JPH05170512A - 圧電素子の製造方法 - Google Patents
圧電素子の製造方法Info
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- JPH05170512A JPH05170512A JP34287891A JP34287891A JPH05170512A JP H05170512 A JPH05170512 A JP H05170512A JP 34287891 A JP34287891 A JP 34287891A JP 34287891 A JP34287891 A JP 34287891A JP H05170512 A JPH05170512 A JP H05170512A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】圧電素子の機械的強度を高く維持するととも
に、後加工工程における欠損の発生を防止する。 【構成】原料粉末から形成された成形体を焼結して一次
焼結体とし、一次焼結体を熱間静水圧プレスして二次焼
結体とし、さらに後加工を行う圧電素子の製造方法にお
いて、一次焼結体の平均粒径を４〜８μｍに制御し、そ
の後二次焼結工程を行うことを特徴とする。
に、後加工工程における欠損の発生を防止する。 【構成】原料粉末から形成された成形体を焼結して一次
焼結体とし、一次焼結体を熱間静水圧プレスして二次焼
結体とし、さらに後加工を行う圧電素子の製造方法にお
いて、一次焼結体の平均粒径を４〜８μｍに制御し、そ
の後二次焼結工程を行うことを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、積層型圧電アクチュエ
ータなどに用いられる圧電素子の製造方法に関する。
ータなどに用いられる圧電素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが開発さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の圧電積層体として提供されている。
に代わって、例えば特開昭６２−２９１１８７号公報、
実開昭６４−３０８６５号公報などに開示されているよ
うに、圧電効果を利用した圧電アクチュエータが開発さ
れている。この圧電アクチュエータは発熱が少なく、ま
た小型で高速駆動が可能なため、各種の機械的駆動素子
として極めて有望である。ただ圧電効果による機械的変
位は本質的に極めて小さいので、大きな変位量を得るた
めに圧電板と電極板とを交互に多重に積層し絶縁保護層
で被覆された構造の圧電積層体として提供されている。
【０００３】上記圧電板の材質としては、チタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）が代表的である。このようなセラミ
ックス材料から所定形状の部材を形成するには、原料粉
末から公知の方法で成形体を形成し、焼結した後、研磨
加工などにより整形する方法が一般的である。しかし大
気中で自然に焼結するだけでは、大きな結晶粒子が存在
し研磨加工時に脱落して欠損が生じたり、内部に形成さ
れた空孔による欠陥が生じる。
コン酸鉛（ＰＺＴ）が代表的である。このようなセラミ
ックス材料から所定形状の部材を形成するには、原料粉
末から公知の方法で成形体を形成し、焼結した後、研磨
加工などにより整形する方法が一般的である。しかし大
気中で自然に焼結するだけでは、大きな結晶粒子が存在
し研磨加工時に脱落して欠損が生じたり、内部に形成さ
れた空孔による欠陥が生じる。
【０００４】そこで、圧電板を製造する場合には、特公
昭６０−９３５２号公報などに開示されているように、
ホットプレス法、熱間静水圧プレス法（以下ＨＩＰ処理
という）を利用することが好ましい。特にＨＩＰ処理に
よれば、ダイスやパンチを用いる必要がないため、それ
らの材質による各種制限が回避されるとともに、不純物
の混入が防止される。そして上記公報によれば、粉末成
形体を先ず所定条件で理想密度より低い密度となるよう
に一次焼結し、その後ＨＩＰ処理することにより、高密
度の二次焼結体となり高い機械的強度が得られることが
明らかとなっている。また高密度とするためには、一次
焼結体の粒子径は１μｍ以下が望ましいとされている。
昭６０−９３５２号公報などに開示されているように、
ホットプレス法、熱間静水圧プレス法（以下ＨＩＰ処理
という）を利用することが好ましい。特にＨＩＰ処理に
よれば、ダイスやパンチを用いる必要がないため、それ
らの材質による各種制限が回避されるとともに、不純物
