JPH01148749A - アクチュエータ用圧電セラミック組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、電圧の印加によりミクロンあるいはミク
ロンアンダーの微少変位を正確に発生させるものであっ
て、ブザーやポンプ、パルプ等の音響あるいは流量の精
密コントロール、ＶＴＲへ、トのオートトラッキングや
オートフォーカス、さらにはミクロンアンダーの機械切
削バイトの正確な位置決めや、半導体製造用の微少位置
決め装置等への応用開発が近年急速に進められている。

（従来の技術およびその問題点） 従来よシ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シ、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＋　
などのコ価イオンや、Ｂ１３＋やＬａ３＋などの三価イ
オンで置換する方法、Ｐｂ　（Ｎ　ｉ％　ＷＩＡ　）　
Ｏｓ、Ｐｂ　（Ｃｏ％　Ｎｂ＋１３）　０３、Ｐｂ（Ｎ
ｉ％Ｎｂ２Ｉ３）　ｏｓなどの複合ペロブスカイト化合
物との固溶体を合成する方法などによシアクチュエータ
用圧電材料の特性の改善がなされている。微少変位をミ
クロンあるいはミクロンアンダーの精度でコントロール
する圧電アクチュエータ素子にはユニモルフ型、バイモ
ルフ型、積層型のタイプがあり、特性として高い圧電歪
定数（例えば、横モードの圧電歪定数ｄ３１　）ｊ　０
０　ｘ　／　０＝２Ｃ／Ｎ　）及び高いキューリ温度（
Ｔｃ〉７５０℃）を持つことが要求される。

一般に高い圧電歪定数を持つ材料は、キューリ温度が低
下する。例えば、従来、横モードの圧電歪定数（ｄａｄ
）が３００　ｘ　／　０−Ｉ２Ｃ／Ｎを超えるような高
い圧電歪定数を持つ材料は、キューリー温度Ｔｃが７０
θ℃近傍に低下してしまい、素子の使用温度の上限が５
０〜６０℃と限定され、実用素子としての応用に制約が
あった。又キュＩＪ温度の高い材料は圧電歪定数が低く
なってしまい、素子の駆動に高い電圧を必要とする問題
点があった。この様な理由から横モードの圧電歪定数（
ｄａｄ）が３００　Ｘ　１０−”Ｃ／Ｎを超える様な高
い圧電歪定数及び高いキューリ温度（例えばＴｃ〉７５
０℃ンを合せもつ材料の開発が望まれている。

（問題点を解決する為の手段） 本発明者らは、前記問題点を解決する為、詳細に組成を
検討した結果、一般式ｐｂ（アーエ、ＬａＸ（（Ｚ（Ｚ
ｎａＭｇ　＜ｔ−ｇ）’４Ｎｂ％　）＋　　（丁−１）
（ＺｒｙＴｉ　（、、）（１−÷）０３であられされる
圧電セラミック組成物が高い電気機械結合定数、高い圧
電歪定数及び高いキューリ温度を合せもった組成物であ
ることを見い出し本発明を児成した。

すなわち、本発明の要旨は、実質的に、一般式ＰｂＣ１
−ｚ）　Ｌａｘ　　（（Ｚ　（ＺｎａＭｇ　（１−、ｔ
））’ＡＮｂＸ　　）＋（Ｔ−２）　（Ｚｒ　ｙＴｉ　
（１−、）　）　〕（ｔ４）　０３　（但し、０．０．
７≦Ｘ≦　０．０　７、０．３　０　≦ｙ≦０．乙　５
、０くＺ〈θ、コθ、θくα＜／）で示される複合ペロ
ブスカイト化合物を主体とするアクチュエータ用圧電セ
ラミック組成物に存する。本発明のセラミック組成物は
非常に高い圧電歪定数を持ち、上記一般式において０．
０ダＳ≦Ｘ≦０．０７．０．０２≦Ｚ≦（７，／、２の
範囲のペロ“プスカイト結晶の相境界（ＭＰＢ＝モロフ
ォトロビック、フェイズ、バウンダリー）付近のものは
、横モードの圧電歪定数（ｄ３１）が３ｏ　ｏ　Ｘ　／
　ｏ−”ＣＩＮを超え且つキューり温度（Ｔｃ　）がｌ
ｊ？０℃以上あり、前述した問題点を克服するものであ
って、圧電アクチュエータ用材料として非常に好適なも
のである。

