JPH09241072A - 電界誘起歪み材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】数百Ｖ／ｍｍ、更には１ｋＶ／ｍｍ以上といっ
た高電圧領域において、特に高い歪み量を示すような、
電界誘起歪み材料を提供する。 【解決手段】ＸＰｂＺｒＯ₃ −ＹＰｂＴｉＯ₃ −ＺＰｂ
（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ ₃ 系の磁器からなる電界誘起歪
み材料であって、Ｘ、Ｙ、Ｚが下記式を満たす（１７≦
Ｘ≦３３％、３８≦Ｙ≦４４、２６≦Ｚ≦４５、Ｘ＋Ｙ
＋Ｚ＝１００、ただし、数値はｍｏｌ％を示す）。より
好ましくは、１９≦Ｘ≦３１、３８≦Ｙ≦４２、２７≦
Ｚ≦４３であり、一層好ましくは、２５≦Ｘ≦２９、３
９≦Ｙ≦４０、３１≦Ｚ≦３６である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、駆動の際に高い電界強
度を印加する、電界誘起歪みを利用したアクチュエータ
等に好適な、電界誘起歪み材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ
₃ 系）の磁器をベースとし、これに他の金属成分（第三
成分）を添加した圧電材料は、一般的に大きな圧電性が
得られるとともに、添加物の種類、量により種々の特性
を制御できる利点がある。特に、第三成分としてＰｂ
（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ を置換した系の磁器は、優れ
た圧電特性を有する。一般に、こうした圧電材料の圧電
歪みの指標としては、共振一反共振法で測定される圧電
特性（ｋ、ｄ等）が用いられている。

【０００３】しかし、近年、精密機械、光学機械、印刷
装置等の分野において、比較的に大きな変位を必要とす
るアクチュエータの必要性が高まっており、電界誘起歪
みを利用したアクチュエータ素子が開発されている。こ
の様な素子にあっては、素子の材料に印加される電界強
度は数百Ｖ／ｍｍ以上である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、こうしたアクチ
ュエータの材料として、前記のＰＺＴ系の圧電材料を使
用することは知られていた。このような圧電材料の特性
は、上記した圧電定数によって測定されており、圧電定
数の大きな圧電材料によって上記のような素子を作製す
ることが行われていた。しかし、最近は、更にアクチュ
エーターに大きな電界を印加したときの瞬間的な変位量
を増加させることが強く求められており、このため一層
高い電界誘起歪みを有する材料が要請されている。

【０００５】本発明の課題は、数百Ｖ／ｍｍ、更には１
ｋＶ／ｍｍ以上といった高電圧領域において、特に高い
歪み量を示すような、電界誘起歪み材料を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電界誘起歪
み材料は、ＸＰｂＺｒＯ ₃ −ＹＰｂＴｉＯ₃ −ＺＰｂ
（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ 系の磁器からなり、Ｘ、Ｙ、
Ｚが下記の（１）、（２）、（３）および（４）式を満
たすことを特徴とする。 １７ｍｏｌ％≦Ｘ≦３３ｍｏｌ％ （１） ３８ｍｏｌ％≦Ｙ≦４４ｍｏｌ％ （２） ２６ｍｏｌ％≦Ｚ≦４５ｍｏｌ％ （３） Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００ｍｏｌ％ （４）

【０００７】本発明者は、ＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃
−Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_{2/ 3} ）Ｏ₃ 系圧電磁器において、
これらの３つの成分の比に着目し、高い電界誘起歪みを
示す材料を探索していた。圧電定数は、一般にモルフォ
トロピックフェイズバウンダリー（ＭＰＢ）の近傍の組
成において最大値を示すことが知られている。「圧電／
電歪アクチュエータ 基礎から応用まで」内田 研二著
（株式会社日本工業技術センター編）第５１頁によれ
ば、こうした圧電材料の圧電定数の値はデータブックに
まとめられており、通常はｄ₃₃＝１０^-10 〜１０^-9ｍ／
Ｖである。例えば、ＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ −Ｐｂ
（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ 系圧電磁器においては、ＭＰ
Ｂの近傍の組成である２５ＰｂＺｒＯ₃ −３７ＰｂＴｉ
Ｏ₃ −３８Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ の組成におい
て、圧電定数ｄ₃₁の値は約３００ｐｍ／Ｖの高い値を示
すことが知られていた。

