JP4355115B2

JP4355115B2 - 圧電磁器および圧電素子

Info

Publication number: JP4355115B2
Application number: JP2001197120A
Authority: JP
Inventors: 泰広中井; 仁中久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003012371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器および圧電素子に関し、特に、圧電共振子および発振子に好適に用いられる圧電磁器および圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、鉛を含有せず、高い圧電性を示すセラミック材料として、ニオブ酸アルカリ系の圧電磁器が注目されている。
【０００３】
このニオブ酸アルカリ系の酸化物の中において、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ₃）は、ぺロブスカイト（ＡＢＯ₃）型に分類される酸化物であるが、例えば、ＪａｐａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｐ．３２２１，ｖｏｌ．３１，１９９２に記載されているように、それ自身では、−１３３℃付近よりも低い温度下でのみ強誘電性を示し、圧電共振子および発振子用材料の一般的な使用温度である−２０〜８０℃の範囲においては圧電性を示さず、圧電材料としての利用ができない。
【０００４】
また、Ｊ．Ｐｈｙｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ，ｐ６８３３，ｖｏｌ．６、１９９４．には、Ｎａの一部をＭｎで置換したニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ₃）が開示されているが、その組成では圧電特性を示さないことが開示されている。
【０００５】
しかし、ＮａＮｂＯ₃に対し、Ｂａ_0.5ＮｂＯ₃やＳｒ_0.5ＮｂＯ₃などの副成分を含有させると、圧電性を示すようになることが、例えば、特開平９−１６５２６２号公報の中に記載されている。このようなＮａＮｂＯ₃系の圧電セラミックスは、比誘電率が低く、電気機械結合係数が高く、かつ、機械的品質係数が比較的高いという特徴を有している。
【０００６】
一方、例えば、特開昭５７−２９３９６号公報に開示されるように、Ｋ_xＮａ_yＬｉ_zＮｂＯ₃系セラミックスは、キュリー温度が高く、比誘電率が低く、高い電気機械結合係数を有すると同時に、機械的品質係数が低いという特徴を示す圧電磁器であり、圧電共振子や発振子用材料としての利用が考えられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＮａＮｂＯ₃を主成分とする圧電セラミックスやＫ_xＮａ_yＬｉ_zＮｂＯ₃系セラミックスは、キュリー温度が高く、比誘電率が低く、高い電気機械結合係数を示すものの、共振周波数の温度依存性が大きいため、高い精度が要求されるフィルタ・発振子用材料などの用途には不向きであるという問題があった。
【０００８】
本発明は、特に、厚み滑りモードを用いた場合において、電気機械結合係数が高く、共振周波数の温度依存性が小さい圧電磁器および圧電素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電磁器は、金属元素のモル比による組成を、（１−ｘ）Ｎａ_ｙ（Ｎｂ_１−ａＳｉ_ａ）Ｏ₃＋ｘＭ_ｙ（Ｎｂ_１−ｂＬｉ_ｂ）Ｏ_ｆ（ただし、Ｍは（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｌｉ_１／２）のうち少なくとも１種とＭｎ、ｆは任意）と表したとき、前記ａ、ｂ、ｘ、ｙが、
０．００２≦ａ≦０．０５
０≦ｂ≦１
０．００５≦ｘ≦０．０５
０．９５≦ｙ≦１
を満足することを特徴とする。
【００１１】
このような構成にすることにより、特に、厚み滑りモードを用いた場合の電気機械結合係数が高く、共振周波数の温度依存性が小さい圧電磁器を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の圧電素子は、上記した圧電磁器の両面に電極を形成してなるものである。そして、この圧電素子では、厚み滑りモードを用いた場合の電気機械結合係数が高く、共振周波数の温度依存性が小さいことから、圧電共振子や発振子として優れた特性を発揮できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電磁器は、金属元素のモル比による組成を、（１−ｘ）Ｎａ_ｙ（Ｎｂ_１−ａＳｉ_ａ）Ｏ₃＋ｘＭ_ｙ（Ｎｂ_１−ｂＬｉ_ｂ）Ｏ_ｆ（ただし、Ｍは（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｌｉ_１／２）のうち少なくとも１種とＭｎ、ｆは任意）と表したとき、前記ａ、ｂ、ｘ、ｙが、
０．００２≦ａ≦０．０５
０≦ｂ≦１
０．００５≦ｘ≦０．０５
０．９５≦ｙ≦１
を満足するものである。
【００１８】
前記構成において、ＮｂのＳｉによる置換量ａを０．００２〜０．０５の範囲としたのは、電気機械結合係数を向上できるからであり、ａが０．００２よりも小さい場合には電気機械結合係数を高くする効果がほとんどなく、また、０．０５よりも大きいと磁器の粒界部において第２相が顕著に発生し、電気機械結合係数を低下させるからである。電気機械結合係数を高くするという観点から、ａは０．００５〜０．０３の範囲とすることが望ましく、特に、第２相の発生が少なく、電気機械結合係数が高いという理由から、ａは０．０１〜０．０２の範囲とすることがより望ましい。
