JP3161175B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
圧電磁器組成物Info
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電磁器組成物に関
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磁器
組成物に関する。本発明による圧電磁器組成物は、従来
の圧電磁器組成物と比較して、キューリー温度が高く、
従って耐熱性が高く、さらに変位量が大きい。
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磁器
組成物に関する。本発明による圧電磁器組成物は、従来
の圧電磁器組成物と比較して、キューリー温度が高く、
従って耐熱性が高く、さらに変位量が大きい。
【０００２】
【従来の技術】圧電磁器組成物についての研究はかなり
以前から行われており、またかかる圧電磁器組成物を利
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、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。
以前から行われており、またかかる圧電磁器組成物を利
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、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。
【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磁器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、数多くの圧電磁器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。
て、種々のタイプの圧電磁器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、数多くの圧電磁器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。
【０００４】さらに、特願平４−128836号は、ＰＺＴ系
セラミックスにＬａを添加した組成物、例えば（Ｐｂ
0.95Ｌａ0.05)(Ｚｒ0.55Ｔｉ0.44Ｎｂ0.01）Ｏ3 で表さ
れる組成を有する組成物を開示している。この組成物は
Ｌａの添加によりキューリー温度（Ｔｃ）の向上を図る
ことができた。しかし、Ｔｃ＝225 ℃において、０〜80
0V印加した際の、この組成物より製造した圧電体の0.5m
m 厚さのペレット１枚あたりの変位量は0.5 μm であ
り、27MPa 荷重印加時の変位量は0.18μm であり小さか
った。また、温度100 ℃中での０〜800V電圧を繰り返し
印加する耐久試験において、この圧電体では、自発分極
の90度ドメインスイッチングに起因する変位量の低下が
生じた。
セラミックスにＬａを添加した組成物、例えば（Ｐｂ
0.95Ｌａ0.05)(Ｚｒ0.55Ｔｉ0.44Ｎｂ0.01）Ｏ3 で表さ
れる組成を有する組成物を開示している。この組成物は
Ｌａの添加によりキューリー温度（Ｔｃ）の向上を図る
ことができた。しかし、Ｔｃ＝225 ℃において、０〜80
0V印加した際の、この組成物より製造した圧電体の0.5m
m 厚さのペレット１枚あたりの変位量は0.5 μm であ
り、27MPa 荷重印加時の変位量は0.18μm であり小さか
った。また、温度100 ℃中での０〜800V電圧を繰り返し
印加する耐久試験において、この圧電体では、自発分極
の90度ドメインスイッチングに起因する変位量の低下が
生じた。
【０００５】これは、この圧電体の耐久温度がＴｃの約
45％であり、ドメインスイッチングが起こりやすいから
である。従って、自動車のような、環境条件の厳しいと
ころで使用する場合には、さらなるキューリー温度の向
上が望まれ、また変位量の増加も望まれる。
45％であり、ドメインスイッチングが起こりやすいから
である。従って、自動車のような、環境条件の厳しいと
ころで使用する場合には、さらなるキューリー温度の向
