JPH08728B2 - アクチュエータ用圧電セラミック組成物 - Google Patents
アクチュエータ用圧電セラミック組成物Info
- Publication number
- JPH08728B2 JPH08728B2 JP63233889A JP23388988A JPH08728B2 JP H08728 B2 JPH08728 B2 JP H08728B2 JP 63233889 A JP63233889 A JP 63233889A JP 23388988 A JP23388988 A JP 23388988A JP H08728 B2 JPH08728 B2 JP H08728B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- actuator
- ceramic composition
- piezoelectric ceramic
- composition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアクチュエータ用圧電セラミック組成物に関
するものである。ここでアクチュエータとは、圧電逆効
果、すなわち電気的エネルギーから機械的エネルギーへ
の変換作用を用いたものであり、電圧の印加によってミ
クロンあるいはミクロンアンダーの微少変位を発生させ
るものであって、ブザーやポンプ、バルブ等の音響、あ
るいは流量の精密コントロール、半導体製造装置ステッ
パーなどの精密位置決め、さらには数ｋ〜数十kHzの高
周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリンタ
ーヘッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして注
目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急速
に進められている。
するものである。ここでアクチュエータとは、圧電逆効
果、すなわち電気的エネルギーから機械的エネルギーへ
の変換作用を用いたものであり、電圧の印加によってミ
クロンあるいはミクロンアンダーの微少変位を発生させ
るものであって、ブザーやポンプ、バルブ等の音響、あ
るいは流量の精密コントロール、半導体製造装置ステッ
パーなどの精密位置決め、さらには数ｋ〜数十kHzの高
周波振動変位を利用した、例えばドットタイププリンタ
ーヘッドアクチュエータ、次世代の小型モータとして注
目を浴びている超音波モータなどの応用開発が近年急速
に進められている。
本発明は、上述した様な圧電アクチュエータの幅広い
応用の中で、特に数ｋ〜百kHzの高周波駆動に適した圧
電アクチュエータ用材料を提供するものである。
応用の中で、特に数ｋ〜百kHzの高周波駆動に適した圧
電アクチュエータ用材料を提供するものである。
従来よりアクチュエータ用圧電材料としては、ジルコ
ン酸チタン酸鉛セラミック組成物（PZT）が優れた圧電
特性を有していることが知られており、使用される用途
に応じて種々の改良がなされている。例えばジルコン酸
チタン酸鉛の一部をBa2+,Sr2+,Ca2+などで置換する方
法、Pb（Ni1/3Nb2/3）O3,Pb（Co1/3Ta2/3）O3などの複
合ペロブスカイト化合物と、固溶体を形成する方法、WO
3,Fe2O3,Cr2O3などの酸化物を添加する方法などによ
り、アクチュエータ用圧電材料の特性の改善がなされて
いる。
ン酸チタン酸鉛セラミック組成物（PZT）が優れた圧電
特性を有していることが知られており、使用される用途
に応じて種々の改良がなされている。例えばジルコン酸
チタン酸鉛の一部をBa2+,Sr2+,Ca2+などで置換する方
法、Pb（Ni1/3Nb2/3）O3,Pb（Co1/3Ta2/3）O3などの複
合ペロブスカイト化合物と、固溶体を形成する方法、WO
3,Fe2O3,Cr2O3などの酸化物を添加する方法などによ
り、アクチュエータ用圧電材料の特性の改善がなされて
いる。
近年、開発が行われた超音波モータなどの様に、圧電
アクチュエータ素子を数ｋ〜100kHz程度の共振周波数で
駆動する場合には、共振状態での振幅を大きくし、発熱
を抑制する為に高い機械的品質係数（Qm≧1000）を持つ
ことが要求される。従来のアクチュエータ用高ｄ定数材
料（いわゆるSoft系材料）を用いた場合、Qmが低く（数
十〜百）、共振点において損失が大きい為、入力エネル
ギーが有効に機械的エネルギーに変換されず、変位が小
さくなってしまったり、発熱が激しくなる。Soft系高ｄ
定数材料は、一般にキューリ温度（Tc）が100℃〜150℃
と低いので、発熱がキューリ点近傍までに達し、ついに
は脱分極し、変位を生じなくなる。
アクチュエータ素子を数ｋ〜100kHz程度の共振周波数で
駆動する場合には、共振状態での振幅を大きくし、発熱
を抑制する為に高い機械的品質係数（Qm≧1000）を持つ
