JPH04300246A - Pzt圧電セラミック材料及びその製造方法 - Google Patents
Pzt圧電セラミック材料及びその製造方法Info
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- JPH04300246A JPH04300246A JP3074547A JP7454791A JPH04300246A JP H04300246 A JPH04300246 A JP H04300246A JP 3074547 A JP3074547 A JP 3074547A JP 7454791 A JP7454791 A JP 7454791A JP H04300246 A JPH04300246 A JP H04300246A
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,超音波モータ,圧電ポ
ンプ等に用いるPZT圧電セラミック材料及びその製造
方法に関する。
ンプ等に用いるPZT圧電セラミック材料及びその製造
方法に関する。
【0002】
【従来技術】PZT圧電セラミック材料は,PbTiO
3 −PbZrO3 系の圧電セラミックであり,超音
波モータ,圧電ポンプ,微変位素子,振動計,超音波応
用計測器,強力超音波変成器,医用超音波変成器等,各
種用途に幅広く応用されている。また,PZT圧電セラ
ミック材料は,BaTiO3 系圧電セラミック材料に
比べて圧電特性が優れキュリー温度Tcが高く,使用温
度範囲が広いため,温度安定状に優れている。一方,該
PZT圧電セラミック材料は,例えば超音波モータの振
動発生源として用いる場合,高い機械的品質係数Qmと
,高い圧電定数d31を有することが要求される。
3 −PbZrO3 系の圧電セラミックであり,超音
波モータ,圧電ポンプ,微変位素子,振動計,超音波応
用計測器,強力超音波変成器,医用超音波変成器等,各
種用途に幅広く応用されている。また,PZT圧電セラ
ミック材料は,BaTiO3 系圧電セラミック材料に
比べて圧電特性が優れキュリー温度Tcが高く,使用温
度範囲が広いため,温度安定状に優れている。一方,該
PZT圧電セラミック材料は,例えば超音波モータの振
動発生源として用いる場合,高い機械的品質係数Qmと
,高い圧電定数d31を有することが要求される。
【0003】
【解決しようとする課題】しかしながら,上記機械的品
質係数と圧電定数とは,互いに相反する条件である。そ
のため,両者を高レベルで両立させたPZT圧電セラミ
ック材料を得ることは困難である。例えば,機械的品質
係数を高くするため,PZT圧電セラミック材料に対し
てマンガン酸化物を(MnO2 )を添加することが知
られている。しかし,マンガン酸化物のみを添加する場
合には,その添加量の増加に伴って,ある程度までは機
械的品質係数の向上が見られるものの,それ以上は向上
が期待できない。また,マンガン酸化物量の増加と共に
,圧電定数が大きく低下してしまう(後述の図1,図2
参照)。本発明は,かかる従来の問題点に鑑み,圧電定
数の低下が少なく,高い機械的品質係数を有するPZT
圧電セラミック材料及びその製造方法を提供しようとす
るものである。
質係数と圧電定数とは,互いに相反する条件である。そ
のため,両者を高レベルで両立させたPZT圧電セラミ
ック材料を得ることは困難である。例えば,機械的品質
係数を高くするため,PZT圧電セラミック材料に対し
てマンガン酸化物を(MnO2 )を添加することが知
られている。しかし,マンガン酸化物のみを添加する場
合には,その添加量の増加に伴って,ある程度までは機
械的品質係数の向上が見られるものの,それ以上は向上
が期待できない。また,マンガン酸化物量の増加と共に
,圧電定数が大きく低下してしまう(後述の図1,図2
参照)。本発明は,かかる従来の問題点に鑑み,圧電定
数の低下が少なく,高い機械的品質係数を有するPZT
圧電セラミック材料及びその製造方法を提供しようとす
るものである。
【0004】
【課題の解決手段】本発明は,PZT圧電セラミック材
料成分に対して,マンガン酸化物と,マンガンと複合ペ
ロブスカイトを形成する添加物質とからなる第3成分を
添加してなり,かつ該第3成分におけるマンガン酸化物
と添加物質とはペロブスカイトの組成比であることを特
徴とするPZT圧電セラミック材料にある。本発明にお
いて,PZT圧電セラミック材料成分とは,前記のごと
く,PbTiO3 −PbZrO3 系の圧電セラミッ
ク成分をいう。そして,本発明においては,上記圧電セ
ラミック成分に対して上記第3成分を添加,混合してい
る。 上記圧電セラミック成分としては,例えば,(Pb0.
