JP2003342071A - 圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子 - Google Patents

圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子

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JP2003342071A JP2003026199A JP2003026199A JP2003342071A JP 2003342071 A JP2003342071 A JP 2003342071A JP 2003026199 A JP2003026199 A JP 2003026199A JP 2003026199 A JP2003026199 A JP 2003026199A JP 2003342071 A JP2003342071 A JP 2003342071A
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一雅 鷹取
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尚史 高尾
Tatsuhiko Nonoyama
龍彦 野々山
Toshiatsu Nagaya
年厚 長屋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛を含有せず,常圧にて焼成が可能で,かつ
圧電d31定数及び電気機械結合係数Kpが高い圧電磁器
組成物及びその製造方法,並びに該圧電磁器組成物を利
用した圧電素子を提供すること。 【解決手段】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
1-z-nTaz(Mn0.50.5n)O3で表され,かつ
x,y,z,nがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦
1.0,0≦z≦0.4,0<n≦0.1の組成範囲に
あることを特徴とする圧電磁器組成物及びその製造方
法。また,該圧電磁器組成物よりなる圧電体を有するこ
とを特徴とする圧電素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は,組成物中に鉛を含有しない圧電
磁器組成物及びその製造方法,並びに該圧電磁器組成物
を材料とする圧電素子に関する。
【0002】
【従来技術】従来より,圧電磁器組成物としては,鉛を
含んだPZT(PbTiO3−PbZrO3)成分系磁器
が用いられてきた。上記PZTは,電気機械結合係数や
圧電定数等の圧電特性に優れており,上記PZTを利用
した圧電素子は,センサ,アクチュエータ,フィルター
等に広く利用されている。
【0003】ところが,上記PZTから成る圧電磁器組
成物は,優れた特性を有する一方で,その構成元素に鉛
を含んでいるため,PZTを含んだ製品の産業廃棄物か
ら有害な鉛が溶出し,環境汚染を引き起こすおそれがあ
った。そして,近年の環境問題に対する意識の高まり
は,PZTのように環境汚染の原因となりうる製品の製
造を困難にしてきた。そのため,組成中に鉛を含有しな
い圧電磁器組成物の開発が求められ,一般式(K1-x
x)NbO3(但し,0<x<1)で表される圧電磁器
組成物(非特許文献1参照)が注目されてきた。
【0004】
【非特許文献1】“Journal of the
American Ceramic Societ
y”,米国,1962,Vol.45,No.5,p.
209
【0005】
【解決しようとする課題】しかしながら,上記一般式
(K1-xNax)NbO3(但し,0<x<1)で表され
る圧電磁器組成物は,焼成が困難であるため,ホットプ
レス焼成を行う必要がある。そのため,製造コストが高
くなるという問題があった。
【0006】また,上記従来の圧電磁器組成物は,圧電
31定数及び電気機械結合係数Kpが低いため,高い圧
電d31定数及び高い電気機械結合係数Kpを要する圧電
フィルター,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の圧電
素子への適用が困難であるという問題があった。そのた
め,上記一般式(K1-xNax)NbO3(但し,0<x
<1)で表される圧電磁器組成物は,PZTに代わる新
しい圧電磁器組成物として有望視されているものの,ほ
とんど実用化には至っていない。それ故,上記の一般式
で表される圧電磁器組成物が開発された後も,環境汚染
のおそれがあるPZT等の鉛系圧電磁器組成物が広く利
用されているのが現状である。
【0007】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので,鉛を含有せず,常圧にて焼成が可能で,
かつ圧電d31定数及び電気機械結合係数Kpが高い圧電
磁器組成物及びその製造方法,並びに該圧電磁器組成物
を利用した圧電素子を提供しようとするものである。
【0008】
【課題の解決手段】第1の発明は,一般式{Lix(K
1-yNay1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0. 50.5n
3で表され,かつx,y,z,nがそれぞれ0≦x≦
0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4,0<n≦
