(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式（１）で表される組成を有する複合酸化物及びＭｎを含有し、
前記複合酸化物の全量に対するＭｎの含有量が、ＭｎＣＯ３に換算して、０．２〜１．２質量％である、圧電磁器。
［化１］
（Ｐｂ１−ａＡ１ａ）ＴｉｘＺｒ１−ｘ−ｙ−ｚ−ｂ（Ｚｎ１／３Ａ２２／３）ｙ（Ｙｂ１／２  Ａ２１／２）ｚＳｎｂＯ３              （１）
［式（１）中、Ａ１は、Ｃａ の元素を示し、Ａ２は、Ｎｂ、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であって少なくともＮｂを含み、ａ、ｂ、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ、下記式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｘ）、（１ｙ）及び（１ｚ）を満たす数である。］
０＜ａ＜０．０４  （１ａ）
０≦ｂ≦０．０４  （１ｂ）
０．４０≦ｘ≦０．４９  （１ｘ）
０．０３≦ｙ≦０．１５  （１ｙ）
０．０３≦ｚ≦０．１５  （１ｚ）
【請求項２】
前記Ａ２が、Ｎｂと、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、を含有する、請求項１記載の圧電磁器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電磁器を備える圧電素子。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電素子を備える圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電磁器及びこれを備える圧電素子、並びにかかる圧電素子を備える圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電磁器（圧電セラミックス）をハイパワーデバイスに応用した例として、超音波モータや圧電トランスなどが挙げられる。これらのデバイスには、高振動速度で駆動するとともに、大きな振幅が得られる材料が必要である。
【０００３】
例えば、高い振動速度での駆動を可能とする圧電磁器としては、ペロブスカイト型化合物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ））系の主成分と、リラクサーと呼ばれる副成分とからなる圧電磁器が用いられてきた。特に、特許文献１、２のような亜鉛ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）Ｏ３（ＰＺＴ―ＰＺＮ）系の圧電磁器は、高い振動速度が得られることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９５７５６４号公報
【特許文献２】特許第２９５７５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、圧電磁器としては、上記のように高い振動速度で動作できることに加えて、それを用いたデバイスを使用する際における周辺素子への影響や、当該デバイス自体の熱暴走による性能の低下を抑える観点から、振動による発熱ができるだけ小さいものが好ましい。しかしながら、通常は振動速度が高くなるのに伴って、内部エネルギーの損失による発熱が大きくなる傾向にあるため、これまでは、高振動速度と低発熱を両立することは決して容易なことではなかった。
【０００６】
そのため、圧電磁器に対しては、電気エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する際のエネルギーの損失ができるだけ小さく、それによって発熱を小さくして熱暴走を生じないことも求められている。
【０００７】
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、十分な振動速度を発揮できるとともに、振動による発熱が小さい圧電磁器を提供することを目的とする。本発明はまた、そのような圧電磁器を用いた圧電素子、及びこれを備える圧電デバイス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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の圧電磁器は、下記式（１）で表される組成を有する複合酸化物及びＭｎを含有し、複合酸化物の全量に対するＭｎの含有量が、ＭｎＣＯ３に換算して０．２〜１．２質量％であることを特徴とする。
【化１】
0005482609.tif 000002
