JP5011140B2 - Piezoelectric ceramic composition, method for producing the same, and piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、組成物中に鉛を含有しない圧電磁器組成物及びその製造方法、並びに該圧電磁器組成物を材料とする圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition that does not contain lead in the composition, a method for producing the same, and a piezoelectric element that uses the piezoelectric ceramic composition as a material.
従来より、圧電磁器組成物としては、鉛を含んだPZT(PbTiO3−PbZrO3)成分系磁器が用いられてきた。上記PZTは、大きな圧電性を示し、かつ長期安定性に優れた高い機械的品質係数を有しており、センサ、アクチュエータ、フィルター等の各用途に要求される様々な特性の材料を容易に作製できるからである。
また、上記PZTは高い比誘電率を有するため、コンデンサ等としても利用することができる。
Conventionally, PZT (PbTiO 3 —PbZrO 3 ) component-based porcelain containing lead has been used as a piezoelectric ceramic composition. The above-mentioned PZT has a high mechanical quality factor that exhibits large piezoelectricity and excellent long-term stability, and easily produces materials with various characteristics required for various applications such as sensors, actuators, and filters. Because it can.
Further, since the PZT has a high relative dielectric constant, it can also be used as a capacitor or the like.
ところが、上記PZTから成る圧電磁器組成物は、優れた特性を有する一方で、その構成元素に鉛を含んでいるため、PZTを含んだ製品の産業廃棄物から有害な鉛が溶出し、環境汚染を引き起こすおそれがあった。そして、近年の環境問題に対する意識の高まりは、PZTのように環境汚染の原因となりうる製品の製造を困難にしてきた。そのため、組成中に鉛を含有しない圧電磁器組成物の開発が求められ、一般式(K1-xNax)NbO3(但し、0<x<1)で表される圧電磁器組成物(非特許文献1参照)が注目されてきた。 However, while the piezoelectric ceramic composition comprising PZT has excellent characteristics, it contains lead as a constituent element, so harmful lead is eluted from industrial waste of products containing PZT, resulting in environmental pollution. There was a risk of causing. The recent increase in awareness of environmental problems has made it difficult to manufacture products that can cause environmental pollution such as PZT. Therefore, development of a piezoelectric ceramic composition that does not contain lead in the composition is required, and a piezoelectric ceramic composition represented by the general formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (where 0 <x <1) (See Patent Document 1).
しかしながら、上記一般式(K1-xNax)NbO3(但し、0<x<1)で表される圧電磁器組成物は焼成が困難であるため、ホットプレス焼成を行う必要がある。そのため、製造コストが高くなるという問題があった。
さらに、上記一般式で表される圧電磁器組成物には、圧電d31定数、電気機械結合係数Kp及びキュリー温度Tc等の特性が低いという問題があった。そのため、例えば高い圧電定数d31定数、電気機械結合係数Kpを必要とする圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等の圧電素子への適用が困難であった。また、キュリー温度Tcが低いため、高温度環境下における圧電特性が劣化するという問題があった。
Furthermore, the piezoelectric ceramic composition represented by the above general formula has a problem that the characteristics such as the piezoelectric d 31 constant, the electromechanical coupling coefficient Kp, and the Curie temperature Tc are low. Therefore, for example, a piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric transformer, a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric gyro sensor, a knock sensor, a yaw rate sensor, and an airbag sensor that require a high piezoelectric constant d 31 constant and an electromechanical coupling coefficient Kp. It has been difficult to apply to piezoelectric elements such as back sonar, corner sonar, piezoelectric buzzer, piezoelectric speaker, and piezoelectric igniter. In addition, since the Curie temperature Tc is low, there is a problem that the piezoelectric characteristics deteriorate in a high temperature environment.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、鉛を含まず、常圧にて焼成が可能であり、圧電d31定数等の圧電磁器組成物特有の特性のうち少なくとも1つが従来より優れた圧電磁器組成物及びその製造方法、並びに該圧電磁器組成物を利用した圧電素子を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, does not contain lead, can be fired at normal pressure, and has at least one of the characteristics unique to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric ceramic composition and method for producing the same, and a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition.
第1の発明は,一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3で表され,かつx,y,z,w,a,bがそれぞれ0<x≦0.2,0.05≦y<0.75,0<z≦0.4,0<w<0.06,0.95≦a,b≦1.05の組成範囲にあることを特徴とする圧電磁器組成物にある(請求項1)。 A first aspect of the present invention is represented by the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3, and x, y, z, w, a and b are 0 <x ≦ 0.2, 0.05 ≦ y <0.75 , 0 <z ≦ 0.4, 0 <w <0.06, 0.95 ≦ a, and b ≦ 1.05, respectively. The piezoelectric ceramic composition is characterized by being in the composition range of (Claim 1).
上記第1の発明の圧電磁器組成物は,上記の一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3で表されるように,組成物中に鉛を含有していない。
そのため,上記圧電磁器組成物は,該圧電磁器組成物の廃棄物等から有害な鉛が自然界に流出することがなく,安全である。
The piezoelectric ceramic composition of the first invention, the above general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) as represented by b O 3 In addition, the composition does not contain lead.
Therefore, the piezoelectric ceramic composition is safe because harmful lead does not flow out to the natural world from the waste of the piezoelectric ceramic composition.
また、上記圧電磁器組成物は、上記の一般式におけるx、y、z、wがそれぞれ上記の範囲にある。そのため、上記圧電磁器組成物は、圧電d31定数、電気機械結合係数Kp、圧電g31定数、比誘電率ε33T/ε0、誘電損失tanδ、キュリー温度Tcのいずれか1つ以上が優れたものとなる。 In the piezoelectric ceramic composition, x, y, z, and w in the above general formula are in the above ranges. Therefore, the piezoelectric ceramic composition is excellent in any one or more of piezoelectric d 31 constant, electromechanical coupling coefficient Kp, piezoelectric g 31 constant, relative dielectric constant ε 33T / ε 0 , dielectric loss tan δ, and Curie temperature Tc. It will be a thing.
また、上記圧電磁器組成物は、上記の一般式におけるzの範囲が0<z≦0.4、かつwの範囲が0<w<0.06であり、Ta及びSbを必須成分として含有している。そのため、上記圧電磁器組成物は焼成時に緻密化し易く、常圧下での焼成によっても充分に緻密化することができる。これは、Ta及びSbを上記の範囲内において必須成分とすることにより、焼成温度が低下すると共に、Ta及びSbが焼成助剤の役割を果たし、空孔の少ない焼成を可能とするからである。そのため、従来のようにホットプレス焼成を行う必要がなく簡単かつ低コストに上記圧電磁器組成物を作製できる。また、上記圧電磁器組成物の誘電損失tanδの安定性を向上させることができる。 Further, the piezoelectric ceramic composition has a range of z in the above general formula of 0 <z ≦ 0.4, a range of w of 0 <w <0.06, and contains Ta and Sb as essential components. ing. Therefore, the piezoelectric ceramic composition is easily densified during firing, and can be sufficiently densified even by firing under normal pressure. This is because by using Ta and Sb as essential components within the above range, the firing temperature is lowered, and Ta and Sb serve as a firing aid, enabling firing with less voids. . Therefore, it is not necessary to perform hot press firing as in the prior art, and the piezoelectric ceramic composition can be produced easily and at low cost. In addition, the stability of the dielectric loss tan δ of the piezoelectric ceramic composition can be improved.
このように、上記圧電磁器組成物は、環境に対して安全で、常圧にて焼成が可能であり、かつ高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。
なお、上記第1の発明における圧電磁器組成物は、圧電特性を有する磁器組成物に限らず、誘電特性を有する誘電磁器組成物をも含む概念である。
Thus, the piezoelectric ceramic composition is safe for the environment, can be fired at normal pressure, and can be used as a material such as a high-performance piezoelectric element or dielectric element.
The piezoelectric ceramic composition according to the first aspect of the present invention is not limited to a ceramic composition having piezoelectric characteristics, but is a concept including a dielectric ceramic composition having dielectric characteristics.
