(57)【要約】      （修正有）【課題】有害物質である鉛を含まず、環境に優しく、優れた圧電特性を持つ圧電材料を提供する。【解決手段】圧電材料は、下記一般式（１）で表される。（１−ｘ）ＢｉＦｅＯ3−ｘＢａＴｉＯ3・・・（１）（但し、０．７０≦ｘ≦０．９０である。）この圧電材料は、（１）圧電定数が大きいこと、（２）電場に対する変位量が線形性を示すこと及び（３）キュリー点が高温であることの圧電材料に求められる主な特性の全てにおいて優れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記一般式（１）で表される圧電材料。
（１−ｘ）ＢｉＦｅＯ3−ｘＢａＴｉＯ3・・・（１）
（但し、０．７０≦ｘ≦０．９０である。）
【請求項２】
請求項１に記載の圧電材料からなる圧電体と、この圧電体上に設けられた一対の電極とを備える圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境に優しく、優れた圧電特性を持つ圧電材料及びこの材料からなる圧電体を有する圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は電気-機械エネルギー変換の圧電アクチュエーターとして、圧電スピーカー,インクジェットプリンタのヘッドなど様々な電子機器に用いられている。現在、これらの圧電材料にはＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）などの鉛系物質が広く用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年環境問題から、ＥＵ連合を中心としたＲｏＨＳ指令（電気・電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限に関する欧州議会及び理事会指令）に代表されるように、有害物質の使用制限を定めた法令の整備が進んでおり、有害物質である鉛を用いない圧電材料の開発が求められている。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、環境に優しく、優れた圧電特性を持つ圧電材料を提供するものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００５】
本発明の圧電材料は、下記一般式（１）で表される。
（１−ｘ）ＢｉＦｅＯ3−ｘＢａＴｉＯ3・・・（１）
（但し、０．７０≦ｘ≦０．９０である。）
【０００６】
本発明の圧電材料は、鉛を含んでおらず、環境に優しい。また、圧電材料に求められる主な特性は、１）圧電定数が大きいこと、（２）電場に対する変位量が線形性を示すこと及び（３）キュリー点が高温であることであるところ、本発明の圧電材料は、これらの特性の全てにおいて優れていることが実験的に確認された。
従って、本発明によれば、環境に優しく、優れた圧電特性を持つ圧電材料が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の圧電材料についてさらに詳細に説明する。
【０００８】
１．圧電材料について
本発明の圧電材料は、下記一般式（１）で表される。
（１−ｘ）ＢｉＦｅＯ3−ｘＢａＴｉＯ3・・・（１）
（但し、０．７０≦ｘ≦０．９０である。）
【０００９】
ｘの値は、具体的には例えば、０．７０，０．７５，０．８０，０．８５，０．９０である。ｘの値は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。この範囲であれば実施例で示したような圧電特性が優れた圧電材料になるからである。
【００１０】
本発明の圧電材料の製造方法は、特に限定されないが、一例では、Ｂｉ2Ｏ3、α−Ｆｅ2Ｏ3、ＢａＴｉＯ3の粉末を所望の化学組成になるように秤量混合し、ペレット化，焼成，粉砕を繰り返すことによって製造することができる。焼成温度は、Ｂｉ2Ｏ3、α−Ｆｅ2Ｏ3、ＢａＴｉＯ3を固相反応させることができる温度であれば特に限定されないが、８００〜１０００℃が好ましい。温度が高すぎる場合は液相が現れて単相とならず、温度が低すぎると固相反応に時間が掛かりすぎる場合があるからである。ペレット化，焼成，粉砕を繰り返すのは、材料全体に渡って組成を均一にし、かつ材料内に空間が残らないようにするためである。組成が不均一であったり、材料内に空間が残っていると電気的特性が均一にならないからである。
【００１１】
２．圧電素子について
本発明の圧電材料を用いると、圧電特性に優れた圧電素子を作製することができる。
圧電素子は、上記の圧電材料からなる圧電体と、この圧電体上に設けられた一対の電極とを備える。一対の電極は、圧電体の対向する二面にそれぞれ設けてもよく、圧電体の一面に互いに離して設けてもよい。どちらの場合でも電極間に電圧を加えることによって圧電体に対して電場を印加することができるからである。圧電体は、好ましくは薄板又は薄膜状である。
圧電体の形成方法は、特に限定されず、例えば、上記の「２．製造方法について」の項で述べた方法で作製したバルク試料を研磨により薄化して形成してもよく、また、このバルク試料をターゲットとして用いて、このターゲットをイオンスパッタすることによって形成してもよい。また、圧電体は、特開２００７−２８７７４５号公報に記載のように前駆体溶液を塗布したものを熱処理することによって形成してもよい。電極は、例えば、金などの金属をスパッタ又は蒸着することによって形成することができる。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
１．試料作製
実験に用いた試料は、原料粉Ｂｉ2Ｏ3、α−Ｆｅ2Ｏ3、ＢａＴｉＯ3を用いて以下に示すように固相反応法により作製した。
まず、原料粉Ｂｉ2Ｏ3、α−Ｆｅ2Ｏ3（６００℃で２０時間前処理を行なったもの）、ＢａＴｉＯ3（純度９９．９％）を化学量論比で秤量・混合を行った。その後、１０ｍｍφのダイスでペレット化し、ペレット化した試料を８５０℃で３０時間焼成した。さらに粉砕・混合後、ペレット化し、８８０℃で３０時間焼成した。最後に同様の手順でペレット化し、組成によって９５０〜１０００℃で７２時間焼成し、続けて７２０℃で４８時間アニールを行うことによりセラミック試料（試料１〜３及び比較試料）を得た。
各試料の一般式（１）におけるｘの値は、表１に示す通りである。試料１〜３は、本発明の実施例であり、比較試料は、本発明の比較例である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
２．圧電特性の測定
以下に示す方法で試料１，試料２，試料３及び比較試料について圧電特性の測定を行った。
【００１６】
試料１，試料２，試料３及び比較試料を厚さ２００μｍ程度まで研磨し、ペレットの上面・下面それぞれに１ｍｍφの電極を金スパッタにより取り付けた。
次に、各試料について、強誘電体特性評価システム（TOYO-6252 Rev.B）を用いて上下の電極間に１０Ｈｚの交流電圧を加え、電圧を変化させながら、GRAPHTECのMICROSCOPE SYSTEMを用いてレーザードップラー法で微小変位を測定した。測定は、室温で行った。
【００１７】
得られた測定結果を図１及び図２に示す。図１は、試料１〜３についての外部からの電場に対する変位量の変化を示すグラフであり、図２は、比較試料についての電場に対する変位量の変化を示すグラフである。また、試料１〜３について求めた圧電定数ｄ33の値を表２に示す。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
表２を参照すると、試料１〜３の圧電定数ｄ33は、８６〜１０７（ｐｍ／Ｖ）であることが分かる。代表的な圧電材料のＰＺＴの圧電定数ｄ33は、ＭＰＢ付近で１００〜２００であるため、本発明の実施例である試料１〜３は、何れも実用に十分な歪み量を有していることが分かった。
【００２０】
また、図１及び図２を比較すると、本発明の実施例であり試料１〜３は、比較例である比較試料に比べて電場に対して線形性の良い歪み量を示すことが分かる。このことから、本発明の圧電材料は、歪み量の電場による制御がしやすく、誘電疲労を起こしにくい圧電材料であることが分かる。
【００２１】
４．比誘電率の測定
以下に示す方法で試料１及び試料３について比誘電率の測定を行った。
試料１，試料３及び比較試料を厚さ６００μｍ程度まで研磨し、ペレットの上面・下面それぞれに８ｍｍφの電極を金スパッタにより取り付けた。
次に、各試料について比誘電率を測定した。比誘電率測定は、ＬＣＲメータ（Agilent, ＨＰ−Ｅ４９８０Ａ）により行い、測定温度は赤外炉を用いて変化させた。測定は、昇温過程で室温から３００℃まで３℃刻みで行い、測定周波数は１ＭＨｚで行った。
測定結果を図３及び図４に示す。図３及び図４は、それぞれ、試料１及び試料３についての比誘電率の温度変化の測定結果を示すグラフである。
図３及び図４を参照すると、試料１及び試料３のキュリー点がそれぞれ１４０℃，１２０℃であることが分かる。
近年注目されているスズ酸チタン酸バリウム系（Ｂａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ3）のキュリー点は室温付近であるので、本発明の圧電材料は、ＢＳＴよりも温度特性で優れ、広い温度範囲で用いることができることが分かる。
【００２２】
５．電気機械結合定数について
電気機械結合係数ｋはｋ2≒ｄ2／ε（ｄ：圧電定数、ε：比誘電率）で表わされる。Ｂａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ3の圧電定数ｄは２７０（ｐｍ／Ｖ）程度であり、比誘電率は本発明の圧電材料で１０００程度、Ｂａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ3で１００００程度（Manling Bao, Weidong Li,et al J. Materials Science 28 6617 (1993)を参照）であるため、ｄ2／εはＢａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ3で７．３程度、本発明の圧電材料で１０程度となる。従って、機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に関しては、Ｂａ（Ｓｎ，Ｔｉ）Ｏ3よりも本発明の圧電材料の方が高いことが分かる。
【００２３】
６．まとめ
以上より、本発明の実施例である試料１〜３は、（１）圧電定数が大きいこと、（２）電場に対して線形性の良い歪み量を示すこと、（３）キュリー点が高いこと、（４）電気機械結合定数が大きいことという優れた特性を有していることが分かった。これによって、本発明の圧電材料が優れた圧電特性を有していることが実験的に明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例である試料１〜３についての電場に対する変位量の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の比較例である比較試料についての電場に対する変位量の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例である試料１についての周波数と比誘電率又は誘電正接との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例である試料３についての周波数と比誘電率又は誘電正接との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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