JP2001294486A - 圧電セラミックス - Google Patents
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 鉛を含まず、十分に高いキュリー点をもち、
しかも、優れた圧電特性、特に、大きな電気機械結合係
数を有する圧電セラミックスを提供する。 【解決手段】 Sr、La、BiおよびNbを含有する
ビスマス層状化合物であり、SrBi2Nb2O9型結晶
を含み、原子比La/(Sr+La)が 0<La/(Sr+La)≦0.18 である圧電セラミックス。
しかも、優れた圧電特性、特に、大きな電気機械結合係
数を有する圧電セラミックスを提供する。 【解決手段】 Sr、La、BiおよびNbを含有する
ビスマス層状化合物であり、SrBi2Nb2O9型結晶
を含み、原子比La/(Sr+La)が 0<La/(Sr+La)≦0.18 である圧電セラミックス。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レゾネータ、高温
用圧力センサ等の分野に幅広く応用可能な圧電セラミッ
クスに関する。
用圧力センサ等の分野に幅広く応用可能な圧電セラミッ
クスに関する。
【0002】
【従来の技術】圧電体は、外部から応力を受けることに
よって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加する
ことにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料で
ある。圧電体は、センサ、レゾネータ、アクチュエータ
などに応用されている。
よって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加する
ことにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料で
ある。圧電体は、センサ、レゾネータ、アクチュエータ
などに応用されている。
【0003】現在実用化されている圧電材料の大部分
は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3
−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbT
iO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体
が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加
することにより、様々な要求特性への対応がはかられて
いる。
は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3
−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbT
iO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体
が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加
することにより、様々な要求特性への対応がはかられて
いる。
【0004】しかし、PZT系やPT系の圧電材料は、
実用的な組成ではキュリー点が200〜300℃程度の
ものが多く、それ以上の温度では常誘電体となり圧電性
が消失してしまうため、高温で使用される用途には適用
しにくい。また、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮発
性の極めて高い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70質
量%程度)に含んでいるため、生態学的な見地および公
害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら鉛
系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際に
は、焼成、溶融等の熱処理が不可避であり、工業レベル
で考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への揮
発、拡散量は極めて多量となる。また、製造段階で放出
される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市場
に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状ではそ
の殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出さ
れた場合、公害の原因となることは避けられない。
実用的な組成ではキュリー点が200〜300℃程度の
ものが多く、それ以上の温度では常誘電体となり圧電性
が消失してしまうため、高温で使用される用途には適用
しにくい。また、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮発
性の極めて高い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70質
