JP2004300012A - Piezoelectric ceramic composition, its production method, piezoelectric element, and dielectric element - Google Patents
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Abstract
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及び誘電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition containing no lead in the composition, a method for producing the same, and a piezoelectric element and a dielectric element using 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, a PZT (PbTiO 3 -PbZrO 3 ) component-based ceramic containing lead has been used as a piezoelectric ceramic composition. The above-mentioned PZT exhibits large piezoelectricity and has a high mechanical quality factor with excellent long-term stability, and can easily produce materials with various characteristics required for various applications such as sensors, actuators, and filters. Because you can.
Further, since the PZT has a high relative permittivity, it can 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 that harmful lead is eluted from industrial waste of products containing PZT, resulting in environmental pollution. Could be caused. And, increasing awareness of environmental issues in recent years has made it difficult to manufacture products that can cause environmental pollution, such as PZT. Therefore, the development of a piezoelectric ceramic composition containing no lead in its composition has been required, and a piezoelectric ceramic composition (non-leading) represented by the general formula (K 1-x Na x ) NbO 3 (where 0 <x <1) (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, the piezoelectric d 31 constant, the characteristics such as electromechanical coupling factor Kp and the Curie temperature Tc has a problem that low. Therefore, for example, high piezoelectric constant d 31 constant, a piezoelectric actuator that requires an electromechanical coupling factor Kp, piezoelectric filters, piezoelectric transducers, piezoelectric transformers, piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric gyro sensors, knock sensors, yaw rate sensors, airbag sensors , Back sonar, corner sonar, piezoelectric buzzer, piezoelectric speaker, piezoelectric igniter, etc., it was difficult to apply to piezoelectric elements. Further, since the Curie temperature Tc is low, there is a problem that the piezoelectric characteristics in a high temperature environment deteriorate.
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及び誘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, it can be fired at atmospheric pressure, at least one of the piezoelectric ceramic composition of the specific properties such as piezoelectric d 31 constant It is an object of the present invention to provide a piezoelectric ceramic composition and a method of manufacturing the same, and a piezoelectric element and a dielectric element using the piezoelectric ceramic composition.
第1の発明は,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<z≦0.4,0<w≦0.2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)。 The first invention of the general formula represented by {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, and x, y, z, w, respectively 0 <X ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z ≦ 0.4, 0 <w ≦ 0.2 The piezoelectric ceramic composition is characterized in that it is in the composition range (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}(Nb1-z-wTazSbw)O3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, as represented by the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, Does not contain lead in the composition.
Therefore, the piezoelectric ceramic composition is safe because harmful lead does not flow out to nature from waste of the piezoelectric ceramic composition and the like.
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 each in the above range. Therefore, the piezoelectric ceramic composition is excellent in at least one of the piezoelectric d 31 constant, the electromechanical coupling coefficient Kp, the piezoelectric g 31 constant, the relative dielectric constant ε 33T / ε 0 , the dielectric loss tan δ, and the Curie temperature Tc. It will be.
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≦0.2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。 In the piezoelectric ceramic composition, the range of z in the above general formula is 0 <z ≦ 0.4, and the range of w is 0 <w ≦ 0.2, and contains Ta and Sb as essential components. ing. Therefore, the piezoelectric ceramic composition is easily densified during firing, and can be sufficiently densified 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 few pores. . Therefore, the piezoelectric ceramic composition can be easily and inexpensively manufactured without the need for hot press baking as in the related art. Further, 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。
As described above, the piezoelectric ceramic composition is safe for the environment, can be fired at normal pressure, and can be used as a material for a high-performance piezoelectric element or dielectric element.
The piezoelectric ceramic composition according to the first aspect of the invention is a concept including not only a ceramic composition having piezoelectric characteristics but also a dielectric ceramic composition having dielectric characteristics.
第2の発明は,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<z≦0.4,0<w≦0.2の組成範囲にある圧電磁器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17)。 The second invention of the general formula represented by {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, and x, y, z, w, respectively 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z ≦ 0.4, 0 <w ≦ 0.2 A powder comprising a piezoelectric ceramic composition having a composition range of 0.2 is molded and fired. (Claim 17).
