JP5860350B2 - Polymer composite piezoelectric body and piezoelectric element using the same - Google Patents

Polymer composite piezoelectric body and piezoelectric element using the same Download PDF

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本発明は、センサ、超音波探触子、振動発電器等に好適な高分子複合圧電体、及びこの圧電体を用いた圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a polymer composite piezoelectric body suitable for a sensor, an ultrasonic probe, a vibration power generator, and the like, and a piezoelectric element using the piezoelectric body.

高分子圧電材料は、フレキシビリティ性、耐衝撃性、易加工性、大面積化が可能、等の高分子材料特有の特性を備えた圧電材料であり、無機圧電材料に比して電力出力定数(圧電g定数)が高く、また、音響インピーダンスが人体や水に近いため、各種センサや超音波探触子、ハイドロホン等の超音波トランスデューサーや制振材(ダンパー)、振動発電への応用が期待されている。これらの応用分野においては、単位電界あたりの歪量(発信能)の指標である圧電歪み定数(d定数)、及び単位応力あたりの発生電界強度(受信能)の指標であるg定数の双方の大きさ、又はそのバランスの優れた圧電材料が求められている。   A polymer piezoelectric material is a piezoelectric material with characteristics peculiar to polymer materials such as flexibility, impact resistance, ease of processing, and large area, and power output constant compared to inorganic piezoelectric materials. (Piezoelectric g constant) is high and the acoustic impedance is close to that of the human body and water, so it is applicable to various sensors, ultrasonic transducers, ultrasonic transducers such as hydrophones, damping materials (dampers), and vibration power generation. Is expected. In these application fields, both the piezoelectric strain constant (d constant), which is an index of strain amount (transmitting ability) per unit electric field, and the g constant, which is an index of generated electric field strength (receiving ability) per unit stress. There is a need for piezoelectric materials that are excellent in size or balance.

高分子圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)に代表される高分子物質自身に圧電性を有する圧電高分子が知られているが、無機圧電材料に比してd定数が低いため、上記用途に用いる場合に充分な性能が得られない。   As a polymer piezoelectric material, a piezoelectric polymer having a piezoelectric property in a polymer substance itself represented by polyvinylidene fluoride (PVDF) is known, but the d constant is lower than that of an inorganic piezoelectric material. When used in applications, sufficient performance cannot be obtained.

一方、高分子材料をマトリックスとして、マトリックス中に無機圧電体を複合化して圧電性を付与する圧電体―高分子圧電コンポジット(高分子複合圧電体、以下、圧電コンポジットとする)は、上記高分子材料特有の長所と、無機圧電体の優れた圧電性能(d定数)が活かされた圧電体であり、マトリックスとなる高分子の種類や無機圧電体の種類や組成、コネクティビティ、形状、そして配合比を変化させることによって、様々な用途に応じた材料設計が可能な圧電体として注目されている。   On the other hand, a piezoelectric material-polymer piezoelectric composite (polymer composite piezoelectric material, hereinafter referred to as a piezoelectric composite) that provides a piezoelectric property by using a polymer material as a matrix and composites an inorganic piezoelectric material in the matrix is the above polymer. This is a piezoelectric material that takes advantage of the material's unique advantages and excellent piezoelectric performance (d constant) of inorganic piezoelectric material. The type of polymer used as matrix, the type and composition of inorganic piezoelectric material, connectivity, shape, and compounding ratio It has been attracting attention as a piezoelectric material that can be designed in accordance with various applications by changing.

一般に、圧電コンポジットの圧電特性は、圧電体自身の持つ圧電特性より低くなる傾向にある。従って、圧電コンポジットに用いる圧電体としては、高い圧電性能を有するチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)をはじめとする鉛系圧電材料が主に用いられている。 In general, the piezoelectric characteristics of a piezoelectric composite tend to be lower than the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body itself. Accordingly, lead-based piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 : PZT) having high piezoelectric performance are mainly used as the piezoelectric body used in the piezoelectric composite.

一方で、鉛は毒性の強い元素であることから、製造過程での廃棄物や使用中の材料からの流出、そして使用後の廃棄による土壌汚染、大気汚染等の環境問題が避けられないため、圧電コンポジットにおいても非鉛化の要求が高まっている。しかしながら、現状の非鉛系圧電材料は、d定数が鉛系に比して劣るため、鉛系圧電コンポジットに匹敵する高い圧電性能を得ることが難しい。   On the other hand, since lead is a highly toxic element, environmental problems such as soil contamination and air pollution due to waste from the waste and materials used in the manufacturing process, and disposal after use are inevitable. There is an increasing demand for lead-free piezoelectric composites. However, since the current lead-free piezoelectric material has a d constant that is inferior to that of lead, it is difficult to obtain high piezoelectric performance comparable to that of lead-based piezoelectric composites.

特許文献1には、ビスマス層状化合物と圧電高分子(PVDFと3フッ化エチレンの共重合体)からなる圧電コンポジットが開示されている。また、非特許文献1には、(Bi,Na)TiO―BaTiO(BNT−BT)と圧電高分子(PVDFと3フッ化エチレンの共重合体)からなる圧電コンポジットが記載されている。 Patent Document 1 discloses a piezoelectric composite comprising a bismuth layered compound and a piezoelectric polymer (a copolymer of PVDF and ethylene trifluoride). Non-Patent Document 1 describes a piezoelectric composite composed of (Bi, Na) TiO 3 —BaTiO 3 (BNT-BT) and a piezoelectric polymer (a copolymer of PVDF and ethylene trifluoride).

非特許文献2には、市販の小型液晶ディスプレイを駆動可能な発電素子として、円錐状のノンドープ酸化亜鉛ナノワイヤをPMMA中に分散してなる圧電コンポジットを用いた発電素子が記載されている。本文献では、酸化亜鉛粒子を円錐角0.87°の円錐状とすることにより単極発電機の単極のような振る舞いをさせることにより、巨視的な圧電性能発現させて発電特性の向上を図っている。   Non-Patent Document 2 describes a power generation element using a piezoelectric composite formed by dispersing conical non-doped zinc oxide nanowires in PMMA as a power generation element capable of driving a commercially available small liquid crystal display. In this document, by making the zinc oxide particles have a cone shape with a cone angle of 0.87 °, the behavior of the monopolar generator is similar to that of a monopolar generator. I am trying.

特許第3075447号公報Japanese Patent No. 3075447

Kwok-ho Lam et. al, “Piezoelectric and pyroelectric properties of (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3/P(VDF-TrFE) 0-3 composites.”, Composites part A 36 (2005) 1595-1599.Kwok-ho Lam et. Al, “Piezoelectric and pyroelectric properties of (Bi0.5Na0.5) 0.94Ba0.06TiO3 / P (VDF-TrFE) 0-3 composites.”, Composites part A 36 (2005) 1595-1599. Youfan Hu et al., “High-Output Nanogenerator by Rational Unipolar Assembly of Conical Nanowires and Its Application for Driving a Small Liquid Crystal Display.”, Nano Lett. 2010, 10, 5025-5031.Youfan Hu et al., “High-Output Nanogenerator by Rational Unipolar Assembly of Conical Nanowires and Its Application for Driving a Small Liquid Crystal Display.”, Nano Lett. 2010, 10, 5025-5031.

特許文献1及び非特許文献1,非特許文献2の圧電コンポジットは、双方とも非鉛系の材料であり、環境に優しい点で好ましい。   The piezoelectric composites of Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2 are both lead-free materials, which are preferable in terms of environmental friendliness.

しかしながら、特許文献1の圧電コンポジットは、無機圧電体としてビスマス層状化合物を用いており、ビスマス層状化合物はキュリー点が500℃〜800℃とPZTよりも高いため、熱安定性に優れるという利点を有しているものの、圧電性能は圧電体の含有量に関わらず20pC/Nと低い。   However, the piezoelectric composite of Patent Document 1 uses a bismuth layered compound as an inorganic piezoelectric body. Since the bismuth layered compound has a Curie point of 500 ° C. to 800 ° C., which is higher than PZT, it has an advantage of excellent thermal stability. However, the piezoelectric performance is as low as 20 pC / N regardless of the content of the piezoelectric material.

また、非特許文献1の材料系についても同様に、比較的高い焦電性能は得られているものの、高い圧電性能は得られていない。非特許文献2の圧電コンポジットについては、形状制御により圧電性の向上をはかるものであり、精密な形状制御が必要になる上、その圧電性能も低い。   Similarly, in the material system of Non-Patent Document 1, a relatively high pyroelectric performance is obtained, but a high piezoelectric performance is not obtained. The piezoelectric composite of Non-Patent Document 2 is intended to improve piezoelectricity by shape control, requires precise shape control, and has low piezoelectric performance.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電性能が良好な非鉛系高分子複合圧電体を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a lead-free polymer composite piezoelectric body having good piezoelectric performance.

本発明の高分子複合圧電体は、有機高分子樹脂と、該有機高分子樹脂中に分散されてなる複数の圧電体を含み、
該圧電体は、下記一般式(P)で表される組成を有するウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)ことを特徴とするものである
Zn(A,B,C)O ・・・ (P)
(式(P)中、0.6≦x<1、y+z+w≠0、A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
The polymer composite piezoelectric material of the present invention includes an organic polymer resin and a plurality of piezoelectric materials dispersed in the organic polymer resin,
The piezoelectric body is made of a wurtzite complex oxide having a composition represented by the following general formula (P) (may contain inevitable impurities): Zn x (A y , B z , C w ) O (P)
(In formula (P), 0.6 ≦ x <1, y + z + w ≠ 0, A: at least one selected from the group consisting of Li, Na, and K, which is a monovalent M-site element having an ionic valence. B: an M site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. : M site element having an average ion valence larger than 2 and Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and W And at least one metal element selected from the group consisting of:

本明細書において、高分子複合圧電体とは、有機高分子樹脂と圧電体との複合体を意味し、一般に「圧電コンポジット、コンポジット圧電体」と称されるものを意味する(社団法人 日本セラミックス協会編,「セラミックコンポジット 第2章セラミックープラスチック圧電コンポジット」,培風館)。   In the present specification, the polymer composite piezoelectric material means a composite of an organic polymer resin and a piezoelectric material, and generally refers to what is called “piezoelectric composite, composite piezoelectric material” (Japan Ceramics Corporation). Association edition, “Ceramic composite, Chapter 2 Ceramic-plastic piezoelectric composite”, Baifukan).

母体酸化物が酸化亜鉛であるウルツァイト型複合酸化物は、比較的酸素欠損を生じやすいことが知られており、一般式(P)の組成は、ウルツァイト型の結晶構造を取り得る範囲で、化学量論組成からずれてもよいものとする。ウルツァイト型の結晶構造とは、ZnSやZnOに代表される一般式MXで表される六方晶系結晶構造であり、元素Mの周りに元素Xが4個配位し、Xの周りにMが4個配位している。   It is known that the wurtzite type complex oxide whose base oxide is zinc oxide is relatively easy to generate oxygen vacancies, and the composition of the general formula (P) is within the range that can take a wurtzite type crystal structure. It may deviate from the stoichiometric composition. The wurtzite crystal structure is a hexagonal crystal structure represented by the general formula MX represented by ZnS and ZnO, in which four elements X are coordinated around the element M, and M is around the X. Four are coordinated.

本明細書において、「圧電体である」とは、圧電素子とした際にリーク電流が問題とならないレベルの絶縁性、すなわち、電気抵抗率が絶縁体領域(200MΩ/□以上)であり、物質に圧力を加えた時に、その圧力に比例した分極を生じて表面電荷が現れる性質を有すること、また、逆に電界を印加した時に、物質が変形する性質を有することを意味する。   In this specification, “being a piezoelectric body” means a level of insulation that does not cause a problem of leakage current when a piezoelectric element is used, that is, an electrical resistivity is an insulator region (200 MΩ / □ or more), and a substance This means that when a pressure is applied, the material has a property of causing a polarization proportional to the pressure to cause surface charge to appear, and conversely, when an electric field is applied, the material is deformed.

本発明の高分子複合圧電体において、前記ウルツァイト型複合酸化物の誘電率と、前記有機高分子樹脂との誘電率との差が、圧電体の誘電率の50%以内であることが好ましく、10%以内であることがより好ましい。前記有機高分子樹脂の誘電率は7以上であることが好ましい。   In the polymer composite piezoelectric material of the present invention, the difference between the dielectric constant of the wurtzite complex oxide and the dielectric constant of the organic polymer resin is preferably within 50% of the dielectric constant of the piezoelectric material, More preferably, it is within 10%. The organic polymer resin preferably has a dielectric constant of 7 or more.

