JP5536310B2 - Multilayer piezoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents
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本発明は、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等として利用される積層構造を有する圧電素子(積層型圧電素子)に関し、さらに、そのような積層型圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element having a multilayer structure (multilayer piezoelectric element) used as an ultrasonic transducer, a piezoelectric actuator, or the like, and further relates to a method for manufacturing such a multilayer piezoelectric element.
PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の鉛系ペロブスカイト構造を有する材料に代表される圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する圧電効果を生じる。このような性質を有する圧電素子は、超音波トランスデューサや、圧電アクチュエータや、圧電ポンプ等の様々な用途に利用されている。 A piezoelectric body typified by a material having a lead-based perovskite structure such as PZT (lead zirconate titanate) produces a piezoelectric effect that expands and contracts when a voltage is applied. Piezoelectric elements having such properties are used in various applications such as ultrasonic transducers, piezoelectric actuators, and piezoelectric pumps.
圧電素子の構造は、1つの圧電体の両側に電極が形成された単層構造が基本であるが、近年のMEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)関連の機器の開発に伴う圧電素子の微細化及び集積化により、複数の圧電体と複数の電極とが交互に積層された積層型の圧電素子も用いられるようになっている。そのような圧電素子においては、複数の圧電体層に電界を印加するための電極を並列に接続することにより、圧電素子全体としての静電容量を大きくすることができるので、圧電素子のサイズを小さくしても、電気インピーダンスの上昇を抑えることができる。 The structure of the piezoelectric element is basically a single-layer structure in which electrodes are formed on both sides of one piezoelectric body, but the miniaturization and integration of the piezoelectric element accompanying the recent development of MEMS (micro electro mechanical system) related equipment. As a result, stacked piezoelectric elements in which a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of electrodes are alternately stacked are also used. In such a piezoelectric element, the capacitance of the entire piezoelectric element can be increased by connecting electrodes for applying an electric field to a plurality of piezoelectric layers in parallel. Even if it is made small, an increase in electrical impedance can be suppressed.
図11A及び図11Bは、従来の積層型圧電素子の製造方法を説明するための断面図である。図11Aに示すように、3層の圧電体層10と2層の内部電極21及び22とを交互に積層することにより、積層構造体が構成される。さらに、積層構造体の側面における所定の位置に、側面絶縁膜23が形成される。その後、積層構造体の周囲に電極材をコートすることにより、側面電極24及び25と、下部電極26及び上部電極27とが形成される。
11A and 11B are cross-sectional views for explaining a conventional method for manufacturing a multilayer piezoelectric element. As shown in FIG. 11A, a laminated structure is formed by alternately laminating three
次に、ダイシングソーを用いて、図11Bに示す部分G及びHを除去することにより、側面電極24が下部電極26から分離され、側面電極25が上部電極27から分離される。これにより、下部電極26と上部電極27との間の短絡を解除して、3層の圧電体層10にそれぞれ電界を印加することが可能となる。
Next, the
ところで、超音波探触子によって送受信される超音波の周波数が高くなると、圧電素子の厚さを薄くする必要が生じる。これに伴って、積層構造体の側面に形成される側面絶縁膜の幅も狭くする必要がある。積層構造体の側面に絶縁膜を形成するための方法としては、エマルジョン電着法、フォトリソグラフィ法、印刷法、及び、ディスペンス法が用いられるが、それらの方法が絶縁膜の幅を狭くすることに対応できるか否かが問題となる。 By the way, when the frequency of the ultrasonic wave transmitted and received by the ultrasonic probe increases, it becomes necessary to reduce the thickness of the piezoelectric element. Accordingly, it is necessary to reduce the width of the side insulating film formed on the side surface of the laminated structure. As a method for forming an insulating film on the side surface of the laminated structure, an emulsion electrodeposition method, a photolithography method, a printing method, and a dispensing method are used, and these methods reduce the width of the insulating film. Whether or not it is possible to deal with is a problem.
樹脂エマルジョン電着法においては、一般に、エマルジョン粒子の直径が約50μm以上と大きいので、絶縁膜の幅を100μm程度まで狭くすることが限界である。ガラスエマルジョン電着法も提案されているが、硬質材であるガラスを絶縁膜として用いると、圧電体の電気機械結合係数kが低下してしまう。例えば、第3の方向(Z軸方向)に分極処理(ポーリング処理)が施された圧電体を、同じ第3の方向に電界を印加して振動させた場合の振動モードである33振動モードにおける電気機械結合係数k33について比較すると、圧電体のk33が0.74である場合に、樹脂を絶縁膜として用いるとk33が0.68程度以上であるが、ガラスを絶縁膜として用いるとk33が0.60〜0.62程度まで低下してしまう。 In the resin emulsion electrodeposition method, since the diameter of the emulsion particles is generally as large as about 50 μm or more, it is the limit to narrow the width of the insulating film to about 100 μm. A glass emulsion electrodeposition method has also been proposed. However, if glass, which is a hard material, is used as an insulating film, the electromechanical coupling coefficient k of the piezoelectric body is lowered. For example, in the 33 vibration mode, which is a vibration mode when a piezoelectric body subjected to polarization processing (polling processing) in the third direction (Z-axis direction) is vibrated by applying an electric field in the same third direction. When the electromechanical coupling coefficient k33 is compared, when k33 of the piezoelectric body is 0.74, k33 is about 0.68 or more when resin is used as the insulating film, but k33 is 0 when glass is used as the insulating film. It decreases to about 60 to 0.62.
