JP5489931B2

JP5489931B2 - 圧電磁器材料および圧電アクチュエータ

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Publication number: JP5489931B2
Application number: JP2010207421A
Authority: JP
Inventors: 智之杉原; 理伊勢
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012062215A

Description

本発明は、圧電磁器材料および圧電アクチュエータに関する。

従来、圧電アクチュエータは、半導体製造や産業装置などの精密制御に広く用いられてきた。消費電力が低く、コンパクトで、高速かつ精密な動作ができる圧電アクチュエータは、従来の産業用途にとどまらず、携帯電話やデジタルカメラなどの民生用途にもその利用が拡がっている。

特に、昨今の携帯電話搭載のカメラモジュール、またデジタルカメラなどは、小型化が進むとともに、より繊細な画質を求めて高画素化が進み、小型でも高いズーム機能を有した製品も登場している。

このようなデジタルカメラの高機能化に伴い、レンズの駆動源として圧電アクチュエータが利用されている。レンズの駆動として用いられる圧電アクチュエータには、大きな変位特性、周囲の温度変化による影響を受けにくい、さらに耐熱衝撃性が高いなどの性能が求められる。

圧電アクチュエータは、入力された電圧に応じて機械的変位を発生させるデバイスである。したがって、圧電アクチュエータを構成する圧電素子としては、より少ない電気エネルギーでより大きな変位を発生させるのが好ましい。

圧電素子の変位特性の指標のひとつとして圧電ｄ定数が用いられ、これは、圧電素子の比誘電率ε_ｒと電気機械結合係数Ｋによって決定される。このうち比誘電率ε_ｒは、圧電素子の静電容量Ｃを決定する重要なパラメータであり、圧電アクチュエータを駆動するための電源回路の設計において重要な指標となる。

しかし、圧電素子の比誘電率ε_ｒは材料組成や製造方法によってその値が変わり、さらに圧電素子の温度によっても変動する。圧電アクチュエータを駆動する電源回路を設計する際は、この比誘電率ε_ｒの温度特性も考慮に入れて、デバイスの実使用環境を想定して設計する必要がある。

民生用途に代表される携帯電話やデジタルカメラは、実使用環境において、例えば室内から室外へ移動したときなどの急激な温度変化が想定される。圧電素子に急激な温度変化が与えられると、分極の大きさが変化することにより素子表面に電荷が生じる焦電効果が発生する。焦電効果により発生した焦電電荷Ｑｐにより、外部電界Ｅｐが発生し、誘電特性の非線形効果、及び結晶の微細構造、分極ドメインのミクロな動きなどにより比誘電率ε_ｒの値が変化する。

図６は、圧電素子の温度が変化した際の、静電容量Ｃの変化を模式的に示した図である。急激な温度変化が発生し、圧電素子に急激な温度変化が与えられると、通常の比誘電率ε_ｒの温度特性による静電容量Ｃの変化ΔＣ１の他に、焦電電荷Ｑｐにより発生した外部電界Ｅｐによる静電容量変化ΔＣ２が発生する。この外部電界Ｅｐによる静電容量変化ΔＣ２は、圧電素子の非線形効果による比誘電率ε_ｒの変化、及びミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きに依るものと考えられ、材料組成や製造方法の違いによる結晶粒の緻密度などによってその影響は変わってくる。

この急激な温度変化による焦電効果を起因とした静電容量変化ΔＣ２は、時間の経過とともに収束していく。

ここで、急激な温度変化が生じてから２４０時間後の静電容量を基準にし、静電容量変化ΔＣ２が１％以内の静電容量値に安定するまでの時間を静電容量安定化時間Ｔｓと定義する。この静電容量安定化時間Ｔｓは、圧電磁器材料によってばらつきがあり、数分というオーダーで収束するものもあれば、数十時間を要するものもある。

これまでに、急激な温度変化による焦電効果の影響を防ぐために、焦電電荷Ｑｐをリークさせる手段が用いられてきた。

例えば、特許文献１においては、積層セラミック圧電体に並列に電荷リーク手段を設け、焦電効果により発生する電荷を除去し、分極劣化を防止する積層セラミック圧電体駆動回路が提案されている。

