JP2003292374A - 圧電セラミック材料 - Google Patents
圧電セラミック材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 比誘電率と電気機械結合係数が大きく、相転
移温度が高く、比誘電率の温度特性に優れていて、高温
まで安定した圧電特性を示す、Pb含有量の少ない圧電セ
ラミック材料を提供する。 【解決手段】 次式で表される主成分と、この主成分
に対し合計0.05〜0.5質量％の量の、La2O3, Nd2O3, Y2O
3, Sm2O3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれた少なくとも
１種の添加成分とからなる圧電セラミック材料。 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3‥‥ [式中、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦
ｂ≦0.22、0.04＜（ｃ＋Ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦Ｄ
≦0.1]
移温度が高く、比誘電率の温度特性に優れていて、高温
まで安定した圧電特性を示す、Pb含有量の少ない圧電セ
ラミック材料を提供する。 【解決手段】 次式で表される主成分と、この主成分
に対し合計0.05〜0.5質量％の量の、La2O3, Nd2O3, Y2O
3, Sm2O3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれた少なくとも
１種の添加成分とからなる圧電セラミック材料。 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3‥‥ [式中、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦
ｂ≦0.22、0.04＜（ｃ＋Ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦Ｄ
≦0.1]
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密位置決め装
置、インクジェットプリンターヘッド等に使用されるア
クチュエータに適用可能な、圧電セラミック材料に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】圧電アクチュエータの分野で従来から主
に使用されてきた圧電セラミック材料は、ＰＺＴと呼ば
れる、Pb(ZrTi)O3を主成分とするセラミックスである。
しかし、ＰＺＴは、酸化鉛として60質量％以上という多
量のPbを含有している。そのため、ＰＺＴを含む廃棄物
が酸性雨等にさらされると、Pbが溶出して環境に悪影響
を与えることから、Pbを含有しない、またはPb含有量が
非常に小さい、ＰＺＴに代替可能な圧電セラミック材料
が求められるようになってきた。 【０００３】圧電アクチュエータに使用される圧電セラ
ミック材料に一般に要求される特性としては、比誘電率
と電気機械結合係数が大きいこと、キュリー温度が高い
こと、および温度特性 (比誘電率の温度に対する安定
性) が優れていることが挙げられる。 【０００４】この場合のキュリー温度とは、強誘電性を
消失する温度を意味しており、ＰＺＴにおいてはキュリ
ー温度が圧電性を消失する温度となる。ただし、例え
ば、キュリー温度より低い温度で反強誘電体相へ転移す
る材料については、圧電性を消失する温度は、反強誘電
体相への転移温度 (この温度を以下では単に「相転移温
度」と称することがある) となる。これに該当する材料
としては、(Bi0.5Na0.5)BaTiO3、(Bi0.5Na0.5)(Bi0.5K
0.5)SrTiO3 等のBi系材料がある。このような材料で
は、圧電性を消失する温度は、キュリー温度より低いと
ころにある、反強誘電体相への転移温度 (即ち、相転移
温度) となる。 【０００５】Pbを含有しないか、またはPb含有量が小さ
い、圧電セラミック材料の有望なものとして、Bi系ペロ
ブスカイト構造の化合物がある。この種の化合物の例と
して、特開平11−171643号公報には [Bi0.5(Na1-XKX)]T
iO3 (0＜ｘ≦1.0)が、特開2000−272962号公報には [Bi
