特許 6673090 圧電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6673090

(24)【登録日】2020年3月9日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】圧電素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/187 20060101AFI20200316BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20200316BHJP

   H01L 41/43 20130101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/187

   H01L41/09

   H01L41/43

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-157588(P2016-157588)

(22)【出願日】2016年8月10日

(65)【公開番号】特開2018-26459(P2018-26459A)

(43)【公開日】2018年2月15日

【審査請求日】2018年6月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(72)【発明者】

【氏名】池田 佳生

(72)【発明者】

【氏名】東條 裕志

(72)【発明者】

【氏名】立本 一志

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 誠志

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２７２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０４３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０４３３５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とする非鉛系圧電セラミックからなる圧電体と、
前記圧電体に設けられた電極と、を備え、
前記圧電体は、第一結晶粒を有し、
前記第一結晶粒間の結晶粒界には、第一空孔が存在していると共に、前記第一結晶粒には、第二空孔が存在しており、
前記第二空孔の平均径は、前記第一空孔の平均径よりも小さく、
前記第一結晶粒の平均粒径は、５０μｍ以上３００μｍ以下である、圧電素子。

【請求項2】

前記圧電体は、前記第一結晶粒よりも平均粒径の小さい第二結晶粒を更に有し、
前記結晶粒界は、前記第一空孔が存在している第一領域と、前記第二結晶粒が集合している第二領域と、を有する、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項3】

前記第二結晶粒間の結晶粒界には、第三空孔が存在している、請求項２に記載の圧電素子。

【請求項4】

前記第三空孔の平均径は、前記第二結晶粒の平均粒径よりも小さい、請求項３に記載の圧電素子。

【請求項5】

前記第二空孔の内部空間は、多面体形状を呈している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。

【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】

たとえば、特許文献１には、圧電セラミックスと、圧電セラミックスの表面に形成された一対の電極と、を備える圧電素子が記載されている。この圧電素子では、圧電セラミックスが鉛を含有していない。このため、環境に対する負荷を低減することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−１０８６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、非鉛系圧電セラミックからなる圧電体を備える圧電素子において、変位量の向上を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る圧電素子は、非鉛系圧電セラミックからなる圧電体と、圧電体に設けられた電極と、を備え、圧電体は、第一結晶粒を有し、第一結晶粒間の結晶粒界には、第一空孔が存在していると共に、第一結晶粒には、第二空孔が存在しており、第二空孔の平均径は、第一空孔の平均径よりも小さい。

【0006】

本発明に係る圧電素子では、第一結晶粒間の結晶粒界に第一空孔が存在している。仮に、第一結晶粒が隙間なく密集している場合、第一結晶粒の形状を変化させようとしても第一結晶粒同士が互いに干渉し合うことになる。これにより、第一結晶粒の形状の変化が抑制される結果、その分極が阻害されてしまう懼れがある。第一空孔によれば、第一結晶粒同士の干渉による応力が緩和されるので、第一結晶粒の形状の変化が許容され易くなる。したがって、第一結晶粒の分極が阻害され難く、優れた圧電特性が発現されることにより、変位量の向上を図ることができる。また、第一結晶粒には、第一空孔よりも平均粒径の小さい第二空孔が存在している。このような第二空孔によれば、第一結晶粒を柔らかくすることができるので、第一結晶粒の形状の変化が許容され易くなる。したがって、この点からも、変位量の向上を図ることができる。

【0007】

本発明に係る圧電素子において、圧電体は、第一結晶粒よりも平均粒径の小さい第二結晶粒を更に有し、結晶粒界は、第一空孔が存在している第一領域と、第二結晶粒が集合している第二領域と、を有してもよい。この場合、第一結晶粒間の結晶粒界には第一空孔だけでなく、第二結晶粒が存在しているので、第一結晶粒で発生した内部クラックが隣の第一結晶粒に延伸するのを抑制することができる。

【0008】

本発明に係る圧電素子において、第二結晶粒間の結晶粒界には、第三空孔が存在していてもよい。この場合、第三空孔によっても、第一結晶粒同士の干渉による応力が緩和されるので、第一結晶粒の形状の変化が更に許容され易くなる結果、圧電特性を更に向上させることができる。

