(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３（但し、０．１≦ｘ≦１）で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とし、さらに前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより０．１〜３％過剰のＢｉが含まれている圧電セラミックス。
【請求項２】
前記圧電セラミックスを構成する各結晶粒の擬立方｛１００｝面が配向している請求項１に記載の圧電セラミックス。
【請求項３】
板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末と、該板状粉末と反応して、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３（但し、０．１≦ｘ≦１）で表されるペロブスカイト型化合物を生成するペロブスカイト生成原料と、前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより０．５〜１０％過剰のＢｉを含むＢｉ含有原料とを混合する工程と、
該混合工程で得られた混合物を前記板状粉末が配向するように成形する成形工程と、
該成形工程で得られた成形体を加熱する熱処理工程とを備えていることを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックス及びその製造方法に関し、更に詳しくは、加速度センサ、超音波センサ、圧電トランス、圧電アクチュエータ、超音波モータ、圧電フォン、レゾネータ等に使用される圧電材料として好適な圧電セラミックス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電材料は、圧電効果を有する材料であり、その形態は、単結晶、セラミックス、薄膜、高分子及びコンポジット（複合材）に分類される。これらの圧電材料の中で、特に、圧電セラミックスは、高性能で、形状の自由度が大きく、材料設計が比較的容易なため、広くエレクトロニクスやメカトロニクスの分野で応用されているものである。
【０００３】
圧電セラミックスは、強誘電体セラミックスに直流を印加し、強誘電体の分域の方向を一定の方向にそろえる、いわゆる分極処理を施したものである。分極処理により自発分極を一定方向にそろえるためには、自発分極が三次元的に取りうるペロブスカイト型結晶構造が有利であることから、実用化されている圧電セラミックスの大部分は、ペロブスカイト型強誘電体セラミックスである。
【０００４】
ペロブスカイト型強誘電体セラミックスとしては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３（以下、これを「ＰＺＴ」という。）、ＰＺＴに対して鉛系複合ペロブスカイトを第三成分として添加したＰＺＴにリラクサを加えた３成分系、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３（以下、これを「ＢＮＴ」という。）などが知られている。
【０００５】
これらの中で、ＰＺＴに代表される鉛系の圧電セラミックスは、他の圧電セラミックスに比較して高い圧電特性を有しており、現在実用化されている圧電セラミックスの大部分を占めている。しかしながら、鉛系の圧電セラミックスは、蒸気圧が高く、人体に有害な酸化鉛（ＰｂＯ）を含んでいるために、環境に対する負荷が大きいという問題がある。そのため、低鉛あるいは無鉛でＰＺＴと同等の圧電特性を有する圧電セラミックスが求められている。
【０００６】
一方、ＢＮＴ又はこれを端成分とする固溶体セラミックスは、鉛を含まない圧電材料の中では比較的高い圧電特性を有しており、ＰＺＴに代わる無鉛圧電セラミックスの有力な候補材料の１つと考えられている。そのため、ＢＮＴ系の圧電セラミックスの組成、製造方法等に関し、従来から種々の提案がなされている。
【０００７】
例えば、特公平４−６００７３号公報には、化学式ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＭＴｉＯ３（但し、Ｍは、Ｂａ又はＢｉ０．５Ｋ０．５、０．８０≦ｘ≦０．９９）で示される組成の物質を主成分とし、必要に応じてＭｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＮｉＯ等から選択される少なくとも１つを添加物として加えた圧電体セラミックス及びその製造方法が開示されている。同公報によれば、鉛を用いることなく、広がりモード電気機械結合係数Ｋｐに比して厚みモード電気機械結合係数Ｋｔが大きい圧電体セラミックスが得られるとされている。
【０００８】
また、例えば、特開平１０−１３９５５２号公報には、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａの内の少なくとも１種の元素を含有する酸化物で、ロットゲーリング法による結晶配向度が１０％以上である結晶配向セラミックス及びその製造方法が本件出願人により提案されている。また、同公報には、成形体中に板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末を配向させ、これをテンプレート材料としてｉｎ−ｓｉｔｕ反応させることにより、ペロブスカイト型化合物であるＢＮＴ又はＢＮＴを端成分とする固溶体を生成させる結晶配向セラミックスの製造プロセスが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特公平４−６００７３号公報に開示されているように、ＢＮＴ系の圧電セラミックスは、有害物質である鉛を含まず、しかも、比較的特性の高い圧電材料である。しかしながら、微粒状の単純化合物からなる原料粉末を化学量論比となるように混合し、仮焼、成形及び焼結を行う従来の製造プロセス（以下、これを「従来法」という。）で得られるＢＮＴ系の圧電セラミックスは、ＰＺＴなどの鉛を含む圧電材料に比べると大きく性能が劣る。これは、従来法で得られたＢＮＴ系の圧電セラミックスは、無配向の多結晶体となり、分極処理後も分極軸に大きな乱れがあるためである。
