KR20030062262A - 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 높은 기계적 강도를 가지며, 또한 우수한 압전 특성 및 신뢰성을 갖는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면, Pb원소의 화합물을 함유하고 있는 압전 세라믹 재료의 세라믹 그린시트상에, Ag를 주성분으로 하는 도체를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하고, 상기 세라믹 그린시트를 겹쳐 쌓아서 적층체로 하는 공정과; 상기 적층체를 소성시의 승온 과정에서의 산소 농도가 90체적% 이상이고, 또한 유지 과정과 강온(降溫) 과정에서의 산소 농도가 5체적%∼15체적%가 되는 분위기 중에서 소성하는 공정;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법{Method of manufacturing monolithic piezoelectric ceramic device}
본 발명은 압전 공진자, 압전 액츄에이터(actuator), 압전 필터, 압전 버저(buzzer), 압전 트랜스포머 등에 사용되는 압전 세라믹 소자의 제조방법에 관한 것이다. 특히, Ag를 주성분으로 하는 도체를 내부전극으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 압전 공진자, 압전 액츄에이터, 압전 필터, 압전 버저, 압전 트랜스포머 등에 사용되는 압전 세라믹 소자에 있어서, 각각의 용도에 따라서 구조 결함이 없고, 신뢰성이 높은 우수한 부품 특성을 갖기 위해서는, 최적의 조건으로 소성하는 것이 필요 불가결하다는 것은 잘 알려져 있으며, 지금까지도 다양한 대처가 이루어지고 있다.
예를 들면, 일본국 특허공개공보 평2-74566호에서는, 소성 온도까지의 승온 과정에서, 노(爐) 내부 분위기를 산소 농도 50체적% 이상으로 유지하고, 또한 소성온도에 있어서의 유지 과정에서는, 노 내부 분위기를 산소 농도가 승온 과정의 경우의 1/2 내지 10체적%의 조건하에서 소성하는 프로세스를 나타내고 있다. 이에 따라, 산소 농도 50체적% 이상이 되는 고산소 분위기 조건하의 승온 과정에서, 이 시기에 형성되는 세라믹의 폐기공(閉氣孔) 내의 산소 농도를 높이고, 이어서 소성 온도에 있어서의 유지 과정에서, 산소 농도를 승온 과정의 경우의 1/2 내지 10체적%로 하면, 상술한 세라믹의 폐기공 내와 외부공기의 산소 농도 차이가 커지고, 따라서 산소의 확산 속도가 커지기 때문에, 산화물로 구성되는 압전 세라믹스를 양산성 좋고 치밀하게 소결시킬 수 있다고 제안되어 있다.
또한, 일본국 특허공개공보 평4-357164호나 일본국 특허공개공보 평10-95665호에서는, 전체 소성 프로파일에 있어서, 산소 농도가 80체적% 이상이 되는 분위기 조건하에서 소성하는 프로세스를 나타내고 있다. 이에 따라, 세라믹 입자 내의 빈구멍(空孔)이나 구조 결함을 억제한 치밀하고 고신뢰성의 압전 세라믹 소자, 특히 압전 공진자를 얻을 수 있다고 되어 있다.
또한, 내부전극의 종류에 관계없이, 전체 소성 프로파일에 있어서, 대기중, 즉 산소 농도가 약 21체적%인 분위기 중에서 소성하는 프로세스도 알려져 있으며, 다양한 압전 세라믹 부품에 있어서 일반적으로 적용되고 있다.
그러나, 상기에 나타낸 바와 같은 압전 세라믹 소자에 사용되어 온 종래의 소성 프로세스에서는, 내부전극이 되는 Ag를 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 도포한 세라믹 그린시트를 겹쳐 쌓아서 생긴 미소성의 적층체를 소성하면, 내부전극에 포함되는 Ag가 압전 세라믹층 중의 세라믹 입자 내에 들어가, 압전 특성을 열화시킨다는 문제점이 있었다.
또한, 한편, 최근에 있어서 압전 소자의 기술 분야에서는, 고주파화에의 대응으로서, 압전 소자 그것의 높이를 낮추는 것이 진행되고 있다. 높이를 낮추면, 압전 세라믹 소자의 두께가 얇아지는데, 이와 같은 경우에 있어서도, 고주파의 기계 진동에 의해 압전 세라믹 소자가 파괴되지 않도록, 충분한 기계적 강도가 필요하게 된다.