【0009】

本発明に係る圧電素子において、第三空孔の平均径は、第二結晶粒の平均粒径よりも小さくてもよい。この場合、第二結晶粒が第三空孔内に脱落することを抑制可能となる。

【0010】

本発明に係る圧電素子において、第二空孔の内部空間は、多面体形状を呈していてもよい。この場合、内部空間が球状を呈する空孔に比べて、第二空孔では変形が容易である。このため、第一結晶粒の形状の変化が許容され易い。したがって、第二空孔によれば、第一結晶粒の空孔率が低くても、第一結晶粒を効率的に柔らかくすることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、非鉛系圧電セラミックからなる圧電体を備える圧電素子において、変位量の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。

【図2】図１に示される圧電体の一部拡大断面図である。

【図3】圧電体の断面のＳＥＭ写真である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0014】

図１〜図３を参照して、本実施形態に係る圧電素子１の構成を説明する。図１は、実施形態に係る圧電素子の構成を示す断面図である。図２は、図１に示される圧電体の一部拡大断面図である。図３は、圧電体の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。

【0015】

圧電素子１は、図１に示されるように、圧電体２と、圧電体２に設けられた一対の電極３，４と、を備えている。圧電素子１は、たとえば、デュアル・アクチュエータ方式のディスク装置において、ボイスコイルモータ以外の第二のアクチュエータとして用いられる。圧電素子１は、たとえば、矩形板状を呈している。圧電素子１の厚さは、たとえば、１００μｍである。

【0016】

圧電体２は、たとえば、矩形板状を呈している。圧電体２は、互いに対向する一対の主面２ａ，２ｂと、一対の主面２ａ，２ｂを連結するように一対の主面２ａ，２ｂの対向方向に延びる４つの側面２ｃと、を有している。圧電体２の厚さは、たとえば、９５μｍである。

【0017】

圧電体２は、非鉛系圧電セラミックからなっている。ここでは、圧電体２は、非鉛系圧電セラミックからなっている。非鉛系圧電セラミックの主成分は、たとえば、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）である。組成比を、たとえば、（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_ｍ（Ｎｂ_１−ｙＴａ_ｙ）Ｏ_３とすることができる。ｍ＞０．９５とすることにより、焼成が容易となる。非鉛系圧電セラミックには、Ｌｉ，Ｓｒ，Ｚｒ，Ｂｉ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ等が適量添加されていてもよい。非鉛系圧電セラミックには、不可避成分として、Ｐｂが少量（例えば、０．５％（＝５０００ｐｐｍ）未満）含まれていてもよい。

【0018】

圧電体２は、図２に示されるように、第一結晶粒Ｇ１及び第二結晶粒Ｇ２を有している。第一結晶粒Ｇ１の平均粒径は、たとえば、１００μｍ程度であり、具体的には、１０μｍ以上３００μｍ以下である。第一結晶粒Ｇ１の平均粒径は、好ましくは５０μｍ以上３００μｍ以下である。第一結晶粒Ｇ１の平均粒径は、たとえば、以下のようにして求められる。圧電体２の断面のＳＥＭ写真を撮影する。撮影したＳＥＭ写真に対してソフトウェアにより画像処理を行い、第一結晶粒Ｇ１の境界を判別し、第一結晶粒Ｇ１の面積（断面積）を算出する。算出した第一結晶粒Ｇ１の面積を円相当径に換算して粒径（直径）を算出する。算出した粒径の平均値を第一結晶粒Ｇ１の平均粒径とする。圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率は、１０％以上８０％以下であり、好ましくは６０％以上８０％以下である。圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率は、たとえば、上述の画像処理によって算出した第一結晶粒Ｇ１の面積の和の、圧電体２の面積に対する比率（面積占有率）として算出される。

