JP4403760B2 - Multilayer piezoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置、振動防止用の駆動素子、インクジェットプリンタ等に用いられる積層型圧電体素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to, for example, a fuel injection valve for automobiles, a precision positioning device such as an optical device, a driving element for vibration prevention, a multilayer piezoelectric element used for an ink jet printer, and a manufacturing method thereof.
印加電圧に応じて伸縮する圧電層と、該圧電層に対する電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に上記内部電極層と電気的に導通する側面電極とを有する積層型圧電体素子が知られている。
ここで側面電極は、同電位に保持する内部電極層を電気的に連結しており、側面電極経由で、各内部電極層に電圧を印加することができる。
そして、側面電極の更に外側に外部電極を設けて、該外部電極に対し積層型圧電体素子駆動用の電源からのリード線等を取り付ける(後述する実施例1等参照)。
A laminate formed by alternately laminating a piezoelectric layer that expands and contracts in response to an applied voltage and an internal electrode layer for supplying voltage to the piezoelectric layer, and is electrically connected to the internal electrode layer on a side surface of the laminate. A multilayer piezoelectric element having a side electrode is known.
Here, the side electrodes electrically connect internal electrode layers held at the same potential, and a voltage can be applied to each internal electrode layer via the side electrodes.
Then, an external electrode is provided on the outer side of the side electrode, and a lead wire or the like from the power source for driving the laminated piezoelectric element is attached to the external electrode (see Example 1 described later).
ところで、積層型圧電体素子の伸縮に応じて側面電極に力がかかるため、積層型圧電体素子の耐久性の観点から、側面電極と積層体との接合について種々の提案がなされている。
例えば、ガラスフリットを含有する導電ペーストを還元雰囲気かつ高温で焼き付ける方法、積層体の表面を表面粗さ5〜10μmとした上で側面電極を設ける方法、金属メッキ膜及び金属蒸着膜から側面電極を構成する方法が知られている。
By the way, since a force is applied to the side electrode according to the expansion and contraction of the multilayer piezoelectric element, various proposals have been made for joining the side electrode and the multilayer body from the viewpoint of durability of the multilayer piezoelectric element.
For example, a method of baking a conductive paste containing glass frit at a high temperature in a reducing atmosphere, a method of providing a side electrode after setting the surface of the laminate to a surface roughness of 5 to 10 μm, a side electrode from a metal plating film and a metal vapor deposition film A method of configuring is known.
しかしながら、従来方法にかかる側面電極では、高信頼性の積層型圧電体素子を得ることは難しかった。
即ち、ガラスフリットを用いる方法は、ガラスが溶融可能な高温でガラスフリット含有導電ペーストを積層体に焼き付ける必要があり、高温で酸化するCuやNiからなる内部電極層を積層体に採用することが困難であった。CuやNiは安価であり、積層型圧電体素子のコスト低下に大いに有用であるため、是非採用したい材料である。
側面電極をガラスフリット含有導電ペーストで構成し、かつCuやNiを含む内部電極層を持つ積層体を焼成することは一応可能であるが、還元雰囲気での熱処理が必要であり、非常に面倒であった。
However, with the side electrode according to the conventional method, it has been difficult to obtain a highly reliable multilayer piezoelectric element.
That is, in the method using glass frit, it is necessary to bake the glass frit-containing conductive paste on the laminate at a high temperature at which the glass can be melted, and it is possible to employ an internal electrode layer made of Cu or Ni that oxidizes at high temperature in the laminate. It was difficult. Cu and Ni are inexpensive materials, and are very useful for reducing the cost of the multilayer piezoelectric element, so they are materials that should be adopted.
Although it is possible to fire a laminated body having a side electrode made of a glass frit-containing conductive paste and having an internal electrode layer containing Cu or Ni, heat treatment in a reducing atmosphere is necessary, which is very troublesome. there were.
また、後述する図6に示すような、第2の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した第1の内部電極層の端面と、第1の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した第2の内部電極層の端面を覆うように絶縁体を設けた積層型圧電体素子において、一般に用いる絶縁体(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂等)の短時間の熱処理を行う場合等の耐熱温度はおよそ250〜300℃程度である。従って、後述する図6に示すような絶縁体を用いる構成の積層型圧電体素子に、ガラスフリット含有導電ペーストを利用することができなかった。 Further, as shown in FIG. 6 to be described later, in the region where the second side electrode is fabricated, the end surface of the first internal electrode layer exposed on the side surface of the laminate and the region where the first side electrode is fabricated In a laminated piezoelectric element in which an insulator is provided so as to cover the end face of the second internal electrode layer exposed on the side surface of the laminated body, generally used insulators (for example, silicone resin, epoxy resin, urethane resin, polyimide resin, etc.) The heat-resistant temperature is about 250 to 300 ° C. Therefore, the glass frit-containing conductive paste cannot be used for a laminated piezoelectric element having a structure using an insulator as shown in FIG.
また、積層体の表面粗さを5〜10μmとして側面電極を設ける方法は、アンカー効果を利用して積層体と側面電極との接触面積を稼いで両者を密着させる方法であり、内部電極層と側面電極との接合という観点では高信頼性の側面電極接着方法ではなかった。 In addition, the method of providing the side electrode with the surface roughness of the laminated body being 5 to 10 μm is a method of making the contact area between the laminated body and the side electrode using the anchor effect so that they are in close contact with each other. From the viewpoint of bonding with the side electrode, it was not a highly reliable side electrode bonding method.
