JP2008184336A5 - - Google Patents
Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008184336A5 JP2008184336A5 JP2007016331A JP2007016331A JP2008184336A5 JP 2008184336 A5 JP2008184336 A5 JP 2008184336A5 JP 2007016331 A JP2007016331 A JP 2007016331A JP 2007016331 A JP2007016331 A JP 2007016331A JP 2008184336 A5 JP2008184336 A5 JP 2008184336A5
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric ceramic
- amount
- temperature
- spontaneous polarization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 71
- 230000002269 spontaneous Effects 0.000 claims description 43
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 27
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N TiO Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- VASIZKWUTCETSD-UHFFFAOYSA-N manganese(II) oxide Inorganic materials [Mn]=O VASIZKWUTCETSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 17
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 8
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 6
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 230000001603 reducing Effects 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001737 promoting Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000272519 Aix Species 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate dianion Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002999 depolarising Effects 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Description
本発明は、圧電磁器および圧電素子に関し、例えば、共振子、超音波振動子、超音波モータ、あるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、およびAEセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、厚み縦振動で動作する、エネルギー閉じ込め型発振器の高周波共振子や正圧電効果(物体に応力を加えた場合に電気分極が発生し、物体表面に電荷が生じる効果)を利用した圧力センサ素子として好適に用いられる圧電磁器および圧電素子に関するものである。
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、フィルタ、圧電共振子、(以下、発振子を含む概念である)超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
近年、自動車のエンジンやサスペンションといった部分に圧電素子が組み込まれ、正圧電効果を利用して、圧電素子に加えられた圧力をセンシングしてエンジンの燃焼制御や車体の姿勢制御に用いられている。特に、エンジン制御に用いられる圧電素子としては、排気ガスのクリーン化と燃費向上の目的で普及しているリーンバーン方式のエンジンの中で、アンチノックセンサがある。また、圧電素子は、次世代エンジンとして検討されている燃焼プラグを用いないHCCI(Homogenous Charge Compression Ignition)方式のエンジンの中で、希薄ガスの安定した燃焼を目的として燃焼圧の測定に使用が検討されている。
これら、圧電素子はエンジンルーム内に搭載されるため、耐熱性の高い素子材料が必要となる。さらに、燃費を向上させるためには、エンジンシリンダ内の圧力を精密に測定して、きめ細かなリーンバーン制御をする必要があるため、センサの圧力・温度変化に対する出力信号特性(発生電荷の圧力特性および温度特性)の変化の少ない素子材料が必要とされる。
従来、共振子や圧力センサ素子には、圧電性が高く、例えば大きなP/Vや圧力に対する大きな発生電荷が得られるPTやPZT系材料が使用されていた。しかしながら、PZTやPT系材料は、鉛が自重の約60質量%の割合で含有されているため、酸性雨により鉛の溶出が起こり、環境汚染を招く危険性が指摘されている。そこで、鉛を含有しない圧電材料への高い期待が寄せられている。