【0019】

第二結晶粒Ｇ２の平均粒径は、第一結晶粒Ｇ１の平均粒径よりも小さく、たとえば、５μｍ程度であり、具体的には、０．１μｍ以上５μｍ以下である。第二結晶粒Ｇ２の平均粒径は、たとえば、第一結晶粒Ｇ１の平均粒径と同様に算出される。圧電体２における第二結晶粒Ｇ２の占有率は、３０％以上８５％以下である。圧電体２における第二結晶粒Ｇ２の占有率は、たとえば、圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率と同様に算出される。

【0020】

第一結晶粒Ｇ１間の結晶粒界ＧＢには、第一空孔（ポア）Ｐ１が存在している。結晶粒界ＧＢは、第一領域Ｒ１及び第二領域Ｒ２を有している。第一領域Ｒ１は、第一空孔Ｐ１が存在している領域である。第一空孔Ｐ１は、結晶粒界ＧＢに沿って存在している。ここで、結晶粒界には、２つの結晶粒間の二面間粒界、及び３つ以上の結晶粒間の粒界三重点が含まれる。なお、圧電体２における結晶粒界ＧＢの中には、第一領域Ｒ１及び第二領域Ｒ２のいずれか一方のみを有するものもある。

【0021】

第一空孔Ｐ１の平均径は、３μｍ以上５０μｍ以下である。第一空孔Ｐ１の平均径は、たとえば、第一結晶粒Ｇ１の平均粒径と同様に算出される。すなわち、撮影したＳＥＭ写真に対してソフトウェアにより画像処理を行い、第一空孔Ｐ１の境界を判別し、第一空孔Ｐ１の面積（断面積）を算出する。算出した第一空孔Ｐ１の面積を円相当径に換算して径（直径）を算出する。算出した径の平均値を第一空孔Ｐ１の平均径とする。圧電体２における第一空孔Ｐ１の占有率は、０．５％以上２０％以下である。圧電体２における第一空孔Ｐ１の占有率は、たとえば、圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率と同様に算出される。圧電体２の断面の単位面積当たりに存在する第一空孔Ｐ１の数は、１０個／ｍｍ^２以上１０００個／ｍｍ^２以下である。

【0022】

第二領域Ｒ２は、第二結晶粒Ｇ２が集合している領域である。第二結晶粒Ｇ２間の結晶粒界には、第三空孔Ｐ３が存在している。第三空孔Ｐ３の平均径は、第二結晶粒Ｇ２の平均粒径よりも小さい。第三空孔Ｐ３の平均径は、０．１μｍ以上５μｍ以下である。第三空孔Ｐ３の平均径は、たとえば、第一空孔Ｐ１の平均粒径と同様に算出される。

【0023】

第二領域Ｒ２における第三空孔Ｐ３の占有率は、１０％以上４０％以下である。第二領域Ｒ２における第三空孔Ｐ３の占有率は、たとえば、圧電体２における第二領域Ｒ２の占有率、及び圧電体２における第三空孔Ｐ３の占有率をそれぞれ、圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率と同様に算出した後、これらの比率として算出される。第二領域Ｒ２の単位面積当たりに存在する第三空孔Ｐ３の数は、１０個／ｍｍ^２以上５００００個／ｍｍ^２以下である。

【0024】

第一結晶粒Ｇ１には、第二空孔Ｐ２が存在している。第二空孔Ｐ２は、第一結晶粒Ｇ１中に略均一に分散して存在している。第一結晶粒Ｇ１における第二空孔Ｐ２の占有率は、０．５％以上２０％以下である。第一結晶粒Ｇ１における第二空孔Ｐ２の占有率は、たとえば、圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率を上述のように算出するとともに、圧電体２における第二空孔Ｐ２の占有率を同様に算出した後、これらの比率として算出される。第一結晶粒Ｇ１の単位体積当たりに存在する第二空孔Ｐ２の数は、１０個／ｍｍ^２以上３００００個／ｍｍ^２以下である。

【0025】

第二空孔Ｐ２の平均径は、第一空孔Ｐ１の平均径よりも小さい。第二空孔Ｐ２の平均径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。第二空孔Ｐ２の平均径は、たとえば、第一空孔Ｐ１の平均粒径と同様に算出される。第二空孔Ｐ２の内部空間は、多面体形状を呈している。このため、第二空孔Ｐ２の断面は、図３にも示されるように、正方形又は長方形に準ずる形状を呈している。第二空孔Ｐ２の内部空間がこのような多面体形状を呈するのは、結晶構造由来の安定した状態のためと考えられる。

