JP2811801B2 - 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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- JP2811801B2 JP2811801B2 JP1241150A JP24115089A JP2811801B2 JP 2811801 B2 JP2811801 B2 JP 2811801B2 JP 1241150 A JP1241150 A JP 1241150A JP 24115089 A JP24115089 A JP 24115089A JP 2811801 B2 JP2811801 B2 JP 2811801B2
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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。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、電圧の印加によってミ
クロンあるいはミクロンアンダーの微小変位を発生させ
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、半導体製造装置、ステ
ッパーなどの精密位置決め、さらには数ｋ〜数十kHzの
高周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリン
ターヘッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして
注目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急
速に進められている。
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、電圧の印加によってミ
クロンあるいはミクロンアンダーの微小変位を発生させ
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、半導体製造装置、ステ
ッパーなどの精密位置決め、さらには数ｋ〜数十kHzの
高周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリン
ターヘッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして
注目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急
速に進められている。
本発明は、上述したような圧電アクチュエータの幅広
い応用の中で、特に数ｋ〜百kHzの高周波駆動に適した
圧電アクチュエータ用材料を提供するものである。
い応用の中で、特に数ｋ〜百kHzの高周波駆動に適した
圧電アクチュエータ用材料を提供するものである。
［従来技術及びその課題］ 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。
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+
などで置換する方法、Pb（Ni1/3Nb2/3）O3,Pb（Co1/3Ta
2/3）O3などの複合ペロブスカイト化合物と、固溶体を
形成する方法、WO3,Fe2O3,Cr2O3などの酸化物を添加す
る方法などにより、アクチュエータ用圧電材料の特性の
改善がなされている。
などで置換する方法、Pb（Ni1/3Nb2/3）O3,Pb（Co1/3Ta
2/3）O3などの複合ペロブスカイト化合物と、固溶体を
形成する方法、WO3,Fe2O3,Cr2O3などの酸化物を添加す
る方法などにより、アクチュエータ用圧電材料の特性の
改善がなされている。
近年、開発が行われた超音波モータなどのように、圧
電アクチュエータ素子を数ｋ〜100kHz程度の共振周波数
で駆動する場合には、共振状態での振幅を大きくし、発
熱を抑制する為に高い機械的品質係数（Qm≧1000）を持
つことが要求される。従来のアクチュエータ用高ｄ定数
材料（いわゆるSoft系材料）を用いた場合、機械的品質
係数（Qm）が低く（数十〜百）、共振点において損失が
大きい為、入力エネルギーが有効に機械的エネルギーに
変換されず、変位が小さくなってしまったり、発熱が激
しくなる。Soft系高ｄ定数材料は、一般にキューリ温度
（Tc）が100℃〜150℃と低いので、発熱がキェーリ点近
傍までに達し、ついには脱分極し、変位を生じなくな
る。
電アクチュエータ素子を数ｋ〜100kHz程度の共振周波数
で駆動する場合には、共振状態での振幅を大きくし、発
熱を抑制する為に高い機械的品質係数（Qm≧1000）を持
つことが要求される。従来のアクチュエータ用高ｄ定数
材料（いわゆるSoft系材料）を用いた場合、機械的品質
係数（Qm）が低く（数十〜百）、共振点において損失が
大きい為、入力エネルギーが有効に機械的エネルギーに
変換されず、変位が小さくなってしまったり、発熱が激
しくなる。Soft系高ｄ定数材料は、一般にキューリ温度
（Tc）が100℃〜150℃と低いので、発熱がキェーリ点近
傍までに達し、ついには脱分極し、変位を生じなくな
る。
また、圧電アクチュエータ素子を非共振状態で数ｋ〜
数十kHzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSoft
系材料は、誘電率 誘電損失（tanδ）がともに大きい ので発熱が激しく、上述の理由により脱分極、所望の変
位が得られない欠点がある。
