JP5469475B2 - 圧電セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、振動子、アクチュエータ、センサ等の圧電デバイスに好適に用いられる圧電セラミックス及びその製造方法に関する。
圧電材料の一つである圧電セラミックスは、歪みを加えると電気分極が発生し、逆に、電界を加えると歪みが発生する物質であり、電気的信号と機械的信号との可逆的な変換が可能である特性から、各種のセンサやフィルタ、アクチュエータ等の圧電デバイスに用いられている。
特に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）を始めとする含鉛圧電セラミックスは、優れた圧電特性のみならず、良好な温度特性を有し、また低温で焼成が可能といった利点があり、現在最も広い領域で利用されている。
また、環境への適応も求められているため、含鉛圧電セラミックスに実用上代替可能となる、鉛を含有しない非鉛圧電セラミックスの開発が世界的規模で行われている。
現在開発されている非鉛圧電セラミックスの一つにチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）があり、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２に、良好な圧電特性を有するチタン酸バリウム系の圧電セラミックスが提案されている。特許文献１及び非特許文献１によれば、平均粒径が０．２０μｍ以下のチタン酸バリウム粉末を原料とし、成形した後、マイクロ波加熱によって１３２０℃で焼成することで、高い電気機械結合係数を有する圧電セラミックスを得ることが開示されている。
非特許文献２によれば、平均粒径が０．１０μｍのチタン酸バリウム粉末を原料とし、成形した後、抵抗加熱炉によって１３２０℃及び１１５０℃での二段階焼成を行うことで、高い電気機械結合係数を有する圧電セラミックスを得ることが開示されている。
また、特許文献２によれば、水熱合成法を用いて、平均粒径が０．１０μｍ以下のチタン酸バリウム粉末を原料とし、成型した後、焼成時の酸素雰囲気を調整して、１０５０℃から１２００℃の低温での焼成を実現した圧電セラミックスが提案されている。
Ｈｉｒｏｆｕｍｉ Ｔ．他、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．１，２００６，ｐｐ．Ｌ３０−Ｌ３２
Ｔｏｍｏａｋｉ Ｋ．他、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．４，２００７，ｐｐ．Ｌ９７−Ｌ９８
しかしながら、高い電気機械結合係数を有するチタン酸バリウム系圧電セラミックスを作製するためには、非特許文献１及び非特許文献２においても記載されているように、マイクロ波加熱あるいは二段階加熱といった方法を用いて、１３００℃以上の高温で焼成することが必要となる。１３００℃以上の高温で焼成する場合、圧電セラミックスを積層セラミックデバイスとして製品化するためには、内部電極に融点が高く耐熱性のあるパラジウムや白金といった高価な貴金属を使用しなければならないため、コストの高騰が懸念される。
特許文献２においては、焼成時に酸素を導入し焼成雰囲気を調整して低温焼成を行った場合の実施例は記載されているが、本発明者等にて実際に低温焼成を実施した場合には、高い電気機械結合係数を有する圧電セラミックスは得られなかった。
上述したように、含鉛圧電セラミックスの代替としてチタン酸バリウムを主原料とする圧電セラミックスは有力であると考えられるが、実用化に耐えるに十分な圧電特性を保持しつつ、焼成温度の低温化を同時に実現したチタン酸バリウム系圧電セラミックスは示されていなかった。
このような状況に鑑み、本発明の課題は、圧電特性を損なうことなく、低温焼成が可能なチタン酸バリウム系の圧電セラミックス及びその製造方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスにおいて、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下のチタン酸バリウムの副成分としてリチウム酸化物及びアルミニウム酸化物を添加することによって、圧電特性を劣化させることなく、１２００℃以下の低い温度での焼成を可能にしたものである。
すなわち、本発明によれば、チタン酸バリウムを主成分として含む圧電セラミックスの製造方法であって、前記チタン酸バリウムの原料粉末は、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下であり、第一副成分として酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）を前記主成分を１００質量％として０．０３質量％以上０．０８質量％以下添加し、第二副成分として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を０．０１質量％以上０．１０質量％以下添加したことを特徴とする圧電セラミックスの製造方法が得られる。
