JP4881315B2 - 圧電磁器組成物および圧電磁器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電磁器組成物および圧電磁器に関し、特に、圧電センサ、圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの共振子用圧電セラミックスとして有用な圧電磁器組成物および圧電磁器に関するものである。
圧電セラミックフィルタなどの圧電セラミック素子に用いられる圧電磁器には、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3)あるいはチタン酸鉛(PbTiO3)を主成分とする圧電磁器組成物が広く用いられている。このようなチタン酸ジルコン酸鉛に代表される圧電セラミックスの高機能化には、鉛の存在が不可欠である。
しかし、近年、人体への影響の点で鉛の有害性が指摘されるようになっている。結晶化されたチタン酸ジルコン酸鉛中に含まれる鉛成分は、他の非晶質の状態で含まれる鉛含有応用製品と比較して比較的安定な状態で存在するものの、環境保全の観点からも、可能な限り鉛を含有しない圧電磁器が求められるようになってきている。
また、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸鉛を主成分とする圧電磁器は、その製造過程において鉛酸化物の蒸発を伴うために、得られる製品間に圧電特性のばらつきが生じやすいという課題をも有していた。
そこで、鉛成分を含有することに起因する上述した課題を解決するために、近年、圧電共振子および発振子用材料として、鉛フリーの新規な圧電用セラミックスが要求されている。このような中で、鉛を含有せず高い圧電性を示すセラミック材料として、ニオブ酸アルカリ系の圧電磁器が注目されている。
ニオブ酸アルカリ系の圧電磁器の中でも、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)(例えば、非特許文献1)は、ペロブスカイト(ABO3)型の結晶構造を有する酸化物であるが、それ自身では−133℃付近よりも低い温度下でのみ強誘電性を示し、圧電共振子および発振子用材料の一般的な使用温度である−20〜80℃の範囲においては圧電性を示さず、圧電磁器としての利用ができない。
一方、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLizNbO3)を主成分とする圧電磁器の中には、電気機械結合係数が大きく、圧電セラミックフィルタおよび圧電セラミック発振子等の共振子用材料として有望であると考えられるものが存在する(例えば、特許文献1、2)。
また、鉛を含有しない他の圧電磁器として、例えば、チタン酸ビスマス・ナトリウム((Bi0.5Na0.5)TiO3)系の圧電セラミックスが知られている(例えば、非特許文献2、特許文献3)。
Japanese Journal of Applied Physics, p.322, vol.31, 1992 Japanese Journal of Applied Physics, p.2236, vol.30, 1991 特開平11−228226号公報 特開平11−228228号公報 特開2000−272963号公報
しかしながら、上述のニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とする圧電磁器は、キュリー温度(第一次相転移)が約200℃以上と高いものの、約−40〜150℃の温度範囲で、低温側の強誘電相から高温側の強誘電相に相変態する第二次相転移が存在する。そのため、第二次相転移を通過する温度サイクル下においては、圧電特性や共振周波数の変化に不連続部分が存在することになり、大きな温度ヒステリシスや特性劣化が起こりやすいという問題があった。ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とする圧電磁器におけるこれら大きな温度ヒステリシスや特性劣化は、実装工程におけるリフローに対応できない等の本質的問題であるため、実用化においては大きな制限が与えられていた。
また、チタン酸ビスマス・ナトリウム(Bi0.5Na0.5)TiO3系の圧電磁器についても、その磁器自体のキュリー温度(第一次相転移)は約300℃以上と高いものの、約200℃付近に低温側の強誘電相から高温側の反強誘電相へと相変態する第二次相転移が存在する。そのため、第二次相転移温度以上になった場合、脱分極してしまうことからリフローに対応できない等の問題があった。
一方、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3に(Bi0.5Na0.5)TiO3を単独で導入した場合においては、200℃以上の高いキュリー温度は有しながら、圧電g33定数を大きくする効果があるものの、−40〜150℃の範囲において第二次相転移が存在する。このために、使用可能な温度範囲に制限が与えられ、極めて限定された用途のみに適用されることとなる。したがって、従来から使用されている例えば圧電センサ等の部品への置き換えには対応できないという問題があった。
さらには、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3にBiFeO3を単独で導入した場合は、微少量の導入で圧電g33定数を大きくする効果があるものの、この場合も−20〜150℃の範囲において第二次相転移が存在するために、使用温度に制限が与えられるという問題があった。
