JP4427723B2 - Piezoelectric composition - Google Patents
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
本発明は、センサーやアクチュエータ、超音波デバイス等に用いられる圧電組成物及びその製造方法に関するものであり、特に、ニオブ酸化合物系の圧電組成物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric composition used for sensors, actuators, ultrasonic devices, and the like, and a method for producing the same.
電気エネルギーを機械エネルギーに変換、あるいは逆に機械エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電材料は、例えば圧電センサーや、圧電アクチュエーター、超音波洗浄機用振動子、超音波モーター、圧電トランス等、各種圧電デバイスとして広く用いられている。 Piezoelectric materials that convert electrical energy into mechanical energy or conversely convert mechanical energy into electrical energy include various piezoelectric devices such as piezoelectric sensors, piezoelectric actuators, vibrators for ultrasonic cleaners, ultrasonic motors, and piezoelectric transformers. Is widely used.
ここで、圧電材料としては、圧電セラミックス材料が一般的であるが、現在実用化されている圧電セラミックス材料の大部分は、室温付近において正方晶系または菱面体晶系のPZT系(PbZrO3−PbTiO3固溶体)や、PT(PbTiO3)系等のペロブスカイト構造を有する強誘電体である。そして、これらの組成に対して、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3やPb(Mn1/3Nb2/3)O3等の第三成分を置換し、あるいは様々な副成分を添加することにより、多種多様な要求特性への対応が図られている。 Here, a piezoelectric ceramic material is generally used as the piezoelectric material, but most of the piezoelectric ceramic materials currently in practical use are tetragonal or rhombohedral PZT (PbZrO 3 −) near room temperature. It is a ferroelectric having a perovskite structure such as PbTiO 3 solid solution) or PT (PbTiO 3 ). For these compositions, a third component such as Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 or Pb (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 is substituted, or various subcomponents. By adding, it is possible to cope with a wide variety of required characteristics.
しかしながら、これらの圧電セラミックス材料は、低温でも揮発性が極めて高い酸化鉛(PbO)を重量比で60%から70%程度含有しているのが一般的であり、生態学的な見地、及び公害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら鉛系の圧電セラミックス材料が工業製品として市場に出された後に不要となって環境中に廃棄されると、酸性雨によりセラミックス中の鉛が溶出するおそれがあり、深刻な土壌汚染を引き起こすことが懸念される。 However, these piezoelectric ceramic materials generally contain about 60% to 70% by weight of lead oxide (PbO), which is extremely volatile even at low temperatures. It is not preferable from the viewpoint of prevention. Specifically, if these lead-based piezoelectric ceramic materials are no longer needed after being put on the market as industrial products and disposed of in the environment, there is a risk that lead in the ceramics may be eluted by acid rain. There is concern about causing soil contamination.
鉛を全く含有しない圧電材料としては、例えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTiO3がよく知られているが、これはキュリー温度が120℃と低いため、実用的ではない。キュリー点とは強誘電体と常誘電体との相転移点であり、圧電特性が消失する温度でもある。 As a piezoelectric material not containing lead at all, for example, BaTiO 3 having a perovskite structure belonging to a tetragonal system is well known, but this is not practical because the Curie temperature is as low as 120 ° C. The Curie point is a phase transition point between a ferroelectric and a paraelectric, and is also a temperature at which the piezoelectric characteristics disappear.
その他の非鉛圧電セラミックス材料としては、例えば、ビスマス層状化合物が知られている。ビスマス層状化合物の多くは400℃以上のキュリー点(Na0.5LaBi3.5Ti4O15の場合、キュリー点は402℃)を有しており、前記ペロブスカイト構造のBaTiO3のような問題はないが、電気機械結合係数が小さいため、アクチュエータのような変位を必要とする用途には適さない。なお、電気機械結合係数とは電気エネールギーと機械エネルギーの変換効率を表しており、圧電材料における重要な特性の一つである。 As other lead-free piezoelectric ceramic materials, for example, bismuth layered compounds are known. Most of the bismuth layered compounds have a Curie point of 400 ° C. or higher (in the case of Na 0.5 LaBi 3.5 Ti 4 O 15 , the Curie point is 402 ° C.), and there is no problem like BaTiO 3 having the perovskite structure. Since the electromechanical coupling coefficient is small, it is not suitable for an application such as an actuator that requires displacement. The electromechanical coupling coefficient represents the conversion efficiency between electric energy and mechanical energy, and is one of important characteristics in piezoelectric materials.