第2の発明は,一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3で表され,かつx,y,z,w,a,bがそれぞれ0<x≦0.2,0.05≦y<0.75,0<z≦0.4,0<w<0.06,0.95≦a,b≦1.05の組成範囲にある組成物よりなる粉末を成形し,焼成することを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法にある(請求項8)。 The second invention are represented by the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3, and x, y, z, w, a and b are 0 <x ≦ 0.2, 0.05 ≦ y <0.75 , 0 <z ≦ 0.4, 0 <w <0.06, 0.95 ≦ a, and b ≦ 1.05, respectively. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a piezoelectric ceramic composition, wherein a powder made of the composition in the composition range is molded and fired.
上記組成物よりなる粉末を用いて成形した成形体は,常圧下にて焼成することができる。そのため,簡単かつ低コストにて焼成を行うことができる。そして,上記焼成後に得られる圧電磁器組成物は,鉛を含有せず,圧電d31定数等の圧電磁器組成物特有の特性に優れたものとなる。そのため,高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。 A molded body formed using the powder made of the above composition can be fired under normal pressure. Therefore, firing can be performed easily and at low cost. The piezoelectric ceramic composition obtained after firing does not contain lead and has excellent characteristics unique to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant. Therefore, it can be used as a material such as a high-performance piezoelectric element or dielectric element.
第3の発明は、リチウムを含有してなる化合物と、ナトリウムを含有してなる化合物と、カリウムを含有してなる化合物と、ニオブを含有してなる化合物と、タンタルを含有してなる化合物と、アンチモンを含有してなる化合物とを混合、焼成することにより上記第1の発明の圧電磁器組成物を得ることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法にある(請求項9)。 A third invention includes a compound containing lithium, a compound containing sodium, a compound containing potassium, a compound containing niobium, and a compound containing tantalum. The piezoelectric ceramic composition according to the first aspect of the present invention is obtained by mixing and firing a compound containing antimony (claim 9).
上記第3の発明においては、上記のごとく、リチウムを含有してなる化合物と、ナトリウムを含有してなる化合物と、カリウムを含有してなる化合物と、ニオブを含有してなる化合物と、アンチモンを含有してなる化合物とを混合、焼成する。
これにより上記第1の発明の圧電磁器組成物を容易に得ることができる。
In the third invention, as described above, a compound containing lithium, a compound containing sodium, a compound containing potassium, a compound containing niobium, and antimony The compound formed is mixed and fired.
Thereby, the piezoelectric ceramic composition of the first invention can be easily obtained.
また、上記焼成時には、常圧下にて上記圧電磁器組成物を焼成することができる。そして、上記焼成後に得られる圧電磁器組成物は、鉛を含有せず、圧電d31定数等の圧電磁器組成物特有の特性に優れたものとなる。そのため、高性能な圧電素子又は誘電素子等の材料として利用することができる。 In the firing, the piezoelectric ceramic composition can be fired under normal pressure. The piezoelectric ceramic composition obtained after firing does not contain lead and has excellent characteristics unique to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant. Therefore, it can be used as a material such as a high-performance piezoelectric element or dielectric element.
第4の発明は,第1の発明の圧電磁器組成物を有することを特徴とする圧電素子にある(請求項11)。 A fourth invention is a piezoelectric element characterized by having the piezoelectric ceramic composition of the first invention (invention 11).
上記第4の発明の圧電素子は,第1の発明(請求項1)の圧電磁器組成物を有している。そのため,上記圧電素子は,鉛を含有せず,環境に対して安全である。
また,上記圧電素子は,上記圧電磁器組成物が有する,圧電d31定数等の圧電磁器組成物特有の特性が優れるという性質をそのまま利用することができる。そのため,上記圧電素子は,感度の高い圧電センサ素子,高い電気機械エネルギー変換効率を有する圧電振動子及びアクチュエータ素子等の優れた圧電素子として利用することができる。
The piezoelectric element of the fourth invention has the piezoelectric ceramic composition of the first invention (Invention 1). Therefore, the piezoelectric element does not contain lead and is safe for the environment.
In addition, the piezoelectric element can use the property of the piezoelectric ceramic composition that is excellent in the characteristics unique to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant. Therefore, the piezoelectric element can be used as an excellent piezoelectric element such as a highly sensitive piezoelectric sensor element, a piezoelectric vibrator having high electromechanical energy conversion efficiency, and an actuator element.
本発明において,上記圧電磁器組成物は,{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3で表され,かつx,y,z,w,a,bがそれぞれ0<x≦0.2,0.05≦y<0.75,0<z≦0.4,0<w<0.06,0.95≦a,b≦1.05の組成範囲にある。
ここで,x>0.2,z>0.4,w>0.2,z=0,又はw=0の場合には,上記圧電d31定数等の圧電磁器組成物に特有の特性が低下し,所望の特性を有する圧電磁器組成物を得ることができないおそれがある。
In the present invention, the piezoelectric ceramic composition is represented by {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3, and x, y, z , W, a, b are 0 <x ≦ 0.2, 0.05 ≦ y <0.75 , 0 <z ≦ 0.4, 0 <w <0.06, 0.95 ≦ a, b ≦, respectively. It is in the composition range of 1.05.
Here, when x> 0.2, z> 0.4, w> 0.2, z = 0, or w = 0, characteristics unique to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant are obtained. The piezoelectric ceramic composition having the desired characteristics may not be obtained.
上記圧電磁器組成物は、上記のごとく、ペロブスカイト構造(ABO3)の化合物を主成分としている。本発明において、上記ペロブスカイト構造(ABO3)におけるAサイトの元素構成は、K、Na乃至はK、Na、Liに相当し、Bサイトの元素構成は、Nb、Ta、Sbに相当する。このペロブスカイト構造の組成式においては、Aサイトを構成する原子とBサイト構成する原子が1:1となる化学量論比のとき、完全なペロブスカイト構造となるが、上記圧電磁器組成物の場合には、特にK、Na、Li、Sbが焼成工程等で数%、具体的には3%程度揮発したり、また全構成元素が混合粉砕や造粒工程等にて数%、具体的には3%程度変動することがある。即ち、製法のバラツキにより、化学量論組成からの変動が起こる場合がある。 As described above, the piezoelectric ceramic composition contains a compound having a perovskite structure (ABO 3 ) as a main component. In the present invention, the elemental configuration of the A site in the perovskite structure (ABO 3 ) corresponds to K, Na or K, Na, and Li, and the elemental configuration of the B site corresponds to Nb, Ta, and Sb. In the composition formula of the perovskite structure, when the stoichiometric ratio is 1: 1 for the atoms constituting the A site and the B site, a complete perovskite structure is obtained. In particular, K, Na, Li, and Sb are volatilized by several percent, specifically about 3% in the firing step, etc., or all constituent elements are several percent in the mixed pulverization or granulation step, specifically, May vary by about 3%. That is, variation from the stoichiometric composition may occur due to variations in the manufacturing method.
このような製造工程上の組成変動への対応として、意図的に配合組成比を変えることにより、焼成後の圧電磁器組成物の組成比を、±数%、より具体的には±3〜5%程度変動させることができる。このことは、例えば従来のチタン酸ジルコン酸塩(PZT)の場合でも同様であり、焼成時の鉛の蒸発や、粉砕メディアであるジルコニアボールからのジルコニアの混入を考慮して配合比を調整することができる。 As a response to such composition fluctuations in the manufacturing process, by intentionally changing the composition ratio, the composition ratio of the piezoelectric ceramic composition after firing is ± several%, more specifically ± 3-5. % Can be varied. This is also the case with, for example, conventional zirconate titanate (PZT), and the mixing ratio is adjusted in consideration of lead evaporation during firing and zirconia balls from the grinding media. be able to.
本発明の圧電磁器組成物においては,上記のように意図的に配合組成比を変えても,圧電特性等の電気的特性は大きく変化しない。
したがって,本発明においては,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3で表される化合物は,これをペロブスカイト構造の組成式ABO3にあてはめたときに,Aサイト原子とBサイト原子の構成比を1:1に対してそれぞれ±5モル%程度までずれた構成比とすることができる。なお,構成される結晶中の格子欠陥をより少なくし,高い電気的特性を得るためには,好ましくは±3%程度までの組成がよい。
即ち,上記圧電磁器組成物の主成分としての上記一般式で表される化合物は,{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3(0<x≦0.2,0.05≦y<0.75,0<z≦0.4,0<w<0.06,0.95≦a,b≦1.05)となる範囲を含むものである。また,上述のごとく,上記の式において,a及びbの範囲は0.97≦a,b≦1.03であることが好ましい。
In the piezoelectric ceramic composition of the present invention, even if the composition ratio is intentionally changed as described above, electrical characteristics such as piezoelectric characteristics do not change greatly.
