JP2003342070A - 圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子 - Google Patents

圧電磁器組成物及びその製造方法並びに圧電素子

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JP2003342070A JP2003026198A JP2003026198A JP2003342070A JP 2003342070 A JP2003342070 A JP 2003342070A JP 2003026198 A JP2003026198 A JP 2003026198A JP 2003026198 A JP2003026198 A JP 2003026198A JP 2003342070 A JP2003342070 A JP 2003342070A
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Toshiatsu Nagaya
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛を含まず,常圧にて焼成が可能であり,か
つ機械的品質係数が高く誘電損失が小さい圧電磁器組成
物及びその製造方法,並びに該圧電磁器組成物を利用し
た圧電素子を提供すること。 【解決手段】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
1-zTaz)O3で表され,かつx,y,zがそれぞれ
0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4の組
成範囲にある化合物を主成分とする圧電磁器組成物であ
って,該圧電磁器組成物は,ニッケル又はニッケルを含
有して成る化合物を含有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は,組成物中に鉛を含有しない圧電
磁器組成物及びその製造方法並びに,該圧電磁器組成物
を材料とする圧電素子に関する。
【0002】
【従来技術】従来より,圧電磁器組成物としては,鉛を
含んだPZT(PbTiO3−PbZrO3)成分系磁器
が用いられてきた。上記PZTは,電気機械結合係数や
圧電定数等の圧電特性に優れており,上記PZTを利用
した圧電素子は,センサ,アクチュエータ,フィルター
等に広く利用されている。
【0003】ところが,上記PZTから成る圧電磁器組
成物は,優れた特性を有する一方で,その構成元素に鉛
を含んでいるため,PZTを含んだ製品の産業廃棄物か
ら有害な鉛が溶出し,環境汚染を引き起こすおそれがあ
った。そして,近年の環境問題に対する意識の高まり
は,PZTのように環境汚染の原因となりうる製品の製
造を困難にしてきた。そのため,組成中に鉛を含有しな
い圧電磁器組成物の開発が求められ,一般式(K1-x
x)NbO3(但し,0<x<1)で表される圧電磁器
組成物(非特許文献1参照)が注目されてきた。
【0004】
【非特許文献1】“Journal of the
American Ceramic Societ
y”,米国,1962,Vol.45,No.5,p.
209
【0005】
【解決しようとする課題】しかしながら,上記一般式
(K1-xNax)NbO3(但し,0<x<1)で表され
る圧電磁器組成物は,焼成が困難であるためホットプレ
ス焼成を行う必要がある。そのため,製造コストが高く
なるという問題があった。また,上記圧電磁器組成物は
機械的品質係数Qmが低く,また誘電損失が大きいとい
う問題があった。そのため,上記一般式(K1-xNax
NbO3(但し,0<x<1)で表される圧電磁器組成
物は,PZTに代わる新しい圧電磁器組成物として有望
視されているものの,ほとんど実用化には至っていな
い。それ故,上記の一般式で表される圧電磁器組成物が
開発された後も,環境汚染のおそれがあるPZT等の鉛
系圧電磁器組成物が広く利用されているのが現状であ
る。
【0006】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので,鉛を含まず,常圧にて焼成が可能であ
り,かつ機械的品質係数が高く誘電損失が小さい圧電磁
器組成物及びその製造方法,並びに該圧電磁器組成物を
利用した圧電素子を提供しようとするものである。
【0007】
【課題の解決手段】第1の発明は,一般式{Lix(K
1-yNay1-x}(Nb1-zTaz)O3で表され,かつ
x,y,zがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦1.
