(57)【要約】【課題】地上波デジタルテレビの普及に欠く事の出来ないＳＡＷデバイスの低周波側のＩＦＳＡＷデバイスには、プロブスカイト結晶構造を有する圧電セラミックス材が必要であるが、材料の均質性と再現性に課題がある。【解決手段】燃焼合成法により構成元素の成分が均質化された目的とする化合物固溶体等を予め合成する。この際、投入する原料の秤量を精密に行う事により、定比化合物が得られる。次に、燃焼合成により得られた化合物固溶体等を目的とする粒径に粉砕する。真密度に限りなく近似させるには、粒径は、量子効果が出現する１μｍ以下が好ましい。この様にして得られた微粉末を焼結する事により均質で再現性のある圧電セラミックスが量産できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼合成法で予め合成した、結晶構造がプロブスカイト系であり、成分組成が定比である圧電セラミックス粉体を、焼結により対真密度比９９％以上の焼結構造体とした事を特徴とする任意形状を有する圧電セラミックス体。
【請求項２】
請求項１において、プロブスカイト結晶構造を有する圧電セラミックス粉体の粒径は、１ミクロン以下である事を特徴とする圧電セラミックス体。
【請求項３】
請求項１〜２において、焼結前に、造粒処理を行う事を特徴とする圧電セラミックス体。
【請求項４】
請求項３において、造粒後に仮焼結を行う事を特徴とする圧電セラミックス体。
【請求項５】
請求項１〜４において、焼結温度は１３００℃以下である事を特徴とする圧電セラミックス体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼合成法により予め合成した圧電セラミックス粉体を焼成して製造した圧電セラミックス焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット網の拡充、移動体通信の発展に伴い、いつどんな時でも情報ネットワーク網にアクセスして情報のやり取りを行うサービスが現実化している。地上デジタル放送の開始が情報ネットワークの進展にさらなる拍車をかけている現状にある。
【０００３】
携帯電話の２００３年度の世界生産台数は４４３百万台である。２００４年：４８５百万台、２００５年：５２２百万台、２００６年：５６０万台、２００７年：６００百万台がそれぞれ予測されている。一方「テレマティクス」と呼ばれる自動車向けの情報サービスも拡充される。移動体通信には膨大な市場が存在している。
【０００４】
地上デジタル放送が、車載用および携帯電話へ普及するのは時間の問題とされる趨勢の下で、目まぐるしく変化する地上デジタル放送用電波状態を安定したハイビジョン放送信号として出力する為の各種の高周波製品の開発が積極的に行われている。
【０００５】
地上デジタル放送では、１チャンネル当り割り当てられる６ＭＨｚ周波数帯域を１３個に分割し、その何れかが、移動体専用の搬送用セグメントとして使われる。限られた周波数資源を、有効に活用するＳＡＷ（表面弾性波）デバイス技術は、その膨大な市場を背景にして、欠くことの出来ない重要な技術となって来ている。
【０００６】
固体の表面に一対の櫛形電極を設け、電気信号をＳＡＷに変換して、対向する電極まで伝達し、再び電気信号として取り出すＳＡＷデバイス技術の確立が進展の為の鍵を握っていると言っても過言ではないだろう。
【０００７】
ＳＡＷデバイスは、入力信号を遅延させたり、特定の周波数の信号を取り出したり、ＧＨｚの高周波信号を扱う事ができるＳＡＷフィルター等が主構成部品で、小型軽量に製作できる特徴がある。
【０００８】
高性能でかつ広範に普及できるＳＡＷデバイスの実用化には、ＳＡＷデバイス用に適した材料の実用化が必須技術となる。「圧電体」と総称されるＳＡＷデバイス用材料の内で、音速領域の高周波向けのＲＦＳＡＷ用には、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３または水晶等の単結晶が、低周波側のＩＦＳＡＷには、ＰＺＴ系の圧電セラミックスが用いられる。
【０００９】
これらの圧電体は、機械的信号と電気的信号とを相互に変換できる特性を有する事から、センサー用途を中心に幅広いエレクトロニクス部品として実用化されている。しかし、ＳＡＷデバイス用途に適用する為には現用圧電体では不十分である。
（表１）にＳＡＷ用材料としての圧電体の現状と課題を纏めて示した。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
量産において、特性が安定して得られる事から、単結晶系の圧電材料が専ら実用化されている。とくに、水晶の単結晶が多用されているが、水晶単結晶の電気機械結合係数が小である事から、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３およびＫＮｂＯ３で電気機械結合係数の向上の為の開発が積極的に行われ、係数＞５０％を超える材料が見出されているが、温度係数小の材料は今後の開発に負う現状である。
【００１２】
