JPH02159079A - アクチュエータ用圧電材料及びその積層型変位素子 - Google Patents
アクチュエータ用圧電材料及びその積層型変位素子Info
- Publication number
- JPH02159079A JPH02159079A JP63313621A JP31362188A JPH02159079A JP H02159079 A JPH02159079 A JP H02159079A JP 63313621 A JP63313621 A JP 63313621A JP 31362188 A JP31362188 A JP 31362188A JP H02159079 A JPH02159079 A JP H02159079A
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- Japan
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- piezoelectric material
- strain
- amount
- laminated
- piezoelectric
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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。
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〕
本発明は自動車のブレーキ装置等に使用するアクチュエ
ータ用の圧電材料、及びそれを用いた積層型変位素子に
関する。
ータ用の圧電材料、及びそれを用いた積層型変位素子に
関する。
電界を加えると機械的な歪みを生じる性質を有する物質
は一般に圧電材料と呼ばれ、電気機械変換素子としてバ
イモルフ、圧電火花素子、超音波振動子、圧電ブザー、
セラミックフィルター等に広く利用されている。またこ
のような用途に使用し得る圧電材料として、3aT+0
3、Pb(Zr、 T+)Otし+NbO3,1iTa
oi等が知られている。
は一般に圧電材料と呼ばれ、電気機械変換素子としてバ
イモルフ、圧電火花素子、超音波振動子、圧電ブザー、
セラミックフィルター等に広く利用されている。またこ
のような用途に使用し得る圧電材料として、3aT+0
3、Pb(Zr、 T+)Otし+NbO3,1iTa
oi等が知られている。
一般に圧電材料に電界をかけるとその結晶構造が変化し
、その結晶変態点において極大の歪量(電気機械結合定
数)を示す。結晶変態点は各圧電材料により異なるので
、目的の作動温度に応じ、適当な圧電材料を選択して用
いている。
、その結晶変態点において極大の歪量(電気機械結合定
数)を示す。結晶変態点は各圧電材料により異なるので
、目的の作動温度に応じ、適当な圧電材料を選択して用
いている。
最近、精密工作機械における位置決め、流体量制御バル
ブ、あるいは光学装置の光路長制御などの駆動源として
使用されるアクチュエータ用圧電材料にBaTiO3系
磁器を使用することが提案されたく特開昭62−154
680 号)。
ブ、あるいは光学装置の光路長制御などの駆動源として
使用されるアクチュエータ用圧電材料にBaTiO3系
磁器を使用することが提案されたく特開昭62−154
680 号)。
このBaTi0.系磁器は5in2及びi、O,、さら
に必要に応じ、Y、La、Ce等の希土類元素を添加し
たもので、磁器中に空間電荷を有し、この空間電荷とB
aTi0.の強誘電性とがあいまって、電界の印加に伴
う歪量が分極方向に依存せず、高い負電圧を印加しても
分極反転が起こらない等の特徴を有する。
に必要に応じ、Y、La、Ce等の希土類元素を添加し
たもので、磁器中に空間電荷を有し、この空間電荷とB
aTi0.の強誘電性とがあいまって、電界の印加に伴
う歪量が分極方向に依存せず、高い負電圧を印加しても
分極反転が起こらない等の特徴を有する。
しかしながら、このBaT+Oz系磁器からなる圧電材
料は、Pb(Zr、 Ti)Os のように例えば菱面
体晶系強誘電相と正方晶系強誘電相の結晶変態点が実際
の作動温度において得られず、実際の作動温度(約−3
0℃〜約+70℃)の範囲においては十分に大きな歪量
が得られないという問題がある。
料は、Pb(Zr、 Ti)Os のように例えば菱面
体晶系強誘電相と正方晶系強誘電相の結晶変態点が実際
の作動温度において得られず、実際の作動温度(約−3
0℃〜約+70℃)の範囲においては十分に大きな歪量
が得られないという問題がある。
従って、本発明の目的は実際の作動温度において大きな
歪量を示すアクチュエータ用圧電材料を提供することで
ある。
歪量を示すアクチュエータ用圧電材料を提供することで
ある。
本発明のもう1つの目的は、かかる圧電材料からなる薄
膜を電極技と交互に積層してなる積層型変位素子を提供
することである。
膜を電極技と交互に積層してなる積層型変位素子を提供
することである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等はBaTi
O3中の8aを所定の割合のSrで置換することにより
キュリー点を低下することができ、もって実際の作動温
度における歪量を大きくすることができることを発見し
、本発明に想到した。
O3中の8aを所定の割合のSrで置換することにより
キュリー点を低下することができ、もって実際の作動温
度における歪量を大きくすることができることを発見し
、本発明に想到した。
すなわち、本発明のアクチュエータ用圧電材料は下記一
般式: %式%) (ただしX=0.1〜0.5) により表される組成を有することを特徴とする。
般式: %式%) (ただしX=0.1〜0.5) により表される組成を有することを特徴とする。
また本発明のアクチュエータ用積層型変位素子は、下記
一般式: %式%) (ただしX=0.1〜0.5) により表される組成を有する圧電材料からなる複数の薄
板と、電極板とを交互に積層したことを特徴とする。
一般式: %式%) (ただしX=0.1〜0.5) により表される組成を有する圧電材料からなる複数の薄
板と、電極板とを交互に積層したことを特徴とする。
本発明を以下詳細に説明する。
本発明の圧電材料は下記一般式により表される組成を有
する。
する。
(Ba+−x Sr、t )Tin3
(ただしx=0.1〜0.5)
BaT+Oz自身は120 ℃のキュリー点(Tc)を
有するが、Srの量が増大するにつれてキュリー点が低
下する。一般に作動温度において常誘電相(立方晶)と
強誘電相(正方晶)との共存状態にある場合、外部電場
の印加により常誘電相から強誘電相への相変化が起こり
、結晶の格子定数が大きく変化することにより大きな歪
みが発生する。この相転移歪が通常のBaTlOsの圧
電歪に加わることにより、全体として大きな歪量が得ら
れる。
有するが、Srの量が増大するにつれてキュリー点が低
下する。一般に作動温度において常誘電相(立方晶)と
強誘電相(正方晶)との共存状態にある場合、外部電場
の印加により常誘電相から強誘電相への相変化が起こり
、結晶の格子定数が大きく変化することにより大きな歪
みが発生する。この相転移歪が通常のBaTlOsの圧
電歪に加わることにより、全体として大きな歪量が得ら
れる。
大きな歪量を得るためにはキ、 IJ−点は作動温度に
近いことが必要である。例えば作動温度が室温(24℃
)の場合、圧電材料のキュリー点は24℃に対して一1
O℃〜+15℃の範囲(14〜39℃の範囲)である必
要がある。この場合Srの量Xは0.24〜0.34の
範囲であり、このときの歪量はBaTi0.と比べて平
均で20%、最大では40%以上向上している。
近いことが必要である。例えば作動温度が室温(24℃
)の場合、圧電材料のキュリー点は24℃に対して一1
O℃〜+15℃の範囲(14〜39℃の範囲)である必
要がある。この場合Srの量Xは0.24〜0.34の
範囲であり、このときの歪量はBaTi0.と比べて平
均で20%、最大では40%以上向上している。
次に、作動温度が70℃と比較的高い場合、キュリー点
は70℃に対して一20℃〜+23℃の範囲であり、こ
のときのSrの量Xは0.1〜0.25の範囲である。
は70℃に対して一20℃〜+23℃の範囲であり、こ
のときのSrの量Xは0.1〜0.25の範囲である。
逆に作動温度が一30℃と低い場合、キュリー点は一3
0℃に対して一5℃〜+7℃の範囲であり、このときの
Srの量は0.45〜0.5 の範囲である。
0℃に対して一5℃〜+7℃の範囲であり、このときの
Srの量は0.45〜0.5 の範囲である。
一般に自動車等のアクチユエータとしては、作動温度は
一30℃〜+70℃の範囲であるので、Srの量Xは0
.1〜0.5 の範囲にあればよい。
一30℃〜+70℃の範囲であるので、Srの量Xは0
.1〜0.5 の範囲にあればよい。
本発明の(Ba、−、Srx )Ti口、系圧電材料は
次のようにして製造することができる。まず炭酸バリウ
ム粉末と炭酸ストロンチウム粉末と酸化チタン粉末とを
所定の割合で混合し、900〜1200℃で1〜5時間
仮焼した後粉砕することにより所望の組成の圧電材料粉
末を得る。この粉末を金型プレス、冷間静水圧プレス等
により所望の形状に成形した後、1350〜1500℃
で1〜5時間焼結することにより圧電セラミックスとす
る。これを必要に応じ所望の厚さにスライスして使用す
る。
次のようにして製造することができる。まず炭酸バリウ
ム粉末と炭酸ストロンチウム粉末と酸化チタン粉末とを
