JP3468461B2 - 圧電セラミック組成物 - Google Patents
圧電セラミック組成物Info
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
成物、特に、Pb(Zn1/3・Nb2/3)O3 −PbTi
O3−PbZrO3 を主成分として含む圧電セラミック
組成物に関する。
n1/3・Nb2/3)O3 −PbTiO3−PbZrO3 よ
りなる三元系圧電セラミックスが知られ(特公昭44−
17344)、また、この三元系圧電セラミックスの鉛
原子の一部をカルシウム、ストロンチウム又はバリウム
で置換することにより誘電率を向上させた圧電セラミッ
クスが知られている(特公昭45−39977)。さら
に、特開昭61−129888には、比誘電率及び電気
機械結合係数の向上を目的として、同様な三元系圧電セ
ラミックスの鉛原子の一部をBa及びSrで置換した圧
電セラミックスが開示され、また、特開平3−2563
79には、その圧電セラミックス中のPb,Ba及びS
rの量を特定の範囲に限定することによって、製品間の
特性のバラツキの問題点を解決し、圧電定数を向上させ
た圧電セラミックスが開示されている。
圧電フィルター、圧電トランス、超音波振動子、圧電発
音体、圧電アクチュエーターあるいは圧電ブザー等に広
く使用されている。中でも、近年、圧電発音体、圧電ア
クチュエーター等の圧電振動子は小型化、薄層化が進ん
でいる。特に、圧電アクチュエーターは、例えば、パソ
コンのハードディスクドライブヘッド用のマイクロアク
チュエーターとしての利用が注目され、記録密度の向上
に伴い、サブミクロンのオーダーで微小変位を制御する
超小型の圧電アクチュエーターの開発が盛んに行われて
いる。圧電材料は、特に変位制御用アクチュエーターと
して使用される場合、優れた圧電性を有するもの、すな
わち、大きな圧電定数dを有するものが望ましい。一般
に、圧電定数dと、電気機械結合係数k及び比誘電率ε
との間にはd∝k√εの関係があり、圧電定数dを大き
くするためには、電気機械結合係数k及び比誘電率εを
大きくしなければならない。また、微小変位を制御する
圧電アクチュエーター素子等は、非常に薄い厚みを有す
る小さな形状の素子として加工される場合が多く、した
がって、厚さ方向の応力に対抗する大きな機械的強度、
すなわち、大きな抗折強度が要求される。従来のPb
(Zn1/3・Zb2/3)O3 −PbTiO3−PbZrO3
よりなる三元系圧電セラミックスには、優れた圧電特
性を有するが、機械的強度が必ずしも十分でない、とい
う問題点がある。すなわち、従来の圧電セラミックス
は、それらをアクチュエーター素子に加工する際に割れ
や欠け等の不良が生じ易いという欠点がある。また、素
子の駆動に際しても、外部応力による割れが生じ易く、
大きな変位を得るために大きな電圧を印加した場合、そ
の機械的強度が不十分なためにその変位自体によって破
壊に至るという欠点もある。したがって、本発明は、優
れた圧電特性を有しかつ、超小型で薄い素子に加工した
場合にも、十分な機械的強度を有する圧電セラミック組
成物を提供することを目的とするものである。
b[(Zn1/3Nb2/3 )x Tiy Zrz]O3 で表さ
れる酸化物組成物のPbの一部をSr、BaおよびCa
の少なくとも一つの金属元素で置換した酸化物組成物に
一定量のTa2O5,Sb2O3及びNb2O5から選ばれる
少なくとも一種の酸化物を添加したときに、その圧電特
性および機械的強度、特に、抗折強度が改良される、と
いう発見に基づいている。すなわち、上記目的を達成す
るための本発明は、下記基本組成式: (Pba1Aa2)[(Zn1/3Nb2/3 )x Tiy Zrz]
