DE112012003356B4

DE112012003356B4 - Piezoelektrische Keramikzusammensetzung

Info

Publication number: DE112012003356B4
Application number: DE112012003356.6T
Authority: DE
Inventors: Kenji Nagareda; Atsuhiro Hayashi
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: JPWO2014002285A1; DE112012003356T5; CN104379535A; JP5499305B1; WO2014002285A1; US9159904B2; KR20140025438A; US20150099085A1; KR101485284B1

Abstract

Piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der Zusammensetzungsformel {Lix(K1-yNay)1-x}(Nb1-zSbz)O3, die solche Zusatzstoffe wie die metallischen Elemente Bi und Fe innerhalb des Bereichs der folgenden Vergleichsausdrücke enthält: 0,03 ≦ x ≦ 0,045; 0,5 ≦ y ≦ 0,58; 0,03 ≦ z ≦ 0,045; und 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010, wobei v die Zusatzstoffmenge an Bi (Molverhältnis) und w die Zusatzstoffmenge an Fe (Molverhältnis) ist und die piezoelektrische Konstante d33 250 pC/N oder mehr beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf eine basische piezoelektrische Niobat-Keramikzusammensetzung, die bei der Herstellung von Aktuatoren, Ultraschallsensoren, Ultraschallwandlern oder dergleichen verwendet wird.
Technischer Hintergrund
Eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung wird als piezoelektrisches Element bei der Herstellung von Aktuatoren, Ultraschallsensoren, Ultraschallwandlern oder dergleichen verwendet. Da eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaft aufweist, wurde Bleizirkonattitanat (PZT) oder dergleichen, das eine Bleiverbindung enthält, in der Praxis bislang weitestgehend verwendet. Aufgrund eines Bedenkens, dass eine solche Zusammensetzung, die eine Bleiverbindung enthält, die Umwelt negativ beeinflussen könnte, erregt derzeit jedoch eine bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzung Aufmerksamkeit und wird untersucht und entwickelt. Die basische piezoelektrische Niobat-Keramikzusammensetzung, wie nachstehend im Patentdokument 1 offenbart, ist eine solche piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die keine Bleiverbindung enthält.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung, wie in Patentdokument 1 offenbart, wird als Zusammensetzungsformel {Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}(Nb_1-zSb_z)O₃ innerhalb jedes Zusammensetzungsbereichs von x, y und z, wie 0 < x ≦ 0 ≦ 0,2, 0 < y < 1 und 0 < z ≦ 0,2 beschrieben.
Dokument aus dem Stand der Technik

