JP6115163B2 - Multilayer piezoelectric ceramic element and manufacturing method thereof - Google Patents
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この発明は、積層型圧電セラミック素子およびその製造方法に関するもので、特に、Cuを含む内部電極層を備える積層型圧電セラミック素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a multilayer piezoelectric ceramic element and a method for manufacturing the same, and particularly to a multilayer piezoelectric ceramic element including an internal electrode layer containing Cu and a method for manufacturing the same.
積層型圧電セラミック素子は、複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とを交互に積層してなる圧電積層体を備える。圧電セラミック層は、通常、圧電係数の比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系セラミックのような酸化鉛を含む圧電セラミックから構成される。他方、内部電極層に含まれるべき導電材料としては、従来、Ag−Pd合金などの貴金属を用いていたが、近年、コストダウンのため、Cuのような卑金属を用いることが検討されている。 The multilayer piezoelectric ceramic element includes a piezoelectric multilayer body in which a plurality of piezoelectric ceramic layers and a plurality of internal electrode layers are alternately stacked. The piezoelectric ceramic layer is usually composed of a piezoelectric ceramic containing lead oxide such as a lead zirconate titanate (PZT) based ceramic having a relatively large piezoelectric coefficient. On the other hand, as a conductive material to be included in the internal electrode layer, a noble metal such as an Ag—Pd alloy has been conventionally used. However, in recent years, use of a base metal such as Cu has been studied for cost reduction.
しかしながら、上述のような内部電極層の卑金属化のためには、以下のような課題を解決しなければならない。 However, in order to make the internal electrode layer as a base metal as described above, the following problems must be solved.
焼結した圧電積層体を得るための焼成工程では、脱脂のための熱処理および焼結のための熱処理が順次実施される。このような焼成工程においては、内部電極層に含まれる卑金属が酸化されないように配慮される必要がある。そのため、卑金属が酸化されないような雰囲気が適用されると、脱脂工程でカーボン量を十分に低減できないことがある。カーボンは、その後の焼結のための熱処理工程において、圧電セラミックに含まれる鉛の還元をもたらし、圧電セラミックの圧電性の低下を招くことが知られている。 In the firing step for obtaining a sintered piezoelectric laminate, a heat treatment for degreasing and a heat treatment for sintering are sequentially performed. In such a firing step, consideration must be given so that the base metal contained in the internal electrode layer is not oxidized. Therefore, if an atmosphere in which the base metal is not oxidized is applied, the amount of carbon may not be sufficiently reduced in the degreasing process. It is known that carbon causes reduction of lead contained in the piezoelectric ceramic and lowers the piezoelectricity of the piezoelectric ceramic in a subsequent heat treatment process for sintering.
他方、上述のような内部電極層の卑金属化を目指した技術として、たとえば特開2006−196717号公報(特許文献1)および特開2005−136260号公報(特許文献2)にそれぞれ記載されたものがある。 On the other hand, as a technique aiming at the base metal formation of the internal electrode layer as described above, for example, those described in JP-A-2006-196717 (Patent Document 1) and JP-A-2005-136260 (Patent Document 2), respectively. There is.
特許文献1には、脱脂後の生の積層体に含まれる残留カーボン量を350ppm未満にすることにより、焼結のための熱処理工程において、残留カーボンによる酸化鉛の還元を抑制し、圧電セラミック層と内部電極層との界面でのデラミネーション(剥離)を防ぎ、内部電極層を形成する導電性ペーストに用いるCu粉末表面にガラスをコーティングすることにより、窒素雰囲気中でも400℃まで酸化しない耐酸化性をCu粉末に与えることが記載されている。
In
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、ガラスコートしたCu粉末において、酸化物であるガラスに比べて、金属であるCuの方が、熱膨張係数が大きいので、脱脂のための熱処理工程において、Cuがより大きく熱膨張した結果、Cu粉末からガラスコート層が剥がれてしまうおそれが十分にある。そのため、Cu粉末がむき出しとなり、Cu成分が酸化するという問題を招く。
However, in the technique described in
次に、特許文献2には、脱脂工程での耐酸化性を向上させるために、内部電極層を形成するために用いられる導電性ペーストに含まれる金属粉末として、CuとCuに固溶して融点が高くなる金属との合金粉末(Cu−Ni、Cu−Ir、Cu−Pd、Cu−Pt、Cu−Rh)を用いることが記載されている。しかし、このような合金粉末を用いても、大気雰囲気下で脱脂を行なうと、Cu成分が酸化するという不都合は避けられない。
Next, in
また、特許文献2には、内部電極層を形成するために用いられる導電性ペーストに含まれる金属粉末の表面に、PbO、Bi2O3、SiO2、GeO2、Li2CO3、ZnO、B2O3、BaO、SrO、CaO、CuO、およびAgのうち少なくとも1種類からなる低融点の無機薄膜層を形成することによって、Cuを含む金属粉末の耐酸化性を向上させることが記載されている。
In
上記無機薄膜層を形成するため、特許文献2では、一例として、ゾルゲル法を適用することが記載されている。しかし、ゾルゲル法で固定化された無機薄膜層は、ゾルゲル法の性質上、被覆性が不均一であったり、厚みが不十分であったりして、大気雰囲気下で脱脂を行なうと、Cu成分の酸化は避けられないという課題がある。
In order to form the said inorganic thin film layer,
そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、すなわち、Cuを含む内部電極層を備える積層型圧電セラミック素子を製造するにあたって、大気雰囲気下で脱脂してもCuの酸化を抑制できる、積層型圧電セラミック素子の製造方法、およびこの製造方法によって得られる積層型圧電セラミック素子を提供しようとすることである。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, that is, in manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element having an internal electrode layer containing Cu, oxidation of Cu is performed even when degreasing in an air atmosphere. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element that can be suppressed, and a multilayer piezoelectric ceramic element obtained by this manufacturing method.
この発明は、まず、積層型圧電セラミック素子の製造方法に向けられる。 The present invention is first directed to a method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element.
この発明に係る積層型圧電セラミック素子の製造方法では、Cuと、Niよりも酸化しやすい酸化容易性元素とを含む合金粉末が準備される。なお、「Niより酸化しやすい」における「Ni」は、酸化の容易さを規定する基準とするために選ばれたものであり、この発明の範囲を明確に規定する意義を有する。 In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, an alloy powder containing Cu and an easily oxidizable element that is easier to oxidize than Ni is prepared. Note that “Ni” in “easy to oxidize more than Ni” is selected to be a standard for defining the ease of oxidation, and has the significance of clearly defining the scope of the present invention.
上記合金粉末は、Cuが酸化せず、酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気下で熱処理されることによって、Cuを主成分とするコア部と、酸化容易性元素を含む酸化物からなるシェル部とで構成されるコア−シェル金属粒子が作製される。ここで、酸化容易性元素はNiより酸化しやすいため、Cuは酸化されず、酸化容易性元素だけが酸化するという状況を作りやすく、したがって、熱処理の雰囲気の選択の幅を広くすることができる。 The alloy powder is heat-treated in an atmosphere having an oxygen concentration at which Cu does not oxidize and the oxidizable element oxidizes, thereby forming a core part mainly composed of Cu and an oxide containing the oxidizable element. A core-shell metal particle composed of a shell portion is formed. Here, since the easily oxidizable element is easier to oxidize than Ni, Cu is not oxidized, and it is easy to create a situation in which only the easily oxidizable element is oxidized. Therefore, the selection range of the heat treatment atmosphere can be widened. .
