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Info
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Abstract
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-yNay)1-x}(N
b1-z-nTaz(Mn0.5W0.5)n)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
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。
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。
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-xN
ax)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。
American Ceramic Societ
y”,米国,1962,Vol.45,No.5,p.
209
(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。
d31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。
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。
1-yNay)1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0. 5W0.5)n)
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
物にある(請求項1)。
本発明の圧電磁器組成物は,上記一般式{Lix(K1-y
Nay)1-x}(Nb1- z-nTaz(Mn0.5W0.5)n)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。
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。
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。
1-yNay)1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.5W0.5)n)
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
造方法にある(請求項6)。
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。
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)。
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-yNay)1-x}(Nb1-z-nTaz
(Mn0. 5W0.5)n)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。
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
d31定数及び電気機械結合係数Kpが高いものとなる。
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)。
ix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z- nTaz(Mn0.5W
0.5)n)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。
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)。
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。
成物は,一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb
1-z-nTaz(Mn0.5W0.5)n)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。
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。
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。
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。
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。
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 2O5であり,タンタルを含
有してなる化合物はTa2O5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。
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。
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-yN
ay)1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.5W0.5)n)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。以下,本例の圧電磁器組成物の製造
方法につき説明する。
99%以上の高純度のLi2CO3,K2CO3,Na2C
O3,Nb2O5,Ta2O5,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(Mn0.5W0.5)n)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。
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。
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。
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
d31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。
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
2O5及びTa2O5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(Mn
0.5W0.5)n)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。
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。
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。
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。
d31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。
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。
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。
℃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。
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。
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。
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。
1-x}(Nb1-z-nTaz(Mn0.5W0 .5)n)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。
Claims (10)
- 【請求項1】 一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(N
b1-z-nTaz(Mn 0.5W0.5)n)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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【請求項6】 一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(N
b1-z-nTaz(Mn 0.5W0.5)n)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。 - 【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。 - 【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Nb2O5であり,タンタルを含有してなる化合物は
Ta2O5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。 - 【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。 - 【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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