JP3771756B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物に関し、特に、圧電共振子および発振子などの用途に利用できる圧電磁器組成物に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来から圧電共振子および発振子用材料として、PbTiO3 を主成分とするPT系セラミックスおよびPb(Zr1-x Tix )O3 を主成分とするPZT系セラミックスが使用されてきた。これらの鉛系セラミックスは、キュリー温度が高く、リフロー半田付けに耐え得るものである。
【0003】
また、これらのセラミックスの中には、機械的品質係数が向上するように、これらに種々の微量添加物を含有したもの、Pbの一部をBa、SrおよびCaなどの2価の元素で置換したもの、あるいはまた、Pb(Sb1/2 Nb1/2 )O3 やPb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 などの第3成分を固溶させたものが使用されてきた。
【0004】
しかしながら、PT系セラミックスおよびPZT系セラミックスは、鉛を約60重量%の割合で含有し、焼成などの製造プロセスにおいて生態系に有害である鉛成分が飛散して環境に悪影響を与えることが心配されている。特に、工業的に生産する場合には、鉛成分が大気中に大量に揮発・拡散する問題があった。
【0005】
さらに、使用済みの鉛系廃棄物が酸性雨などに曝され、鉛成分が溶出する危険があり、生態学的な見地および公害防止の観点から、無鉛で、かつ優れた圧電特性を有する材料が要求され、無鉛系のセラミック材料の開発が始っている。例えば、特開平10−297969号公報では、組成式(Ba1-x Srx )2 NaNb5 O15で表される圧電磁器組成物が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10―297969号公報の組成物ではキュリー温度、機械的品質係数、周波数定数および共振周波数の温度係数を同時に満足する組成が得られず、近年におけるセラミックフィルタや発振子などの電子機器の高精度化に対応できないという問題があった。
【0007】
従って、本発明は、キュリー温度が高く、機械的品質係数および周波数定数が大きく、共振周波数の温度係数の絶対値が小さいという優れた特性を有し、圧電共振子および発振子などの用途に利用できる非鉛の圧電磁器組成物を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電磁器組成物は、金属元素としてLi、Nb、NaおよびBaを含有し、該金属元素の酸化物のモル比による組成式を
xLiNbO3 ・yNaNbO3 ・zBaNb2 O6 (x+y+z=1)
としたとき、前記x、yおよびzで表される点が、下記点A−B−C−D−E−Aで囲まれる範囲内に存在することを特徴とする圧電磁器組成物である。
【0009】
点(z,y,z)を、図1に示したように、A−B−C−D−E−Aで囲まれる組成範囲内に存在させることにより、キュリー温度が250℃以上、周波数定数を2500Hz・m以上で、共振周波数の温度係数の絶対値を150ppm/℃以下、機械品質定数を200以上とすることができる。
【0010】
また、本発明の圧電磁器組成物は、BiNb3 O9 を全量中1〜25モル%含有することが望ましい。これにより、機械的品質係数が向上するとともに、温度係数の傾きが負から正へと変化してその絶対値を小さくすることができる。
【0011】
さらに、第一遷移金属の少なくとも1種を、酸化物換算で全量中0.01〜5重量%含有することが好ましい。これにより、圧電磁器の機械的品質係数および共振周波数の温度係数を向上することが可能となる。
【0012】
したがって、これらの圧電特性から、本発明の圧電磁器組成物を共振子または発振子として好適に使用できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電磁器組成物は、モル比による組成式を、xLiNbO3 ・yNaNbO3 ・zBaNb2 O6 (但し、x+y+z=1)で表わしたとき、図1のように、点(x,y,z)が点A(0.050,0.250,0.700)、B(0.300,0.250,0.450)、C(0.300,0.450,0.250)、D(0.150,0.600,0.250)、E(0.050,0.600,0.350)を頂点とする多角形で囲まれる領域にあることを特徴とするものである。
【0014】
x、yおよびzが、上記点A、B、C、D、Eを頂点とする多角形で囲まれる範囲とした理由は、x、yおよびzがこの範囲にある場合には、キュリー温度を250℃以上、機械的品質係数を200以上、周波数定数を2500Hz・m以上、共振周波数の温度係数の絶対値を150ppm/℃以下とすることができるからである。
