(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含むペロブスカイト型化合物を含有し、
結晶粒子と結晶粒界とを備えた焼結体で形成されると共に、前記結晶粒界に存在するＰｂが、前記焼結体の単位重量当たりの比率に換算し、６×１０-4以下であることを特徴とする圧電セラミック。
【請求項２】
Ｍｎ、Ｎｂ、及びＳｂの中から選択された少なくとも１種の元素が含有されていることを特徴とする請求項１記載の圧電セラミック。
【請求項３】
圧電体と内部電極とが交互に積層された積層焼結体を有し、
前記圧電体が、請求項１又は請求項２記載の圧電セラミックで形成されていることを特徴とする圧電セラミック電子部品。
【請求項４】
圧電体が入力部と出力部とを有し、前記入力部に供給された電圧信号が変圧されて前記出力部から出力する圧電セラミック電子部品であって、
前記圧電体が、請求項１又は請求項２記載の圧電セラミックで形成されていることを特徴とする圧電セラミック電子部品。
【請求項５】
前記入力部及び前記出力部の少なくともいずれか一方は、前記圧電体と内部電極とが交互に積層された積層構造を有していることを特徴とする請求項４記載の圧電セラミック電子部品。
【請求項６】
前記入力部及び前記出力部は、いずれも前記圧電体と内部電極とが交互に積層された積層構造を有すると共に、
前記内部電極の電極間距離が、前記入力部と前記出力部とで異なることを特徴とする請求項４記載の圧電セラミック電子部品。
【請求項７】
少なくともＰｂ化合物、Ｚｒ化合物、及びＴｉ化合物を含むセラミック素原料を調合し、仮焼してセラミック原料粉末を作製する原料粉末作製工程と、
前記セラミック原料粉末に成形加工を施し、セラミック成形体を作製する成形体作製工程と、
前記セラミック成形体を焼成し、焼結体を得る焼成工程とを含み、
前記焼成工程は、高温の所定温度で短時間焼成した後、前記所定温度より低い９００℃以下の温度で長時間焼成し、結晶粒界に存在するＰｂを前記焼結体の単位重量当たりの比率に換算し６×１０-4以下とすることを特徴とする圧電セラミックの製造方法。
【請求項８】
前記焼成工程は、２〜４℃／分の昇温速度で前記所定温度に昇温させ、２〜４℃／分の降温速度で前記所定温度から前記９００℃以下の温度に降温させることを特徴とする請求項７記載の圧電セラミックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電セラミック、圧電セラミック電子部品、及び圧電セラミックの製造方法に関し、より詳しくは圧電トランスや圧電アクチュエータ等のハイパワーデバイス用途に適した圧電セラミック、該圧電セラミックを使用した各種圧電セラミック電子部品、及び上記圧電セラミックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電セラミック電子部品は、様々な技術分野に使用されており、トランス、マイクロブロア、超音波モータ、霧化モジュールなどの共振大変位駆動型のハイパワーデバイスの分野にも広く応用されている。
【０００３】
また、この種の圧電セラミック電子部品に使用されるセラミック材料としては、良好な圧電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」という。）が広く使用されている。
【０００４】
ところで、上記したハイパワーデバイスでは、駆動時の発熱が更なる発熱を招き、温度制御が困難になるいわゆる熱暴走が生じ易く、このため圧電セラミック電子部品には高い機械的品質係数Ｑｍが求められる。圧電セラミック電子部品は、機械的品質係数Ｑｍが高いほどエネルギー損失が少なく、機械的品質係数Ｑｍが低いほどエネルギー損失が大きいことが知られている。そして、熱暴走により生じる熱エネルギーは、エネルギー損失となって外部に放出されることから、圧電セラミック電子部品には、機械的品質係数Ｑｍを高くしてエネルギー損失を低減することが求められる。
【０００５】
また、上述した圧電セラミック電子部品では、圧電性を発現させるためには予め分極処理を行う必要がある。
【０００６】
しかしながら、例えば圧電トランスの場合、入力部を圧電体と内部電極とを交互に積層させた積層構造とし、出力部を圧電体のみからなる単層構造とした場合、入力部と出力部とで構造が異なることから、入力部と出力部で焼結性に差異が生じ、所望のトランス特性を得ることができなくなるおそれがある。また、入力部と出力部とで分極方向も異なるため、分極時の歪によって入力部と出力部の境界付近に応力が集中し、分極時にクラック等の構造欠陥が発生するおそれがある。
【０００７】
