压电元件、压电致动器及压电变压器的制作方法

1.本发明涉及一种层叠有压电体层和内部电极层的压电元件、以及具有该压电元件的压电致动器和压电变压器。


背景技术：

2.如专利文献1所示，已知有层叠有压电体层和内部电极层的压电元件。该层叠型的压电元件与非层叠型的压电元件相比，能够增大每单位体积的位移量或驱动力。
3.这样的层叠型的压电元件能够通过胶版印刷或丝网印刷等各种印刷法进行制造。例如，通过在包含压电陶瓷的生片上印刷导电膏，并层叠多个该生片，从而得到生坯芯片。然后，通过烧成该生坯芯片，得到层叠型的压电元件。此时，如果压电体层与内部电极层的密合性不充分，则在得到的压电元件中，介电损耗会变大。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2016
‑
001667号公报


技术实现要素：

7.发明所要解决的技术问题
8.本发明是鉴于这样的实际情况而开发的，其目的在于提供一种降低了介电损耗的压电元件以及具有该压电元件的压电致动器和压电变压器。
9.用于解决技术问题的方案
10.为了实现上述目的，本发明的压电元件具有层叠有压电体层和内部电极层的层叠体，
11.所述内部电极层包含选自钯、镍、铂、金、银中的至少一种元素和铜，
12.所述内部电极层中所含的铜(cu)的含有率(c
ie
)以铜元素换算为1at％以上50at％以下。
13.在层叠型的压电元件中，作为内部电极层，通常使用钯(pd)电极或银(ag)
‑
pd合金电极。但是，在使用这些电极的情况下，介电损耗提高成为问题。本发明人等进行深入研究，其结果发现，通过使内部电极层含有规定量的cu，内部电极层与压电体层的密合性提高，并且能够降低介电损耗。
14.优选的是，所述压电体层也含有铜(cu)，
15.所述压电体层中所含的铜的含有率(c
pe
)以铜元素换算为1.0mol％以上4.5mol％以下。
16.在本发明的压电元件中，通过使压电体层也含有规定量的cu，能够降低介电损耗，并且能够提高机械品质因数qm。
17.优选的是，所述层叠体中所含的铜的含有率(c
lb
)以铜元素换算为1.0mol％以上5.0mol％以下。
18.在此，“层叠体中所含的铜的含有率(c
lb
)”是指cu的总物质的量相对于层叠体整体的总物质的量(摩尔数)的比率，cu的总物质的量是内部电极层中所含的cu的物质的量和压电体层中所含的cu的物质的量的总和。即，含有率c
lb
不仅取决于内部电极层中所含的cu的含有率c
ie
及压电体层中所含的cu的含有率c
pe
，还取决于各层的层叠数及尺寸(即，构成层叠体的各层的体积)。
19.在本发明的压电元件中，通过层叠体中所含的铜的含有率c
lb
处于规定的范围内，从而介电损耗进一步变小，并且qm进一步提高。
20.优选的是，所述压电体层中含有具有钙钛矿结构的复合氧化物作为主成分，所述复合氧化物为锆钛酸铅或碱金属铌酸盐系氧化物。通过由上述材质构成压电体层，压电特性进一步提高。
21.本发明的压电元件能够将机械能和电能相互转换，作为压电器件能够在各种领域中广泛使用。例如，本发明的压电元件能够适用于利用逆压电效应的压电致动器。包含本发明的压电元件的压电致动器相对于施加电压可以高精度地得到微小的位移，且响应速度快，因此，例如能够安装于光学系统零件的驱动装置、hdd的磁头驱动装置、喷墨打印机的头驱动装置、燃料喷射阀的驱动装置、以及触觉器件等各种电子设备。另外，本发明的压电元件还能够用作利用逆压电效应的压电蜂鸣器或压电扬声器。
22.进而，本发明的压电元件能够利用压电效应，应用于用于读取微小的力或位移量的传感器。另外，本发明的压电元件具有优异的响应性，因此，通过施加交流电场，能够激励该元件中所含的压电体层自身或与压电体层处于接合关系的弹性体而引起共振。因此，还能够适用于压电变压器或超声波马达等。
23.本发明的压电元件在上述的用途中，也特别优选用作压电致动器或压电变压器。
附图说明
24.图1是表示本发明的一个实施方式的压电元件(压电变压器)的示意性立体图。
25.图2是沿着图1所示的ii
‑
ii线的示意性截面图。
26.图3是表示本发明的压电元件(压电致动器)的变形例的示意性截面图。
27.图4是表示实施例的评价结果的图表。
28.图5是表示实施例的评价结果的图表。
29.符号的说明：
[0030]1…
压电变压器(压电元件)
[0031]
10
…
元件主体
[0032]
11
…
电压输入部
[0033]
20a、20b
…
输入电极
[0034]
20c、20d
…
连接电极
[0035]
21a、21b
…
内部电极层
[0036]
21ac、21bd
…
引出部
[0037]
30
…
压电体层
[0038]
12
…
电压输出部
[0039]
20e
…
输出电极
[0040]
100
…
压电元件
[0041]
110
…
元件主体
[0042]
220c、220d
…
端子电极
具体实施方式
[0043]