［式（１）中、Ａ１は、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ａ２は、Ｎｂ、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であって少なくともＮｂを含み、ａ、ｂ、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ、下記式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｘ）、（１ｙ）及び（１ｚ）を満たす数である。］
０≦ａ≦０．０４  （１ａ）
０≦ｂ≦０．０４  （１ｂ）
０．４０≦ｘ≦０．４９  （１ｘ）
０．０３≦ｙ≦０．１５  （１ｙ）
０．０３≦ｚ≦０．１５  （１ｚ）
【０００９】
上記本発明の圧電磁器によれば、特定の組成を有するＰＺＴ−ＰＺＮ系の複合酸化物からなる主成分に対して、特定範囲のＭｎを添加物として含有していることにより、十分な振幅速度が得られるとともに、振動による発熱も低減することが可能となる。
【００１０】
上記本発明の圧電磁器においては、Ａ２が、Ｎｂと、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むこと、すなわち、Ａ２元素として、Ｎｂに加えてＴａ又はＳｂを含むことが好ましい。これにより、高振動速度及び低発熱の特性を更に両立させ易くなる。
【００１１】
また、本発明は、上記本発明の圧電磁器を備える圧電素子を提供する。かかる圧電素子としては、圧電磁器と電極とを備える振動子が挙げられる。このような圧電素子は、上述した本発明の圧電磁器を備えることから、十分な振動速度を有し、且つ振動による発熱が小さいものであるため、圧電トランス、超音波モータ、超音波振動子や、共振変位を利用した圧電アクチュエータ等として好適に使用することが可能である。
【００１２】
さらに、本発明は、上記本発明の圧電素子を備える圧電デバイスを提供する。かかる圧電デバイスは、高振動速度及び低発熱を有する本発明の圧電素子の特性から、十分に高い出力を有し、使用時に周囲への影響が少なく、しかも熱暴走を起こし難いデバイスとして用いることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、十分な振動速度を発揮できるとともに、振動による発熱が小さい圧電磁器を提供することが可能となる。また、そのような圧電磁器を用いた圧電素子、及びこれを備える圧電デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】好適な実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。
【図２】圧電素子の別の実施形態を示す断面図である。
【図３】評価に用いた振動速度測定装置の概要を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図面において、同一または同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、好適な実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。当該構成を有する圧電素子は、例えば、振動子として適用することができる。図１に示す圧電素子２０は、互いに対向して配置された一対の電極２，３と、これらの間に挟まれた圧電磁器５とを備えている。圧電素子２０としては、例えば、縦１０〜５０ｍｍ、横３〜１０ｍｍ、高さ１〜３ｍｍの大きさを有するものが挙げられる。
【００１７】
電極２，３としては、圧電素子に用いられる電極材料からなるものを適用することができ、例えば、Ａｇからなる電極が挙げられる。
【００１８】
圧電磁器５は、その厚さ方向、すなわち電極２，３の対向方向に分極されており、電極２，３間に電圧が印加されることで、長辺方向に伸縮する振動を生じる。この圧電磁器５は、次のような組成を有する圧電磁器によって構成されるものである。
【００１９】
すなわち、圧電磁器５は、下記式（１）で表される組成を有する複合酸化物及びＭｎを含有し、複合酸化物の全量に対するＭｎの含有量が、ＭｎＣＯ３に換算して、０．２〜１．２質量％であるものである。
【化２】
0005482609.tif 000003
［式（１）中、Ａ１は、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ａ２は、Ｎｂ、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であって少なくともＮｂを含み、ａ、ｂ、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれ、下記式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｘ）、（１ｙ）及び（１ｚ）を満たす数である。］
