JP2001316179A - 圧電磁器組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い圧電歪定数を有し、機械的強度に優れ、特
にアクチュエータ用圧電応用電子部品に好適な圧電磁器
組成物を提供すること。 【解決手段】圧電磁器組成物において、組成式がＰｂｘ
・Ｂａｙ・Ｓｒｚ〔（Ｂ ³⁺ _1/2 ・Ｂ⁵⁺ _1/2 ）ａ・Ｔｉｂ
・Ｚｒｃ〕Ｏ₃ で表され、０．９３≦ｘ≦０．９７、
０．０２≦ｚ≦０．０６、０．０２≦ａ≦０．０４、
０．４３≦ｂ≦０．４７、０．５０７５≦ｃ≦０．５５
（但しａ＋ｂ＋ｃ＝１．００で、０．９７≦（ｘ＋ｙ＋
ｚ）＜１．００５）であり、Ｂ³⁺成分としてＳｂ、Ｂ
ｉ、Ｌａのうち一種、Ｂ⁵⁺成分としてＮｂ、Ｔａのうち
一種を主成分としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はチタン酸ジルコン酸
鉛を主成分とする圧電磁器組成物に係り、高い圧電歪定
数を有し、機械的強度に優れ、特にアクチュエータ用圧
電応用電子部品に好適な圧電磁器組成物に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アクチュエータ用圧電応用電
子部品に用いられる圧電磁器組成物としては、ＰｂＴｉ
Ｏ₃ −ＰｂＺｒＯ₃ を主成分とした組成に、添加物とし
て、例えばＳｂ₂ Ｏ₃ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＷＯ₃ などを僅か
に添加したものが知られている。

【０００３】またＰｂの一部をＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ
で置換したものや、第三成分としてＰｂ（Ｎｉ_1/3 ・Ｎ
ｂ_2/3 ）Ｏ₃ 、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 ・Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ などで
一部置換して複合ペロブスカイト化合物化したものが知
られている。

【０００４】更に、現在知られている圧電磁器組成物の
結晶粒径が比較的大きく、２．５μｍ〜４．０μｍのも
のが一般的に知られている。しかし、特にアクチュエー
タ用途として結晶粒径が大きいと機械的強度が弱く、素
子の振動で圧電応用電子部品の破損が発生することが知
られている（特願平１１−２６４７４１号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来より知ら
れている圧電磁器組成物は、結晶粒径を小さくするため
に、原料粉の粒径を小さくし、更に、焼成温度を下げて
調整する方法が一般的に実施されているが、圧電歪特性
が低いという問題があった。またこの圧電歪特性の低い
という問題を添加物の種類等で解決しようとする試みも
されているが、添加物の作用で主粒子の表面に不要な結
晶粒界成分が増加し、焼結体強度や弾性振動体性能を劣
化せしめ、製品の信頼性に問題が発生する。

【０００６】そこで本発明の目的は、圧電歪特性や焼結
性を損なうことなく、結晶粒径を小さくし、過酷な条件
で使用されても、高信頼性の、例えば圧電アクチュエー
タの如き圧電歪応用製品を得ることができる圧電磁器組
成物を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、組成式がＰｂｘ・Ｂａｙ・Ｓｒｚ
〔（Ｂ³⁺ _1/2 ・Ｂ⁵⁺ _1/2 ）ａ・Ｔｉｂ・Ｚｒｃ〕Ｏ ₃ で
表され、０．９３≦ｘ≦０．９７、０．０２≦ｚ≦０．
０６、０．０２≦ａ≦０．０４、０．４３≦ｂ≦０．４
７、０．５０７５≦ｃ≦０．５５（但しａ＋ｂ＋ｃ＝
１．００で、０．９７≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜１．００５）
であり、Ｂ³⁺成分としてＳｂ、Ｂｉ、Ｌａのうち一種、
Ｂ⁵⁺成分としてＮｂ、Ｔａのうち一種を主成分とした圧
電磁器組成物である。

【０００８】また、前記組成式において、（Ｂ³⁺ _1/2 ・
Ｂ⁵⁺ _1/2 ）を、（Ｓｂ_1/2 ・Ｎｂ_{1/ 2} ）、（Ｂｉ_1/2 ・
Ｎｂ_1/2 ）、（Ｌａ_1/2 ・Ｎｂ_1/2 ）、（Ｓｂ_1/2 ・Ｔ
ａ_{1/ 2} ）のいずれかであり、Ａサイト成分（ｘ＋ｙ＋
ｚ）と、Ｂサイト成分（ａ＋ｂ＋ｃ）の比（Ａ／Ｂ比）
が０．９７〜０．９９の範囲とするものである。

