JP2737532B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
圧電磁器組成物Info
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Description
タ、セラミック発振子などの圧電セラミック素子の材料
として用いられる圧電磁器組成物に関する。
電磁器として、従来より、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb
(TiXZr1-X)O3)を主成分とする圧電磁器が広く
用いられており、その圧電特性を改善するために種々の
微量添加物を添加した圧電磁器が用いられている。
が平坦で、位相歪が小さいセラミックフィルタ用の圧電
磁器としては、機械的品質係数Qmの小さいことが要求
される。そして、このQm値の小さい圧電磁器として
は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(TiXZr1-X)
O3)に添加物として、酸化ニオブ、酸化アンチモン、
酸化タンタルなどを添加した圧電磁器が知られている。
m値の小さい圧電磁器組成物は、アクチュエータ用とし
て圧電d定数を増大させたものや、広帯域フィルタ用と
して、電気機械結合係数Kを増大させることを主たる目
的とするものが多く、耐熱性が不十分で、表面実装型の
セラミックフィルタ素子として使用した場合、リフロー
はんだ付け工程で高温にさらされると、電気機械結合係
数Kが大幅に低下し、フィルタ特性が大きく劣化すると
いう問題点がある。
であり、機械的品質係数Qmが小さく、かつ、高温での
電気機械結合係数Kの低下率が小さい圧電磁器組成物で
あって、特に、群遅延時間特性が平坦で位相歪が小さ
く、かつ、表面実装に対応することが可能なセラミック
フィルタ素子用の圧電磁器組成物を提供することを目的
とする。
めに、この発明の圧電磁器組成物は、Pb(TiXZr
1-X)O3(但し、X=0.48〜0.55)で表される
チタン酸ジルコン酸鉛の、Pb原子の0.1〜8モル%
をBa,Sr及びCaからなる群より選ばれる少なくと
も1種で置換し、これにSb,Nb及びTaからなる群
より選ばれる少なくとも1種をそれぞれSb2O3,Nb
2O5,Ta2O5に換算して0.5〜1.9重量%添加
し、さらにCo,Ni,Cr,Feからなる群より選ば
れる少なくとも1種をそれぞれCoO,NiO,Cr2
O3,Fe2O3に換算して0.1〜0.8重量%添加し
てなることを特徴とする。
は、相転移境界線(MPB)よりも正方晶系強誘電体相
(tetragonal相)側のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)
に、これをソフト化させるSb,Nb,Taの少なくと
も1種を添加し、さらに、これにPZTをハード化させ
るCo,Ni,Cr,Feの少なくとも1種を微量添加
することにより、電気機械結合係数Kが実用程度に大き
く、しかも高温でのKの低下率が小さく、かつ、機械的
品質係数Qmの小さい圧電磁器組成物を提供するもので
ある。
フィルタ素子用の材料として特に優れた性質を有してお
り、上記の組成で、あるいは必要に応じて他の成分や他
の材料と組み合わせることにより、好適なセラミックフ
ィルタ素子材料として用いることができる。
この発明をより具体的に説明する。まず、圧電磁器組成
物の構成材料であるPbO,TiO2,ZrO2,SrC
O3,CaCO3,BaCO3,Sb2O3,CoO,Ni
O,Cr2O3,Fe2O3などの諸成分を表1,表2に示
すような組成となるように秤取し、これに水を加えボー
ルミルを用いて湿式混合する。そして、湿式混合により
得られた混合物を乾燥した後、800〜900℃で2時
間仮焼し、この仮焼材料をボールミルを用いて湿式粉砕
することにより調整粉末を得た。
ルアルコールなどの粘結材を添加し、プレス成型を行な
った後、1150〜1250℃の温度で2時間保持し、
焼成を行なった。このようにして得られた磁器を直径1
0mm、厚さ1mmの円板状に研磨し、両端面に銀電極を焼
き付けした後、80℃の絶縁オイル中で30分間、2〜
3kV/mmの電界で分極処理を行ない圧電磁器を得た。
なお、比較のため、上記実施例と同様の操作でこの発明
の範囲外の圧電磁器(比較用)を製造した。
例の圧電磁器及び比較用圧電磁器について、径方向の振
動の電気機械結合係数Kp、機械的品質係数Qm、キュ
リー温度Tcの測定を行なった。表1、表2に組成を変
化させた場合の各組成における測定結果を示す。
それぞれ、下記の式(1): Pb1-YAY(TiXZr1-X)O3+B+C ……(1) における各成分とその添加割合を示している。すなわ
ち、AはPbと置換した元素の種類(Sr,Ba,C
a)とその割合(モル比)を示しており、Bは添加物の
種類(Sb2O3,Nb2O5,Ta2O5)とその添加割合
(重量%)、Cは添加物の種類(CoO,NiO,Cr
2O3,Fe2O3)とその添加割合(重量%)を示してい
る。また、表1、表2において、*印を付したものはこ