そこで、特許文献１では、短冊状の板状体の長手方向の半分の一方に入力部が形成され、他方に出力部が形成されてなる圧電トランスであって、前記入力部は複数の圧電体層と内部電極層とが前記板状体の厚み方向に交互に積層された積層構造を有し、前記出力部は単層の圧電体からなり、前記入力部の比誘電率ε１を前記出力部の比誘電率ε２で除した値ε１／ε２が、０．８以上１．２以下である圧電トランスが提案されている。
【０００８】
また、特許文献１には、内部電極層はＡｇを主成分の１つとして含み、前記出力部を構成する圧電体に銀が含まれている。
【０００９】
この特許文献１では、入力部での内部電極中のＡｇの拡散及び出力部に添加されたＡｇの作用によって、圧電トランス全体でセラミック組成を均一化させ、これにより焼成時の収縮挙動の相違を緩和しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３１９７１８号公報（請求項１、２、段落[００４０]等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１では、単層構造の出力部にＡｇを添加しているものの、このＡｇは焼成過程においてセラミック内で偏析するおそれがある。そして、Ａｇとセラミックでは焼成時の収縮挙動に差があることから、Ａｇがセラミック内で偏析してしまうと、収縮挙動を緩和することができず、その結果、入力部と出力部との界面付近に応力が集中することとなり、分極時や駆動時にクラック等の構造欠陥が発生するおそれがある。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電セラミック、この圧電セラミックを使用した圧電トランスや圧電アクチュエータ等のハイパワーデバイスに適した各種圧電セラミック電子部品、及び上記圧電セラミック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】
【００１３】
本発明者は、上記目的を達成するためにＰＺＴ系材料を使用し鋭意研究を行ったところ、結晶粒界に存在するＰｂ（以下、「粒界Ｐｂ」という。）を焼結体の単位重量当たりの比率換算で６×１０-4（１ｇ当たり０．６ｍｇ）以下に抑制することにより、機械的強度を向上させることができ、これにより焼結性を損なうことなく、機械的品質係数Ｑｍが高く、かつクラック等の構造欠陥を抑制できる圧電セラミックを得ることができるという知見を得た。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、本発明に係る圧電セラミックは、少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含むペロブスカイト型化合物を含有し、結晶粒子と結晶粒界とを備えた焼結体で形成されると共に、粒界Ｐｂが、前記焼結体の単位重量当たりの比率に換算し、６×１０-4以下であることを特徴としている。
【００１５】
また、より良好な圧電特性を得る観点からは、圧電セラミック中にＭｎ、Ｎｂ、Ｓｂ等を含有するのも好ましい。
【００１６】
すなわち、本発明の圧電セラミックは、Ｍｎ、Ｎｂ、及びＳｂの中から選択された少なくとも１種の元素が含有されているのが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る圧電セラミック電子部品は、圧電体と内部電極とが交互に積層された積層焼結体を有し、前記圧電体が、上述した圧電セラミックで形成されていることを特徴としている。
【００１８】
これにより機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電セラミック電子部品としての圧電共振子や圧電アクチュエータ等を得ることができる。
【００１９】
また、本発明に係る圧電セラミック電子部品は、圧電体が入力部と出力部とを有し、前記入力部に供給された電圧信号を変圧して前記出力部から出力する圧電セラミック電子部品であって、前記圧電体が、上述した圧電セラミックで形成されていることを特徴としている。
【００２０】
これにより機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電セラミック電子部品としての圧電トランスを得ることができる。
【００２１】
また、本発明の圧電セラミック電子部品は、前記入力部及び前記出力部の少なくともいずれか一方は、前記圧電体と内部電極とが交互に積層された積層構造を有するのが好ましい。
【００２２】
これにより、例えば、入力部が積層構造を有し、出力部が単層構造を有する圧電トランスを得ることができる。
【００２３】