上記圧電磁器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 compact formed using the powder of the piezoelectric ceramic composition can be fired under normal pressure. Therefore, sintering can be performed easily and at low cost. The piezoelectric ceramic composition obtained after the calcination does not contain lead, and has excellent piezoelectric ceramic composition-specific characteristics such as a piezoelectric d 31 constant. Therefore, it can be used as a material for 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請求項1〜16のいずれか1項に記載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18)。
A third invention relates to a compound containing lithium, a compound containing sodium, a compound containing potassium, a compound containing niobium, and a compound containing tantalum. A method for producing a piezoelectric ceramic composition, characterized in that a piezoelectric ceramic composition according to any one of
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 Mix and bake with the compound contained.
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。 Further, during the firing, the piezoelectric ceramic composition can be fired under normal pressure. The piezoelectric ceramic composition obtained after the calcination does not contain lead, and has excellent piezoelectric ceramic composition-specific characteristics such as a piezoelectric d 31 constant. Therefore, it can be used as a material for 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よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素子にある(請求項20)。 A fourth invention resides in a piezoelectric element having a piezoelectric body made of the piezoelectric ceramic composition of the first invention (claim 20).
上記第4の発明の圧電素子は,第1の発明(請求項1)の圧電磁器組成物よりなる圧電体を有している。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 according to the fourth aspect has a piezoelectric body made of the piezoelectric ceramic composition according to the first aspect (claim 1). Therefore, the piezoelectric element does not contain lead and is environmentally safe.
Further, the piezoelectric element includes the above piezoelectric ceramic composition, can be used as it is the property of the piezoelectric ceramic composition of the specific properties such as piezoelectric d 31 constant is excellent. Therefore, the piezoelectric element can be used as an excellent piezoelectric element such as a piezoelectric sensor element having high sensitivity, a piezoelectric vibrator having high electromechanical energy conversion efficiency, and an actuator element.
第5の発明は,第1の発明の圧電磁器組成物よりなる誘電体を有することを特徴とする誘電素子にある(請求項21) A fifth invention resides in a dielectric element having a dielectric made of the piezoelectric ceramic composition of the first invention (claim 21).
上記第5の発明の誘電素子は,第1の発明(請求項1)の圧電磁器組成物よりなる誘電体を有している。そのため,上記誘電素子は,鉛を含有せず,環境に対して安全である。また,上記誘電素子は,上記圧電磁器組成物が有する,比誘電率,誘電損失,誘電損失の長期安定性等の特性のいずれか1つ以上に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,静電容量の大きいコンデンサ等の優れた誘電素子として利用することができる。 The dielectric element according to the fifth aspect has a dielectric made of the piezoelectric ceramic composition according to the first aspect (claim 1). Therefore, the dielectric element does not contain lead and is environmentally safe. In addition, the dielectric element can utilize the property of the piezoelectric ceramic composition, which is excellent in any one or more of characteristics such as relative dielectric constant, dielectric loss, and long-term stability of dielectric loss, as it is. Therefore, it can be used as an excellent dielectric element such as a capacitor having a large capacitance.
本発明において,上記圧電磁器組成物は,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<z≦0.4,0<w≦0.2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 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 <z ≦ 0.4, and 0 <w ≦ 0.2, respectively.
