(57)【要約】【課題】１２００℃以下の温度で焼結させることができ、圧電素子に適用されたとき、その共振周波数の温度特性を向上させることができ、かつ優れた発振特性を与えることができる、圧電磁器組成物を提供する。【解決手段】一般式：｛Ｐｂ１−ｘ−ｙ  （Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝｛（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）ｚ  Ｔｉ１−ｚ  ｝Ｏ３  （ただし、０．０５≦ｘ≦０．１５、−０．０７５≦ｙ≦０．０７５、０≦ａ≦１、０．０２≦ｚ≦０．１０）で表わされる主成分と、Ｍｎの酸化物からなる副成分とを含み、副成分が、主成分１００重量部に対して、ＭｎＯ２  に換算して、０．０５〜２．０重量部含む、圧電磁器組成物。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式：｛Ｐｂ１−ｘ−ｙ  （Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝｛（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）ｚ  Ｔｉ１−ｚ  ｝Ｏ３  （ただし、０．０５≦ｘ≦０．１５、−０．０７５≦ｙ≦０．０７５、０≦ａ≦１、０．０２≦ｚ≦０．１０）で表される主成分と、Ｍｎの酸化物からなる副成分とを含み、前記副成分は、前記主成分１００重量部に対して、ＭｎＯ２  に換算して、０．０５〜２．０重量部含む、圧電磁器組成物。
【請求項２】
圧電磁器焼結体からなる板状の素子本体と、前記素子本体の相対向する両主面上にそれぞれ形成された電極とを備える、圧電素子であって、前記圧電磁器焼結体は、請求項１に記載の圧電磁器組成物を焼結させて得られたものである、圧電素子。
【請求項３】
圧電磁器焼結体からなる積層構造を有する素子本体と、前記素子本体の内部に形成された内部電極とを備える、圧電素子であって、前記圧電磁器焼結体は、請求項１に記載の圧電磁器組成物を焼結させて得られたものである、圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電磁器組成物およびそれを用いて構成された圧電素子に関するもので、特に、内部電極を内部に形成するように積層構造を有する素子本体を備える圧電素子において、素子本体を構成するのに適した圧電磁器組成物、およびそれを用いて構成された圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フィルタや発振子などの共振子を構成する圧電素子において、その素子本体は圧電磁器焼結体から構成されている。圧電磁器焼結体は、たとえばチタン酸鉛系の圧電磁器組成物を焼結させることによって得られる。
【０００３】
この発明にとって興味ある従来の圧電磁器組成物として、一般式：｛Ｐｂ（１−３ｘ／２）−ｙ（Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝ＴｉＯ３  （ただし、０．１５≦ｘ≦０．４０、−０．２０≦ｙ≦０．２０、０≦ａ≦１）で表わされる主成分を含むとともに、主成分１００重量部に対して０．０５〜２．０重量部のＭｎＯ２  を副成分として含む、圧電磁器組成物がある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
この圧電磁器組成物は、８０体積％以上の酸素を含む雰囲気中で焼成される。この圧電磁器組成物によれば、焼成時のＰｂＯの蒸発がほとんどなく、分極処理が容易であるという利点を有している。
【０００５】
また、特許文献１に記載された圧電磁器組成物は、チタン酸鉛系であり、このようなチタン酸鉛系の圧電磁器は、本来、異方性が強い。したがって、特許文献１に記載された圧電磁器組成物を焼結させて得られた圧電磁器焼結体は、これをもって圧電素子が構成されたとき、厚み縦振動モードにおいて、高い電気機械結合係数、かつ高い山谷比を与えることができるとともに、比誘電率が低いというチタン酸鉛系圧電磁器が有する特性も保有している。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５７−４８２８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に記載される圧電磁器組成物に含まれる主成分は、この組成をＡＢＯ３  で表わしたとき、２価となるＡサイトにおいて、ＰｂをＬａやＮｄなどの３価イオンで置換することを行なっているので、厚み縦振動モードでの電気機械結合係数をより大きくすることができるが、ＬａやＮｄがドナーとして振舞うため、焼結しにくくなり、焼結させるための焼成温度が１２００℃より高くなる。
