(57)【要約】【課題】効率の高い圧電アクチュエータへの適用に好ましい非鉛系圧電セラミックス、それを応用した積層型圧電デバイスおよび非鉛系圧電セラミックスの製造方法を提供する。【解決手段】非鉛系圧電セラミックスは、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする非鉛系圧電セラミックスであって、前記非鉛系圧電セラミックス材料に対して、酸化銅を０．１重量％（ｗｔ％）以上２重量％以下添加するとともに、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を添加し、１１００℃以下で焼成して得られる。これにより、非鉛系圧電セラミックスは、低温焼結性を有し、大きい機械的品質係数を有する。その結果、非鉛系の材料で効率の高い積層型の圧電アクチュエータを作製することができる。【選択図】図６
2010150060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする材料に対して、酸化銅を０．１重量％以上２重量％以下添加するとともに、二酸化マンガンを添加し、１１００℃以下で焼成して得られることを特徴とする非鉛系圧電セラミックス。
【請求項２】
２００以上の機械的品質係数を有することを特徴とする請求項１記載の非鉛系圧電セラミックス。
【請求項３】
前記添加される二酸化マンガンは、０．１重量％以上２．０重量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の非鉛系圧電セラミックス。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の非鉛系圧電セラミックスからなる圧電体層とＡｇ−Ｐｄからなる内部電極層とを交互に積層して、一体焼成により形成されていることを特徴とする積層型圧電デバイス。
【請求項５】
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする非鉛系圧電セラミックスの仮焼粉末に対して、酸化銅を０．１重量％以上２重量％以下添加するとともに、二酸化マンガンを添加する添加工程と、
前記添加工程により得られた材料の成形体を１１００℃以下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする非鉛系圧電セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温焼結性を有する非鉛系圧電セラミックス、積層型圧電デバイスおよび非鉛系圧電セラミックスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電セラミック素子材料として鉛化合物を含まない圧電磁器組成物が注目され、研究開発が進められている（たとえば、特許文献１）。このような圧電磁器組成物は鉛化合物を含まないため、自然環境に対して負荷を小さくすることができる。
【０００３】
上記の特許文献１に記載されている圧電磁器組成物は、組成式をｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）としたとき、これらの成分を頂点とする三角座標中、組成が所定の点で囲まれる範囲内に存在する。これにより、キュリー温度が高く、実用が可能な非鉛の圧電磁器組成物を提供している。
【０００４】
一方、デバイスの機能を高めるために、圧電セラミックスと電極とを積層させた積層型の圧電デバイスの需要が高まっている。その積層型圧電デバイスの内部には、Ａｇ−Ｐｄ等の材料を用いた内部電極が設けられており、内部電極に用いられるＡｇ−Ｐｄ等の材料は、１０００℃を超える温度に達すると溶融し始める。
【特許文献１】特開２００３−２０１１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１の圧電セラミックスは、１２００℃の高温で焼成される場合には焼結体は緻密化するが、非鉛系材料で積層型の圧電デバイスを製造しようとすると、圧電体層の緻密化の温度が内部電極の融解温度を超えてしまう。本発明の発明者らは、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを圧電体層とした積層型圧電デバイスを開発した。その過程において、内部電極が融解しない温度で積層型圧電デバイスを焼成する必要があることに着目し、酸化銅（ＣｕＯ）を添加することでＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを低温で緻密化できることを見出した。
【０００６】
しかしながら、圧電デバイスの効率を高めるためには、低温焼成に適し積層し易いだけでは不十分であり大きい機械的品質係数を有していることが必要である。酸化銅の添加によりＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの機械的品質係数は若干高くなるものの、十分に大きいとはいえない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、効率の高い圧電デバイスへの適用に好ましい非鉛系圧電セラミックス、それを応用した積層型圧電デバイスおよび非鉛系圧電セラミックスの製造方法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】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る非鉛系圧電セラミックスは、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする非鉛系圧電セラミックスであって、前記非鉛系圧電セラミックス材料に対して、酸化銅を０．