JPH02137761A - Piezoelectric material - Google Patents
Piezoelectric materialInfo
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- JPH02137761A JPH02137761A JP63293025A JP29302588A JPH02137761A JP H02137761 A JPH02137761 A JP H02137761A JP 63293025 A JP63293025 A JP 63293025A JP 29302588 A JP29302588 A JP 29302588A JP H02137761 A JPH02137761 A JP H02137761A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は、機械的品質係数、機械的強度がともに大き
く、共振変位を利用した圧電アクチュエータ、超音波モ
ータ、超音波振動子などの材料として好適な圧電材料に
関するものである。[Detailed Description of the Invention] (Field of Industrial Application) This invention has a high mechanical quality factor and mechanical strength, and can be used as a material for piezoelectric actuators, ultrasonic motors, ultrasonic vibrators, etc. that utilize resonance displacement. Concerning suitable piezoelectric materials.
(従来の技1ネi)
圧電材料としてはジルコン酸チタン酸鉛、I’b(Zr
Ti)Ot磁器組成物がよく知られている。この化合物
は、鉛を含むため焼成の際にそれが蒸発するなど、製造
上の困難があるが、圧電性が大きいこと、使用可能温度
が高いこと、更には第3成分を置換あるいは添加するこ
とにより変性に冨んだ磁器が得られること等の利点を有
する。特にZr、Ti の−部をMgとNbに置換した
PbTi0l−PbZrOz Pb(門g1/。(Conventional technique 1) Piezoelectric materials include lead zirconate titanate, I'b (Zr
Ti)Ot porcelain compositions are well known. This compound is difficult to manufacture because it evaporates during firing because it contains lead, but it has great piezoelectricity, can be used at a high temperature, and can be replaced or added with a third component. This method has the advantage of producing porcelain that is highly denatured. In particular, PbTi0l-PbZrOz Pb (group g1/) in which - parts of Zr and Ti are replaced with Mg and Nb.
Nbzzs)03の3成分系圧電磁器は、鉛の蒸発が少
なく焼成しやすいこと、主成分に各種の添加物を加える
ことにより種々の圧電特性を持たせることが可能である
ことなどから、圧電ブザー、周波数フィルター、圧電着
火素子、超音波振動子などの材料として使用されてきた
。Nbzzs) 03's three-component piezoelectric ceramic is used in piezoelectric buzzers because it is easy to fire with little lead evaporation, and it is possible to give various piezoelectric properties by adding various additives to the main component. It has been used as a material for frequency filters, piezoelectric ignition elements, ultrasonic vibrators, etc.
近年、メカトロニクスの発展とともに、応答性がよく、
精密な制御■が可能な変位素子の必要性が高まり、これ
に圧電歪を利用した変位駆動用素子を用いることが試み
られている。例えば、超音波モータがその一例として挙
げられる。超音波モータは、ロボットのアームの駆動用
、オートフォーカスカメラのレンズ駆動用等に、従来の
電磁モータに代わるものとして注目されている。この超
音波モータは、圧電磁器の振動を回転の駆動力とするも
のであるが、より優れたモータ特性を得るには、圧TL
磁器の振動の振幅が大きいことが必要である。また、こ
のように大きい振動を得るためには機械的品質係数およ
び圧電定数が大きいことも要求される。更に、超音波モ
ータにおいては、圧電磁器が弾性体(通常は金属材料)
に接着された状態で振動するから、磁器の振動が弾性体
で拘束され、磁器に応力がかかる。従って、超音波モー
タ用の圧電磁器にはこの応力に耐えうる機械的強度も必
要である。In recent years, with the development of mechatronics, responsiveness has improved,
The need for displacement elements that can be precisely controlled has increased, and attempts have been made to use displacement driving elements that utilize piezoelectric strain. For example, an ultrasonic motor is one example. Ultrasonic motors are attracting attention as an alternative to conventional electromagnetic motors for driving robot arms, autofocus camera lenses, and the like. This ultrasonic motor uses the vibration of a piezoelectric ceramic as the driving force for rotation, but in order to obtain better motor characteristics, it is necessary to use a pressure TL.
It is necessary that the amplitude of the vibration of the porcelain is large. In addition, in order to obtain such large vibrations, a large mechanical quality factor and piezoelectric constant are also required. Furthermore, in ultrasonic motors, the piezoelectric ceramic is an elastic body (usually a metal material).