レジスト膜を感光させてパターニングするフォトリソグラフィ法によれば、サブミクロンオーダの精細なパターンを形成することが可能であるが、レジスト膜を厚く形成して絶縁膜とすることは困難であり、レジスト膜を厚く形成できたとしても、パターンが粗くなってしまう。さらに、フォトリソグラフィ法においては、各工程に要する時間が長く、また、現像工程において、圧電素子をアルカリ薬液に浸漬したりレジスト材料を高温でベーキングしたりするので、圧電体に対するダメージが大きいことも問題である。 According to the photolithography method in which the resist film is exposed and patterned, it is possible to form a fine pattern on the order of submicron, but it is difficult to form a thick resist film to form an insulating film. Even if the film can be formed thick, the pattern becomes rough. Furthermore, in the photolithography method, the time required for each process is long, and in the development process, the piezoelectric element is immersed in an alkaline chemical solution or the resist material is baked at a high temperature. It is a problem.
スクリーン印刷法を用いる場合には、版の精度が不十分であり、スクリーンの位置合わせも困難である。また、ディスペンス法による絶縁膜の形成においては、主に、ディスペンスノズルの大きさによって絶縁膜の幅の下限が規定される。現在市販されているディスペンスノズルの内径と、塗布可能な絶縁用素材の粘度との組み合わせによれば、絶縁膜の幅を90μm〜100μm程度にするのが限界である。高粘度の絶縁用素材を用いることも考えられるが、そのような絶縁用素材は、内径の小さいディスペンスノズルから安定して供給することができない。 When the screen printing method is used, the precision of the plate is insufficient and the alignment of the screen is difficult. In forming an insulating film by the dispensing method, the lower limit of the width of the insulating film is mainly defined by the size of the dispensing nozzle. According to the combination of the inner diameter of a dispense nozzle currently on the market and the viscosity of the insulating material that can be applied, the limit of the width of the insulating film is about 90 μm to 100 μm. Although it is conceivable to use a high-viscosity insulating material, such an insulating material cannot be stably supplied from a dispensing nozzle having a small inner diameter.
関連する技術として、特許文献1には、500℃以下の低温で絶縁層を形成することが可能な積層型圧電セラミック素子の製造方法が開示されている。この製造方法は、圧電セラミック層が3層以上で内部電極が2層以上となるように積層した積層体の側面に露出する内部電極が1層おきに対向電極となるように絶縁物で絶縁した上に外部電極を有する積層型圧電セラミック素子の製造方法であって、ペースト状に加工された絶縁材をディスペンサで塗布することにより絶縁物を形成する工程を特徴とする。
As a related technique,
しかしながら、超音波探触子においては高周波数化が望まれており、中心周波数が10MHz〜15MHzの超音波を送受信する超音波探触子を作成する必要がある。その場合には、圧電素子の厚さが120μm〜150μmとなり、2層又は3層構造の積層型圧電素子の場合には、1層の厚さが40μm〜75μmとなる。そのため、ディスペンス法による絶縁膜の形成も困難になりつつある。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等として利用される積層型圧電素子において、薄い積層構造体に対しても側面絶縁膜を正確に形成することを目的とする。 Accordingly, in view of the above points, an object of the present invention is to accurately form a side insulating film even on a thin laminated structure in a laminated piezoelectric element used as an ultrasonic transducer, a piezoelectric actuator, or the like. .
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る積層型圧電素子は、(i)複数の圧電体層と少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造体であって、少なくとも第1の側面において第1の領域と該第1の領域に隣接して第1の領域よりも圧電体の表面エネルギーが低い第2の領域とを有し、少なくとも1つの内部電極の端部がいずれかの側面の第2の領域内に位置する積層構造体と、(ii)積層構造体の少なくとも第1の側面の第2の領域に選択的に形成され、円柱の一部又は曲面を含む形状を有し、該第2の領域において少なくとも1つの内部電極の端部を被覆する少なくとも1つの側面絶縁膜と、(iii)積層構造体の一方の主面上に形成された第1の平面電極と、(iv)積層構造体の他方の主面上に形成された第2の平面電極と、(v)積層構造体の第1の側面上に第1又は第2の平面電極と連続的に形成され、第1及び第2の平面電極及び少なくとも1つの内部電極の内で奇数番目の電極である第1の電極群に接続された第1の側面電極と、(vi)積層構造体の第2の側面上に形成され、第1及び第2の平面電極及び少なくとも1つの内部電極の内で第1の電極群に属さない第2の電極群に接続された第2の側面電極とを具備する。 In order to solve the above problems, a multilayer piezoelectric element according to one aspect of the present invention is (i) a multilayer structure in which a plurality of piezoelectric layers and at least one internal electrode are alternately stacked, The first side surface includes a first region and a second region adjacent to the first region and having a lower surface energy of the piezoelectric body than the first region, and an end portion of at least one internal electrode is A laminated structure located in the second region on any side surface; and (ii) at least a second region on the first side surface of the laminated structure, and includes a part of a cylinder or a curved surface And (iii) a first plane formed on one main surface of the laminated structure, and having at least one side surface insulating film that covers the end of at least one internal electrode in the second region. And (iv) a second flat surface formed on the other main surface of the laminated structure. (V) a first electrode or a second planar electrode continuously formed on the first side surface of the laminated structure, and an odd number of the first and second planar electrodes and at least one internal electrode. A first side electrode connected to the first electrode group as the second electrode, and (vi) a first and second planar electrode and at least one interior formed on the second side surface of the laminated structure And a second side electrode connected to a second electrode group that does not belong to the first electrode group.