一方、圧電セラミックスではＳＡＷ用途に本格的に使われているものはない。圧電セラミックスはピエゾ素子とも呼ばれ、機械的信号⇔電気的信号変換特性に優れており、ＳＡＷデバイス用途に適した最適特性が量産工程で安定して付与される材料製造に関する技術開発が待たれている。
【００１３】
ＰＺＴに代表される圧電セラミックスは、一般組成式がＡＢＯ３で書き表されるペロブスカイト型結晶を有する強誘電体である。ＰＺＴは組成式Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ３で表され、強誘電体ＰｂＴｉＯ３と反強誘電体ＰｂＺｒＯ３との固溶体で構成されている。この他の圧電セラミックスとしては、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３および（Ｐｂ,Ｌａ）（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３が代表的である。
【００１４】
セラミックスの性能の大半を支配する製造工程は「焼結工程」である。焼結工程には２つの目的がある。（１）粉体を焼き固めて所要の形状とする。（２）焼結の際に、原料として投入した元素を反応させて目標とする化合物を形成させる。
【００１５】
（１）に於いては、粉末の成形体（グリーン成形体）を焼結により焼成して構造体を形成する際に、少量の焼結助剤を添加して不可避に生成する「空孔」を極力低減させる各種の改善が行われている。
【００１６】
（表１）の圧電セラミックスの項で、指摘されている「欠陥」は、一般的なセラミックス粉末の焼結において不可避に生成される「空孔」の事で、セラミックスの焼結工程で解消すべき共通課題である。
【００１７】
（２）は反応焼結と呼ばれ、一般のセラミックスにおいても実施されているが、得られる目標とする化合物の安定生成にも難がある。特に、ペロブスカイト系の化合物を構成する元素は拡散速度が遅いので、制限された仮焼結および本焼結の保持時間内で、目標とする化合物固溶体が安定して生成され難いと言える。
【００１８】
ペロブスカイト系結晶構造を有する圧電セラミックスの特性を量産工程で安定して確保するには、
（１）「空孔」を極力低減する。
（２）組成が均一な固溶体を確保する。
量産技術の確立が必須である。
【００１９】
本発明は、上記の（１）（２）を達成する技術に基づいて製造した圧電セラミックス製圧電体を提案し、セラミックス粉体の焼結技術の立場から、ＳＡＷ材料としての圧電セラミックスの現状の課題を解消する事を目的としている。
【特許文献１】特開２００４−１１５２９３号公報
【特許文献２】特開２００４−０１５３９７号公報
【特許文献３】特願２００４−３６９８
【非特許文献１】日本実装技術振興協会・誘電体研究委員会（第７３回）合同定例会資料                『ＳＡＷデバイスにおけるパッケージング』（平成１５年１１月１０日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
良好な機能と低価格が期待されているにもかかわらず、機能上に課題を抱える圧電セラミックスにおいて、製造技術面での以下の課題を解決する。課題を纏めて（表２）に示した。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
均質な固溶体を得るには、（表２）で、原料の配合から注意して行う事が必要である例えば、ＢａＴｉＯ３ではＢａＣＯ３とＴｉＯ２の粉末を混合して、仮焼を何度も繰り返して均一な固溶体を得ている。複合系では、化合物の構成元素が多い為に合成中に副生成物が生成しやすく、また、大気中の焼結に於いては、低融点化合物が揮発し易い事が原因となっている。
また、目的とする化合物が中間生成物を経由して合成されるケースが多く、通常の固相反応では、固体中の元素の移動度が小さいために、有限の時間枠では、中間生成相が残存してしまう。
【００２３】
この為、プロブスカイト系圧電セラミックスの開発研究では、専ら、焼結による均質化が容易な成分系に限定されている。
【００２４】
焼結法によらずに成分を均質化できる手段が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
１）燃焼合成法により構成元素の成分が均質化された目的とする化合物固溶体等を予め合成する。この際、投入する原料の秤量を精密に行う事により、たとえば、ＡＢＯ３の定比化合物が得られる。必要に応じて、投入する原料の量比を変える事により、任意の不定比化合物の合成も可能である。
２）燃焼合成により得られた化合物固溶体等を目的とする粒径に粉砕する。真密度に限りなく近似させるには、粒径は、量子効果が出現する１μｍ以下が好ましい。
３）粉体の粒径を小とする事により焼結温度が低下できる。
【００２６】
上記１）〜３）を一連の工程として実施する事が必要ではあるが、本発明のポイントは１）である。
【００２７】
プロブスカイト系の代表的な強誘電体セラミックスであるＢａＴｉＯ３は
ＴｉＯ２＋ＢａＣＯ３⇒ＢａＴｉＯ３＋ＣＯ２
の反応式で燃焼合成できる。この反応に於ける、燃焼合成時の標準ギブズエネルギーは発熱側にあるので本反応は容易に進行する。