0,0≦z≦0.4の組成範囲にある化合物を主成分と
する圧電磁器組成物であって,該圧電磁器組成物は,ニ
ッケル又はニッケルを含有してなる化合物を含有するこ
とを特徴とする圧電磁器組成物にある(請求項1)。
【0008】上記圧電磁器組成物におけるニッケル又は
ニッケルを含有してなる化合物の含有形態としては,上
記一般式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb1-zTaz
3で表される化合物におけるLi,K,Na,Nb,
Taのいずれか1種以上を,Ni原子に置換して配置す
る形態や,ニッケル又はニッケルを含有して成る化合物
をニッケル又は化合物の状態で含有する形態がある。次
に,本発明の作用効果につき説明する。本発明の圧電磁
器組成物は,上記一般式{Lix(K1-yNay1-x
(Nb1- zTaz)O3で表され,組成物中に鉛を含有し
ていない。そのため,上記圧電磁器組成物は,該圧電磁
器組成物の廃棄物等から有害な鉛が自然界に流出するこ
とがなく,安全である。
【0009】また,上記の一般式において,x,y,z
がそれぞれ上記の範囲にある。そのため,後述する実施
例でも明らかとなるように,上記圧電磁器組成物は,機
械的品質係数Qmが高く,かつ誘電損失が小さい。そし
て,上記圧電磁器組成物は,常圧下での焼成によっても
充分に緻密化することができる。
【0010】したがって,本発明によれば,鉛を含ま
ず,常圧にて焼成が可能であり,かつ機械的品質係数が
高く誘電損失が小さい圧電磁器組成物を提供することが
できる。なお,本発明,及び後述する第2及び第3の発
明における圧電磁器組成物は,圧電特性を有する磁器組
成物に限らず,誘電特性を有する誘電磁器組成物をも含
む概念である。
【0011】第2の発明は,一般式{Lix(K1-yNa
y1-x}(Nb1-zTaz)O3で表され,かつx,y,
zがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z
≦0.4の組成範囲にある圧電磁器組成物と,ニッケル
又はニッケルを含有してなる化合物とを,混合,焼成す
ることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法にある
(請求項9)。
【0012】本発明の製造方法においては,上記のごと
く,一般式{Lix(K1-yNay1 -x}(Nb1-z
z)O3で表され,かつx,y,zがそれぞれ0≦x≦
0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4の組成範囲に
ある圧電磁器組成物と,ニッケル又はニッケルを含有し
てなる化合物とを,混合,焼成する。これにより上記混
合及び焼成時に,上記一般式{Lix(K1-y
y1-x}(Nb1-zTaz)O3で表される圧電磁器組
成物にニッケル又はニッケルを含有して成る化合物を容
易に含有させることができる。
【0013】また,上記焼成の際には常圧下にて上記圧
電磁器組成物を焼成することができる。そしてこれによ
り,上記圧電磁器組成物,即ち鉛を含有せず,機械的品
質係数Qmが高く,かつ誘電損失が小さい圧電磁器組成
物を容易に得ることができる。
【0014】第3の発明は,リチウムを含有してなる化
合物と,ナトリウムを含有してなる化合物と,カリウム
を含有してなる化合物と,ニオブを含有してなる化合物
と,タンタルを含有してなる化合物と,ニッケルを含有
してなる化合物とを混合,焼成することを特徴とする圧
電磁器組成物の製造方法にある(請求項10)。
【0015】本発明においては,上記のごとく,リチウ
ムを含有してなる化合物と,ナトリウムを含有してなる
化合物と,カリウムを含有してなる化合物と,ニオブを
含有してなる化合物と,タンタルを含有してなる化合物
と,ニッケルを含有してなる化合物とを混合,焼成す
る。これにより上記混合及び焼成時に,一般式{Lix
(K1-yNay1-x}(Nb 1-zTaz)O3で表される圧
電磁器組成物にニッケル又はニッケルを含有してなる化
合物を容易に含有させることができる。
【0016】また,上記焼成時には,常圧下にて上記圧
電磁器組成物を焼成することができる。そして,混合及
び焼成後に得られる圧電磁器組成物は,鉛を含有せず,
機械的品質係数Qmが高く,かつ誘電損失が小さいもの
となる。
【0017】第4の発明は,第1の発明の圧電磁器組成
物よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素子に
ある(請求項12)。
【0018】本発明の圧電素子においては,一般式{L
x(K1-yNay1-x}(Nb1-zTaz)O3で表さ
れ,かつx,y,zがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y
≦1.0,0≦z≦0.4の組成範囲にある化合物を主
成分とする圧電磁器組成物であって,該圧電磁器組成物
は,ニッケル又はニッケルを含有して成る化合物を含有
することを特徴とする圧電磁器組成物よりなる圧電体を
用いている。そのため,上記圧電素子は,上記圧電磁器
組成物の,鉛を含有せず,機械的品質係数Qmが高く,
かつ誘電損失が小さいという優れた特性をそのまま利用
することができる。
【0019】第5の発明は,第2又は第3の発明の圧電
磁器組成物の製造方法により製造される圧電磁器組成物
よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素子にあ
る(請求項13)。
【0020】本発明の圧電素子においては,上記した製
造方法により得られる圧電磁器組成物を圧電体として用
いている。そのため,上記圧電素子は,上記圧電磁器組
成物が有する優れた特性をそのまま利用することができ
る。
【0021】
【発明の実施の形態】本発明において,上記圧電磁器組
成物は,一般式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb1-z
Taz)O3で表され,かつx,y,zがそれぞれ0≦x
≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4の組成範囲
にある。ここで,x>0.2,z>0.2の場合には,
上記圧電磁器組成物の機械的品質係数Qmが低下し,又
は誘電損失が大きくなり,所望の圧電特性を有する圧電
磁器組成物を得ることができない。
【0022】また第1の発明(請求項1)において,上
記ニッケル又はニッケルを含有して成る化合物の含有量
は,上記主成分1molに対してニッケル元素換算量で
10mol%以下であることが好ましい(請求項2)。
上記ニッケル又はニッケルを含有して成る化合物の含有
量がニッケル元素換算量で10mol%を越える場合に
は,上記圧電磁器組成物の圧電d31定数が低下し,上記
圧電磁器組成物を圧電素子として利用することが困難に
なるおそれがある。また,上記含有量が0.01mol
%未満の場合には,機械的品質係数Qmが上記従来の圧
電磁器組成物と比べて向上しないおそれがある。そのた
め,上記ニッケル又はニッケルを含有して成る化合物の
含有量は,0.01mol%以上であることが好まし
い。
【0023】次に,上記圧電磁気組成物は,上記一般式
において,Li,K,Na,Nb,Taのいずれか1種
以上と置換されたニッケルを含有していることが好まし
い(請求項3)。この場合にも上記圧電磁器組成物は,
ニッケルを含有しているので,上述したごとく,機械的
品質係数が高く誘電損失が小さいという優れた特性を示
すことができる。
【0024】次に,上記圧電磁器組成物は,機械的品質
係数Qmが200以上であることが好ましい(請求項
4)。この場合には,上記200以上という高い機械的
品質係数Qmを活かして,上記圧電磁器組成物を,発熱
が少なく電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換効
率に優れた圧電素子,例えば圧電アクチュエータ,圧電
超音波モータ,圧電トランス,圧電振動子等として利用
することができる。
【0025】次に,上記圧電磁器組成物は,キュリー温
度が200℃以上であることが好ましい(請求項5)。
この場合には,200℃以上という高いキュリー温度を
活かして,上記圧電磁器組成物を,例えば自動車のエン
ジン付近等のように高温度の環境下にて利用することが
できる。
【0026】次に,上記圧電磁器組成物は,圧電d31
数が30pm/V以上であることが好ましい(請求項
6)。この場合には,上記30pm/V以上という高い
圧電d31定数を活かして,上記圧電磁器組成物を感度の
高いセンサ素子等として利用することができる。
【0027】次に,上記圧電磁器組成物は,電気機械結
合係数Kpが0.25以上であることが好ましい(請求
項7)。この場合には,上記0.25以上という高い電
