JP4518772B2

JP4518772B2 - 圧電体素子の製造方法および圧電セラミックスの製造方法

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Inventors: 泰治立山
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Description

本発明は、圧電セラミックスを分極して製造する圧電体素子の製造方法に関し、特に、機械的強度ならびに圧電特性に優れた圧電体素子が製造できる製造方法に関する。また、この圧電体素子の製造方法により製造された圧電体素子を用いた圧電セラミックスの製造方法に関する。

一般に圧電セラミックス、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の総称であり、組成式はＰｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ_３）は、分極することにより製造されている。すなわち、分極前の圧電セラミックスは、その内部に多数の自発分極が発生しているがそれぞれの分極方向がばらばらであるため、自発分極が発生していても全体としては等方性の分極となっている。このため分極前の圧電セラミックスを分極することによって自発分極の方向を揃え、異方性を付与する必要がある。圧電セラミックスの分極は、圧電セラミックスの２つの主面に互いに対向する電極を形成し、電極間に直流電圧を印加することより行われている。圧電体素子はこのような圧電セラミックスに電極を設けて製造されており、具体的には、例えば特許文献１〜１０に開示されている。

圧電体素子の分極時の温度を制御した製造方法として、特許文献１には、外径４０ｍｍ、内径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの圧電セラミックスの両主面に電極を形成後、圧電セラミックスの電極未形成部に耐熱性電気絶縁用油膜を被覆し、さらにキュリー温度付近まで加熱した後、低い直流電圧を印加しつつ常温まで冷却することを特徴とした圧電体素子の製造方法が提案されている。

また、特許文献２には、図５に示すように、圧電セラミックス４０からなる基板の第１の主面４２に第１の電極４８、第２の主面４４に第２の電極４８を形成し、７０℃〜１２０℃の大気中で、１．２ｋＶ〜２．６ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極することを特徴とした圧電体素子６０の製造方法が提案されている。

また、特許文献３には、直流電圧を印加する電源に複数個の圧電体素子を電気的に並列に接続し、直流電圧を各圧電体素子に印加してシリコーン油中で圧電体素子を分極するに際して、電源と各圧電体素子との間に、電流の瞬時の流れを抑制する抵抗などの制御手段を設けることで、量産性の向上を目的とした圧電体素子の製造方法が提案されている。

また、特許文献４、５には、圧電セラミックスの互いに対向する両主面の各々に部分電極を設けて、圧電セラミックスに分極された部分と未分極部分とを形成させる圧電体素子の製造方法が開示されている。

また、特許文献６には、圧電セラミックスの互いに対向する両主面の各々に部分電極を設け、さらに該圧電セラミックス基板の側面にこの部分電極と繋がった側面電極を設けて、圧電セラミックス基板に分極された部分と未分極部分とを形成させる圧電体素子の製造方法が開示されている。

また、特許文献７には、矩形状の圧電セラミックスの互いに対向する両主面の各々に設けた２つの主電極と、該圧電セラミックスの両端部端面に設けた２つの端部電極の各々の一方ずつを接続し、該電極間に電圧を印加することによって分極する圧電体素子の製造方法が開示されている。

また、特許文献８には、２０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み７ｍｍのＰＺＴ系圧電セラミックスの両主面にのみ電極を形成して、該電極間に電圧を印加することにより圧電セラミックスがその厚み方向に分極された圧電体素子の製造方法が開示されている。また、特許文献９には、３０ｍｍ×２５ｍｍ×厚み７ｍｍの圧電セラミックスの両主面間に電圧を印加して、圧電セラミックスをその厚み方向に分極して得られる圧電体素子の製造方法が開示されている。

また、特許文献１０には、２０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの圧電セラミックスからなる基板の両主面に形成した電極を基板の内側の電極と基板の外側の電極とに分割し、内側の電極への印加電圧を外側の電極への印加電圧よりも高くして分極することで得られる圧電体素子の製造方法が比較例に開示されている。
特開平０４−１７９２８７号公報特開平０６−８５３４５号公報特開平０９−１４８６４７号公報特開平０７−２０２６１０号公報特開平０７−２０２６１１号公報特開２００１−２２３４０９号公報特開平８−２３７０６６号公報特開平５−２４３８８４号公報特開２００２−１４１５７４号公報特開２００３−１７７７６号公報

