JP3482954B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
圧電磁器組成物Info
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- JP3482954B2 JP3482954B2 JP2000343296A JP2000343296A JP3482954B2 JP 3482954 B2 JP3482954 B2 JP 3482954B2 JP 2000343296 A JP2000343296 A JP 2000343296A JP 2000343296 A JP2000343296 A JP 2000343296A JP 3482954 B2 JP3482954 B2 JP 3482954B2
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- ceramic composition
- composition
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は各種電圧デバイスに
用いられる圧電磁器組成物に関するものである。
用いられる圧電磁器組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電磁器組成物はセラミックフィ
ルタ、発振子、発音体、アクチュエータ等に広く用いら
れており、大きな圧電性を有するチタン酸鉛［ＰｂＴｉ
Ｏ3］やチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ3］
を主成分としたものが用いられている。
ルタ、発振子、発音体、アクチュエータ等に広く用いら
れており、大きな圧電性を有するチタン酸鉛［ＰｂＴｉ
Ｏ3］やチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ3］
を主成分としたものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら近年地球
環境に関する配慮から鉛を排除した非鉛圧電磁器組成物
の開発が要望されており、ビスマス層状型ペロブスカイ
ト、非鉛Ｉ−Ｖ族ペロブスカイト、非鉛II−IV族ペロブ
スカイト等多くの研究が進められているが、実用的な圧
電特性が得られずほとんど量産されていない。
環境に関する配慮から鉛を排除した非鉛圧電磁器組成物
の開発が要望されており、ビスマス層状型ペロブスカイ
ト、非鉛Ｉ−Ｖ族ペロブスカイト、非鉛II−IV族ペロブ
スカイト等多くの研究が進められているが、実用的な圧
電特性が得られずほとんど量産されていない。
【０００４】非鉛圧電磁器組成物として有望なものの一
つにＢｉ4ＳｒＴｉ4Ｏ15なるビスマス層状ペロブスカイ
ト化合物があり、キュリー点が高いため４００℃程度の
高温に耐え、周波数の温度特性も−４０ｐｐｍと実用的
な値を持つ。しかし圧電性は結合係数（Ｋｔ）が１４％
前後で鉛系磁器組成物の１／４程度で、Ｑｍも１０００
程度であり実用に値しない。
つにＢｉ4ＳｒＴｉ4Ｏ15なるビスマス層状ペロブスカイ
ト化合物があり、キュリー点が高いため４００℃程度の
高温に耐え、周波数の温度特性も−４０ｐｐｍと実用的
な値を持つ。しかし圧電性は結合係数（Ｋｔ）が１４％
前後で鉛系磁器組成物の１／４程度で、Ｑｍも１０００
程度であり実用に値しない。
【０００５】一方、セラミックフィルタや発振子として
利用する場合は電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品
質係数Ｑｍも重要な要素となる。機械的品質係数Ｑｍは
共振周波数、反共振周波数におけるインピーダンスの比
に関係のある定数であり、使用回路での信号処理能力を
大きく左右（利得、減衰量）するものである。機械的品
質係数Ｑｍが大きいことは電気機械結合係数Ｋｔの小さ
いことを十分に補うことができる。このために電気機械
結合係数Ｋｔはより大きいもの、又機械的品質係数Ｑｍ
は２０００以上を持つものが望まれていた。