0.1の組成範囲にあることを特徴とする圧電磁器組成
物にある(請求項1)。
【0009】次に,本発明の作用効果につき説明する。
本発明の圧電磁器組成物は,上記一般式{Lix(K1-y
Nay1-x}(Nb1- z-nTaz(Mn0.50.5n)O3
で表され,組成物中に鉛を含有していない。そのため,
上記圧電磁器組成物は,該圧電磁器組成物の廃棄物等か
ら有害な鉛が自然界に流出することがなく,安全であ
る。
【0010】また,上記の一般式において,x,y,
z,及びnがそれぞれ上記の範囲にある。そのため,後
述する実施例でも明らかとなるように,上記圧電磁器組
成物は,圧電d31定数及び電気機械結合係数Kpが高
い。そして,上記圧電磁器組成物は,常圧下での焼成に
よっても充分に緻密化することができる。
【0011】したがって,本発明によれば,鉛を含有せ
ず,常圧にて焼成が可能で,かつ圧電d31定数及び電気
機械結合係数Kpが高い圧電磁器組成物を提供すること
ができる。なお,本発明における圧電磁器組成物は,圧
電特性を有する磁器組成物に限らず,誘電特性を有する
誘電磁器組成物をも含む概念である。
【0012】次に,第2の発明は,一般式{Lix(K
1-yNay1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.50.5n
3で表され,かつx,y,z,nがそれぞれ0≦x≦
0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4,0<n≦
0.1の組成範囲にある圧電磁器組成物からなる粉末を
成形し,焼成することを特徴とする圧電磁器組成物の製
造方法にある(請求項6)。
【0013】上記圧電磁器組成物よりなる粉末を用いて
成形した成形体は,常圧下にて焼成することができる。
そのため,簡単で,低コストに焼成を行うことができ
る。そして,上記焼成後に得られる圧電磁器組成物は,
鉛を含有せず,圧電d31定数及び電気機械結合係数Kp
が高いものとなる。そのため,高性能な圧電素子又は誘
電素子等の材料として利用することができる。
【0014】第3の発明は,リチウムを含有してなる化
合物と,ナトリウムを含有してなる化合物と,カリウム
を含有してなる化合物と,ニオブを含有してなる化合物
と,タンタルを含有してなる化合物と,マンガンを含有
してなる化合物と,タングステンを含有してなる化合物
とを混合,焼成することを特徴とする圧電磁器組成物の
製造方法にある(請求項7)。
【0015】本発明においては,上記のごとく,リチウ
ムを含有してなる化合物と,ナトリウムを含有してなる
化合物と,カリウムを含有してなる化合物と,ニオブを
含有してなる化合物と,タンタルを含有してなる化合物
と,マンガンを含有してなる化合物と,タングステンを
含有してなる化合物とを混合,焼成する。これにより上
記一般式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb1-z-nTaz
(Mn0. 50.5n)O3で表され,かつx,y,z,n
がそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦
0.4,0<n≦0.1の組成範囲にある圧電磁器組成
物を容易に得ることができる。
【0016】また,上記焼成時には,常圧下にて上記圧
電磁器組成物を焼成することができる。そして,上記焼
成後に得られる圧電磁器組成物は,鉛を含有せず,圧電
31定数及び電気機械結合係数Kpが高いものとなる。
【0017】第4の発明は,第1の発明の圧電磁器組成
物よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素子に
ある(請求項9)。
【0018】本発明の圧電素子においては,一般式{L
x(K1-yNay1-x}(Nb1-z- nTaz(Mn0.5
0.5n)O3で表され,かつx,y,z,nがそれぞれ
0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4,0
<n≦0.1の組成範囲にあることを特徴とする圧電磁
器組成物よりなる圧電体を用いている。そのため,上記
圧電素子は,上記圧電磁器組成物の,鉛を含有せず,圧
電d31定数及び電気機械結合係数Kpが高いという優れ
た特性をそのまま利用することができる。
【0019】第5の発明は,第2の発明又は第3の発明
の圧電磁器組成物の製造方法により製造される圧電磁器
組成物よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素
子にある(請求項10)。
【0020】本発明の圧電素子は,上記第2の発明(請
求項6)又は第3の発明(請求項7)の製造方法により
得られる圧電磁器組成物を圧電体として用いている。そ
のため,上記圧電素子は,上記圧電磁器組成物が有する
優れた特性をそのまま利用することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明において,上記圧電磁器組
成物は,一般式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb
1-z-nTaz(Mn0.50.5n)O3で表され,かつx,
y,z,nがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦1.