また、従来の圧電磁器材料として特許文献２、特許文献３などが開示されている。特許文献２では、ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３で示される圧電磁器材料により、急激な温度変化における感度の変動を抑制する材料が提案されている。

特許文献３では、Ｐｂ［（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）_Ａ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）_ＢＺｒ_ＣＴｉ_Ｄ］Ｏ_３で表され（但しＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＝１）、副成分としてＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３等の希土類元素の酸化物から選ばれた１種及びＣｏ_２Ｏ_３を添加することで大きな機械的変位特性が得られる圧電磁器組成物が提案されている。

特開昭６０−２４９８７７号公報特開平１１−９２２２３号公報特開昭６１−１０２８７号公報

特許文献１の電荷リーク手段は積層セラミック圧電体を駆動する回路側で施す。例えば、積層セラミック圧電体と並列にリレー回路を設置し、積層セラミック圧電体が駆動停止の期間は、電荷リークの経路の抵抗値が低くなるような回路構成である。

しかし、特許文献１の構成では積層セラミック圧電体を駆動する駆動回路の部品点数が多くなり、圧電アクチュエータ等の圧電デバイスモジュールのコストアップ、及び大型化が予想される。圧電アクチュエータの民生用途への応用が進む中、特に携帯電話等への小型カメラの搭載などを考慮するとモジュール自体が大型化してしまうのは大きな欠点となる。

特許文献２の圧電磁器材料では、ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３の固溶体に、第三成分として、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を固溶させ、さらにＳｍ_２Ｏ_３を添加することで、機械的品質係数Ｑｍ、共振周波数ｆｒが温度変化に対して変動の少ない特性を実現している。機械的品質係数Ｑｍ、共振周波数ｆｒの耐熱衝撃性が強いと、圧電ジャイロのノイズ成分が低減され、高感度なジャイロが実現できる。しかし、この材料は高い温度安定性はあるものの、高い変位特性が要求されるアクチュエータ用途には適していない。

特許文献３において、Ｐｂ［（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）_Ａ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）_ＢＺｒ_ＣＴｉ_Ｄ］Ｏ_３の材料に希土類元素及びＣｏ_２Ｏ_３を副成分として添加すると大きな変位特性が得られる一方で、材料の比誘電率ε_ｒは、その温度変化率が大きくなるという弊害があった。

比誘電率ε_ｒの温度変化率が大きいと、温度変化により生じた素子容量の安定化時間も長くなり、急激な温度変化により発生した静電容量変化後の静電容量安定化時間Ｔｓは、副成分である希土類元素及びＣｏ_２Ｏ_３を添加すればするほど悪くなる問題があった。

静電容量安定化時間Ｔｓが数十時間もかかる場合、圧電アクチュエータ等の圧電デバイスの製造や、実使用の際にさまざまな問題が発生する。例えば圧電アクチュエータを駆動するための電源回路を設計する際は、圧電アクチュエータを構成する圧電素子の静電容量Ｃの値を指標にして周辺回路の定数を決定する。回路設計した時の値と、実使用における静電容量の値に差が生じると、設計通りの動作をしないという問題が発生する。

また、圧電素子の製品検査の段階では、素子のショート不良や電気特性異常品の検出のために静電容量測定を行う。正しい静電容量値を測定するためには、例えば素子製造工程において熱処理などを施してから、静電容量安定化時間Ｔｓの時間だけ待機しなければならず、製造効率を大きく低下させる要因になる。

また、圧電素子の温度が急激に変化すると、静電容量Ｃが安定するまで一定の時間がかかるという問題の他にも、焦電効果による分極劣化の問題も存在する。

通常圧電素子の温度が上昇した場合、焦電電荷Ｑｐによる外部電界Ｅｐは素子の分極を強める方向に働くが、圧電素子の温度が下降した場合、その外部電界Ｅｐの向きは分極を劣化する方向に働く。したがって、急激な温度変化を繰り返すと圧電素子の分極が劣化し、電気機械結合係数Ｋの減少、及び変位特性が悪化する。圧電素子の急激な温度変化を起因としたこれらの問題は、圧電素子を使用した圧電アクチュエータ等の性能の安定性に対して、大きな課題となっている。

本発明は上述した課題を解決し、その目的は、高い変位特性を有し、焦電効果の影響が小さく、静電容量安定化時間が短い圧電磁器材料および圧電アクチュエータを提供することである。