그래서, 본 발명의 목적은 높은 기계적 강도를 가지며, 또한 우수한 압전 특성 및 신뢰성을 갖는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 한 실시예의 적층형 압전 트랜스포머를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 적층형 압전 트랜스포머의 a－b에서 본 단면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 적층형 압전 트랜스포머의 c－d에서 본 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 한 실시예의 적층형 압전 트랜스포머에 있어서의 트랜스포머 특성을 측정하기 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 한 실시예의 적층형 압전 액츄에이터(actuator)를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 적층형 압전 액츄에이터의 a－b에서 본 단면도이다.
도 7은 본 발명이 적용될 수 있는 잉크 제트(ink jet)용의 적층형 압전 소자의 일례를 나타내는 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
10 : 적층형 압전 트랜스포머11 : 압전 세라믹
12 : 내부전극13 : 입력측(1차측) 외부전극
14 : 출력부(2차측) 외부전극20 : 트랜스포머 특성 측정 시스템
21 : 교류 전원22 : 적층형 압전 트랜스포머
30 : 적층형 압전 액츄에이터31 : 압전 세라믹
32 : 내부전극33 : 외부전극
50 : 잉크 제트용 적층형 압전 소자
51 : 압전 세라믹52 : 내부전극
53 : 외부전극
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법은, Pb원소의 화합물을 함유하고 있는 압전 세라믹 재료의 세라믹 그린시트상에, Ag를 주성분으로 하는 도체를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하고, 상기 세라믹 그린시트를 겹쳐 쌓아서 적층체로 하는 공정과; 상기 적층체를 소성시의 승온 과정에서의 산소 농도가 90체적% 이상이며, 또한 유지 과정과 강온(降溫) 과정에서의 산소 농도가 5체적%∼15체적%가 되는 분위기 중에서 소성하는 공정;을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
여기에서, 소성시의 승온 과정에 있어서, 산소 농도를 90체적% 이상으로 한 것은 이하의 이유에 의한다.
90체적% 이상에서는, 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 내부에 형성되는 빈구멍의 산소 농도를 높여서, 산소를 확산시켜, 빈구멍을 저감시킬 수 있으므로, 그 결과, 치밀한 소결체를 얻을 수 있기 때문이다.
그러나, 90체적%보다 낮은 경우에서는, 상술과는 반대로, 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 내부에 형성되는 빈구멍에 있어서, 산소 농도가 불충분하기 때문에, 빈구멍을 충분히 저감시킬 수 없으므로, 그 결과, 치밀한 소결체를 얻을 수 없어, 세라믹의 항절(抗折) 강도가 저하하기 때문이다.
또한, 소성시의 유지 과정과 강온 과정에 있어서, 산소 농도를 5체적%∼15체적%의 범위로 한 것은 이하의 이유에 의한다.
5체적%∼15체적%의 범위에서는, 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 입계(粒界)에 있는 Pb량을 저감시킬 수 있으며, 압전 세라믹 소자 자체의 특성, 즉 압전 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
즉, 소성시의 승온 과정에 있어서의 산소 농도 90체적% 이상의 고산소 농도 분위기하에서는, Pb의 증기압이 높기 때문에, 압전 세라믹 소자 자체로부터의 Pb의 증발이 저감되고, 분위기 중으로부터의 재부착도 이루어지기 때문에, 세라믹의 입계에서는 Pb량이 많은 상태가 된다. 그러나, 이어서 유지 과정과 강온 과정에 있어서의 산소 농도 5체적%∼15체적%의 저산소 농도 분위기하에서는, Pb의 증기압이 낮아지기 때문에, 압전 소자를 구성하는 세라믹의 입계에 존재하는 Pb의 증발이 촉진되어, 입계의 불순물 성분이 저감되므로, 압전 소자 자체의 특성이 개선되고, 향상되는 것에 따른다.
그러나, 15체적%를 넘는 경우에서는, 상술에 나타낸 세라믹의 입계에 있어서의 Pb량을 저감시키는 효과가 없어져서, 압전 특성이 저하하기 때문이다.
또한, 5체적%보다 낮은 경우에서는, 압전 소자 자체의 환원이 일어나, 압전 특성이 저하하기 때문이다.