気機械結合係数Kpを活かして,上記圧電磁器組成物を
機械エネルギーと電気エネルギーの変換効率に優れた圧
電アクチュエータ,圧電振動子等として利用することが
できる。
【0028】次に,上記圧電磁器組成物は,誘電損失が
0.035以下であることが好ましい(請求項8)。こ
の場合には,0.035以下という低い誘電損失を活か
して,上記圧電磁器組成物を誘電損失に起因する誘電損
失ノイズの少ないセンサ素子等として利用することがで
きる。
【0029】また,第3の発明(請求項10)において
は,リチウムを含有してなる化合物はLi2CO3であ
り,ナトリウムを含有してなる化合物はNa2CO3であ
り,カリウムを含有してなる化合物はK2CO3であり,
ニオブを含有してなる化合物はNb25であり,タンタ
ルを含有してなる化合物はTa25であり,ニッケルを
含有してなる化合物はNiOであることが好ましい(請
求項11)。この場合には,容易に上記圧電磁器組成物
を作製することができる。
【0030】また,第4の発明(請求項12)又は第5
の発明(請求項13)において,上記圧電素子として
は,例えば圧電振動子,表面波フィルター素子,圧電セ
ンサ素子,アクチュエータ素子,超音波モータ素子,圧
電トランス素子,圧電ジャイロセンサ素子,ノックセン
サ素子等がある。
【0031】
【実施例】(実施例1)本例の実施例にかかる圧電磁器
組成物につき説明する。本例では,上記の圧電磁器組成
物を製造し,該圧電磁器組成物の圧電特性を測定した。
本例の圧電磁器組成物は,一般式{Lix(K1-y
y1-x}(Nb1-zTaz)O3で表され,かつx,
y,zがそれぞれ0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0
≦z≦0.4の組成範囲にある化合物を主成分とする圧
電磁器組成物である。そして該圧電磁器組成物は,ニッ
ケル又はニッケルを含有して成る化合物を含有する。以
下,本例の圧電磁器組成物の製造方法につき説明する。
【0032】本例の圧電磁器組成物の製造方法において
は,リチウムを含有してなる化合物と,ナトリウムを含
有してなる化合物と,カリウムを含有してなる化合物
と,ニオブを含有してなる化合物と,タンタルを含有し
てなる化合物と,ニッケルを含有してなる化合物とを混
合,焼成する。
【0033】具体的には,まず上記リチウムを含有して
なる化合物としてLi2CO3を,ナトリウムを含有して
なる化合物としてNa2CO3を,カリウムを含有してな
る化合物としてK2CO3を,ニオブを含有してなる化合
物としてNb25を,タンタルを含有してなる化合物と
してTa25を,ニッケルを含有してなる化合物として
NiOを準備し,上記圧電磁器組成物の原料とした。こ
れらの原料としては純度99%以上の高純度のものを準
備した。
【0034】次に,これらの原料を上記一般式{Lix
(K1-yNay1-x}(Nb1-zTaz)O3において,x
=0.1,y=0.5,z=0.1となるように配合
し,さらにNiOをニッケル元素換算で1mol%配合
した。配合後の原料をボールミルによりアセトン中にて
24時間混合して原料混合物を作製した。
【0035】次に,この原料混合物を750℃にて5時
間仮焼し,この仮焼後の原料混合物をボールミルにて2
4時間粉砕した。続いて,バインダーとしてポリビニー
ルブチラールを添加し,造粒した。造粒後の粉体を圧力
2ton/cm2にて,直径13mm,厚さ2mmの円
盤状に加圧成形し,成形体を常圧下,1000〜130
0℃にて1時間焼成した。ここで,焼成後の成形体は相
対密度98%以上に緻密化されていた。
【0036】次に,焼成後の各成形体の両面を平行研磨
し,円形研磨した後,この円盤試料の両面にスパッタ法
により金電極を設けた。そして,100℃のシリコーン
オイル中にて1〜5kV/mmの直流電圧を10分間電
極間に印加し,厚み方向に分極を施して本例の圧電磁器
組成物(本発明品)とした。
【0037】上記のようにして作製した本例の圧電磁器
組成物について,機械的品質係数Qm,キュリー温度,
圧電d31定数,電気機械結合係数Kp,誘電損失,比誘
電率及び径方向の周波数定数Npを測定した。ここで機
械的品質係数Qm,圧電d31定数,電気機械結合係数K
p及び周波数定数Npは,インピーダンスアナライザー
を用いて共振−反共振法により測定した。また,誘電損
失及び比誘電率は,インピーダンスアナライザーを用い
て,測定周波数1kHzにて測定し,キュリー温度は,