の発明の範囲外の圧電磁器(比較例)を示している。
料についての測定結果より、Sr,Ba,Caの置換量
が合わせて8モル%を越えるとキュリー温度Tcが25
0℃以下となることがわかった。
材料として使用する場合には、共振周波数Fr及び***
振周波数Faの温度変化率が小さいことが不可欠であ
る。そこで、下記の式(2): Pb1-YAY(TiXZr1-X)O3+1.0wt%Sb2O3+0.3wt%Cr2O3 …(2) で表され、かつ、Yの値をY=0.00、Y=0.0
3、Y=0.05と変化させた圧電磁器について、−2
0〜80℃における共振周波数Frの温度変化率(Fr
−TC(温度係数)と表記)と、Tiのモル比Xとの関
係を調べた。その結果を図1に示す。
はCa)が、合わせて0.1モル%未満の場合(図1で
はY=0.00モル%)には、組成(Tiのモル比X)
の変化に対するFrの温度変化率(Fr−TC)の変動
が大きく、Frの温度変化率(Fr−TC)の絶対値を
100ppm/℃以下に抑えることが非常に困難になるこ
とがわかった。一方、Sr,BaまたはCaが合わせて
0.1モル%を越えると(図1では3モル%及び5モル
%)と、Frの温度変化率(Fr−TC)の変動幅が小
さくなることがわかった。
重量%未満であると異常粒成長を起こし、均一な焼成を
行なうことができずにQm値が400より高くなり、一
方、添加量が1.9重量%を越えるとキュリー温度Tc
が250℃以下となることがわかった。
値(すなわち、(TiXZr1-X)のXの値)について
は、X<0.48ではTcの低下により耐熱性が悪化
し、X>0.55では電気機械結合係数Kpが40%以
下に低下することがわかった。
電磁器組成物(試料No.25)と、Co,Ni,Cr,
Feの添加量が0.1重量%未満のこの発明の範囲外の
比較例(試料No.47)の、温度に対する電気機械結合
係数Kpの変化の関係を示す。図2に示す2つの材料
(試料)は、そのキュリー温度Tc及び電気機械結合係
数Kpがほぼ等しい材料を選択したものであるが、C
o,Ni,Cr,Feを0.1重量%以上添加したこの
発明の圧電磁器組成物は、比較例に比べてキュリー点付
近に至るまで(特に250℃付近で)の電気機械結合係
数Kpの低下割合が小さく、セラミックフィルタ素子材
料として、極めて耐熱性に優れていることがわかった。
0.8重量%を越えるとQm値が400以上と高くな
り、電気機械結合係数Kpが40%以下に低下すること
がわかった。
物は、電気機械結合係数Kが実用程度に大きく、かつ、
共振周波数及び***振周波数の温度変化率が小さく、機
械的品質係数Qmの値を、(例えば、400以下の)低
い領域で任意に選択することが可能であるため、セラミ
ックフィルタ(圧電フィルタ)素子用の圧電磁器として
用いた場合に、その群遅延時間(GDT)特性が平坦
で、しかも位相歪の小さいものをその用途に応じて任意
に選択することができるという効果がある。
リー温度が250℃以上と高く、かつ、キュリー温度付
近に至るまでの電気機械結合係数Kの低下割合が小さ
い。したがって、この発明にかかる圧電磁器を、リフロ
ーはんだなどにより表面実装されるフィルタ素子材料と
して用いた場合、高温(〜250℃)にさらされること
による特性劣化、特にフィルタの通過帯域のずれ、及び
通過帯域幅の減少を小さく抑えることができるため、表
面実装用のセラミックフィルタ素子材料として特に有用
である。
置換量に対する、Ti,Zrのモル比と、Fr−TC
(−20〜80℃における共振周波数Frの温度変化
率)との関係を示す線図である。
温度と電気機械結合係数Kpの関係を示す線図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 Pb(TiXZr1-X)O3(但し、X=
0.48〜0.55)で表されるチタン酸ジルコン酸鉛
の、Pb原子の0.1〜8モル%をBa,Sr及びCa
からなる群より選ばれる少なくとも1種で置換し、これ
にSb,Nb及びTaからなる群より選ばれる少なくと
も1種をそれぞれSb2O3,Nb2O5,Ta2O5に換算
して0.5〜1.9重量%添加し、さらにCo,Ni,
Cr,Feからなる群より選ばれる少なくとも1種をそ
れぞれCoO,NiO,Cr2O3,Fe2O3に換算して
0.1〜0.8重量%添加してなることを特徴とする圧
電磁器組成物。 - 【請求項2】 Pb(TiXZr1-X)O3(但し、X=
0.48〜0.55)で表されるチタン酸ジルコン酸鉛
の、Pb原子の0.1〜8モル%をBa,Sr及びCa
からなる群より選ばれる少なくとも1種で置換し、これ
にSb,Nb及びTaからなる群より選ばれる少なくと
も1種をそれぞれSb2O3,Nb2O5,Ta2O5に換算
して0.5〜1.9重量%添加し、さらにCo,Ni,
Cr,Feからなる群より選ばれる少なくとも1種をそ
れぞれCoO,NiO,Cr2O3,Fe2O3に換算して
0.1〜0.8重量%添加してなることを特徴とするセ
ラミックフィルタ素子材料用の圧電磁器組成物。
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