JP2003261379A - 多結晶圧電材料及びその製造方法 - Google Patents
多結晶圧電材料及びその製造方法Info
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- JP2003261379A JP2003261379A JP2002060972A JP2002060972A JP2003261379A JP 2003261379 A JP2003261379 A JP 2003261379A JP 2002060972 A JP2002060972 A JP 2002060972A JP 2002060972 A JP2002060972 A JP 2002060972A JP 2003261379 A JP2003261379 A JP 2003261379A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 有害な金属を含むことなく、良好な圧電特性
を有し、実用性に優れた複合金属酸化物の多結晶焼結体
からなる高性能な圧電材料を提供する。 【解決手段】 Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５
Ｏ１５で表される成分組成からなるタングステンブロン
ズ型複合金属酸化物であって、ｘは０．０５＜ｘ＜０．
３であり、かつｙは０＜ｙ＜０．７５の多結晶圧電材料
であって、アクチュエータの駆動用素材や圧力センサー
などに使用できる。
を有し、実用性に優れた複合金属酸化物の多結晶焼結体
からなる高性能な圧電材料を提供する。 【解決手段】 Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５
Ｏ１５で表される成分組成からなるタングステンブロン
ズ型複合金属酸化物であって、ｘは０．０５＜ｘ＜０．
３であり、かつｙは０＜ｙ＜０．７５の多結晶圧電材料
であって、アクチュエータの駆動用素材や圧力センサー
などに使用できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密機械における
位置決めアクチュエータや流体制御バルブなどの駆動源
のアクチュエータ及び圧力センサなどに使用される圧電
性を有するタングステンブロンズ型複合酸化物に関す
る。
位置決めアクチュエータや流体制御バルブなどの駆動源
のアクチュエータ及び圧力センサなどに使用される圧電
性を有するタングステンブロンズ型複合酸化物に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧電性を有するセラミックスとし
ては、主にチタン酸バリウム（ＢＴ）、チタン酸鉛（Ｐ
Ｔ）、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などが知られてお
り、なかでもＰＺＴは変位量が大きいことからアクチュ
エータや圧力センサに利用されている。１９４２年にＢ
Ｔが強誘電性を有することが発見されて以来、多結晶体
は磁器として有用であることが判明し、コンデンサーや
アクチュエータなどの分野への応用について数多くの研
究開発が行われてきた。ところが、１９５５年にＰＺＴ
磁器がＢＴの２倍以上の電気機械結合係数を有すること
が知られるようになり、ＰＺＴがアクチュエータやブザ
ー等に独占的に利用されるようになった。
ては、主にチタン酸バリウム（ＢＴ）、チタン酸鉛（Ｐ
Ｔ）、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などが知られてお
り、なかでもＰＺＴは変位量が大きいことからアクチュ
エータや圧力センサに利用されている。１９４２年にＢ
Ｔが強誘電性を有することが発見されて以来、多結晶体
は磁器として有用であることが判明し、コンデンサーや
アクチュエータなどの分野への応用について数多くの研
究開発が行われてきた。ところが、１９５５年にＰＺＴ
磁器がＢＴの２倍以上の電気機械結合係数を有すること
が知られるようになり、ＰＺＴがアクチュエータやブザ
ー等に独占的に利用されるようになった。
【０００３】近年、有害物質に対する環境問題が重視さ
れるようになって、鉛を含まない圧電材料に関する開発
ニーズが高まり、１９６１年に発見されたＢｉ０．５Ｎ
ａ０ ．５ＴｉＯ３（ＢＮＴ）系化合物（Smolensky et a
l.,Soviet Physics Solid State [2]2651-54(1961)）の
応用について研究開発が進められている。また、特開昭
６２−２０２５７６号には、ＢＮＴ−ＭＴｉＯ３（Ｍ；
Ｂａ、Ｋ０．５Ｂｉ０ ．５）化合物が提案されている
が、この化合物は、広がり方向の結合係数Ｋｐが厚さ方
向の結合係数Ｋｔよりも大きいため、超音波探傷器や厚
さ計に用いると、横方向の振動干渉が発生して広がり振
動が起こるなどの欠点があった。同じく竹中正らによる
論文（Ferroelectrics[106]375-380、(1990)）には、Ｂ
ＮＴ−ＭＴｉＯ３（Ｍ：Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ）に関する報
告があるものの、この化合物は、圧電定数ｄ３３は１２
０ｐＣ／Ｎであり、ＰＺＴの約１／４程度である。
れるようになって、鉛を含まない圧電材料に関する開発
ニーズが高まり、１９６１年に発見されたＢｉ０．５Ｎ
ａ０ ．５ＴｉＯ３（ＢＮＴ）系化合物（Smolensky et a
l.,Soviet Physics Solid State [2]2651-54(1961)）の
応用について研究開発が進められている。また、特開昭
６２−２０２５７６号には、ＢＮＴ−ＭＴｉＯ３（Ｍ；
Ｂａ、Ｋ０．５Ｂｉ０ ．５）化合物が提案されている
が、この化合物は、広がり方向の結合係数Ｋｐが厚さ方
向の結合係数Ｋｔよりも大きいため、超音波探傷器や厚
さ計に用いると、横方向の振動干渉が発生して広がり振
動が起こるなどの欠点があった。同じく竹中正らによる
論文（Ferroelectrics[106]375-380、(1990)）には、Ｂ
