JP2002068835A - 圧電磁器組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的品質係数Ｑｍが高く、誘電損失ｔａｎ
δの初期値の小さい（Ｋ _１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３系の圧
電磁器組成物を提供すること。また、誘電損失ｔａｎδ
の長期安定性に優れた（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３系の
圧電磁器組成物を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る圧電磁器組成物は、一般
式： ｛（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_１−ｙＡｇ_ｙ｝ＮｂＯ_３−ｚ［Ｍ
^α＋］［Ｏ^２−］_α／２ で表される組成を有している。但し、０≦ｘ＜１、０≦
ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０５、ｙ＋ｚ＞０。Ｍは、Ｍ
ｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂの内の少なくとも一
種以上の金属元素。αは、金属元素Ｍの平均価数。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器組成物に
関し、更に詳しくは、圧電振動子、表面波フィルタ、セ
ンサ、アクチュエータ、超音波モータ、圧電トランス、
ノックセンサ、ジャイロセンサ、加速度センサ、圧電フ
ォン、レゾネータ等に使用される圧電材料として好適な
圧電磁器組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料は、圧電効果を有する材料であ
り、その形態は、単結晶、セラミックス（磁器）、薄
膜、高分子及びコンポジット（複合材）に分類される。
これらの圧電材料の中で、特に、圧電磁器材料は、高性
能で、形状の自由度が大きく、材料設計が比較的容易な
ため、広くエレクトロニクスやメカトロニクスの分野で
応用されているものである。

【０００３】圧電磁器材料は、強誘電体磁器に直流を印
加し、強誘電体の分域の方向を一定の方向にそろえる、
いわゆる分極処理を施したものである。分極処理により
自発分極を一定方向にそろえるためには、自発分極が三
次元的に取りうるペロブスカイト型結晶構造が有利であ
ることから、実用化されている圧電磁器材料の大部分
は、ペロブスカイト型強誘電体磁器である。

【０００４】ペロブスカイト型強誘電体磁器としては、
例えば、二成分系のＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３（以
下、これを「ＰＺＴ」という。）、三成分系のＰｂＴｉ
Ｏ_３−ＰｂＺｒＯ_３−Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ
_３（以下、これを「ＰＺＴ−ＰＮＮ」という。）、Ｂａ
ＴｉＯ_３、（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（但し、０≦ｘ
＜１）などが知られている。

【０００５】これらの中で、ＰＺＴやＰＺＴ−ＰＮＮ等
の鉛を含んだ圧電磁器材料は、現在実用化されている圧
電磁器材料の大部分を占めている。この理由は、圧電材
料には、一般に、センサ、アクチュエータ、フィルタ等
の各用途に応じて、大きな圧電特性、優れた長期安定
性、高い機械的品質係数、低い誘電損失等の様々な特性
が要求されるが、鉛系の圧電磁器材料は、各成分量の割
合を調節することにより、このような諸要求を満たす様
々な材料を容易に作製できるからである。

【０００６】しかし、鉛系の圧電磁器材料は、蒸気圧が
高く、人体に有害な酸化鉛（ＰｂＯ）を含んでいる。こ
れらの材料を含んだ製品の産業廃棄物からは、鉛が溶出
し、環境を汚染し、食物を介して人体に悪影響を与える
と考えられる。そのため、鉛を含まず、大きな圧電特性
を有し、しかも、圧電特性の長期安定性に優れた圧電材
料が要望されている。

【０００７】一方、（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）ＮｂＯ_３（以
下、これを「ＫＮＮ」という。）又はこれを主成分とす
る材料は、今まで知られている非鉛系の圧電磁器材料の
中でも圧電特性が高く、しかも、キュリー温度が高いと
いう特徴を有しているので、特に、自動車用の無鉛圧電
磁器材料の有力な候補材料の１つと考えられている。そ
のため、ＫＮＮ系の圧電磁器材料の組成、製造方法等に
関し、従来から種々の提案がなされている。

