JP4670822B2 - 圧電磁器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電磁器の製造方法に関するものである。

従来より、例えば、発音体、センサ、アクチュエータ等の種々の用途に、圧電素子が利用されている。そして、圧電素子としては、単板圧電素子や積層型圧電素子が知られている。単板圧電素子は、一対の電極層間に圧電磁器からなる圧電体層を備える構造を有している。また、積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極とが交互に積層された構造の素体を有している。この積層型圧電素子において、素体は、その積層方向の両端面が複数の圧電体層からなる保護層によって覆われていることが一般的である。

このような圧電素子に利用される圧電磁器の材料は、例えば、下記特許文献１に開示されている。
特開平５−２４９１７号公報

近年、上述のような圧電磁器の圧電体層においては、さらなる圧電歪み特性の向上が望まれていた。そして、発明者らは、鋭意研究の末に、圧電歪み特性を有意に向上させることができる技術を新たに見出した。

つまり、本発明は、圧電歪み特性の向上が図られた圧電磁器の製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、圧電磁器に用いられる圧電材料にＰが含有されており、そのＰがＰ_２Ｏ_５として、圧電材料中のＴｉＯ_２原料及びＺｒＯ_２原料から所定範囲の量だけ混入する場合に、圧電歪み特性が有意に向上することを見い出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る圧電磁器の製造方法は、ＴｉＯ_２原料とＺｒＯ_２原料とＰｂＯ_２原料とを主成分として含む圧電材料を焼成して圧電磁器を作製する圧電磁器の製造方法であって、ＴｉＯ_２原料及びＺｒＯ_２原料に含まれるＰ_２Ｏ_５を４０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下の範囲で圧電材料に混入させることを特徴とする。

本発明によれば、圧電歪み特性の向上が図られた圧電磁器の製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、本発明の実施形態に係る製造方法によって作製される圧電素子について、図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図１に示す圧電素子１は、単板圧電素子であり、圧電磁器の圧電体層２と、この圧電体層２を挟むように配置された一対の電極層３Ａ及び３Ｂとを備える。この圧電素子１においては、電極３Ａ、３Ｂ間に電圧が印加されるとこれらに挟まれた圧電体層２に電界が生じ、この圧電体層２が変位（伸縮動作）する。

圧電体層２は、主としてＰＺＴ系圧電体セラミックの圧電材料から構成される層である。また、圧電体層２の圧電材料中にはリン元素が含まれている。圧電材料において、リン元素は、原子、酸化物又は圧電体層２に含まれている他の金属等との化合物の形態で含まれる。リン元素は、圧電体層２中に均一に分散していることが好ましい。

電極層３Ａ，３Ｂは、主に金属から構成される導電性の層である。電極層３Ａ，３Ｂに含まれる金属としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄやこれらの合金（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金）等が挙げられる。

次に、上記圧電素子を作製する手順について、図２を参照しつつ説明する。図２は、本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。

圧電素子１を作製する際は、まず、出発原料を用意する（ステップ１１）。この出発原料には、主成分としてＰＺＴ系圧電材料が含まれている。この圧電材料としては、ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等の粉体原料が挙げられ、これらの粉末原料が所定の組成比となるようにそれぞれの原料を秤量する。

次に、安定化ジルコニアボールをメディアに用いたボールミルによって、上記の複数種類の出発原料の湿式混合を２４時間程度行う（ステップＳ１２）。続いて、混合された原料を乾燥させる（ステップＳ１３）。そして、混合された原料に対し、例えば８５０℃程度の温度で２時間程度の加熱処理を施す仮焼成を行う（ステップＳ１４）。これにより、主にＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ元素を含有したペロブスカイト構造を有する複合型酸化物圧電材料の原料組成物が得られる。

この原料組成物をボールミルにより湿式粉砕した後（ステップＳ１５）、これを乾燥させ（ステップＳ１６）、原料組成物の粉体（圧電磁器粉体）を得る。続いて、圧電磁器粉体にポリビニルアルコール系等のバインダーを加えて造粒を行い（ステップＳ１７）、これをプレス成形等により角板状に成形する（ステップＳ１８）。これにより、圧電磁器となる圧電体グリーンシートが得られる。

得られた圧電体グリーンシートを、安定化ジルコニアセッター等に載置した後、大気雰囲気中で加熱することにより、圧電体グリーンシート中に含まれるバインダー等を除去する脱脂処理を行う（ステップＳ１９；脱バインダー）。そして、圧電体グリーンシートに対し、密閉された容器中で、例えば１０５０〜１２００℃、２時間程度の加熱を行う焼成処理（本焼成）を行う（ステップＳ２０）。

最後に、得られた焼成体の両面に銀ペーストを焼き付けて、電極層３Ａ，３Ｂを形成する（ステップＳ２１）。これにより、焼成された圧電磁器である圧電体層２と、その両面に焼き付けられた電極層３Ａ，３Ｂとで構成される図１の圧電素子１が得られる。