また、金属メッキ膜や金属蒸着膜は、メッキ時や蒸着時に、導通してはいけない場所に金属が回り込んでその部分の絶縁性を低下させ、積層型圧電体素子の信頼性を損なう等の問題があった。また、回り込みを防ぐためのマスキング処理が必要で、作業効率が高いとは言えず、コスト高となることが多かった。また、一般に蒸着処理はコスト高い製造方法である。 In addition, the metal plating film and the metal vapor deposition film, such as metal wraps around the place that should not conduct during plating or vapor deposition, lowers the insulation of the part, impairs the reliability of the multilayer piezoelectric element, etc. There was a problem. In addition, masking processing to prevent wraparound is necessary, and it cannot be said that the working efficiency is high, and the cost is often high. In general, vapor deposition is a costly manufacturing method.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、側面電極作製時の処理温度が低温であり、高信頼性で、製造容易かつコスト安な積層型圧電体素子及びその製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a multilayer piezoelectric element having a low processing temperature at the time of manufacturing a side electrode, high reliability, easy manufacturing, and low cost, and a manufacturing method thereof. It is something to be offered.
第1の発明は、印加電圧に応じて伸縮する圧電層と、該圧電層に対する電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に上記内部電極層と電気的に導通する側面電極とを有する積層型圧電体素子を製造する方法において、
上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製し、
上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、
上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、
上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法にある(請求項1)。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a laminate in which piezoelectric layers that expand and contract in response to an applied voltage and internal electrode layers for supplying voltage to the piezoelectric layers are alternately laminated, and the internal electrode layer on the side surface of the laminate. In a method of manufacturing a laminated piezoelectric element having a side electrode electrically conductive with
The side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing ultrafine metal particles to form a coating layer, and sintering the coating layer,
As the metal ultrafine particles, those containing particles having a particle diameter of 1 to 100 nm in an amount of 30% by weight or more,
The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50% to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion,
The sintering temperature of the coating layer is 150 to 300 ° C., and the manufacturing method of the multilayer piezoelectric element is characterized in that (Claim 1).
第1の発明において、側面電極は金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布した塗布層を焼結して作製する。
金属超微粒子の分散液を積層体の所望の位置に塗布することで、超微粒子が緻密な充填状態となった塗布層を作製できる。この塗布層を焼結して側面電極を得るため、超微粒子の緻密な充填状態を維持したまま、超微粒子間を融着して、緻密で密度が高く、メッキ膜に似た金属層を得ることができる。
また、第1の発明で、内部電極層と側面電極との間は金属−金属にかかる結合力が作用するため、内部電極層と側面電極との間に非常に強い力で密着した状態を得ることができる。そのため、側面電極が積層体から剥離し難くなる。
また、金属超微粒子を含有する分散液は低温で焼結可能である。そのため、高温で酸化するCuやNiを含む内部電極層を採用することができる。
また、耐熱温度が低い絶縁体を設けた積層型圧電体素子を作製することができる(例えば後述する図6にかかる構成等)。
また、金属超微粒子の分散液の塗布は、印刷等の手法で容易に行うことができ、また塗布層の形状も制御が容易である。
In the first invention, the side electrode is prepared by sintering a coating layer coated with an ultrafine particle dispersion containing ultrafine metal particles.
By applying a dispersion of ultrafine metal particles to a desired position of the laminate, a coating layer in which ultrafine particles are densely packed can be produced. In order to obtain a side electrode by sintering the coating layer, the fine particles are fused while maintaining a fine packing state of the fine particles, thereby obtaining a dense, high-density metal layer similar to a plating film. be able to.
Further, in the first invention, since a bonding force acting on the metal-metal acts between the internal electrode layer and the side electrode, a state in which the internal electrode layer and the side electrode are in close contact with each other with a very strong force is obtained. be able to. Therefore, it becomes difficult for the side electrode to peel from the laminate.
In addition, the dispersion containing ultrafine metal particles can be sintered at a low temperature. Therefore, an internal electrode layer containing Cu or Ni that is oxidized at a high temperature can be employed.
In addition, a stacked piezoelectric element provided with an insulator having a low heat-resistant temperature can be manufactured (for example, a configuration according to FIG. 6 described later).
The dispersion of the ultrafine metal particles can be easily applied by a technique such as printing, and the shape of the coating layer can be easily controlled.
また、第2の発明は、印加電圧に応じて伸縮する圧電層と、該圧電層に対する電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に上記内部電極層と電気的に導通する側面電極とを有する積層型圧電体素子において、
上記圧電層は、第1の内部電極層と第2の内部電極層によって挟まれてなり、第1の内部電極層は第1の側面電極と、第2の内部電極層は第2の側面電極と電気的に導通し、
第1の内部電極層は第2の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出せず、かつ第2の内部電極層は第1の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出しない部分電極構成であり、
更に、上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製してなり、上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子にある(請求項4)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a laminate in which piezoelectric layers that expand and contract in response to an applied voltage and internal electrode layers for supplying a voltage to the piezoelectric layers are alternately laminated, and the inner side on the side of the laminate. In a laminated piezoelectric element having a side electrode electrically connected to an electrode layer,
The piezoelectric layer is sandwiched between a first internal electrode layer and a second internal electrode layer. The first internal electrode layer is a first side electrode, and the second internal electrode layer is a second side electrode. Electrically conducting with
The first internal electrode layer is not exposed to the side surface of the multilayer body in the region where the second side electrode is fabricated, and the second internal electrode layer is the side surface of the multilayer body in the region where the first side electrode is fabricated. It is a partial electrode configuration that is not exposed to
Furthermore, the side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing metal ultrafine particles to form a coating layer, and sintering the coating layer. The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50 to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion using 100 nm particles containing 30% by weight or more of the total, and the above The laminated piezoelectric element is characterized in that the sintering temperature of the coating layer is 150 to 300 ° C. ( Claim 4 ).
