JP3385999B2 - 圧電磁器組成物、それを利用した圧電ブザーおよび圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電磁器組成物、それを利用した圧電ブザーおよび圧電アクチュエータInfo
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Description
それを利用した圧電ブザーおよび圧電アクチュエータに
関し、特にたとえば、圧電アクチュエータ、圧電ブザ
ー、圧電センサ、圧電セラミックフィルタなどに利用す
るのに適する圧電磁器組成物、それを利用した圧電ブザ
ーおよび圧電アクチュエータに関する。
置は多種多様であり、たとえば、圧電ブザー、圧電アク
チュエータ、圧電センサ、圧電セラミックフィルタなど
がある。
が適用され得る圧電ブザーの一例を示す平面図であり、
図2はその圧電ブザーの正面図である。図1および図2
に示す圧電ブザー10は、たとえば円板状の金属板12
を含む。金属板12上の中央には、たとえば円板状の圧
電磁器14が形成される。この圧電磁器14は厚み方向
に分極される。また、圧電磁器14上には、電極16が
形成される。この圧電ブザー10では、金属板12と電
極16との間に交流信号が入力されると、圧電磁器14
および金属板12が振動し、音が発生する。
が適用され得る圧電アクチュエータの一例を示す側面図
である。図3に示す圧電アクチュエータ20は、積層さ
れる多数の短冊状の圧電磁器22を含む。これらの圧電
磁器22は、隣合うものが互いに逆の厚み方向に分極さ
れる。これらの圧電磁器22間には、内部電極24がそ
れぞれ形成される。この場合、1つおきの内部電極24
は圧電磁器22の長手方向における一端にそれぞれ引き
出され、他の内部電極24は圧電磁器24の長手方向に
おける他端にそれぞれ引き出される。また、これらの圧
電磁器24の両側面には、外部電極26、26がそれぞ
れ形成される。この場合、一方の外部電極26は1つお
きの内部電極24に接続され、他方の外部電極26は他
の内部電極24に接続される。この圧電アクチュエータ
20では、外部電極26、26間に一定方向に直流信号
を印加すると、全体が圧電磁器22の厚み方向に伸び
て、スイッチなどの他の部材に作用する。
は、圧電磁器がたとえばリフロー炉などの200℃以上
の高温下にさらされることがある。このような背景から
圧電磁器の耐熱性が求められている。チタン酸ジルコン
酸鉛(以下、PZTと称す)系圧電磁器の耐熱性を向上
させるためには、圧電磁器のキュリー温度を高くするこ
とと、圧電磁器の電気抵抗率を低下させることが有効で
あることが知られている。圧電磁器の電気抵抗率を低下
させる理由は、キュリー温度より低い温度で発生する焦
電電荷によって生じる逆電界のために分極が反転し、圧
電特性(圧電d定数、電気機械結合係数)が劣化するの
を抑制する効果が得られるためである。PZT系磁器の
キュリー温度を大きく低下させずに電気抵抗率を低下さ
せるには、CrやMnを微量添加させる方法が知られて
いる。しかし、CrやMnを添加すると圧電特性が低下
するため、さらにNbやSbを添加したり、PbをC
a、Sr、Ba、Laなどで置換することにより、キュ
リー点がやや低下するものの電気抵抗率は低いままで圧
電特性の低下を抑制していた。このような圧電磁器組成
物として、たとえば、特開平10−7460号公報およ
び特開平10−95666号公報には、PZTにLa、
Cr、Sbを含有させたものが開示されている。
従来の圧電磁器組成物では、CrやMnによる圧電特性
の劣化が大きく、NbやSbを添加、またはPbをC
a、Sr、Ba、Laなどで置換することにより圧電特
性の劣化を抑制しても、まだまだ圧電特性が低く、圧電
ブザーや圧電アクチュエータに求められるような高い圧
電特性と高耐熱性を高い水準で両立させることはできな
いという問題があった。圧電ブザー、圧電アクチュエー
タなどの性能は、圧電磁器の圧電特性(圧電d定数、電
気機械結合係数)が大きいほど高くなる。一方でリフロ
ーによる実装により性能が劣化しないことや、高温下で
の安定な駆動などが重要であるため、圧電磁器の耐熱性
も要求される。
電磁器の耐熱性と圧電特性を従来より高い水準で両立さ
せることができる圧電磁器組成物を提供することであ
