JP6914151B2 - Lead-free electromagnetic composition and piezoelectric element - Google Patents

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は無鉛圧電磁器組成物、及び圧電素子に関する。 The present invention relates to lead-free porcelain compositions and piezoelectric elements.

従来から量産されている圧電磁器(圧電セラミックス)の多くは、PZT系(チタン酸ジルコン酸鉛系)の材料で構成されており、鉛を含有している。しかし、近年では、鉛の環境への悪影響を排除するために、無鉛圧電磁器の開発が望まれている。そのような無鉛圧電磁器の材料(「無鉛圧電磁器組成物」と呼ぶ)としては、例えばニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)NbO)のように、組成式ANbO(Aはアルカリ金属)で表される組成物が提案されている。しかし、ANbO系無鉛圧電磁器組成物そのものは、焼結性に劣るという問題がある。このような問題に対し、下記特許文献1では、ANbO系無鉛圧電磁器組成物にCu、Li、Ta等を添加することにより、焼結性を改善し、延いては圧電定数d33及び電気機械結合係数krを改善する方法が開示されている。また、特許文献2では、一般式{Li(K1−yNa1−x}(Nb1−zSb)Oで表される無鉛圧電磁器組成物(0≦x≦0.2,0≦y≦1.0,0≦z≦0.2,但し,x=z=0を除く)によって、比較的良好な焼結性と圧電特性を達成できることが開示されている。 Most of the pressure electromagnetic devices (piezoelectric ceramics) that have been mass-produced conventionally are composed of PZT-based (lead zirconate titanate-based) materials and contain lead. However, in recent years, the development of lead-free piezoelectric porcelain has been desired in order to eliminate the adverse effects of lead on the environment. As the material of such a lead-free porcelain (referred to as "lead-free porcelain composition"), for example, sodium niobate ((K, Na) NbO 3 ) has a composition formula ANbO 3 (A is an alkali metal). The composition represented by is proposed. However, Anbo 3 lead-free piezoelectric ceramic composition itself has a problem of poor sinterability. Such contrast problems, in Patent Document 1, Cu in Anbo 3 lead-free piezoelectric ceramic composition, Li, by adding Ta or the like, to improve the sinterability, the piezoelectric constant d 33 and the electrical By extension A method for improving the mechanical coupling coefficient kr is disclosed. Further, in Patent Document 2, a lead-free pressure electromagnetic composition represented by the general formula {Li x (K 1-y N y ) 1-x } (Nb 1-z Sb z ) O 3 (0 ≦ x ≦ 0. It is disclosed that relatively good sinterability and piezoelectric characteristics can be achieved by 2,0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.2, except for x = z = 0).

特開2000−313664号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-313664 特開2003−342069号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-342069

しかしながら、特許文献1に記載の圧電磁器組成物では、焼結性は改善されているものの、従来の有鉛圧電磁器組成物に比べて圧電定数d33及び電気機械結合係数krが劣っており、実用的には不十分である。一方、特許文献2に記載の圧電磁器組成物は、比較的高い圧電特性を示すものの、有鉛圧電磁器組成物と比較すると依然として圧電定数d33及び電気機械結合係数krが劣るため、有鉛圧電磁器組成物を代替するには不十分である。そこで、無鉛圧電磁器組成物を用いた各種の装置を実用化するために、より高い圧電定数d33及び電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物の開発が望まれている。
また、ニオブ酸アルカリ系無鉛圧電材料の多くは、高い結合係数を得ることが一般的に困難であり、現状では電気機械結合係数krが50%未満の材料が多い。そこで、高いd33値を得るため、高誘電率な化合物との複合化が行われるが、より高いd33値を得るためには、高い電気機械結合係数krが必須となる。
以上のように、実用的な圧電特性を有する無鉛圧電磁器組成物は、未だ開発されていないのが実情である。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、焼結性に優れ、実用的な圧電特性を有する無鉛圧電磁器組成物を提供することを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
However, in the pressure electromagnetic composition described in Patent Document 1, although the sinterability is improved, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are inferior to those of the conventional lead pressure electromagnetic composition. Practically insufficient. On the other hand, although the pressure electromagnetic composition described in Patent Document 2 exhibits relatively high piezoelectric characteristics, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr are still inferior to those of the lead pressure electromagnetic composition. Insufficient to replace the porcelain composition. Therefore, in order to put various devices using the lead-free pressure porcelain composition into practical use, it is desired to develop a lead-free pressure porcelain composition having a higher piezoelectric constant d 33 and an electromechanical coupling coefficient kr.
Further, it is generally difficult to obtain a high coupling coefficient for many of the alkali niobate-based lead-free piezoelectric materials, and at present, many materials have an electromechanical coupling coefficient kr of less than 50%. Therefore, in order to obtain a high d 33 value, compounding with a compound having a high dielectric constant is performed, but in order to obtain a higher d 33 value, a high electromechanical coupling coefficient kr is indispensable.
As described above, the lead-free pressure electromagnetic composition having a practical piezoelectric property has not been developed yet.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a lead-free pressure porcelain composition having excellent sinterability and practical piezoelectric characteristics. The present invention can be realized as the following forms.

〔1〕圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、前記主相におけるAサイトとBサイトに同一の元素が存在することを特徴とする無鉛圧電磁器組成物。 [1] A lead-free pressure electromagnetic composition comprising an alkali niobate perovskite oxide having piezoelectric properties as a main phase and having the same element at the A site and the B site in the main phase.

この構成の無鉛圧電磁器組成物は、焼結性に優れ、実用的な圧電特性を有する。なお、実用的な圧電特性を有する理由は、主相におけるAサイトとBサイトに同一の元素が存在することで、結晶内に歪みが生じて圧電特性が向上するからと推測される。 The lead-free pressure electromagnetic composition having this structure has excellent sinterability and practical piezoelectric characteristics. It is presumed that the reason for having a practical piezoelectric property is that the presence of the same element at the A site and the B site in the main phase causes distortion in the crystal and improves the piezoelectric property.