また、第3の発明は、印加電圧に応じて伸縮する圧電層と、該圧電層に対する電圧供給用の内部電極層とを交互に積層してなる積層体と、該積層体の側面に上記内部電極層と電気的に導通する側面電極とを有する積層型圧電体素子において、
上記圧電層は、第1の内部電極層と第2の内部電極層によって挟まれてなり、第1の内部電極層は第1の側面電極と、第2の内部電極層は第2の側面電極と電気的に導通し、
上記第1及び第2の内部電極層は上記圧電層と略同形状かつ略同面積に作製された全面電極構成を有し、
上記第1の内部電極層の、第2の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した端面と、上記第2の内部電極層の、第1の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した端面を覆って絶縁体が設けてあり、
更に、上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製してなり、上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子にある(請求項5)。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a laminate in which piezoelectric layers that expand and contract in response to an applied voltage, and internal electrode layers for supplying voltage to the piezoelectric layers are alternately laminated, and the inner side on the side of the laminate. In a laminated piezoelectric element having a side electrode electrically connected to an electrode layer,
The piezoelectric layer is sandwiched between a first internal electrode layer and a second internal electrode layer. The first internal electrode layer is a first side electrode, and the second internal electrode layer is a second side electrode. Electrically conducting with
The first and second internal electrode layers have a whole surface electrode configuration formed in substantially the same shape and the same area as the piezoelectric layer,
In the region of the first internal electrode layer exposed on the side surface of the laminate in the region where the second side electrode was fabricated, and in the region of the second internal electrode layer where the first side electrode was fabricated An insulator is provided to cover the end face exposed on the side surface of the laminate,
Furthermore, the side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing metal ultrafine particles to form a coating layer, and sintering the coating layer. The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50 to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion using 100 nm particles containing 30% by weight or more of the total, and the above The laminated piezoelectric element is characterized in that the coating layer has a sintering temperature of 150 to 300 ° C. ( Claim 5 ).
第2の発明はいわゆる部分電極構成、第3の発明はいわゆる全面電極構成の積層型圧電体素子である。
素子の種類や構成にかかわらず、金属超微粒子を焼結した側面電極は積層体表面から剥離し難く、高信頼性である。また、金属超微粒子を含有する分散液は低温で焼結可能であり、高温で酸化するCuやNiを含む内部電極層を採用することができる。そのため、素子の製造が容易となる。
The second invention is a laminated piezoelectric element having a so-called partial electrode configuration, and the third invention is a so-called full-surface electrode configuration.
Regardless of the type and configuration of the element, the side electrode sintered with ultrafine metal particles is difficult to peel off from the surface of the laminate and is highly reliable. In addition, the dispersion containing ultrafine metal particles can be sintered at a low temperature, and an internal electrode layer containing Cu or Ni that is oxidized at a high temperature can be employed. As a result, the device can be easily manufactured.
以上、第1〜第3の発明によれば、側面電極作製時の処理温度が低温であり、高信頼性で、製造容易かつコスト安な積層型圧電体素子及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the first to third inventions, it is possible to provide a multilayer piezoelectric element and a method for manufacturing the same that have a low processing temperature when manufacturing the side electrode, are highly reliable, are easy to manufacture, and are inexpensive. it can.
第1の発明にかかる積層型圧電体素子の製造方法の一例について説明する。
圧電層用のグリーンシートに内部電極層用のペーストを印刷し、これらを所望の枚数積層し、未焼成の積層体を作製する。この時に使用するグリーンシートとして、得ようとする圧電層よりも大型のシートを用い、積層後等に必要な大きさに切断個片化して、未焼成の積層体を作製することができる。
次に、未焼成の積層体を焼成する。焼成済みの積層体に金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層を得る。この塗布はスクリーン印刷やインクジェット印刷を利用することができる。その後、適当な温度で塗布層を設けた焼成済みの積層体を加熱処理する。これにより側面電極を得て、積層型圧電体素子を得る。
また、後述する実施例1に示すように、積層体の側面電極の更に外側に導電性のエポキシ樹脂等の導電性樹脂からなる外側電極を設けることができる。この外側電極に対し、積層型圧電体素子を駆動する電圧を印加する電源からのリード線を取り付けることができる。
また、この他の製造方法について、第1の発明にかかる方法で側面電極を設けることで、第1の発明にかかる効果を得ることができる。なお、ここで側面電極とは、内部電極層を電気的に導通させ、積層体の側面に直接設けた導電構造を指す。
An example of a method for manufacturing a multilayer piezoelectric element according to the first invention will be described.
A paste for internal electrode layers is printed on a green sheet for piezoelectric layers, and a desired number of these are stacked to produce an unfired laminate. As a green sheet used at this time, a sheet larger than the piezoelectric layer to be obtained can be used, and cut into pieces to have a necessary size after lamination or the like to produce an unfired laminate.
Next, the unfired laminate is fired. An ultrafine particle dispersion containing ultrafine metal particles is applied to the fired laminate to obtain a coating layer. For this application, screen printing or ink jet printing can be used. Thereafter, the fired laminated body provided with the coating layer at an appropriate temperature is heat-treated. Thereby, a side electrode is obtained, and a laminated piezoelectric element is obtained.