【０００８】例えば、特開平１１−２２８２２８号公報
には、一般式：（１−ｎ）（Ｋ_{１− ｘ−ｙ}Ｎａ_ｘＬ
ｉ_ｙ）_ｍ（Ｎｂ_１−ｚＴａ_ｚ）Ｏ_３−ｎＭ_１Ｍ_２Ｍ_３Ｏ
_３（但し、Ｍ_１は３価の金属元素、Ｍ_２は１価の金属元
素、Ｍ_３は４価の金属元素、０．１≦ｘ、ｙ≦０．３、
ｘ＋ｙ＜０．７５、０≦ｚ≦０．３、０．９８≦ｍ≦
１．０、０＜ｎ＜０．１。）で表される圧電磁器組成物
が開示されている。同公報によれば、電気機械結合係数
Ｋｐが２５％以上である圧電磁器組成物が得られるとさ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】圧電磁器材料を圧電フ
ィルタ、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モー
タ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ等に応用するた
めには、機械的品質係数Ｑｍが高いこと、誘電損失ｔａ
ｎδの初期値が低いこと、及び誘電損失ｔａｎδの長期
安定性に優れていることが必要となる。

【００１０】しかしながら、ＫＮＮは、本質的には高い
圧電特性を有する材料であるが、難焼結材料であるため
に、緻密化が不十分となり、十分な圧電特性が得られな
い場合がある。また、ＫＮＮは、機械的品質係数Ｑｍが
相対的に低く、誘電損失ｔａｎδの初期値も大きいとい
う問題がある。さらに、ＫＮＮは、十分に緻密化した場
合であっても、長期安定性が悪く、時間の経過と共に誘
電損失ｔａｎδが増大するという問題がある。そのた
め、ＫＮＮは、上述した圧電フィルタ等の用途への適用
が困難であった。

【００１１】この問題を解決するために、特開平１１−
２２８２２８号公報に開示されているように、ＫＮＮに
種々の添加物を加え、圧電特性を改善することも有効な
方法と考えられる。しかしながら、同公報に開示された
圧電磁器組成物の電気機械結合係数Ｋｐは、２５〜３０
％であり、圧電フィルター等に応用するには不十分であ
る。また、機械的品質係数Ｑｍ、並びに、誘電損失ｔａ
ｎδの初期値及び長期安定性を改善するために、ＫＮＮ
への添加物を検討した例は、従来にはない。

【００１２】本発明が解決しようとする課題は、機械的
品質係数Ｑｍが高く、かつ、誘電損失ｔａｎδの初期値
が小さいＫＮＮ系の圧電磁器組成物を提供することにあ
る。また、本発明が解決しようとする他の課題は、誘電
損失ｔａｎδの長期安定性に優れたＫＮＮ系の圧電磁器
組成物を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る圧電磁器組成物は、次の化１の式に示す
一般式で表される組成を有していることを要旨とするも
のである。

【００１４】

【化１】｛（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_１−ｙＡｇ_ｙ｝ＮｂＯ_３
−ｚ［Ｍ^α＋］［Ｏ^２−］_α／２ （但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０
５、ｙ＋ｚ＞０。Ｍは、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇ
ａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素。αは、
金属元素Ｍの平均価数。）

【００１５】ＫＮＮに対して、Ａｇ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属
元素を所定量添加すると、機械的品質係数Ｑｍが大きく
なり、しかも、誘電損失ｔａｎδの初期値が小さくな
る。また、ＫＮＮに対して、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、
Ｇａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素を所定
量添加すると、誘電損失ｔａｎδの長期安定性が向上す
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて詳細に説明する。本発明に係る圧電磁器組成物は、
ＫＮＮを主成分とし、その組成は、次の化２の式で表さ
れる。

【００１７】

【化２】｛（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_１−ｙＡｇ_ｙ｝ＮｂＯ_３
−ｚ［Ｍ^α＋］［Ｏ^２−］_α／２ （但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０
５、ｙ＋ｚ＞０。Ｍは、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇ
ａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素。αは、
金属元素Ｍの平均価数。）

【００１８】化２の式において、ｘを１未満としたの
は、ｘ＝１である磁器組成物、すなわち、Ｋを含まない
磁器組成物は、圧電特性を示さないためである。また、
本発明においては、ＫＮＮに対する添加元素として、Ａ
ｇ、並びにＭｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂの内の
少なくとも一種以上の金属元素Ｍが用いられる。Ａｇ及
び金属元素Ｍは、いずれか一方がＫＮＮに添加されてい
ても良く、あるいは、双方が添加されていても良い。

【００１９】ＫＮＮに添加されたＡｇは、ペロブスカイ
ト型構造を取るＫＮＮのＡサイトに置換固溶する。化２
の式において、ｙを０．１以下としたのは、ｙが０．１
を超えると、圧電ｄ定数が低下し、圧電素子の作製に適
さないためである。