以下，基于附图所示的实施方式对本发明进行详细地说明。
[0044]
在本实施方式中，作为应用本发明的压电元件的压电器件的一例，对图1所示的压电变压器1进行说明。压电变压器1是利用压电效应，将输入的交流电压进行变压并输出的变压器。
[0045]
如图1所示，压电变压器1具备元件主体10(层叠体)和形成于元件主体10的主面即一对相对面10a、10b的一对输入电极20a、20b。元件主体10的平面形状为长方形，整体形状具有长方体形状。但是，元件主体10的形状没有特别限定，能够根据期望的特性、用途等，任意地设定。另外，元件主体10的尺寸也能够根据期望的特性、用途等，任意地设定。
[0046]
在本实施方式中，元件主体10以长边方向的长度的中点c为边界，划分成电压输入部11和电压输出部12。电压输入部11和电压输出部12被一体化。
[0047]
如图2所示，电压输入部11为交替地层叠有压电体层30、内部电极层21a以及内部电极层21b的层叠体。即，压电变压器1为层叠型压电变压器。电压输入部11中的压电体层30的层叠数没有特别限定，能够根据期望的特性、用途等，任意地设定。在本实施方式中，压电体层30能够设为1层～300层。此外，压电体层30位于电压输入部11的两主面侧，内部电极层21a、21b的层叠数根据压电体层30的层叠数来确定。
[0048]
另外，压电体层30的每1层的平均厚度(层间平均厚度)只要根据期望的特性、用途等任意设定即可。在本实施方式中，压电体层30的层间平均厚度例如能够设为1～200μm，也可以为50～140μm。另一方面，内部电极层21a、21b的每1层的平均厚度也可以任意设定，在本实施方式中，能够设为0.5～20μm，也可以为1～10μm。
[0049]
内部电极层21a、21b分别具有与输入电极20a、20b相同的形状。从层叠方向观察时，输入电极20a和内部电极层21a以重复的方式配置，输入电极20b和内部电极层21b以重复的方式配置。另外，内部电极层21a和内部电极层21b经由压电体层30交替地层叠。
[0050]
如图1所示，内部电极层21a经由引出部21ac，引出到元件主体10的端面10c，并在端面10c上露出。同样地，内部电极层21b经由引出部21bd，引出到元件主体10的端面10c，并在端面10c上露出。
[0051]
输入电极20a和引出部21ac通过连接电极20c电连接，输入电极20b和引出部21bd通过连接电极20d电连接。即，输入电极20a和内部电极层21a电连接，输入电极20b和内部电极层21b电连接。另外，在本实施方式中，连接电极20c和连接电极20d沿着元件主体10的短边方向相对于通过短边方向的长度的中点的直线线对称地配置，且相互绝缘。
[0052]
在本实施方式中，通过电压输入部11具有如上所述的结构，能够经由输入电极20a、20b及内部电极层21a、21b对各压电体层30施加电压。此外，电压输入部11的结构不限定于图1所示的结构，只要输入电极20a和内部电极层21a电连接，输入电极20b和内部电极层21b电连接，以使输入电极20a和输入电极20b不会短路即可。例如，连接电极20c、20d也可以是贯通压电体层30的通孔电极。另外，引出部21ac和引出部21bd也可以在元件主体10中
在相互不同的侧面露出，并与连接电极20c或连接电极20d电连接。
[0053]
另外，在图1及图2中分开记载了输入电极20a和连接电极20c，但它们在制造过程中能够一体地形成。同样地，输入电极20b和连接电极20d也能够一体地形成。
[0054]
电压输出部12为仅层叠有压电体层30的层叠体，在电压输出部12的主面及内部没有形成电极。在本实施方式中，在电压输出部12中，在与元件主体10的端面10c相对的面、即元件主体10的端面10d形成有输出电极20e。
[0055]
另外，在本实施方式中，元件主体10的电压输入部11在元件的厚度方向上发生极化，元件主体10的电压输出部12在元件的长边方向上发生极化。这样，通过构成具有内部电极层21a、21b的电压输入部11和仅由压电体层30构成的电压输出部12，元件主体10能够用作压电变压器。
[0056]
例如，当对输入电极20a、20b以规定的频率施加交流电压时，首先，在压电输入部11中，通过逆压电效应将电能转换成机械能，电压输入部11发生振动。然后，通过电压输入部11的振动，激励与电压输入部11一体化的电压输出部12，电压输出部12也发生振动。其结果，在电压输出部12中，通过压电效应将机械能转换成电能，并从输出电极20e输出转换的电能。
[0057]
以下，对压电变压器1的各结构要素进行详细地说明。
[0058]
(内部电极层21a、21b)
[0059]
内部电极层21a、21b均主要由导电材料构成。在本实施方式中，构成内部电极层21a、21b的导电材料为包含选自钯(pd)、镍(ni)、铂(pt)、金(au)、银(ag)中的至少一种元素和铜(cu)的合金。例如，例示了pd
