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JP2018088524A - Lead-free piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element - Google Patents

Lead-free piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element Download PDF

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JP2018088524A
JP2018088524A JP2017222348A JP2017222348A JP2018088524A JP 2018088524 A JP2018088524 A JP 2018088524A JP 2017222348 A JP2017222348 A JP 2017222348A JP 2017222348 A JP2017222348 A JP 2017222348A JP 2018088524 A JP2018088524 A JP 2018088524A
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JP2017222348A
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正人 山崎
Masato Yamazaki
正人 山崎
誉幸 松岡
Yoshiyuki Matsuoka
誉幸 松岡
和昭 北村
Kazuaki Kitamura
和昭 北村
嗣人 山田
Tsuguto Yamada
嗣人 山田
沖村 康之
Yasuyuki Okimura
康之 沖村
和重 大林
Kazue Obayashi
和重 大林
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

【課題】 高い圧電定数d33及び電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子を提供すること。【解決手段】 圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、Tiを含有する無鉛圧電磁器組成物であって、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.50≦(Na/(Na+K))≦0.60である。主相は、ペロブスカイト構造の酸素八面体のc軸に対して垂直方向の4つの酸素原子で構成される面をb軸方向に沿って観察したとき、Bサイト原子と酸素原子とのなす結合角O−B−Oが、170.0〜172.5度である。さらに、結合角O−B−OをなすBサイト原子の両側の酸素原子同士を結ぶ直線に対して、c軸方向に位置するBサイト原子の一方の酸素原子と直線との間の距離と、他方の酸素原子と直線との間の距離と、の関係が、(β/α)−1≦0.05である。【選択図】 図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free pressure porcelain composition and a piezoelectric element having a high piezoelectric constant d33 and an electromechanical coupling coefficient kr. SOLUTION: This is a lead-free pressure electromagnetic composition containing a niobate alkaline perovskite oxide having a piezoelectric property as a main phase and containing Ti, and the molar ratio of Na and K in the main phase (Na / (Na + K)). However, 0.50 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.60. The main phase is the bond angle between the B-site atom and the oxygen atom when the plane composed of four oxygen atoms perpendicular to the c-axis of the oxygen octahedron of the perovskite structure is observed along the b-axis direction. OBO is 170.0 to 172.5 degrees. Further, the distance between one oxygen atom and the straight line of the B site atom located in the c-axis direction with respect to the straight line connecting the oxygen atoms on both sides of the B site atom forming the bond angle OB—O. The relationship between the distance between the other oxygen atom and the straight line is (β / α) -1 ≦ 0.05. [Selection diagram] Fig. 3

Description

本発明は、無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子に関する。詳しくは、無鉛であって、圧電特性に優れ、更には、例えば優れた熱耐久性を有する圧電磁器組成物及び圧電素子に関する。   The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element. Specifically, the present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element that are lead-free and have excellent piezoelectric characteristics, and further have, for example, excellent thermal durability.

従来から量産されている圧電磁器(圧電セラミックス)の多くは、PZT系(チタン酸ジルコン酸鉛系)の材料で構成されており、鉛を含有している。しかし、近年では、鉛の環境への悪影響を排除するために、無鉛圧電磁器の開発が望まれている。   Many piezoelectric ceramics (piezoelectric ceramics) that have been mass-produced in the past are made of PZT (lead zirconate titanate) material and contain lead. However, in recent years, the development of lead-free piezoelectric ceramics is desired in order to eliminate the adverse effects of lead on the environment.

そのような無鉛圧電磁器の材料(以下「無鉛圧電磁器組成物」と呼ぶ)としては、例えばニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)NbO)のように、組成式ANbO(Aはアルカリ金属)で表される組成物が提案されている。 As a material of such a lead-free piezoelectric ceramic (hereinafter referred to as “lead-free piezoelectric ceramic composition”), for example, a composition formula ANbO 3 (A is an alkali metal) such as potassium sodium niobate ((K, Na) NbO 3 ). ) Has been proposed.

しかし、ANbO系無鉛圧電磁器組成物そのものは、焼結性や耐湿性に劣るという問題がある。
このような問題に対し、下記特許文献1では、ANbO系無鉛圧電磁器組成物にCu、Li、Ta等を添加することにより、焼結性を改善し、延いては圧電定数d33及び電気機械結合係数krを改善する方法が開示されている。
However, the ANbO 3 -based lead-free piezoelectric ceramic composition itself has a problem that it is poor in sinterability and moisture resistance.
In order to solve such a problem, in Patent Document 1 below, by adding Cu, Li, Ta or the like to the ANbO 3 -based lead-free piezoelectric ceramic composition, the sinterability is improved, and as a result, the piezoelectric constant d 33 and the electrical properties are increased. A method for improving the mechanical coupling coefficient kr is disclosed.

また、下記特許文献2では、一般式{Li(K1−yNa1−x}(Nb1−zSb)Oで表される無鉛圧電磁器組成物(0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.2,但し,x=z=0を除く)によって、比較的良好な焼結性と圧電特性(即ち高い圧電定数d33及び電気機械結合係数kr)を達成できることが開示されている。 Moreover, in the following patent document 2, the lead-free piezoelectric ceramic composition (0 ≦ x ≦ 0) represented by the general formula {Li x (K 1−y Na y ) 1−x } (Nb 1−z Sb z ) O 3 2. 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.2 (except for x = z = 0), relatively good sinterability and piezoelectric properties (ie high piezoelectric constant d 33 and electrical It is disclosed that a mechanical coupling coefficient kr) can be achieved.

特開2000−313664号公報JP 2000-313664 A 特開2003−342069号公報JP 2003-342069 A

しかしながら、特許文献1に記載の圧電磁器組成物では、焼結性は改善されているものの、従来の有鉛圧電磁器組成物に比べて圧電定数d33及び電気機械結合係数krが劣っており、実用性には不十分である。 However, in the piezoelectric ceramic composition described in Patent Document 1, although the sinterability is improved, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are inferior to those of the conventional leaded piezoelectric ceramic composition. It is insufficient for practical use.

一方、特許文献2に記載の圧電磁器組成物は、比較的高い圧電特性を示すものの、有鉛圧電磁器組成物と比較すると、依然として圧電定数d33及び電気機械結合係数krが劣るため、有鉛圧電磁器組成物を代替するには不十分である。 On the other hand, although the piezoelectric ceramic composition described in Patent Document 2 exhibits relatively high piezoelectric characteristics, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are still inferior to those of the leaded piezoelectric ceramic composition. It is insufficient to replace a piezoelectric ceramic composition.

そこで、無鉛圧電磁器組成物を用いた各種の装置を実用化するために、より高い圧電定数d33及び電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物の開発が望まれている。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い圧電定数d33及び電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子を提供することにある。
Therefore, in order to commercialize various devices using the lead-free piezoelectric ceramic composition, the development of lead-free piezoelectric ceramic composition has been desired which has a higher piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.
The present invention has been made in view of the above problems, its object is to provide a lead-free piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric element having a high piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.

(1)本発明の第1局面は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、Tiを含有する無鉛圧電磁器組成物に関するものである。
この無鉛圧電磁器組成物は、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.50≦(Na/(Na+K))≦0.60を満たしている。この主相は、ペロブスカイト構造のBサイト原子周囲の酸素原子で構成される酸素八面体のc軸に対して垂直に位置した4つの酸素原子で構成される面をb軸方向に沿って観察したとき、Bサイト原子(B)と酸素原子(O)とのなす結合角O−B−Oが、170.0〜172.5度である。
(1) A first aspect of the present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition containing a Ti-containing alkali niobate-based perovskite oxide having piezoelectric characteristics as a main phase.
In this lead-free piezoelectric ceramic composition, the molar ratio of Na to K (Na / (Na + K)) in the main phase satisfies 0.50 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.60. In this main phase, a plane composed of four oxygen atoms positioned perpendicular to the c-axis of the oxygen octahedron composed of oxygen atoms around the B site atom of the perovskite structure was observed along the b-axis direction. At this time, the bond angle O—B—O between the B site atom (B) and the oxygen atom (O) is 170.0 to 172.5 degrees.

さらに、結合角O−B−OをなすBサイト原子の両側の酸素原子同士を結ぶ直線に対して、c軸方向に位置するBサイト原子の一方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、c軸方向に位置するBサイト原子の他方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、の関係が、(β/α)−1≦0.05である。ここで、2つの距離の値が、同じ場合には、一方の距離をα、他方の距離をβとし、2つの距離の値が異なる場合には、短い方の距離をα、長い方の距離をβとする。   Further, the distance between the oxygen atom on one side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line with respect to the straight line connecting the oxygen atoms on both sides of the B site atom forming the bond angle O—B—O. And the distance between the oxygen atom on the other side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line is (β / α) −1 ≦ 0.05. Here, when the two distance values are the same, one distance is α and the other distance is β. When the two distance values are different, the shorter distance is α and the longer distance is Is β.

本第1局面では、上述した構成によって示されるように、ペロブスカイト構造のAサイト原子によって構成される単位格子に対して、Bサイト原子の周囲に配置された酸素で構成される酸素八面体が、所定方向(いわゆるc軸方向)に沿ってずれているが、Bサイト原子はずれていない。   In the first aspect, as shown by the configuration described above, an oxygen octahedron composed of oxygen arranged around a B site atom with respect to a unit cell composed of an A site atom of a perovskite structure, Although deviated along a predetermined direction (so-called c-axis direction), B site atoms are not displaced.

また、前記所定方向(c軸方向)にあるBサイト原子を挟んだ一対の酸素も、八面体のずれに対応して、ほぼ同様にずれているが、そのずれは僅かである。具体的には、上述のように、距離α、βの関係は、((β/α)−1≦0.05)である。   Further, the pair of oxygens sandwiching the B site atom in the predetermined direction (c-axis direction) is also shifted in the same manner corresponding to the shift of the octahedron, but the shift is slight. Specifically, as described above, the relationship between the distances α and β is ((β / α) −1 ≦ 0.05).

