JPH09202661A - 圧電磁器組成物 - Google Patents

圧電磁器組成物

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JPH09202661A
JPH09202661A JP8011890A JP1189096A JPH09202661A JP H09202661 A JPH09202661 A JP H09202661A JP 8011890 A JP8011890 A JP 8011890A JP 1189096 A JP1189096 A JP 1189096A JP H09202661 A JPH09202661 A JP H09202661A
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JP
Japan
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amount
range
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changed
piezoelectric ceramic
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JP8011890A
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English (en)
Inventor
Toshihiro Okazaki
俊宏 岡▲崎▼
Takenobu Sakai
酒井  武信
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車搭載用等の高温、高荷重、高周波領域
でのアクチュエータ用に適した高い機械的強度および電
気的強度を兼備した圧電磁器組成物を提供する。 【解決手段】 下式: Pb(Zr1-x Tix-z-j z j )O3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、xは、0.40≦x≦0.50、zおよびjは、 0.0
05 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j≦0.020 または、0.
0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕で表さ
れる組成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器組成物に
関し、特にチタン酸ジルコン酸鉛を基本組成とし、自動
車エンジンルームに搭載する圧電アクチュエータのよう
な高温、高荷重下での使用に適した圧電磁器組成物に関
する。
【0002】
【従来の技術】複合酸化物であるチタン酸ジルコニウム
酸鉛(Pb(ZrTi)O3 )を基本組成とする圧電磁
器組成物は、その構成成分である金属元素すなわち鉛
(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)の一
部を他の金属元素で置換することにより圧電特性が向上
することが知られている。
【0003】例えば、特開平6−100363号公報
に、チタン酸ジルコン酸鉛を基本組成とし、Pbの一部
をCa、SrおよびBaのうちの少なくとも1種で置換
し、更にMn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種
を含有する圧電磁器組成物が開示されている。これは、
キュリー温度が高く、電気抵抗率が大きく、かつ圧電定
数が大きいため、高温用アクチュエータ等に好適であ
る。
【0004】しかし、上記従来の圧電磁器組成物は、例
えば超音波振動子として自動車のエンジンルームで使用
した場合、雰囲気温度が80〜100℃と高いこともあ
り、素子自体の自己発熱と共に共振周波数に変化が生じ
たり、圧電特性が低下する傾向がある。例えば、上記の
ような高温雰囲気で100Hz付近の周波数領域で10
〜30MPaの高荷重下でアクチュエータとして使用す
ると、素子自体の発熱が大きくなり変位量が大きく低下
する等の問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、自動車搭載
用等の高温、高荷重、高周波領域でのアクチュエータ用
途に適した高い機械的強度および電気的強度を兼備した
圧電磁器組成物を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願第1発明の圧電磁器組成物は、下式: Pb(Zr1-x Tix-z-j z j )O3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、xは、0.40≦x≦0.50、zおよびjは、 0.0
05 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j≦0.020 または、0.
