JP2811800B2 - アクチュエータ用圧電セラミック組成物 - Google Patents
アクチュエータ用圧電セラミック組成物Info
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
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-
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- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
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- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
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- Organic Chemistry (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はアクチュエータ用圧電セラミック組成物に関
するものである。
するものである。
ここでアクチュエータとは、圧電逆効果、すなわち電
気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換作用を用
いたものであり、電圧の印加によりミクロンあるいはミ
クロンアンダーの微小変位を正確に発生させるものであ
って、ブザーやポンプ、バルブ等の音響あるいは流量の
精密コントロール、VTRヘッドのオートトラッキングや
オートフォーカス、さらにはミクロンアンダーの機械切
削バイトの正確な位置決め、半導体製造用の微少位置決
め装置等への応用開発が近年急速に進められている。
気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換作用を用
いたものであり、電圧の印加によりミクロンあるいはミ
クロンアンダーの微小変位を正確に発生させるものであ
って、ブザーやポンプ、バルブ等の音響あるいは流量の
精密コントロール、VTRヘッドのオートトラッキングや
オートフォーカス、さらにはミクロンアンダーの機械切
削バイトの正確な位置決め、半導体製造用の微少位置決
め装置等への応用開発が近年急速に進められている。
[従来の技術] 従来よりアクチュエータ用圧電材料としては、ジルコ
ン酸チタン酸鉛セラミック組成物(PZT)が優れた圧電
特性を有していることが知られており、使用される用途
に応じて種々の改良がなされている。例えばジルコン酸
チタン酸鉛の一部をBa2+、Sr2+、Ca2+などの二価イオン
や、Bi3+やLa3+などの三価イオンで置換する方法、Ni
O、Nb2O5、MnO2、Cr2O3などの酸化物を添加する方法、P
b(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Co1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb
2/3)O3などの複合ペロブスカイト化合物との固溶体を
合成する方法などによりアクチュエータ用圧電材料の特
性の改良がなされている。微少変位をミクロンあるいは
ミクロンアンダーの精度でコントロールする圧電アクチ
ュエータ素子にはユニモルフ型、バイモルフ型、積層型
のタイプがあり、特性として高い圧電歪定数(例えば、
横モードの圧電歪定数d31>300×10-12 m/V)及び高い
キューリ温度(Tc>150℃)を持つことが要求される。
ン酸チタン酸鉛セラミック組成物(PZT)が優れた圧電
特性を有していることが知られており、使用される用途
に応じて種々の改良がなされている。例えばジルコン酸
チタン酸鉛の一部をBa2+、Sr2+、Ca2+などの二価イオン
や、Bi3+やLa3+などの三価イオンで置換する方法、Ni
O、Nb2O5、MnO2、Cr2O3などの酸化物を添加する方法、P
b(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Co1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Nb
2/3)O3などの複合ペロブスカイト化合物との固溶体を
合成する方法などによりアクチュエータ用圧電材料の特
性の改良がなされている。微少変位をミクロンあるいは
ミクロンアンダーの精度でコントロールする圧電アクチ
ュエータ素子にはユニモルフ型、バイモルフ型、積層型
のタイプがあり、特性として高い圧電歪定数(例えば、
横モードの圧電歪定数d31>300×10-12 m/V)及び高い
キューリ温度(Tc>150℃)を持つことが要求される。
[発明が解決しようとする課題] 一般に高い圧電歪定数を持つ材料は、キューリ温度が
低下する。例えば、従来、横モードの圧電歪定数d31が3
00×10-12 m/Vを越えるような高い圧電歪定数を持つ材
料は、キューリ温度Tcが100℃近傍に低下してしまい、
素子の使用温度の上限が50℃〜60℃と限定され、実用素
子としての応用に制約があった。また、キューリ温度の
高い材料は圧電歪定数が低くなってしまい、素子の駆動
に高い電圧を必要とする問題点があった。このような理
由から横モードの圧電歪定数(d31)が300×10-12 m/V
を越えるような高い圧電歪定数及び高いキューリ温度
(例えばTc>150℃)を合せ持つ材料の開発が望まれて
いる。
低下する。例えば、従来、横モードの圧電歪定数d31が3
00×10-12 m/Vを越えるような高い圧電歪定数を持つ材
