JP3982267B2 - 積層型圧電セラミック素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子、圧電アクチュエータ、圧電フィルタ、圧電ブザー、圧電トランス等に使用される圧電セラミック素子の製造方法に関する。特に、Ａｇを主成分とする導体を内部電極とする積層型圧電セラミック素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電共振子、圧電アクチュエータ、圧電フィルタ、圧電ブザー、圧電トランス等に使用される圧電セラミック素子において、それぞれの用途に応じて、構造欠陥がなく、信頼性の高い優れた部品特性を有するためには、最適な条件で焼成することが必要不可欠であることはよく知られており、これまでにも種々の取り組みがなされている。
【０００３】
たとえば、特開平２−７４５６６号公報では、焼成温度までの昇温過程で、炉内雰囲気を酸素濃度５０体積％以上に保ち、かつ焼成温度における保持過程では、炉内雰囲気を酸素濃度が昇温過程の場合の１／２ないし１０体積％の条件下で焼成するプロセスを示している。これにより、酸素濃度５０体積％以上となる高酸素雰囲気条件下の昇温過程で、この時期に形成されるセラミックの閉気孔内の酸素濃度を高め、次いで焼成温度における保持過程で、酸素濃度を昇温過程の場合の１／２ないし１０体積％にすると、前述のセラミックの閉気孔内と外気の酸素濃度差が大きくなり、よって酸素の拡散速度が大きくなるので、酸化物で構成される圧電セラミックスを量産性よく緻密に焼結させることができると提案されている。
【０００４】
また、特開平４−３５７１６４号公報や特開平１０−９５６６５号公報では、全焼成プロファイルにおいて、酸素濃度が８０体積％以上となる雰囲気条件下で焼成するプロセスを示している。これにより、セラミック粒内の空孔や構造欠陥を抑制した緻密で高信頼性の圧電セラミック素子、特に圧電共振子を得ることができるとされている。
【０００５】
さらに、内部電極の種類に依らず、全焼成プロファイルにおいて、大気中、すなわち酸素濃度が約２１体積％の雰囲気中で焼成するプロセスも知られており、種々の圧電セラミック部品において一般的に適用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示したような圧電セラミック素子に用いられてきた従来の焼成プロセスでは、内部電極となるＡｇを主成分とする導電性ペーストを塗布したセラミックグリーンシートを積み重ねてできた未焼成の積層体を焼成すると、内部電極に含まれるＡｇが圧電セラミック層中のセラミック粒内に取り込まれて、圧電特性を劣化させるという問題点があった。
【０００７】
また、一方、近年において圧電素子の技術分野では、高周波化への対応として、圧電素子そのものの低背化が進んでいる。低背化すると、圧電セラミック素子の厚みが薄くなるが、このような場合においても、高周波の機械振動で圧電セラミック素子が破壊されないように、十分な機械的強度が必要とされる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法は、Ｐｂ元素の化合物を含有している圧電セラミック材料のセラミックグリーンシート上に、Ａｇを主成分とする導体を含む導電性ペーストを塗布し、該セラミックグリーンシートを積み重ねて積層体とする工程と、該積層体を焼成時の昇温過程での酸素濃度が９０体積％以上で、かつ保持過程と降温過程での酸素濃度が５体積％〜１５体積％となる雰囲気中で焼成する工程とを備えることを特徴としている。
【００１０】
ここで、焼成時の昇温過程において、酸素濃度を９０体積％以上としたのは、以下の理由による。
【００１１】
９０体積％以上では、圧電セラミック素子を構成するセラミックの内部に形成される空孔の酸素濃度を高めて、酸素を拡散させ、空孔を低減させることができるため、その結果、緻密な焼結体を得ることができるからである。
【００１２】
しかしながら、９０体積％より低い場合では、上述とは反対に、圧電セラミック素子を構成するセラミックの内部に形成される空孔において、酸素濃度が不十分なために、空孔を十分に低減させることができないので、その結果、緻密な焼結体が得られず、セラミックの抗折強度が低下するからである。
【００１３】
また、焼成時の保持過程と降温過程において、酸素濃度を５体積％〜１５体積％の範囲にしたのは、以下の理由による。
【００１４】
５体積％〜１５体積％の範囲では、圧電セラミック素子を構成するセラミックの粒界にあるＰｂ量を低減させることができ、圧電セラミック素子自体の特性、すなわち圧電特性、および信頼性を向上させることができるからである。
【００１５】
すなわち、焼成時の昇温過程における、酸素濃度９０体積％以上の高酸素濃度雰囲気下では、Ｐｂの蒸気圧が高いために、圧電セラミック素子自体からのＰｂの蒸発が低減され、雰囲気中からの再付着もなされるので、セラミックの粒界ではＰｂ量が多い状態となる。しかし、次いで保持過程と降温過程における、酸素濃度５体積％〜１５体積％の低酸素濃度雰囲気下では、Ｐｂの蒸気圧が低くなるため、圧電素子を構成するセラミックの粒界に存在するＰｂの蒸発が促進され、粒界の不純物成分が低減されるので、圧電素子自体の特性が改善され、向上することによる。
【００１６】
しかしながら、１５体積％を越える場合では、上述に示したセラミックの粒界におけるＰｂ量を低減させる効果がなくなり、圧電特性が低下するためである。
【００１７】
また、５体積％より低い場合では、圧電素子自体の還元が起こり、圧電特性が低下するためである。
【００１８】
昇温過程では、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物では、酸素濃度が約９０体積％以上の雰囲気条件下で焼成される。保持過程、すなわち最高温度域の焼成温度は前記雰囲気条件下で、積層体の焼結が完了する温度、すなわち具体的には積層焼成体の充填密度が理論密度に対して９９％以上となる温度に設定される。なお、最高温度域での保持時間も前記の焼成温度の場合と同様な条件で設定される。