0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕で表さ
れる組成を有することを特徴とする。
【0007】または、本願第2発明の圧電磁器組成物
は、下式: Pb1-a Sra (Zr1-x-y Tix-z-j z j y )
3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1
種、aは、 0.09 ≦a≦0.13、xは、 0.435≦x≦0.44
5 、yは、 0.005≦y≦0.15、zおよびjは、 0.005
≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j≦0.020 または、0.0002
≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕で表される
組成を有することを特徴とする。
【0008】または、本願第3発明の圧電磁器組成物
は、下式: Pb1-a-b Sra Bab (Zr1-x-y Tix-z-j z
j y ) O3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1
種、aは、 0.05 ≦a≦0.15、bは、 0.01 ≦b≦0.02
5 、xは、 0.40 ≦x≦0.50、yは、 0.005≦y≦0.1
5、zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002
≦j≦0.020 または、0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003
≦j≦0.020 〕で表される組成を有することを特徴と
する。
【0009】または、本願第4発明の圧電磁器組成物
は、下式: Pb1-a-b Sra Lac (Zr1-x-y Tix-z-j z
j y ) O3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1
種、aは、 0.09 ≦a≦0.13、cは、 0 <c≦0.0
1、xは、 0.435≦x≦0.445 、yは、 0.005≦y≦0.0
3zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦
j≦0.020 または、0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003
≦j≦0.020 〕で表される組成を有することを特徴とす
る。
【0010】または、本願第5発明の圧電磁器組成物
は、下式: Pb1-a-b-c Sra Bab Lac (Zr1-x-y Ti
x-z-j z j y ) O3 〔ただし、Lは、In、GaおよびCoのうちの少なく
とも1種、Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なく
とも1種、Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1
種、aは、 0.09 ≦a≦0.13、bは、 0 <b≦0.0
4、cは、 0 <c≦0.01、xは、 0.435≦x≦0.445
、yは、 0.005≦y≦0.03zおよびjは、0.005 ≦z
≦0.020 且つ0.0002≦j≦0.020 または、0.0002≦z≦
0.020 且つ0.003 ≦j≦0.020 〕で表される組成を有す
ることを特徴とする。
【0011】上記本願第1発明〜第5発明のいずれの圧
電磁器組成物においても、LとNの添加量比率〔z/
(z+j)〕×100が20〜30%または75〜90
%であることが望ましい。
【0012】
【作用】本発明において、Tiの一部をLすなわちI
n、GaおよびCoのうちの少なくとも1種で置換する
ことにより、焼結体の結晶粒を微細化することができる
ため、分極反転電圧Ecが向上し、同時に機械的強度も
向上する。同時に、Tiの更に一部をNすなわちMn、
FeおよびCrのうちの少なくとも1種で置換すること
により同様に分極反転電圧Ecを向上させる。しかし、
Nで置換すると焼結体の結晶粒は比較的粗大化する傾向
がある。そこで、これらのLおよびNによる置換量をそ
れぞれ上記zおよびjで規定した範囲内とすることによ
り、分極反転電圧Ecおよび機械的品質係数Qmを向上
させると同時に、高い値の電気機械結合係数Kpおよび
機械的強度を確保した圧電体を得ることができる。
【0013】本願第1発明においては、Ti含有量
(x)と上記L,NによるTi置換量(z,j)を全体
として規定範囲内にバランスさせることにより、上記作
用を奏することができる。本願第2発明においては、上
記作用を奏する第1発明の組成に加えて、Pbの一部を
Srで置換し且つZrの一部をMすなわちSbおよびN
bのうちの少なくとも1種で置換することにより、特に
機械的品質係数Qmおよび電気機械結合係数Kpが更に
向上する。しかしその場合に、機械的強度は比較的低下
する傾向がある。Ti含有量(x)とL,NによるTi
置換量(z,j)に加えて、更にSrによるPb置換量
(a)とMによるTi置換量(y)を、全体として第2
発明の規定範囲内にバランスさせることにより、十分な
機械的強度を維持すると同時にQmとKpを向上させる
ことができる。
【0014】本願第3発明においては、第2発明の組成
に加えて、Pbの一部をSrの他に更にBaで置換する
