JP3531803B2 - アルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成物 - Google Patents
アルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成物Info
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Description
料組成物に関し、更に詳しくは、自動車用エンジンのノ
ッキングセンサ等に用いられるアルカリ金属含有ニオブ
酸化物系圧電材料組成物に関するものである。
ンサ等には圧電材料が用いられている。圧電材料は、大
きく分類して鉛系物質を含有するものと鉛系物質を含有
しないものとに分けられ、これらはその用途に応じて選
択して用いられることになる。ところで、既知のように
鉛は有害物質であり、この鉛系物質を含有する圧電材料
も有害物質を含有することになり、その取扱いや用途等
には留意を要することになる。そこで、鉛系物質等の有
害物質を含有することなく高特性を備える圧電材料が要
求されることになる。
には、ニオブ酸(NbO3)系の材料に各種の副成分を
添加することによって材料の焼結性を高めることによっ
て材料を高密度化させて経時安定性を高めんとするもの
が知られている。このように焼結性が高まると、材料の
成分や相が緻密化し高密度化することができる。そのた
め、電気機械結合係数や機械的品質係数が比較的高く得
られる。又、有害物質を含まないことから安全性が高
く、圧電特性及び安定性が高い圧電材料が得られること
になる。
成分には多様なものが用いられる。例えば、特開昭50
−47193号公報には組成式KNbO3−NaNbO
3−LiNbO3で構成される組成物に酸化マンガンを
添加するものが開示され、又、特公昭60−52098
号公報には、一般式Na1−xLixNbO3(0.0
2≦x≦0.30)で構成される組成物に酸化アルミニ
ウムを0.02〜2.0重量%、酸化鉄を0.001〜
0.019重量%の範囲で添加するものが開示されてい
る。これらは、共に材料の焼結性を促進させることによ
って相対密度を高密度化させ、これによって電気機械結
合係数を向上させ機械的強度が大きい材料を得るという
ものである。
オブ酸系の圧電材料は、優れた特性を有するものの材料
の焼結性や高温に対する温度安定性、経過日数に伴う材
料特性の低下を示す経時安定性といった安定性に劣る。
そのため、材料を再結晶温度以上で成形し且つ加圧する
(ホットプレス法)をもって作製される。ホットプレス
法は、材料を通常圧力で成形し焼結する、いわゆる常圧
焼結法に比べて低温で高密度の焼結体が得られるが、製
造コストが高く、又、大きな焼結体を製造できないとい
う問題がある。そのため、ホットプレス法をもって作製
した材料は、加圧の作用によって高密度化されるもの
の、温度安定性や経時安定性については十分なものでは
なく、又、作製コストが高いといった問題があった。
鉛系材料を含有しないニオブ酸系圧電材料において、そ
の温度特性や経時安定性を向上させるべく置換固溶化剤
及び/又は添加剤を見出すと共に、その作製方法におい
ては、既存の常圧焼結法でもって作製可能なニオブ酸系
圧電材料組成物を提供することにある。
に、本発明に係るニオブ酸化物系圧電材料組成物は、組
成式K 1−xNa xNbO 3(但し、x=0〜0.8)
で表される固溶体にCuを含む物質を添加、及び/又は
固溶してなることを要旨とするものである。
らにTaを含む物質及び/又はLiを含む物質を添加し
又は固溶させてもよい。
むニオブ酸化物系圧電材料組成物に添加し又は固溶させ
る物質としては、Li及びTaを採用し、これらを添加
し又は固溶させてもよい。かかる場合には、固溶体は、