【００１９】
なお、昇温速度および降温速度は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物では、いずれも、毎分１〜１０℃の範囲で設定されており、最高温度域における保持時間は１〜１０時間の範囲で設定される。
【００２０】
ただし、焼成条件は、上記の条件に限定されるものではなく、Ｐｂ元素の化合物を含有する圧電セラミック材料の種類（組成系）によって、最適な焼成温度、昇温速度、保持時間、および降温速度を選択すればよい。
【００２１】
なお、前記セラミックグリーンシート中の圧電セラミック材料としては、上記に示したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物のほか、たとえばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）系の化合物、メタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ2Ｏ6）系の化合物、およびメタタンタル酸鉛（ＰｂＴａ2Ｏ6）系化合物等を含有しているものからなる。
【００２２】
また、内部電極用導電性ペーストに含まれる導体は、Ａｇを主成分とするもので構成され、Ａｇが１００重量％、もしくはＰｄが５０重量％以下を含有しているものからなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法について、積層型圧電トランス（実施例１）の例と積層型圧電アクチュエータ（実施例２）の例を用いて、実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
［実施例１］
まず、出発原料として、Ｐｂ3Ｏ4、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＭｎＣＯ3を用意した。
【００２５】
次いで、９９．９４重量％のＰｂ（（Ｓｎ1/3Ｓｂ2/3）0.10Ｚｒ0.45Ｔｉ0.45）Ｏ3からなる主成分に添加物として０．０６重量％のＭｎＯを含有する圧電セラミックが得られるように、上記原料を秤量し、ボールミルにて湿式混合した。さらに、上述の混合物を脱水、乾燥して、８２０℃の温度で２時間仮焼し、粉砕することにより、仮焼粉末を得た。
【００２６】
次いで、この仮焼粉末に、アクリル系有機バインダー、有機溶剤、および可塑剤などの添加物を加えて、ボールミルにて湿式混合して、スラリーを得た。このスラリーをドクターブレード法にて成形し、約１００μｍの厚さのセラミックグリーンシートを作製した。
【００２７】
このセラミックグリーンシート上に、Ａｇ／Ｐｄ導体を含有する導電性ペーストを、スクリーン印刷法により、焼成後の厚みが１．０〜３．０μｍとなるように塗布し、乾燥させて、内部電極用の層が形成されたセラミックグリーンシートを得た。その後、このセラミックグリーンシートを積み重ね、熱プレスにより圧着させて、一体化させた積層体を得た。
【００２８】
次いで、この積層体を所定の寸法になるようにカットし、あらかじめ、約５００℃の温度でバインダー成分を十分に除去させ、表１に示す焼成プロファイルおよび焼成雰囲気を用いて、焼成を行った。
【００２９】
なお、昇温速度は毎分４℃、最高温度域での保持時間は３時間、および降温速度は毎分４℃とした。
【００３０】
また、表１において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００３１】
【表１】
【００３２】
この積層焼成体に、外部電極をスクリーン印刷法にて塗布し、焼成して入力側外部電極および出力側外部電極を形成し、積層型圧電トランスを得た。
【００３３】
次に、６０℃の絶縁オイル中で、入力側については厚み方向に分極処理を施し、出力側については長さ方向に分極処理を施した。この時の分極条件は、直流電界が４．０ｋＶ／ｍｍ、印可時間が６０分であった。その後、１２０〜２００℃の空気中で、３０〜６０分間、エージングして、図１〜３に示すような目的とする積層型圧電トランス１０を得た。なお、図１〜３において、１１は圧電セラミック、１２は内部電極、１３は入力側（１次側）外部電極、１４は出力側（２次側）外部電極をそれぞれ示す。
【００３４】
これらの積層型圧電トランスのトランス特性、具体的には、最大昇圧比と最大効率を以下に示す方法で求めた。また、積層型圧電トランス自体の抗折強度とポア占有率も以下に示す方法で求めた。その結果を表２に示す。
【００３５】
なお、表２において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００３６】
最大昇圧比と最大効率については、図４に示すような測定系を用いて、測定を行った。入力電圧Ｖinと入力電流Ｉin、および出力電圧Ｖoutは、パワーアナライザにて測定した。電源は、周波数が可変できる交流電源を使用した。ｃｏｓΦは力率を指す。なお、図４において、２１は交流電源、２２は積層型圧電トランスを示す。また、抵抗Ｒ１およびＲ２はそれぞれ１ｋΩ，１００ｋΩである。
【００３７】
昇圧比は入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutの比で示され、最大昇圧比は式１を用いて求めた値のことである。なお、Ｖoutは、交流電源にて一定電圧Ｖinを印可した時の最大となる値を用いた。最大昇圧比の単位は、ｄＢである。
【００３８】
効率は入力電力と出力電力の比で示され、最大効率は式２を用いて求めた値のことである。なお、Ｖoutは、交流電源にて一定電圧Ｖinを印可した時の最大となる値を用いた。最大効率の単位は、％である。
式１ 最大昇圧比＝２０×ｌｏｇ（Ｖout÷Ｖin×１０１）
式２ 最大効率＝１０１×Ｖout 2×０．００１÷（Ｖin×ＩinｃｏｓΦ）