このような構成によれば、主相が圧電定数d33及び電気機械結合係数krに関して効果的な値を示す結晶構造を有し、また、無鉛圧電磁器組成物の緻密度も十分に高い。つまり、後述する実験例からも明らかなように、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れた無鉛圧電磁器組成物を実現することができる。 According to such a configuration, the main phase has a crystal structure showing effective values for the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr, and the lead-free piezoelectric ceramic composition has a sufficiently high density. That is, as is clear from experimental examples described later, it is possible to realize a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.

なお、圧電定数d33としては、例えば300pC/Nを上回ることが可能であり、電気機械結合係数krとしては、例えば50%を上回ることが可能である。
また、本第1局面では、上述した構成によって、例えば高い熱耐久性や熱衝撃安定性を有している。具体的には、熱サイクルによる温度変化が多くても、また、熱衝撃が加わった場合でも、圧電定数d33や電気機械結合係数krのような圧電特性が劣化しにくいという利点がある。
The piezoelectric constant d 33 can be, for example, higher than 300 pC / N, and the electromechanical coupling coefficient kr can be, for example, higher than 50%.
Moreover, in this 1st aspect, it has high thermal durability and thermal shock stability by the structure mentioned above, for example. Specifically, even if many temperature changes due to thermal cycling, also, even if the thermal shock is applied, there is an advantage that the piezoelectric characteristics such as a piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr are hardly degraded.

(2)本発明の第2局面では、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.50<(Na/(Na+K))<0.60を満たしていてもよい。
本第2局面の構成では、同じ元素を用いて構成されるニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物で比較した場合に、NaとKとのモル比を上記の範囲に設定することにより、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れ、且つ、高めのキュリー点Tcを有する無鉛圧電磁器組成物を実現することができる。
(2) In the second aspect of the present invention, even if the molar ratio of Na and K in the main phase (Na / (Na + K)) satisfies 0.50 <(Na / (Na + K)) <0.60. Good.
In the configuration of the second aspect, the piezoelectric constant d 33 is set by setting the molar ratio of Na and K to the above range when compared with an alkali niobate-based perovskite oxide composed of the same element. In addition, a lead-free piezoelectric ceramic composition having an excellent electromechanical coupling coefficient kr and a higher Curie point Tc can be realized.

(3)本発明の第3局面では、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.52≦(Na/(Na+K))≦0.56を満たしていてもよい。
本第3局面の構成では、同じ元素を用いて構成されるニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物で比較した場合に、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れ、且つ、高めのキュリー点Tcを有する無鉛圧電磁器組成物を安定して実現することができる。
(3) In the third aspect of the present invention, even if the molar ratio of Na and K in the main phase (Na / (Na + K)) satisfies 0.52 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.56. Good.
In the configuration of the third aspect, when compared with an alkali niobate-based perovskite oxide configured using the same element, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are excellent, and a higher Curie point Tc is obtained. The lead-free piezoelectric ceramic composition can be stably realized.

(4)本発明の第4局面では、第1〜第3局面のいずれかの無鉛圧電磁器組成物に、FeとMgとを含んでいてもよい。
本第4局面では、無鉛圧電磁器組成物に、FeとMgとを含むことにより、圧電定数d33及び電気機械結合係数krを含めた圧電特性に優れた無鉛圧電磁器組成物を実現することができる。
(4) In the fourth aspect of the present invention, the lead-free piezoelectric ceramic composition of any of the first to third aspects may contain Fe and Mg.
In the fourth aspect, the lead-free piezoelectric ceramic composition, by containing Fe and Mg, is possible to realize a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric characteristics including a piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr it can.

(5)本発明の第5局面では、第1〜第3局面のいずれかの無鉛圧電磁器組成物に、Niを含んでいてもよい。
本第5局面では、無鉛圧電磁器組成物に、Niを含むことにより、圧電定数d33及び電気機械結合係数krを含めた圧電特性に優れた無鉛圧電磁器組成物を実現することができる。
(5) In the fifth aspect of the present invention, the lead-free piezoelectric ceramic composition of any one of the first to third aspects may contain Ni.
In the fifth aspect, the lead-free piezoelectric ceramic composition, by containing Ni, it is possible to realize a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric characteristics including a piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.

(6)本発明の第6局面では、第1〜第5局面のいずれかの無鉛圧電磁器組成物から構成された圧電磁器と、圧電磁器に取り付けられた電極と、を備えた圧電素子を提供できる。   (6) According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element comprising: a piezoelectric ceramic composed of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to any one of the first to fifth aspects; and an electrode attached to the piezoelectric ceramic. it can.

実施形態の無鉛圧電磁器組成物の一つの結晶構造を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically one crystal structure of the lead-free piezoelectric ceramic composition of embodiment. (a)は単位格子において酸素八面体がずれていない状態をb軸方向に沿って見た状態を示す説明図、(b)は本実施形態の単位格子における酸素八面体がc軸方向にずれている状態をb軸方向に沿って見た状態を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the state which looked at the state where the oxygen octahedron has not shifted | deviated in the unit cell along the b-axis direction, (b) is the oxygen octahedron in the unit cell of this embodiment shifted in the c-axis direction. It is explanatory drawing which shows the state which looked at the state which looked along the b-axis direction. 圧電素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a piezoelectric element. 圧電素子の製造手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of a piezoelectric element. Na/(Na+K)と角度θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Na / (Na + K) and angle (theta). Na/(Na+K)と((β/α)−1)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Na / (Na + K) and (((beta) / (alpha))-1). Na/(Na+K)と圧電定数d33との関係を示すグラフである。Na / and (Na + K) is a graph showing the relationship between the piezoelectric constant d 33. Na/(Na+K)と電気機械結合係数krとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Na / (Na + K) and the electromechanical coupling coefficient kr.

以下に、本発明を実施するための形態について説明する。
[1.実施形態]
[1−1.無鉛圧電磁器組成物の要部の構成]
まず、本実施形態の無鉛圧電磁器組成物の特徴部分について説明する。
Below, the form for implementing this invention is demonstrated.
[1. Embodiment]
[1-1. Configuration of main parts of lead-free piezoelectric ceramic composition]
First, the characteristic part of the lead-free piezoelectric ceramic composition of the present embodiment will be described.

本実施形態の無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、Tiを含有するとともに、FeとMgとを含有する無鉛圧電磁器組成物である。   The lead-free piezoelectric ceramic composition of the present embodiment is a lead-free piezoelectric ceramic composition containing, as a main phase, an alkali niobate-based perovskite oxide having piezoelectric characteristics and containing Ti and Fe and Mg.

この無鉛圧電磁器組成物は、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.50≦(Na/(Na+K))≦0.60を満たしている。なお、好ましくは、モル比0.50<(Na/(Na+K))<0.60であり、さらに好ましくは、モル比(Na/(Na+K))は、0.52≦(Na/(Na+K))≦0.56である。   In this lead-free piezoelectric ceramic composition, the molar ratio of Na to K (Na / (Na + K)) in the main phase satisfies 0.50 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.60. The molar ratio is preferably 0.50 <(Na / (Na + K)) <0.60, and more preferably the molar ratio (Na / (Na + K)) is 0.52 ≦ (Na / (Na + K)) ) ≦ 0.56.

この主相は、ペロブスカイト構造の単位格子において、ペロブスカイト構造のBサイト原子周囲の酸素原子で構成される酸素八面体のc軸に対して垂直に位置した4つの酸素原子で構成される面をb軸方向に沿って観察したとき、Bサイト原子(B)と酸素原子(O)とのなす結合角O−B−Oが、170.0〜172.5度である。   This main phase has a plane composed of four oxygen atoms positioned perpendicular to the c-axis of the oxygen octahedron composed of oxygen atoms around the B site atom of the perovskite structure in the unit cell of the perovskite structure. When observed along the axial direction, the bond angle O—B—O between the B site atom (B) and the oxygen atom (O) is 170.0 to 172.5 degrees.

さらに、結合角O−B−OをなすBサイト原子の両側の酸素原子同士を結ぶ直線(ライン)に対して、c軸方向に位置するBサイト原子の一方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、c軸方向に位置するBサイト原子の他方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、の関係が、(β/α)−1≦0.05である。ここで、2つの距離の値が、同じ場合には、一方の距離をα、他方の距離をβとし、2つの距離の値が異なる場合には、短い方の距離をα、長い方の距離をβとする。   Further, with respect to a straight line connecting the oxygen atoms on both sides of the B site atom forming the bond angle O—B—O, the oxygen atom on one side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line And the distance between the oxygen atom on the other side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line satisfies (β / α) −1 ≦ 0.05. Here, when the two distance values are the same, one distance is α and the other distance is β. When the two distance values are different, the shorter distance is α and the longer distance is Is β.

以下、この無鉛圧電磁器組成物の主相の構成について詳しく説明する。
図1に示すように、無鉛圧電磁器組成物の主相はペロブスカイト構造であり、基本的には正方晶の単位格子を持ち、正方晶の各頂点(Aサイト)に、例えばK(カリウム)やNa(ナトリウム)のようなAサイトの金属(図1ではAで示すAサイト原子)が配置され、体心であるBサイトに、例えばNb(ニオブ)のようなBサイトの金属(図1ではBで示すBサイト原子)が配置されている。
Hereinafter, the structure of the main phase of this lead-free piezoelectric ceramic composition will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the main phase of the lead-free piezoelectric ceramic composition has a perovskite structure, basically has a tetragonal unit cell, and each vertex (A site) of the tetragonal crystal has, for example, K (potassium) or A-site metal such as Na (sodium) (A-site atom indicated by A in FIG. 1) is arranged, and B-site metal such as Nb (niobium), for example, in the body center B-site (in FIG. 1) B site atoms indicated by B) are arranged.

また、Bサイト原子を中心として、正方晶の各面の中心(面心)の近傍にO(酸素)が配置されているので、単位格子の内側に、例えばNbOなどからなる金属−O八面体が配置された構造となっている。なお、以下では、酸素部分からなる八面体を酸素八面体(O八面体)と称する。 Further, since O (oxygen) is arranged in the vicinity of the center (face center) of each tetragonal plane centering on the B site atom, a metal-O 6 made of NbO 6 or the like is formed inside the unit cell. It has a structure in which octahedrons are arranged. Hereinafter, an octahedron composed of an oxygen portion is referred to as an oxygen octahedron (O 6 octahedron).