また、本発明によれば、前記チタン酸バリウムを含む成形体を、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で焼成することを特徴とする上記の圧電セラミックスの製造方法が得られる。
本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスにおいて、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下のチタン酸バリウムの副成分としてリチウム酸化物及びアルミニウム酸化物を添加することによって、圧電特性を劣化させることなく、１２００℃以下の低い温度での焼成が可能となる。このことは、環境適応型の非鉛圧電セラミックスとして広い応用が期待できる効果を得ることができる。
これにより、電極材料コストや工程稼動コストの削減を可能にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスにおいて、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下のチタン酸バリウムの副成分としてリチウム酸化物及びアルミニウム酸化物を添加することによって、圧電特性を劣化させることなく、１２００℃以下の低い温度での焼成を可能にしたものである。
本発明は、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスにおいて、出発原料として、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下のチタン酸バリウム粉末を主成分とし、この主成分１００質量％に対して、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）あるいは酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）から選択された少なくとも一種のリチウム酸化物粉末を酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）に換算してｘ質量％、酸化アルミニウム粉末を酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に換算してｙ質量％ で表したとき、０．０３≦ｘ≦０．０８、０．０１≦ｙ≦０．１０を添加して得られた圧電材料を、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で焼成することが望ましい。この組成範囲外においては、第一に１２００℃以下の温度での焼成で圧電セラミックスが緻密化しない、第二に圧電セラミックスの絶縁抵抗が著しく低下してしまい、分極処理の際に絶縁破壊が生じてしまう、第三に圧電セラミックスの圧電特性が劣化してしまうという、以上三点のうちの何れかの不具合が発生するために好ましくない。
また、上述したチタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスの製造方法において、出発原料として、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下のチタン酸バリウム粉末を主成分とし、この主成分１００質量％に対して、炭酸リチウムあるいは酸化リチウムから選択された少なくとも一種のリチウム酸化物粉末を酸化リチウムに換算してｘ質量％、酸化アルミニウム粉末を酸化アルミニウムに換算してｙ質量％で表したとき、０．０３≦ｘ≦０．０８、０．０１≦ｙ≦０．１０を添加して得られた圧電材料を、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で焼成することが望ましい。なお、本発明において、１０００℃以上１２００℃以下の温度とは焼成時の最高温度を表すものである。
本発明におけるチタン酸バリウム粉末は、共沈法、アルコキシド法、水熱合成法、ゾル・ゲル法、噴射法、エマルジョン法、蓚酸塩法、クエン酸塩法、固相反応法等の公知の作成法によって得られる。また、本発明におけるチタン酸バリウム粉末の平均粒径は、ＳＥＭ画像から算出した体積基準の球相当径である。
チタン酸バリウム粉末の平均粒径が０．１０μｍよりも大きい場合は、第一副成分であるリチウム酸化物、及び第二副成分である酸化アルミニウムの添加量が、リチウム酸化物の添加量を酸化リチウムに換算してｘ質量％、かつ酸化アルミニウム粉末を酸化アルミニウムに換算してｙ質量％で表したとき、０．０３≦ｘ≦０．０８、０．０１≦ｙ≦０．１０の範囲であっても、緻密なチタン酸バリウム系圧電セラミックスを得るために１２５０℃以上での焼成が必要となる。また、チタン酸バリウム粉末の平均粒径が０．０５μｍよりも小さい場合は、前述したリチウム酸化物の添加量かつ酸化アルミニウムの添加量の範囲においても、圧電セラミックスの圧電特性が劣化してしまうという不具合が発生するために好ましくない。
