(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電効果が線形的又は非線形的であるものを作り分けることができる構成の圧電セラミック部品およびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電セラミック部品は、セラミックス層１０１と、セラミックス層１０１を挟み込む内部電極１０２ａ〜１０２ｇとを有し、セラミックス層１０１は、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有するセラミックスからなり、厚さが１〜２５μｍである。この多積層圧電アクチュエータでは、変位の方向を、分極処理の際に印加する電界強度によって制御することで、非線形ではあるが大きな変位を得る挙動、あるいは、線形な変位挙動、のどちらかに作り分けができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス層と、前記セラミックス層を挟み込む内部電極とを有し、前記セラミックス層は１〜２５μｍの層厚を有し、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスを含む、圧電セラミック部品。
【請求項２】
前記アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスが、（ＬｉｘＮａｙＫ１−ｘ−ｙ）ａ（Ｎｂ１−ｚＴａｚ）Ｏ３（但し、０．０４＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．４、０．９８≦ａ≦１．０１である。）なる組成を有する請求項１記載の圧電セラミック部品。
【請求項３】
セラミックス層と、前記セラミックス層を挟み込む内部電極とを有する積層体を得る工程と、
前記積層体に８ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加する分極処理を行う工程と、を有し、
前記セラミックス層は、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有するセラミックスからなる、
圧電セラミック部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電セラミック部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを機械エネルギーへ、もしくは機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する機能（圧電効果）をもつ圧電セラミックスについては、多くの電子デバイスへの応用がなされている。この圧電効果を用いた電子デバイスのことを、特に圧電デバイスといい、その圧電デバイスに用いられる圧電セラミックスからなる層（以下、単に、セラミックス層とも呼ぶ。）を有した電子部品を圧電セラミック部品という。
【０００３】
従来、圧電セラミック部品に用いられる圧電セラミックスとしては、例えば、ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３の２成分よりなる鉛を含有した圧電セラミックス（以下、ＰＺＴとする。）や、このＰＺＴに対してさらにＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３やＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３などを第３成分とした圧電セラミックスが例示される。これらＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスは、高い圧電特性を誇り、現在実用化されている圧電セラミック部品のほとんどに使用されている。しかし、前記ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスはＰｂを含むために、生産工程時におけるＰｂＯの揮発など、環境負荷が高いことが問題となっている。
【０００４】
このため、鉛を含有しない、もしくは低鉛な圧電セラミックスが求められており、その中でアルカリ金属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、ＰＺＴに匹敵する圧電効果を有する磁器セラミックスであることが、例えば非特許文献１、２などで開示されている。
【０００５】
上記の圧電セラミックスは、構成元素として主にＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎｂ、Ｔａ、ＳｂおよびＯを主成分とし、より具体的には、一般式｛Ｌｉｘ［Ｎａ１−ｙＫｙ］１−ｘ｝ａ｛Ｎｂ１−ｚ−ｗＴａｚＳｂｗ｝ｂＯ３（ここで、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．４、０≦ｗ≦０．２、０．９５≦ａ、ｂ≦１．０５である）で示される。上記の組成式で示される圧電セラミックスは、上記の範囲において高い圧電特性（圧電定数、電気機械結合係数など）を有することが一般的に知られている（特許文献１〜３参照）。
【０００６】