【０００８】
そのため、圧電磁器組成物を焼成する工程において、電極も同時に焼成される状況の場合、たとえば、得ようとする圧電素子の素子本体が圧電磁器焼結体からなる積層構造を有し、素子本体の内部に内部電極が形成される場合、電極において用いられる金属材料の選択の幅が制限される。
【０００９】
また、特許文献１に記載された圧電磁器組成物を用いて、厚み縦振動モードを利用したフィルタや発振子を構成した場合、これらフィルタや発振子に適した周波数の温度特性が必ずしも得られていない。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る、圧電磁器組成物およびそれを用いた圧電素子を提供しようとすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、一般式：ＡＢＯ３  で表わされ、ＡサイトにはＰｂ、ＬａおよびＮｄを含み、かつＢサイトにはＴｉ、ＮｉおよびＮｂを含む、主成分を含むとともに、Ｍｎの酸化物を副成分として添加された、圧電磁器組成物に向けられる。
【００１２】
より詳細には、この発明に係る圧電磁器組成物は、一般式：｛Ｐｂ１−ｘ−ｙ  （Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝｛（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）ｚ  Ｔｉ１−ｚ  ｝Ｏ３  （ただし、０．０５≦ｘ≦０．１５、−０．０７５≦ｙ≦０．０７５、０≦ａ≦１、０．０２≦ｚ≦０．１０）で表わされる主成分と、Ｍｎの酸化物からなる副成分とを含み、副成分は、主成分１００重量部に対して、ＭｎＯ２  に換算して、０．０５〜２．０重量部含むことを特徴としている。
【００１３】
この発明は、また、上述のような圧電磁器組成物を用いて構成された、圧電素子にも向けられる。
【００１４】
この発明に係る圧電素子は、第１の実施態様では、圧電磁器焼結体からなる板状の素子本体と、この素子本体の相対向する両主面上にそれぞれ形成された電極とを備え、圧電磁器焼結体が、上述のような圧電磁器組成物を焼結して得られたものであることを特徴としている。
【００１５】
この発明に係る圧電素子は、第２の実施態様では、圧電磁器焼結体からなる積層構造を有する素子本体と、この素子本体の内部に形成された内部電極とを備え、圧電磁器焼結体が、上述のような圧電磁器組成物を焼結させて得られたものであることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による圧電磁器組成物を用いて構成される圧電素子の一例を示す斜視図である。
【００１７】
図１に示した圧電素子１は、基本波厚み縦振動モードを利用するもので、圧電磁器焼結体からなる板状の素子本体２と、素子本体２の相対向する両主面上にそれぞれ形成された電極３および４とを備えている。
【００１８】
図２は、この発明による圧電磁器組成物を用いて構成される圧電素子の他の例を示す斜視図である。
【００１９】
図２に示した圧電素子１１は、エネルギー閉じ込め型であって、２倍波厚み縦振動モードを利用するものであり、圧電磁器焼結体からなる積層構造を有する素子本体１２と、素子本体１２の内部に形成された内部電極１３とを備えている。また、内部電極１３と対向するように位置合わせされた外部電極１４および１５が、素子本体１２の相対向する両主面上にそれぞれ形成される。
【００２０】
内部電極１３ならびに外部電極１４および１５には、それぞれ、引出電極１６、１７および１８が形成される。また、素子本体１２の各端部には、端子電極１９および２０が形成され、内部電極１３は、引出電極１６を介して、端子電極１９に電気的に接続され、外部電極１４および１５は、それぞれ、引出電極１７および１８を介して、端子電極２０に電気的に接続される。
【００２１】
図２に示した圧電素子１１のように、素子本体１２が積層構造を有する場合において、利用する高調波の次数に応じて、内部電極１３が２層以上設けられることもある。
【００２２】
以上のような圧電素子１および１１において、そこに備える素子本体２および１２が、この発明に係る圧電磁器組成物を焼結させて得られた圧電磁器焼結体から構成される。
【００２３】
この圧電磁器組成物は、一般式：｛Ｐｂ１−ｘ−ｙ  （Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝｛（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）ｚ  Ｔｉ１−ｚ  ｝Ｏ３  で表わされる主成分と、Ｍｎの酸化物からなる副成分とを含んでいる。