また、本発明の1つの観点に係る積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体層と少なくとも1つの内部電極とが交互に積層された積層構造体を作製する工程(a)と、マスクを用いて、積層構造体の少なくとも第1の側面の一部に圧電体の表面エネルギーを変化させる処理を施すことにより、少なくとも第1の側面において第1の領域と該第1の領域に隣接して第1の領域よりも圧電体の表面エネルギーが低い第2の領域とを分離し、少なくとも1つの内部電極の端部がいずれかの側面の第2の領域内に位置する状態とする工程(b)と、積層構造体の少なくとも第1の側面の第2の領域において少なくとも1つの内部電極の端部を被覆する少なくとも1つの側面絶縁膜を、円柱の一部又は曲面を含む形状を有するように、該第2の領域に選択的に形成する工程(c)と、積層構造体の一方の主面上に第1の平面電極を形成し、積層構造体の他方の主面上に第2の平面電極を形成し、積層構造体の第1の側面上に、第1及び第2の平面電極及び少なくとも1つの内部電極の内で奇数番目の電極である第1の電極群に接続された第1の側面電極を第1又は第2の平面電極と連続的に形成し、積層構造体の第2の側面上に、第1及び第2の平面電極及び少なくとも1つの内部電極の内で第1の電極群に属さない第2の電極群に接続された第2の側面電極を形成する工程(d)とを具備する。 In addition, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes a step (a) of manufacturing a multilayer structure in which a plurality of piezoelectric layers and at least one internal electrode are alternately stacked, and a mask. Is used to change the surface energy of the piezoelectric body to at least a part of the first side surface of the multilayer structure so that at least the first side surface is adjacent to the first region and the first region. Separating the second region whose surface energy of the piezoelectric body is lower than that of the first region and setting the end of at least one internal electrode within the second region on either side surface ( b) and at least one side surface insulating film covering an end of at least one internal electrode in the second region of at least the first side surface of the laminated structure so as to have a shape including a part of a cylinder or a curved surface. In the second area A step (c) of selectively forming, a first planar electrode is formed on one main surface of the multilayer structure, and a second planar electrode is formed on the other main surface of the multilayer structure; A first side electrode connected to a first electrode group that is an odd-numbered electrode among the first and second planar electrodes and at least one internal electrode is provided on the first side surface of the structure. Alternatively, the first planar electrode may be formed continuously with the second planar electrode, and may not belong to the first electrode group among the first and second planar electrodes and at least one internal electrode on the second side surface of the stacked structure. ; and a (d) forming a second side electrode connected to the second electrode group.
本発明によれば、積層構造体の少なくとも第1の側面に圧電体の表面エネルギーの差を形成し、圧電体の表面エネルギーが低い領域に、円柱の一部又は曲面を含む形状を有し該領域において内部電極の端部を被覆する側面絶縁膜を形成することにより、薄い積層構造体に対しても側面絶縁膜を正確に形成することができる。
According to the present invention, to form a difference in surface energy of the piezoelectric body in at least a first side surface of the laminated structure, having a low surface energy area of the piezoelectric body, a shape including a part or a curved surface of a cylinder the By forming the side insulating film that covers the end portion of the internal electrode in the region, the side insulating film can be accurately formed even for the thin laminated structure.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子は、3層の圧電体層10と第1の内部電極11及び第2の内部電極12とが交互に積層された積層構造体と、積層構造体の一方の側面(図中右側)に形成された側面絶縁膜13aと、積層構造体の他方の側面(図中左側)に形成された側面絶縁膜13bと、側面電極14及び15と、下部電極16と、上部電極17とを有している。図1には、3層の圧電体層10が示されているが、圧電体層は4層以上であっても構わない。圧電体層が5層以上の場合には、積層構造体が、複数の第1の内部電極11と、複数の第2の内部電極12とを含むことになる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention. This multilayer piezoelectric element includes a multilayer structure in which three
図1に示すように、圧電体層10の両側面に、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域A及びBが形成されていることにより、内部電極11の右端部が右側面の領域A内に位置し、内部電極12の左端部が左側面の領域B内に位置するようになっている。これにより、後で説明するように、側面絶縁膜13a及び13bの形成が容易になる。側面絶縁膜13aは、積層構造体の右側面の領域Aにおいて、内部電極11の右端部を被覆し、側面絶縁膜13bは、積層構造体の左側面の領域Bにおいて、内部電極12の左端部を被覆している。側面絶縁膜13a及び13bの各々は、円柱の一部又は曲面を含む形状を有しているので、側面電極14及び15を形成することが容易となり、側面電極14及び15が切断され難くなる。
As shown in FIG. 1, regions A and B having lower surface energy than adjacent regions are formed on both side surfaces of the