ことが要求される。従来のアクチュエータ用高ｄ定数材
料（いわゆるSoft系材料）を用いた場合、Qmが低く（数
十〜百）、共振点において損失が大きい為、入力エネル
ギーが有効に機械的エネルギーに変換されず、変位が小
さくなってしまったり、発熱が激しくなる。Soft系高ｄ
定数材料は、一般にキューリ温度（Tc）が100℃〜150℃
と低いので、発熱がキューリ点近傍までに達し、ついに
は脱分極し、変位を生じなくなる。
又、圧電アクチュエータ素子を非共振状態で数ｋ〜数
十Hzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSoft系材
料は、誘電率（ε33T/ε０）、誘電損失（tanδ）がと
もに大きい（ε33T/ε０5000,tamδ２〜４％）ので
発熱が激しく、上述の理由により脱分極、所望の変位が
得られない欠点がある。
十Hzの高い周波数で駆動する場合にも、上述のSoft系材
料は、誘電率（ε33T/ε０）、誘電損失（tanδ）がと
もに大きい（ε33T/ε０5000,tamδ２〜４％）ので
発熱が激しく、上述の理由により脱分極、所望の変位が
得られない欠点がある。
一方、キューリ温度が高い（Tc＞300℃）いわゆるhar
d系材料を用いた場合、誘電率（ε33T/ε０）、誘電損
失（tanδ）は小さくなるが（ε33T/ε０500〜1000,t
anδ0.1〜１％）、圧電歪定数が大きく低下し、例え
ば横方向の圧電歪定数d31が50×10-12C/N程度に低下し
てしまい、所望の変位を得るには、高い駆動電圧を必要
とし、高価な高電圧、高周波駆動用アンプが必要となる
と云った欠点がある。
d系材料を用いた場合、誘電率（ε33T/ε０）、誘電損
失（tanδ）は小さくなるが（ε33T/ε０500〜1000,t
anδ0.1〜１％）、圧電歪定数が大きく低下し、例え
ば横方向の圧電歪定数d31が50×10-12C/N程度に低下し
てしまい、所望の変位を得るには、高い駆動電圧を必要
とし、高価な高電圧、高周波駆動用アンプが必要となる
と云った欠点がある。
以上の様に、圧電アクチュエータを数ｋ〜百数kHzの
高い周波数で駆動する場合、圧電歪定数が大きく、例え
ば横モードの圧電歪定数d31が100×1.0-12C/N以上、低
誘電率（ε33T/ε０）、低誘電損失（tanδ）が小さ
い、例えば（ε33T/ε０1000〜2000,tanδ0.1〜１
％程度であり、高い機械的品質係数（Qm）、例えばQmが
1000以上、の特性を有した材料の開発が望まれている。
高い周波数で駆動する場合、圧電歪定数が大きく、例え
ば横モードの圧電歪定数d31が100×1.0-12C/N以上、低
誘電率（ε33T/ε０）、低誘電損失（tanδ）が小さ
い、例えば（ε33T/ε０1000〜2000,tanδ0.1〜１
％程度であり、高い機械的品質係数（Qm）、例えばQmが
1000以上、の特性を有した材料の開発が望まれている。
本発明者らは上記目的を達成する為に詳細に組成を検
討して結果、一般式Pb1-xLax｛ZryTi1-y｝１−x/4O3で
示されるペロブスカイト化合物にMnO2を添加した組成圧
が、上述の如く、高い圧電歪定数、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数を併せ持った組成物であること
を見い出し、本発明を完成した。
討して結果、一般式Pb1-xLax｛ZryTi1-y｝１−x/4O3で
示されるペロブスカイト化合物にMnO2を添加した組成圧
が、上述の如く、高い圧電歪定数、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数を併せ持った組成物であること
を見い出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は、実質的に、一般式Pb1-xL
ax｛ZryTi1-y｝１−x/4O3で示されるペロブスカイト化
合物（但し、0.03≦ｘ≦0.07,0.50≦ｙ≦0.65）にMnO2
を1.0重量％以下添加した組成を主体とするアクチュエ
ータ用圧電セラミック組成物に存する。
ax｛ZryTi1-y｝１−x/4O3で示されるペロブスカイト化
合物（但し、0.03≦ｘ≦0.07,0.50≦ｙ≦0.65）にMnO2
を1.0重量％以下添加した組成を主体とするアクチュエ
ータ用圧電セラミック組成物に存する。
本発明の中で、La量ｘが4mol/％、MnO2添加量が0.5重
量％の組成物（実施例２）のものでは、横モードの圧電
歪定数d31が100×10-12C/Nを超え、且つ機械的品質係数
Qmが2100と非常に大きく、超音波モータなどの共振を利
用した高周波駆動用材料として非常に好適である。又、
実施例４および５のものは、横モードの圧電歪定数d31
が130×10-12C/N、機械的品質係数Qm1250、誘電率 誘電損失tanδ0.4〜0.5％であり、Mn未添加の比較例
