压电层叠元件

技术领域

本发明涉及压电层叠元件。

背景技术

近年来，即便用小的电压也能够获得大的位移量的压电致动器等压电层叠元件的需求正在增加。

以往，作为压电陶瓷，含有Pb的PZT类的压电陶瓷因为其压电特性高而一直被使用，但是近年来，因为环保意识的提高，逐渐要求不含有Pb的压电陶瓷。作为不含有Pb的压电陶瓷，已知有使用于层叠电容器的BaTiO

BaTiO

以往公开了陴多将内部电极和BaTiO

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-58378号公报

发明内容

发明要解决的课题

欲将元件作为压电致动器使用，需要实施将一定的高电场施加一定时间的极化处理并评价压电特性，但是实际上以与专利文献1的最佳模式的试样117相同的组成试制压电元件并进行极化且评价了压电特性的结果，明确了压电特性低至不能测定压电特性的程度。此外，因为与压电特性相比相对介电常数非常高，所以对驱动器的负载高，明确了不能作为压电致动器使用。

此外，作为内部电极，有时使用Ag、Pd等贵金属，但是如果能够使用Ni等贱金属，则能够大幅降低原料成本，因此优选。为了使用Ni等贱金属，需要在烧成工序中通过Ni等贱金属不被氧化的还原气氛下的烧成进行与Ni等贱金属的共烧。

因此，作为使用Ni等贱金属作为内部电极的情况下的压电陶瓷的组成，要求是能够进行还原气氛下的烧成的组成。

本发明的目的在于，解决这些课题，提供一种压电特性高、能够与Ni等贱金属进行共烧且可靠性高的、适合于压电致动器的压电层叠元件。

用于解决课题的技术方案

本发明的压电层叠元件是具备多个压电体陶瓷层、形成在上述压电体陶瓷层间的内部电极、以及与上述内部电极电连接的外部电极的压电层叠元件，其特征在于，

上述压电体陶瓷层由以下的组成式表示，

{Ba

[其中，Re

0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100 (1)

0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100 (2)

0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]

0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时] (3)

0.995≤m≤1.011 (4)

0.01≤x≤0.25 (5)]

并且，相对于用于上述压电体陶瓷层的{Ba

上述压电体陶瓷层在一定方向上具有残留极化，

上述内部电极包含镍、镍合金、铜或铜合金。

此外，本发明的压电层叠元件的另一个方式是具备多个压电体陶瓷层、形成在上述压电体陶瓷层间的内部电极、以及与上述内部电极电连接的外部电极的压电层叠元件，其特征在于，

上述压电体陶瓷层相对于包含含有Ba、Ca、Ti、Mg、Mn以及Re(Re为从Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb以及La之中选择的至少一种以上)的氧化物的100重量份的主成分，含有0.2重量份以上且0.8重量份以下的作为副成分的SiO

将相对于上述氧化物中包含的1摩尔的Ti的、Ba和Ca的合计含量设为m摩尔，将Re的含量设为α摩尔，将Mg的含量设为β摩尔，将Mn的含量设为γ摩尔，此时，作为上述主成分的氧化物满足以下的关系式(1)～(5)，

0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100 (1)

0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100 (2)

0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]

0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时] (3)

0.995≤m≤1.011 (4)

0.01≤x≤0.25 (5)

并且，上述压电体陶瓷层在一定方向上具有残留极化，

上述内部电极包含镍、镍合金、铜或铜合金。

发明效果

根据本发明，能够提供一种压电特性高、能够与Ni等贱金属进行共烧且可靠性高的、适合于压电致动器的压电层叠元件。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的压电层叠元件的结构的一个例子的剖视图。

图2是示意性地示出本发明的压电层叠元件的结构的另一个例子的剖视图。

具体实施方式

以下，对本发明的压电层叠元件进行说明。

然而，本发明并不限定于以下的结构，能够在不变更本发明的主旨的范围内适当地变更而进行应用。另外，将以下记载的各个优选的结构组合了两个以上的结构也还是本发明。

在本发明的压电层叠元件中，关于作为构成压电体陶瓷层的主成分的陶瓷，将(Ba，Ca)TiO

通过满足这些必要条件，从而能够满足对压电致动器等压电层叠元件要求的高压电特性以及低相对介电常数。

图1是示意性地示出本发明的压电层叠元件的结构的一个例子的剖视图。

以下，参照图1对本发明的压电层叠元件的结构进行说明。

图1所示的压电层叠元件1具备层叠体10。层叠体10具有交替地层叠了压电体陶瓷层20a、20b、20c、20d、20e以及20f和内部电极22a、21a、22b、21b以及22c的构造。

层叠体10呈长方体状或大致长方体状，具有在层叠方向(在图1中为上下方向)上相对的第1主面11以及第2主面12、在与层叠方向正交的长度方向(在图1中为左右方向)上相对的第1端面13以及第2端面14、和在与层叠方向以及长度方向正交的宽度方向(在图1中为纸面前后方向)上相对的第1侧面以及第2侧面(在图1中未图示)。