従って、本発明は、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率、圧電g33定数の温度変化率などの圧電特性の安定した圧電磁器組成物および圧電磁器を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った。その結果、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とする圧電磁器組成物に、チタン酸ビスマス・ナトリウムと鉄酸ビスマスとを導入することによって、特に、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムの組成をNaリッチにしたうえで、Bi、TiおよびFeの各酸化物を含有させた特定の組成とすることによって、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および圧電g33定数の温度変化率などの圧電特性の安定したものにできることを見出した。
詳しくは、(KNaLi)NbO3のNaがリッチな組成系は、結晶構造が斜方晶で、−40〜150℃の温度範囲に第二次相転移を有し、キュリー温度は約200〜400℃である。このような(KNaLi)NbO3に対して、結晶構造が正方晶であり、キュリー温度約340℃、低温側の強誘電相から高温側の反強誘電相へと相転移する第二次相転移は約240℃で起こる(Bi0.5Na0.5)TiO3を最適量導入するとともに、さらに、結晶構造が菱面体晶であり、キュリー温度が約870℃であるBiFeO3を最適量導入することによって、(KNaLi)NbO3に異なる結晶を複合的に固溶させた結果、相転移温度を変化させて、弾性定数の温度変化や圧電g33定数の温度変化を制御できるのである。
本発明の圧電磁器組成物は、(1)ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを(KxNayLi1-x-y)NbO3 、チタン酸ビスマス・ナトリウムを(Bi0.5Na0.5)TiO3 、鉄酸ビスマスをBiFeO3としたときに、式:
(1−a−b)(KxNayLi1-x-y)NbO3‐a(Bi0.5Na0.5)TiO3‐bBiFeO3
0< a ≦0.12
0< b ≦0.10
0≦ x ≦0.18
0.80≦ y <1.00
で表される組成を有することを特徴とする。特に、(前記a、前記b、前記xおよび前記yが、
0.0≦ a ≦0.04
0.01 b ≦0.03
0.025≦ x ≦0.075
0.905< y <0.98
で表される組成を有することが望ましい。
また、本発明の圧電磁器は、(3)上記(1)または(2)の圧電磁器組成物を焼成して得られることを特徴とする。特に、(4)電気機械結合係数k33が30%以上であり、かつ圧電g33定数が20×10-3V/N以上であることが望ましい
本発明によれば、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率、圧電g33定数の温度変化率などの圧電特性の安定した圧電磁器組成物および圧電磁器を提供することができる。そして、これにより、例えば、圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの圧電セラミック素子を、従来の鉛系圧電材料から鉛を含有しないものに置き換えることができる、という効果が得られる。
本発明の圧電磁器組成物は、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを(KxNayLi1-x-y)NbO3 、チタン酸ビスマス・ナトリウムを(Bi0.5Na0.5)TiO3 、鉄酸ビスマスをBiFeO3としたときに、式:
(1−a−b)(KxNayLi1-x-y)NbO3‐a(Bi0.5Na0.5)TiO3‐bBiFeO3
0< a ≦0.12
0< b ≦0.10
0≦ x ≦0.18
0.80≦ y <1.00
の範囲を有する。
上記組成式で表された化合物は、それに含まれるK、Na、Li、Nb、Ti、BiおよびFeの各酸化物を用いて上記組成になるように調整することにより、焼成後には不純物の殆どみられないほぼ単一相からなる圧電磁器を形成できる。すなわち、上記組成を有する本発明の圧電磁器組成物は、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3においてNaリッチ側の特定の組成を有し、これに対して、(Bi0.5Na0.5)TiO3とBiFeO3とが複合的に化合するようにペロブスカイト型結晶構造を形成する。すなわち、前記ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム、前記チタン酸ビスマス・ナトリウムおよび前記鉄酸ビスマスは、複合酸化物の形態でペロブスカイト型結晶構造を有するように含有されているのである。そして、それによって、電気機械結合係数が高く、特に圧電g33定数が大きく、かつ、−40〜150℃の温度範囲において、圧電定数の不連続な変化を示す第二相転移を抑制でき、圧電g33定数の温度安定性に優れ、且つ耐熱性に優れた圧電磁器を形成することができる。詳しくは、上記の特定の組成範囲を有する組成物で形成された圧電磁器においては、電気機械結合係数k33が30%以上であり、かつ圧電g33定数が20×10-3V/N以上であり、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および圧電g33定数の温度変化率うちの少なくとも1つについて、−40〜150℃の温度範囲において第二次相転移が存在しない、優れた圧電特性を発現する。また、(KxNayLi1-x-y)NbO3に(Bi0.5Na0.5)TiO3とBiFeO3とを複合的に固溶するように組成を調整したものは、磁器の緻密化を図ることができるという利点があり、この理由からも温度安定性に優れたものとなる。