１および２と比べてQmが約20倍、誘電損失が1/4〜1/6と
向上が達成されており、高周波駆動アクチュエータ材料
として好適である。
量％の組成物（実施例２）のものでは、横モードの圧電
歪定数d31が100×10-12C/Nを超え、且つ機械的品質係数
Qmが2100と非常に大きく、超音波モータなどの共振を利
用した高周波駆動用材料として非常に好適である。又、
実施例４および５のものは、横モードの圧電歪定数d31
が130×10-12C/N、機械的品質係数Qm1250、誘電率 誘電損失tanδ0.4〜0.5％であり、Mn未添加の比較例
１および２と比べてQmが約20倍、誘電損失が1/4〜1/6と
向上が達成されており、高周波駆動アクチュエータ材料
として好適である。
尚、ここでLa量ｘが7mol％を超えるもの（比較例３）
は、キューリ温度が150℃以下になってしまい、素子の
使用温度の上限が70℃以下となり、実用材料として適さ
ない。また、逆にLa量ｘが3mol％に満たない場合（比較
例４）には、横モードの圧電歪定数d31が約50×10-12C/
Nと非常に小さくなり、アクチュエータ用材料としては
適さない。
は、キューリ温度が150℃以下になってしまい、素子の
使用温度の上限が70℃以下となり、実用材料として適さ
ない。また、逆にLa量ｘが3mol％に満たない場合（比較
例４）には、横モードの圧電歪定数d31が約50×10-12C/
Nと非常に小さくなり、アクチュエータ用材料としては
適さない。
Zr量ｙが50mol％未満のもの、および65mol％を超える
ものは、ペロブスカイト結晶の相境界、モロ、フォトロ
ピックバウンダリーより大きくZr/Ti組成比がずれる
為、d31が低下してしまう。
ものは、ペロブスカイト結晶の相境界、モロ、フォトロ
ピックバウンダリーより大きくZr/Ti組成比がずれる
為、d31が低下してしまう。
又、MnO2の添加量が１を超える場合（比較例５）に
は、焼結時に異常粒成長が発生し、焼結密度が低下し、
分極時絶縁破壊が生じる為、徐外した。
は、焼結時に異常粒成長が発生し、焼結密度が低下し、
分極時絶縁破壊が生じる為、徐外した。
尚、本発明の組成物において各成分の量的関係、特に
LaとPb、Zr,Tiの量的関係は、前記一般式通りであるこ
とが勿論望ましいが、結果として得られた化合物がペロ
ブスカイト構造を主体とし、全体として該ペロブスカイ
ト構造の性質が全組成物を実質的にに支配する限り、多
少、組成が前記一般式からはずれる場合も、本発明の範
囲に包含される。
LaとPb、Zr,Tiの量的関係は、前記一般式通りであるこ
とが勿論望ましいが、結果として得られた化合物がペロ
ブスカイト構造を主体とし、全体として該ペロブスカイ
ト構造の性質が全組成物を実質的にに支配する限り、多
少、組成が前記一般式からはずれる場合も、本発明の範
囲に包含される。
本発明のセラミック組成物は、例えば、酸化物原料を
所定の配合組成になるように秤量し、ボールミルなどで
湿式混合した後、粉砕、1100℃〜1300℃で焼結すること
によって得られる。
所定の配合組成になるように秤量し、ボールミルなどで
湿式混合した後、粉砕、1100℃〜1300℃で焼結すること
によって得られる。
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、
本発明はその要旨は越えない限り、実施例により限定さ
れるものではない。
本発明はその要旨は越えない限り、実施例により限定さ
れるものではない。
実施例１〜10および比較例１〜２ 純度99.9％以上の高純度酸化物原料、PbO,La2O3,Ti
O2,ZrO2,MnO2を第１表に示した所定の量比に秤量後、ボ
ールミルを用いて24時間湿式混合を行った。乾燥、成型
処理後、900℃で２時間仮焼し、その後乳鉢粉砕の後、
ボールミルで再度24時間湿式粉砕した。得られた粉体を
ラバープレス法により静水圧成型した後、鉛雰囲気中で
1250℃で４時間焼成した。その後得られた焼結体をスラ
イシングマシン用いて、円板状及び棒状に加工した後、
Agペーストをスクリーン印刷し、550℃で電極焼付けを
行った。分極処理は、温度80〜110℃のシリコンオイル
中で、電界強度2.0〜4.0kV/mm、時間５〜20分で行い、
ベクトルインピーダンスアナライザーを用いて、共振−
反共振法により、ε33T/ε0,tanδ,Kp,Qm,K31,d31の圧
電諸物性を測定した。尚、ここでε33T/ε0,tanδは1kH
zでの値を用いた。また、キューリ温度は、比誘電率の
温度特性を測定し、比誘電率の極大より求めた。測定結
果を第１表に示す。尚，第１表の中で，ε33T/ε０は1k
Hzでの誘電率、tanδは1kHzでの誘電損失、Kpは円板モ
ードの電気機械結合係数、Qmは機械的品質係数、K31は
横モードの電気機械結合係数、d31は横モードの圧電歪