利用する場合は電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品
質係数Ｑｍも重要な要素となる。機械的品質係数Ｑｍは
共振周波数、反共振周波数におけるインピーダンスの比
に関係のある定数であり、使用回路での信号処理能力を
大きく左右（利得、減衰量）するものである。機械的品
質係数Ｑｍが大きいことは電気機械結合係数Ｋｔの小さ
いことを十分に補うことができる。このために電気機械
結合係数Ｋｔはより大きいもの、又機械的品質係数Ｑｍ
は２０００以上を持つものが望まれていた。
【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品質係数Ｑｍ
を大きく改善し実用的な値を有する圧電磁器組成物を提
供することを目的とするものである。
で、電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品質係数Ｑｍ
を大きく改善し実用的な値を有する圧電磁器組成物を提
供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に以下の構成を有するものである。
に以下の構成を有するものである。
【０００８】請求項１に記載の発明は、一般式がＢｉ4
（Ｓｒ1-xＭx）Ｔｉ4Ｏ15なるビスマス層状化合物（但
しＭはＣｒ）で表され、Ｘは０＜Ｘ≦０．３なる値をと
り、且つＭｎをＭｎＯ2に換算して１．５ｗｔ％以下
（０を除く）を含有する圧電磁器組成物であり、Ｓｒを
Ｃｒで置換するだけでは電気機械結合係数Ｋｔはほとん
ど変化は見られないがこれにＭｎを添加することにより
電気機械結合係数Ｋｔ、機械的品質係数Ｑｍともに大き
くなるという作用効果が得られる。このときＸの範囲を
０〜０．３（０を除く）、又Ｍｎを１．５ｗｔ％以下
（０を除く）としたのはこれ以外の範囲では顕著な作用
効果が得られないためである。
（Ｓｒ1-xＭx）Ｔｉ4Ｏ15なるビスマス層状化合物（但
しＭはＣｒ）で表され、Ｘは０＜Ｘ≦０．３なる値をと
り、且つＭｎをＭｎＯ2に換算して１．５ｗｔ％以下
（０を除く）を含有する圧電磁器組成物であり、Ｓｒを
Ｃｒで置換するだけでは電気機械結合係数Ｋｔはほとん
ど変化は見られないがこれにＭｎを添加することにより
電気機械結合係数Ｋｔ、機械的品質係数Ｑｍともに大き
くなるという作用効果が得られる。このときＸの範囲を
０〜０．３（０を除く）、又Ｍｎを１．５ｗｔ％以下
（０を除く）としたのはこれ以外の範囲では顕著な作用
効果が得られないためである。
【０００９】請求項２に記載の発明は、ＴｉもしくはＣ
ｕのうち少なくとも一方を請求項１に記載の組成に添加
した圧電磁器組成物であり、ビスマス層状化合物はその
特性を十分に引き出すには１８０〜２００℃で分極処理
する必要があり、このため分極治工具の耐熱材質の選
定、絶縁オイルの熱分解、作業能率等量産性においても
課題があったが、Ｔｉ（この元素は一般式構成元素でも
あり、化学量論組成よりも過剰に加える結果になるが）
もしくはＣｕの少なくとも一方を添加することによって
分極処理温度を１００〜１４０℃と大幅に下げることが
できて量産性の良い磁器を提供することができる。この
とき添加量は全重量に対し１ｗｔ％以下が好ましく、Ｔ
ｉがこれ以上の値では焼結が困難であったり、あるいは
Ｃｕがこれ以上の値では磁器の抵抗が低下して分極処理
ができなくなるからである。
ｕのうち少なくとも一方を請求項１に記載の組成に添加
した圧電磁器組成物であり、ビスマス層状化合物はその
特性を十分に引き出すには１８０〜２００℃で分極処理
する必要があり、このため分極治工具の耐熱材質の選
定、絶縁オイルの熱分解、作業能率等量産性においても
課題があったが、Ｔｉ（この元素は一般式構成元素でも
あり、化学量論組成よりも過剰に加える結果になるが）
もしくはＣｕの少なくとも一方を添加することによって
分極処理温度を１００〜１４０℃と大幅に下げることが
できて量産性の良い磁器を提供することができる。この
とき添加量は全重量に対し１ｗｔ％以下が好ましく、Ｔ
ｉがこれ以上の値では焼結が困難であったり、あるいは
Ｃｕがこれ以上の値では磁器の抵抗が低下して分極処理
