JP6531394B2 - 複合圧電磁器および圧電素子 - Google Patents
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Description
例えば、x(Ba1−aCaa)TiO3−yKNbO3−zNaNbO3の化学式で表される圧電磁器組成物が提案されている(特許文献1参照)。
また、KNbO3とBaTiO3の2成分系は、焼成可能な温度領域が非常に狭いため、焼成温度が低い場合には、焼結せず圧電特性が十分に得られなく、焼成温度が高い場合には、カリウム(K)等が蒸発するため組成変動が生じる等の問題が生じる。
特許文献3に示される構造にした場合、BaTiO3結晶粒子成形体をベースとしている材料のため、BaTiO3のキュリー温度(Tc)付近で正方晶から立方晶へと構造が変化してしまう。そのため、誘電率、圧電特性が大きく変化する。一度キュリー温度(Tc)以上で立方晶の構造になった場合、温度を下げても圧電特性が十分に得られないという不具合があった。
また、これまで提案されているBaTiO3と他の成分との固溶体は、Pb系の材料に比べて圧電特性が低く、十分に大きな発生変位量を得ることができない。このため、Pbを含まない材料で構成され、前述のように使用温度が100℃以下に限定されることなく、かつ十分に優れた圧電特性を有する圧電磁器およびその製造方法が求められている。
キュリー温度(Tc)の高いKNbO3等の固溶体である成形体表面に、BaTiO3を含むヘテロ接合を有する層を薄く設けることにより、キュリー温度(Tc)を高温側にすることができる。BaTiO3層は、10nm以上500nm以下の厚みにするが好ましい。前記の厚みにすることで、BaTiO3の持つキュリー温度(Tc)の影響が小さくなり、100℃を超える温度においても圧電特性(変位)を有する複合圧電磁器とすることが出来る。
それにより、100℃を超える温度においても圧電特性(変位)を有する複合圧電磁器が可能である。また焼成温度が300℃以下の低温で製造することも可能である。
またBaTiO3のモル比率が1.0を超えた場合は、BaTiO3の比率が高くなるため、キュリー温度(Tc)の高いコア部、すなわちKNbO3、NaNbO3のいずれか一種を含む固溶体の影響が小さくなり100℃以上の高温領域で相変化を起こし、圧電特性(変位)が大きく低下する。
キュリー温度(Tc)の高いKNbO3等の固溶体である成形体表面に、BaTiO3を含むヘテロ接合を有する層を薄く設けることにより、キュリー温度(Tc)を高温側にすることができ、100℃を超える温度においても圧電特性(変位)を有する複合圧電磁器が可能である。また焼成温度が300℃以下の低温で製造することも可能である。
複合圧電磁器1は、例えば、厚さ方向、すなわち一対の電極2,3が対向する方向に分極されており、電極2,3を介して電圧が印加されることにより、厚み方向に縦振動および径方向に広がり振動することができる。電極2,3は、例えば、金(Au)などの金属により構成されている。電極2,3には、ワイヤなどを介して外部電源と電気的に接続することができる(図示しない)。
当該モル比率は、0.2〜1.0であることが好ましく、0.2〜0.8であることが特に好ましい。
組成式としては一般式(1)のように表すことができる。
(1−x−y)KNbO3−xNaNbO3−yLiNbO3−zBaTiO3 (1)
NaNbO3のモル比率(x)は、0〜1.0の範囲で効果がみられる。一方、LiNbO3のモル比率(y)は0〜0.1であることが好ましく、0〜0.05であることが特に好ましい。
臨界過飽和曲線を超えることで核が生成するようになり、準安定領域では核生成が起こらず、核成長のみが起こる。まずBaTiO3の核が生成(発生)する条件、準安定領域の条件を調べる。この準安定領域(温度、濃度)で反応させることで、KNbO3粒子を核としてその表面にヘテロ接合を有するBaTiO3層を成長させて人工的なヘテロ接合を有する層(MPB構造)を持つ複合圧電磁器1を作製することが可能となる。
一方、アクチュエータのような圧電磁器の場合は、複合圧電磁器1の相対密度は90%以上であることが好ましい。なお、複合圧電磁器1の相対密度は、アルキメデス法によって測定することができる。複合圧電磁器1の相対密度は、結晶粒子成形体の密度(バインダ種、バインダ量、成形圧力等)、ソルボサーマル反応の条件(濃度、反応温度、反応時間等)で調整することができる。
Mn化合物やCu化合物を含むことによって、複合圧電磁器1の機械的品質係数(Qm)を向上させることができる。
Pbの含有量が十分に低減された圧電磁器は、焼成時におけるPbの揮発、および圧電素子などの圧電部品として市場に流通し廃棄された後に、環境への放出を最小限に抑制することができる。
このような複合圧電磁器1は、例えば、圧電素子である圧電発電素子、アクチュエータなどの振動素子、発音体またはセンサなどの材料として好ましく用いることができる。
