JP5662731B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
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Description
従来、圧電磁器組成物は、そのほとんどが、PbZrO3−PbTiO3の2成分よりなるPZTや、このPZTに対して、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3やPb(Zn1/3Nb2/3)O3など第3成分で修飾した主成分がPbからなる。
しかしながら、Pbは、人体に有害であるため、Pbを含まない非鉛圧電体材料の開発が精力的に進められている。
また、特許文献3では、Sr2−xCaxNaNb5O15(x=0.05〜0.35)で表される多結晶圧電化合物に、特性改善成分として、希土類酸化物Re2O3を、0.5〜3wt%添加して、圧電材料とすること、およびSr2−xAxNaNb5O15x(式中、x=0.075〜0.25)で表される組成において、Aを、Ca,Ba,Mgの少なくとも2種以上の元素とした圧電材料が提案されている。
さらに、特許文献4では、(Ba1−xSrx)2NaNb5O15の圧電特性を改善して、圧電セラミックフィルター等の圧電セラミック材料として有用な組成物を提供するために、(1−y)(Ba1−xSrx)Nb2O6−yNaNbO3で表され、xが0≦x≦1、yが0.15≦y<1/3の範囲にある磁器成分を主成分とすることが提案されている。
そして、これらの特徴を反映し、Sr2−xCaxNaNb5O15系の圧電磁器組成物の圧電特性は、単結晶で報告されている圧電定数270pC/Nに対して、65pC/N程度に低いことがわかった。
また、(2)添加物として、Al及び/又はSiの酸化物を所定量添加することで、焼結温度が下がるとともに、微細組織が均一化することを見いだした。
さらに(3)圧電特性を増幅する添加物として、Mnの酸化物を所定量添加することで、分極が容易になることも判明した。
[1](Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15(式中、0<x<0.3、0.1<y<0.6である)で表される組成式を有する磁器成分を主成分とし、Al及び/又はSiの酸化物を、Al 2 O 3 又はSiO 2 換算で、0〜0.4wt%含有し、かつ、Mnの酸化物を、MnO換算で、0〜5wt%含有することを特徴とする圧電磁器組成物。
すなわち、本発明では、Sr2−xCaxNaNb5O15で表される基本組成に対して、(Sr,Ca)とNaの比率を上記の条件のように変更することにより、2次相の生成が抑制され、タングステンブロンズ型の単相の化合物が得られる。その結果、圧電特性が向上した圧磁器組成物が得られる。なお、上記組成式において、yが0.1以下の場合、及びyが0.6以上の場合には、2次相が生成して、タングステンブロンズ型の単相にならず、混相となり分極することができない。また、yが0.1<y<0.6の範囲であれば、xが0の場合でも、単相になるが、顕著な圧電特性の向上が見られない。さらにyが0.1<y<0.6の範囲にあっても、xが0.3以上では、2次相が生成して、タングステンブロンズ型の単相にならず、分極することができない。
更に、本発明の圧電磁器組成物に、Mnの酸化物を含有させることで分極が容易になり、圧電特性を向上させることができる。しかしながら、含有量がMnO換算で、本発明の圧電磁器組成物に対して、5wt%を超えると、絶縁抵抗が低下して分極ができなくなるので、5wt%以下とする必要があり、好ましくは0.1〜5wt%、さらに好ましくは、0.2〜2wt%とする。
そして、これらの結果、本発明によれば、非鉛圧電デバイスに利用できる圧電磁器組成物を提供することが可能となる。
次いで、上記の混合粉末を、例えばアルコール中でボールミルを用いて24時間程度湿式混合を行ったあと、得られたスラリーを乾燥し、その後、大気中で、1050〜1250℃、2〜12時間程度の仮焼成を行い、元素を反応させる。
また、本発明の圧電磁器組成物に、Al及び/又はSiの酸化物を含有させる場合には、得られた仮焼物に、Al2O3又はSiO2換算でベース組成に対して0.4wt%以下となるように秤量して添加し、アルコール中でボールミルを用いて湿式混合し、得られたスラリーを乾燥させ、有機バインダーを加えて乾式造粒する。
同様に、本発明の圧電磁器組成物に、Mnの酸化物を含有させる場合には、得られた仮焼物に、MnO換算でベース組成に対して5wt%以下となるように秤量して添加し、アルコール中でボールミルを用いて湿式混合し、得られたスラリーを乾燥させ、有機バインダーを加えて乾式造粒する。
原料化合物として、SrCO3、CaCO3、Na2CO3、Nb2O5を、組成式Sr2−xCaxNaNb5O15において、表1に示す組成になるようなxとなるように秤量し、この化合物をエタノールとともにボールミルに入れ、湿式混合し、得られたスラリーを乾燥させ、これを1050〜1250℃、3時間で仮焼した。
この仮焼物をエタノールとともにボールミルに入れ、湿式粉砕し、得られたスラリーを乾燥させ、PVAを加えて乾式造粒した。
この造粒物を1軸プレスで、10mmφ×1mm厚の円板に成形し、これを1200〜1350℃で焼成を行い、円板状の磁器焼結体を得た。
また、これら各磁器焼結体の両主面にAg電極を塗布および焼付けして電極を形成した後、100〜200℃の絶縁オイル中で2〜7kV/mmで分極させ、d33メータにより圧電特性を測定した。
