JP2957564B1 - 圧電磁器および圧電デバイス - Google Patents
圧電磁器および圧電デバイスInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 圧電トランス等の圧電デバイスに用いられる
圧電磁器の圧電特性を向上させる。特に電気機械結合係
数を低下させずに機械的品質係数を向上させる。また、
同時に機械的強度を向上させる。また、このような圧電
磁器を、複雑な製造方法を利用することなく安価に提供
する。 【解決手段】 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）
xＴｉyＺｒzＯ3［上記式において、ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂ
ａから選ばれる少なくとも１種の金属元素である。ま
た、ａ、ｘ、ｙおよびｚはモル比を表し、０≦ａ≦０．
１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．０５≦ｘ≦０．４、０．１≦
ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．６である］で表される主
成分に対し、０．０５〜３重量％のＭｎＯ2と、０．０
５〜１．５重量％のＴａ2Ｏ5とを副成分として含有する
圧電磁器。副成分としてさらに酸化アンチモンおよび酸
化ニオブの少なくとも１種を含有していてもよい。
圧電磁器の圧電特性を向上させる。特に電気機械結合係
数を低下させずに機械的品質係数を向上させる。また、
同時に機械的強度を向上させる。また、このような圧電
磁器を、複雑な製造方法を利用することなく安価に提供
する。 【解決手段】 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）
xＴｉyＺｒzＯ3［上記式において、ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂ
ａから選ばれる少なくとも１種の金属元素である。ま
た、ａ、ｘ、ｙおよびｚはモル比を表し、０≦ａ≦０．
１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．０５≦ｘ≦０．４、０．１≦
ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．６である］で表される主
成分に対し、０．０５〜３重量％のＭｎＯ2と、０．０
５〜１．５重量％のＴａ2Ｏ5とを副成分として含有する
圧電磁器。副成分としてさらに酸化アンチモンおよび酸
化ニオブの少なくとも１種を含有していてもよい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、亜鉛ニオブ酸チタ
ン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電磁器と、この圧電
磁器を利用した圧電デバイスとに関する。
ン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電磁器と、この圧電
磁器を利用した圧電デバイスとに関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電トランスは古くから研究されている
が、電磁式トランスに比べて小型化（特に薄型化）、軽
量化が可能であり、また、高効率で低ノイズであるとい
う特徴から、近年、特に注目を集めている。
が、電磁式トランスに比べて小型化（特に薄型化）、軽
量化が可能であり、また、高効率で低ノイズであるとい
う特徴から、近年、特に注目を集めている。
【０００３】圧電トランスは、長方形の圧電磁器板の一
方の側が厚み方向に分極されて一次（入力）側となり、
他方の側が長さ方向に分極されて二次（出力）側となる
構造が一般的である。この構造の圧電トランスに１波長
または１／２波長共振の交流電界を加えることにより、
低インピーダンスの一次側で電気エネルギーが振動エネ
ルギーに変換される。そして、この振動エネルギーが高
インピーダンスの二次側に伝搬されて、ここで電気エネ
ルギーへ変換されて高電圧が発生する。
方の側が厚み方向に分極されて一次（入力）側となり、
他方の側が長さ方向に分極されて二次（出力）側となる
構造が一般的である。この構造の圧電トランスに１波長
または１／２波長共振の交流電界を加えることにより、
低インピーダンスの一次側で電気エネルギーが振動エネ
ルギーに変換される。そして、この振動エネルギーが高
インピーダンスの二次側に伝搬されて、ここで電気エネ
ルギーへ変換されて高電圧が発生する。
【０００４】圧電トランスに用いる圧電磁器には、電気
機械結合係数（ｋ31）が大きく、かつ機械的品質係数
（Ｑm）が大きいことが要求される。これらが大きくな
いと、損失が大きくなって変換効率が低くなってしま
う。具体的には、ハイパワー駆動時に発熱が多くなり、
それによりさらに変換効率が低下し、また、昇圧比の低
下が生じてしまう。また、圧電磁器では、空孔等の欠陥
と機械的強度とに大きな相関がある。空孔等の欠陥が多
数存在する圧電磁器を、圧電トランスのような大振幅で
駆動するデバイスに用いると、衝撃により破壊するのは
もちろん、入力電圧を高くして大振幅で励振させると、
ノード点と呼ばれる応力が集中する点で破壊する。した
がって、圧電トランスに用いる圧電磁器には、機械的強
度の高いことが要求される。
機械結合係数（ｋ31）が大きく、かつ機械的品質係数
（Ｑm）が大きいことが要求される。これらが大きくな
いと、損失が大きくなって変換効率が低くなってしま