しかしながら、特許文献１〜１０に記載された圧電体素子の製造方法では、電圧を印加した際に圧電体セラミックスの端部の電界強度が小さくなり、この端部が十分分極できないという問題があった。このため、圧電体素子の圧電特性を向上させることができないという問題があった。

また、特許文献１に開示された圧電体素子の製造方法は絶縁性の低い空気中で圧電セラミックスを分極しているため、両主面に形成した電極間に直流電圧を印加した場合、両主面の電極の端部の間で放電が発生していた。このため、この放電によって圧電セラミックスに亀裂が著しく入りやすいという問題があった。また、この製造方法では低電圧を印加して分極せざるを得なかったため、大きな形状の圧電セラミックス全体を均一に分極することができないという問題があった。さらに、圧電セラミックスにクラックが入ったり、均一に分極できなかったりしたため、圧電セラミックスの機械的強度が著しく低下したり、圧電特性が著しく劣化したりするという問題点があった。

また、特許文献２の製造方法によれば、シリコーン油等の絶縁性油を使用せず空気中で圧電セラミックスを分極できるとされている。しかし、この製造方法では、例えば厚みが１０ｍｍ以上の厚い基板を分極しようとすると、電圧を印加した際に基板端部の電界強度が非常に小さくなるので基板端部に大きな機械的な応力が発生し、この応力によって圧電セラミックスにクラックが多発するという問題があった。

また、特許文献３の製造方法は、圧電体素子の両主面にのみ電極を形成させて分極させていたので、電圧印加中に圧電体素子内で特に電界強度がばらつきやすかった。このため、圧電体素子の端部が特に分極されにくく、圧電特性が著しく劣化するという問題があった。また、特許文献４〜７の圧電体素子の製造方法は、両主面の一部に電極の未形成部を設けて分極する方法であるため、圧電体素子全体の均一な分極が非常に困難であるという問題があった。

また、大きな形状の圧電体素子を分極するために、特許文献８〜１０に開示されている製造方法は、両主面にのみ電極を形成させて分極する方法であったので、電圧印加中の圧電体素子の端部の電界強度が特に弱くなった。このため、圧電体素子端部が分極されず、その結果、基板端部にクラックが多発するという問題、および分極後の圧電体素子に大きな機械的な残留応力が残るため、機械的強度が小さくなるという問題、および圧電特性の優れた圧電体素子が得られないという問題があった。

本発明者は上記問題点に鑑み鋭意努力した結果、大きな圧電体素子を分極する際に、主面のみならずその側面の一部に電極を形成させることにより、特に圧電セラミックスの主面とその側面の境界に発生するクラックを抑制しつつ、圧電体素子を均一に分極できる製造方法を見出し、本発明に至った。

すなわち本発明は、クラックの発生を抑制でき、また機械的強度ならびに圧電特性に優れた圧電体素子の製造方法を提供することを目的とする。また、この圧電対素子の製造方法により製造された圧電体素子を用いた圧電セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の圧電セラミックスの製造方法は、矩形体もしくは直方体形状の圧電セラミックスを用意し、圧電セラミックスの両主面に互いに対向する電極を形成すると共に、電極間に直流電圧を印加して圧電セラミックスの厚み方向に分極してなる圧電体素子の製造方法において、圧電セラミックスの幅方向が２０ｍｍ以上、厚みが４ｍｍ以上であり、各電極の少なくとも一方から圧電セラミックスの側面まで引出された引出電極が形成したものであることを特徴とする。

また、圧電セラミックスの厚みをＨとするとき、引出電極が、厚み方向にＨ／１０〜Ｈ／５引出されていることを特徴とする。

また、体積固有抵抗率が１０^１１Ω・ｃｍ以上の液体中で分極を行うことを特徴とする。

また、電極および引出電極が融点３００℃以上、導電率が１０^５Ω^−１・ｃｍ^−１以上の金属から選ばれることを特徴とする。

また、金属がＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｌのうち少なくとも１種もしくはこれらのうち少なくとも２種の合金からなる金属から選ばれることを特徴とする。