Moreover, as shown in Example 1 described later, an outer electrode made of a conductive resin such as a conductive epoxy resin can be provided on the outer side of the side electrode of the laminate. A lead wire from a power source for applying a voltage for driving the laminated piezoelectric element can be attached to the outer electrode.
Moreover, about this other manufacturing method, the effect concerning 1st invention can be acquired by providing a side surface electrode by the method concerning 1st invention. Here, the side electrode refers to a conductive structure in which the internal electrode layer is electrically connected and directly provided on the side surface of the laminate.
本発明において、上記塗布層の焼結温度は150〜300℃である。
このように第1の発明によれば側面電極は低温で焼結して作製することができるため、内部電極層の材料として高温で酸化しやすいNiやCuを含む材料を使用することができるし、後述する図6に示すような構成の素子において絶縁体の劣化も生じ難い。
温度が150℃未満である場合は、超微粒子の焼結が生じ難くなるおそれがある。温度が300℃より高い場合は、超微粒子の焼結が生じ難くなったり、分散液の気化に長時間を要するおそれがある。温度が300℃より高い場合は、内部電極層がCuやNiを含む場合は、これらの材料が酸化するおそれがある。積層型圧電体素子に耐熱温度が低い絶縁体を設けている場合(例えば後述する図6にかかる構成等)は絶縁体が劣化したり、焼結後の高温から室温までの冷却時の温度差で圧電層と側面電極の大きな熱膨張(収縮)差が生じ剥離するおそれがある。
In this invention, the sintering temperature of the said coating layer is 150-300 degreeC .
As described above, according to the first invention, the side electrode can be manufactured by sintering at a low temperature. Therefore, a material containing Ni or Cu that is easily oxidized at a high temperature can be used as the material of the internal electrode layer. In the element configured as shown in FIG. 6 described later, the insulator is hardly deteriorated.
When the temperature is lower than 150 ° C., there is a possibility that the ultrafine particles are hardly sintered. When the temperature is higher than 300 ° C., it is difficult to sinter the ultrafine particles or it may take a long time to vaporize the dispersion. If the temperature is higher than 300 ° C., these materials may be oxidized if the internal electrode layer contains Cu or Ni. When the laminated piezoelectric element is provided with an insulator having a low heat-resistant temperature (for example, the configuration shown in FIG. 6 described later), the insulator deteriorates, or the temperature difference during cooling from a high temperature after sintering to room temperature Therefore, a large difference in thermal expansion (shrinkage) between the piezoelectric layer and the side surface electrode may occur, causing peeling.
次に、金属超微粒子と金属超微粒子分散液について説明する。
本発明において、上記金属超微粒子は、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれている。
金属からなる粒子径が非常に小さい微粒子は融点より格段に低い温度で焼結することが可能である。これは、平均粒子径を十分小さくすると、粒子表面に存在するエネルギー状態の高い原子の全体に占める割合が大きくなるため、金属原子の表面拡散が無視できないほど大きくなる結果、この表面拡散に起因して、粒子相互の界面の延伸がなされ、焼結が発生するためである。
金属超微粒子に、粒子径が1nm未満の粒子が30重量%以上含まれている場合、粒子径が1nm未満の粒子は表面拡散が極端に大きく、他の1nm以上の粒子との焼結速度の差が大きくなって、均質な側面電極が形成できないおそれがある。100nmより大きい場合は、表面拡散が小さく、粒子の焼結が生じ難くなるおそれがある。
Next, the metal ultrafine particles and the metal ultrafine particle dispersion will be described.
In the present invention, the ultrafine metal particles contain 30% by weight or more of particles having a particle diameter of 1 to 100 nm .
Fine particles made of metal and having a very small particle diameter can be sintered at a temperature much lower than the melting point. This is because when the average particle size is made sufficiently small, the proportion of the atoms with high energy states existing on the particle surface occupies the whole, so the surface diffusion of metal atoms becomes so large that it cannot be ignored. This is because the interface between the particles is stretched and sintering occurs.
When the ultrafine metal particles include particles having a particle size of less than 1 nm in an amount of 30% by weight or more, the particles having a particle size of less than 1 nm have extremely large surface diffusion, and the sintering speed of other particles having a particle size of 1 nm or more is high. There is a possibility that the difference becomes large and a uniform side electrode cannot be formed. When it is larger than 100 nm, the surface diffusion is small, and there is a possibility that the particles are hardly sintered.
また、上記金属超微粒子は、Au、Ag、Cu、Pt、Pd及びこれらの合金からなることが好ましい(請求項2)。
これらはいずれも電気の良導体であり、優れた側面電極を得ることができる。
また、特にAuやAg、Ptは融点高い材料であり、従来知られた方法と比較して低温で焼結可能な本発明のメリットが高い。
Further, the metal ultrafine particles, Au, Ag, Cu, Pt, be made of Pd and an alloy thereof (claim 2).
All of these are good electrical conductors, and an excellent side electrode can be obtained.
In particular, Au, Ag, and Pt are materials having a high melting point, and the merit of the present invention that can be sintered at a low temperature is high as compared with a conventionally known method.
また、上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量(内)%である。
50重量(内)%未満である場合は、焼結後に均質化な側面電極が形成できないおそれがある。95重量(内)%より多い場合は、超微粒子分散液の粘度が高くなり、塗布がし難くなるおそれがある。
また、超微粒子分散液を積層体の所定の位置に適切に塗布するためには、例えば幅精度、膜厚の制御性に応じて分散液の粘度を調製する必要があり、分散液の粘度を1〜500Pa・sの範囲、好ましくは2〜200Pa・sの範囲とすることが好ましい。また、粘度は、金属超微粒子の量を調整することで制御することができる。
Further, the content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50 to 90% (inner)% with respect to 100% by weight of the dispersion .