０≦ａ≦０．０４  （１ａ）
０≦ｂ≦０．０４  （１ｂ）
０．４０≦ｘ≦０．４９  （１ｘ）
０．０３≦ｙ≦０．１５  （１ｙ）
０．０３≦ｚ≦０．１５  （１ｚ）
【００２０】
圧電磁器５における式（１）で表される複合酸化物は、圧電磁器における主成分であり、いわゆるＰＺＴ−ＰＺＮ系の組成を有する。式（１）において、Ａ１は、Ｃａ、Ａｒ及びＢａからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。式（１）中のａは、ＰｂがＡ元素によって置換されている割合（置換量）を示し、０〜０．０４であり、０を超え０．０４以下であると好ましく、０．０２〜０．０４であるとより好ましい。ａが０．０４を超えると、十分な振動速度が得られなくなる。ａの数値が好適な範囲であるほど、高振動速度及び低発熱の特性が得られ易くなる。
【００２１】
式（１）中のｘは、複合酸化物におけるＰｂＴｉＯ３の割合を示し、０．４０〜０．４９であり、０．４０〜０．４８が好ましく、０．４０〜０．４６がより好ましい。ｘがこの範囲外であると、発熱が大きくなる傾向にある。なお、ｘの数値は、振動速度及び振動時の発熱のうちで重視する特性に応じて、上記範囲内で適宜変化させることができる。
【００２２】
式（１）中、Ａ２は、Ｎｂ、Ｔａ及びＳｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であって、Ａ２としては、少なくともＮｂが含まれる。Ａ２としては、Ｎｂに加えてＴａ又はＳｂを含むことが好ましい。すなわち、Ｎｂの一部が、Ｔａ又はＳｂによって置換されていると好適である。これにより、高振動速度及び低発熱の特性を更に両立させ易くなる。
【００２３】
式（１）中のｙは、複合酸化物におけるＺｎ及びＡ２元素の置換量であって、０．０３〜０．１５であり、０．０３〜０．１２が好ましく、０．０３〜０．０９がより好ましい。ｙが小さすぎると、発熱が大きくなり、また大きすぎると十分な振動速度が得られなくなる。ｙが好適な範囲であるほど、高振動速度及び低発熱の特性が得られ易くなる。
【００２４】
また、ｚは、複合酸化物におけるＹｂ及びＡ２の置換量であって、０．０３〜０．１５であり、０．０３〜０．１５であり、０．０３〜０．１２が好ましく、０．０３〜０．０９がより好ましい。ｚが小さすぎると発熱が大きくなり、また大きすぎると十分な振動速度が得られなくなる。ｚが好適な範囲であるほど、高振動速度及び低発熱の特性が得られ易くなる。
【００２５】
さらに、式（１）中のｂは、複合酸化物におけるＳｎの含有割合であって、０〜０．０４であり、０を超え０．０４以下が好ましく、０．０２〜０．０４がより好ましい。ｂが０．０４を超えると、エネルギー損失が大きくなって発熱が大きくなる。ｂが好適な範囲であるほど、高振動速度及び低発熱の特性が得られ易くなる。
【００２６】
一方、Ｍｎは、副成分として圧電磁器５中に含まれ、例えばＭｎ単体やＭｎ酸化物の形態で、複合酸化物に固溶するか、或いは複合酸化物からなる結晶の粒界に存在することができる。圧電磁器５中のＭｎの含有量は、ＭｎＣＯ３に換算して、主成分である複合酸化物１００質量％に対して０．２〜１．２質量％であり、０．３〜１．２質量％であると好ましく、０．３〜０．８質量％であるとより好ましい。Ｍｎの含有量が好適な範囲であるほど、高振動速度及び低発熱の特性が得られ易くなる。
【００２７】
なお、圧電磁器５は、上記の成分に加えて、副成分として、さらにＦｅ、Ｃｏ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｕ等の単体や化合物等を、所望の特性に応じて含んでいてもよい。副成分としてこれらを更に含有する場合、その含有量は、対応する酸化物に換算して、複合酸化物に対して０．１〜１質量％であることが好ましい。
【００２８】
圧電磁器５の組成は、例えば、Ｘ線回折やＩＣＰ発光分光分析で測定することができる。圧電磁器５において、主成分である複合酸化物の含有量は、圧電磁器５の全体を基準として、９０質量％以上であると好ましく、９５質量％以上であるとより好ましく、９８質量％以上であると更に好ましい。主成分の含有割合がこのような範囲内であることで、圧電磁器として実用に十分な振動速度が得られるようになる。
【００２９】