Patentdokument 1: JP-Patent Nr. 4 631 246 B2

„Phase structures and electrical properties of new lead-free Na0.5K0.5NbO3-LiSbO3-BiFeO3 ceramics” von JIANG, Minhong offenbart piezoelektrische Keramiken, die durch herkömmliche Keramik-Bearbeitung in fester Lösung hergestellt wurden. Eine morphotrope Phasengrenze (MPB) zwischen orthorhombischen und tetragonalen ferroelektrischen Phasen wird darin um x = 0,004 identifiziert. Die Keramik in der Nähe der MPB zeigen gute elektrische Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigen, dass eine solche Keramik ein vielversprechendes bleifreies piezoelektrisches Material ist.
Offenbarung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Die Erfinder haben versucht, die basische piezoelektrische Niobat-Keramikzusammensetzung der oben genannten Zusammensetzungsformel unter Verwendung des in Patentdokument 1 beschriebenen Herstellungsverfahrens herzustellen, aber sie fanden es schwierig, eine hochdichtes Keramik zu erhalten, wodurch eine nicht-ausreichende piezoelektrische Eigenschaft erhalten wurde.
Diese Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme dahingehend erreicht, dass eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer bleifreien basischen piezoelektrischen Niobat-Keramikzusammensetzung mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft bereitgestellt wird.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die oben genannten Probleme zu lösen, bezieht sich der erste Aspekt dieser Erfindung auf eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Patentanspruch 1.
Der erste Aspekt dieser Erfindung ermöglicht das Hinzufügen der metallischen Elemente Bi und Fe in einer entsprechenden Proportion in Bezug auf die basische Niobat-Zusammensetzung, wie in der Zusammensetzungsformel {Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}(Nb_1zSb_z)O₃ beschrieben, wodurch eine bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft erhalten wird.
Der zweite Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Patentanspruch 2.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die den zweiten Aspekt beinhaltet, der die piezoelektrische Konstante d₃₃ von 250 pC/N oder mehr und der Curie-Temperatur von 330 Grad Celsius oder mehr ist, ermöglicht den Erhalt einer elektromechanischen Transformationsvorrichtung (piezoelektrischer Aktuator, Ultraschallsensor oder dergleichen), die eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist.
Der dritte Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Patentanspruch 3.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die den dritten Aspekt beinhaltet, welcher der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus von 0,44 oder mehr und die relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ von 1390 oder mehr ist, ermöglicht den Erhalt einer elektromechanischen Transformationsvorrichtung (piezoelektrischer Aktuator, Ultraschallsensor oder dergleichen) mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft.
Der vierte Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß Patentanspruch 4.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die den vierten Aspekt beinhaltet, welcher der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus von 0,44 oder mehr und die relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ von 1390 oder mehr und der dielektrische Verlust von tanδ von 0,03 oder weniger ist, ermöglicht den Erhalt einer elektromechanischen Transformationsvorrichtung (piezoelektrischer Aktuator, Ultraschallsensor oder dergleichen) mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft.
Wirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben, stellen die ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung eine bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schrägperspektivische Ansicht der Ausführungsform dieser Erfindung.
Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend wird die Ausführungsform der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
1 ist eine schrägperspektivische Ansicht der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 der Ausführungsform dieser Erfindung. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 ist scheibenförmig mit einer Vorder- und Rückseite und hat einen Durchmesser von 15 mm und eine Dicke von 1 mm. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 wird z. B. als Ultraschallsensor verwendet, der in einen Ultraschalldurchflussmesser zu integrieren ist.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 als Ausführungsform dieser Erfindung ist eine piezoelektrische Kalium-Natrium-Niobat-(basische Niobat-)Keramikzusammensetzung, die eine Kristallphase einer Perowskit-Struktur umfasst. Im Spezifischen ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 aus der Keramikzusammensetzung, die nachstehend in der Zusammensetzungsformel (1) beschrieben ist und die Zusatzstoffe der metallischen Elemente Bi (Bismut) und Fe (Eisen) enthält. Formel (1): {Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}(Nb_1-zSb_z)O₃.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 umfasst jedoch eine Formel, um den Bereich von 0,03 ≦ x ≦ 0,045; 0,5 ≦ y ≦ 0,58; 0,03 ≦ x ≦ 0,045; und 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010 zu erfüllen, wobei v die Zusatzstoffmenge an Bi (Molverhältnis) und w die Zusatzstoffmenge an Fe (Molverhältnis) ist.
