(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸ジルコン酸鉛を主相とし、チタン酸ジルコン酸鉛とは異なる成分を異相とする圧電体と、
前記圧電体に設けられる一対の電極と、
を備え、
前記圧電体は、表面から１０μｍ以内の表面領域と、前記表面から１０μｍ超の内部領域とを有し、
前記表面領域の断面における前記異相の面積占有率は、前記内部領域の断面における前記異相の面積占有率よりも０．７５％以上大きく、
前記表面領域の断面における前記異相の面積占有率は、１．６％以上であり、
前記内部領域の断面における前記異相の面積占有率は、１．３％以下である、
圧電素子。
【請求項２】
前記表面領域を構成するチタン酸ジルコン酸鉛粒子の平均粒径は、前記内部領域を構成するチタン酸ジルコン酸鉛粒子の平均粒径よりも小さい、
請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記表面領域の断面における前記異相の平均円相当径は、前記内部領域の断面における前記異相の平均円相当径よりも大きい、
請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記表面領域の断面における前記異相の個数は、前記内部領域の断面における前記異相の個数よりも多い、
請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電セラミックス材料によって構成される圧電体と、圧電体に設けられる一対の電極とを備える圧電素子が知られている。圧電素子は、電圧の印加によって圧電体が変形する逆圧電効果を利用したアクチュエータ、インクジェットヘッド、スピーカー、ブザー及びレゾネータや、圧電体に加えられる力を電圧に変換する圧電効果を利用したジャイロセンサ及びショックセンサなどに用いられる。
【０００３】
圧電体を構成する圧電セラミックス材料としては、高い電気機械結合係数と高い圧電定数を両立可能なチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１９５０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電体に機械的負荷がかかると、圧電体の表面にクラックが発生する場合がある。そこで、ＰＺＴ粒子の粒成長を抑制して粒径を小さくすることによって、圧電体の機械的強度を向上させることが考えられるが、ＰＺＴ粒子の粒径を小さくすると圧電体の変位特性が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、表面クラックを抑制しつつ変位特性の低下を抑制可能な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】
【０００７】
本発明に係る圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛を主相とし、チタン酸ジルコン酸鉛とは異なる成分を異相とする圧電体と、圧電体に設けられる一対の電極とを備える。圧電体は、表面から１０μｍ以内の表面領域と、表面から１０μｍ超の内部領域とを有する。表面領域の断面における異相の面積占有率は、内部領域の断面における異相の面積占有率よりも０．７５％以上大きい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表面にクラックが発生することを抑制可能な圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧電素子の構成を示す斜視図
【図２】図１のII−II断面図
【図３】表面領域断面の反射電子像の一例
【図４】表面領域断面の二次電子像の一例
【図５】反射電子像を二値化した画像の一例
【図６】ＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕの算出方法を説明するためのＳＥＭ画像
【図７】圧電素子の製造方法を説明するための図
【図８】３点曲げ試験方法を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（圧電素子１の構成）
１．概要
図１は、実施形態に係る圧電素子１の構成を示す斜視図である。圧電素子１は、圧電体３、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を備える。第１電極Ｅ１は、第１内部電極５と第１外部電極７を有する。第２電極Ｅ２は、第２内部電極１５と第２外部電極９を有する。圧電素子１は、例えば、ハードディスク装置（ＨＤＤ）のヘッドサスペンションに設けられるヘッドスライダを駆動するためのアクチュエータとして好適に用いられる。
【００１１】
２．圧電体３
