(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式（Ｋ１−ｘ−ｙ―ｗ−ｖＮａｘＬｉｙＢａｗＳｒｖ）ｍ（Ｎｂ１−ｚ−ｕＴａｚ−Ｚｒｕ）Ｏ３・・・（１）
（但し、式中の、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｖ，ｕおよびｍは、それぞれ０．４＜ｘ≦０．７、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦０．３、０＜ｗ≦０．０１、０．０４≦ｖ≦０．０７、０．０４≦ｕ≦０．０７、０．９５≦ｍ≦０．９７５である）で表される組成物を主成分とし、副成分として、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一種である成分を含み、前記主成分の組成物に対し、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）にそれぞれ換算し、１質量％以下を含有することを特徴とする、圧電磁器。
【請求項２】
圧電セラミック素体の表面に外部電極が形成された圧電素子において、該圧電セラミック素体が、請求項１に記載の圧電磁器で形成されている事を特徴する圧電素子。
【請求項３】
内部電極と圧電セラミック層とが交互に積層されてなる圧電セラミック素体を備え、該圧電セラミック素体を挟むように両端面にそれぞれ設け、前記内部電極と電気的に接続されている一対の端子電極とを備える圧電素子において、前記圧電セラミック層が、請求項１に記載の圧電磁器で形成されていることを特徴とする圧電素子。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電磁器およびこれを使用した圧電素子に関する。さらに詳しくは、非鉛系の圧電磁器、およびこれを用いた単板型圧電素子、並びに積層圧電アクチュエータ等の積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電磁器を利用したアクチュエータは、電界を加えると機械的な歪および応力を発生するという圧電現象を利用したものである。このアクチュエータは、微量な変位を高精度に得ることができるとともに、発生応力が大きい等の特徴を有し、例えば、精密工作機械や光学装置の位置決めに用いられている。アクチュエータに用いる圧電磁器としては、優れた圧電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が最も多く利用されている。しかし、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は鉛（Ｐｂ）を多く含んでいることから、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代替する、鉛（Ｐｂ）を含有しない圧電磁器の開発が望まれており、かかる要求に応じて、鉛を含有しない様々な圧電磁器が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１および２では、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウムで構成される圧電磁器が提案されている。この圧電磁器は、キュリー温度が３５０℃以上と高く、電気機械結合係数ｋｒも優れている。
【０００４】
また、特許文献３および４では、ニオブ酸ナトリウムカリウムリチウムのニオブ（Ｎｂ）の一部をタンタル（Ｔａ）に置換した化合物と、ストロンチウム（Ｓｒ）をはじめとするアルカリ土類金属元素とジルコニウム等を含むペロブスカイト型酸化物を含有する圧電材料が提案されている。この圧電材料は、比較的大きな変位量を示すことから注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭４９−１２５９００号公報
【特許文献２】特公昭５７−６７１３号公報
【特許文献３】国際公開番号ＷＯ２００８／１５２８５１号
【特許文献４】特開２００９−２４２１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の圧電材料は、焼結時にニオブ酸ナトリウムカリウムリチウムが異常粒成長を起こしやすく、組成ないし製造条件のわずかな変動によって粒子サイズが数十μｍ以上の巨大結晶粒が生じ、焼結体中にボイド等の欠陥が発生しやすくなり、十分な圧電特性を得ることができなくなる。さらに積層体とした場合には、一般的な層間（１０μｍから１００μｍ）よりも大きな粒子が生じるため、圧電体としての機能を十分に得ることができなくなる。
【０００７】