特に、本実施形態では、前記図1に示すように、O八面体は、Aサイト原子からなる単位格子に対して、c軸方向にわずかにずれている。
詳しくは、例えば図2(a)に示すように、O八面体がずれていない構造では、a軸方向に沿って見た場合(b軸方向に沿って見た場合も同様である)、単位格子は正方形であり、各酸素原子は、Aサイト原子が作る四角形の対角線の中点に位置している。なお、図2(a)、(b)では、Bサイト原子の手前およびBサイト原子の向こう側にある酸素原子は省略してある。
In particular, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the O 6 octahedron is slightly shifted in the c-axis direction with respect to the unit cell composed of A-site atoms.
Specifically, for example, as shown in FIG. 2A, in the structure in which the O 6 octahedron is not displaced, when viewed along the a-axis direction (the same applies when viewed along the b-axis direction), The unit cell is a square, and each oxygen atom is located at the midpoint of a square diagonal formed by A-site atoms. In FIGS. 2A and 2B, oxygen atoms before the B site atom and beyond the B site atom are omitted.

それに対して、本実施形態では、前記図1に示すように、O八面体はc軸方向(例えば図1の上方)にわずかにずれているので、図2(b)に示すように、b軸方向に沿って見た場合、Bサイト原子の周囲の全ての酸素原子も、基本的に所定距離(ΔH)だけc軸方向(例えば図2(b)の上方)にずれている。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the O 6 octahedron is slightly shifted in the c-axis direction (for example, the upper side of FIG. 1), so as shown in FIG. When viewed along the b-axis direction, all the oxygen atoms around the B-site atom are also basically displaced in the c-axis direction (for example, upward in FIG. 2B) by a predetermined distance (ΔH).

なお、図2(b)では、Bサイト原子と隣り合う酸素原子のうち、同図の上下左右の4個の酸素原子のみを示している。
そのため、b軸方向に沿って見た場合に、a軸方向において、中心のBサイト原子より同図左側の酸素原子O21と該Bサイト原子より同図右側の酸素原子O22とは、中心のBサイト原子(Bサイト金属)にて折れ曲がるようにして配置されている。従って、酸素原子O21とBサイト原子と酸素原子O22とのなす結合角θ(即ち角度O21−B−O22)は、180°ではなく、170.0〜172.5度の範囲の結合角を有している。
FIG. 2B shows only four oxygen atoms on the upper, lower, left and right sides of the figure among the oxygen atoms adjacent to the B site atom.
Therefore, when viewed along the b-axis direction, in the a-axis direction, the oxygen atom O 21 on the left side of the figure from the center B site atom and the oxygen atom O 22 on the right side of the figure from the B site atom are Are arranged so as to be bent at the B-site atom (B-site metal). Therefore, the bond angle θ (that is, the angle O 21 −B—O 22 ) between the oxygen atom O 21 , the B site atom, and the oxygen atom O 22 is not 180 °, but is in the range of 170.0 to 172.5 degrees. Has a bond angle.

また、同様にb軸方向に沿って見た場合に、左右の酸素原子O21、O22を繋ぐ直線である第1ラインL1と図2(b)の一方(ここではBサイト原子に隣り合う上方)の酸素原子O11との間の距離と、第1ラインL1と他方の(ここではBサイト原子に隣り合う下方)の酸素原子O12との間の距離と、の関係は、(β/α)−1≦0.05である。ここで、2つの距離の値が、同じ場合には、一方の距離をα、他方の距離をβとし、2つの距離の値が異なる場合には、短い方の距離をα、長い方の距離をβとする。 Similarly, when viewed along the b-axis direction, the first line L1 that is a straight line connecting the left and right oxygen atoms O 21 , O 22 and one of FIG. 2B (here, adjacent to the B site atom). the distance between the oxygen atoms O 11 above), the distance and, the relationship between the oxygen atom O 12 of the first line L1 and the other (here the lower adjacent to the B-site atom) is, (beta /Α)-1≦0.05. Here, when the two distance values are the same, one distance is α and the other distance is β. When the two distance values are different, the shorter distance is α and the longer distance is Is β.

なお、図2(b)では、第1ラインL1と酸素原子O12との間の距離が、第1ラインL1と酸素原子O11との間の距離よりも値が大きいため、前者の距離がβ、後者の距離がαとなる。なお、以下では、上記した2つの距離の関係を示す「(β/α)−1」を、単に「ずれ((β/α)−1)」ともいう。 In FIG. 2 (b), the distance between the first line L1 and the oxygen atoms O 12 is, for than the distance between the first line L1 and the oxygen atoms O 11 is large, the distance of the former β, the latter distance is α. In the following, “(β / α) −1” indicating the relationship between the two distances is also simply referred to as “deviation ((β / α) −1)”.

言い換えると、左右の酸素原子O21、O22を繋ぐ第1ラインL1と、第1ラインL1と第1ラインに対して上下(c軸)方向に存在する左右の酸素原子O11、O12を繋ぐ第2ラインL2(即ち、第1ラインL1に垂直でBサイト原子を通ってc軸方向に延びる直線)との交点をCとすると、一方の酸素原子O11と交点Cとの間の距離、および、他方の酸素原子O12と交点Cとの間の距離の関係は、(β/α)−1≦0.05である。 In other words, the first line L1 connecting the left and right oxygen atom O 21, O 22, and the first line L1 to the left and right oxygen atom O 11, O 12 present in the upper and lower (c-axis) direction with respect to the first line the second line L2 (i.e., straight line extending in the c-axis direction through the B-site atom in perpendicular to the first line L1) connecting the distance between the intersections of the C, and one oxygen atom O 11 and the intersection point C And the relationship of the distance between the other oxygen atom O 12 and the intersection C is (β / α) −1 ≦ 0.05.

このことは、本実施形態では、ペロブスカイト構造のAサイト原子によって構成される単位格子に対して、Bサイト原子の周囲に配置された酸素原子から構成されるO八面体は、c軸方向に沿ってずれているが、Bサイト原子はずれていないことを示している。それとともに、c軸方向にてBサイト原子を挟んだ酸素原子も、O八面体の全体のずれに対応して、ほぼ同様にずれているので、O八面体にはゆがみがないか、或いはゆがみがある場合でもごくわずかであることを示している。
[1−2.無鉛圧電磁器組成物の全体構成]
次に、無鉛圧電磁器組成物の主相や副相を構成する材料など、無鉛圧電磁器組成物の全体構成について詳細に説明する。
This means that in this embodiment, the O 6 octahedron composed of oxygen atoms arranged around the B site atom is in the c-axis direction with respect to the unit cell composed of the A site atom of the perovskite structure. This shows that the B site atoms are not displaced. At the same time, also an oxygen atom across the B-site atom in the c-axis direction, corresponding to the total displacement of the O 6 octahedra, so are shifted substantially in the same manner, there are no distortions in the O 6 octahedra, Or even if there is distortion, it shows very little.
[1-2. Overall structure of lead-free piezoelectric ceramic composition]
Next, the entire configuration of the lead-free piezoelectric ceramic composition, such as materials constituting the main phase and subphase of the lead-free piezoelectric ceramic composition, will be described in detail.

本実施形態における無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる主相(第1結晶相)を少なくとも含み、主相以外の結晶相である副相(第2結晶相など)を含み得るものである。   The lead-free piezoelectric ceramic composition in the present embodiment includes at least a main phase (first crystal phase) made of an alkali niobate-based perovskite oxide having piezoelectric characteristics, and a subphase (second crystal) that is a crystal phase other than the main phase. Phase, etc.).

この副相は、主相と混在することによって主相の構造を安定化し、圧電定数d33及び電気機械結合係数krを向上させる。なお、副相は、第2結晶相以外の結晶相(第3結晶相など)を含んでいてもよい。以下、具体的に説明する。
<好ましい主相の組成>
本実施形態では、主相を形成するペロブスカイト酸化物は、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物である。
The subphase is to stabilize the structure of the main phase by mixing with the main phase, to improve the piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr. The subphase may include a crystal phase (such as a third crystal phase) other than the second crystal phase. This will be specifically described below.
<Preferred main phase composition>
In the present embodiment, the perovskite oxide that forms the main phase is an alkali niobate-based perovskite oxide.

ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物のアルカリ系成分は、アルカリ金属(K(カリウム),Na(ナトリウム),Li(リチウム),Rb(ルビジウム)等)を少なくとも含み、また、アルカリ土類金属(Ca(カルシウム),Sr(ストロンチウム),Ba(バリウム)等)を含み得る。このようなニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物としては、以下の組成式(1)で表されるものが好ましい。   The alkaline component of the alkali niobate perovskite oxide contains at least an alkali metal (K (potassium), Na (sodium), Li (lithium), Rb (rubidium), etc.), and an alkaline earth metal (Ca ( Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) and the like. As such an niobate-based perovskite oxide, those represented by the following composition formula (1) are preferable.

(KNaLi(D)O ・・・(1)
ここで、元素CはCa(カルシウム),Sr(ストロンチウム),Ba(バリウム),Rb(ルビジウム)の一種以上、元素DはNb(ニオブ),Ti(チタン),Zr(ジルコニウム)のうちの少なくともNb又はTaを含む一種以上、元素EはMg(マグネシウム),Al(アルミニウム),Sc(スカンジウム),Mn(マンガン),Fe(鉄),Co(コバルト),Ni(ニッケル),Zn(亜鉛),Ga(ガリウム),Y(イットリウム)の一種以上であり、a+b+c+d=1、eは任意、f+g=1、hはペロブスカイトを構成する任意の値である。
(K a Na b Li C C d ) e (D f E g ) O h (1)
Here, the element C is one or more of Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), and Rb (rubidium), and the element D is at least one of Nb (niobium), Ti (titanium), and Zr (zirconium). One or more elements including Nb or Ta, element E is Mg (magnesium), Al (aluminum), Sc (scandium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zn (zinc) , Ga (gallium), Y (yttrium), a + b + c + d = 1, e is arbitrary, f + g = 1, and h are arbitrary values constituting the perovskite.

