JP2023032022A - Piezoelectric element - Google Patents

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Yusuke Mori
健志 木村
Kenji Kimura
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Abstract

To provide a piezoelectric element with excellent piezoelectric characteristics and reliability.SOLUTION: A piezoelectric element 1 includes a piezoelectric element body 10 composed of a lead-free piezoelectric porcelain composition and a pair of electrodes 21, 22 provided on a surface of the piezoelectric element body 10. The lead-free piezoelectric porcelain composition includes a main phase formed of a first crystalline phase composed of an alkali niobate perovskite oxide having piezoelectric properties and an auxiliary phase formed of a second crystalline phase composed of an M-Ti-O spinel compound (element M is a monovalent to tetravalent element). In the piezoelectric element body 10, the surface is formed of the main phase only, and the inside is formed by including the main phase and the auxiliary phase.SELECTED DRAWING: Figure 7A

Description

本開示は、圧電素子に関する。 The present disclosure relates to piezoelectric elements.

圧電素子は、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換する機能を有し、様々な用途に利用されている。従来、圧電素子を構成する圧電素子本体には、PZT系(チタン酸ジルコン酸鉛系)などの鉛を含有する圧電磁器組成物が用いられてきたが、環境面や健康面への配慮から、鉛を含有しない無鉛圧電磁器組成物が提案されている。例えば下記特許文献1には、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、M-Ti-O系スピネル化合物からなる第2結晶相を含む副相と、を有する無鉛圧電磁器組成物が開示されている。この無鉛圧電磁器組成物では、主相と副相とを混在させ、主相に形成される空孔を副相で充填して第1結晶相の構造を安定化することにより、圧電特性の向上が図られている。 Piezoelectric elements have a function of mutually converting electrical energy and mechanical energy, and are used in various applications. Conventionally, piezoelectric ceramic compositions containing lead, such as PZT (lead zirconate titanate), have been used for piezoelectric element bodies constituting piezoelectric elements. Lead-free piezoelectric ceramic compositions containing no lead have been proposed. For example, Patent Document 1 below discloses a secondary crystal phase containing a main phase formed of a first crystal phase composed of an alkaline niobate-based perovskite oxide having piezoelectric properties and a second crystal phase composed of an M—Ti—O-based spinel compound. A lead-free piezoelectric ceramic composition is disclosed having a phase. In this lead-free piezoelectric ceramic composition, the main phase and the subphase are mixed, and the voids formed in the main phase are filled with the subphase to stabilize the structure of the first crystal phase, thereby improving the piezoelectric characteristics. is planned.

しかしながら、上記のように、異成分からなる主相と副相とが混在する無鉛圧電磁器組成物では、主相と副相との粒界を起点として、クラック(亀裂)が生じる可能性がある。圧電素子本体を構成する無鉛圧電磁器組成物にクラックが生じると、絶縁抵抗が低下し、圧電素子としての機能が損なわれてしまう。 However, as described above, in a lead-free piezoelectric ceramic composition in which a main phase and a subphase composed of different components are mixed, there is a possibility that cracks may occur starting from grain boundaries between the main phase and the subphase. . If cracks occur in the lead-free piezoelectric ceramic composition forming the piezoelectric element main body, the insulation resistance is lowered, and the function as the piezoelectric element is impaired.

特開2019-31424号公報JP 2019-31424 A

本技術は、上記状況に鑑み、圧電素子本体の耐クラック特性を向上させ、圧電特性及び信頼性に優れた圧電素子を提供することを課題とする。 In view of the above situation, an object of the present technology is to provide a piezoelectric element having excellent piezoelectric characteristics and reliability by improving the crack resistance of a piezoelectric element body.

本開示に係る圧電素子は、無鉛圧電磁器組成物からなる圧電素子本体と、前記圧電素子本体の表面に設けられた一対の電極と、を備える圧電素子であって、前記無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を示すニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、M-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)からなる第2結晶相で形成された副相と、を含み、前記圧電素子本体において、前記表面は、前記主相のみによって形成されており、内部は、前記主相及び前記副相を含んで形成されている、圧電素子である。 A piezoelectric element according to the present disclosure includes a piezoelectric element main body made of a lead-free piezoelectric ceramic composition, and a pair of electrodes provided on the surface of the piezoelectric element main body, wherein the lead-free piezoelectric ceramic composition is , a main phase formed of a first crystal phase composed of a niobate alkali perovskite oxide exhibiting piezoelectric properties, and a second crystal phase composed of an M--Ti--O system spinel compound (element M is a monovalent to tetravalent element). and a secondary phase formed of a crystalline phase, wherein in the piezoelectric element body, the surface is formed only of the primary phase, and the interior is formed of the primary phase and the secondary phase. , are piezoelectric elements.

本開示によれば、圧電特性及び信頼性に優れた圧電素子を提供できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a piezoelectric element having excellent piezoelectric characteristics and reliability.

図1は、実施形態に係る圧電素子の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric element according to an embodiment. 図2は、実施形態に係る圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart showing a method for manufacturing a piezoelectric element according to the embodiment. 図3Aは、実施例に係る圧電素子の電極形成前の外観写真である。FIG. 3A is a photograph of the appearance of the piezoelectric element according to the example before electrodes are formed. 図3Bは、実施例に係る圧電素子の電極形成後(図3B)の外観写真である。FIG. 3B is a photograph of the appearance of the piezoelectric element according to the example after electrodes are formed (FIG. 3B). 図4Aは、実施例に係る圧電素子本体内部のレーザーマイクロ顕微鏡写真である。FIG. 4A is a laser microscopic photograph of the inside of a piezoelectric element body according to an example. 図4Bは、実施例に係る圧電素子本体内部の主相部分のSEM写真である。FIG. 4B is an SEM photograph of the main phase portion inside the piezoelectric element body according to the example. 図5は、EPMAにより、実施例に係る圧電素子本体内部における各元素の定量分析を行った結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the results of quantitative analysis of each element inside the piezoelectric element body according to the example by EPMA. 図6は、XRDにより、実施例に係る圧電素子本体内部における主相部分と副相部分の構造解析を行った結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the results of structural analysis of the main phase portion and the subphase portion inside the piezoelectric element body according to the example by XRD. 図7Aは、XRDにより、バルク状に形成した実施例に係る圧電素子本体の内部と表面の構造解析を行った結果を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing the results of structural analysis of the inside and surface of the bulk piezoelectric element body according to the embodiment by XRD. 及びas well as 図7B及び図7Cは、図7Aの部分拡大図である。7B and 7C are partial enlarged views of FIG. 7A. 図8Aは、XRDにより、シート状に形成した実施例に係る圧電素子本体の内部と表面の構造解析を行った結果を示す図である。FIG. 8A is a diagram showing the results of structural analysis of the inside and surface of the piezoelectric element body according to the example formed in a sheet shape by XRD. 図8Bは図8Aの部分拡大図である。FIG. 8B is a partially enlarged view of FIG. 8A. 図9は、実施例に係る圧電素子本体の抗折強度と第2結晶相の粒径との関係を表したグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the bending strength of the piezoelectric element main body and the grain size of the second crystal phase according to the example. 図10は、実施例に係る圧電素子本体における、第1結晶相の粒径と第2結晶相の粒径との関係を表したグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the grain size of the first crystal phase and the grain size of the second crystal phase in the piezoelectric element body according to the example. 図11は、実施例に係る圧電素子本体を備えた圧電素子の信頼性試験におけるクラック発生率を第2結晶相の粒径と共に示した表である。FIG. 11 is a table showing the crack generation rate in the reliability test of the piezoelectric element having the piezoelectric element main body according to the example, together with the grain size of the second crystal phase.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
<1> 本開示の圧電素子は、無鉛圧電磁器組成物からなる圧電素子本体と、前記圧電素子本体の表面に設けられた一対の電極と、を備える圧電素子であって、前記無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、M-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)からなる第2結晶相で形成された副相と、を含み、前記圧電素子本体において、前記表面は、前記主相のみによって形成されており、内部は、前記主相及び前記副相を含んで形成されている。
[Description of Embodiments of the Present Disclosure]
First, the embodiments of the present disclosure are listed and described.
<1> A piezoelectric element of the present disclosure includes a piezoelectric element main body made of a lead-free piezoelectric ceramic composition, and a pair of electrodes provided on the surface of the piezoelectric element main body, wherein the lead-free piezoelectric ceramic composition The object consists of a main phase formed of a first crystal phase consisting of an alkaline niobate perovskite oxide having piezoelectric properties, and an M-Ti-O-based spinel compound (element M is a monovalent to tetravalent element). and a sub-phase formed of a second crystal phase, wherein in the piezoelectric element body, the surface is formed only of the main phase, and the interior is formed of the main phase and the sub-phase. ing.

