JP4155466B2 - 圧電セラミックス焼結体の評価方法、積層型圧電セラミックス素子の評価方法及び積層型圧電セラミックス素子の評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス焼結体の評価方法に関し、特に積層型圧電セラミックス素子の変位量の評価に好適な方法及び装置に関する。

従来から圧電素子は電気的エネルギーを逆圧電効果により機械的エネルギーに変換できる特性を利用して、種々の装置の駆動源として用いられている。一般的な圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)等の圧電セラミックス層の両面に導体ペーストを印刷・焼成して電極層を形成した構造を有している。しかし、圧電セラミックス層が１層では得られる変位量が小さいため、大きな変位量を得たい場合には、圧電セラミックス層を積み重ねて変位量を増やしている。これが積層型圧電セラミックス素子である。

このような積層型圧電セラミックス素子が、所望する変位量を得ることができるか評価を行う必要がある。そのような評価方法として、特許文献１（特開２００３−３９６５７号公報）、特許文献２（特開２００４−２９６７８５号公報）に開示された方法が知られている。
特許文献１は、例えば印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータについて、複数の変位素子を支持基板に接着し、積層圧電体素子の電極部と支持基板の配線パターンとを導電性接着剤等で電気的に接続し、個々の圧電素子に一定の電圧を印加し、各変位素子の変位量を測定している。
特許文献１に記載の評価方法では、圧電アクチュエータを支持部材に接合してから圧電アクチュエータの不良の判別を行うため、製造工数が増えると共に、不良が発生した時には支持部材と、支持部材に接合する工程が無駄になり、コスト上昇の大きな要因となっていた。そこで特許文献２は、支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な測定の可能な圧電アクチュエータの評価方法及び測定装置を提供している。特許文献２は、振動板上に複数の変位素子が設けられた圧電アクチュエータを、複数の貫通孔又は溝を備えた保持板上に載置して変位素子の外周部を個々に拘束し、しかる後に変位素子に一定の電圧を印加して発生した変位量を測定することを特徴としている。

特開２００３−３９６５７号公報 特開２００４−２９６７８５号公報

特許文献２に開示された評価方法は特許文献１に開示された評価方法に比べて、簡便に変位量を評価することができる。しかし、特許文献２にしても、最終的な製品形状にした後に所定の電圧を印加し、発生した変位量を測定している。すなわち、従来の評価方法では、全ての製造工程を終え加工された後でしか変位量を評価できないために、それまで行われた各工程が無駄となる場合がある。
そこで本発明は、所定の電圧を加えることなく積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価することのできる評価方法を提供することを目的とする。また本発明は、所定の電圧を加えることなく積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価することのできる評価装置を提供することを目的とする。

ところで、圧電セラミックス層を得るためのチタン酸ジルコン酸鉛等の焼成温度は１１００〜１２００℃と高温である。したがって、電極層を構成する材料は、この高い焼成温度に耐え得る必要がある。そのために、これまで電極層に使用される導電材料としてＡｇ／ＰｔやＡｇ／Ｐｄ等の貴金属材料が用いられていた。しかし、この高価な電極層が積層型圧電セラミックス素子の製造コストを高くする要因となっていた。ところが近年、圧電セラミックス材料の低温焼成化が進み、それに伴い電極層の導電材料にＣｕ等の卑金属材料の使用が可能となり、製造コストの低減が図れるようになってきている（例えば、特許文献３（特表２００３−５２９９１７号公報））。

