JP2008007335A - Piezoelectric ceramic composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種圧電デバイスに用いられる圧電磁器組成物に係り、特に圧電トランスに適した圧電磁器組成物に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition used for various piezoelectric devices, and more particularly to a piezoelectric ceramic composition suitable for a piezoelectric transformer.
近年、圧電材料を応用した圧電トランスは、電磁トランスと比較して、高い効率および昇圧比が得られること、低背化に適していることから、液晶ディスプレイのバックライト用インバーターに広く用いられている。 In recent years, piezoelectric transformers using piezoelectric materials have been widely used in backlight inverters for liquid crystal displays because they have higher efficiency and higher step-up ratio and are suitable for lowering the height compared to electromagnetic transformers. Yes.
液晶ディスプレイの大型化およびインバーターの小型化に伴い、圧電トランスに用いられる圧電材料に対しては、その機械的出力のさらなる増大が要求されている。また、圧電材料の電気エネルギーの機械的な振動エネルギーへの変換に際して、エネルギー損失を抑制することが求められる。動作振動振幅もしくは振動速度が高くなるのに伴い、内部エネルギー損失による発熱が生じるため、やがて励起できる振動振幅は限界値すなわち振動速度限界値に達し、さらには材料の絶縁破壊を引き起こすことになるからである。 With the increase in the size of liquid crystal displays and the size of inverters, the piezoelectric material used for piezoelectric transformers is required to further increase its mechanical output. Further, it is required to suppress energy loss when converting the electrical energy of the piezoelectric material into mechanical vibration energy. As the operating vibration amplitude or vibration speed increases, heat is generated due to internal energy loss, so the vibration amplitude that can be excited eventually reaches the limit value, that is, the vibration speed limit value, and further causes dielectric breakdown of the material. It is.
今、振動速度を、振動子の最大先端振動振幅ξmと振動子の共振周波数frの測定から算出できる振動速度Vとすると、Vは式(1)で表される。非特許文献1に記されているとおりである。
Now, assuming that the vibration speed is a vibration speed V that can be calculated from the measurement of the maximum tip vibration amplitude ξm of the vibrator and the resonance frequency fr of the vibrator, V is expressed by Expression (1). As described in Non-Patent
V=2×π×fr×ξm ・・・・・・・・・(1) V = 2 × π × fr × ξm (1)
そして、実効的振動速度Veは、式(2)で表される。
Ve=21/2×π×fr×ξm ・・・・・・・・(2)
The effective vibration speed Ve is expressed by Expression (2).
Ve = 2 1/2 × π × fr × ξm (2)
次に、振動速度限界値について説明する。圧電インバーターには、パソコン等の装置の使用環境温度の上限である40℃環境において駆動できなければならないという要求がある。環境温度の上昇と共に各部品単体の温度が上昇して熱暴走し、圧電インバーターが停止してしまうことを防ぐためである。圧電トランスについては、駆動中の単体の温度上昇が20℃ならば、装置の使用環境条件を満足できることが確認されている。常温下で共振駆動されている圧電振動子の振動節点における上昇温度が20℃に達するときの振動速度を振動速度限界Vmaxと定めると、従来からの圧電磁器組成物では振動速度限界Vmaxは0.3m/sであった。 Next, the vibration speed limit value will be described. The piezoelectric inverter is required to be able to be driven in a 40 ° C. environment, which is the upper limit of the operating environment temperature of a device such as a personal computer. This is to prevent the piezoelectric inverter from stopping due to a rise in the temperature of each component as the environmental temperature rises and thermal runaway. Regarding the piezoelectric transformer, it has been confirmed that if the temperature rise of a single unit during driving is 20 ° C., the use environment conditions of the apparatus can be satisfied. When the vibration speed when the rising temperature at the vibration node of a piezoelectric vibrator that is resonantly driven at room temperature reaches 20 ° C. is defined as the vibration speed limit Vmax, the vibration speed limit Vmax is 0 in the conventional piezoelectric ceramic composition. It was 3 m / s.