次に、上記コア−シェル金属粒子を少なくとも含む導電性ペーストが準備される。他方、圧電セラミック材料を含む圧電セラミックグリーンシートが準備される。 Next, a conductive paste containing at least the core-shell metal particles is prepared. On the other hand, a piezoelectric ceramic green sheet containing a piezoelectric ceramic material is prepared.
次に、上記導電性ペーストは、圧電セラミックグリーンシートに印刷され、それによって、圧電セラミックグリーンシート上に内部電極層となるべき導電性ペースト膜が形成される。そして、導電性ペースト膜を形成した圧電セラミックグリーンシートを含む複数の圧電セラミックグリーンシートが積層されることによって、生の積層体が得られる。 Next, the conductive paste is printed on a piezoelectric ceramic green sheet, thereby forming a conductive paste film to be an internal electrode layer on the piezoelectric ceramic green sheet. And a raw laminated body is obtained by laminating | stacking the several piezoelectric ceramic green sheet containing the piezoelectric ceramic green sheet in which the electrically conductive paste film | membrane was formed.
次に、生の積層体に対して、脱脂工程が実施され、脱脂積層体が得られる。この脱脂工程では、生の積層体を大気雰囲気下で熱処理することが行なわれる。したがって、脱脂積層体において、残留カーボン量を十分に低減することができる。また、導電性ペースト膜に含まれるコア−シェル金属粒子においては、コア部に含まれるCuが、酸化容易性元素を含む酸化物からなるシェル部によって被覆された状態となっているので、Cuの酸化を抑制することができる。 Next, a degreasing process is implemented with respect to a raw laminated body, and a degreasing laminated body is obtained. In this degreasing step, the raw laminate is heat-treated in an air atmosphere. Therefore, the amount of residual carbon can be sufficiently reduced in the degreased laminate. Moreover, in the core-shell metal particles contained in the conductive paste film, Cu contained in the core part is covered with the shell part made of an oxide containing an easily oxidizable element. Oxidation can be suppressed.
次に、脱脂積層体を焼結させるため、脱脂積層体が熱処理され、それによって、焼結した圧電積層体が得られる。ここでは、Cuが酸化せず、酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気が適用される。 Next, in order to sinter the degreased laminate, the degreased laminate is heat treated, thereby obtaining a sintered piezoelectric laminate. Here, an atmosphere having an oxygen concentration at which Cu is not oxidized and an easily oxidizable element is oxidized is applied.
以上のようにして、積層型圧電セラミック素子が製造される。 A multilayer piezoelectric ceramic element is manufactured as described above.
この発明に係る積層型圧電セラミック素子の製造方法において、好ましくは、合金粉末が、Cu−Al系合金粉末またはCu−Si系合金粉末である。AlおよびSiは、Cuに固溶し、かつ、Cuとの平衡酸素分圧差が比較的大きいため、高被覆性のシェル部を有するコア−シェル金属粒子を作製することができる。 In the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, preferably, the alloy powder is a Cu—Al based alloy powder or a Cu—Si based alloy powder. Since Al and Si are solid-dissolved in Cu and the difference in equilibrium oxygen partial pressure with Cu is relatively large, core-shell metal particles having a highly covering shell part can be produced.
合金粉末における酸化容易性元素の含有量は3〜11重量%であることが好ましい。酸化容易性元素の含有量が3重量%未満の場合、脱脂積層体を形成する工程でCuが酸化し、圧電セラミックグリーンシートまたは圧電セラミック層にCu成分が拡散し、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックの圧電特性が低下することがある。他方、酸化容易性元素の含有量が11重量%を超える場合、シェル部が厚くなり過ぎ、脱脂積層体を焼結させる際にCuの焼結がシェル部によって阻害され、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックにおいて目標の圧電特性が得られなくなることがある。 The content of the easily oxidizable element in the alloy powder is preferably 3 to 11% by weight. When the content of the easily oxidizable element is less than 3% by weight, Cu is oxidized in the step of forming the degreased laminate, and the Cu component diffuses into the piezoelectric ceramic green sheet or the piezoelectric ceramic layer, thereby forming the piezoelectric ceramic layer. The piezoelectric properties of the ceramic may be degraded. On the other hand, when the content of the easily oxidizable element exceeds 11% by weight, the shell part becomes too thick, and the sintering of Cu is hindered by the shell part when the degreasing laminate is sintered, thereby constituting the piezoelectric ceramic layer. The target piezoelectric characteristics may not be obtained in the piezoelectric ceramic.
コア−シェル金属粒子を作製する工程において作製されるコア−シェル金属粒子は、コア部がCuおよび酸化容易性元素を含む合金からなること、すなわち、合金粉末を所定の雰囲気下で熱処理してコア−シェル金属粒子を作製した際、コア部に酸化容易性元素が残っていることが好ましい。このような構成によれば、コア部がCuと酸化容易性元素とからなる合金で構成されるため、脱脂工程の昇温過程でも、コア部から粒子表面に向かって酸化容易性元素が拡散し、粒子表面において酸化容易性元素を含む酸化物を形成することができるので、換言すれば、コア−シェル金属粒子に自己修復可能な能力を与えることができるので、コア−シェル金属粒子をより耐酸化性に優れたものとすることができる。 The core-shell metal particles produced in the step of producing the core-shell metal particles are such that the core part is made of an alloy containing Cu and an easily oxidizable element, that is, the alloy powder is heat-treated in a predetermined atmosphere. -When producing the shell metal particles, it is preferable that the easily oxidizable element remains in the core portion. According to such a configuration, since the core part is made of an alloy composed of Cu and an easily oxidizable element, the easily oxidizable element diffuses from the core part to the particle surface even in the temperature rising process of the degreasing process. In other words, since an oxide containing an easily oxidizable element can be formed on the particle surface, in other words, the core-shell metal particle can be given a self-healing capability, so that the core-shell metal particle is more resistant to acid. It can be made excellent in chemical properties.
導電性ペーストは、アルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物から選ばれる少なくとも1種の金属化合物をさらに含むことが好ましい。導電性ペーストにアルカリ金属化合物および/またはアルカリ土類金属化合物が添加されることにより、脱脂積層体を焼結させる工程において、コア−シェル金属粒子におけるシェル部がガラス化してCuを液相焼結させることが可能となると推測され、よって、高カバレッジの内部電極層を形成することができる。 The conductive paste preferably further contains at least one metal compound selected from alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds. In the step of sintering the degreased laminate by adding an alkali metal compound and / or alkaline earth metal compound to the conductive paste, the shell part in the core-shell metal particles is vitrified and Cu is liquid phase sintered. Therefore, it is possible to form an internal electrode layer with high coverage.
コア−シェル金属粒子を作製する工程において、熱処理温度は400℃〜700℃であることが好ましい。熱処理温度が400℃未満の場合、高被覆性のシェル部が形成され難く、脱脂積層体作製工程でCuが酸化することがある。そして、続く脱脂積層体を焼結させる工程で、Cuが圧電セラミック層に拡散し、圧電セラミックの圧電特性が劣化する傾向にある。他方、熱処理温度が700℃を超える場合、シェル部の一部が破壊され、脱脂積層体作製工程でCuが酸化することがある。そして、続く脱脂積層体を焼結させる工程で、Cuが圧電セラミック層に拡散し、圧電セラミックの圧電特性が劣化する傾向にある。 In the step of producing the core-shell metal particles, the heat treatment temperature is preferably 400 ° C to 700 ° C. When the heat treatment temperature is less than 400 ° C., it is difficult to form a highly coverable shell portion, and Cu may be oxidized in the degreasing laminate manufacturing process. And in the process of sintering the subsequent degreased laminate, Cu diffuses into the piezoelectric ceramic layer and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic tend to deteriorate. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., part of the shell portion is destroyed, and Cu may be oxidized in the degreasing laminate manufacturing process. And in the process of sintering the subsequent degreased laminate, Cu diffuses into the piezoelectric ceramic layer and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic tend to deteriorate.