また、圧電磁器は、９５％以上の相対密度を有することが好ましい。ここで、本明細書において、相対密度とは、理論密度に対する、密度の実測値をいう。なお、理論密度は、Ｘ船回折によって求めた格子定数と、完全結晶を仮定して求めた量論比により計算される値である。このように高い相対密度を有する圧電磁器によれば、優れた圧電特性が得られるようになる。圧電磁器の相対密度は、例えば、アルキメデス法によって測定することができる。また、圧電磁器の相対密度は、その製造の際の焼成温度や焼成時間を変えることによって調整することができる。
【００３０】
また、圧電磁器５の結晶粒径は、好ましくは３μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下である。圧電磁器の結晶粒径が３μｍを超えると、抗折強度が大きく低下する場合がある。ここで、本明細書において、圧電磁器の結晶粒径とは、円面積相当径をいうものとする。
【００３１】
次に、上述したような圧電素子２０の製造方法の好適な実施形態について以下に説明する。
【００３２】
まず、圧電磁器５の出発原料として、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）や、必要に応じて炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ５）等の粉末を準備する。これらの原料粉末を、焼成後に上述したような実施形態に係る圧電磁器５の組成が得られるようにそれぞれ秤量する。
【００３３】
次に、秤量した各原料粉末を、ボールミル等により湿式混合する。この湿式混合により得られた混合物を仮焼することにより仮焼物を得る。仮焼は、例えば、空気中で施すことができる。また、仮焼温度は７００〜８５０℃であることが好ましく、仮焼時間は２時間程度が好ましい。
【００３４】
得られた仮焼物を、ボールミル等で湿式粉砕した後、これを乾燥させることにより、仮焼物の粉体を得る。それから、この仮焼物の粉体に、少量の結合剤を添加し、例えばプレス成形等より成形して、成形体を得る。この際、成形圧力は例えば５ｔ／ｃｍ２とすることができる。成形体の形状は特に制限されず、所望の圧電磁器５の形状が得られ易い形状とすればよいが、例えば、平面寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ程度の板状成形体とすることができる。
【００３５】
それから、得られた成形体を焼成することにより圧電磁器を得る。焼成は、例えば空気中で施すことができる。焼成温度は、９５０〜１２００℃とすることが好ましく、焼成時間は２時間程度であることが好ましい。これにより、９５％以上の相対密度を有する圧電磁器を得ることができる。
【００３６】
次いで、焼成後の圧電磁器を、必要に応じて所望の寸法に切出すことで、所望の形状を有する圧電磁器５が得られる。切出しの寸法は特に制限されないが、例えば、１２ｍｍ×３ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の寸法とすることができる。それから、この圧電磁器５の両面に、銀等の金属電極を焼き付けて、電極２，３を形成する。
【００３７】
そして、電極２，３が焼き付けられた圧電磁器５に対し、例えば１２０℃程度のシリコーンオイル中において分極処理をすることによって、圧電特性を有する圧電素子２０を得ることができる。分極処理の条件は特に制限されないが、例えば、２ｋＶ／ｍｍ程度の電界により、厚み方向に３０分間程度の分極処理を施すことが好ましい。
【００３８】
上記では、一対の電極間に圧電磁器が挟まれた構造の単板型圧電素子について説明したが、圧電素子としては、例えば、圧電磁器中に複数の内部電極が埋設された積層型の圧電素子も挙げられる。以下、圧電素子の他の実施形態として、積層型の圧電素子について説明する。
【００３９】
図２は圧電素子の別の実施形態を示す断面図である。図２に示す積層型の圧電素子である積層型圧電素子１０は、直方体状の積層体１１と、この積層体１１の対向する端面にそれぞれ形成された一対の端子電極１７Ａ，１７Ｂとを備えている。
【００４０】
積層体１１は、圧電体層１２を介して内部電極層（電極層）１３Ａ，１３Ｂを交互に積層してなる素体１４と、この素体１４をその積層方向の両端面側（図中上下方向）から挟み込むように設けられた一対の保護層１５及び１６とから構成される。すなわち、素体１４では、圧電体層１２と内部電極層１３Ａ，１３Ｂとが、交互に積層されている。
【００４１】
圧電体層１２は、圧電磁器から構成される層であり、上述した実施形態の圧電磁器５と同様の材料を適用することができる。この圧電体層１２の１層当たりの厚さは、任意に設定することができるが、例えば１〜１００μｍとすることができる。
【００４２】
