JP2003238248A - 圧電磁器組成物と圧電デバイス - Google Patents
圧電磁器組成物と圧電デバイスInfo
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Abstract
き、しかもセラミック粒子の粒径のできるだけ小さな機
械的強度の高い圧電磁器組成物及び圧電デバイスを提供
すること。 【解決手段】 本発明に係る圧電磁器組成物は、式Pb
a{Zrb・Tic・(Ni1/3Nb2/3)d・
(Zn1/3Nb2/3)e}O3で表わされるペロブ
スカイト組成物と該ペロブスカイト組成物中に含まれる
Ag2Oとからなり、該式Pba{Zrb・Tic・
(Ni1/3Nb2/3)d・(Zn1/3N
b2/3)e}O3中のa,b,c,d,eがb+c+
d+e=1としたときに下記の範囲にあり、Ag2Oが
0.005〜0.03wt%の割合で含まれている。 1.000≦a≦1.020 0.26≦b≦0.31 0.34≦c≦0.40 0.10≦d≦0.35 0.07≦e≦0.14
Description
クチュエータ等の圧電デバイスの材料として好適な圧電
磁器組成物とこの圧電磁器組成物を使用した圧電デバイ
スに関するものである。
デバイスの電気機械変換材料として圧電磁器組成物が使
用されている。圧電デバイスに使用される圧電磁器組成
物の特性としては高Kr、高ε、低ヤング率、高抗破壊
強度、ある程度の電気抵抗、高キュリー温度等が必要に
なる。そして、このような特性を満足する圧電磁器組成
物として種々のものが提案されている。
して、Pba{Zrb・Tic・(Ni1/3Nb
2/3)d・(Zn1/3Nb2/3)e}O3で表わ
されるものが知られている。この種の組成系の圧電磁器
組成物としては、例えば特公昭48−8434号公報、
特公昭60−22516号公報、特公昭64−7032
号公報等に記載されているものが提案されている。
圧電磁器組成物は、上記組成式において、aが1.0
0、bが0.01≦b≦0.7、cが0.1≦c≦0.
6、dが0.01≦d≦0.55、eが0.01≦e≦
0.7であり、Pbの3〜15原子%がCa,Sr,B
aの少なくとも1種によって置換されたものからなる。
載された圧電磁器組成物は、上記組成式において、aが
1.00、bが0.01≦b≦0.7、cが0.1≦c
≦0.6、dが0.01≦d≦0.55、eが0.01
≦e≦0.7であり、Pbの3〜15原子%がSrによ
って置換され、0.25〜1.50重量%のLi2CO
3を更に含むものからなる。
圧電磁器組成物は、上記組成式において、aが0.96
≦a≦0.985、bが0.075≦b≦0.375、
cが0.20≦c≦0.40、dが0≦d≦0.50、
eが0≦e≦0.70になっているものや、これのPb
の5原子%までをCa,Sr,Baの少なくとも1種に
よって置換されているものや、Li2O等の金属酸化物
を更に含んでいるもの等からなる。
造であった。即ち、セラミックスを焼成したあとに、A
g等の電極を焼きつけるなどして、デバイスを作成して
いた。従って、セラミックスの焼成温度はデバイスを作
成する上では大きな障害はなかった。
駆動化などから、積層構造化が進められてきた。これら
の代表的なデバイスには、積層型圧電アクチュエータが
ある。積層型素子の場合、主に積層コンデンサーなどと
同様、セラミックス材料をシート化し、そのグリーンシ
ートに電極ペーストを印刷塗布後、熱圧着で数から数十
層積層したものを焼成で焼き固めて作られる。即ち、セ
