(57)【要約】【課題】  Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスにおいて、１０００℃前後で容易に焼結させることが可能であり、且つ圧電特性を大きく低下させることのない、全く新規の圧電セラミックスを提供する。【解決手段】  Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスに対して、意図的にＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させることで、通常必要な１０５０℃以上となる焼成温度ではなく、１０００℃前後での焼成が可能となる。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスにおいて、組成式Ｌｉ３ＮｂＯ４で示される結晶相を保持することを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】
組成式｛Ｌｉｘ［ＮａｙＫ１−ｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０＜ｘ≦０．２０、０≦ｙ≦１、１．０≦ａ≦１．０１である。）で示されることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス。
【請求項３】
ＡｇをＡｇ２Ｏ換算として請求項２に記載の圧電セラミックス１００ｍｏｌに対して、０．１ｍｏｌ以上、０．５ｍｏｌ以下含有させたことを特徴とする請求項２の圧電セラミックス。
【請求項４】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を介して対向する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項５】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を介して交互に複数層積み重ねられており、前記第一の電極と電気的に接続する第一の端子電極と、前記第二の電極と電気的に接続する第二の端子電極とを有する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項６】
圧電セラミックス層を有する基板を有し、その圧電セラミックス層の上部に第一の電極と第二の電極が対向して配置される圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項７】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を有する基板上に交互に複数層対向しており、前記第一の電極と電気的に接続する第一の端子電極と、前記第二の電極と電気的に接続する第二の端子電極とを有する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか１項に記載の圧電セラミックス部品を用いたことを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛等の重金属元素を含有しないアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造の圧電セラミックス、及び該圧電セラミックスを用いた圧電発音体、圧電センサ、圧電アクチュエータ、圧電トランス、圧電超音波モータなどの圧電セラミックス部品、並びに該圧電セラミックス部品を用いた圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスは、電気エネルギーを機械エネルギーへ変換し機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する圧電材料の一種であり、多くの電子デバイスへ応用されている。この圧電セラミックスとして、例えば、ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３の２成分よりなる二成分系の鉛含有圧電セラミックス（以下、「ＰＺＴ」という。）や、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３やＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を第３成分として有する三成分系の鉛含有圧電セラミックスが知られている。これらのＰＺＴは高い圧電効果を備えるため、圧電セラミックス部品として広く使用されている。しかしながら、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスについては、生産工程時におけるＰｂＯの揮発、酸性雨に曝されることによるＰｂ成分の流出など、環境負荷が高いことが問題となっている。【０００３】
