JP2001089232A - 磁器組成物 - Google Patents
磁器組成物Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低温焼結が可能な高圧電定数を有する磁器組
成物を提供する。 【解決手段】 磁器組成物はＰｂx｛ＺｒaＴｉbＰｂ
（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）y（Ｚｎ 1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3で示され
る化学組成を有し、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係を満たす。これにより、低温（たとえば１０８０
℃）で焼結させた場合にも良好な圧電特性を有するセラ
ミックスを提供することができる。
成物を提供する。 【解決手段】 磁器組成物はＰｂx｛ＺｒaＴｉbＰｂ
（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）y（Ｚｎ 1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3で示され
る化学組成を有し、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係を満たす。これにより、低温（たとえば１０８０
℃）で焼結させた場合にも良好な圧電特性を有するセラ
ミックスを提供することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は磁器組成物に関
し、特に低温焼結が可能で圧電セラミックスとして使用
可能な磁器組成物に関する。
し、特に低温焼結が可能で圧電セラミックスとして使用
可能な磁器組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、精密機械、光学機器などの分野で
精密な変位素子の必要性が高まっている。このような変
位素子として、圧電、電歪効果を利用した圧電アクチュ
エータを用いることが盛んに試みられている。圧電アク
チュエータには、高変位、低電圧駆動能力が要求される
ことなどから、圧電材料の特性として、高圧電定数を有
することが必要となる。
精密な変位素子の必要性が高まっている。このような変
位素子として、圧電、電歪効果を利用した圧電アクチュ
エータを用いることが盛んに試みられている。圧電アク
チュエータには、高変位、低電圧駆動能力が要求される
ことなどから、圧電材料の特性として、高圧電定数を有
することが必要となる。
【０００３】さらに、圧電アクチュエータの構造におい
て、変位量を大きく作り出すことができる積層型アクチ
ュエータが開発され、内部電極材料との同時焼成が可能
な圧電磁器組成物が要求されるようになった。
て、変位量を大きく作り出すことができる積層型アクチ
ュエータが開発され、内部電極材料との同時焼成が可能
な圧電磁器組成物が要求されるようになった。
【０００４】従来より、圧電磁器組成物としてジルコン
酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ 3系の磁器組成物が
知られている。この組成物は、圧電性が大きく高温まで
使用可能であること、さらには第３成分を添加したり置
換したりすることによって変成に富んだ磁器を得られる
ことなどから、さまざまな圧電素子に利用されてきてい
る。
酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ 3系の磁器組成物が
知られている。この組成物は、圧電性が大きく高温まで
使用可能であること、さらには第３成分を添加したり置
換したりすることによって変成に富んだ磁器を得られる
ことなどから、さまざまな圧電素子に利用されてきてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の材料の多くは焼結温度が１２００℃以上と高温で
あることに加え、還元雰囲気での焼成もできないことか
ら、同時焼成用の内部電極材料としてはＰｔなど高価な
ものしか利用できなかった。
従来の材料の多くは焼結温度が１２００℃以上と高温で
あることに加え、還元雰囲気での焼成もできないことか
ら、同時焼成用の内部電極材料としてはＰｔなど高価な
ものしか利用できなかった。
【０００６】そこでこの発明は、低温焼結が可能であ
り、かつ、高圧電定数を有する磁器組成物を提供するこ
とを目的としている。
り、かつ、高圧電定数を有する磁器組成物を提供するこ
とを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
この発明のある局面に従うと、磁器組成物は、Ｐｂ
x｛ＺｒaＴｉbＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）y（Ｚｎ
1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3の化学式で表わされる磁器組成物であ
って、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係が成立することを特徴としている。
この発明のある局面に従うと、磁器組成物は、Ｐｂ
x｛ＺｒaＴｉbＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）y（Ｚｎ
1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3の化学式で表わされる磁器組成物であ
って、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係が成立することを特徴としている。
【０００８】好ましくは磁器組成物は、 ０．０９５＜ｙ＜０．１９０ ０．０２０＜ｚ＜０．１１５ ０．３６０＜ａ＜０．４２０ ０．３８５＜ｂ＜０．４２０ の関係が成立することを特徴とする。
【０００９】さらに好ましくは磁器組成物は、 １．０２≦ｘ≦１．０３ ０．１４５≦ｙ≦０．１８０ ０．０３０≦ｚ≦０．０７５ ０．３７０≦ａ≦０．３９０ ０．３９５≦ｂ≦０．４１５ の関係が成立することを特徴としている。