【００１０】
これに対し、特開平１０−１３９５５２号公報に開示されているように、成形体中に配向させた板状粉末をテンプレート材料として、ｉｎ−ｓｉｔｕ反応により目的とするペロブスカイト型化合物を生成させる方法（以下、これを「ＲＴＧＧ法」という。）を用いると、特定の結晶面が特定の方向に配向したＢＮＴ系の圧電セラミックスが得られる。また、得られた圧電セラミックスは、同一組成の無配向セラミックスに比べて、高い圧電特性を示す。しかしながら、ＲＴＧＧ法を用いて特定の結晶面が特定方向に配向したＢＮＴ系の圧電セラミックスを製造する場合、その組成によっては、高い焼結体密度及び／又は高い結晶配向度が安定して得られず、特性に大きなばらつきが生じる場合があった。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、ＢＮＴ又はこれを端成分とする圧電セラミックスにおいて、高い焼結体密度及び／又は高い結晶配向度が安定して得られる圧電セラミックス及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る圧電セラミックスは、次の化１の式で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とし、さらに前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより０．１〜３％過剰のＢｉが含まれていることを要旨とするものである。
【００１３】
【化１】
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３
（但し、０．１≦ｘ≦１）
【００１４】
この場合、前記圧電セラミックスを構成する各結晶粒の擬立方｛１００｝面が配向していることが望ましい。
【００１５】
本発明に係る圧電セラミックスは、化１の式で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とし、さらに少量のＢｉが過剰に含まれているので、焼結中に液相が生成し、元素の拡散が促される。そのため、その組成によらず容易に緻密化し、高い焼結体密度が安定して得られる。また、少量のＢｉを過剰に添加することによって、擬立方｛１００｝面が高い配向度で配向したＢＮＴ系の圧電セラミックスが再現性良く得られ、同一組成の無配向焼結体よりも大きな圧電定数及び電気機械結合係数を発現する。
【００１６】
また、本発明に係る圧電セラミックスの製造方法は、板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末と、該板状粉末と反応して、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３（但し、０．１≦ｘ≦１）で表されるペロブスカイト型化合物を生成するペロブスカイト生成原料と、前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより０．５〜１０％過剰のＢｉを含むＢｉ含有原料とを混合する工程と、該混合工程で得られた混合物を前記板状粉末が配向するように成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を加熱する熱処理工程とを備えていることを要旨とするものである。
【００１７】
板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末は、その発達面が化１の式で表されるペロブスカイト型化合物の擬立方｛１００｝面と格子整合性を有している。そのため、板状粉末とペロブスカイト生成原料とを含む混合物を板状粉末の発達面が配向するように成形し、これを所定温度で熱処理すると、板状粉末の発達面にペロブスカイト型化合物の配向結晶核が生じ、この配向結晶核が粒成長することによってバルク試料全体が配向焼結体となる。また、この時、原料中に少量のＢｉが過剰に含まれていると、元素の拡散が促されるので、高い焼結体密度及び高い｛１００｝面配向度を有する圧電セラミックスが安定して得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る圧電セラミックスは、ＢＮＴ又はＢＮＴを端成分とするペロブスカイト型化合物を主成分とする。その組成は、次の化２の式で表される。
【００１９】
【化２】
ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３
（但し、０．１≦ｘ≦１）
【００２０】
