JPH0337158A - Piezoelectric material - Google Patents
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Landscapes
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
この発明は、圧電定数、機械的品質係数が大きく、温度
特性に優れた圧電材料であって、共振変位を利用した圧
電アクチュエータ、超音波モータ、超音波振動子などの
材料として好適な圧電材料に関するものである。Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) This invention is a piezoelectric material that has a large piezoelectric constant, a large mechanical quality factor, and excellent temperature characteristics, and is used in piezoelectric actuators and ultrasonic motors that utilize resonance displacement. , relates to piezoelectric materials suitable as materials for ultrasonic transducers and the like.
（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（
Ｚｒ、Ｔｊ）Ｏｓ磁器組組成がよく知られている。この
化合物は、Ｐｂを含むため焼成の際にそれが蒸発するな
どの製造上の困難があるが、圧電性が大きいこと、使用
可能温度が高いこと、更には第３成分を置換あるいは添
加することにより変性に富んだ磁器が得られること等の
利点を有するところから、圧電ブザー、周波数フィルタ
ー、圧電着火素子、超音波振動子などの材料に使用され
てきた。(Prior art) As piezoelectric materials, lead zirconate titanate, Pb(
Zr, Tj)Os porcelain compositions are well known. This compound has manufacturing difficulties such as evaporation during firing because it contains Pb, but it has high piezoelectricity, can be used at a high temperature, and can be replaced or added with a third component. Because of its advantages such as the ability to obtain porcelain with a high degree of modification, it has been used as a material for piezoelectric buzzers, frequency filters, piezoelectric ignition elements, ultrasonic vibrators, etc.
近年、メカトロニクスの発展とともに、応答性がよく、
精密な制御が可能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０例えば、超音波モータがその一例としてあげ
られる。超音波モータは、ロボットのアームの駆動用、
オートフォーカスカメラのレンズ駆動用等に、従来のｔ
ｍモータに代わるものとして注目されている。この超音
波モータは、圧電磁器の振動を回転の駆動力とするもの
であるが、より優れたモータ特性を得るには、圧電磁器
の振動の振幅が大きいことが必要である。また、このよ
うに大きい振動を得るためには機械的品質係数および圧
電定数が大きいことが要求される。更に、超音波モータ
においては、使用環境の温度変化による圧電材料の温度
変化があると、モータの回転数や発生トルクに影響を与
える。従って、安定した回転数やトルクを得るためには
圧電材料の温度特性が安定していることも要求される。In recent years, with the development of mechatronics, responsiveness has improved,
The need for displacement elements that can be precisely controlled has increased, and attempts have been made to use displacement driving elements that utilize piezoelectric strain. For example, an ultrasonic motor is an example of such a displacement element. Ultrasonic motors are used to drive robot arms,
Conventional t is used for driving lenses of autofocus cameras, etc.
It is attracting attention as an alternative to m motors. This ultrasonic motor uses the vibration of the piezoelectric ceramic as the driving force for rotation, but in order to obtain better motor characteristics, the amplitude of the vibration of the piezoelectric ceramic must be large. Furthermore, in order to obtain such large vibrations, a large mechanical quality factor and piezoelectric constant are required. Furthermore, in an ultrasonic motor, if there is a temperature change in the piezoelectric material due to a temperature change in the usage environment, it will affect the rotation speed and generated torque of the motor. Therefore, in order to obtain stable rotational speed and torque, it is also required that the temperature characteristics of the piezoelectric material be stable.
以上、主に超音波モータ用の圧電磁器を例にして説明し
たが、同じような特性が要求される圧電磁器の用途は数
多い、しかしながら、従来の材料の中、例えば、特公昭
４６−１２３４２号公報によって知られているＰｂ（Ｓ
ｔｒ＋ｚ＊Ｎｂ＋ｚｔ）Ｏｓ ＰｂＴｉ０ｓ−ＰｂＺ
ｒＯｚにＭｎＯ２を添加したもの、および特公昭４５−
１６８７０号公報に開示されているＰｂ（Ｚｎ＋ｚＪｂ
ｔｚｘ）Ｏｓ ＰｂＴｉ０ｓＰｂＺｒＯ，は、機械的
品質係数と圧電定数をともに大きくするには不十分で温
度特性も悪い、また、特公昭６０−５７１６２号公報の
Ｐｂ（ＮｂａＳｂｘ−ｓａＺｎｔａ−＋）ＯｓＰｂＴｊ
０３− ＰｂＺｒＯｓは、圧電定数は大きいが機械的品
質係数が極めて小さい。The above explanation has mainly been made using piezoelectric ceramics for ultrasonic motors as an example, but there are many uses for piezoelectric ceramics that require similar characteristics.However, among the conventional materials, for example, Pb(S) known from the publication
tr+z*Nb+zt)Os PbTi0s-PbZ
rOz with MnO2 added, and
Pb(Zn+zJb
tzx)OsPbTi0sPbZrO, is insufficient to increase both the mechanical quality factor and the piezoelectric constant, and has poor temperature characteristics.