また、電極および引出電極がメッキ法、物理的気相法、化学的気相法、溶射、ディッピングおよび塗装法のいずれかにより形成されることを特徴とする。

また、塗装法が、電極および引出電極の前駆体として金属の粉末と熱硬化性樹脂との混合物を圧電セラミックスに塗装した後、熱硬化により行われることを特徴とする。

また、圧電セラミックスの主面と側面との境界が面取りされていることを特徴とする。

また、本発明の圧電セラミックスの製造方法は、幅方向が２０ｍｍ以上、厚みが４ｍｍ以上の矩形体もしくは直方体形状の圧電セラミックスを用意し、圧電セラミックスの両主面に互いに対向する電極を形成すると共に、各電極の少なくとも一方から圧電セラミックスの側面まで引き出された引出電極を形成してなり、各電極間に直流電圧を印加した後、各電極および引出電極を除去したことを特徴とする。

本発明の圧電体素子の製造方法は、大きな形状の圧電セラミックスをその厚み方向に分極する際、圧電セラミックスの両主面のみならず、その側面の一部に引出電極を形成させた後、電圧を印加して分極する方法であるため、圧電体素子に電圧を印加した際の圧電体素子内の電界強度を極めて均一に制御することができるので、圧電セラミックス全体が均一に分極され、圧電特性の優れた圧電体素子を製造することができる。また、分極時の電極間の放電および圧電セラミックス内の機械的応力の発生を抑制できるので、圧電体素子のクラックの発生を抑制することができる。また、分極後に圧電セラミックスに残留する応力を低減することができるので機械的強度の高い圧電体素子を製造することができる。

以下、本発明について詳述する。

本発明は、具体的には図１に示したように、矩形体もしくは直方体形状の圧電セラミックス１０の第１の主面１２に第１の電極２２を形成し、第１の主面１２と対向する第２の主面１４に第２の電極２４を形成すると共に、第１の電極２２と第２の電極２４の間に直流電圧２８を印加して圧電セラミックス１０をその厚み方向に分極してなる圧電体素子２の製造方法において、圧電セラミックス１０の幅方向（ＬおよびＷ）が２０ｍｍ以上、厚みＨが４ｍｍ以上であり、第１の電極２２または第２の電極２４は少なくとも一方から圧電セラミックス１０の側面２０まで引出された引出電極２６を形成して圧電セラミックス１０を分極する圧電体素子２の製造方法である。ここで対向する両主面（第１の主面１２と第２の主面１４）は概ね平行である。

圧電体素子２は、第１に分極時（直流電圧２８を印加した時）に圧電セラミックス１０に負荷される機械的応力と分極後に圧電セラミックス１０に残留する応力を低減することができるので、圧電体素子２のクラックの発生を抑制することができる。また、第２に圧電セラミックス１０を全体に渡って均一に分極することができる。特に、幅方向ＬおよびＷの少なくとも一方が４０ｍｍ以上、厚みＨが１０ｍｍ以上の圧電セラミックス１０を本発明の製造方法により分極した場合、クラックの発生が特に抑制されかつ均一に分極された圧電体素子２を製造することができる。最も好適には、幅方向ＬおよびＷの少なくとも一方が８０ｍｍ以上、厚みＨが３０ｍｍ以上の圧電セラミックス１０を特に均一に分極することができる。

上述した本発明の圧電体素子２の製造方法において、分極時および分極後に、圧電体素子２のクラックの発生を抑制することができ、均一に分極された圧電体素子２を製造できる理由は次のように考えられる。

まず、分極時に圧電セラミックス１０に作用する機械的応力と、分極後に圧電セラミックス１０に残留する応力について説明する。本発明の製造方法により分極された圧電体素子２には、主に２つの原因により分極時に機械的応力が負荷され、その一部が残留する。第１に圧電体セラミックス１０は分極時に分極方向（第１の主面１２と第２の主面１４に垂直な方向）に伸び、分極方向と垂直方向（第１の主面１２と第２の主面１４に平行な方向）に縮む性質がある。このように分極時に伸び縮みした圧電セラミックスは、分極後、分極前の大きさには完全には戻らないため機械的な残留応力が存在する。第２に、正の電圧が印加された第１の主面１２が凹曲し、負の電圧が印加された第２の主面１４が凸曲して、圧電セラミックス１０全体が反ろうとする機械的応力が負荷される。このように分極時に凹曲、凸曲した圧電セラミックス１０は、分極後、分極前の大きさには完全には戻らないため機械的な残留応力が存在する。これらの分極時の機械的応力および分極後の残留応力は圧電セラミックスの幅（Ｌ、Ｗ）、厚みＨが大きい程大きくなる。