圧電体３は、長手方向に延びる略直方体状に形成される。圧電体３は、一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆを有する。一対の端面３ａ，３ｂ、一対の第１側面３ｃ，３ｄ及び一対の第２側面３ｅ，３ｆは、圧電体３の表面である。一対の端面３ａ，３ｂは、長手方向に対して垂直であり、互いに対向する。一対の第１側面３ｃ，３ｄは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、長手方向と平行に延びており、互いに対向する。一対の第２側面３ｅ，３ｆは、一対の第１側面３ｃ，３ｄと直交する。
【００１２】
圧電体３は、圧電セラミック材料によって構成される。圧電体３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）を主相（主成分）として含有する。圧電体３は、ＰＺＴとは異なる成分を異相（異成分）として含有する。異相を構成する材料としては、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）及びこれらのうち２以上を組み合わせた混合材料が挙げられる。また、圧電体３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）を副成分として含有していてもよい。圧電体３の微構造については後述する。
【００１３】
３．第１電極Ｅ１
第１内部電極５は、圧電体３に埋設される。第１内部電極５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第１内部電極５は、板状に形成される。第１内部電極５は、端面３ａに露出し、かつ、端面３ｂには露出しない。第１内部電極５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第１内部電極５は、例えばＰｔによって構成することができる。第１内部電極５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
【００１４】
第１外部電極７は、第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３を有する。第１電極部７１は、端面３ａ上に配置される。第１電極部７１は、端面３ａの略全部を覆う。第２電極部７２は、第１側面３ｃ上に配置される。第２電極部７２は、第１側面３ｃの一端部を覆う。第３電極部７３は、第１側面３ｄ上に配置される。第３電極部７３は、第１側面３ｄの半分以上を覆う。第３電極部７３は、第２内部電極１５と対向する。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３は、一体的に形成される。第１電極部７１は、端面３ａに露出する第１内部電極５に連結される。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３は、例えばＰｔによって構成することができる。第１電極部７１、第２電極部７２及び第３電極部７３それぞれの厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
【００１５】
４．第２電極Ｅ２
第２内部電極１５は、圧電体３に埋設される。第２内部電極１５は、一対の第１側面３ｃ，３ｄと平行に形成される。第２内部電極１５は、第１内部電極５と第３電極部７３の間に配置される。第２内部電極１５は、板状に形成される。第２内部電極１５は、端面３ｂに露出し、かつ、端面３ａには露出しない。第２内部電極１５は、一対の第２側面３ｅ，３ｆそれぞれに露出する。第２内部電極１５は、例えばＰｔによって構成することができる。第２内部電極１５の厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
【００１６】
第２外部電極９は、第１電極部９１及び第２電極部９２を有する。第１電極部９１は、端面３ｂ上に配置される。第１電極部９１は、端面３ｂの略全部を覆う。第２電極部９２は、第１側面３ｃ上に配置される。第２電極部９２は、第１側面３ｃの半分以上を覆う。第２電極部９２は、第１内部電極５と対向する。第１電極部９１及び第２電極部９２は、一体的に形成される。第１電極部９１は、端面３ｂに露出する第２内部電極１５に連結される。第１電極部９１及び第２電極部９２は、例えばＰｔによって構成することができる。第１電極部９１及び第２電極部９２それぞれの厚みは特に制限されないが、例えば０．５μｍ〜３．０μｍにすることができる。
【００１７】
圧電素子１において、第１内部電極５及び第１外部電極７は圧電体３に電界を印加するための第１電極Ｅ１として機能し、第２内部電極１５及び第２外部電極９は圧電体３に電界を印加するための第２電極Ｅ２として機能する。圧電体３のうち、第２電極部９２と第１内部電極５によって挟まれた領域、第１内部電極５と第２内部電極１５とで挟まれた領域、及び第２内部電極１５と第３電極部７３とで挟まれた領域は、印加された電界に応じて変位する活性領域である。
