JP2021005583A - Piezoelectric ceramic - Google Patents

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康善 齋藤
Yasuyoshi Saito
康善 齋藤
和田 賢介
Kensuke Wada
賢介 和田
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Abstract

To provide a novel piezoelectric ceramic with an excellent piezoelectric characteristic (especially, a piezoelectric d31 constant) without containing lead.SOLUTION: A piezoelectric ceramic has a perovskite crystal structure and is formed by one having a component expressed by a composition formula: {(K1-yNay)1-zLiz}(Nb1-vTav)O3-(x/2)Bi2O3 (where, 0.0001≤x≤0.0040, 0.40<y<0.55, 0.01≤z≤0.10, 0.01≤v≤0.40, 0.04≤z+v/9≤0.06). When optimizing the composition, a piezoelectric charge sensor output d31 constant of the piezoelectric ceramic is 100 pm/V or more, and a dielectric loss tanδ is 2.2% or less. Such a piezoelectric ceramic is suitable for an infrastructure vibration sensor.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、圧電セラミックスに関し、さらに詳しくは、鉛を含まないペロブスカイト型酸化物からなる新規な圧電セラミックスに関する。 The present invention relates to piezoelectric ceramics, and more particularly to novel piezoelectric ceramics made of lead-free perovskite-type oxides.

圧電セラミックスとは、圧電効果を示すセラミックスをいう。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Ti,Zr)O3、PZT)などが知られている。これらは、いずれもペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体である。
これらの内、PZTは、圧電セラミックスの中でも最も高い圧電効果を示す材料として知られている。しかしながら、PZTなどの鉛を含む圧電セラミックスは、高い圧電特性を示す反面、環境に対する負荷が大きいという欠点がある。そのため、高い圧電特性を示し、かつ、鉛を含まない圧電セラミックスに関し、従来から種々の提案がなされている。
Piezoelectric ceramics refer to ceramics that exhibit a piezoelectric effect. As the piezoelectric ceramics, such as barium titanate (BaTiO 3), lead titanate (PbTiO 3), lead zirconate titanate (Pb (Ti, Zr) O 3, PZT) and the like are known. All of these are ferroelectrics having a perovskite-type crystal structure.
Of these, PZT is known as a material exhibiting the highest piezoelectric effect among piezoelectric ceramics. However, although lead-containing piezoelectric ceramics such as PZT exhibit high piezoelectric characteristics, they have a drawback of having a large load on the environment. Therefore, various proposals have been made conventionally for piezoelectric ceramics that exhibit high piezoelectric characteristics and do not contain lead.

例えば、特許文献1には、一般式:{Liy(Na1-xx)1-y}a(Nb1-z-wTazSbw)O3(但し、1<a≦1.1、0.30≦x≦0.70、0.02≦y≦0.10、0.0≦z≦0.5、0.01≦w≦0.1)で表されるペロブスカイト型酸化物に所定量のBi23及び/又はMnO2を加えて混合し、混合物を焼結させることにより得られる圧電/電歪磁器組成物が開示されている。
同文献には、このような方法により、高電界印加時の電界誘起歪が大きい圧電/電歪磁器組成物が得られる点が記載されている。
For example, Patent Document 1, the general formula: {Li y (Na 1- x K x) 1-y} a (Nb 1-zw Ta z Sb w) O 3 ( where, 1 <a ≦ 1.1, Perovskite-type oxide represented by 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, 0.0 ≦ z ≦ 0.5, 0.01 ≦ w ≦ 0.1) A piezoelectric / electrostrictor composition obtained by adding and mixing a fixed amount of Bi 2 O 3 and / or Mn O 2 and sintering the mixture is disclosed.
The document describes that such a method can be used to obtain a piezoelectric / electrostrained porcelain composition having a large electric field-induced strain when a high electric field is applied.

特許文献2には、
(a)100{Li0.03(Na0.550.45)0.97}1.010(Nb0.918Ta0.082)O3−0.03BiO1.5で表される組成を有する圧電/電歪磁器組成物、及び、
(b)100{Li0.06(Na0.550.45)0.94}1.010(Nb0.918Ta0.082)O3−0.10MnO2−0.03BiO1.5で表される組成を有する圧電/電歪磁器組成物
が開示されている。
同文献には、前者の圧電d31定数が70pm/Vであり、後者の圧電d31定数が93pm/Vである点が記載されている。
In Patent Document 2,
(A) 100 {Li 0.03 ( Na 0.55 K 0.45) 0.97} 1.010 (Nb 0.918 Ta 0.082) O 3 piezoelectric / electrostrictive porcelain composition having a composition represented by -0.03BiO 1.5, and,
(B) 100 {Li 0.06 ( Na 0.55 K 0.45) 0.94} 1.010 (Nb 0.918 Ta 0.082) O 3 -0.10MnO piezoelectric / electrostrictive porcelain composition having a composition represented by 2 -0.03BiO 1.5 is disclosed Has been done.
It is described in the same document that the former piezoelectric d 31 constant is 70 pm / V and the latter piezoelectric d 31 constant is 93 pm / V.