If it is less than 50% (inner)%, there is a possibility that a homogeneous side electrode cannot be formed after sintering. When the amount is more than 95% (inner)%, the viscosity of the ultrafine particle dispersion becomes high, which may make it difficult to apply.
Further, in order to appropriately apply the ultrafine particle dispersion to a predetermined position of the laminate, it is necessary to adjust the viscosity of the dispersion according to, for example, width accuracy and controllability of the film thickness. The range is preferably 1 to 500 Pa · s, more preferably 2 to 200 Pa · s. The viscosity can be controlled by adjusting the amount of the ultrafine metal particles.
また、第1の発明における超微粒子分散液は、金属超微粒子を溶媒に分散させて作製し、該分散液は、有機溶剤を含む溶媒を使用することが好ましい。有機溶剤は、焼結させるための加熱処理において速やかに蒸散し、かつ蒸散する間に熱分解等を生じない程度に安定したものが望ましく、また、塗布層を形成する際に適当な粘稠状態を維持できる溶媒を選択することが好ましい。
例えば、室温付近では容易に蒸散することのない、比較的に高沸点な非極性溶剤あるいは低極性溶剤、例えば、テルピネオール、ミネラルスピリット、キシレン、トルエン、エチルベンゼン、メシチレン等が好適に利用でき、更には、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタン等を用いることができる。
The ultrafine particle dispersion in the first invention is preferably prepared by dispersing metal ultrafine particles in a solvent, and the dispersion preferably uses a solvent containing an organic solvent. It is desirable that the organic solvent evaporates quickly in the heat treatment for sintering, and is stable to the extent that thermal decomposition does not occur during the evaporating, and has an appropriate viscous state when forming the coating layer. It is preferable to select a solvent capable of maintaining the temperature.
For example, a relatively high boiling nonpolar or low polarity solvent that does not easily evaporate near room temperature, such as terpineol, mineral spirits, xylene, toluene, ethylbenzene, mesitylene, etc. can be suitably used. Hexane, heptane, octane, decane, dodecane, cyclohexane, cyclooctane, and the like.
また、上記超微粒子分散液は、金属超微粒子とこれを分散させる溶媒の他に、金属超微粒子の凝集体形成を防止し、均質な分散状態を得るため、金属元素と配位的な結が可能な基として、窒素、酸素、硫黄元素を含む基を有する化合物を混合しておくことができる。 In addition to the ultrafine metal particles and the solvent for dispersing the ultrafine particle dispersion, the ultrafine particle dispersion prevents the formation of aggregates of the ultrafine metal particles and obtains a homogeneous dispersion state. As a possible group, a compound having a group containing nitrogen, oxygen, or sulfur element can be mixed.
また、上記内部電極層は、Cu又はNiの一方または双方を、内部電極層全重量の80重量%以上含有してなることが好ましい(請求項3)。
これにより、安価な材料で内部電極層を構成することができる。なお、内部電極層をCuのみ、またはNiのみで構成することもできる。また、内部電極層を両者の合金から構成することもでき、更にCuやNi以外の材料を含むこともある。
Further, the internal electrode layer, one or both of Cu or Ni, it is preferable that comprising more than 80 wt% of the total weight internal electrode layer (claim 3).
Thereby, an internal electrode layer can be comprised with an inexpensive material. The internal electrode layer can be composed of Cu alone or Ni alone. Further, the internal electrode layer can be composed of an alloy of both, and may further contain materials other than Cu and Ni.
また、第2、第3の発明において、積層型圧電体素子は、必要枚数の圧電層を一括して積み上げて構成することができる。または、ユニット積層式とすることができる。
ここにユニット積層式とは、適当な枚数の圧電層を積層して構成したユニットを、所望の枚数に積み上げて、一つの大型の積層型圧電体素子となしたものである。
In the second and third inventions, the multilayer piezoelectric element can be configured by stacking a required number of piezoelectric layers in a lump. Or it can be a unit stacking type.
Here, the unit stacking type is a unit in which an appropriate number of piezoelectric layers are stacked and stacked in a desired number to form one large stacked piezoelectric element.
(実施例1)
本発明にかかる積層型圧電体素子について説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は、図1に示すごとく、印加電圧に応じて伸縮する圧電層11と、該圧電層11に対する電圧供給用の第1、第2内部電極層121、122とを交互に積層してなる積層体10と、該積層体10の側面101、102に上記内部電極層121、122と電気的に導通する側面電極131、132とを有する。
この積層型圧電体素子1を製造するに当たり、上記側面電極131、132は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製する。
Example 1
The laminated piezoelectric element according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the multilayer
In manufacturing the laminated
以下、詳細に説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は、図1に示すごとく、圧電層11と第1、第2内部電極層121、122とを交互に積層し、積層方向の両端にダミー層119を設けた積層体10からなる。
積層体10の第1側面101において第1内部電極層121の端面は第1側面電極131と電気的に導通し、第2側面102において第2内部電極層122の端面は第2側面電極132と電気的に導通する。
第1内部電極層121は第2側面電極132が形成された領域において積層体10の側面102に露出せず、かつ第2内部電極層122は第1側面電極131が形成された領域において積層体10の側面101に露出しない。すなわち、本例にかかる積層型圧電体素子1は部分電極構成である。
すなわち、図2(a)、(b)に示すごとく、圧電層11は、左右に内部電極層121、122を形成しない控え部110を残してある。この圧電層11が積層されて、図3、図14に示すごとく積層体10が形成される。
Details will be described below.