0,0≦z≦0.4,0<n≦0.1の組成範囲にあ
る。ここで,x>0.2,z>0.4,n>0.1又
は,n=0の場合には,上記圧電磁器組成物の圧電d31
定数及び電気機械結合係数Kpが低下し,所望の圧電特
性を有する圧電磁器組成物を得ることができない。
【0022】また第1の発明(請求項1)において,上
記圧電磁器組成物は,圧電d31定数が30pm/V以上
であることが好ましい(請求項2)。この場合には,上
記30pm/V以上という高い圧電d31定数を活かし
て,上記圧電磁器組成物を感度の高いセンサ素子及びア
クチュエータ素子等として利用することができる。
【0023】次に,上記圧電磁器組成物は,電気機械結
合係数Kpが0.25以上であることが好ましい(請求
項3)。この場合には,上記0.25以上という高い電
気機械結合係数Kpを活かして,上記圧電磁器組成物を
機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧
電アクチュエータ,圧電振動子等として利用することが
できる。
【0024】次に,上記圧電磁器組成物は,誘電損失が
0.05以下であることが好ましい(請求項4)。この
場合には,0.05以下という低い誘電損失を活かし
て,上記圧電磁器組成物を誘電損失に起因する誘電損失
ノイズの少ないセンサ素子等として利用することができ
る。
【0025】次に,上記圧電磁器組成物は,キュリー温
度が200℃以上であることが好ましい(請求項5)。
この場合には,200℃以上という高いキュリー温度を
活かして,上記圧電磁器組成物を,例えば自動車のエン
ジン付近等のように高温度の環境下にて利用することが
できる。
【0026】また,第3の発明(請求項7)において,
リチウムを含有してなる化合物はLi2CO3であり,ナ
トリウムを含有してなる化合物はNa2CO3であり,カ
リウムを含有してなる化合物はK2CO3であり,ニオブ
を含有してなる化合物はNb 25であり,タンタルを含
有してなる化合物はTa25であり,マンガンを含有し
てなる化合物はMnO,MnO2またはMnCO3であ
り,タングステンを含有してなる化合物はWO3または
MnWO4であることが好ましい(請求項7)。この場
合には,上記圧電磁器組成物を容易に作製することがで
きる。
【0027】また,第4の発明(請求項9)又は第5の
発明(請求項10)において,上記圧電素子としては,
例えば圧電振動子,表面波フィルター素子,圧電センサ
素子,アクチュエータ素子,超音波モータ素子,圧電ト
ランス素子,圧電ジャイロセンサ素子,ノックセンサ素
子等がある。
【0028】
【実施例】(実施例1)本例の実施例にかかる圧電磁器
組成物につき説明する。本例では,上記の圧電磁器組成
物を製造し,該圧電磁器組成物の圧電特性を測定した。
本例の圧電磁器組成物は,一般式{Lix(K1-y
y1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.50.5n)O3
表され,かつx,y,z,nがそれぞれ0≦x≦0.
2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4,0<n≦0.1
の組成範囲にある。以下,本例の圧電磁器組成物の製造
方法につき説明する。
【0029】まず,圧電磁器組成物の原料として,純度
99%以上の高純度のLi2CO3,K2CO3,Na2
3,Nb25,Ta25,MnO2,WO3を準備し
た。これらの原料を上記一般式{Lix(K1-yNay
1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.50.5n)O3におい
て,x=0.1,y=0.5,z=0.1,n=0.0
2となるように配合した。配合後の原料をボールミルに
よりアセトン中にて24時間混合して原料混合物を作製
した。
【0030】次に,この原料混合物を750℃にて5時
間仮焼し,この仮焼後の原料混合物をボールミルにて2
4時間粉砕した。続いて,バインダーとしてポリビニー
ルブチラールを添加し,造粒した。造粒後の粉体を圧力
2ton/cm2にて,直径13mm,厚さ2mmの円
盤状に加圧成形し,成形体を常圧下,1000〜130
0℃にて1時間焼成した。ここで,焼成後の成形体は相
対密度98%以上に緻密化されていた。
【0031】次に,焼成後の各成形体の両面を平行研磨
し,円形研磨した後,この円盤試料の両面にスパッタ法
により金電極を設けた。そして,100℃のシリコーン
オイル中にて1〜5kV/mmの直流電圧を10分間電
極間に印加し,厚み方向に分極を施して本例の圧電磁器
組成物(本発明品)とした。
【0032】上記のようにして作製した本例の圧電磁器
組成物について,圧電d31定数,電気機械結合係数K
p,誘電損失,キュリー温度,比誘電率及び径方向の周
波数定数Np,及び絶縁抵抗率を測定した。ここで圧電
31定数,電気機械結合係数Kp及び周波数定数Np
は,インピーダンスアナライザーを用いて共振−反共振
法により測定した。また,誘電損失及び比誘電率は,イ
ンピーダンスアナライザーを用いて,測定周波数1kH
zにて測定し,キュリー温度は,上記圧電磁器組成物の
温度を一分当たり2℃ずつ600℃まで上げながら比誘