Nachstehend ist das Verfahren zum Herstellen der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 beschrieben.
Zunächst wurde das Rohpulver (mit einer Reinheit von 99 % oder mehr) von K₂CO₃, Na₂CO₃, Li₂CO₃, Nb₂O₅, Sb₂O₃, Bi₂O₃ und Fe₂O₃ hergestellt. Um jede Formel der Arbeitsbeispiele 1 bis 18 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 19 wie in Tabelle 1 gezeigt zu erreichen, wurde das Rohpulver, das jedes metallische Element enthält, gewogen. Danach wurde das Rohpulver unter Verwendung einer Kugelmühle für 24 Stunden in Alkohol vermischt, um eine Aufschlämmung zu erzielen. Die Art des Rohpulvers (Verbindung), das jedes metallische Element enthält, ist nicht eingeschränkt. Es kann ein oxidiertes Material, ein Carbonat oder dergleichen jedes metallischen Elements verwendet werden.
Die im obigen Prozess erhaltene Aufschlämmung wurde getrocknet und bei 900 Grad Celsius für drei Stunden kalziniert. Danach wurde das kalzinierte Pulver unter Verwendung einer Kugelmühle für 24 Stunden zerkleinert und danach wurde eine Polyvinylalkohol-Wasser-Lösung zum Pulver hinzugefügt und granuliert. Danach wurde das granulierte Pulver unter einem Druck von 20 MPa in eine Scheibe mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 2 mm gepresst. Die Scheibe wurde für 2,5 Stunden bei 1000 bis 1200 Grad Celsius gesintert, wobei es sich hierbei um die geeignete Temperatur für den Erhalt eines Sinterkörpers maximaler Dichte handelt.
Dann wurden die beiden Flächen des Sinterkörpers gleichzeitig poliert, bis sie zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm und einer Dicke von 1 mm wurden, wie in 1 gezeigt. Beide Flächen der Scheibe wurden mit der Silberpaste beschichtet und die Scheibe wurde bei 700 Grad Celsius erhitzt, um die Gegenelektroden zu bilden. Eine Gleichstromspannung von 3 kV/mm wurde in Silikonöl bei 130 Grad Celsius für 20 Minuten an die Gegenelektroden angelegt, um eine Polarisation in der Richtung der Dicke zu erzielen, wodurch die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 hergestellt wurde. Tabelle 1 (VBsp = Vergleichsbeispiel; ABsp = Arbeitsbeispiel)
Die Erfinder haben die elektrische Eigenschaft der Zusammensetzung 10 der Arbeitsbeispiele 1 bis 18 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 19 für jede Probe der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 gemäß den Arbeitsbeispielen 1 bis 18 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 19 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung wurde jede elektrische Eigenschaft des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kp, der relativen Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ und des dielektrischen Verlusts tanδ bei 25 Grad Celsius unter Verwendung eines Impedanzanalysators gemessen (4294A: Agilent Technologies Inc.). Darüber hinaus wurde die piezoelektrische Konstante d₃₃ bei 25 Grad Celsius unter Verwendung eines d₃₃/d₃₁-Messgeräts (Modell: ZJ-6B Institute of Acoustic Chinese Academy of Science) gemessen. In Bezug auf die Curie-Temperatur Tc wurde die dielektrische Konstante bei der unterschiedlichen Temperatur unter Verwendung eines Impedanzanalysators (4294A; Agilent Technologies Inc.) gemessen, wobei die Temperatur der maximalen dielektrischen Konstante als die Curie-Temperatur Tc bestimmt ist. Darüber hinaus wurde die Curie-Temperatur Tc gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung durch Messen der dielektrischen Konstante unter Senken deren Temperatur ermittelt. Außerdem wurde eine Hochtemperatur-XRD-Analyse unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers (SmartLab: Rigaku Corporation, Röntgenquelle: Cu Kα) durchgeführt, wodurch verifiziert wurde, dass der Phasenübergang aus dem Übergang aus tetragonalen in die kubische Phase nahe der Curie-Temperatur Tc erfolgte.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, erfüllt die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 die Formel (1) innerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 0,03 ≦ x ≦ 0,045; von 0,5 ≦ y ≦ 0,58; von 0,03 ≦ z ≦ 0,045; und von 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 hat in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft, deren piezoelektrische Konstante d₃₃ 250 pC/N oder mehr beträgt und deren Curie-Temperatur Tc 330 Grad Celsius oder mehr ist. Durch Hinzufügen der geeigneten Menge an Bi und Fe zur piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 wird in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 erwartet, dass die piezoelektrische Eigenschaft verbessert wird, wie nachstehend gezeigt. Anders ausgedrückt, wenn die geeignete Menge an Bi und Fe hinzugefügt wird, wird der Punktedefekt in die Gitterstruktur eingebracht, wodurch erwartet wird, dass die zulässige Höhe des A-Stellen-Defekts in der Perowskit-Struktur, die als ABO₃ beschrieben ist, zunimmt. An dem Punkt, an dem der A-Stellen-Defekt sein Maximum erreicht, werden darüber hinaus die optimalen Charakteristika der Zusammensetzung erhalten, was durch das Auftreten des A-Stellen-Defekts bewirkt wird, der die Domänenwand auf einfache Weise macht. Außerdem wird erwartet, dass die piezoelektrische Eigenschaft mit kleiner werdender Domänengröße vorteilhaft wird.