前記複数の圧電体の各々は結晶配向性を有しており、該複数の圧電体の分極方向が略平行となるように配列して前記有機高分子樹脂中に分散されてなる態様が好ましい。また、前記複数の圧電体は、c軸配向性を有していることが好ましい。   Each of the plurality of piezoelectric bodies has crystal orientation, and it is preferable that the plurality of piezoelectric bodies are arranged so that the polarization directions thereof are substantially parallel and dispersed in the organic polymer resin. The plurality of piezoelectric bodies preferably have c-axis orientation.

本明細書において、「結晶配向性を有する」とは、Lotgerling法により測定される配向率Fが、80%以上であることと定義する。配向率Fは、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。
配向率Fは、下記式(i)で表される。
F(%)=(P−P0)/(1−P0)×100・・・(i)
式(i)中、Pは、配向面からの反射強度の合計と全反射強度の合計の比である。(00l)配向の場合、Pは、(00l)面からの反射強度I(00l)の合計ΣI(00l)と、各結晶面(hkl)からの反射強度I(hkl)の合計ΣI(hkl)との比({ΣI(00l)/ΣI(hkl)})である。例えば、ウルツァイト型結晶において(001)配向の場合、P=I(002)/[I(002)+I(100)+I(101)+I(102)+I(110)+I(103)]である。
P0は、完全にランダムな配向をしている試料のPである。
完全にランダムな配向をしている場合(P=P0)にはF=0%であり、完全に配向をしている場合(P=1)にはF=100%である。
In this specification, “having crystal orientation” is defined as an orientation rate F measured by the Lottgering method being 80% or more. The orientation rate F is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.
The orientation rate F is represented by the following formula (i).
F (%) = (P−P0) / (1−P0) × 100 (i)
In formula (i), P is the ratio of the total reflection intensity from the orientation plane to the total reflection intensity. In the case of (00l) orientation, P is the sum ΣI (00l) of the reflection intensity I (00l) from the (00l) plane and the sum ΣI (hkl) of the reflection intensity I (hkl) from each crystal plane (hkl). ({ΣI (00l) / ΣI (hkl)}). For example, in the case of a (001) orientation in a wurtzite crystal, P = I (002) / [I (002) + I (100) + I (101) + I (102) + I (110) + I (103)].
P0 is P of a sample having a completely random orientation.
When the orientation is completely random (P = P0), F = 0%, and when the orientation is complete (P = 1), F = 100%.

前記圧電体は、誘電率が15以上40以下、圧電定数d33が50pC/N以上であることが好ましい。 The piezoelectric body has a dielectric constant of 15 or more and 40 or less, it is preferable piezoelectric constant d 33 is 50pc / N or more.

前記有機高分子樹脂中の前記圧電体の体積分率は、30%以上90%以下であることが好ましい。   The volume fraction of the piezoelectric body in the organic polymer resin is preferably 30% or more and 90% or less.

本発明によれば、圧電定数d33が30pC/N以上の高分子複合圧電体を提供することができる。 According to the present invention, a polymer composite piezoelectric body having a piezoelectric constant d33 of 30 pC / N or more can be provided.

本発明の高分子複合圧電体は、0−3型連結性を有するもの、又は、1−3型連結性を有するものであることが好ましい。ここで、高分子複合圧電体の連結性とは、Newnhamらによって提案された複合体の連結性(コネクティビティ)を意味している(R.E. Newnham et. Al, Mater. Res. Bull. 13, 525 (1978))。具体的には、高分子複合圧電体をサイコロ状の集合体としてとらえ、XYZの3軸に分解した時に圧電体が3軸のうち自己接続している軸の数をm、高分子が3軸のうち自己接続している軸の数をnとして、m−n連結性として示している。   The polymer composite piezoelectric material of the present invention preferably has 0-3 type connectivity or 1-3 type connectivity. Here, the connectivity of the polymer composite piezoelectric material means the connectivity of the composite proposed by Newham et al. (RE Newnham et. Al, Mater. Res. Bull. 13, 525 ( 1978)). Specifically, the polymer composite piezoelectric body is regarded as a dice-like assembly, and when the XYZ three axes are decomposed, the number of axes that the piezoelectric body self-connects among the three axes is m, and the polymer is three axes. Of these, the number of self-connected axes is n, which is shown as mn connectivity.

1−3型連結性とは、圧電体が1軸方向にのみに自己接続しており、高分子が3軸すべてに自己接続している構造を意味する。0−3連結性とは、圧電体がどの軸にも自己接続しておらず、高分子が3軸すべてに自己接続している構造、すなわち、粒子状の圧電体が有機高分子樹脂中に分散されてなる態様であることを意味する。   The 1-3 type connectivity means a structure in which the piezoelectric body is self-connected only in one axial direction and the polymer is self-connected in all three axes. 0-3 connectivity is a structure in which the piezoelectric body is not self-connected to any axis, and the polymer is self-connected to all three axes, that is, the particulate piezoelectric body is in the organic polymer resin. It means that it is a dispersed mode.

前記圧電体としては、下記一般式(PX)又は(PY)で表される組成を有するウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)ものであることが好ましい。
Zn(A,B,C)O ・・・ (PX)
(式(PX)中、0.6≦x<1、0≦y、0≦z、0<w,
A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
The piezoelectric body is preferably made of a wurtzite complex oxide (which may include inevitable impurities) having a composition represented by the following general formula (PX) or (PY).
Zn x (A y , B z , C w ) O (PX)
(In formula (PX), 0.6 ≦ x <1, 0 ≦ y, 0 ≦ z, 0 <w,
A: M site element having a monovalent ionic valence, and at least one metal element selected from the group consisting of Li, Na, and K. B: M-site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. C: M site element having an average ion valence greater than divalent, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and And at least one metal element selected from the group consisting of W. )

Zn(A,B,C)O ・・・ (PY)
(式(PX)中、0.6≦x<1、0<y、0≦z、0<w,
A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
Zn x (A y , B z , C w ) O (PY)
(In the formula (PX), 0.6 ≦ x <1, 0 <y, 0 ≦ z, 0 <w,
A: M site element having a monovalent ionic valence, and at least one metal element selected from the group consisting of Li, Na, and K. B: M-site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. C: M site element having an average ion valence greater than divalent, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and And at least one metal element selected from the group consisting of W. )

本発明の高分子複合圧電体において、前記元素Aを含有する場合、元素AはLi又はNaであることが好ましい。また、本発明の高分子複合圧電体は、圧電体膜であることが好ましい。   In the polymer composite piezoelectric material of the present invention, when the element A is contained, the element A is preferably Li or Na. The polymer composite piezoelectric material of the present invention is preferably a piezoelectric film.

本発明の圧電素子は、上記本発明の高分子複合圧電体と、該圧電体を挟持する一対の電極とを備えたことを特徴とするものである。   A piezoelectric element according to the present invention includes the above-described polymer composite piezoelectric body according to the present invention and a pair of electrodes that sandwich the piezoelectric body.

本発明の高分子複合圧電体は、圧電体として、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体を用いている。本発明者らは、これまで酸化物自身の圧電定数の低さから、圧電体としてあまり注目されていなかった酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物が、鉛系ペロブスカイト型酸化物より誘電率が低いことにより、高分子複合圧電体とした際に生じる圧電定数の低下を抑制可能であり、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物を圧電体として用いた高分子複合圧電体において、鉛系ペロブスカイト型酸化物を上回る圧電性能を示すことを見出した。本発明によれば、圧電性能が良好な非鉛系高分子複合圧電体を提供することができる。   The polymer composite piezoelectric material of the present invention uses a piezoelectric material (which may contain inevitable impurities) made of a zinc oxide-based wurtzite composite oxide. The inventors of the present invention show that the oxide constant of a zinc oxide-based wurzite-type composite oxide, which has not been attracting much attention as a piezoelectric material, is lower than that of a lead-based perovskite-type oxide because of the low piezoelectric constant of the oxide itself. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the piezoelectric constant that occurs when a polymer composite piezoelectric material is formed. In a polymer composite piezoelectric material using a zinc oxide-based wurtzite-type composite oxide as a piezoelectric material, a lead-based perovskite-type oxide is used. It has been found that it exhibits superior piezoelectric performance. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lead-free polymer composite piezoelectric material with favorable piezoelectric performance can be provided.

また、母体酸化物である酸化亜鉛のZnサイト(Mサイト)に、イオン価数1価の金属元素と、イオン価数2価より大きい金属元素とを、圧電性を有し,且つ、ウルツァイト構造を取りうる範囲内で合計40モル%以下の割合で含有する酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)を圧電体として用いた態様では、良好な絶縁性及び圧電特性を有する非鉛系高分子複合圧電体を提供することができる。   A Zn site (M site) of zinc oxide, which is a base oxide, includes a metal element having an ionic valence of 1 and a metal element having a valence of more than 2 having a piezoelectric property and a wurtzite structure. In a mode in which a zinc oxide-based wurtzite complex oxide (which may contain inevitable impurities) containing a total amount of 40 mol% or less within a range that can take up the above is used as a piezoelectric body, good insulation and piezoelectric characteristics It is possible to provide a lead-free polymer composite piezoelectric material having:

本発明に係る実施形態の1−3連結性を有する高分子複合圧電体(圧電コンポジット)の構造を示す模式図1 is a schematic diagram showing the structure of a polymer composite piezoelectric body (piezoelectric composite) having 1-3 connectivity according to an embodiment of the present invention. 本発明に係る実施形態の0−3連結性を有する圧電コンポジットの構造を示す模式図The schematic diagram which shows the structure of the piezoelectric composite which has 0-3 connectivity of embodiment which concerns on this invention Bannoの改良立方体モデルを示す図Diagram showing Banno's improved cube model Bannoの改良立方体モデルの単位胞を示す図Diagram showing the unit cell of Banno's improved cube model 圧電体の誘電率の圧電コンポジットの圧電定数d33への影響を示す図It shows the effect on the piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric composite of the dielectric constant of the piezoelectric 圧電体の誘電率の圧電コンポジットの圧電定数g33への影響を示す図It shows the effect on the piezoelectric constant g 33 of the piezoelectric composite of the dielectric constant of the piezoelectric 圧電体の誘電率の圧電コンポジットの発電指数への影響を示す図Diagram showing influence of dielectric constant of piezoelectric material on power generation index of piezoelectric composite Vドープ酸化亜鉛の圧電コンポジット中の体積分率と圧電定数d33との関係を示す図Diagram showing the relationship between the volume fraction and the piezoelectric constant d 33 in the piezoelectric composite of V-doped zinc oxide Vドープ酸化亜鉛の圧電コンポジット中の体積分率と発電指数との関係を示す図The figure which shows the relationship between the volume fraction and power generation index in the piezoelectric composite of V dope zinc oxide Vドープ酸化亜鉛とPZTについて、圧電コンポジット中の体積分率と圧電定数d33との関係を比較した図For V-doped zinc oxide and PZT, and compared the relationship between the volume fraction and the piezoelectric constant d 33 in the piezoelectric composite drawing Vドープ酸化亜鉛とPZTについて、圧電コンポジット中の体積分率と圧電定数g33との関係を比較した図For V-doped zinc oxide and PZT, and compared the relationship between the volume fraction and the piezoelectric constant g 33 in the piezoelectric composite drawing Vドープ酸化亜鉛とPZTについて、圧電コンポジット中の体積分率と発電指数との関係を比較した図Comparison of the relationship between volume fraction and power generation index in piezoelectric composites for V-doped zinc oxide and PZT ノンドープ酸化亜鉛の一つの結晶格子を示す模式図Schematic showing one crystal lattice of non-doped zinc oxide 共ドープ酸化亜鉛の一つの結晶格子を示す模式図Schematic showing one crystal lattice of co-doped zinc oxide ドーパントの価数とイオン半径の関係を示す図Diagram showing the relationship between dopant valence and ion radius 本発明に係る実施形態の圧電素子の構造を示す要部断面図Sectional drawing which shows the principal part which shows the structure of the piezoelectric element of embodiment which concerns on this invention

「高分子複合圧電体(圧電コンポジット)」
図面を参照して、本発明にかかる一実施形態の高分子複合圧電体(圧電コンポジット)について説明する。圧電コンポジットは、圧電体と有機高分子樹脂の連結性にいくつかの種類があるが、求められる性能に応じて適した連結性を選べばよい。連結性による性能の違いについては上記した日本セラミックス協会編の文献をはじめとする圧電コンポジットに関する文献に記載されている。
"Polymer composite piezoelectric material (piezoelectric composite)"
A polymer composite piezoelectric body (piezoelectric composite) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Piezoelectric composites have several types of connectivity between the piezoelectric body and the organic polymer resin, and a suitable connectivity may be selected according to the required performance. The difference in performance due to connectivity is described in the literature relating to piezoelectric composites including the above-mentioned literature edited by the Japan Ceramic Society.