‑
cu合金、ni
‑
cu合金、pt
‑
cu合金、au
‑
cu合金、ag
‑
pd
‑
cu合金等，特别是，优选使用pd
‑
cu合金。另外，构成内部电极层21a、21b的上述合金的熔点优选为850℃以上，更优选为1000℃～1200℃的范围内。
[0060]
如上所述，内部电极层21a、21b中含有铜，各内部电极层21a、21b中的cu的含有率c
ie
以铜元素换算为1at％以上50at％以下，更优选为1at％～10at％的范围内，进一步优选为3at％～8at％的范围内。通过c
ie
为上述的范围内，能够降低压电变压器1的介电损耗。
[0061]
此外，各内部电极层21a、21b中所含的cu的含有率c
ie
能够通过进行利用电感耦合等离子体发光分光分析装置(icp)的定量分析、或在使用扫描型电子显微镜(sem)或扫描透射型电子显微镜(stem)等的截面观察时，进行利用电子束微分析仪(epma)的定量分析来测定。即，上述含有率c
ie
在规定的分析区域中表示为内部电极层100原子数中所含的cu元素的比例。含有率c
ie
优选改变测定区域(或试样采集部位)，至少实施2次利用icp或epma的定量分析，作为其平均值算出。
[0062]
另外，含有率c
ie
除了利用icp或epma的定量分析以外，还能够通过x射线衍射(xrd)来测定。在使用xrd的情况下，对通过2θ/θ测定等得到的xrd图案实施峰值分析，计算晶格常数。然后，基于维加德定律，由该晶格常数计算铜的含有率c
ie
。
[0063]
(压电体层30)
[0064]
电压输出部12、及电压输入部11的压电体层30由取得压电效应及逆压电效应的压电组成物构成。作为压电组成物，例示了锆钛酸铅(pzt：pbzr
x
ti1‑
x
o3)、碱金属铌酸盐系化合物(kn：knbo3或knn：(k,na)nbo3)、钛酸铋钠(bnt：binatio3)、铁酸铋(bfo：bifeo3)、blsf(通式：(bi2o2)
2+
(a
m
‑1b
m
o
3m+1
)2‑
)、铌酸钡钠(bsn：ba2nanb5o
15
)等。
[0065]
在本实施方式的压电体层30中，在上述化合物中，优选包含具有钙钛矿结构的复合氧化物作为主成分。此外，在本实施方式中，主成分是指压电组成物100mol％中，占据90mol％以上的成分。
[0066]
钙钛矿结构的复合氧化物由通式abo3表示，在上述化合物中，pzt、kn、knn、bnt、bfo符合。在本实施方式中，在钙钛矿结构的复合氧化物中，特别优选将pzt、或kn、knn等碱金属铌酸盐系化合物作为主成分。pzt或碱金属铌酸盐系化合物的压电特性特别优异，且通过将它们作为主成分，位移量或驱动力等的作为压电元件的性能提高。
[0067]
在本实施方式中，压电体层30除了上述主成分以外，作为副成分，优选包含cu。在作为副成分包含铜的情况下，压电体层30中的cu的存在形态没有特别限制，cu可以固溶于由主成分构成的主相的晶粒内，也可以存在于晶界。在cu存在于晶界的情况下，也可以与其它元素形成化合物。
[0068]
压电体层30中所含的cu的含有率c
pe
以铜元素换算优选为0.5mol％以上5.0mol％以下，更优选为1.0mol％～4.5mol％的范围内。通过压电体层30中的cu的含有率c
pe
为上述的范围内，在本实施方式的压电变压器1中，机械品质因数qm处于提高的趋势。另外，在压电体层30中，通过cu存在于主相的晶粒内或/及晶界，主相间的结合力变强，且还能够提高压电体层30的机械强度。
[0069]
另外，压电体层30中所含的cu的含有率c
pe
与含有率c
ie
同样地，能够通过进行利用icp的定量分析、或利用epma的定量分析来测定。即，含有率c
pe
在规定的分析区域中，表示为压电体层100摩尔中所含的cu元素的比例。此外，含有率c
pe
也优选改变测定区域(或试样采集部位)，至少实施2次利用icp或epma的定量分析，作为其平均值算出。
[0070]
另外，在本实施方式中，压电体层30中除了cu以外，也可以包含其它成分作为副成分。作为其它成分，例如也可以含有选自过渡金属元素(长周期型元素周期表中的第3族～第11族的元素)、长周期型元素周期表中的第2族元素、第12族元素、第13族元素、以及锗(ge)中的至少一种。
[0071]
具体而言，作为除稀土元素以外的过渡金属元素，例如，可以举出铬(cr)、锰(mn)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、钨(w)、钼(mo)等。另外，作为稀土元素，例如，可以举出钇(y)、镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)等。
[0072]
作为第2族元素，例示了镁(mg)、锶(sr)，作为第12族元素，例示了锌(zn)，作为第13族元素，例示了铝(al)、镓(ga)、铟(in)。
[0073]
