JP3527208B2 - 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電素子 - Google Patents
圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器組成物お
よびそれを用いた圧電素子に関する。
よびそれを用いた圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電セラミック共振子などの圧電セラミ
ック素子に用いられる圧電磁器組成物としては、一般
に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸鉛
（ＰＴ）を主成分とする磁器組成物が用いられてきた。
ック素子に用いられる圧電磁器組成物としては、一般
に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸鉛
（ＰＴ）を主成分とする磁器組成物が用いられてきた。
【０００３】近年、これらの磁器組成物に代わるものと
して、鉛を含まない磁器組成物の開発が進められてき
た。具体的には、高温でも使用できるセンサ・アクチュ
エータ用のセラミックスとして、ビスマス層状化合物を
主成分とする圧電磁器組成物が注目されてきた。
して、鉛を含まない磁器組成物の開発が進められてき
た。具体的には、高温でも使用できるセンサ・アクチュ
エータ用のセラミックスとして、ビスマス層状化合物を
主成分とする圧電磁器組成物が注目されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら報告されてき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、電気機械結合係数が十分に大きくない
という問題があり、実用されていなかった。
ら報告されてき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、電気機械結合係数が十分に大きくない
という問題があり、実用されていなかった。
【０００５】上記問題を解決するため、本発明は従来の
ビスマス層状化合物に比べて電気機械結合係数が大きい
圧電磁器組成物、およびそれを用いた圧電素子を提供す
ることを目的とする。
ビスマス層状化合物に比べて電気機械結合係数が大きい
圧電磁器組成物、およびそれを用いた圧電素子を提供す
ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の圧電磁器組成物は、組成が式：Ｃａ
ＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、Ｍ
はＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの
元素であり、０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．
６）で表される材料を主成分を含む。言い換えれば、第
１の圧電磁器組成物は、主成分のみからなるか、または
主成分と副成分とからなる。上記第１の圧電磁器組成物
によれば、従来のビスマス層状化合物に比べて電気機械
結合係数が大きく、鉛を含まない圧電磁器組成物が得ら
れる。
め、本発明の第１の圧電磁器組成物は、組成が式：Ｃａ
ＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、Ｍ
はＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの
元素であり、０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．
６）で表される材料を主成分を含む。言い換えれば、第
１の圧電磁器組成物は、主成分のみからなるか、または
主成分と副成分とからなる。上記第１の圧電磁器組成物
によれば、従来のビスマス層状化合物に比べて電気機械
結合係数が大きく、鉛を含まない圧電磁器組成物が得ら
れる。
【０００７】上記第１圧電磁器組成物は、組成が式：Ｃ
ａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ 4-X （Ｎｂ 1-A Ｔａ A ） X Ｏ 15 （ただし、
ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つ
の元素であり、０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．
６）で表される材料を主成分とし、副成分としてＭｎＯ
2をさらに含んでもよい。上記構成によれば、機械的品
質係数などの特性が良好な圧電磁器組成物が得られる。
ａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ 4-X （Ｎｂ 1-A Ｔａ A ） X Ｏ 15 （ただし、
ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つ
の元素であり、０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．
６）で表される材料を主成分とし、副成分としてＭｎＯ
2をさらに含んでもよい。上記構成によれば、機械的品
質係数などの特性が良好な圧電磁器組成物が得られる。
【０００８】上記第１圧電磁器組成物は、前記ＭｎＯ2
の含有率が０．６質量％以下であってもよい。上記構成
によれば、分極が困難になることを防止できる。
の含有率が０．６質量％以下であってもよい。上記構成
によれば、分極が困難になることを防止できる。
【０００９】また、本発明の第２の磁器組成物は、組成
が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ
15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少
なくとも１つの元素であり、０．０≦Ｂ≦１．０、０．
０＜Ｙ≦０．６）で表される材料を主成分として含み、
ＷＯ3を副成分として含む。上記第２の圧電磁器組成物
によれば、従来のビスマス層状化合物に比べて電気機械
結合係数が大きく、鉛を含まない圧電磁器組成物が得ら
れる。
が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ
15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少
なくとも１つの元素であり、０．０≦Ｂ≦１．０、０．
０＜Ｙ≦０．６）で表される材料を主成分として含み、
ＷＯ3を副成分として含む。上記第２の圧電磁器組成物
によれば、従来のビスマス層状化合物に比べて電気機械
結合係数が大きく、鉛を含まない圧電磁器組成物が得ら
れる。
【００１０】上記第２の圧電磁器組成物では、前記ＷＯ
3の含有率が０．５質量％以下であってもよい。上記構
成によれば、分極が困難になることを防止できる。
3の含有率が０．５質量％以下であってもよい。上記構
成によれば、分極が困難になることを防止できる。
【００１１】上記第２の圧電磁器組成物では、副成分と
してＭｎＯ2をさらに含んでもよい。上記構成によれ
ば、機械的品質係数などの特性が良好な圧電磁器組成物
が得られる。
してＭｎＯ2をさらに含んでもよい。上記構成によれ
ば、機械的品質係数などの特性が良好な圧電磁器組成物
が得られる。
【００１２】また、本発明の第１の圧電素子は、圧電磁
器組成物からなる圧電体を備える圧電素子であって、前
記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ
4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される
材料を主成分として含むことを特徴とする。上記第１の
圧電素子によれば、鉛を含まず電気的特性が良好な圧電
素子が得られる。
器組成物からなる圧電体を備える圧電素子であって、前
記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ
4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される
材料を主成分として含むことを特徴とする。上記第１の
圧電素子によれば、鉛を含まず電気的特性が良好な圧電
素子が得られる。
【００１３】上記第１の圧電素子では、前記圧電磁器組
成物は、組成が式：ＣａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ 4-X （Ｎｂ 1-A Ｔ
ａ A ） X Ｏ 15 （ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選
ばれる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ａ≦１．
０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される材料を主成分と
し、副成分としてＭｎＯ2をさらに含んでもよい。ま
た、本発明の第２の圧電素子は、圧電磁器組成物からな
る圧電体を備える圧電素子であって、前記圧電磁器組成
物は、組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａ
B）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ば
れる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ｂ≦１．
０、０．０＜Ｙ≦０．６）で表される材料を主成分とし
て含み、ＷＯ3を副成分として含むことを特徴とする。
上記第２の圧電素子によれば、鉛を含まず電気的特性が
良好な圧電素子が得られる。
成物は、組成が式：ＣａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ 4-X （Ｎｂ 1-A Ｔ
ａ A ） X Ｏ 15 （ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選
ばれる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ａ≦１．
０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される材料を主成分と
し、副成分としてＭｎＯ2をさらに含んでもよい。ま
た、本発明の第２の圧電素子は、圧電磁器組成物からな
る圧電体を備える圧電素子であって、前記圧電磁器組成
物は、組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａ
B）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａから選ば
れる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ｂ≦１．
０、０．０＜Ｙ≦０．６）で表される材料を主成分とし
て含み、ＷＯ3を副成分として含むことを特徴とする。
上記第２の圧電素子によれば、鉛を含まず電気的特性が
良好な圧電素子が得られる。
【００１４】上記第１の圧電素子では、前記圧電磁器組
成物中の前記ＭｎＯ2の含有率が０．６質量％以下であ
ってもよい。
成物中の前記ＭｎＯ2の含有率が０．６質量％以下であ
ってもよい。
【００１５】上記第１の圧電素子では、前記圧電体を挟
んで対向するように前記圧電体上に形成された２つの振
動電極をさらに備え、前記圧電体の厚さｔと前記振動電
極の面積Ｓとが、２２≦Ｓ／ｔ2の関係を満たしてもよ
い。上記構成によれば、設計および製造が容易な圧電共
振子が得られる。