う。具体的には、ハイパワー駆動時に発熱が多くなり、
それによりさらに変換効率が低下し、また、昇圧比の低
下が生じてしまう。また、圧電磁器では、空孔等の欠陥
と機械的強度とに大きな相関がある。空孔等の欠陥が多
数存在する圧電磁器を、圧電トランスのような大振幅で
駆動するデバイスに用いると、衝撃により破壊するのは
もちろん、入力電圧を高くして大振幅で励振させると、
ノード点と呼ばれる応力が集中する点で破壊する。した
がって、圧電トランスに用いる圧電磁器には、機械的強
度の高いことが要求される。
【０００５】圧電トランス用の圧電磁器としては、例え
ば特公昭５４−１８４００号公報に、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎ
ｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ≦０．７５、０＜ｚ≦
０．７５）で示される亜鉛ニオブ酸チタン酸ジルコン酸
鉛系組成を主成分とし、０．０１〜５重量％の酸化マン
ガン（ＭｎＯ2）と０．１〜５重量％の酸化コバルト
（ＣｏＯ）とを含有するものが記載されている。また、
特開平６−１１２５４２号公報には、ＰｂＯ、ＺｒＯ2
およびＴｉＯ2を含有するジルコン酸チタン酸鉛系セラ
ミックスと、このセラミックスにおいてジルコンとチタ
ンの一部をアンチモンとニオブで置換したセラミックス
とが記載されている。
ば特公昭５４−１８４００号公報に、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎ
ｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ≦０．７５、０＜ｚ≦
０．７５）で示される亜鉛ニオブ酸チタン酸ジルコン酸
鉛系組成を主成分とし、０．０１〜５重量％の酸化マン
ガン（ＭｎＯ2）と０．１〜５重量％の酸化コバルト
（ＣｏＯ）とを含有するものが記載されている。また、
特開平６−１１２５４２号公報には、ＰｂＯ、ＺｒＯ2
およびＴｉＯ2を含有するジルコン酸チタン酸鉛系セラ
ミックスと、このセラミックスにおいてジルコンとチタ
ンの一部をアンチモンとニオブで置換したセラミックス
とが記載されている。
【０００６】しかし、上記特公昭５４−１８４００号公
報に記載された組成の圧電磁器では、電気機械結合係数
（ｋ31）と機械的品質係数（Ｑm）とを共に大きくする
ことはできず、十分に高い変換効率が得られない。ま
た、機械的強度の向上も期待できない。
報に記載された組成の圧電磁器では、電気機械結合係数
（ｋ31）と機械的品質係数（Ｑm）とを共に大きくする
ことはできず、十分に高い変換効率が得られない。ま
た、機械的強度の向上も期待できない。
【０００７】上記特開平６−１１２５４２号公報では、
圧電磁器の機械的強度の向上をはかるために、原料粉の
粒子径を細かくして比表面を１０m2/g以上にするととも
に６５０℃以下で仮焼し、素子の結晶粒子径を１μm 以
下とする方法が提案されている。しかし、微粉化した原
料粉は取り扱いが難しくなり、また微粉化の工程が新た
に加わることになり、コストアップを招く。また、同公
報に記載された組成の圧電磁器では、電気機械結合係数
（ｋ31）と機械的品質係数（Ｑm）とがいずれも小さく
なるので、変換効率が低くなってしまう。
圧電磁器の機械的強度の向上をはかるために、原料粉の
粒子径を細かくして比表面を１０m2/g以上にするととも
に６５０℃以下で仮焼し、素子の結晶粒子径を１μm 以
下とする方法が提案されている。しかし、微粉化した原
料粉は取り扱いが難しくなり、また微粉化の工程が新た
に加わることになり、コストアップを招く。また、同公
報に記載された組成の圧電磁器では、電気機械結合係数
（ｋ31）と機械的品質係数（Ｑm）とがいずれも小さく
なるので、変換効率が低くなってしまう。
【０００８】なお、ホットプレスを用いることにより圧
電磁器の機械的強度を向上させることも知られている
が、ホットプレスを利用する場合、製造工程が通常の焼
成の場合よりも長くなり、また、高価な設備が必要とな
るので、コストアップを招く。
電磁器の機械的強度を向上させることも知られている
が、ホットプレスを利用する場合、製造工程が通常の焼
成の場合よりも長くなり、また、高価な設備が必要とな
るので、コストアップを招く。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、圧電
デバイス、特に圧電トランスに用いられる圧電磁器の圧
電特性を向上させること、特に電気機械結合係数を低下
させずに機械的品質係数を向上させることであり、ま
た、同時に機械的強度を向上させることであり、また、
このような圧電磁器を、複雑な製造方法を利用すること
なく安価に提供することである。
デバイス、特に圧電トランスに用いられる圧電磁器の圧
電特性を向上させること、特に電気機械結合係数を低下
させずに機械的品質係数を向上させることであり、ま
た、同時に機械的強度を向上させることであり、また、
このような圧電磁器を、複雑な製造方法を利用すること
なく安価に提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（３）のいずれかの構成により達成される。 （１） 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3 ［ただし、上記式において、Ａはカルシウム（Ｃａ）、
ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）から選ばれ
る少なくとも１種の金属元素である。また、ａ、ｘ、ｙ