料は、キューリ温度Tcが100℃近傍に低下してしまい、
素子の使用温度の上限が50℃〜60℃と限定され、実用素
子としての応用に制約があった。また、キューリ温度の
高い材料は圧電歪定数が低くなってしまい、素子の駆動
に高い電圧を必要とする問題点があった。このような理
由から横モードの圧電歪定数(d31)が300×10-12 m/V
を越えるような高い圧電歪定数及び高いキューリ温度
(例えばTc>150℃)を合せ持つ材料の開発が望まれて
いる。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは、前記問題点を解決する為、詳細に検討
した結果、特定の組成を有するセラミック組成物が高い
電気機械結合定数、高い圧電歪定数及び高いキューリ温
度を合せもつことを見い出し本発明に到達した。
した結果、特定の組成を有するセラミック組成物が高い
電気機械結合定数、高い圧電歪定数及び高いキューリ温
度を合せもつことを見い出し本発明に到達した。
即ち、本発明の要旨は、鉛、ランタン、ジルコニウ
ム、チタン、アンチモン及び酸素原子からなるセラミッ
ク組成物であって、一般式(I) Pd(1-x)Lax[ZryTi(1-y)](1−x/4)O3 ……(I) (但し、0<x<0.08、0.50<y<0.65) で示される主成分組成に、副成分としてアンチモンを五
酸化アンチモン(Sb2O5)に換算して主成分に対し3.0重
量%未満含有してなることを特徴とするアクチュエータ
用圧電セラミック組成物に存する。
ム、チタン、アンチモン及び酸素原子からなるセラミッ
ク組成物であって、一般式(I) Pd(1-x)Lax[ZryTi(1-y)](1−x/4)O3 ……(I) (但し、0<x<0.08、0.50<y<0.65) で示される主成分組成に、副成分としてアンチモンを五
酸化アンチモン(Sb2O5)に換算して主成分に対し3.0重
量%未満含有してなることを特徴とするアクチュエータ
用圧電セラミック組成物に存する。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の圧電セラミック組成物は非常に高い圧電歪定
数及び高いキューリ温度を持ち、特に上記一般式(I)
において0.05≦x≦0.07の範囲のペロブスカイト結晶の
相境界(MPB=モロフォトロピック、フェイズ、バウン
ダリー)付近のものは、横モードの圧電歪定数(d31)
が300×10-12 m/Vを越え、且つキューリ温度(Tc)が15
0℃以上あり、前述した問題点を克服するものであっ
て、圧電アクチュエータ用材料として非常に好適なもの
である。
数及び高いキューリ温度を持ち、特に上記一般式(I)
において0.05≦x≦0.07の範囲のペロブスカイト結晶の
相境界(MPB=モロフォトロピック、フェイズ、バウン
ダリー)付近のものは、横モードの圧電歪定数(d31)
が300×10-12 m/Vを越え、且つキューリ温度(Tc)が15
0℃以上あり、前述した問題点を克服するものであっ
て、圧電アクチュエータ用材料として非常に好適なもの
である。
中でも上記一般式(I)においてx=0.05、y=0.5
7、Sb2O5量1.0重量%;x=0.05、y=0.56、Sb2O5量1.0
重量%;x=0.06、y=0.58、Sb2O5量0.5重量%(実施例
5、6、7)の組成のものは、横モードの圧電歪定数
(d31)が300×10-12 m/Vを越え、かつキューリ温度(T
c)が200℃以上あり、圧電アクチュエータ用材料とし
て、広範囲な温度環境下で使用できる利点を有してい
る。また、さらには、x=0.06、y=0.58、Sb2O3量1.0
重量%;x=0.07、y=0.60、Sb2O3量0.5重量%(実施例
8、9)の組成のものは、横モードの圧電歪定数(d3
1)が370×10-12 m/Vを越え、かつキューリ温度(Tc)
が150℃を越えるものであって、圧電アクチュエータ用
材料として非常に優れたものである。
7、Sb2O5量1.0重量%;x=0.05、y=0.56、Sb2O5量1.0
重量%;x=0.06、y=0.58、Sb2O5量0.5重量%(実施例
5、6、7)の組成のものは、横モードの圧電歪定数
(d31)が300×10-12 m/Vを越え、かつキューリ温度(T
c)が200℃以上あり、圧電アクチュエータ用材料とし
て、広範囲な温度環境下で使用できる利点を有してい
る。また、さらには、x=0.06、y=0.58、Sb2O3量1.0
重量%;x=0.07、y=0.60、Sb2O3量0.5重量%(実施例
8、9)の組成のものは、横モードの圧電歪定数(d3
1)が370×10-12 m/Vを越え、かつキューリ温度(Tc)
が150℃を越えるものであって、圧電アクチュエータ用
材料として非常に優れたものである。
なお、ここで一般式(I)中、xが0.08を越えるもの
は、キューリ温度(Tc)が150℃以下になってしまい、
横モードの圧電歪定数(d31)も共振−反共振法では検
出されない程度に小さく、圧電アクチュエータ用材料と
しては適さない。また、yが0.50未満のもの及び0.65を
越えるものは、ペロブスカイト結晶の相境界より大きく
Zr/Ti組成比がずれる為横モードの圧電歪定数(d31)が
低下してしまう。また、Sb量がSb2O5に換算して3.0重量
%以上のもの(比較例5)はペロブスカイト相の他にパ
イロクロア相が焼結体中に混在するようになり、横モー
ドの圧電歪定数(d31)が低下してしまい好ましくな
い。
は、キューリ温度(Tc)が150℃以下になってしまい、
横モードの圧電歪定数(d31)も共振−反共振法では検
出されない程度に小さく、圧電アクチュエータ用材料と