んで対向するように前記圧電体上に形成された２つの振
動電極をさらに備え、前記圧電体の厚さｔと前記振動電
極の面積Ｓとが、２２≦Ｓ／ｔ2の関係を満たしてもよ
い。上記構成によれば、設計および製造が容易な圧電共
振子が得られる。
【００１６】上記第１の圧電素子では、前記振動電極が
円形であってもよい。
円形であってもよい。
【００１７】また、本発明の第２の圧電素子は、圧電磁
器組成物からなる圧電体を備える圧電素子であって、前
記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ
4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０≦Ｂ≦１．０、０．０≦Ｙ≦０．６）で表される
材料を主成分として含み、ＷＯ3を副成分として含むこ
とを特徴とする。上記第２の圧電素子によれば、鉛を含
まず電気的特性が良好な圧電素子が得られる。
器組成物からなる圧電体を備える圧電素子であって、前
記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ
4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０≦Ｂ≦１．０、０．０≦Ｙ≦０．６）で表される
材料を主成分として含み、ＷＯ3を副成分として含むこ
とを特徴とする。上記第２の圧電素子によれば、鉛を含
まず電気的特性が良好な圧電素子が得られる。
【００１８】上記第２の圧電素子では、前記圧電磁器組
成物中の前記ＷＯ3の含有率が０．５質量％以下であっ
てもよい。
成物中の前記ＷＯ3の含有率が０．５質量％以下であっ
てもよい。
【００１９】上記第２の圧電素子では、前記圧電磁器組
成物が、副成分としてＭｎＯ2をさらに含んでもよい。
成物が、副成分としてＭｎＯ2をさらに含んでもよい。
【００２０】上記第２の圧電素子では、前記圧電体を挟
んで対向するように前記圧電体上に形成された２つの振
動電極をさらに備え、前記圧電体の厚さｔと前記振動電
極の面積Ｓとが、２２≦Ｓ／ｔ2の関係を満たしてもよ
い。
んで対向するように前記圧電体上に形成された２つの振
動電極をさらに備え、前記圧電体の厚さｔと前記振動電
極の面積Ｓとが、２２≦Ｓ／ｔ2の関係を満たしてもよ
い。
【００２１】上記第２の圧電素子では、前記振動電極が
円形であってもよい。
円形であってもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
て図面を参照しながら説明する。
【００２３】（実施形態１）実施形態１では、本発明の
第１の圧電磁器組成物について説明する。
第１の圧電磁器組成物について説明する。
【００２４】実施形態１の圧電磁器組成物（以下、圧電
磁器組成物１という場合がある）は、組成が式：ＣａＭ
XＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、Ｍは
Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの元
素であり、０．０≦Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）
で表される材料を主成分として含む。ここで、Ａは、０
≦Ａ≦０．４を満たすことがより好ましい。また、Ｘ
は、０．１≦Ｘ≦０．４を満たすことがより好ましい。
磁器組成物１という場合がある）は、組成が式：ＣａＭ
XＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、Ｍは
Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの元
素であり、０．０≦Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）
で表される材料を主成分として含む。ここで、Ａは、０
≦Ａ≦０．４を満たすことがより好ましい。また、Ｘ
は、０．１≦Ｘ≦０．４を満たすことがより好ましい。
【００２５】主成分となる材料は、たとえば、ＣａＣＯ
3、ＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｂｉ2Ｏ 3、ＴｉＯ2、Ｎｂ2
Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5といった化合物を、所定の割合で
混合することによって形成できる。
3、ＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｂｉ2Ｏ 3、ＴｉＯ2、Ｎｂ2
Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5といった化合物を、所定の割合で
混合することによって形成できる。
【００２６】圧電磁器組成物１は、ＭｎＯ2などを副成
分としてさらに含んでもよい。ＭｎＯ2の含有率は、
０．６質量％以下であることが好ましく、０．０１質量
％〜０．６質量％の範囲内であることがより好ましく、
０．２質量％〜０．５質量％の範囲内であることが特に
好ましい。
分としてさらに含んでもよい。ＭｎＯ2の含有率は、
０．６質量％以下であることが好ましく、０．０１質量
％〜０．６質量％の範囲内であることがより好ましく、
０．２質量％〜０．５質量％の範囲内であることが特に
好ましい。
【００２７】圧電磁器組成物１は、主成分のみから形成
されてもよい。圧電磁器組成物１が主成分のみからなる
場合、圧電磁器組成物１の組成は、以下の式で表すこと
が可能である。 ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15 また、主成分と副成分とから形成されてもよい。この場
合、圧電磁器組成物１は、主成分を９６質量％以上の含
有率で含む。圧電磁器組成物１が主成分と副成分とを含
む場合、両者を構成する出発原料を混合して焼成するこ
とによって圧電磁器組成物１を形成できる。副成分とし