ＮＴ−ＭＴｉＯ３（Ｍ：Ｓｒ，Ｃａ，Ｐｂ）に関する報
告があるものの、この化合物は、圧電定数ｄ３３は１２
０ｐＣ／Ｎであり、ＰＺＴの約１／４程度である。
【０００４】また、Ｓｒ１−ｘＢａｘＮｂ２Ｏ６（ＳＢ
Ｎ）については、ｘ＝０．５〜０．７の範範囲のものは
単結晶とし、電気光学特性を有することが報告され（Ap
pl.Phys.Letters22、429(1973)）、それ以来、赤外線検
出器や表面弾性波のフィルターとして用いられている。
また、Ｓｒ２ーｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５についても単
結晶の圧電特性が報告されている（Ferroelectrics[16
0]265-276,(1994)）。さらに、特開平１１−２４０７５
９号には、Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけるＮｂをＶや
Ｔａで置換し、Ｓｒの一部をＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうち少
なくとも一種で置換した組成がアクチュエータ用磁器と
して提案されている。同様の用途でＳｒ２ＮａＮｂ５Ｏ
１５のＳｒを、（Ｂｉ・Ｌｉ）や（Ｂｉ・Ｎａ）及び
（Ｂｉ・Ｋ）の内一種とＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうちの一種
で置換した材料が提案されており（特開平１１−２７８
９３２号）、また、（Ｂａ１ーｘＳｒｘ）２ＮａＮｂ５
Ｏ １５がフィルター用材料として開発が行われている
（特開平１０−２９７９６９号）。
Ｎ）については、ｘ＝０．５〜０．７の範範囲のものは
単結晶とし、電気光学特性を有することが報告され（Ap
pl.Phys.Letters22、429(1973)）、それ以来、赤外線検
出器や表面弾性波のフィルターとして用いられている。
また、Ｓｒ２ーｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５についても単
結晶の圧電特性が報告されている（Ferroelectrics[16
0]265-276,(1994)）。さらに、特開平１１−２４０７５
９号には、Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけるＮｂをＶや
Ｔａで置換し、Ｓｒの一部をＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうち少
なくとも一種で置換した組成がアクチュエータ用磁器と
して提案されている。同様の用途でＳｒ２ＮａＮｂ５Ｏ
１５のＳｒを、（Ｂｉ・Ｌｉ）や（Ｂｉ・Ｎａ）及び
（Ｂｉ・Ｋ）の内一種とＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうちの一種
で置換した材料が提案されており（特開平１１−２７８
９３２号）、また、（Ｂａ１ーｘＳｒｘ）２ＮａＮｂ５
Ｏ １５がフィルター用材料として開発が行われている
（特開平１０−２９７９６９号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来のＰＺＴ系圧電体
セラミックスは、その製造工程中で鉛化合物が排気や水
中に放出されるため、それを防止するための公害対策が
不可欠であり、その処理などで製品の高コスト化を招く
などの問題があった。また、近年の廃棄物規制の高まり
から、最終製品のシュレッダーダスト中に含まれる鉛が
環境を汚染することが懸念されている。さらに性能面で
もＰＺＴは誘電率が高いため回路への組み込みが困難で
あり、また利用中の発熱が大きく連続的に利用されるア
クチュエータへの使用は制限される。
セラミックスは、その製造工程中で鉛化合物が排気や水
中に放出されるため、それを防止するための公害対策が
不可欠であり、その処理などで製品の高コスト化を招く
などの問題があった。また、近年の廃棄物規制の高まり
から、最終製品のシュレッダーダスト中に含まれる鉛が
環境を汚染することが懸念されている。さらに性能面で
もＰＺＴは誘電率が高いため回路への組み込みが困難で
あり、また利用中の発熱が大きく連続的に利用されるア
クチュエータへの使用は制限される。
【０００６】また、ＳＢＮは、単結晶として広範に利用
されているが、圧電定数ｄ３３は６００ｐＣ／Ｎであ
り、ＰＺＴと同等の特性値を有しているものの、圧電特
性を示すキューリー温度（Ｔｃ）が７５〜６０℃程度と
低いことから、振動による発熱を考慮すると室温におけ
る利用に限られており、機械部品に利用することは困難
である。また、ＳＢＮ化合物は、全域が固溶体であるた
め組成変動が生じ易く加工時や使用時の組成変動に伴う
特性を改善するために、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２やＬａ２Ｏ
３をドープした単結晶を作製した例が報告されている。
されているが、圧電定数ｄ３３は６００ｐＣ／Ｎであ
り、ＰＺＴと同等の特性値を有しているものの、圧電特
性を示すキューリー温度（Ｔｃ）が７５〜６０℃程度と
低いことから、振動による発熱を考慮すると室温におけ
る利用に限られており、機械部品に利用することは困難
である。また、ＳＢＮ化合物は、全域が固溶体であるた
め組成変動が生じ易く加工時や使用時の組成変動に伴う
特性を改善するために、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２やＬａ２Ｏ
３をドープした単結晶を作製した例が報告されている。
【０００７】さらに、ＳＢＮは、圧電定数ｄ３３が５３
ｐＣ／Ｎであると報告されており、その他の単結晶と比
較すると特性値としては不十分である。また、前記のＳ
ｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけるＮｂをＶやＴａで置換
し、Ｓｒの一部をＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうち少なくとも一
