JP2001146468A - 圧電体 - Google Patents
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Abstract
1/2Na1/2)TiO3を主成分とする圧電体におい
て、該粉末における(Bi1/2Na1/2)TiO 3 系
ペロブスカイト相以外の異相が、粉末X線回析によるピ
ーク強度比にあって該ペロブスカイト相の最強ピークに
対して5%以下である粉末を成形、焼結しているので、
焼結した圧電体における分極時に絶縁破壊を生じる頻度
を0.1〜2%と、従来の圧電体における破壊頻度に対
し数十分の1から数百分の1に激減させることができ
る。 【効果】 従来の圧電体よりも製造歩留まりが高くなり
製造コストを下げ、また、製品になったアクチュエー
タ、センサ等の信頼性を向上できた。
Description
圧電体に関し、精密工作機械における位置決め、光学装
置の光路長制御、流量制御用バルブ、超音波モータ又は
自動車のブレーキ装置等に電気−機械変換要素として組
み込まれるアクチュエータ及びセンサの圧電素子に利用
される圧電体に関する。更には、液体の特性測定用素子
や、微少重量の測定素子に用いられる微小なセンサに好
適に用いられる圧電体に関する。
により歪みを発生するという電気エネルギーを機械エネ
ルギーへ変換する効果と、外部から応力を受けることに
より表面に電荷が発生するという機械エネルギーを電気
エネルギーへ変換する効果を有する材料である。アクチ
ュエータ、フィルタ及び各種センサに利用される圧電材
料の1つとして(Bi1/2Na1/2)TiO3を主成
分とした材料が知られ、例えば特開平10−32456
9号公報では、これをMeNbO3 (MeはK又はNa)
と(Bi2O3・Sc2O 3)とで固融させた3成分系
の圧電体磁器組成物が開示されている。
0−324569号公報に開示された圧電体磁器組成物
は、(Bi1/2Na1/2)TiO3を主成分とし、Me
NbO3 (MeはK又はNa)と(Bi2O3・Sc2O
3)とで固融させた3成分系であっても分極電圧は高い
ために、分極時の絶縁破壊を生じる頻度が約30%と高
かった。
(Bi1/2Na1/2)TiO3を主成分としながら分
極時の絶縁破壊を生じる頻度を小さくした圧電体を提供
する。本願の請求項1に係る発明は、粉末を成形して焼
結してなる(Bi1/2Na1 /2)TiO3 を主成分と
する圧電体において、該粉末における(Bi1/2Na
1/2)TiO3 系ペロブスカイト相以外の異相が、粉
末X線回析によるピーク強度比にあって該ペロブスカイ
ト相の最強ピークに対して5%以下である粉末を成形、
焼結してなる圧電体である。これにより、焼結した圧電
体においては、6kV/mmの条件で分極したときに絶
縁破壊を生じる頻度を0.1から2%と、従来に圧電体
における破壊頻度に対し、数十分の1から数百分の1に
激減させることができた。また、この、単相が主相に比
較して極めて微量に含有される粉末を焼結して得られる
圧電体は、焼結体における結晶相が(Bi1/2Na
1/2)TiO3系ペロブスカイト単相に形成されるの
で、絶縁破壊強度の高い圧電体を提供できる。
末を混合し、仮焼した後ボールミルにより湿式粉砕し、
乾燥した粉末を成形して焼結する工程を有する場合に、
粉砕したスラリーを乾燥する前に、スラリーを篩に通す
ことにより、異相の含まれる未粉砕物や凝集体を取り除
くことにより可能となる。仮焼工程で生成した異相は、
主相であるペロブスカイト相に比較して粉砕されにくい
ため、粉砕処理後においても粗粒として残存しやすい。
したがって、粉砕時間に応じ、篩の目開きのサイズを適
宜選定することにより、異相の分離が可能となる。ま
た、粉砕時間は、異相粒子の微細化を起こさずに、ま
た、粒子の凝集を抑制するために2〜4時間と短くする
ことが好ましい。この時、篩を通した後の粉末の比表面
積は8m2/g以下2m2/g以上にすることが望まし
い。異相の検出には通常のX線粉末回折法が採用され、
図1に示すようなX線粉末回折図において、(Bi
1/2Na1/2)TiO3系ペロブスカイトのピークの
うち最強ピークであるピーク1と、これ以外の異相の最
強ピークであるピーク2とのピーク強度をそれぞれ測定
した後、ピーク1のピーク強度に比較したピーク2のピ
ーク強度比を算出する。また、主成分である(Bi
1/2Na1/2)TiO3以外に、MeNbO3 (Meは
NaまたはK)、Sc2O3・Bi2O3等が置換、固溶
の形で添加されていてもよい。また、本発明の磁器にあ
っては、0.5wt%以下のZr、Si等が不可逆的に含有さ
れうる。そして、本発明に係る圧電体は、変位特性が優
れているため、一般的な電気−機械変換要素として有用
であり、アクチュエータ、センサ等の緻密な厚膜又は薄
膜形状として好適に利用される。例えば、まず、厚さ3
〜50μm、好ましくは5〜15μmの薄肉部を有する
ダイヤフラム基板を、ジルコニア又はアルミナ焼結体、