上記圧電磁器組成物の温度を一分当たり2℃ずつ600
℃まで上げながら比誘電率を測定し,該比誘電率が最も
高いときの温度をもってキュリー温度とした。その結果
を表1に示す。
【0038】
【表1】
【0039】また,本例では上記圧電磁器組成物の優れ
た特性を明らかにするために,以下のようにして比較品
を作製した。まず,比較品の原料として,純度99%以
上の高純度のLi2CO3,Na2CO3,K2CO3,Nb
25及びTa25を準備した。これらの原料を上記一般
式{Lix(K1-yNay1-x}(Nb1-zTaz)O3
おいて,x=0.1,y=0.5,z=0.1となるよ
うに配合した。配合後の原料をボールミルによりアセト
ン中にて24時間混合して原料混合物を作製した。
【0040】次に,この原料混合物を750℃にて5時
間仮焼し,上記本発明品と同様にして,ボールミルにて
24時間粉砕,造粒した。造粒後の粉体を圧力2ton
/cm2にて,直径13mm,厚さ2mmの円盤状に加
圧成形し,成形体を常圧下,1000〜1300℃にて
1時間焼成した。ここで,焼成後の成形体は相対密度9
8%以上に緻密化されていた。
【0041】次に,焼成後の成形体の両面を平行研磨
し,上記本発明品と同様に,金電極を設けた。そして,
100℃のシリコーンオイル中にて1〜5kV/mmの
直流電圧を10分間電極間に印加し,厚み方向に分極を
施して比較品とした。
【0042】上記のようにして作製した比較品について
も,機械的品質係数Qm,キュリー温度,圧電d31
数,電気機械結合係数Kp,誘電損失,比誘電率及び径
方向の周波数定数Npを測定した。各測定値の測定方法
は,本発明品の場合と同様とした。その結果を表1に示
す。
【0043】表1より知られるごとく,本発明品の機械
的品質係数Qmは,比較品に比べて4倍以上高い値を示
した。したがって,本発明品の圧電磁器組成物は,発熱
の少ない圧電アクチュエータ,超音波モータ,圧電トラ
ンス,圧電振動子部品等に利用することができる。な
お,上記圧電磁器組成物をこのような圧電素子として用
いる場合には,上記機械的品質係数Qmは200以上で
あることが好ましい。
【0044】また,本発明品は,上記した機械的品質係
数Qmに加えて,圧電d31定数においても比較品より高
い値を示した。一般に,上記圧電d31定数は,電荷検出
型回路あるいは電流検出型回路を用いた場合には,加速
度センサ,加重センサ,衝撃センサ及びノックセンサ等
の圧電型センサの出力電圧に比例する。その点からみる
と,圧電d31定数が高い圧電磁器組成物ほど電荷センサ
出力の大きなセンサを作ることができる。そして,比較
品と同等以上の特性を有するセンサを作製するには,少
なくとも30pm/V以上の圧電d31定数を有し,かつ
200以上の機械的品質係数Qmを有することが好まし
い。
【0045】また,本発明品は,電気機械結合係数Kp
においても,比較品よりも高い値を示した。一般に上記
電気機械結合係数Kpは,圧電トランス素子,超音波モ
ータ素子,又は超音波振動子等の電気変換効率に比例す
る。その点からみると,電気機械結合係数Kpが高い圧
電磁器組成物ほど電気変換効率の高い圧電トランス素
子,超音波モータ素子,又は超音波振動子を作ることが
できる。そして,比較品と同等以上の特性を有する圧電
トランス素子,超音波モータ素子,又は超音波振動子を
作製するには,少なくとも0.25以上の電気機械結合
係数Kpを有し,かつ200以上の機械的品質係数Qm
を有することが好ましいといえる。
【0046】また,本発明品の誘電損失は,比較品に比
べて3分の1以下の値を示した。したがって,本発明品
の圧電磁器組成物は,誘電損失に起因する誘電損失ノイ
ズの少ないセンサ等に利用することができる。なお,こ
のような誘電損失ノイズの少ないセンサ圧電素子として
上記圧電磁器組成物を用いる場合には,上記誘電損失は
0.035以下であることが好ましい。
【0047】また,本発明品のキュリー温度は,426
℃という高い値を示した。そのため,本発明品の圧電磁
器組成物は,自動車のエンジン付近等の高温度部におい
ても長時間安定に使用することができるノックセンサ等
の高温用センサ部品等として利用することができる。な
お,上記高温用センサ部品等として長時間安定に使用す
るためには,上記キュリー温度は,200℃以上である
ことが好ましい。
【0048】また,本発明品の比誘電率は比較品よりも
