JPH02221155A - Piezoelectric material - Google Patents
Piezoelectric materialInfo
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- JPH02221155A JPH02221155A JP1041112A JP4111289A JPH02221155A JP H02221155 A JPH02221155 A JP H02221155A JP 1041112 A JP1041112 A JP 1041112A JP 4111289 A JP4111289 A JP 4111289A JP H02221155 A JPH02221155 A JP H02221155A
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Abstract
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.
(従来の技術)
圧電材料としてはジルコン酸チタン酸鉛、Pb (Zr
Ti)Os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・変性に富んだ磁器が得られること等の利点を
存する。特にZr、Tiの−部をM、とNbニ置換した
PbTiO3PbZrOs Pb(Mg+7sNby
x)Os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。(Prior art) Piezoelectric materials include lead zirconate titanate, Pb (Zr
Ti)Os 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 has the advantage that porcelain with a high degree of modification can be obtained. In particular, PbTiO3PbZrOs Pb(Mg+7sNby
x) Os's three-component piezoelectric ceramic is easy to fire with little lead evaporation, and it is possible to give it various piezoelectric properties by adding various additives to the main component, so it is used as a piezoelectric buzzer. , frequency filter, piezoelectric ignition element,
It has been used as a material for things such as ultrasonic transducers.
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1を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411vi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, ultrasonic motors are an example of this. Ultrasonic motors are used to drive robot arms,
It is attracting attention as an alternative to conventional electromagnetic motors for driving lenses in autofocus cameras. This ultrasonic motor uses the vibration of the piezoelectric ceramic as the driving force for rotation, and in order to obtain better motor characteristics, it is necessary that the amplitude of the vibration of the piezoelectric ceramic be large. Furthermore, in order to obtain such large vibrations, it is also required that the 411vi quality factor and piezoelectric constant be large. Furthermore, in an ultrasonic motor, the piezoelectric ceramic vibrates while being bonded to an elastic body (usually a metal material), so the vibration of the ceramic is restrained by the elastic body, and stress is applied to the ceramic. 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itm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+zJbzzs)03PbTiOz PbZr0
*にMIIO!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 made 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 (known from the publication No.
Mg+zJbzzs)03PbTiOz PbZr0
* MIIO! Although the mechanical quality factor is large, the piezoelectric constant and mechanical strength are extremely small.
また、特公昭50−3519号公報に示されるPb (
Mg l/3Nbxzs)Ox−Pb(Ni+zsNb
z/5)Os PbTiO3PbZrOsは圧電定数
は大きいが機械的品質係数および機械的強度はきわめて
小さい。In addition, Pb (
Mg l/3Nbxzs)Ox-Pb(Ni+zsNb
z/5) Os PbTiO3PbZrOs has a large piezoelectric constant but a very low mechanical quality factor and mechanical strength.
(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、i械的品譬係数、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 of the present invention is to provide a piezoelectric material whose mechanical integrity coefficient, 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.
■aPb(Mg+7sNbzz3)03bPb(Ni+
7Jbzzs)OsCPbTiOs d PbZrO
sで表され、上記のaSb、cおよびdが下記(1)〜
(3)の式を満足する磁器組成物100モル%に対して
Mn01と5bs03がそれぞれ0.1〜5モル%添加
されている圧電材料。■aPb(Mg+7sNbzz3)03bPb(Ni+
7Jbzzs) OsCPbTiOs d PbZrO
s, and the above aSb, c and d are the following (1) to
A piezoelectric material in which 0.1 to 5 mol% of Mn01 and 5bs03 are each added to 100 mol% of a ceramic composition that satisfies the formula (3).
5≦a+b≦40・・・・・■
35≦c≦50 ・・・・・■
10≦d≦60 ・・・・・■
ただし、a、b、c、dはモル%で、aおよびbは0で
はなく、a+bfc+d=100である。5≦a+b≦40...■ 35≦c≦50 ......■ 10≦d≦60 ......■ However, a, b, c, and d are mol%, and a and b is not 0, but a+bfc+d=100.
更に、本発明の要旨は、
■上記のa Pb(Mg+/5Nbxzs)Oz b
Pb(Ni1/3Nb!/3)03 CPbTiO
s d PbZrOsで表されれる6f器組成物のP
b原子の10原子%以下がSr、 Ca、 Baの中の
141以上で置換されているものに■と同じようにMn
O。Furthermore, the gist of the present invention is as follows: ■ The above a Pb(Mg+/5Nbxzs)Oz b
Pb(Ni1/3Nb!/3)03 CPbTiO
P of the 6f vessel composition represented by s d PbZrOs
Similar to ■, Mn is substituted with 141 or more of Sr, Ca, and Ba in which 10 at% or less of b atoms are substituted.
O.
とsb、o、が添加されている圧電材料、にある。and a piezoelectric material to which sb and o are added.