圧電材料は、種々の用途に用いられているが、その一つにインフラ振動センサがある。「インフラ振動センサ」とは、道路、橋梁、プラント、トンネルなどの構造物の振動、変位等を計測し、これによって構造物の健全度を診断するためのセンサをいう。インフラ振動センサは、構造物の健全度を正確に診断できるだけでなく、実環境下において長期間に渡る診断を可能とする高い信頼性も必要となる。そのため、インフラ振動センサ用の圧電材料には、高い圧電特性に加えて、高い強度、高いキュリー温度、高い耐水性(耐湿性)、長期の材料特性の安定性なども求められる。 Piezoelectric materials are used for various purposes, one of which is an infrastructure vibration sensor. "Infrastructure vibration sensor" refers to a sensor for diagnosing the soundness of a structure by measuring the vibration, displacement, etc. of a structure such as a road, a bridge, a plant, or a tunnel. Infrastructure vibration sensors are required not only to accurately diagnose the soundness of structures, but also to have high reliability that enables long-term diagnosis in a real environment. Therefore, in addition to high piezoelectric characteristics, piezoelectric materials for infrastructure vibration sensors are required to have high strength, high Curie temperature, high water resistance (moisture resistance), and long-term stability of material characteristics.

しかしながら、鉛を含む従来の圧電材料は、圧電特性は高いが、環境負荷が大きい。また、1100℃以上の焼結温度を必要とするためにプロセスコストが高い。
一方、特許文献1には、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物に対して、さらに、Ta、Sb、Mn、及びBiを添加した組成物が記載されている。しかし、同文献には、このような組成物の電界誘起歪は記載されているが、圧電d31定数については記載されていない。
また、特許文献2には、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物に対して、さらにTa、Biを添加した組成物、及び、これらに加えてさらにMnを添加した組成物が開示されている。しかし、特許文献2に記載の組成物は、いずれも圧電d31定数が低い。
However, the conventional piezoelectric material containing lead has high piezoelectric characteristics but a large environmental load. In addition, the process cost is high because a sintering temperature of 1100 ° C. or higher is required.
On the other hand, Patent Document 1 describes a composition in which Ta, Sb, Mn, and Bi are further added to an alkaline niobate-based perovskite-type oxide. However, although the document describes the electric field-induced strain of such a composition, it does not describe the piezoelectric d 31 constant.
Further, Patent Document 2 discloses a composition in which Ta and Bi are further added to an alkaline niobate-based perovskite-type oxide, and a composition in which Mn is further added in addition to these. However, all the compositions described in Patent Document 2 have a low piezoelectric d 31 constant.

特開2010−030818号公報JP-A-2010-030818 特開2009−256182号公報JP-A-2009-256182

本発明が解決しようとする課題は、鉛を含まず、かつ、圧電特性(特に、圧電d31定数)に優れた新規な圧電セラミックスを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、インフラ振動センサとして好適な新規な圧電セラミックスを提供することにある。
An object to be solved by the present invention is to provide a novel piezoelectric ceramic which does not contain lead and has excellent piezoelectric characteristics (particularly, piezoelectric d 31 constant).
Another problem to be solved by the present invention is to provide a novel piezoelectric ceramic suitable as an infrastructure vibration sensor.

上記課題を解決するために本発明に係る圧電セラミックスは、ペロブスカイト型結晶構造を有し、次の式(1)で表される組成を有するものからなる。
{(K1-yNay)1-zLiz}(Nb1-vTav)O3−(x/2)Bi23 …(1)
但し、
0.0001≦x≦0.0040、
0.40<y<0.55、
0.01≦z≦0.10、
0.01≦v≦0.40、
0.04≦z+v/9≦0.06。
In order to solve the above problems, the piezoelectric ceramics according to the present invention have a perovskite type crystal structure and have a composition represented by the following formula (1).
{(K 1-y Na y ) 1-z Li z} (Nb 1-v Ta v) O 3 - (x / 2) Bi 2 O 3 ... (1)
However,
0.0001 ≤ x ≤ 0.0040,
0.40 <y <0.55,
0.01 ≤ z ≤ 0.10.
0.01 ≤ v ≤ 0.40,
0.04 ≤ z + v / 9 ≤ 0.06.

従来のニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物は、圧電d31定数が低く、その値はいずれも100pm/V未満である。
これに対し、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物に対してTa及びBiを添加し、かつ、各元素の添加量を最適化すると、Sb及び/又はMnを添加しなくても、圧電特性に優れた圧電セラミックスが得られる。組成を最適化すると、その圧電d31定数は、100pm/V以上となる。これは、Bi添加により、焼結密度が向上するためと考えられる。また、Biが3価の状態でAサイトに置換するため、結晶格子の電子分布を変化させ、永久分極量を増加させるためと考えられる。
Conventional niobate-alkali perovskite-type oxides have a low piezoelectric d 31 constant, and the values are all less than 100 pm / V.
On the other hand, if Ta and Bi are added to the niobate alkaline perovskite type oxide and the addition amount of each element is optimized, the piezoelectric characteristics are excellent even without adding Sb and / or Mn. Piezoelectric ceramics can be obtained. When the composition is optimized, the piezoelectric d 31 constant becomes 100 pm / V or more. It is considered that this is because the sintering density is improved by adding Bi. Further, it is considered that Bi is replaced with A site in a trivalent state, so that the electron distribution of the crystal lattice is changed and the amount of permanent polarization is increased.

