JP4943043B2 - 圧電セラミックスの製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、近年においては、PZTに含まれる鉛(Pb)の毒性が問題となっている。鉛は人体にとって有害であると共に、環境汚染の原因にもなるからである。そのため、組成中に鉛を含まない圧電材料(非鉛系圧電材料)の開発が進められている。
例えば、上記(1)の観点の例として、非特許文献1には、無配向セラミックス(K0.5Na0.5)NbO3の圧電定数d33は約100pm/Vであるが、Aサイトをリチウム(Li)で置換固溶させることにより、235pm/Vの圧電定数が得られることが開示されている。
従って、圧電セラミックスの特性を向上させるためには、結晶配向を制御することが有望とも言える。
また、第2前駆体にビスマスが残留していた場合に、最終生成物における残留ビスマスによる圧電特性に対する影響も明らかになっていない。
図1は、本発明の一実施形態に係る圧電セラミックスの製造方法を示すフローチャートである。また、図2は、本実施形態に係る圧電セラミックスの製造方法を説明するための図である。この製造方法は、一般式がABO3によって表されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Bサイト元素がニオブ(Nb)を含む圧電セラミックスであって、圧電セラミックスの組成に対するビスマスの含有量が100重量ppm以下であり、及び/又は、配向性の良い(例えば、ロットゲーリング法による配向度Fが50%以上の)圧電セラミックスを製造する方法である。具体的な組成としては、例えばKNbO3や、K0.5Na0.5NbO3や、或いは、K0.5Na0.5NbO3のAサイトをリチウム(Li)で置換し、Bサイトをタンタル(Ta)で置換した(K0.5Na0.5)1−xLixNb1−yTayO3(x=0〜0.1、y=0〜0.5)が挙げられる。なお、ロットゲーリング法による配向度の算出方法については、後で説明する。
n=2の場合、A'サイト:2価のイオン、Bサイト:5価のイオン
n=3の場合、A'サイト:3価のイオン、Bサイト:4価のイオン
又は、A'サイト:3/2価のイオン、Bサイト:5価のイオン
n=4の場合、A'サイト:8/3価のイオン、Bサイト:4価のイオン
又は、A'サイト:4/3価のイオン、Bサイト:5価のイオン
n=5の場合、A'サイト:5/2価のイオン、Bサイト:4価のイオン
又は、A'サイト:5/4価のイオン、Bサイト:5価のイオン
例えば、最終生成物としてK0.5Na0.5NbO3を製造する場合には、第1前駆体として、(Bi2O2)(CaNb2O7)を用意する。
さらに、工程S3において、純水中において攪拌された第1前駆体についてデカンテーションを行うことにより、水溶性不純物を除去する。ここで、デカンテーションとは、沈殿等の固形物を液体と分離するために、液体と固形物の混合物を放置して固形物を沈降させ、上澄み液のみを流し去る作業のことをいう。この工程においては、水溶性不純物を極力少なくするために、水洗及び濾過を少なくとも10回繰り返すことが望ましい。或いは、デカンテーションの替わりに、第1前駆体が沈殿している純水を濾過しても良い。それにより、図2の(a)に示す第1前駆体1が得られる。
工程S5において、第2前駆体及び添加剤をバインダ及び可塑剤と共に混練することによりスラリーを作製し、それをシート状(又は、テープ状)に成形して乾燥させる。ここで、添加剤には、セラミックス結晶中に固溶させることにより結晶の組成を変性させる物質や、結晶中に固溶しないで結晶粒界に存在して、焼結性を向上させる焼結助剤の効果を有する物質が含まれる。また、このとき使用される添加剤は、成形体の密度を高めるために、酸化物を用いることが好ましい。さらに、第2前駆体である板状粒子の配向を乱さないように、添加剤の粒子径を1μm以下とすることが好ましい。
さらに、工程S7において、第2前駆体を含む成形体3を所定の温度(例えば、200℃〜300℃程度)で熱処理(焼成)することにより、バインダを飛散させる。
そして、さらに緻密な焼結体を得るために、工程S8において、脱バインダされた成形体を再度一軸加圧し、それを所定の温度(例えば、900℃〜1200℃程度)で熱処理(焼結)する。それにより、図2の(d)に示す圧電セラミックス(焼結体)4が得られる。