化２の式中、ＡＢＯ３は、ＢＮＴと固溶体を形成して化２の式で表されるペロブスカイト型化合物となるものであればどんなものであってもかまわない。ＡＢＯ３としては、具体的には、Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＮａＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣａＭｎＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等のペロブスカイト型物質や、ＬｉＮｂＯ３型物質、ＹＭｎＯ３型物質等が好適な一例として挙げられる。また、ＡＢＯ３は、これらの化合物の中から選ばれる２以上の化合物の組み合わせであっても良いし、固溶体でも良い。
【００２１】
また、化２の式中、ＢＮＴのモル分率を表すｘの値は、０．１≦ｘ≦１の範囲内にあれば良い。ここで、ｘの値を０．１以上としたのは、後述する板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末をテンプレートとして用いる場合において、ｘの値が０．１未満になると、必然的にテンプレートとして添加する板状粉末の量が少なくなり、高い配向度を有する圧電セラミックスが得られないためである。
【００２２】
また、本発明に係る圧電セラミックスは、化２の式で表されるＢＮＴ系のペロブスカイト型化合物（以下、これを「ＢＮＴ系化合物」という。）に含まれる化学量論比のＢｉより、少なくとも０．１％過剰のＢｉが含まれていることを特徴とする。圧電セラミックス中に過剰に含まれるＢｉの量（以下、これを「過剰Ｂｉ含有量」という。）が、０．１％未満になると、高い焼結体密度及び高い配向度を有する圧電セラミックスが安定して得られないので好ましくない。
【００２３】
過剰Ｂｉ含有量を増加させても、焼結性が低下することはなく、高密度の圧電セラミックスを安定して得ることができる。しかしながら、ＲＴＧＧ法を用いて特定の結晶面を配向させる場合において、過剰Ｂｉ含有量が過大になると、配向度が低下し、その結果として、圧電定数、電気機械結合係数等の圧電特性を低下させる。従って、高密度、かつ、高配向度の圧電セラミックスを安定して得るためには、過剰Ｂｉ含有量は、３％以下が望ましい。
【００２４】
なお、圧電セラミックス中に含まれる過剰のＢｉは、酸化物の形で粒界に存在していると考えられるが、その詳細は不明である。要は、圧電セラミックスの中に、化２の式から求められる化学量論比のＢｉよりも、少なくとも０．１％過剰のＢｉが含まれていればよい。また、「過剰Ｂｉ含有量」とは、次の数１の式で表される数値をいう。
【００２５】
【数１】
過剰Ｂｉ含有量＝（Ｂｘ−Ｂ０）ｘ１００／Ｂ０（％）
【００２６】
但し、Ｂ０は、化学量論比のＢＮＴ系化合物中に含まれるＴｉを基準として求めたＢＮＴ系化合物中に含まれる全Ｂｉのモル数であり、Ｂｘは、圧電セラミックス中に含まれるＴｉを基準として求めた圧電セラミックス中に含まれる全Ｂｉのモル数である。なお、上記の値は、反応によって生成するｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３から、あらかじめＡＢＯ３の分を除いた組成に対して求められる。
【００２７】
また、本発明に係る圧電セラミックスにおいて、高い圧電特性を得るためには、多結晶体を構成する各結晶粒の擬立方｛１００｝面が配向していることが望ましい。ここで、「擬立方｛ＨＫＬ｝」とは、一般に、ペロブスカイト型化合物は、正方晶、斜方晶、三方晶など、立方晶から歪んだ構造をとるが、その歪は僅かであるので、立方晶とみなしてミラー指数表示することを意味する。また、各結晶粒の配向の程度は、具体的には、次の数２の式で表されるロットゲーリング（Ｌｏｔｇｅｒｉｎｇ）法による結晶配向度Ｑ（ＨＫＬ）により表される。
【００２８】
【数２】
0004529219.tif 000002
【００２９】
但し、数２の式において、ΣＩ（ｈｋｌ）及びΣ’Ｉ（ＨＫＬ）は、それぞれ、結晶配向セラミックスについて測定されたすべての結晶面（ｈｋｌ）からのＸ線回折強度の総和、及び結晶学的に等価な特定の結晶面（ＨＫＬ）からのＸ線回折強度の総和である。一方、ΣＩ０（ｈｋｌ）及びΣ’Ｉ０（ＨＫＬ）は、それぞれ、結晶配向セラミックスと同一組成を有し、かつ無配向の多結晶セラミックスについて測定されたすべての結晶面（ｈｋｌ）からのＸ線回折強度の総和、及び結晶学的に等価な特定の結晶面（ＨＫＬ）からのＸ線回折強度の総和である。
【００３０】
従って、数２の式において、各結晶粒が無配向である場合には結晶配向度Ｑ（ＨＫＬ）が０％となり、すべての結晶粒の｛ＨＫＬ｝面が一方向に配向している場合には１００％となる。
【００３１】
本発明に係る圧電セラミックスにおいて、高い圧電特性を得るためには、少なくとも、数２の式で表される擬立方｛１００｝面の結晶配向度Ｑ（１００）が０でないことが望ましい。電界−歪挙動のヒステリシスが小さい圧電セラミックス、あるいは、高い圧電定数を示す圧電セラミックスを得るためには、多くの場合、擬立方｛１００｝面の結晶配向度Ｑ（１００）は、大きい程良い。
【００３２】
次に、本発明に係る圧電セラミックスの作用について説明する。圧電セラミックスの焼結体密度は、一般に、誘電率、圧電定数等の電気的特性に影響を及ぼし、焼結体密度が高くなるほど良好な圧電特性を示すことが知られている。また、圧電セラミックスは、その圧電特性に結晶異方性があり、多結晶体を構成する各結晶粒の特定の結晶面を配向させると、無配向焼結体に比して高い圧電特性を示すことが知られている。
【００３３】
しかしながら、ＢＮＴ系化合物の中には、従来法では高密度を有する焼結体が得られるが、ＲＴＧＧ法を用いて特定の結晶面が配向した焼結体を作製しようとすると、高密度の焼結体が安定して得られない組成があった。また、このような組成においては、配向度にばらつきがあり、高い配向度が安定して得られない場合があった。このような焼結体密度や配向度が不安定な材料を調べると、焼結途中で液相が生じない、又は、生じにくい組成であることがわかった。
