JP2001130960A - 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 - Google Patents
圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子Info
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Abstract
器組成物において、共振周波数の温度変化率が改善され
た圧電セラミック素子の材料として有用な圧電磁器組成
物およびそれを用いた圧電セラミック素子を提供する。 【解決手段】 圧電磁器組成物は、一般式SrBi2 N
b2 O9 で表される主成分からなる圧電磁器組成物にお
いて、少なくとも主成分を構成するBi以外の3価の金
属元素を主成分中のBi、1molに対して0.15m
ol以下(0を含まない)含有することを特徴とする。
Description
よびそれを用いた圧電セラミック素子に関し、特にたと
えば、圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子
および圧電セラミック振動子などの圧電セラミック素子
の材料として有用な圧電磁器組成物およびそれを用いた
圧電セラミック素子に関する。
ク発振子および圧電セラミック振動子などの圧電セラミ
ック素子に用いられる圧電磁器組成物として、従来、チ
タン酸ジルコン酸鉛(Pb(Tix Zr1-x )O3 )ま
たはチタン酸鉛(PbTiO3)を主成分とする圧電磁
器組成物が広く用いられている。しかしながら、チタン
酸ジルコン酸鉛またはチタン酸鉛を主成分とする圧電磁
器組成物では、その組成中に鉛を多量に含有するため、
製造過程において鉛酸化物の蒸発のため製品の均一性が
低下するという問題があった。製造過程における鉛酸化
物の蒸発による製品の均一性の低下を防止するために
は、組成中に鉛をまったく含まないか、または少量のみ
含む圧電磁器組成物が好ましい。これに対して、SrB
i2 Nb2 O9 などのビスマス層状化合物を主成分とす
る圧電磁器組成物では、その組成中に鉛酸化物を含有し
ないため、上記のような問題は生じない。
i2 Nb2 O9 などを主成分とする圧電磁器組成物を用
いて圧電セラミックフィルタや発振子などを作製した場
合、従来のチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛を用いた
場合に比べて、共振周波数の温度変化率が大きく、圧電
セラミックフィルタや発振子などとして広く実用化され
るに至っていない。
rBi2 Nb2 O9 を主成分とする圧電磁器組成物にお
いて、以下に示す式で表される−20℃から80℃の温
度範囲での共振周波数の温度変化率frTCが改善され
た圧電セラミック素子、特に、圧電セラミック発振子な
どの材料として有用な圧電磁器組成物およびそれを用い
た圧電セラミック素子を提供することである。 frTC=(fr(max )−fr(min ))/(fr
(20℃)・100) fr(max ):−20℃から80℃の温度範囲において
最高の共振周波数 fr(min ):−20℃から80℃の温度範囲において
最低の共振周波数 fr(20℃):20℃での共振周波数
器組成物は、一般式SrBi2 Nb2 O9 で表される主
成分からなる圧電磁器組成物において、少なくとも主成
分を構成する元素Bi以外の3価の金属元素を主成分中
のBi、1molに対して0.15mol以下(0を含
まない)含有することを特徴とする、圧電磁器組成物で
ある。この場合、この発明にかかる圧電磁器組成物は、
たとえば一般式(Sr1-x M x )Bi2 Nb2 O9 (た
だし、Mは主成分を構成する元素Bi以外の3価の金属
元素、0<x≦0.3)で表される主成分からなる。ま
た、この発明にかかる圧電磁器組成物は、たとえば一般
式(Sr1-x M2x/3)Bi2 Nb2 O9 (ただし、Mは
主成分を構成する元素Bi以外の3価の金属元素、0<
x≦0.45)で表される主成分からなる。この発明に
かかる圧電磁器組成物では、含有されるBi以外の3価
の金属元素は、たとえばLa、Ce、Pr、Nd、S
m、Gd、Dy、Er、Yb、ScおよびYのうちの少
なくとも1種である。さらに、この発明にかかる圧電磁
器組成物では、マンガンがMnCO3 に換算して1.0
重量%以下(0を含まない)含有されてもよい。この発
明にかかる圧電セラミック素子は、この発明にかかる圧
