JP2002068836A - 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子 - Google Patents
圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電セラミック素子Info
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Abstract
合物に比べ電気機械結合係数が大きな圧電磁器組成物お
よびそれを用いた圧電セラミック素子を提供する。 【解決手段】 この圧電磁器組成物は、少なくともA
g,Li,Nb,Oの元素を含み、電気機械結合係数k
33が20%以上であることを特徴とする。
Description
よびそれを用いた圧電セラミック素子に関し、特にたと
えば、圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子
等の圧電セラミック素子材料として有用な圧電磁器組成
物およびそれを用いた圧電セラミック素子に関する。
圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(TiX Z
r1-X )O3 )、または、チタン酸鉛(PbTiO3 )
を主成分とする圧電磁器組成物が広く用いられている。
また、最近ではCaBi4 Ti 4 O15などのビスマス層
状化合物を主成分とする圧電磁器組成物が開発され始め
ている。
酸ジルコン酸鉛、または、チタン酸鉛を主成分とする圧
電磁器組成物は、有害なPb等が含まれているため、製
造あるいは廃棄時に環境や人体に関する影響が問題にな
る。さらに、その製造過程において一般的に鉛酸化物が
用いられているが、この鉛化合物の蒸発のため製品の均
一性が低下する。また、ビスマス層状化合物を主成分と
する圧電磁器組成物は、電気機械結合係数k33が20%
未満と小さいため、広く実用に供されるに至っていな
い。
物であるPbを含まず、ビスマス層状化合物に比べ電気
機械結合係数が大きな圧電磁器組成物およびそれを用い
た圧電セラミック素子を提供することである。
組成物は、少なくともAg,Li,Nb,Oの元素を含
み、電気機械結合係数k33が20%以上であることを特
徴とする、圧電磁器組成物である。また、本発明にかか
る圧電磁器組成物は、一般式:(Ag1-x Lix )Nb
O3 で表される組成を主成分とし、 0.075≦x<0.40 であることを特徴とする、圧電磁器組成物である。ま
た、本発明にかかる圧電磁器組成物は、一般式:(Ag
1-x Lix )(Nb1-y Tay )O3 で表される組成を
主成分とし、 0.075≦x<0.40 0<y<0.20 であることを特徴とする圧電磁器組成物である。さら
に、本発明にかかる圧電磁器組成物では、Mn酸化物、
Si酸化物のうち少なくとも1つを副成分として含有す
ることが好ましい。この場合、Mn酸化物は主成分10
0重量部に対し、5重量部以下の範囲で含有することが
望ましく、Si酸化物は主成分100重量部に対し、5
重量部以下の範囲で含有することが望ましい。また、本
発明にかかる圧電セラミック素子は、本発明にかかる圧
電磁器組成物からなる圧電磁器と、圧電磁器に形成され
る電極を含む、圧電セラミック素子である。
おいて、x<0.075の範囲では、圧電体として機能
する強誘電相から圧電体として機能しない常誘電相もし
くは反強誘電相への転移温度が小さくなり、当該圧電磁
器組成物をもって構成された素子の温度安定性の点で問
題が生じるため好ましくない。また、0.40≦xの範
囲では、共振周波数定数が2000Hz/mより小さく
なるうえ、分極がしづらくなる。また、yが0.20以
上の場合も転移温度が小さくなる。そこで本発明では、
xの範囲を0.075≦x<0.40とし、yの範囲を
0<y<0.20とした。また、本発明において、Mn
酸化物やSi酸化物を主成分に対して添加することによ
り焼成温度を低下させることができる。なお、Mn酸化
物は前記主成分100重量部に対し5重量部以下の範囲
で含有すること、および、Si酸化物は前記主成分10
0重量部に対し5重量部以下の範囲で含有することが、
無添加時の特性を劣化させない点で好ましい。また、本
発明にかかる誘電体磁器組成物は、固溶体であってもよ
いし、固溶体およびその混合物であってもよい。さら
に、本発明にかかる誘電体磁器組成物は、多結晶体であ
ってもよいし、単結晶体であってもよい。
および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の
形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
は、通常の強誘電体や、誘電体材料と同様に作製でき
る。たとえば、まず、Ag2 O、Nb2 O5 、Ta2 O
5 、Li2 CO 3 を所定量調合し、水、エタノールなど
の溶媒中で、ジルコニアボールなどのメディアとともに
4〜24h混合する。その際、より均一混合とするため
にソルビタンエステルなどの分散剤を添加してもよい。
その後、混合されたスラリーを乾燥させ、通常の電気炉
により、酸化性雰囲気中、800℃〜1100℃、1〜
24h仮焼成する。この仮焼物を水、エタノールなどの
溶媒中にポリビニルアルコールなどのバインダーととも
にメディアにより粉砕、混合し、これを乾燥させる。こ
の乾燥粉末を一軸プレスにより、縦横12mm、厚さ3
mmの角柱試料を作製する。さらに試料を酸化性雰囲気
中、950℃〜1200℃、3〜10h焼成する。これ
らの作業により本発明の圧電磁気組成物からなる圧電磁
器を得ることができる。以下に、本発明を実施例に基づ
いて説明する。
2 O5 、Li2 CO3 の各粉末をxに従って表1に示す
ように所定量調合した後、電気炉により、酸化性雰囲気
中、850℃〜1100℃、10h仮焼成を行った。こ
れにより得られた粉末を粉砕し、粉末100重量部に対
しポリビニルアルコールが5重量部となるように混合
し、これを乾燥して得た粉末を一軸プレス(10ton
