JPH0687652A - 圧電材料 - Google Patents

圧電材料

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JPH0687652A
JPH0687652A JP4235514A JP23551492A JPH0687652A JP H0687652 A JPH0687652 A JP H0687652A JP 4235514 A JP4235514 A JP 4235514A JP 23551492 A JP23551492 A JP 23551492A JP H0687652 A JPH0687652 A JP H0687652A
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JP
Japan
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piezoelectric
atomic
constant
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piezoelectric material
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JP4235514A
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English (en)
Inventor
Kensaku Murakawa
健作 村川
Yutaka Ariake
裕 有明
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低温焼成が可能でAg−Pd合金のような安価な電
極材料と同時に焼成ができ、しかも大きな圧電定数をも
つ圧電材料の提供。 【構成】組成式 aPb(Mg1/3Nb2/3)O3−bX−cPbTiO3
−dPbZrO3 で表される磁器組成物であって、Pbの 0.5
〜10原子%がSr、Ba、Ca、La、Pr、Nd、CeおよびSmの中
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およびBiの中の少なくとも1
種以上と5原子%以下のBが添加されていることを特徴
とする圧電材料。ただし、上記組成式のXは、Pb(Ni1/3
Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)O3、Pb(Ni1/3Ta2/3)O3および
Pb(Ni1/21/2)O3、の中のいずれか1種、a、b、cお
よびdはモル%で、下記の各式を満足する値である。 10 <a+b≦55、 0.5 ≦b≦10 30 ≦c≦50、 2.5 ≦d≦60 a+b+c+d=100

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧電定数が大きく、低温
焼結が可能で圧電アクチュエータ、圧電ブザー等の材料
として好適な圧電材料に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、圧電材料としてはPb(ZrTi)O3(ジ
ルコン酸チタン酸鉛、PZTと略称される)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、さらには第三成分
によるPbの置換、あるいは第三成分の添加により種々の
特性の磁器が得られること等の利点を有しているため圧
電ブザー、周波数フィルタ、圧電着火素子等の材料とし
て利用されてきた。
【0003】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
圧電アクチュエータを用いることが試みられている。こ
の圧電アクチュエータには、小型、高変位、低電圧駆動
と言った特性が要求されることから、これらの用途向け
の圧電材料としては、まず第1に圧電定数の大きいこと
が必要となる。またアクチュエータ構造は積層化するこ
とが有利であるため、安価な電極材料(例えばAg−Pd合
金)との同時焼成が可能なように、低い温度で焼結でき
る圧電材料が必要となる。
【0004】これまでに開発されている圧電材料の中
で、本出願人が特開平3−137056号、同3−50156 号、
同3−131569号、同2−6364号の各公報で提案した材料
は、圧電定数が 300×10-12 m/v と非常に大きく、アク
チュエータ材料として適しているが、焼成温度が1250℃
と高いために電極と同時に焼成して積層する場合にはPt
電極しか使用できず高価なものとなる。
【0005】また、第7回強誘電体応用会議講演予稿集
(平成1.5.31) 91〜92頁にはPZTにPb5Ge3O11 を添加
することによって低温焼成を可能にしたものが示されて
いるが、Ag−Pd電極が使用可能となる1100℃での焼結で
は、比誘電率は3600、径方向電気機械結合係数は66%程
度である。これらの値から予想される圧電定数d31は25
0×10-12 m/v 程度と予想される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
圧電材料は圧電定数が小さいか、または圧電定数が大き
くても焼成を1200℃以上の高温で行わなければならない
