JPH03104180A - アクチュエータ用圧電セラミック組成物 - Google Patents
アクチュエータ用圧電セラミック組成物Info
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- JPH03104180A JPH03104180A JP1241150A JP24115089A JPH03104180A JP H03104180 A JPH03104180 A JP H03104180A JP 1241150 A JP1241150 A JP 1241150A JP 24115089 A JP24115089 A JP 24115089A JP H03104180 A JPH03104180 A JP H03104180A
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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。
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夕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夕とは、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、電圧の印加によってミク
ロンあるいはミクロンアンダーの微小変位を発生させる
ものであって、ブザーやボンブ、バルブ等の音響、ある
いは流量の精密コントロール、半導体製造装置、ステッ
パーなどの精密位置決め、さらには数k〜数十kHzの
高周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリン
ターへッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして
注目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急
速に進められている。
るものである。ここでアクチュエー夕とは、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、電圧の印加によってミク
ロンあるいはミクロンアンダーの微小変位を発生させる
ものであって、ブザーやボンブ、バルブ等の音響、ある
いは流量の精密コントロール、半導体製造装置、ステッ
パーなどの精密位置決め、さらには数k〜数十kHzの
高周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリン
ターへッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして
注目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急
速に進められている。
本発明は、上述したような圧電アクチュエー夕の幅広い
応用の中で、特に数k〜百kHzの高周波駆動に適した
圧電アクチュエー夕用材料を提供するものである。
応用の中で、特に数k〜百kHzの高周波駆動に適した
圧電アクチュエー夕用材料を提供するものである。
[従来技術及びその課題]
従来よりアクチュエー夕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或物(PZT)が優れた圧電
特性を有していることが知られており、使用される用途
に応じて種々の改良がなされている。
酸チタン酸鉛セラミック組或物(PZT)が優れた圧電
特性を有していることが知られており、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Ba” ,Sr”
, Ca2千などで置換する方法、”b(Ni1/3
Nb2/3 )03+ Pb ( COI/3 Ta
2/3 ) 03などの複合ヘロブスカイト化合物と、
固溶体を形戒する方法、WO3 , Fe203 ,C
r203などの酸化物を添加する方法などにより、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。
, Ca2千などで置換する方法、”b(Ni1/3
Nb2/3 )03+ Pb ( COI/3 Ta
2/3 ) 03などの複合ヘロブスカイト化合物と、
固溶体を形戒する方法、WO3 , Fe203 ,C
r203などの酸化物を添加する方法などにより、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。
近年、開発が行われた超音波モータなどのように、圧電
アクチュエータ素子を数k〜100 kHz程度の共振
周波数で駆動する場合には、共振状態での振幅を大きく
し、発熱を抑制する為に高い機械的品質係数(Qm≧1
000 )を持つことが要求される。
アクチュエータ素子を数k〜100 kHz程度の共振
周波数で駆動する場合には、共振状態での振幅を大きく
し、発熱を抑制する為に高い機械的品質係数(Qm≧1