ができなくなるからである。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態を用いて、本発
明の特に請求項１，２に記載の発明について説明する。
明の特に請求項１，２に記載の発明について説明する。
【００１１】まず、出発原料としてＢｉ2Ｏ3，ＳｒＣＯ
3，ＴｉＯ2，Ｙ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｕＯを、一般式Ｂｉ
4 （Ｓｒ 1-x Ｍ x ）Ｔｉ 4 Ｏ 15 で表わした時、（表１）、
（表２）に示す組成となるように秤量し、ボールミルを
用いて１６時間湿式混合処理し乾燥を行った。
3，ＴｉＯ2，Ｙ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3，ＣｕＯを、一般式Ｂｉ
4 （Ｓｒ 1-x Ｍ x ）Ｔｉ 4 Ｏ 15 で表わした時、（表１）、
（表２）に示す組成となるように秤量し、ボールミルを
用いて１６時間湿式混合処理し乾燥を行った。
【００１２】次に、乾燥した混合原料を８００〜１００
０℃の温度で２時間仮焼後、再びボールミルを用いて１
６時間湿式粉砕し乾燥を行って圧電材料を作製した。
０℃の温度で２時間仮焼後、再びボールミルを用いて１
６時間湿式粉砕し乾燥を行って圧電材料を作製した。
【００１３】次いで、圧電材料に対しバインダーとして
５％ポリビニルアルコール溶液を８〜１２ｗｔ％加えて
造粒した後、１５０ＭＰａの圧力で直径２０ｍｍ、厚さ
１．５ｍｍの円板状に成形した後、これを１０５０〜１
２５０℃の温度で焼成を行い圧電素子の焼結体を作製し
た。
５％ポリビニルアルコール溶液を８〜１２ｗｔ％加えて
造粒した後、１５０ＭＰａの圧力で直径２０ｍｍ、厚さ
１．５ｍｍの円板状に成形した後、これを１０５０〜１
２５０℃の温度で焼成を行い圧電素子の焼結体を作製し
た。
【００１４】得られた焼結体を厚さ０．５ｍｍに平面研
磨した後、両面に銀電極ペーストを塗布、乾燥を行い、
７００℃の温度で焼付を行った。
磨した後、両面に銀電極ペーストを塗布、乾燥を行い、
７００℃の温度で焼付を行った。
【００１５】次に、１００℃から２００℃まで２０℃刻
みで上げた各温度のシリコンオイル中で３．５ＫＶの直
流電圧（７ＫＶ／ｍｍ）を印加し分極を行った後、各試
料の電気機械結合係数Ｋｔおよび機械的品質係数Ｑｍを
測定した。その後に飽和分極処理温度と考えられる試料
を選定しその結果を（表１）、（表２）に示した。
みで上げた各温度のシリコンオイル中で３．５ＫＶの直
流電圧（７ＫＶ／ｍｍ）を印加し分極を行った後、各試
料の電気機械結合係数Ｋｔおよび機械的品質係数Ｑｍを
測定した。その後に飽和分極処理温度と考えられる試料
を選定しその結果を（表１）、（表２）に示した。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
【００１８】尚、電気機械結合係数Ｋｔおよび機械的品
質係数Ｑｍは電子材料工業会標準規格であるＥＭＡＳ−
６１００（圧電セラミック振動子の電気的試験方法）に
基づき測定、算出した。又、各試料の値を選定するにあ
たっては、１００℃から２００℃の間の６点で測定した
試料のうち電気機械結合係数Ｋｔが最大となる点を基準
として５％以上電気機械結合係数Ｋｔが低下しない範囲
での一番低い分極処理温度の値をもって飽和分極処理温
度とし、この点における値を表に記載してある。
質係数Ｑｍは電子材料工業会標準規格であるＥＭＡＳ−
６１００（圧電セラミック振動子の電気的試験方法）に
基づき測定、算出した。又、各試料の値を選定するにあ
たっては、１００℃から２００℃の間の６点で測定した
試料のうち電気機械結合係数Ｋｔが最大となる点を基準
として５％以上電気機械結合係数Ｋｔが低下しない範囲
での一番低い分極処理温度の値をもって飽和分極処理温
度とし、この点における値を表に記載してある。
【００１９】（表１）はビスマス層状化合物をＹもしく
はＣｒで置換した本実施の形態の基本組成とその特性値
である。
はＣｒで置換した本実施の形態の基本組成とその特性値
である。