此外，上述的cu以外的副成分优选与cu的副成分一同添加。在压电体层30的主成分为pzt的情况下，在上述副成分(cu以外)中，优选选择mn、cr、fe。另一方面，在压电体层30的主成分为碱金属铌酸盐系化合物的情况下，在上述副成分(cu以外)中，优选选择ge、ta、zn。
[0074]
(其它电极)
[0075]
输入电极20a、20b、连接电极20c、20d、以及输出电极20e只要均由导电材料构成即可，该导电材料没有特别限定。例如，可以举出金(au)、银(ag)、铂(pt)、钯(pd)、ni(镍)、铜(cu)、锡(sn)等或者包含上述元素中的任一种的合金。构成电极20a～20e的导电材料也可以与构成内部电极层21a、21b的合金相同。另外，电极20a～20e也可以通过对混合有上述金
属元素的粉末和sio2等玻璃粉末的膏进行烧接处理而形成。进而，在各电极20a～20e的外层也可以形成包含上述金属元素等的镀层或溅射层。
[0076]
(元件主体10)
[0077]
如上所述，在本实施方式中，优选在内部电极层21a、21b含有cu，压电体层30也含有cu。该情况下，元件主体10(层叠体)整体中所含的cu的含有率c
lb
优选设为1.0mol％以上5.0mol％以下。通过将cu相对于元件主体10整体的含有率c
lb
设为上述范围内，能够进一步降低介电损耗，且能够进一步提高qm。
[0078]
在此“铜的含有率c
lb”是指cu的总摩尔数相对于元件主体10整体的总摩尔数(总物质的量)的比率，cu的总摩尔数是内部电极层21a、21b中所含的cu的摩尔数和压电体层30中所含的cu的摩尔数的总和。即，含有率c
lb
不仅取决于内部电极层21a、21b中所含的cu的含有率c
ie
、及压电体层30中所含的cu的含有率c
pe
，还取决于各层的层叠数及尺寸(即，构成层叠体的各层的体积)。
[0079]
更具体而言，含有率c
lb
通过以下的顺序来计算。首先，算出内部电极层21a、21b的总摩尔数n
ie
和压电体层30的总摩尔数n
pe
。内部电极层的总摩尔数n
ie
是将元件主体10中所含的内部电极层21a、21b的总体积设为v
ie
，将内部电极层21a、21b的理论密度设为ρ
ie
，将内部电极层21a、21b的理论分子量设为m
ie
，基于以下的(1)式而算出的。
[0080]
n
ie
＝v
ie
×
ρ
ie
/m
ie
…
(1)
[0081]
同样地，压电体层30的总摩尔数n
pe
是将元件主体中所含的压电体层30的总体积设为v
pe
，将压电体层30的理论密度设为ρ
pe
，将压电体层30的理论分子量设为m
pe
，并基于以下的(2)式而算出的。
[0082]
n
pe
＝v
pe
×
ρ
pe
/m
pe
…
(2)
[0083]
此外，在上述(1)式及(2)式中，ρ
ie
和m
ie
、及ρ
pe
和m
ie
均基于利用icp或epma的定量分析结果而算出。例如，在内部电极层的定量分析结果为cu：4at％(＝4mol％)、pd：余量(96at％)的情况下，ρ
ie
和m
ie
由以下的式子求出。
[0084]
ρ
ie
＝{4mol％
×
cu的密度(8.96g/cm3)}+{96mol％
×
pd的密度(12.02g/cm3)}
[0085]
m
ie
＝{4mol％
×
cu的原子量(63.5g/mol)}+{96mol％
×
pd的密度(106.4g/mol)}
[0086]
另外，在上述(1)式及(2)式中，v
ie
及v
pe
通过各层的层叠数及各层的尺寸来计算。此外，在图1所示的压电变压器1的情况下，压电体层30的总体积v
pe
为电压输入部11中所含的压电体层30的体积和电压输出部12中所含的压电体层30的体积的总和。
[0087]
然后，通过将上述得到的n
ie
和n
pe
、及定量分析结果(即c
ie
及c
pe
)代入以下的(3)式，得到含有率c
lb
。
[0088]
c
lb
(mol％)＝{(c
ie
×
n
ie
/100)+(c
pe
×
n
pe
/100)}/{n
ie
+n
pe
}
×
100％
…
(3)
[0089]
从上述(1)～(3)式可知，元件主体10(层叠体)整体中所含的cu的含有率c
lb
能够通过内部电极层21a、21b的组成、压电体层30的副成分的含量、各层的层叠数以及尺寸来控制。
[0090]
接着，在以下对本实施方式的压电变压器1的制造方法的一例进行说明。
[0091]
首先，对元件主体10的制造工序进行说明。在元件主体10的制造工序中，准备在烧成后成为压电体层30的生片和在烧成后成为内部电极层21a、21b的内部电极用膏。
[0092]
生片例如通过以下的方法来制造。首先，在将压电体层30的起始原料以规定的比