特表２００３−５２９９１７号公報

Ｃｕ等の卑金属材料は大気中で焼成すると酸化してしまい、電極としての機能を果たさなくなる。したがって、Ｃｕ等の卑金属材料を用いて電極層を形成する場合には、還元性雰囲気中での焼成が必要となる。還元性雰囲気での加熱は焼成工程だけでなく、脱バインダ工程においても行われる。この脱バインダ工程は、よく知られているように、成形体を構成するためにセラミックス粉末とともに添加される有機バインダを除去することを目的として行われる。ところが、還元性雰囲気での脱バインダでは十分にバインダを除去することかできない。したがって、バインダはＣ（炭素）として成形体中に残留してしまう。成形体中に残留したＣは、焼成工程の還元性雰囲気中において、チタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)の原料であるＰｂＯを還元して、金属鉛（Ｐｂ）を生成させる。この金属鉛（Ｐｂ）は電極層を構成するＣｕと反応することにより、積層型圧電セラミックス素子に変位量の不良を発生させる要因となる。脱バインダ後の成形体、あるいは焼成後の焼結体に残留する炭素量（残留炭素量）を測定すればよいが、製品となる成形体、焼結体中残留炭素の量を測定することはできない。そこで、脱バインダ後又は焼成後に、成形体又は焼結体に所定の光を照射してその反射率と、積層型圧電セラミックス素子としての変位量の関係を調査したところ、光の反射率と変位量とが相関することを知見した。

本発明は以上の知見に基づいており、セラミックス粒子と有機バインダとを含む成形体から、有機バインダを除去する脱バインダ処理を行った後に焼成して得られる圧電セラミックス焼結体が所定の変位量を有するか否か評価する方法であって、脱バインダ処理がなされた成形体又は圧電セラミックス焼結体に光を照射するステップと、成形体又は圧電セラミックス焼結体に照射された光の反射率を測定するステップと、成形体又は圧電セラミックス焼結体について、予め定められた基準反射率と測定された反射率を比較するステップと、を備えることを特徴とする圧電セラミックス焼結体の評価方法である。この基準反射率は、所定の変位量を有する圧電セラミックス焼結体に基づいて定めればよい。

以上の評価方法は、積層型圧電セラミックス素子に適用することができる。すなわち本発明は、圧電セラミックス層前駆体と内部電極前駆体とが積層された積層体を焼成して得られる積層型圧電セラミックス素子が所定の変位量を有するか否か評価する方法であって、内部電極前駆体に含まれる有機バインダの除去処理がなされた積層体又は積層型圧電セラミックス素子に検査光を照射するステップと、積層体又は積層型圧電セラミックス素子からの検査光の反射光を観察するステップと、を備え、検査光の反射光の観察は、反射光の反射率と予め定められた基準反射率とを比較するものであることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の評価方法を提供する。

前述したように、内部電極がＣｕの場合に有機バインダからの残留炭素の問題が生じることから、内部電極前駆体の導電材料がＣｕである場合に本発明の積層型圧電セラミックス素子の評価方法が特に有意義である。内部電極がＣｕの場合には、有機バインダの除去及び／又は焼成が還元性雰囲気で行われる。

反射光の観察としては、反射率以外にも、色度、輝度、光沢度等を用いることができるが、検査光の反射率を測定することが好ましい。
また本発明は、積層型圧電セラミックス素子が所定の変位量を有するか否か評価することができるが、他の特性、例えば、磁器密度、誘電率、駆動信頼性を評価する指標とすることができる。

以上の積層型圧電セラミックス素子の評価方法を実施する装置を本発明は提供する。この装置は、圧電セラミックス層前駆体と内部電極前駆体とが積層された積層体を焼成して得られる積層型圧電セラミックス素子の評価装置であって、圧電セラミックス層前駆体及び内部電極前駆体に含まれる有機バインダの除去処理がなされた積層体又は積層型圧電セラミックス素子に検査光を照射する光源と、積層体又は積層型圧電セラミックス素子からの反射光を受光する受光素子と、検査光に対する反射光の反射率を求める計測手段と、反射率と予め定められた基準反射率とを比較することにより積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。

評価手段による評価結果に基づいて積層体又は積層型圧電セラミックス素子を選別する選別手段を備えることが好ましい。評価結果が悪かった積層体又は積層型圧電セラミックス素子は、以後の工程を行わないこととし、製造工程上の無駄を省くことができる。

本発明によれば、所定の電圧を加えることなく積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価することができる。また本発明によれば、所定の電圧を加えることなく積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価することのできる評価装置を提供できる。

