JP2913049B2 - 圧電性磁器組成物 - Google Patents

圧電性磁器組成物

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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、郡遅延時間平坦型広帯域フィルタに適した
圧電性磁器組成物に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、映像信号や音声信号など通信情報量の大容量化
に伴い伝播周波数が広帯域化している。このように伝播
周波数広帯域化により、遅延時間が少なく、入力出力の
位相差が少ない郡遅延時間平坦型広帯域フィルタが求め
られ、該フィルタに適した圧電性磁器組成物の開発が強
く要求されている。
従来、この種の圧電性磁器組成物として、PbZrO3とPb
TiO3(以下、PZT記す)とから成る圧電性磁器組成物に
機械的品質係数を高く、共振周波数の温度特性の変化を
小さくするために、第3成分としてSn、Nbを添加した組
成物が既に知られていた(特公昭54−34920号公報)。
このまた、誘電率圧電定数を改善し、電気機械結合係
数を高めるために、PZTに第3成分としてSn、Sbを添加
した圧電性磁器組成物が既に知られていた(特公昭54−
36756号公報)。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上述のPZTに第3成分としてSn、Nbを添加し
た圧電性磁器組成物については、機械的品質係数を高め
ることについては記載されているものの、電気機械結合
係数の改善については何ら記載されておらず、また、第
3成分としてSn、Sbを添加した圧電性磁器組成物につい
ては、機械的品質係数の改善については何ら記載されて
いない。さらに、両先行技術には、実用上に重要な信頼
性の一つである温度サイクルの前後に共振周波数の変化
が発生してしまうという問題点があった。これにより例
えば、環境の変化が著しい車載用通信装置などのフィル
タに上述の圧電性磁器組成物を使用した場合、設定した
送受信周波数が車内の温度変化によって変動が生じ、送
受信の混乱を惹起するという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであ
り、具体的には、郡遅延時間平坦型広帯域フィルタを構
成するに適した圧電特性、即ち機械的品質係数が低く、
且つ電気機械結合係数が高く、更に、過酷な温度サイク
ルの激しい状態においても、共振周波数が安定した圧電
性磁器組成物を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上述の課題を解決するために本発明は、 複合酸化物PbZrO2、PbTiO3、Pb(SnNbSb)O3から成る
圧電性磁器組成物において、 xPbZrO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
2(1−d)/3)O3と表した時、 0.2 ≦d≦0.8 0.450≦x≦0.505 0.455≦y≦0.510 0.02 ≦z≦0.06 (ただし、x+y+z=1) の組成物から成る圧電性磁器組成物とする。
〔作用〕
以上のように本発明によれば、PZT単独では機械的品
質係数(Qm)が約1000,電気機械結合係数(Kp)が約40
%と郡遅延時間平坦型広帯域フィルタに全く不向きであ
った組成物に、第3成分として、複合ペロブスカイト酸
化物を添加することで、機械的品質係数(Qm)を約200
以下、電気機械結合係数(Kp)を約70%以上にすること
ができる。
具体的な第3成分として、複合ペロブスカイト酸化物
はPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb2(1−d)/3)O3を使用す
る。
機械的品質係数(Qm)は概ねPZTに第3成分のペロブ
スカイト酸化物を添加することにより非常に低いものが
得られ、電気機械結合係数(Kn)は概ねPZTのZi/Tiの比
率を適性化することによって約45〜75%の高い値を得る
ことができる。
また、電気機械結合係数(Kp)は第3成分であるSb、
Nbの比率によっても変動するが、この比率を規定するこ
とにより、温度サイクル前後における共振周波数の変動
(ドリフト)が大きく改善される。
これにより、温度サイクル信頼性に優れた郡遅延型広
帯域フィルタ用の圧電性磁器組成物となる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
出発材料として純度99.0%以上のPb3O4、ZrO2、Ti
O2、SnO2、NbO5、Sb2O3の各粉末をd、x、y及びzを
第1表に示す比率となるように秤量し、ボールミルにて
湿式混合後乾燥して、これを900〜1000℃で3時間仮焼
した。得られた仮焼焼結体をボールミルにて24時間湿式
粉砕した後、有機系粘結剤を添加し、しかる後20×30m
