JP2596626B2 - PbTiO3固溶体の製造方法 - Google Patents

PbTiO3固溶体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、PbTiO3粉末を出発原料にして得られる、結
晶軸の軸方向が揃ったPbTiO3固溶体を製造するPbTiO3
溶体の製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
ペロブスカイト化合物、特にチタン酸バリウム系、チ
タン酸鉛系、またはチタン酸−ジルコン酸鉛系のチタン
含有ペロブスカイト化合物の焼結体は、圧電性、誘電
性、および焦電性応用部品として広く実用に供されてい
る。
これらの材料において、結晶軸の軸方向が一定の方向
に揃ったものは、その電気的特性が高性能であるため
に、従来から注目され、研究開発されている。中でも、
チタン酸鉛は、キュリー点(490℃)以下で結晶異方性
が大きいために、焼結後に結晶粒が粒界で分離してしま
うので、チタン酸鉛単独で、緻密で機械的に強い純粋に
近いセラミックスを焼結させて製造することが困難であ
った。また、チタン酸鉛は、抗電力が大きく分極が難し
いことも長い間、実用化されなかった原因である。
そこで、チタン酸鉛に結晶粒成長を抑え、粒界の結合
強度を増加させる効果の大きい添加物を加えて、高密度
セラミックスを得る研究が行われた。その結果、出発原
料として(PbO+TiO2)を使用し、これにLa2/3TiO3また
はLa2O3とMnO2とを同時に添加することにより、高密度
で機械的強度が大きく、高温高電界の分極処理に耐え得
る高抵抗を有する実用的なチタン酸鉛圧電セラミックス
が開発されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記従来の製造方法により得られたチタン酸
鉛圧電セラミックスは、その平均粒径が0.3〜0.5μmの
等方的な粒子であり、これを成形、焼結しても結晶軸の
軸方向が一定の方向に向かない(無配向性)ものしか得
られないという問題点を有している。
〔課題を解決するための手段〕
本発明のPbTiO3固溶体の製造方法は、上記課題を解決
するために、無配向なPbTiO3粉末を出発原料として、Pb
TiO3粉末に、基本式(1) (1−y)[(1−X)PbTiO3+xLa2/3TiO3]+yMnO2
…(1) (式中、x、yは、0.05≦x≦0.10かつy≦0.016であ
る) で表される関係を満たすように、La2O3とMnO2とを同時
に添加し、エタノールの存在下で湿式混合して、焼成
し、結晶軸をa軸方向とc軸方向とに配向させることを
特徴としている。
〔作 用〕
上記構成によれば、無配向なPbTiO3粉末が出発原料と
して使用される。そして、この無配向なPbTiO3粉末にMn
O2とLa2O3とが、基本式(1) (1−y)[(1−X)PbTiO3+xLa2/3TiO3]+yMnO2
…(1) (式中、x、yは、0.05≦x≦0.10かつy≦0.016であ
る) で表される関係を満たすように、同時に添加される。Mn
O2が添加されることによって、結晶の粗大化が防止でき
ると共に、電気的損失と機械的損失とを減少できる。La
2O3が添加されることによって、透光性が付与されると
共に、立方体形状に粒成長し易くなる。固体反応を均一
に行なわせるために、MnO2とLa2O3とが添加された無配
向なPbTiO3粉末は、エタノールの存在下で湿式混合さ
れ、焼成される。これにより、はじめて結晶軸がa軸方
向とc軸方向とに配向し、立方体状に粒成する。
このとき、配向の度合いは、添加されるLa2O3の量に
応じて変化し、添加量が多いほど配向の度合いが大きく
なる。本発明の製造方法によれば、La2O3を、上記基本
式(1)を満たすように添加することで、図3に示すよ
うに、高い配向度を得ることができる。
以上のように、本発明の製造方法により得られたPbTi
O3固溶体は、結晶軸がa軸方向とc軸方向に配向するの
で、結晶軸の軸方向の揃った圧電素子の製造のための材
料として使用することができ、その素子の製造を簡便に
行うことができる。
〔実施例〕
本発明の一実施例を第1図ないし第5図に基づいて説
明すれば、以下のとおりである。
本発明に係るPbTiO3固溶体は、出発原料としてPbOとT
iO2とを等モルずつ混合、仮焼して得られた無配向なPbT
iO3粉末を使用し、これにLa2O3とMnO2とを同時に添加し
て製造しており、これにより高密度で機械的強度が大き
く、高温高電界の分極処理に耐える高抵抗のチタン酸鉛
圧電セラミックスを得ている。上記PbTiO3、La2O3(高
純度化学製、99.9%試料)、およびMnO2(高純度化学