上記組成式(1)において、元素C,Eがそれぞれ1〜2種類の元素を含み得るとともに、元素Dが1〜3種類の元素を含み得る場合には、以下の組成式(1a)のように書き換えることができる。   In the composition formula (1), when the elements C and E can each contain one or two kinds of elements and the element D can contain one to three kinds of elements, the following composition formula (1a) Can be rewritten.

(KNaLiC1d1C2d2(D1f1D2f2D3f3E1g1E2g2)O ・・・(1a)
ここで、a+b+c+d1+d2=1、eは任意、f1+f2+f3+g1+g2=1、hはペロブスカイトを構成する任意の値である。この組成式(1a)は、上記組成式(1)と等価である。この例から理解できるように、元素Cが2種類の金属元素を含む場合には、元素Cの係数dの値は、2種類の元素C1,C2の係数d1,d2の和で表される。元素D,Eも同様である。
(K a Na b Li c C1 d1 C2 d2 ) e (D1 f1 D2 f2 D3 f3 E1 g1 E2 g2 ) O h (1a)
Here, a + b + c + d1 + d2 = 1, e is arbitrary, f1 + f2 + f3 + g1 + g2 = 1, and h is an arbitrary value constituting the perovskite. The composition formula (1a) is equivalent to the composition formula (1). As can be understood from this example, when the element C includes two types of metal elements, the value of the coefficient d of the element C is represented by the sum of the coefficients d1 and d2 of the two types of elements C1 and C2. The same applies to the elements D and E.

上記組成式(1)において、K(カリウム)とNa(ナトリウム)とLi(リチウム)と元素C(Ca,Sr,Ba,Rb)は、ペロブスカイト構造のいわゆるAサイトに配置される。また、元素D(Nb,Ti,Zrのうちの少なくともNbを含む1種以上)と元素E(Mg,Al,Sc,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Ga,Yの1種以上)はいわゆるBサイトに配置される。Aサイトの元素の係数a,b,c,dのうちで、最初の3つの係数の合計(a+b+c)は0で無いことが好ましいが、係数dはゼロであってもよい。また、Bサイトの元素D,Eの係数f,gのうちで、元素Dの係数fは0で無いことが好ましいが、元素Eの係数gはゼロであってもよい。   In the composition formula (1), K (potassium), Na (sodium), Li (lithium), and the element C (Ca, Sr, Ba, Rb) are arranged at a so-called A site having a perovskite structure. Element D (one or more of Nb, Ti, Zr including at least Nb) and element E (one or more of Mg, Al, Sc, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, Y) are included. It is arranged at the so-called B site. Of the coefficients a, b, c, and d of the element at the A site, the sum (a + b + c) of the first three coefficients is preferably not 0, but the coefficient d may be zero. Of the coefficients f and g of the elements D and E at the B site, the coefficient f of the element D is preferably not 0, but the coefficient g of the element E may be zero.

すなわち、本実施形態のニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物は、そのAサイトにアルカリ金属(K,Na,Li,Rb)の1種以上を少なくとも含むとともにアルカリ土類金属(Ca,Sr,Ba)を含み得るものであり、また、そのBサイトにNb,Ti,Zrのうちの少なくともNbを含む1種以上を含むとともにその他の金属(Mg,Al,Sc,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Ga,Y)の1種以上を含み得るペロブスカイト酸化物であることが好ましい。   That is, the alkali niobate-based perovskite oxide of this embodiment includes at least one alkali metal (K, Na, Li, Rb) at the A site and contains an alkaline earth metal (Ca, Sr, Ba). In addition, the B site contains at least one of Nb, Ti, and Zr containing at least Nb and other metals (Mg, Al, Sc, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, A perovskite oxide that may contain one or more of Ga, Y) is preferred.

特に、主相のAサイト原子のうち、Na(ナトリウム)とK(カリウム)が89モル%以上を占めるものは、圧電定数d33及び電気機械結合係数krにより優れている点で好ましい。また、Bサイトの構成元素としては、Nbを含むものが最も好ましい。Nbを含むニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物は、Nbを含まないタンタル酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物に比べて、キュリー温度(Tc)が高い無鉛圧電磁器組成物を提供することができる点で好ましい。この点については、本出願人により開示された国際公開第2011/093021号公報の図6の結果から類推可能である。 Particularly, among the A site atoms of the main phase, those in which Na (sodium) and K (potassium) occupy 89 mol% or more are preferable in that they are excellent in terms of the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr. Further, as a constituent element of the B site, one containing Nb is most preferable. An niobate-based perovskite oxide containing Nb is preferred in that it can provide a lead-free piezoelectric ceramic composition having a higher Curie temperature (Tc) than an alkali tantalate-based perovskite oxide containing no Nb. This can be inferred from the results of FIG. 6 of International Publication No. 2011/093021 disclosed by the present applicant.

上記組成式(1)における係数a,b,c,d,e,f,g,hの値としては、ペロブスカイト構造が成立する値の組み合わせのうちで、無鉛圧電磁器組成物の圧電定数d33及び電気機械結合係数krの観点で好ましい値を選択することができる。 As the values of the coefficients a, b, c, d, e, f, g, h in the composition formula (1), the piezoelectric constant d 33 of the lead-free piezoelectric ceramic composition among the combinations of values that establish the perovskite structure. A preferable value can be selected from the viewpoint of the electromechanical coupling coefficient kr.

具体的には、係数a,b,cが、それぞれ0以上1未満の値であり、a=b=c=0(すなわち、KとNaとLiをいずれも含まない圧電磁器組成物)が成立しないことが好ましい。KとNaの係数a,bは、典型的には0<a≦0.6及び0<b≦0.6である。Liの係数cは、ゼロでも良いが、0<c≦0.2が好ましく、0<c≦0.1が更に好ましい。元素C(Ca,Sr,Baの1種以上)の係数dは、ゼロでも良いが、0<d≦0.2が好ましく、0<d≦0.1が更に好ましい。   Specifically, the coefficients a, b, and c are values of 0 or more and less than 1, respectively, and a = b = c = 0 (that is, a piezoelectric ceramic composition that does not include K, Na, and Li) is established. Preferably not. The coefficients a and b of K and Na are typically 0 <a ≦ 0.6 and 0 <b ≦ 0.6. The coefficient c of Li may be zero, but 0 <c ≦ 0.2 is preferable, and 0 <c ≦ 0.1 is more preferable. The coefficient d of the element C (one or more of Ca, Sr, Ba) may be zero, but 0 <d ≦ 0.2 is preferable, and 0 <d ≦ 0.1 is more preferable.

Aサイト全体に対する係数eは、任意であるが、0.80≦e≦1.10が好ましく、0.84≦e≦1.08が更に好ましく、0.88≦e≦1.07が最も好ましい。
酸素の係数hは、主相がペロブスカイト酸化物を構成するような任意の値を取り得る。係数hの典型的な値は、約3であり、2.9≦h≦3.1が好ましい。なお、係数hの値は、主相の組成の電気的な中性条件から算出することができる。但し、主相の組成として
は、電気的な中性条件からやや外れた組成も許容できる。
The coefficient e for the entire A site is arbitrary, but preferably 0.80 ≦ e ≦ 1.10, more preferably 0.84 ≦ e ≦ 1.08, and most preferably 0.88 ≦ e ≦ 1.07. .
The coefficient h of oxygen can take any value such that the main phase constitutes a perovskite oxide. A typical value for the coefficient h is about 3, with 2.9 ≦ h ≦ 3.1 being preferred. The value of the coefficient h can be calculated from the electrical neutral condition of the main phase composition. However, as the composition of the main phase, a composition slightly deviating from the electrical neutral condition is acceptable.

主相の典型的な組成は、(K,Na,Li,Ca,Ba)(Nb,Zr)Oであり、KとNaとNbとを主な金属成分とするものである。この主相は、KとNaとNbとを主な金属成分としているので、主相で構成される材料を「KNN」又は「KNN材」とも呼び、主相を「KNN相」とも呼ぶ。主相をKNN相で形成すれば、圧電特性に優れた無鉛圧電磁器組成物を提供することができる。
<好ましい副相の組成>
また、無鉛圧電磁器組成物は、主相と異なる金属酸化物を副相として含み得る。副相は、例えば、以下の(a)〜(e)のうちから選ばれた一種以上の金属酸化物を含むことが好ましい。
A typical composition of the main phase is (K, Na, Li, Ca, Ba) e (Nb, Zr) O h , and contains K, Na, and Nb as main metal components. Since this main phase has K, Na, and Nb as main metal components, the material composed of the main phase is also referred to as “KNN” or “KNN material”, and the main phase is also referred to as “KNN phase”. If the main phase is formed of the KNN phase, a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric characteristics can be provided.
<Preferred subphase composition>
Moreover, the lead-free piezoelectric ceramic composition may contain a metal oxide different from the main phase as a subphase. The subphase preferably contains, for example, one or more metal oxides selected from the following (a) to (e).

(a)Mg(マグネシウム),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Fe(鉄),Mn(マンガン),Cr(クロム),Zr(ジルコニウム),Ti(チタン),Ag(銀),Zn(亜鉛),Sc(スカンジウム),Bi(ビスマス)から選ばれた金属元素からなる単一金属酸化物
(b)M−Ti−O系スピネル化合物(元素Mは1〜5価の金属)
(c)A13系化合物(元素Aは1価の金属、元素Bは2〜6価の金属)
(d)A15系化合物(元素Aは1〜2価の金属、元素Bは2〜5価の金属)
(e)A−Ti−B−O系化合物(元素Aはアルカリ金属、元素BはNbとTaのうちの少なくとも1種)
これらの化合物を含む副相は、それ自身では圧電特性を有しておらず、主相と混在することによって焼結性や緻密性を向上させる機能を有する。また、これらの副相を添加すると、優れた圧電定数d33や電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物を得ることが可能である。副相の含有割合の合計値は、無鉛圧電磁器組成物の全体に対して5体積%以下であることが好ましく、2体積%以下であることが更に好ましい。副相の含有割合の合計値が5体積%を超えると、圧電定数d33及び電気機械結合係数krが却って低下する可能性がある。
(A) Mg (magnesium), Ni (nickel), Co (cobalt), Fe (iron), Mn (manganese), Cr (chromium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Ag (silver), Zn ( Zinc), Sc (Scandium), Bi (Bismuth) A single metal oxide composed of a metal element (b) M-Ti-O-based spinel compound (element M is a 1-5 valent metal)
(C) A 2 B 6 O 13- based compound (element A is a monovalent metal, element B is a 2-6 valent metal)
(D) A 3 B 5 O 15- based compound (element A is a 1 to 2 valent metal, element B is a 2 to 5 valent metal)
(E) A-Ti-B-O compound (element A is an alkali metal, element B is at least one of Nb and Ta)
The subphase containing these compounds does not have piezoelectric characteristics by itself, but has a function of improving sinterability and denseness by being mixed with the main phase. Further, the addition of these sub-phases, it is possible to obtain a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr. The total content of the subphases is preferably 5% by volume or less, more preferably 2% by volume or less, based on the entire lead-free piezoelectric ceramic composition. When the sum of the content of the subphase is more than 5% by volume, there is a possibility that the piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr is rather deteriorated.