てＭｎＯ2を含む圧電磁器組成物１の組成は、以下の式
で表すことが可能である。 ［ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15］
100-L（ＭｎＯ2）L ここで、Ｌは、ＭｎＯ2の含有率（ｍｏｌ％）を示し、
０より大きい値である。
されてもよい。圧電磁器組成物１が主成分のみからなる
場合、圧電磁器組成物１の組成は、以下の式で表すこと
が可能である。 ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15 また、主成分と副成分とから形成されてもよい。この場
合、圧電磁器組成物１は、主成分を９６質量％以上の含
有率で含む。圧電磁器組成物１が主成分と副成分とを含
む場合、両者を構成する出発原料を混合して焼成するこ
とによって圧電磁器組成物１を形成できる。副成分とし
てＭｎＯ2を含む圧電磁器組成物１の組成は、以下の式
で表すことが可能である。 ［ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15］
100-L（ＭｎＯ2）L ここで、Ｌは、ＭｎＯ2の含有率（ｍｏｌ％）を示し、
０より大きい値である。
【００２８】圧電磁器組成物１は、３倍の高調波の厚み
縦振動に関する周波数定数Ｎ3tができるだけ大きいこと
が好ましい。たとえば、Ｎ3tが７３００Ｈｚ・ｍ以上で
あることが好ましい。この場合には、一般に、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎ pも、２５００Ｈｚ・ｍ以
上と大きくなる。
縦振動に関する周波数定数Ｎ3tができるだけ大きいこと
が好ましい。たとえば、Ｎ3tが７３００Ｈｚ・ｍ以上で
あることが好ましい。この場合には、一般に、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎ pも、２５００Ｈｚ・ｍ以
上と大きくなる。
【００２９】実施形態１の圧電磁器組成物１によれば、
鉛を含まず、電気機械結合係数が従来のビスマス層状化
合物に比べて大きい圧電磁器組成物が得られる。
鉛を含まず、電気機械結合係数が従来のビスマス層状化
合物に比べて大きい圧電磁器組成物が得られる。
【００３０】（実施形態２）実施形態２では、本発明の
第２の圧電磁器組成物について説明する。
第２の圧電磁器組成物について説明する。
【００３１】実施形態２の圧電磁器組成物（以下、圧電
磁器組成物２という場合がある）は、組成が式：ＣａＭ
YＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15（ただし、Ｍは
Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの元
素であり、０．０≦Ｂ≦１．０、０．０≦Ｙ≦０．６）
で表される材料を主成分として含み、ＷＯ3を副成分と
して含む。ここで、Ｂは、０≦Ｂ≦０．４を満たすこと
がより好ましい。また、Ｙは、０．１≦Ｙ≦０．４を満
たすことがより好ましい。
磁器組成物２という場合がある）は、組成が式：ＣａＭ
YＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15（ただし、Ｍは
Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１つの元
素であり、０．０≦Ｂ≦１．０、０．０≦Ｙ≦０．６）
で表される材料を主成分として含み、ＷＯ3を副成分と
して含む。ここで、Ｂは、０≦Ｂ≦０．４を満たすこと
がより好ましい。また、Ｙは、０．１≦Ｙ≦０．４を満
たすことがより好ましい。
【００３２】圧電磁器組成物２は、主成分を９６質量％
以上の含有率で含む。主成分となる材料は、たとえば、
ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｔｉ
Ｏ2、Ｎｂ2Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5といった化合物を、所
定の割合で混合することによって形成できる。
以上の含有率で含む。主成分となる材料は、たとえば、
ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｔｉ
Ｏ2、Ｎｂ2Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5といった化合物を、所
定の割合で混合することによって形成できる。
【００３３】副成分であるＷＯ3の含有率は、０．５質
量％以下であることが好ましく、０．０１質量％〜０．
５質量％の範囲内であることがより好ましく、０．１質
量％〜０．４質量％の範囲内であることが特に好まし
い。
量％以下であることが好ましく、０．０１質量％〜０．
５質量％の範囲内であることがより好ましく、０．１質
量％〜０．４質量％の範囲内であることが特に好まし
い。
【００３４】圧電磁器組成物２は、ＷＯ3に加えてＭｎ
Ｏ2などを副成分として含んでもよい。ＭｎＯ2の含有率
は、０．６質量％以下であることが好ましく、０．０１
質量％〜０．６質量％の範囲内であることがより好まし
く、０．２質量％〜０．５質量％の範囲内であることが
特に好ましい。
Ｏ2などを副成分として含んでもよい。ＭｎＯ2の含有率
は、０．６質量％以下であることが好ましく、０．０１
質量％〜０．６質量％の範囲内であることがより好まし
く、０．２質量％〜０．５質量％の範囲内であることが
特に好ましい。
【００３５】圧電磁器組成物２は、主成分と副成分とを
構成する出発原料を混合して焼成することによって形成
できる。副成分としてＷＯ3とＭｎＯ2とを含む圧電磁器
組成物２の組成は、以下の式で表すことが可能である。 ［ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15］