数十kHzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSoft
系材料は、誘電率 誘電損失（tanδ）がともに大きい ので発熱が激しく、上述の理由により脱分極、所望の変
位が得られない欠点がある。
一方、キューリ温度が高い（Tc＞300℃）いわゆるhar
d系材料を用いた場合、誘電率 誘電損失（tanδ）は小さくなるが tanδ0.1〜１％）、圧電歪定数が大きく低下し、例え
ば横方向の圧電歪定数（d31）が50×10-12m/V程度に低
下してしまい、所望の変位を得るには、高い駆動電圧を
必要とし、高価な高電圧、高周波数駆動用アンプが必要
となるといった欠点がある。
d系材料を用いた場合、誘電率 誘電損失（tanδ）は小さくなるが tanδ0.1〜１％）、圧電歪定数が大きく低下し、例え
ば横方向の圧電歪定数（d31）が50×10-12m/V程度に低
下してしまい、所望の変位を得るには、高い駆動電圧を
必要とし、高価な高電圧、高周波数駆動用アンプが必要
となるといった欠点がある。
以上のように、圧電アクチュエータを数ｋ〜100kHzの
高い周波数で駆動する場合、圧電定数が大きく、例えば
横モードの圧電歪定数（d31）が100×10-12m/V以上、誘
電率 及び誘電損失（tanδ）が小さい、例えば ,tanδ0.1〜１％程度であり、高い機械的品質係数（Q
m）、例えばQmが1000以上、の特性を有した材料の開発
が望まれている。
高い周波数で駆動する場合、圧電定数が大きく、例えば
横モードの圧電歪定数（d31）が100×10-12m/V以上、誘
電率 及び誘電損失（tanδ）が小さい、例えば ,tanδ0.1〜１％程度であり、高い機械的品質係数（Q
m）、例えばQmが1000以上、の特性を有した材料の開発
が望まれている。
［課題を解決する為の手段］ 本発明者らは上記目的を達成する為に詳細に検討した
結果、特定の組成を有する組成物が、高い圧電歪定数、
低誘電率、低誘電損失、高い機械的品質係数を併せ持つ
ことを見い出し、本発明を完成した。
結果、特定の組成を有する組成物が、高い圧電歪定数、
低誘電率、低誘電損失、高い機械的品質係数を併せ持つ
ことを見い出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は、鉛、ランタン、ジルコニウ
ム、チタン、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、マンガン及
び酸素原子よりなるセラミック組成物であって、一般式
（Ｉ） Pb(1-x)Lax［(1-Z)（ZryTi(1-y)）＋ ｚ｛（MgaZn(1-a)）1/3Nb2/3｝］（１−x/4）O
3 …（Ｉ） （但し、０＜ｘ＜0.08、0.45＜ｙ＜0.65、０＜ａ＜１、
０＜ｚ＜0.40）で示される主成分組成に、副成分として
マンガンを二酸化マンガンに（MnO2）換算して主成分に
対して1.5重量％未満含有してなることを特徴とするア
クチェエータ用圧電セラミック組成物に存する。
ム、チタン、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、マンガン及
び酸素原子よりなるセラミック組成物であって、一般式
（Ｉ） Pb(1-x)Lax［(1-Z)（ZryTi(1-y)）＋ ｚ｛（MgaZn(1-a)）1/3Nb2/3｝］（１−x/4）O
3 …（Ｉ） （但し、０＜ｘ＜0.08、0.45＜ｙ＜0.65、０＜ａ＜１、
０＜ｚ＜0.40）で示される主成分組成に、副成分として
マンガンを二酸化マンガンに（MnO2）換算して主成分に
対して1.5重量％未満含有してなることを特徴とするア
クチェ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高いキューリ温度
（Tc）、高い圧電歪定数及び高い機械的品質係数を持
ち、特に上記一般式（Ｉ）においてｘ＝0.02、ｙ＝0.5
0、ｚ＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.5重量％（実施例
１）、ｘ＝0.03、ｙ＝0.50、ｚ＝0.10、ａ＝0.5、MnO2
量0.5重量％（実施例３）、 ｘ＝0.03、ｙ＝0.51、ｚ
＝0.16、ａ＝0.5、MnO2量0.4重量％（実施例５）、ｘ＝
0.04、ｙ＝0.52、ｚ＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.5重量％
（実施例６）の組成のものは、キューリ温度（Tc）が25
0℃以上であり、横モードの圧電歪定数（d31）が100×1
0-12m/Vを超え、且つ機械的品質係数Qmが1000以上と大
きく、超音波モータなどの共振を利用した高周波駆動用
材料として非常に好適である。
（Tc）、高い圧電歪定数及び高い機械的品質係数を持
ち、特に上記一般式（Ｉ）においてｘ＝0.02、ｙ＝0.5
0、ｚ＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.5重量％（実施例
１）、ｘ＝0.03、ｙ＝0.50、ｚ＝0.10、ａ＝0.5、MnO2
量0.5重量％（実施例３）、 ｘ＝0.03、ｙ＝0.51、ｚ
＝0.16、ａ＝0.5、MnO2量0.4重量％（実施例５）、ｘ＝
0.04、ｙ＝0.52、ｚ＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.5重量％
（実施例６）の組成のものは、キューリ温度（Tc）が25
0℃以上であり、横モードの圧電歪定数（d31）が100×1
0-12m/Vを超え、且つ機械的品質係数Qmが1000以上と大
きく、超音波モータなどの共振を利用した高周波駆動用
材料として非常に好適である。
