JP4100636B2 - 圧電セラミックス材料 - Google Patents
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Description
一方、特許文献2に記載の圧電磁器組成物は、超音波振動子等に用いるための素子として、機械的品質係数Qmの値を高くした圧電磁器組成物を得ることを企図したものであり、一般式:[Bi0.5(Na1−xKx)0.5]TiO3(但し、1<x<1)で表される圧電磁器組成物において、Mn2O3,Co2O3,Fe2O3,NiO,Cr2O3の少なくとも一種以上所定量含むものである。
またあるいは、機械的品質係数Qmが高く、例えば、超音波振動子等の使用に適する特性を有する圧電セラミックス材料を提供することを目的とする。
0.01≦x≦0.20 …式(1)
0<y≦0.05 …式(2)
この圧電セラミックス材料は、比誘電率ε33 T/ε0が高く、比較的大きい値の電気機械結合係数Ktを有する等、その他の特性も、例えば、超音波センサや超音波アクチュエータ等に使用される圧電素子、いわゆるソフト系の圧電素子として用いた場合に適切な特性を備えるものとなる。
0.01≦x≦0.20 …式(1)
0<y≦0.05 …式(2)
0.5≦z≦2.0 …式(3)
しかも、上述の一般式で表したとき、x,y,zが、上述の条件式(1)〜(3)を満たす組成を有している。
この圧電セラミックス材料は、機械的品質係数Qmが高く、誘電損失tanδの値が比較的低く、その他の特性も、例えば、洗浄機用や加工機用のボルト締めランジュバン型超音波振動子や、魚群探知機用等の超音波振動子に用いた場合に適切な特性を備えるものとなる。
zは、(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3に対するMeOの外割重量%を示す係数である。具体的には、本発明の圧電セラミックス材料における(Bi0.5Na0.5)TiO3とBaTiO3とBa(Bi0.5Nb0.5)O3の重量を100としたとき、zは、この圧電セラミックス材料におけるMeOの重量比を示す。
本発明の実施形態1に係る圧電セラミックス材料の実施例を比較例と共に説明する。
実施形態1では、市販の高純度化学試薬Bi2O3,NaHCO3,TiO2,BaCO3,Nb2O5を、一般式:(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3となるように、所定量秤量する。
この後、混合し、公知の手法により、仮焼、粉砕、造粒、成型、焼結、寸法加工、電極付け及び分極等を行い、実施例1〜10及び比較例1〜4にかかる試料(圧電セラミックス材料、12mmφ×0.8mmt)を作製した。
この試料について、インピーダンスアナライザ(HP4194:アジレント・テクノロジー社製)を用いて、電気機械結合係数Kt(%)等の特性を計測した。その結果を表1に示す。
なお、各表及び以下において、(Bi0.5Na0.5)TiO3をBNT、BaTiO3をBT、Ba(Bi0.5Nb0.5)O3をBBNと略記することがある。
しかし、y=0(比較例4)の場合には、Kt<40%となる上、ε33 T/ε0<700となり、十分な特性が得られないことが判る。また、y=0.060(比較例3)の場合には、Kt<40%なり、十分な特性が得られないことが判る。
かくして、上記式(2)を満たすならば、比誘電率ε33 T/ε0が大きく、その他の各特性のバランスの良い圧電セラミックス材料となることが判る。
0<y≦0.05 …式(2)
実施例5〜9の場合には、電気機械結合係数KtをKt≧40%、比誘電率ε33 T/ε0をε33 T/ε0≧700にできるのみならず、誘電損失tanδ(%)をtanδx≦2.0%、キュリー温度Tc(℃)をTc≧250℃のいずれをも満たすことが判る。
これから、0.01≦x≦0.20とするのが良いことが判る。
0.01≦x≦0.20 …式(1)
従って、上記の式(1)及び(2)を満たさない試料では、満足な特性を得られないことが、この比較例5及び6の結果からも裏付けられる。
そして、この組成を有する圧電セラミックス材料は、例えば、超音波センサや超音波アクチュエータ等に用いる素子、いわゆるソフト系の素子として適するものである。
