JP6076058B2 - 圧電材料、および圧電材料の製造方法 - Google Patents
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
当該一般式中の前記KaNabNbcTadCueOαで表される化合物を母材として、当該母材は、αを不可避な変動値としつつ、
1.000≦a+b≦1.001
0.200≦a≦0.8000
0.200≦b≦0.800
0.995≦c+d≦1.003
0.550≦c≦1.000
0.000≦d≦0.500
0.003≦e≦0.040を満たし、
前記一般式中のf、g、xを前記母材に対する割合として、
0.150≦f≦0.300
0.000≦g≦3.500
0.500≦x≦3.500
を満たすとともに、前記一般式中の前記CayBa(1−y)TiO3は、
0.000<y≦0.500
を満たす、
ことを特徴とする圧電材料である。
前記一般式中のK a Na b Nb c Ta d Cu e O α を母材として、当該母材の原材料を混合する第1混合ステップと、
前記第1混合ステップにより混合された前記母材の原材料を仮焼成する仮焼成ステップと、
前記仮焼成ステップを経た前記原材料を粉砕して粉体を得る粉体生成ステップと、
前記粉体生成ステップによって得た粉体と、前記一般式における母材以外の材料とを混合するする第2混合ステップと、
前記第2混合ステップにより得た混合されたものにバインダーを添加して造粒したものを所定の形状に成形した上で焼成する焼成ステップと、
を含み、
前記第1混合ステップでは、前記一般式中のa、b、c、d、eが、
1.000≦a+b≦1.001
0.200≦a≦0.8000
0.200≦b≦0.800
0.995≦c+d≦1.003
0.550≦c≦1.000
0.000≦d≦0.500
0.003≦e≦0.040
となるように、前記母材の材料を混合し、
前記第2混合ステップでは、前記一般式中のf、g、xが前記母材に対して、
0.150≦f≦0.300
0.000≦g≦3.500
0.500≦x≦3.500
となるとともに、
前記一般式におけるyが
0.000<y≦0.500
となるように、前記母材以外の材料を混合する、
ことを特徴とする圧電材料の製造方法としている。
本発明者は、上述したBT−BNT系圧電材料の特性向上を目的として鋭意研究を重ねた結果、2成分系のBT−BNT系圧電材料について、添加剤との組み合わせを最適化したり、製造方法を工夫したりすることによって特性に優れた圧電材料を発明し、これを、先に特許出願した(特願2012−67894:以下、先発明)。しかしながら、この先発明では、上述した有毒性が懸念されるBiが含まれていることから、KNNとBTとを基本的な圧電物質としつつPZTに代替可能な圧電材料について検討した。しかし、BTは、KNNと比較すると焼成温度が高く、このBTの焼成温度で最終的な圧電材料を焼成してしまうと、KNN中のKが揮発して特性が著しく劣化する。そこで、BTを添加物として可能な限り減量させつつ、KNNやBTの組成の一部を変更したり、最適な添加剤との組み合わせなどを検討したりした。その結果、極めて環境に優しく、PZTとの置換も可能な高い圧電特性を備えた本発明に係る圧電材料を得た。
本発明の実施例における圧電材料は、KNNの組成を基本としつつ、当該組成中の元素の一部を他の元素に置換したり、焼結性を高めるための材料を添加したりしている。概略的には、まず、KNN中のNbの一部を圧電特性の向上が見込まれるTaに置換した圧電物質(KNNT)に、KNNの焼結助剤として周知のCuを加え、一般式、KaNabNbcTadCueOαで表される化合物を主体としている。
KaNabNbcTadCueOα+fwt%Zn+gwt%Mn+xmol%(CayBa(1−y)TiO3)
ただし、f、g、xは、母材KaNabNbcTadCueOαに対する添加量である。