電率を測定し,該比誘電率が最も高いときの温度をもっ
てキュリー温度とした。また,絶縁抵抗率は,超抵抗計
を用いて,印加電圧5V/mmの条件にて二端子法によ
り測定した。その結果を表1に示す。
【0033】
【表1】
【0034】また,本例では上記圧電磁器組成物の優れ
た特性を明らかにするために,以下のようにして比較品
を作製した。まず,比較品の原料として,純度99%以
上の高純度のLi2CO3,K2CO3,Na2CO3,Nb
25及びTa25を準備した。これらの原料を上記一般
式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn
0.50.5n)O3において,x=0.1,y=0.5,
z=0.1,n=0となるように配合した。配合後の原
料をボールミルによりアセトン中にて24時間混合して
原料混合物を作製した。
【0035】次に,この原料混合物を750℃にて5時
間仮焼し,上記本発明品と同様にして,ボールミルにて
24時間粉砕,造粒した。造粒後の粉体を圧力2ton
/cm2にて,直径13mm,厚さ2mmの円盤状に加
圧成形し,成形体を常圧下,1000〜1300℃にて
1時間焼成した。ここで,焼成後の成形体は相対密度9
8%以上に緻密化されていた。
【0036】次に,焼成後の成形体の両面を平行研磨
し,上記本発明品と同様に,金電極を設けた。そして,
100℃のシリコーンオイル中にて1〜5kV/mmの
直流電圧を10分間電極間に印加し,厚み方向に分極を
施して比較品とした。
【0037】上記のようにして作製した比較品について
も,圧電d31定数,電気機械結合係数Kp,誘電損失,
キュリー温度,比誘電率及び径方向の周波数定数Npを
測定した。各測定値の測定方法は,本発明品の場合と同
様とした。その結果を表1に示す。
【0038】表1より知られるごとく,本発明品の圧電
31定数は,比較品よりも高い値を示した。一般に,上
記圧電d31定数は,電荷検出型回路あるいは電流検出型
回路を用いた場合には,加速度センサ,加重センサ,衝
撃センサ及びノックセンサ等の圧電型センサの出力電圧
に比例する。また,上記圧電d31定数は圧電アクチュエ
ータの変位量にも比例する。その点からみると,圧電d
31定数が高い圧電磁器組成物ほど電荷センサ出力の大き
なセンサ,又は変位量の大きな圧電アクチュエータをを
作ることができる。そして,比較品と同等以上の特性を
有するセンサ又は圧電アクチュエータを作製するには,
少なくとも30pm/V以上の圧電d31定数を有するこ
とが好ましい。
【0039】また,本発明品の電気機械結合係数Kp
は,比較品よりも高い値を示した。一般に上記電気機械
結合係数Kpは,圧電トランス素子,超音波モータ素
子,アクチュエータ素子,又は超音波振動子等の電気機
械エネルギー変換効率に比例する。その点からみると,
電気機械結合係数Kpが高い圧電磁器組成物ほど電気変
換効率の高い圧電トランス素子,超音波モータ素子,ア
クチュエータ素子,又は超音波振動子を作ることができ
る。そして,比較品と同等以上の特性を有する圧電トラ
ンス素子,超音波モータ素子,又は超音波振動子を作製
するには,少なくとも0.25以上の電気機械結合係数
Kpを有することが好ましいといえる。
【0040】また,本発明品の誘電損失は,比較品に比
べて3分の1以下の値を示した。したがって,本発明品
の圧電磁器組成物は,誘電損失に起因する誘電損失ノイ
ズの少ないセンサ等に利用することができる。なお,こ
のような誘電損失ノイズの少ないセンサ圧電素子として
上記圧電磁器組成物を用いる場合には,上記誘電損失は
0.035以下であることが好ましい。
【0041】また,本発明品のキュリー温度は,415
℃という高い値を示した。そのため,本発明品の圧電磁
器組成物は,自動車のエンジン付近等の高温度部におい
ても長時間安定に使用することができるノックセンサ等
の高温用センサ部品,アクチュエータ部品又は超音波モ
ータ部品等として利用することができる。なお,上記高
温用センサ部品等として長時間安定に使用するために
は,上記キュリー温度は,200℃以上であることが好
ましい。
【0042】また,本発明品の比誘電率は比較品よりも
高く,809という高い値を示した。そのため,本発明
品の圧電磁器組成物は,圧電体のみならず誘電体として
も利用することができる。そして,上記比誘電率は,一
般に積層コンデンサ部品等のコンデンサの静電容量に比
例する。その点からみると,上記比誘電率が高い圧電磁
器組成物ほど静電容量の大きなコンデンサを作ることが
できる。本発明品の圧電磁器組成物は,上記のような高
い比誘電率を有しているため,大きな静電容量を有する
コンデンサ等に利用することができる。
【0043】また,本発明品の周波数定数Npは比較品
よりも高い値を示した。そのため,本発明品の圧電磁器
組成物を用いると,周波数が高くかつ小型の圧電振動子
部品を作製することができる。
【0044】また,本発明品の絶縁抵抗率は,比較品よ
りも非常に高い値を示した。このように高い絶縁抵抗率
を生かして,本発明品は,高電界で使用する圧電アクチ
ュエータに最適なものとなる。
【0045】なお,上記一般式{Lix(K1-yNay
1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.50 .5n)O3の上記