Therefore, in the present invention, the compound represented by the above general formula {Li x (K 1 -y Na y ) 1 -x } a (Nb 1 -zw Ta z Sb w ) b O 3 has a perovskite structure. When the composition formula ABO 3 is applied, the composition ratio of the A site atom and the B site atom can be shifted to about ± 5 mol% with respect to 1: 1. In order to reduce the number of lattice defects in the formed crystal and obtain high electrical characteristics, the composition is preferably up to about ± 3%.
That is, the compound represented by the above general formula as the main component of the piezoelectric ceramic composition is {Li x (K 1−y Na y ) 1−x } a (Nb 1−zw Ta z Sb w ) b O 3 (0 <x ≦ 0.2, 0.05 ≦ y <0.75 , 0 <z ≦ 0.4, 0 <w <0.06, 0.95 ≦ a, b ≦ 1.05) Includes a range. As described above, in the above formula, the ranges of a and b are preferably 0.97 ≦ a and b ≦ 1.03.
また,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3において,z+w≦0.37であることが好ましい。
この場合には,上記圧電d31定数等の圧電磁器組成物に特有の特性を一層向上させることができる。
Similarly, the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} In a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3, it is preferable that z + w ≦ 0.37.
In this case, characteristics peculiar to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant can be further improved.
上記圧電磁器組成物は圧電性及び誘電性を有し、圧電体としても誘電体としても用いることができる。具体的には、例えば圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等として用いることができる。 The piezoelectric ceramic composition has a piezoelectric property and a dielectric property, and can be used as a piezoelectric material or a dielectric material. Specifically, for example, piezoelectric actuator, piezoelectric filter, piezoelectric vibrator, piezoelectric transformer, piezoelectric ultrasonic motor, piezoelectric gyro sensor, knock sensor, yaw rate sensor, airbag sensor, back sonar, corner sonar, piezoelectric buzzer, piezoelectric speaker, It can be used as a piezoelectric igniter.
上記第1の発明(請求項1)において,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3のxの範囲は,0<x≦0.2であることが好ましい。
この場合には,Liが必須成分となるので,上記圧電磁器組成物は,焼成時の焼成体の作製を一層容易に行うことができると共に,圧電特性をより向上させ,キュリー温度を一層高くすることができる。これは,Liを上記の範囲内において必須成分とすることにより,焼成温度が低下すると共に,Liが焼成助剤の役割を果たし,空孔の少ない焼成を可能とするからである。
In the first aspect (claim 1), the scope of the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3 of x, It is preferable that 0 <x ≦ 0.2.
In this case, since Li is an essential component, the piezoelectric ceramic composition can more easily produce a fired body at the time of firing, further improve piezoelectric characteristics, and further raise the Curie temperature. be able to. This is because by making Li an essential component within the above range, the firing temperature is lowered, and Li serves as a firing aid, allowing firing with less voids.
また,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}a(Nb1-z-wTazSbw)bO3における上記yの範囲は,0<y≦1であることが好ましい。
この場合には,上記圧電磁器組成物の圧電g31定数をさらに向上させることができる。また,上記yの範囲は,0<y≦0.85であることがより好ましく,0.05≦y≦0.75であることがさらに好ましい。これらの場合には,上記圧電磁器組成物の圧電d31定数及び電気機械結合係数Kpを一層向上させることができる。さらに一層好ましくは,0.05≦y<0.75がよく,さらには0.35≦y≦0.65がよく,さらには0.35≦y<0.65がより好ましい。また,最も好ましくは,0.42≦y≦0.60がよい。
Further, the range of the y in the above general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) b O 3 has to be 0 <y ≦ 1 preferable.
In this case, the piezoelectric g 31 constant of the piezoelectric ceramic composition can be further improved. The range of y is more preferably 0 <y ≦ 0.85, and more preferably 0.05 ≦ y ≦ 0.75. In these cases, the piezoelectric d 31 constant and the electromechanical coupling coefficient Kp of the piezoelectric ceramic composition can be further improved. Still more preferably, 0.05 ≦ y <0.75 is satisfied, 0.35 ≦ y ≦ 0.65 is further preferable, and 0.35 ≦ y <0.65 is more preferable. Most preferably, 0.42 ≦ y ≦ 0.60.
次に、上記圧電磁器組成物は、圧電d31定数が30pm/V以上であることが好ましい
(請求項3)。
この場合には、上記30pm/V以上という高い圧電d31定数を活かして、上記圧電磁器組成物を感度の高い圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等等として利用することができる。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a piezoelectric d 31 constant of 30 pm / V or more.
In this case, taking advantage of the piezoelectric d 31 constant of 30 pm / V or higher, the piezoelectric ceramic composition can be used as a highly sensitive piezoelectric actuator, piezoelectric filter, piezoelectric vibrator, piezoelectric transformer, piezoelectric ultrasonic motor, piezoelectric gyro sensor. , Knock sensors, yaw rate sensors, airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, piezoelectric igniters, and the like.
上記圧電d31定数が30pm/V未満の場合には、上記圧電磁器組成物を優れた感度を必要とする圧電素子に利用することができないおそれがある。
また、より感度の優れた圧電センサ特性又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために、上記圧電d31定数は40pm/V以上であることがより好ましい。さらに好ましくは80pm/V以上がよい。さらに好ましくは、上記圧電d31定数は100pm/V以上がよい。
When the piezoelectric d 31 constant is less than 30 pm / V, the piezoelectric ceramic composition may not be used for a piezoelectric element that requires excellent sensitivity.
In order to obtain more sensitive piezoelectric sensor characteristics or larger piezoelectric actuator characteristics, the piezoelectric d 31 constant is more preferably 40 pm / V or more. More preferably, it is 80 pm / V or more. More preferably, the piezoelectric d 31 constant is 100 pm / V or more.
次に、上記圧電磁器組成物は、圧電g31定数が7×10-3Vm/N以上であることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記7×10-3Vm/N以上という高い圧電g31定数を活かして、上記圧電磁器組成物を昇圧比の優れた圧電トランス、超音波モータ素子、センサ素子等として利用することができる。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a piezoelectric g 31 constant of 7 × 10 −3 Vm / N or more.
In this case, the piezoelectric ceramic composition is used as a piezoelectric transformer, an ultrasonic motor element, a sensor element or the like having an excellent step-up ratio by utilizing the high piezoelectric g 31 constant of 7 × 10 −3 Vm / N or more. be able to.
上記圧電g31定数が7×10-3Vm/N未満の場合には、上記圧電磁器組成物を優れた昇圧比を必要とする圧電素子に利用することができないおそれがある。
また、さらに昇圧比の優れたものを得るために、上記圧電g31定数は10×10-3Vm/N以上であることがより好ましい。
When the piezoelectric g 31 constant is less than 7 × 10 −3 Vm / N, the piezoelectric ceramic composition may not be used for a piezoelectric element that requires an excellent step-up ratio.
In order to obtain a further excellent boost ratio, the piezoelectric g 31 constant is more preferably 10 × 10 −3 Vm / N or more.
次に、上記圧電磁器組成物は、電気機械結合係数Kpが0.3以上であることが好ましい。
この場合には、上記0.3以上という高い電気機械結合係数Kpを活かして、上記圧電磁器組成物を機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等として利用することができる。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has an electromechanical coupling coefficient Kp of 0.3 or more.
In this case, utilizing the high electromechanical coupling coefficient Kp of 0.3 or more, the piezoelectric ceramic composition is converted into a piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric transformer having excellent mechanical energy and electric energy conversion efficiency. It can be used as a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric gyro sensor, a knock sensor, a yaw rate sensor, an airbag sensor, a back sonar, a corner sonar, a piezoelectric buzzer, a piezoelectric speaker, a piezoelectric igniter, and the like.
上記電気機械結合係数Kpが0.3未満の場合には、上記圧電磁器組成物を、上記機械エネルギーと電気エネルギーの優れた変換効率を必要とする圧電素子に利用することができなくなるおそれがある。
また、機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率がより一層優れたものを得るためには、上記電気機械結合係数Kpは0.34以上であることがより好ましい。さらに好ましくは0.4以上がよい。さらに好ましくは、上記電気機械結合係数Kpは0.5以上がよい。
When the electromechanical coupling coefficient Kp is less than 0.3, the piezoelectric ceramic composition may not be used for a piezoelectric element that requires excellent conversion efficiency between the mechanical energy and the electrical energy. .