また、PZTやPT系材料は、キュリー温度Tcが約200〜300℃であることから、200℃程度の高温下で使用すると圧電d定数が劣化する点、室温の圧電d定数に対して200℃の圧電d定数が大きく変化する点などから、用途に大きな制限があった。例えば、圧力センサとして用いた場合、経時変化で圧電d定数が劣化すると、同じ圧力でも出力電圧が変わり、また、室温の圧電d定数に対する200℃の圧電d定数の変化が大きいと、圧力と出力電圧との関係が線形でないので、出力電圧から正確な圧力を算出することが困難になる。
そこで、鉛を含有しない圧電磁器組成物として、ビスマス層状化合物を主体とする材料が提案されている(例えば特許文献1。)。
ビスマス層状化合物を主体とする材料では、キュリー温度が400℃以上のものが多く、そのようなものは、高い耐熱性を有しており、エンジンルーム内といった高い温度にさらされる環境下で使用するセンサ素子として応用できる可能性がある。
また、ビスマス層状化合物を主体とする材料では、PZTやPT系材料と比較して機械的品質係数(Qm)が高いという特徴があり、共振子用の圧電材料としての応用が可能である。圧電素子は共振子として、コンピュータの基準信号発振器に使われ、例えば、コルピッツ発振回路等の発振回路に組み込まれて利用される。図1はコルピッツ発振回路を基本とした回路構成においてインダクタの部分を圧電共振子に置き換えたピアス発振回路を示すものである。このピアス発振回路は、コンデンサ111、112と、抵抗113と、インバータ114および共振子115により構成されている。そして、ピアス発振回路において、発振信号を発生するには、以下の発振条件を満足する必要がある。
すなわち、インバータ114と抵抗113からなる増幅回路における増幅率をα、位相量をθ 1 として、また、共振子115とコンデンサ111、112からなる帰還回路における帰還率をβ、位相量をθ 2 としたとき、ループゲインがα×β≧1であり、かつ、位相量がθ 1 +θ 2 =360゜×n(但しn=1,2,…)であることが必要となる。
一般的に抵抗113およびインバータ114からなる増幅回路は、コンピュータに内蔵されており、誤発振や不発振を起こさず、安定した発振を得るためには、ループゲインを大きくしなければならない。ループゲインを大きくするには、帰還率βのゲインを決定する、共振子115のP/V(ピークバレー値)、すなわち共振インピーダンスR 0 および反共振インピーダンスR a の差を大きくすることが必要となる。なお、P/Vは20×Log(R a /R 0 )の値として定義される。
特開2002−167276
しかしながら、従来の鉛を含有しないビスマス層状化合物を主体とする圧電磁器では、圧力センサに使用する場合、発生電荷が小さく単位圧力1N当り15pC以下となり、また、発生電荷の温度変化も20%以上(25℃を基準で200℃時)と大きいため、高い精度を必要とする圧力センサ素子としては使用できないという問題があった。
また、圧電磁器を圧力センサ素子として用いる場合、圧電磁器には圧力が印加されるため、相対密度が低いと機械的信頼性が劣るという問題があった。さらに、圧電磁器を共振子として用いる場合、例えばダイシングカットなどの素子加工を行った際、相対密度が低いと圧電磁器の加工面やエッジにチッピングが発生してリップルの発生原因となるという問題があった。
したがって、本発明は、正圧電効果により圧力1N当りに発生する電荷量が大きくすることができるとともに、−40〜200℃の温度範囲での25℃に対する発生電荷の温度安定性に優れ、非鉛系で相対密度の高い圧電磁器および圧電素子を提供することを目的とする。
本発明の圧電磁器は、組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.005≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、MnをMnO 2 換算で0.05〜2.0質量部含有することを特徴とするものである。
また、本発明の圧電磁器は、組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.02≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物からなることを特徴とするものである。
本発明の圧電磁器は、自発分極量が12μC/cm 2 以上であるとともに、25℃における自発分極量に対する−40℃〜200℃における自発分極量の変化量が5%以下であることが好ましい。
本発明の圧電素子は、前記圧電磁器の対向する一対の主面にそれぞれ電極を形成してなることを特徴とするものである。
本発明の圧電素子は、厚み縦振動で作動することが好ましい。
本発明の圧電磁器によれば、モル比による組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.005≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、MnをMnO 2 換算で0.05〜2.0質量部含有することにより、自発分極量が大幅に増加するとともに、圧電磁器の相対密度が高くなる。
また、本発明の圧電磁器によれば、モル比による組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.02≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物からなることにより、自発分極量が大幅に増加するとともに、圧電磁器の相対密度が高くなる。
