明の圧電素子1の製造に際しては、この焼成の際の雰囲気コントロールが重要である。以下、焼成工程における雰囲気コントロールについて説明する。
After the degreasing step described above, the laminate is fired in the firing step. In manufacturing the
図3は、積層体の焼成時の温度プロファイルの一例を示すものである。焼成に際しては、次第に温度が上昇する昇温期間UT、一定の温度に維持する焼成安定期間AT、及び焼成後の積層体を冷却する降温期間DTを経て積層体の焼成が行われる。ここで、焼成安定期間ATでは、いわゆる焼成到達温度T1に維持することにより実質的な焼成が行われることになる。例えば、前記チタン酸ジルコン酸鉛系のセラミック材料の場合、前記焼成到達温度T1は、900℃〜1000℃に設定される。 FIG. 3 shows an example of a temperature profile during firing of the laminate. In firing, the laminated body is fired through a temperature rising period UT in which the temperature gradually increases, a firing stable period AT in which the temperature is maintained at a constant temperature, and a temperature lowering period DT in which the fired laminated body is cooled. Here, the firing stable period AT, so that substantial sintering is performed by maintaining the so-called firing temperature reached T 1. For example, in the case of the lead zirconate titanate ceramic material, the firing temperature T 1 is set to 900 ° C. to 1000 ° C.
前記焼成に際しては、炉内に雰囲気ガスを導入し、炉内雰囲気を所定の雰囲気とするが、本発明では、炉内の温度が100℃を超えた時点で、所定の雰囲気ガスを導入する。この場合、導入するガスは、例えば不活性ガス(窒素やAr等)、水素、及び水蒸気を含有する雰囲気ガスであり、これら成分ガスを酸素分圧が下記式(5)に示される範囲内に入るように調整したものである。
105×Kp2≦P(O2)≦109×Kp2 ・・・(5)
At the time of firing, an atmospheric gas is introduced into the furnace and the furnace atmosphere is set to a predetermined atmosphere. In the present invention, the predetermined atmospheric gas is introduced when the temperature in the furnace exceeds 100 ° C. In this case, the gas to be introduced is, for example, an atmosphere gas containing an inert gas (such as nitrogen or Ar), hydrogen, and water vapor, and these component gases have a partial pressure of oxygen within the range represented by the following formula (5). It was adjusted to enter.
10 5 × Kp 2 ≦ P (O 2 ) ≦ 10 9 × Kp 2 (5)
前述のように、不活性ガス、水素、及び水蒸気を含有し、所定の酸素分圧となるように調整された雰囲気ガスを炉内に導入する場合、炉内の温度が100℃未満であると、水蒸気が凝縮するおそれがある。ここで、前記水蒸気の凝縮は、前記雰囲気ガスの酸素分圧を調整する上で大きな障害となることから、前記雰囲気ガスを炉内の温度が100℃を超えてから導入するようにしている。当該雰囲気ガスの導入前の炉内雰囲気は任意であり、例えば不活性ガス雰囲気としてもよいし、あるいは空気とすることも可能である。 As described above, when the atmospheric gas containing an inert gas, hydrogen, and water vapor and adjusted to have a predetermined oxygen partial pressure is introduced into the furnace, the temperature in the furnace is less than 100 ° C. There is a risk that water vapor will condense. Here, the condensation of the water vapor is a major obstacle in adjusting the oxygen partial pressure of the atmospheric gas, so the atmospheric gas is introduced after the temperature in the furnace exceeds 100 ° C. The atmosphere in the furnace before the introduction of the atmospheric gas is arbitrary, and may be, for example, an inert gas atmosphere or air.