およびｚはモル比を表し、 ０≦ａ≦０．１、 ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、 ０．０５≦ｘ≦０．４、 ０．１≦ｙ≦０．５、 ０．２≦ｚ≦０．６ である］で表される主成分と、 ＭｎＯ2に換算して０．０５〜３重量％の酸化マンガン
と、Ｔａ2Ｏ5に換算して０．０５〜１．５重量％の酸化
タンタルとを含む副成分とからなる圧電磁器。 （２） 副成分としてさらに酸化アンチモンおよび酸化
ニオブの少なくとも１種を含有し、酸化タンタル、酸化
アンチモンおよび酸化ニオブをそれぞれＴａ2Ｏ5、Ｓｂ
2Ｏ3およびＮｂ2Ｏ5に換算したときの合計含有量が、前
記主成分に対し５重量％以下である上記（１）の圧電磁
器。 （３） 上記（１）または（２）の圧電磁器を用いた圧
電デバイス。
（１）〜（３）のいずれかの構成により達成される。 （１） 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3 ［ただし、上記式において、Ａはカルシウム（Ｃａ）、
ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）から選ばれ
る少なくとも１種の金属元素である。また、ａ、ｘ、ｙ
およびｚはモル比を表し、 ０≦ａ≦０．１、 ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、 ０．０５≦ｘ≦０．４、 ０．１≦ｙ≦０．５、 ０．２≦ｚ≦０．６ である］で表される主成分と、 ＭｎＯ2に換算して０．０５〜３重量％の酸化マンガン
と、Ｔａ2Ｏ5に換算して０．０５〜１．５重量％の酸化
タンタルとを含む副成分とからなる圧電磁器。 （２） 副成分としてさらに酸化アンチモンおよび酸化
ニオブの少なくとも１種を含有し、酸化タンタル、酸化
アンチモンおよび酸化ニオブをそれぞれＴａ2Ｏ5、Ｓｂ
2Ｏ3およびＮｂ2Ｏ5に換算したときの合計含有量が、前
記主成分に対し５重量％以下である上記（１）の圧電磁
器。 （３） 上記（１）または（２）の圧電磁器を用いた圧
電デバイス。
【００１１】
【作用および効果】本発明の圧電磁器は、亜鉛ニオブ酸
チタン酸ジルコン酸鉛系の主成分に加え、少なくとも酸
化マンガンと酸化タンタルとを含む副成分を所定量含有
する。この副成分の添加により、本発明の圧電磁器で
は、電気機械結合係数（ｋ31）を低下させることなく高
い機械的品質係数（Ｑm）が得られる。また、ハイパワ
ー特性が良好となる。具体的には、変換効率が高く、昇
圧比が高く、駆動時の発熱が少なくなる。また、高い機
械的強度が得られる。そして、このような効果が、上記
副成分を添加するだけで実現し、原料粉を微細化した
り、製造工程を変更したりする必要がないので、原料粉
の取り扱いにくさやコストアップを招くことがない。
チタン酸ジルコン酸鉛系の主成分に加え、少なくとも酸
化マンガンと酸化タンタルとを含む副成分を所定量含有
する。この副成分の添加により、本発明の圧電磁器で
は、電気機械結合係数（ｋ31）を低下させることなく高
い機械的品質係数（Ｑm）が得られる。また、ハイパワ
ー特性が良好となる。具体的には、変換効率が高く、昇
圧比が高く、駆動時の発熱が少なくなる。また、高い機
械的強度が得られる。そして、このような効果が、上記
副成分を添加するだけで実現し、原料粉を微細化した
り、製造工程を変更したりする必要がないので、原料粉
の取り扱いにくさやコストアップを招くことがない。
【００１２】なお、特開平２−１４９４２７号公報、同
３−２５６３８０号公報、同３−２５６３８２号公報に
は、亜鉛ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛系の主成分を有
し、Ｔａ2Ｏ5を添加した圧電磁器が記載されている。し
かし、これら各公報には、Ｔａ2Ｏ5とＭｎＯ2とを複合
添加する旨の記載はない。また、これら各公報には、圧
電磁器の用途として圧電ブザー等の音響変換器やアクチ
ュエータが挙げられているが、圧電トランスについての
記載はない。音響変換器やアクチュエータに圧電磁器を
適用する場合に要求される特性は、圧電トランスに適用
する場合に要求される特性とは異なる。例えば、圧電ブ
ザー等の音響変換器に適用する場合には、上記特開平３
−２５６３８２号公報にも記載されているように、急峻
な共振を防ぐため機械的品質係数（Ｑm）は小さいこと
が好ましい。また、アクチュエータにおいても同様であ
る。したがって、音響変換器やアクチュエータへの適用
を目的とする場合と圧電トランスへの適用を目的とする
場合とでは、そもそも設計思想が異なることになる。実
際、ＭｎＯ2を添加せずにＴａ2Ｏ5を添加しても、高い
機械的品質係数（Ｑm）を得ることはできない。なお、
上記特開平３−２５６３８０号公報には、Ｔａ2Ｏ5添加
により機械的品質係数（Ｑm）が向上し、かつ、Ｂ2Ｏ3
添加により機械的強度が向上する旨の記載があるが、Ｍ
ｎＯ2を添加せずにＴａ2Ｏ5を添加しても、本発明と同
等の効果は得られない。
３−２５６３８０号公報、同３−２５６３８２号公報に
は、亜鉛ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛系の主成分を有
し、Ｔａ2Ｏ5を添加した圧電磁器が記載されている。し
かし、これら各公報には、Ｔａ2Ｏ5とＭｎＯ2とを複合
添加する旨の記載はない。また、これら各公報には、圧
電磁器の用途として圧電ブザー等の音響変換器やアクチ
ュエータが挙げられているが、圧電トランスについての
記載はない。音響変換器やアクチュエータに圧電磁器を
適用する場合に要求される特性は、圧電トランスに適用