本発明は、組成式ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００）で表される圧電磁器材料とこの圧電磁器材料を使用した圧電アクチュエータである。

すなわち、本発明によれば、組成式がａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００）で示され、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．４１〜０．４９、ｃが２０〜３０ｍｏｌ％、ｄが０．２〜２ｍｏｌ％、ｅが２〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする圧電磁器材料が得られる。

また、本発明によれば、上記の圧電磁器材料からなる圧電アクチュエータが得られる。

本発明の圧電磁器材料を使用することにより、高い変位特性を有し、焦電効果の影響が小さく、静電容量安定化時間が短い圧電磁器材料および圧電アクチュエータを提供することが可能となる。

静電容量安定化時間Ｔｓを比較した結果を示す図である。本発明の圧電磁器材料を使用した試料の２５℃環境における絶縁抵抗ＩＲの値を示す図である。本発明の圧電磁器材料を使用した試料の機械的品質係数Ｑｍの値を示す図である。ＰｂＴｉＯ_３とＰｂＺｒＯ_３に対するＰｂＺｒＯ_３の含有量比ｂ／（ａ＋ｂ）と径方向の電気機械結合係数Ｋ_ｒの関係を表す図である。Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃとキュリー点Ｔｃの関係を示す図である。圧電素子の温度が変化した際の、静電容量Ｃの変化を模式的に示す図である。焦電効果と静電容量の変化を模式的に表した図で、図７（ａ）は絶縁抵抗ＩＲが低い状態を示す図、図７（ｂ）は絶縁抵抗ＩＲが高い状態を示す図である。圧電アクチュエータの電極構造を示す斜視図で、図８（ａ）は、部分電極構造、図８（ｂ）は、全面電極構造である。

本発明は、組成式がａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００）で示され、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．４１〜０．４９、ｃが２０〜３０ｍｏｌ％、ｄが０．２〜２ｍｏｌ％、ｅが２〜１０ｍｏｌ％の主成分からなる圧電磁器材料である。

一般に、圧電磁器材料は、ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３の２成分系ＰＺＴセラミックスに複合ペロブスカイト化合物を一種もしくは複数種固溶させることにより、２成分系では得られなかった誘電的、圧電的な特性改善がなされて広く実用化されている。

特に、圧電アクチュエータ用材料として考えた場合、変位特性が最も重要な特性のひとつとなる。そこで本発明では、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３を固溶させることにより、大きな比誘電率ε_ｒと高い電気機械結合係数Ｋが得られ、圧電ｄ定数ｄ_３３が４００ｐｍ／Ｖ以上となる高い変位特性を実現できる。

また、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を固溶させることで、絶縁抵抗ＩＲが低く、機械的品質係数Ｑｍが大きな材料が形成される。これにより、素子の急激な温度変化による静電容量の変化が起きた際に、その静電容量が安定するまでの時間が短くなる。従来のアクチュエータ用材料は、その絶縁抵抗ＩＲの値が数千ＭΩ〜数万ＭΩ程度あるのが一般的であったが、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を固溶させることで室温における絶縁抵抗ＩＲ値が数百ＭΩ台にまで減少できる。

図７は、焦電効果と静電容量の変化を模式的に表した図で、図７（ａ）は絶縁抵抗ＩＲが低い状態を示す図、図７（ｂ）は絶縁抵抗ＩＲが高い状態を示す図である。図７おいて、第１の電極１１と第２の電極１２が設けられた圧電体１３は分極方向１４のように分極が施されている。図７（ａ）の絶縁抵抗ＩＲが低い状態は、模式的にリーク経路１５を有しているように考えられる。急激な温度変化により発生した焦電電荷Ｑｐは、リーク経路１５によって、プラスの焦電電荷とマイナスの焦電電荷が相殺される。このため、焦電電荷Ｑｐによる外部電界Ｅｐが小さく、圧電体１３は外部電界Ｅｐの影響を受けにくい。