ここで、側面電極14及び15と下部電極16と上部電極17とは、同時に形成しても良いし、別個に形成しても良い。いずれにしても、側面電極14は、奇数番目の電極である下部電極16及び第2の内部電極12に接続されて、偶数番目の電極である第1の内部電極11及び上部電極17から絶縁される。また、側面電極15は、偶数番目の電極である第1の内部電極11及び上部電極17に接続されて、奇数番目の電極である下部電極16及び第2の内部電極12から絶縁される。下部電極16と上部電極17との間に電圧を印加すると、3層の圧電体層10にそれぞれ電界が印加され、各圧電体層10における圧電効果によって、積層型圧電素子が全体として伸縮する。
Here, the
圧電体層10は、例えば、40μm〜50μm程度の厚さを有しており、底面の長辺は、例えば、3mm〜4mm程度である。圧電体層10は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電材料を用いて形成される。
The
第1及び第2の内部電極11及び12の各々は、例えば、1μm〜3μm程度の厚さを有しており、1種類の材料によって形成されていても良いし、複数の異なる材料によって形成される多層構造を有していても良い。前者の例においては、白金(Pt)や銀パラジウム(Ag−Pd)等の金属材料が用いられる。また、後者の例においては、酸化チタン(TiO2)を用いて50nm程度の厚さに形成される密着層と、白金(Pt)を用いて3μm程度の厚さに形成される導電層とを含む2層構造が用いられる。
Each of the first and second
側面絶縁膜13a及び13bは、例えば、エポキシ系、シリコーン系、ウレタンアクリレート系、又は、オキセタン系等の高絶縁性樹脂によって形成される。このような樹脂においては、ヤング率が、1.3×109Pa〜2.0×109Paと、ガラス等に比較して非常に小さい。そのため、圧電体層10が伸縮しようとするときに、側面絶縁膜13a及び13bも圧電体層10の伸縮(変位)に追随できるので、側面絶縁膜13a及び13bに起因する圧電体層10の変位の制動は殆どない。
The
側面電極14及び15、下部電極16、及び、上部電極17としては、例えば、金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)等の内から選択された1種類の材料の電極や、クロム(Cr)と金(Au)の2層構造の電極や、ニッケル(Ni)とチタン(Ti)と白金(Pt)の3層構造の電極が用いられる。
As the
次に、本発明の第2の実施形態に係る積層型圧電素子について説明する。第2の実施形態においては、2層の圧電体層が形成される場合について説明する。その他の点は、第1の実施形態と同様である。 Next, a laminated piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a case where two piezoelectric layers are formed will be described. Other points are the same as in the first embodiment.
図2は、本発明の第2の実施形態に係る積層型圧電素子を示す斜視図である。この積層型圧電素子は、2層の圧電体層10と内部電極11とが交互に積層された積層構造体と、積層構造体の一方の側面(図中左側)に形成されている側面絶縁膜13と、側面電極18及び19と、下部電極16と、上部電極17とを有している。
FIG. 2 is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. The multilayer piezoelectric element includes a multilayer structure in which two
図2に示すように、積層構造体の一方の側面(図中左側)に、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域Cが形成されていることにより、内部電極11の左端部が左側面の領域C内に位置するようになっている。これにより、後で説明するように、側面絶縁膜13の形成が容易になる。側面絶縁膜13は、積層構造体の左側面の領域Cにおいて、内部電極11の左端部を被覆している。側面絶縁膜13は、円柱の一部又は曲面を含む形状を有しているので、側面電極18及び19を形成することが容易となり、側面電極18及び19が切断され難くなる。
As shown in FIG. 2, a region C having a surface energy lower than that of the adjacent region is formed on one side surface (left side in the drawing) of the laminated structure, so that the left end portion of the
ここで、側面電極18と下部電極16と上部電極17とは、同時に形成しても良いし、別個に形成しても良い。いずれにしても、側面電極18は、奇数番目の電極である下部電極16及び上部電極17に接続されて、偶数番目の電極である内部電極11から絶縁される。また、側面電極19は、偶数番目の電極である内部電極11に接続されて、奇数番目の電極である下部電極16及び上部電極17から絶縁される。下部電極16と側面電極19との間に電圧を印加すると、2層の圧電体層10にそれぞれ電界が印加され、各圧電体層10における圧電効果によって、積層型圧電素子が全体として伸縮する。
Here, the
次に、本発明の第3の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について説明する。
図3A〜図3Gは、本発明の第3の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。ここでは、第1の実施形態と同様に3層の圧電体層を有する積層型圧電素子を製造する場合について説明する。
Next, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention will be described.
3A to 3G are views for explaining a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. Here, as in the first embodiment, a case of manufacturing a laminated piezoelectric element having three piezoelectric layers will be described.
まず、図3Aに示すように、3層の圧電体層10と第1の内部電極11及び第2の内部電極12とを積層することにより、積層構造体を作製する。第1の内部電極11と第2の内部電極12とは、圧電体層10を挟んで交互に積層されることになる。下層、中層、上層の圧電体層10の厚さは、例えば、それぞれ40μm、50μm、40μm程度であって、底面の長辺は、例えば、3mm〜4mm程度である。
First, as shown in FIG. 3A, a laminated structure is manufactured by laminating three
この積層構造体は、例えば、グリーンシート法を用いて作製しても良いし、内部電極を形成した圧電体のバルク材を積層することにより作製しても良いし、粉体状の材料を下層に向けて高速で吹き付けることにより材料を堆積させるエアロゾルデポジション(AD)法を用いて作製しても良い。なお、AD法は、セラミックス膜の形成方法として近年注目されている成膜方法である。 This laminated structure may be produced, for example, using a green sheet method, or may be produced by laminating a bulk material of a piezoelectric body on which internal electrodes are formed, or a powdery material may be used as a lower layer. Alternatively, an aerosol deposition (AD) method may be used in which the material is deposited by spraying at a high speed. The AD method is a film forming method that has recently attracted attention as a method for forming a ceramic film.
