DE102021106052A1

DE102021106052A1 - Piezoelektrische zusammensetzung und elektronisches bauteil

Info

Publication number: DE102021106052A1
Application number: DE102021106052.4A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Hirose; Yuiko HIROSE
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-09-16
Also published as: CN113402274A; CN113402274B; US20210288239A1; JP2021150337A; JP7415696B2

Abstract

Die Piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, umfasst: Kohlenstoff, und eine Hauptkomponente, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht. Die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs beträgt 350 bis 700 ppm nach Gewicht.

Description

TECHNIKBEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Zusammensetzung, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht, und ein elektronisches Bauteil, das die piezoelektrische Zusammensetzung enthält.
HINTERGRUND
Die piezoelektrische Zusammensetzung hat einen Effekt (piezoelektrischer Effekt), bei dem Ladungen auf einer Oberfläche auftreten, wenn auf diese eine Belastung von einer Außenseite aus einwirkt, und sie hat einen Effekt (inverser piezoelektrischer Effekt), bei dem eine Verformung auftritt, wenn ein elektrisches Feld an eine Außenseite angelegt wird, und zwar auf der Grundlage spontaner Polarisation, die durch eine Verschieben von Ladungen in einem Kristall verursacht wird. Das heißt, die piezoelektrische Zusammensetzung kann mechanische Energie und elektrische Energie jeweils ineinander umwandeln.
Als piezoelektrische Zusammensetzung wird häufig eine piezoelektrische Komponente auf Bleibasis (im Folgenden als „PZT-Verbindung“ bezeichnet) verwendet, die aus Bleizirkonat (PbZrO₃) und Bleititanat (PbTiO₃) besteht, wie in JP 2006-196717 A beschrieben. Die piezoelektrische Zusammensetzung auf Bleibasis enthält jedoch Bleioxid (PbO), welches einen einem niedrigen Schmelzpunkt hat, in einer Menge von etwa 60 Gew.-% bis 70 Gew.-%, so dass es wahrscheinlich ist, dass sich Bleioxid zum Zeitpunkt des Brennens verflüchtigt. Daher wird eine bleifreie piezoelektrische Zusammensetzung unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung zu einem sehr wichtigen Thema.
In Bezug auf dieses Thema hat zuletzt eine Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis (z. B. wie in JP 2014-177355 A offenbart) als neue umweltfreundliche piezoelektrische Zusammensetzung Aufmerksamkeit erregt. Die auf Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis hat relativ hohe piezoelektrische Eigenschaften im Vergleich zu anderen bleifreien piezoelektrischen Zusammensetzungen. Allerdings ist die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis der Verbindung auf PZT-Basis in den piezoelektrischen Eigenschaften unterlegen und genügt daher noch nicht als Ersatz für die Verbindung auf PZT-Basis. Insbesondere besteht die Forderung nach einer Verbesserung eines mechanischen Gütekoeffizienten Qm und einer Verbesserung der Langzeitstabilität von Qm.
ZUSAMMENLASSUNG
Die Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Situation erreicht, und das Ziel ist es, eine bleifreie piezoelektrische Zusammensetzung, die einen hohen mechanischen Gütekoeffizienten Qm und eine zufriedenstellende Langzeitstabilität von Qm aufweist, und ein elektronisches Bauteil, das die piezoelektrische Zusammensetzung enthält bereitzustellen.
Um den oben genannten Zweck zu erreichen, enthält die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung:

Kohlenstoff und einer Hauptkomponente, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht,
wobei eine Menge des enthaltenen Kohlenstoffs 350 bis 700 ppm nach Gewicht beträgt.

Üblicherweise wird davon ausgegangen, dass eine kleinere Menge an enthaltenem Kohlenstoff vorzuziehen ist, um hohe piezoelektrische Eigenschaften in der piezoelektrischen Zusammensetzung zu erhalten. Tatsächlich offenbart JP 2006-196717 A , dass die Reduktion des Bleioxids in einem piezoelektrischen Element, das aus einer Verbindung auf PZT-Basis besteht, durch die Verringerung der Menge des enthaltenen Kohlenstoffs in einem Stapelkörper reduziert wird und somit die piezoelektrischen Eigenschaften zufriedenstellend werden. Als Ergebnis einer gründlichen Untersuchung erhielten die vorliegenden Erfinder die folgende Erkenntnis. In der piezoelektrischen Zusammensetzung, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht, wird durch das Enthalten einer vorbestimmten Menge an Kohlenstoff ein hoher mechanischer Gütekoeffizient Qm erhalten, und die Langzeitstabilität von Qm wird zufriedenstellend, im Gegensatz zur oben genannten konventionellen technischen Idee.
Vorzugsweise wird die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis durch eine Zusammensetzungsformel von (KxNay)NbO3 ausgedrückt, und vorzugsweise,
x erfüllt eine Beziehung von 0,5000 ≤ x ≤ 1,000, und
die Summe von x und y erfüllt eine Beziehung von 0,980 ≤ x + y ≤ 1,000.
Durch die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis, die die obige Zusammensetzung erfüllt, wird ein Deliqueszenzphänomen unterdrückt, und somit können eine hohe Qm und eine zufriedenstellende Langzeitstabilität auf kompatible Weise erfüllt werden.
Vorzugsweise beträgt die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs 380 bis 600 ppm nach Gewicht. Wenn die Menge des in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltenen Kohlenstoffs innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eingestellt wird, wird Qm weiter verbessert, und die Langzeitstabilität wird zufriedenstellender. Darüber hinaus wird der Isolationswiderstand 1×10¹⁰ Ω·cm oder größer. Durch den hohen Isolationswiderstand ist es weniger wahrscheinlich, dass ein dielektrischer Spannungsdurchschlag auftritt, selbst wenn eine hohe Spannung während einer Polarisationsbehandlung oder ähnlichem angelegt wird. Das heißt, die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung wird verbessert.
Vorzugsweise beträgt ein CV-Wert (Coefficient of Variation) der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung in einem Querschnitt der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung 0,5 bis 2,5.
Der CV-Wert ist ein Index, der den Grad der Dispersion in der Konzentrationsverteilung repräsentiert, und je niedriger der CV-Wert ist, desto geringer ist die Variation der Konzentrationsverteilung. In der piezoelektrischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung wird durch den CV-Wert der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung innerhalb des oben beschriebenen Bereichs Qm weiter verbessert, und die Langzeitstabilität von Qm wird zufriedenstellender. Darüber hinaus wird der Isolationswiderstand 1×10¹² Ω·cm oder höher, und die Spannungsfestigkeit wird weiter verbessert.
Ein Element, das die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, kann mechanische Energie und elektrische Energie ineinander umwandeln und kann als elektronisches Bauteil in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Zum Beispiel ist die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem piezoelektrischen Aktuator anwendbar, der sich den inversen piezoelektrischen Effekt zu Nutze macht. In dem piezoelektrischen Aktuator, der die piezoelektrische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält, wird eine kleine Auslenkung mit hoher Genauigkeit durch Anlegen einer Spannung erzielt, wobei die Ansprechgeschwindigkeit hoch ist. Dementsprechend kann der piezoelektrische Aktuator z. B. als Antriebselement für optische Komponenten, als Kopfantriebselement für Festplatten, als Kopfantriebselement für Tintenstrahldrucker, als Antriebselement für Kraftstoffeinspritzventile und als Element für haptische Geräte verwendet werden. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße piezoelektrische Zusammensetzung auch als piezoelektrischer Summer oder als piezoelektrischer Lautsprecher, der den inversen piezoelektrischen Effekt nutzt, einsetzbar.
Darüber hinaus ist die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen Sensor anwendbar, der eine kleine Kraft oder einen eine Auslenkung um einen kleinen Betrag durch Nutzung des piezoelektrischen Effekts misst. Da die piezoelektrische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Ansprechcharakteristika aufweist, kann darüber hinaus die piezoelektrische Zusammensetzung selbst oder ein elastischer Körper, welcher mit der piezoelektrischen Zusammensetzung verbunden ist, durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes angeregt werden, um Resonanz zu verursachen. Dementsprechend ist die piezoelektrische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung für einen piezoelektrischen Transformator, einen Ultraschallmotor und dergleichen anwendbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt der piezoelektrischen Zusammensetzung zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Elements gemäß der Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird ein piezoelektrisches Element 5 (elektronisches Bauteil) beschrieben, auf das eine piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform aufgebracht ist. Das in 1 gezeigte piezoelektrische Element 5 hat ein plattenförmiges piezoelektrisches Teil 1 und ein Paar von Elektroden 2 und 3, die auf einem Paar von gegenüberliegenden Oberflächen gebildet sind, die beide Hauptflächen 1a und 1b des piezoelektrischen Teils 1 sind.
Das piezoelektrische Teil 1 ist ein gesinterter Körper und wird durch die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform gebildet. Details der piezoelektrischen Zusammensetzung werden später beschrieben. Darüber hinaus besteht das Elektrodenpaar 2 und 3 aus einem leitfähigen Material, und das leitfähige Material kann entsprechend den gewünschten Eigenschaften, Verwendungszwecken oder dergleichen ohne besondere Einschränkung beliebig gewählt werden. Zum Beispiel können Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) oder eine Legierung, die mindestens eines der oben genannten Elemente enthält, als leitfähiges Material der Elektroden 2 und 3 verwendet werden.
In 1 hat das piezoelektrische Teil 1 eine rechteckige Parallelepipedform, aber die Form des piezoelektrischen Teils 1 kann entsprechend den gewünschten Eigenschaften, Verwendungszwecken oder ähnlichem ohne besondere Einschränkung beliebig festgelegt werden. Darüber hinaus können die Abmessungen des piezoelektrischen Teils 1 entsprechend den gewünschten Eigenschaften, Verwendungszwecken und dergleichen ohne besondere Einschränkung beliebig festgelegt werden.
Darüber hinaus ist das piezoelektrische Teil 1 in einer vorgegebenen Richtung polarisiert. Zum Beispiel wird das in 1 gezeigte piezoelektrische Element 5 in einer Dickenrichtung des piezoelektrischen Teils 1 polarisiert, d. h. in einer Richtung, in der die Elektroden 2 und 3 einander gegenüberliegen. Dann wird z. B. eine externe Stromversorgung, eine externe Schaltung oder ähnliches über einen Draht (nicht dargestellt) oder ähnliches elektrisch mit den Elektroden 2 und 3 verbunden. Dementsprechend wird z. B., wenn eine vorbestimmte Spannung von der externen Stromversorgung über die Elektroden 2 und 3 an das piezoelektrische Teil 1 angelegt wird, im piezoelektrischen Teil 1 aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wodurch das piezoelektrische Teil 1 in einer vorbestimmten Richtung schwingt. Außerdem können, wenn von der Außenseite eine Spannung auf das piezoelektrische Teil 1 ausgeübt wird, durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte Ladungen über die Elektroden 2 und 3 in den externen Stromkreis abgeführt werden.
Als nächstes wird eine piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten piezoelektrischen Teils 1, d. h. eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Zusammensetzung. Wie in 2 gezeigt, weist die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform Hauptphasenkörner 4, Korngrenzen 6, die Grenzlinien zwischen den Hauptphasenkörnern 4 sind, und zwischen den Hauptphasenkörnern 4 vorhandene Nebenphasen 8 auf.
Die Hauptphasenkörner 4 enthalten als Hauptkomponente ein Verbundoxid, auch als Kompositoxid bezeichnet, mit einer Perowskitstruktur, ausgedrückt durch die allgemeine Formel ABO₃. Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform die Hauptkomponente eine Komponente ist, die 90 Mol-% oder mehr in Bezug auf 100 Mol-% der piezoelektrischen Zusammensetzung einnimmt.
In der Perowskitstruktur neigt ein Element mit einem großen Ionenradius, beispielsweise ein Alkalimetallelement, ein Erdalkalimetallelement oder ähnliches, dazu, eine A-Stelle von ABO₃ zu besetzen, und ein Element mit einem kleinen Ionenradius, beispielsweise ein Übergangsmetallelement oder ähnliches, neigt dazu, eine B-Stelle von ABO₃ zu besetzen. Darüber hinaus bildet ein BO₆-Sauerstoff-Oktaeder, das aus einem B-Stellen-Element und Sauerstoff besteht, ein dreidimensionales Netzwerk, das sich einen Scheitelpunkt teilt, und ein Hohlraum des Netzwerks ist mit einem A-Stellen-Element gefüllt, wodurch die Perowskitstruktur gebildet wird.
In dieser Ausführungsform ist das Verbundoxid als Hauptkomponente der piezoelektrischen Zusammensetzung eine Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis, und die allgemeine Formel ABO₃ wird durch eine Zusammensetzungsformel (KxNay)NbO3 ausgedrückt. Das heißt, das A-Stellen besetzende Element ist Kalium (K) und/oder Natrium (Na), und das B-Stellen besetzende Element ist Niob (Nb).
In der Zusammensetzungsformel stellt „x“ ein Verhältnis der Anzahl der Atome von K zu einer Gesamtzahl von Atomen des B-Stellen besetzenden Elements dar, und „y“ stellt ein Verhältnis der Anzahl der Atome von Na zu der Gesamtzahl der Atome des B-Stellen besetzenden Elements dar. Dementsprechend stellt „x + y“ ein Verhältnis der Gesamtzahl der Atome des A-Stellen besetzenden Elements zu der Gesamtzahl der Atome des B-Stellen besetzenden Elements dar, d.h. ein sogenanntes A/B-Verhältnis.
In dieser Ausführungsform kann „x“ so eingestellt werden, dass es eine Beziehung von 0 < x ≤ 1,000 erfüllt und vorzugsweise 0,5000 bis 1,000 beträgt. Noch bevorzugter erfüllt „x“ eine Beziehung von 0,800 ≤ x ≤ 1,000 und noch bevorzugter 0,800 ≤ x ≤ 0,998. Das heißt, in dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass ein Besetzungsanteil von K in der A-Stelle größer ist als das von Na.
Außerdem wird „x + y“ vorzugsweise so eingestellt, dass eine Beziehung von 0,970≤ x + y ≤ 1,000 erfüllt wird. Noch bevorzugter wird „x + y“ auf 0,980 bis 1,000, und noch bevorzugter auf 0,980 bis 0,998 eingestellt. In dieser Ausführungsform kann eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit dadurch erreicht werden, dass das B-Stellen besetzende Element (Nb) im Vergleich zu dem A-Stellen besetzenden Element (K, Na) im Überschuss vorhanden ist. Es ist zu beachten, dass in einem Fall, in dem „x + y“ größer als der oben beschriebene Bereich ist (im Falle des Überschreitens von 1,0), die piezoelektrische Zusammensetzung eine hohe Deliqueszenz aufweist und die Festigkeit dazu neigt deutlich abzunehmen. Wenn „x + y“ kleiner als der oben beschriebene Bereich ist, nimmt die Dichte der piezoelektrischen Zusammensetzung ab und damit neigt die mechanische Festigkeit dazu abzunehmen.
Ferner kann ein Teil des B-Stellen besetzenden Elements durch Tantal (Ta) substituiert sein. Wenn jedoch Nb mit Ta substituiert ist, beträgt das Verhältnis der Anzahl der Ta-Atome in der B-Stelle vorzugsweise 10 % oder weniger.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform Kupfer (Cu) als eine Subkomponente enthält. Es ist bevorzugt, dass die Gehaltsmenge an Cu in der piezoelektrischen Zusammensetzung innerhalb eines Bereichs von 0 bis 1,5 Molteilen gerechnet als CuO in Bezug auf 100 Molteile der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis als Hauptkomponente liegt. In dem Fall, dass Cu als die Subkomponente enthalten ist, deren Vorliegen nicht besonders begrenzt, und Cu kann in den Hauptphasenkörnern 4, die durch die Hauptkomponente gebildet werden, als bzw. in einem Mischkristall (Englisch: solid solution) vorliegen oder an den Korngrenzen 6 vorliegen. In einem Fall, in dem Cu an den Korngrenzen 6 vorliegt, kann Cu eine Verbindung mit einem anderen Element bilden.
Durch das Vorhandensein von Cu in den Hauptphasenkörnern 4 und/oder an den Korngrenzen 6 wird eine Kopplungskraft zwischen den Hauptphasenkörnern 4 groß, und die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung kann erhöht werden. Darüber hinaus bezieht sich die Menge an enthaltenem Cu auf „x + y“, wie oben beschrieben, und wenn die Menge an enthaltenem Cu und der Bereich von „x + y“ auf die oben beschriebenen Bereiche eingestellt sind, kann Cu in den Hauptphasenkörnern 4 als bzw. in einem Mischkristall vorliegen oder an der Korngrenze 6 verbleiben. Infolgedessen kann die Kopplungskraft zwischen den Hauptphasenkörnern 4 durch die Korngrenzen 6 verstärkt werden.
Darüber hinaus trägt die Zugabe von Cu als Subkomponente auch zu einer Verbesserung eines mechanischen Gütekoeffizienten Qm bei. In einem Fall, in dem die Menge an enthaltenem Cu übermäßig groß ist, besteht jedoch das Problem, dass während einer Polarisationsbehandlung der piezoelektrischen Zusammensetzung ein durch das Anlegen einer Spannung verursachter Leckstrom auftreten kann und so möglicherweise keine ausreichende Polarisation erzielt werden würde. In diesem Fall wird die Polarisation unzureichend, und die piezoelektrischen Eigenschaften, die durch die Ausrichtung der ursprünglich zufälligen Polarisationsrichtung in eine vorgegebene definierte Richtung entstehen, verschlechtern sich als eine Folge davon. In dieser Ausführungsform wird im Falle der Zugabe von Cu als Subkomponente durch Steuerung der enthaltenen Cu-Menge und des Bereichs von „x + y“ innerhalb der oben beschriebenen Bereiche das Auftreten des Leckstroms unterdrückt, und es kann eine ausreichende Polarisationsbehandlung durchgeführt werden. Als Ergebnis trägt es zu einer Verbesserung des mechanischen Gütekoeffizienten Qm bei.
Darüber hinaus kann die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform eine andere Komponente als Subkomponente außer Cu enthalten. Zum Beispiel kann die piezoelektrische Zusammensetzung mindestens eine Subkomponente enthalten, die aus Übergangsmetallelementen (Element der Gruppe 3 bis Gruppe 11 im Periodensystem des langen Zeitraums) ausgenommen Nd, Ta und Cu, Elementen der Gruppe 2, Elementen der Gruppe 12 und Elementen der Gruppe 13 des Periodensystems und Germanium (Ge) ausgewählt ist.
Beispiele für Übergangsmetallelemente, die keine Seltenen Erden sind, sind Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Wolfram (W) und Molybdän (Mo). Darüber hinaus sind Beispiele für Seltene Erden Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb).
Magnesium (Mg) und Strontium (Sr) sind beispielhaft für die Elemente der Gruppe 2, Zink (Zn) ist beispielhaft für die Elemente der Gruppe 12, und Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In) sind beispielhaft für die Elemente der Gruppe 13.
Es ist zu beachten, dass die anderen Subkomponenten als Cu in Kombination mit der Cu-Subkomponente oder anstelle der Cu-Subkomponente zugegeben werden können. Unter den Subkomponenten (außer Cu) werden vorzugsweise Ge, Cr, Ni und Zn ausgewählt.
Im Falle der Zugabe von Ge als Subkomponente liegt der Ge-Gehalt vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 1,5 Molteilen gerechnet als GeO₂ bezogen auf 100 Molteile der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis. Ge ist hauptsächlich an den Korngrenzen 6 enthalten, und indem Ge an den Korngrenzen 6 enthalten ist, wird davon ausgegangen, dass ein Deliqueszenzphänomen der piezoelektrischen Zusammensetzung unterdrückt werden kann. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die Menge an Ge, die in den Hauptphasenkörnern 4 in oder als Mischkristall vorliegt, gering ist, und es ist noch bevorzugter, dass Ge nicht in oder als Mischkristall in den Hauptphasenkörnern 4 vorliegt.
Es wird davon ausgegangen, dass das Deliqueszenzphänomen der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis wie folgt verursacht wird. Insbesondere unterliegt die in der Verbindung enthaltene Alkalimetallverbindung (K, Na) einer Hydratisierung mit Feuchtigkeit in der Luft. Infolgedessen wird ein Bereich, der die Hydratisierung durchlaufen hat, brüchig, und die Kopplungskraft zwischen den Hauptphasenkörnern 4 nimmt ab. Es wird davon ausgegangen, dass, indem Ge an den Korngrenzen 6 enthalten ist, die Alkalimetallkomponente leicht von einer Form, in der die Alkalimetallkomponente wahrscheinlich die Hydratisierung durchläuft, in eine Form überführt wird, in der die Alkalimetallkomponente weniger wahrscheinlich die Hydratisierung durchläuft, und so eine Verschlechterung der mechanischen Festigkeit aufgrund des Deliqueszenzphänomens unterdrückt werden kann.
Andererseits liegt im Falle der Zugabe von Cr, Ni oder Zn als Subkomponente die Gehaltsmenge der obigen Elemente vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 2,0 Molteilen gerechnet als CrO_3/2, NiO oder ZnO, und bezogen auf 100 Molteile einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis. Indem die Cr-, Ni- oder Zn-Subkomponente in dem oben beschriebenen Bereich enthalten ist, werden ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient k31 und die dielektrische Durchschlagsfestigkeit tendenziell verbessert.
Beachten Sie, dass die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform Blei (Pb) als Verunreinigung enthalten kann, aber die Menge an enthaltenem Pb ist vorzugsweise 1 Massenprozent oder weniger in Bezug auf 100 Massenprozent der piezoelektrischen Zusammensetzung, und es ist noch bevorzugter, dass Pb nicht enthalten ist.
Darüber hinaus enthält die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform neben der Hauptkomponente und den Subkomponenten Kohlenstoff. Der Kohlenstoff ist enthalten, weil bei der Kalzinierung ein nicht umgesetztes Alkalimetall zurückbleibt, das später beschrieben wird. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Menge an Kohlenstoff, die in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthalten ist, 350 bis 700 ppm bezogen auf das Gewicht, und bevorzugter 380 bis 600 ppm bezogen auf das Gewicht und noch bevorzugter 400 bis 500 ppm bezogen auf das Gewicht beträgt. Obwohl Details später beschrieben werden, wird durch den Gehalt an Kohlenstoff innerhalb des oben beschriebenen Bereichs ein hoher Qm-Wert erreicht und die Langzeitstabilität des Qm-Wertes wird zufriedenstellend.
Beachten Sie, dass der mechanische Gütekoeffizient Qm ein Index ist, der die Schärfe der mechanischen Schwingung bei einer Resonanzfrequenz angibt, und je höher der numerische Wert ist, desto besser sind die Eigenschaften. Es ist erforderlich, dass Qm stabil ist, ohne sich im Laufe der Zeit zu verändern (insbesondere ohne Abnahme), und in dieser Ausführungsform ist „Langzeitstabilität von Qm‟ ein Index, der die Stabilität von Qm anzeigt.
Der in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltene Kohlenstoff liegt hauptsächlich an den Korngrenzen 6 und den Nebenphasen 8 vor. Vorzugsweise ist der Kohlenstoff nicht Teil eines Mischkristalls in den Hauptphasenkörnern 4. Die kohlenstoffhaltigen Sekundärphasen 8 existieren zwischen den Hauptphasenkörnern 4, d. h. an einem Teil der Korngrenzen 6, und können außer Kohlenstoff auch Sauerstoff, K, Na, Nb, Cu, Zn und dergleichen enthalten. Es wird davon ausgegangen, dass die piezoelektrische Zusammensetzung, d.h. der Sinterkörper, durch die Existenz der kohlenstoffhaltigen Sekundärphasen 8 dichter wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Kopplungskraft zwischen den Hauptphasenkörnern 4 in einem größer werden kann, wenn K, Na, Nb und dergleichen, die auch in der Hauptkomponente enthalten sind, in den kohlenstoffhaltigen Nebenphasen 8 enthalten sind.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass eine durchschnittliche Korngröße der kohlenstoffhaltigen Sekundärphasen 8 ungefähr gleich oder größer als eine durchschnittliche Korngröße der Hauptphasenkörner 4 ist. Hier kann die durchschnittliche Korngröße der Hauptphasenkörner 4 unter den Gesichtspunkten der Ausbildung der piezoelektrischen Eigenschaften und der mechanischen Festigkeit eingestellt werden. Zum Beispiel wird in dieser Ausführungsform die durchschnittliche Korngröße vorzugsweise auf 0,5 bis 20 µm in Bezug auf einen äquivalenten Kreisdurchmesser eingestellt. Andererseits ist es bevorzugt, dass die mittlere Korngröße der kohlenstoffhaltigen Sekundärphasen 8 auf das 1,0- bis 3,0-fache der mittleren Korngröße der Hauptphasenkörner 4 in Bezug auf den äquivalenten Kreisdurchmesser eingestellt ist. Man beachte, dass die durchschnittliche Korngröße der Hauptphasenkörner 4 und die durchschnittliche Korngröße der Sekundärphasen 8 durch Untersuchung eines Querschnitts der piezoelektrischen Zusammensetzung mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM), einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) oder dergleichen und durch Durchführung einer Bildanalyse einer damit erhaltenen Querschnittsfotografie erhalten werden kann.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltene Kohlenstoff unter vorgegebenen Bedingungen dispergiert ist, ohne lokal konzentriert zu sein. Konkret beträgt in einem beliebigen Querschnitt der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform ein CV-Wert (Variationskoeffizient) einer Kohlenstoffkonzentrationsverteilung vorzugsweise 0,50 bis 2,50, und noch bevorzugter 0,50 bis 2,00. Dabei wird der CV-Wert durch eine Standardabweichung bzw. einen Mittelwert ausgedrückt und ist ein Index, der den Grad der Streuung angibt. Je niedriger der CV-Wert ist, desto gleichmäßiger ist der Kohlenstoff dispergiert.
In dieser Ausführungsform können die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs und der CV-Wert der Konzentrationsverteilung z. B. durch das folgende Verfahren gemessen werden. Zunächst kann die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs mit einem Kohlenstoff-Schwefel-Analysator (CS-Analysator) gemessen werden. Im CS-Analysator wird ein Pulver, das durch Pulverisieren der piezoelektrischen Zusammensetzung in einem Mörser o.ä. gewonnen wurde, als Messprobe verwendet. Außerdem wird die Pulverprobe in dem Gerät mit einem Hochfrequenzofen erhitzt und verbrannt, um den in der Probe enthaltenen Kohlenstoff in Kohlendioxid (CO₂) und den Schwefel in Schwefeldioxidgas (SO₂) umzuwandeln. Darüber hinaus werden das erzeugte CO₂ und SO₂ durch ein nicht-dispersives Infrarot-Absorptionsverfahren oder ähnliches gemessen, um die in der Messprobe enthaltenen Mengen an Kohlenstoff und Schwefel zu berechnen. Dementsprechend ist die Menge an enthaltenem Kohlenstoff eine Nettomenge an Kohlenstoff, die in der Messprobe (piezoelektrische Zusammensetzung) enthalten ist, und es ist bevorzugt, die gleiche Messung mindestens dreimal durchzuführen und die Menge als Durchschnittswert zu berechnen.
Zusätzlich kann der CV-Wert durch die Durchführung einer Mapping-Analyse mit dem Elektronensonden-Mikroanalyzer (EPMA) berechnet werden. Bei der Mapping-Analyse mit der EPMA wird ein vorgegebener Querschnitt (Messbereich) in einem konstanten Intervall mit Elektronenstrahlen bestrahlt und für jeden Messpunkt eine Komponentenanalyse durchgeführt. Demnach kann eine Konzentrationsverteilung eines bestimmten Elements (Messelement) visualisiert, d. h. abgebildet werden. Die Konzentration des spezifischen Elements an jedem Messpunkt wird durch eine Leuchtdichte ausgedrückt, die einer Integrationsintensität eines Detektionspeaks (eines Peaks einer charakteristischen Röntgenstrahlung des spezifischen Elements) entspricht, und je höher ein Leuchtdichtepegel ist, desto höher ist ein anteiliges Auftreten des spezifischen Elements am Messpunkt. Außerdem entspricht ein Messintervall bei der Mapping-Analyse der Größe eines Pixels in den erhaltenen Mapping-Daten, und die Anzahl der Messpunkte entspricht der Anzahl der Pixel in den Mapping-Daten.
Der CV-Wert der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung wird auf der Grundlage eines Mittelwerts und einer Standardabweichung einer Grundgesamtheit berechnet, indem die Daten der Leuchtdichte an jedem Messpunkt als Grundgesamtheit festgelegt werden. Bei der Berechnung des CV-Wertes wird das Messintervall in der Mapping-Analyse vorzugsweise kleiner als 1 µm² eingestellt, und die Anzahl der Messpunkte wird vorzugsweise auf mindestens 128× 128 oder größer eingestellt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Größe des Messbereichs ein Bereich von 50 bis 250 µm zum Quadrat entspricht (kann ein rechteckiger Bereich sein). Außerdem ist es im Hinblick auf den CV-Wert vorteilhaft, dass die Abbildungsanalyse mindestens zweimal durch Ändern des Messbereichs durchgeführt wird und der CV-Wert durch einen Mittelwert davon gewichtet wird.
Im Folgenden wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten piezoelektrischen Elements 5 beschrieben.
Zunächst werden die Rohmaterialien der piezoelektrischen Zusammensetzung hergestellt. Als Rohmaterialien der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis als Hauptkomponente können eine K-haltige Verbindung und eine Nb-haltige Verbindung verwendet werden, und eine Na-haltige Verbindung kann nach Bedarf verwendet werden. Beispiele für die K-haltige Verbindung und die Na-haltige Verbindung sind Carbonate, Hydrogencarbonatverbindungen oder dergleichen. Darüber hinaus umfassen Beispiele für die Nb-haltige Verbindung Oxide oder ähnliches.
Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem die piezoelektrische Zusammensetzung die Subkomponente enthält, als Rohmaterial der Subkomponente beispielsweise ein elementares Metall, ein Oxid, ein Verbundoxid, Carbonat, Oxalat, Acetat, ein Hydroxid, ein Halogenid, eine organische Metallverbindung oder Ähnliches verwendet werden. In einem Fall, in dem Cu als Subkomponente zugesetzt wird, umfassen Beispiele für das Ausgangsmaterial von Cu eine einfache Cu-Substanz, ein Kupferoxid oder ein Cu-haltiges Verbundoxid wie K_αCu_βTa_γO_δ und K_αCu_βNb_γO_δ. Insbesondere ist es bevorzugt Kupferoxid (CuO) zu verwenden.
Die Rohstoffe der Hauptkomponente und der Rohstoff der Subkomponente sind Pulver, und eine durchschnittliche Teilchengröße davon liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5,0 µm.
Als Nächstes werden die vorbereiteten Rohstoffe der Hauptkomponente in einem vorbestimmten Verhältnis eingewogen und 5 bis 20 Stunden lang unter Verwendung eines Mischers, wie z. B. einer Kugelmühle, gemischt. In Bezug auf ein Mischverfahren kann Nassmischen oder Trockenmischen verwendet werden. Es ist zu beachten, dass im Falle der Durchführung des Nassmischens ein nach dem Mischen erhaltenes Mischpulver getrocknet wird.
Als nächstes wird das resultierende Rohmaterial, das in dem oben beschriebenen Prozess gemischt wurde, kalziniert. Es wird davon ausgegangen, dass hierdurch der in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltene Kohlenstoff in die piezoelektrische Zusammensetzung eingebaut wird, wenn eine nach der Kalzinierung verbleibende nicht umgesetzte Alkalimetallkomponente mit Kohlendioxid aus der Luft reagiert. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass die Menge des in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltenen Kohlenstoffs proportional zur Menge der verbliebenen nicht umgesetzten Alkalimetallkomponente ist. Dementsprechend ist es bevorzugt, die Form der piezoelektrischen Zusammensetzung bei der Kalzinierung und die Bedingungen bei der Kalzinierung so einzustellen, dass die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs und der Grad der Dispersion des Kohlenstoffs innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eingestellt werden.
Beispielsweise wird die Form bei der Kalzinierung vorzugsweise auf eine zusammenhängende Volumenform, zu Englisch bulk form (temporärer Formkörper) statt auf eine Pulverform eingestellt. In diesem Fall wird ein gemischtes Pulver aus den Rohstoffen vor dem Kalzinieren gepresst, um einen temporären Formkörper zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise eine uniaxiale Pressvorrichtung als Formvorrichtung verwendet, und der Druck beim Formen wird vorzugsweise auf etwa 10 bis 50 MPa eingestellt. Darüber hinaus kann der temporäre Formkörper durch Verwendung einer kaltisostatischen Presse (CIP-Formvorrichtung) erhalten werden.
Darüber hinaus ist es im Hinblick auf die Kalzinierungsbedingungen bevorzugt, dass eine Ofenatmosphäre auf eine Luftatmosphäre, eine Haltetemperatur auf 850 °C bis 1030 °C und eine Haltezeit auf 1 bis 20 Stunden eingestellt ist. Wenn der temporäre Formkörper unter diesen Bedingungen kalziniert wird, erhält man einen kalzinierten Körper des Verbundoxids, und in dem kalzinierten Körper tritt eine angemessene Menge an nicht umgesetzter Alkalimetallkomponente auf.
Man beachte, dass das Verbundoxid, das den erhaltenen kalzinierten Körper bildet, die Perowskitstruktur hat, die durch eine allgemeine Formel KNbO₃ oder (K, Na)NbO₃ ausgedrückt wird. Außerdem wird der erhaltene kalzinierte Körper durch einen Pulverisierer, wie z. B. eine Kugelmühle, für eine vorbestimmte Zeit pulverisiert. Eine durchschnittliche Teilchengröße des auf diese Weise erhaltenen pulverisierten Pulvers beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2,0 µm.
Darüber hinaus wird im Falle der Zugabe der Subkomponente das in einem vorbestimmten Verhältnis abgewogene Rohmaterial der Subkomponente zu dem obigen pulverisierten Pulver hinzugefügt und gemischt, um ein Pulver der piezoelektrischen Zusammensetzung zu erhalten. Das Mischen der Hauptkomponente und der Subkomponente kann im Nassmischverfahren oder im Trockenmischverfahren mit verschiedenen Mischern wie der Kugelmühle und einer Perlmühle wie beim Mischen der Rohstoffe der Hauptkomponente erfolgen.
Ein Grünling der piezoelektrischen Zusammensetzung wird unter Verwendung des wie oben beschriebenen erhaltenen Pulvers hergestellt. Ein Verfahren zum Formen des Pulvers der piezoelektrischen Zusammensetzung ist nicht besonders beschränkt und kann in Übereinstimmung mit einer gewünschten Form, gewünschten Abmessungen und dergleichen entsprechend gewählt werden. Bei der Durchführung des Pressformens werden dem Pulver der piezoelektrischen Zusammensetzung ein vorbestimmtes Bindemittel und, falls erforderlich, Zusätze wie ein Weichmacher, ein Dispergiermittel und ein Lösungsmittel zugesetzt, und dann wird der resultierende Verbundstoff in eine vorbestimmte Form geformt, um einen Grünling zu erhalten. Alternativ kann eine Granulierung durch Zugabe des Bindemittels und dergleichen zum Pulver der piezoelektrischen Zusammensetzung durchgeführt werden, und ein Grünling kann unter Verwendung des erhaltenen granulierten Pulvers hergestellt werden. Darüber hinaus kann der erhaltene Grünling bei Bedarf durch CIP oder Ähnliches weiter verpresst werden. Als Bindemittel kann hier z. B. ein Acrylbindemittel, ein Ethylcellulosebindemittel, ein Polyvinylbutyralbindemittel oder Ähnliches verwendet werden.
Der erhaltene Grünling wird einer Entbinderungsbehandlung unterzogen. Als Bedingungen für die Entbinderungsbehandlung wird eine Haltetemperatur vorzugsweise auf 400 °C bis 800 °C und eine Temperaturhaltezeit vorzugsweise auf 2 bis 4 Stunden eingestellt.
Anschließend wird der Grünling nach der Entbinderungsbehandlung einem Hauptbrennschritt unterzogen. Als Bedingungen für den Hauptbrennschritt wird eine Haltetemperatur vorzugsweise auf 1000°C bis 1100 °C und eine Haltezeit vorzugsweise auf 2 bis 4 Stunden eingestellt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass eine Temperaturerhöhungsrate und eine Temperatursenkungsrate des Hauptbrennschritts in einem Bereich von 1,5 °C/min bis 5,0 °C/min eingestellt sind. Des Weiteren wird eine Ofenatmosphäre in während des Brennens vorzugsweise auf eine sauerstoffhaltige Atmosphäre eingestellt und kann auf eine Luftatmosphäre eingestellt werden.
Die piezoelektrische Zusammensetzung als Sinterkörper wird durch den Hauptbrennschritt erhalten. Beachten Sie, dass die Menge des in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltenen Kohlenstoffs auch in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Hauptkomponente oder der Art der hinzugefügten Subkomponente variieren kann.
Der erhaltene Sinterkörper wird nach Bedarf poliert und eine Elektrodenpaste wird auf beide Hauptoberflächen des Sinterkörpers aufgetragen und eingebrannt, um virtuelle bzw. vorläufige Elektroden zu bilden. Beachten Sie, dass ein Verfahren zur Bildung der virtuellen Elektroden nicht besonders eingeschränkt ist und durch Aufdampfen, Sputtern oder Ähnliches durchgeführt werden kann.
Als nächstes wird der Sinterkörper, in dem die virtuellen Elektroden ausgebildet sind, einer Polarisationsbehandlung unterzogen. Die Polarisationsbehandlung wird in Öl durchgeführt, das auf einer vorbestimmten Temperatur (ca. 80 °C bis 150 °C) gehalten wird, während ein elektrisches Feld von 2 bis 5 kV/mm für ca. fünf Minuten bis eine Stunde an den Sinterkörper angelegt wird. Durch die Polarisationsbehandlung erhält man eine piezoelektrische Zusammensetzung, bei der eine spontane oder zufällige Polarisation in eine vorbestimmte oder definierte Richtung ausgerichtet ist.
Außerdem wird die piezoelektrische Zusammensetzung nach der Polarisationsbehandlung in vorbestimmten Abmessungen nach Bedarf bearbeitet, wodurch das plattenförmige piezoelektrische Teil 1 entsteht. Als nächstes werden die Elektroden 2 und 3 auf dem piezoelektrischen Teil 1 durch ein Verfahren wie Einbrennen von Elektrodenpaste, Aufdampfen, Sputtern, Plattieren oder Ähnliches gebildet, um das in 1 gezeigte piezoelektrische Element 5 zu erhalten. Beachten Sie, dass als Elektroden 2 und 3 die vor der Polarisationsbehandlung gebildeten virtuellen Elektroden unverändert verwendet werden können.
(Zusammenfassung dieser Ausführungsform)
Die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform enthält die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis als Hauptkomponente und enthält Kohlenstoff innerhalb des oben beschriebenen Bereichs (350 bis 700 ppm, bezogen auf das Gewicht).
Als Ergebnis einer gründlichen Untersuchung haben die vorliegenden Erfinder die folgende Erkenntnis gewonnen. In der piezoelektrischen Zusammensetzung, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht, wird durch das Enthalten einer vorbestimmten Menge an Kohlenstoff ein hoher mechanischer Gütekoeffizient Qm erhalten, und die Langzeitstabilität von Qm wird zufriedenstellend, im Gegensatz zu dem Geist in der verwandten Technik.
Der Grund, warum Qm und die Langzeitstabilität von Qm verbessert werden, ist nicht klar, aber zum Beispiel wird der folgende Grund in Betracht gezogen. In einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis im verwandten Stand der Technik ist es wahrscheinlich, dass sich ein Alkalimetallelement beim Brennen verflüchtigt und ein Hohlraum, ein Defekt oder ähnliches nach dem Brennen im Inneren der piezoelektrischen Zusammensetzung auftritt. In diesem Fall wird durch das Vorhandensein des Hohlraums oder des Defekts innerhalb der piezoelektrischen Zusammensetzung davon ausgegangen, dass Feuchtigkeit oder ähnliches aus der Luft in oder an dem Hohlraum oder dem Defekt adsorbiert wird und so die Vibration (Antrieb) der piezoelektrischen Zusammensetzung behindert wird. Außerdem wird davon ausgegangen, dass Feuchtigkeit oder ähnliches in der Luft mit einer in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltenen Alkalimetallkomponente reagiert und eine Verschlechterung von Qm im Laufe der Zeit auftritt.
Im Gegensatz dazu wird bei der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform davon ausgegangen, dass eine Kohlenstoffkomponente in Form der Sekundärphasen 8 hauptsächlich zwischen den Hauptphasenkörnern 4 vorhanden ist. Außerdem wird davon ausgegangen, dass das Auftreten von Fehlstellen oder Defekten aufgrund der in den Sekundärphasen 8 vorhandenen Kohlenstoffkomponente unterdrückt wird. Dementsprechend wird in der piezoelektrischen Zusammensetzung dieser Ausführungsform davon ausgegangen, dass eine Behinderung der Schwingung aufgrund der Adsorption von Feuchtigkeit oder ähnlichem und einer Reaktion zwischen der Feuchtigkeit und der Alkalimetallkomponente, wie oben beschrieben, unterdrückt wird, und Qm verbessert wird und Qm sich mit der Zeit weniger wahrscheinlich verschlechtert.
Darüber hinaus wird in der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform, wie oben beschrieben, die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis durch eine Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ ausgedrückt, und „x“ und „x + y“ in der Zusammensetzungsformel erfüllen vorbestimmte Beziehungen. Indem die Hauptkomponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wird Qm höher, und das Deliqueszenzphänomen kann unterdrückt werden.
Darüber hinaus wird in der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform durch Steuerung der Menge des enthaltenen Kohlenstoffs innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (380 bis 600 ppm oder 400 bis 500 ppm, jeweils bezugen auf das Gewicht) ein hoher Qm-Wert beibehalten, und die Langzeitstabilität des Qm-Wertes kann weiter verbessert werden. Außerdem nimmt der Isolationswiderstand einen Wert von 1×10¹⁰ Ω·cm oder größer an. Wenn der Isolationswiderstand hoch ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass ein dielektrischer Spannungsdurchschlag auftritt, selbst wenn eine hohe Spannung während einer Polarisationsbehandlung angelegt wird. Das heißt, die Durchschlagsfestigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung wird verbessert.
Darüber hinaus wird in der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform der CV-Wert der Konzentrationsverteilung von Kohlenstoff in einem beliebigen Querschnitt innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eingestellt bzw. gehalten. Dementsprechend wird Qm weiter verbessert, und die Langzeitstabilität von Qm wird weiter zufriedenstellend. Darüber hinaus wird der Isolationswiderstand einen Wert von 1×10¹² Ω·cm oder größer an, und die Durchschlagsfestigkeit wird weiter verbessert.
(Modifikationsbeispiel)
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde das piezoelektrische Element 5 beschrieben, bei dem der piezoelektrische Teil 1 eine einzelne Schicht ist, aber ein piezoelektrisches Element kann auch derart konfiguriert sein, dass piezoelektrische Schichten laminiert sind. Darüber hinaus ist auch ein piezoelektrisches Element möglich, das eine Konfiguration aufweist, in der der einlagige Teil und der laminierte Teil kombiniert sind. Genauer gesagt ist die „Kombinationskonfiguration“ ein Fall, in dem das piezoelektrische Element einen Bereich aufweist, in dem die piezoelektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten abwechselnd laminiert sind, und einen Bereich, der nur aus dem piezoelektrischen Teil ohne Laminierung der Elektrodenschichten besteht.
Als piezoelektrisches Element mit darauf laminierter piezoelektrischer Schicht ist beispielsweise ein in 3 gezeigtes piezoelektrisches Element 50 beispielhaft dargestellt. Das piezoelektrische Element 50 hat einen Stapelkörper 10, in dem eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11, die durch die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform gebildet werden, und eine Vielzahl von inneren Elektrodenschichten 12 abwechselnd laminiert sind. Ein Paar von Anschlusselektroden 21 und 22, die elektrisch mit den internen Elektrodenschichten 12 verbunden sind, die abwechselnd innerhalb des Stapelkörpers 10 angeordnet sind, sind an beiden Endabschnitten des Stapelkörpers 10 ausgebildet.
Die Dicke (Zwischenschichtdicke) jeder der piezoelektrischen Schichten 11 ist nicht besonders begrenzt und kann in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, der gewünschten Verwendung oder ähnlichem beliebig festgelegt werden. Bevorzugt beträgt die Zwischenschichtdicke etwa 1 bis 100 µm. Die Anzahl der laminierten piezoelektrischen Schichten 11 ist nicht besonders begrenzt und kann entsprechend den gewünschten Eigenschaften, der gewünschten Verwendung oder ähnlichem beliebig festgelegt werden.
Darüber hinaus bestehen die inneren Elektrodenschichten 12 aus einem leitfähigen Material und enthalten hauptsächlich ein Edelmetallelement wie Ag, Pd, Au und Pt, ein Nichtedelmetallelement wie Cu und Ni oder eine Legierung, die mindestens eines dieser Elemente enthält. Die Dicke jeder der inneren Elektrodenschichten ist ebenfalls nicht besonders begrenzt und kann z. B. auf 0,5 bis 2,0 µm eingestellt werden. Beachten Sie, dass die Anschlusselektroden 21 und 22 so eingestellt werden können, dass sie die gleiche Konfiguration wie in den in 1 gezeigten Elektroden 2 und 3 haben.
Das in 3 gezeigte piezoelektrische Element 50 wird zum Beispiel wie folgt hergestellt. Insbesondere wird ein Grünling, der zum Stapelkörper 10 wird, vorbereitet und der Grünling wird gebrannt, um den Stapelkörper 10 zu erhalten. Dann werden die Anschlusselektroden 21 und 22 auf den Stapelkörper 10 gedruckt oder übertragen und gebrannt. Beispiele für ein Verfahren zur Herstellung des grünen Chips umfassen ein typisches Druckverfahren unter Verwendung einer Paste und ein Folienverfahren. Sowohl bei dem Druckverfahren als auch bei dem Folienverfahren Folienmethode wird als Farbe eine Paste verwendet, die durch Mischen des Pulvers der piezoelektrischen Zusammensetzung und eines Vehikels erhalten wird, das durch Auflösen eines Bindemittels in einem Lösungsmittel erhalten wird.
Beachten Sie, dass die Bedingungen für die Entbinderungsbehandlung und den Hauptbrennschritt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform eingestellt werden können. In einem Fall, in dem die inneren Elektrodenschichten 12 aus einem unedlen Metall bestehen, ist es jedoch vorteilhaft, den Hauptbrennschritt in einer Stickstoffatmosphäre oder einer Mischatmosphäre aus Stickstoff und Wasserstoff durchzuführen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, nach dem Hauptbrennschritt eine Reoxidationsbehandlung durchzuführen.
Wie bei dem in 3 gezeigten piezoelektrischen Element 50 können, da die mehreren piezoelektrischen Schichten 11 laminiert sind, ein Auslenkungsbetrag und eine Antriebskraft pro Volumeneinheit im Vergleich zu dem piezoelektrischen Element 5 vom nicht-laminierten Typ weiter vergrößert werden. Man beachte, dass auch im piezoelektrischen Element 50, da die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform enthalten ist, der gleiche Effekt wie in der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt wird.
Die in 1 und 3 gezeigten piezoelektrischen Elemente 5 und 50 können mechanische Energie und elektrische Energie ineinander umwandeln und sind als elektronisches Bauteil in verschiedenen Bereichen einsetzbar. So ist z. B. die Anwendung in einem piezoelektrischen Aktuator möglich, der den inversen piezoelektrischen Effekt nutzt. Da eine kleine Auslenkung mit hoher Genauigkeit erreicht wird und die Ansprechgeschwindigkeit in Bezug auf eine angelegte Spannung schnell ist, kann der piezoelektrische Aktuator, der die piezoelektrische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält, beispielsweise als Antriebselement für optische Komponenten, als Kopfantriebselement für Festplatten, als Kopfantriebselement für Tintenstrahldrucker, als Antriebselement für Kraftstoffeinspritzventile und als Element für haptische Geräte verwendet werden. Darüber hinaus sind die piezoelektrischen Elemente 5 und 50 auch als piezoelektrischer Summer oder als piezoelektrischer Lautsprecher, der den inversen piezoelektrischen Effekt nutzt, einsetzbar.
Darüber hinaus sind die piezoelektrischen Elemente 5 und 50 für einen Sensor anwendbar, der eine kleine Kraft oder eine kleine Auslenkung durch Nutzung des piezoelektrischen Effekts erfasst. Da die piezoelektrischen Elemente 5 und 50, die die piezoelektrische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthalten, außerdem ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten aufweisen, kann die piezoelektrische Zusammensetzung selbst oder ein elastischer Körper, der mit der piezoelektrischen Zusammensetzung verbunden ist, durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an diese angeregt werden, wodurch eine Resonanz hervorgerufen werden kann. Demnach ist auch die Anwendung in einem piezoelektrischen Transformator, einem Ultraschallmotor und dergleichen möglich.
Vorstehend wurde die Ausführungsform der Erfindung beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Zum Beispiel hat das in 1 gezeigte piezoelektrische Element 5 in einer Draufsicht eine annähernd rechteckige Form, aber es gibt keine Beschränkung auf die Form, und das piezoelektrische Element 5 kann in einer Draufsicht zum Beispiel eine elliptische Form, eine kreisförmige Form oder eine polygonale Form haben. Darüber hinaus sind bei dem in 3 gezeigten piezoelektrischen Element 50 die Anschlusselektroden 21 und 22 elektrisch mit den inneren Elektrodenschichten 12 verbunden, wobei es diesbezüglich keine Einschränkung gibt. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung mit den internen Elektrodenschichten 12 durch elektrische Verbindung der internen Elektrodenschicht 12 mit einem Paar von Durchgangsloch-Elektroden und durch Verbindung der Durchgangsloch-Elektroden mit Ausgangselektroden, die auf den Hauptoberflächen des Stapelkörpers 10 ausgebildet sind, realisiert werden.
BEISPIELE
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
(Versuch 1)
In Versuch 1 wurden Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß den Beispielen 1 bis 7 hergestellt, indem die Höhe der enthaltenen Kohlenstoffmenge verändert wurde. Nachfolgend werden Details der Versuchsbedingungen beschrieben.
Zunächst wurden als Rohmaterialien der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis, die eine Hauptkomponente der piezoelektrischen Zusammensetzung ist, ein Pulver aus Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃) und ein Pulver aus Nioboxid (Nb₂O₅) hergestellt. Außerdem wurde als Rohmaterial einer Subkomponente ein Pulver aus Kupferoxid (CuO) hergestellt.
Außerdem wurden die vorbereiteten Rohstoffe der Hauptkomponente eingewogen, so dass eine piezoelektrische Zusammensetzung (Sinterkörper) nach dem Brennen eine in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung aufweist. Die eingewogenen Pulver von KHCO₃ und Nb₂O₅ wurden 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle nass gemischt und bei 120 °C getrocknet, um ein Mischpulver zu erhalten.
Als nächstes wurde das gemischte Pulver der Rohstoffe unter Verwendung einer uniaxialen Pressvorrichtung bei einem Formdruck von 20 MPa gepresst, wodurch ein temporärer Formkörper erhalten wurde. Zusätzlich wurde der temporäre Formkörper bei einer vorbestimmten Temperatur für 4 Stunden kalziniert, um einen kalzinierten Körper der Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis zu erhalten. In Versuch 1 wurde die Menge an Kohlenstoff, die in den Proben der Beispiele enthalten war, in Abhängigkeit von den Haltetemperaturen bei der Kalzinierung eingestellt. Die Haltetemperaturen bei der Kalzinierung in den Beispielen 1 bis 7 sind in Tabelle 1 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Atmosphäre bei der Kalzinierung eine Luftatmosphäre war.
Anschließend wurde der kalzinierte Körper 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle pulverisiert, um ein pulverisiertes Pulver zu erhalten. Außerdem wurde dem pulverisierten Pulver eine vorbestimmte Menge CuO-Pulver zugegeben, und die resultierende Mischung wurde 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle nass gemischt und in einem Bad bei einer konstanten Temperatur von 120 °C getrocknet, wodurch ein Pulver der piezoelektrischen Zusammensetzung erhalten wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Menge des zugegebenen CuO auf 1,0 Molteile, bezogen auf 100 Molteile der Hauptkomponente, eingestellt. Als nächstes wurde dem oben genannten Pulver ein Bindemittel zugegeben, und die resultierende Mischung wurde gemischt und mit einem Sieb klassiert, um ein granuliertes Pulver zu erhalten. Darüber hinaus wurde das erhaltene granulierte Pulver Anlegen einer Last von 196 MPa mit einer Pressformvorrichtung geformt, wodurch ein plattenförmiger Grünling erhalten wurde.
Der wie oben beschrieben erhaltene plattenförmige Grünling wurde einer Entbinderungsbehandlung unter Bedingungen von 550 °C und drei Stunden unterzogen. Zusätzlich wurde der Grünling nach der Entbinderungsbehandlung einem Hauptbrennschritt in Luftatmosphäre bei 1050 °C und zwei Stunden unterzogen, wodurch ein Sinterkörper erhalten wurde. Beachten Sie, dass beim Hauptbrennschritt eine Temperaturanstiegsrate und eine Temperaturabsenkungsrate auf 5 °C/min eingestellt wurden.
Anschließend wurde der erhaltene Sinterkörper zu einer parallelen Plattenform mit einer Dicke von 1,0 mm poliert. Darüber hinaus wurde Silberpaste auf beide Oberflächen des Sinterkörpers mit der parallelen Plattenform aufgedruckt und bei 800 °C gebrannt, um gegenüberliegende Silberelektroden zu erhalten. Außerdem wurde der Sinterkörper nach dem Ausbilden der Elektroden auf eine Länge von 12 mm und eine Breite von 3 mm zugeschnitten. Schließlich wurde ein elektrisches Feld von 3 kV/mm in einem Silikonölbad bei 150 °C für fünf Minuten angelegt, um eine Polarisationsbehandlung der piezoelektrischen Zusammensetzung durchzuführen, wodurch die Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß jedem der Beispiele 1 bis 7 erhalten wurde. Es ist zu beachten, dass für jedes der Beispiele mindestens fünf oder mehr Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung hergestellt wurden, für welche die folgende Auswertung durchgeführt wurde.
Messung der Menge an enthaltenem Kohlenstoff
Die Menge des in jeder Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung enthaltenen Kohlenstoffs wurde mit einem Kohlenstoff- und Schwefelanalysator (CS600) der LECO JAPAN CORPORATION gemessen. Hier wurde die Probe für die Messung durch Pulverisieren der piezoelektrischen Zusammensetzungsprobe mit einem Achatmörser gewonnen. Außerdem wurde die CS-Analyse dreimal durchgeführt, und die Menge des in jedem Beispiel enthaltenen Kohlenstoffs wurde als Durchschnittswert berechnet.
Messung des mechanischen Gütekoeffizienten Qm
Qm der Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung wurde mit einem Impedanzanalysator (4194A) der Firma KEYSIGHT TECHNOLOGIES Inc. gemessen. Beachten Sie, dass Qm gemessen wurde, nachdem die Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung nach der Polarisationsbehandlung für 24 Stunden bei Raumtemperatur belassen wurde. In diesem Beispiel wurde ein Bestanden- und Nichtbestanden-Kriterium für Qm auf 1000 oder größer gesetzt, wobei 1500 oder größer als gut und 1800 oder größer als noch besser beurteilt wurde.
Auswertung der Langzeitstabilität
Die Langzeitstabilität der Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung wurde durch Berechnung der Variationsrate von Qm nach Ablauf einer langen Zeitspanne bewertet. Insbesondere wurde Qm nach Ablauf von 100 Stunden nach der Polarisationsbehandlung erneut in ähnlicher Weise wie oben beschrieben gemessen, und eine Variationsrate (ΔQm) von Qm wurde durch den folgenden Berechnungsausdruck erhalten. $\begin{array}{l} Δ Qm (Einheit : %) = {(Qm nach Ablauf von 100 Stunden ab Polarisation - Qm \\ nach Ablauf von 24 Stunden ab Polarisation) / Qm nach Ablauf von 24 Stunden ab \\ Polarisation} \times 100 \end{array}$
In diesem Beispiel wurde ein Bestanden- und Nichtbestanden-Kriterium von ΔQm auf 20 % oder weniger festgelegt, und 10 % oder weniger wurde als gut bewertet.
Beachten Sie, dass in Bezug auf die erhaltene Probe der piezoelektrischen Zusammensetzung zusätzlich zur Auswertung auch eine Elementanalyse mittels EPMA und Röntgenfluoreszenzanalysator (XRF) durchgeführt wurde. Als Ergebnis wurde in allen Beispielen bestätigt, dass die Hauptzusammensetzung mit der Zusammensetzung gemäß einem Zielwert enthalten war, und dass die Subkomponente (Cu) gemäß einem Zielwert enthalten war.
Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2
In Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 wurden Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung hergestellt, indem die Form bei der Kalzinierung und die Haltetemperatur bei der Kalzinierung aus den Beispielen 1 bis 7 geändert wurden. Insbesondere wurde in Vergleichsbeispiel 1 die Form bei der Kalzinierung auf „temporärer Formkörper“ und die Haltetemperatur auf 1040 °C eingestellt. Andererseits wurde in Vergleichsbeispiel 2 die Form bei der Kalzinierung auf „Pulver“ und die Haltetemperatur auf nur 800 °C eingestellt.
Die anderen Versuchsbedingungen in Vergleichsbeispiel 1 und 2 waren die gleichen wie in den Beispielen 1 bis 7, und es wurden die gleichen Bewertungen wie in den Beispielen 1 bis 7 durchgeführt.
Auswertung Ergebnis 1

Die Auswertungsergebnisse von Experiment 1 sind in Tabelle 1 dargestellt. [Tabelle 1]

Probennummer	Hauptkomponente: (K_xNa_y)NbO₃			Subkomponente	Kalzinierbedingungen		Menge an enthaltenem Kohlenstoff	mechanischer Gütekoeffizient:	Langzeitstabilität
Probennummer	x	y	x + y	Rohmaterial	Form	Haltetemperature (°C)	(ppm bezogen auf das Gewicht)	Qm ( - )	ΔQm (%)
Beispiel 1	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	1020	360	2240	18
Beispiel 2	0,998	0	0,988 0,998	CuO	temporärer Formkörper	1010	390	2200	14
Beispiel 3	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	1000	420	2170	8
Beispiel 4	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	975	440	1900	5
Beispiel 5	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	950	450	1780	5
Beispiel 6	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	925	500	1630	5
Beispiel 7	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	900	630	1300	3
Vergleichsbeispiel 1	0,998	0	0,998	CuO	temporärer Formkörper	1040	200	1420	45
Vergleichsbeispiel 2	0,998	0	0,998	CuO	Pulver	800	720	Messung unmöglich

Wie in Tabelle 1 gezeigt, war in Vergleichsbeispiel 1, in dem die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs mit 200 ppm nach Gewicht vergleichsweise klein ist, Qm 1000 oder größer, aber ΔQm war 45 % vergleichsweise hoch, und die Langzeitstabilität von Qm war sehr schlecht. Typischerweise haben Qm und ΔQm eine gegensätzliche Beziehung, und wenn Qm hoch wird, steigt ein Wert von ΔQm, und die Stabilität verschlechtert sich tendenziell. Das heißt, wie die Bewertungsergebnisse von Vergleichsbeispiel 1 zeigen, dass es schwierig ist, gleichzeitig hohes Qm und zufriedenstellendes ΔQm in einer kompatiblen Weise zu erfüllen.
In Bezug auf das Vergleichsbeispiel 2, in dem die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs so groß wie 720 ppm nach Gewicht war, konnte die Polarisation nicht ausreichend durchgeführt werden, und Qm und ΔQm konnten nicht gemessen werden. Der Grund, warum die Polarisation im Vergleichsbeispiel 2 nicht durchgeführt werden konnte, wird das Folgende in Betracht gezogen. Es blieb ein größerer Anteil einer nicht umgesetzten K-Komponente als notwendig nach der Kalzinierung übrig, und so wurde eine große Menge an Feuchtigkeit in bzw. an die piezoelektrische Zusammensetzung adsorbiert und die Widerstandsrate nahm stark ab.
Im Gegensatz zu Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 wurden in den Beispielen 1 bis 7 Ergebnisse erzielt, bei denen Qm und ΔQm das Bestanden- und Nichtbestanden-Kriterium in Kombination erfüllen. So wurde in einem Fall, in dem die enthaltene Kohlenstoffmenge in einem Bereich von 350 bis 700 ppm nach Gewicht liegt, nachgewiesen, dass hohes Qm und zufriedenstellende Langzeitstabilität gleichzeitig bzw. in kompatibler Weise erfüllt werden.
(Versuch 2)
In Versuch 2 wurden Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß den Beispielen 12 bis 21 hergestellt, indem die Zusammensetzung der Hauptkomponente und die Art der hinzugefügten Subkomponente geändert wurde. Insbesondere wurde in den Beispielen 12 bis 15 als Rohmaterial der Hauptkomponente zusätzlich zu KHCO₃ und Nb₂O₅ Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) hergestellt, und die Verhältnisse der Anzahl der K- und Na-Atome (d. h. x und y in der Zusammensetzungsformel) in der erhaltenen piezoelektrischen Zusammensetzung wurden auf die in Tabelle 2 gezeigten Werte eingestellt. Beachten Sie, dass in den Beispielen 12 bis 15 „x + y“ auf 1,000 gesetzt wurde.
Darüber hinaus wurden in den Beispielen 16 und 17 piezoelektrische Zusammensetzungsproben hergestellt, indem ein Verhältnis einer Gesamtzahl von Atomen der A-Stelle zu einer Gesamtzahl von Atomen der B-Stelle (d.h. „x + y“ in der Zusammensetzungsformel) auf einen in Tabelle 2 gezeigten Wert eingestellt wurde.
Darüber hinaus wurde in den Beispielen 18 bis 21 die Konfiguration der Subkomponente gegenüber Versuch 1 geändert. In Beispiel 18 wurde als Subkomponente 1,0 Molteil CuO zu 100 Molteilen der Hauptkomponente zugegeben, und dann wurden 0,5 Molteile Zinkoxid (ZnO) zu 100 Molteilen der Hauptkomponente zugegeben. In Beispiel 19 wurde als Subkomponente 1,0 Molteil CuO zu 100 Molteilen der Hauptkomponente zugegeben und dann wurden 0,8 Molteile Germaniumoxid (GeO₂) zu 100 Molteilen der Hauptkomponente zugegeben. In Beispiel 20 wurden als Subkomponente 1,6 Molteile Magnesiumcarbonat (MnCO₃) zu 100 Molteilen der Hauptkomponente anstelle von CuO zugegeben, und in Beispiel 21 wurden 0,38 Molteile eines Cu enthaltenden Verbundoxids (K_5,4Cu_1,3Ta₁₀O₂₉) zu 100 Molteilen der Hauptkomponente anstelle von CuO zugegeben.
Es ist zu beachten, dass in den jeweiligen Beispielen von Versuch 2 die Form bei der Kalzinierung auf „temporärer Formkörper (Volumenform)“ und die Haltetemperatur bei der Berechnung auf 1000 °C gesetzt wurde. Außerdem wurden in Versuch 2 die Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß den Beispielen 12 bis 21 in einem Zustand erhalten, in dem die anderen Versuchsbedingungen ähnlich wie in Versuch 1 waren.
Darüber hinaus wurde in Versuch 2 zusätzlich zu der in Versuch 1 durchgeführten Auswertung auch der spezifische Widerstand p der Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung gemessen. Der spezifische Widerstand p wurde durch Anlegen einer Spannung von 40 V an die Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung unter Verwendung eines digitalen Ultrahochohm-/Aufzeichnungs-Ampere-Messgeräts (R8340) der Firma ADVANTEST CORPORATION gemessen. Ein Bestanden- und Nichtbestanden-Kriterium des Widerstands wurde auf 1×10¹⁰ Ω·cm oder größer festgelegt, 1×10¹¹ Ω·cm oder größer wurde als gut und 1×10¹² Ω·cm oder größer wurde als noch besser bewertet. Die Bewertungsergebnisse von Versuch 2 sind in Tabelle 2 dargestellt.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, kann man erkennen, dass die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs auch variiert, wenn man die Zusammensetzung der Hauptkomponente und die Art der zugegebenen Subkomponente ändert. Darüber hinaus konnte durch den Vergleich der Beispiele 12 bis 15 miteinander bestätigt werden, dass Qm höher wird, wenn der Anteil an K größer als an Na ist, und auch die Langzeitstabilität von Qm verbessert wird (ΔQm wird niedriger).
Darüber hinaus kann durch den Vergleich der Beispiele 18 bis 21 miteinander verstanden werden, dass Qm höher und ΔQm in den anderen Beispielen, in denen Cu zugesetzt wurde, niedriger ist im Vergleich zu Beispiel 20, in dem Mn zugesetzt wurde. Als Ergebnis könnte aufgefasst werden, dass eine Verbindung, die Cu als zugegebene Subkomponente enthält, bevorzugt ist, und CuO besonders bevorzugt ist.
(Versuch 3)
In Versuch 3 wurden Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß Beispiel 31 und Beispiel 35 durch Veränderung des Niveaus des CV-Wertes hergestellt. In Versuch 3 wurde der Grad der Dispersion des Kohlenstoffs (CV-Wert) durch Steuerung der Haltetemperatur bei der Kalzinierung und der Haltetemperatur beim Hauptbrennschritt eingestellt. Konkret wurde in Beispiel 31 die Haltetemperatur bei der Kalzinierung auf 1000 °C und die Haltetemperatur im Hauptbrennschritt auf 1050 °C eingestellt. In Beispiel 35 hingegen wurde die Haltetemperatur bei der Kalzinierung auf 990 °C und die Haltetemperatur im Hauptbrennschritt auf 1040 °C eingestellt.
Zusätzlich wurde in Experiment 3 der CV-Wert der erhaltenen Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung durch eine Mapping-Analyse der EPMA gemessen. Insbesondere wurde die Mapping-Analyse für drei Beobachtungsfelder unter den Bedingungen eines Messintervalls von 0,5 µm × 0,5 µm und der Anzahl der Messpunkte von 256×256 durchgeführt, und der CV-Wert (ein Durchschnittswert für drei Beobachtungsfelder) wurde aus den Ergebnissen der Mapping-Analyse berechnet. Die CV-Werte von Beispiel 31 und Beispiel 35 sind in Tabelle 3 dargestellt.
Es ist zu beachten, dass in Experiment 3, auch in jedem Beispiel, das Verhältnis der Rohstoffe angepasst wurde, um eine Zusammensetzungsformel K_0,995NbO₃ zu erfüllen,. Weiterhin wurden 1,0 Molteile CuO und 0,5 Molteile ZnO als Subkomponente hinzugefügt. Die anderen Versuchsbedingungen wurden ähnlich wie in Versuch 2 eingestellt, und Qm, ΔQm und der spezifische Widerstand der erhaltenen Proben mit piezoelektrischer Zusammensetzung wurden gemessen. Die Auswertungsergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

