JPH02137761A - 圧電材料 - Google Patents

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。

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。

（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／。

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
。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

’　ａ　Ｐｂ（Ｍｇ＋７Ｊｂｔｚｓ）Ｏｘ　　ｂ　Ｐｂ
（Ｃｏ＋ｚＪｂｘｚｚ）Ｏｓｃ　ＰｂＴｉＯ３−ｄ　Ｐ
ｂＺｒＯ３で表され、上記のａ、ｂＳ　ｃ。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

試料Ｎα１〜１２は、Ｐｂ（Ｍｇ＋ｚｓＮｂｚ／３）Ｏ
ｘ、Ｐｂ（Ｇｏ＋ｚａＮｂｚｚｚ）Ｏ＊、ＰｂＴｉＯｓ
、ＰｂＺｒＯｓの比率、即ちａ、ｂ。

ｃ、ｄの相違による特性の変化を見たものである。

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。

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。

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。

試料Ｎα１９〜２４は、ＺｒＯ２の添加量を変えた例で
ある。

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。

試料Ｎα２５〜３０はＭｎ０ｚの添加量を変えた例であ
る。

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。

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。

（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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａＰｂ（Ｍｇ＿１＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−
   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。