の混入が防止される。そして上記公報によれば、粉末成
形体を先ず所定条件で理想密度より低い密度となるよう
に一次焼結し、その後ＨＩＰ処理することにより、高密
度の二次焼結体となり高い機械的強度が得られることが
明らかとなっている。また高密度とするためには、一次
焼結体の粒子径は１μｍ以下が望ましいとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、積層型圧電
アクチュエータを例えば自動車のエンジン制御部品など
に応用する場合、高荷重での高速作動に耐える必要があ
り、アクチュエータを構成するそれぞれの圧電板には圧
電特性に加えて高い機械的強度が要求される。上記した
ように、圧電磁器を一次焼結後ＨＩＰ処理することは、
機械的強度の向上に極めて有効である。そして本発明者
らの研究によれば、一次焼結体の粒径が小さい程強度の
向上が大きく、例えば平均粒径を１μｍとすれば３点曲
げ強度試験で１４０ＭＰａもの高い強度が得られること
が明らかとなっている。
アクチュエータを例えば自動車のエンジン制御部品など
に応用する場合、高荷重での高速作動に耐える必要があ
り、アクチュエータを構成するそれぞれの圧電板には圧
電特性に加えて高い機械的強度が要求される。上記した
ように、圧電磁器を一次焼結後ＨＩＰ処理することは、
機械的強度の向上に極めて有効である。そして本発明者
らの研究によれば、一次焼結体の粒径が小さい程強度の
向上が大きく、例えば平均粒径を１μｍとすれば３点曲
げ強度試験で１４０ＭＰａもの高い強度が得られること
が明らかとなっている。
【０００６】一方、積層型圧電アクチュエータ用の圧電
板には、板厚、表裏両面の平行度、外形寸法などに高い
形状精度が要求される。しかし熱処理後の圧電板には変
形が生じているため、高い形状精度を得るためには、熱
処理後に研磨加工などの後加工工程を行う必要がある。
ところが上記ＨＩＰ処理後の圧電板を機械加工すると、
特に周縁部の角部に欠損が生じ易いことが明らかとなっ
た。このように圧電板に欠損が生じると、圧電アクチュ
エータとして作動中にその欠損からクラックが進行した
り、高電圧で作動するために短絡が生じたりする恐れが
ある。したがって後加工工程後に欠損の有無の綿密な検
査が必要となり、工数が多大となっている。
板には、板厚、表裏両面の平行度、外形寸法などに高い
形状精度が要求される。しかし熱処理後の圧電板には変
形が生じているため、高い形状精度を得るためには、熱
処理後に研磨加工などの後加工工程を行う必要がある。
ところが上記ＨＩＰ処理後の圧電板を機械加工すると、
特に周縁部の角部に欠損が生じ易いことが明らかとなっ
た。このように圧電板に欠損が生じると、圧電アクチュ
エータとして作動中にその欠損からクラックが進行した
り、高電圧で作動するために短絡が生じたりする恐れが
ある。したがって後加工工程後に欠損の有無の綿密な検
査が必要となり、工数が多大となっている。
【０００７】そこで本発明者は、後加工時の欠損の発生
の原因について鋭意研究したところ、ＨＩＰ処理前の一
次焼結体の粒径が欠損の発生率に大きく影響しているこ
とを発見し、本発明を想起したものである。すなわち本
発明は、圧電素子の機械的強度を高く維持するととも
に、後加工工程における欠損の発生を防止することを目
的とする。
の原因について鋭意研究したところ、ＨＩＰ処理前の一
次焼結体の粒径が欠損の発生率に大きく影響しているこ
とを発見し、本発明を想起したものである。すなわち本
発明は、圧電素子の機械的強度を高く維持するととも
に、後加工工程における欠損の発生を防止することを目
的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子の製造
方法は、原料粉末から成形体を形成する成形工程と、成
形体を焼結して一次焼結体とする一次焼結工程と、一次
焼結体を熱間静水圧プレスして二次焼結体とする二次焼
結工程と、二次焼結体を後加工する後加工工程と、から
なる圧電素子の製造方法において、一次焼結体の平均粒
径を４〜８μｍに制御し、その後二次焼結工程を行うこ
とを特徴とする。
方法は、原料粉末から成形体を形成する成形工程と、成
形体を焼結して一次焼結体とする一次焼結工程と、一次
焼結体を熱間静水圧プレスして二次焼結体とする二次焼
結工程と、二次焼結体を後加工する後加工工程と、から
なる圧電素子の製造方法において、一次焼結体の平均粒
径を４〜８μｍに制御し、その後二次焼結工程を行うこ
とを特徴とする。
【０００９】
【作用】本発明の圧電素子の製造方法では、先ず原料粉
末から成形体が形成される。圧電板を形成する場合は円