Here, when x> 0.2, z> 0.4, w> 0.2, z = 0, or w = 0, the characteristics peculiar to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant are not obtained. There is a possibility that the piezoelectric ceramic composition having 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 element configuration of the A site in the perovskite structure (ABO 3 ) corresponds to K, Na or K, Na, and Li, and the element configuration of the B site corresponds to Nb, Ta, and Sb. In the composition formula of the perovskite structure, when the stoichiometric ratio of the atoms constituting the A site and the atoms constituting the B site is 1: 1, a complete perovskite structure is obtained. In particular, K, Na, Li, and Sb are volatilized by several%, specifically, about 3% in a firing step or the like, and all constituent elements are mixed by several% in a mixing pulverization or granulation step, and specifically, It may fluctuate by about 3%. That is, the stoichiometric composition may fluctuate 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。 In order to cope with such compositional fluctuations in the manufacturing process, the compositional ratio of the piezoelectric ceramic composition after firing is increased by ± several%, more specifically ± 3 to 5 by intentionally changing the composition ratio. %. This is the same for, for example, the conventional zirconate titanate (PZT), and the mixing ratio is adjusted in consideration of the evaporation of lead during firing and the incorporation of zirconia from zirconia balls as 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}(Nb1-z-wTazSbw)O3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≦y≦1,0<z≦0.4,0<w≦0.2,0.95≦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, electrical characteristics such as piezoelectric characteristics do not significantly change even if the composition ratio is intentionally changed as described above.
Accordingly, in the present invention, the general formula Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) compound represented by O 3, this a perovskite structure formula When applied to ABO 3 , the composition ratio of A-site atoms and B-site atoms can be shifted to about ± 5 mol% with respect to 1: 1. In order to reduce lattice defects in the formed crystal and obtain high electrical characteristics, the composition is preferably up to about ± 3%.
That is, the general compound of formula as the main component of the piezoelectric ceramic composition, [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 ≦ y ≦ 1, 0 <z ≦ 0.4, 0 <w ≦ 0.2, 0.95 ≦ a, b ≦ 1.05) Including. Further, as described above, in the above equation, the range of a and b is preferably 0.97 ≦ a, b ≦ 1.03.
また,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3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} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, it is preferable that z + w ≦ 0.37.
In this case, it is possible to further improve the unique properties to the piezoelectric ceramic composition such as the piezoelectric d 31 constant.
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 piezoelectricity and dielectric properties, and can be used as both a piezoelectric substance and a dielectric substance. Specifically, for example, piezoelectric actuators, piezoelectric filters, piezoelectric vibrators, piezoelectric transformers, piezoelectric ultrasonic motors, piezoelectric gyro sensors, knock sensors, yaw rate sensors, airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, It can be used as a piezoelectric igniter or the like.
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}(Nb1-z-wTazSbw)O3のxの範囲は,0<x≦0.2であることが好ましい(請求項2)。
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 general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) range of x O 3 is 0 < It is preferable that x ≦ 0.2 (claim 2).
In this case, since Li is an essential component, the piezoelectric ceramic composition can easily produce a fired body at the time of firing, further improve the 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 reduced, and Li plays a role of a firing aid, enabling firing with few voids.
次に,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3のxの値は,x=0とすることができる(請求項3)。
この場合には,上記一般式は(K1-yNay)(Nb1-z-wTazSbw)O3で表される。そしてこの場合には,上記圧電磁器組成物を作製する際に,その原料中に例えばLi2CO3のように,最も軽量なLiを含有してなる化合物を含まないので,原料を混合し上記圧電磁器組成物を作製するとき,原料粉の偏析による特性のばらつきを小さくすることができる。また,この場合には,高い比誘電率と比較的大きな圧電g定数を実現できる。
Then, the value of the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3 of x may be a x = 0 (claim 3).
In this case, the general formula is represented by (K 1-y Na y) (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3. In this case, when preparing the piezoelectric ceramic composition, since the raw material does not include a compound containing lightest Li, such as Li 2 CO 3 , the raw materials are mixed and mixed. When producing a piezoelectric ceramic composition, it is possible to reduce variation in characteristics due to segregation of raw material powder. In this case, a high relative dielectric constant and a relatively large piezoelectric g constant can be realized.
また,上記一般式{Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3における上記yの範囲は,0<y≦1であることが好ましい。(請求項4)
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。
Similarly, the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) range of the y in O 3 is preferably 0 <y ≦ 1. (Claim 4)
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 even more preferably 0.05 ≦ y ≦ 0.75. In these cases, the piezoelectric d 31 constant and electromechanical coupling factor Kp of the piezoelectric ceramic composition can be further improved. Still more preferably, 0.05 ≦ y <0.75, more preferably 0.35 ≦ y ≦ 0.65, and even more preferably 0.35 ≦ y <0.65. Most preferably, 0.42 ≦ y ≦ 0.60 is good.
