JP2000272962A - 圧電体磁器組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛を含有しない材料で大きな圧電特性を有す
る圧電体磁器組成物を提供すること。 【解決手段】 一般式[Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）
_０．５] ＴｉＯ_３で表わされ、０.２０＜ｘ≦０.３０の
組成範囲か、あるいは、各種添加物のうち、少なくとも
一つを２ｗｔ％以下添加した圧電体磁器組成物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、波動デバイ
ス、センサー、アクチュエーター等の電子部品に好適な
圧電体磁器組成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電体材料としては、二成分で構
成されるＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３）系セラ
ミックスや、三成分で構成されるＰＣＭ[ＰｂＴｉＯ_３
−ＰｂＺｒＯ_３−Ｐｂ（Ｍｇ_０．５Ｎｂ_０．５）ＴｉＯ
_３] 系セラミックスが主に用いられてきた。

【０００３】その理由としては、上記の材料が優れた圧
電特性を示すことはもちろんであるが、それ以外でも、
センサー、アクチュエーター、フィルター等、多種多様
の用途に用いられる際、各用途に要求される特性も様々
であり、要求に対応した圧電特性に適宜に得られるから
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の圧電体材料には、次のような欠点がある。即ち、これ
らの材料の主成分は、酸化鉛であり、６０ｗｔ％以上も
含有している。酸化鉛は、低温でも揮発性が高く、仮
焼、焼結工程において、大気中に微量でも放出される可
能性がある。

【０００５】また、産業廃棄物中から溶出することも考
えられる。また、これらの対策のための設備投資に膨大
な費用を投じなければならない点も大きな問題である。

【０００６】従って、本発明は、鉛を含有せず、かつ、
圧電セラミック素子の材料として実用可能な圧電体磁器
組成物を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この問
題を解決するための手段として、鉛を含まない［Ｂｉ
_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３系であっ
て、実用可能な圧電特性を有する圧電体材料が得られ
る。

【０００８】即ち、本発明は、一般式[Ｂｉ_０．５（Ｎ
ａ_１−ｘＫ_ｘ）_０．５] ＴｉＯ_３で表わされ、モル比ｘ
が０.２０＜ｘ≦０.３０の範囲である圧電体磁器組成物
である。

【０００９】また、本発明は、前記圧電体磁器組成物
が、添加物として、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ _２Ｏ_３、Ｍｎ
Ｏ_２、ＮｉＯ、Ｃｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、
Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５のうち、少なくとも一つを２ｗ
ｔ％以下含む圧電体磁器組成物である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１１】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態について説明する。主成分原料として、化
学的に高純度であるＢｉ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＴｉＯ
_２、Ｋ_２ＣＯ_３を用いた。

【００１２】これらを一般式［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘ
Ｋ_ｘ）_０．５］ＴｉＯ_３（０.１≦ｘ≦０.５）＋添加物
（２ｗｔ％以下）に対し化学量論的に配合し、ボールミ
ルによりエタノール中で２０時間混合した。

【００１３】これを８００℃で１時間保持して仮焼し、
次に、１０時間粉砕を行った。バインダーとしてポリビ
ニールアルコールを用い造粒し、圧力１ｔｏｎ／ｃｍ^２
で直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状に加圧成形した。
焼成は、温度１１００℃で、２時間保持して行った。

【００１４】この焼結体の両面に銀電極を設け、１００
℃シリコンオイル中で直流電圧４ｋｖ／ｍｍを電極間に
加え、厚み方向に分極を行った。

【００１５】これらの試料について、圧電及び誘電的性
質の測定を行った。圧電測定は、ＬＦインピーダンスア
ナライザーを用い、共振−反共振法により電気機械結合
係数、機械的品質係数を算出した。また、誘電特性は、
ＬＣＲメータを用いて測定周波数１ＭＨｚで測定を行っ
た。