000 )を持つことが要求される。
従来のアクチュエータ用高d定数材料(いわゆるSof
t系材料)を用いた場合、機械的品質係数(Qm)が低
く(数十〜百)、共振点において損失が大きい為、入力
エネルギーが有効に機械的エネルギーに変換されず、変
位が小さくなってしまったり、発熱が激しくなる。So
ft系高d定数材料は、一般にキューり温度(Tc)が
100’C 〜150’Cと低いので、発熱がキューり
点近傍までに達し、ついには脱分極?、変位を生じなく
なる。
t系材料)を用いた場合、機械的品質係数(Qm)が低
く(数十〜百)、共振点において損失が大きい為、入力
エネルギーが有効に機械的エネルギーに変換されず、変
位が小さくなってしまったり、発熱が激しくなる。So
ft系高d定数材料は、一般にキューり温度(Tc)が
100’C 〜150’Cと低いので、発熱がキューり
点近傍までに達し、ついには脱分極?、変位を生じなく
なる。
また、圧電アクチュエータ素子を非共振状態で数k〜数
十kHzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSo
ft系材料は、誘電率(ε3’l/ε。)、誘電損失(
tanδ)がともに大きい(ε品lε。〜5000,
tamδ#2〜4%)ので発熱が激しく、上述の理由
により脱分極、所望の変位が得られない欠点がある。
十kHzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSo
ft系材料は、誘電率(ε3’l/ε。)、誘電損失(
tanδ)がともに大きい(ε品lε。〜5000,
tamδ#2〜4%)ので発熱が激しく、上述の理由
により脱分極、所望の変位が得られない欠点がある。
一方、キューり温度が高い(Tc > 300’C )
いわゆるhard系材料を用いた場合、誘電率(ε’l
rI/ε。)、誘電損失( tanδ)は小さくなるが
(ε3rllε。#500〜1000, tanδ陶0
.1〜1%)、圧電歪定数が大きく低下し、例えば横方
向の圧電歪定数(a3■)が50 X 10 −12m
/V程度に低下してしまい、所望の変位を得るには、高
い駆動電圧を必要とし、高価な高電圧、高周波駆動用ア
ンプが必要となるといった欠点がある。
いわゆるhard系材料を用いた場合、誘電率(ε’l
rI/ε。)、誘電損失( tanδ)は小さくなるが
(ε3rllε。#500〜1000, tanδ陶0
.1〜1%)、圧電歪定数が大きく低下し、例えば横方
向の圧電歪定数(a3■)が50 X 10 −12m
/V程度に低下してしまい、所望の変位を得るには、高
い駆動電圧を必要とし、高価な高電圧、高周波駆動用ア
ンプが必要となるといった欠点がある。
以上のように、圧電アクチュエー夕を数k〜百数kHz
の高い周波数で駆動する場合、圧電歪定数が大きく、例
えば横モードの圧電歪定数(d3■)が100 X10
・”m/V以上、誘電率(ε.lIl/ε。)及び誘電
損失(tanδ)が小さい、例えばε1lε, 41
1000 〜2000 ,tanδ#0.1〜1%程度
であり、高い機械的品質係数(Qm)、例えばQmが1
000以上、の特性を有した材料の開発が望まれている
。
の高い周波数で駆動する場合、圧電歪定数が大きく、例
えば横モードの圧電歪定数(d3■)が100 X10
・”m/V以上、誘電率(ε.lIl/ε。)及び誘電
損失(tanδ)が小さい、例えばε1lε, 41
1000 〜2000 ,tanδ#0.1〜1%程度
であり、高い機械的品質係数(Qm)、例えばQmが1
000以上、の特性を有した材料の開発が望まれている
。
[課題を解決する為の手段】
本発明者らは上記目的を達戒する為に詳細に検討した結
果、特定の組戒を有する組成物が、高い圧電歪定数、低
誘電率、低誘電損失、高い機械的品質係数を併せ持つこ
とを見い出し、本発明を完威した。
果、特定の組戒を有する組成物が、高い圧電歪定数、低
誘電率、低誘電損失、高い機械的品質係数を併せ持つこ
とを見い出し、本発明を完威した。
即ち、本発明の要旨は、鉛、ランタン、ジルコニウム、
チタン、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、マンガン及び酸
素原子よりなるセラミック組威物であって、一般式(1
) Pb(t−x) Lax[(t−z) (ZryTi(
1−y) )十z {(MgaZn(t−a))1/3
Nb2/3}] (1−X/4) 03 ゜−(
1)(但し、0<x<0.08、0.45<y<0.6
5、0<a<1、0<z<0.40)で示される主戒分
組或に、副戒分としてマンガンを二酸化マンガンに(
MnO , )換算して主或分に対して1.5重量%未
満含有してなることを特徴とするアクチュエー夕用圧電
セラミック組或物に存する。
チタン、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、マンガン及び酸
素原子よりなるセラミック組威物であって、一般式(1
) Pb(t−x) Lax[(t−z) (ZryTi(
