(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｘＡｌｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物（但し、ＭはＳｒ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａの群から選ばれた１種類以上の元素、ｘ，ｙは１以上２０以下の値をとる。）の一部を、希土類或いは遷移金属の元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換したことを特徴とする電歪材料。
【請求項２】
Ｂａ，Ｍｇ，Ｓｉ及び酸素とで構成した化合物の一部を、希土類或いは遷移金属の元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換したことを特徴とする電歪材料。
【請求項３】
ＺｎｘＡｌｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物（但し、ｘ，ｙは１以上２０以下の値をとる。）の一部を、希土類或いは遷移金属元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換したことを特徴とする電歪材料。
【請求項４】
ＭｇｘＧａｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物（但し、ｘ，ｙは１以上２０以下の値をとる。）の一部を、希土類或いは遷移金属元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換したことを特徴とする電歪材料。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の電歪材料をポリマーに分散させることによって有機無機複合型に構成したことを特徴とする電歪材料。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかの組成になるように配合した電歪材料を合成するための原料を混合した後、酸化雰囲気中において２００〜１５００℃で焼成し、次に還元雰囲気中または真空中において５００〜２０００℃で焼成することを特徴とする電歪材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全く新しい電気誘起歪み材料およびその製造方法に関するものであり、更に具体的には、電歪効果を利用した電歪アクチュエータ等に用いるのに適した電歪材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電歪材料としてマグネシウムニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）が知られている。これは一般的にＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型化合物であり、その構造はＡが単純格子を形成し、その体心位置にＢが、さらに面心位置にＯが位置するものである。
また、マグネシウムニオブ酸鉛のＢサイト、つまりペロブスカイト型化合物の単純格子の体心位置の一部をチタンで置換した、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）１−ＸＴｉＸＯ３系の材料も電歪材料として使用されている。たとえば、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．９Ｔｉ０．１Ｏ３は、電界に対する歪み量が１．０ｋＶ／ｍｍの電界で１．２×１０−３の電歪効果を有し、入力電界に対する歪みが大きく、かつヒステリシスが小さい材料として電歪型アクチュエータに利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、精密制御、光学機器等の分野では精密な変位素子の必要性が高まり、これに電歪効果を利用した変位駆動素子を用いることが研究展開されている。このような分野に使用される電歪材料としては、低電圧で駆動できて電気歪みが大きく、また、リニアリティを高めるために温度依存性やヒステリシスが小さいことが要求される。しかし、これら高性能化の要求に対して従来の電歪材料は十分な特性を有していない。つまり、従来の電歪材料の歪み量は高くても２×１０−３しかなく、そのためこれら材料を電歪アクチュエータとして利用する場合には、変位量が小さく、駆動電圧が大きくなるという問題があった。
さらに、環境保全の観点から、従来の鉛系電歪材料に変わる非鉛系材料の開発が非常に重要な課題として注目されている。
【０００４】
本発明はこのような現状に鑑み発明されたもので、印加電界に対する歪みが大きく、かつ非鉛系材料で、温度依存性やヒステリシスの小さい、斬新な電歪材料とその製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の電歪材料は、ＭｘＡｌｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物（但し、ＭはＳｒ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａの群から選ばれた１種類以上の元素、ｘ，ｙは１以上２０以下の値をとる。）の一部を、希土類或いは遷移金属元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換し、或いは、Ｂａ，Ｍｇ，Ｓｉ及び酸素とで構成した化合物、ＺｎｘＡｌｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物、またはＭｇｘＧａｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物（但し、いずれの場合もｘ，ｙは１以上２０以下の値をとる。）の一部を、希土類或いは遷移金属元素の１種類以上の０．００１〜２０ｍｏｌ％で置換したことを特徴とするものである。
上記電歪材料は、それをポリマーに分散させることによって加工しやすい有機無機複合型電歪材料とすることができる。
【０００６】
また、上記目的を達成するための電歪材料の製造方法は、上述の組成になるように配合した、電歪材料を合成するための原料を混合した後、酸化雰囲気中において２００〜１５００℃で焼成し、次に還元雰囲気中または真空中において５００〜２０００℃で焼成することを特徴とするものである。
【０００７】
上述した本発明の電歪材料及びその製造方法によれば、従来の電歪材料に比べて最大歪み量が遥かに大きいものを得ることができ、しかも、熱的・化学的安定を有していて温度依存性やヒステリシスが小さいばかりでなく、非鉛系材料で安全である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