昇圧比は、トランスの基本性能を示し、昇圧比が高いほど、高性能であることを意味する。また、効率は、電気→機械→電気へのエネルギー伝送の変換効率を示し、効率が高いほど、入力電力に対する変換ロスが少ないため、低消費電力化が図れることを意味する。
【００３９】
抗折強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に規定するセラミックスの曲げ強さ試験方法に基づいて測定した。また、ポア占有率は、積層型圧電トランスを鏡面研磨し、画像処理にてセラミック緻密部とポア部の面積比率を求めて算出した。
【００４０】
抗折強度が大きいほど、圧電セラミック自体の機械的強度が高いことを意味し、また、ポア占有率が小さいほど、圧電セラミック自体の緻密性が大きいことを意味する。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表１、２から明らかなように、本発明の範囲内の焼成雰囲気条件下で焼成した圧電素子では、試料番号２、３、５、６、９、および１０のように、ポア占有率が１％以下と緻密な焼結体であり、抗折強度は、１２０ＭＰａ以上と高水準な値を示しており、さらにトランス特性も、最大昇圧比が３１ｄＢ以上で、最大効率が９５％以上と良好であることがわかる。
【００４３】
したがって、本発明の目的である、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【００４４】
ここで、表２を参照しながら、本発明の焼成雰囲気条件における限定理由を以下に説明する。
【００４５】
まず、昇温過程の酸素濃度を９０体積％以上としたのは、酸素濃度が９０体積％未満の場合では、試料番号１のように、ポア占有率が約２％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１２０ＭＰａ未満で低水準となる。
【００４６】
保持過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号４のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号７のように、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準となる。
【００４７】
降温過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号８のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号１１のように、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準となる。
【００４８】
なお、従来例として、昇温、保持、降温の全過程において、酸素濃度を２１％にした場合と、酸素濃度を９０％とした場合について、試料番号１２ないし１３に示した。
【００４９】
試料番号１２では、ポア占有率が約３％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１００ＭＰａ未満で低水準であり、また、試料番号１３では、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準であった。
【００５０】
以上の通り、本発明の範囲内における焼成雰囲気条件を用いて、積層型圧電トランスを焼成することにより、高い機械的強度と良好なトランス特性を双方に実現することが可能となる。
【００５１】
［実施例２］
まず、出発原料として、Ｐｂ3Ｏ4、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、およびＳｒＣＯ3を用意した。次いで、Ｐｂ0.98Ｓｒ0.02（Ｚｒ0.45Ｔｉ0.55）Ｏ3の圧電セラミック組成物が得られるように、上記原料を秤量し、ボールミルにて湿式混合した。
【００５２】
さらに、上述の混合物を脱水、乾燥して、８００℃の温度で２時間仮焼し、粉砕することにより、仮焼粉末を得た。
【００５３】
次いで、この仮焼粉末に、アクリル系有機バインダー、有機溶剤、および可塑剤などの添加物を加えて、ボールミルにて湿式混合して、スラリーを得た。
【００５４】
このスラリーをドクターブレード法にて成形し、約４０μｍの厚さのセラミックグリーンシートを作製した。
【００５５】
このセラミックグリーンシート上に、Ａｇ／Ｐｄ導体を含有する導電性ペーストを、スクリーン印刷法により、焼成後の厚みが１．０〜３．０μｍとなるように塗布し、乾燥させて、内部電極用の層が形成されたセラミックグリーンシートを得た。その後、このセラミックグリーンシートを積み重ね、熱プレスにより圧着させて、一体化させた積層体を得た。
【００５６】
次いで、この積層体をあらかじめ、約５００℃の温度でバインダー成分を十分に除去させ、表１に示す焼成プロファイルおよび焼成雰囲気を用いて、焼成を行った。
【００５７】
なお、昇温速度は毎分４℃、最高温度域での保持時間は３時間、および降温速度は毎分４℃とした。
【００５８】
また、表１において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００５９】
この積層焼成体を、所定の大きさにカットした後、外部電極を塗布、焼成にて形成して、内部電極と電気的に接続させた、積層型圧電アクチュエータを得た。
【００６０】
次に、６０℃の絶縁オイル中で、４．０ｋＶ／ｍｍの直流電界を６０分間印加して、分極処理を施した。その後、１２０〜２００℃の空気中で、３０〜６０分間、エージングして、図５、６に示すような目的とする積層型圧電アクチュエータ３０を得た。なお、図５、６において、３１は圧電セラミック、３２は内部電極、３３は外部電極をそれぞれ示す。
【００６１】
これらの積層型圧電アクチュエータの圧電歪定数｜ｄ31｜、および圧電セラミックの電気抵抗率ρを求めた。その結果を表３に示した。
【００６２】