1−y) )十z {(MgaZn(t−a))1/3
Nb2/3}] (1−X/4) 03 ゜−(
1)(但し、0<x<0.08、0.45<y<0.6
5、0<a<1、0<z<0.40)で示される主戒分
組或に、副戒分としてマンガンを二酸化マンガンに(
MnO , )換算して主或分に対して1.5重量%未
満含有してなることを特徴とするアクチュエー夕用圧電
セラミック組或物に存する。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の圧電セラミック組或物は高いキューり温度(T
c)、高い圧電歪定数及び高い機械的品質係数を持ち、
特に上記一般式(I)においてx = 0.02、y=
:0.50、z = 0.10、a = 0.7、Mn
02量0.5重量%(実施例1)、x = 0.03、
y= 0.50、z=0.10、ct=0.5、Mn0
2量0.5重量%(実施例3)、x = 0.03、y
=0.51、z = 0.16、a = 0.5、Mn
02量0.4重量%(実施例5)、x = 0.04、
y:0.52、z = 0.10,a=0.7、MnO
2量0.5重量%(実施例6)の組或のものは、キュ
ーり温度(Tc)が250’C以上であり、横モードの
圧電歪定数(d31)が100 X 10−12m/V
を超え、且つ機械的品質係数Qmが1000以上と大き
く、超音波モータなどの共振を利用した高周波駆動用材
料として非常に好適である。
c)、高い圧電歪定数及び高い機械的品質係数を持ち、
特に上記一般式(I)においてx = 0.02、y=
:0.50、z = 0.10、a = 0.7、Mn
02量0.5重量%(実施例1)、x = 0.03、
y= 0.50、z=0.10、ct=0.5、Mn0
2量0.5重量%(実施例3)、x = 0.03、y
=0.51、z = 0.16、a = 0.5、Mn
02量0.4重量%(実施例5)、x = 0.04、
y:0.52、z = 0.10,a=0.7、MnO
2量0.5重量%(実施例6)の組或のものは、キュ
ーり温度(Tc)が250’C以上であり、横モードの
圧電歪定数(d31)が100 X 10−12m/V
を超え、且つ機械的品質係数Qmが1000以上と大き
く、超音波モータなどの共振を利用した高周波駆動用材
料として非常に好適である。
また一般式(I)においてx = 0.04、y= 0
.48、z = 0.28、a = 0.7、Mn02
量0.15重量%(実施例2) 、x=0.03 、y
=0.50 , z=0.16 、a=0.5、?n0
2量0.15重量%(実施例4)、x = 0.04、
y=0.52、z = 0.16、a = 0.5、M
n02量0.15重量%(実施例7)の組或のものは、
キューり温度(Tc)が200°C以上であり、且つ横
モードの圧電歪定数(d3■)が200 X 1042
m/ Vを超える。さらに、横モードの圧電歪定数(d
31)が200 X 10” m/ Vを超えるような
組或物の場合は通常誘電損失( tanδ)は2〜3%
と大きいが(比較例1〜3)、本発明実施例2,4及び
7のものは誘電損失( tanδ)は0.3〜0.5%
と1/4〜1/10に低減されており、高周波駆動アク
チュエー夕材料として好適である。
.48、z = 0.28、a = 0.7、Mn02
量0.15重量%(実施例2) 、x=0.03 、y
=0.50 , z=0.16 、a=0.5、?n0
2量0.15重量%(実施例4)、x = 0.04、
y=0.52、z = 0.16、a = 0.5、M
n02量0.15重量%(実施例7)の組或のものは、
キューり温度(Tc)が200°C以上であり、且つ横
モードの圧電歪定数(d3■)が200 X 1042
m/ Vを超える。さらに、横モードの圧電歪定数(d
31)が200 X 10” m/ Vを超えるような
組或物の場合は通常誘電損失( tanδ)は2〜3%
と大きいが(比較例1〜3)、本発明実施例2,4及び
7のものは誘電損失( tanδ)は0.3〜0.5%
と1/4〜1/10に低減されており、高周波駆動アク
チュエー夕材料として好適である。
特に、一般式(I)においてx = 0.06、y=
0.57、z=0.10、a = 0.7、Mn02量
0.10重量%(実施例8)の組或のものは、横モード
の圧電歪定数(d,,)が300 X 10” m/
V以上、誘電率が約4000程度であり、比較例と同程
度であるにもかかわらず、誘電損失( tanδ)は0
.6%と比較例2と比べて174に低減されており、高
周波駆動アクチュエー夕材料として極めて好適である。
0.57、z=0.10、a = 0.7、Mn02量
0.10重量%(実施例8)の組或のものは、横モード
の圧電歪定数(d,,)が300 X 10” m/
V以上、誘電率が約4000程度であり、比較例と同程
度であるにもかかわらず、誘電損失( tanδ)は0
.6%と比較例2と比べて174に低減されており、高
周波駆動アクチュエー夕材料として極めて好適である。
なお、一般式(I)においてXが0.08以上のもの?