〔2〕前記主相におけるAサイトとBサイトに前記同一の元素としてTiが存在するとともに、
前記主相におけるAサイトとBサイトに前記同一の元素としてBa,Zr,Feからなる群より選ばれる一種以上の元素が存在することを特徴とする〔1〕に記載の無鉛圧電磁器組成物。
[2] Ti exists as the same element at the A site and the B site in the main phase, and Ti is present.
The lead-free pressure electromagnetic composition according to [1], wherein one or more elements selected from the group consisting of Ba, Zr, and Fe are present as the same element at the A site and the B site in the main phase.

この構成の無鉛圧電磁器組成物は、焼結性に優れ、実用的な圧電特性を有する。 The lead-free pressure electromagnetic composition having this structure has excellent sinterability and practical piezoelectric characteristics.

〔3〕〔1〕又は〔2〕に記載の無鉛圧電磁器組成物で形成された圧電磁器と、
前記圧電磁器に取り付けられた電極と、を備えることを特徴とする圧電素子。
[3] A piezoelectric porcelain formed of the lead-free pressure porcelain composition according to [1] or [2].
A piezoelectric element comprising an electrode attached to the pressure electromagnetic device.

この構成の圧電素子は、圧電特性に優れる。 The piezoelectric element having this configuration is excellent in piezoelectric characteristics.

本発明の一実施形態における圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric element in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態としての圧電素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the piezoelectric element as one Embodiment of this invention. サンプルS5のX線インコヒーレントチャネリング図形である。It is an X-ray incoherent channeling figure of sample S5. tanδの温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of tan δ.

1.無鉛圧電磁器組成物
本実施形態の無鉛圧電磁器組成物は、圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、主相におけるAサイトとBサイトに同一の元素が存在することを特徴とする。
1. 1. Lead-free electromagnetic composition The lead-free electromagnetic composition of the present embodiment is characterized in that the main phase is an alkali niobate perovskite oxide having piezoelectric properties, and the same elements are present at the A site and the B site in the main phase. And.

(1)主相
ニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物のアルカリ系成分は、アルカリ金属(K(カリウム)、Na(ナトリウム)、Li(リチウム)、Rb(ルビジウム)、Cs(セシウム)等)を少なくとも含み、また、アルカリ土類金属(Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)等)を含み得る。
主相におけるAサイトとBサイトに存在する同一の元素は、特に限定されない。同一の元素としてTiが存在するとともに、同一の元素としてBa、Zr、Feからなる群より選ばれる一種以上の元素が存在することが好ましい。
(1) Main phase The alkaline component of the alkali-based niobate perovskite oxide contains at least alkali metals (K (potassium), Na (sodium), Li (lithium), Rb (rubidium), Cs (cesium), etc.). , Also may contain alkaline earth metals (Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), etc.).
The same element existing at the A site and the B site in the main phase is not particularly limited. It is preferable that Ti exists as the same element and at least one element selected from the group consisting of Ba, Zr, and Fe exists as the same element.

このようなニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物としては、以下の組成式((1)式)で表されるものが好ましく例示される。なお、O原子はペロブスカイト構造を維持できる量とされている。また、この組成式では、各サイトを1に規格化している。下記組成式において、ペロブスカイト構造のいわゆるAサイトには、Ka(カリウム)、Na(ナトリウム)、Li(リチウム)、Ca(カルシウム)、Ba(バリウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Fe(鉄)が配置される。ペロブスカイト構造のいわゆるBサイトには、Nb(ニオブ)、Ba(バリウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Mg(マグネシウム)が配置される。

(KNaLiCaBaZrTiFe)(NbBaZrTiFeMg)O3-δ …(1)
As such an alkaline niobate-based perovskite oxide, those represented by the following composition formula (formula (1)) are preferably exemplified. The amount of O atom is such that the perovskite structure can be maintained. Moreover, in this composition formula, each site is standardized to 1. In the following composition formula, the so-called A sites of the perovskite structure include Ka (potassium), Na (sodium), Li (lithium), Ca (calcium), Ba (barium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Fe. (Iron) is placed. Nb (niobium), Ba (barium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Fe (iron), and Mg (magnesium) are arranged at the so-called B site of the perovskite structure.

(K a Na b Li c Ca d Ba e Zr f Ti g Fe h) (Nb i Ba j Zr k Ti l Fe m Mg n) O 3-δ ... (1)

上記組成式において、それぞれの元素割合は、無鉛圧電磁器組成物の電気的特性又は圧電特性(特に圧電定数d33)の観点から、以下の範囲が好ましい。
0.1000≦a≦0.8000、0.1000≦b≦0.8000、0.0050≦c≦0.0800、0.0050≦d≦0.0800、
0.0050≦e≦0.0800、0.0005≦f≦0.0050、0.0001≦g≦0.0020、0.0050≦h≦0.0500、
0.8000≦i≦0.9600、0.0020≦j≦0.0100、0.0100≦k≦0.0500、0.0050≦l≦0.0300、
0.0050≦m≦0.0300、0.0050≦n≦0.0500、σはペロブスカイト構造を構成する任意の値であり、典型的な値は約3である。なお、このσの値は、主相の組成の電気的な中性条件から算出することができるが、主相の組成として電気的な中性条件からやや外れた組成も許容できる。
a+b+c+d+e+f+g+h=1
i+j+k+l+m+n=1
In the above composition formula, the respective element ratios are preferably in the following ranges from the viewpoint of electrical characteristics or piezoelectric characteristics (particularly piezoelectric constant d 33) of the lead-free pressure electromagnetic porcelain composition.
0.1000 ≦ a ≦ 0.8000, 0.1000 ≦ b ≦ 0.8000, 0.0050 ≦ c ≦ 0.0800, 0.0050 ≦ d ≦ 0.0800,
0.0050 ≦ e ≦ 0.0800, 0.0005 ≦ f ≦ 0.0050, 0.0001 ≦ g ≦ 0.0020, 0.0050 ≦ h ≦ 0.0500,
0.8000 ≦ i ≦ 0.9600, 0.0020 ≦ j ≦ 0.0100, 0.0100 ≦ k ≦ 0.0500, 0.0050 ≦ l ≦ 0.0300,
0.0050 ≦ m ≦ 0.0300, 0.0050 ≦ n ≦ 0.0500, and σ are arbitrary values constituting the perovskite structure, and a typical value is about 3. The value of σ can be calculated from the electrically neutral condition of the composition of the main phase, but the composition of the main phase slightly deviating from the electrically neutral condition is also acceptable.
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
i + j + k + l + m + n = 1