好ましくは部分安定化ジルコニアを用いて用意する。こ
の基板の形状として好ましくは、特開平8−51238
号公報に記載する、セラミック基体の窓部を覆蓋するよ
うに一体に積層された薄肉ダイヤフラム部を、その窓部
とは反対方向となる外方に凸なる形状、又は特開平8−
130334号公報に記載する、ダイヤフラム部におけ
る凸形状の頂部部分に又はそれを含む部分に、平坦部ま
たは所定の曲率半径の曲面部を形成したダイヤフラム形
状が好適である。この基板上の薄肉部表面に、下部電極
として厚さ1〜10μmのPt、Pt−Pd合金等の耐
熱性金属膜を形成する。この下部電極上に本発明に係る
圧電体を厚膜手法により形成し、1000℃〜1250
℃の温度で焼成する。厚膜手法としてはディッピング
法、スクリーン印刷法、スピンコータ法等を用いること
ができ、好ましくはスクリーン印刷法が用いられる。焼
成後の圧電膜の厚みとしては1〜40μmが好ましく、
より好ましくは5〜25μmが用いられる。形成された
圧電膜上にPt、Au、Ag、Cu等、好ましくはAu
又はAgを、上部電極として膜厚2μm以下になるよう
に形成する。このように形成された圧電体は、特開平8
−201265号公報に開示されているような液体の特
性測定用素子や、微少重量の測定素子に用いられる微細
なセンサや、アクチュエータ等に好適に利用される。
する形態を詳細に説明する。まず、出発原料として、酸
化ビスマスBi2O3 、酒石酸水素ナトリウムNaHC
4H4O6 、酸化チタンTiO2 を充分乾燥した後、適宜
成分比になるように秤量し、これを2mmφのジルコニ
ア玉石を用い16時間、エタノール溶媒により湿式混合
した。混合物を乾燥後、大気中、900℃で2時間仮焼
し、ボールミルで2時間湿式粉砕処理を施した。粉砕後
のスラリー状態の粉末を、420メッシュのナイロン製
篩に通して、未粉砕物、凝集物を除去し、充分乾燥させ
た。乾燥した粉末の結晶相をX線回折により調べた。次
に、乾燥粉末を用い20φ×10tのペレット状成形体
をプレス成形により作成し、大気中で1150℃、2時
間焼成した。焼結して得られた磁器を長さ12mm、幅3
mm、厚み1mmの寸法に加工後、シリコンオイル中で
厚さ方向に6kV/mmの電界を10min加え分極処理した。
分極処理時における絶縁破壊の頻度を記録した。以上を
実施例1とする。前述した実施例1において、仮焼処理
後の粉砕を4時間とし、その他の条件は同じにして作製
した試料を実施例2とした。また、前述の実施例1にお
いて、仮焼温度を850℃とし、その他の条件は同じに
して作製した試料を実施例3とした。
処理後に粉砕を2時間ではなく10時間ボールミルを行
い、その他の条件は同じにして作製した試料を比較例1
とした。また、前述した実施例1において、粉砕後のス
ラリー粉末を420メッシュの篩を通すことなく乾燥
し、その他の条件は同じにして作製した試料を比較例2
とした。これらの試料を分極処理した時における絶縁破
壊の頻度を記録した結果、X線回折の結果とともに表1
に示した。
較例2の圧電体に対し、実施例のものは,粉末における
異相の割合が低く、分極時に絶縁破壊を生じる頻度が
0.1〜2%と低いものであった。このように、従来の
圧電体における破壊頻度に対し数十分の1から数百分の
1に激減させることができた。
明によれば、粉末を成形して焼結してなる(Bi1/2
Na1/2)TiO3 を主成分とする圧電体において、
該粉末における(Bi1/2Na1/2)TiO3 系ペロ
ブスカイト相以外の異相が、粉末X線回析によるピーク
強度比にあって該ペロブスカイト相の最強ピークに対し
て5%以下である粉末を成形、焼結してなる圧電体によ
り、焼結した圧電体における分極時に絶縁破壊を生じる
頻度を0.1〜2%と、従来の圧電体における破壊頻度
に対し数十分の1から数百分の1に激減させることがで
きるため、従来の圧電体よりも製造歩留まりが高くなり
製造コストを下げることができ、また、製品になったア
クチュエータ、センサ等の信頼性を向上できた。特に、
本願に係る圧電体は、他部材上に載置する等他部材との
共存下で焼成した場合、他部材との反応性が低いという
特性があるため、圧電体本来の特性を低下させることも
なく、且つ他部材への影響度が低いことから、他部材に
クラックを生起させる等の傷害を与えることも無い。従
って、絶縁破壊頻度の激減とも相俟って、最終製品にお
いて総合的な信頼性の著しい向上が達成された。
Claims (1)
- 【請求項1】 粉末を成形して焼結してなる(Bi
1/2Na1/2)TiO 3 を主成分とする圧電体にお
いて、該粉末における(Bi1/2Na1/2)TiO3
系ペロブスカイト相以外の異相が、粉末X線回析による
ピーク強度比にあって該ペロブスカイト相の最強ピーク
に対して5%以下である粉末を成形、焼結してなること
を特徴とする圧電体。
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