JP2009062202A - 圧電磁器組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電トランスの高寿命化および安定した圧電特性の確保をするために、比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋおよび振動速度限界Ｖｍａｘのより大きな圧電磁器組成物を提供すること。
【解決手段】
圧電磁器組成物は、一般式ａＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３−ｂＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｃＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｙＰｂＺｒＯ_３−ｚＰｂＴｉＯ_３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４、０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、かつＰｂの一部をＢａに置換した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ジルコンチタン酸鉛を主成分とする圧電磁器組成物に関するものであり、特に高出力圧電トランス素子材料として好適な圧電磁器組成物に関するものである。

近年、圧電磁器組成物を応用した圧電トランスは、電磁トランスと比較して高い効率および昇圧比が得られ、低背化に適しているため、液晶ディスプレイのバックライト用インバーターに用いられている。液晶ディスプレイの大型化および薄型化の要求から、圧電インバーターにも高出力化および小型化が要求され、電気機械結合係数がより大きく、機械的出力がより大きい圧電磁器組成物が求められている。

圧電トランスの場合には、その出力値Ｐｏｕｔは材料特性値である比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋ、振動速度Ｖと次の数１式の関係にある。

この数１式から、高出力の圧電トランスを得るための条件は、振動速度Ｖ、比誘電率εｒおよび電気機械結合係数Ｋの値が大きいことである。

更に、高出力を得るためには、圧電磁器組成物の電気エネルギーを機械的振動エネルギーへ変換する際のエネルギー損失を抑制することが求められる。圧電トランスの発熱は、トランスの周辺温度に対しておおよそ２０℃の上昇を上限として設定されるため、エネルギー損失が大きい場合には熱が発生し、振動振幅の限界値（振動速度限界値）を得る前に発熱上限になってしまう。

振動子の最大先端振動振幅ξｍおよび振動子の共振周波数ｆｒの測定から実効的振動速度Ｖを算出すると、実効振動速度Ｖは次の数２式で表される。（非特許文献１に開示）

このように振動レベルは、実効振動速度Ｖで表現できる。従来の圧電磁器組成物において、安心して使用できる振動速度の限界値（トランスの周辺温度に対して２０℃発熱するときの振動速度：Ｖｍａｘ）は、０．３ｍ／ｓ程度であった。

また、０．３ｍ／ｓで振動子を使用する場合、瞬間的な起動や駆動電圧のオーバーシュート、経年劣化を鑑み、振動子の強度として約３倍の振動速度０．９ｍ／ｓで駆動しても試料の破壊が無いことが望ましい。

高振動速度でも駆動可能な圧電磁器組成物に関しては、特許文献１に開示されている。ここでは、組成式ａＰｂＺｒＯ_３−ｂＰｂＴｉＯ_３−ｃＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表される特定の組成範囲と焼結体の平均粒径範囲を規定することで、振動速度限界Ｖｍａｘ≧０．４５ｍ／ｓを実現している。

しかしながら、圧電トランスを振動速度が高い状態で動作させると、振動子自身が発生する歪みによって振動子に破壊が生じるおそれがあり、電極部の高精度な接続および高精度な振動子の支持が必要となる。すなわち、電極部への接続位置精度や振動子の支持精度のばらつきが、大振幅での動作時に顕著になり、安定した圧電トランス特性を確保できなくなるという問題があった。

特開２００３−２６４７７号公報 広瀬清二、信学技報 ＵＳ９２−３ 圧電振動子のハイパワー特性の自動測定

本発明は、上述した問題点を解決するもので、その技術課題は、圧電トランスの高寿命化および安定した圧電特性の確保をするために、比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋおよび振動速度限界Ｖｍａｘのより大きな圧電磁器組成物を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、ａＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３−ｂＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｃＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｙＰｂＺｒＯ_３−ｚＰｂＴｉＯ_３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４、０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、かつＰｂの一部をＢａに置換したことを特徴とする圧電磁器組成物が得られる。

また、本発明の第２の態様によれば、前記圧電磁器組成物において、Ｐｂ含有量を０＜Ｐｂ≦１．０ｍｏ％減量したことを特徴とする圧電磁器組成物が得られる。

また、本発明によれば、第３の態様によれば、前記圧電磁器組成物において、常温下で圧電振動子として共振駆動されている状態での振動子の振動節点におけるトランスの周辺温度に対する温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界Ｖｍａｘとして、Ｖｍａｘが、０．３ｍ／ｓ以上で、かつ比誘電率が６００以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６以上であることを特徴とした圧電磁器組成物が得られる。

本発明によれば、圧電トランス用磁器組成物である複合ペロブスカイト類を第３成分として固溶させた多成分ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３に、第４、第５の主成分としてＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３を添加した特定の組成範囲を選択し、さらに、Ｐｂの一部をＢａで置換することで、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６０以上、比誘電率εｒが６００以上で、振動速度限界Ｖｍａｘが０．３ｍ／ｓ以上を実現できる圧電磁器組成物を得る。その結果、圧電トランスの高寿命化、安定した圧電特性の確保ができる。