03- PbZrOs has a large piezoelectric constant but an extremely small mechanical quality factor.
（発明が解決すべき！ｉ題）
前述のとおり、これまでに知られている圧電材料は、機
械的品質係数、圧電定数、温度特性の中いずれかが不十
分で、例えば、超音波モータ用として使用したとき大き
な振動が得られず、モータ特性の向上と温度に対する安
定性が期待できないといった問題点を残している。(Problem to be solved by the invention!) As mentioned above, piezoelectric materials known so far have insufficient mechanical quality factor, piezoelectric constant, or temperature characteristics, and are not suitable for use in ultrasonic motors, for example. However, when used as a motor, the problem remains that large vibrations cannot be obtained, and improvements in motor characteristics and stability against temperature cannot be expected.
本発明の目的は、超音波モータなどに使用して、大きな
振動が得られ、しかも温度特性の安定な圧電材料、即ち
、機械的品質係数、圧電定数、および温度特性のすべて
が一定の水準以上である圧電材料を提供することにある
。The object of the present invention is to create a piezoelectric material that can be used in ultrasonic motors, etc., and which can generate large vibrations and has stable temperature characteristics, that is, a piezoelectric material whose mechanical quality factor, piezoelectric constant, and temperature characteristics are all above a certain level. The object of the present invention is to provide a piezoelectric material that is
（課題を解決するための手段） 本発明の要旨は、下記の■および■の圧電材料にある。(Means for solving problems) The gist of the present invention lies in the following piezoelectric materials (1) and (2).
■ ａ Ｐｂ（Ｓｂ＋／Ｊｂ＋ｚｔ）Ｏｓ−ｂ Ｐｂ（
Ｚｎ＋／５Ｔａｘｚｓ）Ｏｓ−ｃ ＰｂＴｉＯ３−ｄ
ＰｂＺｒＯｓで表され、上記のａ、ｂ、ｃおよびｄが下
記［１］〜［４］の式を満足する磁器組成物１００モル
％に対して、ＭｎＯ，が０．５〜５モル％添加されてい
る圧電材料。■ a Pb(Sb+/Jb+zt)Os-b Pb(
Zn+/5Taxzs)Os-c PbTiO3-d
0.5 to 5 mol% of MnO is added to 100 mol% of a ceramic composition represented by PbZrOs, in which a, b, c, and d satisfy the following formulas [1] to [4]. piezoelectric material.
ｌ≦ａ＋ｂ≦２０・・・・・■
０．５≦ａ≦１０ ・・・・・■
３５≦ｃ≦５２．５ ・・・・［３］
３５≦ｄ≦５５ ・・・・・・［４］ただし、ａ、、
ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、ａ十す十ｃ＋
ｄ−１００である。l≦a+b≦20...■ 0.5≦a≦10 ......■ 35≦c≦52.5 ...[3] 35≦d≦55 ......[ 4] However, a...
b, c, d are mol%, b is not zero, a ten su ten c+
It is d-100.
■ ａ Ｐｂ（Ｓｂ＋ｚｔＮｂ＋ｚｚ）Ｏｓ ｂ Ｐ
ｂ（Ｚｎ＋、ｚｚ↑ａｄｚｓ）０３−ｃ ＰｂＴｉＯｓ
ｄ ＰｂＺｒＯｘで表され、上記のａ、ｂ、ｃおよ
びｄが前記の［１］〜［４］の式を満足し、且つＰｂの
１０原子％以下がＳｒ、 ＣａおよびＨａのうちの１種
以上で置換されている磁器組成物１００モル％に対して
ＭｎＯヨが０．５〜５モル％添加されている圧電材料。■ a Pb(Sb+ztNb+zz)Os b P
b(Zn+,zz↑adzs)03-c PbTiOs
d Represented by PbZrOx, the above a, b, c and d satisfy the above formulas [1] to [4], and 10 atomic % or less of Pb is one or more of Sr, Ca and Ha A piezoelectric material in which 0.5 to 5 mol% of MnO is added to 100 mol% of a porcelain composition substituted with MnO.
