(57)【要約】【課題】歪み量を含む圧電特性を向上させつつ従来のセラミックスと同等の強度を有し、かつ、適用できる成分、元素および組成が広く、しかも通常のセラミックすと同程度のコストで製造することができる圧電素子材料を提供する。【解決手段】多結晶のセラミックスで構成される圧電素子材料であって、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶のセラミックスで構成される圧電素子材料であって、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上であることを特徴とする圧電素子材料。
【請求項２】
セラミックス粒子からなる原料粉末を混合する工程と、混合した原料粉末を仮焼きして誘電体とする工程と、仮焼きして固まった誘電体粉末を粉砕する工程と、所定の粒度範囲の誘電体粉末を混合する工程と、混合した誘電体粉末を成形して圧粉体とする工程と、前記圧粉体を焼成する工程とを備えた圧電素子材料の製造方法において、前記分級したセラミックス粒子を、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上となるように取り分けて混合することを特徴とする圧電素子材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータやセンサ等の圧力と電力とのエネルギー変換を行うトランスデューサに適用される圧電素子材料に係り、特に、機械的強度を向上させつつ圧電特性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の燃料ポンプの弁やクラッチ油圧バルブ、あるいはインクジェットプリンタのインクノズルなどの駆動源にはトランスデューサが用いられている。また、近年では自動車の車体制御などにトランスデューサを備えた加速度センサが用いられ、トランスデューサは、各種技術分野で重要な役割を担いつつある。トランスデューサには、導電／誘電高分子で構成されたものや、形状記憶合金で構成されたもの、あるいは、ピエゾセラミックスで構成されたものがある。その中でもピエゾセラミックスは、応答周波数が高く出力密度が高いことから、近年、脚光を浴びてきている。ピエゾセラミックスには、Ｐｂと他の金属との複合酸化物からなるＰｂ系と、チタン酸バリウムなどの非Ｐｂ系とがあり、Ｐｂ系は耐熱性が良好で圧電特性に優れている。また、非Ｐｂ系は、現在提供されているものでは非Ｐｂ系ほどの性能は発揮しないが、将来の環境対策として技術の確立が求められている。ここで、ピエゾセラミックスには、圧力が加わると電気を生じる圧電効果と、電圧が加わると歪みを生じる逆圧電効果を生じる性質がある。圧電効果は各種センサに利用され、逆圧電効果は各種アクチュエータに利用される。
【０００３】
ピエゾセラミックスの圧電特性を向上させる技術として、例えば特許文献１に記載されているように、テンプレート法と呼ばれる手法を用いてセラミックス粒子の方向を揃える技術や、特許文献２に記載されているように、単結晶ピエゾを製造する技術がある。しかしながら、これらの技術では、いずれも特殊な工程を必要とするため、製造費用が高価になるとともに、製造できる成分、元素および組成が限定されてしまうという問題があった。また、特に単結晶ピエゾでは、強度が低いという問題もあった。
【０００４】
一方、特許文献３には、多結晶体で構成された圧電体膜の粒径分布のピークを少なくとも２つ備え、大粒径側の結晶粒の粒径を１０００〜２０００ｎｍとしたピエゾセラミックスが提案されている。このようなピエゾセラミックスでは、比較的粒径の大きな粒子により圧電特性が向上されるという利点がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０００１９号公報（要約書）
【特許文献２】特開２００３−８９５９９号公報（要約書）
【特許文献３】特開２００２−８４０１２号公報（要約書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３に記載の技術は、インクジェットプリンタのインクノズルの駆動を目的としたもので、自動車のアクチュエータ等に用いるには歪み量が少なく、車載用としては充分な特性を有するものではなかった。
したがって、本発明は、歪み量を含む圧電特性を向上させつつ従来のセラミックスと同等の強度を有し、かつ、適用できる成分、元素および組成が広く、しかも通常のセラミックすと同程度のコストで製造することができる圧電素子材料を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電素子材料は、多結晶のセラミックスで構成される圧電素子材料であって、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上であることを特徴とする。