【００２０】また、ＫＮＮに添加された金属元素Ｍは、
主に、酸化物の形で粒界に存在すると考えられる。化２
の式において、ｚを０．０５以下としたのは、ｚが０．
０５を超えると、圧電ｄ定数が低下し、圧電素子の作製
に適さないためである。

【００２１】なお、金属元素Ｍは、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、
Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂの内のいずれか一種類の元素であって
も良く、あるいは、これらの内の２種以上の元素であっ
ても良い。また、化２の式において、αは金属元素Ｍの
価数を表す。金属元素Ｍとして価数の異なる２種以上の
元素を用いた場合には、αは金属元素Ｍの平均価数を表
す。例えば、４価のＭｎと２価のＭｇとを１：１の比率
でＫＮＮに添加する場合、αは３となる。

【００２２】次に、本発明に係る圧電磁器組成物の作用
について説明する。圧電磁器組成物の焼結体密度は、一
般に、誘電率、圧電定数等の電気的特性に影響を及ぼ
し、焼結体密度が高くなるほど良好な圧電特性を示すこ
とが知られている。従って、良好な圧電特性を得るに
は、圧電磁器組成物の密度を高めることが重要である。

【００２３】しかしながら、ＫＮＮは、難焼結材料であ
るので、高密度の焼結体を常圧焼結法により作製するの
は困難である。そのため、ＫＮＮは、本質的には高い圧
電特性を有しているにもかかわらず、得られる焼結体の
機械的品質係数Ｑｍは相対的に低く、誘電損失ｔａｎδ
の初期値も大きい。

【００２４】また、圧電磁器組成物を圧電フィルタ、圧
電振動子等に応用するためには、誘電損失ｔａｎδの初
期値が低いだけではなく、誘電損失ｔａｎδの長期安定
性に優れていることも重要である。これは、誘電損失ｔ
ａｎδが大きくなると、使用中に圧電素子が発熱し、圧
電特性を示さなくなるためである。信頼性の高い圧電素
子を作製するためには、誘電損失ｔａｎδの初期値が２
％以下であり、かつ、１００日以上放置した場合の誘電
損失ｔａｎδが２％以下であることが望ましい。しかし
ながら、ＫＮＮは、十分に緻密化した場合であっても、
誘電損失ｔａｎδの長期安定性が悪く、時間の経過と共
に誘電損失ｔａｎδが増大する。

【００２５】これに対し、本発明に係る圧電磁器組成物
は、ＫＮＮに対してＡｇ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇ
ａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素が所定量
添加されているが、添加物の種類によっては、ＫＮＮの
焼結性を向上させ、高い焼結体密度を有する圧電磁器組
成物が得られる。また、本発明に係る圧電磁器組成物
は、焼結体の相対密度がＫＮＮと同等以下である場合で
あっても、ＫＮＮよりも機械的品質係数Ｑｍが高くな
り、誘電損失ｔａｎδの初期値も小さくなる。

【００２６】さらに、ＫＮＮに対して、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属
元素を所定量添加すると、誘電損失ｔａｎδの経時安定
性も向上する。このような効果が得られる理由の詳細は
不明であるが、添加物の種類や添加量を最適化すれば、
高い圧電特性を有し、しかも、誘電損失ｔａｎδの初期
値が２％以下であり、かつ、１００日以上放置した場合
の誘電損失ｔａｎδが２％以下である圧電磁器組成物も
得ることができる。

【００２７】次に、本発明に係る圧電磁器組成物の製造
方法について説明する。本発明に係る圧電磁器組成物
は、通常のセラミックスプロセスにより製造することが
できる。すなわち、まず、化２の式で表される組成とな
るように所定の原料を混合し、これを仮焼、粉砕する。
次に、これにバインダーを加えて混合し、造粒する。さ
らに、これを成形、焼成した後、電極を設け、分極すれ
ば良い。

【００２８】なお、ＫＮＮに対して金属元素Ｍを添加す
る場合、まず、ペロブスカイト型化合物が得られるよう
に配合された原料粉末を混合し、これを仮焼、粉砕した
後、これに対して金属元素Ｍを含む化合物を添加しても
良い。あるいは、ペロブスカイト型化合物が得られるよ
うに配合された原料粉末に対して、さらに金属元素Ｍを
含む化合物を加えて混合し、これを仮焼、粉砕しても良
い。