さらに、本実施形態においては、第1前駆体として、例えば、Bi2XYNb3O12(Xはアルカリ土類元素、Yはアルカリ元素)、Bi2XY2NbO15( 〃 )、Bi2XY3NbO15( 〃 )等の化合物を用いても良い。
ICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析法を用いることにより、圧電セラミックスの組成を測定した。但し、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、及びリチウム(Li)については、原子吸光法により測定を行った。
Cu−Kα(アルファ)線源のX線回折法を用いることにより、10°≦2θ≦60°の範囲内の回折線の強度を測定し、その測定値に基づいて、ロットゲーリング(Lotgering)法により結晶配向度を求めた。ここで、ロットゲーリング法において、結晶配向度Fは、式(1)〜式(3)により求められる。
P=ΣI'(HKL)/ΣI(HKL) …(1)
P0=ΣI0'(HKL)/ΣI0(HKL) …(2)
F(%)=100×(P−P0)/(1−P0) …(3)
ここで、I(HKL)は、配向試料の結晶面(HKL)からのX線回折強度を表し、I0(HKL)は、試料と同一の組成を有する無配向の化合物における結晶面(HKL)からのX線回折強度を表している。また、ΣI'(HKL)は、試料における立方晶表示の配向面(例えば、I(001)、I(006)等)からのX線回折強度の総和を表し、ΣI(HKL)は、試料において測定され得る全ての結晶面(HKL)からのX線回折強度の総和を表している。さらに、Pは、全ての結晶面からのX線回折強度に対する配向面からのX線回折強度の比を表しており、P0は、試料と同一の組成を有する無配向の化合物における全ての結晶面からのX線回折強度に対する配向面からのX線回折強度の比を表している。従って、無配向結晶においてはF=0(%)となり、全ての結晶子が配向している場合にはF=100(%)となる。
1mmの厚さに研磨した試料の上面及び下面に銀(Ag)ペーストを焼き付けることにより電極を形成し、電極付き試料の厚さ方向に分極処理を施した。分極処理は、約200℃の絶縁油中において、約30分間、試料に約4kVの直流電圧を印加し、その後に、絶縁油中において電圧を印加した状態のまま試料を室温まで冷却することにより行った。この分極済み試料を、0.5mm幅に切り出し、室温で分極方向に3kV/mmの電界を印加したときに生じる電界誘起歪を測定し、その測定値に基づいて圧電定数d33を求めた。
(i)第1前駆体の形成
原料として、純度99.9%以上のBi2O3、CaCO3、Nb2O5、Ta2O5を用意し、それらを1:1:0.8:0.2のモル比で秤量した。そして、モル比が等しいKClとNaClとの混合物をフラックスとして、秤量された原料及びフラックスを等重量になるように配合して、よく混合した。さらに、原料とフラックスとの混合物を、空気中において1100℃で5時間熱処理した。それにより得られた熱処理物について、水洗及びデカンテーションを10回繰返し行うことにより、固形粉末を得た。この固形粉末について化学分析及びX線回折を行った結果、固形粉末は、格子定数がa=5.481Å、c=24.84Åである正方晶であり、(Bi2O2)(CaNb1.6Ta0.4O7)結晶であることが確認された。また、SEM(走査電子顕微鏡)観察の結果、この固形粉末は正方形若しくは略正方形の板状であり、平板部分の1辺が10μm〜15μm程度であり、厚さが1μm程度の大きさであることが確認された。この板状粒子を第1前駆体とした。
原料として、純度99.9%以上のNa2CO3及びK2CO3と、先に形成された第1前駆体とを用意し、それらを1:1:1のモル比で秤量した。そして、モル比が等しいKClとNaClとの混合物をフラックスとして、秤量された原料及びフラックスを等重量になるように配合して、よく混合した。さらに、原料とフラックスとの混合物を、空気中において900℃で3時間熱処理した。それにより得られた熱処理物について、水洗及びデカンテーションを10回繰返し行うことにより、固形粉末を得た。この固形粉末について化学分析及びX線回折を行った結果、固形粉末は、K0.5Na0.5Nb0.8Ta0.2O3結晶であることが確認された。また、SEM(走査電子顕微鏡)観察の結果、この固形粉末は正方形若しくは略正方形の板状であり、平板部分の1辺が5μm〜10μm程度であり、厚さが1μm程度の大きさであることが確認された。この板状粒子を第2前駆体とした。