ことにより、特に電気機械結合係数Kpが更に向上す
る。更に、電気機械結合係数Kpとは原理的に相反する
増減傾向にある機械的品質係数Qmをも高い値で確保す
ることができる。すなわち、Ti含有量(x)とL,N
によるTi置換量(z,j)に加えて、Sr,Baによ
るPb置換量(a,b)とMによるTi置換量(y)
を、全体として第3発明の規定範囲内にバランスさせる
ことにより、高いQmを確保しながらKpを向上させる
ことができる。
【0015】本願第4発明においては、第2発明の組成
に加えて、Pbの一部をSrの他に更にLaで置換する
ことにより、結晶粒が微細化するため特に機械的強度が
更に向上する。しかしその場合に、機械的品質係数Qm
および電気機械結合係数Kpは比較的減少する傾向にあ
る。Ti含有量(x)とL,NによるTi置換量(z,
j)に加えて、Sr,LaによるPb置換量(a,c)
とMによるTi置換量(y)を、全体として第4発明の
規定範囲内にバランスさせることにより、高いQmとK
pを確保しながら機械的強度を向上させることができ
る。
【0016】本願第5発明においては、第4発明の組成
に加えて、Pbの一部をSrおよびLaの他に更にBa
で置換することにより、特に電気機械結合係数Kpが向
上する。Ti含有量(x)とL,NによるTi置換量
(z,j)に加えて、Sr,Ba,LaによるPb置換
量(a,b,c)とMによるTi置換量(y)を、全体
として第5発明の規定範囲内にバランスさせることによ
り、上記電気機械結合係数Kp向上作用が得られる。
【0017】上記本願第1発明〜第5発明のいずれの組
成においても、LとNの添加量比率〔z/(z+j)〕
×100を20〜30%または75〜90%とすること
により、特に電気機械結合係数Kpが最大値となる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して、実
施例により本発明を更に詳細に説明する。 〔実施例1〕第1発明によるPb(Zr1-x Tix-z-j
z j ) O3 〔ただしL=In、N=Mn〕で表され
る組成式において、x=0.45とし、Lの量をz=0.01と
一定にし、Nの量をj=0,0.0002, 0.0025, 0.005,
0.010, 0.015, 0.020, 0.0225に変化させた組成の圧電
素子ペレットサンプルを下記の手順で作成した。
【0019】焼結原料としてPbO、ZrO2 、TiO
2 の各粉末を計量し、これらをボールミルにおいて48時
間湿式混合した。次いで得られた混合粉末を乾燥後、80
0 ℃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。こうして得られた粉末に、バイ
ンダとしてPVA(ポリビニルアルコール)を0.3 重量
%加え、1000kg/cm2の成形圧力において直径20mm、厚さ
2mmの円板に成形した。これを1250℃において2時間焼
結することにより、Tiを置換するN(=Mn)の量の
異なる各圧電素子ペレットサンプルを製造した。
【0020】このペレットの両面に常法により銀電極を
焼付け、100 ℃のシリコンオイル中でDC4kV/cm の電
圧を印加して分極処理を行った。得られた各サンプルに
ついて、機械的品質係数Qm、分極反転電圧Ec、電気
機械結合係数Kp、曲げ強度を測定した結果を図1に示
す。図1から分かるように、機械的品質係数Qmおよび
分極反転電圧Ecは、N(=Mn)をj=0.0002添加し
ただけで急激に上昇し、それ以上に添加量を増加させる
と向上する傾向にある。電気機械結合係数Kpはj=0.
0002〜0.020 の範囲で高い値が得られ、この範囲外では
急激に低下する。曲げ強度は、N(=Mn)の量の増加
と伴に徐々に低下し、j=0.020 を超えると急激に低下
する。
【0021】また、j=0〜0.020 の微量添加範囲につ
いて詳細に調べるために、上記と同様にして別途サンプ
ルを作成し、同様の測定を行った。その結果は、後述す
る実施例3ついて図11に示した結果と同様であり、N
(=Mn)の量をj=0からj=0.0002まで増加させる
とQm、Ec、Kp、曲げ強度ともに急激に上昇し、そ
れ以上の添加量ではj=0.002 まで単調に微増した。
【0022】また、上記の結果はL(=In)の量z=
0.01と一定にした場合の結果であるが、z=0.005 〜0.
020 の範囲について同様の結果が得られた。更に、Ti
+L+Nの合計量x=0.40〜0.50の範囲について上記と
同様の結果が得られた。上記の結果から、電気的強度、
機械的強度共に高い値を得るためには、Ti+L+Nの
合計量xを0.40〜0.50の範囲内とした上で、L(=I
n)の量z=0.005 〜0.020 の範囲と組み合わせて、N
(=Mn)の量jを0.0002〜0.020 の範囲内にする必要
があることが分かる。
【0023】次に、N(=Mn)の量をj=0.015 と一
定にし、L(=In)の量をz=0,0.0002, 0.0025,
0.005, 0.010, 0.015, 0.020, 0.0225に変化させて上記
と同様にして圧電ペレットを製造し、機械的品質係数Q
m、分極反転電圧Ec、電気機械結合係数Kp、曲げ強
度を測定した結果を図2に示す。図2から分かるよう
に、機械的品質係数Qm、分極反転電圧Ec、曲げ強度
は、いずれもL(=In)をj=0.0002添加しただけで
急激に上昇し、それ以上に添加量を増加させると向上す
る傾向にある。電気機械結合係数Kpはz=0.0002〜0.