【００１９】
そして、ＳｉはＢサイトを占めるＮｂの一部を置換しているが、Ｓｉの含有量が１．５原子％を越えると、磁器の粒界部に第２相が多く発生し始めるが、５原子％までの範囲であれば圧電特性に優れた圧電磁器を得ることができる。
【００２０】
また、前記構成のＭ_y（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）Ｏ_f（ただし、Ｍは、（Ｂｉ_1/2Ｋ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｎａ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｌｉ_1/2）のうち少なくとも１種において、ＬｉとＮｂの比率を表わすｂの範囲は０〜１の範囲にあれば良く、構成中の（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）は、例えば、（Ｌｉ_1/4Ｎｂ_3/4）、（Ｌｉ_1/2Ｎｂ_1/2）などで表わすことが出来る。電気機械結合係数の向上効果が高く、磁器の焼結性に優れるという観点から、ｂは０〜０．５の範囲であることが望ましい。
【００２１】
さらに、前記構成について、Ｍ_y（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）Ｏ_f（ただし、Ｍは、（Ｂｉ_1/2Ｋ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｎａ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｌｉ_1/2）のうち少なくとも１種とＭｎ）の含有量ｘを、０．００５〜０．０５の範囲としたのは、電気機械結合係数を向上できるからであり、ｘが０．００５よりも小さいと電気機械結合係数の向上効果がほとんど認められず、また、ｘが０．０５よりも大きくなると、電気機械結合係数が顕著に低下し実用に供さなくなるからである。
【００２２】
また、前記構成のＭ_y（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）Ｏ_fにおいて、Ｍとして、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａのうち少なくとも１種含有してもよい。これらのＢａ、Ｓｒ、ＣａはＡサイトに固溶する。
【００２３】
さらにまた、前記構成において、ＡサイトとＢサイトの原子比（Ａ／Ｂ比）を表わすｙの範囲を０．９５≦ｙ≦１の範囲としたのは、ｙを１以下とすることにより、電気機械結合係数をさらに向上し、共振周波数の温度依存性を小さく抑えることが可能となるからである。ｙが０．９５よりも小さい場合は、磁器の焼結性が悪化し、磁器を安定に供給することが困難となり、また、ｙが１よりも大きい場合にも、焼結性が悪化し、電気機械結合係数が低下するので望ましくない。電気機械結合係数が高く、かつ、共振周波数の温度依存性が小さいという点から、ｙは０．９８〜０．９９の範囲にあることが望ましい。
【００２４】
また、Ｍ_y（Ｎｂ_１−ｂＬｉ_ｂ）Ｏ_ｆとして含有するＬｉは、ＡサイトのＮａの一部と置換されるが、ＢサイトのＮｂにも一部置換される。また、磁器の結晶粒子は通常は球形状であるが、略立方体状の結晶粒子から構成されている。結晶粒子としては１〜１５μｍの粒子径のものが分散した磁器の構造を有している。
【００２５】
本発明の圧電磁器は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＳｉＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｎＣＯ₃の原料を用いて、予め所望の組成になるよう秤量し、これを湿式方式でボールミル混合する。この混合粉体を９５０〜１１００℃の温度で仮焼成し、所望の組成の合成粉体を得る。
【００２６】
これを上記ボールミルを用いて湿式粉砕し、乾燥させ、この混合粉末に有機バインダーを加え、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、これを大気中、１２００〜１３５０℃の温度で２〜３時間焼成して磁器を得ることができる。
【００２７】
仮焼粉体の粉砕後における粉末の平均粒径は、磁器の焼結性を向上させ、緻密な磁器を得るという観点から、０．３〜０．７μｍの範囲であることが望ましい。
さらに、使用する各原料粉末は酸化物だけでなく、炭酸塩、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何ら差し支えない。
【００２８】
尚、本発明の圧電磁器では、プレス金型の成分などが混入する場合がある。また、不純物として、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｂ等が混入する場合がある。
【００２９】
さらに、本発明の圧電磁器に対し、第１遷移金属、Ｔａ、希土類元素等を含有させても良い。特に、機械的品質係数を向上する目的で、第１遷移金属として、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどを酸化物として添加しても優れた磁器とすることができる。さらに、耐熱性を付与し、電気機械結合係数を向上する目的で、副成分として、ＫＮｂＯ₃やＬｉＮｂＯ₃を適量含有させても、優れた圧電磁器とすることができる。