0.5(Na1-XKX)]TiO3 (0.20＜ｘ≦0.30）およびこれに各
種の酸化物を２質量％以下添加したものが提案されてい
る。この種のBi系材料には、上記のBi系材料と同様に、
キュリー温度より相転移温度が低いものがある。 【０００６】しかし、特開平11−171643号公報に記載の
材料では、相転移温度は高いが比誘電率や電気機械結合
係数などの圧電特性が十分ではない。また、特開2000−
272962号公報に記載の材料では、酸化物を添加したもの
の中に圧電特性の高い材料があるが、酸化物の添加によ
り相転移温度が低くなり、かつ比誘電率の温度特性が悪
化して温度に対して特性が大きく変化するため、使用し
にくいという問題があった。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】アクチュエータとして
用いる場合、その使用環境および素子の自己発熱の影響
によって、素子温度が70〜80℃以上となることがある。
相転移温度がキュリー温度より低い圧電素子の場合、安
定した圧電特性を確保するために、一般に相転移温度
(℃) の1/2 以下の温度で使用することが望ましい。こ
の点から、アクチュエータ用圧電材料としては、相転移
温度が200 ℃以上であることが望ましい。 【０００８】本発明は、比誘電率と電気機械結合係数が
大きく、相転移温度が高く（高温まで使用可能な）、か
つ比誘電率の温度特性に優れた、Pb含有量の少ない圧電
セラミック材料を提供することを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、少量のPb
とSrを含有させたBi系ペロブスカイト構造の化合物と特
定の添加成分により上記目的を達成することができるこ
とを究明した。 【００１０】ここに、本発明は、次式で表される主成
分と、 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3 ‥‥ [式中、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦
ｂ≦0.22、0.04＜（ｃ＋ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦ｄ
≦0.1] この主成分に対して合計0.05〜0.5 質量％の量の、La2O
3, Nd2O3, Y2O3, Sm2O 3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれ
た少なくとも１種の添加成分、とからなることを特徴と
する圧電セラミック材料である。 【００１１】 【発明の実施の形態】本発明に係る圧電セラミック材料
を構成する主成分は、次式で示される組成を有するペ
ロブスカイト構造の化合物である。 【００１２】 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3 ‥‥ ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦ｂ≦0.2
2、0.04＜（ｃ＋ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦ｄ≦0.1
。 【００１３】この化合物はやはりBi系化合物であり、反
強誘電体相への転移温度 (相転移温度) がキュリー温度
より低いので、相転移温度で圧電性が消失する。この化
合物だけでは圧電特性が不十分であるので、この化合物
を主成分とし、これに添加成分として、La2O3, Nd2O3,
Y2O3, Sm2O3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれた少なくと
も１種を、主成分に対して合計0.05〜0.5 質量％の量で
含有させる。 【００１４】主成分を構成する元素のうち、Pbは相転移
温度を上昇させる効果が大きい。一方、Srは圧電特性の
向上効果があるが、相転移温度を低下させる。上記添加
成分も圧電特性の向上に有効であるが、多量に添加しす
ぎると、相転移温度が低下する。本発明では、Srと一緒
に少量のPbを含有させ、かつ少量の添加成分を共存させ
ることにより、相転移温度が200 ℃以上と高く、かつ圧
電特性にも優れた (即ち、比誘電率と電気機械結合係数
が大きく、比誘電率の温度特性が良好) 圧電セラミック
材料を得た。 【００１５】主成分の組成に関して、ａが0.74未満では