る。また、この発明の他の目的は、耐熱性および圧電特
性を従来より高い水準で両立した圧電磁器が用いられた
圧電ブザーを提供することである。さらに、この発明の
他の目的は、耐熱性および圧電特性を従来より高い水準
で両立した圧電磁器が用いられた圧電アクチュエータを
提供することである。
器組成物は、組成式PbA 〔(Tix Zr1-x )a (S
ny Cr1-y )b Sbc 〕O3 の組成で表されるチタン
酸ジルコン酸鉛(PZT)のPb原子の0.2モル%以
上2モル%以下をLaで置換し、かつ、組成式中のA、
x、y、a、b、cは0.94≦A≦1.02、0.4
6≦x≦0.51、0.01≦y≦0.5、0.01≦
b≦0.03、0.01≦c≦0.04、a+b+c=
1であることを特徴とする、圧電磁器組成物である。こ
の発明にかかる圧電ブザーは、圧電磁器が用いられた圧
電ブザーであって、圧電磁器にこの発明にかかる圧電磁
器組成物が利用された、圧電ブザーである。この発明に
かかる圧電アクチュエータは、圧電磁器が用いられた圧
電アクチュエータであって、圧電磁器にこの発明にかか
る圧電磁器組成物が利用された、圧電アクチュエータで
ある。
ZTのPb原子の一部をLaで置換し、かつ、Tiおよ
びZrサイト(Bサイト)の一部をSbで置換すること
により、圧電磁器の高い圧電特性(圧電d定数、電気機
械結合係数)を得ることができる。さらに、この発明に
かかる圧電磁器組成物では、Bサイトの一部をCrで置
換することにより、圧電磁器の圧電特性は若干低下する
ものの、電気抵抗率を低下させ、耐熱性を向上させるこ
とができる。さらに、この発明にかかる圧電磁器組成物
では、Crの一部をSnで置換することにより、圧電磁
器の耐熱性は良好のままで、Crによる圧電特性の低下
をさらに抑制することができる。これは、SnがCrと
比較して粒内に固溶しやすいため、Sbの粒内への固溶
も促進されると考えられる。その結果として、Sbの粒
界への析出が減少するため、PbとSbからなる異相化
合物の生成が抑制され、圧電磁器の圧電特性が向上する
と考えられる。
徴および利点は、以下の発明の実施の形態の詳細な説明
から一層明らかとなろう。
O、La2 O3 、TiO2 、ZrO2 、Cr2 O3 、S
nO2 、Sb2 O3 を用意した。次に、これらの粉末を
表1に示す組成になるように秤量し、これに水を加え
て、ボールミルを用いて16時間湿式混合した。なお、
表1には、組成式PbA 〔(Tix Zr1-x )a (Sn
y Cr1-y )b Sb c 〕O3 の組成で表されるチタン酸
ジルコン酸鉛(PZT)のPb原子をLaで置換した割
合La(モル%)と、その組成式中のA、x、y、b、
cの各値とを示す。また、その組成式中、a+b+c=
1である。
〜950℃の温度で仮焼した。この仮焼粉に有機バイン
ダーを加え、プレス成形した後、1050〜1200℃
の温度で焼成し、所望の磁器を得た。この磁器を厚さ
0.6mmに研磨した後、その両主面に電極を形成し、
絶縁オイル中で2〜3kV/mmの電界で分極処理を行
った。その後、この磁器を3mm×13mm×0.6m
mの圧電素子となるようにカットした。
ε0 )、圧電特性(k31、|d31|)、電気抵抗率
(ρ)、キュリー温度(Tc)を測定した。耐熱性の指
標としては、加熱後測定として、その圧電素子を240
℃中に3分間放置し、室温で24時間経過後の圧電特性
(k31、|d31|)を測定した。それらの結果を表2に
示す。なお、表1および2において、試料番号に*印を
付したものはこの発明の範囲外のものである。
かる圧電磁器組成物の組成範囲の圧電素子は、圧電d31
定数が|d31|≧200pC/Nと大きく、かつ、その
圧電素子を240℃中に3分間放置し、室温で24時間
経過後の圧電定数d31も、|d31|≧200pC/Nと
大きいという特徴を持つ。
の発明にかかる圧電磁器組成物の組成式においてPbの
含有量Aが0.94≦A≦1.02の範囲から外れる領
域では、圧電磁器の焼結性が悪いため、好ましくない。
LaのPbに対するモル比が0.2モル%未満のもの、
試料番号12および15のようにTi/Zr比における
Tiのモル比xが0.46≦x≦0.51の範囲から外
れるもの、試料番号24のようにSbの含有量cが0.