【００３０】
本発明の圧電素子は、上記した圧電磁器の対向する両面またはその内部に電極を形成してなるものである。
【００３１】
【実施例】
出発原料として、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＳｉＯ₂、ＭｎＣＯ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃の原料粉末を混合した後、この混合粉体を９５０〜１１００℃で３時間仮焼し、金属元素のモル比による組成を、（１−ｘ）Ｎａ_y（Ｎｂ_1-aＳｉ_a）Ｏ₃＋ｘＭ_y（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）Ｏ_f（ただし、Ｍは（Ｂｉ_1/2Ｋ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｎａ_1/2）、（Ｂｉ_1/2Ｌｉ_1/2）のうち少なくとも１種とＭｎ、ｆは任意）とした時、
前記ａ、ｂ、ｘ、ｙが表１に示す値となる仮焼粉体を作製した。
【００３２】
これらの混合仮焼粉体をボールミルによる湿式粉砕で平均粒径が０．５μｍとなるまで粉砕した。
【００３３】
次いで、この仮焼粉体の粉砕物に有機バインダーを混合して造粒し、得られた粉末を１５０ＭＰａの圧力で長さ３５ｍｍ×幅２２ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの寸法からなる角板状にプレス成形した。
【００３４】
次に、この成形体を大気中１２００〜１３５０℃の温度下で３時間焼成して角板状の磁器を作製し、得られた磁器を０．５ｍｍの厚さまで研磨した。この角板状の磁器の粉末Ｘ線回折パターンを測定した結果、本発明に係る試料は、いずれもペロブスカイト型の結晶構造を有していることがわかった。また、Ｘ線マイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）を用いて結晶粒子の元素分析を行った。結果、結晶粒子から、金属元素：Ｂｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｎｂ、ＭｎおよびＳｉが検出され、これらの元素が固溶していることがわかった。
【００３５】
研磨した磁器を長さ３０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの短冊形状に加工し、これらの端面に銀電極を形成した後、２００℃のシリコンオイル中で３〜４ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理を行った。この後、これらの短冊状の磁器を０．２５ｍｍの厚さになるまで研磨し、それらの上下面に銀電極を蒸着し、幅１．５ｍｍ×長さ４ｍｍの厚み滑りモードの圧電素子を作製した。
【００３６】
そして、これらの圧電素子の共振・反共振周波数をインピーダンス・アナライザーで測定し、電気機械結合係数を求めた。さらに、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（Δｆｒ）、２０℃での共振周波数ｆｒ（２０）を用いて、式：ｆｒＴＣ＝Δｆｒ／｛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。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１の結果から明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．２〜２３では、電気機械結合係数は４０％以上と高く、特に、５０％以上のものも得られ、共振周波数の温度係数が１５０ｐｐｍ／℃以下となり圧電特性を改善できた。
【００３９】
また、Ａ／Ｂ比（表１ではｙ）を１より小さくした試料では、共振周波数ｆｒの温度係数ｆｒＴＣが１０５ｐｐｍ／℃以下となり大きく改善できた。
【００４０】
特に、Ａ／Ｂ比を１より小さくするとともに、副成分であるＭ_y（Ｎｂ_1-bＬｉ_b）Ｏ_f化合物におけるＭとして、等モル比の（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）と（Ｂｉ_１／２Ｌｉ_１／２）と、Ｍｎとを加え、これらの副成分を主成分に対して２モル％添加した試料Ｎｏ．１５では、電気機械結合係数が５８％、温度係数が４５ｐｐｍ／℃以下と最も良好な特性となった。
【００４１】
一方、ＮａＮｂＯ₃を主成分とするペロブスカイト型の結晶粒子のＢサイトを占めるＮｂをＳｉで置換しなかった試料Ｎｏ．１は、電気機械結合係数が小さく、共振周波数の温度係数が２１０ｐｐｍ／℃と高かった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、厚み滑りモードを利用した場合の電気機械結合係数が高く、共振周波数の温度係数が小さいという優れた特徴を有する圧電磁器および圧電素子を提供することが出来る。

Claims

金属元素のモル比による組成を、
（１−ｘ）Ｎａ_ｙ（Ｎｂ_１−ａＳｉ_ａ）Ｏ₃＋ｘＭ_ｙ（Ｎｂ_１−ｂＬｉ_ｂ）Ｏ_ｆ
（ただし、Ｍは（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）、（Ｂｉ_１／２Ｌｉ_１／２）のうち少なくとも１種とＭｎ、ｆは任意）と表したとき、前記ａ、ｂ、ｘ、ｙが、
０．００２≦ａ≦０．０５
０≦ｂ≦１
０．００５≦ｘ≦０．０５
０．９５≦ｙ≦１
を満足することを特徴とする圧電磁器。
請求項１に記載の圧電磁器の両面に電極を形成してなることを特徴とする圧電素子。