電気機械結合係数が小さくなり、0.84を超えると比誘電
率と電気機械結合係数がともに小さくなる。 【００１６】ｂが0.02未満では比誘電率と電気機械結合
係数がともに小さくなり、0.22を超えると電気機械結合
係数が小さくなる。ｃ＋ｄが0.04以下では、相転移温度
が低くなり、比誘電率の温度特性が悪くなる。但し、ｃ
＝０である場合には、Sr添加による相転移温度の低下が
ないことから、ｃ＋ｄが0.04以下でも相転移温度は高く
なる。しかし、この場合には比誘電率と電気機械結合係
数が小さくなるので、ｃ≠０とする。ｃ＋ｄが0.22を超
えると電気機械結合係数が小さくなる。 【００１７】ｄが0.04未満では、相転移温度が低くな
り、比誘電率の温度特性が悪くなる。ｄが0.1 を超える
と、比誘電率と電気機械結合係数がともに小さくなる。
主成分の組成の好ましい範囲は、0.76≦ａ≦0.82、0.02
≦ｂ≦0.18、0.06≦ (ｃ＋ｄ) ≦0.22、0.05≦ｄ≦0.09
である。ｃの値は、好ましくは0.01〜0.15である。 【００１８】上記組成の主成分に対して、La2O3, Y2O3,
Nd2O3, Sm2O3, Nb2O5, Ta2O5 から選んだ１種または２
種以上を合計を0.05〜0.5 質量％の量で添加することに
より、相転移温度を低下させずに、比誘電率と電気機械
結合係数を増大させることができる。特に、La2O3, Y2O
3, Nd2O3, Sm2O3 は、高い電気機械結合係数を得るのに
効果的である。 【００１９】これら添加成分の合計量が0.05質量％未満
では、比誘電率と電気機械結合係数がともに小さくな
る。この量が0.5 質量％を超えると、電気機械結合係数
が小さくなる。また、1.0 質量％程度以上に多くなる
と、相転移温度の低下が大きくなる。添加成分の好まし
い添加量は0.05〜0.3 質量％である。 【００２０】本発明に係る圧電セラミック材料は、常法
に従って製造することができる。一般的な製造方法は以
下の通りである。まず、セラミック材料を構成する各金
属の酸化物、炭酸塩等の原料粉末を、所定の金属元素の
モル比で混合し、必要により粉砕して、原料粉末混合物
を得る。混合は、湿式ボールミル等を用いて充分に行う
ことが望ましい。次に原料粉末混合物を仮焼して反応さ
せる。この仮焼は、例えば、大気中 700〜900 ℃で１〜
10時間、好ましくは１〜２時間加熱することにより行う
ことができる。 【００２１】続いて、仮焼生成物を粉砕した後、成形
し、成形体を大気中で焼成して焼結させると、本発明の
圧電セラミック材料が得られる。仮焼と焼結の雰囲気は
大気で充分であるが、他の酸化性雰囲気でもよいのはも
ちろんである。粉砕は、通常は湿式ボールミルにより行
う。 【００２２】成形は、目的とする形態に応じて、適当な
方法を選択すればよく、必要に応じて結合剤を利用して
も良い。例えば、圧電セラミック材料が積層体である場
合には、結合剤を含有させたスラリーからシート成形を
行い、乾燥したグリーンシート成形体を重ねて圧着させ
ることにより積層して、グリーンシート積層体を形成す
ることができる。単独成形体の場合には、圧縮成形、静
水圧成形などの各種の成形法を利用することができる。
電極などの導電性材料と同時焼成する場合には、成形体
の表面に、例えば、適当な導体ペーストをスクリーン印
刷し、導体ペーストの層を形成することができる。 【００２３】成形体の焼成は、1100℃〜1200℃の温度で
行うことができる。焼結に必要な焼成時間は、通常は１
〜５時間程度である。同時焼成の場合には、圧電セラミ
ックスと電極等の導体が同時に焼結する。 【００２４】 【実施例】(圧電セラミック材料の作製)出発原料とし
て、Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, SrCO3, PbO, Nb2O5,
Ta2O5,La2O3, Y2O3, Nd2O3, Sm2O3 を使用し、これら
から選んだ原料粉末を所定の金属モル比となるよう秤量
した後、エタノール中でボールミルを用いて24時間混合
した。得られた原料粉末混合物のスラリーを乾燥した
後、大気中にて 700〜900 ℃で１〜２時間加熱して合成
反応（仮焼）を行った。仮焼生成物を再びエタノール中
で24時間のボールミル処理を行って、粉砕した。この湿
式粉砕で得たスラリーを乾燥し、バインダーとしてポリ
ビニルアルコールを用いて、プレス成形法により、直径
