JP6259577B2 - 圧電セラミックス及び圧電素子 - Google Patents
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Description
また、上記第1の酸化物相の組成式はK3Nb3O6Si2O7と表されてもよい。
更に、上記第2の酸化物相の組成式はM2 eM4 fOg(但し、M2元素は上記第2族元素、M4元素は上記第4族元素である。また、g=e+2fが満たされる。)と表されてもよい。
上記セラミックス層は、請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電セラミックスより成る。
上記圧電素子は、上記第1の内部電極と上記第2の内部電極とが上記圧電セラミックス層を介して交互に配置され、上記第1の内部電極はそれぞれ上記第1の外部電極に接続され、上記第2の内部電極はそれぞれ上記第2の外部電極に接続されていてもよい。
また、上記第1の酸化物相の組成式はK3Nb3O6Si2O7と表されてもよい。
更に、上記第2の酸化物相の組成式はM2 eM4 fOg(但し、M2元素は上記第2族元素、M4元素は上記第4族元素である。また、g=e+2fが満たされる。)と表されてもよい。
上記セラミックス層は、請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電セラミックスより成る。
上記圧電素子は、上記第1の内部電極と上記第2の内部電極とが上記圧電セラミックス層を介して交互に配置され、上記第1の内部電極はそれぞれ上記第1の外部電極に接続され、上記第2の内部電極はそれぞれ上記第2の外部電極に接続されていてもよい。
図1A及び図1Bは本実施形態に係る圧電素子10を示し、図1Aは斜視図であり、図1Bは図1AのA−A’線に沿った断面図である。図1Aでは、説明の便宜上、圧電素子10の内部構造を透視して破線で示している。
(主相について)
本実施形態に係る圧電セラミックス11としては、アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を主相とするものを用いた。具体的には、圧電セラミックス11は、以下の組成式(1)で表される多結晶体として構成される。
(LiaNabK1−a−b)m(Nb1−c−dTacSbd)nO3 …(1)
本実施形態に係る圧電セラミックス11は、上記のアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を主相とする多結晶体からなり、当該多結晶体の結晶粒界に副相を含む。ここで、結晶粒界には粒界三重点が含まれるものとする。圧電セラミックス11の副相としては、シリコン(Si)を有する第1の酸化物相と、第2族元素(M2)及び第4族元素(M4)を有する第2の酸化物相と、Mnを含むマンガン(Mn)含有相と、が含まれる。
圧電セラミックス11の結晶粒界には、副相としてシリコン(Si)を有する第1の酸化物相が分散している。第1の酸化物相は数ミクロン以下の微細結晶粒として存在する。この第1の酸化物相は、圧電セラミックス11の焼成時に、主相の結晶粒成長を抑制するように作用する。したがって、圧電セラミックス11では、第1の酸化物相の作用により、主相の各結晶粒が微細化する。
圧電セラミックス11の結晶粒界には、副相として第2族元素(M2)及び第4族元素(M4)を有する第2の酸化物相が分散している。第2の酸化物相は数ミクロン以下の微細結晶粒として存在する。この第2の酸化物相は、第1の酸化物相と同様に、圧電セラミックス11の焼成時に、主相の結晶粒成長を抑制するように作用する。したがって、圧電セラミックス11では、第2の酸化物相の作用により、主相の各結晶粒を微細化することができる。
圧電セラミックス11の結晶粒界には、副相としてマンガン(Mn)含有相が分散している。第1の酸化物相は数ミクロン程度の粒子として存在する。マンガン(Mn)含有相は、圧電セラミックス11の圧電特性を損なうことなく、圧電セラミックス11の絶縁性を向上させる作用を有する。マンガン(Mn)含有相は、MnOやMnO2の結晶や、他の元素(例えば、ニッケル(Ni))の酸化物と固溶した結晶や、非晶質として存在している。
