JP5023515B2 - A method for manufacturing a piezoelectric element. - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体層と前記圧電体層の変位を伝えるための変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and a displacement transmission layer for transmitting displacement of the piezoelectric layer.
例えば、圧電ブザー、発音体、圧電センサ、圧電アクチュエータなどの圧電部品として、圧電体層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電応用製品が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような積層型圧電応用製品は、小型であり、しかも、小さな電圧で大きな機械的、物理的変位が得られるという利点がある。これらの利点は工業的要求に適応するものであるため、近年、その開発が急速に進展しつつある。 For example, as a piezoelectric component such as a piezoelectric buzzer, a sounding body, a piezoelectric sensor, and a piezoelectric actuator, a laminated piezoelectric application product in which piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked is known (for example, see Patent Document 1). . Such a laminated piezoelectric application product is small in size, and has an advantage that a large mechanical and physical displacement can be obtained with a small voltage. Since these advantages are adapted to industrial demands, their development has been progressing rapidly in recent years.
最も一般的な圧電アクチュエータとしては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分としたセラミック粉体をシート化し、得られたシートにAg及びPdで構成されるペーストを印刷し、その後ペーストが印刷されたシートとペーストが印刷されていないシートとを交互に積層してグリーン積層体を作製し、このグリーン積層体の焼成後に端子電極を施すというような構成のものである。
圧電アクチュエータの利用方法としては、圧電アクチュエータに印加する電圧のON、OFFにより発生する微小変位を対象物に伝えることで、その対象物を動作させるというのが一般的である。対象物が固体である場合は、アクチュエータの先端に対象物を取付け、変位を伝達させるだけで良い。しかし、対象物が液体であり、更に圧電アクチュエータの変位伝達面に液体が直接触れる場合には、液体が変位伝達面から圧電アクチュエータ内に含浸し、絶縁不良等といった圧電アクチュエータの特性劣化を引き起こすことがある。 As a method of using a piezoelectric actuator, it is common to operate a target by transmitting a minute displacement generated by ON / OFF of a voltage applied to the piezoelectric actuator to the target. When the object is solid, it is only necessary to attach the object to the tip of the actuator and transmit the displacement. However, if the object is a liquid and the liquid directly touches the displacement transmission surface of the piezoelectric actuator, the liquid will impregnate the piezoelectric actuator from the displacement transmission surface, causing deterioration of the piezoelectric actuator characteristics such as poor insulation. There is.
そこで、本発明の目的は、圧電体層の変位を液体に伝達する場合の特性劣化を抑止することができる圧電素子の製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element capable of suppressing deterioration of characteristics when a displacement of a piezoelectric layer is transmitted to a liquid.
本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、液体が圧電素子内に含浸し素子の特性劣化を引き起こす原因の一つとして、液体が静電気等によって帯電されることで、素子内部の電極の方向へ液体が引き寄せられる、いわゆる電気浸透現象があることを見出した。このことを防止するためには、例えば、圧電素子の変位伝達面と液体との間に薄板など何らか隔壁を設ける必要がある。しかし、そのような隔壁を設けた場合は、圧電素子の破壊は防止できるが、隔壁を設けた分だけ変位伝達のロスが生じ、液体へ伝達できる変位量が少なくなるという問題があった。また、隔壁による伝達変位の減少分を補うためには、圧電素子をその分大きくしたり、あるいは積層する層数を増やしたりする必要があるため、素子の小型化が困難になり、製造コストが高くなるなど、更なる問題がある。 As a result of extensive studies, the inventors have impregnated the liquid into the piezoelectric element and cause deterioration of the characteristics of the element. It has been found that there is a so-called electro-osmotic phenomenon in which liquid is attracted. In order to prevent this, for example, it is necessary to provide some partition wall such as a thin plate between the displacement transmission surface of the piezoelectric element and the liquid. However, when such a partition wall is provided, the piezoelectric element can be prevented from being destroyed, but there is a problem that a displacement transmission loss is generated by the amount of the partition wall, and the amount of displacement that can be transmitted to the liquid is reduced. Moreover, in order to compensate for the decrease in transmission displacement due to the partition walls, it is necessary to increase the size of the piezoelectric element or increase the number of layers to be stacked. There are further problems, such as higher prices.
本発明者等は、液体の電気浸透現象を解析した結果、液体は変位伝達層の粒子間の隙間から圧電素子内部へ浸透(侵入)することが分かった。そこで、本発明者等は、更なる検討を行ったところ、酸化シリコンを変位伝達層内に拡散させて、この酸化シリコンが変位伝達層の粒子間の隙間を埋めれば、電気浸透現象を防止できることを見出した。本発明は、そのような新たな知見に基づいて為されたものである。 As a result of analyzing the electroosmosis phenomenon of the liquid, the present inventors have found that the liquid penetrates (enters) into the piezoelectric element through the gaps between the particles of the displacement transmission layer. Therefore, the present inventors have conducted further studies. As a result, if the silicon oxide is diffused into the displacement transmission layer and the silicon oxide fills the gaps between the particles of the displacement transmission layer, the electroosmosis phenomenon can be prevented. I found. The present invention has been made based on such new findings.