単一金属酸化物としては、例えば、MgO,NiO,Co,Fe,MnO,Cr,ZrO,TiO,AgO,ZnO,Sc,Biを利用することができる。これらのうち、特に、Co,ZnO,Feのうちの1種、2種、又は3種を副相として使用すれば、主相の構造を安定化できる点で好ましい。 Examples of the single metal oxide include MgO, NiO, Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Ag 2 O, ZnO, Sc 2 O 3 , Bi. 2 O 3 can be used. Of these, it is particularly preferable to use one, two, or three of Co 3 O 4 , ZnO, and Fe 2 O 3 as subphases because the structure of the main phase can be stabilized.

M−Ti−O系スピネル化合物の組成は、次の(2)式で表すことができる。
TiO ・・・(2)
ここで、元素Mは、1〜5価の金属元素であり、Li(リチウム),Na(ナトリウム),K(カリウム),Mg(マグネシウム),Al(アルミニウム),Sc(スカンジウム),Cr(クロム),Mn(マンガン),Fe(鉄),Co(コバルト),Ni(ニッケル),Zn(亜鉛),Ga(ガリウム),Y(イットリウム),Zr(ジルコニウム),Sn(スズ),Sb(アンチモン),Nb(ニオブ),Ta(タンタル),Si(ケイ素),Hf(ハフニウム)のうちの少なくとも1種である。
The composition of the M-Ti-O-based spinel compound can be represented by the following formula (2).
M x TiO y (2)
Here, the element M is a 1-5 pentavalent metal element, and Li (lithium), Na (sodium), K (potassium), Mg (magnesium), Al (aluminum), Sc (scandium), Cr (chromium). ), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zn (zinc), Ga (gallium), Y (yttrium), Zr (zirconium), Sn (tin), Sb (antimony) ), Nb (niobium), Ta (tantalum), Si (silicon), and Hf (hafnium).

なお、元素MとしてLiを含む場合には、スピネル化合物を形成するために、上記金属元素のうちのLi以外の他の1種以上の金属元素がLiとともに含まれることが好ましい。   In addition, when Li is contained as the element M, in order to form a spinel compound, it is preferable that 1 or more types of metal elements other than Li of the said metal elements are contained with Li.

係数x,yは、Tiの含有量を1としたときの相対値である。スピネル化合物を形成するために、係数xは、0.5≦x≦8.0を満たすことが好ましく、0.5≦x≦5.0を満たすことが更に好ましい。また、係数yは、スピネル化合物を形成する任意の値であるが、典型的には2.0≦y≦8.0を満たすことが好ましい。   The coefficients x and y are relative values when the Ti content is 1. In order to form the spinel compound, the coefficient x preferably satisfies 0.5 ≦ x ≦ 8.0, and more preferably satisfies 0.5 ≦ x ≦ 5.0. The coefficient y is an arbitrary value that forms a spinel compound, but typically it is preferable to satisfy 2.0 ≦ y ≦ 8.0.

具体的なスピネル化合物としては、例えば、NiFeTiO,MgFeTiO,Ni(Ti,Zr)O,Ni(Ti,Hf)O,Ni1.5FeTi0.5,CoMgTiO,CoFeTiO,(Fe,Zn,Co)TiO,CoZnTiOを使用することが好ましい。スピネル化合物は、主相の構造を安定化するので、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れた無鉛圧電磁器組成物を得ることができる。 Specific spinel compounds include, for example, NiFeTiO 4 , MgFeTiO 4 , Ni 2 (Ti, Zr) O 4 , Ni 2 (Ti, Hf) O 4 , Ni 1.5 FeTi 0.5 O 4 , CoMgTiO 4 , It is preferable to use CoFeTiO 4 , (Fe, Zn, Co) 2 TiO 4 , or CoZnTiO 4 . Spinel compounds, the structure of the main phase so stabilized, it is possible to obtain a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.

スピネル化合物は、正スピネル化合物であってもよく、逆スピネル化合物であってもよい。なお、スピネル化合物であるか否かは、粉末X線回折(XRD)の回折結果を使用したリートベルト解析(Rietveld Analysis)を行うことによって判定可能である。   The spinel compound may be a normal spinel compound or a reverse spinel compound. Whether or not the compound is a spinel compound can be determined by performing Rietveld analysis using a powder X-ray diffraction (XRD) diffraction result.

13系化合物としては、元素A(1価の金属)をLi,Na,Kのうちの少なくとも一種とし、元素B(2〜6価の金属)をCo,Fe,Mg,Ni,Zr,Mn,Al,Nb,Ta,Wのうちの少なくとも一種とした化合物を利用することができる。具体的には、例えば、K(Ti,Nb,Mg)13,K(Ti,Nb,Co,Zn)13等を利用することが可能である。 As the A 2 B 6 O 13- based compound, the element A (monovalent metal) is at least one of Li, Na, and K, and the element B (2-6 hexavalent metal) is Co, Fe, Mg, Ni. , Zr, Mn, Al, Nb, Ta, and W can be used. Specifically, for example, K 2 (Ti, Nb, Mg) 6 O 13 , K 2 (Ti, Nb, Co, Zn) 6 O 13 or the like can be used.

15系化合物としては、元素A(1〜2価の金属)をBa,Ca,Sr,Na,K,Liのうちの少なくとも一種とし、元素B(2〜5価の金属)をNb,Mn,Fe,Ni,Co,Zn,Zrのうちの少なくとも一種とした化合物を利用することができる。 As the A 3 B 5 O 15- based compound, the element A (1 to 2 valent metal) is at least one of Ba, Ca, Sr, Na, K, and Li, and the element B (2 to 5 valent metal) is used. A compound in which at least one of Nb, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, and Zr is used can be used.

具体的には、例えば、(Ba,Na,K)(Nb,Ni,Fe)15,(Ba,Na,K)(Nb,Co,Ni)15,(Ba,Na,K)(Nb,Zn)15,(Ba,Na,K)(Nb,Mn)15,(Ba,Na,K)(Nb,Fe,Zn,Co)15等を利用することが可能である。 Specifically, for example, (Ba, Na, K) 3 (Nb, Ni, Fe) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Co, Ni) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Zn) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Mn) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Fe, Zn, Co) 5 O 15 etc. Can be used.

A−Ti−B−O系化合物としては、以下の(3)式又は(4)式の組成を有するものを利用可能である。
1−xTi1−x1+x ・・・ (3)
Ti ・・・ (4)
ここで、元素Aはアルカリ金属(K(カリウム),Rb(ルビジウム),Cs(セシウム)等)のうちの少なくとも1種であり、元素BはNb(ニオブ)である。上記(3)式の係数xは任意の値である。但し、係数xは、0≦x≦0.15を満たすことが好ましい。係数xがこの範囲の値を取れば、化合物の構造が安定し、均一な結晶相を得ることができる。
As the A-Ti-B-O-based compound, those having the composition of the following formula (3) or (4) can be used.
A 1-x Ti 1-x B 1 + x O 5 (3)
A 1 Ti 3 B 1 O 9 (4)
Here, the element A is at least one of alkali metals (K (potassium), Rb (rubidium), Cs (cesium), etc.), and the element B is Nb (niobium). The coefficient x in the above equation (3) is an arbitrary value. However, the coefficient x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 0.15. When the coefficient x takes a value within this range, the structure of the compound is stabilized and a uniform crystal phase can be obtained.

上記(3)式に従った具体的な化合物としては、KTiNbO,K0.90Ti0.90Nb1.10,K0.85Ti0.85Nb1.15,RbTiNbO,Rb0.90Ti0.90Nb1.10,Rb0.85Ti0.85Nb1.15,CsTiNbO,Cs0.90Ti0.90Nb1.10などを使用可能である。 Specific compounds according to the above formula (3) include KTiNbO 5 , K 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , K 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , RbTiNbO 5. , Rb 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , Rb 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , CsTiNbO 5 , Cs 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 etc. It can be used.

なお、この化合物の構造的な安定性の観点から、係数xは、元素AがK(カリウム)又はRb(ルビジウム)の場合には0≦x≦0.15を満たすことが好ましく、元素AがCs(セシウム)の場合には0≦x≦0.10を満たすことが好ましい。元素AとしてK(カリウム)を選択し、元素BとしてNb(ニオブ)を選択すれば、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れた無鉛圧電磁器組成物を得ることができる。 From the viewpoint of the structural stability of this compound, the coefficient x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 0.15 when the element A is K (potassium) or Rb (rubidium). In the case of Cs (cesium), it is preferable to satisfy 0 ≦ x ≦ 0.10. Select K (potassium) as the element A, by selecting the Nb (niobium) as the element B, can be obtained unleaded piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr.

