JP6360362B2 - Multilayer piezoelectric element - Google Patents

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Description

本発明は圧電セラミックスを用いた積層圧電素子に関する。   The present invention relates to a laminated piezoelectric element using piezoelectric ceramics.

電気エネルギーを機械エネルギーへ、もしくは機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する機能(圧電効果)をもつ圧電セラミックスについては、多くの素子(電子デバイス)への応用がなされている。この圧電効果を用いた電子デバイスのことを圧電素子といい、圧電セラミックスからなる層と内部電極層との積層構造を有する圧電素子を積層圧電素子という。   Piezoelectric ceramics having a function of converting electrical energy into mechanical energy or converting mechanical energy into electrical energy (piezoelectric effect) have been applied to many elements (electronic devices). An electronic device using this piezoelectric effect is called a piezoelectric element, and a piezoelectric element having a laminated structure of a layer made of piezoelectric ceramics and an internal electrode layer is called a laminated piezoelectric element.

従来、圧電素子に用いられる圧電セラミックスのうち、鉛を含有しない、もしくは低鉛のものとして、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスが提案されている。   Conventionally, among piezoelectric ceramics used in piezoelectric elements, piezoelectric ceramics having an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure have been proposed as those containing no lead or low lead.

そのような圧電セラミックスの一例として、特許文献1には、一般式{Liy(Na1-xx1-ya(Nb1-z-wTazSbw)O3であらわされ、0.9≦a≦1.2,0.2≦x≦0.8,0.0≦y≦0.2,0≦z≦0.5及び0≦w≦0.1を満たす化合物や、その化合物にMn化合物やCa化合物とを含有せしめた材料からなるセラミックス焼結体が開示されている。 As an example of such piezoelectric ceramics, Patent Document 1 represents the general formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−zw Ta z Sb w ) O 3 , and 0 .9 ≦ a ≦ 1.2, 0.2 ≦ x ≦ 0.8, 0.0 ≦ y ≦ 0.2, 0 ≦ z ≦ 0.5 and 0 ≦ w ≦ 0.1, A ceramic sintered body made of a material in which a compound contains a Mn compound or a Ca compound is disclosed.

特開2011−144101号公報JP 2011-144101A

本発明では、長時間駆動においてもクラックが生じにくくそれ故に信頼性が高い積層圧電素子の提供を目的とする。   An object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element that is less likely to crack even when driven for a long time and is therefore highly reliable.

本発明者らが鋭意検討した結果、以下の特徴を有する本発明を完成した。
(1)圧電セラミックス層と内部電極層とを有し、前記圧電セラミックス層は、前記内部電極と面している駆動領域、および、前記駆動領域を取り囲む周辺領域とからなり、前記周辺領域はガラス相を含む、積層圧電素子。
(2)前記圧電セラミックス層のセラミックスはアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有し、前記ガラス相がK、Na及びLiを含有する(1)の積層圧電素子。
(3)前記ガラス相は2以上のアスペクト比を有する(1)又は(2)の積層圧電素子。
(4)前記ガラス相の平均粒子径が1〜5μmである(1)〜(3)のいずれかの積層圧電素子。
As a result of intensive studies by the present inventors, the present invention having the following characteristics has been completed.
(1) It has a piezoelectric ceramic layer and an internal electrode layer, and the piezoelectric ceramic layer includes a drive region facing the internal electrode and a peripheral region surrounding the drive region, and the peripheral region is made of glass. A laminated piezoelectric element including a phase.
(2) The laminated piezoelectric element according to (1), wherein the ceramic of the piezoelectric ceramic layer has an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, and the glass phase contains K, Na, and Li.
(3) The laminated piezoelectric element according to (1) or (2), wherein the glass phase has an aspect ratio of 2 or more.
(4) The laminated piezoelectric element according to any one of (1) to (3), wherein the glass phase has an average particle diameter of 1 to 5 μm.

積層圧電素子においては駆動時に機械的変位が生じる駆動領域とそのような変異が生じない周辺領域との間に生じる応力がクラックを引き起こす要因の一つであったところ、本発明によれば、周辺領域に散在するガラス相が応力緩和効果を有しており、クラックが生じにくい。その結果、長時間の駆動に際して高い信頼性を呈する積層圧電素子が提供される。   In the multilayer piezoelectric element, stress generated between a driving region where mechanical displacement occurs during driving and a peripheral region where such a variation does not occur was one of the factors causing cracks. The glass phase scattered in the region has a stress relaxation effect and is not easily cracked. As a result, a laminated piezoelectric element that exhibits high reliability when driven for a long time is provided.

本発明の積層圧電素子の一例の模式断面図である。It is a schematic cross section of an example of the laminated piezoelectric element of the present invention. 積層圧電アクチュエータの製造過程で製造するセラミックスグリーンシートの斜視図である。It is a perspective view of the ceramic green sheet manufactured in the manufacturing process of a laminated piezoelectric actuator.