圧電d31定数のBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of the piezoelectric d 31 constant. 圧電d31定数のBi量依存性を示す図(図1の拡大図)である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of the piezoelectric d 31 constant (enlarged view of FIG. 1). 比誘電率ε33 T/ε0のBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of a relative permittivity ε 33 T / ε 0 . 誘電損失tanδのBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi amount dependence of the dielectric loss tan δ. 圧電g31定数のBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of the piezoelectric g 31 constant. 電気機械結合係数KpのBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of the electromechanical coupling coefficient K p . 電気機械結合係数K31のBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi quantity dependence of the electromechanical coupling coefficient K 31 .

ヤング率Y11 EのBi量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Bi amount dependence of Young's modulus Y 11 E. 圧電d31定数のLi量及びTa量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Li amount and Ta amount dependence of a piezoelectric d 31 constant. 結晶相とモルフォトロピック相境界(MPB)のLi量及びTa量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Li amount and Ta amount dependence of a crystal phase and a morphotropic phase boundary (MPB). キュリー温度とモルフォトロピック相境界(MPB)のLi量及びTa量依存性を示す図である。It is a figure which shows the Li amount and Ta amount dependence of the Curie temperature and the morphotropic phase boundary (MPB). 本発明と従来技術のTa量とLi量の比較である。It is a comparison of the amount of Ta and the amount of Li of the present invention and the prior art.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 圧電セラミックス]
本発明に係る圧電セラミックスは、ペロブスカイト型結晶構造を有し、次の式(1)で表される組成を有する。
{(K1-yNay)1-zLiz}(Nb1-vTav)O3−(x/2)Bi23 …(1)
但し、
0.0001≦x≦0.0040、
0.40<y<0.55、
0.01≦z≦0.10、
0.01≦v≦0.40、
0.04≦z+v/9≦0.06。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Piezoelectric ceramics]
The piezoelectric ceramic according to the present invention has a perovskite-type crystal structure and has a composition represented by the following formula (1).
{(K 1-y Na y ) 1-z Li z} (Nb 1-v Ta v) O 3 - (x / 2) Bi 2 O 3 ... (1)
However,
0.0001 ≤ x ≤ 0.0040,
0.40 <y <0.55,
0.01 ≤ z ≤ 0.10.
0.01 ≤ v ≤ 0.40,
0.04 ≤ z + v / 9 ≤ 0.06.

[1.1. 組成]
[1.1.1. x]
式(1)中、xは、(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3とBi23/2の総モル数に対するBi23/2のモル数の割合を表す。xが小さくなりすぎると、結晶格子に置換固溶するBi量が少なくなる。その結果、格子中の電荷分布の変化が小さくなり、圧電特性が低下する。また、焼結密度も低下する。従って、xは、0.0001以上である必要がある。xは、好ましくは、0.0005以上、さらに好ましくは、0.0010以上である。
[1.1. composition]
[1.1.1. x]
Wherein (1), x represents the ratio of (K, Na, Li) ( Nb, Ta) O 3 and Bi 2 O 3 / Bi 2 O 3/2 of the number of moles second to the total number of moles. If x becomes too small, the amount of Bi that is substituted and solid-solved in the crystal lattice decreases. As a result, the change in the charge distribution in the lattice becomes small, and the piezoelectric characteristics deteriorate. In addition, the sintering density also decreases. Therefore, x needs to be 0.0001 or more. x is preferably 0.0005 or more, more preferably 0.0010 or more.

一方、xが大きくなりすぎると、非圧電体であるBi23が粒界に析出し、圧電特性が急激に低下する。従って、xは、0.0040以下である必要がある。xは、好ましくは、0.0035以下、さらに好ましくは、0.0030以下である。 On the other hand, if x becomes too large, Bi 2 O 3 which is a non-piezoelectric material is precipitated at the grain boundary, and the piezoelectric characteristics are sharply lowered. Therefore, x needs to be 0.0040 or less. x is preferably 0.0035 or less, more preferably 0.0030 or less.

