(57)【要約】 【課題】  高振動速度で駆動可能でありεｒの温度に対する変化率が小さく、かつ低温焼成可能な圧電磁器組成物を提供すること。【解決手段】  組成式Ｐｂd（ＺｒaＴｉｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）c）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１，１．００＜ｄ＜１．０５）で表され、ａ，ｂ，ｃで表される組成範囲が、  Ｗ（ａ＝０．６４，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０１）、  Ｘ（ａ＝０．４０，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０１）、  Ｙ（ａ＝０．３３，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０８）、  Ｚ（ａ＝０．５７，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０８）、の組成点を結ぶ線に囲まれた領域（線上は含まない）を主成分とし、副成分としてＭｇＴｉＯ3を０．０５〜２．３０重量％含有することを特徴とし、温度が上昇しても安定して駆動できる高出力でかつ低温焼成が可能な圧電磁器組成物。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式Ｐｂd（ＺｒaＴｉｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）ｃ）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１，１．００＜ｄ＜１．０５）で表され、ａ，ｂ，ｃで表される主成分組成範囲が、三成分組成図で示される次の組成点
Ｗ（ａ＝０．６４，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０１）、
Ｘ（ａ＝０．４０，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０１）、
Ｙ（ａ＝０．３３，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０８）、
Ｚ（ａ＝０．５７，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０８）、
を結ぶ線に囲まれた領域（線上は含まない）とし、副成分としてＭｇＴｉＯ3を０．０５〜２．３０重量％含有することを特徴とする圧電磁器組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広範囲な振動レベルで高効率な電気機械変換特性を有し、圧電トランス、圧電アクチュエーター、超音波振動子に適した圧電材料として有用な圧電磁器組成物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変換することのできる圧電材料は、圧電トランス、圧電アクチュエーター、超音波振動子など、動力デバイス分野への応用がなされている。これらの応用に対して圧電材料は、その用途に応じて小さい機械的出力からきわめて大きな機械的出力まで広範囲にわたり、高効率で電気−機械エネルギー変換が行われることが求められる。近年、圧電材料を応用したデバイスが実用化される中、その機械的出力のさらなる増大が要求されている。
【０００３】
従って、これらの応用に対し、圧電材料には電気エネルギーの機械的な振動エネルギーへの変換に際して、エネルギー損失を抑制することが必要となる。動作振動振幅もしくは振動速度が高くなるのに伴い、内部エネルギー損失による発熱が生じるため、やがて励起できる振動振幅は、限界値すなわち振動速度限界値に達し、さらには材料の絶縁破壊を引き起こすことになる。いま、振動速度を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Ｖとすると、Ｖは（１）式で表される。
【０００４】
Ｖ＝２1/2・π・ｆｒ・ξｍ          ・・・・（１）
【０００５】
このように振動レベルを振動速度で表現した場合、従来の材料では、安心して使用できる振動速度の限界（２０℃発熱するときのＶmax）が０．２ｍ／ｓ程度にとどまっていた。
【０００６】
また圧電トランスの場合、その出力値Ｐoutは材料特性値である比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋ、振動速度Ｖと（２）式の関係にある。
【０００７】
Ｐout∝εｒ・Ｋ2・Ｖ2              ・・・・（２）
【０００８】
高出力を得るためには、その材料特性において、使用可能な振動速度レベルが高いことも重要であるが、あわせて比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋの値が大きいことが必要となる。従って２０℃発熱するときの振動速度の限界Ｖmaxのみが高くとも比誘電率εｒ、電気機械結合係数Ｋの低い材料は、高出力を達成することが困難と言える。
【０００９】
２０℃発熱するときの振動速度の限界Ｖmaxが０．４０ｍ／ｓ以上の材料をＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の系およびＰｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の系で見い出されている。例えば、Ｓｂ含有系では特許文献１および特許文献２に、Ｎｂ含有系では特許文献３に開示されている。