量%程度)に含んでいるため、生態学的な見地および公
害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら鉛
系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際に
は、焼成、溶融等の熱処理が不可避であり、工業レベル
で考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への揮
発、拡散量は極めて多量となる。また、製造段階で放出
される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市場
に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状ではそ
の殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出さ
れた場合、公害の原因となることは避けられない。
【0005】鉛を全く含有しない圧電材料としては、例
えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTi
O3がよく知られているが、これはキュリー点が120
℃と低いため、実用的ではない。
えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTi
O3がよく知られているが、これはキュリー点が120
℃と低いため、実用的ではない。
【0006】キュリー点が比較的高い圧電材料として
は、例えばビスマス層状化合物が知られている。しか
し、鉛を全く含有しないビスマス層状化合物は、電気機
械結合係数が小さいため、広く実用に供されるには至っ
ていない。
は、例えばビスマス層状化合物が知られている。しか
し、鉛を全く含有しないビスマス層状化合物は、電気機
械結合係数が小さいため、広く実用に供されるには至っ
ていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鉛を
含まず、十分に高いキュリー点をもち、しかも、優れた
圧電特性、特に、大きな電気機械結合係数を有する圧電
セラミックスを提供することである。
含まず、十分に高いキュリー点をもち、しかも、優れた
圧電特性、特に、大きな電気機械結合係数を有する圧電
セラミックスを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、下記(1)
の本発明により達成される。 (1) Sr、La、BiおよびNbを含有するビスマ
ス層状化合物であり、SrBi2Nb2O9型結晶を含
み、原子比La/(Sr+La)が 0<La/(Sr+La)≦0.18 である圧電セラミックス。
の本発明により達成される。 (1) Sr、La、BiおよびNbを含有するビスマ
ス層状化合物であり、SrBi2Nb2O9型結晶を含
み、原子比La/(Sr+La)が 0<La/(Sr+La)≦0.18 である圧電セラミックス。
【0009】なお、昭和51年3月に電子材料工業会か
ら発行された「圧電セラミック材料の動向調査報告書」
第17ページの表4には、SrBi2Nb2O9が記載さ
れている。しかし、これにLaを添加することは記載さ
れていない。
ら発行された「圧電セラミック材料の動向調査報告書」
第17ページの表4には、SrBi2Nb2O9が記載さ
れている。しかし、これにLaを添加することは記載さ
れていない。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の圧電セラミックスは、S
r、La、BiおよびNbを含有する複合酸化物であ
る。本発明の圧電セラミックス中において、原子比La
/(Sr+La)は、 0<La/(Sr+La)≦0.18 である。Laが含まれないと、電気機械結合係数を大き
くすることができない。一方、Laの比率が高すぎて
も、電気機械結合係数は低くなってしまう。電気機械結
合係数を十分に大きくするためには、 0.02≦La/(Sr+La)≦0.15 とすることが好ましく、特に、 0.05≦La/(Sr+La)≦0.15 とすることが好ましい。このように本発明では、La量
を適切な値とすることにより、電気機械結合係数を向上
させることができる。
r、La、BiおよびNbを含有する複合酸化物であ
る。本発明の圧電セラミックス中において、原子比La
/(Sr+La)は、 0<La/(Sr+La)≦0.18 である。Laが含まれないと、電気機械結合係数を大き
くすることができない。一方、Laの比率が高すぎて
も、電気機械結合係数は低くなってしまう。電気機械結
合係数を十分に大きくするためには、 0.02≦La/(Sr+La)≦0.15 とすることが好ましく、特に、 0.05≦La/(Sr+La)≦0.15 とすることが好ましい。このように本発明では、La量
を適切な値とすることにより、電気機械結合係数を向上
させることができる。
【0011】本発明の圧電セラミックスは、ビスマス層
状化合物であるSrBi2Nb2O9型結晶を含み、実質
的にこの結晶から構成されていることが好ましいが、完
全に均質でなくても、例えば異相を含んでいてもよい。