電気機械結合係数が比較的大きい素子としては、ニオブ酸化合物、例えばKNbO3が報告されており、その単結晶を弾性表面波基板や圧電性変換器等に用いることが提案されている(例えば、特許文献1等を参照)。このニオブ酸化合物は、キュリー点が450℃と高く、単結晶としては非常に大きな電気機械結合係数を有する。
しかしながら、前記ニオブ酸化合物を圧電セラミックス材料として用いた例はなく、当然のことながら、ニオブ酸化合物からなる圧電セラミックス材料の圧電特性の報告はない。これは、ニオブ酸化合物が潮解性を有するため、例えば焼結後に空気中に放置しておくと水分と反応し、セラミックス材料が崩壊して特性を評価することができなくなるためである。 However, there is no example of using the niobic acid compound as a piezoelectric ceramic material, and there is no report on the piezoelectric characteristics of a piezoelectric ceramic material made of a niobic acid compound. This is because the niobic acid compound has deliquescent properties and, for example, if it is left in the air after sintering, it reacts with moisture and the ceramic material collapses, making it impossible to evaluate the characteristics.
したがって、前記のようにキュリー点や電気機械結合係数等の点で優れた特性を有するにもかかわらず、ニオブ酸化合物を圧電材料として利用するのは難しく、その用途が制約されているのが現状である。 Therefore, it is difficult to use a niobic acid compound as a piezoelectric material despite the fact that it has excellent characteristics such as the Curie point and the electromechanical coupling coefficient as described above, and its use is limited. It is.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、前記ニオブ酸化合物の潮解性を解消する技術を提案し、これによって、キュリー点が高く、大きな電気機械結合係数を有し、しかも実用性に優れた圧電組成物を提供することを目的とし、さらには、その製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and proposes a technique for eliminating the deliquescence of the niobic acid compound, thereby having a high Curie point and a large electromechanical coupling coefficient. And it aims at providing the piezoelectric composition excellent in practicality, and also aims at providing the manufacturing method.
本発明者らは、上述の目的を達成するために、長期に亘り種々の検討を重ねてきた。その結果、Biの添加がニオブ酸化合物の潮解性の解消に極めて有効であり、さらにMnを併せて添加することで、抵抗率も高い値に維持されるとの知見を得るに至った。 In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have made various studies over a long period of time. As a result, the inventors have found that the addition of Bi is extremely effective in eliminating the deliquescence of the niobic acid compound, and that the resistivity is also maintained at a high value by adding Mn together.
本発明は、このような知見に基づいて案出されたものであり、一般式KNbO3で表されるニオブ酸化合物を主成分とするとともに、前記ニオブ酸化合物及びBi及びMnからなり、Biの含有量は、Bi2O3換算で、ニオブ酸化合物に対して0.2重量%以上、1重量%未満であり、Mnの含有量は、MnCO3換算で、ニオブ酸化合物に対して0.2重量%以上、1.0重量%以下であることを特徴とする。 The present invention has been devised based on such knowledge, and comprises a niobic acid compound represented by the general formula KNbO 3 as a main component, the niobic acid compound, and Bi and Mn. The content is 0.2% by weight or more and less than 1% by weight with respect to the niobic acid compound in terms of Bi 2 O 3 , and the content of Mn is 0.2% with respect to the niobic acid compound in terms of MnCO 3 . It is characterized by being 2% by weight or more and 1.0% by weight or less.