Further, in order to obtain a further excellent conversion efficiency between mechanical energy and electrical energy, the electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more. More preferably, 0.4 or more is good. More preferably, the electromechanical coupling coefficient Kp is 0.5 or more.
次に、上記圧電磁器組成物は、誘電損失が0.09以下であることが好ましい。
この場合には、0.09以下という低い誘電損失を活かして、上記圧電磁器組成物をコ
ンデンサ等の誘電素子、圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等として利用することができる。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a dielectric loss of 0.09 or less.
In this case, taking advantage of the low dielectric loss of 0.09 or less, the piezoelectric ceramic composition can be used as a dielectric element such as a capacitor, piezoelectric actuator, piezoelectric filter, piezoelectric vibrator, piezoelectric transformer, piezoelectric ultrasonic motor, piezoelectric gyro sensor. , Knock sensors, yaw rate sensors, airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, piezoelectric igniters and the like.
上記誘電損失が0.09を超える場合には、上記圧電磁器組成物を上記コンデンサ等誘電素子、圧電トランス素子、超音波モータ素子等として利用することができないおそれがある。
また、上記誘電損失は0.035以下であることがより好ましい。
When the dielectric loss exceeds 0.09, the piezoelectric ceramic composition may not be used as a dielectric element such as a capacitor, a piezoelectric transformer element, or an ultrasonic motor element.
The dielectric loss is more preferably 0.035 or less.
次に、上記圧電磁器組成物は、比誘電率が400以上であることが好ましい。
この場合には、上記400以上という高い比誘電率を活かして、上記圧電磁器組成物を静電容量の大きなコンデンサ等の誘電素子等として利用することができる。
上記比誘電率が400未満の場合には、静電容量が低下し、上記圧電磁器組成物をコンデンサ等の誘電素子等として利用することができないおそれがある。
また、上記比誘電率は、430以上であることがより好ましい。さらに好ましくは、600以上がよい。
Next, it is preferable that the piezoelectric ceramic composition has a relative dielectric constant of 400 or more.
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used as a dielectric element such as a capacitor having a large electrostatic capacity by utilizing the high relative dielectric constant of 400 or more.
When the relative dielectric constant is less than 400, the capacitance decreases, and the piezoelectric ceramic composition may not be used as a dielectric element such as a capacitor.
The relative dielectric constant is more preferably 430 or more. More preferably, 600 or more is good.
次に、上記圧電磁器組成物は、キュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、200℃以上という高いキュリー温度Tcを活かして、上記圧電磁器組成物を、例えば自動車のエンジン付近等のように100℃を超える高温度の環境下にて利用することができる。
上記キュリー温度Tcが200℃未満の場合には、上記圧電磁器組成物を例えば自動車のエンジン付近のように高温の場所に用いると、その圧電d31定数や電気機械結合係数Kp等の特性が低下するおそれがある。
また、上記キュリー温度Tcは250℃以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher.
In this case, utilizing the high Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher, the piezoelectric ceramic composition can be used in a high temperature environment exceeding 100 ° C., for example, in the vicinity of an automobile engine.
When the Curie temperature Tc is less than 200 ° C., the piezoelectric ceramic composition decreases in characteristics such as the piezoelectric d 31 constant and the electromechanical coupling coefficient Kp when used in a hot place such as the vicinity of an automobile engine. There is a risk.
The Curie temperature Tc is more preferably 250 ° C. or higher.
次に、上記圧電磁器組成物は、圧電d31定数が30pm/V以上で、かつキュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい(請求項5)。
この場合には、温度100℃を超える高温度環境下において、上記圧電磁器組成物を感度の高いセンサ素子、超音波モータ素子、アクチュエータ素子、圧電トランス素子、圧電振動子等として利用することができる。
また、より感度の優れた圧電センサ特性又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために、上記圧電d31定数は40pm/V以上であることが好ましい。さらに好ましくは80pm/V以上がよい。さらに好ましくは、上記圧電d31定数は100pm/V以上がよい。
また、上記キュリー温度Tcは250℃以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a piezoelectric d 31 constant of 30 pm / V or higher and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher.
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used as a highly sensitive sensor element, ultrasonic motor element, actuator element, piezoelectric transformer element, piezoelectric vibrator, etc. in a high temperature environment exceeding 100 ° C. .
In order to obtain more sensitive piezoelectric sensor characteristics or greater piezoelectric actuator characteristics, the piezoelectric d 31 constant is preferably 40 pm / V or more. More preferably, it is 80 pm / V or more. More preferably, the piezoelectric d 31 constant is 100 pm / V or more.
The Curie temperature Tc is more preferably 250 ° C. or higher.
次に,上記圧電磁器組成物は,圧電g31定数が7×10-3Vm/N以上で,かつキュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい(請求項6)。
この場合には,温度100℃を超える高温度環境下において,上記圧電磁器組成物を昇圧比の優れた圧電トランス,超音波モータ素子,センサ素子等として利用することができる。
また,さらに昇圧比の優れたものを得るために,上記圧電g31定数は10×10-3Vm/N以上であることがより好ましい。
また,上記キュリー温度Tcは250℃以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a piezoelectric g 31 constant of 7 × 10 −3 Vm / N or more and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more.
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used as a piezoelectric transformer, an ultrasonic motor element, a sensor element or the like having an excellent step-up ratio in a high temperature environment exceeding 100 ° C.
In order to obtain a further excellent boost ratio, the piezoelectric g 31 constant is more preferably 10 × 10 −3 Vm / N or more.
The Curie temperature Tc is more preferably 250 ° C. or higher.
次に、上記圧電磁器組成物は、電気機械結合係数Kpが0.3以上で、かつキュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい。
この場合には、温度100℃を超える高温度環境下において、上記圧電磁器組成物を機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧電アクチュエータ素子、圧電振動子、センサ素子、圧電トランス素子、超音波モータ素子等として利用することができる。
また、機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率がより一層優れたものを得るためには、上記電気機械結合係数Kpは0.34以上であることがより好ましい。さらに好ましくは、0.4以上がよい。
また、上記キュリー温度Tcは250℃以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has an electromechanical coupling coefficient Kp of 0.3 or more and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more.
In this case, in a high temperature environment exceeding 100 ° C., the piezoelectric ceramic composition is excellent in the conversion efficiency of mechanical energy and electrical energy, piezoelectric actuator element, piezoelectric vibrator, sensor element, piezoelectric transformer element, ultrasonic wave It can be used as a motor element or the like.
Further, in order to obtain a further excellent conversion efficiency between mechanical energy and electrical energy, the electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more. More preferably, 0.4 or more is good.
The Curie temperature Tc is more preferably 250 ° C. or higher.
次に、上記圧電磁器組成物は、誘電損失が0.09以下で、かつキュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい。
この場合には、温度100℃を超える高温度環境下において、上記圧電磁器組成物をコンデンサ等の誘電素子、圧電トランス素子、超音波モータ素子、センサ素子等として利用することができる。
また、上記誘電損失は0.035以下であることがより好ましい。
また、上記キュリー温度Tcは250℃以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a dielectric loss of 0.09 or less and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher.
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used as a dielectric element such as a capacitor, a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, a sensor element or the like in a high temperature environment exceeding 100 ° C.
The dielectric loss is more preferably 0.035 or less.
The Curie temperature Tc is more preferably 250 ° C. or higher.
次に、上記圧電磁器組成物は、圧電d31定数が30pm/V以上で、かつ電気機械結合係数Kpが0.3以上で、かつキュリー温度Tcが200℃以上であることが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記圧電磁器組成物を、温度100℃を超える高温度環境下において使用することができ、感度及び機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れたものとすることができる。
また、より感度の優れた圧電センサ特性、又はより大きな圧電アクチュエータ特性を得るために、上記圧電d31定数は40pm/V以上であることがより好ましい。また、上記電気機械結合係数Kpは、0.34以上であることがより好ましい。
Next, the piezoelectric ceramic composition preferably has a piezoelectric d 31 constant of 30 pm / V or more, an electromechanical coupling coefficient Kp of 0.3 or more, and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more. 7).