種で置換した組成物及びＳｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけ
るＳｒを、（Ｂｉ・Ｌｉ）や（Ｂｉ・Ｎａ）及び（Ｂｉ
・Ｋ）の内一種とＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうちの一種で置換
した材料は、いずれも圧電定数ｄ３３が８０〜１１０ｐ
Ｃ／Ｎという低いものである。
ｐＣ／Ｎであると報告されており、その他の単結晶と比
較すると特性値としては不十分である。また、前記のＳ
ｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけるＮｂをＶやＴａで置換
し、Ｓｒの一部をＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうち少なくとも一
種で置換した組成物及びＳｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５におけ
るＳｒを、（Ｂｉ・Ｌｉ）や（Ｂｉ・Ｎａ）及び（Ｂｉ
・Ｋ）の内一種とＭｇ，Ｂａ，Ｃａのうちの一種で置換
した材料は、いずれも圧電定数ｄ３３が８０〜１１０ｐ
Ｃ／Ｎという低いものである。
【０００８】本発明は、従来の技術における上記した実
状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目
的は、鉛やビスマスのような有害な金属を含むことな
く、良好な圧電特性を有し、低誘電率であるため回路設
計が容易であり、かつ安価で実用性に優れた複合金属酸
化物の多結晶焼結体からなる高性能な圧電材料を提供す
ることにある。
状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目
的は、鉛やビスマスのような有害な金属を含むことな
く、良好な圧電特性を有し、低誘電率であるため回路設
計が容易であり、かつ安価で実用性に優れた複合金属酸
化物の多結晶焼結体からなる高性能な圧電材料を提供す
ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の多結晶圧電材料
は、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表
される成分組成からなるタングステンブロンズ型複合金
属酸化物であって、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、
かつｙは０＜ｙ＜０．７５であることを特徴とするもの
である。この圧電材料は、焼結後の結晶粒子の平均粒子
径が、焼結体の微細構造のＳＥＭ写真より、平行な直線
１０本が横切る粒子長の平均を画像装置を用いて求め
て、３〜２０μｍの範囲のものが好ましい。
は、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表
される成分組成からなるタングステンブロンズ型複合金
属酸化物であって、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、
かつｙは０＜ｙ＜０．７５であることを特徴とするもの
である。この圧電材料は、焼結後の結晶粒子の平均粒子
径が、焼結体の微細構造のＳＥＭ写真より、平行な直線
１０本が横切る粒子長の平均を画像装置を用いて求め
て、３〜２０μｍの範囲のものが好ましい。
【００１０】また、本発明の上記多結晶圧電材料の製造
方法は、原料の混合工程、合成工程、粉砕工程、成形工
程及び焼結工程を有する製造方法であって、その焼結工
程が１１８０〜１２５０℃で４〜８時間の焼成を行った
後、さらに連続して１２７０〜１３５０℃で１０〜５０
時間の焼成を行なうものであることを特徴としている。
また、その合成工程としては、１０８０〜１１７０℃で
４〜１２時間に亘って焼成処理することが好ましい。さ
らに、 本発明のアクチュエータの駆動部素材は、上記
の多結晶圧電材料を用いたことを特徴とするものであ
る。
方法は、原料の混合工程、合成工程、粉砕工程、成形工
程及び焼結工程を有する製造方法であって、その焼結工
程が１１８０〜１２５０℃で４〜８時間の焼成を行った
後、さらに連続して１２７０〜１３５０℃で１０〜５０
時間の焼成を行なうものであることを特徴としている。
また、その合成工程としては、１０８０〜１１７０℃で
４〜１２時間に亘って焼成処理することが好ましい。さ
らに、 本発明のアクチュエータの駆動部素材は、上記
の多結晶圧電材料を用いたことを特徴とするものであ
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の多結晶圧電材料は、Ｓｒ
２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表される成
分組成において、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、か
つｙは０＜ｙ＜０．７５であるタングステンブロンズ型
複合金属酸化物からなるものであって、 セラミックス
の製造過程においてＰｂやＢｉなどの有害な金属の排出
がなく、製品に利用された後に廃棄された場合にも、シ
ュレッダーダスト中に有害な金属を含まないものであ
り、また、良好な圧電特性を有すると共に、複合金属酸
化物の多結晶体であるため、単結晶体のように煩雑な分
極作業を要しないことなどから低コストで簡易に得るこ
とができる。
２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表される成
分組成において、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、か
つｙは０＜ｙ＜０．７５であるタングステンブロンズ型
複合金属酸化物からなるものであって、 セラミックス
の製造過程においてＰｂやＢｉなどの有害な金属の排出
がなく、製品に利用された後に廃棄された場合にも、シ
ュレッダーダスト中に有害な金属を含まないものであ