上記組成式において、それぞれの元素割合は、以下の範囲がより好ましい。
0.3000≦a≦0.6500、0.2500≦b≦0.6000、0.0050≦c≦0.0600、0.0100≦d≦0.0300、
0.0100≦e≦0.0500、0.0005≦f≦0.0030、0.0002≦g≦0.0020、0.0100≦h≦0.0300、
0.8500≦i≦0.9400、0.0040≦j≦0.0080、0.0200≦k≦0.0400、0.0100≦l≦0.0250、
0.0050≦m≦0.0200、0.0050≦n≦0.0300
a+b+c+d+e+f+g+h=1
i+j+k+l+m+n=1
In the above composition formula, the ratio of each element is more preferably in the following range.
0.3000 ≦ a ≦ 0.6500, 0.2500 ≦ b ≦ 0.6000, 0.0050 ≦ c ≦ 0.0600, 0.0100 ≦ d ≦ 0.0300,
0.0100 ≦ e ≦ 0.0500, 0.0005 ≦ f ≦ 0.0030, 0.0002 ≦ g ≦ 0.0020, 0.0100 ≦ h ≦ 0.0300,
0.8500 ≦ i ≦ 0.9400, 0.0040 ≦ j ≦ 0.0080, 0.0200 ≦ k ≦ 0.0400, 0.0100 ≦ l ≦ 0.0250,
0.0050 ≤ m ≤ 0.0200, 0.0050 ≤ n ≤ 0.0300
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
i + j + k + l + m + n = 1

上記組成式において、それぞれの元素割合は、以下の範囲が更に好ましい。
0.3500≦a≦0.6000、0.3000≦b≦0.5500、0.0100≦c≦0.0400、0.0200≦d≦0.0450、
0.0150≦e≦0.0350、0.0010≦f≦0.0025、0.0002≦g≦0.0018、0.0130≦h≦0.0250、
0.9000≦i≦0.9250、0.0045≦j≦0.0075、0.0250≦k≦0.0350、0.0100≦l≦0.0200、
0.0100≦m≦0.0250、0.0080≦n≦0.0200
a+b+c+d+e+f+g+h=1
i+j+k+l+m+n=1
In the above composition formula, the ratio of each element is more preferably in the following range.
0.3500 ≦ a ≦ 0.6000, 0.3000 ≦ b ≦ 0.5500, 0.0100 ≦ c ≦ 0.0400, 0.0200 ≦ d ≦ 0.0450,
0.0150 ≦ e ≦ 0.0350, 0.0010 ≦ f ≦ 0.0025, 0.0002 ≦ g ≦ 0.0018, 0.0130 ≦ h ≦ 0.0250,
0.9000 ≦ i ≦ 0.9250, 0.0045 ≦ j ≦ 0.0075, 0.0250 ≦ k ≦ 0.0350, 0.0100 ≦ l ≦ 0.0200,
0.0100 ≦ m ≦ 0.0250, 0.0080 ≦ n ≦ 0.0200
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
i + j + k + l + m + n = 1

主相の組成は、KとNaとNbとを主な元素成分とする酸化物である。この主相は、KとNaとNbとを主な元素成分としているので、主相で構成される材料を「KNN」又は「KNN材」とも呼び、主相を「KNN相」とも呼ぶ。 The composition of the main phase is an oxide containing K, Na and Nb as main elemental components. Since this main phase contains K, Na, and Nb as main elemental components, the material composed of the main phase is also referred to as "KNN" or "KNN material", and the main phase is also referred to as "KNN phase".

(2)副相
本発明の実施形態としての無鉛圧電磁器組成物は、主相と異なる金属酸化物を副相として含み得る。副相は、例えば、以下の(a)〜(e)のうちから選ばれた一種以上の金属酸化物を含むことが好ましい。
(a)Mg(マグネシウム)、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cr(クロム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Sc(スカンジウム)、Bi(ビスマス)から選ばれた金属元素からなる単一金属酸化物
(b)M−Ti−O系スピネル化合物(元素Mは1〜5価の金属)
(c)A13系化合物(元素Aは1価の金属、元素Bは2〜6価の金属)
(d)A15系化合物(元素Aは1〜2価の金属、元素Bは2〜5価の金属)
(e)A−Ti−B−O系化合物(元素Aはアルカリ金属、元素BはNbとTaのうちの少なくとも1種)
(2) Subphase The lead-free pressure electromagnetic composition according to the embodiment of the present invention may contain a metal oxide different from the main phase as the subphase. The subphase preferably contains, for example, one or more metal oxides selected from the following (a) to (e).
(A) Mg (magnesium), Ni (nickel), Co (cobalt), Fe (iron), Mn (manganese), Cr (chromium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Ag (silver), Zn ( Single metal oxide consisting of a metal element selected from zinc), Sc (scandium), and Bi (bismas) (b) M—Ti—O spinel compound (element M is a 1- to pentavalent metal)
(C) A 2 B 6 O 13 system compound (element A is a monovalent metal, element B is a 2 to 6 valent metal)
(D) A 3 B 5 O 15- based compound (element A is a 1 to 2 valent metal, element B is a 2 to 5 valent metal)
(E) A-Ti-BO compound (element A is an alkali metal, element B is at least one of Nb and Ta)

これらの化合物を含む副相は、それ自身では圧電特性を有しておらず、主相と混在することによって焼結性や緻密性を向上させる機能を有する。また、これらの副相を添加すると、優れた圧電定数d33や電気機械結合係数krを有する無鉛圧電磁器組成物を得ることが可能である。副相の含有割合の合計値は、無鉛圧電磁器組成物の全体に対して5体積%以下であることが好ましく、2体積%以下であることが更に好ましい。副相の含有割合の合計値が5体積%を超えると、圧電定数d33及び電気機械結合係数krが却って低下する可能性がある。 The sub-phase containing these compounds does not have piezoelectric properties by itself, but has a function of improving sinterability and compactness by mixing with the main phase. Further, by adding these subphases, it is possible to obtain a lead-free pressure porcelain composition having an excellent piezoelectric constant d 33 and an electromechanical coupling coefficient kr. The total value of the content ratio of the subphase is preferably 5% by volume or less, more preferably 2% by volume or less, based on the whole lead-free pressure electromagnetic composition. If the total value of the content ratios of the subphases exceeds 5% by volume, the piezoelectric constant d 33 and the electromechanical coupling coefficient kr may decrease.