以上で説明したように、圧電材料にＰを添加するために、圧電材料中のＴｉＯ_２原料及びＺｒＯ_２原料からＰ_２Ｏ_５として混入させる場合には、圧電材料中に直接Ｐを添加する場合に比べて、優れた圧電歪み特性（ｄ３１）を有する圧電磁器が得られることを発明者らは見出した。

ただし、圧電材料中のＴｉＯ_２粉末原料及びＺｒＯ_２粉末原料のリン元素の含有量は、Ｐ_２Ｏ_５に換算してモル基準で４０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下の範囲に調整されている。すなわち、この量のリン元素が圧電材料に混入されている。このリン元素の含有量が４０ｐｐｍ未満であると、焼成による圧電材料の焼結が不十分となり、圧電体層２の密度が低下して十分な変位が得られ難くなる場合がある。一方、リン元素の含有量が３５０ｐｐｍを超えると圧電歪み定数（ｄ３１）の値が実用的なレベルを下回ってしまう。

なお、上述した方法ではなく、電極層３Ａ，３Ｂとなる電極ペースト（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金を含むペースト）を圧電体グリーンシートに塗布した後、脱バインダー処理（ステップＳ１９）及び本焼成（ステップＳ２０）をおこなうことでも、図１の圧電素子１と同様の素子を得ることができる。この場合には、電極ペースト層に含まれる金属が、本焼成の際に圧電体グリーンシート中に拡散し易くなるが、圧電体グリーンシート中に金属と反応し易いリン元素が分散されているため、金属の拡散は圧電体グリーンシート中で均一に生じるようになる。その結果、圧電体グリーンシートがリン元素を含まない場合に比して、焼結による圧電体グリーンシート（圧電体層２）の収縮が均一に生じるようになる。その結果、圧電体層２は、歪みが少ない形状を有するものとなり、圧電素子１全体も歪みが少ないものとなる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
（実施例）

まず、図２に示すステップＳ１１〜Ｓ１６を実施して、圧電材料の原料組成物の粉体（出発原料）を得た。この出発原料には、Ｐ_２Ｏ_５を含有するＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２と、ＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５とが含まれている。そして、これらの出発原料を、焼成後にＰｂ_０．９９［（Ｚｎ_１／３ Ｎｂ_２／３）_０．１ Ｔｉ_０．４４ Ｚｒ_０．４６］Ｏ_３の組成を有する圧電磁器が得られるように秤量し配合した。

次に、ステップＳ１７に示すように、その圧電材料の原料組成物の粉体に、ポリビニルアルコール系のバインダーを加えて造粒した後、ステップＳ１８に示すプレス成形を約１９６ＭＰａで行い、一辺が約２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのサイズを有する角板状の圧電体グリーンシートを得た。

その後、ステップＳ１９に示すように、圧電体グリーンシートの脱バインダーを行い、ステップＳ２０に示すように、圧電体グリーンシートをマグネシア（ＭｇＯ）の密閉容器に入れ、１１５０℃で２時間加熱する本焼成を行った。これにより、角板状の圧電磁器を得た。

最後に、得られた圧電磁器を、高さ１．０ｍｍに加工し、さらにその両面に銀焼付電極を形成して、図１に示す圧電素子と同様の単板圧電素子（１２ｍｍ×３ｍｍ）を作製した。さらに、この単板圧電素子に、１２０℃のシリコーン油中で分極処理（処理条件：３ｋＶ／ｍｍ、１５分）を行った。

以上のようにして得られた単板圧電素子の圧電歪み定数（ｄ３１）を測定した。測定方法としては、インピーダンスアナライザーを用いて測定した素子の静電容量、共振周波数及び反共振周波数から、圧電歪み定数を算出した。また、圧電磁器の断面を走査型電子顕微鏡で観察し、圧電粒子の平均粒子径を円相当径として画像処理ソフト（Ｍａｃ Ｖｉｅｗ）を用いて測定した。
（比較例）

上述した実施例と同様に、図２に示すステップＳ１１〜Ｓ１６を実施して、圧電材料の原料組成物の粉体を得た。この出発原料には、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５が含まれており、これにＰ_２Ｏ_５試薬が添加されている。そして、Ｐ_２Ｏ_５が添加された出発原料を、焼成後にＰｂ_０．９９［（Ｚｎ_１／３ Ｎｂ_２／３）_０．１ Ｔｉ_０．４４ Ｚｒ_０．４６］Ｏ_３の組成を有する圧電磁器が得られるように秤量し配合した。

次に、ステップＳ１７に示すように、その圧電材料の原料組成物の粉体に、ポリビニルアルコール系のバインダーを加えて造粒した後、ステップＳ１８に示すプレス成形を約１９６ＭＰａで行い、一辺が約２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのサイズを有する角板状の圧電体グリーンシートを得た。