また、本発明の圧電セラミック電子部品は、前記入力部及び前記出力部は、いずれも前記圧電体と内部電極とが交互に積層された積層構造を有し、前記内部電極の電極間距離が、前記入力部と前記出力部とで異なるのも好ましい。
【００２４】
これにより入力部及び出力部の双方が積層構造を有する圧電トランスを得ることができる。
【００２５】
また、本発明者は製造方法について試行錯誤を繰り返したところ、焼成工程において、高温の所定温度で短時間焼成した後、前記所定温度より低い９００℃以下の温度で長時間焼成することにより、結晶粒界に存在するＰｂを焼結体の単位重量当たりの比率換算で６×１０-4以下に抑制できることが分かった。
【００２６】
すなわち、本発明に係る圧電セラミックの製造方法は、少なくともＰｂ化合物、Ｚｒ化合物、及びＴｉ化合物を含むセラミック素原料を調合し、仮焼してセラミック原料粉末を作製する原料粉末作製工程と、前記セラミック原料粉末に成形加工を施し、セラミック成形体を作製する成形体作製工程と、前記セラミック成形体を焼成し、焼結体を得る焼成工程とを含み、前記焼成工程は、高温の所定温度で短時間焼成した後、前記所定温度より低い９００℃以下の温度で長時間焼成し、結晶粒界に存在するＰｂを前記焼結体の単位重量当たりの比率に換算し６×１０-4以下とすることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の圧電セラミックの製造方法は、前記焼成工程が、２〜４℃／分の昇温速度で前記所定温度に昇温させ、２〜４℃／分の降温速度で前記所定温度から前記９００℃以下の温度に降温させるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧電セラミックによれば、少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含むペロブスカイト型化合物を含有し、結晶粒子と結晶粒界とを備えた焼結体で形成されると共に、粒界Ｐｂが、前記焼結体の単位重量当たりの比率に換算し、６×１０-4以下であるので、焼結性を損なうこともなく、機械的品質係数Ｑｍが高く、かつクラック等の構造欠陥を抑制できる圧電セラミックを得ることができる。
【００２９】
本発明の圧電セラミック電子部品によれば、圧電体と内部電極とが交互に積層された積層焼結体を有し、前記圧電体が、上述した圧電セラミックで形成されているので、機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電共振子や圧電アクチュエータ等を得ることができる。
【００３０】
また、本発明の圧電セラミック電子部品によれば、圧電体が入力部と出力部とを有し、前記入力部に供給された電圧信号を変圧して前記出力部から出力する圧電セラミック電子部品であって、前記圧電体が、上述した圧電セラミックで形成されているので、機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電トランスを得ることができる。
【００３１】
また、本発明の圧電セラミックの製造方法によれば、上述した原料粉末作製工程、成形体作製工程、及び焼成工程とを含み、前記焼成工程は、高温の所定温度で短時間焼成した後、前記所定温度より低い９００℃以下の温度で長時間焼成し、粒界Ｐｂを焼結体の単位重量当たりの比率換算で６×１０-4以下とするので、粒界Ｐｂの析出量が抑制されることから、焼結性を損なうことなく、機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制できる圧電セラミックを高効率で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る圧電セラミックの微細構造の一実施の形態を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係る圧電セラミックの製造方法で使用される焼成プロファイルの一実施の形態を示す図である。
【図３】本発明に係る圧電セラミック電子部品の第１の実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る圧電セラミック電子部品の第２の実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る圧電セラミック電子部品の第３の実施の形態を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
【００３４】
図１は、本発明に係る圧電セラミックの微細構造を示す模式断面図である。
【００３５】