【００１０】
しかしながら、電トランスにした際に、以下に述べるような理由でεｒの温度特性が問題になっている。すなわち、圧電トランスを、インバータ化しノートパソコンに実装すると、圧電トランス周辺の温度の上昇が懸念される。その際、εｒの温度特性が重要となる。パソコンのＣＰＵの高機能化に伴い、ノートパソコン内部の温度は上昇する傾向にある。これまでの圧電トランス用組成物では、εｒの室温（２０℃）に対する変化率Δεｒ（Ｔ−２０℃）／εｒ（２０℃）が大きくパワーダウンするという問題が発生している。市場のεｒの要求としては３００以上、その変化率が４５％以下というものである。この要求は特許文献１〜３に記載されている圧電磁器組成物の組成範囲では達成が不可能であった。
【００１１】
一方、圧電セラミックスを製品に適用する際、Ａｇ−Ｐｄ金属を内部電極として、用いるのであるが、近年Ｐｄの価格が高騰しコストを抑えるためにＰｄの比率を減らさなければならない。Ａｇ−Ｐｄ金属においてＰｄを低減するためにはセラミックスの焼成温度を下げなければならない。たとえば、Ａｇ：Ｐｄ＝９０：１０の金属を使うためには、９５０℃以下に焼成温度を下げなければならない。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−０２６４７７号公報
【特許文献２】特開２００１−１４６４７０号公報
【特許文献３】特開平１１−３１０４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上述べたごとく、本発明の課題は、振動速度の限界Ｖmaxが０．４５ｍ／ｓ以上と高く、比誘電率εｒが３００以上であって、電気機械結合係数Ｋが高く、εｒの１００℃での室温（２０℃）に対する変化率が４５％以下となり、かつ焼成温度が９５０℃以下であるような圧電磁器組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記課題の解決のため、高振動速度でも駆動可能でありεｒの温度に対する変化率が小さく、かつ低温焼成可能な圧電磁器組成物を提供するものであって、組成式Ｐｂd（ＺｒaＴｉｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）ｃ）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１，１．００＜ｄ＜１．０５）で表され、ａ，ｂ，ｃで表される主成分組成範囲が、三成分組成図で示される次の組成点、
Ｗ（ａ＝０．６４，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０１）、
Ｘ（ａ＝０．４０，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０１）、
Ｙ（ａ＝０．３３，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０８）、
Ｚ（ａ＝０．５７，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０８）、
を結ぶ線に囲まれた領域（線上は含まない）とし、副成分としてＭｇＴｉＯ3を０．０５〜２．３０重量％含有することを特徴とし、温度が上昇しても安定して駆動できる高出力でかつ低温焼成が可能な圧電磁器組成物が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
従って、本発明によれば、高い振動限界速度を示し、高い比誘電率および高い電気機械結合係数を有し、かつ高温での誘電率の変化の小さい圧電磁器組成物の提供が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明による圧電磁器組成物の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態による圧電磁器組成物の主成分の組成を示す図である。る。
【００１７】
出発原料として、酸化鉛ＰｂＯ、酸化ジルコニウムＺｒＯ2、酸化チタンＴｉＯ2、炭酸マンガンＭｎＣＯ3、酸化アンチモンＳｂ2Ｏ3及び水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）2の各粉末を用いた。組成式：Ｐｂd（ＺｒaＴｉｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）ｃ）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１，１．００＜ｄ＜１．０５）で表され、ａ、ｂ、ｃで表される組成範囲がＷ（ａ＝０．６４，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０１）、Ｘ（ａ＝０．４０，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０１）、Ｙ（ａ＝０．３３，ｂ＝０．５９，ｃ＝０．０８）、Ｚ（ａ＝０．５７，ｂ＝０．３５，ｃ＝０．０８）となるような組成範囲で、また副成分であるＭｇＴｉＯ3は所定の秤量値になるよう配合する形で添加した。各原料を所定量秤量し、ボールミルにより４５時間湿式混合後、混合粉末を６００〜９００℃の温度で２時間大気中にて保持し仮焼した。仮焼粉末を粉砕後、バインダー混合、成形し、さらに脱バインダーして９５０℃で２時間大気中にて焼成を行った。