定数（単位×10-12C/N）、Tcはキューリ温度を示してい
る。
O2,ZrO2,MnO2を第１表に示した所定の量比に秤量後、ボ
ールミルを用いて24時間湿式混合を行った。乾燥、成型
処理後、900℃で２時間仮焼し、その後乳鉢粉砕の後、
ボールミルで再度24時間湿式粉砕した。得られた粉体を
ラバープレス法により静水圧成型した後、鉛雰囲気中で
1250℃で４時間焼成した。その後得られた焼結体をスラ
イシングマシン用いて、円板状及び棒状に加工した後、
Agペーストをスクリーン印刷し、550℃で電極焼付けを
行った。分極処理は、温度80〜110℃のシリコンオイル
中で、電界強度2.0〜4.0kV/mm、時間５〜20分で行い、
ベクトルインピーダンスアナライザーを用いて、共振−
反共振法により、ε33T/ε0,tanδ,Kp,Qm,K31,d31の圧
電諸物性を測定した。尚、ここでε33T/ε0,tanδは1kH
zでの値を用いた。また、キューリ温度は、比誘電率の
温度特性を測定し、比誘電率の極大より求めた。測定結
果を第１表に示す。尚，第１表の中で，ε33T/ε０は1k
Hzでの誘電率、tanδは1kHzでの誘電損失、Kpは円板モ
ードの電気機械結合係数、Qmは機械的品質係数、K31は
横モードの電気機械結合係数、d31は横モードの圧電歪
定数（単位×10-12C/N）、Tcはキューリ温度を示してい
る。
〔発明の効果〕 本発明で得られる圧電セラミック組成物は、高い電気
機械結合係数、高い圧電歪定数、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数を併せ持っており、数ｋ〜100k
Hzの高周波用圧電アクチュエータ用材料として特に優れ
ており、本発明の産業利用上への寄与は極めて大きい。
機械結合係数、高い圧電歪定数、低誘電率、低誘電損
失、高い機械的品質係数を併せ持っており、数ｋ〜100k
Hzの高周波用圧電アクチュエータ用材料として特に優れ
ており、本発明の産業利用上への寄与は極めて大きい。
Claims (1)
- 【請求項１】一般式Pb1-xLax｛ZryTi1-y｝１−x/4O
3（但し、0.03≦ｘ≦0.07,0.50≦ｙ≦0.65）で示される
ペロブスカイト化合物にMnO2を1.0重量％以下添加した
ことを特徴とするアクチュエータ用圧電セラミック組成
物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63233889A JPH08728B2 (ja) | 1988-09-19 | 1988-09-19 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63233889A JPH08728B2 (ja) | 1988-09-19 | 1988-09-19 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0282587A JPH0282587A (ja) | 1990-03-23 |
| JPH08728B2 true JPH08728B2 (ja) | 1996-01-10 |
Family
ID=16962153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63233889A Expired - Lifetime JPH08728B2 (ja) | 1988-09-19 | 1988-09-19 | アクチュエータ用圧電セラミック組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08728B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5378382A (en) * | 1993-12-09 | 1995-01-03 | Mitsubishi Kasei Corporation | Piezoelectric ceramic composition for actuator |
| JP2007106092A (ja) * | 2005-10-10 | 2007-04-26 | Kanji Inoue | 筆記具の保持具 |
-
1988
- 1988-09-19 JP JP63233889A patent/JPH08728B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0282587A (ja) | 1990-03-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090110 Year of fee payment: 13 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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