95Sr0.05)・(Zr0.53 Ti0.47
)・O3 ,(Pb{Zr0.35Ti0.25)・(
Ni0.2 Nb0.4 )}・O3 ,Pb{(Zr
0.3 Ti0.5 )・(Mg0.1 W0.1 )
}・O3 がある。
料成分に対して,マンガン酸化物と,マンガンと複合ペ
ロブスカイトを形成する添加物質とからなる第3成分を
添加してなり,かつ該第3成分におけるマンガン酸化物
と添加物質とはペロブスカイトの組成比であることを特
徴とするPZT圧電セラミック材料にある。本発明にお
いて,PZT圧電セラミック材料成分とは,前記のごと
く,PbTiO3 −PbZrO3 系の圧電セラミッ
ク成分をいう。そして,本発明においては,上記圧電セ
ラミック成分に対して上記第3成分を添加,混合してい
る。 上記圧電セラミック成分としては,例えば,(Pb0.
95Sr0.05)・(Zr0.53 Ti0.47
)・O3 ,(Pb{Zr0.35Ti0.25)・(
Ni0.2 Nb0.4 )}・O3 ,Pb{(Zr
0.3 Ti0.5 )・(Mg0.1 W0.1 )
}・O3 がある。
【0005】また,上記第3成分は,ハード成分とソフ
ト成分よりなる。ハード成分としてはマンガン酸化物(
MnO2 ,Mn2 O3)を,ソフト成分として該マ
ンガンと複合ペロブスカイトを形成する添加物質を用い
る。該添加物質としては,アンチモン(Sb),ニオブ
(Nb),タングステン(W),ビスマス(Bi),バ
ナジウム(V)などの酸化物を用いる。かかる酸化物と
しては,例えばSb2 O3 ,Nb2 O3 ,W2
O3 ,Bi2 O3 ,V2 O3 がある。そし
て,上記ハード成分Aと,ソフト成分Bとは,複合ペロ
ブスカイトPb(AX a+ B1−x b+)O3
を形成する条件式である,a・x+b(1−x)=4
を満足するように混合して,第3成分とする。上記条件
式において,a及びbはハード成分A及びソフト成分B
のイオン価数である。例えば,ハード成分AがMnO2
で,ソフト成分BがSb2 O3 の場合には,Mn
O2 とSb2 O3 とを1対2のモル比で添加する
。これにより仮想ペロブスカイト組成は,Pb(Mn1
/3,Sb2/3)O3 となる。
ト成分よりなる。ハード成分としてはマンガン酸化物(
MnO2 ,Mn2 O3)を,ソフト成分として該マ
ンガンと複合ペロブスカイトを形成する添加物質を用い
る。該添加物質としては,アンチモン(Sb),ニオブ
(Nb),タングステン(W),ビスマス(Bi),バ
ナジウム(V)などの酸化物を用いる。かかる酸化物と
しては,例えばSb2 O3 ,Nb2 O3 ,W2
O3 ,Bi2 O3 ,V2 O3 がある。そし
て,上記ハード成分Aと,ソフト成分Bとは,複合ペロ
ブスカイトPb(AX a+ B1−x b+)O3
を形成する条件式である,a・x+b(1−x)=4
を満足するように混合して,第3成分とする。上記条件
式において,a及びbはハード成分A及びソフト成分B
のイオン価数である。例えば,ハード成分AがMnO2
で,ソフト成分BがSb2 O3 の場合には,Mn
O2 とSb2 O3 とを1対2のモル比で添加する
。これにより仮想ペロブスカイト組成は,Pb(Mn1
/3,Sb2/3)O3 となる。
【0006】上記のごとく構成した第3成分は,上記圧
電セラミック成分に対して,3〜15モル(mol)%
添加することが好ましい。3モル%未満では,機械的品
質係数の向上が少なく,一方15モル%を越えるとその
添加量に応じただけの機械的品質係数の向上が期待でき
ず,また,圧電定数が低くなるおそれがある。
電セラミック成分に対して,3〜15モル(mol)%
添加することが好ましい。3モル%未満では,機械的品
質係数の向上が少なく,一方15モル%を越えるとその
添加量に応じただけの機械的品質係数の向上が期待でき
ず,また,圧電定数が低くなるおそれがある。
【0007】また,上記PZT圧電セラミック材料を製
造する方法としては,上記圧電セラミック成分に対して
上記第3成分を添加,混合し,その後焼成する方法があ
る。この焼成は,例えば1200〜1300℃において
,鉛雰囲気の条件下で行うことが望ましい。1200℃
未満では密度不十分のために目的とするPZT圧電セラ
ミック材料が得難く,1300℃を越えると機械的品質
係数Qm,圧電定数d31が低下するおそれがある。
造する方法としては,上記圧電セラミック成分に対して
上記第3成分を添加,混合し,その後焼成する方法があ
る。この焼成は,例えば1200〜1300℃において
