JP2015096455A - Piezoelectric ceramic composition, piezoelectric element, sensor for internal combustion engine and manufacturing method for piezoelectric ceramic composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力が加わった場合に電気的特性が変化する圧電特性を有する圧電磁器組成物、該圧電磁器組成物を用いた圧電素子、該圧電素子を用いた内燃機関用センサ、及び圧電磁器組成物の製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition having a piezoelectric characteristic whose electrical characteristics change when pressure is applied, a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition, a sensor for an internal combustion engine using the piezoelectric element, and a piezoelectric ceramic. The present invention relates to a method for producing a composition.
従来より、圧力測定には、機械的負荷による変形量を測定する歪ゲージや、機械的負荷を圧電素子に作用させて電荷を発生させる圧電センサが用いられている。一般的に、前者は力の変化が遅い静的測定に適し、後者は力が急激に変化するような状態に測定に適している。 Conventionally, a strain gauge that measures the amount of deformation caused by a mechanical load or a piezoelectric sensor that generates electric charges by applying a mechanical load to a piezoelectric element has been used for pressure measurement. In general, the former is suitable for static measurement in which the force changes slowly, and the latter is suitable for measurement in a state where the force changes rapidly.
このうち、圧電センサは、圧電素子自体の圧電特性が消失する臨界温度であるキュリー点温度(キュリー温度:Tc)により測定条件に制約を受けるという特性がある。
一般的に用いられる圧電素子のキュリー温度は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が320℃、チタン酸鉛(PT)が490℃、水晶が550℃である。
Among these, the piezoelectric sensor has a characteristic that measurement conditions are restricted by a Curie point temperature (Curie temperature: Tc), which is a critical temperature at which the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element itself disappear.
The Curie temperatures of commonly used piezoelectric elements are 320 ° C. for lead zirconate titanate (PZT), 490 ° C. for lead titanate (PT), and 550 ° C. for quartz.
一方、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やランガサイト(La3Ga5SiO14)はキュリー温度が1200℃、キュリー点無しなどの特性を有する。そのため、これらの結晶は、非常に高温で使用できるが、これらは単結晶であるので、結晶の育成、加工が複雑で、素子価格が高価である。 On the other hand, lithium niobate (LiNbO 3 ) and langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ) have characteristics such as a Curie temperature of 1200 ° C. and no Curie point. For this reason, these crystals can be used at very high temperatures, but since these are single crystals, the growth and processing of the crystals are complicated, and the device price is expensive.
なお、この種の技術として、ビスマス層状構造化合物からなる圧電磁器組成物によって構成された圧電素子が開示されている(特許文献1参照)。また、ニオブ/タンタル酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物に、ラメラー構造酸化物を含有させた圧電磁器組成物が開示されている(特許文献2参照)。 As this type of technology, a piezoelectric element composed of a piezoelectric ceramic composition made of a bismuth layered structure compound is disclosed (see Patent Document 1). Also, a piezoelectric ceramic composition in which a lamellar structure oxide is contained in a niobium / alkaline tantalate perovskite oxide is disclosed (see Patent Document 2).
また、近年では、自動車のエンジン等に圧電素子が組み込まれ、正圧電効果を利用して、圧電素子に加えられた圧力をセンシングしてエンジンの燃焼制御や車両の姿勢制御等に用いられている。 In recent years, a piezoelectric element is incorporated in an automobile engine or the like, and the pressure applied to the piezoelectric element is sensed by using a positive piezoelectric effect to be used for engine combustion control, vehicle attitude control, or the like. .
特にエンジン制御に用いられる内燃機関用センサとしては、排気ガスのクリーン化や燃費向上などの目的で、エンジンシリンダ内の圧力(燃焼圧)を検出する圧力センサや、エンジンのノッキングを検知するノッキングセンサが知られている(特許文献3参照)。 In particular, as an internal combustion engine sensor used for engine control, a pressure sensor for detecting the pressure (combustion pressure) in the engine cylinder or a knocking sensor for detecting engine knocking for the purpose of purifying exhaust gas and improving fuel consumption. Is known (see Patent Document 3).
しかしながら、上述した内燃機関用センサに用いられる圧電素子は、エンジンに搭載されるために、高温においても十分に機能する特性、即ち高いキュリー温度を有することが望まれる。 However, since the piezoelectric element used in the above-described sensor for an internal combustion engine is mounted on the engine, it is desired that the piezoelectric element has a characteristic that functions sufficiently even at a high temperature, that is, has a high Curie temperature.
また、燃費を向上させるためには、低温から高温に変化するエンジンシリンダ内の圧力を精密に測定してきめ細かなエンジン制御が必要であるため、圧電素子には、温度変化に影響されにくい特性、即ち焦電性(温度の変化に応じて表面に電荷が増減する特性)が低く高い温度安定性を有することが望まれる。 In addition, in order to improve fuel efficiency, it is necessary to precisely measure the pressure in the engine cylinder that changes from low temperature to high temperature, and fine engine control is required. That is, it is desired that the pyroelectricity (characteristic of increasing or decreasing the charge on the surface in accordance with a change in temperature) is low and the temperature stability is high.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、例えば低温から高温に変化する環境下で用いられた場合でも、高いキュリー温度、低い焦電性、高い温度安定性を実現できる圧電磁器組成物、その圧電磁器組成物を用いた圧電素子、その圧電素子を備えた内燃機関用センサ、及び圧電磁器組成物の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and its purpose is, for example, even when used in an environment where the temperature changes from low to high, high Curie temperature, low pyroelectricity, and high temperature stability. It is an object to provide a piezoelectric ceramic composition capable of realizing the characteristics, a piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition, a sensor for an internal combustion engine including the piezoelectric element, and a method for manufacturing the piezoelectric ceramic composition.
(1)本発明は、第1態様(圧電磁器組成物)として、Tiを含むラメラー構造酸化物と、ビスマス層状構造化合物と、を有することを特徴とする。
本第1態様の圧電磁器組成物は、Tiを含むラメラー構造酸化物とビスマス層状構造化合物とを有しているので、キュリー温度が高く(例えば500℃以上)、焦電性が低く(即ち温度が増加しても帯電する電荷が少なく)、圧電特性に優れている(即ち、圧電定数が高く、圧力に対応した十分な電荷が得られる)。よって、温度が変化した場合でも(特に温度が高くなった場合でも)、圧力の変化に十分に且つ精度良く対応した特性が得られ、特に、温度変化に影響を受けにくく安定した特性(温度安定性)が得られる。
(1) The present invention is characterized by having a lamellar structure oxide containing Ti and a bismuth layered structure compound as a first aspect (piezoelectric ceramic composition).