さらに、高振動速度で駆動可能な圧電磁器組成物の例としては、特許文献1に開示されている。ここでは、組成式aPbZrO3−bPbTiO3−cPb(Mn1/3Sb2/3)O3(但し、a+b+c=1)で表される特定の組成範囲と焼結体の平均粒径範囲を規定することで、振動限界速度Vmax≧0.45m/sを実現していた。
Furthermore,
また、圧電トランスの出力値Poutは、材料特性値である比誘電率εr、電気機械結合係数k、および振動速度Vと式(3)の関係にある。 Further, the output value Pout of the piezoelectric transformer has a relation of the relative dielectric constant εr, the electromechanical coupling coefficient k, and the vibration speed V, which are material characteristic values, as shown in Expression (3).
Pout∝εr×k2×V2 ・・・・・・・・・(3) Pout∝εr × k 2 × V 2 (3)
式(3)より高出力を得るためには、その材料特性において、使用可能な振動速度レベルが高いことも重要であるが、あわせてεrやkの値が大きいことが必要となる。 In order to obtain a higher output than Expression (3), it is important that the usable vibration speed level is high in the material characteristics, but it is also necessary that the values of εr and k be large.
圧電トランスのように、高振動速度レベルで使用するデバイスにおいては、セラミクスの機械的強度が高いことが求められる。高特性(εr、k、Vmax)を満足する材料が得られても、機械的強度が低ければ、高振動速度レベルで安定して使用することが不可能であり、製品としての信頼性も低下するからである。 In a device used at a high vibration speed level, such as a piezoelectric transformer, the mechanical strength of ceramics is required to be high. Even if a material satisfying high characteristics (εr, k, Vmax) is obtained, if the mechanical strength is low, it cannot be used stably at a high vibration speed level, and the reliability as a product is also lowered. Because it does.
しかしながら、特許文献1に記載されている技術では、高出力の圧電トランスを得るために、振動速度が高い状態で動作させると、圧電トランス自身が発生する歪みによって破壊が生じるおそれがあり、安定した圧電トランス特性を確保できなくなるという問題があった。
However, in the technique described in
従って、本発明の課題は、インバーターの高出力化の要求に対して、圧電トランスの高寿命化および安定した高出力特性を確保するために、比誘電率εr、電気機械結合係数kおよび振動限界速度Vmaxのより大きな圧電磁器組成物を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to meet the demand for higher output of the inverter, in order to ensure the life of the piezoelectric transformer and the stable high output characteristics, the relative dielectric constant εr, the electromechanical coupling coefficient k, and the vibration limit. It is to provide a piezoelectric ceramic composition having a higher velocity Vmax.
即ち、本発明は、主成分の組成式が、aPb(Mn1/3Sb2/3)O3−bPb(Mn1/3Nb2/3)O3−cPb(Sb1/2Nb1/2)O3−yPbZrO3−zPbTiO3(但し、a+b+c+y+z=1)で表記され、前記組成式中のa,b,c,y,zが、0.03<a+b+c≦0.10、0.46≦y/(y+z)≦0.54の範囲の圧電磁器組成物である。 That is, according to the present invention, the composition formula of the main component is aPb (Mn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 -bPb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -cPb (Sb 1/2 Nb 1 / 2 ) O 3 −yPbZrO 3 −zPbTiO 3 (where a + b + c + y + z = 1), and a, b, c, y, z in the composition formula are 0.03 <a + b + c ≦ 0.10, 0.46 It is a piezoelectric ceramic composition in the range of ≦ y / (y + z) ≦ 0.54.
本発明は、前記組成式中のPbの一部をCaに置換した上記圧電磁器組成物である。 The present invention is the above piezoelectric ceramic composition in which a part of Pb in the composition formula is replaced with Ca.
本発明は、前記組成式中の化学量論的なPb含有量から1.0mol%以下の範囲で減量した上記圧電磁器組成物である。 This invention is the said piezoelectric ceramic composition reduced in the range of 1.0 mol% or less from the stoichiometric Pb content in the said composition formula.