脱脂積層体作製工程において、熱処理温度は280℃〜700℃であることが好ましい。熱処理温度が280℃未満の場合、樹脂分解が不十分であり、残留カーボン量が多くなり、続く脱脂積層体を焼結させる工程で、残留カーボンによって圧電セラミック層中の鉛成分が還元し、圧電セラミックの圧電特性が劣化する傾向がある。他方、熱処理温度が700℃を超える場合、コア−シェル金属粒子のコア部のCuが露出して酸化し、圧電セラミックにおいて目標の圧電特性を確保できなくなる傾向がある。 In the degreasing laminate manufacturing process, the heat treatment temperature is preferably 280 ° C to 700 ° C. When the heat treatment temperature is lower than 280 ° C., the resin decomposition is insufficient, the amount of residual carbon increases, and the lead component in the piezoelectric ceramic layer is reduced by the residual carbon in the subsequent sintering step of the degreasing laminate. Ceramic piezoelectric properties tend to degrade. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., Cu in the core portion of the core-shell metal particles is exposed and oxidized, and there is a tendency that target piezoelectric characteristics cannot be secured in the piezoelectric ceramic.
この発明は、また、上述した製造方法によって得られた積層型圧電セラミック素子の構造にも向けられる。 The present invention is also directed to the structure of the multilayer piezoelectric ceramic element obtained by the manufacturing method described above.
この発明に係る積層型圧電セラミック素子は、複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とを交互に積層してなる圧電積層体を備え、内部電極層は、Cuを主成分とする導電部と、Niよりも酸化しやすい酸化容易性元素が存在する結合部とを含み、結合部は、内部電極層の内部に存在する部分を有するとともに、その少なくとも一部において圧電セラミック層と接合する部分を有し、圧電セラミック層に、上記酸化容易性元素が存在することを特徴としている。 The multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention includes a piezoelectric laminate formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric ceramic layers and a plurality of internal electrode layers, and the internal electrode layer includes a conductive portion mainly composed of Cu and , And a bond portion in which an easily oxidizable element is present that is easier to oxidize than Ni. The bond portion has a portion existing inside the internal electrode layer, and at least a portion of the bond portion is bonded to the piezoelectric ceramic layer. Yes, and the piezoelectric ceramic layer, is characterized in that the oxidizing ease element is present.
前述した製造方法において、合金粉末としてCu−Al系合金粉末またはCu−Si系合金粉末が用いられた場合、内部電極層における結合部には、AlおよびSiから選ばれる少なくとも一方の元素が存在する。 In the manufacturing method described above, when Cu—Al based alloy powder or Cu—Si based alloy powder is used as the alloy powder, at least one element selected from Al and Si exists in the bonding portion in the internal electrode layer. .
この発明に係る積層型圧電セラミック素子において、結合部には、アルカリ金属およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の金属がさらに存在することが好ましい。結合部にアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属が存在することで、積層型圧電セラミック素子を得るための焼成過程において、結合部の粘度が低下し、結合部が内部電極層と圧電セラミック層とをより強固に結合することができる。 In the multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, it is preferable that at least one metal selected from alkali metals and alkaline earth metals is further present in the joint portion. The presence of alkali metal and / or alkaline earth metal in the bonding portion reduces the viscosity of the bonding portion in the firing process for obtaining the multilayer piezoelectric ceramic element, and the bonding portion is made up of the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer. Can be bonded more firmly.
また、内部電極層における上記結合部は、内部電極層の一方に積層された圧電セラミック層と、内部電極層の他方に積層された圧電セラミック層とを接合するものであることが好ましい。この構成によれば、デラミネーションなどの構造欠陥を生じにくくすることができる。 Also, the coupling section of the internal electrode layers, and the piezoelectric ceramic layer laminated on one of the internal electrode layers, it is preferable that joining the piezoelectric ceramic layers stacked on the other inner electrode layers. According to this configuration, structural defects such as delamination can be made difficult to occur.
この発明に係る積層型圧電セラミック素子は、Cuを主成分とする内部電極層をもって構成されているので、これを安価に提供することができる。 Since the multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention is configured with an internal electrode layer mainly composed of Cu, it can be provided at low cost.
また、この発明に係る積層型圧電セラミック素子によれば、内部電極層に結合部を含むため、内部電極層と圧電セラミック層とが強固に結合し、デラミネーションなどの構造欠陥を生じにくくすることができる。
また、この発明に係る積層型圧電セラミック素子によれば、圧電セラミック層に、AlおよびSiから選ばれる少なくとも一方の元素というように、酸化容易性元素が存在しているので、内部電極層と圧電セラミック層とがより強固に接合し、構造欠陥の抑制効果を高めることができる。
In addition, according to the multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, since the internal electrode layer includes the coupling portion, the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer are firmly coupled, and structural defects such as delamination are less likely to occur. Can do.
In the multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, since the oxidizable element is present in the piezoelectric ceramic layer, such as at least one element selected from Al and Si, the internal electrode layer and the piezoelectric The ceramic layer can be more firmly bonded, and the effect of suppressing structural defects can be enhanced.
この発明に係る積層型圧電セラミック素子の製造方法によれば、高度にシェル部で被覆されたコア−シェル金属粒子を用いているので、大気雰囲気下で脱脂工程に暴露しても、コア−シェル金属粒子におけるコア部に含まれるCuを酸化しにくくすることができる。 According to the method for manufacturing a multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention, since the core-shell metal particles highly coated with the shell portion are used, the core-shell is not affected by exposure to the degreasing process in the air atmosphere. Cu contained in the core portion of the metal particles can be made difficult to oxidize.
そのため、大気雰囲気下で、問題なく脱脂工程を進めることができ、脱脂工程で残留カーボン量を十分に低減でき、その結果、焼結工程において、残留カーボンによる圧電セラミック中の鉛成分の還元を抑制でき、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックにおいて、良好な圧電特性を確保することができる。 Therefore, the degreasing process can be carried out without problems in the air atmosphere, and the amount of residual carbon can be sufficiently reduced in the degreasing process, and as a result, the reduction of lead components in the piezoelectric ceramic by the residual carbon is suppressed in the sintering process. In the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric ceramic layer, good piezoelectric characteristics can be ensured.