図1Aは1−3連結性を有する圧電コンポジット(以下、1−3コンポジットとする。)、図1Bは、0−3連結性を有する圧電コンポジット(以下、0−3コンポジットとする。)を模式的に示した斜視図である。   1A schematically illustrates a piezoelectric composite having 1-3 connectivity (hereinafter referred to as 1-3 composite), and FIG. 1B schematically illustrates a piezoelectric composite having 0-3 connectivity (hereinafter referred to as 0-3 composite). FIG.

図1Aの1−3コンポジットでは、圧電コンポジット1aは、有機高分子樹脂12a中に、柱状(ファイバー状)の圧電体11aが、圧電体11aの長軸方向が図示されるz軸と略平行となるように複数本独立して配された構成としている。1本の柱状圧電体11aはz軸方向にのみ連結性を有しており、柱の周囲は有機高分子樹脂12に覆われている。   In the 1-3 composite of FIG. 1A, the piezoelectric composite 1a includes a columnar (fiber-like) piezoelectric body 11a in an organic polymer resin 12a, and the major axis direction of the piezoelectric body 11a is substantially parallel to the z-axis shown in the figure. In this way, a plurality of pieces are independently arranged. One columnar piezoelectric body 11 a has connectivity only in the z-axis direction, and the periphery of the column is covered with an organic polymer resin 12.

圧電コンポジット1aは、通常の1−3コンポジットを作製する方法により製造すればよく、例えば、ダイキャスト法やウエハー作製用のマルチブレードウエハリングソーを用いてアレイ状の柱状圧電体11aを作製し、アレイ間の隙間に有機高分子樹脂を流し込む方法等により作製することができる。   The piezoelectric composite 1a may be manufactured by a method of manufacturing a normal 1-3 composite. For example, an array-shaped columnar piezoelectric body 11a is manufactured using a die casting method or a multi-blade wafer ring saw for wafer manufacturing, It can be produced by a method of pouring an organic polymer resin into the gap between the arrays.

一般に、1−3圧電コンポジット1aは、電界が印加された時、柱状の圧電体11aは周囲の有機高分子樹脂が柔らかいので容易に伸びることができる。圧電コンポジット1aにおいて、圧電体11aの体積分率が増すにつれてその誘電率は圧電体11aに近づく。圧電g定数は、誘電率に反比例するため、高分子材料に比して誘電率の高い圧電体11aの体積分率が多くなるほど小さくなる。   In general, when the electric field is applied to the 1-3 piezoelectric composite 1a, the columnar piezoelectric body 11a can easily stretch because the surrounding organic polymer resin is soft. In the piezoelectric composite 1a, the dielectric constant approaches the piezoelectric body 11a as the volume fraction of the piezoelectric body 11a increases. Since the piezoelectric g constant is inversely proportional to the dielectric constant, the piezoelectric g constant becomes smaller as the volume fraction of the piezoelectric body 11a having a higher dielectric constant than that of the polymer material increases.

また、0−3コンポジット1bは、図1Bに示されるように、有機高分子樹脂12b中に、xyz方向のいずれにも連結性を持たない、例えば粒子状、針状、ウィスカー状等の圧電体11bが分散した状態で存在した構成としている。   In addition, as shown in FIG. 1B, the 0-3 composite 1b is a piezoelectric material having no connectivity in any of the xyz directions in the organic polymer resin 12b, such as particles, needles, whiskers, etc. 11b is present in a dispersed state.

0−3コンポジットも、通常の0−3コンポジット作製方法や、高分子フィルム作製方法を用いて作製すればよい。例えば、溶融した高分子マトリクス材料中に圧電体粉末を混ぜて混練し、射出成形や押出成形、Tダイ法等の溶融成膜技術により製造する方法や、キャスティング等の溶液成膜等を用いて作製することができる。   The 0-3 composite may be prepared using a normal 0-3 composite preparation method or a polymer film preparation method. For example, a piezoelectric polymer powder is mixed and kneaded in a molten polymer matrix material, and a manufacturing method using a melt film forming technique such as injection molding, extrusion molding or a T-die method, or a solution film forming such as casting is used. Can be produced.

0−3コンポジットは1−3コンポジットに比して圧電体11bの連結性がないため、圧電d定数についても体積分率により影響を受けやすい。また、圧電体11bに比して優れたg定数を有するものとすることができる。   Since the 0-3 composite has no connectivity of the piezoelectric body 11b as compared with the 1-3 composite, the piezoelectric d constant is also easily affected by the volume fraction. Moreover, it can have a g constant superior to that of the piezoelectric body 11b.

1−3コンポジット、あるいは0−3コンポジットのいずれの態様であっても、複数の圧電体11a,bの各々は結晶配向性を有しており、該複数の圧電体の分極方向が略平行となるように配列して有機高分子樹脂中に分散されてなる態様が好ましい。また、複数の圧電体11a,bは、c軸配向性を有していることが好ましい。   Regardless of the 1-3 composite or the 0-3 composite, each of the plurality of piezoelectric bodies 11a and 11b has crystal orientation, and the polarization directions of the plurality of piezoelectric bodies are substantially parallel. The aspect which arrange | positions so that it may become and is disperse | distributed in organic polymer resin is preferable. The plurality of piezoelectric bodies 11a and 11b preferably have c-axis orientation.

圧電コンポジット1a,bは、分極処理を施すことが好ましい。1−3コンポジット、0−3コンポジットのいずれの態様であっても、コンポジット化した後に分極処理を施すことが好ましい。分極処理の方法としては特に制限されないが、圧電体コンポジット1a,bに対して膜厚方向に電場を印加する通常の分極方法や、コロナ分極等が挙げられる。   The piezoelectric composites 1a and 1b are preferably subjected to polarization treatment. Regardless of the aspect of the 1-3 composite or the 0-3 composite, it is preferable to perform polarization treatment after the composite. The method of polarization treatment is not particularly limited, and examples thereof include a normal polarization method in which an electric field is applied to the piezoelectric composites 1a and 1b in the film thickness direction, and corona polarization.

本発明者らは、有機高分子樹脂中に分散されてなる複数の圧電体を含む圧電コンポジットついてその材料設計を行い、圧電体として、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる圧電体を用いることにより、コンポジット化による圧電特性の低下が少なく、ペロブスカイト型酸化物を圧電体として用いた圧電コンポジットでは達成し得ない優れた電気特性を有するものとなりうることを見出した。   The present inventors have designed the material of a piezoelectric composite including a plurality of piezoelectric bodies dispersed in an organic polymer resin, and use a piezoelectric body made of a zinc oxide-based wurtzite complex oxide as the piezoelectric body. As a result, the inventors have found that the piezoelectric characteristics are not significantly lowered by compositing, and can have excellent electrical characteristics that cannot be achieved by a piezoelectric composite using a perovskite oxide as a piezoelectric body.

圧電コンポジットの電気特性の理論計算としては、Bannoによって、x,y,z方向の非等方性分布を考慮した「改良立方体モデル」が提案されており(Jpn. J. Appl. Phys. 24 Suppl. 24-2 (1985) 445)、実験値との一致性が良いことが知られている。   For the theoretical calculation of the electrical properties of piezoelectric composites, Banno has proposed an “improved cube model” that takes into account the anisotropic distribution in the x, y and z directions (Jpn. J. Appl. Phys. 24 Suppl). 24-2 (1985) 445), which is known to have good agreement with experimental values.

本発明者は、Bannoのモデルを用いて圧電コンポジットの材料設計を行った。図2Aは、0−3コンポジットのBannoの改良立方体モデル図、図2Bはその単位胞モデル図であり、図2Aにおいて相1が圧電体相、相2が有機高分子樹脂相となっている。   The present inventor has designed the material of the piezoelectric composite using the Banno model. FIG. 2A is an improved cubic model of Banno of 0-3 composite, FIG. 2B is a unit cell model thereof, and in FIG. 2A, phase 1 is a piezoelectric phase and phase 2 is an organic polymer resin phase.

本発明者は、Bannoモデルの0−3コンポジットにおいて、一軸性非等方性材料(l=m=1,n≠1)である場合を例に圧電体の特性とコンポジット化した場合の特性を計算した。   The present inventor has shown characteristics of a piezoelectric material and a composite in the case of a uniaxial anisotropic material (l = m = 1, n ≠ 1) in a Banno model 0-3 composite. Calculated.

図2Bにおいて、一軸性非等方性材料の場合、0−3コンポジットの誘電率ε33,圧電定数33,及び圧電体相(相1)の体積分率Vは下記式で表すことができる。
In FIG. 2B, in the case of a uniaxial anisotropic material, the dielectric constant * ε 33 , the piezoelectric constant * d 33 of the 0-3 composite, and the volume fraction 1 V of the piezoelectric phase (phase 1) are expressed by the following equations. be able to.

なお、d33及びε33の添字表記は、直交する3つの軸1,2,3を規定した時、最初の添字が電界の印加方向、2番目の添字が歪みの方向を示しており、歪みまたは応力を取り出す方向が、電界を加えた方向に対して平行方向である縦振動モードであることを示している。従って、d33及びε33は縦振動モードの圧電歪定数及び誘電率を示している。 Incidentally, the subscript notation d 33 and epsilon 33, when defining the three axes 1, 2 and 3 orthogonal, the first subscript is the electric field application direction, the second subscript indicates the direction of the strain, the strain Alternatively, the direction in which the stress is taken out is a longitudinal vibration mode that is parallel to the direction in which the electric field is applied. Accordingly, d 33 and ε 33 indicate the piezoelectric strain constant and dielectric constant of the longitudinal vibration mode.

単位応力あたりの発生電界強度(受信能)の指標である圧電g定数g33は、d33とε33とにより下記式で表される。
33=d33/ε33
The piezoelectric g constant g 33 that is an index of the generated electric field strength (reception ability) per unit stress is expressed by the following equation using d 33 and ε 33 .
g 33 = d 33 / ε 33

図3A〜図3Cは、有機高分子樹脂として誘電率ε33が18,33=0の樹脂を用い、圧電体として誘電率ε33が5,10,20,50の圧電体を用いた場合の、圧電体の圧電定数に対するコンポジット化した場合の圧電定数d33,g33,及び発電指数(性能)d33×g33の値をそれぞれプロットしたものである。計算では、図2Bに示す単位セルのn値を0.14とし、a値を圧電体の体積分率が0.6となる値とした。図3B及び図3Cについては、参考として圧電性高分子であるPVDF(ポリフッ化ビニリデン)のプロットも併せて示してある。 3A to 3C show a case where a resin having a dielectric constant 1 ε 33 of 18, 1 d 33 = 0 is used as an organic polymer resin, and a piezoelectric body having a dielectric constant 2 ε 33 of 5, 10, 20, 50 is used as a piezoelectric body. When used, the values of piezoelectric constants d 33 and g 33 and power generation index (performance) d 33 × g 33 in the case of composite formation with respect to the piezoelectric constant of the piezoelectric body are plotted. In the calculation, the n value of the unit cell shown in FIG. 2B was 0.14, and the a value was a value at which the volume fraction of the piezoelectric body was 0.6. About FIG. 3B and FIG. 3C, the plot of PVDF (polyvinylidene fluoride) which is a piezoelectric polymer is also shown as reference.

図3A〜図3Cに示されるように、圧電体の誘電率が大きくなればなるほど、コンポジット化した際の圧電定数及び発電性能の低下率が大きくなっている。特に誘電率の影響の大きいg定数及び発電性能d33×g33についてはその変化が顕著である。   As shown in FIG. 3A to FIG. 3C, as the dielectric constant of the piezoelectric body increases, the rate of decrease in the piezoelectric constant and power generation performance when composited is increased. In particular, the change is significant for the g constant and the power generation performance d33 × g33 that are greatly influenced by the dielectric constant.

図3A〜図3Cの結果より、コンポジット化する圧電体として圧電d定数は維持したまま誘電率の低い材料を用いることにより、コンポジット化した際の圧電定数の低下を抑制できることが確認された。   From the results of FIGS. 3A to 3C, it was confirmed that a decrease in the piezoelectric constant at the time of compositing can be suppressed by using a material having a low dielectric constant while maintaining the piezoelectric d constant as the piezoelectric material to be composited.

また、圧電体の誘電率は材料固有の値ではあるが、圧電体の場合、分極軸方向の誘電率が小さいことがわかっている。従って、圧電体を配向させて分極させ、分極軸方向と変位方向(この場合は厚み方向)とを略一致させることにより、誘電率が低くなり、コンポジット化させた場合の圧電定数の低下を抑制することができると考えられる。   Moreover, although the dielectric constant of a piezoelectric material is a value peculiar to a material, in the case of a piezoelectric material, it is known that the dielectric constant in the polarization axis direction is small. Therefore, by aligning and polarizing the piezoelectric body and making the polarization axis direction and the displacement direction (in this case the thickness direction) substantially coincide, the dielectric constant is lowered and the decrease in piezoelectric constant when composited is suppressed. I think it can be done.