以下、実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図４は、本発明の評価対象である積層型圧電セラミックス素子１の構成例を示す断面図である。なお、図４はあくまで一例を示すものであって、本発明の評価対象が図４の積層型圧電セラミックス素子１に限定されないことは言うまでもない。この積層型圧電セラミックス素子１は、複数の圧電セラミックス層１１と複数の内部電極１２とを交互に積層した積層体１０を備えている。圧電セラミックス層１１の一層当たりの厚さは例えば１〜１００μｍ程度が好ましいが、内部電極１２に挟まれた圧電セラミックス層１１よりも上下両端の圧電セラミックス層１１（１１ａ，１１ｃ）の厚さを厚く形成する場合がある。また、圧電セラミックス層１１の積層数は目標とする変位量に応じて決定される。

圧電セラミックス層１１を構成する圧電セラミックスは特に限定されない。ただし、本発明は、例えば１０８０℃以下の低温で焼成することを前提としているため、圧電セラミックスがそのような低温での焼成が可能なことが望まれる。本発明では低温焼成が可能な圧電セラミックスを広く適用することができる。

内部電極１２は、導電材料を含有している。本発明は、この導電材料としてＣｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の卑金属又はその合金を用いることができる。本発明による積層型圧電セラミックス素子１は、例えば１０８０℃以下の低温で焼成することを前提とするため、これらの低融点の導電材料を用いることができる。

内部電極１２は交互に逆方向に延長されており、その延長方向には内部電極１２と電気的に接続された一対の端子電極２１、２２がそれぞれ設けられている。端子電極２１、２２は、例えば、図示しないリード線を介して図示しない外部電源に対して電気的に接続される。
また、端子電極２１、２２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属をスパッタリングすることにより形成されていてもよく、端子電極用ペーストを焼き付けることにより形成されていてもよい。端子電極用ペーストは、例えば、導電材料と、ガラスフリットと、ビヒクルとを含有し、導電材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ及びＰｔからなる群から選ばれる少なくとも１種を含むものが好ましい。端子電極２１、２２の厚さは用途等に応じて適宜決定されるが、通常、１０〜５０μｍである。

次に、積層型圧電セラミックス素子１の好適な製造方法について図５を参照しつつ説明し、本発明の特徴である評価方法について言及する。なお、図５は積層型圧電セラミックス素子１の製造工程を示すフローチャートである。

まず、主成分の出発原料として、例えば、ＰｂＯ粉末、ＺｒＯ_２粉末、ＴｉＯ_２粉末等の酸化物を用意し、秤量する（ステップＳ１０１）。出発原料としては、酸化物でなく、炭酸塩あるいはシュウ酸塩のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。これらの原料粉末は、通常、平均粒子径０．５〜１０μｍ程度のものが用いられる。

必要に応じて副成分の出発原料をそれぞれ用意し、秤量する（ステップＳ１０１）。副成分の出発原料としては、Ｔａ_２Ｏ_５粉末、Ｓｂ_２Ｏ_３粉末、ＮｉＯ粉末、ＣｏＯ粉末、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末、ＣｕＯ粉末等の酸化物を用いることができる。ただし、酸化物でなく、炭酸塩あるいはシュウ酸塩のように焼成により酸化物となるものを用いてもよい。これら副成分は、焼結性を向上させ、焼成温度をより低くする効果を奏する。

続いて、主成分及び副成分の出発原料を例えばボールミルを用いて湿式粉砕・混合して、原料混合物とする（ステップ Ｓ１０２）。
なお、副成分の出発原料は、後述する仮焼成（ステップＳ１０３）の前に添加してもよいが、仮焼成後に添加するようにしてもよい。但し、仮焼成前に添加した方がより均質な圧電セラミックスを作製することができるので好ましい。仮焼成後に添加する場合には、副成分の出発原料には酸化物を用いることが好ましい。