り、また、良好な圧電特性を有すると共に、複合金属酸
化物の多結晶体であるため、単結晶体のように煩雑な分
極作業を要しないことなどから低コストで簡易に得るこ
とができる。
【００１２】また、本発明の多結晶圧電材料は、Ｓｒ
２−ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５ で表される多結晶圧電
化合物において、Ｎａの少なくとも一部をＫで置換させ
た複合金属酸化物であって、このＮａをＫで置換させて
結晶格子に歪みを生じさせ、この歪みを活用してドメイ
ン制御を行い、必要な特性値を発現させたものである。
すなわち、Ｋを添加することで、結晶格子に歪が生じて
分極度が大きくなり、圧電定数を向上させることができ
る。さらに、副次的効果として、高誘電率のＰＺＴなど
に比べて低誘電率であるから回路設計が簡易になり利用
性が向上するという利点がある。
２−ｘＣａｘＮａＮｂ５Ｏ１５ で表される多結晶圧電
化合物において、Ｎａの少なくとも一部をＫで置換させ
た複合金属酸化物であって、このＮａをＫで置換させて
結晶格子に歪みを生じさせ、この歪みを活用してドメイ
ン制御を行い、必要な特性値を発現させたものである。
すなわち、Ｋを添加することで、結晶格子に歪が生じて
分極度が大きくなり、圧電定数を向上させることができ
る。さらに、副次的効果として、高誘電率のＰＺＴなど
に比べて低誘電率であるから回路設計が簡易になり利用
性が向上するという利点がある。
【００１３】本発明の多結晶圧電材料は、従来のセラミ
ックス製造工程がそのまま利用できて、原料の混合工
程、合成工程、粉砕工程、成形工程及び焼結工程を経て
製造することができる。圧電材料の原料としては、所望
の金属元素を含む金属酸化物であれば使用可能であっ
て、例えば、ＳｒＣＯ３ 、ＣａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ３
、Ｋ２ＣＯ３及びＮｂ２Ｏ５ などの金属酸化物粉末が
用いられる。
ックス製造工程がそのまま利用できて、原料の混合工
程、合成工程、粉砕工程、成形工程及び焼結工程を経て
製造することができる。圧電材料の原料としては、所望
の金属元素を含む金属酸化物であれば使用可能であっ
て、例えば、ＳｒＣＯ３ 、ＣａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ３
、Ｋ２ＣＯ３及びＮｂ２Ｏ５ などの金属酸化物粉末が
用いられる。
【００１４】本発明におけるベース組成は、Ｓｒ２−ｘ
ＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表される成分組成
において、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、かつｙは
０＜ｙ＜０．７５の範囲である。ベース組成を上記の範
囲に設定するのは、少なすぎると耐熱温度が低くなり自
己発熱温度で劣化するし、他方、多すぎると圧電定数が
不足するためである。また、このベース組成には、必要
に応じて、希土類金属化合物、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２など
の４価の金属酸化物、ＢａＯ、ＭｇＯなどの２価の金属
酸化物などの特性改善化合物の適量を適宜添加すること
ができる。
ＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ１５で表される成分組成
において、ｘは０．０５＜ｘ＜０．３であり、かつｙは
０＜ｙ＜０．７５の範囲である。ベース組成を上記の範
囲に設定するのは、少なすぎると耐熱温度が低くなり自
己発熱温度で劣化するし、他方、多すぎると圧電定数が
不足するためである。また、このベース組成には、必要
に応じて、希土類金属化合物、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２など
の４価の金属酸化物、ＢａＯ、ＭｇＯなどの２価の金属
酸化物などの特性改善化合物の適量を適宜添加すること
ができる。
【００１５】次に、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮ
ｂ５Ｏ１５で表される複合金属酸化物を合成するには、
ベース組成の混合粉末を高温下で一定時間反応させる。
この反応条件としては、１０８０〜１１７０℃の温度に
おいて、４〜８時間反応させることが好ましい。その
後、得られた固体生成物を粉砕するが、好ましくは粒子
径０．５〜０．８μｍの範囲の粉砕物を得ることが好ま
しい。次に、その粉砕物を焼結工程で焼結させる。この
焼結には、第１焼成として１１８０〜１２５０℃の温度
で４〜８時間の処理を行った後、さらに連続して第２焼
成として１２７０〜１３５０℃の温度で１０〜５０時間
の処理を行う。これらの処理は大気中で行うことができ
る。この焼結処理することによって目的とする高性能な
圧電材料を得ることができる。
ｂ５Ｏ１５で表される複合金属酸化物を合成するには、
ベース組成の混合粉末を高温下で一定時間反応させる。
この反応条件としては、１０８０〜１１７０℃の温度に
おいて、４〜８時間反応させることが好ましい。その
後、得られた固体生成物を粉砕するが、好ましくは粒子
径０．５〜０．８μｍの範囲の粉砕物を得ることが好ま
しい。次に、その粉砕物を焼結工程で焼結させる。この
焼結には、第１焼成として１１８０〜１２５０℃の温度
で４〜８時間の処理を行った後、さらに連続して第２焼
成として１２７０〜１３５０℃の温度で１０〜５０時間
の処理を行う。これらの処理は大気中で行うことができ
る。この焼結処理することによって目的とする高性能な
圧電材料を得ることができる。
【００１６】上記の多結晶圧電材料の製造方法につい
て、さらに詳しく説明する。磁器材料として市販のＳｒ
ＣＯ３ 、ＣａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ３ 、Ｋ２ＣＯ ３
及びＮｂ２Ｏ５ の所定量をそれぞれ秤量し、混合して
前記ベース組成の混合粉末を調製する。その混合粉末を