一方、図７（ｂ）の絶縁抵抗ＩＲが高い状態では、焦電電荷Ｑｐが第１の電極１１、第２の電極１２に数多く残留することになり、それにより発生する外部電界Ｅｐも大きくなる。このため、誘電特性の非線形効果及びミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きにより素子全体の比誘電率ε_ｒが大きく変化する。比誘電率ε_ｒが大きく変化することで、静電容量Ｃも大きく変化することになる。

すなわち、絶縁抵抗ＩＲを低くすることで、静電容量の変化が小さく、静電容量安定化時間Ｔｓが短くなる。なお、絶縁抵抗は従来よりも減少しているが、絶縁体として機能するには十分な絶縁抵抗ＩＲ値を維持している。

さらに、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を固溶させることにより、機械的品質係数Ｑｍが大きくなり、静電容量安定化時間Ｔｓが短くなる。静電容量安定化時間Ｔｓは、機械的品質係数Ｑｍが大きいほどその時間が短くなる傾向があり、これは材料のＱｍが大きくなることにより、結晶の微細構造、分極ドメインが動きにくくなるためと考えられる。

主成分の原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｃｏ_３Ｏ_４、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＮｉＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３を目的の組成になるように秤量した。この原料粉末を、ジルコニアボールとともにナイロンポッドの中に入れ、４６時間湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で８５０℃、２時間の予焼を行った。この予焼粉末をナイロンポッド内のジルコニアボールにて２０時間湿式粉砕した。続いて、脱水乾燥し、得られた予焼粉砕粉末にバインダを混合して加圧し、φ２０×１０ｍｍに成形した。この成形体を１０００〜１２００℃で焼結し、外周刃切断機で１ｍｍの厚さの円盤に加工した。そして、加工した円盤の両面に銀ペーストを塗布し、４５０℃で焼き付けて電極を形成し、試料とした。このようにして得られた試料に、シリコンオイル中で１００℃、２ｋＶ／ｍｍ、１５分で分極処理を行い、その後室温２５℃の環境に戻した。

（実施例１）
上述した方法で、ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の各組成を、ｂ／（ａ＋ｂ）＝０．４４、ｃ＝２５ｍｏｌ％、ｄ＝０．４ｍｏｌ％とし、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｅを５ｍｏｌ％、１０ｍｏｌ％と変化させた試料をそれぞれ作製した。比較材料として、ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の各組成を、ｂ／（ａ＋ｂ）＝０．４４、ｃ＝２５ｍｏｌ％、ｄ＝０．４ｍｏｌ％とし、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を含有させないものを作製した。

次に、分極された試料において、１００℃から２５℃への急激な温度変化を与えた際の、試料の静電容量の変化を測定した。図１は、静電容量安定化時間Ｔｓを比較した結果を示す図である。ここで、横軸は静電容量安定化時間Ｔｓ、縦軸は温度変化から２４０時間後の静電容量を１とした場合の、静電容量比を表している。先にも述べたが、急激な温度変化が生じてから２４０時間後の静電容量を基準にし、その１％（静電容量比で１．０１）以内の静電容量値に安定するまでの時間を静電容量安定化時間Ｔｓと定義している。

比較材料では、静電容量安定化時間Ｔｓがおよそ４０時間近くかかっているのに対し、本発明においては１時間もかからずに静電容量が安定している。図１から分かるとおり、本発明によると、急激な温度変化による静電容量安定化時間Ｔｓが大幅に改善できた。

この改善した要因は、大きく分けると材料の絶縁抵抗ＩＲと、ミクロな領域における結晶の微細構造、分極ドメインの動きやすさに起因していると考えられる。

図２は本発明の圧電磁器材料を使用した試料の２５℃環境における絶縁抵抗ＩＲの値を示す図である。縦軸は絶縁抵抗ＩＲ、横軸はＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｅで、ｅを２ｍｏｌ％、５ｍｏｌ％、１０ｍｏｌ％と変化させた。図２に示すとおり、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を２ｍｏｌ％以上含有させると絶縁抵抗ＩＲの値は２５℃環境において数百ＭΩ台にまで減少している。この絶縁抵抗ＩＲは、高温環境にするとその値がさらに減少することが分かっている。絶縁抵抗ＩＲが低下すると、急激な温度変化により発生した焦電電荷Ｑｐが圧電体を介して対面側の電極にリークし、結果として焦電効果による影響を受けにくくなり、上述した静電容量安定化時間Ｔｓの短縮が実現できる。Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を１０ｍｏｌ％より多く含有させた場合、絶縁抵抗ＩＲの値が小さくなり、絶縁体としての性能が劣るため、ｅは１０ｍｏｌ％以下とする必要がある。