本発明において、「共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および圧電g33定数の温度変化率のうち少なくとも1つについて、−40〜150℃の温度範囲において第二次相転移が存在しない、または第二次相転移が実質的に存在しない」とは、図2〜図5に示すように各温度範囲での圧電定数の変化が小さく一見直線的な変化を示すものをいい、図6および図7に示すような急激な変化が見られないものをいう。
本発明においては、上記組成を有する組成物のように、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3とともに含まれるチタン酸ビスマス・ナトリウムBi−Na−Ti−Oが、(Bi0.5Na0.5)TiO3のように、BiおよびNaがともに0.5モル、Tiが1モルで構成され、ABO3型のペロブスカイト構造を有する複合酸化物の形態で組成調整されて含有されていることが好ましい。例えば、Bi、Na、Tiがともに1モルの比率である場合のように、ABO3型のペロブスカイト構造とならない構成では、たとえBiFeO3を添加しても、本発明のように共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および圧電g33定数の温度変化率のうち少なくとも1つについて、−40〜150℃の温度範囲において第二次相転移を有しない圧電磁器は形成できないことがある。この場合、ペロブスカイト構造とならない余分な組成成分が粒界に残存するために、DCバイアス下においてマイグレーションが発生しやすくなり、絶縁劣化のために圧電特性を示さなくなる恐れがあるためである。
一方、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3に(Bi0.5Na0.5)TiO3のみを単独で導入した場合においては、200℃以上の高いキュリー温度は有しながら、圧電g33定数を大きくする効果があるものの、−40〜150℃の範囲において第二次相転移が存在するために、使用可能な温度範囲に制限が与えられ、極めて限定された用途のみに適用されることになる。そのために、従来から使用されている例えば圧電センサ等の部品には使用できないという問題がある。また、ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム(KxNayLi1-x-y)NbO3に鉄酸ビスマスBiFeO3のみを単独で導入した場合には、微少量の導入で圧電g33定数を大きくする効果があるものの、−20〜150℃の範囲において第二次相転移が存在するために、使用温度に制限が与えられるという問題がある。
このように、(Bi0.5Na0.5)TiO3およびBiFeO3を、式:
(1−a−b)(KxNayLi1-x-y)NbO3‐a(Bi0.5Na0.5)TiO3‐bBiFeO3
0< a ≦0.12
0< b ≦0.10
0≦ x ≦0.18
0.80≦ y <1.00
の関係になるように組成を調整していることにより、従来よりも広い温度範囲で使用できる圧電特性に優れた圧電磁器を得ることができる。
上記組成式における0<a≦0.12の範囲については、aが0.12を超える場合には、電気機械結合係数k33が30%より小さくなり、圧電g33定数が20×10-3V/N未満になり、圧電センサや圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの材料としての利用が困難となるおそれがある。また、aが0の場合には、−40〜150℃の温度範囲に第二次相転移が存在することから、圧電定数の温度特性に不連続な挙動が存在するようになるため、広範囲での温度領域での使用ができないおそれがある。
上記組成式における0<b≦0.10の範囲については、bが0.1を超える場合には、電気機械結合係数k33が30%より小さくなり、圧電セラミック発振子などの材料としての利用が困難となるおそれがある。また、bが0の場合には、−40〜150℃の温度範囲に第二次相転移が存在することから、圧電定数の温度特性に不連続な挙動が存在するようになるため、広範囲での温度領域での使用ができないおそれがある。
上記組成式における0≦x≦0.18の範囲については、xが0.18を超える場合、電気機械結合係数k33が30%より小さくなり、圧電g33定数が20×10-3V/N未満になり、圧電センサや圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの材料としての利用が困難となるおそれがある。
