JP3117625B2 - 電界誘起歪み材料 - Google Patents
電界誘起歪み材料Info
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Description
度を印加する、電界誘起歪みを利用したアクチュエータ
等に好適な、電界誘起歪み材料に関するものである。
系)の磁器をベースとし、これに第三成分を置換した圧
電材料は、一般的に大きな圧電性が得られるとともに、
添加物の種類、量により種々の特性を制御できる利点が
ある。特に、第三成分としてPb(Mg1/3 Nb2/3 )
O3 を置換した系の磁器は、優れた圧電特性を有する。
一般に、こうした圧電材料の圧電歪みの指標としては、
共振一反共振法で測定される圧電定数(d3 3 、d3 1
等)が用いられている。
装置等の分野において、比較的に大きな変位を必要とす
るアクチュエータの必要性が高まっており、電界誘起歪
みを利用したアクチュエータ素子が開発されている。こ
の様な素子にあっては、素子に材料に印加される電界強
度は数百V/mm以上である。
ュエータの材料として、前記のPZT系の圧電材料を使
用することは知られていた。このような圧電材料の特性
は、上記した圧電定数によって測定されており、圧電定
数の大きな圧電材料によって上記のような素子を作製す
ることが行われていた。本発明者は、PZTの組成を有
する磁器において、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 を置
換した系の磁器について、電界誘起歪み材料としての特
性を研究していた。しかし、通常高い圧電定数を有する
ものとされている化学量論組成の磁器が、前記したよう
な高電界を印加する用途においては、必ずしも高い歪み
を与えないことを見いだした。
た高電界領域において、高い歪み量を示すような、電界
誘起歪み材料を提供することである。
み材料は、PbZrO3−PbTiO3 −Pb(Mg1/3
Nb2/3 )O3 系の磁器からなる電界誘起歪み材料で
あって、重量比で、化学量論組成におけるMgOの含有
量を100としたときのMgOの含有量が92以上、9
9以下であることを特徴とする。
−Pb(Mg1/3 Nb2/ 3 )O3 系の組成を有する磁器
について、高電界を印加したときの電界誘起歪み材料と
しての特性について研究を進めていた。「圧電/電歪ア
クチュエータ 基礎から応用まで」内野 研二著(株式
会社日本工業技術センター編)第51頁によれば、こう
した圧電材料の圧電定数の値はデータブックにまとめら
れており、通常はd3 3 =10- 1 0 〜10- 9 m/V
である。d3 3 =10- 1 0 〜10- 9 m/Vである
と、106 V/mの電界を印加した場合には、計算上
は、Δl/L=10- 3 程度の歪みが算出されるはずで
ある。これは、例えば1cmの長さの試料において、試
料が約10μm伸びることに相当している。これらの磁
器の圧電定数は、前述したように、低電界領域において
共振−反共振法等によって測定されており、低電界領域
においては正確である。しかし、数百V/mm以上とい
った高電界領域においては使用できない。この理由は、
次のように考えられる。
晶の結晶格子を備えており、低電界領域においては、こ
の結晶系に電界を印加すると、結晶格子を構成するBサ
イトが変位し、結晶格子の形状および寸法が僅かに変化
する。この変化を反映して、磁器の全体としての寸法に
変化が現れる。PbZrO3 −PbTiO3 −Pb(M
g1/3 Nb2/3 )O3 系の組成を有する磁器について
も、この機構による圧電材料としての特性、即ち圧電定
数dや電気機械結合定数kは、測定されている。この結
果、この系においては、MgおよびNbの置換比率が化
学量論組成である磁器が、最も高い圧電定数を備えてい
るものとされていた。このデータから考えれば、この系
の磁器においては、前記した化学量論組成の磁器が、電
界誘起歪み材料としても高い歪み量ないし変位量を有し
ているものと考えられる。
電界領域の電界誘起歪み材料としては、化学量論組成に
おけるMgOの含有量を100としたときのMgOの含
有量を、重量比で、92以上、99以下とすることによ
って、最も歪み量が大きくなることを見いだした。
とによって、電界誘起歪み材料としての歪み量が増大し