アルコールなどの溶剤中で例えばボールミルを用いて２
４時間かけて粉砕させる。得られた粉砕物を、ロータリ
ーエバポレータを用いて乾燥させた後、大気中で１０８
０〜１１７０℃で４〜１２時間仮焼成し元素を反応させ
る。この仮焼は、１０８０℃未満の温度ではＮａ２ＣＯ
３やＳｒＣＯ３が十分反応しないため、焼結時に炭酸塩
の形で残留したり組成のばらつきを生じて特性が向上し
ない。他方、１１７０℃を超える温度では部分的に焼結
を起こすため、粉砕が困難になるとともに焼結時の組成
にばらつきが生じる。また、４時間未満では反応が十分
起こらず、逆に８時間以上では粉体同士の反応のほか
に、「さや」との反応も起きるため好ましくない。
て、さらに詳しく説明する。磁器材料として市販のＳｒ
ＣＯ３ 、ＣａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ３ 、Ｋ２ＣＯ ３
及びＮｂ２Ｏ５ の所定量をそれぞれ秤量し、混合して
前記ベース組成の混合粉末を調製する。その混合粉末を
アルコールなどの溶剤中で例えばボールミルを用いて２
４時間かけて粉砕させる。得られた粉砕物を、ロータリ
ーエバポレータを用いて乾燥させた後、大気中で１０８
０〜１１７０℃で４〜１２時間仮焼成し元素を反応させ
る。この仮焼は、１０８０℃未満の温度ではＮａ２ＣＯ
３やＳｒＣＯ３が十分反応しないため、焼結時に炭酸塩
の形で残留したり組成のばらつきを生じて特性が向上し
ない。他方、１１７０℃を超える温度では部分的に焼結
を起こすため、粉砕が困難になるとともに焼結時の組成
にばらつきが生じる。また、４時間未満では反応が十分
起こらず、逆に８時間以上では粉体同士の反応のほか
に、「さや」との反応も起きるため好ましくない。
【００１７】次に、再度アルコールなどの溶剤中で例え
ばボールミルを用いて２４時間かけて粉砕し、ロータリ
ーエバポレータを用いて乾燥させる。その後、大気中に
て１１８０〜１２５０℃で４〜８時間焼結させた後、１
２７０〜１３５０℃の温度範囲で１０〜５０間焼結す
る。また、仮焼粉末の粉砕は、粉末粒径が０．５μｍ以
上で０．８μｍ以下となるように行なう。０．５μｍ以
下では成形工程のハンドリングが困難であり、また０．
８μｍ以上では焼結が困難になる。１段階の焼結では成
形体の拡散焼結をゆっくりと行わせる機能があり、当該
温度域において４時間未満では焼結ネックができず、そ
の後の温度上昇で気孔の多い製品となる。一方、８時間
以上ではネックの形成が進み過ぎて粒子直径の大きい製
品となり、気孔が増加し、圧電定数の低下を起こす。２
次焼結の温度が１２５０℃未満でかつ焼成温度１０時間
未満では予備焼結が不十分であり、また１３５０℃超で
かつ５０時間超の焼結では粒子が融解したり、粗大にな
り圧電特性が発現しない。このように、焼結条件は、良
好な圧電特性を有する焼結体を得るには極めて重要であ
る。
ばボールミルを用いて２４時間かけて粉砕し、ロータリ
ーエバポレータを用いて乾燥させる。その後、大気中に
て１１８０〜１２５０℃で４〜８時間焼結させた後、１
２７０〜１３５０℃の温度範囲で１０〜５０間焼結す
る。また、仮焼粉末の粉砕は、粉末粒径が０．５μｍ以
上で０．８μｍ以下となるように行なう。０．５μｍ以
下では成形工程のハンドリングが困難であり、また０．
８μｍ以上では焼結が困難になる。１段階の焼結では成
形体の拡散焼結をゆっくりと行わせる機能があり、当該
温度域において４時間未満では焼結ネックができず、そ
の後の温度上昇で気孔の多い製品となる。一方、８時間
以上ではネックの形成が進み過ぎて粒子直径の大きい製
品となり、気孔が増加し、圧電定数の低下を起こす。２
次焼結の温度が１２５０℃未満でかつ焼成温度１０時間
未満では予備焼結が不十分であり、また１３５０℃超で
かつ５０時間超の焼結では粒子が融解したり、粗大にな
り圧電特性が発現しない。このように、焼結条件は、良
好な圧電特性を有する焼結体を得るには極めて重要であ
る。
【００１８】焼結後の焼成体は、所望により、適宜の形
状に成形される。ここでは、直径６ｍｍ、高さ８ｍｍの
円筒に加工したものを作製し、密度測定及びＸ線回折に
よる成分確認を行った。その後、両端に金を蒸着し ８
Ｖ／ｍｍ、１８０℃の条件で分極した後、圧電定数ｄ
３３、Ｋ３３、キューリー温度及び比誘電率を測定し
た。圧電常数が１１５ｐＣ／Ｎを越える圧電化合物は、
その変位量がアクチュエータとして機械部品を駆動する
ことが可能となる。本発明においては、焼結体の微細構
造は、ＳＥＭ写真について、平行な直線１０本が横切る
粒子長の平均を画像装置を用いて求めた結果を粒子径と
した。
状に成形される。ここでは、直径６ｍｍ、高さ８ｍｍの
円筒に加工したものを作製し、密度測定及びＸ線回折に
よる成分確認を行った。その後、両端に金を蒸着し ８
Ｖ／ｍｍ、１８０℃の条件で分極した後、圧電定数ｄ
３３、Ｋ３３、キューリー温度及び比誘電率を測定し
た。圧電常数が１１５ｐＣ／Ｎを越える圧電化合物は、
その変位量がアクチュエータとして機械部品を駆動する
ことが可能となる。本発明においては、焼結体の微細構
造は、ＳＥＭ写真について、平行な直線１０本が横切る
粒子長の平均を画像装置を用いて求めた結果を粒子径と
した。
【００１９】
【実施例】以下、実施例及び比較例を含む実験により本
発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実
施例によって何ら限定されるものではない。 実験１（実施例１−６、比較例１−２） 磁器原料には、市販の化学試薬であるＳｒＣＯ３ 、Ｃ
ａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ ３ 、Ｋ２ＣＯ３ 及びＮｂ２Ｏ
５を用い、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ
１５で示される成分組成において、表１に示すように、
ｘ＝０、０５〜０．３の範囲で、かつｙ＝０〜０．８の
範囲の組合せになるように、それぞれを秤量しアルコー
ル溶液中に入れた。その後、アルコール中でボールミル