【００３４】
これに対し、本発明に係る圧電セラミックスは、ＢＮＴ系化合物に対し、さらに化学量論比よりも過剰のＢｉが添加されているので、その組成によらず、高い焼結体密度が安定して得られる。これは、焼結体密度が不安定な材料系に対して過剰のＢｉを添加すると、焼結途中で液相が発生しやすくなり、これによって元素の拡散が促され、緻密化が容易化するためと考えられる。
【００３５】
また、ＲＴＧＧ法を用いて各結晶粒を配向させる場合において、化学量論比よりも過剰のＢｉを添加すると、配向度が不安定となりやすい材料系であっても高い配向度が安定して得られる。また、その結果として、同一組成の無配向焼結体に比して、高い電気機械結合係数、圧電定数、焦電定数を示す。そのため、本発明に係る圧電セラミックス、感度の高いセンサ、特性の高いソナー等に使用される圧電材料として好適である。
【００３６】
また、ＢＮＴ又はＢＮＴに少量のＡＢＯ３を固溶させた固溶体は、菱面体晶であり、＜１１１＞方向に自発分極軸を持つ。このような結晶構造を有するＢＮＴ系化合物を｛１００｝面配向させ、＜１００＞方向に分極すると、その理由は明確ではないが、電気機械結合係数が高くなり、誘電損失も低い値を示す。そのため、本発明に係る圧電セラミックスの中で、このような配向組織を呈するものは、特に、エネルギー効率が高く損失の少ない圧電アクチュエータ、あるいは、ノイズの少ないセンサ等に使用される圧電材料として好適である。
【００３７】
次に、本発明に係る圧電セラミックスの製造方法について説明する。本発明に係る圧電セラミックスの製造方法は、混合工程と、成形工程と、熱処理工程とを備えている。
【００３８】
混合工程は、板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２（以下、これを「ＢＩＴ」という。）粉末と、板状ＢＩＴ粉末と反応してＢＮＴ系化合物を生成するペロブスカイト生成原料と、ＢＮＴ系化合物に含まれる化学量論比のＢｉより少なくとも０．５％過剰のＢｉを含むＢｉ含有原料とを混合する工程である。
【００３９】
ここで、板状ＢＩＴ粉末は、ＢＮＴ系化合物を合成する際のテンプレートとなるものである。テンプレート材料としてＢＩＴを用いたのは、ＢＩＴは、ビスマス層状ペロブスカイト型化合物の一種であり、板状粉末の合成が容易であること、及び、板状のＢＩＴ粉末の発達面（最も面積の広い面）であるｃ面とＢＮＴ化合物の｛１００｝面との間に良好な格子整合性を有していることによる。Ｎａ０．５Ｂｉ４．５Ｔｉ４Ｏ１５の板状粉末もテンプレートとして使用できるが、より単純な構造のＢＩＴ粉末の方が望ましい。
【００４０】
また、高い配向度を有する圧電セラミックスを得るためには、板状ＢＩＴ粉末は、成形時に一方向に配向させることが容易な形状を有している必要がある。そのためには、板状ＢＩＴ粉末の平均アスペクト比は、３以上であることが望ましい。平均アスペクト比が３未満であると、成形時に板状ＢＩＴ粉末を一方向に配向させるのが困難となるので好ましくない。板状ＢＩＴ粉末の平均アスペクト比は、さらに好ましくは５以上である。
【００４１】
なお、このような形状を有する板状ＢＩＴ粉末は、液相の存在下で容易に合成できる。具体的には、ＢＩＴ組成を有する原料をフラックスと共に加熱する方法（フラックス法）、微粒状のＢＩＴ粉末をアルカリ水溶液と共にオートクレーブ中で加熱する方法（水熱合成法）、溶液から析出させる方法（析出法）等により合成できるが、いずれの方法により合成された板状ＢＩＴ粉末であっても使用できる。
【００４２】
ペロブスカイト生成原料は、後述する熱処理工程において板状ＢＩＴ粉末と反応してＢＮＴ系化合物となるものであれば良い。従って、使用するペロブスカイト生成原料の組成は、板状ＢＩＴ粉末の配合量及び作製しようとするＢＮＴ系化合物の組成に応じて定まる。
【００４３】
ペロブスカイト生成原料としては、具体的には、ＢＮＴ、Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＮａＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３などのセラミックス粉末、Ｂｉ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物原料、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＳｒＣＯ３などの炭酸塩原料等が好適な一例として挙げられる。また、水酸化物や有機酸塩、アルコキシド等の酸化物の前駆体を用いることもできる。
【００４４】
なお、板状ＢＩＴ粉末とペロブスカイト生成原料の配合比率は、作製しようとする圧電セラミックスの要求特性に応じて任意に定めることができる。また、高い配向度を有する圧電セラミックスを得るためには、板状ＢＩＴ粉末の配合量は、ペロブスカイト型構造を有するＢＮＴ系化合物のＢサイト原子に換算して５％以上が望ましい。板状ＢＩＴ粉末の配合量がペロブスカイト型構造のＢサイト原子に換算して５％未満であっても、高い焼結体密度を有する圧電セラミックスは得られるが、配向度が低下し、圧電特性が低下するので好ましくない。
【００４５】
Ｂｉ含有原料は、化学量論比のＢＮＴ系化合物を生成可能な原料に対し、化学量論比よりも過剰のＢｉを供給することが可能なものであればよい。Ｂｉ含有原料としては、具体的には、Ｂｉを含む酸化物、炭酸塩、水酸化物、有機酸塩、アルコキシド等が好適な一例として挙げられる。