ラミックス材料の焼成温度で使用できる電極材料が決ま
ってくることになる。
型圧電デバイスを製造する場合、内部電極の材料として
はPt、あるいはAg−Pd合金が一般的に使用されてい
る。
電磁器組成物はいずれも焼結温度が1130〜1300
℃と高いので、同時焼成する内部電極の材料としてPt
やPd含有率の多いAg−Pd合金を使用しなければな
らない。即ち、圧電デバイスがコスト高になるという問
題があった。
も焼結温度が1130〜1300℃と高いので、焼結の
ための熱エネルギーが大量に必要であり、熱エネルギー
のためにコストがかかるのみならず、環境に与える負荷
が大きいという問題があった。
も焼結温度が1130〜1300℃と高いので、焼成の
際のPbOの蒸発量が多く、工場内における作業環境が
悪化するおそれがあるという問題があった。
結させることができ、しかもセラミック粒子の粒径が小
さく、機械的強度の高い(抗折強度が900kg/cm
2以上)圧電磁器組成物を提供することを目的とする。
物とこの圧電磁器組成物を使用した圧電デバイスに関す
るものであり、該圧電磁器組成物は、式Pba{Zrb
・Tic・(Ni1/ 3Nb2/3)d・(Zn1/3
Nb2/3)e}O3で表わされるペロブスカイト組成
物と該ペロブスカイト組成物中に含まれるAg2Oとか
らなり、該式Pba{Zrb・Tic・(Ni1/3N
b2/3)d・(Zn1/3Nb2/3)e}O3中の
a,b,c,d,eがb+c+d+e=1としたときに
1.000≦a≦1.020、0.26≦b≦0.3、
0.34≦c≦0.40、0.10≦d≦0.35、
0.07≦e≦0.14の範囲にあり、Ag2Oが0.
005〜0.03wt%の割合で含まれていることを特
徴とするものである。
に対し0.005〜0.03wt%添加したのは、0.
005wt%以下のAg2O添加では焼結体の粒径が大
きくなり過ぎ、試料抗折力が小さくなってしまい、0.
03wt%以上のAg2O添加では焼結体中に2次相が
析出して圧電特性が低下してしまうが、0.005〜
0.03wt%の範囲でAg2Oを添加した場合は90
0℃の焼成で圧電特性の良い、セラミック粒子の粒径の
小さな圧電磁器組成物が得られるからである。
したのは、a<1.000では優れた圧電特性は得られ
るものの、Agを添加しても低温焼結が不可能であり、
1100℃程度の高い焼成温度を要し、1.020<aでは
Pb2次相が大量に析出して圧電特性が低下し、実用に
耐えられなくなるが、1.000≦a≦1.020の範
囲の場合は900℃の焼成で圧電特性の良い、セラミッ
ク粒子の粒径の小さな圧電磁器組成物が得られるからで
ある。
のは、b<0.26では優れた圧電特性が得られず、ま
た、本請求項のa値範囲のうち高いa値範囲のみでしか
低温焼結が不可能となり、0.31<bでは結晶構造が
変化し、優れた圧電特性が得られず、また、高いa値範
囲のみででしか低温焼結ができないが、0.26≦b≦
0.31の範囲の場合は900℃の焼成で圧電特性の良
い、セラミック粒子の粒径の小さな圧電磁器組成物が得
られるからである。
のは、c<0.34では優れた圧電特性が得られず、ま
た、本請求項のa値範囲のうち高いa値範囲のみでしか
低温焼結ができず、0.40<cでは優れた圧電特性が
得られず、また、高いa値範囲のみでしか低温焼結がで
きないが、0.34≦c≦0.40の場合は900℃の
焼成で圧電特性の良い、セラミック粒子の粒径の小さな
圧電磁器組成物が得られるからである。
のは、d<0.10ではキュリー温度が高く、優れた圧電特
