JP6438755B2 - 圧電磁器組成物および圧電磁器組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
一般式A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)]O 3 +(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]で表される母材に1種類の添加剤が0.25wt%以下の割合で含まれており、
前記一般式における前記A、x、y、zが、それぞれ
0.9≦A<1.0
0.02≦x≦0.10
0.45≦y≦0.53
0.00≦z≦1.00
を満たすとともに、
前記添加剤がMgOである、
ことを特徴とする圧電磁器組成物としている。
一般式A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)O 3 ]+(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]で表される母材に1種類の添加剤が含まれている圧電磁器組成物の製造方法であって、
前記母材の原材料を0.9≦A<1.0、0.02≦x≦0.10、0.45≦y≦0.53、0.00≦z≦1.00となるように混合する第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により得られた前記原材料の粉体と、前記添加剤としてMgOを0.25wt%以下の割合で混合する第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、
を含むことを特徴としている。
本発明者はHighQ材でかつK定数の高いPZT系圧電材料を開発する過程で、A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)]+(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]の一般式で記述される化合物(以下、母材とも言う)に着目したところ、HighQ材で、円板の広がり振動モードにおけるK定数(Kp)が50%程度の圧電材料を得ることができた。しかしこの母材の組成を調整してもHighQ材であることを維持しつつ、さらにK定数を向上させることが難しかった。とくにQmとしては充分に高いQm≧1000を維持しつつ、母材よりもKp定数を大きくすることが難しかった。そこで上記の母材に対して多種多様な添加剤について検討したところMgOを添加するとHighQ材に属しつつK定数を向上させることを知見した。そして本発明は、このような知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果想到したものである。
本発明に係る実施例は、上記の母材にMgOが適量添加されており、それによって上記母材の優れた圧電性能を大きく損なうことなく十分なK定数を有するものとなっている。そして、本発明の実施例に係る圧電磁器組成物の特性を評価するために、上記母材の組成(A、x、y、zの値)とMgOの添加量を変えた各種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。
図1にサンプルの製造手順を具体的に示した。この図に示したように、まず、母材の原材料となる一般式A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)]+(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]に含まれる各金属元素の酸化物を秤量する(s1)。このとき、各原材料の量や割合を変えると、上記一般式中のA、x、y、zの値が変わる。次に、母材の原材料をボールミル中で溶媒となる純水を入れて24時間(h)湿式混合する(s2)。それによって、母材の原材料の混合物が粉体状に粉砕される。そして、この粉体状の混合物を大気中にて800℃〜950℃の温度で3h仮焼成する(s3)。
組成が異なる各種サンプルについて、周知のインピーダンスアナライザを用い、電気機械結合係数Kp(%)、比誘電率εr(=ε33 T/ε0)、および機械的品質係数Qmを測定した。なお圧電特性の評価には全て同じ温度(1280℃)で焼成したサンプルを用いた。
まず表1に示した各サンプルの特性測定結果に基づいてMgOの添加することによる効果について検討した。表1においてサンプル1、16、17はMgOが添加されていない母材のみからなる圧電材料であり、これらのサンプル1、16、17と同じ組成の母材に対してのMgOが添加されているサンプルの圧電特性について見てみる。
