JP5677756B2 - 圧電磁器材料 - Google Patents
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Description
前記ガラスは、前記焼結体として焼成される前の粒子径が前記化合物の2倍以下である
ことを特徴としている。また、前記ガラスの軟化点温度が、前記化合物の結晶化温度よりも低い圧電磁器材料とすればより好ましい。
圧電材料は、図1(A)に示したように、母材となる化合物の結晶粒10同士がモザイク状につなぎ合わされた構造を有している。上述したように、一般式KxNa(1−x)Nb03(以下、KNN)で表される化合物は、鉛を含まず、環境性能に優れた圧電材料の母材として期待されているが、図1(B)の円20内に拡大して示したように、その結晶粒10同士の結合構造が粗であり、隣接する結晶粒10間の境界(粒界)11から水分が吸収されてしまう可能性がある。また、KNNにCo2O3を添加した従来の圧電材料では、緻密化が図られ生産性には優れているが、高湿度環境下に晒されると圧電特性が劣化する、ということが判明した。
本発明の実施例における圧電材料は、KNNを主成分として含み、この圧電物質であるKNNに添加物を加えて焼結することで得られる。そして、KNNにおけるKとNaの組成比、添加物の種類、添加物の重量比などの作製条件が異なる複数の圧電材料をサンプルとして作製した。また、作製条件が同じサンプルを複数作製し、同じ作製条件のサンプルで吸水試験や耐湿試験を行い、その試験結果の平均値で非吸水性能や耐湿性能を評価した。そして、本発明の実施例となる圧電材料について、KNNにおけるxの値や、添加物の添加量などを、その評価結果に基づいて規定した。
上述した手順により作製した圧電材料は、KNNにおけるKとNaの組成比、添加物の有無、添加物の種類、添加物の添加量など応じて複数種類用意した。また、添加物としては、従来の圧電材料に使用されているCo2O3と、本発明の実施例の圧電材料に使用した各種ガラスがある。以下に、そのガラスの組成と各サンプルの作製条件を示した。
作製したサンプルの一部には、Co2O3ではなくガラスが添加されている。サンプルに用いたガラスは、工業用途として一般に市販されているものであり、ここでは、Bi2O3主成分として含むガラス(以下、Bi系ガラス)、SiO2を主成分としてLi2Oを含むガラス(以下、Li系ガラス)、ZnOを主成分として含むガラス(以下、Zn系ガラス)、およびSiO2を主成分として含むガラス(以下、Si系ガラス)のいずれかである。参考までに、以下に、各ガラスの組成を示した。
・Bi系ガラス
Bi2O3:60mol%、B2O3:30mol%、CuO:7mol%、SiO2:3mol%
・Li系ガラス
SiO2:50mol%、Li2O:20mol%、B2O3:20mol%、CaO:5 BaO:5mol%
・Zn系ガラス
ZnO:45mol%、MgO:27mol%、B2O3:25mol%、SiO2:3mol%
・Si系ガラス
SiO2:80mol%、B2O3:18mol%、Al2O3:2mol%
上述したように、KNNは、KxNa(1−x)Nb03の組成式で表され、KNNの原材料の配分に応じてxの値が変わる。そこで、本実施例では、xの値が異なる各種KNNに対し、添加物の有無、添加物の種類、および添加物の添加量を変えたサンプルを74種類作製した。以下の表1〜3に、当該74種類のサンプルのxおよび添加物の種類とその添加量を示した。また、各サンプルの初期特性として、電気機械結合係数Kr、機械的品質係数Qm、および誘電率ε33の初期値を示した。なお、表中では、添加物となるBi系ガラス、Li系ガラス、Zn系ガラス、およびSi系ガラスを、それぞれBi、Li、Zn、およびSiで示している。
上記表1〜3に示した各サンプルを恒温槽にて85℃、85%RHの環境下に100h放置して耐湿放置試験を行い、恒温槽から取り出して4h後に、上記Kr、Qm、およびε33を測定し、初期値との比{(耐湿放置試験後測定値−耐湿試験前測定値)/耐湿試験前測定値}に基づいて耐湿性能を評価した。また、吸水処理(s14)の前後における重量比(吸水後重量/吸水前重量)を吸水率とし、その吸水率によって非吸水性能を評価した。
上記サンプルでは、圧電物質であるKNNの粒子径と添加物であるガラスの粒子径が一定となるように調整していた。そこで、非吸水性能や耐湿性能において、KNNやガラスの粒子径依存性があるか否かを検討した。ここでは、上記4種類のガラスの内、KNNにおけるxや添加量に対する特性変化が最も大きかったLiガラスを添加したサンプルで、かつ、xの値が望ましいと考えられる上限の0.7で合格判定となったサンプル66を基準として粒子径依存性を検討した。
上記各サンプルに対する非吸水性能や圧電性能の評価結果から、ある種のガラスではKNNのxの値や添加量に依存性が見受けられた。その理由として、添加量が少ないとKNNの粒界にガラスが十分に充填されず、多い場合では、KNNの粒界に充填されたガラスが発泡し、ガラスの充填部分の一部が欠損したためと考えられる。
10 KNNの結晶粒
11 粒界
12 ガラス
Claims (7)
- 焼結体により構成されて、一般式KxNa(1-x)Nb03で表される化合物を主成分として含んだ圧電材料であって、0.1≦x≦0.7であるとともに、ガラスが前記化合物の結晶粒の粒界に存在してなる構造を有し、
前記ガラスは、前記焼結体として焼成される前の粒子径が前記化合物の2倍以下である、
ことを特徴とする圧電磁器材料。 - 請求項1において、前記ガラスの軟化点温度は、前記化合物の結晶化温度よりも低いことを特徴とする圧電磁器材料。
- 請求項1または2において、前記ガラスは、Bi2O3を主成分として含むBi系ガラス、SiO2を主成分としてLi2Oを含むLi系ガラス、ZnOを主成分として含むZn系ガラス、SiO2を主成分として含むSi系ガラスから、少なくとも1種以上選ばれることを特徴とする圧電磁器材料。
- 請求項3において、前記ガラスは、前記Li系ガラスであって、当該Li系ガラスの添加量は、前記化合物に対し0.1wt%よりも多く、10.0wt%以下であることを特徴とする圧電磁器材料。
- 請求項3において、前記ガラスは、前記Bi系ガラスであって、当該Bi系ガラスの添加量は、前記化合物に対し0.08wt%よりも多く、12.4wt%以下であることを特徴とする圧電磁器材料。
- 請求項3において、前記ガラスは、前記Zn系ガラスであって、当該Zn系ガラスの添加量は、前記化合物に対し0.07wt%よりも多く、13.3wt%以下であることを特徴とする圧電磁器材料。
- 請求項3において、前記ガラスは、前記Si系ガラスであって、当該Si系ガラスの添加量は、前記化合物に対し0.08wt%よりも多く、14.8wt%以下であることを特徴とする圧電磁器材料。
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