まず、複合圧電磁器1の主成分の原料として、例えば、KNbO3粉末を準備して十分乾燥させる。また、KNbO3表面にBaTiO3を形成するための原料となるTiO2粉末も同様に乾燥させる。これらのKNbO3粉末とTiO2粉末を量りとり、ボールミルにより混合し、乾燥させ、バインダを加えた有機溶媒中で混合した後、乾燥し、ディスク状に成形を行った。ディスク状に成形されたKNbO3、TiO2混合成形体を、500℃〜800℃で2〜12時間脱バインダを行い混合粉末成形体とした。
<KNbO3−BaTiO3複合圧電磁器の作製>
KNbO3粉末およびTiO2粉末を準備してよく乾燥させ、表1に示したKNbO3/BaTiO3比率(反応後)となるように秤量後、フッ素加工された樹脂製容器にジルコニアボール(φ3mm)とともに入れてエチルアルコールで16時間混合した。
実施例1から6で作製した試料に、図1の2,3のように金(Au)電極をスパッタリング法で形成し、図1の圧電素子4を作製した。この圧電素子4に北本電子株式会社製の電界誘起歪み測定器(JP005−SE)で周波数0.1Hz、1〜30kV/cmの電界を印加して圧電歪(変位)を測定、その値からd33を計算してその結果も表1に示した。その結果、BaTiO3比が0.05から1.5の範囲で大きな圧電特性を持つことを確認した。
特性を測定した。25℃のときの比誘電率を基準として、この温度範囲で最も大きな比誘電率の変化率も表1に示した。その結果、BaTiO3比が0.05から1.0の範囲では比誘電率の変化率の最大値は10%以内と良好であったが、BaTiO3比が1.5の場合は比誘電率の変化率は20%以上となった。
作製したKNbO3−BaTiO3複合圧電磁器1をリガク製XRD装置によりCuKα線を使用して、管電圧50kV、管電流40mA、走査速度20°/分でXRD測定を行った。
複合圧電磁器1の結晶構造は、斜方晶であるKNbO3を含む固溶体の、特に(220)、(002)面のピーク形状は反応前後で変化がみられる。KNbO3、BaTiO3は、ともに格子定数の近いペロブスカイト構造であるため、これらの面のピークの形状によりKNbO3の結晶粒子のほかに、BaTiO3が成長しているかを確認することできる。
また、STEMにより格子像を観察して、KNbO3のまわりに形成されたBaTiO3がヘテロ接合されていることを確認した。
KNbO3粉末の代わりにNaNbO3粉末を使用したもの、KNbO3粉末にNaNbO3粉末を加えたもの、またKNbO3にNaNbO3とLiNbO3粉末を加えたものを実施例1〜6と同様にして試料を作製し、評価した結果も表1に示した。その結果、いずれの試料とも高い圧電特性を示し、比誘電率の温度特性が10%以内で、良好なものとなった。このときBaTiO3が生成していることをXRDで確認した。
表1に示すようにKNbO3、NaNbO3、LiNbO3とBaTiO3のモル比率を変えた以外は実施例1から11と同様の方法でKNbO3、NaNbO3、LiNbO3−BaTiO3複合圧電磁器1を作製し、同様にして電極を形成して圧電歪(変位)を測定、d33を求めて表1に示した。BaTiO3がヘテロ接合を有する層を形成しなかった場合は、d33を測定することはできず、またBaTiO3比が0.02の場合はd33が小さいことを確認した。また、LiNbO3を0.12とした場合はd33が大きく低下した。
従来のセラミックスの製造工程(固相法)を用いて1150℃で焼成して作製したKNbO3−BaTiO3圧電セラミックスを実施例1から11と同様の評価方法によりd33を求め表1に示した。BaTiO3比が0.2の場合、d33は128pm/Vと低くいが、BaTiO3比を0.5とすると、d33は260pm/Vと高い値を示す。しかし、合成(焼成)温度が高く、焼成時に大きなエネルギーを使うということでコストが高くなる要因となる。
2,3 電極
4 圧電素子
Claims (3)
- ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)のうち少なくともいずれか一種を含む固溶体を核として、その核の周りを覆うように、チタン酸バリウム(BaTiO3)を含む化合物層を有し、前記固溶体には、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)がモル比率で0.01以上0.12未満含まれており、
前記固溶体成分の全量に対するBaTiO3の比率が、0.02超0.5以下であり、
d33が128pm/V超であり、−40℃から150℃までの比誘電率の温度変化の絶対値が8.9未満であることを特徴とする、複合圧電磁器。 - 一対の電極と、該一対の電極の間に、請求項1に記載の複合圧電磁器よりなる圧電材料を含有することを特徴とする圧電素子。
- 請求項1に記載複合圧電磁器と内部電極とを交互に積層された構造である素体と、前記内部電極と電気的に接続されている一対の該端子電極とを備えることを特徴とする圧電素子。
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