100-L-N（ＭｎＯ2）L（ＷＯ3）N ここで、ＬおよびＮは、それぞれ、ＭｎＯ2およびＷＯ3
の含有率（ｍｏｌ％）を示し、０≦Ｌ、０＜Ｎである。
構成する出発原料を混合して焼成することによって形成
できる。副成分としてＷＯ3とＭｎＯ2とを含む圧電磁器
組成物２の組成は、以下の式で表すことが可能である。 ［ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15］
100-L-N（ＭｎＯ2）L（ＷＯ3）N ここで、ＬおよびＮは、それぞれ、ＭｎＯ2およびＷＯ3
の含有率（ｍｏｌ％）を示し、０≦Ｌ、０＜Ｎである。
【００３６】圧電磁器組成物２は、３倍の高調波の厚み
縦振動に関する周波数定数Ｎ3tができるだけ大きいこと
が好ましい。たとえば、Ｎ3tが７３００Ｈｚ・ｍ以上で
あることが好ましい。この場合には、一般に、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎ pも、２５００Ｈｚ・ｍ以
上と大きくなる。
縦振動に関する周波数定数Ｎ3tができるだけ大きいこと
が好ましい。たとえば、Ｎ3tが７３００Ｈｚ・ｍ以上で
あることが好ましい。この場合には、一般に、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎ pも、２５００Ｈｚ・ｍ以
上と大きくなる。
【００３７】実施形態２の圧電磁器組成物２によれば、
鉛を含まず、電気機械結合係数が従来のビスマス層状化
合物に比べて大きい圧電磁器組成物が得られる。
鉛を含まず、電気機械結合係数が従来のビスマス層状化
合物に比べて大きい圧電磁器組成物が得られる。
【００３８】（実施形態３）実施形態３では、本発明の
第１の圧電素子について説明する。
第１の圧電素子について説明する。
【００３９】実施形態３の圧電素子（以下、圧電素子１
という場合がある）は、実施形態１で説明した圧電磁器
組成物１からなる圧電体を備える。
という場合がある）は、実施形態１で説明した圧電磁器
組成物１からなる圧電体を備える。
【００４０】圧電素子１は、具体的には、たとえば、セ
ラミック発振子やフィルタといった圧電共振子、ブザー
やサウンダといった圧電振動体、アクチュエータなどの
変位素子である。
ラミック発振子やフィルタといった圧電共振子、ブザー
やサウンダといった圧電振動体、アクチュエータなどの
変位素子である。
【００４１】圧電素子１の一例として、圧電共振子１０
の斜視図を図１に示す。図１を参照して、圧電共振子１
０は、圧電体１１と、圧電体１１の２つの主面上に形成
された電極１２ａおよび１２ｂとを備える。電極１２ａ
および１２ｂには、それぞれ、リード１２ｃおよび１２
ｄが接続されている。
の斜視図を図１に示す。図１を参照して、圧電共振子１
０は、圧電体１１と、圧電体１１の２つの主面上に形成
された電極１２ａおよび１２ｂとを備える。電極１２ａ
および１２ｂには、それぞれ、リード１２ｃおよび１２
ｄが接続されている。
【００４２】電極１２ａおよび１２ｂは、円形の形状を
有する。ただし、円形に限らず、正方形や長方形といっ
た他の形状でもよい。電極１２ａおよび１２ｂは、圧電
体１１を挟んで対向するように同じ形状に形成される。
有する。ただし、円形に限らず、正方形や長方形といっ
た他の形状でもよい。電極１２ａおよび１２ｂは、圧電
体１１を挟んで対向するように同じ形状に形成される。
【００４３】電極１２ａ（電極１２ｂ）の面積Ｓと圧電
体１１の厚さｔとは、２２≦Ｓ／ｔ 2の関係を満たすこ
とが好ましい。言い換えれば、電極１２ａ（電極１２
ｂ）の直径Ｄと圧電体１１の厚さｔとは、５．３≦Ｄ／
ｔの関係を満たすことが好ましい。
体１１の厚さｔとは、２２≦Ｓ／ｔ 2の関係を満たすこ
とが好ましい。言い換えれば、電極１２ａ（電極１２
ｂ）の直径Ｄと圧電体１１の厚さｔとは、５．３≦Ｄ／
ｔの関係を満たすことが好ましい。
【００４４】実施形態３の圧電素子１は実施形態１の圧
電磁器組成物１を用いているため、鉛を含まず、電気的
特性が良好である。
電磁器組成物１を用いているため、鉛を含まず、電気的
特性が良好である。
【００４５】（実施形態４）実施形態４では、本発明の
第２の圧電素子について説明する。
第２の圧電素子について説明する。
【００４６】実施形態４の圧電素子（以下、圧電素子２
という場合がある）は、実施形態３の圧電素子１と圧電
体の材料のみが異なるため、重複する説明は省略する。
圧電素子２の圧電体は、実施形態２の圧電磁器組成物２
からなる。
という場合がある）は、実施形態３の圧電素子１と圧電
体の材料のみが異なるため、重複する説明は省略する。
圧電素子２の圧電体は、実施形態２の圧電磁器組成物２
からなる。
【００４７】実施形態４の圧電素子２は実施形態２の圧
電磁器組成物２を用いているため、鉛を含まず、電気的
特性が良好である。
電磁器組成物２を用いているため、鉛を含まず、電気的
特性が良好である。
【００４８】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。
説明する。
【００４９】（実施例１）実施例１では、実施形態１お
よび２の圧電磁器組成物１および２を作製した一例につ
いて説明する。
よび２の圧電磁器組成物１および２を作製した一例につ
いて説明する。
【００５０】実施例１では、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、Ｂ
ａＣＯ3、ＷＯ3、Ｍｎ3Ｏ4、Ｂｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｎｂ2
Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5を出発原料として、複数の圧電磁
器組成物を形成した。なお、Ｍｎ3Ｏ4は、焼成時の熱処
理によってＭｎＯ2となる。
ａＣＯ3、ＷＯ3、Ｍｎ3Ｏ4、Ｂｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｎｂ2