020 の範囲で高い値が得られ、この範囲外では急激に低
下する。
【0024】また、z=0〜0.020 の微量添加範囲につ
いて詳細に調べるために、上記と同様にして別途サンプ
ルを作成し、同様の測定を行った。その結果は、後述す
る実施例3ついて図12に示した結果と同様であり、L
(=In)の量をz=0からj=0.0002まで増加させる
とQm、Ec、Kp、曲げ強度ともに急激に上昇し、そ
れ以上の添加量ではz=0.002 まで単調に微増した。
【0025】また、上記の結果はN(=Mn)の量j=
0.015 と一定にした場合の結果であるが、j=0.003 〜
0.020 の範囲について同様の結果が得られた。更に、T
i+L+Nの合計量x=0.40〜0.50の範囲について上記
と同様の結果が得られた。上記の結果から、電気的強
度、機械的強度共に高い値を得るためには、Ti+L+
Nの合計量xを0.40〜0.50の範囲内とした上で、N(=
Mn)の量j=0.003 〜0.020 の範囲と組み合わせて、
L(=In)の量jを0.0002〜0.020 の範囲内とする必
要があることが分かる。
【0026】次に、L(=In)とN(=Mn)の添加
量比率〔z/(z+j)〕×100を0〜100%に変
えた圧電ペレットサンプルを上記と同様の手順で作成
し、上記と同様の測定を行った。z+j=0.012 および
0.020 の場合の結果をそれぞれ図3および図4に示す。
これらの図から分かるように、LとNの添加量比率〔z
/(z+j)〕×100が20〜30%の範囲と75〜
90%の範囲において、特に電気機械結合係数Kpにつ
いて最大値が得られる。 〔実施例2〕第2発明によるPb1-a Sra (Zr
1-x-y Tix-z-j z j y )O3 〔ただしL=I
n、N=Mn、M=Sb〕で表される組成式において、
a=0.11、x=0.44、y=0.01とし、実施例1と同様
に、Lの量z=0.01と一定にしてNの量jを変化させた
場合と、Nの量j=0.015 と一定にしてLの量zを変化
させた場合について、実施例1と同様の手順で圧電素子
ペレットサンプルを作成した。ただし、焼結原料として
は、実施例1で用いたもの以外に、Sr源としてSrC
3 およびSb源としてSb2 5 の各粉末を用いた。
得られたサンプルについて、実施例1と同様の測定を行
った。図5にLの量z=0.01の場合の測定結果を示し、
図6にNの量j=0.015 の場合の測定結果をそれぞれ示
す。
【0027】実施例1の結果に比べて、SrおよびM
(=Sb)の添加により機械的品質係数Qmおよび電気
機械結合係数Kpが向上し、曲げ強度が比較的低下して
いる。Lの量zおよびNの量jの増量に伴う各特性値の
増減推移挙動は実施例1と同様である。また、Lおよび
Nの微量添加範囲についても実施例1と同様の結果であ
り、やはり各特性値ともに後述の実施例3について示し
た図11および図12と同様の結果が得られた。
【0028】更に、Lの量z=0.005 〜0.020 の範囲に
ついて図5と同様の結果が得られ、Nの量j=0.003 〜
0.020 の範囲について図6と同様の結果が得られた。S
rの量a=0.09〜0.13の範囲およびSbの量y=0.005
〜0.15の範囲について同様の結果が得られた。更に、T
i+L+Nの合計量x=0.435 〜0.445 の範囲について
上記と同様の結果が得られた。
【0029】上記の結果から、電気的強度、機械的強度
共に高い値を得るためには、Ti+L+Nの合計量x=
0.435 〜0.445 、Srの量a=0.09〜0.13、Sbの量y
=0.005 〜0.15とした上で、Lの量z=0.005 〜0.020
の範囲と組み合わせてN(=Mn)の量jを0.0002〜0.