また、本発明によれば、Ｐｂの一部をＢａの元素で置換し、Ｐｂ量を減らすことで、結晶粒の成長と焼結緻密化のバランスを調整することで、材料の抗電界を低下させることが可能となり、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することができる。

また、本発明の圧電磁器組成物を用いて圧電トランスを作製した場合、振動速度が大きい状態での使用が可能となる。振動速度は素子の大きさ等の条件によっても異なるが、たとえば、４０ｍｍ×４ｍｍ×１．５ｍｍのローゼン型圧電トランスにおいては、常温下で圧電振動子として共振駆動させた場合、実用に充分な１．０ｍ／ｓの振動速度でも使用が可能である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の圧電磁器組成物は、ａＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３−ｂＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｃＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｙＰｂＺｒＯ_３−ｚＰｂＴｉＯ_３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４、０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、かつＰｂの一部をＢａに置換した構成である。

ここで、本発明において、０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０と限定したのは、
ａ＋ｂ＋ｃ＝０．１０以上の場合又はａ＋ｂ＋ｃ＝０．０３以下の場合には、Ｋ３３が０．６０に達しないためである。その場合には、組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）に依存して、Ｋ３３≧０．６０を満たす０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４に組成が決定される。また、この組成範囲では、比誘電率εｒ≧６００（Ｖ／ｍｍ）で振動速度限界Ｖｍａｘ≧０．３（ｍ／ｓ）をすべて満足する。

また、Ｂａ置換によって、Ｐｂ含有量を０＜Ｐｂ≦１．０ｍｏ％減量することが好ましい。

さらに、本発明の圧電磁器組成物は、常温下で圧電振動子として共振駆動されている状態での振動子の振動節点におけるトランスの周辺温度に対する温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界Ｖｍａｘとして、Ｖｍａｘが、０．３ｍ／ｓ以上で、かつ比誘電率が６００以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６以上である。

ここで、トランスの周辺温度は、トランスを搭載する電子機器等の実使用温度範囲以内であり、例えば液晶ディスプレイであればトランスの周辺温度は最高で６０℃を目標に設計されている。その他の電子機器等においては、それぞれ異なる実使用温度条件があるものの、本発明におけるトランスの周辺温度とは、概ね−２５℃以上８５℃以下の範囲を指すものである。

上記のように構成した本発明の圧電磁器組成物において、この圧電磁器組成物を用いて、圧電トランス素子を作製し、振動速度を１．０ｍ／ｓで駆動しても破壊しない強度を有する。

本発明の圧電磁器組成物は、以下の製造方法で作製されている。

まず、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ_３）、酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）および炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）を原料として用い、目標組成となるように秤量し、これらの原料粉をボールミルで湿式混合した。その後、これらの混合粉を脱水し、乾燥した後に、アルミナこう鉢中で予焼を行い、各予焼粉をボールミルで湿式粉砕した。

さらに、脱水し乾燥して得た予焼粉砕粉にバインダを混合して加圧して、φ２０×厚さ３ｍｍの形状に成形した。この成形体は、９００〜１２００℃の温度で２〜６時間の焼成を行った。その後、切断工程で、各焼結体を１ｍｍの厚さに加工した。次に、両面に銀ペーストを塗布し、４５０℃で焼き付けを行い、電極を形成した。これによって、組成の異なる圧電磁気組成物の評価用の試料を作製した。

また、振動速度限界Ｖｍａｘ測定試料は、１２×３×１ｍｍの形状にし、縦振動モード測定試料は、３×３×１０ｍｍの形状にした。このようにして得られた各試料を分極処理した。分極処理した円板試料の材料特性の測定は、インピーダンスアナライザ（ＨＰ４１９４Ａ）を用いて行った。なお、ここで用いた測定方法はＥＭＡＳ−６１００に準拠して行った。

また、試料の強度を評価するための、破壊に至る振動速度（破壊振動速度）の測定には、４０×４×１．５ｍｍの形状でローゼン型の圧電トランスを作成し、試料端面の振動速度をレーザードップラー振動速度計で測定した。試験は共振駆動状態で試料が破損するまで駆動電圧を上げる方法で行った。

以下、本発明の実施例について、図面にて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

下記表１は、本発明の実施例に関わる圧電磁器組成物の組成と圧電特性（比誘電率εｒ、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３、振動速度限界Ｖｍａｘ）との関係を示している。

本発明の実施例に係る圧電磁器組成物は、表１の試料番号前に＊がついていないものである。即ち、＊は本発明以外の比較例を示している。

また、上記表１に示した組成パラメーターの項目（ａ＋ｂ＋ｃ）は、一般的にＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３以外の「第３」成分と呼ばれるものの総量を意味するものである。

また、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３の範囲は、現状製品の圧電特性より特性が優れる０．６０以上と決定した。図１は縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３を組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）との関係をプロットしたグラフを示している。図１から、振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３は、第３成分量ａ＋ｂ＋ｃ＝０．０５８の場合には、試料番号１８の近傍組成領域で最大値を示した。

第３成分量ａ＋ｂ＋ｃ＝０．１０２の場合は、試料番号１、２、３のいずれの組成領域でも、Ｋ３３は、０．６０には達しなかった。また、試料番号１、２、３では第３成分量が多すぎてＫ３３が劣化したと考えられる。