板状の成形体が形成される。そして成形体は、理想密度
より低い密度となるように大気中で焼結され一次焼結体
となる。このとき一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍと
なるように制御する。この制御は焼結条件で制御しても
よいし、原料粉末の組成で制御することもできる。そし
てこの一次焼結体は次に二次焼結工程でＨＩＰ処理さ
れ、焼結が完了して二次焼結体となる。この二次焼結体
は、研磨加工などの後加工により整形されて所定形状の
圧電素子とされ、積層型圧電アクチュエータなどに利用
される。
末から成形体が形成される。圧電板を形成する場合は円
板状の成形体が形成される。そして成形体は、理想密度
より低い密度となるように大気中で焼結され一次焼結体
となる。このとき一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍと
なるように制御する。この制御は焼結条件で制御しても
よいし、原料粉末の組成で制御することもできる。そし
てこの一次焼結体は次に二次焼結工程でＨＩＰ処理さ
れ、焼結が完了して二次焼結体となる。この二次焼結体
は、研磨加工などの後加工により整形されて所定形状の
圧電素子とされ、積層型圧電アクチュエータなどに利用
される。
【００１０】ここで、二次焼結工程でＨＩＰ処理される
一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍとされていることに
より、得られる圧電素子の機械的強度の向上と後加工時
の欠損の発生の低下の両立を図ることができる。一次焼
結体の平均粒径が４μｍより小さくなると、後加工時の
欠損が発生し易くなる。また平均粒径が８μｍを超える
と、圧電素子の機械的強度が低下する。
一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍとされていることに
より、得られる圧電素子の機械的強度の向上と後加工時
の欠損の発生の低下の両立を図ることができる。一次焼
結体の平均粒径が４μｍより小さくなると、後加工時の
欠損が発生し易くなる。また平均粒径が８μｍを超える
と、圧電素子の機械的強度が低下する。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例と比較例を含む試験例
により、本発明を具体的に説明する。 （試験例１） ＜原料調製工程＞ＰｂＯ：６０重量部、ＺｒＯ2 ：２２
重量部、ＴｉＯ2 ：１２重量部に、焼結助剤としてのＳ
ｒＣＯ3 ：５重量部を加え、さらにＮｂ2 Ｏ5 を１〜５
ｍｏｌ％の範囲で変化させて添加して５種類の原料粉末
を調製した。これらの原料粉末を、それぞれ混粉装置中
に水３５リットルと合わせて投入し、４時間粉砕した。
その後１２０℃で真空乾燥してそれぞれの圧電体原料粉
末を得た。 ＜成形工程＞上記それぞれの圧電体原料粉末９０重量部
に対して、それぞれ１０重量部のポリビニルアルコール
水溶液（濃度２重量％）を加えて混合した。これを乾燥
させ、篩いに通した後造粒を行った。得られた造粒粉を
それぞれ４×５×５０ｍｍのキャビティをもつ金型に投
入し、１ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力でプレスしてそれぞれの
成形体を得た。 ＜一次焼結工程＞これらの成形体をるつぼに入れ、昇温
速度３００℃／ｈで１２００℃まで加熱し、１２００℃
で４時間保持して焼結してそれぞれの一次焼結体を得
た。
により、本発明を具体的に説明する。 （試験例１） ＜原料調製工程＞ＰｂＯ：６０重量部、ＺｒＯ2 ：２２
重量部、ＴｉＯ2 ：１２重量部に、焼結助剤としてのＳ
ｒＣＯ3 ：５重量部を加え、さらにＮｂ2 Ｏ5 を１〜５
ｍｏｌ％の範囲で変化させて添加して５種類の原料粉末
を調製した。これらの原料粉末を、それぞれ混粉装置中
に水３５リットルと合わせて投入し、４時間粉砕した。
その後１２０℃で真空乾燥してそれぞれの圧電体原料粉
末を得た。 ＜成形工程＞上記それぞれの圧電体原料粉末９０重量部
に対して、それぞれ１０重量部のポリビニルアルコール
水溶液（濃度２重量％）を加えて混合した。これを乾燥
させ、篩いに通した後造粒を行った。得られた造粒粉を
それぞれ４×５×５０ｍｍのキャビティをもつ金型に投
入し、１ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力でプレスしてそれぞれの
成形体を得た。 ＜一次焼結工程＞これらの成形体をるつぼに入れ、昇温
速度３００℃／ｈで１２００℃まで加熱し、１２００℃