性が得られないし、本請求項のa値範囲のうち高いa値
範囲のみでしか低温焼結ができず、0.35<dではキ
ュリー温度が下がりすぎ、実用に耐えることができなく
なり、また、本請求項のa値範囲のうち高いa値範囲の
みでしか低温焼結が不可能となるが、0.10≦d≦
0.35の場合は900℃の焼成で圧電特性の良い、セ
ラミック粒子の粒径の小さな圧電磁器組成物が得られる
からである。
のは、e<0.07では優れた圧電特性は得られるが、
本請求項のa値範囲のうち高いa値範囲のみでしか低温
焼結ができなくなり、また、焼成による粒成長が抑えら
れなくなり、試料抗折力が小さくなってしまい、0.1
4<eでは優れた圧電特性は得られるが、本請求項のa
値範囲のうち高いa値範囲のみでしか低温焼結ができな
くなるが、0.07≦e≦0.14の場合は900℃の
焼成で圧電特性の良い、セラミック粒子の粒径の小さな
圧電磁器組成物が得られるからである。
2,NiO,ZnO,Nb2O5,Ag2Oからなる原
料粉末を各々準備し、これらを表1に示す割合で秤量
し、ポットミル内にジルコニアビーズ、イオン交換水と
共に入れ、15時間湿式混合し、得られた懸濁液をバッ
トに移し、乾燥器内に入れ、150℃で乾燥させた。
を、大気雰囲気下において電気炉を用いて850℃で2
時間焼成した。混合物内の各金属酸化物はこの焼成によ
って相互に固相反応し、ペロブスカイト化合物が形成さ
れた。
ミル内にジルコニアビーズ、イオン交換水と共に入れ、
15時間湿式解砕し、得られた懸濁液をバットに移し、
乾燥器内に入れ、150℃で乾燥させ、完成粉体を得
た。
量混合し、加圧プレス機を用い、圧力1.5MPaで圧
縮成型し、直径8mm、厚さ0.5mmの円板形の試料
を得た。
囲気下において900℃で2時間焼成し、その後この試
料を電気炉から取り出し、試料の両面にフリットレスA
gペーストを印刷し、大気雰囲気下において700℃で
焼き付け、これを外部電極とした。
℃の下で、1.5kV/mmの電圧を3分間印加し、試
料を分極させた。
を測定したところ、表1に示す通りであった。圧電特性
Kr測定は、日本電子材料工業会標準規格(EMAS規格)
にのっとり、インピーダンス測定を行い、算出した。
の粒径を測定したところ、表1に示す通りであった。粒
径測定は、電子顕微鏡を用い、試料の表面を5000倍
に拡大した写真をもとに、写真の一定方向に各粒子の最
長の長さを測定してその粒子の粒径とみなし、各試料に
つき200粒を測定、その平均を試料粒径とした。
破壊荷重値から計算により求めた。3点曲げ測定法と破
壊強度計算式はJIS規格R−1601にのっとり行っ
た。3点曲げ測定用試料形状は上記Kr測定用形状とは
異なる。圧力1.5MPaで圧縮成型し、長さ30m
m、幅3.5mm、厚み2.7mmの直方形とした。焼
成後、JIS規格R−1601に沿うよう研磨し試料サ
イズをあわせた。
ようにAg2Oの添加がない場合は焼結体の粒径が大き
くなって抗折力が小さくなり、試料No.5に示すよう
に0.04wt%のAg2O添加では焼結体中に二次相
が析出して圧電特性が低下してしまうが、試料No.2
〜4に示すように0.005〜0.03wt%の範囲で
Ag2Oを添加した場合は900℃の焼成で圧電特性の
良い、セラミック粒子の粒径の小さな圧電磁器組成物が
得られることがわかる。
995では焼結温度が105050℃と高くなり、試料N
o.10に示すようにaが1.025では圧電特性が5
1%と悪くなるが、試料No.7〜9に示すように1.