する場合に要求される特性とは異なる。例えば、圧電ブ
ザー等の音響変換器に適用する場合には、上記特開平３
−２５６３８２号公報にも記載されているように、急峻
な共振を防ぐため機械的品質係数（Ｑm）は小さいこと
が好ましい。また、アクチュエータにおいても同様であ
る。したがって、音響変換器やアクチュエータへの適用
を目的とする場合と圧電トランスへの適用を目的とする
場合とでは、そもそも設計思想が異なることになる。実
際、ＭｎＯ2を添加せずにＴａ2Ｏ5を添加しても、高い
機械的品質係数（Ｑm）を得ることはできない。なお、
上記特開平３−２５６３８０号公報には、Ｔａ2Ｏ5添加
により機械的品質係数（Ｑm）が向上し、かつ、Ｂ2Ｏ3
添加により機械的強度が向上する旨の記載があるが、Ｍ
ｎＯ2を添加せずにＴａ2Ｏ5を添加しても、本発明と同
等の効果は得られない。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の圧電磁器は、 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3 で表される主成分と、酸化マンガンおよび酸化タンタル
とを含む副成分からなる。
とを含む副成分からなる。
【００１４】主成分を表す上記式において、Ａはカルシ
ウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂ
ａ）から選ばれる少なくとも１種の金属元素である。ま
た、ａ、ｘ、ｙおよびｚはモル比を表し、 ０≦ａ≦０．１、 ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、 ０．０５≦ｘ≦０．４、 ０．１≦ｙ≦０．５、 ０．２≦ｚ≦０．６ である。主成分の組成が上記範囲を外れると、圧電磁器
としての特性が不十分となり、特にハイパワー特性が悪
くなる。上記Ａは、温度−周波数特性などを改善するた
め必要に応じて添加される元素である。Ａ中におけるＣ
ａ、Ｓｒ、Ｂａの量比は、任意である。
ウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂ
ａ）から選ばれる少なくとも１種の金属元素である。ま
た、ａ、ｘ、ｙおよびｚはモル比を表し、 ０≦ａ≦０．１、 ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、 ０．０５≦ｘ≦０．４、 ０．１≦ｙ≦０．５、 ０．２≦ｚ≦０．６ である。主成分の組成が上記範囲を外れると、圧電磁器
としての特性が不十分となり、特にハイパワー特性が悪
くなる。上記Ａは、温度−周波数特性などを改善するた
め必要に応じて添加される元素である。Ａ中におけるＣ
ａ、Ｓｒ、Ｂａの量比は、任意である。
【００１５】上記主成分に対する副成分の含有量は、酸
化マンガンがＭｎＯ2に換算して０．０５〜３重量％、
好ましくは０．１〜１．５重量％であり、酸化タンタル
がＴａ2Ｏ5に換算して０．０５〜１．５重量％、好まし
くは０．３〜１．２重量％である。酸化マンガンの含有
量が少なすぎると、電気特性が低下する。一方、酸化マ
ンガンの含有量が多すぎると、機械的強度が低下する。
また、酸化タンタルの含有量が少なすぎると、電気特性
の改善および機械的強度の改善が不十分となる。一方、
酸化タンタルの含有量が多すぎると、電気特性が低下す
る。
化マンガンがＭｎＯ2に換算して０．０５〜３重量％、
好ましくは０．１〜１．５重量％であり、酸化タンタル
がＴａ2Ｏ5に換算して０．０５〜１．５重量％、好まし
くは０．３〜１．２重量％である。酸化マンガンの含有
量が少なすぎると、電気特性が低下する。一方、酸化マ
ンガンの含有量が多すぎると、機械的強度が低下する。
また、酸化タンタルの含有量が少なすぎると、電気特性
の改善および機械的強度の改善が不十分となる。一方、
酸化タンタルの含有量が多すぎると、電気特性が低下す
る。
【００１６】本発明の圧電磁器は、酸化マンガンおよび
酸化タンタルのほかに、副成分としてさらに酸化アンチ
モンおよび酸化ニオブの少なくとも１種を含有してもよ
い。酸化アンチモンおよび酸化ニオブを含有することに
より、電気特性および機械的強度がさらに改善される。
酸化アンチモンおよび酸化ニオブは、上記酸化タンタル
と合わせて主成分に対し好ましくは５重量％以下、より
好ましくは３重量％以下である。なお、酸化アンチモン
と酸化ニオブとの量比は、任意である。これら副成分の
合計含有量が多すぎると、圧電特性が低下するととも
に、機械的強度も低下する傾向が生じる。なお、これら
の副成分の合計含有量は、酸化アンチモンをＳｂ2Ｏ
3に、酸化ニオブをＮｂ2Ｏ5に、酸化タンタルをＴａ2Ｏ
5にそれぞれ換算して求めた値である。
酸化タンタルのほかに、副成分としてさらに酸化アンチ
モンおよび酸化ニオブの少なくとも１種を含有してもよ
い。酸化アンチモンおよび酸化ニオブを含有することに
より、電気特性および機械的強度がさらに改善される。
酸化アンチモンおよび酸化ニオブは、上記酸化タンタル
と合わせて主成分に対し好ましくは５重量％以下、より
好ましくは３重量％以下である。なお、酸化アンチモン
と酸化ニオブとの量比は、任意である。これら副成分の
合計含有量が多すぎると、圧電特性が低下するととも
に、機械的強度も低下する傾向が生じる。なお、これら
の副成分の合計含有量は、酸化アンチモンをＳｂ2Ｏ
3に、酸化ニオブをＮｂ2Ｏ5に、酸化タンタルをＴａ2Ｏ
5にそれぞれ換算して求めた値である。
【００１７】なお、上記説明において、例えばＭｎＯ2
に換算して求めた酸化マンガンの含有量とは、原料中の
ＭｎがすべてＭｎＯ2になったとして求めたＭｎＯ2量を