該図からわかるように、x=0.0、x=0.05、x=0.1、及びx=0.2のいずれの場合にも、マイクロクラックが発生するとともに、異常粒成長により微細構造が不均一になる特徴を有している。
原料化合物として、SrCO3、CaCO3、Na2CO3、Nb2O5を、組成式(Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15において、表2に示す組成になるようなxとyとなるように秤量した以外は、比較例1と同様にして、円板状の磁器焼結体を得た。
図3から、明らかなように、(Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15(x=0.1、y=0.2)焼結体では、2次相が抑制され、単相のタングステンブロンズ相が得られることが分かる。
得られた結果を表2にまとめて示す。
なお、本発明において、圧電定数(d33)が70未満のものは、「本発明外」とした。
これに対して、試料1−8〜1−13(x=0〜0.25、y=0.2)、及び試料1−15〜1−20(x=0〜0.25、y=0.5)では、図3のようなタングステンブロンズの単相が得られたが、試料1−14(x=0.3、y=0.2)及び試料1−21(x=0.3、y=0.5)では、タングステンブロンズの単相にならず、混相となり、分極することができなかった。
また、本発明の範囲である、試料1−9〜1−13(x=0.05〜0.25、y=0.2)、及び試料1−16〜1−20(x=0.05〜0.25、y=0.5)では、顕著な圧電特性の向上が見られた。
原料化合物として、SrCO3、CaCO3、Na2CO3、Nb2O5を、組成式 Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15において、表3に示すようなxとyとなるように秤量した以外は、実施例1と同様にして、仮焼し、この仮焼物をエタノールとともにボールミルに入れ、湿式粉砕し、得られたスラリーを乾燥させた。
この造粒物を用い、実施例1と同様にして、円板状の磁器焼結体を得た。
これら各磁器焼結体に対して、実施例1と同様に、評価し、測定した。
評価、及び測定の結果を、下記の表3に示す。
圧電特性も、Al2O3の添加により向上するが、過剰に添加した試料2−6では低下が確認された。
微細組織は、Al2O3により、粒成長を抑制する効果がみられた。
圧電特性も、SiO2の添加により向上するが、過剰に添加した試料2−11では低下が確認された。
微細組織は、Al2O3よりもSiO2の添加により、粒成長が抑制され、微細組織が均一化した。
圧電特性は、Al2O3とSiO2を個別に添加した場合よりも向上したことから、相乗効果が確認されるとともに、過剰に添加した試料2−16では、低下が確認された。
微細組織は、SiO2単体の添加よりも粒成長したが、Al2O3単体の添加よりも粒径が小さく、粒子径が均一であった。
これらの本実施例により、(Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15(式中、0<x<0.3、0.1<y<0.6である)で表される組成式を有する圧電体材料に、添加物として、Al、Siを少なくとも1種類を、Al2O3又はSiO2換算で0.4wt%以下添加することにより、クラックを抑制し、微細組織を改善するとともに、圧電特性が向上することが確認された。
原料化合物として、SrCO3、CaCO3、Na2CO3、Nb2O5を、組成式(Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15において、表4に示すようなxとyとなるように秤量した以外は、実施例1と同様にして、仮焼し、この仮焼物をエタノールとともにボールミルに入れ、湿式粉砕し、得られたスラリーを乾燥させた。
この仮焼物に、Al2O3、SiO2、又はAl2O3:SiO2=1:1混合物を、表3の添加量になるように秤量し、エタノールとともにボールミルに入れ、湿式混合し、得られたスラリーを乾燥させた。
さらにこの混合物に、MnOを、表4の添加量になるように秤量し、エタノールとともにボールミルに入れ、湿式混合し、得られたスラリーを乾燥させ、PVAを加えて乾式造粒した。
これら各磁器焼結体に対して、実施例1と同様に、評価、測定した結果を、下記の表4に示す。
さらに過剰に6wt%を添加した試料3−8、3−16、3−24では、絶縁抵抗が低下して分極ができず、圧電特性を評価できなかった。
微細組織は、圧電特性が向上した添加量が0.1〜5wt%の試料3−2〜3−7、3−10〜3−15、3−18〜3−23において、添加量ともに粒成長がみられたが、粒径分布の均一性は保持した。また、クラックも発生しなかった。
これらの本実施例により、(Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15(式中、0<x<0.3、0.1<y<0.6である)で表される組成式を有する圧電体材料に、添加物として、Mnを、MnOで換算して、5wt%以下添加することで、さらに圧電特性を向上した圧電材料が得られることが確認できた。
Claims (1)
- (Sr2−xCax)1+y/4Na1−yNb5O15(式中、0<x<0.3、0.1<y<0.6である)で表される組成式を有する磁器成分を主成分とし、Al及び/又はSiの酸化物を、Al 2 O 3 又はSiO 2 換算で、0〜0.4wt%含有し、かつ、Mnの酸化物を、MnO換算で、0〜5wt%含有することを特徴とする圧電磁器組成物。
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