しては適さない。また、yが0.50未満のもの及び0.65を
越えるものは、ペロブスカイト結晶の相境界より大きく
Zr/Ti組成比がずれる為横モードの圧電歪定数(d31)が
低下してしまう。また、Sb量がSb2O5に換算して3.0重量
%以上のもの(比較例5)はペロブスカイト相の他にパ
イロクロア相が焼結体中に混在するようになり、横モー
ドの圧電歪定数(d31)が低下してしまい好ましくな
い。
本発明の圧電セラミック組成物は、例えば、粉末の酸
化物原料を所定の配合組成になるように坪量し、、ボー
ルミル等で湿式混合仮焼した後、粉砕、1100℃〜1300℃
で焼結することによって得られる。
化物原料を所定の配合組成になるように坪量し、、ボー
ルミル等で湿式混合仮焼した後、粉砕、1100℃〜1300℃
で焼結することによって得られる。
なお、Sbの添加量はSb2O5換算量で示したが、Sbの添
加のSb2O5だけではなく、該当量の他のアンチモン化合
物、例えば三酸化アンチモン(Sb2O3)等を用いてもよ
い。
加のSb2O5だけではなく、該当量の他のアンチモン化合
物、例えば三酸化アンチモン(Sb2O3)等を用いてもよ
い。
[実施例] 以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、
本発明はその要旨を越えない限り、実施例により限定さ
れるものではない。
本発明はその要旨を越えない限り、実施例により限定さ
れるものではない。
実施例1〜9及び比較例1〜6 純度99.9%以上の高純度酸化物原料であるPbO、La
2O3、ZrO2、TiO2を第1表に示した量比に秤量し、さら
に該主成分に対してSb2O5を第1表に示した量秤量し
た。ここで、一般式(I)におけるx、yの値を第1表
に示す。これらの原料をボールミルを用いて24時間湿式
混合を行った。嵌装、成型処理後、900℃で2時間仮焼
し、その後乳鉢粉砕した後、ボールミルで再度24時間湿
式粉砕した。得られた粉体をラバープレス法により静水
圧成型したあと、鉛雰囲気中で1200℃焼成した。その後
得られた焼結体をスライシングマシンを用いて、円板状
及び棒状に加工した後、銀ペーストをスクリーン印刷
し、550℃で電極焼付けを行った。分極処理は、温度80
〜110℃のシリコンオイル中で、電界強度2.0〜3.0kV/m
m、時間5〜20分で行い、1日経過後、ベクトルインピ
ーダンスアナライザーを用いて、共振−反共振法によ
り、1kHzでの誘電率 1kHzでの誘電損失(tanδ)、横モードの電気機械結合
係数(K31)、弾性コンプライアンス(▲SE 11▼)及び
横モードの圧電歪定数(d31)の圧電諸物性を測定し
た。また、キューリ温度(Tc)は比誘電率の温度特性を
測定し、比誘電率の極大より求めた。測定結果を第1表
に示す。
2O3、ZrO2、TiO2を第1表に示した量比に秤量し、さら
に該主成分に対してSb2O5を第1表に示した量秤量し
た。ここで、一般式(I)におけるx、yの値を第1表
に示す。これらの原料をボールミルを用いて24時間湿式
混合を行った。嵌装、成型処理後、900℃で2時間仮焼
し、その後乳鉢粉砕した後、ボールミルで再度24時間湿
式粉砕した。得られた粉体をラバープレス法により静水
圧成型したあと、鉛雰囲気中で1200℃焼成した。その後
得られた焼結体をスライシングマシンを用いて、円板状
及び棒状に加工した後、銀ペーストをスクリーン印刷
し、550℃で電極焼付けを行った。分極処理は、温度80
〜110℃のシリコンオイル中で、電界強度2.0〜3.0kV/m
m、時間5〜20分で行い、1日経過後、ベクトルインピ
ーダンスアナライザーを用いて、共振−反共振法によ
り、1kHzでの誘電率 1kHzでの誘電損失(tanδ)、横モードの電気機械結合
係数(K31)、弾性コンプライアンス(▲SE 11▼)及び
横モードの圧電歪定数(d31)の圧電諸物性を測定し
た。また、キューリ温度(Tc)は比誘電率の温度特性を
測定し、比誘電率の極大より求めた。測定結果を第1表
に示す。
[発明の効果] 本発明で得られる圧電セラミック組成物は、高い電気
機械結合係数、高い圧電歪定数、及び高いキューリ温度
を併せ持っており、圧電アクチュエータ用材料として特
に優えており、本発明の産業利用上への寄与は極めて大
きい。
機械結合係数、高い圧電歪定数、及び高いキューリ温度
を併せ持っており、圧電アクチュエータ用材料として特
に優えており、本発明の産業利用上への寄与は極めて大
きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−298191(JP,A) 特開 昭61−91062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/49 H01L 41/18
Claims (1)
- 【請求項1】鉛、ランタン、ジルコニウム、チタン、ア
ンチモン及び酸素原子よりなるセラミック組成物であっ
て、一般式Pd(1-x)Lax[ZryTi(1-y)](1−x/4)O
3(但し、0<x<0.08、0.50<y<0.65)で示される
主成分組成に、副成分としてアンチモンを五酸化アンチ
モンに換算して主成分に対し3.0重量%未満含有してな
ることを特徴とするアクチュエータ用圧電セラミック組
成物。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1241149A JP2811800B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
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