本発明は、振動速度限界Vmaxが0.3m/s以上で、かつ比誘電率εrが600以上で、かつ縦振動モードにおける電気機械結合係数k33が0.6以上の圧電磁器組成物である。ここで、振動速度限界とは、常温下で共振駆動されている圧電振動子の振動節点における上昇温度が20℃に達する時の振動速度である。 The present invention is a piezoelectric ceramic composition having a vibration velocity limit Vmax of 0.3 m / s or more, a relative dielectric constant εr of 600 or more, and an electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode of 0.6 or more. . Here, the vibration speed limit is a vibration speed at which the rising temperature at the vibration node of the piezoelectric vibrator that is resonantly driven at room temperature reaches 20 ° C.
本発明は、破壊振動速度が1.0m/s以上の圧電磁器組成物である。ここで、破壊振動速度とは、常温下で共振駆動している圧電振動子の破壊に至る振動速度である。 The present invention is a piezoelectric ceramic composition having a fracture vibration speed of 1.0 m / s or more. Here, the breaking vibration speed is a vibration speed that leads to the destruction of the piezoelectric vibrator that is resonantly driven at room temperature.
本発明によれば、縦振動モードにおける電気機械結合係数k33が0.6以上で、比誘電率εrが600以上で、振動限界速度Vmaxが0.3m/s以上の圧電磁器組成物を得ることができる。 According to the present invention, a piezoelectric ceramic composition having an electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode of 0.6 or more, a relative dielectric constant εr of 600 or more, and a vibration limit speed Vmax of 0.3 m / s or more is obtained. be able to.
また、Pbの一部をCaで置換し、Pb量を減らすことで、結晶粒の成長と焼結緻密化のバランスの調整ができるので、材料の抗電界を低下させることが可能となり、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することができる。ここで、抗電界とは強誘電体セラミクスを分極するための高電界である。また、Pb量を減らすことで、電気機械結合係数を増加させることができる。 Further, by substituting a part of Pb with Ca and reducing the amount of Pb, the balance between crystal grain growth and sintering densification can be adjusted, so that the coercive electric field of the material can be lowered, and the piezoelectric element The amount of energy at the time of manufacture can be suppressed. Here, the coercive electric field is a high electric field for polarizing ferroelectric ceramics. Moreover, the electromechanical coupling coefficient can be increased by reducing the amount of Pb.
従って、本発明によれば、高出力が可能な圧電トランス用の圧電磁器組成物を提供できる。 Therefore, according to the present invention, a piezoelectric ceramic composition for a piezoelectric transformer capable of high output can be provided.
以下、実施の形態により本発明の圧電磁器組成物について詳細に説明する。 Hereinafter, the piezoelectric ceramic composition of the present invention will be described in detail by embodiments.
本発明による圧電磁器組成物aPb(Mn1/3Sb2/3)O3−bPb(Mn1/3Nb2/3)O3−cPb(Sb1/2Nb1/2)O3−yPbZrO3−zPbTiO3(但し、a+b+c+y+z=1)は、圧電トランス用磁器組成物である複合ペロブスカイト類を第3成分として固溶させた多成分PZT系圧電セラミクスPb(Mn1/3Sb2/3)O3−PbZrO3−PbTiO3に、第4、第5の主成分としてPb(Mn1/3Nb2/3)O3、Pb(Sb1/2Nb1/2)O3を添加したもので、a,b,c,y,zの組成範囲を選択することで、比誘電率εr、および電気機械結合係数k33を増大できる。
The piezoelectric ceramic composition according to the invention aPb (Mn 1/3 Sb 2/3) O 3 -bPb (
本発明において、a+b+cを0.03より大きく0.10以下としたのは、0.03以下の場合または0.10より大きい場合、k33は0.6以上が得られないからである。 In the present invention, a + b + c is set to be larger than 0.03 and equal to or smaller than 0.10 because when k is equal to or smaller than 0.03 or larger than 0.10, k 33 cannot be 0.6 or larger.