このため、鉛を含有しない非鉛系圧電セラミックスが求められている。非鉛系圧電セラミックスの開示例として、例えば、Ｎａｔｕｒｅ，４３２（４），２００４，ｐｐ．８４−８７（非特許文献１），及び、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８５（１８），２００４，ｐｐ．４１２１−４１２３２（非特許文献２）には、アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有し、ＰＺＴに匹敵する圧電効果を有する圧電セラミックスが開示されている。【０００４】
これらのアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスは、さらに特開２００２−０６８８３５号公報（特許文献１）、特開２００３−３４２０６９号公報（特許文献２）、及び特開２００４−３０００１２号公報（特許文献３）にも開示されている。特許文献２、３の圧電セラミックスは、は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ及びＯを主成分とし、一般式｛Ｌｉｘ［Ｎａ１−ｙＫｙ］１−ｘ｝ａ｛Ｎｂ１−ｚ−ｗＴａｚＳｂｗ｝ｂＯ３（式中、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ａ及びｂはモル比を示しており、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．４、０≦ｗ≦０．２、ａ≦０．９５、ｂ≦１．０５である。）で示され、高い圧電特性（圧電定数、電気機械結合係数など）を有する。また、特開２００８−１６９１１３号公報（特許文献４）に開示されているように、上記一般式で表される主成分の化合物１ｍｏｌに対して、０．００１ｍｏｌ〜０．１５ｍｏｌのＡｇを添加元素として加えることにより、圧電定数、電気機械結合係数、比誘電率、誘電損失、キュリー温度のいずれか１つ以上の特性を向上させることができる。【０００５】
しかし、上記の一般式で示される圧電セラミックスのうち、アンチモン（Ｓｂ）は重金属に属し、人体に対する毒性が懸念される。したがって、アンチモンを含まない圧電セラミックスが望まれる。また、タンタル（Ｔａ）によってキュリー温度を低下させて圧電セラミックスの誘電率を高め、圧電定数などの特性を高めることができるが、その反面、緻密なセラミックスを得るために必要な焼成温度が上昇してしまう。【０００６】
このように、Ｓｂ及びＴａを含まずＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックス（以下、「ＬＮＫＮ」という。）は、優れた圧電特性を有する一方、鉛含有圧電セラミックスよりも焼結性に劣る。例えば、ＬＮＫＮの一種であるＬｉ０．０６Ｎａ０．４７Ｋ０．４７ＮｂＯ３は、非特許文献２に記載されているように、その分極軸方向への変位特性ｄ３３が２３５ｐＣ／Ｎであり優れた特性を示すが、緻密な焼結体を得るためには１０５０℃〜１１００℃で焼成する必要がある。高い焼成温度で焼成を行うとアルカリ金属元素が蒸発しやすくなり、圧電効果が劣化する原因となる。このため、十分に高い圧電効果を有するセラミックスを得るためには、焼成温度を精密に制御する必要がある。【０００７】
特開２００８−２０７９９９号公報（特許文献５）には、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７を混合した焼結助剤を用いることにより、低い焼結温度で緻密な焼結体を得る技術が開示されている。しかし、Ｌｉ２ＣＯ３は焼成後にＬｉ２Ｏとして焼結体中に残存するので、セラミックスの抵抗が低下してしまう。また、ＬｉＢＯ２やＬｉ２Ｂ４Ｏ７は、圧電特性を低下させる原因となる。【０００８】
また、特開２００４−１１５２９３号公報（特許文献６）には、（Ｋ，Ｎａ）（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３のＢサイトの元素（Ｎｂ，Ｔａ）が化学量論比よりも過剰になるように出発原料の組成を調整するとともにＣｕＯを添加することで焼結性の改善を図った圧電セラミックスが開示されている。しかし、この圧電セラミックスにおいても、緻密な焼結体を得るためには１０５０℃以上の焼結温度を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０６８８３５号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２０６９号公報
【特許文献３】特開２００４−３０００１２号公報
【特許文献４】特開２００８−１６９１１３号公報
【特許文献５】特開２００８−２０７９９９号公報
【特許文献６】特開２００４−１１５２９３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，４３２（４），２００４，ｐｐ．８４−８７