020 の範囲内とし、Nの量j=0.003 〜0.020 の範囲と
組み合わせてLの量を0.0002〜0.020 の範囲内とする必
要があることが分かる。
【0030】次に、L(=In)とN(=Mn)の添加
量比率〔z/(z+j)〕×100を0〜100%に変
えた圧電ペレットサンプルを上記と同様の手順で作成
し、上記と同様の測定を行った。z+j=0.012 および
0.020 の場合の結果をそれぞれ図7および図8に示す。
これらの図から分かるように、LとNの添加量比率〔z
/(z+j)〕×100が20〜30%の範囲と75〜
90%の範囲において、特に電気機械結合係数Kpにつ
いて最大値が得られる。 〔実施例3〕第3発明によるPb1-a-b Sra Ba
b (Zr1-x-y Tix-z-j z j y)O3 〔ただし
L=In、N=Mn、M=Sb〕で表される組成式にお
いて、a=0.016 、b=0.11、x=0.45、y=0.01と
し、実施例1と同様に、Lの量z=0.01と一定にしてN
の量jを変化させた場合と、Nの量j=0.015 と一定に
してLの量zを変化させた場合について、実施例1と同
様の手順で圧電素子ペレットサンプルを作成した。ただ
し、焼結原料としては、実施例1で用いたもの以外に、
Sr源としてSrCO3 、Ba源としてBaCO3 およ
びSb源としてSb 2 5 の各粉末を用いた。得られた
サンプルについて、実施例1と同様の測定を行った。図
9にLの量z=0.01の場合の測定結果を示し、図10に
Nの量j=0.015 の場合の測定結果をそれぞれ示す。
【0031】実施例1の結果に比べて、全ての特性値が
向上しており、特に電気機械結合係数Kpの向上が顕著
である。Lの量zおよびNの量jの増量に伴う各特性値
の増減推移挙動は実施例1と同様である。第3発明によ
る本実施例の圧電素子は、他の実施例のものに比べて全
ての特性がバランス良く向上している。また、j=0〜
0.020 、z=0〜0.020 の微量添加範囲について詳細に
調べるために、上記と同様にして別途サンプルを作成
し、同様の測定を行った。その結果は、それぞれ図11
および図12に示したように、N(=Mn)の量をj=
0からj=0.0002までまたはL(=In)の量をz=0
からj=0.0002まで増加させるとQm、Ec、Kp、曲
げ強度ともに急激に上昇し、それ以上の添加量ではj=
0.002 またはz=0.002 まで単調に微増した。
【0032】更に、Lの量z=0.005 〜0.020 の範囲に
ついて図9と同様の結果が得られ、Nの量j=0.003 〜
0.020 の範囲について図10と同様の結果が得られた。
Srの量a=0.05〜0.15の範囲、Baの量b=0.01〜0.
025 の範囲、およびSbの量y=0.005 〜0.15の範囲に
ついて同様の結果が得られた。更に、Ti+L+Nの合
計量x=0.435 〜0.445 の範囲について上記と同様の結
果が得られた。
【0033】上記の結果から、電気的強度、機械的強度
共に高い値を得るためには、Ti+L+Nの合計量x=
0.435 〜0.445 、Srの量a=0.09〜0.13、Baの量b
=0.01〜0.025 、Sbの量y=0.005 〜0.15とした上
で、Lの量z=0.005 〜0.020の範囲と組み合わせてN
(=Mn)の量jを0.0002〜0.020 の範囲内とし、Nの
量j=0.003 〜0.020 の範囲と組み合わせてLの量を0.