例称量后，使用球磨机等搅拌机，进行5～20小时混合。此时，作为主成分的起始原料，能够使用氧化物、碳酸盐、碳酸氢化合物等。例如，在将压电体层30的主成分设为knbo3的情况下，作为包含k的起始原料，能够使用碳酸氢钾(khco3)的粉末，作为包含nb的起始原料，能够使用氧化铌(nb2o5)的粉末。另外，在压电体层30中含有副成分的情况下，作为副成分的起始原料，能够使用金属单质、氧化物、复合氧化物、碳酸盐、草酸盐、醋酸盐、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等。例如，在添加cu作为副成分的情况下，作为cu的起始原料，例示了cu单质、氧化铜(cuo等)、k
α
cu
β
ta
γ
o
δ
等的包含cu的复合氧化物等。
[0093]
主成分的起始原料、及副成分的起始原料均为粉体，其平均粒径优选为0.1μm～5.0μm的范围内。此外，副成分的起始原料也可以在上述主成分起始原料的混合工序中添加，但优选在后述的煅烧后进行添加。
[0094]
另外，在起始原料的混合工序中，作为混合的方法，可以为湿式混合，也可以为干式混合。在进行湿式混合的情况下，使混合后得到的混合粉干燥。另外，在此得到的混合粉也可以在进行冲压成型，形成了临时成型体后，实施以下所示的煅烧处理。
[0095]
在煅烧处理中，将混合粉或临时成型体在大气中，在750～1050℃、1～20小时的条件下进行热处理，得到复合氧化物的煅烧粉末(或煅烧体)。在对临时成型体进行煅烧的情况、或得到的煅烧粉末凝聚的情况下，例如，优选使用球磨机等压碎机，进行规定时间的煅烧粉末的粉碎，制成粉碎粉。以下工序中使用的煅烧粉末的平均粒径、或粉碎粉的平均粒径优选为0.1μm～5μm。
[0096]
在煅烧处理后添加副成分的情况下，在上述煅烧粉末或粉碎粉中添加秤量成规定的比例的副成分的起始原料并进行混合，从而得到压电组成物的原料粉。主成分和副成分的混合也与上述中的主成分起始原料的混合同样地，能够利用球磨机或珠磨机等各种混合机通过湿式混合或干式混合来实施。在压电体层30包含cu作为副成分的情况下，该cu的含有率c
pe
能够通过副成分的起始原料的添加量来控制。
[0097]
接着，在上述得到的原料粉中添加粘合剂和溶剂，利用球磨机等混合并进行浆料化，由此得到生片用膏。作为此时使用的粘合剂，能够使用丙烯酸类树脂、乙基纤维素类树脂、聚乙烯醇缩丁醛类树脂等溶解于有机溶剂的树脂、或聚乙烯醇、纤维素、水溶性丙烯酸树脂等水溶性粘合剂，作为溶剂，能够使用乙醇、丙酮、萜品醇、丁基卡必醇等有机溶剂、或纯水等。另外，除了上述以外，也可以添加增塑剂、分散剂等。
[0098]
然后，通过刮刀法等方法在pet等树脂膜上以规定的厚度涂布生片用膏，其后，使其适当干燥，由此得到生片。
[0099]
另一方面，内部电极用膏通过使用三辊机等的混炼机，对导电性金属的粉末、粘合剂以及溶剂进行混炼，并使其浆料化而得到。作为导电性金属的粉末，能够使用cu粉末、pd粉末、ni粉末、pt粉末、au粉末、ag粉末等。另外，还能够使用pd
‑
cu合金粉末、ag
‑
pd合金粉末等预先合金化后的粉末。本实施方式的内部电极层21a、21b包含cu，该cu的含有率c
ie
能够通过内部电极用膏中所含的cu粉末的比例来控制。
[0100]
此外，在内部电极用膏中，作为粘合剂，能够使用乙基纤维素类树脂、缩醛类树脂、丙烯酸类树脂等，作为溶剂，能够使用萜品醇、松油醇等各种醇类或甲基乙基甲酮(mek)、二甲苯等。进而，在内部电极用膏中除了上述以外，也可以添加苯并三唑等腐蚀抑制剂、homogenol等抗静电剂等。
[0101]
使用这样得到的生片和内部电极用膏，制作成为元件主体10的生坯芯片。首先，通过胶版印刷或丝网印刷等各种印刷法，将内部电极用膏印刷到生片上。此时，使用形成有与内部电极层21a、21b对应的图案的印刷用掩模等，调节膏的涂布部位。
[0102]
然后，将印刷有内部电极用膏的生片按图1所示的规定的顺序进行层叠。此时，在层叠方向的最下层和最上层配置未印刷内部电极用膏的生片。然后，对该层叠体进行热压，得到生坯芯片。在本实施方式中，热压优选一边加热至20～100℃，一边以30～300mpa的压力进行3～15分钟。
[0103]
接着，对得到的生坯芯片实施脱粘合剂处理。脱粘合剂处理的条件是将保持温度优选设为400℃～800℃，将温度保持时间优选设为2小时～8小时。
[0104]
接着，将脱粘合剂处理后的生坯芯片烧成。作为烧成条件，将保持温度优选设为950℃～1060℃，将温度保持时间优选设为2小时～4小时，将升温及降温速度优选设为50℃/小时～300℃/小时。另外，烧成时的炉内气氛能够设为氮或氮
·
氢的混合气氛、即还原气氛，但优选为大气气氛。此外，在还原气氛下烧成的情况下，压电组成物的组成略微变动，因此，优选在烧成后实施再氧化处理。
[0105]
另外，在压电体层30中添加cu成分作为副成分的情况下，在内部电极用膏中也可以不添加cu粉末。该情况下，通过适当控制烧成的条件，能够使压电体层30(生片)中所含的cu扩散到内部电极层21a、21b。
[0106]