O3 (式中、AはSr,Ba及びCaから選ばれる少なくと
も一種の金属元素であり、そしてa1,a2,x,yお
よびzは、下記条件: 0.96≦a1+a2≦1 0.01≦a2≦0.10 x+y+z=1 0.05≦x≦0.40 0.1≦y≦0.5 0.2≦z≦0.6 を満たす原子比である)で表される酸化物組成物に、T
a2O5,Sb2O3及びNb2O5から選ばれる少なくとも
一種の酸化物の合計0.05〜1.00重量%(該酸化
物組成物基準)を添加したことを特徴とする圧電セラミ
ック組成物である。
[(Zn1/3Nb2/3 )x Tiy Zrz]O3 において、
原子比が、0.96≦a1+a2≦1(ただし、0.0
1≦a2≦0.10である)およびx+y+z=1(た
だし、0.05≦x≦0.40;0.1≦y≦0.5;
および0.2≦z≦0.6である)を満足するときに、
本発明の圧電セラミック組成物は大きな誘電率および電
気機械結合係数を有することが出来る。組成比a1+a
2を0.96より小さくすると、誘電率および電気機械
結合係数が小さくなる。PbをAで置換することによっ
て誘電率を向上させることができる。Aの置換量が増加
するにつれ、誘電率は向上するが、置換量が多すぎる
と、焼結性が低下し、高い焼結温度が必要となる。ま
た、Aの置換量が多すぎると、キューリー温度が低下
し、圧電セラミックスとしての実用温度が低下するので
好ましくない。したがって、Aの組成比としては、0.
01≦a2≦0.10であることが望ましい。(Zn
1/3Nb2/3 )の組成比xは、増加するほど誘電率は増
加するが、Nb原料が高価であるので、量産には不向き
である。xが0.05より小さいと、誘電率、電気機械
結合係数共に低く、必要な圧電特性が得られない。Ti
の組成比yおよびZrの組成比zは、誘電率、電気機械
結合係数に大きく影響し、特にモルフォトロピック相境
界付近が好ましい。これらの点から、本発明において、
組成比x、yおよびzは、0.05≦x≦0.40、
0.1≦y≦0.5、および0.2≦z≦0.6(ただ
し、x+y+z=1であることを条件とする)であるこ
とが好ましい。
しかつ優れた抗折強度を有する圧電セラミック組成物を
得るためには、Ta2O5,Sb2O3およびNb2O5から
選ばれる少なくとも一種の酸化物を、上記酸化物組成物
に対して合計0.05〜1.00重量%添加することが
好ましい。これらの酸化物の添加量が、0.05重量%
未満であると、添加の効果が十分に発揮されず、一方、
1.0重量%を越えると、誘電率、電気機械結合係数お
よび焼結性の低下が顕著となるので好ましくない。
法によって製造することが出来る。出発原料として、P
bO,TiO2,ZrO2,ZnOおよびNb2O5または
焼成によりこれら酸化物に変わり得る化合物(酸化物
1);SrO,BaOおよびCaOから選ばれる少なく
とも一つの酸化物または焼成によりこれら酸化物に変わ
り得る化合物(酸化物2);およびTa2O5,Sb2O3
及びNb2O5から選ばれる少なくとも一つの酸化物また
は焼成によりこれら酸化物に変わり得る化合物(酸化物
3)を用いることが出来る。各々の酸化物の所定量を秤
量し、ボールミル等を用いて湿式混合する。酸化物3
は、酸化物1および酸化物2の混合物を仮焼きした後に
添加してもよい。湿式混合の際のスラリー媒体として、
水、エタノール等のアルコールまたはこれらの混合物を
使用することが望ましい。出発原料を十分に混合した
後、約800〜1000℃で約1〜3時間仮焼成する。
得られた仮焼成物をボールミル等を用いて湿式粉砕す
る。この湿式粉砕においても、水、エタノール等のアル
コールまたはこれらの混合物を混合媒体として用いるこ
とが望ましい。湿式粉砕は、仮焼成物の平均粒径が約