炉内温度が100℃を超えた後、前記不活性ガス、水素、及び水蒸気を含有する雰囲気ガスを炉内に導入すると、温度上昇とともに水蒸気の解離が進み、酸素分圧が次第に上昇する。図4は、温度上昇に伴う酸素分圧の上昇の様子を示すものであり、線aはP(O2)=105×Kp2に設定した場合の酸素分圧の変化の様子、線bはP(O2)=109×Kp2に設定した場合の酸素分圧の変化の様子を示すものである。 After the furnace temperature exceeds 100 ° C., when the atmosphere gas containing the inert gas, hydrogen, and water vapor is introduced into the furnace, the dissociation of water vapor progresses as the temperature rises, and the oxygen partial pressure gradually increases. FIG. 4 shows how the oxygen partial pressure increases as the temperature rises. Line a shows the state of change in oxygen partial pressure when P (O 2 ) = 10 5 × Kp 2 , and line b Indicates the state of change in oxygen partial pressure when P (O 2 ) = 10 9 × Kp 2 is set.
一方、図4中、線cは銅の酸素解離圧を示すものであり、線dは鉛(Pb)の酸素解離圧を示すものである。銅の場合、酸素分圧が線cを下回ると金属銅の状態が維持され、酸素分圧が線cを超えると酸化されて亜酸化銅(Cu2O)になる。鉛(Pb)の場合、酸素分圧が前記線dを下回ると、金属化する。これに対し、酸素分圧が前記線dを超えると、酸化鉛(PbO)の状態が維持される。 On the other hand, in FIG. 4, the line c shows the oxygen dissociation pressure of copper, and the line d shows the oxygen dissociation pressure of lead (Pb). In the case of copper, when the oxygen partial pressure falls below the line c, the state of metallic copper is maintained, and when the oxygen partial pressure exceeds the line c, it is oxidized to cuprous oxide (Cu 2 O). In the case of lead (Pb), metallization occurs when the oxygen partial pressure falls below the line d. On the other hand, when the oxygen partial pressure exceeds the line d, the state of lead oxide (PbO) is maintained.
これら銅と鉛の酸素解離圧を示す線c,dと、本発明において導入する雰囲気ガスの酸素分圧(線a,b)を比較すると、線a,bは全ての温度域において線c,dで挟まれる領域にあるわけではないが、焼成安定期間ATにおいて設定される焼成到達温度T1(900℃〜1000℃)では、前記酸素解離圧近傍(すなわち線d,cの近傍)にある。これよりも温度が低い領域では、線a,bは線cの下である。 When the lines c and d indicating the oxygen dissociation pressure of copper and lead are compared with the oxygen partial pressure (lines a and b) of the atmospheric gas introduced in the present invention, the lines a and b are the lines c and c in all temperature ranges. Although not in the region sandwiched by d, at the firing attainment temperature T 1 (900 ° C. to 1000 ° C.) set in the firing stable period AT, it is in the vicinity of the oxygen dissociation pressure (that is, in the vicinity of the lines d and c). . In the region where the temperature is lower than this, the lines a and b are below the line c.
本発明者らが検討を重ねた結果、前記焼成の際の雰囲気制御においては、必ずしも全ての温度で金属銅と酸化鉛が共存可能な酸素分圧内(線cと線dに挟まれた領域)に収まるように雰囲気制御を行う必要はなく、前記焼成到達温度T1において雰囲気ガスの酸素分圧を金属銅と酸化鉛が共存可能な酸素分圧近傍に設定すれば、目的が達せられることがわかった。 As a result of repeated studies by the present inventors, in the atmosphere control during the firing, the oxygen partial pressure (region sandwiched between lines c and d) in which metallic copper and lead oxide can coexist at all temperatures is not necessarily required. It is not necessary to control the atmosphere so as to be within the range, and the purpose can be achieved if the oxygen partial pressure of the atmospheric gas is set near the oxygen partial pressure where metallic copper and lead oxide can coexist at the firing temperature T 1 . I understood.
前記範囲内にあれば、すなわち雰囲気ガスの酸素分圧曲線が線aと線bの間に入れば、銅等の卑金属を内部電極層に使用した場合にも、煩雑な雰囲気制御を行わなくても、内部電極層の酸化や溶出の無い品質に優れた積層圧電素子を製造することが可能となる。この場合、例えば前記焼成到達温度T1が900℃〜1000℃とすると、当該温度での酸素分圧は、概ね1×10−6Pa〜2×10−11気圧になる。 If it is within the above range, that is, if the oxygen partial pressure curve of the atmospheric gas is between the lines a and b, even if a base metal such as copper is used for the internal electrode layer, complicated atmosphere control is not performed. In addition, it is possible to manufacture a laminated piezoelectric element excellent in quality without oxidation or elution of the internal electrode layer. In this case, for example, the firing temperature reached T 1 is a 900 ° C. to 1000 ° C., oxygen partial pressure in the temperature will generally 1 × 10 -6 Pa~2 × 10 -11 atm.