組成式Lix(K1−yNay)1−x(Nb1−zT
az)O3(但し、0.001≦x≦0.2、0≦y≦
0.8、0<z≦0.4)で表される。Liは焼結する
際に液相焼結することから焼結助剤として作用し、又、
Taは固溶体の中のドメインに作用してドメインを安定
化させると共に誘電損失も安定化する。これらの作用に
よって特性のよい圧電材料を提供することができる。そ
して、この場合のLiの添加量は0.1モル%以下でも
20モル%以上でも圧電特性を低下させるといった問題
があった。よって最適量は0.1〜20モル%である。
むニオブ酸化物系圧電材料組成物に対してCuを含む物
質を添加し又は固溶させる場合、これをCuが元素量で
0.001〜5モル%となるように添加し、及び/又は
固溶させるのが好ましい。これによって、Cu元素を含
む化合物が固溶体の焼結助剤として作用し相対密度の向
上が図れることから、特性のよい材料が得られる。更
に、Cu元素を含む物質は固溶体中のドメインに作用し
てドメインを安定させる効果を有することから、経時安
定性の向上が図れ、これについても特性のよい圧電材料
を提供することができる。但し、この場合に添加するC
u元素を含む物質の添加量が0.001モル%以下だと
焼結助剤として作用せず、又、5.0モル%以上だと特
性が低下するといった問題がある。よって、最適量は
0.001〜5.0モル%である。
てK及びNaを含むニオブ酸化物系圧電材料組成物にL
i及びTaを含む物質を添加したものに対し、さらに、
Cuを含む1種又は2種以上の物質を、Cuの元素量で
0〜5モル%添加してもよい。
照して詳細に説明する。先ず本発明における試料の製造
工程を説明する。尚、製造に用いる焼結法は常圧焼結、
加圧焼結のどちらでもよく、加熱方法についても電気炉
加熱、マイクロ波加熱、高周波誘導加熱、赤外線加熱等
の全ての加熱方法が可能である。又、焼結時の状態につ
いても酸素フロー内、空気中のどちらで行ってもよい。
そこで本実施例においては、セラミックス材料を製造す
るときに用いられる既存の常圧焼結法を用いて酸素フロ
ー(酸素5%〜100%)内とした。以下にその実施例
及び製造した試料の測定結果から特性について説明す
る。
3(0≦x≦0.8)にて構成される基試料にCuOを
添加して本発明試料(第一試料:KNN−CuO)を製
造した。原材料は純度99%以上のK2CO3、NaH
CO3、Nb2O5の各粉末をK0.5Na0.5NbO
3の組成式となるように配合し、合計50gの秤量物を
得た。そしてアセトンを用いてボールミルで20時間混
合し、この混合粉末を乾燥させた後に900℃で5時間
仮焼を行い、これを解砕して#60メッシュのふるいに
より整粒してK0.5Na0.5NbO3の結晶相を有す
る粉末を作成した。
晶粉末1モルに対して0.01モルのCuOを添加し、
再度アセトンを用いて再度ボールミルでもって20時間
混合及び粉砕し、これを#60メッシュのふるいをもっ
て平均粒径0.3〜0.4ミクロンの粉末に粉砕した。
この粉砕した粉末にポリビニルブチラールを2重量%加
えて乾燥させ、#60メッシュのふるいをもって整粒
し、2ton/cm2の1軸プレスでもって直径18m
m、厚さ約2mmのプレス体を作製した。
nのフロー中において昇温速度5℃/minで600℃
まで上昇させて1時間保持し、前記昇温速度と同速度を
もって1050℃まで加熱して更に1時間保持した。そ
して今度は5℃/minで室温(約25℃)まで冷却し
焼結体を作製した。次に、この焼結体を厚さ1mm、直
径15mmに研削、研磨、加工した後、Au電極をスパ
ッタ法でもって円盤状試料の上下面にコーティングして
蒸着し、100℃のシリコンオイル中で3KV/mmの
電界を10分間印可して分極処理し圧電性を付与した。
こうしてできあがった試料を1時間放置した後、その各
