JP2008280204A - Piezoelectric ceramic composition - Google Patents

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康樹 鷹島
Osamu Ise
理 伊勢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric ceramic composition having large relative permittivity (εr) and an electromechanical coupling coefficient (k) and vibration limit speed Vmax to attain high output of a piezoelectric transformer. <P>SOLUTION: In the composition of a main component which is expressed by aPb(Mn<SB>1/3</SB>Sb<SB>2/3</SB>)O<SB>3</SB>-bPb(Mn<SB>1/3</SB>Nb<SB>2/3</SB>)O<SB>3</SB>-cPb(Sb<SB>1/2</SB>Nb<SB>1/2</SB>)O<SB>3</SB>-yPbZrO<SB>3</SB>-zPbTiO<SB>3</SB>(where, a+b+c+y+z=1) and in which the a, b, c, x, y and z is in a range of 0.46≤y/(y+z)≤0.54 and 0.03<a+b+c≤0.10, Fe is added in a range of 0<Fe≤0.5 wt.%. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種圧電デバイスに用いられるジルコンチタン酸鉛を主成分とする圧電磁器組成物に係り、特に高出力圧電トランス素子材料として好適な圧電磁器組成物に関する。   The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition mainly composed of lead zirconate titanate used for various piezoelectric devices, and more particularly to a piezoelectric ceramic composition suitable as a high-power piezoelectric transformer element material.

近年、圧電磁器組成物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、低背化に適しているため、液晶ディスプレイのバックライト用インバーターに用いられている。   In recent years, a piezoelectric transformer using a piezoelectric ceramic composition has been used for an inverter for a backlight of a liquid crystal display because it has a higher efficiency and a step-up ratio than those of an electromagnetic transformer and is suitable for a low profile.

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 Document 1.

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。   The effective vibration speed Ve is expressed by Expression (2).

Ve=21/2×π×fr×ξm ・・・・・・・・・・(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, Patent Document 1 discloses an example of a piezoelectric ceramic composition that can be driven at a high vibration speed. Here, defining an average particle size range of composition formula aPbZrO 3 -bPbTiO 3 -cPb (Mn 1/3 Sb 2/3) O 3 ( where, a + b + c = 1 ) specific composition range represented by the sintered body As a result, the vibration limit speed Vmax ≧ 0.45 m / s was realized.

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.

特開2003−26477号公報JP 2003-26477 A 広瀬精二、「圧電振動子のハイパワー特性の自動測定」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、1992年4月21日、US92−3、P.17−22Seiji Hirose, “Automatic Measurement of High Power Characteristics of Piezoelectric Vibrators”, IEICE Technical Report, IEICE, April 21, 1992, US92-3, P.A. 17-22

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 Patent Document 1, if an operation is performed at a high vibration speed in order to obtain a high-output piezoelectric transformer, there is a risk that the piezoelectric transformer itself may break down due to the distortion generated, which is stable. There was a problem that the piezoelectric transformer characteristics could not be secured.

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、高い比誘電率εr,電気機械結合係数k、振動限界速度Vmaxを有する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 provide a high relative dielectric constant εr, electromechanical coupling coefficient k, vibration, in order to ensure a long life and stable high output characteristics of a piezoelectric transformer in response to a demand for high output of an inverter. It is to provide a piezoelectric ceramic composition having a critical speed 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)と表記され、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の範囲であることを特徴とする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 ≦ The piezoelectric ceramic composition is characterized in that y / (y + z) ≦ 0.54.

本発明は、Feを0<Fe≦0.5wt%の範囲で添加することを特徴とする上記の圧電磁器組成物である。   The present invention is the above-described piezoelectric ceramic composition, wherein Fe is added in a range of 0 <Fe ≦ 0.5 wt%.

本発明は、前記Pb含有量を0<Pb≦1.0mol%の範囲で減量したことを特徴とする上記の圧電磁器組成物である。   The present invention is the above-described piezoelectric ceramic composition, wherein the Pb content is reduced in a range of 0 <Pb ≦ 1.0 mol%.