意味する。他の酸化物についても同様である。また、上
記式では、（Ｐｂ1-aＡa）：Ｏを１：３としてあるが、
この比は、例えば０．９：３〜１：３の範囲内において
任意の値であってよい。ただし、副成分の含有量は、常
に、（Ｐｂ1-aＡa）：Ｏ＝１：３として算出する。
に換算して求めた酸化マンガンの含有量とは、原料中の
ＭｎがすべてＭｎＯ2になったとして求めたＭｎＯ2量を
意味する。他の酸化物についても同様である。また、上
記式では、（Ｐｂ1-aＡa）：Ｏを１：３としてあるが、
この比は、例えば０．９：３〜１：３の範囲内において
任意の値であってよい。ただし、副成分の含有量は、常
に、（Ｐｂ1-aＡa）：Ｏ＝１：３として算出する。
【００１８】本発明の圧電磁器は、ペロブスカイト構造
の主相を有する。本発明の圧電磁器における平均結晶粒
径は特に限定されないが、通常、０．５〜１０μm であ
ることが好ましい。
の主相を有する。本発明の圧電磁器における平均結晶粒
径は特に限定されないが、通常、０．５〜１０μm であ
ることが好ましい。
【００１９】次に、本発明の圧電磁器を製造する方法の
例を説明する。
例を説明する。
【００２０】まず、出発原料を混合する。出発原料とし
ては、通常、上記した主成分および副成分の酸化物を用
いるが、例えばアルカリ土類元素酸化物および酸化マン
ガンの原料には、焼成により酸化物となる化合物（炭酸
塩等）を用いることもある。
ては、通常、上記した主成分および副成分の酸化物を用
いるが、例えばアルカリ土類元素酸化物および酸化マン
ガンの原料には、焼成により酸化物となる化合物（炭酸
塩等）を用いることもある。
【００２１】出発原料の混合物は、空気中等の酸化性雰
囲気中において仮焼する。仮焼温度は一般に８００〜９
００℃とし、仮焼時間は一般に１〜４時間とすることが
好ましい。次に、得られた仮焼物を粉砕ないし解砕し、
必要に応じて少量の結合剤を添加した後、４〜６t/cm2
程度の圧力で成形する。次いで、空気中等の酸化性雰囲
気中において焼成することにより、圧電磁器を得る。焼
成温度は一般に９００〜１１００℃とし、焼成時間は一
般に１〜４時間とすることが好ましい。
囲気中において仮焼する。仮焼温度は一般に８００〜９
００℃とし、仮焼時間は一般に１〜４時間とすることが
好ましい。次に、得られた仮焼物を粉砕ないし解砕し、
必要に応じて少量の結合剤を添加した後、４〜６t/cm2
程度の圧力で成形する。次いで、空気中等の酸化性雰囲
気中において焼成することにより、圧電磁器を得る。焼
成温度は一般に９００〜１１００℃とし、焼成時間は一
般に１〜４時間とすることが好ましい。
【００２２】本発明の圧電磁器は、圧電トランスに特に
好適であるが、超音波モータなどの他の圧電デバイスに
も好適である。
好適であるが、超音波モータなどの他の圧電デバイスに
も好適である。
【００２３】圧電トランスの例として、ローゼン型圧電
トランスの構成例を図１に示す。図示する圧電トランス
１０は、本発明の圧電磁器で構成された長方形の板状の
トランス本体１２を有する。このトランス本体１２の寸
法は特に限定されないが、通常、長さＬは１５〜４０m
m、幅Ｗは３〜７mm、厚さＴは０．７〜１．５mmとされ
る。なお、圧電トランス以外の圧電デバイスも、一般に
厚さ２mm以下と薄く、特に超音波モータでは厚さ０．０
５〜１mmと薄型化されることが多いが、本発明の圧電磁
器は機械的強度が高いので、このように薄型化された場
合でも充分な強度を示す。
トランスの構成例を図１に示す。図示する圧電トランス
１０は、本発明の圧電磁器で構成された長方形の板状の
トランス本体１２を有する。このトランス本体１２の寸
法は特に限定されないが、通常、長さＬは１５〜４０m
m、幅Ｗは３〜７mm、厚さＴは０．７〜１．５mmとされ
る。なお、圧電トランス以外の圧電デバイスも、一般に
厚さ２mm以下と薄く、特に超音波モータでは厚さ０．０
５〜１mmと薄型化されることが多いが、本発明の圧電磁
器は機械的強度が高いので、このように薄型化された場
合でも充分な強度を示す。
【００２４】トランス本体１２の一方の端面には、出力
電極１４が設けられており、トランス本体１２の上記出
力電極１４から遠い側の半部の上下面には、入力電極１
６、１８が設けられている。これらの出力電極１４およ
び入力電極１６、１８は、銀等の導体で形成され、厚さ
は１〜２０μm 程度とされる。トランス本体１２の入力
電極１６、１８が設けられた部分、すなわち一次側部分
１２ａは、厚み方向にあらかじめ分極されており、残り
の部分、すなわち二次側部分１２ｂは、長さ方向に分極
されている。一次側部分１２ａの長さＬ1は、７〜２０m
m程度とされる。
電極１４が設けられており、トランス本体１２の上記出
力電極１４から遠い側の半部の上下面には、入力電極１
６、１８が設けられている。これらの出力電極１４およ
び入力電極１６、１８は、銀等の導体で形成され、厚さ
は１〜２０μm 程度とされる。トランス本体１２の入力
電極１６、１８が設けられた部分、すなわち一次側部分
１２ａは、厚み方向にあらかじめ分極されており、残り
の部分、すなわち二次側部分１２ｂは、長さ方向に分極
されている。一次側部分１２ａの長さＬ1は、７〜２０m
m程度とされる。
【００２５】この圧電トランス１０において、入力電極
１６、１８から一次側部分１２ａに印加された１波長ま
たは１／２波長共振の交流電界は、振動エネルギーに変
換された後、再び電気エネルギーに変換され、昇圧され
て出力電極１４から取り出される。図１に示すようにト
ランス本体１２を単板の圧電磁器から構成した場合、昇
圧比を例えば５〜１５とすることができる。昇圧比を上
げるためには、トランス本体１２の一次側部分１２ａ