た理由は明白ではない。しかし、「圧電/電歪アクチュ
エータ 基礎から応用まで」第51頁に記載されている
ように、高電界領域においては、圧電定数からの算出値
と、実際の歪み量とは、最大で数百%もの相違があり、
圧電定数からの算出値は役に立たないことが知られてい
る。
結晶粒の内部にドメインが形成されていることが多い。
従って、磁器は多数のドメインによって分割されてい
る。こうした多数のドメインを有する磁器に対して、上
記の水準の電界を印加すると、各ドメインが回転し、こ
の回転によって磁器に顕著な歪みが発生する。高電界領
域における電界誘起歪みの機構は、主としてこのドメイ
ン回転の寄与が大きいと考えられる。そして、こうした
ドメイン回転現象による磁器の歪みは、低電界領域、例
えば前記した共振−反共振法における電界領域では生じ
ないものであるため、圧電定数d3 1 やd3 3 の測定値
から高電界領域における電界誘起歪みを予測することは
できない。
する場合の印加電界は、500V/mm以上の範囲であ
り、好ましくは1000〜3000V/mmの範囲であ
る。
b(Mg1/3 Nb2/3 )O3 系の組成を有する磁器にお
いては、化学量論組成のときに最も圧電定数d33が高く
なる。しかし、化学量論組成におけるMgOの含有量を
100としたときのMgOの含有量を、重量比で、99
以下とすることによって、著しく歪みが増大した。ま
た、MgOの含有量が92未満であると、パイロクロア
相と呼ばれる異相が析出し、磁器の電界誘起歪み材料と
しての特性が著しく劣化する。磁器の電界誘起歪み量を
増大させるためには、MgOの含有量を93以上、98
以下とすることが更に好ましく、94以上、96以下と
することが一層好ましい。
満たすことが好ましい。 5mol%≦X≦50mol% 30mol%≦Y≦50mol% 5mol%≦Z≦60mol% X+Y+Z=100mol% X、Y、Zは、下式を満たすことが一層好ましい。 10mol%≦X≦45mol% 35mol%≦Y≦45mol% 10mol%≦Z≦55mol% X+Y+Z=100mol%
ストロンチウムおよびランタンからなる群より選ばれた
一種以上の金属元素によって、1〜10原子%置換する
ことが好ましく、これによって電界誘起歪み量を、より
一層向上させることができる。この金属による置換割合
を3原子%以上とすると、この効果が特に顕著であり、
この観点からは更に4原子%以上とすることが好まし
い。ただし、この置換割合が8原子%を越えると、圧電
材料のキュリー温度が低下する傾向があるので、これを
8原子%以下とすることが好ましく、7原子%以下とす
ることが一層好ましい。また、前記したもの以外の鉛系
のペロブスカイト化合物を、上記の系に対して添加する
ことも可能である。
定されない。以下に示す一般的な手法が好適に用いられ
る。即ち、各金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩を本
発明の組成の範囲内になるように秤量し、ボールミル等
の混合装置を用い混合する。得られた混合粉末を大気中
で800〜1100℃の温度で仮焼し、仮焼体を得る。
仮焼体をボールミル等の粉砕装置を用い、所望の粒度ま
で粉砕し、得られた所望の形状にプレス成形する。成形
体は、1200〜1300℃の温度で焼成し焼結体を得
る。焼結体を所定の寸法に加工し、金等の電極を付与し
たのち、分極処理に供する。しかし、他の製造方法によ
って、本発明の組成範囲の圧電材料を製造することも可
能である。
る。 (実験1) PbO、SrCO3 、ZrO2 、TiO2 、MgCO
3 、Nb2 O5 を秤量した。この際、25.0(Pb
0.94Sr0.06)ZrO3 −37.5(Pb0.94S
r0.06)TiO3 −37.5(Pb0.94Sr0.06)(M
g1/3 Nb2/3 )O3 の組成比率となるようにし、かつ
化学量論組成のときのMgOの含有量を100としたと
きの、各試料のMgOの含有量を、表1に示すように変
更した。
ルミル中で、16時間、湿式混合して混合粉末を得し
た。乾燥した混合粉末を、密閉した鞘の中で950℃、
2時間の条件で仮焼した。仮焼体を解砕した後、ボール
ミルに投入し、16時間湿式粉砕した。粉砕した粉末
を、金型を用い、約400kg/cm2 の圧力で1軸プ