実施形態1では、一般式:(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3で表される圧電セラミックス材料において、BNT、BT及びBBNの存在比(モル比)を示す各係数の範囲を、0.75≦(1−x−y)<0.99、0.01≦x≦0.20、0<y≦0.05とする。これにより、比誘電率ε33 T/ε0が高く、その他の特性も、例えば、超音波センサや超音波アクチュエータ等に使用される素子に用いる場合に適する圧電セラミックス材料となることを説明した。
その後、混合し、公知の手法により、仮焼、粉砕、造粒、成型、焼結、寸法加工、電極付け及び分極等を行い、実施例11〜22及び比較例11〜14にかかる試料(圧電セラミックス材料、12mmφ×0.8mmt)を作製した。
この試料について、インピーダンスアナライザ(HP4194:アジレント・テクノロジー社製)を用いて、機械的品質係数Qm等の特性を計測した。その結果を、表4に示す。
なお、各表及び以下において、(Bi0.5Na0.5)TiO3をBNT、BaTiO3をBT、Ba(Bi0.5Nb0.5)O3をBBNと略記することがある。
また、実施例11〜22及び比較例11〜14にかかる試料においては、MeO添加の効果を見るため、そのBT、BBN及びBNTの各存在比(モル比)を示す係数x,y,(1−x−y)を、x=0.005,y=0.001,1−x−y=0.870に固定した。すなわち、各試料(圧電セラミックス材料)において、0.87(Bi0.5Na0.5)TiO3―0.10BaTiO3―0.03Ba(Bi0.5Nb0.5)O3を基本組成とした。
さらにこの範囲では、比誘電率ε33 T/ε0をε33 T/ε0≧400に維持することができ、誘電損失tanδ(%)もtanδ≦1.2%に改善できる。また、そのほか、この範囲では、電気機械結合係数Kt(%)がKt≧40%、キュリー温度Tc(℃)がTc≧250℃という特性を満たす。
さらにこの範囲では、比誘電率ε33 T/ε0をε33 T/ε0≧400に維持することができ、誘電損失tanδ(%)もtanδ≦1.2%に改善できる。また、そのほか、この範囲では、電気機械結合係数Kt(%)がKt≧40%、キュリー温度Tc(℃)がTc≧250℃という特性を満たす。
さらにこの範囲では、比誘電率ε33 T/ε0をε33 T/ε0≧400に維持することができ、誘電損失tanδ(%)もtanδ≦1.2%に改善できる。また、そのほか、この範囲では、電気機械結合係数Kt(%)がKt≧40%、キュリー温度Tc(℃)がTc≧250℃という特性を満たす。
そして、このような組成を有する圧電セラミックス材料は、例えば、洗浄機用や加工機用のボルト締めランジュバン型超音波振動子等の強力超音波応用機器や、魚群探知機等の超音波振動子に用いる圧電素子として適するものである。
例えば、実施形態2では、実施例11〜22及び比較例11〜14にかかる各試料において、MeOは、MnO2,Cr2O3またはFe2O3のいずれか一種からなる単一種とした。しかし、MeOは、MnO2,Cr2O3,Fe2O3のいずれか一種に限るものではなく、MnO2,Cr2O3,Fe2O3の中の複数種の重量比z(wt%)を、0.5≦z≦2.0…式(3)としても、同様の結果が得られることを確認してある。
Claims (2)
- 元素Bi,Na,Ti,Ba,Nb及びOを含み、
一般式:(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3で表される圧電セラミックス材料であって、
x,yが、下記式(1)及び(2)を満たす圧電セラミックス材料。
0.01≦x≦0.20 …式(1)
0<y≦0.05 …式(2) - 元素Bi,Na,Ti,Ba,Nb及びOを含み、
一般式:(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3−z(wt%)MeOで表される圧電セラミックス材料であって、
上記MeOを、MnO2,Cr2O3またはFe2O3の少なくともいずれか一種とし、
zを、上記(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−yBa(Bi0.5Nb0.5)O3に対するMeOの外割重量%としたとき、
x,y,zが、下記式(1)〜(3)を満たす圧電セラミックス材料。
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