JPH04122081A - 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】 髪策上凹■亙玉Ｉ 本発明は径方向電気機械結合係数、比誘電率及び圧電定
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して適した圧電材料に関する。

従乏四目支街 従来より圧電材料としてはジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ　
（Ｚｒ、　Ｔｚｌ　Ｏｓ系の磁器組成物が知られている
。

この磁器組成物は圧電性が大きいこと、高温まで使用可
能であること、さらには第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
を有している。特にＺｒ及びＴ１の一部をＭｇとＮｂに
置換したＰｂ　（ＩＡｇ＋ｚａＮｂｚｚｓ）０３ＰｂＴ
ｉ０３−ＰｂＺｒ０３の３成分系圧電材料は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もたせることが可能
であることなどから、圧電ブザー、周波数フィルター、
圧電着火素子等の材料として利用されてきた。

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うち、Ｐｂ（Ｍｇ＋ｚ３Ｎｂ２
ｚｘ）Ｏａ−ＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯｓ　（特公昭４
２−９７１６号公報）は、径方向電気機械結合係数が５
０〜７０％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。また、特開昭４９−１２２
５１２号公報には、ｐｂＩＭｇ１ｙｓＮｂ２７３）０３
−Ｐｂ（Ｎｉ＋ｚｚＷ＋ｚｚ）Ｏａ　−ＰｂＴｉ０３−
ＰｂＺｒ０３の４成分系圧電材料が提案されており、特
定組成において、径方向電気機械結合係数、比誘電率と
もに高い圧電磁器が得られている。この種の圧電材料の
圧電定数は３００−３１５［Ｘ　１０−１２ｍ／Ｖｌ程
度である６ 明が解決しようとする課題 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
は上記圧電材料も十分な特性を有しているとは言えない
。

すなわち、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、また圧電定数も十分大き
いものとはいえない。そのため、これらの材料を圧電ア
クチュエータとして利用する場合には、変位量が小さく
また駆動電圧が大きくなるという課題があった。

本発明は上記した課題に鑑み発明されたものであって、
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
を提供することを目的としている。

課題を解？するための　ｆｌ 上記目的を達成するために本発明に係る圧電材料は、組
成式が ａＰｂｆＭｇ＋ｚａＮｂｚｚ３）０３ｂＰｂ（Ｎｉ＋ｚ
Ｊ＋ｚｚ）０３ｃＰｂＴｉＯａｄＰｂＺｒＯ，、ただし １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦　ｂ　　≦１０ ３０　　≦　Ｃ≦５０ ２５≦　ｄ　　≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル分率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ　
＝１００　）で表される磁器組成物であって、さらにｐ
ｂの０５〜ｌＯ原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの少な
くとも１種で置換されていることを特徴としている。

また組成式が ａＰｂ（Ｍｇ＋７Ｊｂｚｚｘ）０３−ｂＰｂ（Ｎｘ＋ｚ
Ｊ＋ｙｚ）０３ｃＰｂＴｚ０３−ｄＰｂＺｒＯ，、ただ
し １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦　ｂ　　≦１０ ３０　　≦　Ｃ≦５０ ２．５≦　ｄ　　≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄ　　はモル分率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋
ｄ＝１００　）で表される磁器組成物であって、さらに
ｐｂの０．５〜１０原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの
少なくとも１種で置換されている磁器組成物に、それぞ
れ５原子％以下のＺｎ、　ＳｎまたはＢｉのうちの少な
くとも１種が添加されていることを特徴としている。

なお、Ｉｎ、Ｓｎ、　Ｂｉは単独で添加されていてもよ
く、２種または３種組み合わせて添加されていてもよい
。

すなわち本発明者らは、従来から良好な特性が認められ
ているＰｂ（Ｍｇ＋７Ｊｂｚｚｘ）０３−ＰｂｆＮｌ＋
ｚ□Ｗ＋／□）０３−ＰｂＴｉＯ，−ＰｂＺｒＯ３の４
成分系材料について、径方向電気機械結合係数および圧
電定数を高めることを目的としてｐｂの一部を各種稀土
類元素により置換し、その効果を調査した。その結果、
ＣｅあるいはＳｍによる置換により比誘電率が著しく向
上し、より一層圧電定数の高い材料を得ることができる
ことをつきとめた。