【００２９】

【実施例】（実施例１）原料として、高純度（９９％以
上）であるＫ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３（あるいはＮａ_２
ＣＯ_３）、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＭｇＯ及びＩｎ_２Ｏ
_３を用い、以下の手順に従い、圧電磁器組成物を作製し
た。すなわち、まず、（Ｋ_０．５Ｎａ_{０ ．５}）ＮｂＯ_３
の化学量論組成となるように原料を配合し、ボールミル
によりアセトン中で２４時間混合した。これを、８００
℃で５時間保持して仮焼した後、仮焼粉に対して、Ｍｎ
Ｏ_２（実験Ｎｏ．２）、ＭｇＯ（実験Ｎｏ．３）及びＩ
ｎＯ_３／２（実験Ｎｏ．４）を、それぞれ、金属元素換
算で１．０ｍｏｌ％（外添加）添加し、２４時間ボール
ミル粉砕を行った。

【００３０】次に、得られた粉砕粉に対して、バインダ
としてポリビニルブチラールを加えて造粒した後、圧力
１９６ＭＰａで、直径１８ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状に
加圧成形した。焼成は、温度１０００〜１３００℃で１
時間保持して行った。この焼結体を両面平行研磨し、円
形研磨した後、円板試料両面に、スパッタ法により金電
極を設けた。次いで、１００℃のシリコーンオイル中に
おいて、電極間に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１０分間加
え、厚み方向に分極することにより、圧電磁器組成物を
得た。

【００３１】（比較例１）仮焼粉に対して、ＭｎＯ_２、
ＭｇＯ及びＩｎＯ_３／２のいずれも添加しなかった以外
は、実施例１と同一の手順に従い、（Ｋ_０．５Ｎａ
_０．５）ＮｂＯ_３組成を有する圧電磁器組成物（実験Ｎ
ｏ．１）を得た。

【００３２】実施例１及び比較例１で得られた圧電磁器
組成物について、焼結体密度、圧電特性及び誘電特性の
測定を行った。なお、圧電特性は、インピーダンスアナ
ライザを用いて共振−反共振法により測定し、電気機械
結合係数Ｋｐ、圧電ｄ_３１定数、圧電ｇ_３１定数、及び
機械的品質係数Ｑｍを算出した。また、誘電特性は、イ
ンピーダンスアナライザを用いて測定周波数１ｋＨｚで
測定を行い、比誘電率ε_３３ｔ／ε_０、誘電損失ｔａｎ
δ、及び径方向の周波数定数Ｎｐを算出した。さらに、
誘電損失ｔａｎδの長期安定性は、インピーダンスアナ
ライザを用いて、１年以上にわたり、誘電損失ｔａｎδ
を測定することにより評価した。結果を表１示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】金属元素Ｍを添加しない実験Ｎｏ．１（比
較例１）の組成物の場合、焼結体の相対密度は、９６．
０％であった。これに対し、ＫＮＮに対してＭｎ、Ｍｇ
及びＩｎのいずれか１種を外添加で１ｍｏｌ％添加した
実験Ｎｏ．２〜４（実施例１）の場合、焼結体の相対密
度は、それぞれ、９７．６％、９８．９％及び９５．２
％であり、Ｉｎを添加した実験Ｎｏ．４を除いて、金属
元素Ｍ無添加の実験Ｎｏ．１より高くなった。

【００３５】また、実験Ｎｏ．２〜４で得られた組成物
の電気機械結合係数Ｋｐ、圧電ｄ_{３ １}定数、圧電ｇ_３１
定数及び機械的品質係数Ｑｍは、添加物の種類によら
ず、いずれも実験Ｎｏ．１の組成物より大きくなった。
特に、ＭｎＯ_２を１ｍｏｌ％添加した実験Ｎｏ．２の組
成物の場合、機械的品質係数Ｑｍは４９０となり、実験
Ｎｏ．１の約５倍まで増加した。

【００３６】一方、比誘電率ε_３３ｔ／ε_０は、金属元
素Ｍの添加により低下した。しかしながら、誘電損失ｔ
ａｎδの初期値は、添加物の種類によらず、実験Ｎｏ．
１より小さくなった。特に、ＭｎＯ_２及びＭｇＯを外添
加で１ｍｏｌ％添加した実験Ｎｏ．２及び３の組成物の
場合、初期の誘電損失ｔａｎδは０．７％以下となり、
実験Ｎｏ．１の約１／５まで低下した。