승온 과정에서는, 예를 들면, 티탄산 지르콘산납(PZT)계의 화합물에서는, 산소 농도가 약 90체적% 이상의 분위기 조건하에서 소성된다. 유지 과정, 즉 최고 온도 영역의 소성 온도는 상기 분위기 조건하에서, 적층체의 소결이 완료되는 온도, 즉 구체적으로는 적층 소성체의 충전 밀도가 이론 밀도에 대하여 99% 이상이 되는 온도로 설정된다. 또한, 최고 온도 영역에서의 유지 시간도 상기의 소성 온도의 경우와 동일한 조건으로 설정된다.
또한, 승온 속도 및 강온 속도는, 예를 들면, 티탄산 지르콘산납(PZT)계의 화합물에서는, 모두, 매분 1∼10℃의 범위로 설정되어 있으며, 최고 온도 영역에 있어서의 유지 시간은 1∼10분간의 범위로 설정된다.
단, 소성 조건은 상기의 조건에 한정되는 것이 아니며, Pb원소의 화합물을 함유하는 압전 세라믹 재료의 종류(조성계)에 의해, 최적의 소성 온도, 승온 속도, 유지 시간 및 강온 속도를 선택하면 된다.
또한, 상기 세라믹 그린시트중의 압전 세라믹 재료로서는, 상기에 나타낸 티탄산 지르콘산납(PZT)계의 화합물 이외에, 예를 들면 티탄산납(PbTiO3)계의 화합물, 메타니오브산납(PbNb2O6)계의 화합물, 및 메타탄탈산납(PbTa2O6)계 화합물 등을 함유하고 있는 것으로 이루어진다.
또한, 내부전극용 도전성 페이스트에 포함되는 도체는 Ag를 주성분으로 하는 것으로 구성되며, Ag가 100중량%, 또는 Pd가 50중량% 이하를 함유하고 있는 것으로 이루어진다.
<발명의 실시형태>
이하, 본 발명의 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법에 대하여, 적층형 압전 트랜스포머(실시예 1)의 예와 적층형 압전 액츄에이터(실시예 2)의 예를 사용하여 실시형태를 상세히 설명한다.
[실시예 1]
우선, 출발원료로서, Pb3O4, TiO2, ZrO2, SnO2, Sb2O3, MnCO3를 준비하였다.
이어서, 99.94중량%의 Pb((Sn1/3Sb2/3)0.10Zr0.45Ti0.45)O3로 이루어지는 주성분에 첨가물로서 0.06중량%의 MnO를 함유하는 압전 세라믹이 얻어지도록, 상기 원료를 칭량하고, 볼밀로 습식 혼합하였다. 또한, 상술한 혼합물을 탈수, 건조하고, 820℃의 온도에서 2시간 하소하고, 분쇄함으로써, 하소 분말을 얻었다.
이어서, 이 하소 분말에, 아크릴계 유기 바인더, 유기 용제, 및 가소제 등의 첨가물을 첨가하고, 볼밀로 습식 혼합하여, 슬러리를 얻었다. 이 슬러리를 닥터 블레이드법으로 성형하여, 약 100㎛ 두께의 세라믹 그린시트를 제작하였다.
이 세라믹 그린시트상에, Ag/Pd 도체를 함유하는 도전성 페이스트를, 스크린 인쇄법에 의해, 소성후의 두께가 1.0∼3.0㎛가 되도록 도포하고, 건조시켜, 내부전극용의 층이 형성된 세라믹 그린시트를 얻었다. 그 후, 이 세라믹 그린시트를 겹쳐쌓고, 열프레스에 의해 압착시켜, 일체화시킨 적층체를 얻었다.
이어서, 이 적층체를 소정의 칫수가 되도록 컷트하고, 미리, 약 500℃의 온도에서 바인더 성분을 충분히 제거시키며, 표 1에 나타내는 소성 프로파일 및 소성 분위기를 사용하여, 소성을 행하였다.
또한, 승온 속도는 매분 4℃, 최고 온도 영역에서의 유지 시간은 3시간, 및 강온 속도는 매분 4℃로 하였다.
또한, 표 1에 있어서, *표를 붙인 것은 본 발명의 범위외의 것이고, 그 이외는 모두 본 발명의 범위내의 것이다.
