JPH0648826A - ビスマス層状化合物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ビスマス層状化合物の、温度に対する圧電性の
感度のばらつきを低減する。 【構成】化学構造式が、（Ｍ１_1-2XＭ２_X Ｂｉ_4+X ）Ｔ
ｉ₄ Ｏ₁₅〔ここで、Ｍ１は少なくともＳｒを含むアルカ
リ土類金属、Ｍ２はアルカリ金属、ｘは０．０６≦ｘ≦
０．４４〕で表されることを特徴とする。少なくともＳ
ｒを含むアルカリ土類金属とアルカリ金属とを所定比率
で含むため、理由は不明であるが温度に対する圧電性の
感度のばらつきが小さくなり、広い温度範囲において高
い感度で用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力センサ、高周波フィ
ルタなどとして利用可能な、圧電性を有するビスマス層
状化合物に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電性を有するセラミックスとしては、
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）、チタン酸鉛（Ｐｂ
ＴｉＯ₃ ）、チタン酸ジルコン酸鉛固溶体（ＰＺＴ）、
ビスマス層状化合物（ＳｒＢｉ₄ Ｔｉ₄ Ｏ₁₅）などが知
られている。例えばＰＺＴは特に高い感度を有するた
め、圧電アクチュエータとして利用されている。またビ
スマス層状化合物は、感度はＰＺＴほど高くないが、強
度が大きく、キュリー温度が約５００〜８００℃と高く
広い温度範囲で使用できるため、圧力センサとしての利
用が期待されている。

【０００３】さらに特公昭５５−１６３８０号公報に
は、ビスマス層状化合物にマンガンを含有させた圧電性
磁器組成物が開示されている。この組成物は高い抵抗率
と低い誘電率を示し、電気機械結合係数（ｋｔ）及び機
械的品質係数（Ｑｍ）が大きく、さらに静電容量の温度
係数（ＣｘＴＣ）と共振周波数の温度係数（ｆｒＴＣ）
が小さいので、高周波フィルタなどに好適である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが従来のビスマ
ス層状化合物では、３０〜１５０℃の温度範囲で圧電性
の感度が大きくばらつくことが明らかとなった。また、
上記公報のようにビスマス層状化合物にマンガンを加え
ても、感度のばらつきはそのままであることも明らかと
なった。なお、圧電性の感度とは、図１に示すように、
試料に力Ｆを加えた場合に発生する電荷の量をＥとした
ときに、単位力当たりの電荷（Ｅ／Ｆ，単位ｐＣ／Ｎ）
をいう。

【０００５】したがって、ビスマス層状化合物を広い温
度範囲で圧力センサとして使用するためには、温度補償
回路が不可欠である。そして温度変化の激しい場所で使
用するためには、その温度補償回路が極めて複雑になる
という問題があり、ビスマス層状化合物の圧力センサと
しての利用の妨げとなっている。本発明はこのような事
情に鑑みてなされたものであり、ビスマス層状化合物の
温度に対する感度のばらつきを低減することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明の発明者は、上
記課題を解決するためにビスマス層状化合物の組成を鋭
意研究した結果、Ｓｒを含むアルカリ土類金属とアルカ
リ金属とを所定比率で共存させることにより、温度に対
する感度のばらつきが小さくなることを発見し、本発明
を完成したものである。

【０００７】すなわち上記課題を解決する本発明のビス
マス層状化合物は、化学構造式が、（Ｍ１_1-2XＭ２_X Ｂ
ｉ_4+X ）Ｔｉ₄ Ｏ₁₅〔ここで、Ｍ１は少なくともＳｒを
含むアルカリ土類金属、Ｍ２はアルカリ金属、ｘは０．
０６≦ｘ≦０．４４〕で表されることを特徴とする。上
記化学構造式において、Ｍ１は少なくともＳｒを含むア
ルカリ土類金属を表し、Ｓｒのみで構成してもよいし、
ＳｒにＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ及びＲａから選ばれる金
属が共存していてもよい。

【０００８】またＭ２はアルカリ金属であり、Ｌｉ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ及びＦｒから選ばれる。さらに、Ｍ
２の含有量を表すｘは、０．０６≦ｘ≦０．４４の範囲
とする必要がある。ｘの値がこの範囲を外れると、温度
に対する感度のばらつきがアルカリ金属をもたない従来
のビスマス層状化合物と同程度に大きくなり、好ましく
ない。

【０００９】なお、本発明のビスマス層状化合物には、
性能を損なわない範囲でＭｎ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属を
共存させることもできる。