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used in a high temperature environment exceeding a temperature of 100 ° C., and can be excellent in sensitivity and conversion efficiency between mechanical energy and electric energy.
In order to obtain more sensitive piezoelectric sensor characteristics or greater piezoelectric actuator characteristics, the piezoelectric d 31 constant is more preferably 40 pm / V or more. The electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more.
また、上記第3の発明(請求項9)において、上記リチウムを含有する化合物としては、例えばLi2CO3、Li2O、LiNO3、LiOH等がある。また、上記ナトリウムを含有する化合物としては、Na2CO3、NaHCO3、NaNO3等がある。 In the third invention (invention 9), examples of the lithium-containing compound include Li 2 CO 3 , Li 2 O, LiNO 3 , and LiOH. Examples of the compound containing sodium include Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , and NaNO 3 .
また、上記カリウムを含有してなる化合物としては、K2CO3、KNO3、KNbO3、KTaO3等がある。また、上記ニオブを含有してなる化合物としては、例えばNb2O5、Nb2O3、NbO2等がある。また、上記タンタルを含有してなる化合物としては、Ta2O5等がある。また、上記アンチモンを含有してなる化合物としては、例えばSb2O5、Sb2O3、Sb2O4等がある。 Examples of the compound containing potassium include K 2 CO 3 , KNO 3 , KNbO 3 , and KTaO 3 . Examples of the compound containing niobium include Nb 2 O 5 , Nb 2 O 3 , and NbO 2 . Examples of the compound containing tantalum include Ta 2 O 5 . Examples of the compound containing antimony include Sb 2 O 5 , Sb 2 O 3 , and Sb 2 O 4 .
次に、上記リチウムを含有する化合物はLi2CO3であり、ナトリウムを含有してなる化合物はNa2CO3であり、カリウムを含有してなる化合物はK2CO3であり、ニオブを含有してなる化合物はNb2O5であり、タンタ0ルを含有してなる化合物はTa2O5であり、アンチモンを含有してなる化合物はSb2O5またはSb2O3であることが好ましい(請求項10)。
この場合には、上記圧電磁器組成物を容易に作製することができる。
Next, the compound containing lithium is Li 2 CO 3 , the compound containing sodium is Na 2 CO 3 , the compound containing potassium is K 2 CO 3 , and contains niobium. The compound formed is Nb 2 O 5 , the compound containing 0 tantalum is Ta 2 O 5 , and the compound containing antimony is Sb 2 O 5 or Sb 2 O 3. Preferred (claim 10).
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be easily produced.
次に、上記第4の発明(請求項11)において、上記圧電素子としては、例えば圧電アクチュエータ、圧電フィルター、圧電振動子、圧電トランス、圧電超音波モータ、圧電ジャイロセンサ、ノックセンサ、ヨーレートセンサ、エアバッグセンサ、バックソナー、コーナーソナー、圧電ブザー、圧電スピーカー、圧電着火器等がある。 Next, in the fourth invention (invention 11), examples of the piezoelectric element include a piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric transformer, a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric gyro sensor, a knock sensor, a yaw rate sensor, There are airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, piezoelectric igniters and the like.
また、上記誘電素子としては、例えばコンデンサ、積層コンデンサ等がある。 Examples of the dielectric element include a capacitor and a multilayer capacitor.
(実施例)
次に、本発明の実施例にかかる圧電磁器組成物について説明する。
本例では、上記圧電磁器組成物を製造し、その特性を測定する。
本例の圧電磁器組成物は、一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3で表され、かつx、y、z、wがそれぞれ0≦x≦0.2、0≦y≦1、0<z0.4、0<w≦0.2の組成範囲にある。
(Example)
Next, the piezoelectric ceramic composition concerning the Example of this invention is demonstrated.
In this example, the piezoelectric ceramic composition is manufactured and its characteristics are measured.
The piezoelectric ceramic composition of this example is represented by the general formula {Li x (K 1−y Na y ) 1−x } (Nb 1−zw Ta z Sb w ) O 3 and x, y, z, w Are in the composition ranges of 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z0.4, and 0 <w ≦ 0.2, respectively.
以下、本例の圧電磁器組成物の製造方法につき説明する。
まず、圧電磁器組成物の原料として、純度99%以上の高純度のLi2CO3、Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Ta2O5、Sb2O5を準備した。
これらの原料を上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3において、x、y、z、wが0≦x≦0.2、0≦y≦1、0<z≦0.4、0<w≦0.2となるような化学量論比にて混合した。
Hereinafter, the manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition of this example will be described.
First, high purity Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Sb 2 O 5 having a purity of 99% or more were prepared as raw materials for the piezoelectric ceramic composition. .
In these materials the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, x, y, z, w is 0 ≦ x ≦ 0. 2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z ≦ 0.4, and 0 <w ≦ 0.2.
ここで、後述する表1〜表6に示すごとく、xとしては、x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.06、0.08、0.10、0.15、0.20となるようにした。
また、yとしては、y=0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.42、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49、0.5、0.51、0.52、0.53、0.54、0.55、0.56、0.58、0.6、0.70、0.75、0.8、1.0となるようにした。
また、zとしては、z=0.002、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.30となるようにした。
また、wとしては、w=0.02、0.04、0.05、0.06、0.07、0.1、0.2となるようにした。
そして、各化学量論組成になるように配合した原料をボールミルによりアセトン中で24時間混合して混合物を作製した。
Here, as shown in Table 1 to Table 6 described later, as x, x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10, It was set to 0.15 and 0.20.
Further, y is y = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.42, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, 0.5, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.58, 0.6, 0.70, 0. 75, 0.8 and 1.0.
Further, z is such that z = 0.002, 0.08, 0.10, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.20, 0.22, 0.30. I made it.
In addition, w was set to w = 0.02, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.1, 0.2.
And the raw material mix | blended so that it might become each stoichiometric composition was mixed in acetone for 24 hours with the ball mill, and the mixture was produced.
次に、この混合物を750℃にて5時間仮焼し、この仮焼後の混合物をボールミルにて24時間粉砕した。続いて、バインダーとしてポリビニールブチラールを添加し、造粒した。
造粒後の粉体を圧力2ton/cm2にて、直径18mm、厚さ1mmの円盤状に加圧成形し、この成形体を1000〜1300℃にて1時間焼成し、焼成体を作製した。なお、このときの焼成温度は、1000℃〜1300℃の間で最大密度になる温度を選定した。また、上記焼成体は、すべて相対密度98%以上に緻密化されていた。
Next, the mixture was calcined at 750 ° C. for 5 hours, and the calcined mixture was pulverized for 24 hours by a ball mill. Subsequently, polyvinyl butyral was added as a binder and granulated.
The granulated powder was pressure-molded into a disk shape having a diameter of 18 mm and a thickness of 1 mm at a pressure of 2 ton / cm 2 , and this molded body was fired at 1000 to 1300 ° C. for 1 hour to produce a fired body. . In addition, the temperature which becomes the maximum density between 1000 degreeC-1300 degreeC was selected for the calcination temperature at this time. In addition, all of the fired bodies were densified to a relative density of 98% or more.
次に、焼成後の各焼成体の両面を平行研磨し、円形研磨した後、この円盤試料の両面にスパッタ法により金電極を設けた。そして、100℃のシリコーンオイル中にて1〜5kV/mmの直流電圧を10分間電極間に印加し、厚み方向に分極を施して圧電磁器組成物とした。
このようにして、182種類の化学量論組成を有する圧電磁器組成物(試料1〜182)を作製した。各試料の化学組成比を表1〜表6に示す。
Next, both surfaces of each fired body after firing were subjected to parallel polishing and circular polishing, and then gold electrodes were provided on both surfaces of this disk sample by sputtering. And the direct-current voltage of 1-5 kV / mm was applied between electrodes for 10 minutes in 100 degreeC silicone oil, and it polarized in the thickness direction, and was set as the piezoelectric ceramic composition.
Thus, piezoelectric ceramic compositions (samples 1 to 182) having 182 stoichiometric compositions were produced. Tables 1 to 6 show the chemical composition ratio of each sample.