図1を参照して、この発明の一実施形態による積層型圧電セラミック素子1について説明する。
A laminated piezoelectric
積層型圧電セラミック素子1は、複数の圧電セラミック層2〜5と複数の内部電極層7〜9とを交互に積層してなる圧電積層体11を備える。図1では、4層の圧電セラミック層2〜5と3層の内部電極層7〜9とが図示されているが、圧電セラミック層および内部電極層の各々の数は任意に変更し得る。3層の内部電極層7〜9のうち、内部電極層7および9は、圧電積層体11の一方の端面12にまで引き出され、内部電極層8は、他方の端面13にまで引き出されている。
The multilayer piezoelectric
圧電積層体11の一方の端面12上には、内部電極層7および9に電気的に接続されるように、外部端子電極15が形成され、他方の端面13上には、内部電極層8に電気的に接続されるように、外部端子電極16が形成される。その結果、第1の外部端子電極15に接続される内部電極層7および9と第2の外部端子電極16に接続される内部電極層8とは、圧電セラミック層3または4を介して互いに対向しながら、交互に配置される。
An external
圧電セラミック層2〜5は、圧電係数の比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系セラミックのような酸化鉛を含む圧電セラミックから構成される。内部電極層7〜9は、主成分としてCuを含むが、その詳細については、図2を参照して後述する。外部端子電極15および16は、たとえばCuまたはAgのような金属を導電材料として含む。
The piezoelectric
図2には、圧電セラミック層3および4の間に挟まれた内部電極層8が拡大されて示されている。以下の説明は、図示した内部電極層8について行なうが、他の内部電極層7および9についても同様の構成を有しており、よって、重複する説明は省略する。
In FIG. 2, the
内部電極層8は、Cuを主成分とする導電部18と、Niよりも酸化しやすい酸化容易性元素、好ましくは、AlおよびSiから選ばれる少なくとも一方の元素が存在する結合部19とを含む。結合部19は、その少なくとも一部において圧電セラミック層3および/または4と接合する部分を有する。図示された結合部19からわかるように、結合部19には、圧電セラミック層3および4の双方に接合するもの、圧電セラミック層3および4のいずれか一方にのみ接合するもの、圧電セラミック層3および4のいずれにも接合しないものがあるが、圧電セラミック層3および4の少なくとも一方に接合するものは、内部電極層8と圧電セラミック層3および4との間での接合をより強固にするように作用し、結果として、デラミネーションなどの構造欠陥を生じにくくすることに寄与している。
The
上述したように、内部電極層8において、導電部18に加えて、結合部19が形成されるのは、以下に説明する積層型圧電セラミック素子1の製造方法に起因する。
As described above, the
積層型圧電セラミック素子1を製造するにあたり、内部電極層7〜9の材料となるもので、Cuと、Niよりも酸化しやすい酸化容易性元素とを含む合金粉末が準備される。酸化容易性元素としては、好ましくは、Cuとの平衡酸素分圧差がNiよりも格段に大きいAlまたはSiが用いられる。したがって、合金粉末としては、好ましくは、Cu−Al系合金粉末またはCu−Si系合金粉末が用いられる。合金粉末における酸化容易性元素の含有量は、後述する実験例からわかるように、3〜11重量%であることが好ましい。
In manufacturing the multilayer piezoelectric
次に、上記合金粉末は、Cuが酸化せず、酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気下で熱処理されることによって、Cuを主成分とするコア部と、酸化容易性元素を含む酸化物からなるシェル部とで構成されるコア−シェル金属粒子が作製される。このコア−シェル金属粒子作製工程について、酸化容易性元素がAlであるとして、図3を参照しながらより具体的に説明する。図3(1)には、合金粉末を構成する1個の合金粒子21が示されている。
Next, the alloy powder includes a core portion mainly composed of Cu and an easily oxidizable element by being heat-treated in an atmosphere having an oxygen concentration at which Cu is not oxidized and an easily oxidizable element is oxidized. Core-shell metal particles composed of an oxide shell portion are produced. This core-shell metal particle preparation step will be described more specifically with reference to FIG. 3 assuming that the easily oxidizable element is Al. FIG. 3 (1) shows one
Cuが酸化せず、Alが酸化する酸素濃度を有する雰囲気下で熱処理工程を実施すると、その昇温過程において、CuおよびAlからなる合金粒子21において、図3(1)に示すように、Alは、矢印で示すように、当該合金粒子21の表面に向かって移動し、表面に達した時点で酸化され、Al2O3となる。
When the heat treatment step is performed in an atmosphere having an oxygen concentration at which Al does not oxidize and Al oxidizes, in the temperature rising process, the
上述の熱処理工程が進むと、やがて図3(2)に示すコア−シェル金属粒子22が得られる。コア−シェル金属粒子22は、Cuを主成分とするコア部23と、Al2O3からなるシェル部24とで構成される。なお、図3(1)を参照して説明した現象からわかるように、コア−シェル金属粒子22のコア部23には、Alが残ることもある。
When the above heat treatment step proceeds, the core-
コア−シェル金属粒子22の作製工程での熱処理温度は400℃〜700℃であることが好ましい。熱処理温度が400℃未満の場合、高被覆性のシェル部24が形成され難く、他方、熱処理温度が700℃を超える場合、シェル部24の一部が破壊されることがあるからである。
The heat treatment temperature in the production process of the core-
AlをSi等の他の酸化容易性元素で置き換えた場合にも、上記と同様の現象が生じ、同様の形態のコア−シェル金属粒子が得られる。 Even when Al is replaced with another easily oxidizable element such as Si, the same phenomenon as described above occurs, and core-shell metal particles having the same form can be obtained.
次に、コア−シェル金属粒子を少なくとも含む導電性ペーストが準備される。導電性ペーストは、内部電極層7〜9を形成するためのものである。導電性ペーストは、後述する理由から、アルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物から選ばれる少なくとも1種の金属化合物をさらに含むことが好ましい。 Next, a conductive paste containing at least core-shell metal particles is prepared. The conductive paste is for forming internal electrode layers 7-9. The conductive paste preferably further contains at least one metal compound selected from an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound for the reason described later.
他方、圧電セラミック層2〜5となるべき、圧電セラミック材料を含む圧電セラミックグリーンシートが準備される。
On the other hand, a piezoelectric ceramic green sheet containing a piezoelectric ceramic material to be the piezoelectric
次に、上記導電性ペーストが圧電セラミックグリーンシートに印刷され、それによって、圧電セラミックグリーンシート上に内部電極層7〜9となるべき導電性ペースト膜が形成される。そして、導電性ペースト膜を形成した圧電セラミックグリーンシートを含む複数の圧電セラミックグリーンシートが積層されることによって、圧電積層体11の生の状態のもの、すなわち生の積層体が得られる。
Next, the conductive paste is printed on the piezoelectric ceramic green sheet, whereby a conductive paste film to be the
次に、生の積層体に対して、脱脂工程が実施される。この脱脂工程では、生の積層体を熱処理することが行なわれるが、熱処理は大気雰囲気下で実施される。したがって、得られた脱脂積層体において、残留カーボン量を十分に低減することができる。また、導電性ペースト膜に含まれるコア−シェル金属粒子においては、コア部に含まれるCuが、酸化容易性元素を含む酸化物からなるシェル部によって覆われているので、Cuの酸化を抑制することができる。 Next, a degreasing process is implemented with respect to a raw laminated body. In this degreasing step, the raw laminate is heat-treated, but the heat treatment is performed in an air atmosphere. Therefore, in the obtained degreased laminate, the amount of residual carbon can be sufficiently reduced. Moreover, in the core-shell metal particles contained in the conductive paste film, Cu contained in the core is covered with a shell made of an oxide containing an easily oxidizable element, so that oxidation of Cu is suppressed. be able to.
脱脂工程での熱処理温度は280℃〜700℃であることが好ましい。熱処理温度が280℃未満の場合、樹脂分解が不十分であり、残留カーボン量が多くなる傾向がある。他方、熱処理温度が700℃を超える場合、コア−シェル金属粒子のコア部のCuが露出して酸化することがある。 The heat treatment temperature in the degreasing step is preferably 280 ° C to 700 ° C. When the heat treatment temperature is less than 280 ° C., the resin decomposition is insufficient and the amount of residual carbon tends to increase. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., Cu in the core portion of the core-shell metal particles may be exposed and oxidized.