<2> 上記<1>の圧電素子において、前記圧電素子本体は平板状に形成できる。 <2> In the piezoelectric element of <1> above, the piezoelectric element body can be formed in a flat plate shape.

<3> 上記<1>又は<2>の圧電素子において、前記圧電素子本体の前記内部における前記第2結晶相の含有割合は、0.5体積%以上かつ5.0体積%以下とすることができる。 <3> In the piezoelectric element of <1> or <2> above, the content of the second crystal phase in the interior of the piezoelectric element body is 0.5% by volume or more and 5.0% by volume or less. can be done.

<4> 上記<1>から上記<3>の圧電素子において、前記第1結晶相の平均粒径を3.5μm以下、前記第2結晶相の平均粒径を34μm以下とすることができる。 <4> In the piezoelectric element according to <1> to <3> above, the average grain size of the first crystal phase may be 3.5 μm or less, and the average grain size of the second crystal phase may be 34 μm or less.

[本開示の実施形態の詳細]
本開示の圧電素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。なお、図面における部材の相対的な大きさや配置は必ずしも正確ではなく、説明の便宜を考慮して一部の部材の縮尺等を変更している。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
A specific example of the piezoelectric element of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to these examples, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of equivalents of the scope of the claims. It should be noted that the relative sizes and arrangement of the members in the drawings are not necessarily accurate, and the scale of some members has been changed in consideration of the convenience of explanation.

<実施形態の詳細>
本実施形態に係る圧電素子1について、図1及び図2を参照しつつ説明する。
図1に示すように、圧電素子1は、無鉛圧電磁器組成物からなる圧電素子本体10と、圧電素子本体10の表面に設けられた一対の電極21,22と、を備える。図1に例示する圧電素子1は、円板状をなす圧電素子本体10の平行な2つの主面(板面)に、それぞれ電極21,22が形成されている。圧電素子本体10は、厚み方向に分極されている。
<Details of embodiment>
A piezoelectric element 1 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 1 includes a piezoelectric element body 10 made of a lead-free piezoelectric ceramic composition, and a pair of electrodes 21 and 22 provided on the surface of the piezoelectric element body 10 . In the piezoelectric element 1 illustrated in FIG. 1, electrodes 21 and 22 are formed on two parallel main surfaces (plate surfaces) of a disk-shaped piezoelectric element body 10, respectively. The piezoelectric element main body 10 is polarized in the thickness direction.

圧電素子1を構成する圧電素子本体10の形状は、限定されるものではないが、主面の面積に対する厚みが十分に小さい平板状もしくはシート状であるものが好ましい。圧電素子本体10の厚みは、具体的には300μm以下、より詳しくは200μm以下とすることができる。厚みを小さくすることによって、表面に異成分の粒界が存在しないことによる以下に説明する本技術のメリット、すなわち耐クラック特性等の向上効果を一層顕著に得ることができるからである。なお、平板状には、2つの主面が互いに平行な平面である形状のみならず、わずかに反っていて2つの主面が厳密には平行でない形状や、一部に平行でない部分を有する形状等、全体として平板状と認識できる略平板状の形状が含まれるものとする。また、圧電素子本体10の平面形状は、円形状のほか、四角形状や多角形状、楕円形状、扇形状をはじめ、直線及び曲線を組み合わせて形成される任意の形状とできる。 Although the shape of the piezoelectric element main body 10 constituting the piezoelectric element 1 is not limited, it is preferable that the piezoelectric element main body 10 has a plate-like shape or a sheet-like shape with a sufficiently small thickness relative to the area of the main surface. Specifically, the thickness of the piezoelectric element main body 10 can be 300 μm or less, more specifically 200 μm or less. This is because by reducing the thickness, it is possible to more remarkably obtain the advantage of the present technology, which will be explained below, due to the absence of grain boundaries of different components on the surface, that is, the effect of improving the crack resistance and the like. In addition, the shape of a flat plate includes not only a shape in which the two main surfaces are planes parallel to each other, but also a shape that is slightly warped and the two main surfaces are not strictly parallel, or a shape that has a part that is not parallel. etc., which can be recognized as a flat plate as a whole. Further, the planar shape of the piezoelectric element main body 10 can be circular, rectangular, polygonal, elliptical, fan-shaped, or any other shape formed by combining straight lines and curved lines.

圧電素子1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の圧電素子利用装置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、圧電アクチュエータ、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)等の各種の装置に利用できる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、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。 The piezoelectric element 1 can be widely used in devices using piezoelectric elements such as vibration detection, pressure detection, oscillation, and piezoelectric device applications. For example, sensors that detect various vibrations (knock sensors, combustion pressure sensors, etc.), vibrators, piezoelectric actuators, piezoelectric devices such as filters, high voltage generators, micro power sources, various drive devices, position control devices, vibration suppression devices , fluid discharge devices (paint discharge, fuel discharge, etc.), and various other devices. Piezoelectric elements according to embodiments of the present invention are particularly suitable for applications that require excellent thermal durability (for example, knock sensors, combustion pressure sensors, etc.).

圧電素子本体10を構成する無鉛圧電磁器組成物は、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、M-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)からなる第2結晶相で形成された副相と、を含む。 The lead-free piezoelectric ceramic composition constituting the piezoelectric element main body 10 includes a main phase formed of a first crystal phase composed of an alkaline niobate perovskite oxide and an M—Ti—O based spinel compound (element M is monovalent to and a subphase formed of a second crystal phase consisting of a tetravalent element).

第1結晶相をなすニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物は、組成式(KNaLiM1(M2M3)O3+h(但し、金属元素M1はCa,Baの一種以上、金属元素M2はNb,Ti,Zrのうちの少なくともNbを含む一種以上、金属元素M3はFe,Co,Znの一種以上であり、a+b+c+d=1であり、a+b+cはゼロでなく、eは0.80<e<1.10を満たし、f+g=1であり、hは酸素の欠損あるいは過剰を示す値)で表される。このようなニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相は、圧電特性を示す。 The alkali niobate-based perovskite oxide forming the first crystal phase has a composition formula (K a Na b L c M1 d ) e (M2 f M3 g )O 3+h (wherein the metal element M1 is one or more of Ca and Ba, The metal element M2 is one or more of Nb, Ti, and Zr containing at least Nb, and the metal element M3 is one or more of Fe, Co, and Zn, where a+b+c+d=1, a+b+c is not zero, and e is 0.0. It satisfies 80<e<1.10, f+g=1, and h is a value indicating deficiency or excess of oxygen). The first crystal phase composed of such an alkali niobate-based perovskite oxide exhibits piezoelectric properties.

ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物のAサイトには、アルカリ金属のK,Na,Liの少なくともいずれかを含み(a+b+cはゼロでなく)、また、金属元素M1としてアルカリ土類金属のCa,Baを含み得る(a+b+c+d=1)。但し、係数dはゼロであっても良い、即ち、金属元素M1は含まなくともよい。また、ペロブスカイトのBサイトには、金属元素M1及びM2の少なくとも何れかを含む(f+g=1)。金属元素M2は、Nb,Ti,Zrのうちの少なくともNbを含む一種以上である。Nbを含むニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物は、Nbを含まずタンタルを含むタンタル酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物に比べて、キュリー温度(Tc)が高い無鉛圧電磁器組成物を提供することができる点で好ましい。さらに、金属元素M3は、Fe,Co,Znの一種以上である。酸素の係数3+hのうち、係数hは、通常3である酸素の係数に対し、酸素の欠損あるいは過剰を示す正又は負の値である。 The A site of the alkali niobate-based perovskite oxide contains at least one of the alkali metals K, Na, and Li (a + b + c is not zero), and the alkaline earth metal Ca and Ba as the metal element M1. (a+b+c+d=1). However, the coefficient d may be zero, that is, the metal element M1 may not be included. In addition, the B site of perovskite contains at least one of metal elements M1 and M2 (f+g=1). The metal element M2 is one or more of Nb, Ti, and Zr containing at least Nb. An alkali niobate-based perovskite oxide containing Nb can provide a lead-free piezoelectric ceramic composition having a higher Curie temperature (Tc) than an alkali tantalate-based perovskite oxide containing tantalum but not containing Nb. preferable. Furthermore, the metal element M3 is one or more of Fe, Co, and Zn. Of the coefficient of oxygen 3+h, the coefficient h is a positive or negative value that indicates the deficiency or excess of oxygen with respect to the coefficient of oxygen, which is usually 3.