即ち、本発明は、圧電体層と、圧電体層の変位を伝える変位伝達層とを有する圧電素子の製造方法であって、圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、圧電体用セラミックグリーンシートと変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、グリーン積層体形成工程が、変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有することを特徴とするものである。 That is, the present invention is a method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and a displacement transmission layer for transmitting the displacement of the piezoelectric layer, the piezoelectric ceramic green sheet as a precursor of the piezoelectric layer, a displacement A green sheet preparing step for preparing a displacement transmitting ceramic green sheet as a precursor of the transmission layer, and a green laminate forming a green laminate in which the piezoelectric ceramic green sheet and the displacement transmitting ceramic green sheet are laminated And forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the displacement-transmitting ceramic green sheet.
このように、本発明の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体には、酸化シリコン層、圧電体層及び変位伝達層が含まれる。この場合、例えば焼成工程にて、酸化シリコン層を形成していた酸化シリコンが変位伝達層に拡散していく。そして、変位伝達層に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層の変位を変位伝達層を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。 Thus, the green laminate formed by the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention includes a silicon oxide layer, a piezoelectric layer, and a displacement transmission layer. In this case, for example, in the baking process, the silicon oxide forming the silicon oxide layer diffuses into the displacement transmission layer. The silicon oxide soaked in the displacement transmission layer fills the gaps between the particles of the displacement transmission layer. As a result, when the displacement of the piezoelectric layer is transmitted to the liquid object via the displacement transmission layer, the electroosmosis phenomenon of the liquid in contact with the displacement transmission layer is prevented, so that the deterioration of characteristics such as poor insulation of the piezoelectric element is caused. Can be deterred.
このとき、グリーン積層体形成工程では、酸化シリコン層を形成する工程により酸化シリコン層が形成された変位伝達用セラミックグリーンシートを、酸化シリコン層が圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、グリーン積層体を形成してもよい。この場合に、グリーン積層体形成工程では、圧電体用セラミックグリーンシートと酸化シリコン層との間に変位伝達用セラミックグリーンシートを更に積層してグリーン積層体を形成することが好ましい。 At this time, in the green laminate forming step, the displacement transmitting ceramic green sheet on which the silicon oxide layer is formed by the silicon oxide layer forming step is laminated so that the silicon oxide layer is on the ceramic green sheet side for the piezoelectric body. Thus, a green laminate may be formed. In this case, in the green laminate forming step, it is preferable to further laminate a displacement transmitting ceramic green sheet between the piezoelectric ceramic green sheet and the silicon oxide layer to form a green laminate.
また、グリーン積層体形成工程では、酸化シリコン層を形成する工程により酸化シリコン層が形成された変位伝達用セラミックグリーンシートを、変位伝達用セラミックグリーンシートが圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、グリーン積層体を形成してもよい。 Also, in the green laminate forming step, the displacement transmitting ceramic green sheet on which the silicon oxide layer is formed by the silicon oxide layer forming step is arranged so that the displacement transmitting ceramic green sheet is on the piezoelectric ceramic green sheet side. A green laminate may be formed by laminating.
また、グリーン積層体形成工程では、圧電体用セラミックグリーンシートと変位伝達用セラミックグリーンシートとを積層した後に、酸化シリコン層を形成する工程により変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコン層を形成することによりグリーン積層体を形成してもよい。 In the green laminate forming step, after the ceramic green sheet for piezoelectric body and the ceramic green sheet for displacement transmission are laminated, the silicon oxide layer is formed on the ceramic green sheet for displacement transmission by the step of forming the silicon oxide layer. Thus, a green laminate may be formed.
これらの場合には、酸化シリコンが変位伝達層に拡散していくため、変位伝達層には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層の酸化シリコン層側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。一方、変位伝達層の酸化シリコン層側に対する反対側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、圧電素子の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。 In these cases, since silicon oxide diffuses into the displacement transmission layer, a gradient of silicon oxide concentration is formed in the displacement transmission layer. For this reason, the silicon oxide layer side of the displacement transmission layer has a high concentration of silicon oxide, so that the electroosmosis phenomenon is reliably prevented. On the other hand, the silicon oxide layer has a low concentration on the side opposite to the silicon oxide layer side of the displacement transmission layer, and hardly affects the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element. That is, the electroosmotic phenomenon can be reliably prevented without affecting the original piezoelectric characteristics of the piezoelectric element.