また、特許文献４では、組成物の結晶粒の粒界に、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一方の元素が偏在することによって圧電特性が向上することが述べられているが、異常粒成長が生じることにより、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）が偏在する結晶粒界の数が少なくなり、圧電特性向上の効果が得られなくなるという問題点があった。また異常粒成長することにより、粒界の数が少なくなり、機械的な強度が低下することも大きな問題であった。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、構成元素として鉛（Ｐｂ）を有しない複合酸化物からなる組成物を主成分として含有するため、環境に優れ、また比誘電率、電気機械結合係数、圧電定数等の圧電特性に優れた圧電磁器およびそれらを使用した圧電素子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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明者らは、圧電磁器の異常粒成長を簡便かつ安価に抑制することが重要と考え、異常粒成長を生じさせない組成について様々検討を行った結果、下記発明を完成させるに到った。
【００１０】
すなわち、本発明による圧電磁器は、一般式（Ｋ１−ｘ−ｙ―ｗ−ｖＮａｘＬｉｙＢａｗＳｒｖ）ｍ（Ｎｂ１−ｚ−ｕＴａｚ−Ｚｒｕ）Ｏ３・・・（１）
（ただし、式中の、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｖ，ｕおよびｍは、それぞれ０．４＜ｘ≦０．７、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦０．３、０＜ｗ≦０．０１、０．０４≦ｖ≦０．０７、０．０４≦ｕ≦０．０７、０．９５≦ｍ＜１．０である）で表される組成物を主成分とする圧電磁器である。ペロブスカイト構造酸化物のＡサイトとＢサイトとの比を表す上記（１）式中のｍを１未満にすることで、焼結時の異常粒成長が抑制され、高い圧電特性を得ることができる。
【００１１】
また上記主成分の他に、副成分としてマンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一種である成分を含み、前記主成分の組成物に対し、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）にそれぞれ換算し、１質量％以下を含有することで、バラツキの少ない安定した圧電磁器を得ることができる。
【００１２】
本発明の圧電磁器が十分に優れた圧電特性を示す理由は、その微細構造にあると本発明者らは考える。すなわち、本発明の圧電磁器は、本来、異常粒成長を起こしやすいものであるが、該圧電磁器の組成を適正に制御することで、異常粒成長を抑制するとともに、主成分である複合酸化物の結晶粒の粒界に、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一方の元素が偏在している微細構造を有することにより、圧電磁器の比抵抗を高くすることができると考えられる。このため、高い分極電圧を印加することが可能となり、大きな発生変位量を得ることができると推察している。
【００１３】
本発明ではまた、上述の圧電磁器を備える圧電素子を提供する。
この圧電素子は、上記のように鉛（Ｐｂ）を含まず、かつ大きな変位量が得られる圧電磁器を備えているため、環境性に優れ且つ圧電特性にも優れている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による圧電磁器によれば、焼結時に異常粒成長を起こすことがないため、焼結体中のボイドが抑制されると共に、焼結体中に十分な数の結晶粒界が存在し、優れた圧電特性を備えた圧電磁器を得ることができる。
このようにして得られた圧電磁器は、優れた比誘電率、電気機械結合係数、圧電定数等の圧電特性を備えているため、低公害化、対環境性および生態学的見地から極めて優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の圧電素子の一実施形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子を表す構成図である。
【図２】異常粒成長の起こっていない焼成体の表面の一例を表す顕微鏡写真である（実施例２）。
【図３】異常粒成長の起こった焼成体の表面の一例を表す顕微鏡写真である（比較例２）。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、必要により図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
本発明の一実施形態に係る圧電磁器は、一般式（Ｋ１−ｘ−ｙ―ｗ−ｖＮａｘＬｉｙＢａｗＳｒｖ）ｍ（Ｎｂ１−ｚ−ｕＴａｚ−Ｚｒｕ）Ｏ３・・・（１）
（ただし、式中の、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｖ，ｕおよびｍは、それぞれ０．４＜ｘ≦０．７、０．０２≦ｙ≦０．１、０＜ｚ≦０．３、０＜ｗ≦０．０１、０．０４≦ｖ≦０．０７、０．０４≦ｕ≦０．０７、０．９５≦ｍ＜１．０である）で表される組成物を主成分とする圧電磁器である。