上記(3)式と(4)式で表される結晶相は、いずれも元素A(アルカリ金属)と、Ti(チタン)と、元素B(NbとTaのうちの少なくとも1種)の複合酸化物である点で共通している。このように、元素Aと、Ti(チタン)と、元素Bの複合酸化物を「A−Ti−B−O系複合酸化物」と呼ぶ。A−Ti−B−O系複合酸化物(元素Aはアルカリ金属、元素BはNb、元素Aと元素BとTiの含有量はいずれもゼロで無い)を利用することが可能である。
[1−2.圧電素子]
次に、本実施形態の圧電素子について説明する。
The crystal phases represented by the above formulas (3) and (4) are both complex oxidations of element A (alkali metal), Ti (titanium), and element B (at least one of Nb and Ta). It is common in that it is a thing. Thus, the complex oxide of element A, Ti (titanium), and element B is referred to as “A-Ti—B—O-based complex oxide”. An A-Ti-B-O-based composite oxide (element A is an alkali metal, element B is Nb, and the contents of elements A, B, and Ti are all zero) can be used.
[1-2. Piezoelectric element]
Next, the piezoelectric element of this embodiment will be described.

図3に示すように、圧電素子1は、上述した無鉛圧電磁器組成物(即ち焼結体)からなる円板状の圧電磁器3の主面である上面と下面に、電極5、7が配置された構成を有している。   As shown in FIG. 3, the piezoelectric element 1 has electrodes 5 and 7 disposed on the upper and lower surfaces, which are the main surfaces of the disk-shaped piezoelectric ceramic 3 made of the lead-free piezoelectric ceramic composition (ie, sintered body). It has the structure which was made.

なお、圧電素子1としては、これ以外の種々の形状や構成の圧電素子1を形成可能である。
[1−3.圧電素子の製造方法]
次に、圧電素子1の製造方法について、図4のフローチャートに基づいて説明する。
In addition, as the piezoelectric element 1, it is possible to form the piezoelectric elements 1 having various other shapes and configurations.
[1-3. Method for manufacturing piezoelectric element]
Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 1 will be described based on the flowchart of FIG.

図4に示すように、工程T110では、主相(KNN相)の原料として、KCO粉末,NaCO粉末,LiCO粉末,RbCO粉末,CaCO粉末,SrCO粉末,BaCO粉末,Nb粉末,TiO粉末,ZrO粉末,MgO粉末,Al粉末,Sc粉末,MnO粉末,Fe粉末,Co粉末,NiO粉末,ZnO粉末,Ga粉末,Y粉末等の原料のうちから必要なものを選択し、例えば後述する表1に示すように、主相の組成式における係数a,b,c,d,e,f,gの値に応じて秤量する。 As shown in FIG. 4, in step T110, as a raw material for the main phase (KNN phase), K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Li 2 CO 3 powder, Rb 2 CO 3 powder, CaCO 3 powder, SrCO 3 powder, BaCO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, ZrO 2 powder, MgO powder, Al 2 O 3 powder, Sc 2 O 3 powder, MnO 2 powder, Fe 2 O 3 powder, Co 3 O 4 Necessary ones are selected from the raw materials such as powder, NiO powder, ZnO powder, Ga 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, and the coefficient a in the composition formula of the main phase as shown in Table 1 described later, for example. , B, c, d, e, f, g.

そして、これらの原料粉末にエタノールを加え、ボールミルにて好ましくは15時間以上湿式混合してスラリーを得る。
工程T120では、スラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600℃〜1100℃で1〜10時間仮焼して主相仮焼粉を生成する。
Then, ethanol is added to these raw material powders, and wet mixing is preferably performed for 15 hours or more in a ball mill to obtain a slurry.
In step T120, the mixed powder obtained by drying the slurry is calcined at, for example, 600 ° C. to 1100 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to generate main phase calcined powder.

工程T130では、主相仮焼粉に、下記表1に示すように、副相となる酸化物粉末をそれぞれ秤量し、ボールミルにて、分散剤、バインダ及びエタノールを加えて粉砕・混合してスラリーとする。また、このスラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600℃〜1100℃で1〜10時間仮焼して仮焼粉を生成する。   In step T130, as shown in Table 1 below, each of the main phase calcined powders is weighed with an oxide powder as a secondary phase, and a ball mill is used to add a dispersant, a binder, and ethanol, and pulverize and mix the slurry. And Moreover, the mixed powder obtained by drying this slurry is calcined at, for example, 600 ° C. to 1100 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to produce calcined powder.

工程T140では、工程T130で得られた仮焼粉に再び分散剤、バインダ及びエタノールを加えて粉砕・混合してスラリーとし、このスラリーをスプレードライ乾燥機により乾燥し、造粒し、例えば圧力20MPaで一軸プレスを行い、所望の形状に成形する。なお、本実施形態としての各種の装置に適した典型的な圧電磁器の形状は、円板状、円柱状、矩形平板状等である。その後、例えば圧力150MPaでCIP処理(冷間静水圧成形処理)を行って成形体を得る。   In step T140, the calcined powder obtained in step T130 is again added with a dispersant, a binder and ethanol, and pulverized and mixed to form a slurry. The slurry is dried by a spray dryer and granulated, for example, at a pressure of 20 MPa. A uniaxial press is performed to form a desired shape. In addition, the shape of the typical piezoelectric ceramic suitable for the various apparatuses as this embodiment is a disk shape, a column shape, a rectangular flat plate shape, or the like. Then, for example, a CIP process (cold isostatic pressing process) is performed at a pressure of 150 MPa to obtain a molded body.

工程T150では、得られた成形体を、例えば大気雰囲気下500℃〜800℃で2〜10時間保持し、バインダを脱脂する脱脂工程を行う。
工程T160では、得られた脱脂工程後の成形体を、例えば大気雰囲気下1000℃〜1300℃の中から選択される特定温度(例えば、1150℃)で2〜50時間保持して焼成することによって圧電磁器3を得る。
In process T150, the obtained molded object is hold | maintained at 500 degreeC-800 degreeC, for example in an atmospheric condition for 2 to 10 hours, and the degreasing process which degreases a binder is performed.
In step T160, the molded body obtained after the degreasing step is fired by holding for 2 to 50 hours at a specific temperature (for example, 1150 ° C.) selected from, for example, 1000 ° C. to 1300 ° C. in an air atmosphere. A piezoelectric ceramic 3 is obtained.

この工程T160の焼成は、密閉容器内に成形体を密封した状態で行う密封焼成であることが好ましい。この理由は、成形体に含まれるアルカリ金属(Li,Na,K)などの金属元素が、焼成中に外部に消失してしまうことを防止するためである。このような密閉容器としては、例えば、オオタケセラム株式会社製アルミナサヤ A−1174を使用することが可能である。   The firing in step T160 is preferably sealed firing performed in a state where the molded body is sealed in a sealed container. The reason for this is to prevent metal elements such as alkali metals (Li, Na, K) contained in the compact from disappearing to the outside during firing. As such a sealed container, for example, Alumina Saya A-1174 manufactured by Otakese Serum Co., Ltd. can be used.

工程T170では、圧電磁器3を、圧電素子1に要求される寸法精度に従って加工する。 工程T180では、こうして得られた圧電磁器3に電極5、7を取り付け、工程T190で分極処理を行う。   In step T170, the piezoelectric ceramic 3 is processed according to the dimensional accuracy required for the piezoelectric element 1. In step T180, the electrodes 5 and 7 are attached to the piezoelectric ceramic 3 thus obtained, and polarization is performed in step T190.

これによって、本実施形態の圧電素子1が得られる。
[1−4.効果]
本実施形態の無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカ
イト酸化物を主相とし、Tiを含有するものであり、主相におけるNaとKとのモル比(Na/(Na+K))が、0.50≦(Na/(Na+K))≦0.60を満たしている。なお、好ましくはモル比0.50<(Na/(Na+K))<0.60であり、さらに好ましくは0.52≦(Na/(Na+K))≦0.56である。
Thereby, the piezoelectric element 1 of this embodiment is obtained.
[1-4. effect]
The lead-free piezoelectric ceramic composition of the present embodiment is composed of an alkali niobate perovskite oxide having piezoelectric characteristics as a main phase and containing Ti, and a molar ratio of Na and K in the main phase (Na / (Na + K )) Satisfies 0.50 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.60. The molar ratio is preferably 0.50 <(Na / (Na + K)) <0.60, and more preferably 0.52 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.56.

この主相は、ペロブスカイト構造のBサイト原子周囲の酸素原子で構成される酸素八面体のc軸に対して垂直に位置した4つの酸素原子で構成される面をb軸方向に沿って観察したとき、Bサイト原子と酸素原子とのなす結合角O−B−Oが、170.0〜172.5度である。   In this main phase, a plane composed of four oxygen atoms positioned perpendicular to the c-axis of the oxygen octahedron composed of oxygen atoms around the B site atom of the perovskite structure was observed along the b-axis direction. In this case, the bond angle O—B—O between the B site atom and the oxygen atom is 170.0 to 172.5 degrees.

さらに、結合角O−B−OをなすBサイト原子の両側の酸素原子同士を結ぶ直線に対して、c軸方向に位置するBサイト原子の一方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、c軸方向に位置するBサイト原子の他方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、の関係が、(β/α)−1≦0.05である。   Further, the distance between the oxygen atom on one side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line with respect to the straight line connecting the oxygen atoms on both sides of the B site atom forming the bond angle O—B—O. And the distance between the oxygen atom on the other side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line is (β / α) −1 ≦ 0.05.

このような構成によれば、主相が圧電定数d33及び電気機械結合係数krに関して効果的な値を示す結晶構造を有し、また、無鉛圧電磁器組成物の緻密度も十分に高い(例えば、無鉛圧電磁器組成物(焼結体)の吸水率が0.1%以下である)。 According to such a configuration, the main phase has a crystal structure showing effective values for the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr, and the lead-free piezoelectric ceramic composition has a sufficiently high density (for example, The water absorption of the lead-free piezoelectric ceramic composition (sintered body) is 0.1% or less).

従って、本実施形態の無鉛圧電磁器組成物は、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れているという顕著な効果を奏する。
よって、上述した構成の無鉛圧電磁器組成物からなる圧電磁器3を用いた圧電素子1は、優れた圧電特性(即ち高い圧電定数d33及び電気機械結合係数kr)を有する。
Therefore, the lead-free piezoelectric ceramic composition of the present embodiment has a remarkable effect that the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are excellent.
Therefore, the piezoelectric element 1 using the piezoelectric ceramic 3 made of the lead-free piezoelectric ceramic composition having the above-described configuration has excellent piezoelectric characteristics (that is, a high piezoelectric constant d 33 and an electromechanical coupling coefficient kr).