｜ｄ31｜はレーザードップラー振動計にて歪み量を測定し、３１方向の圧電歪定数を算出して求めた。また、ρはセラミック層を介した内部電極間にＤＣ５０Ｖの電圧を３０秒間印加した時の絶縁抵抗を測定し、その絶縁抵抗に電極面積を乗じ、この値を内部電極間のセラミック層厚みで割って求めた。
【００６３】
なお、表３において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００６４】
【表３】
【００６５】
表１、３から明らかなように、本発明の範囲内の焼成雰囲気条件下で焼成した圧電素子では、試料番号１５、１６、１８、１９、２２、および２３のように、ポア占有率が１％以下と緻密な焼結体であり、抗折強度は、１１０ＭＰａ以上と高水準な値を示しており、さらに圧電特性、および信頼性も、圧電歪定数｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎで、電気抵抗率ρが５×１０12Ω・ｍで良好であることがわかる。
【００６６】
したがって、本発明の目的である、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【００６７】
ここで、表３を参照しながら、本発明の焼成雰囲気条件における限定理由を以下に説明する。
【００６８】
まず、昇温過程の酸素濃度を９０体積％以上としたのは、酸素濃度が９０体積％未満の場合では、試料番号１４のように、ポア占有率が約２％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１１０ＭＰａ未満で低水準となる。
【００６９】
保持過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号１７のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号２０のように、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍ未満で圧電特性、および信頼性が低水準となる。
【００７０】
降温過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号２１のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号２４のように、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍで圧電特性、および信頼性が低水準となる。
【００７１】
なお、従来例として、昇温、保持、降温の全過程において、酸素濃度を２１％にした場合と、酸素濃度を９０％とした場合について、試料番号２５ないし２６に示した。
【００７２】
試料番号２５では、ポア占有率が約３％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１００ＭＰａ未満で低水準であり、また、試料番号２６では、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍで圧電特性、および信頼性が低水準であった。
【００７３】
以上の通り、本発明の範囲内における焼成雰囲気条件を用いて、積層型圧電アクチュエータを焼成することにより、高い機械的強度と良好な圧電特性、および信頼性を双方に実現することが可能となる。
【００７４】
なお、前記実施例には積層型圧電トランスおよびアクチュエータの場合について示したが、勿論この場合に限定されることはなく、圧電効果を利用した圧電共振子、圧電フィルタ、および圧電ブザー等の積層型圧電セラミック素子全般について適用できることは言うまでもないことである。図７に本発明が適用され得るインクジェット用の積層型圧電素子５０の斜視図を示す。５１は圧電セラミック、５２は内部電極、５３は外部電極を示す。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、Ａｇを主成分とする導体を含む内部電極とセラミック層を、焼成時の昇温過程での酸素濃度が９０体積％以上で、かつ保持過程と降温過程での酸素濃度が５体積％〜１５体積％となる雰囲気中で同時焼成することにより、昇温過程での高濃度酸素雰囲気下で、セラミック内部の空孔の酸素濃度を高めて、セラミック粒内の空孔や構造欠陥が抑制され、圧電セラミック素子自体の緻密化がなされ、かつ、保持過程と降温過程での低酸素濃度雰囲気下では、圧電素子を構成する圧電セラミックの粒界にあるＰｂ量を低減させることができ、圧電素子自体の特性、すなわち圧電特性、および信頼性を向上させることができる。
【００７６】
したがって、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】図１に示す積層型圧電トランスのａ−ｂから見た断面図である。
【図３】図１に示す積層型圧電トランスのｃ−ｄから見た断面図である。
【図４】本発明に係る一実施例の積層型圧電トランスにおけるトランス特性を測定するためのシステムを示す図である。
【図５】本発明に係る一実施例の積層型圧電アクチュエータを示す斜視図である。
【図６】図３に示す積層型圧電アクチュエータのａ−ｂから見た断面図である。
【図７】本発明が適用され得るインクジェット用の積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０．積層型圧電トランス
１１．圧電セラミック
１２．内部電極
１３．入力側（１次側）外部電極
１４．出力部（２次側）外部電極
２０．トランス特性測定システム
２１．交流電源
２２．積層型圧電トランス
３０．積層型圧電アクチュエータ
３１．圧電セラミック
３２．内部電極
３３．外部電極
５０．インクジェット用積層型圧電素子
５１．圧電セラミック
５２．内部電極