電歪材料とは、結晶に電界を印加した際、電界の二乗化に比例した形の歪を示す物質であり、これは圧電型と電歪型に分類できる。電歪型材料は、圧電型において必要とされる分極処理操作が不要で、電界の極性を問わない（歪の形が左右対称）、歪のヒステリシスがほとんどない、などの特徴がある。一方、電歪型材料は誘電率が大きく、温度に依存するため、電歪特性の温度依存性が大きい欠点がある。電歪型材料としては、現在では、リラクサ型誘電体で特に大きな電歪歪を示すことが知られている。代表的な物質としては、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ−ＰＴ））固溶体が知られており、この固溶体は０．９１ＰＭＮ・０．０９ＰＴ組成付近において室温で大きな電界誘起歪を示す。この材料の問題点としては、歪量は比電率に強く影響されることから温度依存性が大きい、比誘電率が大きいので駆動電流が大きくなる、また、鉛系材料であるため、環境問題が残っている。
【０００９】
また、常誘電体でも電界を印加すると電歪効果を示すことが知られているが、しかし、今までは常誘電体では大きな電界誘起歪を有する材料が発見されていない。本発明は、常誘電体の中から、熱的・化学的安定である材料を広く探索することによって、今までの電歪材料系と全く異なる新しい材料系を発見することに成功したものである。
【００１０】
この新しい電歪材料は、Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｄの群、および、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｉの群からそれぞれ１種類以上の元素を選んで得た２種類以上の元素と酸素とで構成した化合物、若しくは、ＭｘＡｌｙＯ（２ｘ＋３ｙ）／２で表される化合物を主成分とする電歪材料、または、それらにＥｕ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｎｄなどの希土類元素若しくはＭｎ，Ｚｎ，Ｃｕなどの遷移金属元素の１種類以上を、０．００１〜２０ｍｏｌ％添加してなる電歪材料である。
上記希土類元素若しくは遷移金属元素を添加することにより、電歪効果を飛躍的に向上させることができ、その添加量が０．００１ｍｏｌ％以下では添加の効果がみられず、２０ｍｏｌ％を越えると結晶構造を維持できないため添加効果が小さくなる。
【００１１】
上記電歪材料を製造するための出発原料としては、ＳｒＣＯ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＢａＣＯ３，Ｅｕ２Ｏ３などの各種酸化物を用いることができるが、これらに限らず、最終的に酸化物になるものであればほかの化合物を使用することができる。
上記電歪材料を製造するには、適宜選択した出発原料を所要の組成になるように秤量、配合し、それを充分に混合、乾燥したうえで、酸化雰囲気中において、２００℃〜１５００℃で仮焼し、得られた仮焼物を、必要に応じて再び粉砕・混合して所要形状に成形し、その仮焼物或いは成形体を還元雰囲気中において、５００〜２０００℃で焼成する。
【００１２】
加工しやすい電歪材料を合成するためには、上記の電歪材料のセラミックス粉末を樹脂やゴムなどのポリマーに分散させることによって有機無機複合型電歪材料とするのが有利である。上記ポリマーとしては、樹脂、ゴム、セルロス、ＰＶＤＦ，ＰＴＦＥが適しており、混合比はポリマーの種類によって異なり、重量比で１〜９９％と広い範囲で選ぶことができる。
【００１３】
上記方法によって得られた電歪材料をポリマーに分散させて有機無機複合型電歪材料とするためには、その電歪材料粉末の所要量をポリマーと混合し、そのポリマーに応じた溶媒を添加し、また適温に加熱することにより、板状その他の所要形状に成形すればよい。
【００１４】
【実施例】
以下に実施例によって本発明を更に具体的に説明する。
〔セラミックス系電歪材料〕
原料としては、ＳｒＣＯ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＢａＣＯ３，Ｅｕ２Ｏ３の各種酸化物を用いた。出発原料を表１に示した組成になるように秤量し、エタノール中で充分に混合した後、１２０℃で乾燥し、９００℃で約１時間を仮焼した。得られた仮焼物を再び粉砕・混合し、直径２０ｍｍ、厚さ約２ｍｍの円板形状に成形し、この成形体を還元雰囲気（５％Ｈ２を含んだＡｒ、１００ｍｌ毎分）中において、１３００℃で４時間焼成した。なお、試料１−８は融点が低いため、１１００℃で４時間焼成した。それらの焼結体を厚さ１ｍｍに研磨した後、表裏面にＡｕ電極を作製し、０．１Ｈｚ，±１ｋＶ／ｍｍの三角波を印加して、レザー変位計で歪み量を測定した。結果を図１に示す。表１に作製した電歪材料セラミックスの最大歪み量を示すが、この最大歪み量は、図１に示した測定値より求めたものである。
【００１５】
【表１】
0003569742.tif 000002
【００１６】
表１からわかるように、最大歪み量は１０−２になり、これは従来のセラミックス材料より十倍も高いものである。これより、本発明の電歪材料は巨大電歪効果を示す画期的な電歪材料であることがわかった。
【００１７】
〔有機無機複合型電歪材料〕
まず、電歪材料粉末を下記のような手順で調整した。出発原料は、ＳｒＣＯ３，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＢａＣＯ３，Ｅｕ２Ｏ３の各種酸化物を用いた。出発原料を表２に示した組成になるように秤量し、充分に混合した後、１２０℃で乾燥し、６００℃で約１時間を仮焼し、さらに還元雰囲気（５％Ｈ２を含んだＡｒ、１００ｍｌ毎分）中において、１３００℃で４時間焼成した。なお、試料２−８は融点が低いため、１１００℃で４時間焼成した。生成物は粉砕・分級し、電歪材料粉末とした。
【００１８】
次に、上記電歪材料粉末は、ポリマーの混合物（８０％ＰＶＤＦ＋２０％ＰＴＥＦ）と重量比で５：５で混合した後、１２０℃で直径２０ｍｍ厚み約２ｍｍの円板形状に成形した。それらの成形体を、前記セラミックス系電歪材料と同様に、厚さ１ｍｍに研磨した後、表裏面にＡｕ電極を作製した。次に、０．１Ｈｚ，±１ｋＶ／ｍｍの三角波を印加し、レザー変位計で歪み量を測定した。表２中の最大歪み量はセラミックス系電歪材料の場合と同様に測定し、その測定値より求めた。
このように、セラミックス系電歪材料粉末とポリマーとによって有機・無機複合材料とすることにより、成形が非常に簡単で、加工が容易になる利点がある。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、電界に対して歪みが大きく、最大歪み量は従来のものに比べて遥かに大きいものを得ることができ、また、鉛フリーで、化学的、熱的安定であるため、環境に優しい安全な非鉛系の優れた電歪材料として、電歪アクチュエータ、種々の制御プロセスなどへの広い応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる電歪材料の印加電界に対する歪み量を示したグラフである。
【図１】
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