これらの第１および第２の機械的応力は、実際には別々に作用するのではなく、圧電セラミックス１０に複合化されて作用するため区別することは困難である。したがって以下に記載する機械的応力および残留応力とは、第１および第２の機械的応力および残留応力の複合化された応力を各々意味する。圧電セラミックス１０の残留応力は、図１の第１の主面１２と側面２０の境界および第２の主面と側面２０の境界に機械的応力が集中するため、クラックが発生しやすい。このクラックの発生は、機械的応力の集中を緩和することによって抑制することができる。本発明の製造方法においては、第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６を設けることにより、この機械的応力の集中が緩和されるので圧電セラミックス１０のクラックの発生を抑制することができる。また、引出電極２６を設けることによって、圧電セラミックス１０の残留応力を低減することもできるため、機械的強度に優れた圧電体素子２を製造することができる。

本発明の圧電体素子２の製造方法によって、圧電セラミックス１０を均一に分極でき、これによって圧電特性に優れた圧電体素子２を製造できる理由について説明する。圧電セラミックス１０を全体に渡って均一に分極するためには、直流電圧２８によって印加される電界強度のばらつきを圧電セラミックス１０内部でできるだけ低減する必要がある。幅（Ｌ、Ｗ）が２０ｍｍ以上、厚みＨが４ｍｍ以上の圧電セラミックス１０に第１の電極２２、第２の電極２４のみを形成して圧電セラミックス１０に直流電圧２８を印加すると、電気力線は正極（第１の電極）から負極（第２の電極）、すなわち第１の主面１２および第２の主面１４へ達し、圧電セラミックス１０の幅方向の中央に近い部分では電気力線が第１の主面および第２の主面と概ね垂直となる。しかしながら、圧電セラミックス１０の側面２０に近くなる程電気力線が圧電セラミックス１０の外側へ膨らむため、圧電セラミックス１０の側面に近い程電界強度が弱くなる。圧電セラミックス１０を均一に分極するためには、この電気力線の膨らみを抑制して印加される電界強度を圧電セラミックス１０全体に渡ってできるだけ一定にする必要がある。本発明の圧電体素子２の製造方法においては、第１の主面１２および第２の主面１４のみならず、第１の電極２２または第２の電極２４の少なくとも一方から圧電セラミックス１０の側面２０まで引出された引出電極２６を形成することによって、大きな形状の圧電セラミックス１０に直流電圧２８を印加して圧電セラミックス１０を分極する際に電界強度できるだけ一定にできる（電気力線の膨らみを抑制できる）。

幅が２０ｍｍ未満の圧電セラミックスを分極すると、圧電セラミックス１０内の電界強度が不均一になるため圧電特性が劣化する。また、厚みが４ｍｍ未満の圧電セラミックス１０を分極すると、分極時にクラックが多発したり、圧電セラミックス１０の単位厚みあたりの残留応力が大きくなるため機械的強度が低下したりする。

また、本発明の製造方法によれば圧電セラミックス１０の側面が凸部または凹部を有していても均一に分極することができる。例えば、図２は側面が凸部を有する圧電セラミックス１０の第１の主面１２の側面１６と、第２の主面１４の側面１８とに引出電極２６を形成して分極を行う製造方法を示したものである。また、図３は側面が凹部を有する圧電セラミックス１０の第１の主面１２の側面１６と、第２の主面１４の側面１８とに引出電極２６を形成して分極を行う製造方法を示したものである。

また、引出電極２６は、少なくとも圧電セラミックス１０の対向する２つの側面２０に形成されていることが好ましい。これによって、分極時のクラックの発生をさらに抑制し、かつ機械的強度と圧電特性に優れた圧電セラミックス１０を製造することができる。この理由は、対向する側面２０の双方に引出電極２６が形成されていると、圧電セラミックス１０に直流電圧２８を印加した際、正極（第１の電極２２）から負極（第２の電極２４）方向へ発生する電気力線の側面２０方向への膨らみをさらに抑制できるので、圧電セラミックス１０を幅方向の中央から側面２０に渡ってさらに均一に分極することができると共に、分極時の機械的応力および分極後の残留応力をさらに低減することができるからである。特に、引出電極２６を４つの側面２０全てに形成させることによって、圧電セラミックス１０を特に均一に分極することができる。