種特性を測定した。
O)の分極後1時間経過した段階での測定結果を表1に
示し、同試料の分極後28日経過した段階での測定結果
を表2に各々示す。又、これらの測定結果の比較対照を
行うために、CuOを添加していない1100℃で焼結
した基試料(KNN)の測定結果も合わせて示す。
径方向振動における電気機械結合係数(kp)、機械的
品質係数(Qm)、電圧出力圧電係数(g31,g3
3)、電荷出力圧電係数(d31,d33)、誘電率
(ε33T/ε0(1kHZでの値))、誘電損失(ta
nδ(1kHZでの値))等を挙げた。
材料工業会標準規格EMAS−6007の共振反共振法
を用いた。尚、強誘電相から常誘電相への相転移温度を
示すキュリー温度(キュリー点)は誘電率が最も高いと
きの温度をもって決定した。又、室温放置における経時
安定性は1kHzに対する比誘電率と誘電損失より測定
し、抵抗率は2端子I−V法により電圧印加30分後の
電流測定値及び電圧値から測定した。
一試料(KNN−CuO)と基試料(KNN)との測定
結果を比較すると、本発明品の第一試料によれば、相対
密度が上がっている他、圧電特性としての電気機械結合
係数(kp)、圧電定数(g31,g33)、弾性特性
としての機械的品質係数(Qm)が格段に高い値を示し
ている。又、誘電特性としての誘電損失(tanδ)も
少なく、温度変化に対する誘電率(%/−50〜100
℃)変化が小さく、抵抗率(Ω・cm)は高い値を示し
ていることが分かる。
前記第一試料(KNN−CuO)と基試料(KNN)と
の測定結果においても表1に示したと同じ測定結果が向
上していることが分かる。又、向上した測定結果は分極
後28日が経過しても大きな変動が見られないことか
ら、CuOが各々の特性に作用し、更に経時安定性にも
作用することが確認された。
及び基試料(KNN)における焼結温度と密度の関係を
示したグラフである。これによると、第一試料は全ての
焼結温度において基材料(KNN)よりも高密度化し、
焼結温度1050℃前後〜1125℃前後が最も高密度
であることが分かる。これはCuOは1025℃に融点
を持つことから1050℃〜1125℃前後で液相が生
じ、液体流動によって結晶の固相粒子間を埋める(又は
置換する)ことによって緻密化し、密度が上昇するため
である。このことから、CuOが試料を高密度化する焼
結助剤として作用することが確認された。
る誘電率の変化を経過日数毎に示したグラフである。こ
のグラフによると基試料(KNN)の誘電率は徐々に値
が増加するのに対して、第一試料(KNN−CuO)の
誘電率は、270日にわたってほぼ安定していることが
分かる。更に図3に示すように、前記基試料の誘電損失
は経過日数に伴って増加するのに対して、前記第一試料
は270日にわたって安定化傾向にある。そして又、図
4に図示するように、温度変化に対する誘電率変化も第
一試料の方が低いことが分かる。
すること及び/或いは粒界にCuOが析出することによ
って結晶中のドメインをピン止めして固定するように作
用するためである。一般にドメインが移動すると誘電損
失が大きくなることが知られている。そのため、ドメイ
ンを固定することによって誘電損失を安定化すると同時
に、機械品質係数(Qm)の向上が図れることになる。
又、圧電定数dを変化させることなく誘電率を低下させ
るため圧電定数gが大きく向上する。このことから、焼
結性がよく経過日数に対する経時安定性の高い材料が既
存の常圧焼結法をもって得られることが確認された。
0.001モル%〜5.0モル%の範囲内で添加すると
圧電定数gが向上すると共に経時安定性が向上し、中で
も0.1モル%〜2.0モル%の範囲内では焼結助剤と
して作用する。但し前記添加量よりも少ない場合には焼
結助剤として作用せず、多い場合には特性の低下が見ら