図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。   The present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and in the drawings, the characteristic portions of the invention may be emphasized and expressed, so that the accuracy of the scale is not necessarily guaranteed in each part of the drawings. Not.

図1は、本発明の積層圧電素子の一例の断面図である。この積層圧電素子1(以下、単に素子1と表記することもある。)は、圧電セラミックス層と内部電極22とが積層され積層体となり、積層体の端面にて内部電極22の引出部が外部電極と接続している。そして、積層体の一方、または、両方の面に保護層が形成されてなる。層方向にて内部電極22に挟まれた圧電セラミックス21が駆動(変位)し、内部電極22の周囲及び保護層の、圧電セラミックス11は駆動(変位)しない。
前記圧電セラミックス層は、内部電極22と面している駆動領域21、および、駆動領域21を取り囲む周辺領域11に区別される。
より具体的には、複数の内部電極22と複数の圧電セラミックス層(駆動領域21)とが交互に積み重ねられており、これらが積層領域20を構成している。内部電極22の材質は特に限定は無い。通常の大気中の焼成によってこの素子1を製造するのであれば、内部電極22の材質として、主にPt、Pd、Ag等を含んだ金属が挙げられる。積層領域20における具体的な積層構造などは従来技術などを適宜参照することができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of the laminated piezoelectric element of the present invention. This laminated piezoelectric element 1 (hereinafter also simply referred to as element 1) is a laminated body in which a piezoelectric ceramic layer and an internal electrode 22 are laminated, and the lead-out portion of the internal electrode 22 is externally provided on the end face of the laminated body. It is connected to the electrode. A protective layer is formed on one or both surfaces of the laminate. The piezoelectric ceramics 21 sandwiched between the internal electrodes 22 in the layer direction are driven (displaced), and the piezoelectric ceramics 11 around the internal electrodes 22 and the protective layer are not driven (displaced).
The piezoelectric ceramic layer is distinguished into a drive region 21 facing the internal electrode 22 and a peripheral region 11 surrounding the drive region 21.
More specifically, a plurality of internal electrodes 22 and a plurality of piezoelectric ceramic layers (drive region 21) are alternately stacked, and these constitute a stacked region 20. The material of the internal electrode 22 is not particularly limited. If this element 1 is manufactured by ordinary firing in the atmosphere, the material of the internal electrode 22 may be a metal mainly containing Pt, Pd, Ag or the like. Prior art etc. can be referred to for the specific laminated structure in the laminated region 20 as appropriate.

積層領域20の周囲には上述の積層構造をもたない周辺領域11が存在する。周辺領域11は主として圧電セラミックス層であり、その材質は、一般的には、上述の圧電セラミックス層(駆動領域21)と同じ材質である。図1における、積層領域20の上下に存在する周辺領域11は、例えば、内部電極層を設けずに圧電セラミックスの層のみを積み重ねることにより得ることができる。このように、積層領域20の上下(ここで、積層方向を上下方向とみなす。)に存在する周辺領域11を保護層と呼ぶこともできる。図1における、積層領域20の左右に存在する周辺領域11は、例えば、積層領域20を形成する際に、内部電極層を設ける部分よりも広く圧電セラミックス層を形成することにより得ることができる。このように、積層領域20の左右に存在する周辺領域11を積層した層内ではサイドマージンと呼ぶこともできる。なお、図1における、紙面手前及び奥方向には、内部電極層22が素子1の外面にまで達していて取り出し電極を形成していてもよい。よって、積層領域20は周辺領域11によって完全に覆いつくされている必要は無く、上述の取り出し電極を形成する部分のように、積層領域20の一部が素子1の表面にまで達していてもよい。   Around the laminated region 20, there is a peripheral region 11 that does not have the above-described laminated structure. The peripheral region 11 is mainly a piezoelectric ceramic layer, and the material thereof is generally the same material as that of the above-described piezoelectric ceramic layer (drive region 21). The peripheral region 11 existing above and below the laminated region 20 in FIG. 1 can be obtained, for example, by stacking only piezoelectric ceramic layers without providing an internal electrode layer. Thus, the peripheral region 11 existing above and below the laminated region 20 (here, the laminated direction is regarded as the vertical direction) can also be called a protective layer. 1 can be obtained by, for example, forming a piezoelectric ceramic layer wider than a portion where an internal electrode layer is provided when the stacked region 20 is formed. Thus, in the layer in which the peripheral regions 11 existing on the left and right sides of the stacked region 20 are stacked, it can also be called a side margin. In FIG. 1, the internal electrode layer 22 may reach the outer surface of the element 1 to form a take-out electrode in the front and back direction of the drawing. Therefore, the stacked region 20 does not need to be completely covered by the peripheral region 11, and even if a part of the stacked region 20 reaches the surface of the element 1 as in the portion where the extraction electrode is formed as described above. Good.