また、引出電極２６は、第１の電極２２および第２の電極２４の両方に引出されていることがさらに好ましい。これによって、分極時のクラックの発生を特に抑制し、かつ優れた機械的強度と圧電特性を有する圧電体素子２を製造することができる。

また、第１の電極２２は第１の主面１２全体に、第２の電極は第２の主面１４全体に形成させて分極することが好ましい。この理由は、第1の主面１２及び第2の主面１４の電極２２及び電極２４の未形成部があると、圧電セラミックス１０に高電圧を印加して分極を行った後に、電極形成部と電極未形成部との境界に小さな残留応力が存在する場合があるため好ましくないからである。

図１〜３に示したように、第１の主面１２と第２の主面１４の距離をＨとするとき、第１の主面１２の側面１６、第２の主面１４の側面１８および側面２０のうちいずれかの側面にその長手方向と垂直な方向に、引出電極２６をＨ／１０〜Ｈ／５形成して分極を行うことが好ましい。すなわち図１〜３において、距離ＥをＨ／１０〜Ｈ／５とする。これにより、圧電セラミックス１０のクラックの発生がさらに抑制されるだけでなく、分極後の圧電セラミックス１０の残留応力をさらに低減できるので、安定した圧電特性を有する圧電体素子２を製造することができる。また、引出電極２６の形成がＨ／１０よりも少ないと、残留応力を著しく低減することができない。また、引出電極２６の形成がＨ／５よりも多いと、圧電セラミックス１０全体に渡って著しく均一に分極をすることができないため、分極後の圧電セラミックス１０を例えば圧電アクチュエータの圧電体素子に適用した場合、圧電変位のばらつきを著しく低減することができない。引出電極２６を１．２５Ｈ／１０〜１．７５Ｈ／１０形成して分極を行うことが特に好ましい。

また、本発明の圧電体素子２の製造方法においては、体積固有抵抗率が１０^１１Ω・ｃｍ以上の液体中で分極を行うことが好ましい。これにより、クラックの発生を著しく抑制できるので、機械的強度に優れた圧電体素子２を製造することができる。この理由は、分極時に圧電セラミックス１０に形成された電極２２、２４間にスパーク放電が発生しなくなるので、圧電セラミックス１０のクラック発生を防止できるからである。また、前記液体がシリコーン油であることが特に好ましい。この理由は、シリコーン油は高い絶縁性のみならず高温での優れた耐酸化性、極めて小さい吸湿性を有するため、長期間安定して圧電セラミックス１０の分極が可能となるからである。

また、第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６が融点３００℃以上、導電率が１０^５Ω^−１・ｃｍ^−１以上の金属から選ばれることが好ましい。これにより、分極度が高く、圧電特性に優れた圧電体素子２を製造することができる。この理由は次の通りである。圧電セラミックス１０の分極は７０〜２００℃程度で行われる。第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６を構成する金属の融点を３００℃以上とすれば、分極時に金属が前記液体中に融けることがない。このため、圧電セラミックス１０を均一に分極することができる。一方、金属の融点が３００℃未満では、金属の融点が分極時の温度よりも低くなる場合があるため、分極時に金属が液体に融け出し、著しく均一な分極を行うことが困難となる。

また、第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６がＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｌのうち少なくとも１種もしくはこれらのうち少なくとも２種の合金からなる金属により形成されることが特に好ましい。これにより、特に圧電セラミックス１０を特に均一に分極することができる。この理由は、これらの金属ならびに合金は耐候性が高く、高温、長時間の分極処理においても変質しにくいからである。

また、直流電圧２８は、分極しようとする圧電セラミックス１０の組成の違いに応じて変化させる必要があるが、圧電セラミックス１０の厚み１ｍｍ当たり１．０ｋＶ／ｍｍ〜３．０ｋＶ／ｍｍ程度の範囲内とすることが好ましい。また、例えば体積固有抵抗が高い液体を用いて高温で分極する場合は、印加する電圧が低くても分極を行うことができることがある。

また、第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６がメッキ法、物理的気相法、化学的気相法、溶射、ディッピングおよび塗装法のいずれかにより形成されることが好ましい。これにより、圧電特性に優れた圧電セラミックスを製造することができる。この理由は、これらの方法により電極を形成させると、電極厚みを均一に制御することが可能だからである。