また、y/(y+z)を0.46以上0.54以下としたのは、y/(y+z)が0.54より大きく、a+b+cが0.03未満では、k33は0.6以上が得られないからである。 Also, to that y / a (y + z) 0.46 or 0.54 or less, y / (y + z) is greater than 0.54, the a + b + c is less than 0.03, k 33 is obtained at least 0.6 Because it is not possible.
また、a+b+cは、0.03より大きく0.10以下で、かつy/(y+z)は0.46以上0.54以下であれば、振動速度限界Vmaxは0.3以上が得られる。a+b+cが0.03未満の場合は、0.03以上の場合と比べて、振動速度限界Vmaxは小さくなる。 If a + b + c is greater than 0.03 and 0.10 or less, and y / (y + z) is 0.46 or more and 0.54 or less, the vibration speed limit Vmax is 0.3 or more. When a + b + c is less than 0.03, the vibration speed limit Vmax is smaller than that when 0.0+ or more.
本発明の圧電磁器組成物のPbからCaへの置換については、置換量を0〜7.5%まで増やしていくと抗電界は、1.3〜0.9kV/mmまで下げることができる。また、y/(y+z)の組成比を大きくすると、さらに抗電界は下げることができる。 Regarding the substitution of the piezoelectric ceramic composition of the present invention from Pb to Ca, the coercive electric field can be lowered to 1.3 to 0.9 kV / mm when the substitution amount is increased to 0 to 7.5%. Further, the coercive electric field can be further lowered by increasing the composition ratio of y / (y + z).
ところが、抗電界が0.6kV/mm以下で分極した圧電磁器組成物はk33が低くなってしまう。また、Ca置換量を増やしていくと破壊振動速度が下がってくる傾向がある。 However, a piezoelectric ceramic composition polarized at a coercive electric field of 0.6 kV / mm or less has a low k 33 . Further, when the Ca substitution amount is increased, the fracture vibration speed tends to decrease.
これらの条件から、本発明の効果が得られる望ましいPbからCaへの置換量は、0から2.5%であり、その時の抗電界が0.9から1.2kV/mmである。 From these conditions, the preferable substitution amount of Pb to Ca that can achieve the effect of the present invention is 0 to 2.5%, and the coercive electric field at that time is 0.9 to 1.2 kV / mm.
本発明の圧電磁器組成物のPb含有量を0から1.0mol%まで減量させていくと電気機械結合係数も増加していく。さらに、y/(y+z)の組成によっても電気機械結合係数は増加し、Pb減1.0%、y/(y+z)=0.50にて最大値が得られる。 As the Pb content of the piezoelectric ceramic composition of the present invention is decreased from 0 to 1.0 mol%, the electromechanical coupling coefficient also increases. Furthermore, the electromechanical coupling coefficient also increases with the composition of y / (y + z), and the maximum value is obtained when Pb decreases by 1.0% and y / (y + z) = 0.50.
次に、本発明の実施例について、詳細に説明する。圧電磁器組成物を得る出発材料として、酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、炭酸マンガン(MnCO3)、酸化アンチモン(Sb2O3)、酸化ニオブ(Nb2O5)および炭酸カルシウム(CaCO3)の粉末を用いた。 Next, examples of the present invention will be described in detail. As starting materials for obtaining a piezoelectric ceramic composition, lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), manganese carbonate (MnCO 3 ), antimony oxide (Sb 2 O 3 ), niobium oxide (Nb) 2 O 5 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) powders were used.
各原料粉末を所定量秤量しボールミルで湿式混合後、混合粉末を脱水し、乾燥した後にアルミナこう鉢中で予焼を行い、各予焼粉をボールミルで湿式粉砕した。 A predetermined amount of each raw material powder was weighed and wet-mixed with a ball mill, the mixed powder was dehydrated, dried and then pre-fired in an alumina mortar, and each pre-fired powder was wet-ground with a ball mill.
次に、脱水し、乾燥して得た予焼粉砕粉にバインダを混合して加圧してφ20×厚さ3mmの形状に成形する。この成形体は、900〜1260℃の温度で2〜6時間の焼成を行った。 Next, a binder is mixed with the pre-fired pulverized powder obtained by dehydration and drying, and pressed to form a shape of φ20 × thickness 3 mm. This molded body was fired at a temperature of 900 to 1260 ° C. for 2 to 6 hours.