[1.1.2. y]
式(1)中、yは、(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3に含まれるK及びNaの総モル数に対するNaのモル数の割合を表す。yが小さくなりすぎると、結晶相の相境界(斜方晶(Ortho)−正方晶(Tetra))から相図上で距離が遠くなり、相境界による格子柔軟化が小さくなる。その結果、圧電特性が低下する。従って、yは、0.40超である必要がある。yは、好ましくは、0.43以上、さらに好ましくは、0.45以上である。
[1.1.2. y]
In the formula (1), y represents the ratio of the number of moles of Na to the total number of moles of K and Na contained in (K, Na, Li) (Nb, Ta) O 3 . If y becomes too small, the distance from the phase boundary of the crystal phase (orthorhombic (Ortho) -tetragonal (Tetra)) becomes long on the phase diagram, and the lattice flexibility due to the phase boundary becomes small. As a result, the piezoelectric characteristics deteriorate. Therefore, y needs to be greater than 0.40. y is preferably 0.43 or more, more preferably 0.45 or more.

一方、yが大きくなりすぎると、相境界から遠くなり、圧電特性が低下する。従って、yは、0.55未満である必要がある。yは、好ましくは、0.53以下、さらに好ましくは、0.52以下である。 On the other hand, if y becomes too large, it becomes far from the phase boundary and the piezoelectric characteristics deteriorate. Therefore, y needs to be less than 0.55. y is preferably 0.53 or less, more preferably 0.52 or less.

[1.1.3. z]
式(1)中、zは、(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3に含まれるK、Na、及びLiの総モル数に対するLiのモル数の割合を表す。zが小さくなりすぎると、圧電特性が低下する。従って、zは、0.01以上である必要があある。zは、好ましくは、0.02以上、さらに好ましくは、0.03以上である。
[1.1.3. z]
In formula (1), z represents the ratio of the number of moles of Li to the total number of moles of K, Na, and Li contained in (K, Na, Li) (Nb, Ta) O 3 . If z becomes too small, the piezoelectric characteristics deteriorate. Therefore, z needs to be 0.01 or more. z is preferably 0.02 or more, more preferably 0.03 or more.

一方、zが大きくなりすぎると、LiがLi2CO3などの異相として析出し、圧電特性が低下する。従って、zは、0.10以下である必要がある。zは、好ましくは、0.08以下、さらに好ましくは、0.06以下である。 On the other hand, if z becomes too large, Li precipitates as a different phase such as Li 2 CO 3 , and the piezoelectric characteristics deteriorate. Therefore, z needs to be 0.10 or less. z is preferably 0.08 or less, more preferably 0.06 or less.

[1.1.4. v]
式(1)中、vは、(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3に含まれるNb及びTaの総モル数に対するTaのモル数の割合を表す。vが小さくなりすぎると、圧電特性が低下する。従って、vは、0.01以上である必要がある。vは、好ましくは、0.02以上、さらに好ましくは、0.04以上である。
[1.1.4. v]
In the formula (1), v represents the ratio of the number of moles of Ta to the total number of moles of Nb and Ta contained in (K, Na, Li) (Nb, Ta) O 3 . If v becomes too small, the piezoelectric characteristics deteriorate. Therefore, v needs to be 0.01 or more. v is preferably 0.02 or more, more preferably 0.04 or more.

一方、vが大きくなりすぎると、キュリー温度が200℃以下に低下し、長期使用時に特性が低下する。従って、vは、0.40以下である必要がある。vは、好ましくは、0.35以下、さらに好ましくは、0.30以下である。 On the other hand, if v becomes too large, the Curie temperature drops to 200 ° C. or lower, and the characteristics deteriorate during long-term use. Therefore, v needs to be 0.40 or less. v is preferably 0.35 or less, more preferably 0.30 or less.

[1.1.5. 成分バランス(z+v/9)]
本発明に係る圧電セラミックスは、斜方晶から正方晶に結晶構造が変化する境界(モルフォトロピック相境界、MPB)が存在する。MPBは、主として、Li量(z)とTa量(v)に依存する(図10参照)。圧電セラミックスの圧電特性は、組成がMPB線上にあるときに最も高くなり、MPB線から遠くなるほど、圧電特性が低下する。
本発明に係る圧電セラミックスのMPB線を直線で近似した場合、直線の傾きは、約−1/9となる。また、「z+v/9」は、MPB線からの乖離の大きさを表す尺度となる。高い圧電特性を得るためには、z+v/9は、0.04以上0.06以下である必要がある。z+v/9は、好ましくは、0.043以上0.057以下、さらに好ましくは、0.046以上0.054以下である。
[1.1.5. Component balance (z + v / 9)]
The piezoelectric ceramics according to the present invention have a boundary (morphotropic phase boundary, MPB) in which the crystal structure changes from orthorhombic to tetragonal. MPB mainly depends on the amount of Li (z) and the amount of Ta (v) (see FIG. 10). The piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramics are highest when the composition is on the MPB line, and the distance from the MPB line decreases the piezoelectric characteristics.
When the MPB line of the piezoelectric ceramic according to the present invention is approximated by a straight line, the slope of the straight line is about -1/9. Further, "z + v / 9" is a measure indicating the magnitude of the deviation from the MPB line. In order to obtain high piezoelectric characteristics, z + v / 9 needs to be 0.04 or more and 0.06 or less. z + v / 9 is preferably 0.043 or more and 0.057 or less, and more preferably 0.046 or more and 0.054 or less.