で４時間保持して焼結してそれぞれの一次焼結体を得
た。
【００１２】得られたそれぞれの一次焼結体の平均粒径
と、その原料粉末中のＮｂ2 Ｏ5 添加量との関係を図３
に示す。図３からわかるように、Ｎｂ2 Ｏ5 の添加量が
多くなるにつれて平均粒径が小さくなっている。なお、
一次焼結体の焼結密度は、理想密度の約９６％となって
いる。 ＜二次焼結工程＞これらの焼結体を、酸素雰囲気中、１
００ＭＰａの圧力下１２００℃で１時間加熱してＨＩＰ
処理を施し、二次焼結体を得た。 ＜試験＞それぞれの一次焼結体及び二次焼結体につい
て、研磨して３×４×４０ｍｍの試験片を形成し、３点
曲げ強度を測定した。結果を図１に示す。
と、その原料粉末中のＮｂ2 Ｏ5 添加量との関係を図３
に示す。図３からわかるように、Ｎｂ2 Ｏ5 の添加量が
多くなるにつれて平均粒径が小さくなっている。なお、
一次焼結体の焼結密度は、理想密度の約９６％となって
いる。 ＜二次焼結工程＞これらの焼結体を、酸素雰囲気中、１
００ＭＰａの圧力下１２００℃で１時間加熱してＨＩＰ
処理を施し、二次焼結体を得た。 ＜試験＞それぞれの一次焼結体及び二次焼結体につい
て、研磨して３×４×４０ｍｍの試験片を形成し、３点
曲げ強度を測定した。結果を図１に示す。
【００１３】図１より、一次焼結体の平均粒径が小さく
なるにつれて３点曲げ強度が向上することがわかる。そ
してＨＩＰ処理を行うことにより、３点曲げ強度が大き
く向上していることが明らかであり、さらにＨＩＰ処理
による強度増大の効果は一次焼結体の平均粒径が小さい
ほど顕著であることも明らかである。特に平均粒径が８
μｍより小さい場合に、３点曲げ強度が１００ＭＰａ以
上と大きな値を示している。 （試験例２）試験例１と同一の原料粉末を用い、同様に
して直径３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円板状の成形体を
形成した。そして同様に一次焼結工程及び二次焼結工程
を行い、Ｎｂ2 Ｏ5 添加量の水準に対応する複数種類の
二次焼結体を得た。 ＜後加工工程＞これらの二次焼結体の外周を＃１０００
の砥石で研削し、直径２０ｍｍの円板状の圧電素子とし
た。そしてＮｂ2 Ｏ5 添加量の水準に対応するそれぞれ
の圧電素子について、１００個ずつ外周部の欠損の有無
を目視で観察して良品と不良品とに選別し、それぞれの
圧電素子における良品率を算出した。その結果を図２に
示す。
なるにつれて３点曲げ強度が向上することがわかる。そ
してＨＩＰ処理を行うことにより、３点曲げ強度が大き
く向上していることが明らかであり、さらにＨＩＰ処理
による強度増大の効果は一次焼結体の平均粒径が小さい
ほど顕著であることも明らかである。特に平均粒径が８
μｍより小さい場合に、３点曲げ強度が１００ＭＰａ以
上と大きな値を示している。 （試験例２）試験例１と同一の原料粉末を用い、同様に
して直径３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円板状の成形体を
形成した。そして同様に一次焼結工程及び二次焼結工程
を行い、Ｎｂ2 Ｏ5 添加量の水準に対応する複数種類の
二次焼結体を得た。 ＜後加工工程＞これらの二次焼結体の外周を＃１０００
の砥石で研削し、直径２０ｍｍの円板状の圧電素子とし
た。そしてＮｂ2 Ｏ5 添加量の水準に対応するそれぞれ
の圧電素子について、１００個ずつ外周部の欠損の有無
を目視で観察して良品と不良品とに選別し、それぞれの
圧電素子における良品率を算出した。その結果を図２に
示す。
【００１４】図２より、一次焼結体の平均粒径が４μｍ
以上であれば良品率が１００％を示し、後加工時に欠損
が生じていないことがわかる。すなわち図１及び図２よ
り、一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍの範囲にあれ
ば、ＨＩＰ処理後の圧電素子は充分な３点曲げ強度を示
し、かつ後加工時の欠損も防止されることが明らかであ
る。
以上であれば良品率が１００％を示し、後加工時に欠損
が生じていないことがわかる。すなわち図１及び図２よ
り、一次焼結体の平均粒径が４〜８μｍの範囲にあれ
ば、ＨＩＰ処理後の圧電素子は充分な３点曲げ強度を示
し、かつ後加工時の欠損も防止されることが明らかであ
る。
【００１５】
【発明の効果】すなわち本発明の圧電素子の製造方法に
よれば、機械的強度に優れ、かつ後加工時の欠損も生じ
にくい圧電素子を、容易にかつ安定して製造することが
できる。したがって良品率がほぼ１００％となり、製造
時の検査工数が低減されるとともに歩留りが大幅に向上
