JP2006151796A

JP2006151796A - 圧電セラミックス組成物

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Publication number: JP2006151796A
Application number: JP2005312967A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Osato; 齊大里; Kenichi Kakimoto; 健一柿本; Masuhira Kaku; 益平郭
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】優れた圧電特性を有する鉛フリー圧電材料を提供することにある。
【解決手段】本発明は、一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３（但し０＜ｘ≦０．０８）で示される圧電セラミックス組成物である。本発明の組成物は、ＬｉＮｂＯ３の固溶量（ｘの値）に依存してその結晶構造が変化し、それに依存して圧電特性も変化する。ｘ≦０．０５では斜方晶ペロブスカイト構造、ｘ≧０．０８では正方晶タングステンブロンズ構造が観察され、斜方晶をとる組成と正方晶をとる組成との中間（ｘ＝０．０６付近）には、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ)と呼ばれる領域が存在する。本発明の組成物の圧電特性は０＜ｘ≦０．０８の組成範囲で優れており、特に、ＭＰＢ近傍の０．０５＜ｘ＜０．０７の範囲内であるときに特に優れたものとなる。また、正方晶構造をとるｘ＝０．０８の組成では、ある程度の圧電特性が確保されるとともに温度安定性に優れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉛フリーの圧電セラミックス組成物に関する。

アクチュエータやセンサに使用される圧電セラミックスとしては、従来、優れた圧電特性を示すチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が最も多く利用されてきた。しかし、近年、環境汚染に対する関心の高まりから、鉛を含まない鉛フリー材料の開発が進められている。
例えば特許文献１および特許文献２には、ＰＺＴに代替し得る鉛フリー圧電材料として、（Ｌｉ_ｘＮａ_ｙＫ_ｚ）ＮｂＯ_３を主成分とする圧電セラミックスが報告されている。
特開昭４９−１２５９００号公報特開２００３−２７７１４５公報

しかし、上記のような組成の鉛フリー圧電材料は、淡々と組成調合を繰り返してみても、最高で電気機械結合定数ｋ_ｐ＝０．３５、ｋ_ｔ＝０．４０（なお、圧電定数については未知である）という、アクチュエータ等への応用には全く不十分な圧電特性しか得られていなかった。したがって、上記組成の鉛フリー圧電材料をそのままＰＺＴの代替材料として応用するということは、当業者にとって考え難いことであった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた圧電特性を有する鉛フリー圧電材料を提供することにある。

本発明者らは、優れた圧電特性を有する鉛フリー圧電材料を開発すべく、ＬｉＮｂＯ_３−ＮａＮｂＯ_３−ＫＮｂＯ_３系の圧電材料について、その組成と圧電特性との関係を詳細に検討し、併せて結晶構造との関係についても考察した。その結果、全く意外にも、（１−ｘ）（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３−ｘＬｉＮｂＯ_３系の組成物において、ＬｉＮｂＯ_３の固溶量（ｘの値）を適切な量とすることにより、その結晶構造に相関して高い圧電特性および電気機械特性を達成できることを見出した。本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３（但し０＜ｘ≦０．０８）で示される圧電セラミックス組成物である。
本発明者らの研究によれば、上記一般式で表される組成物は、ＬｉＮｂＯ_３の固溶量、すなわちｘの値に依存してその結晶構造が変化し、それに依存して圧電特性も変化する。ｘの値が約０．０５以下では斜方晶ペロブスカイト構造が支配的であり、ｘの値が０．０８以上では正方晶タングステンブロンズ構造が観察される。また、斜方晶をとる組成と正方晶をとる組成との中間（ｘ＝０．０６付近）には、モルフォトロピック相境界（Morphotropic Phase Boundary, MPB)と呼ばれる領域があり、その近傍では固溶体が斜方晶と正方晶との中間的な歪んだ結晶構造をとる。本発明の組成物の圧電特性は、０＜ｘ≦０．０８の組成範囲で優れており、ＭＰＢ近傍の０．０５＜ｘ＜０．０７の範囲内であるときに特に優れたものとなる。また、正方晶構造をとるｘ＝０．０８の組成では、ある程度の圧電特性が確保されるとともに温度安定性に優れる圧電セラミックス組成物を得ることができる。

本発明によれば、従来の圧電材料に代替しうる、優れた圧電特性を発揮する新規な鉛フリー圧電材料を提供できる。

本発明の圧電セラミックス組成物は、一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３で示されるものである。Ｌｉの組成比、すなわち上記一般式中のｘの値の範囲については、０より大きく０．０８以下であることを要し、特に０．０５＜ｘ＜０．０７の範囲で優れた圧電特性を発揮する。

このような圧電セラミックス組成物は、原料である炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、および炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）を混合して焼成することにより得ることができる。以下に、本発明の組成物の調製方法の一例を説明する。

まず、原料であるＫ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＬｉ_２ＣＯ_３を秤量し、混合する。このとき、焼成工程におけるカリウムの揮散性等を考慮して、目的とする組成比の組成物が得られるよう、各原料の秤取重量を調整する。原料の混合は例えば湿式混合により行うことができる。