また、機械的品質係数Ｑｍは、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率を上げることでその値が増加する傾向にある。図３は、本発明の圧電磁器材料を使用した試料の機械的品質係数Ｑｍの値を示す図である。ここで、横軸はＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｅ、縦軸は機械的品質係数Ｑｍである。Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３をの含有比率を増やすことで機械的品質係数Ｑｍが増加することが確認できた。これは、結晶の微細構造や分極ドメインが動きにくくなったことにより、静電容量安定化時間Ｔｓが短くなったものと考えられる。

（実施例２）
実施例１と同様の方法でａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の各組成を、ｃ＝２５ｍｏｌ％、ｄ＝０．４ｍｏｌ％、ｅ＝５ｍｏｌ％とし、ＰｂＴｉＯ_３とＰｂＺｒＯ_３に対するＰｂＺｒＯ_３の含有量比ｂ／（ａ＋ｂ）を０．４０、０．４１、０．４３、０．４４、０．４５、０．４７、０．４９、０．５０に変化させた試料をそれぞれ作製した。これらの試料について、共振周波数と反共振周波数を測定し、この測定値から径方向の電気機械結合係数Ｋ_ｒを算出した。

図４は、ＰｂＴｉＯ_３とＰｂＺｒＯ_３の含有量比ｂ／（ａ＋ｂ）と径方向の電気機械結合係数Ｋ_ｒの関係を表す図である。大きな変位特性を得るための圧電磁器材料は、電気機械結合係数が高いことが必要である。圧電アクチュエータ用途においては、電気機械結合係数を５０％以上は確保しないと変位特性が満たされない。よって、図４から分かるとおり、ＰｂＴｉＯ_３とＰｂＺｒＯ_３に対するＰｂＺｒＯ_３の含有量比ｂ／（ａ＋ｂ）は０．４１〜０．４９とする必要がある。

（実施例３）
実施例１と同様の方法でａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の各組成を、ｂ／（ａ＋ｂ）＝０．４４、ｄ＝０．４ｍｏｌ％、ｅ＝５ｍｏｌ％とし、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃを２０ｍｏｌ％、２５ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％、３５ｍｏｌ％、５０ｍｏｌ％に変化させた試料をそれぞれ作製した。これらの試料について、共振周波数と反共振周波数を測定し、この測定値から径方向の電気機械結合係数Ｋ_ｒを算出した。

図５は、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃとキュリー点Ｔｃの関係を示す図である。Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃを増やすと比誘電率ε_ｒが大きくなり変位特性が向上するが、図５に示すようにキュリー点Ｔｃが低くなってしまい、産業上、使用する温度が限られる環境のみで対応可能な圧電磁器材料となってしまう。民生用途で使用する場合、キュリー点Ｔｃは、２２０℃以上が必要であるため、図５から分かるとおり、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃは、２０〜３０ｍｏｌ％が望ましい。また、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃが２０ｍｏｌ％未満のときは、変位特性が劣化するため、ｃは２０ｍｏｌ％以上が望ましい。

（実施例４）
実施例１と同様の方法でａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の組成比率を変えた試料をそれぞれ作製した。

表１は、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の含有比率ｃ、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の含有比率ｄを変化させた時の比誘電率ε_ｒ、圧電定数ｄ_３３、キュリー点Ｔｃの特性を示す。ｂ／（ａ＋ｂ）＝０．４４、ｃ＝２５ｍｏｌ％、ｅ＝５ｍｏｌ％とし、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の含有比率ｄを０．１ｍｏｌ％から２．５ｍｏｌ％に変化させた。Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の含有比率ｄを増やすとキュリー点Ｔｃは高くなるものの、比誘電率ε_ｒ、圧電定数ｄ_３３が小さくなる。ｄが２ｍｏｌ％を超えると、圧電定数ｄ_３３が４００［ｐｍ／Ｖ］より小さくなり圧電アクチュエータとしての変位特性を満足しない。また、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の含有比率ｄを０．２ｍｏｌ％未満とすると、キュリー点Ｔｃが２２０℃より小さくなり、民生機器用途の圧電アクチュエータに適用出来ない。したがって、Ｐｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３の含有比率ｄは０．２〜２ｍｏｌ％が望ましい。