また、前記塗装法が、前記金属の粉末と熱硬化性樹脂との混合物を第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６の前駆体として塗装、熱硬化することにより行われることが好ましい。これにより、短時間かつ簡易に圧電セラミックス１０に厚膜の電極を形成することが可能となる。

さらに好ましくは、前記塗装法においては、金属粉末１０〜８０質量％、熱硬化性樹脂２０〜９０質量％の混合物を用いる。これにより、塗装の際、該混合物を圧電セラミックス１０表面に特に均一に形成させることができる。

また、本発明の圧電体素子２の製造方法においては、図４に示したように、第１の主面１２とその側面１６の境界、第２の主面１４とその側面１８の境界３０が面取り形状を有する圧電セラミックス１０を用いることが好ましい。これにより、特に高い直流電圧２８を印加して圧電セラミックス１０を分極した場合でも、圧電セラミックス１０のクラックの発生をさらに抑制することができる。前記面取り形状は、曲率半径１〜５ｍｍの円弧状または辺長１〜５ｍｍの面取り形状を有することが特に好ましい。特に好ましくは、圧電セラミックス１０に前記面取り形状を有すると共に、第１の主面１２と第２の主面１４の距離をＨとするとき、第１の主面１２の側面１６、第２の主面１４の側面１８および側面２０のうちいずれかの側面にその長手方向と垂直な方向に、引出電極２６をＨ／１０〜Ｈ／５形成（図４において、距離ＥをＨ／１０〜Ｈ／５とする）して分極を行う。

また、圧電セラミックス１０はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；（Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ_３）を主成分とすることが好ましい。これにより、圧電特性に優れた圧電セラミックス１０を製造することができる。この理由は、圧電セラミックス１０の中でもＰＺＴは圧電特性が優れているからである。また、ＰＺＴにＰｂ（Ｚｎ、Ｓｂ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ_３を固溶置換した圧電セラミックス１０はさらに優れた圧電特性（例：大きな変位量）有しているので、さらに好適に本発明の圧電セラミックスの製造方法を適用できる。

また、本発明の圧電体素子は上記の製造方法により作製されたことが重要である。本発明の圧電体素子は、分極後の圧電セラミックス１０、もしくはこれを加工して得られた圧電セラミックスに電極を形成してなるものである。本発明の圧電セラミックスの製造方法によって作成された圧電体素子は、クラックの発生が抑制されており、また機械的強度と圧電特性に優れている。例えば、圧電アクチュエータの用途に最適である。

まず、圧電セラミックス１０を次のように作製した。

出発原料として、Ｐｂ_３Ｏ_４、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、ＺｎＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＴｅＯ_２、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＬｕ_２Ｏ_３の各粉末を表１に示す組成となるよう秤量し、ジルコニア製のボールを用いてボールミルにて水を溶媒として、平均粒径が０．６μｍ以下となるまで、混合粉砕を行った。次いでこの混合粉砕物を脱水、乾燥し、８５０〜９５０℃で２〜５時間仮焼し仮焼粉を作製した。得られた仮焼粉をジルコニア製ボールを用いたボールミルにて水を溶媒として湿式粉砕したスラリーを作製した。この湿式粉砕後のスラリー中の粉体の平均粒径は０．４５〜０．５５μｍとした。その後、得られたスラリーに水性のアクリルエマルジョン樹脂バインダーを添加、混合し、噴霧乾燥機により乾燥・造粒し、得られた造粒粉を金型内に充填して、成形圧１．５×１０^８Ｎ／ｍ^２にて直方体のブロック形状にプレス成形して成形体を作製した。得られた成形体を大気中６００〜８００℃で１０時間加熱して有機バインダーを除去し、さらに１１００〜１２００℃で３時間保持して焼成した。なお、表１の組成は、例えば組成Ｎｏ．Ｃの場合は、組成式が［（Ｐｂ_０．９４Ｓｒ_０．０４Ｂａ_０．０２）（Ｚｒ_０．５１Ｔｉ_０．４９）Ｏ_３］の組成のペロブスカイト型構造の酸化物と［Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３］のペロブスカイト型構造の酸化物とのモル比が０．９対０．１である組成を表す。