また、上記の一般式における圧電セラミックスは、結晶格子中に含まれる組成単位数（Ｚ値）が１であると評価される単斜晶系であり、空間群においてＰｍといった極めて低対称な結晶構造を有することが判明している（特許文献４参照）。そして、上記の一般式における圧電セラミックスは、その高い圧電特性を生かすために、多積層の内部電極と圧電活性層を有する積層圧電セラミック部品としての開発が活発に行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【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
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６８８３５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】国際公開ＷＯ／２０１１／０６１９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明では、圧電効果が線形的又は非線形的であるものを作り分けることができる構成の圧電セラミック部品および線形的な圧電効果を有する圧電セラミック部品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】
【００１０】
本発明者らが鋭意検討した結果、以下の特徴を有する本発明を完成した。
（１）セラミックス層と、前記セラミックス層を挟み込む内部電極とを有し、前記セラミックス層は１〜２５μｍの層厚を有し、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスを含む、圧電セラミック部品。
（２）前記アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスが、（ＬｉｘＮａｙＫ１−ｘ−ｙ）ａ（Ｎｂ１−ｚＴａｚ）Ｏ３（但し、０．０４＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．４、０．９８≦ａ≦１．０１である。）なる組成を有する（１）の圧電セラミック部品。
（３）セラミックス層と、前記セラミックス層を挟み込む内部電極とを有する積層体を得る工程と、前記積層体に８ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加する分極処理を行う工程と、を有し、前記セラミックス層は、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を有するセラミックスからなる、圧電セラミック部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電効果が線形的又は非線形的であるものを作り分けることができる構成の圧電セラミック部品および線形的な圧電効果を有する圧電セラミック部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の圧電セラミック部品の一形態である積層圧電アクチュエータの断面図である。
【図２】アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造の結晶構造の模式図である。
【図３】積層圧電アクチュエータの製造過程で製造するセラミックスグリーンシートの斜視図である。
【図４】積層圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】試料Ｎｏ．１で発生する変位量と電圧の関係である。
【図６】試料Ｎｏ．２で発生する変位量と電圧の関係である。
【図７】試料Ｎｏ．３で発生する変位量と電圧の関係である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。
【００１４】
図１は、本発明の圧電セラミック部品の一形態である多積層圧電セラミック部品の断面図である。第一の内部電極（１０２ａ、１０２ｃ、１０２ｅ、１０２ｇ）と第二の内部電極（１０２ｂ、１０２ｄ、１０２ｆ）とがセラミックス層（１０１）を介して交互に複数層積み重ねられており、第一の内部電極と電気的に接続する第一の端子電極（１０３ａ）と、第二の内部電極と電気的に接続する第二の端子電極（１０３ｂ）と、を有している。セラミックス層と交互に存在する第一の内部電極と第二の内部電極は、同時に焼成することにより多積層圧電セラミック部品となる。また、第一の内部電極と第二の内部電極には、通常の大気中の焼成であれば主にＰｔ、Ｐｄ、Ａｇ等を含んだ金属によって形成されている。
【００１５】
この多積層圧電アクチュエータでは、第一の端子電極と、第二の端子電極とが、それぞれ第一の内部電極と第二の内部電極に電気的に接続されているので、第一の端子電極と第二の端子電極の間に電圧が印加されると、図中Ｚ軸の方向に変位することができる。
【００１６】
本発明者らの新知見によれば、この変位の方向を、分極処理の際に印加する電界強度によって制御することで、非線形ではあるが大きな変位を得る挙動、あるいは、線形な変位挙動、のどちらかに作り分けができることが判明した。
【００１７】
具体的には、アルカリ金属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用いた圧電セラミック部品では、分極処理における電界を高強度にすると変位挙動が線形的になり、電界を低強度にすると変位が非線型的（但し、変位量が大きい。）になる。非線形的な変位を得るための分極処理における電界強度は好ましくは８ｋＶ／ｍｍ以上であり、より好ましくは８〜１０ｋＶ／ｍｍである。ここで、長さの単位「ｍｍ」は、セラミックス層の厚さを意味する。分極処理において電界を印加する時間については、従来技術を適宜援用することができ、例えば、１〜３０分間などが例示される。
