JPS5947784A - 圧電磁器組成物 - Google Patents

圧電磁器組成物

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JPS5947784A
JPS5947784A JP57156746A JP15674682A JPS5947784A JP S5947784 A JPS5947784 A JP S5947784A JP 57156746 A JP57156746 A JP 57156746A JP 15674682 A JP15674682 A JP 15674682A JP S5947784 A JPS5947784 A JP S5947784A
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ypb
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定村 茂
Hiroyuki Takeuchi
裕之 竹内
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    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波振動子、セラミックフィルタ等に用い
る圧電磁器に関するものである。
〔従来技術〕
従来、この種の圧電磁器としてはジルコン・チタン酸鉛
(PbZr03−PbTi03)を主成分とするいわゆ
るPZT系圧器磁器やBaTiOs系磁器が用いられて
きたが、これらの磁器は本質的に高誘電率(1000〜
3000)磁器であるため高周波で用いる場合に素子の
入出力インピーダンスが低下し外部回路とのインピータ
ンス整合に同順がでてくる。特に最近では圧電素子の高
周波化が進んでおり、誘電率の比較的小さい(約200
)PbTi03系磁器が注目されている。このPbTi
0.系磁器は、(1)誘電率が小さい他、(2)電気機
械結合係数の異方性すなわち厚み縦撮動と横方向振動の
電気機械結合係数比k t / k pが極めて太きく
 (kt/kp=10〜15.PZ’l”やBaTi0
8磁器のk t/k p = 1〜2)、かつ、(3)
厚み縦振動の電気機械結合係数1(tが比較的大きい(
ktご0.5)という現在知られているどの圧1に磁器
にも見られない極めて特異な材料である。それゆえ、こ
の特色のある特性を利用した多くの応用素子が実用化さ
れている。たとえば、PbT10、磁器の電気機械結合
係数の大きな異方性は、近年、医用超音波診断装置等に
用いる超音波探触子用圧電磁器として着目されている。
すなわち、超音波診断装置の高周波化が進んでいるが、
周波数が5MI−TZを越えると従来のP Z T系圧
電磁器ではア1/イ探触子を構成することが加工上困難
になる。それはPZT系磁器の電気機械結合係数の異方
性が小さいため、アレイを構成する要素の厚みと巾の比
にW’/l<1という制約があることによる。
そこで最近、この制約の原因となる不要な横方向撮動の
電気機械結合係数kpが、必要な厚み方向振動のそれk
tに比較して小さいPbTi0.系圧電磁器が高周波探
触子用材料として注目されている。これまで、(Pb、
、Cax)((CO+7t W+4)yT ’+ −y
 l) 03+MnQ系磁器でkp=0.05.kt−
0,50(kt/kp〜10)という特性をもつ材料が
開発され、その有用性が示されている。
しかし1.pbTio、糸磁器を用いた探触子の検出感
度目串さく、さらに高周波化が進むと感度低下が増々順
著となる。それゆえ、検出感度を増大させることが高周
波用探角中子にとって大きな課題であり、そのために1
・ま、厚み縦振動の電気機械結合係数ktを太きくしな
ければならない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記r’b’r;o、磁器のもつ特異
な特性をさらに一歩進め、PbTi0.磁器よシさらに
低誘電率で大きな電気機械結合係数の異方性を有し、か
つ、厚み縦振動の電気機械結合係数がP b ’l’ 
i’0.より大きな圧電A故器組成物を提供することに
ある。
〔発明の概要〕
本発明の圧電磁器組成物は、X P b Z r O5
−yPb  (11Jn+7t  Nbt/i  )o
s   (x+y =  1、oo  )  の2成分
固溶体、督よびxI’bZrOs  VPb(Mnl/
/!Nbl/2 )Os−2P bTt Os (x 
+ ’f + Z = 1.00 )の3成分固溶体で