20 mm 、厚さ１mmの円板形に成形した。この成形体を、
大気中1150℃の温度で１〜２時間焼成して焼結させ、圧
電セラミック材料を得た。得られた焼結体の組成は表１
に示す通りである。 【００２５】(特性の測定)上で得た円板形の焼結体 (圧
電セラミック材料) の両面にAgペーストをスクリーン印
刷し、800 ℃で焼き付けて電極を形成した後、100 ℃の
シリコーンオイル中で４〜８kVの直流電圧を電極間に印
加して、焼結体の厚み方向に分極し、圧電素子を作製し
た。但し、SrとPbを両方とも含有しない、表１の試験N
o. 30, 31では、相転移温度が低いため、25℃で分極を
行った。得られた圧電素子を用いて、圧電特性、相転移
温度および比誘電率の温度特性を次のようにして測定し
た。 【００２６】圧電特性：圧電素子の圧電特性はインピー
ダンス・アナライザーを用いて測定した。測定したの
は、電気機械結合係数k31 、kpと比誘電率εT 33／ε
0(測定周波数1 kHz)である。 【００２７】相転移温度：圧電素子を恒温槽内に配置
し、室温から400 ℃まで槽内温度を変化させて素子温度
を変化させ、静電容量 (比誘電率) を測定することによ
り求めた。測定は、LCR メータを用い１kHz の周波数で
行った。相転移温度は、比誘電率が極大を示す、または
屈曲的変化を示す温度である。 【００２８】比誘電率の温度特性：上記の相転移温度を
測定するための素子温度を変化させた比誘電率の測定に
おいて、室温から100 ℃まで素子温度を変化させたとき
の静電容量の変化から下記の式に基づいて算出した。 【００２９】比誘電率の温度特性[ppm／℃]＝[(ε100−
ε25)×１×106]／[ε25×(100−25)] ε100 ：100 ℃での比誘電率、 ε25 ： 25 ℃での比誘電率。 【００３０】以上の測定結果を圧電セラミック材料の組
成 (主成分の組成式におけるａ〜ｄの値と添加成分の種
類および量) とともに、表１に示す。表１において、添
加成分の量 (％) は、主成分に対する質量％である。組
成中、＊印を付した量は本発明の範囲外の量である。
(ｃ＋ｄ) の量が本発明の範囲外である場合には、ｃと
ｄの両方に＊印を付した。 【００３１】 【表１】 【００３２】表１からわかる通り、本発明に係る圧電セ
ラミック材料は、比誘電率が 600以上と良好で、かつk
31 が0.2 以上、kpが0.34以上と電気機械結合係数も十
分な値を示す。さらに、相転移温度が200 ℃より高く、
かつ比誘電率の温度特性τc が5000 ppm／℃未満と小さ
いので、素子温度が高くなっても安定した圧電特性を確
保することができる。 【００３３】Pbを含有させないか、その原子比ｄが0.04
より小さい場合には、相転移温度が200 ℃より低く、か
つ比誘電率の温度特性も非常に悪化する。但し、試験N
o.1に示すように、ｃ＝０、即ち、相転移温度を低下さ
せるSrを含有しない場合には、ｄが0.04より小さくても
相転移温度は高く、比誘電率の温度特性も良好である。
しかし、ｃ＝０であると、圧電特性が不十分となる。ま
た、添加成分の添加量が1.0 質量％より多くなった場合
も、相転移温度が低く、比誘電率の温度特性が悪化す
る。その他の点で組成が本発明の範囲外になると、少な
くとも１つの圧電特性が不十分となる。 【００３４】 【発明の効果】本発明により、ＰＺＴの代替品となりう
る、Pbの含有量が少なく、実用的な圧電セラミック材料
が提供される。この圧電セラミック材料は、電気機械結
合係数と比誘電率が大きく、かつ相転移温度が高く、比
誘電率の温度特性が良好であるので、高温まで使用可能
な実用性を有し、かつPbによる環境汚染の懸念が抑えら
れた圧電アクチュエータの作製が可能となる。
置、インクジェットプリンターヘッド等に使用されるア
クチュエータに適用可能な、圧電セラミック材料に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】圧電アクチュエータの分野で従来から主
に使用されてきた圧電セラミック材料は、ＰＺＴと呼ば
れる、Pb(ZrTi)O3を主成分とするセラミックスである。
しかし、ＰＺＴは、酸化鉛として60質量％以上という多
量のPbを含有している。そのため、ＰＺＴを含む廃棄物
が酸性雨等にさらされると、Pbが溶出して環境に悪影響
を与えることから、Pbを含有しない、またはPb含有量が
非常に小さい、ＰＺＴに代替可能な圧電セラミック材料
