JPH0438710B2 - - Google Patents
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- JPH0438710B2 JPH0438710B2 JP58231165A JP23116583A JPH0438710B2 JP H0438710 B2 JPH0438710 B2 JP H0438710B2 JP 58231165 A JP58231165 A JP 58231165A JP 23116583 A JP23116583 A JP 23116583A JP H0438710 B2 JPH0438710 B2 JP H0438710B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
- C04B35/491—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
- C04B35/493—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT containing also other lead compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
（産業上の利用分野）
本発明はPb（Y1/2Nb1/2）O3−PbTiO3−
PbZrO3で構成される三成分固溶体を基本組成と
する、各種アクチユエータ用素子に適したセラミ
ツク圧電材料に関する。 （従来技術） セラミツク圧電体は応答性が良いため各種のア
クチユエータ用素子に応用する研究が進められて
いる。ところで、アクチユエータ用素子として要
求される材料特性は（ｉ）圧電定数d33が大きい
こと、（）キユリー温度Tcが高いこと、（）
高荷重、高周波数で駆動しても破損しないこと、
等である。特開昭57−208183によれば、上記三成
分の固溶体のPbの一部をBa、Sr、Ca等で置換し
てIn2O3、MgO、Sb2O3等を微量添加して機械的
強度を大きくしている。ところが、発明者らはセ
ラミツク圧電体の積層体よりなるアクチユエータ
用素子の特性について検討を行なつた結果、上記
公知発明の組成は必ずしも上記（）〜（）を
条件を満足するものでないことが解つた。 （発明の目的） 本発明は、上記（）〜（）の条件を満足
し、積層セラミツク圧電体よりなるアクチユエー
タ用素子の特性に有効なセラミツク圧電材料を提
供することを目的とする。 （発明の構成） 本発明に係るセラミツク圧電材料は、基本組成
がPbTiO340〜50モル％、PbZrO345〜59.5モル
％、Pb（Y1/2Nb1/2）O30.5〜５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％置換するとともに、Nb2O5、La2O3、
TaO3、Bi2O3から選ばれた少なくとも１種を0.1
〜２重量％含むことを特徴としている。 （発明の効果） 本発明の組成よりなるアクチユエータは、キユ
リー温度が高いのみならず、圧電定数が大きく、
アクチユエータ駆動時に圧電素子が破損しないた
め、長時間使用可能となる。 （実施例） 第１表は本発明の具体的実施例を載せたもので
ある。表中に記した値は直径５mm、長さ８mmのペ
レツト状の試料を用いて測定したものである。ま
ず、上記試料の製造方法について述べる。本発明
のセラミツク圧電材料は一般的には粉末冶金法に
より容易に製造し得る。例えば、PbO、TiO2、
ZrO2、Y2O3、Nb2O5、WO3、La2O3、TaO3、
Bi2O3、SrCO3などの原料を所定の割合で秤量し、
これを湿式ボールミル等によつて混合する。次い
で、この混合物を乾燥した後、700〜900℃で３〜
10時間仮焼を行う。さらに、ボールミルで混合し
た後乾燥する。しかる後、この調整粉末に水ある
いはポリビニルアルコールなどの粘着剤を添加配
合し、300〜1000Kg／cm2の圧力で加圧成形した後
1200〜1300℃で１〜３時間焼成を行なう。しかる
後、外形研摩を行ない、両端面には周知の方法で
電極を形成する。次に、20〜100℃のシリコンオ
イル中で直流電場20〜30KV／cmを0.5〜１時間印
加することにより分極を行なう。これを120℃で
２時間エイジングした後常温にもどし測定を行な
う。次に、測定方法について簡単に説明する。密
度は試料の外径と重量を測定して求める。比誘電
率εはLCRメータを用いて1KHzの周波数で測定