れる。以上により、該酸化銅の添加量は1モル%程度が
適量と思われる。
≦x≦0.8)にて構成される基試料にLiとTaを添
加した試料(第二試料)について説明する。
二試料:KNN−LT)には、各々純度99%以上のL
iCO3、K2CO3、NaHCO3、Nb2O5、T
a2O5を用いる。これらの各粉末を(Li0.1K
0.45Na0.45)(Nb0.8、Ta0 .2)O3
の組成式になるように配合し、合計50gの秤量を得
た。そして、前記実施例1に示した製造工程と同様に製
造する。焼結は1125℃で行った。尚、この製造工程
は実施例1にて既述していることから、その説明につい
ては割愛する。
分極後1時間経過した段階での測定結果を表3に示し、
分極後28日経過した段階での測定結果を表4に示す。
又同時に、Li及びTaを添加していない1100℃で
焼結した基試料(KNN)の測定結果の各々示す。この
試料の測定及び評価には、前記実施例1と同様に共振反
共振法を用い、キュリー温度については誘電率が最も高
い時の温度をもって決定した。
二試料(KNN−LT)と基試料(KNN)との測定結
果を比較すると、機械的品質係数(Qm)に向上が見ら
れる他、誘電損失(tanδ)が小さく低損失であり、
誘電率の温度変化率が小さくなる(%/−50〜100
℃)といった温度安定性がよいことが分かる。また表4
に示すように、分極後28日経過後の測定結果において
も、前記表3に示した測定結果と大差は見られない。よ
ってLi及びTaが温度安定性に作用し、又経時安定性
にも作用することが確認された。
び基試料(KNN)における密度と焼結温度の関係を示
したグラフである。これによると前記第二試料が高密度
化していることが分かる。これは、通常材料の焼結が固
相焼結で行われるのに対して、添加したLi酸化物の成
分や相が焼結温度の上昇に伴って液相化し、該液相化成
分と他材料の液相化せずに固体化した成分や相とが共存
して焼結する状態(液相焼結)が生じるためである。こ
れによって材料の高密度化が図れることになる。
る誘電率と経過日数の関係を示したグラフである。図示
するように、前記第二試料の方が高い誘電率であるもの
の、その値は日数が245日経過してもほぼ安定した値
を有していることから、経時安定性はよいことが確認さ
れた。又、図7は、一定温度(室温25℃)下における
誘電損失と経過日数の関係を示したグラフである。この
グラフによると、第二試料(KNN−LT)は日数が2
45日の経過に関わらず安定した値を保っていることが
分かる。これはTaが結晶中のドメインをピン止めする
役割を果たすためである。既述したようにドメインの移
動は誘電損失の増加に起因することから、ドメインを固
定することによって誘電損失を低くし安定した値が得ら
れる。
び基試料(KNN)における誘電率と温度の関係を示し
たグラフである。図示するように、前記第二試料には中
間転移相(210℃前後)がなくなり、ほぼ安定した誘
電率が得られることが確認された。これは、Liを5.
0モル%以上添加すると結晶相が斜方晶から正方晶に転
移するためであり、これによって中間転移相がなくなり
温度特性が安定化するものと考察される。同様の高い誘
電率温度安定性を有する材料は、Ta量が40モル%以
下の組成で得られた。
1モル%〜20モル%の間で焼結助剤として作用し材料
を高密度化するが、20モル%以上ではLiNbO3が
生じて混合相となることから、圧電特性が低下すること
が確認されている。
は、各々純度99%以上のLi2CO3、NaHC
O3、Nb2O5、Ta2O5を用いる。これらの各粉
末をLix(K0.5Na0.5)1−x(Nb1−y
Tay)O3(但し、x=0,0.02,0.04,
0.06,0.08,0.10,0.15,0.20;
y=0,0.10,0.20,0.30,0.40)の