、キューり温度(Tc)が1508C以下になってしま
い、素子の使用温度の上限が706C程度となり、実用
材料として適さず、横モードの圧電歪定数(d3■)も
共振一反共振法では検出できない程度に小さく、アクチ
ュエー夕用材料としては適さない(比較例6)。
、キューり温度(Tc)が1508C以下になってしま
い、素子の使用温度の上限が706C程度となり、実用
材料として適さず、横モードの圧電歪定数(d3■)も
共振一反共振法では検出できない程度に小さく、アクチ
ュエー夕用材料としては適さない(比較例6)。
また、一般式(I)においてyが0.45以下のもの及
び0.65以上のものは、ペロブスカイト結晶の相境界
より太き< Zr/Ti組戒比がずれる為、横モードの
圧電歪定数(d31)が低下してしまう。
び0.65以上のものは、ペロブスカイト結晶の相境界
より太き< Zr/Ti組戒比がずれる為、横モードの
圧電歪定数(d31)が低下してしまう。
一般式(I)において2が0.40以上のもの(比較例
4)は、ペロブス力イト相の他にパイロクロア相が焼結
体中に混在するようになり、横モードの圧電歪定数(d
,t)が低下してしまい好ましくない。
4)は、ペロブス力イト相の他にパイロクロア相が焼結
体中に混在するようになり、横モードの圧電歪定数(d
,t)が低下してしまい好ましくない。
また、Mn量がMnO2に換算して1.5重景%以上の
(比較例5)場合には、焼結時に異常粒戒長が発生し、
焼結密度が低下し、分極時絶縁破壊が生じる為好ましく
ない。
(比較例5)場合には、焼結時に異常粒戒長が発生し、
焼結密度が低下し、分極時絶縁破壊が生じる為好ましく
ない。
本発明の圧電セラミック組成物は、例えば、粉末の酸化
物原料を所定の配合組戒になるように秤量し、ボールミ
ル等で湿式混合、仮焼した後、粉砕、11000C〜1
300’Cで焼結することによって得られる。
物原料を所定の配合組戒になるように秤量し、ボールミ
ル等で湿式混合、仮焼した後、粉砕、11000C〜1
300’Cで焼結することによって得られる。
[実施例]
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本
発明はその要旨を越えない限り、実施例により限定され
るのもではない。
発明はその要旨を越えない限り、実施例により限定され
るのもではない。
実施例1〜13及び比較例1〜6
純度99.9%以上の高純度酸化物原料であるpbo
,La203 , Zr02 , Ti02 , Mg
O , ZnO , Nb205を第1表に示した所定
の量比に秤量し、さらに該主戒分に対してMnO2を第
l表に示した量秤量した。
,La203 , Zr02 , Ti02 , Mg
O , ZnO , Nb205を第1表に示した所定
の量比に秤量し、さらに該主戒分に対してMnO2を第
l表に示した量秤量した。
ここで一般式(I)における、x,y,z,αの値を第
1表に示す。これらの原料をボールミルを用いて24時
間湿式混合を行った。乾燥、戒型処理後、900°Cで
2時間仮焼し、その後乳鉢粉砕した後、ボールミルで再
度24時間湿式粉砕した。得られた粉体をラバープレス
法により静水圧戒型した後、鉛雰囲気中で1200°C
で焼威した。その後得られた焼結体をスライシングマシ
ン用いて、円板状及び?状に加工した後、銀ペーストを
スクリーン印刷し、550°Cで電極焼付けを行った。
1表に示す。これらの原料をボールミルを用いて24時
間湿式混合を行った。乾燥、戒型処理後、900°Cで
2時間仮焼し、その後乳鉢粉砕した後、ボールミルで再
度24時間湿式粉砕した。得られた粉体をラバープレス
法により静水圧戒型した後、鉛雰囲気中で1200°C
で焼威した。その後得られた焼結体をスライシングマシ
ン用いて、円板状及び?状に加工した後、銀ペーストを
スクリーン印刷し、550°Cで電極焼付けを行った。
分極処理は、温度80〜110°Cのシリコンオイル中
で、電界強度2.0〜4.0 kV / mm、時間5
〜20分で行い、1日経過後、ベクトルインピーダンス
アナライザーを用いて、共振一反共振法により、1 k
Hzでの誘電率(ε3■lε0)、1 kHzでの誘電
損失( tanδ)、機械的品質係数(Qm)、横モー
ドの電気機械結合係数(K3■)、弾性コンブライアン
ス(計)及び横モードの圧電歪定数(d3■)の圧電諸
物性を測定した。また、キューノ温度(Tc)は比誘電
率の温度特性を測定し、比誘電率の極大より求めた。測
定結果を第1表に示す。
