JP3991564B2 - 圧電磁器組成物及び圧電素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物及び該組成物からなる圧電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、圧電磁器組成物は、圧電振動子、圧電共振子、圧電フィルタ及び圧電発振子等の圧電素子の材料として広く利用されている。このような圧電磁器組成物はその利用目的により種々の特性が要求されている。例えば、発振子としては、発振するために圧電磁器組成物のQm値は高いこと、信頼性を保つために周波数の温度係数が平坦であることが求められている。
【0003】
従来の圧電磁器組成物としては、特公昭47−9185号公報には、ペロブスカイト構造を有する一般化学式ABO3で表されるPb{(Mn1/3Nb2/3)ZrTi}O3系材料として、Pb(Mn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO3にMnO2,CoO,NiOの少なくとも一つ以上の酸化物を少量添加したものが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、圧電磁器組成物は、高周波化に対応するため、圧電素子の薄肉化が進んできた。これにより、薄肉化しても加工時に割れ、欠け等が発生しにくい高強度の材料の需要が大きくなっている。
【0005】
しかしながら、化学式AサイトのPb量が化学量論量であるPb{(Mn1/3Nb2/3)ZrTi}O3系材料は、Pb=1.00molであるので、抗折強度が110〜130MPaと低く、薄肉化するための加工中、もしくは素子に加工する際に衝撃が加わると破壊しやすい。
【0006】
そこで本発明の目的は、薄肉化しても加工時に割れ、欠け等が発生しにくく、耐衝撃性に優れた圧電磁器組成物及び圧電素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段及び作用】
前記目的を達成するため、本発明に係る圧電磁器組成物は、組成式Pba{(Mn1/3Nb2/3)xZryTiz}O3+bwt%MnO2+cwt%SiO2で表され、a,b,c,x,y,zがそれぞれ、0.985≦a≦0.998,0.155≦b≦0.500,0.010≦c≦0.090,0.045≦x≦0.200,0.290≦y≦0.425,0.475≦z≦0.580,x+y+z=1を満たすことを特徴とする。
【0011】
以上の構成からなる圧電磁器組成物は、抗折強度が150MPa以上であり、圧電振動子、圧電共振子、圧電フィルタ及び圧電発振子等に必要なQm値を有し、任意の共振周波数の温度係数が得られる。
【0012】
さらに、本発明に係る圧電素子は、前記圧電磁器組成物からなる素体とその表裏面に設けた電極とを備えたことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電素子の実施の形態について説明する。
【0014】
本発明に係る圧電磁器組成物は、酸化鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭酸マンガン、酸化ニオブ、酸化ケイ素等からなり、ペロブスカイト構造を有する一般化学式ABO3で表される複合酸化合物を主成分とする。
【0015】
酸化鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭酸マンガン、酸化ニオブ、酸化ケイ素を、組成式Pba{(Mn1/3Nb2/3)xZryTiz}O3+bwt%MnO2+cwt%SiO2を満たす組成比率で調合した。組成式中のa,b,c,x,y,zは表1に示す値で調合した。
【0016】
【表1】
【0017】
この調合粉末を、ボールミルを用いて7〜11時間湿式混合した後、脱水、乾燥し、900〜1000℃で2時間仮焼した。この仮焼粉末に適量のバインダを加えてボールミルを用いて10〜15時間、再度湿式粉砕し、脱水してプレス形成用粉末を得た。そして、このプレス形成用粉末を角板状にプレス成形し、1100〜1250℃の温度で4時間大気中にて焼成し、焼結体を得た。
【0018】
この焼結体を6.7mm×30mm×0.260mmの短冊状にカット後、厚みを0.210mmに研磨し、抗折強度(MPa)を測定した。また、電気特性は、焼成により得られた焼結体を研磨し、電極を形成後、油中2.5〜3.5kV/mmで分極を行ってセラミック体を得た。分極したセラミックを150℃で1時間枯化させた後、短冊状にカットし、両面に電極を形成した。これを、6.7mm×1.6mm×0.210mmの素子に切り出し、厚み滑り振動モードの電気特性Qm及び−20〜80℃の共振周波数の温度変化率(%)fr−TCを測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1中の※印は本発明の範囲外を示す。*は本発明の範囲内の試料のうち、後出の条件式群(1)の一部を満足しない試料である。
【0019】
試料番号4,5は、組成式において、化学式AサイトPbaを構成する元素の総モル量aが、化学式Bサイト(Mn1/3Nb2/3)xZryTizを構成する元素の総モル量(表1よりx+y+z=)1以上あるので、抗折強度が150MPa未満であり本発明の範囲外であった。
【0020】
さらに、試料番号6は、組成式において、SiO2添加量cwt%が0.010wt%未満であるので、抗折強度が150MPa未満となり、圧電磁器組成物としては不適切なものであった。