圧電セラミックス層11、21は、公知の材質のものを特に限定なく用いることができ、好適には、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることができる。好適には、駆動領域21及び周辺領域11におけるセラミックス材料については、両者とも同材質のセラミックスを用いることができる。   The piezoelectric ceramic layers 11 and 21 can be made of any known material without particular limitation, and preferably ceramics having an alkali metal-containing niobic acid-based perovskite structure can be used. Preferably, as the ceramic material in the drive region 21 and the peripheral region 11, the same ceramic material can be used for both.

上述のアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスは、一般的なABO型のペロブスカイト構造を有し、典型的には、AサイトにK、Na、Liといったアルカリ金属元素が配座し、BサイトにNbが配座し、Bサイトの周りに6つのOが配位し、Aサイトの周りに12つのOが配位している構造を取り、この構造が周期的に連続することで、結晶を形成している。 The ceramic having the above-mentioned alkali metal-containing niobate-based perovskite structure has a general ABO 3 type perovskite structure, and typically, an alkali metal element such as K, Na, Li is coordinated to the A site, By adopting a structure in which Nb conforms to the B site, 6 Os coordinate around the B site, and 12 Os coordinate around the A site. , Forming crystals.

アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造については、好ましくは、その結晶系はZ値(結晶格子中に含まれる組成単位数)が1で評価できる単斜晶系であり、空間群においてPmといった極めて低対称な結晶構造を有する。よって、その空間群で規定された鏡面(m)の面方向において、前記Aサイト元素、Bサイト元素およびO(酸素)が比較的拘束なく変位することが可能であり、圧電活性となる根源となっている。   Regarding the alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, the crystal system is preferably a monoclinic system whose Z value (the number of composition units contained in the crystal lattice) can be evaluated as 1, and is extremely low such as Pm in the space group. It has a symmetric crystal structure. Therefore, the A-site element, B-site element and O (oxygen) can be displaced without restriction in the plane direction of the mirror surface (m) defined by the space group, It has become.

アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつ圧電セラミックス層については、ニオブ、酸素、アルカリ金属の各元素を含むことが必要であり、好ましくは、LiNa1−x−y(Nb1−zTa)Oなる組成を有し、ここで、0.04<x≦0.1、0≦y≦1、0≦z≦0.4、0.98≦a≦1.01である。 The piezoelectric ceramic layer having an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure needs to contain elements of niobium, oxygen, and alkali metal, and preferably Li x Na y K 1-xy ) a (Nb 1-z Ta z ) O 3 , where 0.04 <x ≦ 0.1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0.98 ≦ a ≦ 1.01 It is.

周辺領域11は主としてセラミックス材料からなり、そのセラミックス材料中にガラス相12が散在している。ここで、ガラス相12が散在している、というのは、セラミックス材料が連続的な構造を成していて、その連続的な構造の中にガラス相12が離散的に複数存在していることを意味する。セラミックス材料とその中にガラス相12が散在していることは、周辺領域11のSEM観察像におけるコントラストの相違から明瞭に判別することができる。周辺領域にガラス相12が存在することにより、このガラス相12において応力緩和が成され、結果として素子1のクラック発生が妨げられ、素子1における長時間駆動時の高信頼性が達せられる。   The peripheral region 11 is mainly made of a ceramic material, and the glass phase 12 is scattered in the ceramic material. Here, the glass phases 12 are scattered because the ceramic material has a continuous structure, and there are a plurality of discrete glass phases 12 in the continuous structure. Means. The ceramic material and the glass phase 12 dispersed therein can be clearly discriminated from the difference in contrast in the SEM observation image of the peripheral region 11. Due to the presence of the glass phase 12 in the peripheral region, stress relaxation is achieved in the glass phase 12, and as a result, the occurrence of cracks in the element 1 is prevented, and high reliability when the element 1 is driven for a long time is achieved.