また,上記一般式において,上記yの値はy=0とすることができる(請求項5)。
この場合には,上記一般式は{(LixK)1-x}(Nb1-z-wTazSbw)O3で表される。そしてこの場合には,上記圧電磁器組成物はNaを含まず,上記圧電磁器組成物の誘電損失及び誘電損失の長期安定性を向上させることができる。
In the general formula, the value of y can be set to y = 0 (claim 5).
In this case, the general formula is expressed by {(Li x K) 1- x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3. In this case, the piezoelectric ceramic composition does not contain Na, so that the dielectric loss of the piezoelectric ceramic composition and the long-term stability of the dielectric loss can be improved.
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6)。
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 is preferably a piezoelectric d 31 constant is 30 Pm/V more (Claim 6).
In this case, by utilizing the high piezoelectric d 31 constant called the 30 Pm/V above, the piezoelectric ceramic composition having high sensitivity piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric transformer, piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric gyroscope , 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, it may not be available to the piezoelectric element which requires excellent sensitivity the piezoelectric ceramic composition.
In order to obtain an excellent piezoelectric sensor characteristic or a larger piezoelectric actuator characteristics of more sensitive, and more preferably the piezoelectric d 31 constant is 40 Pm/V more. More preferably, it is 80 pm / V or more. More preferably, the piezoelectric d 31 constant is preferably 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7)。
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 (claim 7).
In this case, the piezoelectric ceramic composition is used as a piezoelectric transformer, an ultrasonic motor element, a sensor element, and 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。
If 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 requiring an excellent boost ratio.
Further, in order to obtain a more excellent step-up 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(請求項8)。
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, the piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, and a piezoelectric transformer having excellent conversion efficiency between mechanical energy and electric energy are utilized by utilizing the high electromechanical coupling coefficient Kp of 0.3 or more. It can be used as a piezoelectric ultrasonic motor, piezoelectric gyro sensor, knock sensor, yaw rate sensor, airbag sensor, back sonar, corner sonar, piezoelectric buzzer, piezoelectric speaker, 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。
If the electromechanical coupling coefficient Kp is less than 0.3, the piezoelectric ceramic composition may not be able to be used for a piezoelectric element requiring excellent conversion efficiency between the mechanical energy and the electric energy. .
In order to obtain a more excellent conversion efficiency between mechanical energy and electric energy, the electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more. More preferably, it is 0.4 or more. 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(請求項9)。
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 (claim 9).
In this case, taking advantage of a low dielectric loss of 0.09 or less, the piezoelectric ceramic composition is used to convert the piezoelectric ceramic composition into a dielectric element such as a capacitor, a piezoelectric actuator, a piezoelectric filter, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric transformer, a piezoelectric ultrasonic motor, and a piezoelectric gyro sensor. , Knock sensors, yaw rate sensors, airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, and piezoelectric igniters.
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, an ultrasonic motor element, or the like.
More preferably, the dielectric loss is 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(請求項10)。
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, the piezoelectric ceramic composition preferably has a relative dielectric constant of 400 or more (claim 10).
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used as a dielectric element such as a capacitor having a large capacitance by utilizing the high relative dielectric constant of 400 or more.
If the relative dielectric constant is less than 400, the capacitance may decrease, and the piezoelectric ceramic composition may not be used as a dielectric element such as a capacitor.
Further, the relative dielectric constant is more preferably 430 or more. More preferably, it is 600 or more.
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11)。
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 (Claim 11).
In this case, by utilizing the high Curie temperature Tc of 200 ° C. or more, the piezoelectric ceramic composition can be used in a high temperature environment exceeding 100 ° C., for example, near an engine of an automobile.