ビスマス層状化合物は、主にxが整数の値のものについて研究が進んでいるが、xを1.3≦x≦1.75とすることにより、自発分極量が、xが整数の場合より大きくなるために発生電荷量を大きくすることができる。また、aを0.4≦a≦0.6とすることにより、キュリー温度を高くできるとともに、発生電荷量を向上させることができるので、自発分極量を大きくできる。
また、低融点(1050℃)のBiFeO 3 を加えることにより焼結性が促進され、圧電磁器の相対密度を90%以上にできる。さらに、低融点の物質を添加もしくは複合化させることによって焼結性を促進した場合に見られる圧電特性の低下が抑制され、発生電荷量を大きくするとともに、発生電荷の温度変化を少なくすることができる。
これにより、高温環境下での用いられる圧力センサ用圧電磁器として有用な特性を示し、車のエンジンのシリンダー内の圧力を直接検出するための圧力センサや、SMD対応のショックセンサや、200℃の高温下でも圧電性の劣化が認められないことから、高温下で使用可能な不揮発の強誘電体メモリー素子などに使用することができる。
本発明の圧電磁器によれば、自発分極量が12μC/cm 2 以上であるとともに、25℃における自発分極量に対する−40℃〜200℃における自発分極量の変化量が5%以下である場合には、高温下においても安定した圧電特性を得ることができる。
本発明の圧電素子によれば、前記圧電磁器の対向する一対の主面にそれぞれ電極を形成してなることにより、高温下においても安定した圧電特性を得ることができる。
これにより、圧電素子を正圧電効果を利用する圧力センサに使用する場合、印加圧力1N当りの発生電荷量を大きくすることができ、かつ−40℃〜200℃の温度範囲における発生電荷量の温度安定性に優れた特性が得られる。
さらに、本発明の圧電素子を共振子として利用する場合には、厚み縦滑りおよび厚み縦振動における基本波振動のP/V値を大きくしながら、共振周波数と反共振周波数の間で10゜を超える位相歪みの発生を著しく少なくすることができ、さらに共振周波数の温度変化率が小さく、さらに焼成温度範囲が広くなることから焼成ばらつきによる異相の生成が抑制され、圧電センサの感度のバラツキやP/Vの特性変動を抑制でき、高い歩留まりを実現できる。
このような圧電素子の共振子によれば、例えば、厚み滑りおよび厚み縦振動モードで作動する発振器ではP/Vが大きくなることから発振の余裕度が高まり、かつ共振周波数と反共振周波数の間の周波数で位相歪みが発生しないことから安定した発振が得られるとともに、発振周波数の温度安定性に優れた高精度な発振が得られ、さらに、焼成温度の範囲が広くなることから焼成ばらつきによる特性変動を著しく抑制した2〜20MHzの広い周波数に適応できる共振子を得ることができる。
圧電共振子として使用した場合には、厚み滑り基本波振動ならびに厚み縦の基本波および3次オーバートーン振動でのP/V値を大きくすることができる。
さらに、本発明の圧電素子は厚み縦振動で作動する場合には、−20℃〜+80℃の温度範囲で発振周波数の温度安定性に優れた特性が得られる。
本発明の圧電磁器は、組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.005≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、MnをMnO 2 換算で0.05〜2.0質量部含有するものである。
ここで、係数であるxを上記の範囲に設定した理由について説明する。
ビスマス層状化合物は、主にxが整数の値のものについて研究が進んでいる。そして、xが整数の場合は、xの値が大きいとビスマス層状化合物の結晶構造内の擬ペロブスカイト層の層数が多くなるため、圧電特性は大きくなると考えられる。しかし、層数の増加にともないキュリー温度の低下、および、正圧電効果による発生電荷の温度変化は大きくなり、高精度なセンサ用途に使用できなかった。
正圧電効果による電荷の発生は結晶内に存在する双極子に起因しており、双極子により発生する自発分極に関係している。自発分極量が大きいと発生電荷量も増加する。また、発生電荷の温度依存性は前述と同様に自発分極の温度変化に起因している。特に、ビスマス層状化合物の擬ペロブスカイト層の層数が奇数の場合、c軸方向に自発分極が発生し、このc軸方向の自発分極は温度変化にともない減少する傾向にある。
そこで、xを1.3≦x≦1.75とすることにより、自発分極量が、xが整数の場合より大きくなるために発生電荷量を大きくすることができる。また、1.3≦x≦1.75の場合、c軸方向の自発分極が加わり、かつxが整数の場合より自発分極が大きくなるため、結晶全体の自発分極の温度変化を制御することが容易となる。
続いて、係数であるyを上記の範囲に設定した理由について説明する。yを0.005以上にすることにより、低融点(1050℃)のBiFeO 3 により焼結が促進され、圧電磁器の相対密度を90%以上にできる。圧電磁器の相対密度が90%以上であることにより、例えば、圧力センサに用いた際に機械的な応力による破壊を抑制することができる。BiFeO 3 の添加量が増えると絶縁性が低下するが、yを0.1以下にすることにより、200℃以下の環境温度で十分な絶縁性を得ることができる。そして、通常、低融点の物質を添加もしくは複合化させることによって焼結性を促進した場合に見られる圧電特性の低下は起き難い。特にyの値が0.05以下では、むしろ、相対密度が高くなることにより自発分極量が高くなるため、好ましい範囲である。
