JPWO2009116548A1 - 圧電/電歪素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(圧電/電歪素子の構成)
図1は、本発明の圧電/電歪素子の一実施形態を模式的に示す部分断面図である。図1に示すように、本実施形態の圧電/電歪素子10は、圧電/電歪駆動部1を構成する圧電/電歪体2(圧電/電歪駆動部1の最上層に配置される最上層圧電/電歪体2a)の面上に、膜状の外部端子電極3が配設されたものである。この外部端子電極3は、圧電/電歪体2(最上層圧電/電歪体2a)に当接して配設される第一電極層3aと、この第一電極層3aの上に配設される第二電極層3bとを有する、いわゆる積層構造を有する電極である。
圧電/電歪駆動部11を形成する圧電/電歪体は、圧電/電歪材料によって構成されている。圧電/電歪材料の種類は特に限定されないが、圧電/電歪特性の観点から、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の圧電/電歪磁器組成物であることが好ましい。また、PZT系の圧電/電歪磁器組成物としては、PbをPbO換算で65〜70質量%、TiをTiO2換算で7.0〜16.0質量%、ZrをZrO2換算で10.5〜24.5質量%、SbをSb2O3換算で0.65〜1.05質量%、NbをNb2O5換算で0.5〜0.8質量%、CuをCuO換算で0.3〜0.7質量%、WをWO3換算で0.6〜1.5質量%、及びMnをMnO2換算で0.3〜0.7質量%含有するとともに、CuとWの含有比が、モル比で、1.5:1〜2.5:1のものを好適例として挙げることができる。上記の組成を有する圧電/電歪磁器組成物は、焼成温度が1050℃以下であっても十分に緻密化し、優れた圧電/電歪特性を発揮する。更に、上記の組成を有する圧電/電歪磁器組成物を用いて製造した圧電/電歪素子は、共振周波数の温度変化率が小さいという特性を有している。
第一の電極材料には、圧電/電歪材料の他、一般的な圧電/電歪素子の電極を構成するために用いられる電極用の金属成分である第一の金属成分が含まれる。この第一の金属成分の具体例としては、Ag、Pd、Pt、若しくはAu、又はこれらの合金を主成分とするものを挙げることができる。なかでも、Ag及びPdを含む共沈法によって得られる金属、又はAg及びPdを含む合金等の金属成分が好ましい。なお、この第一の金属成分は、圧電/電歪体からの剥がれを効果的に抑止するといった観点からは、AgとPdの合金であることが好ましい。
第二の電極材料にも、第一の電極材料と同様、一般的な圧電/電歪素子の電極を構成するために用いられる電極用の金属成分である第二の金属成分が含まれる。この第二の金属成分は、第一の電極材料に含有される第一の金属成分と、同一元素系のものである。第一の金属成分と第二の金属成分が同一元素系であると、形成される第一電極層と第二電極層の間の密着性が向上するために好ましい。なお、本明細書にいう「同一元素系」とは、同一の金属元素が過不足無く含有されていることをいう。但し、複数種類の金属元素が含有されている場合、これらの金属元素の比率(含有比率)は、同一であっても、異なっていてもよい。
本発明の圧電/電歪素子が、例えば図13Aに示すような、積層構造を有する圧電/電歪駆動部11を備えたものである場合に、この圧電/電歪駆動部を構成する内部電極は、例えば内部電極用電極材料により構成されている。また、この内部電極用電極材料には、通常、電極用の金属成分である第三の金属成分が含有されている。この第三の金属成分は、前述の第一の金属成分及び第二の金属成分と同一元素系のものであることが好ましい。第三の金属成分が、第一の金属成分及び第二の金属成分と同一元素系のものであると、内部電極と外部端子電極の接続部分の密着強度が向上するとともに、マイグレーション特性の観点から好ましい。第三の金属成分の具体例としては、第一の金属成分の具体例として列挙したものと同様のものを挙げることができる。
次に、本発明の圧電/電歪素子の製造方法について説明する。本発明の圧電/電歪体の製造方法は、圧電/電歪前駆体の面上に、第一の金属成分及び圧電/電歪材料を含有する第一の電極材料を膜状に配設して第一電極層前駆部を形成する工程(以下、「工程(1)」ともいう)と、第一電極層前駆部上に、前記第一の金属成分と同一元素系の第二の金属成分を含有するとともに、圧電/電歪材料を実質的に含有しない第二の電極材料を膜状に配設して第二電極層前駆部を形成する工程(以下、「工程(2)」ともいう)と、圧電/電歪前駆体、第一電極層前駆部、及び第二電極層前駆部を一体的に焼成して、圧電/電歪体の面上に、圧電/電歪体に当接して配設される第一電極層、及び第一電極層上に配設される第二電極層を備えた積層構造を有する、ガラス成分を実質的に含有しない膜状の外部端子電極を配設する工程(以下、「工程(3)」ともいう)と、を有するものである。
