JP2003300776A - 圧電磁器の製造方法 - Google Patents
圧電磁器の製造方法Info
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Abstract
素との組成比を調整し、特性を向上させることができる
圧電磁器の製造方法を提供する。 【解決手段】 ペロブスカイト型化合物M1m (Nb
1-z Taz )O3 (M1は長周期型周期表1族の元素)
を主成分として含有する圧電磁器を製造する。原料を混
合し仮焼したのち、本焼成する。仮焼時のA/B比(第
2元素に対する第1元素の組成比)を1よりも大きく
1.02よりも小さくし、本焼成時のA/B比を1±
0.001とする。これにより、異相を少なくし、圧電
特性を向上させることができる。
Description
酸化物を含有する圧電磁器の製造方法に関する。
電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が最も多
く利用されている。しかし、チタン酸ジルコン酸鉛は鉛
を多く含んでいるので、最近では、酸性雨による鉛の溶
出など地球環境におよぼす悪影響が問題となっている。
そこで、チタン酸ジルコン酸鉛に代替する、鉛を含有し
ない圧電磁器の開発が望まれている。
ば、チタン酸バリウム(BaTiO3)を主成分として
含むものが知られている(特開平2−159079号公
報参照)。この圧電磁器は、比誘電率εrおよび電気機
械結合係数krが優れており、アクチュエータ用の圧電
材料として有望である。また、鉛を含有しない他の圧電
磁器としては、例えば、ニオブ酸ナトリウムカリウムリ
チウムを主成分として含むものが知られている(特開昭
49−125900号公報または特公昭57−6713
号公報参照)。この圧電磁器は、キュリー温度が350
℃以上と高く、電気機械結合係数krも優れていること
から、圧電材料として期待されている。更に、最近で
は、ニオブ酸ナトリウムカリウムとタングステンブロン
ズ型酸化物とを複合化したものも報告されている(特開
平9−165262号公報参照)。
の鉛を含まない圧電磁器は、鉛系の圧電磁器に比べて圧
電特性が低く、十分に大きな発生変位量を得ることがで
きないという問題があった。特に、ニオブ酸ナトリウム
カリウムリチウムなどのペロブスカイト型酸化物では、
ナトリウム(Na),カリウム(K)およびリチウム
(Li)などいわゆるAサイトに位置する第1元素と、
ニオブ(Nb)などいわゆるBサイトに位置する第2元
素との組成比に影響を受け、その組成比が小さいと異相
の増加により特性が低下し、組成比が大きいと異相は減
少するが特性は低下してしまうことも一因となってい
る。
ので、その目的は、ペロブスカイト型酸化物の第1元素
と第2元素との組成比を調整し、特性を向上させること
ができる圧電磁器の製造方法を提供することにある。
製造方法は、第1元素と第2元素と酸素とからなるペロ
ブスカイト型酸化物を含有する圧電磁器を製造するもの
であって、第1元素および第2元素を含む原料につい
て、第2元素に対する第1元素の組成比を1よりも大き
く1.02よりも小さく調整し、仮焼する工程と、この
仮焼により得られた仮焼物に第2元素の原料を混合し、
第2元素に対する第1元素の組成比を1±0.001の
範囲内に調整したのち、本焼成する工程とを含むもので
ある。
焼の際に、第2元素に対する第1元素の組成比が1より
も大きく1.02よりも小さく調整され、本焼成の際
に、第2元素に対する第1元素の組成比が1±0.00
1の範囲内に調整される。よって、ペロブスカイト型酸
化物の異相が少なくなり、圧電特性が向上する。
トリウム,カリウムおよびリチウムを含み、第2元素と
してニオブおよびタンタル(Ta)からなる群のうち少
なくともニオブを含むペロブスカイト型酸化物を含有す
る圧電磁器を製造する場合に好ましく用いられる。
酸化物に加えて、タングステンブロンズ型酸化物を含む