この圧電セラミックス中において、LaはSrBi2N
b2O9型結晶のSrサイトを主に置換していると考えら
れるが、一部が他のサイトを置換していてもよく、ま
た、一部が結晶粒界に存在していてもよい。
状化合物であるSrBi2Nb2O9型結晶を含み、実質
的にこの結晶から構成されていることが好ましいが、完
全に均質でなくても、例えば異相を含んでいてもよい。
この圧電セラミックス中において、LaはSrBi2N
b2O9型結晶のSrサイトを主に置換していると考えら
れるが、一部が他のサイトを置換していてもよく、ま
た、一部が結晶粒界に存在していてもよい。
【0012】本発明の圧電セラミックスの全体組成は、
一般に(Sr1-xLax)Bi2Nb2O9とすればよい
が、これから偏倚していてもよい。例えば、Nbに対す
るSr+Laの比率や、Nbに対するBiの比率が、化
学量論組成から±5%程度ずれていてもよい。また、酸
素量も、金属元素の価数や酸素欠陥などに応じて変化し
得る。
一般に(Sr1-xLax)Bi2Nb2O9とすればよい
が、これから偏倚していてもよい。例えば、Nbに対す
るSr+Laの比率や、Nbに対するBiの比率が、化
学量論組成から±5%程度ずれていてもよい。また、酸
素量も、金属元素の価数や酸素欠陥などに応じて変化し
得る。
【0013】また、本発明の圧電セラミックスには、不
純物ないし微量添加物として例えばPbなどの他の元素
が含有されていてもよいが、これらの合計含有量は、P
bOなどの酸化物に換算して全体の0.5質量%以下で
あることが好ましい。これらの元素の含有量が多すぎる
と、本発明の効果を損なうことがある。なお、本発明の
圧電セラミックスにはPbが含まれないことが最も好ま
しいが、上記程度の含有量であれば実質的に問題はな
い。
純物ないし微量添加物として例えばPbなどの他の元素
が含有されていてもよいが、これらの合計含有量は、P
bOなどの酸化物に換算して全体の0.5質量%以下で
あることが好ましい。これらの元素の含有量が多すぎる
と、本発明の効果を損なうことがある。なお、本発明の
圧電セラミックスにはPbが含まれないことが最も好ま
しいが、上記程度の含有量であれば実質的に問題はな
い。
【0014】本発明の圧電セラミックスの結晶粒は、紡
錘状ないし針状である。その平均結晶粒径は特に限定さ
れないが、長軸方向において、好ましくは1〜10μ
m、より好ましくは3〜5μmである。結晶粒径が大きす
ぎる場合、焼結密度が低くなっており、十分に大きな電
気機械結合係数が得られにくい。一方、結晶粒径が小さ
すぎる場合、焼結が不十分であり、同様に焼結密度が低
くなっている。
錘状ないし針状である。その平均結晶粒径は特に限定さ
れないが、長軸方向において、好ましくは1〜10μ
m、より好ましくは3〜5μmである。結晶粒径が大きす
ぎる場合、焼結密度が低くなっており、十分に大きな電
気機械結合係数が得られにくい。一方、結晶粒径が小さ
すぎる場合、焼結が不十分であり、同様に焼結密度が低
くなっている。
【0015】本発明では、圧電セラミックスの電気機械
結合係数を、17%以上とすることができ、20%以上
とすることも容易である。
結合係数を、17%以上とすることができ、20%以上
とすることも容易である。
【0016】本発明の圧電セラミックスは、レゾネー
タ、高温用センサ等に好適である。使用モードは特に限
定されず、例えば厚み縦振動や厚みすべり振動等のいず
れのモードも利用可能である。
タ、高温用センサ等に好適である。使用モードは特に限
定されず、例えば厚み縦振動や厚みすべり振動等のいず
れのモードも利用可能である。
【0017】次に、本発明の圧電セラミックスを製造す
る方法の一例を説明する。
る方法の一例を説明する。
【0018】まず、出発原料として、酸化物、または、
焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはSr
CO3、La2O3、La(OH)3、Bi2O3、Nb2O5
等の粉末を用意し、これらをボールミル等により湿式混
合する。
焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはSr
CO3、La2O3、La(OH)3、Bi2O3、Nb2O5
等の粉末を用意し、これらをボールミル等により湿式混
合する。
【0019】次いで、800〜1000℃程度で1〜3
時間程度仮焼し、得られた仮焼物をスラリー化し、ボー
ルミル等を用いて湿式粉砕する。
時間程度仮焼し、得られた仮焼物をスラリー化し、ボー
ルミル等を用いて湿式粉砕する。
【0020】湿式粉砕後、仮焼物の粉末を乾燥し、乾燥
物に水を少量(4〜8質量%程度)添加し、100〜4
00MPa程度の圧力でプレス成形して、成形体を得る。
この際、ポリビニルアルコール等のバインダを添加して
もよい。
物に水を少量(4〜8質量%程度)添加し、100〜4
00MPa程度の圧力でプレス成形して、成形体を得る。
この際、ポリビニルアルコール等のバインダを添加して
もよい。
【0021】次いで、成形体を焼成し、圧電セラミック
スを得る。焼成温度は、好ましくは1100〜1300
℃の範囲から選択し、焼成時間は、好ましくは1〜5時