【００２４】
上記一般式において、ｘは、０．０５≦ｘ≦０．１５の範囲に選ばれ、ｙは、−０．０７５≦ｙ≦０．０７５の範囲に選ばれ、ｚは、０．０２≦ｚ≦０．１０の範囲に選ばれる。また、副成分は、主成分１００重量部に対して、ＭｎＯ２  に換算して、０．０５〜２．０重量部含むようにされる。
【００２５】
これらのｘ、ｙおよびｚならびに副成分の含有量についての各範囲は、後述する実験例の結果から求められたものである。
【００２６】
なお、上記一般式において、ａは、０≦ａ≦１の範囲に選ばれるが、これは、ＡＢＯ３  におけるＡサイトのＰｂの一部を置換するＬａとＮｄとの割合が任意であることを意味している。
【００２７】
なお、この発明に係る圧電磁器組成物は、不可避不純物として、２００ｐｐｍ程度の微量なＦｅ、Ｃｌ、Ｓｉ、Ａｌ等が混入されていてもよく、このような不可避不純物の混入は、特性的に、この発明の目的を損なうものではない。
【００２８】
次に、この発明に係る圧電磁器組成物の組成範囲を決定するために実施した実験例について説明する。
【００２９】
【実験例】
（仮焼粉末の作製）
出発原料として、酸化鉛、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ネオジウム、酸化ニッケル、酸化ニオブおよび酸化マンガンの各粉末を準備し、表１に示すような組成比率となるようにこれらを調合した。表１において、「ＭｎＯ２  」は、主成分としての｛Ｐｂ１−ｘ−ｙ  （Ｌａａ  Ｎｄ１−ａ  ）ｘ  ｝｛（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３  ）ｚ  Ｔｉ１−ｚ  ｝Ｏ３  の１００重量部に対する重量部で示している。
【００３０】
【表１】
2004161519.tif 000002
【００３１】
表１において、試料番号に＊を付したものは、この発明の範囲外の試料である。
【００３２】
次に、表１に示した各試料に係る調合粉末を、ボールミルにより２４時間湿式混合した後、脱水かつ乾燥し、８００〜１０００℃の範囲の適当な温度で４時間仮焼することによって、各試料に係る仮焼粉末を得た。
【００３３】
（単板構造の圧電素子の作製）
表１に示した各試料に係る仮焼粉末を用いて、図１に示した圧電素子１のような単板構造の圧電素子を作製した。
【００３４】
すなわち、各試料に係る仮焼粉末に、適量のバインダを加えて、ボールミルにより１５時間湿式粉砕した後、脱水することにより、プレス成形用粉末を得た。
【００３５】
次に、プレス成形用粉末を角板状にプレス成形し、この成形体を、表１の「焼成温度」の欄に示した各温度にて３時間酸素雰囲気中において焼成し、圧電磁器焼結体を得た。
【００３６】
次に、得られた圧電磁器焼結体を、厚さ０．２ｍｍになるまで研磨した。この段階で、３点曲げ試験法によって、抗折強度を測定した。
【００３７】
次に、圧電磁器焼結体の両主面上に電極を形成し、次いで、１５０℃の温度に保たれた油中において８ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、分極処理を行なった。さらに、分極処理後において、２４０℃の温度下で１時間枯化処理した。
【００３８】
次に、圧電磁器焼結体を、平面寸法が１２ｍｍ×１２ｍｍであり厚さが０．２ｍｍの大きさの素子本体となるように切り出し、図１に示すような圧電素子を得た。
【００３９】
次に、得られた各試料に係る圧電素子について、インピーダンスアナライザーによって、基本波厚み縦振動モードでの電気的特性を測定した。より具体的には、厚み縦振動の電気機械結合係数（Ｋｔ）、山谷比（ＡＴＴ）、比誘電率（ε）および−４０℃〜１２５℃の温度範囲での共振周波数の温度変化率（ｆｒ−ＴＣ）を測定するとともに、２８５℃に熱したオーブン中に３分間保持し、常温で１時間放置した後の電気機械結合係数（Ｋｔ）を求め、このような熱処理前後のＫｔの変化率（耐熱Ｋ変化率）を求めた。
【００４０】
以上の評価結果が表２に示されている。
【００４１】
【表２】
2004161519.tif 000003
【００４２】
表２において、「抗折強度」が１６０ＭＰａ以上、「Ｋｔ」が４５％以上、「ＡＴＴ」が７０ｄＢ以上、「ε」が５００以下、「ｆｒ−ＴＣ」が±４５ｐｐｍ／℃以内、「耐熱Ｋ変化率」が±４．０％以内にあるものをこの発明の範囲内とした。また、前の表１において、「焼成温度」が１２００℃以下のものをこの発明の範囲内とした。このように、この発明の範囲内にある試料についての表１に示した組成比を参酌すれば、ｘ、ｙおよびｚならびにＭｎＯ２  の含有量についての前述した各範囲を求めることができる。