上記組成式における0.80≦y<1.00の範囲については、yが0.80未満の場合、−40〜150℃の温度範囲に第二次相転移が存在するようになり、そのため圧電定数の温度特性に不連続な挙動が存在するようになるため、広範囲での温度領域での使用ができないおそれがある。また、yが1の場合、圧電性が著しく低下し、電気機械結合係数k33が30%より小さくなり、圧電g33定数が20×10-3V/N未満になり、圧電センサや圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの材料としての利用が困難となるおそれがある。
以上の理由から、本発明においては、キュリー温度をリフローが可能な温度である280℃よりも高くし、電気機械結合係数k33を30%以上、かつ圧電g33定数を20×10-3V/N以上にして、かつ、第二次相転移を存在させないためには、特に、式:
(1−a−b)(KxNayLi1-x-y)NbO3‐a(Bi0.5Na0.5)TiO3‐bBiFeO3
0.0≦ a ≦0.04
0.01 b ≦0.03
0.025≦ x ≦0.075
0.905< y <0.98
で表される組成を有する組成物がより望ましい。
本発明の圧電磁器は、上記した圧電磁器組成物を焼成して得られるものであり、電気機械結合係数k33が30%以上であり、かつ圧電g33定数が20×10-3V/N以上であるとともに、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および前記圧電g33定数の温度変化率のうち少なくとも1つについて、−40〜150℃の温度範囲に第二次相転移が存在しない、という良好な特性を示す。また、このような本発明の圧電磁器は、キュリー点が200℃を超えるといった良好な特性をも示す。つまり、本発明の圧電磁器は、ペロブスカイト型結晶構造を有するニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを主成分とし、共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率および圧電g33定数の温度変化率のうち少なくとも1つについて、−40〜150℃の温度範囲において第二次相転移が実質的に存在しない。このような圧電磁器は、上記した圧電磁器組成物を焼成して得られ、前記ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウム、前記チタン酸ビスマス・ナトリウムおよび前記鉄酸ビスマスは、複合酸化物の形態でペロブスカイト型結晶構造を有するように含有されていることが好ましい。
本発明の圧電磁器は、例えば、圧電セラミックフィルタ、圧電セラミック発振子などの圧電セラミック素子に好適に用いることができる。また、本発明の圧電磁器は、上述のような優れた圧電特性を示すことから、従来の鉛系圧電材料からの置き換えを可能にでき、特に、地球環境への取り組みの中で、自動車エンジン用のノッキングセンサや加速度センサあるいはショックセンサ等の自動車部品に好適である。
出発原料として、K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Bi23、Nb25、TiO2、Fe23の各粉末を用いた。以下のようにして得られる磁器が、組成式:
(1−a−b)(KxNayLi1-x-y)NbO3−a(Bi0.5Na0.5)TiO3−bBiFeO3
におけるa、b、xおよびyが表1に示す値である組成となるように、各原料粉末を秤量した。次に、秤量した各原料を、イソプロピルアルコール(IPA)とZrO2ボールとを用いてボールミルで12時間湿式混合した。次いで、この混合物を乾燥した後、大気中で900〜1000℃にて3時間仮焼し、得られた仮焼物を再び上記ボールミルで細かく粉砕した。その後、この粉砕物にポリビニルアルコール(PVA)等のバインダーを混合して造粒した。次に、得られた造粒物(粉末)を200MPaの圧力で、φ3mm×厚さ12mmの円柱状に成形した。この成形体を大気中において1000〜1250℃で2時間焼成することにより、磁器を作製した。
作製した磁器の組成は、得られた磁器を硼酸および炭酸ナトリウムと混合して溶融させた後、溶解したものをさらに塩酸に溶解させて、各元素を1000ppm含む標準液を希釈したものを標準試料として、ICP発光分光分析により定量化することにより求めた。
得られた磁器のX線回折パターンを測定し、同定した結果、いずれの試料Noもペロブスカイト型結晶を主体としていることが判った(例えば試料1の場合のX線回折図を図1に示す)。つまり、本発明の圧電磁器は、3成分系から構成される複合ペロブスカイト型結晶構造を有するが、例えば試料1のX線回折図より、単一のペロブスカイト結晶構造を呈していることが確認された。
さらに、この磁器のφ3mmの両面に銀電極を形成した後、80℃のシリコンオイル中で4〜7kV/mmの直流電界を10〜30分間印加して分極処理を行った。そして、日本電子材料工業会EMAに準じて、これらの圧電素子の静電容量、共振・***振周波数および共振抵抗について、インピーダンスアナライザを用いて測定した。得られた測定値より、縦振動モードの比誘電率ε33T/ε0、電気機械結合係数k33、圧電g33定数を求めた。さらに、共振および***振周波数の温度依存性(温度変化率)と圧電g33定数の温度依存性(温度変化率)を測定し、第二次相転移の有無について評価した。共振周波数、***振周波数および圧電g33定数の温度変化率は、25℃の値を基準に−40℃から+150℃までの各温度での変化を変化率として表した。結果を表2に示す。