(作用)
本発明の圧電材料は、Pb(Mg+zJbxzi)Oz
Pb(Ni+7Jbzz)Ox PbTiOs
PbZr0*の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、必要に応じてそのpb原子の一部をSr、 Ca
、 Baの1種以上で置換し、更にMn0tおよびZr
Oxを添加したことを特徴とする。(Function) The piezoelectric material of the present invention has Pb(Mg+zJbxzi)Oz
Pb(Ni+7Jbzz)Ox PbTiOs
After appropriately selecting the ratio of the oxides constituting the basic composition of the quaternary system of PbZr0*, that is, the above-mentioned values of a, b, c≦d, some of the pb atoms may be replaced with Sr, Sr, Ca
, Ba, and further substituted with Mn0t and Zr.
It is characterized by the addition of Ox.
基本組成の酸化物の比率、即ち、a、b、cおよびd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。この基本組成の磁器組成物に
、後述するMn0iとsb、o3を添加してもよいが、
基本組成のpbのIO原子%以下をS「、Caおよび[
Iaの1種以上でW換したものを基本組成として、Mn
O□と5bt03を添加してもよい。The reason why the ratios of oxides in the basic composition, that is, the values of a, b, c, and d, are determined as above is because the piezoelectric constant becomes small outside this range. Mn0i, sb, and o3, which will be described later, may be added to the porcelain composition having this basic composition, but
IO atomic% or less of pb in the basic composition is S'', Ca and [
The basic composition is one or more of Ia replaced with W, and Mn
O□ and 5bt03 may be added.
このSr、 CaおよびBaによる置換によって圧電定
数を大きくすることができる。しかし、この置換量がp
bのlO原子%を超えると圧電定数はかえって小さくな
る。The piezoelectric constant can be increased by this substitution with Sr, Ca, and Ba. However, this amount of substitution is p
When b exceeds 10 atomic %, the piezoelectric constant becomes smaller on the contrary.
上記の磁器組成物100モル%に対して、更に、Mn0
1と5b103をそれぞれ0.1〜5モル%添加する。With respect to 100 mol% of the above porcelain composition, Mn0
1 and 5b103 are added in an amount of 0.1 to 5 mol %, respectively.
MnOx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 MnOx 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.
5b103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%を趨えると圧電定数を低下させる。5b103 refines the crystal grains of the piezoelectric material and increases its mechanical strength. If it is less than 0.1 mol%, the effect will be small, and if it exceeds 5 mol%, the piezoelectric constant will decrease.
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2.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, 2. It can be manufactured by blending oxides, carbonates, hydroxides, etc. of each element to have the above-mentioned composition, molding, and then sintering.
(実施例)
基本の組成物を
a Pb(Mg+zsNbxzs)Os b Pb
(旧wsNb*ys>0s−c PbTjOs −d
PbZr0s(但し、a+b+c+d=100)
と表し、
PbO,Zr01. TlGg、 MgO,Nip、
Nb1Os。(Example) The basic composition is a Pb(Mg+zsNbxzs)Os b Pb
(Old wsNb*ys>0s-c PbTjOs -d
PbZr0s (however, a+b+c+d=100) is expressed as PbO, Zr01. TlGg, MgO, Nip,
Nb1Os.
CaC0!+ 5rCOs+ BaC0,、Mn0g+
Sb*Os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800〜1000℃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)、/
dの圧力で直径20m、厚さ2鰭に成形し、これを12
00〜1300℃の温度で約2時間焼成した。CaC0! + 5rCOs+ BaC0,, Mn0g+
Each raw material of Sb*Os was weighed so as to have the composition shown in Table 1, and thoroughly mixed using a ball mill. The obtained mixed powder was calcined at 800 to 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 and granulated. Approximately 1) of this granulated powder, /
It is formed into a diameter of 20 m and a thickness of 2 fins using a pressure of d.
It was baked at a temperature of 00 to 1300°C for about 2 hours.
さらに、得られた円板状0焼結体両面にit極を焼付け
、100°Cのシリコンオイル中で3 kv/mの直流
電圧を印加して分極処理を行った。Further, IT electrodes were baked on both surfaces of the obtained disc-shaped 0 sintered body, and polarization treatment was performed by applying a DC voltage of 3 kv/m 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d31は圧電定数、0麟は機械的品質
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 the table, d31 is a piezoelectric constant, 0 is a mechanical quality factor, and σ is a bending strength.
試料Na1−14は、Pb(Mg+z3Nb*zi)O
s、Pb(Ni l/3Nbxzz)Os、PbTi0
t、PbZrO3の比率、即ちa、b。Sample Na1-14 is Pb(Mg+z3Nb*zi)O
s, Pb(Ni l/3Nbxzz)Os, PbTi0
t, the ratio of PbZrO3, 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.
なお、ここでは、pb原子の置tAffiをSrによる
5原子%一定とし、Mn01および5bxOsの添加量
もそれぞれ2モル%、1モル%の一定にしている。Here, the position tAffi of the pb atom is kept constant at 5 at % due to Sr, and the amounts of Mn01 and 5bxOs added are also kept constant at 2 mol % and 1 mol %, respectively.