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８５（１８），２００４，ｐｐ．４１２１−４１２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のとおり、ＬＮＫＮの緻密な焼結体を得るには１０５０℃〜１１００℃の焼成温度が必要とされるので、ＬＮＫＮは、１０００℃前後で緻密な焼結体が得られ且つ高い圧電特性を有する鉛含有圧電セラミックスの代替としては不十分である。例えば、貴金属又は卑金属を電極として有する積層圧電セラミックス部品用の圧電セラミックスとしてＬＮＫＮを利用する場合には、内部電極の収縮を抑制するために焼成温度を１０００℃程度とすることが望ましいが、１０００℃程度でＬＮＫＮの緻密な焼結体を得る技術はこれまでに知られていない。【００１２】
本発明の様々な実施形態は、圧電特性を損なわずに１０００℃前後で焼結させることが可能なＬＮＫＮを主成分とするセラミック化合物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯを構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスにＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させることで、当該圧電セラミックスが１０００℃前後で緻密に焼成できることを見いだした。【００１４】
本発明の一態様における圧電セラミックスは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯを構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスを主成分とするセラミックスにおいて、組成式がＬｉ３ＮｂＯ４で示される結晶相を保持する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態によって、圧電特性を損なわずに１０００℃前後で焼結させることが可能なＬＮＫＮを主成分とするセラミック化合物を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＡＢＯ３型ペロブスカイト構造の結晶構造を示す模式図である。
【図２】本発明の圧電デバイスの一例を示す側面図である。
【図３】本発明の圧電デバイスの一例を示す模式断面図である。
【図４】本発明の圧電デバイスの一例を示す平面図である。
【図５】本発明の圧電デバイスの一例を示す模式断面図である。
【図６】試料Ｎｏ．１及び試料Ｎｏ．２の各々の焼結密度の焼成温度依存性を示す図である。
【図７】試料Ｎｏ．１（上段）及び試料Ｎｏ．２（下段）のＸ線回折プロファイルを示す図である。
【図８】試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６におけるＸ線回折プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本出願は、日本国特許出願2010-288242号に基づく優先権を主張する。同出願に記載の内容は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００１８】
本発明の様々な実施形態における圧電セラミックス材料は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とし、アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックス（つまり、ＬＮＫＮ）を主成分とする。アルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造は、ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造の一種であり、ＡサイトにＫ、Ｎａ、Ｌｉ等のアルカリ金属元素を含み、ＢサイトにＮｂを含む。図１にペロブスカイト構造の模式図を示す。図示の通り、ペロブスカイト構造は、Ｂサイトの周りに６つのＯが配位され、Ａサイトの周りに１２のＯが配位されて成る単位構造を有し、この単位構造が周期的に連続することで結晶を形成する。ペロブスカイト構造においては、Ａサイトを占める元素とＢサイトを占める元素との組成比（モル比）がペロブスカイト構造の化学量論比に従った１：１となるときに、全てのサイト位置が対応する元素で占められ、安定した構造が得られる。しかしながら、ＬＮＫＮの焼結体の組成は、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉの溶出や仮焼工程又は焼成工程におけるＫ、Ｎａ、Ｌｉの揮発などによって、化学量論比に従った組成から最大２％程度変動し得る。これらの構成元素の変動量は、その原材料、合成時期、合成工程によって変化する。
【００１９】