ものであった。そのため電極材と同時焼成して積層化し
アクチュエータとして利用する場合には、変位量が小さ
いものしか得られないか、または電極材料として高温に
耐えるPtしか使用できず、非常に高価になるという難点
があった。
【0007】本発明は、上記の問題点を解決して、安価
な電極材料 (例えば、Ag−Pd合金)との同時焼成ができ
る程度の低温焼成でも大きな圧電定数をもつ圧電材料を
提供することを目的としてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来から
良好な圧電特性が認められているPb(Mg1/3Nb2/3)O3−X
−PbTiO3−PbZrO3の4成分系材料〔ここでXは、Pb(Ni
1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)O3、Pb(Ni1/3Ta2/3)O3
たはPb(Ni1/21/2)O3である。〕について、その焼成温
度を低下させることを目的としてB(ボロン)を添加し
てその効果を調査した。その結果、Bを添加することに
よって、焼成温度を低くしても圧電定数の極めて大きい
圧電材料が得られることをつきとめた。
【0009】本発明の要旨は、下記の圧電材料にある。
【0010】組成式 aPb(Mg1/3Nb2/3)O3−bX−cPb
TiO3−dPbZrO3で表される磁器組成物であって、Pbの
0.5〜10原子%がSr、Ba、Ca、La、Pr、Nd、CeおよびSm
の中の少なくとも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およびBiの中の少なくと
も1種以上と5原子%以下のBが添加されていることを
特徴とする圧電材料。
【0011】ただし、上記組成式のXは、Pb(Ni1/3Nb
2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)O3、Pb(Ni1/3Ta2/3)O3およびPb
(Ni1/21/2)O3、の中のいずれか1種、a、b、cおよ
びdはモル%で、下記の各式を満足する値である。
【0012】 10 <a+b≦55、 0.5 ≦b≦10 30 ≦c≦50、 2.5 ≦d≦60 a+b+c+d=100
【0013】
【作用】Agが70%、Pdが30%の組成の電極材料が使用可
能な焼結温度は1100℃程度までである。そこでこの温度
を基準として調査を行った。
【0014】まず、基本組成 aPb(Mg1/3Nb2/3)O3−b
X−cPbTiO3−dPbZrO3において、Xとして、Pb(Ni1/3
Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)O3、Pb(Ni1/3Ta2/3)O3および
Pb(Ni1/2 1/2)O3の中のいずれを用いた場合でも大き
な圧電定数が得られる。a、b、cおよびdを上記の各
式で規定する範囲に限定することにより、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。a、b、cまたはdが上記の範囲外になる
と、電気機械結合係数、比誘電率のいずれかが小さくな
り、圧電定数は小さくなる。
【0015】次に、Sr、Ba、Ca、La、Pr、Nd、Ceおよび
Smの中の1種以上によるPbの置換を0.5 〜10原子%の範
囲に限定することにより、電気機械結合係数および比誘
電率が大きく向上し、圧電定数も大きくなる。置換量が
0.5原子%未満では電気機械結合係数、比誘電率が向上
せず圧電定数の向上も見られない。逆に10原子%を超え
ると電気機械結合係数が著しく低下し、圧電定数も小さ
くなる。
【0016】上記の組成にZn、SnおよびBiの中の少なく
とも1種が添加されれば、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%を超えると電気
機械結合係数、比誘電率のいずれか、もしくは両方が低
下し圧電定数が小さくなってしまう。
【0017】更に、Bを添加することによって焼成温度
を低くしても、電気機械結合係数、比誘電率は著しく向
上し、圧電定数も大きく向上する。これはBが焼結性を
改善し焼結体の密度を上げる効果を持つからである。B
が 0.1原子%未満の場合は密度が十分高くならないため
に圧電特性の向上効果が小さい。従って、Bの添加量は
0.1原子%以上が望ましい。しかし、B添加量が5原子
%を超えると電気機械結合係数、比誘電率のいずれもが
低下し圧電定数も小さくなる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例および比較例に相当す
る圧電材料の具体的な組成とその特性について説明す
る。
【0019】供試材の圧電材料は、前記組成式の各成分
を構成する元素の下記のような酸化物、炭酸化物あるい
は水酸化物を後記の表1に示す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した。
【0020】Pb3O4 、ZrO2、TiO2、MgO 、Nb2O5 、Ni
O、Sb2O3 、WO3 、Ta2O3 、SrCO3 、BaCO3 、CaCO3
La2O3 、Pr6O11、Nd2O3 、CeO2、Sm2O3 、ZrO 、SnO2
Bi2O3 B2O3 上記の原料を適宜選んで表1の組成となるように秤量