m、厚さ1.5mmの板状に加圧成型した。この成型体を酸素
雰囲気で1260〜1340℃、6時間焼成した。さらにこの焼
結体を厚さ1mmに研磨加工し、両端面に銀ペーストによ
る電極を焼きつけ、80℃の絶縁油中に浸漬して、電極間
に約3kV/mmの直流電圧を印加して分極処理した。さらに
素子加工として5×5mm、厚さ1mmの板状に素子を作成
し、試料とした。
このように形成された複合酸化物PbZrO3、PbTiO3、Pb
(SnNbSb)O3から成る圧電性磁器を分極後48時間以上、
素子加工後24時間以上経過した後の試料をインピーダン
スアナライザー等の測定器を用いて、機械的品質係数
(Qm)、電気機械結合係数(Kp)、温度サイクル前後の
共振周波数の変動f0(ドリフト)を夫々測定した。その
結果を表1に示す。
尚、評価として、 機械的品質係数(Qm)は500未満を良品とし、電気機
械結合係数(Kp)は45%以上を良品とした。また、温度
サイクル前後の共振周波数の変動f0(ドリフト)は0.3
%以下を良品とした。即ち、温度サイクル前後の共振周
波数の変動f0(ドリフト)が0.3%以上となると、例え
ば過酷な温度サイクルの激しい状態において、共振周波
数が不安定となり、上述の圧電性磁器組成物を使用した
フィルタにおいては、フィルタの中心周波数及び通過帯
域が変動してしまい、使用状況に制限のある信頼性の高
いフィルタが達成できなくなる。
また、第1表には、共振及び反共振周波数の温度変化
特性(ftTC、faTC)を同時に表した。
試料番号1、2はPbZrO3、PbTiO3に第3成分が添加さ
れていない圧電性磁器組成物である。これらは、圧電性
磁器組成物としての基本特性である機械的品質係数(Q
m)が500以上になり、電気機械結合係数(Kp)は45%未
満となってしまう。
試料番号3〜10は、PbZrO3、PbTiO3に第3成分として
Sn、Sbを添加したものであり、従来技術(特公昭54−36
756)の組成系に相当するものである。Sn、Sbを添加す
ることにより、機械的品質係数(Qm)が500以下とな
り、且つ電気機械結合係数(Kp)は45%以上となるもの
の、温度サイクル前後の共振周波数の変動(ドリフト)
が0.43〜1.12%と、評価基準の0.3%をおおきく上回っ
ている。
試料番号11〜17は、PbZrO3、PbTiO3に第3成分として
Sn、Nbを添加したものであり、従来技術(特公昭54−34
290)の組成系に相当するものである。Sn、Nbを添加す
ることにより、機械的品質係数(Qm)が500以下とな
り、電気機械結合係数(Kp)は45%以上となり、さらに
温度サイクル前後の共振周波数の変動(ドリフト)が0.
26〜0.44%と改良の方向を示唆しているが、良品の域に
達していない。即ち、第3成分として、Sn、Sbの組み合
わせ、又はSn、Nbの組み合わせのみで添加したとしても
充分のドリフトの改善にはならないのである。
次に、Pb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb2(1−d)/3)O3のN
bのdを検討した。
試料番号18〜23は、PbZrO3、PbTiO3に添加する第3成
分をSn、Nb、Sbとして、焼結されるPb(Sn1/3、N
b2d/3、Sb2(1−d)/3)O3のdを0.2〜0.8に変化さ
せた。
上述の結果と試料番号6及び13と対比させると、xPbZ
rO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、S
b2(1−d)/3)O3のx、y、zの値にも一応関係す
るが、dが0.2〜0.8の範囲においては、特に温度サイク
ル前後の共振周波数の変動(ドリフト)が0.07〜0.28%
と0.3%以下の圧電性磁器が得られ、機械的品質係数(Q
m)が500以下となり、且つ電気機械結合係数(Kp)は45
%以上となる。
次に、第3成分のPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
2(1−d)/3)O3のdを0.5に固定して、即ち、xPbZr
O3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb1/3、Sb1/3)O3におい
て、第3成分の添加量zについて考察する。
試料番号24、25は、xPbZrO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3
Nb1/3、Sb1/3)O3のzを0.02、試料番号20、21はzを0.
04、、試料番号26、27はzを0.06、試料番号28、29はz
を0.08とした。
試料番号24、25、26及び27は機械的品質係数(Qm)が
75〜143と500以下となり、且つ電気機械結合係数(Kp)
は48.0〜67.5%と何れも45%以上となり、さらに温度サ
イクル前後の共振周波数の変動(ドリフト)が0・07〜
0.11%と0.3以下と全ての特性で満足できる圧電性磁器
が得られた。これに対して、試料番号28及び29のzが0.