Ｏ5、およびＴａ2Ｏ5を出発原料として、複数の圧電磁
器組成物を形成した。なお、Ｍｎ3Ｏ4は、焼成時の熱処
理によってＭｎＯ2となる。
【００５１】具体的には、圧電磁器組成物の組成が表１
〜３に示す所定の比になるように出発原料を秤量し、こ
れらをボールミルで均一になるように十分混合した。次
に、出発原料の混合物を６００℃〜８００℃で２時間仮
焼し、化合物を形成した。この化合物を再びボールミル
で粉砕し、ポリビニルアルコールを加えて造粒し、圧電
磁器組成物の粉末を得た。
〜３に示す所定の比になるように出発原料を秤量し、こ
れらをボールミルで均一になるように十分混合した。次
に、出発原料の混合物を６００℃〜８００℃で２時間仮
焼し、化合物を形成した。この化合物を再びボールミル
で粉砕し、ポリビニルアルコールを加えて造粒し、圧電
磁器組成物の粉末を得た。
【００５２】この粉末を７０ＭＰａの圧力で一軸プレス
成形することによって、直径１３ｍｍの円板を形成し
た。この円板を１１００℃〜１２００℃で２時間焼成
し、円板状の試料を形成した。この試料を０．３ｍｍの
厚さになるように研磨した後、試料の上面および下面に
それぞれＡｇからなる電極を形成した。その後、この試
料に、１５０℃のシリコン油中において５ｋＶ／ｍｍ〜
１０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加して分極処理を行
い、圧電セラミックス（圧電体）からなる円板を得た。
成形することによって、直径１３ｍｍの円板を形成し
た。この円板を１１００℃〜１２００℃で２時間焼成
し、円板状の試料を形成した。この試料を０．３ｍｍの
厚さになるように研磨した後、試料の上面および下面に
それぞれＡｇからなる電極を形成した。その後、この試
料に、１５０℃のシリコン油中において５ｋＶ／ｍｍ〜
１０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加して分極処理を行
い、圧電セラミックス（圧電体）からなる円板を得た。
【００５３】この圧電セラミックスからなる円板につい
て、１ｋＨｚにおける静電容量Ｃ、円板の厚さｔ、円板
の直径Ｄ、円板の厚み方向振動の共振周波数Ｆｒ、円板
の厚み方向振動の***振周波数Ｆａ、円板の径方向振動
の共振周波数ｆｒ、円板の径方向振動の***振周波数ｆ
ａ、ポアソン比σE、および共振抵抗Ｒを測定した。そ
して、これらの値から、比誘電率εr、円板の径方向広
がりモードの電気機械結合係数ｋp、厚み縦振動モード
の電気機械結合係数ｋt、機械的品質係数ＱM、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎpを計算した。
て、１ｋＨｚにおける静電容量Ｃ、円板の厚さｔ、円板
の直径Ｄ、円板の厚み方向振動の共振周波数Ｆｒ、円板
の厚み方向振動の***振周波数Ｆａ、円板の径方向振動
の共振周波数ｆｒ、円板の径方向振動の***振周波数ｆ
ａ、ポアソン比σE、および共振抵抗Ｒを測定した。そ
して、これらの値から、比誘電率εr、円板の径方向広
がりモードの電気機械結合係数ｋp、厚み縦振動モード
の電気機械結合係数ｋt、機械的品質係数ＱM、径方向の
広がりモードの周波数定数Ｎpを計算した。
【００５４】計算結果を表１〜表３に示す。なお、表１
の主成分の組成は式：Ｃａ1+TＢｉ4-TＴｉ4-T（Ｎｂ1-C
ＴａC）TＯ15で表され、表２の主成分の組成は、式：Ｃ
ａＳｒTＢｉ4-TＴｉ4-T（Ｎｂ1-CＴａC）TＯ15で表さ
れ、表３の主成分の組成は、式：ＣａＢａTＢｉ4-TＴｉ
4-T（Ｎｂ1-CＴａC）TＯ15で表される。表１〜３の主成
分の欄のＣおよびＴは、上記式中のＣおよびＴの値を示
す。また、表中、サンプルＮｏ．の前の「＊」は、比較
例であることを示す。なお、表１のサンプル No ．２，
３，４は参考例である。
の主成分の組成は式：Ｃａ1+TＢｉ4-TＴｉ4-T（Ｎｂ1-C
ＴａC）TＯ15で表され、表２の主成分の組成は、式：Ｃ
ａＳｒTＢｉ4-TＴｉ4-T（Ｎｂ1-CＴａC）TＯ15で表さ
れ、表３の主成分の組成は、式：ＣａＢａTＢｉ4-TＴｉ
4-T（Ｎｂ1-CＴａC）TＯ15で表される。表１〜３の主成
分の欄のＣおよびＴは、上記式中のＣおよびＴの値を示
す。また、表中、サンプルＮｏ．の前の「＊」は、比較
例であることを示す。なお、表１のサンプル No ．２，
３，４は参考例である。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
【表３】
【００５８】圧電セラミックスを、３倍の高調波を含め
た厚み縦振動モードを利用する圧電素子の圧電体として
用いる場合、特に重要となるのは厚み縦振動モードの電
気機械結合係数ｋtである。表１〜３から明らかなよう
に、サンプル１の圧電セラミックス（ＣａＢｉ4Ｔｉ4Ｏ
15）に比べて、本発明の圧電セラミックスの電気機械結
合係数ｋｔは大きかった。このように、ＣａＢｉ4Ｔｉ4
Ｏ15に、ＮｂまたはＴａと元素Ｍとを固溶させることに
よって、電気機械結合係数ｋtを大きくできた。また、
ＣａＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15にＷＯ3を添加することによって、
電気機械結合係数ｋtを大きくできた。
た厚み縦振動モードを利用する圧電素子の圧電体として
用いる場合、特に重要となるのは厚み縦振動モードの電
気機械結合係数ｋtである。表１〜３から明らかなよう
に、サンプル１の圧電セラミックス（ＣａＢｉ4Ｔｉ4Ｏ
15）に比べて、本発明の圧電セラミックスの電気機械結
合係数ｋｔは大きかった。このように、ＣａＢｉ4Ｔｉ4
Ｏ15に、ＮｂまたはＴａと元素Ｍとを固溶させることに
よって、電気機械結合係数ｋtを大きくできた。また、
ＣａＢｉ4Ｔｉ4Ｏ15にＷＯ3を添加することによって、
電気機械結合係数ｋtを大きくできた。