【０００８】しかし、電界強度２０００Ｖ／ｍｍで生ず
る横方向の歪みＳ₂₀₀₀は、約３５０×１０^-6ｍ／Ｖであ
り、アクチュエーターに応用するためには一層の向上が
必要である。

【０００９】本発明者は、更に検討を進めた結果、モル
フォトロピックフェイズバウンダリーよりもＰｂＴｉＯ
₃ の含有量が若干多い組成において、特に高い電界誘起
歪みが得られることを発見し、本発明に到達した。

【００１０】こうした顕著な作用効果が得られた理由は
明らかではないが、次のように考えられる。

【００１１】圧電定数ｄ₃₁＝１０^-10 〜１０^-9ｍ／Ｖで
あると、１０⁶ Ｖ／ｍの電界を印加した場合には、計算
上は、Δｌ／Ｌ＝１０^-3程度の歪みが算出されるはずで
ある。これは、例えば１ｃｍの長さの試料において、試
料が約１０μｍ伸びることに相当している。これらの磁
器の圧電定数は、低電圧領域において共振−反共振法等
によって測定されており、低電圧領域においては正確で
ある。

【００１２】上記の系の磁器を構成する各粒子は、立方
晶の結晶格子を備えており、低電圧領域においては、こ
の結晶系に電圧を印加すると、結晶格子を構成するＢサ
イトの原子の電子的状態が変化し、結晶格子の形状およ
び寸法が僅かに変化する。この変化を反映して、磁器の
全体としての寸法に変化が現れる。ＰｂＺｒＯ₃ −Ｐｂ
ＴｉＯ₃ −Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ 系の組成を有
する磁器についても、この機構による圧電材料としての
特性、即ち圧電定数ｄ₃₁やｄ₃₃は、測定されている。こ
の結果、この系においては、モルフォトロピックフェイ
ズバウンダリーの近傍の組成である磁器が、最も高い圧
電定数を備えているものとされていた。このデータから
見て、この系の磁器においては、２５ＰｂＺｒＯ₃ −３
７ＰｂＴｉＯ₃ −３８Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ の
組成の磁器が、電界誘起歪み材料としても高い歪み量を
有しているものと考えられていた。

【００１３】一方、「圧電／電歪アクチュエータ 基礎
から応用まで」第５１頁に記載されているように、高電
圧領域においては、圧電定数からの算出値と、実際の歪
み量とは相違があることが知られている。

【００１４】これは上記の系の磁器においては、磁器を
構成する各結晶粒子がそれぞれドメインを形成してお
り、また各結晶粒子の内部も幾つかのドメインに別れて
いることが多い。このため、磁器は多数のドメインによ
って分割されている。こうした多数のドメインを有する
磁器に対して数百Ｖ／ｍｍの水準の電圧を印加すると、
各ドメインが分極回転し、この分極回転によって磁器に
顕著な歪みが発生する。高電圧領域における電界誘起歪
みの機構は、主としてこのドメインの分極回転の寄与が
大きいと考えられる。そして、こうした分極回転現象に
よる磁器の歪みは、低電圧領域、例えば前記した共振−
反共振法における電圧領域においては、生じないもので
あるため、ｄ₃₁やｄ₃₃の測定値から、高電圧領域におけ
る歪みを予測することはできない。

【００１５】ここで、本発明の電界誘起歪み材料を使用
する場合の印加電界は、１００〜４０００Ｖ／ｍｍの範
囲であり、特に好ましくは１０００〜３０００Ｖ／ｍｍ
の範囲である。

【００１６】本発明の電界誘起歪み材料において、一層
歪み量を増大させるためには、Ｘ、Ｙ、Ｚが（５）、
（６）および（７）式を満たすことが好ましい。 １９ｍｏｌ％≦Ｘ≦３１ｍｏｌ％ （５） ３８ｍｏｌ％≦Ｙ≦４２ｍｏｌ％ （６） ２７ｍｏｌ％≦Ｚ≦４３ｍｏｌ％ （７）

【００１７】更に歪み量を増大させるためには、Ｘ、
Ｙ、Ｚが（８）、（９）および（１０）式を満たすこと
が好ましい。 ２５ｍｏｌ％≦Ｘ≦２９ｍｏｌ％ （８） ３９ｍｏｌ％≦Ｙ≦４０ｍｏｌ％ （９） ３１ｍｏｌ％≦Ｚ≦３６ｍｏｌ％ （１０）