した。圧電定数d33は次式により求めた。 d33＝k33√33・33 １／（k33）2＝0.405fr／fa−fr＋0.81 １／S33＝4ρfa2l2（１−K33 2） ε33＝Ｃｌ／Ｓ ε＝ε33／ε0 ε0：真空の誘導率＝8.854×10-12Ｆ／ｍ ここで、ｌは試料の長さ（ｍ）、δは試料の端
面面積（m2）、Ｃは静電要領（1KHzの時の値）
（Ｆ）、ρは密度（Kg／m3）、fa、frはそれぞれ反
共振及び共振周波数（Hz）、k33は電気機械結合係
数である。 実施例１〜４はSr置換量を変えた場合である。
Sr置換量を増すにつれて圧電定数を増大する。
しかしながら、キユリー温度は減少する（表示せ
ず）。実施例１，５〜８は添加物の量を変えた場
合である。添加物量は0.5〜0.7重量％で圧電定数
は増大となつている。参考例１，２はSr置換量
を変えたものであるが、Sr置換量が５％以下で
は所望の圧電定数の圧電体が得られない。また、
置換量が15％を越えても圧電定数はあまり減少し
ないが、前述のようにキユリー温度が低くなるた
め実用的でない。また、参考例３で添加物のない
場合は圧電定数は所望の値を示すが、強度が小さ
く（表示せず）なるため好ましくない。逆に、参
考例４のように添加物の量を増すと、圧電定数は
急激に減少する。実施例３，９，10、参考例５，
６はPb（Y1/2Nb1/2）O3の量を変えた場合である。
Pb（Y1/2Nb1/2）O3が２％程度で圧電定数は最大
であり、Pb（Y1/2Nb1/2）O3がこれより少なくて
も圧電定数は減少しており、0.5％以下、５％以
上では所望の圧電定数の圧電材料を得ることがで
きない。実施例３，11〜15、参考例７〜９は
PbTiO3の添加量を変えた場合である。実施例３
の組成からずれるにつれて圧電定数は減少する傾
向にある。特にPbTiO3が40〜50モル％、PbZrO3
が45〜59.5モル％の範囲外での組成の圧電定数は
極めて小さいことがわかる。実施例３，16〜21は
添加物の種類を変えた場合である。いずれの添加
物、あるいは複数種の添加物を用いても添加量を
一定にすれば圧電定数に大差がないことがわか
る。以上本発明の実施例について詳細に説明した
が、本発明の組成範囲をPb（Y1/2Nb1/2）O30.5〜
５モル％、PbTiO340〜50モル％、PbZrO345〜
59.5モル％に限定して理由を再述すると次のよう
である。すなわち、Pb（Y1/2Nb1/2）O3は0.5モル
％以下では圧電定数が所望の値を満たしていない
５モル％以上では均一な固溶体が得にくいため、
やはり圧電定数が低下する。また、PbTiO3は40
モル％以上でも50モル％以上でも所望の電気機械
結合係数や誘電率が得られないため、所望の圧電
定数のセラミツク材料を得ることができない。従
つて、Pb（Y1/2Nb1/2）O3とPbTiO3を上記範囲に
選び残りをPbZrO3とする。また、組成中のPbの
一部をSrで５モル％以上15モル％以下置換する
と限定した理由は５モル％より少ないと誘電率が
小さく所望の圧電定数を得ることができない。ま
た、15モル％より多いと焼結性が悪くなるととも
にキユリー温度の低下が著しく実用的でなきな
る。更に、添加物であるNb2O5、WO3、La2O3、
TaO3、Bi2O3の添加量を0.1〜２重量％と限定し
た理由は0.1重量％以下では焼結性を向上させる
ことができなく、従つて機械的強度が極めて小さ
いため実用的でない。また、30重量％以上では均
一に固溶せず、一部析出するために電気機械結合
係数が小さくなり所望の圧電定数が得られなくな
るためである。
PbZrO3で構成される三成分固溶体を基本組成と
する、各種アクチユエータ用素子に適したセラミ
ツク圧電材料に関する。 （従来技術） セラミツク圧電体は応答性が良いため各種のア
クチユエータ用素子に応用する研究が進められて
いる。ところで、アクチユエータ用素子として要
求される材料特性は（ｉ）圧電定数d33が大きい
こと、（）キユリー温度Tcが高いこと、（）
高荷重、高周波数で駆動しても破損しないこと、
等である。特開昭57−208183によれば、上記三成
分の固溶体のPbの一部をBa、Sr、Ca等で置換し
てIn2O3、MgO、Sb2O3等を微量添加して機械的
強度を大きくしている。ところが、発明者らはセ
ラミツク圧電体の積層体よりなるアクチユエータ
用素子の特性について検討を行なつた結果、上記
公知発明の組成は必ずしも上記（）〜（）を
条件を満足するものでないことが解つた。 （発明の目的） 本発明は、上記（）〜（）の条件を満足
し、積層セラミツク圧電体よりなるアクチユエー
タ用素子の特性に有効なセラミツク圧電材料を提
供することを目的とする。 （発明の構成） 本発明に係るセラミツク圧電材料は、基本組成
がPbTiO340〜50モル％、PbZrO345〜59.5モル
％、Pb（Y1/2Nb1/2）O30.5〜５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％置換するとともに、Nb2O5、La2O3、
TaO3、Bi2O3から選ばれた少なくとも１種を0.1
〜２重量％含むことを特徴としている。 （発明の効果） 本発明の組成よりなるアクチユエータは、キユ
リー温度が高いのみならず、圧電定数が大きく、
アクチユエータ駆動時に圧電素子が破損しないた
め、長時間使用可能となる。 （実施例） 第１表は本発明の具体的実施例を載せたもので
ある。表中に記した値は直径５mm、長さ８mmのペ
レツト状の試料を用いて測定したものである。ま
ず、上記試料の製造方法について述べる。本発明
のセラミツク圧電材料は一般的には粉末冶金法に
より容易に製造し得る。例えば、PbO、TiO2、
ZrO2、Y2O3、Nb2O5、WO3、La2O3、TaO3、
Bi2O3、SrCO3などの原料を所定の割合で秤量し、
これを湿式ボールミル等によつて混合する。次い
で、この混合物を乾燥した後、700〜900℃で３〜
10時間仮焼を行う。さらに、ボールミルで混合し
た後乾燥する。しかる後、この調整粉末に水ある
いはポリビニルアルコールなどの粘着剤を添加配
合し、300〜1000Kg／cm2の圧力で加圧成形した後
1200〜1300℃で１〜３時間焼成を行なう。しかる
後、外形研摩を行ない、両端面には周知の方法で
電極を形成する。次に、20〜100℃のシリコンオ
イル中で直流電場20〜30KV／cmを0.5〜１時間印
加することにより分極を行なう。これを120℃で
２時間エイジングした後常温にもどし測定を行な
う。次に、測定方法について簡単に説明する。密
度は試料の外径と重量を測定して求める。比誘電
率εはLCRメータを用いて1KHzの周波数で測定
した。圧電定数d33は次式により求めた。 d33＝k33√33・33 １／（k33）2＝0.405fr／fa−fr＋0.81 １／S33＝4ρfa2l2（１−K33 2） ε33＝Ｃｌ／Ｓ ε＝ε33／ε0 ε0：真空の誘導率＝8.854×10-12Ｆ／ｍ ここで、ｌは試料の長さ（ｍ）、δは試料の端
面面積（m2）、Ｃは静電要領（1KHzの時の値）
（Ｆ）、ρは密度（Kg／m3）、fa、frはそれぞれ反
共振及び共振周波数（Hz）、k33は電気機械結合係
数である。 実施例１〜４はSr置換量を変えた場合である。
Sr置換量を増すにつれて圧電定数を増大する。
しかしながら、キユリー温度は減少する（表示せ
ず）。実施例１，５〜８は添加物の量を変えた場
合である。添加物量は0.5〜0.7重量％で圧電定数
は増大となつている。参考例１，２はSr置換量
を変えたものであるが、Sr置換量が５％以下で
は所望の圧電定数の圧電体が得られない。また、
置換量が15％を越えても圧電定数はあまり減少し
ないが、前述のようにキユリー温度が低くなるた
め実用的でない。また、参考例３で添加物のない
場合は圧電定数は所望の値を示すが、強度が小さ
く（表示せず）なるため好ましくない。逆に、参
考例４のように添加物の量を増すと、圧電定数は
急激に減少する。実施例３，９，10、参考例５，
６はPb（Y1/2Nb1/2）O3の量を変えた場合である。
Pb（Y1/2Nb1/2）O3が２％程度で圧電定数は最大
であり、Pb（Y1/2Nb1/2）O3がこれより少なくて
も圧電定数は減少しており、0.5％以下、５％以
上では所望の圧電定数の圧電材料を得ることがで
きない。実施例３，11〜15、参考例７〜９は
PbTiO3の添加量を変えた場合である。実施例３
の組成からずれるにつれて圧電定数は減少する傾
向にある。特にPbTiO3が40〜50モル％、PbZrO3
が45〜59.5モル％の範囲外での組成の圧電定数は
極めて小さいことがわかる。実施例３，16〜21は
添加物の種類を変えた場合である。いずれの添加
物、あるいは複数種の添加物を用いても添加量を
一定にすれば圧電定数に大差がないことがわか
る。以上本発明の実施例について詳細に説明した
が、本発明の組成範囲をPb（Y1/2Nb1/2）O30.5〜
５モル％、PbTiO340〜50モル％、PbZrO345〜
59.5モル％に限定して理由を再述すると次のよう
である。すなわち、Pb（Y1/2Nb1/2）O3は0.5モル
％以下では圧電定数が所望の値を満たしていない
５モル％以上では均一な固溶体が得にくいため、
やはり圧電定数が低下する。また、PbTiO3は40
モル％以上でも50モル％以上でも所望の電気機械
結合係数や誘電率が得られないため、所望の圧電
定数のセラミツク材料を得ることができない。従
つて、Pb（Y1/2Nb1/2）O3とPbTiO3を上記範囲に
選び残りをPbZrO3とする。また、組成中のPbの
一部をSrで５モル％以上15モル％以下置換する
と限定した理由は５モル％より少ないと誘電率が
小さく所望の圧電定数を得ることができない。ま
た、15モル％より多いと焼結性が悪くなるととも
にキユリー温度の低下が著しく実用的でなきな
る。更に、添加物であるNb2O5、WO3、La2O3、
TaO3、Bi2O3の添加量を0.1〜２重量％と限定し
た理由は0.1重量％以下では焼結性を向上させる
ことができなく、従つて機械的強度が極めて小さ
いため実用的でない。また、30重量％以上では均
一に固溶せず、一部析出するために電気機械結合
係数が小さくなり所望の圧電定数が得られなくな
るためである。
【表】
Claims (1)
- １ 基本組成がPb（Y1/2Nb1/2）O30.5〜５モル％、
PbTiO340〜50モル％、PbZrO345〜59.5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モル％以上15モル％以下置換するとと
もに、Nb2O5、WO3、La2O3、TaO3、Bi2O3から
選ばれた少なくとも１種を0.1〜２重量％含むこ
とを特徴とするセラミツク圧電材料。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58231165A JPS60123079A (ja) | 1983-12-06 | 1983-12-06 | セラミック圧電材料 |
| FR848418541A FR2555984B1 (fr) | 1983-12-06 | 1984-12-05 | Materiaux pour ceramiques piezoelectriques |
| DE3444359A DE3444359C2 (de) | 1983-12-06 | 1984-12-05 | Piezoelektrisches keramisches Material |
| CA000469382A CA1228473A (en) | 1983-12-06 | 1984-12-05 | Piezoelectric ceramic materials |
| US07/139,086 US4882079A (en) | 1983-12-06 | 1987-12-23 | Piezoelectric ceramic materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58231165A JPS60123079A (ja) | 1983-12-06 | 1983-12-06 | セラミック圧電材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60123079A JPS60123079A (ja) | 1985-07-01 |
| JPH0438710B2 true JPH0438710B2 (ja) | 1992-06-25 |
Family
ID=16919327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58231165A Granted JPS60123079A (ja) | 1983-12-06 | 1983-12-06 | セラミック圧電材料 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4882079A (ja) |
| JP (1) | JPS60123079A (ja) |
| CA (1) | CA1228473A (ja) |
| DE (1) | DE3444359C2 (ja) |
| FR (1) | FR2555984B1 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3251796B2 (ja) * | 1994-12-28 | 2002-01-28 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | セラミック圧電材料 |
| JP3827915B2 (ja) * | 2000-05-11 | 2006-09-27 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 圧電材料およびその製造方法 |
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