JP5256804B2

JP5256804B2 - 圧電磁器及びそれを用いた圧電素子

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Publication number: JP5256804B2
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Inventors: 大介田中; 正仁古川
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Description

本発明は、圧電磁器及びそれを用いた圧電素子に関する。

電界を加えると機械的な歪み及び応力を発生する、いわゆる圧電現象を示す圧電磁器が知られている。このような圧電磁器は、アクチュエータや圧電ブザー、発音体、センサなどの各種圧電素子に用いられている。

圧電磁器を利用したアクチュエータは、微量な変位を高精度に得ることができると共に、発生応力が大きい等の特徴を有しており、例えば、精密工作機械や光学装置の位置決めに用いられている。アクチュエータに用いられる圧電磁器としては、優れた圧電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が最も多く利用されている。しかし、チタン酸ジルコン酸鉛は鉛を多く含んでいるので、最近では、酸性雨による鉛の溶出など地球環境に及ぼす影響が懸念されている。そこで、チタン酸ジルコン酸鉛に代わる、鉛の量が十分に低減された圧電磁器の材料が求められている。かかる要求に応じて、鉛を含有しない様々な圧電磁器の材料が提案されている。

鉛を含有しない圧電磁器の材料としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）が知られている。そして、このチタン酸バリウムの圧電特性を改善するために、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）と他の成分とが固溶した圧電磁器の材料が提案されている。例えば、ＢａＴｉＯ_３−ＫＮｂＯ_３−ＮａＮｂＯ_３などの３成分系の固溶体が提案されている（特許文献１参照）。

複数の成分が固溶している圧電磁器用の固溶体は、圧電性を示す結晶構造の相境界（ＭＰＢ）、例えば、正方晶と斜方晶との相境界において高い圧電特性を示すことが一般的に知られている。このため、２成分系や３成分系の固溶体では、これらの結晶構造の相境界付近での組成が精力的に研究されている。

例えば、ＢａＴｉＯ_３−ＫＮｂＯ_３の２成分系の固溶体の結晶構造は、図３に示すように、広い組成比率において、圧電性を示さない立方晶であると認識されていた（例えば、非特許文献１）。このため、この２成分系の固溶体は、圧電磁器の材料としてはあまり注目されていなかった。すなわち、図３に示すＢａＴｉＯ_３−ＫＮｂＯ_３の２成分系では、一方の成分の割合が極端に高く、他方の成分の割合が極端に低い組成に結晶構造の相境界があると認識されていたため、一方の成分の割合が極端に高い、偏った組成でのみ圧電性を示すと考えられていた。
特開２００３−２５２６８１号公報 R. J. Bratton, T. Y. Tien, J. Am. Ceram. Soc., 50, 90-93 (1967)

ところで、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）はキュリー温度（Ｔｃ）が約１２０℃と低いため、チタン酸バリウムのみからなる圧電磁器は、使用温度が１００℃以下に限定されてしまうという問題がある。また、これまで提案されているチタン酸バリウムと他の成分との固溶体は、鉛系の材料に比べて圧電特性が低く、十分に大きな発生変位量を得ることができない。このため、鉛を含まない材料で構成され、十分に優れた圧電特性を有する圧電磁器が求められている。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、鉛の含有量が十分に低減されるとともに、広い温度範囲で十分に優れた圧電特性を有する圧電磁器及び当該圧電磁器を備える圧電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは、種々の材料組成について検討を行った。そして、従来、広い組成範囲において、立方晶の結晶構造をとるために圧電性を示さないと考えられていたＫＮｂＯ_３−ＢａＴｉＯ_３の２成分系の固溶体に、優れた圧電特性を示す特定の組成範囲があることを見出した。

すなわち、本発明は、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３との２成分が固溶した固溶体を主成分として含有し、２成分の合計に対するＫＮｂＯ_３のモル比率が０．５〜０．９である圧電磁器を提供する。

