JP5506731B2 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、モノリシック多層構造の圧電素子に関する。例えば、本発明は、良好な変位を生じさせながらも損失電力が小さい点で優れているＣｕ内部電極を備えた多層素子に適用するための圧電セラミックス質量体の開発に関する。
WO 01/45138によって知られている解決策は、Ｐｂ0.97Ｎｄ0.02(Ｚｒ0.5515Ｔｉ0.4485)Ｏ3という組成のセラミックス質量体をＣｕ内部電極を備えた圧電スタックに適用することに基づいており、これは空気中のバインダ除去と焼結によって製造される。
これに続く組み立てプロセスにおいて、Ｐｂ0.97Ｎｄ0.02(Ｚｒ0.5515Ｔｉ0.4485)Ｏ3というセラミックス組成でありそれぞれ３６０個の内部電極ならびに８０μｍのセラミックス層の厚さをもつ公知のアクチュエータの特性が、Ｃｕ内部電極といっしょに焼結されて組み立てられ、これはＥ＝２ｋＶ／ｍｍによるポーリングつまり分極処理後、ａ）室温とｂ）１８０゜Ｃで測定される。誘電率（ＤＫ）の小信号特性および誘電率（ＤＫ）の温度依存性のほかにここでは大信号の誘電率も与えられ、これは電圧によるポーリングによって計算することができ、これによりたとえばアクチュエータでは４０μｍの変位が生じることになる。
Figure 0005506731
いっそう高い温度での極性づけによって効率を５０％から５６％に向上させることができ、損失エネルギーを５０ｍＪから３４ｍＪまで低減することができる。
WO 01/45138
本発明の課題は、従来技術に比べて良好な変位を生じさせながらも損失電力が小さい点で優れているＣｕ内部電極を備えた多層素子に適用するための圧電素子を提供することである。
この課題は、上下に配置されており、元素状の銅を含むように形成される圧電セラミックス層と、該圧電セラミックス層の間に配置され、またドーピングされたジルコン酸チタン酸鉛を含むように形成される少なくとも２つの電極層とをいっしょに焼結することにより前記積層体を形成し、ニオブをただ１つのドーパントとして使用し、前記圧電セラミックス層の材料を、Ｈ 2 Ｏ蒸気を含む不活性ガス雰囲気中でバインダ除去することにより解決される。
本発明によればＰｂ0.988Ｖ0.012(Ｚｒ0.504+xＴｉ0.472-xＮｂ0.024)Ｏ3.000の組成のセラミックス質量体が提示され、ここで−０．０５≦ｘ≦０．０５である。
本発明の付加的な有利な観点は以下の通りである：
１．Ｔｉ／Ｚｒ比をモルフォトロピック相境界に合わせて調整する。
２．Ｐｂ0.988Ｖ0.012(Ｚｒ0.504+xＴｉ0.472-xＮｂ0.024)Ｏ3.000という組成によるドナー機能をもつペロブスカイト構造においてＺｒ／Ｔｉの位置にＮｂ5+を組み込み。ここでＶは空きを表す。
３．１０００゜ＣでＣｕ内部電極といっしょに焼成する。
さらに別の利点を以下に挙げる：
１．Ｐｂ0.988Ｖ0.012Ｚｒ0.504+xＴｉ0.472-xＮｂ0.024Ｏ3という組成においてＮｂをドーピングしたＡｇのないセラミックスがモルフォトロピック相境界に有利に整合すると判明したこと。式Ｐｂ0.988Ｖ0.012Ｚｒ0.504Ｔｉ0.472Ｎｂ0.024Ｏ3によれば適切な分析組成が実現され、これによって許容可能な変位において圧電損失が僅かになる。
２．焼結中にＣｕ2Ｏを規定どおりに組み込み、Ｎｂの組み込みおよび適切な焼結温度により結晶サイズの成長を制御することによって、アクチュエータの変位と損失エネルギーが決定される。
３．Ｎｂ2Ｏ5の組み込みは、９２５゜Ｃの空気中で原材料混合物が残りの酸化物混合物といっしょに反応している間にすでに行われる。