好適には、セラミックス材料(周辺領域11)が上述したアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもち、ガラス相12にはK、Na及びLiが含まれる。より好ましくは、ガラス相12は、K、Na、Li、Si及びOの元素のみからなる。別途好ましくは、ガラス相12におけるK、Na及びLiの3者のうち、Kのモル比率が最大である。これら元素の存在及び存在する元素の比率は、SEM観察に付随する元素分析により知ることができる。また、製造時に添加するガラス粉末の組成が概ねそのままガラス相12の組成になるので、原材料として添加するガラス粉末の組成からガラス相12に存在する元素の種類や比率を調整することが可能である。セラミックス材料及びガラス相12の組成が上記の如き場合には、セラミックス材料(周辺領域11)及びガラス相12の元素分布の近似性が高く、焼成したときにも圧電セラミックスとガラス相の界面で分離することなく、上述した応力緩和効果がいっそう顕著になる。   Preferably, the ceramic material (peripheral region 11) has the above-described alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, and the glass phase 12 contains K, Na, and Li. More preferably, the glass phase 12 consists of only elements of K, Na, Li, Si and O. Separately, preferably, among the three of K, Na and Li in the glass phase 12, the molar ratio of K is the largest. The presence of these elements and the ratio of the existing elements can be known by elemental analysis accompanying SEM observation. Moreover, since the composition of the glass powder added at the time of manufacture becomes the composition of the glass phase 12 as it is, it is possible to adjust the kind and ratio of the elements present in the glass phase 12 from the composition of the glass powder added as a raw material. . When the composition of the ceramic material and the glass phase 12 is as described above, the closeness of the element distribution of the ceramic material (peripheral region 11) and the glass phase 12 is high, and it is separated at the interface between the piezoelectric ceramic and the glass phase even when fired. Without doing so, the stress relaxation effect described above becomes more prominent.

ガラス相12の大きさについてはSEM観察により測定される。具体的には、500個程度のガラス相12を見出して、その各々について、一定方向の長さを測定し、個数平均を算出することにより、ガラス相12の平均粒子径を得ることができる。また、見出された各々のガラス相12の長軸及び短軸の長さを測定してアスペクト比を得ることができる。好適にはガラス相12の半数以上は(個数基準)、アスペクト比が2以上であり、より好ましくは2〜5である。別途、好ましくは、ガラス相12の平均粒子径は1〜5μmである。1μmより小さいと応力緩和の効果が得にくく、5μmを超えるとガラス相とセラミックスとの界面で剥離するおそれがある。これらの形状・大きさのガラス相12の存在により、上述した応力緩和効果がより顕著に奏功し得る。   The size of the glass phase 12 is measured by SEM observation. Specifically, the average particle diameter of the glass phase 12 can be obtained by finding about 500 glass phases 12, measuring the length in a certain direction for each, and calculating the number average. Further, the aspect ratio can be obtained by measuring the length of the major axis and the minor axis of each glass phase 12 found. Preferably, more than half of the glass phases 12 (number basis) have an aspect ratio of 2 or more, more preferably 2-5. Separately, preferably, the average particle diameter of the glass phase 12 is 1 to 5 μm. If it is smaller than 1 μm, the stress relaxation effect is difficult to obtain, and if it exceeds 5 μm, there is a risk of peeling at the interface between the glass phase and the ceramic. Due to the presence of the glass phase 12 having these shapes and sizes, the above-described stress relaxation effect can be more effectively achieved.

好ましくは、ガラス相12は周辺領域11における素子1の表面側に近いところに偏在する。具体的には、周辺領域11における素子1の表面側から50〜200μmの部分に多く存在することが好ましく、100〜150μmの部分に多く存在することがさらに好ましい。より好適には、前記部分に10〜50個/100μm以上の頻度で存在する。周辺領域10における素子1の表面側からの距離は、図1における符号LやWで示される長さである。なお、ガラス相12は周辺領域11の少なくとも一部に存在すればよく、好ましくは周辺領域11の全域(但し、素子1の表面側)に存在する。例えば、保護層に相当する部分にのみガラス相12が散在していてもよいし、サイドマージンに相当する部分のみにガラス相12が散在していてもよい。好適には、保護層に相当する部分及びサイドマージンに相当する部分の両方にガラス相12が散在する。 Preferably, the glass phase 12 is unevenly distributed near the surface side of the element 1 in the peripheral region 11. Specifically, it is preferably present in a portion of 50 to 200 μm from the surface side of the element 1 in the peripheral region 11, and more preferably present in a portion of 100 to 150 μm. More preferably, it exists in the said part with the frequency of 10-50 pieces / 100 micrometer < 2 > or more. The distance from the surface side of the element 1 in the peripheral region 10 is the length indicated by the symbols L and W in FIG. The glass phase 12 may be present in at least a part of the peripheral region 11 and is preferably present in the entire region of the peripheral region 11 (however, on the surface side of the element 1). For example, the glass phase 12 may be scattered only in the portion corresponding to the protective layer, or the glass phase 12 may be scattered only in the portion corresponding to the side margin. Preferably, the glass phase 12 is interspersed in both the portion corresponding to the protective layer and the portion corresponding to the side margin.

本発明によれば、積層圧電素子は、電気エネルギーを機械エネルギーへ、もしくは機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する機能(圧電効果)を用いた電子デバイスであれば、その具体的な部品形態について特に限定されない。   According to the present invention, the laminated piezoelectric element is particularly limited in its specific component form as long as it is an electronic device using a function (piezoelectric effect) for converting electrical energy into mechanical energy or mechanical energy into electrical energy. Not.