内部電極層１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ平行となるように設けられている。内部電極層１３Ａは、一方の端部が積層体１１における端子電極１７Ａが形成された端面に露出するように形成されている。また、内部電極層１３Ｂは、一方の端部が積層体１１における端子電極１７Ｂが形成された端面に露出するように形成されている。そして、各内部電極１３Ａ，１３Ｂは、積層体１１の対向する異なる端面に交互に露出した状態となっている。さらに、内部電極層１３Ａと内部電極１３Ｂとは、これらの大部分が積層方向において重なり合うように配置されている。
【００４３】
積層体１１において、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれた圧電体層１２の活性部分１８が、内部電極１３Ａ，１３Ｂに電圧を印加したときに積層方向に伸縮（変位）する活性部分となる。なお、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれていない領域１９は変位しない不活性部分である。
【００４４】
内部電極層１３Ａ，１３Ｂの材質としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属、又はこれらの金属を２種以上含有する合金（Ａｇ−Ｐｄ合金など）等が挙げられる。
【００４５】
保護層１５，１６は、セラミックスから構成され、圧電磁器で構成される層であることが好ましい。この保護層１５，１６を形成する圧電磁器としては、圧電体層１２と同様のものが挙げられる。なお、図２においては、保護層１５，１６が圧電体層１２と同様のものである場合を例示しているが、保護層１５，１６は、圧電体層１２とは異なる層であってもよい。
【００４６】
端子電極１７Ａ，１７Ｂは、これらが設けられている積層体１１の端面において、当該端面に露出している内部電極１３Ａ，１３Ｂの端部とそれぞれ接している。これにより、端子電極１７Ａ，１７Ｂは、内部電極１３Ａ，１３Ｂとそれぞれ電気的に接続される。この端子電極１７Ａ，１７Ｂは、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等を主成分とする導電材料から構成することができる。端子電極１７Ａ，１７Ｂの厚さは、用途や積層型圧電素子のサイズ等によって適宜設定されるが、例えば１０〜５０μｍにすることができる。
【００４７】
次に上述した形態の積層型圧電素子１０の製造方法の一例について説明する。
【００４８】
積層型圧電素子１０の製造においては、まず、上述の圧電磁器５の製造方法と同様にして、出発原料（粉末原料）を準備し、それらの混合物を仮焼して仮焼物の粉体を得る。次いで、この仮焼物の粉体に、有機バインダ、有機溶剤、有機可塑剤等を加えてボールミル等により２０時間程度の混合を行い、圧電体ペーストを得る。
【００４９】
そして、この圧電体ペーストを、例えばドクターブレード法によって、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のベースフィルム上等に塗布して、圧電体層１２を形成するための圧電体グリーンシートを得る。この圧電体グリーンシートは、上記の仮焼物の粉体及びバインダを主に含有する構成を有する。
【００５０】
その後、圧電体グリーンシート上に、スクリーン印刷法等により内部電極１３Ａ，１３Ｂ形成用の電極ペーストを塗布し、この電極ペーストからなる電極ペースト層を形成する。こうして、圧電体グリーンシート上に電極ペースト層を備える積層用シートを得る。この際、電極ペースト層は、上述した内部電極１３Ａ及び１３Ｂの形状が得られるようなパターンでそれぞれ形成する。
【００５１】
ここで、電極ペースト層を形成するための電極ペーストとしては、内部電極１３Ａ，１３Ｂを構成する金属（Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属、又はこれらの金属を２種以上含有する合金（Ａｇ−Ｐｄ合金など））に、バインダ及び有機溶剤を加えたものが挙げられる。バインダ及び有機溶剤としては、公知のものが使用できる。電極ペースト中の金属の合計含有量は、４０質量％以上とすることが好ましく、５０〜６０質量％とすることがより好ましい。
【００５２】
次に、上記で得られた積層用シートを、電極ペースト層と圧電体グリーンシートとが交互に配置されるように複数重ねるとともに、この積層構造の積層方向の両端面の表面上に、更に圧電体グリーンシートを複数層ずつ積層する。こうして得られた積層体を、適宜加熱しながら積層方向に加圧し、更に必要に応じて所望のサイズに切断することで、積層体グリーン（積層体）を得ることができる。
【００５３】
その後、この積層体グリーンを、マグネシアセッター等に載置した後、大気雰囲気中で加熱することによって、圧電体グリーンシート及び電極ペースト層中に含まれるバインダや有機溶剤を除去する脱脂処理を行う。
【００５４】