そして、各焼結体を1mmの厚さに切断加工した。次に、両面に銀ペーストを塗布し、450℃で焼き付けを行い、電極を形成することで、組成の異なる圧電磁気組成物の評価用の試料を作製した。 Each sintered body was cut into a thickness of 1 mm. Next, silver paste was applied to both surfaces, baked at 450 ° C., and electrodes were formed to prepare samples for evaluating piezoelectric magnetic compositions having different compositions.
振動速度限界Vmaxの評価用としては、長さ12mm×幅3mm×厚さ1mmの矩形板に加工した。 For evaluation of the vibration speed limit Vmax, a rectangular plate having a length of 12 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 1 mm was processed.
縦振動モードにおける電気機械結合係数k33の評価用としては、3mm×3mm×10mmの矩形板に加工した。 For evaluation of the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode, it was processed into a rectangular plate of 3 mm × 3 mm × 10 mm.
破壊振動速度の評価用としては、40×4×1.5mmの形状でローゼン型の圧電トランスに加工した。 For evaluation of the fracture vibration speed, a Rosen-type piezoelectric transformer having a shape of 40 × 4 × 1.5 mm was processed.
それぞれの試料を分極処理し、24時間、室温で放置し、特性評価を行った。 Each sample was subjected to polarization treatment and allowed to stand at room temperature for 24 hours to evaluate the characteristics.
振動速度は、従来技術で説明したように、振動子の最大先端振動振幅ξmと振動子の共振周波数frの測定から算出できる実効的振動速度Ve[式(2)]で表した。 The vibration speed is represented by an effective vibration speed Ve [formula (2)] that can be calculated from the measurement of the maximum tip vibration amplitude ξm of the vibrator and the resonance frequency fr of the vibrator, as described in the prior art.
Ve=21/2×π×fr×ξm ・・・・・・・・・・(2) Ve = 2 1/2 × π × fr × ξm (2)
振動速度限界は、圧電振動子の振動の節点における温度測定により、その振動子の内部エネルギー損失により励起される温度上昇(室温と振動子の温度との差)ΔTが20℃になる振動速度をVmaxと表し、これを振動速度限界とした。 The vibration speed limit is a vibration speed at which the temperature rise (difference between room temperature and the temperature of the vibrator) ΔT is 20 ° C., which is excited by the internal energy loss of the vibrator by measuring the temperature at the vibration node of the piezoelectric vibrator. This was expressed as Vmax, which was defined as the vibration speed limit.
破壊振動速度の測定は、圧電トランスの振動速度をレーザードップラー振動速度計で測定した。試験は共振駆動状態で試料が破損するまで駆動電圧を上げる方法で行った。 The fracture vibration speed was measured by measuring the vibration speed of the piezoelectric transformer with a laser Doppler vibration velocimeter. The test was performed by increasing the driving voltage until the sample was damaged in the resonance driving state.
表1は、本発明の圧電磁器組成物の各試料組成の評価結果を示し、圧電特性評価結果として、比誘電率εr、振動速度限界Vmax、縦振動モードにおける電気機械結合係数k33を示している。試料番号前に*がついた試料は、本発明の請求範囲外の試料であることを示した。 Table 1 shows the evaluation results of each sample composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, and shows the dielectric constant εr, the vibration speed limit Vmax, and the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode as the piezoelectric characteristic evaluation results. Yes. A sample with * in front of the sample number indicates that the sample is outside the scope of the present invention.
表1より、各試料の成分組成について説明すると、試料番号1〜3は、a+b+c=0.1020、y/(y+z)=0.480〜0.500である。試料番号4〜7は、a+b+c=0.0870、y/(y+z)=0.480〜0.510である。試料番号8〜14は、a+b+c=0.0726、y/(y+z)=0.460〜0.540である。試料番号15〜21は、a+b+c=0.0580、y/(y+z)=0.480〜0.530である。試料番号22〜24は、a+b+c=0.0435、y/(y+z)=0.510〜0.530である。試料番号25〜29は、a+b+c=0.0290、y/(y+z)=0.520〜0.550である。
The component composition of each sample will be described from Table 1.