上記のようなニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物としては、例えば、組成式(K0.5Na0.5)NbO3,(K0.45Na0.45Li0.1)(Nb0.9Ti0.1)O2.95,(K0.5Na0.4Ba0.1)NbO3.05で表されるものが挙げられる。 Examples of the above niobate alkali perovskite oxides include compositions of ( K0.5Na0.5 ) NbO3 , ( K0.45Na0.45Li0.1 ) ( Nb0.9Ti0.1 ) O2.95 , ( K0.5Na0.4Ba 0.1 ) NbO3.05 .

ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物の組成式における係数a~hの値としては、ペロブスカイト構造が成立する値の組み合わせのうちで、無鉛圧電磁器組成物の電気的特性又は圧電特性(特に圧電定数d33)の観点で好ましい値を選択できる。 As the values of the coefficients a to h in the composition formula of the alkali niobate perovskite oxide, the electrical characteristics or piezoelectric characteristics of the lead-free piezoelectric ceramic composition (especially the piezoelectric constant d 33 ) can be selected.

具体的には、ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物のAサイトには、アルカリ金属のK,Na,Liの少なくともいずれかを含み(a+b+cはゼロでなく)、KとNaの係数a,bは、典型的には0<a≦0.6及び0<b≦0.6である。Liの係数cは、ゼロでも良いが、0<c≦0.2が好ましく、0<c≦0.1がさらに好ましい。金属元素M1(具体的にはCa,Baの1種以上)の係数dは、ゼロでも良いが、0<d≦0.2が好ましく、0<d≦0.1がさらに好ましい。Aサイト全体に対する係数eは、0.80≦e≦1.10であり、0.84≦e≦1.08が好ましく、0.88≦e≦1.07がさらに好ましい。
酸素の係数(3+h)は、第1結晶相がペロブスカイト酸化物を構成する値を取り得る。係数hの典型的な値は、h=0であり、0≦h≦0.1が好ましい。なお、係数hの値は、第1結晶相の組成の電気的な中性条件から算出することができる。但し、第1結晶相の組成としては、電気的な中性条件からやや外れた組成も許容できる。
Specifically, the A site of the alkali niobate-based perovskite oxide contains at least one of the alkali metals K, Na, and Li (a + b + c is not zero), and the coefficients a and b of K and Na are Typically 0<a≦0.6 and 0<b≦0.6. The coefficient c of Li may be zero, but preferably 0<c≦0.2, more preferably 0<c≦0.1. The coefficient d of the metal element M1 (specifically, one or more of Ca and Ba) may be zero, but preferably 0<d≦0.2, more preferably 0<d≦0.1. The coefficient e for the entire A site is 0.80≦e≦1.10, preferably 0.84≦e≦1.08, more preferably 0.88≦e≦1.07.
The coefficient of oxygen (3+h) can take a value such that the first crystal phase constitutes a perovskite oxide. A typical value for the factor h is h=0, preferably 0≤h≤0.1. The value of coefficient h can be calculated from the electrically neutral condition of the composition of the first crystal phase. However, as the composition of the first crystal phase, a composition slightly deviating from the electrically neutral condition is also acceptable.

特に、組成式(KaNabLicCad1Bad2e(Nbf1,Tif2,Zrf3)O3+hでありKとNaとNbとを主な金属成分とするニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物で形成された第1結晶相は、圧電特性と、電気特性と、絶縁性と、高温耐久性とに優れ、また、-50℃~+150℃の間において急激な特性の変動がない無鉛圧電磁器組成物を提供できる。 In particular, an alkali niobate system having a composition formula ( KaNabLicCad1Bad2 ) e ( Nbf1 , Tif2 , Zrf3 ) O3+h and having K, Na and Nb as main metal components The first crystal phase formed of perovskite oxide has excellent piezoelectric properties, electrical properties, insulating properties, and high-temperature durability, and there is no sudden change in properties between -50°C and +150°C. A lead-free piezoelectric ceramic composition can be provided.

第2結晶相をなすM-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)は、組成式(M4,Ti)O(但し、金属元素M4は、Fe,Co,Znの一種以上)で表される。このようなM-Ti-O系スピネル化合物からなる第2結晶相は、圧電特性を示さないが、第1結晶相で形成された主相内に散点状に分散して配置されて主相内の空孔を充填する。 The M—Ti—O-based spinel compound (the element M is a monovalent to tetravalent element) forming the second crystal phase has a composition formula (M4, Ti)O 4 (wherein the metal element M4 is Fe, Co, Zn one or more of). The second crystal phase composed of such an M--Ti--O system spinel compound does not exhibit piezoelectric properties, but is dispersed in the main phase formed of the first crystal phase in the form of scattered dots. to fill the voids within.

第1結晶相で形成された主相と、第2結晶相で形成された副相と、を含む本件の無鉛圧電磁器組成物は、金属元素M1としてCa,Baの両者を含み、金属元素M2としてNb,Ti,Zrの何れをも含み、金属元素M3としてのFe,Co,Znは何れも含まない組成物であることが好ましい。この無鉛圧電磁器組成物は、特に圧電定数d33や電気機械結合係数Krなどの圧電特性に優れた無鉛圧電磁器組成物となる。 The present lead-free piezoelectric ceramic composition containing a main phase formed of the first crystal phase and a subphase formed of the second crystal phase contains both Ca and Ba as the metal element M1, and the metal element M2 It is preferable that the composition contains Nb, Ti, and Zr as the metal element M3 and does not contain any of Fe, Co, and Zn as the metal element M3. This lead-free piezoelectric ceramic composition becomes a lead-free piezoelectric ceramic composition particularly excellent in piezoelectric properties such as piezoelectric constant d33 and electromechanical coupling coefficient Kr.

本開示に係る圧電素子本体10の内部は、第1結晶相で形成された主相と、第2結晶相によって形成された副相と、を含んで形成されている。第2結晶相で形成された副相が、第1結晶相で形成された主相中の空孔を充填することによって、第1結晶相の構造が安定化される。この結果、圧電素子本体10内部における無鉛圧電磁器組成物は、空孔率の低い緻密な組成物となり、圧電定数d33や電気機械結合係数Kr等、優れた圧電特性が発現される。 The interior of the piezoelectric element main body 10 according to the present disclosure is formed including a main phase formed of the first crystal phase and a subphase formed of the second crystal phase. The structure of the first crystal phase is stabilized by filling the vacancies in the main phase of the first crystal phase with the secondary phase formed of the second crystal phase. As a result, the lead-free piezoelectric ceramic composition inside the piezoelectric element main body 10 becomes a dense composition with a low porosity, exhibiting excellent piezoelectric properties such as a piezoelectric constant d33 and an electromechanical coupling coefficient Kr.

圧電素子本体10の内部における第2結晶相の含有割合は、0.5体積%以上かつ5.0体積%以下であることが好ましい。圧電素子本体10を形成する無鉛圧電磁器組成物の内部において、第2結晶相の含有割合が低いと、主相に形成される空孔を充填する副相が少なくなり、空孔率が大きくなって強度が低下すると共に、リークが生じ易くなる。逆に、第2結晶相の含有割合が高すぎると、圧電特性を有する第1結晶相の含有割合が低くなって圧電体として十分な機能を発現できなくなる。第2結晶相の含有割合を上記範囲とすれば、強度と圧電特性とのバランスが取れた圧電素子1を得ることができる。 The content of the second crystal phase inside the piezoelectric element main body 10 is preferably 0.5% by volume or more and 5.0% by volume or less. If the content of the second crystal phase is low in the lead-free piezoelectric ceramic composition forming the piezoelectric element main body 10, the amount of the secondary phase that fills the holes formed in the main phase decreases, resulting in a high porosity. As a result, the strength decreases and leaks are likely to occur. Conversely, if the content of the second crystalline phase is too high, the content of the first crystalline phase having piezoelectric properties will be too low, failing to exhibit sufficient functions as a piezoelectric body. By setting the content of the second crystal phase within the above range, it is possible to obtain the piezoelectric element 1 having well-balanced strength and piezoelectric characteristics.