소성 분위기 조건 No. 산소 농도 조건(단위 : 체적%)
승온 과정600℃∼1100℃ 유지 과정1100℃ 강온 과정1100℃∼600℃
J1* 85 10 10
J2 90 10 10
J3 95 10 10
J4* 95 2 10
J5 95 5 10
J6 95 15 10
J7* 95 21 10
J8* 95 10 2
J9 95 10 5
J10 95 10 15
J11* 95 10 21
J12* 21 21 21
J13* 90 90 90
이 적층 소성체에, 외부전극을 스크린 인쇄법으로 도포하고, 소성해서 입력측 외부전극 및 출력측 외부전극을 형성하여, 적층형 압전 트랜스포머를 얻었다.
다음으로, 60℃의 절연 오일중에서, 입력측에 대해서는 두께 방향으로 분극처리를 행하고, 출력측에 대해서는 길이 방향으로 분극 처리를 행하였다. 이 때의 분극 조건은 직류 전계가 4.0kV/mm, 인가 시간이 60분이었다. 그 후, 120∼200℃의 공기중에서, 30∼60분간 에이징(aging)하여, 도 1∼도 3에 나타내는 바와 같은 목적으로 하는 적층형 압전 트랜스포머(10)를 얻었다. 또한, 도 1∼도 3에 있어서, 참조부호 11은 압전 세라믹, 참조부호 12는 내부전극, 참조부호 13은 입력측(1차측) 외부전극, 참조부호 14는 출력측(2차측) 외부전극을 각각 나타낸다.
이들 적층형 압전 트랜스포머의 트랜스포머 특성, 구체적으로는, 최대 승압비(昇壓比)와 최대 효율을 이하에 나타내는 방법으로 구하였다. 또한, 적층형 압전 트랜스포머 자체의 항절 강도와 포어(pore) 점유율도 이하에 나타내는 방법으로 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
또한, 표 2에 있어서, *표를 붙인 것은 본 발명의 범위외의 것이고, 그 이외는 모두 본 발명의 범위내의 것이다.
최대 승압비와 최대 효율에 대해서는, 도 4에 나타내는 바와 같은 측정계를 사용하여, 측정을 행하였다. 입력 전압(Vin)과 입력 전류(Iin) 및 출력 전압(Vout)은 파워 애널라이저로 측정하였다. 전원은 주파수를 가변할 수 있는 교류 전원을 사용하였다. cosΦ는 역률(力率)을 가리킨다. 또한, 도 4에 있어서, 참조부호 21은 교류 전원, 참조부호 22는 적층형 압전 트랜스포머를 나타낸다. 또한, 저항(R1) 및 저항(R2)은 각각 1㏀, 100㏀이다.
승압비는 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vout)의 비로 나타나며, 최대 승압비는식 1을 사용하여 구한 값이다. 또한, Vout은 교류 전원으로 일정 전압 Vin을 인가했을 때의 최대가 되는 값을 사용하였다. 최대 승압비의 단위는 dB이다.
효율은 입력 전력과 출력 전력의 비로 나타나며, 최대 효율은 식 2를 사용하여 구한 값이다. 또한, Vout은 교류 전원으로 일정 전압 Vin을 인가했을 때의 최대가 되는 값을 사용하였다. 최대 효율의 단위는 %이다.
(식 1) 최대 승압비＝20×log(Vout÷Vin×101)
(식 2) 최대 효율＝101×Vout 2×0.001÷(Vin×IincosΦ)
승압비는 트랜스포머의 기본 성능을 나타내며, 승압비가 높을수록, 고성능인 것을 의미한다. 또한, 효율은 전기→기계→전기에의 에너지 전송의 변환 효율을 나타내며, 효율이 높을수록, 입력 전력에 대한 변환 로스(loss)가 적기 때문에, 저소비 전력화를 도모할 수 있다는 것을 의미한다.
항절 강도는 JIS R1601에 규정하는 세라믹스의 굽힘 강도 시험방법에 기초하여 측정하였다. 또한, 포어 점유율은 적층형 압전 트랜스포머를 경면 연마하고, 화상 처리로 세라믹 치밀부와 포어부의 면적 비율을 구해서 산출하였다.
항절 강도가 클수록, 압전 세라믹 자체의 기계적 강도가 높은 것을 의미하고, 또한, 포어 점유율이 작을수록, 압전 세라믹 자체의 치밀성이 큰 것을 의미한다.