Since the piezoelectric ceramic composition of the first aspect has a lamellar structure oxide containing Ti and a bismuth layered structure compound, the Curie temperature is high (for example, 500 ° C. or more) and the pyroelectricity is low (that is, temperature Even if the voltage increases, the electric charge is small, and the piezoelectric property is excellent (that is, the piezoelectric constant is high and sufficient electric charge corresponding to the pressure can be obtained). Therefore, even when the temperature changes (especially when the temperature rises), a characteristic that sufficiently and accurately responds to the change in pressure can be obtained. Property).
つまり、本第1態様の圧電磁器組成物では、温度が変化した場合でも、圧電定数の変化が少ないので、例えば圧電素子に適用した場合などには、安定した素子出力を得ることができる。例えば圧電定数d33の変化率を2%以下とすることができる。 That is, in the piezoelectric ceramic composition according to the first aspect, even when the temperature changes, the change in the piezoelectric constant is small. Therefore, when applied to a piezoelectric element, for example, a stable element output can be obtained. For example, the rate of change of the piezoelectric constant d33 can be 2% or less.
また、本第1態様の圧電磁器組成物は、耐熱性に優れており、また、高温下でも高い圧電性能を確保できるので、エンジンシリンダ内のような高温での使用が可能である。
更に、本第1態様の圧電磁器組成物は多結晶であるので、単結晶に材料に比べて、安価であるという利点もある。
In addition, the piezoelectric ceramic composition of the first aspect is excellent in heat resistance and can ensure high piezoelectric performance even at high temperatures, so that it can be used at high temperatures such as in an engine cylinder.
Furthermore, since the piezoelectric ceramic composition of the first aspect is polycrystalline, there is an advantage that a single crystal is less expensive than a material.
なお、本第1態様の圧電磁器組成物によって、鉛を含まない無鉛圧電磁器組成物を実現できるので、鉛によって環境を汚染する恐れがないという効果がある。
(2)本発明は、第2態様として、前記ラメラー構造酸化物が、A1−xTi1−xB1+xO5(元素Aはアルカリ金属、元素BはNbとTaのうち少なくとも1種、xは任意)であることを特徴とする。
In addition, since the lead-free piezoelectric ceramic composition which does not contain lead is realizable by the piezoelectric ceramic composition of this 1st aspect, there exists an effect that there is no possibility of polluting an environment with lead.
(2) In the present invention, as a second aspect, the lamellar structure oxide is A 1-x Ti 1-x B 1 + x O 5 (the element A is an alkali metal, the element B is at least one of Nb and Ta, x is arbitrary).
本第2態様は、(Tiを含む)好ましいラメラー構造酸化物を例示したものである。この組成のラメラー構造酸化物を含む圧電磁器組成物は、キュリー温度が高く、圧電特性に優れており、また、上述した温度安定性が高いという利点がある。 The second embodiment exemplifies preferred lamellar structure oxides (including Ti). A piezoelectric ceramic composition containing a lamellar structure oxide having this composition has an advantage of high Curie temperature, excellent piezoelectric characteristics, and high temperature stability as described above.
(3)本発明は、第3態様として、前記xが、0≦x≦0.15を満たすことを特徴とする。
本第3態様は、xの好ましい範囲を例示したものである。この構成のラメラー構造酸化物は結晶の安定性が高いという利点がある。
(3) As a third aspect, the present invention is characterized in that the x satisfies 0 ≦ x ≦ 0.15.
The third aspect exemplifies a preferable range of x. The lamellar structure oxide having this configuration has an advantage of high crystal stability.
(4)本発明は、第4態様として、前記ビスマス層状構造化合物を、aNa2O−bBi2O3−cTiO2とした場合、0.030≦a≦0.042、0.330≦b≦0.370、0.580≦c≦0.640であることを特徴とする。 (4) In the present invention, as a fourth aspect, when the bismuth layered structure compound is aNa 2 O—bBi 2 O 3 —cTiO 2 , 0.030 ≦ a ≦ 0.042, 0.330 ≦ b ≦ 0.370 and 0.580 ≦ c ≦ 0.640.
本第4態様は、好ましいビスマス層状構造化合物を例示したものである。この組成のビスマス層状構造化合物は、圧電特性に優れており、また、キュリー温度が高いので(例えば500℃以上)、高温下で圧電磁器組成物を用いた場合でも、圧力に対応した好適な圧電特性が得られる。 The fourth embodiment exemplifies a preferable bismuth layered structure compound. The bismuth layered structure compound having this composition is excellent in piezoelectric characteristics and has a high Curie temperature (for example, 500 ° C. or higher), so that even when a piezoelectric ceramic composition is used at a high temperature, it is suitable for pressure. Characteristics are obtained.
(5)本発明は、第5態様として、Na0.5Bi4.5Ti4O15型結晶を、主結晶とすることを特徴とする。
本第5態様は、より好ましいビスマス層状構造化合物を例示したものである。この結晶を、圧電特性に優れており、また、キュリー温度が高いので(例えば500℃)、この結晶を主結晶とする圧電磁器組成物は、圧力に対応した好適な圧電特性が得られる。
(5) As a fifth aspect, the present invention is characterized in that a Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 type crystal is a main crystal.
The fifth aspect exemplifies a more preferred bismuth layered structure compound. Since this crystal is excellent in piezoelectric characteristics and has a high Curie temperature (for example, 500 ° C.), a piezoelectric ceramic composition having this crystal as a main crystal can obtain suitable piezoelectric characteristics corresponding to pressure.
なお、以下では、このNa0.5Bi4.5Ti4O15を、「NBT」と記すこともある。
(6)本発明は、第6態様として、前記ビスマス層状構造化合物を主結晶とし、前記ラメラー構造酸化物の含有率が0.5〜20mol%であることを特徴とする。
Hereinafter, this Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 may be referred to as “NBT”.
(6) As a sixth aspect of the present invention, the bismuth layered structure compound is a main crystal, and the content of the lamellar structure oxide is 0.5 to 20 mol%.
本第6態様は、より好ましい圧電磁器組成物を例示したものである。この圧電磁器組成物は、キュリー温度が高く、焦電性が低く、圧電特性に優れており、温度安定性が高いという利点がある。 The sixth aspect exemplifies a more preferable piezoelectric ceramic composition. This piezoelectric ceramic composition has the advantages of high Curie temperature, low pyroelectricity, excellent piezoelectric characteristics, and high temperature stability.
(7)本発明は、第7態様(圧電素子)として、前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電磁器組成物で形成された圧電磁器と、該圧電磁器に取り付けられた電極と、を備えたことを特徴とする。 (7) The present invention provides, as a seventh aspect (piezoelectric element), a piezoelectric ceramic formed of the piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 6, and an electrode attached to the piezoelectric ceramic. And.
