JP4437848B2

JP4437848B2 - 圧電体磁器組成物

Info

Publication number: JP4437848B2
Application number: JP07991099A
Authority: JP
Inventors: 淳佐々木
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000272962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、波動デバイス、センサー、アクチュエーター等の電子部品に好適な圧電体磁器組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電体材料としては、二成分で構成されるＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３）系セラミックスや、三成分で構成されるＰＣＭ[ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３−Ｐｂ（Ｍｇ_０．５Ｎｂ_０．５）ＴｉＯ_３] 系セラミックスが主に用いられてきた。
【０００３】
その理由としては、上記の材料が優れた圧電特性を示すことはもちろんであるが、それ以外でも、センサー、アクチュエーター、フィルター等、多種多様の用途に用いられる際、各用途に要求される特性も様々であり、要求に対応した圧電特性に適宜に得られるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の圧電体材料には、次のような欠点がある。即ち、これらの材料の主成分は、酸化鉛であり、６０ｗｔ％以上も含有している。酸化鉛は、低温でも揮発性が高く、仮焼、焼結工程において、大気中に微量でも放出される可能性がある。
【０００５】
また、産業廃棄物中から溶出することも考えられる。また、これらの対策のための設備投資に膨大な費用を投じなければならない点も大きな問題である。
【０００６】
従って、本発明は、鉛を含有せず、かつ、圧電セラミック素子の材料として実用可能な圧電体磁器組成物を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この問題を解決するための手段として、鉛を含まない［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３系であって、実用可能な圧電特性を有する圧電体材料が得られる。
【０００８】
即ち、本発明は、一般式［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３で表わされ、モル比ｘが０.２０＜ｘ≦０.３０の範囲である主成分と、添加物として、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５のうち、少なくとも一つを２ｗｔ％以下含む圧電体磁器組成物である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。主成分原料として、化学的に高純度であるＢｉ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＴｉＯ_２、Ｋ_２ＣＯ_３を用いた。
【００１２】
これらを一般式［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３（０.１≦ｘ≦０.５）＋添加物（２ｗｔ％以下）に対し化学量論的に配合し、ボールミルによりエタノール中で２０時間混合した。
【００１３】
これを８００℃で１時間保持して仮焼し、次に、１０時間粉砕を行った。バインダーとしてポリビニールアルコールを用い造粒し、圧力１ｔｏｎ／ｃｍ^２で直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状に加圧成形した。焼成は、温度１１００℃で、２時間保持して行った。
【００１４】
この焼結体の両面に銀電極を設け、１００℃シリコンオイル中で直流電圧４ｋｖ／ｍｍを電極間に加え、厚み方向に分極を行った。
【００１５】
これらの試料について、圧電及び誘電的性質の測定を行った。圧電測定は、ＬＦインピーダンスアナライザーを用い、共振−反共振法により電気機械結合係数、機械的品質係数を算出した。また、誘電特性は、ＬＣＲメータを用いて測定周波数１ＭＨｚで測定を行った。
【００１６】
表１は、本発明の実施の形態による［Ｂｉ _0.5 （Ｎａ _1-x Ｋ _x ） _0.5］ＴｉＯ₃（ｘ：０.１〜０.５）で示される圧電体磁器組成物の圧電及び誘電特性（電気機械結合係数ｋ₃₃、ｋ_p、ｋ_t、機械的品質係数Ｑ_m、比誘電率ε₃₃ ^t／ε₀）を示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１に示すように、ｘが０.２１〜０.３０の範囲で比誘電率、電気機械結合係数が極大値を取ることが確認できた。その値は、ｋ_ｔで４２.３％、ε_３３ ^ｔ／ε_０で１０３３と、（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３（ｋ_ｔ＝４１.８％、ε_３３ ^ｔ／ε_０＝８２）に比較して、比誘電率で大きな値が得られた。上記の範囲外では、電気機械結合係数が小さく、実用には不向きと考えられる。
【００１９】
また、Ｘ線回折で調査した結果、範囲で菱面体−正方晶間の結晶構造的な相境界が存在することが確認された。これは、ＰＺＴ系磁器で構造的相境界で圧電特性が極大値を取るのと類似している。
【００２０】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。主成分原料として、化学的に高純度であるＢｉ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＴｉＯ_２、Ｋ_２ＣＯ_３を用い、添加物として高純度であるＦｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＮｉＯ、Ｃｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を用いた。試料の作製方法及び測定方法は、第１の実施の形態と同様に行った。
【００２１】
表２は、［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_０．７９Ｋ_０．２１）_０．５］ＴｉＯ_３にＦｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３，ＮｉＯ，ＭｎＯ_２，Ｃｏ_２Ｏ_３を１〜３ｗｔ％それぞれ添加した時の圧電及び誘電特性（電気機械結合係数ｋ_３３、ｋ_ｐ、ｋ_ｔ、機械的品質係数Ｑ_ｍ、比誘電率ε_３３ ^ｔ／ε_０）を示す。
【００２２】
【表２】

【００２３】
表２に示すように、各添加物とも、２ｗｔ％添加までは機械的品質係数Ｑｍが飛躍的に向上した。また、電気機械結合係数も、添加しない場合と比較して、同等の値が得られた。
【００２４】
しかし、それ以上添加すると、電気機械結合係数の低下が見られた。よって、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＭｎＯ_２、Ｃｏ_２Ｏ_３を、それぞれ２ｗｔ％添加することにより、機械的品質係数Ｑｍを向上させることができ、フィルター、振動子等の用途に適用可能な特性が得られる。
【００２５】
表３は、［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_０．７５Ｋ_０．２５）_０．５］ＴｉＯ_３に、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を１〜３ｗｔ％それぞれ添加した時の圧電及び誘電特性（電気機械結合係数ｋ_３３、ｋ_ｐ、ｋ_ｔ、機械的品質係数Ｑ_ｍ、比誘電率ε_３３ ^ｔ／ε_０）を示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
表３の実施例および比較例に示すように、各添加物とも、２ｗｔ％添加までは、電気機械結合係数及び比誘電率ε_３３ ^ｔ／ε_０の飛躍的向上が確認できた。しかし、それ以上添加すると、電気機械結合係数の著しい低下が見られ、実用には適さない。よって、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を、それぞれ２ｗｔ％まで添加することにより、高誘電率、高電気機械結合係数が望まれるアクチュエーター等の用途に適用可能な特性が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したごとく、本発明によれば、環境対策として、鉛を含有しない材料で、大きな圧電特性を有する圧電体材料が得られる。更に、高い機械的品質係数Ｑｍが望まれるフィルター、振動子、もしくは高い誘電率が望まれるアクチュエーター等の用途への適用を可能にする効果が期待できるものである。

Claims

一般式［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３で表わされ、モル比ｘが０.２０＜ｘ≦０.３０の範囲である主成分と、添加物として、Ｌａ_２Ｏ_３，ＢａＣＯ_３，Ｎｂ_２Ｏ_５のうち、少なくとも一つを２ｗｔ％以下含むことを特徴とする圧電体磁器組成物。