マテリアル インテグレーション 2011年12月号
特集　非鉛系圧電材料の新展開


巻頭言:「非鉛系圧電セラミックス」を特集して
■著者
早稲田大学名誉教授 一ノ瀬　昇
■要約
時代とともに状況は変わり,多少の特性は犠牲にしてでも安全性を優先するため非鉛系セラミックスの開発が急がれているのである.本誌では,2年前にも非鉛系の特集を行なったが,上記のような背景から再度取り上げることとした.本号ではここ数年のトピックスを専門家に紹介してもらっているが,圧電セラミックス産業の発展に本特集が役立つことを願っている.


欠陥制御による非鉛圧電材料の高機能化
■著者
東京大学先端科学技術研究センター 野口　祐二
■要約
強誘電体において,格子欠陥は諸刃の剣となって,特性に大きく影響する.本稿では,鉛系セラミックスの圧電特性において,格子欠陥やドメイン壁に加えて,粒間弾性歪み整合が重要な役割を演じていることを述べる.非鉛圧電セラミックスにおいて,この粒間弾性歪み整合を効果的に利用できれば,特性の飛躍的な向上が期待できることを示し,現状の問題点と今後の展望について筆者らの所見を示す.


(Na,K)NbO3系固溶体の相転移と圧電特性
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　電子光技術研究部門　酸化物デバイスグループ 王　瑞平
■要約
Piezoelectric properties are closely related to the crystal structure of materials. Thus, to control the phase transition temperatures is very important for developing high performance lead-free piezoelectric ceramics. In the present paper, our recent results on tuning the phase transition temperatures of perovskite potassium sodium niobate-based solid solutions are reviewed. Relations between phase transition temperatures, ionic valence, ionic radius and so on are investigated and discussed.


人工MPBエンジニアリングを用いた新規非鉛系圧電材料の提案
■著者
国立大学法人　山梨大学　医学工学総合研究部 教授 和田　智志

■要約
Barium titanate (BaTiO3, BT) and potassium niobate (KNbO3, KN) (BT/KN) nano-structured ceramics with artificial morphotropic phase boundary (MPB) structure were successfully prepared by solvothermal method at temperatures below 230℃. Various characterizations confirmed that the BT/KN nano-structured ceramics exhibited BT/KN molar ratio of 1, a porosity of around 30% and heteroepitaxial interface between BT and KN. Their apparent piezoelectric constant d33* was estimated at 136 pC/N, and was three times larger value than that of the 0.5BT-0.5KN dense ceramics. The concept proposed in this study can be a new way to create piezoelectric ceramics with artificial MPB region.



菱面体晶-正方晶固溶体BiFeO3-BiCoO3
■著者
東京工業大学応用セラミックス研究所 東　正樹

■要約
非鉛圧電体を設計するにあたり,PZTの特徴を考えると,菱面体晶と正方晶のMPB,ならびに相境界での単斜晶相の存在に行き着く.本稿では,PZTに類似した菱面体晶--正方晶固溶体であるBiFeO3-BiCoO3系の状態図的研究と,薄膜試料を用いた圧電性評価の結果を紹介する.



(Bi, Na)TiO3系無鉛圧電セラミックスの実用化及び課題
■著者
本多電子株式会社 董　敦灼

■要約
一般的な固相反応法を用いて無鉛圧電セラミックス0.82(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.15BaTiO3-0.03(Bi0.5Na0.5)-(Mn1/3Nb2/3)O3(BNT-BT-BNMNと略される)を作製した.X線回折の結果により,全ての組成が単一なペロプスカイト結晶構造になっていることが分かった.この組成の圧電セラミックスが下記ような優れた圧電特性を示している.電気機械結合係数kt=41%,機械品質係数Qm=500,圧電定数d33=110pC/N,誘電率ε33T/ε0=520,誘電損失tanδ=0.66%,キュリー点Tc=260℃,密度ρ=5.5g/cm3.無鉛圧電セラミックスの物理特性がハードPZTより優れたことが分かった.また,ハイパワー特性もハードPZTより優れたことが分かった.円筒状の無鉛圧電セラミックス素子が作製され,ボルト締めランジュバン型振動子(BLTと略される)に使用された.BLTを用いて超音波洗浄機を作製した.同じ入力パワーに対して無鉛圧電セラミックスを用いたBLTの振動速度がハードPZTより高いことが分かった.更に,無鉛圧電セラミックスを用いたBLT から作った超音波洗浄機の洗浄効果が高く,実用に充分であることが分かった.