本第7態様の圧電素子は、上述した圧電磁器組成物で形成された圧電磁器を備えているので、温度の影響を受けにくく、高温においても、圧力に対応した好適な素子出力を得ることができる。 Since the piezoelectric element according to the seventh aspect includes the piezoelectric ceramic formed of the above-described piezoelectric ceramic composition, it is difficult to be influenced by temperature and can obtain a suitable element output corresponding to the pressure even at a high temperature. it can.
(8)本発明は、第8態様(内燃機関用センサ)として、前記請求項7に記載の圧電素子を備えたことを特徴とする。
本第8態様の内燃機関用センサは、上述した圧電素子を備えているので、内燃機関(例えば車両のエンジン)に圧力センサやノッキングセンサといった用途に用いられた場合でも、精度良く燃焼圧やノッキングを検出することが可能となる。
(8) The present invention is characterized in that the piezoelectric element according to
Since the internal combustion engine sensor according to the eighth aspect includes the above-described piezoelectric element, even when the internal combustion engine (for example, a vehicle engine) is used for a purpose such as a pressure sensor or a knocking sensor, the combustion pressure or knocking can be accurately performed. Can be detected.
更に、内燃機関用センサの出力を利用して、失火検知、EGR制御(排ガス還流制御)、最適混合比制御、排ガス対策、MBT制御(最大トルクのための最適点火時期制御)等に利用することができる。 Furthermore, using the output of the sensor for the internal combustion engine, it is used for misfire detection, EGR control (exhaust gas recirculation control), optimum mixture ratio control, exhaust gas countermeasure, MBT control (optimum ignition timing control for maximum torque), etc. Can do.
(9)本発明は、第9態様(圧電磁器組成物の製造方法)として、前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電磁器組成物の製造方法であって、前記Tiを含むラメラー構造酸化物の原料を混合し、仮焼して第1の粉末を作製する工程と、前記ビスマス層状構造化合物の原料を混合し、仮焼して第2の粉末を作製する工程と、前記第1の粉末と前記第2の粉末を混合し、成形し、焼成することによって、前記圧電磁器組成物を作製する工程と、を有することを特徴とする。 (9) This invention is a manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition of any one of the said Claims 1-6 as a 9th aspect (manufacturing method of a piezoelectric ceramic composition), Comprising: Said Ti is included. Mixing a raw material of lamellar structure oxide and calcining to produce a first powder; mixing a raw material of the bismuth layered structure compound and calcining to produce a second powder; and And a step of producing the piezoelectric ceramic composition by mixing, molding and firing the first powder and the second powder.
この製造方法によれば、第1の粉末と第2の粉末とを別個に作製するので、それぞれの組成をより厳密に管理することができる。この結果、圧電磁器組成物の歩留まりを向上させることができる。 According to this manufacturing method, since the first powder and the second powder are separately produced, each composition can be managed more strictly. As a result, the yield of the piezoelectric ceramic composition can be improved.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[圧電磁器組成物]
本発明の一実施形態としての圧電磁器組成物は、Tiを含むラメラー構造酸化物とビスマス層状構造化合物とを有する圧電磁器組成物である。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
[Piezoelectric ceramic composition]
The piezoelectric ceramic composition as one embodiment of the present invention is a piezoelectric ceramic composition having a lamellar structure oxide containing Ti and a bismuth layered structure compound.
ここで、ラメラー構造酸化物とは、微細な鱗片状、板状、板様の形状の酸化物の集合体(ある程度の量が一定方向に配列すると層状構造を示す)であり、圧電磁器組成物中で結晶として存在している。 Here, the lamellar structure oxide is an aggregate of fine scale-like, plate-like, and plate-like oxides (showing a layered structure when a certain amount is arranged in a certain direction). It exists as crystals.
前記ラメラー構造酸化物としては、A1−xTi1−xB1+xO5(元素Aはアルカリ金属、元素BはNbとTaのうち少なくとも1種、xは任意)を採用できる。
ここで、元素Aのアルカリ金属としては、K(カリウム)、R(ルビジウム)、Cs(セシウム)等が挙げられる。元素Bとしては、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)のうち少なくとも一種が挙げられる。
As the lamellar structure oxide, A 1-x Ti 1- x B 1 + x O 5 ( element A at least one kind of alkali metal, element B Nb and Ta, x is arbitrary) can be adopted.
Here, as an alkali metal of the element A, K (potassium), R (rubidium), Cs (cesium), etc. are mentioned. The element B includes at least one of Nb (niobium) and Ta (tantalum).
また、xの範囲としては、任意であるが、0≦x≦0.15であると、ラメラー構造酸化物の構造が安定し、均一な結晶相を得ることができる。
上述したラメラー構造酸化物の結晶相としては、KTiNbO5、K0.90Ti0.90Nb1.10O5、K0.85Ti0.85Nb1.15O5、RbTiNbO5、Rb0.90Ti0.90Nb1.10O5、Rb0.85Ti0.85Nb1.15O5、CsTiNbO5、Cs0.90Ti0.90Nb1.10O5、KTiTaO5、CsTiTaO5などが挙げられる。
Further, the range of x is arbitrary, but when 0 ≦ x ≦ 0.15, the structure of the lamellar structure oxide is stabilized, and a uniform crystal phase can be obtained.
As the crystalline phase of the lamellar structure oxide described above, KTiNbO 5 , K 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , K 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , RbTiNbO 5 , Rb 0 .90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , Rb 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , CsTiNbO 5 , Cs 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , KTiTaO 5 , CsTiTaO 5 etc. are mentioned.
なお、ラメラー構造酸化物の結晶相の構造的な安定性の観点から、係数xは、元素AがK(カリウム)又はRb(ルビジウム)の場合には、0≦x<0.15を満たすことが好ましく、元素AがCs(セシウム)の場合には、0≦x≦0.10を満たすことが好ましい。元素AとしてK(カリウム)を選択し、元素BとしてNb(ニオブ)を選択すれば、安価で圧電特性に優れた圧電磁器組成物を得ることができる。 From the viewpoint of the structural stability of the crystalline phase of the lamellar structure oxide, the coefficient x satisfies 0 ≦ x <0.15 when the element A is K (potassium) or Rb (rubidium). When element A is Cs (cesium), it is preferable to satisfy 0 ≦ x ≦ 0.10. If K (potassium) is selected as the element A and Nb (niobium) is selected as the element B, a piezoelectric ceramic composition that is inexpensive and excellent in piezoelectric characteristics can be obtained.