[1.2. 特性]
[1.2.1. 圧電電荷センサ出力d31定数]
「圧電電荷センサ出力d31定数(以下、単に「圧電d31定数」ともいう)」とは、薄い矩形板の厚さ方向(3軸方向)に分極し、長辺方向(1軸方向)に振動させる場合において、応力位ゼロの状態で単位の電界を加えた時に生ずる歪みの大きさを表す定数をいう。
一般に、圧電d31定数が大きくなるほど、センサの出力回路を電荷検出回路にした場合に出力が大きくなり、感度が大きくなるという利点がある。本発明に係る圧電セラミックスにおいて、組成を最適化すると、圧電d31定数は、100pm/V以上となる。組成をさらに最適化すると、圧電d31定数は、110pm/V以上、あるいは、120pm/V以上となる。
[1.2. Characteristic]
[1.2.1. Piezoelectric charge sensor output d 31 constant]
The "piezoelectric charge sensor output d 31 constant (hereinafter, also simply referred to as" piezoelectric d 31 constant ")" is polarized in the thickness direction (three-axis direction) of a thin rectangular plate and in the long side direction (one-axis direction). A constant that represents the magnitude of strain that occurs when a unit electric field is applied while the stress level is zero when vibrating.
In general, the larger the piezoelectric d 31 constant, the larger the output and the higher the sensitivity when the output circuit of the sensor is a charge detection circuit. When the composition of the piezoelectric ceramics according to the present invention is optimized, the piezoelectric d 31 constant becomes 100 pm / V or more. When the composition is further optimized, the piezoelectric d 31 constant becomes 110 pm / V or more, or 120 pm / V or more.

[1.2.2. 誘電損失]
「誘電損失tanδ」とは、コンデンサー内での電気エネルギー損失の度合いを表す数値をいう。一般に、誘電損失tanδが小さくなるほど、無駄に消費される電極が少なくなる。本発明に係る圧電セラミックスにおいて、組成を最適化すると、誘電損失tanδは、2.2%以下となる。組成をさらに最適化すると、誘電損失tanδは、2.0%以下、あるいは、1.5%以下となる。
[1.2.2. Dielectric loss]
“Dielectric loss tan δ” means a numerical value indicating the degree of electrical energy loss in a capacitor. In general, the smaller the dielectric loss tan δ, the less electrodes are wasted. When the composition of the piezoelectric ceramics according to the present invention is optimized, the dielectric loss tan δ is 2.2% or less. When the composition is further optimized, the dielectric loss tan δ is 2.0% or less, or 1.5% or less.

[1.3. 用途]
本発明に係る圧電セラミックスは、
(a)鉛を含まない、
(b)従来のPZTに比べてキュリー温度が高く、高温まで使用できる、
(c)強度が高い、
(d)1000℃程度の温度での低温焼結が可能である、
などの利点がある。
そのため、本発明に係る圧電セラミックスは、例えば、
(a)インフラ振動センサ用の圧電材料、
(b)ビル、工場などで各種装置(エアコン、ヒータなど)に装着される異常振動検知センサ用の圧電材料、
などに好適である。
[1.3. Use]
The piezoelectric ceramic according to the present invention is
(A) Lead-free,
(B) The Curie temperature is higher than that of the conventional PZT, and it can be used up to a high temperature.
(C) High strength,
(D) Low temperature sintering at a temperature of about 1000 ° C. is possible.
There are advantages such as.
Therefore, the piezoelectric ceramics according to the present invention are, for example,
(A) Piezoelectric material for infrastructure vibration sensor,
(B) Piezoelectric materials for abnormal vibration detection sensors installed in various devices (air conditioners, heaters, etc.) in buildings, factories, etc.
It is suitable for such as.

[2. 圧電セラミックスの製造方法]
本発明に係る圧電セラミックスは、
(a)所定の組成となるように原料を混合し、
(b)原料混合物を所定の条件下で仮焼し、
(c)仮焼粉を適度に粉砕した後、仮焼粉を成形及び焼結し、
(d)焼結体を分極処理する
ことにより製造することができる。
製造条件は、特に限定されるものではなく、目的とする組成に応じて、最適な条件を選択するのが好ましい。
[2. Piezoelectric ceramics manufacturing method]
The piezoelectric ceramic according to the present invention is
(A) The raw materials are mixed so as to have a predetermined composition, and the raw materials are mixed.
(B) The raw material mixture is calcined under predetermined conditions and then calcined.
(C) After appropriately crushing the calcined powder, the calcined powder is molded and sintered.
(D) It can be produced by polarization-treating the sintered body.
The production conditions are not particularly limited, and it is preferable to select the optimum conditions according to the desired composition.