本発明によれば、圧電体層の変位を液体に伝達する場合に、帯電した液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。このことにより、圧電素子の変位伝達層と液体との間に素子とは別体の隔壁等を設ける必要が無くなるため、素子の小型化及び製造コストの低減化を図ることが可能となる。 According to the present invention, when the displacement of the piezoelectric layer is transmitted to the liquid, the electroosmosis phenomenon of the charged liquid is prevented, so that it is possible to suppress deterioration of characteristics such as insulation failure of the piezoelectric element. As a result, there is no need to provide a partition wall or the like separate from the element between the displacement transmission layer of the piezoelectric element and the liquid, so that the element can be miniaturized and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明に係る圧電素子の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a method for producing a piezoelectric element according to the invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態の圧電素子2の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図1は、第1実施形態に係わる製造方法による圧電素子2を備えた圧電アクチュエータ1を示す斜視図である。また、図2は、図1に示す圧電アクチュエータ1の一部側断面図である。各図に示す圧電アクチュエータ1は、例えばマイクロポンプユニットに用いられる液体制御用の圧電装置である。
[First Embodiment]
Hereinafter, the manufacturing method of the
図1及び図2に示すように、圧電アクチュエータ1は、積層型の圧電素子2と、この圧電素子2の底面に接合された液体流通部3とを備えている。圧電素子2は直方体状のグリーン積層体4を有し、グリーン積層体4は、活性領域層5と、この活性領域層5の液体流通部3側に配置された変位伝達層6とからなっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
活性領域層5は、圧電体層7と、この圧電体層7を挟んで対向するように配置され、圧電体層7を伸縮(変位)動作させるための複数の内部個別電極8及び内部コモン電極9とを複数層にわたって有している。各内部個別電極層8及び内部コモン電極9は、圧電体層7を介して交互に積層されている。圧電体層7において、各内部個別電極8と内部コモン電極9とに挟まれた複数の部位は、各内部個別電極8と内部コモン電極9との間に電圧が印加された時に実際に伸縮する圧電活性部7aを構成している。
The
グリーン積層体4の上面には、各層の複数の内部個別電極8とそれぞれ電気的に接続された複数の個別端子電極10と、各層の内部コモン電極9と電気的に接続されたコモン端子電極11とが設けられている。
On the upper surface of the
圧電体層7は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。内部個別電極8及び内部コモン電極9は、例えばAg―Pd合金で形成され、個別端子電極10及びコモン端子電極11は、例えばAg、Au、Cuのいずれかで形成されている。圧電体層7の厚みは、後述する焼成後の時点において、例えば30μm程度である。内部個別電極8及び内部コモン電極9の厚みは、例えば0.2〜5.0μm程度である。
The
このような活性領域層5に対して下側に積層された変位伝達層6は、液体流通部3内を流通する液体に圧電体層7の圧電活性部7aの変位を伝える層である。変位伝達層6は圧電体層7と同等な材料で形成することが好ましい。このことにより、後述するように、変位伝達層6を圧電体層7と同じ工程で作ることができるため、グリーン積層体4の製作が容易に行える。変位伝達層6は二つの層(二つの変位伝達層60)により構成されており、二層のそれぞれの厚みは、後述する焼成後の時点において、例えば15μm程度である。
The
変位伝達層6には酸化シリコン(例えば、SiO2)が染み込まれている。この酸化シリコンは、後述する圧電アクチュエータ1を製造する手順(圧電素子の製造方法)によって、変位伝達層6を構成する二層の間に塗布されていた酸化シリコンペースト(酸化シリコン層)から変位伝達層6に拡散されてきたものである。図2は、変位伝達層6内の酸化シリコンの濃度を変位伝達層6を表す部分における点の数でイメージしている。図2に示すように、緻密な数の点で表されている変位伝達層6の中央内部は酸化シリコンの濃度が高く、上記中央内部に対して反対側、つまり活性領域層5側及び液体流通部3側といった変位伝達層6の両縁側は酸化シリコンの濃度が低い。すなわち、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成されている。
The
圧電素子2は、具体的には、図3に示すように、複数種類(ここでは6種類)のシート状の層を積層した構造を有している。なお、図3は、圧電素子2の分解斜視図である。以下、圧電素子2を構成する各層について、図4〜図9を更に参照しながら詳細に説明する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the
まず、電極付きセラミック層13は、図4に示すように、圧電体層7の上面に、上記の内部個別電極8に相当する複数の個別電極パターン18とコモン電極中継パターン19とを有している。複数の個別電極パターン18は、長方形状の圧電体層7の上面に2次元的に配列されている。コモン電極中継パターン19は、圧電体層7の上面の一端部に形成されている。また、電極付きセラミック層13には、各個別電極パターン18と電気的に接続された複数のスルーホール20と、コモン電極中継パターン19と電気的に接続されたスルーホール21とが設けられている。スルーホール20,21内には、例えばAg―Pd合金からなる導電材料が充填されている。
First, as shown in FIG. 4, the electrode-attached
電極付きセラミック層14は、図5に示すように、上記の電極付きセラミック層13と同様に、圧電体層7の上面に、複数の個別電極パターン18とコモン電極中継パターン19とを有している。電極付きセラミック層14には、電極付きセラミック層13と同様のスルーホール21が設けられているが、スルーホール20は設けられていない。
As shown in FIG. 5, the electrode-attached
電極付きセラミック層15は、図6に示すように、圧電体層7の上面に、上記の内部コモン電極9に相当するコモン電極パターン22と複数の個別電極中継パターン23とを有している。コモン電極パターン22は、各個別電極パターン18に対応する位置に形成された複数の電極パターン部22aと、コモン電極中継パターン19に対応する位置に形成された電極パターン部22bとを含んでいる。個別電極中継パターン23は、個別電極パターン18に対応する位置において電極パターン部22aと隣接するように形成されている。また、電極付きセラミック層15には、各個別電極中継パターン23と電気的に接続された複数のスルーホール24と、コモン電極パターン22と電気的に接続されたスルーホール25とが設けられている。スルーホール24,25内には、例えばAg―Pd合金からなる導電材料が充填されている。
As shown in FIG. 6, the electrode-attached