好ましくは、下記式(6)に示される範囲内の酸素分圧p(O2)を有する雰囲気ガスを100℃以上の温度に到達した時点で導入することであり、より好ましくは、前記焼成到達温度T1において酸素分圧が前記金属銅と酸化鉛が共存可能な酸素分圧になるような雰囲気ガスを100℃以上の温度に到達した時点で導入することである。なお、前記好ましい範囲を図4中の線e[p(O2)=106×Kp2]、及び線f[p(O2)=108×Kp2]で示す。この場合、前記焼成到達温度T1(=900℃〜1000℃)での酸素分圧は、概ね1×10−7Pa〜2×10−10Paになる。
106×Kp2≦p(O2)≦108×Kp2 ・・・(6)
[ただし、式中Kpは水の解離平衡定数を表す。また、酸素分圧p(O2)の単位はPaである。]
Preferably, the atmospheric gas having an oxygen partial pressure p (O 2 ) within the range represented by the following formula (6) is introduced when the temperature reaches 100 ° C. or higher, and more preferably, the firing is achieved. oxygen partial pressure is to introduce at the time of reaching the metallic copper and lead oxide can coexist oxygen partial becomes pressure such an atmosphere gas of more than 100 ° C. the temperature in the temperature T 1. Incidentally, shown in the preferred range of 4
10 6 × Kp 2 ≦ p (O 2 ) ≦ 10 8 × Kp 2 (6)
[Wherein Kp represents the dissociation equilibrium constant of water. The unit of oxygen partial pressure p (O 2 ) is Pa. ]
前記雰囲気ガスの導入の後、前記図3に示す温度プロファイルにしたがって焼成を行う。このとき、雰囲気ガスの変更は一切必要なく、前記設定の雰囲気ガスに維持した状態で焼成を行う。したがって、煩雑な雰囲気制御が不要となり、生産性を向上することが可能である。また、装置構成の煩雑化や昇温時の炉内雰囲気の不均一化等を招くことがないので、均一な品質の製品の製造が可能である。 After the introduction of the atmospheric gas, firing is performed according to the temperature profile shown in FIG. At this time, it is not necessary to change the atmosphere gas at all, and the firing is performed while maintaining the set atmosphere gas. Therefore, complicated atmosphere control becomes unnecessary, and productivity can be improved. Further, since the apparatus configuration is not complicated and the furnace atmosphere is not uniform at the time of temperature rise, it is possible to manufacture a product with uniform quality.
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。 Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results.
積層型圧電素子の作製
圧電磁器組成物は、次のようにして作製した。先ず、主成分の原料として、PbO粉末、SrCO3粉末、ZnO粉末、Nb2O5粉末、TiO2粉末、ZrO2粉末を用意し、下記主成分の組成となるように秤取した。次に、これら原料をボールミルを用いて16時間湿式混合し、大気中において700℃〜900℃で2時間仮焼した。
主成分:(Pb0.965Sr0.03)[(Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.43Zr0.47]O3 Production of laminated piezoelectric element A piezoelectric ceramic composition was produced as follows. First, PbO powder, SrCO 3 powder, ZnO powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, and ZrO 2 powder were prepared as raw materials of the main component, and weighed so as to have the following main component composition. Next, these raw materials were wet-mixed for 16 hours using a ball mill, and calcined at 700 ° C. to 900 ° C. for 2 hours in the air.