また一般式（Ｉ）においてｘ＝0.02、ｙ＝0.48、ｚ＝
0.28、ａ＝0.7、MnO2量0.15重量％（実施例２）、ｘ＝
0.03、ｙ＝0.50、ｚ＝0.16、ａ＝0.5、MnO2量0.15重量
％（実施例４）、ｘ＝0.04、ｙ＝0.52、ｚ＝0.16、ａ＝
0.5、MnO2量0.15重量％（実施例７）の組成のものは、
キューリ温度（Tc）が200℃以上であり、且つ横モード
の圧電歪定数（d31）が200×10-12m/Vを超える。さら
に、横モードの圧電歪定数（d31）が200×10-12m/Vを超
えるような組成物の場合は通常誘電損失（tanδ）は２
〜３％と大きいが（比較例１〜３）、本発明実施例2,4
及び７のものは誘電損失（tanδ）は0.3〜0.5％と1/4〜
1/10に低減されており、高周波駆動アクチュエータ材料
として好適である。
0.28、ａ＝0.7、MnO2量0.15重量％（実施例２）、ｘ＝
0.03、ｙ＝0.50、ｚ＝0.16、ａ＝0.5、MnO2量0.15重量
％（実施例４）、ｘ＝0.04、ｙ＝0.52、ｚ＝0.16、ａ＝
0.5、MnO2量0.15重量％（実施例７）の組成のものは、
キューリ温度（Tc）が200℃以上であり、且つ横モード
の圧電歪定数（d31）が200×10-12m/Vを超える。さら
に、横モードの圧電歪定数（d31）が200×10-12m/Vを超
えるような組成物の場合は通常誘電損失（tanδ）は２
〜３％と大きいが（比較例１〜３）、本発明実施例2,4
及び７のものは誘電損失（tanδ）は0.3〜0.5％と1/4〜
1/10に低減されており、高周波駆動アクチュエータ材料
として好適である。
特に、一般式（Ｉ）においてｘ＝0.06、ｙ＝0.57、ｚ
＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.10重量％（実施例８）の組
成のものは、横モードの圧電歪定数（d31）が300×10
-12m/V以上、誘電率が約4000程度であり、比較例２と同
程度であるにもかかわらず、誘電損失（tanδ）は0.6％
と比較例２と比べて1/4に低減されており、高周波駆動
アクチェエータ材料として極めて好適である。
＝0.10、ａ＝0.7、MnO2量0.10重量％（実施例８）の組
成のものは、横モードの圧電歪定数（d31）が300×10
-12m/V以上、誘電率が約4000程度であり、比較例２と同
程度であるにもかかわらず、誘電損失（tanδ）は0.6％
と比較例２と比べて1/4に低減されており、高周波駆動
アクチェエータ材料として極めて好適である。
なお、一般式（Ｉ）においてｘが0.08以上のものは、
キューリ温度（Tc）が150℃以下になってしまい、素子
の使用温度の上限が70℃程度となり、実用材料として適
さず、横モードの圧電歪定数（d31）も共振−反共振法
では検出できない程度に小さく、アクチュエータ用材料
としては適さない（比較例６）。
キューリ温度（Tc）が150℃以下になってしまい、素子
の使用温度の上限が70℃程度となり、実用材料として適
さず、横モードの圧電歪定数（d31）も共振−反共振法
では検出できない程度に小さく、アクチュエータ用材料
としては適さない（比較例６）。
また、一般式（Ｉ）においてｙが0.45以下のもの及び
0.65以上のものは、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（d
31）が低下してしまう。
0.65以上のものは、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（d
31）が低下してしまう。
一般式（Ｉ）においてｚが0.40以上のもの（比較例
４）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（d
31）が低下してしまい好ましくない。
４）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（d
31）が低下してしまい好ましくない。
また、Mn量がMnO2に換算して1.5重量％以上の（比較
例５）場合には、焼結時に異常粒成長が発生し、焼結密
度が低下し、分極時絶緑破壊が生じる為好ましくない。
例５）場合には、焼結時に異常粒成長が発生し、焼結密
度が低下し、分極時絶緑破壊が生じる為好ましくない。
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秤量し、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秤量し、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。
［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１〜13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,La2O3,
ZrO2,TiO2,MgO,ZnO,Nb2O5を第１表に示した所定の量比
に秤量し、さらに該主成分に対してMnO2を第１表に示し
た量秤量した。
ZrO2,TiO2,MgO,ZnO,Nb2O5を第１表に示した所定の量比
に秤量し、さらに該主成分に対してMnO2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,z,a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。乾燥、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
圧成型した後、鉛雰囲気中で1200℃で焼成した。その後
