JPH0337158A

JPH0337158A - 圧電材料

Info

Publication number: JPH0337158A
Application number: JP1171377A
Authority: JP
Inventors: Koichi Terao; 公一寺尾
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1991-02-18

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、圧電定数、機械的品質係数が大きく、温度
特性に優れた圧電材料であって、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、従来ジルコン酸チタン酸鉛、Ｐｂ（
Ｚｒ、Ｔｊ）Ｏｓ磁器組組成がよく知られている。この
化合物は、Ｐｂを含むため焼成の際にそれが蒸発するな
どの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
利点を有するところから、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に使用され
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あげ
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ｔ
ｍ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が要求される。更に、超音波モータ
においては、使用環境の温度変化による圧電材料の温度
変化があると、モータの回転数や発生トルクに影響を与
える。従って、安定した回転数やトルクを得るためには
圧電材料の温度特性が安定していることも要求される。

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
４６−１２３４２号公報によって知られているＰｂ（Ｓ
ｔｒ＋ｚ＊Ｎｂ＋ｚｔ）Ｏｓ　　ＰｂＴｉ０ｓ−ＰｂＺ
ｒＯｚにＭｎＯ２を添加したもの、および特公昭４５−
１６８７０号公報に開示されているＰｂ（Ｚｎ＋ｚＪｂ
ｔｚｘ）Ｏｓ　　ＰｂＴｉ０ｓＰｂＺｒＯ，は、機械的
品質係数と圧電定数をともに大きくするには不十分で温
度特性も悪い、また、特公昭６０−５７１６２号公報の
Ｐｂ（ＮｂａＳｂｘ−ｓａＺｎｔａ−＋）ＯｓＰｂＴｊ
０３−　ＰｂＺｒＯｓは、圧電定数は大きいが機械的品
質係数が極めて小さい。

（発明が解決すべき！ｉ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、温度特性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、モータ特性の向上と温度に対する安
定性が期待できな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、しかも温度特性の安定な圧電材料、即ち
、機械的品質係数、圧電定数、および温度特性のすべて
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■および■の圧電材料にある。

■　ａ　Ｐｂ（Ｓｂ＋／Ｊｂ＋ｚｔ）Ｏｓ−ｂ　Ｐｂ（
Ｚｎ＋／５Ｔａｘｚｓ）Ｏｓ−ｃ　ＰｂＴｉＯ３−ｄ　
ＰｂＺｒＯｓで表され、上記のａ、ｂ、ｃおよびｄが下
記［１］〜［４］の式を満足する磁器組成物１００モル
％に対して、ＭｎＯ，が０．５〜５モル％添加されてい
る圧電材料。

ｌ≦ａ＋ｂ≦２０・・・・・■ ０．５≦ａ≦１０　　・・・・・■ ３５≦ｃ≦５２．５　・・・・［３］３５≦ｄ≦５５　　・・・・・・［４］ただし、ａ、、
ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、ａ十す十ｃ＋
ｄ−１００である。

■　ａ　Ｐｂ（Ｓｂ＋ｚｔＮｂ＋ｚｚ）Ｏｓ　　ｂ　Ｐ
ｂ（Ｚｎ＋、ｚｚ↑ａｄｚｓ）０３−ｃ　ＰｂＴｉＯｓ
　　ｄ　ＰｂＺｒＯｘで表され、上記のａ、ｂ、ｃおよ
びｄが前記の［１］〜［４］の式を満足し、且つＰｂの
１０原子％以下がＳｒ、　ＣａおよびＨａのうちの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ヨが０．５〜５モル％添加されている圧電材料。

（作用）本発明の圧電材料は、ａ　Ｐｂ（Ｓｂ＋／Ｊｂ＋７ｚ）
Ｏｘ　　ｂＰｂ（Ｚｎ＋／３↑ａｔｚｓ）Ｏｓ　　ｃ　
ＰｂＴｉＯ３−ｄ　ＰｂＺｒ０ｚ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ａｓ　ｂ、、ＣＳ
ｄの数値を適正に選んだ上でＭｎＯ２を添加したもの、
および上記の基本組成中のＰｂ原子の一部を５ｒＳＣａ
、　Ｂａのうちの１種以上で置換し、更にＭｎＯ□を添
加したもの、である。

基本組成の酸化物の比率、即ち、ａ、ｂ、ｃ、およびｄ
の値を前記のように定めたのは、この範囲外では圧電定
数が小さくなったり、温度特性が悪くなるためである。

この基本組成の磁器組成物に後述するＭｎ０ｔを添加す
るが、基本組成のＰｂの１０原子％以下をＳｒ、　Ｃａ
、Ｂａのうちの１種以上で置換したものを基本ｍ威とし
てＭｎＯｘを添加してもよい。