単一金属酸化物としては、例えば、MgO、NiO、CoO、Co、FeO、Fe、MnO、MnO、Cr、ZrO、TiO、CuO、CuO、AgO、ZnO、Sc、Biを利用することができる。これらのうち、特に、Co、ZnO、Feのうちの1種、2種、又は3種を副相として使用すれば、主相の構造を安定化できる点で好ましい。 Examples of the single metal oxide include MgO, NiO, CoO, Co 3 O 4 , FeO, Fe 2 O 3 , MnO, MnO 2 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Cu 2 O, and CuO. Ag 2 O, Zn O, Sc 2 O 3 , and Bi 2 O 3 can be used. Of these, it is particularly preferable to use one, two, or three of Co 3 O 4 , ZnO, and Fe 2 O 3 as the subphase because the structure of the main phase can be stabilized.

M−Ti−O系スピネル化合物の組成は、次の(2)式で表すことができる。
TiO …(2)
ここで、元素Mは、1〜5価の金属元素であり、Li(リチウム)、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Mg(マグネシウム)、Al(アルミニウム)、Sc(スカンジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Zn(亜鉛)、Ga(ガリウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Sn(スズ)、Sb(アンチモン)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Si(ケイ素)、Hf(ハフニウム)のうちの少なくとも1種である。なお、元素MとしてLiを含む場合には、スピネル化合物を形成するために、上記金属元素のうちのLi以外の他の1種以上の金属元素がLiとともに含まれることが好ましい。係数x、yは、Tiの含有量を1としたときの相対値である。スピネル化合物を形成するために、係数xは、0.5≦x≦8.0を満たすことが好ましく、0.5≦x≦5.0を満たすことが更に好ましい。また、係数yは、スピネル化合物を形成する任意の値であるが、典型的には2≦y≦8を満たすことが好ましい。具体的なスピネル化合物としては、例えば、NiFeTiO、MgFeTiO、Ni(Ti,Zr)O、Ni(Ti,Hf)O、Ni1.5FeTi0.5、CoMgTiO、CoFeTiO、(Fe,Zn,Co)TiO、CoZnTiOを使用することが好ましい。スピネル化合物は、主相の構造を安定化するので、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れた圧電磁器組成物を得ることができる。
The composition of the M—Ti—O spinel compound can be represented by the following formula (2).
M x TiO y … (2)
Here, the element M is a 1- to pentavalent metal element, and Li (lithium), Na (sodium), K (potassium), Mg (gallium), Al (aluminum), Sc (scandium), Cr (chromium). ), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Zn (zinc), Ga (gallium), Y (yttrium), Zr (zirconium), Sn (tin), Sb (antimon) ), Nb (niob), Ta (tantal), Si (silicon), Hf (hafnium). When Li is contained as the element M, it is preferable that one or more metal elements other than Li among the above metal elements are contained together with Li in order to form a spinel compound. The coefficients x and y are relative values when the Ti content is 1. In order to form the spinel compound, the coefficient x preferably satisfies 0.5 ≦ x ≦ 8.0, and more preferably 0.5 ≦ x ≦ 5.0. The coefficient y is an arbitrary value for forming the spinel compound, but typically satisfies 2 ≦ y ≦ 8. Specific spinel compounds include, for example, NiFeTIO 4 , MgFeTIO 4 , Ni 2 (Ti, Zr) O 4 , Ni 2 (Ti, Hf) O 4 , Ni 1.5 FeTi 0.5 O 4 , CoMgTIO 4 , CoFeTiO 4, (Fe, Zn, Co) it is preferred to use 2 TiO 4, CoZnTiO 4. Since the spinel compound stabilizes the structure of the main phase, a piezoelectric composition having an excellent piezoelectric constant d 33 and an electromechanical coupling coefficient kr can be obtained.

スピネル化合物は、正スピネル化合物であってもよく、逆スピネル化合物であってもよい。なお、スピネル化合物であるか否かは、粉末X線回折(XRD)の回折結果を使用したリートベルト解析(Rietveld Analysis)を行うことによって判定可能である。 The spinel compound may be a positive spinel compound or a reverse spinel compound. Whether or not it is a spinel compound can be determined by performing Rietveld Analysis using the diffraction result of powder X-ray diffraction (XRD).

13系化合物としては、元素A(1価の金属)をLi、Na、Kのうちの少なくとも一種とし、元素B(2〜6価の金属)をCo、Fe、Mg、Ni、Zr、Mn、Al、Nb、Ta、Wのうちの少なくとも一種とした化合物を利用することができる。具体的には、例えば、K(Ti,Nb,Mg)13、K(Ti,Nb,Co,Zn)13を等を利用することが可能である。 As the A 2 B 6 O 13 system compound, the element A (monovalent metal) is at least one of Li, Na and K, and the element B (2 to 6 valent metal) is Co, Fe, Mg and Ni. , Zr, Mn, Al, Nb, Ta, W can be used as at least one compound. Specifically, for example, K 2 (Ti, Nb, Mg) 6 O 13 and K 2 (Ti, Nb, Co, Zn) 6 O 13 can be used.