また、圧電素子本体10において、第1結晶相及び第2結晶相の粒径は、小さい方が好ましい。具体的には、第1結晶相の平均粒径D50は3.5μm以下、第2結晶相の平均粒径D50は34μm以下であることが好ましい。圧電素子本体10の全体について、第1結晶相及び第2結晶相の平均粒径D50を上記範囲とすれば、圧電素子本体10の耐クラック特性を向上させることができる。第1結晶相及び第2結晶相の平均粒径D50が小さく、副相が主相内に細かく分散した状態で配されると、両相の粒界においてクラックが生じ難くなると推察される。なお、耐クラック特性は、恒温恒湿下で圧電素子を駆動する信頼性試験を実施した際のクラック発生率で評価される特性をいう。圧電素子本体10を形成する無鉛圧電磁器組成物にクラックが生じると、絶縁抵抗が低下し、圧電素子1としての機能が損なわれてしまうため、耐クラック特性は、信頼性の高い圧電素子1を得る上で重要な指標となる。 Further, in the piezoelectric element main body 10, the smaller the grain size of the first crystal phase and the second crystal phase, the better. Specifically, the average grain size D50 of the first crystal phase is preferably 3.5 μm or less, and the average grain size D50 of the second crystal phase is preferably 34 μm or less. By setting the average grain size D50 of the first crystal phase and the second crystal phase in the above range for the entire piezoelectric element body 10, the crack resistance of the piezoelectric element body 10 can be improved. It is presumed that when the average grain size D50 of the first and second crystal phases is small and the subphase is finely dispersed in the main phase, cracks are less likely to occur at the grain boundaries between the two phases. It should be noted that the crack resistance property is a property evaluated by the crack occurrence rate when a reliability test of driving the piezoelectric element under constant temperature and humidity is carried out. If a crack occurs in the lead-free piezoelectric ceramic composition forming the piezoelectric element main body 10, the insulation resistance is lowered and the function of the piezoelectric element 1 is impaired. It is an important index for obtaining

本開示に係る圧電素子本体10の表面は、第1結晶相からなる主相のみによって形成されている。圧電素子本体の表面に異成分からなる結晶の粒界が存在していると、この粒界を起点として、クラックが生じ易くなる。本開示に係る圧電素子本体10は、表面が第1結晶相からなる主相のみによって形成されており、表面には異成分からなる結晶の粒界が存在しない。よって、圧電素子本体の全体に亘って互いに異なる成分が混在している構成と比較して、優れた耐クラック特性を発現可能である。また、圧電素子本体10の表面に異成分からなる相の粒界が存在していないため、圧電素子本体の全体に亘って主相と副相が混在している構成と比較して、抗折強度も向上する。よって、割れ難く強度の高い圧電素子を得ることができる。なお、抗折強度は、ロードセルによって圧電素子に荷重を負荷する抗折試験を実施した際の破断荷時の内部応力値をいう。 The surface of the piezoelectric element main body 10 according to the present disclosure is formed only by the main phase consisting of the first crystal phase. If grain boundaries of crystals made of different components exist on the surface of the piezoelectric element main body, cracks are likely to occur starting from these grain boundaries. In the piezoelectric element main body 10 according to the present disclosure, the surface is formed only of the main phase consisting of the first crystal phase, and grain boundaries of crystals consisting of different components do not exist on the surface. Therefore, compared to a configuration in which different components are mixed over the entire piezoelectric element body, excellent crack resistance can be exhibited. In addition, since there is no grain boundary between phases made up of different components on the surface of the piezoelectric element body 10, compared to a configuration in which the main phase and the sub-phase are mixed over the entire piezoelectric element body, the transverse bending Strength is also improved. Therefore, a piezoelectric element that is hard to break and has high strength can be obtained. The flexural strength refers to the internal stress value at breaking load when a flexural test is performed in which a load is applied to the piezoelectric element by a load cell.

本実施形態に係る圧電素子1の製造方法の一例を、図2を参照しつつ説明する。
図2に示すように、まずステップS1,S2により、第1仮焼粉末を作製する。具体的には、ステップS1では、主相をなす第1結晶相の原料(第1原料)として、K2CO3粉末,Na2CO3粉末,Li2CO3粉末,CaCO3粉末,BaCO3粉末,Nb25粉末,TiO2粉末,ZrO2粉末、Fe23粉末,CoO粉末,ZnO粉末を用意し、設ける第1結晶相の組成式((KaNabLicM1de(M2fM3g)O3+h)における係数a~gの値に応じて秤量する。次いで、これらの第1原料の粉末にエタノールを加え、ボールミルを用いて15時間以上湿式混合して第1原料のスラリーを得る。
An example of a method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, first, a first calcined powder is produced in steps S1 and S2. Specifically, in step S1, K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Li 2 CO 3 powder, CaCO 3 powder, and BaCO 3 are used as raw materials (first raw materials) for the first crystal phase forming the main phase. Powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, ZrO 2 powder, Fe 2 O 3 powder, CoO powder, and ZnO powder are prepared, and the composition formula of the first crystal phase to be provided (( Ka Na b Li c M1 d ) e (M2 f M3 g )O 3+h ) are weighed according to the values of coefficients a to g. Next, ethanol is added to these powders of the first raw material, and wet-mixed using a ball mill for 15 hours or more to obtain a slurry of the first raw material.

ステップS2では、第1原料のスラリーを乾燥して得られた混合粉末を、仮焼(大気雰囲気下において600℃~1200℃で1~10時間)して第1仮焼粉末を作製する。 In step S2, the mixed powder obtained by drying the slurry of the first raw material is calcined (at 600° C. to 1200° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere) to produce a first calcined powder.

一方、ステップS3,S4により、第2仮焼粉末を作製する。具体的には、ステップS3では、副相の主要部をなす第2結晶相の原料(第2原料)として、TiO2粉末のほか、Fe23粉末,CoO粉末,ZnO粉末のうちから必要なものを選択し、第2結晶相の組成式((M4,Ti)O4)に応じて秤量する。次いで、これら第2原料の粉末にエタノールを加え、ボールミルを用いて15時間以上湿式混合して第2原料のスラリーを得る。 On the other hand, the second calcined powder is produced in steps S3 and S4. Specifically, in step S3, as the raw material (second raw material) for the second crystal phase that forms the main part of the subphase, TiO 2 powder, Fe 2 O 3 powder, CoO powder, and ZnO powder are selected. are selected and weighed according to the composition formula ((M4, Ti)O 4 ) of the second crystal phase. Next, ethanol is added to the powder of the second raw material, and the mixture is wet-mixed using a ball mill for 15 hours or more to obtain a slurry of the second raw material.

ステップS4では、第2原料のスラリーを乾燥して得られた混合粉末を、仮焼(大気雰囲気下600℃~1200℃で1~10時間)して第2仮焼粉末を作製する。 In step S4, the mixed powder obtained by drying the slurry of the second raw material is calcined (at 600° C. to 1200° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere) to produce a second calcined powder.

ステップS5では、第1仮焼粉末(第1原料の仮焼粉末)と第2仮焼粉末(第2原料の仮焼粉末)をそれぞれ秤量し、ボールミルを用い、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。さらにこのスラリーを乾燥して得られた混合粉末を得る。なお、このステップS5における第1仮焼粉末と第2仮焼粉末との混合割合は、最終的に得たい無鉛圧電磁器組成物(圧電素子本体)における、副相の割合を考慮して決定するとよい。 In step S5, the first calcined powder (the calcined powder of the first raw material) and the second calcined powder (the calcined powder of the second raw material) are weighed, and a ball mill is used to add a dispersant, a binder, and ethanol. pulverize and mix to make a slurry. Further, this slurry is dried to obtain a mixed powder. The mixing ratio of the first calcined powder and the second calcined powder in step S5 is determined by considering the ratio of the subphase in the lead-free piezoelectric ceramic composition (piezoelectric element main body) to be finally obtained. good.

ステップS6では、仮焼(大気雰囲気下600℃~1200℃で1時間~10時間)して、混合仮焼粉末を作製する。 In step S6, calcination is performed (at 600° C. to 1200° C. for 1 hour to 10 hours in an air atmosphere) to produce mixed calcined powder.

ステップS7では、ステップS6で得られた仮焼粉末に、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し、このスラリーをスプレードライ乾燥機により乾燥し造粒粉末を造粒する。この造粒粉末をプレス型に投入しプレス成型するか、押出成型機に投入して押出成型し、金型で打ち抜くことで所定の形状の成型体を得る。この成型体の形状としては、例えば、円板状、円柱状、矩形平板状などが挙げられる。その後、例えば圧力150MPaのCIP処理(冷間静水圧プレス処理)を行って、さらに圧密化した成型体を得る。 In step S7, the calcined powder obtained in step S6 is pulverized and mixed with a dispersant, a binder, and ethanol to form a slurry, and the slurry is dried by a spray dryer to granulate granulated powder. The granulated powder is put into a press mold and press-molded, or put into an extruder, extrusion-molded, and punched out with a mold to obtain a molded body of a predetermined shape. Examples of the shape of this molded body include a disk shape, a columnar shape, a rectangular flat plate shape, and the like. After that, CIP treatment (cold isostatic pressing treatment) is performed at a pressure of 150 MPa, for example, to obtain a compacted compact.

