JPS6246961A - セラミツク圧電材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明ばＰｂ（Ｖ　Ａ　Ｎ’ｂ　Ａ　）Ｏｎ−ＰｂＴｉ
、０ｓ−Ｐ　ｂ　Ｚ　ｒ　Ｏｓ三成分固溶体よりなシ、
特にディーゼルエンジンのパイロット噴射制御に使用し
て好適なセラミック圧電材料に関する。

〔従来の技術〕

ディーゼルエンジンにおける着火性の向上を目的として
、燃料の本噴射に先立ってパイロット噴射を行なってお
シ、これに機械的な作動部を有しない構造簡単な圧電体
を使用することが試みられている。これは圧電体を噴射
ノズルに通じる燃料供給管路中に臨ましめ、初期燃料圧
の増大に伴なって上記圧電体に現われる電荷を所定タイ
ミングで取シ去って圧電体を急速に収縮せしめることに
よシ、上記供給管路の圧力を一時的に低くして燃料噴射
を中断し、これ以前の噴射をパイロット噴射とするもの
である。

しかして、かかる用途に使用する圧電体は、アクチュエ
ータとして使用する場合に一般に要求されるキュリ一温
度が高いことおよび機械的強度に優れていること等の緒
特性に加えて、圧電定数ｄ３ｓおよび圧電定数ｇａｓが
大きいことが必要とされる。

すなわち、圧電体に印加される力Ｆと発生電圧Ｖａ　は
次式（１）で与えられ、また圧電体に印加される電圧Ｍ
Ａと伸縮量Δｅは次式（２）で与えら６ｇ　−ｄｓｓ・
ＶＡ　　・・−−−−−・・・・・−・・・−・・（２
）ここでＬは圧電体の全長、Ｓは圧電体の端面面積であ
る。

上式（１）より、発生電圧Ｖｏ　は圧電定数ｇｓｓＫ比
例して大きくなる。そして、この発生電圧ｖＧ（すなわ
ち電荷）を圧電体の両極をショートすることくよシ除去
した時の収縮量は上式（２］に従い、圧電定数ｄＳＳに
比例する。

発明者らは上記要求を満たす圧電材料を見出すべく種々
実験を行なった結果、以下の組成を有するセラミック圧
電材料を開発した。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の圧電材料は、基本組成をＰＩ）（Ｙ’／Ｎｂ”
／　）０１０．２Ｓ　〜５．０モＡ／％、ＰｂＴｉＯｓ
　　４０〜５０モＡ／％、ＰｂＺｒＯｓ　　４５〜５９
．５モ／Ｌ／％とする三成分固溶体であり、上記組成中
のＰｂの一部をＳｒテ５〜１５モ／Ｌ／％ｔＭ換し、か
つ５ｂｓＯｎ、Ｎｌ）ｇｏｓ、ＷＯ，、Ｌａ８０１、Ｔ
　ａ　Ｏｓ、Ｂ１．　Ｏｓ、ＮｄＯ，Ｐｒ＠Ｏｔｔ　　
から選ばれた少なくとも１種を０、１〜２．０重量％添
加するとともにＭ　ｎ　Ｏｓを０．１〜ＬＯ重量第添加
したものである。

〔効　果〕

〜４５０Ｘ１０　　ｍ／Ｖ　と大きな値を示すとともＫ
、と充分大きな値を示す。また、Ｍ　ｎ　Ｏ！を添加す
ることＫより材料特性が硬いものとなり、温度による特
性変動が小さく抑えられる。

〔実施例〕

本発明のセラミック圧電材料は例えば粉末冶金法により
製造する。すなわちＰｂＯ％Ｔ　１０　寓、Ｚｒ０ｇ　
、　Ｙｌ　０ｍ　％Ｎ　ｔｈ　Ｏｓ、Ｓｂ＊Ｏｓ、ＷＯ
Ｉ、Ｌａｎｄｓ、Ｔ　ａ　Ｏｓ、Ｂｊ−ｇｏｓ、Ｎｄ０
％Ｐｒ、Ｏｔｓ、５ｒＣＯｓ　、　ＭｎＣ０ｍ等の原料
を所定の割合で秤量し、これを湿式ポールミμ等によっ
て混合する。この混合物を乾燥後、７００〜９００°Ｃ
で３〜１０時間仮焼し、これを再びポールミルで混合し
た後乾燥して調整粉末を得る。調整粉末に水あるいはポ
リビニルアルコール等の粘着剤を添加して３００〜１０
００１＃９／ｃｍの圧力で加圧成形後、１２００〜１３
ｏＯ°Ｃで１〜３時間焼成を行ない、外形を研磨して直
径５１Ｉｌｌ、長さ８■の円柱体とする。

しかる後、上記円柱体は、両端面に周知の方法で電極を
形成する。これを２０〜１００°ＣのＶリコンオイμ等
の絶縁オイル中に置いて、上記電極間に直流電場２０〜
３０　Ｋ　Ｖ　／　ｃｙｒを６〜６０分間印加すること
により分極せしめる。その後１２０″Ｃで１時間エイジ
ングし、常温に戻して測定試料を得る。

上記試料の圧電定数ｄ、ａｓ、ｇａｓは次式（３）、（
４）ｘｂ求められ、かツ（１）式中のに■、（ｍｍ　、
ｆ３ｓｓは次式（５）、（６）、（７）よシ求める。

ｄａｓ　−ｋａｓＥｓｓ：Ｓｓｍ　−・−−−・−−＝
＝　（３）ｇ□−ｄ、、　／　ｔ　１．、、−・・−、
−一−・−・・−一・・−一一一（４）’１ｍ　　”　
　Ｃ・工・−−−−−−−−ｍ−−・・−・−・−（６
）ここで、ｅは試料の長さくｍ＞、Ｓは試料の端面面積
（９ｇ’）、ＣはＬＣＨメータによシ測定した１ＫＨｚ
時の静電容量（Ｆ）、ρは密度（ｋｇ／ｍ”）、ｆａ、
　ｆｒ　　はそれぞれ反共振および共振周波数（Ｈｚ）
であり、これらはいずれも周知の方法で測定される。な
おに、、は電気機械結合係数である。原料の配合割合を
種々に変え、上記方法により得られた測定試料につき、
上記要素を測定して算出した圧電定数を後記第１表およ
び第２表に示す。

表において、実施例１〜８、比較例１〜４はＳｒ置換量
、添加物量を変化させたものである。

Ｓｒ置換量を増すにつれて、圧電定数ｄ１ｍは上昇する
が、圧電定数ｇ、１、キュリ一温度が急激に低下する。

すなわち、比較例１は圧電定数ｄｓｓが小さいことによ
り採用されず、比較例２はキュリ一温度が低いこと、圧
電定数ｇａｊが低いことによ１）採用されない。

また、添加物の添加量は実施例３．５〜８、比較例３、
番により知られる如く、添加量が０．７重量％で圧電定
数ｄｓｍはピーク値を示し、０．１重ｉＬ％ｉ未満では
圧電定数ｄｓｓが小さく（比較例３）、２．０重量％を
越えるとやはり所望の圧電定数ｄｓｉ、ｇａｓの値は得
られない（比較例４）。これは、添加量が０．１重量％
未満では添加した効果が表われず、逆に添加量が２．０
重量％を越えると、その一部が固溶せず、析出してしま
うためと思われる。そして、この場合には、焼結密度も
低下し、機械的強度が低下する。

実施例３．９．１０、比較例５．６は Ｐｂ　（Ｙ　”Ａ　Ｎｂ″ＡＴＯｓの添加量を主体的に
変えたものである。これＫよれば、添加量が、２モ／Ｉ
／％で圧電定数ｄｓｅ　、　ｇｓｓはピーク値を示しく
実施例３）、０．５モ／Ｉ／％未満、あるいは５モ／ｖ
％よυ多い場合には所望の圧電定数ｄ、、　、　ｇ、。

が得られない（比較例５．６）。

実施例３．１１〜１４、比較例７〜９はＰＭＹＩイＮ’
ｂ　”Ａ　）　Ｏｓ　０ｍ７ＪＩＪｌ’ｋ　一定Ｋ　シ
Ｙ：、、Ｐ’ｂＴｉ、ＯｓＯ添加量を変えた場合である
。これによれば、実施例３０組成で圧電定数はピーク値
を示し、上記添加量が４ｏモ／ｌ１５１未満あるいは５
０モ／Ｉ／４よりも多いと、所望の圧電定数が得られな
い（比較例７〜９）。

実施例３．１５〜１７、比較例１０．１１はＭ　ｎ　Ｏ
！の添加量を変えたものである。Ｍ　ｎ　Ｏ＊の添加量
が増大するにつれて、圧電定数ｇｓｓは増大するが、圧
電定薮ｄ■は減少する。

しかして、Ｍ　ｎ　Ｏ！をＯ，ｌ　〜１．　Ｏ重＊＊ｍ
加した時に所望の圧電定数ｄＳＳ、ｇａｓを得ることが
できる。またＭｎＯ，の添加量を増大するとヤング率は
大きくなり（表示せず）ディーゼルエンジンのパイロッ
ト制御用アクチュエータとしては好ましいが圧電定数ｄ
ｌが急激に減少してしまうため添加量の上限は１．０重
量％とじた。

実施例１８〜２８は添加物としてＳｂ！Ｏｓ　　Ｋ代え
て、Ｎｌ）、　Ｏｓ、ＷＯ，、Ｌａｇ　Ｏｓ　、Ｔａｇ
ｓ、Ｂｉ、雪Ｏｎ、ＮｄＯ，Ｐｒｅ　Ｏｓｓ　　のいず
れかを加えた場合、あるいはこれらを複数種混合して加
えた場合である。

いずれの場合にも５１ｈＯｓ　　のみを添加した場合と
同様な効果を得ることが出来る。

以上の実験結果を総合するとＰｂ（ＹｌイＮ１）ｌイ）
ｏ３−　ＰｂＴｉＯｓ　−ＰｂＺｒ０ｍ　　（Ｄ三成分
固溶体の基本組成ヲＰ’ｂ（Ｙｔ／　Ｎｂｓ／、　）０
１　０．２５〜ｓ、ｏ−ｒａｙ％、ＰｂＴｉＯｓ　　４
０〜５０−１：　Ａ／　’Ｎ、ＰＩ）ＺｒＯｎ４５〜５
９．５モル％とし、かつ基本組成中のＰｂの一部をＳｒ
で５〜１５−Ｙ：Ａ／％置換し、Ｓ’０ｓＯｓ、Ｎ’ｂ
＊　Ｏｓ％ＷＯｓ、Ｌａｇ　Ｏｓ　、Ｔａ０ｍ、Ｂｉｔ
　Ｏｎ　％ＮｄＯ。

Ｐｒ・０１１のうち少なくとも１種をＯ，１〜２．０重
量％添加するとともＩＣＭｎ０．をＯ，１〜１．０重量
％加えた圧電材料は、高いキュリ一温度を維持するとと
もに、圧電定数ｄｓｓ　％　ｇｊｌともに大きな値を示
す。

Ｓｒ置換量は、上記範囲よシ少ないと充分な圧電定数値
ａＳＳが得られず（比較例１）、上記範囲より多いと圧
電定数ｄｍａ％ｇａｓが小さいのみならず、キュリ一温
度が低下する（比較例２）。

Ｐ’Ｆ）（Ｔ”／；　Ｎｌ）、１名）０３の添加量が上
記範囲外にあると、所望の圧電定数ａＳＳ、ｇｓｓが得
られない（比較例５．６）。

ＰｂＴ　１０ｍの添加量が上記範囲外にある場合には、
電気機械結合係数および誘電率が低下して、所望の圧電
定数ｄｓｓ　、　ｇｓｓが得られない（比較例’７〜９
）。Ｌ　タカ’）　テ、ＰＩ）（Ｙ　’／　Ｎｌ）　”
／　）０１とＰｂ　Ｔ　１０　ｍの添加量を上記範囲に
選び、残シをＰｂＺｒ０ｍとする。

添加物は、２．０重量％を越えて添加すると、これが一
部析出して電気機械結合係数が小さくなるととくよシ、
圧電定数ａｓｓ　％　ｇｍｓが低下し。

かつ機械的強度も低下する。また０、１重量％未満では
添加物の効果が得られず、やはシ大きな圧電定数ｄｓｓ
％ｇａｓが得られない（比較例３．４）。

さらｌ’（ＭｎＯｘの添加量は、Ｏ，１重量で未満ない
し１．０重量％より多いと圧電定数Ａｓｓ　１ｇａｓを
ともに大きな値に維持することができない（比較例１０
．１１）。

なお、Ｍ　ｎ　Ｏｓを上記実施例１５〜１７の範囲で添
加することＫよシ、圧電材料のヤング率が大きくなるこ
とが認められた。

本発明の圧電材料は、上記のすぐれた特性を有すること
により、ディーゼルエンジンのパイロット噴射制御用ア
クチュエータに好適に使用できる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基本組成がＰｂ（Ｙ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ＿３０．５〜
   ５．０モル％、ＰｂＴｉＯ＿３４０〜５０モル％、Ｐｂ
   ＺｒＯ＿３４５〜５９．５モル％からなる固溶体であつ
   て、その組成中のＰｂの一部をＳｒで５〜１５モル％置
   換し、かつＳｂ＿２Ｏ＿３、Ｎｂ＿２Ｏ＿５、ＷＯ＿３
   、Ｌａ＿２Ｏ＿３、ＴａＯ＿３、Ｂｉ＿２Ｏ＿３、Ｎｄ
   Ｏ、Ｐｒ＿６Ｏ＿１＿１から選ばれた少なくとも１種を
   ０．１〜２．０重量％添加し、かつＭｎＯ＿２を０．１
   〜１．０重量％添加したことを特徴とするセラミツク圧
   電材料。