JPH0470267B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明はPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃−PbTiO₃−
PbZrO₃を基本組成とする三成分固溶体よりなる、
各種アクチユエータに使用して好適なセラミツク
圧電材料に関するものである。 〔従来の技術〕 アクチユエータに用いるセラミツク圧電体には
圧度定数が高いこと、キユリー温度が高いこと、
機械的強度に優れていること等の諸特性が要求さ
れる。セラミツク圧電材料として現在最も良く使
用されているものにPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃−
PbTiO₃−PbZrO₃の三成分固溶体よりなるセラミ
ツク圧電材料がある。そして、このセラミツク圧
電材料について上記の諸特性を更に改良すべく多
くの研究がなされている。例えば機械的強度の向
上を目的として上記固溶体の組成中のPbの一部
をBa、Sr、Ca等で置換するとともに、In₂O₃、
MgO、Sb₂O₃等を0.1〜1.0重量％含有せしめたも
のが提案されている（特願昭56−93415号（特開
昭57−208183号））。 セラミツク圧電材料の強度の向上は薄板状のセ
ラミツク圧電体を超音波振動子や回路素子等とし
て用いる場合は特に要求される。しかしながら、
薄板状のセラミツク圧電体を多数積層してアクチ
ユエータとして用いる場合には機械的強度の向上
よりもむしろ電界印加時のセラミツク圧電体の変
位量の増大、すなわち圧電材料の圧電定数の可及
的向上が望まれている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明はPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃−PbTiO₃−
PbZrO₃を主成分とする三成分固溶体よりなるセ
ラミツク圧電材料において、上記圧電材料の圧電
定数を更に向上せしめ、もつてこの圧電材料を用
いたアクチユエータの作動を向上せしめることを
目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明のセラミツク圧電材料は、基本組成を
Pb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃0.5〜5.0モル％、PbTiO₃
40.0〜50.0モル％、PbZrO₃ 45.0〜59.5モル％
とする三成分固溶体であり、上記組成中のPbの
一部をSrで5.0モル％〜15.0モル％置換するとと
もに、Tb₄O₇ Pr₆O₁₁ NdOから選ばれた少な
くとも１種を0.1〜2.0重量％含有せしめてある。 〔効果〕 上記組成になるセラミツク圧電材料は、その圧
電定数が約400×10^-12〜約600×10^-12m／Ｖと高
い値を示し、電界印加時に大きな変位量を得るこ
とができるから、車両のインジエクタ作動用圧電
体等の各種アクチユエータ用圧電体に使用して有
効である。 〔実施例〕 本発明のセラミツ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、TiO₂、
ZrO₂、SrCO₃、Tb₄O₇、Pr₆O₁₁、NdO、Y₂O₃、
Nb₂O₅等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。この混合物を
乾燥後、700〜900℃で３〜10時間仮焼し、これを
再びボ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300〜1000Kg／cm²の圧力
で加圧成形後、1200〜1300℃で１〜３時間焼成を
行ない、直径５mm、長さ８mmの円柱体とする。 上記円柱体は表面を研磨した後、両端面に周知
の方法で電極を形成する。これを20〜100℃のシ
リコンオイル等の絶縁オイル中に置いて、上記電
極間に直流電場20〜30KV／cmを６〜60分間印加
することにより分極せしめる。その後120℃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d₃₃は次式(1)より求められ、
かつ式(1)中のK₃₃、ε₃₃、S₃₃は次式(2)、(3)、(4)よ
り求める。 d₃₃＝K₃₃√₃₃・₃₃ ……(1) １／（K₃₃）＝0.405fr／fa−fr＋0.81 ……(2) ε₃₃＝Ｃ・ｌ／Ｓ ……(3) １／S₃₃＝4ρ・fa²・l²（１−K² ₃₃） ……(4) ここで、ｌは試料の長さ（ｍ）、Ｓは試料の端
面面積（m²）、ＣはLCRメータにより測定した1K
Hz時の静電容量（Ｆ）、ρは密度（Kg／m³）、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、K₃₃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
得られた本発明の圧電材料および比較材につき、
上記要素を測定して算出した圧電定数を別紙の第
１表および第２表に示す。 表において、実施例１〜10および参考例１〜４
はいずれも添加物としてTb₄O₇を含む。実施例１
〜６および参考例１、２はそれぞれTb₄O₇の量の
み異り、他の組成は同じである。Tb₄O₇の添加量
が0.1〜2.0モル％で大きな圧電定数が得られる。
Tb₄O₇量が上記範囲より多くても、また少くても
圧電定数は低下する。特にTb₄O₇量が少ない場合
には、焼結性が悪くなり、機械的強度が低下す
る。 実施例８〜10および参考例３、４はいずれも
SrによるPb置換量が異る。置換量が少ないほど
キユリー点は上るが圧電定数は小さくなる。逆に
置換量が多くなるとキユリー点は下り、かつ圧電
定数も小さくなる。置換量は５〜15モル％が適当
であることが知られる。 実施例７、11、12および参考例５、６はいずれ
もPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃の量が異る。Pb（Ｙ1/2
Nb1/2）O₃量は0.5〜５モル％で高い圧電定数
を示す。 実施例13〜17、および参考例７〜９はそれぞれ
PbTiO₃とPbZrO₃の比率が異る。PbTiO₃ 40〜
50モル％、PbZrO₃ 45〜58モル％の範囲で高い
圧電定数を示す。 実施例18、19では添加物としてPr₆O₁₁が、実
施例20、21はNdOがそれぞれ用いられている。
また実施例22〜24では添加物として、Tb₄O₇、
Pr₆O₁₁、NdOのうちの２種以上が併用されてい
る。いずれの場合も上記した実施例と同様の傾向
を示す。 以上の実験結果を総合すると、Pb（Ｙ1/2 Nb
１／２）O₃ 0.5〜5.0モル％、PbTiO₃ 40.0〜50.0
モル％、PbZrO₃ 45.0〜58.0モル％を基本組成と
する固溶体のPbの一部をSrで5.0〜15.0モル％置
換するとともに添加物としてTb₄O₇ Pr₆O₁₁、
NdOの少くとも１種を基本組成に対して0.1〜2.0
重量％含有せしめた圧電材料は、機械的強度もす
ぐれ、高いキユリー温度を維持し、特に圧電定数
が極めてすぐれていることが知られる。 基本組成のPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃は0.5モル％
未満では圧電定数が低く、また5.0モル％を越え
ると均一な固溶体が得にくく、従つて圧電定数も
低下する。PbTiO₃は40.0〜50.0モル％の範囲を
はずれると誘電率が低くなり、高い圧電定数が得
られない。Pb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃0.5〜5.0モル
％、PbTiO₃ 40.0〜50.0モル％とし、基本組成
の残部（45.0〜59.5モル％）はPbZrO₃で構成され
る。 組成中のPbのSrによる置換量は、5.0モル％よ
り少ないと誘電率が小さく、高い圧電定数が得ら
れない。一方、15.0モル％より多いとキユリー温
度が著しく低下するので実用的でない。添加物の
量は0.1重量％未満では焼結性が低く機械的強度
が低下する。2.0重量％を越えるとキユリー点が
低く好ましくない。 本発明の圧電材料は上記のすぐれた特性を有す
ることより、アクチユエータに好適に用いられ得
る。

【表】

【表】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基本組成がPb（Ｙ1/2 Nb1/2）O₃0.5〜5.0モ
   ル％、PbTiO₃ 40.0〜50.0モル％、PbZrO₃
   45.0〜59.5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5.0モル％〜15.0モル％
   置換するとともに、Tb₄O₇ Pr₆O₁₁ NdOから
   選ばれた少なくとも１種を合計で基本組成に対し
   て0.1〜2.0重量％含有せしめたことを特徴とする
   セラミツク圧電材料。