【００１８】
前述の式中のｍ、すなわちペロブスカイト構造酸化物のＡサイトとＢサイトとの比を１未満にすることで焼結時の異常粒成長が抑制され、大きな圧電特性を得ることができる。
ｍを１以上とした場合は、焼結時に異常粒成長が起こりやすくなる。より好ましくはｍ≦０．９７５とすることで更に効果的に異常粒成長を抑制することができる。更に０．９５≦ｍ≦０．９７５であることがより好ましい。ｍが０．９５未満であると、に大きな比誘電率εｒ、電気機械結合係数ｋｒおよび発生変位量を得ることが困難になる傾向があるからである。
【００１９】
また、ｍを１以上とした場合には、異常粒成長を起こし、また、副成分として添加したマンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）のいずれか一種の粒界への偏析がなくなり、粒内に均一に拡散してしまう。そのため、優れた圧電特性を得ることができない。
【００２０】
上記一般式（１）中、ナトリウム（Ｎａ）の量、すなわちｘは、好ましくは０．４５≦ｘ≦０．６、より好ましくは０．５≦ｘ≦０．５５を満たすことで、圧電特性に一層優れる圧電磁器とすることができる。ｘが０．７を越えると圧電特性が低下し、０．４未満の場合はカリウムの量が相対的に多くなり、焼成時におけるカリウム（Ｋ）の揮発が激しく、焼成が難しくなるとともに異常粒成長を起こしやすくなる。
【００２１】
リチウム（Ｌｉ）の量、すなわちｙは、好ましくは０．０３≦ｙ≦０．０６を満たすことによって、圧電特性に一層優れる圧電磁器組成物とすることができる。ｙが０．１を越えると、比誘電率εｒ、電気機械結合係数ｋｒおよび発生変位量ｄ３３を高くすることができない傾向があり、０．０２未満の場合も高い圧電特性が得られない。
【００２２】
バリウム（Ｂａ）の量、すなわちｗは、好ましくは０．００１≦ｗ≦０．００８、より好ましくは０．００３≦ｗ≦０．００７を満たすことによって、圧電特性に一層優れる圧電磁器組成物とすることができる。ｗが０の場合、および０．０１を越える場合は電気機械結合係数ｋｒおよび発生変位量が小さくなる。
【００２３】
ストロンチウム（Ｓｒ）およびジルコニウム（Ｚｒ）の量、すなわちｖ、ｕは，０．０４〜０．０７であり、より好ましくは０．０４〜０．０６である。これを満たすことで、温度変動による圧電特性の低下を抑制することができる。ｖ、ｕが０．０７を越えると焼結が困難になり０．０４未満の場合は高い圧電特性を得ることができない。
【００２４】
タンタル（Ｔａ）の量、すなわちｚは、好ましくは０．０４≦ｚ≦０．２、より好ましくは０．０５≦ｚ≦０．１５を満たすことによって、圧電特性に一層優れる圧電磁器組成物とすることができる。ｚが０．３を越えると、キュリー温度が低くなると共に、電気機械結合係数ｋｒおよび発生変位量が小さくなり、０の場合は高い圧電特性が得られない。
【００２５】
また、前記主成分の他に副成分として、マンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一種である成分を含み、前記主成分の組成物に対し、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）にそれぞれ換算し、１質量％以下を含有することにより、圧電磁器の抵抗を上げることができ、さらに良好な圧電特性を得ることが可能となる。主成分である複合酸化物の結晶粒の粒界にマンガン（Ｍｎ）及び銅（Ｃｕ）の少なくとも一方の元素が偏在している微細構造を有しており、これによって圧電磁器の比抵抗を高くすることが可能となる。
【００２６】
これまで説明してきた圧電磁器は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００２７】
まず、圧電磁器組成物の主成分および副成分の原料として、例えばナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、およびマンガン（Ｍｎ）を含む化合物粉末をそれぞれ準備する。なお、これらの原料となる化合物としては、それぞれの元素の酸化物または複合酸化物、あるいは加熱することにより酸化物となる、例えば炭酸塩やシュウ酸塩などの化合物を用いることができる。
これらの原料を十分乾燥させた後、最終組成が上述した範囲内となるような比率で秤量する。
【００２８】
次いで、これらの材料を、ボールミルやビーズミルなどを用いて有機溶媒中または水中で混合する。
【００２９】
その後、この混合物を乾燥し、プレス成形するか、もしくはセラミック製容器などの耐熱性容器に充填するなどして、７００℃〜１１００℃で１〜８時間仮焼する。仮焼の回数は１回でもよく、または得られた仮焼物を粉砕した後、再びプレス成形するか耐熱性容器に充填するなどして繰り返し仮焼してもよい。
【００３０】