そこで、本発明者らは、低い誘電率を有し、且つ、非鉛系の圧電体について検討を重ね、母体酸化物が酸化亜鉛である酸化亜鉛系ウルツァイト型酸化物に着目して材料設計を行った。   Therefore, the present inventors have repeatedly studied on a lead-free piezoelectric material having a low dielectric constant, and designed a material by paying attention to a zinc oxide-based wurtzite oxide whose base oxide is zinc oxide. went.

母体酸化物が酸化亜鉛である酸化亜鉛系ウルツァイト型酸化物を含む高分子複合材料(コンポジット材料)は、例えば、特開2011−44679に記載されているように、光透過性デバイスの電極材料等の用途では既に公知のものである。   A polymer composite material (composite material) containing a zinc oxide-based wurtzite oxide whose base oxide is zinc oxide is, for example, an electrode material for a light transmissive device, as described in JP 2011-44679 A Are already known in the application.

しかしながら、既に述べたように、圧電体のコンポジット化では、圧電体自身の圧電特性よりも低下することが一般的であることから、圧電体自身の圧電特性がPZT等のペロブスカイト型酸化物に比して格段に低い酸化亜鉛系圧電材料は、コンポジット材料としてはほとんど検討されてきておらず、近年非特許文献2に記載のような、ZnOナノファイバーを用いた形状制御による検討がなされてきているのみであり、既に述べたように圧電性能は未だ低いままである。従来、酸化亜鉛は圧電特性が低く、鉛系の圧電材料の代替材料としては難しいと考えられていたが、近年、下記非特許文献I,IIように、ドナーイオンのドープにより圧電特性の向上の可能性が見出されてきた。   However, as already mentioned, in the case of compositing a piezoelectric material, the piezoelectric property is generally lower than the piezoelectric property of the piezoelectric material itself. Therefore, the piezoelectric property of the piezoelectric material itself is lower than that of a perovskite oxide such as PZT. Thus, the extremely low zinc oxide-based piezoelectric material has hardly been studied as a composite material, and has recently been studied by shape control using ZnO nanofibers as described in Non-Patent Document 2. As mentioned above, the piezoelectric performance is still low. Conventionally, zinc oxide has low piezoelectric properties and has been considered difficult as a substitute for lead-based piezoelectric materials. However, in recent years, as shown in Non-Patent Documents I and II, the improvement of piezoelectric properties can be achieved by doping with donor ions. Possibilities have been found.

非特許文献「I:Y. C. Yang et al., “Giant piezoelectric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped ZnO films”, Applied Physics Letters 92, 012907, 2008.」,「II:Pan Feng et al., “Giant piezoresponse and promising application of environmental friendly small-ion-doped ZnO”, Science China Vol. 55, No.2:421-436, 2012.」等では、Vドープにより、ノンドープZnOのd33値の十数倍となるd33=170pC/N(V濃度2.5at.%),20点平均値でd33=110pC/N(V濃度2.5at.%)が達成されたことが報告されている。 Non-patent literature “I: YC Yang et al.,“ Giant piezoelectric d33 coefficient in ferroelectric vanadium doped ZnO films ”, Applied Physics Letters 92, 012907, 2008.”, “II: Pan Feng et al.,“ Giant piezoresponse and promising . application of environmental friendly small-ion -doped ZnO ", Science China Vol 55, No.2: 421-436, in 2012.", etc., by the V-doped, a dozen times the d 33 value of the non-doped ZnO d 33 = 170 pC / N (V concentration 2.5 at.%), D 33 = 110 pC / N (V concentration 2.5 at.%) Was reported to be achieved with an average value of 20 points.

本発明者は、上記と同様に、圧電体としてVドープ酸化亜鉛を用い(ε33が20,33=170pC/N)、有機高分子樹脂として誘電率ε33が18,33=0の樹脂を用いた場合の、圧電コンポジットの誘電率ε33及び圧電定数3333,及び発電指数(性能)33×33の値を、Bannoの改良立方体モデル(0−3コンポジット)を用いて計算した。 In the same manner as described above, the present inventor uses V-doped zinc oxide as the piezoelectric body ( 2 ε 33 is 20, 2 d 33 = 170 pC / N), and the dielectric constant 1 ε 33 is 18, 1 d as the organic polymer resin. When the resin of 33 = 0 is used, the dielectric constant of the piezoelectric composite * ε 33 and the piezoelectric constants * d 33 , * g 33 , and the power generation index (performance) * d 33 × * g 33 are improved by Banno. Calculations were made using a cubic model (0-3 composite).

図2Bに示す単位セルのn値を0.14とし、a値を圧電体の体積分率が0.6となる値とした場合、圧電コンポジットの誘電率ε33が19、33=158pC/N,33=939mVm/N,及び発電指数(性能)33×33=148396となった。 When the n value of the unit cell shown in FIG. 2B is 0.14 and the value a is a value at which the volume fraction of the piezoelectric body is 0.6, the dielectric constant * ε 33 of the piezoelectric composite is 19, * d 33 = 158 pC / N, * g 33 = 939 mVm / N, and power generation index (performance) * d 33 × * g 33 = 148396.

同様の計算をε33が1230,33=320pC/NのPZT粒子を対象に実施すると、圧電コンポジットの誘電率ε33が193、33=87pC/N,33=51mVm/N,及び発電指数(性能)33×33=4429となる。 When the same calculation is performed on PZT particles having 2 ε 33 of 1230 and 2 d 33 = 320 pC / N, the dielectric constant of the piezoelectric composite * ε 33 is 193, * d 33 = 87 pC / N, * g 33 = 51 mVm / N, and the power exponent (performance) * d 33 × * g 33 = 4429.

かかる計算結果は、PZTに比して酸化物自身の圧電定数では半分程度しかない酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物であっても、圧電コンポジットでは、その圧電性能を凌駕する可能性を示している。   These calculation results show that even if the oxide constant of the oxide itself is only about half that of PZT, the piezoelectric composite may outperform its piezoelectric performance even if it is a zinc oxide-based wurtzite complex oxide. .

本発明者らは、更に、Vドープ酸化亜鉛を用いた圧電コンポジットについて、樹脂中の圧電体濃度及び、0−3コンポジットにおけるn値(厚み方向の密度)を変化させてその材料設計を行った。ここでは非特許文献Iに記載の20点平均値(ε33が20,33=110pC/N)を用いて計算した。その結果を図4A及び図4Bに示す。 The present inventors further designed the material of the piezoelectric composite using V-doped zinc oxide by changing the piezoelectric concentration in the resin and the n value (density in the thickness direction) of the 0-3 composite. . Here 20-point average value described in Non-Patent Document I (2 epsilon 33 is 20, 2 d 33 = 110pC / N) was calculated using the. The results are shown in FIGS. 4A and 4B.

図4Aは、圧電コンポジット中の圧電体の体積分率を変化させた時の圧電定数33の変化を示したものである。また、2種類のプロットは、図2Bに示す単位胞において、l=m=1としたときのn値(厚み方向の密度)を1とした場合と、0.1とした場合であり、n=1の時は単位胞が立方体、すなわち等方的な形状であることを示している。また、n=0.1とした場合は、厚み方向に圧電体粒子が高密度に配列されている態様を示している。 FIG. 4A shows the change of the piezoelectric constant * d 33 when the volume fraction of the piezoelectric body in the piezoelectric composite is changed. In the unit cell shown in FIG. 2B, the two types of plots are when the n value (density in the thickness direction) is 1 when l = m = 1 and when 0.1, When = 1, the unit cell is cubic, that is, isotropic. When n = 0.1, the piezoelectric particles are arranged at high density in the thickness direction.

図4Bは、縦軸を33×33値とした以外は図4Aと同様である。 Figure 4B, except that the vertical axis * d 33 × * g 33 value is the same as Figure 4A.

図4A及び図4Bには、Vドープ酸化亜鉛を用いた圧電コンポジットでは、厚み方向に高密度に圧電体粒子を配列した方が、圧電体粒子の体積分率を減少させても、より高い圧電性能を維持することができることが示されている。   4A and 4B show that in the piezoelectric composite using V-doped zinc oxide, the piezoelectric particles are arranged more densely in the thickness direction even if the volume fraction of the piezoelectric particles is reduced. It has been shown that performance can be maintained.

同様の計算をε33が1230,33=320pC/NのPZT粒子を対象に実施し、n=0.1とした場合についてVドープ酸化亜鉛の計算結果と併せて図5A〜図5Cに示す。図5A〜図5Cは、圧電コンポジット中の圧電体の体積分率変化させた時の333333×33の変化をそれぞれ示したものである。 The same calculation is performed on PZT particles having 2 ε 33 of 1230, 2 d 33 = 320 pC / N, and n = 0.1, together with the calculation results of V-doped zinc oxide, FIGS. 5A to 5C. Shown in FIGS. 5A to 5C show changes in * d 33 , * g 33 , * d 33 × * g 33 when the volume fraction of the piezoelectric body in the piezoelectric composite is changed.

図5A示されるように、Vドープ酸化亜鉛は、PZTに比して、圧電コンポジット中の体積分率が低下しても圧電定数33の低下が緩やかであり、体積分率が低い領域では33値は逆転して、V−ドープ酸化亜鉛の方が高くなる。更に、図5B及び図5Cに示される圧電g定数及び発電指数33×33値とについては、その体積分率に関わらずPZTに比して格段に優れた値を有する事が示されている。 As shown in FIG. 5A, in the V-doped zinc oxide, as compared with PZT, even when the volume fraction in the piezoelectric composite is decreased, the decrease in the piezoelectric constant * d 33 is moderate, and in the region where the volume fraction is low. * d 33 value is reversed, towards the V--doped zinc oxide is high. Further, the piezoelectric g constant and the power generation index * d 33 × * g 33 value shown in FIGS. 5B and 5C are shown to have significantly superior values compared to PZT regardless of the volume fraction. Has been.

既に述べたように、酸化亜鉛系ウルツァイト型酸化物は圧電性能が低く、材料本来の圧電性能よりも圧電特性が低下してしまうコンポジット材料としては不向きであると考えられていた。上記のように、本発明者は、これまで酸化物自身の圧電定数の低さから、圧電体としてあまり注目されていなかった酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物が、圧電コンポジットにおいて、鉛系ペロブスカイト型酸化物を上回る圧電性能を示すことを見出した。このことは、酸化亜鉛系ウルツァイト型酸化物が圧電体のフレキシブルデバイス化において、非常に大きな役割を担う可能性を有することを示している。   As already described, the zinc oxide-based wurtzite oxide has a low piezoelectric performance, and has been considered unsuitable as a composite material in which the piezoelectric properties are lower than the original piezoelectric performance of the material. As described above, the inventor of the present invention has developed a lead-based perovskite type zinc oxide-based wurtzite-type composite oxide, which has not attracted much attention as a piezoelectric material, because of the low piezoelectric constant of the oxide itself. It has been found that the piezoelectric performance exceeds that of oxide. This indicates that the zinc oxide-based wurtzite oxide has the potential to play a very important role in making flexible piezoelectric devices.

また、現在、物質資源の急速な消費の拡大に伴い、希少なレアメタルやレアアースの枯渇等の資源リスクに対する関心が高まっており、比較的地中における埋蔵量の豊富な物質を用いたデバイス開発が望まれている。酸化亜鉛は、比較的埋蔵量の豊富な物質である点でも有利である。   In addition, with the rapid increase in consumption of material resources, there is a growing interest in resource risks such as the scarcity of rare metals and rare earths, and device development using materials with relatively large reserves in the ground It is desired. Zinc oxide is also advantageous in that it is a relatively rich material.

一方、ノンドープの酸化亜鉛では、それ自身の圧電特性が低すぎるために良好な圧電特性を有する圧電コンポジットとすることは難しい。図6Aは、ノンドープ酸化亜鉛の一つの結晶格子を示す模式図である。本明細書の図面では、各部の縮尺は視認しやすくするため適宜変更して示してある。   On the other hand, non-doped zinc oxide is difficult to obtain a piezoelectric composite having good piezoelectric properties because its own piezoelectric properties are too low. FIG. 6A is a schematic diagram showing one crystal lattice of non-doped zinc oxide. In the drawings of this specification, the scale of each part is appropriately changed and shown for easy visual recognition.