を用いて２４時間の粉砕混合を行なった。得られた混合
粉末を、それぞれロータリーエバポレータで乾燥させた
後、大気中で１１５０℃において６時間の仮焼成による
合成を行った。元素を反応させる仮焼成物を再度アルコ
ール中でボールミルを用いて２４時間の粉砕を行なった
後、ロータリーエバポレータを用いて乾燥した。その
後、ハンドプレスにて成形した後、靜水圧プレスで２ｔ
ｏｎ／ｃｍ２の圧力を加えて成形した。次に、得られた
全ての成形体を、大気中にて１２４０℃で６時間焼結
し、その後直ちに温度を１３４０℃まで上昇させてさら
に２４時間焼結した。焼結後の焼成体を円筒状（直径６
ｍｍ×高さ６ｍｍ）に加工し、その密度を測定した後、
Ｘ線回折にて成分を確認した。また、焼結体の粒子径を
求めた。得られた結果を、表１に示す。
発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実
施例によって何ら限定されるものではない。 実験１（実施例１−６、比較例１−２） 磁器原料には、市販の化学試薬であるＳｒＣＯ３ 、Ｃ
ａＣＯ３ 、Ｎａ２ＣＯ ３ 、Ｋ２ＣＯ３ 及びＮｂ２Ｏ
５を用い、Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５Ｏ
１５で示される成分組成において、表１に示すように、
ｘ＝０、０５〜０．３の範囲で、かつｙ＝０〜０．８の
範囲の組合せになるように、それぞれを秤量しアルコー
ル溶液中に入れた。その後、アルコール中でボールミル
を用いて２４時間の粉砕混合を行なった。得られた混合
粉末を、それぞれロータリーエバポレータで乾燥させた
後、大気中で１１５０℃において６時間の仮焼成による
合成を行った。元素を反応させる仮焼成物を再度アルコ
ール中でボールミルを用いて２４時間の粉砕を行なった
後、ロータリーエバポレータを用いて乾燥した。その
後、ハンドプレスにて成形した後、靜水圧プレスで２ｔ
ｏｎ／ｃｍ２の圧力を加えて成形した。次に、得られた
全ての成形体を、大気中にて１２４０℃で６時間焼結
し、その後直ちに温度を１３４０℃まで上昇させてさら
に２４時間焼結した。焼結後の焼成体を円筒状（直径６
ｍｍ×高さ６ｍｍ）に加工し、その密度を測定した後、
Ｘ線回折にて成分を確認した。また、焼結体の粒子径を
求めた。得られた結果を、表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１〜３中の総合評価は、焼結体の密度及
び粒子径による終結後の強度や部品形態、圧電定数等を
勘案し総合的に判定した結果（〇：良好なもの、△：普
通のもの）である。一般に、見かけ密度は真密度の９５
％以上が必要であり、粒子径は３〜２０μｍが好まし
く、また、強度はホールペッチの法則（１／粒子径）に
基づいて判定した。さらに、圧電定数はアクチュエータ
として機械部品を駆動することが可能な変位量である１
１５ｐＣ／Ｎ以上が望ましい。表１の結果によると、実
施例１〜６で得られた焼結体は、いずれも総合評価が良
好であり、また、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であっ
て、アクチュエータ用材料として有用であることを確認
した。
び粒子径による終結後の強度や部品形態、圧電定数等を
勘案し総合的に判定した結果（〇：良好なもの、△：普
通のもの）である。一般に、見かけ密度は真密度の９５
％以上が必要であり、粒子径は３〜２０μｍが好まし
く、また、強度はホールペッチの法則（１／粒子径）に
基づいて判定した。さらに、圧電定数はアクチュエータ
として機械部品を駆動することが可能な変位量である１
１５ｐＣ／Ｎ以上が望ましい。表１の結果によると、実
施例１〜６で得られた焼結体は、いずれも総合評価が良
好であり、また、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であっ
て、アクチュエータ用材料として有用であることを確認
した。
【００２２】実験２（実施例７−１３）
実験１において、表２に示すように、ｘ＝０．１または
０．２とし、ｙ＝０．３となる混合粉末を用いて、それ
ぞれ表２に示す合成条件及び焼結条件により製造したこ
と以外は、実験１と全く同様にして、それぞれの焼結体
を得るとともに、同様の測定を行った。得られた結果を
表２に示す。
０．２とし、ｙ＝０．３となる混合粉末を用いて、それ
ぞれ表２に示す合成条件及び焼結条件により製造したこ
と以外は、実験１と全く同様にして、それぞれの焼結体
を得るとともに、同様の測定を行った。得られた結果を
表２に示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】表２の結果によると、実施例７〜１３で得
られた焼結体は、いずれも総合評価が良好であり、ま
た、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であって、アクチュ
エータ用材料として有用であることを確認した。
られた焼結体は、いずれも総合評価が良好であり、ま
た、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であって、アクチュ
エータ用材料として有用であることを確認した。
【００２５】実験３（実施例１４−１９）
実験１において、表３に示すように、ｘ＝０．１または
０．２とし、ｙ＝０．３となる組成の混合粉末を用い
て、それぞれ表３に示す合成条件及び焼結条件により製
造したこと以外は、実験１と全く同様にして、それぞれ
の焼結体を得るとともに、同様の測定を行った。得られ
た結果を表３に示す。
０．２とし、ｙ＝０．３となる組成の混合粉末を用い
て、それぞれ表３に示す合成条件及び焼結条件により製
造したこと以外は、実験１と全く同様にして、それぞれ
の焼結体を得るとともに、同様の測定を行った。得られ
た結果を表３に示す。
【００２６】
【表３】
【００２７】表３の結果によると、実施例１４〜１９で
得られた焼結体は、いずれも総合評価が良好であり、ま