本発明は、鉛(Pb)を含まないニオブ酸化合物を主成分とするものである。ニオブ酸化合物、例えばKNbO3は、キュリー点が高く、非常に大きな電気機械結合係数を有するという特徴を有する。ただし、潮解性を有するため、例えばセラミックス材料としての利用は難しい。そこで、本発明では、Biを添加することで、潮解性を抑えることとする。その理由について、詳細は不明であるが、Biを添加することで、潮解性が確実に抑えられ、また、キュリー点が高く非常に大きな電気機械結合係数を有するという特徴も維持される。 The present invention is mainly composed of a niobic acid compound containing no lead (Pb). Niobic acid compounds such as KNbO 3 are characterized by a high Curie point and a very large electromechanical coupling coefficient. However, since it has deliquescence, it is difficult to use it as a ceramic material, for example. Therefore, in the present invention, deliquescence is suppressed by adding Bi. Although the details are unknown for the reason, by adding Bi, the deliquescence property is surely suppressed, and the characteristics that the Curie point is high and the electromechanical coupling coefficient is very large are also maintained.
また、本発明は、前記構成に加えて、さらにMnを含有することを特徴とする。圧電組成物においては、抵抗率が下がると分極工程で絶縁破壊する確率が高くなる。ニオブ酸化合物にMnを添加すると、抵抗率が高いレベルで維持され、分極工程での絶縁破壊が抑制される。 Further, the present invention is characterized by further containing Mn in addition to the above configuration. In the piezoelectric composition, when the resistivity decreases, the probability of dielectric breakdown in the polarization process increases. When Mn is added to the niobic acid compound, the resistivity is maintained at a high level, and the dielectric breakdown in the polarization process is suppressed.
本発明によれば、ニオブ酸化合物にBiを添加しているので、潮解性を解消することができ、例えば圧電セラミックス材料として用いることが可能である。セラミックス材料(磁器材料)は、単結晶に比べて遙かに簡単に、且つ短時間に製造することができ、したがって、本発明は、ニオブ酸化合物を圧電材料として実用化する上で、極めて有用な技術と言え、高性能で汎用な圧電組成物を実現することが可能である。 According to the present invention, since Bi is added to the niobic acid compound, deliquescence can be eliminated, and for example, it can be used as a piezoelectric ceramic material. Ceramic materials (porcelain materials) can be manufactured much more easily and in a shorter time than single crystals. Therefore, the present invention is extremely useful in putting niobic acid compounds into practical use as piezoelectric materials. It is possible to realize a high-performance and general-purpose piezoelectric composition.
また、本発明の圧電組成物においては、さらにMnを添加することにより、抵抗率を高くすることができ、分極工程等で絶縁破壊されることのない圧電組成物を提供することが可能である。 In addition, in the piezoelectric composition of the present invention, by adding Mn, it is possible to increase the resistivity and to provide a piezoelectric composition that does not break down in the polarization process or the like. .
さらに、本発明の圧電組成物は、ニオブ酸化合物を主成分とし、Pbを実質的に全く含有しないため、生物学的な見地、及び公害防止の観点から、極めて有用である。すなわち、生態系に悪影響を及ぼすことがなく、環境破壊を引き起こすことのない、自然に優しい圧電組成物を提供することが可能である。 Furthermore, the piezoelectric composition of the present invention is very useful from the viewpoint of biological and pollution prevention because it contains a niobic acid compound as a main component and contains substantially no Pb. That is, it is possible to provide a naturally-friendly piezoelectric composition that does not adversely affect the ecosystem and does not cause environmental destruction.
以下、本発明を適用した圧電組成物及びその製造方法について、詳細に説明する。 Hereinafter, a piezoelectric composition to which the present invention is applied and a method for producing the same will be described in detail.
本発明の圧電組成物は、ニオブ酸化合物を主成分とするものであり、キュリー点が高いこと、非常に大きな電気機械結合係数を有すること等、ニオブ酸化合物が有する圧電材料としての長所をそのまま生かすものである。 The piezoelectric composition of the present invention is mainly composed of a niobic acid compound, and has the advantages as a piezoelectric material possessed by the niobic acid compound, such as a high Curie point and a very large electromechanical coupling coefficient. It is something to save.