このラメラー構造酸化物の典型的な組成は、K0.85Ti0.85Nb1.15O5である。この結晶相は、NbとTiとKとを主な金属成分としているので、この材料からなる結晶相を「NTK」と呼ぶことがある。 The typical composition of this lamellar structure oxide is K 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 . Since this crystal phase contains Nb, Ti, and K as main metal components, the crystal phase made of this material may be referred to as “NTK”.
また、ビスマス層状構造化合物とは、[(Bi2O2)2+]と[(Xm−1TimO3m+1)2−]とが交互に層状に積層された結晶構造を有する化合物であり、圧電磁器組成物中で結晶として存在している。 The bismuth layered structure compound is a compound having a crystal structure in which [(Bi 2 O 2 ) 2+ ] and [(X m-1 Ti m O 3m + 1 ) 2− ] are alternately layered, Present as crystals in the piezoelectric ceramic composition.
なお、式中のXは、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Bi(ビスマス)であり、m=1〜8の整数である。 X in the formula is Na (sodium), K (potassium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), Bi (bismuth), and m is an integer of 1 to 8.
前記ビスマス層状構造化合物としては、aNa2O−bBi2O3−cTiO2とした場合、0.030≦a≦0.042、0.330≦b≦0.370、0.580≦c≦0.640の組成を採用できる。 As the bismuth layer structure compound, when the aNa 2 O-bBi 2 O 3 -cTiO 2, 0.030 ≦ a ≦ 0.042,0.330 ≦ b ≦ 0.370,0.580 ≦ c ≦ 0 .640 composition can be employed.
ここで、a、b、cは、酸化物(Na2O、Bi2O3、TiO2)の合計含有量に対する各酸化物のモル比であり、前記範囲内であれば、ビスマス層状構造化合物の圧電定数が高く好適である。 Here, a, b, and c are molar ratios of the respective oxides to the total content of oxides (Na 2 O, Bi 2 O 3 , TiO 2 ). This is suitable because of its high piezoelectric constant.
ビスマス層状構造化合物としては、Na0.5Bi4.5Ti4O15型結晶(NBT)を、主結晶とすることが好ましい。これにより、優れた耐熱性及び圧電定数が得られる。
ここで、主結晶とするとは、圧電磁器組成物のX線回折測定(XDR)によって得られるX線回折チャートにおいて、実質的にビスマス層状構造化合物が主成分であることを意味する。
As the bismuth layered structure compound, Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 type crystal (NBT) is preferably used as the main crystal. Thereby, excellent heat resistance and piezoelectric constant can be obtained.
Here, the main crystal means that a bismuth layered structure compound is substantially a main component in an X-ray diffraction chart obtained by X-ray diffraction measurement (XDR) of the piezoelectric ceramic composition.
なお、ビスマス層状構造化合物としては、上述したもの以外に、例えばSrBi2Nb2O9、SrBi2TaO9、BaBi2Nb2O9、BaBi2Ta2O9、Bi4Ti3O12、CaBi4Ti4O15、SrBi4Ti4O15、BaBi4Ti4O15、K0.5Bi4.5Ti4O15、Sr2Bi4Ti5O18、Ba2Bi4Ti5O18が挙げられる。 Examples of the bismuth layered structural compound include those other than those described above, for example, SrBi 2 Nb 2 O 9 , SrBi 2 TaO 9 , BaBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 , CaBi. 4 Ti 4 O 15 , SrBi 4 Ti 4 O 15 , BaBi 4 Ti 4 O 15 , K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ti 5 O 18 Is mentioned.
また、圧電磁器組成物としては、ビスマス層状構造化合物を主結晶とし、ラメラー構造酸化物の含有率が0.5〜20mol%の範囲を採用できる。
この範囲であれば、高いキュリー温度、低い焦電性、高い圧電特性(圧電定数)、高い温度安定性をバランスよく実現することが可能である。
Moreover, as a piezoelectric ceramic composition, a bismuth layered structure compound is used as a main crystal, and the content of lamellar structure oxide can be in the range of 0.5 to 20 mol%.
Within this range, high Curie temperature, low pyroelectricity, high piezoelectric characteristics (piezoelectric constant), and high temperature stability can be realized in a well-balanced manner.
なお、本発明の実施形態としての圧電磁器組成物には、Cu(銅)、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Sc(スカンジウム)、Bi(ビスマス)のうちの少なくとも一種の金属元素を含有するようにしてもよい。 The piezoelectric ceramic composition as an embodiment of the present invention includes Cu (copper), Ni (nickel), Co (cobalt), Fe (iron), Mn (manganese), Cr (chromium), and Zr (zirconium). , Ag (silver), Zn (zinc), Sc (scandium), Bi (bismuth) may be included.
これらの金属元素を添加しても、優れた圧電特性(特に圧電定数d33)を有する圧電磁器組成物を得ることが可能である。
これらの添加金属の含有割合の合計値は、5モル%以下であることが好ましく、1モル%以下であることが更に好ましい。添加金属の含有割合の合計値が5モル%を超えると、圧電特性が却って低下する可能性がある。
Even when these metal elements are added, it is possible to obtain a piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric characteristics (particularly the piezoelectric constant d33).
The total content of these additive metals is preferably 5 mol% or less, and more preferably 1 mol% or less. If the total content of the additive metals exceeds 5 mol%, the piezoelectric characteristics may be deteriorated.
[圧電素子]
本発明の一実施形態としての圧電素子は、上述した圧電磁器組成物で形成された圧電磁器とその圧電磁器に取り付けられた電極とを備えている。
[Piezoelectric element]
A piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric ceramic formed of the above-described piezoelectric ceramic composition and an electrode attached to the piezoelectric ceramic.
前記圧電磁器(圧電体)は、圧電素子内において圧電特性を発揮する部分である。この圧電磁器の形状及び大きさは特に限定されず、感圧用途及び発振用途等に応じて適宜のものとすることが好ましい。特に感圧用途では、平面形状が方形、円形等の平板状、中央部に厚さ方向に貫通孔が設けられた平板状、角柱状、円柱状等の種々の形状とすることができる。また、本発明の圧電素子は、これらの形状の圧電磁器が複数積層されて構成されていてもよい。 The piezoelectric ceramic (piezoelectric body) is a portion that exhibits piezoelectric characteristics in the piezoelectric element. The shape and size of the piezoelectric ceramic are not particularly limited, and it is preferable that the piezoelectric ceramic is appropriately selected according to the pressure-sensitive use and the oscillation use. In particular, for pressure-sensitive applications, the planar shape may be various shapes such as a flat plate shape such as a square shape or a circular shape, a flat plate shape with a through hole provided in the central portion in the thickness direction, a prismatic shape, or a cylindrical shape. Moreover, the piezoelectric element of the present invention may be configured by laminating a plurality of piezoelectric ceramics having these shapes.