【０００８】
図１は、本発明におけるセラミックス粒子の粒度分布を示す図である。図１に示すように、本発明では、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有している。ここで、ピークの半値幅とは、粒子径の分布曲線において極地（個数）ｈの半分の値をとる２点ａ，ｂにおける粒子径の範囲Ｄａ〜Ｄｂと定義する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、最大の粒子径のピークを１０〜４００μｍという極めて大きな範囲に設定しており、大粒径の粒子は分極が大きいため圧電特性を向上させることができる。また、粒子径の小さいピークも存在するため、大粒径の粒子の隙間を小粒径の粒子が埋めて機械的強度を維持することができる。また、本発明の圧電素子材料は、セラミックス粒子を分級して混合するといった通常の工程で製造することができるので、製造コストの上昇を抑えることができる。さらに、通常の焼成が可能なものであれば、成分、元素および組成による制約は一切ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明の圧電素子材料は、セラミックス粒子からなる原料粉末を混合する工程と、混合した原料粉末を仮焼きして誘電体とする工程と、仮焼きして固まった誘電体粉末を粉砕する工程と、粉砕した誘電体粉末を本焼きする工程と、本焼きして固まった誘電体粉末を粉砕する工程と、粉砕した誘電体粉末を分級する工程と、所定の粒度範囲の誘電体粉末を混合する工程と、混合した誘電体粉末を成形して圧粉体とする工程と、前記圧粉体を焼成する工程とにより製造することができる。以下、以上の工程を順番に説明する。
【００１１】
１．混合工程
ＰｂＯ，ＮｉＯ，Ｎｂ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２等の金属酸化物粉末を所定の割合で秤量し、乳鉢やボールミル等を用いて混合する。
【００１２】
２．仮焼き工程
混合した原料粉末を容器に充填し熱処理して誘電体化する。仮焼き工程では原料粉末の全てを誘電体化するのではなく、大まかに誘電体化する。仮焼きは、例えば約１０００℃で２〜６時間保持する。
【００１３】
３．粉砕工程
仮焼きにより誘電体粉末が固まるので、それを乳鉢やボールミル等を用いて粉砕する。これにより、未反応の原料粉末が次の本焼きで完全に反応する。
【００１４】
４．本焼き工程
本焼き工程は、未反応の原料粉末を反応させて完全に誘電体化する工程である。本焼きは、例えば約１２００℃で２時間程度保持する。
【００１５】
５．粉砕工程
粉砕工程では、本焼きにより誘電体粉末が固まるので、それを乳鉢やボールミル等を用いて粉砕する。これにより、次の分級が可能となる。
【００１６】
６．分級工程
分級工程は、篩い等によって誘電体粉末を所望の粒子サイズに分ける工程である。そして、次の混合工程で混合するサイズのものが得られるように分級する。
【００１７】
７．混合工程
分級工程で分級された粒子径の中から誘電体粉末を選定して、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上となるように混合する。なお、混合は乳鉢やボールミルを用いて行う。また、必要に応じてステアリン酸亜鉛などの潤滑剤を混合することもできる。なお、最小の粒子径のピークは０．５〜３μｍであることが望ましい。
【００１８】
８．形成工程
成形工程は、通常の粉末冶金法と同じ手法で行うことができ、混合された誘電体粉末をプレスの金型に充填し、所望の形状に成形して圧粉体とする。あるいは、水などの液体を加圧媒体とし、高い等方圧力を圧粉体に加える手法（ＣＩＰ法）を用いることも可能である。
【００１９】
９．焼成工程
焼成工程は、圧粉体を焼き固めて誘電体セラミックスとする工程である。焼成は、例えば約１２００〜１３００℃で１〜２時間程度保持する。なお、本焼き工程を省略して焼成工程において未反応原料粉末を反応させることもできる。
【実施例】
【００２０】