た、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であって、アクチュ
エータ用材料として有用であることを確認した。なお、
これらと同じ組成の混合粉末を仮焼する際、仮焼を実施
例の場合とかけ離れた温度で行うと、圧電定数が小さく
なってアクチュエータ用に不適なものになる場合があっ
た。
得られた焼結体は、いずれも総合評価が良好であり、ま
た、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上であって、アクチュ
エータ用材料として有用であることを確認した。なお、
これらと同じ組成の混合粉末を仮焼する際、仮焼を実施
例の場合とかけ離れた温度で行うと、圧電定数が小さく
なってアクチュエータ用に不適なものになる場合があっ
た。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、環境を汚染することの
ない金属元素を用いて、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上
を有する高性能な多結晶圧電材料が提供される。この焼
結体は、生産性に優れており、また低誘電率であるため
回路設計が容易であるから実用性に富むものであって、
アクチュエータの駆動部素材や圧力センサーなどとして
有用である。
ない金属元素を用いて、圧電定数が１１５ｐＣ／Ｎ以上
を有する高性能な多結晶圧電材料が提供される。この焼
結体は、生産性に優れており、また低誘電率であるため
回路設計が容易であるから実用性に富むものであって、
アクチュエータの駆動部素材や圧力センサーなどとして
有用である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 松尾 一雄
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人 産業技術総合研究所 つくばセンター
内
Ｆターム(参考） 4G030 AA03 AA04 AA08 AA09 AA20
BA10 CA01 CA04 GA25 GA27
GA28
Claims (6)
- 【請求項１】 Ｓｒ２−ｘＣａｘＮａ１−ｙＫｙＮｂ５
Ｏ１５で表される成分組成からなるタングステンブロン
ズ型複合金属酸化物であって、ｘは０．０５＜ｘ＜０．
３であり、かつｙは０＜ｙ＜０．７５であることを特徴
とする多結晶圧電材料。 - 【請求項２】 焼結後の結晶粒子の平均粒子径が、３〜
２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の多結
晶圧電材料。 - 【請求項３】 原料の混合工程、合成工程、粉砕工程、
成形工程及び焼結工程を有する請求項１または２に記載
の多結晶圧電材料の製造方法において、該焼結工程が１
１８０〜１２５０℃で４〜８時間の焼成を行った後、さ
らに連続して１２７０〜１３５０℃で１０〜５０時間の
焼成を行なうものであることを特徴とする多結晶圧電材
料の製造方法。 - 【請求項４】 前記合成工程が、１０８０〜１１７０℃
で４〜１２時間の焼成を行うものであることを特徴とす
る請求項３に記載の多結晶圧電材料の製造方法。 - 【請求項５】 前記合成工程及び焼成工程が、ともに大
気中で行われることを特徴とする請求項３または４に記
載の多結晶圧電材料の製造方法。 - 【請求項６】 請求項１または２に記載の多結晶圧電材
料を用いたことを特徴とするアクチュエータの駆動部素
材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002060972A JP2003261379A (ja) | 2002-03-06 | 2002-03-06 | 多結晶圧電材料及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002060972A JP2003261379A (ja) | 2002-03-06 | 2002-03-06 | 多結晶圧電材料及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003261379A true JP2003261379A (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=28670124
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002060972A Pending JP2003261379A (ja) | 2002-03-06 | 2002-03-06 | 多結晶圧電材料及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003261379A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005075378A1 (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Murata Manufacturing Co.,Ltd. | 強誘電体磁器組成物およびそれを用いた強誘電体応用素子 |
| WO2006114914A1 (ja) * | 2005-04-18 | 2006-11-02 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 誘電体セラミック組成物及び積層セラミックコンデンサ |
| WO2011155633A1 (en) | 2010-06-10 | 2011-12-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| WO2012017855A1 (ja) * | 2010-08-06 | 2012-02-09 | 太陽誘電株式会社 | 圧電磁器組成物 |