内部电极22a、21a、22b、21b、22c包含镍、镍合金、铜或铜合金，并与压电体陶瓷层20a、20b、20c、20d、20e以及20f进行共烧。

作为内部电极，优选为镍或镍合金。

图1所示的压电层叠元件1还具备设置在层叠体10的第1端面13的外部电极31以及设置在层叠体10的第2端面14的外部电极32。外部电极31以及外部电极32优选包含Ni-Cr合金(Nichrome，镍铬合金)、Ag等导电性材料。

此外，也可以为了增加驱动层而在层叠体的表面和背面具有电极。在图2中，示出了在层叠体的表面和背面均设置有电极(外部电极31)的压电层叠元件2。

压电体陶瓷层20a、20b、20c、20d、20e以及20f以将(Ba，Ca)TiO

作为主成分的陶瓷为

{Ba

[其中，Re

0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100 (1)

0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100 (2)

0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]

0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时] (3)

0.995≤m≤1.011 (4)

0.01≤x≤0.25 (5)]。

在本说明书中，所谓“主成分”，意味着存在比例(摩尔％)最大的成分，优选地，意味着存在比例超过50摩尔％的成分。

由式(1)、(2)以及(3)规定作为主成分的陶瓷中包含的、作为(Ba，Ca)TiO

通过该α、β、γ分别满足0.0010≤α、0.0004≤β、0.0002≤γ，从而极化不良率变低。

通过α、β、γ分别满足α≤(-65.32m+67.70)/100、β≤(-28.74m+29.79)/100、γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]或γ≤0.004[m＞1.006时]，从而变得容易促进粒子生长，显现压电特性。

在满足上述式(1)～(3)的0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100、0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100、0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]或0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时]的区域中，关于作为主成分的陶瓷中的m的值，若m≤1.011，则d值(压电常数)变高，因此优选。

此外，在满足0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100、0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100、0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]或0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时]的区域中，关于作为主成分的陶瓷中的m的值，若0.995≤m，则极化不良率变低，因此优选。

根据以上，通过同时满足式(1)、(2)、(3)以及(4)，从而极化不良率变低且d值变高，因此能够满足压电层叠元件所需的性能。

此外，关于式(5)，如果x为0.01≤x≤0.25，那么能够发挥同样的效果。

此外，压电体陶瓷层相对于100重量份的主成分，含有0.2重量份以上且0.8重量份以下的作为副成分的SiO

若作为副成分的SiO

若作为副成分的SiO

此外，作为其它副成分，也可以包含Li

在本发明的压电层叠元件中，优选压电体陶瓷层中包含的陶瓷的平均颗粒直径为0.6μm以上且3.7μm以下。

为了作为压电层叠元件使用，优选使陶瓷大幅地粒子生长以使得平均颗粒直径成为上述范围。

关于陶瓷的颗粒直径，能够用扫描型电子显微镜对压电体陶瓷层中包含的陶瓷进行观察，并使用截距法求出。

在本发明的压电层叠元件中，优选压电体陶瓷层的每一层的平均厚度为5μm以上且60μm以下。

与用于层叠电容器的陶瓷层不同，为了用于压电层叠元件，优选将陶瓷层的厚度设为像上述的那样厚至某种程度的范围。

在本发明的压电层叠元件中，优选压电体陶瓷层的残留极化值为3.0μC/cm

残留极化值能够通过强电介质测试机求出。

此外，作为本发明的压电层叠元件的另一个实施方式，也能够像以下那样规定构成压电陶瓷层的主成分的陶瓷。

该情况下的本发明的压电层叠元件是具备多个压电体陶瓷层、形成在上述压电体陶瓷层间的内部电极、以及与上述内部电极电连接的外部电极的压电层叠元件，其特征在于，

上述压电体陶瓷层相对于包含含有Ba、Ca、Ti、Mg、Mn以及Re(Re为从Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb以及La之中选择的至少一种以上)的氧化物的100重量份的主成分，含有0.2重量份以上且0.8重量份以下的作为副成分的SiO

将相对于上述氧化物中包含的1摩尔的Ti的、Ba和Ca的合计含量设为m摩尔，将Re的含量设为α摩尔，将Mg的含量设为β摩尔，将Mn的含量设为γ摩尔，此时，作为上述主成分的氧化物满足以下的关系式(1)～(5)，

0.0010≤α≤(-65.32m+67.70)/100 (1)

0.0004≤β≤(-28.74m+29.79)/100 (2)

0.0002≤γ≤(-13.06m+13.54)/100[m≤1.006时]

0.0002≤γ≤0.004[m＞1.006时] (3)

0.995≤m≤1.011 (4)