電磁器組成物からなる圧電磁器と、圧電磁器に形成され
る電極とを含む、圧電セラミック素子である。
O9 を主成分とする圧電磁器組成物において、Bi、1
molに対して、少なくとも主成分を構成する元素Bi
以外の3価の金属元素を0.15mol以下(0を含ま
ない)含有するとしたのは、これより多い場合には電気
機械結合係数ktの低下がみられ、実用的な電気機械結
合係数が得られず、共振周波数の温度変化率が大きくな
ってしまうためである。Bi以外の3価の金属元素とし
ては、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、E
r、Yb、ScおよびYなどを用いることができる。さ
らに、我々は特願平10−156648号においてSr
Bi2 Nb2 O9 を主成分とする圧電磁器組成物にマン
ガンをMnCO3 に換算して1.0重量%以下含有する
ことにより電気機械結合係数が向上することを明らかに
したが、このような圧電磁器組成物においてもこの発明
は有効であり、電気機械結合係数が大きく、かつ共振周
波数の温度変化率frTCが小さい圧電セラミック素子
を作製することができる圧電磁器組成物を得ることがで
きる。なお、この発明にかかる一般式SrBi2 Nb2
O9 を主成分とする圧電磁器組成物は、基本的に上述の
ような一般式で表される組成を有していればよく、構成
元素の多少のモル比のずれがあってもかまわない。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
て、SrCO3 、Bi2 O3 、Nb2 O5 、La
2 O3 、Nd2 O3 、Sm2 O3 、Y2 O3 およびMn
CO3 を用意し、これらを組成(Sr1-x M1x )Bi
2 Nb2 O9 +y重量%MnCO3 (M1はLa、N
d、Sm、Yのいずれか、0≦x≦0.4、0≦y≦
1.1)となるように秤取して、ボールミルを用いて約
4時間湿式混合して、混合物を得た。得られた混合物を
乾燥した後、700〜900℃で仮焼して、仮焼物を得
た。それから、この仮焼物を粗粉砕した後、有機バイン
ダを適量加えてボールミルを用いて4時間湿式粉砕し、
40メッシュのふるいを通して粒度調整を行った。次
に、これを1000kg/cm2 の圧力で直径12.5
mm、厚さ2mmの円板に成型し、これを大気中で11
00〜1250℃で焼成することによって、円板状の磁
器を得た。この磁器の表面(両主面)に、通常の方法に
より銀ペーストを塗布し焼付けて銀電極を形成した後、
150〜200℃の絶縁オイル中で5〜10kV/mm
の直流電圧を10〜30分間印加して分極処理を施し、
圧電磁器(試料)を得た。そして、得られた試料につい
て、密度、電気機械結合係数kt、および共振周波数の
温度変化率frTCを測定した。その結果を表1に示
す。ここで、上記組成中のxの1/2、すなわちx/2
が、Bi、1molに対するM1の含有量(mol)に
相当することに注意されたい。なお、表1において、試
料番号欄の*印はその試料がこの発明の範囲外であるこ
とを示す。
CO3 、Bi2 O3 、Nb2 O5 、La2 O3 、Nd2
O3 、Sm2 O3 、Y2 O3 およびMnCO3 を用意
し、これらを組成(Sr1-x M22x/3)Bi2 Nb2 O
9 +y重量%MnCO3 (M2はLa、Nd、Sm、Y
のいずれか、0≦x≦0.5、0≦y≦1.1)となる
ように秤取して、実施例1と同様の手法により、圧電磁
器(試料)を得た。そして、得られた試料について、電
気機械結合係数kt、および共振周波数の温度変化率f
rTCを測定した。その結果を表2に示す。ここで、上
記組成中のxの1/3、すなわちx/3が、Bi、1m
olに対するM2の含有量(mol)に相当することに
注意されたい。なお、表2において、試料番号欄の*印
はその試料がこの発明の範囲外であることを示す。
1において、xの範囲を0<x≦0.3とし、実施例2
において、xの範囲を0<x≦0.45とした理由、つ
まり一般式SrBi2 Nb2 O9 で表される主成分の元
素Bi、1molに対して、Bi以外の3価の金属元素
を0.15mol以下(0を含まない)を含有すること
とした理由は、これを超えると実用に供しうる程度の電
気機械結合係数ktが得られず、共振周波数の温度変化
率が実用レベルより大きくなってしまうためである。ま
た、この発明においてマンガン添加量をMnCO3 に換
算して1.0重量%以下としたのは、添加量がこれより
多い場合には、電気機械結合係数の向上を図ることがで