を、磁器層と電極層とが交互に積層された構造とすれば
よい。このような積層構造では、積層数に応じた昇圧比
が得られる。積層構造の例を図２に示す。図２では、一
次側部分１２ａにおいて、磁器層１２ａ−１〜１２ａ−
ｎのそれぞれ両側に、電極層１６、１８が存在する。な
お、このような積層構造とした場合でも、外形寸法は図
１に示す単板の圧電磁器を用いた場合と同等である。
１６、１８から一次側部分１２ａに印加された１波長ま
たは１／２波長共振の交流電界は、振動エネルギーに変
換された後、再び電気エネルギーに変換され、昇圧され
て出力電極１４から取り出される。図１に示すようにト
ランス本体１２を単板の圧電磁器から構成した場合、昇
圧比を例えば５〜１５とすることができる。昇圧比を上
げるためには、トランス本体１２の一次側部分１２ａ
を、磁器層と電極層とが交互に積層された構造とすれば
よい。このような積層構造では、積層数に応じた昇圧比
が得られる。積層構造の例を図２に示す。図２では、一
次側部分１２ａにおいて、磁器層１２ａ−１〜１２ａ−
ｎのそれぞれ両側に、電極層１６、１８が存在する。な
お、このような積層構造とした場合でも、外形寸法は図
１に示す単板の圧電磁器を用いた場合と同等である。
【００２６】本発明の圧電デバイスは、常法により作製
することができる。なお、図２に示すような積層構造の
圧電トランスでは、磁器と電極（特に磁器内に配置され
るもの）とが同時焼成されることが望ましい。この時の
焼成温度は、１０００〜１１５０℃とすることが好まし
い。
することができる。なお、図２に示すような積層構造の
圧電トランスでは、磁器と電極（特に磁器内に配置され
るもの）とが同時焼成されることが望ましい。この時の
焼成温度は、１０００〜１１５０℃とすることが好まし
い。
【００２７】
【実施例】主成分の出発原料として、酸化鉛（Ｐｂ
Ｏ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（Ｚ
ｒＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ
2Ｏ5）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、炭酸ストロン
チウム（ＳｒＣＯ3）および炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）
を用意し、副成分の出発原料として、炭酸マンガン（Ｍ
ｎＣＯ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化アンチモ
ン（Ｓｂ2Ｏ3）および酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を用意
し、これらの粉末を、主成分のモル比（酸化物換算）が
（Ｐｂ0.995Ａ0.05）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.40
Ｚｒ0.40Ｏ3となり、主成分に対する副成分の重量比
（酸化物換算）が表１に示す値となるように配合した。
なお、Ａ中における原子比は、Ｃａ：Ｓｒ：Ｂａ＝１：
２：２とした。
Ｏ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（Ｚ
ｒＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ
2Ｏ5）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、炭酸ストロン
チウム（ＳｒＣＯ3）および炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）
を用意し、副成分の出発原料として、炭酸マンガン（Ｍ
ｎＣＯ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化アンチモ
ン（Ｓｂ2Ｏ3）および酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を用意
し、これらの粉末を、主成分のモル比（酸化物換算）が
（Ｐｂ0.995Ａ0.05）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.40
Ｚｒ0.40Ｏ3となり、主成分に対する副成分の重量比
（酸化物換算）が表１に示す値となるように配合した。
なお、Ａ中における原子比は、Ｃａ：Ｓｒ：Ｂａ＝１：
２：２とした。
【００２８】各配合物をボールミルにより湿式混合し、
空気中において混合物を８００〜９００℃で２時間仮焼
した後、仮焼物をボールミルで湿式粉砕した。次いで、
仮焼物に少量の結合剤を添加し、約５t/cm2の圧力で成
形し、平面寸法５０mm×５０mm、厚さ１０mmの板状成形
体を得た。
空気中において混合物を８００〜９００℃で２時間仮焼
した後、仮焼物をボールミルで湿式粉砕した。次いで、
仮焼物に少量の結合剤を添加し、約５t/cm2の圧力で成
形し、平面寸法５０mm×５０mm、厚さ１０mmの板状成形
体を得た。
【００２９】次に、これらの成形体を空気中において１
０００〜１１００℃で２時間焼成して、圧電磁器試料を
得た。これらの圧電磁器試料について密度測定を行った
ところ、すべての試料の密度が、理論密度に対し９５％
以上であることがわかった。
０００〜１１００℃で２時間焼成して、圧電磁器試料を
得た。これらの圧電磁器試料について密度測定を行った
ところ、すべての試料の密度が、理論密度に対し９５％
以上であることがわかった。
【００３０】これらの圧電磁器試料を、１２mm×３mm、
厚さ１mmとなるように加工し、両面に銀電極を焼き付け