圧電セラミックス11は、上記の副相以外にも、以下のような副相を含んでいてもよい。
圧電セラミックス11の焼結時の焼結助剤としてLi2OやLi2CO3を用いることにより、圧電セラミックス11の焼結性が向上する。また、Li2OやLi2CO3は、焼結助剤としての機能以外にも、焼結時におけるAサイトのアルカリ金属元素の欠損を補う機能も有する。
圧電セラミックス11の焼結時の焼結助剤としてアルカリ土類金属含有酸化物を用いることにより、圧電セラミックス11の焼結性が向上する。具体的には、当該酸化物に含まれるアルカリ土類金属が、焼結時におけるAサイトのアルカリ金属元素の欠損を補うとともに、Aサイトにおける価数の減少を補償するように作用するためである。ここで、アルカリ土類金属としては、Ca,Ba,Srのうちの少なくとも1つを採用することが可能である。
圧電セラミックス11には、絶縁性低下の防止の目的で、ジルコニウム含有酸化物を添加することが可能である。ジルコニウム含有酸化物としては、例えば、ZrO2が挙げられる。
図2は本実施形態に係る圧電素子10の製造方法を示したフローチャートである。以下、各工程について説明する。
まず、目的の組成となるように原料粉末の秤量を行なう。リチウムを含む原料粉末としては、例えば、炭酸リチウム(Li2CO3)を用いることができる。ナトリウムを含む原料粉末としては、例えば、炭酸ナトリウム(Na2CO3)や炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)を用いることができる。カリウムを含む原料粉末としては、例えば、炭酸カリウム(K2CO3)や炭酸水素カリウム(KHCO3)を用いることができる。ニオブを含む原料粉末としては、例えば、五酸化ニオブ(Nb2O5)を用いることができる。タンタルを含む原料粉末としては、例えば、五酸化タンタル(Ta2O5)を用いることができる。アンチモンを含む原料粉末としては、例えば、三酸化アンチモン(Sb2O3)や五酸化アンチモン(Sb2O5)を用いることができる。
セラミックススラリーは、ドクターブレード法によりシート状に成形してセラミックスシートとする。セラミックスシートの厚さは、ドクターブレード装置の刃の高さやセラミックススラリーの粘性などにより制御することができ、圧電素子10の構成により適宜決定される。セラミックスシートの厚さは、例えば20μmとすることができる。
内部電極塗布工程(S3)では、上記工程(S2)で得られたセラミックスシートに、図1A及び図1Bに示す内部電極12,13を形成するための工程である。
セラミックスシート積層工程(S4)では、図3に示すように、上記工程(S3)で得られた内部電極膜212,213が形成されたセラミックスシート210を、内部電極膜212,213のパターンがY軸方向に交互に反転するように所定の層数だけZ軸方向に積層する。
切断工程(S5)では、上記工程(S4)で得られた積層体を圧電素子10(図1A及び図1B)ごとに切り分ける。まず、積層体を、図3における内部電極膜212,213のX軸方向に並ぶ各列の間の部分をY軸方向に沿ってそれぞれ切断する。そして、積層体を、図3における各幅狭部214の中間位置がY軸方向に等分されるようにX軸方向に沿ってそれぞれ切断する。勿論、X軸方向に沿った切断とY軸方向に沿った切断との順序は任意である。
脱バインダ工程(S6)では、上記工程(S5)で得られた未焼結体に含まれるバインダ成分を除去する。具体的には、例えば、アルミナ製のサヤに収容した未焼結体について、還元雰囲気の電気炉内で、350〜600℃の温度で1時間〜8時間の熱処理を行なう。電気炉の昇温速度は、例えば、1〜10℃/minとすることができる。還元雰囲気は、酸素や窒素や水素や水蒸気を所定の比率で混合することにより生成した。
焼結工程(S7)では、上記工程(S6)で得られた各未焼結体を焼結させる。具体的には、還元雰囲気中において980〜1120℃の温度で2時間保持することにより焼成する。これにより、緻密な焼結体(積層セラミックス焼結体)が得られる。
