KR0161349B1 - 압전 자기 조성물 - Google Patents

압전 자기 조성물

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KR0161349B1 KR1019960000959A KR19960000959A KR0161349B1 KR 0161349 B1 KR0161349 B1 KR 0161349B1 KR 1019960000959 A KR1019960000959 A KR 1019960000959A KR 19960000959 A KR19960000959 A KR 19960000959A KR 0161349 B1 KR0161349 B1 KR 0161349B1
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고이치 가와노
미츠루 수베
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무라따 야스따까
가부시끼가이샤 무라따 세이사꾸쇼
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Abstract

본원 발명의 압전 자기 조성물은 일반식 :
로 표현되는 조성물의 상기 a, b, c를 각각
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58
0.35≤×≤0.48
(단, a, b, c는 몰%이며, a+b+c=100이다)로 한 구성이며, 이러한 구성에 의하여 본 발명은 압전 상수와 기계적 품질 계수가 모두 크며 온도특성의 안정성이 우수하고, 게다가 저온소성이 가능한, 초음파모터, 초음파 진동자, 압전 액츄에이터 등의 재료로서 사용하기에 적합한 압전 자기 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

압전 자기 조성물
본원 발명은 압전 자기 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 모터, 초음파 진동자, 압전 액츄에이터 등에 바람직하게 사용되는 압전 자기 조성물에 관한 것이다.
초음파 모터, 초음파 진동자, 압전 액츄에이터 등에 사용되는 압전 재료(압전 자기 조성물)는, 기계적 품질 계수가 크고 고전압 인가시의 발열이 적으며, 또한 압전 상수(piezoelectric constant)가 크고 진동 진폭이 큰 재료가 바람직하다.
또한 예를 들면 초음파 모터용 압전 재료는, 안정된 회전속도나 토크(torque)를 얻기 위하여 온도특성이 안정되어 있는 가가 중요한 요건이 된다.
그러나 종래의 압전 자기 조성물에서는, 기계적 품질 계수와 압전 상수의 양측을 동시에 충분히 크게 하는 것은 곤란하며, 또 온도특성의 안정성이 충분하지 않은 경우가 종종 있다.
또 상기 요건을 가능한 만족시킬 수 있도록 조성을 조정한 압전 자기 조성물은, 1200∼1300℃의 높은 소성온도를 갖는 경우가 많았다.
본원 발명의 바람직한 실시예는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것이며, 압전 상수와 기계적 품질 계수가 모두 크며, 온도특성이 안정되고, 게다가 저온하에서의 소성에서도 이용할 수 있는 압전 자기 조성물을 갖는, 초음파모터, 초음파 진동자, 압전 액츄에이터 등의 재료로서 사용하기에 적합한 압전 자기 조성물을 제공한다.
본원 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 압전 자기 조성물은, 일반식 :
로 표현되며, 상기 a, b, c는 각각
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58
(단, a, b, c는 몰%이며, a+b+c=100이다)의 범위에 있다.
본원 발명의 바람직한 실시예의 다른 태양에 의하면, 압전 자기 조성물은, 일반식 :
로 표현되며, 상기 a, b, c는 각각
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58
(단, a, b, c는 몰%이며, a+b+c=100이다)의 범위에 있는 조성물에, 마그네슘(Mg), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 1종을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산하여 0.50중량% 이하의 비율로 포함한다.
본원 발명의 바람직한 실시예의 다른 태양에 의하면, 일반식 :
로 표현되며, 상기 a, b, c는 각각
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58
(단, a, b, c는 몰%이며, a+b+c=100이다)의 범위에 있으며, 또 납(Pb)의 5몰% 이하가 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란탄(La) 중에서 선택된 적어도 1종으로 치환되어 있는 압전 자기 조성물을 제공한다.
본원 발명의 또 다른 태양에 의하면, 압전 자기 조성물은, 일반식 :
로 표현되며, 상기 a, b, c는 각각
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58