１重量％（ｗｔ％）以上２重量％以下添加するとともに、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を添加し、１１００℃以下で焼成して得られることを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明の非鉛系圧電セラミックスは、酸化銅を含んで焼成されるため低温焼結性を有し積層型圧電デバイスの圧電層に好適である。また、二酸化マンガンを含むことにより、二酸化マンガンを含まないものに比べ２倍以上大きい機械的品質係数を有する。その結果、非鉛系の材料で効率の高い積層型の圧電デバイスを作製することができる。
【０００９】
（２）また、本発明に係る非鉛系圧電セラミックスは、２００以上の機械的品質係数を有することを特徴としている。これにより、弾性的にエネルギー効率の高い材料として圧電デバイスへの用途が広がる。
【００１０】
（３）また、本発明に係る非鉛系圧電セラミックスは、前記添加される二酸化マンガンが、０．１重量％以上２．０重量％以下であることを特徴としている。これにより、非鉛系圧電セラミックスの機械的品質係数は２００より大きくなり、弾性的にエネルギー効率の高い材料として圧電デバイスへの用途が広がる。
【００１１】
（４）また、本発明に係る積層型圧電デバイスは、上記の非鉛系圧電セラミックスからなる圧電体層とＡｇ−Ｐｄからなる内部電極層とを交互に積層して、一体焼成により形成されていることを特徴としている。このように、本発明の積層型圧電デバイスは内部電極層と一体焼成され、高い効率で駆動される。
【００１２】
（５）また、本発明に係る非鉛系圧電セラミックスの製造方法は、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする非鉛系圧電セラミックスの仮焼粉末に対して、酸化銅を０．１重量％以上２重量％以下添加するとともに、二酸化マンガンを添加する添加工程と、前記添加工程により得られた材料の成形体を１１００℃以下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴としている。このように、酸化銅を添加することにより非鉛系圧電セラミックスは低温焼結が可能となる。また、二酸化マンガンを添加することにより大きい機械的品質係数を実現でき、非鉛系圧電セラミックスを効率の高い圧電デバイスに応用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、効率の高い圧電デバイスへの適用に好ましい非鉛系圧電セラミックス、それを応用した積層型圧電デバイスおよび非鉛系圧電セラミックスの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（母材の組成）
本発明の非鉛系圧電セラミックスは、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを母材としている。ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスとは、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成で表される化合物を主成分とする非鉛系圧電セラミックスである。
【００１５】
（母材の実験）
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−ｙ（ＢａＴｉＯ３）−ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）と表したとき、０．７９≦ｘ≦０．８７、０．１０≦ｙ≦０．１９、０≦ｚ≦０．０７を満たす範囲で適宜選択し、組成トレースの実験を行ったところ、ほとんどの組成において電気機械結合係数ｋｒ＝０．１７という結果が得られ、非鉛圧電材料の電気機械結合係数ｋｒとしては比較的大きな値が得られた。トレース実験では、焼結体ペレットの両主面に銀ペーストを印刷し、焼成することで電極を設けて分極し、各特性を測定した。なお、６０〜１５０℃、５〜２０分、２〜４ｋＶ／ｍｍの条件で、焼結体を厚み方向に分極させた（以下、特性測定について同様）。
【００１６】
図１は、各組成のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、密度、電気機械結合係数、比誘電率、誘電損失を測定した結果を示す表である。また、その後の実験において、ｘ＝０．８３、ｙ＝０．０８、ｚ＝０．０９の組成および、その近傍の組成における特性が好ましいことが分かった。ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの組成と、低温焼結性または機械的品質係数の大きさとの間に直接の関係はない。なお、密度は、かさ密度を示しており、アルキメデス法により測定される（以下、密度測定について同様）。
【００１７】
（酸化銅の添加）
ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの母材の圧電特性を悪化させずに、セラミック部材の焼結温度を低下させるには、反応性が高く融点の低い物質を添加し、粒界相に液相を作り低温焼結を促進するのが効果的である。
【００１８】
