JP2000143340A - 圧電セラミックス - Google Patents
圧電セラミックスInfo
- Publication number
- JP2000143340A JP2000143340A JP11167942A JP16794299A JP2000143340A JP 2000143340 A JP2000143340 A JP 2000143340A JP 11167942 A JP11167942 A JP 11167942A JP 16794299 A JP16794299 A JP 16794299A JP 2000143340 A JP2000143340 A JP 2000143340A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxide
- piezoelectric ceramic
- qmax
- piezoelectric
- mno
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
特性、特に、大きな機械的品質係数(Qm)を有し、か
つ、安定した発振および低電圧での発振が可能な圧電セ
ラミックスを提供する。 【解決手段】 Sr、Bi、TiおよびLn(ランタノ
イド)を含有するビスマス層状化合物であり、SrBi
4Ti4O15型結晶を含み、原子比Ln/(Sr+Ln)
が 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 であり、Mn酸化物を含有する圧電セラミックス。
Description
用圧力センサ等の分野に幅広く応用可能な圧電セラミッ
クスに関する。
よって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加する
ことにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料で
ある。圧電体は、圧力や変形を測定するためのセンサ、
レゾネータ、アクチュエータなどに応用されている。
は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3
−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbT
iO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体
が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加
することにより、様々な要求特性への対応がはかられて
いる。例えば、直流的な使い方で大きな変位量が求めら
れる位置調整用のアクチュエータなどには、機械的品質
係数(Qm)が小さいかわりに圧電定数(d33)が大き
いものが、また、超音波モータに用いられる超音波発生
素子のような交流的な使い方をする用途には、圧電定数
(d33)が小さいかわりに機械的品質係数(Qm)が大
きいものが利用されている。
実用的な組成ではキュリー点が200〜400℃程度の
ものが多く、それ以上の温度では常誘電体となり圧電性
が消失してしまうため、高温で使用される用途、例えば
原子炉制御用センサなどには、適用不可能である。ま
た、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮発性の極めて高
い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70重量%程度)に
含んでいるため、生態学的な見地および公害防止の面か
らも好ましくない。具体的には、これら鉛系圧電材料を
セラミックスや単結晶として製造する際には、焼成、溶
融等の熱処理が不可避であり、工業レベルで考えた場
合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への揮発、拡散量
は極めて多量となる。また、製造段階で放出される酸化
鉛は回収可能であるが、工業製品として市場に出された
圧電材料に含有される酸化鉛は、現状ではその殆どが回
収不能であり、これらが広く環境中に放出された場合、
公害の原因となることは避けられない。
えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTi
O3がよく知られているが、これはキュリー点が120
℃と低いため、実用的ではない。また、特開平9−10
0156号公報には、ペロブスカイト構造の(1−x)
(Bi1/2Na1/2)TiO3−xNaNbO3固溶体が記
載されているが、同公報にはキュリー点が370℃を超
えるものは記載されておらず、やはり原子炉制御用セン
サ等の超高温用素子への適用は無理である。
としては、例えばビスマス層状化合物が知られている。
しかし、鉛を全く含有しないビスマス層状化合物は、レ