ステップS8では、ステップ7で得られた成型体を焼成する。具体的には、成型体を、例えば大気雰囲気下500℃~800℃で2時間~10時間保持し、バインダを除去(脱脂)する。さらに、得られた脱脂後の成型体を、例えば大気雰囲気下900℃~1400℃の中から選択される特定温度(例えば、1150℃)で1時間~10時間保持して焼成することによって、無鉛圧電磁器組成物(圧電素子本体)を得る。ステップS8における焼成は、密閉容器内に成型体を密封した状態で行う密封焼成をするのが好ましい。焼成中に、成型体に含まれるアルカリ金属(Li,Na,K)などの金属元素が、外部に揮発してしまうことを防止するためである。 In step S8, the compact obtained in step 7 is fired. Specifically, the molded body is held at, for example, 500° C. to 800° C. in an air atmosphere for 2 to 10 hours to remove the binder (degreasing). Furthermore, the obtained molded body after degreasing is held at a specific temperature (for example, 1150 ° C.) selected from 900 ° C. to 1400 ° C. in an air atmosphere for 1 hour to 10 hours. A piezoelectric ceramic composition (piezoelectric element body) is obtained. The sintering in step S8 is preferably sealed sintering performed in a state where the compact is sealed in a closed container. This is to prevent metal elements such as alkali metals (Li, Na, K) contained in the compact from volatilizing to the outside during firing.

ステップS9では、焼成によって得られた圧電素子本体の所定の位置に、所定形状の電極を形成する。例えば円板形状の圧電素子本体10の両面に、円形の電極21,22を一対形成する(図1参照)。このとき、圧電素子本体に研磨等を施すことはせず、焼成表面を表面に維持した状態で、電極21,22を形成する。 In step S9, electrodes of a predetermined shape are formed at predetermined positions of the piezoelectric element body obtained by firing. For example, a pair of circular electrodes 21 and 22 are formed on both sides of a disk-shaped piezoelectric element body 10 (see FIG. 1). At this time, the electrodes 21 and 22 are formed in a state in which the fired surface is maintained on the surface without subjecting the piezoelectric element body to polishing or the like.

ステップS10では、形成した電極に直流高電圧を印加し、圧電素子本体(無鉛圧電磁器組成物)を分極する。なお、分極は、絶縁油中で行うほか、大気中や不活性気体中で行うこともできる。 In step S10, a DC high voltage is applied to the formed electrodes to polarize the piezoelectric element main body (lead-free piezoelectric ceramic composition). It should be noted that the polarization can be performed in the air or in an inert gas as well as in the insulating oil.

以上により、分極された圧電素子本体10を有する圧電素子1が完成する。
この製造方法によれば、ステップS1~S4で第1,第2仮焼粉末を作製するので、第1結晶相及び第2結晶相の組成や割合を管理し易いという利点がある。
As described above, the piezoelectric element 1 having the polarized piezoelectric element body 10 is completed.
According to this manufacturing method, since the first and second calcined powders are produced in steps S1 to S4, there is an advantage that the composition and ratio of the first crystal phase and the second crystal phase can be easily controlled.

上記した圧電素子1に係る試料を作製し、分析及び評価を行った。図3Aから図12を参照しつつ、以下に説明する。 A sample relating to the piezoelectric element 1 described above was produced, and analyzed and evaluated. The following description will be made with reference to FIGS. 3A to 12. FIG.

前述の製造方法に記載したステップS1~S8に従って、図3Aに示すような円板状の実施例に係る圧電素子本体10を作製した。さらに続けてステップS9を行うことにより、圧電素子本体10の円形状の2つの板面の略全面に、それぞれAgからなる電極層を焼き付けて電極21,22を形成し、ステップS10により、電極21,22が形成された圧電素子本体10を厚み方向に分極して、図3Bに示すような圧電素子1を作製した。 A disk-shaped piezoelectric element body 10 according to the example as shown in FIG. 3A was manufactured according to steps S1 to S8 described in the manufacturing method described above. Subsequently, step S9 is performed to form electrodes 21 and 22 by baking electrode layers made of Ag on substantially the entire surfaces of the two circular plate surfaces of the piezoelectric element main body 10, respectively. , 22 was formed, and the piezoelectric element 1 as shown in FIG. 3B was manufactured by polarizing the piezoelectric element main body 10 in the thickness direction.

上記において、ステップS1では、K2CO3粉末,Na2CO3粉末,Li2CO3粉末,CaCO3粉末,BaCO3粉末,Nb25粉末,TiO2粉末,ZrO2粉末を用意し、組成式((KaNabLicCad1Bad2e(Nbf1,Tif2,Zrf3)O3+h)で示される第1結晶相について、a=0.35,b=0.53,c=0.02,d1=0.04,d2=0.06,e=1.00,f1=0.91,f2=0.03,f3=0.06の量比となるように、第1原料を秤量した。
また、ステップS3では、Fe23粉末,CoO粉末,ZnO粉末,TiO2粉末を用意し、組成式(Fe,Co,Zn,Ti)O4で示される第2結晶相について、Fe:Co:Zn:Ti=0.30:0.30:0.40:1.00の量比となるように、第2原料を秤量した。
ステップS8において、無鉛圧電磁器組成物からなる円板状の圧電素子本体10を得る際、圧電素子本体10を、プレス成型機によって直径30mm、厚さ4mmのバルク状に形成したものを実施例1とし、押出成型機によって厚さ100μmのシート状に形成した後、直径30mmに打ち抜いたものを実施例2とした。
In the above, in step S1, K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Li 2 CO 3 powder, CaCO 3 powder, BaCO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, TiO 2 powder, and ZrO 2 powder are prepared, For the first crystal phase represented by the composition formula ((K a Na b Li c Ca d1 Bad2 ) e (Nb f1 , Ti f2 , Zr f3 )O 3+h ), a=0.35, b=0. 53, c = 0.02, d1 = 0.04, d2 = 0.06, e = 1.00, f1 = 0.91, f2 = 0.03, f3 = 0.06 , the first raw material was weighed.
Further, in step S3, Fe 2 O 3 powder, CoO powder, ZnO powder, and TiO 2 powder are prepared, and the second crystal phase represented by the composition formula (Fe, Co, Zn, Ti) O 4 is mixed with Fe:Co :Zn:Ti=0.30:0.30:0.40:1.00.
In step S8, when obtaining the disk-shaped piezoelectric element body 10 made of the lead-free piezoelectric ceramic composition, the piezoelectric element body 10 was formed into a bulk shape with a diameter of 30 mm and a thickness of 4 mm by a press molding machine. Example 2 was obtained by forming a sheet having a thickness of 100 μm with an extruder and then punching out a sheet having a diameter of 30 mm.

上記のように作製した実施例1に係る圧電素子本体10の内部を、顕微鏡により観察すると共に、粒径分布を測定した。
具体的には、実施例1に係る圧電素子本体10を研磨して表面を除去し、測定に供試した。株式会社キーエンス製のレーザーマイクロスコープVK-X100を用い、主相及び副相を含む領域の観察を行った。また、JEOL製の反射型顕微鏡JSM-6390LAを用いて、65μm×45μmの視野範囲で主相部分の観察を行った。レーザーマイクロ顕微鏡写真を図4Aに、主相部分のSEM(走査電子顕微鏡)写真を図4Bに、それぞれ示す。
The inside of the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 manufactured as described above was observed with a microscope, and the particle size distribution was measured.
Specifically, the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was polished to remove the surface and tested for measurement. Using a laser microscope VK-X100 manufactured by Keyence Corporation, a region containing the main phase and the subphase was observed. Further, using a reflective microscope JSM-6390LA manufactured by JEOL, the main phase portion was observed in a field of view of 65 μm×45 μm. A laser microscopic photograph is shown in FIG. 4A, and a SEM (scanning electron microscope) photograph of the main phase portion is shown in FIG. 4B.

図4Aに表れているように、圧電素子本体10の内部では、第1結晶相で形成された淡色に見える主相中に、黒色に見える第2結晶相が散点状に分散して配置されている。また、図4Bより、第1結晶相中に空孔が認められるものの、その大きさは比較的小さく、空孔の存在率も高くないことが分かる。 As shown in FIG. 4A, inside the piezoelectric element body 10, the second crystalline phase, which looks black, is scattered and arranged in a light-colored main phase formed of the first crystalline phase. ing. Further, from FIG. 4B, it can be seen that although vacancies are observed in the first crystal phase, the size of the vacancies is relatively small and the vacancy rate is not high.