高く,725という高い値を示した。そのため,本発明
品の圧電磁器組成物は,圧電体のみならず誘電体として
も利用することができる。そして,上記比誘電率は,一
般に積層コンデンサ部品等のコンデンサの静電容量に比
例する。その点からみると,上記比誘電率が高い圧電磁
器組成物ほど静電容量の大きなコンデンサを作ることが
できる。本発明品の圧電磁器組成物は,上記のような高
い比誘電率を有しているため,大きな静電容量を有する
コンデンサ等に利用することができる。
【0049】また,本発明品の周波数定数Npは比較品
よりも高い値を示した。そのため,本発明品の圧電磁器
組成物を用いると,周波数が高くかつ小型の圧電振動子
部品を作製することができる。
【0050】なお,上記一般式{Lix(K1-yNay
1-x}(Nb1-zTaz)O3の上記組成範囲内(0≦x≦
0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4)において,
上記本発明品とは異なる組成範囲についても本例と同様
に圧電磁器組成物を作製し圧電特性の測定をおこなった
ところ,本例と同様の効果が得られることを確認でき
た。
【0051】(実施例2)本例は,ニッケルの量を変え
て圧電磁器組成物を作製した例である。具体的には,ま
ず実施例1と同様に,上記リチウムを含有してなる化合
物としてLi2CO3を,ナトリウムを含有してなる化合
物としてNa2CO3を,カリウムを含有してなる化合物
としてK2CO3を,ニオブを含有してなる化合物として
Nb25を,タンタルを含有してなる化合物としてTa
25を,ニッケルを含有してなる化合物としてNiOを
準備し,上記圧電磁器組成物の原料とした。これらの原
料としては純度99%以上の高純度のものを準備した。
【0052】次に,これらの原料を上記一般式{Lix
(K1-yNay1-x}(Nb1-zTaz)O3において,x
=0.1,y=0.5,z=0.1となるように,即ち
Li0 .1(K0.45Na0.45)(Nb0.9Ta0.1)O3とな
るように配合し,さらにLi0 .1(K0.45Na0.45
(Nb0.9Ta0.1)O31molに対して,NiOをニ
ッケル元素換算で,それぞれ0.1mol%,0.5m
ol%,2mol%,及び5mol%となるように配合
し,4種類の配合物を得た。続いてこれらの配合物をボ
ールミルによりアセトン中にて24時間混合して原料混
合物を作製した。
【0053】次に,実施例1と同様にして,これらの原
料混合物を仮焼し,粉砕し,バインダーとしてポリビニ
ールブチラールを添加し,造粒した。さらに,実施例1
と同様にして,造粒後の粉体を加圧成形し,焼成した。
ここで,焼成後の成形体は相対密度98%以上に緻密化
されていた。
【0054】その後,焼成後の各成形体の両面を平行研
磨し,円形研磨した後,この円盤試料の両面にスパッタ
法により金電極を設けた。そして,100℃のシリコー
ンオイル中にて1〜5kV/mmの直流電圧を10分間
電極間に印加し,厚み方向に分極を施して4種類の圧電
磁器組成物を作製した。これらをそれぞれ試料E1,試
料E2,試料E4,及び試料E5とした。上記試料E
1,E2,E4,及びE5は,いずれもLi0.1(K
0.45Na0.45)(Nb0.9Ta0.1)O3を主成分とし,
Niの含有量だけが互いに異なっている。ここで,試料
E1は,1molのLi0.1(K0.45Na0.45)(Nb
0.9Ta0. 1)O3に対して,0.1mol%のNiを含
有するものである。同様に,試料E2,試料E4,試料
E5は,1molのLi0.1(K0.45Na0.45)(Nb
0.9Ta0.1)O3に対して,それぞれ0.5mol%,
2mol%,及び5mol%のNiを含有するものであ
る。
【0055】次に,上記試料E1,E2,E4,及びE
5について,機械的品質係数Qm,圧電d31定数,電気
機械結合係数Kp,誘電損失,比誘電率及び径方向の周
波数定数Npを測定した。測定方法は,実施例1と同様
である。その結果を表2に示す。なお,表2には,比較
のため,実施例1の本発明品及び比較品をそれぞれ試料
E3及び試料Cとし,その圧電特性及び誘電特性の結果
を併せて表記した。なお,試料E3は,1molのLi
0.1(K0.45Na0.45)(Nb0.9Ta0.1)O3に対し
て,1mol%のNiを含有するものであり,試料C
は,Niを含有していないものである。
【0056】
【表2】