また、圧電セラミックスの主成分としてチタン酸バリウム粉末を用いたが、他の圧電セラミックス材料や他の微量添加物を使用して特性を改善することが考えられるが、焼成温度低下と結合係数の向上の目的においては、本構成が好ましい。
以下、実施例に基づき本発明による圧電セラミックス及びその製造方法を具体的に説明する。
（実施例１）
出発原料の平均粒径を同一とした場合の、添加物の添加量と焼成温度による関係を評価した。
出発原料の平均粒径を同一とした場合の、添加物の添加量と焼成温度による関係を評価した。
本発明の実施例１における圧電セラミックスは、以下に示す製造工程により作製した。まず、出発原料として、平均粒径が０．１０μｍである高純度のチタン酸バリウム粉末（堺化学工業株式会社製）を用いた。次に、主成分１００質量％に対して、副成分として０．０５質量％以上０．２５質量％以下の炭酸リチウム（酸化リチウムに換算して０．０２質量％以上０．１０質量％以下）及び０．００質量％以上０．１２質量％以下の酸化アルミニウムを添加し、エタノールを加え、ボールミルにより２４時間の湿式混合を行った。
乾燥後、得られた粉末について、ポリビニルアルコールをバインダーとして混合することによって造粒し、圧力１００ＭＰａの一軸加圧成形により、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状試料を成形した。この成形体を１０００℃以上１２００℃以下でそれぞれ３時間焼成し、圧電セラミックスの焼結体を作製した。
添加物の添加量と焼成温度の比較例として、平均粒径が０．１０μｍである高純度のチタン酸バリウム粉末のみで、副成分である炭酸リチウム及び酸化アルミニウムは添加せず、更に湿式混合も行わないもや、添加物の添加量と焼成温度を変えたものを準備し、上記と同様に円板状試料を成型し、１２００℃及び１３００℃の温度範囲でそれぞれ３時間焼成した。
作製した円板状焼結体はアルキメデス法により密度を計測した後、１ｍｍの厚さに加工して、その両面に銀電極を焼き付けた。このようにして得られた各試料について、８０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分間印加することによって分極処理を行った。
分極処理した試料については、室温で２４時間放置することによって圧電特性を安定化させた後、インピーダンスアナライザーを用いて共振−反共振法により、圧電特性の一つの指標となる径方向振動モードの電気機械結合係数ｋｐ、及び長さ方向振動モードの電気機械結合係数ｋ３１を測定した。なお、ｋ３１を測定するために、長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形状の試料も、上記円板焼結体を切断加工して作製した。また、得られた試料の相対密度を以下の式（１）によって計算した。試料の緻密性は、相対密度が９５．０％以上確保された場合に緻密化したものと判断できる。
相対密度（％）＝（（試料の質量／試料の体積）／６．０１）×１００ … 式（１）
作製した圧電セラミックスの組成と添加量、焼成温度、相対密度、電気機械結合係数ｋｐ及びｋ３１の値を表１に示す。表１においては、本発明の範囲内外の試料を比較例として記載した。
※２：分極時に導通して測定不能
表１から明らかなように、出発原料として高純度のチタン酸バリウム粉末を用いて、副成分として０．０８質量％以上０．２０質量％以下の炭酸リチウム（酸化リチウムに換算して０．０３質量％以上０．０８質量％以下）及び０．０１質量％以上０．１０質量％以下の酸化アルミニウムを添加して、１０００℃以上１２００℃以下の温度で焼成した、本発明の範囲内の各試料（試料番号１０〜１４、試料番号１７〜２１、試料番号２４〜２８、試料番号３８、試料番号４１）において、圧電セラミックスの緻密化を達成したと共に、副成分を添加せず、１３００℃の高温で焼成した比較例（試料番号１）と同等以上となる良好な電気機械結合係数が得られた。
（実施例２）
添加物の添加量を同一とした場合の、出発原料の平均粒径と焼成温度による関係を評価した。
添加物の添加量を同一とした場合の、出発原料の平均粒径と焼成温度による関係を評価した。
本発明の実施例２における圧電セラミックスは、以下に示す製造工程により作製した。まず、出発原料として、平均粒径が０．０３μｍ、０．０５μｍ、０．１０μｍ、０．３０μｍ、及び０．５０μｍである高純度のチタン酸バリウム粉末を用いた。次に、副成分として０．０８質量％の炭酸リチウム（酸化リチウムに換算して０．０３質量％）及び０．０１質量％の酸化アルミニウムを添加し、エタノールを加え、ボールミルにより２４時間の湿式混合を行った。
乾燥後、得られた粉末について、ポリビニルアルコールをバインダーとして混合することによって造粒し、圧力１００ＭＰａの一軸加圧成形により、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状試料を成形した。この成形体を９５０℃、１０００℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃の焼成温度でそれぞれ３時間焼成し、圧電セラミックスの焼結体を作製した。