本発明の製造方法によれば、圧電素子における従来の製造方法を準用することができ、いわゆる保護層やサイドマージンの部分に、ガラス粉末を添加することにより、所望のガラス相12を得ることができる。   According to the manufacturing method of the present invention, a conventional manufacturing method for a piezoelectric element can be applied mutatis mutandis, and a desired glass phase 12 can be obtained by adding glass powder to a so-called protective layer or side margin. it can.

本発明における圧電素子の製造の例示の1つとして、以下、積層セラミック部品である、積層圧電アクチュエータに関する製造方法を説明する。以下の記載は製造方法の一例に過ぎず、本発明を何ら限定するものではない。   As an example of the manufacture of the piezoelectric element in the present invention, a manufacturing method related to a multilayer piezoelectric actuator which is a multilayer ceramic component will be described below. The following description is only an example of a manufacturing method and does not limit the present invention.

はじめに、圧電セラミックス層を構成する主組成となるアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスの合成を行う。   First, a piezoelectric ceramic having an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, which is the main composition constituting the piezoelectric ceramic layer, is synthesized.

アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスの原料として、カリウム(K)を含有する原料とナトリウム(Na)を含有する原料と、リチウム(Li)を含有する原料と、ニオブ(Nb)を含有する原料、およびタンタル(Ta)を含有する原料とを用意する。   As a raw material for a piezoelectric ceramic having an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, a raw material containing potassium (K), a raw material containing sodium (Na), a raw material containing lithium (Li), and niobium (Nb) A raw material containing and a raw material containing tantalum (Ta) are prepared.

その際、カリウムを含有する原料としては、炭酸カリウム(KCO)、ないし炭酸水素カリウム(KHCO)が好ましい。ナトリウムを含有する原料としては、炭酸ナトリウム(NaCO)、ないし炭酸水素ナトリウム(NaHCO)が好ましい。リチウムを含有する原料としては、炭酸リチウム(LiCO)が好ましい。 In that case, as a raw material containing potassium, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) or potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ) is preferable. As a raw material containing sodium, sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) is preferable. As a raw material containing lithium, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is preferable.

また、ニオブを含有する原料としては、五酸化ニオブ(Nb)が好ましく、タンタルを含有する原料としては、五酸化タンタル(Ta)が好ましい。 Further, niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ) is preferable as a raw material containing niobium, and tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) is preferable as a raw material containing tantalum.

上記の原料を最終的に目標とする所定の組成に秤量したのちに、部分安定化ジルコニア(PSZ)ボールと、エタノール等の有機溶媒で、ボールミルによって10時間から60時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて攪拌原料を得る。   After the above raw materials are finally weighed to a predetermined target composition, they are wet-stirred with a partially stabilized zirconia (PSZ) ball and an organic solvent such as ethanol for 10 to 60 hours using a ball mill. Is evaporated and dried to obtain a stirring raw material.

得られた攪拌原料を、700℃から950℃の温度で、1時間から10時間の仮焼成を行った後、ボールミルによって解砕し、仮焼粉を得る。   The obtained stirring raw material is calcined for 1 hour to 10 hours at a temperature of 700 ° C. to 950 ° C. and then crushed by a ball mill to obtain calcined powder.

そして、任意成分として、Mn、Ni、Si、Ca、Ba、Sr、Zrなどから選ぶことができる所望の元素を含む原料とを必要に応じて用意し、前記仮焼粉に、所定量の各々の原料を秤量し、再度、PSZボールとエタノール等の有機溶媒でボールミルを用いて、10時間から60時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて仮焼粉混合物を得る。   And as an optional component, a raw material containing a desired element that can be selected from Mn, Ni, Si, Ca, Ba, Sr, Zr, etc. is prepared as necessary, and each of the predetermined amounts is added to the calcined powder. The raw materials were weighed, and again wet-stirred for 10 to 60 hours using a ball mill with an organic solvent such as PSZ balls and ethanol, and then the organic solvent was evaporated and dried to obtain a calcined powder mixture.

得られた仮焼粉混合物に、有機バインダと分散剤を加え、純水もしくはエタノール等の有機溶媒を用いボールミル中で湿式混合して、セラミックススラリーを得る。このセラミックススラリーをドクターブレード法等によって成形加工することでセラミックスグリーンシートを作製する。   An organic binder and a dispersant are added to the obtained calcined powder mixture and wet mixed in a ball mill using an organic solvent such as pure water or ethanol to obtain a ceramic slurry. A ceramic green sheet is produced by molding the ceramic slurry by a doctor blade method or the like.