前記ニオブ酸化合物は、例えば一般式ANbO3(ただし、Aはアルカリ金属である。)で表される化合物であり、その単結晶は、例えば弾性表面波基板や光学レンズ等に用いられている。前記一般式で表される化合物は、NbとAサイト元素との複合酸化物の形態を採るが、ここでAサイト元素としては、アルカリ金属元素である。具体的には、アルカリ金属元素としては、K、Na、Liから選ばれる少なくとも1種であるが、圧電特性等の観点からは、カリウム(K)であることが好ましく、この場合には、前記ニオブ酸化合物は、KNbO3である。 The niobic acid compound is, for example, a compound represented by the general formula ANbO 3 (wherein A is an alkali metal), and its single crystal is used for, for example, a surface acoustic wave substrate or an optical lens. The compound represented by the above general formula takes the form of a complex oxide of Nb and an A site element, where the A site element is an alkali metal element. Specifically, the alkali metal element is at least one selected from K, Na, and Li, but potassium (K) is preferable from the viewpoint of piezoelectric characteristics and the like. The niobic acid compound is KNbO 3 .
また、前記一般式において、Nbのサイトの一部がTaにより置換されていてもよい。この場合、前記一般式は、ANb(1-x)TaxO3(式中のxは、0<x<1である。)で表されることになる。ただし、Taによる置換量が多くなりすぎると、ニオブ酸化合物自体が潮解性を示さなくなることから、潮解性を解消することを目的とする本発明の対象とならなくなる。また、Taによる置換により圧電特性も劣化することから、Taの置換量xは自ずと限度がある。これらに鑑みると、NbサイトがTaで置換されていないことが好ましい。 In the general formula, a part of the Nb site may be substituted with Ta. In this case, the general formula is represented by ANb (1-x) Ta x O 3 (where x is 0 <x <1). However, if the amount of substitution with Ta becomes too large, the niobic acid compound itself does not exhibit deliquescence, and thus is not an object of the present invention for the purpose of eliminating deliquescence. Further, since the piezoelectric characteristics are also deteriorated by the substitution with Ta, the substitution amount x of Ta is naturally limited. In view of these, it is preferable that the Nb site is not substituted with Ta.
本発明においては、前述のニオブ酸化合物に対してBiを加え、潮解性を解消する。ここで、Biの添加量(含有量)は、Bi2O3換算で、ニオブ酸化合物に対して0.2重量%以上、1重量%未満であることが好ましい。Biの添加量が、Bi2O3換算で0.2重量%未満であると、潮解性を十分に解消することができず、圧電特性を評価することができないおそれがある。Bi添加量が、Bi2O3換算で1重量%を越えると、パイロクロア相が生じるため、均一な組成が得られなくなるおそれがある。パイロクロア相の生成は、圧電特性の劣化の原因となり、好ましいものではない。 In the present invention, Bi is added to the aforementioned niobic acid compound to eliminate deliquescence. Here, the addition amount (content) of Bi is preferably 0.2% by weight or more and less than 1% by weight with respect to the niobic acid compound in terms of Bi 2 O 3 . If the amount of Bi added is less than 0.2% by weight in terms of Bi 2 O 3 , deliquescence cannot be sufficiently eliminated and piezoelectric characteristics may not be evaluated. If the amount of Bi added exceeds 1% by weight in terms of Bi 2 O 3 , a pyrochlore phase is generated, so that a uniform composition may not be obtained. The formation of the pyrochlore phase causes deterioration of piezoelectric characteristics and is not preferable.
本発明の圧電組成物においては、前記Biに加えて、Mnを添加することも有効である。Mnを添加することで、抵抗率を高くすることができ、分極工程における絶縁破壊を回避することができる。ただし、Mnの含有量は、MnCO3換算で、ニオブ酸化合物に対して1重量%未満であることが好ましい。Mnの添加量が、2重量%を越えると、緻密に焼結しなくなる。 In the piezoelectric composition of the present invention, it is also effective to add Mn in addition to the Bi. By adding Mn, the resistivity can be increased and dielectric breakdown in the polarization process can be avoided. However, the content of Mn is preferably less than 1% by weight with respect to the niobic acid compound in terms of MnCO 3 . If the amount of Mn added exceeds 2% by weight, it will not be densely sintered.
