強誘電体ドメイン制御セラミックスの開発研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650327
• 研究機関: 静岡理工科大学
• 研究代表者: 小川 敏夫 静岡理工科大学, 理工学部, 教授 (40247573)
• キーワード: Pb[(Zn_<1 / 3>Nb_<2 / 3)_<0.91>Ti_<0.09>O_3単結晶 / 巨大横効果圧電性 / 圧電ユニモルフ / 圧電バイモルフ / 振動モード解析 / 周波数定数 / 結晶異方性 / 単斜相系

研究概要

これまでの研究より、Pb[(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>]O_3(PZNT)単結晶で横振動モードの電気機械結合係数k_<31>が80%以上得られることを見出した(巨大横効果圧電性の発見)。従来使用されているPZT系セラミックスのk_<31>(40%程度)と比べるとPZNT単結晶では倍以上であるので、この巨大k_<31>利用の圧電デバイスとして、圧電ユニモルフ/バイモルフを作製し、その特性を明らかにした。分極処理・熱処理・再分極処理工程により巨大k_<31>が得られたPZNT単結晶板(長さ13.0mm×幅4.0mm×厚さ0.36mm)にシム材(42ニッケル材質;長さ15.0mm×幅4.0mm×厚さ0.1mm)を接着し、圧電ユニモルフを作製した。PZT系セラミックスを使用したユニモルフの屈曲振動の電気機械結合係数k_b=20.7%に対し、この単結晶ではk_b=64.5%と3倍以上の値を得ることができた。次に、このユニモルフにシム材を挟むようにもう一枚素子を接着し、シリーズ型の圧電バイモルフを作製した。この時のk_bは、従来のセラミックスバイモルフのk_b=31.2%に対し、k_b=69.6%と2倍以上の値であった。又、インピーダンスの山谷比(反共振抵抗値÷共振抵抗値)がPZTセラミックスを用いたものに比べ3桁大きく、優れた圧電性能を示すことが明らかとなった。以上のように、PZNT単結晶に於いて分極処理・熱処理・再分極処理を行うことで巨大k_<31>を得るための方法が確立でき、この巨大k_<31>を利用したPZNT単結晶ユニモルフ/バイモルフが、新たな用途開発につながることが明らかとなった。
更に、分極処理済のPZNT単結晶板状サンプルを用いて、周波数範囲〜500kHzでの各種振動モードを詳細に解析した。これら振動モードから得られた周波数定数(バルク波速度の1/2に相当)の違いにより結晶異方性の検討を行った。その結果、巨大k_<31>が得られたサンプルではk_<31>モードで500Hz・m、k_<32>モードで1000Hz・mの2つの周波数定数が存在していた。又、k_tモードでは周波数定数は2000Hz・mであった。以上のことから、巨大k_<31>が得られるPZNT結晶相は異方性をもつ単斜相系を示すことが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] T.Ogawa: "Origin of Piezoelectricity in Single Crystals and Ceramics"Proc.of the 20^<th> International Japan-Korea Seminar on Ceramics. 237-240 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa, Y.Numamoto: "Discovery of Giant Electromechanical Coupling Factor of k_<31> Mode Leads to Origin of High Piezoelectricity in Pb[(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>]O_3 Single Crystals"Proc.of the 11^<th> US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics. 339-342 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa, Y.Numamoto: "Crystal Orientation Dependence and Aging of Giant Electromechanical Coupling Factor of k_<31> Mode and Piezoelectric d_<31> Constant in Pb[(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>]O_3 Single Crystals"Transactions of the MRS of Japan. 28. 129-132 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa, Y.Numamoto: "Ferroelectric Domain Controlled Pb[(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>]O_3 Single Crystal with Giant Electromechanical Coupling Factor of k_<31> Mode and Piezoelectric d_<31> Constant"Ferroelectrics. 286. 9-19 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa: "Domain Behavior by Electric field in Ferroelectric Ceramics and Single Crystals"Advances in Science and Technology. Part D. 607-613 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa: "Ferroelectric Domain Structures in Lead Free Piezoelectric Ceramics Composed of Bi-Layer Structured SrBi_4Ti_4O_<15>"J.the European Ceramic Society. 24. 1517-1520 (2004)