焼成後の圧電セラミックスの主面の幅（Ｌ×Ｗ）は表２に示す通りであった。圧電セラミックス１０に電極を形成させる前に、焼成後の圧電セラミックスの厚みを一定にして分極中の強度を一定にする目的で、この焼成後の圧電セラミックスの両主面を研磨加工して、厚みＨが表２の圧電セラミックス１０を作製した。また、別途さらに第１の主面１２および第２の主面１４と側面の境界に辺長２ｍｍの面取りを行った圧電セラミックス１０も作製した。

その後、圧電セラミックス１０に、第１の電極２２、第２の電極２４、引出電極２６を次の方法で形成させ、圧電体素子２を作製した。

メッキ法は、無電解メッキ法により、厚み５０〜１００μｍの電極を形成させる方法とした。物理的気相法は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により厚み０．５〜５μｍの電極を形成させる方法とした。化学的気相法は、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により厚み０．５〜５μｍの電極を形成させる方法とした。溶射は、プラズマ溶射法により厚み５０〜１００μｍの電極を形成させる方法とした。

ディッピングは、酢酸パラジウム−エタノールアミン錯体水溶液に圧電セラミックスを浸し、取出後、空気中３００℃で２時間加熱処理をして酸化パラジウムの微粒子からなる電極を形成させる方法とした。なお、圧電セラミックスに電極を形成させない部分は、酢酸パラジウム−エタノールアミン錯体水溶液に圧電セラミックスを浸す前に、予めマスクした。

接合法は、電極用の金属からなる薄板と圧電セラミックス１０を高温にて固相接合して電極を形成させる方法とした。塗布法は、塗布材として金属粉末７０質量％、熱硬化性樹脂３０質量％の混合物を圧電セラミックスに塗布後、６０〜８０℃で３０分間保持して電極を形成させる方法とした。

また、液体の体積固有抵抗は、株式会社川口電機製作所の液体用電極ＬＰ−０５を用いて２５℃で測定した。圧電セラミックス１０に形成させた電極の材質は表２に示した金属を用いた。

また、圧電セラミックス１０に形成した電極の位置は表２に通りである。表２において、（主面＋側面）は、圧電セラミックス１０に第１の電極２２、第２の電極２４および引出電極２６を形成させたことを示す。

また、図３のように、第１の主面１２と第２の主面１４との距離をＨとするとき、側面１６、側面１８、側面２０にその長手方向と垂直な方向に距離Ｅ（被覆距離）の引出電極を形成させた。

その後、電極を形成した圧電セラミックス１０を表２に示す液体中８０〜１７０℃で１．０〜１．５ｋＶ／mmの電界強度の直流電圧を印可することにより分極し、圧電体素子２を作製した。液体としては、サンハヤト株式会社製シリコーンオイルＳＣ−１０、信越化学工業株式会社製ジメチルシリコーンオイルＫＦ９６８を使用した。

分極後、圧電体素子２から電極を除去し、圧電セラミックス１０のクラックの有無、機械的強度、残留応力を次のように測定、評価した。クラックの有無は、分極後の圧電セラミックス１０を顕微鏡による目視により確認し、０．１ｍｍ以上の長さのクラックがあった場合をクラック有りとした。機械的強度は日本工業規格ＪＩＳＢＲ１６０１に準拠し、分極後の圧電セラミックス１０から４０ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍの試験片を切り出し、４点曲げ強度を測定した。残留応力は、Ｘ線回折法により、圧電セラミックス１０の表面にＸ線を照射し、結晶格子の歪から算出した。

また、分極後の圧電体素子２から圧電セラミックス１０を加工して切り出し、日本電子材料工業界規格ＥＭＡＳ−６１００に準拠して電気機械結合係数ｋ_１５及び圧電歪定数ｄ_１５を次のように測定した。分極方向（第１の主面および第２の主面に垂直な方向）が１０ｍｍの長さ方向になるように分極後の１個の圧電体素子２から１０mm×２．５ｍｍ×０．２５mmの短冊形状の圧電体セラミックス１０を１０個切り出し、１０ｍｍ×２．５ｍｍの面の両面に０．１μｍの厚さにＡｕ電極を蒸着し、電気機械結合係数ｋ_１５及び圧電歪定数ｄ_１５を測定し、各々の平均値を算出した。なお、測定用試料を切り出す際は、圧電体セラミックス１０の中央付近から４個、側面付近から６個を切り出して計１０個とした。