構成され、かつ% P b Z r 03の配合比Xが
0.9以上含むことを特徴とする圧電磁器組成物である
。この2成分訃よび3成分固溶体の圧電磁器組成物は、
機械的品質係数が大きく、かつ、共据周波数の経時安定
性の優れた圧電性磁器としてすでに知られている。しか
し、これらの圧電性磁器はPbZrO3の配合比Xが0
.9を甥えると安定度は劣下し、圧電性も実用に耐えな
い程度に劣下するとされている。
本発明の圧電磁器組成物は、上記2成分および3成分の
固溶体のうらPbZr0.の配合比が0.9以上の組成
領域に属するものであり、配合イセ11成比と合成条件
の詳細な検討からこれらの圧電磁器組成物が極めて優れ
た圧電特性を有することを見出した。特に、電気機械結
合係数の異方性および厚みたて振動の電気機械結合係数
がpb’rio3より大きく、また、誘電率も小さい。
加えて機械的品質係数QMもPbTi0.  より数倍
大きいため、高周波での使用に耐える優れた超音波振動
子あるいはフィルタ用材別となりえる。
上記の優れた特性を示す磁器の組成範囲をさらに詳細に
表現ずればxP bZ rQ3  yP b <Mnl
72N b+7t ) Osで構成される2成分固溶体
のうち、x+y=1.00としたとき、x=0.905
〜0.960. y=o、o4o〜0.095  と表
わされる組成範囲内にある。この組成範囲内において、
誘電率が小さく、かつ、電気機種結合係数の異方性およ
び厚み縦振動の電気機械結合係数がともに大きな圧電磁
器組成物になる。
この組成範囲よりもPbZrO3の配合比が多いと得ら
れる磁器は反強誘電体となシ辿常は圧電磁器として1吏
用できない。またPbZrO3の配合比が少ないと誘電
率が大きくなり、電気機械結合係数の異方性が小さくな
る。
そして、xP bZrOs  YP b (Mn+/z
 Nbl/2 ) 03−ZPbTiO,で構成される
3成分固溶体のうち、x + y + Z = 1. 
OOとしたとき、X、y、zがそれぞれ X         Y         Zff’9
05   0.095   0.0000.960  
 0.040   0.0000.932   0.0
05   0.0630.905   0.005  
 0.090と表わされる組成比で凹まれる組成範囲内
で、誘電率や横方向撮動の電気機械結合係数が小さく、
厚み縦振動の電気機械結合係数が大きくなる。加えて、
その他の圧電特性も良好な圧電磁器組成物となる。
PbZr0.の配合比が上記有効な配合比よりも多くな
ると、反強誘電体となり通常はIE電磁器として使用で
きない。また、Pb (Mn+7.Nb+/1)Usお
よびPb’[’i03の配合比が上記の有効な配合比よ
り多くなると機械的品質係数や誘電率が大きくなる。ま
た、横方向振動の電気機械結合係数k pが大きくなり
、結合係数比が小さくなる。さらに、P b (Mnt
/z N bt/l ) Osの配合比が0.005以
下の組成、すなわち従来から公知のPZT磁器に近い組
成では焼結時にPbOの蒸発が著しく、安定な磁器を得
ることが困難である。加えて、電気抵抗が低下するだめ
分極処理が困難となり特性が不安定となるばかりでなく
、実効的に厚み縦振動の電気機械結合係数が低下する。
以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。
〔発明の実施例〕
実施例1 第1表にP bZ r Os  P b (M、’n+
、A Nb+7= ) Os2成分固溶体に関する試料
(1〜7)をまとめて示す。本発明の磁器を得る出発原
料としては特にことわらないかぎり純度99.9%以上
の酸化鉛(1’ b O) 、酸化ジルコニウム’ Z
r02) 、M化マンガン(MnO)警よび酸化ニオブ
(N b、0!l )の各粉末ケ用いた。
第1表に示した範囲内の組成比の原料粉をボットミルを
用い約1時間湿式混合し、乾燥後、9o。
Cで2時間仮焼結を行った。この仮焼結体をライカイ機
を用(八て粉砕後、再びボットミルを用い混合した。乾
燥後、350にダ/ cm 2の圧力でプレス成形し、
1250〜1280t:’で5時間焼結した。
焼結体のザイズは16φX10w+m  である。この
焼結体を厚さ約1mに切断し、0.8+o+厚まで研磨
して、両面に電極としてCr−ALIを蒸着した。
さらに銀ペーストで銅のリード線を付は分極処理した。
分極処理は、70〜150Cのシリコン・オイル中で2
0〜50kV/crnの直流電圧を10分間印加するこ
とにより行った。その後、誘電および圧電特性の測定を