When the Curie temperature Tc is lower than 200 ° C., when the piezoelectric ceramic composition is used in a high temperature place, for example, near the engine of an automobile, its properties such as a piezoelectric d 31 constant and an electromechanical coupling coefficient Kp are deteriorated. There is a possibility that.
Further, 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12)。
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 more and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more (claim 12).
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, and the like under a high temperature environment exceeding 100 ° C. .
In order to obtain an excellent piezoelectric sensor characteristic or a larger piezoelectric actuator characteristics of more sensitive, it is preferable that the piezoelectric d 31 constant is 40 Pm/V more. More preferably, it is 80 pm / V or more. More preferably, the piezoelectric d 31 constant is preferably 100 pm / V or more.
Further, 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7×10-3mVm/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13)。
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 mVm / N or more and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more (claim 13).
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 under a high temperature environment exceeding 100 ° C.
Further, in order to obtain a more excellent step-up ratio, the piezoelectric g 31 constant is more preferably 10 × 10 −3 Vm / N or more.
Further, 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(請求項14)。
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, it is preferable that the piezoelectric ceramic composition 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 a temperature of 100 ° C., the piezoelectric ceramic composition can be converted into a piezoelectric actuator element, a piezoelectric vibrator, a sensor element, a piezoelectric transformer element, an ultrasonic wave element having excellent conversion efficiency between mechanical energy and electric energy. It can be used as a motor element or the like.
In order to obtain a more excellent conversion efficiency between mechanical energy and electric energy, the electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more. More preferably, it is 0.4 or more.
Further, 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(請求項15)。
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, it is preferable that the piezoelectric ceramic composition has a dielectric loss of 0.09 or less and a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more.
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, and the like under a high temperature environment exceeding 100 ° C.
More preferably, the dielectric loss is 0.035 or less.
Further, 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16)。
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. 16).
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be used in a high-temperature environment exceeding 100 ° C., and can have excellent sensitivity and conversion efficiency between mechanical energy and electric energy.
Further, more excellent piezoelectric sensor characteristics of sensitivity, or to obtain a larger piezoelectric actuator characteristics, it is more preferable that the piezoelectric d 31 constant is 40 Pm/V more. Further, the electromechanical coupling coefficient Kp is more preferably 0.34 or more.
また,上記第3の発明(請求項18)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 (claim 18), the compound containing lithium includes, for example, Li 2 CO 3 , Li 2 O, LiNO 3 , and LiOH. The sodium-containing compounds 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 , KTaO 3 and the like. The compound comprising the above-mentioned niobium, there is for example Nb 2 O 5, Nb 2 O 3, NbO 2 , and the like. Examples of the tantalum-containing compound include Ta 2 O 5 . The compound comprising the above antimony, there are for example Sb 2 O 5, Sb 2 O 3, Sb 2 O 4 or the like.
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19)。
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 the compound containing niobium is Is Nb 2 O 5 , the compound containing tantalum is Ta 2 O 5 , and the compound containing antimony is Sb 2 O 5 or Sb 2 O 3. Preferred (claim 19).
In this case, the piezoelectric ceramic composition can be easily produced.
次に,上記第4の発明(請求項20)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 (claim 20), as the piezoelectric element, 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, There are airbag sensors, back sonars, corner sonars, piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, and piezoelectric igniters.
次に,上記第5の発明(請求項21)において,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。 Next, in the fifth invention (claim 21), 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<z≦0.4,0<w≦0.2の組成範囲にある。
(Example)
Next, a piezoelectric ceramic composition according to an example of the present invention will be described.
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 <z ≦ 0.4, 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, a method for producing the piezoelectric ceramic composition of the present 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 , and Sb 2 O 5 having a purity of 99% or more were prepared as raw materials of 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. They were mixed at a stoichiometric ratio such that 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 Tables 1 to 6, which will be described later, x is x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10, 0.15 and 0.20 were set.
As y, 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 is set to be 0.02, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.1, and 0.2.
Then, the raw materials mixed so as to have the respective stoichiometric compositions were mixed in acetone by a ball mill for 24 hours to prepare a mixture.