【００３７】また、径方向の周波数定数Ｎｐは、ＩｎＯ
_３／２を添加した実験Ｎｏ．４の組成物については、実
験Ｎｏ．１の組成物と同等であったが、ＭｎＯ_２及びＭ
ｇＯを添加した実験Ｎｏ．２及び３の組成物について
は、実験Ｎｏ．１より大きな値となった。この結果は、
本実施例に係る圧電磁器組成物を用いれば、同じ周波数
の振動子を作製する場合、より小さな素子を作製可能で
あることを示している。

【００３８】図１に、誘電損失ｔａｎδの長期安定性を
示す。金属元素Ｍを添加しない組成物の場合、誘電損失
ｔａｎδは、時間の経過と共に増加し、１００日経過後
には２０％を超えた。これに対し、Ｍｎ、Ｍｇ又はＩｎ
を添加した場合、誘電損失ｔａｎδの経時変化が無く、
１００日を経過した時点において２％以下の値が維持さ
れた。特に、ＭｎＯ_２を添加した実験Ｎｏ．２の組成物
の場合、１年経過以降も、誘電損失ｔａｎδの悪化が無
かった。この結果は、本実施例に係る圧電磁器組成物を
用いれば、長期安定性に優れた各種の圧電素子を作製で
きることを示している。

【００３９】以上のように、本実施例によれば、鉛を含
まない圧電材料で、機械的品質係数Ｑｍが高く、誘電損
失ｔａｎδの初期値が低く、しかも、誘電損失ｔａｎδ
の長期安定性に優れた材料が得られることがわかった。
この結果は、本実施例に係る圧電磁器組成物を用いれ
ば、優れた長期安定性及び高い特性を有する、圧電フィ
ルタ、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、
圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ素子等を作製できる
ことを示している。

【００４０】（実施例２）原料として、高純度（９９％
以上）であるＫ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３（あるいはＮａ
_２ＣＯ_３）、Ｎｂ_２Ｏ_５、及びＡｇ_２Ｏを用い、以下の
手順に従い、圧電磁器組成物を作製した。すなわち、ま
ず、｛（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５）_０．９８Ａｇ_０．０２｝
ＮｂＯ_３の化学量論組成となるように原料を混合し、ボ
ールミルによりアセトン中で２４時間混合した。これ
を、８００℃で５時間保持して仮焼した後、２４時間ボ
ールミル粉砕を行った。

【００４１】次に、得られた粉砕粉に対して、バインダ
としてポリビニルブチラールを加えて造粒した後、圧力
１９６ＭＰａで、直径１８ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状に
加圧成形した。焼成は、温度１０００〜１３００℃で１
時間保持して行った。この焼結体を両面平行研磨し、円
形研磨した後、円板試料両面に、スパッタ法により金電
極を設けた。次いで、１００℃のシリコーンオイル中に
おいて、電極間に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１０分間加
え、厚み方向に分極することにより、圧電磁器組成物を
得た。

【００４２】得られた圧電磁器組成物（実験Ｎｏ．５）
について、実施例１と同一の手順に従い、焼結体密度、
圧電特性及び誘電特性を測定した。結果を表２示す。な
お、表２においては、比較のため、比較例１（実験Ｎ
ｏ．１）の結果も合わせて示した。

【００４３】

【表２】

【００４４】ＫＮＮに対してＡｇを２ｍｏｌ％添加した
実験Ｎｏ．５の組成物の場合、焼結体の相対密度は、１
００％となり、Ａｇ無添加の実験Ｎｏ．１より向上し
た。また、ＫＮＮに対してＡｇを添加することによっ
て、すべての圧電特性が、Ａｇ無添加のＫＮＮよりも２
０％前後向上することが確認された。

【００４５】すなわち、電気機械結合係数Ｋｐは、Ａｇ
無添加では３３．４％であるのに対し、Ａｇを添加する
と４１．６％となり、１．２４５倍に向上した。また、
圧電ｄ定数は、Ａｇ無添加ではｄ_３１＝３７．６ｐｍ／
Ｖであるのに対し、Ａｇを添加すると、ｄ_３１＝４３．
９ｐｍ／Ｖとなり、１．１６９倍に向上した。また、圧
電ｇ定数は、Ａｇ無添加ではｇ_３１＝９．９×１０^−３
Ｖｍ／Ｎであるのに対し、Ａｇを添加すると、ｇ_３１＝
１２×１０^−３Ｖｍ／Ｎとなり、１．２１倍に向上し
た。さらに、機械的品質係数Ｑｍは、Ａｇ無添加では１
０１であるのに対し、Ａｇを添加すると１３８となり、
１．３８倍に向上することがわかった。