で、電界強度2.0〜4.0 kV / mm、時間5
〜20分で行い、1日経過後、ベクトルインピーダンス
アナライザーを用いて、共振一反共振法により、1 k
Hzでの誘電率(ε3■lε0)、1 kHzでの誘電
損失( tanδ)、機械的品質係数(Qm)、横モー
ドの電気機械結合係数(K3■)、弾性コンブライアン
ス(計)及び横モードの圧電歪定数(d3■)の圧電諸
物性を測定した。また、キューノ温度(Tc)は比誘電
率の温度特性を測定し、比誘電率の極大より求めた。測
定結果を第1表に示す。
[発明の効果1
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、低誘電率、低誘電損失、
高い機械的品質係数及び高いキューり温度を併せ持って
おり、数k〜100kHzの高周波用圧電アクチュエー
夕用材料として特に優れており、本発明の産業利用上へ
の寄与は極めて太きい。
械結合係数、高い圧電歪定数、低誘電率、低誘電損失、
高い機械的品質係数及び高いキューり温度を併せ持って
おり、数k〜100kHzの高周波用圧電アクチュエー
夕用材料として特に優れており、本発明の産業利用上へ
の寄与は極めて太きい。
Claims (1)
- (1) 鉛、ランタン、ジルコニウム、チタン、マグネ
シウム、亜鉛、ニオブ、マンガン及び酸素原子よりなる
セラミック組成物であって、一般式 Pb_(_1_−
_x_)La_x[_(_1_−_z_)(Zr_yT
i_(_1_−_y_))+z{(Mg_aZn_(_
1_−_a_)_1_/_3Nb_2_/_3}]_(
_1_−_x_/_4)O_3但し、0<x<0.08
、0.45<y<0.65、0<a<1、0<z<0.
40)で示される主成分組成に、副成分としてマンガン
を二酸化マンガンに換算して主成分に対して1.5重量
%未満含有してなることを特徴とするアクチュエータ用
圧電セラミック組成物。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1241150A JP2811801B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1241150A JP2811801B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03104180A true JPH03104180A (ja) | 1991-05-01 |
JP2811801B2 JP2811801B2 (ja) | 1998-10-15 |
Family
ID=17070010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1241150A Expired - Fee Related JP2811801B2 (ja) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2811801B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06298272A (ja) * | 1993-03-25 | 1994-10-25 | Pohl Gmbh & Co Kg | 環状のシール |
US5378382A (en) * | 1993-12-09 | 1995-01-03 | Mitsubishi Kasei Corporation | Piezoelectric ceramic composition for actuator |
-
1989
- 1989-09-18 JP JP1241150A patent/JP2811801B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06298272A (ja) * | 1993-03-25 | 1994-10-25 | Pohl Gmbh & Co Kg | 環状のシール |
US5378382A (en) * | 1993-12-09 | 1995-01-03 | Mitsubishi Kasei Corporation | Piezoelectric ceramic composition for actuator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2811801B2 (ja) | 1998-10-15 |
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