JPH03174357A - 圧電材料 - 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） この発明は、径方向電気機械結合係数、比誘電率、およ
び圧電定数が大きく、圧電歪を利用した圧電アクチュエ
ータ、圧電ブザー等の材料とじて好適な圧電材料に関す
るものである。

（従来の技術） 圧電材料としては、従来ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚ
ｒ、ＴＩ）Ｏ□磁磁器組物物よく知られている。この化
合物は、圧電性が大きいこと、高温まで使用可能である
こと、更には第３戒分を置換あるいは添加することによ
り変性に冨んだ磁器が得られること等の利点を有する。

特にＺｒ、Ｔｉの一部をＭｇとＮｂに置換したＰｂ（Ｍ
ｇ＋／３Ｎｂｘ／１）Ｏｘ　　ＰｂＴｉＯｓ　　ＰｂＺ
ｒ０ｚの三成分系圧電磁器は、ＰｂＯの蒸発が少なく焼
成しやすいこと、主成分に各種の添加物を加えることに
より種々の圧電特性を持たせることが可能であることな
どから、圧電ブザー、周波数フィルタ、圧電着火素子な
どの材料として利用されてきた。また、Ｐｂ（ＮＩ＋ｚ
ｓＴａｘｚｓ）０３ＰｂＴｉＯｚ　　ＰｂＺｒＯｓの三
成分系材料は、圧電性、安定性が高く、超音波振動子、
フィルター等の材料として好適である。

近年、精密機械、光学機器等の分野で精密な変位素子の
必要性が高まり、これに圧電歪を利用した変位駆動用素
子を用いることが試みられている。

このような分野に使用される圧電材料としては径方向電
気機械結合係数、比誘電率および圧電定数が大きいこと
が要求される。

従来知られている材料の中、例えば、特公昭４２−９７
１６号公報に開示されているＰｂ（Ｍｇ＋ｚＪｂｚｚｓ
）ＯｓＰｂＴｉＯｓ　　ＰｂＺｒＯｓは径方向電気機械
結合係数が５０〜７０％と大きな値をもつにもかかわら
ず、比誘電率は高々２５００程度である。比誘電率を大
きくした材料として、特公昭４６−２８４６７号公報に
示されているＰｂ（Ｎｉ＋／ｚＴａｔ７ｓ）０３ＰｂＴ
１０３　　ＰｂＺｒＯｓは、比誘電率は最高で約３６０
０に達するが、逆に径方向電気機械結合係数は４０〜６
５％位であり、圧電定数は高々２５０　（Ｘ　１０−　
”　ｍ／Ｖ　）程度テアル。

（発明が解決しようとする課題） Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｓ圧電材料においては、Ｐｂの一
部をＬａで置換することによって比誘電率、径方向電気
機械結合係数を同時に向上させることができるとの報告
がある（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ＋　１０（１９
７６）　＋　１９５）。

しかしながら、近年の圧電材料の高性能化の要求に対し
て、前記のようなこれまでに知られている圧電材料は十
分な特性を有していない、即ち、従来の圧電材料は比誘
電率、径方向電気機械結合係数のいずれかが小さく、圧
電定数は十分大きいとは言えない、そのため、これらの
材料を圧電アクチュエータとして使用したとき変位量が
小さく、また駆動電圧が大きくなるという欠点がある。

本発明の目的は、比誘電率、径方向電気機械結合係数お
よび圧電定数がともに大きく、大きな圧電歪を得ること
のできる圧電材料を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、従来から良好な特性が認められているＰｂ
（Ｍｇ＋／５Ｎｂｔｚｓ）Ｏｓ　　ＰｂＴｉＯ３−Ｐｂ
ＺｒＯｓとＰｂ（Ｎｉ。

７ｓＴａｌｚ３）０３−　ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯｓ
の複合材、すなわちＰｂ（Ｍｇ＋ｚＪｂｔｚｓ）Ｏｓ　
　Ｐｂ（Ｎ＋＋ｚｓＴａｍｚｚ）Ｏｓ　　ＰｂＴｉ０ｓ
−ＰｂＺｒＯｓの四成分系材料について詳しく調べたと
ころ、上記四成分の比率を適正に選ぶとともにＰｂの一
部をＬａ、　ＮｄおよびＰ「のうちの少なくとも一つで
置換することによって、比誘電率、径方向電気機械結合
係数を同時に向上させ、圧電定数の高い材料が得られる
ことを確認した。

上記の知見に基づく本発明の要旨は、次の圧電材料にあ
る。

ａＰｂ（Ｍｇ＋／５Ｎｂｔｚｓ）Ｏｓ　　ｂＰｂ（Ｎｉ
＋ｚｓＴａｔｚｓ）Ｏｔ−ＣＰｂＴ１０ｓ　−ｄ　Ｐｂ
ＺｒＯｓで表され、上記のａ、ｂ、ｃおよびｄが下記（
１）〜（４）の式を満足し、且つＰｂのｌ〜１０原子％
がＬａ、　Ｎｄ、　Ｐｒの１種以上で置換されているこ
とを特徴とする圧電材料。