それから、脱バインダ後の積層体グリーンに対し、密閉された容器中（例えば空気雰囲気）で、焼成処理（本焼成）を行い、積層体１１を得る。なお、当該焼成処理における焼成温度及び焼成時間は特に制限されないが、例えば９００〜１０１５℃及び１〜１０時間とすることができる。この本焼成処理において、圧電体グリーンシート及び電極ペースト層が一体焼成され、電極ペースト層から内部電極１３Ａ，１３Ｂが形成され、内部電極１３Ａ，１３Ｂ間に挟まれた圧電体グリーンシートから圧電体層１２が形成される。また、積層体グリーンの積層方向の両端面上に積層された圧電体グリーンシートから、保護層１５，１６がそれぞれ形成される。
【００５５】
次に、得られた積層体１１の積層方向に平行であり互いに対向している端面（内部電極１３Ａ，１３Ｂの端部が露出している端面）に、端子電極１７Ａ，１７Ｂをそれぞれ焼き付ける。具体的には、端子電極１７Ａ，１７Ｂを構成する金属及び有機バインダ等を含む端子電極形成用のペーストを、積層体１１の上記端面に塗布した後、これを焼成することで、端子電極１７Ａ，１７Ｂを形成することができる。このようにして、図２に示す構造を有する積層型圧電素子１０が得られる。なお、端子電極１７Ａ，１７Ｂは、上記の焼付けのほか、スパッタリング、蒸着、無電解めっき等の方法によっても形成することができる。
【００５６】
そして、例えば、この積層型圧電素子１０に対し、室温〜１２０℃の環境下で、端子電極１７Ａ，１７Ｂ間に電界強度が１〜３ｋＶ／ｍｍとなるように１０〜３０分間程度電圧を印加する分極処理を行うことで、圧電特性を具備する積層型圧電素子１０を得ることができる。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態として、圧電素子（振動子）を例に挙げて説明したが、このような圧電素子は、振動速度が高く、しかも高い強度（抗折強度）を有することから、例えば、圧電トランス、超音波モータをはじめ、超音波振動子、共振変位を利用した圧電アクチユエータ等の圧電デバイスに好適に用いることができる。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、圧電素子においては、圧電磁器以外の構成には、上述した実施形態のもの以外の公知のものを適宜用いることもできる。また、例えば、圧電素子の製造においては、原料の粉体を仮焼きして得られる仮焼物の粉体は、水熱合成法等によって製造してもよい。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００６０】
［振動子（圧電素子）の製造：試料Ｎｏ．１〜２６及び３１〜４２］
まず、圧電磁器の出発原料として、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化錫（ＳｎＯ２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）および酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）を準備し、これらの粉末を、焼成後の組成が、（Ｐｂ１−ａＡ１ａ）ＴｉｘＺｒ１−ｘ−ｙ−ｚ−ｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）ｙ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）ｚＳｎｂＯ３＋ｃｗｔ％ＭｎＣＯ３において、Ａ元素の種類、並びに、ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ及びｚの数値が、表１に示すとおりとなるようにそれぞれ配合を代えて混合し、各種の配合物を調製した。
【００６１】
各配合物を、ボールミルにより湿式混合し、得られた混合物を空気中、７００〜８５０℃で２時間仮焼した後、仮焼物をボールミルで湿式粉砕した。次いで、粉砕された仮焼物に少量の結合剤を添加した後、約５ｔ／ｃｍ２の圧力で成形して、平面寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの板状成形体を得た。
【００６２】
次に、これらの成形体を、空気中において９５０〜１２００℃で２時間焼成（本焼成）して、圧電磁器の試料を得た。これらの圧電磁器の試料について密度測定を行ったところ、すべての試料の密度（相対密度）が、理論密度に対し９５％以上であることがわかった。
【００６３】
これらの圧電磁器の試料を、１２ｍｍ×３ｍｍ、厚さ１ｍｍとなるように切り出し、それらの両面にＡｇ電極を焼き付けた。次いで、１２０℃のシリコーンオイル中において、２ｋＶ／ｍｍの電界により厚み方向に３０分間の分極処理を行い、振動子（圧電素子）を得た。
【００６４】