表1の評価結果のk33についてまとめると、a+b+c=0.0290の試料番号25〜29では、y/(y+z)=0.520〜0.550となるが、この組成範囲ではk33は0.6未満となった。 Summarizing k 33 of the evaluation results in Table 1, in sample numbers 25 to 29 with a + b + c = 0.0290, y / (y + z) = 0.520 to 0.550, but k 33 is 0 in this composition range. Less than 6.
a+b+c=0.0435の試料番号22〜24では、y/(y+z)=0.510〜0.530となるが、この組成範囲では、k33は0.6以上が得られた。 In sample numbers 22 to 24 where a + b + c = 0.0435, y / (y + z) = 0.510 to 0.530. However, in this composition range, k 33 was 0.6 or more.
a+b+c=0.0580の試料番号15〜21のなかで、y/(y+z)=0.480の試料番号15は、k33は0.600となった。y/(y+z)=0.530の試料番号21では、k33は0.600となった。y/(y+z)=0.490〜0.520の試料番号16〜20では、k33は0.600より大きくなり、特にy/(y+z)=0.505の試料番号18では、k33は0.719の最大値が得られた。 Among sample numbers 15 to 21 with a + b + c = 0.580, sample number 15 with y / (y + z) = 0.480 had k 33 of 0.600. In the sample number 21 where y / (y + z) = 0.530, k 33 was 0.600. For sample numbers 16-20 of y / (y + z) = 0.490-0.520, k 33 is greater than 0.600, especially for sample number 18 of y / (y + z) = 0.505, k 33 is A maximum value of 0.719 was obtained.
a+b+c=0.0726である試料番号8〜14のなかで、y/(y+z)=0.460の試料番号8では、k33は0.602となり、y/(y+z)=0.540の試料番号14では、k33は0.600となった。y/(y+z)=0.480〜0.525の試料番号9〜13では、k33は0.600より大きくなった。 Among the sample No. 8-14 is a + b + c = 0.0726, y / (y + z) = Sample No. 8 of 0.460, k 33 is next 0.602, y / (y + z ) = 0.540 samples At number 14, k 33 became 0.600. In sample numbers 9 to 13 of y / (y + z) = 0.480 to 0.525, k 33 was larger than 0.600.
a+b+c=0.0870である試料番号4〜7では、y/(y+z)=0.480〜0.510となるが、この組成範囲では、k33は0.600以上が得られた。 In sample numbers 4 to 7 where a + b + c = 0.0870, y / (y + z) = 0.480 to 0.510, but in this composition range, k 33 was 0.600 or more.
a+b+c=0.1020である試料番号1〜3では、y/(y+z)=0.480〜0.500となる。この組成範囲では、k33は0.600未満となった。
In the
図1は、本発明の圧電磁器組成物の各組成に対するk33の測定値のグラフで、上記の評価結果について横軸をy/(y+z)、縦軸をk33として示したものである。a+b+c=0.1020である試料1〜3と、a+b+c=0.0290である試料25〜29以外はk33≧0.600となった。
FIG. 1 is a graph of the measured value of k 33 for each composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. The abscissa is y / (y + z) and the ordinate is k 33 for the above evaluation results. k 33 ≧ 0.600 except
これらの結果から本発明の圧電磁器組成物の組成範囲0.03<a+b+c≦0.10、0.46≦y/(y+z)≦0.54にて、k33≧0.600を満足した。 From these results, k 33 ≧ 0.600 was satisfied in the composition range 0.03 <a + b + c ≦ 0.10, 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54 of the piezoelectric ceramic composition of the present invention.
比誘電率εrについては、表1よりどの試料でも600以上となった。 The relative dielectric constant εr was 600 or more in any sample from Table 1.