【0015】
また、本発明の圧電磁器組成物は、BiNb3 O9 を全量中1〜25モル%含有することが望ましい。即ち、(1 −α)(xLiNbO3 ・yNaNbO3 ・zBaNb2 O6 )・αBiNb3 O9 (但し、x+y+z=1)と表わしたとき、αをモル比で現したとき、1モル〜25モル%の範囲となることが望ましい。これにより、周波数定数が2900Hz・m以上、機械的品質係数が500以上とすることができる。
【0016】
一方、BiNb3 O9 が全量中25モル%を越えるとキュリー温度が低下してリフロー半田付け温度である230℃に耐えられなくなる傾向があり、また、1モル%に満たないと添加効果が十分でないので、1〜25モル%が好ましいのである。
【0017】
また、優れた圧電特性を得るためには、主結晶がタングステンブロンズ型複合酸化物であり、Li、Na、Ba、BiおよびNbの各金属元素が、主結晶中にお互いに固溶していることが好ましい。
【0018】
さらに、上述の圧電磁器組成物に、第一遷移金属(原子番号21のScから原子番号29のZnまでの元素)の少なくとも1種を、全量中に酸化物換算で0.01〜5重量%含有することが好ましい。この圧電磁器組成物により、機械的品質係数が1000以上、かつ共振周波数の温度係数の絶対値が20ppm/℃以下である圧電磁器を得ることができる。
【0019】
ここで、第一遷移金属の添加量が0.01重量%より小さいと効果が小さく、5重量%を越えると磁器の焼結性が悪化し、機械的品質係数が低下する傾向があるため、0.01〜5重量%が好ましい。
【0020】
また、第一遷移金属は、機械的品質係数を向上する効果が大きいという理由から、V、Cr、Mn、Fe、CoおよびNiのうち少なくとも1種から選ぶことが特に好ましい。
【0021】
さらにまた、共振周波数の温度係数を顕著に向上するという理由から、第一遷移金属は磁器のタングステンブロンズ型複合酸化物の主結晶相の結晶粒子内に固溶していることが好ましい。しかし、第一遷移金属の含有量が増加すると、それらの金属元素の一部が、第2相に多く存在したり、粒界部にも存在する場合があるが、組成が本発明の範囲内であれば何ら差し支えない。
【0022】
本発明の圧電磁器組成物からなる圧電磁器は、例えば、次のようにして製造することができる。出発原料として、Li2 CO3 、Na2 CO3 、BaCO3 、Nb2 O5 および所望によりBi2 O3 や第一遷移金属の酸化物の各粉末を所定の割合で混合し、850〜950℃で3〜5時間仮焼した後、粉砕することによって所望の材料組成の粉末を作製する。
【0023】
この粉末に有機バインダーを混合し、金型プレス、静水圧プレス等により所望の形状に成形した後、大気中などの酸素含有雰囲気1020〜1280℃で2〜5時間焼成することによって磁器を得ることができる。添加する第一遷移金属の酸化物は、上記の作製プロセス中、調合時だけでなく、仮焼した粉体に対して混合しても同様な効果が得られる。
【0024】
なお、使用する原料粉末としては炭酸塩や酸化物だけでなく、酢酸塩または有機金属などの化合物のいずれであっても、焼成などの熱処理プロセスによって酸化物になるものであれば差し支えない。
【0025】
さらにまた、本発明の圧電磁器においては、原料粉末などに微少量含まれるK、Mg、Ca、SiまたはTaなどの不可避不純物が混入する場合があっても、特性に影響のない範囲であれば何ら差し支えない。
【0026】
【実施例】
実施例1
出発原料とし、Li2 CO3 、Na2 CO3 、BaCO3 、Bi2 O3 、Nb2 O5 粉末を用いて、上記組成式におけるx、y、zと、BiNb3 O9 の添加量α(モル%)が表1に示す値となるように秤量した。この混合物をZrO2 ボールを用いたボールミルで12時間湿式混合した。次いで、この混合物を乾燥した後、大気中で950℃で3時間仮焼し、得られた仮焼物を再び上記ボールミルで細かく粉砕した。
【0027】
その後、この粉砕物にポリビニルアルコール(PVA)などのバインダーを混合して造粒した。得られた粉末を1.5t/cm2 の圧力で直径16mm、厚さ1.5mmの大きさの円柱形状にプレス成形した。これらの成形体を1020〜1280℃の範囲で2〜5時間焼成した。得られた磁器を0.5mmの厚みになるまで研磨し、圧電板とした。
【0028】
この圧電板に銀電極を形成し、200℃のシリコンオイル中で4kV/mmの直流電界を印加して分極処理を行った。そして、厚み縦モードの共振・反共振周波数、共振抵抗、静電容量をインピーダンスアナライザーを用いて測定し、機械的品質係数(Qm)、比誘電率(ε33T /ε0 )と周波数定数(N)を求めた。さらに、−20〜80℃の温度範囲で比誘電率(ε33T /ε0 )の温度依存性から磁器のキュリー温度を測定した。