【０００９】これにより、圧電歪定数の大きい、結晶粒
径の小さい、素体の抗折強度の大きい圧電磁器組成物を
提供することができる。

【００１０】また過酷な条件で使用しても、高信頼性
の、圧電アクチュエータの如き圧電歪応用製品を提供す
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例について説明す
る。出発原料として高純度（９９．５％以上）なＰｂ
Ｏ、ＴｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＣｏＯ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、Ｔａ₂
Ｏ₅ 、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、ＷＯ₃ 、
ＢａＣＯ₃ 、ＳｒＣＯ₃ を用い、焼成後の成分が表１に
示す所定の組成になるように秤量し、ボールミルにて湿
式混合を行った。それから混合粉を空気中にて８５０℃
の温度で仮焼成した後に、ボールミルにて湿式粉砕し
た。

【００１２】次に、このようにして得られた粉末に有機
バインダーを加え造粒を行い、３０００ｋｇ／ｃｍ² の
圧力で直径１６．５ｍｍの円板に成形した。そしてこの
成形体を空気雰囲気中で１１５０℃の温度で焼成した。

【００１３】このようにして得られた焼結体を厚さ０．
６ｍｍに研磨した後、得られた素子の両面に銀の焼付電
極を形成後、直径１４．３ｍｍに外周加工した。そして
この試料に１２０℃の絶縁油中で、電圧３ｋｖ／ｍｍ、
３０分の条件で分極処理を行った。

【００１４】そして得られた評価用素子をインピーダン
スアナライザーにより素子静電容量（Ｃ）、共振周波数
（ｆｒ）、***振周波数（ｆａ）を測定した。この測定
結果をもとに電気機械結合係数（ｋｒ）、比誘電率（ε
ｓ）、圧電歪定数（Ｄ₃₁）を日本電子材料工業会標準規
格（ＥＭＡＳ−６１００）に準拠して計算より求めた。

【００１５】得られた結果を表１に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】又、図１〜図５により、圧電磁器素体の結
晶粒子径（Ｇｓ）を走査型顕微鏡により計測した写真を
示す。

【００１８】図１は表１における試料番号Ｎｏ．１の従
来例を示し、図２は同じく試料Ｎｏ．２の比較例を示
し、図３は同じく試料Ｎｏ．５の本発明の実施を示し、
図４は同じく試料Ｎｏ．７の本発明の実施例を示し、図
５は同じく試料Ｎｏ．８の本発明の実施例を示す。表１
の各試料についてその結晶粒径を測定した。

【００１９】本発明の圧電磁器組成物では、更に日本工
業規格ＪＩＳ １６０１−１９８１によった３点曲げ強
度試験により機械的強度の評価を行った。すなわち図６
に示す如く、長さＬ＝１５ｍｍ、幅Ｗ＝５ｍｍ、厚さｔ
＝１．５ｍｍの試験片１を作成し、これをスパンＩ＝１
０ｍｍの支点上に置き、この支点間の中心に荷重を徐々
に連続的に増加して、試験片１が破壊したときの最大荷
重をＰ（ｋｇｆ）とすると、その抗折強度σを次式 σ＝３ＰＩ／２ｗｔ² （ｋｇｆ／ｍｍ² ） により算出し、表１に示す値を得た。

【００２０】本発明では、圧電歪定数Ｄ₃₁の値を高いレ
ベルとし、結晶粒径を小さくし、素体の抗折強度を向上
させるものであって、積層アクチュエータ用素材として
の圧電歪定数Ｄ₃₁が１６０×１０^-12 ｍ／ｖ以上であ
り、更に抗折強度が１０．０ｋｇ／ｍｍ² 以上を確保し
ないと、積層型圧電アクチュエータ電子部品としては十
分な変位が得られなかったり、製造上、あるいは動作中
に割れ・欠け等が発生し、信頼性に問題が発生するこ
と、また電気機械結合係数ｋｒが７０％未満であると十
分な値の圧電歪定数Ｄ₃₁を確保することができないこ
と、等を解決する。

【００２１】表１より明らかなように、試料番号Ｎｏ．
１の従来例及びＮｏ．２に示す如く、従来例の場合ある
いはａが０．０２モル未満の場合は、抗折強度が弱い。
しかしａが０．０２モル以上の場合は試料Ｎｏ．５、Ｎ
ｏ．６に示す如く、抗折強度が１０．０ｋｇ／ｍｍ² 以
上と大きいことがわかる。

【００２２】ａが０．０４モルを超えると、試料Ｎｏ．
９に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁がそれぞれ７０％未満、１６０×１０^-12 ｍ／ｖ（以
下１６０という）未満と小さいことがわかる。

【００２３】ｂが０．４３モル未満の場合、試料Ｎｏ．
１６に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数
Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００２４】ｂが０．４７モルを超えると、試料Ｎｏ．
１３に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数
Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さい値である。

【００２５】ｃが０．５０７５モル未満の場合、試料Ｎ
ｏ．１３に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪
定数Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことが
わかる。

