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JP6267673B2 - 強誘電体セラミックスの作製方法 - Google Patents
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本発明は、例えば車載用や航空宇宙用等、過酷な環境下での利用を想定したキャパシタに用いられる強誘電体セラミックス及びその作製方法に関するものである。
従来、この種の強誘電体セラミックスとして、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスにおいて、上記コア材としてBaTiO(チタン酸バリウム)、上記シェル材としてZrO(二酸化ジルコニウム)がそれぞれ用いられ、このBaTiO粉末に少量のZrOを添加して焼成することにより作製されたものが知られている。
すなわち、上記BaTiO粉末に少量の上記ZrOを添加して焼成することによりジルコニウム成分がBaTiOの周囲から拡散し、BaZrTi1−Xで与えられる相がBaTiO粒子の周囲に形成され、図4の如く、BaTiO粒子をコアとし、BaZrTi1−Xをシェルとするコアシェル構造の強誘電体セラミックスが作製されることになる。
ここに、上記強誘電体セラミックスの化学組成は、表面に近づくほど、BaZrTi1−X中の変数が高く(Zr成分濃度が高く)、中心に近づくほど純粋なBaTiOに近くなる状態となる。
一方、上記BaTiO粒子をコアとし、BaZrTi1−Xをシェルとするコアシェル構造のセラミックスにあっては、リラクサ誘電体としても知られ、このようなリラクサ誘電体にあっては、幅広なピークを有した比誘電率温度特性を示すと共に、化学組成(BaZrTi1−X)中の変数の変化に従いピーク位置も連続的に変化する特徴を有し、誘電率温度特性における最高温度はコア材のキュリー温度によって定まることから、約−55℃の低温度からコア材のキュリー温度である約150℃に至る温度範囲において平坦な温度特性が得られることが知られている。
T.R.Armstrong et al.J.Am.Ceram.Soc.72(1989)605
しかしながら、上記BaTiO粉末に少量のZrOを添加して焼成することにより作製された従来の強誘電体セラミックスの場合、図5に示す比誘電率温度特性の如く、温度が150℃以上になると、誘電率の安定性が著しく低下することになり、このような従来の強誘電体セラミックスを車載用や航空宇宙用のキャパシタ材においては、EIA規格X8R特性、すなわち、−55℃から150℃の温度範囲において比誘電率のばらつきが±15%以内の特性以上の高温域特性をもつ強誘電体セラミックスは現在入手可能ではあるが、温度が150℃以上になると誘電率の安定性が著しく低下することになるため、より厳しい要求に応えることができないことがあるという不都合を有している。
本発明はこのような不都合を解決することを目的とするもので、本発明のうち、請求項1記載の発明は、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はKSr Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法にある。
又、請求項2記載の発明は、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はKBa Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法にある。
又、請求項3記載の発明は、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はNaBa Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法にある。
本発明は上述の如く、請求項1記載の発明にあっては、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材をタングステンブロンズ型酸化物としたから、150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、高温域特性が要求される車載用や航空宇宙用のキャパシタ材等に用いることができ、かつ、上記タングステンブロンズ型酸化物はKSr Nb 15 であるから、最大195℃までの広い温度範囲においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、さらに、上記シェル材としてZrO を用いてなるから、コア材をタングステンブロンズ型酸化物とするコアシェル構造の強誘電体セラミックスを低コストで得ることができる。
又、請求項2記載の発明にあっては、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材をタングステンブロンズ型酸化物としたから、150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、高温域特性が要求される車載用や航空宇宙用のキャパシタ材等に用いることができ、かつ、上記タングステンブロンズ型酸化物をKBaNb15とすることにより、KBaNb15のキュリー温度に至る150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、さらに、上記シェル材としてZrO を用いてなるから、コア材をタングステンブロンズ型酸化物とするコアシェル構造の強誘電体セラミックスを低コストで得ることができる。
又、請求項3記載の発明にあっては、コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材をタングステンブロンズ型酸化物としたから、150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、高温域特性が要求される車載用や航空宇宙用のキャパシタ材等に用いることができ、かつ、上記タングステンブロンズ型酸化物をNaBaNb15とすることにより、NaBaNb15のキュリー温度に至る150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスを得ることができ、さらに、上記シェル材としてZrO を用いてなるから、コア材をタングステンブロンズ型酸化物とするコアシェル構造の強誘電体セラミックスを低コストで得ることができる。
本発明の実施の形態例の製造工程図である。 本発明の実施の形態例の説明正断面図である。 本発明の実施の形態例の比誘電率温度特性図である。 従来品の実施の形態例の説明正断面図である。 従来品の実施の形態例の比誘電率温度特性図である。
