ドメイン構造を制御した粒子配向型非鉛圧電セラミックスの研究開発

2005 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17360327
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 竹中 正 東京理科大学, 理工学部, 教授 (70096709)
• 研究分担者: 青柳 倫太郎 名古屋工業大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30385520)
• キーワード: 非鉛圧電セラミックス / 非鉛強誘電体 / ビスマス層状構造強誘電体 / BLSF / 電気機械結合係数k / 機械的品質係数Qm / 共振周波数温度特性 / TCF

研究概要

非鉛圧電材料の一つの候補として、近年、ビスマス層状構造強誘電体(BLSF)が精力的に研究されている。BLSFセラミックスは、従来のPZT系に比べて、種々の特長を有し、これらの特長を十分生かすことができれば、非鉛系圧電セラミックスとして、高温用および高周波用、あるいは、高安定性が要求される分野の圧電材料としての利用が期待される。しかしながら、BLSFの自発分極Psの取り得る向きはその結晶構造から2次元的に制限されているために、多結晶BLSFセラミックスの分極処理による圧電性の付与を効果的にするためには、単結晶のもっている異方性をなるべく損なうことなしに、単結晶の性質を極限まで引き出せるようなセラミックスの作製法としての粒子配向技術が要求されるわけである。
本研究では、典型的なBLSFであるBi_4Ti_3_<12>(BIT)系のTi^<4+>サイトの一部をドナー系添加物であるNb^<5+>およびV^<5+>で置換したもの、高いTcをもつBi_3TiTaO_9(BTT)を主体とした系、ならびに、(Sr,Ca)Bi_4Ti_5O_<18>(SCBT)系などについて、粒子配向型圧電セラミックスを作製し、そのドメイン構造を制御して、圧電的諸特性に及ぼす粒子配向の効果を詳細に述べた。その結果、次のことが解った。
1、Bi_4Ti_3O_<12>(BIT)系/NbおよびV添加は組成式Bi_4Ti_<3-x>Nb_x_<12>[BITN-x]およびBi_4Ti_<3-x>V_xO_<12>[BITV-x]による。抵抗率pは、BIT(x=0)では約10^<10>〜10^<11>Ωcmであるが、ドナーを添加したBITNとBITVでは約10^<13>-10^<14>Ωcmと2〜3桁程度上昇した。それに伴い、高温分極処理が可能となった。さらに配向させることで、ドメイン構造が制御でき、圧電特性は格段に向上した。
2、Bi_3TiTaO_9(BTT)系/BLSFが示す特徴の一つである大きな機械的品質係数Qm(9000〜11000程度)は高いTcと大いに関連があることが示唆されている。BLSFの中で、非常に高いTb(>900℃)をもつBTTは潜在的に大きなQmをもつと期待されることから、Sr_<x-1>Bi_<4-x>Ti_<2-x>Ta_xO_9[SBTT2(x)](1≦x≦2)の組成式について圧電特性が調べられている。本年度は、BTT(x=1)のQmおよび結合係数kを調査した。
3、Sr_2Bi_4Ti_5O_<18>-Ca_2Bi_4Ti_5O_<18>(SCBT)系/レゾネータ応用に対して重要な共振周波数温度係数TC-fは、Caの置換量が増加すると低下し、あるいは、粒子配向することにより小さくできる。粒子配向型BLSF圧電セラミックスは、普通焼成セラミックスと比較して、圧電特性は1.5〜2倍程度向上し、粒子配向に伴い温度特性も改善されることがわかった。

研究成果

• [雑誌論文] High Mechanical and Electrical Quality Factors of Nb and V co-substituted Bi_4Ti_3O_<12> Ceramics (2006)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hiruma, S.Matsuzawa, H.Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Transactions of the Materials Research Society of Japan Vol.31[1] ページ: 69-72
• [雑誌論文] Dielectric Property Controls Using Crystal Structure Anisotropy In Bismuth Layer-Structured Dielectics (2006)
  • 著者名/発表者名: Muneyasu Suzuki, T.Watanabe, T.Yakenaka, H.Funakubo
  • 雑誌名: Mater.Res.Soc.Symp.Proc. Vol.902E ページ: T02-06.1-T02-06.6
• [雑誌論文] Lead-Free Piezoelectric Ceramics Based on (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-(Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3-BaTiO_3 Solid Solution (2006)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hiruma, Y.Makiuchi, Rintaro Aoyagi, Hajime Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Ceramic Transactions(The American Ceramic Society) Vol.174 ページ: 139-146
• [雑誌論文] (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-(Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3-BaTiO_3 -Based Lead-free Piezoelectric Ceramics (2005)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Makiuchi, R.Aoyagi, Y.Hiruma, H.Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of the Applied Physics Vol.44, Part 1, No.6B ページ: 4350-4353
• [雑誌論文] Electric Properties of Sr_<1-x>Bi_<2+x>(Ta_<2-y>Nb_y)O_9 Ceramics (2005)
  • 著者名/発表者名: Rintaro Aoyagi, Shinya Inai, Yuji Hiruma, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Key Engineering Materials Vol.301 ページ: 11-14
• [雑誌論文] Ferroelectric and Piezoelectric Properties of (Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3 Ceramics (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hiruma, R.Aoyagi, Hajime Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of the Applied Physics Vol.44, Part 1, No.7A ページ: 5040-5044
• [雑誌論文] Current status and prospects of lead-free piezoelectric ceramics (2005)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Takenaka, Hajime Nagata
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society Vol.25, Issue 12 ページ: 2693-2700
• [雑誌論文] Piezoelectric Properties of Vanadium-Substituted Strontium Bismuth Niobate (2005)
  • 著者名/発表者名: Rintaro AOYAGI, S.INAI, Y.HIRUMA, T.TAKENAKA
  • 雑誌名: Japanese Journal of the Applied Physics Vol.44, Part 1, No.9B ページ: 7055-7058
• [雑誌論文] Processing and Electrical Properties of KNbO_3 Ferroelectric Dense Ceramics Added with Small Amount of Bi_2O_3 and MnCO_3 (2005)
  • 著者名/発表者名: Takeru Yoshida, R.Aoyagi, H.Nagata, T.Takenaka
  • 雑誌名: Key Engineering Materials Vol.301 ページ: 19-22
• [雑誌論文] Lead-Free Piezoelectric Ceramics Based on (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-(Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3-BaTiO_3 Solid Solution (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hiruma, Y.Makiuchi, R.Aoyagi, Hajime Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Proc.the International Conference on Smart Materials(SmartMat-'04) ページ: 45-48
• [雑誌論文] Lead-Free Piezoelectric Ceramics Based on (Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-(Bi_<1/2>K_<1/2>)TiO_3-BaTiO_3 Solid Solution (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hiruma, R.Aoyagi, H.Nagata, Tadashi Takenaka
  • 雑誌名: Chiang Mai Journal of Science Vol.32, No.3 ページ: 253-260
• [雑誌論文] Piezoelectric Properties of Bismuth Sodium Titanate Ceramics (2005)
  • 著者名/発表者名: Hajime Nagata, Tadashi Takenaka, I.Sakaguchi, H.Haneda
  • 雑誌名: Ceramic Transactions(The American Ceramic Society) Vol.167 ページ: 213-221