(57)【要約】 【課題】  ＰＺＴ−ＰＭＳ系材料において、優れた比誘電率εr、電気機械結合係数Ｋp、限界振動速度Ｖmaxをあまり劣化させることなく、しかも特性の温度変化が少なく、低温焼成が可能な圧電磁器組成物及び圧電磁器の製造方法を提供する。【解決手段】  主成分がＰｂ［（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）aＴｉbＺｒc］Ｏ3の化学式で表され（ただしａ＋ｂ＋ｃ＝１）、組成範囲が図１の三成分組成図で示される斜線部の領域（線上を含む）であり、副成分としてＹ、Ｃｕのうち少なくとも一種を、前記主成分に対し３ｍｏｌ％以下（０を含まない）の範囲で含む圧電磁器組成物とする。【選択図】  図１
2006027926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分がＰｂ［（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）aＴｉbＺｒc］Ｏ3の化学式で表され（ただしａ＋ｂ＋ｃ＝１）、組成範囲が図１の三成分組成図で示される次の組成点；
Ｉ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．４２）、
Ｊ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４４、ｃ＝０．５５）、
Ｋ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５５）、
Ｌ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．４５）、
Ｍ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．４７、ｃ＝０．３３）、
Ｎ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３３）、
を結ぶ線に囲まれた領域（線上を含む）であり、副成分としてＹ、Ｃｕのうち少なくとも一種を、前記主成分に対し３ｍｏｌ％以下（０を含まない）の範囲で含むことを特徴とする圧電磁器組成物。
【請求項２】
請求項１記載の圧電磁器組成物を用い、９００℃以上１０００℃未満で焼結することを特徴とする圧電磁器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種圧電デバイスに用いられる圧電磁器組成物に関わり、特に圧電トランスに好適な圧電磁器組成物及び圧電磁器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料を応用した圧電トランスは、電磁トランスと比較して高い効率と昇圧比が得られること、低背化に適していることから、例えばノートＰＣをはじめとするポータブル機器の液晶バックライト用インバータなどに広く用いられている。現在、これらの製品は、急速な普及に伴う低価格化が進んでおり、構成部品の低価格化が求められている。
【０００３】
現在の圧電トランスは、素子内部に電極を有する積層構造が一般的であり、内部電極には７０％Ａｇ−３０％Ｐｄ合金がよく用いられている。原材料費中で最も高価な原料はＰｄで、原材料費に占める割合が高いため、この比率を下げることはコスト削減に有効な手段となる。
【０００４】
しかし、内部電極のＰｄ比率を少なくしていくとＡｇ−Ｐｄ合金の融点が低下していくため、セラミックと内部電極を一体焼結する積層構造トランスにおいては圧電磁器組成物の焼結温度によりＰｄの比率は制限される。
【０００５】
圧電トランス用の一般的な材料として、ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3（ＰＺＴ−ＰＭＳ系）がある。例えば、特許文献１には、ＰＺＴ−ＰＭＳ系材料が所定の組成を選択することにより、圧電トランス用材料として、優秀な圧電特性を示すことが記載されている。
【０００６】
しかしながら、ＰＺＴ−ＰＭＳ系のセラミックの焼結温度は１１００℃程度であるので、焼結温度を低下させる努力がなされている。例えば、特許文献２には、ＰｂをＣａ，Ｓｒ，Ｂａで置換することにより、低温焼成可能としたＰＺＴ−ＰＭＳ系材料が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２６４７７号公報
【特許文献２】特開２００３−１６３３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
内部電極のＰｄ比率が３０％の場合は、１１００℃でも焼結が可能であるが、Ｐｄ比率をより低減した内部電極を使用するためには、セラミックの焼結温度を１０００℃未満とすることが求められる。ＰＺＴ−ＰＭＳ系セラミックは、１０００℃未満で焼結するとセラミック部分の焼結が不十分になり、材料特性が低下してしまう。
【０００９】
圧電トランス用材料に要求される材料特性としては、比誘電率εr、電気機械結合係数Ｋp、振動速度Ｖが高いことが挙げられる。圧電トランスの出力値Ｐoutはεr、Ｋp、Ｖと式（１）の関係にある。