【００４３】
まず、ｘが、０．０５〜０．１５の範囲に選ばれるのは、ｘが０．０５未満であると、試料６のように、焼結体が得られず、他方、ｘが０．１５を超えると、試料９のように、「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなるためである。
【００４４】
ｙが、−０．０７５〜０．０７５に選ばれるのは、ｙが−０．０７５未満であると、試料１０のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、他方、ｙが０．０７５を超えると、試料１４のように、「抗折強度」が１６０ＭＰａ未満となり、「Ｋｔ」が４５％を下回り、かつ「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなるためである。
【００４５】
ｚが、０．０２〜０．１０の範囲に選ばれるのは、ｚが０．０２未満であると、試料１のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、かつ「ｆｒ−ＴＣ」が−４５ｐｐｍ／℃よりマイナス側に大きくなり、他方、ｚが０．１０を超えると、試料５のように、「Ｋｔ」が４５％を下回り、かつ「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなるためである。
【００４６】
また、ＭｎＯ２  の含有量が、０．０５〜２．０重量部に選ばれるのは、ＭｎＯ２  含有量が０．０５重量部未満であると、試料１７のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、「抗折強度」が１６０ＭＰａを下回り、「Ｋｔ」が４５％を下回り、かつ「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、他方、ＭｎＯ２  含有量が２．０重量部を超えると、試料２１のように、「Ｋｔ」が４５％を下回り、「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、かつ「ｆｒ−ＴＣ」が−４５ｐｐｍ／℃よりマイナス側に大きくなるためである。
【００４７】
（積層構造の圧電素子の作製）
表１に示した各試料に係る仮焼粉末を用いて、図２に示した圧電素子１１のような積層構造の圧電素子を作製した。
【００４８】
すなわち、表１に示した各試料に係る仮焼粉末に、バインダ、分散剤、界面活性剤、消泡剤、水等を加え、スラリーを作製し、ドクターブレード法によりグリーンシートを作製した。
【００４９】
次に、グリーンシート上に、内部電極および外部電極の各々となるべきＡｇ−Ｐｄ合金を含有するペースト膜を印刷により形成し、図２に示した内部電極１３ならびに外部電極１４および１５の配置状態が得られるように、複数のグリーンシートを重ね、面荷重２０ｔでプレスし、角板状の成形体を得た。
【００５０】
次に、この成形体を、表１の「焼成温度」の欄に示した各温度で３時間酸素雰囲気中で焼成し、内部電極および外部電極が形成された厚さ０．４ｍｍの圧電磁器焼結体を得た。
【００５１】
次に、得られた焼結体を鏡面研磨し、内部電極を露出させ、内部電極の残存率を、光学顕微鏡および画像解析装置によって測定した。
【００５２】
また、得られた圧電磁器焼結体に対して、１５０℃に保たれた油中において８ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加することによって、分極処理を行なった。さらに、分極処理後において、２４０℃の温度下で枯化処理した。
【００５３】
次に、このような圧電磁器焼結体から、平面寸法が４ｍｍ×４ｍｍの素子本体を切り出し、図２に示すような圧電素子を得た。
【００５４】
次に、各試料に係る圧電素子について、前述した単板構造の圧電素子の場合と同様の方法により、２倍波厚み縦振動モードでの電気機械結合係数（２ｎｄＫｔ）、山谷比（ＡＴＴ）、共振周波数の温度変化率（ｆｒ−ＴＣ）および熱処理前後の「２ｎｄＫｔ」の変化率（耐熱Ｋ変化率）をそれぞれ求めた。
【００５５】
以上の評価結果が表３に示されている。
【００５６】
【表３】
2004161519.tif 000004
【００５７】
表３において、「２ｎｄＫｔ」が４５％以上、「ＡＴＴ」が７０ｄＢ以上、「ｆｒ−ＴＣ」が±４５ｐｐｍ／℃以内、「耐熱Ｋ変化率」が±４．０％以内、「内部電極残存率」が７０％以上であるものをこの発明の範囲内とした。また、前述した単板構造の圧電素子の場合と同様、前の表１において、「焼成温度」が１２００℃以下のものをこの発明の範囲内とした。このように、この発明の範囲内にある試料についての表１に示した組成比を参酌すれば、ｘ、ｙおよびｚならびにＭｎＯ２  の含有量についての前述した各範囲を求めることができる。
