JPH02137771A - 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、機砿的品質係数、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。

（従来の技術） 圧電材料としてはジルコン酸チタン酸鉛、Ｐｂ　（Ｚｒ
Ｔｉ）Ｏｚ　’１７１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４５１２Ｋが得られるこ
と等の利点を存する。特にＺｒ、Ｔｉ　の−部を４８と
Ｎｂに置換したＰｂＴｉ０．−ＰｂＺｒＯｉ−Ｐｂ（Ｊ
Ｉｇ＋／３Ｎｂ□ｚ＋）Ｏｉ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０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、ロボン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、圧電磁器
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、圧電磁器が弾性体く通常は金属材料）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、従来の材料のうち、例えば、特公
昭４２−１１６２２号公報）によって知られているＰｂ
（Ｍｇ＋／Ｊｂｚｚｓ）Ｏｘ　　ＰｂＴｉ０）　　Ｐｂ
Ｚｒ０１にＭｎ０１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Ｚｒ０ｚ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） 本発明は、下記の圧電材料をその要旨とする。

’　ａ　ＰｂＴｉＯ３ｂ　ＰｂＺｒＯ３ｃ　Ｐｂ（Ｍｇ
＋／５Ｎｂｚｚｓ）Ｏｘで表され、上記のａ、ｂ、およ
びＣが下記■〜■弐を満足し、Ｐｂ原子のｌＯ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、Ｍｎ０ｔ、　Ｓｎ
Ｏ□、およびＺｎＯをそれぞれ０．１〜５モル％と、Ｂ
１□０３を０．０５〜２モル％と、ＺｒＯ２およびｓｂ
、ｏ：ｌの１種または２種を０．１〜５モル％添加した
圧電材料１ ３０≦ａ≦５０　・・・・・・■ ２．５≦ｂ≦６０　　・・・・・・■ 】０≦ｃ≦５５　・・・・・・■ ただし、ａ、ｂ、ｃ、はモル％で、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００
である。

（作用） 本発明の圧電材料は、上記の三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の数値を適正
に選んだ上、Ｐｂ原子の一部をＳｒ。

Ｃａ、、Ｂａの１種以上で置換し、Ｍｎ０ｔ、Ｓｎｕｇ
、およびＺｎＯとＢ１１０３　と、更にｚ「０．および
５ｂｔＯｓの１種または２種をそれぞれ適正量添加した
ことを特徴とする。

基本組成の酸化物の比率、即ち、ａ、ｂおよびＣの値を
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。

この基本組成の酸化物のＰｂのｌＯ原子％以下を、Ｓｒ
、　ＣａおよびＨａ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Ｗ喚量がＰｂ
の１０原子％を超えると圧電定数が小さくなる。

なお、１０原子％以下のＰｂ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ことである。

上記の磁器組成物１００モル％に対して、ＭｎＯ□、Ｓ
ｎＯ２、ＺｎＯをそれぞれ０．１〜５モル％、Ｂ１１０
．を０．０５〜２モル％２、更にＺｒＯ２および５ｂ２
０３の１種または２種を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、圧電定数ともに悪くなる。

Ｓｎｕｇ、　ＺｎＯおよびＢ１１０３の添加は圧電定数
を高めるのに必要であるが、これらの１種または２種だ
けの添加では、その効果が小さかったり、無添加の場合
よりも圧電定数が低下することがあるから、３成分を同
時に添加する。これらの成分の添加量の下限は、上記の
効果が明瞭に現れる添加量であり、上限は、それを超え
るとかえって圧電定数が低下する値である。

ＺｒＯ□およびｓｂ、ｏ、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。０．１モル％未満
ではその効果が少なく、５モル％を超えると圧電定数を
低下させる。　　Ｚｒ０１および５ｂｔＯｓは、その一
方だけの添加でも、両方の添加でもよい。