【００４６】
また、原料中に過剰に配合するＢｉの量（以下、これを「過剰Ｂｉ配合量」という。）は、０．５％以上であることが望ましい。過剰Ｂｉ配合量が０．５％未満であると、ＢＮＴ系化合物の組成によっては、高い焼結体密度及び／又は高い配向度が安定して得られない場合があるので好ましくない。
【００４７】
過剰Ｂｉ配合量を増加させても、焼結性が低下することはなく、高密度の圧電セラミックスを安定して作製することができる。しかしながら、ＲＴＧＧ法を用いて特定の結晶面を配向させる場合において、過剰Ｂｉ配合量が過大になると、配向度が低下し、その結果として、圧電定数、電気機械結合係数等の圧電特性を低下させる。従って、高密度、かつ、高配向度の圧電セラミックスを安定して作製するためには、過剰Ｂｉ配合量は、１０％以下が望ましい。
【００４８】
なお、原料中に過剰に加えたＢｉの一部は、熱処理過程で試料外に飛散する。従って、過剰Ｂｉ配合量と過剰Ｂｉ含有量との差は、熱処理過程で蒸散したＢｉの量を表す。また、「過剰Ｂｉ配合量」とは、次の数３の式で表される数値をいう。
【００４９】
【数３】
過剰Ｂｉ配合量＝（Ｂ’ｘ−Ｂ０）ｘ１００／Ｂ０（％）
【００５０】
但し、Ｂ０は、化学量論比のＢＮＴ系化合物中に含まれるＴｉを基準として求めたＢＮＴ系化合物中に含まれる全Ｂｉのモル数であり、Ｂ’ｘは、原料中に含まれるＴｉを基準として求めた原料中に含まれる全Ｂｉのモル数である。なお、上記の値は、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３から、あらかじめＡＢＯ３の分を除いた組成に対して求められる。
【００５１】
なお、板状ＢＩＴ粉末、ペロブスカイト生成原料及びＢｉ含有原料の混合は、乾式で行っても良く、あるいは、水、アルコール等の適当な溶媒を加えて湿式で行っても良い。また、この時、必要に応じて結合材及び／又は可塑剤を加えても良い。
【００５２】
成形工程は、混合工程で得られた混合物を板状ＢＩＴ粉末が配向するように成形する工程である。成形方法については、板状ＢＩＴ粉末の発達面である擬正方晶表示｛００１｝面を特定の方向に配向させることが可能な方法であれば良く、特に限定されるものではない。具体的には、一軸加圧成形法、テープ成形法、押出成形法、圧延法等が好適な一例として挙げられる。
【００５３】
また、これらの方法により得られた板状ＢＩＴ粉末が配向した成形体（以下、これを「配向成形体」という。）の厚みを増したり、配向度を上げるために、配向成形体に対し、さらに積層圧着、プレス、圧延などの処理（以下、これを「配向処理」という。）を行っても良い。この場合、配向成形体に対して、いずれか１種類の配向処理を行っても良く、あるいは２種以上の配向処理を行っても良い。また、配向成形体に対して、１種類の配向処理を複数回繰り返し行っても良く、あるいは２種以上の配向処理をそれぞれ複数回繰り返し行っても良い。
【００５４】
熱処理工程は、成形工程で得られた配向成形体を加熱することにより、ＢＮＴ系化合物を合成すると同時に、生成したＢＮＴ系化合物を焼結させる工程である。熱処理温度は、作製しようとする圧電セラミックスの組成に応じて最適な温度を選択すればよい。
【００５５】
また、熱処理工程は、配向成形体を直接、焼結温度まで加熱する１段階の熱処理でも良いが、高密度かつ高配向度の圧電セラミックスを作製するためには、熱処理を２段階に分けて行うことが望ましい。
【００５６】
２段階の熱処理を行う場合、１段目の熱処理は、板状ＢＩＴ粉末の表面上及び板状ＢＩＴ粉末内の少なくとも表面近傍に、ＢＮＴ系化合物を配向生成させるために行われる。従って、この１段目の熱処理温度は、ＢＮＴ系化合物の合成反応が開始する温度より高く、かつ、緻密化が大きく進行する温度より低いことが望ましい。１段目の熱処理温度は、具体的には、１０００℃以下が好適である。さらに好ましくは、８００℃以下である。また、この時、原料中に可塑剤や結合材が含まれている場合には、同時にこれらを燃焼除去する脱脂が行われることになる。
【００５７】
なお、脱脂が行われると、配向成形体中の板状ＢＩＴ粉末の配向度が低下する場合がある。また、板状ＢＩＴ粉末とペロブスカイト生成原料がらＢＮＴ系化合物が合成される際に、配向成形体の膨れが発生する場合がある。このような配向度の低下、あるいは配向成形体の膨れに起因する密度の低下を抑制するためには、１段目の熱処理を行った後、２段目の熱処理を行う前に、配向成形体に対して、さらに静水圧（ＣＩＰ）処理を行うことが望ましい。
【００５８】
２段目の熱処理は、焼結によって緻密化を進行させ、同時に配向させたＢＮＴ系化合物を粒成長させるために行われる。これにより、擬立方｛１００｝面の配向度の大きい圧電セラミックスを作製できる。２段目の熱処理温度は、ＢＮＴ系化合物の組成によって若干異なるが、通常、１０５０℃〜１２００℃前後が好適である。
【００５９】
また、２段目の熱処理は、大気中で行っても良いが、高密度の焼結体を得るには、酸素雰囲気中で焼結することが望ましい。これは、一般に焼結が進行し、焼結体内部に孤立した気孔が形成されると、気孔内部に残留した雰囲気ガスによって焼結が阻害されるが、酸素雰囲気中で焼結した場合には、気孔内に残留した酸素が粒界を通って容易に外部に排出され、焼結を阻害しないためである。
【００６０】