工程(1)では、圧電/電歪前駆体の面上に第一の電極材料を膜状に配設して、第一電極層前駆部を形成する。圧電/電歪前駆体は、焼成することにより圧電/電歪体となる、圧電/電歪材料を用いて得られる未焼成の成形体である。この圧電/電歪前駆体は、例えば、圧電/電歪材料を成形することによって製造することができる。なお、圧電/電歪材料を成形した後、焼成することで内部電極となる内部電極用電極材料をスクリーン印刷法等によって膜状に配設し、必要に応じて更に接着層を形成すること等によって積層構造としてもよい。
工程(2)では、工程(1)で形成した第一電極層前駆部の上に第二の電極材料を膜状に配設して第二電極層前駆部を形成する。この第二電極層前駆部は、焼成することにより外部端子電極の一部を構成する第二電極層となる部分である。第二電極層前駆部を形成する方法は特に限定されないが、精密且つ高速に形成可能な点から、一般的な膜形成装置を用いるスクリーン印刷法が好ましい。
工程(3)では、圧電/電歪前駆体、第一電極層前駆部、及び第二電極層前駆部を一体的に焼成する。焼成することにより、圧電/電歪前駆体は圧電/電歪体となり、第一電極層前駆部と第二電極層前駆部は、それぞれ第一電極層と第二電極層となって外部端子電極を一体的に構成する。
図3は、本発明の圧電/電歪素子の製造方法の一実施形態を説明するフロー図である。図3に示すように、本実施形態の圧電/電歪素子の製造方法では、圧電/電歪材料をテープ成形して得た複数のグリーン成形体に、スクリーン印刷法等により内部電極材料をそれぞれ印刷する。必要に応じて接着剤層を形成した後、最上層に配置される一のグリーン成形体に第一及び第二の電極材料を順次印刷する。第一及び第二の電極材料が印刷されたグリーン成形体が最上層となるように複数のグリーン成形体を積層し、必要に応じて加圧して一体化させた後に一回目の焼成(焼成(1))を実施すれば、図12に示すような積層基板4を得ることができる。
PbOを68.5質量%、TiO2を11.7質量%、ZrO2を17.5質量%、Sb2O3を0.90質量%、Nb2O5を0.82質量%、MnCO3をMnO2換算で0.60質量%となるようにそれぞれの原料を計量し、所定量の水とともにボールミルにて24時間の混合を行って調製スラリーを得た。得られた調製スラリーを熱風乾燥機内に入れて水分を蒸発させ、乾燥させることで混合原料を得た。得られた混合原料をマグネシア製のサヤ内に入れるとともにマグネシア製の蓋をし、電気炉中で1000℃に加熱して仮焼することで仮焼物を得た。得られた仮焼物を、所定量の水とともにボールミルにて所定時間粉砕した後、熱風乾燥機内に入れて水分を蒸発させ、乾燥させることで第一の二次原料を得た。
圧電/電歪磁器組成物、分散材、可塑剤、及び溶媒を混合してスラリーを調製し、ドクターブレード法によりテープ成形してグリーンシートを作製した。なお、作製したグリーンシートの厚みは、焼成後に36μmとなるように設計した。グリーンシート上に、表1に示す金属成分(共沈法により調製したAg−Pd共沈粉、Ag−Pd合金粉、又はPt)を含有するペースト状の電極材料を、スクリーン印刷法により所定形状で印刷した。なお、電極材料の厚みは、焼成後に1.5μmとなるように印刷した。更に、電極材料の上に、焼成後に厚みが2.0μmとなるように接着層を印刷した。
圧電/電歪磁器組成物、分散材、可塑剤、及び溶媒を混合してスラリーを調製し、ドクターブレード法によりテープ成形してグリーンシートを作製した。グリーンシート上に、Ag−Pd合金粉(Ag:Pd=7:3(質量比))を97質量%、及び圧電/電歪磁器組成物を3質量%(但し、Ag−Pd合金粉と圧電/電歪磁器組成物の合計=100質量%)含有するペースト状の第一の電極材料を、スクリーン印刷法により所定形状で印刷した。なお、第一の電極材料の厚みは、焼成後に形成される第一電極層の厚みT1(図1参照)が5.0μmとなるように印刷した。次いで、印刷した第一の電極材料の上に、Ag−Pd合金粉(Ag:Pd=7:3(質量比))を含有するペースト状の第二の電極材料を、スクリーン印刷法により所定形状で印刷した。なお、第二の電極材料の厚みは、焼成後に形成される第二電極層の厚みT2(図1参照)が5.0μmとなるように印刷した。また、第一電極層の配設領域と第二電極層の配設領域の寸法差D(図2参照)が20μmとなるように印刷した。
