(57)【要約】【課題】従来の積層圧電体部品の製造方法においては、内部電極とグリーンシートとの積層構造形成部分と、非形成部分との焼成時の収縮差により、変形やクラックが生じるという課題があった。【解決手段】鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物のグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極ペーストとを、交互に積層して得られる積層圧電体部品において、前記内部電極ペーストに、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加することによって、積層構造の形成部分と非形成部分との焼成収縮差を８％以下にし、変形やクラックの生じることのない積層圧電体部品を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物のグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極ペーストとを、交互に積層、印刷して得られる積層圧電体部品において、前記内部電極ペーストに、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加することによって、熱機械分析装置により測定した所定の温度における積層構造の形成部分と非形成部分の焼成収縮差を８％以下とすることを特徴とする積層圧電体部品の製造方法。
【請求項２】
高融点酸化物として、ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5のうち少なくとも１種類を添加した内部電極ペーストを用いることを特徴とする請求項１に記載の積層圧電体部品の製造方法。
【請求項３】
内部電極ペースト中に含有される導電性金属１００に対し、圧電磁器組成物を３０〜７０の割合の重量を添加し、かつＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5のうち少なくとも１種類を添加したことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電体部品の製造方法。
【請求項４】
ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5の添加量は、導電性金属１００に対して、５〜２０の割合の重量であることを特徴とする請求項３に記載の積層圧電体部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層圧電アクチュエータや積層圧電トランス等のように、Ａｇを主成分とする内部電極と圧電磁器組成物との積層構造を持ち、内部電極と圧電磁器組成物とを同時に焼成することにより得られる圧電製品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の小型化や薄型化あるいは高性能化の要望にともない積層型の圧電発振子、圧電フィルタ、圧電アクチュエータ、圧電トランスあるいは圧電ブザー等の圧電磁器デバイスの開発も盛んになってきている。
【０００３】
また、コストダウンのために、Ａｇを主成分とする内部電極を用いる必要があるが、鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物において、圧電磁器組成物で作製されたグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極とを交互に積層、印刷した後に、内部電極と圧電磁器組成物を同時に焼成する際に、内部電極の主成分であるＡｇが圧電磁器組成物の焼結を促進し、積層構造を形成している形成部分と、積層構造を形成していない非形成部分との焼成収縮挙動に違いが生じ、積層構造形成部分と非形成部分との境界において変形やクラックが発生し、信頼性が低下するという課題があった。
【０００４】
その課題を解決するために、従来の技術として、特許文献１は、積層構造の非形成部分（本発明における不活性部）を積層構造の形成部分（本発明における活性部）で用いる圧電磁器粉末よりも低い温度で合成した粉末を加圧成形することにより作製し、非形成部分（本発明における不活性部）の収縮を大きくして、内部電極の影響により収縮の大きくなる積層構造の形成部分（本発明における活性部）との収縮率を合わせている。
【０００５】
また、特許文献２は、通常は積層構造を形成する必要のない箇所にも、内部電極とグリーンシートとの積層構造を形成し、積層構造の形成部分と非形成部分ともに、内部電極の主成分であるＡｇの影響により収縮を大きくすることで収縮率を合わせている。
【０００６】
また、特許文献３は、積層構造の形成部分（本発明における変位発生部）の圧電磁器組成よりも、非形成部分（本発明における保護部）の鉛含有量を多くし、過剰に添加した鉛の効果により非形成部分の焼成収縮を促進し、内部電極の影響により収縮の大きくなる積層構造の形成部分との焼成収縮率を合わせている。
【特許文献１】特許第２８８３８９６号公報
【特許文献２】特開平９−２７０５４０号公報
【特許文献３】特許第２６６６７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３では、鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物を用いて積層圧電体部品を製造する際に、内部電極に含有される導電性金属成分の圧電層への拡散による焼結促進効果により、積層構造の形成部分の方が、非形成部分よりも収縮率が大きくなると記載している。
