JP2881424B2 - 圧電磁器 - Google Patents

圧電磁器

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の利用分野] 本発明は高周波共振子等に用いられる圧電磁器に関
し、より詳細には3倍波振動に対して有用な圧電磁器に
関する。
[従来技術] 従来から、圧電磁器組成物としてはPbTiO3をはじめと
してこれにPb(Ni1/2Nb2/2)O3などを固溶させたものや、
これらの系に第3成分を加えたもの等が知られており、
これらによって圧電特性や電気特性を改善し、焦電素
子、圧電振動子、共振子、発振子、フイルタなどの電子
部品に適用されている。
近年に至って、上述のような電子部品は小型化が求め
られているが、圧電磁器素子を電子部品に適用する場
合、圧電磁器の性質上小型化には限界がある。そこで特
に高周波用電子部品においては3倍波振動を適用するこ
とによって更に小型化、高性能化を図る試みがなされて
いる。
このように3倍波振動を適用し得る圧電磁器としてPb
LaTiO3系が主として用いられ、各特性を改善するために
各種の添加物の検討がなされている。
例えば、特開昭57−129869号によればMnO2を添加する
ことにより周波数温度特性を改善する試みがなされ、ま
た、特開昭63−151667号よればさらにCa、Ba等のアルカ
リ金属を添加することによりスプリアスの発生防止等安
定性を向上させる試みがなされている。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、これらPbLaTiO3系の圧電磁器において
は前述した改善を行っても、3倍波振動近傍のスプリア
スの発生やP/Vのバラツキ等が十分に解消されないとい
う問題があり、この傾向は磁器の厚みが厚くなる程、即
ち低周波用によるに従い顕著であった。
[問題点を解決するための手段] 本発明者等はPbLaTiO3系における上記問題点に対し、
その不良品の発生原因について追求したところ、焼結体
中に存在する粗大ボイドがこれらの特性に大きく影響を
及ぼしていることを突き止めた。そこで、さらに粗大ボ
イドと各特性との相関について実験を繰り返した結果、
焼結体中の基本成分として全量中にいずれも酸化物換算
でPbが44〜46モル%、Tiが47〜50モル%およびLaが4〜
10モル%、Mnが0.1〜2.0モル%、アルカリ土類金属が2
モル%以下の割合で含有されていることにより、さらに
焼結体の対理論密度比を96%以上の緻密質となすことに
より、3倍波振動においてP/Vのバラツキ、スプリアス
発生等が顕著に低減された優れた圧電磁器が得られるこ
とができた。
以下、本発明をさらに詳述する。
本発明における特徴は、酸化物換算でPbが44〜46モル
%、Tiが47〜50モル%およびLaが4〜10モル%、Mnが0.
1〜2.0モル%、アルカリ土類金属が2モル%以下を含有
する焼結体の緻密度を高める点にある。
従来からPbLaTiO3系圧電磁器は一般にPbO,La2O3,TiO
2を主体とする混合粉末を成形後、大気中で1250〜1350
℃の温度で焼成されることによって得られているが、こ
れらは、焼結が十分に進行したとしても対理論密度比は
95%前後であり、これ以上の緻密化はできない。
そこで本発明によれば、緻密化させる具体的方法とし
ては、用いる原料として焼結体に優れた液相合成、例え
ば共沈法、アルコキシド法あるいはゾルゲル法等で合成
された粉末を用いるか、磁器の焼成に際しホットプレス
法あるいは熱間静水圧焼成法を採用するか、あるいはこ
れらの焼成を酸素雰囲気で行う等の手法を採用しうる
が、これらの中でも特に熱間静水圧焼成法(以下、単に
HIP法という)が製造の安定性の点で優れている。
よって、ここではHIP法を例にとって説明する。このH
IP法によれば、前述した組成に調合されたPbO,La2O3,T
iO2の混合粉末あるいはこれらの仮焼物あるいは前述し
た液相合成法にて得られた粉末を所定の形状に成形後、
前述した従来の焼成方法で一旦焼成して対理論密度比が
90%以上の予備焼結体を得る。その後、この予備焼結体
を10〜2000気圧の高圧下で900〜1300℃の温度でHIP焼成
する。HIP焼成する際、圧力媒体ガスとしては通常Arガ
スが用いられるが、このような不活性ガスを用いる場
合、焼成中に磁器の酸素の抜けにより磁器中に金属が析
出し、磁器の絶縁抵抗の劣化を招く恐れがある。そこで