Since the porcelain vibrates while being bonded to the porcelain, the vibrations of the porcelain are restrained by the elastic material and stress is applied to the porcelain. Therefore, piezoelectric ceramics for ultrasonic motors must also have mechanical strength that can withstand this stress.
以上、主に超音波モータ用の圧電磁器を例にして説明し
たが、同じような特性が要求される圧電磁器の用途は数
多い。しかしながら、従来の材料の中、例えば、特公昭
42−11622号公報)によって知られているPb(
Mg+zzNbzzx)Os PbTi0z Pb
Zr0zにMn−を添加したものは、機械的品質係数は
大きいが、圧電定数および機械的強度が極めて小さい。The above explanation has mainly been given using piezoelectric ceramics for ultrasonic motors as an example, but there are many uses for piezoelectric ceramics that require similar characteristics. However, among the conventional materials, for example, Pb (Japanese Patent Publication No. 42-11622)
Mg+zzNbzzx)Os PbTi0z Pb
Zr0z with Mn- added has a large mechanical quality factor, but extremely low piezoelectric constant and mechanical strength.
また、上記3成分基本組成にZrO2を添加したものが
特開昭57−154882号公報によって知られている
が、これも圧電定数、機械的品質係数が充分に大きいも
のではない。Further, a product in which ZrO2 is added to the above three-component basic composition is known from JP-A-57-154882, but this also does not have a sufficiently large piezoelectric constant and mechanical quality factor.
(発明が解決すべき課題)
前述のとおり、これまでに知られている圧電材料は、機
械的品質係数、圧電定数、機械的強度の中いずれかが不
十分で、例えば、超音波モータ用として使用したとき大
きな振動が得られず、モータ特性の向上が期待できなか
ったり、或いは強度不足のために割れやすいといった問
題点を残している。(Problems to be Solved by the Invention) As mentioned above, the piezoelectric materials known so far have insufficient mechanical quality factor, piezoelectric constant, or mechanical strength, and are not suitable for use in ultrasonic motors, for example. Problems remain, such as not being able to produce large vibrations when used, making it impossible to expect improvements in motor characteristics, or being susceptible to breakage due to insufficient strength.
本発明の目的は、超音波モータなどに使用して、大きな
振動が得られ、しかも割れなどの発生のない圧電材料、
即ち、機械的品質係数、圧電定数、および機械的強度の
すべてが一定の水準以上である圧電材料を提供すること
にある。The object of the present invention is to provide a piezoelectric material that can be used in ultrasonic motors, etc., to obtain large vibrations, and that does not cause cracks or the like.
That is, the object is to provide a piezoelectric material whose mechanical quality factor, piezoelectric constant, and mechanical strength are all above a certain level.
(課題を解決するための手段) 本発明の要旨は、下記の圧電材料にある。(Means for solving problems) The gist of the present invention lies in the following piezoelectric material.
’ a Pb(Mg+7Jbtzs)Ox b Pb
(Co+zJbxzz)Osc PbTiO3−d P
bZrO3で表され、上記のa、bS c。'a Pb(Mg+7Jbtzs)Ox b Pb
(Co+zJbxzz)Osc PbTiO3-d P
bRepresented by ZrO3, a, bSc above.
およびdが下記(1)〜(3)の弐を満足し、Pb原子
の10原子%以下がS「、Ca、、Baの中の1種以上
で置換されている磁器組成物100モル%に対してMn
O2とZr01がそれぞれ0.1〜5モル%添加されて
いる圧電材料1
10 ≦a+b≦55・ ・ ・ ・ ・■30
≦c≦ 50 ・ ・ ・ ・ ・■2.5≦d≦
60 ・ ・ ・ ・ ・(3)ただし、aSb
、c、dはモル%で、a+b+c+d=100である。and d satisfies the following (1) to (3) 2, and 10 atomic % or less of Pb atoms are substituted with one or more of S, Ca, Ba, and 100 mol% of the ceramic composition. Against Mn
Piezoelectric material 1 containing 0.1 to 5 mol% of each of O2 and Zr01 10 ≦a+b≦55・・・・・・■30
≦c≦ 50 ・ ・ ・ ・ ・■2.5≦d≦
60 ・ ・ ・ ・ ・(3) However, aSb
, c, and d are mol%, and a+b+c+d=100.