,鉛雰囲気の条件下で行うことが望ましい。1200℃
未満では密度不十分のために目的とするPZT圧電セラ
ミック材料が得難く,1300℃を越えると機械的品質
係数Qm,圧電定数d31が低下するおそれがある。
【0008】
【作用及び効果】本発明のPZT圧電セラミック材料は
,上記のごとくマンガンと複合ペロブスカイトを形成す
る添加物質及びマンガン酸化物とよりなる第3成分を,
上記圧電セラミック成分に添加したものである。そのた
め,該第3成分が上記PZTの圧電セラミック成分と共
存したPZT圧電セラミック材料が得られ,高い機械的
品質係数を発揮させることができる。また,上記第3成
分を用いているので,圧電定数の低下も少ない。それ故
,本発明によれば,圧電定数の低下が少なく,高い機械
的品質係数を有するPZT圧電セラミック材料を提供す
ることができる。また,本発明の製造方法によれば,上
記のごとく優れたPZT圧電セラミック材料を得ること
ができる。
,上記のごとくマンガンと複合ペロブスカイトを形成す
る添加物質及びマンガン酸化物とよりなる第3成分を,
上記圧電セラミック成分に添加したものである。そのた
め,該第3成分が上記PZTの圧電セラミック成分と共
存したPZT圧電セラミック材料が得られ,高い機械的
品質係数を発揮させることができる。また,上記第3成
分を用いているので,圧電定数の低下も少ない。それ故
,本発明によれば,圧電定数の低下が少なく,高い機械
的品質係数を有するPZT圧電セラミック材料を提供す
ることができる。また,本発明の製造方法によれば,上
記のごとく優れたPZT圧電セラミック材料を得ること
ができる。
【0009】
【実施例】上記圧電セラミック成分として(Pb0.9
5 Sr0.05)・(Zr0.53 Ti0.4
7)・O3 を用い,これに第3成分として(Ax B
1−x )O3 を添加,混合,焼成して,PZT圧電
セラミック材料を製造し,その特性を測定した。その結
果を表1,2に示す。上記Aは前記ハード成分Aで,マ
ンガン酸化物(MnO2 )を用いた。また,Bは上記
ソフト成分Bで,Sb2 O3 ,Nb2 O3 ,W
2 O3 を用いた。そして,これら第3成分を,両表
に示すごとく,上記圧電セラミック成分に対して,3〜
15モル%添加した。
5 Sr0.05)・(Zr0.53 Ti0.4
7)・O3 を用い,これに第3成分として(Ax B
1−x )O3 を添加,混合,焼成して,PZT圧電
セラミック材料を製造し,その特性を測定した。その結
果を表1,2に示す。上記Aは前記ハード成分Aで,マ
ンガン酸化物(MnO2 )を用いた。また,Bは上記
ソフト成分Bで,Sb2 O3 ,Nb2 O3 ,W
2 O3 を用いた。そして,これら第3成分を,両表
に示すごとく,上記圧電セラミック成分に対して,3〜
15モル%添加した。
【0010】以下,これを詳説する。まず,上記圧電セ
ラミック成分と第3成分とからなる原料を湿式ボールミ
ルによって混合した。この混合物を乾燥後,700〜9
00℃で3〜10時間仮焼し,これを再びボールミルで
混合した後乾燥して,調整粉末を得た。該調整粉末に水
とPVAとを含む粘着剤を添加して,300〜1000
kg/cm2 の圧力で加圧成形した。その後,120
0〜1300℃で1〜3時間焼成を行った。これにより
,直径15mm,厚さ0.5mmの円板状のPZT圧電
セラミック材料を得た。その後,上記円板状PZT圧電
セラミック材料に,電極を塗布し,20〜100℃のシ
リコンオイルからなる絶縁オイル中にて,電極間に直流
電場20〜30kv/cmを6〜60分間印加すること
により分極させた。これにより測定試料を得た。
ラミック成分と第3成分とからなる原料を湿式ボールミ
ルによって混合した。この混合物を乾燥後,700〜9
00℃で3〜10時間仮焼し,これを再びボールミルで
混合した後乾燥して,調整粉末を得た。該調整粉末に水
とPVAとを含む粘着剤を添加して,300〜1000
kg/cm2 の圧力で加圧成形した。その後,120
0〜1300℃で1〜3時間焼成を行った。これにより
,直径15mm,厚さ0.5mmの円板状のPZT圧電
セラミック材料を得た。その後,上記円板状PZT圧電
セラミック材料に,電極を塗布し,20〜100℃のシ
リコンオイルからなる絶縁オイル中にて,電極間に直流
電場20〜30kv/cmを6〜60分間印加すること
により分極させた。これにより測定試料を得た。
【0011】次に,上記測定試料の圧電定数d31,機