(단, a, b, c는 몰%이며, a+b+c=100이다)의 범위에 있으며, 또 납의 5몰% 이하가 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄 중에서 선택된 적어도 1종으로 치환되어 있으며, 마그네슘, 코발트 및 니켈 중에서 선택된 적어도 1종을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산하여 0.50중량% 이하의 비율로 포함하는 압전 자기 조성물을 제공한다.
이하, 본원 발명의 특징을 바람직한 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명한다.
일반식 :
(단, a+b+c=100이다)로 표현한 경우에, x, a, b, c가 표1~표4에 나타낸 바와 같은 비율이 되도록 구성된 기본 조성물에 대하여, Pbo, TiO2, ZrO2, MnCO3, Sb2O3, WO3의 각 원료와 각 첨가물을 표1~표4에 나타낸 바와 같은 조성이 되도록 칭량하고, 볼 밀(ball mill)을 사용하여 습식 혼합한다. 또한 표1~표4에 있어서, 마그네슘, 코발트 및 니켈의 값은, 첨가한 마그네슘화합물, 코발트화합물 및 니켈화합물을 각각 Mg(OH)2, CoO 및 NiO로 환산한 값을 나타낸다.
이어서, 습식혼합함으로써 얻어진 혼합물을 건조한 후, 850~950℃에서 2시간 동안 하소하고, 이 하소된 원료를 볼 밀을 사용하여 습식분쇄함으로써 조정 분말을 얻었다.
그리고 이 조정 분말에 물 또는 폴리비닐 알코올과 같은 점결제(粘結劑)를 화합한 후, 프레스성형을 행하고, 1100~1200℃의 온도에서 2시간 동안 소성하였다.
이어서, 소성함으로써 얻어진 자기를 직경 약 10mm, 두께 약 1mm의 원판형상이 되도록 연마(硏磨)하고, 양 단면에 은전극을 도포한 후, 3~4kV의 전계를 이용하여 80℃의 절연오일중에서 60분간 분극처리를 행함으로써 압전 자기를 얻었다.
상기와 같이 하여 얻어진 압전 자기에 대하여 조사한 특성을 표1, 표2, 표3, 표4에 나타낸다.
표1~표4에서 시료No.에 별표(*)를 붙인 시료는, 본 발명의 바람직한 실시예의 범위외의 비교예의 예이며, 그 외의 것은 본 발명의 바람직한 실시예의 범위내의 시료이다.
또한 표1~표4에 있어서의 d31은 압전 상수, Qm은 기계적 품질 계수, 그리고 C-TC는 -20~80℃에 있어서의 정전 용량(electrostatic capacity)의 온도계수를 나타낸다.
단, 압전 특성은 임피던스 측정기에 의하여 공진 주파수 및 반공진 주파수를 측정한 후, 계산에 의하여 구하였다(일본전자재료공업회 표준규격(EMAS-6100)에 따른다). 또 온도 계수의 측정 주파수는 1kHz이었다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압전 자기 조성물에 있어서, 기본 조성물인 3개 성분의 비율 및 산화물간의 비율, 즉 a, b, c의 값을 상기와 같이 정한 것은, 이 범위외의 비율에서는 압전 상수(d31)나 기계적 품질 계수(Qm)가 작아지거나, 온도 계수(C-TC)가 악화되거나 하여 바람직하지 않기 때문이다. 이하에 이와 같이 한정한 이유를 상세하게 설명한다.
표1, 표2의 시료No. 1~23의 각 압전 자기(시료)의 특성을 검토함으로써, a, b, c의 값이 본 발명의 바람직한 실시예의 범위외인 시료(비교예)는, 압전 상수(d31)나 기계적 품질 계수(Qm)중 적어도 일측이 매우 작거나 온도 계수(C-TC)가 크기 때문에, 온도특성이 악화된다는 것을 알 수 있다.
우선, a의 값에 대해서는, 예를 들면 표1의 시료 No.7에 나타낸 바와 같이, a의 값이 2몰% 미만인 시료(시료No.7에서는 a의 값이 1.0몰%)에 있어서는, 압전 상수(d31)나 기계적 품질 계수(Qm)가 바람직하지 않으며, 또 표1의 시료 No.17에 나타낸 바와 같이, a의 값이 10몰%를 넘는 시료(시료No.17에서는 a의 값이 12.0몰%)에 있어서는, 압전 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)가 불충분하며, 온도계수(C-TC)도 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 일반식(1)에 있어서의 a의 값은 약 2몰%~10몰%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 다른 바람직한 실시예에서는, a의 값이 약 5몰%~약6몰%의 범위에 있다.
또, b의 값에 대해서는, 표1의 시료No.18에 나타낸 바와 같이, b의 값이 40몰% 미만인 시료(시료No.18에서는 b의 값이 38.0몰%)에 있어서는, 압전 상수(d31)가 낮고, 온도계수(C-TC)도 양호하지 않으며, 또 표2의 시료No.22, 23에 나타낸 바와 같이, b의 값이 52몰%를 넘는 시료(시료No.22에서는 b의 값이 54.0몰%, 시료No.23에서는 b의 값이 58.0%)에 있어서는 압전 상수(d31)가 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 일반식(1)에 있어서의 b의 값은 약 40몰%~52몰%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 다른 바람직한 실시예에서는, b의 값이 약 44몰%~약50몰%의 범위에 있다.