さらに、yを0.005以上にすることにより、キュリー温度Tcにおける強誘電体相転移が急峻に起こるため、Tc以下における圧電特性の劣化を減少させることができる。圧電磁器は、Tcに達しない温度であってもTcに近い高温になると強誘電体ドメインが動きやすくなり、その結果、脱分極が起きやすくなってしまう。そのため、高温にさらされた後に室温に戻しても、圧電特性が劣化してしまうことがあるが、yを上述の範囲内にすることにより、400℃の高温にさらされても、強誘電体ドメインの変化が少なく、周囲温度が室温に戻った際の圧電特性の劣化を少なくできる。具体的には、高温にさらされたても、圧力印加時の発生電荷量の低下が抑制できる。
続いて、係数であるaを上記の範囲に設定した理由について説明する。aを0.4≦a≦0.6とすることにより、キュリー温度が高くなるとともに、発生電荷量を向上させることができるので、自発分極量が大きくなる。よって、本発明の圧電磁器において、印加圧力1N当りの発生電荷量を大きくするとともに、発生電荷量の温度変化率を小さくすることができる。また、aが0.4以上であることにより、キュリー温度が高くなるため、高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下が抑制できる。
さらに、上述の主成分100質量部に対して、Mnの添加量が0.05質量部以上にすることにより、板状結晶である本材料系でも焼結しやすくなり、緻密な圧電磁器が得られ、弾性損失が増えることが抑制され、圧力印加時の発生電荷量が18pC/Nより低くなることがない。また、Mnの添加量を2質量部以下にすることにより、異相が生成されることが抑制でき、圧力印加時の発生電荷量が18pC/Nより低くなることがない。
また、本発明の他の圧電磁器は、組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.02≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物からなる。
xを1.3≦x≦1.75とすることにより、上述の場合と同様に、自発分極量が、xが整数の場合より大きくなるために発生電荷量を大きくすることができる。また、1.3≦x≦1.75の場合、c軸方向の自発分極が加わり、かつxが整数の場合より自発分極が大きくなるため、結晶全体の自発分極の温度変化を制御することが容易となる。
係数であるyを上記の範囲に設定した理由について説明する。yを0.02以上にすることにより、低融点(1050℃)のBiFeO 3 により焼結性が促進され、Mnの添加がなくても、圧電磁器が相対密度で90%以上にできる。BiFeO 3 の添加量が増えると絶縁性が低下するが、yを0.1以下にすることにより、200℃以下の環境温度で十分な絶縁性を得ることができる。そして、通常、低融点の物質を添加もしくは複合化させることによって焼結性を促進した場合に見られる圧電特性の低下は起き難い。特にyの値が0.05以下では、むしろ、相対密度が高くなることにより自発分極量が高くなるため、好ましい範囲である。
さらに、yを0.02以上にすることにより、上述の場合と同様に、400℃の高温にさらされても、強誘電体ドメインの変化が少なく、周囲温度が室温に戻った際の圧電特性の劣化を少なくできる。具体的には、高温にさらされたても、圧力印加時の発生電荷量の低下が抑制できる。
上述したいずれの圧電磁器も主成分が、組成式としてBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }で表され、主結晶相としてはビスマス層状化合物からなるものである。すなわち、本発明の圧電磁器は、{(Sr 1−a Ca a ) 1−y Bi y } x Bi 4 (Ti 3+x(1−y) Fe xy )O 12+3x(1−y)+3xy と表すことができ、(Bi 2 O 2 ) 2+ (α m−1 β m O 3m+1 ) 2− で書き表されるビスマス層状化合物の一般式において、αサイトとβサイトおよび酸素サイトに欠陥をともないながらm=4とm=5の構造が混在し、Mnが一部固溶したビスマス層状化合物になっていると考えられる。Mnが添加された圧電磁器では、Mnは主結晶相中に固溶しているが、一部Mn化合物の結晶として粒界に析出する場合がある。また、その他の結晶相として、パイロクロア相、ペロブスカイト相、構造の異なるビスマス層状化合物が存在することもあるが、微量であれば特性上問題ない。
さらに、結晶内に存在する双極子により発生する自発分極は、双極子に起因して発生する正圧電効果による電荷と関係するため、自発分極量が大きいと発生電荷量も増加する。本発明の圧電磁器は、自発分極量が12〜25μC/cm 2 であるとともに、25℃における自発分極量に対する−40℃〜200℃における自発分極量の変化量が5%以下であるため、温度依存性が低く、高い値の正圧電効果に発生電荷を得ることができる。
本発明の圧電磁器は、粉砕時のZrO 2 ボールからZr等が混入する場合もあるが、微量であれば特性上問題ない。
本発明の組成を有する圧電磁器は、例えば、原料として、SrCO 3 、CaCO 3 、Bi 2 O 3 、MnO 2 、TiO 2 、Fe 2 O 3 からなる各種酸化物あるいはその塩を用いることができる。原料はこれに限定されず、焼成により酸化物を生成する炭酸塩、硝酸塩等の金属塩を用いても良い。
これらの原料を上記した組成となるように秤量し、混合後の平均粒度分布(D 50 )が0.3〜1μmの範囲になるように粉砕し、この混合物を850〜1000℃で仮焼し、仮焼後の平均粒度分布(D 50 )が0.3〜1μmの範囲になるように粉砕し、再度所定の有機バインダを加え湿式混合し造粒する。