所定の割合で混合し、900〜1200℃で1〜5時間
仮焼した後粉砕することにより所望の組成の圧電材料粉
末を得る。この粉末を金型プレス、冷間静水圧プレス等
により所望の形状に成形した後、1350〜1500℃
で1〜5時間焼結することにより圧電セラミックスとす
る。これを必要に応じ所望の厚さにスライスして使用す
る。
本発明において上記圧電材料を単結晶とするのが好まし
い。圧電材料の単結晶化は、例えば所望の組成の圧電材
料の焼結体又は粉末を白金るつぼに入れ、高周波で加熱
溶融した後、チョクラルスキー法で単結晶を育成する方
法や、焼結体の円柱の一部の帯域(ゾーン)に高周波レ
ーザ光又はノ10ゲン光を集中させることにより溶融さ
せ、単結晶する方法(ゾーンメルティング法)等により
行うことができる。単結晶化した(Ba 5r)Tin
、は特定の方向(C軸方向)において、より大きな歪量
を示すので、単結晶の圧電材料をC軸に垂直にスライス
し、それを積層することにより大きな歪量を示す変位素
子を作ることができる。
い。圧電材料の単結晶化は、例えば所望の組成の圧電材
料の焼結体又は粉末を白金るつぼに入れ、高周波で加熱
溶融した後、チョクラルスキー法で単結晶を育成する方
法や、焼結体の円柱の一部の帯域(ゾーン)に高周波レ
ーザ光又はノ10ゲン光を集中させることにより溶融さ
せ、単結晶する方法(ゾーンメルティング法)等により
行うことができる。単結晶化した(Ba 5r)Tin
、は特定の方向(C軸方向)において、より大きな歪量
を示すので、単結晶の圧電材料をC軸に垂直にスライス
し、それを積層することにより大きな歪量を示す変位素
子を作ることができる。
本発明の圧電材料を用いた変位素子は以下のような構成
である。すなわち、圧電材料の薄板を電極板を介して複
数枚(n枚)積層して、積層体とし、1枚おきの電極板
と接触する導電体を積層体の両側に設けた構造とする。
である。すなわち、圧電材料の薄板を電極板を介して複
数枚(n枚)積層して、積層体とし、1枚おきの電極板
と接触する導電体を積層体の両側に設けた構造とする。
その−例を第1図及び第2図に示す。圧電材料1の間に
は正の電極板2と負の電極板3とが交互に配置されてお
り、正の電極板2は導電体4に、また負の電極板3は導
電体5にそれぞれ接続している。従って、導電体4.5
間に電圧を印加すれば、圧電効果により各薄板が歪み、
素子全体としてはそのn倍の歪量が得られる。各圧電材
料の薄板は0.2〜1mmの厚さを有し、100〜20
0枚程度積層するのが好ましい。
は正の電極板2と負の電極板3とが交互に配置されてお
り、正の電極板2は導電体4に、また負の電極板3は導
電体5にそれぞれ接続している。従って、導電体4.5
間に電圧を印加すれば、圧電効果により各薄板が歪み、
素子全体としてはそのn倍の歪量が得られる。各圧電材
料の薄板は0.2〜1mmの厚さを有し、100〜20
0枚程度積層するのが好ましい。
また電極板は、スクリーン印刷法、蒸着法、メツキ法、
ドクターブレード法等により、圧電材料の薄板上に形成
することができる。
ドクターブレード法等により、圧電材料の薄板上に形成
することができる。
圧電材料が単結晶の場合、各薄板をC軸に垂直に形成し
、それを積層する。このような構造とすることにより、
多結晶の圧電材料を使用する場合と比較して約3倍以上
の歪特性が得られる。
、それを積層する。このような構造とすることにより、
多結晶の圧電材料を使用する場合と比較して約3倍以上
の歪特性が得られる。
なお本明細書において用悟「圧電材料」は一般に電気既
械変換特性を有する材料を意味し、圧電セラミックスの
みならずいわゆる電歪材料をも包含するものである。
械変換特性を有する材料を意味し、圧電セラミックスの
みならずいわゆる電歪材料をも包含するものである。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例1
出発原料として炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム及び
酸化チタンを用い、一般式: (Ba、 X 5rx)
Tie、においてx=Q〜0.4の範囲内の各種の割合
で出発原料を配合した。得られた各混合物を500kg
/cI11の圧力で金型成形し、1450℃で2時間焼
結した。焼結体を厚さQ、5mmにスライスし、薄板と
した。これに金からなる電極板をスパッタ法により形成
し、全体として10cmの高さとなるように積層した。
酸化チタンを用い、一般式: (Ba、 X 5rx)
Tie、においてx=Q〜0.4の範囲内の各種の割合
で出発原料を配合した。得られた各混合物を500kg
/cI11の圧力で金型成形し、1450℃で2時間焼
結した。焼結体を厚さQ、5mmにスライスし、薄板と
した。これに金からなる電極板をスパッタ法により形成
し、全体として10cmの高さとなるように積層した。
このようにして得られた積層型の変位素子に、24℃に
おいて3.2にV/mmの電界強度となるように電圧を
かけ、変位素子の歪量を測定した。これにより、圧電材
料中のSrの量Xと歪量(△1/l)との関係を求めた
。結果を第3図に示す。
おいて3.2にV/mmの電界強度となるように電圧を
かけ、変位素子の歪量を測定した。これにより、圧電材
料中のSrの量Xと歪量(△1/l)との関係を求めた
。結果を第3図に示す。
第3図から明らかな通り、24℃の作動温度の場合x=
0.24〜0.34の範囲において大きな歪量が得られ
ることがわかる。特に好ましいSrの割合は、x=0.
27〜0.33である。
0.24〜0.34の範囲において大きな歪量が得られ
ることがわかる。特に好ましいSrの割合は、x=0.
27〜0.33である。
実施例2
実施例1と同様にして、x=Q〜0.5 となるように
(Bal−x Sr、)Tins 圧電セラミックスを
製造し、各Sr量におけるキュリー点(Tc)を測定し
た。結果を第4図に示す。
(Bal−x Sr、)Tins 圧電セラミックスを
製造し、各Sr量におけるキュリー点(Tc)を測定し
た。結果を第4図に示す。
第4図から明らかな通り、Sr量Xが増大するにつれて
キュリー点が低下する。
キュリー点が低下する。
実施例3
実施例1と同様にして、(Ba、−x Sr、)TiO
a においてx=Q〜0.5 となるように圧電材料を
製造し、それから第1図に示す構造の変位素子を形成し
た。
a においてx=Q〜0.5 となるように圧電材料を
製造し、それから第1図に示す構造の変位素子を形成し
た。
得られた変位素子に一30℃、+24℃及び+70℃の
作動温度において、3.2にv/ff1m2 の電界強
度となるように電圧をかけ、歪量(ΔI!/l>を測定
した。
作動温度において、3.2にv/ff1m2 の電界強
度となるように電圧をかけ、歪量(ΔI!/l>を測定
した。
各作動温度における歪量が0.6X10−3以上となる
Sr量を求めた。結果を第5図に示す。
Sr量を求めた。結果を第5図に示す。
第5図から明らかなように、良好な歪特性を示す組成範
囲は作動温度により異なり、一般に作動温度が高くなる
に従ってXが小さくなる。本実施例においては作動温度
とXとは以下の関係がある。
囲は作動温度により異なり、一般に作動温度が高くなる
に従ってXが小さくなる。本実施例においては作動温度
とXとは以下の関係がある。
30℃: x=0.45〜0.50
+24℃: x=0.24〜0.34+70℃:
x=0.10〜0.25〔発明の効果〕 以上に詳述した通り、本発明の圧電材料は(Ba。
x=0.10〜0.25〔発明の効果〕 以上に詳述した通り、本発明の圧電材料は(Ba。
X Sr、)Ti03 系圧電セラミックスにおいてX
=0.1〜0.5 の範囲にあるので、実際の作動温度
(−30℃〜+70℃)において大きな歪量を示す。
=0.1〜0.5 の範囲にあるので、実際の作動温度
(−30℃〜+70℃)において大きな歪量を示す。
このような圧電材料からなる積層型変位素子は、自動車
のプレーキー装置におけるアクチュエータや、精密機械
のアクチュエータ等に使用するのに適する。特に自動車
のブレーキ装置に用いる場合、車輪のブレーキによるロ
ックを防止する装置(アンチロックブレーキ装置)用の
アクチュエータとして使用するのに好適である。
のプレーキー装置におけるアクチュエータや、精密機械
のアクチュエータ等に使用するのに適する。特に自動車
のブレーキ装置に用いる場合、車輪のブレーキによるロ
ックを防止する装置(アンチロックブレーキ装置)用の
アクチュエータとして使用するのに好適である。
第1図は本発明の圧電材料からなる積層型変位素子の一
例を示す斜視図であり、 第2図は第1図の積層型変位素子の拡大部分断面図であ
り、 第3図は本発明の(Ba+−11Sr、)T+0.系圧
電材料における5rlxと歪量との関係を示すグラフで
あり、 第4図は本発明の(Ba+−11SrM)TsO3系圧
電材料におけるSr量Xとキs ’)−点(Tc)との
関係を示すグラフであり、 第5図は本発明の(Ba+−n SrM)TtOt系圧
電材料が大きな歪量を示すときの5rllと作動温度と
の関係を示すグラフである。 1 ・・・・圧電材料薄板 2.3 ・・・電極板 4.5 ・・・外部導電体
例を示す斜視図であり、 第2図は第1図の積層型変位素子の拡大部分断面図であ
り、 第3図は本発明の(Ba+−11Sr、)T+0.系圧
電材料における5rlxと歪量との関係を示すグラフで
あり、 第4図は本発明の(Ba+−11SrM)TsO3系圧
電材料におけるSr量Xとキs ’)−点(Tc)との
関係を示すグラフであり、 第5図は本発明の(Ba+−n SrM)TtOt系圧
電材料が大きな歪量を示すときの5rllと作動温度と
の関係を示すグラフである。 1 ・・・・圧電材料薄板 2.3 ・・・電極板 4.5 ・・・外部導電体
Claims (3)
- (1)下記一般式: (Ba_1_−_xSr_x)TiO_3 (ただしx=0.1〜0.5) により表される組成を有することを特徴とするアクチュ
エータ用圧電材料。 - (2)下記一般式: (Ba_1_−_xSr_x)TiO_3 (ただしx=0.1−0.5) により表される組成を有する圧電材料からなる複数の薄
板と、電極板とを交互に積層したことを特徴とするアク
チュエータ用積層型変位素子。 - (3)請求項2に記載の積層型変位素子において、前記
圧電材料が単結晶であり、かつ前記薄板の結晶軸が一致
していることを特徴とする積層型変位素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63313621A JPH02159079A (ja) | 1988-12-12 | 1988-12-12 | アクチュエータ用圧電材料及びその積層型変位素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63313621A JPH02159079A (ja) | 1988-12-12 | 1988-12-12 | アクチュエータ用圧電材料及びその積層型変位素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02159079A true JPH02159079A (ja) | 1990-06-19 |
Family
ID=18043523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63313621A Pending JPH02159079A (ja) | 1988-12-12 | 1988-12-12 | アクチュエータ用圧電材料及びその積層型変位素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02159079A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208743A (ja) * | 2001-01-10 | 2002-07-26 | Tdk Corp | 積層体変位素子 |
| US7309450B2 (en) | 2001-06-15 | 2007-12-18 | Tdk Corporation | Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof |
| EP2113952A2 (en) | 2008-03-31 | 2009-11-04 | TDK Corporation | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element employing it |
| US8231803B2 (en) | 2008-03-26 | 2012-07-31 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic and piezoelectric ceramic composition |
-
1988
- 1988-12-12 JP JP63313621A patent/JPH02159079A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208743A (ja) * | 2001-01-10 | 2002-07-26 | Tdk Corp | 積層体変位素子 |
| US7309450B2 (en) | 2001-06-15 | 2007-12-18 | Tdk Corporation | Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof |
| US8231803B2 (en) | 2008-03-26 | 2012-07-31 | Tdk Corporation | Piezoelectric ceramic and piezoelectric ceramic composition |
| EP2113952A2 (en) | 2008-03-31 | 2009-11-04 | TDK Corporation | Piezoelectric ceramic and piezoelectric element employing it |
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