【００１８】
強電界の印加により線形的な圧電効果が得られるメカニズムは明確ではないが、概ね、以下のように考察できる。一般に結晶の相転移点は温度以外によっても変化し得る。例えば分極処理中において、高い電界を印加することによっても結晶系は変化し得るから、これにより分極処理による結晶中のドメインの整列方向が変化して線形的な圧電効果が現れる方位への分極が出来るようになったと考察する。
【００１９】
分極後の圧電セラミック部品におけるセラミックス層の比誘電率は、好ましくは３００〜６００である。このような誘電率をもつセラミックス層においては線形的な圧電効果が得やすい。
【００２０】
本発明によれば、圧電セラミック部品がもつセラミックス層の厚さは好ましくは２５μｍ以下であり、より好ましくは、１〜２５μｍである。上述のとおり、線形的な変位を付与するためには強電界を印加することが必要であるところ、セラミックス層の厚さが薄ければ、「厚さあたりの印加電圧」を強くすることができるからである。換言すると、セラミックス層の厚さを上述のように設計することにより、分極処理において産業的に現実的な範囲内で印加電圧を調節することにより、圧電挙動が線形であったり非線形であったりする圧電セラミック部品を作り分けることができる。圧電セラミック部品が複数のセラミックス層をもつ場合の、「セラミックス層の厚さ」は、全てのセラミックス層の厚さの平均値を意味する。
【００２１】
本発明の圧電セラミック部品の駆動電圧は好ましくは７５０Ｖ以下であり、より好ましくは、０〜４００Ｖである。
【００２２】
本発明によれば、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックスは、一般的なＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を有し、典型的には、ＡサイトにＫ、Ｎａ、Ｌｉといったアルカリ金属元素が配座し、ＢサイトにＮｂが配座する元素の周期性を有する。図２にその結晶構造の模型を示す。図示のとおり、Ｂサイトの周りに６つのＯが配位し、Ａサイトの周りに１２つのＯが配位している構造を取り、この構造が周期的に連続することで、結晶を形成している。
【００２３】
アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造については、好ましくは、その結晶系はＺ値（結晶格子中に含まれる組成単位数）が１で評価できる単斜晶系であり、空間群においてＰｍといった極めて低対称な結晶構造を有する。よって、その空間群で規定された鏡面（ｍ）の面方向において、前記Ａサイト元素、Ｂサイト元素およびＯ（酸素）が比較的拘束なく変位することが可能であり、圧電活性となる根源となっている。
【００２４】
アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造をもつセラミックス層については、ニオブ、酸素、アルカリ金属の各元素を含むことが必要であり、好ましくは、ＬｉｘＮａｙＫ１−ｘ−ｙ）ａ（Ｎｂ１−ｚＴａｚ）Ｏ３なる組成を有し、ここで、０．０４＜ｘ≦０．１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．４、０．９８≦ａ≦１．０１である。
【００２５】
より好適には、上記セラミックス層の組成は、以下の組成式（ｉ）で表現できる。
１００（ＬｉｘＮａｙＫ１−ｘ−ｙ）ａ（Ｎｂ１−ｚＴａｚ）Ｏ３＋ｐＭｎＯ＋ｑＮｉＯ＋αＬｉ２Ｏ＋βＳｉＯ２＋ｍＭＯ＋ｎＺｒＯ２・・・・・・・・（ｉ）
組成式（ｉ）中において、ＭはＣａ、Ｂａ、およびＳｒのうち少なくともいずれか１種類を示している。
【００２６】
そして、ｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｐ、ｑ、α、β、ｍおよびｎは以下の範囲にある。
０．０４＜ｘ≦０．１          …  （１）
０．２≦ｙ≦０．７６          …  （２）
０．２≦ｘ＋ｙ≦０．８        …  （３）
０≦ｚ≦０．４                …  （４）
０．９８≦ａ≦１．０１        …  （５）
０．０≦ｐ≦２．０            …  （６）
０．０≦ｑ≦２．０            …  （７）
０．０≦α≦１．５            …  （８）
０．０≦β≦３．０            …  （９）
０≦ｍ≦２．０                …  （１０）
０≦ｎ≦２．０                …  （１１）
【００２７】
上記組成式（ｉ）で表されるセラミックスについては、（１）〜（５）で表される範囲にある組成式（ＬｉｘＮａｙＫ１−ｘ−ｙ）ａ（Ｎｂ１−ｚＴａｚ）Ｏ３で示されるアルカリ金属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となる主成分に、所定量の（６）〜（１１）で表される範囲にてそれぞれの酸化物を含有させることによって得ることができる。ここで、ｐ、ｑ、ｒ、α、βがいずれもゼロを採り得ることは、前記各酸化物が任意成分であることを意味する。
【００２８】
好適には、セラミックス層は鉛フリーである。また、好ましくは、セラミックス層は上述の組成式（ｉ）で表されるセラミックスのみが含まれる。
【００２９】