このようにして得られた粉体を、公知のプレス成形等により所定形状に成形し、大気中等の酸化性雰囲気において1000〜1250℃の温度範囲で2〜5時間焼成し、本発明の組成を有する圧電磁器が得られる。
本発明の組成を有する圧電磁器は、図1に示すようなピアス発振回路の共振子の圧電磁器、特に厚み滑り振動の基本波振動を利用する高周波共振子用として最適であるが、それ以外の圧電共振子、超音波振動子、超音波モータおよび加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧電センサなどにも用いることができる。
図2に本発明の圧電素子である圧電共振子(圧電発振子)を示す。この圧電共振子は、上記した組成の圧電磁器1の対向する一対の主面に、それぞれ電極2、3を形成して構成されている。このような圧電共振子では、厚み滑り振動および厚み縦振動における基本波のP/Vを高くでき、発振余裕度が高まり、共振周波数と反共振周波数の間の周波数で移相歪みが発生しないことから安定した発振が得られる。さらに、発振周波数の温度安定性に優れた高精度な発振が得られ、特に2〜20MHzの周波数に適応できる圧電共振子を得ることができる。
また、多結晶体からなる圧電磁器とすることで、単結晶に比べ加工によるチッピングを大きく抑えられ、さらには、成型金型により所望の形状になるように成型体を作製・焼成することで圧電素子を得ることができ、チッピング(共振子用磁器エッジの欠け)により共振周波数と反共振周波数の間にスプリアス振動にともなう移相歪みが発生することがなく、移相の条件を満足しないことから不発振とはならず、安定した振幅の発振を得ることができる。
したがって、上記圧電共振子は、共振周波数と反共振周波数の間およびその近傍の周波数で移相歪みが発生せず、厚み滑り振動および厚み縦振動のP/Vを大きくできるとともに、厚み縦振動での−20℃〜+80℃の温度範囲で発振周波数の温度安定性に優れたものとすることができる。また、400℃の高温にさらされても、−20℃〜+80℃の温度に戻った後には、高温にさらされる前と同じ特性を維持でき、高温となる環境下でも使用できる圧電共振子となる。
図3に本発明の圧電素子である圧電センサ素子を示す。この圧電センサは、上記した組成の圧電磁器11の対向する一対の主面に、それぞれ電極12、13を形成して、構成されている。また、分極は主面と垂直な方向に施してある。このような圧力センサでは、主面間に加わっている圧力により、各主面に電荷が生じ、主面間に加わっている圧力を測定することができる。そして、圧電磁器11が上述の組成のものであるので、−40℃〜+200℃の温度範囲で、加えられた圧力と発生する電荷の関係に変化がなく、また、400℃の高温にさらされても、−40℃〜+200℃の温度に戻った後には、高温にさらされる前と加えられた圧力と発生する電荷の関係に変化がないので、高温となる環境下でも使用できる高精度の圧力センサとなる。また、圧電磁器の相対密度が90%以上であることにより、機械的な応力によって破壊され難い圧電センサ素子となる。
なお、圧電センサ素子としては200℃の高温下においても安定した測定が可能な圧力センサを得るために、ランガサイトや水晶などの単結晶を用いる検討もなされている。そして、これら単結晶の場合、圧電d定数が小さく、また、加工時にチッピングが生じやすく、割れやすいという問題があり、さらに、単結晶の製造コストが極めて高いという問題があるが、本発明の圧電磁器では、そのような加工性の問題もなく、安価に製造可能である。
まず、出発原料として純度99.9%のSrCO 3 粉末、CaCO 3 粉末、Bi 2 O 3 粉末、TiO 2 粉末、Fe 2 O 3 粉末を、モル比による組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表したとき、x、y、aが表1に示す値の主成分と、この主成分100質量部に対してMnO 2 粉末を表1に示す質量部となるように秤量混合した。
秤量した原料粉末を、純度99.9%のZrO 2 ボール、イオン交換水と共に500mlポリポットに投入し、16時間回転ミルで混合した。
混合後のスラリーを大気中にて乾燥し、#40メッシュを通し、その後、大気中950℃で、3時間保持して仮焼し、この合成粉末を純度99.9%のZrO 2 ボールとイオン交換水と共に500mlポリポットに投入し、20時間粉砕して評価粉末を得た。
この粉末に適量の有機バインダを添加して造粒し、金型プレスで150MPaの圧力で成形し、大気中において1050℃〜1250℃で3時間本焼成し、直径7mm、厚み2.5mmの円柱状の正圧電効果評価用圧電磁器と、長さ25mm、幅38mm、厚みlmmの板状に共振周波数評価用圧電磁器を得た。
正圧電効果評価用圧電磁器は、厚み2mmに研磨した後、両主面(円柱の上下面)にAg電極を形成して、分極処理を行い、正圧電効果評価用圧電素子を得た。
正圧電効果の評価は以下のように行なった。25℃の環境下で、前述の評価用圧電素子の両主面に圧力300Nをプリロードとして印加して、三角波をレンジ幅50Nで周波数1Hz、10Hz、一波形間に0.6×一波長のデューティを入れた圧力印加波形を入力した。圧電磁器からの出力波形をチャージアンプ(キスラー製5011B)にて検出し、圧力印加に対する正圧電効果による発生電荷を計測した。圧力印加時の発生電荷量dは、
d=D/T
D:発生電荷(pN)
T:印加応力(ダイナミックレンジ、N)
として算出した。
d=D/T
D:発生電荷(pN)
T:印加応力(ダイナミックレンジ、N)
として算出した。