が求められるようになってきた。 【０００３】圧電アクチュエータに使用される圧電セラ
ミック材料に一般に要求される特性としては、比誘電率
と電気機械結合係数が大きいこと、キュリー温度が高い
こと、および温度特性 (比誘電率の温度に対する安定
性) が優れていることが挙げられる。 【０００４】この場合のキュリー温度とは、強誘電性を
消失する温度を意味しており、ＰＺＴにおいてはキュリ
ー温度が圧電性を消失する温度となる。ただし、例え
ば、キュリー温度より低い温度で反強誘電体相へ転移す
る材料については、圧電性を消失する温度は、反強誘電
体相への転移温度 (この温度を以下では単に「相転移温
度」と称することがある) となる。これに該当する材料
としては、(Bi0.5Na0.5)BaTiO3、(Bi0.5Na0.5)(Bi0.5K
0.5)SrTiO3 等のBi系材料がある。このような材料で
は、圧電性を消失する温度は、キュリー温度より低いと
ころにある、反強誘電体相への転移温度 (即ち、相転移
温度) となる。 【０００５】Pbを含有しないか、またはPb含有量が小さ
い、圧電セラミック材料の有望なものとして、Bi系ペロ
ブスカイト構造の化合物がある。この種の化合物の例と
して、特開平11−171643号公報には [Bi0.5(Na1-XKX)]T
iO3 (0＜ｘ≦1.0)が、特開2000−272962号公報には [Bi
0.5(Na1-XKX)]TiO3 (0.20＜ｘ≦0.30）およびこれに各
種の酸化物を２質量％以下添加したものが提案されてい
る。この種のBi系材料には、上記のBi系材料と同様に、
キュリー温度より相転移温度が低いものがある。 【０００６】しかし、特開平11−171643号公報に記載の
材料では、相転移温度は高いが比誘電率や電気機械結合
係数などの圧電特性が十分ではない。また、特開2000−
272962号公報に記載の材料では、酸化物を添加したもの
の中に圧電特性の高い材料があるが、酸化物の添加によ
り相転移温度が低くなり、かつ比誘電率の温度特性が悪
化して温度に対して特性が大きく変化するため、使用し
にくいという問題があった。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】アクチュエータとして
用いる場合、その使用環境および素子の自己発熱の影響
によって、素子温度が70〜80℃以上となることがある。
相転移温度がキュリー温度より低い圧電素子の場合、安
定した圧電特性を確保するために、一般に相転移温度
(℃) の1/2 以下の温度で使用することが望ましい。こ
の点から、アクチュエータ用圧電材料としては、相転移
温度が200 ℃以上であることが望ましい。 【０００８】本発明は、比誘電率と電気機械結合係数が
大きく、相転移温度が高く（高温まで使用可能な）、か
つ比誘電率の温度特性に優れた、Pb含有量の少ない圧電
セラミック材料を提供することを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、少量のPb
とSrを含有させたBi系ペロブスカイト構造の化合物と特
定の添加成分により上記目的を達成することができるこ
とを究明した。 【００１０】ここに、本発明は、次式で表される主成
分と、 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3 ‥‥ [式中、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦
ｂ≦0.22、0.04＜（ｃ＋ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦ｄ
≦0.1] この主成分に対して合計0.05〜0.5 質量％の量の、La2O
3, Nd2O3, Y2O3, Sm2O 3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれ
た少なくとも１種の添加成分、とからなることを特徴と
する圧電セラミック材料である。 【００１１】 【発明の実施の形態】本発明に係る圧電セラミック材料
を構成する主成分は、次式で示される組成を有するペ
ロブスカイト構造の化合物である。 【００１２】 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3 ‥‥ ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦ｂ≦0.2
2、0.04＜（ｃ＋ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦ｄ≦0.1
。 【００１３】この化合物はやはりBi系化合物であり、反
強誘電体相への転移温度 (相転移温度) がキュリー温度
より低いので、相転移温度で圧電性が消失する。この化
合物だけでは圧電特性が不十分であるので、この化合物
を主成分とし、これに添加成分として、La2O3, Nd2O3,
Y2O3, Sm2O3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれた少なくと
も１種を、主成分に対して合計0.05〜0.5 質量％の量で
含有させる。 【００１４】主成分を構成する元素のうち、Pbは相転移
温度を上昇させる効果が大きい。一方、Srは圧電特性の
向上効果があるが、相転移温度を低下させる。上記添加
成分も圧電特性の向上に有効であるが、多量に添加しす
ぎると、相転移温度が低下する。本発明では、Srと一緒
に少量のPbを含有させ、かつ少量の添加成分を共存させ
ることにより、相転移温度が200 ℃以上と高く、かつ圧
電特性にも優れた (即ち、比誘電率と電気機械結合係数
が大きく、比誘電率の温度特性が良好) 圧電セラミック
材料を得た。 【００１５】主成分の組成に関して、ａが0.74未満では
電気機械結合係数が小さくなり、0.84を超えると比誘電
率と電気機械結合係数がともに小さくなる。 【００１６】ｂが0.02未満では比誘電率と電気機械結合
係数がともに小さくなり、0.22を超えると電気機械結合
係数が小さくなる。ｃ＋ｄが0.04以下では、相転移温度
が低くなり、比誘電率の温度特性が悪くなる。但し、ｃ
＝０である場合には、Sr添加による相転移温度の低下が
ないことから、ｃ＋ｄが0.04以下でも相転移温度は高く
なる。しかし、この場合には比誘電率と電気機械結合係
数が小さくなるので、ｃ≠０とする。ｃ＋ｄが0.22を超
えると電気機械結合係数が小さくなる。 【００１７】ｄが0.04未満では、相転移温度が低くな
り、比誘電率の温度特性が悪くなる。ｄが0.1 を超える
と、比誘電率と電気機械結合係数がともに小さくなる。
主成分の組成の好ましい範囲は、0.76≦ａ≦0.82、0.02
≦ｂ≦0.18、0.06≦ (ｃ＋ｄ) ≦0.22、0.05≦ｄ≦0.09
である。ｃの値は、好ましくは0.01〜0.15である。 【００１８】上記組成の主成分に対して、La2O3, Y2O3,
Nd2O3, Sm2O3, Nb2O5, Ta2O5 から選んだ１種または２
種以上を合計を0.05〜0.5 質量％の量で添加することに
より、相転移温度を低下させずに、比誘電率と電気機械
結合係数を増大させることができる。特に、La2O3, Y2O
3, Nd2O3, Sm2O3 は、高い電気機械結合係数を得るのに
効果的である。 【００１９】これら添加成分の合計量が0.05質量％未満
では、比誘電率と電気機械結合係数がともに小さくな
る。この量が0.5 質量％を超えると、電気機械結合係数
が小さくなる。また、1.0 質量％程度以上に多くなる
と、相転移温度の低下が大きくなる。添加成分の好まし
い添加量は0.05〜0.3 質量％である。 【００２０】本発明に係る圧電セラミック材料は、常法
に従って製造することができる。一般的な製造方法は以
下の通りである。まず、セラミック材料を構成する各金
属の酸化物、炭酸塩等の原料粉末を、所定の金属元素の
モル比で混合し、必要により粉砕して、原料粉末混合物
を得る。混合は、湿式ボールミル等を用いて充分に行う
ことが望ましい。次に原料粉末混合物を仮焼して反応さ
せる。この仮焼は、例えば、大気中 700〜900 ℃で１〜
10時間、好ましくは１〜２時間加熱することにより行う
ことができる。 【００２１】続いて、仮焼生成物を粉砕した後、成形
し、成形体を大気中で焼成して焼結させると、本発明の
圧電セラミック材料が得られる。仮焼と焼結の雰囲気は
大気で充分であるが、他の酸化性雰囲気でもよいのはも
ちろんである。粉砕は、通常は湿式ボールミルにより行
う。 【００２２】成形は、目的とする形態に応じて、適当な
方法を選択すればよく、必要に応じて結合剤を利用して
も良い。例えば、圧電セラミック材料が積層体である場
合には、結合剤を含有させたスラリーからシート成形を
行い、乾燥したグリーンシート成形体を重ねて圧着させ