本発明の圧電組成物は、環境保全上の観点等から、鉛を実質的に含まない鉛フリーの圧電組成物であるが、ここで「鉛を実質的に含まない」とは、不純物レベルとは言えない量を越える鉛を含まないことを意味し、不純物レベルの量であれば含有されていてもよい趣旨である。鉛は、不可避不純物として極微量程度に含有されることがある。 The piezoelectric composition of the present invention is a lead-free piezoelectric composition that does not substantially contain lead from the viewpoint of environmental protection, etc., but here, “substantially does not contain lead” means an impurity level. This means that it does not contain lead exceeding the unacceptable amount, and it may be contained as long as it is in an impurity level. Lead may be contained in a trace amount as an inevitable impurity.
本発明の圧電組成物は、前記の通り、潮解性が解消されるので、圧電磁器組成物(圧電セラミックス)として用いることが可能である。圧電セラミックスとして用いることができれば、製造が容易なものとなり、また、その用途を大きく広げることが可能である。 Since the deliquescence is eliminated as described above, the piezoelectric composition of the present invention can be used as a piezoelectric ceramic composition (piezoelectric ceramic). If it can be used as a piezoelectric ceramic, it can be easily manufactured, and its application can be greatly expanded.
圧電セラミックスとする場合、例えば、ニオブ源及びアルカリ金属源となる原料化合物と、Bi源となる原料化合物とを混合し、焼成すればよい。このとき、ニオブ源となる原料化合物としては、例えば酸化ニオブ(Nb2O5)を用いる。アルカリ金属源となる原料化合物としては、例えば炭酸カリウム(K2CO3)を、Bi源となる化合物としては例えば酸化ビスマス(Bi2O3)を用いる。 In the case of a piezoelectric ceramic, for example, a raw material compound serving as a niobium source and an alkali metal source and a raw material compound serving as a Bi source may be mixed and fired. At this time, for example, niobium oxide (Nb 2 O 5 ) is used as a raw material compound that becomes a niobium source. For example, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is used as a raw material compound serving as an alkali metal source, and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is used as a compound serving as a Bi source.
また、Mnを併用する場合には、前記各原料に加えてMn源となる化合物を混合し、同様に焼成すればよい。Mn源となる原料化合物としては、例えば炭酸マンガン(MnCO3)を用いる。 When Mn is used in combination, a compound serving as a Mn source may be mixed in addition to the above raw materials and fired in the same manner. For example, manganese carbonate (MnCO 3 ) is used as a raw material compound that becomes a Mn source.
以上により製造される圧電セラミックスは、Nbとアルカリ金属(K)、Bi、さらにはMnを含む複合酸化物の形態をとるものと推定されるが、必ずしも全ての元素が固溶している必要はなく、一部が別の相を構成していてもよい。 The piezoelectric ceramic manufactured as described above is presumed to be in the form of a complex oxide containing Nb, alkali metal (K), Bi, and further Mn, but it is not always necessary that all elements are in solid solution. Alternatively, a part may constitute another phase.
以上のように、本発明の圧電組成物は、圧電セラミックスとして有用なものであるが、必ずしもこれに限らず、例えば単結晶として用いることも可能である。このような本発明の圧電組成物は、圧電センサーや、圧電アクチュエーター、超音波洗浄機用振動子、超音波モーター、圧電トランス等、各種圧電デバイスに用いることができ、キュリー点が高く非常に大きな電気機械結合係数を有することから、実用上、優れた圧電性能を発揮する。 As described above, the piezoelectric composition of the present invention is useful as a piezoelectric ceramic. Such a piezoelectric composition of the present invention can be used for various piezoelectric devices such as a piezoelectric sensor, a piezoelectric actuator, a vibrator for an ultrasonic cleaning machine, an ultrasonic motor, a piezoelectric transformer, etc., and has a very high Curie point. Since it has an electromechanical coupling coefficient, it exhibits excellent piezoelectric performance in practical use.
以下、本発明の具体的な実施例(なお、実験1は参考例)について、実験結果に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention (Experiment 1 is a reference example) will be described based on experimental results.