【００２０】（表２）は上記（表１）の組成に、過剰な
ＴｉもしくはＣｕを添加した組成とその特性値である。
ＴｉもしくはＣｕを添加した組成とその特性値である。
【００２１】（表１）に示すように従来の圧電磁器（試
料番号１）は電気機械結合係数Ｋｔが１４％、機械的品
質係数Ｑｍが１０００程度でありセラミックフィルタや
発振子として利用するには使用する回路が複雑なものと
なるため実質的に困難であった。これに対してＳｒをＹ
もしくはＣｒで置換したもの（試料番号３，４，５，
８，９，１０，１５，１６，１７，２０，２１，２２）
は電気機械結合係数Ｋｔが１５〜２０％に向上すると同
時に、機械的品質係数Ｑｍは３０００〜７０００と大幅
に上昇することがわかる。これによって実用的な圧電磁
器組成物となり、ここでＹもしくはＣｒが０．３を越え
ると（試料番号１２，１３，２４，２５）、あるいはＭ
ｎが２ｗｔ％を越えると（試料番号６，１１，１８，２
３）、機械的品質係数Ｑｍは１０００〜１５００と従来
組成よりも大きい値をとる組成もあるが、電気機械結合
係数Ｋｔが小さくなり両方を加味すると実用的な効果は
なくなる。又、Ｍｎを添加しない場合（試料番号２，１
４）も従来組成とほぼ同レベルであり効果は見られな
い。
料番号１）は電気機械結合係数Ｋｔが１４％、機械的品
質係数Ｑｍが１０００程度でありセラミックフィルタや
発振子として利用するには使用する回路が複雑なものと
なるため実質的に困難であった。これに対してＳｒをＹ
もしくはＣｒで置換したもの（試料番号３，４，５，
８，９，１０，１５，１６，１７，２０，２１，２２）
は電気機械結合係数Ｋｔが１５〜２０％に向上すると同
時に、機械的品質係数Ｑｍは３０００〜７０００と大幅
に上昇することがわかる。これによって実用的な圧電磁
器組成物となり、ここでＹもしくはＣｒが０．３を越え
ると（試料番号１２，１３，２４，２５）、あるいはＭ
ｎが２ｗｔ％を越えると（試料番号６，１１，１８，２
３）、機械的品質係数Ｑｍは１０００〜１５００と従来
組成よりも大きい値をとる組成もあるが、電気機械結合
係数Ｋｔが小さくなり両方を加味すると実用的な効果は
なくなる。又、Ｍｎを添加しない場合（試料番号２，１
４）も従来組成とほぼ同レベルであり効果は見られな
い。
【００２２】（表２）に示すように、（表１）の組成に
更に過剰なＴｉ（試料番号２６，２７，２８，３５，３
６，３７）もしくはＣｕ（試料番号３０，３１，３２，
３９，４０，４１）を添加したものは電気機械結合係数
Ｋｔ及び機械的品質係数Ｑｍを高いレベルに維持したま
ま分極処理温度を１００〜１４０℃と大幅に下げること
ができ、これらを添加することによって量産処理容易な
圧電磁器となる。このことはＴｉ，Ｃｕを同時に添加し
ても（試料番号３４，４３）有効であり、このときＴｉ
量が１ｗｔ％を越えると（試料番号２９，３８）磁器の
焼結が困難となり、またＣｕが１ｗｔ％を越えると（試
料番号３３，４２）絶縁抵抗が限界を越えて低下するた
めに分極処理ができなくなる。
更に過剰なＴｉ（試料番号２６，２７，２８，３５，３
６，３７）もしくはＣｕ（試料番号３０，３１，３２，
３９，４０，４１）を添加したものは電気機械結合係数
Ｋｔ及び機械的品質係数Ｑｍを高いレベルに維持したま
ま分極処理温度を１００〜１４０℃と大幅に下げること
ができ、これらを添加することによって量産処理容易な
圧電磁器となる。このことはＴｉ，Ｃｕを同時に添加し
ても（試料番号３４，４３）有効であり、このときＴｉ
量が１ｗｔ％を越えると（試料番号２９，３８）磁器の
焼結が困難となり、またＣｕが１ｗｔ％を越えると（試
料番号３３，４２）絶縁抵抗が限界を越えて低下するた
めに分極処理ができなくなる。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、本発明の圧電磁器組成物
は、一般式がＢｉ4（Ｓｒ1-xＭx）Ｔｉ4Ｏ15で表される
ビスマス層状化合物を主成分とし（但しＭはＣｒで、０
＜Ｘ≦０．３）、且つＭｎをＭｎＯ2に換算して１．５
ｗｔ％以下（０を除く）の量を含有したものであり、こ
れにより、電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品質係