[3. 作用]
従来のニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物は、圧電d31定数が低く、その値はいずれも100pm/V未満である。
これに対し、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト型酸化物に対してTa及びBiを添加し、かつ、各元素の添加量を最適化すると、Sb及び/又はMnを添加しなくても、圧電特性に優れた圧電セラミックスが得られる。組成を最適化すると、その圧電d31定数は、100pm/V以上となる。これは、Bi添加により、焼結密度が向上するためと考えられる。また、Biが3価の状態でAサイトに置換するため、結晶格子の電子分布を変化させ、永久分極量を増加させるためと考えられる。
[3. Action]
Conventional niobate-alkali perovskite-type oxides have a low piezoelectric d 31 constant, and the values are all less than 100 pm / V.
On the other hand, if Ta and Bi are added to the niobate alkaline perovskite type oxide and the addition amount of each element is optimized, the piezoelectric characteristics are excellent even without adding Sb and / or Mn. Piezoelectric ceramics can be obtained. When the composition is optimized, the piezoelectric d 31 constant becomes 100 pm / V or more. It is considered that this is because the sintering density is improved by adding Bi. Further, it is considered that Bi is replaced with A site in a trivalent state, so that the electron distribution of the crystal lattice is changed and the amount of permanent polarization is increased.

インフラ振動センサに用いられる圧電材料には、
(a)ノイズが小さいこと(すなわち、誘電損失(tanδ)が低く、かつ、機械的品質係数Qm(=弾性損失の逆数)が高いこと)、
(b)感度が高いこと(すなわち、圧電d31定数や電気機械結合係数K31が大きいこと)、
(c)使用可能温度が高いこと、
(d)強度(すなわち、ヤング率)が高いこと、
などが求められる。
本発明に係る圧電セラミックスは、これらの条件を満たしているので、インフラ振動センサに用いられる圧電材料として好適である。
Piezoelectric materials used in infrastructure vibration sensors include
(A) The noise is small (that is, the dielectric loss (tan δ) is low and the mechanical quality coefficient Q m (= the reciprocal of the elastic loss) is high).
(B) High sensitivity (that is, large piezoelectric d 31 constant and electromechanical coupling coefficient K 31 ).
(C) The usable temperature is high,
(D) High strength (ie, Young's modulus),
Etc. are required.
Since the piezoelectric ceramics according to the present invention satisfy these conditions, they are suitable as piezoelectric materials used for infrastructure vibration sensors.

(実施例1〜2、比較例1〜5)
[1. 試料の作製]
試料は、通常の固相反応法により合成した。原料は、市販試薬の酸化物又は炭酸塩を使用した。{(K0.5Na0.5)0.97Li0.03}(Nb0.8Ta0.2)O3−x(Bi23)/2となるように、原料を混合した。xは、0%(比較例1)、0.1%(実施例1)、0.3%(実施例2)、0.5%(比較例2)、1.0%(比較例3)、2.0%(比較例4)、又は、5.0%(比較例5)とした。得られた混合粉末を、大気中、600℃で5時間仮焼した。
次に、得られた仮焼粉を粉砕した後、所定の形状に成形した。さらに、成形体を、大気中、1150〜1175℃で1時間焼結した。
(Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 5)
[1. Preparation of sample]
The sample was synthesized by a conventional solid phase reaction method. As a raw material, an oxide or carbonate of a commercially available reagent was used. The raw materials were mixed so as to be {(K 0.5 Na 0.5 ) 0.97 Li 0.03 } (Nb 0.8 Ta 0.2 ) O 3- x (Bi 2 O 3 ) / 2. x is 0% (Comparative Example 1), 0.1% (Example 1), 0.3% (Example 2), 0.5% (Comparative Example 2), 1.0% (Comparative Example 3). , 2.0% (Comparative Example 4), or 5.0% (Comparative Example 5). The obtained mixed powder was calcined in the air at 600 ° C. for 5 hours.
Next, the obtained calcined powder was crushed and then molded into a predetermined shape. Further, the molded product was sintered in the air at 1150 to 1175 ° C. for 1 hour.

[2. 試験方法]
得られた焼結体から、直径11mm×厚さ0.5mmの円板状試料、及び、15mm×4mm×0.5mmの矩形状試料を切り出した。試料の上下面にAuスパッタ蒸着電極を付け、100℃で10分間、2〜5kV/mmの条件で分極処理を施した。さらに、分極された試料について、アジレント・テクノロジー(株)製、インピーダンスアナライザHP4194Aを用い、共振反共振法(電子情報技術産業協会規格、JEITA EM−4501A、「圧電セラミック振動子の電気的試験方法(1993.3.、改正2015.10.)」)により圧電特性を評価した。
[2. Test method]
From the obtained sintered body, a disk-shaped sample having a diameter of 11 mm × a thickness of 0.5 mm and a rectangular sample having a diameter of 15 mm × 4 mm × 0.5 mm were cut out. Au sputter-deposited electrodes were attached to the upper and lower surfaces of the sample, and polarization treatment was performed at 100 ° C. for 10 minutes under the condition of 2 to 5 kV / mm. Further, for the polarized sample, the impedance analyzer HP4194A manufactured by Azilent Technology Co., Ltd. was used, and the resonance antiresonance method (Japan Electronics and Information Technology Industries Association standard, JEITA EM-4501A, "Electrical test method of piezoelectric ceramic oscillator (" The piezoelectric characteristics were evaluated according to 1993.3., Revised 2015.10.) ”).