本発明は、振動速度限界Vmaxが、0.3m/s以上で、比誘電率が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以上であることを特徴とする上記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 characterized in that the vibration velocity limit Vmax is 0.3 m / s or more, the relative dielectric constant is 600 or more, and the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode is 0.6 or more. The piezoelectric ceramic composition. 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、比誘電率の温度変化率が、35%以下であることを特徴とする上記の圧電磁器組成物である。ここで比誘電率の温度変化率とは、圧電磁器組成物の20℃での比誘電率を基準として、80℃温度を上昇させ、即ち100℃での比誘電率を求め、比誘電率の温度変化率を求めたものである。   The present invention is the above-described piezoelectric ceramic composition, wherein the temperature change rate of the relative permittivity is 35% or less. Here, the temperature change rate of the relative permittivity is based on the relative permittivity of the piezoelectric ceramic composition at 20 ° C., and the temperature is increased by 80 ° C., that is, the relative permittivity at 100 ° C. is obtained. The temperature change rate is obtained.

前記のように、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。 As described above, according to the present invention, a piezoelectric material 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. A porcelain composition can be obtained.

また、他の元素を添加し、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、材料の比誘電率の温度変化率を35%以下に低下させることが可能となり、使用環境の温度変化に対して材料特性変化率が少なくなり、安定した圧電トランスが得られる。   Also, by adding other elements and reducing the amount of Pb, the balance between crystal grain growth and sintering densification can be adjusted, so the temperature change rate of the relative dielectric constant of the material should be reduced to 35% or less. Therefore, the rate of change in material characteristics with respect to the temperature change in the usage environment is reduced, and a stable piezoelectric transformer can be obtained.

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、実施の形態に基づいて本発明による圧電磁器組成物について詳細に説明する。   Hereinafter, a piezoelectric ceramic composition according to the present invention will be described in detail based on 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系圧電セラミックス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 (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) is a multi-component PZT piezoelectric ceramic Pb (Mn 1/3 Sb 2/3 ) O in which a composite perovskite, which is a ceramic composition for a piezoelectric transformer, is dissolved as a third component. 3- PbZrO 3 -PbTiO 3 to which Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O 3 are added as the fourth and fifth main components. It can increase a, b, c, y, by selecting the composition range of z, the relative dielectric constant .epsilon.r, and an electromechanical coupling coefficient k 33.

本発明の最適な組成範囲は、a+b+cは0.03より大きく0.10以下で、y/(y+z)は0.46以上0.54以下であり、εrは600以上、k33は0.6以上が得られる。 Optimum composition range of the present invention, a + b + c is at greater than 0.03 to 0.10, y / (y + z) is 0.46 or more 0.54 or less, .epsilon.r 600 or more, k 33 0.6 The above is obtained.

a+b+cが0.03未満の場合は、k33は0.6以上が得られない。 If a + b + c is less than 0.03, k 33 is not obtained at least 0.6.

a+b+cが0.10より大きい場合は、k33は0.6以上が得られない。 When a + b + c is larger than 0.10, k 33 cannot be 0.6 or more.

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。 If y / (y + z) is greater than 0.54 and a + b + c is less than 0.03, k 33 cannot be 0.6 or more.

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。   If a + b + c is larger than 0.03 and not larger than 0.10 and y / (y + z) is not smaller than 0.46 and not larger than 0.54, the vibration speed limit Vmax is not smaller than 0.3.

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。   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における比誘電率の温度変化率は、Feを添加しなければ37%以上であるが、Feを0から0.6wt%以下の範囲で添加すると、比誘電率の温度変化率は、35%以下に下げることができる。   The temperature change rate of the relative permittivity in the piezoelectric ceramic composition of the present invention is 37% or more without adding Fe, but when Fe is added in the range of 0 to 0.6 wt% or less, the temperature of the relative permittivity is increased. The rate of change can be reduced to 35% or less.

ここで、本発明の圧電磁器組成物において、Feの添加量に対する縦振動モードにおける電気機械結合係数k33は、Feを0から0.5wt%以下の範囲で、かつy/(y+z)が0.46以上0.54以下であれば、0.6以上となる。 Here, in the piezoelectric ceramic composition of the present invention, the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode with respect to the added amount of Fe is within a range of Fe from 0 to 0.5 wt% and y / (y + z) is 0. If it is .46 or more and 0.54 or less, it will be 0.6 or more.

ところが、本発明の圧電磁器組成物において、Feの添加量が0.6wt%の時は、y/(y+z)は0.46〜0.47、0.52〜0.54以下で0.6以上は得られない。   However, in the piezoelectric ceramic composition of the present invention, when the addition amount of Fe is 0.6 wt%, y / (y + z) is 0.46 to 0.47, 0.52 to 0.54 or less, and 0.6. The above cannot be obtained.