15系化合物としては、元素A(1〜2価の金属)をBa、Ca、Sr、Na、K、Liのうちの少なくとも一種とし、元素B(2〜5価の金属)をNb、Mn、Fe、Ni、Co、Zn、Zrのうちの少なくとも一種とした化合物を利用することができる。具体的には、例えば、(Ba,Na,K)(Nb,Ni,Fe)15、(Ba,Na,K)(Nb,Co,Ni)15、(Ba,Na,K)(Nb,Zn)15、(Ba,Na,K)(Nb,Mn)15,(Ba,Na,K)(Nb,Fe,Zn,Co)15等を利用することが可能である。 As the A 3 B 5 O 15 system compound, the element A (1-2-valent metal) is at least one of Ba, Ca, Sr, Na, K, and Li, and the element B (2-5-valent metal) is used. Can be used as a compound in which at least one of Nb, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, and Zr is used. Specifically, for example, (Ba, Na, K) 3 (Nb, Ni, Fe) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Co, Ni) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Zn) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Mn) 5 O 15 , (Ba, Na, K) 3 (Nb, Fe, Zn, Co) 5 O 15 etc. It is possible to use.

A−Ti−B−O系化合物としては、以下の(3)式又は(4)式の組成を有するものを利用可能である。
1−xTi1−x1+x (3)
Ti (4)
ここで、元素Aはアルカリ金属(K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Cs(セシウム)等)のうちの少なくとも1種であり、元素BはNb(ニオブ)とTa(タンタル)のうちの少なくとも1種である。上記(3)式の係数xは任意の値である。但し、係数xは、0≦x≦0.15を満たすことが好ましい。係数xがこの範囲の値を取れば、化合物の構造が安定し、均一な結晶相を得ることができる。
As the A-Ti-BO compound, a compound having the composition of the following formula (3) or formula (4) can be used.
A 1-x Ti 1-x B 1 + x O 5 (3)
A 1 Ti 3 B 1 O 9 (4)
Here, the element A is at least one of alkali metals (K (potassium), Rb (rubidium), Cs (cesium), etc.), and the element B is at least one of Nb (niobium) and Ta (tantalum). It is one kind. The coefficient x in the above equation (3) is an arbitrary value. However, the coefficient x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 0.15. When the coefficient x takes a value in this range, the structure of the compound is stable and a uniform crystal phase can be obtained.

上記(3)式に従った具体的な化合物としては、KTiNbO、K0.90Ti0.90Nb1.10、K0.85Ti0.85Nb1.15、RbTiNbO、Rb0.90Ti0.90Nb1.10、Rb0.85Ti0.85Nb1.15、CsTiNbO、Cs0.90Ti0.90Nb1.10、KTiTaO、及びCsTiTaOなどを使用可能である。なお、この化合物の構造的な安定性の観点から、係数xは、元素AがK(カリウム)又はRb(ルビジウム)の場合には0≦x≦0.15を満たすことが好ましく、元素AがCs(セシウム)の場合には0≦x≦0.10を満たすことが好ましい。元素AとしてK(カリウム)を選択し、元素BとしてNb(ニオブ)を選択すれば、圧電定数d33及び電気機械結合係数krに優れた圧電磁器組成物を得ることができる。 Specific compounds according to the above formula (3) include KTiNbO 5 , K 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , K 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , RbTiNbO 5. , Rb 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , Rb 0.85 Ti 0.85 Nb 1.15 O 5 , CsTiNbO 5 , Cs 0.90 Ti 0.90 Nb 1.10 O 5 , KTiTaO 5 and CsTiTaO 5 and the like can be used. From the viewpoint of structural stability of this compound, the coefficient x preferably satisfies 0 ≦ x ≦ 0.15 when the element A is K (potassium) or Rb (rubidium), and the element A is. In the case of Cs (cesium), it is preferable to satisfy 0 ≦ x ≦ 0.10. If K (potassium) is selected as the element A and Nb (niobium) is selected as the element B, a piezoelectric composition having an excellent piezoelectric constant d 33 and an electromechanical coupling coefficient kr can be obtained.

上記(3)式と(4)式で表される結晶相は、いずれも元素A(アルカリ金属)と、Ti(チタン)と、元素B(NbとTaのうちの少なくとも1種)の複合酸化物である点で共通している。このように、元素Aと、Ti(チタン)と、元素Bの複合酸化物を「A−Ti−B−O系複合酸化物」と呼ぶ。A−Ti−B−O系複合酸化物(元素Aはアルカリ金属、元素BはNbとTaのうちの少なくとも1種、元素Aと元素BとTiの含有量はいずれもゼロで無い)を利用することが可能である。 The crystal phases represented by the above equations (3) and (4) are both compound oxidations of element A (alkali metal), Ti (titanium), and element B (at least one of Nb and Ta). It is common in that it is a thing. As described above, the composite oxide of the element A, Ti (titanium), and the element B is called "A-Ti-BO-based composite oxide". Uses A-Ti-BO composite oxide (element A is an alkali metal, element B is at least one of Nb and Ta, and the contents of element A, element B and Ti are not zero). It is possible to do.

図1は、本発明の一実施形態における圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。なお、詳細な機構は不明であるが、この製造方法では、主相の原料の粉末の粒度よりも、副相の原料の粉末の粒度を細かくすることで、主相内のAサイトとBサイトの両者に同一の元素(Ba,Ti,Zr,Fe等)が取り込まれる現象が観察される。例えば、主相の各原料粉末のD50(メジアン径)を2.5〜3.9μmとし、副相の各原料粉末のD50を2.0μm以下とすることが好ましい。
工程T110では、主相(KNN相)の原料として、KCO粉末,NaCO粉末,LiCO粉末,CaCO粉末,SrCO粉末,BaCO粉末,Nb粉末,Ta粉末,TiO粉末,ZrO粉末,MgO粉末,Al粉末,Sc粉末,MnO粉末,Fe粉末,Co粉末,NiO粉末,ZnO粉末,Ga粉末,Y粉末等の原料のうちから必要なものを選択し、主相の組成式における係数(例えば、上記の主相の組成式におけるa〜n)の値に応じて秤量する。そして、これらの原料粉末にエタノールを加え、ボールミルにて好ましくは15時間以上湿式混合してスラリーを得る。工程T120では、スラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600℃〜1100℃で1〜10時間仮焼して主相仮焼粉を生成する。
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention. Although the detailed mechanism is unknown, in this production method, the particle size of the powder of the raw material of the subphase is made finer than the particle size of the powder of the raw material of the main phase, so that the A site and the B site in the main phase are made finer. A phenomenon is observed in which the same element (Ba, Ti, Zr, Fe, etc.) is incorporated into both of them. For example, it is preferable that the D 50 (median diameter) of each raw material powder of the main phase is 2.5 to 3.9 μm and the D 50 of each raw material powder of the sub-phase is 2.0 μm or less.
In step T110, as raw materials for the main phase (KNN phase), K 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, Li 2 CO 3 powder, CaCO 3 powder, SrCO 3 powder, BaCO 3 powder, Nb 2 O 5 powder, Ta 2 O 5 powder, TiO 2 powder, ZrO 2 powder, MgO powder, Al 2 O 3 powder, Sc 2 O 3 powder, MnO 2 powder, Fe 2 O 3 powder, Co 3 O 4 powder, NiO powder, ZnO powder , Ga 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, and other raw materials are selected and used as the value of the coefficient in the composition formula of the main phase (for example, a to n in the composition formula of the main phase above). Weigh accordingly. Then, ethanol is added to these raw material powders and wet-mixed with a ball mill for preferably 15 hours or more to obtain a slurry. In step T120, the mixed powder obtained by drying the slurry is calcined at, for example, 600 ° C. to 1100 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to produce a main phase calcined powder.