次いで、原料混合物を乾燥し、例えば、７５０〜９５０℃の温度で１〜６時間にわたり仮焼成する（ステップＳ１０３）。この仮焼成は、大気中で行っても良く、また大気中よりも酸素分圧の高い雰囲気または純酸素雰囲気で行ってもよい。仮焼成したのち、例えば、この仮焼成物をボールミルにて湿式粉砕・混合し、主成分及び必要に応じて副成分を含む仮焼成粉とする（ステップＳ１０４）。
次に、この仮焼成粉に有機バインダを加えて圧電セラミックス層用ペーストを作製する（ステップＳ１０５）。具体的には以下の通りである。はじめに、例えばボールミル等を用いて、湿式粉砕によりスラリを得る。このとき、スラリの溶媒として、水もしくはエタノールなどのアルコール、または水とエタノールとの混合溶媒を用いることができる。湿式粉砕は、仮焼成粉の平均粒径が０．５〜２．０μｍ程度となるまで行うことが好ましい。

次いで、得られたスラリを有機ビヒクル中に分散させる。有機ビヒクルとは、有機バインダを有機溶剤中に溶解したものであり、有機ビヒクルに用いられる有機バインダは、特に限定されず、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、アクリル等の通常の各種バインダから適宜選択すればよい。また、このとき用いられる有機溶剤も特に限定されず、印刷法やシート成形法など、利用する方法に応じてテルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン、ＭＥＫ(メチルエチルケトン)、ターピネオール等の有機溶剤から適宜選択すればよい。

圧電セラミックス層用ペーストを水系の塗料とする場合には、水溶性のバインダや分散剤などを水に溶解させた水系ビヒクルと、仮焼成粉とを混練すればよい。水系ビヒクルに用いる水溶性バインダは特に限定されず、例えば、ポリビニルアルコール、セルロース、水溶性アクリル樹脂などを用いればよい。

また、内部電極層用ペーストを作製する（ステップＳ１０６）。内部電極層用ペーストは、上述した各種導電材料あるいは焼成後に上述した導電材料となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等と、上述した有機ビヒクルとを混練して調製される。
さらに、端子電極用ペーストも内部電極層用ペーストと同様にして作製する（ステップＳ１０７）。
以上では圧電セラミックス層用ペースト、内部電極層用ペースト及び端子電極用ペーストを順番に作製しているが、並行して作製してもよいし、逆の順番でもよいことは言うまでもない。

各ペーストの有機ビヒクルの含有量は、特に限定されず、通常の含有量、例えば、バインダは５〜１０重量％程度、溶剤は１０〜５０重量％程度とすればよい。また、各ペースト中には必要に応じて各種分散剤、可塑剤、誘電体、絶縁体等から選択される添加物が含有されてもよい。

次に、以上のペーストを用いて焼成の対象であるグリーンチップ（積層体）を作製する（ステップＳ１０８）。
印刷法を用いグリーンチップを作製する場合は、圧電セラミックス層用ペーストを、ポリエチレンテレフタレート等の基板上に所定厚さで複数回印刷して、図４に示すように、グリーン状態の外側圧電セラミックス層１１ａを形成する。次に、このグリーン状態の外側圧電セラミックス層１１ａの上に、内部電極層用ペーストを所定パターンで印刷して、グリーン状態の内部電極層（内部電極層前駆体）１２ａを形成する。次に、このグリーン状態の内部電極層１２ａの上に、前記同様に圧電セラミックス層用ペーストを所定厚さで複数回印刷して、グリーン状態の圧電セラミックス層（圧電セラミックス層前駆体）１１ｂを形成する。次に、このグリーン状態の圧電セラミックス層１１ｂの上に、内部電極層用ペーストを所定パターンで印刷して、グリーン状態の内部電極層１２ｂを形成する。グリーン状態の内部電極層１２ａ、１２ｂ…は、対向して相異なる端部表面に露出するように形成する。以上の作業を所定数繰り返し、最後に、グリーン状態の内部電極１２の上に、前記同様に圧電セラミックス層用ペーストを所定厚さで複数回印刷して、グリーン状態の外側圧電セラミックス層１１ｃを形成する。その後、加熱しながら加圧、圧着し、所定形状に切断してグリーンチップ（積層体）とする。
以上では、印刷法によりグリーンチップを作製する例を説明したが、シート成形法を用いてグリーンチップを作製することもできる。