시료 번호 소성 분위기조건 No. 특성
최대 승압비(dB) 최대 효율(%) 포어 점유율(%) 항절 강도(MPa)
1* J1* 31.5 94.5 1.7 115
2 J2 31.5 95.4 0.7 125
3 J3 31.1 95.6 0.5 130
4* J4* 28.3 88 0.6 128
5 J5 31.8 95.6 0.7 129
6 J6 32.0 95.1 0.6 125
7* J7* 29.4 89.5 0.5 132
8* J8* 29.5 89.7 0.8 123
9 J9 31.3 95.2 0.6 129
10 J10 31.4 95.4 0.6 130
11* J11* 29.8 89.8 0.6 128
12* J12* 30.8 94.5 3.2 96.8
13* J13* 28.0 88.7 0.7 126
표 1 및 표 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 범위내의 소성 분위기 조건하에서 소성한 압전 소자에서는, 시료번호 2, 3, 5, 6, 9 및 10과 같이, 포어 점유율이 1% 이하로 치밀한 소결체이고, 항절 강도는 120MPa 이상으로 고수준의 값을 나타내고 있으며, 또한 트랜스포머 특성도, 최대 승압비가 31dB 이상이고, 최대 효율이 95% 이상으로 양호한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적인 높은 기계적 강도를 가지며, 또한, 우수한 압전 특성 및 신뢰성을 갖는 적층형 압전 세라믹 소자를 얻는 것이 가능해진다.
여기에서, 표 2를 참조하면서, 본 발명의 소성 분위기 조건에 있어서의 한정 이유를 이하에 설명한다.
우선, 승온 과정의 산소 농도를 90체적% 이상으로 한 것은, 산소 농도가 90체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 1과 같이, 포어 점유율이 약 2%로 치밀한 소결체가 얻어지지 않으며, 또한 항절 강도도 120MPa 미만으로 저수준이 된다.
유지 과정의 산소 농도를 5체적%∼15체적%로 한 것은, 산소 농도가 5체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 4와 같이, 또한, 산소 농도가 15체적%를 넘는 경우에서는, 시료번호 7과 같이, 최대 승압비가 30dB 미만이고, 최대 효율도 90% 미만으로 트랜스포머 특성이 저수준이 된다.
강온 과정의 산소 농도를 5체적%∼15체적%로 한 것은, 산소 농도가 5체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 8과 같이, 또한, 산소 농도가 15체적%를 넘는 경우에서는, 시료번호 11과 같이, 최대 승압비가 30dB 미만이고, 최대 효율도 90% 미만으로 트랜스포머 특성이 저수준이 된다.
또한, 종래예로서, 승온, 유지, 강온의 전과정에 있어서, 산소 농도를 21%로 한 경우와, 산소 농도를 90%로 한 경우에 대하여, 시료번호 12 내지 13에 나타내었다.
시료번호 12에서는, 포어 점유율이 약 3%로 치밀한 소결체가 얻어지지 않으며, 또한 항절 강도도 100MPa 미만으로 저수준이고, 또한, 시료번호 13에서는, 최대 승압비가 30dB 미만이고, 최대 효율도 90% 미만으로 트랜스포머 특성이 저수준이었다.
이상과 같이, 본 발명의 범위내에 있어서의 소성 분위기 조건을 사용하여, 적층형 압전 트랜스포머를 소성함으로써, 높은 기계적 강도와 양호한 트랜스포머 특성을 쌍방으로 실현하는 것이 가능해진다.
[실시예 2]
우선, 출발 원료로서, Pb3O4, TiO2, ZrO2및 SrCO3를 준비하였다. 이어서, Pb0.98Sr0.02(Zr0.45Ti0.55)O3의 압전 세라믹 조성물이 얻어지도록, 상기 원료를 칭량하고, 볼밀로 습식 혼합하였다.
또한, 상술한 혼합물을 탈수, 건조하고, 800℃의 온도에서 2시간 하소하고, 분쇄함으로써, 하소 분말을 얻었다.
이어서, 이 하소 분말에, 아크릴계 유기 바인더, 유기 용제 및 가소제 등의 첨가물을 첨가하고, 볼밀로 습식 혼합하여, 슬러리를 얻었다.
