JP2862086B2 - アクチュエータ用圧電性磁器組成物 - Google Patents
アクチュエータ用圧電性磁器組成物Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はサブミクロンオーダーの超精密位置決め、高
速位置決めに使用される圧電アクチュエータ素子に使用
される圧電性磁器組成物に関する。
速位置決めに使用される圧電アクチュエータ素子に使用
される圧電性磁器組成物に関する。
［従来の技術］ 圧電アクチュエータ素子は第２図の概略図で示される
ような積層構造を有しており、該素子に使用される圧電
性磁器組成物にはPb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO
3系、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO3系などのPbTiO
3−PbZrO3系を主成分とし、複合ペロブスカイト等の第
三成分を添加した組成物が大きな電気歪み率を発生する
材料として使用されている。
ような積層構造を有しており、該素子に使用される圧電
性磁器組成物にはPb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO
3系、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3−PbZrO3系などのPbTiO
3−PbZrO3系を主成分とし、複合ペロブスカイト等の第
三成分を添加した組成物が大きな電気歪み率を発生する
材料として使用されている。
なお、第２図中、１は圧電体層、２は外部電極、３は
絶縁体、４は内部電極層を示す。
絶縁体、４は内部電極層を示す。
ところが、近年、圧電アクチュエータ素子の小型化、
低電圧駆動化、高速駆動化が要求されるにともない、素
子の小型化、多積層化、更に、積層間隔の薄肉化が進ん
できたため、圧電アクチュエータ素子の低容量化、低損
失化、低発熱が望まれるようになってきた。
低電圧駆動化、高速駆動化が要求されるにともない、素
子の小型化、多積層化、更に、積層間隔の薄肉化が進ん
できたため、圧電アクチュエータ素子の低容量化、低損
失化、低発熱が望まれるようになってきた。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来から圧電アクチュエータ用材料として使
われてきたチタン酸ジルコン酸鉛系の磁器は電気歪み率
を大きくするために第三成分として複合ペロブスカイト
化合物を添加しているために比誘電率が3000〜10000と
高く、誘電損失も３〜５％と大きい。このため素子の多
積層化、積層間隔の薄肉化に伴い素子の電気容量が大き
くなり、素子自体が発熱するので高速駆動化する圧電ア
クチュエータ用材料としては不適である。
われてきたチタン酸ジルコン酸鉛系の磁器は電気歪み率
を大きくするために第三成分として複合ペロブスカイト
化合物を添加しているために比誘電率が3000〜10000と
高く、誘電損失も３〜５％と大きい。このため素子の多
積層化、積層間隔の薄肉化に伴い素子の電気容量が大き
くなり、素子自体が発熱するので高速駆動化する圧電ア
クチュエータ用材料としては不適である。
この説明として、誘電体セラミックスに交流電場を印
加した時の発熱量（Ｐ）は一般的に下記の実験式で表さ
れる。
加した時の発熱量（Ｐ）は一般的に下記の実験式で表さ
れる。
Ｐ＝Ｋ・εｒ・tanδ・ｆ・E2（ワット／cm3） ただし、K:定数 εr:比誘電率 tanδ：誘電損失 f:周波数（Hz） E:電界強度（V/cm） 発熱量（Ｐ）は周波数、電界強度が一定であれば誘電
体損失係数（εｒ・tanδ）に比例する。従って、圧電
アクチュエータ素子の発熱量を最小限にするには、素子
の誘電率（εｒ）と誘電損失（tanδ）をできるだけ小
さくしなければならない。
体損失係数（εｒ・tanδ）に比例する。従って、圧電
アクチュエータ素子の発熱量を最小限にするには、素子
の誘電率（εｒ）と誘電損失（tanδ）をできるだけ小
さくしなければならない。
また、圧電アクチュエータ素子の高速駆動化に対応し
て高周波数化が進むと、従来の高誘電率三成分系磁器で
は対応できなくなる。
て高周波数化が進むと、従来の高誘電率三成分系磁器で
は対応できなくなる。
更に、比誘電率が高い素子ほど機械的品質係数Qm及び
抗電場が低くなり、電圧印加に伴う分極反転、脱分極が
容易に起こり易く、電気歪のヒステリシス、ドリフトが
大きいという欠点がある。
抗電場が低くなり、電圧印加に伴う分極反転、脱分極が
容易に起こり易く、電気歪のヒステリシス、ドリフトが
大きいという欠点がある。
従って、本発明の目的は従来の圧電アクチュエータ用
材料を使用した圧電アクチュエータ素子の大容量化、高
速駆動時における発熱という問題点、更には、圧電アク
チュエータ素子の電気歪み率ヒステリシス、ドリフトの
問題を解決するために、圧電アクチュエータ用材料とし
て電気歪み率が大きく、低誘電率、低損失、更には、電
気歪み率のヒステリシス、ドリフトの小さい材料を提供
することにある。
材料を使用した圧電アクチュエータ素子の大容量化、高
速駆動時における発熱という問題点、更には、圧電アク