械的品質係数Qmを測定した。これらは次式(1),(
2)により算出され,また式(1)中のkr,E33T
,S11E は式(3),(4),(5)で示される
。 圧電定数d31=kr{〔(1−σ)/2〕・E3
3T ・S11E }1/2 〔m/V〕 ・・・・・(1) 機械的品質係数Qm=1/{2π・fr・Ro・C
〔1−(fr/fa)2 〕} 〔−〕 ・・・・・(2) 1/kr2 =0.395fr/(fa−fr)+
0.574 〔−〕・・・・・(3) E33T =C・t/S 〔F/m〕・
・・・・(4) 1/S11E =ρ{〔2π(1−σ2 )1/2
/η〕・r・fr}2 〔m2 /N〕 ・・・・・(5) ここで,上記式(1)のσは0.30,式(5)のηは
2.05である。また,上式中tは試料の厚さ(m),
Sは試料の端面面積(m2 ),CはLCRメータ(Y
HP−4194A)により測定した1KHZ時の静電容
量(F),ρは密度(g/cm3 ),fa,frはそ
れぞれ***振および共振周波数(HZ)であり,これら
はいずれも周知の方法で測定される。
械的品質係数Qmを測定した。これらは次式(1),(
2)により算出され,また式(1)中のkr,E33T
,S11E は式(3),(4),(5)で示される
。 圧電定数d31=kr{〔(1−σ)/2〕・E3
3T ・S11E }1/2 〔m/V〕 ・・・・・(1) 機械的品質係数Qm=1/{2π・fr・Ro・C
〔1−(fr/fa)2 〕} 〔−〕 ・・・・・(2) 1/kr2 =0.395fr/(fa−fr)+
0.574 〔−〕・・・・・(3) E33T =C・t/S 〔F/m〕・
・・・・(4) 1/S11E =ρ{〔2π(1−σ2 )1/2
/η〕・r・fr}2 〔m2 /N〕 ・・・・・(5) ここで,上記式(1)のσは0.30,式(5)のηは
2.05である。また,上式中tは試料の厚さ(m),
Sは試料の端面面積(m2 ),CはLCRメータ(Y
HP−4194A)により測定した1KHZ時の静電容
量(F),ρは密度(g/cm3 ),fa,frはそ
れぞれ***振および共振周波数(HZ)であり,これら
はいずれも周知の方法で測定される。
【0012】次に,測定結果につき説明する。表1,表
2において,比較例C1〜C5はMnのみ,実施例1〜
5,6〜10,11〜15は,それぞれMnとSb,N
b,Wの添加量を3〜15mol%変化させたものを示
す。比較例C1〜5においては,Mn添加量の増加に伴
い機械的品質係数は向上しているが,9mol%で85
0となり,それ以上の添加をしても頭打ち傾向となる。 また,圧電定数の低下は著しく,15mol%で68×
10−12 m/Vとなった。
2において,比較例C1〜C5はMnのみ,実施例1〜
5,6〜10,11〜15は,それぞれMnとSb,N
b,Wの添加量を3〜15mol%変化させたものを示
す。比較例C1〜5においては,Mn添加量の増加に伴
い機械的品質係数は向上しているが,9mol%で85
0となり,それ以上の添加をしても頭打ち傾向となる。 また,圧電定数の低下は著しく,15mol%で68×
10−12 m/Vとなった。
【0013】次に,実施例1〜5については,Mn1/
3 Sb2/3 の添加量増加に伴い機械的品質係
数は向上し,15mol%添加時に1750を示してい
る。また,その時の圧電定数は135×10−12m/
Vの高い値を示している。次に,実施例6〜10,11
〜15について説明する。この場合も,それぞれ,Mn
1/3 Nb2/3 ,Mn1/2 W1/2 の
添加量増加に伴い機械的品質係数は向上し,15mol
%添加時に1550,1450の高い値を示し,また圧
電定数はそれぞれ106×10−12 ,108×10
−12m/Vを示している。
3 Sb2/3 の添加量増加に伴い機械的品質係
数は向上し,15mol%添加時に1750を示してい
る。また,その時の圧電定数は135×10−12m/
Vの高い値を示している。次に,実施例6〜10,11
〜15について説明する。この場合も,それぞれ,Mn
1/3 Nb2/3 ,Mn1/2 W1/2 の
添加量増加に伴い機械的品質係数は向上し,15mol
%添加時に1550,1450の高い値を示し,また圧
電定数はそれぞれ106×10−12 ,108×10
−12m/Vを示している。
【0014】以上に示した比較例(Mn単独添加)と実
施例1〜5につき,第3成分の添加量と機械的品質係数
又は圧電定数との関係を図1,図2に示す。また,実施