セラミックグリーンシートの製造にあたっては、サイドマージンに相当する部分ならびに保護層に相当する部分には、ガラス相12の源となるガラス粉末を添加しておく。ガラス粉末の組成及び形状は、最終的に得られる素子におけるガラス相12の組成及び形状と概ね同一になるから、原料のガラス粉末の選定によってガラス相12の組成・形状等を設計することができる。   In the production of the ceramic green sheet, glass powder serving as a source of the glass phase 12 is added to the portion corresponding to the side margin and the portion corresponding to the protective layer. Since the composition and shape of the glass powder are substantially the same as the composition and shape of the glass phase 12 in the finally obtained device, the composition, shape, etc. of the glass phase 12 can be designed by selecting the raw glass powder. .

図2は、積層圧電アクチュエータの製造過程で製造するセラミックスグリーンシートの斜視図である。Pt、Pd、Ag等を主成分とした導電性ペーストを用意して、図2に示すとおりに、半アレイ形状(502a)とアレイ形状(502b)からなる内部電極パターンをセラミックスグリーンシート(501a〜g)上にスクリーン印刷する。   FIG. 2 is a perspective view of a ceramic green sheet manufactured in the manufacturing process of the multilayer piezoelectric actuator. A conductive paste mainly composed of Pt, Pd, Ag, etc. is prepared, and as shown in FIG. 2, the internal electrode pattern consisting of a half array shape (502a) and an array shape (502b) is formed on a ceramic green sheet (501a- g) Screen print on top.

この内部電極パターンが形成されたセラミックスグリーンシート(501a〜g)を互い違いに重ねた後に、さらに内部電極パターンの形成されていないセラミックスグリーンシート(503a、503b)で挟み込んで圧着することで、内部電極パターンと、セラミックスグリーンシート(501a〜g)が相互に積み重なる形状のセラミックス積層体を得る。符号503a及び503bで示されるセラミックグリーンシートが、上述した保護層に相当する。よって、このセラミックグリーンシート503a及び503bにガラス粉末を添加することが特に好ましい。   The ceramic green sheets (501a to 501g) on which the internal electrode patterns are formed are alternately stacked, and further sandwiched between the ceramic green sheets (503a and 503b) on which the internal electrode patterns are not formed to be bonded to each other. A ceramic laminate having a shape in which a pattern and ceramic green sheets (501a to 501g) are stacked on each other is obtained. The ceramic green sheets indicated by reference numerals 503a and 503b correspond to the protective layer described above. Therefore, it is particularly preferable to add glass powder to the ceramic green sheets 503a and 503b.

そして、得られたセラミックス積層体の内部電極パターン(502a、502b)とアレイ形状の内部電極パターン(502b)のくびれ部分の中間を横断する形で切断した後、例えばアルミナ製のサヤに収容して、300℃〜500℃で脱バインダ処理を行った後に、900℃から1050℃の大気雰囲気中で焼成を行うことで焼結した積層体を得ることができる。   Then, after cutting the inner electrode pattern (502a, 502b) of the obtained ceramic laminate and the arrayed internal electrode pattern (502b) in the middle of the constricted portion, it is accommodated in, for example, an alumina sheath. After performing the binder removal treatment at 300 ° C. to 500 ° C., a sintered laminate can be obtained by firing in an air atmosphere at 900 ° C. to 1050 ° C.

焼結した積層体の内部電極が露出した両端部にAg等を主成分とした導電性ペーストを塗布し、750℃から850℃で焼き付け処理を行うことで、端子電極を形成し、この両端部に形成した端子電極を利用して内部の圧電セラミックス層に電界を印加して分極処理を行い、圧電セラミックス層とすることで、積層圧電アクチュエータを製造することができる。端子電極の形成に際しては、密着性が良好で、内部電極への通電が良好であればよく、他の方法としてスパッタリング法、真空蒸着法による薄膜形成方法を用いても構わない。   A terminal electrode is formed by applying a conductive paste mainly composed of Ag or the like to both ends where the internal electrodes of the sintered laminate are exposed, and performing baking treatment at 750 ° C. to 850 ° C. A laminated piezoelectric actuator can be manufactured by applying an electric field to the internal piezoelectric ceramic layer using the terminal electrode formed in the above and performing polarization treatment to form a piezoelectric ceramic layer. In forming the terminal electrode, it is sufficient that the adhesion is good and the current supply to the internal electrode is good. As another method, a thin film forming method by a sputtering method or a vacuum evaporation method may be used.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に記載された態様に限定されるわけではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in these examples.

実施例においては、
100Li0.06Na0.520.42NbO+0.6MnO+0.6NiO+0.8LiO+1.3SiO+0.5SrO+0.5ZrO・・・・・・・・(a)
となる組成式(a)にしたがって配合をした仮焼粉混合物を用いた。
In the example,
100Li 0.06 Na 0.52 K 0.42 NbO 3 +0.6 MnO + 0.6NiO + 0.8Li 2 O + 1.3SiO 2 + 0.5SrO + 0.5ZrO 2 (a)
A calcined powder mixture blended according to the composition formula (a) was used.