数Ｑｍを大きく改善し実用的な値を有する圧電磁器組成
物を得ることができ、さらに、この圧電磁器組成物に過
剰なＴｉもしくはＣｕを添加（ともに１ｗｔ％以下）す
ることにより分極処理温度を低くすることができて、量
産性が一層良好となる。
は、一般式がＢｉ4（Ｓｒ1-xＭx）Ｔｉ4Ｏ15で表される
ビスマス層状化合物を主成分とし（但しＭはＣｒで、０
＜Ｘ≦０．３）、且つＭｎをＭｎＯ2に換算して１．５
ｗｔ％以下（０を除く）の量を含有したものであり、こ
れにより、電気機械結合係数Ｋｔとともに機械的品質係
数Ｑｍを大きく改善し実用的な値を有する圧電磁器組成
物を得ることができ、さらに、この圧電磁器組成物に過
剰なＴｉもしくはＣｕを添加（ともに１ｗｔ％以下）す
ることにより分極処理温度を低くすることができて、量
産性が一層良好となる。
Claims (2)
- 【請求項１】 一般式がＢｉ4（Ｓｒ1-xＭx）Ｔｉ4Ｏ15
で表されるビスマス層状化合物を主成分とし（但しＭは
Ｃｒで、０＜Ｘ≦０．３）、且つＭｎをＭｎＯ2に換算
して１．５ｗｔ％以下（０を除く）の量を含有する圧電
磁器組成物。 - 【請求項２】 ＴｉもしくはＣｕのうち少なくとも一方
をＴｉＯ2あるいはＣｕＯに換算して１ｗｔ％以下添加
した請求項１に記載の圧電磁器組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000343296A JP3482954B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 圧電磁器組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000343296A JP3482954B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 圧電磁器組成物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002154871A JP2002154871A (ja) | 2002-05-28 |
| JP3482954B2 true JP3482954B2 (ja) | 2004-01-06 |
Family
ID=18817690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000343296A Expired - Fee Related JP3482954B2 (ja) | 2000-11-10 | 2000-11-10 | 圧電磁器組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3482954B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007039971A1 (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-12 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 圧電磁器組成物及び圧電部品 |
| JP5072760B2 (ja) * | 2008-07-28 | 2012-11-14 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子 |
| CN111646797A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-09-11 | 巢湖学院 | 一种多层无铅压电陶瓷驱动器及其制备方法 |
-
2000
- 2000-11-10 JP JP2000343296A patent/JP3482954B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002154871A (ja) | 2002-05-28 |
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