01未満のもの、試料番号23のようにSnとCrの合
計の含有量bが0.03を超えるもの、試料番号16の
ようにCrをSnで置換しないものは、圧電d31定数が
|d31|<200pC/Nと小さく、好ましくない。
LaのPbに対するモル比が2モル%を超えるものは、
キュリー温度が250℃以下となり、耐熱性が悪く、好
ましくない。
対する置換量yが0.5を超えるもの、試料番号20の
ようにCrとSnの合計の含有量bが0.01未満のも
の、試料番号27のようにSbの含有量cが0.04を
超えるものは、絶縁抵抗率が1×1010Ω・m以上と大
きくなるため、耐熱性が悪く、好ましくない。
囲内における圧電磁器は、圧電定数d31、およびその圧
電磁器を240℃中に3分間放置し、室温で24時間経
過後の圧電定数d31が、|d31|≧200pC/Nと大
きい。すなわち、この発明にかかる圧電磁器組成物から
なる圧電磁器は、従来の圧電磁器と比較して、圧電特性
(k31、|d31|)と耐熱性を高い水準で両立するもの
である。
えば、図1および図2に示す圧電ブザー10の圧電磁器
14や図3に示す圧電アクチュエータ20の圧電磁器2
2に利用することができるとともに、圧電磁器を用いた
他の圧電装置にも利用することができる。この場合、圧
電磁器は耐熱性および圧電特性を従来より高い水準で両
立する。
と高い圧電特性を従来より高い水準で両立させることが
できる圧電磁器組成物が得られる。そのため、この発明
にかかる圧電磁器組成物をたとえば圧電ブザーや圧電ア
クチュエータに用いることにより、実装時のリフローや
高温下での駆動に対して安定であり、かつ電界誘起変位
の大きい圧電装置を得ることができる。
得る圧電ブザーの一例を示す平面図である。
得る圧電アクチュエータの一例を示す側面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 組成式PbA 〔(Tix Zr1-x )
a (Sny Cr1-y )bSbc 〕O3 の組成で表される
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のPb原子の0.2モ
ル%以上2モル%以下をLaで置換し、かつ、組成式中
のA、x、y、a、b、cは0.94≦A≦1.02、
0.46≦x≦0.51、0.01≦y≦0.5、0.
01≦b≦0.03、0.01≦c≦0.04、a+b
+c=1であることを特徴とする、圧電磁器組成物。 - 【請求項2】 圧電磁器が用いられた圧電ブザーであっ
て、前記圧電磁器に請求項1に記載の圧電磁器組成物が
利用された、圧電ブザー。 - 【請求項3】 圧電磁器が用いられた圧電アクチュエー
タであって、前記圧電磁器に請求項1に記載の圧電磁器
組成物が利用された、圧電アクチュエータ。
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