しかも、本実施形態の無鉛圧電磁器組成物は、上述した構成によって、例えば高い熱耐久性や熱衝撃安定性を有している。具体的には、熱サイクルによる温度変化が多くても、また、熱衝撃が加わった場合でも、圧電定数d33や電気機械結合係数krのような圧電特性が劣化しにくいという利点がある。 Moreover, the lead-free piezoelectric ceramic composition of the present embodiment has, for example, high thermal durability and thermal shock stability due to the above-described configuration. Specifically, even if many temperature changes due to thermal cycling, also, even if the thermal shock is applied, there is an advantage that the piezoelectric characteristics such as a piezoelectric constant d 33 and electromechanical coupling factor kr are hardly degraded.

また、本実施形態の無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子1は、振動検知用途や、圧力検知用途、発振用途、及び、圧電デバイス用途等に広く用いることが可能である。
例えば、各種振動を検知するセンサ類(ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)、アクチュエータ、高電圧発生装置、各種駆動装置、位置制御装置、振動抑制装置、流体吐出装置(塗料吐出及び燃料吐出等)などの各種の装置に利用することができる。また、実施形態による圧電磁器組成物及び圧電素子1は、特に、優れた熱耐久性が要求される用途(例えば、ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)に好適である。
Moreover, the lead-free piezoelectric ceramic composition and the piezoelectric element 1 of the present embodiment can be widely used for vibration detection applications, pressure detection applications, oscillation applications, piezoelectric device applications, and the like.
For example, sensors (such as knock sensor and combustion pressure sensor) that detect various vibrations, actuators, high voltage generators, various drive devices, position control devices, vibration suppression devices, fluid discharge devices (paint discharge, fuel discharge, etc.), etc. It can be used for various devices. In addition, the piezoelectric ceramic composition and the piezoelectric element 1 according to the embodiment are particularly suitable for applications requiring excellent thermal durability (for example, a knock sensor and a combustion pressure sensor).

[2.実験例]
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
[2−1.実験例1]
本実験例1は、上述した本発明の構成による効果、即ち、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに関する優れた効果を確認するための実験例である。
[2. Experimental example]
Next, experimental examples conducted for confirming the effects of the present invention will be described.
[2-1. Experimental Example 1]
This Experimental Example 1 is an experimental example for confirming the effects of the above-described configuration of the present invention, that is, excellent effects regarding the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr.

本実験例1において、下記表1、表2は、本発明の範囲の実施例を含む複数のサンプル組成物の材料等を示している。また、下記表3及び図5〜図8は、本発明の範囲の実施例を含む複数のサンプル組成物について、モル比(Na/(Na+K))と、結合角θ(角度O−B−O)と、ずれ((β/α)−1)とによる、圧電定数d33及び電気機械結合係数krなどへの影響に関する実験結果を示すものである。なお、図5〜図8では、サンプルS01〜S09に関してのみ示している。 In Experimental Example 1, Tables 1 and 2 below show materials and the like of a plurality of sample compositions including examples within the scope of the present invention. Table 3 below and FIGS. 5 to 8 show the molar ratio (Na / (Na + K)) and the bond angle θ (angle O—B—O) for a plurality of sample compositions including examples within the scope of the present invention. ) And the deviation ((β / α) −1) show the experimental results regarding the influence on the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr. 5 to 8, only the samples S01 to S09 are shown.

表1では、実施例のサンプルS04〜S08、S11〜S16と、比較例のサンプルS01〜S03、S09、S101、S10、S17について、材料混合時における主相の成分及び副相の成分と、モル比(Na/(Na+K))とを示し、また、材料混合時の圧電磁器組成物における副相割合(体積%)も示している。   In Table 1, with respect to the samples S04 to S08 and S11 to S16 of the examples and the samples S01 to S03, S09, S101, S10, and S17 of the comparative examples, the components of the main phase and the subphase at the time of mixing the materials, The ratio (Na / (Na + K)) is also shown, and the subphase ratio (volume%) in the piezoelectric ceramic composition at the time of mixing the materials is also shown.

主相の元素C〜Eと係数a〜gは、上記(1a)式に対するものである。表1、表2に示すように、サンプル毎に、主相の組成(各元素の係数)は若干異なる。また、主相の組成における各係数a〜gの値は、図4の工程T110における粉末原料の混合時の値である。   Elements C to E and coefficients a to g of the main phase are for the above formula (1a). As shown in Tables 1 and 2, the composition of the main phase (coefficient of each element) is slightly different for each sample. Further, the values of the coefficients a to g in the composition of the main phase are values at the time of mixing the powder raw material in step T110 in FIG.

なお、表1、表2において、サンプル番号に(*)が付されているものは、これらが比較例であることを意味している。
各サンプルの焼結体は、前述した図4の工程T110〜T160に従ってそれぞれ作成した。なお、工程T140における成形後の形状は、円板状(直径20mm、厚さ2mm)とした。こうして得られた各サンプルの焼結体について、下記のようにして、結合角θと、ずれ((β/α)−1)とを求めた。
In Tables 1 and 2, the sample numbers with (*) mean that these are comparative examples.
The sintered body of each sample was prepared according to steps T110 to T160 of FIG. 4 described above. In addition, the shape after shaping | molding in process T140 was made into disk shape (diameter 20mm, thickness 2mm). With respect to the sintered body of each sample thus obtained, the bond angle θ and the deviation ((β / α) -1) were determined as follows.

また、前記サンプルの焼結体について、JIS−R−1634に従って、乾燥重量W1と飽和重量W2とを測定し、下記の式を用いて、吸水率を算出した。
吸水率(%)={(W2−W1)/W1}×100
この吸水率は、焼結体の緻密性を示す指標である。緻密性が低い焼結体は、焼結体の中に多数の空孔を含んでいるため、吸水率が高い。一方、緻密性が高い焼結体は、焼結体の中の空孔が少ないので吸水率が低い。
Moreover, about the sintered compact of the said sample, dry weight W1 and saturation weight W2 were measured according to JIS-R-1634, and the water absorption was computed using the following formula.
Water absorption rate (%) = {(W2-W1) / W1} × 100
This water absorption is an index indicating the denseness of the sintered body. A sintered body having a low density has a high water absorption rate because the sintered body includes a large number of pores. On the other hand, a sintered body with high density has a low water absorption rate because there are few pores in the sintered body.

<角度θの測定>
まず、XRD用試料を作製した。XRD用試料は、SiN乳鉢を用い乾式法により1次粒子径で約10μmまで粉砕し、内径0.2mmφのリンデマンガラスキャピラリーに封入し準備した。
<Measurement of angle θ>
First, an XRD sample was prepared. The XRD sample was prepared by pulverizing to a primary particle size of about 10 μm by a dry method using a SiN mortar and enclosing it in a Lindeman glass capillary having an inner diameter of 0.2 mmφ.

XRD測定は、あいちシンクロトロン光センターのビームライン(BL5S1)を使用し、X線波長は0.7Åに設定した。主相KNNの結晶構造は、RIETAN−2000コードを使用し、2θを5°〜70°範囲のもとXRDパターンと計算パターンをフィッティングすることで決定した。主相KNNの単位格子は、単純ペロブスカイト格子に対応する1×1×1に取り、空間群はP4mm(99)を仮定した。このとき各軸は、a軸=b軸<c軸の関係になるよう定義した。   For XRD measurement, the beam line (BL5S1) of Aichi Synchrotron Light Center was used, and the X-ray wavelength was set to 0.7 mm. The crystal structure of the main phase KNN was determined by fitting the XRD pattern and the calculation pattern under the 2θ range of 5 ° to 70 ° using the RIETAN-2000 code. The unit cell of the main phase KNN was 1 × 1 × 1 corresponding to the simple perovskite lattice, and the space group was assumed to be P4 mm (99). At this time, each axis was defined to have a relationship of a-axis = b-axis <c-axis.

原子座標の解析は、Bサイト原子(Nb)を固定し、Aサイト原子(K又はNa)及び酸素原子(O、O)のz座標(c軸方向と同一方向)を可変パラメータとした。このときOはBサイト原子に対しc軸方向に配置する酸素原子、OはBサイト原子に対しa−b面に配置する酸素原子になる。 In the analysis of atomic coordinates, the B site atom (Nb) is fixed, and the z coordinate (the same direction as the c-axis direction) of the A site atom (K or Na) and the oxygen atom (O 1 , O 2 ) is used as a variable parameter. . At this time, O 1 is an oxygen atom arranged in the c-axis direction with respect to the B site atom, and O 2 is an oxygen atom arranged on the ab plane with respect to the B site atom.

そして、算出した主相KNNの座標値より、角度θ(即ち結合角)を求めた。
具体的には、結合角をなすO−Bサイト原子−Oの各原子の座標を求め、これらの座標から、下記表3に示す前記結合角θを求めた。
And angle (theta) (namely, bond angle) was calculated | required from the coordinate value of the computed main phase KNN.
Specifically, the coordinates of each atom of the O 2 —B site atom —O 2 forming the bond angle were determined, and the bond angle θ shown in Table 3 below was determined from these coordinates.

<ずれ((β/α)−1)の測定>
また、上述のように算出した主相KNNの座標値より、ずれ((β/α)−1)を求めた。即ち、z軸に対するOとOの配置非対称性について確認した。なお、ずれ((β/α)−1)の算出方法は、上記した通りである。
<Measurement of deviation ((β / α) -1)>
Further, the deviation ((β / α) -1) was obtained from the coordinate value of the main phase KNN calculated as described above. That is, the arrangement asymmetry of O 1 and O 2 with respect to the z axis was confirmed. The method for calculating the deviation ((β / α) -1) is as described above.