組成物を含有する圧電磁器を製造する場合に好ましく、
中でも、長周期型周期表2族の元素と、ニオブおよびタ
ンタルからなる群のうちの少なくともニオブとを含むタ
ングステンブロンズ型酸化物を含有する圧電磁器を製造
する場合に好ましく用いられる。この組成物におけるタ
ングステンブロンズ型酸化物の含有量は5mol%以下
とすることが好ましい。
て詳細に説明する。
器の製造方法における工程を表すものである。この製造
方法は、ペロブスカイト型酸化物を含む圧電磁器の製造
に関するものであり、例えば、ペロブスカイト型酸化物
とタングステンブロンズ型酸化物とを含む組成物を主成
分として含有する圧電磁器を製造する際に好ましく用い
られる。この組成物において、ペロブスカイト型酸化物
とタングステンブロンズ型酸化物とは、固溶していても
よく、完全に固溶していなくてもよい。
型酸化物が、長周期型周期表1族の元素を含む第1元素
と、ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくと
もニオブを含む第2元素と、酸素とからなり、タングス
テンブロンズ型酸化物が、長周期型周期表2族の元素を
含む第3元素と、ニオブおよびタンタルからなる群のう
ちの少なくともニオブを含む第4元素と、酸素とからな
る場合について具体的に説明する。なお、第1元素はペ
ロブスカイト型酸化物のいわゆるAサイトに位置し、第
2元素はペロブスカイト型酸化物のいわゆるBサイトに
位置し、第3元素はタングステンブロンズ型酸化物のい
わゆるAサイトに位置し、第4元素はタングステンブロ
ンズ型酸化物のいわゆるBサイトに位置するものであ
る。このペロブスカイト型酸化物の化学式は例えば化1
で表され、タングステンブロンズ型酸化物の化学式は例
えば化2で表される。
の値である。mは化学量論組成であれば1であるが、化
学量論組成からずれていてもよい。酸素の組成は化学量
論的に求めたものであり、化学量論組成からずれていて
もよい。
の値である。第3元素と第4元素(Nb1-w Taw )と
酸素との組成比は化学量論的に求めたものであり、化学
量論組成からずれていてもよい。
第1元素,第2元素,第3元素および第4元素を含む酸
化物をそれぞれ用意する。または、酸化物でなく、炭酸
塩あるいはシュウ酸塩のように焼成により酸化物となる
ものを用いてもよい。次いで、これら原料を十分に乾燥
させたのち、秤量し混合する(ステップS101)。
表1族の元素のうちのナトリウム,カリウムおよびリチ
ウムを用意することが好ましく、第2元素としては、ニ
オブおよび必要に応じてタンタルを用意することが好ま
しい。また、第3元素としては、長周期型周期表2族の
元素のうちのマグネシウム(Mg),カルシウム(C
a),ストロンチウム(Sr)およびバリウム(Ba)
からなる群のうちの少なくとも1種を用意することが好
ましく、第4元素としては、ニオブおよび必要に応じて
タンタルを用意することが好ましい。このような場合
に、鉛を含有せずあるいは鉛の含有量を少なくして、よ
り優れた圧電特性を有する圧電磁器を得ることができる
からである。
素におけるカリウムの含有量を10mol%以上90m
ol%以下、リチウムの含有量を20mol%以下とす
ることが好ましい。カリウムの含有量が少ないと発生変
位量を大きくすることができず、カリウムの含有量が多
いと焼成時におけるカリウムの揮発が激しく、焼成が難
しいからである。また、リチウムの含有量が多いと発生
変位量を大きくすることができないからである。
比は、第2元素に対する第1元素の組成比(第1元素/
第2元素、いわゆるA/B比;以下、単にA/B比と表
す)を、モル比で1よりも大きく1.02よりも小さく
することが好ましい。1以下では異相の増加により発生
変位量が低下し、1.02以上では過剰な第1元素の存
在により発生変位量が低下してしまうからである。
添加する場合には、第2元素および第4元素に関する原
料の配合比は、第2元素と第4元素との合計におけるタ
