JPH04147682A - 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】 Ｌ！上Ω旦土公■ 本発明は径方向電気機械結合係数、比誘電率及び圧電定
数が太き（、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。

兜米二弦蓋 従来より圧電材料としてはジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ　
（Ｚｒ、　Ｔｉｌ　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冨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ノ一部’ａ：　ＩＡｇ
　トＮｂＬｌ：置換Ｌ　タＰｂ　（Ｍｇ１／３Ｎｂ２ｚ
３）０３ＰｂＴｉ０３−Ｐｂ２ｒＯａ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（Ｍｇ１／Ｊｂ；１
ｚ３１０ａ−ＰｂＴｉＯｓ−Ｐｂ２ｒ０３（特公昭４２
−９７１６号公報）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。また、特公昭４５−３５５１
０号公報には、Ｐｂ　［Ｎ１ｚ３ｓｂ２／３）　０ｘ−
ＰｂＴｘＯｓ−Ｐｂ２ｒ０３の３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ｉｉｔ磁器が得られているが
、この種の圧電材料の圧電定数は高々２５０［ｘ　１０
””ｍ／Ｖ］程度である。

明が解゛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（、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　丁 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 ａＰｂ（ＭｇｒｙｚＮｂ２ｙｓ）Ｏｓ−ｂＰｂ（Ｎｉ＋
／３Ｓｂｚ７３−ｃＰｂＴｉｏ：１ｄＰｂ２ｒ０３、た
だし １０＜ａ＋ｌ）≦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　
：ｉｏｏ　）で表される磁器組成物であって、さらにＰ
ｂ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し、 また組成式が ａＰｂ（Ｍｇ１／Ｊｂ２２／）Ｏｓ−ｂＰｂ（Ｎ１ｚ３
ｓｂ２／３）０３ｃＰｂＴｉｏ。

ｄＰｂＺｒ０３、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、Ｂ＋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
（とも１種が添加されていることを特徴としている。

なお、Ｚｎ、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
ている材料のうち、Ｐｂ（Ｍｇ１／Ｊｂ２／３−−Ｐｂ
ＴｉＯｘ−ＰｂＺｒＯｓと（Ｎｉ　１／ｚＳｂ２／ａ−
−ＰｂＴｉ０３−ＰｂＺｒＯｘの複合材、すなわちＰｂ
（Ｍｇ１／Ｊｂ２／３−−Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｓｂ２ｚｓ
ｌＯｓ−ＰｂＴｉ０３−ＰｂＺｒＯｓ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。

伍里 上記したように、Ｐｂ（Ｍｇ＋／Ｊｂ２／ｘ−、Ｐｂ（
Ｎｉ１７３Ｓｂ２／３−、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３
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（Ｍｇ１／Ｊｂ２ｚ３１０ａ、Ｐｂ
（Ｎｉ１／３Ｓｂ２／ｘ−、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ
３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（なる。

また、ＰｂのＣｅあるいはＳｍによる置換を０．５〜１
０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
向上も大きいものとなる。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、その特性は一層改善
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。

支族皿及Ｕ且藍胴 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　＋　ｚｓＮｂ２ｚｘｌ　０３−ｂＰｂ
　ｆＮｉ　Ｉｚｘｓｂ２／３１０ｓ　−ｃＰｂＴｉＯｘ
ｄＰｂＺｒＯａ　（ただしａ、ｂ、　ｃ、　ｄはモル分
率であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ：１００） と表し、ＰｂＯ１Ｚｒ０２、ＴｌＯ２，ＭｇＯ１Ｎｂ２
０５、Ｎｉ０１Ｓｂ２０３、ＣｅＯ□及びＳｍ２Ｏ３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／
ｃｍ２の圧力で直径２０ｍｍ、厚さ約２ｍｍに成形し、
これを１０５０〜１２５０℃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℃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εＴ３３／ε０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、　１−２５はａＰｂ　（Ｍ
ｇｌ／３Ｎｂｘｚｓ）Ｏｘ−ｂＰｂ（Ｎｌ１／３Ｓｂ２
ｚｓ）Ｏｓ−ＣＰｂＴ１０ｓ−ｄＰｂＺｒＯａ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
３１が小さくなる。

試料Ｎｏ、　２６−３５は、Ｐｂの一部を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、　ｄｉ　ｒ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Ｂｉ２０ｇ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、
ｋｒは径方向電気機械結合係数、ｄ、Ｉ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Ｐ
ｂの３．０原子％をＣｅで置換した上、種々の量のＳｎ
、Ｚｎ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。

及豆五匁】 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（Ｍｇ１／Ｊｂ２ｚ３）０３−ｂＰｂ（Ｎｉ１／
ｓＳｂ２ｚ３）０３ｃＰｂＴｉｏ３ｄＰｂＺｒＯ−１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Ｐ
ｂ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し、 また、組成式が ａＰｂ（Ｍｇ１／ａＮｂ２／ｓ１０ｓ−ｂＰｂ（Ｎｉ１
／ｓＳｂ２ｚ−ａｌｏ３ｃＰｂＴｉｏｓ−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。従って本発明
により、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

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＿／＿３Ｓｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−
   ｃＰｂＴｉＯ＿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＿／＿３Ｓｂ＿２＿／＿３）Ｏ＿３−
   ｃＰｂＴｉＯ＿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。