５３．外部電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子、圧電アクチュエータ、圧電フィルタ、圧電ブザー、圧電トランス等に使用される圧電セラミック素子の製造方法に関する。特に、Ａｇを主成分とする導体を内部電極とする積層型圧電セラミック素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電共振子、圧電アクチュエータ、圧電フィルタ、圧電ブザー、圧電トランス等に使用される圧電セラミック素子において、それぞれの用途に応じて、構造欠陥がなく、信頼性の高い優れた部品特性を有するためには、最適な条件で焼成することが必要不可欠であることはよく知られており、これまでにも種々の取り組みがなされている。
【０００３】
たとえば、特開平２−７４５６６号公報では、焼成温度までの昇温過程で、炉内雰囲気を酸素濃度５０体積％以上に保ち、かつ焼成温度における保持過程では、炉内雰囲気を酸素濃度が昇温過程の場合の１／２ないし１０体積％の条件下で焼成するプロセスを示している。これにより、酸素濃度５０体積％以上となる高酸素雰囲気条件下の昇温過程で、この時期に形成されるセラミックの閉気孔内の酸素濃度を高め、次いで焼成温度における保持過程で、酸素濃度を昇温過程の場合の１／２ないし１０体積％にすると、前述のセラミックの閉気孔内と外気の酸素濃度差が大きくなり、よって酸素の拡散速度が大きくなるので、酸化物で構成される圧電セラミックスを量産性よく緻密に焼結させることができると提案されている。
【０００４】
また、特開平４−３５７１６４号公報や特開平１０−９５６６５号公報では、全焼成プロファイルにおいて、酸素濃度が８０体積％以上となる雰囲気条件下で焼成するプロセスを示している。これにより、セラミック粒内の空孔や構造欠陥を抑制した緻密で高信頼性の圧電セラミック素子、特に圧電共振子を得ることができるとされている。
【０００５】
さらに、内部電極の種類に依らず、全焼成プロファイルにおいて、大気中、すなわち酸素濃度が約２１体積％の雰囲気中で焼成するプロセスも知られており、種々の圧電セラミック部品において一般的に適用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示したような圧電セラミック素子に用いられてきた従来の焼成プロセスでは、内部電極となるＡｇを主成分とする導電性ペーストを塗布したセラミックグリーンシートを積み重ねてできた未焼成の積層体を焼成すると、内部電極に含まれるＡｇが圧電セラミック層中のセラミック粒内に取り込まれて、圧電特性を劣化させるという問題点があった。
【０００７】
また、一方、近年において圧電素子の技術分野では、高周波化への対応として、圧電素子そのものの低背化が進んでいる。低背化すると、圧電セラミック素子の厚みが薄くなるが、このような場合においても、高周波の機械振動で圧電セラミック素子が破壊されないように、十分な機械的強度が必要とされる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法は、Ｐｂ元素の化合物を含有している圧電セラミック材料のセラミックグリーンシート上に、Ａｇを主成分とする導体を含む導電性ペーストを塗布し、該セラミックグリーンシートを積み重ねて積層体とする工程と、該積層体を焼成時の昇温過程での酸素濃度が９０体積％以上で、かつ保持過程と降温過程での酸素濃度が５体積％〜１５体積％となる雰囲気中で焼成する工程とを備えることを特徴としている。
【００１０】
ここで、焼成時の昇温過程において、酸素濃度を９０体積％以上としたのは、以下の理由による。
【００１１】
９０体積％以上では、圧電セラミック素子を構成するセラミックの内部に形成される空孔の酸素濃度を高めて、酸素を拡散させ、空孔を低減させることができるため、その結果、緻密な焼結体を得ることができるからである。
【００１２】
しかしながら、９０体積％より低い場合では、上述とは反対に、圧電セラミック素子を構成するセラミックの内部に形成される空孔において、酸素濃度が不十分なために、空孔を十分に低減させることができないので、その結果、緻密な焼結体が得られず、セラミックの抗折強度が低下するからである。
【００１３】
また、焼成時の保持過程と降温過程において、酸素濃度を５体積％〜１５体積％の範囲にしたのは、以下の理由による。
【００１４】
５体積％〜１５体積％の範囲では、圧電セラミック素子を構成するセラミックの粒界にあるＰｂ量を低減させることができ、圧電セラミック素子自体の特性、すなわち圧電特性、および信頼性を向上させることができるからである。
【００１５】
すなわち、焼成時の昇温過程における、酸素濃度９０体積％以上の高酸素濃度雰囲気下では、Ｐｂの蒸気圧が高いために、圧電セラミック素子自体からのＰｂの蒸発が低減され、雰囲気中からの再付着もなされるので、セラミックの粒界ではＰｂ量が多い状態となる。しかし、次いで保持過程と降温過程における、酸素濃度５体積％〜１５体積％の低酸素濃度雰囲気下では、Ｐｂの蒸気圧が低くなるため、圧電素子を構成するセラミックの粒界に存在するＰｂの蒸発が促進され、粒界の不純物成分が低減されるので、圧電素子自体の特性が改善され、向上することによる。
【００１６】
しかしながら、１５体積％を越える場合では、上述に示したセラミックの粒界におけるＰｂ量を低減させる効果がなくなり、圧電特性が低下するためである。
【００１７】
また、５体積％より低い場合では、圧電素子自体の還元が起こり、圧電特性が低下するためである。
【００１８】
昇温過程では、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物では、酸素濃度が約９０体積％以上の雰囲気条件下で焼成される。保持過程、すなわち最高温度域の焼成温度は前記雰囲気条件下で、積層体の焼結が完了する温度、すなわち具体的には積層焼成体の充填密度が理論密度に対して９９％以上となる温度に設定される。なお、最高温度域での保持時間も前記の焼成温度の場合と同様な条件で設定される。
【００１９】