さらに、セラミックス層には、他の第一遷移元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎを少なくとも１種類一定量混入させることによって、焼結温度を制御したり粒子の成長を制御したり、高電界化における寿命を延ばしたりすることが可能である。これらの元素は、用いてもよいし、用いなくてもよい。
【００３０】
さらに、セラミックス層には、第二遷移元素であるＹ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄを少なくとも１種類一定量混入させることによって、焼結温度を制御したり粒子の成長を制御したり、高電界化における寿命を延ばしたりすることも可能である。これらの元素は、用いてもよいし、用いなくてもよい。
【００３１】
また、セラミックス層には、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種類一定量混入させることによって、焼結温度を制御したり粒子の成長を制御したり、高電界化における寿命を延ばしたりすることが可能である。これらの元素は、用いてもよいし、用いなくてもよい。
【００３２】
さらに、上記に示した第一遷移元素、第二遷移元素、第三遷移元素の内、少なくとも１種類一定量混入させることによって、焼結温度を制御したり粒子の成長を制御したり、高電界化における寿命を延ばしたりすることが可能であるが、これらを複合させても、させなくても同様の効果が得られる。
【００３３】
本発明によれば、圧電セラミック部品は、電気エネルギーを機械エネルギーへ、もしくは機械エネルギーを電気エネルギーへ変換する機能（圧電効果）を用いた電子デバイスであれば、その具体的な部品形態について特に限定されない。そのような圧電セラミック部品においては、圧電効果を奏せしめるために、セラミックス層は内部電極によってはさみ込まれている。つまり、第一の内部電極と第二の内部電極間にセラミックス層が挟み込まれている。
【００３４】
本発明の製造方法によれば、圧電セラミック部品における従来の製造方法を準用することができ、分極過程において、上述の条件を適用することが重要である。一般的には、分極前の積層体を得るために、セラミックス粒子を含むシートを得て、このシートに導電ペーストを塗布し、塗布後のシートを積層してカットしてから焼成することが行われる。焼成後に分極処理が行われて圧電セラミック部品が得られる。
【００３５】
本発明における圧電セラミック部品の製造の例示の１つとして、以下、多積層セラミック部品である、積層圧電アクチュエータに関する製造方法を説明する。以下の記載は製造方法の一例に過ぎず、本発明を何ら限定するものではない。
【００３６】
はじめに、セラミックス層を構成する主組成となるアルカリ金属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の合成を行う。
【００３７】
アルカリ金属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の原料として、カリウム（Ｋ）を含有する原料とナトリウム（Ｎａ）を含有する原料と、リチウム（Ｌｉ）を含有する原料と、ニオブ（Ｎｂ）を含有する原料、およびタンタル（Ｔａ）を含有する原料とを用意する。
【００３８】
その際、カリウムを含有する原料としては、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、ないし炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）が好ましい。ナトリウムを含有する原料としては、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、ないし炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）が好ましい。リチウムを含有する原料としては、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）が好ましい。
【００３９】
また、ニオブを含有する原料としては、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）が好ましく、タンタルを含有する原料としては、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）が好ましい。
【００４０】
上記の原料を最終的に目標とする所定の組成に秤量したのちに、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）ボールと、エタノール等の有機溶媒で、ボールミルによって１０時間から６０時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて攪拌原料を得る。
【００４１】
得られた攪拌原料を、７００℃から９５０℃の温度で、１時間から１０時間の仮焼成を行った後、ボールミルによって解砕し、仮焼粉を得る。
【００４２】
そして、任意成分として、マンガン（Ｍｎ）を含有する原料と、ニッケル（Ｎｉ）を含有する原料と、リチウムを含有する原料と、ケイ素（Ｓｉ）を含有する原料と、Ｍ２となるカルシウム（Ｃａ）もしくは、バリウム（Ｂａ）もしくは、ストロンチウム（Ｓｒ）を含有する原料と、ジルコニウム（Ｚｒ）を含有する原料とを必要に応じて用意し、前記仮焼粉に、所定量の各々の原料を秤量し、再度、ＰＳＺボールとエタノール等の有機溶媒でボールミルを用いて、１０時間から６０時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて仮焼粉混合物を得る。