なお、熱処理工程の後、得られた焼結体を必要に応じて所定の形状に切断し、配向方向と平行な面を研磨し、研磨面に電極を形成すれば、各種デバイスに用いられる圧電素子を作製することができる。また、ドクターブレードなどのテープ成形を行った試料を円柱の周りに巻き付けて焼結させた場合には、放射方向と垂直に擬立方｛１００｝面が配向したパイプ状の圧電セラミックスを作製することができる。また、パイプ状焼結体を軸に対して垂直に切断すれば、放射方向と垂直に擬立方｛１００｝面が配向した円環状の圧電セラミックスが得られ、放射方向に分極する圧電素子として使用できる。このような圧電セラミックスは、押出成形によっても作製できる。
【００６１】
次に、本発明に係る圧電セラミックスの製造方法の作用について説明する。ペロブスカイト型化合物は、一般に、結晶格子の異方性が極めて小さいので、通常の焼結プロセスによって、特定の結晶面が特定方向に配向した多結晶体を作製するのは極めて困難である。
【００６２】
これに対し、本発明においては、板状ＢＩＴ粉末を出発原料として用いているので、板状ＢＩＴ粉末に対して一方向から力が作用するような成形方法を用いて成形すれば、板状ＢＩＴ粉末の発達面が配向した配向成形体を容易に得ることができる。また、得られた配向成形体に対して、さらに配向処理を施せば、配向成形体中の板状ＢＩＴ粉末の配向度をさらに向上させることができる。
【００６３】
また、このようにして得られた配向成形体を加熱すると、板状ＢＩＴ粉末の配向した面であるｃ面がＢＮＴ系化合物の擬立方｛１００｝面となるようにＢＮＴ化合物の配向結晶核が生じ、この配向結晶核が粒成長することによってバルク試料全体が配向焼結体となる。このような方法で、再現性よく、厚さミリメートルオーダーの配向バルクセラミックスを得ることができる。
【００６４】
また、原料中に化学量論比よりも過剰のＢｉを配合すると、焼結途中で液相が生成し、元素の拡散が促される。そのため、本来、緻密化しにくい系であっても緻密化が比較的容易に進行し、高い焼結体密度を有する圧電セラミックスが安定して得られる。また、高い配向度が安定して得られ、その結果として、高い圧電特性を示す圧電セラミックスが再現性良く得られる。
【００６５】
【実施例】
（実施例１）
テンプレートとしてフラックス法で合成された板状ＢＩＴ粉末（平均粒径約５μｍ、厚さ０．５μｍ以下）を用い、ＲＴＧＧ法により圧電セラミックスを作製した。すなわち、化３の式に示すように、板状ＢＩＴ粉末の配合量がＢサイト原子（Ｔｉ）換算量で２０％であり、かつ、最終組成がＢＮＴとなるように、板状ＢＩＴ粉末、Ｂｉ２Ｏ３、ＮａＣＯ３及びＴｉＯ２を配合し、これを母原料とした。
【００６６】
【化３】
(1/15)Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２＋(7/60)Ｂｉ２Ｏ３＋(1/4)Ｎａ２ＣＯ３＋(4/5)ＴｉＯ２
→Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３＋(1/4)ＣＯ２↑
【００６７】
次に、母原料に対してさらに過剰のＢｉをＢｉ２Ｏ３として添加し、過剰Ｂｉ配合量の異なる４種類の原料ロットを準備した。なお、過剰Ｂｉ配合量は、それぞれ、０．５％、２．０％、８．２％及び１４．０％とした。
【００６８】
次に、過剰のＢｉを含む各原料ロットを、それぞれ、エタノールとトルエンの混合溶媒中で約２０時間混合し、バインダ（ポリビニルブチラール）と可塑剤（ジブチルフタレート）を添加してさらに１時間混合した後、ドクターブレード装置にて厚さ約１００μｍのテープに成形した。次に、得られたテープを２０枚重ね、８０℃で圧着した後、さらに圧延処理を施し、厚さ約２ｍｍの板状の配向成形体を作製した。得られた配向成形体を７００℃で１段目の熱処理（仮焼）を行った後、３００ＭＰａのＣＩＰ処理を施した。さらに、これを酸素雰囲気中において１１５０℃ｘ１０時間又は１２００℃ｘ１０時間の条件で、２段目の熱処理（焼結）を行った。
【００６９】
（比較例１）
実施例１で準備した母原料、すなわち、過剰にＢｉを添加していない化学量論配合の原料ロットを用いた以外は、実施例１と同一の手順に従い、最終組成がＢＮＴである圧電セラミックスを作製した。
【００７０】
（比較例２）
テンプレートを使用しないＢＮＴ焼結体を以下のようにして作製した。すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３、及びＴｉＯ２の粉末を、Ｂｉ：Ｎａ：Ｔｉ＝１：１：２となる比に秤量し、これらを混合した後、８５０℃ｘ２時間の熱処理を行い、化学量論組成のＢＮＴ粉末を合成した。次に、合成されたＢＮＴ粉末をボールミルで粉砕した後、乾燥させ、１軸加圧成形及び静水圧成形によって成形体を作製した。この成形体を酸素中、１１００℃ｘ１０時間の条件で焼結し、従来法による無配向焼結体とした。
【００７１】
（焼結性と配向度）
実施例１及び比較例１、２で得られた各ＢＮＴ焼結体について、焼結体密度を測定した。また、実施例１及び比較例１で得られた各ＢＮＴ焼結体について、試料表面（テープ面と平行な面）を研削除去した後、ロットゲーリングの｛１００｝配向度を測定した。なお、比較例１については、焼結体密度及び配向度に大きなばらつきが生じたため、作成した試料について測定された焼結体密度と配向度の中から最も中間的な値を３点取り、その平均値を特性値とした。
【００７２】
図１に、ＲＴＧＧ法で作製したＢＮＴ焼結体（焼結温度：１２００℃）の焼結体密度及び｛１００｝配向度を示す。従来法を用いて１１００℃ｘ１０時間の条件で作製したＢＮＴ焼結体（比較例２）は、無配向焼結体ではあるが、その密度は５．９９ｇ／ｃｍ３（相対密度９９％）に達した。