再酸化工程(S8)では、上記工程(S7)で得られた焼結体に対して再酸化処理を行なう。上記焼結工程(S7)は、還元雰囲気中で行なうため、得られる焼結体の酸素が欠損している。再酸化処理は、焼結体における酸素の欠損を補うために行われる。具体的には、焼結体に対して、酸素や窒素や水素や水蒸気を所定の比率で混合した混合ガス中で750〜900℃の温度で1時間〜8時間の熱処理を行なう。
外部電極形成工程(S9)では、上記工程(S8)で得られた積層セラミックス焼結体に図1A及び図1Bに示す外部電極14,15を形成する。図1A及び図1Bに示すように、外部電極14は、セラミックス焼結体の一面に設けられるとともに全ての内部電極12を接続し、外部電極15は、セラミックス焼結体の一面に設けられるとともに全ての内部電極13を接続する。
分極処理工程(S10)では、上記工程(S9)で得られた圧電素子10を圧電アクチュエータ等として使用可能とするために、圧電素子10中の圧電セラミックス11を分極させる。分極処理は、圧電素子10の外部電極14,15間に高電界を印加することにより行なう。具体的には、圧電素子10を100〜150℃のシリコーンオイル中に入れ、外部電極14,15間に2〜5kV/mmの電界を10〜15分間印加する。
以下に、本実施形態に係る圧電素子10の実施例及び比較例について説明する。なお、圧電素子の各試料は、圧電セラミックスの組成以外、同様の構成とした。内部電極を形成する材料としてはNiを用い、外部電極を形成する材料としてはAgを用いた。
圧電素子10の実施例又は比較例として7種類の試料を作製した。各試料における圧電セラミックスの組成は以下のとおりである。試料No.1〜4が本実施形態の比較例に係る圧電素子であり、試料No.5〜7が本実施形態に係る圧電素子10である。
・No.2:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.002MnO
・No.3:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.1Ca0.5Zr0.5O1.5
・No.4:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.013K3Nb3O6Si2O7−0.002MnO
・No.5:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.013K3Nb3O6Si2O7−0.08Ca0.375Ti0.625O1.625−0.002MnO
・No.6:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.013K3Nb3O6Si2O7−0.06Ca0.167Ti0.833O1.833−0.002MnO
・No.7:K0.42Na0.52Li0.064NbO3−0.013K3Nb3O6Si2O7−0.15Ca0.667Ti0.333O1.333−0.002MnO
各試料について、最大結晶粒径、比誘電率(εr)、誘電損失(tanδ)、分極可否、絶縁抵抗、電気機械結合係数(k31)、及び圧電定数(d33)の評価を行なった。
図4〜6は試料No.7のSEM写真である。図4は圧電セラミックスの観察面を撮影したSEM写真であり、図5は圧電セラミックスの破断面を撮影したSEM写真であり、図7は圧電素子の観察面を撮影したSEM写真である。
試料No.1〜3では結晶成長が進んで粗大化した結晶粒が観察され、最大結晶粒径が20μm以上であった。これに対し、試料No.4〜7では微細な結晶粒からなる均一な組織が観察され、最大結晶粒径が15μm以下であった。これは、試料No.1〜3における圧電セラミックスには副相として第1の酸化物相と第2の酸化物相とのいずれも含まれていないため焼成時に結晶成長が進んだ結果である。
比誘電率(εr)及び誘電損失(tanδ)はいずれの試料も良好な値であった。
試料No.1,3は分極できず、その他の試料は分極できた。したがって、試料No.1,3は圧電セラミックスとして使用できないため、試料No.1,3については絶縁抵抗、電気機械結合係数(k31)、及び圧電定数(d33)の評価を行なわなかった。
絶縁抵抗は、試料No.2,4〜7のいずれも良好な値であった。より詳細には、試料No.4が、他の試料よりも抵抗値が低く、絶縁性がやや低いことがわかった。