次に、図3Bに示すように、マスクを用いて、積層構造体の各側面における一部の領域にUV光(紫外光)を照射することにより、その領域における表面エネルギーを低下させる。これにより、図3Cに示すように、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域A及びBと、隣接領域とが分離される。領域A及びBにおいては濡れ性が改善されているので、領域A及びBと隣接領域との間の表面張力の差が大きくなり、領域A及びBに塗布された液体の樹脂が隣接領域に広がり難くなる。従って、幅の狭い側面絶縁膜を容易に形成することができる。 Next, as illustrated in FIG. 3B, by using a mask, UV light (ultraviolet light) is irradiated to a partial region on each side surface of the stacked structure, thereby reducing the surface energy in that region. Thereby, as shown to FIG. 3C, the area | region A and B whose surface energy is lower than an adjacent area | region, and an adjacent area | region are isolate | separated. Since the wettability is improved in the regions A and B, the difference in surface tension between the regions A and B and the adjacent region increases, and the liquid resin applied to the regions A and B spreads to the adjacent region. It becomes difficult. Accordingly, a narrow side insulating film can be easily formed.
次に、図3Dに示すように、ディスペンサを用いて、液体状態の樹脂20を積層構造体の側面の領域A及びBに塗布する。樹脂20としては、例えば、光硬化型(紫外線硬化型を含む)の合成樹脂、又は、熱硬化型の合成樹脂を用いることができる。ディスペンサのディスペンスノズルから排出された液体状態の樹脂20は、表面エネルギーが異なる複数の領域の境界で表面張力が変化するエッジ効果によって、表面エネルギーが低い領域(表面張力が小さい領域)に沿って分布する。そのため、ディスペンス作業が非常に容易となる。通常、表面エネルギーが均一である場合には、均一な太さの側面絶縁膜を形成しようとすると、ディスペンスノズルが通過する軌跡と積層構造体の主面とを略平行にする必要がある。一方、本実施形態によれば、表面エネルギーが異なる複数の領域の境界が側面絶縁膜の幅を最終的に決定することになるので、ディスペンスノズルの高さや並行調整が従来よりも簡単になる。
Next, as shown in FIG. 3D, the
その後、液体状態の樹脂20に光を照射したり熱を加えたりして樹脂を硬化させることにより、図3Eに示すように、積層構造体の側面の領域A及びBにおいて、側面絶縁膜13a及び13bがそれぞれ形成される。側面絶縁膜13aは、一方の側面において内部電極11の端部を覆い、側面絶縁膜13bは、他方の側面において内部電極12の端部を覆う。
Thereafter, the
次に、図3Fに示すように、例えば、スパッタ等の物理的蒸着法によって、積層構造体の第1及び第2の主面と第1及び第2の側面との上に、電極材(導電材料)30をコートする。ここで、電極材30の形成は、2つの主面と2つの側面とについて連続的に行われても良いし、別個に行われても良い。また、積層構造体の前面及び背面には電極材が形成されないようにする。
Next, as shown in FIG. 3F, an electrode material (conductive) is formed on the first and second main surfaces and the first and second side surfaces of the multilayer structure by, for example, physical vapor deposition such as sputtering. Material) 30 is coated. Here, the formation of the
次に、図3Gに示すように、電極材が形成された積層構造体の一部に、圧電体層10に達する切り欠きE及びFを設ける。その結果、残った電極材によって、第1の内部電極11に接続されて第2の内部電極12から絶縁された電極(側面電極15及び上部電極17)が形成されると共に、第2の内部電極12に接続されて第1の内部電極11から絶縁された電極(側面電極14及び下部電極16)が形成される。
Next, as shown in FIG. 3G, notches E and F reaching the
次に、本発明の第4の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について説明する。第4の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法においては、表面処理工程のみが第3の実施形態(図3B)と異なっており、その他の点に関しては第3の実施形態と同様である。 Next, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the fourth embodiment of the present invention will be described. In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the fourth embodiment, only the surface treatment process is different from that of the third embodiment (FIG. 3B), and the other points are the same as those of the third embodiment. .
図4は、本発明の第4の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。図4に示すように、積層構造体の側面において、一部の領域以外の領域を覆うようにレジストマスク等のマスクが形成されている。この状態で積層型圧電素子に対してプラズマ処理を施すことにより、一部の領域のみにプラズマ表面処理が施され、その領域における表面エネルギーが低下する。これにより、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域と、隣接領域とが分離される。隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域においては濡れ性が改善されているので、その領域と隣接領域との間の表面張力の差が大きくなり、その領域に塗布された液体の樹脂が隣接領域に広がり難くなる。従って、幅の狭い側面絶縁膜を容易に形成することができる。 FIG. 4 is a view for explaining a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, a mask such as a resist mask is formed on the side surface of the stacked structure so as to cover a region other than a partial region. By subjecting the multilayer piezoelectric element to plasma treatment in this state, plasma surface treatment is performed only on a part of the region, and the surface energy in that region is reduced. Thereby, the area | region where surface energy is lower than an adjacent area | region, and an adjacent area | region are isolate | separated. Since the wettability is improved in the region where the surface energy is lower than that of the adjacent region, the difference in surface tension between the region and the adjacent region becomes large, and the liquid resin applied to the region becomes adjacent to the adjacent region. It becomes difficult to spread. Accordingly, a narrow side insulating film can be easily formed.