(実験1)
本実験では、ニオブ酸化合物へのBiの添加効果を調べた。出発原料としては、炭酸カリウム(K2CO3),酸化ニオブ(Nb2O5),及び酸化ビスマス(Bi2O3)の粉末原料を使用した。炭酸カリウム(K2CO3)及び酸化ニオブ(Nb2O5)についてはニオブ酸カリウム(KNbO3)の化学量論組成となるような比率で混合し、ここに酸化ビスマス(Bi2O3)を所定量加えた。これら出発原料をアセトン等の有機溶媒中に投入し、Zrボールとともに5〜20時間、ボールミルによる混合を行った。混合したスラリーを十分に乾燥させた後、プレス成形し、800℃〜900℃で仮焼成した。再度これらをボールミルで微粉砕した後、乾燥して、バインダーとしてPVA(ポリビニルアルコール)を適量加えて造粒した。造粒粉を直径20mm、厚み3mm程度の円盤状ペレット形状となるように1軸プレス成型機を用いて196MPaの荷重で成形した。成形した試料を熱処理し、バインダーを除去した後、1070℃で2時間の本焼成を行って磁器試料を得た。
(Experiment 1)
In this experiment, the effect of adding Bi to the niobate compound was examined. As starting materials, powder materials of potassium carbonate (K 2 CO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) were used. About potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ), they are mixed at a ratio that makes the stoichiometric composition of potassium niobate (KNbO 3 ), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is mixed there. A predetermined amount was added. These starting materials were put into an organic solvent such as acetone and mixed with a Zr ball by a ball mill for 5 to 20 hours. After fully drying the mixed slurry, it was press-molded and calcined at 800 ° C to 900 ° C. These were again finely pulverized with a ball mill, dried, and granulated with an appropriate amount of PVA (polyvinyl alcohol) added as a binder. The granulated powder was molded under a load of 196 MPa using a uniaxial press molding machine so as to form a disk-shaped pellet shape having a diameter of about 20 mm and a thickness of about 3 mm. The molded sample was heat treated to remove the binder, and then fired at 1070 ° C. for 2 hours to obtain a porcelain sample.
酸化ビスマス(Bi2O3)の量を表1に示すように変え、磁器試料1〜6を作製した。これら磁器試料について、潮解性の有無を調べた。潮解性は、得られた磁器試料を水の中に入れ、超音波洗浄を5分間行って評価した。前記超音波洗浄により磁器試料が崩れた場合は、潮解性あり(×)であり、崩れなかった場合は、潮解性なし(○)である。結果を表1に示す。 Porcelain samples 1 to 6 were produced by changing the amount of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) as shown in Table 1. These porcelain samples were examined for deliquescence. The deliquescence was evaluated by placing the obtained porcelain sample in water and performing ultrasonic cleaning for 5 minutes. When the porcelain sample collapses due to the ultrasonic cleaning, it is deliquescent (×), and when it does not collapse, it is not deliquescent (◯). The results are shown in Table 1.
表1に示すように、出発原料に酸化ビスマス(Bi2O3)を加えていない試料1では、潮解性が認められた。また、出発原料に酸化ビスマス(Bi2O3)を加えた試料であっても、酸化ビスマス(Bi2O3)が0.1重量%と少ない試料2では、やはり潮解性が解消されていない。これに対して、酸化ビスマス(Bi2O3)を0.2重量%以上加えた試料3〜試料6では、潮解性が解消され、水中で超音波洗浄を行っても、崩れることはなかった。 As shown in Table 1, deliquescence was observed in Sample 1 in which bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) was not added to the starting material. Further, even in the sample in which bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) is added to the starting material, the deliquescence is still not resolved in the sample 2 having a small amount of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) of 0.1 wt% . In contrast, Samples 3 to 6 to which 0.2% by weight or more of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) was added eliminated the deliquescence and did not collapse even when ultrasonic cleaning was performed in water. .