Tabelle 2 zeigt die piezoelektrische Konstante d₃₃ (pC/N) gemäß v, das die Zusatzstoffmenge an Bi (Molverhältnis), und w, das die Zusatzstoffmenge von Fe (Molverhältnis) ist. Tabelle 2 zeigt darüber hinaus die piezoelektrische Konstante d₃₃ gemäß v, das die Zusatzstoffmenge an Bi ist, und w, das die Zusatzstoffmenge an Fe ist, in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 12 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 17, wobei das Zusammensetzungsverhältnis von x 0,04; von y 0,54; und von z 0,04 ist. Wie innerhalb des Zusammensetzungsbereich von 0,006 v < w ≦ 0,010 (der in Tabelle 2 gezeigt, ist die piezoelektrische Konstante d₃₃ 250 pC/N oder mehr Zusammensetzungsbereich der Arbeitsbeispiele 1 bis 12), was eine vorteilhaften piezoelektrische Eigenschaft ist. Tabelle 2
Das Arbeitsbeispiel 13 bestimmt das Zusammensetzungsverhältnis y von Na mit 0,50 und das Arbeitsbeispiel 14 bestimmt das Zusammensetzungsverhältnis y von Na mit 0,58, wobei das Zusammensetzungsverhältnis x von Li und das Zusammensetzungsverhältnis z von Sb sowie jenes von v, Zusatzstoffmenge an Bi, und w, Zusatzstoffmenge an Fe, allesamt gleich den Werten von Arbeitsbeispiel 8 sind. Wie in den Arbeitsbeispielen 13 und 14 gezeigt, ist die piezoelektrische Konstante d₃₃ 250 pC/N oder mehr, selbst wenn das Zusammensetzungsverhältnis y von Na von 0,50 auf 0,58 geändert wird, wodurch eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft erhalten wird.
Das Arbeitsbeispiel 15 bestimmt die Zusammensetzungsverhältnisse x und z mit 0,03 und das Arbeitsbeispiel 16 bestimmt die Zusammensetzungsverhältnisse x und z mit 0,45, wobei das Zusammensetzungsverhältnis y und die Zusatzstoffmenge an Bi und Fe (v und w) gleich den Werten von Arbeitsbeispiel 8 sind. Darüber hinaus legen die Arbeitsbeispiele 8, 15 und 16 die Zusammensetzungsverhältnisse x und y als das gleiche Verhältnis fest. Das Arbeitsbeispiel 17 bestimmt das Zusammensetzungsverhältnis x mit 0,03 und das Zusammensetzungsverhältnis z mit 0,045 und das Arbeitsbeispiel 18 bestimmt das Zusammensetzungsverhältnis x mit 0,045 und das Zusammensetzungsverhältnis z mit 0,03, wobei das Zusammensetzungsverhältnis y und die Zusatzstoffmenge an Bi und Fe (v und w) gleich den Werten von Arbeitsbeispiel 8 sind. Wie in den Arbeitsbeispielen 15 bis 18 gezeigt, ist die piezoelektrische Konstante d₃₃ im Vergleich zu jener von Arbeitsbeispiel 8 geringfügig herabgesetzt, wenn die Zusammensetzungsverhältnisse x und z im Bereich von 0,03 bis 0,045 geändert werden. Es ist jedoch möglich, die piezoelektrische Konstante d₃₃ von 250 pC/N oder mehr zu erhalten, was immer noch eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft ist.
Die Vergleichsbeispiele 1 bis 7 bestimmen v, die Zusatzstoffmenge an Bi, mit 0,005 oder weniger. Die Vergleichsbeispiele 8 und 12 legen v, die Zusatzstoffmenge an Bi, als höher als w, die Zusatzstoffmenge an Fe, fest. Darüber hinaus bestimmen die Vergleichsbeispiele 13 bis 17 v, die Zusatzmenge an Bi, mit 0,012 oder mehr, und die Vergleichsbeispiele 9, 14 und 17 bestimmen w, die Zusatzstoffmenge von Fe, mit 0,012 oder mehr. Die Vergleichsbeispiele 10 und 11 bestimmen w, die Zusatzstoffmenge an Fe, mit 0,004 oder weniger. Die Vergleichsbeispiele 18 und 19 bestimmen das Zusammensetzungsverhältnis x von Li mit 0,05 oder mehr und das Zusammensetzungsverhältnis z von Sb mit 0,05 oder mehr. Vergleichsbeispiel 1, bei dem weder Bi noch Fe hinzugefügt wird, ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die der herkömmlichen, auf dem Gebiet gezeigten Zusammensetzung entspricht, wie im oben genannten Patentdokument 1 offenbart.
Wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt, beträgt die dielektrische Konstante d₃₃ in Bezug auf die Vergleichsbeispiele 1 bis 17, wobei v, die Zusatzstoffmenge an Bi, und w, die Zusatzstoffmenge an Fe, außerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010 liegen (innerhalb des dicken Rahmens, wie in Tabelle 2 gezeigt), 240 pC/N oder weniger. Darüber hinaus sind die Vergleichsbeispiele 18 und 19 außerhalb der Zusammensetzungsbereiche von 0,03 ≦ x ≦ 0,045 und 0,03 ≦ z ≦ 0,045 und die piezoelektrische Konstante d₃₃ beträgt 240 pC/N oder weniger.
Wenn der A-Stellen-Defekt auf der Perowskit-Struktur, als ABO₃ beschrieben, in der geeigneten Proportion (ungefähr 2 %) vorliegt, zeigt die piezoelektrische Keramikzusammensetzung ebenfalls eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft. Aus diesem Grund ist es möglich, die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 durch Vermischen der A-Stellen-Elemente (Li, K und Na) und der B-Stellen-Elemente (Nb und Sb), bis das Verhältnis von A/B 0,95 zu 1,0 beträgt, herzustellen. Sogar wenn die B-Stellen-Elemente übermäßig vorhanden sind, ermöglicht das Hinzufügen von Bi und Fe innerhalb des oben genannten Bereichs von 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010 an sich eine Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaft.
Aus diesem Grund kann der folgende Effekt gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung erhalten werden.

