(57)【要約】【課題】高振動速度、大振幅での駆動が可能で、かつ高い比誘電率及び電気機械結合係数を有し、さらに温度安定性が高く、低温焼結可能な圧電磁器材料とその製造方法を提供すること。【解決手段】（ＰｂｘＥｙ）［（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＴｉｂＺｒｃ］Ｏ３なる組成式で表され、ＥがＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくとも１種で、ｘ＋ｙが０．９５≦ｘ＋ｙ≦１．０５の範囲で、ｙが０≦ｙ≦０．２０の範囲で、ａ、ｂ、ｃが合計１で、かつ、０．０１≦ａ≦０．１５、０．３５≦ｂ≦０．５７、０．３５≦ｃ≦０．５７ｂなる主成分に、５重量％以下のＦｅ２Ｏ３と、５０ないし３５００ｐｐｍのＡｇが添加し、焼結に供する原料粉末の平均粒径を０．５μｍ以下とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温下で圧電振動子を共振駆動させている状態で、圧電振動子の振動節点における温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界とすると、長さが４３ｍｍ、幅が７ｍｍ、厚さが１ｍｍの形状で、長さが４３ｍｍ、幅が７ｍｍで、厚さ方向に対向する面に電極を有する矩形板試料における振動速度限界が、０．５０ｍ／ｓ以上であり、縦振動モードにおける電気機械結合係数；Ｋ３３が０．５０以上、比誘電率；εｒが５００以上、２０℃を基準としたときの１００℃における比誘電率の変化率が４０％以下であり、かつ１０００℃以下で焼成できることを特徴とする圧電磁器材料。
【請求項２】
（ＰｂｘＥｙ）［（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＴｉｂＺｒｃ］Ｏ３なる組成式で表され、Ｅが、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくとも１種、ｘ＋ｙが、０．９５≦ｘ＋ｙ≦１．０５の範囲、ｙが、０≦ｙ≦０．２０の範囲、ａ、ｂ、ｃが、ａ＋ｂ＋ｃ＝１で、かつ三角座標において、
（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４２、ｃ＝０．５７）
（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５４、ｃ＝０．４５）
（ａ＝０．０５、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３８）
（ａ＝０．１５、ｂ＝０．５０、ｃ＝０．３５）
（ａ＝０．１５、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５０）
（ａ＝０．０８、ｂ＝０．３６、ｃ＝０．５６）
なる６点で囲まれる範囲にある主成分１００重量％に対し、５重量％以下のＦｅ２Ｏ３と、５０ないし３５００ｐｐｍのＡｇが添加されてなることを特徴とする、請求項１に記載の圧電磁器材料。
【請求項３】
平均粒径が０．５μｍ以下の原料粉末を、所要の形状に加圧成形、焼結することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧電磁器材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種圧電デバイスに用いられる圧電磁器材料に関わり、特に圧電トランスに適した圧電磁器材料と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電磁器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、大きな昇圧比が得られること、低背化に適していることから、液晶ディスプレイバックライト用インバータなどに広く用いられている。
【０００３】
そして、液晶ディスプレイの大型化およびインバータの小型化に伴い、圧電トランスに用いられる圧電磁器材料に対しては、その機械的出力のさらなる増大が要求されている。また、圧電磁器材料の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求められている。これらの圧電磁器材料は、動作振動振幅また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からである。
【０００４】
今、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的振動速度；Ｖとすると、Ｖは次式（１）で表される（文献：広瀬清二、信学技報  ＵＳ９２−３  圧電振動子のハイパワー特性の自動測定）。
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、従来技術では、実用的に支障なく使用できる、振動節点における温度上昇が発熱により２０℃に達したときの振動速度、即ち、振動速度限界（以下、Ｖｍａｘと記す）が、０．２ｍ／ｓ程度に留まっていた。
【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と式（２）の関係にある。
Ｐｏｕｔ∝εｒ・Ｋ２・Ｖ２・・・・・（２）
【０００７】
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、併せてεｒやＫの値が大きいことが必要となる。従って、Ｖｍａｘのみが高くとも、εｒ、Ｋの低い材料は、高出力を達成することが困難であると言える。
【０００８】
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ことが特性劣化を引き起こす要因となっている。素子の容量に関与する材料の比誘電率は、特性項目の中でも温度変化の大きいものの一つで、この値が発熱とともに変動すると、室温において最適化した素子特性が劣化してしまう問題が起こる。