振動速度限界Vmaxについては、表1よりa+b+cの値とほぼ比例して大きくなった。a+b+c=0.0290、y(y+z)=0.550の試料番号29が最小値で、0.280m/sとなった。a+b+c=0.0870、y(y+z)=0.510の試料番号7が最大値となり、Vmaxは0.740m/sとなった。本発明の圧電磁器組成物の組成範囲0.03<a+b+c≦0.10、0.46≦y/(y+z)≦0.54では、Vmaxは0.47m/s以上となった。 As shown in Table 1, the vibration speed limit Vmax increased substantially in proportion to the value of a + b + c. Sample number 29 of a + b + c = 0.0290 and y (y + z) = 0.550 was the minimum value, which was 0.280 m / s. Sample number 7 with a + b + c = 0.0870 and y (y + z) = 0.510 was the maximum value, and Vmax was 0.740 m / s. In the composition range of the piezoelectric ceramic composition of the present invention 0.03 <a + b + c ≦ 0.10 and 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54, Vmax was 0.47 m / s or more.
したがって、本発明の圧電磁器組成物の組成範囲0.03<a+b+c≦0.10、0.46≦y/(y+z)≦0.54では、εr≧600、k33≧0.600、Vmax≧0.30m/s以上となった。 Therefore, when the composition range of the piezoelectric ceramic composition of the present invention is 0.03 <a + b + c ≦ 0.10, 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54, εr ≧ 600, k 33 ≧ 0.600, Vmax ≧ It became 0.30 m / s or more.
図2は、本発明の圧電磁器組成物のPbからCa置換量に対する抗電界値のグラフである。y/(y+z)=0.5の時のPbからCaへの置換量を0〜7.5%まで変化させて、160℃における抗電界Ecを測定した結果ならびに、PbからCaへの置換量5.0%の時のy/(y+z)を0.49〜0.52へ変化させて、160℃における抗電界Ecを測定した結果を示した。 FIG. 2 is a graph of the coercive electric field value with respect to the Ca substitution amount from Pb of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. The result of measuring the coercive electric field Ec at 160 ° C. by changing the substitution amount of Pb to Ca when y / (y + z) = 0.5 from 0 to 7.5%, and the substitution amount of Pb to Ca The results of measuring the coercive electric field Ec at 160 ° C. by changing y / (y + z) at 5.0% from 0.49 to 0.52 are shown.
y/(y+z)=0.5の時Ca置換量が0%でEc=1.32kV/mmに対して、置換量が7.5%では、Ec=0.89kV/mmとCa置換量を増やすと抗電界Ecは低下した。Ca置換量が5%の時、y/(y+z)=0.49ではEc=1.13kV/mmに対して、y/(y+z)=0.52ではEc=0.9kV/mmとなった。 When y / (y + z) = 0.5, the Ca substitution amount is 0% and Ec = 1.32 kV / mm, whereas when the substitution amount is 7.5%, Ec = 0.89 kV / mm and the Ca substitution amount are Increasing the coercive electric field Ec decreased. When the Ca substitution amount is 5%, Ec = 1.13 kV / mm at y / (y + z) = 0.49, whereas Ec = 0.9 kV / mm at y / (y + z) = 0.52. .
したがって、PbからCaへ置換することによって抗電界Ecが低下するので、分極処理に必要な電圧を低くでき、圧電素子製造時のエネルギー量を抑制することが可能となった。 Therefore, the substitution of Pb to Ca reduces the coercive electric field Ec, so that the voltage required for the polarization process can be lowered and the amount of energy at the time of manufacturing the piezoelectric element can be suppressed.
図3は、本発明の圧電磁器組成物のPbからCa置換量とk33、ならびに破壊振動速度の測定値のグラフで、PbからCaへの置換量が0〜4.5%に対して、0.4kV/mm〜1.2kV/mmで分極した振動子のk33の測定値と、破壊振動速度の測定値である。 FIG. 3 is a graph of the Pb to Ca substitution amount and k 33 of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, as well as the measured values of the fracture vibration rate. The substitution amount from Pb to Ca is 0 to 4.5%. These are the measured value of k 33 of the vibrator polarized at 0.4 kV / mm to 1.2 kV / mm and the measured value of the breaking vibration speed.