工程T130では、副相の原料として、NbTiKO粉末,FeTiO,LiTiO,BaZrO粉末,Fe粉末,LiCO粉末,NaCO粉末,KCO粉末,Co粉末,Fe粉末,MgO粉末,NiO粉末,ZrO粉末,MnO粉末,Al粉末,Nb粉末,Ta粉末,WO粉末等のうちから必要なものを選択し、副相の組成式に応じて秤量する。そして、これらの原料粉末にエタノールを加えてボールミルにて好ましくは15時間以上湿式混合してスラリーを得る。工程T140では、スラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600℃〜1100℃で1〜10時間仮焼して副相仮焼粉を生成する。 In step T130, as raw materials for the subphase, NbTiKO 5 powder, Fe 2 TiO 4 , Li 2 TiO 3 , BaZrO 3 powder, Fe 2 O 3 powder, Li 2 CO 3 powder, Na 2 CO 3 powder, K 2 CO 3 Powder, Co 3 O 4 powder, Fe 2 O 3 powder, MgO powder, NiO powder, ZrO 2 powder, MnO 2 powder, Al 2 O 3 powder, Nb 2 O 5 powder, Ta 2 O 5 powder, WO 3 powder, etc. Select the required one from the above and weigh it according to the composition formula of the subphase. Then, ethanol is added to these raw material powders and wet-mixed with a ball mill for preferably 15 hours or more to obtain a slurry. In step T140, the mixed powder obtained by drying the slurry is calcined at, for example, 600 ° C. to 1100 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to produce a subphase calcined powder.

工程T145では、主相仮焼粉と副相仮焼粉をそれぞれ秤量し、ボールミルにて、分散剤、バインダ及びエタノールを加えて粉砕・混合してスラリーとする。また、このスラリーを乾燥して得られた混合粉末を、例えば大気雰囲気下600℃〜1100℃で1〜10時間仮焼して仮焼粉を生成する。後述するように、本実施形態において、圧電磁器組成物における副相の好ましい割合は、体積%で規定される。一方、工程T145における主相仮焼粉と副相仮焼粉との混合割合は、主相仮焼粉と副相仮焼粉の重量を用いて行われる。この際、工程T145における混合時の副相割合(重量%)と、最終的に得られる無鉛圧電磁器組成物における副相割合(体積%)との関係は、経験的に予め決定しておくことが可能である。 In step T145, the main phase temporary baking powder and the sub-phase temporary baking powder are weighed, and a dispersant, binder and ethanol are added in a ball mill, and the mixture is pulverized and mixed to form a slurry. Further, the mixed powder obtained by drying this slurry is calcined at 600 ° C. to 1100 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere to produce a calcined powder. As will be described later, in the present embodiment, the preferable ratio of the subphase in the piezoelectric composition is defined by volume%. On the other hand, the mixing ratio of the main phase temporary baking powder and the sub-phase temporary baking powder in the step T145 is performed using the weights of the main phase temporary baking powder and the sub-phase temporary baking powder. At this time, the relationship between the subphase ratio (% by weight) at the time of mixing in step T145 and the subphase ratio (volume%) in the finally obtained lead-free pressure electromagnetic composition should be empirically determined in advance. Is possible.

工程T150では、工程T145で得られた仮焼粉に再び分散剤、バインダ及びエタノールを加えて粉砕・混合してスラリーとし、このスラリーをスプレードライ乾燥機により乾燥しつつ造粒し、その後、例えば圧力20MPaで一軸プレスを行い、所望の形状に成形する。本発明の実施形態としての各種の装置に適した典型的な圧電磁器の形状は、円板状、円柱状、矩形平板状等である。その後、例えば圧力150MPaでCIP処理(冷間静水圧成形処理)を行って成形体を得る。工程T155では、得られた成形体を、例えば大気雰囲気下500℃〜800℃で2〜10時間保持し、バインダを脱脂する脱脂工程を行う。工程T160では、得られた脱脂工程後の成形体を、例えば大気雰囲気下1000℃〜1300℃の中から選択される特定温度(例えば、1150℃)で2〜50時間保持して焼成することによって圧電磁器を得る。工程T160の焼成は、密閉容器内に成形体を密封した状態で行う密封焼成であることが好ましい。この理由は、成形体に含まれるアルカリ金属(Li,Na,K)などの金属元素が、焼成中に外部に消失してしまうことを防止するためである。このような密閉容器としては、例えば、オオタケセラム株式会社製アルミナサヤ A−1174を使用することが可能である。工程T170では、圧電磁器を、圧電素子に要求される寸法精度に従って加工する。工程T180では、こうして得られた圧電磁器に電極を取り付け、工程T190で分極処理を行う。 In step T150, a dispersant, binder and ethanol are added again to the calcined powder obtained in step T145, pulverized and mixed to form a slurry, and this slurry is granulated while being dried by a spray dry dryer, and then, for example, Uniaxial pressing is performed at a pressure of 20 MPa to form a desired shape. The shape of a typical piezoelectric device suitable for various devices according to the embodiment of the present invention is a disk shape, a columnar shape, a rectangular flat plate shape, or the like. Then, for example, a CIP treatment (cold hydrostatic molding treatment) is performed at a pressure of 150 MPa to obtain a molded product. In step T155, the obtained molded product is held at, for example, 500 ° C. to 800 ° C. for 2 to 10 hours in an air atmosphere to perform a degreasing step of degreasing the binder. In step T160, the obtained molded product after the degreasing step is held and fired at a specific temperature (for example, 1150 ° C.) selected from, for example, 1000 ° C. to 1300 ° C. in an air atmosphere for 2 to 50 hours. Obtain a piezoelectric device. The firing in the step T160 is preferably a sealed firing performed in a state where the molded product is sealed in a closed container. The reason for this is to prevent metal elements such as alkali metals (Li, Na, K) contained in the molded product from disappearing to the outside during firing. As such a closed container, for example, Alumina Saya A-1174 manufactured by Otake Serum Co., Ltd. can be used. In step T170, the piezoelectric element is processed according to the dimensional accuracy required for the piezoelectric element. In the step T180, an electrode is attached to the piezoelectricizer thus obtained, and a polarization treatment is performed in the step T190.