【００４６】一方、比誘電率ε_３３ｔ／ε_０は、Ａｇ無
添加では４２９であるのに対し、Ａｇを添加すると、４
１３となり、若干低下した。しかしながら、誘電損失ｔ
ａｎδの初期値は、Ａｇ無添加では３．５６％であるの
に対し、Ａｇを添加すると２．０％となり、大きく低下
した。この結果は、本実施例に係る圧電磁器組成物によ
れば、センサ用に適した、低損失で誘電雑音ノイズの少
ない材料が得られることを示している。

【００４７】また、径方向の周波数定数Ｎｐは、Ａｇ無
添加では２５７７Ｈｚｍであるのに対し、Ａｇを添加す
ると、２６３９Ｈｚｍとなり、大きく向上した。この結
果は、本実施例に係る圧電磁器組成物によれば、同じ周
波数の振動子を作製する場合、より小さな素子を作製可
能であることを示している。

【００４８】以上のように、本実施例によれば、鉛を含
まない圧電材料で、電気機械結合係数Ｋｐ、圧電ｄ定
数、圧電ｇ定数及び機械的品質係数Ｑｍが高く、誘電損
失ｔａｎδの初期値の低い材料が得られることがわかっ
た。この結果は、本実施例に係る圧電磁器組成物を用い
れば、出力電圧が大きく、しかも、低雑音でＳ／Ｎ比の
高い圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ素子等の圧電セ
ンサ素子を作製できることを示している。

【００４９】（実施例３）金属元素Ｍを含む原料とし
て、高純度（９９％以上）であるＳｉＯ_２（実験Ｎｏ．
６）、ＧａＯ_３／２（実験Ｎｏ．７）及びＳｂＯ_３／２
（実験Ｎｏ．８）を用いた以外は、実施例１と同一の手
順に従い、金属元素Ｍを含むＫＮＮ系の圧電磁器組成物
を作製した。得られた圧電磁器組成物について、実施例
１と同一の手順に従い、焼結体密度、圧電特性及び誘電
特性を測定した。結果を表３示す。なお、表３において
は、比較のため、比較例１（実験Ｎｏ．１）の結果も併
せて示した。

【００５０】

【表３】

【００５１】ＫＮＮに対してＳｉ、Ｇａ及びＳｂのいず
れか１種を外添加で１ｍｏｌ％添加した実験Ｎｏ．６〜
８（実施例３）の場合、焼結体の相対密度は、それぞ
れ、９７．８％、９５．９％、及び９６．２％となり、
Ｇａを添加した実験Ｎｏ．７を除いて、金属元素Ｍ無添
加の実験Ｎｏ．１（比較例１）より高くなった。

【００５２】また、実験Ｎｏ．６〜８で得られた組成物
の電気機械結合係数Ｋｐ、圧電ｄ_{３ １}定数、圧電ｇ_３１
定数及び機械的品質係数Ｑｍは、添加物の種類によら
ず、いずれも実験Ｎｏ．１の組成物より大きくなった。
表４に、圧電特性の向上率を示す。なお、「向上率」と
は、金属元素Ｍを添加しない圧電磁器組成物（実験Ｎ
ｏ．１）の圧電特性に対する金属元素Ｍを添加した圧電
磁器組成物の圧電特性の比をいう。

【００５３】

【表４】

【００５４】表４より、ＫＮＮに対してＳｉＯ_２、Ｇａ
Ｏ_３／２及びＳｂＯ_３／２を外添加で１ｍｏｌ％添加す
ると、電気機械結合係数Ｋｐは、それぞれ、１．２６
倍、１．１１倍及び１．２５倍に向上することがわか
る。また、圧電ｄ_３１定数は、それぞれ、１．２１倍、
１．１４倍及び１．２８倍に向上し、さらに、圧電ｇ
_３１定数は、それぞれ、１．２１倍、１．１２倍及び
１．２５倍に向上することがわかる。