本圧電セラミックは、少なくともＰｂ、Ｚｒ及びＴｉを含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト型化合物を含有し、結晶粒子１と結晶粒界２とを備えた焼結体３で形成されている。尚、結晶粒界２にはいわゆる結晶三重点２ａも含まれる。
【００３６】
そして、本実施の形態では、結晶粒界２に存在する粒界Ｐｂが、焼結体３の単位重量当たりの比率に換算し、６×１０-4（１ｇ当たり０．６ｍｇ）以下とされている。
【００３７】
そして、これにより低温で焼成しても焼結性を損なうことなく、機械的品質係数Ｑｍが高く、クラック等の構造欠陥の発生を抑制することのできる圧電セラミックを得ることができる。
【００３８】
具体的には９００℃程度の低温で長時間焼成しても、２０００以上の高い機械的品質係数Ｑｍを有し、かつ１１０ＭＰａ以上の高い抗折強度を有する機械的強度の良好なクラック等の構造欠陥の発生を抑制することのできる圧電セラミックを得ることができる。
【００３９】
尚、本圧電セラミックはＰＺＴ系のペロブスカイト化合物を含むものであれば、必要に応じ添加成分、例えば、Ｍｎ、Ｎｂ、及びＳｂのうち少なくとも１種を含有してもよく、これにより、より一層の圧電特性の向上を図ることが可能である。
【００４０】
次に、上記圧電セラミックの製造方法を詳述する。
【００４１】
まず、セラミック素原料として、少なくともＰｂを含有したＰｂ化合物、Ｚｒを含有したＺｒ化合物、及びＴｉを含有したＴｉ化合物を用意し、必要に応じてＭｎを含有したＭｎ化合物、Ｎｂを含有したＮｂ化合物、Ｓｂを含有したＳｂ化合物等を用意する。
【００４２】
そして、焼結後に所定の組成比となるように上記セラミック素原料を秤量する。次いで、これらの秤量物を部分安定化ジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入し、純水やエタノール等を溶剤として十分に湿式混合処理を行ない、脱水した後、大気雰囲気下、温度８００℃〜１０００℃で仮焼し、セラミック原料粉末を得る。
【００４３】
次に、このセラミック原料粉末を解砕した後、ポリビニルアルコール樹脂などの有機バインダを添加し、再び粉砕媒体の内有されたボールミルに投入して十分に湿式で粉砕し、スラリーを作製する。
【００４４】
次いで、このスラリーにドクターブレード法等の成形加工を行い、セラミックグリーンシートを作製し、このセラミックグリーンシートを積層し、圧着してセラミック成形体を作製する。
【００４５】
次に、このセラミック成形体を匣（さや）に入れ、炉内に載置し焼成処理を行う。
【００４６】
図２は、焼成処理時の焼成プロファイルを示す図である。
【００４７】
まず、所定の昇温速度（例えば、２〜４℃／分）で炉内温度を高温の所定温度（以下、「第１の所定温度Ｔ１」という。）（例えば、１０００〜１１００℃）に急速に昇温させ、この第１の所定温度Ｔ１で短時間Δｔ１（例えば、１〜３分）焼成し（第１段階）、その後所定の降温速度（例えば、例えば、２〜４℃／分）で急速に９００℃以下の温度、例えば、８００〜９００℃（以下、この温度を「第２の所定温度Ｔ２」という）に降温させ、この第２の所定温度Ｔ２で長時間Δｔ２（例えば、１０００〜１５００分）焼成し（第２段階）、焼成処理を完了する。
【００４８】
これにより仮焼段階でＰＺＴとして合成されなかったＰｂ化合物が粒界に析出するのを抑制でき、粒界Ｐｂを焼結体３の単位重量当たりの比率に換算して６×１０-4以下に抑制することができる。
【００４９】
すなわち、セラミック素原料からセラミック原料粉末を合成する仮焼段階で、セラミック素原料中のＰｂ成分の一部は合成に寄与せず、未反応状態のまま残存し、斯かる未反応のＰｂ成分が焼成段階で結晶粒界１に析出すると考えられる。
【００５０】
そして、１段階プロセスで焼成した場合、焼成温度を高くすると、結晶粒界１に析出したＰｂは蒸発することから、粒界Ｐｂは少なくなると考えられる。しかしながら、焼成温度が高いことから熱エネルギーも大きく、このためセラミック原料粉末の粒成長が促進され、結晶粒子の平均粒径が大きくなって粗大化し、その結果、機械的強度の低下を招くおそれがある。
【００５１】
一方、焼成温度を低くした場合は、Ｐｂの蒸発が進まないため粒界Ｐｂが多くなる。一方、結晶粒子の粒径は小さくなるものの、結晶粒子の再配列が行われないため、緻密な焼結体が得られない。
【００５２】
そこで、本実施の形態では、焼成処理を２段階に分け、第１段階では高温の第１の所定温度Ｔ１で短時間Δｔ１の焼成を行い、これにより粒成長を促進させることなく結晶粒子１の再配列を行なっている。続く第２段階では、第１の所定時間Ｔ１よりも低い第２の所定温度Ｔ２に降温させ、この第２の所定温度Ｔ２で長時間Δｔ２の焼成を行っている。そしてこれにより粒成長を抑制しながら、粒界Ｐｂの蒸発を進行させ、焼結性の良好な圧電デバイスを得ている。