As shown in FIG. 1, the multilayer
The end surface of the first
The first
That is, as shown in FIGS. 2A and 2B, the
第1及び第2側面電極131、132の外方には外部電極141、142が設けてあり、ここにリード線152を導電接着剤151で接続し、該リード線152を図示を略した外部電源に接続する。外部電源より通電することで、外部電極141、142と第1、第2側面電極131、132を経て、第1及び第2内部電極層121、122に通電される。
上記圧電層11及びダミー層19はPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)からなり、内部電極層121、122はAg−Pd電極、外部電極141、142はAgからなる導電粒子を含んだエポキシ樹脂からなる。
上記第1及び第2側面電極131、132は金属超微粒子を焼結してなる。ここで金属超微粒子は銀からなる。
The
The first and
本例にかかる積層型圧電体素子1の製造方法について説明する。
圧電層11用のグリーンシートを作製し、該圧電層11用グリーンシートの表面に内部電極層121、122用の印刷層を、圧電層11用グリーンシートの左右に印刷層を形成しない控え部110を残して形成する。
この印刷層はAg−Pdを有機溶媒でペースト化したものをスクリーン印刷によって圧電層11用グリーンシートの表面に印刷することで作製する。
次いで、上記グリーンシートを所定の枚数、積層圧着して焼成して、図3、図4に示すごとく、積層体10を得る。次に、図5に示すごとく、積層体10の側面101、102にかかる所定の位置に超微粒子分散液を塗布して塗布層135となす。
A method for manufacturing the multilayer
A green sheet for the
This printing layer is produced by printing a paste of Ag—Pd with an organic solvent on the surface of the green sheet for the
Next, a predetermined number of the green sheets are laminated and pressure-bonded and fired to obtain a laminate 10 as shown in FIGS. Next, as shown in FIG. 5, an ultrafine particle dispersion is applied to predetermined positions on the side surfaces 101 and 102 of the
上記超微粒子分散液は、銀からなる平均粒子径が5nmの金属超微粒子を有機溶媒であるデカン3gに対し、金属超微粒子7g、他にアルキルアミンを1gの比率で混合して、作製する。
この超微粒子分散液をスクリーン印刷やインクジェット印刷により、積層体10の所定の位置に塗布して、塗布層を作製する。
そして、温度250℃、30分で焼成して、側面電極131、132を得た。
The ultrafine particle dispersion is prepared by mixing metal ultrafine particles made of silver with an average particle diameter of 5 nm with 3 g of decane as an organic solvent in a ratio of 1 g of metal ultrafine particles and 1 g of alkylamine.
This ultrafine particle dispersion is applied to a predetermined position of the laminate 10 by screen printing or ink jet printing to produce a coating layer.
And it baked at the temperature of 250 degreeC for 30 minutes, and the
その後、外側電極141、142用の銀を含有する導電性エポキシ接着剤をスクリーン印刷で塗布し、150℃、60分で硬化させた。
次いで、銀を含有する導電性エポキシ接着剤151を用いてリード線152を接続して、図1にかかる積層型圧電体素子1を得た。
Thereafter, a conductive epoxy adhesive containing silver for the
Subsequently, the
このようにして作製した積層型圧電体素子1の側面電極131、132について、連続作動実験を行ったところ、1×108回作動後でも内部電極層121、122と側面電極131、132との接合は保持された。
また、従来知られた、銀を含有する導電性エポキシ接着剤で作製した積層型圧電体素子について、同じ試験を行ったところ、3×107回の作動後に、数層の内部電極層と側面電極との接合が弱くなっており、大きな抵抗値が測定された。
このように側面電極を超微粒子金属で構成することで、信頼性が高い内部電極層と側面電極の接合状態を得ることができた。
A continuous operation experiment was performed on the
In addition, the same test was performed on a conventionally known multilayer piezoelectric element made of a conductive epoxy adhesive containing silver. After 3 × 10 7 operations, several internal electrode layers and side surfaces were obtained. Bonding with the electrode was weak, and a large resistance value was measured.
In this way, by forming the side electrode with ultrafine metal, it was possible to obtain a highly reliable bonding state between the internal electrode layer and the side electrode.
本例にかかる作用効果について説明する。
本例にかかる側面電極131、132は、銀からなる金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布した塗布層を焼結して作製する。
従来方法で銀を焼結するためには、900〜1000℃に加熱することが必要であるが、本例では、250℃かつ30分という低温の熱処理で銀が焼結し、銀主成分の側面電極131、132を作製することができる。
これは銀からなる金属超微粒子が分散した分散液をスクリーン印刷等を利用して、銀の超微粒子が緻密な充填状態となった塗布層を得て、該塗布層を焼結して側面電極131、132を得るため、銀からなる超微粒子の緻密な充填状態を維持したまま、超微粒子間を融着して、緻密で密度が高く、メッキ膜に似た銀の層を得ることができる。
The effect concerning this example is demonstrated.
The
In order to sinter silver by the conventional method, it is necessary to heat to 900 to 1000 ° C., but in this example, silver is sintered by heat treatment at a low temperature of 250 ° C. and 30 minutes,
This is achieved by using a screen dispersion or the like to obtain a coating layer in which silver ultrafine particles are dispersed in a finely packed state, and then sintering the coating layer to form a side electrode. In order to obtain 131 and 132, it is possible to obtain a silver layer that is dense and has a high density and is similar to a plating film by fusing the ultrafine particles while maintaining a fine packing state of ultrafine particles made of silver. .