これらの条件から、本発明の効果が得られる望ましいFeの添加量は、0より大きく0.5wt%以下である。   From these conditions, the desirable addition amount of Fe for obtaining the effects of the present invention is greater than 0 and 0.5 wt% or less.

また、本発明の圧電磁器組成物において、Pb減量に対する、焼結密度については、Pb量を0から1mol%まで減量させても、焼結密度が同等となる望ましい焼結保持温度は1100℃である。   Further, in the piezoelectric ceramic composition of the present invention, with respect to the Pb weight loss, the sintering density is 1100 ° C., which is the same as the sintering density even if the Pb content is reduced from 0 to 1 mol%. is there.

Pb量を0から1mol%まで減量させて、焼結保持温度1100℃で焼結密度が同程の圧電磁器組成物に対して、径方向の振動電気機械結合係数krを測定すると、Pb量を0から1mol%まで減量させていくとKrも向上し、高い電気機械結合係数が得られる。   When the amount of Pb was reduced from 0 to 1 mol% and the piezoelectric ceramic composition having the same sintering density at a sintering holding temperature of 1100 ° C. was measured, the vibrational electromechanical coupling coefficient kr in the radial direction was measured. When the amount is decreased from 0 to 1 mol%, Kr is improved and a high electromechanical coupling coefficient is obtained.

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(Sb23)、酸化ニオブ(Nb25)および炭酸カルシウム(CaCO3)の粉末を用いた。 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成した。   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, thereby preparing samples for evaluation of 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.

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。 The evaluation of the electromechanical coupling coefficient k 33, was processed into a rectangular plate of 3mm × 3mm × 10mm.

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、前記従来技術で説明したように、実効的振動速度Vとして式(2)より算出した。   The vibration speed was calculated from the equation (2) as the effective vibration speed V 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.

表1に、本発明の圧電磁器組成物の各試料組成の評価結果を示す。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)と表される圧電磁器組成物につき、29種類の組成で試料を作製し、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、径方向の振動電気機械結合係数kr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。 In Table 1, the evaluation result of each sample composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention is shown. Composition formula, 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 For the piezoelectric ceramic composition represented by (where a + b + c + y + z = 1), samples were prepared with 29 types of compositions, and as a result of piezoelectric property evaluation, relative permittivity εr, vibration speed limit Vmax, electromechanical coupling in longitudinal vibration mode A coefficient k 33 and a radial electromechanical coupling coefficient kr are shown. Samples with * in front of the sample number are samples outside the scope of the present invention.

Figure 2008280204
Figure 2008280204

表1において、試料番号1〜3は本発明の請求範囲外の試料であり、a+b+cが0.1よりも大きく、0.1020である。試料番号4〜7は、本発明の請求範囲内の試料であり、a+b+c=0.0870、y/(y+z)=0.480〜0.510である。試料番号8〜14は、本発明の請求範囲内の試料であり、a+b+c=0.0726、y/(y+z)=0.460〜0.540である。試料番号15〜21は、本発明の請求範囲内の試料であり、a+b+c=0.0580、y/(y+z)=0.480〜0.530である。試料番号22〜24は、本発明の請求範囲内の試料であり、a+b+c=0.0435、y/(y+z)=0.510〜0.530である。試料番号25〜29は、本発明の請求範囲外の試料であり、a+b+cが0.03よりも小さく、0.0290である。また、試料番号29については、y/(y+z)も本発明の請求範囲外で0.54よりも大きく0.550である。   In Table 1, sample numbers 1 to 3 are samples outside the scope of the present invention, and a + b + c is larger than 0.1 and 0.1020. Sample numbers 4 to 7 are samples within the scope of the present invention, and a + b + c = 0.0870 and y / (y + z) = 0.480 to 0.510. Sample numbers 8 to 14 are samples within the scope of the present invention, and a + b + c = 0.0726 and y / (y + z) = 0.460 to 0.540. Sample numbers 15 to 21 are samples within the scope of the present invention, and a + b + c = 0.580 and y / (y + z) = 0.480 to 0.530. Sample numbers 22 to 24 are samples within the scope of the present invention, and a + b + c = 0.0435 and y / (y + z) = 0.510 to 0.530. Sample numbers 25 to 29 are samples outside the scope of the present invention, and a + b + c is smaller than 0.03 and 0.0290. For sample number 29, y / (y + z) is also larger than 0.54 and 0.550 outside the scope of the present invention.