ンタルの含有量を50mol%以下とすることが好まし
い。タンタルの含有量が多いと、キュリー温度が低くな
ると共に、発生変位量が小さくなってしまうからであ
る。なお、第2元素と第4元素とは同一となるようにし
てもよく、異なるようにしてもよい。
ロンズ型酸化物とに関する原料の配合比は、ペロブスカ
イト型酸化物とタングステンブロンズ型酸化物との組成
比をモル比で化3に示した範囲内とすることが好まし
い。すなわち、組成物におけるタングステンブロンズ型
酸化物の含有量を、0mol%よりも大きく5mol%
以下とすることが好ましい。タングステンブロンズ型酸
化物を添加することにより焼成を容易とすることができ
ると共に、発生変位量を大きくすることができる一方
で、タングステンブロンズ型酸化物の含有量が多すぎる
と、発生変位量が小さくなってしまうからである。
ブロンズ型酸化物をそれぞれ表し、nは0<n≦0.0
5の範囲内の値である。
分を添加するようにしてもよい。副成分としては、長周
期型周期表における3族から12族の元素のうちの少な
くとも1種を含む酸化物が好ましく、中でも、マンガン
(Mn)を含む酸化物が好ましい。焼結性を向上させる
ことにより圧電特性をより向上させることができるから
である。副成分の原料としては、主成分と同様に、酸化
物を用いてもよいが、炭酸塩あるいはシュウ酸塩のよう
に焼成により酸化物となるものを用いてもよい。副成分
の添加量は、主成分の0.1質量%以上1質量%以下と
なるようにすることが好ましい。
副成分の原料を添加した混合物を仮焼する(ステップS
102)。仮焼温度は、例えば本実施の形態において具
体的に説明した組成であれば、650℃〜950℃とす
ることが好ましい。これにより、ペロブスカイト型酸化
物およびタングステンブロンズ型酸化物が合成される。
その際、本実施の形態では、原料におけるA/B比を1
よりも大きく1.02よりも小さくしているので、異相
の少ないペロブスカイト型酸化物が得られる。
料を添加して、粉砕・混合する(ステップS103)。
これにより、第2元素の原料を添加した後の混合粉にお
けるA/B比を、1±0.001の範囲内に調整する。
この範囲内において圧電特性を向上させることができ、
大きな発生変位量を得ることができるからである。
例えば、バインダを加えて造粒し、一軸プレス成形機あ
るいは静水圧成形機(CIP)などを用いプレス成形す
る(ステップS104)。成形したのち、例えば、この
成形体を加熱して脱バインダを行い(ステップS10
5)、本焼成する(ステップS106)。焼成温度は仮
焼温度以上とすることが好ましく、例えば本実施の形態
において具体的に説明した組成であれば、950℃〜1
350℃とすることが好ましい。そののち、この焼結体
を必要に応じて加工し、電極を形成し、加熱したシリコ
ーンオイル中で電界を印加して分極を行う(ステップS
107)。これにより、圧電磁器が得られる。
におけるA/B比を1よりも大きく1.02よりも小さ
くし、本焼成時におけるA/B比を1±0.001の範
囲内とするようにしたので、ペロブスカイト型酸化物の
異相を少なくし、圧電特性を向上させることができる。
する。
スカイト型酸化物とタングステンブロンズ型酸化物とを
含む組成物を主成分として含有する圧電磁器を作製し
た。
ム(Na2 CO3 )粉末、炭酸カリウム(K2 CO3 )
粉末、炭酸リチウム(Li2 CO3 )粉末、酸化ニオブ
(Nb2 O5 )粉末、酸化タンタル(Ta2 O5 )粉末
および炭酸バリウム(BaCO3 )粉末をそれぞれ用意
した。また、副成分の原料として、炭酸マンガン(Mn
CO3 )粉末を用意した。次いで、これら主成分および
副成分の原料を十分に乾燥させ秤量したのち、ボールミ
ルにより水中で5時間混合し、乾燥して原料混合粉末を
得た(図1;ステップS101参照)。
が化4に示した組成となるように調整した。但し、原料
混合粉末のA/B比は実施例1〜3で表1に示したよう