組成式になるように配合し、合計各々50gの秤量を得
た。そして、前記実施例1に示した工程と同様に製造す
る。尚、この製造工程は実施例1にて記述していること
から、その説明については割愛する。比較例として、L
i、Taを添加していない基材料(KNN;x=0,y
=0)も同様に作製した。
50℃の間で最大密度になる温度を選んだ。各々の試料
は、基材料(KNN)の96.2%を除いて、すべて相
対密度98%以上に緻密化している。
段階での電気機械結合係数(kp)、圧電d31定数、
圧電g31定数の測定結果を図9(a)、(b)、
(c)に示す。また、同時にLi、Taを添加していな
い基試料(KNN)の測定結果も図9中のLi=0モル
%、Ta=0モル%に示した。
1と同様に共振反共振法を用い、キュリー温度について
は、誘電率が最も高い時の温度をもって決定した。
p)については、Li添加量=0〜6モル%でTa添加
量=10〜40モル%の組成領域で基本材料(KNN)
よりも高い値となる。最大の値は、Li添加量=4モル
%、Ta添加量=20モル%で得られた。この組成の材料
を用いることで、基本材料(KNN)を用いた場合より
も電気変換効率の高い圧電トランス素子或いは超音波モ
ータ素子、超音波振動子を作ることができる。
添加量=0〜6モル%でTa添加量=10〜40モル%の
組成領域で基材料(KNN)よりも高い値となる。最大
の値はLi添加量=4モル%、Ta添加量=20モルで
d31=95pm/Vが得られた。圧電d定数は、電荷
(或いは電流)検出型回路を用いた場合の、加速度、荷
重、衝撃、ノックセンサなど圧電型センサの出力電圧に
比例するので、このLi添加量=0〜6モル%でTa添
加量=10〜40モル%の組成領域の材料を用いること
で、基材料(KNN)よりも電荷センサ出力の大きなセ
ンサを作ることができる。
添加量=0モル%でTa添加量=10、20モル%の組
成、及びLi=2、4モル%でTa添加量=0モル%の組
成で基本材料(KNN)よりも高い値となる。最大の値
は、Li添加量=2モル%、Ta添加量=0モル%でg3
1=14.5x10−3Vm/Nが得られた。圧電g定
数は、電圧検出型回路を用いた場合の、加速度、荷重、
衝撃、ノックセンサなど圧電型センサの出力電圧に比例
するので、この組成領域の材料を用いることで、基材料
(KNN)よりも圧電センサ出力の大きなセンサ部品を
作ることができる。
は、各々のLi添加量一定の組成において、キュリー温
度は、Ta添加量の増加とともに徐々に低下する。ま
た、Ta添加量一定の組成において、キュリー温度は、
Li添加量の増加とともに、徐々に高温度となる。キュ
リー温度が250℃以下の組成領域では、圧電定数の温
度安定性が劣化することが確認されている。
ル%で最大値= 864 Ta=10mol%一定の組成においては、Li=6モ
ル%で最大値=1014 Ta=20mol%一定の組成においては、Li=4モ
ル%で最大値=1204 Ta=30mol%一定の組成においては、Li=2モ
ル%で最大値=1466 Ta=40mol%一定の組成においては、Li=0モ
ル%で最大値=1837 となった。
量=0〜20mol%でTa添加量=10〜40mol%
の組成、及びLi=2、4mol%、Ta添加量=0m
ol%の組成で基本材料(KNN)よりも低い誘電損失
の値となる。誘電損失の平方根は、加速度、荷重、衝
撃、ノックセンサなど圧電型センサの出力電圧のノイズ
にほぼ比例するので、この組成領域の材料を用いること
で、基材料(KNN)よりもノイズが小さく、S/N比
の高い高感度電圧センサを作ることができる。
0.5)1−x(Nb1−yTay)O3(ただし、x
=0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.