前述したように、図3(2)に示したコア−シェル金属粒子22において、コア部23にAlが残る場合、すなわち、コア部23がCuおよびAlを含む合金からなる場合、脱脂工程の昇温過程でも、コア部23から粒子表面に向かってAlが拡散し、粒子表面においてAlを含む酸化物を形成することができるので、換言すれば、コア−シェル金属粒子22に自己修復可能な能力を与えることができるので、コア−シェル金属粒子22をより耐酸化性に優れたものとすることができる。このことは、Alに代えて、Si等の他の酸化容易性元素を用いた場合にも言える。
As described above, in the core-
次に、脱脂された積層体を焼結させるため、熱処理が施され、それによって、焼結した圧電積層体11が得られる。この熱処理においては、Cuが酸化せず、酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気が適用される。 Next, in order to sinter the degreased laminate, heat treatment is performed, whereby the sintered piezoelectric laminate 11 is obtained. In this heat treatment, an atmosphere having an oxygen concentration at which Cu is not oxidized and an easily oxidizable element is oxidized is applied.
以上のようにして、積層型圧電セラミック素子1が得られる。
As described above, the multilayer piezoelectric
前述したように、内部電極層7〜9を形成するために用いられる導電性ペーストが、アルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物から選ばれる少なくとも1種の金属化合物をさらに含んでいると、脱脂工程において、コア−シェル金属粒子におけるシェル部がガラス化し、焼結過程において、Cuを液相焼結させることができるため、高カバレッジの内部電極層7〜9を形成することができる。
As described above, when the conductive paste used to form the
また、得られた積層型圧電セラミック素子1において、圧電セラミック層2〜5に、AlおよびSiから選ばれる少なくとも一方の元素というように、前述の酸化容易性元素が存在することがある。このように酸化容易性元素が圧電セラミック層2〜5に存在していると、内部電極層7〜9と圧電セラミック層2〜5とがより強固に接合し、構造欠陥の抑制効果を高めることができる。
Moreover, in the obtained multilayer piezoelectric
この発明に係る積層型圧電セラミック素子は、たとえば、スピーカー、ショックセンサーなどとして用いることができる。これらスピーカーまたはショックセンサーとして用いられる積層型圧電セラミック素子においては、内部電極層の面積を大きくする必要がある。この発明によれば、面積の大きい内部電極層の主成分をCuとすることができるので、Cu使用によるコストダウン効果が大きい。 The multilayer piezoelectric ceramic element according to the present invention can be used as, for example, a speaker, a shock sensor or the like. In the laminated piezoelectric ceramic elements used as these speakers or shock sensors, it is necessary to increase the area of the internal electrode layer. According to the present invention, since the main component of the internal electrode layer having a large area can be Cu, the cost reduction effect due to the use of Cu is great.
次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。 Next, experimental examples carried out to confirm the effects of the present invention will be described.
〈評価試料の作製〉
(1)合金粉末の作製
表1に示す「組成」および「D50」をそれぞれ有する合金粉末S−1〜S−9をアトマイズ法で作製した。なお、合金粉末S−9は、Cuが100重量%であり、正確には合金粉末ではないが、以下の説明では、便宜上、「合金粉末」と称する。
<Preparation of evaluation sample>
(1) Production of Alloy Powder Alloy powders S-1 to S-9 each having “composition” and “D50” shown in Table 1 were produced by an atomizing method. In addition, although the alloy powder S-9 has Cu of 100% by weight and is not precisely an alloy powder, in the following description, it will be referred to as “alloy powder” for convenience.
表1において、「組成」はICP−AES法(誘導結合プラズマ発光分析)により求めた。また、「D50」はレーザー回折式粒度分布法により求めた。 In Table 1, “composition” was determined by ICP-AES method (inductively coupled plasma emission analysis). “D50” was determined by a laser diffraction particle size distribution method.
なお、表1に示した合金粉末では、AlまたはSiの含有量が3〜11重量%の範囲にあったが、この3重量%未満の場合、後述する脱脂工程でCuが酸化し、圧電セラミックグリーンシートまたは圧電セラミック層にCu成分が拡散し、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックの圧電特性が低下することがあることを確認している。他方、AlまたはSiの含有量が11重量%を超える場合、後述するコア−シェル金属粒子作製工程において、シェル部が厚くなり過ぎ、焼結工程において、Cuの焼結がシェル部によって阻害され、圧電セラミック層を構成する圧電セラミックにおいて目標の圧電特性が得られなくなることがあることを確認している。 In the alloy powder shown in Table 1, the content of Al or Si was in the range of 3 to 11% by weight. However, in the case of less than 3% by weight, Cu is oxidized in a degreasing process described later, and the piezoelectric ceramic It has been confirmed that the Cu component may diffuse into the green sheet or the piezoelectric ceramic layer and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric ceramic layer may deteriorate. On the other hand, when the content of Al or Si exceeds 11% by weight, in the core-shell metal particle preparation process described later, the shell part becomes too thick, and in the sintering process, the sintering of Cu is inhibited by the shell part, It has been confirmed that the target piezoelectric characteristics may not be obtained in the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric ceramic layer.
(2)コア−シェル金属粒子の作製
次いで、表1に示した合金粉末S−1〜S−9を、表2の「温度」および「保持時間」に示す加熱プロファイルを適用しながら、表2に示すように、「N2」、「空気」、「H2O」および「H2」の各流量を制御しながら、「PO2」で示した酸素分圧を有する雰囲気下で熱処理を行ない、金属粒子M−1〜M−12を得た。
(2) Production of Core-Shell Metal Particles Next, while applying the heating profiles shown in “Temperature” and “Holding Time” in Table 2 to Alloy Powders S-1 to S-9 shown in Table 1, Table 2 As shown in FIG. 4, heat treatment is performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure indicated by “PO 2 ” while controlling the flow rates of “N 2 ”, “air”, “H 2 O”, and “H 2 ”. Metal particles M-1 to M-12 were obtained.
そして、金属粒子M−1〜M−12に関して、表2に示すように、「コア−シェル構造の有無」、「シェル部の厚み」、「シェル部の存在元素」および「コア部の存在元素」を評価した。 Regarding the metal particles M-1 to M-12, as shown in Table 2, “the presence or absence of the core-shell structure”, “the thickness of the shell part”, “the existing element in the shell part”, and “the existing element in the core part” Was evaluated.
なお、「コア−シェル構造の有無」、「シェル部の厚み」、「シェル部の存在元素」および「コア部の存在元素」の評価は、以下の手法により行なった。 The evaluation of “presence / absence of core-shell structure”, “thickness of shell part”, “existing element of shell part” and “existing element of core part” was performed by the following methods.
[コア−シェル構造の有無]
各金属粒子を、エポキシ樹脂に埋め、硬化させた。硬化後、研磨によって、金属粒子断面を露出させた。次いで、研磨によって露出した金属粒子断面に対して、FIB(収束イオンビーム)加工を行なった。FIB加工によってサンプリングした金属粒子断面に対して、STEM(走査透過型電子顕微鏡)観察を行なった。なお、STEM観察は、加速電圧5kVにおいて、5000倍と25000倍とで行なった。
[With or without core-shell structure]
Each metal particle was embedded in an epoxy resin and cured. After curing, the metal particle cross section was exposed by polishing. Next, FIB (focused ion beam) processing was performed on the metal particle cross section exposed by polishing. STEM (scanning transmission electron microscope) observation was performed on the metal particle cross-section sampled by FIB processing. The STEM observation was performed at 5000 times and 25000 times at an acceleration voltage of 5 kV.
STEM観察において、コア部の周囲の長さL0と、金属酸化物で被覆されたコア部の周囲の長さL1を算出した。L1/L0≧75%であるものをコア−シェル構造であると判断して、表2の「コア−シェル構造の有無」の欄に「○」と表示し、L1/L0<75%であるものをコア−シェル構造ではないと判断して、「×」と表示した。 In STEM observation, the peripheral length L0 of the core portion and the peripheral length L1 of the core portion covered with the metal oxide were calculated. A case where L1 / L0 ≧ 75% is determined to be a core-shell structure, “◯” is displayed in the column “Presence / absence of core-shell structure” in Table 2, and L1 / L0 <75%. It was judged that the thing was not a core-shell structure, and "x" was displayed.