１０≦ａ＋ｂ≦５５　　・・・・■ ３０≦ｃ≦５０　　　　・・・・■ ２．５≦ｄ≦６０　　　　・・・・■ ０．０１≦ｂ　／　ａ≦２．０・・・・■ただし、ａ、
ｂ％Ｃ％ｄはモル％で、ａ＋ｂ十ｃ＋ｄ−１ｏｏである
。

（作用） 本発明の圧電材料を構成する各成分の比率、即ち、前記
のモル％、ａ、ｂ、ｃおよびｄを■から■までの式を満
足するように選定したのは、この範囲外では径方向電気
機械結合係数、比誘電率のいずれかが小さくなり、圧電
定数が小さくなるからである。

また、ＰｂのＬａ、　ＮｄおよびＰｒのうちの１種以上
による置換量を１〜１０原子％に限定したのは、いずれ
の原子でもｌ原子％未滴の置換では比誘電率があまり向
上せず、圧電定数の向上が見られず、逆に１０原子％を
超えて置換すると径方向電気機械結合係数が著しく低下
し、圧電定数が小さくなるからである。

本発明の圧電材料は、上記の＆ｌｌ或を有するものであ
るが、その製造方法は従来のこの種の磁器組成物と同じ
である。即ち、各元素の酸化物、炭酸化物または水酸化
物等を前記の組成となるように配合し成形した後、焼結
することによって製造することができる。

（実施例〉 四成分系組成物を ａＰｂ（Ｍｇ＋ｚＪｂｔｚｓ）０３　　ｂＰｂ（Ｎｉ＋
ｚｚＴａ＊ｚｓ）Ｏｓ−ｃ　ＰｂＴｉＯｓ　−ｄ　Ｐｂ
Ｚｒ０ｓ（ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ａ＋ｂ
＋ｃ　＋　ｄ　＝１００） とし、ＰｂＯ，ＺｒＯ□ＴミＯＨ，ＭｇＯ，ＮｂｘＯｓ
、ＮｉＯおよびＴａ２Ｏ，。

に、Ｌａｇ□ｓ＋Ｎｄｔｏｓ＋Ｐｒ＊ｏ＋＋の１種以上
を加えて第１表に示す組成となるように秤量し、ボール
ミルを用いて十分に混合した。得られた混合物を９００
〜１１００’Ｃで約２時間仮焼し、この仮焼物を再びボ
ールミルで十分に粉砕して混合した後、有機バインダー
を混合して造粒した。この造粒粉を約１　ｈ、　／Ｃ−
の圧力で直径２０閣、厚さ２閣に成形し、これを１２０
０〜１３００″Ｃの温度で約２時間仮焼した。

得られた円板状の焼結体両面にｉｌ電極を焼付け、４０
〜１００℃のシリコンオイル中で２〜３　ｋｖ／ｍの直
流電圧を印加して分極処理を行った。

このようにして得られた磁器の組成と圧電特性を調べた
結果を第１表に示す０表中の８７゜／ｌ・は比誘電率、
Ｋｒは径方向電気機械結合係数、ａＳ＋は横方向圧電定
数である。

第１表において、試料隘１〜２６はＰｂ原子の一部をＬ
ａで置換し、その置換量を５．０原子％と一定にした上
で、ａＳｂ、ｃ、ｄの値を変化させたものである。ＨＩ
考欄に比較例と記したものをみれば、ａ　ｓ　ｂ　ｓ　
Ｃｓ　ｄＯ値が前記のΦ〜■式を満足しない場合はｄ、
が小さくなることがわかる。

試料Ｎ１１２７〜４８は、ａ、ｂ、ｃ、ｄの値を本発明
で定めた範囲内の一定値にし、Ｐｂの一部をＬａ、、Ｎ
ｄおよびＰｒの１種または２種以上で置換し、その置Ｎ
ＡＷを変化させたものである。ただし、恥２７はこれら
の元素で置換していない比較例である。１Ｆ換元素がｔ
ａＳＮｄおよびＰｒのいずれであっても置換量が１原子
％未満では比誘電率が低く、１０原子％を超えて置換す
るとＫｒ、　’ｄ□が極端に悪化することがわかる。

以上の結果から、前記の■から■の式を全て満足し、Ｐ
ｂの一部をＬａ％ＮｄおよびＰｒの少なくとも１種以上
で適正！置換すると、高い電気機械結合係数、誘電率を
示し、圧電定数の大きな材料が得られることがわかる。

（以下、余白） （発明の効果） 本発明の圧電材料は、実施例にも示したとおり、径方向
電気機械結合係数、比誘電率、圧電定数のすべてにおい
て優れた特性を有し、先に述べた各種の用途向は材料と
して極めて有用なものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａＰｂ（Ｍｇ＿１＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３ｂ
   Ｐｂ（Ｎｉ＿１＿／＿３Ｔａ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−ｃ
   ＰｂＴｉＯ＿３−ｄＰｂＺｒＯ＿３で表され、上記のａ
   、ｂ、ｃおよびｄが下記（１）〜（４）の式を満足し、
   且つＰｂの１〜１０原子％がＬａ、Ｎｄ、Ｐｒの１種以
   上で置換されていることを特徴とする圧電材料。 １０≦ａ＋ｂ≦５５・・・・（１） ３０≦ｃ≦５０・・・・（２） ２．５≦ｄ≦６０・・・・（３） ０．０１≦ｂ／ａ≦２．０・・・・（４） ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝
   １００である。