【００１８】本発明の磁器は、バリウム、カルシウム、
ストロンチウムおよびランタンからなる群より選ばれた
一種以上の金属元素によって、Ｐｂの１０原子％以下を
置換することが好ましく、１原子％以上置換することが
一層好ましく、これによって、電界誘起歪み量を一層向
上させることができる。この金属による置換割合を３原
子％以上とすると、この効果が特に顕著であり、この観
点からは更に４原子％以上とすることが好ましい。ただ
し、この置換割合が８原子％を越えると、圧電材料のキ
ュリー温度が低下する傾向があるので、これを８原子％
以下とすることが好ましく、７原子％以下とすることが
一層好ましい。また、前記したもの以外の鉛系のペロブ
スカイト化合物を、上記の系に対して添加することも可
能である。

【００１９】本発明の圧電材料を製造する方法は、特に
限定されない。以下に示す一般的な手法が好適に用いら
れる。即ち、各金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩
を、本発明の組成の範囲内になるように秤量し、ボール
ミル等の混合装置を用い混合する。得られた混合粉末を
大気中で８００〜１１００℃の温度で仮焼し、仮焼体を
得る。仮焼体をボールミル等の粉砕装置を用い、所望の
粒度まで粉砕し、得られた所望の形状にプレス成形す
る。成形体は、１２００〜１３００℃の温度で焼成し焼
結体を得る。焼結体を所定の寸法に加工し、金等の電極
を付与したのち、分極処理に供する。しかし、他の製造
方法によって、本発明の組成範囲の圧電材料を製造する
ことも可能である。

【００２０】

【実施例】以下、更に具体的な実施例について述べる。
ＰｂＯ、ＳｒＣＯ₃ 、ＭｇＣＯ₃ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ
₂ 、ＺｒＯ₂ の粉末を、表１、表２、表３、表４に示す
各組成になるように秤量し、この混合粉末を、ボールミ
ル中で、１６時間、湿式混合した。乾燥した混合粉を、
密閉した鞘の中で、９５０℃、２時間の条件で仮焼し
た。仮焼体を解砕した後、ボールミルに投入し、１６時
間湿式粉砕した。粉砕によって得られた粉末を、金型を
用いて、約４００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で１軸プレス成形
し、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状成形体を得た。
この成形体を、１２５０℃、２時間の条件で焼成し、焼
結体を得た。

【００２１】この焼結体を加工し、長さ１２ｍｍ、幅３
ｍｍ、厚さ１ｍｍの試料を得、この試料の長さ１２ｍ
ｍ、幅３ｍｍの平面上にスパック法により金電極を付与
した。７５℃、２ｋＶ、１５ｍｉｎの条件で分極処理を
行った。分極処理後、歪みゲージを用い、２０００Ｖ／
ｍｍの電界を印加したときの横方向の歪み（Ｓ₂₀₀₀）を
測定した。表１、表２、表３、表４、表５に、各組成に
対応するＳ_{20 00}の値を示した。また、Ｘ、ＹおよびＺに
ついての三角図を図１に示し、ここで各組成を示す点に
Ｓ₂₀₀₀の値（×１０^-6ｍ／Ｖは省略）を記入した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】表１に示す例では、Ｘを２５ｍｏｌ％に固
定し、ＹおよびＺを変更した。この結果、Ｙを３８ｍｏ
ｌ％以上、４４ｍｏｌ％以下とすることによってＳ₂₀₀₀
が顕著に向上しており、特に４００×１０^-6ｍ／Ｖ以上
の高い値が得られた。Ｙを３８ｍｏｌ％以上、４２ｍｏ
ｌ％以下とすることによって、５００×１０^-6ｍ／Ｖ以
上の一層高い値が得られ、Ｙを３９〜４０ｍｏｌ％とす
ることによって、６００×１０^-6ｍ／Ｖ以上の値が得ら
れた。

【００２８】表２に示す例では、Ｘを１９ｍｏｌ％に固
定し、ＹおよびＺを変更した。この結果、Ｙを３８ｍｏ
ｌ％以上、４４ｍｏｌ％以下とすることによってＳ₂₀₀₀
が顕著に向上しており、特に４００×１０^-6ｍ／Ｖ以上
の高い値が得られた。Ｙを３８ｍｏｌ％以上、４２ｍｏ
ｌ％以下とすることによって、約５００×１０^-6ｍ／Ｖ
以上の一層高い値が得られた。