電極付きセラミック層16は、図7に示すように、変位伝達層60の上面に、内部コモン電極9に相当するコモン電極パターン26を有している。電極付きセラミック層16には、個別電極中継パターン及びスルーホールが設けられていない。なお、コモン電極パターン26は、電極付きセラミック層16の上面全面にベタ状に形成しても良い。
As shown in FIG. 7, the electrode-attached
酸化シリコン拡散セラミック層161は、図8に示すように、変位伝達層60の上面に酸化シリコンが拡散されてなる。なお、図8及び図3においては、酸化シリコンが変位伝達層60に拡散していった様子を変位伝達層60の表面上の点で表す。この酸化シリコンは、後述する焼成工程の前に変位伝達層60の前駆体である変位伝達用セラミックグリーンシートの上面全面に塗布されていた酸化シリコンペーストから、焼成工程の際に変位伝達層60に拡散されたものである。
As shown in FIG. 8, the silicon oxide
電極付きセラミック層17は、図9に示すように、圧電体層7の上面に、上記の複数の個別端子電極10とコモン端子電極11とを有している。個別端子電極10は、上記の電極付きセラミック層15の個別電極中継パターン23に対応する位置に形成されている。コモン端子電極11は、上記の電極付きセラミック層13のコモン電極中継パターン19に対応する位置に形成されている。また、電極付きセラミック層17には、各個別端子電極10と電気的に接続された複数のスルーホール27と、コモン端子電極11と電気的に接続されたスルーホール28とが設けられている。スルーホール27,28内には、例えばAg―Pd合金からなる導電材料が充填されている。
As shown in FIG. 9, the electrode-attached
図3に戻り、圧電素子2は、上から順に、電極付きセラミック層17、電極付きセラミック層15、電極付きセラミック層13、…、電極付きセラミック層15、電極付きセラミック層14(以上、圧電体層7を積層してなる活性領域層5)、電極付きセラミック層16及び酸化シリコン拡散セラミック層161(以上、変位伝達層6)を重ねた構造をなしている。そして、個別端子電極10は、電極付きセラミック層17のスルーホール27、電極付きセラミック層15の個別電極中継パターン23及びスルーホール24、電極付きセラミック層13の個別電極パターン18及びスルーホール20を介して、下から3層目の電極付きセラミック層14の個別電極パターン18と電気的に接続されている。また、コモン端子電極パターン11は、電極付きセラミック層17のスルーホール28、電極付きセラミック層15のコモン電極パターン22及びスルーホール25、電極付きセラミック層13のコモン電極中継パターン19及びスルーホール21、電極付きセラミック層14のコモン電極中継パターン19及びスルーホール21を介して、電極付きセラミック層16のコモン電極パターン26と電気的に接続されている。
Returning to FIG. 3, the
図1及び図2に戻り、各個別端子電極10及びコモン端子電極11には、電圧印加用のリード線29が半田等により接合されている。このリード線29は、例えばフレキシブルプリント配線板(FPC)で構成されている。
Returning to FIG. 1 and FIG. 2, a voltage
このような圧電素子2の変位伝達面12側に位置する液体流通部3は、圧電体層7の変位が伝達される液体を収容するための複数の液室30を有している。各液室30は、各内部個別電極10に対応する位置に形成されている。液体流通部3の一端側には、各液室30に液体を導入するための液体流入口31が設けられている。また、液体流通部3の底部には、圧電体層7の変位が液体に伝わった時に液室30から液体を流出させる複数の液体流出口32が設けられている。液体流通部3は、ニッケル合金鋼やクロム合金鋼等の金属系材料、樹脂、セラミック等で形成されている。また、液室30に導入される液体は、例えば純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものである。
The
引き続いて、上述した圧電アクチュエータ1を製造する手順(圧電素子の製造方法)について図10を参照しながら説明する。図10は、圧電アクチュエータ1を製造する手順を説明するためのフローチャートである。
Subsequently, a procedure for manufacturing the above-described piezoelectric actuator 1 (piezoelectric element manufacturing method) will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart for explaining a procedure for manufacturing the
まず、例えばPZTを主成分とした圧電セラミック粉体を用意し、これに有機バインダ・有機溶剤等を混合した圧電セラミックペーストを作製する(ステップS1)。 First, for example, a piezoelectric ceramic powder containing PZT as a main component is prepared, and a piezoelectric ceramic paste in which an organic binder, an organic solvent, and the like are mixed is prepared (step S1).
次に、PETフィルムをキャリアフィルムとして上記圧電セラミックペーストをシート成形することで、圧電体層7となるセラミックグリーンシート及び変位伝達層60となるセラミックグリーンシートを形成する。このとき、上記圧電体用グリーンシートの厚みは、後述するステップS9の焼成後の時点における圧電体層7の厚みが例えば30μm程度になるように形成される。一方、上記変位伝達用グリーンシートの厚みは、後述するステップS9の焼成工程後の時点における変位伝達層60の厚みが例えば15μm程度になるように形成される(ステップS2、グリーンシート用意工程)。
Next, the piezoelectric ceramic paste is formed into a sheet using the PET film as a carrier film, thereby forming a ceramic green sheet to be the
次に、例えばYAGの3次高調波レーザ光をグリーンシートの所定位置に対して照射して穴開けを行うことで、グリーンシートにスルーホールを形成する。このとき、スルーホールを、後述するステップS9の焼成工程後に穴径が例えば40μmとなるように加工する。そして、例えばAg:Pd=7:3の比率で構成された導電材料と有機バインダ・有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、例えばスクリーン印刷法によりスルーホール内に導電ペーストを充填する(ステップS3)。 Next, through holes are formed in the green sheet by, for example, irradiating a predetermined position of the green sheet with a third harmonic laser beam of YAG to make a hole. At this time, the through hole is processed so that the hole diameter becomes, for example, 40 μm after the firing step of Step S9 described later. Then, for example, a conductive paste in which a conductive material configured in a ratio of Ag: Pd = 7: 3 and an organic binder / organic solvent is mixed is prepared, and the conductive paste is filled into the through hole by, for example, screen printing ( Step S3).