このような圧電磁器は、広い温度範囲で十分に優れた圧電特性を示す。かかる効果が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者は以下のとおり推察する。すなわち、従来、ＫＮｂＯ_３−ＢａＴｉＯ_３の２成分系の固溶体の結晶構造は、広い組成範囲において、立方晶であると考えられてきたが、実際は、ＫＮｂＯ_３のモル比率が０．５〜０．９の組成範囲に結晶構造の相境界を有していると思われる。このため、上記２成分を特定比率で含有する固溶体を主成分として含有する圧電磁器は、広い温度範囲で十分に優れた圧電特性を有している。この圧電磁器は、鉛を構成元素として含んでいない固溶体を主成分としているため、環境性にも優れている。

本発明の圧電磁器は、９５％以上の相対密度を有する。このように高い相対密度を有することによって、一層優れた圧電特性を得ることができる。

本発明ではまた、一対の電極と、該一対の電極の間に上記圧電磁器と、を備える圧電素子を提供する。また、内部電極と上記圧電磁器とが交互に積層された素体と、該素体を挟むようにして、該素体の両端面にそれぞれ設けられ、内部電極と電気的に接続されている一対の端子電極と、を備える圧電素子を提供する。これらの圧電素子は、上記特徴を有する圧電磁器を備えているため、広い温度範囲において十分に優れた圧電特性を有している。

本発明では、鉛の含有量が十分に低減されるとともに、広い温度範囲で十分に優れた圧電特性を有する圧電磁器及び当該圧電磁器を備える圧電素子を提供することができる。

以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は本発明の圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。圧電素子２０は、圧電磁器１と、この圧電磁器１の対向する一対の面上にそれぞれ設けられた一対の電極２，３とを備えている。

圧電磁器１は、例えば、厚さ方向、すなわち一対の電極２，３が対向する方向に分極されており、電極２，３を介して電圧が印加されることにより、厚み方向に縦振動および径方向に広がり振動することができる。電極２，３は、例えば、金（Ａｕ）などの金属により構成されている。電極２，３には、ワイヤなどを介して外部電源と電気的に接続することができる（図示しない）。

圧電磁器１は、下記一般式（１）で表されるような、ＫＮｂＯ_３及びＢａＴｉＯ_３が互いに固溶した２成分系の固溶体を主成分として含有する。
ｘＫＮｂＯ_３−（１−ｘ）ＢａＴｉＯ_３（１）
上記一般式（１）は、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とがｘ：（１−ｘ）の比率で固溶している固溶体を示している。本実施形態では、上記ｘは０．５〜０．９である。

すなわち、圧電磁器１は、複合酸化物であるＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３との固溶体であるセラミックスを主成分として含有しており、固溶体全体に対するＫＮｂＯ_３のモル比率（ｘ）は０．５〜０．９である。当該モル比率は、０．５〜０．７であることが好ましく、０．５〜０．６であることが好ましい。当該モル比率を０．５〜０．７とすることによって、圧電特性に一層優れる圧電磁器を得ることができる。

圧電磁器１の主成分は、上記一般式（１）で表わされる固溶体であるが、圧電磁器１全体に対する当該固溶体の含有量は、一層優れた圧電特性を得る観点から、９５質量％以上であることが好ましく、９７質量％以上であることがより好ましく、９９質量％以上であることがさらに好ましい。

圧電磁器１の組成は、例えば、Ｘ線回折やＩＣＰ発光分光分析で測定することができる。ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とが固溶していることは、Ｘ線回折で同定することができ、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とのモル比率（ｘ）は、ＩＣＰ発光分光分析によって測定することができる。

圧電磁器１の相対密度は９５％以上であることが好ましい。このような高い相対密度を有する焼結体で構成される圧電磁器１は、一層優れた圧電特性を示す。なお、圧電磁器１の相対密度は、アルキメデス法によって測定することができる。圧電磁器１の相対密度は、焼成温度や焼成時間を変えることによって調整することができる。

上記一般式（１）において、酸素の組成は化学量論的に求めたものであり、実際の組成においては、化学量論組成からの若干のずれ（例えば、化学量論組成を基準とし、９５〜１０５ｍｏｌ％程度）は許容される。

圧電磁器１は副成分として、Ｍｎ酸化物などのＭｎ化合物やＣｕ酸化物などのＣｕ化合物を含んでいてもよい。Ｍｎ化合物やＣｕ化合物を含むことによって、圧電磁器１の電気機械結合係数（Ｑｍ）を向上させることができる。