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 ａ　ＰｂＴｉＯｓ　　ｂ　ＰｂＺｒＯｓ　　ＣＰｂ（Ｍ
ｇ＋ｚＪｂｚｚｚ）Ｏｓ（イ旦し、ａ　＋　ｂ　十ｃ　
＋＝ｔｏｏ）と表し、 Ｐ　ｂｏｏ　ＺｒＯ！　ｌ　Ｔ　ｉｏｚ　＋　ＭｇＯ＋
　ＮｂｘＯｓ　＋　ＣａＣ０＝　、Ｓｒ　Ｃｏ　３１Ｂ
ａＣＯ＋、５ｎ０１．ＺｎＯ，ＢｉｚＯ＊、Ｍｎ０ｇ、
５ｔ）ｘｏｚの各原料を、第１表に示す組成と成るよう
に秤旨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’＞
／Ｃ−の圧力で直径２０−１厚さ２閣に成形し、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／ｍＩｍの
直流電圧を印加して分権処理を行った。

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ｄ４１は圧電定数、Ｑｍは機械的品質
係数、σは抗折強度である。

試ｔ４Ｎａｌ〜１２は、ＰｂＴｉＯｓ、ＰｂＺｒ０＝、
およびＰｂ（Ｍｇ＋ｚｓＮｂｔｚｚ）Ｏｚ、の比率、即
ちａ、ｂ、ｃ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、ｄ３１が極めて小さい。

試料Ｎ（１１３〜１７は、Ｃａ、　Ｓｒ、、Ｂａによる
Ｐｂの置換量を変えた例である。′Ｒ置換量１０原子％
を超えるとＮα１３のように、ｄ３１およびＱ＋ｗが小
さくなる。Ｎα１５は、Ｐｂ原子の置換をしていないも
のであるが、置換しなくても圧電定数、機械的品質係数
および強度がともに大きいものが得られる例である。　
Ｃａ、　５ｒＳＢａによる置換は、−元素でも、三元素
以上の組合せでも、合計がＰｂ原子の１０原子％以下の
範囲であれば、効果が認められる。

試料Ｎ（Ｌｉ２〜３５は、Ｓｎｕｇ、ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ
３の添加量を変えた例である。これらの３成分を本発明
で定める範囲内の添加したとき、ｄｆｆｌを高めるの効
果が著しいことがわかる。これらの中に１成分または２
成分だけを添加した場合（Ｎｏ、１８．２３．２８．３
３〜３５）は、ｄ３１を上げる効果がない、また、添加
量が本発明で定める範囲をはずれた場合（試＄４Ｎα１
９，２２．２４，２７．２９．３２）も、ｄ、ｌ、Ｏｍ
が低下する。

試料Ｎ（１３６〜４０はＭｎＯ□の添加量を変えた例で
ある。

Ｍｎ０１の添加量が０．１モル％未満の試料Ｎα３６，
３７ではローの向上効果がなく、逆に５モル％を超えて
添加した試料Ｎα４０では、Ｑｍが低下するとともにｄ
、１も小さくなっている。

試料魔４１〜４９は、ＺｒＯ□およびＳｂ、０．の添加
量を変えた例である。これらの成分の１種または２種を
適正量添加したものは、無添加のもの（試ネ４Ｎα４１
）に較べて機械的強度（σ）が高くなっている。しかし
添加量が０．１モル％より少ないと、σの向上効果が小
さい（試料Ｎα４２．４６）。一方、添加量が５モル％
を超えると、ＮＣＬ４５．４９のように、ｄ３１および
Ｑｍが悪化する。

（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】 ａＰｂＴｉＯ＿３−ｂＰｂＺｒＯ＿３−ｃＰｂ（Ｍｇ＿
   １＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３で表され、上記の
   ａ、ｂ、およびｃが下記（１）〜（３）式を満足し、Ｐ
   ｂ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、ＳｎＯ＿２、およびＺｎＯをそれぞれ０
   ．１〜５モル％と、Ｂｉ＿２Ｏ＿３を０．０５〜２モル
   ％と、ＺｒＯ＿２およびＳｂ＿２Ｏ＿３の１種または２
   種を０．１〜５モル％添加した圧電材料。 ３０≦ａ≦５０・・・・・・（１） ２．５≦ｂ≦６０・・・・・・（２） １０≦ｃ≦５５・・・・・・（３） ただし、ａ、ｂ、ｃ、はモル％で、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００
   である。