ＰｂＯ，ＮｉＯ，Ｎｂ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２の金属酸化物粉末を所定の割合で秤量し、それら原料粉末に対して、混合、仮焼き、粉砕、本焼き、および粉砕の各工程を行った。得られた誘電体粉末を分級し、混合した。またＢａＴｉＯ３の粉末を用意し、同様に分級し、混合した。誘電体粉末の混合に際しては、セラミックス粒子の粒度分布が２つ以上のピークを有し、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在し、かつ、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数が、セラミックス粒子全体の個数の１０％以上となる粉末と、上記範囲を逸脱する粉末を作製した。
【００２１】
表１および表２に、得られた誘電体粉末の粒度分布における２つのピークの中での平均粒径と、最大の粒子径のピーク中に存在する粒子の個数および粒径を示す。また、表１および表２に誘電体粉末の組成比を併記する。表１および表２において、ＰＺＮはＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＰＮＮはＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＰＺＴはＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３、ＰＴはＰｂＴｉＯ３を示し、ＢＴはＢａＴｉＯ３を示す。また、０．５ＰＮＮ−０．５ＰＺＴ等の記載は、５０体積％のＰＮＮと５０体積％ＰＺＴの混合粉末であることを示す。なお、表１および表２において「局在粒径数」とは、粒度分布のピークの数をいい、「平均粒径」とは、ピークとなる粒径をいう。たとえば、表１のＮｏ．１では、図１に示した粒度分布のピークが１５μｍと４００μｍに存在し、４００μｍが「最大局在粒径」である。
【００２２】
【表１】
2007284278.tif 000002
【００２３】
【表２】
2007284278.tif 000003
【００２４】
得られた誘電体粉末を圧力２００〜４００ＭＰａで直径：１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状にプレス成形し、圧粉体を温度１２００〜１３００℃で１〜２時間焼成した。また、誘電体セラミックスの軸方向に２〜３ｋＶ／ｍｍ（ＤＣ）の電圧を印加して分極させた。得られた圧電素子の電気機械結合係数を測定した。ここで、電気機械結合係数とは、トランスデューサの電気対機械の変換能力を表す係数であり、与えた電気入力Ａのうち機械出力に変換される量をＢとすると、（Ｂ／Ａ）１／２で表される。また、圧電素子の比誘電率（ε）を測定した。以上の測定結果を表３および表４に示す。なお、インピーダンスアナライザー（ヒューレットパッカード社製、ＨＰ４２９４Ａ）を用いて誘電体セラミックスのインピーダンスを測定することにより、被誘電率を算出し（ＪＩＳＲ１６２７）、電気機械結合係数を算出した（ＪＩＳＲ１６００  ４３０６）。また、得られた誘電体セラミックスの曲げ強さ（ＭＰａ）を測定した。
【００２５】
次に、得られた圧電素子の圧電効果の大きさ（ｇ３１）を測定した。圧電効果とは、圧電素子に与えられた歪みに対して出力する電力の大きさである。また、圧電素子に印加した電界に対して生じる歪みを、平面視で横方向（ｄ３１）、縦方向（ｄ３３）および分圧方向（軸方向、ｄ１５）について調べた。以上の測定結果を表３および表４に併記する。
【００２６】
【表３】
2007284278.tif 000004
【００２７】
【表４】
2007284278.tif 000005
【００２８】
試料Ｎｏ．４，８，９等は、最大の粒子径のピークが１０〜４００μｍの範囲に存在しているが、最大の粒子径のピークの半値幅以内の粒径のセラミックス粒子の個数がセラミックス粒子全体の個数の１０％を下回っている。このため、それら比較例は、機械強度は本発明例と同等であるものの、比誘電率等の圧電特性は全て本発明例よりも劣っていた。また、試料Ｎｏ．２４では、セラミックス粒子の粒度分布が１つしかないため、圧電特性はかなり悪くなった。なお、最大の粒子径のピークが大きくなる程圧電特性が向上している。チタン酸バリウムの粉末から得た圧電素子においても同等の結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、アクチュエータやセンサ等の圧力と電力とのエネルギー変換を行うトランスデューサに適用可能であり、特に、自動車の燃料ポンプの弁などのように大きな作動範囲を必要とするものに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】セラミックス粒子の粒度分布を示すグラフである。
【図１】
2007284278.tif 000006