【００２８】
燃焼合成は着火により開始される。着火の方法はヒータ等による抵抗加熱によるのが通例である。また本発明による燃焼合成では、燃焼合成後にその生成物質が容易に除去できる着火助剤を添加できる事が特徴である。  
【００２９】
本発明の燃焼合成によるプロブスカイト系化合物の合成は、強誘電体および常誘電体系を含むＢＴ系、ＰＺＴ系、ＰＴ系、ＢＮＴ系さらにはこれらの複合系例えばＢＮＴ＋ＢＴ等の全ての化合物固溶体に適用できる。
【発明の効果】
【００３０】
地上デジタル放送受信用の移動通信体は既に既に試作品が市場に展開している。信号受信と発信の為のＳＡＷデバイスは商品としての完成の域に達していない。ＳＡＷデバイス材料として期待されている圧電セラミックスの機能が万全でないのがその理由である。今後量産体制に移行にあたり、本発明の提案する圧電セラミックスが大きく貢献する。
【００３１】
すなわち、量産における品質が均質であるとともに、結晶系圧電材に対比して極めて低廉に生産できる利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
プロブスカイト系の圧電セラミックスで最も多用されているのは、Ｐｂ(ＺｒＴｉ)Ｏ３組成で代表されるＰＺＴ系およびＰｂＴｉＯ３組成で代表されるＰＴ系である。いずれもＰｂを含有しているので、Ｐｂを含有しない圧電セラミックス開発は熾烈を極めている現状にある。非Ｐｂ系では、均質な固溶体が得られ難いという課題があり、開発の進捗が遅滞している。
【００３３】
本発明の提案は、Ｐｂの有無に拘わらず均質な固溶体が得られる特徴を有している。本発明の燃焼合成により予め合成した目的とする固溶体の微粉末を比較的低温度で焼結する事により均質な圧電セラミックス焼結体が製造できる。
【００３４】
燃焼合成に用いる合成の反応式は、圧電セラミックスを固相反応で合成する反応式と全く一致している。
【００３５】
現在行われて固相反応による圧電セラミックスの合成を本発明による燃焼合成に転換する事により、良好な均質性を有する圧電セラミックスが合成できる。
【実施例１】
【００３６】
固相反応による合成が比較的困難とされるＳｒＴｉＯ３を燃焼合成により合成した例で説明する。
【００３７】
燃焼合成の反応式は以下のいずれかである。
１）Ｔｉ＋ＳｒＣＯ３＋ａＸ  ⇒  ＳｒＴｉＯ３＋ａＹ
２）Ｔｉ＋ＳｒＯ  
＋ａＸ  ⇒  ＳｒＴｉＯ３＋ａＹ
３）ＴｉＯ２＋ＳｒＯ        ⇒  ＳｒＴｉＯ３
なお、Ｘは着火用の助剤で、反応生成物はＹであり、Ｙは容易に分離できる化合物である。
【００３８】
得られた化合物は１００％純度のＳｒＴｉＯ３である。Ｘ線による回折像を（図１）にしめした。また化学分析の結果、同化合物は完全な定比化合物であった。
【実施例２】
【００３９】
ＢＴ系についても同様な結果を得ている。
【実施例３】
【００４０】
ＢＮＴ系についても同様な結果を得ている。
【実施例４】
【００４１】
複合系ＢＮＴ＋ＢＴについても同様な結果を得ている。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
地上デジタル放送が、車載用および携帯電話へ普及するのは時間の問題とされる趨勢の下で、目まぐるしく変化する地上デジタル放送用電波状態を安定したハイビジョン放送信号として出力する為の重要部品であるＳＡＷデバイス用の圧電体として膨大な規模で活用される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に基づき合成したＳｒＴｉＯ３のＸ線回折像である。
【符号の説明】
【００４４】
☆印：ＳｒＴｉＯ３の回折パターン位置を示す。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月3日(2005.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼合成法で予め合成した、結晶構造がぺロブスカイト系であり、成分組成が定比であるセラミックス粉体。
【請求項２】
燃焼合成法で予め合成した、結晶構造がぺロブスカイト系であり、成分組成が不定比であるセラミックス粉体。
【請求項３】
燃焼合成法で予め合成した、結晶構造がぺロブスカイト系であり、成分組成が定比であるセラミックス粉体を、焼結により対真密度比９９％以上の焼結構造体とした事を特徴とする任意形状を有する圧電セラミックス体。
【請求項４】
燃焼合成法で予め合成した、結晶構造がぺロブスカイト系であり、成分組成が不定比であるセラミックス粉体を、焼結により対真密度比９９％以上の焼結構造体とした事を特徴とする任意形状を有する圧電セラミックス体。
【請求項５】
請求項１〜２のペロブスカイト結晶構造を有するセラミックス粉体を、フィルター形状を有する構造体の表面に担持する事を特徴とするセラミックス体。
【請求項６】
請求項３〜４において、焼結前に、粉砕および造粒処理を行う事を特徴とする圧電セラミックス体。
【請求項７】
請求項３〜５において、焼結温度は１３００℃以下である事を特徴とするセラミックス体。