(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式がａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００ｍｏｌ％）で示され、ａが４６.０〜６０.０ｍｏｌ％、ｂが３５.０〜５２.０ｍｏｌ％、ｃが２.０〜５.０ｍｏｌ％の主成分からなり、副成分として、主成分の重量に対して、０.５ｗｔ％以下のＦｅ2Ｏ3、２.２ｗｔ％以下のＳｍ2Ｏ3［但し、Ｓｍ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3＝１.０〜４.４（ｗｔ％）］を含有し、機械的結合係数Ｑｍの−３０°Ｃ〜＋８０°Ｃでの温度係数ΔＱｍ／Ｑｍが５０％以下であることを特徴とする圧電磁器材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動ジャイロに使用される圧電磁器材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電振動子を用いた小型で低価格の圧電ジャイロが市場に提供されるようになり、携帯ビデオカメラ及び携帯カメラの手ぶれ防止や自動車のナビゲーションシステム、ＡＢＳシステムに活用されている。これらの圧電ジャイロは、現在、大きく次のような４方式に分類され、実用化されている。
【０００３】
１）恒弾性金属の音叉に圧電セラミックを貼り付けた振動子で直行する２方向の振動モ−ドを利用して一方を駆動、他方を角速度で発生するコリオリ力で誘起する直交方向の振動から角速度を検出に用いる方式、
２）恒弾性金属の四角柱に圧電セラミックを接合し、棒の屈曲振動を発生させコリオリ力で発生する直交した屈曲振動を別の圧電セラミックで検出する方式、
３）圧電セラミックの円柱に交差指電極を表面に長さ方向に形成し分極してなる振動子で一組の電極で一方向の屈曲振動を発生させ、他の二組の電極で一方向の屈曲振動を発生させ、他の二組の電極で発生電圧を検出する構成でコリオリ力に応じて発生する直交方向の振動の効果で検出側の出力のアンバランスから出力電圧差を検出し、角速度を検出する方式、
４）２）と３）の折衷方式として、恒弾性金属の三角柱の側面に圧電セラミック板を３枚接合し、１枚を駆動用、他の２枚を検出用に用いる方式、である。
【０００４】
特に、３）の方式（以降、セラミック丸棒方式と呼称）は、接着工程を必要とせず、構成が単純で、信頼性が高い利点を有する。しかし一方で、振動子特性の全てが圧電セラミックの材料特性で決定されるため、使用できる材料の選択範囲は著しく限定されるという欠点がある。
【０００５】
セラミック丸棒方式による振動ジャイロの特性は、圧電セラミックの材料特性に密接に関連する。特に、機械的品質係数（以下、Ｑｍとする）は、感度（以下、Ｓとする）の大きさに比例するが、一般に圧電セラミックのＱｍの温度係数（以下、ΔＱｍ／Ｑｍとする）は大きく、中には、使用温度量域内で数百％になる材料もある。この場合、Ｓの温度変化（以下、△Ｓ／Ｓとする）も大きくなり、実用上の問題が発生する。対策として、駆動電圧に△Ｑｍ／Ｑｍと逆の温度特性を持たせ△Ｓ／Ｓを補正することで出力の温度変動を抑制できる。しかしながら、この場合、駆動電圧が温度によって変動することになり、安定な動作が得られにくくなる。特に、カーナビゲーションへの応用の場合、ヌル電圧の変動（以下、△Ｎとする）が位置精度の誤差要因となる実用上の問題があるが駆動電圧が変動することは、この△Ｎの大きな要因となる。
【０００６】
また、共振周波数の温度変化（以下、Ｔｋｆｒとする）も駆動周波数の変動要因となり、感度及びヌル電圧の変動要因になる。更に、Ｓを決める要素として、Ｑｍの絶対値と電気機械結合係数（以下、Ｋｐとする）がある。基本的には、Ｑｍが大きく、Ｋｐも大きい方が好ましい。従って、一定値以上のＱｍを有し、△Ｑｍ／Ｑｍが少なく、Ｔｋｆｒも小さい圧電磁器材料を提供することが必要である。
【０００７】
ところで、ジャイロ特性と材料特性との関連を把握するために、種々の特性を有する圧電磁器で丸棒型のジャイロを試作した。材料特性については、表１に示すような条件で、Ｑｍ、△Ｑｍ／Ｑｍ（％）、Ｋｐ（％）、比誘電率εｒ、Ｔｋｆｒ（ｐｐｍ／℃）を測定した。また、ジャイロ特性については、表２に示すように、３φ×３５ｍｍＬの圧電セラミック丸棒を用い、６分割電極、交差長２０ｍｍ、駆動入力１Ｖ、検出増幅度（ゲイン）１００ｄＢの条件で、Ｓ（ｍＶ／ｄｅｇ／秒）、ΔＳ／Ｓ（％）、ΔＮ（ｄｅｇ／秒）を測定した。その結果を表３に示す。
