JP4756629B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、ジルコンチタン酸鉛を主成分とする圧電磁器組成物に関するものであり、特に高出力圧電トランス素子材料として好適な圧電磁器組成物に関するものである。
近年、電磁トランスと比較して高い効率および昇圧比が得られ、低背化に適しているため、圧電磁器組成物を応用した圧電トランスは、液晶ディスプレイのバックライト用インバーターに用いられている。液晶ディスプレイの大型化および薄型化の要求から、圧電インバーターにも高出力化および小型化が要求され、電気機械結合係数がより大きく、機械的出力がより大きい圧電磁器組成物が求められている。
圧電トランスの場合には、その出力値Ｐｏｕｔは、材料特性値である比誘電率εｒ，電気機械結合係数Ｋ，振動速度Ｖと数１の関係にある。
数１から、高出力の圧電トランスを得るための条件は、振動速度Ｖ、比誘電率εｒおよび電気機械結合係数Ｋの値が大きいことである。
更に、高出力を得るためには、圧電磁器組成物の電気エネルギーを機械的振動エネルギーへ変換する際のエネルギー損失を抑制することが求められる。圧電トランスの発熱は、およそ２０℃を上限として設計されるため、エネルギー損失が大きい場合には熱が発生し、容易に励起できる振動振幅の限界値（振動速度限界値）に達すると共に圧電トランスの破壊を引き起こす可能性がある。
振動子の最大先端振動振幅ξｍおよび振動子の共振周波数ｆｒの測定から実効的振動速度Ｖを算出すると、実効振動速度Ｖは、数２で表される（非特許文献１）。
このように振動レベルは、実効振動速度Ｖで表現できる。従来の圧電磁器組成物において、安心して使用できる振動速度の限界値（２０℃発熱するときの振動速度：Ｖmax）は、０．３ｍ／ｓ程度であった。
高振動速度でも駆動可能な圧電磁器組成物に関しては、特許文献１に開示されている。ここでは、組成式ａＰｂＺｒＯ3−ｂＰｂＴｉＯ3−ｃＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表される特定の組成範囲と焼結体の平均粒径範囲を規定することで、振動限界速度Ｖmax≧０．４５ｍ／ｓを実現している。
しかしながら、圧電トランスを振動速度が高い状態で動作させると、振動子自身が発生する歪みによって振動子支持部分に破壊が生じるおそれがあり、電極部の機械的に高精度な接続および高精度な振動子の支持が必要となる。すなわち、電極部への接続位置精度や振動子の支持精度のばらつきが、大振幅での動作時に顕著になり、安定した圧電トランス特性を確保できなくなるという問題があった。
本発明は、上述した問題点を解決するもので、その技術課題は、圧電トランスの高寿命化および安定した圧電特性の確保をするために、比誘電率εｒ，電気機械結合係数Ｋおよび振動限界速度Ｖmaxのより大きな圧電磁器組成物を提供することである。
上記目的を達成するための第１の発明は、ａＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３−ｂＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｃＰｂ（Ｓｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４，０．０７２６≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．０８７０，０．０６７６≦ａ＋ｂ≦０．０８１０，０．０３３８≦ａ≦０．０４０５，０．０３３８≦ｂ≦０．０４０５，０．００５≦ｃ≦０．００６（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを特徴とする圧電磁器組成物である。
上記目的を達成するための第２の発明は、Ｐｂの一部をＳｒに置換したことを特徴とする圧電磁器組成物である。
上記目的を達成するための第４の発明は、常温下で圧電振動子として共振駆動されている状態での振動子の振動節点における温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界Ｖmaxとして、Ｖmaxが、０．３ｍ／ｓ以上で、かつ比誘電率が６００以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６以上であることを特徴とする圧電磁器組成物である。
本発明によれば、圧電トランス用磁器組成物である複合ペロブスカイト類を第３成分として固溶させた多成分ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3（以下、ＭｎＳｂ系ＰＺＴと略す）に、第４、第５の主成分としてＰｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｓｂ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3を添加した特定の組成範囲を選択することで、比誘電率εｒの増大および電気機械結合係数Ｋの増大をした上で、高い振動限界速度Ｖmaxを実現できる組成範囲を規定することで、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６０以上で、比誘電率εｒが６００以上で、振動限界速度Ｖmaxが０．３ｍ／ｓ以上を実現できる圧電磁器組成物を得る。その結果、圧電トランスの高寿命化、安定した圧電特性の確保ができる。
また、Ｐｂの一部を他の元素で置換することで、材料の抗電界を低下させることが可能となり、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することができる。また、Ｐｂ量を減らすことで、結晶粒の成長と焼結緻密化のバランスを調整し、Ｋｒ特性を向上することができる。
本発明を実施するための最良の形態に係る圧電磁器組成物は、以下の製造方法で作製する。酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ3）、酸化アンチモン（Ｓｂ2Ｏ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）および炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ3）を原料として用い、目標組成となるように秤量し、これらの原料粉をボールミルで湿式混合する。その後、これらの混合粉を脱水し、乾燥した後に、アルミナこう鉢中で予焼を行い、各予焼粉をボールミルで湿式粉砕する。
更に、脱水し、乾燥して得た予焼粉砕粉にバインダを混合して加圧して、φ２０×厚さ３ｍｍの形状に成形する。この成形体は、９００〜１２６０℃の温度で２〜６時間の焼成を行う。その後、切断工程で、各焼結体を１ｍｍの厚さに加工する。次に、両面に銀ペーストを塗布し、４５０℃で焼き付けを行い、電極を形成することで、組成の異なる圧電磁気組成物の評価用の試料を作製する。