製、99.9%試料)の配合関係は、次の基本式(1)に基
づいて可変し、出発原料をPbO(和光純薬工業製、特級
試薬)とTiO2(富士チタン製、99.9%試料)にした場合
と比較した。
(1−y)[(1−X)PbTiO3+xLa2/3TiO3]+yMnO2
…(1) 但し、0.05≦x≦0.10かつy≦0.016 基本式(1)において、yの値が0.01、かつxの値が
0.05、0.07、0.10の各値に対応して、 I.出発原料をPbOとTiO2とした場合 II.出発原料をPbTiO3とした場合 の2つのタイプの試料を第1表に示すように作製した
(第1表参照)。
上記IおよびIIの試料は、ともに各出発原料を主原料
とし、La2O3、およびMnO2を同時に添加し、所定のモル
比になるように配合秤量し、固体反応を均一に行わせる
ために、エタノールの存在下で湿式混合する。上記MnO2
は、結晶の粗大化を防ぎ、電気的損失(誘電損)と機械
的損失を減少させるために添加されている。
エタノールの存在下で湿式混合の後、80℃で3時間乾
燥する。そして、これを白金ルツボに入れて850℃で12
時間焼成する。この時、白金ルツボは、さらに大きい、
蓋付きのマグネシアルツボにセットされた状態で焼成さ
れる。これは、焼成時に酸化鉛の蒸発を回避するためで
ある。
以上のように焼成したものを粉砕して、出発原料の違
いによるX線回折パターンの分析、および走査型電子顕
微鏡(SEM)による観察を行った。以下に、その結果を
説明する。
上記I、IIの出発原料の違いによる各試料のX線回折
パターンを第1図(a)〜(c)、および第2図(a)
〜(c)に基づいて、以下に説明する。なお、ガラスな
どの試料ホールダー(図示しない)上に設けられた凹部
に各試料を充填し、それをスライドガラスで固定した
後、各試料のX線回折パターンを得た。
上記I(出発原料がPbOとTiO2)の場合、第1図
(a)〜(c)に示すように、xの値によらず、ほぼ同
じ回折パターンが得られた。
一方、上記II(出発原料がPbTiO3)の場合、第2図
(a)〜(c)に示すように、xの値が増加するにつれ
て、(100)面、(200)面の各回折線の強度と、(00
1)面、(002)面の各回折線の強度とが大きくなること
がわかる。なお、便宜上、X線の照射方向に対するa軸
の回折線は(100)、(200)で、c軸の回折線は(00
1)、(002)でそれぞれ表されている。また、上記I、
およびIIの違いをa軸、およびc軸の配向度として表
し、xの値に対する依存性をプロットしたものが第3図
である。但し、ここで使用した無配向試料はJCPDSカー
ド6−0452(PbTiO3、Tetragonal)より引用した。
第3図に示すように、IIの試料は、xの値が増加する
に伴って、その配向度が大きくなっていることが顕著に
認められる。これは、PbTiO3が、その焼成によって、a
軸、およびc軸の方向に配向したためである。なお、X
線の照射方向に対するa軸の回折線を(h00)と表し、
c軸の回折線を(001)と表し、それぞれの試料につい
て、全回折線の積分強度の代数和であるΣ(Ihk1)に対
する(h00)面(a軸)、および(001)面(c軸)の回
折線の代数和であるΣ(Ih00+I001)の比をPとし、結
晶軸が配向していない試料(無配向試料)のそれの比を
P0として、次式(2)によって、それぞれの試料の配向
度Fを算出している(Lotgering法)。
F=(P−P0)/(1−P0) …(2) 次に、上記のように原子レベルではなくて、粒子レベ
ルの形状変化について、第4図、および第5図に示す、
走査型電子顕微鏡(SEM)によるSEM写真に基づいて、以
下に説明する。
第4図に示すように、Iの試料の場合には、チタン酸
鉛焼結体の平均粒径が0.3μm〜0.5μmであるのに対
し、IIの場合には、第5図に示すように、平均粒径が3
μm〜5μmとIの約10倍もあることが確認された。し
かも、IIの試料の場合には、粒子はいずれも角張ってお
り、Iの場合の約10倍に及び粒成長の過程で、立方体の
面方向にa軸、およびc軸が選択的に配向したものであ
ると考えられる。
以上より、結晶軸の配向性が上記xの軸に依存するこ
とにより、添加剤のLa2O3はPZT(チタン酸ジルコン酸
鉛)に透光性を与える効果があるとともに、立方体形状
に粒成長し易くする効果もあることがわかる。
上記のように焼成して得た、a軸、およびc軸の配向
性を有するチタン酸鉛の焼結体を粉砕すると、仮焼粉末
が得られる。この仮焼粉末は、可塑性がないので、ポリ
ビニルアルコール水溶液などのバインダーを混合して団
粒に造粒し、整粒した後、プレス法等により成形する。