【００４３】
得られた仮焼粉混合物に、有機バインダと分散剤を加え、純水もしくはエタノール等の有機溶媒を用いボールミル中で湿式混合して、セラミックススラリーを得る。このセラミックススラリーをドクターブレード法等によって成形加工することでセラミックスグリーンシートを作製する。
【００４４】
本態様では、内部電極にて、端子電極と接続する引き出し部は、第一の内部電極と第二の内部電極が交差する部分の幅より、狭くなっている。このため、一つの第一の内部電極または、第二の内部電極で見ると、半アレイ形状（５０２ａ）となっている。切断前に第一の内部電極または、第二の内部電極が２つ結合した状態では、アレイ形状（５０２ｂ）となっている。
【００４５】
そして、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ等を主成分とした導電性ペーストを用意して、図３に示すとおりに、半アレイ形状（５０２ａ）とアレイ形状（５０２ｂ）からなる内部電極パターンをセラミックスグリーンシート（５０１ａ〜ｇ）上にスクリーン印刷する。
【００４６】
この内部電極パターンが形成されたセラミックスグリーンシート（５０１ａ〜ｇ）を図３に示した通りに、互い違いに重ねた後に、さらに内部電極パターンの形成されていないセラミックスグリーンシート（５０３ａ、５０３ｂ）で挟み込んで圧着することで、内部電極パターンと、セラミックスグリーンシート（５０１ａ〜ｇ）が相互に積み重なる形状のセラミックス積層体を得る。
【００４７】
そして、得られたセラミックス積層体の内部電極パターン（５０２ａ、５０２ｂ）とアレイ形状の内部電極パターン（５０２ｂ）のくびれ部分の中間を横断する形で切断した後、例えばアルミナ製のサヤに収容して、３００℃〜５００℃で脱バインダ処理を行った後に、９００℃から１０５０℃の大気雰囲気中で焼成を行うことで焼結した積層体を得ることができる。
【００４８】
焼結した積層体の内部電極が露出した両端部にＡｇ等を主成分とした導電性ペーストを塗布し、７５０℃から８５０℃で焼き付け処理を行うことで、図４に示すような端子電極（１０３ａ、１０３ｂ）を形成し、この両端部に形成した端子電極を利用して内部のセラミックス層に電界を印加して分極処理を行い、セラミックス層とすることで、多積層圧電アクチュエータを製造することができる。分極処理の際に、電界強度を上述のようにコントロールすることにより、線形的な圧電効果をもつ圧電セラミック部品を得ることもできるし、圧電効果は非線形的であるが変位量が比較的大きい圧電セラミック部品を得ることもできる。
【００４９】
端子電極（１０３ａ、１０３ｂ）の形成に際しては、密着性が良好で、内部電極への通電が良好であればよく、他の方法としてスパッタリング法、真空蒸着法による薄膜形成方法を用いても構わない。
【００５０】
また、前記の説明において導電層にはＰｔ、Ｐｄ、Ａｇ等を主成分とした導電性ペーストを利用したが、Ｃｕ、Ｎｉ等の卑金属を利用した導電性ペーストを利用することも可能である。この場合、焼成する際の雰囲気においてＯ２の分圧を１０−１０ａｔｍ以下に制御することが好ましい。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に記載された態様に限定されるわけではない。
【００５２】
実施例においては、
１００Ｌｉ０．０６Ｎａ０．５２Ｋ０．４２ＮｂＯ３＋０．６ＭｎＯ＋０．６ＮｉＯ＋０．８Ｌｉ２Ｏ＋１．３ＳｉＯ２＋０．５ＳｒＯ＋０．５ＺｒＯ２・・・・・・・・（ａ）
となる組成式（ａ）にしたがって配合をした仮焼粉混合物を用いた。
【００５３】
仮焼粉は以下のようにして得た。
炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）を上記組成式（ａ）の組成になるように秤量して、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）ボールと、有機溶媒で、ボールミルによって２４時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて攪拌原料を得た。得られた攪拌原料を、９００℃で、３時間の仮焼成を行い、その後、ボールミルによって解砕した。そこに、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｚｒの各酸化物を上記組成式（ａ）の組成になるように秤量して加えて、再度、ＰＳＺボールと有機溶媒でボールミルを用いて、２４時間湿式攪拌した後、有機溶媒を揮発乾燥させて仮焼粉を得た。
【００５４】
この仮焼粉に、有機バインダとエタノールと共にボールミルに投入して、十分に混合を行い、得られたスラリーをドクターブレード法を使用して厚み２０μｍとなるセラミックスグリーンシートを得た。
【００５５】
次に、内部電極用のペーストとしてはＰｔを使用した導電性ペーストを用いて、前記のセラミックスグリーンシートに所定パターンの導電層を形成した。そして、この導電層が形成されたセラミックスグリーンシートと、内部電極を形成していないセラミックスグリーンシートを挟み込んで、多積層状態とした後に、さらにその上下を内部電極を形成していないセラミックスグリーンシートで挟み込み、５０ＭＰａ程度の圧力で加圧して、圧着してセラミックス積層体の板状成形体を得た。