Ca置換量0%の時は、分極電界が1.17kV/mmでもk33は0.51であったが、Ca置換量4.5%では、分極電界が0.98kV/mmでk33は0.55となり、Ca置換量を増やすと、分極電界を下げることができた。ただし、分極電界が0.6kV/mm以下で分極した試料はk33は0.4以下となった。 When the Ca substitution amount was 0%, k 33 was 0.51 even when the polarization electric field was 1.17 kV / mm. However, when the Ca substitution amount was 4.5%, the polarization electric field was 0.98 kV / mm and k 33 was When the Ca substitution amount was increased to 0.55, the polarization electric field could be lowered. However, the sample polarized at a polarization electric field of 0.6 kV / mm or less had k 33 of 0.4 or less.
一方、破壊振動速度に着目すると、Ca置換量0%の時は分極電界によらず、ほぼ3m/sで一定だが、Ca置換量4.5%ではk33が分極電界0.98kV/mmで2m/sと下がる傾向が見られた。
On the other hand, paying attention to the destruction vibration speed, when the
図3より、PbからCaへの置換2.5%、分極電界0.8kV/mm以上で分極した圧電磁器組成物ならば破壊振動速度は一定となった。 From FIG. 3, the fracture vibration rate was constant in the case of a piezoelectric ceramic composition polarized with Pb to Ca substitution of 2.5% and a polarization electric field of 0.8 kV / mm or more.
図4は、本発明の圧電磁器組成物のPb減量と焼結密度の測定値のグラフで、Pb量を減らしていない試料(Pb減0mol%)と0.5mol%と1mol%減らした試料(Pb減0.5mol%、Pb減1mol%)に対して焼結保持温度を変えて焼結密度を測定した結果である。焼結保持温度1100℃にて、Pb減0mol%にて7.86g/cm3に対し、Pb減1mol%でも7.91g/cm3となった。
FIG. 4 is a graph of measured values of Pb loss and sintering density of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, in which the Pb amount is not reduced (Pb reduction is 0 mol%), the sample is reduced by 0.5 mol% and 1 mol% ( This is a result of measuring the sintered density by changing the sintering holding temperature with respect to Pb reduction 0.5 mol% and
したがって、本発明による圧電磁器組成物によれば、Pb含有量を1mol%以下の範囲で減らしても圧電磁器組成物として十分な焼結密度が確保できた。 Therefore, according to the piezoelectric ceramic composition according to the present invention, a sufficient sintered density can be secured as the piezoelectric ceramic composition even if the Pb content is reduced within a range of 1 mol% or less.
図5は、本発明の圧電磁器組成物の組成とPb減量に対するkrのグラフで、図4で示した焼結保持温度1100℃のPb減量0、0.5、1.0mol%での圧電磁器組成体の試料につき、組成式のy/(y+z)を0.48から0.51まで変化させて、krを測定した結果である。ここで、krはφ17mm厚み1mmの円板状の試料を用いて測定した径方向の電気機械結合係数である。 FIG. 5 is a graph of kr against the composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention and Pb loss, and the piezoelectric ceramic at Pb reduction of 0, 0.5, 1.0 mol% at the sintering holding temperature of 1100 ° C. shown in FIG. It is the result of measuring kr by changing y / (y + z) of the composition formula from 0.48 to 0.51 for a sample of the composition. Here, kr is a radial electromechanical coupling coefficient measured using a disk-shaped sample having a diameter of 17 mm and a thickness of 1 mm.
図5より、Pbを0から1.0%の範囲で減量すると、krが高くなった。特にy/(y+z)=0.5、Pb減1.0%にてkrは最大の0.686となった。したがって、Pbを0から1.0%の範囲で減量すると電気機械結合係数は増加した。 From FIG. 5, when Pb was reduced in the range of 0 to 1.0%, kr increased. In particular, when y / (y + z) = 0.5 and Pb was reduced by 1.0%, kr reached a maximum of 0.686. Therefore, the electromechanical coupling coefficient increased when Pb was reduced in the range of 0 to 1.0%.
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