前記電極は、圧電磁器の表面に接して形成された導体層である。この電極の各々は、圧電磁器が板状である場合にはその一面と他面とに各々形成されていてもよく、各々の電極が圧電磁器の同一面に形成されていてもよい。また、電極の形状、大きさ及び材質等は特に限定されず、圧電磁器の大きさ及び用途等により適宜のものとすることが好ましい。この電極の形状は、平面状でもよく、特に一対の電極の各々を圧電体の同一面に形成する場合は櫛歯状や半月状とすることもできる。この電極の形成方法も特に限定されないが、通常、導電性ペーストを圧電体の所望の表面に塗布した後、焼き付けて得られる。 The electrode is a conductor layer formed in contact with the surface of the piezoelectric ceramic. When the piezoelectric ceramic is plate-shaped, each of these electrodes may be formed on one surface and the other surface thereof, and each electrode may be formed on the same surface of the piezoelectric ceramic. Further, the shape, size, material, and the like of the electrode are not particularly limited, and it is preferable that the electrode be appropriately selected depending on the size, application, and the like of the piezoelectric ceramic. The shape of the electrodes may be planar, and in particular, when each of the pair of electrodes is formed on the same surface of the piezoelectric body, it may be comb-shaped or half-moon shaped. The method for forming this electrode is not particularly limited, but it is usually obtained by applying a conductive paste to a desired surface of a piezoelectric body and then baking it.
ここで、図1に圧電素子1の一例を示す。同図に示すように、圧電素子1は、円板状に形成されるとともに、中央部に本発明の圧電磁器組成物からなる円板状の圧電磁器3と、この圧電磁器3の厚み方向の表裏面の各々に薄膜の円板状の導体層(一対の電極)5、7とを備える。 Here, an example of the piezoelectric element 1 is shown in FIG. As shown in the figure, the piezoelectric element 1 is formed in a disk shape, and a disk-shaped piezoelectric ceramic 3 made of the piezoelectric ceramic composition of the present invention at the center and the thickness direction of the piezoelectric ceramic 3 A thin disc-shaped conductor layer (a pair of electrodes) 5 and 7 is provided on each of the front and back surfaces.
前記電極5、7は、例えば、前記本発明の圧電磁器組成物からなる焼結体の表面を平行研磨して得られる研磨面に導電性ペーストを塗布し、これを焼き付けて(例えば、600〜800℃で10分間)形成できる。導電性ペーストは、ガラスフリットと、導電成分と、有機媒体とを用いて調製できる。ガラスフリットを含むことで圧電体と電極との接合強度を向上させることができる。
For example, the
前記導電成分としては、銀、金、パラジウム、白金等の貴金属からなる粉末、これらの粉末の2種以上を含む混合粉末、2種以上の貴金属の合金からなる粉末等を使用することができる。その他、銅、ニッケル等からなる粉末、又はこれらの混合粉末、及びこれらの金属の合金からなる粉末等を用いることもできる。 As the conductive component, a powder made of noble metal such as silver, gold, palladium, platinum, a mixed powder containing two or more of these powders, a powder made of an alloy of two or more noble metals, or the like can be used. In addition, powders made of copper, nickel, etc., or mixed powders thereof, and powders made of alloys of these metals can also be used.
なお、本発明の一実施形態における圧電磁器組成物は、圧電素子以外に、超音波振動子、切削工具として利用することもできる。
また、本発明の一実施形態における圧電磁器組成物及び圧電素子は、振動検知用途や、圧力検知用途、発振用途、及び、圧電デバイス用途等に広く用いることが可能である。例えば、各種振動を検知するセンサ類(ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)、振動子、アクチュエータ、フィルタ等の圧電デバイス、高電圧発生装置、マイクロ電源、各種駆動装置、位置制御装置、振動抑制装置、流体吐出装置(塗料吐出及び燃料吐出等)などに利用することができる。また、本発明の実施形態による圧電磁器組成物及び圧電素子は、特に、優れた熱耐久性が要求される用途(例えば、ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)に好適である。
In addition, the piezoelectric ceramic composition in one embodiment of the present invention can be used as an ultrasonic vibrator and a cutting tool in addition to the piezoelectric element.
Moreover, the piezoelectric ceramic composition and the piezoelectric element according to an embodiment of the present invention can be widely used for vibration detection applications, pressure detection applications, oscillation applications, piezoelectric device applications, and the like. For example, sensors for detecting various vibrations (knock sensors, combustion pressure sensors, etc.), piezoelectric devices such as vibrators, actuators, filters, etc., high voltage generators, micro power supplies, various driving devices, position control devices, vibration suppression devices, It can be used for fluid discharge devices (such as paint discharge and fuel discharge). In addition, the piezoelectric ceramic composition and the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention are particularly suitable for applications requiring excellent thermal durability (for example, a knock sensor and a combustion pressure sensor).
[内燃機関用センサ]
本発明の一実施形態は、前記圧電素子を備えた内燃機関用センサである。
この内燃機関用センサとしては、例えば特開平5−172680号公報に記載のエンジンシリンダ内の燃料圧を検出する圧力センサ(図2参照)が挙げられる。
[Internal combustion engine sensor]
One embodiment of the present invention is a sensor for an internal combustion engine including the piezoelectric element.
An example of the internal combustion engine sensor is a pressure sensor (see FIG. 2) for detecting the fuel pressure in the engine cylinder described in JP-A-5-172680.