続いて、実施例1に係る圧電素子本体10内部の主相及び副相部分について、組成分析を行った。
具体的には、実施例1に係る圧電素子本体10を研磨して表面を除去し、主相及び副相を含む領域について、EPMA(電子プローブマイクロアナライザー)を用いて元素分布を調査した。結果を、図5に示す。
12枚の画像のうち、1段目の画像は、左から、調査領域の反射電子像、及び、O,Na,Kの元素分布像である。2段目の画像は、左から、Ca,Ti,Fe,Coの元素分布像である。3段目の画像は、左から、Zn,Zr,Nb,Baの元素分布像である。なお、Liは、EPMAでは測定困難であるので、調査していない。反射電子像などから理解できるように、調査領域(画像)の大半は主相であるが、中央よりも右上部分に、粒径70μm程度の略三角形状の副相(反射電子像で主相よりも黒く表示)が位置している。なお、主相内に分布している小さな黒い点は、空孔あるいはくぼみである。
Subsequently, composition analysis was performed on the main phase and subphase portions inside the piezoelectric element main body 10 according to Example 1. FIG.
Specifically, the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was polished to remove the surface, and the element distribution of the region containing the main phase and the subphase was investigated using an EPMA (electron probe microanalyzer). Results are shown in FIG.
Among the 12 images, the images in the first row are, from the left, the backscattered electron image of the investigation area and the elemental distribution images of O, Na, and K. The images on the second row are elemental distribution images of Ca, Ti, Fe, and Co from the left. The images on the third row are elemental distribution images of Zn, Zr, Nb, and Ba from the left. Li is not investigated because it is difficult to measure with EPMA. As can be understood from the backscattered electron image and the like, most of the investigation area (image) is the main phase. (also shown in black) are located. Small black dots distributed in the main phase are vacancies or pits.

図5の各画像から理解できるように、Na,K,Nbについていえば、主相には多く存在しているが、副相ではNa,K,Nbの存在量が主相よりも少ないことが判る。一方、Ca,Ba,Zrについていえば、添加量自身が少ないので、画像からは判りにくいが、主相にはこれらの元素が存在しているが、副相にはこれらの元素はほぼ存在しないことが判る。一方、Tiは、主相にも若干含まれているが、副相に相対的に多量に含まれていることが判る。また、Fe,Co,Znは、副相には含まれているが、主相には含まれていないことが判る。
これらから、主相は、組成式(K,Na,Li,Ca,Ba)(Nb,Ti,Zr)O3で示されるペロブスカイト結晶(第1結晶相)で形成されていると考えられる。また、副相は、組成式(Fe,Co,Zn,Ti)O4で示されるスピネル結晶(第2結晶相)で形成されていると考えられる。
As can be understood from the images in FIG. 5, Na, K, and Nb are present in large amounts in the main phase, but the amount of Na, K, and Nb in the subphase is smaller than that in the main phase. I understand. On the other hand, with respect to Ca, Ba, and Zr, since the amount of addition itself is small, it is difficult to understand from the image, but these elements are present in the main phase, but these elements are almost absent in the subphase. It turns out. On the other hand, it can be seen that Ti is contained in the main phase in a small amount, but is contained in the subphase in a relatively large amount. Also, it can be seen that Fe, Co, and Zn are contained in the subphase but not in the main phase.
From these, it is considered that the main phase is formed of perovskite crystals (first crystal phase) represented by the composition formula (K, Na, Li, Ca, Ba)(Nb, Ti, Zr)O 3 . Also, the subphase is considered to be formed of spinel crystals (second crystal phase) represented by the composition formula (Fe, Co, Zn, Ti)O 4 .

続いて、各試料について、XRD(X線回折法)による構造解析を行った。
まずは、実施例1に係る圧電素子本体10内部の主相部分及び副相部分の構造解析を行った。
具体的には、実施例1に係る圧電素子本体10を研磨し表面を除去して、解析に供試した。XRDの測定機器としては微小X線回折装置を用い、CuKα線により2θ=20°~90°の範囲で解析を行った。結果を、図6に示す。
Subsequently, each sample was subjected to structural analysis by XRD (X-ray diffraction method).
First, structural analysis of the main phase portion and the sub-phase portion inside the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was performed.
Specifically, the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was polished to remove the surface and tested for analysis. A micro X-ray diffractometer was used as an XRD measuring instrument, and analysis was performed in the range of 2θ = 20° to 90° using CuKα rays. Results are shown in FIG.

図6には、参照用に2つピークプロファイルも表示してある。このうち上段のピークプロファイルは、ペロブスカイト型結晶であるニオブ酸カリウムナトリウムK0.48Na0.52NbO3であり、下段のピークプロファイルは、スピネル型結晶である鉄チタン酸化物Fe2.50Ti0.504である。
観測されたX線の強度分布は、主相部分も副相部分も、ほぼ同様の波形を示しており、概ね、参照用(上段)のニオブ酸カリウムナトリウムK0.48Na0.52NbO3のピークプロファイルにほぼ一致している。このことから、主相部分は、ニオブ酸カリウムナトリウムK0.48Na0.52NbO3あるいはこれに近似する組成のペロブスカイト型結晶粒子が含まれていることが理解できる。
Two peak profiles are also displayed in FIG. 6 for reference. Of these, the peak profile in the upper row is for potassium sodium niobate K 0.48 Na 0.52 NbO 3 which is a perovskite crystal, and the peak profile in the lower row is for iron titanium oxide Fe 2.50 Ti 0.50 O 4 which is a spinel crystal.
The observed X-ray intensity distribution shows almost the same waveform for both the main phase portion and the subphase portion. They are almost identical. From this, it can be understood that the main phase portion contains potassium sodium niobate K 0.48 Na 0.52 NbO 3 or perovskite-type crystal grains having a composition similar thereto.

一方、観測されたX線の強度分布のうち、黒矢印で示す部分は、主相部分のX線強度分布には存在しないが、副相部分のX線強度分布には存在するピークである。このピークは参照用(下段)の鉄チタン酸化物Fe2.50Ti0.504のピークにほぼ一致することから、副相部分には、鉄チタン酸化物Fe2.50Ti0.504あるいはこれに近似する組成のスピネル型結晶粒子が含まれていることが理解できる。 On the other hand, in the observed X-ray intensity distribution, the portion indicated by the black arrow is a peak that does not exist in the X-ray intensity distribution of the main phase portion but exists in the X-ray intensity distribution of the subphase portion. Since this peak almost coincides with the peak of the iron-titanium oxide Fe 2.50 Ti 0.50 O 4 for reference (lower row), the subphase portion contains iron-titanium oxide Fe 2.50 Ti 0.50 O 4 or a composition similar thereto. of spinel-type crystal grains are included.

これらの点からも、主相は、組成式(K,Na,Li,Ca,Ba)(Nb,Ti,Zr)O3で示されるペロブスカイト型結晶からなる第1結晶相で形成されていると考えられる。また、副相は、組成式(Fe,Co,Zn,Ti)O4で示されるスピネル型結晶からなる第2結晶相で形成されていると考えられる。 From these points as well, the main phase is formed of the first crystal phase composed of perovskite crystals represented by the composition formula (K, Na, Li, Ca, Ba) (Nb, Ti, Zr) O3 . Conceivable. Also, the sub-phase is considered to be formed of a second crystal phase composed of spinel-type crystals represented by the composition formula (Fe, Co, Zn, Ti)O 4 .

次に、実施例1に係るバルク状の圧電素子本体10の内部及び表面の構造解析を行った。
具体的には、「内部」については、上記解析と同様に、実施例1に係る圧電素子本体10を研磨し表面を除去して、解析に供試した。「表面」については、実施例1に係る圧電素子本体10を研磨等せずステップS8で焼成したままの状態で、その表面を解析した。結果を、図7A~図7Cに示す。
なお、図7B及び図7Cは、図7Aの部分拡大図であり、図7A~図7Cには、参照用としてスピネル型結晶であるコバルトチタン酸化物CoTiOのピークプロファイルも表示している。
Next, structural analysis of the inside and surface of the bulk piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was performed.
Specifically, for the "inside", the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was polished to remove the surface and tested for analysis in the same manner as in the above analysis. As for the "surface", the surface of the piezoelectric element main body 10 according to Example 1 was analyzed without being polished or the like, but in the state of being sintered in step S8. The results are shown in Figures 7A-7C.
7B and 7C are partial enlarged views of FIG. 7A, and FIGS. 7A to 7C also show the peak profile of cobalt titanium oxide Co 2 TiO 4 which is a spinel crystal for reference. .