仮焼粉は以下のようにして得た。
炭酸カリウム(KCO)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸リチウム(LiCO)、五酸化ニオブ(Nb)を上記組成式(a)の組成になるように秤量して、部分安定化ジルコニア(PSZ)ボールと、有機溶媒で、ボールミルによって24時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて攪拌原料を得た。得られた攪拌原料を、900℃で、3時間の仮焼成を行い、その後、ボールミルによって解砕した。そこに、Mn、Ni、Li、Si、Sr、Zrの各酸化物を上記組成式(a)の組成になるように秤量して加えて、再度、PSZボールと有機溶媒でボールミルを用いて、24時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて仮焼粉を得た。
The calcined powder was obtained as follows.
Weigh potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ) so as to have the composition of the above composition formula (a). Then, after partially stirring with a partially stabilized zirconia (PSZ) ball and an organic solvent for 24 hours by a ball mill, the organic solvent was evaporated and dried to obtain a stirring raw material. The obtained stirring raw material was calcined at 900 ° C. for 3 hours, and then crushed by a ball mill. Then, Mn, Ni, Li, Si, Sr, and Zr oxides were weighed and added so as to have the composition of the above composition formula (a), and again using a ball mill with PSZ balls and an organic solvent, After 24 hours of wet stirring, the organic solvent was evaporated and dried to obtain a calcined powder.

ガラス粉末としては、以下のものを用いた。
・組成・・・K、Na、Liを主成分とするガラス
より具体的には、Na、Liに比較して、Kが多いガラスであり、これにより、変位を更に吸収できる。
The following were used as the glass powder.
-Composition: More specifically, glass containing K, Na and Li as a main component is glass having more K compared to Na and Li, thereby further absorbing displacement.

この仮焼粉に、有機バインダとエタノールと共にボールミルに投入して、十分に混合を行い、得られたスラリー(第1のスラリー)をドクターブレード法を使用して厚み20μmとなるセラミックスグリーンシートを得た。   This calcined powder is charged into a ball mill together with an organic binder and ethanol and mixed thoroughly, and the resulting slurry (first slurry) is obtained using a doctor blade method to obtain a ceramic green sheet having a thickness of 20 μm. It was.

上記とは別に、上記仮焼粉100重量部と上記ガラス粉0.1重量部とを含む第2のスラリーを調製した。   Separately from the above, a second slurry containing 100 parts by weight of the calcined powder and 0.1 parts by weight of the glass powder was prepared.

最終的に得られる素子の内部電極用のペーストの印刷を予定する部分を囲む外周部分(サイドマージンを構成する部分)に第2のスラリーを塗布した。また、保護層のためのセラミックグリーンシートを第2のスラリーを用いて製造した。   The second slurry was applied to an outer peripheral portion (a portion constituting a side margin) surrounding a portion where printing of the paste for the internal electrode of the finally obtained element was planned. Moreover, the ceramic green sheet for a protective layer was manufactured using the 2nd slurry.

次に、内部電極用のペーストとしてはPtを使用した導電性ペーストを用いて、前記のセラミックスグリーンシートに所定パターンの導電層を形成した。そして、この導電層が形成されたセラミックスグリーンシートと、内部電極を形成していないセラミックスグリーンシートを挟み込んで、積層状態とした後に、さらにその上下を内部電極を形成していない保護層のためのセラミックスグリーンシートで挟み込み、50MPa程度の圧力で加圧して、圧着してセラミックス積層体の板状成形体を得た。   Next, a conductive layer having a predetermined pattern was formed on the ceramic green sheet by using a conductive paste using Pt as the internal electrode paste. And after sandwiching the ceramic green sheet on which the conductive layer is formed and the ceramic green sheet on which the internal electrode is not formed to form a laminated state, the upper and lower sides of the ceramic green sheet for the protective layer on which the internal electrode is not formed The sheet was sandwiched between ceramic green sheets, pressed with a pressure of about 50 MPa, and pressed to obtain a plate-shaped formed body of a ceramic laminate.

次に、前記の板状成形体を、所定の寸法を満たすように切断した後、アルミナ製のサヤに収容して、300℃〜500℃で脱バインダ処理を行った後に、各圧電セラミックスの焼成温度にて、大気雰囲気中で焼成を行い、積層セラミックス焼結体を得た。   Next, the plate-shaped molded body is cut so as to satisfy a predetermined size, and then accommodated in an alumina sheath, subjected to a binder removal treatment at 300 ° C. to 500 ° C., and then fired for each piezoelectric ceramic. Firing was performed in an air atmosphere at a temperature to obtain a laminated ceramic sintered body.

