JP2012254913A - 複合圧電セラミックスおよび圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】チタン酸バリウム(BaTiO3)結晶粒子成形体表面に、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくとも一種から構成されるヘテロエピタキシャル成長膜を有することを特徴とする複合圧電セラミックスを形成する。
【選択図】図1
Description
x(KNbO3,NaNbO3のうち少なくとも一種)−(1−x)BaTiO3 (1)
上記一般式(1)は、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくとも一種とチタン酸バリウム(BaTiO3)とがx:(1−x)の比率で存在することを示している。本実施形態では、上記xは0.05〜0.6である。
当該モル比率は、0.05〜0.4であることが好ましく、0.05〜0.3であることが好ましい。
当該モル比率を0.1〜0.25とすることによって、圧電特性に一層優れる圧電セラミックスを得ることができる。
チタン酸バリウム(BaTiO3)結晶粒子成形体のX線回折(XRD)測定を行い、ソルボサーマル反応前後での変化を確認することができる。特に(200)、(002)面のピークは反応前後で変化があり、乾燥後の単結晶粉末成形体はアルキメデス法で密度を測定するとともに、X線回折(XRD)装置により標準的な測定条件でX線回折測定を行い、(200)、(002)面に注目してそのピークの形状を確認する。ピークの形状によりチタン酸バリウム(BaTiO3)の結晶粒子成形体のまわりに、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)の少なくとも一種の化合物が薄くヘテロエピタキシャル成長したかどうかを確認することできる(図2)。図2の反応後の歪んだピークは、BaTiO3の周りにニオブ酸カリウム(KNbO3)やニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)の少なくとも一種の化合物がヘテロエピタキシャル成長することにより、チタン酸バリウム(BaTiO3)の正方晶のピークと、その表面に成長したニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)等の正方晶または斜方晶のピークが重なったためであると考えられる。
Mn化合物や銅(Cu)化合物を含むことによって、圧電セラミックス1の機械的品質係数(Qm)を向上させることができる。
鉛(Pb)の含有量が十分に低減された圧電セラミックスは、焼成時における鉛の揮発、および圧電素子などの圧電部品として市場に流通し廃棄された後における環境中への鉛(Pb)の放出を最小限に抑制することができる。
このような圧電セラミックス1は、例えば、圧電素子である圧電発電素子、アクチュエータなどの振動素子、発音体またはセンサなどの材料として好ましく用いることができる。
前述のソルボサーマル法とは、溶媒に有機溶媒を用い、高圧下で反応させる方法であり、この方法では300℃以下の低温で合成が可能であり、これにより固溶を抑制したセラミックスが作製可能である。ソルボサーマル法ではヘテロエピタキシャル成長で形成された1つの相の周りに格子が連続したまま別種の相を成長させる方法がある。これによりヘテロエピタキシャルな界面を持つセラミックスの作製を行うことが可能である。本件は、ソルボサーマル法に限定されるのでなく、その他の製造方法としては、一般的な水熱合成法でもよい。
<チタン酸バリウム(BaTiO3)−ニオブ酸カリウム(KNbO3)セラミックスの作製>
堺化学工業製水熱合成チタン酸バリウム(BaTiO3)を準備してよく乾燥させ、エチルアルコールにポリビニルブチラールを溶解させたバインダを加えてフッ素加工された樹脂製容器にジルコニアボール(φ3mm)とともに入れて16時間混合した。
作製したチタン酸バリウム(BaTiO3)−ニオブ酸カリウム(KNbO3)セラミックスをリガク製X線回折(XRD)装置によりCuKα線を使用して、管電圧50kV、管電流40mA、走査速度20°/minでX線回折測定を行った。チタン酸バリウム(BaTiO3)とニオブ酸カリウム(KNbO3)は同じペロブスカイト構造であるため非常に近い角度にピークが出るため、(200)、(002)面に注目してそのピーク形状の変化を確認するとともに、ペロブスカイト構造以外の相の確認を行った。その結果を表1に示した。チタン酸バリウム(BaTiO3)−ニオブ酸カリウム(KNbO3)の合計に対し、0.05〜0.6の場合はペロブスカイト以外のピークは見られず、また(200)、(002)ピークも図2に示すようにチタン酸バリウム(BaTiO3)のものと比較すると形状が変化していているものを表1の◎印に示す。また図2と図4の中間の形状変化を示すのは、チタン酸バリウム(BaTiO3)の正方晶のピークが多少確認できているものを表1の○印、チタン酸バリウム(BaTiO3)の正方晶のピークとほとんど変化がないもの表1の×印(図4)とした。
実施例1から5で作製した試料に図1の2,3のように金(Au)電極をスパッタで形成し、図1の圧電セラミックス4を作製した。この圧電セラミックス4に北本電子株式会社製作の電界誘起歪み測定器(JP005−SE)で周波数0.1Hz、1〜30kV/cmの電界を印加して圧電歪を測定、その値からd33を計算してその結果も表1に示した。その結果、ニオブ酸カリウム(KNbO3)比が0.05から0.60の範囲で大きな圧電特性を持つことを確認した。また、ニオブ酸カリウム(KNbO3)の一部がニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)に置き換わった場合でも大きな圧電特性を持つことが確認できた。
表1に示すようにチタン酸バリウム(BaTiO3)とニオブ酸カリウム(KNbO3)のモル比を変えた以外は実施例1から5と同様の方法でチタン酸バリウム(BaTiO3)−ニオブ酸カリウム(KNbO3)セラミックスを作製し、ニオブ酸カリウム(KNbO3)相の確認を行い、その結果も表1に示した。ペロブスカイト以外の五酸化ニオブ(Nb2O5)の強いピークが見られ、また図4に示すようにチタン酸バリウム(BaTiO3)のピークの形状にも変化が見られなかった(表1の×印)。
従来のセラミックスの製造工程(固相法)を用いて1150℃で焼成して作製したチタン酸バリウム(BaTiO3)−ニオブ酸カリウム(KNbO3)セラミックスを実施例1から5と同様の評価方法によりd33を求め表1に示した。d33は260pm/Vと高い値を示すが、合成(焼成)温度が大きく違うとともに、d33の大きなニオブ酸カリウム(KNbO3)比も高いことが確認できた。合成(焼成)温度が高いということはエネルギーを使うということでコストが高くなる要因となる。また、ニオブ酸カリウム(KNbO3)比が高いということも高価なニオブ(Nb)を多く使うことになりコストが高くなる。
2,3 電極
4 圧電素子
Claims (5)
- チタン酸バリウム(BaTiO3)結晶粒子成形体表面に、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくとも一種から構成されるヘテロエピタキシャル成長膜を有することを特徴とする複合圧電セラミックス。
- 前記ヘテロエピタキシャル成長膜を構成するニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくとも一種である化合物のモル比率が、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)の合計に対し、0.05〜0.6であることを特徴とする請求項1に記載された複合圧電セラミックス。
- 前記チタン酸バリウム(BaTiO3)を加圧成形して得られたチタン酸バリウム(BaTiO3)結晶粒子成形体表面に、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくとも一種から形成されたヘテロエピタキシャル成長膜を有することを特徴とする請求項1及び2記載の複合圧電セラミックス。
- 一対の電極と、該一対の電極の間に前記複合圧電セラミックスとを備える請求項1乃至請求項3に記載されたことを特徴とする圧電素子。
- 前記請求項1乃至請求項3記載の圧電セラミックスと内部電極とを交互に積層される素体と、該素体を挟むように該素体の両端面にそれぞれ端子電極が設けられ、前記内部電極と電気的に接続されている一対の該端子電極とを備えることを特徴とする圧電素子。
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