［特性評価］
得られた全ての振動子の試料について、ハイパワー駆動特性を調べるため、各振動子について、図３に示す測定システムを用いて、振動速度及びそのときの発熱を測定した。この測定システムでは、図３に示すように、測定素子の電極の中央部をコンタクトプローブにより保持し、駆動電圧は１５０Ｖ、駆動波形は矩形波とし、あらかじめインピーダンスアナライザーで求めた共振周波数近傍の数値とした駆動周波数の信号を印加した。そして、このときの、レーザードップラー変位計により測定した値から振動速度を、また、放射温度計から発熱量を求めた。
【００６５】
得られた結果を表１にまとめて示す。表１中の振動速度とは、駆動試験中に得られた最大の振動速度を示し、発熱とは、振動速度が最大のときの振動子の温度と初期状態で振動子の温度との差を示す。また、表１中、Ａ１の欄は、Ａ１元素として含有させた元素の種類を示し、当該欄に「−」と記載されている場合は、Ａ元素を含有させなかった場合、すなわち、ａを０とした場合を示している。
【００６６】
【表１】
0005482609.tif 000004
【００６７】
表１より、複合酸化物及びＭｎの含有量が、本発明の範囲を満たしている試料Ｎｏ．１〜２６によれば、これを満たしていなかった試料Ｎｏ．３１〜４２に比して、十分に高い振動速度が得られ、且つ、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【００６８】
特に、試料ｏ．１〜６、３１及び３２の対比から、０．４０≦ｘ≦０．４９において、実用上十分な振動速度が得られ、しかも、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【００６９】
また、試料Ｎｏ．７〜１５、３１、３３〜３５の対比から、０．０３≦ｙ≦０．１５、０．０３≦ｚ≦０．１５において、十分に高い振動速度が得られ、且つ、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【００７０】
さらに、試料Ｎｏ．２１〜２３、３８、４０及び４１の対比から、０≦ａ≦０．０４において、十分に高い振動速度が得られ、且つ、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【００７１】
さらにまた、試料Ｎｏ．９、２２、２４及び３９の対比から、０≦ｂ≦０．０４において、十分に高い振動速度が得られ、且つ、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【００７２】
［振動子（圧電素子）の製造：試料Ｎｏ．５１〜５４及び６０〜６１］
出発原料として、上記に加えて酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及び酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ５）を更に準備し、それらの原料粉末を、焼成後の組成が、（Ｐｂ１−ａＡ１ａ）ＴｉｘＺｒ１−ｘ−ｙ−ｚ−ｂ（Ｚｎ１／３（Ｎｂ１−ｄＡ２ｄ）２／３）ｙ（Ｙｂ１／２（Ｎｂ１−ｄＡ２ｄ）１／２）ｚＳｎｂＯ３＋ｃｗｔ％ＭｎＣＯ３において、Ａ１及びＡ２元素の種類、並びに、ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ及びｚの数値が、表１に示すとおりとなるようにそれぞれ配合を代えて混合した各種の配合物を用いたこと以外は、試料Ｎｏ．１等と同様にして、試料Ｎｏ．５１〜５４及び６０〜６１の振動子を得た。なお、式中のｄの数値は、０．４とした。
【００７３】
［特性評価］
得られた試料Ｎｏ．５１〜５４及び６０〜６１の各振動子について、試料Ｎｏ．１等と同様にして、振動速度及びそのときの発熱を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
0005482609.tif 000005
【００７５】
表２より、主成分である複合酸化物中のＮｂの一部をＴａ又はＳｂに置換しても、複合酸化物及びＭｎの含有量が、本発明の範囲を満たしていること（試料Ｎｏ．５１〜５４）によって、満たしていない場合（試料Ｎｏ．６０〜６１）に比べて、十分に高い振動速度が得られ、且つ、発熱を十分に抑制できることが確認された。
【符号の説明】
【００７６】
５…圧電磁器、２，３…電極、２０…振動子、１０…積層型圧電素子、１１…積層体、１２…圧電体層、１３Ａ，１３Ｂ…内部電極層、１４…素体、１５，１６…保護層、１７Ａ，１７Ｂ…端子電極、１８…活性部分、１９…不活性部分。
【図１】
0005482609.tif 000006
【図２】
0005482609.tif 000007
【図３】
0005482609.tif 000008