【００１８】
（圧電体３の微構造）
１．表面領域３１と内部領域３２
図２は、図１のII−II断面図である。圧電体３は、表面領域３１と内部領域３２とを有する。
【００１９】
表面領域３１は、圧電体３の第１側面３ｃから１０μｍ以内の領域である。表面領域３１は、内部領域３２上に形成される。表面領域３１は、層状に形成される。内部領域３２は、圧電体３の第１側面３ｃから１０μｍ超の領域である。内部領域３２は、表面領域３１の内側に配置される。
【００２０】
２．異相の面積占有率Ｒ
表面領域３１及び内部領域３２それぞれは、主相としてＰＺＴを含有する。表面領域３１におけるＰＺＴの含有率は、９６ｖｏｌ％以上とすることができる。内部領域３２におけるＰＺＴの含有率は、９７ｖｏｌ％以上とすることができる。表面領域３１は、異相としてＰＺＴ以外の成分を含有する。内部領域３２は、異相を含有していてもよいし、異相を含有していなくてもよい。
【００２１】
本実施形態において、表面領域３１の断面における異相の面積占有率Ｒ１は、内部領域３２の断面における異相の面積占有率Ｒ２よりも０．７５％以上大きい。これによって、圧電体３の焼成時に、表面領域３１を構成するＰＺＴ粒子の粒成長が異相の存在によって抑制されるため、表面領域３１を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径を小さくすることができる。その結果、圧電体３の表面における機械的強度を向上させることができるため、圧電体３の表面にクラックが発生することを抑制できる。また、圧電体３の焼成時に、内部領域３２を構成するＰＺＴ粒子の粒成長が異相によって阻害されにくいため、内部領域３２を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径が大きくなり変位特性の低下が抑制される。
【００２２】
ここで、表面領域３１における異相の面積占有率Ｒ１と、内部領域３２における異相の面積占有率Ｒ２との算出方法について説明する。面積占有率Ｒ１と面積占有率Ｒ２の算出方法は同じであるため、以下においては面積占有率Ｒ１の算出方法について説明する。
【００２３】
まず、反射電子検出器付きＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて、表面領域３１断面の反射電子像と二次電子像を取得する。観察範囲は、深さ方向１０μｍ×面方向２０μｍの矩形領域とする。ＳＥＭの加速電圧は１０．０ｋＶとし、観察倍率は５０００倍とする。反射電子像を取得する際には、異相が暗く表示されるようにコントラストと明るさを調整する。そして、反射電子像と二次電子像を比較して、反射電子像上において気孔を白色で塗りつぶす。図３は、表面領域３１断面における気孔を白色で塗りつぶした後の反射電子像の一例である。図４は、表面領域３１断面の二次電子像の一例である。
【００２４】
次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐ（ＵＲＬ；http://fishers.dtdns.net/software/pickmap/index.html#1）を用いて、ＳＥＭ画像と一致するようにＲＧＢの平均値を閾値として、反射電子像を白と黒に二値化する。図５は、反射電子像を二値化した画像の一例である。図５では、異相が黒で表示され、異相以外が白で表示されている。そして、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて算出される異相の合計面積に基づいて、観察範囲における異相の面積占有率を取得する。
【００２５】
以上のように取得される面積占有率を表面領域３１断面の５箇所で取得して、５つの面積占有率の算術平均値を「面積占有率Ｒ１」とする。面積占有率を測定する５箇所は、長手方向において表面領域３１を均等に６分割して得られる５断面とする。
【００２６】
表面領域３１の断面における異相の面積占有率Ｒ１は、１．６％以上であることが好ましく、２．０％以上であることがより好ましい。内部領域３２の断面における異相の面積占有率Ｒ２は、１．３％以下であることが好ましく、１．０％以下であることがより好ましい。
【００２７】
２．異相の平均円相当径Ｓ
表面領域３１の断面における異相の平均円相当径Ｓ１は、内部領域３２の断面における異相の平均円相当径Ｓ２よりも大きいことが好ましい。表面領域３１における異相の平均円相当径Ｓ１は特に制限されないが、０．５μｍ以上２．０μｍ以下とすることができる。内部領域３２における異相の平均円相当径Ｓ２は特に制限されないが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下とすることができる。
【００２８】
異相の円相当径は、ＳＥＭ画像を二値化した画像において、各異相の断面積と同じ面積を有する円の直径である。異相の平均円相当径Ｓは、１枚の二値化画像（深さ方向１０μｍ×面方向２０μｍ）において観察される全異相の円相当径の算術平均値である。