【０００９】
従って、材料特性値、特に比誘電率の温度特性は、素子特性の安定性に大きく関与しており、素子特性に影響を及ぼす重要な因子の一つである。さらに、積層圧電トランスのように、セラミックスと内部電極を一体焼成する素子においては、セラミックスの焼結温度を低下させることが、コストダウンヘのポイントとなる。
【００１０】
即ち、通常、圧電トランスにおいては、内部電極に銀／パラジウムからなる電極が用いられるが、焼結温度が低下できれば、高価なパラジウムの比率を減らすことができる。さらに、焼結温度低下は省エネルギー、及び圧電磁器材料に用いられているＰｂの揮発量低減にも寄与する。しかし、従来の焼結温度は、１１００℃程度であったため、銀／パラジウム比率は、７０／３０のレベルに留まっていた。
【００１１】
これに対し、焼結温度を低下するための技術が種々検討されていて、下記の特許文献１、特許文献２が開示さている。しかしながら、これらの技術によっても、十分な高速振動速度などを有し、かつ焼結温度が低い圧電磁器材料を得るのは困難であった。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２２６２６６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５５６４４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の技術的な課題は、高振動速度あるいは大振幅でも駆動可能であり、かつ高い比誘電率及び電気機械結合係数を有し、さらに温度安定性が高く、低温焼結が可能な圧電磁器材料とその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電磁器材料の組成と製造工程を検討し、高振動速度でも駆動可能な圧電磁器材料の組成範囲を見いだした結果、なされたものである。
【００１５】
即ち、本発明は、常温下で圧電振動子を共振駆動させている状態で、圧電振動子の振動節点における温度上昇が２０℃に達するときの振動速度を振動速度限界とすると、長さが４３ｍｍ、幅が７ｍｍ、厚さが１ｍｍの形状で、長さが４３ｍｍ、幅が７ｍｍで、厚さ方向に対向する面に電極を有する矩形板試料における振動速度限界が、０．５０ｍ／ｓ以上であり、縦振動モードにおける電気機械結合係数；Ｋ３３が０．５０以上、比誘電率；εｒが５００以上、２０℃を基準としたときの１００℃における比誘電率の変化率が４０％以下であり、かつ１０００℃以下で焼成できることを特徴とする圧電磁器材料である。
【００１６】
また、本発明は、（ＰｂｘＥｙ）［（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＴｉｂＺｒｃ］Ｏ３なる組成式で表され、Ｅが、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくとも１種、ｘ＋ｙが、０．９５≦ｘ＋ｙ≦１．０５の範囲、ｙが、０≦ｙ≦０．２０の範囲、ａ、ｂ、ｃが、ａ＋ｂ＋ｃ＝１で、かつ三角座標において、
（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４２、ｃ＝０．５７）
（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５４、ｃ＝０．４５）
（ａ＝０．０５、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３８）
（ａ＝０．１５、ｂ＝０．５０、ｃ＝０．３５）
（ａ＝０．１５、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５０）
（ａ＝０．０８、ｂ＝０．３６、ｃ＝０．５６）
なる６点で囲まれる範囲にある主成分１００重量％に対し、５重量％以下のＦｅ２Ｏ３と、５０ないし３５００ｐｐｍのＡｇが添加されてなることを特徴とする、前記の圧電磁器材料である。
【００１７】
また、本発明は、平均粒径が０．５μｍ以下の原料粉末を、所要の形状に加圧成形、焼結することを特徴とする、前記の圧電磁器材料の製造方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、具体的な例に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
本発明の材料を得る出発原料として、ＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＣＯ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＣａＣ２Ｏ４、Ｈ２Ｏ、ＳｒＣＯ３、ＢａＣＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｇの各粉末を用いた。表１に、評価に供した本発明の圧電磁器材料と、比較例として調製した圧電磁器材料の組成をまとめて示した。表１において、試料番号１、６、１２、１５、１６、２０、２１、２４、２５、２８、２９、３２、３７、４０、４１は比較例である。
【００２０】
【表１】
2004231444.tif 000002
【００２１】
また、図１は、本発明の圧電磁器材料における（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＴｉｂＺｒｃの組成範囲を示す三角座標である。ここでは、便宜上、次のように各座標点に記号を付与した。
Ｉ：（ａ＝０．０１、ｂ＝０．４２、ｃ＝０．５７）
Ｊ：（ａ＝０．０１、ｂ＝０．５４、ｃ＝０．４５）
Ｋ：（ａ＝０．０５、ｂ＝０．５７、ｃ＝０．３８）
Ｌ：（ａ＝０．１５、ｂ＝０．５０、ｃ＝０．３５）
Ｍ：（ａ＝０．１５、ｂ＝０．３５、ｃ＝０．５０）
Ｎ：（ａ＝０．０８、ｂ＝０．３６、ｃ＝０．５６）
【００２２】