中でもＸ＝０．０４ｔ５．　ｙ＝０．３！、　ｚ＝０．
／　２　；トノ圧電歪定数（ｄａｄ　）が３００　Ｘ　
／　０−１２ｃ／Ｎを超え、かつキューり温度が２８０
℃以上あシ、圧電アクチュエータ用材料として、広範囲
な温度環境下で使用できる利点を有している。又さらに
は、Ｘ＝０．θ６、ｙ＝０．！６５％ｚ＝ｏ、ｉｏ　　
；　ｘ＝０．０６．ｙ＝０．６７、ｚ＝０．１０　；　
Ｘ＝０．０乙、ｙ＝θ、Ｉ７、Ｚ＝θ、１０の組成のも
のは、横モードの圧電歪定数（ｄａｄ）　ｙｊ：　３ｓ
Ｏｘ　１Ｏ−Ｉ２ｃ／ＮヲＨ，；＝、かつキューり温度
が７５θ℃を超えるものであって、圧電アクチュエータ
用材料として非常に優れたものである。

尚、ここでＬａ量Ｘが０．０７を超えるものは、Ｔｃが
７５０℃以下になってしまい、又ｄ３Ｉも２　！　ＯＸ
　／　０−Ｉ２Ｃ／Ｎ以下と小さく、圧電アクチュエー
タ用材料としては適さない。Ｚｒ　ｔ　ＹがＯ，ＳＯ未
満のものおよび０．６５を超えるものは、ペロプスカイ
ト結晶の相境界より大きくＺｒ／Ｔｉ組成比がずれる為
ｄａｔが低下してしまう。又ＺｎＶ３Ｎｂ２Ｉ３量２が
０．２０以上のものは、Ｔｃ　が７５０℃以下になって
しまったり、パイロクロア相が焼結体中に混在するよう
になってしまい、圧電歪定数が低下し好ましくない。

圧電アクチュエータのように電界によって誘起される機
械的変位を利用する素子には、機械的強度が大きいこと
が要求されるが、セラミ。

り材料の機械的強度は、セラミックスの焼結性、結晶粒
子の大きさに大きく依存するため、一般に緻密で微細な
結晶粒子を持つセラミ、り焼結体柱、機械的強度に優れ
ている。

本発明で得られた焼結体の密度をＸ線の回折角度から計
算した理論密度と比較検討した所、すべて理論密度の９
７％以上である。

また、得られた焼結体の光面を鏡面けんまし、サーマル
エツチング処理を行った後、走査型電子顕微鏡を用いて
微細構造を観察した所、粒径−〜ｊμ程度の結晶粒子よ
りなシたっておシ、緻密で均一、微細な組織を有してい
た。このように、本発明のセラミック組成物は、焼結性
に優れ微細粒径の均一な焼結体を得ることができ、この
点からも圧電アクチュエータのような機械的変位を利用
する素子に適している。

なお、本発明の組成物において、各成分の量的関係特に
Ｚｎ、　ＭｇとＮｂ及、びＬａとＺｎ、Ｍｇ。

Ｎｂ、　Ｚｒ、　Ｔｉ　　の合計量の関係は、前記一般
式通りであることが勿論望ましいが、結果として得られ
た複合化合物がペロブスカイト構造を主体とし、全体と
して該ペロブスカイト構造の性質が全組成物を実質的に
支配する限シ、多少前記一般式からはずれる場合も本発
明の範囲に包含されるものと理解されるべきである。

本発明のセラミック組成物は、例えば、粉末原料を所定
の配合組成になるように秤量し、ボールミルなどで７２
〜２Ｚ時間湿式混合した後、ＺＳＯ℃〜９５０℃で７〜
２時間仮焼、得られた仮焼物を再度７２〜２ｙ時間ボー
ルミル粉砕した後、／１００℃〜／２Ｑθ℃で７〜７６
時間焼成することによって得られる。得られた焼成体は
、電極を焼きつけた後、常法によシ分極処理分程度のソ
フトな分極処理により圧電磁器とすることが望ましい。

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、
本発明はその要旨を越えない限シ、実施例により限定さ
れるものではない。

実施例／〜２２、比較例／〜と ＰｂＯ，ＴｉＯ２、Ｚｒ０ｚ、ＬａｚＯａ　、Ｍｇ０％
Ｚｎ０ｓＮｂｚＯｓ　（ｊ　Ｎ試薬、フルウチ化学Ｍ）
を第−表に示した組成比となる様に秤量した後、欧化ジ
ルコニウム（ＺｒＯｚ）製ボールを用いてエタノールと
ともに２４を時間ボールミルにて湿式混合した。混合終
了後、乾燥し、成型圧／ｌｏｎ／−で、／軸プレス°し
た後、９００℃で２時間仮焼した。

その後得られた仮焼体を手粉枠した後、沓度２グ時間ボ
ールミル粉砕し、焼成用の粉末とした。得られた焼成用
粉末は直径２０ｒｒａｎの金型によ９７次成型した後、
成型圧／ｌｏｎ／−でラバープレス法によシ本成型した
。