また、本例にかかる積層型圧電体素子1は、内部電極層121、122と側面電極131、132との間で金属−金属にかかる結合力が作用するため、内部電極層121、122と側面電極131、132との間に非常に強い力で密着した状態を得ることができる。そのため、側面電極131、132が積層体10から剥離等し難くなる。
Further, in the multilayer
以上、本例によれば、側面電極作製時の処理温度が低温であり、高信頼性で、製造容易かつコスト安な積層型圧電体素子及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to this example, it is possible to provide a multilayer piezoelectric element and a method for manufacturing the same, which have a low processing temperature when manufacturing the side electrode, are highly reliable, can be easily manufactured, and are inexpensive.
(実施例2)
本例は、全面電極構成の積層型圧電体素子1について説明する。
本例にかかる積層型圧電体素子1は、図6に示すごとく、印加電圧に応じて伸縮する圧電層11と、該圧電層11に対する電圧供給用の第1、第2内部電極層121、122とを交互に積層してなる積層体10と、該積層体10の側面101、102に上記第1、第2内部電極層121、122と電気的に導通する第1、第2側面電極131、132とを有する。
(Example 2)
In this example, a laminated
As shown in FIG. 6, the multilayer
上記圧電層11は、第1内部電極層121と第2内部電極層122によって挟まれてなり、第1内部電極層121は第1側面電極131と、第2内部電極層122は第2側面電極132と電気的に導通し、上記第1及び第2の内部電極層121、122は上記圧電層11と略同形状かつ略同面積に作製された全面電極構成を有する。
上記第1の内部電極層121の、第2の側面電極132が作製された領域において積層体10の側面102に露出した端面と、上記第2の内部電極層122の、第1の側面電極131が作製された領域において積層体10の側面101に露出した端面を覆って絶縁体16が設けてある。
更に、上記第1、第2側面電極131、132は金属超微粒子を焼結してなる。
The
An end surface of the first
Further, the first and
即ち、本例の積層型圧電体素子1は、圧電層11と該圧電層11に対し全面電極として構成した第1、第2内部電極層121、122とを交互に積層してなる積層体10において、側面101で第2内部電極層122が露出する部分を切削して、窪みとなし、ここに絶縁体16を充填して、第1側面電極131と第2内部電極層122とが電気的に導通しないように構成する。また、側面102、第1内部電極層121、第2側面電極132についても同様である。
That is, the laminated
この積層型圧電体素子1を作製する場合、実施例1と同様にして、積層体10を作製する。この時、第1、第2内部電極層121、122は全面電極として形成する。
また、本例にかかる第1、第2内部電極層121、122は、高温で酸化しやすいCuからなる。
その後、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布するに先立って、側面101における第2内部電極層122が露出した端部、側面102における第1内部電極層121が露出した端部の付近を、切削し、窪みとなす。
次いで、エポキシ樹脂を充填して、150℃、60分の加熱硬化を行い、絶縁体16となす。
その後、実施例1と同様の方法で超微粒子分散液からなる塗布層を設け、該塗布層を温度250℃、30分で焼結して、側面電極131、132とした。
以上により、本例にかかる積層型圧電体素子1を得た。
When producing this multilayer
Further, the first and second internal electrode layers 121 and 122 according to this example are made of Cu that is easily oxidized at a high temperature.
Then, prior to applying the ultrafine particle dispersion containing ultrafine metal particles, the end portion of the
Next, an epoxy resin is filled, and heat curing is performed at 150 ° C. for 60 minutes to form the
Thereafter, a coating layer composed of an ultrafine particle dispersion was provided in the same manner as in Example 1, and the coating layer was sintered at a temperature of 250 ° C. for 30 minutes to form
Thus, the multilayer
本例にかかる製造方法によれば、第1、第2内部電極層121、122としてCuを用いているため、通常のAgを含む金属材料からなる内部電極層と比較して、マイグレーションが生じ難いという効果を得ることができると共に、コストが安価な素子を得ることができる。更に、本例にかかる側面電極131、132は焼成温度が低いため、側面電極131、132を作製する際に内部電極層121、122の酸化が生じ難い。
また、上記絶縁体16はエポキシ樹脂からなり、耐熱温度が低い。本例によれば、側面電極131、132の焼成温度が低いため、側面電極131、132を作製する際に絶縁体16の熱劣化が生じ難い。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
According to the manufacturing method of this example, since Cu is used as the first and second internal electrode layers 121 and 122, migration is less likely to occur compared to an internal electrode layer made of a metal material containing normal Ag. Thus, an element with low cost can be obtained. Furthermore, since the
The
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
なお、本例と同様の構成にかかる積層型圧電体素子1で構成の異なるものを図7に示す。この素子1は絶縁体16を設けた部分には第1、第2側面電極131、132を設けていない。
この積層型圧電体素子1は、側面電極131、132を形成後、絶縁体16を設けるための溝を形成し、絶縁体16を設けることができるため、絶縁体16が側面電極焼結温度よりも耐熱性が低い場合にも適用できる。
その他詳細は本例にかかる積層型圧電体素子1と同様である。
FIG. 7 shows a multi-layer
In this multilayer
Other details are the same as those of the multilayer
また、図6、図7は、積層体10の側面101、102に窪みを設けて、そこに絶縁体16を配置したが、図8、図9に示すごとく、側面101、102で側面電極131、132と導通させたくない第1、第2内部電極層121、122の端面を覆う絶縁体17を側面101、102に盛り上げて設けることもできる。
図8は絶縁体17を覆うように第1、第2側面電極131、132設けた例であり、図9は絶縁体17を設けた場所には第1、第2側面電極131、132を設けない例である。
図8の積層型圧電体素子1には、図6、図7に示した素子と比較して、より大きな面積の内部電極を形成できるため、より高効率の性能を得ることができる。
図9の積層型圧電体素子1は、図8の効果に加え、図7と同様に側面電極131、132を形成後、絶縁体17を設ける部分を形成し、絶縁体17を設けることができるため、絶縁体17が側面電極焼結温度よりも耐熱性が低い場合にも適用できる。
その他詳細は本例にかかる積層型圧電体素子1と同様である。
6 and 7, depressions are provided in the side surfaces 101 and 102 of the
8 shows an example in which the first and
In the multilayer
In addition to the effect of FIG. 8, the multilayer
Other details are the same as those of the multilayer
1 積層型圧電体素子
10 積層体
101、102 側面
11 圧電層
121、122 内部電極層
131、132 側面電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製し、
上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、
上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、
上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子の製造方法。 A laminate formed by alternately laminating a piezoelectric layer that expands and contracts in response to an applied voltage and an internal electrode layer for supplying voltage to the piezoelectric layer, and is electrically connected to the internal electrode layer on a side surface of the laminate. In a method of manufacturing a laminated piezoelectric element having a side electrode ,