Ｓｒ、　ＣａおよびＢａの１種以上でＰｂの１０原子％
以下を置換することによって、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Ｐｂの１０原子％を
超えると圧電定数はかえって小さくなる。

上記の磁器組成物１００モル％に対して、更に、ＭｎＯ
，を０．５〜５モル％添加する。　Ｍｎ０ｚを０．５〜
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、０．５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。

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＆ｌｌｌｌ上物
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　Ｐｂ（Ｓｂ＋ｚＪｂ＋ｚｘ）Ｏｓ　　ｂ　Ｐｂ（Ｚ
ｎ＋ｚｚＴａｔｚｚ）Ｏｚ−ｃ　ＰｂＴｉＯｓ　　ｄ　
ＰｂＺｒ０ｚ　（（且し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ−１００）と
表し、ＰｂＯ，ＺｒＯｘ＋　Ｔｉ１ｔ、　５ｔｌｘＯｉ
＋　ＺｎＯ＋　Ｎ１）Ｊｓ＋Ｔａｇ’ｓ、　ＣａＣＯ３
＋　ＳｒＣＯ３，ＢａＣＯ２＋　ＭｎＯ２の各原料を、
第１表に示す＋Ｉ戒となるように秤量しボールごルを用
いて十分に混合した。得られた混合粉を８００〜１００
０°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＞／ｃＪの圧力で直径２０
ｍ、厚さ２ｍｍ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℃のシリコンオイル中で３ｋｖ１０ｎ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ｄ、は圧電定数、Ｑｍは機械的品質係
数、Ｔ（ｃ）は静電容量の一２０゛Ｃ〜６０°Ｃにおけ
る温度係数である。

第１表の試料阻１〜１４の特性をみれば、ａ＋ｂ、Ｃお
よびｄの値が本発明で定める範囲外のもの（比較例とし
て示したもの）は、ｄ、が極めて小さいか、Ｔ　（ｃ）
が大きくて温度特性の悪いことがわかる。

試料ヌ１５〜２１は、ａの値が１０モル％を越えるかあ
るいは０．５モル％より小さいとｄ□が小さく、Ｔ　（
ｃ）が大きくなることを示している。

ｂの値が０モル％だとｄｌが小さく（弘２２）、ａ十す
が２０モルを越えるとＴ　（ｃ）が大きくなる（ｋ２６
）　。

試料Ｎα２７〜３２は、ＭｎＯ２の添加量を変えた例で
ある。添加量が０．５モル％以上で、Ｑｍの向上効果が
認められ、一方、添加量が５モル％を超えると、ｄｏ、
Ｑ−およびＴ　（ｃ）の全てが悪化する。

試料Ｎａ３３〜４８は、Ｓｒ、　Ｃａ、　ＢａによるＰ
ｂの置換量を変えた例である。置換量が本発明で定める
範囲内であれば、ｄｓ＋が大きくなるが、１０原子％を
超えるとＴ　（ｃ）が悪化する（８１１３６）。

Ｐｂを置換した系においても、Ｍｎ０ｔの添加効果が認
められ、その添加量が前記の範囲内であればＱｍを向上
させることができる（弘３７〜４２）。

（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
数および機械的品質係数がともに大きく、温度特性が安
定しているため、大きな振動を温度変化に対しても安定
に得ることができる。このような本発明の圧電材料は、
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

【特許請求の範囲】（１）ａＰｂ（Ｓｂ＿１＿／＿２Ｎｂ＿１＿／＿２）Ｏ
＿３−ｂＰｂ（Ｚｎ＿１＿／＿３Ｔａ＿２＿／＿３）Ｏ
＿２−ｃＰｂＴｉＯ＿３−ｄＰｂＺｒＯ＿３で表され、
上記のａ、ｂ、ｃおよびｄが下記［１］〜［４］の式を
満足する磁器組成物１００モル％に対して、ＭｎＯ＿２
が０．５〜５モル％添加されている圧電材料。１≦ａ＋ｂ≦２０・・・・［１］０．５≦ａ≦１０・・・・［２］３５≦ｃ≦５２．５・・・［３］３５≦ｄ≦５５・・・・・［４］ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。（２）ａＰｂ（Ｓｂ＿１＿／＿２Ｎｂ＿１＿／＿２）Ｏ
＿３−ｂＰｂ（Ｚｎ＿１＿／＿３Ｔａ＿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］〜［４］の式を
満足し、且つＰｂの１０原子％以下がＳｒ、Ｃａおよび
Ｂａのうちの１種以上で置換されている磁器組成物１０
０モル％に対してＭｎＯ＿２が０．５〜５モル％添加さ
れている圧電材料。１≦ａ＋ｂ≦２０・・・・・［１］０．５≦ａ≦１０・・・・・［２］３５≦ｃ≦５２．５・・・・［３］３５≦ｄ≦５５・・・・・・［４］ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。