【0057】表2より知られるごとく,試料E1〜試料
E5の機械的品質係数Qmは,すべて,試料Cの108
という値よりも大きかった。特に,Ni含有量が1mo
l%(試料E3)のときに最大となり,このとき機械的
品質係数Qmは,457という試料C1の4倍を越える
非常に大きな値を示した。このように高い機械的品質係
数Qmを生かして,上記試料E1〜試料E5の圧電磁器
組成物は,発熱の少ない優れた圧電アクチュエータ,圧
電超音波モータ,圧電トランス,及び圧電振動子部品等
に利用することができる。
【0058】また,試料E1〜試料E5の圧電d31定数
は,すべて,試料Cの39.6pm/Vという値よりも
大きく,また電気機械結合係数Kpもすべて,試料Cの
0.292という値よりも大きかった。圧電d31定数及
び電気機械結合係数Kpは,特にNi含有量が2mol
%(試料E4)のときに最大となり,それぞれ50.5
pm/V,0.356という非常に大きな値を示した。
【0059】一般に,圧電d31定数は,電荷或いは電流
検出型回路を用いた場合の,加速度センサ,荷重セン
サ,衝撃センサ,及びノックセンサ等の圧電型センサの
出力電圧に比例する。そのため,上記試料E1〜試料E
5は,その高い圧電d31定数を生かして,感度の高く,
センサ出力電圧の大きなセンサに利用することができ
る。
【0060】また,試料E1〜試料E5の比誘電率は,
すべて,試料Cの672という値と同等以上の高い値を
示した。特に,Ni含有量が5mol%(試料E5)の
ときに最大となり,このとき比誘電率は822という非
常に大きな値を示した。そのため,本発明の圧電磁器組
成物は,圧電体のみならず,優れた誘電体としても利用
することができる。
【0061】一般に,比誘電率は,積層コンデンサ部品
等のコンデンサの静電容量に比例する。その点からみる
と,比誘電率の高い圧電磁器組成物ほど静電容量の大き
なコンデンサを作製することができる。上記試料E1〜
E5は,その優れた比誘電率を生かして,大きな静電容
量を有するコンデンサ等に利用することができる。
【0062】また,試料E1〜試料E5の誘電損失は,
すべて,試料Cの0.0388という値よりも小さかっ
た。特に,Ni含有量が1mol%(試料E3)のとき
に,最小となり,このとき誘電損失は0.0123とい
う試料C1の3分の1未満の非常に小さい値を示した。
このように小さい誘電損失を生かして,上記試料E1〜
試料E5の圧電磁器組成物は,誘電損失に起因する誘電
損失ノイズの少ないセンサ等に利用することができる。
【0063】また,試料E1〜試料E5の周波数定数N
pは,すべて,試料Cの2579という値よりもすべて
大きかった。特に,Ni含有量が0.1mol%(試料
E1)のときに最大となり,このとき,周波数定数は2
747という非常に大きな値を示した。このように高い
周波数定数Npを生かして,上記試料E1〜試料E5の
圧電磁器組成物は,例えば試料Cと同じ周波数の振動子
を作製する場合に,より小さな圧電振動子部品を作製す
ることが可能である。
【0064】また,表2中には示していないが,Niの
含有量を10mol%を越えて増加させると,圧電磁器
組成物の圧電d31定数が低下することを確認している。
そのため,この場合には,圧電素子への適用が困難にな
ってしまうおそれがある。
【0065】なお,上記一般式{Lix(K1-yNay
1-x}(Nb1-zTaz)O3の上記組成範囲内(0≦x≦
0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4)において,
上記試料E1〜試料E5とは異なる組成範囲についても
本例と同様に圧電磁器組成物を作製し圧電特性の測定を
おこなったところ,本例と同様の効果が得られることを
確認できた。
フロントページの続き (72)発明者 鷹取 一雅 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 本間 隆彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 高尾 尚史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々山 龍彦 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 長屋 年厚 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 4G030 AA02 AA03 AA04 AA20 AA21 AA29 BA09 BA10 GA03 GA04 GA05 GA08 GA14 GA17 GA22 GA27