に変化させ、仮焼時のA/B比を調整した。また、副成
分である酸化マンガンの含有量はMnOを基準として主
成分に対して0.31質量%となるようにした。なお、
副成分の含有量は、主成分の原料のうち炭酸塩をCO2
が解離した酸化物に換算し、その換算した主成分の原料
の合計質量に対して副成分の原料である炭酸マンガン粉
末の混合量が0.5質量%となるようにしたものであ
る。
て、850℃〜950℃で2時間仮焼した(図1;ステ
ップS102参照)。得られた仮焼物について、X線回
折により組成の分析を行った。実施例2のX線回折プロ
ファイルを図2に示す。
料(酸化ニオブ粉末および酸化タンタル粉末)をA/B
比が1.0000となるように添加して、本焼成時のA
/B比を1.0000に調整した。すなわち、圧電磁器
のA/B比、つまり化4におけるmが1.0000とな
るようにした。第2元素の原料を添加したのち、ボール
ミルを用いて水中で粉砕・混合し、乾燥させた(図1;
ステップS103参照)。そののち、この混合粉にポリ
ビニルアルコールを加えて造粒し、一軸プレス成形機に
より約40MPaの圧力で直径17mmの円柱状に成形
して、更に約400MPaの圧力で静水圧成形した(図
1;ステップS104参照)。
時間加熱して脱バインダを行い(図1;ステップS10
5参照)、更に1000℃〜1100℃で4時間本焼成
した(図1;ステップS106参照)。そののち、この
焼成体をスライス加工およびラップ加工により厚さ0.
6mmの円板状とし、両面に電極を形成して、加熱した
シリコーンオイル中で5kV/mmの電界を15分間印
加して分極処理を行った(図1;ステップS107参
照)。これにより、実施例1〜3の圧電磁器を得た。
て、24時間放置したのち、圧電特性として、電気機械
結合係数kr、比誘電率εr、および3kV/mmの電
界を印加した際の発生変位量を測定した。電気機械結合
係数krおよび比誘電率εrの測定にはインピーダンス
アナライザー(ヒューレット・パッカード社製HP41
94A)を用い、比誘電率εrを測定する際の周波数は
1kHzとした。発生変位量の測定には、図2に示した
ような渦電流による変位測定装置を用いた。この変位測
定装置は、一対の電極11,12の間に試料13を挟
み、直流電流を印加した場合の試料13の変位を変位セ
ンサ14により検出し、変位検出器15によりその発生
変位量を求めるものである。
示した発生変位量は、測定値を試料の厚さで割り100
を掛けた値(測定値/試料の厚さ×100)である。
焼時のA/B比および本焼成時のA/B比を表1に示し
たように変化させたことを除き、他は実施例1〜3と同
様にして圧電磁器を作製した。なお、比較例1〜7は仮
焼時のA/B比と本焼成時のA/B比とを同一としたも
のであり、比較例8は仮焼時のA/B比を1.0200
と大きくしたものである。比較例1〜8についても、実
施例1〜3と同様にして、仮焼物の組成、並びに圧電磁
器の電気機械結合係数kr、比誘電率εrおよび3kV
/mmの電界を印加した際の発生変位量を測定した。比
較例1〜3,7,8のX線プロファイルを図2に合わせ
て示すと共に、電気機械結合係数kr、比誘電率εrお
よび発生変位量の結果を表1に合わせて示す。
1.000以上とした比較例3,実施例2および比較例
7,8では、K3 LiNb6 O17などの異相を示すピー
クが小さく、仮焼時のA/B比を1.000よりも小さ
くした比較例1,2では大きかった。
によれば、仮焼時のA/B比と本焼成時のA/B比とを
同一とした比較例1〜7よりも、電気機械結合係数k
r、比誘電率εr、および発生変位量を大きくすること
ができた。更に、仮焼時のA/B比を1.0200と大
きくし、本焼成時のA/B比を1.0000とした比較
例8は、仮焼時も本焼成時もA/B比を1.0000と
した比較例3よりも発生変位量が小さかった。
きく1.02よりも小さくし、本焼成時のA/B比を1
±0.001とすれば、異相を少なくすることができる