電気機械結合係数(k31)及び圧電定数(d33)は、試料No.2,4〜7のいずれの試料も良好な値であった。
・比較例に係る試料No.1〜3について
試料No.1〜3は、いずれも主相の結晶が粗大化し、当該主相の最大結晶粒径が20μm以上であった。したがって、図6に示すように圧電セラミックスの層の厚さが50μmとする場合、Ni電極間に1つから2つの結晶しかない状態となりうる。このような圧電素子は、機械的強度が低く、使用時に絶縁破壊を生じやすい。したがって、試料No.1〜3は信頼性に欠ける。
比較例に係る試料No.4では、主相の結晶粒の粗大化が見られず、微細で均一な結晶組織が得られた。具体的には、主相の最大結晶粒径が15μm以下であった。したがって、試料No.4では、試料No.1〜3と比較して、機械的強度が高く、使用時に絶縁破壊を生じにくい。さらに試料No.4では、絶縁抵抗、電気機械結合係数(k31)、及び圧電定数(d33)についても良好な値が得られている。
試料No.5〜7のいずれも、主相の最大粒径が15μm以下であり、かつ、絶縁抵抗、電気機械結合係数(k31)、及び圧電定数(d33)について良好な値が得られている。
11…圧電セラミックス
12,13…内部電極
14,15…外部電極
Claims (6)
- アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を主相とする多結晶体からなり、当該多結晶体の結晶粒界に、Siを有する第1の酸化物相と、第2族元素及び第4族元素を有する第2の酸化物相とを含み、
前記主相の組成式は(Li a Na b K 1−a−b ) m (Nb 1−c−d Ta c Sb d ) n O 3 (但し、0.04<a≦0.1、0≦b≦1、0≦c<1、0≦d<1、m=1、0.95≦n≦1.01、a+b<1、c+d≦1が満たされる。)と表され、
前記第1の酸化物相の組成式はK 3 Nb 3 O 6 Si 2 O 7 と表され、
前記第2の酸化物相の組成式はM 2 e M 4 f O g (但し、M 2 元素は前記第2族元素、M 4 元素は前記第4族元素である。また、g=e+2fが満たされる。)と表され、
1モルの前記主相に対して、0.003モル以上0.10モル以下の前記第1の酸化物相、0.001モル以上0.2モル以下の前記第2の酸化物相、及び0.02モル以上0.04モル以下のマンガン含有相を含む
圧電セラミックス。 - アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を主相とする多結晶体からなり、当該多結晶体の結晶粒界に、Siを有する第1の酸化物相と、Ca及びTiを有する第2の酸化物相とを含み、
前記主相の組成式は(Li a Na b K 1−a−b ) m (Nb 1−c−d Ta c Sb d ) n O 3 (但し、0.04<a≦0.1、0≦b≦1、0≦c<1、0≦d<1、m=1、0.95≦n≦1.01、a+b<1、c+d≦1が満たされる。)と表され、
前記第1の酸化物相の組成式はK 3 Nb 3 O 6 Si 2 O 7 と表され、
前記第2の酸化物相の組成式はCa e Ti f O g (但し、g=e+2fが満たされる。)と表される
圧電セラミックス。 - 請求項1又は2に記載の圧電セラミックスであって、
前記主相の最大結晶粒径が15μm以下である
圧電セラミックス。 - 第1の内部電極及び第2の内部電極と、
請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電セラミックスより成る圧電セラミックス層と
を具備する圧電素子。 - 請求項4に記載の圧電素子であって、
第1の外部電極と第2の外部電極とをさらに具備し、
前記第1の内部電極と前記第2の内部電極とが前記圧電セラミックス層を介して交互に配置され、前記第1の内部電極はそれぞれ前記第1の外部電極に接続され、前記第2の内部電極はそれぞれ前記第2の外部電極に接続されている
圧電素子。 - 請求項4又は5に記載の圧電素子であって、
前記第1の内部電極及び前記第2の内部電極はNiを主成分とする導電性材料からなる
圧電素子。
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