第1表のN11l〜14の特性を見れば、a、b%Cお
よびdの値が、本発明で定める範囲外のもの(比較例)
は、d□が極めて小さいことがわかる。Looking at the characteristics of N11l to N14 in Table 1, the values of a, b%C and d are outside the range defined by the present invention (comparative example)
It can be seen that d□ is extremely small.
試料阻15〜19は、Cas、 Sr、 Baによる置
換を行わないで、Mn0t、 Sb*Osの添加量を変
えた例である。Samples 15 to 19 are examples in which the amounts of MnOt and Sb*Os added were changed without substitution with Cas, Sr, and Ba.
MnOxまたは5bxOsが添加されないとQs、 σ
が低下する(81117.18)ことが明らかである。If MnOx or 5bxOs is not added, Qs, σ
It is clear that the value decreases (81117.18).
試料隘20〜25は、Srによるpbの置換量を一定に
して5b103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(Na
20,21)、一方、添加量が5モル%を超えると、阻
25のように、σだけでなくd、1およびOWも悪化す
る。Samples Nos. 20 to 25 are examples in which the amount of 5b103 added was varied while the amount of pb replaced by Sr was kept constant. Added amount is 0
.. If it is less than 1 mol%, the effect of improving σ is small (Na
20, 21) On the other hand, when the amount added exceeds 5 mol %, not only σ but also d, 1 and OW deteriorate as shown in 25.
試料阻26〜31は、同じ<Srによるpbの置換量を
一定にしてMn0tの添加量を変えた例である。 Mn
0tの添加量が0.1モル%未満の試料N[126,2
7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N1131では、Qmが低下するとともに(
h+も小さくなっている。Samples 26 to 31 are examples in which the amount of Mn0t added was changed while the amount of pb replaced by Sr was kept constant. Mn
Sample N [126,2
7 had no effect of improving Qm, and conversely, in sample N1131 to which more than 5 mol% was added, Qm decreased and (
h+ has also become smaller.
試料Nn32〜36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%を鰯
えると阻36の例のように、d21および0閤が小さ(
なる。Samples Nn32 to 36 have 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 reaches 10 atomic%, d21 and 0 are small (
Become.
Ca、 5rSBaは、−元素でも、三元素以上の組合
せでも、合計lO原子%以下の範囲であれば、効果が認
められる。Whether Ca or 5rSBa 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.
(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、機械的品質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 spaces) (Effects of the invention) As shown in the examples, the piezoelectric material of the present invention has a high piezoelectric constant, mechanical quality factor, and mechanical strength, so it can obtain large vibrations and It can be widely used as a material for sonic motors, ultrasonic vibrators, etc.
Claims (2)
_3−bPb(Ni_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
満足する磁器組成物100モル%に対してMnO_2と
Sb_2O_3がそれぞれ0.1〜5モル%添加されて
いる圧電材料。 5≦a+b≦40・・・・・(1) 35≦c≦50・・・・・(2) 10≦d≦60・・・・・(3) ただし、a、b、c、dはモル%で、aおよびbは0で
はなく、a+b+c+d=100である。(1) aPb(Mg_1_/_3Nb_2_/_3)O
_3-bPb(Ni_1_/_3Nb_2_/_3)O
_3-cPbTiO_3-dPbZrO_3,
A piezoelectric material in which 0.1 to 5 mol% of MnO_2 and Sb_2O_3 are added to 100 mol% of a ceramic composition in which the above a, b, c, and d satisfy the following formulas (1) to (3). . 5≦a+b≦40 (1) 35≦c≦50 (2) 10≦d≦60 (3) However, a, b, c, d are moles %, a and b are not 0, and a+b+c+d=100.
_3−bPb(Ni_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、かつ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Sb_2O_3がそれぞれ
0.1〜5モル%添加されている圧電材料。 5≦a+b≦40・・・・・(1) 35≦c≦50・・・・・(2) 10≦d≦60・・・・・(3) ただし、a、b、c、dはモル%で、aおよびbは0で
はなく、a+b+c+d=100である。(2) aPb(Mg_1_/_3Nb_2_/_3)O
_3-bPb(Ni_1_/_3Nb_2_/_3)O
_3-cPbTiO_3-dPbZrO_3,
The above a, b, c and d satisfy the following formulas (1) to (3), and 10 atomic% or less of Pb atoms are Sr, Ca,
Porcelain composition 100 substituted with one or more types of Ba
A piezoelectric material in which MnO_2 and Sb_2O_3 are added in an amount of 0.1 to 5 mol%, respectively. 5≦a+b≦40 (1) 35≦c≦50 (2) 10≦d≦60 (3) However, a, b, c, d are moles %, a and b are not 0, and a+b+c+d=100.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1041112A JPH02221155A (en) | 1989-02-21 | 1989-02-21 | Piezoelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1041112A JPH02221155A (en) | 1989-02-21 | 1989-02-21 | Piezoelectric material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02221155A true JPH02221155A (en) | 1990-09-04 |
Family
ID=12599390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1041112A Pending JPH02221155A (en) | 1989-02-21 | 1989-02-21 | Piezoelectric material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02221155A (en) |
-
1989
- 1989-02-21 JP JP1041112A patent/JPH02221155A/en active Pending
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