【００１０】このような組成を有する磁器組成物は低温
での焼結が可能である。
での焼結が可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態の１つ
における磁器組成物について説明する。
における磁器組成物について説明する。
【００１２】本実施の形態における磁器組成物は、Ｐｂ
x｛ＺｒaＴｉbＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/ 3）y（Ｚｎ
1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3で示される化学組成を有し、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係が成立することを特徴としている。
x｛ＺｒaＴｉbＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/ 3）y（Ｚｎ
1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3で示される化学組成を有し、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係が成立することを特徴としている。
【００１３】また、好ましくは、 ０．０９５＜ｙ＜０．１９０ ０．０２０＜ｚ＜０．１１５ ０．３６０＜ａ＜０．４２０ ０．３８５＜ｂ＜０．４２０ の関係が成立し、さらに好ましくは、 １．０２≦ｘ≦１．０３ ０．１４５≦ｙ≦０．１８０ ０．０３０≦ｚ≦０．０７５ ０．３７０≦ａ≦０．３９０ ０．３９５≦ｂ≦０．４１５ の関係が成立することを特徴としている。
【００１４】このような数値範囲を選択する理由を以下
に述べる。たとえば、ｘ≦１．００とすると、１１００
℃未満での磁器組成物の焼成が難しくなるため、圧電定
数が劣化するという問題がある。一般的に、セラミック
スの場合、電気特性と密度（焼結性）との間には密接な
関係がある。一般に、ＰＺＴ系の圧電材料を固相法で作
製する場合、１２００℃以上の温度で焼結させる。この
焼結温度は材料により異なり、焼結温度を決定するため
に焼成温度と密度、電気特性の関係を調べるのが通常で
ある。
に述べる。たとえば、ｘ≦１．００とすると、１１００
℃未満での磁器組成物の焼成が難しくなるため、圧電定
数が劣化するという問題がある。一般的に、セラミック
スの場合、電気特性と密度（焼結性）との間には密接な
関係がある。一般に、ＰＺＴ系の圧電材料を固相法で作
製する場合、１２００℃以上の温度で焼結させる。この
焼結温度は材料により異なり、焼結温度を決定するため
に焼成温度と密度、電気特性の関係を調べるのが通常で
ある。
【００１５】すなわち、焼成温度が低ければ、セラミッ
クスは焼結せず、良好な特性が得られない。物理的に
は、焼成温度が低いと結晶構造がペロブスカイト相（圧
電特性が良好な相）にならず、低温相のパイロクロア相
（圧電特性が劣悪な相）になるためである。経験的に、
鉛量を調節することが焼結特性に影響することが判明し
ており、本実施の形態においては、低温での焼結性を改
善させることを目的に、化学量論比以上の鉛をセラミッ
クスに配合することで、１１００℃以下での焼結が可能
となった。
クスは焼結せず、良好な特性が得られない。物理的に
は、焼成温度が低いと結晶構造がペロブスカイト相（圧
電特性が良好な相）にならず、低温相のパイロクロア相
（圧電特性が劣悪な相）になるためである。経験的に、
鉛量を調節することが焼結特性に影響することが判明し
ており、本実施の形態においては、低温での焼結性を改
善させることを目的に、化学量論比以上の鉛をセラミッ
クスに配合することで、１１００℃以下での焼結が可能
となった。
【００１６】また、ｘ≧１．０５とすると、ＰｂＯ相が
第２相として出現するために圧電定数が劣化するという
問題がある。このため、本実施の形態においてはｘ＜
１．０５としている。
第２相として出現するために圧電定数が劣化するという
問題がある。このため、本実施の形態においてはｘ＜
１．０５としている。
【００１７】また、ｙ≦０．０９５とすると、１１００
℃未満での焼結が難しくなるために圧電定数が劣化する
という問題がある。そこで、この実施の形態においては
ｙ＞０．０９５としている。
℃未満での焼結が難しくなるために圧電定数が劣化する
という問題がある。そこで、この実施の形態においては
ｙ＞０．０９５としている。
【００１８】またｙ≧０．１９０とすると、誘電率が低
くなるために圧電定数が劣化するという問題がある。こ
のため、本実施の形態においてはｙ＜０．１９０として
いる。
くなるために圧電定数が劣化するという問題がある。こ
のため、本実施の形態においてはｙ＜０．１９０として
いる。
【００１９】さらに、ｚ≦０．０２０とすると、１１０
０℃未満での焼結が難しくなるために、圧電定数が劣化
するという問題がある。そこで、この実施の形態におい
てはｚ＞０．０２０としている。
０℃未満での焼結が難しくなるために、圧電定数が劣化
するという問題がある。そこで、この実施の形態におい
てはｚ＞０．０２０としている。
【００２０】また、ｚ≧０．１１５とすると、誘電率が
低くなるために圧電定数が劣化するという問題がある。
そこで、この実施の形態においてはｚ＜０．１１５とし
ている。
低くなるために圧電定数が劣化するという問題がある。
そこで、この実施の形態においてはｚ＜０．１１５とし
ている。
【００２１】また、ａ≦０．３６０とすると、セラミッ
クスの結晶構造が正方晶と菱面体晶との混合領域から外
れるため、その特性が劣化するという問題がある。そこ
で、この実施の形態においては、ａ＞０．３６０として
いる。
クスの結晶構造が正方晶と菱面体晶との混合領域から外
れるため、その特性が劣化するという問題がある。そこ
で、この実施の形態においては、ａ＞０．３６０として
いる。
【００２２】また、ａ≧０．４２０とすると、結晶構造
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはａ＜０．４２０としている。
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはａ＜０．４２０としている。