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, this mixture was calcined at 750 ° C. for 5 hours, and the calcined mixture was ground by a ball mill for 24 hours. Subsequently, polyvinyl butyral was added as a binder and granulated.
The granulated powder was pressed at a pressure of 2 ton / cm 2 into a disk having a diameter of 18 mm and a thickness of 1 mm, and the formed body was fired at 1000 to 1300 ° C. for 1 hour to produce a fired body. . The firing temperature at this time was selected to be a temperature at which the maximum density was obtained between 1000 ° C and 1300 ° C. Further, 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 polished in parallel and circularly polished, and then gold electrodes were provided on both surfaces of the disk sample by sputtering. Then, a DC voltage of 1 to 5 kV / mm was applied between the electrodes in a silicone oil at 100 ° C. for 10 minutes to polarize in the thickness direction to obtain a piezoelectric ceramic composition.
Thus, piezoelectric ceramic compositions (
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。
In this example,
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 of the
These raw materials were mixed at a stoichiometric ratio such that the general formula (K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 was obtained, and mixed in a ball mill for 24 hours in acetone to obtain a mixture.
This mixture was calcined, granulated, molded, fired, and polarized in the same manner as in
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。
In addition, 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 satisfying 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
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 permittivity 33 33T / ε 0 , and the dielectric loss tan δ were measured for the
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 electromechanical coupling factor Kp, the resonance using an impedance analyzer - was measured by anti-resonance method.
The dielectric loss and relative permittivity were measured at a measurement frequency of 1 kHz using an impedance analyzer.
The Curie temperature Tc is the temperature at which the relative dielectric constant is the highest, which is the Curie temperature Tc.
Tables 7 to 12 show the results.
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, Long-term stability of dielectric loss was measured for 107, 110, 112, 115, 118, 119, 123 to 129, 133, 134, 136 to 140, 143, 145, 151, 152 and
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 polarized sample and the
Tables 13 and 14 show the results.
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 can be seen from Tables 6 to 12,
Here, the sample 155~ sample 180 in Table 12, in the general formula {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, x, z and w Are fixed and the value of y is changed to show various piezoelectric characteristics and dielectric characteristics. 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 each piezoelectric d 31 constant value of 155 to 180 is shown as 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。
In addition, as is known from Tables 6 to 12,
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。
Further,
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。
Further,
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 known from Tables 13 and 14, the dielectric loss of each sample did not increase significantly after 50 days, 100 days, or 200 days, and was excellent in stability. On the other hand, the dielectric loss of the
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, focusing on the piezoelectric d 31 constant, as known from Table 1 to Table 12, x = 0.04, y = 0.54, z = 0.1 and w = 0.06, (Sample 175) At that time, 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。
Moreover, as known from Table 6 and Table 12, in the general formula Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, by changing the value of y It can be seen that when the piezoelectric ceramic composition is manufactured, the piezoelectric d 31 constant changes significantly.