電極材料に含有される圧電/電歪磁器組成物を表1に示す割合とし、形成される外部端子電極を表1に示す構造としたこと以外は、前述の実施例1と同様にして圧電/電歪素子を製造した。製造した圧電/電歪素子の測定不良発生率の算出結果を表2に示す。また、実施例3及び比較例4で得た圧電/電歪素子の外部端子電極表面の電子顕微鏡写真を図8及び9にそれぞれ示す。図8及び9に示す電子顕微鏡写真から、比較例4で得た圧電/電歪素子の外部端子電極表面には、圧電/電歪磁器組成物が白い粒子状に析出しているのに対し、実施例3で得た圧電/電歪素子の外部端子電極表面には、白い粒子が析出していないことが明らかである。
Claims (10)
- 圧電/電歪材料からなる圧電/電歪体を有する圧電/電歪駆動部と、前記圧電/電歪体の少なくとも一の面上に配設される、ガラス成分を実質的に含有しない膜状の外部端子電極と、を備え、
前記外部端子電極は、前記圧電/電歪体に当接して配設される、第一の金属成分及び前記圧電/電歪材料を含有する第一の電極材料からなる第一電極層と、前記第一電極層上に配設される、第二の金属成分を含有するとともに前記圧電/電歪材料を実質的に含有しない第二の電極材料からなる第二電極層と、を備えた積層構造を有する電極であり、
前記第一の金属成分と前記第二の金属成分は、同一元素系の金属成分である圧電/電歪素子。 - 前記第二電極層の配設領域が、前記第一電極層の配設領域に比して小さい請求項1に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪駆動部が、内部電極用電極材料からなる内部電極を更に有する、前記圧電/電歪体と前記内部電極が交互に積層された積層体であり、
前記内部電極用電極材料は、前記第一の金属成分及び前記第二の金属成分と同一元素系の第三の金属成分を含有するものである請求項1又は2に記載の圧電/電歪素子。 - 前記圧電/電歪駆動部が、柱状積層体であり、
その側面に配設される、前記外部端子電極と前記内部電極を電気的に接続する側面電極を更に備えた請求項3に記載の圧電/電歪素子。 - 前記圧電/電歪材料が、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電/電歪磁器組成物である請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記圧電/電歪磁器組成物が、PbをPbO換算で65〜70質量%、TiをTiO2換算で7.0〜16.0質量%、ZrをZrO2換算で10.5〜24.5質量%、SbをSb2O3換算で0.65〜1.05質量%、NbをNb2O5換算で0.5〜0.8質量%、CuをCuO換算で0.3〜0.7質量%、WをWO3換算で0.6〜1.5質量%、及びMnをMnO2換算で0.3〜0.7質量%含有するとともに、
CuとWの含有比が、モル比で、1.5:1〜2.5:1のものである請求項5に記載の圧電/電歪素子。 - 前記第一の金属成分及び前記第二の金属成分は、Ag、Pd、Pt、若しくはAu、又はこれらの合金を主成分とするものである請求項1〜6のいすれか一項に記載の圧電/電歪素子。
- 前記第一の金属成分は、60〜90質量%のAg及び10〜40質量%のPd(但し、Ag+Pd=100質量%)を含むものであり、
前記第一の金属成分と前記圧電/電歪材料の合計に対する、前記圧電/電歪材料の含有割合が、10〜50体積%である請求項7に記載の圧電/電歪素子。 - 前記第二の金属成分は、60〜90質量%のAg及び10〜40質量%のPd(但し、Ag+Pd=100質量%)を含むものである請求項7又は8に記載の圧電/電歪素子。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電/電歪素子を製造する方法であって、
圧電/電歪前駆体の面上に、第一の金属成分及び圧電/電歪材料を含有する第一の電極材料を膜状に配設して第一電極層前駆部を形成する工程と、
前記第一電極層前駆部上に、前記第一の金属成分と同一元素系の第二の金属成分を含有するとともに、前記圧電/電歪材料を実質的に含有しない第二の電極材料を膜状に配設して第二電極層前駆部を形成する工程と、
前記圧電/電歪前駆体、前記第一電極層前駆部、及び前記第二電極層前駆部を一体的に焼成して、圧電/電歪体の面上に、前記圧電/電歪体に当接して配設される第一電極層、及び第一電極層上に配設される第二電極層を備えた積層構造を有する、ガラス成分を実質的に含有しない膜状の外部端子電極を配設する工程と、を有する圧電/電歪素子の製造方法。
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