0.5〜2.0μmとなるまで行うことが好ましい。
湿式粉砕によって得られた仮焼成物の粉末を乾燥し、乾
燥粉末に水またはバインダー(例えば、ポリビニルアル
コール等)を少量(約0.5〜8重量%)加えて混練す
る。得られたペーストを約98〜392MPa(1〜4
ton/cm2の換算値)の圧力をかけてプレス成形し
て成型物を得る。成形には、押し出し成型法や、他の成
型法も使用することが出来る。次いで、成型物を、約1
060〜1200℃で約2〜5時間焼成し、圧電セラミ
ックスを得る。焼成は、大気中、大気中より酸素分圧の
高い雰囲気または純酸素雰囲気中で行うことが出来る。
説明する。
CO3 ,BaCO3およびCaCO3から選ばれた化合物
を、最終生成物に含まれる金属元素が表1に示されるモ
ル比になるように混合し、そしてTa2O5,Sb2O3お
よびNb2O5から選ばれた化合物を表1に示される量で
添加した。この混合物に対してスラリー濃度が40〜5
0%になるように水を加え、ボールミルを使用して5時
間湿式混合した。得られた混合物を900℃で2時間仮
焼成した。仮焼成物にスラリー濃度が40〜50%にな
るように水を加え、ボールミルを用いて15時間湿式粉
砕した。得られたスラリーを乾燥した後、6重量%の水
を添加し、39.2MPa(400kgf/cm2の換
算値)の圧力で一軸加圧成型し、さらに392MPa
(4ton/cm2の換算値)の圧力で冷間静水圧成型
して、直径17mm、高さ20mmの円柱を作製した。
この円柱を表1に示す温度で2時間焼成して圧電セラミ
ックスを得た。得られた圧電セラミックスを、スライス
加工機およびラップ加工機を用いて厚さ0.6mmのデ
ィスクを作製した。このディスクの両面に銀ペーストを
塗布し、650℃で10分間焼き付けした後、シリコー
ンオイル中120℃で15分間3kV/mmの電界をか
けて分極処理を行った。このようにして得られたサンプ
ルを24時間放置した後、そのサンプルのkrおよびε
d(1kHz)をインピーダンスアナライザーHP41
94A(ヒューレットパッカード社製)を用いてEMA
S−6100に従って測定した。得られた結果は表1に
示すとおりであった。また、上記で得られた圧電セラミ
ックスを、別途スライス加工、ラップ加工およびダイシ
ング加工にかけて2mm×4mm×0.6mm(厚さ)
のサンプルを作製した。このサンプルの抗折強度を、デ
ジタル荷重試験機を使用し、JIS(R1601)に従
って測定した。このときの測定条件は、支店間距離およ
び荷重速度がそれぞれ2.0mm、0.5mm/mi
n.であった。得られた結果は表1に示すとおりであ
る。
気機械結合係数を有しかつ、小型で薄いマイクロアクチ
ュエーターとして使用された場合にも、素子の加工また
は駆動時に加えられる応力に十分耐えうる大きな機械的
強度を有する圧電セラミックスが得られる。
Claims (2)
- 【請求項1】 下記基本組成式: (Pba1Aa2)[(Zn1/3Nb2/3)xTi
yZrz]O3 (式中、AはSr,Ba及びCaから選ばれる少なくと
も一種の金属元素であり、そしてa1,a2,x,yお
よびzは、下記条件: 0.96≦a1+a2≦1 0.01≦a2≦0.10 x+y+z=1 0.05≦x≦0.40 0.1≦y≦0.5 0.2≦z≦0.6 を満たす原子比である) で表される酸化物組成物に対して、Ta2O5,Sb2
O3及びNb2O5から選ばれる少なくとも一種の酸化
物を0.05〜1.00重量%添加したことを特徴とす
る圧電セラミック組成物。 - 【請求項2】 圧電アクチュエータとして使用される請
求項1に記載の圧電セラミック組成物。
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