なお、コア−シェル構造でないと判断されたものは、「シェル部の厚み」、「シェル部の存在元素」および「コア部の存在元素」の評価を行なわなかった。 In addition, what was judged not to have a core-shell structure was not evaluated for “thickness of shell part”, “existing element of shell part”, and “existing element of core part”.
[シェル部の厚み]
前述したSTEM像からシェル部の厚みを算出した。
[Thickness of shell part]
The thickness of the shell portion was calculated from the STEM image described above.
[シェル部の存在元素]および[コア部の存在元素]
前述したSTEM観察において、シェル部およびコア部の各々の存在元素をEDS(エネルギー分散型X線分析装置)で定性した。
[Existing elements in the shell] and [Existing elements in the core]
In the STEM observation described above, each of the existing elements in the shell part and the core part was qualitatively determined by EDS (energy dispersive X-ray analyzer).
本発明の範囲内にある条件で熱処理した金属粒子M−1、M−2およびM−4〜M−9は、Cuよりも酸化されやすく、かつNiよりも酸化されやすい酸化容易性元素であるAlまたはSiの酸化物を主成分としたシェル部と、Cuを主成分としたコア部とを有したコア−シェル構造になっていることが確認された。 The metal particles M-1, M-2, and M-4 to M-9 that are heat-treated under the conditions within the scope of the present invention are oxidizable elements that are more easily oxidized than Cu and more easily oxidized than Ni. It was confirmed that the core-shell structure has a shell part mainly composed of an oxide of Al or Si and a core part mainly composed of Cu.
なお、金属粒子M−1、M−2およびM−4〜M−9では、シェル部に少量のCu成分が拡散していた。このように、シェル部に少量のCu成分が存在することでシェル部とコア部との接合性が向上し、後のペースト作製工程の分散過程での機械的剪断力によるシェル部の破壊が低減できることが推測される。 In metal particles M-1, M-2, and M-4 to M-9, a small amount of Cu component was diffused in the shell portion. In this way, the presence of a small amount of Cu component in the shell portion improves the bondability between the shell portion and the core portion, and reduces the destruction of the shell portion due to mechanical shear force in the dispersion process of the subsequent paste manufacturing process. I guess it can be done.
また、金属粒子M−1、M−2およびM−4〜M−9では、コア部に、Niよりも酸化されやすい酸化容易性元素としてのAlまたはSiが存在していた。このように、コア部に、酸化容易性元素が存在することで、後の脱脂工程の昇温過程で金属粒子が熱膨張する際に、コア部から酸化容易性元素が表面に拡散して酸化物となり、コア部のCu成分が酸化するのを抑制できることが推測される。 Further, in the metal particles M-1, M-2, and M-4 to M-9, Al or Si as an easily oxidizable element that is more easily oxidized than Ni was present in the core portion. As described above, the presence of the easily oxidizable element in the core portion allows the easily oxidizable element to diffuse from the core portion to the surface and oxidize when the metal particles thermally expand in the temperature rising process of the subsequent degreasing process. It is estimated that the Cu component of the core part can be suppressed from being oxidized.
これらに対して、金属粒子M−3は、本発明の範囲内の合金粉末S−2を用いたが、熱処理において、Cu成分も酸化する酸素分圧を適用したため、Cu成分が酸化し、コア−シェル構造を形成していなかった。 On the other hand, for the metal particles M-3, the alloy powder S-2 within the scope of the present invention was used. However, in the heat treatment, the oxygen partial pressure that also oxidizes the Cu component was applied. -A shell structure was not formed.
また、金属粒子M−12は、本発明の範囲内の合金粉末S−2を用いたが、熱処理を行なわなかったため、当然のことながら、コア−シェル構造を形成していなかった。 Further, as the metal particles M-12, alloy powder S-2 within the scope of the present invention was used. However, since the heat treatment was not performed, naturally, the core-shell structure was not formed.
金属粒子M−10およびM−11は、それぞれ、本発明の範囲外にある合金粉末S−8およびS−9を用いて作製したものであり、Cu成分も酸化しており、コア−シェル構造を形成していなかった。 Metal particles M-10 and M-11 were prepared using alloy powders S-8 and S-9, respectively, which are outside the scope of the present invention, and the Cu component was also oxidized, resulting in a core-shell structure. Did not form.
なお、表2に示した、コア−シェル金属粒子作製工程において適用した熱処理温度は、400℃〜700℃の範囲であったが、熱処理温度が400℃未満の場合、高被覆性のシェル部が形成され難く、後の脱脂工程でCuが酸化することがあり、続く焼結工程で、Cuが圧電セラミック層に拡散し、圧電セラミックの圧電特性が劣化することがあることが確認されている。他方、熱処理温度が700℃を超える場合、シェル部の一部が破壊され、脱脂工程でCuが酸化することがあり、続く焼結工程で、Cuが圧電セラミック層に拡散し、圧電セラミックの圧電特性が劣化することがあることが確認されている。 In addition, although the heat processing temperature applied in the core-shell metal particle preparation process shown in Table 2 was in the range of 400 ° C. to 700 ° C., when the heat processing temperature was less than 400 ° C., the highly coverable shell portion was It is difficult to form, and Cu may be oxidized in a subsequent degreasing process, and it has been confirmed that Cu may diffuse into the piezoelectric ceramic layer in the subsequent sintering process and deteriorate the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., part of the shell portion is destroyed, Cu may be oxidized in the degreasing process, and Cu is diffused into the piezoelectric ceramic layer in the subsequent sintering process. It has been confirmed that the characteristics may deteriorate.
(3)内部電極層用導電性ペーストの作製
表2に示した金属粒子と、ターピネオール/エトセル樹脂=90/10重量%の有機ビヒクルと、炭酸ナトリウム(NaCO3)粉末と、炭酸バリウム(BaCO3)粉末とを、表3に示す組成になるように調合し、三本ロールにて分散処理し、内部電極層形成のための導電性ペーストP−1〜P−14を得た。
(3) Production of conductive paste for internal electrode layer Metal particles shown in Table 2, terpineol / ethocell resin = 90/10 wt% organic vehicle, sodium carbonate (NaCO 3 ) powder, barium carbonate (BaCO 3) ) The powder was prepared so as to have the composition shown in Table 3, and dispersed with a three roll to obtain conductive pastes P-1 to P-14 for forming an internal electrode layer.
表3において、導電性ペーストP−13には、アルカリ金属化合物としてのNaCO3が含まれ、導電性ペーストP−14には、アルカリ土類金属化合物としてのBaCO3が含まれていることに注目される。 In Table 3, it is noted that the conductive paste P-13 contains NaCO 3 as an alkali metal compound, and the conductive paste P-14 contains BaCO 3 as an alkaline earth metal compound. Is done.
(4)生の積層体の作製
ビスマス、ランタノイドおよびニッケルを含んだチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電セラミックグリーンシートを用意した。次いで、圧電セラミックグリーンシート上に、表3記載の導電性ペーストを塗布・乾燥し、内部電極層となるべき導電性ペースト膜を形成した。次いで、導電性ペースト膜を形成した3枚の圧電セラミックグリーンシートを含む複数の圧電セラミックグリーンシートを積層して、生の積層体を得た。
(4) Production of raw laminate A piezoelectric ceramic green sheet made of lead zirconate titanate containing bismuth, lanthanoid and nickel was prepared. Next, the conductive paste shown in Table 3 was applied and dried on the piezoelectric ceramic green sheet to form a conductive paste film to be the internal electrode layer. Next, a plurality of piezoelectric ceramic green sheets including three piezoelectric ceramic green sheets on which a conductive paste film was formed were laminated to obtain a raw laminate.