また、aまたはbはOであってもよい、即ち、本発明の
圧電材料の基本となるのは、
Pb(Mg+7Jbtzs)Oz−PbTi0z−Pb
ZrOs、もしくはPb(Co+z+Nbzz*)Ox
PbTi0z PbZrOs の三元系、また
はPb(Mg+7Jbtzs)Os Pb(CQ+z
sNbz73)O+ PbTies d PbZr
Osの四元系のいずれかである。Further, a or b may be O, that is, the basis of the piezoelectric material of the present invention is Pb(Mg+7Jbtzs)Oz-PbTi0z-Pb
ZrOs or Pb(Co+z+Nbzz*)Ox
Ternary system of PbTi0z PbZrOs, or Pb(Mg+7Jbtzs)Os Pb(CQ+z
sNbz73) O+ PbTies d PbZr
It is any of the quaternary systems of Os.
(作用)
本発明の圧電材料は、上記の三元系または四元系の基本
組成を構成する酸化物の比率、即ち、前記のa、b、c
、dの数値を適正に選んだ上、Pb原子の一部を5rS
CaSBaの1種以上で置換し、更にMnO□およびZ
r0zを添加したことを特徴とする。(Function) The piezoelectric material of the present invention has a ratio of oxides constituting the basic composition of the above ternary system or quaternary system, that is, the above a, b, c.
, after selecting the value of d appropriately, some of the Pb atoms are 5rS
Substitution with one or more types of CaSBa, and further MnO□ and Z
It is characterized by the addition of r0z.
基本組成の酸化物の比率を上記のように定めたのは、こ
の範囲外では圧電定数が小さくなるためである。The reason why the ratio of oxides in the basic composition is determined as above is because the piezoelectric constant becomes small outside this range.
基本となる三元系または四元系の酸化物のPbの10原
子%以下を、Sr、 CaおよびBaの1種以上で置換
するのは、圧電定数を大きくするためである。The reason why 10 atomic % or less of Pb in the basic ternary or quaternary oxide is replaced with one or more of Sr, Ca, and Ba is to increase the piezoelectric constant.
しかし、この置換量がPbの10原子%を超えると圧電
定数が小さくなる。However, if this amount of substitution exceeds 10 atomic % of Pb, the piezoelectric constant becomes small.
なお、Pbの10原子%以下を置換するというのは、全
く置換しないという場合もあるという意味である。Note that substituting 10 atomic % or less of Pb means that there are cases where no substitution is made at all.
また、Pb(門g+zJbz/コ)0.のMgの全部ま
たは一部のhgをCoで置き換えたもの、即ち、Pb(
CoBJbtz3)On PbTi0z PbZr
O3の三元系、またはPb (Mgz+Nbzza)O
s Pb(Co+zJbzzs)Os PbTi0
i dPbZr03では、Pb(Mg+zJbzzi
)Ox PbTi0t PbZrO3系よりも一層
大きな圧電定数が得られる。In addition, Pb (gate g+zJbz/ko) 0. Pb(
CoBJbtz3) On PbTi0z PbZr
O3 ternary system, or Pb (Mgz+Nbzza)O
s Pb(Co+zJbzzs)Os PbTi0
i dPbZr03, Pb(Mg+zJbzzi
)Ox PbTi0t A larger piezoelectric constant than the PbZrO3 system can be obtained.
上記の磁器組成物100モル%に対して、更に、MnO
,とZr0tをそれぞれ0.1〜5モル%添加する。Based on 100 mol% of the above ceramic composition, MnO
, and Zr0t are added in an amount of 0.1 to 5 mol %, respectively.
MnO□を0.1〜5モル%添加するのは、圧電材料の
機械的品質係数を向上させるためである。この効果は、
0.1モル%から現れ、5モル%を超えると機械的品質
係数と圧電定数がともに低下する。The reason why 0.1 to 5 mol% of MnO□ is added is to improve the mechanical quality factor of the piezoelectric material. This effect is
It appears from 0.1 mol%, and when it exceeds 5 mol%, both the mechanical quality factor and the piezoelectric constant decrease.
ZrO2は、圧電材料の結晶粒を微細化してその機械的
強度を上昇させる。0.Iモル%未満ではその効果が少
なく、5モル%を超えるとZr(hの析出が著しくなり
、圧電定数を低下させる。ZrO2 refines the crystal grains of the piezoelectric material and increases its mechanical strength. 0. If it is less than I mol %, the effect is small, and if it exceeds 5 mol %, the precipitation of Zr(h) becomes significant and the piezoelectric constant decreases.