続いて、自発分極(Ps)を評価した。前述の正圧電効果評価用圧電磁器を厚み200μmまでラップ研磨を行い、両主面(円柱の上下面)にAu蒸着により電極を形成した後、ダイシングソーにより8mm×8mmに切り出し、評価試料とした。この試料に、ACT社製TF2000HSを用いてaix周波数10Hzの三角波を印加して、P−Eヒステリシスを測定して自発分極を求めた。
また、IRをJIS−C2141に準拠して評価した。
さらに、圧電磁器の相対密度は、JIS−R2205に準拠して測定した嵩密度を真密度で除して算出した。真密度は、圧電磁器中の気孔を除いた状態の密度を測定するため、乳鉢を用いて圧電磁器を平均粒径3μm程度まで粉砕し、ピクノメータ法を用いて測定した結果を真密度とした。
またさらに、高温環境にさらされた際の、圧電特性の劣化を調べるため、400℃×1時間の熱処理を行った後、再度25℃の環境下で圧力印加時の発生電荷量を測定し、次の式により高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下率を算出した。高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下率=(高温熱処理前の圧力印加時の発生電荷量−高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量)/高温熱処理前の圧力印加時の発生電荷量。なお、高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下率の結果が0.0%となっている試料は、高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下率が−0.05%より大きく、0.05%より低かったことを表している。これらの結果を表1に示す。
表1から明らかなように、本発明の範囲内の試料No.2〜6、11〜16、20、21および24〜33は、圧力印加時の発生電荷量は20pC/Nと高い値が得られるとともに、25℃の自発分極に対する−40℃および200℃の自発分極の変化率が±5%以内と温度依存性が低く、圧電磁器の相対密度も90%以上と高いものとなった。特に、1.35≦x≦1.65の範囲の試料は、自発分極の変化率が±3%以内と非常に温度依存性が低いもになった。
これに対して、xの値が本発明の範囲外の試料No.1、7および8で、xの値の小さい試料No.1は25℃の自発分極に対する200℃の自発分極の変化率が5%より大きくなり、xの値の大きい試料No.7および8は25℃の自発分極に対する200℃の自発分極の変化率が−5%より負の方向に絶対値が大きくなり、それぞれ温度依存性が高いものとなった。
また、yの値が本発明の範囲外の試料No.9、10および17で、yの値が小さい試料No.9および10では、圧電磁器の相対密度が90%未満と低いものになり、yの値の大きい試料No.17は200℃でのIRが1GΩより低く、絶縁性の低いものとなった。
さらに、aが本発明の範囲外の試料No.18、19、22では、aの値が小さい試料No.17および18では、高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下が5%以上と大きくなり、aの値の大きい試料No.22は圧力印加時の発生電荷量が17pC/Nと低いものになった。
さらに、aが本発明の範囲外の試料No.18、19、22では、aの値が小さい試料No.17および18では、高温熱処理後の圧力印加時の発生電荷量の低下が5%以上と大きくなり、aの値の大きい試料No.22は圧力印加時の発生電荷量が17pC/Nと低いものになった。
また、MnO 2 を添加しない試料No.23では圧電磁器の相対密度が90%未満と十分に緻密化していなかった。MnO 2 添加量が2.2質量部の試料No.34の磁器は分極処理を行なったが、分極できなかった。
共振周波数評価用圧電磁器は長さ6mm、幅30mmに加工後、長さ方向に分極するための端面電極を形成し分極処理を施した。その後、分極用電極を除去し、厚み約0.17mmとなるようにラップ機により加工した。その後、主面(長さ6mmと幅30mmからなる面)の両面にCr−Agを蒸着し、電極と圧電磁器との密着強度を高めるために250℃で12時間のアニール処理を施した。
共振周波数評価用圧電磁器は長さ6mm、幅30mmに加工後、長さ方向に分極するための端面電極を形成し分極処理を施した。その後、分極用電極を除去し、厚み約0.17mmとなるようにラップ機により加工した。その後、主面(長さ6mmと幅30mmからなる面)の両面にCr−Agを蒸着し、電極と圧電磁器との密着強度を高めるために250℃で12時間のアニール処理を施した。
その後、図2に示す電極構造となるように、無電極に相当する部位の電極をエッチングで除去し、長さ2.2mm(L)、幅0.9mm(W)、厚み0.17mm(H)形状にダイシングソーを用いて加工し、8MHzの発振に相当する小型な厚み縦振動の基本波振動用共振子を得た。図2において、Pは分極方向を示す。
共振子の特性は、インピーダンスアナライザによりインピーダンス波形を25℃の環境下で、測定し、厚み滑り振動の基本波振動でのP/VをP/V=20×Log(R a /R 0 )の式により算出した(ただし、R a :反共振インピーダンス、R 0 :共振インピーダンス)。
また、共振周波数(F osc )の温度変化率を、25℃の共振周波数を基準にして、−20℃もしくは+80℃での共振周波数の変化から次の式により算出した。F osc 変化率={(F osc (drift)−F osc (25))/F osc (25)}、ただし、F osc (drift)は、−20℃もしくは+80℃での共振周波数であり、F osc (25)は25℃での共振周波数である。