(1) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 wird in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 als Ausführungsform dieser Erfindung so hergestellt, dass sie die obige Zusammensetzungsformel innerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 0,03 ≦ x ≦ 0,045; von 0,5 ≦ y ≦ 0,58; von 0,03 ≦ z ≦ 0,045; und von 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010 erfüllt. Das Herstellen der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 innerhalb solcher Zusammensetzungsbereiche ermöglicht das Erhalten einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft, deren piezoelektrische Konstante d₃₃ 250 pC/N oder mehr beträgt und deren Curie-Temperatur Tc 330 Grad Celsius oder mehr ist. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 zeigt in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften, bei denen der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus von 0,44 oder mehr und die relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ 1390 oder mehr und der dielektrische Verlust tanδ von 0,03 oder weniger ist. Bei der Herstellung des Ultraschallsensors, der z. B. im Ultraschalldurchflussmesser zu verwenden ist, unter Verwendung der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 kann ein solcher Sensor daher Ultraschallwellen effizient übertragen. Auch wenn der Ultraschalldurchflussmesser in einer vergleichsweise hohen Temperatur (d. h. 200 Grad Celsius) verwendet wird, kann die Messung des Lösungsdurchflusses akkurat durchgeführt werden.
(2) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 wird in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 6 bis 8 und 10 als Ausführungsform dieser Erfindung innerhalb des Zusammensetzungsbereichs von 0,007 ≦ v < w ≦ 0,009 hergestellt. Das Herstellen der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung 10 innerhalb eines solchen Zusammensetzungsbereichs ermöglicht das Erhalten einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft, deren piezoelektrische Konstante d₃₃ 270 pC/N oder mehr beträgt; deren Curie-Temperatur Tc 340 Grad Celsius oder mehr ist; deren elektromechanischer Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus 0,47 oder mehr ist; deren relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ 1450 oder mehr ist; und deren dielektrischer Verlusts tanδ 0,025 oder weniger ist.
(3) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 wird in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 als Ausführungsform dieser Erfindung so hergestellt, dass sie kein Blei enthält, wodurch eine unerwünschte Auswirkung auf die Umwelt vermieden wird, wenn die Zusammensetzung 10 weggeworfen wird.
(4) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 enthält in Bezug auf die Arbeitsbeispiele 1 bis 18 als Ausführungsform dieser Erfindung kein Ta (Tantal) als B-Stellen-Element der Perowskit-Struktur, als ABO₃ beschrieben. Es ist bekannt, dass die piezoelektrische Kalium-Natrium-Niobat-Keramikzusammensetzung, die Ta als B-Stellen-Element enthält, eine vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaft zeigt. Ta ist im Vergleich zu anderen Elementen (wie Nb oder Sb) kostspielig. Aus diesem Grund kann die Ausführungsform dieser Erfindung, die kein Ta enthält, eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 mit einer vorteilhaften piezoelektrischen Eigenschaft bereitstellen, wodurch die Herstellungskosten verringert werden.