図5は、プラズマ処理装置の例を示す図である。ここでは、プラズマ処理装置の例として、大気圧プラズマ洗浄装置について説明する。大気圧プラズマ洗浄装置とは、通常は真空下でしか発生しないグロー放電状態を特殊な手法によって大気圧下で発生させ、それにより生じたイオンや電子等によって、被処理体を洗浄したり、被処理体の表面を活性化させるものである。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a plasma processing apparatus. Here, an atmospheric pressure plasma cleaning apparatus will be described as an example of the plasma processing apparatus. An atmospheric pressure plasma cleaning device is a device that generates a glow discharge state that usually occurs only under vacuum under atmospheric pressure by a special technique, and cleans the object to be processed with ions or electrons generated by the glow discharge state. It activates the surface of the treated body.
図5に示すように、大気圧プラズマ洗浄装置は、アルゴンガスを供給するガスボンベ41と、酸素ガスを供給するガスボンベ42と、アルゴンガスと酸素ガスとを混合して放電ガスを生成すると共に、ガスの流量を制御するガス混合・制御部43と、放電ガスが供給される反応器44と、反応器44に高周波電圧を印加する電源部45と、被処理体(積層型圧電素子)が載置されるXYテーブル46とを有している。また、ガス混合・制御部43は、アルゴンガス及び酸素ガスの流量を測定して制御するマスフローコントローラ43a及び43bと、アルゴンガスと酸素ガスとを混合する混合器43cとを含んでいる。
As shown in FIG. 5, the atmospheric pressure plasma cleaning apparatus generates a discharge gas by mixing a
マスフローコントローラ43aによって流量が制御されたアルゴンガスと、マスフローコントローラ43bによって流量が制御された酸素ガスとが、混合器43cにおいて混合され、生成された放電ガスが反応器44に供給される。反応器44において、2つの電極間に高周波電圧が印加されることにより、放電ガス中に放電が生じ、プラズマジェットが発生する。このプラズマジェットによって、被処理体を洗浄したり、被処理体の表面を活性化させることができる。
The argon gas whose flow rate is controlled by the
次に、本発明の第5及び第6の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について説明する。第5及び第6の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法においては、表面処理工程のみが第3の実施形態(図3B)と異なっており、その他の点に関しては第3の実施形態と同様である。 Next, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the fifth and sixth embodiments of the present invention will be described. In the multilayer piezoelectric element manufacturing method according to the fifth and sixth embodiments, only the surface treatment process is different from that of the third embodiment (FIG. 3B), and other points are different from those of the third embodiment. It is the same.
図6は、本発明の第5の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。第5の実施形態においては、積層構造体の側面において、一部の領域の隣接領域に微細構造を形成することにより、隣接領域における表面エネルギーが上昇する。これにより、表面エネルギーが上昇した隣接領域と、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域とが分離される。 FIG. 6 is a diagram for explaining a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, the surface energy in the adjacent region is increased by forming a fine structure in the adjacent region of the partial region on the side surface of the laminated structure. Thereby, the adjacent region where the surface energy is increased is separated from the region where the surface energy is lower than the adjacent region.
図6に示すように、積層構造体の側面において、領域Aの隣接領域に、微細な突起が規則的に配列した構造(ピラー構造)が設けられている。ピラー構造が設けられた面に液体を垂らすと、液体がはじかれて面を濡らさない。これは、表面の微細な突起のために液体が面に接触し難いからであり、蓮の葉が水をはじく現象(ロータスリーフ現象)と同じ原理に基づく撥水性である。これにより、領域Aと隣接領域との間の表面張力の差が大きくなり、領域Aに塗布された液体の樹脂が隣接領域に広がり難くなる。従って、幅の狭い側面絶縁膜を容易に形成することができる。 As shown in FIG. 6, a structure (pillar structure) in which fine protrusions are regularly arranged is provided in a region adjacent to the region A on the side surface of the laminated structure. When liquid is dropped on the surface provided with the pillar structure, the liquid is repelled and does not wet the surface. This is because the liquid is difficult to come into contact with the surface due to minute protrusions on the surface, and is water repellency based on the same principle as the phenomenon in which the lotus leaf repels water (the lotus leaf phenomenon). As a result, the difference in surface tension between the region A and the adjacent region becomes large, and the liquid resin applied to the region A hardly spreads to the adjacent region. Accordingly, a narrow side insulating film can be easily formed.
図7は、本発明の第6の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。第6の実施形態においては、粗い表面を有する積層構造体の側面において、図6に示すものよりも微細な微細構造を一部の領域に形成することにより、その領域における表面エネルギーが低下する。これにより、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域と、隣接領域とが分離される。 FIG. 7 is a view for explaining the method for manufacturing the multilayer piezoelectric element according to the sixth embodiment of the present invention. In the sixth embodiment, a fine structure finer than that shown in FIG. 6 is formed in a part of the side surface of the laminated structure having a rough surface, so that the surface energy in that region is reduced. Thereby, the area | region where surface energy is lower than an adjacent area | region, and an adjacent area | region are isolate | separated.
図7に示すように、積層構造体の側面において、領域Aに、微細な突起が規則的に配列した構造(ピラー構造)が設けられている。このピラー構造は、隣接領域における粗い表面よりも微細な構造であるので、領域Aに塗布された液体の樹脂が隣接領域に広がり難くなる。従って、幅の狭い側面絶縁膜を容易に形成することができる。 As shown in FIG. 7, a structure (pillar structure) in which fine protrusions are regularly arranged is provided in the region A on the side surface of the multilayer structure. Since this pillar structure is finer than the rough surface in the adjacent region, the liquid resin applied to the region A is difficult to spread in the adjacent region. Accordingly, a narrow side insulating film can be easily formed.