上記一般式で表現される圧電材料(以下、本圧電材料)について、優れた圧電特性を得るために、組成(a〜g、x、yの値)を最適化した。具体的には、本圧電材料の上記一般式中のa〜g、x、yの値を変えた多種多様な圧電材料をサンプルとして作製し、各サンプルの圧電特性を評価した。
圧電材料の一般的な製造方法は、全原材料を混合して焼成することを基本としているが、上述したように、この方法では、同じ条件で製造した圧電材料であっても、圧電特性や密度などの物性にバラツキがあることが知見された。そこで、本発明の実施例に係る圧電材料の特性の信頼性を高めるため、本圧電材料に適した製造方法を検討した。その結果、焼結助剤であるCuについても母材を構成する元素として、母材の原材料を焼成温度より低い温度で仮焼成し、その仮焼成して得た母材の粉体を、母材以外の材料と混合して焼成した。
表1にサンプルの組成を示した。
上記表1に示した組成が異なる各種サンプルについての特性を評価した。具体的には、電気機械結合係数Kp(%)、比誘電率εr、圧電定数d31を圧電特性として測定し、さらに、同じ組成のサンプルを多数製造することとし、その製造過程にある分極処理中に機械的な破壊が発生しなかった割合(分極歩留:%)を求めた。そして、各圧電特性の値や分極歩留まり(以下、歩留まり)の割合に応じ、合否を判定した。なお、合否の判定基準としては、PZTとの代替を考慮し、Kp>40%、εr>1200、d31<−100、歩留まり>95%を採用した。
s6 造粒工程、s7 成形工程、s8 焼成工程、s10 分極工程
Claims (2)
- 一般式KaNabNbcTadCueOα+fwt%Zn+gwt%Mn+xmol%(CayBa(1−y)TiO3)で表される圧電材料であって、
当該一般式中の前記KaNabNbcTadCueOαで表される化合物を母材として、当該母材は、αを不可避な変動値としつつ、
1.000≦a+b≦1.001
0.200≦a≦0.8000
0.200≦b≦0.800
0.995≦c+d≦1.003
0.550≦c≦1.000
0.000≦d≦0.500
0.003≦e≦0.040を満たし、
前記一般式中のf、g、xを前記母材に対する割合として、
0.150≦f≦0.300
0.000≦g≦3.500
0.500≦x≦3.500
を満たすとともに、前記一般式中の前記CayBa(1−y)TiO3は、
0.000<y≦0.500
を満たす、
ことを特徴とする圧電材料。 - 一般式K a Na b Nb c Ta d Cu e O α +fwt%Zn+gwt%Mn+xmol%(Ca y Ba (1−y) TiO 3 )で表される圧電材料の製造方法であって、
前記一般式中のK a Na b Nb c Ta d Cu e O α を母材として、当該母材の原材料を混合する第1混合ステップと、
前記第1混合ステップにより混合された前記母材の原材料を仮焼成する仮焼成ステップと、
前記仮焼成ステップを経た前記原材料を粉砕して粉体を得る粉体生成ステップと、
前記粉体生成ステップによって得た粉体と、前記一般式における母材以外の材料とを混合するする第2混合ステップと、
前記第2混合ステップにより得た混合されたものにバインダーを添加して造粒したものを所定の形状に成形した上で焼成する焼成ステップと、
を含み、
前記第1混合ステップでは、前記一般式中のa、b、c、d、eが、
1.000≦a+b≦1.001
0.200≦a≦0.8000
0.200≦b≦0.800
0.995≦c+d≦1.003
0.550≦c≦1.000
0.000≦d≦0.500
0.003≦e≦0.040
となるように、前記母材の材料を混合し、
前記第2混合ステップでは、前記一般式中のf、g、xが前記母材に対して、
0.150≦f≦0.300
0.000≦g≦3.500
0.500≦x≦3.500
となるとともに、
前記一般式におけるyが
0.000<y≦0.500
となるように、前記母材以外の材料を混合する、
ことを特徴とする圧電材料の製造方法。
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