その後、ステップＳ１９に示すように、圧電体グリーンシートの脱バインダーを行い、ステップＳ２０に示すように、圧電体グリーンシートをマグネシア（ＭｇＯ）の密閉容器に入れ、１１５０℃で２時間加熱する本焼成を行った。これにより、角板状の圧電磁器を得た。

最後に、得られた圧電磁器を、高さ１．０ｍｍに加工し、さらにその両面に銀焼付電極を形成して、図１に示す圧電素子と同様の単板圧電素子（１２ｍｍ×３ｍｍ）を作製した。さらに、この単板圧電素子に、１２０℃のシリコーン油中で分極処理（処理条件：３ｋＶ／ｍｍ、１５分）を行った。

以上のようにして得られた単板圧電素子の圧電歪み定数を、実施例同様に測定した。また、圧電磁器の断面を走査型電子顕微鏡で観察し、圧電粒子の平均粒子径を円相当径として画像処理ソフト（Ｍａｃ Ｖｉｅｗ）を用いて測定した。

上記実施例及び比較例により測定した圧電歪み定数は、以下の表１及び図３のグラフに示すとおりであった。ここで、図３のグラフの横軸は、圧電材料中のＰ_２Ｏ_５含有量（ｐｐｍ）を示しており、縦軸は圧電歪み定数（ｐＣ／Ｎ）を示している。

これらの測定結果（表１及び図３のグラフ）から、圧電材料中にＰ_２Ｏ_５を直接添加した比較例に比べて、圧電材料にＴｉＯ_２粉末原料及びＺｒＯ_２粉末原料からＰ_２Ｏ_５を混入させた実施例のほうが、圧電歪み定数の値が高くなることがわかった。さらに、圧電材料中のＴｉＯ_２粉末原料及びＺｒＯ_２粉末原料のリン元素の含有量が、Ｐ_２Ｏ_５に換算してモル基準で３５０ｐｐｍ以下である場合には、圧電歪み定数が実用上十分な値（２００ｐＣ／Ｎ以上）となった。一方、Ｐ_２Ｏ_５が３５０ｐｐｍを超えると、圧電歪み定数が２００ｐＣ／Ｎを下回ってしまった。そのため、圧電材料にＴｉＯ_２原料及びＺｒＯ_２原料から混入させるＰ_２Ｏ_５は３５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、実施例及び比較例における顕微鏡写真は図４に示すとおりであった。この写真から、圧電粒子の平均粒子径を測定した結果、図５に示すグラフが得られた。ここで、図５のグラフの横軸は、圧電材料のＰ_２Ｏ_５含有量（ｐｐｍ）を示しており、縦軸は圧電粒子の平均粒子径（μｍ）を示している。

これらの測定結果（図４の写真及び図５のグラフ）から、同じ濃度のＰ_２Ｏ_５を圧電材料中に含有させるとき、圧電材料中にＰ_２Ｏ_５を直接添加した場合（比較例）に比べて、圧電材料にＴｉＯ_２粉末原料及びＺｒＯ_２粉末原料からＰ_２Ｏ_５を混入させた場合（実施例）のほうが、圧電磁器が、大きな平均粒子径の圧電粒子で構成されることがわかる。つまり、所定のＰ_２Ｏ_５含有量範囲（４０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下）において、任意の含有量で比較した場合、比較例に係る平均粒径よりも実施例に係る平均粒径のほうが大きくなる。このように実施例では比較例に比べて平均粒子径が大きくなるため、実施例に係る圧電磁器のほうがより高い焼結性を実現することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、圧電素子として、単板圧電素子を例に説明したが、適宜積層型圧電素子にも適用することができる。

本発明の実施例に係る圧電素子を示す斜視図である。 図１に示した圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る測定結果を示したグラフである。 本発明の実施例に係る測定結果を示した顕微鏡写真である。 本発明の実施例に係る測定結果を示したグラフである。

符号の説明

１…圧電素子、２…圧電体層、３Ａ，３Ｂ…電極層。

Claims (1)

1. ＴｉＯ_２原料とＺｒＯ_２原料とＰｂＯ原料とを主成分として含む出発原料を焼成してＰｂ元素、Ｚｒ元素、及びＴｉ元素を含有したペロブスカイト構造を有する複合型酸化物圧電材料の原料組成物を得て、前記複合型酸化物圧電材料の原料組成物を焼成して圧電磁器を作製する圧電磁器の製造方法であって、
   前記ＴｉＯ_２原料及び前記ＺｒＯ_２原料としてそれぞれＰ_２Ｏ_５を含有するＴｉＯ_２の粉体原料及びＺｒＯ_２の粉体原料を用意すると共に前記ＰｂＯ原料としてＰ_２Ｏ_５を含有しないＰｂＯの粉体原料を用意し、
   ＴｉＯ_２の前記粉体原料及びＺｒＯ_２の前記粉体原料に含まれるＰ_２Ｏ_５を前記出発原料に対して４０ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下の範囲とした、圧電磁器の製造方法。