【００５６】
その際、焼成後のセラミックス層の１層厚みを制御するために、試料Ｎｏ．１では、導電層を形成していないセラミックスグリーンシートを３枚と、導電層を形成したセラミックスグリーンシートを１枚と、を１層とした多積層状態とし、試料Ｎｏ．２と試料Ｎｏ．３では、導電層を形成していないセラミックスグリーンシートを１枚と、導電層を形成したセラミックスグリーンシートを１枚と、を１層とした多積層状態とした。
【００５７】
次に、前記の板状成形体を、所定の寸法を満たすように切断した後、アルミナ製のサヤに収容して、３００℃〜５００℃で脱バインダ処理を行った後に、各圧電セラミックスの焼成温度にて、大気雰囲気中で焼成を行い、積層セラミックス焼結体を得た。このとき、積層セラミックスを電極面に平行な方向から研磨を行って、積層セラミックスにおける１層辺りのセラミックス層の厚みを確認した。
【００５８】
その後に、上記の積層セラミックス焼結体の内部電極が露出した両端部にＡｇから成る導電性ペーストを塗布し、８００℃で焼き付け処理を行って、正極及び負極とした。その後に、１００℃で２００Ｖを１０分間印加して分極処理を行い、多積層圧電アクチュエータとした（試料Ｎｏ．１およびＮｏ．３）。また、電界換算の影響を確認するために、層厚が２５μｍとなる試料においては、１００Ｖで１０分間印加して分極処理を行った試料も作製した（試料Ｎｏ．２）。このようにして多積層圧電アクチュエータを試作した。表１に作製した試料についてまとめた。
【００５９】
【表１】
2015012089.tif 000003
【００６０】
なお、層厚が５０μｍであるＮｏ．１の試料について、分極処理における電界強度を８ｋＶ／ｍｍにするためには、４００Ｖの電圧印加が必要であるが、そのような高電圧の印加は危険であり産業的規模での実施は非現実的である。例えば、直流３００Ｖ以上となる場合には省令（電気設備の技術基準の解釈）により安全の立場から大きな制限が発生し、産業的規模による実施は、事実上不可能である。
【００６１】
そして、試作した試料について、室温にて４００Ｖの電界を印加し、レーザードップラー変位計を用いて変位量を観測し、その変位におけるヒステリシスを確認した。印加電圧の波形には三角波を用いた。結果は図５、図６、図７に図示した。
【００６２】
試料Ｎｏ．１の結果によれば（図５）、その変位における電圧を印加した際の挙動が、昇圧時と減圧時で異なり、規定電圧における変位量が安定しない。
【００６３】
試料Ｎｏ．２の結果（図６）、試料Ｎｏ．３の結果（図７）によれば、セラミックス層の化学組成や層厚は同等であっても、分極条件により、非線形的な圧電効果（図６）、線形的な圧電効果（図７）を作り分けることが可能であることが判明した。
【００６４】
試料Ｎｏ．１〜３におけるセラミックス層がアルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を取ることは、Ｘ線回折分析にて確認した。
【００６５】
各試料について、セラミック層の比誘電率を測定したところ、試料１は９６０であり、試料２は９４０であり、試料３は４５０であった。
【００６６】
これらの結果は、アルカリ金属含有ニオブ酸系ペロブスカイト構造を取り、その結晶系がＺ＝１で評価できる単斜晶系であり、空間群においてＰｍといった極めて低対称な結晶構造を有することを特徴とした圧電セラミックスにおいて印加した電界強度によって、分極状態を制御した結果であると判断した。
【００６７】
したがって、多積層圧電セラミックスの一層当たりの層厚みを、２５μｍ以下とすることで、高い電界を印加することが可能となり、容易に変位におけるヒステリシス（最大電圧の１／２となる電圧において、電圧の上昇、降下における変位量の差が５０ｎｍ以下とすることができる。）を改善し、多積層圧電セラミック部品の変位応答の線形性を付与することができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば、圧電セラミック部品を得る際の分極過程において、電界強度の調節により圧電効果の挙動をコントロールして、電圧に対する機械的変位量の挙動について作り分けることが実証された。具体的には、電圧に対する機械的変位量は小さいがヒステリシスが小さく高度に線形的な挙動を示すもの、および、電圧と機械的変位量との関係は非線形的であるが比較的大きな変位量を呈するもの、の提供が可能になった。特に、線形性の変位応答をもつ圧電セラミック部品が鉛フリーの材料によって得ることができたことは、圧電セラミックスの応用範囲を広げることにつながる。例えば、印加電圧に対する変位量のヒステリシスが大幅に抑制されることを利用して、電圧に対する高精度な位置決めを行うことができる。これにより、例えば、本発明により得られる圧電セラミック部品を、位置決め用の圧電セラミックスアクチュエータとして応用することが容易になる。
【符号の説明】
【００６９】
１０１：圧電セラミックス素体
１０２ａ〜１０２ｇ：内部電極
１０３ａ、１０３ｂ：端子電極
５０１ａ〜５０１ｇ：セラミックスグリーンシート
５０２ａ、５０２ｂ：内部電極パターン
５０３ａ、５０３ｂ：内部電極パターンの形成されていないセラミックスグリーンシート
【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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