４．セラミックスＰｂ0.988Ｖ0.012Ｚｒ0.504Ｔｉ0.472Ｎｂ0.024Ｏ3をＣｕ内部電極とともに、Ｃｕ／Ｃｕ2Ｏのバランスに対応する低減された酸素分圧で焼結した後では誘電率と温度の依存性は、Ｎｄをドーピングしたセラミックス質量体Ｐｂ0.97Ｖ0.01Ｚｒ0.55515Ｔｉ0.4485Ｏ3を使用した場合よりも低い。
以下、実施例について記述する。
ＴｉＯ２、ＺｒＯ２もしくは混合沈殿により形成された前駆物質（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ２およびＰｂＣＯ３もしくはＰｂ３０４ならびにＮｂ２０５または希土類金属の他の酸化物のようなドーパントから成る原料混合物が、モルフォトロピック相境界に対応し焼結緻密性を促進するため最大で５％のＰｂＯ過剰物の量を成す組成とともに、懸濁液の成分の均等な配分のために粉砕段で処理され、濾過され９００゜Ｃ〜９５０゜Ｃで乾燥された後、空気中でか焼される。これにより圧電セラミックスのペロブスカイト混合結晶相が形成される。２〜８時間、銅の溶融温度よりも低い１０００゜Ｃですでに焼結緻密性が得られるようにするためには、０．４〜０．６μｍという平均結晶粒サイズまでの微細な粉砕が必要である。十分な結晶粒成長ならび圧電セラミックス構造において十分な機械的堅牢性を同時に達成しながら、理論的密度の９７％よりも大きい緻密性を得るために、粉体の焼結活性が十分であると判明した。
微細に粉砕された粉体は分散剤を使用して、固体含有量が約７０ｍ％（これは約２４Ｖｏｌ％に相応）である水性のスラリーになるよう懸濁される。この場合、最適な分散のために目下必要とされる分散剤成分が一連の実験で別個に求められ、このことは粘土最小値に達したことから検出できる。圧電セラミックスグリーンシートを形成するため、熱水分解可能な市販のバインダの約６ｍ％が分散された固体粉体懸濁媒体に加えられる。このためにはポリウレタン分散液が有利であると判明した。たとえばディスパーマットDispermatミルで混合され、このようにしてシート引き出しプロセスまたはスプレー造粒に適したスラリーが得られる。
粒体または多層プレート「ＭＬＰ」から製造され、Ｃｕ電極ペーストを印刷することなく４０〜５０μｍ厚のグリーンシートを上下に積層することによって得られたディスク状のプレス加工品が、ＰｂＯを含有する圧電セラミックスと銅の共存という条件を満たす規定の酸素分圧においてＨ２Ｏ蒸気を含む不活性ガス雰囲気中で、残留炭素が３００ｐｐｍよりも小さくなるまでバインダ除去される。
水によるバインダの分裂は主として、２００ｍｂａｒよりも大きい水蒸気分圧において２２０±５０゜Ｃの比較的低い温度で行われる。酸素分圧は、Ｃｕを含有する電極と親和性のある値になるよう調整される。これはＣｕの広い表面においてガス流から酸素をゲッタリングすることにより、あるいは水素の調量により行われる。たしかに電極層は、これによってバインダ剤を搬出する有利な経路が与えられているかぎり、バインダ除去に寄与するけれども、多数の電極を備えたアクチュエータのためには殊に、著しいバインダ除去時間が必要とされる。
以下の表において、一連の種々の組成におけるコンパクトなサンプルの電気特性ならびに最適なセラミックス組成におけるＣｕ内部電極を備えたアクチュエータの電気特性を挙げておく。
表１：モルフォトロピック相境界を求める目的で、一連のＰｂ0.988Ｖ0.012(Ｚｒ0.504+xＴｉ0.472-xＮｂ0.024)Ｏ3.000におけるコンパクトな正方形のセラミックスサンプルＭＬＰ（辺の長さａ＝１１．５ｍｍ、厚さｈ＝１ｍｍ）の特性を、１０００゜Ｃの焼結後のそれぞれ５つの個別サンプルの平均統計的誤差の記載とともに示す。
Figure 0005506731