또 상기 일반식(1)에 있어서의 c의 값은, a+b+c=100이기 때문에 a와 b의 값에 의하여 자동적으로 정해지는 값이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압전 자기 조성물에 있어서는, x의 값에 특별한 제한을 두고 있지 않지만, 양호한 특성을 갖는 실용가능한 압전 자기를 얻기 위해서는, x는 대략 35%~48%(약 0.35~0.48)의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또 예를 들면, x의 값이 35%(0.35) 미만인 시료 No.1의 압전 자기는, 휘어짐이 발생할 가능성이 높아서 실용적으로는 적합하지 않다. 다른 바람직한 실시예에서는, x는 약36%~42%(약 036~0.42)의 범위에 있다.
또 표2의 시료No.24~35는, 마그네슘(마그네슘화합물)을 첨가하고 그 첨가량을 변화시킨 압전 자기이다. 이들 시료로부터, 마그네슘을 첨가하면 기계적 품질 계수(Qm)가 향상하지만, 마그네슘의 첨가량이 Mg(OH)2로 환산하여 0.50중량%를 넘으면, 반대로 기계적 품질계수(QM)가 대폭 저하한다는 것을 알 수 있다.
또 표2의 시료No.36~40은 코발트(코발트화합물)을 첨가하고 그 첨가량을 변화시킨 압전 자기이다. 이들 시료로부터, 코발트의 첨가에 따른 특성의 변화는 상기 마그네슘의 첨가에 따른 특성의 변화와 마찬가지의 경향이 있음을 알 수 있다.
또 표3의 시료No.41~45은, 니켈(니켈화합물)을 첨가하고 그 첨가량을 변화시킨 압전자기이다. 니켈의 첨가에 따른 특성의 변화도 상기 마그네슘의 첨가에 따른 특성의 변화와 마찬가지의 경향이 있다.
또 표3의 시료No.46~48로부터, 마그네슘(마그네슘화합물), 코발트(코발트화합물) 및 니켈(니켈화합물)을 2종 이상 첨가한 경우에도, 압전 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)가 크며 양호한 온도특성을 갖는 압전 자기를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 표3의 시료No.49에 나타난 바와 같이, 마그네슘, 코발트 및 니켈의 첨가량의 합계(각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산한 값의 합계)가 0.50중량%를 넘으면 기계적 품질 계수(Qm)가 대폭으로 저하하는 경향이 있다.
따라서, 마그네슘, 코발트 및 니켈의 첨가량은 각각을 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산한 값의 합계량이 0.50중량% 이하가 되도록 조정하는 것이 필요하다.
또한 마그네슘-코발트, 마그네슘-니켈, 코발트-니켈, 마그네슘-코발트-니켈을 조합하여 첨가한 경우의 특성을 표5, 표6에 나타낸다. 또한 표5, 표6에 나타낸 마그네슘, 코발트 및 니켈의 값은, 첨가한 마그네슘화합물, 코발트화합물 및 니켈화합물을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산한 값을 나타낸다. 또 표5, 표6에 있어서, 시료No.에 별표(*)를 붙이 시료는, 본 발명의 바람직한 실시예의 범위외의 비교예의 예이며, 그 외의 것은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 시료이다.
또한 표5, 표6에는 비료를 용이하게 하기 위하여, 상기 표3의 시료번호 No.46~49의 시료의 데이터를 중복하여 나타내고 있다.
표5, 표6에 나타낸 바와 같이, 마그네슘, 코발트 및 니켈을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산한 경우의 합계량이 0.50중량% 이하가 되도록 여러 비율로 조합하여 첨가한 경우에도, 압전 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)가 크며 양호한 온도특성을 갖는 압전 자기를 얻을 수 있다.
또 표4의 시료No.50~54는, 납의 일부를 칼슘으로 치환한 시료이다. 치환량이 본 발명의 바람직한 실시예의 범위내의 시료에 있어서는, 기계적 품질 계수(Qm)가 증가하지만, 치환량이 5몰%를 넘으면 압전 상수(d31) 및 온도계수(C-TC)가 바람직하지 않게 된다(시료 No. 54). 또 납{즉 A사이트(A-site)}을 치환함으로써 상기한 효과 외에 소결성(燒結性)을 향상시키는 또 다른 효과를 얻을 수 있다.
또 표4의 시료No.55~70으로부터, 납의 일부를 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄중에서 선택된 적어도 1종으로 치환한 계에, 마그네슘, 코발트 및 니켈을 첨가한 경우에는, 납을 치환하지 않은 계에 있어서의 첨가효과와 동일한 첨가효과를 얻을 수 있으며, 그 첨가량이 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산하여 합계 0.50중량% 이하이면 압전 상수(d31)가 향상하는 것을 알 수 있다.