その後に、上記の積層セラミックス焼結体の内部電極が露出した両端部にAgから成る導電性ペーストを塗布し、800℃で焼き付け処理を行って、正極及び負極とした。その後に、100℃で200Vを10分間印加して分極処理を行い、積層圧電アクチュエータを得た(実施例)。得られた積層圧電素子を観察したところ、カバー層及びサイドマージンには2以上のアスペクト比で、平均粒子径が1〜5μmであるガラス相の存在が確認できた。   After that, a conductive paste made of Ag was applied to both end portions where the internal electrodes of the multilayer ceramic sintered body were exposed, and baked at 800 ° C. to obtain a positive electrode and a negative electrode. Thereafter, 200 V was applied at 100 ° C. for 10 minutes for polarization treatment to obtain a laminated piezoelectric actuator (Example). When the obtained laminated piezoelectric element was observed, it was confirmed that the glass layer having an aspect ratio of 2 or more and an average particle diameter of 1 to 5 μm was present in the cover layer and the side margin.

比較例の積層圧電アクチュエータは、第2のスラリーを調製せずに、すべて第1のスラリーを用いたことのほかは、実施例と同様にして得た。   The laminated piezoelectric actuator of the comparative example was obtained in the same manner as in the example except that the first slurry was used without preparing the second slurry.

実施例・比較例の積層圧電アクチュエータについて、直流電圧印加時の信頼性について加速試験を行った。測定環境は以下のとおり:駆動電圧(400V)、周囲温度(150℃)、2hr。
加速試験において絶縁破壊されていない試料を良品、絶縁破壊されている試料を不良品と判断した。ここで、1MΩより低い抵抗の試料を絶縁破壊されているとした。
比較例では、良品が0ヶ/5ヶであったのに対して、実施例では良品が5ヶ/5ヶであった。このように、実施例において寿命が向上したことは、素子の周辺領域におけるクラックの生じにくさによるものと推察される。
The laminated piezoelectric actuators of the examples and comparative examples were subjected to an acceleration test for reliability when a DC voltage was applied. The measurement environment is as follows: drive voltage (400 V), ambient temperature (150 ° C.), 2 hr.
In the accelerated test, a sample that was not dielectrically broken was judged as a good product, and a sample that was broken down was judged as a defective product. Here, it was assumed that a sample having a resistance lower than 1 MΩ was broken down.
In the comparative example, the non-defective product was 0/5 pieces, whereas in the example, the non-defective product was 5/5 pieces. As described above, the improvement in the lifetime in the examples is presumed to be due to the difficulty of generating cracks in the peripheral region of the element.

1:積層圧電素体
11:周辺領域 12:ガラス相
20:積層領域 21:駆動領域 22:内部電極層
501a〜501g:セラミックスグリーンシート
502a、502b:内部電極パターン
503a、503b:保護層用のセラミックスグリーンシート
1: laminated piezoelectric element 11: peripheral region 12: glass phase 20: laminated region 21: driving region 22: internal electrode layers 501a to 501g: ceramic green sheets 502a, 502b: internal electrode patterns 503a, 503b: ceramics for a protective layer Green sheet

Claims (4)

圧電セラミックス層と内部電極層とが積層してなる積層体を有し、
前記圧電セラミックス層は、前記内部電極と面している駆動領域、および、前記駆動領域を取り囲む周辺領域とからなり、前記周辺領域は前記積層体の積層方向に対して平行であるサイドマージンと前記積層方向に対して垂直である保護層とを有し、前記サイドマージン及び保護層の両方がガラス相を含む、積層圧電素子。
Having a laminate formed by laminating a piezoelectric ceramic layer and an internal electrode layer;
The piezoelectric ceramic layer includes a drive region facing the internal electrode layer , and a peripheral region surrounding the drive region, and the peripheral region includes a side margin parallel to the stacking direction of the stacked body. A laminated piezoelectric element having a protective layer perpendicular to the laminating direction, wherein both the side margin and the protective layer contain a glass phase.
前記圧電セラミックス層のセラミックスはアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有し、前記ガラス相がK、Na及びLiを含有する請求項1記載の積層圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the ceramic of the piezoelectric ceramic layer has an alkali metal-containing niobate-based perovskite structure, and the glass phase contains K, Na, and Li. 前記ガラス相は2以上のアスペクト比を有する請求項1又は2記載の積層圧電素子。   The multilayer piezoelectric element according to claim 1, wherein the glass phase has an aspect ratio of 2 or more. 前記ガラス相の平均粒子径が1〜5μmである請求項1〜3のいずれか1項記載の積層圧電素子。   The laminated piezoelectric element according to claim 1, wherein the glass phase has an average particle diameter of 1 to 5 μm.
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