【００１０】
Ｐout∝ εr・Ｋp2・Ｖ2  ・・・・・（１）
【００１１】
ここで、振動速度とは、材料の動作振動レベルを表した値であり、振動子の最大先端振動振幅ξm、共振周波数ｆrから求まる実効振動速度Ｖo（式２）が、振動レベルの増大に伴う発熱により、振動子が周囲温度＋２０℃となるまでを安定して使用できる振動速度と考え、発熱により＋２０℃となる場合の振動速度を限界振動速度Ｖmaxとして定義している（文献：広瀬清二、電気通信学会技術報告  ＵＳ９２−３  圧電振動子のハイパワー特性の自動測定）。
【００１２】
Ｖo＝√２・π・ｆr・ξm    ・・・・・（２）
【００１３】
このように、圧電トランスには、Ｖmax、εr、Ｋpが高い材料が必要であり、圧電トランスを低コスト化するためには、焼結温度１０００℃未満の材料として、Ｐｄ比率の低い内部電極を用いるだけでは不十分である。
【００１４】
また、圧電トランスのように高振動速度レベルで使用するデバイスにおいては、素子自体が駆動に伴って発熱するため、材料特性の温度変化が少ないことも要求される。特に静電容量（比誘電率）は材料特性の中でも温度変化の大きい特性の一つで、高い温度安定性が求められる。
【００１５】
そこで、本発明は、ＰＺＴ−ＰＭＳ系材料において、優れた比誘電率εr、電気機械結合係数Ｋp、限界振動速度Ｖmaxをあまり劣化させることなく、しかも特性の温度変化が少なく、低温焼成が可能な圧電磁器組成物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、主成分がＰｂ［（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）aＴｉbＺｒc］Ｏ3の化学式で表され（ただしａ＋ｂ＋ｃ＝１）、組成範囲が図１の三成分組成図で示される次の組成点；
Ｉ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．４２）、
Ｊ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４４、ｃ＝０．５５）、
Ｋ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５５）、
Ｌ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．４５）、
Ｍ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．４７、ｃ＝０．３３）、
Ｎ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３３）、
を結ぶ線に囲まれた領域（線上を含む）であり、副成分としてＹ、Ｃｕのうち少なくとも一種を、前記主成分に対し３ｍｏｌ％以下（０を含まない）の範囲で含む圧電磁器組成物が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、上記の圧電磁器組成物を用い、９００℃以上１０００℃未満で焼結する圧電磁器の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、本発明による圧電磁器組成物は、焼結温度９００℃以上１０００℃未満でも高い限界振動速度、比誘電率、電気機械結合係数を有し、かつ比誘電率の温度変化が少ないので、Ｐｄ比率の少ないＡｇ−Ｐｄ合金を内部電極材に用いて、従来より低コストの積層構造圧電トランスの製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の圧電磁器組成物の主成分組成を示す三成分組成図である。本発明の圧電材料組成物の主成分組成は、図１中のＩ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎで示される組成点を直線で結んでできる図形の内部（図中の斜線部）および線上の組成物からなる。
【００２０】
本発明は、ＰＺＴ−ＰＭＳ系材料、即ち、主成分がＰｂ［（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）aＴｉbＺｒc］Ｏ3の化学式で表される（ただしａ＋ｂ＋ｃ＝１）圧電磁器組成物であって、組成範囲が図１の三成分組成図で示される次の組成点；
Ｉ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．４２）、
Ｊ（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４４、ｃ＝０．５５）、
Ｋ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５５）、
Ｌ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．４５）、
Ｍ（ａ＝０．２０、ｂ＝０．４７、ｃ＝０．３３）、
Ｎ（ａ＝０．１０、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３３）、