次に、本発明の第7及び第8の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について説明する。第7及び第8の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法においては、表面処理工程のみが第3の実施形態(図3B)と異なっており、その他の点に関しては第3の実施形態と同様である。 Next, a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the seventh and eighth embodiments of the present invention will be described. In the multilayer piezoelectric element manufacturing method according to the seventh and eighth embodiments, only the surface treatment process is different from that of the third embodiment (FIG. 3B), and other points are different from those of the third embodiment. It is the same.
図8は、本発明の第7の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。第7の実施形態においては、ブラストマスクを用いて、積層構造体の側面における一部の領域に、細かい粒子を弱い吹き付け圧力で吹き付けてサンドブラスト加工を施すことにより、その領域における表面エネルギーが低下する。これにより、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域と、隣接領域とが分離される。 FIG. 8 is a view for explaining the method for manufacturing the multilayer piezoelectric element according to the seventh embodiment of the present invention. In the seventh embodiment, by using a blast mask and applying sand blasting to a partial region on the side surface of the laminated structure by spraying fine particles with a weak spray pressure, the surface energy in that region is reduced. . Thereby, the area | region where surface energy is lower than an adjacent area | region, and an adjacent area | region are isolate | separated.
サンドブラスト装置は、設定された圧力で粒子を供給するブラスト装置本体と、被処理体(積層型圧電素子)に粒子を吹き付けるノズルとを有している。本実施形態においては、粒径が数μm以下の粒子を用いて、0.15MPa〜0.20MPaの圧力で、サンドブラストが行われる。 The sand blasting device has a blasting device main body for supplying particles at a set pressure, and a nozzle for spraying the particles to the object to be processed (laminated piezoelectric element). In the present embodiment, sandblasting is performed at a pressure of 0.15 MPa to 0.20 MPa using particles having a particle size of several μm or less.
図9は、本発明の第8の実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。第8の実施形態においては、積層構造体の側面における一部の領域の隣接領域に、粗い粒子を強い吹き付け圧力で吹き付けてサンドブラスト加工を施すことにより、隣接領域における表面エネルギーが上昇する。これにより、表面エネルギーが上昇した隣接領域と、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域とが分離される。本実施形態においては、粒径が10μm以上の粒子を用いて、0.20MPa以上の圧力で、サンドブラストが行われる。 FIG. 9 is a view for explaining the method for manufacturing the multilayer piezoelectric element according to the eighth embodiment of the present invention. In 8th Embodiment, the surface energy in an adjacent area | region raises by spraying a coarse particle with the strong spraying pressure to the adjacent area | region of the one part area | region in the side surface of a laminated structure, and performing a sandblasting process. Thereby, the adjacent region where the surface energy is increased is separated from the region where the surface energy is lower than the adjacent region. In the present embodiment, sand blasting is performed at a pressure of 0.20 MPa or more using particles having a particle size of 10 μm or more.
以上の実施形態によれば、薄い積層構造体に対しても側面絶縁膜を正確に形成し易くなる。そのために、積層型圧電素子の応用範囲が広がり、例えば、従来は困難であった高い周波数(10MHz以上)用の超音波探触子における圧電体の積層化も可能となる。また、表面エネルギーが異なる複数の領域の間における表面張力の差を利用することにより、幅が狭くても従来よりも厚い側面絶縁膜を形成することができるので、絶縁破壊が起こり難い。従って、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等において、高電圧駆動が可能となり、振幅(変位量)を大きくとることも可能となる。さらに、積層構造体において、内部電極が圧電体層の主面に対して平行とならずにうねっている場合においても、側面絶縁膜がはみ出ることを防止することができる。 According to the above embodiment, it becomes easy to form a side insulating film accurately even for a thin laminated structure. Therefore, the application range of the multilayer piezoelectric element is expanded, and for example, it is possible to laminate the piezoelectric body in an ultrasonic probe for a high frequency (10 MHz or more), which has been difficult in the past. Further, by utilizing the difference in surface tension between a plurality of regions having different surface energies, a side insulating film that is thicker than the conventional one can be formed even if the width is narrow, so that dielectric breakdown hardly occurs. Therefore, it is possible to drive at a high voltage in an ultrasonic transducer, a piezoelectric actuator, etc., and to increase the amplitude (displacement amount). Further, in the laminated structure, even when the internal electrode is wavy without being parallel to the main surface of the piezoelectric layer, the side insulating film can be prevented from protruding.
図10は、本発明と従来例とにおける積層構造体及び側面絶縁膜の形状を比較して示す図である。図10の(a)は、本発明における積層構造体及び側面絶縁膜の側面図及び断面図であり、積層構造体の側面において表面エネルギーの差が形成されているので、側面絶縁膜13bは、隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域のみに形成される。従って、内部電極11及び12が圧電体層10の主面に対して平行とならずにうねっていても、側面絶縁膜13bが内部電極12の端部を確実に覆う一方、側面絶縁膜13bと内部電極11の端部との間の間隔が確保される。各部の精度は、ダイシングソー等の加工機の精度(3μm〜5μm)によって十分確保することができる。
FIG. 10 is a diagram comparing the shapes of the laminated structure and the side insulating film in the present invention and the conventional example. FIG. 10A is a side view and a cross-sectional view of the laminated structure and the side insulating film in the present invention. Since a difference in surface energy is formed on the side surface of the laminated structure, the
図10の(b)は、従来例における積層構造体及び側面絶縁膜の側面図及び断面図である。側面絶縁膜23が内部電極22の端部を確実に覆うようにすると、側面絶縁膜23と内部電極21の端部との間の間隔がとれなくなり、側面絶縁膜23が内部電極21の端部を覆ってしまうおそれがある。
FIG. 10B is a side view and a cross-sectional view of the laminated structure and the side insulating film in the conventional example. If the
本発明は、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等として利用される積層構造を有する圧電素子(積層型圧電素子)において利用することが可能である。 The present invention can be used in a piezoelectric element (laminated piezoelectric element) having a laminated structure used as an ultrasonic transducer, a piezoelectric actuator, or the like.