また、本例では、上記圧電磁器組成物の優れた特性を明らかにするため、以下のようにして比較品1〜5を作製した。
まず、比較品1の原料として、純度99%以上の高純度のK2CO3、Na2CO3及びNb2O5を準備した。
これらの原料と一般式(K0.5Na0.5)NbO3となるような化学量論比にて、混合し、ボールミルによりアセトン中で24時間混合して混合物を得た。
この混合物を上記試料1〜182と同様にして、仮焼、造粒、成形、焼成し、分極を施して、比較品1とした。
Moreover, in this example, in order to clarify the excellent characteristics of the piezoelectric ceramic composition, comparative products 1 to 5 were produced as follows.
First, high-purity K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 and Nb 2 O 5 having a purity of 99% or more were prepared as raw materials for the comparative product 1.
These raw materials and the general formula (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 were mixed at a stoichiometric ratio and mixed in acetone for 24 hours by a ball mill to obtain a mixture.
This mixture was calcined, granulated, molded, fired and polarized in the same manner as Samples 1 to 182 described above to obtain Comparative Product 1.
また、純度99%以上の高純度のLi2CO3、K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Ta2O5、及びSb2O5を準備し、比較品2、3、4、及び5として、{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)組成式において、それぞれx=0.22、y=0.50、 z=0.45、w=0.22、及びx=0.22、y=0.50、 z=0.10、w=0.02、及びx=0.02、y=0.50、z=0.45、w=0.02、及びx=0.02、y=0.50、z=0.10、w=0.22となる試料を同様の方法にて作製した。
比較品1〜5の化学組成比を表6に示す。
Further, high purity Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and Sb 2 O 5 having a purity of 99% or more were prepared, and comparative products 2, 3, 4, and as 5, in the {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) composition formula, respectively x = 0.22, y = 0.50, z = 0.45, w = 0.22, and x = 0.22, y = 0.50, z = 0.10, w = 0.02, and x = 0.02, y = 0.50, z = Samples having 0.45, w = 0.02, x = 0.02, y = 0.50, z = 0.10, and w = 0.22 were produced by the same method.
Table 6 shows the chemical composition ratios of the comparative products 1 to 5.
次に、上記試料1〜182及び比較品1〜5について、圧電d31定数、圧電g31定数、電気機械結合係数Kp、キュリー温度Tc、比誘電率ε33T/ε0、誘電損失tanδを測定した。 Next, the piezoelectric d 31 constant, the piezoelectric g 31 constant, the electromechanical coupling coefficient Kp, the Curie temperature Tc, the relative dielectric constant ε 33T / ε 0 , and the dielectric loss tan δ are measured for the samples 1 to 182 and the comparative products 1 to 5. did.
ここで圧電d31定数、圧電g31定数及び電気機械結合係数Kpは、インピーダンスアナライザーを用いて共振−反共振法により測定した。
また、誘電損失及び比誘電率は、インピーダンスアナライザーを用いて、測定周波数1kHzにて測定した。
また、キュリー温度Tcは、比誘電率が最も高いときの温度をもってキュリー温度Tcとした。
その結果を表7〜表12に示す。
Here, the piezoelectric d 31 constant, the piezoelectric g 31 constant, and the electromechanical coupling coefficient Kp were measured by a resonance-antiresonance method using an impedance analyzer.
The dielectric loss and relative dielectric constant were measured at a measurement frequency of 1 kHz using an impedance analyzer.
The Curie temperature Tc was defined as the Curie temperature Tc that is the temperature at which the relative dielectric constant is the highest.
The results are shown in Tables 7-12.
また、上記試料2、4、5、8、15、16、31〜34、40、41、48、49、71、72、74、75、79、80、81、88〜90、103、104、107、110、112、115、118、119、123〜129、133、134、136〜140、143、145、151、152及び比較品1について、誘電損失の長期安定性を測定した。 The samples 2, 4, 5, 8, 15, 16, 31 to 34, 40, 41, 48, 49, 71, 72, 74, 75, 79, 80, 81, 88 to 90, 103, 104, 107, 110, 112, 115, 118, 119, 123-129, 133, 134, 136-140, 143, 145, 151, 152 and comparative product 1 were measured for long-term stability of dielectric loss.
上記誘電損失の長期安定性の測定方法としては、まず、上記分極後の試料及び比較品1の誘電損失tanδを上記と同様にインピーダンスアナライザーを用いて、測定周波数1kHzにて測定して、これを初期tanδとした。さらに、分極から50日、100日、又は200日経過後の誘電損失tanδを測定し、初期tanδの値と比較することにより、誘電損失の長期安定性を評価した。
その結果を表13〜表14に示す。
As a method for measuring the long-term stability of the dielectric loss, first, the dielectric loss tan δ of the sample after polarization and the comparative product 1 is measured at a measurement frequency of 1 kHz using an impedance analyzer in the same manner as described above. The initial tan δ was used. Furthermore, the long-term stability of dielectric loss was evaluated by measuring dielectric loss tan δ after 50 days, 100 days, or 200 days from the polarization and comparing it with the initial tan δ value.
The results are shown in Tables 13-14.
表6〜表12より知られるごとく、試料1〜13、15〜20、25〜28、31〜37、39〜44、46〜52、55〜59、67、71〜85、87〜92、97〜99、103〜154、156〜159、162〜182は、比較品1より高い圧電d31定数を示した。
ここで、表12における試料155〜試料180は、上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3において、x、z及びwの値を固定し、yの値を変化させたときの各種圧電特性及び誘電特性を示している。試料155〜試料180においては、yの値を変化させたときの圧電d31定数の変化を明らかにするため、y=0.5(試料158)のときの圧電d31定数の値に対する、試料155〜180の各圧電d31定数値の比をd31比として示している。
As is known from Tables 6 to 12, Samples 1 to 13, 15 to 20, 25 to 28, 31 to 37, 39 to 44, 46 to 52, 55 to 59, 67, 71 to 85, 87 to 92, 97 ~99,103~154,156~159,162~182 showed higher than comparative product first piezoelectric d 31 constant.
Here, the sample 155 to the sample 180 in Table 12 are x, z and w in the general formula {Li x (K 1 -y Na y ) 1 -x } (Nb 1 -zw Ta z Sb w ) O 3 . FIG. 4 shows various piezoelectric characteristics and dielectric characteristics when the value of y is fixed and the value of y is changed. In Sample 155~ sample 180 to reveal a change in the piezoelectric d 31 constant when changing the value of y, for values of the piezoelectric d 31 constant when the y = 0.5 (Sample 158), the sample The ratio of the piezoelectric d 31 constant values of 155 to 180 is shown as the d 31 ratio.
また、表6〜12より知られるごとく、試料1〜5、7〜12、15〜20、25〜28、31〜36、39〜44、47〜51、56〜58、71〜78、80〜84、88〜90、103〜154、157〜159、164〜179は、比較品1より高い電気機械結合係数Kpを示した。 Moreover, as is known from Tables 6-12, Samples 1-5, 7-12, 15-20, 25-28, 31-36, 39-44, 47-51, 56-58, 71-78, 80- 84, 88 to 90, 103 to 154, 157 to 159, and 164 to 179 showed an electromechanical coupling coefficient Kp higher than that of the comparative product 1.
また、試料1〜159及び試料162〜182は、430以上という高い比誘電率を示し、比較品1よりも優れていた。
また、試料1〜5、7〜12、16〜20、31〜34、40〜42、47〜50、58、65、71〜77、80〜82、103〜111、115、118〜130、134、136〜139、158、160〜161、165〜166、168〜169、171、173、175、及び試料179〜180は、7.0×10-3以上という高い圧電g31定数を示した。
In addition, Samples 1 to 159 and Samples 162 to 182 exhibited a high relative dielectric constant of 430 or more, and were superior to Comparative Product 1.
Samples 1-5, 7-12, 16-20, 31-34, 40-42, 47-50, 58, 65, 71-77, 80-82, 103-111, 115, 118-130, 134 , 136~139,158,160~161,165~166,168~169,171,173,175, and sample from 179 to 180 showed a high piezoelectric g 31 constant that 7.0 × 10 -3 or more.
また、試料1〜22、24〜54、58〜62、70〜86、89〜94、101〜180は、200℃以上という高いキュリー温度Tcを示した。
また、試料1〜22、24〜26、31〜35、39〜74、76〜94、96〜182は、0.09以下という低い誘電損失tanδを示した。
Samples 1 to 22, 24 to 54, 58 to 62, 70 to 86, 89 to 94, and 101 to 180 exhibited a high Curie temperature Tc of 200 ° C. or higher.