表1において、本発明の請求範囲外の試料である試料番号1〜3では、k33は0.600未満となった。 In Table 1, in sample numbers 1 to 3, which are samples outside the scope of the present invention, k 33 is less than 0.600.

本発明の請求範囲内の試料である試料番号4〜7では、k33は0.600以上が得られた。 Sample No. 4-7 as a sample in claims of the present invention, k 33 was obtained more than 0.600.

本発明の請求範囲内の試料である試料番号8〜14の中で、y/(y+z)=0.460である試料番号8では、k33=0.602となり、y/(y+z)=0.540である試料番号14では、k33=0.600となった。そして、y/(y+z)=0.480〜0.525である試料番号9〜13では、k33は0.600より大きくなった。 Among sample numbers 8 to 14, which are samples within the scope of the present invention, in sample number 8 where y / (y + z) = 0.460, k 33 = 0.602 and y / (y + z) = 0 For sample number 14 which is .540, k 33 = 0.600. Then, the y / (y + z) = 0.480~0.525 sample No. is 9 to 13, k 33 was greater than 0.600.

本発明の請求範囲内の試料である試料番号15〜21の中で、y/(y+z)=0.480である試料番号15と、y/(y+z)=0.530である試料番号21は、k33=0.600となった。そして、y/(y+z)=0.490〜0.520である試料番号16〜20にて、k33は0.600より大きくなり、y/(y+z)=0.505である試料番号18で、k33は最大値となり0.719が得られた。 Among sample numbers 15 to 21, which are samples within the scope of the present invention, sample number 15 where y / (y + z) = 0.480 and sample number 21 where y / (y + z) = 0.530 are K 33 = 0.600. Then, in sample numbers 16 to 20 where y / (y + z) = 0.490 to 0.520, k 33 is greater than 0.600, and in sample number 18 where y / (y + z) = 0.505. , k 33 is 0.719 becomes the maximum value is obtained.

本発明の請求範囲内の試料である番号22〜24では、k33は0.6以上が得られた。 In No. 22 to 24 are samples in claims of the present invention, k 33 is obtained at least 0.6.

本発明の請求範囲外の試料である試料番号25〜29では、k33は0.6未満となった。 In sample numbers 25 to 29, which are samples outside the scope of the present invention, k 33 is less than 0.6.

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、横軸はy/(y+z)、縦軸はk33である。本発明の請求範囲外の試料でありa+b+c=0.102である試料番号1〜3と、a+b+c=0.029である試料番号25〜29以外の試料はk33は0.600以上となった。 FIG. 1 is a graph of measured values of k 33 for each composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, where the horizontal axis is y / (y + z) and the vertical axis is k 33 . Samples other than the sample numbers 1 to 3 which are a sample outside the scope of the present invention and have a + b + c = 0.102 and samples Nos. 25 to 29 which have a + b + c = 0.029 have k 33 of 0.600 or more. .

これらの結果から、本発明の請求範囲内である0.03<a+b+c≦0.10、0.46≦y/(y+z)≦0.54にて、k33は、0.600以上を満足した。 From these results, 0.033 <a + b + c ≦ 0.10, 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54, which is within the scope of the present invention, and k 33 satisfied 0.600 or more. .

また表1において、比誘電率εrについては、どの試料でも600以上となった。   In Table 1, the relative dielectric constant εr was 600 or more for any sample.

さらに、表1において、振動速度限界Vmaxについては、本発明の請求範囲外の試料である試料番号29が最小値で、0.280m/sとなった。そして、a+b+c=0.0870、y(y+z)=0.510である試料番号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。   Further, in Table 1, regarding the vibration speed limit Vmax, the sample number 29 which is a sample outside the claimed range of the present invention has a minimum value of 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.

以上から、本発明の圧電磁器組成物の組成範囲は、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以上が最適であることがわかる。 From the above, the composition range of the piezoelectric ceramic composition of the present invention is such that εr ≧ 600, k 33 ≧ 0.600 when 0.03 <a + b + c ≦ 0.10 and 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54. Vmax ≧ 0.30 m / s or more is optimal.