（作用）
本発明の圧電材料は、ａ Ｐｂ（Ｓｂ＋／Ｊｂ＋７ｚ）
Ｏｘ ｂＰｂ（Ｚｎ＋／３↑ａｔｚｓ）Ｏｓ ｃ
ＰｂＴｉＯ３−ｄ ＰｂＺｒ０ｚの四元系の基本組成を
構成する酸化物の比率、即ち、前記のａｓ ｂ、、ＣＳ
ｄの数値を適正に選んだ上でＭｎＯ２を添加したもの、
および上記の基本組成中のＰｂ原子の一部を５ｒＳＣａ
、 Ｂａのうちの１種以上で置換し、更にＭｎＯ□を添
加したもの、である。(Function) The piezoelectric material of the present invention has a Pb(Sb+/Jb+7z)
Ox bPb(Zn+/3↑atzs)Os c
The ratio of oxides constituting the basic composition of the quaternary system of PbTiO3-d PbZr0z, i.e., the above as b, , CS
MnO2 is added after appropriately selecting the value of d,
and some of the Pb atoms in the above basic composition are 5rSCa
, substituted with one or more types of Ba, and further added with MnO□.
基本組成の酸化物の比率、即ち、ａ、ｂ、ｃ、およびｄ
の値を前記のように定めたのは、この範囲外では圧電定
数が小さくなったり、温度特性が悪くなるためである。Proportion of oxides of basic composition, i.e. a, b, c, and d
The reason why the value of is determined as above is because outside this range, the piezoelectric constant becomes small and the temperature characteristics deteriorate.
この基本組成の磁器組成物に後述するＭｎ０ｔを添加す
るが、基本組成のＰｂの１０原子％以下をＳｒ、 Ｃａ
、Ｂａのうちの１種以上で置換したものを基本ｍ威とし
てＭｎＯｘを添加してもよい。Mn0t, which will be described later, is added to the ceramic composition having this basic composition, but Sr, Ca
, MnOx may be added by using one or more substituted with Ba as the base material.
Ｓｒ、 ＣａおよびＢａの１種以上でＰｂの１０原子％
以下を置換することによって、圧電定数を大きくするこ
とができる。しかし、この置換量がＰｂの１０原子％を
超えると圧電定数はかえって小さくなる。One or more of Sr, Ca and Ba with 10 atomic% of Pb
The piezoelectric constant can be increased by replacing the following: However, if this amount of substitution exceeds 10 atomic % of Pb, the piezoelectric constant becomes smaller on the contrary.
上記の磁器組成物１００モル％に対して、更に、ＭｎＯ
，を０．５〜５モル％添加する。 Ｍｎ０ｚを０．５〜
５モル％添加するのは、圧電材料の機械的品質係数を向
上させるためである。この効果は、０．５モル％から現
れ、５モル％を超えると機械的品質係数と圧電定数がと
もに低下する。Based on 100 mol% of the above ceramic composition, MnO
, is added in an amount of 0.5 to 5 mol%. Mn0z from 0.5
The purpose of adding 5 mol% is to improve the mechanical quality factor of the piezoelectric material. This effect appears from 0.5 mol%, and when it exceeds 5 mol%, both the mechanical quality factor and the piezoelectric constant decrease.
本発明の圧電材料は、上記の組成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＆ｌｌｌｌ上物
様である。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。The piezoelectric material of the present invention has the above-mentioned composition, and the manufacturing method thereof is similar to that of conventional porcelain &llllll products of this type. That is, it can be manufactured by mixing oxides, carbonates, hydroxides, etc. of each element so as to have the above-mentioned composition, molding, and then sintering.