【００７３】
一方、過剰のＢｉを含まないＢＮＴ焼結体をＲＴＧＧ法を用いて作製した場合（比較例１）、相対密度は約９０％まで低下した。また、作製した試料の中には、｛１００｝面配向度が０．８と高い値で、かつ、緻密な試料も含まれていたが、安定しては得られず、配向度の低い試料が多く含まれていた。
【００７４】
これに対し、ＲＴＧＧ法を用いてＢＮＴ焼結体を作製する場合において、過剰Ｂｉ配合量を０．５％とし、焼結温度を１２００℃とすると、相対密度は９８％、平均配向度は０．６５に向上した。また、過剰Ｂｉ配合量を２％とすると、相対密度は理論密度に達し、平均配向度は、０．７８に達した。しかも、これらの値は安定して得ることができた。
【００７５】
過剰Ｂｉ配合量をさらに増加させても、焼結性が低下することはなく、焼結体密度は、ＢＮＴの理論密度を超えた。一方、過剰Ｂｉ配合量を８．２％及び１４％とすると、平均配向度は、それぞれ、０．５１及び０．４３まで低下したが、過剰のＢｉを含まない比較例１に比べて、高い平均配向度が安定して得られた。
【００７６】
実施例１で得られた各焼結体の生成相について、Ｘ線回折法を用いて同定を行った。その結果、過剰Ｂｉ配合量が０．５〜８．２％であるＢＮＴ焼結体はペロブスカイト単相であったが、過剰Ｂｉ配合量が１４％であるＢＮＴ焼結体は、ペロブスカイト相の他にＢＩＴ相が含まれていることがわかった。
【００７７】
図２（ａ）に、過剰Ｂｉ配合量が２％であるＢＮＴ焼結体（焼結温度：１２００℃）のテープ面に平行な研削面について測定されたＸ線回折パターンを示す。また、図２（ｂ）に、比較例１で得られたＢＮＴ焼結体（焼結温度：１２００℃）の内、配向度の低い試料について測定されたＸ線回折パターンを示す。図２より、過剰Ｂｉ配合量が２％であるＢＮＴ焼結体は、低配向度の比較例１に比べて、擬立方表示で（１００）面と（２００）面からの回折ピーク強度が相対的に高く、強い｛１００｝面配向を示していることがわかる。
【００７８】
（電気的特性）
次に、実施例１及び比較例２で得られたＢＮＴ焼結体について、以下の手順に従い、電気的特性の評価を行った。すなわち、得られたＢＮＴ焼結体から、φ１１ｍｍｘｔ０．５ｍｍの円盤状ペレットを作製し、両面に銀ペースト（昭栄化学Ｈ４５１０、７００℃ｘ１０ｍｉｍ）にて電極を設け、１００℃で４ｋＶ／ｍｍｘ３０ｍｉｎの条件で分極処理を行った。次いで、圧電特性（Ｋｐ、ｄ３１、ｇ３１、Ｑｍ）を共振反共振法にて測定し、誘電特性（比誘電率εｒ、誘電損失ｔａｎδ）を、１ｋＨｚ、１Ｖの条件下で測定した。
【００７９】
なお、ＲＴＧＧ法により作製した過剰のＢｉを含まないＢＮＴ焼結体（比較例１）については、中間的な値を取ったサンプル品が低密度かつ低配向度であり、リークのために分極処理を行うことができなかったので、電気的特性の評価は行わなかった。
【００８０】
図３に、電気機械結合係数Ｋｐに及ぼす過剰Ｂｉ配合量の影響を示す。また、図４に、圧電ｇ３１定数に及ぼす過剰Ｂｉ配合量の影響を示す。なお、図３及び図４において、化学量論配合のＢＮＴ焼結体（過剰Ｂｉ配合量が０％）の値は、従来法で得たＢＮＴ焼結体（比較例２）について測定された値である。
【００８１】
Ｂｉを過剰に配合し、ＲＴＧＧ法で作製した｛１００｝面配向のＢＮＴ焼結体の圧電特性は、いずれも従来法で作製した無配向のＢＮＴ焼結体（比較例２）よりも高い値が得られた。特に、過剰Ｂｉ配合量を２％とすると、電気機械結合係数Ｋｐ及び圧電ｇ３１定数は極大となり、比較例２に比べて、電気機械結合係数Ｋｐで７２％、圧電ｇ３１定数で８３％高い値となった。また、圧電ｄ定数についても、図示はしないが、図４とほぼ同様の傾向を示した。
【００８２】
また、ＲＴＧＧ法で作製した｛１００｝面配向のＢＮＴ焼結体（実施例１）及び従来法で作製した無配向のＢＮＴ焼結体（比較例２）について、比誘電率εｒと誘電損失ｔａｎδを比較したところ、比誘電率εｒは、過剰Ｂｉ配合量の増加と共に増加した。また、誘電損失ｔａｎδは、従来法による無配向のＢＮＴ焼結体（比較例２）より２０〜３０％低い値となった。
【００８３】
（組成分析）
次に、実施例１及び比較例１で得られた焼結体中に残存しているＢｉ量を確認するため、焼結体を粉砕し、ＩＣＰ法によって元素分析（Ｂｉ、Ｎａ、Ｔｉ）を行った。次いで、得られた元素分析結果に基づき、過剰Ｂｉ含有量を求めた。結果を表１に示す。
【００８４】
【表１】
0004529219.tif 000003
【００８５】
なお、表１中、「ＢＮＴ＋Ｂ０」は、比較例１で用いた過剰Ｂｉ配合量が０．０％である原料ロット（母原料）に相当し、「ＢＮＴ＋Ｂ０．５」、「ＢＮＴ＋Ｂ２」、「ＢＮＴ＋Ｂ８．２」及び「ＢＮＴ＋Ｂ１４」は、それぞれ、実施例１で用いた過剰Ｂｉ配合量が０．５％、２．０％、８．２％及び１４．０％である原料ロットに相当する。
【００８６】
過剰にＢｉを配合した試料では、焼結体中にもＢｉが過剰に残存していた。しかしながら、過剰Ｂｉ含有量は、過剰Ｂｉ配合量よりも少なく、熱処理過程において、Ｂｉの一部が系外に失われることがわかった。また、過剰Ｂｉ配合量が同一であっても、高温で熱処理すると、焼結体中の過剰Ｂｉ含有量が減少することがわかった。
【００８７】
（実施例２）
実施例１と同様に、フラックス法で合成した板状ＢＩＴ粉末（平均粒径約５μｍ、厚さ０．５μｍ以下）の配合量がＢサイト原子（Ｔｉ）換算量で２０％であり、かつ、最終組成が以下の実験式で表される原料ロットを準備した。
（１）  0.95ＢＮＴ＋0.05ＢａＴｉＯ３
（２）  0.90ＢＮＴ＋0.05Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３＋0.05ＢａＴｉＯ３