し、ボールミルを用いて充分に混合した。得られた混合
物を 800〜1000℃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1ton/cm2 の圧力
で直径20mm、厚さ約2mm に成形し、これを1100℃で約2
時間焼成した。ここで、焼成温度を1100℃としたのは、
前述のように、Ag−Pd合金 (Ag70%−Pd30%) の 電極
の使用可能温度が1100℃程度であるため、この温度で焼
成した時の圧電材料の特性が重要だからである。
【0021】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/m
m の直流電圧を印加して分極処理を行った。こうして得
られた磁器の圧電特性を表1に併記する。なお、表中の
【0022】
【数1】
【0023】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している。
【0024】表1において、試料No.1〜25は、前記組成
式のXをPb(Ni1/21/2)O3としたもの、即ち、aPb(Mg
1/3Nb2/3)O3−bPb(Ni1/21/2)O3−cPbTiO3−dPbZrO
3のa、b、c、d (モル%) を変化させた試料であ
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と言える。上記の範囲外ではd31
小さくなる。
【0025】試料No.26 〜28は、XとしてPb(Ni1/2
1/2 )O3 の代わりにPb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)
O3、Pb(Ni1/3Ta2/3)O3のいずれかを用いたものである。
いずれの場合も充分大きなd31が得られている。
【0026】なお、試料No.1〜28ではPbを置換する元素
をLa(3.0原子%) とし、Sn、Zn、BiおよびBの添加量は
一定としてある。
【0027】試料No. 29〜42は、aPb(Mg1/3Nb2/3)O3
bPb(Ni1/21/2 )O3 −cPbTiO3−dPbZrO3 (ただし、
a、b、c、dの値は一定で、Sn、Zn、BiおよびBの添
加量はも一定) において、Pbの一部をSr、Ba、Ca、La、
Pr、Nd、CeおよびSmの中の少なくとも1種により置換す
る割合を変化させたものである。いずれの元素でも置換
量が 0.5〜10原子%の範囲にある場合は充分大きなd31
が得られている。しかし0.5 原子%未満あるいは10原子
%を超える場合にはd31が低下することがわかる。
【0028】試料No. 43〜58は、同じくaPb(Mg1/3Nb
2/3)O3−bPb(Ni1/21/2 )O3 −cPbTiO3−dPbZrO3
おいてZn、SnおよびBiの添加量を変化させたものであ
る。Zn、SnおよびBiのいずれをも添加していないNo.58
と較べれば明らかなように、大きなd31を得るにはこれ
らの元素のうち少なくとも1種が添加されていることが
必要である。また、添加量が5原子%を超える場合には
31が小さくなっている。
【0029】試料 No.59〜64はBの添加量を変化させた
ものである。Bを添加していないNo.59 は、d31が著し
く低い。これは、1100℃という焼成温度が低過ぎること
を意味する。一方、Bを添加した試料で優れた特性が得
られていることは、1100℃という低温焼成でも十分であ
ることを示している。但し、Bの添加量が5原子%を超
えるNo.64 では、再びd31が低下している。
【0030】
【表1(1)】
【0031】
【表1(2)】
【0032】
【表1(3)】
【0033】
【表1(4)】
【0034】
【発明の効果】本発明の圧電材料は、Ag−Pd合金のよう
な安価な電極材料と同時焼成が可能な低い温度で焼成し
ても大きな圧電定数を有する材料である。したがって圧
電アクチュエータ、圧電ブザー等の材料として実用性の
高いものである。
【0035】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】組成式 aPb(Mg1/3Nb2/3)O3−bX−cPb
    TiO3−dPbZrO3 で表される磁器組成物であって、Pbの
    0.5〜10原子%がSr、Ba、Ca、La、Pr、Nd、CeおよびSm
    の中の少なくとも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およびBiの中の少なくと
    も1種以上と5原子%以下のBが添加されていることを
    特徴とする圧電材料。ただし、上記組成式のXは、Pb(N
    i1/3Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3Sb2/3)O3、 Pb(Ni1/3Ta2/3)O3およびPb(Ni1/21/2)O3、の中のいず
    れか1種、 a、b、cおよびdはモル%で、下記の各式を満足する
    値である。 10 <a+b≦55、 0.5 ≦b≦10 30 ≦c≦50、 2.5 ≦d≦60 a+b+c+d=100
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