（実施例）
基本の組成物を
ａ Ｐｂ（Ｓｂ＋ｚＪｂ＋ｚｘ）Ｏｓ ｂ Ｐｂ（Ｚ
ｎ＋ｚｚＴａｔｚｚ）Ｏｚ−ｃ ＰｂＴｉＯｓ ｄ
ＰｂＺｒ０ｚ （（且し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ−１００）と
表し、ＰｂＯ，ＺｒＯｘ＋ Ｔｉ１ｔ、 ５ｔｌｘＯｉ
＋ ＺｎＯ＋ Ｎ１）Ｊｓ＋Ｔａｇ’ｓ、 ＣａＣＯ３
＋ ＳｒＣＯ３，ＢａＣＯ２＋ ＭｎＯ２の各原料を、
第１表に示す＋Ｉ戒となるように秤量しボールごルを用
いて十分に混合した。得られた混合粉を８００〜１００
０°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ト＞／ｃＪの圧力で直径２０
ｍ、厚さ２ｍｍに成形し、これを１２００〜１３００’
Ｃの温度で約２時間焼成した。(Example) The basic composition is a Pb(Sb+zJb+zx)Os b Pb(Z
n+zzTazz)Oz-c PbTiOs d
PbZr0z ((and a+b+c+d-100), PbO, ZrOx+ Ti1t, 5tlxOi
+ ZnO+ N1) Js+Tag's, CaCO3
+ SrCO3, BaCO2 + MnO2 raw materials,
The mixture was weighed and thoroughly mixed using a bowl so as to achieve the +I ratio shown in Table 1. The obtained mixed powder is 800 to 100
After calcining at 0°C for about 2 hours, the calcined product was sufficiently pulverized and mixed again in a ball mill, and then an organic binder was mixed therein and granulated. This granulated powder is heated to a diameter of 20 mm at a pressure of about 1 t>/cJ.
m, thickness 2mm, and this is 1200~1300'
The mixture was fired at a temperature of C for about 2 hours.
さらに、得られた円板状の焼結体両面に銀電極を焼付け
、１００℃のシリコンオイル中で３ｋｖ１０ｎの直流電
圧を印加して分極処理を行った。Further, silver electrodes were baked on both surfaces of the obtained disc-shaped sintered body, and polarization treatment was performed by applying a DC voltage of 3 kv10n in silicone oil at 100°C.
このようにして得られた磁器の圧電特性を第１表中に示
した。なお表中のｄ、は圧電定数、Ｑｍは機械的品質係
数、Ｔ（ｃ）は静電容量の一２０゛Ｃ〜６０°Ｃにおけ
る温度係数である。The piezoelectric properties of the porcelain thus obtained are shown in Table 1. In the table, d is a piezoelectric constant, Qm is a mechanical quality coefficient, and T(c) is a temperature coefficient of capacitance at -20°C to 60°C.
第１表の試料阻１〜１４の特性をみれば、ａ＋ｂ、Ｃお
よびｄの値が本発明で定める範囲外のもの（比較例とし
て示したもの）は、ｄ、が極めて小さいか、Ｔ （ｃ）
が大きくて温度特性の悪いことがわかる。Looking at the characteristics of Samples 1 to 14 in Table 1, it can be seen that those whose values of a+b, C, and d are outside the range defined by the present invention (those shown as comparative examples) have extremely small d, or T ( c)
It can be seen that the temperature characteristics are large and the temperature characteristics are poor.
試料ヌ１５〜２１は、ａの値が１０モル％を越えるかあ
るいは０．５モル％より小さいとｄ□が小さく、Ｔ （
ｃ）が大きくなることを示している。For samples Nos. 15 to 21, when the value of a exceeds 10 mol% or is smaller than 0.5 mol%, d□ is small, and T (
c) becomes larger.
ｂの値が０モル％だとｄｌが小さく（弘２２）、ａ十す
が２０モルを越えるとＴ （ｃ）が大きくなる（ｋ２６
） 。When the value of b is 0 mol%, dl is small (Ko 22), and when a exceeds 20 mol%, T (c) becomes large (k26).
).
試料Ｎα２７〜３２は、ＭｎＯ２の添加量を変えた例で
ある。添加量が０．５モル％以上で、Ｑｍの向上効果が
認められ、一方、添加量が５モル％を超えると、ｄｏ、
Ｑ−およびＴ （ｃ）の全てが悪化する。Samples Nα27 to Nα32 are examples in which the amount of MnO2 added was changed. When the amount added is 0.5 mol% or more, the effect of improving Qm is recognized, whereas when the amount added exceeds 5 mol%, do,
Q- and T (c) all worsen.