図2、図3は、表1に示した試料につき、本発明の圧電磁器組成物の組成範囲内であるa+b+c=0.0726、y/(y+z)が0.46から0.54である試料番号8から14に対して、Feを添加した時の比誘電率の温度変化率及び、縦振動モードにおける電気機械結合係数k33を評価した結果である。 2 and 3 show the samples shown in Table 1, in which a + b + c = 0.0726, which is within the composition range of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, and y / (y + z) is 0.46 to 0.54. It is the result of evaluating the temperature change rate of the relative permittivity when Fe is added to the numbers 8 to 14 and the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode.

図2は、本発明の圧電磁器組成物の比誘電率の温度変化率のグラフであり、各試料にFeを添加して比誘電率の温度変化率を求めた結果である。横軸はy/(y+z)、縦軸は比誘電率の温度変化率である。   FIG. 2 is a graph of the temperature change rate of the relative permittivity of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, and is a result of obtaining the temperature change rate of the relative permittivity by adding Fe to each sample. The horizontal axis is y / (y + z), and the vertical axis is the temperature change rate of the dielectric constant.

ここで、比誘電率の温度変化率は、各試料の20℃での比誘電率を求め、80℃温度を上昇させ、100℃での比誘電率を求め、20℃での比誘電率を基準として、比誘電率の温度変化率を求めたものである。図2において、Feを0.1、0.5、0.6wt添加するごとに比誘電率の温度変化率を求め、それぞれFe添加量0.1wt%、0.5wt%、0.6wt%で示した。   Here, the temperature change rate of the relative permittivity is obtained by calculating the relative permittivity of each sample at 20 ° C., increasing the temperature at 80 ° C., determining the relative permittivity at 100 ° C., and calculating the relative permittivity at 20 ° C. As a reference, the temperature change rate of the relative permittivity is obtained. In FIG. 2, the temperature change rate of the dielectric constant is obtained every time 0.1, 0.5, and 0.6 wt.% Fe is added, and the Fe addition amounts are 0.1 wt.%, 0.5 wt.%, And 0.6 wt. Indicated.

Feを添加していない試料の比誘電率の温度変化率は、y/(y+z)=0.49である試料番号10にて最も低く37.4%であった。どの試料においてもFeを0.1wt%添加することにより比誘電率の温度変化率は5%以上低下した。Fe添加量を0.5wt%とすると1%ほど低下し0.6wt%ではあまり変化は無かった。比誘電率の温度変化率の最低値は、試料番号10のy/(y+z)=0.49にFeを0.5wt%添加した時で30%となった。   The temperature change rate of the relative dielectric constant of the sample to which Fe was not added was the lowest at 37.4% in the sample number 10 where y / (y + z) = 0.49. In any sample, the temperature change rate of the relative dielectric constant decreased by 5% or more by adding 0.1 wt% Fe. When the amount of Fe added was 0.5 wt%, it decreased by about 1%, and there was not much change at 0.6 wt%. The minimum value of the temperature change rate of the relative permittivity was 30% when 0.5 wt% of Fe was added to y / (y + z) = 0.49 of sample number 10.

図3は、本発明の圧電磁器組成物のFe添加量に対する縦振動モードにおける電気機械結合係数k33のグラフであり、各試料にFeを添加して縦振動モードにおける電気機械結合係数k33を測定した結果である。横軸はy/(y+z)、縦軸はk33である。Feを0.1、0.5、0.6wt%添加するごとにk33を求め、それぞれ添加量0.1wt%、0.5wt%、0.6wt%で示した。 Figure 3 is a graph of the electromechanical coupling factor k 33 in longitudinal vibration mode with respect to Fe amount of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, the electromechanical coupling factor k 33 in longitudinal vibration mode with the addition of Fe in each sample It is the result of measurement. The horizontal axis y / (y + z), the vertical axis represents the k 33. Seeking k 33 and Fe each time adding 0.1,0.5,0.6wt%, were respectively added amount 0.1wt%, 0.5wt%, with 0.6 wt%.

縦振動モードにおける電気機械結合係数k33は、Fe添加量が0から0.5wt%の範囲では同等となり、y/(y+z)が0.46である試料番号8とy/(y+z)が0.54である試料番号14の時に最も低くなり0.60となった。 The electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode is equivalent when the Fe addition amount is in the range of 0 to 0.5 wt%, and sample number 8 where y / (y + z) is 0.46 and y / (y + z) is 0. When the sample number was .54, the lowest value was 0.60.