【００２９】
また、表面領域３１の断面における異相の個数Ｔ１は、内部領域３２の断面における異相の個数Ｔ２よりも多い。異相の個数Ｔは、１枚の二値化画像（深さ方向１０μｍ×面方向２０μｍ）において観察される異相の総個数である。
【００３０】
３．ＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕ
また、表面領域３１を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕ１は、内部領域３２を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕ２よりも小さい。表面領域３１を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕ１は特に制限されないが、０．９０μｍ以下とすることができ、０．８５μｍ以下が好ましい。内部領域３２を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕ２は特に制限されないが、０．９５μｍ以上とすることができ、１．０μｍ以上が好ましい。
【００３１】
図６は、ＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕの算出方法を説明するためのＳＥＭ画像（反射電子像）である。ＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕの算出に用いる反射電子像には、観察範囲を深さ１０μｍ×幅２４μｍとし、加速電圧を１５．０ｋＶとし、観察倍率を５０００倍の条件で取得されたものを用いる。まず、反射電子像上に２４μｍ幅の直線を５μｍ間隔で３本引く。次に、各直線上のＰＺＴ粒子の個数を数える。次に、２４μｍを各直線上のＰＺＴ粒子の個数で除すことで、３本の直線それぞれにおけるＰＺＴ粒子の粒径を求める。そして、３本の直線それぞれにおけるＰＺＴ粒子の粒径を算術平均（すなわち、３で割る）することによって、ＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕが求められる。
【００３２】
（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【００３３】
上記実施形態において、圧電素子１は、第１内部電極５と第１外部電極７を有する第１電極Ｅ１と、第２内部電極１５と第２外部電極９を有する第２電極Ｅ２を備えることとしたが、これに限られるものではない。圧電素子１は、圧電体３に電界を印加することのできる一対の電極を備えていればよく、その構成、サイズ及び材料などに制限はない。従って、本発明に係る圧電体は、圧電素子１以外の様々な態様の圧電素子に適用可能である。
【００３４】
上記実施形態では、圧電体３の表面のうち第１側面３ｃに表面領域３１が形成されていることとしたが、これに限られるものではない。表面領域３１は、圧電体３の表面の全面に形成されていてもよいし、圧電体３の表面の一部にのみ形成されていてもよい。表面領域３１は、圧電体３のうち特にクラックを抑制したい箇所に設けてあればよい。
【実施例】
【００３５】
以下において本発明に係る実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１〜３の作製）
図７は、実施例１〜３に係る圧電素子の製造方法を説明するための図である。
【００３７】
まず、主成分としてのＰＺＴ粉末５００ｇ、異相成分としてのＡｌ２Ｏ３粉末２ｇ、ビヒクル、分散剤及び可塑剤を混合したスラリーを用いて、表面領域用グリーンシートを２枚作製した。
【００３８】
次に、主成分としてのＰＺＴ粉末５００ｇ、ビヒクル、分散剤及び可塑剤を混合したスラリーを用いて、内部領域用グリーンシートを３枚作製した。そして、１枚の内部領域用グリーンシートの主面上にＰｔを含む導電性ペーストを塗布して第１内部電極の成形体を形成し、もう１枚の内部領域用グリーンシートの主面上にＰｔを含む導電性ペーストを塗布して第２内部電極の成形体を形成した。残った内部領域用グリーンシートには導電性ペーストを塗布しなかった。
【００３９】
次に、図７に示すように、３枚の内部領域用グリーンシートを２枚の表面領域用グリーンシートで挟むように熱圧着して積層体を形成した。そして、積層体の外面上にＰｔを含む導電性ペーストを塗布して第１外部電極及び第２外部電極の成形体を形成した（図１参照）。
【００４０】
次に、各電極の成形体が設けられたグリーンシートの積層体を焼成（１２００℃、２時間）して、圧電素子を作製した。実施例１に係る圧電素子のサイズは、長さ１．０ｍｍ×幅０．３ｍｍ×高さ０．０８ｍｍであった。
【００４１】
（比較例１，２の作製）