【0026】

一対の電極３，４は、図１に示されるように、一対の主面２ａ，２ｂ上に設けられている。電極３が主面２ａに設けられ、電極４が主面２ｂに設けられている。一対の電極３，４は、たとえば、スパッタリング法又は蒸着法により、一対の主面２ａ，２ｂ上に形成されている。一対の電極３，４は、一対の主面２ａ，２ｂ全体を覆っている。一対の電極３，４は、圧電体２に電界を印加するための電極として機能している。一対の電極３，４は、たとえば、Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ又はＰｔからなる。一対の電極３，４の厚さは、たとえば、５μｍ以下程度である。

【0027】

圧電体２の側面２ｃは、一対の電極３，４から露出している。側面２ｃは、樹脂（不図示）で覆われていてもよい。この場合、樹脂は側面２ｃ全体を覆うように配置されていてもよい。樹脂の材料としては、たとえば、エポキシ樹脂が挙げられる。

【0028】

次に、圧電素子１の製造方法について説明する。まず、混合した原料粉末を一旦７００℃ほどで熱処理（仮焼き）して、（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_ｍ（Ｎｂ_１−ｙＴａ_ｙ）Ｏ_３を主成分とする圧電材料（圧電セラミック粉体）を得る。原料粉末は、仮焼き後の組成比に応じて調製される。ここで、あえて十分な熱処理を行わないことにより、焼結後に得られる圧電材料の粒度が分かれるので、目的の焼結体が得られ易くなる。ただし、圧電セラミックの組成に応じて、このような熱処理に適した温度範囲が変化し易い。この場合、８００℃ほどで十分な熱処理した粉体と、６００℃ほどで熱処理した粉体とを混ぜ合わせることによっても、比較的容易に目的の焼結体が得られる。

【0029】

続いて、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）を溶媒にしたアクリル系バインダを使用し、圧電セラミック粉体のペーストを得る。次に、ペーストからグリーンシートを作成する。グリーンシートは、たとえば、ドクターブレード法により作成される。本実施形態の圧電素子１は、単板型で内部電極を備えない構成であるが、目的の製品構造に応じて、積層型とする場合は、作成したグリーンシートを重ね合せる。また、内部電極を備える構成とする場合は、グリーンシート上にＡｇＰｄ又はＣｕ等を使用した電極を印刷により設けてから、グリーンシートを重ね合せる。積層体は、温間等方圧プレス（ＷＩＰ：Warm Isostatic Press）又は一軸圧プレスを実施することで、圧電体グリーンとする。

【0030】

得られた圧電体グリーンに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、４５０℃で６時間ほどかけて行われる。続いて、圧電体グリーンを焼成し、圧電体を得る。焼成は、たとえば、酸素分圧を管理した上で実施される。温度勾配をΔ５００℃／ｈ以上とすると、比較的容易に焼結することができる。続いて、圧電体の各主面に対して、それぞれ電極膜を形成する。電極膜は、たとえば、Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ又はＰｔからなる。電極膜はたとえば、スパッタリング法又は蒸着法により形成される。これにより、圧電体及び電極膜を備える圧電素子基板が得られる。

【0031】

次に、圧電素子基板に分極処理を行う。分極処理では、たとえば、１００℃の温度下で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を３分間印加する。続いて、分極処理後の圧電素子基板をダイサーなどの切断機で製品形状に加工する。これにより、個片化された圧電体２及び一対の電極３，４を備える圧電素子１が得られる。

【0032】

以上のように構成された圧電素子１では、第一結晶粒Ｇ１間の結晶粒界ＧＢに第一空孔Ｐ１が存在している。仮に、第一結晶粒Ｇ１が隙間なく密集している場合、第一結晶粒の形状を変化させようとしても第一結晶粒Ｇ１同士が互いに干渉し合うことになる。これにより、第一結晶粒Ｇ１の形状の変化が抑制される結果、その分極が阻害されてしまう懼れがある。第一空孔Ｐ１によれば、第一結晶粒Ｇ１同士の干渉による応力が緩和されるので、第一結晶粒Ｇ１の形状の変化が許容され易くなる。したがって、第一結晶粒Ｇ１の分極が阻害され難く、優れた圧電特性が発現されることにより、変位量の向上を図ることができる。