【０００８】
また、特許文献１〜３における構成では、例えば積層圧電トランスのような、内部電極とグリーンシートとの積層構造形成部分と、非形成部分とを同一グリーンシート平面内にあわせもつ構造の積層圧電体部品を作製する際に適応することは困難であり、その結果、内部電極に含有される貴金属成分の圧電層への焼結促進効果により、積層構造の形成部の方が、非形成部よりも収縮率が大きくなり、変形やクラックが生じるという課題があった。
【０００９】
本発明は、熱機械分析装置により測定したある温度における積層構造の形成部分と非形成部分の焼成収縮差を８％以下とし、それにより、変形やクラックの生じることのない積層圧電体部品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、特に、鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物のグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極ペーストとを、交互に積層、印刷して得られる積層圧電体部品において、前記内部電極ペーストは、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加することによって、熱機械分析装置により測定した所定の温度における積層構造の形成部分と非形成部分の焼成収縮差を８％以下とすることを特徴とする積層圧電体部品の製造方法であり、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加することにより、Ａｇの圧電層への拡散を抑制することができるので、積層構造の形成部分と非形成部分の焼成収縮差を８％以下とすることができ、変形やクラックを抑制できるものである。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、高融点酸化物として、ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5のうち少なくとも１種類を添加した内部電極ペーストを用いることを特徴とする請求項１に記載の積層圧電体部品の製造方法であり、高融点酸化物ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5を添加することによって、請求項１の発明よりも効果的にＡｇの圧電層への拡散を抑制することができるので、より変形やクラックを抑制できるものである。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、内部電極ペースト中に含有される導電性金属の重量１００に対し、圧電磁器組成物を３０〜７０の割合で添加し、かつＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5のうち少なくとも１種類を添加したことを特徴とする請求項２に記載の積層圧電体部品の製造方法であり、これにより、請求項２の発明よりも更に効果的にＡｇの圧電層への拡散を抑制することができるので、変形やクラックを抑制できるものである。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5の添加量は、導電性金属１００に対して５〜２０の割合の重量であることを特徴とする請求項３に記載の積層圧電体部品の製造方法であり、これにより、請求項３の発明よりもさらに効果的にＡｇの圧電層への拡散を抑制することができるので、変形やクラックを抑制できるものである。
【発明の効果】
【００１４】
鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物のグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極とを、交互に積層して得られる積層圧電体部品において、内部電極に、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加することにより、積層構造の形成部分の焼成収縮促進を抑制し、積層構造の形成部と非形成部分との熱機械分析装置の焼成収縮差が８％以下となるので、変形やクラックを抑制することができ、高い信頼性を有する積層圧電体部品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態）
実施の形態を用いて、本発明の請求項１〜４に記載の発明について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態における積層圧電トランスの内部構造図、図２は、本発明の実施の形態における積層圧電トランスの斜視図、図３は、本発明の実施の形態における積層圧電トランスの製造工程図である。
【００１７】
まず出発原料として、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）の粉末を用いて、各原料を秤量配合する。
【００１８】
次に、これらの原料を、水およびメディアとして部分安定化ジルコニアボールとともにポットミルに投入し、ポットミルを２０時間回転させ湿式混合する（図３（ａ））。
【００１９】
この時、原料と水の重量比率が１：１となるようにし、メディアのジルコニアボールの径としては５ｍｍ以下のものを用いた。
【００２０】
次に、上記の湿式混合したスラリーをステンレスバッド等に移し、２００℃の乾燥機中で一昼夜乾燥して、この乾燥粉を乳鉢等で粗粉砕した後、アルミナ材質の坩堝に移し、最高温度８５０℃で２時間（昇降温速度は２００℃／時間）仮焼し、仮焼粉を得る（図３（ｂ））。
【００２１】