Accordingly, for easy understanding of the relationship of y values and the piezoelectric d 31 constant in the above general formula, shows the results of the piezoelectric d 31 constant in the table 12 in FIG. 1. 1, the horizontal axis represents the value of y in the above general formula, the vertical axis shows 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 can be understood from FIG. 1, in order to realize a high piezoelectric d 31 constant called 40 pm / V or more, the general formula Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w It can be seen that it is preferable that the value of y in O 3 be 0.05 ≦ y <0.75. Further, when the range of the value of y is 0.35 ≦ y ≦ 0.65, a higher piezoelectric d 31 constant of 80 pm / V or more can be realized. Further, when the range of the value of y is 0.42 ≦ y ≦ 0.60, a higher piezoelectric d 31 constant exceeding 100 pm / V can be realized. However, this preferable range of the value of y changes when the values of x, z, and w in the above 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。
In the case of using the charge detection type circuit or a current detection type circuit is generally the piezoelectric d 31 constant, the acceleration sensor, weighting sensor, is proportional to the output voltage of the piezoelectric type sensor, such as an impact sensor and the knock sensor. Viewed from that point, it is possible to piezoelectric d 31 constant make a big sensor element of the charge sensor output higher piezoelectric ceramic composition. Then, in making a sensor element having a
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 actuators, generally the piezoelectric d 31 constant is proportional to the generated distortion or displacement of the piezoelectric actuator. Viewed from that point, it is possible to piezoelectric d 31 constant make a big actuator element of higher piezoelectric ceramic composition generates distortion or displacement. And making the actuator element having a
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。 Focusing on the electromechanical coupling coefficient Kp, as can be seen 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。
Generally, 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 vibrator. From that point, a piezoelectric ceramic composition having a higher electromechanical coupling coefficient Kp can produce a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, an actuator element, or an ultrasonic transducer having higher electromechanical energy conversion efficiency. In order to produce a piezoelectric transformer element, an ultrasonic motor element, an actuator element, or an ultrasonic vibrator having characteristics equal to or higher than that of the
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。
In addition, focusing on the Curie temperature Tc, the Curie temperature Tc of the piezoelectric ceramic compositions of the
In order to use the sensor component, actuator component, ultrasonic motor component, etc. for high temperature more stably for a long time, the Curie temperature Tc is preferably 200 ° C. or more. 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。 Moreover, focusing on the piezoelectric g 31 constant, as known from Table 1 to Table 12, x = 0, y = 0.5, z = 0.002, and w = 0.04 when (Sample 31), piezoelectric The g 31 constant showed the highest value of 16.2 × 10 −3 Vm / N.
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 the piezoelectric sensor, the piezoelectric transformer element, the ultrasonic motor element and the like, like the piezoelectric d 31 constant. Therefore, it is possible to make a large sensor voltage sensor output as the piezoelectric g 31 constant high piezoelectric ceramic composition. In order to manufacture a sensor having characteristics equal to or higher than that of the
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
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 permittivity ε 33T / ε 0 is generally proportional to the capacitance of a capacitor such as a multilayer capacitor component. From this viewpoint, a piezoelectric ceramic composition having a higher relative dielectric constant can produce a capacitor having a larger capacitance. In order to manufacture a capacitor, it can be said that it is preferable to have a dielectric constant of at least 400 or more. Further, more preferably, 430 or more are preferable. More preferably, those having 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。
Focusing on the dielectric loss tan δ, the dielectric loss tan δ of the
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 above-mentioned dielectric loss is proportional to the heat energy lost by applying an AC voltage to components such as a capacitor such as a capacitor component, a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric actuator, and a piezoelectric transformer. From this point of view, a piezoelectric ceramic composition having a smaller dielectric loss can produce a capacitor having a smaller energy loss and a piezoelectric ultrasonic motor, a piezoelectric actuator, and a piezoelectric transformer having a smaller heat generation. In order to produce the above-described component having a small energy loss, the component preferably has 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。 Focusing on the long-term stability of the dielectric loss, as shown in Tables 13 and 14, z = 0.002, that is, a sample having a very small Ta content, has a large dielectric loss when left in the air for a long time. Disadvantage. On the other hand, in the sample where z> 0.002 and w ≠ 0, the change in the dielectric loss is small even when the sample is left in the atmosphere for a long time, and the value of the dielectric loss is kept at a small value of 0.09 or less. Thus, in the general formula the general formula shown in the present invention {Li x (K 1-y Na y) 1-x} (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3, 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。 As shown in Table 12, Comparative Examples 2, 3, and 5, which are not included in the composition range of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, have piezoelectric d 31 constants of 0.5, 9.81, and 13.31 pm / respectively. V was found to be a low value. In addition, Comparative Example 4 has a piezoelectric d 31 constant of 42.62 pm / V, but has a low Curie temperature of 117 ° C. and requires a Curie temperature of 200 ° C. or higher, and thus cannot be used as an automobile part.
Claims (21)
A dielectric element comprising a dielectric comprising the piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 16.
Priority Applications (1)
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