例如，优选在到达烧成温度前瞬间(或数分钟左右)使温度成为高于通常的1060℃～1200℃的温度。这样，通过增加在烧成时施加的总热能，压电体层侧的cu容易扩散到内部电极层侧。
[0107]
如上所述，在使压电体层侧的cu扩散，并控制内部电极层中所含的cu的含有率c
ie
的情况下，含有率c
ie
成为1.0at％～10at％左右的范围。即，在使含有率c
ie
超过10at％的情况下，优选在内部电极用膏中添加cu粉末来调节含量。
[0108]
通过上述的方法，可以得到作为烧结体的元件主体10。对烧成后的元件主体10实施适当抛光、切割等处置，在元件主体10上形成输入电极20a、20b、连接电极20c、20d、输出电极20e。这些电极20a～20e能够通过涂布电极用膏并烧接而形成。另外，也可以通过蒸镀、溅镀、镀敷等来形成，电极20a～20e的形成方法没有特别限定。
[0109]
最后，对形成有电极的元件主体10在规定温度的油中施加5分钟～1小时左右的2kv/mm～5kv/mm的电场，进行极化处理。此外，油的温度、施加的电场的大小等的最佳范围根据压电组成物的主成分而不同。另外，对电压输入部11，沿内部电极的层叠方向进行极化处理，对电压输出部12，沿元件主体10的长边方向进行极化处理。由此，在极化处理后，可以得到电压输入部11中自发极化与内部电极的层叠方向一致，电压输出部12中自发极化与元件主体的长边方向一致的压电变压器。
[0110]
此外，在上述中，示出了用于得到1个元件主体10的步骤，但也可以使用在一片片材上形成有多个内部电极图案的生片。使用这样的片材而形成的集合层叠体在烧成前或烧成后适当切割。由此，最终可以得到多个图1所示的元件。
[0111]
(本实施方式的总结)
[0112]
本实施方式的压电元件(压电变压器1)中，元件主体10中所含的内部电极层21a、21b由包含cu的合金构成。而且，内部电极层21a、21b中所含的cu的含有率c
ie
为1.0at％以上
50at％以下。通过这样调节内部电极层中的cu含量，能够降低介电损耗。
[0113]
在此，介电损耗是决定压电元件的性能的重要的特性之一。例如，在对压电元件施加电场时，根据介电损耗的大小，供给的电能的一部分作为热能被消耗。即，在电能和机械能的相互转换中，如果介电损耗大，则转换效率降低。通常介电损耗使用阻抗分析仪等，作为介电损耗角正切tanδ(单位：％)进行测定，tanδ的值越小，则介电损耗越小，判断为性能越良好。在本实施方式的压电元件中，通过在内部电极层中含有规定量的cu，能够使测定频率1khz下的tanδ降低至低于10％。
[0114]
介电损耗降低的理由未必清楚，但例如认为以下的理由。作为压电元件中的内部电极，认为在使用通常的pd电极或ag
‑
pd合金电极的情况下，内部电极层和压电体层有时未充分地密合，从而产生间隙或剥离，在这样的间隙等的影响下，介电损耗变大。在本实施方式的压电元件中，认为通过在内部电极层中含有规定量的cu，内部电极层和压电体层的密合性提高。密合性提高的结果，认为能够抑制在内部电极层和压电体层之间产生间隙或剥离，从而能够降低介电损耗。
[0115]
另外，在本实施方式的压电元件中，压电体层30中也含有cu，压电体层30中所含的cu的含有率c
pe
为1.0mol％以上4.5mol％以下。认为通过这样在压电体层30中含有cu，在极化处理中，能够抑制漏电流的产生，压电体层30的自发极化充分地进行。其结果，能够降低介电损耗，并且能够提高机械品质因数qm。
[0116]
进而，在本实施方式的压电元件中，元件主体10(层叠体)整体中所含的cu的含有率c
lb
为1.0mol％以上5.0mol％以下。通过含有率c
lb
处于上述的范围内，能够进一步降低介电损耗，并且进一步提高qm。
[0117]
(变形例)
[0118]
此外，在本实施方式中，作为压电元件的一例，示出了压电变压器1，但本发明的压电元件除了压电变压器以外，还能够应用于压电致动器、压电蜂鸣器、压电扬声器、超声波马达、传感器等。例如，图3所示的压电元件100能够用作压电致动器。
[0119]
图3所示的压电元件100不具有相当于图1的压电变压器1中的电压输出部12的结构，在元件主体110中，压电体层30和内部电极层21a、21b交替地层叠。另外，内部电极层21a、21b各自的端部在元件主体110的端面110c、110d露出，并在露出的端部与端子电极220c、220d电连接。压电元件100经由未图示的配线等，将外部电源或外部电路与端子电极220c、220d连接，由此作为压电致动器起作用。
[0120]
此外，在压电元件100中，压电体层30的平均厚度及层叠数能够与上述的实施方式相同。另外，压电元件100中的内部电极层21a、21b的平均厚度及层叠数也能够与上述的实施方式相同。
[0121]
另外，在压电元件100中，通过将cu的含有率c
ie
、c
pe
、c
lb