なお、昇温速度および降温速度は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物では、いずれも、毎分１〜１０℃の範囲で設定されており、最高温度域における保持時間は１〜１０時間の範囲で設定される。
【００２０】
ただし、焼成条件は、上記の条件に限定されるものではなく、Ｐｂ元素の化合物を含有する圧電セラミック材料の種類（組成系）によって、最適な焼成温度、昇温速度、保持時間、および降温速度を選択すればよい。
【００２１】
なお、前記セラミックグリーンシート中の圧電セラミック材料としては、上記に示したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の化合物のほか、たとえばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）系の化合物、メタニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ2Ｏ6）系の化合物、およびメタタンタル酸鉛（ＰｂＴａ2Ｏ6）系化合物等を含有しているものからなる。
【００２２】
また、内部電極用導電性ペーストに含まれる導体は、Ａｇを主成分とするもので構成され、Ａｇが１００重量％、もしくはＰｄが５０重量％以下を含有しているものからなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法について、積層型圧電トランス（実施例１）の例と積層型圧電アクチュエータ（実施例２）の例を用いて、実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
［実施例１］
まず、出発原料として、Ｐｂ3Ｏ4、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＭｎＣＯ3を用意した。
【００２５】
次いで、９９．９４重量％のＰｂ（（Ｓｎ1/3Ｓｂ2/3）0.10Ｚｒ0.45Ｔｉ0.45）Ｏ3からなる主成分に添加物として０．０６重量％のＭｎＯを含有する圧電セラミックが得られるように、上記原料を秤量し、ボールミルにて湿式混合した。さらに、上述の混合物を脱水、乾燥して、８２０℃の温度で２時間仮焼し、粉砕することにより、仮焼粉末を得た。
【００２６】
次いで、この仮焼粉末に、アクリル系有機バインダー、有機溶剤、および可塑剤などの添加物を加えて、ボールミルにて湿式混合して、スラリーを得た。このスラリーをドクターブレード法にて成形し、約１００μｍの厚さのセラミックグリーンシートを作製した。
【００２７】
このセラミックグリーンシート上に、Ａｇ／Ｐｄ導体を含有する導電性ペーストを、スクリーン印刷法により、焼成後の厚みが１．０〜３．０μｍとなるように塗布し、乾燥させて、内部電極用の層が形成されたセラミックグリーンシートを得た。その後、このセラミックグリーンシートを積み重ね、熱プレスにより圧着させて、一体化させた積層体を得た。
【００２８】
次いで、この積層体を所定の寸法になるようにカットし、あらかじめ、約５００℃の温度でバインダー成分を十分に除去させ、表１に示す焼成プロファイルおよび焼成雰囲気を用いて、焼成を行った。
【００２９】
なお、昇温速度は毎分４℃、最高温度域での保持時間は３時間、および降温速度は毎分４℃とした。
【００３０】
また、表１において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００３１】
【表１】
この積層焼成体に、外部電極をスクリーン印刷法にて塗布し、焼成して入力側外部電極および出力側外部電極を形成し、積層型圧電トランスを得た。
【００３３】
次に、６０℃の絶縁オイル中で、入力側については厚み方向に分極処理を施し、出力側については長さ方向に分極処理を施した。この時の分極条件は、直流電界が４．０ｋＶ／ｍｍ、印可時間が６０分であった。その後、１２０〜２００℃の空気中で、３０〜６０分間、エージングして、図１〜３に示すような目的とする積層型圧電トランス１０を得た。なお、図１〜３において、１１は圧電セラミック、１２は内部電極、１３は入力側（１次側）外部電極、１４は出力側（２次側）外部電極をそれぞれ示す。
【００３４】
これらの積層型圧電トランスのトランス特性、具体的には、最大昇圧比と最大効率を以下に示す方法で求めた。また、積層型圧電トランス自体の抗折強度とポア占有率も以下に示す方法で求めた。その結果を表２に示す。
【００３５】
なお、表２において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００３６】
最大昇圧比と最大効率については、図４に示すような測定系を用いて、測定を行った。入力電圧Ｖinと入力電流Ｉin、および出力電圧Ｖoutは、パワーアナライザにて測定した。電源は、周波数が可変できる交流電源を使用した。ｃｏｓΦは力率を指す。なお、図４において、２１は交流電源、２２は積層型圧電トランスを示す。また、抵抗Ｒ１およびＲ２はそれぞれ１ｋΩ，１００ｋΩである。
【００３７】
昇圧比は入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutの比で示され、最大昇圧比は式１を用いて求めた値のことである。なお、Ｖoutは、交流電源にて一定電圧Ｖinを印可した時の最大となる値を用いた。最大昇圧比の単位は、ｄＢである。
【００３８】
効率は入力電力と出力電力の比で示され、最大効率は式２を用いて求めた値のことである。なお、Ｖoutは、交流電源にて一定電圧Ｖinを印可した時の最大となる値を用いた。最大効率の単位は、％である。
式１ 最大昇圧比＝２０×ｌｏｇ（Ｖout÷Ｖin×１０１）
式２ 最大効率＝１０１×Ｖout 2×０．００１÷（Ｖin×ＩinｃｏｓΦ）
昇圧比は、トランスの基本性能を示し、昇圧比が高いほど、高性能であることを意味する。また、効率は、電気→機械→電気へのエネルギー伝送の変換効率を示し、効率が高いほど、入力電力に対する変換ロスが少ないため、低消費電力化が図れることを意味する。