また、振動限界速度Ｖmax測定試料は、１２×３×１ｍｍの形状にし、縦振動モード測定試料は、３×３×１０ｍｍの形状にする。このようにして得られた各試料を分極処理する。分極処理した円板試料の材料特性の測定は、インピーダンスアナライザ（ＨＰ４１９４Ａ）を用いて行う。なお、ここで用いた測定方法はＥＭＡＳ−６１００に準拠して行う。
次に、本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。表１に、本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の組成と圧電特性（比誘電率εｒ、振動限界速度Ｖmax、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３）の相関を示す。
図１は、圧電磁器組成物の材料組成と縦振動電気機械結合係数Ｋ３３の関係を示す図である。図２は、圧電磁器組成物のＳｒ置換量と１６０℃における抗電界Ｅｃの関係を示す図である。図３は、圧電磁器組成物の焼結温度と焼結密度の関係をＰｂ置換量で比較した図である。図４は、Ｐｂを減らした効果を圧電磁器組成物の材料組成と径方向の振動電気機械結合係数Ｋｒの関係をＰｂ置換量で比較した図である。
本発明の実施例に係る圧電磁器組成物は、表１の試料番号前に＊がついていないものである。表１に示した組成パラメーターの項目であるａ＋ｂ＋ｃは、一般的にＰＺＴ以外の「第３」成分と呼ばれるものの総量を意味するものである。縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３の範囲は、現状製品の圧電特性より特性が優れる０．６０以上と決定した。縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３を組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）との関係をプロットしたグラフを図１に示した。
縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３は、第３成分量ａ＋ｂ＋ｃ＝５．８ｍｏｌ％の場合には、試料番号１７および１８の近傍組成領域で最大値を示した。第３成分量ａ＋ｂ＋ｃ＝１０．２ｍｏｌ％の場合は、試料番号１，２，３のいずれの組成領域でも、Ｋ３３は、０．６０には達しなかった。試料番号１，２，３では、第３成分量が多すぎてＫ３３が劣化したと考えられる。また、第３成分量 ａ＋ｂ＋ｃ＝２．９ｍｏｌ％の場合は、試料番号２５，２６，２７，２８，２９のいずれの組成領域でも、Ｋ３３は、０．６０に達しなかった。試料番号２５，２６，２７，２８，２９の場合は、第３成分量が少なすぎてＫ３３が劣化したと考えられる。この結果より、第３成分量ａ＋ｂ＋ｃの組成範囲は、３ｍｏｌ％＜ａ＋ｂ＋ｃ≦１０ｍｏｌ％に決定した。その上で、組成パラメーターｙ／（ｙ＋ｚ）に依存して、Ｋ３３≧０．６０を満たす０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４に組成を決定した。
なお、上記組成範囲では、比誘電率εｒ≧６００で振動限界速度Ｖmax≧０．３（ｍ／ｓ）をすべて満足することが表１よりわかる。
圧電磁器組成物を圧電トランス素子とする場合には、抗電界以上の電界を印加して材料の自発分極の方向をそろえる必要がある。図２は、１６０℃における本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の抗電界強度Ｅｃを示したものである。Ｓｒ置換量が増えると共に材料の抗電界Ｅｃは低下した。抗電界Ｅｃが低下すると、分極処理に必要な電圧が少なくでき、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することが可能となった。
図３より、Ｐｂ量を減らすことで低温側の焼結密度が低下する事がわかった。また、図３で７．９２〜７．８６ｇ／ｃｍ3とほぼ同程度の焼結密度を示した１１００℃焼結品についての径方向の振動電気機械結合係数Ｋｒが、Ｐｂ量の減量に依存して向上することも図４よりわかった。
Ｋｒ特性向上の要因は、セラミックの空隙解消の促進、およびセラミックの結晶粒成長の効果と考えられる。圧電磁器組成物は、焼結時の固体拡散によって粒子間の空隙を減らし緻密化するが、粉末の焼結性が良い場合には、焼結収縮のプロセスが早すぎて、間隙内の空気が逃げられずに素子内に残留し、密度が低下する。このような場合には、焼結温度を低くして、保持時間を長くする対策があるが、結晶粒が充分に成長しないことは、しばしばある。本発明では、結晶粒成長に充分な温度条件で、Ｐｂ量が減少することで、空隙解消と緻密化のバランス調整を行った結果、Ｋｒ特性が向上した。
Claims (3)
- ａＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３−ｂＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｃＰｂ（Ｓｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ｙＰｂＺｒＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３と表記される多成分系ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）において、組成範囲が０．４６≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．５４，０．０７２６≦ａ＋ｂ＋ｃ≦０．０８７０，０．０６７６≦ａ＋ｂ≦０．０８１０，０．０３３８≦ａ≦０．０４０５，０．０３３８≦ｂ≦０．０４０５，０．００５≦ｃ≦０．００６（但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを特徴とする圧電磁器組成物。
- 前記Ｐｂの一部をＳｒに置換したことを特徴とする請求項１記載の圧電磁器組成物。
- 常温下で圧電振動子として共振駆動されている状態での振動子の振動節点における温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界Ｖｍａｘとして、Ｖｍａｘが０．３ｍ／ｓ以上で、かつ比誘電率が６００以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３が０．６以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電磁器組成物。
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