チュエータ素子の電気歪み率ヒステリシス、ドリフトの
問題を解決するために、圧電アクチュエータ用材料とし
て電気歪み率が大きく、低誘電率、低損失、更には、電
気歪み率のヒステリシス、ドリフトの小さい材料を提供
することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明者らは上述した問題点を解決すべく、鋭意研究
した結果、第１図に示すような一般式 xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−zPbZrO3で表される三成
分系固溶体において、電気歪み率が大きく、しかも、低
誘電率、低損失である圧電性磁器組成物を見出し、本発
明を完成するに至った。
した結果、第１図に示すような一般式 xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−zPbZrO3で表される三成
分系固溶体において、電気歪み率が大きく、しかも、低
誘電率、低損失である圧電性磁器組成物を見出し、本発
明を完成するに至った。
即ち、本発明は一般式xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−
zPbZrO3で表されるペロブスカイト型磁気組成物におい
て、Pb(Zn1/3Ta2/3)O3をｘ、PbTiO3をｙ、PbZrO3をｚと
するモル比で表す三成分系の三角図表で Ａ（x,y,z）＝（0.45,0.33,0.22） Ｂ（x,y,z）＝（0.30,0.47,0.22） Ｃ（x,y,z）＝（0.03,0.47,0.50） Ｄ（x,y,z）＝（0.03,0.40,0.57） Ｅ（x,y,z）＝（0.10,0.33,0.57） Ｆ（x,y,z）＝（0.30,0.30,0.40） の各点で囲まれる領域からなり、且つ4.5×10-4以上の
電気歪と2000以下の比誘電率と、2.5％以下の誘電損失
とをもつことを特徴とする高周波高速駆動用アクチュエ
ータ用圧電性磁器組成物に係る。
zPbZrO3で表されるペロブスカイト型磁気組成物におい
て、Pb(Zn1/3Ta2/3)O3をｘ、PbTiO3をｙ、PbZrO3をｚと
するモル比で表す三成分系の三角図表で Ａ（x,y,z）＝（0.45,0.33,0.22） Ｂ（x,y,z）＝（0.30,0.47,0.22） Ｃ（x,y,z）＝（0.03,0.47,0.50） Ｄ（x,y,z）＝（0.03,0.40,0.57） Ｅ（x,y,z）＝（0.10,0.33,0.57） Ｆ（x,y,z）＝（0.30,0.30,0.40） の各点で囲まれる領域からなり、且つ4.5×10-4以上の
電気歪と2000以下の比誘電率と、2.5％以下の誘電損失
とをもつことを特徴とする高周波高速駆動用アクチュエ
ータ用圧電性磁器組成物に係る。
［作用］ 材料という観点から上述したような積層型圧電アクチ
ュエータ素子の大容量化、高速駆動時の発熱という問題
を低減しようとすれば以下の二点が重要となる。
ュエータ素子の大容量化、高速駆動時の発熱という問題
を低減しようとすれば以下の二点が重要となる。
すなわち、大容量という問題については誘電率の低い
材料を使用することになり、また、発熱という問題では
素子の発熱量は、素子の容量と損失に比例するので誘電
率が低く且つ電気的損失（誘電損失）の低い材料を使用
することになる。
材料を使用することになり、また、発熱という問題では
素子の発熱量は、素子の容量と損失に比例するので誘電
率が低く且つ電気的損失（誘電損失）の低い材料を使用
することになる。
このような特徴を有するアクチュエータ用圧電性磁器
組成物はPb(Zn1/3Ta2/3)O3をｘ、PbTiO3をｙ、PbZrO3を
ｙとするモル比で表す第１図に示す三成分系の三角図表
で Ａ（x,y,z）＝（0.45,0.33,0.22） Ｂ（x,y,z）＝（0.30,0.47,0.22） Ｃ（x,y,z）＝（0.03,0.47,0.50） Ｄ（x,y,z）＝（0.03,0.40,0.57） Ｅ（x,y,z）＝（0.10,0.33,0.57） Ｆ（x,y,z）＝（0.30,0.30,0.40） の各点で囲まれる領域内にある一般式 xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−zPbZrO3で表される組成
物により提供することができる。
組成物はPb(Zn1/3Ta2/3)O3をｘ、PbTiO3をｙ、PbZrO3を
ｙとするモル比で表す第１図に示す三成分系の三角図表
で Ａ（x,y,z）＝（0.45,0.33,0.22） Ｂ（x,y,z）＝（0.30,0.47,0.22） Ｃ（x,y,z）＝（0.03,0.47,0.50） Ｄ（x,y,z）＝（0.03,0.40,0.57） Ｅ（x,y,z）＝（0.10,0.33,0.57） Ｆ（x,y,z）＝（0.30,0.30,0.40） の各点で囲まれる領域内にある一般式 xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−zPbZrO3で表される組成
物により提供することができる。