【0021】
また、試料番号4,5は、化学式AサイトPbaを構成する元素の総モル量aが0.998を超えていたので、抗折強度が150MPa未満になり、圧電磁器組成物としては不適切なものであった。
【0022】
一方、試料番号2,3,7,8,11,12,15,16,19,20,22,24,26は、組成式Pba{(Mn1/3Nb2/3)xZryTiz}O3+bwt%MnO2+cwt%SiO2中のa,b,c,x,y,zがそれぞれ、以下の条件式群(1)を満足している。
【0023】
0.985≦a≦0.998,0.155≦b≦0.500,0.010≦c≦0.090,0.045≦x≦0.200,0.290≦y≦0.425,0.475≦z≦0.580,x+y+z=1 …(1)
【0024】
これらの試料番号2,3,7,8,11,12,15,16,19,20,22,24,26は、抗折強度が150MPa以上あり、圧電共振子、圧電振動子、圧電フィルタ、圧電発振子に必要なQm値を有している。
【0025】
また、試料番号1は、化学式AサイトPbaを構成する元素の総モル量aが0.985未満であるので、抗折強度が150MPaと比較的低かった。
【0026】
また、試料番号9は、SiO2添加量cwt%が0.090wt%を越えていたので、焼結温度が高くなり、焼成中にPbが蒸発して圧電磁器組成物の組成比率を調節しにくいが、抗折強度やQm値は優れている。
【0027】
また、試料番号10,13は、組成式において、MnO2の添加量bwt%が0.155wt%未満であったり、0.500wt%を超えていたので、Qm値が低く、圧電共振子として必要な特性が得られなかった。
【0028】
また、試料番号18,27は、(Mn1/3Nb2/3)xを構成する元素の総モル量xが0.045未満であったのでfr−TCの値が大きく、試料番号21,23は、(Mn1/3Nb2/3)xを構成する元素の総モル量xが0.200を超えていたのでfr−TCの値が小さく、ともに、圧電共振子、圧電振動子、圧電フィルタ、圧電発振子として必要な特性が得られなかった。
【0029】
また、試料番号21,25は、Zryを構成する元素の総モル量yが0.290未満であったのでfr−TCの値が小さく、試料番号14は、Zryを構成する元素の総モル量yが0.425を超えていたのでfr−TCの値が大きく、ともに、圧電共振子、圧電振動子、圧電フィルタ、圧電発振子として必要な特性が得られなかった。
【0030】
また、試料番号14は、Tizを構成する元素の総モル量zが0.475未満であったのでfr−TCの値が大きく、試料番号17,25,27は、Tizを構成する元素の総モル量zが0.580を超えていたのでfr−TCの値が小さく、ともに、圧電共振子、圧電振動子、圧電フィルタ、圧電発振子として必要な特性が得られなかった。
【0031】
以上のことから、化学式AサイトPbaを構成する元素の総モル量aが、化学式Bサイト(Mn1/3Nb2/3)xZryTizを構成する元素の総モル量(表1よりx+y+z=)1より小さく、かつ、SiO2添加量cwt%を、0.010wt%以上0.090wt%以下の範囲とすることにより、抗折強度150MPa以上の圧電磁器組成物が得られる。
【0032】
また、化学式AサイトPbaを構成する元素の総モル量aは、0.985以上0.998以下であれば、抗折強度150MPa以上の圧電磁器組成物が得られる。
【0033】
また、MnO2の添加量bwt%は、0.155wt%以上0.500wt%以下であれば、Qm値が高く、圧電共振子に必要な特性が得られる。
【0034】
また、(Mn1/3Nb2/3)xを構成する元素の総モル量xが0.045以上0.200以下であり、かつ、Zryを構成する元素の総モル量yが0.290以上0.425以下であり、かつ、Tizを構成する元素の総モル量zが0.475以上0.580以下の範囲であれば、適切なfr−TCの値を有し、圧電共振子、圧電振動子、圧電フィルタ、圧電発振子として必要な特性が得られる。
【0035】
なお、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電素子は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の構成に変更することができる。
【0036】
例えば、化学式Aサイトを僅かなSr,Nd,La,Baで置換してもよい。さらに、不可避不純物として微量のAl,Fe,Cl等が混入してもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明よれば、薄肉化しても加工時に割れ、欠け等が発生しにくい圧電磁器組成物を得ることができる。特に、圧電振動子、圧電共振子、圧電フィルタ及び圧電発振子等に必要なQm値を有し、任意の共振周波数の温度係数を得ることができ、圧電素子の原料として最適である。
Claims (2)
- 組成式Pba{(Mn1/3Nb2/3)xZryTiz}O3+bwt%MnO2+cwt%SiO2で表され、a,b,c,x,y,zがそれぞれ、
0.985≦a≦0.998、
0.155≦b≦0.500、
0.010≦c≦0.090、
0.045≦x≦0.200、
0.290≦y≦0.425、
0.475≦z≦0.580、
x+y+z=1
を満たすことを特徴とする圧電磁器組成物。 - 請求項1記載の圧電磁器組成物からなる素体とその表裏面に設けた電極とを備えたことを特徴とする圧電素子。
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