[3. 結果]
[3.1. 各種特性のBi量依存性]
表1及び表2に、結果を示す。また、図1及び図2に、圧電d31定数のBi量依存性を示す。図3に、比誘電率ε33 T/ε0のBi量依存性を示す。図4に、誘電損失tanδのBi量依存性を示す。図5に、圧電g31定数のBi量依存性を示す。図6に、電気機械結合係数KpのBi量依存性を示す。図7に、電気機械結合係数K31のBi量依存性を示す。さらに、図8に、ヤング率Y11 EのBi量依存性を示す。表1〜表2、及び、図1〜8より、以下のことが分かる。
[3. result]
[3.1. Bi amount dependence of various characteristics]
The results are shown in Tables 1 and 2. Further, FIGS. 1 and 2 show the Bi amount dependence of the piezoelectric d 31 constant. FIG. 3 shows the Bi quantity dependence of the relative permittivity ε 33 T / ε 0 . FIG. 4 shows the Bi amount dependence of the dielectric loss tan δ. FIG. 5 shows the Bi amount dependence of the piezoelectric g 31 constant. FIG. 6 shows the Bi amount dependence of the electromechanical coupling coefficient K p . FIG. 7 shows the Bi amount dependence of the electromechanical coupling coefficient K 31 . Further, FIG. 8 shows the Bi amount dependence of Young's modulus Y 11 E. The following can be seen from Tables 1 to 2 and FIGS. 1 to 8.

(1)(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3に対して少量のBiを添加すると、焼結性を損なうことなく、圧電d31定数を向上させることができる。但し、Bi添加量が0.5%以上になると、圧電d31定数は急激に低下した(図2参照)。従って、Bi添加量は、0.4%以下が好ましい。
(2)誘電損失tanδは、Bi添加量にあまり依存しない。Bi添加量が0.5%以下である場合、tanδは、2.2%以下となった。
(1) When a small amount of Bi is added to (K, Na, Li) (Nb, Ta) O 3 , the piezoelectric d 31 constant can be improved without impairing the sinterability. However, when the amount of Bi added was 0.5% or more, the piezoelectric d 31 constant decreased sharply (see FIG. 2). Therefore, the amount of Bi added is preferably 0.4% or less.
(2) The dielectric loss tan δ does not depend much on the amount of Bi added. When the amount of Bi added was 0.5% or less, tan δ was 2.2% or less.

(3)(K,Na,Li)(Nb,Ta)O3に対して少量のBiを添加すると、焼結性を損なうことなく、比誘電率ε33 T/ε0を向上させることができる。但し、Bi添加量が0.5%以上になると、比誘電率ε33 T/ε0は、Bi無添加の比較例1より低下した。
(4)圧電g31定数、電気機械結合係数Kp、及び電気機械結合係数K31は、いずれも、Bi添加量の増加とともに低下した。
(5)ヤング率Y11 Eは、Bi添加量の増加とともに増加した。
(3) By adding a small amount of Bi to (K, Na, Li) (Nb, Ta) O 3 , the relative permittivity ε 33 T / ε 0 can be improved without impairing the sinterability. .. However, when the amount of Bi added was 0.5% or more, the relative permittivity ε 33 T / ε 0 was lower than that of Comparative Example 1 in which Bi was not added.
(4) The piezoelectric g 31 constant, the electromechanical coupling coefficient K p , and the electromechanical coupling coefficient K 31 all decreased as the amount of Bi added increased.
(5) Young's modulus Y 11 E increased as the amount of Bi added increased.

Figure 2021005583
Figure 2021005583

Figure 2021005583
Figure 2021005583

[3.2. 各種特性のLa量及びTa量依存性]
図9に、圧電d31定数のLi量及びTa量依存性を示す。図9より、以下のことが分かる。
(1)MPB(Morphotropic Phase Boundary、Tetra−Ortho相境界)に近づくほど、圧電d31定数が大きくなる。これは、相境界に近づくほど、両結晶相のエネルギー差が小さくなり、機械的応力や印加電圧に対して結晶変態しやすくなるためである。
(2)最適な組成領域は、Li:0.01〜0.04、かつ、Ta:0.1〜0.3である。また、組成は、MPB線から±0.005以内が望ましい。
[3.2. La amount and Ta amount dependence of various characteristics]
FIG. 9 shows the dependence of the piezoelectric d 31 constant on the amount of Li and the amount of Ta. From FIG. 9, the following can be seen.
(1) The closer to MPB (Morphotropic Phase Boundary, Tetra-Ortho phase boundary), the larger the piezoelectric d 31 constant. This is because the closer to the phase boundary, the smaller the energy difference between the two crystal phases, and the easier it is for crystal transformation with respect to mechanical stress and applied voltage.
(2) The optimum composition region is Li: 0.01 to 0.04 and Ta: 0.1 to 0.3. The composition is preferably within ± 0.005 from the MPB line.