圧電磁器１は鉛（Ｐｂ）を含んでいてもよいが、その含有量は１質量％以下であることが好ましく、鉛を全く含んでいないことがより好ましい。鉛の含有量が十分に低減された圧電磁器は、焼成時における鉛の揮発、および圧電素子などの圧電部品として市場に流通し廃棄された後における環境中への鉛の放出を最小限に抑制することができる。このような圧電磁器１は、例えば、圧電素子であるアクチュエータなどの振動素子，発音体またはセンサなどの材料として好ましく用いることができる。

次に、図１に示す圧電素子２０の製造方法について以下に説明する。まず、圧電磁器１の主成分の原料として、例えば、カリウム、ニオブ、チタン、バリウムをそれぞれ含む酸化物粉末を準備する。また、圧電磁器１の副成分の原料として、例えばタンタル、ジルコニウム、ハフニウム及びアルカリ土類金属の酸化物、並びにＭｎ酸化物粉末及びＣｕ酸化物粉末を準備する。なお、これら主成分および副成分の原料としては、酸化物ではなく、炭酸塩またはシュウ酸塩のように、焼成により酸化物となるものを用いてもよい。

次いで、これらの原料を十分に乾燥させたのち、カリウム化合物とニオブ化合物とを、ＫＮｂＯ_３の組成となるように秤量する。これらの化合物を、ボールミルなどを用いて有機溶媒中で十分に混合した後、乾燥し、８００〜１０００℃で２〜１２時間焼成してＫＮｂＯ_３を調製する。調製したＫＮｂＯ_３を、ボールミル等を用いて１μｍ以下となるように粉砕してＫＮｂＯ_３粉末を得る。

これとは別に、バリウム化合物とチタン化合物とを、ＢａＴｉＯ_３の組成となるように秤量する。これらの化合物を、ボールミルなどを用いて有機溶媒中で十分に混合した後、乾燥し、１０００〜１３００℃で２〜１２時間焼成してＢａＴｉＯ_３を調製する。調製したＢａＴｉＯ_３を、ボールミル等を用いて１μｍ以下となるように粉砕してＢａＴｉＯ_３粉末を得る。

このようして得られたＫＮｂＯ_３粉末とＢａＴｉＯ_３粉末とを、上記一般式（１）でｘが０．５〜０．９となるような比率で混合し、７００〜１０００℃で２〜１２時間焼成する。これによって、上記一般式（１）で表される、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とが特定の割合（ｘ＝０．５〜０．９）で固溶した固溶体が得られる。なお、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とを混合する際に、必要に応じて副成分の原料である金属酸化物を添加してもよい。

秤量した主成分である固溶体と、必要に応じて添加される副成分の原料とを、ボールミルなどにより有機溶媒中または水中で十分に混合する。混合して得られた混合物を乾燥し、一軸プレス成形機や静水圧成形機（ＣＩＰ）などを用いてプレス成形して、１０００〜１２００℃で２〜１０時間焼成する。これによって、上記式（１）で表される固溶体を主成分とする焼結体、すなわち圧電磁器を得ることができる。焼成は、例えば空気中で行うことができ、焼成温度や焼成時間を変えることによって得られる焼結体の相対密度を調整することができる。

次に、得られた焼結体を、必要に応じて加工して、焼結体の一対の面上に電極２，３を設け、加熱したシリコーンオイル中で電界を印加して分極処理を行う。これにより、図１に示す圧電磁器１、及び圧電磁器１と該圧電磁器１を挟むように設けられる電極２，３とを備える圧電素子２０を得ることができる。電極２，３は、Ａｇ（銀）などのペーストを塗布した後、乾燥し、焼成することによって形成することができる。

圧電磁器１の製造方法は、上述のような一般的なセラミックスの製造方法に限定されるものではなく、水熱合成法やゾルゲル法などの製造方法であってもよい。

次に、本発明の圧電素子の別の実施形態について説明する。

図２は本発明の圧電素子の別の実施形態を示す一側面図である。図２に示す積層型の圧電素子である積層型圧電素子１０は、直方体状の積層体１１と、この積層体１１の対向する端面にそれぞれ形成された一対の端子電極１７Ａ，１７Ｂとを備えている。