を結ぶ線に囲まれた領域（線上を含む）である圧電磁器組成物である。
【００２１】
本発明では、さらに上記の主成分に対し、ＹかＣｕのどちらか１種類、又は両方をそれぞれ３ｍｏｌ％以下（０を含まない）を加えた圧電磁器組成物である。
【００２２】
上記圧電磁器組成物を用いた圧電トランスを製造する場合は、定法に従って製造すれば良い。例えば、上記組成範囲となるように構成元素の各々の酸化物、ＰｂＯ、ＭｎＯ2、Ｍｎ2Ｏ3、Ｍｎ3Ｏ4、Ｓｂ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2，Ｙ2Ｏ3、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＯ等や水酸化物、炭酸塩等を秤量し、ボールミル等で混合後、仮焼して圧電磁器組成物の仮焼粉を得る。次に、仮焼粉で作製したグリーンシート上にＡｇ−Ｐｄ合金等の内部電極を印刷して積層し、焼成し、外部電極を取り付けることにより、積層形の圧電トランス素子を得ることができる。
【００２３】
上記の圧電組成物は、低温焼成が可能なので、この圧電磁器組成物を用い、９００℃以上１０００℃未満で焼結することによって、十分な圧電特性を持つ圧電磁器を得ることができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例に従い説明する。
【００２５】
本発明の材料を得る出発原料として、ＰｂＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＭｎＣＯ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＣｕＯの各粉末を用いた。実際の製造時には、酸化物、水酸化物、炭酸塩等から、入手しやすい原料を用いれば良い。
【００２６】
各原料粉末を表１、表２、表３、表４に示す組成比率で秤量し、ボールミルによる湿式混合後、混合粉末を２時間大気中にて仮焼した。仮焼粉を粉砕した後バインダー混合し、評価試料が充分に得られるサイズに成形し、脱バインダー処理をして、大気中にて焼成を行った。
【００２７】
焼結体を切断加工し（振動速度限界Ｖmaxの評価用としてはＬ４３ｍｍ×Ｗ７ｍｍ×Ｈ１ｍｍの矩形板、径方向振動における電気機械結合係数Ｋpはφ１７ｍｍ×Ｈ１ｍｍの円盤）、厚さ方向に相対向する両面に銀電極を焼き付け、１００℃でシリコーンオイル中４ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分印加して分極処理を施した。
【００２８】
分極処理後、２４時間室温放置し、特性評価を行った（振動速度限界は圧電横効果長さ方向振動の基本モードを励振させて測定）。
【００２９】
焼結性の判断には、焼結体密度を測定し、７．９ｇ／ｃｍ3以上であれば、十分焼結したレベルと見なして評価した。
【００３０】
振動速度は、前記従来技術で説明したように、振動子の最大先端振動振幅ξmと振動子の共振周波数ｆrの測定から算出できる実効振動速度Ｖoで表した。
【００３１】
振動速度限界は、圧電振動子の振動の節点における温度測定により、その振動子の内部エネルギー損失により励起される温度上昇（室温と振動子の温度との差）ΔＴが２０℃になる振動速度をＶmaxと表し、これを振動速度限界とした。
【００３２】
比誘電率εrの温度特性は、１０ｋＨｚにおける２０℃から１００℃までの変化率ΔＣ／Ｃで示した。表１、表２、表３、表４に評価結果を示す。※の記された試料は、本発明の範囲外の試料であることを示す。
【００３３】
【表１】
2006027926.tif 000003
【００３４】
【表２】
2006027926.tif 000004
【００３５】
【表３】
2006027926.tif 000005
【００３６】
【表４】
2006027926.tif 000006
【００３７】
本発明の組成範囲内では、εr≧５００、Ｋp≧５０％、Ｖmax≧０．５ｍ／ｓ、ΔＣ／Ｃ≦５０％と高い材料特性が得られており、１０００℃未満の温度で焼結されている。
【００３８】
表１、表２は、副成分としてＹを用い、表３，表４は副成分としてＣｕを用いている。また、表１、表３は主として主成分組成を変えた場合、表２、表４は主として副成分組成を変えた場合である。表１、表３における比較品（主成分が範囲外）は、いずれもεr＜５００、Ｋp＜５０％と低く、圧電トランス用材料としては不適である。
【００３９】
また、表２、表４における比較品（副成分が範囲外）は、副成分Ｙ、Ｃｕのいずれも含まない場合、焼結が不十分でＫp＜５０％と低くなる。Ｙを３ｍｏｌ％以上含む場合はＫp＜５０％となり、Ｃｕを３ｍｏｌ％以上含む場合はＶmax＜０．５ｍ／ｓとなり、やはり圧電トランス用材料としては不適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の主成分の組成範囲を示す三成分組成図。
【図１】
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