【００５９】特に、Ｃ＝０．０で０．１≦Ｔ≦０．２の
圧電磁器組成物を用いることによって、電気機械結合係
数ｋtおよび機械的品質係数ＱMを大きくできた。
圧電磁器組成物を用いることによって、電気機械結合係
数ｋtおよび機械的品質係数ＱMを大きくできた。
【００６０】（実施例２）実施例２では、本発明の磁器
組成物を用いて圧電共振子１０を作製した一例について
説明する。
組成物を用いて圧電共振子１０を作製した一例について
説明する。
【００６１】実施例２の圧電共振子では、圧電体とし
て、実施例１のサンプル３５の圧電磁器組成物を用い
た。圧電体は、分極後の円板試料をダイシングおよび研
磨することによって形成した。また、電極１２ａおよび
１２ｂには、銀からなる円形の電極を用いた。電極は蒸
着によって形成した。
て、実施例１のサンプル３５の圧電磁器組成物を用い
た。圧電体は、分極後の円板試料をダイシングおよび研
磨することによって形成した。また、電極１２ａおよび
１２ｂには、銀からなる円形の電極を用いた。電極は蒸
着によって形成した。
【００６２】実施例２では、大きさが５．１×５．１ｍ
ｍで厚さｔが０．２９ｍｍの圧電体を用いた。そして、
Ａｇ電極の直径Ｄを約１．２ｍｍから約１．６ｍｍまで
変化させて３種類の圧電共振子を作製した。この３種類
の圧電共振子のインピーダンス特性を図２に示す。ま
た、圧電体として従来の鉛系圧電セラミックスを用いた
圧電共振子について、同様にインピーダンス特性を測定
した結果を図３に示す。図２および図３には、電極の面
積Ｓと圧電体の厚さｔとの関係も示す。
ｍで厚さｔが０．２９ｍｍの圧電体を用いた。そして、
Ａｇ電極の直径Ｄを約１．２ｍｍから約１．６ｍｍまで
変化させて３種類の圧電共振子を作製した。この３種類
の圧電共振子のインピーダンス特性を図２に示す。ま
た、圧電体として従来の鉛系圧電セラミックスを用いた
圧電共振子について、同様にインピーダンス特性を測定
した結果を図３に示す。図２および図３には、電極の面
積Ｓと圧電体の厚さｔとの関係も示す。
【００６３】図２から明らかなように、共振周波数が約
２５ＭＨｚの本発明の圧電共振子では、Ｄ／ｔ＝５．５
（Ｓ／ｔ2＝２９．７）の場合でも、共振周波数と***
振周波数との間に不要振動が存在しなかった。また、本
発明の圧電共振子では、Ｄ／ｔ＝４．１（Ｓ／ｔ2＝１
７．５）、Ｄ／ｔ＝４．８（Ｓ／ｔ2＝２３．１）、お
よびＤ／ｔ＝５．５（Ｓ／ｔ2＝２９．７）のいずれの
場合でも、共振周波数と***振周波数との間に副共振が
現れなかった。
２５ＭＨｚの本発明の圧電共振子では、Ｄ／ｔ＝５．５
（Ｓ／ｔ2＝２９．７）の場合でも、共振周波数と***
振周波数との間に不要振動が存在しなかった。また、本
発明の圧電共振子では、Ｄ／ｔ＝４．１（Ｓ／ｔ2＝１
７．５）、Ｄ／ｔ＝４．８（Ｓ／ｔ2＝２３．１）、お
よびＤ／ｔ＝５．５（Ｓ／ｔ2＝２９．７）のいずれの
場合でも、共振周波数と***振周波数との間に副共振が
現れなかった。
【００６４】これに対して、鉛を含有する従来の圧電磁
器組成物を用いた圧電共振子では、５．３≦Ｄ／ｔ（２
２≦Ｓ／ｔ2）の場合に、副共振の振幅が***振周波数
付近で大きくなり、***振周波数付近でインピーダンス
の波形が大きくスプリットしてしまった。このように、
従来の圧電磁器組成物を用いた圧電共振子では、５．３
≦Ｄ／ｔとなる場合に実用的な圧電共振子を作製できな
かった。
器組成物を用いた圧電共振子では、５．３≦Ｄ／ｔ（２
２≦Ｓ／ｔ2）の場合に、副共振の振幅が***振周波数
付近で大きくなり、***振周波数付近でインピーダンス
の波形が大きくスプリットしてしまった。このように、
従来の圧電磁器組成物を用いた圧電共振子では、５．３
≦Ｄ／ｔとなる場合に実用的な圧電共振子を作製できな
かった。
【００６５】以上のように、本発明の圧電磁器組成物を
用いた圧電共振子は、設計上の制約が少ない。また、大
きな電極を用いることができるため、２つの主面上の振
動電極の中心ずれが生じてもその影響が小さくなるた
め、製造上有利である。
用いた圧電共振子は、設計上の制約が少ない。また、大
きな電極を用いることができるため、２つの主面上の振
動電極の中心ずれが生じてもその影響が小さくなるた
め、製造上有利である。
【００６６】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１およ
び第２の圧電磁器組成物によれば、従来のビスマス層状
化合物に比べて電気機械結合係数が大きく、鉛を含まな
い圧電磁器組成物が得られる。
び第２の圧電磁器組成物によれば、従来のビスマス層状
化合物に比べて電気機械結合係数が大きく、鉛を含まな
い圧電磁器組成物が得られる。
【００６８】また、本発明の第１および第２の圧電素子
によれば、鉛を含まず電気的特性が良好な圧電素子が得
られる。
によれば、鉛を含まず電気的特性が良好な圧電素子が得
られる。
【図１】 本発明の圧電共振子について一例を示す斜視
図である。
図である。
【図２】 本発明の圧電共振子についてインピーダンス
特性の一例を示す図である。
特性の一例を示す図である。
【図３】 従来の圧電共振子についてインピーダンス特
性の一例を示す図である。
性の一例を示す図である。
１０ 圧電共振子（圧電素子）
１１ 圧電体
１２ａ、１２ｂ 電極
Ｄ 直径
ｔ 厚さ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開2001−192266（ＪＰ，Ａ)
特開2001−130956（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C04B 35/00 - 35/22
C04B 35/42 - 35/51
ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)
ＣＡ（ＳＴＮ)
Claims (16)
- 【請求項１】組成が式：ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ4-X（Ｎｂ