また、第３成分量ａ＋ｂ＋ｃ＝０．０２９の場合は、試料番号２７、２８、２９、３０、３１のいずれの組成領域でも、Ｋ３３は０．６０に達しなかった。試料番号２７、２８、２９、３０、３１の場合は、第３成分量が少なすぎてＫ３３が劣化したと考えられる。これらの結果より、第３成分量ａ＋ｂ＋ｃの組成範囲は０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０に決定した。その上で、組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）に依存して、Ｋ３３≧０．６０を満たす０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４に組成を決定した。

なお、上記組成範囲では、比誘電率εｒ≧６００（Ｖ／ｍｍ）で振動速度限界Ｖｍａｘ≧０．３（ｍ／ｓ）をすべて満足することが表１よりわかる。

ここで、圧電磁器組成物を圧電トランス素子とする場合には、抗電界以上の電界を印加して材料の自発分極の方向をそろえる必要がある。

図２は１６０℃における本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の抗電界強度Ｅｃを示したものである。ここでＢａ置換量は、Ｐｂ元素総量を１００％としたときの置換元素数比率を表している。Ｂａ置換量が増えると共に材料の抗電界Ｅｃは低下した。抗電界Ｅｃが、低下すると、分極処理に必要な電圧が少なくでき、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することが可能となった。

図３はＢａ量を変更した材料から代表的なものについて破壊振動速度測定用トランス試料を作成し、分極処理電界に対する出力側Ｋ３３と破壊振動速度を示す図である。

前述の図２に示したようにＢａ量が増えると共に抗電界Ｅｃが低下するので、低い分極電界で高いＫ３３が得られるようになる。それと共に破壊振動速度はより低い分極電界領域で低下し始める。ここで望ましいのは高いＫ３３かつ破壊振動速度の安定領域が広い材料であり、図３に示した中ではＢａ４．０％の特性が優れる。なお、ここでＫ３３のレベルが低めであるのは、素子の一部分の駆動で全体を振動させてＫ３３を測定しているためである。

なお、この図によれば、４０×４×１．５ｍｍのローゼン型圧電トランスで実用に充分な１．０ｍ／ｓの振動速度でも十分に使用可能な振動子が得られることがわかる。

図４は、本発明に関わる圧電磁器組成物の焼結温度と焼結密度との関係をＰｂ置換量で比較した図である。また、図５は、本発明に関わる圧電磁器組成物のＰｂを減らした効果を材料組成と縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３との関係をＰｂ置換量で比較した図である。

図４を参照すると、Ｐｂ量を減らすことで低温側の焼結密度が低下する事がわかった。また、図５を参照すると、図４で７．９３〜７．８６ｇ／ｃｍ^３とほぼ同程度の焼結密度を示した１１００℃焼結品についての縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が、Ｐｂ量の減量に依存して向上することがわかる。

ここで、Ｋ３３特性向上の要因は、セラミックの空隙解消の促進、およびセラミックの結晶粒成長の効果と考えられる。圧電磁器組成物は焼結時の固体拡散によって粒子間の空隙を減らし緻密化するが、粉末の焼結性が良い場合には、焼結収縮のプロセスが早すぎて、間隙内の空気が逃げられずに素子内に残留し、密度が低下する。このような場合には、焼結温度を低くして、保持時間を長くする対策があるが、結晶粒が充分に成長しないことはしばしばある。本発明では、結晶粒成長に充分な温度条件で、Ｐｂ量が減少することで、空隙解消と緻密化のバランス調整を行った結果、Ｋ３３特性が向上した。

以上の説明の通り、本発明の圧電磁気組成物は、圧電トランス、圧電インバータ等の圧電振動子に適用される。

本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３と組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る圧電磁器組成物のＢａ置換量と１６０℃における抗電界Ｅｃとの関係を示す図である。 本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の分極電界と出力側縦振動電気機械結合係数Ｋ３３および破壊振動速度との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の焼結温度と焼結密度との関係をＰｂ置換量で比較した図である。 本発明の実施例に係る圧電磁器組成物のＰｂを減らした効果として材料組成と縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３との関係をＰｂ置換量で比較した図である。

Claims (3)

1. ａＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３−ｂＰｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｃＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｙＰｂＺｒＯ_３−ｚＰｂＴｉＯ_３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４、０．０３＜ａ＋ｂ＋ｃ≦０．１０（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であり、かつＰｂの一部をＢａに置換したことを特徴とする圧電磁器組成物。
2. 請求項１に記載の圧電磁器組成物において、Ｐｂ含有量を０＜Ｐｂ≦１．０％減量したことを特徴とする圧電磁器組成物。
3. 請求項１又は２に記載の圧電磁器組成物において、常温下で圧電振動子として共振駆動されている状態での振動子の振動節点における温度上昇が２０℃に達するときの振動子の端面の振動速度を振動速度限界Ｖｍａｘとしたとき、Ｖｍａｘが、０．３ｍ／ｓ以上で、かつ比誘電率が６００以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。

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