/cm2 )で縦横12mm、厚み約2.5mmに成形
し、角柱試料を得た。これらの試料を表1に示す温度
で、酸化性雰囲気中焼成した。
し、800℃にて焼き付けた。その後、絶縁オイルバス
中100℃〜150℃で、50kV/cm〜200kV
/cmの直流電圧を3〜10分間印加して分極処理を行
った。次にダイシングマシーンにて2mm×2mm×3
mmの角柱に切り出した。このようにして得た試料につ
いて比誘電率、厚み振動における電気機械結合係数
k33、厚み振動における圧電定数d33、厚み振動におけ
る共振周波数定数N、および転移温度を測定した。その
結果を表2に示す。表2のうち、*印は本発明外の組成
を示し、※印は請求項2、3、5、6に係る発明外の組
成を示している。表2から本発明の組成範囲において2
0%以上の良好な電気機械結合係数k33をもち、転移温
度も200℃以上であるのがわかる。
2 O5 、Ta2 O5 、Li2 CO3の各粉末をxが表3
に示すように所定量調合した後、電気炉により、酸化性
雰囲気中、900℃〜1200℃、10hで仮焼成を行
った。これにより得られた粉末にMnCO3 および/ま
たはSiO2 の各粉末を表3のように添加し、その後、
該粉末100重量部に対しポリビニルアルコールが5重
量部となるように混合し、これを乾燥して得た粉末を一
軸プレス(10ton/cm2 )で縦横12mm、厚み
約2.5mmに成形し、角柱試料を得た。これら試料を
表3に示す温度で、酸化性雰囲気中焼成した。その後、
Agペーストを試料板端面に塗付し、800℃にて焼き
付けた。
0℃で、50kV/cm〜200kV/cmの直流電圧
を3〜10分間印加して分極処理を行った。次にダイシ
ングマシーンにて2mm×2mm×3mmの角柱に切り
出した。このようにして得た試料について比誘電率、厚
み振動における電気機械結合係数k33、厚み振動におけ
る圧電定数d33、厚み振動における共振周波数定数N、
および転移温度を測定した。その結果を表4に示す。表
4のうち、*印は本発明外の組成を示し、※印は請求項
2、3、5、6に係る発明外の組成を示している。表4
に示すように、MnCO3 および/またはSiO2 を添
加することで、無添加の試料と同等の20%以上の良好
な電気機械結合係数k33をもち、転移温度も200℃以
上であり、焼成温度の低い圧電磁器組成物を得ることが
できる。
の一例を示す斜視図であり、図2はその断面図である。
図1および図2に示す圧電セラミック素子は圧電セラミ
ック振動子10である。圧電セラミック振動子10はた
とえば直方体状の圧電磁器12を含む。圧電磁器12は
2枚の圧電磁器層12aおよび12bを含む。これらの
圧電磁器層12aおよび12bは、上述の本発明にかか
る圧電磁器組成物からなり、積層されかつ一体的に形成
される。また、これらの圧電磁器組成物12aおよび1
2bは、図2の矢印で示すように、同じ厚み方向に分極
されている。
その中央にたとえば円形の振動電極14aが形成され、
その振動電極14aから圧電磁器12の一端面にわたっ
てたとえばT字形の引出電極16aが形成される。ま
た、圧電磁器層12aの表面には、その中央にたとえば
円形の振動電極14bが形成され、その振動電極14b
から圧電磁器12の他端面にわたってたとえばT字形の
引出電極16bが形成される。さらに、圧電磁器層12
bの表面には、その中央にたとえば円形の振動電極14
cが形成され、その振動電極14cから圧電磁器12の
他端面にわたってたとえばT字形の引出電極16cが形
成される。
aを介して一方の外部電極20aが接続され、引出電極
16bおよび16cには別のリード線18bを介して他
方の外部電極20bが接続される。
動子10以外の圧電セラミック振動子、圧電セラミック
フィルタおよび圧電セラミック発振子などの他の圧電セ
ラミック素子にも適用される。
有害物であるPbを含むことなく、ビスマス層状化合物
に比べ電気機械結合係数k33が大きく(20%以上)実
用に供し得る圧電磁器組成物を得ることができる。ま
た、本発明にかかる圧電磁器組成物の主成分に対し、M
n酸化物、Si酸化物のうち少なくとも1つを副成分と
して含有することで、比誘電率、厚み振動における電気
機械結合係数k33、厚み振動における圧電定数d33、厚
み振動における共振周波数定数N、および転移温度など
の特性を損なわずに、より低温で焼成することが可能と
なる。
を示す斜視図である。
である。
Claims (7)
- 【請求項1】 少なくともAg,Li,Nb,Oの元素
を含み、電気機械結合係数k33が20%以上であること
を特徴とする、圧電磁器組成物。 - 【請求項2】 一般式:(Ag1-x Lix )NbO3 で
表される組成を主成分とし、 0.075≦x<0.40 であることを特徴とする、圧電磁器組成物。 - 【請求項3】 一般式:(Ag1-x Lix )(Nb1-y
Tay )O3 で表される組成を主成分とし、 0.075≦x<0.40 0<y<0.20 であることを特徴とする、圧電磁器組成物。 - 【請求項4】 Mn酸化物、Si酸化物のうち少なくと
も1つを副成分として含有する、請求項1ないし請求項
3のいずれかに記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項5】 前記Mn酸化物は前記主成分100重量
部に対し、5重量部以下の重量部範囲で含有する、請求
項4に記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項6】 前記Si酸化物は前記主成分100重量
部に対し、5重量部以下の重量部範囲で含有する、請求
項4に記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項7】 請求項1ないし請求項6のいずれかに記
載の圧電磁器組成物からなる圧電磁器、および前記圧電
磁器に形成される電極を含む、圧電セラミック素子。
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