次に、仮焼粉をロータミルやディスクミル等の粗砕機を用いて粗粉砕後、上記の混合時と同様にポットミルを用いて、この粗粉砕粉を１０時間湿式粉砕して、その後、粉砕スラリーをステンレスバッドなどに移し、２００℃の乾燥機中で一昼夜乾燥し、圧電セラミック粉体を得る（図３（ｃ））。
【００２２】
得られた圧電セラミック粉体を有機結合材、可塑剤、有機溶媒と共に所定量配合してからスラリー混合を行い、シート成形用スラリーを作製し、その後、ドクターブレード法によってシート成形を行い、圧電層となる所定厚みの圧電磁器組成物のグリーンシートを得る（図３（ｄ））。
【００２３】
次に、銀（Ａｇ）を主成分とする内部電極ペーストに含まれる導電用金属の重量を１００として、図３（ｃ）で得られる鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物の仮焼粉末と、高融点酸化物粉末を（表１）のとおり配合し、内部電極ペーストに添加する。圧電磁器組成物の仮焼粉末と高融点酸化物粉末を添加させた内部電極ペーストを三本ロールにて混練し、均一にペースト中に分散させ、ブチルカルビトールやターピネオール等の有機溶媒にて希釈し、ペースト粘度を１００００〜２５０００ｍＰａ・ｓｅｃとなるように調整し、圧電磁器組成物の仮焼粉末と高融点酸化物粉末を添加したＡｇを主成分とする内部電極ペースト（以下、内部電極ペーストという）を得る（図３（ｅ））。
【００２４】
次に、圧電磁器組成物のグリーンシート１上に、内部電極ペーストで、乾燥後の厚みが１０μｍ程度になるように、図１に示すような内部電極パターン２ａ，２ｂ，２ｃを印刷し、次いで、内部電極ペーストを印刷していないグリーンシート１を上に積層して仮加圧を施し、再度印刷する。以降同様に所望の特性を得るように図１のように積層、仮加圧、印刷を繰り返し行い、最後のグリーンシート１のみ内部電極ペーストを印刷せずに積層、仮加圧を施し、最後に本加圧として１８ＭＰａの圧力を加え、切断機を用いて所定の寸法になるよう切り出しほぼ直方体状の積層体を得る（図３（ｆ））。
【００２５】
次に、この積層体中の有機成分を焼成よりも低い温度で、脱脂を施すことにより除去する（図３（ｇ））。
【００２６】
次に、図３（ｇ）で得られた脱脂済みの積層体の内部電極２ａ，２ｂ，２ｃとグリーンシート１との積層構造の形成部分３と非形成部分４に切断し、島津製作所製の熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて、１時間あたり２００℃の速度で昇温し、圧電磁器組成物が焼成可能な温度にて２時間保持し、積層構造の形成部分３と非形成部分４の焼成時の熱収縮挙動を各々測定し、図４のような熱機械分析による焼成収縮挙動曲線を得る。その昇温過程および保持温度過程において、所定の温度における内部電極と圧電層との積層構造の形成部分３と非形成部分４の最大収縮差（ΔＬｍａｘ）を評価する（図３（ｈ））。
【００２７】
ここで、熱機械分析装置による収縮挙動の一例を図４に、変形量の測定方法の断面図を図５に示す。
【００２８】
変形量の測定は図５に示す積層圧電トランス素子の積層構造の形成部分３と非形成部分４との境界付近に存在する最も幅の大きくなる箇所の幅方向の厚みを測定して、変形量６を測定する。変形量６は３０μｍ以下であれば、内部にクラックも存在せず、外観的にも問題とならないことが確認できているため、変形量３０μｍ以下とすることを目標とした。
【００２９】
次に、図３（ｇ）で得られた脱脂済みの積層体を焼結させるため、焼成を実施し、積層圧電トランス用素子を得る（図３（ｉ））。
【００３０】
その後、得られた積層圧電トランス用素子に加工を施し内部電極２ａ，２ｂ，２ｃを積層圧電トランス素子の幅方向の側面においてバレル研磨を施し露出させる（図３（ｊ））。
【００３１】
そしてガラスフリットを含有したＡｇペーストを所定の外部電極の位置に印刷し乾燥させる。その後積層圧電トランス用素子を約７００℃−１０分の条件で外部電極の焼き付けを行い、積層圧電トランス用素子に図２のような外部電極５ａ，５ｂ，５ｃを形成する（図３（ｋ））。
【００３２】
次に、１００℃のシリコーンオイル中で内部電極２ａと２ｂとの間に３ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、次に２ａ，２ｂと２ｃとの間に２ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加し、図２に示す積層圧電トランスを得る（図３（ｌ））。
【００３３】
この工程で得られた積層圧電トランスの長さは３０ｍｍ、厚み２．４ｍｍ、幅５．８ｍｍであった。また内部電極長さ１８ｍｍ、圧電層厚み約０．１５ｍｍ、圧電セラミック層１７層、内部電極層１６層である。
【００３４】
ここで、図３（ｈ）の工程で測定した最大収縮差と、熱機械分析装置による焼成収縮測定時と同条件で焼成を実施した時の内部電極と圧電層との積層構造の形成部分３と非形成部分４の焼成収縮による変形量６との関係を（表１）にまとめて記載した。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
（表１）の結果から、試料３〜５，９〜１１のように、内部電極ペーストに含まれる導電性金属の重量１００ｇに対して圧電磁器組成物の仮焼粉体を３０〜７０ｇ添加し、更に高融点酸化物（ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5）１０ｇを添加したＡｇを主成分とする内部電極を用いた場合には、積層構造の形成部分３と非形成部分４との熱機械分析装置での収縮差が全て８％以下である。よって積層構造の形成部分３と非形成部分４との境界部分に発生する変形量６が目標とする３０μｍ以下となり、変形および内部にクラックもなく、目標とする結果が得られた。