積層体１１は、圧電体層１２を介して内部電極層（電極層）１３Ａ，１３Ｂを交互に積層してなる素体１４と、この素体１４をその積層方向の両端面側（図中上下方向）から挟み込むように設けられた一対の保護層１５及び１６とから構成される。素体１４においては、圧電体層１２と内部電極層１３Ａ，１３Ｂとが交互に積層されている。

圧電体層１２は、圧電磁器で構成される層である。圧電磁器としては、上述の圧電素子２０に備えられる圧電磁器１と同様のものを用いることができる。

圧電体層１２の１層当たりの厚さは、任意に設定することができるが、例えば１〜１００μｍにすることができる。

内部電極層１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ平行となるように設けられている。内部電極層１３Ａは、一方の端部が積層体１１における端子電極１７Ａが形成された端面に露出するように形成されている。また、内部電極層１３Ｂは、一方の端部が積層体１１における端子電極１７Ｂが形成された端面に露出するように形成されている。さらに、内部電極層１３Ａと内部電極１３Ｂとは、これらの大部分が積層方向に重なり合うように配置されている。そして、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれた圧電体層１２の活性領域１８は、内部電極１３Ａ，１３Ｂに電圧を印加したときに積層方向に伸縮（変位）する活性部分となる。一方、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれていない領域１９は不活性部分である。

内部電極層１３Ａ，１３Ｂの材質としては、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，ＣｕまたはＡｇなどの金属、あるいはこれらの金属を２種以上含有する合金（Ａｇ−Ｐｄ合金など）が用いられる。保護層１５，１６は、セラミックスから構成され、圧電磁器で構成される層であることが好ましい。この保護層１５，１６を形成する圧電磁器としては、圧電体層１２と同様のものが挙げられる。保護層１５，１６及び圧電体層１２を構成する圧電磁器は、同じであっても異なっていてもよい。

端子電極１７Ａ，１７Ｂは、これらが設けられている積層体１１の端面において、当該端面に露出している内部電極１３Ａ，１３Ｂの端部とそれぞれ接している。これにより、端子電極１７Ａ，１７Ｂは、内部電極１３Ａ，１３Ｂとそれぞれ電気的に接続される。この端子電極１７Ａ，１７Ｂは、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ等を主成分とする導電材料から構成することができる。端子電極１７Ａ，１７Ｂの厚さは、用途や積層型圧電素子のサイズ等によって適宜設定されるが、例えば１０〜５０μｍにすることができる。

次に積層型圧電素子１０の製造方法について説明する。圧電体層１２は圧電磁器により構成される。この圧電磁器は、主成分が上記一般式（１）で表される固溶体を主成分とするものである。

積層型圧電素子１０の製造方法においては、まず、上述の圧電磁器１の製造方法と同様にして、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とを調整する。そして、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３と必要に応じて添加される副成分の原料とをボールミル等により湿式粉砕した後、これを乾燥させ、原料組成物の粉体を得る。続いて、これらの原料組成物の粉体に、有機バインダ、有機溶剤、有機可塑剤等を加えてボールミル等により２０時間程度の混合を行い、圧電体ペーストを得る。

この圧電体ペーストを、例えばドクターブレード法によって、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のベースフィルム上等に塗布して、圧電体層１２を形成するための圧電体グリーンシートを得る。この圧電体グリーンシートは、圧電磁器の原料組成物及びバインダを主に含有する。

その後、圧電体グリーンシート上に、スクリーン印刷法等により内部電極１３Ａ，１３Ｂ形成用の電極ペーストを塗布し、この電極ペーストからなる電極ペースト層を形成する。こうして、圧電体グリーンシート上に電極ペースト層を備える積層用シートを得る。この際、電極ペースト層は、上述した内部電極１３Ａ及び１３Ｂの形状が得られるようなパターンでそれぞれ形成する。

ここで、電極ペースト層を形成するための電極ペーストは、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，ＣｕまたはＡｇなどの金属、あるいはこれらの金属を２種以上含有する合金（Ａｇ−Ｐｄ合金など）、バインダ及び有機溶剤を含むものである。バインダ及び有機溶剤としては、公知のものが使用できる。電極ペースト中の金属の合計含有量は、４０質量％以上とすることが好ましく、５０〜６０質量％とすることがより好ましい。