Samples 1 to 22, 24 to 26, 31 to 35, 39 to 74, 76 to 94, and 96 to 182 exhibited low dielectric loss tan δ of 0.09 or less.
また、表13及び表14より知られるごとく、各試料の誘電損失は、50日、100日、又は200日経過後も、大きく上昇することなく、安定性に優れていた。これに対し、比較品1の誘電損失は、50日経過後には初期tanδの3倍、100日経過後には6倍を超えて増加した。また、200日経過後には初期tanδの7倍近くまで増加しており、安定性に問題があった。 Further, as is known from Table 13 and Table 14, the dielectric loss of each sample was excellent in stability without significantly increasing even after 50 days, 100 days, or 200 days. On the other hand, the dielectric loss of the comparative product 1 increased by 3 times the initial tan δ after 50 days and exceeded 6 times after 100 days. Further, after 200 days, it increased to nearly 7 times the initial tan δ, and there was a problem in stability.
ここで、圧電d31定数に注目すると、表1〜表12より知られるごとく、x=0.04、y=0.54、z=0.1、及びw=0.06(試料175)のとき、圧電d31定数は、132.4pm/Vというもっとも高い値を示した。 Here, paying attention to the piezoelectric d 31 constant, as is known from Tables 1 to 12, x = 0.04, y = 0.54, z = 0.1, and w = 0.06 (sample 175). The piezoelectric d 31 constant showed the highest value of 132.4 pm / V.
また、表6及び表12より知られるごとく、上記一般式Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3において、yの値を変化させて、上記圧電磁器組成物を作製すると、圧電d31定数が大きく変化することがわかる。
そこで、上記一般式におけるyの値と圧電d31定数の関係をわかりやすくするため、表12中の圧電d31定数の結果を図1に示した。図1は、横軸が上記一般式におけるyの値を示し、縦軸が圧電d31定数を示すものである。
Further, as is known from Table 6 and Table 12, in the above general formula Li x (K 1−y Na y ) 1−x } (Nb 1−zw Ta z Sb w ) O 3 , the value of y is changed. It can be seen that the piezoelectric d 31 constant changes greatly when the piezoelectric ceramic composition is manufactured.
Therefore, in order to make the relationship between the value of y in the above general formula and the piezoelectric d 31 constant easier to understand, the result of the piezoelectric d 31 constant in Table 12 is shown in FIG. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the value of y in the above general formula, and the vertical axis indicates the piezoelectric d 31 constant.
図1より知られるごとく、40pm/V以上という高い圧電d31定数を実現するためには、上記一般式Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3におけるyの値を、0.05≦y<0.75とすることが好ましいことがわかる。また、yの値の範囲が0.35≦y≦0.65の場合には、80pm/V以上というより高い圧電d31定数を実現することができる。さらに、yの値の範囲が0.42≦y≦0.60の場合には、100pm/Vを越える、より一層高い圧電d31定数を実現することができる。ただし、この好ましいyの値の範囲は、上記一般式におけるx、z、及びwの値が変わると変化する。 As known from FIG. 1, in order to realize a high piezoelectric d 31 constant of 40 pm / V or more, the above general formula Li x (K 1 -y Na y ) 1-x } (Nb 1 -zw Ta z Sb w It can be seen that the value of y in O 3 is preferably 0.05 ≦ y <0.75. Further, when the value range of y is 0.35 ≦ y ≦ 0.65, a higher piezoelectric d 31 constant of 80 pm / V or more can be realized. Furthermore, when the value range of y is 0.42 ≦ y ≦ 0.60, a much higher piezoelectric d 31 constant exceeding 100 pm / V can be realized. However, the preferable range of the value of y changes when the values of x, z, and w in the general formula change.
電荷検出型回路或いは電流検出型回路を用いた場合には、一般に上記圧電d31定数は、
加速度センサ、加重センサ、衝撃センサ及びノックセンサ等の圧電型センサの出力電圧に
比例する。その点からみると、圧電d31定数が高い圧電磁器組成物ほど電荷センサ出力の大きなセンサ素子を作ることができる。そして、比較品1と同等以上の特性を有するセンサ素子を作製するには、少なくとも30pm/V以上の圧電d31定数を有することが好ましいといえる。さらに信号雑音比(SN比)及び出力電圧を高めて高感度なセンサ素子を作製するためには、上記圧電d31定数は80pm/V以上のものがよい。さらに好ましくは100pm/V以上のものがよい。
When a charge detection type circuit or a current detection type circuit is used, the piezoelectric d 31 constant is generally
It is proportional to the output voltage of a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a weight sensor, an impact sensor, or a knock sensor. From this point of view, a piezoelectric ceramic composition having a higher piezoelectric d 31 constant can produce a sensor element having a larger charge sensor output. In order to manufacture a sensor element having characteristics equal to or higher than those of the comparative product 1, it can be said that it is preferable to have a piezoelectric d 31 constant of at least 30 pm / V. Furthermore, in order to increase the signal-to-noise ratio (SN ratio) and the output voltage to produce a highly sensitive sensor element, the piezoelectric d 31 constant is preferably 80 pm / V or more. More preferably, it is 100 pm / V or more.
また、アクチュエータとして使用する場合には、一般に上記圧電d31定数は圧電アクチュエータの発生歪或いは変位量に比例する。その点からみると、圧電d31定数が高い圧電磁器組成物ほど発生歪或いは変位量の大きなアクチュエータ素子を作ることができる。そして比較品1と同等以上の特性を有するアクチュエータ素子を作製するには、少なくとも30pm/V以上の圧電d31定数を有することが好ましいといえる。より好ましくは40pm/V以上がよい。さらに変位量の大きなアクチュエータを作製するためには、上記圧電d31定数は80pm/V以上のものがよい。さらに好ましくは100pm/V以上のものがよい。 When used as an actuator, the piezoelectric d 31 constant is generally proportional to the generated strain or displacement of the piezoelectric actuator. From this point of view, a piezoelectric ceramic composition having a higher piezoelectric d 31 constant can produce an actuator element having a larger generated strain or displacement. In order to produce an actuator element having characteristics equal to or higher than those of the comparative product 1, it can be said that it is preferable to have a piezoelectric d 31 constant of at least 30 pm / V. More preferably, it is 40 pm / V or more. In order to manufacture an actuator with a larger displacement, the piezoelectric d 31 constant is preferably 80 pm / V or more. More preferably, it is 100 pm / V or more.
また、電気機械結合係数Kpに注目すると、表1〜表12より知られるごとく、x=0、y=0.5、z=0.002、及びw=0.04(試料31)のとき、電気機械結合係数Kpは、0.623というもっとも高い値を示した。 When attention is paid to the electromechanical coupling coefficient Kp, as is known from Tables 1 to 12, when x = 0, y = 0.5, z = 0.002, and w = 0.04 (sample 31), The electromechanical coupling coefficient Kp showed the highest value of 0.623.
一般に、上記電気機械結合係数Kpは、圧電トランス素子、超音波モータ素子、アクチュエータ素子、又は超音波振動子等の電気機械エネルギー変換効率に比例する。その点からみると、電気機械結合係数Kpが高い圧電磁器組成物ほど電気機械エネルギー変換効率の高い圧電トランス素子、超音波モータ素子、アクチュエータ素子、又は超音波振動子を作ることができる。そして、比較品1と同等以上の特性を有する圧電トランス素子、超音波モータ素子、アクチュエータ素子、又は超音波振動子を作製するには、少なくとも0.3以上の電気機械結合係数Kpを有することが好ましいといえる。より好ましくは0.34以上がよい。さらに好ましくは、0.4以上がよい。また、さらに好ましくは0.5以上がよい。 In general, the electromechanical coupling coefficient Kp is proportional to the electromechanical energy conversion efficiency of a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, an actuator element, or an ultrasonic transducer. From this point of view, a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, an actuator element, or an ultrasonic transducer having a higher electromechanical energy conversion efficiency can be produced with a piezoelectric ceramic composition having a higher electromechanical coupling coefficient Kp. In order to manufacture a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, an actuator element, or an ultrasonic transducer having characteristics equal to or higher than those of the comparative product 1, the electromechanical coupling coefficient Kp must be at least 0.3 or more. It can be said that it is preferable. More preferably 0.34 or more. More preferably, 0.4 or more is good. Further, more preferably 0.5 or more.