【００５３】
尚、第１の所定温度Ｔ１への昇温及び第１の所定温度Ｔ１から第２の所定温度Ｔ２への降温は、急速であるのが好ましく、これら昇温速度及び降温速度をいずれも大きくすることにより、粒界Ｐｂの析出を効果的に抑制することができる。
【００５４】
また、焼成時の焼成雰囲気は、特に限定されるものではないが、低酸素雰囲気で焼成するのが好ましい。
【００５５】
特に、後述する内部電極を有する積層型のセラミック電子部品を作製する場合、内部電極材料のセラミック原料粉末側への拡散を防止する観点から、低酸素雰囲気で焼成するのが好ましい。
【００５６】
また、例えば、ＰＺＴにＭｎを含有して圧電セラミックを形成する場合は、ＭｎをＢサイトに固溶させる必要があり、Ｍｎの価数等の関係からＭｎが酸化されないような低酸素雰囲気で焼成するのが好ましい。
【００５７】
次に、本圧電セラミックを使用した圧電セラミック電子部品について詳述する。
【００５８】
図３は圧電セラミック電子部品の第１の実施の形態を示す模式断面図であり、本第１の実施の形態は、圧電アクチュエータの一例を示している。
【００５９】
この圧電アクチュエータは、本発明の圧電セラミックで形成された圧電体４ａ〜４ｈと内部電極５ａ〜５ｇとを備えた積層焼結体６を有し、積層焼結体６の外表面に外部電極７ａ、７ｂが形成されている。圧電体４ｂ、４ｄ、４ｆ、４ｈは矢印Ａ方向に分極され、圧電体４ｃ、４ｅ、４ｇは矢印Ｂ方向に分極されている。すなわち、圧電体４ｂ〜４ｈは、各層毎に分極方向が逆向きとなるように構成されている。
【００６０】
積層焼結体６は、圧電体４ａ〜４ｈと内部電極５ａ〜５ｇとが交互に積層され、内部電極５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｇが一方の外部電極７ａと電気的に接続され、内部電極５ｂ、５ｄ、５ｆが他方の外部電極７ｂと電気的に接続されている。
【００６１】
尚、内部電極材料や外部電極材料は、特に限定されるものではないが、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄを好んで使用することができる。
【００６２】
この圧電アクチュエータでは、外部電極７ａ、７ｂに電圧が印加されると、逆圧電効果により矢印Ｘ方向に変位し、機械的エネルギーが取り出され、各種電子機器を高精度に制御することができる。
【００６３】
そして本第１の実施の形態では、圧電体４ａ〜４ｈが本発明の圧電セラミックで形成されているので、機械的品質係数Ｑｍが高く、高電界駆動時や分極時にクラック等の構造欠陥の発生が抑制された機械的強度の良好なハイパワーデバイス用途に適した圧電アクチュエータを得ることができる。
【００６４】
この圧電アクチュエータは、以下のようにして容易に製造することができる。
【００６５】
導電性ペーストを用意し、上記圧電セラミックの製造過程で作製されたセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により導電性ペーストを塗布して所定の導電パターンを形成する、次いで導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートを所定方向に積層した後、導電パターンが形成されていないセラミックグリーンシートを最上層に載置し、熱圧着して積層成形体を作製する。次いで、この積層成形体を上述した２段階の焼成プロセスで焼成し、圧電体４ａ〜４ｈと内部電極５ａ〜５ｇとが交互に配された積層焼結体６を得る。その後、真空蒸着法等を使用して積層焼結体６の外表面に外部電極７ａ、７ｂを形成する。そしてこの後、加熱下、外部電極７ａ、７ｂに電界を所定時間印加し、各層毎に分極方向が逆向きとなるように矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向に分極処理を行い、これにより圧電アクチュエータが作製される。
【００６６】
図４は圧電セラミック電子部品の第２の実施の形態を示す模式断面図であり、本第２の実施の形態は、圧電トランスの一例を示している。
【００６７】
本発明の圧電セラミックで形成された圧電体８が、入力部９と出力部１０とを有し、入力部９に供給された電圧信号が変圧されて出力部１０から出力するように構成されている。
【００６８】