また、これとは別に、サンプルS01〜S17,S101について、図4の工程T170〜T190の処理を行って、圧電素子をそれぞれ作成した。
そして、各サンプルに対応した圧電素子を用いて、周知の方法によって、圧電磁器の特性として、比誘電率ε33 /ε、誘電損失tanδ、圧電定数d33、電気機械結合係数kr、電気機械結合係数kt、機械的品質Qm、キュリー温度Tcを測定した。
Separately from this, the samples S01 to S17 and S101 were processed in steps T170 to T190 in FIG.
Then, by using a piezoelectric element corresponding to each sample, according to a known method, as the characteristics of the piezoelectric ceramic, the relative dielectric constant ε 33 T / ε 0 , the dielectric loss tan δ, the piezoelectric constant d 33 , the electromechanical coupling coefficient kr, The mechanical coupling coefficient kt, mechanical quality Qm, and Curie temperature Tc were measured.

このうち、圧電定数d33、および、電気機械結合係数krは、JEITA EM−4501によって求めた。
上述した実験によって求めた結果を、下記表3及び図5〜図8に記す。なお、図5〜図8では、サンプルS01〜S09に関してのみ示している。
Among these, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr were obtained by JEITA EM-4501.
The results obtained by the above-described experiment are shown in the following Table 3 and FIGS. 5 to 8, only the samples S01 to S09 are shown.

表3及び図5、図6から明らかなように、本発明の範囲の実施例のサンプルS04〜S08、S11〜S16は、Na/(Na+K)のモル比、結合角θ、ずれ((β/α)−1)が、本発明の範囲であるので、圧電定数d33が300[pC/N]より高く、且つ、電気機械結合係数krが55.0[%]より高く、優れた圧電特性を有しているので好適である。 As is apparent from Table 3 and FIGS. 5 and 6, the samples S04 to S08 and S11 to S16 of the examples within the scope of the present invention have a Na / (Na + K) molar ratio, a bond angle θ, a deviation ((β / Since α) -1) is within the scope of the present invention, the piezoelectric constant d 33 is higher than 300 [pC / N], the electromechanical coupling coefficient kr is higher than 55.0 [%], and excellent piezoelectric characteristics. This is preferable.

特に、0.50<Na/(Na+K)<0.56の場合には、同じ元素を用いて構成される主相KNNで比較した場合に、サンプルS05〜S07は、サンプルS04、S08よりも圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れ、且つ、高めのキュリー点Tcを有するので好適である。この傾向は、同じ元素を用いて構成される実施例のサンプルS11〜S15と比較例であるS10、S17との間で見たときに当てはまることが確認された。また、0.52≦Na/(Na+K)≦0.56の場合には、同じ元素を用いて構成される主相KNNで比較した場合に、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れ、且つ、高めのキュリー点Tcを有するサンプルを安定して得られる観点から好適である。 In particular, when 0.50 <Na / (Na + K) <0.56, the samples S05 to S07 are more piezoelectric than the samples S04 and S08 when compared with the main phase KNN configured using the same element. The constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are excellent, and a higher Curie point Tc is preferable. It was confirmed that this tendency was applied when viewed between the samples S11 to S15 of the examples configured using the same elements and the comparative examples S10 and S17. Further, when 0.52 ≦ Na / (Na + K) ≦ 0.56, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are excellent when compared with the main phase KNN configured using the same element, In addition, it is preferable from the viewpoint of stably obtaining a sample having a higher Curie point Tc.

また、表3及び図7、図8に示すように、本実施例の各サンプルS04〜S08、S11〜S16は、圧電定数d33や電気機械結合係数kr以外にも、比誘電率ε33 /ε、誘電損失tanδ、電気機械結合係数Kt、機械的品質Qm、キュリー点Tcに関しても、圧電素子として用いる場合に好適な圧電特性を有しているので好ましい。 Further, as shown in Table 3 and FIGS. 7 and 8, the samples S04 to S08 and S11 to S16 of this example have a relative dielectric constant ε 33 T in addition to the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr. / Ε 0 , dielectric loss tan δ, electromechanical coupling coefficient Kt, mechanical quality Qm, and Curie point Tc are also preferable because they have piezoelectric characteristics suitable for use as a piezoelectric element.

それに対して、本発明の範囲外の比較例のサンプルS01〜S03、S09、S101、S10、S17では、前記実施例に比べて、各圧電特性のうちのいずれかが劣っており、好ましくない。
[2−2.実験例2]
本実験例2は、無鉛圧電磁器組成物の熱耐久性を調べた実験例である。
On the other hand, in the samples S01 to S03, S09, S101, S10, and S17 of comparative examples outside the scope of the present invention, any one of the piezoelectric characteristics is inferior to the above example, which is not preferable.
[2-2. Experimental Example 2]
This Experimental Example 2 is an experimental example in which the thermal durability of the lead-free piezoelectric ceramic composition was examined.

具体的には、下記の条件で、耐久試験として、各サンプルに対して、サーマルプレッシャークッカー試験を行った。そして、乾燥機(65℃)で半日乾燥し、その後、室温にて、電気機械結合係数krの測定を実施した。その結果を下記表4に記す。   Specifically, a thermal pressure cooker test was performed on each sample as an endurance test under the following conditions. And it dried for half a day with the dryer (65 degreeC), and measured the electromechanical coupling coefficient kr at room temperature after that. The results are shown in Table 4 below.

この試験では、評価対象として、サンプルS03、S05、S101、S14を用いた。
<条件>
温度:121℃
湿度:95%
露点:119.9℃
時間:24h、48h、72h
In this test, samples S03, S05, S101, and S14 were used as evaluation targets.
<Conditions>
Temperature: 121 ° C
Humidity: 95%
Dew point: 119.9 ° C
Time: 24h, 48h, 72h

この表4から明らかなように、本発明の実施例のサンプルS05、S14は、電気機械係合係数krは、72時間の耐久後でも、初期と変化がなく、熱耐久性に優れており、好適であった。   As is apparent from Table 4, the samples S05 and S14 of the examples of the present invention have an electromechanical engagement coefficient kr that is unchanged from the initial stage even after 72 hours of endurance, and is excellent in thermal durability. It was suitable.

それに対して、比較例のサンプルS03、S101は、時間が経過すると電気機械係合
係数krが低下し、好ましくない。
なお、本発明は実施形態や実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
On the other hand, the samples S03 and S101 of the comparative example are not preferable because the electromechanical engagement coefficient kr decreases with time.
Note that the present invention is not limited to the embodiments and examples, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the present invention.

1 圧電素子
3 圧電磁器
5 電極
7 電極
1 Piezoelectric element 3 Piezoelectric ceramic 5 Electrode 7 Electrode

Claims (6)

圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、Tiを含有する無鉛圧電磁器組成物であって、
前記主相におけるNa(ナトリウム)とK(カリウム)とのモル比(Na/(Na+K))が、0.50≦(Na/(Na+K))≦0.60を満たし、
前記主相は、ペロブスカイト構造のBサイト原子周囲の酸素原子で構成される酸素八面体のc軸に対して垂直に位置した4つの酸素原子で構成される面をb軸方向に沿って観察したとき、前記Bサイト原子(B)と前記酸素原子(O)とのなす結合角O−B−Oが、170.0〜172.5度で、
且つ、前記結合角O−B−Oをなす前記Bサイト原子の両側の酸素原子同士を結ぶ直線に対して、c軸方向に位置する前記Bサイト原子の一方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、c軸方向に位置する前記Bサイト原子の他方側の酸素原子と前記直線との間の距離と、の関係が、(β/α)−1≦0.05である(但し、2つの前記距離の値が、同じ場合には、一方の距離をα、他方の距離をβとし、2つの前記距離の値が異なる場合には、短い方の距離をα、長い方の距離をβとする)ことを特徴とする無鉛圧電磁器組成物。
A lead-free piezoelectric ceramic composition containing, as a main phase, an alkali niobate-based perovskite oxide having piezoelectric characteristics and containing Ti,
The molar ratio (Na / (Na + K)) of Na (sodium) to K (potassium) in the main phase satisfies 0.50 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.60,
The main phase was observed along the b-axis direction as a plane composed of four oxygen atoms positioned perpendicular to the c-axis of the oxygen octahedron composed of oxygen atoms around the B site atoms of the perovskite structure. When the bond angle O—B—O between the B site atom (B) and the oxygen atom (O) is 170.0 to 172.5 degrees,
In addition, with respect to a straight line connecting the oxygen atoms on both sides of the B site atom forming the bond angle O—B—O, the oxygen atom on one side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line And the distance between the oxygen atom on the other side of the B site atom located in the c-axis direction and the straight line is (β / α) −1 ≦ 0.05 (provided that When the two distance values are the same, one distance is α and the other distance is β, and when the two distance values are different, the shorter distance is α and the longer distance is Is a lead-free piezoelectric ceramic composition.
前記主相におけるNa(ナトリウム)とK(カリウム)とのモル比(Na/(Na+K))が、0.50<(Na/(Na+K))<0.60を満たすことを特徴とする請求項1に記載の無鉛圧電磁器組成物。   The molar ratio (Na / (Na + K)) of Na (sodium) to K (potassium) in the main phase satisfies 0.50 <(Na / (Na + K)) <0.60. The lead-free piezoelectric ceramic composition according to 1. 前記主相におけるNa(ナトリウム)とK(カリウム)とのモル比(Na/(Na+K))が、0.52≦(Na/(Na+K))≦0.56を満たすことを特徴とする請求項2に記載の無鉛圧電磁器組成物。   The molar ratio (Na / (Na + K)) of Na (sodium) to K (potassium) in the main phase satisfies 0.52 ≦ (Na / (Na + K)) ≦ 0.56. 2. A lead-free piezoelectric ceramic composition according to 2. さらに、Fe(鉄)とMg(マグネシウム)とを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の無鉛圧電磁器組成物。   The lead-free piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 3, further comprising Fe (iron) and Mg (magnesium). さらに、Ni(ニッケル)を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の無鉛圧電磁器組成物。   Furthermore, Ni (nickel) is contained, The lead-free piezoelectric ceramic composition of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の無鉛圧電磁器組成物から構成された圧電磁器と、該圧電磁器に取り付けられた電極と、を備えたことを特徴とする圧電素子。   A piezoelectric element comprising: a piezoelectric ceramic composed of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 5; and an electrode attached to the piezoelectric ceramic.
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