【0029】
また、共振周波数をfrとして、−20〜80℃の温度範囲で測定し、−20〜80℃におけるfrの変化量(△fr)、20℃での共振周波数をfr(20)を用いて、式:frTC=△fr/{fr(20)×100}×106 (ppm/℃)から、共振周波数の温度係数frTCを求め、これらの結果を表1に記載した。
【0030】
【表1】
【0031】
本発明の試料No.2、3、5、6、8〜10および12は、機械的品質係数が200以上、周波数定数が2503Hz・m以上、共振周波数の温度係数の絶対値が150ppm/℃以下、かつキュリー温度が426℃以上であることがわかる。
【0032】
また、BiNb3 O9 が全量中1〜25モル%含有する本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電磁器からなる試料No.13〜27は、機械的品質係数が505以上と向上し、また、BiNb3 O9 が増えるほど共振周波数の温度係数の傾きが負から正に変化するので、温度係数は、その絶対値が100ppm/℃以下と小さくなる。
【0033】
一方、本発明以外の試料No.1、4、7、11は、、機械的品質係数が133以下で、共振周波数の温度係数の絶対値は169ppm/℃以上であった。
【0034】
実施例2
出発原料としてLi2 CO3 、Na2 CO3 、BaCO3 、Bi2 O3 、Nb2 O5 、MnO2 粉末を用いて、モル比を表すx、y、zおよび上記のBiNb3 O9 の量を示すαが表2に示す値となるように秤量し、実施例1と同様の製法で作製した。また、評価方法も実施例1と同様である。結果を表2に示した。
【0035】
【表2】
【0036】
本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電磁器からなる試料No.28〜47は、機械的品質係数が1002以上、共振周波数の温度係数の絶対値が20ppm/℃以下といずれも特性が顕著に向上した。また、周波数定数が2964Hz・mm以上、キュリー温度が253℃以上であり、共振子および発振子などの用途に好適な圧電磁器であった。
【0037】
実施例3
出発原料としてLi2 CO3 、Na2 CO3 、BaCO3 、Bi2 O3 、Nb2 O5 、MnO2 、Cr2 O3 、Fe2 O3 、CoO、NiO、V2 O5 粉末を用いて、x=0.125、y=0.375、z=0.500、αを7モル%とし、磁器組成が表3に示す値となるように秤量して、実施例1と同様の製法で作製した。また、評価方法も実施例1と同様である。結果を表3に示した。
【0038】
【表3】
【0039】
第1遷移金属の1種を、磁器中に酸化物換算で0.5重量%含有した本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電磁器からなる試料No.44〜47では、機械的品質係数が1105以上、周波数定数が2985Hz・m以上、共振周波数の温度係数が−1〜5ppm/℃、キュリー温度が375℃以上であり、共振子および発振子などの用途に対して非常に好適な圧電磁器であった。
【0040】
また、第1遷移金属の2種を、磁器中に酸化物換算で合計0.5重量%含有した本発明の圧電磁器組成物を用いた圧電磁器からなる試料No.48〜51では、機械的品質係数が1310以上とさらなる向上が見られた。また、周波数定数が2990Hz・m以上、共振周波数の温度係数が2〜6ppm/℃、キュリー温度が364℃以上であり、共振子および発振子などの用途に対して非常に好適な圧電磁器であった。
【0041】
さらに、第1遷移金属の2種に加えて、V2 O5 を表3に示した割合で含有する磁器からなる試料No.52〜55は、周波数定数が3004Hz・m以上と向上し、機械的品質係数が1300以上、共振周波数の温度係数が7〜10ppm/℃、キュリー温度が352℃以上であり、共振子および発振子などの用途に非常に好適な圧電磁器であった。
【0042】
【発明の効果】
本発明の圧電磁器組成物では、少なくともLi、Nb、NaおよびBaを含有し、金属元素酸化物のモル比による組成式を特定の範囲内にすることによって、高いキュリー温度で、大きな機械的品質係数および周波数定数で、小さな共振周波数の温度係数を有する磁器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電磁器組成物の組成範囲を示す組成図である。
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