間程度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よ
りも酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸
素雰囲気中で行ってもよい。
スを得る。焼成温度は、好ましくは1100〜1300
℃の範囲から選択し、焼成時間は、好ましくは1〜5時
間程度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よ
りも酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸
素雰囲気中で行ってもよい。
【0022】
【実施例】以下の手順で、表1に示す圧電セラミックス
サンプルを作製した。
サンプルを作製した。
【0023】出発原料として、SrCO3、La2O3、
Bi2O3、Nb2O5の粉末を、最終組成が(Sr1-xL
ax)Bi2Nb2O9となるように配合し、純水中でジル
コニアボールを利用したボールミルにより10時間湿式
混合した。各サンプルにおけるxの値を表1に示す。
Bi2O3、Nb2O5の粉末を、最終組成が(Sr1-xL
ax)Bi2Nb2O9となるように配合し、純水中でジル
コニアボールを利用したボールミルにより10時間湿式
混合した。各サンプルにおけるxの値を表1に示す。
【0024】次いで、混合物を十分に乾燥し、プレス成
形した後、800〜900℃で2時間仮焼した。得られ
た仮焼物をボールミルで粉砕した後、乾燥し、バインダ
(ポリビニルアルコール)を加えて造粒した。得られた
造粒粉を一軸プレス成形機を用いて200〜300MPa
の圧力を加え、平面寸法20mm×20mm、厚さ約20mm
の柱状に成形した。得られた成形体に熱処理を施してバ
インダを揮発させた後、1100〜1300℃で2〜4
時間焼成した。得られた焼結体を切断し、さらに厚さ約
0.3mmとなるまで研磨して薄板状とした。その後、両
面の全面に銀電極を塗布し、焼き付けた。次いで、15
0〜250℃のシリコーンオイルバス中で7〜10MV/m
の電界を1〜30分間印加して分極処理を施し、特性測
定用サンプルとした。
形した後、800〜900℃で2時間仮焼した。得られ
た仮焼物をボールミルで粉砕した後、乾燥し、バインダ
(ポリビニルアルコール)を加えて造粒した。得られた
造粒粉を一軸プレス成形機を用いて200〜300MPa
の圧力を加え、平面寸法20mm×20mm、厚さ約20mm
の柱状に成形した。得られた成形体に熱処理を施してバ
インダを揮発させた後、1100〜1300℃で2〜4
時間焼成した。得られた焼結体を切断し、さらに厚さ約
0.3mmとなるまで研磨して薄板状とした。その後、両
面の全面に銀電極を塗布し、焼き付けた。次いで、15
0〜250℃のシリコーンオイルバス中で7〜10MV/m
の電界を1〜30分間印加して分極処理を施し、特性測
定用サンプルとした。
【0025】各サンプルについて、ヒューレットパッカ
ード社製LCRメータHP4394Aと電気炉を用いて
キュリー点の測定および容量の測定を行い、容量から誘
電率を算出した。また、ヒューレットパッカード社製イ
ンピーダンスアナライザHP4194Aによる測定を行
い、共振反共振法を利用して厚み縦方向電気機械結合係
数(kt)を求めた。なお、ktは下記式により算出し
た。これらの結果を表1に示す。
ード社製LCRメータHP4394Aと電気炉を用いて
キュリー点の測定および容量の測定を行い、容量から誘
電率を算出した。また、ヒューレットパッカード社製イ
ンピーダンスアナライザHP4194Aによる測定を行
い、共振反共振法を利用して厚み縦方向電気機械結合係
数(kt)を求めた。なお、ktは下記式により算出し
た。これらの結果を表1に示す。
【0026】
【数1】
【0027】
【表1】
【0028】表1から、SrBi2Nb2O9において、
Srの一部をLaで置換することにより、電気機械結合
係数が向上することがわかる。また、Laの置換量が本
発明で限定する範囲内であれば、十分に高いキュリー点
が得られることがわかる。
Srの一部をLaで置換することにより、電気機械結合
係数が向上することがわかる。また、Laの置換量が本
発明で限定する範囲内であれば、十分に高いキュリー点
が得られることがわかる。
【0029】サンプルNo.1(比較例)およびサンプルN
o.4について、断面の走査型電子顕微鏡写真を図1およ
び図2にそれぞれ示す。これらの図から、La添加によ
り空孔が減少し、焼結体が緻密化していることがわか
る。なお、これらの写真において空孔は、黒い斑点とし
て存在している。これらのサンプルについての、拡大率
のより高い走査型電子顕微鏡写真から、結晶粒が紡錘状
ないし針状であることが確認できた。
o.4について、断面の走査型電子顕微鏡写真を図1およ
び図2にそれぞれ示す。これらの図から、La添加によ
り空孔が減少し、焼結体が緻密化していることがわか
る。なお、これらの写真において空孔は、黒い斑点とし
て存在している。これらのサンプルについての、拡大率
のより高い走査型電子顕微鏡写真から、結晶粒が紡錘状
ないし針状であることが確認できた。
【0030】図3に、(Sr1-xLax)Bi2Nb2O9