本発明の圧電材料は、上記の組成を有するものであるが
、その製造方法は、従来のこの種の磁器組成物と同様で
ある。即ち、各元素の酸化物、炭酸化物または水酸化物
等を前記の組成となるように配合し成形した後、焼結す
ることによって製造することができる。The piezoelectric material of the present invention has the above composition, and the manufacturing method thereof is the same as that for conventional ceramic compositions of this type. That is, it can be manufactured by mixing oxides, carbonates, hydroxides, etc. of each element so as to have the above-mentioned composition, molding, and then sintering.
(実施例)
基本の組成物を
aPb(Mg+zJl)zzz)Oz bPb(Co
+z:+Nbgzs)Osc f’bTto、 −d
PbZr0i(但し、a+b+c+d−100)
と表し、
PbO,Zr0z、Ti0z、MgO,CoO,Nbz
OsCaCOj、SrCO3,BaC0j、Mn0zの
各原料を、第1表に示す組成と成るように秤量しボール
ミルを用いて十分に混合した。得られた混合粉を900
〜1000°Cで約2時間仮焼し、この仮焼物を再びボ
ールミルで十分に粉砕混合した後、有機バインダーを混
合して造粒した。この造粒粉を約1トツ/C111の圧
力で直径20閣、厚さ2価に成形し、これを1200〜
1300°Cの温度で約2時間焼成した。(Example) The basic composition was changed to aPb(Mg+zJl)zzz)Oz bPb(Co
+z:+Nbgzs)Osc f'bTto, -d
Represented as PbZr0i (however, a+b+c+d-100), PbO, Zr0z, Ti0z, MgO, CoO, Nbz
Raw materials OsCaCOj, SrCO3, BaC0j, and Mn0z were weighed so as to have the compositions shown in Table 1, and thoroughly mixed using a ball mill. 900 ml of the obtained mixed powder
The calcined product was calcined at ~1000°C for about 2 hours, and the calcined product was thoroughly ground and mixed again in a ball mill, and then an organic binder was mixed therein and granulated. This granulated powder is molded at a pressure of about 1 totu/C111 to a diameter of 20 mm and a thickness of 1,200 to 120 mm.
It was baked at a temperature of 1300°C for about 2 hours.
さらに、得られた円板状の焼結体両面に銀電極を焼付け
、100″Cのシリコンオイル中で2kv/mmの直流
電圧を印加して分極処理を行った。Further, silver electrodes were baked on both surfaces of the obtained disc-shaped sintered body, and polarization treatment was performed by applying a DC voltage of 2 kv/mm in silicone oil at 100''C.
このようにして得られた磁器の圧電特性を第1表中に示
した。なお表中の631は圧電定数、Qmは機械的品質
係数、σは抗折強度である。The piezoelectric properties of the porcelain thus obtained are shown in Table 1. In addition, 631 in the table is a piezoelectric constant, Qm is a mechanical quality factor, and σ is a bending strength.
試料Nα1〜12は、Pb(Mg+zsNbz/3)O
x、Pb(Go+zaNbzzz)O*、PbTiOs
、PbZrOsの比率、即ちa、b。Samples Nα1 to 12 are Pb(Mg+zsNbz/3)O
x, Pb(Go+zaNbzzz)O*, PbTiOs
, PbZrOs ratio, i.e. a, b.
c、dの相違による特性の変化を見たものである。This shows changes in characteristics due to differences in c and d.
これらの値が、本発明で定める範囲外のもの(比較例)
は、dff+が極めて小さい。These values are outside the range defined by the present invention (comparative example)
has an extremely small dff+.
試HNa13〜18は、Ca、 Sr、 BaによるP
bの置換量を変えた例である。置換量が10原子%を超
えるとNα17および18のように、di+およびQm
が小さくなる。Ca。Samples HNa13 to 18 are P due to Ca, Sr, and Ba.
This is an example in which the amount of substitution of b is changed. When the amount of substitution exceeds 10 atom%, di+ and Qm as in Nα17 and 18
becomes smaller. Ca.
Sr、 Baは、−元素でも、三元素以上の組合せでも
、合計10原子%以下の範囲であれば、効果が認められ
る。Whether Sr or Ba is a negative element or a combination of three or more elements, the effect is recognized as long as the total amount is 10 atomic % or less.