仮焼した後、例えば、この仮焼物をボールミルやビーズミルなどにより有機溶媒中又は水中で粉砕し、乾燥することによって、圧電磁器材料粉末が得られる。
本発明の一実施形態に係る圧電磁器は、前記圧電磁器材料粉末を焼結することで得られる。
【００３１】
例えば、圧電磁器材料粉末にバインダを加えて造粒し、この造粒粉を一軸プレス成形機あるいは静水圧成形機（ＣＩＰ）などを用いプレス成形する。成形した後、例えば、この成形物を加熱して脱バインダを行い、更に９５０〜１３５０℃で２〜８時間焼成することで、圧電磁器が得られる。
【００３２】
焼成工程では、酸素分圧を大気よりも低くコントロールすることで、広い組成範囲で異常粒成長を抑制することが可能である。焼成工程をコントロールすることにより、圧電磁器の異常粒成長を簡便かつ安価に抑制することができる。本組成においては、一般的な大気中焼成においても異常粒成長を生じさせない。
【００３３】
なお、この圧電磁器は不可避不純物として鉛（Ｐｂ）を少量含んでいてもよい。しかし、焼成時における鉛の揮発、および圧電部品として市場に流通し廃棄された後における環境中への鉛（Ｐｂ）の放出を最小限に抑制することができ、低公害化、対環境性および生態学的見地から見ても鉛（Ｐｂ）の含有量は最小限に抑える必要がある。
この圧電磁器は、例えば、圧電素子であるアクチュエータなどの振動素子、発音体あるいはセンサなどの材料として好ましく用いられる。
【００３４】
図１は、本実施の形態に係る圧電磁器を用いた圧電素子の一構成例を示すものである。この圧電素子は、本実施の形態の圧電磁器よりなる圧電基板１と、この圧電基板の一対の対向面１ａ、１ｂにそれぞれ設けられた一対の電極２、３とを備えている。圧電基板は、例えば、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を介して電圧が印加されることにより、厚み方向に縦振動および径方向に拡がり振動するようになっている。
電極２、３は、例えば、銀（Ａｇ）などの金属によりそれぞれ構成されている。これら電極２、３には、ワイヤなどを介して外部電源と電気的に接続される（図示しない）。
このような圧電素子は、例えば、本実施の形態の圧電磁器を必要に応じて加工して圧電基板１を形成し、電極２、３を設け、加熱したシリコーンオイル中で電界を印加することで分極処理を行うことによって製造することができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では圧電磁器材料粉末の製造方法として固相反応法を用いたが、他の磁器材料粉末製造方法、例えば水熱合成法やゾル−ゲル法などを用いてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例および比較例に基づき本発明を更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。
【００３７】
（実施例１〜３、比較例１〜２）
まず、主成分および副成分の原料として、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）粉末、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）粉末、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）粉末、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）粉末、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）粉末、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）粉末、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）粉末、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）粉末、および炭酸マンガン（ＭｎＣＯ３）粉末または酸化銅（ＣｕＯ）粉末を用意した。これらの原料を十分に乾燥させた後、圧電磁器の組成が実施例１〜３および比較例１〜２の組成、つまりｍの値が変化するように各原料を秤量した。
【００３８】
これらの原料を、ボールミルを用いてエタノール中で混合した後、８０〜１２０℃の恒温槽中で十分に乾燥させ、プレス成形して、７５０〜１０５０℃で１〜４時間仮焼した。この仮焼物を、ボールミルを用いてエタノール中で粉砕した後、再び乾燥させて圧電磁器材料粉末を作製した。
【００３９】
次に、圧電磁器材料粉末にバインダ（アクリル樹脂）を加えて造粒した。この造粒粉を一軸プレス成形機により約２５ＭＰａの圧力で直径１７ｍｍの円板状ペレットに成形した。成形した後、この成形体を５５０℃で３時間加熱して脱バインダを行い、更に１０５０℃〜１２００℃で２時間焼成した。その後、この焼成体を厚さ０．６ｍｍの円板状に加工して圧電基板１を作製し、両面に銀（Ａｇ）を真空蒸着して電極２、３を形成した。その後、１５０℃のシリコーンオイル中で５ＭＶ／ｍの電界を１０〜３０分印加して分極処理を行い圧電素子とした。