Ni内部電極積層無鉛圧電セラミックスの研究
■著者
株式会社 村田製作所　技術・事業開発本部 材料開発統括部　材料1部 川田　慎一郎

■要約
Then the reduction resistance of (K,Na)NbO3 system was clarified to be cofired with base metal nickel inner electrodes. As a result, sufficiently high electric resistivity was obtained for the composition of 0.96(K,Na)NbO3-0.04CaZrO3+0.03mol ZrO2+0.05mol MnCO3 (KNN-CZ-2) in reducing firing. The d33 constant was 160pC/N and the Curie temperature was 260℃ for the composition. A multilayer specimen with nickel inner electrodes was fabricated using the KNN-CZ-2 composition, and the piezoelectric multilayer ceramic with nickel inner electrodes was successfully realized. Its normalized electric-field-induced thickness strain (Smax/Emax) was 360pm/V. This value of 360pm/V is about one third of that for the Pb(Zr,Ti)O3-based ceramics used for actuator devices. However, the multilayer ceramic can achieve comparable displacement to that attainable with Pb(Zr,Ti)O3-based multilayer ceramics by stacking more ceramic layers with smaller thicknesses. It is easier to reduce the ceramic-layer thickness and increase the number of ceramic-layers by using nickel electrodes, because nickel electrodes have high electromigration resistance and high cost efficiency. The developed (K,Na)NbO3-based multilayer ceramic is thus considered a good candidate for lead-free piezoelectric actuators.



非鉛積層圧電セラミックスを用いた小型超音波モータの研究
■著者
太陽誘電株式会社　開発研究所 土信田　豊

■要約
We studied the following to clarify the design rule of the miniature cantilever-type ultrasonic motor using lead-free array-type multilayer piezoelectric ceramics, which is (Sr,Ca)2NaNb5O15. The relationship between the motor properties and stator vibrator dimensions was investigated by the finite element method and vibration analysis. The design rule was clarified and the motor properties can be especially controlled from the revolution-speed-oriented type to the torque-oriented type by adjusting the vamplate radius of the cantilever. In accordance with the design rule, the lead-free torque-oriented motor was fabricated and its properties were evaluated. The driving properties of this motor changed to the torque-oriented characteristics, such as the ratio of the maximum torque to the maximum speed was over 1200-fold of that of the motor fabricated in a previous study. It appeared that the driving properties of the lead-free cantilever-type motor can be controlled by using the design rule.



スパッタ法による(K,Na)NbO3鉛フリー圧電薄膜の開発
■著者
日立電線株式会社　技術本部　技術研究所　先端電子材料研究部 末永　和史

■要約
近年,薄膜化が進む圧電材料はインクジェットプリンタ・ヘッドや角速度センサ等へ幅広く用いられている.しかし,現在は鉛を高濃度に含有する材料が主流であるため環境負荷低減の観点から鉛フリー材料の開発が強く求められている.このような中,我々はスパッタ法により高c軸配向かつ低残留応力の(K,Na)NbO3薄膜を4インチウェハサイズで実現し,鉛系圧電薄膜と同等の圧電定数を達成した.また,デバイスへの応用を早期に具体化させるために微細加工技術の開発に着手し,(K,Na)NbO3薄膜とPt電極との加工選択比の向上等,実用化に必要な要素技術について確立の見通しを得た.



非鉛系圧電材料の問題と将来
■著者
東京工業大学大学院理工学研究科 鶴見　敬章

■要約
Lead-free piezoelectric materials have been intensively studied to replace lead zirconate titanate (PZT) ceramics containing toxic lead. This article reviews recent progress in this research field. The roll of lead in piezoelectric materials was first explained as the effect increasing Curie temperature rather than incresing piezoelectricity. It was pointed out that the domain contribution was an important factor to enhance piezoelectricity but it sometimes caused the errors in the evaluation of piezoelectric activity of lead-free materials. Bismuth-based oxides and sodium potassium niobates were picked up as two promising candidates of lead-free materials and some studies on these materials were reviewed. As a conclusion of this article, it was stressed that the PZT should be replaced by the performance of lead-free materials rather than the new regulation prohibiting usage of PZT.



非鉛系圧電材料の応用分野と将来展望
■著者
東京理科大学　理工学部　電気電子情報工学科 教授 竹中　正

■要約
非鉛系圧電セラミックスのもう一つのグループであるビスマス層状構造強誘電体 (BLSF) セラミックスも活発に研究されている.また,単結晶では,従来から,水晶,LiNbO3, LiTaO3が弾性表面波 (SAW) 用基板として,最近では,ランガサイトLa3Ga5SiO14などの圧電単結晶も高温用圧力センサ材料として注目を浴びている.これらのうち,セラミックスの研究開発状況については,すでにいくつかの解説記事を執筆する機会を得た.さらに,単結晶やその他の話題については本特集号で,この分野の近年の研究者らからすでに詳細に述べられている.ここでは,非鉛圧電セラミックスの分野で研究初期の頃から長年研究を続けてきた立場から,非鉛系圧電材料の応用分野と将来展望について述べる..