行った。
第1表の試料1〜4がら明らかなように、本発明の圧電
磁器組成物は、誘電率が200以下と小さく、電気機械
結合係数の異方性が10以上と大きい。さらに、厚み縦
振動の電気機械結合係数k tが0.55kmえるもの
がtb’)、Pb’l’i03  m器より大きいのが
特徴である。
KR5お!び6id、Pb(Mnt/lNr/2)Os
の配合比が0.10を越えた場合であるが、この場合、
誘電率が大きくなり、また横方向振動の電気機械結合係
数も大きくなシ異方性が低下する。
試料7は、P b Z r Os ノ配合比yjE O
,96ヲ越(る場合であり、この場合は得られた磁器は
反強誘電体となる。それゆえ、分極処理で圧電活性にす
ることは不可能であり圧電磁器として使用することはで
きない。なお、反強誘電体となる磁器の結実施例2 P bZ r Os  P b (%In、/2N b
t7z ) Os2成分固溶体の優れた特性は、さらに
pb’rio、を固溶させたpbzro、  Pb(M
n+/1!Nbl/2)03  Pbi’jOs3成分
固溶体に督いても保存され、加えて機械的品質係数が大
きくなる。
試料の作成方法は実施1の場合と同じである。
なtチタン(Ti)の出発原料として酸化チタン(Ti
02)を用いた。
第2表に試料8〜15をまとめて示す。各試料から明ら
かなように、いずれも電気機械結合係数や機械的品質係
数が極めて大きく、かつ多くの組成物で誘電率が小さく
なってνす、また厚み縦振動の電気機械結合係数がPb
ZrO3Pb(Mn、/2Nb、7.)0,2成分固溶
体よシ改善されてbる。
上記の有効な組成比よ、りPbZrO3の配合比が少な
い場合、すなわら、P b (Mnt/z N1)t/
l )osおよびPbTi0.組成比が多いと誘電率が
大きくなり、また、電気機械結合係数の異方性も小さく
なる。
また、PbZrOs  の配合比が本発明の組成範囲よ
り多いと反強誘電体となる。
最後に、P b (Mn+/z N b1/2) Os
  を含まない、いわゆる1) bZ rOs−p b
’l’ i os磁器では厚み縦振動の電気機械結合係
数が小さくなる。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく、Xpbzro3−yPb(M”I
/2Nbl/2 )03 2成分固溶体のうら、x +
 y=1.00とした時、x=0.905〜0.960
.y=0.040〜0.095と表わされる組成範囲内
の圧電磁器組成物、そして、xPbZrO,yPb(M
nt/1Nbt、A)Us  Zpb’rio3a成分
固溶体のうら、x + y −t−z = 1. OO
とした時、3元組成図で、X。
y、zがそれぞれ x           y          zO
,,9050,0950,000 0,9600,0400,000 0,9320,0050,063 0,9050,0050,090 で表わされる組成比の点で囲まれる組成範囲内の圧電磁
器組成物は、優れた圧電性を保有しており、とくに低誘
電率でかつ、電気機械結合係数の異方性が大きく、υ目
えて厚みB撮動の電気機械結合係数も大きいため、Pb
Ti0.磁器に代る庄”+tC磁器として、これ−まで
にない優れた特性を持つことは明らかである。
【図面の簡単な説明】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、  xPbZr(Js  yPb (Mn+/l 
    Nbl/2 )O3で構成される2成分固溶体のうち、
    x+y=1.oOとした時、x = 0.905〜0.
    960.y=0、040〜0.095と表わされる組成
    範囲内にあることを特徴とする圧電磁器組成物。 2、   xPbZros   YPb(Mn+/zN
    l)+/1)03−zpbTiQ、 で構成される3成
    分固溶体のうら、x+y+Z=1.00とした時、3元
    組成図において、 x=0.905  y=0.095  z=o、ooo
      で表わされる組成 比、x=0.960  y=0.04o  z=o、o
    oo  で表わ烙れる組成 比、x=0.932  y=0.005 2=0.06
    3 で表わされる組成比 およびx=o、905  y=o、oo5 Z=0.0
    90で表わされる組成比の点で囲まれる組成範囲内にあ
    ることを特徴とする圧電磁器組成物。
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