次に、グリーンチップについて脱バインダ処理を行う（ステップＳ１０９）。
脱バインダ処理において、内部電極層前駆体中の導電材料の酸化を考慮する必要があり、還元性雰囲気下での加熱を採用すべきである。脱バインダ処理は、３００〜６５０℃の温度範囲で行うことが好ましい。脱バインダ処理の温度が３００℃未満では脱バインダを円滑に行うことができず、６５０℃を超えても温度に見合う脱バインダの効果を得ることができずエネルギーの浪費になる。また、脱バインダ処理の時間は、温度及び雰囲気によって定める必要があるが、０．５〜５０時間の範囲で選定することができる。さらに、脱バインダ処理は、焼成と別個に独立して行うことができるし、焼成と連続的に行うことができる。焼成と連続的に行う場合には、焼成の昇温過程で脱バインダ処理を実行すればよい。なお、還元性雰囲気中での脱バインダ処理のために、有機バインダに由来する炭素（Ｃ）がグリーンチップに残留する。

脱バインダ処理の後に、変位量評価（ステップＳ１１０）を行う。この変位量評価は、グリーンチップ（積層体）の所定領域に検査光を照射し、その反射率を測定することにより行うことができる。反射率の測定は、ＪＩＳ Ｚ ８７２２（色の測定方法−反射率及び透過物体色）に準拠して行えばよく、本発明の反射率はＪＩＳ Ｚ ８７２２に準拠した値である。反射率の測定に用いる光源としては例えばハロゲンランプを用い、反射光の受光素子としてはフォトダイオードを用いることができる。反射率を測定する場合には、検査光を照射する領域（面）に対して垂直な方向から検査光を照射し、当該領域（面）に対して４５°の方向で反射光を受光すればよい。反射率の測定は上記に限られたものではなく、ＪＩＳに基づく方法により積分球で反射光を集光することも可能である。

反射率を測定することによる変位量の評価は、基準反射率を予め求めておき、この基準反射率と測定された反射率とを比較する。基準反射率は、所定の変位量が得られた積層型圧電セラミックス素子１について、脱バインダ後の段階で反射率を測定しておき、それを基準反射率とする。例えば、脱バインダ後の基準反射率を４０％とすることができ、測定された反射率が４０％以上の場合には、所定の変位量が得られるものと評価することができる。ここでは、積層型圧電セラミックス素子１の変位量を評価することとしているが、測定された反射率と基準反射率とを比較することにより、変位量以外の特性を評価することも可能である。残留Ｃに伴い劣化が懸念される特性として、磁器密度、誘電率、駆動信頼性等があり、これら特性の評価を行うことができる。ただし、具体的な基準反射率が各々相違する可能性があることは言うまでもない。

変位量評価の後に焼成（ステップＳ１１１）を行う。焼成は還元性雰囲気で行う。内部電極１２に用いるＣｕ等の卑金属の酸化を防止又は抑制するためである。焼成温度が８００℃未満では緻密な焼結体を得ることができず、１０８０℃を超えると内部電極１２を構成する導電材料の溶融が心配されるため、焼成温度は８００〜１０８０℃の範囲で選択することが好ましい。

焼成後に、変位量評価（ステップＳ１１２）を行う。この変位量評価は、積層型圧電セラミックス素子１の所定領域に検査光を照射し、その反射率を測定することにより行うことができる。反射率の測定、それに基づく変位量の評価は、脱バインダ後の変位量評価と同様でよい。ただし、基準反射率は、脱バインダ後の積層体（グリーンチップ）についてのものとは相違する。後述する実施例に示すように、積層型圧電セラミックス素子１についての基準反射率は２４％とすることができ、測定された反射率が２４％以下であれば、所定の変位量が得られるものと評価することができる。

以上の工程を経て作製された積層体１０は、例えばバレル研磨やサンドブラストなどにより端面研磨を施し、前述した端子電極用ペーストを印刷又は焼き付けることにより端子電極２１、２２を形成する（ステップＳ１１３）。なお、印刷又は焼き付けの他に、スパッタリングすることにより端子電極２１、２２を形成することもできる。
以上により、図４に示した積層型圧電セラミックス素子１が得られる。なお、以上では変位量評価を脱バインダ後、焼成後の２回行っているが、一方を省略することができる。すなわち本実施の形態における変位量の評価は、脱バインダ後のみ行ってもよいし、焼成後のみ行ってもよい。また本実施の形態における変位量の評価は、脱バインダ後の変位量の評価は、脱バインダ後及び焼成後に行ってもよい。