さらに、高温環境にさらされた際の、圧電特性の劣化を調べるため、400℃×1時間の熱処理を行った後、再度25℃の環境下でP/Vを測定し、次の式により高温熱処理後のP/Vの低下率を算出した。高温熱処理後のP/Vの低下率=(高温熱処理前のP/V−高温熱処理後のP/V)/高温熱処理前のP/V。なお、高温熱処理後のP/Vの低下率の結果が0.0%となっている試料は、高温熱処理後のP/Vの低下率が−0.05%より大きく、0.05%より低かったことを表している。これらの結果を表2に示す。
表2から、本発明の範囲内の試料は、厚み滑り振動における基本波振動のP/V値を45dB以上と大きくでき、共振周波数の温度変化率が±2100ppm以内と小さくなった。
また、出発原料として純度99.9%のSrCO 3 粉末、CaCO 3 粉末、Bi 2 O 3 粉末、TiO 2 粉末、Fe 2 O 3 粉末を、モル比による組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表したとき、x、y、aが表3に示す値のものを用いて、上述と同様にして、正圧電効果評価用圧電磁器と共振周波数評価用圧電磁器を作製し、上述と同様の評価をした。その結果を、表3および表4に示す。
表3から、正圧電効果評価用圧電磁器の評価では、yの値の小さな試料No.35および表1の中で、MnO 2 を添加していない試料No.23では圧電磁器の相対密度が90%未満と十分に緻密化していなかった。また、yの値の大きい試料No.17は200℃でのIRが1GΩより低く、絶縁性の低いものとなった。
表4から、本発明の範囲内の試料は、厚み滑り振動における基本波振動のP/V値を65dB以上と大きくでき、共振周波数の温度変化率が±1100ppm以内と小さくなった。
本発明の試料No.4および36をX線回折で分析したところ、m=5のビスマス層状化合物が主結晶相として認められた。ビスマス層状化合物はペロブスカイト構造が積み重なった中にBi 2 O 2 が挿入された結晶構造をもつ。Bi 2 O 2 層にはさまれたペロブスカイト構造のユニットの数がm数である。このことから、ペロブスカイト化合物はm=3からなるビスマス層状化合物に取りこまれて、m=5の結晶を有するようになったものと考えることができ、本発明の圧電磁器はm=5の構造とm=4の構造が混在していると考えられる。そして、BiFeO 3 はペロブスカイト構造を取るため、Bi層状化合物の擬ペロブスカイトの部分に組み込まれるかたちで構造を形成する。さらに、Mnが含まれる圧電磁器では、それら構造にMnが一部固溶したビスマス層状化合物になっているものと考えられる。
また、実施例で作製した試料を、蛍光X線分析装置で組成分析した。その結果、各試料の圧電磁器の組成は、調合した原料組成と同じであった。
1、11・・・圧電磁器
2、3、12、13・・・電極
P・・・分極方向
2、3、12、13・・・電極
P・・・分極方向
Claims (5)
- 組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.005≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物の主成分100質量部に対して、MnをMnO 2 換算で0.05〜2.0質量部含有することを特徴とする圧電磁器。
- 組成式がBi 4 Ti 3 O 12 ・x{(1−y)(Sr 1−a Ca a )TiO 3 ・yBiFeO 3 }と表され、1.3≦x≦1.75、0.02≦y≦0.1、0.4≦a≦0.6を満足するビスマス層状化合物からなることを特徴とする圧電磁器。
- 自発分極量が12μC/cm 2 以上であるとともに、25℃における自発分極量に対する−40℃〜200℃における自発分極量の変化量が5%以下であることを特徴とする請求項1または2記載の圧電磁器。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の圧電磁器の対向する一対の主面にそれぞれ電極を形成してなることを特徴とする圧電素子。
- 厚み縦振動で作動することを特徴とする請求項4記載の圧電素子。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007016331A JP5100138B2 (ja) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | 圧電磁器および圧電素子 |
EP07860261.2A EP2119686B1 (en) | 2006-12-26 | 2007-12-26 | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element |
PCT/JP2007/075032 WO2008081842A1 (ja) | 2006-12-26 | 2007-12-26 | 圧電磁器および圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007016331A JP5100138B2 (ja) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | 圧電磁器および圧電素子 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008184336A JP2008184336A (ja) | 2008-08-14 |
JP2008184336A5 true JP2008184336A5 (ja) | 2009-09-24 |
JP5100138B2 JP5100138B2 (ja) | 2012-12-19 |