【００１０】

【作用】本発明のビスマス層状化合物では、少なくとも
Ｓｒを含むアルカリ土類金属とアルカリ金属とを所定比
率で含むため、理由は不明であるが温度に対する感度の
ばらつきが小さくなる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１） （１）ビスマス層状化合物の製造 出発原料として、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₃ ），
炭酸ナトリウム（Ｎａ ₂ ＣＯ₃ ），酸化ビスマス（Ｂｉ
₂ Ｏ₃ ）及び酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）を用い、それぞれ
の原料粉末を、モル比が（Ｓｒ_0.8 Ｎａ_0.1 Ｂｉ_4.1 ）
Ｔｉ₄ Ｏ₁₅となるように秤量して、エタノールとともに
ポットミル中で４８時間湿式混合した。

【００１２】混合粉末を脱エタノール乾燥し、７００〜
９５０℃で２時間仮焼した。この仮焼粉末を再びポット
ミル中で４８時間湿式混合し、脱エタノール乾燥して粉
末原料とした。この粉末原料にポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）を約３重量％加えて造粒し、それを金型中に
供給して成形圧力１ｔ／ｃｍ² でプレス成形し、直径２
０ｍｍ、厚さ１ｍｍのペレット状成形体を作製した。

【００１３】この成形体をジルコニア粉末からなるパッ
ド材の上に置き、それをアルミナ製るつぼ内に収納しア
ルミナ製の蓋をして焼成した。焼成条件は、昇温速度２
００℃／時で大気下にて加熱し、１１００〜１３００℃
で２時間焼成して行った。これにより、（Ｓｒ_0.8 Ｎａ
_0.1 Ｂｉ_4.1 ）Ｔｉ₄ Ｏ₁₅の組成（ｘ＝０．１）のビス
マス層状化合物からなるペレット状の素子が得られた。 （２）圧電素子の製造 次に、得られた素子の両面に銀ペーストをスクリーン印
刷で塗布し、焼き付けて銀電極を形成した。そしてシリ
コンオイル中に浸漬した状態で、素子に６〜１０ｋＶの
電圧を印加して２００℃にて１０分間保持し、分極処理
を行った。これにより圧電素子とした。 （３）試験 この圧電素子の圧電性の感度を、３０〜１５０℃の範囲
で温度を種々変化させながら、図１に従って測定した。
そして３０℃における感度（８ｐＣ／Ｎ）を１としたと
きの各温度における感度の相対値を求め、その結果の概
略図を図２に示す。

【００１４】図２に示すように、相対感度は最大値をも
つ上に凸の曲線を描いた。そこで温度変化に対する感度
のばらつきを表す指標として、このグラフから上記温度
範囲内における相対感度ｄの最大値と最小値を求め、そ
の差Δｄを感度の温度変化率と定義し、結果を表１に示
す。 （他の実施例及び比較例）化学構造式（Ｓｒ_1-2xＮａ_x
Ｂｉ_4+x ）Ｔｉ₄ Ｏ₁₅において、Ｎａのモル比ｘの値が
表１に示す０〜０．５の範囲となるように、実施例１と
同様の原料粉末をそれぞれ秤量し、実施例１と同様にし
て実施例２〜４、比較例１〜４の７種類の圧電素子を作
製した。そして実施例１と同様に感度の温度変化率を算
出し、結果を表１に示す。

【００１５】

【表１】 （評価）表１より明らかに、ｘの値を所定範囲とするこ
とにより感度の温度変化率を５％以下とすることがで
き、比較例１の従来のビスマス層状化合物に比べて著し
く低減することができる。すなわち、実施例のビスマス
層状化合物によれば、温度変化に対して感度のばらつき
が小さく、圧力センサとして有用であることが明らかで
ある。

【００１６】なお、本発明の組成範囲において、Ｓｒの
一部を他のアルカリ土類金属で置換した組成で同様に圧
電素子を作製し、同様に試験したところ、少なくともＳ
ｒを含むことにより上記と同様の結果が得られたことを
付記しておく。

【００１７】

【発明の効果】したがって本発明のビスマス層状化合物
によれば、感度の温度依存性が小さいので、温度変化の
激しい場所においても温度補償回路を不要として、広い
温度範囲で圧力センサとして利用することができ、コス
トの低減を図ることができる。また比誘電率も１３０〜
１６０と低いので、高周波フィルタなどとしても適して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】力と電荷出力の関係を示し、圧電性の感度の定
義を示す説明図である。

【図２】ビスマス層状化合物の温度と相対感度の関係を
示し、感度の温度変化率の算出方法を示す説明図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学構造式が、（Ｍ１_1-2XＭ２_X Ｂｉ
   _4+X ）Ｔｉ₄ Ｏ₁₅〔ここで、Ｍ１は少なくともＳｒを含
   むアルカリ土類金属、Ｍ２はアルカリ金属、ｘは０．０
   ６≦ｘ≦０．４４〕で表されることを特徴とするビスマ
   ス層状化合物。