次に、変位量評価を行う装置構成例を図６に基づいて説明する。
図６は変位量評価装置１００の構成を示すブロック図である。変位量評価装置１００は、脱バインダがなされたグリーンチップ（積層体）１０５を搬送する第１搬送路１０６に沿って設けてある。なお、第１搬送路１０６は、良品と評価されたグリーンチップ（積層体）１０５を、紙面に垂直な方向に搬送するものとする。第１搬送路１０６と平行に第２搬送路１０７が配設されている。第２搬送路１０７は、不良品と評価されたグリーンチップ（積層体）１０５を搬送するものである。

変位量評価装置１００は、グリーンチップ（積層体）１０５に検査光を照射する光源１０１を備えている。光源１０１は特に限定されず、ハロゲンランプ等の公知の光源を用いることができる。光源１０１から照射された光は、グリーンチップ（積層体）１０５から反射される。変位量評価装置１００は、この反射光を受光する受光素子１０２を備えている。受光素子１０２は、例えばフォトダイオード等の公知の素子を用いることができる。
変位量評価装置１００は、アクチュエータ１０４を備えており、このアクチュエータ１０４は、不良品と評価されたグリーンチップ（積層体）１０５を第１搬送路１０６から第２搬送路１０７へ移送して選別する。

変位量評価装置１００は、コントローラ１０３を備えている。コントローラ１０３は、以下の機能を有している。
（１）光源１０１の制御
コントローラ１０３は、グリーンチップ（積層体）１０５が所定の位置に搬送された際に光源１０１から検査光を照射する。グリーンチップ（積層体）１０５が所定の位置に搬送されたか否かは、別途センサを設けてそのセンサからの情報に基づいて判断することができる。また、時間的にグリーンチップ（積層体）１０５が所定の位置に搬送されたか否か判断することができる。
（２）反射率の算出
コントローラ１０３は、受光素子１０２で受光した反射光と、光源１０１からの検査光に基づいて反射率を算出する。つまり、検査光の光量（Ｃ１）と反射光の光量（Ｃ２）から、コントローラ１０３は、反射率（Ｃ２／Ｃ１）を求めることができる。
（３）変位量の評価
コントローラ１０３は、基準反射率（Ｒ１）に関する情報を有しており、算出された反射率（Ｒ２）と基準反射率（Ｒ１）とを比較する。コントローラ１０３は、算出された反射率（Ｒ２）が基準反射率（Ｒ１）以上である場合には、当該グリーンチップ（積層体）１０５を良品と評価する。また、コントローラ１０３は、算出された反射率（Ｒ２）が脱脂後においては脱脂後の基準反射率（Ｒ１）未満である場合に、また焼成後においては焼成後の基準反射率（Ｒ１）以上である場合に当該グリーンチップ（積層体）１０５を不良品と評価する。

（４）アクチュエータ１０４の作動制御
コントローラ１０３は、変位量の評価結果に基づいて、アクチュエータ１０４の作動を制御する。つまり、グリーンチップ（積層体）１０５を良品と評価した場合には、コントローラ１０３は、アクチュエータ１０４を動作させない。したがって、グリーンチップ（積層体）１０５は、第１搬送路１０６にて次工程に搬送される。グリーンチップ（積層体）１０５を不良品と評価した場合には、コントローラ１０３は、アクチュエータ１０４を伸縮動作させることにより、グリーンチップ（積層体）１０５を第２搬送路１０７に移送する。第２搬送路１０７にて搬送されるグリーンチップ（積層体）１０５は、廃却処分される。