The side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing ultrafine metal particles to form a coating layer, and sintering the coating layer,
As the metal ultrafine particles, those containing particles having a particle diameter of 1 to 100 nm in an amount of 30% by weight or more,
The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50% to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion,
The method for producing a multilayer piezoelectric element, wherein the sintering temperature of the coating layer is 150 to 300 ° C.
上記圧電層は、第1の内部電極層と第2の内部電極層によって挟まれてなり、第1の内部電極層は第1の側面電極と、第2の内部電極層は第2の側面電極と電気的に導通し、
第1の内部電極層は第2の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出せず、かつ第2の内部電極層は第1の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出しない部分電極構成であり、
更に、上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製してなり、上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子。 A laminate formed by alternately laminating a piezoelectric layer that expands and contracts in response to an applied voltage and an internal electrode layer for supplying voltage to the piezoelectric layer, and is electrically connected to the internal electrode layer on a side surface of the laminate. In a laminated piezoelectric element having a side electrode,
The piezoelectric layer is sandwiched between a first internal electrode layer and a second internal electrode layer. The first internal electrode layer is a first side electrode, and the second internal electrode layer is a second side electrode. Electrically conducting with
The first internal electrode layer is not exposed to the side surface of the multilayer body in the region where the second side electrode is fabricated, and the second internal electrode layer is the side surface of the multilayer body in the region where the first side electrode is fabricated. It is a partial electrode configuration that is not exposed to
Furthermore, the side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing metal ultrafine particles to form a coating layer, and sintering the coating layer. The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50 to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion using 100 nm particles containing 30% by weight or more of the total, and the above A multilayer piezoelectric element, wherein the coating layer has a sintering temperature of 150 to 300 ° C.
上記圧電層は、第1の内部電極層と第2の内部電極層によって挟まれてなり、第1の内部電極層は第1の側面電極と、第2の内部電極層は第2の側面電極と電気的に導通し、
上記第1及び第2の内部電極層は上記圧電層と略同形状かつ略同面積に作製された全面電極構成を有し、
上記第1の内部電極層の、第2の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した端面と、上記第2の内部電極層の、第1の側面電極が作製された領域において積層体の側面に露出した端面を覆って絶縁体が設けてあり、
更に、上記側面電極は、金属超微粒子を含有する超微粒子分散液を塗布して塗布層となし、該塗布層を焼結して作製してなり、上記金属超微粒子としては、粒子径1〜100nmの粒子が全体の30重量%以上含まれているものを用い、上記超微粒子分散液における上記金属超微粒子の含有量は、分散液100重量%に対し、50〜90重量内%とし、上記塗布層の焼結温度は150〜300℃であることを特徴とする積層型圧電体素子。 A laminate formed by alternately laminating a piezoelectric layer that expands and contracts in response to an applied voltage and an internal electrode layer for supplying voltage to the piezoelectric layer, and is electrically connected to the internal electrode layer on a side surface of the laminate. In a laminated piezoelectric element having a side electrode,
The piezoelectric layer is sandwiched between a first internal electrode layer and a second internal electrode layer. The first internal electrode layer is a first side electrode, and the second internal electrode layer is a second side electrode. Electrically conducting with
The first and second internal electrode layers have a whole surface electrode configuration formed in substantially the same shape and the same area as the piezoelectric layer,
In the region of the first internal electrode layer exposed on the side surface of the laminate in the region where the second side electrode was fabricated, and in the region of the second internal electrode layer where the first side electrode was fabricated An insulator is provided to cover the end face exposed on the side surface of the laminate,
Furthermore, the side electrode is formed by applying an ultrafine particle dispersion containing metal ultrafine particles to form a coating layer, and sintering the coating layer. The content of the metal ultrafine particles in the ultrafine particle dispersion is 50 to 90% by weight with respect to 100% by weight of the dispersion using 100 nm particles containing 30% by weight or more of the total, and the above A multilayer piezoelectric element, wherein the coating layer has a sintering temperature of 150 to 300 ° C.
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