(57)【特許請求の範囲】
【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＝１．００で、０．９７≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）＜１．００５）であり、
前記組成式において、前記（Ｂ3+1/2 ・Ｂ5+1/2 ）は、（Ｓｂ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｂｉ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｌａ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｓｂ1/2 ・Ｔａ1/2 ）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圧電磁器組成物。
【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、ＰｂＴｉＯ3 −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（Ｎｉ1/3 ・Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 、Ｐｂ（Ｍｇ1/3 ・Ｎｂ2/3 ）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〕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、前記組成式において、（Ｂ3+1/2 ・Ｂ5+1/2 ）を、（Ｓｂ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｂｉ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｌａ1/2 ・Ｎｂ1/2 ）、（Ｓｂ1/2 ・Ｔａ1/2 ）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ＰｂＯ、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）、反共振周波数（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（εｓ）、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】
0003771776.tif 000002
【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＝１０ｍｍ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、Ｎｏ．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Ｄ31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Ｄ31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Ｄ31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Ｄ31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Ｄ31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Ｎｏ．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．１９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。
【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
【図１】
0003771776.tif 000003
【図２】
0003771776.tif 000004
【図３】
0003771776.tif 000005
【図４】
0003771776.tif 000006
【図５】
0003771776.tif 000007
【図６】
0003771776.tif 000008