する。そして得られた圧電素子は、欠損がないので圧電
アクチュエータとして使用時のクラックや短絡が防止さ
れ、耐久性が著しく向上する。
よれば、機械的強度に優れ、かつ後加工時の欠損も生じ
にくい圧電素子を、容易にかつ安定して製造することが
できる。したがって良品率がほぼ１００％となり、製造
時の検査工数が低減されるとともに歩留りが大幅に向上
する。そして得られた圧電素子は、欠損がないので圧電
アクチュエータとして使用時のクラックや短絡が防止さ
れ、耐久性が著しく向上する。
【図１】一次焼結体の平均粒径と３点曲げ強度との関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図２】一次焼結体の平均粒径と欠損の良品率との関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図３】酸化ニオブ添加量と一次焼結体の平均粒径との
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
Claims (1)
- 【請求項１】 原料粉末から成形体を形成する成形工程
と、該成形体を焼結して一次焼結体とする一次焼結工程
と、該一次焼結体を熱間静水圧プレスして二次焼結体と
する二次焼結工程と、該二次焼結体を後加工する後加工
工程と、からなる圧電素子の製造方法において、 該一次焼結体の平均粒径を４〜８μｍに制御し、その後
該二次焼結工程を行うことを特徴とする圧電素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34287891A JPH05170512A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 圧電素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34287891A JPH05170512A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 圧電素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05170512A true JPH05170512A (ja) | 1993-07-09 |
Family
ID=18357206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34287891A Pending JPH05170512A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 圧電素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05170512A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997029521A1 (fr) * | 1996-02-08 | 1997-08-14 | Tokin Corporation | Transformateur piezo-electrique |
| DE4220153B4 (de) * | 1991-06-18 | 2004-12-30 | Hitachi, Ltd. | Wirbelstromgebläse |
| JP2011176343A (ja) * | 2011-04-12 | 2011-09-08 | Kyocera Corp | 積層型圧電素子およびその製造方法 |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP34287891A patent/JPH05170512A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4220153B4 (de) * | 1991-06-18 | 2004-12-30 | Hitachi, Ltd. | Wirbelstromgebläse |
| WO1997029521A1 (fr) * | 1996-02-08 | 1997-08-14 | Tokin Corporation | Transformateur piezo-electrique |
| JP2011176343A (ja) * | 2011-04-12 | 2011-09-08 | Kyocera Corp | 積層型圧電素子およびその製造方法 |
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