つぎに表1に示した結果に基づいて、母剤の組成を決定する上記一般式におけるA、x、y、zの各値の適正値について検討する。ここではまずzの適正値について検討する。母材の組成を表す上記一般式における第2項目の化学式で表される組成[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3](以下、Bサイトともいう、また第1項目{Pb1-xSrx(Zr1-yTiy)O3}で表される組成をAサイトとも言う)に含まれるSbとNbは互いにzの値によって相補的に増減する。したがってz=0のサンプル1は母材の組成にNbが含まれていないことになる。そこでサンプル1と同様に母材のみからなるサンプル16と17の圧電特性について検討してみると、サンプル16はz=0.5、サンプル17はz=1であり、それぞれSbの半分あるいは全部がNbに置換されている。そしてサンプル16と17の圧電特性からNbの割合が増える(zが大きくなる)のに従ってεrの値が徐々に減少し、Qmの値が徐々に増加していることがわかる。しかしサンプル16と17はいずれもεr>1000、Qm>1000を満たしている。そしてKpについてはNbの増減に伴って大きな差異は見受けられなかった。すなわちBサイトにSbとNbの少なくとも一方が含まれていればよいことになり、zの適正値は0≦z≦1となる。
上述したように母材にMgOが適量添加された圧電材料は、Qmが充分に大きなHighQ材(Qm>1000)で、かつ実用的なεr(>1000)を有しつつ同じ組成の母材のみからなる圧電材料に対して高いKpを示す。そこでMgOを添加することによってKpが増加するメカニズムについて、結晶構造の変化という観点から検討してみた。具体的には表1におけるサンプル1および19と同じ組成としつつ焼成温度が異なる各種圧電材料を作製し、その各種圧電材料の結晶構造を電子顕微鏡にて観察した。図2に作製した各種圧電材料のうち、1190℃、1250℃、および1310℃で焼成した圧電材料の電子顕微鏡写真を示した。図2(A)、(B)、および(C)は組成がサンプル1と同じでMgOを含まない圧電材料である。そして図(A)、(B)、および(C)はそれぞれ焼成温度を1190℃、1250℃、および1310℃としたときの圧電材料の結晶構造を示している。また図2(D)、(E)、および(F)は組成がサンプル19と同じでMgOを含む圧電材料であり、焼成温度がそれぞれ1190℃、1250℃、および1310℃のときの結晶構造を示している。
表1に示した各サンプルは図1に示した手順によって作成されたものである。すなわちまず母材の原材料を混合したものを仮焼成し、その仮焼成によって得られた粉体に添加剤であるMgOを添加してから焼成していた。しかし圧電材料の製造手順としては最初に母材の原料と添加剤を混合しその混合物を成形して焼成するとう手順(以下、原料混合法とも言う)もある。そこで表1におけるサンプル19、20、22、23とおなじ組成としつつ製造手順に原料混合法を採用したサンプルを作製し、各サンプルの圧電特性を調べてみた。
上述したように本発明の実施例に係る圧電材料では母材にMgOを適量添加することで高いK定数を有しているが、製造方法によって圧電特性に差異が生じることも事実である。そこで製造方法と圧電特性との関係について考察してみる。一般的にはPZTへMgOを添加するとMg2+がアクセプタイオンとして働き、Bサイトへの固溶により酸素空孔を生じる。その結果εrが減少し、結晶構造におけるドメイン壁の動きが限定されてQmが増大する。その一方でモルフォロトピック層境界(MPB)近傍の組成に対してアクセプタイオンとなりうる酸化物を添加するとK定数が減少することが知られている。しかし本発明の実施例に係る圧電材料では、MgOをアクセプタイオンとして作用させずに母材中に導入することが容易になったものと思われる。すなわちPZT系の母材に対するMgOの反応性が乏しく、MgOがPZT系の母材に対して固溶し難い状態となり、その結果としてK定数が改善されたものと思われる。
Claims (3)
- 一般式A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)]O 3 +(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]で表される母材に1種類の添加剤が0.25wt%以下の割合で含まれており、
前記一般式における前記A、x、y、zが、それぞれ
0.9≦A<1.0
0.02≦x≦0.10
0.45≦y≦0.53
0.00≦z≦1.00
を満たすとともに、
前記添加剤がMgOである、
ことを特徴とする圧電磁器組成物。 - 請求項1において、ラインインターセプト法で測定した平均粒子径が、前記母材の組成が同じでMgOを含まない圧電磁器組成物の平均粒子径以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
- 一般式A[Pb1−xSrx(Zr1−yTiy)O 3 ]+(1−A)[Pb{Mn1/3(Sb1−zNbz)2/3}O3]で表される母材に1種類の添加剤が含まれている圧電磁器組成物の製造方法であって、
前記母材の原材料を0.9≦A<1.0、0.02≦x≦0.10、0.45≦y≦0.53、0.00≦z≦1.00となるように混合する第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により得られた前記原材料の粉体と、前記添加剤としてMgOを0.25wt%以下の割合で混合する第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、
ことを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
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