図6Aに示されるように、ウルツァイト型の結晶構造とは、ZnSやZnOに代表される一般式MXで表される六方晶系結晶構造であり、元素Mの周りに元素Xが略正四面体的に4個配位し、Xの周りにもMが4個配位している。Znと4個の酸素との距離は略等しい距離となっており、c軸(極性軸)に沿って、Zn面とO面が交互に積み上げられた結晶構造を有している。このため、(001)面に垂直に(c軸方向に)歪みが加わると、電気分極を生じる性質を有する。   As shown in FIG. 6A, the wurtzite crystal structure is a hexagonal crystal structure represented by a general formula MX typified by ZnS or ZnO, and the element X is a substantially tetrahedron around the element M. In general, four are coordinated, and four M are also coordinated around X. The distance between Zn and the four oxygens is substantially equal, and has a crystal structure in which Zn planes and O planes are alternately stacked along the c-axis (polar axis). For this reason, when strain is applied perpendicularly to the (001) plane (in the c-axis direction), it has a property of causing electric polarization.

図6Aに示すZnO結晶格子のZnサイトをドナー又はアクセプターイオンで置換すると、電荷バランスが崩れて分極が大きくなり、その結果圧電特性が向上する。従って、本発明では、酸化亜鉛にドナー又はアクセプターをドープした酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる圧電体(不可避不純物を含んでもよい)を、圧電コンポジットの圧電体として用いる。図6Bは、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物の一つの結晶格子を示す一実施形態の模式図であり、ドナー及びアクセプタを共ドープした例について示したものである。   When the Zn sites of the ZnO crystal lattice shown in FIG. 6A are replaced with donor or acceptor ions, the charge balance is lost and the polarization is increased, resulting in improved piezoelectric properties. Therefore, in the present invention, a piezoelectric body (which may include inevitable impurities) made of a zinc oxide-based wurtzite complex oxide in which zinc oxide is doped with a donor or an acceptor is used as the piezoelectric body of the piezoelectric composite. FIG. 6B is a schematic view of one embodiment showing one crystal lattice of a zinc oxide-based wurtzite complex oxide, and shows an example in which a donor and an acceptor are co-doped.

図6Bには、Znのイオン半径よりドーパントイオンとして、イオン半径が小さければ小さいドナーが、もともとあったZnイオンの重心から変位したオフセンター位置に入って局所的な双極子を誘起する上、ドーパントイオンの周りには空間ができているためより動きやすくなる、すなわち、より変位しやすくなる様子を示してある。オフセンター位置にドーパントイオンが入ることによる変位しやすさの効果の点では、ドーパントイオンはZnと価数の同じ2価のイオンでも圧電特性の向上効果は得られる。   FIG. 6B shows that a donor whose ion radius is smaller than that of Zn ion enters the off-center position displaced from the center of gravity of the original Zn ion and induces a local dipole. Since the space is formed around the ions, it is easier to move, that is, more easily displaced. In terms of the effect of easy displacement due to the dopant ions entering the off-center position, even if the dopant ions are divalent ions having the same valence as Zn, the effect of improving the piezoelectric characteristics can be obtained.

すなわち、本発明の圧電コンポジット1(a,b)は、有機高分子樹脂12(a,b)と、有機高分子樹脂12(a,b)中に分散されてなる複数の圧電体11(a,b)を含み、
圧電体11(a,b)は、下記一般式(P)で表される組成を有するウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)ことを特徴とするものである。
Zn(A,B,C)O ・・・ (P)
(式(P)中、0.6≦x<1、y+z+w≠0、A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)。
That is, the piezoelectric composite 1 (a, b) of the present invention includes an organic polymer resin 12 (a, b) and a plurality of piezoelectric bodies 11 (a) dispersed in the organic polymer resin 12 (a, b). , B)
The piezoelectric body 11 (a, b) is characterized by being made of a wurtzite-type complex oxide having a composition represented by the following general formula (P) (may contain inevitable impurities).
Zn x (A y , B z , C w ) O (P)
(In formula (P), 0.6 ≦ x <1, y + z + w ≠ 0, A: at least one selected from the group consisting of Li, Na, and K, which is a monovalent M-site element having an ionic valence. B: an M site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. : M site element having an average ion valence larger than 2 and Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and W At least one metal element selected from the group consisting of:

圧電コンポジット1(a,b)中の圧電体11(a,b)の体積分率は、圧電体の圧電特性及び圧電コンポジットとして要求される圧電特性にもよるが、30%以上90%以下であることが好ましい。   The volume fraction of the piezoelectric body 11 (a, b) in the piezoelectric composite 1 (a, b) is 30% to 90%, although it depends on the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body and the piezoelectric characteristics required for the piezoelectric composite. Preferably there is.

有機高分子樹脂12(a,b)としては、有機高分子樹脂(エラストマーを含む)であれば特に制限されない。例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,ポリ塩化ビニル,ポリスチレン,ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ABS樹脂(アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂),アクリル樹脂等の汎用プラスチック、ポリアミド,ポリカーボネート,ポリエチレンテレフタレート(PET),熱可塑性ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック、アクリルゴム,アクリロニトリルブタジエンゴム,イソプレンゴム,ウレタンゴム,ブタジエンゴム,シリコーンゴム等の合成ゴム、ポリフッ化ビニリデン(PVDF),及びその共重合体等の圧電性高分子、フェノール樹脂,エポキシ樹脂,メラミン樹脂,ポリイミド等の熱硬化性樹脂,シアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチル化プルラン,シアノエチル化ビニルアルコール−シアノエチル化プルラン共重合体等の高誘電率シアノレジン等が挙げられる。有機高分子樹脂12は圧電コンポジットの用途や製造方法に応じて好ましい物理特性を有するものを選択すればよく、また、圧電体11(a,b)と結合性の良好なものであることが好ましい。   The organic polymer resin 12 (a, b) is not particularly limited as long as it is an organic polymer resin (including an elastomer). For example, general-purpose plastic such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polytetrafluoroethylene (PTFE), ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene resin), acrylic resin, polyamide, polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET), thermoplastic polyimide, etc. Engineering plastics, acrylic rubber, acrylonitrile butadiene rubber, isoprene rubber, urethane rubber, butadiene rubber, silicone rubber and other synthetic rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers, piezoelectric polymers, phenolic resin, epoxy Resin, melamine resin, thermosetting resin such as polyimide, cyanoethylated polyvinyl alcohol, cyanoethylated pullulan, cyanoethylated vinyl alcohol And high dielectric constant cyanoresins such as cyanoethylated pullulan copolymer. What is necessary is just to select the organic polymer resin 12 which has a preferable physical characteristic according to the use and manufacturing method of a piezoelectric composite, and it is preferable that it is a thing with favorable bondability with the piezoelectric material 11 (a, b). .

圧電コンポジット1(a,b)において、ウルツァイト型複合酸化物からなる圧電体11(a,b)の誘電率と、有機高分子樹脂12(a,b)との誘電率との差はできるだけ小さい方が、圧電体の体積分率の低下に伴う圧電定数の低下をより抑制することができることから好ましい。ウルツァイト型複合酸化物からなる圧電体11(a,b)の誘電率と、有機高分子樹脂12(a,b)との誘電率との差は、圧電体11(a,b)の誘電率の50%以内であることが好ましく、10%以内であることがより好ましい。   In the piezoelectric composite 1 (a, b), the difference between the dielectric constant of the piezoelectric body 11 (a, b) made of a wurtzite complex oxide and the dielectric constant of the organic polymer resin 12 (a, b) is as small as possible. This is preferable because it is possible to further suppress a decrease in piezoelectric constant accompanying a decrease in volume fraction of the piezoelectric body. The difference between the dielectric constant of the piezoelectric body 11 (a, b) made of the wurtzite complex oxide and the dielectric constant of the organic polymer resin 12 (a, b) is the dielectric constant of the piezoelectric body 11 (a, b). Is preferably within 50%, more preferably within 10%.

このような誘電率の差を実現するためには、有機高分子樹脂12(a,b)の誘電率は7以上であることが好ましい。上記例示した有機高分子樹脂では、高誘電率であるシアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチル化プルラン,シアノエチル化ビニルアルコール−シアノエチル化プルラン共重合体等の高誘電率シアノレジンが好ましい。   In order to realize such a difference in dielectric constant, the dielectric constant of the organic polymer resin 12 (a, b) is preferably 7 or more. In the organic polymer resin exemplified above, a high dielectric constant cyanoresin such as cyanoethylated polyvinyl alcohol, cyanoethylated pullulan, cyanoethylated vinyl alcohol-cyanoethylated pullulan copolymer having a high dielectric constant is preferable.

また、圧電コンポジット1a及び1bは、それぞれ添加剤等を含んでいてもよい。例えば、制振材(ダンパ)の用途では、カーボンブラックやカーボンナノチューブ、金属粒子等の導電性微粒子を含ませることにより、圧電コンポジットの電気伝導度を調整している。これにより、圧電体と導電性微粒子との間に直列回路を形成する状態とした構成とし、振動エネルギーを効率よく熱エネルギーに変換することができる。添加剤は、導電性物質に関わらず、その用途に応じて所望の特性を有する添加物質を用いてよい。   The piezoelectric composites 1a and 1b may each contain an additive or the like. For example, in the use of a damping material (damper), the electrical conductivity of the piezoelectric composite is adjusted by including conductive fine particles such as carbon black, carbon nanotubes, and metal particles. Thereby, it is set as the structure which made the state which forms a series circuit between a piezoelectric material and electroconductive fine particles, and vibration energy can be efficiently converted into thermal energy. Regardless of the conductive substance, an additive substance having desired characteristics may be used depending on the application.

以下に、本実施形態の圧電コンポジット1(a,b)に用いる圧電体11(a,b)(以下、圧電体11とする)について、新規材料設計手法を含めて説明する。   Hereinafter, a piezoelectric body 11 (a, b) (hereinafter referred to as a piezoelectric body 11) used for the piezoelectric composite 1 (a, b) of the present embodiment will be described including a new material design method.

圧電体11は、ドナーやアクセプター等のドーパントがドープされた酸化亜鉛、すなわち、上記一般式(P)で表される組成を有する酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)。   The piezoelectric body 11 is composed of zinc oxide doped with a dopant such as a donor or an acceptor, that is, a zinc oxide-based wurtzite complex oxide having a composition represented by the general formula (P) (may contain inevitable impurities). ).

母体酸化物が酸化亜鉛であるウルツァイト型複合酸化物は、比較的酸素欠損を生じやすいことが知られている。従って、一般式(P)の組成は、ウルツァイト型の結晶構造を取り得る範囲で、化学量論組成からずれていてもよい。   It is known that a wurtzite complex oxide whose base oxide is zinc oxide is relatively easy to cause oxygen deficiency. Therefore, the composition of the general formula (P) may deviate from the stoichiometric composition as long as the wurtzite crystal structure can be obtained.

酸化亜鉛は、添加するドーパントの種類と量を変化させることにより、絶縁体から導電体まで種々の電気特性を付与することができる。言い換えれば、同じ構成元素であってもその電気特性は組成により変化しうることになる。   Zinc oxide can give various electrical characteristics from an insulator to a conductor by changing the kind and amount of dopant to be added. In other words, even if the constituent elements are the same, their electrical characteristics can change depending on the composition.

上記一般式(P)において、圧電体である組成は、A,B,Cの元素の種類によって異なるが、各元素が決まれば、圧電体である組成の範囲は決まるため、その組成範囲内にてx,y,z,w値を決定すればよい。   In the above general formula (P), the composition that is a piezoelectric body varies depending on the types of elements A, B, and C. However, if each element is determined, the range of the composition that is a piezoelectric body is determined. Then, the x, y, z, and w values may be determined.

記圧電体11は、誘電率が15以上40以下、圧電定数d33が50pC/N以上であることが好ましい。かかる圧電体11を用いることにより、圧電定数d33が30pC/N以上の圧電コンポジット1とすることができる。 The piezoelectric body 11 preferably has a dielectric constant of 15 to 40 and a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more. By using such a piezoelectric body 11, the piezoelectric composite 1 having a piezoelectric constant d33 of 30 pC / N or more can be obtained.

表1に、一般式(P)におけるAイオンとCイオンの候補元素のイオン価数とイオン半径を示す。非特許文献I,IIにおいてd33値が示された置換イオンについては、その置換量とd33値を合わせて示してある。
Table 1 shows ionic valences and ionic radii of candidate elements of A ions and C ions in the general formula (P). In the non-patent documents I and II, the substitution ions for which the d 33 value is indicated are shown together with the substitution amount and the d 33 value.

イオン価数が1価であるA元素については、ドープ可能なイオン半径の観点から、Li,Na,及びKの中から1種又は複数種選択することができる。これらの中では、Znイオンとイオン半径の近いLi又はNaが好ましく、Liがより好ましい。   About the A element whose ionic valence is monovalent, from the viewpoint of the ion radius which can be doped, one or more kinds can be selected from Li, Na, and K. Among these, Li or Na having an ion radius close to that of Zn ions is preferable, and Li is more preferable.