入力部９は、具体的には、圧電体１１ａ〜１１ｊと内部電極１２ａ〜１２ｈとが交互に積層された積層構造を有し、圧電体１１ａの下面及び圧電体１１ｊの上面には入力電極１３ａ、１３ｂが形成され、内部電極１２ａ〜１２ｈは入力電極１３ａ、１３ｂと電気的に接続されている。そして、圧電体１１ａ、１１ｃ、１１ｅ、１１ｇ、１１ｉは矢印Ｃ方向に分極され、圧電体１１ｂ、１１ｄ、１１ｆ、１１ｈ、１１ｊは矢印Ｄ方向に分極されている。すなわち、圧電体１１ａ〜１１ｊは、各層毎に分極方向が逆向きとなるように構成されている。
【００６９】
また、出力部１０は、内部電極を有さない単層構造とされ、出力電極１４が一端面に形成され、矢印Ｅ方向に分極されている。
【００７０】
このように形成された圧電トランスは、入力電極１３ａ、１３ｂに共振周波数の交流電圧が印加されると、逆圧電効果により機械的エネルギーに変換され機械振動が励起される。次いで、この機械振動が圧電効果により電気エネルギーに変換され、入力部９と出力部１０との容量比に応じ昇圧された電圧信号が出力電極１４から出力される。
【００７１】
そして、本第２の実施の形態では、圧電体８、１１ａ〜１１ｊが本発明の圧電セラミックで形成されているので、機械的品質係数Ｑｍが高く、高電界駆動時や分極時にクラック等の構造欠陥の発生が抑制された機械的強度の良好な圧電トランスを得ることができる。
【００７２】
尚、第２の実施の形態においても、内部電極材料や外部電極材料は、特に限定されるものではないが、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄを好んで使用することができる。
【００７３】
また、この圧電トランスは、上述した圧電アクチュエータと同様、以下のようにして容易に製造することができる。
【００７４】
すなわち、導電性ペーストを用意し、上記圧電セラミックの製造過程で作製されたセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により導電性ペーストを塗布し、入力部９に相当する部位に所定の導電パターンを形成する、次いで、導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートを所定枚数積層した後、熱圧着して積層成形体を作製する。次いで、この積層成形体を上述した２段階の焼成プロセスで焼成し、入力部９が圧電体１１ａ〜１１ｊと内部電極１２ａ〜１２ｈとが交互に配された積層構造とされ、出力部１０が単層構造とされた焼結体を得る。その後、真空蒸着法等を使用して入力部９の上面及び下面に入力電極１３ａ、１３ｂを形成し、さらに出力部１０の端面に出力電極１４を形成する。そしてこの後、加熱下、入力電極１３ａ、１３ｂと出力電極１４との間に電界を所定時間印加し、出力部１０を矢印Ｅ方向に分極する。そしてこの後、所定温度に加熱下、入力部９の分極方向が各層毎に逆向きとなるように入力電極１３ａと入力電圧１３ｂとの間に電界を所定時間印加し、矢印Ｃ方向及び矢印Ｄ方向に分極処理を行い、これにより圧電トランスが作製される。
【００７５】
図５は圧電セラミック電子部品の第３の実施の形態を示す模式断面図であり、本第３の実施の形態は、圧電トランスの他の例を示している。
【００７６】
本第３の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様、本発明の圧電セラミックで形成された圧電体１５が、入力部１６と出力部１７とを有し、入力部１６に供給された電圧信号が変圧されて出力部１７から出力するように構成されている。
【００７７】
そして、この圧電トランスは、入力部１６及び出力部１７がいずれも内部電極を有する積層構造とされ、かつ入力部１６と出力部１７とで内部電極の電極間距離が異なっている。
【００７８】
すなわち、入力部１６は、圧電体１８ａ〜１８ｅと内部電極１９ａ〜１９ｄとが交互に積層された積層構造を有し、入力部１６の側面には入力電極２０ａ、２０ｂが形成されている。具体的には、内部電極１９ａ、１９ｃは一方の入力電極２０ａに電気的に接続され、内部電極１９ｂ、１９ｄは他方の入力電極２０ｂに電気的に接続されている。そして、圧電体１８ｂ〜１８ｄは、各層毎に分極方向が逆向きとなるように矢印Ｆ方向又は矢印Ｇ方向に分極されている。
【００７９】
一方、出力部１７は、圧電体２１ａ〜２１ｉと内部電極２２ａ〜２２ｉとが交互に積層された積層構造を有し、出力部１７の側面には出力電極２３ａ、２３ｂが形成されている。具体的には、内部電極２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇ、２２ｉは一方の出力電極２３ａに電気的に接続され、内部電極２２ｂ、２２ｄ、２２ｆ、２２ｈは他方の出力電極２３ｂに電気的に接続されている。そして、圧電体２１ｂ〜２１ｉは、各層毎に分極方向が逆向きとなるように矢印Ｈ方向又は矢印Ｉ方向に分極されている。