【０００８】
0003802610.tif 000002
【０００９】
0003802610.tif 000003
【００１０】
【表３】
0003802610.tif 000004
【００１１】
表３から、材料特性とジャイロ特性の関連について、以下のように結論付けられる。
１）Ｓは、Ｑｍに強く支配される。又、Ｑｍが同じ程度の場合、Ｋｐが小さい方がＳが高い傾向にある。
２）Ｓは、εｒに依存する。
３）ΔＳ／Ｓは、ΔＱｍ／Ｑｍに支配され、ΔＱｍ／Ｑｍが小さいほど、小さくなる。
４）ΔＮはＴｋｆｒに強く支配され、Ｔｋｆｒが小さいほど、小さくなる。
５）Ｓ／Ｎ比は、Ｓに比例し、Ｓが大きいほど、大きくなる。
【００１２】
以上の実験結果から、カーナビゲーションに使用できる感度が高く、その温度変動も小さく、△Ｎの小さい丸棒型圧電ジャイロを実現するための規格として、Ｓ＞１５、ΔＳ／Ｓ＜５０、ΔＮ＜５、Ｓ／Ｎ＞１０が設定できる。
【００１３】
また、従来は、ΔＱｍ／Ｑｍ、Ｔｋｆｒを両立させた材料は提供されていなかった。
【００１４】
又、ΔＱｍ／Ｑｍが安定しないため、温度補正回路が必要となっていた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、上記の材料特性を満足し、ヌル電圧の変動が抑制され、高精度で安価な圧電振動ジャイロが得られる圧電磁器材料を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決するための種々の検討を行った結果、組成式ａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3において、
ａ：４６.０〜６０.０ｍｏｌ％
ｂ：３５.０〜５２.０ｍｏｌ％
ｃ：２.０〜５.０ｍｏｌ％（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００ｍｏｌ％）
とする主成分と、主成分を重量で１００％としたとき、
Ｆｅ2Ｏ3：０.５ｗｔ％以下
Ｓｍ2Ｏ3：２.２ｗｔ％以下
［但し、Ｓｍ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3＝１.０〜４.４（ｗｔ％比）］
として添加された副成分とを含むことにより、温度安定性の高いジャイロを提供できる圧電磁器材料が得られることを見い出した。
【００１７】
即ち、本発明は、組成式がａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００ｍｏｌ％）で示され、ａが４６.０〜６０.０ｍｏｌ％、ｂが３５.０〜５２.０ｍｏｌ％、ｃが２.０〜５.０ｍｏｌ％の主成分からなり、副成分として、主成分の重量に対して、０.５ｗｔ％以下のＦｅ2Ｏ3、２.２ｗｔ％以下のＳｍ2Ｏ3［但し、Ｓｍ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3＝１.０〜４.４（ｗｔ％）］を含有し、機械的結合係数Ｑｍの−３０°Ｃ〜＋８０°Ｃでの温度係数ΔＱｍ／Ｑｍが５０％以下であることを特徴とする圧電磁器材料である。
【００１８】
一般に、圧電材料は、ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の固溶体（二成分系ＰＺＴセラミック）に、複合ペロブスカイト化合物を一種もしくは複数種固溶させることにより、二成分系では得られなかった誘電的、圧電的な特性改善がなされて広く実用に供されている。
【００１９】
ジャイロ用材料を考えた場合、第３成分として、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3を固溶させたＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3系圧電セラミックが数百〜数千Ｑｍと高い誘電的、圧電的な特性が得られるという、ハード材料としての特徴を持つ点で望ましい。
【００２０】
しかし、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3の比率が５.０ｍｏｌ％を越えると、ΔＱｍ／Ｑｍが大きくなり、ジャイロの感度及びヌル電圧の温度安定性が低下するため適当でない。さらに、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3が２.０ｍｏｌ％未満になると、Ｑｍが５００以下になり、ジャイロ感度が低下してしまうので望ましくない。ＰｂＴｉＯ3とＰｂＺｒＯ3の比率も本請求の範囲を越えると、Ｋｐやεｒが低下し、十分な感度が得られなくなるため適さない。
【００２１】
又、副成分として、Ｆｅ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3をＳｍ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3＝１.０〜４.４（ｗｔ％比）となるように添加したのは、Ｔｋｆｒを改善し、１００ｐｐｍ／℃以下とするためである。即ち、本特許請求の範囲の主成分の組成では、Ｔｋｆｒが大きい範囲も含まれており、感度及びヌル電圧の温度安定性が低下するためである。
【００２２】
以上の構成による圧電磁器を丸棒型圧電振動ジャイロに使用した場合、適度のＫｐ、及びＱｍにより高い感度を示すと同時に、共振周波数の安定性から△Ｎが抑制される。又、Ｑｍの温度安定性が得られ、温度補正回路が不用となる。この場合、駆動電圧の安定性が得られるので、△Ｎの他の要因も改善できる。従って、本発明により、ヌル電圧の安定性が得られ、カーナビゲーションにも対応できる高精度で安価な圧電振動ジャイロが提供できる。
【００２３】
【実施例】
主成分及び副成分の原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｎＣＯ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3を目的の組成となるように秤量した。この原料粉末をジルコニアボールとともにアクリルポット中に入れ、２０時間湿式混合した。次に、この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で８００℃、２時間の予焼を行った。次に、この予焼粉末をアクリルポット中ジルコニアボールにて１５時間湿式粉砕した。続いて蒸発乾燥し、得られた粉砕粉末にバインダを混合して加圧し、φ２０×１５ｍｍ厚に成形した。この成形体を１２００〜１２６０℃で２時間焼成し、得られた焼結体を１ｍｍの厚さに加工した後、両面に銀ペースト塗布し、４５０℃で焼き付けて電極を形成し、試料とした。
【００２４】
このようにして得られた試料を、１００℃、４ｋＶ／ｍｍ、１５分で分極処理し、εｒ、Ｋｐ、Ｑｍを測定した。更に、この試料を２×１０ｍｍの矩形状に切断し、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲でＱｍと共振周波数ｆｒを測定し、ΔＱｍ／Ｑｍ及びＴｋｆｒを求めた。測定結果を表４に示す。
【００２５】
【表４】
0003802610.tif 000005
【００２６】
表４から、本発明の圧電磁器材料に関して、組成範囲を決定する理由として、排除されるべき、以下の（１）〜（３）の不適事項を列挙することができる。即ち、３０≦Ｋｐ≦６０、εｒ≧５００、Ｑｍ≧５００、Ｔｋｆｒ≦１００、ΔＱｍ／Ｑｍ≦５０を満たさない場合、本発明の請求範囲から除外することとした。
【００２７】
１）ＰｂＴｉＯ3量ａが４６.０ｍｏｌ％未満の場合、及びＰｂＺｒＯ3量ｂが５２.０ｍｏｌ％を越えた場合、εｒが低下するため、好ましくない（Ｎｏ.５）。又、ａが６０.０ｍｏｌ％を越えた場合、ｂが３５.０ｍｏｌ％未満の場合では、Ｋｐが低い値となるため、好ましくない（Ｎｏ.８）。
２）Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3量ｃが２.０ｍｏｌ％未満の場合では、Ｑｍが低い値となるため、望ましくない（Ｎｏ.１）。又、５.０ｍｏｌ％を越えた場合、△Ｑｍ／Ｑｍが大きくなり、好ましくない（Ｎｏ.４）。
３）Ｓｍ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3＝１.０〜４.４（ｗｔ％比）の範囲を越えると、Ｔｋｆｒの改善がなされず、適さない（Ｎｏ.９，Ｎｏ.１２）。更に、Ｆｅ2Ｏ3が０.５ｗｔ％を越えると、Ｋｐが低下するため、望ましくない（Ｎｏ.１３）。
【００２８】
又、本発明の材料について、ジャイロ特性を評価した結果を表５に示した。
【００２９】
【表５】
0003802610.tif 000006
【００３０】
表５より、Ｓ＞１５、ΔＳ／Ｓ＜５０、ΔＮ＜５、Ｓ／Ｎ＞１０を満たしていることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ヌル電圧の変動が抑制され、高精度で安価な圧電振動ジャイロが得られる圧電磁器材料を提供することができた。