(実験2)
本実験では、Mnの添加効果を調べた。出発原料としては、先の実験1と同様であるが、さらに炭酸マンガン(MnCO3)を加えた。酸化ビスマス(Bi2O3)の添加量は0.5重量%である。前記炭酸マンガン(MnCO3)の添加量を表2に示すように変え、他は実験1と同様のプロセスで磁器試料7〜磁器試料12を作製した。これら磁器試料について、絶縁抵抗(抵抗率)及び圧電特性(電気機械結合係数k33)を測定した。測定方法は下記の通りである。
(Experiment 2)
In this experiment, the effect of adding Mn was examined. The starting material was the same as in Experiment 1 above, but manganese carbonate (MnCO 3 ) was further added. The amount of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) added is 0.5% by weight. Porous samples 7 to 12 were prepared in the same manner as in Experiment 1 except that the amount of manganese carbonate (MnCO 3 ) added was changed as shown in Table 2. With respect to these porcelain samples, insulation resistance (resistivity) and piezoelectric characteristics (electromechanical coupling coefficient k 33 ) were measured. The measuring method is as follows.
(1)絶縁抵抗の測定
磁器試料の両面にAgペーストを塗布し、550℃で焼き付けて絶縁抵抗測定用の試験片を得た。測定は室温で行い、High Resistance Meter(HP4339B)を使用して絶縁抵抗を測定し、抵抗率を算出した。
(1) Measurement of insulation resistance An Ag paste was applied to both surfaces of a porcelain sample and baked at 550 ° C to obtain a test piece for measuring insulation resistance. The measurement was performed at room temperature, the insulation resistance was measured using a High Resistance Meter (HP4339B), and the resistivity was calculated.
(2)圧電特性の測定
磁器試料から2mm×2mm×4mmの角柱状の試料を切り出して試験片を得た。試験片の両端部(4.7mm方向)にAgペーストを塗布し、電極を550℃で焼き付け形成した。その後、温度100℃〜250℃のシリコンオイル槽中で5kV/mmの電界を10分間印加し、分極処理を行った。分極した試料について、室温における共振周波数frと反共振周波数faをインピーダンスアナライザーHP4294Aにより測定し、以下の数1に示す式により電気機械結合係数k33を計算した。
(2) Measurement of piezoelectric characteristics A 2 mm × 2 mm × 4 mm prismatic sample was cut out from a porcelain sample to obtain a test piece. Ag paste was applied to both ends (4.7 mm direction) of the test piece, and the electrode was baked and formed at 550 ° C. Thereafter, an electric field of 5 kV / mm was applied for 10 minutes in a silicon oil bath at a temperature of 100 ° C. to 250 ° C. to perform polarization treatment. The polarized sample is measured by an impedance analyzer HP4294A the resonant frequency fr and the antiresonant frequency fa at room temperature, was calculated electromechanical coupling coefficient k 33 according to the equation shown in the following equation (1).
前記磁器試料7〜12についての測定結果を表2に示す。 Table 2 shows the measurement results for the porcelain samples 7-12.
この表2から明らかなように、Mnを添加していない磁器試料7では、抵抗率が小さく、分極が不可能であった。これに対して、磁器試料8〜磁器試料10のように、Mnを添加することで、抵抗率が一桁以上大きな値となり、電気機械結合係数k33についても良好な値を示した。ただし、磁器試料12のように、Mnの添加量が多くなりすぎると、緻密に焼結しなくなることがわかった。 As apparent from Table 2, the porcelain sample 7 to which Mn was not added had a low resistivity and could not be polarized. In contrast, as in the porcelain sample 8 porcelain sample 10, the addition of Mn, the resistivity becomes large more than one order, it showed good values also electromechanical coupling coefficient k 33. However, as in the porcelain sample 12, when the amount of Mn added is too large, it was found that the ceramic sample was not densely sintered.
Claims (2)
Biの含有量は、Bi2O3換算で、ニオブ酸化合物に対して0.2重量%以上、1重量%未満であり、
Mnの含有量は、MnCO3換算で、ニオブ酸化合物に対して0.2重量%以上、1.0重量%以下であることを特徴とする圧電組成物。 The main component is a niobic acid compound represented by the general formula KNbO 3 , and the niobic acid compound is composed of Bi and Mn.
The content of Bi is calculated as Bi 2 O 3, 0.2 wt% or more with respect niobate compound is less than 1 wt%,
The content of Mn is a MnCO 3 basis, 0.2 wt% or more with respect niobate compound, the piezoelectric composition characterized in that 1.0 wt% or less.
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