【００５５】また、比誘電率ε_３３ｔ／ε_０は、表３に
示すように、実験Ｎｏ．１では４２９であるのに対し、
実験Ｎｏ．６〜８では、いずれも４３０以上に向上し
た。また、誘電損失ｔａｎδの初期値は、添加物の種類
によらず、実験Ｎｏ．１より小さくなり、低損失の材料
が得られた。誘電損失ｔａｎδの初期値は、ＳｉＯ_２添
加で１．１７％、ＧａＯ_３／２添加で１．８３％、Ｓｂ
Ｏ_３／２添加で１．９４％であり、いずれも２％以下で
あった。

【００５６】一方、径方向の周波数定数Ｎｐは、ＧａＯ
_３／２及びＳｂＯ_３／２を添加した実験Ｎｏ．７及び８
の組成物については、実験Ｎｏ．１の組成物と同等以下
であったが、ＳｉＯ_２を添加した実験Ｎｏ．６の組成物
については、Ｎｐ＝２６６７Ｈｚｍとなり、実験Ｎｏ．
１より大きな値となった。この結果は、ＳｉＯ_２を添加
した圧電磁器組成物を用いれば、同じ周波数の振動子を
作製する場合、より小さな素子を作製可能であることを
示している。

【００５７】図２に、誘電損失ｔａｎδの長期安定性を
示す。金属元素Ｍを添加しない組成物の場合、誘電損失
ｔａｎδは、時間の経過と共に増加し、１００日経過後
には２０％を超えた。これに対し、Ｓｉ、Ｇａ又はＳｂ
を添加した場合、誘電損失ｔａｎδの経時変化が無く、
１００日を経過した時点において２％以下の値が維持さ
れた。また、１００日経過以降も、誘電損失ｔａｎδが
２％を超えることはなく、長期間にわたって安定な値で
あった。この結果は、本実施例に係る圧電磁器組成物を
用いれば、長期安定性に優れた各種の圧電素子を作製可
能であることを示している。

【００５８】以上のように、本実施例によれば、鉛を含
まない圧電材料で、電気機械結合係数Ｋｐ、圧電ｄ定
数、圧電ｇ定数及び機械的品質係数Ｑｍが高く、誘電損
失ｔａｎδの低く、しかも誘電損失ｔａｎδの長期安定
性に優れた材料が得られることがわかった。この結果
は、本実施例に係る圧電磁器組成物を用いれば、高い圧
電検出感度を有し、低ノイズで、しかも高い長期安定性
を有する圧電センサ（圧電ジャイロセンサ、ノックセン
サなど）、圧電フィルタ、圧電振動子、圧電トランス、
圧電超音波モータ等の圧電素子を作製できることを示し
ている。

【００５９】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しないで種々の改変
が可能である。

【００６０】例えば、上記実施例においては、Ａｇ及び
金属元素Ｍの内、いずれか１種をＫＮＮに対して添加し
た例について説明したが、Ａｇ及び金属元素Ｍの内の２
種以上をＫＮＮに対して添加しても良い。また、上記実
施例においては、ｘ＝０．５であるＫＮＮに対してＡｇ
又は金属元素Ｍを添加した例について説明したが、他の
組成域のＫＮＮ（０≦ｘ＜１）に対してＡｇ及び／又は
金属元素Ｍを添加した場合であっても、上記実施例と同
様の効果を得ることができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明に係る圧電磁器組成物は、ＫＮＮ
に対して、Ａｇ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｓｂ
の内の少なくとも一種以上の金属元素が所定量添加され
ているので、機械的品質係数Ｑｍが高く、かつ、誘電損
失ｔａｎδの初期値が小さくなるという効果がある。ま
た、ＫＮＮに対して、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇａ、
Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素を所定量添加
した場合には、誘電損失ｔａｎδの長期安定性が向上す
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＫＮＮ系圧電磁器組成物の誘電損失の長期安
定性に及ぼす添加物（ＭｎＯ_２、ＭｇＯ、Ｉｎ
Ｏ_３／２）の影響を示す図である。

【図２】 ＫＮＮ系圧電磁器組成物の誘電損失の長期安
定性に及ぼす添加物（ＳｉＯ_２、ＧａＯ_３／２、ＳｂＯ
_３／２）の影響を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式 ｛（Ｋ_１−ｘＮａ_ｘ）_１−ｙＡｇ_ｙ｝ＮｂＯ_３−ｚ［Ｍ
   ^α＋］［Ｏ^２−］_α／２ （但し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０
   ５、ｙ＋ｚ＞０。Ｍは、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇ
   ａ、Ｓｂの内の少なくとも一種以上の金属元素。αは、
   金属元素Ｍの平均価数。）で表される圧電磁器組成物。