JP2820000B2 - Piezoelectric material composition for actuator - Google Patents

Piezoelectric material composition for actuator

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JP2820000B2 JP5194703A JP19470393A JP2820000B2 JP 2820000 B2 JP2820000 B2 JP 2820000B2 JP 5194703 A JP5194703 A JP 5194703A JP 19470393 A JP19470393 A JP 19470393A JP 2820000 B2 JP2820000 B2 JP 2820000B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、圧電材料組成物に関
し、さらに詳しく述べるならば、アクチュエータのよう
な圧電素子において有利に用いることのできる圧電材料
組成物に関する。本発明による圧電材料組成物は、従来
の圧電材料組成物と比較して高荷重における繰り返し使
用後の変位特性の劣化が極めて少ない。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric material composition, and more particularly, to a piezoelectric material composition that can be advantageously used in a piezoelectric element such as an actuator. The piezoelectric material composition according to the present invention has very little deterioration in displacement characteristics after repeated use under a high load as compared with the conventional piezoelectric material composition.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電材料組成物についての研究はかなり
以前から行われており、またかかる圧電材料組成物を利
用した製品は多岐にわたりかつさまざまな分野において
広く用いられている。このような圧電材料組成物を利用
した製品としては、例えば、セラミックフィルタ、ガラ
ス遅延線、超音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユ
ニット、超音波モータ、圧電ファン、圧電センサ、及び
圧電アクチュエータ等を挙げることができる。ここで、
圧電アクチュエータは、圧電現象を介して発生する変位
及び力を機械的駆動源として利用するものであり、特に
最近、メカトロニクスの分野において注目されてきてい
るものの1つである。この圧電アクチュエータは、圧電
効果を利用した固体素子であるため、磁性体にコイルを
巻いた構成を有する従来の電磁式アクチュエータと比較
して、消費電力が少ない、応答速度が速い、変位量が大
きい、発熱が少ない、寸法及び重量が小さい、等の優れ
た特徴を有している。
2. Description of the Related Art Research on piezoelectric material compositions has been conducted for a long time, and products utilizing such piezoelectric material compositions are widely used in various fields. Products using such a piezoelectric material composition include, for example, ceramic filters, glass delay lines, ultrasonic transducers, piezoelectric buzzers, piezoelectric ignition units, ultrasonic motors, piezoelectric fans, piezoelectric sensors, and piezoelectric actuators. Can be mentioned. here,
2. Description of the Related Art Piezoelectric actuators utilize displacement and force generated through a piezoelectric phenomenon as a mechanical drive source, and are one of the things that have recently attracted attention in the field of mechatronics. Since this piezoelectric actuator is a solid-state element utilizing the piezoelectric effect, it consumes less power, has a faster response speed, and has a larger displacement compared to a conventional electromagnetic actuator having a configuration in which a coil is wound around a magnetic material. It has excellent features such as low heat generation, small size and weight.

【0003】上記のような圧電素子に用い得るものとし
て、種々のタイプの圧電材料組成物が公知である。例え
ば、昭和35年に発行された特許第275421号に記載され
たPZT系セラミックスに単純酸化物を添加する技術か
ら始まって、数多くの圧電材料組成物が公知となってい
る。米国特許第 2,911,370号は、PZT系セラミックス
にニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、希土類金属等の
元素を添加したり、Pbの一部をストロンチウム(S
r)、カルシウム(Ca)等のアルカリ土類金属の元素
で置換したりして、得られる組成物の圧電定数及び誘電
率を高めることを教示している。特開昭62−298192号公
報は、アクチュエータ素子に用いられる圧電材料組成物
として、Pb(Zrx Tiy )O3 の基本組成を有する
ものを教示しており、この組成物がアクチュエータ用材
料として使用可能な圧電歪定数を有し、かつ誘電損失が
極めて低いものであることを報告している。
[0003] Various types of piezoelectric material compositions are known for use in such piezoelectric elements. For example, many piezoelectric material compositions have been known, starting from a technique of adding a simple oxide to a PZT-based ceramic described in Japanese Patent No. 275421 issued in 1960. U.S. Pat. No. 2,911,370 discloses that PZT-based ceramics may be added with elements such as niobium (Nb), tantalum (Ta), and rare earth metals, or a part of Pb may be made of strontium (S).
It teaches to increase the piezoelectric constant and dielectric constant of the resulting composition by substituting it with an element of an alkaline earth metal such as r) or calcium (Ca). JP-A-62-298192 teaches a piezoelectric material composition having a basic composition of Pb (Zr x Ti y ) O 3 as a piezoelectric material composition used for an actuator element, and this composition is used as a material for an actuator. It reports that it has a usable piezoelectric strain constant and extremely low dielectric loss.

【0004】さらに、特開平4−260662号公報は、Pb
0.89-xSr0.11Bax (Zr a Tib Scc )O3(式中、0.01≦x
≦0.04、0.545 ≦a≦0.555 、0.435 ≦b≦0.445 、0.
005 ≦c≦0.015 、a+b+c=1である)の組成式に
より表される、圧電特性が高く、特にキュリー温度の高
い、自動車の圧電アクチュエータ用として適した圧電材
料組成物を教示している。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-260662 discloses a Pb
0.89-x Sr 0.11 Ba x (Zr a Ti b Sc c ) O 3 (where 0.01 ≦ x
≤0.04, 0.545 ≤a≤0.555, 0.435 ≤b≤0.445, 0.
005 ≦ c ≦ 0.015, a + b + c = 1), and teaches a piezoelectric material composition having high piezoelectric characteristics, particularly high Curie temperature, which is suitable for a piezoelectric actuator of an automobile.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】(PbZrO3 ) x (
PbTiO3 ) 1-x で表されるPZTは、その組成比に
より2つの結晶系に分類される。すなわち、相境界(M
PB)において、このMPB組成よりPbZrO3 の過
剰な組成の菱面晶系及びPbZrO3 の少ない組成の正
方晶系である。従来、圧電材料を積層型等のアクチュエ
ータに用いる場合、その圧電特性を測定することにより
評価判断していた。この圧電特性の測定は、荷重を加え
ない状態において行われており、このような場合、例え
ば圧電材料の変位は菱面晶系よりも正方晶系の方が優れ
ており、従って従来は正方晶系のものが選択されてい
た。
[Problems to be Solved by the Invention] (PbZrO 3 ) x (
PZT represented by PbTiO 3 ) 1-x is classified into two crystal systems according to its composition ratio. That is, the phase boundary (M
In PB), a tetragonal system of rhombohedral and PbZrO 3 less composition of excess composition PbZrO 3 than the MPB composition. Conventionally, when a piezoelectric material is used for an actuator of a laminated type or the like, evaluation and judgment have been made by measuring its piezoelectric characteristics. The measurement of the piezoelectric characteristics is performed without applying a load. In such a case, for example, the displacement of the piezoelectric material is better in the tetragonal system than in the rhombohedral system, and therefore, conventionally, the tetragonal system is used. The system was selected.

【0006】しかしながら、実際のアクチュエータの使
用にあたっては、荷重を負荷した際の変位量が必要であ
り、この場合の変位量は必ずしも圧電特性とは対応して
いない。例えば、上記の特開平4−260662号公報に開示
された圧電材料組成物は、荷重を負荷した場合、変位量
が無荷重時の1/2〜1/4になり、大幅に低下してし
まう。また、繰り返し耐久使用した場合の変位特性の劣
化が大きいことも問題である。
However, in actual use of the actuator, a displacement amount when a load is applied is required, and the displacement amount in this case does not always correspond to the piezoelectric characteristics. For example, when a load is applied to the piezoelectric material composition disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-260662, the amount of displacement is reduced to 1/2 to 1/4 of that when no load is applied, and is greatly reduced. . In addition, there is a problem that the displacement characteristic is greatly deteriorated when repeatedly used for durability.

【0007】本発明の目的は、荷重を負荷した状態での
電気特性が優れ、かつ耐久使用した際の変位特性の劣化
が少ない圧電材料組成物を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a piezoelectric material composition which has excellent electric characteristics under a load and has little deterioration in displacement characteristics when used for a long time.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成すべく鋭意研究の結果、PZT系組成物におい
て、その組成を相境界より若干菱面晶側の組成にするこ
とにより、荷重を負荷した状態において優れた特性を有
し、かつ耐久使用した際の変位特性の劣化が少ないこと
を見出した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, in a PZT-based composition, by making the composition slightly rhombohedral from the phase boundary, It has been found that it has excellent characteristics under a load, and that the displacement characteristics are less deteriorated when used durably.

【0009】すなわち、本発明のアクチュエータ用圧電
材料組成物は、相境界であるMPB組成よりも菱面晶側
の組成を有することを特徴とし、、5MPa 以上の加圧下
で作動させるアクチュエータの作製に用いるものであ
。具体的には本発明の5MPa以上の加圧下で作動させ
アクチュエータ用圧電材料組成物は、下式 Pb(Zra Ti1-a )O3 (上式において、0.52<a≦0.54である) Pb1-x Srx ( Zra Ti1-a-b Nbb ) O3 (上式において、0.08≦x≦0.14、 0.555<a≦0.565 、 0.005≦b≦0.06である) Pb1-x-y Srx Bay (Zra Ti1-a-b Sbb )O3 (上式において、0.09≦x≦0.13、 0.01≦y≦0.04 0.555<a≦0.565 、 0.005≦b≦0.15である) Pb1-x-y Srx Lay (Zra Ti1-a-b b )O3 (上式において、0.09≦x≦0.13、 0<y≦0.01 0.555<a≦0.565 、 0.005≦b≦0.03であり MはSb又はNbである) Pb1-x-y Srx Bay Laz (Zra Ti1-a-b b )O3 、及び (上式において、0.09≦x≦0.13、 0≦y≦0.04 0<z≦0.01 0.555<a≦0.565 、 0.005≦b≦0.03であり MはSb又はNbである) で表される組成を有することを特徴とする。
[0009] That is, the actuator piezoelectric material composition of the present invention is characterized by having a composition of rhombohedral crystal side from the MPB composition is a phase boundary,, 5 MPa or more under pressure
Used to produce an actuator operated by
You . Specifically, the present invention is operated under a pressure of 5 MPa or more.
That the piezoelectric material composition for actuators, the formula Pb (Zr a Ti 1-a ) O 3 ( In the above formula, 0.52 <a a ≦ 0.54) Pb 1-x Sr x (Zr a Ti 1-ab Nb b in) O 3 (the above formula, 0.08 ≦ x ≦ 0.14, 0.555 <a ≦ 0.565, 0.005 ≦ b ≦ a 0.06) Pb 1-xy Sr x Ba y (Zr a Ti 1-ab Sb b) O 3 ( upper in the formula, 0.09 ≦ x ≦ 0.13, 0.01 ≦ y ≦ 0.04 0.555 <a ≦ 0.565, 0.005 ≦ b ≦ a 0.15) Pb 1-xy Sr x La y (Zr a Ti 1-ab M b) O 3 ( upper in the formula, 0.09 ≦ x ≦ 0.13, 0 <y ≦ 0.01 0.555 <a ≦ 0.565, M is 0.005 ≦ b ≦ 0.03 is Sb or Nb) Pb 1-xy Sr x Ba y La z (Zr a Ti 1 -ab M b ) O 3 , and (in the above formula, 0.09 ≦ x ≦ 0.13, 0 ≦ y ≦ 0.04 0 <z ≦ 0.01 0.555 <a ≦ 0.565, 0.005 ≦ b ≦ 0.03, and M is Sb or Nb. ) The composition represented by It is characterized by having.

【0010】本発明の圧電材料組成物は、特に自動車の
圧電アクチュエータ用として、及びその他の圧電素子用
としても利用することができる。例えば、圧電アクチュ
エータは、公知の方法を用いて、例えば圧電材料の薄板
を2枚張り合わせてバイモルフ型構造とすることによ
り、又は圧電材料の薄板を数十〜数百枚積層し、かつそ
の1枚1枚を厚み方向の分極が逆になるように交互に積
層固着させて積層型構造とすることにより製造すること
ができる。
The piezoelectric material composition of the present invention can be used particularly for a piezoelectric actuator of an automobile and for other piezoelectric elements. For example, a piezoelectric actuator may be formed by using a known method, for example, by bonding two thin plates of a piezoelectric material to form a bimorph structure, or by stacking tens to hundreds of thin plates of a piezoelectric material, and using one of them. It can be manufactured by alternately laminating and fixing one sheet so that the polarization in the thickness direction is reversed to form a laminated structure.

【0011】[0011]

【作用】上記のように、従来は、圧電材料を積層型等の
アクチュエータに用いる場合、荷重を加えない状態にお
いてその圧電特性を測定し、評価判断しており、例えば
圧電材料の変位は菱面晶系よりも正方晶系の方が優れて
おり、従って正方晶系のものが選択されていた。しかし
ながら、実際のアクチュエータの使用にあたっては、数
百kgf の荷重が加わった状態での変位が問題となる。本
発明者は、荷重を加えた場合に、菱面体晶系が正方晶系
とほぼ等しい変位量を示すことを見出した。
As described above, conventionally, when a piezoelectric material is used for a laminated actuator or the like, its piezoelectric characteristics are measured and evaluated in a state where no load is applied. The tetragonal system was superior to the tetragonal system, and therefore the tetragonal system was selected. However, when an actual actuator is used, displacement under a load of several hundred kgf is a problem. The present inventor has found that when a load is applied, the rhombohedral system exhibits a displacement almost equal to that of the tetragonal system.

【0012】一方、自動車用のアクチュエータとしては
耐久性が重要であり、従って圧電材料組成物としては耐
久試験により変位変化の少ないものが望まれる。本発明
者は、菱面晶系が正方晶系と比べ変位変化が少なく耐久
性が高いことを見出した。この理由は、電圧印加による
結晶の歪が、菱面晶系よりも正方晶系において大きいた
めであると考えられる。結晶の歪が大きいと、結晶間の
方向性の不一致点での応力集中が大きくなり破損する。
破損することにより、素子割れとなることはもちろん、
変位量低下へも影響があるからである。
On the other hand, durability is important for an actuator for an automobile, and therefore, a piezoelectric material composition that has a small change in displacement by a durability test is desired. The present inventor has found that the rhombohedral system has less change in displacement and higher durability than the tetragonal system. It is considered that the reason for this is that crystal distortion due to voltage application is larger in the tetragonal system than in the rhombohedral system. If the strain of the crystal is large, the stress concentration at the point where the directionality between the crystals does not match increases, and the crystal is broken.
Damage will of course lead to element breakage,
This is because there is an effect on the displacement amount.

【0013】このように、菱面晶系は正方晶系と比べ、
荷重を負荷した状態での変位特性はほぼ匹敵し、耐久性
は明らかに優れており、従って自動車用等の高負荷アク
チュエータ用圧電材料としては菱面晶系が適している。
Thus, the rhombohedral system is different from the tetragonal system in that
The displacement characteristics under a load are almost comparable, and the durability is clearly excellent. Therefore, rhombohedral is suitable as a piezoelectric material for a high-load actuator for an automobile or the like.

【0014】[0014]

【実施例】以下、本発明をその実施例及び比較例により
説明する。実施例1及び比較例1 Pb(Zra Ti1-a )O3 で表される組成式におい
て、a=0.53となるように原料PbO、ZrO2 及びT
iO2 を所定量計量し、ボールミルにおいて48時間湿式
混合した。次いで800 ℃において2時間仮焼後、再度ボ
ールミルにおいて48時間粉砕し、乾燥した。比較例とし
て、上記式で表され、a=0.51及び0.52である組成物を
同様にして製造した。
The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples. In represented by the composition formula in Example 1 and Comparative Example 1 Pb (Zr a Ti 1- a) O 3, the raw material such that a = 0.53 PbO, ZrO 2 and T
A predetermined amount of iO 2 was weighed and wet mixed in a ball mill for 48 hours. Next, after calcining at 800 ° C. for 2 hours, the mixture was again ground in a ball mill for 48 hours and dried. As a comparative example, compositions represented by the above formula and in which a = 0.51 and 0.52 were produced in the same manner.

【0015】こうして製造した粉末に、PVA(ポリビ
ニルアルコール)を1重量%加え、98MPa において直径
18mm、厚さ2mmの円板に成形し、1250℃において2時
間、鉛雰囲気調整下で焼結した。得られた焼結体を直径
15mm、厚さ0.5mm に加工し、両平面に銀電極を焼付け、
40kVの印加電圧において 100℃のシリコンオイル中で30
分間分極処理を行い、圧電ペレットを得た。次にこの圧
電ペレットを50枚積層し、外周囲より交互に外部電極を
取り出し、積層アクチュエータとした。
To the powder thus produced, 1% by weight of PVA (polyvinyl alcohol) was added, and the diameter was measured at 98 MPa.
It was formed into a disk having a thickness of 18 mm and a thickness of 2 mm, and sintered at 1250 ° C. for 2 hours under a lead atmosphere control. The obtained sintered body has a diameter
Processed to 15mm, 0.5mm thickness, baking silver electrodes on both planes,
At an applied voltage of 40 kV, 30
A polarization treatment was performed for a minute to obtain a piezoelectric pellet. Next, 50 piezoelectric pellets were laminated, and external electrodes were alternately taken out from the outer periphery to obtain a laminated actuator.

【0016】この積層アクチュエータに機械的荷重を0
〜35MPa 加えた後、それぞれ電圧を、0〜800V、10Hzで
正弦波を加え、レーザ式変位計により変位を測定した。
これらの結果を、ペレット1枚あたりの変位として図1
に示す。
When a mechanical load is applied to the laminated actuator
After applying ~ 35 MPa, a sine wave was applied at a voltage of 0 to 800 V and 10 Hz, and the displacement was measured by a laser displacement meter.
These results are expressed as the displacement per pellet in FIG.
Shown in

【0017】一方、厚さ1mmに加工し、両平面に銀電極
を焼付け、同様にして分極した圧電ペレットの電気特性
をインピーダンスアナライザで測定した。この結果を図
2に示す。また、上記の積層アクチュエータの両端面に
30MPa の加圧を行い、大気中で印加電圧を±400Vとして
変位を繰り返し、その変位量をレーザ式変位計により測
定し、変位量の繰り返し回数依存性、すなわち耐久性を
測定した。この結果を図3に示す。
On the other hand, it was processed to a thickness of 1 mm, silver electrodes were baked on both planes, and the electrical characteristics of the similarly polarized piezoelectric pellet were measured with an impedance analyzer. The result is shown in FIG. In addition, both end faces of the above-mentioned laminated actuator
The displacement was repeated at an applied voltage of ± 400 V in the atmosphere by applying a pressure of 30 MPa, and the displacement was measured by a laser displacement meter, and the dependence of the displacement on the number of repetitions, that is, the durability was measured. The result is shown in FIG.

【0018】この組成物において、組成比、Zr/(Z
r+Ti)が52.0までは正方晶であり、52.0より大きく
なると菱面晶であることがX線回折により判明してい
る。従って、相境界は52.0から53.0の間に存在している
と考えられる。
In this composition, the composition ratio, Zr / (Z
It has been found by X-ray diffraction that tetragonal crystal is obtained when (r + Ti) is up to 52.0 and rhombohedral when r + Ti is larger than 52.0. Therefore, it is considered that the phase boundary exists between 52.0 and 53.0.

【0019】図1に示すように、荷重0MPa において
は、変位は、正方晶である上記比が51.0及び52.0の組成
のものが、菱面晶である比が53.0であるものよりも有利
である。しかし、荷重を加えると、その有意差はなくな
り、荷重5MPa 以上では組成の影響はほとんどなく、30
MPa 以上ではむしろ菱面晶の方が大きくなった。
As shown in FIG. 1, at a load of 0 MPa, the displacement of tetragonal crystals having the above-mentioned ratios of 51.0 and 52.0 is more advantageous than that of rhombohedral crystals having the ratio of 53.0. . However, when a load was applied, the significant difference disappeared, and at a load of 5 MPa or more, there was almost no effect of the composition.
Above MPa, the rhombohedral was rather larger.

【0020】図2に示すように、電気機械結合定数Kp
は、組成比52.0〜53.0において最大となっており、一方
比誘電率εr は組成52.0において最大となった。このよ
うに、電気的特性はやや正方晶側において優れており、
この傾向は無荷重時の変位量によっても示されている。
As shown in FIG. 2, the electromechanical coupling constant Kp
Has a maximum at a composition ratio of 52.0 to 53.0, while a relative permittivity ε r has a maximum at a composition ratio of 52.0. Thus, the electrical properties are slightly better on the tetragonal side,
This tendency is also indicated by the amount of displacement under no load.

【0021】図3に示すように、本発明の組成物(菱面
晶)の耐久性は、従来の組成物(正方晶)よりも明らか
に優れている。すなわち、108 回耐久試験後の変位量
は、本発明の組成物においては,耐久前に比べ25%の低
下に留まっているが、一方従来の組成物においては約85
%低下している。
As shown in FIG. 3, the durability of the composition of the present invention (rhombohedral) is clearly superior to that of the conventional composition (tetragonal). That is, the displacement amount after 108 times endurance test, in the compositions of the present invention, but remains the reduction of 25% compared to before the durability, whereas in the conventional composition of about 85
% Has fallen.

【0022】実施例2及び比較例2 Pb1-x Srx ( Zra Ti1-a-b Nbb ) O3 で表さ
れる組成式において、x=0.11、b=0.01、及びa=0.
56となるように原料粉末PbO、SrCO3 、Zr
2 、TiO2 及びNb2 5 を所定量計量し、実施例
1と同様にして積層アクチュエータを製造した。また、
比較例として、a=0.55及び0.555 であるものも同様に
して製造した。この系におけるMPBは、X線回折測定
の結果、組成比、Zr/(Zr+Ti+Nb)が55.0と
56.0の間にあることが判明している。実施例1と同様に
して特性を測定し、変位量の測定結果を図4に、電気的
特性を図5に、そして耐久特性を図6及び図7に示す。
[0022] In the composition formula represented by Example 2 and Comparative Example 2 Pb 1-x Sr x ( Zr a Ti 1-ab Nb b) O 3, x = 0.11, b = 0.01, and a = 0.
Raw material powder PbO, SrCO 3 , Zr
O 2 , TiO 2 and Nb 2 O 5 were weighed in predetermined amounts, and a laminated actuator was manufactured in the same manner as in Example 1. Also,
As comparative examples, those having a = 0.55 and 0.555 were similarly manufactured. The MPB in this system had a composition ratio, Zr / (Zr + Ti + Nb) of 55.0, as a result of X-ray diffraction measurement.
It turns out to be between 56.0. The characteristics were measured in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows the measurement results of the displacement amount, FIG. 5 shows the electrical characteristics, and FIG. 6 and FIG. 7 show the durability characteristics.

【0023】実施例1と同様に、電気的特性は組成比5
5.0で最大となり、この傾向は図4に示す無荷重時での
変位特性の傾向を反映している。しかし、荷重が大きく
なるとその変位量の差は小さくなり、荷重20MPa では10
%程度しか差がなく、34MPa ではほぼ等しくなった。耐
久性については、図6に示すように、荷重30MPa におい
ては、組成比55.0(正方晶)のアクチュエータは変位量
の低下が著しく、108 回では初期変位量の30%も低下し
ていたが、一方組成比56.0(菱面晶)のアクチュエータ
では同じ回数において5%の低下に留まっており、耐久
性の高いことが示されている。また、図7に示すよう
に、組成比55.0のアクチュエータは組成比56.0のアクチ
ュエータに比べ、初期の変位量は大きいが、変位回数に
伴い、変位量が大きく低下し、108 回では組成比56.0の
アクチュエータの方が変位量は大きく、従って、自動車
等用の高負荷で繰り返し用いられるアクチュエータ用に
は、本発明の組成物が適していることがわかる。
As in the case of Example 1, the electrical characteristics were as follows:
It becomes maximum at 5.0, and this tendency reflects the tendency of the displacement characteristic under no load shown in FIG. However, as the load increases, the difference between the displacements decreases.
The difference was only about%, and became almost equal at 34 MPa. For durability, as shown in FIG. 6, in the load 30 MPa, the actuator of the composition ratio 55.0 (tetragonal) significantly decrease the amount of displacement, but also 30% of the initial displacement amount was decreased at 10 8 times On the other hand, in the actuator having the composition ratio of 56.0 (rhombohedral), the decrease is only 5% at the same number of times, which indicates that the durability is high. Further, as shown in FIG. 7, the actuator of the composition ratio 55.0 compared to an actuator composition ratio 56.0, the initial amount of displacement is large, in association with the displacement times, the amount of displacement decreases significantly, the composition ratio is 10 8 times 56.0 It is understood that the composition of the present invention is suitable for an actuator which is repeatedly used under a high load for an automobile or the like.

【0024】実施例3及び比較例3 Pb1-x-y Srx Bay (Zra Ti1-a-b Sbb )O
3 で表される組成式において、x=0.11、y=0.03、b
=0.01及びa=0.56となるように原料粉末PbO、Sr
CO3 、ZrO2 、TiO2 、BaCO3 及びSb2
5 を所定量計量し、実施例1と同様にして積層アクチュ
エータを製造した。また、比較例として、a=0.55及び
0.555 であるものも同様にして製造した。この系におけ
るMPBは、X線回折測定の結果、組成比、Zr/(Z
r+Ti+Sb)が55.5と56.0の間にあることが判明し
ている。実施例1と同様にして特性を測定し、変位量の
測定結果を図8に、電気的特性を図9に、そして耐久特
性を図10に示す。
[0024] Example 3 and Comparative Example 3 Pb 1-xy Sr x Ba y (Zr a Ti 1-ab Sb b) O
In the composition formula represented by 3 , x = 0.11, y = 0.03, b
= 0.01 and a = 0.56 so that the raw material powders PbO, Sr
CO 3 , ZrO 2 , TiO 2 , BaCO 3 and Sb 2 O
5 was weighed in a predetermined amount, and a laminated actuator was manufactured in the same manner as in Example 1. As comparative examples, a = 0.55 and
The one with 0.555 was similarly prepared. As a result of X-ray diffraction measurement, the MPB in this system was found to have a composition ratio of Zr / (Z
r + Ti + Sb) has been found to be between 55.5 and 56.0. The characteristics were measured in the same manner as in Example 1. FIG. 8 shows the measurement results of the displacement amount, FIG. 9 shows the electrical characteristics, and FIG. 10 shows the durability characteristics.

【0025】実施例1と同様に、電気的特性はMPBよ
りやや正方晶側で大きかった。この傾向は無荷重時の変
位量に示されている。しかし、荷重が大きくなり、15〜
35MPa の荷重下では変位は同等であった。次に、実施例
1と同様の耐久試験を行った場合、組成比が55.0である
サンプルを108 回耐久後の変位量は、初期値に対し25%
低下しており、一方組成比56.0であるサンプルの108
耐久後の変位量は4%に留まっており、耐久性の高いこ
とがわかった。
As in Example 1, the electric characteristics were slightly larger on the tetragonal side than MPB. This tendency is indicated by the amount of displacement under no load. However, the load increases, 15 ~
The displacement was equivalent under a load of 35MPa. Next, when a durability test similar to that in Example 1 was performed, the displacement amount of the sample having a composition ratio of 55.0 after 10 8 times of durability was 25% of the initial value.
Has decreased, whereas the displacement amount after 108 times endurance of samples having a composition ratio 56.0 is remained 4%, it was found that high durability.

【0026】実施例4及び比較例4 Pb1-x-y Srx Lay (Zra Ti1-a-b b )O3
で表される組成式において、MがNbであり、x=0.1
1、y=0.05、b=0.01及びa=0.56となるように原料
粉末PbO、SrCO3 、ZrO2 、TiO2 、La2
3 及びNb2 5 を所定量計量し、実施例1と同様に
して積層アクチュエータを製造した。また、比較例とし
て、a=0.55及び0.555 であるものも同様にして製造し
た。実施例1と同様にして特性を測定し、変位量の測定
結果を図11に、そして耐久特性を図12に示す。
[0026]Example 4 and Comparative Example 4 Pb1-xySrxLay(ZraTi1-abMb) OThree
In the composition formula represented by the formula, M is Nb, and x = 0.1
1, Raw materials such that y = 0.05, b = 0.01 and a = 0.56
Powder PbO, SrCOThree, ZrOTwo, TiOTwo, LaTwo
OThreeAnd NbTwoO FiveIs weighed in a predetermined amount, and
Thus, a laminated actuator was manufactured. Also, as a comparative example
And a = 0.55 and 0.555 are similarly manufactured.
Was. The characteristics are measured in the same manner as in Example 1, and the displacement is measured.
The results are shown in FIG. 11 and the durability characteristics are shown in FIG.

【0027】荷重15〜38MPa の荷重下では、組成比、Z
r/(Zr+Ti+Nb)が56.0であるサンプル(菱面
晶)は、組成比が55.0及び55.5であるサンプル(正方
晶)より変位量が大きかった。実施例1と同様の耐久試
験を行った場合、組成比が55.0であるサンプルの108
耐久後の変位量は22%低下しており、一方組成比が56.0
であるサンプルを108 回耐久後の変位量は、5%の低下
に留まっており、耐久性の高いことがわかった。
Under a load of 15 to 38 MPa, the composition ratio, Z
The sample (rhombic) in which r / (Zr + Ti + Nb) was 56.0 had a larger displacement than the sample (tetragonal) in which the composition ratio was 55.0 and 55.5. If subjected to the same durability test as in Example 1, the amount of displacement of 10 8 times after the durability of the sample composition ratio of 55.0 is reduced by 22%, whereas the composition ratio of 56.0
Displacement amount after 108 times endurance sample is is remained decreased 5%, it was found that high durability.

【0028】実施例5及び比較例5 Pb1-x-y Srx Bay Laz (Zra Ti
1-a-b b )O3 で表される組成式において、MがSb
であり、x=0.11、y=0.16、z=0.005 、b=0.02及
びa=0.56となるように原料粉末PbO、SrCO3
BaCO3 、ZrO2 、TiO2 、La2 3 及びSb
2 5 を所定量計量し、実施例1と同様にして積層アク
チュエータを製造した。また、比較例として、a=0.54
5 、0.55、及び0.555 であるものも同様にして製造し
た。実施例1と同様にして特性を測定し、変位量の測定
結果を図13に、そして耐久特性を図14に示す。
[0028] Example 5 and Comparative Example 5 Pb 1-xy Sr x Ba y La z (Zr a Ti
1-ab M b ) In the composition formula represented by O 3 , M is Sb
And the raw material powders PbO, SrCO 3 , x = 0.11, y = 0.16, z = 0.005, b = 0.02 and a = 0.56.
BaCO 3 , ZrO 2 , TiO 2 , La 2 O 3 and Sb
A predetermined amount of 2 O 5 was measured, and a laminated actuator was manufactured in the same manner as in Example 1. As a comparative example, a = 0.54
5, 0.55, and 0.555 were similarly prepared. The characteristics were measured in the same manner as in Example 1. FIG. 13 shows the measurement results of the displacement amount, and FIG. 14 shows the durability characteristics.

【0029】荷重15〜35MPa の荷重下では、組成比、Z
r/(Zr+Ti+Sb)が56.0であるサンプル(菱面
晶)は、組成比が54.5、55.0及び55.5であるサンプル
(正方晶)より変位量が大きかった。実施例1と同様の
耐久試験を行った場合、組成比が55.0であるサンプルの
108 回耐久後の変位量は23%低下しており、一方組成比
が56.0であるサンプルを108 回耐久後の変位量は、3%
の低下に留まっており、耐久性の高いことがわかった。
Under a load of 15 to 35 MPa, the composition ratio, Z
The sample (rhombic) in which r / (Zr + Ti + Sb) was 56.0 had a larger displacement than the sample (tetragonal) in which the composition ratio was 54.5, 55.0 and 55.5. When a durability test similar to that in Example 1 was performed, a sample having a composition ratio of 55.0 was obtained.
Displacement after 10 8 endurance decreases by 23%, while displacement after 10 8 endurance of the sample whose composition ratio is 56.0 is 3%.
, And it was found that the durability was high.

【0030】[0030]

【発明の効果】自動車用アクチュエータとして圧電体の
用いられる環境は、高温、高荷重である。このような高
荷重の条件においては、従来用いられてきた正方晶の結
晶系の組成を有する組成物よりも、従来用いられること
のなかった菱面晶系の組成を有する組成物が、圧電材料
として優れている。また、このような菱面晶系の組成を
有する組成物は、従来用いられてきた正方晶の結晶系の
組成を有する組成物よりも耐久性が高い。さらに、菱面
晶系の組成を有する組成物は、従来のものに比べ消費電
力が約40%低下し、駆動用電源の容量を小さくすること
ができる。このことより、電源系の小型化、低コスト化
が可能になる。
The environment in which a piezoelectric body is used as an actuator for an automobile is high temperature and high load. Under such a high load condition, a composition having a rhombohedral composition which has not been conventionally used is more likely to be a piezoelectric material than a composition having a tetragonal crystal system which has been conventionally used. As excellent. Further, the composition having such a rhombohedral composition has higher durability than a composition having a conventionally used tetragonal crystal composition. Further, the composition having a rhombohedral composition can reduce power consumption by about 40% as compared with a conventional composition, and can reduce the capacity of a driving power supply. This makes it possible to reduce the size and cost of the power supply system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1及び比較例1の組成物の荷重に対する
変位量の測定結果を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the measurement results of the amount of displacement of the compositions of Example 1 and Comparative Example 1 with respect to load.

【図2】実施例1及び比較例1の組成物の電気特性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the measurement results of electrical characteristics of the compositions of Example 1 and Comparative Example 1.

【図3】実施例2及び比較例2の組成物の耐久性の測定
結果を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 2 and Comparative Example 2.

【図4】実施例2及び比較例2の組成物の荷重に対する
変位量の測定結果を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing measurement results of displacement amounts of the compositions of Example 2 and Comparative Example 2 with respect to load.

【図5】実施例2及び比較例2の組成物の電気特性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the measurement results of electrical characteristics of the compositions of Example 2 and Comparative Example 2.

【図6】実施例2及び比較例2の組成物の30MPa 荷重下
での耐久性の測定結果を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 2 and Comparative Example 2 under a load of 30 MPa.

【図7】実施例2及び比較例2の組成物の10MPa 荷重下
での耐久性の測定結果を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 2 and Comparative Example 2 under a load of 10 MPa.

【図8】実施例3及び比較例3の組成物の荷重に対する
変位量の測定結果を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing measurement results of displacement amounts of the compositions of Example 3 and Comparative Example 3 with respect to load.

【図9】実施例3及び比較例3の組成物の電気特性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the measurement results of electrical properties of the compositions of Example 3 and Comparative Example 3.

【図10】実施例3及び比較例3の組成物の耐久性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 3 and Comparative Example 3.

【図11】実施例4及び比較例4の組成物の荷重に対す
る変位量の測定結果を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing the results of measuring the amount of displacement of the compositions of Example 4 and Comparative Example 4 with respect to load.

【図12】実施例4及び比較例4の組成物の耐久性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 4 and Comparative Example 4.

【図13】実施例5及び比較例5の組成物の荷重に対す
る変位量の測定結果を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing the results of measuring the amount of displacement of the compositions of Example 5 and Comparative Example 5 with respect to load.

【図14】実施例5及び比較例5の組成物の耐久性の測
定結果を示すグラフである。
FIG. 14 is a graph showing the measurement results of the durability of the compositions of Example 5 and Comparative Example 5.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−24846(JP,A) 特開 平4−262581(JP,A) 特開 平5−163063(JP,A) 特開 平4−260662(JP,A) 特開 昭47−44000(JP,A) 特開 昭52−64700(JP,A) 特開 昭62−274502(JP,A) 特開 昭61−53119(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/42 - 35/49 H01L 41/00 - 41/26 CA(STN) CAOLD(STN) REGISTRY(STN)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-24846 (JP, A) JP-A-4-262581 (JP, A) JP-A-5-163063 (JP, A) JP-A-4-164 260662 (JP, A) JP-A-47-44000 (JP, A) JP-A-52-64700 (JP, A) JP-A-62-274502 (JP, A) JP-A-61-53119 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/42-35/49 H01L 41/00-41/26 CA (STN) CAOLD (STN) REGISTRY (STN)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 下式により表される組成: Pb(Zra Ti1-a )O3 (上式において、0.52<a≦0.54である) を有することを特徴とする、5MPa 以上の加圧下で作動
させるアクチュエータ用圧電材料組成物。
1. A composition represented by the following formula: (In the above formula, 0.52 <a is a ≦ 0.54) Pb (Zr a Ti 1-a) O 3 and having a, 5 MPa or more under pressure Works with
And a piezoelectric material composition for an actuator.
【請求項2】 下式により表される組成: を有することを特徴とする、5MPa 以上の加圧下で作動
させるアクチュエータ用圧電材料組成物。
2. A composition represented by the following formula: Operates under pressure of 5MPa or more, characterized by having
And a piezoelectric material composition for an actuator.
【請求項3】 下式により表される組成: を有することを特徴とする、5MPa 以上の加圧下で作動
させるアクチュエータ用圧電材料組成物。
3. A composition represented by the following formula: Operates under pressure of 5MPa or more, characterized by having
And a piezoelectric material composition for an actuator.
【請求項4】 下式により表される組成: を有することを特徴とする、5MPa 以上の加圧下で作動
させるアクチュエータ用圧電材料組成物。
4. A composition represented by the following formula: Operates under pressure of 5MPa or more, characterized by having
And a piezoelectric material composition for an actuator.
【請求項5】 下式により表される組成: Pb1-x-y Srx Bay Laz (Zra Ti1-a-b b )O3 を有することを特徴とする、5MPa 以上の加圧下で作動
させるアクチュエータ用圧電材料組成物。
5. A composition represented by the following formula: Pb 1-xy Sr x Ba y La z (Zr a Ti 1-ab M b) O 3 Operates under pressure of 5MPa or more, characterized by having
And a piezoelectric material composition for an actuator.
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