Figure 0004881315

Figure 0004881315

表1、表2において、試料番号に*を付したものは、本発明の範囲外のものである。表1において、0<a≦0.12、0<b≦0.10、0≦x≦0.18、0.80≦1.00の各条件をすべて満たす試料は、圧電g33定数および共振・***振周波数のそれぞれの温度変化において第二次相転移が見られなかった。特に、試料No.1〜7、10〜16、20および23では、電気機械結合係数k33が30%以上であり、圧電g33定数が20×10-3V/N以上になり、さらには、−40〜150℃の温度範囲で第二次相転移が抑制された状態となり、良好な特性を示している。例えば、図2は試料1の圧電g33定数の温度変化率を示すグラフであり、図3は試料1の共振・***振周波数の温度変化率を示すグラフであり、図4は試料3の圧電g33定数の温度変化率を示すグラフであり、図5は試料3の共振・***振周波数の温度変化率を示すグラフである。特に、0.0≦a≦0.04、0.01b≦0.03、0.025≦x≦0.075、0.905<y<0.98で表される範囲の試料(組成物)、については、280℃以上の高いキュリー温度を有するものとなる。
これに対して、試料番号に*が付された本発明の範囲外の試料については、−40〜150℃の温度範囲で第二次相転移が存在する状態となる。例えば、試料No.18のように、0<b≦0.10、0≦x≦0.18、0.80≦y<1.00の条件は満足するものの、a=0であり0<a≦0.12の条件を満足しない試料では、電気機械結合係数k33が30%以上であり、圧電g33定数が20×10-3V/N以上になるものの、図6および図7に示すように、−40〜150℃の温度範囲で大きな第二次相転移を含むことがわかる。しかしながら、試料18をベースとして、aが0<a≦0.12の範囲を満足するようにした場合、例えば、試料1、試料3においては、電気機械結合係数k33が30%以上であり、圧電g33定数が20×10-3V/N以上であり、図2、図3、図4および図5に示すように−40〜150℃の温度範囲で第二次相転移を含まず、目標を達成させることができることがわかる。
また、図8には、試料1の比誘電率の温度変化率の測定結果を示す。上記のように、例えば試料1においては、−40〜150℃の温度範囲において第二次相転移が認められないことが図2および図3で確認されたが、それ以上のキュリー温度までの挙動において、比誘電率の温度依存性を調査した結果、図8に示すように、第二次相転移に伴う比誘電率の不連続な挙動は確認されなかった。よって、例えば試料1の場合、−40からキュリー温度(300℃)までの範囲において、第二次相転移を含まないことが確認された。例えば試料1は、高いキュリー温度を有しておりSMDリフロー実装が可能であり、鉛を含有しない圧電素子として、従来の鉛を含有した圧電素子に置き換えることができる。
以上、本発明にかかる圧電磁器組成物および圧電磁器について詳しく説明したが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更または改善しうるものである。
試料1のX線回折図である。 試料1の圧電g33定数の温度変化率を表したグラフである。 試料1の共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率を表したグラフである。 試料3の圧電g33定数の温度変化率を表したグラフである。 試料3の共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率を表したグラフである。 試料18の圧電g33定数の温度変化率を表したグラフである。 試料18の共振周波数の温度変化率、***振周波数の温度変化率を表したグラフである。 試料1の比誘電率の温度変化率の測定結果を示すグラフである。

Claims (4)

  1. ニオブ酸カリウム・ナトリウム・リチウムを(K x Na y Li 1-x-y )NbO 3 、チタン酸ビスマス・ナトリウムを(Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 、鉄酸ビスマスをBiFeO 3 としたときに、式:
    (1−a−b)(K x Na y Li 1-x-y )NbO 3 ‐a(Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 ‐bBiFeO 3
    0< a ≦0.12
    0< b ≦0.10
    0≦ x ≦0.18
    0.80≦ y <1.00
    で表される組成を有することを特徴とする圧電磁器組成物。
  2. 前記a、前記b、前記xおよび前記yが、
    0.0≦ a ≦0.04
    0.01 b ≦0.03
    0.025≦ x ≦0.075
    0.905< y <0.98
    で表される組成を有することを特徴とする請求項1記載の圧電磁器組成物。
  3. 請求項1または2に記載の圧電磁器組成物を焼成して得られることを特徴とする圧電磁器。
  4. 気機械結合係数k33が30%以上であり、かつ圧電g33定数が20×10-3V/N以上であることを特徴とする請求項3に記載の圧電磁器。
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