次に、例えば上記スルーホール内に充填された導電ペーストと同様の導電ペーストを用いて、例えばスクリーン印刷法により圧電体用グリーンシートの一面に内部電極パターンを形成する。(ステップS4)。 Next, for example, using the same conductive paste as the conductive paste filled in the through holes, an internal electrode pattern is formed on one surface of the piezoelectric green sheet by, for example, screen printing. (Step S4).
次に、例えば上記スルーホール内に充填された導電ペーストと同様の導電ペーストを用いて、例えばスクリーン印刷法により変位伝達用グリーンシートの一面に内部電極パターンを形成する。(ステップS5)。 Next, for example, by using a conductive paste similar to the conductive paste filled in the through hole, an internal electrode pattern is formed on one surface of the displacement transmitting green sheet by, for example, a screen printing method. (Step S5).
次に、酸化シリコンペーストを用意し、変位伝達用グリーンシートに塗布する。このとき、酸化シリコンペーストを、例えばスクリーン印刷法により変位伝達用グリーンシートの一面全面に約2μmの厚みで塗布する。酸化シリコンペーストは、例えばSiO2を有機バインダ・有機溶剤等に30重量%で混合して作製される(ステップS6)。 Next, a silicon oxide paste is prepared and applied to a displacement transmitting green sheet. At this time, the silicon oxide paste is applied to the entire surface of the displacement transmitting green sheet with a thickness of about 2 μm, for example, by screen printing. The silicon oxide paste is produced, for example, by mixing SiO 2 in an organic binder / organic solvent at 30% by weight (step S6).
次に、内部電極パターンが印刷されたグリーンシート、及び酸化シリコンペーストが塗布されたグリーンシートを所定の枚数だけ所定の順序(図3参照)で積層し、グリーン積層体4を形成する。このとき、図3に示すように、後に酸化シリコン拡散セラミック層161となるセラミックグリーンシートにおいて、酸化シリコンペーストが塗布された一面が後に電極付きセラミック層16となるセラミックグリーンシートに接するように積層し、グリーン積層体4を形成する(ステップS7、グリーン積層体形成工程)。
Next, a predetermined number (see FIG. 3) of green sheets on which internal electrode patterns are printed and green sheets coated with silicon oxide paste are stacked in a predetermined order (see FIG. 3) to form a
次に、ステップS7にて形成したグリーン積層体4に対し、例えば60℃程度の熱を加えながら100MPa程度の圧力でプレス加工を行い、各層のグリーンシートを圧着させる(ステップS8)。
Next, the
次に、グリーン積層体4を所定の寸法に切断する。そして、グリーン積層体4をセッターに載せ、グリーン積層体4の脱脂(脱バインダ)を例えば400℃前後の温度で10時間程度行う。その後、グリーン積層体4が載置されたセッターを密閉匣鉢内に入れ、グリーン積層体4の焼成を例えば1100℃程度の温度で2時間程度行い、焼結体として図1〜3に示すグリーン積層体4を得る(ステップS9)。
Next, the green
次に、焼成後のグリーン積層体4の上面に、例えばAgからなる個別端子電極10及びコモン端子電極11を形成する。端子電極10,11の形成手法としては、焼付、スパッタリング、無電解メッキ法などが用いられる(ステップS10)。
Next, the individual
次に、はんだ等により各端子電極10,11にリード線29を接続する。そして、例えば温度120℃の環境下で、圧電体層7の厚みに対する電界強度が3kV/mmとなるように所定の電圧を例えば3分間印加することにより、分極処理を行う。これにより、圧電素子2が完成する(ステップS11)。
Next, the
その後、別に作製した液体流通部3を接着剤により圧電素子2の底面(変位伝達面)12に貼り付けることにより、圧電アクチュエータ1が得られる(ステップS12)。
Then, the
このような手順によって得られた圧電アクチュエータ1は、以下のように動作する。すなわち、液体流通部3の各液室30には予め液体が入っており、液体が圧電素子2の底面12に接触している。その状態で、コモン端子電極11がGND電位となるように何れかの個別端子電極10とコモン端子電極11との間にリード線29を介して所定の電圧を印加すると、選択された個別端子電極10に対応する内部個別電極8と内部コモン電極9との間に電圧が印加されることとなる。これにより、各層の圧電体層7における当該内部個別電極8と内部コモン電極9との間の部位(圧電活性部7a)に電界が生じ、この圧電活性部7aがグリーン積層体4の積層方向に変位するようになる。そして、その圧電活性部7aの変位が、変位伝達層6を介して対応する液室30内の液体に伝えられる。これにより、当該液室30の容積が減少し、その容積減少分に相当する量の液体が液体流出口32から吐出される。
The
続いて、第1実施形態の作用及び効果について説明する。第1実施形態の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体4には、酸化シリコンペースト(酸化シリコン層)、圧電体層7及び変位伝達層6が含まれる。この場合、ステップS9の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していく。そして、変位伝達層6に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層6の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層7の変位を変位伝達層6を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層6と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子2の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子2の信頼性を向上させることが可能となる。
Then, the effect | action and effect of 1st Embodiment are demonstrated. The
また、酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していくため、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、活性領域層5側と液体流通部3側を両端とする変位伝達層6の中央内部は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、活性領域層5側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子2の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第1実施形態の圧電素子2の製造方法によれば、圧電素子2の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。
Further, since silicon oxide diffuses into the
したがって、圧電素子2の絶縁不良等を避けるために、圧電素子2と液体流通部3との間に隔壁を設ける必要が無くなる。このため、液体に対する圧電体層7の変位伝達が隔壁によって阻害されることは無いため、隔壁による伝達変位量のロス分を補うべくグリーン積層体4の層数を必要以上に増大させなくて済む。これにより、圧電素子2ひいては圧電アクチュエータ1の小型化が図れると共に、これらの製造コストの上昇を抑えることができる。
