特許 5935187 圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5935187

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/491 20060101AFI20160602BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20160602BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20160602BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/49 A

   H01L41/18 101D

   H01L41/18 101J

   H01L41/08 M

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-178205(P2012-178205)

(22)【出願日】2012年8月10日

(65)【公開番号】特開2014-34507(P2014-34507A)

(43)【公開日】2014年2月24日

【審査請求日】2015年7月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(72)【発明者】

【氏名】武井 義文

(72)【発明者】

【氏名】浅井 義博

(72)【発明者】

【氏名】片岡 昌子

(72)【発明者】

【氏名】加藤 友好

【審査官】 末松 佳記

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−１８７１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２９８０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４９４８７６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１０４５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１８１０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２２５３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５５０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３１５６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３３１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２３６６５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５９−１８１５８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／４９−３５／４９３

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＺＴ系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスであって、
組成元素にＰｂ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含み、
比誘電率が３０００以上で、圧電歪定数ｄ_３１が２００以上であり、
室温において、電圧印加の保持時間を１秒としたとき、絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧が６７０Ｖ／ｍｍ以上であることを特徴とする圧電セラミックス。

【請求項2】

（１０１）面によるＸ線の回折ピーク位置が２θ＝３１．２〜３１．５度の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の圧電セラミックス。

【請求項3】

バイモルフ構造を有する圧電アクチュエータであって、
金属製で弾性を有するシム板と、
前記シム板の両主面に設けられ、請求項１または請求項２記載の圧電セラミックスにより形成された圧電素子と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＰＺＴ系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスおよびこれを用いたバイモルフ構造を有する圧電アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、高い圧電特性を有することから、いわゆるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とし、ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスが、圧電アクチュエータ用材料として用いられている。

【0003】

たとえば、特許文献１には、ｘＰｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ｙＰｂＴｉＯ_３−ｚＰｂＺｒＯ_３系磁器組成物のうち、Ｐｂ原子の一部をＳｒ、Ｂａ、Ｃａ群から選ばれた少なくとも１つの原子で２０原子％まで置換され、ｘ＝８７．５〜１、ｙ＝８１．３〜０、ｚ＝９５．０〜０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（いずれもモル％）、である強誘電性磁器組成物が開示されている。このような組成により、その電気機械結合係数、誘電率を大きくし、共振抵抗を小さくしている。

【0004】

特許文献２には、（Ｐｂ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａ）（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）_ｘＴｉ_ｙＺｒ_ｚＯ_３で表される酸化物組成物において、ｂ＝０．００５〜０．０５であって、Ｍは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａのうち少なくとも１種の原子であり、ａ＝０．０１〜０．１、ｘ＝０．１０〜０．５０、ｙ＝０．３０〜０．５０、ｚ＝０．１０〜０．５０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１（いずれも原子比）であるチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物組成物が開示されている。このような組成により、比誘電率および電気機械結合係数を大きくしている。

【0005】

特許文献３には、（Ｐｂ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙＭ_ｚ）Ｏ_３＋ｚ′〔式中、ＭはＮｂ、Ｓｒ、ＴａまたはＬａから選ばれる１種以上の元素を表わし、０．０８≦ｘ≦０．１４、０．４９≦ｙ−０．５ｘ≦０．５１、０．００５≦ｚ≦０．０２、ｚ′はＬａが３／２ｚ、ＭがＳｂ、Ｔａ又はＮｂのとき５／２ｚのようにＭ_ｚＯ_ｚ′を化学量論的化合物にする値である。〕で表される組成を有することを特徴とする圧電磁器組成物が開示されている。これにより、圧電歪み定数が大きく、キュリー温度が高く、特に自動車等に用いるのに適した材料を提供可能にしている。

