DE10237291A1

DE10237291A1 - Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, dessen Herstellungsverfahren und piezoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10237291A1
Application number: DE2002137291
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Nonoyama; Yasuyoshi Saito; Kazumasa Takatori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: DE10237291B4; JP5000817B2; JP2003055048A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung mit einem hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, einer großen piezoelektrischen Belastungskonstante und einem geringen dielektrischen Verlust und einer herausragenden dielektrischen Verluststabilität mit der Zeit, einem Produktionsverfahren davon, und einer piezoelektrischen Vorrichtung, die die piezoelektrische keramische Zusammensetzung verwendet. Die Erfindung stellt eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung bereit, die aus einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung besteht, die durch die allgemeine Formel (k¶1¶-¶x¶Na¶x¶)NbO¶3¶ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, als eine Hauptkomonente davon, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die kein Blei darin enthält, und auf eine piezoelektrische Vorrichtung, die die piezoelektrische Keramikzusammensetzung als dessen Material verwendet.

Bleihaltige Keramiken vom PZT (PbTiO-PbZrO₃)-Typ sind in der Vergangenheit als piezoelektrische Keramikzusammensetzungen weithin verwendet worden. Dieser Typ von PZT besitzt herausragende piezoelektrische Eigenschaften, wie etwa einen mechanischen Qualitätskoeffizienten und eine piezoelektrische Konstante, und eine piezoelektrische Vorrichtung, die dieses PZT verwendet, wird weit verbreitet für Kondensatoren, Schalter und so weiter verwendet.

Obwohl die vorstehend beschriebene piezoelektrische Keramikzusammensetzung aus PZT herausragende Eigenschaften besitzt, kann diese zur Umweltverschmutzung führen, da die Zusammensetzung schädliches Blei enthält und dieses Blei aus PZT-haltigen industriellen Abfällen ausgeschwemmt wird. Daher ist es aus Umweltgesichtspunkten heraus schwierig geworden, umweltverschmutzende Produkte, wie etwa PZT, herzustellen. Um diesen Trend zu begegnen, besteht ein Bedarf nach Entwicklung einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, die kein Blei darin enthält, und es ist eine durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ (0 < x < 1) ausgedrückte piezoelektrische keramische Zusammensetzung entwickelt worden.

Jedoch ist die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ (0 < x < 1) ausgedrückt wird, nicht frei von Problemen, dass dessen mechanischer Qualitätskoeffizient gering ist, die piezoelektrische Verformungskonstante gering ist, der dielektrische Verlust groß ist und dessen dielektrischer Verlust sich mit der Zeit vergrößert. Daher ist die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ (0 < x < 1) dargestellt wird, kaum praktisch umgesetzt worden, obwohl diese als vielversprechende Zusammensetzung gilt, die PZT ersetzen wird. Aus diesen Gründen werden gegenwärtig noch piezoelektrische keramische Zusammensetzungen vom Bleityp, die zur Umweltverschmutzung führen können, wie etwa PZT, weithin verwendet.

Um die Probleme des Stands der Technik, der vorstehend beschrieben wird, zu lösen, stellt die Erfindung eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung bereit, die einen hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, eine große piezoelektrische Spannungskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust besitzt, während diese herausragend in Bezug auf die dielektrische Verluststabilität mit der Zeit ist, sowie ein Herstellungsverfahren und eine piezoelektrische keramische Vorrichtung, die die piezoelektrische keramische Zusammensetzung verwendet, bereit.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, wird eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung bereitgestellt, die eine durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückte piezoelektrische keramische Zusammensetzung, wobei x innerhalb des Bereiches von 0 < x < 1 ist, als eine Hauptkomponente davon umfasst, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung enthält.

Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der Erfindung ist von einem Oxidtyp, und die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, enthält ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung. Daher besitzt die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Erfindung einen hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, eine große piezoelektrische Spannungskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust, besitzt eine herausragende dielektrische Verluststabilität mit der Zeit, und besitzt überlegene Eigenschaften gegenüber piezoelektrischen keramischen Zusammensetzungen gemäß dem Stand der Technik. Die piezoelektrische keramische Zusammensetzung kann weithin für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie etwa Sensoren, Schalter, Filter, Speicher, etc., die die piezoelektrische keramische Zusammensetzung des Stands der Technik vom PZT-Typ verwendet haben.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung bereitgestellt, das den Schritt des Mischens und Sinterns einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung umfasst, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung umfasst.