10 圧電体層
11 第1の内部電極
12 第2の内部電極
13a、13b 側面絶縁膜
14、15、18、19 側面電極
16 下部電極
17 上部電極
20 液体状態の樹脂
30 電極材
41、42 ガスボンベ
43 ガス混合・制御部
43a、43b マスフローコントローラ
43c 混合器
44 反応器
45 電源部
46 XYテーブル
A〜C 隣接領域よりも表面エネルギーが低い領域
E、F 切り欠き
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記積層構造体の少なくとも第1の側面の第2の領域に選択的に形成され、円柱の一部又は曲面を含む形状を有し、該第2の領域において前記少なくとも1つの内部電極の端部を被覆する少なくとも1つの側面絶縁膜と、
前記積層構造体の一方の主面上に形成された第1の平面電極と、
前記積層構造体の他方の主面上に形成された第2の平面電極と、
前記積層構造体の第1の側面上に前記第1又は第2の平面電極と連続的に形成され、前記第1及び第2の平面電極及び前記少なくとも1つの内部電極の内で奇数番目の電極である第1の電極群に接続された第1の側面電極と、
前記積層構造体の第2の側面上に形成され、前記第1及び第2の平面電極及び前記少なくとも1つの内部電極の内で前記第1の電極群に属さない第2の電極群に接続された第2の側面電極と、
を具備する積層型圧電素子。 A laminated structure in which a plurality of piezoelectric layers and at least one internal electrode are alternately laminated, and at least on a first side surface, adjacent to the first region and the first region, from the first region A second region having a low surface energy of the piezoelectric body, and the laminated structure in which an end of the at least one internal electrode is located in the second region on any side surface;
The laminated structure is selectively formed in at least a second region of the first side surface and has a shape including a part of a cylinder or a curved surface, and an end of the at least one internal electrode in the second region At least one side insulating film covering
A first planar electrode formed on one main surface of the multilayer structure;
A second planar electrode formed on the other main surface of the multilayer structure;
An odd-numbered electrode among the first and second planar electrodes and the at least one internal electrode formed continuously with the first or second planar electrode on the first side surface of the multilayer structure. A first side electrode connected to the first electrode group,
Formed on the second side surface of the multilayer structure and connected to a second electrode group that does not belong to the first electrode group among the first and second planar electrodes and the at least one internal electrode. A second side electrode;
A laminated piezoelectric element comprising:
マスクを用いて、前記積層構造体の少なくとも第1の側面の一部に圧電体の表面エネルギーを変化させる処理を施すことにより、少なくとも第1の側面において第1の領域と該第1の領域に隣接して第1の領域よりも圧電体の表面エネルギーが低い第2の領域とを分離し、前記少なくとも1つの内部電極の端部がいずれかの側面の第2の領域内に位置する状態とする工程(b)と、
前記積層構造体の少なくとも第1の側面の第2の領域において前記少なくとも1つの内部電極の端部を被覆する少なくとも1つの側面絶縁膜を、円柱の一部又は曲面を含む形状を有するように、該第2の領域に選択的に形成する工程(c)と、
前記積層構造体の一方の主面上に第1の平面電極を形成し、前記積層構造体の他方の主面上に第2の平面電極を形成し、前記積層構造体の第1の側面上に、前記第1及び第2の平面電極及び前記少なくとも1つの内部電極の内で奇数番目の電極である第1の電極群に接続された第1の側面電極を前記第1又は第2の平面電極と連続的に形成し、前記積層構造体の第2の側面上に、前記第1及び第2の平面電極及び前記少なくとも1つの内部電極の内で前記第1の電極群に属さない第2の電極群に接続された第2の側面電極を形成する工程(d)と、
を具備する積層型圧電素子の製造方法。 A step (a) of producing a laminated structure in which a plurality of piezoelectric layers and at least one internal electrode are alternately laminated;
Using a mask, at least a part of the first side surface of the multilayer structure is subjected to a process of changing the surface energy of the piezoelectric body, so that at least the first region and the first region are formed on the first side surface. A state in which the second region having a lower surface energy of the piezoelectric body than the first region is adjacently separated, and an end portion of the at least one internal electrode is located in the second region on any side surface; Step (b) to perform,
At least one side surface insulating film that covers an end portion of the at least one internal electrode in the second region of at least the first side surface of the multilayer structure has a shape including a part of a cylinder or a curved surface. A step (c) of selectively forming in the second region;
On the first side surface of the multilayer structure, a first planar electrode is formed on one main surface of the multilayer structure, a second planar electrode is formed on the other main surface of the multilayer structure, and In addition, a first side electrode connected to a first electrode group that is an odd-numbered electrode among the first and second planar electrodes and the at least one internal electrode is defined as the first or second plane. A second electrode that is formed continuously with an electrode and does not belong to the first electrode group among the first and second planar electrodes and the at least one internal electrode on the second side surface of the multilayer structure; (d) forming a second side electrode connected to the electrode group,
A method for manufacturing a laminated piezoelectric element comprising:
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