ることにより積層して、グリーンシート積層体を形成す
ることができる。単独成形体の場合には、圧縮成形、静
水圧成形などの各種の成形法を利用することができる。
電極などの導電性材料と同時焼成する場合には、成形体
の表面に、例えば、適当な導体ペーストをスクリーン印
刷し、導体ペーストの層を形成することができる。 【００２３】成形体の焼成は、1100℃〜1200℃の温度で
行うことができる。焼結に必要な焼成時間は、通常は１
〜５時間程度である。同時焼成の場合には、圧電セラミ
ックスと電極等の導体が同時に焼結する。 【００２４】 【実施例】(圧電セラミック材料の作製)出発原料とし
て、Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, SrCO3, PbO, Nb2O5,
Ta2O5,La2O3, Y2O3, Nd2O3, Sm2O3 を使用し、これら
から選んだ原料粉末を所定の金属モル比となるよう秤量
した後、エタノール中でボールミルを用いて24時間混合
した。得られた原料粉末混合物のスラリーを乾燥した
後、大気中にて 700〜900 ℃で１〜２時間加熱して合成
反応（仮焼）を行った。仮焼生成物を再びエタノール中
で24時間のボールミル処理を行って、粉砕した。この湿
式粉砕で得たスラリーを乾燥し、バインダーとしてポリ
ビニルアルコールを用いて、プレス成形法により、直径
20 mm 、厚さ１mmの円板形に成形した。この成形体を、
大気中1150℃の温度で１〜２時間焼成して焼結させ、圧
電セラミック材料を得た。得られた焼結体の組成は表１
に示す通りである。 【００２５】(特性の測定)上で得た円板形の焼結体 (圧
電セラミック材料) の両面にAgペーストをスクリーン印
刷し、800 ℃で焼き付けて電極を形成した後、100 ℃の
シリコーンオイル中で４〜８kVの直流電圧を電極間に印
加して、焼結体の厚み方向に分極し、圧電素子を作製し
た。但し、SrとPbを両方とも含有しない、表１の試験N
o. 30, 31では、相転移温度が低いため、25℃で分極を
行った。得られた圧電素子を用いて、圧電特性、相転移
温度および比誘電率の温度特性を次のようにして測定し
た。 【００２６】圧電特性：圧電素子の圧電特性はインピー
ダンス・アナライザーを用いて測定した。測定したの
は、電気機械結合係数k31 、kpと比誘電率εT 33／ε
0(測定周波数1 kHz)である。 【００２７】相転移温度：圧電素子を恒温槽内に配置
し、室温から400 ℃まで槽内温度を変化させて素子温度
を変化させ、静電容量 (比誘電率) を測定することによ
り求めた。測定は、LCR メータを用い１kHz の周波数で
行った。相転移温度は、比誘電率が極大を示す、または
屈曲的変化を示す温度である。 【００２８】比誘電率の温度特性：上記の相転移温度を
測定するための素子温度を変化させた比誘電率の測定に
おいて、室温から100 ℃まで素子温度を変化させたとき
の静電容量の変化から下記の式に基づいて算出した。 【００２９】比誘電率の温度特性[ppm／℃]＝[(ε100−
ε25)×１×106]／[ε25×(100−25)] ε100 ：100 ℃での比誘電率、 ε25 ： 25 ℃での比誘電率。 【００３０】以上の測定結果を圧電セラミック材料の組
成 (主成分の組成式におけるａ〜ｄの値と添加成分の種
類および量) とともに、表１に示す。表１において、添
加成分の量 (％) は、主成分に対する質量％である。組
成中、＊印を付した量は本発明の範囲外の量である。
(ｃ＋ｄ) の量が本発明の範囲外である場合には、ｃと
ｄの両方に＊印を付した。 【００３１】 【表１】 【００３２】表１からわかる通り、本発明に係る圧電セ
ラミック材料は、比誘電率が 600以上と良好で、かつk
31 が0.2 以上、kpが0.34以上と電気機械結合係数も十
分な値を示す。さらに、相転移温度が200 ℃より高く、
かつ比誘電率の温度特性τc が5000 ppm／℃未満と小さ
いので、素子温度が高くなっても安定した圧電特性を確
保することができる。 【００３３】Pbを含有させないか、その原子比ｄが0.04
より小さい場合には、相転移温度が200 ℃より低く、か
つ比誘電率の温度特性も非常に悪化する。但し、試験N
o.1に示すように、ｃ＝０、即ち、相転移温度を低下さ
せるSrを含有しない場合には、ｄが0.04より小さくても
相転移温度は高く、比誘電率の温度特性も良好である。