また、キュリー温度Tcに注目すると、試料1〜22、24〜54、58〜62、70〜86、89〜94、101〜180の圧電磁器組成物のキュリー温度Tcは、200℃以上という高い値をとっている。そのため、上記組成領域にある本例の圧電磁器組成物は、例えば自動車のエンジン付近等の高温度部においても長時間安定に使用することができるノックセンサ等の高温用のセンサ部品、アクチュエータ部品、超音波モータ部品等として利用することができる。
また、上記高温用のセンサ部品、アクチュエータ部品、超音波モータ部品等としてさらに長時間安定に使用するためには、上記キュリー温度Tcは、200℃以上であることが好ましい。さらに好ましくは、250℃以上のものがよい。
Further, when paying attention to the Curie temperature Tc, the Curie temperature Tc of the piezoelectric ceramic compositions of Samples 1-22, 24-54, 58-62, 70-86, 89-94, 101-180 is a high value of 200 ° C. or higher. Have taken. Therefore, the piezoelectric ceramic composition of the present example in the above composition region is, for example, a sensor component for high temperature such as a knock sensor that can be used stably for a long time even in a high temperature part near the engine of an automobile, an actuator component, It can be used as an ultrasonic motor component.
In addition, the Curie temperature Tc is preferably 200 ° C. or higher in order to use the sensor component, the actuator component, the ultrasonic motor component and the like for the high temperature stably for a long time. More preferably, the temperature is 250 ° C. or higher.
また、圧電g31定数に注目すると、表1〜表12より知られるごとく、x=0、y=0
.5、z=0.002、及びw=0.04(試料31)のとき、圧電g31定数は、16.
2×10-3Vm/Nというもっとも高い値を示した。
Further, when attention is paid to the piezoelectric g 31 constant, as is known from Tables 1 to 12, x = 0, y = 0.
. 5, z = 0.002, and w = 0.04 (sample 31), the piezoelectric g 31 constant is 16.
The highest value of 2 × 10 −3 Vm / N was shown.
圧電g31定数は、上記圧電d31定数と同様に、圧電型センサ、圧電トランス素子、超音波モータ素子等の出力電圧に比例する。そのため、圧電g31定数が高い圧電磁器組成物ほど電圧センサ出力の大きなセンサを作ることができる。そして、比較品1と同等以上の特性を有するセンサを作製するには、少なくとも7×10-3Vm/N以上の圧電g31定数を有することが好ましいといえる。さらに好ましくは、10×10-3Vm/N以上のものがよい。 The piezoelectric g 31 constant is proportional to the output voltage of a piezoelectric sensor, a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, or the like, like the piezoelectric d 31 constant. Therefore, a piezoelectric ceramic composition having a higher piezoelectric g 31 constant can produce a sensor having a larger voltage sensor output. And it can be said that it is preferable to have a piezoelectric g 31 constant of at least 7 × 10 −3 Vm / N or more in order to produce a sensor having characteristics equal to or higher than those of the comparative product 1. More preferably, it is 10 × 10 −3 Vm / N or more.
また、比誘電率ε33T/ε0に注目すると、試料1〜159及び試料162〜182の比誘電率ε33T/ε0は、430以上という高い値をとっている。 Moreover, focusing on the dielectric constant ε 33T / ε 0, the relative dielectric constant ε 33T / ε 0 of the sample 1 to 159 and the sample 162 to 182 takes the high value of 430 or more.
上記比誘電率ε33T/ε0は、一般に積層コンデンサ部品等のコンデンサの静電容量に比例する。その点からみると、上記比誘電率が高い圧電磁器組成物ほど静電容量の大きなコンデンサを作ることができる。コンデンサを作製するためには、少なくとも400以上の比誘電率を有することが好ましいといえる。また、より好ましくは、430以上のものがよい。さらに好ましくは、600以上のものがよい。 The relative dielectric constant ε 33T / ε 0 is generally proportional to the capacitance of a capacitor such as a multilayer capacitor component. From this point of view, a piezoelectric ceramic composition having a higher relative dielectric constant can produce a capacitor having a larger capacitance. In order to produce a capacitor, it can be said that it is preferable to have a relative dielectric constant of at least 400 or more. More preferably, 430 or more is good. More preferably, 600 or more are good.
また、誘電損失tanδに注目すると、試料1〜22、24〜26、31〜35、39〜74、76〜94、96〜182の誘電損失tanδは、0.09以下という低い値をとっている。 Further, when attention is paid to the dielectric loss tan δ, the dielectric loss tan δ of the samples 1 to 22, 24 to 26, 31 to 35, 39 to 74, 76 to 94, and 96 to 182 has a low value of 0.09 or less. .
上記誘電損失は、コンデンサ部品等のコンデンサ、圧電超音波モータ、圧電アクチュエータ、圧電トランス等の部品に交流電圧を印加した際に、該部品が損失する熱エネルギーに比例する。その点からみると、上記誘電損失が小さい圧電磁器組成物ほどエネルギー損失の少ないコンデンサ及び発熱の少ない圧電超音波モータ、圧電アクチュエータ、圧電トランスを作製することができる。そして、エネルギー損失の少ない上記部品を作製するためには、0.09以下の誘電損失を有することが好ましい。さらに好ましくは、0.035以下のものがよい。 The dielectric loss is proportional to the thermal energy lost when an AC voltage is applied to a component such as a capacitor component, a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric actuator, or a piezoelectric transformer. From this point of view, the piezoelectric ceramic composition having a smaller dielectric loss can produce a capacitor with less energy loss and a piezoelectric ultrasonic motor, piezoelectric actuator, and piezoelectric transformer with less heat generation. And in order to produce the said components with little energy loss, it is preferable to have a dielectric loss of 0.09 or less. More preferably, it is 0.035 or less.
また、誘電損失の長期安定性に注目すると、表13及び表14に示すごとく、z=0.002即ちTaの含有量が非常に少ない試料では長時間大気中に放置されると誘電損失が大きくなるという欠点がある。一方、z>0.002及びw≠0の試料においては、長時間大気中に放置されても誘電損失の変化が小さく、また誘電損失の値も0.09以下という小さな値を保っている。このように、本発明に示す一般式上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3において、0≦x≦0.2、0≦y≦0.1、0<z≦0.4、0<w≦0.2の組成範囲における本例の圧電磁器組成物の誘電損失tanδは、長期安定性を有している。 Further, paying attention to the long-term stability of dielectric loss, as shown in Tables 13 and 14, when Z = 0.002, that is, a sample with a very low Ta content, the dielectric loss becomes large when left in the atmosphere for a long time. There is a drawback of becoming. On the other hand, in the sample with z> 0.002 and w ≠ 0, the change in dielectric loss is small even when left in the atmosphere for a long time, and the value of dielectric loss is kept as small as 0.09 or less. Thus, in the above general formula {Li x (K 1 -y Na y ) 1 -x } (Nb 1 -zw Ta z Sb w ) O 3 shown in the present invention, 0 ≦ x ≦ 0.2, The dielectric loss tan δ of the piezoelectric ceramic composition of this example in the composition ranges of 0 ≦ y ≦ 0.1, 0 <z ≦ 0.4, and 0 <w ≦ 0.2 has long-term stability.
また、表12に示すごとく、本発明の圧電磁器組成物の組成領域に含まれない、比較品2、3及び5は圧電d31定数が、それぞれ0.5、9.81、13.31pm/Vといずれも低い値となることが分かった。また、比較品4は圧電d31定数が42.62pm/Vである反面、キュリー温度が117℃と低く、200℃以上のキュリー温度が必要な、自動車用部品としては使用できないことが分かった。 Further, as shown in Table 12, the comparative products 2, 3 and 5 which are not included in the composition region of the piezoelectric ceramic composition of the present invention have piezoelectric d 31 constants of 0.5, 9.81 and 13.31 pm / It was found that both V and the value were low. Further, it was found that the comparative product 4 has a piezoelectric d 31 constant of 42.62 pm / V, but has a Curie temperature as low as 117 ° C. and cannot be used as an automotive part requiring a Curie temperature of 200 ° C. or higher.
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