（３）  0.70ＢＮＴ＋0.30ＢａＴｉＯ3
（４）  0.85ＢＮＴ＋0.15ＫＮｂＯ３
【００８８】
次に、これらの原料ロット、及び、これらの原料ロットに対してさらに化学量論比で必要な全Ｂｉ量の２％をＢｉ２Ｏ３として過剰に配合した原料ロットを準備し、実施例１と同一の条件下で、焼結体を作製した。また、得られた焼結体について、実施例１と同一の条件下で、焼結体密度、配向度及び電気的特性の評価を行った。
【００８９】
圧電セラミックスの最終組成によらず、Ｂｉを過剰に配合した原料ロットから得られた焼結体は、化学量論配合の原料ロットから得られた焼結体よりも高い擬立方｛１００｝配向度を安定して示した。また、その結果として、高い電気機械結合係数Ｋｐ、及び高い圧電定数を示した。
【００９０】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しないで種々の改変が可能である。
【００９１】
例えば、上記実施例では、焼結法として常圧焼結法が用いられているが、常圧焼結後にＨＩＰ処理を施し、焼結体をさらに緻密化させるようにしても良い。また、常圧焼結法に代えて、ホットプレス法あるいはホットフォージング法を用いて焼結しても良い。
【００９２】
また、上記実施例では、ドクターブレード法を用いて作製した同一組成のテープを積層して配向成形体を作製しているが、異なる組成のテープを積層して配向成形体とし、これを焼結しても良い。また、成形方法として押出成形法を用いると、｛１００｝面同士が平行に配向してはいないが、｛１００｝面が押出軸に対して平行に配向した配向成形体を低コストで得ることもできる。
【００９３】
さらに、本発明は、化学量論比よりも過剰にＢｉを配合することにより、焼結途中で液相を発生させ、これによりＢＮＴ系化合物の焼結性を向上させた点を特徴とするものであるが、この手法は、テンプレートとして板状ＢＩＴ粉末を用いて、ＲＴＧＧ法により配向焼結体を作製する系に限らず、他の系に対しても適用可能である。
【００９４】
例えば、板状粉末を容易に合成でき、かつ、その発達面がＢＮＴ系化合物の擬立方｛１００｝面と格子整合性を有するＢＩＴ以外の材料（例えば、ビスマス層状ペロブスカイト型化合物の１種であるＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５など）をテンプレートとして用いて、ＲＴＧＧ法によりＢＮＴ系圧電セラミックスを作製する場合、あるいは、無配向のＢＮＴ系圧電セラミックスを従来法により作製する場合であっても、本発明に係る手法を同様に適用できる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係る圧電セラミックスは、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３（但し、０．１≦ｘ≦１）で表されるペロブスカイト型化合物を主成分とし、さらに前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより少なくとも０．１％過剰のＢｉが含まれているので、その組成あるいは製造方法によらず、高い焼結体密度を有する圧電セラミックスが安定して得られるという効果がある。また、少量のＢｉを過剰に添加することによって、擬立方｛１００｝面が高い配向度で配向したＢＮＴ系の圧電セラミックスが安定して得られるという効果がある。
【００９６】
また、本発明に係る圧電セラミックスの製造方法は、板状のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２粉末と、該板状粉末と反応して、ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）−（１−ｘ）ＡＢＯ３（但し、０．１≦ｘ≦１）で表されるペロブスカイト型化合物を生成するペロブスカイト生成原料と、前記ペロブスカイト型化合物に含まれる化学量論比のＢｉより少なくとも０．５％過剰のＢｉを含むＢｉ含有原料とを混合する工程と、該混合工程で得られた混合物を前記板状粉末が配向するように成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を加熱する熱処理工程とを備えているので、その組成によらず、高い焼結体密度及び高い｛１００｝面配向度を有する圧電セラミックスが安定して得られるという効果がある。
【００９７】
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＲＴＧＧ法で作製されたＢＮＴ焼結体の焼結体密度及び｛１００｝配向度に及ぼす過剰Ｂｉ配合量の影響を示す図である。
【図２】  図２（ａ）は、過剰Ｂｉ配合量が２％である原料ロットを用いて、ＲＴＧＧ法により作製されたＢＮＴ焼結体のＸ線回折パターンであり、図２（ｂ）は、化学量論配合の原料ロットを用いてＲＴＧＧ法により作製されたＢＮＴ焼結体の内、低配向度のＢＮＴ焼結体のＸ線回折パターンである。
【図３】  ＲＴＧＧ法で作製されたＢＮＴ焼結体の電気機械結合係数Ｋｐに及ぼす過剰Ｂｉ配合量の影響を示す図である。
【図４】  ＲＴＧＧ法で作製されたＢＮＴ焼結体の圧電ｇ定数に及ぼす過剰Ｂｉ配合量の影響を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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