図7B及び図7Cに表れているように、実施例1内部についてのプロファイルには、参照用のスピネル型結晶と同位置にピークが明確に認められるのに対し、実施例1表面についてのプロファイルには、同位置にピークは認められなかった。これより、圧電素子本体10の内部には、CoTiOに近似する組成のスピネル型結晶が含まれているのに対し、圧電素子本体10の表面には、スピネル型結晶が含まれていないことが分かる。 As shown in FIGS. 7B and 7C, the profile for the interior of Example 1 clearly shows a peak at the same position as the reference spinel crystal, whereas the profile for the surface of Example 1 , no peak was observed at the same position. From this, the inside of the piezoelectric element main body 10 contains spinel crystals having a composition similar to Co 2 TiO 4 , whereas the surface of the piezoelectric element main body 10 does not contain spinel crystals. I understand.

次に、実施例2に係るシート状の圧電素子本体10の内部及び表面の構造解析を行った。
解析にあたっては、実施例2に係る圧電素子本体10について、上記と同じく、表面を除去して「内部」の解析を行い、焼成した表面を残した状態で「表面」の解析を行った。結果を、図8A及び図8Bに示す。なお、図8Bは、図8Aの部分拡大図である。
Next, structural analysis of the inside and surface of the sheet-like piezoelectric element main body 10 according to Example 2 was performed.
For the analysis, the surface of the piezoelectric element main body 10 according to Example 2 was removed and the "inside" was analyzed in the same manner as described above, and the "surface" was analyzed with the fired surface left. The results are shown in Figures 8A and 8B. Note that FIG. 8B is a partially enlarged view of FIG. 8A.

図8Bに表れているように、実施例2内部についてのプロファイルには、参照用のスピネル型結晶と同位置にピークが認められるのに対し、実施例2表面についてのプロファイルには、同位置にピークは認められなかった。この結果からも、圧電素子本体10の表面にはスピネル型結晶が含まれていないことが分かる。なお、スピネル型結晶に相当するピークが、実施例2に関する図8A、図8Bよりも実施例1に関する図7A~図7Cにおいて明確に表れているのは、圧電素子本体10がシート状をなす実施例2よりもバルク状をなす実施例1の方が、表面の影響をより排除した状態で内部の解析を行えたためと推察される。 As shown in FIG. 8B, the profile for the interior of Example 2 has a peak at the same position as the reference spinel crystal, whereas the profile for the surface of Example 2 has a peak at the same position. No peak was observed. This result also shows that the surface of the piezoelectric element main body 10 does not contain spinel crystals. 7A to 7C relating to Example 1 rather than FIGS. It is presumed that in the case of Example 1, which has a bulk shape, the analysis of the interior was performed in a state in which the effects of the surface were more eliminated than in Example 2.

続いて、実施例2に係るシート状の圧電素子本体10について、ロードセルを用いて抗折強度を測定した。
本測定には、圧電素子本体10作製時の温度条件を変えることによって第2結晶相の平均粒径D50を3段階に異ならせた試料を、それぞれ複数個作製して供試した。第2結晶相の平均粒径D50は、堀場製作所製のレーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置LA-950V2を用いて、体積累積中位径を算出した値である。結果を、図9に示す。
Subsequently, the bending strength of the sheet-like piezoelectric element main body 10 according to Example 2 was measured using a load cell.
For this measurement, a plurality of samples were prepared and tested in which the average grain size D50 of the second crystal phase was varied in three steps by changing the temperature conditions during the preparation of the piezoelectric element main body 10 . The average particle diameter D50 of the second crystal phase is a value obtained by calculating the volume cumulative median diameter using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer LA-950V2 manufactured by Horiba, Ltd. Results are shown in FIG.

図9から分かるように、実施例2の圧電素子本体10は、何れも50MPa以上の高い抗折強度を示したが、第2結晶相の平均粒径D50が小さいほど、優れた抗折強度を示すことが分かった。特に、第2結晶相の平均粒径D50を50μm以下とすることで、80MPa以上の優れた抗折強度が発現されている。第2結晶相の平均粒径D50が小さいほど、第1結晶相内の空孔が充填され易くなり、圧電素子本体10の内部が緻密な構造となって、高い強度が発現されると推察される。 As can be seen from FIG. 9, the piezoelectric element body 10 of Example 2 all exhibited a high bending strength of 50 MPa or more. was found to show In particular, by setting the average grain size D50 of the second crystal phase to 50 μm or less, an excellent bending strength of 80 MPa or more is exhibited. It is presumed that the smaller the average grain size D50 of the second crystal phase, the easier it is for the holes in the first crystal phase to be filled, the denser the structure inside the piezoelectric element body 10, and the higher the strength. be done.

続いて、上記において抗折強度を測定した、第2結晶相の平均粒径D50を3段階に異ならせた試料について、この内部に存在する第1結晶相の平均粒径と第2結晶相の平均粒径との関係を調査した。
具体的には、第2結晶相の平均粒径D50を3段階に異ならせた実施例2に係る圧電素子本体10を研磨して表面を除去し、測定に供試した。第1結晶相については、JEOL製の反射型顕微鏡JSM-6390LAを用いて、65μm×45μmの視野範囲で観察を行い、第2結晶相については、株式会社キーエンス製のレーザーマイクロスコープVK-X100を用い、黒色に見える第2結晶相の粒子が100個程度になる視野範囲で観察を行った。そして、画像解析ソフトPhotoRulerを用いて、第1結晶相の平均粒径D50と第2結晶相の平均粒径(黒色粒子径)D50を算出した。結果を、図10に示す。
Subsequently, for the samples in which the average grain size D50 of the second crystal phase was varied in three stages, the average grain size of the first crystal phase existing inside and the second crystal phase was investigated for the relationship between the average particle size of
Specifically, the piezoelectric element body 10 according to Example 2, in which the average grain size D50 of the second crystal phase was varied in three steps, was polished to remove the surface, and then subjected to measurement. For the first crystal phase, a reflective microscope JSM-6390LA manufactured by JEOL was used to observe in a field of view of 65 μm × 45 μm, and for the second crystal phase, a laser microscope VK-X100 manufactured by Keyence Corporation was used. Observation was carried out in a field range in which about 100 particles of the second crystal phase appearing black were observed. Then, using the image analysis software PhotoRuler, the average particle size D50 of the first crystal phase and the average particle size (black particle size) D50 of the second crystal phase were calculated. Results are shown in FIG.

図10より、これらの試料において、第1結晶相の平均粒径D50は、第2結晶相の平均粒径D50に対し、傾きが正の一次関数で表されることが分かる。上記抗折試験において良好な結果を示した試料の第1結晶相の平均粒径D50は4.5μm以下であり、より優れた結果を示した試料の第1結晶相の平均粒径D50は3.8μm以下である。 From FIG. 10, it can be seen that in these samples, the average grain size D50 of the first crystal phase is represented by a positive linear function with respect to the average grain size D50 of the second crystal phase. The average grain size D50 of the first crystal phase of the samples that showed good results in the bending test was 4.5 μm or less, and the average grain size D50 of the first crystal phases of the samples that showed better results. is 3.8 μm or less.

続いて、実施例2に係る圧電素子本体10を備える圧電素子1の信頼性試験を行った。具体的には、実施例2に係るシート状の圧電素子本体10に、ステップS9により各々がAgからなる電極21,22を形成し、ステップS10により分極を行って圧電素子1を作製した後、この圧電素子1に振動板を接着してブザー素子を作製し、信頼性試験に供試した。信頼性試験では、ブザー素子を、温度85℃、湿度85%の恒温恒湿槽中で504時間駆動させ、試験後のクラック発生率を調査した。結果を、図11の表に示す。 Subsequently, the reliability test of the piezoelectric element 1 having the piezoelectric element main body 10 according to Example 2 was performed. Specifically, electrodes 21 and 22 each made of Ag are formed on the sheet-like piezoelectric element main body 10 according to the second embodiment in step S9, and polarization is performed in step S10 to fabricate the piezoelectric element 1. A vibration plate was bonded to this piezoelectric element 1 to prepare a buzzer element, which was subjected to a reliability test. In the reliability test, the buzzer element was driven for 504 hours in a constant temperature and humidity chamber at a temperature of 85° C. and a humidity of 85%, and the crack occurrence rate after the test was investigated. The results are shown in the table of FIG.