図1乃至図3は本発明の実施の形態例を示し、コア材Sに少量のシェル材Mを添加して焼成することによりコアシェル構造の強誘電体セラミックスGが作製され、コア材Sとしてタングステンブロンズ型酸化物を用いている。
この場合、上記タングステンブロンズ型酸化物としてKSrNb15が用いられ、上記シェル材MとしてZrOが用いられている。
この場合、強誘電体セラミックスGの作製に際し、図1の如く、先ず、タングステンブロンズ型酸化物の原料として、高純度の酸化物KCO、SrCO、Nb15を化学量論比で秤量し、これら原料を遊星ボールミルを用いて24時間混合し、1,150℃で8時間かけて仮焼して、コア材Sとしてのタングステンブロンズ型酸化物を作製することになる。
そして、この作製されたタングステンブロンズ型酸化物の仮焼粉末がKSrNb15単相であることをX線回折法で確認することになる。
次いで、上記コア材Sとしてのタングステンブロンズ型酸化物の仮焼粉末に上記シェル材MとしてのZrO(二酸化ジルコニウム)を添加することになり、この場合、ジルコニウムテトラプロポキシド、その他のジルコニウム化合物を例えばエタノールやプロピルアルコール等の溶剤に溶解し、その溶解液中にタングステンブロンズ型酸化物としてのKSrNb15の仮焼粉末を投入し、例えば、遊星ボールミルを用いて十分に攪拌処理し、これによりタングステンブロンズ型酸化物としてのKSrNb15粉末の表面にシェル材MとしてのZrO(二酸化ジルコニウム)層を形成し、このタングステンブロンズ型酸化物の表面にシェル材Mが形成された粉末を圧力196MPa程度で加圧してペレットを作り、このペレットを焼成温度としての炉内温度1250℃〜1300℃の加熱炉内に投入し、加熱炉内の酸素雰囲気中で4時間かけて焼成し、これによりZrOからイオン交換が起こり、図2に示す如く、上記タングステンブロンズ型酸化物をコアとし、K1−XSr2+XNb5−XZr15をシェルとするコアシェル構造の強誘電体セラミックスGが作製されることになる。
尚、上記作製工程中のジルコニウムテトラプロポキシド、その他のジルコニウム化合物を溶剤に溶解する工程に代えて、タングステンブロンズ型酸化物の仮焼粉末に上記シェル材MとしてのZrOを溶剤で溶解せずにそのまま投入することもあり、又、遊星ボールミルを用いて攪拌処理することにより上記焼成温度よりも低い温度条件で十分緻密なセラミックスGを得ることができるため、低い焼成温度で焼成することもある。
この実施の形態例にあっては、コア材Sにシェル材Mを添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスGであって、上記コア材Sをタングステンブロンズ型酸化物としたから、タングステンブロンズ型酸化物からなるコア材Sの中心部から表面部に向かうほどシェル材Mの成分濃度が高くなるコアシェル構造のセラミックスGが作製され、150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることができ、高温域特性が要求される車載用や航空宇宙用のキャパシタ材等に用いることができる。
この場合、上記タングステンブロンズ型酸化物はKSrNb15であるから、最大195℃までの広い温度範囲においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることができる。
又、この場合、上記シェル材MがZrOであるから、シェル材Mがイオンの拡散によりコア材Sに固溶することで、リラクサ性を有し、コア材Sをタングステンブロンズ型酸化物とするコアシェル構造の強誘電体セラミックスGを低コストで得ることができる。
すなわち、図3に示す横軸を温度(℃)、縦軸を比誘電率とし、周波数10kHzの条件でのKSrNb15が示す比誘電率温度特性図の如く、比誘電率は最大で1,500程度を示し、氷点下において、温度の上昇と共に比誘電率は上昇し、約−55℃において比誘電率は1,500−15%程度に達し、約0℃において比誘電率は約1,500となり、温度150℃程度までは比誘電率の値は安定して変化せず、温度150℃を超えた頃から比誘電率は低下傾向を見せ、温度約195℃を以て比誘電率は1,500−15%を下回った。
この図3の比誘電率温度特性図により150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることが確認された。
この場合、他の実施の形態例として、上記実施の形態例における上記タングステンブロンズ型酸化物としての上記KSrNb15に代えて、KBaNb15を用いたり、あるいは、NaBaNb15を用いたり、あるいは、NaSr2−XCaNb15を用いたりすることもある。
これら三つの他の実施の形態例において、上記タングステンブロンズ型酸化物をKBaNb15とすることにより、KBaNb15のキュリー温度に至る150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることができ、又、上記タングステンブロンズ型酸化物をNaBaNb15とすることにより、NaBaNb15のキュリー温度に至る150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることができ、又、上記タングステンブロンズ型酸化物をNaSr2−XCaNb15とすることにより、NaSr2−XCaNb15のキュリー温度に至る150℃以上の温度条件下においても、比誘電率のばらつきが±15%以内に維持可能な安定した高温域特性をもつ強誘電体セラミックスGを得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態例に限られるものではなく、コア材S及びシェル材Mの内容により作製条件は適宜変更して設計されるものである。
以上の如く、所期の目的を充分達成することができる。
S コア材
G セラミックス
M シェル材

Claims (3)

  1. コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はKSr Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法
  2. コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はKBa Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法
  3. コア材にシェル材を添加し焼成してなるコアシェル構造のセラミックスの作製方法であって、上記コア材はタングステンブロンズ型酸化物であり、該タングステンブロンズ型酸化物はNaBa Nb 15 であり、上記シェル材はZrO であることを特徴とする強誘電体セラミックスの作製方法
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