比較例１，２では、表面領域用グリーンシートに異相成分としてＡｌ２Ｏ３を混合しないこと以外は、実施例１〜３と同じ工程にて圧電素子を作製した。比較例１，２に係る圧電素子のサイズは、実施例１〜３に係る圧電素子のサイズと同じであった。
【００４２】
（異相の面積占有率の測定）
まず、実施例１〜３及び比較例１，２の圧電素子を切断して、表面領域と内部領域の断面を露出させた。
【００４３】
次に、反射電子検出器付きＳＥＭ（日本電子製）を所定条件（観察範囲：深さ方向１０μｍ×面方向２０μｍ、加速電圧：１０．０ｋＶ、観察倍率：５０００倍）で用いて、表面領域の断面上の５箇所（長手方向において圧電体を均等に６分割して得られる５断面））における反射電子像と二次電子像（図４参照）を取得した。
【００４４】
次に、反射電子像と二次電子像を比較して、反射電子像上において気孔を白色で塗りつぶした（図３参照）。次に、画像処理ソフトフェアＰｉｃｋＭａｐを用いて、ＳＥＭ画像と一致するようにＲＧＢの平均値を閾値として反射電子像を白と黒に二値化した（図５参照）。そして、ＰｉｃｋＭａｐを用いて二値化画像における黒色領域（異相）の合計面積を算出し、二値化画像における異相の面積占有率を取得した。表面領域の断面上の５箇所における面積占有率の算術平均値を表１に示す。
【００４５】
また、反射電子検出器付きＳＥＭ（日本電子製）を所定条件（観察範囲：深さ方向１０μｍ×面方向２０μｍ、加速電圧：１０．０ｋＶ、観察倍率：５０００倍）で用いて、内部領域の断面上の５箇所（長手方向において圧電体を均等に６分割して得られる５断面））における反射電子像と二次電子像を取得した。そして、上述した表面領域における異相の面積占有率と同じ算出手法によって、内部領域における異相の面積占有率を算出した。内部領域の断面上の５箇所における面積占有率の算術平均値を表１に示す。
【００４６】
（ＰＺＴ粒子の平均粒径）
まず、ＳＥＭ（日本電子製）を所定条件（観察範囲：深さ方向１９μｍ×面方向２４μｍ、加速電圧：１５．０ｋＶ、観察倍率：５０００倍）で用いて、表面領域の断面上の１箇所（圧電体の表面付近）における反射電子像を取得した。
【００４７】
反射電子像上に２４μｍ幅の直線を５μｍ間隔で３本引く。次に、各直線上のＰＺＴ粒子の個数を数える。そして、２４μｍをＰＺＴ粒子の個数で除した値の算術平均値をＰＺＴ粒子の平均粒径Ｕとした。表面領域におけるＰＺＴ粒子の平均粒径を表１に示す。
【００４８】
また、ＳＥＭ（日本電子製）を所定条件（観察範囲：深さ１９μｍ×幅２４μｍ、加速電圧：１５．０ｋＶ、観察倍率：５０００倍）で用いて、内部領域の断面上の１箇所（圧電体の表面から深さ３０μｍ地点）における反射電子像を取得した。そして、上述した表面領域におけるＰＺＴ粒子の平均粒径と同じ算出手法によって、内部領域におけるＰＺＴ粒子の平均粒径を算出した。内部領域におけるＰＺＴ粒子の平均粒径を表１に示す。
【００４９】
（破壊強度の測定）
図８に示すように、いわゆる３点曲げ試験によって、実施例１〜３及び比較例１，２の圧電素子の破壊強度を測定した。測定結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
0006632450.tif 000002
【００５１】
表１に示すように、表面領域における異相の面積占有率が内部領域における異相の面積占有率よりも０．７５％以上大きい実施例１〜３では、圧電素子の破壊強度を向上させることができた。そのため、実施例１〜３の圧電素子によれば、圧電体に機械的負荷がかかっても圧電体の表面にクラックが発生することを抑制できる。このような結果が得られたのは、圧電体の焼成時に、表面領域を構成するＰＺＴ粒子の粒成長が異相の存在によって抑制されて表面領域を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径を小さくすることができたためである。なお、実施例１〜３を比較すると、ＰＺＴ粒子の平均粒径が小さいほど破壊強度を向上できることが分かる。
【００５２】
また、内部領域では、圧電体の焼成時に、内部領域を構成するＰＺＴ粒子の粒成長が抑制されず内部領域を構成するＰＺＴ粒子の平均粒径を大きくすることができるため、圧電体の変位特性を維持することができた。
【符号の説明】
【００５３】
１        圧電素子
３        圧電体
３１      表面領域
３２      内部領域
Ｅ１      第１電極
Ｅ２      第２電極
【図１】
0006632450.tif 000003
【図２】
0006632450.tif 000004
【図３】
0006632450.tif 000005
【図４】
0006632450.tif 000006
【図５】
0006632450.tif 000007
【図６】
0006632450.tif 000008
【図７】
0006632450.tif 000009
【図８】
0006632450.tif 000010