例えば図2に示すように、内燃機関用センサ(即ち内燃機関用圧力センサ)11は、下端部外周に雄ねじ部13を有するとともに上端部外周に六角部15を有し、軸中心に軸孔17を有する筒状の主体金具19を備えている。
For example, as shown in FIG. 2, the internal combustion engine sensor (that is, the internal combustion engine pressure sensor) 11 has a
軸孔17には、先端側から、金属板21、第1の端子部材23、(円板状の)圧電素子25、第2の端子部材27、電気絶縁環29が、順次層状に配置され、これらの積層物の周囲に配置された絶縁材31によって、主体金具19と電気的に絶縁されている。なお、電気絶縁環29の上端側には、環状部材33が配置され、更に、主体金具19の後端には金属スリーブ35が嵌合されている。
In the
また、第2の端子部材27の上面は、接続手27a及び絶縁被覆された中継用導線37を介して、(環状部材33及び金属スリーブ35を貫通する)信号搬送用ケーブル39の芯線39aに接続されている。
Further, the upper surface of the
一方、軸孔17の先端側には、圧力伝達棒41が挿入されており、その上端側が金属板21に圧接し、下端側が金属製ダイアフラム43に固着している。
従って、圧電素子25の上面側の電極は、第2の端子部材27と中継用導線37を介して、信号搬送用ケーブル39の芯線39aに接続され、下面側の電極は、第1の端子部材23と金属板21と圧力伝達棒41を介して、主体金具19と接続されている。
On the other hand, a
Accordingly, the electrode on the upper surface side of the
この内燃機関用圧力センサ11は、圧電特性に優れ、かつ、例えば−50℃〜+350℃の間において急激な特性の変動がない圧電素子25を用いて構成されているので、燃料圧の検出精度が高く、かつ、熱耐久性に優れている。
The
[圧電磁器組成物の製造方法]
本発明では、圧電磁器組成物を製造する方法としては、例えば、前記Tiを含むラメラー構造酸化物の原料を混合し、仮焼して第1の粉末を作製する工程と、前記ビスマス層状構造化合物の原料を混合し、仮焼して第2の粉末を作製する工程と、前記第1の粉末と前記第2の粉末を混合し、成形し、焼成することによって、前記圧電磁器組成物を作製する工程と、を有する製造方法を採用できる。
[Method for producing piezoelectric ceramic composition]
In the present invention, as a method for producing a piezoelectric ceramic composition, for example, a step of mixing a raw material of a lamellar structure oxide containing Ti and calcining to produce a first powder; and the bismuth layered structure compound The above-mentioned piezoelectric ceramic composition is prepared by mixing the raw materials and calcining to produce the second powder, and mixing, molding and firing the first powder and the second powder. The manufacturing method which has the process to do is employable.
例えば、目的とするNBT(Na0.5Bi4.5Ti4O15)、NTK(K0.85Ti0.85Nb1.15O5)の各組成範囲となるように、所定の金属元素を含む混合粉末(酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、硝酸塩等)をそれぞれ調合した後、焼成温度よりも低温にて仮焼し、NBT、NTKの仮焼粉を得る。その後、NBT、NTKを所定量混合後、所定の焼成温度で焼成する。 For example, a predetermined metal is used so that the composition ranges of the target NBT (Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 ) and NTK (K 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 ) are obtained. After preparing mixed powders (oxides, carbonates, hydrogen carbonates, nitrates, etc.) containing elements, calcining is performed at a temperature lower than the firing temperature to obtain calcined powders of NBT and NTK. Thereafter, NBT and NTK are mixed in a predetermined amount and then fired at a predetermined firing temperature.
以下に、この圧電磁器組成物の製造方法の好適な実施形態について詳しく説明する。
図3に示すように、工程T110では、母相(NBT相)の原料として、Na源としてNa2CO3粉末、Bi源としてBi2O3粉末、Ti源としてTiO2粉末の各原料を用意する。
Below, suitable embodiment of the manufacturing method of this piezoelectric ceramic composition is described in detail.
As shown in FIG. 3, in step T110, as raw materials for the mother phase (NBT phase), Na 2 CO 3 powder as a Na source, Bi 2 O 3 powder as a Bi source, and TiO 2 powder as a Ti source are prepared. To do.
その後、各原料粉末が上記組成範囲となるように秤量し、分散媒(エタノール等)と共に混合機(ボールミル等)により湿式混合を行って泥しょう(スラリー)を得る。次いで、得られたスラリーを乾燥させて、上記原料混合粉末を得る。 Thereafter, each raw material powder is weighed so as to be within the above composition range, and wet mixed by a mixer (such as a ball mill) together with a dispersion medium (such as ethanol) to obtain a slurry (slurry). Next, the obtained slurry is dried to obtain the raw material mixed powder.
その後、工程T120では、上記原料混合粉末を仮焼して、母相仮焼物(第2の粉末)とする。
一方、工程T130では、副相(NTK相)の原料として、K2CO3粉末、Rb2CO3粉末、Cs2CO3粉末、TiO2粉末、Nb2O5粉末、Ta2O5粉末等の原料のうちから必要なものを選択し、副相の組成式における係数xの値に応じて秤量する。
Then, in process T120, the said raw material mixed powder is calcined and it is set as a mother phase calcined product (2nd powder).
On the other hand, in Step T130, as a secondary phase (NTK phase) raw material, K 2 CO 3 powder, Rb 2 CO 3 powder, Cs 2 CO 3 powder, TiO 2 powder, Nb 2 O 5 powder, Ta 2 O 5 powder, etc. Necessary ones are selected from the raw materials, and weighed according to the value of the coefficient x in the subphase composition formula.
そして、これらの原料粉末にエタノールを加え、ボールミルにて好ましくは15時間以上湿式混合してスラリーを得る。
工程T140では、スラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600〜1000℃で1〜10時間仮焼して、副相仮焼物(第1の粉末)を生成する。
Then, ethanol is added to these raw material powders, and wet mixing is preferably performed for 15 hours or more in a ball mill to obtain a slurry.
In Step T140, the mixed powder obtained by drying the slurry is calcined at 600 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours, for example, in an air atmosphere to generate a subphase calcined product (first powder).
工程T150では、母相仮焼物と副相仮焼物を、目的とする組成の圧電磁器組成物が得られるように、それぞれ秤量し、ボールミルにて、分散剤、バインダ及びエタノールを加えて粉砕・混合してスラリーとする。また、添加金属を加える場合には、CuO粉末、Fe2O3粉末、NiO粉末、ZrO粉末、Cr2O3粉末、MgO2粉末、CoO粉末等のうちから必要なものを選択し、秤量してスラリーに混合する。なお、このスラリーを、もう一度仮焼して粉砕、混合しても良い。 In Step T150, the mother phase calcined product and the subphase calcined product are weighed so that a piezoelectric ceramic composition having the desired composition can be obtained, and then pulverized and mixed by adding a dispersant, a binder and ethanol in a ball mill. To make a slurry. In addition, when adding an additive metal, a necessary one is selected from CuO powder, Fe 2 O 3 powder, NiO powder, ZrO powder, Cr 2 O 3 powder, MgO 2 powder, CoO powder, and weighed. And mix with the slurry. Note that this slurry may be calcined once again and pulverized and mixed.
その後、このスラリーを乾燥し、造粒し、例えば圧力20MPaで一軸プレスを行い、所望の形状に成形する。その後、例えば圧力150MPaでCIP処理(冷間静水圧成形処理)を行ってCIPプレス体を得る。 Thereafter, the slurry is dried, granulated, and uniaxially pressed at a pressure of 20 MPa, for example, and formed into a desired shape. Thereafter, for example, CIP processing (cold isostatic pressing) is performed at a pressure of 150 MPa to obtain a CIP press body.