酸化銅からなる焼結助剤は、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを緻密化させるのに適している。酸化銅をＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの製造工程において圧電セラミックスに添加することで、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスは１１００℃以下の焼成温度で緻密化される。酸化銅がＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの焼結助剤として好ましいのは、ＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３）系圧電セラミックスやＢａＴｉＯ３系圧電セラミックスの焼結助剤として同様の組成を有する焼結助剤が十分に機能することから推測できる。ＰＺＴ系圧電セラミックス等に対するＢＢＺ焼結助剤であっても、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスに対する酸化銅であっても、粒界相に液相を作り低温焼結を促進するメカニズムは同様である。
【００１９】
（酸化銅添加の実験）
図１に示す試料番号１および１３の組成のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを母材として、各酸化銅の添加量、各焼成温度で焼成を行った。粉末の秤量時に母材組成を調整した。このような母材の仮焼粉末に酸化銅の粉末を混合した。酸化銅の添加は仮焼後の粉砕時に行い、仮焼粉末に対し外割り重量比で添加した。すなわち、助剤添加割合は、母材の重量（Ｅ）に対する焼結助剤の重量（Ｈ）の割合（Ｈ／Ｅ）である。このようにして酸化銅を０．３重量％、または０．６重量％添加した。
【００２０】
酸化銅の添加量０重量％、０．３重量％、０．６重量％のそれぞれの成形体を１０００℃、１０５０℃、１１００℃で焼成した。また、助剤添加していない成形体を１２００℃で焼成した。そして、焼結体の密度を測定したところ、試料番号１の組成を母材とし、焼成温度１０００℃以上、酸化銅の添加量０．３重量％以上の条件で得られたＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの密度が５．５×１０３ｋｇ／ｍ３を超えていた。また、焼成温度１１００℃以上、酸化銅の添加量０．３重量％以上の条件で得られたＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの密度は５．７×１０３ｋｇ／ｍ３を超えており、酸化銅を添加せず１２００℃で焼成した試料の密度と同程度であった。酸化銅を添加せず１２００℃で焼成した試料の密度は、５．７２×１０３ｋｇ／ｍ３であった。
【００２１】
図２は、試料番号１の組成を母材とするＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、酸化銅の添加量と密度との関係を示すグラフである。図２に示すように、試料番号１の組成のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、酸化銅の添加量を０．３重量％以上とすることで焼成温度を１０００℃としても緻密な焼結体が得られることが分かった。
【００２２】
一方、試料番号１３の組成を母材とし、焼成温度１０００℃以上、酸化銅の添加量０．３重量％以上のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの密度が５．７×１０３ｋｇ／ｍ３を超えており、酸化銅を添加せず１２００℃で焼成した試料の密度と同程度であった。酸化銅を添加せず１２００℃で焼成した試料の密度は、５．７２×１０３ｋｇ／ｍ３であった。
【００２３】
図３は、試料番号１３の組成を母材とするＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、酸化銅の添加量と密度との関係を示すグラフである。図３に示すように、試料番号１３の組成のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについても、酸化銅の添加量を０．３重量％以上とすることで焼成温度を１０００℃としても緻密な焼結体が得られることが分かった。
【００２４】
なお、上記の実験により得られた結果を参照すると、実際は酸化銅０．３重量％以上の添加量で緻密化が生じているが、グラフの傾向から０．１重量％以上の添加量でも緻密化が生じるものと考えられる。
【００２５】
このようにして各酸化銅の添加量および各焼成温度において焼成されたペレット状の焼結体の試料を分極し、電気機械結合係数を測定した。酸化銅の添加量が０重量％、０．３重量％、０．６重量％、焼成温度が１０００℃、１０５０℃、１１００℃の試料について測定を行った。また、参考として酸化銅を添加せず１２００℃で焼成した試料についても電気機械結合係数を測定した。
【００２６】
図４は、各焼成温度および各添加量と電気機械結合係数との関係を示す表である。たとえば、酸化銅の添加量を０．３重量％とし、１１００℃で焼成した試料について測定された電気機械結合係数は、０．１５であることを示している。図中の「−」は、分極不可能だったことを、空欄は、測定していないことを示している。
【００２７】
