JP3419219B2 - 圧電磁器組成物及びそれを用いた圧電装置 - Google Patents
圧電磁器組成物及びそれを用いた圧電装置Info
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Description
びそれを圧電素子として用いた圧電装置に関するもので
あり、さらに詳しくは圧電センサ、圧電アクチュエータ
などの圧電装置に有用な圧電磁器組成物と、それを用い
た圧電センサ、圧電アクチュエータなどの圧電装置に関
する。
岐に渡り、例えば圧電センサ、圧電アクチュエータ、セ
ラミックフィルタ、超音波振動子、超音波モータ、圧電
ブザーなどがある。このような圧電装置の製造工程にお
いては、実装技術の進歩にともない、圧電磁器が例えば
リフロー炉などの200℃以上の高温中に置かれる場合
がある。また圧電装置の用途の拡大にともない、例えば
車載用の圧電センサや圧電アクチュエータなどのよう
に、より高温で安定に使用できる圧電装置の開発が進め
られている。このような背景から圧電磁器の耐熱性の向
上が求められている。
ためには、圧電磁器のキュリー点を高くすることと、圧
電磁器の電気抵抗を低下させることが有効であることが
知られている。圧電磁器の電気抵抗を低下させるのは、
キュリー点より低い温度で発生する焦電電荷によって生
じる逆電界のために分極が反転し、圧電特性が変化する
のを抑制する効果が得られるためである。
ZTと称す)系圧電磁器にCrやMnを微量添加するこ
とにより、キュリー点をあまり下げずに電気抵抗を低下
させ得ることが知られている。しかしながら、CrやM
nを添加すると圧電特性が低下するため、さらにSbや
Nbを微量添加して、キュリー点がやや低下するものの
電気抵抗は低いままで圧電特性の低下を抑制していた。
材料にCrやMnを微量添加した従来の圧電磁器組成物
では、圧電特性が低下するという問題点を有していた。
又、CrやMnとともにSbやNbを添加した従来の組
成物の場合、常温のある特定温度での圧電特性はある程
度向上するものの、圧電特性の温度による変化が大きい
という問題点を有していた。
より広い温度範囲で精度良く作動することが求められて
いる。そのためには圧電特性の温度による変化、即ち温
度変化率が小さいことが望ましい。圧電センサや圧電ア
クチュエータに用いる圧電磁器の場合、耐熱性が良好で
圧電特性を低下させることなく、圧電特性の温度変化率
を小さくする必要がある。なぜなら、圧電磁器の圧電特
性は、圧電センサの感度や圧電アクチュエータの変位量
などといった圧電装置の主要な機能を決定する重要な要
因であるからである。ところが、従来の圧電磁器では耐
熱性は改善されるものの、圧電特性が劣っていたりその
温度変化率が大きくて、圧電センサや圧電アクチュエー
タなどの圧電装置の作動精度を低下させる原因となって
いた。
題点を解消し、圧電特性が良好で、かつ、圧電特性の温
度変化率が小さく、しかもキュリー点が高く、電気抵抗
率が低い耐熱性に優れた圧電磁器組成物を提供すること
にある。又、この圧電磁器組成物を圧電素子として用い
た、雰囲気温度の変化に対して作動精度が安定した圧電
装置を提供することにある。
め、本発明の圧電磁器組成物は、Pb、Zr、Ti、L
a、Cr、Sb及びOの元素で構成される圧電磁器組成
物において、LaのPbに対する含有量モル比をxと
し、ZrのPbに対する含有量モル比をyとした場合、
x及びyがxy平面で点A(x=0.005,y=0.