이 슬러리를 닥터 블레이드법으로 성형하여, 약 40㎛ 두께의 세라믹 그린시트를 제작하였다.
이 세라믹 그린시트상에, Ag/Pd 도체를 함유하는 도전성 페이스트를, 스크린 인쇄법에 의해, 소성후의 두께가 1.0∼3.0㎛가 되도록 도포하고, 건조시켜, 내부전극용의 층이 형성된 세라믹 그린시트를 얻었다. 그 후, 이 세라믹 그린시트를 겹쳐 쌓고, 열프레스에 의해 압착시켜, 일체화시킨 적층체를 얻었다.
이어서, 이 적층체를 미리, 약 500℃의 온도에서 바인더 성분을 충분히 제거시키고, 표 1에 나타내는 소성 프로파일 및 소성 분위기를 사용하여, 소성을 행하였다.
또한, 승온 속도는 매분 4℃, 최고 온도 영역에서의 유지 시간은 3시간, 및 강온 속도는 매분 4℃로 하였다.
또한, 표 1에 있어서, *표를 붙인 것은 본 발명의 범위외의 것이고, 그 이외는 모두 본 발명의 범위내의 것이다.
이 적층 소성체를, 소정의 크기로 컷트한 후, 외부전극을 도포, 소성에 의해 형성하여, 내부전극과 전기적으로 접속시킨 적층형 압전 액츄에이터를 얻었다.
다음으로, 60℃의 절연 오일중에서, 4.0kV/mm의 직류 전계를 60분간 인가하여, 분극 처리를 행하였다. 그 후, 120∼200℃의 공기중에서, 30∼60분간 에이징하여, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같은 목적으로 하는 적층형 압전 액츄에이터(30)를 얻었다. 또한, 도 5 및 도 6에 있어서, 참조부호 31은 압전 세라믹, 참조부호 32는 내부전극, 참조부호 33은 외부전극을 각각 나타낸다.
이들 적층형 압전 액츄에이터의 압전 변형 상수 ｜d31｜ 및 압전 세라믹의 전기 저항율(ρ)을 구하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
｜d31｜은 레이저 도플러(laser doppler) 진동계로 변형량을 측정하고, 31방향의 압전 변형 상수를 산출해서 구하였다. 또한, ρ는 세라믹층을 개재한 내부전극 사이에 DC50V의 전압을 30초간 인가했을 때의 절연 저항을 측정하고, 그 절연 저항에 전극 면적을 곱하며, 이 값을 내부전극 사이의 세라믹층 두께로 나누어서 구하였다.
또한, 표 3에 있어서, *표를 붙인 것은 본 발명의 범위외의 것이고, 그 이외는 모두 본 발명의 범위내의 것이다.
시료 번호 소성 분위기조건 No. 특성
｜d31｜(10-12C/N) ρ(1012Ωㆍ㎝) 포어 점유율(%) 항절 강도(MPa)
14* J1* 212 6.1 1.6 105
15 J2 208 6.5 0.5 118
16 J3 210 6.0 0.6 115
17* J4* 197 1.0 0.7 118
18 J5 211 6.1 0.6 120
19 J6 210 5.7 0.6 119
20* J7* 201 0.98 0.5 119
21* J8* 199 2.5 0.7 120
22 J9 208 6.2 0.7 121
23 J10 207 5.9 0.6 118
24* J11* 196 1.5 0.7 119
25* J12* 206 5.9 2.6 94.5
26* J13* 190 0.56 0.7 121
표 1 및 표 3으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 범위내의 소성 분위기 조건하에서 소성한 압전 소자에서는, 시료번호 15, 16, 18, 19, 22 및 23과 같이, 포어 점유율이 1%이하로 치밀한 소결체이고, 항절 강도는 110MPa 이상으로 고수준의 값을 나타내고 있으며, 또한 압전 특성 및 신뢰성도, 압전 변형 상수 ｜d31｜이 2×10-10C/N이고, 전기 저항율(ρ)이 5×1012Ωㆍm로 양호한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적인 높은 기계적 강도를 가지며, 또한 우수한 압전 특성 및 신뢰성을 갖는 적층형 압전 세라믹 소자를 얻는 것이 가능해진다.
여기에서, 표 3을 참조하면서, 본 발명의 소성 분위기 조건에 있어서의 한정 이유를 이하에 설명한다.