上述した製造方法は一例であり、圧電素子を製造するための他の種々の工程や処理条件を利用可能である。例えば、図1のように主相と副相を予め別個に生成した後に両者の粉末を混合し焼成する代わりに、最終的な無鉛圧電磁器組成物の組成に応じた量比で原料を混合し焼成することによって、圧電磁器組成物を製造するようにしてもよい。但し、図1の製造方法によれば、主相と副相の組成をより厳密に管理し易いので、圧電磁器組成物の歩留まりを高めることが可能である。 The manufacturing method described above is an example, and various other steps and processing conditions for manufacturing the piezoelectric element can be used. For example, instead of forming the main phase and the sub-phase separately in advance as shown in FIG. 1 and then mixing and firing the powders of both, the raw materials are mixed in an amount ratio according to the composition of the final lead-free pressure porcelain composition. The piezoelectric composition may be produced by firing. However, according to the production method of FIG. 1, since the composition of the main phase and the sub-phase can be controlled more strictly, it is possible to increase the yield of the piezoelectric composition.

2.圧電素子
図2は、本発明の一実施形態としての圧電素子を示す斜視図である。この圧電素子200は、円板状の圧電磁器100の上面と下面に電極301,302が取り付けられた構成を有している。なお、圧電素子としては、これ以外の種々の形状や構成の圧電素子を形成可能である。
2. Piezoelectric element FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric element as an embodiment of the present invention. The piezoelectric element 200 has a configuration in which electrodes 301 and 302 are attached to the upper surface and the lower surface of the disc-shaped pressure electromagnetic device 100. As the piezoelectric element, it is possible to form a piezoelectric element having various shapes and configurations other than the above.

3.無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子の利用
本発明の実施形態による無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子は、振動検知用途や、圧力検知用途、発振用途、及び、圧電デバイス用途等に広く用いることが可能である。例えば、各種振動を検知するセンサ類(ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)、振動子、アクチュエータ、フィルタ等の圧電デバイス、高電圧発生装置、マイクロ電源、各種駆動装置、位置制御装置、振動抑制装置、流体吐出装置(塗料吐出及び燃料吐出等)などの各種の装置に利用することができる。また、本発明の実施形態による無鉛圧電磁器組成物及び圧電素子は、特に、優れた熱耐久性が要求される用途(例えば、ノックセンサ及び燃焼圧センサ等)に好適である。
3. 3. Use of lead-free electromagnetic composition and piezoelectric element The lead-free electromagnetic composition and piezoelectric element according to the embodiment of the present invention can be widely used in vibration detection applications, pressure detection applications, oscillation applications, piezoelectric device applications, and the like. Is. For example, sensors that detect various vibrations (knock sensors, combustion pressure sensors, etc.), piezoelectric devices such as vibrators, actuators, filters, high voltage generators, micro power supplies, various drive devices, position control devices, vibration suppression devices, etc. It can be used for various devices such as a fluid discharge device (paint discharge, fuel discharge, etc.). Further, the lead-free pressure electromagnetic composition and the piezoelectric element according to the embodiment of the present invention are particularly suitable for applications requiring excellent thermal durability (for example, a knock sensor and a combustion pressure sensor).

実施例により本発明を更に具体的に説明する。
なお、サンプルS2〜S12が実施例に相当し、サンプルS1及びS13は参考例である。
The present invention will be described in more detail with reference to Examples.
Samples S2 to S12 correspond to Examples, and Samples S1 and S13 are reference examples.

1.サンプル組成物の調製
主相の原料、副相の原料の種類及び分量を適宜選択して各種のサンプル組成物を調製した。
1. 1. Preparation of sample compositions Various sample compositions were prepared by appropriately selecting the types and amounts of the raw materials for the main phase and the raw materials for the sub-phase.