| US8884498B2 (en) | 2010-06-10 | 2014-11-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| US9076969B2 (en) | 2010-06-10 | 2015-07-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| CN105636275A (zh) * | 2016-02-12 | 2016-06-01 | 慈溪锐恩电子科技有限公司 | 一种压电感应遥控led灯的方法以及压电感应遥控led灯和开关 |
| CN107892572A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-04-10 | 中国电子科技集团公司第四十七研究所 | 一种制备钨青铜结构scnn无铅压电陶瓷的方法 |
| WO2021084252A1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | University Of Leeds | Ceramic |
-
2002
- 2002-03-06 JP JP2002060972A patent/JP2003261379A/ja active Pending
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7381671B2 (en) | 2004-02-06 | 2008-06-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Ferroelectric ceramic composition and applied ferroelectric element including same |
| WO2005075378A1 (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Murata Manufacturing Co.,Ltd. | 強誘電体磁器組成物およびそれを用いた強誘電体応用素子 |
| WO2006114914A1 (ja) * | 2005-04-18 | 2006-11-02 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 誘電体セラミック組成物及び積層セラミックコンデンサ |
| US8884498B2 (en) | 2010-06-10 | 2014-11-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| WO2011155633A1 (en) | 2010-06-10 | 2011-12-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| US9076969B2 (en) | 2010-06-10 | 2015-07-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| US9054309B2 (en) | 2010-06-10 | 2015-06-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust cleaning device |
| WO2012017855A1 (ja) * | 2010-08-06 | 2012-02-09 | 太陽誘電株式会社 | 圧電磁器組成物 |
| US20130313467A1 (en) * | 2010-08-06 | 2013-11-28 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Piezoelectric porcelain composition |
| EP2602235A4 (en) * | 2010-08-06 | 2014-01-22 | Taiyo Yuden Kk | PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION |
| EP2602235A1 (en) * | 2010-08-06 | 2013-06-12 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Piezoelectric ceramic composition |
| US8894873B2 (en) | 2010-08-06 | 2014-11-25 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Piezoelectric porcelain composition |
| CN103038191A (zh) * | 2010-08-06 | 2013-04-10 | 太阳诱电株式会社 | 压电陶瓷组合物 |
| JP2012036036A (ja) * | 2010-08-06 | 2012-02-23 | Taiyo Yuden Co Ltd | 圧電磁器組成物 |
| CN105636275A (zh) * | 2016-02-12 | 2016-06-01 | 慈溪锐恩电子科技有限公司 | 一种压电感应遥控led灯的方法以及压电感应遥控led灯和开关 |
| CN107892572A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-04-10 | 中国电子科技集团公司第四十七研究所 | 一种制备钨青铜结构scnn无铅压电陶瓷的方法 |
| CN107892572B (zh) * | 2017-12-22 | 2020-12-22 | 中国电子科技集团公司第四十七研究所 | 一种制备钨青铜结构scnn无铅压电陶瓷的方法 |
| WO2021084252A1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | University Of Leeds | Ceramic |
| CN114650975A (zh) * | 2019-10-31 | 2022-06-21 | 利兹大学 | 陶瓷 |
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