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
    1-zTaz)O3で表され,かつx,y,zがそれぞれ
    0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4の組
    成範囲にある化合物を主成分とする圧電磁器組成物であ
    って,該圧電磁器組成物は,ニッケル又はニッケルを含
    有して成る化合物を含有することを特徴とする圧電磁器
    組成物。
  2. 【請求項2】 請求項1において,上記ニッケル又はニ
    ッケルを含有して成る化合物の含有量は,上記主成分1
    molに対してニッケル元素換算量で10mol%以下
    であることを特徴とする圧電磁器組成物。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において,上記圧電磁気
    組成物は,上記一般式において,Li,K,Na,N
    b,Taのいずれか1種以上と置換されたニッケルを含
    有していることを特徴とする圧電磁器組成物。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,機械的品質係数Qmが200以
    上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,キュリー温度が200℃以上で
    あることを特徴とする圧電磁器組成物。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,圧電d31定数が30pm/V以
    上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
  7. 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,電気機械結合係数Kpが0.2
    5以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれか1項において,
    上記圧電磁器組成物は,誘電損失が0.035以下であ
    ることを特徴とする圧電磁器組成物。
  9. 【請求項9】 一般式{Lix(K1-yNay1-x}(N
    1-zTaz)O3で表され,かつx,y,zがそれぞれ
    0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.4の組
    成範囲にある圧電磁器組成物と,ニッケル又はニッケル
    を含有してなる化合物とを,混合,焼成することを特徴
    とする圧電磁器組成物の製造方法。
  10. 【請求項10】 リチウムを含有してなる化合物と,ナ
    トリウムを含有してなる化合物と,カリウムを含有して
    なる化合物と,ニオブを含有してなる化合物と,タンタ
    ルを含有してなる化合物と,ニッケルを含有してなる化
    合物とを混合,焼成することにより請求項1〜8のいず
    れか一項に記載の圧電磁器組成物を得ることを特徴とす
    る圧電磁器組成物の製造方法。
  11. 【請求項11】 請求項10において,リチウムを含有
    してなる化合物はLi2CO3であり,ナトリウムを含有
    してなる化合物はNa2CO3であり,カリウムを含有し
    てなる化合物はK2CO3であり,ニオブを含有してなる
    化合物はNb 25であり,タンタルを含有してなる化合
    物はTa25であり,ニッケルを含有してなる化合物は
    NiOであることを特徴とする圧電磁器組成物の製造方
    法。
  12. 【請求項12】 請求項1〜8のいずれか1項に記載の
    圧電磁器組成物よりなる圧電体を有することを特徴とす
    る圧電素子。
  13. 【請求項13】 請求項9〜11のいずれか1項に記載
    の圧電磁器組成物の製造方法により製造される圧電磁器
    組成物よりなる圧電体を有することを特徴とする圧電素
    子。
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