試料番号１の母材組成の試料について測定したところ、酸化銅の添加量が０重量％では、いずれも分極が不可能であったが、０．３重量％添加のものおよび０．６重量％添加のものはいずれも分極でき、０．１２以上の高い電気機械結合係数が得られた。一方、試料番号１３の母材組成の試料について測定したところ、分極ができないために酸化銅の添加量が０．３重量％、１０００℃焼成の試料以外は測定が不可能であった。試料番号１の母材組成の試料の結果から、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックス母材に対する酸化銅の添加量を０．３重量％以上０．６重量％以下とすることで大きい電気機械結合係数を得られることが実証された。なお、試料番号１３の母材組成の試料の結果から、ストロンチウムを含まない母材組成に対しては、酸化銅を添加しても十分な圧電特性を得られない場合があることが分かった。
【００２８】
この結果を考慮し、他の特性についても確認的に測定を行った。試料番号１の母材組成に、酸化銅を添加しないもの、または０．６重量％添加したもので、１２００℃、１１００℃で焼成された試料について、比誘電率εｒおよび誘電損失ｔａｎδを測定した。図５は、各酸化銅の添加量、各焼成温度で作製されたＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックス試料の特性をまとめた表である。焼成温度１２００℃および１１００℃、酸化銅の添加量０重量％、０．６重量％の場合のデータがそれぞれ示されている。図５に示すように、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスは、酸化銅を０．６重量％添加すれば１０００℃で焼成しても、１２００℃で焼成したものと同程度の圧電特性を得られることが実証された。
【００２９】
（二酸化マンガンの添加）
上記のように、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスに酸化銅を０．１重量％以上２重量％以下添加すれば、１１００℃以下の温度でも焼結する。本発明に係る非鉛系圧電セラミックスは、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの仮焼粉末に対して、さらに二酸化マンガンを０．１重量％以上２重量％以下添加して焼成されている。酸化銅を添加することで低温焼成を可能にし、二酸化マンガンを添加することにより機械的品質係数を飛躍的に高めることができる。その結果、環境への負荷の少ない非鉛系の材料で、効率の高い圧電デバイスを作製することができる。
【００３０】
本発明の非鉛系圧電セラミックスを低温焼成で作製する作製方法は以下の通りである。まず、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＣＯ３、ＴｉＯ２の粉末を秤量し、溶媒とともにミルで混合する。そして、混合粉末を乾燥させ、メッシュパスにより造粒する。次いで、粉末を８００℃で仮焼し、粉砕する。そして、バインダとともに所定量の酸化銅および二酸化マンガンの粉末を加え、乾燥、造粒する。このようにして得られた粉末を所望の形状に成形して１１００℃以下で焼成すれば、低温焼成によるＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの焼結体が得られる。
【実施例１】
【００３１】
（二酸化マンガン添加の実験）
上記の酸化銅の添加実験の結果を参照し、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを母材として、一定量の酸化銅、および各量の二酸化マンガンを添加して焼成し、各試料を作製した。
【００３２】
まず、粉末の秤量時にｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）＋ｙ（ＢａＴｉＯ３）＋ｚ（ＳｒＴｉＯ３）（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表したときに、ｘ＝０．８３、ｙ＝０．０８、ｚ＝０．０９となるように秤量して、母材組成とした。このような母材の仮焼粉末に酸化銅粉末および二酸化マンガン粉末を混合した。酸化銅粉末および二酸化マンガン粉末の添加は仮焼後の粉砕時に行った。仮焼粉末に対し外割り重量比で添加した。すなわち、助剤添加割合は、母材の重量（Ｅ）に対する焼結助剤の重量（Ｈ）の割合（Ｈ／Ｅ）である。母材の仮焼粉末に対する酸化銅の添加量は、すべての試料で０．５重量％とし一定とした。母材の仮焼粉末に対する二酸化マンガンの添加量は、各試料で０重量％、０．３重量％、０．５重量％、１．０重量％、２．０重量％と変えた。このように酸化銅粉末および二酸化マンガン粉末を混合した粉末によりペレット状のＣＩＰ成形体を作製した。
【００３３】
そして、それぞれの成形体を１０００℃で焼成し、直径１５ｍｍ、厚さ１ｍｍのペレットを作製し、密度を測定した。また、焼結体を分極し、その静電容量、共振・反共振周波数、共振抵抗を測定し、機械的品質係数を測定した。
【００３４】
図６（ａ）は、二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表である。図６（ｂ）は、二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの機械的品質係数Ｑｍとの関係を示すグラフである。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、二酸化マンガンを添加することにより機械的品質係数Ｑｍが飛躍的に大きくなっている。その結果、非鉛系の材料で効率の高い圧電デバイスを実現することができる。一方、密度はいずれも５．７×１０３ｋｇ／ｍ３程度であり、得られた非鉛系圧電セラミックスが焼結していることを示している。