次に、混合後の原料にバインダを加えて造粒する。バインダとしてはポリビニルアルコール、メチルセルロースなどの有機質の糊料を好ましく使用できる。造粒後、得られた原料の粉粒体を成形する。成形は、例えば一軸プレスにより成形後、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）により再成形することにより行うことができる。

次いで、得られた成形体を脱脂後、焼成する。脱脂処理は成形物に含まれるバインダ等の有機物を徐々に焼失させる条件で行えば良い。また、焼成は焼成温度１０００〜１１００℃の範囲内での適切な温度で行うことができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

＜実施例１（ｘ＝０．０４）＞
１．焼結体の形成
純度９９．９％のＫ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５および純度９８％のＬｉ_２ＣＯ_３を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．０４（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９６ＮｂＯ_３の組成に基づいて秤量した。このとき、秤取重量を、焼成工程におけるカリウムの揮散性等を考慮して、目的とする組成比の組成物が得られるように調整した。次いで、秤取した原料に酸化ジルコニウム製ボールを加え、エタノールを溶媒としてポリエチレン製のポット内で２４時間、ボールミリング湿式混合した。
得られた原料混合物を８５０℃で１０時間仮焼成した。仮焼成後の粉末をボールミルで２４時間粉砕し、乾燥した後、ポリビニルアルコールを主成分とするバインダーを添加して造粒を行った。得られた造粒粉を直径１２ｍｍの金型を用いて９８ＭＰａでプレス成形した後、２００ＭＰａの冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）で再成形した。
得られた成形物を焼成温度１０００〜１１００℃の範囲内で、ｘの値に応じた適切な温度で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を試料として、以下の試験を行った。

２．試験
１）粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）法による解析
得られた焼結体について、粉末Ｘ線回折法（線源：Ｎｉフィルタでろ波したＣｕＫα）により、結晶相の同定を行った。測定装置としては株式会社リガク製Ｘ線回折装置ＲＡＤ−Ｂシステムを用いた。

２）圧電特性
得られた焼結体の両端面を平行研磨した後、両面にＡｇ電極を焼き付け、測定試料とした。誘電特性については、アジレント・テクノロジー株式会社製４２９４Ａプレシジョンインピーダンス・アナライザを用いて、温度範囲３０℃〜５５０℃で測定した。
また、試料に１５０℃に加熱したシリコンオイル中で３０ｋＶ/ｍｍの電界を３０分間印加することによって分極処理を施し、その後、電場内で室温まで冷却した。この試料について、圧電定数ｄ_３３をｄ_３３メータを用いて測定した。また、電気機械結合定数を、ＩＥＥＥ規格に基づき、インピーダンス・アナライザ（４２９４Ａ）を用いて、共振−反共振法により測定した。

＜実施例２（ｘ＝０．０５）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．０５（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９５ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜実施例３（ｘ＝０．０６）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．０６（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９４ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜実施例４（ｘ＝０．０７）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．０７（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９３ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜実施例５（ｘ＝０．０８）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．０８（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９２ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜比較例１（ｘ＝０．１０）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．１０（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．９０ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜比較例２（ｘ＝０．１５）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．１５（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．８５ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜比較例３（ｘ＝０．２０）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物Ｌｉ_０．２０（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_０．８０ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

＜比較例４（ｘ＝０）＞
原料の秤取重量を、目的とするセラミックス組成物（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３の組成に基づき、目的とする組成比の組成物が得られるよう調整した。その他は、実施例１と同様にして焼結体を作成し、試験を行った。

［結果と考察］
本発明の組成物は、（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３にＬｉＮｂＯ_３を微量固溶させたものということができる。ここで、両端（ｘが０または１の場合）の組成物のうち一方の（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３は斜方晶ペロブスカイト構造をとり、他方のＬｉＮｂＯ_３はイルメナイト構造をとるとされる。固溶体が構成される組成範囲では、圧電性の目安となる分極軸数が両端の結晶相それぞれの分極軸数を積算した数になるため、優れた圧電特性の発現に有利な構造となると考えられる。
そこで、本発明者らは、一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３で表される組成物について、ＬｉＮｂＯ_３の固溶量の変化（すなわち、上記一般式におけるｘの値の変化）と結晶構造との関係について詳細に検討した。

図１には、各実施例および比較例の焼結体のＸ線回折パターンを示した。
ＬｉＮｂＯ_３の固溶量が低い領域（ｘ＜０．０５）では、斜方晶ペロブスカイト構造が支配的であった。このとき、ＬｉがＡＢＯ_３ペロブスカイト構造におけるＡサイトのＮａおよびＫと置換し、固溶体が形成される。固溶量が増大していくと、固溶体の構造はＬｉによって引き起こされる大きなひずみのために斜方晶から正方晶に変化する。正方晶タングステンブロンズ構造の相はｘ＝０．０８から現れ始めた。斜方晶−正方晶間のＭＰＢは０．０５＜ｘ＜０．０７の範囲に存在すると考えられる。なお、ｘ≧０．１の組成範囲ではＡサイトへのリチウムの置換が困難となって単一相の固溶体が形成されなくなり、（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３のペロブスカイト構造とＬｉＮｂＯ_３のイルメナイト構造とがそれぞれ独立して観測された。