次に、積層用シートを、電極ペースト層と圧電体グリーンシートとが交互に配置されるように複数重ねるとともに、この積層構造の積層方向の両端面の表面上に、更に圧電体グリーンシートを複数層ずつ積層する。こうして得られた積層体を、適宜加熱しながら積層方向に加圧し、更に必要に応じて所望のサイズに切断することで、積層体グリーン（積層体）を得ることができる。

その後、この積層体グリーンを、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及び電極ペースト層中に含まれるバインダや有機溶剤を除去する脱脂処理を行う。

それから、脱バインダ後の積層体グリーンに対し、密閉された容器中（空気雰囲気）で、例えば１０００〜１２００℃で２〜１０時間の加熱を行う焼成処理（本焼成）を行い、積層体１１を得る。この本焼成処理において、圧電体グリーンシート及び電極ペースト層が一体焼成され、電極ペースト層から内部電極１３Ａ，１３Ｂが形成され、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれた圧電体グリーンシートから圧電体層１２が形成される。また、積層体グリーンの積層方向の両端面上に積層された圧電体グリーンシートから、保護層１５，１６がそれぞれ形成される。

次に、得られた積層体１１の積層方向に平行であり互いに対向している端面（内部電極１３Ａ，１３Ｂの端部が露出している端面）に、端子電極１７Ａ，１７Ｂをそれぞれ焼き付ける。具体的には、端子電極１７Ａ，１７Ｂを構成する金属、有機バインダ等を含む端子電極形成用のペーストを積層体１１の上記端面に塗布した後、これを焼成することで、端子電極１７Ａ，１７Ｂが形成される。このようにして、図２に示す構造を有する積層型圧電素子１０が得られる。なお、端子電極１７Ａ，１７Ｂは、上記の焼付けのほか、スパッタリング、蒸着、無電解めっき等の方法によっても形成することができる。

そして、例えば、この積層型圧電素子１０に対し、室温〜１２０℃の環境下、端子電極１７Ａ，１７Ｂ間に電界強度が２〜５ｋＶ／ｍｍとなるように１０〜３０分間程度電圧を印加する分極処理を行うことで、圧電アクチュエータとして機能する積層型圧電素子１０を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。

以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
＜圧電素子の作製＞
以下の手順で図１に示すような圧電素子２０を作製した。まず、ＫＮｂＯ_３を構成する元素の原料として、Ｋ_２ＣＯ_３粉末およびＮｂ_２Ｏ_５粉末を用意し、これら原料を十分に乾燥させた。そして、乾燥させたＫ_２ＣＯ_３粉末およびＮｂ_２Ｏ_５粉末を、ＫＮｂＯ_３の組成と一致するように秤量した（Ｋ：Ｎｂ＝１：１（モル比））。

秤量したＫ_２ＣＯ_３粉末およびＮｂ_２Ｏ_５粉末を、ボールミルを用いてエタノール中で十分に混合したのち、乾燥し、８００〜１０００℃で２時間〜１２時間焼成してＫＮｂＯ_３を調製した。調製したＫＮｂＯ_３を、ボールミルを用いて１μｍ以下となるよう粉砕して、ＫＮｂＯ_３粉末を得た。

次に、ＢａＴｉＯ_３を構成する元素の原料として、ＢａＣＯ_３粉末およびＴｉＯ_２粉末を用意し、これらの原料を十分に乾燥させた。そして乾燥させたＢａＣＯ_３粉末およびＴｉＯ_２粉末を、ＢａＴｉＯ_３の組成と一致するよう秤量した（Ｂａ：Ｔｉ＝１：１（モル比））。

秤量したＢａＣＯ_３粉末およびＴｉＯ_２粉末を、ボールミルを用いて純水中で十分に混合したのち、乾燥し、１０００℃〜１３００℃で２時間〜１２時間焼成してＢａＴｉＯ_３を調製した。調製したＢａＴｉＯ_３をボールミル等により１μｍ以下となるよう粉砕して、ＢａＴｉＯ_３粉末を得た。

このようにして得られたＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末を、０．５：０．５のモル比率で混合して混合粉末を調製し、当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１１６０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、１５分間、直流３ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、図１に示す圧電素子２０を得た。