【００３５】
いずれの量の二酸化マンガンを添加した場合の機械的品質係数Ｑｍも添加しない場合の機械的品質係数Ｑｍの２倍以上である。また、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、二酸化マンガンの添加量が０．１重量％以上２．０重量％以下の範囲のときに機械的品質係数Ｑｍが２００を超えており、０．２重量％以上１．５重量％以下の範囲で機械的品質係数Ｑｍが４００を超えている。圧電セラミックスを工業的に使用するには機械的品質係数Ｑｍが４００以上であることが好ましく、二酸化マンガンの添加量が０．２重量％以上１．５重量％以下であることが好ましい。また、実測のデータから導かれる近似曲線（図６（ｂ））を参照すると、０．３重量％以上０．７重量％の範囲で機械的品質係数Ｑｍが５００を超えており、０．３重量％以上０．５重量％以下の範囲であればさらにＱｍが向上している。
【実施例２】
【００３６】
次に、上記と同様の作製方法で、二酸化マンガンの添加量を一定にし、酸化銅の添加量を変えて非鉛系圧電セラミックスを作製した。母材の仮焼粉末に対する二酸化マンガンの添加量を０．３重量％とし一定とした。また、母材の仮焼粉末に対する酸化銅の添加量を各試料で０．２重量％、０．３重量％、０．４重量％、０．５重量％と変えて焼成し、各焼結体を得た。そして、上記と同様の測定方法で密度および機械的品質係数Ｑｍを測定した。
【００３７】
図７（ａ）は、酸化銅の添加量と、非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表である。図６（ｂ）は、二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの機械的品質係数Ｑｍとの関係を示すグラフである。図７（ａ）、（ｂ）により、若干、酸化銅の添加量に対して機械的品質係数Ｑｍは増加しているが、酸化銅の添加量によって機械的品質係数Ｑｍは大きく影響を受けないことが分かる。このように、酸化銅の添加量は機械的品質係数Ｑｍに大きな影響を与えないことが実証された。したがって、０．１重量％以上２重量％以下の範囲では、酸化銅の添加量で機械的品質係数Ｑｍが大きく変わることはないと考えられる。
【実施例３】
【００３８】
次に、上記と同様の作製方法にて、酸化銅および二酸化マンガンの両方を添加しない場合、いずれかを添加する場合、両方を添加する場合のそれぞれについて非鉛系圧電セラミックスの試料を作製した。そして、各試料について密度および機械的品質係数Ｑｍを測定した。
【００３９】
図８は、酸化銅および二酸化マンガンの添加量と、非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表である。酸化銅のみを添加する場合および両方を添加する場合では、１０００℃で焼成した。ただし、両方を添加しない場合の試料および二酸化マンガンのみ添加した試料は、１０００℃で焼成しても十分に緻密化しないため１２００℃で焼成した。
【００４０】
図８に示すように、酸化銅のみ添加された試料は、十分な密度を有し焼結しているが、緻密化の影響により機械的品質係数Ｑｍは若干増加するものの１００程度であり、高い機械的品質係数Ｑｍが求められる超音波モーター等の超音波素子に用いるには低すぎることが分かった。また、二酸化マンガンのみ添加された試料では、１２００℃でも緻密化せず二酸化マンガンが緻密化を阻害している傾向が見られた。また、両方が添加された試料では、低温焼成でも十分に緻密化し、機械的品質係数Ｑｍが飛躍的に増加することが確認された。二酸化マンガンは緻密化の阻害要因となるものの、酸化銅が添加されることで低温でも十分に緻密化が可能となる。このように、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを効率の高い圧電デバイスとして機能させるには、酸化銅および二酸化マンガンの両方が添加されることが重要であることが確認された。
【００４１】
（積層型圧電デバイス）
なお、本発明の非鉛系圧電セラミックスは、電極と圧電体層が交互に積層された積層型圧電デバイスに用いられることで、大きな効果が得られる。ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスは、固相焼結が簡便と言う利点があり積層化に適している。積層型圧電デバイスには、たとえば積層型圧電トランスがある。積層型の圧電トランスは、小型で大きい昇圧比が得られるため、液晶ディスプレイのバックライト用等で需要が高まっている。酸化銅および二酸化マンガンを用いてＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを圧電体層とする積層型の圧電トランスが作製することで、鉛を含まない積層型圧電トランスを得ることができる。
【００４２】
酸化銅および二酸化マンガンを用いた非鉛系圧電セラミックスを応用した積層型圧電デバイスの製造方法の一例として、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを圧電体層とする積層型圧電トランスの製造方法を以下に説明する。
【００４３】
まず、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＣＯ３およびＴｉＯ２のそれぞれ適量を配合しボールミル等により均一に混合する。混合後のスラリは乾燥させ、８００℃で仮焼を行なう。なお、仮焼温度は８００℃以下とするのが好ましい。たとえば、８００℃以下とすることにより焼結体の誘電損失が小さくなる。