10,0.15,0.20;y=0,0.10,0.2
0,0.30,0.40)の材料は、その組成を最適化
することによって、キュリー温度が250℃より高く、
温度安定性に優れ、かつ基材料(KNN)よりも圧電d
31定数、或いは圧電g31定数が大きく、誘電損失が
小さく、ノイズの少ない、圧電型センサ用材料を製造す
ることができる。
安定性に優れ、センサ出力電圧の大きな、電荷検出回路
型或いは電圧検出回路型の回路を持つ、圧電材料を検出
部に用いた、加速度、荷重、衝撃、ノックセンサなどの
圧電型センサを製造することができる。
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、上記実施例においてはア
ルカリ金属系材料として組成式(KxNax)NbO3
にて構成される材料を用いたが、他材料及びその添加物
を変更することも可能である。これによって焼結性及び
経時安定性、温度安定性の高い材料を製造することが可
能となる。
ば、組成式K 1−xNa xNbO 3(但し、x=0〜
0.8)で表される固溶体にCuを含む1種又は2種以
上の物質を添加し又は固溶させ、このうち1つの実施例
として請求項2に記載の発明のように、組成式K1−x
NaxNbO3(但し、x=0〜0.8)で表される固
溶体に、Cu元素を含む物質を、Cuの元素量で0.0
01〜5モル%となるように添加し又は固溶させると、
Cu元素を含む物質の焼結助剤作用によって材料を高密
度化できる。また更に、Cu元素を含む物質の置換固溶
作用及び/或いは粒界への析出によって誘電損失低下を
防ぐことから、経時安定性がよく、優れた圧電特性が得
られる。そして、鉛系材料を含有しないことから、安全
性が高く且つ高性能を有する材料を製造することが可能
となる。
のように、Li及びTaを添加することによって、組成
式Lix(K1−yNay)1−x(Nb1−zT
az)O3(但し、0.001≦x≦0.2、0≦y≦
0.8、0<z≦0.4)で表されるアルカリ金属含有
ニオブ酸化物系圧電材料組成物を作製すると、Liが焼
結助剤として材料の高密度化に作用し、Taが固溶体中
のドメインに作用して誘電損失の減少及び誘電損失率の
向上が図れるため、請求項5に記載のアルカリ金属含有
ニオブ酸化物系圧電材料組成物は、経時安定性及び温度
安定性に優れた材料となる。そしてこれらも鉛系材料を
含有しないことから、広い用途に使用することができ
る。
したグラフである。
したグラフである。
を示したグラフである。
グラフである。
たグラフである。
したグラフである。
示したグラフである。
グラフである。
組成式Lix(K0.5Na0 .5)1−x(Nb
1−yTay)O3(但し、x=0、0.02、0.0
4、0.06、0.08、0.10、0.15、0.2
0;y=0、0.10、0.20、0.30、0.4
0)のLi、Taの量による圧電特性の変化を示したグ
ラフである。
式Lix(K0.5Na0.5) 1−x(Nb1−yT
ay)O3(但し、x=0、0.02、0.04、0.
06、0.08、0.10、0.15、0.20;y=
0、0.10、0.20、0.30、0.40)のL
i、Taの量によるキュリー温度、誘電率、誘電損失の
変化を示したグラフである。
Claims (8)
- 【請求項1】 組成式K1−xNaxNbO3(但し、
x=0〜0.8)で表される固溶体にCuを含む物質を
添加、及び/又は固溶してなることを特徴とするアルカ
リ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成物。 - 【請求項2】 前記Cuを含む物質の添加及び/又は固
溶量が、Cuの元素量で0.001〜5モル%である請
求項1に記載のアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材
料組成物。 - 【請求項3】 前記Cuを含む物質の添加及び/又は固
溶量が、Cuの元素量で0.1〜2モル%である請求項
1に記載のアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組
成物。 - 【請求項4】 前記固溶体に対し、さらにTaを含む物
質及び/又はLiを含む物質を添加、及び/又は固溶し
てなることを特徴とする請求項1から3までのいずれか
に記載のアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成
物。 - 【請求項5】 組成式がLix(K1−yNay)1−x
(Nb1−zTaz)O3(但し、0.001≦x≦0.
2、0≦y≦0.8、0<z≦0.4)で表される固溶
体からなるアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組
成物。 - 【請求項6】 前記固溶体に対し、さらにCuを含む1
種又は2種以上の物質をCuの元素量で0〜5モル%添
加することを特徴とする請求項5に記載のアルカリ金属
含有ニオブ酸化物系圧電材料組成物。 - 【請求項7】 圧電d31定数が37.6pm/Vより
大きく、かつキュリー温度が250℃より高い請求項5
に記載のアルカリ金属含有ニオブ酸化物系圧電材料組成
物。 - 【請求項8】 圧電d31定数が37.6pm/Vより
大きく、電気機械結合係数Kpが0.334より大き
く、誘電損失が0.036より小さく、かつキュリー温
度が250℃より高い請求項5に記載のアルカリ金属含
有ニオブ酸化物系圧電材料組成物。
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