そこで、初期配合において、Ａサイトを占める元素（Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ）の原材料のＢサイトを占める元素の原材料に対する配合比率を、化学量論比から定められる理想的な配合比率よりも高くし、最終的に得られる焼結体のＡサイトを占める元素とＢサイトを占める元素との組成比が１：１の化学量論比となるようにする。ただし、最終的に得られるＬＮＫＮが高い圧電効果を有するためには、焼結後のＡサイトに含まれる元素とＢサイトに含まれる元素との組成比は０．９８＜Ａ／Ｂ＜１．０１の範囲とすることが望ましい。しかしながら、Ａサイトを占めるＫ，Ｎａ，Ｌｉ元素の原材料の配合比率を高めると、Ｋ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｌｉ２Ｏ等酸化物やしＫ２ＣＯ３，Ｎａ２ＣＯ３，Ｌｉ２ＣＯ３等の炭酸化合物が析出し、得られる圧電セラミックスの比抵抗率を低下させたり、潮解性を生じさせたりすることがある。
【００２０】
本発明の一実施形態においては、ＬＮＫＮから成る主成分にＬｉ３ＮｂＯ４を析出させることによって、高い焼結性を有する圧電セラミックが得られる。一態様において、ＬＮＫＮの化学量論比よりもＬｉが過剰となるようにＬｉ２ＣＯ３等のＬｉの原材料を配合することで、ＬＮＫＮから成る主成分にＬｉ３ＮｂＯ４を析出させることができる。一態様においては、出発原料のＬｉ２ＣＯ３として、市販のＬｉ２ＣＯ３をボールミルにて２４時間予備粉砕して平均粒子径を１μｍ以下としたものを用いることができる。市販されるＬｉ２ＣＯ３の多くは平均粒子径が５μｍ以上であり、このような平均粒子径が５μｍ以上のＬｉ２ＣＯ３を用いると、Ｌｉ３ＮｂＯ４を析出させることは難しい。本発明の実施形態に係る圧電セラミックスにおいては、ＬＮＫＮから成る主成分にＬｉ３ＮｂＯ４を析出させることで、１０００℃前後で容易に焼結し、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を含有しない圧電セラミックスと比較して圧電特性が損なわれていない圧電セラミックスを得ることができる。本発明の実施形態に係る圧電セラミックスにおいては、アルカリ成分とニオブが１対１で含まれるペロブスカイト構造の主成分に、この主成分よりもアルカリ成分が過剰なＬｉ３ＮｂＯ４結晶相が析出することによって、焼結時にペロブスカイト構造から揮発するアルカリ成分を過剰なＬｉで補うことができ、これにより焼結性を補っていると考えられる。
【００２１】
一実施形態において、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相は、ＩＣＳＤ（Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｄａｔａｂａｓｅ）においてＰＤＦ−０１−０８２−１１９８又はＰＤＦ−０１−０７５−０９０２に記載されている立方晶系の結晶相であってもよい。一実施形態におけるＬｉ３ＮｂＯ４結晶相の格子定数は８．４１２Åもしくは８．４２９Åである。このうち、格子定数およびその各々の回折線強度比に関しては、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相の結晶性、結晶構造内の欠損因子などにより、例えばコンマ２桁目以下の格子定数が変化する場合があるが、本発明の障害とはならない。
【００２２】
本発明の一実施形態に係る圧電セラミックスは、組成式｛Ｌｉｘ［ＮａｙＫ１−ｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０．０＜ｘ≦０．２０、０≦ｙ≦１、１．０≦ａ≦１．０１である。）で示される圧電セラミックスであってもよい。一実施形態における圧電セラミックスは、組成式｛Ｌｉｘ［ＮａｙＫ１−ｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０．０３≦ｘ≦０．１０、０．４０≦ｙ≦０．６０、１．０≦ａ≦１．０１である。）で示される。本発明の実施形態に係る圧電セラミックスの構成元素の組成比をこれらの組成式に示された範囲内とすることで、鉛含有圧電セラミックスの圧電特性と同程度の特性を得ることができるとともに、１０００℃前後で緻密に焼成することができる。したがって、圧電デバイスに用いられる鉛含有圧電セラミックスを代替可能な鉛を含有しない圧電セラミックスを提供することができる。
【００２３】
本発明の一実施形態に係る圧電セラミックスは、｛Ｌｉｘ［ＮａｙＫ１−ｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３で示したＬＮＫＮから成る主成分１００ｍｏｌに対して、Ａｇ２Ｏ換算で０．１ｍｏｌ以上から０．５ｍｏｌの範囲のＡｇをを含有してもよい。これにより、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相の析出をさらに促進でき、圧電特性を損なうことなくより容易に焼結させることが可能となる。一態様において、Ａｇは、主成分１００ｍｏｌに対して、Ａｇ２Ｏ換算で０．１ｍｏｌ以上から０．２５ｍｏｌ以下の範囲で含まれる。これにより、Ａｇの含有量の増加に伴う比抵抗率の低下を抑制することができる。Ａｇ２Ｏを添加することにより、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相のＬｉの一部がＡｇで置換で置換された（Ｌｉ，Ａｇ）３ＮｂＯ４結晶相が析出するが、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相のみが析出した場合と同様の効果を奏する。これは、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相と（Ｌｉ，Ａｇ）３ＮｂＯ４結晶相とは、結晶系、格子定数等の結晶としての物性を決定する対称性が等しいためである。
【００２４】
特許文献４には、Ｔａ及びＳｂを含む主成分に対してＡｇを添加することが開示されているが、本発明の実施形態に係る圧電セラミックスは、Ｔａ、Ｓｂを含まない点で特許文献４で開示された圧電セラミックスと区別される。
【００２５】
本発明の一態様における圧電セラミックスは、第一遷移元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎを少なくとも１種類含む。これにより焼結温度を制御したり、粒子の成長を制御したり、高電界化における絶縁破壊を制御することが可能となる。
【００２６】
本発明の一態様における圧電セラミックスは、第二遷移元素であるＹ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄを少なくとも１種類含む。これにより、焼結温度を制御したり、粒子の成長を制御したり、高電界化における絶縁破壊を制御することが可能となる。
【００２７】
本発明の一態様における圧電セラミックスは、第三遷移元素であるＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕを少なくとも１種類含む。これにより、焼結温度を制御したり、粒子の成長を制御したり、高電界化における絶縁破壊を制御することが可能となる。
【００２８】
本発明の一態様における圧電セラミックスは、第一遷移元素及び第二遷移元素からそれぞれ選択された元素、第一遷移元素及び第三遷移元素からそれぞれ選択された元素、第二遷移元素及び第三遷移元素からそれぞれ選択された元素、又は第一遷移元素、第二遷移元素、及び第三遷移元素からそれぞれ選択された元素を含む。
【００２９】
次に、図２〜図５を参照し、本発明の一実施形態に係る圧電セラミックスを用いた圧電セラミックス部品、及び圧電セラミックス部品用いた圧電デバイスについて説明する。図２の圧電セラミックス部品は、板状の圧電セラミックス層１０１と、第一の電極１０２と、第二の電極１０３とを備える。この第一の電極１０２と第二の電極１０３とは、圧電セラミックス層１０１を介して対向配置されている。圧電セラミックス層１０１は、本発明の一実施形態に係る圧電セラミックから成り、具体的には、組成式Ｌｉ３ＮｂＯ４で示される結晶相が析出したＬＮＫＮから成る。一態様において、圧電セラミックス層１０１は、圧電セラミックスの原料混合粉をバインダと混合し、この混合物を板状に成形した成形体を作り、この成形体を焼成することで作製される。次に、この圧電セラミックス層１０１の両面に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の導電体を用いた導電ペーストを塗布し、この導電ペーストを焼き付けて第一の電極１０２及び第二の電極１０３を形成することで製造される。圧電セラミックス層１０１は、１０００℃前後で緻密に焼成されるため、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を含有しない従来のＬＮＫＮを用いた場合に比較して量産性に優れる。
【００３０】
図３は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電セラミックス部品を示す模式断面図である。図示のとおり、本発明の一実施形態に係る積層型圧電セラミックス部品は、圧電セラミックス層１０１と、複数の第一の電極１０２と複数の第二の電極１０３と、第一の電極１０２の各々と電気的に接続される第一の端子電極１０４と、第二の電極１０３の各々と電気的に接続される第二の端子電極１０５とを含む。第一の電極１０２の各々は、隣接する第二の電極１０３と圧電セラミックス層１０１を介して対向配置されている。この積層型圧電セラミックス部品は、例えば積層圧電アクチュエータとして用いられる。この圧電セラミックス層１０１は１０００℃前後で緻密に焼成することが可能であるため、本発明の一実施形態に係る積層型圧電セラミックス部品はＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を含有しない従来のＬＮＫＮを用いた同種の部品と比較して量産性に優れる。
【００３１】
図４は、本発明の一実施形態に係る圧電表面弾性波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）を示す模式である。図示のとおり、本発明の一実施形態に係る圧電表面弾性波フィルタは、基板１０６と、基板１０６上に形成された圧電セラミックス層１０１と、基板１０６上の圧電セラミックス層１０１と略同一面上に対向配置された第一の電極１０２及び第二の電極１０３とを備える。圧電セラミックス層１０１は１０００℃前後で緻密に焼成することが可能であるため、本発明の一実施形態に係る圧電表面弾性波フィルタは、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を含有しない従来のＬＮＫＮを用いた同種のフィルタと比較して量産性に優れる。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態に係る屈曲型の圧電アクチュエータを用いたスイッチ素子の模式断面図を示す。図示のとおり、本発明の一実施形態に係るスイッチ素子は、基板１０６と、基板１０６上に形成された第一の電極１０２と、第一の電極１０２上に形成された圧電セラミックス層１０１と、圧電セラミックス層１０１上に形成された第二の電極１０３と、弾性体１０７と、接点１０８とを備える。圧電セラミックス層１０１は１０００℃前後で緻密に焼成することが可能であるため、本発明の一実施形態に係る屈曲型の圧電アクチュエータを用いたスイッチ素子は、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を含有しない既存のＬＮＫＮを用いた同種のスイッチ素子と比較して量産性に優れる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。まず、主成分であるＬＮＫＮの出発原料として純度が９９％以上のＬｉ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３（もしくはＮａＨＣＯ３）、Ｋ２ＣＯ３（もしくはＫＨＣＯ３）、及びＮｂ２Ｏ５を用意し、これらを組成式｛Ｌｉｘ［Ｎａ１−ｙＫｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０．０≦ｘ≦０．２０、０≦ｙ≦１、１．０≦ａ≦１．０１である。）において、ｘ＝０．０６６、ｙ＝０．５５７、ａ＝１．０の化学量論比となるように秤量した。出発原料のＬｉ２ＣＯ３として、市販のＬｉ２ＣＯ３をボールミルにて２４時間予備粉砕して平均粒子径が１μｍ以下となるように調整したものを用いた。また、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させるための出発原料として、主成分のＬＮＫＮ１００ｍｏｌに対して０．２ｍｏｌのＬｉ２ＣＯ３を秤量した。次に、秤量した主成分の原料とＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させるための原料とをボールミルで約２４時間湿式混合して混合物を得た。次に、この混合物を約１００℃の雰囲気で乾燥させた後、７００℃〜１０００℃で仮焼し仮焼成粉を得た。次に、この仮焼成粉をボールミルにて約２４時間湿式粉砕し、約１００℃の雰囲気で乾燥して、粉砕粉を得た。そして、Ａｇを含有させた効果を確認するために、得られた粉砕粉に、主成分のＬＮＫＮ１００ｍｏｌに対して０．１ｍｏｌ、０．２５ｍｏｌ、０．５０ｍｏｌ、１．００ｍｏｌのＡｇ２Ｏを加えたものをボールミルにてそれぞれ約２４時間湿式混合した。次に、この混合物の各々を約１００℃の雰囲気で乾燥させてＡｇ２Ｏの含有量が異なる４種類のＡｇ２Ｏ混合粉砕粉を得た。次に、このＡｇ２Ｏ混合粉砕粉の各々に有機バインダを加えて混合し、この混合物を６０メッシュの篩に通して粒度の調整を行った。次に、この粒度が調整された混合物の各々に対して１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で一軸成型を行い、直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状の成型体を得た。次に、この成形体の各々を大気中で９６０℃〜１１００℃で焼成することによって、Ａｇの含有量が異なる４種類の圧電セラミックスの焼結体（表１の試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．６に相当）を得た。【００３４】
また、これらの試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．６に相当する圧電セラミックスを作製する工程においてＡｇ２Ｏの混合工程のみを省略して、Ａｇ２Ｏを含まない圧電セラミックス（表１の試料Ｎｏ．２に相当）を作製した。また、この試料Ｎｏ．２に相当する圧電セラミックスを作製する工程においてＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させるためのＬｉ２ＣＯ３を混合する工程を省略して、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させるための過剰なＬｉ２ＣＯ３を含まない（ただし、主成分ＬＮＫＮの原料となるＬｉ２ＣＯ３は含む）圧電セラミックス（表１の試料Ｎｏ．１に相当）を作製した。【００３５】
続いて、上述のようにして得られた６種類の圧電セラミックスの各々の両表面に銀ペーストを塗布し、この銀ペーストを８５０℃で焼付けて銀電極を形成した。次に、この銀電極が形成された圧電セラミックスの各々に対して絶縁性のオイル中で抗電界以上の約３〜４ｋＶ／ｍｍの電界を直流電圧で１５分間印加することにより分極処理を施した。その後、各資料を一晩静置することによって、圧電セラミックスの試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６を得た。このようにして作製した圧電セラミックスの試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の組成は表１に記載のとおりである。【００３６】
【表１】
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表１に記載した試料のうち、※が示してあるものは、本発明の範囲外にある試料である。【００３７】
次に、比較例の試料Ｎｏ．１及び本発明の実施例である試料Ｎｏ．２と同じ組成を有する圧電セラミックスを複数の焼成温度で作製し、各焼成温度で作製された焼結体の焼結密度を測定した。図６は、このようにして測定された焼結密度の焼成温度依存性を示すグラフである。図６から明らかなように、試料Ｎｏ．１と同じ組成を有する圧電セラミックスについては、１０８０℃まで焼結温度を高めなければ緻密に焼結させることが出来ないが、Ｌｉ２ＣＯ３を過剰に添加した試料Ｎｏ．２と同じ組成を有する圧電セラミックスにおいては、１０００℃前後から焼結が進んでおり焼結密度が高くなっていることが分かる。また、両者とも、１０８０℃以上の温度での焼成では、試料の部分的な融解が発生した。したがって、１０８０℃以上では均一な焼結体が得られないと判断した。【００３８】
次に、表１に記載の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６にＬｉ３ＮｂＯ４結晶相が含まれるかどうかを以下のようにして確認した。まず、各試料から電極をはぎ取ったものをメノウ乳鉢内を用いてエタノール中で３０分間粉砕した。この粉砕された試料の各々について、Ｘ線回折法によってＸＲＤを測定した。この測定には、Ｘ線回折計としてリガク社製ＲＩＮＴ−２５００ＰＣを用い、集中法による測定を行った。線源はＣｕ−Ｋα線、印加電圧は５０ｋＶ、印加電流は１００ｍＡとした。測定方法には２θ／θ法を用い、１０°≦２θ≦６０°の範囲においてＦｉｘｅｄ  Ｔｉｍｅ法で０．０２°間隔で１秒ずつ計測を行った。【００３９】
図７の上段はこのようにして測定された試料Ｎｏ．１のＸ線回折プロファイルを示し、図７の下段は試料Ｎｏ．２のＸ線回折プロファイルを示す。図７には、１０°≦２θ≦３５°となる回折プロファイルにおけるバックグラウンド近傍のピークを拡大して示す。図７から明らかなように、試料Ｎｏ．２のプロファイルには、☆（星印）で示されているＬｉ３ＮｂＯ４結晶相のピークが現れることが確認できた。【００４０】
図８は、試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６のＸ線回折プロファイルを示す。図８の参照符号ａのグラフは試料Ｎｏ．２のプロファイル、参照符号ｂのグラフは試料３のプロファイル、参照符号ｃのグラフは試料４のプロファイル、参照符号ｄのグラフは試料５のプロファイルであり、参照符号ｅのグラフは試料６のプロファイルである。図示のとおり、Ａｇ２Ｏを含有させた圧電セラミックスにおいては、Ａｇ２Ｏの含有量が増加するほどＬｉ３ＮｂＯ４結晶相の析出量が増加していることが分かる。したがって、Ａｇ２Ｏを含有させることによって、Ｌｉ３ＮｂＯ４結晶相を主相のＬＮＫＮに析出させることができる。【００４１】
次に、試料１〜６のそれぞれについて、電子情報技術産業協会規格であるＪＥＩＴＡ  ＥＭ−４５０１に則って共振−反共振法によって表２に示す各電気的特性の測定を行った。この測定は、インピーダンスアナライザ（横河・ヒューレットパッカード製：ＹＨＰ４１９４Ａ）を用いて行った。また、圧電ｄ３３定数については、ｄ３３メータ（中国科学院声学研究所製：ＺＪ−６Ｂ）を用いて圧電特性の評価を行った。試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．２については、１０００℃および１０８０℃で焼成した試料の各々について各係数を測定し、試料Ｎｏ．３〜６については、１０００℃で焼成した試料の各係数を測定した。ε３３Ｔ／ε０は分極処理中に電界を印加した方向における分極処理後の比誘電率を示し、ｋｐは分極処理後の円板状圧電セラミックスの径方向の電気機械結合定数を示し、Ｙ１１Ｅは分極処理中に電界を印加した方向と垂直な方向におけるヤング率を示し、ｄ３１は分極処理中に電界を印加した方向に垂直な方向の圧電定数を示し、ｄ３３は分極処理中に電界を印加した方向に対して平行な方向の圧電定数を示す。【００４２】
【表２】
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試料Ｎｏ．１の１０００℃で焼成した試料は抵抗率が低く分極処理中に絶縁破壊してしまっため圧電特性の評価を行うことが出来なかった。試料Ｎｏ．２については、１０００℃で焼成した試料と１０８０℃で焼成した試料のいずれも分極処理を行うことができた。そして、１０００℃での焼結であっても、試料Ｎｏ．１の１０８０℃で焼成した試料と遜色のない高い圧電特性を有することが確認できた。したがって、本発明の実施例である試料２について、ＬＮＫＮの化学量論比よりもＬｉ２ＣＯ３を過剰に配合してＬｉ３ＮｂＯ４結晶相を析出させることにより、１０００℃前後で緻密な焼結体を得ることができ、ＬＮＫＮの化学量論比に従って配合した場合（試料１）と比較して圧電特性が損なわれていないことが確認できた。【００４３】
試料Ｎｏ．３〜６についても、同様に１０００℃で焼結した場合に十分に緻密な焼結体が得られることが確認された。このうち、試料Ｎｏ．３、４においては、その電気機械結合定数を損ねることなくヤング率が低下し、圧電セラミックスがより変形しやすくなっていることが確認された。その結果、ｄ３３の向上が確認された。そして、試料Ｎｏ．５においても、電気機械結合係数が損なわれていないことが確認された。試料Ｎｏ．６については、比誘電率及び電気機械結合係数も大きく低下し、ヤング率も上昇したため、圧電定数がｄ３１、ｄ３３ともに大きく低下した。【００４４】
以上の結果より、Ａｇ２Ｏを含有させた圧電セラミックスのＡｇ２Ｏを含有させる量としては、主成分となるＬＮＫＮが１００ｍｏｌに対して、Ａｇ２Ｏ換算で０．１ｍｏｌ以上、０．５ｍｏｌ以下が好ましいことが明らかになった。そしてまた、前記実施例で示した以外の組成式｛Ｌｉｘ［Ｎａ１−ｙＫｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０．０＜ｘ≦０．２０、０≦ｙ≦１、１．０≦ａ≦１．０１である。）で表現される範囲にある圧電セラミックスについて、同様の手順でもって、本発明の効果を試験したところ、同様の効果を得られることが分かった。
【符号の説明】
【００４５】
１０１：圧電セラミックス層
１０２：第一の電極
１０３：第二の電極
１０４：第一の端子電極
１０５：第二の端子電極
１０６：基板
１０７：弾性体
１０８：接点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年2月20日(2013.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ及びＯをその構成元素とするアルカリ含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスにおいて、組成式Ｌｉ３ＮｂＯ４で示される結晶相を保持し、  組成式｛Ｌｉｘ［ＮａｙＫ１−ｙ］１−ｘ｝ａＮｂＯ３（但し、式中、０＜ｘ≦０．２０、０≦ｙ≦１、１．０≦ａ≦１．０１である。）で示されることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】
ＡｇをＡｇ２Ｏ換算として請求項１に記載の圧電セラミックス１００ｍｏｌに対して、０．１ｍｏｌ以上、０．５ｍｏｌ以下含有させたことを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス。
【請求項３】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を介して対向する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜２のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項４】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を介して交互に複数層積み重ねられており、前記第一の電極と電気的に接続する第一の端子電極と、前記第二の電極と電気的に接続する第二の端子電極とを有する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜２のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項５】
圧電セラミックス層を有する基板を有し、その圧電セラミックス層の上部に第一の電極と第二の電極が対向して配置される圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜２のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項６】
第一の電極と第二の電極とが圧電セラミックス層を有する基板上に交互に複数層対向しており、前記第一の電極と電気的に接続する第一の端子電極と、前記第二の電極と電気的に接続する第二の端子電極とを有する圧電セラミックス部品において、前記圧電セラミックス層が、請求項１〜２のいずれか１項に記載の圧電セラミックスで形成されていることを特徴とする圧電セラミックス部品。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の圧電セラミックス部品を用いたことを特徴とする圧電デバイス。
【国際調査報告】
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