【００８０】
そして、本第３の実施の形態では、出力部１７の内部電極２２ａ〜２２ｉの電極間距離が、入力部１６の内部電極１９ａ〜１９ｄの内部電極距離よりも短くなるように出力部１７と入力部１６とで内部電極の電極間距離を異ならせている。
【００８１】
このように形成された圧電トランスは、入力電極２０ａ、２０ｂに共振周波数の交流電圧が印加されると、逆圧電効果により機械的エネルギーに変換され機械振動が励起される。次いで、この機械振動が圧電効果により電気エネルギーに変換され、出力電極２３ａ、２３ｂからは容量比に応じて降圧された電圧信号が出力される。
【００８２】
そして、本第３の実施の形態では、圧電体１８ａ〜１８ｅ、２１ａ〜２１ｉが本発明の圧電セラミックで形成されているので、第２の実施の形態と同様、機械的品質係数Ｑｍが高く、高電界駆動時や分極時にクラック等の構造欠陥の発生が抑制された機械的強度の良好な圧電トランスを得ることができる。
【００８３】
尚、第３の実施の形態においても、内部電極材料や外部電極材料は、特に限定されるものではないが、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄを好んで使用することができる。
【００８４】
また、この圧電トランスは、上述した圧電アクチュエータや圧電トランスと同様、以下のようにして容易に製造することができる。
【００８５】
すなわち、厚みが異なる２種類のセラミックグリーンシート（入力用セラミックグリーンシート及び出力用セラミックグリーンシート）を作製する。次いで、導電性ペーストを用意し、前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により導電性ペーストを塗布し所定の導電パターンを形成する、次いで、導電パターンが形成されたセラミックグリーンシートを所定枚数積層した後、導電パターンの形成されていないセラミックグリーンシートを両端に配し、熱圧着して積層成形体を作製する。次いで、この積層成形体を上述した２段階の焼成プロセスで焼成し、入力部１６が圧電体１８ａ〜１８ｅと内部電極１９ａ〜１９ｄとが交互に配された積層構造とされ、出力部１７が圧電体２１ａ〜２１ｉと内部電極２２ａ〜２２ｉとが交互に配された積層構造とされ、内部電極の電極間距離が異なる焼結体を得る。その後、真空蒸着法等を使用して入力部１６及び出力部１７の両側面に入力電極２０ａ、２０ｂ、及び出力電極２３ａ、２３ｂを形成する。そしてこの後、加熱下、分極方向が各層毎に逆向きとなるように電界を所定時間印加し、分極処理を行い、これにより圧電トランスが作製される。
【００８６】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、圧電セラミック電子部品の一例として第１の実施の形態では、圧電アクチュエータについて詳述したが、類似の構造を有する圧電共振子や圧電フィルタにも適用できるのはいうまでもない。
【００８７】
また、本発明の特性を損なわない範囲内であれば、不可避不純物として微量のＦｅ、Ｃｌ、Ｓｉ、Ａｌ等が含有していてもよい。
【００８８】
さらに、セラミック素原料であるＰｂ化合物、Ｔｉ化合物、Ｚｒ化合物等の具体的な形態としては、炭酸塩、水酸化物、酸化物等、いずれの形態であってもよい。
【００８９】
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００９０】
［試料の作製］
（試料番号１、２）
セラミック素原料としてＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、及びＭｎＣＯ３を用意した。そして、これらのセラミック素原料を焼成後の成分組成がＰｂ1.00｛Ｚｒ0.46Ｔｉ0.47（Ｍｎ1.1／3Ｎｂ1.9/3）0.07｝Ｏ３となるように秤量した。次いで、この秤量物をＰＳＺボールと共にボールミルに投入し、１００時間湿式で混合粉砕した。その後、脱水、乾燥した後、９００℃の温度で２時間仮焼し、セラミックス原料粉末を合成した。
【００９１】
次に、セラミック原料粉末を有機バインダや溶媒と混合させてスラリーを作製した後、ドクターブレード法で成形加工を施し、厚みが３８．５μｍのシートを作製し、打ち抜き加工を行って所定寸法のセラミックグリーンシートを得た。
【００９２】
次に、ＡｇとＰｄの重量比が７：３に調製された導電性ペーストを用意した。
【００９３】
次いで、この導電性ペーストを使用し、スクリーン印刷法でセラミックグリーンシートの表面に所定の導電パターンを形成し、導電パターンの形成されたセラミックグリーンシートを所定方向に１０枚積層した後、導電パターンの形成されていないセラミックグリーンシートを最上層に配し、熱圧着して積層成形体を作製した。