控制在规定的范围，可以得到与上述的实施方式同样的效果。另外，包含压电元件100的压电致动器相对于施加电压，可以高精度地得到微小的位移，且响应速度快，因此，例如能够应用于光学系统零件的驱动装置、hdd的磁头驱动装置、喷墨打印机的头驱动装置、燃料喷射阀的驱动装置、以及触觉器件等。
[0122]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，在本发明的范围内，也可以以各种方式进行改变。
[0123]
实施例
[0124]
以下，使用实施例及比较例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明不限定于以下的实施例。
[0125]
(实施例1)
[0126]
在实施例1中，按以下的顺序制作图3所示的压电元件100，测定得到的样品的介电损耗角正切tanδ和机械品质因数qm。
[0127]
首先，作为压电组成物的起始原料，准备碳酸氢钾(khco3)的粉末和氧化铌(nb2o5)的粉末，以烧成后成为规定的组成(knbo3)的方式称量。然后，在将该起始原料通过球磨机湿式混合16小时后，在120℃下干燥，得到混合粉。接着，对得到的混合粉进行冲压成型，在1000℃下煅烧4小时，得到复合氧化物的煅烧体。进而，将该煅烧体通过球磨机粉碎16小时，得到粉碎粉。
[0128]
在实施例1中，通过在上述得到的粉碎粉(原料粉)中添加粘合剂和溶剂，而不添加副成分，并利用球磨机进行混合，制作生片用膏。此时，作为粘合剂，使用聚乙烯醇缩丁醛树脂，将其相对于原料粉100重量份添加10重量份。另外，作为溶剂，使用mek，将其相对于原料粉100重量份添加100重量份。进而，在实施例1中，作为增塑剂，相对于原料粉100重量份添加5重量份的邻苯二甲酸二丁酯(dop)。
[0129]
另外，与上述分开地，使用pd粉末和cu粉末，制作内部电极用膏。具体而言，以规定的比率秤量pd粉末和cu粉末，在其中添加乙基纤维素(粘合剂)、萜品醇(溶剂)和苯并三唑(腐蚀抑制剂)，通过利用三辊机进行混炼，制作pd
‑
cu合金膏。此时，各成分的添加量相对于膏100wt％设为粘合剂：3wt％、溶剂：52wt％、腐蚀抑制剂：0.4wt％。
[0130]
接着，通过将生片用膏以规定的厚度涂布于pet膜上，使其干燥，得到生片。然后，通过在该生片上，将pd
‑
cu合金膏以规定的图案印刷，并从pet膜上剥离，得到了印刷有内部电极图案的生片。接着，将该生片按规定的顺序层叠多个。另外，在层叠方向的最下层及最上层层叠未形成电极图案的生片，然后通过进行加压粘接，得到生坯芯片。
[0131]
对这样得到的生坯芯片实施脱粘合剂处理。脱粘合剂处理在大气气氛下，将保持温度设为550℃，将温度保持时间设为2小时来实施。接着，将脱粘合剂处理后的生坯芯片在大气气氛下，在1050℃、2小时的条件下烧成，得到层叠体(烧结体)试样。
[0132]
接着，在得到的层叠体的2个端面上印刷银膏，在800℃下进行烧接处理，形成端子电极。最后，对形成端子电极后的层叠体在150℃的硅油中施加5分钟3kv/mm的电场，实施极化处理，得到实施例1的压电元件试样。
[0133]
此外，上述中省略了说明，但在实施例1中，将生片的层叠体作成集合层叠体，在脱粘合剂处理前切割该集合层叠体，由此制作30个压电元件试样。另外，在实施例1的压电元件试样中，压电体层的平均厚度为20μm，内部电极层以平均厚度2μm层叠10层。此外，通过sem观察得到的压电元件试样的截面。此时，通过epma进行压电体层及内部电极层的定量分析，测定实施例1的压电元件试样中的c
ie
、c
pe
、c
lb
，得到了表1所示的结果。此外，表1中的c
other
是指内部电极层中所含的cu以外的成分的含有率。
[0134]
(特性评价)
[0135]
另外，通过hewlett packard公司制造的阻抗分析仪(4194a)测定实施例1的压电元件试样的tanδ和qm。此外，tanδ在侧定电压：100mv、测定频率：1kh的条件下进行测定。在
本实施例中，将tanδ的基准值设为10％以下，将6％以下判断为良好，将4％以下判断为更良好。另一方面，关于qm，将290设为基准值，将1000以上判断为良好，将2000以上判断为更良好。
[0136]
(实施例2～6)
[0137]
在实施例2～6中，在pd
‑
cu合金膏的制作时改变pd粉末和cu粉末的比例，进行实验，制作c
ie
与实施例1不同的压电元件试样。将通过epma测定各实施例2～6的c
ie
、c
pe
、c
lb
的结果示于表1。另外，在实施例2～6中，上述以外的实验条件与实施例1相同，测定各压电元件试样的tanδ和qm。
[0138]
(比较例1及2)
[0139]
在比较例1及2中，也在pd
‑
cu合金膏的制作时改变pd粉末和cu粉末的比例，进行实验，制作c
ie
与实施例1不同的压电元件试样。上述以外的实验条件与实施例1相同，测定比较例1及2的压电元件试样的tanδ和qm。
[0140]