【００５８】
まず、ｘが、０．０５〜０．１５の範囲に選ばれるのは、ｘが０．０５未満であると、試料６のように、焼結体が得られず、他方、ｘが０．１５を超えると、試料９のように、「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなり、かつ「内部電極の残存率」が７０％を下回るためである。
【００５９】
ｙが、−０．０７５〜０．０７５に選ばれるのは、ｙが−０．０７５未満であると、試料１０のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、他方、ｙが０．０７５を超えると、試料１４のように、「２ｎｄＫｔ」が４５％を下回り、  「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、かつ「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなるためである。
【００６０】
ｚが、０．０２〜０．１０の範囲に選ばれるのは、ｚが０．０２未満であると、試料１のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、「ｆｒ−ＴＣ」が−４５ｐｐｍ／℃よりマイナス側に大きくなり、かつ「内部電極残存率」が７０％を下回り、他方、ｚが０．１０を超えると、試料５のように「２ｎｄＫｔ」が４５％を下回り、「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、かつ「耐熱Ｋ変化率」が−４．０％よりマイナス側に大きくなるためである。
【００６１】
また、ＭｎＯ２  の含有量が、０．０５〜２．０重量部に選ばれるのは、ＭｎＯ２  含有量が０．０５重量部未満であると、試料１７のように、「焼成温度」が１２００℃より高くなり、「２ｎｄＫｔ」が４５％を下回り、「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、かつ「内部電極残存率」が７０％を下回り、他方、ＭｎＯ２  含有量が２．０重量部を超えると、試料２１のように、「２ｎｄＫｔ」が４５％を下回り、「ＡＴＴ」が７０ｄＢを下回り、かつ「ｆｒ−ＴＣ」が−４５ｐｐｍ／℃よりマイナス側に大きくなるためである。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る圧電磁器組成物によれば、１２００℃以下の温度でこれを焼結させることができる。また、これを用いて圧電素子を構成したとき、この圧電素子の共振周波数の温度変化率を低く抑えることができ、また、高い電気機械結合係数および高い山谷比を与えることができ、さらに耐熱性に優れたものとすることができる。また、この発明に係る圧電磁器組成物を焼結させて得られた圧電磁器焼結体は、高い機械的強度を与えることができ、また、比誘電率を低くすることができる。
【００６３】
このようなことから、高い耐熱性および高い機械的強度が要求されるフィルタなどの圧電素子に対して、この発明に係る圧電磁器組成物を有利に適用することができる。
【００６４】
また、前述したように、この発明に係る圧電磁器組成物は１２００℃以下の温度で焼結させることができるので、積層構造を有しかつ内部に内部電極を形成している素子本体を備える圧電素子を構成するために有利に用いることができる。そして、このような積層構造を有する素子本体を備える圧電素子に適用されたとき、スプリアスがなく、２倍波厚み縦振動モードでの電気機械結合係数を高めることができ、さらに、前述したように、高い山谷比、共振周波数の温度特性の向上および高い耐熱性を実現することができるので、広帯域フィルタや発振特性に優れた発振子を構成するのに有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による圧電磁器組成物を用いて構成される圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図２】この発明による圧電磁器組成物を用いて構成される圧電素子の他の例のを示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１１  圧電素子
２，１２  素子本体
３，４  電極
１３  内部電極
１４，１５  外部電極
【図１】
2004161519.tif 000005
【図２】
2004161519.tif 000006