【0033】

ＫＮＮを主成分とする非鉛系圧電セラミックは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックと比べて、強度が高く、割れ欠け等が発生し難い。しかしながら、従来のＫＮＮは、硬すぎるため電歪特性が不十分であった。これに対して、圧電素子１では、上述のように電歪特性等の圧電特性を向上させることができる。

【0034】

第一結晶粒Ｇ１には、第一空孔Ｐ１よりも平均径の小さい第二空孔Ｐ２が存在している。このような第二空孔Ｐ２によれば、第一結晶粒Ｇ１を柔らかくすることができる。つまり、第一結晶粒Ｇ１の変形により第一結晶粒Ｇ１内に生じる応力が、第二空孔Ｐ２によって緩和されるので、第一結晶粒Ｇ１の変形に対する抵抗を小さくことができる。このため、第二空孔Ｐ２によれば、第一結晶粒Ｇ１の形状の変化が許容され易くなる。したがって、この点からも、変位量の向上を図ることができる。

【0035】

圧電体２は、第一結晶粒Ｇ１よりも平均粒径の小さい第二結晶粒Ｇ２を更に有している。結晶粒界ＧＢは、第一空孔Ｐ１が存在している第一領域Ｒ１と、第二結晶粒Ｇ２が集合している第二領域Ｒ２と、を有している。このように、結晶粒界ＧＢには第一空孔Ｐ１だけでなく、第二結晶粒Ｇ２が存在しているので、第一結晶粒Ｇ１で発生した内部クラックが隣の第一結晶粒Ｇ１に延伸するのを抑制することができる。

【0036】

第二結晶粒Ｇ２間の結晶粒界には、第三空孔Ｐ３が存在している。このため、第三空孔Ｐ３によっても、第一結晶粒Ｇ１同士の干渉による応力が緩和される。これにより、第一結晶粒Ｇ１の形状の変化が更に許容され易くなる結果、圧電特性を更に向上させることができる。

【0037】

第三空孔Ｐ３の平均径は、第二結晶粒Ｇ２の平均粒径よりも小さい。このため、第二結晶粒Ｇ２が第三空孔Ｐ３内に脱落することを抑制可能となる。

【0038】

第二空孔Ｐ２の内部空間は、多面体形状を呈している。このため、第二空孔Ｐ２では、内部空間が球状を呈する空孔に比べて、変形が容易である。したがって、第一結晶粒Ｇ１の形状の変化が許容され易い。この結果、第二空孔Ｐ２によれば、第一結晶粒Ｇ１の空孔率が低くても、第一結晶粒Ｇ１を効率的に柔らかくすることができる。

【0039】

第一結晶粒Ｇ１の平均粒径は、好ましくは５０μｍ以上であり、また、圧電体２における第一結晶粒Ｇ１の占有率は、好ましくは６０％以上である。このように十分に粒成長した第一結晶粒Ｇ１が圧電体２に多く含まれる場合、圧電素子１の電気諸特性、強度、及び信頼性等を向上させることができる。

【0040】

本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

【0041】

たとえば、圧電素子１は、積層型圧電素子としてもよいし、内部電極を備えてもよい。また、圧電素子１の形状は、上述の形状に限られず、目的の製品構造に応じて、適宜変更することができる。第一結晶粒Ｇ１等の占有率は、第一結晶粒Ｇ１等の体積占有率として算出されてもよい。

【符号の説明】

【0042】

１…圧電素子、２…圧電体、３，４…電極、Ｇ１…第一結晶粒、Ｇ２…第二結晶粒、ＧＢ…結晶粒界、Ｒ１…第一領域、Ｒ２…第二領域、Ｐ１…第一空孔、Ｐ２…第二空孔、Ｐ３…第三空孔。

【図1】

【図2】

【図3】