（実施例５）
ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３で示される圧電磁器材料を圧電アクチュエータとして応用した。

図８は、圧電アクチュエータの電極構造を示す斜視図で、図８（ａ）は、部分電極構造、図８（ｂ）全面電極構造である。図８（ａ）の部分電極構造の圧電アクチュエータは、圧電体層２０と内部電極層２１が交互に積層され、内部電極層２１は側面に一層おきに露出している。側面には外部電極２２が形成され、内部電極層２１の露出した部分と導通する構造となっている。また、図８（ｂ）の全面電極構造の圧電アクチュエータは、圧電体層２０と内部電極層２１が交互に積層され、内部電極層２１は全面に形成されている。内部電極層の側面に露出した部分に一層おきに絶縁物２３を形成し、その上から外部電極２２を形成する。絶縁物２３が形成されていない内部電極層２１と外部電極２２が一層おきに導通する構造となっている。いずれの圧電アクチュエータも側面を絶縁コーティングし、ショート不良対策を施すことが多い。本実施例では、部分電極構造の圧電アクチュエータを作製した。

主成分の原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｃｏ_３Ｏ_４、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＮｉＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３を目的の組成になるように秤量した。本実施例では、ａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３の各組成をｂ／（ａ＋ｂ）＝０．４４、ｃ＝２５ｍｏｌ％、ｄ＝０．４ｍｏｌ％、ｅ＝５ｍｏｌ％とした。この原料粉末を、ジルコニアボールとともにナイロンポッドの中に入れ、４６時間湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で８５０℃、２時間の予焼を行った。この予焼粉末をナイロンポッド内のジルコニアボールにて２０時間湿式粉砕した。この予焼粉砕粉末を、バインダと溶媒の混合物を加えスラリーを調整した。このスラリーを用い、ドクターブレード法により厚み約２０μｍのグリーンシートを作製し、銀とパラジウムを含む導電性ペーストを、パターン印刷、乾燥した。導電性ペーストが印刷されたグリーンシートの必要な領域をカット、積層し、加圧した。加圧後、熱処理を行いバインダを除去し、１１００℃で焼結を行った。その後、外部電極をスパッタし、０．９ｍｍ×０．９ｍｍ×１．４５ｍｍ形状に焼結体をカットした。最後に、切断後の積層圧電体の内部電極が露出している側面を絶縁コーティングし、ショート不良などの対策を施した。これにより得られた圧電アクチュエータについて、変位量を測定し、３０ｎｍ／Ｖ以上という高変位量が得られることを確認できた。

圧電アクチュエータの電極構造は、用途や要求される圧電アクチュエータの形状寸法によって最適な構造が選択される。全面電極構造では、部分電極のような断続した電極構造ではないため、同じ積層数、形状寸法においてより大きな変位特性を得ることができる。一方、部分電極構造では、製造プロセスが全面電極構造よりも比較的簡素になるが、圧電アクチュエータの駆動時に内部電極の端部において応力が集中し、大変位時に破損する可能性がある。いずれの電極構造においても、本発明によるａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３で示される圧電磁器材料は適用可能である。特に、携帯電話向けの小型カメラモジュールや、デジタルカメラのレンズモジュールなど、多様な温度環境にて使用される可能性がある民生用途において、本発明の圧電磁器材料はより効果を発揮できる。

１１第１の電極
１２第２の電極
１３圧電体
１４分極方向
１５リーク経路
２０圧電体層
２１内部電極層
２２外部電極
２３絶縁物

Claims

組成式がａＰｂＴｉＯ_３−ｂＰｂＺｒＯ_３−ｃＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｄＰｂ（Ｓｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ｅＰｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００）で示され、ｂ／（ａ＋ｂ）が０．４１〜０．４９、ｃが２０〜３０ｍｏｌ％、ｄが０．２〜２ｍｏｌ％、ｅが２〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする圧電磁器材料。
請求項１に記載の圧電磁器材料からなる圧電アクチュエータ。