게다가 상기 마그네슘, 코발트 및 니켈을 첨가한 계에 있어서도, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄 중에서 선택된 적어도 1종으로의 납의 치환량이 합계가 5몰%를 넘으면, 시료No.57, 60, 70에 나타낸 바와 같이, 압전 상수(d31) 온도계수(C-TC)가 악화하는 것을 알 수 있다.
따라서 납의 일부를 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄 중에서 선택된 적어도 1종으로 치환한 양은 5몰% 이하인 것이 바람직하다.
그러나, 납(즉 A사이트)을 5몰% 이하 치환한 시료에 있어도, 마그네슘, 코발트 및 니켈의 첨가량(Mg(OH)2, CoO, NiO로 각각 환산한 값의 합계량)이 0.50중량%를 넘으면 기계적 품질 계수(Qm)가 대폭 저하하는(시료No.64) 경향이 있다.
또한 각종 조건으로 각 첨가물(마그네슘, 코발트 및 니켈)의 첨가와 가가 치환원소(칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄)에 의한 치환을 조합한 경우의 특성을 표7~11에 나타낸다. 게다가 표7~11에 있어서, 마그네슘, 코발트 및 니켈의 값은, 각각 첨가한 마그네슘화합물, 코발트화합물, 니켈화합물을 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산한 값을 나타낸다. 또 표7~11에 있어서, 시표No.에 별표(*)를 붙인 시료는 본 발명의 바람직한 실시예의 범위외의 비교예의 예이며, 그 외의 시료는 본 발명의 바람직한 실시예의 범위 내에서의 바람직한 실시예이다.
게다가 비교를 용이하게 하기 위하여, 표7~11에는 상기 표4의 시료No.50~70의 시료의 데이터를 중복하여 나타내고 있다.
표7~11에 나타낸 바와 같이, 각 첨가물(마그네슘, 코발트 및 니켈)의 첨가와 각 치환원소(칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄)에 의한 치환을 조합한 경우에도, 압전 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)가 크며 양호한 온도특성을 갖는 압전 자기를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 압전 자기 조성물은 일반식 :
로 표현되며, 상기 a, b, c의 값(몰%)을
2≤a≤10
40≤b≤52
38≤c≤58로 함과 아울러, 필요에 따라서 마그네슘, 코발트 및 니켈 중에서 선택된 적어도1종을 첨가하고, 또한 납의 일부를 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄 중에서 선택된 적어도 1종으로 치환한 본원 발명의 압전 자기 조성물은, 압전 상수 및 기계적 품질 계수가 모두 크며 또한 온도특성도 안정되어 있으며, 심지어 온도가 유동적인 조건하에서도 큰 진동을 얻을 수가 있다.
또 종래의 압전 자기 조성물보다 약 100℃ 정도 낮은 온도에서 소성할 수 있기 때문에, 산화납의 증발을 억제함으로써 재현성이 양호한 압전 자기를 얻을 수 있다.
따라서, 본원 발명의 바람직한 실시예에 의한 압전 자기 조성물은, 초음파 모터, 초음파 진동자, 압전 액츄에이터 등의 압전 재료로서 특히 유리하며, 공업적으로도 널리 이용할 수가 있다.
이상 구체적인 특정의 바람직한 실시예에 의해 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 취지와 영역에서 벗어나지 않는 한, 다른 여러 변형과 수정, 첨가가 가능하다는 것을 명백하게 알 것이다.

Claims (4)

  1. 일반식 :로 표현되며, 상기 a, b, c는 각각
    2≤a≤10
    40≤b≤52
    38≤c≤58
    0.35≤x≤0.48
    (단, a, b, c는 몰%이다)이고, a+b+c=100인 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 자기 조성물에, 마그네슘, 코발트 및 니켈 중에서 선택된 적어도 1종을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산하여 0.50중량% 이하의 비율로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전 자기 조성물 중의 납 성분 중 5몰%이하가 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 란탄 중에서 선택된 적어도 1종으로 치환되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성몰.
  4. 제3항에 있어서, 마그네슘, 코발트 및 니켈 중에서 선택된 적어도 1종을 각각 Mg(OH)2, CoO, NiO로 환산하여 0.50중량% 이하의 비율로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성몰.
KR1019960000959A 1995-01-20 1996-01-18 압전 자기 조성물 KR0161349B1 (ko)

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