【００９４】
次に、５００℃で脱脂処理を行った後、酸素分圧が３．０６×１０-5ＭＰａの低酸素雰囲気下、焼成処理を行った。具体的には昇温速度３℃／minで１０２５℃（第１の所定温度）まで昇温させ、この１０２５℃で１分の短時間焼成を行い（第１段階）、その後、降温速度２．３℃／minで８９０℃（第２の所定温度）まで降温させ、この８９０℃で１２００分焼成を行い（第２段階）、積層焼結体を得た。
【００９５】
次いで、積層焼結体の表面にＡｇを蒸着させ、外部電極を形成した後、温度１５０℃下、３．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加して分極処理を行い、これにより試料番号１、２の試料を得た。作製された試料の外形寸法は長さ１３ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．６ｍｍであった。
【００９６】
（試料番号３）
焼成処理を１０５０℃で４８０分を行い、焼成プロセスを２段階に分けずに１段階で行った以外は試料番号１、２と同様の方法・手順で試料番号３の試料を作製した。
【００９７】
［試料の評価］
試料番号１〜３の各試料について、焼結密度、粒界Ｐｂ、機械的品質係数Ｑｍ、及び抗折強度を測定した。
【００９８】
具体的には焼結密度は、アルキメデス法を使用して測定した。
【００９９】
また、粒界Ｐｂは、積層焼結体で硝酸に浸漬させてＰｂを溶出させ、誘導結合プラズマ発行分光分析（ＩＣＰ-ＡＥＳ）を使用して所定時間内のＰｂの溶出量を測定し、焼結体の単位重量当たりの比率に換算し、析出量を算出した。
【０１００】
機械的品質係数Ｑｍは、インピーダンスアナライザー(アジレント・テクノロジー社製：４１９４Ａ)を使用し、日本電子材料工業会標準規格(ＥＭＡＳ-６１００)に準拠し、共振−反共振法で測定した。
【０１０１】
抗折強度は、別途、内部電極を有さない長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．６ｍｍの試料を作製し、微小強度評価試験機（島津製作所社製：マイクロオートグラフＭＳＴ-Ｉ）を使用して測定した。
【０１０２】
表１は、試料番号１〜３の各試料の測定結果を示している。
【０１０３】
【表１】
0006627440.tif 000002
【０１０４】
試料番号３は、粒界Ｐｂが１．１×１０-3であり６×１０-4を超えているため、抗折強度が１００．１ＭＰaと低く、十分な強度が得られなかった。また、機械的品質係数Ｑｍは１８５５となって２０００以下に低下し、十分な圧電特性が得ることができなかった。これは焼成処理を高温の１段階プロセスで行っているため、粒界のＰｂが蒸発しやすいものの、焼結するまでの時間が短いために焼成後の粒界Ｐｂの量が多くなり、このため抗折強度や圧電特性（Ｑｍ）の低下を招いたものと思われる。
【０１０５】
これに対し試料番号１、２は、焼成処理を２段階プロセスで行っているので、粒界Ｐｂを６×１０-4以下に抑制することができ、その結果抗折強度が１１０ＭＰａ以上、機械的品質係数Ｑｍが２０００以上となり、高強度、高圧電特性の圧電セラミックが得られることが分かった。これは２段階プロセスでは、第１段階の高温焼成は短時間であるので、Ｐｂの蒸発は進まないが、第２段階の低温焼成ではＰｂの蒸発速度は遅いものの、長時間保持していることからＰｂの蒸発が促進され、その結果、略同一の焼結密度で比較した場合、焼成後の粒界Ｐｂの量は少なくなったものと思われる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
高い機械的品質係数Ｑｍを有し、機械的強度が良好なハイパワーデバイスに好適な圧電セラミック、及びこれを使用した各種圧電セラミック電子部品を実現する。
【符号の説明】
【０１０７】
１  結晶粒子
２  結晶粒界
３  焼結体
４ａ〜４ｈ  圧電体
５ａ〜５ｇ  内部電極
６  積層焼結体
８、１１ａ〜１１ｉ  圧電体
９  入力部
１０  出力部
１２ａ〜１２ｈ  内部電極
１５  圧電体
１６  入力部
１７  出力部
１８ａ〜１８ｅ、２１ａ〜２１ｉ  圧電体
１９ａ〜１９ｄ、２２ａ〜２２ｉ  内部電極
【図１】
0006627440.tif 000003
【図２】
0006627440.tif 000004
【図３】
0006627440.tif 000005
【図４】
0006627440.tif 000006
【図５】
0006627440.tif 000007