Therefore, it is not necessary to provide a partition wall between the
上記説明した第1実施形態の効果を検証するため、以下のように実験を行った。まず、酸化シリコン層を変位伝達層6中に含む素子のサンプルとして、第1実施形態の製造方法により作製した圧電素子2を10個用意する。更に、酸化シリコン層を変位伝達層6中に含まない素子のサンプルとして、図3に示した酸化シリコン拡散セラミック層161の代わりに、電極付きセラミック層16の厚みを2倍にして作製した圧電素子2´を10個用意する。そして、各圧電素子にリード線29を取り付けて、端子電極に電圧を印加できる状態にした。続いて、各圧電アクチュエータの液体流通部内に液体を充填し封印した。液体としては、純水を主成分とし、グリセリンとノンイオン系の界面活性剤を混合したものを用いた。続いて、圧電体層の厚み当たり1kV/mmのDC電圧を全ての個別端子電極に同時に印加した。そして、各圧電アクチュエータに対して定期的に静電気を印加し、液体を帯電した。
In order to verify the effect of the first embodiment described above, an experiment was performed as follows. First, as a sample of an element including a silicon oxide layer in the
こうして各圧電アクチュエータを500時間連続的に駆動し、各圧電アクチュエータの駆動前と駆動後の状態を確認した。具体的には、各圧電アクチュエータの駆動開始から500時間経過後に、液体流通部から液体を排出し、各圧電素子の絶縁抵抗を調べた。 Thus, each piezoelectric actuator was continuously driven for 500 hours, and the state before and after driving each piezoelectric actuator was confirmed. Specifically, after 500 hours from the start of driving of each piezoelectric actuator, the liquid was discharged from the liquid circulation portion, and the insulation resistance of each piezoelectric element was examined.
上記比較実験の結果、酸化シリコン層を変位伝達層6中に含む素子に対する実験では、実験前後に絶縁抵抗値の変化は見られないことが確認できた。一方、酸化シリコン層を変位伝達層6中に含まない素子に対する実験では、全ての素子に絶縁抵抗値の劣化が認められた。更に、酸化シリコン層を変位伝達層6中に含まない素子に対する実験において、絶縁抵抗値が初期値(1×1010)に比べて4桁以上劣化した値(1×108〜1×106)となる場合もあった。
As a result of the above comparative experiment, it was confirmed that the change in the insulation resistance value was not observed before and after the experiment in the element including the silicon oxide layer in the
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態の圧電素子2の製造方法について図11及び図12を参照しながら説明する。なお、以下においては、説明を簡略にするために、第1実施形態と異なる部分についてのみ記載する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a method of manufacturing the
図11は、第2実施形態の製造方法によって作製された圧電素子2の分解斜視図である。第2実施形態の製造方法におけるステップS7のグリーン積層体形成工程においては、図11に示すように、後に酸化シリコン拡散セラミック層161となるセラミックグリーンシートにおいて、酸化シリコンペーストが塗布されていない一面が後に電極付きセラミック層16となるセラミックグリーンシートに接するように積層し、グリーン積層体4を形成する。なお、後に酸化シリコン拡散セラミック層161となるセラミックグリーンシートの他の一面(後に電極付きセラミック層16となるセラミックグリーンシート側に対して反対側の一面)には、酸化シリコンペーストが塗布されている(酸化シリコン層が形成されている)。
FIG. 11 is an exploded perspective view of the
図12は、上記の製造方法によって作製された圧電アクチュエータ1の一部側断面図である。図12に示すように、変位伝達層6には酸化シリコンが染み込まれている。この酸化シリコンは、後に酸化シリコン拡散セラミック層161となるセラミックグリーンシートにおける上記他の一面に塗布されていた酸化シリコンペーストから拡散されてきたものである。
FIG. 12 is a partial cross-sectional view of the
図12は、変位伝達層6内の酸化シリコンの濃度を変位伝達層6を表す部分における点の数でイメージしている。図12に示すように、緻密な数の点で表されている変位伝達層6の液体流通部3側は酸化シリコンの濃度が高く、上記液体流通部3側の反対側、つまり活性領域層5側は酸化シリコンの濃度が低い。すなわち、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成されている。
FIG. 12 illustrates the concentration of silicon oxide in the
続いて、第2実施形態の作用及び効果について説明する。第2実施形態の圧電素子の製造方法によって形成されたグリーン積層体4には、酸化シリコンペースト(酸化シリコン層)、圧電体層7及び変位伝達層6が含まれる。この場合、ステップS9の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していく。そして、変位伝達層6に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層6の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層7の変位を変位伝達層6を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層6と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子2の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子2の信頼性を向上させることが可能となる。
Then, the effect | action and effect of 2nd Embodiment are demonstrated. The green
また、酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していくため、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層6の液体流通部3側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、変位伝達層6の活性領域層5側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子2の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第2実施形態の圧電素子2の製造方法によれば、圧電素子2の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。
Further, since silicon oxide diffuses into the
したがって、圧電素子2の絶縁不良等を避けるために、圧電素子2と液体流通部3との間に隔壁を設ける必要が無くなる。このため、液体に対する圧電体層7の変位伝達が隔壁によって阻害されることは無いため、隔壁による伝達変位量のロス分を補うべくグリーン積層体4の層数を必要以上に増大させなくて済む。これにより、圧電素子2ひいては圧電アクチュエータ1の小型化が図れると共に、これらの製造コストの上昇を抑えることができる。
Therefore, it is not necessary to provide a partition wall between the