＜圧電素子の評価＞
［圧電定数の測定］
得られた圧電素子２０に、変位計（Ｍａｈｒ製、商品名：１２０２ＩＣ）で２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加したときの変位量を測定した。得られた変位量から圧電定数ｄ_３３を算出した。その結果を表１に示す。

［キュリー温度の測定］
圧電素子２０を電気炉中に設置した後、ＬＣＲメータを用いて、昇温過程及び降温過程で圧電素子の静電容量が最大値となるときの温度をそれぞれ測定し、これらの平均値からキュリー温度Ｔｃを求めた。その結果を表１に示す。なお、一般的に、キュリー温度Ｔｃが高い圧電素子ほど、より高い温度まで圧電特性を示す。

［相対密度の測定］
得られた圧電素子２０の相対密度をアルキメデス法によって求めた。その結果を表１に示す。

（実施例２）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１１５０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、１５分間、直流３ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、圧電素子を得た。そして、実施例１と同様にして、当該圧電素子の評価を行った。評価結果を表１に示す。

（実施例３）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１１４０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

（実施例４）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１１３０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、１５分間、直流４ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、圧電素子を得た。そして、実施例１と同様にして、当該圧電素子の評価を行った。評価結果を表１に示す。

（実施例５）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１１２０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

（比較例１〜３）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。なお、比較例１では、ＢａＴｉＯ_３粉末のみを用いた。当該混合粉末またはＢａＴｉＯ_３粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１３５０℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、３０分間、直流１ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、圧電素子を得た。そして、実施例１と同様にして、当該圧電素子の評価を行った。評価結果を表１に示す。

（比較例４）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１２６６℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、３０分間、直流２ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、圧電素子を得た。そして、実施例１と同様にして、当該圧電素子の評価を行った。評価結果を表１に示す。

（比較例５）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末を混合する混合粉末の調製において、ＫＮｂＯ_３粉末及びＢａＴｉＯ_３粉末の混合モル比率を、表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１２１３℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の研磨、切断処理を行い、金電極を焼結体の対向するそれぞれの面上にスパッタにより形成し、５０℃、１５分間、直流２ｋＶ／ｍｍの条件で分極処理した。これによって、圧電素子を得た。そして、実施例１と同様にして、当該圧電素子の評価を行った。評価結果を表１に示す。

（比較例６）
ＫＮｂＯ_３粉末およびＢａＴｉＯ_３粉末の混合粉末の代わりに、ＫＮｂＯ_３粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様にして混合粉末を調製した。当該混合粉末を９００℃で１０時間仮焼した。仮焼して得られた粉体に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加え、一軸成形してペレット化した後、バインダを除去し、温度１０４５℃、２時間の焼成条件にて、密閉系で焼成して焼結体を得た。

表１に示すとおり、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３とが固溶した固溶体において、ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３との合計に対するＫＮｂＯ_３の比率が０．５〜０．９である場合に、広い温度範囲において、優れた圧電特性を示すことが確認できた。

本発明の圧電素子の一実施形態を示す斜視図である。本発明の圧電素子の別の実施形態を示す一側面図である。従来知られていたＢａＴｉＯ_３−ＫＮｂＯ_３の２成分系の相図である。

符号の説明

１…圧電磁器、２，３…電極、１０…積層型圧電素子、１１…積層体、１２…圧電体層、１３Ａ，１３Ｂ…内部電極、１４…素体、１５，１６…保護層、１７Ａ，１７Ｂ…端子電極、１８…活性領域、１９…不活性領域、２０…圧電素子。

Claims

ＫＮｂＯ_３とＢａＴｉＯ_３との２成分が固溶した、該２成分のみからなる固溶体を主成分として含有し、
前記２成分の合計に対する前記ＫＮｂＯ_３のモル比率が０．５〜０．９であり、
相対密度が９５％以上であり、
鉛の含有量が１質量％以下である圧電磁器。
前記固溶体の含有量が９５質量％以上である請求項１に記載の圧電磁器。
一対の電極と、該一対の電極の間に請求項１又は２記載の圧電磁器と、を備える圧電素子。
内部電極と請求項１又は２記載の圧電磁器とが交互に積層された素体と、
該素体を挟むように該素体の両端面にそれぞれ設けられ、前記内部電極と電気的に接続
されている一対の端子電極と、を備える圧電素子。