JP4126939B2 - 圧電材料及び圧電部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電圧歪みを利用した圧電アクチュエータ等に好適に用いられる圧電材料及び圧電部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体は、外部から応力を受けることにより電気分極が変化する圧電効果の性質と、電界を印加することにより歪みを発生する逆圧電効果の性質とを有し、センサ、レゾネータ、アクチュエータ等に応用されている。
【０００３】
現在、圧電材料は、正方晶系又は菱面体晶系のＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃固溶体）系や、正方晶系のＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）系等のペロブスカイト構造を有する強誘電体からなるものが一般に実用化され、これに様々な副成分を添加することにより、要求特性への対応が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＰＺＴ系やＰＴ系の圧電材料は、いずれも鉛系圧電材料であり、低温でも揮発性の極めて高い酸化鉛（ＰｂＯ）を多量（６０〜７０質量％程度）に含んでいるため、生態学的な見地及び公害防止の面からもこれを用いることは好ましくない。具体的には、これら鉛系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際には、焼成、溶融等の熱処理を必ず行わなければならないので、工業レベルで考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への揮発、拡散は避けられない。また、工場内において製造段階で放出される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市場に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状ではその殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出された場合、公害の原因となる可能性がある。
【０００５】
一方、鉛を全く含有しない圧電材料としては、例えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のＢａＴｉＯ₃がよく知られているが、これはキュリー点が１２０℃と低いため、実用的ではない。
【０００６】
この発明は、このような技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、鉛を実質的に含まないで、優れた圧電特性、特に大きな電気機械結合係数を有する圧電材料及び圧電部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１発明に係る圧電材料は、組成式がＮａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉（但し、０≦ｘ≦０．１）で表されることを特徴としている。
【０００８】
この圧電材料は、ビスマス層状化合物の一種で、鉛を実質的に含んでいないので、鉛公害を回避することができる。
【０００９】
また、この圧電材料において、ｘを上記範囲（即ち０≦ｘ≦０．１）内に設定した理由は次のとおりである。
【００１０】
すなわち、本発明者らはこの圧電材料について鋭意研究した結果、ｘが上記範囲内である場合には、電気機械結合係数が大きくなること、並びに、ｘが−０．０５未満の場合及びｘが０．１５を超えた場合には、いずれも電気機械結合係数が著しく低下することを見出した。その理由について本発明者らは次のように推測した。すなわち、ｘが−０．０５未満の場合には、パイロクロア（pylochlore）相が第二相として生成するため、電気機械結合係数が著しく低下すると思われる。一方、ｘが０．１５を超えた場合には、ナトリウム−ビスマス系酸化物（Na−Bi oxide）相が第二相として生成するため、電気機械結合係数が著しく低下すると思われる。換言すると、この圧電材料は、単一相からなるものであれば、大きな電気機械結合係数を有するものとなると推測される。また、この圧電材料の組成式は、（Ｎａ_0.5-xＢｉ_0.5+x/3）Ｂｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉とも表示可能であると推測される。
【００１１】
この圧電材料において、特に望ましいｘの下限値は０であり、特に望ましいｘの上限値は０．１である。
【００１２】
また、この圧電材料は、その構成上、圧電セラミックス材料と表現することも可能である。
【００１３】
なお、この圧電材料は、製造上不可避の不純物を含んでいても良いことはもちろんである。
【００１５】
第２発明に係る圧電部材は、上記第１発明に係る圧電材料を主成分として含んでいることを特徴としている。
【００１６】
この圧電部材は、上記第１発明に係る圧電材料を主成分として含んでいるので、この圧電部材の圧電特性は、上記第１発明に係る圧電材料の圧電特性によって支配されるものとなる。したがって、この圧電部材は、大きな電気機械結合係数を有している。
【００１７】
なお、この圧電部材は、上記第１発明に係る圧電材料以外の材料を副成分等として含んでいても良いし、製造上不可避の不純物を含んでいても良い。
【００１８】
この圧電部材は、圧電デバイス（例：圧電センサ、圧電レゾネータ、圧電アクチュエータ）等に特に好適に適用することができる。
【００１９】
【実施例】
次に、この発明の具体的実施例を示す。
【００２０】
＜粉末Ｘ線回折用試料の作製＞
出発原料として、Ｂｉ₂Ｏ₃粉末（純度９９．９９％）、Ｔａ₂Ｏ₅粉末（純度９９．９％）及びＮａ₂ＣＯ₃粉末（純度９９．９％）を準備した。そして、これら粉末を、最終組成がＮａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉（ｘ＝−０．１、０、０．１、０．２、０．３及び０．４）で表されるものとなるように所定の配合比率（この配合比率は後述する。）で配合し、アセトンを加えて３０分間湿式混合した。次いで、十分に乾燥したのち、８００℃で２時間仮焼成した。次いで、得られた仮焼成粉末を粉砕したのち、１１００℃で２時間の焼成条件で焼成することにより、焼結体粉末を得た。この焼結体粉末を粉末Ｘ線回折用試料とした。