ここで、第１図に示す三角図表中の点Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ及びＦで囲まれた範囲内の組成物としたのは、こ
の範囲外では電気歪み率が2.6×10-4以下と小さく、ア
クチュエータ用材料としては適さないためである。
Ｄ、Ｅ及びＦで囲まれた範囲内の組成物としたのは、こ
の範囲外では電気歪み率が2.6×10-4以下と小さく、ア
クチュエータ用材料としては適さないためである。
本発明のアクチュータ用圧電性磁器組成物は厚さ方向
（分極方向）に10kV/cmの電界を印加したときの電気歪
み率が4.5×10-4〜7.8×10-4と大きく、比誘電率が2000
以下と低く、誘電損失が2.5％以下と低いためアクチュ
エータ用材料として最適である。
（分極方向）に10kV/cmの電界を印加したときの電気歪
み率が4.5×10-4〜7.8×10-4と大きく、比誘電率が2000
以下と低く、誘電損失が2.5％以下と低いためアクチュ
エータ用材料として最適である。
本発明のアクチュエータ用圧電性磁器組成物は通常の
ニューセラミックス製造方法により得ることができる。
例えば、PbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Ta2O5を上述の一般式
に規定した範囲内にあるように所定の割合で秤量し、混
合する。
ニューセラミックス製造方法により得ることができる。
例えば、PbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Ta2O5を上述の一般式
に規定した範囲内にあるように所定の割合で秤量し、混
合する。
次に、得られた混合物を800〜1000℃の温度範囲で１
〜６時間仮焼後、粉砕し、バインダーを少量添加して１
トン／cm2程度の圧力で加圧成形する。この成形体を120
0〜1300℃の温度範囲で１〜４時間焼成することにより
本発明のアクチュエータ用圧電性磁器組成物を得ること
ができる。
〜６時間仮焼後、粉砕し、バインダーを少量添加して１
トン／cm2程度の圧力で加圧成形する。この成形体を120
0〜1300℃の温度範囲で１〜４時間焼成することにより
本発明のアクチュエータ用圧電性磁器組成物を得ること
ができる。
なお、本発明の磁器組成物の原料としては加熱により
上記酸化物に分解する化合物またはそれら化合物相互の
化合物も使用することができる。これらの原料としては
例えば炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩等を使用できる。
上記酸化物に分解する化合物またはそれら化合物相互の
化合物も使用することができる。これらの原料としては
例えば炭酸塩、酢酸塩、硫酸塩等を使用できる。
［実施例］ 以下に実施例を挙げて本発明のアクチュエータ用圧電
性磁器組成物を更に説明する。
性磁器組成物を更に説明する。
実施例 PbO、TiO2、ZrO2、ZnO、Ta2O5を原料とし、第１表に
示す組成になるように秤量し、ポットミルを用いて湿式
混合した後、900℃で２時間仮焼した。この仮焼粉末200
gにバインダーとしてポリビニルアルコールを5g添加
し、造粒後、１トン／cm2の成形圧で直径20mm、厚さ2mm
の円板に成形した。
示す組成になるように秤量し、ポットミルを用いて湿式
混合した後、900℃で２時間仮焼した。この仮焼粉末200
gにバインダーとしてポリビニルアルコールを5g添加
し、造粒後、１トン／cm2の成形圧で直径20mm、厚さ2mm
の円板に成形した。
この成形体を1200〜1300℃の温度で２時間焼成するこ
とにより円板状の焼結体（アクチュエータ用圧電性磁器
組成物）を得た。
とにより円板状の焼結体（アクチュエータ用圧電性磁器
組成物）を得た。
次に、得られた焼結体の両面を厚み0.5mmに研摩し、
銀電極を焼き付けた後、分極処理をシリコンオイル中に
おいて60℃で20kV/cmの電界を印加することにより行な
った。
銀電極を焼き付けた後、分極処理をシリコンオイル中に
おいて60℃で20kV/cmの電界を印加することにより行な
った。
これら試料の1kHzにおける電気容量、損失を測定し、
比誘電率、誘電損失を求めると共に、厚さ方向（分極方
向）に10kV/cmの電界を印加し、そのときの電気歪み率
を0.01μｍの分解能をもつ光学式非接触変位計で測定し
た。
比誘電率、誘電損失を求めると共に、厚さ方向（分極方
向）に10kV/cmの電界を印加し、そのときの電気歪み率
を0.01μｍの分解能をもつ光学式非接触変位計で測定し
た。
得られた結果を第１表に併記する。
第１表から明らかなように、本発明の磁器組成物は厚
さ方向（分極方向）に10kV/cmの電界を印加したときの
電気歪み率が4.5×10-4〜7.8×10-4と大きく、比誘電率
は2000以下と低く、また、誘電損失も2.5％以下と低い
材料である。特に試料No.2、７、10,11の実施例は電気
歪み率が７×10-4以上と大きいにも拘わらず比誘電率が
1500以下という材料である。
さ方向（分極方向）に10kV/cmの電界を印加したときの
電気歪み率が4.5×10-4〜7.8×10-4と大きく、比誘電率
は2000以下と低く、また、誘電損失も2.5％以下と低い