【００２３】また、ｂ≦０．３８５とすると、結晶構造
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはｂ＞０．３８５としている。
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはｂ＞０．３８５としている。
【００２４】また、ｂ≧０．４２０とすると、結晶構造
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはｂ＜０．４２０としている。
が正方晶と菱面体晶との混合領域から外れるためセラミ
ックスの特性が劣化するという問題がある。そこで、こ
の実施の形態においてはｂ＜０．４２０としている。
【００２５】さらに、ｘ≦ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚとすると、１
１００℃未満での焼成が難しくなるため、圧電定数が劣
化するという問題がある。そこで、この実施の形態にお
いてはａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘとしている。
１００℃未満での焼成が難しくなるため、圧電定数が劣
化するという問題がある。そこで、この実施の形態にお
いてはａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘとしている。
【００２６】また、１．０２≦ｘ≦１．０３とすること
により、焼成されるセラミックスを正方晶と菱面体晶と
の混合領域により近づけることができ、好ましい特性の
セラミックスを作製することができる。
により、焼成されるセラミックスを正方晶と菱面体晶と
の混合領域により近づけることができ、好ましい特性の
セラミックスを作製することができる。
【００２７】以下に、本実施の形態における磁器組成物
の製造方法について説明する。まず、ＰｂＯ（Ｐｂ
3Ｏ4）、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＮｉＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｚｎ
Ｏ、ＷＯ3の原料粉末を任意の組成になるように秤量
し、粉末に対して１．２倍の重量の純水を加えて２４時
間湿式ボールミル法で混合する。そして、混合粉末を１
１０℃の温度で２０時間以上乾燥させ脱水した後、らい
かい機で軽く混合させる。
の製造方法について説明する。まず、ＰｂＯ（Ｐｂ
3Ｏ4）、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＮｉＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｚｎ
Ｏ、ＷＯ3の原料粉末を任意の組成になるように秤量
し、粉末に対して１．２倍の重量の純水を加えて２４時
間湿式ボールミル法で混合する。そして、混合粉末を１
１０℃の温度で２０時間以上乾燥させ脱水した後、らい
かい機で軽く混合させる。
【００２８】上記混合粉末をマグネシア製坩堝に移し、
７５０℃で仮焼する。上記仮焼粉末を樹脂製ポットに移
し、粉末に対して１．２倍の重量の純水を加えた後、２
４時間湿式ボールミル法で粉砕し、粒径を制御する。そ
して、上記粉砕粉末を１１０℃の温度で２０時間以上乾
燥させ脱水させる。
７５０℃で仮焼する。上記仮焼粉末を樹脂製ポットに移
し、粉末に対して１．２倍の重量の純水を加えた後、２
４時間湿式ボールミル法で粉砕し、粒径を制御する。そ
して、上記粉砕粉末を１１０℃の温度で２０時間以上乾
燥させ脱水させる。
【００２９】上記乾燥粉末に成形助剤としてＰＶＡを粉
末に対して０．６ｗｔ％混入した後、らいかい機を用い
て均一に混ぜる。その後、３００メッシュのふるいに通
して、粒径を制御（造粒）する。
末に対して０．６ｗｔ％混入した後、らいかい機を用い
て均一に混ぜる。その後、３００メッシュのふるいに通
して、粒径を制御（造粒）する。
【００３０】上記造粒粉末を直径２０ｍｍの金型につ
め、１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で厚さ２ｍｍ程度の円柱状
に加圧成形する。
め、１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で厚さ２ｍｍ程度の円柱状
に加圧成形する。
【００３１】上記成形体中の成形助剤を取除くために５
５０℃で脱脂した後に、１０８０℃で焼結させる。焼結
体上下面を１０００番程度の研粒で研磨し、平面性を確
保した後、銀ペーストを焼付ける。
５０℃で脱脂した後に、１０８０℃で焼結させる。焼結
体上下面を１０００番程度の研粒で研磨し、平面性を確
保した後、銀ペーストを焼付ける。
【００３２】銀を焼付けた試料をＳｉオイル中で１３０
℃、２ｋＶ／ｍｍの条件で分極する。
℃、２ｋＶ／ｍｍの条件で分極する。
【００３３】分極処理を施した試料に対して、ＥＭＡＳ
（圧電セラミック振動子の試験方法について電子材料工
業会により定められた標準規格）に従い、径方向の電気
機械結合係数とε33モードの誘電率と横方向圧電定数ｄ
31を算出した。
（圧電セラミック振動子の試験方法について電子材料工
業会により定められた標準規格）に従い、径方向の電気
機械結合係数とε33モードの誘電率と横方向圧電定数ｄ
31を算出した。
【００３４】図１に作製された試料の組成と特性値の一
覧を示す。図１において、Ｎｏ．１〜４、６、７、９、
１０、１４、１７〜１９、および２１〜２３は本実施の
形態における磁器組成物の組成と特性値を示す。一方、
Ｎｏ．５、８、１１〜１３、１５、１６、２０および２
４は比較例における組成と特性値を示す。
覧を示す。図１において、Ｎｏ．１〜４、６、７、９、
１０、１４、１７〜１９、および２１〜２３は本実施の
形態における磁器組成物の組成と特性値を示す。一方、
Ｎｏ．５、８、１１〜１３、１５、１６、２０および２
４は比較例における組成と特性値を示す。
【００３５】また、図においてｋｒは結合係数を示し、
ｄ31は、圧電定数を示す。この図からわかるように、本
実施の形態における磁器組成物は、径方向の電気機械結
合係数や圧電定数に優れ、変位量が大きいため、圧電ブ