ｍ里 上記したように、Ｐｂ（Ｍｇ＋７Ｊｂｚｚｘ）Ｏｘ、Ｐ
ｂ（Ｎｉ、ｚ□Ｗ１７□）０３、ＰｂＴｉＯ３，ＰｂＺ
ｒＯ３の量を上記範囲に限定することにより、径方向電
気機械結合係数、比誘電率のいずれもが大きくなり、圧
電定数も大きくなる。Ｐｂ（Ｍｇｌ／３Ｎｂ２／３）０
３．Ｐｂ（Ｎｉ１／□Ｗｌ／□）０３、ＰｂＴｉ０３Ｐ
ｂＺｒＯ，の量が上記範囲外になると、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、また圧電
定数も小さくなる。

また、ｐｂのＣｅあるいはＳｍによる置換を０．５〜ｌ
ｏ原子％の範囲に限定することにより、径方向電気機械
結合係数及び比誘電率が大きく向上し、また圧電定数の
向上も太きいものとなる。ＣｅあるいはＳｍのいずれの
原子でも０．５原子％未満では径方向電気機械結合係数
、比誘電率があまり向上せず、また圧電定数の向上も見
られない。逆にＣｅあるいはＳｍのいずれの原子でも１
０原子％を超えると径方向電気機械結合係数が著しく低
下し、また圧電定数も小さくなる。

上記のように、４成分系の基本組成が適正に選択され、
且つそのなかのｐｂ原子が適正量のＣｅあるいはＳｍで
置き換えられることだけでも、従来の圧電材料よりはる
かに優れたものが得られる。

これにさらに、Ｚｎ、　ＳｎあるいはＢ１のうちの少な
くとも１種が適正量添加されれば、その特性は要改善さ
れる。いずれの元素でもその添加量が５原子％を超える
と、径方向電気機械結合係数、比誘電率のいずれか若し
くは両方が著しく低下し、圧電定数が小さくなってしま
う。

支血五及ｌ二藍貝 以下、本発明に係る圧電材料の実施例及び比較例につい
て説明する。

本実施例に係る圧電材料は、各成分を構成する元素の酸
化物、炭酸化物あるいは水酸化物を後記の第１表あるい
は第２表に示した組成となるように配合し、成形した後
、焼結させることによって製造した。

［第１表に示した実施例及び比較例］ ４構成系組成物を ａＰｂ　（Ｍｇ　ｌ／ｘｍＮｂ２／ａｌ　０３−ｂＰｂ
　（Ｎｉ　Ｉ　／２Ｗ　ｌ／２）　０３−ｃＰｂＴｉ０
３ｄＰｂＺｒＯｓ　（ただしａ、ｂ、Ｃ，ｄはモル分率
であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ：１００） と表し、ＰｂＯ１ＺｒＯ２，Ｔｉ０ｉ、ＭｇＯ１Ｎｂ、
Ｏ，、Ｎｉｐ、　ＷＯｓ、ＣｅＯ□及びＳｍ２０ｓの各
原料を後記した第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℃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　ｔｏｎ／ｃ
ｍ２の圧力で直径２０ｍｍ、厚さ約２ｍｍに成形し、こ
れを１０５０−１２５０°Ｃの温度範囲で約２時間焼成
した。得られた円板状の焼結体の両面に銀電極を焼き付
け、４０〜１００°Ｃのシリコンオイル中で２〜３ｋＶ
／ｍｍの直流電圧を印加して分極処理を行なった。

このようにして得られた磁器の圧電特性を合わせて第１
表に示した。なお、表中の８１３．／ε。は比誘電率、
Ｋｒは径方向電気機械結合係数、ｄ３１は横方向圧電定
数をそれぞれ表わしている。

（以下余白） 第１表において、試料Ｎｏ、　１−２７はａＰｂ　（Ｍ
ｇ＋ｚａＮｂ２ｙ３１０ｓ−ｂＰｂ　（Ｎｉ＋ｚＪ＋ｚ
ａｌＯｓ−ｃＰｂＴｉｏａ−ｄＰｂＺｒＯ＋のａ、ｂ、
ｃ、ｄ（モル分率）を変化させたものである。各特性の
試験結果からみて、 １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦　ｂ　　≦１０ ３０　　≦　Ｃ≦５０ ２．５≦　ｄ　　≦６０ の範囲が適当である。この範囲外では横方向圧電定数ｄ
３□が小さくなる。

試料Ｎｏ、　２８−３７は、ｐｂの一部なＣｅあるいは
Ｓｍのうちの少なくとも１種により置換する割合を変化
させたものである。いずれの原子でも置換量が０．５原
子％未満では比誘電率が低く、１０原子％を超えるとＫ
ｒ、　ｃｔ３　＋が極端に低下することがわかる。