表１および図２〜図４には、各実施例および比較例の試料の圧電歪定数ｄ_３３および電気機械結合定数ｋ_ｐ、ｋ_ｔの測定結果を示した。

圧電歪定数ｄ_３３および電気機械結合定数ｋ_ｐ、ｋ_ｔは、ｘの値が増大するにつれて徐々に増大し、ＭＰＢ近傍の領域で極めて大きな値を示した。特に、ｘ＝０．０５で径方向の電気機械結合定数ｋ_ｐ＝４４％、ｘ＝０．０６で圧電歪定数ｄ_３３＝２３０ｐＣ/Ｎ、厚さ方向の電気機械結合定数ｋ_ｔ＝４８と、ＭＰＢ領域における斜方晶側の端縁付近で極大値が観測された。ＭＰＢ領域を超えると圧電歪定数ｄ_３３および電気機械結合定数ｋ_ｐ、ｋ_ｔは低下し始め、単一相の固溶体が形成されなくなる組成領域（ｘの値が０．１以上）では、ｘ＝０の場合とほぼ同等かそれよりも低くなった。このように、圧電特性は強い組成依存性を示しており、ＭＰＢが（１−ｘ）（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）ＮｂＯ_３−ｘＬｉＮｂＯ_３系の組成物において高い圧電特性の発現に極めて重要な役割を果たすことが明らかとなった。

図５には、ｘ＝０、０．０４、０．０６、０．０７の場合の未分極の試料についての１０ｋＨｚで測定した比誘電率ε_ｒと温度との関係を示すグラフを、図６には、同じ試料についての誘電損失と温度との関係を示すグラフを、それぞれ示した。ｘ＝０の場合、比誘電率のピーク（キュリー温度）は４２０℃に存在していた。これに対し、ｘ＝０．０４、０．０６、０．０７の場合、ピークは高温側へシフトし、約４５０℃であった。また比誘電率は室温から４００℃までの範囲で温度依存性が殆どなく、温度安定性が極めて良好であることが示された。一方、誘電損失は、室温から２００℃までの間で４％未満であり、その後徐々に増大してキュリー温度でピークに達し、その後いったん低下したのち、急激に増大した。

表２および図７には、ｘ＝０．０６、０．０８の試料について、温度を変化させて測定した場合の電気機械結合定数ｋ_ｐの変化を示した。

ＭＰＢ組成であるｘ＝０．０６の場合、電気機械結合定数ｋ_ｐは８０℃以下では約４２〜４６％と極めて大きな値を示したが、８０℃を超えると急激に低下して約３４％以下となった。一方、結晶構造が正方晶にシフトしたｘ＝０．０８の場合、電気機械結合定数ｋ_ｐは約３４〜３６％と、ｘ＝０．０６（温度８０℃以下）の場合と比較してやや低いものの、２０〜２００℃の温度範囲で温度依存性が殆どなく、安定した値を示した。このことから、本発明の組成物であってｘ＝０．０６のものは、概ね室温環境下で使用され、高い圧電特性が要求される医療用途などに適し、ｘ＝０．０８のものは、周囲温度の変化が大きな環境下で使用される自動車用途などに適する。

以上より、一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３で示される圧電セラミックス組成物は、ＬｉＮｂＯ_３の固溶量、すなわちｘの値に依存してその結晶構造が変化し、それに依存して圧電特性も変化する。圧電特性は、０＜ｘ≦０．０８の組成範囲で優れており、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）近傍の０．０５＜ｘ＜０．０７の組成範囲内であるときに特に優れたものとなる。また、本組成物は、４５０℃以上という高いキュリー温度を示し、広い温度範囲で温度安定性を示す。

各実施例および比較例のセラミックス組成物のＸ線回折チャート各実施例および比較例のセラミックス組成物においてｘの値と圧電歪定数ｄ_３３との関係を示すグラフ各実施例および比較例のセラミックス組成物においてｘの値と電気機械結合定数ｋ_ｐとの関係を示すグラフ各実施例および比較例のセラミックス組成物においてｘの値と電気機械結合定数ｋ_ｔとの関係を示すグラフｘ＝０、０．０４、０．０６、０．０７の場合の未分極の試料についての比誘電率ε_ｒと温度との関係を示すグラフｘ＝０、０．０４、０．０６、０．０７の場合の未分極の試料についての誘電損失と温度との関係を示すグラフｘ＝０．０６、０．０８の場合の試料についての電気機械結合定数ｋ_ｐと温度との関係を示すグラフ

Claims

一般式Ｌｉ_ｘ（Ｎａ_０．５Ｋ_０．５）_１−ｘＮｂＯ_３（但し０＜ｘ≦０．０８）で示される圧電セラミックス組成物。
前記一般式において０．０５＜ｘ＜０．０７であることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス組成物。
前記一般式においてｘ＝０．０８であることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス組成物。