【００１６】表１は、本発明の実施の形態による［Ｂｉ
_０．５（Ｎａ_ｘＫ_１−ｘ）_０．］ＴｉＯ_３（ｘ：０.１
〜０.５）で示される圧電体磁器組成物の圧電及び誘電
特性（電気機械結合係数ｋ_３３、ｋ_ｐ、ｋ_ｔ、機械的品
質係数Ｑ_ｍ、比誘電率ε_３３ ^ｔ／ε_０）を示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１に示すように、ｘが０.２１〜０.３０
の範囲で比誘電率、電気機械結合係数が極大値を取るこ
とが確認できた。その値は、ｋ_ｔで４２.３％、ε_３３
^ｔ／ε_０で１０３３と、（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）Ｔｉ
Ｏ_３ （ｋ_ｔ＝４１.８％、ε_３３ ^ｔ／ε_０＝８２）に
比較して、比誘電率で大きな値が得られた。上記の範囲
外では、電気機械結合係数が小さく、実用には不向きと
考えられる。

【００１９】また、Ｘ線回折で調査した結果、範囲で菱
面体−正方晶間の結晶構造的な相境界が存在することが
確認された。これは、ＰＺＴ系磁器で構造的相境界で圧
電特性が極大値を取るのと類似している。

【００２０】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について説明する。主成分原料として、化
学的に高純度であるＢｉ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＴｉＯ
_２、Ｋ_２ＣＯ_３を用い、添加物として高純度であるＦｅ
_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＮｉＯ、Ｃｏ_２Ｏ _３、
Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を用
いた。試料の作製方法及び測定方法は、第１の実施の形
態と同様に行った。

【００２１】表２は、［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_０．７９Ｋ
_０．２１）_０．５］ＴｉＯ_３にＦｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ
_２Ｏ_３，ＮｉＯ，ＭｎＯ_２，Ｃｏ_２Ｏ_３を１〜３ｗｔ％
それぞれ添加した時の圧電及び誘電特性（電気機械結合
係数ｋ_３３、ｋ_ｐ、ｋ_ｔ、機械的品質係数Ｑ_ｍ、比誘電
率ε_３３ ^ｔ／ε_０）を示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２に示すように、各添加物とも、２ｗｔ
％添加までは機械的品質係数Ｑｍが飛躍的に向上した。
また、電気機械結合係数も、添加しない場合と比較し
て、同等の値が得られた。

【００２４】しかし、それ以上添加すると、電気機械結
合係数の低下が見られた。よって、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２
Ｏ_３、ＮｉＯ、ＭｎＯ_２、Ｃｏ_２Ｏ_３を、それぞれ２ｗ
ｔ％添加することにより、機械的品質係数Ｑｍを向上さ
せることができ、フィルター、振動子等の用途に適用可
能な特性が得られる。

【００２５】表３は、［Ｂｉ_０．５（Ｎａ_０．７５Ｋ
_０．２５）_０．５］ＴｉＯ_３に、Ｌａ _２Ｏ_３、ＢａＣＯ
_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を１〜３ｗｔ％それぞれ添
加した時の圧電及び誘電特性（電気機械結合係数
ｋ_３３、ｋ_ｐ、ｋ_ｔ、機械的品質係数Ｑ_ｍ、比誘電率ε
_３３ ^ｔ／ε_０）を示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】表３に示すように、各添加物とも、２ｗｔ
％添加までは、電気機械結合係数及び比誘電率ε_３３ ^ｔ
／ε_０の飛躍的向上が確認できた。しかし、それ以上添
加すると、電気機械結合係数の著しい低下が見られ、実
用には適さない。よって、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓ
ｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５を、それぞれ２ｗｔ％まで添加す
ることにより、高誘電率、高電気機械結合係数が望まれ
るアクチュエーター等の用途に適用可能な特性が得られ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上、説明したごとく、本発明によれ
ば、環境対策として、鉛を含有しない材料で、大きな圧
電特性を有する圧電体材料が得られる。更に、高い機械
的品質係数Ｑｍが望まれるフィルター、振動子、もしく
は高い誘電率が望まれるアクチュエーター等の用途への
適用を可能にする効果が期待できるものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式[Ｂｉ_０．５（Ｎａ_１−ｘＫ_ｘ）
   _０．５] ＴｉＯ_３で表わされ、モル比ｘが０.２０＜ｘ
   ≦０.３０の範囲であることを特徴とする圧電体磁器組
   成物。
2. 【請求項２】 前記圧電体磁器組成物は、添加物とし
   て、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ _２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＮｉＯ、Ｃｏ
   _２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２
   Ｏ_５のうち、少なくとも一つを２ｗｔ％以下含むことを
   特徴とする請求項１記載の圧電体磁器組成物。