ゾネータに適用する場合に重要となるQmおよびQmaxが
小さいという問題がある。Q mが小さくなってしまうの
は、抗電界が大きく十分な分極ができないためと考えら
れる。Qmaxとは、位相角の最大値をθmaxとしたときの
tanθmaxである。すなわち、Xをリアクタンス、Rをレ
ジスタンスとしたとき、共振周波数と***振周波数との
間におけるQ(=|X|/R)の最大値である。Qmax
が大きいほど発振が安定し、また、低電圧での発振が可
能となる。特開平6−305817号公報には、ビスマ
ス層状化合物としてPbxBi3-xTi1-xNb1+xO
9(0.3≦x≦0.75)が記載されている。この組
成では、キュリー温度が500℃以上となるが、本発明
者らの実験によれば十分に大きなQmおよびQmaxは得ら
れず、また、鉛を含むという問題もある。また、特公昭
54−32957号公報には、(Pb1-XSrX)Bi4
Ti4O15(ただし、0<X<1)で示されるビスマス
層状型構造を有する焼結体中に、Mn、Fe、Co、N
iおよびCrの少なくとも1種を含有する強誘電性圧電
磁器材料が記載されているが、この組成も鉛を含有す
る。
含まず、キュリー点が高く、優れた圧電特性、特に、大
きな機械的品質係数(Qm)を有し、かつ、安定した発
振および低電圧での発振が可能な圧電セラミックスを提
供することである。
〜(3)の本発明により達成される。 (1) Sr、Bi、TiおよびLn(ランタノイド)
を含有するビスマス層状化合物であり、SrBi4Ti4
O15型結晶を含み、原子比Ln/(Sr+Ln)が 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 であり、Mn酸化物を含有する圧電セラミックス。 (2) Mn酸化物の含有量がMnOに換算して0.6
2重量%未満である上記(1)の圧電セラミックス。 (3) Mn酸化物の含有量がMnOに換算して0.4
3重量%以下である上記(1)の圧電セラミックス。
には、(Pb1-XSrX)Bi4Ti4O15で示されるビス
マス層状型構造を有し、かつ、Mnを含有する強誘電性
圧電磁器材料が記載されている。しかし、この磁器材料
は、Pbを含む点およびランタノイドを含まない点で本
発明とは異なる。
ら発行された「圧電セラミック材料の動向調査報告書」
第18ページの表5にも、添加元素としてMnを含み得
るSrBi4Ti4O15材料が記載されている。しかし、
ランタノイドを添加することは記載されていない。
ンタノイドとを共に含むことで、極めて大きなQmが得
られると共に、極めて大きなQmaxが得られる。
r、Bi、TiおよびLn(ランタノイド)を含有する
複合酸化物であり、さらに、Mn酸化物を含有する。
子比Ln/(Sr+Ln)は、 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 である。Lnが含まれないと、QmおよびQmaxを大きく
することができなくなる。一方、Ln/(Sr+Ln)
が大きすぎてもQmおよびQmaxが低くなってしまう。L
n/(Sr+Ln)の好ましい範囲は、 0.03≦Ln/(Sr+Ln)≦0.3 である。
Sm、Eu、Gd、DyおよびHoの少なくとも1種が
好ましい。
ことにより、Qmを向上させると共にQmaxを著しく向上
させる。前述したように、Qmaxが大きいほど発振が安
定するので、本発明の圧電セラミックスは、発振の安定
性が良好である。Mn酸化物の含有量が多すぎると、絶
縁抵抗が低くなって分極処理が困難となることから、M
n酸化物の含有量はMnOに換算して好ましくは0.6
2重量%未満、より好ましくは0.60重量%以下、さ
らに好ましくは0.43重量%以下とする。一方、Ln
酸化物との複合添加による効果を十分に発揮させるため
には、Mn酸化物はMnOに換算して0.02重量%以
上含有されることが好ましく、0.03重量%以上含有
される場合、特にQmax向上効果が高くなる。
状化合物であるSrBi4Ti4O15型結晶を含み、実質
的にこの結晶から構成されていることが好ましいが、完
全に均質でなくても、例えば異相を含んでいてもよい。
この圧電セラミックス中において、LnはSrBi4T
i4O15型結晶のSrサイトを主に置換していると考え
られるが、一部が他のサイトを置換していてもよく、ま
た、一部が結晶粒界に存在していてもよい。
一般に(Sr1-xLnx)Bi4Ti4O15にMnOが付加
されたものとすればよいが、これから偏倚していてもよ
い。例えば、Tiに対するSr+Lnの比率や、Tiに
対するBiの比率が、化学量論組成から±5%程度ずれ
ていてもよい。また、酸素量も、金属元素の価数や酸素
欠陥などに応じて変化し得る。
純物ないし微量添加物としてBa、Ca、Pbなどが含
有されていてもよいが、これらの合計含有量は、Ba
O、CaO、PbOなどの酸化物に換算して全体の0.