別途作製された平均粒子径が0.3μm程度のLiNbO3粉末と、上記第2前駆体とを、6:94のモル比で秤量して混合した。この混合原料と、溶剤としてエタノールと、バインダとしてPVB(ポリビニルブチラール)と、可塑剤としてDBP(フタル酸ジブチル)とを混練することによりスラリーを形成した。そして、このスラリーを、乾燥後のグリーンシートの厚さが70μm〜80μmになるように、ドクターブレード法を用いてシート成形して乾燥させた。それによって形成されたグリーンシートを40枚積層し、50MPaの圧力を厚さ方向に加えることにより、セラミックスグリーン(第2前駆体を含む成形体)を作製した。
上記セラミックスグリーンを300℃まで徐々に昇温させることにより、脱バインダ処理を行った。さらに、脱バインダされた成形体に200MPaの圧力を厚さ方向に加えることにより緻密化し、1120℃で焼結処理を行った。それにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
第1前駆体の形成工程(i)において、熱処理する際の温度を変化させることにより、第1前駆体の大きさを実施例1−1から変化させた。即ち、熱処理温度を1030℃とすることにより、平板部分の1辺が3μm〜8μm程度、厚さが0.5μm程度の第1前駆体を得た。それ以外の工程については実施例1−1と同様の方法を用いることにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
第1前駆体の形成工程(i)において、原料として、実施例1におけるCaCO3の代わりにBaCO3を用いた。また、その際における熱処理温度を1050℃とした。この形成工程(i)によって得られた固形粉末について化学分析及びX線回折を行った結果、固形粉末は、格子定数がa=5.521Å、c=25.52Åである正方晶であり、(Bi2O2)(BaNb1.6Ta0.4O7)結晶であることが確認された。また、SEM観察の結果、固形粉末の形状、大きさは、共に実施例1−1と同等であった。それ以外の工程については実施例1−1と同様の方法を用いることにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
第1前駆体の形成工程(i)において、熱処理する際の温度を変化させることにより、第1前駆体の大きさを実施例2−1から変化させた。即ち、熱処理温度を950℃とすることにより、平板部分の1辺又は径が3μm〜5μm程度、厚さが0.5μm程度の第1前駆体を得た。それ以外の工程については実施例1−1と同様の方法を用いることにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
非特許文献3に記載されているのと同様の方法により、試料を作製した。まず、フラックスとして溶融NaClを用いて原料を合成することにより、A'サイトにビスマスを含む第1前駆体を形成した。その際の熱処理温度は、1080℃とした。それによって得られた固形粉末について化学分析及びX線回折を行った結果、固形粉末は、格子定数がa=3.900Å、c=48.45Åである正方晶であり、A'サイトにビスマスを含む(Bi2O2){(Bi0.125Na0.875)4(Nb0.8Ta0.2)5O15}結晶であることが確認された。また、SEM観察の結果、形状は実施例1−1〜2−2と同様の正方形若しくは略正方形の板状であり、平板部分の1辺が10μm〜15μm程度であり、厚さが0.5μm〜1μmであった。この厚さは、実施例1−1及び2−1において形成された第1前駆体よりも若干小さい。次に、原料として、Na2CO3と、先に形成された第1前駆体とを用意し、それらを75:100のモル比で秤量し、原料と同重量のNaClをフラックスとして、900℃で加熱することにより、第2前駆体である板状のNaNb0.8Ta0.2O3を得た。板状粒子の形状及び大きさは、第1前駆体と概ね同様であった。さらに、第2前駆体を含む成形体を形成するために、別途作製された平均粒子径が0.3μm程度のLiNbO3粉末、KNbO3粉末、KTaO3粉末と、上記第2前駆体とを、6:37:10:47のモル比で秤量して混合した。その後の工程については実施例1−1と同様の方法を用いることにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