イオン価数が2価であるB元素については、ドープ可能なイオン半径の観点から、Mg,Ca,Niの中から1種又は複数種選択することができる。   About the B element whose ionic valence is bivalent, from a viewpoint of the ion radius which can be doped, 1 type or multiple types can be selected from Mg, Ca, and Ni.

イオン価数が2価より大きいC元素は、イオン価数及びイオン半径を考慮すると、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWの中から、1種又は複数種選択することができる。   The C element having an ionic valence greater than 2 is Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, One or more types can be selected from Mo, Ta, and W.

酸化亜鉛のZnサイト(Mサイト)へのドーパントとしては、イオン価数が2価であるZnに対し、1価の金属イオンがアクセプタイオン(一般式(P)中、A元素)、2価より大きい金属イオンがドナーイオン(一般式(P)中、C元素)となり得、圧電特性の向上の観点では、価数が2価から離れているほど、また、イオン半径がより小さいドーパントを絶縁性を維持できる範囲内で高濃度ドープするほど、電荷バランスの崩れが大きく分極が大きくなる上、電界をかけた時のクーロン力も大きくなることから好適である。   As a dopant to the Zn site (M site) of zinc oxide, a monovalent metal ion is an acceptor ion (element A in the general formula (P)) and divalent than Zn having an ionic valence. A large metal ion can be a donor ion (C element in the general formula (P)), and from the viewpoint of improving the piezoelectric characteristics, a dopant having a smaller ionic radius is insulative as the valence is further away from the valence. The higher the concentration within the range that can be maintained, the better the balance of charge balance becomes and the polarization becomes larger, and the Coulomb force when an electric field is applied becomes larger.

Znサイトの置換であることを考慮すると、ドーパントのイオン半径は、Znのイオン半径(約0.60Å)よりも小さいものほどドープされやすいが、ウルツァイト構造を取りうる範囲内であれば、ドーパントのイオン半径は特に制限されない。   Considering substitution of Zn sites, the smaller the ionic radius of the dopant, the smaller the ionic radius of Zn (about 0.60Å), the easier it is to dope. The ion radius is not particularly limited.

本明細書において、「イオン半径」は、いわゆるShannonのイオン半径を意味している(R. D. Shannon, Acta Crystallogr A32,751 (1976)を参照)。「平均イオン半径」は、格子サイト中のイオンのモル分率をC、イオン半径をRとしたときに、ΣCiRiで表される量である。   In the present specification, the “ion radius” means a so-called Shannon ion radius (see R. D. Shannon, Acta Crystallogr A32, 751 (1976)). The “average ionic radius” is an amount represented by ΣCiRi, where C is the molar fraction of ions in the lattice site and R is the ionic radius.

Znのイオン半径よりドーパントイオンのイオン半径が小さければ小さいほど、もともとあったZnイオンの重心から変位したオフセンター位置にドーパントイオンが入って局所的な双極子を誘起する上、ドーパントイオンの周りには空間ができているためより動きやすくなる、すなわち、より変位しやすくなることから、圧電特性が高くなると考えられる(図6Bを参照)。B元素単独ドープの場合は、ウルツァイト構造を取りうる範囲内でできるだけイオン半径の小さい元素であることが好ましい。   The smaller the ion radius of the dopant ion than that of Zn, the more the dopant ion enters the off-center position displaced from the original center of gravity of the Zn ion to induce a local dipole, and around the dopant ion. It is considered that since the space is formed, it becomes easier to move, that is, more easily displaced, so that the piezoelectric characteristics are improved (see FIG. 6B). In the case of B element single doping, it is preferable that the element has an ion radius as small as possible within the range that can take a wurtzite structure.

また、ドナーイオンについては、価数が大きい元素ほど圧電特性向上の点では好ましいが、6価のような価数の大きいドナーイオンは電荷バランスの観点でウルツァイト構造を取れなくなる可能性が高く、ドープすることが難しい。   As for the donor ion, an element having a higher valence is preferable in terms of improving the piezoelectric characteristics, but a donor ion having a higher valence such as hexavalence is more likely to be unable to take a wurtzite structure from the viewpoint of charge balance. Difficult to do.

価数の大きなドーパントを選択可能であることから、圧電体11は、少なくともドナーイオンがドープされた、下記一般式(PX)で表されるウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい)ものが好ましい。
Zn(A,B,C)O ・・・ (PX)
(式(PX)中、0.6≦x<1、0≦y、0≦z、0<w,
A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
Since a dopant having a large valence can be selected, the piezoelectric body 11 is made of a wurtzite complex oxide represented by the following general formula (PX) doped with at least donor ions (including inevitable impurities). May also be preferred.
Zn x (A y , B z , C w ) O (PX)
(In formula (PX), 0.6 ≦ x <1, 0 ≦ y, 0 ≦ z, 0 <w,
A: M site element having a monovalent ionic valence, and at least one metal element selected from the group consisting of Li, Na, and K. B: M-site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. C: M site element having an average ion valence greater than divalent, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and And at least one metal element selected from the group consisting of W. )

既に述べたように、従来、酸化亜鉛は圧電特性が低く、鉛系の圧電材料の代替材料としては難しいと考えられていたが、近年、非特許文献I,IIのように、ドナーイオンのドープにより圧電特性の向上の可能性が見出されてきた。しかしながら、非特許文献I,IIの手法では、既に圧電特性が頭打ちになっており、最も高いd33値が得られているVドープにおいても170pC/Nである。この値は、鉛系のd33値と比べると低く、充分な圧電特性とは言えない。また、従来の酸化亜鉛系圧電体のd33値は、30pC/Nを上回る値の報告がないことを考慮すると、圧電素子のリーク電流特性に繋がる絶縁性についても検討が必要である。 As described above, zinc oxide has been considered to be difficult as an alternative material for lead-based piezoelectric materials because of its low piezoelectric properties. However, in recent years, as in Non-Patent Documents I and II, doping of donor ions is performed. Thus, the possibility of improving the piezoelectric characteristics has been found. However, in the methods of Non-Patent Documents I and II, the piezoelectric characteristic has already reached its peak, and it is 170 pC / N even in V-doping where the highest d 33 value is obtained. This value is lower than the d 33 value of the lead-based, it can not be said satisfactory piezoelectric characteristics. Further, considering that there is no report of the d 33 value of the conventional zinc oxide-based piezoelectric material exceeding 30 pC / N, it is necessary to examine the insulating property that leads to the leakage current characteristics of the piezoelectric element.

本発明者は、非特許文献I,IIに記載のVドープ酸化亜鉛において、Vドープ濃度が2.5at.%と比較的低い濃度のドープ量で最も高いd33値が得られていることに着目して材料設計を行った。 The present inventor has found that, in the V-doped zinc oxide described in Non-Patent Documents I and II, the highest d 33 value is obtained with a doping amount of 2.5 at. The material was designed with attention.

本発明者らの見解では、価数の大きいドナーイオンはイオン半径も比較的小さくドープされやすいが、比較的低濃度領域にてn型が強くなり、絶縁性が悪化して圧電特性が低下する。本発明者は、圧電素子とした際にリーク電流が問題とならないレベルの絶縁性と、高い分極を与えうる電荷バランスとを両立しうる構成について鋭意検討を行い、母体酸化物である酸化亜鉛のZnサイト(Mサイト)に、イオン価数1価の金属元素と、イオン価数2価より大きい金属元素とを、圧電性を有し,且つ、ウルツァイト構造を取りうる範囲内で合計40モル%以下の割合で共ドープさせる手法を見出した。ここで、圧電素子としての好ましいリーク電流密度は、強度10kV/cm程度の電界印加時において、1×10−5A/cm以下である。 In the view of the present inventors, donor ions having a large valence have a relatively small ion radius and are easily doped, but the n-type becomes strong in a relatively low concentration region, the insulation properties deteriorate, and the piezoelectric properties deteriorate. . The present inventor has conducted intensive studies on a configuration that can achieve both a level of insulation that does not cause a problem of leakage current in a piezoelectric element and a charge balance that can provide high polarization. A total of 40 mol% of a metal element having an ionic valence of 1 and a metal element having an ionic valence of more than 2 in a Zn site (M site) within a range having piezoelectricity and a wurtzite structure. A technique for co-doping at the following ratio was found. Here, a preferable leakage current density as the piezoelectric element is 1 × 10 −5 A / cm 2 or less when an electric field having an intensity of about 10 kV / cm is applied.

すなわち、圧電体11としては、下記一般式(PY)で表されるウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい)ものが好ましい。
Zn(A,B,C)O ・・・ (PY)
(式(PY)中、0.6≦x<1、0<y、0≦z、0<w,
A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
That is, the piezoelectric body 11 is preferably made of a wurtzite complex oxide represented by the following general formula (PY) (which may contain inevitable impurities).
Zn x (A y , B z , C w ) O (PY)
(In the formula (PY), 0.6 ≦ x <1, 0 <y, 0 ≦ z, 0 <w,
A: M site element having a monovalent ionic valence, and at least one metal element selected from the group consisting of Li, Na, and K. B: M-site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. C: M site element having an average ion valence greater than divalent, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and And at least one metal element selected from the group consisting of W. )

この材料設計では、電荷バランスを崩し、且つ、Znサイトの変位空間を確保して圧電性を高めるドーパントイオンを高濃度にドープさせつつ、ドーパントイオンと反対の性質のドーパント(ドーパントイオンがドナーイオンであればアクセプタイオン、アクセプタイオンであればドナーイオン)をドープして、圧電素子とした際にリーク電流が問題とならないレベルの絶縁性を確保する。   In this material design, a dopant ion having a property opposite to that of the dopant ion (dopant ion is a donor ion) while doping the dopant ion to increase the piezoelectricity by breaking the charge balance and securing the displacement space of the Zn site. If there is an acceptor ion, and if it is an acceptor ion, a donor ion is doped to ensure a level of insulation that does not cause a problem of leakage current when a piezoelectric element is formed.

更に、ドナーイオンの単独のドープでは、ドープ量増加に伴い抵抗率が低下し、あるドープ量を超えると金属としてドナー元素が析出する。例えば、発光体としてのZnOバナジウムドープZnOの研究に関する非特許文献IIIには、バナジウム単独のドープでは、ドープ量増加に伴い抵抗率が低下し、特に、ドープ量が3.5at%より大きいと金属バナジウムが析出することが記載されている(非特許文献III:J T Luo et al., “Microstructure and photoluminescence study of vanadium-doped ZnO films.”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 115109, 2009.)。   Furthermore, in the case of doping with donor ions alone, the resistivity decreases as the doping amount increases, and when a certain doping amount is exceeded, a donor element is deposited as a metal. For example, Non-Patent Document III relating to the study of ZnO vanadium-doped ZnO as a light emitter states that, with vanadium alone, the resistivity decreases as the doping amount increases, especially when the doping amount is greater than 3.5 at%. It is described that vanadium precipitates (Non-patent Document III: JT Luo et al., “Microstructure and photoluminescence study of vanadium-doped ZnO films.”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 115109, 2009 .).

上記材料設計によれば、固溶限界濃度を高濃度化することができ、従って、ドナー濃度増加による大きな圧電性の向上効果が得られる。   According to the above material design, the solid solution limit concentration can be increased, and thus a large piezoelectric improvement effect can be obtained by increasing the donor concentration.

A元素イオンとC元素イオンのうちどちらを圧電特性を高めるドーパントして用いてもよいが、イオン半径が小さく、Znイオンと価数の差が大きいイオンを選択することができることから、C元素イオンを、圧電特性を高めるドーパントとし、A元素イオンによって絶縁性を確保するためのドーパントとする態様が好ましい。   Either the A element ion or the C element ion may be used as a dopant for enhancing the piezoelectric characteristics. However, since the ion radius is small and an ion having a large difference in valence from the Zn ion can be selected, the C element ion can be selected. Is preferably used as a dopant for enhancing the piezoelectric characteristics, and a dopant for ensuring insulation by the element A ions.

一般式(PY)で表されるウルツァイト型複合酸化物では、ドナーイオンとアクセプタイオンを共ドープして電荷バランスを調整するため、圧電特性を高めるドーパントのみの添加に比して、絶縁性を維持しつつ該ドーパント添加濃度を高めることができるので、より圧電特性を高めることができる。   In the wurtzite complex oxide represented by the general formula (PY), since the charge balance is adjusted by co-doping with donor ions and acceptor ions, the insulation is maintained compared to the addition of only the dopant that enhances the piezoelectric characteristics. However, since the dopant addition concentration can be increased, the piezoelectric characteristics can be further improved.

図7に、価数を横軸とし、イオン半径を縦軸として、A元素及びC元素についていくつかをプロットしたものを示す。図7中、◆プロットは、非特許文献I,IIにて単独ドープされた元素であり、これらについては文献記載のd33値と共に示してある。 FIG. 7 shows plots of some elements A and C with the valence as the horizontal axis and the ionic radius as the vertical axis. In FIG. 7, the ♦ plots are elements doped in Non-Patent Documents I and II, and these are shown together with the d33 value described in the documents.