その結果を表２、３に示すように、本発明の圧電体素子２の製造方法によって作製された圧電体素子２を構成する圧電セラミックス１０である試料Ｎｏ．１〜２４は、クラックが発生していなかった。また、本発明の圧電体素子２の製造方法によって作製した圧電体素子２から切り出した圧電セラミックス１０は、残留応力が１３ＭＰａ以下、機械的強度が８０ＭＰａ以上、ｋ_１５が７０％以上、圧電歪定数ｄ_１５が９００ｐｍ／V以上と良好な結果が得られた。

これに対し、第１の電極と第２の電極のみを形成させた点を除き、その他の条件は実施例と同様にして圧電セラミックスを分極した圧電素子２を構成する圧電セラミックス１０（試料Ｎｏ．２５、２９〜３１）は、すべてクラックが発生していた。また、強度が６９ＭＰａ以下、ｋ_１５が６４％以下、ｄ_１５が７６６ｐｍ／Ｖ以下と劣っていた。特に、側面付近から切り出した測定用試料の特性が劣っていた。

また、さらに比較例として、実施例で作製した圧電セラミックスを幅２０ｍｍ未満または厚みが４ｍｍ未満に加工後、第１の電極、第２の電極および引出電極２６を付けて実施例と同様に分極した。その結果、試料Ｎｏ．２６〜２８のようにクラックが発生したり、残留応力が大きかったり、ｋ_１５が低かったり、ｄ_１５が小さかったりした。

本発明の圧電セラミックスの製造方法を示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。本発明の圧電セラミックスの製造方法を示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。本発明の圧電セラミックスの製造方法を示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の圧電セラミックスの製造方法を示す断面図である。従来の圧電セラミックスの製造方法を示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。

符号の説明

２、６０：圧電体素子
１０、４０：圧電セラミックス
１２、４２：第１の主面
１４、４４：第２の主面
１６、１８、２０、４６：側面
２２、４８：第１の電極
２４、５０：第２の電極
２６、５２：引出電極
２８、５４：直流電圧
３０：境界
３２、５６：導線

Claims

矩形体もしくは直方体形状の圧電セラミックスを用意し、該圧電セラミックスの両主面に互いに対向する電極を形成すると共に、該電極間に直流電圧を印加して前記圧電セラミックスの厚み方向に分極してなる圧電体素子の製造方法において、前記圧電セラミックスの幅方向が２０ｍｍ以上、厚みが４ｍｍ以上であり、前記各電極の少なくとも一方から前記圧電セラミックスの側面まで引出された引出電極が形成したものであることを特徴とする圧電体素子の製造方法。
前記圧電セラミックスの厚みをＨとするとき、前記引出電極が、前記厚み方向にＨ／１０〜Ｈ／５引出されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子の製造方法。
体積固有抵抗率が１０^１１Ω・ｃｍ以上の液体中で前記分極を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電体素子の製造方法。
前記電極および引出電極が融点３００℃以上、導電率が１０^５Ω^−１・ｃｍ^−１以上の金属から選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電体素子の製造方法。
前記金属がＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｌのうち少なくとも１種もしくはこれらのうち少なくとも２種の合金からなる金属から選ばれることを特徴とする請求項４に記載の圧電体素子の製造方法。
前記電極および引出電極がメッキ法、物理的気相法、化学的気相法、溶射、ディッピングおよび塗装法のいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電体素子の製造方法。
前記塗装法が、前記電極および前記引出電極の前駆体として前記金属の粉末と熱硬化性樹脂との混合物を前記圧電セラミックスに塗装した後、熱硬化により行われることを特徴とする請求項６に記載の圧電体素子の製造方法。
前記圧電セラミックスの主面と側面との境界が面取りされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電体素子の製造方法。
幅方向が２０ｍｍ以上、厚みが４ｍｍ以上の矩形体もしくは直方体形状の圧電セラミックスを用意し、該圧電セラミックスの両主面に互いに対向する電極を形成すると共に、該各電極の少なくとも一方から前記圧電セラミックスの側面まで引き出された引出電極を形成してなり、前記各電極間に直流電圧を印加した後、前記各電極および引出電極を除去したことを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。