【００４０】
得られた圧電素子を２４時間放置した後、圧電特性として比誘電率εｒ、電気機械結合係数（ｋｒ）  および圧電ｄ定数（ｄ３３）を測定した。εｒおよびｋｒの測定にはインピーダンスアナライザー４２９４Ａ（アジレントテクノロジー製）を用い、共振・反共振法を用いて、εｒの測定では周波数は１ｋＨｚとした。ｄ３３の測定にはｄ３３メーターＺＪ−４Ｂ（中国科学院声学研究所製）を用いた。
（評価結果）
各実施例および比較例の圧電磁器の組成を表１に示す
【表１】
0005929640.tif 000002
【００４１】
組成分析にはＩＣＰ−ＡＥＳ装置ＩＣＰＳ−８１００ＣＬ（島津製作所製）および蛍光Ｘ線分析装置ＺＳＺ−１００ｅ（リガク製）を用い、リチウム（Ｌｉ）をＩＣＰ−ＡＥＳ、それ以外の元素を蛍光Ｘ線分析により行った。
【００４２】
実施例１〜３および比較例１〜２について、ｍの値とεｒ、ｋｒ、ｄ３３および異常粒成長の有無も表１に示す。異常粒成長の起こっていない焼成体（実施例２のサンプル）表面の顕微鏡写真を図２に、異常粒成長の起こった焼成体（比較例２のサンプル）の表面の顕微鏡写真を図３に示す。表１によると、ｍが１以上である比較例２と比較して、ｍが１未満である実施例１〜３はいずれも異常粒成長が抑制され、εｒ、ｋｒ、ｄ３３について大きな値が得られた。
【００４３】
（実施例４〜１５、比較例３〜１４）
一般式（Ｋ１−ｘ−ｙ―ｗ−ｖＮａｘＬｉｙＢａｗＳｒｖ）ｍ（Ｎｂ１−ｚ−ｕＴａｚ−Ｚｒｕ）Ｏ３・・・（１）におけるｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｖ、ｕの値が変化するよう、各原料を秤量した以外は実施例１〜３と同様の方法により、実施例４〜１５、比較例３〜１４の試料を作製し、評価を行い、その結果も表１に示した。
【００４４】
ｘすなわちナトリウム（Ｎａ）の量が０．４以上０．７以下の場合、ｙすなわちリチウム（Ｌｉ）の量が０．０２以上０．１以下の場合、ｚすなわちタンタル（Ｔａ）の量が０．３以下の場合、ｗすなわちバリウム（Ｂａ）の量が０．０１以下の場合、ｖすなわちストロンチウム（Ｓｒ）の量が０．０４以上０．０７以下の場合、ｕすなわちジルコニウム（Ｚｒ）の量が０．０４以上０．０７以下の場合は表１に示すように、異常粒成長は起こらず、εｒ、ｋｒ、ｄ３３は大きな値が得られた。しかし、比較例３〜１４のようにこれらの範囲外となると、ｋｒ、ｄ３３が低下する。
【００４５】
（実施例１６〜１９）
また、添加物である酸化マンガン（ＭｎＯ）の量が変化するように秤量した以外は実施例１〜３と同様の方法により、実施例１６〜１８の試料を作製し、評価を行い、その結果も表１に示した。また、実施例１９では、酸化マンガン（ＭｎＯ）の代わりに酸化銅（ＣｕＯ）を秤量、添加し、実施例１〜３と同様の方法で試料を作製し、評価を行い、その結果も表１に示した。
【００４６】
実施例１６に示すように酸化マンガン（ＭｎＯ）を添加しない場合も、その他の組成が所定の範囲内にあれば、異常粒成長はみられず、εｒ、ｋｒ、ｄ３３も大きな値が得られた。また、酸化マンガン（ＭｎＯ）添加量が１．０ｗｔ％でも異常粒成長は認められず、εｒ、ｋｒ、ｄ３３は大きな値が得られた。しかし、酸化マンガン（ＭｎＯ）添加量が１．０質量％を越え１．５質量％となると、異常粒成長は起こらないものの、若干ｄ３３が低下する。また、実施例１８に示すように酸化マンガン（ＭｎＯ）の代わりに酸化銅（ＣｕＯ）を添加しても酸化マンガン（ＭｎＯ）と同様の効果が得られる。
【００４７】
上記、表１に示すように請求項に記載の組成の範囲内であれば、ｋｒ、ｄ３３とも高い値が得られ、かつ異常粒成長もしていない。一方、組成が請求項に記載の範囲外となると、ｋｒ、ｄ３３とも低い値となった。
【００４８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。
加えて、上記実施の形態では、単板構造の圧電素子を例に挙げて説明したが、積層構造など他の構造を有する圧電素子についても、本発明を同様に適用することができる。また、圧電素子としてアクチュエータなどの振動素子、発音体およびセンサを例に挙げたが、他の圧電素子についても本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
アクチュエータなどの振動素子、発音体およびセンサなどの圧電素子に用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１              圧電基板
１ａ、１ｂ      対向面
２、３          電極
【図１】
0005929640.tif 000003
【図２】
0005929640.tif 000004
【図３】
0005929640.tif 000005