000≦a≦1.020の範囲の場合は900℃の焼成
で圧電特性の良い、セラミック粒子の粒径の小さな圧電
磁器組成物が得られることがわかる。
0.24では圧電特性が52%と悪くなり、また、焼結
温度が950℃と高くなり、試料No.15に示すよう
にbが0.33では圧電特性が50%と悪くなり、ま
た、焼結温度が950℃と高くなるが、試料No.12
〜14に示すように0.26≦b≦0.31の範囲の場
合は900℃の焼成で圧電特性の良い、セラミック粒子
の粒径の小さな圧電磁器組成物が得られることがわか
る。
0.32では圧電特性が53%と悪くなり、焼結温度が
950℃と高くなり、試料No.20に示すようにcが
0.42では圧電特性が52%と悪くなり、また、焼結
温度が950℃と高くなるが、試料No.17〜19に
示すように0.34≦c≦0.40の場合は900℃の
焼成で圧電特性の良い、セラミック粒子の粒径の小さな
圧電磁器組成物が得られることがわかる。
0.05では圧電特性が49%と悪くなり、焼結温度が
950℃と高くなり、試料No.25に示すようにdが
0.40では焼結温度が950℃と高くなるが、試料N
o.22〜24に示すように0.10≦d≦0.35の
場合は900℃の焼成で圧電特性の良い、セラミック粒
子の粒径の小さな圧電磁器組成物が得られることがわか
る。
0.02では焼結温度が950℃と高くなり、焼成によ
る粒成長が抑えられなくなり、粒径が大きくなって抗折
力が小さくなり、試料No.30に示すようにeが0.
20では焼結温度が1000℃と高くなるが、試料N
o.27〜29に示すように0.07≦e≦0.14の
場合は900℃の焼成で圧電特性の良い、セラミック粒
子の粒径の小さな圧電磁器組成物が得られることがわか
る。
rO2、TiO2、NiO、ZnO、Nb2O5及びAg2
Oとし、これらを全て一緒に混合、仮焼して圧電材料粉
を作成したが、PbZrO3、PbTiO3、Pb(Ni
1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3N
b2/3)O3などを一部又は全部に用いても、最終組
成比率が同じものになるように調整されていればよい。
又、Ag2Oは酢酸Ag、炭酸Agあるいは金属Agパ
ウダーを使用することもできる。
以下にすることができるので、内部電極の貴金属比率を
減らして製品のコストダウンを図ることができるという
効果がある。
0℃以下にすることができるので、焼成時の熱量低減に
より熱エネルギーコストを減らすとともに、環境負荷を
減らすことができるという効果がある。
0℃以下にすることができるので、焼成の際のPbOの
蒸発を少なくすることができ、工場内における作業環境
を良好ならしめることができるという効果がある。
55%以上と実用可能なエネルギー変換効率を有する圧
電磁器組成物を得ることができるという効果がある。
長を抑え、粒径が1.6μm以下と小さくて緻密な、強
度の高い、薄層の積層素子の材料として好適な圧電磁器
組成物を得ることができるという効果がある。
Claims (2)
- 【請求項1】 式Pba{Zrb・Tic・(Ni
1/3Nb2/3)d・(Zn1/3Nb2/3)e}
O3で表わされるペロブスカイト組成物と該ペロブスカ
イト組成物中に含まれるAg2Oとからなり、該式Pb
a{Zrb・Ti c・(Ni1/3Nb2/3)d・
(Zn1/3Nb2/3)e}O3中のa,b,c,
d,eがb+c+d+e=1としたときに下記の範囲に
あり、Ag2Oが0.005〜0.03wt%の割合で
含まれていることを特徴とする圧電磁器組成物。 1.000≦a≦1.020 0.26≦b≦0.31 0.34≦c≦0.40 0.10≦d≦0.35 0.07≦e≦0.14 - 【請求項2】 圧電磁器組成物からなる1又は2以上の
圧電磁器と、該圧電磁器を挟持する2以上の電極とを備
え、該圧電磁器組成物は、式Pba{Zrb・Tic・
(Ni1/3Nb2/3)d・(Zn1/3N
b2/3)e}O3で表わされるペロブスカイト組成物
と該ペロブスカイト組成物中に含まれるAg2Oとから
なり、該式Pba{Zrb・Tic・(Ni1/3Nb
2/3)d・(Zn1/3Nb2/3)e}O3中の
a,b,c,d,eがb+c+d+e=1としたときに
下記の範囲にあり、Ag2Oが0.005〜0.03w
t%の割合で含まれていることを特徴とする圧電デバイ
ス。 1.000≦a≦1.020 0.26≦b≦0.31 0.34≦c≦0.40 0.10≦d≦0.35 0.07≦e≦0.14
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