組成範囲内(0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z
≦0.4,0<n≦0.1)において,上記本発明品と
は異なる組成範囲についても本例と同様に圧電磁器組成
物を作製し圧電特性の測定をおこなったところ,本例と
同様の効果が得られることを確認できた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷹取 一雅 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 本間 隆彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 高尾 尚史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々山 龍彦 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 長屋 年厚 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 4G030 AA02 AA03 AA04 AA20 AA21 AA24 AA25 BA10

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
    1-z-nTaz(Mn 0.50.5n)O3で表され,かつ
    x,y,z,nがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦
    1.0,0≦z≦0.4,0<n≦0.1の組成範囲に
    あることを特徴とする圧電磁器組成物。
  2. 【請求項2】 請求項1において,上記圧電磁器組成物
    は,圧電d31定数が30pm/V以上であることを特徴
    とする圧電磁器組成物。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において,上記圧電磁器
    組成物は,電気機械結合係数Kpが0.25以上である
    ことを特徴とする圧電磁器組成物。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,誘電損失が0.05以下である
    ことを特徴とする圧電磁器組成物。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,キュリー温度が200℃以上で
    あることを特徴とする圧電磁器組成物。
  6. 【請求項6】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
    1-z-nTaz(Mn 0.50.5n)O3で表され,かつ
    x,y,z,nがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦
    1.0,0≦z≦0.4,0<n≦0.1の組成範囲に
    ある圧電磁器組成物からなる粉末を成形し,焼成するこ
    とを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
  7. 【請求項7】 リチウムを含有してなる化合物と,ナト
    リウムを含有してなる化合物と,カリウムを含有してな
    る化合物と,ニオブを含有してなる化合物と,タンタル
    を含有してなる化合物と,マンガンを含有してなる化合
    物と,タングステンを含有してなる化合物とを混合,焼
    成することにより請求項1〜5のいずれか一項に記載の
    圧電磁器組成物を得ることを特徴とする圧電磁器組成物
    の製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項7において,リチウムを含有して
    なる化合物はLi2CO3であり,ナトリウムを含有して
    なる化合物はNa2CO3であり,カリウムを含有してな
    る化合物はK2CO3であり,ニオブを含有してなる化合
    物はNb25であり,タンタルを含有してなる化合物は
    Ta25であり,マンガンを含有してなる化合物はMn
    O,MnO2またはMnCO3であり,タングステンを含
    有してなる化合物はWO3またはMnWO4であることを
    特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
  9. 【請求項9】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧
    電磁器組成物よりなる圧電体を有することを特徴とする
    圧電素子。
  10. 【請求項10】 請求項6〜8のいずれか1項に記載の
    圧電磁器組成物の製造方法により製造される圧電磁器組
    成物よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素
    子。
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