Family
ID=39727610
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007016331A Active JP5100138B2 (ja) | 2006-12-26 | 2007-01-26 | 圧電磁器および圧電素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5100138B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2832707B1 (en) * | 2012-03-30 | 2016-12-28 | Kyocera Corporation | Piezoelectric ceramic, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric ceramic |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3981221B2 (ja) * | 1999-09-28 | 2007-09-26 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器 |
JP4234902B2 (ja) * | 2000-12-26 | 2009-03-04 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器組成物および圧電共振子 |
JP5094334B2 (ja) * | 2006-12-25 | 2012-12-12 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
JP5219421B2 (ja) * | 2007-07-27 | 2013-06-26 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
JP5322401B2 (ja) * | 2007-05-15 | 2013-10-23 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
JP4903683B2 (ja) * | 2006-12-26 | 2012-03-28 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
-
2007
- 2007-01-26 JP JP2007016331A patent/JP5100138B2/ja active Active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5094334B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP2006108639A (ja) | 圧電アクチュエータ | |
WO2009122916A1 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
JP4903683B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP2010030832A (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
JP5116584B2 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
EP2119686B1 (en) | Piezoelectric ceramic material and piezoelectric element | |
JP5100138B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP5421010B2 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
JP5207793B2 (ja) | 圧電センサ | |
JP4471542B2 (ja) | 圧電磁器組成物および圧電共振子 | |
JP2008184336A5 (ja) | ||
JP4992796B2 (ja) | 発振子 | |
JP5376817B2 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
JP2001158663A (ja) | 圧電磁器組成物 | |
JP2000313662A (ja) | 磁器組成物 | |
JP4903659B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP5219421B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP5322401B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP4983537B2 (ja) | 圧電磁器組成物、及び発振子 | |
JP5072760B2 (ja) | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 | |
JP5094284B2 (ja) | 圧電磁器および圧電素子 | |
JP2009242175A (ja) | 圧電磁器組成物、圧電素子、及び発振子 | |
JP4983538B2 (ja) | 圧電磁器組成物、及び発振子 | |
JP2001342061A (ja) | 圧電磁器及び圧電共振子 |