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態の圧電素子2の製造方法について図12〜14を参照しながら説明する。なお、以下においては、説明を簡略にするために、第1実施形態と異なる部分についてのみ記載する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the manufacturing method of the
図13は、第3実施形態の製造方法を説明するためのフローチャートである。第3実施形態においては、図13に示すように、変位伝達用グリーンシートに電極が形成されるステップS5の次に、ステップS7のグリーン積層体形成工程が行われる。このグリーン積層体形成工程においては、図14に示すように、内部電極パターンが印刷された複数のグリーンシートと、酸化シリコンペーストが塗布されてない変位伝達用グリーンシートとを所定の枚数だけ所定の順序で積層し、グリーン積層体4を形成する。なお、図14は、第3実施形態の製造方法を説明するための圧電素子2の分解斜視図である。図14において、変位伝達用グリーンシートのいずれの一面にも酸化シリコンペーストが塗布されていない。
FIG. 13 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the third embodiment. In the third embodiment, as shown in FIG. 13, after step S <b> 5 in which electrodes are formed on the displacement transmitting green sheet, a green laminate forming process in step S <b> 7 is performed. In this green laminated body forming step, as shown in FIG. 14, a predetermined number of green sheets on which internal electrode patterns are printed and displacement transmitting green sheets to which no silicon oxide paste is applied are predetermined. The
次に、ステップS7にて形成したグリーン積層体4に対し、例えば60℃程度の熱を加えながら100MPa程度の圧力でプレス加工を行い、各層のグリーンシートを圧着させる(ステップS8)。
Next, the
ステップS8のプレス加工工程の次に、30重量%の酸化シリコンに有機バインダ・有機溶剤等を混合して作製した酸化シリコンペーストを、例えばスクリーン印刷法により、図14に示すグリーン積層体4の一面全面(グリーン積層体4において、後に変位伝達層6となる側の一面全面)に約2μmの厚みで塗布する(ステップS61)。
Next to the pressing process in step S8, a silicon oxide paste prepared by mixing 30% by weight of silicon oxide with an organic binder, an organic solvent, or the like is applied to one surface of the
そして、ステップS61にて酸化シリコンペーストが塗布されたグリーン積層体4に対して、第1実施形態と同様に、ステップS9以後の工程が行われ、圧電アクチュエータ1が得られる。
And the process after step S9 is performed similarly to 1st Embodiment with respect to the green
このような第3実施形態の製造方法によって作製された圧電アクチュエータ1を図12に示す。図12に示すように、変位伝達層6には酸化シリコンが染み込まれている。この酸化シリコンは、ステップS7のグリーン積層体4の形成及びステップS8のプレス加工後に、ステップS61にて塗布された酸化シリコンペーストから変位伝達層6に拡散されてきたものである。
FIG. 12 shows the
図12は、変位伝達層6内の酸化シリコンの濃度を変位伝達層6を表す部分における点の数でイメージしている。図12に示すように、緻密な数の点で表されている変位伝達層6の液体流通部3側は酸化シリコンの濃度が高く、上記液体流通部3側の反対側、つまり活性領域層5側は酸化シリコンの濃度が低い。すなわち、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成されている。
FIG. 12 illustrates the concentration of silicon oxide in the
続いて、第3実施形態の作用及び効果について説明する。第3実施形態の圧電素子の製造方法によれば、ステップS61によって、グリーン積層体4に酸化シリコンペーストが塗布される。この場合、ステップS9の焼成工程にて、酸化シリコンペーストを形成していた酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していく。そして、変位伝達層6に染み込んだ酸化シリコンは変位伝達層6の粒子間の隙間を埋めることになる。このことにより、圧電体層7の変位を変位伝達層6を介して液体対象物に伝える場合に、変位伝達層6と接する液体の電気浸透現象が防止されるため、圧電素子2の絶縁不良等といった特性劣化を抑止することができる。その結果、圧電素子2の信頼性を向上させることが可能となる。
Then, the effect | action and effect of 3rd Embodiment are demonstrated. According to the piezoelectric element manufacturing method of the third embodiment, the silicon oxide paste is applied to the
また、酸化シリコンが変位伝達層6に拡散していくため、変位伝達層6には酸化シリコンの濃度のグラディエーションが形成される。このため、変位伝達層6の液体流通部3側は酸化シリコンの濃度が高く、上記電気浸透現象が確実に防止される。また、変位伝達層6の活性領域層5側は酸化シリコンの濃度が低く、圧電素子2の圧電特性に影響を与えにくい。すなわち、第3実施形態の圧電素子2の製造方法によれば、圧電素子2の本来の圧電特性に影響を与えず、電気浸透現象を確実に防止することができる。
Further, since silicon oxide diffuses into the
したがって、圧電素子2の絶縁不良等を避けるために、圧電素子2と液体流通部3との間に隔壁を設ける必要が無くなる。このため、液体に対する圧電体層7の変位伝達が隔壁によって阻害されることは無いため、隔壁による伝達変位量のロス分を補うべくグリーン積層体4の層数を必要以上に増大させなくて済む。これにより、圧電素子2ひいては圧電アクチュエータ1の小型化が図れると共に、これらの製造コストの上昇を抑えることができる。
Therefore, it is not necessary to provide a partition wall between the
なお、本発明に係わる圧電素子及び圧電アクチュエータは、上記3つの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、圧電体層7を複数積層した構造としたが、特に大きな変位量を必要としないのであれば、圧電体層7は単層であっても良い。また、変位伝達層6においても、単層として構成しても良い。
The piezoelectric element and the piezoelectric actuator according to the present invention are not limited to the above three embodiments. For example, in the above embodiment, a plurality of
更に、各層の内部個別電極8の数や配列構成等については、特に上記実施形態のものには限られない。また、各層の内部個別電極8同士及び各層の内部コモン電極9同士の電気的接続手段としては、上記実施形態のようなスルーホールに限られず、例えばグリーン積層体4の側面に形成された外部電極としても良い。
Further, the number and arrangement of the internal