Main component: (Pb 0.965 Sr 0.03 ) [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) 0.1 Ti 0.43 Zr 0.47 ] O 3
得られた仮焼物を微粉砕した後、ボールミルを用いて16時間湿式粉砕した。これを乾燥した後、ビヒクルを加え、混練して圧電層用ペーストを作製した。それとともに、導電材料であるCu粉末をビヒクルと混練し、内部電極用ペーストを作製した。続いて、前記圧電層用ペースト及び内部電極用ペーストを用いて、印刷法により積層体の前駆体であるグリーンチップを作製した。さらに、脱バインダ処理を行い、還元焼成条件で焼成し、積層体を得た。還元焼成条件としては、焼成到達温度T1(=950℃)での酸素分圧が金属銅と酸化鉛が共存可能な酸素分圧近傍にあるように導入する雰囲気ガスを設定し、当該雰囲気ガスを100℃に到達した時点で炉内に投入し、1時間安定させてから昇温を開始した。 The obtained calcined product was finely pulverized and then wet pulverized for 16 hours using a ball mill. After drying, a vehicle was added and kneaded to prepare a piezoelectric layer paste. At the same time, Cu powder as a conductive material was kneaded with a vehicle to produce an internal electrode paste. Subsequently, using the piezoelectric layer paste and the internal electrode paste, a green chip, which is a precursor of the laminate, was produced by a printing method. Furthermore, binder removal processing was performed, and firing was performed under reducing firing conditions to obtain a laminate. As reducing firing conditions, an atmosphere gas to be introduced is set so that the oxygen partial pressure at the firing temperature T 1 (= 950 ° C.) is in the vicinity of the oxygen partial pressure at which metallic copper and lead oxide can coexist. When the temperature reached 100 ° C., it was put into the furnace and stabilized for 1 hour, and then the temperature was raised.
EPMAによる解析
作製した積層型圧電素子の圧電体層について、EPMA解析を行った。図5は、このEPMAによる解析結果を示すものである。EPMA解析では、Cuの偏析はほとんど見られず、Cuの粒状の偏析は900μm×900μmの視野内に2〜3個程度であった。
Analysis by EPMA EPMA analysis was performed on the piezoelectric layer of the laminated piezoelectric element produced. FIG. 5 shows the analysis result by this EPMA. In the EPMA analysis, almost no segregation of Cu was observed, and there were about 2 to 3 granular segregations of Cu in the field of view of 900 μm × 900 μm.
FE−TEMによる解析
次に、EPMA解析でCuの偏析が見られなかった領域について、FE−TEMによる解析を行った。図6は、圧電体層のTEM写真である。圧電体層は、結晶粒の集合体として形成されており、写真中の点Dで示す三重点を中心に、3方向に延びる粒界が観察される。図6中の点D(三重点),E(粒界),F(粒界),G(粒界),H(粒内)について、TEM−EDSにより組成分析を行った。結果を図7に示す。点D(三重点)や点E(粒界),点F(粒界),点G(粒界)においては、Cuの存在が確認された。一方、点H(粒内)では、Cuのピークは確認されなかった。
Analysis by FE-TEM Next, a region in which Cu segregation was not observed in the EPMA analysis was analyzed by FE-TEM. FIG. 6 is a TEM photograph of the piezoelectric layer. The piezoelectric layer is formed as an aggregate of crystal grains, and a grain boundary extending in three directions is observed around a triple point indicated by a point D in the photograph. Composition analysis was performed by TEM-EDS for points D (triple point), E (grain boundary), F (grain boundary), G (grain boundary), and H (inside grain) in FIG. The results are shown in FIG. The presence of Cu was confirmed at point D (triple point), point E (grain boundary), point F (grain boundary), and point G (grain boundary). On the other hand, no Cu peak was observed at point H (intragranular).
粒界近傍におけるCuの分布
さらに粒界近傍を拡大して、FE−TEMによりCuの分布を調べた。図8は、拡大したTEM写真である。粒界近傍についてTEM−EDSにより組成分析を行った結果が図9である。図9において、(a)は粒内(粒界から10nm)での組成分析結果、(b)は粒内(粒界から5nm)での組成分析結果、(c)は粒界での組成分析結果である。粒界においては、明瞭にCuのピークが観察され、粒界から5nmの位置でもCuのピークが観察されるが、粒界から10nmの位置ではCuのピークはほとんど見られない。
Distribution of Cu in the vicinity of the grain boundary Furthermore, the vicinity of the grain boundary was enlarged, and the distribution of Cu was examined by FE-TEM. FIG. 8 is an enlarged TEM photograph. FIG. 9 shows the result of the composition analysis performed by TEM-EDS in the vicinity of the grain boundary. In FIG. 9, (a) is a composition analysis result in the grain (10 nm from the grain boundary), (b) is a composition analysis result in the grain (5 nm from the grain boundary), and (c) is a composition analysis in the grain boundary. It is a result. A Cu peak is clearly observed at the grain boundary, and a Cu peak is observed even at a position of 5 nm from the grain boundary, but a Cu peak is hardly seen at a position of 10 nm from the grain boundary.