5重量%以下であることが好ましい。これらの元素の含
有量が多すぎると、本発明の効果を損なうことがある。
なお、本発明の圧電セラミックスにはPbが含まれない
ことが最も好ましいが、上記程度の含有量であれば実質
的に問題はない。
錘状ないし針状である。その平均結晶粒径は特に限定さ
れないが、長軸方向において、好ましくは1〜10μ
m、より好ましくは3〜5μmである。
は、少なくとも450℃以上とすることができ、500
℃以上とすることも容易である。また、Qmを、4.5M
Hz付近において少なくとも2000以上にでき、300
0以上とすることも容易である。
タ、高温用センサ等に好適である。使用モードは特に限
定されず、例えば厚み縦振動や厚みすべり振動等のいず
れのモードも利用可能である。
る方法の一例を説明する。
焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはSr
CO3、Bi2O3、TiO2、La2O3、MnO2等の粉
末を用意し、これらをボールミル等により湿式混合す
る。
時間程度仮焼し、得られた仮焼物をスラリー化し、ボー
ルミル等を用いて湿式粉砕する。
物に水を少量(4〜8重量%程度)添加し、1〜4t/c
m2程度の圧力でプレス成形して、成形体を得る。この
際、ポリビニルアルコール等のバインダを添加してもよ
い。
スを得る。焼成温度は、好ましくは1200〜1350
℃の範囲から選択し、焼成時間は、好ましくは1〜5時
間程度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よ
りも酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸
素雰囲気中で行ってもよい。
作製した。
TiO2、La2O3、MnCO3の各粉末を、最終組成が
(Sr1-xLnx)Bi4Ti4O15(xは表1に示す値)
+MnO(含有量は表1に示す値)となるように配合
し、純水中でジルコニアボールを利用したボールミルに
より10時間湿式混合した。
形した後、800〜900℃で2時間仮焼した。得られ
た仮焼物をボールミルで粉砕した後、乾燥し、バインダ
(ポリビニルアルコール)を加えて造粒した。得られた
造粒粉を一軸プレス成形機を用いて2000〜3000
kgf/cm2の荷重を加え、平面寸法20mm×20mm、厚さ
約1.5mmの薄板状に成形した。得られた成形体に熱処
理を施してバインダを揮発させた後、1200〜135
0℃で2〜4時間焼成した。得られた焼結体を厚さ約
0.5mmとなるまで研磨し、さらに、平面寸法が6mm×
6mmとなるように切断した後、両面に平面寸法5mm×5
mmの銀電極を形成した。次いで、200〜250℃のシ
リコーンオイルバス中で5〜15MV/mの電界を1〜10
分間印加して分極処理を施し、特性測定用サンプルとし
た。
ード社製LCRメータHP4394Aと電気炉を用いて
キュリー点の測定を行った。また、ラディアントテクノ
ロジー社製RT−6000HVSを用いてD−Eヒステ
リシスを測定し、250℃における抗電界を求めた。ま
た、ヒューレットパッカード社製インピーダンスアナラ
イザHP4194Aによる測定を行い、共振***振法を
利用して厚み縦方向電気機械結合係数(kt)および機
械的品質係数(Qm)を求め、また、厚み縦振動の基本
波モードでQmaxを求めた。なお、ktおよびQmは、下
記式により算出し、Qmaxは前記したQ=|X|/Rに
より求めた。
Srの一部をLnで置換し、さらにMn酸化物を含有さ
せることにより、Qmが向上し、また、Qmaxが著しく向
上することがわかる。そして、Ln置換およびMn添加
を行っても、キュリー点の低下はほとんど認められな
い。
は、4.5MHz付近であった。
+MnO(0.31重量%)からなる焼結体においてx
を変化させたときの粉末X線回折の解析結果を示す。同
図には、ピーク同定結果も示してある。図1から、La
を添加した場合にもSrBi 4Ti4O15型結晶の単一相
となっていることがわかる。
すものとしたほかは実施例1と同様にして、圧電セラミ
ックスサンプルを作製した。これらのサンプルについ
て、実施例1と同様にしてkt、QmおよびQmaxを測定
した。結果を表2に示す。
る範囲内において変化させた場合でも、また、Lnとし
てLa以外のランタノイドを用いた場合でも、本発明の
効果が実現することがわかる。
キュリー点が450℃以上と十分に高かった。
4.5MHz付近であった。
換しないサンプルとについて、断面の走査型電子顕微鏡
写真を撮影し、比較を行ったところ、Ln置換により空
孔が減少し、焼結体が緻密化していることが確認され
た。また、断面をエッチングした後の観察から、いずれ
のサンプルでも結晶粒が紡錘状ないし針状であることが
確認された。
点が高く、機械的品質係数が大きく、安定した発振およ
び低電圧での発振が可能で、かつ、高密度の圧電セラミ
ックスが実現する。
なる焼結体において、xを変化させたときの粉末X線回
折の解析結果を示すチャートである。
Claims (3)
- 【請求項1】 Sr、Bi、TiおよびLn(ランタノ
イド)を含有するビスマス層状化合物であり、SrBi
4Ti4O15型結晶を含み、原子比Ln/(Sr+Ln)
が 0<Ln/(Sr+Ln)<0.5 であり、Mn酸化物を含有する圧電セラミックス。 - 【請求項2】 Mn酸化物の含有量がMnOに換算して
0.62重量%未満である請求項1の圧電セラミック
ス。 - 【請求項3】 Mn酸化物の含有量がMnOに換算して
0.43重量%以下である請求項1の圧電セラミック
ス。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11167942A JP3032761B1 (ja) | 1998-09-04 | 1999-06-15 | 圧電セラミックス |
DE69923635T DE69923635T2 (de) | 1998-08-21 | 1999-08-20 | Piezoelektrische Keramiken |
US09/377,923 US6241908B1 (en) | 1998-08-21 | 1999-08-20 | Piezoelectric ceramics |
EP99116414A EP0982782B1 (en) | 1998-08-21 | 1999-08-20 | Piezoelectric ceramics |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26735998 | 1998-09-04 | ||
JP10-267359 | 1998-09-04 | ||
JP11167942A JP3032761B1 (ja) | 1998-09-04 | 1999-06-15 | 圧電セラミックス |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP3032761B1 JP3032761B1 (ja) | 2000-04-17 |
JP2000143340A true JP2000143340A (ja) | 2000-05-23 |
Family
ID=26491832
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11167942A Expired - Lifetime JP3032761B1 (ja) | 1998-08-21 | 1999-06-15 | 圧電セラミックス |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3032761B1 (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001335362A (ja) * | 2000-05-26 | 2001-12-04 | Tdk Corp | 圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電デバイス |