材料である。特に試料No.2、７、10,11の実施例は電気
歪み率が７×10-4以上と大きいにも拘わらず比誘電率が
1500以下という材料である。
［発明の効果］ 以上、本発明のアクチュエータ用圧電性磁器組成物を
使用して圧電アクチュエータ素子を作製すれば、小形低
容量、低電圧駆動、大変位の圧電アクチュエータ素子を
得ることができ、しかも、その素子の高速駆動時の発熱
量は、従来の材料を使用した素子に比して大幅に低減す
ることができる。
使用して圧電アクチュエータ素子を作製すれば、小形低
容量、低電圧駆動、大変位の圧電アクチュエータ素子を
得ることができ、しかも、その素子の高速駆動時の発熱
量は、従来の材料を使用した素子に比して大幅に低減す
ることができる。
第１図は本発明のアクチュエータ用圧電性磁器組成物の
組成範囲を示す三角図表であり、第２図は積層型圧電ア
クチュエータ素子の概略図である。 図中、１…内部電極、２…外部電極、３…絶縁体、４…
内部電極層。
組成範囲を示す三角図表であり、第２図は積層型圧電ア
クチュエータ素子の概略図である。 図中、１…内部電極、２…外部電極、３…絶縁体、４…
内部電極層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗片 睦夫 東京都江東区豊洲１丁目１番７号 小野 田セメント株式会社セラミックス研究所 内 (56)参考文献 特開 昭61−147589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202821（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−298192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−46961（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 35/42 - 35/49 H01L 41/16 - 41/18 H01B 3/00 - 3/14
Claims (1)
- 【請求項１】一般式xPb(Zn1/3Ta2/3)O3−yPbTiO3−zPbZ
rO3で表される複合ペロブスカイト型磁器組成物におい
て、Pb(Zn1/3Ta2/3)O3をｘ、PbTiO3をｙ、PbZrO3をｚと
するモル比で表す三成分系の三角図表で Ａ（x,y,z）＝（0.45,0.33,0.22） Ｂ（x,y,z）＝（0.30,0.47,0.22） Ｃ（x,y,z）＝（0.03,0.47,0.50） Ｄ（x,y,z）＝（0.03,0.40,0.57） Ｅ（x,y,z）＝（0.10,0.33,0.57） Ｆ（x,y,z）＝（0.30,0.30,0.40） の各点で囲まれる領域からなり、且つ4.5×10-4以上の
電気歪率と2000以下の低比誘電率、2.5％以下の誘電損
失とを同時に満足することを特徴とする高周波高速駆動
に適した低容量アクチュエータ用圧電性磁器組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63218260A JP2862086B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | アクチュエータ用圧電性磁器組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63218260A JP2862086B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | アクチュエータ用圧電性磁器組成物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0267773A JPH0267773A (ja) | 1990-03-07 |
| JP2862086B2 true JP2862086B2 (ja) | 1999-02-24 |
Family
ID=16717088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63218260A Expired - Fee Related JP2862086B2 (ja) | 1988-09-02 | 1988-09-02 | アクチュエータ用圧電性磁器組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2862086B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62202821A (ja) * | 1986-03-04 | 1987-09-07 | Ube Ind Ltd | 多段湿式法による易焼結性の複合ペロブスカイトの原料粉末の製造方法 |
-
1988
- 1988-09-02 JP JP63218260A patent/JP2862086B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0267773A (ja) | 1990-03-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |