JP2006062955A

JP2006062955A - 圧電セラミックス

Info

Publication number: JP2006062955A
Application number: JP2005220185A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Sugaya; 豊菅谷; Takeshi Imaeda; 武司今枝
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】鉛を大量に含有しているために、鉛の環境に与える影響が問題となっている。
また、ビスマス層状構造強誘電体は、比誘電率を小さく、機械的品質係数を大きくできるが、電気機械結合係数が小さかった。
【解決手段】一般式（１−ｘ−ｙ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５の組成範囲にあるセラミックスを主成分とする。
【効果】比誘電率を小さくかつ、機械的品質係数を大きくすることができると共に、電気機械結合係数を大きくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックレゾネータ、セラミックフィルタ、温度センサ等に用いられる圧電セラミックスに関するものである。

従来の圧電セラミックスに、ＰＺＴと呼ばれるＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３固溶体のＭＰＢ（ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃｐｈａｓｅｂｏｕｎｄａｒｙ）近傍組成系のものがある。この様な組成系の圧電セラミックスは、安価で電気特性が良いため、様々な電子部品に用いられている。
しかしながら、この種の圧電セラミックスは、鉛を大量に含有しているため、製造過程の焼成溶融等の熱処理時に大気中に鉛が放出されたり、電子部品の形で市場に出回った後、これら電子部品が廃棄される際にも土壌中に鉛が放出されたりして鉛の環境に与える影響が問題となり、工業的利用が禁止又は制限されるようになってきている。
また、近年、電気信号のアナログからデジタルへの変換が急速に行われているため、電子部品の使用範囲が高周波領域に広がりつつあり、比誘電率が１０００以下と小さく、機械的品質係数Ｑｍが１０００以上と大きい圧電セラミックスの要求が高まってきている。
この様な状況の中、鉛を含有せず、比誘電率が小さく、機械的品質係数Ｑｍが大きい材料として、ビスマス層状構造強誘電体が注目されている。（例えば、特許文献１、２を参照。）
特開２００２−１４５６６９号公報特開２００１−２９４４８６号公報

しかしながら、ビスマス層状構造強誘電体は、比誘電率が小さく、機械的品質係数Ｑｍが大きくても、電気機械結合係数ｋが小さかった。

本発明は、比誘電率を小さくかつ、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができると共に、電気機械結合係数ｋを大きくでき、鉛による環境上の問題が発生しない圧電セラミックスを提供することを目的とする。

本発明の圧電セラミックスは、ビスマス層状構造強誘電体の一種であるＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックスとＮｄ−Ｂｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＢｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとを固溶することにより前述の課題を解決するものである。
本発明の圧電セラミックスは、一般式（１−ｘ−ｙ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５の組成範囲にあるセラミックスを主成分とする。
また、本発明の圧電セラミックスは、一般式（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９−ｚＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５、ｚが０≦ｚ＜０．１の組成範囲にあり、ＭがＢａ又はＣａであるセラミックスを主成分とする。

本発明の圧電セラミックスは、一般式（１−ｘ−ｙ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５の組成範囲にあるセラミックスを主成分とするので、比誘電率を小さくかつ、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができると共に、電気機械結合係数ｋを大きくできる。また、本発明の圧電セラミックスは、鉛を含有しないので、製造過程や電子部品が廃棄される際に鉛が放出されることがなく、環境上の問題が生じることもない。
また、本発明の圧電セラミックスは、一般式（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９−ｚＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５、ｚが０≦ｚ＜０．１の組成範囲にあり、ＭがＢａ又はＣａであるセラミックスを主成分とするので、比誘電率を小さくかつ、機械的品質係数Ｑｍを大きくすることができると共に、電気機械結合係数ｋを大きくできる。また、本発明の圧電セラミックスは、鉛を含有しないので、製造過程や電子部品が廃棄される際に鉛が放出されることがなく、環境上の問題が生じることもない。

本発明の圧電セラミックスは、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックスに、Ｎｄ−Ｂｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＢｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスを固溶させる。従って、本発明の圧電セラミックスは、Ｎｄ−Ｂｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＢｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスの固溶量によって、電気機械結合係数ｋを調整することができる。
また、本発明の圧電セラミックスは、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックスに、Ｎｄ−Ｂｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＢｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＭ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックスを固溶させる。従って、本発明の圧電セラミックスは、Ｎｄ−Ｂｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＢｉ−Ｔｉ−Ｎｂ系セラミックスとＭ−Ｂｉ−Ｎｂ系セラミックスの固溶量によって、電気機械結合係数ｋを調整することができる。

以下、本発明の圧電セラミックスの実施例について説明する。
まず、本発明による圧電セラミックスの製造方法について説明する。ＳｒＣＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２の原料粉末を所定の組成となるように秤量するか又は、ＳｒＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２の原料粉末を所定の組成となるように秤量するかして、これをボールミル等を用いて２０時間湿混合した。これらの混合粉末を７５０〜１０００℃で仮焼し、この仮焼物を平均粒径が１μｍ以下になるように粉砕した。この粉砕物を乾燥した後、これにバインダーを加えて造粒し、これを成形し、焼成することにより本発明による材料を得た。

本発明による圧電セラミックスの特性の測定は、前述の圧電セラミックスを成形、焼成した６．９ｍｍ×６．９ｍｍの角板状の磁器を厚さが０．１〜０．５ｍｍになる様に研磨した後、両面に銀電極を形成し、次いで、絶縁オイル中において、温度が８０〜２５０℃、電界が３〜１５ｋＶ／ｍｍ、時間が１〜３０分の条件で一度分極処理をした後、逆方向から分極処理をし、さらに、銀電極をエッチングして磁器に直径０．５〜１．５ｍｍの円電極を形成して評価サンプルを得て行った。この特性の測定は、共振・***振法を利用して行い、周波数定数が４３００Ｈｚ・ｍ付近の厚み縦高調波振動の電気機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑｍを算出した。また、比誘電率の温度変化を測定し、キュリー温度Ｔｃを算出した。

図１は、（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９−ｚＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９において、置換量ｘ、ｙ、ｚを変えたときの周波数定数が４３００Ｈｚ・ｍ付近の厚み縦高調波振動の電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍ、キュリー温度Ｔｃ、焼成温度を表にまとめたものである。なお、試料Ｎｏの＊印は本発明の範囲外のものであることを示している。
本発明の圧電セラミックスは、ＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９の置換量ｘが０＜ｘ＜０．２、Ｂｉ_３ＴｉＮｂＯ_９の置換量ｙが０＜ｙ＜０．５、ＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９の置換量ｚが０≦ｚ＜０．１の範囲内で、比誘電率が２００以下となり、機械的品質係数Ｑｍを１０００以上、電気機械結合係数ｋを１１％以上にすることができた。また、キュリー温度Ｔｃは、４００℃以上であり、電子部品を電子機器のプリント基板等に半田付けする際のリフローの温度でも消極することがなかった。さらに、周波数定数が４３００Ｈｚ・ｍ付近の厚み縦高調波振動付近にスプリアスはなく、エネルギー閉じ込めが可能となった。

図２は、試料Ｎｏ３のＸＲＤ波形を示したものである。図２より、このセラミックスは、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系のビスマス層状構造強誘電体の単一相となっていることがわかる。

この様に本発明の圧電セラミックスは、ｘの値が０＜ｘ＜０．２、ｙの値が０＜ｙ＜０．５、ｚの値が０≦ｚ＜０．１の範囲で、比誘電率を小さくかつ、良好な電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍを得ることができる。

以上、本発明の圧電セラミックスの実施例を述べたが、これら実施例に限られるものではない。例えば、ビスマス層状強誘電体が主結晶構造となっていればよく、一部に、ペロブスカイト構造やパイロクロア構造が副結晶構造として含まれていてもよい。また、ＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９のＮｄに変わって、Ｌａ、Ｓｍ、Ｇｄ等の希土類金属や、それらを複合したものであってもよい。さらに、ＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９のＭとして、Ｃａ又はＢａと同じ価数の（Ｌｉ_０．５Ｂｉ_０．５）、（Ｎａ_０．５Ｂｉ_０．５）、（Ｋ_０．５Ｂｉ_０．５）、Ｍｇ等が用いられたり、それらを複合したものが用いられてもよい。

本発明の圧電セラミックスの特性を説明するための特性の表である。本発明に用いたビスマス層状構造強誘電体の単一相の結晶構造を示すＸＲＤ波形図である。

Claims

一般式
（１−ｘ−ｙ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９
で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５の組成範囲にあるセラミックスを主成分とすることを特徴とする圧電セラミックス。
一般式
（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９−ｘＮｄＢｉ_２ＴｉＮｂＯ_９−ｙＢｉ_３ＴｉＮｂＯ_９−ｚＭＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９
で表され、ｘが０＜ｘ＜０．２、ｙが０＜ｙ＜０．５、ｚが０≦ｚ＜０．１の組成範囲にあり、ＭがＢａ又はＣａであるセラミックスを主成分とすることを特徴とする圧電セラミックス。