この表に示されているように、ｄ33の値はｘ＝０のとき最大値を通る。このＴｉ／Ｚｒ比のための組成も、最小損失エネルギーを有している。したがって式Ｐｂ0.988Ｖ0.012Ｚｒ0.504Ｔｉ0.472Ｎｂ0.024) Ｏ3.000は、モルフォトロピック相境界に整合された圧電セラミックス質量体に相応する。１２０゜Ｃにおいて電界強度を高くした分極によって、損失エネルギーが低減される。
表２と表３には、相境界に対し整合されておりＣｕ内部電極とともに組み立てられたアクチュエータの特性が示されている。
表２：圧電アクチュエータの出力データ
Figure 0005506731
表３：実行された耐久性テストの結果
Figure 0005506731
表２の値からわかるように、Ｐｂ0.97Ｖ0.02(Ｎｄ0.02Ｚｒ0.5515Ｔｉ0.4485)Ｏ3.000のセラミックスによるアクチュエータと比較して、圧電損失および小信号容量の温度依存性に関して特性が改善されている。３０μｍだけアクチュエータが変位した場合、２０ｍＪの損失エネルギーが測定される。２０゜Ｃ〜６０゜Ｃの範囲内の誘電性の小信号容量の温度依存性は、Ｎｄドーピングされたセラミックス質量体を使用したときよりも著しく低減している。表３には耐久性テストの結果が示されている。
表４には、アクチュエータに加わる圧力を変化させたときの、焼結され不活性化されたアクチュエータの結果が対比して示されている。３０μｍの膨張に必要とされるエネルギーが５００Ｎ〜１００Ｎの間で同じ大きさに保持されている一方、効率は６１％〜６３％まで高まる傾向にある。
表４：圧力と効率の依存性を、２ｋＶ／ｍｍの電界により室温で分極させた後の焼結されたアクチュエータにおいて測定した結果を示す。
Figure 0005506731
この表に示されているように、焼結された平均結晶粒サイズは０．７〜１．０μｍであり、内部電極には孔がない。

Claims (9)

  1. 積層体を有するモノリシック多層構造を含む、圧電素子の製造方法において、
    上下に配置されており、元素状の銅を含むように形成される圧電セラミックス層と、該圧電セラミックス層の間に配置され、またドーピングされたジルコン酸チタン酸鉛を含むように形成される少なくとも２つの電極層とをいっしょに焼結することにより前記積層体を形成し、
    ニオブをただ１つのドーパントとして使用し、
    前記圧電セラミックス層の材料を、Ｈ2Ｏ蒸気を含む不活性ガス雰囲気中でバインダ除去することを特徴とする、
    圧電素子の製造方法。
  2. 前記圧電セラミックス層を、組成Ｐｂ0.988Ｖ0.012(Ｚｒ0.504+xＴｉ0.472-xＮｂ0.024)Ｏ3.000の材料から形成し、ここでＶは原子空孔を表し、また−０．０５≦ｘ≦０．０５である、請求項１記載の方法。
  3. 前記圧電セラミックス層を、実質的にＡｇを含まないように形成する、請求項１または２記載の方法。
  4. 前記圧電セラミックス層の組成をモルフォトロピック相境界に整合させる、請求項１または２記載の方法。
  5. 前記圧電セラミックス層の材料を、２００ｍｂａｒよりも大きい水蒸気分圧において２２０±５０゜Ｃの温度でバインダ除去する、請求項１または２記載の方法。
  6. 前記圧電セラミックス層の材料のバインダ除去の際に、ＰｂＯを含有する圧電セラミックスと銅の共存という条件を満たす値に酸素分圧を調整する、請求項１または２記載の方法。
  7. 前記圧電セラミックス層の材料を、水素の調量によりバインダ除去する、請求項１または２記載の方法。
  8. 前記圧電セラミックス層を、銅の溶融温度よりも低い温度で焼結する、請求項１または２記載の方法。
  9. ０．７μｍから１．０μｍの間の焼結された、前記圧電セラミックス層の材料の平均結晶粒サイズを製造する、請求項１または２記載の方法。
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