以上の変位量評価装置１００において、グリーンチップ（積層体）１０５の選別手段としてアクチュエータ１０４を用いているが、他の選別手段を用いることを排除するものではない。
また、以上の変位量評価装置１００では、変位量の評価を光の反射率に基づいて行っているが、反射光を用いた他の評価基準を適用することもできる。例えば、白度等の色度に基づいて変位量の評価を行うこともできる。白度のスケールは、国際標準にしたがって、マグネシウムリボンの燃焼によって生ずる白色煙（酸化マグネシウムの極微粉）を付着させた面の白さを１００とし、入射光のない暗黒状体を０として、その間を１００等分したものである。また、色度以外にもＪＩＳ Ｚ ８７３０（色差表示方法）に基づくＬ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系色度図（色相と彩度）のように反射光を観察することにより、積層型圧電セラミックス素子１の変位量を評価することもできる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
＜試料作製方法＞
予め作製しておいたＰＺＴ系セラミックス粉末（組成：ＰｂＴｉＯ_３；４０ｍｏｌ％、ＰｂＺｒＯ_３；４５ｍｏｌ％、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３；１５ｍｏｌ％、比表面積：２．０ｍ^２／ｇ）にバインダ、溶剤等を混合してスラリ化し、ドクターブレード法によりグリーンシートを形成した。このグリーンシート上に、ＳＵＳ４００メッシュを用いてＣｕ粒子を含む電極ペースト組成物をスクリーン印刷し、１００℃で１０分間乾燥した。次に、電極ペーストを印刷したグリーンシートと電極ペーストが印刷されていないグリーンシートを交互に積み重ねた。この時、電極ペースト塗布層が交互に対称側に突出するように積み重ね、電極ペースト層に挟まれたＰＺＴ系セラミックス層が１００層になるように積層した。この積層体をホットプレスで加工後、所定形状に切断し還元性雰囲気中で脱バインダを行った。

脱バインダは以下の４条件で行った。
実験例１：水蒸気量１５．５ｍｏｌ％、水素濃度１ｐｐｍの還元性雰囲気中で５５０℃２０時間保持
実験例２：水蒸気量１５．５ｍｏｌ％、水素濃度１ｐｐｍの還元性雰囲気中で５５０℃１０時間保持
実験例３：水蒸気量１５．５ｍｏｌ％、水素濃度１ｐｐｍの還元性雰囲気中で５５０℃２０時間保持
実験例４：水蒸気量１５．５ｍｏｌ％、水素濃度１ｐｐｍの還元性雰囲気中で５５０℃１５時間保持

脱バインダ終了後に、積層体の残留炭素（ｐｐｍ）を測定するとともに、反射率を測定した。その結果を表１に示す。なお、測定方法は以下の通りである。

脱バインダした積層体を、５℃／分の速度で９５０℃まで昇温し、その温度を８時間保持することにより焼成を行った。なお、焼成雰囲気は、内部電極層のＣｕが酸化せずかつＰＺＴ系セラミックスが還元しない雰囲気に制御した。焼成後に脱バインダ後と同様に反射率を測定した。また、得られた積層型圧電セラミックス素子を用いて変位量の測定を行った。結果を表１に示す。なお、変位量の測定方法は以下に示してある。また、図１に成形体の残留炭素の量と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を、図２に脱バインダ後の成形体に対する光の反射率と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を、また図３に焼成後の焼結体に対する光の反射率と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を示している。

表１及び図１に示すように、脱バインダ後の成形体における残留炭素量が多くなると、変位量が小さくなる傾向にある。ただし、実験例４のように、残留炭素が３５０ｐｐｍ程度ある場合でも、８μｍと所望する変位量を得ることができる場合がある。このことは、脱バインダ後の成形体における残留炭素量のみで、変位量を評価することができないことを示している。
表１及び図２に示すように、脱バインダ後の成形体に対する光の反射率と変位量には相関があることがわかる。表１及び図２に示す結果より、本発明では脱バインダ後の成形体における反射率が４０％以上の場合には、変位量に関して積層型圧電セラミックス素子を良品と評価することができる。また、表１及び図３に示すように、焼成後の焼結体に対する光の反射率と変位量には相関があることがわかる。表１及び図３に示す結果より、本発明では焼結体における反射率が２４％以下の場合には、変位量に関して積層型圧電セラミックス素子を良品と評価することができる。