Wie vorstehend beschrieben, mischt und sintert das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung umfasst.

Daher wird es leicht möglich, Kaliumnatriumniobat, das ein Scandiumelement oder die Verbindung, die das Scandiumelement enthält, während dem Mischen und Brennen zu gewinnen. Mit anderen Worten, es wird möglich, leicht die piezoelektrische keramische Zusammensetzung mit herausragenden Eigenschaften, die vorstehend beschrieben wurde, zu erhalten, das heißt, die piezoelektrische keramische Zusammensetzung mit einem hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, einer großen piezoelektrischen Verformungskonstante und einem geringen dielektrischen Verlust und herausragender dielektrischer Verluststabilität mit der Zeit zu erhalten.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung bereitgestellt, das den Schritt des Mischens und Sinterns einer kaliumhaltigen Verbindung, einer natriumhaltigen Verbindung, einer niobhaltigen Verbindung und einer scandiumhaltigen Verbindung umfasst.

Wie vorstehend beschrieben, mischt und sintert das Herstellungsverfahren der Erfindung die kaliumhaltige Verbindung, die natriumhaltige Verbindung, die niobhaltige Verbindung und die scandiumhaltige Verbindung.

Daher ist es möglich, die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die das Scandiumelement oder das Scandiumelement in Kaliumnatriumniobat, ausgedrückt durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ (wobei 0 < x < 1), während dem Mischen und Sintern herzustellen. Die resultierende piezoelektrische keramische Zusammensetzung besitzt einen hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, eine große piezoelektrische Verformungskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust, besitzt herausragende dielektrische Verluststabilität mit der Zeit, und besitzt Eigenschaften, die denjenigen der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzungen gemäß dem Stand der Technik überlegen sind.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine piezoelektrische Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Material aus der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, die vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt.

Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet das piezoelektrische Material aus der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, die eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung, ausgedrückt durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, als eine Hauptkomponente davon umfasst und die ein Skandiumelement oder eine Skandiumverbindung enthält.

Daher kann die piezoelektrische Vorrichtung, die vorstehend beschrieben wurde, eine piezoelektrische Vorrichtung bereitstellen, die die meisten herausragenden Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers besitzt, wie etwa einen hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, einen geringen dielektrischen Verlust und eine herausragende dielektrische Verluststabilität mit der Zeit.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine piezoelektrische Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Körper aus einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung bereitgestellt, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung hergestellt wurde.

Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet als solches den piezoelektrischen Körper, der aus der herausragenden piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung hergestellt wurde und der durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten wurde. Daher ist es möglich, eine herausragende piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, die als solches die meisten der Eigenschaften der herausragenden piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, die vorstehend beschrieben wurden, besitzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Stabilität mit der Zeit eines Verlustes tanδ in Beispiel 2; und

Fig. 2 ist ein Schema, das ein Messsystem für einen Oszillationsspannungsausstoß in Beispiel 3 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der ersten Erfindung enthält die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die vorstehend beschrieben wurde, vorzugsweise ein Scandiumelement, das wenigstens einen Teil K und/oder Na ersetzt. In diesem Fall zeigt die piezoelektrische keramische Zusammensetzung herausragende Eigenschaften, wie etwa einen hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, eine große piezoelektrische Spannungskonstante, einen geringen dielektrischen Verlust und hohe Stabilität des dielektrischen Verlusts mit der Zeit, wie vorstehend beschrieben.

Die Menge des Scandiumelements, das in der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung enthalten ist, ist vorzugsweise nicht größer als 10 mol%, in Bezug auf die Sc-Berechnungsmenge auf der Basis von 1 mol% der Hauptkomponenten, ausgedrückt durch die allgemeine vorstehend angegebene Formel.

Wenn die Menge des Sc-Elements, das in der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung enthalten ist, 10 mol% in Bezug auf die Sc-Berechnungsmenge übersteigt, nimmt eine piezoelektrische Verformungskonstante d31 und eine piezoelektrische Konstante g31 der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung ab, und die piezoelektrische Leistung fällt ab.

Die piezoelektrische keramische Zusammensetzung besitzt vorzugsweise einen anfänglichen dielektrischen Verlust von nicht mehr als 2% und einen dielektrischen Verlust von nicht mehr als 5%, wenn bei Raumtemperatur für 100 Tage oder mehr gelagert.

Wenn ein piezoelektrischer Sensor, zum Beispiel aus einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung mit einem großen dielektrischen Verlust hergestellt wird, tritt Rauschen aufgrund eines dielektrischen Verlusts auf, und es kann kein piezoelektrischer Sensor mit hoher Präzision hergestellt werden. Es sei angemerkt, dass der anfängliche dielektrische Verlust in diesem Fall einen dielektrischen Verlust darstellt, nachdem die piezoelektrische keramische Zusammensetzung eine Stunde einer Polarisierungsbehandlung unterzogen wurde.

In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die K-haltige Verbindung K₂CO₃ ist, die Na- haltige Verbindung Na₂CO₃ ist, die Nb-haltige Verbindung Nb₂O₅ oder Nb₂O₃ ist und die Sc-haltige Verbindung Sc₂O₃ ist.

In diesem Fall kann die piezoelektrische keramische Zusammensetzung leicht hergestellt werden.

Beispiel 1

Die piezoelektrische keramische Zusammensetzung und dessen Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben werden.
In diesem Beispiel wurde die piezoelektrische keramische Zusammensetzung, die vorstehend beschrieben wurde, hergestellt, und dessen verschiedene Eigenschaften, wie etwa die piezoelektrischen Eigenschaften und dielektrischen Eigenschaften wurden gemessen.
Die piezoelektrische keramische Zusammensetzung dieses Beispiels wurde durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ dargestellt, wobei x in dem Bereich von 0 < x < 1 ist. Diese piezoelektrische keramische Zusammensetzung enthielt das Scandiumelement oder die Scandiumverbindung. Um diese piezoelektrische keramische Zusammensetzung herzustellen, wurden eine K-haltige Verbindung, eine Na-haltige Verbindung, eine Nb-haltige Verbindung und eine Sc-haltige Verbindung vermischt und gesintert.
Genauer wurde K₂CO₃, Na₂CO₃, Nb₂O₅ und Sc₂O₃ jeweils mit hoher Reinheit (99% oder mehr) zunächst als Ausgangsmaterialien der piezoelektrischen Zusammensetzung hergestellt. Diese K₂CO₃, Na₂CO₃ und Nb₂O₅ wurden zu einem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis von (K_1-xNa_x)NbO₃ (wobei x = 0,5) vermischt und in Aceton für 24 Stunden unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt.
Als nächstes wurde die Mischung bei 800°C für 5 Stunden kalziniert, und 1,0 mol% Sc₂O₃ wurde zu diesem klazinierten Pulver hinzugegeben. Die Mischung wurde 24 Stunden in der Kugelmühle gemahlen und wurde dann granuliert, indem Polyvinylbutyral als ein Bindemittel zugegeben wurde.
Als nächstes wurde dieses Pulver bei einem Druck von 2 Tonnen/cm² zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 1 mm druckgeformt, und die resultierende Scheibe wurde bei 1000 bis 1300°C eine Stunde gesintert. Beide Oberflächen der Scheibe wurden geschliffen und die Kante der Scheibe wurde abgerundet, und Goldelektroden wurden auf beiden Oberflächen dieser Scheibenprobe durch Sputtern angeordnet. Ein Gleichspannungsstrom von 3 kV/mm wurde durch beide Elektroden für 10 Minuten in Silikonöl bei 100°C angelegt, um Polarisierung in Richtung der Dicke anzulegen. Die resultierende Probe wurde "Probe E" genannt.
Um die herausragenden Eigenschaften der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung klarzustellen, wurde durch dieses Beispiel auch eine Vergleichsprobe auf die folgende Weise hergestellt.
Zunächst wurden K₂CO₃, Na₂CO₃ und Nb₂O₅ jeweils mit hoher Reinheit (wenigstens 99%) als die Ausgangsmaterialien der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung hergestellt. Diese K₂CO₃, Na₂CO₃ und Nb₂O₅ wurden in einem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis von (K_1-xNa_x)NbO₃ (wobei x = 0,5) vermengt und wurden in Aceton für 24 Stunden unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt.
Als nächstes wurde die Mischung bei 800°C für 5 Stunden kalziniert, und für 24 Stunden in der Kugelmühle gemahlen und unter Zugabe von Polyvinylbutyral als ein Bindemittel granuliert.
Dieses Pulver wurde bei einem Druck von 2 Tonnen/cm² zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 1 mm druckgeformt, und die resultierende Scheibe wurde bei 1000 bis 1300°C eine Stunde gesintert. Beide Oberflächen der Scheibe wurden gemahlen und die Kante der Scheibe wurde abgeschliffen, und Goldelektroden wurden auf beiden Oberflächen dieser Scheibenprobe durch Sputtern angeordnet. Ein Gleichsspannungsstrom von 3 kV/mm wurde durch die Elektroden für 10 Minuten in Silikonöl bei 100°C angelegt, um eine Polarisierung in Richtung der Dicke anzulegen. Die resultierende Probe wurde "Probe C" genannt.
Darüber hinaus wurde durch dieses Beispiel eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung hergestellt, die der Sc-haltigen Probe E ähnlich war, indem ein von dem Herstellungsverfahren der Probe E verschiedenes Herstellungsverfahren angewendet wurde.
Als erstes wurden K₂CO₃, Na₂CO₃, Nb₂O₅ und Sc₂O₃ jeweils mit hoher Reinheit (wenigstens 99%) als die Ausgangsmaterialien der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung hergestellt. Diese K₂CO₃, Na₂CO₃ und Nb₂O₅ wurden in einem stöchiometrischen Verhältnis von (K_1-xNa_x)NbO₃ (wobei x = 0,5) vermischt. Danach wurde 1,0 mol% Sc₂O₃ hinzugegeben, diese Komponenten wurden in Aceton für 24 Stunden unter Verwendung einer Kugelmühle vermischt.
Als nächstes wurde die Mischung bei 800°C 5 Stunden kalziniert, und wurde für 24 Stunden in der Kugelmühle gemahlen und unter Zugabe von Polyvinylbutyral als ein Bindemittel granuliert.
Dieses Pulver wurde bei einem Druck von 2 Tonnen/cm² zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 1 mm druckgeformt, und die resultierende Scheibe wurde bei 1000 bis 1300°C eine Stunde gesintert. Beide Oberflächen der Scheibe wurden geschliffen und die Kante der Scheibe wurde abgerundet, und Goldelektroden wurden auf beiden Oberflächen dieser Scheibenprobe durch Sputtern angeordnet. Ein Gleichspannungsstrom von 3 kV/mm wurde durch beide Elektroden für 10 Minuten in Silikonöl bei 100°C angelegt, um eine Polarisierung in Richtung der Dicke anzugeben. Die resultierende Probe wurde "Probe F" genannt.
Die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Proben E, F und C wurden unter Verwendung eines Impedanzanalysegeräts gemessen, und ein elekromechanischer Kupplungskoeffizient und ein mechanischer Qualitätskoeffizient wurden gemäß einem Resonanz/Anti-Resonanzverfahren berechnet. Die dielektrischen Eigenschaften wurden bei einer Messfrequenz von 1 kHz unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Impedanzanalysegeräts gemessen.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Das Messergebnis der Probe F wurde aus Tabelle 1 weggelassen, da dieses im Wesentlichen dem Messergebnis der Probe E entsprach. Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt die elektromechanische Kupplungskonstante Kp, die piezoelektrische Belastungskonstante d31, die piezoelektrische Konstante g31, den mechanischen Qualitätskoeffizienten Qm, die spezifische dielektrische Konstante ε33T/ε0, den dielektrischen Verlust tanδ-Wert und die Frequenzkonstante Np in Richtung der Länge der Proben E und C. Es wird auch das Verbesserungsverhältnis der Probe E zu der Probe C gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 verstanden werden kann, war die Probe E der Probe C in verschiedenen Eigenschaften überlegen. Zum Beispiel waren die piezoelektrische Belastungskonstante d31 und die piezoelektrische Konstante g31 der Probe E um jeweils 1,21, 1,22 und 1,18 mal höher als diejenigen der Probe C.
Der mechanische Qualitätskoeffizient der Probe E wurde um 1,70 mal derjenigen der Probe C verbessert.
Daher war es, wenn diese Probe E verwendet wurde, möglich, herausragende piezoelektrische Schalter und piezoelektrische Ultraschallmotoren mit weniger Exothermie bereitzustellen.
Der dielektrische Verlust der Probe E wurde 0,49 mal derjenigen der Probe C vermindert, und wurde drastisch verbessert. Daher war es, wenn diese Probe E verwendet wurde, möglich, Sensoren mit einem geringeren dielektrischen Verlust Rauschen, das von dem dielektrischen Verlust stammt, bereitzustellen.
Die Frequenzkonstante der Probe E war größer als diejenige der Probe C. Daher konnte, wenn Vibratoren mit der gleichen Frequenz hergestellt wurden, eine kleinere Vorrichtung bereitgestellt werden.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde die Änderung des dielektrischen Verlusts der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung der Probe E in Beispiel 1 mit der Zeit gemessen.
Zunächst wurde die Sc-haltige Probe E auf die gleiche Weise wie die Probe E des Beispiel 1 hergestellt, und die Probe C, die kein Sc enthielt, wurde auf die gleiche Weise wie die Probe C des Beispiels 1 hergestellt. Als nächstes wurden Proben E und C bei Raumtemperatur stehengelassen, und die Änderung der dielektrischen Verlusts jedes Beispiels wurde unter Verwendung eines Impedanzanalysegeräts im Laufe von mehr als 100 Tagen gemessen.
Fig. 1 zeigt das Ergebnis.
Die Abszisse in Fig. 1 stellt die Zeit (Tage) dar und die Ordinate stellt den dielektrischen Verlust tanδ in Prozent dar, und die Stabilität des dielektrischen Verlusts mit der Zeit.
Wie aus Fig. 1 verstanden werden kann, war der dielektrische Verlust der Probe E extrem gering und überschritt nach 100 Tagen keine 3%. Der dielektrische Verlust überstieg sogar nach 100 Tagen keine 5% und war für eine lange Zeit extrem stabil.
Im Gegensatz dazu betrug der dielektrische Verlust der Probe C 3% oder mehr bei der anfänglichen Stufe und überstieg 20% nach 100 Tagen. Der dielektrische Verlust setzte sich zunehmend mit der Zeit sogar nach 100 Tagen fort und war extrem instabil.
Dies bedeutet, dass wenn die Probe E verwendet wurde, es möglich war, verschiedene piezoelektrische Vorrichtungen mit Langzeitstabilität herzustellen.
Es wurde bestätigt, dass wenn die Menge von Sc₂O₃, die zu der Probe E zugegeben wird, um 10 mol% oder mehr in Beispielen 1 und 2 erhöht wurde, die piezoelektrische Belastungskonstante g31 und die piezoelektrische Konstante g31 zunahmen, und die Proben nicht zum Herstellen der piezoelektrischen Vorrichtungen geeignet waren.
Es wurde ferner bestätigt, dass ähnliche Ergebnisse wie diejenigen der Probe E in anderen Zusammensetzungsbereichen der allgemeinen Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ (wobei 0 < x < 1) in Beispielen 1 und 2 erhalten werden konnten.

Beispiel 3

Dieses Beispiel stellt ein konkretes Beispiel der piezoelektrischen Vorrichtung dar, die unter Verwendung der piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, die vorstehend beschrieben wurde, hergestellt wurde.
Zunächst wurde eine Sc-haltige piezoelektrische keramische Zusammensetzung auf die gleiche Weise wie die Probe E vom Beispiel 1 hergestellt. Diese piezoelektrische keramische Zusammensetzung wurde in eine gewünschte Gestalt und eine gewünschte Größe geformt, um die piezoelektrische Vorrichtung 1 (Probe E) herzustellen.
Eine piezoelektrische Zusammensetzung, die kein Scandium enthielt, wurde auf die gleiche Weise wie die Probe C vom Beispiel 1 hergestellt. Diese piezoelektrische keramische Zusammensetzung wurde in eine gewünschte Gestalt und eine gewünschte Größe geformt, um die piezoelektrische Vorrichtung 2 (Probe C) herzustellen.
Der Output von Vibrationssensoren wurde dann unter Verwendung der piezoelektrischen Vorrichtungen 1 und 2 gemessen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wurden Gewichte 15 und 25, die jedes ein Gewicht von 1 g besaßen, jeweils auf die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 und 2 (Proben E und C) mit einem Klebemittel befestigt, und wurden dann auf einer Oszillierungsplatte 35 gestellt, die auf einem oberen Teil einer Oszillierungsvorrichtung 3 bereitgestellt wurde. Die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 und 2 (Probe E und C) wurden auf ein Oszilloskop 6 durch eine Bleiverdrahtung 7 durch einen Inputwiderstand 4 und einen Operationsverstärker 5 verbunden.
Als nächstes wurde die Oszillationsvorrichtung 3 bei einer Frequenz von 6 kHz und 1Gp-p in Betrieb genommen, um so die Oszillationsplatte 35 in einer durch einen Pfeil a angegebenen Richtung zu oszilieren. Ausgabespannungen, die in den piezoelektrischen Vorrichtungen 1 und 2 (Proben E und C) zu dieser Zeit auftraten, wurden unter Verwendung des Oszilloskops 6 gemessen. Es sei angemerkt, dass der Inputwiderstand 4 100 MΩ betrug. Tabelle 2
Tabelle 2 zeigt die Ausgabespannung, die in der piezoelektrischen Vorrichtung (Probe E) auftritt.
Wie aus Tabelle 2 entnommen werden kann, stellte die piezoelektrische Vorrichtung 1 (Probe E) eine Spannung bereit, die 1,2 mal größer als Ausgabespannung der piezoelektrischen Vorrichtung 2 (Probe C) war. Daher war es, wenn diese piezoelektrische Vorrichtung 1 (Probe E) verwendet wurde, möglich, eine herausragende piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung mit einem hohen mechanischen Qualitätskoeffizienten, einer großen piezoelektrischen Belastungskonstante und einem geringen dielektrischen Verlust und einer herausragenden dielektrischen Verluststabilität mit der Zeit, einem Produktionsverfahren davon, und einer piezoelektrischen Vorrichtung, die die piezoelektrische keramische Zusammensetzung verwendet. Die Erfindung stellt eine piezoelektrische keramische Zusammensetzung bereit, die aus einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung besteht, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, als eine Hauptkomponente davon, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung enthält.

Claims

1. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung umfasst, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ ausgedrückt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, als eine Hauptkomponente davon, und die ein Scandiumelement oder eine Scandiumverbindung enthält.

2. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Keramikzusammensetzung ein Scandiumelement enthält, das wenigstens einen Teil des K oder/und des Na ersetzt.

3. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Scandiumelementgehalt, der in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthalten ist, nicht größer als 10 mol% ist, berechnet als das Sc-Element auf der Basis von 1 mol% der Hauptkomponente, ausgedrückt durch die allgemeine Formel.

4. Piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein anfänglicher dielektrischer Verlust nicht größer als 2% und ein dielektrischer Verlust, wenn die piezoelektrische Keramikzusammensetzung bei Raumtemperatur für 100 oder mehr Tage gelagert wird, nicht größer als 5% ist.

5. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, das die folgenden Schritte umfasst:
Mischen und Brennen einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (K_1-xNa_x)NbO₃ dargestellt wird, wobei x innerhalb des Bereichs von 0 < x < 1 ist, und eines Scandiumelements oder einer Scandiumverbindung.

6. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung, das die folgenden Schritte umfasst:
Mischen und Brennen einer kaliumhaltigen Verbindung, einer natriumhaltigen Verbindung, einer niobhaltigen Verbindung und einer scandiumhaltigen Verbindung.

7. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen keramischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, wobei die kaliumhaltige Verbindung K₂CO₃ ist, die natriumhaltige Verbindung Na₂CO₃ ist, die niobhaltige Verbindung Nb₂O₅ oder Nb₂O₃ ist und die scandiumhaltige Verbindung Sc₂O₃ ist.

8. Piezoelektrische Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Körper aus der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.

9. Piezoelektrische Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Körper aus einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, hergestellt durch das Verfahren zum Herstellen einer Keramikzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7.