上が望まれ、また変位量の増加も望まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧電磁器組
成物の有する前記の如き欠点を解消し、耐熱性が高くか
つ耐久性の高い圧電体を与える圧電磁器組成物を提供し
ようとするものである。
成物の有する前記の如き欠点を解消し、耐熱性が高くか
つ耐久性の高い圧電体を与える圧電磁器組成物を提供し
ようとするものである。
【０００７】
【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、Ｌａを添加したＰＺＴ系
組成物において、Ｓｍ、Ｐｒ及びＮｄのうち少なくとも
１種を添加することによりキューリー温度が従来のもの
より向上し、さらに変位量も大きくなることを見出し
た。
を達成すべく鋭意研究の結果、Ｌａを添加したＰＺＴ系
組成物において、Ｓｍ、Ｐｒ及びＮｄのうち少なくとも
１種を添加することによりキューリー温度が従来のもの
より向上し、さらに変位量も大きくなることを見出し
た。
【０００８】すなわち、本発明の圧電磁器組成物は、下
式で表される組成 Ｐｂ1-x-y Ｌａx Ｍy （Ｚｒa Ｔｉ1-a-b Ｎｂb ）Ｏ3 （上式において、0.01≦ｘ≦0.05、 0.001 ≦ｙ≦0.01 0.540≦ａ≦0.565 、 0.005≦ｂ≦0.02であり、 ＭはＳｍ、Ｐｒ及びＮｄのうち少なくとも１種を表す） を有することを特徴とする。
式で表される組成 Ｐｂ1-x-y Ｌａx Ｍy （Ｚｒa Ｔｉ1-a-b Ｎｂb ）Ｏ3 （上式において、0.01≦ｘ≦0.05、 0.001 ≦ｙ≦0.01 0.540≦ａ≦0.565 、 0.005≦ｂ≦0.02であり、 ＭはＳｍ、Ｐｒ及びＮｄのうち少なくとも１種を表す） を有することを特徴とする。
【０００９】本発明の圧電磁器組成物は、常法によって
加工される。すなわち、原料、例えばＰｂＯ、Ｚｒ
Ｏ2 、ＴｉＯ2 、Ｌａ2 Ｏ3 、Ｐｒ6 Ｏ11、Ｎｂ2 Ｏ5
等を組成式に従って計量し、混合し、これを仮焼成す
る。その後この仮焼結体を粉砕し、成形し、最後に焼成
することにより圧電体が得られる。
加工される。すなわち、原料、例えばＰｂＯ、Ｚｒ
Ｏ2 、ＴｉＯ2 、Ｌａ2 Ｏ3 、Ｐｒ6 Ｏ11、Ｎｂ2 Ｏ5
等を組成式に従って計量し、混合し、これを仮焼成す
る。その後この仮焼結体を粉砕し、成形し、最後に焼成
することにより圧電体が得られる。
【００１０】本発明の圧電磁器組成物は、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。
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。
【００１１】
【実施例】以下、本発明をその実施例により説明する。実施例１ Ｐｂ1-x-y Ｌａx Ｐｒy （Ｚｒa Ｔｉ1-a-b Ｎｂb ）Ｏ
3 で表される組成式において、ａ＝0.55、ｂ＝0.01、ｘ
＝0.05であり、ｙが以下の表１に示すような値を与える
ように、原料ＰｂＯ、ＺｒＯ2 、ＴｉＯ2 、Ｎｂ
2 Ｏ5 、Ｐｒ6 Ｏ11及びＬａ2 Ｏ3 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。得られた粉末を
乾燥後、800 ℃において２時間仮焼し、再度ボールミル
において48時間粉砕し、乾燥した。
3 で表される組成式において、ａ＝0.55、ｂ＝0.01、ｘ
＝0.05であり、ｙが以下の表１に示すような値を与える
ように、原料ＰｂＯ、ＺｒＯ2 、ＴｉＯ2 、Ｎｂ
2 Ｏ5 、Ｐｒ6 Ｏ11及びＬａ2 Ｏ3 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。得られた粉末を
乾燥後、800 ℃において２時間仮焼し、再度ボールミル
において48時間粉砕し、乾燥した。
【００１２】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、
２kV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。
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、
２kV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。