(5)脱脂および焼結のための熱処理
上記生の積層体に対して、表4に示した条件で、脱脂するための熱処理、および引き続き焼結させるための熱処理を施し、試料1〜19の各々に係る焼結した圧電積層体を得た。
(5) Heat treatment for degreasing and sintering The raw laminate was subjected to heat treatment for degreasing and subsequent sintering under the conditions shown in Table 4, and
表4の「脱脂工程」の欄には、脱脂するための熱処理における「温度」、ならびに「N2」、「空気」、「H2O」および「H2」の各流量と酸素分圧「PO2」とが示され、「焼結工程」の欄には、焼結させるための熱処理における「温度」、ならびに「N2」、「空気」、「H2O」および「H2」の各流量と酸素分圧「PO2」とが示されている。 In the column of “degreasing step” in Table 4, “temperature” in heat treatment for degreasing, and each flow rate and oxygen partial pressure of “N 2 ”, “air”, “H 2 O”, and “H 2 ” “PO 2 ” is shown, and in the “sintering step” column, “temperature” in the heat treatment for sintering, and “N 2 ”, “air”, “H 2 O” and “H 2 ” Each flow rate and oxygen partial pressure “PO 2 ” are shown.
なお、表4の「脱脂工程」での熱処理温度は280℃〜700℃の範囲にあったが、熱処理温度が280℃未満の場合、樹脂分解が不十分であり、残留カーボン量が多くなり、続く焼結工程で、残留カーボンによって圧電セラミック層中の鉛成分が還元し、圧電セラミックの圧電特性が劣化する傾向があることが確認されている。他方、熱処理温度が700℃を超える場合、コア−シェル金属粒子のコア部のCuが露出して酸化し、圧電セラミックにおいて目標の圧電特性を確保できなくなる傾向があることが確認されている。 In addition, although the heat treatment temperature in the “degreasing step” in Table 4 was in the range of 280 ° C. to 700 ° C., when the heat treatment temperature is less than 280 ° C., the resin decomposition is insufficient, and the amount of residual carbon increases, In the subsequent sintering process, it has been confirmed that the lead component in the piezoelectric ceramic layer is reduced by residual carbon and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic tend to deteriorate. On the other hand, it has been confirmed that when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., Cu in the core portion of the core-shell metal particles is exposed and oxidized, and the target piezoelectric characteristics tend not to be secured in the piezoelectric ceramic.
〈評価〉
次に、上述のようにして作製した各試料に係る焼結後の圧電積層体の評価を、以下のような項目について行なった。
<Evaluation>
Next, evaluation of the sintered piezoelectric laminated body according to each sample produced as described above was performed for the following items.
(1)圧電特性
各試料に係る圧電積層体を13mm×3mmの寸法に裁断した。なお、厚みは約0.12mmであった。
(1) Piezoelectric properties The piezoelectric laminate according to each sample was cut into a size of 13 mm x 3 mm. The thickness was about 0.12 mm.
裁断した圧電積層体の表面に蒸着法で電極を形成した。さらに、分極処理を行なった後、共振法によってd31を算出した。その結果が表5に示されている。 Electrodes were formed by vapor deposition on the surface of the cut piezoelectric laminate. Further, after performing polarization treatment, d 31 was calculated by a resonance method. The results are shown in Table 5.
表5に示すように、本発明の範囲内にある試料1、3、6、8〜14、18および19は、d31(pC/N)が210以上の優れた圧電特性を示した。
As shown in Table 5,
これらに対して、本発明の範囲外にある試料2、4、7、15および16では、d31(pC/N)が50未満となり、実用に供し得る圧電特性が得られなかった。これらの理由は以下のように推測される。
On the other hand, in
試料2および4では、表4に示すように、焼結工程での熱処理を大気中で行なったため、脱脂工程から焼結工程にかけての昇温過程で、金属粒子の熱膨張によってシェル部が破壊されてCuを主成分とするコア部が露出し、露出したコア部の主成分となるCuが酸化したためであると推測される。
In
試料7では、金属粒子として、表2に示した金属粒子M−3を用いたためであると推測される。金属粒子M−3は、コア−シェル金属粒子作製工程において、表2に示すように、大気中での熱処理を適用し、そのため、Cu成分も酸化してコア−シェル金属粒子とはならず、その後の還元性雰囲気下での焼結工程においてもCuに還元されなかったものと推測される。
In
試料15では、表1に示すようにCu−Ni系合金からなる合金粉末S−8を、表2に示すように熱処理して得られた金属粒子M−10を用いたためであると推測される。金属粒子M−10は、コア−シェル金属粒子作製工程において、表2に示すように、コア−シェル金属粒子とはならなかったものである。これは、コア−シェル金属粒子作製工程において、Ni成分およびCu成分がともに酸化したためであり、その後の還元性雰囲気下での焼結工程においても酸化したCu成分がCuに還元されなかったものと推測される。
In
試料16では、表1に示すようにCuが100%の合金粉末S−9を、表2に示すように熱処理して得られた金属粒子M−11を用いたためであると推測される。金属粒子M−11は、Cuが100%であるため、コア−シェル金属粒子作製工程において、表2に示すように、コア−シェル金属粒子とはならなかったものである。
In
また、本発明の範囲外にある試料5では、d31(pC/N)が150未満となり、実用に供し得る圧電特性が得られなかった。これは、表4の「脱脂工程」の欄に示すように、脱脂のための熱処理を大気中で行なわなかったために、脱脂積層体中の残留カーボン量が多くなり、続く焼結工程において、圧電積層体形成工程で残留カーボンによって圧電体セラミック中の鉛成分が還元されたためであると推測される。 Further, in Sample 5 outside the scope of the present invention, d 31 (pC / N) was less than 150, and piezoelectric characteristics that could be put to practical use were not obtained. This is because, as shown in the column of “Degreasing Process” in Table 4, since the heat treatment for degreasing was not performed in the atmosphere, the amount of residual carbon in the degreased laminate increased, and in the subsequent sintering process, This is presumably because the lead component in the piezoelectric ceramic was reduced by the residual carbon in the laminate formation process.
また、本発明の範囲外にある試料17でも、d31(pC/N)が150未満となり、実用に供し得る圧電特性が得られなかった。これは、試料17では、金属粒子として、表2に示した金属粒子M−12を用いたためであると推測される。金属粒子M−12は、コア−シェル金属粒子作製工程において、熱処理を施さず、したがって、コア−シェル構造を有しておらず、そのため、表4に示すように、大気中で脱脂工程を実施したとき、Cu成分が完全に酸化し、その後の還元性雰囲気下での焼結工程においてもCuに還元されなかったものと推測される。 Further, even in the sample 17 outside the scope of the present invention, d 31 (pC / N) was less than 150, and piezoelectric characteristics that could be put to practical use were not obtained. This is presumably because the sample 17 used the metal particles M-12 shown in Table 2 as the metal particles. The metal particles M-12 are not subjected to heat treatment in the core-shell metal particle preparation step, and thus do not have a core-shell structure. Therefore, as shown in Table 4, the degreasing step is performed in the atmosphere. In this case, it is presumed that the Cu component was completely oxidized and was not reduced to Cu in the subsequent sintering step under a reducing atmosphere.