図11の表から分かるように、過酷な試験であるにもかかわらず、実施例に係るブザー素子のクラック発生率は55%以下と比較的低かった。特に、第2結晶相の平均粒径D50が34um以下の試料についてはクラックの発生が認められず、このような圧電素子を使用することで、非常に信頼性の高いデバイスを提供できることが確認された。これらについて、図11に表された第1結晶相の平均粒径D50と第2結晶相の平均粒径D50の関係を参照すれば、本信頼性試験において良好な結果を示した試料の第1結晶相の平均粒径D50は4.0μm以下であり、より優れた結果を示した試料の第1結晶相の平均粒径D50は3.5μm以下である。以上より、圧電素子本体10における第1結晶相の平均粒径D50が3.5μm以下であり、第2結晶相の平均粒径D50が34um以下であるような圧電素子1は、信頼性に特に優れたデバイスを提供できることが分かる。 As can be seen from the table of FIG. 11, the crack generation rate of the buzzer element according to the example was relatively low, 55% or less, in spite of the severe test. In particular, no cracks were observed in the samples in which the average grain size D50 of the second crystal phase was 34 μm or less, confirming that the use of such piezoelectric elements can provide devices with extremely high reliability. was done. Regarding these, referring to the relationship between the average grain size D50 of the first crystal phase and the average grain size D50 of the second crystal phase shown in FIG. The average grain size D50 of the first crystalline phase is 4.0 μm or less, and the average grain size D50 of the first crystalline phase of the sample showing better results is 3.5 μm or less. As described above, the piezoelectric element 1 in which the average grain size D50 of the first crystal phase in the piezoelectric element main body 10 is 3.5 μm or less and the average grain size D50 of the second crystal phase is 34 μm or less is reliable. It can be seen that a particularly excellent device can be provided for

以上記載したように、本実施形態に係る圧電素子1は、無鉛圧電磁器組成物からなる圧電素子本体10と、圧電素子本体10の表面に設けられた一対の電極21,22と、を備える圧電素子1であって、無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、M-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)からなる第2結晶相で形成された副相と、を含み、圧電素子本体10において、表面は、主相のみによって形成されており、内部は、主相及び副相を含んで形成されている。
このような構成では、圧電素子本体10の表面に異成分からなる結晶の粒界が存在しないため、圧電素子本体10の全体に亘って互いに異なる成分が混在している構成と比較して、耐クラック特性が向上する。また、圧電素子本体10の内部では主相と副相とが混在しており、圧電素子本体10の全体が主相のみからなる構成と比較して、良好な圧電特性を発現可能である。これらの結果、良好な圧電特性を発現させながら、圧電素子本体10の耐クラック特性を向上させて信頼性にも優れた圧電素子1を得ることができる。また、このような構成の圧電素子1では、圧電素子本体10の全体に亘って主相と副相が混在している構成と比較して、抗折強度も向上する。よって、割れ難く強度の高い圧電素子1を得ることができる。
As described above, the piezoelectric element 1 according to this embodiment includes the piezoelectric element main body 10 made of a lead-free piezoelectric ceramic composition, and the pair of electrodes 21 and 22 provided on the surface of the piezoelectric element main body 10 . The lead-free piezoelectric ceramic composition of element 1 includes a main phase formed of a first crystal phase composed of an alkaline niobate perovskite oxide having piezoelectric properties, and an M--Ti--O-based spinel compound (element M is and a secondary phase formed of a second crystal phase composed of a monovalent to tetravalent element), and in the piezoelectric element body 10, the surface is formed only by the main phase, and the interior is composed of the main phase and the secondary phase. It is formed including phases.
In such a configuration, since grain boundaries of crystals made of different components do not exist on the surface of the piezoelectric element main body 10, the durability is lower than that of a configuration in which different components are mixed over the entire piezoelectric element main body 10. Crack resistance is improved. Moreover, the main phase and the sub-phase are mixed inside the piezoelectric element main body 10, so that the piezoelectric element main body 10 can exhibit good piezoelectric characteristics as compared with a configuration in which the entire piezoelectric element main body 10 is composed only of the main phase. As a result, it is possible to obtain the piezoelectric element 1 having excellent reliability by improving the crack resistance of the piezoelectric element main body 10 while exhibiting good piezoelectric properties. Moreover, in the piezoelectric element 1 having such a configuration, the bending strength is improved as compared with a configuration in which the main phase and the sub-phase are mixed over the entire piezoelectric element main body 10 . Therefore, it is possible to obtain the piezoelectric element 1 that is hard to break and has high strength.

また、本実施形態に係る圧電素子1において、圧電素子本体10は、平板状に形成されていることが好ましい。このように構成すれば、圧電素子本体10の表面に異成分の粒界が存在しないことによるメリット、すなわち上記した耐クラック特性等の向上効果を一層顕著とすることができる。 Further, in the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the piezoelectric element main body 10 is preferably formed in a flat plate shape. With this configuration, the advantage of not having grain boundaries of different components on the surface of the piezoelectric element main body 10, that is, the effect of improving the above-described crack resistance and the like can be made even more remarkable.

また、本実施形態に係る圧電素子1において、圧電素子本体の内部における第2結晶相の含有割合は、0.5体積%以上かつ5.0体積%以下とすることが好ましい。このように構成すれば、強度と圧電特性とのバランスが取れた圧電素子1を得ることができる。 In addition, in the piezoelectric element 1 according to this embodiment, the content of the second crystal phase inside the piezoelectric element body is preferably 0.5% by volume or more and 5.0% by volume or less. With such a configuration, it is possible to obtain the piezoelectric element 1 having well-balanced strength and piezoelectric characteristics.

また、本実施形態に係る圧電素子1において、第1結晶相の平均粒径D50は3.5μm以下であり、第2結晶相の平均粒径D50は34μm以下であることが好ましい。このように構成すれば、圧電素子本体10にクラックが生じる可能性を極めて小さくし、信頼性の高い圧電素子1を得ることができる。 Moreover, in the piezoelectric element 1 according to the present embodiment, it is preferable that the average grain size D50 of the first crystal phase is 3.5 μm or less, and the average grain size D50 of the second crystal phase is 34 μm or less. With this configuration, the possibility of cracks occurring in the piezoelectric element main body 10 is extremely reduced, and a highly reliable piezoelectric element 1 can be obtained.

1…圧電素子、10…圧電素子本体、21,22…電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Piezoelectric element 10... Piezoelectric element main body 21, 22... Electrode

Claims (4)

無鉛圧電磁器組成物からなる圧電素子本体と、
前記圧電素子本体の表面に設けられた一対の電極と、を備える圧電素子であって、
前記無鉛圧電磁器組成物は、
圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物からなる第1結晶相で形成された主相と、
M-Ti-O系スピネル化合物(元素Mは1価~4価の元素)からなる第2結晶相で形成された副相と、を含み、
前記圧電素子本体において、
前記表面は、前記主相のみによって形成されており、
内部は、前記主相及び前記副相を含んで形成されている、圧電素子。
a piezoelectric element main body made of a lead-free piezoelectric ceramic composition;
A piezoelectric element comprising a pair of electrodes provided on the surface of the piezoelectric element main body,
The lead-free piezoelectric ceramic composition is
a main phase formed of a first crystal phase composed of an alkaline niobate-based perovskite oxide having piezoelectric properties;
a subphase formed of a second crystal phase made of an M-Ti-O-based spinel compound (element M is a monovalent to tetravalent element),
In the piezoelectric element main body,
The surface is formed only by the main phase,
A piezoelectric element, the inside of which is formed to contain the main phase and the sub-phase.
前記圧電素子本体は平板状に形成されている、請求項1に記載の圧電素子。 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein said piezoelectric element main body is formed in a flat plate shape. 前記圧電素子本体の前記内部における前記第2結晶相の含有割合は、0.5体積%以上かつ5.0体積%以下である、請求項1又は請求項2に記載の圧電素子。 3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the content of said second crystal phase in said interior of said piezoelectric element main body is 0.5% by volume or more and 5.0% by volume or less. 前記圧電素子本体において、前記第1結晶相の平均粒径は3.5μm以下であり、前記第2結晶相の平均粒径は34μm以下である、請求項1から請求項3の何れか一項に記載の圧電素子。 4. The piezoelectric element body according to claim 1, wherein the first crystal phase has an average grain size of 3.5 μm or less, and the second crystal phase has an average grain size of 34 μm or less. The piezoelectric element according to .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024070625A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04 日本特殊陶業株式会社 Lead-free piezoelectric composition and piezoelectric element

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