きないためである。
に、この発明の実施例1および実施例2にかかる各試料
において、本願発明の範囲内の試料については、共振周
波数の温度変化率frTCが25以下と実用レベルにあ
り、かつ電気機械結合係数ktも10以上と実用レベル
にあることから、圧電セラミック素子、特に圧電セラミ
ック発振子などの材料として有用な圧電磁器組成物であ
ることがわかる。また、M1,M2がNd,Yのうち少
なくとも1種である場合には、共振周波数の温度変化率
frTCが特に小さい圧電磁器組成物が得られることが
わかる。
上記の実施例の組成に限定されるものではなく、発明の
要旨の範囲内であれば有効である。
動子の一例を示す斜視図であり、図2はその断面図解図
である。図1および図2に示す圧電セラミック振動子1
0は、たとえば直方体状の圧電磁器12を含む。圧電磁
器12は、2枚の圧電磁器層12aおよび12bを含
む。これらの圧電磁器層12aおよび12bは、上述の
この発明にかかる圧電磁器組成物からなり、積層されか
つ一体的に形成される。また、これらの圧電磁器層12
aおよび12bは、図2の矢印で示すように、同じ厚み
方向に分極されている。
その中央にたとえば円形の振動電極14aが形成され、
その振動電極14aから圧電磁器12の一端面にわたっ
てたとえばT字形の引出電極16aが形成される。ま
た、圧電磁器層12aの表面には、その中央にたとえば
円形の振動電極14bが形成され、その振動電極14b
から圧電磁器12の他端面にわたってたとえばT字形の
引出電極16bが形成される。さらに、圧電磁器層12
bの表面には、その中央にたとえば円形の振動電極14
cが形成され、その振動電極14cから圧電磁器12の
他端面にわたってたとえはT字形の引出電極16cが形
成される。
aを介して一方の外部電極20aが接続され、引出電極
16bおよび16cには別のリード線18bを介して他
方の外部電極20bが接続される。
振動子10以外の圧電セラミック振動子、圧電セラミッ
クフィルタおよび圧電セラミック発振子などの他の圧電
セラミック素子にも適用される。
9 を主成分とする圧電磁器組成物において、共振周波数
の温度変化率frTCが25以下に改善され、実用に供
しうる程度の電気機械結合係数ktを示す圧電セラミッ
クフィルタ、圧電セラミック発振子および圧電セラミッ
ク振動子などの圧電セラミック素子の材料として有用な
圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子
を得ることができる。
を示す斜視図である。
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 一般式SrBi2 Nb2 O9 で表される
主成分からなる圧電磁器組成物において、少なくとも主
成分を構成する元素Bi以外の3価の金属元素を主成分
中のBi、1molに対して0.15mol以下(0を
含まない)含有することを特徴とする、圧電磁器組成
物。 - 【請求項2】 一般式(Sr1-x Mx )Bi2 Nb2 O
9 (ただし、Mは主成分を構成する元素Bi以外の3価
の金属元素、0<x≦0.3)で表される主成分からな
ることを特徴とする、請求項1に記載の圧電磁器組成
物。 - 【請求項3】 一般式(Sr1-x M2x/3)Bi2 Nb2
O9 (ただし、Mは主成分を構成する元素Bi以外の3
価の金属元素、0<x≦0.45)で表される主成分か
らなることを特徴とする、請求項1に記載の圧電磁器組
成物。 - 【請求項4】 含有されるBi以外の3価の金属元素は
La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Y
b、ScおよびYのうちの少なくとも1種であることを
特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載
の圧電磁器組成物。 - 【請求項5】 マンガンをMnCO3 に換算して1.0
重量%以下(0を含まない)含有することを特徴とす
る、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の圧電磁
器組成物。 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項5のいずれかに記
載の圧電磁器組成物からなる圧電磁器、および前記圧電
磁器に形成される電極を含む、圧電セラミック素子。
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