【００２９】表３に示す例では、Ｘを３１ｍｏｌ％に固
定し、ＹおよびＺを変更した。この結果、Ｙを３８ｍｏ
ｌ％以上、４３ｍｏｌ％以下とすることによってＳ₂₀₀₀
が顕著に向上しており、Ｙを３８ｍｏｌ％以上、４２ｍ
ｏｌ％以下とすることによって、約５００×１０^-6ｍ／
Ｖ以上の一層高い値が得られた。

【００３０】また、表１、表２、表３の各例を比較する
と、表１の各例においては、Ｘが特に好ましい範囲であ
る２５〜２９ｍｏｌ％に入っているために、Ｓ_{20 00}が特
に高く、最高で６００×１０^-6ｍ／Ｖ以上に達してい
た。

【００３１】表４に示す各例では、Ｙを最も好ましい範
囲内である４０ｍｏｌ％に固定し、ＸとＺとを変更し
た。この結果、Ｘが１７〜３３ｍｏｌ％であり、Ｚが２
７〜４３ｍｏｌ％である範囲内で、Ｓ₂₀₀₀が４００×１
０^-6ｍ／Ｖ以上に達した。また、Ｘが１９〜３１ｍｏｌ
％であり、Ｚが２９〜４１ｍｏｌ％である範囲内で、５
００×１０^-6ｍ／Ｖ以上のＳ₂₀₀₀が得られた。更に、Ｘ
が２５〜２９ｍｏｌ％であり、Ｚが３１〜３５ｍｏｌ％
である範囲内で、約６００×１０^-6ｍ／Ｖ以上のＳ₂₀₀₀
が得られた。

【００３２】表５に示す各例では、Ｘが２５〜２９ｍｏ
ｌ％、Ｙが３８〜４１ｍｏｌ％、Ｚが３０〜３７ｍｏｌ
％の範囲内で組成を変更した。この結果、Ｘが２５〜２
９ｍｏｌ％であり、Ｙが３９〜４０ｍｏｌ％であり、Ｚ
が３１〜３６ｍｏｌ％である範囲内で約６００×１０^-6
以上のＳ₂₀₀₀が得られた。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、数
百Ｖ／ｍｍ、特には１ｋＶ／ｍｍといった高電圧領域に
おいて、高い歪み量を示すような、電界誘起歪み材料を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各実施例および比較例の各組成に対応
する三角図を示しており、三角図中の各点の数値は、Ｓ
₂₀₀₀の値（×１０^-6ｍ／Ｖを省略した）を示している。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＸＰｂＺｒＯ₃ −ＹＰｂＴｉＯ₃ −ＺＰｂ
   （Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ ₃ 系の磁器からなる電界誘起歪
   み材料であって、Ｘ、Ｙ、Ｚが下記の（１）、（２）、
   （３）および（４）式を満たすことを特徴とする、電界
   誘起歪み材料。 １７ｍｏｌ％≦Ｘ≦３３ｍｏｌ％ （１） ３８ｍｏｌ％≦Ｙ≦４４ｍｏｌ％ （２） ２６ｍｏｌ％≦Ｚ≦４５ｍｏｌ％ （３） Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００ｍｏｌ％ （４）
2. 【請求項２】Ｘ、Ｙ、Ｚが下記の（５）、（６）および
   （７）式を満たすことを特徴とする、請求項１記載の電
   界誘起歪み材料。 １９ｍｏｌ％≦Ｘ≦３１ｍｏｌ％ （５） ３８ｍｏｌ％≦Ｙ≦４２ｍｏｌ％ （６） ２７ｍｏｌ％≦Ｚ≦４３ｍｏｌ％ （７）
3. 【請求項３】Ｘ、Ｙ、Ｚが下記の（８）、（９）および
   （１０）式を満たすことを特徴とする、請求項２記載の
   電界誘起歪み材料。 ２５ｍｏｌ％≦Ｘ≦２９ｍｏｌ％ （８） ３９ｍｏｌ％≦Ｙ≦４０ｍｏｌ％ （９） ３１ｍｏｌ％≦Ｚ≦３６ｍｏｌ％ （１０）