図7において、非特許文献I,IIに記載のドーパントについてのd33値を見ると、多少の前後はあるが、右下になるほど、すなわち、価数が大きく、イオン半径が小さいドーパントほど、ドープによる圧電性の向上効果が高くなる傾向が観察される。かかる傾向を基に判断すると、C元素としてはSiやTi,V,Nb,Moが好適であると考えられる。 In FIG. 7, the d 33 values for the dopants described in Non-Patent Documents I and II are slightly more or less, but the lower the right, that is, the higher the valence and the smaller the ionic radius, the more doped the dopant. A tendency to increase the effect of improving piezoelectricity is observed. Judging from this tendency, it is considered that Si, Ti, V, Nb, and Mo are suitable as the C element.

C元素を決定したら、A元素を選択し、圧電体である範囲内で、所望のd33値となるように各元素のドープ濃度を調整してウルツァイト型複合酸化物の組成を決定し、その組成となる条件でウルツァイト型複合酸化物を製造する。 Once the C element is determined, the A element is selected, the composition of the wurtzite complex oxide is determined by adjusting the doping concentration of each element so that the desired d 33 value is obtained within the piezoelectric range, A wurzeite-type composite oxide is produced under the conditions for the composition.

一般式(PY)で表されるウルツァイト型複合酸化物は、Zn以外のイオン価数2価のドーパント元素Bを含んでいてもよい。ドーパント元素Bとしては、Mg,Ca,Niが挙げられる。   The wurtzite complex oxide represented by the general formula (PY) may contain a divalent dopant element B other than Zn. Examples of the dopant element B include Mg, Ca, and Ni.

圧電体11の形状は、圧電体コンポジット用圧電体11として好適な形状であることが好ましい。従って、既に述べたように、1−3コンポジットや0−3コンポジットを形成しやすい柱状や針状、ウィスカー状粒子であることが好ましい。   The shape of the piezoelectric body 11 is preferably a shape suitable as the piezoelectric body 11 for piezoelectric composite. Therefore, as described above, columnar, needle-like, or whisker-like particles that can easily form 1-3 composites and 0-3 composites are preferable.

また、圧電体として高い圧電性能を得るためには、結晶配向性を有する態様であることが好ましく、更に、分極されている(分極軸の向きが揃っている)態様であることがより好ましい。   Further, in order to obtain high piezoelectric performance as a piezoelectric body, it is preferable to have an aspect having crystal orientation, and it is more preferable to be an aspect in which it is polarized (alignment of polarization axes).

粒子の製造方法としても特に制限されず、共沈法やゾルゲル法、水熱合成法等の液相法や、PLD法、CVD法等の気相法等を用いることができる。酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物は、粒子の製造において、その組成制御性、形状制御性、配向制御性、量産性がいずれも優れており、特に形状制御性、配向制御性に優れる点は、鉛系ペロブスカイト型酸化物にはない特徴であり、コンポジットの構造設計がしやすく好ましい。   The particle production method is not particularly limited, and a liquid phase method such as a coprecipitation method, a sol-gel method, or a hydrothermal synthesis method, or a gas phase method such as a PLD method or a CVD method can be used. Zinc oxide-based wurtzite-type composite oxide has excellent composition controllability, shape controllability, orientation controllability, and mass productivity in the production of particles, and is particularly excellent in shape controllability and orientation controllability. This is a feature not found in lead-based perovskite-type oxides, and is preferable because the structural design of the composite is easy.

以上述べたように、圧電コンポジット(高分子複合圧電体)1は、圧電体11として、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体を用いている。本発明者らは、これまで酸化物自身の圧電定数の低さから、圧電体としてあまり注目されていなかった酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物が、鉛系ペロブスカイト型酸化物より誘電率が低いことにより、圧電コンポジットとした際に生じる圧電定数の低下を抑制可能であり、酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物を圧電体11として用いた圧電コンポジット1において、鉛系ペロブスカイト型酸化物を上回る圧電性能を示すことを見出した。本発明によれば、圧電性能が良好な非鉛系圧電コンポジット1を提供することができる。   As described above, the piezoelectric composite (polymer composite piezoelectric body) 1 uses, as the piezoelectric body 11, a piezoelectric body made of a zinc oxide-based wurtzite complex oxide (which may contain inevitable impurities). The inventors of the present invention show that the oxide constant of a zinc oxide-based wurzite-type composite oxide, which has not been attracting much attention as a piezoelectric material, is lower than that of a lead-based perovskite-type oxide because of the low piezoelectric constant of the oxide itself. Therefore, it is possible to suppress a decrease in piezoelectric constant that occurs when a piezoelectric composite is formed. In the piezoelectric composite 1 using the zinc oxide-based wurtzite-type composite oxide as the piezoelectric body 11, the piezoelectric performance exceeds that of the lead-based perovskite-type oxide. Found to show. According to the present invention, a lead-free piezoelectric composite 1 having good piezoelectric performance can be provided.

また、母体酸化物である酸化亜鉛のZnサイト(Mサイト)に、イオン価数1価の金属元素と、イオン価数2価より大きい金属元素とを、圧電性を有し,且つ、ウルツァイト構造を取りうる範囲内で合計40モル%以下の割合で含有する酸化亜鉛系ウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)を圧電体11として用いた態様では、良好な絶縁性及び圧電特性を有する非鉛系圧電コンポジット1を提供することができる。   A Zn site (M site) of zinc oxide, which is a base oxide, includes a metal element having an ionic valence of 1 and a metal element having a valence of more than 2 having a piezoelectric property and a wurtzite structure. In the aspect using the zinc oxide-based wurtzite complex oxide (which may include inevitable impurities) contained in a proportion of 40 mol% or less in a range that can take up the total amount as a piezoelectric body 11, good insulation and piezoelectricity A lead-free piezoelectric composite 1 having characteristics can be provided.

「圧電素子」
図面を用いて本発明にかかる一実施形態の圧電素子について説明する。図8は、圧電素子2の概略断面図である。視認しやすくするため各部の縮尺は適宜変更して示してある。
"Piezoelectric element"
A piezoelectric element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic sectional view of the piezoelectric element 2. In order to facilitate visual recognition, the scale of each part is appropriately changed and shown.

圧電素子2は、基板30上に上記の本発明の圧電コンポジットからなる高分子複合圧電体膜1と、高分子複合圧電体膜1が外力を受けて歪むことにより発生した電荷を取り出す一対の電極(21,22)とを備えた構成としている。   The piezoelectric element 2 includes a polymer composite piezoelectric film 1 made of the above-described piezoelectric composite of the present invention on a substrate 30 and a pair of electrodes for taking out charges generated when the polymer composite piezoelectric film 1 is distorted by receiving external force. (21, 22).

基板30としては、圧電コンポジットのフレキシビリティを損なわない膜厚200μm以下のフィルム状のフレキシブル基板であることが好ましい。かかる基板としては、ポリイミド,PTFE,ポリエチレンナフタレート,ポリプロピレン,ポリスチレン,ポリカーボネート,ポリサルホン,ポリアリレート,ポリアミド等が挙げられ、圧電素子2の使用環境に応じて耐熱性及び吸湿性等により選択することができる。また、基板30として金属箔を用いることにより、下部電極を兼用することもできる。かかる金属箔としては、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、タンタル等が挙げられる。   The substrate 30 is preferably a film-like flexible substrate having a film thickness of 200 μm or less that does not impair the flexibility of the piezoelectric composite. Examples of such a substrate include polyimide, PTFE, polyethylene naphthalate, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyarylate, polyamide, and the like, which can be selected depending on the usage environment of the piezoelectric element 2 depending on heat resistance and moisture absorption. it can. Further, by using a metal foil as the substrate 30, the lower electrode can also be used. Examples of such metal foil include aluminum, copper, stainless steel, nickel, tantalum and the like.

電極21及び22としては特に制限なく、高分子複合圧電体膜1において発生した電荷を好適に取り出すことができるものであればよい。例えば、Sn,Al,Ni,Pt,Au,Ag,Cu,Cr,Mo等が挙げられる。電極21及び22の膜厚も、基板30と同様、圧電コンポジットのフレキシビリティを損なわなければ特に制限されない。電極21及び22の大きさにもよるが、10μm以下であることが好ましい。かかる電極は、真空蒸着法やスパッタリング法等の気相成膜法や、スクリーン印刷およびインクジェット法、導電性ペースト、導電性有機材料を用いた印刷法により形成することができる。   The electrodes 21 and 22 are not particularly limited as long as the charges generated in the polymer composite piezoelectric film 1 can be suitably taken out. For example, Sn, Al, Ni, Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Mo, etc. are mentioned. The film thickness of the electrodes 21 and 22 is not particularly limited as long as the flexibility of the piezoelectric composite is not impaired as in the case of the substrate 30. Although it depends on the size of the electrodes 21 and 22, it is preferably 10 μm or less. Such an electrode can be formed by a vapor deposition method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method, a screen printing method and an ink jet method, a conductive paste, or a printing method using a conductive organic material.

また、高分子複合圧電体膜10の成膜方法は特に限定されず、キャスティング法等の溶液成膜法やTダイ成膜等の溶融成膜法、スクリーン印刷やインクジェット法等の印刷法により成膜することができる。   The film formation method of the polymer composite piezoelectric film 10 is not particularly limited, and may be formed by a solution film formation method such as a casting method, a melt film formation method such as a T-die film formation, or a printing method such as screen printing or an ink jet method. Can be membrane.

溶液成膜法の場合、高分子複合圧電体膜10に含まれる圧電体11がウィスカー状やファイバ状等の異方性の形状を有している場合は、溶液成膜において、溶液塗布方向に圧電体11の長軸方向を容易に配向させることができる。また、圧電体11が板状粒子である場合は、容易に、厚み方向に規則的に配列させることができる。   In the case of the solution film forming method, when the piezoelectric body 11 included in the polymer composite piezoelectric film 10 has an anisotropic shape such as a whisker shape or a fiber shape, The major axis direction of the piezoelectric body 11 can be easily oriented. Further, when the piezoelectric bodies 11 are plate-like particles, they can be easily arranged regularly in the thickness direction.

また、スクリーン印刷やインクジェット印刷等の方法では、高分子圧電体膜10をパターン化して形成することができる。   Further, in the method such as screen printing or ink jet printing, the polymer piezoelectric film 10 can be formed by patterning.

既に述べたように、高分子複合圧電体膜10は、分極処理を施すことが好ましい。上記のように異方性の圧電体11が一定方向に配向した構成とすることによって、上記圧電コンポジットの実施形態において記載した、配向を利用した高い圧電性能(d定数)を得ることができ,好ましい。分極処理の方法としては特に制限されないが、高分子複合圧電体膜10に対して膜厚方向に電場を印加する通常の分極方法や、コロナ分極等が挙げられる。   As already described, the polymer composite piezoelectric film 10 is preferably subjected to polarization treatment. By adopting a configuration in which the anisotropic piezoelectric body 11 is oriented in a certain direction as described above, the high piezoelectric performance (d constant) using the orientation described in the embodiment of the piezoelectric composite can be obtained. preferable. The method for the polarization treatment is not particularly limited, and examples thereof include a normal polarization method in which an electric field is applied to the polymer composite piezoelectric film 10 in the film thickness direction, corona polarization, and the like.

圧電素子2は、上記本発明の圧電コンポジット1を備えた構成としている。従って、圧電コンポジット1と同様の効果を奏する。かかる圧電素子2は、超音波センサ,圧力センサ,触覚センサ,歪みセンサ等の各種センサや超音波探触子、ハイドロホン等の超音波トランスデューサー、乗り物や建物,又スキーやラケット等のスポーツ用具に用いる制振材(ダンパー)、そして、床や靴、タイヤ等に適用して用いる振動発電装置として好適に使用することができる。   The piezoelectric element 2 is configured to include the piezoelectric composite 1 of the present invention. Accordingly, the same effect as that of the piezoelectric composite 1 can be obtained. The piezoelectric element 2 includes various sensors such as an ultrasonic sensor, a pressure sensor, a tactile sensor, and a strain sensor, an ultrasonic probe, an ultrasonic transducer such as a hydrophone, a vehicle, a building, and sports equipment such as a ski and a racket. It can be suitably used as a vibration power generation device (damper) used in the above, and a vibration power generation device used by applying to a floor, shoes, tires, or the like.

本実施形態では、圧電コンポジットがそのフレキシビリティ性を最も生かせる膜状である場合を例に説明したが、膜状に限られるものではない。   In this embodiment, the case where the piezoelectric composite has a film shape that makes the most of its flexibility has been described as an example, but the present invention is not limited to the film shape.