図10に、結晶相とモルフォトロピック相境界(MPB)のLi量及びTa量依存性を示す。図10より、以下のことが分かる。
(1)MPBでは、結晶相が正方晶(Tetra)から斜方晶(Ortho)に、又は、斜方晶から正方晶に変化する。これによりMPB線上で圧電定数が大きくなる。本発明の望ましい組成は、MPB線上から±0.005以内である。
(2)Li量が0.10を超えると非圧電相の異相が出現するため、圧電定数が低下する。そのため、この組成域は用いるべきではない。
FIG. 10 shows the dependence of the crystal phase and the morphotropic phase boundary (MPB) on the amount of Li and the amount of Ta. From FIG. 10, the following can be seen.
(1) In MPB, the crystal phase changes from tetragonal (Tetra) to orthorhombic (Ortho) or from orthorhombic to orthorhombic. As a result, the piezoelectric constant increases on the MPB line. The desirable composition of the present invention is within ± 0.005 from the MPB line.
(2) When the amount of Li exceeds 0.10, a different phase of the non-piezoelectric phase appears, so that the piezoelectric constant decreases. Therefore, this composition range should not be used.

図11に、キュリー温度とモルフォトロピック相境界(MPB)のLi量及びTa量依存性を示す。図11より、以下のことが分かる。
(1)長期使用時の特性安定性のためには、キュリー温度は200℃以上が望ましい。キュリー温度は、好ましくは、250℃以上、さらに好ましくは、300℃以上である。
(2)但し、圧電定数が高い条件を満たす(すなわち、キュリー温度と圧電特性とを両立させる)必要がある。
FIG. 11 shows the dependence of the Curie temperature and the morphotropic phase boundary (MPB) on the amount of Li and the amount of Ta. From FIG. 11, the following can be seen.
(1) The Curie temperature is preferably 200 ° C. or higher for characteristic stability during long-term use. The Curie temperature is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher.
(2) However, it is necessary that the piezoelectric constant satisfies a high condition (that is, both the Curie temperature and the piezoelectric characteristics are compatible).

図12に、本発明と従来技術のTa量とLi量の比較を示す。図12より、以下のことが分かる。
(1)本発明の実施例は、キュリー温度が300℃以上で、圧電d31定数が100pm/V以上であり、上記の条件を同時に満たしている。
(2)さらに、Biを最適量添加することで、特性向上が可能である。
FIG. 12 shows a comparison between the amount of Ta and the amount of Li of the present invention and the prior art. From FIG. 12, the following can be seen.
(1) In the embodiment of the present invention, the Curie temperature is 300 ° C. or higher, the piezoelectric d 31 constant is 100 pm / V or higher, and the above conditions are satisfied at the same time.
(2) Further, the characteristics can be improved by adding the optimum amount of Bi.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る圧電セラミックスは、インフラ振動センサに用いられる圧電材料、ビル・工場などで各種装置(エアコン、ヒータなど)に設置される異常振動検知センサに用いられる圧電材料などに使用することができる。 The piezoelectric ceramics according to the present invention can be used as a piezoelectric material used for an infrastructure vibration sensor, a piezoelectric material used for an abnormal vibration detection sensor installed in various devices (air conditioners, heaters, etc.) in buildings, factories, etc. ..

Claims (4)

ペロブスカイト型結晶構造を有し、次の式(1)で表される組成を有する圧電セラミックス。
{(K1-yNay)1-zLiz}(Nb1-vTav)O3−(x/2)Bi23 …(1)
但し、
0.0001≦x≦0.0040、
0.40<y<0.55、
0.01≦z≦0.10、
0.01≦v≦0.40、
0.04≦z+v/9≦0.06。
Piezoelectric ceramics having a perovskite-type crystal structure and a composition represented by the following formula (1).
{(K 1-y Na y ) 1-z Li z} (Nb 1-v Ta v) O 3 - (x / 2) Bi 2 O 3 ... (1)
However,
0.0001 ≤ x ≤ 0.0040,
0.40 <y <0.55,
0.01 ≤ z ≤ 0.10.
0.01 ≤ v ≤ 0.40,
0.04 ≤ z + v / 9 ≤ 0.06.
圧電電荷センサ出力d31定数が100pm/V以上である請求項1に記載の圧電セラミックス。 The piezoelectric ceramic according to claim 1, wherein the piezoelectric charge sensor output d 31 constant is 100 pm / V or more. 誘電損失tanδが2.2%以下である請求項1又は2に記載の圧電セラミックス。 The piezoelectric ceramic according to claim 1 or 2, wherein the dielectric loss tan δ is 2.2% or less. インフラ振動センサに用いられる請求項1から3までのいずれか1項に記載の圧電セラミックス。 The piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 3, which is used for an infrastructure vibration sensor.
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