例6〜10,11〜15につき,同様に図3,図4に示
す。これらの図からも知られるごとく,Mnを単体で添
加する場合に比して,MnとSbを同時に添加した方が
機械的品質係数,圧電定数が共に大きくなっている。ま
た,MnとNb,MnとWに関しても同じ結果が得られ
ている。なお,上記の第3成分の添加は,上記実施例に
示したもののみでなく,複合ペロブスカイトを形成する
第3成分すべてに対して適用しうるものである。
施例1〜5につき,第3成分の添加量と機械的品質係数
又は圧電定数との関係を図1,図2に示す。また,実施
例6〜10,11〜15につき,同様に図3,図4に示
す。これらの図からも知られるごとく,Mnを単体で添
加する場合に比して,MnとSbを同時に添加した方が
機械的品質係数,圧電定数が共に大きくなっている。ま
た,MnとNb,MnとWに関しても同じ結果が得られ
ている。なお,上記の第3成分の添加は,上記実施例に
示したもののみでなく,複合ペロブスカイトを形成する
第3成分すべてに対して適用しうるものである。
【0015】
【表1】
【0016】
【表2】
【図1】比較例C1〜C5及び実施例1〜5における,
第3成分添加量と機械的品質係数との関係を示す線図。
第3成分添加量と機械的品質係数との関係を示す線図。
【図2】図1と同様の第3成分添加量と圧電定数との関
係を示す線図。
係を示す線図。
【図3】実施例6〜10,11〜15における第3成分
添加量と機械的品質係数との関係を示す線図。
添加量と機械的品質係数との関係を示す線図。
【図4】図3と同様の第3成分添加量と圧電定数との関
係を示す線図。
係を示す線図。
Claims (2)
- 【請求項1】 PZT圧電セラミック材料成分に対し
て,マンガン酸化物と,マンガンと複合ペロブスカイト
を形成する添加物質とからなる第3成分を添加してなり
,かつ該第3成分におけるマンガン酸化物と添加物質と
はペロブスカイトの組成比であることを特徴とするPZ
T圧電セラミック材料。 - 【請求項2】 PZT圧電セラミック材料成分に対し
て,マンガン酸化物と,マンガンと複合ペロブスカイト
を形成する添加物質とからなる第3成分を,該第3成分
におけるマンガン酸化物と添加物質との割合がペロブス
カイトの組成比となるように添加,混合し,その後焼成
することを特徴とするPZT圧電セラミック材料の製造
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3074547A JPH04300246A (ja) | 1991-01-30 | 1991-03-14 | Pzt圧電セラミック材料及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3-32006 | 1991-01-30 | ||
JP3200691 | 1991-01-30 | ||
JP3074547A JPH04300246A (ja) | 1991-01-30 | 1991-03-14 | Pzt圧電セラミック材料及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04300246A true JPH04300246A (ja) | 1992-10-23 |
Family
ID=26370517
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3074547A Pending JPH04300246A (ja) | 1991-01-30 | 1991-03-14 | Pzt圧電セラミック材料及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04300246A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0959060A (ja) * | 1995-08-24 | 1997-03-04 | Nec Corp | 圧電磁器組成物 |
-
1991
- 1991-03-14 JP JP3074547A patent/JPH04300246A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0959060A (ja) * | 1995-08-24 | 1997-03-04 | Nec Corp | 圧電磁器組成物 |
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