実施例2−1と同様の方法を用い、第1前駆体を合成する際の温度を変化させることにより、実施例2−1とは大きさが異なる第1前駆体を形成した。即ち、熱処理温度を1000℃とすることにより、平板部分の1辺が3μm〜5μm程度、厚さが0.2μm〜0.5μm程度の第1前駆体を得た。それ以外の工程については実施例1−1と同様の方法を用いることにより、圧電セラミックス試料K0.47Na0.47Li0.06Nb0.8Ta0.2O3を得た。
配向度 ビスマス含有量 圧電定数d33
(重量ppm) (pm/V)
実施例1−1 81% 10 380
実施例1−2 65% 1.5 350
実施例2−1 78% 50 340
実施例2−2 62% 3.5 320
比較例1−1 85% 320 230
比較例1−2 55% 120 180
本実施形態に係る圧電セラミックスの両面に電極を形成することにより、圧電素子を作製することができる。また、圧電セラミックスが配向制御されている場合には、結晶配向方向に電界が印加されるように電極を配置することにより、高い圧電性能が得ることができる。この圧電素子は、従来の鉛系圧電セラミックス(例えば、PZT)と同様に、圧電アクチュエータや超音波を送受信する超音波トランスデューサ等に適用することができ、鉛系圧電セラミックスを使用した圧電素子に比較して、遜色ない性能を発揮できる可能性がある。例えば、PZTの中には、圧電定数d33が400pm/V程度のものが存在するのに対して、本実施形態においては、圧電定数d33が380pm/v程度の性能を実現している。
2 第2前駆体(板状粒子)
3 セラミックスグリーン
4 圧電セラミックス(焼結体)
Claims (5)
- 圧電セラミックスを製造する方法であって、
酸素によって形成されている複数の8面体が頂点を共有して配列されており、8個の8面体の中心、及び、各8面体の中心に元素が配置されている層状ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物であって、8個の8面体の中心に配置されている元素をA'サイト元素とし、各8面体の中心に配置されている元素をBサイト元素として、前記層状ペロブスカイト型結晶構造の一般式が(Bi2O2)(A'n−1BnO3n+1)であり(nは、2以上5以下の整数)、A'サイト元素がカルシウム(Ca)であり、Bサイト元素がビスマス(Bi)を含まずニオブ(Nb)を含む前記化合物の板状粒子を用意する工程(a)と、
工程(a)において用意された板状粒子を溶融フラックス中において熱処理して、ビスマス(Bi)及びA'サイト元素を少なくとも1つの他の元素に置換することにより、酸素によって形成されている複数の8面体が頂点を共有して配列されており、8個の8面体の中心、及び、各8面体の中心に元素が配置されているペロブスカイト型結晶構造を有する板状粒子であって、8個の8面体の中心に配置されている元素をAサイト元素とし、各8面体の中心に配置されている元素をBサイト元素として、前記ペロブスカイト型結晶構造の一般式がABO3である板状粒子を生成する工程(b)と、
工程(b)において生成された板状粒子を含有する成形体を作製し、前記成形体を焼結することにより、ビスマス含有量が100重量ppm以下である圧電セラミックスを得る工程(c)と、
を具備する圧電セラミックスの製造方法。 - 工程(c)が、グリーンシート法を用いることにより、前記成形体を作製することを含む、請求項1記載の圧電セラミックスの製造方法。
- 工程(a)が、n=2であり、Bサイト元素がニオブ(Nb)を含む化合物の板状粒子を用意することを含む、請求項1又は2記載の圧電セラミックスの製造方法。
- 工程(c)が、工程(b)において形成された板状粒子に添加物質を混入させることにより前記成形体を作製することを含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の圧電セラミックスの製造方法。
- 前記添加物質が酸化物である、請求項4記載の圧電セラミックスの製造方法。
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