【００１８】
焼結体を切断し、４３×７×１ｍｍの矩形板に加工した後、相対向する両主面に銀電極を焼き付け、１００℃でシリコンオイル中４ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分印加して分極を施した。分極処理後、２４時間室温放置し、圧電横効果長さ方向振動の基本モードを励振させ振動限界速度を測定した。
【００１９】
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的振動速度Ｖは（１）式で示した。
【００２０】
Ｖ＝２1/2・π・ｆｒ・ξｍ          ・・・・（１）
【００２１】
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。
【００２２】
また上述の方法と同様の方法で作製した粉末を、円柱形に成形し、脱バインダー、焼成の後、直径１６ｍｍ×厚さ１ｍｍに加工し、銀電極を焼き付けて上述の条件と同様に分極し、室温（２０℃）にて誘電率を測定した。また円板の両面にリード線を付け、１００℃の恒温槽にセットし、誘電率を測定し１００℃での誘電率の変化率（以下、Δεｒ／εｒ（２０℃）と表す）を求めた。表１に測定結果を示す。ここで、＊の記された試料は、本発明の権利請求範囲外の試料であることを示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
以下、表１の結果について説明する。主成分の配合比率および副成分の配合量の理由について、以下に説明する。Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3量ｃが０．０１（１ｍｏｌ％）以下の試料Ｎｏ．３、またＮｏ．４の場合には、１００℃の比誘電率の変化率Δεｒ／εｒ（２０℃）が悪く、さらにＮｏ．３場合には、強誘電体分域壁の運動に伴う内部摩擦による損失が大きいため、振動速度限界も低い。また、ｃが０．０８（８ｍｏｌ％）以上の試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１２の場合では、比誘電率εｒおよび電気機械結合係数Ｋが低下するために好ましくない。
【００２５】
ＰｂＺｒＯ3量ａの配合比率が請求組成範囲外より少ない０．３３（３３ｍｏｌ％）以下の試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１１では、比誘電率εｒや電気機械結合係数εｒが極端に下がるため適さない。一方、配合比率が請求組成範囲外より多い０．６４（６４ｍｏｌ％）以上の試料Ｎｏ．３では、１００℃の比誘電率の変化率Δεｒ／εｒ（２０℃）が悪くなる。また、ＰｂＴｉＯ3量ｂは、ａ，ｃが決まれば必然的に決定される。
【００２６】
主成分の組成範囲内において、副成分のＭｇＴｉＯ3が０．０５〜２．３０重量％の範囲では、試料Ｎｏ．１７〜２７の１００℃の比誘電率の変化率Δεｒ／εｒ（２０℃）は５０％より小さく、温度特性は良好である。また、主成分組成範囲内で、副成分のＭｇＴｉＯ3が０．０５重量％より少ない場合（０重量％含む）の試料Ｎｏ．６では、変化率が５０％を超えてしまい、温度特性は悪くなる。また、主成分組成範囲内で、副成分のＭｇＴｉＯ3が２．３重量％より多い試料Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１４では、比誘電率εｒおよび電気機械結合係数Ｋが極端に低くなる。
【００２７】
表１には、９５０℃において、各試料の密度をアルキメデス法にて実際に測定した焼結体密度と、各試料における理論密度の比を示す。上記組成式におけるｄが１．０より多く１．０５より少ない範囲で、かつ主組成が上記の組成範囲にある試料Ｎｏ．１７〜２７は、密度が高く良好な圧電特性が得られる。しかしながら、ｄが１．０以下である試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２では、主成分の組成範囲内でも焼結体密度が低くなるという問題がある。また、ｄが１．０５以上である試料Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１６では、焼結性は改善されるが圧電特性が低くなるという問題が発生する。
【００２８】
したがって、一定以上の比誘電率εｒと電気機械結合係数Ｋを有し、かつ振動速度限界Ｖmaxが０．４５ｍ／ｓ以上となり、かつ１００℃での誘電率の変化率Δεｒ／εｒ（２０℃）が低くなり、焼成性が良いのは権利請求した組成範囲内（試料Ｎｏ．１７〜２７）に限定される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
上述の圧電磁器組成物を応用すれば、小型の圧電トランスが安価に製造可能である。また、新規トランスデューサの製造も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電磁器組成物の主成分組成（ＰｂＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3）を示す三成分組成図。点Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚを頂点とする斜線の部分が本発明の組成範囲を示す（但し、線上は含まない）。
【図１】
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