［第２表に示した実施例及び比較例］ 上記実施例で使用した原料の他に、ＺｎＯ１ＳｎＯｚあ
るいはＢｉ２’ｓのうちの少なくとも１種を使用して後
記した第２表に示す組成となるように原料を配合し、上
記実施例の場合と全く同様にして試料を作成し、圧電特
性を調査した。

このようにして得られた磁器の圧電特性を合わせて第２
表に示した。なお、表中のεＴ３３／ε。は比誘電率、
にｒは径方向電気機械結合係数、ｄａｔは横方向圧電定
数をそれぞれ表わしている。

（以下余白） 第２表において、試料Ｎｏ、１〜１６は基本組成のｐｂ
の３０原子％をＣｅで置換した上、種々の量のＳｎ、Ｚ
ｎあるいはＢｉを添加したものである。これらの元素の
いずれでも５原子％を超える添加量では、比誘電率、径
方向電気機械結合係数のいずれが、あるいは両方が低下
し、圧電定数が極端に低下することがわかる。

以上の結果により、高い電気機械結合係数、誘電率を示
し、圧電定数の大きい材料を得るために適当な組成は請
求項（１）あるいは請求項（２）に示した範囲となる。

及皿二盈医 以上の説明により明らかなように本発明に係る圧電材料
は、組成式が ａＰｂ（Ｍｇ＋ｚａＮｂｚｚａ）０３−ｂＰｂ（Ｎｉ＋
ｚＪ＋ｚｚ１０３−　ｃＰｂＴｉＯａｄＰｂＺｒＯａ　
、ただし ｌＯ〈　ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦　ｂ　　≦１０ ３０　　≦　Ｃ≦５０ ２．５≦　ｄ　　≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル分率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ　
＝　１００　）で表される磁器組成物であって、さらに
ｐｂの０，５〜ｌＯ原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの
少なくとも１種で置換されていることを特徴とし、 また、組成式が ａＰｂ（Ｍｇ＋ｚｓＮｂ２ｚａ）Ｏｓ−ｂＰｂ（Ｎｉ＋
ｚｚＷ＋ｚ。）０３−　ｃＰｂＴｉＯｓｄＰｂＺｒＯａ
、ただし １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦　ｂ　　≦１０ ３０　　≦　Ｃ≦５０ ２．５≦　ｄ　　≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄ　　はモル分率であり、ａ＋ｌ）＋ｃ
＋ｄ４００　）で表される磁器組成物であって、さらに
ｐｂの０．５〜ｌＯ原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの
少なくとも１種で置換されている磁器組成物に、それぞ
れ５原子％以下のＺｎ、ＳｎまたはＢ１のうちの少なく
とも１種が添加されていることを特徴とするので、径方
向電気機械結合係数、比誘電率及び圧電定数のすべてに
おいて優れた特性を有するものとなる。徒って本発明に
より、圧電歪を利用した圧電アクチュ二一夕、圧電ブザ
ー等の材料として極めて優れた圧電材料を提供すること
ができる。

特許出願人：住友金属工業株式会社 代　　理　　人：弁理士　　弁内　龍

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）組成式が ａＰｂ（Ｍｇ＿１＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−
   ｂＰｂ（Ｎｉ＿１＿／＿２Ｗ＿１＿／＿２）Ｏ＿３−ｃ
   ＰｂＴｉＯ＿３−ｄＰｂＺｒＯ＿３、ただし １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦ｂ≦１０ ３０≦ｃ≦５０ ２．５≦ｄ≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル分率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝
   １００）で表される磁器組成物であって、さらにＰｂの
   ０．５〜１０原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの少なく
   とも１種で置換されていることを特徴とする圧電材料。 （２）組成式が ａＰｂ（Ｍｇ＿１＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−
   ｂＰｂ（Ｎｉ＿１＿／＿２Ｗ＿１＿／＿２）Ｏ＿３−ｃ
   ＰｂＴｉＯ＿３−ｄＰｂＺｒＯ＿３、ただし １０＜ａ＋ｂ≦５５ ０．５≦ｂ≦１０ ３０≦ｃ≦５０ ２．５≦ｄ≦６０ （ａ、ｂ、ｃ、ｄはモル分率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝
   １００）で表される磁器組成物であって、さらにＰｂの
   ０．５〜１０原子％がＣｅあるいはＳｍのうちの少なく
   とも１種で置換されている磁器組成物に、それぞれ５原
   子％以下のＺｎ、ＳｎまたはＢｉのうちの少なくとも１
   種が添加されていることを特徴とする圧電材料。