においてxを変化させたときの粉末X線回折の解析結果
を示す。同図には、ピーク同定結果も示してある。図3
から、SrをLaで置換しても、SrBi2Nb2O9型
結晶の単一相である焼結体が得られることがわかる。
においてxを変化させたときの粉末X線回折の解析結果
を示す。同図には、ピーク同定結果も示してある。図3
から、SrをLaで置換しても、SrBi2Nb2O9型
結晶の単一相である焼結体が得られることがわかる。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、鉛を含まず、かつ、十
分に高いキュリー点をもち、かつ、優れた圧電特性、特
に、大きな電気機械結合係数を有する圧電セラミックス
を実現することができる。
分に高いキュリー点をもち、かつ、優れた圧電特性、特
に、大きな電気機械結合係数を有する圧電セラミックス
を実現することができる。
【図1】粒子構造を示す図面代用写真であって、比較サ
ンプル断面の走査型電子顕微鏡写真である。
ンプル断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図2】粒子構造を示す図面代用写真であって、本発明
サンプル断面の走査型電子顕微鏡写真である。
サンプル断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図3】(Sr1-xLax)Bi2Nb2O9においてxを
変化させたときの粉末X線回折の解析結果を示すチャー
トである。
変化させたときの粉末X線回折の解析結果を示すチャー
トである。
Claims (1)
- 【請求項1】 Sr、La、BiおよびNbを含有する
ビスマス層状化合物であり、SrBi2Nb2O9型結晶
を含み、原子比La/(Sr+La)が 0<La/(Sr+La)≦0.18 である圧電セラミックス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000110644A JP2001294486A (ja) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | 圧電セラミックス |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000110644A JP2001294486A (ja) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | 圧電セラミックス |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001294486A true JP2001294486A (ja) | 2001-10-23 |
Family
ID=18623122
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000110644A Withdrawn JP2001294486A (ja) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | 圧電セラミックス |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001294486A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6764609B2 (en) | 2001-10-11 | 2004-07-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the same |
JP2007261847A (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Asahi Glass Co Ltd | ニオブ酸ビスマス系微粒子の製造方法 |
KR100924107B1 (ko) | 2008-02-18 | 2009-10-29 | 창원대학교 산학협력단 | 비스무스(Bi)계에 3가 양이온이 첨가된 무연세라믹스의 조성물 및 그 제조방법 |
-
2000
- 2000-04-12 JP JP2000110644A patent/JP2001294486A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6764609B2 (en) | 2001-10-11 | 2004-07-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the same |
JP2007261847A (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Asahi Glass Co Ltd | ニオブ酸ビスマス系微粒子の製造方法 |
KR100924107B1 (ko) | 2008-02-18 | 2009-10-29 | 창원대학교 산학협력단 | 비스무스(Bi)계에 3가 양이온이 첨가된 무연세라믹스의 조성물 및 그 제조방법 |
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