工程T160では、得られたCIPプレス体を、例えば大気雰囲気下900〜1300℃で1〜10時間保持して焼成することによって、無鉛圧電電磁組成物で形成された圧電磁器を得る。この焼成は、還元雰囲気又は大気雰囲気で行っても良い。 In step T160, the obtained CIP press body is fired by holding, for example, at 900 to 1300 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to obtain a piezoelectric ceramic formed of a lead-free piezoelectric electromagnetic composition. This firing may be performed in a reducing atmosphere or an air atmosphere.
工程T170では、圧電磁器を、圧電素子に要求される寸法精度に従って加工する。例えば表面を平行研磨する。
工程T180では、こうして得られた圧電磁器の研磨面に、導電性ペーストを塗布し、これを焼き付けて(例えば600〜800℃で10分間焼き付けて)電極を形成する。
In step T170, the piezoelectric ceramic is processed according to the dimensional accuracy required for the piezoelectric element. For example, the surface is polished in parallel.
In step T180, a conductive paste is applied to the polished surface of the piezoelectric ceramic thus obtained and baked (for example, baked at 600 to 800 ° C. for 10 minutes) to form an electrode.
導電性ペーストは、ガラスフリットと、導電成分と、有機媒体とを用いて調製できる。ガラスフリットを含むことで圧電磁器と電極との接合強度を向上させることができる。
前記導電成分としては、銀、金、パラジウム、白金等の貴金属からなる粉末、これらの粉末の2種以上を含む混合粉末、2種以上の貴金属の合金からなる粉末等を使用することができる。その他、銅、ニッケル等からなる粉末、又はこれらの混合粉末、及びこれらの金属の合金からなる粉末等を用いることもできる。
The conductive paste can be prepared using glass frit, a conductive component, and an organic medium. By including the glass frit, the bonding strength between the piezoelectric ceramic and the electrode can be improved.
As the conductive component, a powder made of noble metal such as silver, gold, palladium, platinum, a mixed powder containing two or more of these powders, a powder made of an alloy of two or more noble metals, or the like can be used. In addition, powders made of copper, nickel, etc., or mixed powders thereof, and powders made of alloys of these metals can also be used.
工程T190では、分極処理を行う。分極処理は、通常、所定の温度に保持された絶縁環境下{例えば、絶縁性の高い液体(25〜250℃に保温されたシリコーンオイル又はフロリナート液等)中}に置き、電極間に1〜10kV/mmの電界を1〜60分間加えることで行うことができる。 In step T190, a polarization process is performed. The polarization treatment is usually placed in an insulating environment maintained at a predetermined temperature {for example, in a highly insulating liquid (such as silicone oil or fluorinate liquid kept at 25 to 250 ° C.)}, and 1 to This can be done by applying an electric field of 10 kV / mm for 1 to 60 minutes.
次に、本発明の実施例について説明する。
a)本発明の実施例(本発明品)として、上述した圧電磁器組成物の製造方法により、0.95NBT−0.05NTK+0.5Mの組成の試料を作製した(なお、数字はモル比であり、Mは外配合である)。
Next, examples of the present invention will be described.
a) As an example of the present invention (product of the present invention), a sample having a composition of 0.95NBT-0.05NTK + 0.5M was prepared by the method for manufacturing a piezoelectric ceramic composition described above (note that the numbers are molar ratios). , M is an external formulation).
ここで、Mは、例えばCoの金属元素である。なお、試料の形状は、直径3mm×厚み1mmの円板形状である。
そして、この試料の圧電磁器組成物の特性(圧電定数d33、キュリー温度、焦電量、温度安定性)を測定した。
Here, M is a metal element of Co, for example. In addition, the shape of a sample is a disk shape of diameter 3mm x thickness 1mm.
And the characteristic (piezoelectric constant d33, Curie temperature, pyroelectric amount, temperature stability) of the piezoelectric ceramic composition of this sample was measured.
具体的には、圧電定数d33は、d33メータを用いてEMAS6100に準拠して測定し、キュリー温度は、温度に対する静電容量の変化により求め、焦電量は、JIS1651に準拠して測定した。また、温度安定性は、−50〜+350℃における圧電定数d33の変化率であり、20℃におけるd33値を基準にした変化率によって求めた。 Specifically, the piezoelectric constant d33 was measured in accordance with EMAS6100 using a d33 meter, the Curie temperature was determined by the change in capacitance with respect to the temperature, and the pyroelectric amount was measured in accordance with JIS1651. The temperature stability is the rate of change of the piezoelectric constant d33 at -50 to + 350 ° C, and was determined by the rate of change based on the d33 value at 20 ° C.
また、従来品として、ZnO(比較例1)、水晶(比較例2)、PbTiO3(比較例)からなる圧電体を用意し、その特性を調べた。
それらの結果を、下記表1に記す。
In addition, as a conventional product, a piezoelectric body made of ZnO (Comparative Example 1), quartz crystal (Comparative Example 2), and PbTiO 3 (Comparative Example) was prepared, and the characteristics were examined.
The results are shown in Table 1 below.
この表1から明らかなように、本発明の試料(本発明品)は、(比較例1、2に比べて)圧電定数が大きく、(比較例2、3に比べて)キュリー温度が高く、(比較例3に比べて)焦電性が小さく、(比較例1、3に比べて)温度安定性が高く、無鉛であり、(比較例1、2に比べて)価格が安いという特長を有していることが分かる。 As is clear from Table 1, the sample of the present invention (product of the present invention) has a large piezoelectric constant (compared to Comparative Examples 1 and 2) and a high Curie temperature (compared to Comparative Examples 2 and 3). Features of low pyroelectricity (compared to comparative example 3), high temperature stability (compared to comparative examples 1 and 3), lead-free, and low price (compared to comparative examples 1 and 2) You can see that
つまり、本発明品は、圧電材料として、特性のバランスがよく、総合的に優れた圧電材料であることが分かる。
それに対して、比較例1〜3では、各特性のいずれかが悪く、圧電材料として特性のバランスが悪いことが分かる。
That is, it can be seen that the product of the present invention is a piezoelectric material having a good balance of properties and excellent overall properties as a piezoelectric material.
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, it can be seen that any of the characteristics is bad and the balance of the characteristics as a piezoelectric material is poor.
b)また、下記表2の材料を用い、上述した圧電磁器組成物の製造方法により、本発明の範囲の各試料(No.1〜26)の圧電磁器組成物を作製した。即ち、各試料の圧電磁器組成物となるように調整した材料を用い、上述した実施形態で示した圧電磁器組成物の製造方法によって、各圧電磁器組成物を作製した。 b) Moreover, the piezoelectric ceramic composition of each sample (No. 1-26) of the range of this invention was produced with the manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition mentioned above using the material of the following Table 2. That is, each piezoelectric ceramic composition was manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric ceramic composition described in the above-described embodiment, using a material adjusted to be the piezoelectric ceramic composition of each sample.