ところが、Feの添加量が0.6wt%の時は、Fe添加量が0から0.5wt%の範囲の時と比べて、どの試料においてもk33は低下し、y/(y+z)が0.46、0.525、0.54である試料番号8、13、14において、k33は0.6以下となった。 However, when the added amount of Fe is 0.6 wt%, k 33 decreases in any sample and y / (y + z) is 0 as compared to when the Fe added amount is in the range of 0 to 0.5 wt%. In sample numbers 8, 13, and 14 of .46, 0.525, and 0.54, k 33 was 0.6 or less.

したがって、図2と図3よりy/(y+z)が0.46から0.54である試料番号8から14にて、Feを0.1から0.5wt%添加して、縦振動モードにおける電気機械結合係数k33は、0.6以上となった。また、比誘電率の温度変化率は、35%以下となった。 Therefore, from FIGS. 2 and 3, in samples Nos. 8 to 14 where y / (y + z) is 0.46 to 0.54, Fe is added in an amount of 0.1 to 0.5 wt%, and the electric current in the longitudinal vibration mode is The mechanical coupling coefficient k 33 was 0.6 or more. Moreover, the temperature change rate of the dielectric constant was 35% or less.

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減量0mol%)と0.5mol%と1mol%減らした試料(Pb減量0.5mol%、Pb減量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減量0mol%が7.86g/cm3、Pb減1mol%でも7.91g/cm3と同等になった。 FIG. 4 is a graph of measured values of Pb weight loss and sintered density of the piezoelectric ceramic composition of the present invention, a sample in which the Pb amount is not reduced (Pb weight loss 0 mol%), a sample in which 0.5 mol% and 1 mol% are reduced ( This is a result of measuring the sintered density by changing the sintering holding temperature with respect to (Pb loss 0.5 mol%, Pb loss 1 mol%). At a sintering holding temperature of 1100 ° C., the Pb loss 0 mol% was 7.86 g / cm 3 , and the Pb reduction 1 mol% was equivalent to 7.91 g / cm 3 .

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の円盤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において、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0.685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。   In 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 reduction was 1.0%, kr reached a maximum of 0.685. Therefore, the electromechanical coupling coefficient increased when Pb was reduced in the range of 0 to 1.0%.

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。Graph of the measured values of k 33 for each composition of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. 本発明の圧電磁器組成物のFe添加量に対する比誘電率の温度変化率のグラフ。The graph of the temperature change rate of the dielectric constant with respect to the addition amount of Fe of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. 本発明の圧電磁器組成物のFe添加量に対するk33のグラフ。Graph of k 33 for the Fe amount of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. 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。The graph of the measured value of Pb weight loss and sintering density of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. 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。The graph of kr with respect to the composition and Pb weight loss of the piezoelectric ceramic composition of the present invention.

Claims (5)

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)と表記され、
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の範囲であることを特徴とする圧電磁器組成物。
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 ( provided that a + b + c + y + z = 1),
Piezoelectric ceramic composition characterized in that a, b, c, y and z in the composition formula are in a range of 0.03 <a + b + c ≦ 0.10 and 0.46 ≦ y / (y + z) ≦ 0.54. object.
Feを0<Fe≦0.5wt%の範囲で添加することを特徴とする請求項1記載の圧電磁器組成物。   The piezoelectric ceramic composition according to claim 1, wherein Fe is added in a range of 0 <Fe ≦ 0.5 wt%. 前記Pb含有量を0<Pb≦1.0mol%の範囲で減量したことを特徴とする請求項1または2記載の圧電磁器組成物。   3. The piezoelectric ceramic composition according to claim 1, wherein the Pb content is reduced in a range of 0 <Pb ≦ 1.0 mol%. 振動速度限界Vmaxが、0.3m/s以上で、比誘電率が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以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電磁器組成物。 The vibration velocity limit Vmax is 0.3 m / s or more, the relative dielectric constant is 600 or more, and the electromechanical coupling coefficient k 33 in the longitudinal vibration mode is 0.6 or more. The piezoelectric ceramic composition according to any one of the above. 比誘電率の温度変化率が、35%以下であることを特徴とする1ないし4のいずれかに記載の圧電磁器組成物。   5. The piezoelectric ceramic composition as described in any one of 1 to 4, wherein the temperature change rate of the dielectric constant is 35% or less.
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