試料Nα19〜24は、ZrO2の添加量を変えた例で
ある。Samples Nα19 to Nα24 are examples in which the amount of ZrO2 added was changed.
添加量が0.1モル%より少ないと、σの向上効果が小
さい(Nα19.20)、一方、添加量が5モル%を超
えると、Nα24のように、σだけでなくd3.および
QImも悪化する。When the amount added is less than 0.1 mol%, the effect of improving σ is small (Nα 19.20), while when the amount added exceeds 5 mol%, not only σ but also d3. and QIm also worsen.
試料Nα25〜30はMn0zの添加量を変えた例であ
る。Samples Nα25 to 30 are examples in which the amount of Mn0z added was changed.
MnO2の添加量が0.1モル%未満の試料Nα25,
26ではQmの向上効果がなく、逆に5モル%を超えて
添加した試料No、30では、Qmが低下するとともに
d3も小さくなっている。Sample Nα25 with an added amount of MnO2 of less than 0.1 mol%,
Sample No. 26 had no effect of improving Qm, and conversely, in sample No. 30, in which more than 5 mol % was added, Qm decreased and d3 also became small.
試料Nα31と32は、それぞれbとaがOの例である
。その特性をみると、Pb(Mg+/3Nbt/3)0
3 PbTi03PbZro+系でも、またPb(C
O+7Jbzzx)Os PbTi0i−PbZr0
.系においても、Mn0zおよびZrOtの適正量の添
加が(h+、Omおよびσの向上に有効であることが分
かる。Samples Nα31 and 32 are examples in which b and a are O, respectively. Looking at its characteristics, Pb(Mg+/3Nbt/3)0
3 In the PbTi03PbZro+ system, Pb(C
O+7Jbzzx)Os PbTi0i-PbZr0
.. It can be seen that addition of appropriate amounts of MnOz and ZrOt is effective in improving (h+, Om and σ) in the system as well.
(以下、余白)
(発明の効果)
本発明の圧電材料は、実施例にも示したとおり、圧電定
数、機械的質量係数および機械的強度がともに高いから
、大きな振動を得ることができ、超音波モータ、超音波
振動子等の材料に幅広く利用できるものである。(Hereinafter, blank space) (Effects of the invention) As shown in the examples, the piezoelectric material of the present invention has a high piezoelectric constant, high mechanical mass coefficient, and high mechanical strength, so it can obtain large vibrations and It can be widely used as a material for sonic motors, ultrasonic vibrators, etc.
Claims (1)
bPb(Co_1_/_3Nb_2_/_3)O_3−
cPbTiO_3−dPbZrO_3で表され、上記の
a、b、cおよびdが下記(1)〜(3)の式を満足し
、Pb原子の10原子%以下がSr、Ca、Baの中の
1種以上で置換されている磁器組成物100モル%に対
してMnO_2とZrO_2がそれぞれ0.1〜5モル
%添加されている圧電材料。 10≦a+b≦55・・・・・(1) 30≦c≦50・・・・・(2) 2.5≦d≦60・・・・・(3) ただし、a、b、c、dはモル%で、aまたはbは0で
もよく、a+b+c+d=100である。[Claims] aPb(Mg_1_/_3Nb_2_/_3)O_3-
bPb(Co_1_/_3Nb_2_/_3)O_3-
It is represented by cPbTiO_3-dPbZrO_3, where a, b, c, and d above satisfy the following formulas (1) to (3), and 10 at % or less of Pb atoms are one or more of Sr, Ca, and Ba. A piezoelectric material in which 0.1 to 5 mol% of MnO_2 and ZrO_2 are each added to 100 mol% of a porcelain composition substituted with . 10≦a+b≦55 (1) 30≦c≦50 (2) 2.5≦d≦60 (3) However, a, b, c, d is mol%, a or b may be 0, and a+b+c+d=100.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63293025A JPH02137761A (en) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | Piezoelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63293025A JPH02137761A (en) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | Piezoelectric material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02137761A true JPH02137761A (en) | 1990-05-28 |
Family
ID=17789511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63293025A Pending JPH02137761A (en) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | Piezoelectric material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02137761A (en) |
-
1988
- 1988-11-18 JP JP63293025A patent/JPH02137761A/en active Pending
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