本発明に係る実施例について、説明する。   Embodiments according to the present invention will be described.

(実施例1)
まず、Zn0.9750.025Oの組成(V2.5at%)となるように、バナジウムドープ酸化亜鉛(V−ZnO)を調製した。酢酸亜鉛二水和物(Zn(CH3C0O)2・2H2O)および三塩化バナジウム(VCl3)を上記組成となる重量秤量し、エチレングリコール500mL中にモル濃度が0.1Mとなるように添加し、攪拌させて溶解させた。溶解したV−ZnO溶液を200℃にて2時間加熱して、V−ZnOを析出させた。
Example 1
First, vanadium-doped zinc oxide (V-ZnO) was prepared so as to have a composition of Zn 0.975 V 0.025 O (V2.5 at%). Zinc acetate dihydrate (Zn (CH 3 C0O) 2 · 2H 2 O) and vanadium trichloride (VCl 3 ) are weighed to the above composition so that the molar concentration is 0.1 M in 500 mL of ethylene glycol. And dissolved by stirring. The dissolved V—ZnO solution was heated at 200 ° C. for 2 hours to precipitate V—ZnO.

析出したV−ZnOを遠心分離にて回収し、エタノールおよび水で洗浄した後に250℃にて1時間熱処理をしてV−ZnO(Zn0.9750.025O)原料粉を得た。 The precipitated V-ZnO was collected by centrifugation, washed with ethanol and water, and then heat-treated at 250 ° C for 1 hour to obtain a V-ZnO (Zn 0.975 V 0.025 O) raw material powder.

溶媒(DMF)にシアノエチル化PVA(CR−V 信越化学工業社製)を30質量%の割合で溶かし、混合溶液(CR−V溶液)を調製し、混合溶液1gに対して、V−ZnO原料粉を2.0gの割合で撹拌混合してペースト状にし、V−ZnOペーストとした。   Cyanoethylated PVA (CR-V manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) is dissolved in a solvent (DMF) at a ratio of 30% by mass to prepare a mixed solution (CR-V solution). The powder was stirred and mixed at a rate of 2.0 g to make a paste, and a V-ZnO paste was obtained.

次に、V−ZnOペーストを、厚さが0.3mmのアルミニウム基板上にキャスト法で、厚さ150〜200μmにシート形成し、このアルミニウム基板をホットプレート上で、温度120℃で加熱乾燥してDMFを揮発させた。これにより、アルミニウム基板上に形成されてなる厚さ70μm、V−ZnO粉体積分率が60%の圧電コンポジットを得た。   Next, a sheet of V-ZnO paste is formed on a 0.3 mm thick aluminum substrate by a casting method to a thickness of 150 to 200 μm, and this aluminum substrate is heated and dried at a temperature of 120 ° C. on a hot plate. DMF was volatilized. As a result, a piezoelectric composite having a thickness of 70 μm formed on the aluminum substrate and a V-ZnO powder integration rate of 60% was obtained.

次に、真空蒸着法にて直径15mm、厚さが1μmのアルミニウムからなる上部電極を圧電コンポジット上に形成して圧電素子を得、次いでアルミニウム基板を温度100℃に加熱しながら、上部電極−アルミニウム基板(下部電極)間にDC2kVを10分印加して分極処理を行った。   Next, an upper electrode made of aluminum having a diameter of 15 mm and a thickness of 1 μm is formed on the piezoelectric composite by a vacuum deposition method to obtain a piezoelectric element, and then the upper electrode-aluminum is heated while heating the aluminum substrate to a temperature of 100 ° C. A polarization treatment was performed by applying DC 2 kV for 10 minutes between the substrates (lower electrodes).

上部電極が中心になるようして圧電素子を20mm角の大きさにカットし、d33値をPIEZO TEST社の圧電評価装置PM−300を用いて測定した。なお、d33値の測定条件は、周波数を110Hzとし、クランピングフォースを10Nとし、ダイナミックフォースを0.25Nとした。 The piezoelectric element was cut to a size of 20 mm square with the upper electrode as the center, and the d 33 value was measured using a piezoelectric evaluation apparatus PM-300 manufactured by PIEZO TEST. The d 33 value measurement conditions were a frequency of 110 Hz, a clamping force of 10 N, and a dynamic force of 0.25 N.

測定の結果、得られた圧電素子のd33値は、d33=40(pC/N)と良好な圧電特性が得られた。 As a result of the measurement, the piezoelectric element obtained had a d 33 value of d 33 = 40 (pC / N), and good piezoelectric characteristics were obtained.

(比較例1)
圧電粉をノンドープZnOとした以外は、実施例1と同様にして比較例の圧電素子を作製し、d33値を測定した。d33値の測定結果は、d33=5(pC/N)であった。
(Comparative Example 1)
A comparative piezoelectric element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the piezoelectric powder was non-doped ZnO, and the d 33 value was measured. The measurement result of the d 33 value was d 33 = 5 (pC / N).

本発明の高分子複合圧電体は、超音波センサ,圧力センサ,触覚センサ,歪みセンサ等の各種センサや超音波探触子、ハイドロホン等の超音波トランスデューサー、乗り物や建物,又スキーやラケット等のスポーツ用具に用いる制振材(ダンパー)、そして、床や靴、タイヤ等に適用して用いる振動発電装置として好ましく利用できる。   The polymer composite piezoelectric material of the present invention includes various sensors such as an ultrasonic sensor, a pressure sensor, a tactile sensor, and a strain sensor, an ultrasonic probe, an ultrasonic transducer such as a hydrophone, a vehicle, a building, a ski, and a racket. It can be preferably used as a vibration damping device (damper) used for sports equipment such as, and a vibration power generator used by applying to floors, shoes, tires and the like.

1,1a,1b 高分子複合圧電体(圧電コンポジット,高分子複合圧電体膜)
2 圧電素子
11a,11b 圧電体
12a,11b 有機高分子樹脂
21,22 電極
30 基板
1,1a, 1b Polymer composite piezoelectric material (piezoelectric composite, polymer composite piezoelectric material film)
2 Piezoelectric element 11a, 11b Piezoelectric body 12a, 11b Organic polymer resin 21, 22 Electrode 30 Substrate

Claims (14)

有機高分子樹脂と、
該有機高分子樹脂中に分散されてなる複数の圧電体を含み、
該圧電体は、下記一般式(PY)で表される組成を有するウルツァイト型複合酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)ことを特徴とする高分子複合圧電体。
Zn (A ,B ,C )O ・・・ (PY)
(式(PY)中、0.6≦x<1、0<y、0≦z、0<w,
A:イオン価数が1価のMサイト元素であり、Li,Na,及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。B:イオン価数が2価のMサイト元素であり、Be,Mg,Ca,Ni,Sr,及びBaからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。C:平均イオン価数が2価より大きいMサイト元素であり、Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Zr,Nb,Mo,Ta,及びWからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素である。)
An organic polymer resin;
Including a plurality of piezoelectric bodies dispersed in the organic polymer resin;
The piezoelectric composite is composed of a wurtzite complex oxide having a composition represented by the following general formula ( PY ) (may contain inevitable impurities).
Zn x (A y , B z , C w ) O (PY)
(In the formula (PY), 0.6 ≦ x <1, 0 <y, 0 ≦ z, 0 <w,
A: M site element having a monovalent ionic valence, and at least one metal element selected from the group consisting of Li, Na, and K. B: M-site element having an ionic valence of 2 and at least one metal element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Ni, Sr, and Ba. C: M site element having an average ion valence greater than divalent, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Zr, Nb, Mo, Ta, and And at least one metal element selected from the group consisting of W. )
前記ウルツァイト型複合酸化物の誘電率と、前記有機高分子樹脂との誘電率との差が50%以内であることを特徴とする請求項1に記載の高分子複合圧電体。   2. The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein a difference between a dielectric constant of the wurzeite complex oxide and a dielectric constant of the organic polymer resin is within 50%. 前記ウルツァイト型複合酸化物の誘電率と、前記有機高分子樹脂との誘電率との差が10%以内であることを特徴とする請求項2に記載の高分子複合圧電体。   3. The polymer composite piezoelectric material according to claim 2, wherein a difference between a dielectric constant of the wurtzite complex oxide and a dielectric constant of the organic polymer resin is within 10%. 前記有機高分子樹脂の誘電率が7以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the organic polymer resin has a dielectric constant of 7 or more. 前記複数の圧電体の各々が結晶配向性を有しており、該複数の圧電体の分極方向が略平行となるように配列して前記有機高分子樹脂中に分散されてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   Each of the plurality of piezoelectric bodies has crystal orientation, and is arranged in such a manner that the polarization directions of the plurality of piezoelectric bodies are substantially parallel and dispersed in the organic polymer resin. The polymer composite piezoelectric material according to any one of claims 1 to 4. 前記複数の圧電体が、c軸配向性を有していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   The polymer composite piezoelectric body according to claim 1, wherein the plurality of piezoelectric bodies have c-axis orientation. 前記有機高分子樹脂中の前記圧電体の体積分率が30%以上90%以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein a volume fraction of the piezoelectric material in the organic polymer resin is 30% or more and 90% or less. 前記圧電体の誘電率が15以上40以下であり、圧電定数d33が50pC/N以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高分子複合圧電体。 The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the piezoelectric material has a dielectric constant of 15 to 40 and a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more. 圧電定数d33が30pC/N以上であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の高分子複合圧電体。 The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the piezoelectric constant d 33 is 30 pC / N or more. 圧電体の形状が粒子状であり0−3型連結性を有するものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   The polymer composite piezoelectric material according to claim 1, wherein the piezoelectric material has a particle shape and has 0-3 type connectivity. 圧電体の形状が柱状であり1−3型連結性を有するものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の高分子複合圧電体。   10. The polymer composite piezoelectric body according to claim 1, wherein the piezoelectric body has a columnar shape and has 1-3 type connectivity. 前記元素AがLi又はNaであることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の高分子複合圧電体。 Polymer composite piezoelectric body according to any one of claims 1 to 11, wherein the element A is Li or Na. 高分子複合圧電体膜であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の高分子複合圧電体。 Polymer composite piezoelectric body according to any one of claims 1 to 12, characterized in that a polymer composite piezoelectric film. 請求項1〜13のいずれかに記載の高分子複合圧電体と、該圧電体を挟持する一対の電極とを備えたことを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising the polymer composite piezoelectric body according to any one of claims 1 to 13 and a pair of electrodes that sandwich the piezoelectric body.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108713260A (en) * 2016-03-01 2018-10-26 维蒙股份公司 Piezoelectric harvester system with Composition spacer
KR20220089954A (en) * 2020-12-22 2022-06-29 포항공과대학교 산학협력단 Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015141978A (en) * 2014-01-28 2015-08-03 ムネカタ株式会社 Piezoelectric type vibration power generating device
JP6597249B2 (en) * 2015-12-04 2019-10-30 住友ゴム工業株式会社 Rubber composition for tire and pneumatic tire
KR102412750B1 (en) * 2016-06-23 2022-06-24 니폰 가가쿠 고교 가부시키가이샤 A filler for a piezoelectric material, a composite piezoelectric material and a composite piezoelectric element, a filler for a composite piezoelectric material, and a method for producing an alkali niobate compound
JP6438530B2 (en) * 2016-06-23 2018-12-12 日本化学工業株式会社 Filler for piezoelectric material, composite piezoelectric material, and composite piezoelectric element
KR101911422B1 (en) * 2016-08-05 2018-10-24 서강대학교산학협력단 Piezoelectric polymer including nanostructures doped with ferromagnetic element with regular alignment and method of preparing the same
JP6973713B2 (en) * 2016-09-06 2021-12-01 国立大学法人東北大学 Scratch detector
JP7033846B2 (en) * 2016-12-06 2022-03-11 ローム株式会社 Piezoelectric element
US11932558B1 (en) * 2020-03-02 2024-03-19 University Of Rhode Island Board Of Trustees Piezocatalysis using piezoelectric polymers
CN113155328B (en) * 2021-01-24 2023-07-21 西安电子科技大学 Flexible passive pressure sensor, preparation method and wearable touch sensor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5616171B2 (en) * 2009-09-28 2014-10-29 富士フイルム株式会社 Polymer composite piezoelectric body and piezoelectric element using the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108713260A (en) * 2016-03-01 2018-10-26 维蒙股份公司 Piezoelectric harvester system with Composition spacer
CN108713260B (en) * 2016-03-01 2023-03-24 卡爱达克有限公司 Piezoelectric energy harvester system with composite gasket
KR20220089954A (en) * 2020-12-22 2022-06-29 포항공과대학교 산학협력단 Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method
KR102610306B1 (en) * 2020-12-22 2023-12-06 포항공과대학교 산학협력단 Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method

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