【００３９】
抗折強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に規定するセラミックスの曲げ強さ試験方法に基づいて測定した。また、ポア占有率は、積層型圧電トランスを鏡面研磨し、画像処理にてセラミック緻密部とポア部の面積比率を求めて算出した。
【００４０】
抗折強度が大きいほど、圧電セラミック自体の機械的強度が高いことを意味し、また、ポア占有率が小さいほど、圧電セラミック自体の緻密性が大きいことを意味する。
【００４１】
【表２】
表１、２から明らかなように、本発明の範囲内の焼成雰囲気条件下で焼成した圧電素子では、試料番号２、３、５、６、９、および１０のように、ポア占有率が１％以下と緻密な焼結体であり、抗折強度は、１２０ＭＰａ以上と高水準な値を示しており、さらにトランス特性も、最大昇圧比が３１ｄＢ以上で、最大効率が９５％以上と良好であることがわかる。
【００４３】
したがって、本発明の目的である、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【００４４】
ここで、表２を参照しながら、本発明の焼成雰囲気条件における限定理由を以下に説明する。
【００４５】
まず、昇温過程の酸素濃度を９０体積％以上としたのは、酸素濃度が９０体積％未満の場合では、試料番号１のように、ポア占有率が約２％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１２０ＭＰａ未満で低水準となる。
【００４６】
保持過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号４のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号７のように、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準となる。
【００４７】
降温過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号８のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号１１のように、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準となる。
【００４８】
なお、従来例として、昇温、保持、降温の全過程において、酸素濃度を２１％にした場合と、酸素濃度を９０％とした場合について、試料番号１２ないし１３に示した。
【００４９】
試料番号１２では、ポア占有率が約３％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１００ＭＰａ未満で低水準であり、また、試料番号１３では、最大昇圧比が３０ｄＢ未満で、最大効率も９０％未満でトランス特性が低水準であった。
【００５０】
以上の通り、本発明の範囲内における焼成雰囲気条件を用いて、積層型圧電トランスを焼成することにより、高い機械的強度と良好なトランス特性を双方に実現することが可能となる。
【００５１】
［実施例２］
まず、出発原料として、Ｐｂ3Ｏ4、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、およびＳｒＣＯ3を用意した。次いで、Ｐｂ0.98Ｓｒ0.02（Ｚｒ0.45Ｔｉ0.55）Ｏ3の圧電セラミック組成物が得られるように、上記原料を秤量し、ボールミルにて湿式混合した。
【００５２】
さらに、上述の混合物を脱水、乾燥して、８００℃の温度で２時間仮焼し、粉砕することにより、仮焼粉末を得た。
【００５３】
次いで、この仮焼粉末に、アクリル系有機バインダー、有機溶剤、および可塑剤などの添加物を加えて、ボールミルにて湿式混合して、スラリーを得た。
【００５４】
このスラリーをドクターブレード法にて成形し、約４０μｍの厚さのセラミックグリーンシートを作製した。
【００５５】
このセラミックグリーンシート上に、Ａｇ／Ｐｄ導体を含有する導電性ペーストを、スクリーン印刷法により、焼成後の厚みが１．０〜３．０μｍとなるように塗布し、乾燥させて、内部電極用の層が形成されたセラミックグリーンシートを得た。その後、このセラミックグリーンシートを積み重ね、熱プレスにより圧着させて、一体化させた積層体を得た。
【００５６】
次いで、この積層体をあらかじめ、約５００℃の温度でバインダー成分を十分に除去させ、表１に示す焼成プロファイルおよび焼成雰囲気を用いて、焼成を行った。
【００５７】
なお、昇温速度は毎分４℃、最高温度域での保持時間は３時間、および降温速度は毎分４℃とした。
【００５８】
また、表１において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００５９】
この積層焼成体を、所定の大きさにカットした後、外部電極を塗布、焼成にて形成して、内部電極と電気的に接続させた、積層型圧電アクチュエータを得た。
【００６０】
次に、６０℃の絶縁オイル中で、４．０ｋＶ／ｍｍの直流電界を６０分間印加して、分極処理を施した。その後、１２０〜２００℃の空気中で、３０〜６０分間、エージングして、図５、６に示すような目的とする積層型圧電アクチュエータ３０を得た。なお、図５、６において、３１は圧電セラミック、３２は内部電極、３３は外部電極をそれぞれ示す。
【００６１】
これらの積層型圧電アクチュエータの圧電歪定数｜ｄ31｜、および圧電セラミックの電気抵抗率ρを求めた。その結果を表３に示した。
【００６２】
｜ｄ31｜はレーザードップラー振動計にて歪み量を測定し、３１方向の圧電歪定数を算出して求めた。また、ρはセラミック層を介した内部電極間にＤＣ５０Ｖの電圧を３０秒間印加した時の絶縁抵抗を測定し、その絶縁抵抗に電極面積を乗じ、この値を内部電極間のセラミック層厚みで割って求めた。
【００６３】