【0006】

特許文献４には、組成式Ｐｂ_ｚ〔（Ｔｉ_ｘＺｒ_１−ｘ）_１−ｙＭ_ｙ〕Ｏ_３（ただし、Ｍは、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｗのうち少なくとも１種）の組成で表される積層圧電素子用圧電磁器組成物が開示されている。その組成式中のｘ、ｙは、０．４５≦ｘ≦０．５２、０．００５≦ｙ≦０．０３であり、かつ、その組成式中のｚが０．９５≦ｚ≦０．９９８となるようにＰｂを化学量論組成より減じている。これにより、変位性能、耐熱性に優れかつ低消費電力のアクチュエータを提供可能にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特公昭４４−１７１０３号公報

【特許文献2】特公平４−７８５８２号公報

【特許文献3】特公平７−１１０７８６号公報

【特許文献4】特許４７５２１５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記の特許文献１、２記載の材料を圧電アクチュエータに用いた場合、比誘電率が大きく、ｄ定数も大きいことから、十分な駆動変位が得られる。しかしながら、圧電素子を駆動する際には、圧電体に分極方向と逆方向に電圧をかけ続けるため、駆動に伴い減極が発生し、駆動変位が低下する。一方、特許文献３、４記載の材料を用いた場合には、キュリー温度が高い等の特性を有することから減極を低減できると考えられるが、圧電特性が特許文献１、２記載の材料より劣っている。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、大きい比誘電率およびｄ定数を有し、駆動に伴い発生する減極を低減できる圧電セラミックスおよびこれを用いた圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電セラミックスは、ＰＺＴ系ペロブスカイト構造を有する圧電セラミックスであって、組成元素にＰｂ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含み、比誘電率が３０００以上で、圧電歪定数ｄ_３１が２００以上であり、室温において、電圧印加の保持時間を１秒としたとき、絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧が６７０Ｖ／ｍｍ以上であることを特徴としている。

【0011】

このように、本発明の圧電セラミックスは、比誘電率およびｄ定数を大きくしつつ、分極方向に対する逆電圧の印加に伴い発生する減極を低減できる。その結果、圧電アクチュエータの駆動性能を向上できる。

【0012】

（２）また、本発明の圧電セラミックスは、（１０１）面によるＸ線の回折ピーク位置が２θ＝３１．２〜３１．５度の範囲内であることを特徴としている。このような構造を有することにより、高い圧電特性を維持することができる。

【0013】

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、バイモルフ構造を有する圧電アクチュエータであって、金属製で弾性を有するシム板と、前記シム板の両主面に設けられ、上記の圧電セラミックスにより形成された圧電素子と、を備えることを特徴としている。これにより、高い駆動性能を有しつつ、駆動に伴い発生する減極を低減する圧電アクチュエータを実現できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、大きい比誘電率およびｄ定数を有し、駆動に伴い発生する減極を低減する圧電セラミックスを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】（ａ）〜（ｄ）いずれも各条件で作製した試料の圧電特性の測定結果を示すグラフである。

【図2】実験の構成を示す回路図である。

【図3】室温（２５℃）における各印加電圧による逆電圧印加時の絶縁抵抗を示すグラフである。

【図4】各温度での絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧を示すグラフである。

【図5】３１°付近における各試料の回折Ｘ線ピークを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0017】

（圧電セラミックスの構成）
本発明の圧電セラミックスは、ＰＺＴ系ペロブスカイト構造を有し、高い圧電特性を有するとともに、駆動に伴い発生する減極を低くすることができる。特に、バイモルフ型圧電アクチュエータの圧電素子への適用に好適である。

【0018】

この圧電セラミックスは、組成元素にＰｂ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含んで構成されている。そして、比誘電率が３０００以上で、圧電歪定数ｄ_３１が２００以上であり、室温において、電圧印加の保持時間を１秒としたとき、絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧が６７０Ｖ／ｍｍ以上である。このように、大きい比誘電率およびｄ定数を維持しつつ、分極方向に対する逆電圧の印加に伴い発生する減極を低減できる。

【0019】

このように比誘電率およびｄ定数が大きいため、圧電アクチュエータの駆動性能を向上できる。このような特性を実現できるのは、圧電セラミックスを構成する結晶粒子が、圧電特性の高い結晶構造を有するためと考えられる。なお、各結晶粒子は、ペロブスカイト型の正方晶系結晶構造を有し、（１０１）面によるＸ線の回折ピーク位置が２θ＝３１．２〜３１．５度の範囲内に生じる。この結晶粒子の構造は、圧電セラミックス全体で一様である。また、電気機械結合係数ｋｒは６０％以上である。

【0020】

また、室温において、電圧印加の保持時間１秒としたときの絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧が６７０Ｖ／ｍｍ以上である。このような圧電セラミックスをバイモルフ型圧電アクチュエータに利用した場合には、十分な駆動変位を保ったまま、減極速度を低減できる。なお、電圧印加の保持時間１秒としたときの絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧は７００Ｖ／ｍｍ以上であればさらに好ましい。

【0021】

（圧電セラミックスおよび圧電アクチュエータの製造方法）
まず、構成される元素の配合比が下記条件の（１）を満たす酸化物を第１の材料とし、構成される元素の配合比が下記条件の（２）を満たす酸化物を第２の材料としたときに、第１の材料となるようにＰｂ、Ｓｒ等を含む各材料を秤量、混合し、仮焼して第１の材料を有する圧電セラミックス粉末を生成する。また、同様に、第２の材料を有する圧電セラミックス粉末を生成する。

【0022】

（１）Ｐｂ_ａＳｒ_ｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）_ｃＺｒ_ｄＴｉ_ｅＯ_３
０．９２≦ａ≦０．９４、０．０４≦ｂ≦０．０６、０．３６≦ｃ≦０．３９、０．２４≦ｄ≦０．２７、０．３６≦ｅ≦０．３８、ｃ＋ｄ＋ｅ＝１
（２）Ｐｂ_ｆＳｒ_ｇＮｂ_ｈＺｒ_ｊＴｉ_ｋＯ_３
０．９５≦ｆ≦０．９８、０．０４≦ｇ≦０．０６、０．１５≦ｈ≦０．２５、０．５２≦ｊ≦０．５５、０．４５≦ｋ≦０．４８、ｈ＋ｊ＋ｋ＝１

【0023】

これらの原料粉末を、第１の材料：第２の材料＝６：４〜８：２となる所定の比率で混合する。その際には、たとえばジルコニアボール等のボールとともにミル混合する。そして、造粒したものをプレス成形し、成形体を作製する。なお、予め所定の混合比率の組成の原料粉末を準備して、成形体を作製してもよい。

【0024】

次に、成形体を１１５０℃以上１２００℃以下で焼成し、得られた圧電セラミックス焼結体を加工、研磨して、所定の電極を形成する。電極形成された焼結体を分極処理し、本発明の圧電セラミックスで圧電体を形成された圧電素子を得ることができる。焼成温度は、１２００℃付近であることが好ましい。

【0025】

なお、成形体を作製する際には、原料粉末を混合して得られたスラリーから、グリーンシートを作製し、所定の電極を印刷して、積層し、積層型圧電素子用の成形体を得てもよい。そして、焼成して電極を焼き付けた圧電素子を金属製で弾性を有するシム板の両主面に接着すれば、バイモルフ構造を有する圧電アクチュエータを作製することができる。

【0026】

（実験１：圧電特性）
次に、本発明の圧電セラミックスについて行なった実験を説明する。まず、第１の材料と第２の材料とを所定の混合比率で混合して、１２００℃または１１５０℃で焼成して圧電セラミックス焼結体のペレット試料を作製し、それぞれの混合比率と焼成温度の試料に対する密度、比誘電率、ｋｒ、ｄ_３１を測定した。

【0027】

混合比率は、それぞれ第１の材料：第２の材料＝１０：０、９：１、８：２、７：３、６：４として試料を作製した。密度の測定は、ＪＩＳ Ｒ１６３４、比誘電率、ｋｒおよびｄ_３１の測定は、、ＪＥＩＴＡ ＥＭ−４５０に基づいて行なった。

【0028】

図１（ａ）〜（ｄ）は、各条件で作製した試料の圧電特性の測定結果を示すグラフである。また、以下に示す表１は、測定結果を表で示したものである。

【表1】

【0029】

このような実験結果により、１２００℃で焼成した試料の方が緻密化が進んでおり、比誘電率、ｋｒ、ｄ_３１についても優れた結果が得られた。また、１２００℃で焼成した試料については、６：４の混合比率のものでも、比誘電率が３０００以上、ｋｒが６０％以上、ｄ_３１が２２０×１０^−１２ｍ/Ｖ以上であり、十分な圧電特性を有することを確認できた。一方、混合比率が９：１の試料は、８：２で形成されたものと圧電特性上大きく異ならないことが分かった。

【0030】

（実験２：減極速度）
上記の実験結果を考慮し、焼成温度１２００℃で混合比率１０：０、８：２、７：３、６：４の４つの試料について、減極速度に関する実験を行なった。上記条件の分極された圧電セラミックス試料を用意し、所定の逆電圧を１秒間印加し、絶縁抵抗を測定した。このようにして、絶縁抵抗が最小となるときの印加逆電圧を測定した。このようにして測定されたいわゆる「反転電圧」が高くなればなるほど、圧電セラミックスの「減極速度」は遅くなる。

【0031】

図２は、実験の構成を示す回路図である。図２に示すように、圧電セラミックス試料１０を抵抗１１およびコンデンサ１２の並列回路と仮定したときの抵抗を測定することで、絶縁抵抗を測定した。

【0032】

図３は、室温（２５℃）における各印加電圧による逆電圧印加時の絶縁抵抗を示すグラフである。図３に示すように、混合比率が、１０：０から６：４に近づくにつれて、絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧が高くなっている。

【0033】

このような測定を、温度条件を変えて４０℃、６０℃、８０℃についても行なった。図４は、各温度での絶縁抵抗が最小となる印加逆電圧を示すグラフである。また、以下に示す表２は、上記の測定結果を表で示したものである。

【表2】

【0034】

図４によれば、第１の材料と第２の材料の混合比率をｘ：（１０−ｘ）で表したときにｘ≦８を満たす組成を境にして、著しく印加逆電圧が大きくなっていることが分かる。このような傾向は、室温〜８０℃の各温度で同様であった。

【0035】

（実験３：Ｘ線回折角）
混合比率１０：０、８：２、７：３、６：４の４つの試料と、さらに第２の材料のみで形成した圧電セラミックス試料（混合比率０：１０）について、Ｘ線回折ピークを測定した。いずれの試料も１２００℃で焼成したものを使用した。

【0036】

まず、標準試料ホルダーに試料をセットし、ＭｕｌｔｉＦｌｅｘのゴニオメータに設置した。そして、固定モノクロメータで調整したＣｕＫαのＸ線を試料に入射させ、Ｘ線強度と回折角とを測定した。回折角は３°から９０°まで連続で測定した。

【0037】

図５は、３１°付近における各試料の回折Ｘ線ピークを示すグラフである。３１°付近に最も強いピークが観測されたため、図５では代表的にこれを示したものである。図５に示すように、混合比率０：１０の試料で生じた回折ピークのみ３０．９°付近に存在しており、他の試料の回折ピーク位置とは異なっている。一方、混合比率１０：０、８：２、７：３、６：４の試料で生じた回折ピークは、３１．３〜３１．４付近に存在し、８：２〜６：４の混合比率の試料を構成する結晶粒子の構造は、いずれも第１の材料のみで作製したときの圧電セラミックスの結晶構造と同等であることが確認された。

【符号の説明】

【0038】

１０ 圧電セラミックス試料
１１ 抵抗
１２ コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】