なお、試料の形状は、直径3mm×厚み1mmの円板形状である。
そして、各試料に対して、X線回折法(XRD)によって、圧電磁器組成物を構成する結晶相を特定し、主結晶(母相)が例えばNBT等のビスマス層状構造化合物であり、副結晶(副相)が例えばNTK等のラメラー構造酸化物であることを確認した。また、X線蛍光分析法(XRF)によって、圧電磁器組成物に含まれる元素と元素の濃度を確認した。
In addition, the shape of a sample is a disk shape of diameter 3mm x thickness 1mm.
For each sample, the crystal phase constituting the piezoelectric ceramic composition is specified by X-ray diffraction (XRD), the main crystal (parent phase) is a bismuth layered structure compound such as NBT, It was confirmed that the (subphase) is a lamellar structure oxide such as NTK. Moreover, the element contained in the piezoelectric ceramic composition and the concentration of the element were confirmed by X-ray fluorescence analysis (XRF).
更に、各試料の圧電定数(d33)と焦電量とを、前記と同様にして測定し、焦電量/圧電定数を算出した。なお、添加金属の添加量は外配合である。
その結果を、下記表2に記す。なお、この表2には、母相の組成、母相割合、副相の組成、副相の割合も記載した。
Further, the piezoelectric constant (d33) and pyroelectric amount of each sample were measured in the same manner as described above, and the pyroelectric amount / piezoelectric constant was calculated. In addition, the addition amount of an additional metal is external mixing.
The results are shown in Table 2 below. In Table 2, the composition of the mother phase, the ratio of the mother phase, the composition of the subphase, and the ratio of the subphase are also described.
表2の圧電定数(d33)は、10[pC/N]以上であれば、圧電材料として好ましい。また、焦電量/圧電定数(d33)の値は、温度変化を受けにくいことを示し、この値が小さいほど圧電材料として好ましい。 The piezoelectric constant (d33) in Table 2 is preferably 10 [pC / N] or more as a piezoelectric material. Moreover, the value of pyroelectric amount / piezoelectric constant (d33) indicates that it is less susceptible to temperature change, and the smaller this value is, the more preferable it is as a piezoelectric material.
この表2から、本発明の各試料は、圧電定数は11[pC/N]以上と大きく、焦電量は523[pC/℃]以下と小さく、焦電量/圧電定数(d33)の値は25以下と小さく、よって、圧電材料として好ましい特性を有していることが分かる。 From Table 2, each sample of the present invention has a large piezoelectric constant of 11 [pC / N] or more, a small pyroelectric amount of 523 [pC / ° C.] or less, and a pyroelectric amount / piezoelectric constant (d33) value of 25. Therefore, it can be seen that it has preferable characteristics as a piezoelectric material.
また、表2から理解できるように、添加金属としては、Cu(銅)、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Zn(亜鉛)、Cr(クロム)、Sc(スカンジウム)、Ag(銀)のうちの少なくとも一種の金属元素を含有しても、十分良好な特性を有する圧電磁器組成物を得ることができる。 As can be understood from Table 2, the additive metals include Cu (copper), Ni (nickel), Co (cobalt), Fe (iron), Mn (manganese), Zn (zinc), Cr (chromium), Even if it contains at least one metal element of Sc (scandium) and Ag (silver), a piezoelectric ceramic composition having sufficiently good characteristics can be obtained.
c)更に、前記表2のNo.1の試料を用い、温度可変の環境試験機内に試料を入れ、EMAS6100に準拠した共振反共振法によって、各温度毎の圧電定数(d33)の変化率を調べた。なお、圧電定数の変化率とは、20℃の圧電定数(d33)を基準とした場合の各温度におけるd33値との割合(比率)のことである。 c) Furthermore, using the sample No. 1 in Table 2 above, place the sample in a temperature-variable environmental tester, and determine the rate of change of the piezoelectric constant (d33) at each temperature by the resonance anti-resonance method according to EMAS6100. Examined. The rate of change of the piezoelectric constant is a ratio (ratio) with the d33 value at each temperature when the piezoelectric constant (d33) at 20 ° C. is used as a reference.
その結果を図4に示す。
図4から明らかなように、温度が例えば−50〜+350℃に変化した場合でも、圧電定数変化率は2%以下と小さい。
The result is shown in FIG.
As is apparent from FIG. 4, even when the temperature is changed from −50 to + 350 ° C., for example, the piezoelectric constant change rate is as small as 2% or less.
更に、上述したように、本発明の圧電磁器組成物においては、キュリー点が500℃以上であるため、350℃より高い温度域に晒されても、圧電特性は消失せず維持することができる。よって、本発明の圧電磁器組成物(圧電素子)は、外部温度の影響を受けにくく、内燃機関用センサに好適に用いることができる。 Furthermore, as described above, in the piezoelectric ceramic composition of the present invention, since the Curie point is 500 ° C. or higher, the piezoelectric characteristics can be maintained even when exposed to a temperature range higher than 350 ° C. . Therefore, the piezoelectric ceramic composition (piezoelectric element) of the present invention is not easily affected by the external temperature and can be suitably used for a sensor for an internal combustion engine.
尚、本発明は前記実施態様や実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記実施態様では、圧電素子を用いた内燃機関用センサの用途として圧力センサを示したが、それ以外に、ノッキングセンサや加速度センサといった用途に、前記の圧電素子を用いることができる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment and an Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
For example, in the above-described embodiment, the pressure sensor is shown as an application of a sensor for an internal combustion engine using a piezoelectric element. However, the piezoelectric element can be used for an application such as a knocking sensor or an acceleration sensor.
1、25…圧電素子
3…圧電磁器
5、7…電極
11…内燃機関用圧力センサ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記Tiを含むラメラー構造酸化物の原料を混合し、仮焼して第1の粉末を作製する工程と、
前記ビスマス層状構造化合物の原料を混合し、仮焼して第2の粉末を作製する工程と、
前記第1の粉末と前記第2の粉末を混合し、成形し、焼成することによって、前記圧電磁器組成物を作製する工程と、
を有することを特徴とする圧電磁器組成物の製造方法。
A method for producing a piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 6,
Mixing the raw material of the lamellar structure oxide containing Ti and calcining to produce a first powder;
Mixing the raw materials of the bismuth layered structure compound and calcining to produce a second powder;
Mixing the first powder and the second powder, forming and firing to produce the piezoelectric ceramic composition;
A method for producing a piezoelectric ceramic composition, comprising:
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