【００３７】
また、試料１４〜１６，２０〜２２のように、内部電極ペーストに含まれる導電性金属の重量１００ｇに対して圧電磁器組成物の仮焼粉体を４０ｇ添加し、更に高融点酸化物（ＺｒＯ2，Ｎｂ2Ｏ5）５〜２０ｇ添加したＡｇを主成分とする内部電極ペーストを用いた場合には、積層構造形成部分３と非形成部分４との熱機械分析装置での収縮差が全て８％以下となる。よって内部電極形成部分３と非形成部分４との境界部分に発生する変形量６が目標とする３０μｍ以下となり変形および内部にクラックもなく、目標とする結果が得られた。
【００３８】
一方、試料１，７のように、圧電磁器組成物の仮焼粉体を添加せずに、高融点酸化物のみを添加したＡｇを主成分とする内部電極ペーストを用いた場合には、積層構造の形成部分３の焼成収縮が促進され、積層構造の形成部分３と非形成部分４との収縮差が８％以上となり、かつ変形量６が３０μｍ以上と変形が大きいため、目的とする特性が得られなかった。
【００３９】
また、試料１３，１９のように、高融点酸化物を添加せずに、圧電磁器組成物の仮焼粉体のみを添加したＡｇを主成分とする内部電極ペーストを用いた場合には、積層構造の形成部分３の焼成収縮が促進され、積層構造の形成部分３と非形成部分４との収縮差が８％以上となり、かつ変形量が３０μｍ以上と変形が大きいため、目的とする特性が得られなかった。
【００４０】
また、試料２，８のように、高融点酸化物を１０ｇ添加し、更に圧電磁器組成物の仮焼粉体を２０ｇ添加したＡｇを主成分とする内部電極ペーストを用いた場合には、圧電磁器組成物の仮焼粉体の添加量が不十分であったため、積層構造の形成部分３の焼成収縮が促進され、積層構造の形成部分３と非形成部分４との収縮差が８％以上となり、かつ変形量が３０μｍ以上と変形が大きいため、目的とする特性が得られなかった。
【００４１】
また、試料６，１２，１７，１８，２３，２４は全て、Ａｇを主成分とする内部電極ペーストに含まれる導電性金属の重量に対して、圧電磁器組成物の仮焼粉体および高融点酸化物の占める割合が多くなりすぎ、Ａｇを主成分とする内部電極ペーストに含まれる導電性金属が孤立し、導通が取れずに電極としての機能を果たすことができなかった。
【００４２】
Ａｇを主成分とする内部電極ペーストに、圧電磁器組成物の仮焼粉体および高融点酸化物を添加しない場合には、焼成の際に内部電極層２ａ，２ｂからグリーンシート１へ、Ａｇが圧電層の結晶粒界を経路として拡散し、液相焼結化するために、積層構造の形成部分３は非形成部４と比較して、焼結が促進される。しかし、Ａｇを主成分とする内部電極材料中に高融点酸化物と圧電磁器組成物が添加されることにより、内部電極に添加された高融点酸化物と圧電磁器組成物の焼結のためにＡｇが必要となるため、Ａｇがグリーンシート１へ拡散されるのを抑制し、結果として、積層構造形成部分３の焼結が促進されることなく、積層構造の形成部分３と非形成部分４との熱機械分析装置収縮差が小さくなると考えられる。
【００４３】
本実施の形態においては、鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物の一例として、チタン酸ジルコン酸鉛を用いたが、チタン酸ジルコン酸鉛に酸化ニオブ、酸化亜鉛、酸化マンガン、酸化錫、酸化アンチモン、酸化ニッケル、酸化マグネシウム等を加えた三成分、四成分系の複合酸化物の圧電磁器組成物を使用しても、同様の効果が認められる。
【００４４】
本実施の形態においては、同一平面状に内部電極と圧電層との積層構造の形成部分３と非形成部分４とが存在する積層圧電体部品の一例として積層圧電トランスを用いたが、その他の積層圧電アクチュエータ、積層圧電モータ、積層圧電発振子などの積層圧電体部品にも同様な効果が認められる。また、内部電極と圧電層との積層構造の形成部分３と非形成部分４とを同一平面状に形成せずに、積層構造の形成部分３と非形成部分４とが同一厚み方向に積まれる積層圧電アクチュエータ等の積層圧電体部品にも同様な効果が認められる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の積層圧電体部品の製造方法は、鉛酸化物を主成分の一つとする圧電磁器組成物のグリーンシートと、Ａｇを主成分とする内部電極とを、交互に積層して得られる積層圧電体部品において、圧電磁器組成物および高融点酸化物を添加した内部電極を使用することにより、積層構造の形成部分と非形成部分との焼成収縮差を８％以下として変形やクラックを抑制することができ、高い信頼性を有する積層圧電体部品の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態における積層圧電トランスの内部構造図
【図２】本発明の実施の形態における積層圧電トランスの斜視図
【図３】本発明の実施の形態における積層圧電トランスの製造工程図
【図４】熱機械分析による収縮挙動の一例を示す図
【図５】変形量測定の断面図
【符号の説明】
【００４７】
１  グリーンシート
２ａ  第１の入力用内部電極層
２ｂ  第２の入力用内部電極層
２ｃ  出力用内部電極層
３  積層構造の形成部分
４  積層構造の非形成部分
５ａ  第１の入力用外部電極
５ｂ  第２の入力用外部電極
５ｃ  出力用外部電極
６  素子の変形量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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