た。次いで、１２０℃のシリコンオイル中において、２
kV/mmの電界により厚み方向に３０分間分極を行い、電
気特性測定用試料を得た。
厚さ１mmとなるように加工し、両面に銀電極を焼き付け
た。次いで、１２０℃のシリコンオイル中において、２
kV/mmの電界により厚み方向に３０分間分極を行い、電
気特性測定用試料を得た。
【００３１】これらの電気特性測定用試料について、Ｉ
ＲＥ標準回路により共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ
および共振抵抗を測定し、電気機械結合係数（ｋ31）お
よび機械的品質係数（Ｑm）を求めた。なお、測定は、
分極後、２４時間経過してから行った。結果を表１に示
す。
ＲＥ標準回路により共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ
および共振抵抗を測定し、電気機械結合係数（ｋ31）お
よび機械的品質係数（Ｑm）を求めた。なお、測定は、
分極後、２４時間経過してから行った。結果を表１に示
す。
【００３２】次に、ハイパワー駆動特性を調べるため、
上記圧電磁器試料を、４．５mm×３２mm、厚さ１mmとな
るように加工し、一般的な２次ローゼン型の圧電トラン
スとなるように銀電極を形成し、厚み方向（一次側部
分）、長さ方向（二次側部分）の順に、１２０℃のシリ
コンオイル中において２kV/mmの電界で３０分間分極を
行って、圧電トランス試料を得た。これらの圧電トラン
ス試料を、ノード点と呼ばれる振動しない位置（応力が
最大となる位置）および出力電極の位置においてコンタ
クトプローブ２０（図３参照）により保持し、この状態
で入出力を行ってトランス特性を評価した。なお、図３
は、図１に示す構成の圧電トランスの正面図である。評
価結果として、駆動時の発熱によって温度が１５℃上昇
するまでに投入した電力量（Ｐin）と、温度が１５℃上
昇したときの変換効率および昇圧比とを表１に示す。な
お、特性測定を１５℃昇温時に行ったのは、使用時の温
度上昇が一般に１５℃程度以下であると考えられるから
である。
上記圧電磁器試料を、４．５mm×３２mm、厚さ１mmとな
るように加工し、一般的な２次ローゼン型の圧電トラン
スとなるように銀電極を形成し、厚み方向（一次側部
分）、長さ方向（二次側部分）の順に、１２０℃のシリ
コンオイル中において２kV/mmの電界で３０分間分極を
行って、圧電トランス試料を得た。これらの圧電トラン
ス試料を、ノード点と呼ばれる振動しない位置（応力が
最大となる位置）および出力電極の位置においてコンタ
クトプローブ２０（図３参照）により保持し、この状態
で入出力を行ってトランス特性を評価した。なお、図３
は、図１に示す構成の圧電トランスの正面図である。評
価結果として、駆動時の発熱によって温度が１５℃上昇
するまでに投入した電力量（Ｐin）と、温度が１５℃上
昇したときの変換効率および昇圧比とを表１に示す。な
お、特性測定を１５℃昇温時に行ったのは、使用時の温
度上昇が一般に１５℃程度以下であると考えられるから
である。
【００３３】また、上記圧電磁器試料を４mm×２mm、厚
さ０．９mmとなるように加工して試験片を作製し、これ
らの試験片に対し、JIS R 1601に従い３点曲げ抗折強度
試験を行い、抗折強度を測定した。結果を表１に示す。
さ０．９mmとなるように加工して試験片を作製し、これ
らの試験片に対し、JIS R 1601に従い３点曲げ抗折強度
試験を行い、抗折強度を測定した。結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】表１から、酸化マンガンと酸化タンタルと
を含有する試料、および、さらに酸化アンチモンや酸化
ニオブを含有する試料では、電気機械結合係数（ｋ31）
と機械的品質係数（Ｑm）とが共に向上し、同時に、機
械的強度も向上することがわかる。
を含有する試料、および、さらに酸化アンチモンや酸化
ニオブを含有する試料では、電気機械結合係数（ｋ31）
と機械的品質係数（Ｑm）とが共に向上し、同時に、機
械的強度も向上することがわかる。
【００３６】これに対し、酸化マンガンと酸化コバルト
とを含有する比較試料では、Ｑm、Ｐin、効率および抗
折強度がすべて本発明試料よりも劣っている。
とを含有する比較試料では、Ｑm、Ｐin、効率および抗
折強度がすべて本発明試料よりも劣っている。
【図１】本発明の圧電デバイスの一例である圧電トラン
スの構成例を示す斜視図である。
スの構成例を示す斜視図である。
【図２】本発明の圧電デバイスの一例である圧電トラン
スの構成例を示す斜視図である。
スの構成例を示す斜視図である。
【図３】図１に示す圧電トランスの正面図である。
１０ 圧電トランス １２ トランス本体 １２ａ 一次側部分 １２ｂ 二次側部分 １４ 出力電極 １６ 入力電極 １８ 入力電極 ２０ コンタクトプローブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 35/49 H01L 41/187 ＣＡ（ＳＴＮ) ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)
Claims (3)
- 【請求項１】 式 （Ｐｂ1-aＡa）（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒzＯ3 ［ただし、上記式において、Ａはカルシウム（Ｃａ）、
ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）から選ばれ
る少なくとも１種の金属元素である。また、ａ、ｘ、ｙ