08となると、電気機械結合係数(Kp)は44.3〜53.1%と
評価基準の45%前後になってしまい、温度サイクル前後
の共振周波数の変動(ドリフト)においては、0.31〜0.
33%と評価基準の0.3以上となってしまう。
この結果と、試料番号20及び21とを参酌すると、xPbZ
rO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb1/3、Sb1/3)O3のzの値
は0.02〜0.06の範囲においては機械的品質係数(Qm)が
500以下となり、且つ電気機械結合係数(Kp)は45%以
上となり、さらに温度サイクル前後の共振周波数の変動
(ドリフト)が0・2以下と何れもの特性も満足した圧
電性磁器が得られた。
次にxPbZrO3+yPbTiO3+0.04Pb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
2(1−d)/3)O3のx、yについて考察する。尚、z
を上述の結果から0.04とした。即ち、xとyとの和は、
zの0.04を引いた9.96である。そこで、xを0.445〜0.5
1(yを0.515〜0.45)に変化させた。
試料番号30はxPbZrO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、N
b2d/3、Sb2(1−d)/3)O3において、xが0.445、y
が0.515であるが、PbZrO3が相対的に少なくて電気機械
結合係数(Kp)が43.2%と低い値となってしまう。
また試料番号31は、xが0.510、yが0.450であるが、
電気機械結合係数(Kp)が75.0%という結果が得られる
ものの、本発明の目的である温度サイクル前後の共振周
波数の変動(ドリフト)が0.38%と大きくなってしま
う。
この結果と試料番号23及び18と対比させると、xPbZrO
3+yPbTiO3+0.04zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
2(1−d)/3)O3のxが0.450〜0.505の範囲、yが0.
455〜0.510の範囲では機械的品質係数(Qm)が500以下
となり、且つ電気機械結合係数(Kp)は45%以上とな
り、さらに温度サイクル前後の共振周波数の変動(ドリ
フト)が0・03未満の安定した電圧性磁器が得られた。
以上の試料番号1〜31から、複合酸化物PbZrO3、PbTi
O3、Pb(SnNbSb)から成る圧電性磁器組成物において、
xPbZrO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
2(1−d)/3)O3と表した時、夫々の値は0.2≦d≦
0.8、0.450≦x≦0.505、0.455≦y≦0.510、0.02≦z
≦0.06、(ただし、x+y+z=1)の圧電性磁器組成
物がいずれの特性において極めて良い結果が得られる。
尚、上述の実施例について、第4成分としてxPbZrO3
+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb2(1−d)/3)O
3100重量部に対して酸化マグネシウム(MgO)、酸化ク
ロム(CrzO3)、酸化マンガン(MnO2)を0.05〜0.2重量
部添加すると熱可塑性樹脂エージングによる電気機械結
合係数(Kp)の劣化を大きく低減させることができる。
〔発明の効果〕
以上のように、複合酸化物PbZrO3、PbTiO3、Pb(SnNb
Sb)O3から成る圧電性磁器組成物において、xPbZrO3+y
PbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb2(1−d)/3)O3
表した時、 夫々の値は0.2 ≦d≦0.8、 0.450≦x≦0.505、 0.455≦y≦0.510、 0.02 ≦z≦0.06、 (ただし、x+y+z=1)とする圧電性磁器組成物
は、機械的品質係数(Qm)が500以下となり、且つ電気
機械結合係数(Kp)は45%以上となり、さらに温度サイ
クル前後の共振周波数の変動(ドリフト)が0・3%未
満の安定した圧電性磁器が得られる。
これにより、郡遅延時間の平坦な広帯域の圧電フィル
タに適した圧電性磁器組成物となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−182272(JP,A) 特公 昭54−36756(JP,B2) 特公 昭54−34920(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/46 C04B 35/49 H01L 41/18 - 41/187

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複合酸化物PbZrO2、PbTiO3、Pb(SnNbSb)
    O3から成る圧電性磁器組成物において、 xPbZrO3+yPbTiO3+zPb(Sn1/3、Nb2d/3、Sb
    2(1−d)/3)O3と表した時、 0.2 ≦d≦0.8 0.450≦x≦0.505 0.455≦y≦0.510 0.02 ≦z≦0.06 (ただし、x+y+z=1) の組成物から成ることを特徴とする圧電性磁器組成物。
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