0.01≤x≤0.25 (5)

并且，上述压电体陶瓷层在一定方向上具有残留极化，

上述内部电极包含镍、镍合金、铜或铜合金。

除了构成压电陶瓷层的主成分的陶瓷的规定不同以外，能够设为与前面示出的本发明的压电层叠元件同样的结构。

本发明的压电层叠元件优选通过以下的方法来制造。

首先，作为陶瓷原料，准备通过使氧化物、碳酸盐等在高温下进行反应的固相法制作的原料粉末、通过醇盐法或水热合成法等湿式合成法制作的原料粉末。另外，添加剂等除了氧化物、碳酸盐等的粉末以外还能够使用醇盐、有机金属等的溶液。

然后，在将准备的原料称量为给定的组成比率并混合之后，添加有机粘合剂而浆料化，并成型为片状而得到生片。接下来，在生片的一面形成包含镍、镍合金、铜或铜合金的内部电极。另外，关于形成内部电极的方法，既可以通过丝网印刷等来形成，也可以通过蒸镀、镀敷法来形成。

然后，将具有内部电极的生片层叠所需片数，并夹在不具有内部电极的生片中进行压接，做成为层叠体。然后，将该层叠体在还原气氛中以给定的温度(例如，1200℃以上且1300℃以下)进行烧成，得到陶瓷层叠体。

然后，在陶瓷层叠体的两端面形成一对外部电极，使得与内部电极电连接。另外，一般来说，外部电极通过将成为材料的金属粉末膏涂敷到通过烧成得到的陶瓷层叠体并进行烧附而形成，但是也能够在烧成前进行涂敷而与陶瓷层叠体同时形成。此外，还能够通过溅射来形成外部电极。

然后，进行给定的极化处理。通过以上，可得到压电层叠元件。

实施例

以下，示出更具体地公开了本发明的压电层叠元件的实施例。另外，本发明并不仅限定于这些实施例。

首先，作为初始原料，准备了TiO

接着，准备了用于调整钛酸钡钙的(Ba，Ca)/Ti摩尔比m的BaCO

在各试样编号的试样中，按各组成称量了原料粉末。将各试样编号的试样中的组成示于表1。

此外，在一部分的试样中使作为副成分的SiO

然后，在该称量物添加聚乙烯醇缩丁醛类粘合剂以及乙醇等有机溶剂，并通过球磨机进行湿式混合，调制了陶瓷浆料。通过刮刀法对该陶瓷浆料进行片状成型，得到了厚度为30.0μm的矩形的生片。接着，在该陶瓷生片上印刷以Ni为主体的导电膏，形成了用于构成内部电极的导电膏层。

然后，将形成了导电膏层的陶瓷生片层叠多片，使得导电膏层的被引出的一侧交错，得到了层叠体。将该层叠体在大气气氛中加热到300℃的温度，使粘合剂燃烧之后，在氧分压为10

烧结后，为了在烧结体形成表面和背面以及侧面的电极，仅对连接面进行切割，使电极露出，然后通过溅射形成以Ag为主的导电膜，并将顶面和底面分别与单侧的侧面进行了电连接。

这样得到的压电层叠元件的外形尺寸为宽度：3.0mm、长度：13.0mm、厚度：0.3mm，介于内部电极间的压电体陶瓷层的厚度为25μm。此外，有效压电体陶瓷层的总数为11，每一层的对置电极的面积为39×10

在得到的压电层叠元件中用2kV/mm的直流电压实施了极化。另外，在极化工序中，将各试样的极化电流值变成40μA以上的试样设为极化不良，以n＝10求出了关于多个试样的极化不良的产生率(极化不良率(％))。

接着，对于得到的压电层叠元件的表面，用扫描型电子显微镜观察压电体陶瓷层中包含的陶瓷的颗粒直径，并使用截距法而求出。在本发明的范围内的试样中，均促进了粒子生长，成为0.6μm以上且3.7μm以下的粒子直径。

此外，测定了这些压电层叠元件的电特性。残留极化Pr通过强电介质测试机在±2kV/mm、频率1kHz下通过磁滞回线求出。静电电容C在频率1kHz、电压0.5V下进行测定，并根据得到的静电电容C算出相对介电常数ε

将这些结果汇总并示于表1。

[表1]

在处于本发明的范围内的试样10～29中，极化不良率变成0％。此外，残留极化Pr、相对介电常数ε

在处于本发明的范围外的试样中，极化不良率高的试样变多。此外，关于试样4、5，虽然极化不良率为0％，但是未能测定残留极化Pr、机电耦合系数k

附图标记说明

1、2：压电层叠元件；

10：层叠体；

11：第1主面；

12：第2主面；

13：第1端面；

14：第2端面；

20a、20b、20c、20d、20e、20f：压电体陶瓷层；

21a、21b、22a、22b、22c：内部电极；

31、32：外部电极。