우선, 승온 과정의 산소 농도를 90체적% 이상으로 한 것은, 산소 농도가 90체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 14와 같이, 포어 점유율이 약 2%로 치밀한 소결체가 얻어지지 않으며, 또한 항절 강도도 110MPa 미만으로 저수준이 된다.
유지 과정의 산소 농도를 5체적%∼15체적%로 한 것은, 산소 농도가 5체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 17과 같이, 또한, 산소 농도가 15체적%를 넘는 경우에서는, 시료번호 20과 같이, ｜d31｜이 2×10-10C/N 미만, 또는 ρ가 5×1012Ωㆍm 미만으로 압전 특성 및 신뢰성이 저수준이 된다.
강온 과정의 산소 농도를 5체적%∼15체적%로 한 것은, 산소 농도가 5체적% 미만인 경우에서는, 시료번호 21과 같이, 또한, 산소 농도가 15체적%를 넘는 경우에서는, 시료번호 24와 같이, ｜d31｜이 2×10-10C/N 미만, 또는 ρ가 5×1012Ωㆍm로 압전 특성 및 신뢰성이 저수준이 된다.
또한, 종래예로서, 승온, 유지, 강온의 전과정에 있어서, 산소 농도를 21%로 한 경우와, 산소 농도를 90%로 한 경우에 대하여, 시료번호 25 내지 26에 나타내었다.
시료번호 25에서는, 포어 점유율이 약 3%로 치밀한 소결체가 얻어지지 않으며, 또한 항절 강도도 100MPa 미만으로 저수준이고, 또한, 시료번호 26에서는, ｜d31｜이 2×10-10C/N 미만, ρ가 5×1012Ωㆍm 미만으로 압전 특성 및 신뢰성이 저수준이었다.
이상과 같이, 본 발명의 범위내에 있어서의 소성 분위기 조건을 사용하여,적층형 압전 액츄에이터를 소성함으로써, 높은 기계적 강도와 양호한 압전 특성 및 신뢰성을 쌍방으로 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 실시예에는 적층형 압전 트랜스포머 및 액츄에이터의 경우에 대하여 나타내었으나, 물론 이 경우에 한정되는 것은 아니며, 압전 효과를 이용한 압전 공진자, 압전 필터 및 압전 버저 등의 적층형 압전 세라믹 소자 전반에 대하여 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없는 것이다. 도 7에 본 발명이 적용될 수 있는 잉크 제트용의 적층형 압전 소자(50)의 사시도를 나타낸다. 참조부호 51은 압전 세라믹, 참조부호 52는 내부전극, 참조부호 53은 외부전극을 나타낸다.
이상의 설명으로 알 수 있듯이, 본 발명의 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법에 있어서, Ag를 주성분으로 하는 도체를 포함하는 내부전극과 세라믹층을, 소성시의 승온 과정에서의 산소 농도가 90체적% 이상이고, 또한 유지 과정과 강온 과정에서의 산소 농도가 5체적%∼15체적%가 되는 분위기 중에서 동시 소성함으로써, 승온 과정에서의 고농도 산소 분위기하에서, 세라믹 내부의 빈구멍의 산소 농도를 높여서, 세라믹 입자 내의 빈구멍이나 구조 결함이 억제되어, 압전 세라믹 소자 자체의 치밀화가 이루어지고, 또한, 유지 과정과 강온 과정에서의 저산소 농도 분위기하에서는, 압전 소자를 구성하는 압전 세라믹의 입계에 있는 Pb량을 저감시킬 수 있어, 압전 소자 자체의 특성, 즉 압전 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 높은 기계적 강도를 가지며, 또한 우수한 압전 특성 및 신뢰성을 갖는 적층형 압전 세라믹 소자를 얻는 것이 가능해진다.

Claims (1)

  1. Pb원소의 화합물을 함유하고 있는 압전 세라믹 재료의 세라믹 그린시트상에, Ag를 주성분으로 하는 도체를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하고, 상기 세라믹 그린시트를 겹쳐 쌓아서 적층체로 하는 공정과; 상기 적층체를 소성시의 승온 과정에서의 산소 농도가 90체적% 이상이고, 또한 유지 과정과 강온(降溫) 과정에서의 산소 농도가 5체적%∼15체적%가 되는 분위기 중에서 소성하는 공정;을 구비하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법.
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