ザー、アクチュエータやインクジェット用素子などに対
応する圧電素子材料として好適に使用できるという特性
がある。また、特に本実施の形態においては、１１００
℃以下（低温）で磁器組成物を焼成させることが可能に
なるため、積層型の同時焼成プロセスを利用して製造す
る素子において、安価な内部電極（たとえば、Ａｇ／Ｐ
ｄ）を使用することができる。これによりより安価な圧
電材料を提供することが可能となる。
ｄ31は、圧電定数を示す。この図からわかるように、本
実施の形態における磁器組成物は、径方向の電気機械結
合係数や圧電定数に優れ、変位量が大きいため、圧電ブ
ザー、アクチュエータやインクジェット用素子などに対
応する圧電素子材料として好適に使用できるという特性
がある。また、特に本実施の形態においては、１１００
℃以下（低温）で磁器組成物を焼成させることが可能に
なるため、積層型の同時焼成プロセスを利用して製造す
る素子において、安価な内部電極（たとえば、Ａｇ／Ｐ
ｄ）を使用することができる。これによりより安価な圧
電材料を提供することが可能となる。
【００３６】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【図１】 磁器組成物の組成とその特性を示す図であ
る。
る。
ｋｒ 結合定数、ｄ31 圧電定数。
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｐｂx｛ＺｒaＴｉbＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ
2/3）y（Ｚｎ1/2Ｗ1/2）z｝Ｏ3で表わされる磁器組成物
であって、 ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＝１ ａ＋ｂ＋ｙ＋ｚ＜ｘ １．００＜ｘ＜１．０５ の関係が成立することを特徴とする、磁器組成物。 - 【請求項２】 さらに、 ０．０９５＜ｙ＜０．１９０ ０．０２０＜ｚ＜０．１１５ ０．３６０＜ａ＜０．４２０ ０．３８５＜ｂ＜０．４２０ の関係が成立することを特徴とする、請求項１に記載の
磁器組成物。 - 【請求項３】 さらに、 １．０２≦ｘ≦１．０３ ０．１４５≦ｙ≦０．１８０ ０．０３０≦ｚ≦０．０７５ ０．３７０≦ａ≦０．３９０ ０．３９５≦ｂ≦０．４１５ の関係が成立することを特徴とする、請求項１または２
に記載の磁器組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25885799A JP2001089232A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 磁器組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25885799A JP2001089232A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 磁器組成物 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001089232A true JP2001089232A (ja) | 2001-04-03 |
Family
ID=17326008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25885799A Withdrawn JP2001089232A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 磁器組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001089232A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005005689A (ja) * | 2003-05-20 | 2005-01-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電体素子およびその製造方法 |
| JP2005219992A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器組成物および圧電素子 |
| CN103771854A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-05-07 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 压电陶瓷材料及其制备方法 |
-
1999
- 1999-09-13 JP JP25885799A patent/JP2001089232A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005005689A (ja) * | 2003-05-20 | 2005-01-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電体素子およびその製造方法 |
| JP2005219992A (ja) * | 2004-02-09 | 2005-08-18 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器組成物および圧電素子 |
| JP4506187B2 (ja) * | 2004-02-09 | 2010-07-21 | 株式会社村田製作所 | 圧電磁器組成物および圧電素子 |
| CN103771854A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-05-07 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN103771854B (zh) * | 2013-12-20 | 2015-10-28 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 压电陶瓷材料及其制备方法 |
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