0002〜0.020 の範囲内とする必要があることが分かる。
【0034】次に、L(=In)とN(=Mn)の添加
量比率〔z/(z+j)〕×100を0〜100%に変
えた圧電ペレットサンプルを上記と同様の手順で作成
し、上記と同様の測定を行った。z+j=0.012 および
0.020 の場合の結果をそれぞれ図13および図14に示
す。これらの図から分かるように、LとNの添加量比率
〔z/(z+j)〕×100が20〜30%の範囲と7
5〜90%の範囲において、特に電気機械結合係数Kp
について最大値が得られる。 〔実施例4〕第4発明によるPb1-a-c Sra La
c (Zr1-x-y Tix-z-j z j y)O3 〔ただし
L=In、N=Mn、M=Sb〕で表される組成式にお
いて、a=0.11、c=0.005 、x=0.44、y=0.01と
し、実施例1と同様に、Lの量z=0.01と一定にしてN
の量jを変化させた場合と、Nの量j=0.015 と一定に
してLの量zを変化させた場合について、実施例1と同
様の手順で圧電素子ペレットサンプルを作成した。ただ
し、焼結原料としては、実施例1で用いたもの以外に、
Sr源としてSrCO3 、La源としてLa2 3 、お
よびSb源としてSb 2 5 の各粉末を用いた。得られ
たサンプルについて、実施例1と同様の測定を行った。
図15にLの量z=0.01の場合の測定結果を示し、図1
6にNの量j=0.015 の場合の測定結果をそれぞれ示
す。
【0035】Laの添加効果により結晶粒が微細化し、
実施例3の結果に比べて曲げ強度が更に向上した。しか
し、機械的品質係数Qmおよび電気機械結合係数Kpは
実施例3よりも低い。Lの量zおよびNの量jの増量に
伴う各特性値の増減推移挙動は実施例1と同様である。
また、LおよびNの微量添加範囲についても実施例1と
同様の結果であり、各特性値ともに前述の実施例3につ
いて示した図11および図12と同様の結果が得られ
た。
【0036】更に、Lの量z=0.005 〜0.020 の範囲に
ついて図15と同様の結果が得られ、Nの量j=0.003
〜0.020 の範囲について図16と同様の結果が得られ
た。Srの量a=0.09〜0.13の範囲、Laの量0<c≦
0.01、およびSbの量y=0.005 〜0.03の範囲について
同様の結果が得られた。更に、Ti+L+Nの合計量x
=0.435 〜0.445 の範囲について上記と同様の結果が得
られた。
【0037】上記の結果から、電気的強度、機械的強度
共に高い値を得るためには、Ti+L+Nの合計量x=
0.435 〜0.445 、Srの量a=0.09〜0.13、Laの量0
<c≦0.01、Sbの量y=0.005 〜0.15とした上で、L
の量z=0.005 〜0.020 の範囲と組み合わせてN(=M
n)の量jを0.0002〜0.020 の範囲内とし、Nの量j=
0.003 〜0.020 の範囲と組み合わせてLの量を0.0002〜
0.020 の範囲内とする必要があることが分かる。
【0038】次に、L(=In)とN(=Mn)の添加
量比率〔z/(z+j)〕×100を0〜100%に変
えた圧電ペレットサンプルを上記と同様の手順で作成
し、上記と同様の測定を行った。z+j=0.012 および
0.020 の場合の結果をそれぞれ図17および図18に示
す。これらの図から分かるように、LとNの添加量比率
〔z/(z+j)〕×100が20〜30%の範囲と7
5〜90%の範囲において、特に電気機械結合係数Kp
について最大値が得られる。 〔実施例5〕第5発明によるPb1-a-c Sra Bab
c (Zr1-x-y Tix-z-j z j y )O3 〔ただ
しL=In、N=Mn、M=Sb〕で表される組成式に
おいて、a=0.016 、b=0.11、c=0.005 、x=0.4
4、y=0.01とし、実施例1と同様に、Lの量z=0.01
と一定にしてNの量jを変化させた場合と、Nの量j=
0.015 と一定にしてLの量zを変化させた場合につい
て、実施例1と同様の手順で圧電素子ペレットサンプル
を作成した。ただし、焼結原料としては、実施例1で用
いたもの以外に、Sr源としてSrCO3 、Ba源とし
てBaCO3 、La源としてLa2 3 、およびSb源
としてSb2 5 の各粉末を用いた。得られたサンプル
について、実施例1と同様の測定を行った。図19にL
の量z=0.01の場合の測定結果を示し、図20にNの量
j=0.015 の場合の測定結果をそれぞれ示す。
【0039】Baの添加効果により、実施例4の結果に
電気機械結合係数Kpのみが向上している。Lの量zお
よびNの量jの増量に伴う各特性値の増減推移挙動は実
施例1と同様である。また、LおよびNの微量添加範囲
についても実施例1と同様の結果であり、各特性値とも
に前述の実施例3について示した図11および図12と
同様の結果が得られた。
【0040】更に、Lの量z=0.005 〜0.020 の範囲に
ついて図15と同様の結果が得られ、Nの量j=0.003
〜0.020 の範囲について図16と同様の結果が得られ
た。Srの量a=0.09〜0.13、Baの量0<b≦0.04、
Laの量0<c≦0.01、およびSbの量y=0.005 〜0.
03の各範囲について同様の結果が得られた。更に、Ti
+L+Nの合計量x=0.435 〜0.445 の範囲について上
記と同様の結果が得られた。
【0041】上記の結果から、電気的強度、機械的強度
共に高い値を得るためには、Ti+L+Nの合計量x=
0.435 〜0.445 、Srの量a=0.09〜0.13、Baの量0
<b≦0.04、Laの量0<c≦0.01、Sbの量y=0.00
5 〜0.15とした上で、Lの量z=0.005 〜0.020 の範囲
と組み合わせてN(=Mn)の量jを0.0002〜0.020の
範囲内とし、Nの量j=0.003 〜0.020 の範囲と組み合
わせてLの量を0.0002〜0.020 の範囲内とする必要があ
ることが分かる。
【0042】次に、L(=In)とN(=Mn)の添加
量比率〔z/(z+j)〕×100を0〜100%に変
えた圧電ペレットサンプルを上記と同様の手順で作成
し、上記と同様の測定を行った。z+j=0.012 および
0.020 の場合の結果をそれぞれ図21および図22に示
す。これらの図から分かるように、LとNの添加量比率
〔z/(z+j)〕×100が20〜30%の範囲と7
5〜90%の範囲において、特に電気機械結合係数Kp
について最大値が得られる。
【0043】以上の各実施例においては各組成式中の
L,N,MをそれぞれIn,Mn,Srとしたが、Lを
GaまたはCo、NをFeまたはCr、MをNbとした
場合にも同様の結果が得られた。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、Tiの
一部をIn、Ga、Coのうちの少なくとも1種とM
n、Fe、Crのうちの少なくとも1種とで置換し、且
つこの置換量を適切にバランスさせたことにより、機械
的品質係数Qm、分極反転電圧Ec、電気機械結合係数
Kp、および曲げ強度を同時に向上させ、自動車搭載用
等の高温、高荷重、高周波領域でのアクチュエータ用途
に適した高い機械的強度および電気的強度を兼備した圧
電磁器組成物を提供する。
【0045】加えて、Pbの一部をSr、Ba、Laの
1種以上で置換し且つTiの更に一部をSb,Nbのう
ちの少なくとも1種で置換したことにより、上記各特性
を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、第1発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量jを
変えたときの各特性値(機械的品質係数Qm、分極反転
電圧Ec、電気機械結合係数Kp、曲げ強度)の変化を
示すグラフである。
【図2】図2は、第1発明による圧電磁器組成物につい
て、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量zを
変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図3】図3は、第1発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)とN(=Mn)の総和を一定値とし
て、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化を
示すグラフである。
【図4】図4は、第1発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)とN(=Mn)の総和を別の一定値と
して、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化
を示すグラフである。
【図5】図5は、第2発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量jを
変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図6】図6は、第2発明による圧電磁器組成物につい
て、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量zを
変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図7】図7は、第2発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)とN(=Mn)の総和を一定値とし
て、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化を
示すグラフである。
【図8】図8は、第2発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)とN(=Mn)の総和を別の一定値と
して、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化
を示すグラフである。
【図9】図9は、第3発明による圧電磁器組成物につい
て、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量jを
変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図10】図10は、第2発明による圧電磁器組成物に
ついて、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量
zを変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図11】図11は、第3発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量
jを微量添加範囲で変えたときの各特性値の変化を示す
グラフである。
【図12】図12は、第3発明による圧電磁器組成物に
ついて、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量
zを微量添加範囲で変えたときの各特性値の変化を示す
グラフである。
【図13】図13は、第3発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を一定値と
して、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化
を示すグラフである。
【図14】図14は、第3発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を別の一定
値として、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の
変化を示すグラフである。
【図15】図15は、第4発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量
jを変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図16】図16は、第4発明による圧電磁器組成物に
ついて、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量
zを変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図17】図17は、第4発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を一定値と
して、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化
を示すグラフである。
【図18】図14は、第4発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を別の一定
値として、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の
変化を示すグラフである。
【図19】図19は、第5発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)量zを一定としてN(=Mn)量
jを変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図20】図20は、第5発明による圧電磁器組成物に
ついて、N(=Mn)量jを一定としてL(=In)量
zを変えたときの各特性値の変化を示すグラフである。
【図21】図21は、第5発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を一定値と
して、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の変化
を示すグラフである。
【図22】図22は、第5発明による圧電磁器組成物に
ついて、L(=In)とN(=Mn)の総和を別の一定
値として、両者の添加量比率を変えたときの各特性値の
変化を示すグラフである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下式: Pb(Zr1-x Tix-z-j z j )O3 〔ただし、 Lは、In、GaおよびCoのうちの少なくとも1種、 Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種、 xは、0.40≦x≦0.50、 zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j
    ≦0.020 または、 0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕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。
  2. 【請求項2】 下式: Pb1-a Sra (Zr1-x-y Tix-z-j z j y )
    3 〔ただし、 Lは、In、GaおよびCoのうちの少なくとも1種、 Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種、 Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1種、 aは、 0.09 ≦a≦0.13、 xは、 0.435≦x≦0.445 、 yは、 0.005≦y≦0.15、 zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j
    ≦0.020 または、 0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕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。
  3. 【請求項3】 下式: Pb1-a-b Sra Bab (Zr1-x-y Tix-z-j z
    j y ) O3 〔ただし、 Lは、In、GaおよびCoのうちの少なくとも1種、 Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種、 Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1種、 aは、 0.05 ≦a≦0.15、 bは、 0.01 ≦b≦0.025 、 xは、 0.40 ≦x≦0.50、 yは、 0.005≦y≦0.15、 zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j
    ≦0.020 または、 0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕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。
  4. 【請求項4】 下式: Pb1-a-c Sra Lac (Zr1-x-y Tix-z-j z
    j y ) O3 〔ただし、 Lは、In、GaおよびCoのうちの少なくとも1種、 Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種、 Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1種、 aは、 0.09 ≦a≦0.13、 cは、 0 <c≦0.01、 xは、 0.435≦x≦0.445 、 yは、 0.005≦y≦0.03 zおよびjは、 0.005 ≦z≦0.020 且つ 0.0002 ≦j
    ≦0.020 または、 0.0002 ≦z≦0.020 且つ 0.003 ≦j≦0.020 〕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。
  5. 【請求項5】 下式: Pb1-a-b-c Sra Bab Lac (Zr1-x-y Ti
    x-z-j z j y ) O3 〔ただし、 Lは、In、GaおよびCoのうちの少なくとも1種、 Nは、Mn、FeおよびCrのうちの少なくとも1種、 Mは、SbおよびNbのうちの少なくとも1種、 aは、 0.09 ≦a≦0.13、 bは、 0 <b≦0.04、 cは、 0 <c≦0.01、 xは、 0.435≦x≦0.445 、 yは、 0.005≦y≦0.03 zおよびjは、0.005 ≦z≦0.020 且つ0.0002≦j≦0.
    020 または、 0.0002≦z≦0.020 且つ0.003 ≦j≦0.020 〕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。
  6. 【請求項6】 請求項1から5までのいずれか1項に記
    載の圧電磁器組成物において、LとNの添加量比率〔z
    /(z+j)〕×100が20〜30%または75〜9
    0%であることを特徴とする圧電磁器組成物。
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CN111908913A (zh) * 2020-08-12 2020-11-10 汤柯 一种耐高腐蚀的复合压电陶瓷材料及其制备方法

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