以上のような圧電特性の評価の結果、d31(pC/N)が150未満のものは、圧電特性が不良であると判定し、以降の特性評価を行なわなかった。すなわち、試料1、3、6、8〜14、18および19についてのみ、以降の特性評価を行ない、試料2、4、5、7および15〜17については、以降の特性評価を行なわなかった。
As a result of the evaluation of the piezoelectric characteristics as described above, when d 31 (pC / N) is less than 150, it was determined that the piezoelectric characteristics were defective, and the subsequent characteristics evaluation was not performed. That is, the following characteristic evaluation was performed only for
(2)結合部の有無および存在元素
各試料に係る圧電積層体を、樹脂埋めした後に断面研磨し、内部電極層と圧電セラミック層との界面を露出させた。内部電極層の断面のSEM観察およびWDX観察を行ない、内部電極層内に存在し、かつ、圧電セラミック層と接合する結合部の存在と結合部に存在する元素を同定した。
(2) Presence / absence of bonding portion and existing elements The piezoelectric laminate according to each sample was filled with resin and then subjected to cross-section polishing to expose the interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer. SEM observation and WDX observation of the cross section of the internal electrode layer were performed, and the presence of the joint existing in the internal electrode layer and joining the piezoelectric ceramic layer and the elements present in the joint were identified.
試料1、3、6、8〜14、18および19のすべてについて、結合部の存在が認められ、また、結合部にAlまたはSiが認められた。
For all of
また、試料18および19では、結合部にアルカリ金属としてのNaまたはアルカリ土類金属としてのBaが認められた。
In
(3)圧電セラミック層の存在元素
各試料に係る圧電積層体を、樹脂埋めした後に断面研磨し、内部電極層と圧電セラミック層との界面を露出させた。圧電セラミック層の断面のWDX観察を行ない、圧電セラミック層に存在する元素を同定した。
(3) Presence element of piezoelectric ceramic layer The piezoelectric laminated body which concerns on each sample was resin-filled, and it cross-sectional-polished and exposed the interface of an internal electrode layer and a piezoelectric ceramic layer. WDX observation of the cross section of the piezoelectric ceramic layer was performed to identify elements present in the piezoelectric ceramic layer.
試料1、3、6、8〜14、18および19のすべてについて、圧電セラミック層にAlまたはSiが認められた。
For all of
(4)接合性
各試料に係る圧電積層体を、樹脂埋めした後に断面研磨し、内部電極層と圧電セラミック層との界面を露出させた。内部電極層と圧電セラミック層との接合部において、デラミレーョンの有無を評価したところ、試料1、3、6、8〜14、18および19のすべてにおいて、デラミネーションが確認されなかった。
(4) Bondability The piezoelectric laminated body according to each sample was filled with a resin and then subjected to cross-sectional polishing to expose the interface between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer. When the presence or absence of delamination was evaluated at the joint between the internal electrode layer and the piezoelectric ceramic layer, no delamination was observed in all of
次いで、圧電積層体をペンチにて機械的に破壊した。破壊後の断片を拡大鏡で観察したところ、試料1、3、6および8〜14では、内部電極層と圧電セラミック層との界面破壊が多少認められたが、試料18および19では、内部電極層と圧電セラミック層との界面破壊が全く確認されなかった。
Next, the piezoelectric laminate was mechanically broken with pliers. When the fragments after destruction were observed with a magnifying glass, in
上述の結果から、本発明の範囲内にある試料1、3、6、8〜14、18および19では、内部電極層と圧電セラミック層との接合性が良好であることがわかった。特に、試料18および19では、より優れた接合性を示した。これは、結合部にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含んでいたためであると推測される。また、試料18および19では、導電性ペーストにアルカリ金属化合物および/またはアルカリ土類金属化合物が添加されていた。そのため、脱脂積層体を焼結させる工程において、コア−シェル金属粒子におけるシェル部がガラス化してCuを液相焼結させることが可能となると推測され、このことも、内部電極層と圧電セラミック層との接合性の向上に寄与したものと推測される。
From the results described above, it was found that
1 積層型圧電セラミック素子
2〜5 圧電セラミック層
7〜9 内部電極層
11 圧電積層体
18 導電部
19 結合部
21 合金粒子
22 コア−シェル金属粒子
23 コア部
24 シェル部
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記内部電極層は、Cuを主成分とする導電部と、Niよりも酸化しやすい酸化容易性元素が存在する結合部とを含み、
前記結合部は、前記内部電極層の内部に存在する部分を有するとともに、その少なくとも一部において前記圧電セラミック層と接合する部分を有し、
前記圧電セラミック層に、前記酸化容易性元素が存在する、
積層型圧電セラミック素子。 Comprising a piezoelectric laminate in which a plurality of piezoelectric ceramic layers and a plurality of internal electrode layers are alternately laminated;
The internal electrode layer includes a conductive portion containing Cu as a main component and a bonding portion where an easily oxidizable element that is easier to oxidize than Ni exists.
The coupling portion, and having a portion present in the interior of the inner electrode layer, have a portion to be bonded to the piezoelectric ceramic layer at at least a portion,
The easily oxidizable element is present in the piezoelectric ceramic layer ,
Multilayer piezoelectric ceramic element.
前記合金粉末を、Cuが酸化せず、前記酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気下で熱処理することによって、Cuを主成分とするコア部と、前記酸化容易性元素を含む酸化物からなるシェル部とで構成されるコア−シェル金属粒子を作製する工程と、
少なくとも前記コア−シェル金属粒子を含む導電性ペーストを準備する工程と、
圧電セラミック材料を含む圧電セラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記導電性ペーストを前記圧電セラミックグリーンシートに印刷することによって、圧電セラミックグリーンシート上に内部電極層となるべき導電性ペースト膜を形成する工程と、
前記導電性ペースト膜を形成した前記圧電セラミックグリーンシートを含む複数の圧電セラミックグリーンシートを積層することによって、生の積層体を得る工程と、
前記生の積層体を脱脂するため、前記生の積層体を大気雰囲気下で熱処理することによって、脱脂積層体を得る工程と、
前記脱脂積層体を焼結させるため、前記脱脂積層体を、Cuが酸化せず、前記酸化容易性元素が酸化する酸素濃度を有する雰囲気下で熱処理することによって、焼結した圧電積層体を得る工程と、
を含む、積層型圧電セラミック素子の製造方法。 Preparing an alloy powder containing Cu and an easily oxidizable element that is easier to oxidize than Ni;
The alloy powder is heat-treated in an atmosphere having an oxygen concentration at which Cu does not oxidize and the easily oxidizable element oxidizes, whereby a core portion mainly composed of Cu and an oxide including the easily oxidizable element Producing a core-shell metal particle composed of a shell portion comprising:
Preparing a conductive paste containing at least the core-shell metal particles;
Preparing a piezoelectric ceramic green sheet containing a piezoelectric ceramic material;
Forming a conductive paste film to be an internal electrode layer on the piezoelectric ceramic green sheet by printing the conductive paste on the piezoelectric ceramic green sheet;
A step of obtaining a raw laminate by laminating a plurality of piezoelectric ceramic green sheets including the piezoelectric ceramic green sheet on which the conductive paste film is formed;
In order to degrease the raw laminate, a step of obtaining a degreased laminate by heat-treating the raw laminate in an air atmosphere;
In order to sinter the degreased laminate, the degreased laminate is heat-treated in an atmosphere having an oxygen concentration in which Cu is not oxidized and the easily oxidizable element is oxidized, thereby obtaining a sintered piezoelectric laminate. Process,
A method for manufacturing a laminated piezoelectric ceramic element, comprising:
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