JP2002047062A (ja) * | 2000-07-31 | 2002-02-12 | Kyocera Corp | 圧電磁器および圧電素子 |
US6461532B1 (en) | 1999-10-29 | 2002-10-08 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic material |
US6551522B2 (en) | 2000-02-08 | 2003-04-22 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramics |
WO2004087611A1 (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-14 | Tdk Corporation | 圧電セラミックス |
JP2016528511A (ja) * | 2013-08-19 | 2016-09-15 | セラムテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングCeramTec GmbH | 力を検出する圧力センサ |
-
1999
- 1999-06-15 JP JP11167942A patent/JP3032761B1/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6461532B1 (en) | 1999-10-29 | 2002-10-08 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic material |
US6551522B2 (en) | 2000-02-08 | 2003-04-22 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramics |
JP2001335362A (ja) * | 2000-05-26 | 2001-12-04 | Tdk Corp | 圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電デバイス |
JP2002047062A (ja) * | 2000-07-31 | 2002-02-12 | Kyocera Corp | 圧電磁器および圧電素子 |
JP4544712B2 (ja) * | 2000-07-31 | 2010-09-15 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
WO2004087611A1 (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-14 | Tdk Corporation | 圧電セラミックス |
US7390426B2 (en) | 2003-03-28 | 2008-06-24 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic |
JP2016528511A (ja) * | 2013-08-19 | 2016-09-15 | セラムテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングCeramTec GmbH | 力を検出する圧力センサ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3032761B1 (ja) | 2000-04-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1178025B1 (en) | Piezoelectric ceramic material | |
JP3934324B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
EP0982782B1 (en) | Piezoelectric ceramics | |
US6551522B2 (en) | Piezoelectric ceramics | |
JP4140796B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
KR101091192B1 (ko) | 저온 소성용 무연 압전세라믹 조성물 및 제조방법 | |
JP3367929B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP3020493B1 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP3032761B1 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP4423872B2 (ja) | 圧電セラミックスおよびその製造方法 | |
JP4260410B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP4369558B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP4291545B2 (ja) | 圧電デバイス | |
JP3830315B2 (ja) | 圧電磁器組成物 | |
JP4108349B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP2002284574A (ja) | 圧電セラミックスの製造方法 | |
JP2000264733A (ja) | 圧電セラミックス | |
JP3261356B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP2000264732A (ja) | 圧電セラミックス | |
JP2001294486A (ja) | 圧電セラミックス | |
JP3382200B2 (ja) | 圧電セラミックス | |
JP2002284573A (ja) | 圧電セラミックスの製造方法 | |
JP2001278658A (ja) | 圧電セラミックス | |
JP2004189507A (ja) | 圧電セラミックスおよびその製造方法 | |
JP2004292241A (ja) | 圧電セラミックス |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000111 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3032761 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090210 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100210 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110210 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110210 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120210 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120210 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130210 Year of fee payment: 13 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140210 Year of fee payment: 14 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |