JP2922769B2 - Piezoelectric ceramic composition for actuator - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition for actuator

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JP2922769B2
JP2922769B2 JP5330794A JP33079493A JP2922769B2 JP 2922769 B2 JP2922769 B2 JP 2922769B2 JP 5330794 A JP5330794 A JP 5330794A JP 33079493 A JP33079493 A JP 33079493A JP 2922769 B2 JP2922769 B2 JP 2922769B2
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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、アクチュエータ用圧電
磁器組成物に関する。
The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition for an actuator.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、圧電磁器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,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,圧電アクチュエータ等がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, products using a piezoelectric ceramic composition include, for example, ceramic filters, ultrasonic applied vibrators, piezoelectric buzzers, piezoelectric ignition units, ultrasonic motors, piezoelectric fans, piezoelectric sensors, and piezoelectric actuators. .

【0003】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や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
て注目されているものの一つである。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ので、磁性体
にコイルを巻いた構成の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。このため、メカトロニクスの高
度化に伴い多方面にわたる研究開発が進められている。
[0003] Here, the piezoelectric actuator uses displacement or force generated through a piezoelectric phenomenon as a mechanical drive source, and is one of the things that have recently attracted attention in the field of mechatronics. Piezoelectric actuators are solid-state elements that utilize the piezoelectric effect, and therefore consume less power, have a faster response speed, have a larger displacement, and generate more heat than conventional electromagnetic actuators that have a coil wound around a magnetic material. And has excellent features such as small size and small weight. For this reason, research and development in various fields have been promoted with the advancement of mechatronics.

【0004】ところで、上述したアクチュエータの用途
が拡大するに従い、より大きな機械的変位が必要とされ
るとともに、広い温度範囲(−30〜150℃)での使
用に耐えうることが必要とされてきている。即ち、キュ
リー温度が高いことが望まれる。また、一般的にアクチ
ュエータ用素子としての機能上、圧電歪定数、特にd33
定数ができるだけ大きいことが望まれる。このように、
圧電アクチュエータの用途に適する圧電材料の特性は、
この種の材料において通常用いられる諸定数(電気機械
結合係数、誘電率、圧電歪定数等)及びキュリー温度に
よりその良否が判定できる。
[0004] By the way, as the applications of the above-mentioned actuator have been expanded, a larger mechanical displacement is required, and it is necessary to be able to withstand use in a wide temperature range (-30 to 150 ° C). I have. That is, a high Curie temperature is desired. In general, the piezoelectric element has a piezoelectric strain constant, particularly d 33 , because of its function as an actuator element.
It is desirable that the constant be as large as possible. in this way,
The characteristics of piezoelectric materials suitable for piezoelectric actuator applications are:
The quality of the material can be determined by various constants (electromechanical coupling coefficient, dielectric constant, piezoelectric strain constant, etc.) and Curie temperature which are usually used in this kind of material.

【0005】このような目的に合致する圧電磁器組成物
としてPZT系にPb(Ni1/3 Nb2/3 )O3 を第3
成分として置換させたものがある。例えば、Pb(Ni
1/3Nb2/3 0.50Zr0.15Ti0.353 があるが、こ
の例では、表1の試料No.19に示すように、圧電歪定
数(d33定数)が620×10-12 m/vと大きい特性
を有する。
As a piezoelectric ceramic composition meeting such a purpose, Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is added to a PZT system.
Some are substituted as components. For example, Pb (Ni
1/3 Nb 2/3 ) 0.50 Zr 0.15 Ti 0.35 O 3. In this example, as shown in Sample No. 19 in Table 1, the piezoelectric strain constant (d 33 constant) is 620 × 10 −12 m. / V.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
のようなPZT系にPb(Ni1/3 Nb2/3 )O3 を第
3成分として置換させたものを圧電アクチュエータ用と
して利用する場合、キュリー温度(Tc)が低く、10
0〜150℃と高温にさらされるような環境下では使用
できないという問題があった。このように、この組成系
では、圧電歪定数が大きいものはキュリー温度が低く、
変位素子としての利用が極めて狭い範囲に限定されると
いう欠点があった。
However, in the case where the above PZT system in which Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is substituted as the third component is used for a piezoelectric actuator, Low Curie temperature (Tc)
There was a problem that it could not be used in an environment exposed to a high temperature of 0 to 150 ° C. Thus, in this composition system, those having a large piezoelectric strain constant have a low Curie temperature,
There is a disadvantage that the use as a displacement element is limited to an extremely narrow range.

【0007】また、アクチュエータには常に圧縮応力が
加わっていることから、アクチュエータ用途の場合、通
常圧電歪定数の減衰、即ち、耐久性が問題となるが、上
記組成では圧電歪定数の減衰が大きく、耐久性が劣ると
いう問題があった。即ち、図1の試料No.19の曲線か
ら判るように、1ton/cm2 の荷重を10回繰り返
し加えるとd33定数が40〜55%減衰することから、
大きな応力が加わる用途には適さないことになる。ま
た、圧縮応力下における圧電歪定数の減衰が大きいとい
うことは、強誘電的分域構造の状態変化が起こり易いこ
とを意味しており、このことは、変位ヒステリシスの増
加をもたらす原因ともなる。即ち、図3の試料No.19
の変位ヒステリシス曲線から判るように、100V/m
m印加した時に生じる変位ヒステリシスが10%を越え
ることから分解能が悪化し、位置決め用としての用途に
は適さないことになる。
In addition, since the actuator is always subjected to a compressive stress, in the case of an actuator application, attenuation of the piezoelectric strain constant, that is, durability is a problem. However, in the above composition, the attenuation of the piezoelectric strain constant is large. However, there is a problem that durability is poor. That is, as can be seen from the curve of Sample No. 19 in FIG. 1, when a load of 1 ton / cm 2 is repeatedly applied 10 times, the d 33 constant is attenuated by 40 to 55%.
This is not suitable for applications where large stress is applied. Further, a large attenuation of the piezoelectric strain constant under a compressive stress means that a state change of the ferroelectric domain structure is apt to occur, which also causes an increase in displacement hysteresis. That is, the sample No. 19 of FIG.
As can be seen from the displacement hysteresis curve, 100 V / m
Since the displacement hysteresis generated when m is applied exceeds 10%, the resolution is degraded, and it is not suitable for positioning applications.

【0008】本発明は、圧電歪特性、キュリー温度、耐
久性および変位ヒステリシスの面で優れており、圧電ア
クチュエータに適したアクチュエータ用圧電磁器組成物
を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic composition for an actuator which is excellent in piezoelectric strain characteristics, Curie temperature, durability and displacement hysteresis and is suitable for a piezoelectric actuator.

【0009】[0009]

【問題点を解決するための手段】本発明者等は、PbZ
rO3 −PbTiO3 に固溶する最適な成分の探索を行
った結果、Pb(Zn1/3 Sb2/3 )O3 およびPb
(Ni1/2 Te1/2 )O3 となる組成を第3、第4成分
として所定量固溶させることにより、圧電歪特性、キュ
リー温度、耐久性および変位ヒステリシスの面で優れた
アクチュエータ用圧電磁器組成物を得ることができるこ
とを知見し、本発明に至った。
[Means for Solving the Problems] The present inventors have proposed PbZ
As a result of searching for an optimal component that forms a solid solution in rO 3 -PbTiO 3 , Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb
(Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 is dissolved in a predetermined amount as the third and fourth components to form a solid solution, so that the actuator is excellent in piezoelectric strain characteristics, Curie temperature, durability and displacement hysteresis. The present inventors have found that a piezoelectric ceramic composition can be obtained, and have reached the present invention.

【0010】即ち、本発明のアクチュエータ用圧電磁器
組成物は、金属元素としてPb、Zr、Ti、Zn、S
b、Ni、Teと、Srおよび/またはBaを含む複合
ペロブスカイト型化合物であって、これらの金属元素の
モル比による組成式をPb1-x-y Srx Bay (Zn
1/3 Sb2/3 a (Ni1/2 Te1/2 b Zrc Ti
1-a-b-c 3 と表わした時、x,y,a,b,cが、0
≦x≦0.14、0≦y≦0.14、0<x+y、0.
01≦a≦0.12、0.002≦b≦0.020、
0.43≦c≦0.58を満足するものである。
That is, the piezoelectric ceramic composition for an actuator of the present invention comprises Pb, Zr, Ti, Zn, S
b, Ni, Te and a composite perovskite compound containing Sr and / or Ba, the Pb 1-xy formula by molar ratio of the metal elements Sr x Ba y (Zn
1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti
When expressed as 1-abc O 3 , x, y, a, b, and c are 0
≦ x ≦ 0.14, 0 ≦ y ≦ 0.14, 0 <x + y, 0.
01 ≦ a ≦ 0.12, 0.002 ≦ b ≦ 0.020,
0.43 ≦ c ≦ 0.58 is satisfied.

【0011】ここで、x,y,a,b,cを上記の範囲
に設定した理由について説明する。
Here, the reason why x, y, a, b, and c are set in the above ranges will be described.

【0012】Srの置換は極めて大きな圧電歪定数d33
を得るのに有効であるが、その置換量xを0≦x≦0.
14としたのは、xが0.14より多いとキュリー温度
が急峻に低下し、150℃を大きく下回るからである。
Srの置換量xは0.04≦x≦0.12であることが
望ましい。
Substitution of Sr results in an extremely large piezoelectric strain constant d 33
Is effective to obtain the following, but the substitution amount x is 0 ≦ x ≦ 0.
The reason for setting the value to 14 is that when x is more than 0.14, the Curie temperature sharply drops, and is much lower than 150 ° C.
It is desirable that the replacement amount x of Sr is 0.04 ≦ x ≦ 0.12.

【0013】また、Baの置換によりキュリー温度が2
00℃以上で圧電歪定数d33を600×10-12 m/v
以上とすることもでき、極めて高いキュリー温度および
圧電歪定数d33を得るのに有効であるが、その置換量y
を0≦y≦0.14としたのは、yが0.14よりも多
いと、キュリー温度が大きく低下し、150℃以下とな
るからである。Baの置換量yは0.02≦y≦0.1
2であることが望ましい。
The Curie temperature is reduced to 2 by Ba substitution.
At a temperature of 00 ° C. or more, the piezoelectric strain constant d 33 is set to 600 × 10 −12 m / v.
This is effective for obtaining an extremely high Curie temperature and a piezoelectric distortion constant d 33 , but the substitution amount y
Is set to 0 ≦ y ≦ 0.14 because if y is more than 0.14, the Curie temperature is greatly reduced to 150 ° C. or less. The substitution amount y of Ba is 0.02 ≦ y ≦ 0.1
It is desirably 2.

【0014】また、Tiの(Zn1/3 Sb2/3 )による
置換量aを0.01≦a≦0.12としたのは、aが多
いと大きな圧電歪定数が得られ、圧電アクチュエータに
有用な特性となる。逆にaが少ないと、加速度センサー
等の圧電センサに有用な大きな圧電出力定数g33が得ら
れる。しかし、aが0.01よりも少ないと圧電歪定数
33を400×10-12 m/v以上とすることができ
ず、また、圧電出力定数g33の経時変化や温度変化が大
きくなるため、圧電センサーとしても有用性に欠けるか
らであり、aが0.12よりも多いと、キュリー温度の
低下が大きくなり、誘電損失も非常に大きくなるからで
ある。Tiの(Zn1/3 Sb2/3 )による置換量aは
0.05≦a≦0.10であることが望ましい。
The reason why the substitution amount a of Ti with (Zn 1/3 Sb 2/3 ) is set to 0.01 ≦ a ≦ 0.12 is that the larger the value of a, the larger the piezoelectric strain constant is obtained, This is a useful property. If conversely a small, large piezoelectric output constant g 33 useful in piezoelectric sensors such as an acceleration sensor is obtained. However, a can not be a piezoelectric strain constant d 33 less than 0.01 400 × 10 -12 m / v or more, since the change over time or temperature change of the piezoelectric output constant g 33 increases The reason for this is that the piezoelectric sensor lacks usefulness. If a is larger than 0.12, the Curie temperature is greatly reduced, and the dielectric loss is very large. The substitution amount a of Ti with (Zn 1/3 Sb 2/3 ) is preferably 0.05 ≦ a ≦ 0.10.

【0015】本発明の圧電磁器組成物を圧電アクチュエ
ータとして用いる場合には、0.05≦a≦0.12と
することにより大きな圧電歪定数を得ることができ、圧
電センサとして用いる場合には0.01≦a≦0.05
とすることにより大きな圧電出力定数g33を得ることが
できる。
When the piezoelectric ceramic composition of the present invention is used as a piezoelectric actuator, a large piezoelectric strain constant can be obtained by setting 0.05 ≦ a ≦ 0.12. .01 ≦ a ≦ 0.05
It is possible to obtain a large piezoelectric output constant g 33 With.

【0016】さらに、Tiの(Ni1/2 Te1/2 )によ
る置換量bを0.002≦b≦0.020としたのは、
bが多いと耐久性、変位ヒステリシスにおいて極めて優
れた特性を有するようになるが、bが0.020よりも
大きい場合には、130℃のエージングによる圧電特性
の劣化が著しく大きくなり、圧電歪定数d33を400×
10-12 m/V以上とすることができないからである。
bが0.002よりも小さい場合には、耐久性、変位ヒ
ステリシスの特性向上に対する効果が殆どないからであ
る。Tiの(Ni1/2 Te1/2 )による置換量bは0.
002≦b≦0.007であることが望ましい。
The reason why the substitution amount b of Ti with (Ni 1/2 Te 1/2 ) is set to 0.002 ≦ b ≦ 0.020 is as follows.
When b is large, it has very excellent characteristics in durability and displacement hysteresis. However, when b is larger than 0.020, deterioration of piezoelectric characteristics due to aging at 130 ° C. becomes remarkably large, and piezoelectric strain constant a d 33 400 ×
This is because it cannot be made 10 -12 m / V or more.
If b is smaller than 0.002, there is almost no effect on improving the durability and the characteristics of displacement hysteresis. The substitution amount b of Ti with (Ni 1/2 Te 1/2 ) is 0.
It is desirable that 002 ≦ b ≦ 0.007.

【0017】PZTを主成分とした圧電磁器組成物は、
PbZrO3 とPbTiO3 の固溶比率を変化させると
圧電歪定数の極大値を示すMPB(組成相境界)が存在
する。圧電アクチュエータ材料としては、このMPB及
びその近傍の組成値を用いることになる。このMPBは
x,a,bの量により変化するため、cの値はx,a,
bの組成範囲内でMPBを捉えうる組成範囲とした。即
ち、0.43≦c≦0.58としたのは、cがこの範囲
外となるとMPBを捉えることができないからである。
A piezoelectric ceramic composition containing PZT as a main component is
When the solid solution ratio between PbZrO 3 and PbTiO 3 is changed, there is an MPB (composition phase boundary) showing the maximum value of the piezoelectric strain constant. As the piezoelectric actuator material, this MPB and the composition value in the vicinity thereof are used. Since this MPB changes depending on the amount of x, a, b, the value of c is x, a, b
The composition range where MPB can be captured within the composition range of b. That is, the reason for setting 0.43 ≦ c ≦ 0.58 is that if c is out of this range, MPB cannot be captured.

【0018】そして、本発明の圧電磁器は、例えば、原
料としてPbO、ZrO2 、TiO2 、SrCO3 、B
aCO3 、ZnO、Sb2 3 、NiO及びTeO2
各粉末を秤量混合し、次いで、この混合物を脱水、乾燥
した後、850〜900℃で1〜3時間仮焼し、当該仮
焼物を再びボールミル等で粉砕する。
The piezoelectric ceramic according to the present invention is, for example, composed of PbO, ZrO 2 , TiO 2 , SrCO 3 , B
Each powder of aCO 3 , ZnO, Sb 2 O 3 , NiO and TeO 2 was weighed and mixed, then the mixture was dehydrated and dried, and then calcined at 850 to 900 ° C. for 1 to 3 hours. Pulverize again with a ball mill or the like.

【0019】その後、この粉砕物に有機バインダー(P
VA)を混合し、造粒した。得られた粉末を所定圧力で
成形して成形体を作製し、これらを鉛雰囲気下において
1240〜1300℃で1〜3時間焼成することにより
得られる。
Then, an organic binder (P
VA) was mixed and granulated. The obtained powder is molded at a predetermined pressure to prepare a molded body, and the molded body is fired at 1240 to 1300 ° C. for 1 to 3 hours in a lead atmosphere.

【0020】[0020]

【作用】本発明の圧電磁器組成物では、Pbの一部をS
r,Baで置換し、PbZrO3 −PbTiO3 に、P
b(Zn1/3 Sb2/3 )O3 およびPb(Ni1/2 Te
1/2 )O3 となる組成を第3、第4成分として固溶させ
ることにより、高い圧電歪特性、小さな変位ヒステリシ
ス、高いキュリー温度を得ることができるとともに、従
来のように、第3成分としてPb(Ni1/3 Nb2/3
3 を用いないため、一定荷重を繰り返し作用させた場
合でも圧電歪定数の減衰が抑制され、耐久性が向上し、
変位ヒステリシスが低減する。
In the piezoelectric ceramic composition of the present invention, a part of Pb is S
r, Ba, and PbZrO 3 -PbTiO 3
b (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb (Ni 1/2 Te
By dissolving the composition which becomes 1/2 ) O 3 as the third and fourth components, high piezoelectric strain characteristics, small displacement hysteresis, and high Curie temperature can be obtained. As Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 )
Since O 3 is not used, even when a constant load is repeatedly applied, attenuation of the piezoelectric strain constant is suppressed, durability is improved,
Displacement hysteresis is reduced.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明を次の実施例で説明する。原料
粉末としてPbO、ZrO2 、TiO2 、SrCO3
BaCO3 、ZnO、Sb2 3 、NiO及びTeO2
の各粉末を用いて、これらを表1,2に示す割合に秤量
し、ボールミルにて24時間湿式混合した。次いで、こ
の混合物を脱水、乾燥した後、870℃で3時間仮焼
し、当該仮焼物を再びボールミルで24時間湿式粉砕し
た。
The present invention will be described below with reference to the following examples. PbO, ZrO 2 , TiO 2 , SrCO 3 ,
BaCO 3 , ZnO, Sb 2 O 3 , NiO and TeO 2
These powders were weighed in the proportions shown in Tables 1 and 2 and wet-mixed for 24 hours in a ball mill. Next, after dehydrating and drying this mixture, it was calcined at 870 ° C. for 3 hours, and the calcined product was again wet-pulverized by a ball mill for 24 hours.

【0022】その後、この粉砕物に有機バインダー(P
VA)を混合し、造粒した。得られた粉末を1.5to
n/cm2 の圧力で直径23mm、厚さ3mmの寸法か
らなる円板と直径8mm、厚さ18mmの円柱の2種の
成形体を作製した。更に、これらを1270℃で3時間
の条件で焼成した。
Thereafter, an organic binder (P
VA) was mixed and granulated. 1.5 to
At a pressure of n / cm 2 , two types of compacts, a disc having a diameter of 23 mm and a thickness of 3 mm and a column having a diameter of 8 mm and a thickness of 18 mm, were produced. Further, these were fired at 1270 ° C. for 3 hours.

【0023】得られた焼結体を直径20mm、厚さ1m
mの円板と直径6mm、厚さ15mmの円柱状に研磨加
工し、両面にそれぞれ銀電極を焼き付け、80℃のシリ
コンオイル中で1.5kv/mm以上の直流電圧を印加
して分極処理を行った。
The obtained sintered body is 20 mm in diameter and 1 m in thickness.
polished into a disk with a diameter of 6 mm and a column with a diameter of 6 mm and a thickness of 15 mm, baking silver electrodes on both sides, and applying a DC voltage of 1.5 kv / mm or more in silicon oil at 80 ° C. to perform polarization processing. went.

【0024】分極処理された円板及び円柱を120℃恒
温の中で1時間エイジングした後、24時間放置した。
このようにして得られたそれぞれの磁器から、電子材料
工業会(EMAS)の規格化された測定法に基づき、圧
電諸定数(電気機械結合係数K33、比誘電率ε33 T /ε
0 、コンプライアンス定数s33 E 、圧電歪定数d33、誘
電損失tanδ E)を調べた。
The polarized disks and cylinders were aged at a constant temperature of 120 ° C. for 1 hour and then left for 24 hours.
From each of the thus obtained porcelains, piezoelectric constants (electromechanical coupling coefficient K 33 , relative dielectric constant ε 33 T / ε) were obtained based on a standardized measurement method of the Electronic Materials Industries Association (EMAS).
0 , compliance constant s 33 E , piezoelectric strain constant d 33 , and dielectric loss tan δ E ).

【0025】またキュリー温度Tcは高温側の常誘電性
から低温側の強誘電相へ相転移する時の比誘電率の極大
値を示す温度とした。また、耐久性を、一軸油圧プレス
機を用いて円柱状磁器に1ton/cm2 の圧力を1サ
イクル4秒の間隔で繰り返し印加し、圧電歪定数d33
保持率を測定することで求めた。ここで、繰り返し加圧
を10回加えた場合における圧電歪定数d33の減衰率が
20%以内のものを○とし、20%を越える場合を×と
した。
The Curie temperature Tc is a temperature at which the relative dielectric constant at the time of a phase transition from a high-temperature side paraelectric property to a low-temperature side ferroelectric phase is maximized. Also, the durability, by using a uniaxial hydraulic press repeatedly applying a pressure of 1 ton / cm 2 into a cylindrical porcelain at intervals of 1 cycle 4 seconds, was determined by measuring the retention of the piezoelectric strain constant d 33 . Here, the attenuation factor of the piezoelectric strain constant d 33 is the ○ those within 20% in the case of adding the repeated pressure 10 times, and as × when it exceeds 20%.

【0026】さらに、円板状試料に100Vの電圧を印
加した時の分極方向への発生変位を非接触式光学式セン
サを用いて測定することにより、変位ヒステリシスを測
定した。ここで、変位ヒステリシスは、最大印加電圧
(100V)時の発生変位に対する、1/2印加電圧
(50V)時の昇電圧時と降電圧時の発生変位の差を割
合として表した。そして、変位ヒステリシスが10%を
越える場合にを×、10〜7%を△、7%未満を○とし
て表した。これらの結果を表1に示す。
Furthermore, displacement hysteresis was measured by measuring the displacement in the polarization direction when a voltage of 100 V was applied to the disc-shaped sample using a non-contact optical sensor. Here, the displacement hysteresis is expressed as a ratio of the difference between the displacement generated at the time of 1/2 applied voltage (50 V) and the displacement generated at the time of falling voltage with respect to the displacement generated at the maximum applied voltage (100 V). When the displacement hysteresis exceeded 10%, the result was indicated by x, 10 to 7% was indicated by Δ, and less than 7% was indicated by ○. Table 1 shows the results.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】この表1において、コンプライアンス定数
33 E の単位は×10-12 2 /N,圧電歪定数d33
単位は×10-12 m/V,圧電出力定数g33の単位は×
10-12 Vm/Nであり、圧電歪定数d33および圧電出
力定数g33は、それぞれd33=K33(ε33 T ・s33 E
1/2 、g33=d33/ε33 T で得た。また表1における試
料No.1,3,4,19について、耐久性の評価を図1
に示す。
In Table 1, the unit of the compliance constant s 33 E is × 10 −12 m 2 / N, the unit of the piezoelectric strain constant d 33 is × 10 −12 m / V, and the unit of the piezoelectric output constant g 33 is ×.
10 −12 Vm / N, and the piezoelectric strain constant d 33 and the piezoelectric output constant g 33 are respectively d 33 = K 3333 T · s 33 E ).
1/2 , g 33 = d 33 / ε 33 T. The durability of the samples Nos. 1, 3, 4, and 19 in Table 1 was evaluated as shown in FIG.
Shown in

【0029】圧電アクチュエータを使用する温度環境が
100℃あるいはそれ以下である場合、キュリー温度は
150℃あることが必要とされる。多くの場合、このよ
うな環境下で使用され、キュリー温度の下限は150℃
以上となることが必要とされるが、表1によれば、試料
番号3はキュリー温度が177℃と高い温度に保ちなが
ら、圧電歪定数d33が725×10-12 m/vと他に類
のない極めて大きなd定数を有している。また0.5t
on/cm2 の圧力を50回繰り返し加える耐久性の試
験を行った結果、d33定数の減衰は2%であったことか
ら耐久性においても優れた特性を示した。
When the temperature environment in which the piezoelectric actuator is used is 100 ° C. or less, the Curie temperature needs to be 150 ° C. Often used in such environments, the lower limit of the Curie temperature is 150 ° C.
According to Table 1, it is necessary that the sample No. 3 has a Curie temperature as high as 177 ° C. and a piezoelectric strain constant d 33 of 725 × 10 −12 m / v. It has an unusually large d constant. 0.5t
the pressure of the on / cm 2 50 times repeatedly adding results of the test for durability, attenuation constant d 33 showed excellent characteristics in durability since it was 2%.

【0030】さらに、電圧印加による発生変位の特性か
ら、変位ヒステリシスが5.4%であったこと、および
線形性に優れていること等から変位特性においても優れ
ている。さらに圧電アクチュエータが100乃至150
℃と高温下にさらされる用途に使用される場合、キュリ
ー温度が200℃を越えることが必要される。アクチュ
エータ材料の場合、その機能上からd33定数ができるか
ぎり大きいことが望まれ、試料番号6,7はキュリー温
度が200℃であり、かつ圧電歪定数d33が600×1
-12 m/vを上回る大きな圧電歪定数を得ている。更
に0.5ton/cm2 の荷重を50回繰り返し加える
耐久性試験でもd33定数の減衰は約2%と優れた特性を
示したことから、圧電アクチュエータ材料として非常に
優れている。さらに、変位ヒステリシスが、7%以下で
あることから、位置決め用素子としても、非常に優れて
いる。
Further, from the characteristics of the displacement generated by applying a voltage, the displacement hysteresis is 5.4% and the displacement characteristics are excellent due to the excellent linearity. Further, when the piezoelectric actuator is 100 to 150
When used in applications exposed to high temperatures of up to 200 ° C., the Curie temperature needs to exceed 200 ° C. In the case of an actuator material, it is desired that the d 33 constant is as large as possible from the viewpoint of its function. For Sample Nos. 6 and 7, the Curie temperature is 200 ° C. and the piezoelectric strain constant d 33 is 600 × 1.
A large piezoelectric strain constant exceeding 0 -12 m / v is obtained. Furthermore a load of 0.5 ton / cm 2 since the attenuation constant d 33 in the durability test applying repeated 50 times showed about 2% and excellent characteristics, is very excellent as a piezoelectric actuator material. Further, since the displacement hysteresis is 7% or less, it is very excellent as a positioning element.

【0031】また、試料No.18のようにPb(Zn
1/3 Sb2/3 )O3 の固溶量aが0.05より小さい場
合、圧電歪定数d33はそれ程大きくないが、大きな圧電
出力定数g33が得られ、加速度センサー等の圧電センサ
に最適である。さらに、強誘電的分域移動に伴うヒステ
リシスが小さいことから、応力印加に対する出力電圧特
性が線形であり、センサ材料として非常に優れたものが
ある。
Further, as shown in sample No. 18, Pb (Zn
When the solid solution amount a of 1/3 Sb 2/3 ) O 3 is smaller than 0.05, the piezoelectric strain constant d 33 is not so large, but a large piezoelectric output constant g 33 is obtained, and a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor is obtained. Ideal for Further, since the hysteresis associated with the ferroelectric domain shift is small, the output voltage characteristics with respect to the application of stress are linear, and some sensor materials are very excellent.

【0032】このように本発明品は大きな圧電歪定数d
33および高いキュリー温度を得ることができるととも
に、繰り返し荷重を印加した場合でも圧電歪定数d33
減衰率が極めて小さい優れた特性を有することが判る。
さらに、変位ヒステリシスが極めて小さく、優れた特性
を有することが判る。また大きな圧電出力定数が得られ
ることが判る。
Thus, the product of the present invention has a large piezoelectric strain constant d.
It is possible to obtain 33 and a high Curie temperature, the attenuation factor of the piezoelectric strain constant d 33 even when applying repeated load is seen to have a very small excellent characteristics.
Further, it can be seen that the displacement hysteresis is extremely small and has excellent characteristics. It can also be seen that a large piezoelectric output constant can be obtained.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、P
bO、ZrO2 、TiO2 、SrCO3 、BaCO3
ZnO、Sb2 3 、NiO、TeO2 を所定の割合で
配合することにより、圧電歪定数及びキュリー温度いず
れの面でも大きく、かつ繰り返し荷重を印加した場合で
も圧電歪定数の減衰率が小さく耐久性においても優れた
特性を得ることができ、さらに変位ヒステリシスが小さ
いことから圧電アクチュエータ用素子として好適な特性
を有していることがわかる。また、大きな圧電出力定数
が得られることから、加速度センサ,ノッキングセン
サ,AEセンサ等の圧電センサーにおいても優れた特性
を得ることができる。
As described in detail above, according to the present invention, P
bO, ZrO 2 , TiO 2 , SrCO 3 , BaCO 3 ,
By mixing ZnO, Sb 2 O 3 , NiO, and TeO 2 at a predetermined ratio, the piezoelectric strain constant and Curie temperature are large, and even when a load is repeatedly applied, the piezoelectric strain constant has a small attenuation rate and is durable. Excellent characteristics can be obtained, and the displacement hysteresis is small, indicating that the device has characteristics suitable for a piezoelectric actuator element. Further, since a large piezoelectric output constant is obtained, excellent characteristics can be obtained also in a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor.

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

【図1】繰り返し加圧回数と圧電歪定数の保持率との関
係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the number of times of repeated pressurization and the holding ratio of a piezoelectric strain constant.

【図2】試料No.3における印加電圧と発生変位との関
係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between applied voltage and generated displacement in sample No. 3.

【図3】試料No.19における印加電圧と発生変位との
関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between applied voltage and generated displacement in sample No. 19.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−26099(JP,A) 特開 昭49−27897(JP,A) 特開 昭56−115586(JP,A) 特開 平7−315923(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/42 - 35/49 H01B 3/00 - 3/14 H01L 41/18 - 41/187 CA(STN) REGISTRY(STN)Continuation of the front page (56) References JP-A-50-26099 (JP, A) JP-A-49-27897 (JP, A) JP-A-56-115586 (JP, A) JP-A-7-315923 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/42-35/49 H01B 3/00-3/14 H01L 41/18-41/187 CA (STN) REGISTRY (STN )

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】金属元素としてPb、Zr、Ti、Zn、
Sb、Ni、Teと、Srおよび/またはBaを含む複
合ペロブスカイト型化合物であって、これらの金属元素
のモル比による組成式をPb1-x-y Srx Bay (Zn
1/3 Sb2/3 a (Ni1/2 Te1/2 b Zrc Ti
1-a-b-c 3 と表わした時、x,y,a,b,cが、 0 ≦x≦0.14 0 ≦y≦0.14 0 <x+y 0.01 ≦a≦0.12 0.002≦b≦0.020 0.43 ≦c≦0.58 を満足することを特徴とするアクチュエータ用圧電磁器
組成物。
1. A metal element comprising Pb, Zr, Ti, Zn,
Sb, Ni, Te and a composite perovskite compound containing Sr and / or Ba, the Pb 1-xy formula by molar ratio of the metal elements Sr x Ba y (Zn
1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr c Ti
When expressed as 1-abc O 3 , x, y, a, b, and c are: 0 ≦ x ≦ 0.140 0 ≦ y ≦ 0.140 0 <x + y0.01 ≦ a ≦ 0.12 0.002 ≦ b ≦ 0.020 0.43 ≦ c ≦ 0.58. A piezoelectric ceramic composition for an actuator, characterized by satisfying the following condition.
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