1-AＴａA）XＯ15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａ
から選ばれる少なくとも１つの元素であり、０．０＜Ａ
≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される材料を主成
分として含む圧電磁器組成物。 - 【請求項２】組成が式：ＣａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ 4-X （Ｎｂ
1-A Ｔａ A ） X Ｏ 15 （ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａ
から選ばれる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ａ
≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される材料を主成
分とし、副成分としてＭｎＯ2 を含む圧電磁器組成物。 - 【請求項３】前記ＭｎＯ2の含有率が０．６質量％以下
である請求項２に記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項４】組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ4-Y（Ｎｂ
1-BＴａB）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、ＳｒおよびＢａ
から選ばれる少なくとも１つの元素であり、０．０≦Ｂ
≦１．０、０．０＜Ｙ≦０．６）で表される材料を主成
分として含み、ＷＯ3を副成分として含む圧電磁器組成
物。 - 【請求項５】前記ＷＯ3の含有率が０．５質量％以下で
ある請求項４に記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項６】副成分としてＭｎＯ2をさらに含む請求項
４または５に記載の圧電磁器組成物。 - 【請求項７】圧電磁器組成物からなる圧電体を備える圧
電素子であって、 前記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭXＢｉ4-XＴｉ
4-X（Ｎｂ1-AＴａA）XＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０＜Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される
材料を主成分として含むことを特徴とする圧電素子。 - 【請求項８】圧電磁器組成物からなる圧電体を備える圧
電素子であって、 前記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭ X Ｂｉ 4-X Ｔｉ
4-X （Ｎｂ 1-A Ｔａ A ） X Ｏ 15 （ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０≦Ａ≦１．０、０．０＜Ｘ≦０．６）で表される
材料を主成分とし、 副成分としてＭｎＯ2 を含む圧電素
子。 - 【請求項９】前記圧電磁器組成物中の前記ＭｎＯ2の含
有率が０．６質量％以下である請求項８に記載の圧電素
子。 - 【請求項１０】前記圧電体を挟んで対向するように前記
圧電体上に形成された２つの振動電極をさらに備え、 前記圧電体の厚さｔと前記振動電極の面積Ｓとが、２２
≦Ｓ／ｔ2の関係を満たす請求項７ないし９のいずれか
に記載の圧電素子。 - 【請求項１１】前記振動電極が円形である請求項１０に
記載の圧電素子。 - 【請求項１２】圧電磁器組成物からなる圧電体を備える
圧電素子であって、 前記圧電磁器組成物は、組成が式：ＣａＭYＢｉ4-YＴｉ
4-Y（Ｎｂ1-BＴａB）YＯ15（ただし、ＭはＣａ、Ｓｒお
よびＢａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、
０．０≦Ｂ≦１．０、０．０＜Ｙ≦０．６）で表される
材料を主成分として含み、ＷＯ3を副成分として含むこ
とを特徴とする圧電素子。 - 【請求項１３】前記圧電磁器組成物中の前記ＷＯ3の含
有率が０．５質量％以下である請求項１２に記載の圧電
素子。 - 【請求項１４】前記圧電磁器組成物が、副成分としてＭ
ｎＯ2をさらに含む請求項１２または１３に記載の圧電
素子。 - 【請求項１５】前記圧電体を挟んで対向するように前記
圧電体上に形成された２つの振動電極をさらに備え、 前記圧電体の厚さｔと前記振動電極の面積Ｓとが、２２
≦Ｓ／ｔ2の関係を満たす請求項１２ないし１４のいず
れかに記載の圧電素子。 - 【請求項１６】前記振動電極が円形である請求項１５に
記載の圧電素子。
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| JP2001041994A JP3527208B2 (ja) | 2000-02-29 | 2001-02-19 | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電素子 |
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|---|---|---|---|
| JP2000053661 | 2000-02-29 | ||
| JP2000-53661 | 2000-02-29 | ||
| JP2001041994A JP3527208B2 (ja) | 2000-02-29 | 2001-02-19 | 圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電素子 |
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