【００４４】
次に、仮焼体を、ボールミル等で粉砕しスラリを乾燥させる。そして、酸化銅を０．１重量％以上２重量％以下の所定量、二酸化マンガンを０．１重量％以上２重量％以下の所定量それぞれ添加し、バインダを混合してグリーンシートを成形する。酸化銅を０．１重量％以上添加し、１０００℃以下で焼成することで、密度が５．５×１０３ｋｇ／ｍ３以上のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスを得ることができる。一方、２重量％以下とすることで、酸化銅による導電性を抑制することができる。また、二酸化マンガンを添加することで、効率の高い駆動が可能な非鉛系圧電セラミックスを提供できる。
【００４５】
グリーンシートの作製は、公知の方法、たとえば、ドクターブレード法や押出成形法、カレンダロール法等を用いることができる。グリーンシートの厚みは、たとえば、焼成後に所望の厚みとなるように調整する。こうして作製したグリーンシートを焼成収縮や加工しろを考慮して打ち抜き加工または切り取り加工等し、作製する圧電トランスの短冊状の形状に適合した所定の形状の印刷用シートを得る。印刷用シートにおける長手方向半分の領域に、ＡｇおよびＰｄを含む内部電極ペーストをスクリーン印刷法等で印刷する。ここで、Ａｇ−Ｐｄの内部電極ペーストの印刷は、たとえば、焼成後に２μｍ〜５μｍ程度となるように印刷厚みを調節する。また、形成される内部電極をその後に一層おきに接続することが容易となるように、内部電極ペーストを印刷するパターンを定めておくことが望ましい。
【００４６】
次いで、内部電極ペーストが印刷された印刷用シートを位置合わせして所定枚数ほど積層し、こうして積層された印刷用シートどうしを熱プレス等で熱圧着し、一体化する。このように、シートを所定位置に合わせて圧着させたプレス体を型抜きし、成形体を作製する。
【００４７】
続いて、所定の温度パターンに従い１１００℃以下で成形体を焼成する。得られた焼成体の側面や表面に必要に応じて、研削加工や研磨加工を施して形状を整える。次に、Ａｇ−Ｐｄペースト等を用いて、入力部の内部電極を一層おきに接続して１対の電極を形成し、また、出力部の端面に出力用電極を形成した後、所定の温度で処理してＡｇ−Ｐｄペースト等を焼き付ける。通常、このＡｇ−Ｐｄペースト等の焼き付け処理は焼成温度よりも低い温度で行なう。そして、必要に応じて形成された電極にリード線を取り付ける。得られた焼結体は、分極処理を行なう。入力部に設けられた１対の電極と、出力部の端面に設けられた電極との間に所定の電圧を印加して出力部の分極処理を行い、その後に入力部に設けられた１対の電極間に所定の電圧を印加して入力部の分極処理を行なうことで圧電トランスが作製される。
【００４８】
なお、分極処理は、圧電セラミックスのキュリー点より低い所定の温度において、所定時間行われる。このようにして、非鉛のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系積層型圧電トランスを製造することができる。このように、ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスからなる圧電体層とＡｇ−Ｐｄ等からなる内部電極層とが交互に積層されたプレス体を、一体焼成して非鉛の積層型圧電トランスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】各組成のＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスの特性を示す表である。
【図２】ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、酸化銅の添加量と密度との関係を示すグラフである。
【図３】ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、酸化銅の添加量と密度との関係を示すグラフである。
【図４】ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックスについて、各焼成温度および各添加量と電気機械結合係数との関係を示す表である。
【図５】ＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系圧電セラミックス試料の特性をまとめた表である。
【図６】本発明の非鉛系圧電セラミックスについて、（ａ）二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表、（ｂ）二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの機械的品質係数Ｑｍとの関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）酸化銅の添加量と、非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表、（ｂ）は、二酸化マンガンの添加量と非鉛系圧電セラミックスの機械的品質係数Ｑｍとの関係を示すグラフである。
【図８】酸化銅および二酸化マンガンの添加量と、非鉛系圧電セラミックスの密度および機械的品質係数Ｑｍとの関係を示す表である。
【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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