【００２６】ｃが０．５５モルを超えると、試料Ｎｏ．
１０に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数
Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００２７】ｘが０．９３モル未満の場合、試料Ｎｏ．
３に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００２８】ｘが０．９７モルを超えると、試料Ｎｏ．
４に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００２９】ｚが０．０２モル未満の場合、試料Ｎｏ．
４に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００３０】ｚが０．０６モルを超えると、試料Ｎｏ．
３に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことがわか
る。

【００３１】そしてＡ／Ｂが０．９７モル未満の場合、
試料Ｎｏ．２１に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び
圧電歪定数Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さい
ことがわかる。

【００３２】Ａ／Ｂが０．９９モルを超えると、試料Ｎ
ｏ．２２に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪
定数Ｄ₃₁がそれぞれ７０％、１６０未満と小さいことが
わかる。

【００３３】（Ｂ³⁺ _1/2 ・Ｂ⁵⁺ _1/2 ）において、Ｂ³⁺を
Ｂｉ又はＬａで置換しても、試料Ｎｏ．１８、Ｎｏ．１
９に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数Ｄ
₃₁が７０％、１６０以上と大きく、抗折強度が１０．０
ｋｇ／ｍｍ² 以上の大きな、十分な特性のものが得られ
る。

【００３４】更にＢ⁵⁺をＴａに置換しても、試料Ｎｏ．
１５に示す如く、電気機械結合係数ｋｒ及び圧電歪定数
Ｄ₃₁が７０％、１６０以上と大きく、抗折強度が１０．
０ｋｇ／ｍｍ² 以上の大きな、十分な特性のものが得ら
れる。

【００３５】このように、本発明により、過酷な条件で
使用しても、例えば圧電アクチュエータのような、高信
頼性の圧電歪応用製品を製造することができる。しかも
本発明により、圧電磁器素体用として大きく変位するア
クチュエータや、薄小小型である積層型圧電磁器素体と
して破損や欠けなどの発生しない圧電電子部品が製品化
でき小型で高信頼性で低コストの圧電部品が提供でき
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明により下記の効果を奏することが
できる。

【００３７】電気機械結合係数ｋｒや圧電歪定数Ｄ₃₁等
の圧電歪特性の良好な、結晶粒径の小さい、素体の抗折
強度の大きい圧電磁器組成物を提供することができる。

【００３８】過酷な条件で使用しても高信頼性の圧電歪
応用製品を製造提供することができる。圧電磁器素体用
として大きく変位するアクチュエータや、薄小小型であ
る積層型圧電磁器素体として破損・欠けなどの発生しな
い圧電電子部品が製品化でき、小型で高信頼性、低コス
トの圧電部品を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例の圧電磁器素体の電子顕微鏡写真であ
る。

【図２】試料Ｎｏ．２の圧電磁器素体の電子顕微鏡写真
である。

【図３】試料Ｎｏ．５の圧電磁器素体の電子顕微鏡写真
である。

【図４】試料Ｎｏ．７の圧電磁器素体の電子顕微鏡写真
である。

【図５】試料Ｎｏ．８の圧電磁器素体の電子顕微鏡写真
である。

【図６】３点曲げ強度試験説明図である。

【符号の説明】 １ 試験片

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】組成式がＰｂｘ・Ｂａｙ・Ｓｒｚ〔（Ｂ³⁺
   _1/2 ・Ｂ⁵⁺ _1/2 ）ａ・Ｔｉｂ・Ｚｒｃ〕Ｏ₃ で表され、 ０．９３≦ｘ≦０．９７、０．０２≦ｚ≦０．０６、
   ０．０２≦ａ≦０．０４、０．４３≦ｂ≦０．４７、
   ０．５０７５≦ｃ≦０．５５（但しａ＋ｂ＋ｃ＝１．０
   ０で、０．９７≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜１．００５）であ
   り、 Ｂ³⁺成分としてＳｂ、Ｂｉ、Ｌａのうち一種、Ｂ⁵⁺成分
   としてＮｂ、Ｔａのうち一種を主成分としたことを特徴
   とする圧電磁器組成物。
2. 【請求項２】前記組成式において、前記（Ｂ³⁺ _1/2 ・Ｂ
   ⁵⁺ _1/2 ）は、（Ｓｂ _1/2 ・Ｎｂ_1/2 ）、（Ｂｉ_1/2 ・Ｎ
   ｂ_1/2 ）、（Ｌａ_1/2 ・Ｎｂ_1/2 ）、（Ｓｂ _1/2 ・Ｔａ
   _1/2 ）のいずれかであり、Ａサイト成分（ｘ＋ｙ＋ｚ）
   と、Ｂサイト成分（ａ＋ｂ＋ｃ）の比（Ａ／Ｂ比）が
   ０．９７〜０．９９の範囲にあることを特徴とする請求
   項１記載の圧電磁器組成物。