(实施例7～10)
[0141]
在实施例7～10中，变更pd
‑
cu合金膏的组成，并且还在压电体层中添加cu作为副成分，制作c
ie
及c
pe
与实施例1不同的压电元件试样。此外，在实施例7～10中，将在煅烧后进行了粉碎的粉碎粉和cuo利用球磨机混合16小时，然后，通过在120℃下进行干燥，得到压电体层用的原料粉。另外，实施例7～10中的c
pe
通过添加的cuo的添加量来控制。上述以外的实验条件与实施例1相同，测定各实施例7～10的压电元件试样的tanδ和qm。
[0142]
(实施例11～13)
[0143]
在实施例11～13中，改变层叠体中所含的压电体层的平均厚度、及内部电极层的平均厚度，进行实验，制作c
lb
的范围与实施例1～10不同的压电元件试样。将实施例11～13中的c
ie
、c
pe
、c
lb
示于表1。
[0144]
[表1]
[0145][0146]
(评价结果1)
[0147]
在比较例1中，由于c
ie
低于1.0at％，因此，tanδ较大，不能满足介电损耗的基准值。另外，在比较例1中，qm较小，也不能满足qm的基准值。在比较例2中，由于c
ie
超过50at％，因
此，与比较例1同样地，均不能满足tanδ的基准值及qm的基准值。相对于此，在c
ie
处于1.0at％以上50at％以下的范围内的实施例1～6中，与比较例1及2相比，tanδ变低，能够降低介电损耗。另外，在实施例1～6中，与比较例1及2相比，qm提高，能够满足qm的基准值。
[0148]
另外，图4是基于比较例1～2及实施例1～10的评价结果，绘制tanδ的测定结果相对于c
ie
的图表。从图4的结果能够确认，在c
ie
为1.0～50at％的情况下，能够降低介电损耗，进而能够确认c
ie
优选为1.0～15at％，更优选为3～8at％。
[0149]
另外，当比较实施例1～6和实施例7～10时，可知通过在压电体层中也包含cu，qm飞跃性地提高。图5是基于比较例1～2及实施例1～13的评价结果，绘制qm的测定结果相对于c
pe
的图表。从图5的结果能够确认，在c
pe
为1～4.5mol％的范围内的情况下，qm进一步高达2000以上。
[0150]
进而，当比较实施例1～6和实施例11～13时，可知在c
lb
为1～5mol％的范围内的情况下，tanδ进一步降低，且qm提高。另外，当比较实施例7～10和实施例11～12时，可知在实施例11～12中评价结果特别良好。从该结果能够确认，在c
ie
、c
pe
以及c
lb
均满足适当的范围的情况下，即，在c
ie
为1.0～50at％的范围内，c
pe
为1～4.5mol％的范围内，c
lb
为1～5mol％的范围内的情况下，tanδ进一步降低，且qm也进一步提高。
[0151]
(实施例21)
[0152]
在实施例21中，由au
‑
cu合金构成内部电极层，制作压电元件试样。在实施例21中，上述以外的实验条件与实施例1相同。
[0153]
(实施例22)
[0154]
在实施例22中，在内部电极用膏中没有添加cu粉末，进行实验，制作压电元件试样。此外，在实施例22中，通过从实施例1的条件变更烧成条件，使压电体层中所含的cu扩散到内部电极层。具体而言，在实施例22中，在烧成时，将温度设为高于实施例1的1060℃并保持1分钟，然后下降至1050℃，在该状态下保持2小时。另外，在实施例22中，上述以外的实验条件与实施例12相同。
[0155]
(实施例23～26)
[0156]
在实施例23、24中，由knn((k,na)nbo3)构成压电体层的主成分，制作压电元件试样。另外，在实施例25、26中，由pzt(pb(zr,ti)o3)构成压电体层的主成分，制作压电元件试样。此外，除了变更压电体层的主成分以外，实施例23、25的实验条件与实施例12相同，实施例24、26的实验条件与实施例11相同。
[0157]
将实施例21～26的评价结果示于表2。
[0158]
[表2]
[0159][0160]
从实施例21的结果能够确认，即使变更构成内部电极层的合金的种类，通过c
ie
、c
pe
以及c
lb
处于规定的范围内，也能够降低tanδ，且qm提高。
[0161]
从实施例22的结果能够确认，即使在使cu从压电体层向内部电极层扩散的情况下，通过c
ie
为规定的范围内，也能够降低tanδ。另外，当比较实施例22和表1所示的实施例12时，实施例22的评价结果比实施例12良好。从该结果可知，与在内部电极用膏中添加cu粉末相比，从压电体层使cu扩散的情况能够进一步降低tanδ，且qm进一步提高。
[0162]
从实施例23～26的结果能够确认，即使变更构成压电体层的主成分，通过c
ie
、c
pe
以及c
lb
处于规定的范围内，也能够降低tanδ，且qm提高。另外，当比较实施例11～12和实施例23～26时，可知通过压电体层的主成分为knn或pzt，tanδ的降低效果、qm的提高效果进一步增大。