54)、B(x=0.005,y=0.46)、C(x
=0.03,y=0.50)、D(x=0.03,y=
0.58)を頂点とする四角形の線上を含む領域内にあ
り、かつCrのPbに対する含有量モル比をz、Sbの
Pbに対する含有量モル比をwとした場合、z及びwが
それぞれ0.008≦z≦0.022、0.008≦w
≦0.067の範囲にあることを特徴とする。
電素子として用いたことを特徴とする。
びそれを用いた圧電装置について、その実施の形態を実
施例に沿って説明する。
3 、ZrO2 、TiO2 、Cr2 O3 及びSb2 O3 の
粉末を用意した。その後、LaのPbに対する含有量モ
ル比をx、ZrのPbに対する含有量モル比をy、Ti
のPbに対する含有量モル比を(1−y)、CrのPb
に対する含有量モル比をz、SbのPbに対する含有量
モル比をwとした場合、x、y、z及びwがそれぞれ表
1のようになるようにPbO、La2 O3 、ZrO2 、
TiO2 、Cr2 O3 及びSb2 O3 の粉末を秤取し、
これに水を加えてボールミルを用いて湿式混合した。得
られた混合物を乾燥した後、800〜900℃で2時間
仮焼して混合粉末を得た。
%の酢酸ビニル系バインダーを混合し、900〜100
0Kg/cm2 の圧力でプレス成形した後、これらを1
150〜1250℃の温度で2時間焼成し、20mm×
30mm×1mm(厚さ)のチタン酸ジルコン酸鉛系複
合ペロブスカイト化合物からなる角板を得た。この角板
を厚さ0.5mmに研磨した後、その両主面に電極を形
成し、60〜80℃の絶縁オイル中で30〜60分間、
2〜3KV/mmの電界で分極処理を行った。その後、
この角板を3×13×0.5(厚さ)mmの圧電素子と
なるようにカットした。
ε0 )、圧電特性(k31、−d31)、−20℃〜80℃
間の電気容量の変化率(C−TC)、キュリー点及び電
気抵抗率(ρ)を測定した。なお、電気抵抗率(ρ)は
200V/mmの電界印加時の測定値である。この測定
結果を表2に示す。なお、表2において、*印を付した
ものは本発明の範囲外のものであり、その他は本発明の
範囲内のものである。
する含有量モル比をxとし、ZrのPbに対する含有量
モル比をyとた場合、x及びyがxy平面で図1に示す
点A、B、C、Dを頂点とする四角形の線上を含む領域
内にあり、かつCrのPbに対する含有量モル比をz、
SbのPbに対する含有量モル比をwとした場合、z及
びwがそれぞれ0.008≦z≦0.022、0.00
8≦w≦0.067の範囲にある本発明の範囲内の試料
は、圧電体としての電気特性に優れる。即ち、キュリー
点が260℃以上と非常に高く、電気抵抗が1011Ω・
cm以下のオーダーと小さく、しかもk31が25.3%
以上、−d31が89pC/N以上と圧電特性が良好で、
かつ電気容量の温度係数が0.215%/℃以下と小さ
い圧電磁器組成物が得られる。
に対する含有量モル比xが図1中の線分CDより大きい
領域では、キュリー点が著しく低下するため好ましくな
い。又、試料番号1、2のように、xが線分ABより小
さい領域では、電気容量の温度係数が大きくなるため好
ましくない。
Pbに対する含有量モル比yが図1中の線分ADより大
きい領域では、電気容量の温度係数が大きくなるため好
ましくない。又、試料番号16、20のように、yが線
分BCより小さい領域では、圧電特性(k31、−d31)
が低下するため好ましくない。
する含有量モル比zが0.008未満の場合は、電気抵
抗が大きくなり耐熱性の問題上好ましくない。又、試料
番号11のように、zが0.022を超える場合は、圧
電特性(k31、−d31)が低下するため及び電気抵抗が
低下しすぎて分極が困難となる可能性があるので好まし
くない。
bに対する含有量モル比wが0.008未満の場合は、
圧電特性(k31、−d31)が低下するため好ましくな
い。又、試料番号12のように、wが0.067を超え
る場合は、電気容量の温度係数が大きくなるため好まし
くない。
の圧電磁器組成物を圧電素子として用いた圧電装置とし
て、圧電センサの1種である圧電振動ジャイロを作製
し、その感度の温度変化率を測定した。
図3に基づき説明する。図2は、圧電振動ジャイロの斜
視図であり、図3はその断面図である。
み、振動子12は三角柱状の振動体13を含む。この振
動体13は機械的な振動を生じる金属材料から形成され
る。この振動体13の3つの側面中央には、圧電素子1
4a、14b、14cがそれぞれ形成される。圧電素子
14aは圧電磁器からなる圧電体層16aを含み、この
圧電体層16aの両主面には、電極18a及び20aが
それぞれ形成される。そして一方の電極20aが振動体
13の側面に接着される。同様に圧電素子14b及び1
4cは圧電磁器からなる圧電体層16b及び16cをそ
れぞれ含み、これら16b及び16cの両主面には電極
18b、20b及び18c、20cがそれぞれ形成され
る。そして、振動体13の側面に、電極20b及び電極
20cが接着され、振動子12が形成される。その後、
振動子12の振動体13のノード点付近に支持部材2
2、22が取り付けられ圧電振動ジャイロ10が得られ
る。
を、圧電素子14a、14b及び14cに用いる圧電磁
器組成物として、表1の試料番号1、4、22をそれぞ
れ用いて作製した。
性を調べるために、図4に示すように、圧電素子14a
及び14bと圧電素子14cとの間に発振回路源30を
接続した。
圧電素子14a、14bが変位し振動体13の振動が励
起される。この場合、振動体13は圧電素子14cが接
着された面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で
は圧電素子14a及び14bに発生する出力電圧は同じ
大きさで同じ極性となるため、差動回路32を用いて圧
電素子14a及び14bの出力電圧の差を測定すると、
その差は0となる。そして、振動体13の軸を中心とし
て回転すると、コリオリ力により圧電素子14a及び1
4bの出力電圧に差が生じる。この出力電圧の差を測定
することにより、圧電振動ジャイロ10に加わった回転
角速度を検出することができる。
体13の軸を中心として一定の角速度で回転させている
状態で、雰囲気温度を−30〜80℃の範囲で変化させ
て、圧電素子14a及び14bの出力電圧の差を測定
し、雰囲気温度の変化による回転角速度の検出力(感
度)の変化を調べた。その結果を図5に示す。なお、図
5において、感度比は25℃における感度を100とし
た場合の相対比で示す。
物を用いた圧電振動ジャイロ(試料番号4、22)で
は、本発明の範囲外の圧電磁器組成物を用いたもの(試
料番号1)と比較して、回転角速度の感度の温度変化率
が広い温度範囲にわたって小さいことがわかる。これ
は、本発明の圧電磁器組成物が圧電振動ジャイロにおい
て角速度を検出するのに十分な圧電特性を有し、しかも
耐熱性に優れ、雰囲気温度の変化による圧電特性の変化
が小さいことによる効果である。
a、Zr、Ti、Cr、Sb及びOの元素を含む圧電磁
器組成物の場合について説明したが、この系にさらにM
n、Nb、Sn、Mg、Wなどの成分を添加した圧電磁
器組成物についても同様の効果が得られることを確認し
ている。
電振動ジャイロの場合について説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではない。即ち、他の圧電セン
サや、圧電アクチュエータなど他の圧電装置において
も、本発明の圧電磁器組成物を圧電素子として用いるこ
とにより、雰囲気温度が変化しても安定した作動精度の
高い圧電装置を得ることができる。
よれば、キュリー点が高くて電気抵抗が低く、したがっ
て耐熱性に優れ、しかも圧電特性が良好でかつ圧電特性
の温度変化率の小さい圧電磁器組成物を得ることができ
る。
センサなどの圧電装置に用いることにより、雰囲気温度
の変化に対して作動精度が高い圧電装置を得ることがで
きる。
量の範囲を示すxy図である。
視図である。
の回路を示すブロック図である。
う感度の変化を示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 Pb、Zr、Ti、La、Cr、Sb及
びOの元素で構成される圧電磁器組成物において、 LaのPbに対する含有量モル比をxとし、ZrのPb
に対する含有量モル比をyとした場合、x及びyがxy
平面で点A(x=0.005,y=0.54)、B(x
=0.005,y=0.46)、C(x=0.03,y
=0.50)、D(x=0.03,y=0.58)を頂
点とする四角形の線上を含む領域内にあり、かつCrの
Pbに対する含有量モル比をz、SbのPbに対する含
有量モル比をwとした場合、z及びwがそれぞれ0.0
08≦z≦0.022、0.008≦w≦0.067の
範囲にあることを特徴とする、圧電磁器組成物。 - 【請求項2】 請求項1に記載の圧電磁器組成物を圧電
素子として用いたことを特徴とする、圧電装置。
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