なお、表３において、＊印を付したものは、本発明の範囲外のものであり、それ以外はすべて本発明の範囲内のものである。
【００６４】
【表３】
表１、３から明らかなように、本発明の範囲内の焼成雰囲気条件下で焼成した圧電素子では、試料番号１５、１６、１８、１９、２２、および２３のように、ポア占有率が１％以下と緻密な焼結体であり、抗折強度は、１１０ＭＰａ以上と高水準な値を示しており、さらに圧電特性、および信頼性も、圧電歪定数｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎで、電気抵抗率ρが５×１０12Ω・ｍで良好であることがわかる。
【００６６】
したがって、本発明の目的である、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【００６７】
ここで、表３を参照しながら、本発明の焼成雰囲気条件における限定理由を以下に説明する。
【００６８】
まず、昇温過程の酸素濃度を９０体積％以上としたのは、酸素濃度が９０体積％未満の場合では、試料番号１４のように、ポア占有率が約２％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１１０ＭＰａ未満で低水準となる。
【００６９】
保持過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号１７のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号２０のように、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍ未満で圧電特性、および信頼性が低水準となる。
【００７０】
降温過程の酸素濃度を５体積％〜１５体積％としたのは、酸素濃度が５体積％未満の場合では、試料番号２１のように、また、酸素濃度が１５体積％を越える場合では、試料番号２４のように、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍで圧電特性、および信頼性が低水準となる。
【００７１】
なお、従来例として、昇温、保持、降温の全過程において、酸素濃度を２１％にした場合と、酸素濃度を９０％とした場合について、試料番号２５ないし２６に示した。
【００７２】
試料番号２５では、ポア占有率が約３％と緻密な焼結体が得られず、また抗折強度も１００ＭＰａ未満で低水準であり、また、試料番号２６では、｜ｄ31｜が２×１０-10Ｃ／Ｎ未満、もしくはρが５×１０12Ω・ｍで圧電特性、および信頼性が低水準であった。
【００７３】
以上の通り、本発明の範囲内における焼成雰囲気条件を用いて、積層型圧電アクチュエータを焼成することにより、高い機械的強度と良好な圧電特性、および信頼性を双方に実現することが可能となる。
【００７４】
なお、前記実施例には積層型圧電トランスおよびアクチュエータの場合について示したが、勿論この場合に限定されることはなく、圧電効果を利用した圧電共振子、圧電フィルタ、および圧電ブザー等の積層型圧電セラミック素子全般について適用できることは言うまでもないことである。図７に本発明が適用され得るインクジェット用の積層型圧電素子５０の斜視図を示す。５１は圧電セラミック、５２は内部電極、５３は外部電極を示す。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の積層型圧電セラミック素子の製造方法において、Ａｇを主成分とする導体を含む内部電極とセラミック層を、焼成時の昇温過程での酸素濃度が９０体積％以上で、かつ保持過程と降温過程での酸素濃度が５体積％〜１５体積％となる雰囲気中で同時焼成することにより、昇温過程での高濃度酸素雰囲気下で、セラミック内部の空孔の酸素濃度を高めて、セラミック粒内の空孔や構造欠陥が抑制され、圧電セラミック素子自体の緻密化がなされ、かつ、保持過程と降温過程での低酸素濃度雰囲気下では、圧電素子を構成する圧電セラミックの粒界にあるＰｂ量を低減させることができ、圧電素子自体の特性、すなわち圧電特性、および信頼性を向上させることができる。
【００７６】
したがって、高い機械的強度を有し、かつ優れた圧電特性、信頼性を有する積層型圧電セラミック素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】図１に示す積層型圧電トランスのａ−ｂから見た断面図である。
【図３】図１に示す積層型圧電トランスのｃ−ｄから見た断面図である。
【図４】本発明に係る一実施例の積層型圧電トランスにおけるトランス特性を測定するためのシステムを示す図である。
【図５】本発明に係る一実施例の積層型圧電アクチュエータを示す斜視図である。
【図６】図３に示す積層型圧電アクチュエータのａ−ｂから見た断面図である。
【図７】本発明が適用され得るインクジェット用の積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０．積層型圧電トランス
１１．圧電セラミック
１２．内部電極
１３．入力側（１次側）外部電極
１４．出力部（２次側）外部電極
２０．トランス特性測定システム
２１．交流電源
２２．積層型圧電トランス
３０．積層型圧電アクチュエータ
３１．圧電セラミック
３２．内部電極
３３．外部電極
５０．インクジェット用積層型圧電素子
５１．圧電セラミック
５２．内部電極
５３．外部電極
Claims (1)
- Ｐｂ元素の化合物を含有している圧電セラミック材料のセラミックグリーンシート上に、Ａｇを主成分とする導体を含む導電性ペーストを塗布し、該セラミックグリーンシートを積み重ねて積層体とする工程と、該積層体を焼成時の昇温過程での酸素濃度が９０体積％以上で、かつ保持過程と降温過程での酸素濃度が５体積％〜１５体積％となる雰囲気中で焼成する工程とを備えることを特徴とする、積層型圧電セラミック素子の製造方法。
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