【００２１】
ここで、Ｂｉ₂Ｏ₃粉末、Ｔａ₂Ｏ₅粉末及びＮａ₂ＣＯ₃粉末の配合比率について説明する。Ｎａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉のｘの値において、ｘ＝−０．１の試料の場合には、Ｂｉ₂Ｏ₃粉末、Ｔａ₂Ｏ₅粉末及びＮａ₂ＣＯ₃粉末を４．９３３：４：１．２の比率で配合した。ｘ＝０の試料の場合には、これら粉末を５：４：１の比率で配合した。ｘ＝０．１の試料の場合には、これら粉末を５．０６７：４：０．８の比率で配合した。ｘ＝０．２の試料の場合には、これら粉末を５．１３３：４：０．６の比率で配合した。ｘ＝０．３の試料場合には、これら粉末を５．２：４：０．４の比率で配合した。ｘ＝０．４の試料の場合には、これら粉末を５．２６７：４：０．２の比率で配合した。なお、上述した比率はいずれもモル比で示している。
【００２２】
ｘ＝−０．１、０、０．１、０．２、０．３及び０．４のそれぞれの試料について、粉末Ｘ線回折法（照射Ｘ線：ＣｕＫα線）によってその構造を調べた。その結果を図１に示す。
【００２３】
同図に示すように、ｘ＝−０．１の試料は、パイロクロア相による回折線（○印で示す。）が見られた。また、ｘ＝０．２、０．３及び０．４の試料は、いずれもナトリウム−ビスマス系酸化物相による回折線（△印で示す。）が見られた。
【００２４】
これに対して、ｘ＝０及び０．１の試料は、パイロクロア相及びナトリウム−ビスマス系酸化物相による回折線は見られず、ビスマス層状化合物相からなる単一相であることを確認し得た。
【００２５】
＜電気機械結合係数測定用試料の作製＞
上述した＜粉末Ｘ線回折用試料の作製＞で記載された手順により得られた焼結体粉末を、乳鉢を用いて粉砕したのち、バインダ（ポリビニルアルコール）を加えて造粒した。この造粒物を一軸プレス成形機を用いて４〜３０ＭＰａの圧力で押圧することによって、直径１０〜１３ｍｍ、厚さ１〜５ｍｍの円柱状に成形した。こうして成形された圧粉体を５００℃で２時間保持することにより前記バインダを揮発させ、更に１１００〜１１５０℃で２時間の焼成条件で焼成することにより、焼結体を得た。この焼結体を所定の大きさに切断し、更に表面を研磨して厚さ０．１〜０．２ｍｍの薄板状にした。その後、この薄板状の焼結体の両面の全面に銀電極を塗布し、焼き付けた。次いで、室温〜２００℃のシリコーンオイルバス中で５〜１０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加して分極処理を施した。これを電気機械結合係数測定用試料とした。
【００２６】
この試料の電気機械結合係数（ｋ₃₁及びｋ_P）を、ヒューレットパッカード社製インピーダンスアナライザ（ＨＰ４１９４Ａ）を用いて共振反共振法を利用して測定した。その結果を、既知のビスマス層状化合物である、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂（比較例３）、Ｎａ_0.5Ｂｉ_4.5Ｔｉ₄Ｏ₁₅（比較例４）及びＳｒＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅（比較例５）の電気機械結合係数（ｋ₃₁及びｋ_P）と併せて表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
同表に示すように、ｘ＝−０．０５〜０．１５の範囲内の材料は、いずれもｋ₃₁及びｋ_Pが比較例１の材料（ｘ＝−０．１）及び比較例２の材料（ｘ＝０．２）よりも大きく、しかも比較例３〜５の材料よりも大きいことが分かった。殊に、ｘの範囲が０≦ｘ≦０．１である場合には、特に大きな電気機械結合係数を有するものとなり、したがってｘの範囲が０≦ｘ≦０．１である場合が特に望ましいことが分かった。
【００２９】
以上の結果から、この発明によれば、大きな電気機械結合係数を有する圧電材料を提供できることを確認し得た。
【００３０】
なお、この発明に係る圧電材料は、上述した製造方法により得られた圧電材料に限定されるものではなく、その製造方法は様々に設定変更可能であることは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
上述の次第で、第１発明に係る圧電材料は、組成式がＮａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉（但し、０≦ｘ≦０．１）で表されるものなので、鉛を実質的に含んでおらず、鉛公害を回避することができるし、更には、大きな電気機械結合係数を有しているので、現在、実用化されているＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃固溶体）系やＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）系の圧電材料の代替材料として極めて有用である。
【００３２】
第２発明に係る圧電部材は、第１発明に係る圧電材料を主成分として含んでいるので、上記第１発明と同じく、鉛公害を回避することができ、更には大きな電気機械結合係数を有する圧電部材として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】組成式がＮａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉で表される材料のＸ線回折パターンを示す図である。

Claims (2)

1. 組成式がＮａ_0.5-xＢｉ_2.5+x/3Ｔａ₂Ｏ₉（但し、０≦ｘ≦０．１）で表されることを特徴とする圧電材料。
2. 請求項１記載の圧電材料を主成分として含んでいることを特徴とする圧電部材。

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