比較例
比較のため、CuOを添加して圧電磁器組成物を作製した。図10は、得られた圧電磁器組成物のTEM写真である。組成分析の結果、点C(粒界)や点E(三重点)ではCuの存在は認められなかった。一方、点Fが存在する結晶粒は、PbO3.7質量%、ZrO0.8質量%、Ta2O51.9質量%、CuO93.6質量%であり、その大部分がCuOにより構成されていることがわかった。したがって、CuOを添加して作製した圧電磁器組成物では、CuOが粒状に偏析することがわかった。
For comparison of comparative examples, a piezoelectric ceramic composition was prepared by adding CuO. FIG. 10 is a TEM photograph of the obtained piezoelectric ceramic composition. As a result of the compositional analysis, the presence of Cu was not observed at point C (grain boundary) or point E (triple point). On the other hand, the crystal grains where the point F exists are PbO 3.7% by mass, ZrO 0.8% by mass, Ta 2 O 5 1.9% by mass, and CuO 93.6% by mass, most of which is composed of CuO. I found out. Therefore, it was found that CuO segregates in a granular form in the piezoelectric ceramic composition prepared by adding CuO.
特性の比較
先に作製した積層型圧電素子(粒界にCuの偏在有り)と、条件を変えて圧電体層にCuを拡散させない積層型圧電素子(粒界にCuの偏在無し)について、加速電圧負荷特性(HALT)を測定した。その結果、粒界にCuの偏在の無い積層型圧電素子(比較例に相当)では、前記加速電圧負荷特性が0秒であったのに対して、粒界にCuの偏在が有る積層型圧電素子(実施例に相当)では、加速電圧負荷特性が2.0×104秒と大幅な改善が見られた。
Accelerates the laminated piezoelectric element (with Cu unevenly distributed at the grain boundary) fabricated for comparison of characteristics and the laminated piezoelectric element (without Cu unevenly distributed at the grain boundary) that does not diffuse Cu into the piezoelectric layer under different conditions. The voltage load characteristic (HALT) was measured. As a result, in the multilayer piezoelectric element having no Cu uneven distribution at the grain boundary (corresponding to the comparative example), the acceleration voltage load characteristic was 0 seconds, whereas the multilayer piezoelectric element having the Cu uneven distribution at the grain boundary. In the element (corresponding to the example), the acceleration voltage load characteristic was significantly improved to 2.0 × 10 4 seconds.
1 圧電素子、2 圧電体層、3 内部電極、4 積層体、5,6 端子電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記圧電体層は、Cuが粒界に粒状に偏析することなく、粒界から5nmの範囲内のみに偏在した構造を有することを特徴とする圧電素子。 A plurality of piezoelectric layers including a composite oxide having Pb, Ti, and Zr as constituent elements, and an internal electrode layer formed between these piezoelectric layers and containing Cu,
The piezoelectric layer has a structure in which Cu is segregated only within a range of 5 nm from the grain boundary without segregating Cu into the grain boundary .
還元焼成条件で焼成することにより、圧電体層をCuが粒界に粒状に偏析することなく、粒界から5nmの範囲内のみに偏在した構造とすることを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric element comprising: a plurality of piezoelectric layers including a composite oxide having Pb, Ti, and Zr as constituent elements; and an internal electrode layer formed between these piezoelectric layers and containing Cu,
A method for manufacturing a piezoelectric element, characterized in that, by firing under reducing firing conditions, the piezoelectric layer has a structure in which Cu is segregated only within a range of 5 nm from the grain boundary without segregating in a granular manner at the grain boundary .
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