1…圧電アクチュエータ、2…圧電素子、3…液体流通部、6…変位伝達層、7…圧電体層、8…内部個別電極、9…内部コモン電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記酸化シリコン層が形成された前記変位伝達用セラミックグリーンシートを、前記酸化シリコン層が前記圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and a displacement transmission layer for transmitting displacement of the piezoelectric layer,
A green sheet preparation step of preparing a piezoelectric ceramic green sheet as a precursor of the piezoelectric layer and a displacement transmitting ceramic green sheet as a precursor of the displacement transmitting layer;
A green laminated body forming step of forming a green laminated body in which the ceramic green sheet for piezoelectric bodies and the ceramic green sheet for displacement transmission are laminated,
The green laminated body formation step, have a step of forming a silicon oxide layer of silicon oxide on the ceramic green sheet for the displacement transmission,
In the green laminated body forming step, the displacement transmitting ceramic green sheet on which the silicon oxide layer is formed by the step of forming the silicon oxide layer is used, and the silicon oxide layer is on the piezoelectric ceramic green sheet side. A method of manufacturing a piezoelectric element, characterized in that the green laminate is formed by laminating as described above .
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記酸化シリコン層が形成された前記変位伝達用セラミックグリーンシートを、前記変位伝達用セラミックグリーンシートが前記圧電体用セラミックグリーンシート側となるように積層して、前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and a displacement transmission layer for transmitting displacement of the piezoelectric layer,
A green sheet preparation step of preparing a piezoelectric ceramic green sheet as a precursor of the piezoelectric layer and a displacement transmitting ceramic green sheet as a precursor of the displacement transmitting layer;
A green laminated body forming step of forming a green laminated body in which the ceramic green sheet for piezoelectric bodies and the ceramic green sheet for displacement transmission are laminated,
The green laminate forming step includes a step of forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the displacement-transmitting ceramic green sheet;
In the green laminate forming step, the displacement transmitting ceramic green sheet in which the silicon oxide layer is formed in the step of forming the silicon oxide layer is used as the displacement transmitting ceramic green sheet. The green laminated body is formed by laminating so as to be on the side, and a method for manufacturing a piezoelectric element.
前記圧電体層の前駆体としての圧電体用セラミックグリーンシートと、前記変位伝達層の前駆体としての変位伝達用セラミックグリーンシートとを用意するグリーンシート用意工程と、
前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとが積層されたグリーン積層体を形成するグリーン積層体形成工程と、を備え、
前記グリーン積層体形成工程が、前記変位伝達用セラミックグリーンシートに酸化シリコンからなる酸化シリコン層を形成する工程を有し、
前記グリーン積層体形成工程では、前記圧電体用セラミックグリーンシートと前記変位伝達用セラミックグリーンシートとを積層した後に、前記酸化シリコン層を形成する前記工程により前記変位伝達用セラミックグリーンシートに前記酸化シリコン層を形成することにより前記グリーン積層体を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and a displacement transmission layer for transmitting displacement of the piezoelectric layer,
A green sheet preparation step of preparing a piezoelectric ceramic green sheet as a precursor of the piezoelectric layer and a displacement transmitting ceramic green sheet as a precursor of the displacement transmitting layer;
A green laminated body forming step of forming a green laminated body in which the ceramic green sheet for piezoelectric bodies and the ceramic green sheet for displacement transmission are laminated,
The green laminate forming step includes a step of forming a silicon oxide layer made of silicon oxide on the displacement-transmitting ceramic green sheet;
In the green laminate forming step, after the piezoelectric ceramic green sheet and the displacement transmitting ceramic green sheet are laminated, the silicon oxide layer is formed on the displacement transmitting ceramic green sheet by the step of forming the silicon oxide layer. A method of manufacturing a piezoelectric element, wherein the green laminate is formed by forming a layer.
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