およびｚはモル比を表し、 ０≦ａ≦０．１、 ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、 ０．０５≦ｘ≦０．４、 ０．１≦ｙ≦０．５、 ０．２≦ｚ≦０．６ である］で表される主成分と、 ＭｎＯ2に換算して０．０５〜３重量％の酸化マンガン
と、Ｔａ2Ｏ5に換算して０．０５〜１．５重量％の酸化
タンタルとを含む副成分とからなる圧電磁器。 - 【請求項２】 副成分としてさらに酸化アンチモンおよ
び酸化ニオブの少なくとも１種を含有し、酸化タンタ
ル、酸化アンチモンおよび酸化ニオブをそれぞれＴａ2
Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3およびＮｂ2Ｏ5に換算したときの合計含
有量が、前記主成分に対し５重量％以下である請求項１
の圧電磁器。 - 【請求項３】 請求項１または２の圧電磁器を用いた圧
電デバイス。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10189711A JP2957564B1 (ja) | 1998-06-19 | 1998-06-19 | 圧電磁器および圧電デバイス |
| KR1019990005271A KR100314762B1 (ko) | 1998-02-27 | 1999-02-13 | 압전세라믹 및 압전장치 |
| US09/255,036 US6207069B1 (en) | 1998-02-27 | 1999-02-22 | Piezoelectric ceramics and piezoelectric device |
| TW088102664A TW561137B (en) | 1998-02-27 | 1999-02-23 | Piezoelectric ceramics and piezoelectric device |
| CN99102429A CN1117042C (zh) | 1998-02-27 | 1999-02-26 | 压电陶瓷组合物和压电器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10189711A JP2957564B1 (ja) | 1998-06-19 | 1998-06-19 | 圧電磁器および圧電デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2957564B1 true JP2957564B1 (ja) | 1999-10-04 |
| JP2000007431A JP2000007431A (ja) | 2000-01-11 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10189711A Expired - Fee Related JP2957564B1 (ja) | 1998-02-27 | 1998-06-19 | 圧電磁器および圧電デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2957564B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001181035A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-03 | Tdk Corp | 圧電セラミック組成物 |
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|---|---|---|---|---|
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| KR100586952B1 (ko) * | 2004-02-20 | 2006-06-07 | 삼성전기주식회사 | 고출력 압전 세라믹 조성물 및 압전소자 |
| JP2006245123A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Ibiden Co Ltd | 圧電体素子 |
| JP2006245124A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Ibiden Co Ltd | 積層型圧電体素子 |
| CA2561615A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-04 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic composition and laminated piezoelectric element |
-
1998
- 1998-06-19 JP JP10189711A patent/JP2957564B1/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001181035A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-03 | Tdk Corp | 圧電セラミック組成物 |
| JP4496579B2 (ja) * | 1999-12-28 | 2010-07-07 | Ｔｄｋ株式会社 | 圧電セラミック組成物 |
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|---|---|
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