レス成形し、直径20mm、厚さ5mmの円盤状成形体
を得た。この円盤状成形体を、1250℃、2時間の条
件で焼成し、焼結体を得た。
3mm、厚さ1mmの棒状の試料を得、この試料のう
ち、長さ12mm、幅3mmである平面上にスパック法
により金電極を付与した。75℃、2kV、15min
の条件で分極処理を行い、各素子を製造した。各素子に
ついて、共振一反共振法により横方向圧電定数(d3
1 )を測定した。また、2000V/mmの電界を印加
したときの横方向の歪み(S2 0 0 0 )を、歪みゲージ
を使用して測定した。これらの測定結果を、表1に示
す。
において、最も高い圧電定数が得られ、試料番号8〜1
4から判るように、MgOの含有量が低下するのにつれ
て、圧電定数が減少していく。しかし、試料番号8〜1
4においては、試料番号7と比較して、電界誘起歪みが
著しく大きくなっていた。特に、MgOの含有量を93
〜98とすると、電界誘起歪みが更に増大し、94〜9
6とすると電界誘起歪みが最も増大することが判明し
た。また、MgOの含有量が91になると、異相が生成
したために、電圧を印加しても変位が見られなくなっ
た。
使用したが、この代わりに各金属元素の炭酸塩または水
酸化物を使用した。この結果、製造した各試料の横方向
圧電定数d3 1 および電界誘起歪みについて、実験1と
ほぼ同等の値が得られた。
百V/mmといった高電界領域において、高い歪み量を
示すような、電界誘起歪み材料を提供することができ
る。
Claims (6)
- 【請求項1】PbZrO3 −PbTiO3 −Pb(Mg
1/3 Nb2/3 )O3 系の磁器からなる電界誘起歪み材料
であって、重量比で、化学量論組成におけるMgOの含
有量を100としたときのMgOの含有量が92以上、
99以下であることを特徴とする、電界誘起歪み材料。 - 【請求項2】前記電界誘起歪み材料が、XPbZrO3
−YPbTiO3 −ZPb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 系
の組成を有しており、ここでX、Y、Zが下式を満足し
ていることを特徴とする、請求項1記載の材料。 5mol%≦X≦50mol% 30mol%≦Y≦50mol% 5mol%≦Z≦60mol% X+Y+Z=100mol% - 【請求項3】Pbのうち1−10mol%が、バリウ
ム、カルシウム、ストロンチウムおよびランタンからな
る群より選ばれた一種以上の金属元素によって置換され
ていることを特徴とする、請求項1または2記載の材
料。 - 【請求項4】結晶相としてパイロクロア相を含まないこ
とを特徴とする、請求項1−3のいずれか一つの請求項
に記載の材料。 - 【請求項5】請求項1−4のいずれか一つの請求項に記
載の材料を、500V/mm以上の電界を印加して伸縮
させることを特徴とする、電界誘起歪み材料の駆動方
法。 - 【請求項6】前記材料を、1000V/mm以上の電界
を印加して伸縮させることを特徴とする、請求項5記載
の駆動方法。
Priority Applications (1)
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JP07261483A JP3117625B2 (ja) | 1995-10-09 | 1995-10-09 | 電界誘起歪み材料 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH09110525A JPH09110525A (ja) | 1997-04-28 |
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JP07261483A Expired - Fee Related JP3117625B2 (ja) | 1995-10-09 | 1995-10-09 | 電界誘起歪み材料 |
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1995
- 1995-10-09 JP JP07261483A patent/JP3117625B2/ja not_active Expired - Fee Related
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