Die Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.
Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 als obige Ausführungsform dieser Erfindung wird als Ultraschallsensor des Ultraschalldurchflussmessers verwendet, ist aber nicht auf diese Verwendung beschränkt. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 als Luftblasendetektionssensor zu verwenden, um die abnehmende Rate der Ultraschallwellen zu messen, die sich in der Lösung ausbreiten, und um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Blasen auf Basis einer solchen abnehmenden Rate zu beurteilen, oder die Zusammensetzung 10 kann als Ultraschallkonzentrationsmessgerät verwendet werden, um die Konzentration von Lösung auf Basis der abnehmenden Rate der Ultraschallwellen zu detektieren. Darüber hinaus ist es möglich, die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 als Klopfsensor in einem Motor oder Aktuator oder als Ultraschallwandler in einer Ultraschallreinigungsmaschine oder dergleichen zu verwenden. Außerdem ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung 10 scheibenförmig. Die Form oder Größe der Zusammensetzung 10 kann jedoch je nach angedachtem Verwendungszweck modifiziert werden.
Neben den technischen Ideen, wie in dieser Erfindung beschrieben, sind nachstehend auch andere zu verstehende technische Ideen beschrieben.

(1) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass v, die Zusatzstoffmenge an Bi, und w, die Zusatzstoffmenge an Fe, den Bereich von 0,007 ≦ v < w ≦ 0,009 erfüllen.
(2) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der obigen technischen Idee (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Konstante d₃₃ 270 pC/N oder mehr beträgt und die Curie-Temperatur 340 Grad Celsius oder mehr ist.
(3) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der obigen technischen Idee (2) ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus 0,47 oder mehr ist; die relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ 1450 oder mehr ist; und der dielektrische Verlusts tanδ 0,025 oder weniger ist.
(4) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass v, die Zusatzstoffmenge an Bi, geringer als w, die Zusatzstoffmenge an Fe, ist.
(5) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung kein Blei enthält.
(6) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung als Ultraschallsensor verwendet wird.
(7) Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung als Aktuator verwendet wird.

Bezugszeichenliste

10: Piezoelektrische Keramikzusammensetzung

Claims

Piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der Zusammensetzungsformel {Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}(Nb_1-zSb_z)O₃, die solche Zusatzstoffe wie die metallischen Elemente Bi und Fe innerhalb des Bereichs der folgenden Vergleichsausdrücke enthält: 0,03 ≦ x ≦ 0,045; 0,5 ≦ y ≦ 0,58; 0,03 ≦ z ≦ 0,045; und 0,006 ≦ v < w ≦ 0,010, wobei v die Zusatzstoffmenge an Bi (Molverhältnis) und w die Zusatzstoffmenge an Fe (Molverhältnis) ist und die piezoelektrische Konstante d₃₃ 250 pC/N oder mehr beträgt.
Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Curie-Temperatur 330 Grad Celsius oder mehr ist.
Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die scheibenförmig mit einer Vorder- und Rückseite ausgebildet ist, deren elektromechanischer Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus 0,44 oder mehr beträgt und deren relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ 1390 oder mehr ist.
Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die scheibenförmig mit einer Vorder- und Rückseite ausgebildet ist, deren elektromechanischer Kopplungskoeffizient Kp in einem radialen Modus 0,44 oder mehr beträgt und deren relative Permittivität ε₃₃ ^T/ε₀ 1390 oder mehr ist und deren dielektrischer Verlust tanδ 0,03 oder weniger beträgt.