次に、特性評価用試料の調製方法について説明する。まず、Ａｇを除く各原料粉末を所定量秤量し、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。仮焼粉にＡｇを添加して粉砕し原料粉末を得た。この原料粉末に、バインダーを混合し、成形、脱バインダーを施して、大気中にて焼結を行った。
【００２３】
得られた焼結体を切断加工し、Ｖｍａｘ評価用として、長さ４３ｍｍ、幅７ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形板、縦振動モードにおける電気機械結合係数Ｋ３３の評価用としては、長さ３ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１２ｍｍの矩形板を調製した。これらの試料の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。
【００２４】
分極処理後、２４時間室温放置し、特性評価を行った。Ｖｍａｘ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した。また、焼結性の判断には、焼結体密度を測定し、７．８ｇ／ｃｍ３以上であれば、十分焼結したレベルと評価した。そして、焼結体密度が７．８ｇ／ｃｍ３に達するのに必要な最低温度を焼結温度とした。
【００２５】
振動速度は、前記従来の技術の式（１）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として、Ｖｍａｘ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、即ち、室温と振動子の温度との差ΔＴが、２０℃になる振動速度をＶｍａｘとした。
【００２６】
また、その他の評価項目は、比誘電率；εｒ、２０℃を基準としたときの１００℃における比誘電率の変化率；Δεｒ、出力係数；Ｐｃである。表１に示した各組成の圧電磁器材料について、これらの評価結果を表２にまとめて示した。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
次に、表２示した結果に基づいて、本発明において、原料組成などを限定した理由を説明する。
【００２９】
ａが１モル％未満の場合、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、Ｖｍａｘが低い。１５ｍｏｌ％を越えると、比誘電率および電気機械結合係数が低下するため好ましくない。また、Ｊ、Ｋ、Ｌを結ぶ線より、Ｚｒ量、つまりｃが少なく、Ｔｉ量、つまりｂが多い方の領域、即ち図１の左側では、電気機械結合係数が低下するため適さない。
【００３０】
一方、Ｍ、Ｎ、Ｉを結ぶ線より、Ｚｒ量、つまりｃが多く、Ｔｉ量、つまりｂが少ないほうの領域、即ち図１の右側では、比誘電率および電気機械結合係数が低下するため、適さない。
【００３１】
Ｅ、即ち、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる１種以上の元素の添加は、焼結温度を低下させ、また比誘電率、電気機械結合係数を向上させ、比誘電率の温度安定性を向上させる効果を有するが、その量ｙは、０．２０を超えると電気機械結合係数が低下し、好ましくない。
【００３２】
さらに、ＰｂとＥの合計量である、ｘ＋ｙが１．０５以下では、比誘電率の温度安定性が向上し、電気機械結合係数の向上も確認されたが、０．９５未満になると電気機械結合係数が劣化する。また、１以上では焼成温度が低下したが、１．０５を超えると、やはり特性が著しく劣化するので適さない。
【００３３】
Ｆｅ２Ｏ３添加は、焼成温度を低下させ、電気機械結合係数を向上し、比誘電率の温度安定性を向上させる効果が認められたが、５．０重量％を超えると特性劣化が見られるので、５．０重量％を超える範囲の添加は、本発明に適さない。
【００３４】
また、Ａｇは５０ｐｐｍ以上の添加で焼結温度の低下に効果があるが、３５００ｐｐｍを超えると比誘電率が低下し、かつ比誘電率の温度特性が劣化するため、本発明に適さない。また、焼結に使用する圧電材料粉末の平均粒径が０．５μｍを超えると、焼結性が低下するので、本発明には適さない。
【００３５】
従って、Ｖｍａｘ≧０．５０ｍ／ｓ、比誘電率；εｒが５００以上、縦振動モードにおける電気機械結合係数；Ｋ３３が０．５０以上、２０℃を基準としたときの１００℃における比誘電率の変化率；Δεｒが４０％以下であり、かつ１０００℃以下で焼成できるのは、前記の組成範囲内に限定される。
【００３６】
さらにここで、圧電トランスの出力値の大小を判断できる、出力係数なるパラメータを算出してみる。出力係数；Ｐｃは、式（３）で定義される値である。
Ｐｃ＝εｒ・（Ｋ３３）２・（Ｖｍａｘ）２・・・・・（３）
【００３７】
式（３）により算出される出力係数；Ｐｃについても、表２に示してあるが、これより、前記の組成範囲内であれば、Ｐｃが５０以上となり、より高出力の圧電トランスを実現できると予想される。一方、前記の組成範囲外では、Ｐｃ＜５０であるので、たとえＶｍａｘが高くとも、高出カトランスは実現できない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による圧電磁器材料は、高い振動速度、比誘電率、電気機械結合係数、温度安定性を有するので、圧電トランスの出力特性向上および信頼性向上が可能となり、かつ焼結温度の低下が可能でコストダウンに寄与するため、工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電磁器材料における（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）ａＴｉｂＺｒｃの組成範囲を示す三角座標。
【図１】
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