得られた成型体を高アルミナ質るつぼに入れ、周囲を鉛
雰囲気用の粉末でおおって７２００℃で？時間焼成した
。

第１図は焼成して得られた実施例１０における焼結体の
表面を鏡面研磨し、サーマルエツチング処理を行った後
走査型電子顕微鏡（Ｘｓｏｏｏ）で観察した際の粒子構
造を示した図である。同図から、このものは組織が緻密
で粒径２〜ｊμ程度の均一なセラミ、り焼結体であるこ
とがわかる。

得られた円板状焼結体を厚み／胴に研磨し、両面に銀ペ
ーストをスクリーン印刷して６００℃で焼き付け、キュ
ーリー温度評価用のサンプルとした。

円板状焼結体を同様に厚さ／ｒｒｒｍに研磨した後、超
音波力、ターを用いて長さＩ２胴、厚さ／ａ。

幅３謳の形状に打ち抜いた。その後同様に銀電極を焼き
つけ横モードの圧電歪定数（ｄｓ＋）測定用のサンプル
とした。キューり温度は、測定周波数／　００　ＫＨｚ
にて誘電率を測定し求めた。

圧電歪定数ｄａｔは打ち抜いた横モード用サンプルをシ
リコンオイルバス中に入れ、２０℃にて、／、ｊ〜３．
ＯＫＶ／ｒｒａｎの電界で分極させ、２ダ時間放置した
後、測定温度２０℃にてベクトルインピーダンスアナラ
イザーを用いて測定した。

圧電特性及びキューリ温度の測定結果を第１表に示した
。尚、第１表中ε３３Ｔ／ε０は誘電率、Ｋ３１は電気
機械結合係数、ｄ３１は横モードの圧電歪定数（単位Ｘ
１Ｏ−Ｉ２Ｃ／Ｎ）、５ｌｌＥは弾性コンプライアンス
（単位×７０＝’　ｒｒ？／　Ｎ　）、Ｔｃはキューリ
温度を示している。

第一図は、分極処理をほどこしたサンプルに分極方向と
順方向に八θＫＶ／ｎａｎの電界を印加し、その時の縦
方向（電界方向）に誘起される歪を、うず電流式高感度
変位センサー（分解能２ｊＡ）で測定して得られた印加
電界強度と歪率の関係を示した図面である。印加電圧波
形は、三角波であり−ｔｏｏ　”周期でスイープさせた
。測定サンプルは上記円板状サンプルを上記の条件で分
極処理し、２９時間放置後、歪率の測定を行った。

一般に、現在用いられている圧電アクチュエータ材料の
縦方向の歪率は八θＫＶ／ｍｍの電界下でおよそ０，１
％（１０ｘ１０−’）程度であることが知られている。

比較例として示したＰＬ２！Ｔ（４／ｊ♂／グ２）はそ
の−例である。本発明、ＩＮｔｄ実施例（１０）の組成
の歪率は／θｘ　／　０−４を大きく上まわり、圧電ア
クチュエータ用材料として極めて好ましい。

〔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（歪率）、高いキー　＋７
温度を合わせ持ち、かつ焼結性に優れたセラミックス組
成物であるので種々の圧電材料として使用が可能である
。特に圧電歪定数が大きく、大きな電界誘起歪みを示し
、かつキューり温度が高いので、素子の使用温度範囲が
広く、圧電アクチュエータ用材料として極めて有用であ
り本発明の産業利用上への寄与は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクチーエータ用圧電セラミ、り組成
物のサーマルエツチング面を走査型電子顕微鏡（Ｘｊｏ
ｏｏ）で観察した際の粒子構造を示した図面である。 第２図は、分極処理をほどこしたアクチュエータ用圧電
セラミック組成物に分極処理方向と順方向に／　、ＯＫ
Ｖ／ｗｎの電界を印加させた時、縦方向（電界方向）に
誘起される歪率と印加した電界強度との関係を示した図
面である。 第７図 第２図 （ゲ’ｍｍ） ′ｚ３惰皮

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的に、一般式Ｐｂ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ｌａ
   ＿ｘ〔Ｚ｛（Ｚｎ＿αＭｇ＿（＿１＿−＿α＿）＿１＿
   ／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３｝＋（１−Ｚ）｛Ｚｒ＿ｙＴｉ
   ＿（＿１＿−＿ｙ＿）｝＿（＿１＿−＿ｘ＿／＿４＿）
   Ｏ＿３（但し、０．０３≦ｘ≦０．０７、０．５０≦ｙ
   ≦０．６５、０＜ｚ＜０．２０、０＜α＜１）で示され
   る複合ペロブスカイト化合物を主体とするアクチュエー
   タ用圧電セラミック組成物。