【００１３】得られたそれぞれの圧電ペレットの比誘電
率（εr ) 、電気機械結合係数（Ｋｐ）、キューリー温
度（Ｔｃ）及び３点曲げ強度（σ3b、φ15mm、t=0.5mm
のペレットにおいてスパン10mmの３点曲げ強度）を測定
し、これらの結果を以下の表１及び図１に示す。
率（εr ) 、電気機械結合係数（Ｋｐ）、キューリー温
度（Ｔｃ）及び３点曲げ強度（σ3b、φ15mm、t=0.5mm
のペレットにおいてスパン10mmの３点曲げ強度）を測定
し、これらの結果を以下の表１及び図１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】この表１及び図１より明らかなように、Ｐ
ｒの添加量の増加に伴い、比誘電率（εr ) はあまり変
化しないが、電気機械結合係数（Ｋｐ）はゆるやかに減
少する。しかし、ｙ＝0.01（１mol ％）まではＫｐ＝60
以上を確保している。一方、キューリー温度（Ｔｃ）は
急増し、ｙ＝0.005 で最大となり（Ｔｃ＝254 ℃）、Ｐ
ｒを添加しないもの（従来品）と比較し、30℃向上し
た。また、３点曲げ強度はｙ＝0.01において最大とな
り、Ｐｒを添加しないものと比較し、14％向上した。こ
れらの結果より、ｙの範囲として0.001 ≦ｙ≦0.01を選
択した。
ｒの添加量の増加に伴い、比誘電率（εr ) はあまり変
化しないが、電気機械結合係数（Ｋｐ）はゆるやかに減
少する。しかし、ｙ＝0.01（１mol ％）まではＫｐ＝60
以上を確保している。一方、キューリー温度（Ｔｃ）は
急増し、ｙ＝0.005 で最大となり（Ｔｃ＝254 ℃）、Ｐ
ｒを添加しないもの（従来品）と比較し、30℃向上し
た。また、３点曲げ強度はｙ＝0.01において最大とな
り、Ｐｒを添加しないものと比較し、14％向上した。こ
れらの結果より、ｙの範囲として0.001 ≦ｙ≦0.01を選
択した。
【００１６】次に、前記組成式においてｙ＝0.007 であ
るもの（Ｐｒ＝0.7mol％）に、温度100 ℃のシリコンオ
イル内でペレット表面に20MPa の荷重を加えた状態で０
〜800Vの電圧印加を繰り返すことにより、圧電ペレット
の耐久試験を行った。繰り返し回数は108 回まで行い、
この圧電ペレットの変位量の変化を調べた。変位量の測
定は、０〜800Vの電圧印加した際の変位量をレーザ式変
位計を用いて1/100 μm の精度で行った。結果を図２に
示す。
るもの（Ｐｒ＝0.7mol％）に、温度100 ℃のシリコンオ
イル内でペレット表面に20MPa の荷重を加えた状態で０
〜800Vの電圧印加を繰り返すことにより、圧電ペレット
の耐久試験を行った。繰り返し回数は108 回まで行い、
この圧電ペレットの変位量の変化を調べた。変位量の測
定は、０〜800Vの電圧印加した際の変位量をレーザ式変
位計を用いて1/100 μm の精度で行った。結果を図２に
示す。
【００１７】図２より明らかなように、初期のペレット
変位量は0.65μm であり、従来品の変位量を30％上回っ
た。また、本発明の圧電ペレットは、108 回耐久試験後
において、その変位量の低下は８％に留まっていたが、
一方従来品は10％低下していた。すなわち、本発明の圧
電ペレットの変位量は、耐久前及び耐久後共に、従来品
より大きく上回っていた。
変位量は0.65μm であり、従来品の変位量を30％上回っ
た。また、本発明の圧電ペレットは、108 回耐久試験後
において、その変位量の低下は８％に留まっていたが、
一方従来品は10％低下していた。すなわち、本発明の圧
電ペレットの変位量は、耐久前及び耐久後共に、従来品
より大きく上回っていた。
【００１８】実施例２ 実施例１の組成物において、ＰｒをＮｄ及びＳｍに代
え、他は実施例１と同様にして圧電ペレットを製造し
た。そしてこの圧電ペレットの比誘電率（εr ) 、電気
機械結合係数（Ｋｐ）、キューリー温度（Ｔｃ）及び３
点曲げ強度（σ3b、φ15mm、t=0.5mm のペレットにおい
てスパン10mmの３点曲げ強度）を測定した。これらの結
果を以下の表２及び表３に示す。
え、他は実施例１と同様にして圧電ペレットを製造し
た。そしてこの圧電ペレットの比誘電率（εr ) 、電気
機械結合係数（Ｋｐ）、キューリー温度（Ｔｃ）及び３