さらに、成形したものを焼成し、所定の寸法に加工した
後、分極処理を施して結晶軸の軸方向の揃った圧電素子
を得ることができる。なお、分極処理は、100℃〜200℃
の温度で、ミリメートル当たり2〜6キロボルトの直流
電圧を数分ないし数時間印加して行う。
このように、a軸、およびc軸の配向性を有するチタ
ン酸鉛の固溶体に基づいて製造されたチタン酸鉛圧電素
子は、結晶軸が揃っているので、誘電率が大きくなり、
例えば各種コンデンサとして使用することができる。こ
の他に、チタン酸鉛の圧電性を利用したものとして、血
圧計用ピックアップ、加速度計ピックアップ、ノックセ
ンサ、圧電火花素子、写真フラッシュ起動用圧電素子、
超音波マイクロフォン、魚探用超音波振動子、圧電ブザ
ー素子、圧電音叉フィルタなどがある。また、チタン酸
鉛の焦電性(熱的機能)を利用したものとして、赤外線
センサなどがある。また、チタン酸鉛の電気光学機能性
を利用したものとして、光シャッター、閃光遮断メガ
ネ、立体テレビ用メガネ、画像蓄積表示素子などがあ
る。
〔発明の効果〕
本発明のPbTiO3固溶体の製造方法は、以上のように、
無配向なPbTiO3粉末を出発原料として、PbTiO3粉末に、
基本式(1) (1−y)[(1−X)PbTiO3+xLa2/3TiO3]+yMnO2
…(1) (式中、x、yは、0.05≦x≦0.10かつy≦0.016であ
る) で表される関係を満たすように、La2O3とMnO2とを同時
に添加し、エタノールの存在下で湿式混合して、焼成
し、結晶軸をa軸方向とc軸方向とに配向させる構成を
有している。
それゆえ、無配向なPbTiO3粉末を出発原料とすると、
結晶軸がa軸方向とc軸方向とに配向し、立方体形状に
粒成長し易くなるので、平均粒径を確実に大きくするこ
とができる。このように、結晶軸がa軸方向とc軸方向
に配向するので、結晶軸の軸方向の揃った圧電素子の製
造のための材料として使用することができ、その素子の
製造を簡便にしかも効率よく行うことができる。加え
て、La2O3添加量が上記基本式(1)に基づいて可変さ
れることで、配向の度合いが大きなPbTiO3固溶体を得る
ことができるという効果を併せて奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第5図は、本発明の一実施例を示すもので
ある。 第1図(a)は、出発原料がPbOとTiO2の場合であっ
て、La2/3TiO3の配合比x=0.05時のX線回折線図であ
る。 第1図(b)は、出発原料がPbOとTiO2の場合であっ
て、La2/3TiO3の配合比x=0.07時のX線回折線図であ
る。 第1図(c)は、出発原料がPbOとTiO2の場合であっ
て、La2/3TiO3の配合比x=0.10時のX線回折線図であ
る。 第2図(a)は、出発原料がPbTiO3の場合であって、La
2/3TiO3の配合比x=0.05時のX線回折線図である。 第2図(b)は、出発原料がPbTiO3の場合であって、La
2/3TiO3の配合比x=0.07時のX線回折線図である。 第2図(c)は、出発原料がPbTiO3の場合であって、La
2/3TiO3の配合比x=0.10時のX線回折線図である。 第3図は、出発原料をPbTiO3、あるいはPbOとTiO2とし
て製造されたチタン酸鉛の各配向度FのLa2/3TiO3の配
合比依存特性図である。 第4図は、出発原料をPbOおよびTiO2として製造したチ
タン酸鉛の粒子構造を示す図面代用写真である。 第5図は、出発原料をPbTiO3として製造したチタン酸鉛
の粒子構造を示す図面代用写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−188460(JP,A) 特開 昭63−190717(JP,A) 特公 昭63−43341(JP,B2) 特公 昭63−43340(JP,B2) 特公 昭56−53871(JP,B2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】無配向なPbTiO3粉末を出発原料として、Pb
    TiO3粉末に、基本式(1) (1−y)[(1−X)PbTiO3+xLa2/3TiO3]+yMnO2
    …(1) (式中、x、yは、0.05≦x≦0.10かつy≦0.016であ
    る) で表される関係を満たすように、La2O3とMnO2とを同時
    に添加し、エタノールの存在下で湿式混合して、焼成
    し、結晶軸をa軸方向とc軸方向とに配向させることを
    特徴とするPbTiO3固溶体の製造方法。
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