と共に、圧電特性を向上させることができ、発生変位量
を大きくできることが分かった。
を有する圧電磁器を作製する場合について具体的に説明
したが、他の組成を有するペロブスカイト型酸化物を含
む圧電磁器を作製する場合においても同様の結果を得る
ことができる。
発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実
施例に限定されるものではなく、種々変形することがで
きる。例えば、上記実施の形態および実施例では、ペロ
ブスカイト型酸化物と、タングステンブロンズ型酸化物
とを含む圧電磁器を製造する場合について説明したが、
本発明は、少なくともペロブスカイト型酸化物を含む圧
電磁器を製造する場合について広く適用することができ
る。すなわち、ペロブスカイト型酸化物のみからなる圧
電磁器を製造する場合でもよく、ペロブスカイト型酸化
物に加えて、タングステンブロンズ型酸化物に限らず他
の化合物を含む圧電磁器を製造する場合でもよい。
ペロブスカイト型酸化物の原料と、タングステンブロン
ズ型酸化物の原料とを混合したのち、仮焼するようにし
たが、ペロブスカイト型酸化物の原料とタングステンブ
ロンズ型酸化物の原料とを別々に混合して、それぞれを
個別に仮焼するようにしてもよい。これは、ペロブスカ
イト型酸化物とタングステンブロンズ型酸化物とを含む
圧電磁器を製造する場合に限らず、ペロブスカイト型酸
化物と他の化合物とを含む圧電磁器を製造する場合にお
いても同様である。
副成分の原料も主成分の原料と共に混合し、仮焼するよ
うにしたが、仮焼後に副成分の原料を添加するようにし
てもよい。
求項5のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法によれ
ば、第2元素に対する第1元素の組成比を1よりも大き
く1.02よりも小さく調整して仮焼したのち、第2元
素の原料を混合し、第2元素に対する第1元素の組成比
を1±0.001の範囲内に調整して本焼成するように
したので、ペロブスカイト型酸化物の異相を少なくし、
圧電特性を向上させることができる。
法を表す流れ図である。
X線プロファイルを示す特性図である。
量の測定に用いた変位測定装置を表す構成図である。
5…変位検出器。
Claims (5)
- 【請求項1】 第1元素と第2元素と酸素とからなるペ
ロブスカイト型酸化物を含有する圧電磁器の製造方法で
あって、 前記第1元素および前記第2元素を含む原料について、
前記第2元素に対する前記第1元素の組成比を1よりも
大きく1.02よりも小さく調整し、仮焼する工程と、 この仮焼により得られた仮焼物に前記第2元素の原料を
混合し、前記第2元素に対する前記第1元素の組成比を
1±0.001の範囲内に調整したのち、本焼成する工
程とを含むことを特徴とする圧電磁器の製造方法。 - 【請求項2】 前記第1元素としてナトリウム(N
a),カリウム(K)およびリチウム(Li)を含み、
前記第2元素としてニオブ(Nb)およびタンタル(T
a)からなる群のうち少なくともニオブを含むペロブス
カイト型酸化物を含有する圧電磁器を製造することを特
徴とする請求項1記載の圧電磁器の製造方法。 - 【請求項3】 前記ペロブスカイト型酸化物に加えて、
タングステンブロンズ型酸化物を含む組成物を含有する
圧電磁器を製造することを特徴とする請求項1または請
求項2記載の圧電磁器の製造方法。 - 【請求項4】 前記組成物における前記タングステンブ
ロンズ型酸化物の含有量を5mol%以下とすることを
特徴とする請求項3記載の圧電磁器の製造方法。 - 【請求項5】 長周期型周期表2族の元素と、ニオブお
よびタンタルからなる群のうちの少なくともニオブとを
含むタングステンブロンズ型酸化物を含有する圧電磁器
を製造することを特徴とする請求項3または請求項4記
載の圧電磁器の製造方法。
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