作製した円板状焼結体はアルキメデス法により密度を計測し、相対密度を式（１）により計算した。図を用いて、焼成温度と相対密度の関係を説明する。図１は、チタン酸バリウムの平均粒径を変化させ、炭酸リチウム及び酸化アルミニウムを添加したときの、焼成温度と相対密度の関係を示す図である。得られた試料の緻密性は、相対密度が９５．０％以上確保された場合に緻密化したものと判断できる。図１において、符号１は出発原料として平均粒径０．０３μｍのチタン酸バリウム粉末を使用して、副成分として炭酸リチウム０．０８質量％（酸化リチウムに換算で０．０３質量％）及び酸化アルミニウム０．０１質量％を添加したものである。符号２は、出発原料として平均粒径０．０５μｍのチタン酸バリウム粉末を使用して、副成分として炭酸リチウム０．０８質量％（酸化リチウムに換算で０．０３質量％）及び酸化アルミニウム０．０１質量％を添加したものである。符号３は、出発原料として平均粒径０．１０μｍのチタン酸バリウム粉末を使用して、副成分として炭酸リチウム０．０８質量％（酸化リチウムに換算で０．０３質量％）及び酸化アルミニウム０．０１質量％を添加したものである。符号４は、出発原料として平均粒径０．３０μｍのチタン酸バリウム粉末を使用して、副成分として炭酸リチウム０．０８質量％（酸化リチウムに換算で０．０３質量％）及び酸化アルミニウム０．０１質量％を添加したものである。符号５は、出発原料として平均粒径０．５０μｍのチタン酸バリウム粉末を使用して、副成分として炭酸リチウム０．０８質量％（酸化リチウムに換算で０．０３質量％）及び酸化アルミニウム０．０１質量％を添加したものである。
図１から明らかなように、出発原料として、平均粒径が０．１０μｍ以下である高純度のチタン酸バリウム粉末を用いた場合に、副成分としてリチウム酸化物及びアルミニウム酸化物を添加した試料は、１０００℃以上１２００℃以下の焼成温度範囲で緻密化を達成することができた。
次に、その試料の中から選択して実施例１と同様に１ｍｍの厚さに加工後、分極処理を施した。なお、長さ方向振動モードの電気機械結合係数ｋ３１を測定するために、長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形状の試料も、上記円板状焼結体を切断加工して作製した。分極処理した試料については、室温で２４時間放置することによって圧電特性を安定化させた後、インピーダンスアナライザーを用いて共振−反共振法により、圧電特性の一つの指標となる径方向振動モードの電気機械結合係数ｋｐ、及び長さ方向振動モードの電気機械結合係数ｋ３１を測定した。
作製した圧電セラミックスの組成と添加量、焼成温度、相対密度、電気機械結合係数ｋｐ及びｋ３１の値を表２に示す。表２において、本発明の範囲内外の試料を比較例として記載した。
表２から明らかなように、出発原料として平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下である高純度のチタン酸バリウム粉末を用いて、副成分として炭酸リチウム及び酸化アルミニウムを添加して、１０００℃以上１２００℃以下の温度で焼成した、本発明の範囲内の各試料（試料番号４８〜５０、試料番号５２〜５４）において、圧電セラミックスの緻密化を達成したと共に、副成分を添加せず、１３００℃の高温で焼成した比較例（表１記載の試料番号１）と同等以上となる良好な電気機械結合係数が得られた。
以上説明したように本発明によれば、チタン酸バリウムを主成分とする圧電材料において、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下である高純度のチタン酸バリウム粉末に、副成分としてリチウム酸化物及び酸化アルミニウムを添加することによって、圧電特性を劣化させずに、１２００℃以下の低い温度による焼成を実現した圧電セラミックスとその製造方法を提供することが可能となった。
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
Claims (2)
- チタン酸バリウムを主成分として含む圧電セラミックスの製造方法であって、前記チタン酸バリウムの原料粉末は、平均粒径が０．０５μｍ以上０．１０μｍ以下であり、第一副成分として酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）を前記主成分を１００質量％として０．０３質量％以上０．０８質量％以下添加し、第二副成分として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を０．０１質量％以上０．１０質量％以下添加したことを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
- 前記チタン酸バリウムを含む成形体を、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で焼成することを特徴とする請求項１記載の圧電セラミックスの製造方法。
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