しかし、ｃ＝０であると、圧電特性が不十分となる。ま
た、添加成分の添加量が1.0 質量％より多くなった場合
も、相転移温度が低く、比誘電率の温度特性が悪化す
る。その他の点で組成が本発明の範囲外になると、少な
くとも１つの圧電特性が不十分となる。 【００３４】 【発明の効果】本発明により、ＰＺＴの代替品となりう
る、Pbの含有量が少なく、実用的な圧電セラミック材料
が提供される。この圧電セラミック材料は、電気機械結
合係数と比誘電率が大きく、かつ相転移温度が高く、比
誘電率の温度特性が良好であるので、高温まで使用可能
な実用性を有し、かつPbによる環境汚染の懸念が抑えら
れた圧電アクチュエータの作製が可能となる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 次式で表される主成分と、 (Bi0.5Na0.5)a (Bi0.5K0.5)b Src Pbd TiO3 ‥‥ [式中、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、0.74≦ａ≦0.84、0.02≦
ｂ≦0.22、0.04＜（ｃ＋ｄ）≦0.22、ｃ≠０、0.04≦ｄ
≦0.1] この主成分に対して合計0.05〜0.5 質量％の量の、La2O
3, Nd2O3, Y2O3, Sm2O 3, Nb2O5およびTa2O5 から選ばれ
た少なくとも１種の添加成分、とからなることを特徴と
する圧電セラミック材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002094874A JP2003292374A (ja) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | 圧電セラミック材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002094874A JP2003292374A (ja) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | 圧電セラミック材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003292374A true JP2003292374A (ja) | 2003-10-15 |
Family
ID=29238648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002094874A Withdrawn JP2003292374A (ja) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | 圧電セラミック材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003292374A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018526301A (ja) * | 2015-05-27 | 2018-09-13 | エプコス アクチエンゲゼルシャフトＥｐｃｏｓ Ａｇ | ビスマスナトリウムストロンチウムチタン酸塩系誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品 |
-
2002
- 2002-03-29 JP JP2002094874A patent/JP2003292374A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018526301A (ja) * | 2015-05-27 | 2018-09-13 | エプコス アクチエンゲゼルシャフトＥｐｃｏｓ Ａｇ | ビスマスナトリウムストロンチウムチタン酸塩系誘電体組成物、誘電体素子、電子部品および積層電子部品 |
| US10388456B2 (en) | 2015-05-27 | 2019-08-20 | Tdk Electronics Ag | Dielectric composition, dielectric element, electronic component and laminated electronic component |
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