点曲げ強度（σ3b、φ15mm、t=0.5mm のペレットにおい
てスパン10mmの３点曲げ強度）を測定した。これらの結
果を以下の表２及び表３に示す。
【００１９】
【表２】
【００２０】
【表３】
【００２１】比誘電率（εr ) 及び電気機械結合係数
（Ｋｐ）にはあまり変化は見られないが、キューリー温
度（Ｔｃ）は約20℃向上し、また３点曲げ強度（σ3b）
は６〜７MPa 向上した。さらに実施例１と同様にし、ｙ
＝0.007 である圧電ペレットの耐久試験を行い、その結
果を図３に示す。Ｓｍ及びＮｄ共に、その添加によって
従来品よりも大きな変位及び小さな耐久劣化を示した。
（Ｋｐ）にはあまり変化は見られないが、キューリー温
度（Ｔｃ）は約20℃向上し、また３点曲げ強度（σ3b）
は６〜７MPa 向上した。さらに実施例１と同様にし、ｙ
＝0.007 である圧電ペレットの耐久試験を行い、その結
果を図３に示す。Ｓｍ及びＮｄ共に、その添加によって
従来品よりも大きな変位及び小さな耐久劣化を示した。
【００２２】
【発明の効果】ＰＺＴ系セラミックスにＳｍ、Ｐｒ及び
Ｎｄのうち少なくとも１種を添加することにより、その
キューリー温度が約20℃向上し、その結果、耐熱性が向
上する。従って、自動車用の部品、例えばアクチュエー
タとして使用する場合に、その冷却構造が簡易になり、
コスト低減、重量低減を図ることができる。さらに従来
品とくらべ変位量が大きくなるため、印加電圧を低くす
ることができ、駆動用電源の小容量化、小型化、及び低
コスト化が可能になる。
Ｎｄのうち少なくとも１種を添加することにより、その
キューリー温度が約20℃向上し、その結果、耐熱性が向
上する。従って、自動車用の部品、例えばアクチュエー
タとして使用する場合に、その冷却構造が簡易になり、
コスト低減、重量低減を図ることができる。さらに従来
品とくらべ変位量が大きくなるため、印加電圧を低くす
ることができ、駆動用電源の小容量化、小型化、及び低
コスト化が可能になる。
【図１】実施例１の圧電ペレットのＰｒの量に対する特
性の変化を示すグラフである。
性の変化を示すグラフである。
【図２】実施例１の圧電ペレットの変位量の変化を示す
グラフである。
グラフである。
【図３】実施例２の圧電ペレットの変位量の変化を示す
グラフである。
グラフである。
Claims (1)
- 【請求項１】 下式により表される組成： Ｐｂ1-x-y Ｌａx Ｍy （Ｚｒa Ｔｉ1-a-b Ｎｂb ）Ｏ3 （上式において、0.01≦ｘ≦0.05、 0.001 ≦ｙ≦0.01 0.540≦ａ≦0.565 、 0.005≦ｂ≦0.02であり、 ＭはＳｍ、Ｐｒ及びＮｄのうち少なくとも１種を表す） を有することを特徴とする圧電磁器組成物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21757793A JP3161175B2 (ja) | 1993-09-01 | 1993-09-01 | 圧電磁器組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP21757793A JP3161175B2 (ja) | 1993-09-01 | 1993-09-01 | 圧電磁器組成物 |
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| JPH0769724A JPH0769724A (ja) | 1995-03-14 |
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Family
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Family Applications (1)
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1993
- 1993-09-01 JP JP21757793A patent/JP3161175B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0769724A (ja) | 1995-03-14 |
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