得られた焼結体をスライシングマシン用いて、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℃でで電極焼付けを行った。分極処理は、温度80〜1
10℃のシリコンオイル中で、電界強度2.0〜4.0kV/mm、
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、1k
Hzでの誘電率 1kHzでの誘電損失（tanδ）、機械的品質係数（Qm）、
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。
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。乾燥、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
圧成型した後、鉛雰囲気中で1200℃で焼成した。その後
得られた焼結体をスライシングマシン用いて、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℃でで電極焼付けを行った。分極処理は、温度80〜1
10℃のシリコンオイル中で、電界強度2.0〜4.0kV/mm、
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、1k
Hzでの誘電率 1kHzでの誘電損失（tanδ）、機械的品質係数（Qm）、
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、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数及び高いキューリ温度を併せ持
っており、数ｋ〜100kHzの高周波用圧電アクチュエータ
用材料として特に優れており、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、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数及び高いキューリ温度を併せ持
っており、数ｋ〜100kHzの高周波用圧電アクチュエータ
用材料として特に優れており、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 (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、マ
グネシウム、亜鉛、ニオブ、マンガ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 Pb(1-x)Lax［(1-Z)（ZryTi(1-y)）＋ ｚ｛（MgaZn(1-a)）1/3Nb2/3｝］（１−x/4）O3 （但し、０＜ｘ＜0.08、0.45＜ｙ＜0.65、０＜ａ＜１、
０＜ｚ＜0.40）で示される主成分組成に、副成分として
マンガンを二酸化マンガンに換算して主成分に対して1.
5重量％未満含有してなることを特徴とするアクチェエ
ータ用圧電セラミック組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1241150A JP2811801B2 (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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1241150A JP2811801B2 (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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03104180A JPH03104180A (ja) | 1991-05-01 |
| JP2811801B2 true JP2811801B2 (ja) | 1998-10-15 |
Family
ID=17070010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1241150A Expired - Fee Related JP2811801B2 (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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2811801B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4309654C2 (de) * | 1993-03-25 | 1995-04-13 | Pohl Gmbh & Co Kg | Ringförmige Dichtung |
| US5378382A (en) * | 1993-12-09 | 1995-01-03 | Mitsubishi Kasei Corporation | Piezoelectric ceramic composition for actuator |
-
1989
- 1989-09-18 JP JP1241150A patent/JP2811801B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03104180A (ja) | 1991-05-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070807 Year of fee payment: 9 |
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