試料Ｎａ３３〜４８は、Ｓｒ、 Ｃａ、 ＢａによるＰ
ｂの置換量を変えた例である。置換量が本発明で定める
範囲内であれば、ｄｓ＋が大きくなるが、１０原子％を
超えるとＴ （ｃ）が悪化する（８１１３６）。Samples Na33 to 48 are P due to Sr, Ca, and Ba.
This is an example in which the amount of substitution of b is changed. If the amount of substitution is within the range defined by the present invention, ds+ will increase, but if it exceeds 10 atom %, T (c) will deteriorate (81136).
Ｐｂを置換した系においても、Ｍｎ０ｔの添加効果が認
められ、その添加量が前記の範囲内であればＱｍを向上
させることができる（弘３７〜４２）。Even in systems in which Pb is substituted, the effect of adding Mn0t is observed, and if the amount added is within the above range, Qm can be improved (Hiroshi 37-42).
（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、圧電定
数および機械的品質係数がともに大きく、温度特性が安
定しているため、大きな振動を温度変化に対しても安定
に得ることができる。このような本発明の圧電材料は、
超音波モータ、超音波振動子等の材料に幅広く利用でき
るものである。(Effects of the Invention) As shown in the examples, the piezoelectric material of the present invention has both a large piezoelectric constant and a large mechanical quality factor, and stable temperature characteristics, so it is stable even against large vibrations and temperature changes. can be obtained. Such a piezoelectric material of the present invention is
It can be widely used as a material for ultrasonic motors, ultrasonic vibrators, etc.
Claims (1)
＿３−ｂＰｂ（Ｚｎ＿１＿／＿３Ｔａ＿２＿／＿３）Ｏ
＿２−ｃＰｂＴｉＯ＿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
満足する磁器組成物１００モル％に対して、ＭｎＯ＿２
が０．５〜５モル％添加されている圧電材料。 １≦ａ＋ｂ≦２０・・・・［１］ ０．５≦ａ≦１０・・・・［２］ ３５≦ｃ≦５２．５・・・［３］ ３５≦ｄ≦５５・・・・・［４］ ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。 （２）ａＰｂ（Ｓｂ＿１＿／＿２Ｎｂ＿１＿／＿２）Ｏ
＿３−ｂＰｂ（Ｚｎ＿１＿／＿３Ｔａ＿２＿／＿３）Ｏ
＿３−ｃＰｂＴｉＯ＿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１０原子％以下がＳｒ、Ｃａおよび
Ｂａのうちの１種以上で置換されている磁器組成物１０
０モル％に対してＭｎＯ＿２が０．５〜５モル％添加さ
れている圧電材料。 １≦ａ＋ｂ≦２０・・・・・［１］ ０．５≦ａ≦１０・・・・・［２］ ３５≦ｃ≦５２．５・・・・［３］ ３５≦ｄ≦５５・・・・・・［４］ ただし、ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル％で、ｂは零ではなく、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。[Claims] (1) aPb(Sb_1_/_2Nb_1_/_2)O
_3-bPb(Zn_1_/_3Ta_2_/_3)O
_2-cPbTiO_3-dPbZrO_3,
MnO_2
A piezoelectric material to which 0.5 to 5 mol% of is added. 1≦a+b≦20...[1] 0.5≦a≦10...[2] 35≦c≦52.5...[3] 35≦d≦55...[ 4] However, a, b, c, d are mol%, and b is not zero,
a+b+c+d=100. (2) aPb(Sb_1_/_2Nb_1_/_2)O
_3-bPb(Zn_1_/_3Ta_2_/_3)O
_3-cPbTiO_3-dPbZrO_3,
A porcelain composition in which a, b, c, and d above satisfy the following formulas [1] to [4], and 10 atomic % or less of Pb is replaced with one or more of Sr, Ca, and Ba. thing 10
A piezoelectric material in which 0.5 to 5 mol% of MnO_2 is added to 0 mol%. 1≦a+b≦20...[1] 0.5≦a≦10...[2] 35≦c≦52.5...[3] 35≦d≦55... ...[4] However, a, b, c, d are mol%, and b is not zero,
a+b+c+d=100.
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030018144A (en) * | 2001-08-27 | 2003-03-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Piezolectric magnetic composition |
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1989
- 1989-07-03 JP JP1171377A patent/JPH0337158A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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