[Tabelle 3]

Probennummer	Hauptkomponente: (K_xNa_y)NbO₃			Subkomponente		Menge an erthalenem Kohlenstoff	CV Wert	mechanischer Gütekoeflizient	Langzeitstabilität	spezifischer Widerstand
Probennummer	x	y	x + y	Rohmaterial 1	Rohmaterial 2	(ppm bezogen auf das Gewicht)	(-)	Qm (-)	ΔQm (%)	p (Ω·cm)
Beispiel 31	0,995	0	0,995	CuO	ZnO	430	3,51	1940	6	4,5×10¹¹
Beispiel 3 5	0,995	0	0,995	CuO	ZnO	430	1,48	2420	5	2,8×10¹²

Wie in Tabelle 3 gezeigt, war in Beispiel 35, in dem der CV-Wert kleiner war, Qm höher und der Isolationswiderstand wurde höher im Vergleich zu Beispiel 31. Als Ergebnis konnte bestätigt werden, dass, wenn Kohlenstoff gleichmäßig in der piezoelektrischen Zusammensetzung dispergiert ist, Qm höher wird und der Isolationswiderstand weiter zufriedenstellend wird.
Bezugszeichenliste

5: piezoelektrisches Element
1: Piezoelektrisches Teil
4: Hauptphasenkorn
6: Korngrenze
8: Sekundärphase
2, 3: Elektrode
50: (Vielschicht) Piezoelektrisches Element
10: Stapelkörper
11: Piezoelektrische Schicht
12: innere Elektrodenschicht
21, 22: Anschlusselektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006196717 A [0003, 0007]
JP 2014177355 A [0004]

Claims

Piezoelektrische Zusammensetzung, umfassend Kohlenstoff und eine Hauptkomponente, die aus einer Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis besteht, wobei eine Menge des enthaltenen Kohlenstoffs 350 bis 700 ppm nach Gewicht beträgt.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Verbindung auf Alkalimetallniobatbasis durch eine Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ ausgedrückt wird, x eine Beziehung von 0,5000 ≤ x ≤ 1,000 erfüllt, und die Summe von x und y eine Beziehung von 0,980 ≤ x + y ≤ 1,000 erfüllt.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs 380 bis 600 ppm nach Gewicht beträgt.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein CV-Wert der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung in einem Querschnitt der piezoelektrischen Zusammensetzung 0,5 bis 2,5 beträgt.
Elektronisches Bauteil, umfassend die piezoelektrische Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.