HIP焼成に当たり、予備焼結体をほぼ同一の組成から成
る粉末中に埋めた状態で焼成することによって前述した
特性の劣化は回避できる。また、他の方法として、不活
性ガス中に酸素ガスを0.01〜20%の割合で含有するガス
を圧力媒体として用いることにより、前記埋め焼きを行
うことなく焼成することができる。
このHIP法によれば、圧力を高めることにより高緻密
化が図れるが、このような圧電磁器においては完全緻密
化させなくとも十分な効果が得られ、対理論密度比96%
以上、特に97〜99%程度が望ましく、一方、HIP条件に
おいて圧力を高め過ぎると逆に効果が低下する傾向にあ
り、200〜1500気圧が最も望ましい。
本発明において、基本成分を前述した範囲に特定した
のはPbが酸化物換算で42モル%を下回ると機械的品質係
数が低下し、48.5モル%を越えると分極が困難となり、
Tiが酸化物換算で48モル%を下回っても分極が難かしく
なる。Laの酸化物換算量が2.5モル%を下回ると3倍波
振動の周波数の温度係数が大きく、15モル%を上回ると
キュリー点が低下し、P/Vが低下する。
本発明によれば、上記範囲のPbLaTiO3の基本成分に対
し、Pb、La、Tiの一部を他の金属、例えばLaに対しては
Pr、Ce、Sm、Ndで置換してもよく、さらに他の添加成
分、具体的には、MnO2を0.1〜2.0モル%。あるいはSr、
Ca、Ba等のアルカリ土類金属酸化物やAl、Fe、Co、Ni、
Si、Mg、Cr、Nb、W等の酸化物を2.0モル%以下の割合
で添加することによりさらに優れた特性の圧電磁器を得
ることができる。
以下、本発明を次の例で説明する。
[実施例] 原料として、PbO,TiO2、La2O3、MnCO3の他各種金属酸
化物を用い、第1表の組成になるよう秤量し、ポットミ
ル中で湿式混合した。混合後、脱水乾燥し850〜1100℃
で2時間仮焼した。次いで仮焼粉末を粉砕し、有機結合
剤を混合して造粒を行った。このように得られた造粒粉
末を約1000kg/cm3の圧力で直径18mm、厚さ1.5mmの円板
に成形した。この成形円板を1200〜1300℃の温度で2時
間大気中で予備焼成した。この焼成後の対理論密度比は
ほぼ90〜95%であった。
その後、O25%含有アルゴン雰囲気で圧力を変えて11
00℃の温度で1時間HIP焼成し、圧電磁器を得た。
この圧電磁器を測定用として0.5mmに研磨した後、銀
蒸着により電極を形成したものを夫々80〜100℃で7.0〜
5.0KV/mmの電圧で10分間分極処理を行った。得られた各
試料についてそれぞれ20個に対し、アルキメデス法によ
り対理論密度比を算出するとともに、インピーダンスア
ナライザーによって厚み縦3倍波振動の電気機械結合係
数(Kt3)、同じく機械的品質係数(QM3)を測定しその
平均値を算出した。なお、第1表P/VはRA/RO(3倍波
の共振、***振のインピーダンス比率)を表す。
さらに、波形観察からスプリアスの発生状況を判断し
た。また最終的に各特性の評価から良品率を算出した。
結果を第1表に示す。
[発明の効果] 以上、詳述した通り、本発明によればPbLaTiO3系の圧
電磁器において、その対理論密度比を高めることによ
り、磁器中の粗大ボイドを解消すると同時に圧電磁器の
振動の乱れや電極間の電界の乱れ等を防止し、優れた特
性を有するとともに歩留りの高い圧電磁器を提供するこ
とができる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−151667(JP,A) 特開 昭53−43900(JP,A) 特開 昭62−197316(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/46 H01L 41/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】全量に対し、Pbを酸化物換算で44〜46モル
    %、Tiを酸化物換算で47〜50モル%およびLaを酸化物換
    算で4〜10モル%、Mnを酸化物換算で0.1〜2.0モル%、
    アルカリ土類金属を酸化物換算で2モル%以下の割合で
    含有するとともに、対理論密度比が96%以上の緻密質か
    ら成り、P/Vが65dB以上である3倍波振動用の圧電磁
    器。
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