＜反射率測定方法＞
ＪＩＳ Ｚ ８７２２準拠
光学条件：垂直照明−４５°方向受光（積層型圧電セラミックス素子の外部端子電極面に照射）
光源：ハロゲンランプ
受光素子：フォトダイオード

＜残留炭素測定方法＞
測定方法：炭素・硫黄分析装置（堀場製作所 ＥＭＩＡ−５２０）
検量線を、炭素０ｗｔ％としてタングステン粉末（助燃材）１．７ｇ、標準試料として日本鉄鋼協会製標準試料０５０−６（炭素０．３８ｗｔ％）を用いて作製した。

＜変位量測定方法＞
外部端子電極面に銀ペーストを塗布焼結させ、分極電圧２．０ｋＶ／ｍｍで分極した積層体を１００Ｖ印加、周波数０．１Ｈｚで駆動させた時の変動長さを測定した。

成形体の残留炭素量と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を示すグラフである。 脱バインダ後の成形体に対する光の反射率と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を示すグラフである。 焼成後の焼結体に対する光の反射率と積層型圧電セラミックス素子の変位量との関係を示すグラフである。 本実施の形態における積層型圧電セラミックス素子の一構成例を示す図である。 本実施の形態における積層型圧電セラミックス素子の製造手順を示すフローチャートである。 本実施の形態における変位量評価装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００…変位量評価装置、１０１…光源、１０２…受光素子、１０３…コントローラ、１０４…アクチュエータ、１０５…グリーンチップ（積層体）、１０６…第１搬送路、１０７…第２搬送路

Claims (7)

1. セラミックス粒子と有機バインダとを含む成形体から、前記有機バインダを除去する脱バインダ処理を行った後に焼成して得られる圧電セラミックス焼結体が所定の変位量を有するか否か評価する方法であって、
   前記脱バインダ処理がなされた前記成形体又は前記圧電セラミックス焼結体に光を照射するステップと、
   前記成形体又は前記圧電セラミックス焼結体に照射された前記光の反射率を測定するステップと、
   前記成形体又は前記圧電セラミックス焼結体について、予め定められた基準反射率と測定された前記反射率を比較するステップと、
   を備えることを特徴とする圧電セラミックス焼結体の評価方法。
2. 前記基準反射率は、前記所定の変位量を有する圧電セラミックス焼結体に基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス焼結体の評価方法。
3. 圧電セラミックス層前駆体と内部電極前駆体とが積層された積層体を焼成して得られる積層型圧電セラミックス素子が所定の変位量を有するか否か評価する方法であって、
   前記内部電極前駆体に含まれる有機バインダの除去処理がなされた前記積層体又は前記積層型圧電セラミックス素子に検査光を照射するステップと、
   前記積層体又は前記積層型圧電セラミックス素子からの前記検査光の反射光を観察するステップと、
   を備え、
   前記検査光の反射光の観察は、前記反射光の反射率と予め定められた基準反射率とを比較するものであることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の評価方法。
4. 前記内部電極前駆体の導電材料がＣｕであることを特徴とする請求項３に記載の積層型圧電セラミックス素子の評価方法。
5. 前記有機バインダの除去及び／又は焼成が還元性雰囲気で行われることを特徴とする請求項３又は４に記載の積層型圧電セラミックス素子の評価方法。
6. 圧電セラミックス層前駆体と内部電極前駆体とが積層された積層体を焼成して得られる積層型圧電セラミックス素子の評価装置であって、
   前記内部電極前駆体に含まれる有機バインダの除去処理がなされた前記積層体又は前記積層型圧電セラミックス素子に検査光を照射する光源と、
   前記積層体又は前記積層型圧電セラミックス素子からの反射光を受光する受光素子と、
   前記検査光に対する前記反射光の反射率を求める計測手段と、
   前記反射率と予め定められた基準反射率とを比較することにより前記積層型圧電セラミックス素子の変位量を評価する評価手段と、
   を備えることを特徴とする積層型圧電セラミックス素子の評価装置。
7. 前記評価手段による評価結果に基づいて前記積層体又は前記積層型圧電セラミックス素子を選別する選別手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の積層型圧電セラミックス素子の評価装置。

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