2.組成の分析
無鉛圧電磁器組成物で形成された圧電磁器の組成は、ビームロッキングTEM−EDS分析を用いて測定した。詳細には次のようにして測定した。なお、ビームロッキングTEM−EDS分析については、以下の文献に詳細な説明がされおり、この内容を参照している。
Masahiro Ohtsuka et al., "Quantitative determination of occupation sites
of trace Co substituted for multiple Fe sites in M-type hexagonal ferrite using statistical beam-rocking TEM-EDXS analysis", Microscopy, 65, 127-137(2016)
透過電子顕微鏡(TEM)分析用試料は、次のように準備した。最初に、焼結体を直径3mmのディスク状に打ち抜き、約50μm厚まで機械研磨を実施した。その後、ディスク平面の中心部にディンプルグラインダを用いて10μm以下になるようすり鉢状の窪みをつけた。そして、加速電圧2〜4kVのArイオンを入射角度4度で表裏面に照射させることで薄膜部を形成しTEM分析用試料を準備した。
TEM装置は、加速電圧を200kVに設定し、エネルギー分散型X線分光器(EDS)が付属したJEM−2100(日本電子株式会社)を使用した。
ビームロッキングTEM−EDS分析は、次の通り実施した。試料膜厚が100nmほどに加工された領域に存在するKNN粒子を選択し、晶帯軸を[120]に合わせた。そして、直径1μmの物理的な絞りを使って電子線の照射領域を制限し、[120]入射方位から縦横方向共に±2°の範囲で入射方位を走査させながらEDSスペクトルを測定した。そのときの角度分解能は、64×64ピクセルに設定した。各測定点で取得したEDSスペクトルから、Ba(L線)、Zr(K線)、Ti(K線)、Fe(K線)の強度を抽出し、入射角度空間での画像(X線インコヒーレントチャネリング図形)を構築した。
図3は、サンプルS5のX線インコヒーレントチャネリング図形を示す。X線インコヒーレントチャネリング図形は、元素が占有する結晶サイトを反映しているため、Aサイトを占有する主元素のK(K線)、Na(K線)と、Bサイトを占有する主元素のNb(L線)は異なったパターンを示す。これら主元素のパターンデータとBa(L線)、Zr(K線)、Ti(K線)、Fe(K線)のパターンデータを対比させ、定量値を算出する。
EDSスペクトルデータ及びX線インコヒーレントチャネリング図形から、KNN粒子に固溶するBa、Zr、Ti、Feの濃度、及びAサイトとBサイトの占有割合は、次の式に従い定量した。
2. Composition Analysis The composition of the piezoelectric porcelain formed of the lead-free pressure porcelain composition was measured using beam locking TEM-EDS analysis. The details were measured as follows. The beam locking TEM-EDS analysis is described in detail in the following documents, and the contents are referred to.
Masahiro Ohtsuka et al., "Quantitative determination of occupation sites
of trace Cosubstituted for multiple Fe sites in M-type hexagonal ferrite using statistical beam-rocking TEM-EDXS analysis ", Microscopy, 65, 127-137 (2016)
Samples for transmission electron microscope (TEM) analysis were prepared as follows. First, the sintered body was punched into a disk shape having a diameter of 3 mm, and mechanical polishing was performed to a thickness of about 50 μm. Then, a mortar-shaped depression was made in the center of the disk plane using a dimple grinder so as to be 10 μm or less. Then, a thin film portion was formed by irradiating the front and back surfaces with Ar + ions having an acceleration voltage of 2 to 4 kV at an incident angle of 4 degrees, and a sample for TEM analysis was prepared.
As the TEM apparatus, JEM-2100 (JEOL Ltd.) with an acceleration voltage set to 200 kV and an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) was used.
Beam locking TEM-EDS analysis was performed as follows. KNN particles existing in a region where the sample film thickness was processed to about 100 nm were selected, and the crystal zone axis was aligned with [120]. Then, the irradiation region of the electron beam was limited by using a physical diaphragm having a diameter of 1 μm, and the EDS spectrum was measured while scanning the incident direction in the range of ± 2 ° in both the vertical and horizontal directions from the [120] incident direction. The angular resolution at that time was set to 64 × 64 pixels. The intensities of Ba (L line), Zr (K line), Ti (K line), and Fe (K line) are extracted from the EDS spectrum acquired at each measurement point, and the image (X-ray incoherent) in the incident angle space is extracted. Channeling figure) was constructed.
FIG. 3 shows an X-ray incoherent channeling figure of sample S5. Since the X-ray incoherent channeling diagram reflects the crystal sites occupied by the elements, the main elements K (K line) and Na (K line) that occupy the A site and the main elements that occupy the B site Nb (L line) shows different patterns. The pattern data of these main elements is compared with the pattern data of Ba (L line), Zr (K line), Ti (K line), and Fe (K line) to calculate a quantitative value.
From the EDS spectrum data and the X-ray incoherent channeling figure, the concentrations of Ba, Zr, Ti, Fe solidly dissolved in the KNN particles and the occupancy ratios of A sites and B sites were quantified according to the following formula.

Figure 0006914151
Figure 0006914151

ここで、cは元素xの濃度、fは元素xがサイトjを占有する割合を示す。また、αは回帰係数、nはサイトjに存在する元素の濃度、k及びkは薄膜近似法を適用するために用いた因子を表わす。なお、Aサイトにおける主元素はKとNaの2種類で構成されているため、一次従属となり解を1つに決定することができない。そのため、定量値の算出は、Naデータを基準に取った。
下記の組成式と定義した場合、各パラメータ値は表1、2の通りであった。なお、表1において、「BaA」はAサイトにおけるBaを、「ZrA」はAサイトにおけるZrを、「TiA」はAサイトにおけるTiを、「FeA」はAサイトにおけるFeをそれぞれ意味する。また、表2において、「BaB」はBサイトにおけるBaを、「ZrB」はBサイトにおけるZrを、「TiB」はBサイトにおけるTiを、「FeB」はBサイトにおけるFeをそれぞれ意味する。比較例1〜4では、AサイトとBサイトに同一の元素が存在していない。

(KNaLiCaBaZrTiFe)(NbBaZrTiFeMg)O
Here, c x indicates the concentration of the element x, and f indicates the ratio of the element x occupying the site j. In addition, α j represents the regression coefficient, n j represents the concentration of the element existing at the site j, and k j and k x represent the factors used to apply the thin film approximation method. Since the main element at the A site is composed of two types, K and Na, it is linearly dependent and the solution cannot be determined as one. Therefore, the calculation of the quantitative value was taken based on the Na data.
When defined as the following composition formula, each parameter value is as shown in Tables 1 and 2. In Table 1, "BaA" means Ba at the A site, "ZrA" means Zr at the A site, "TiA" means Ti at the A site, and "FeA" means Fe at the A site. Further, in Table 2, "BaB" means Ba at the B site, "ZrB" means Zr at the B site, "TiB" means Ti at the B site, and "FeB" means Fe at the B site. In Comparative Examples 1 to 4, the same element does not exist at the A site and the B site.

(K a Na b Li c Ca d Ba e Zr f Ti g Fe h) (Nb i Ba j Zr k Ti l Fe m Mg n) O 3

Figure 0006914151
Figure 0006914151


Figure 0006914151
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3.圧電特性
各種圧電特性値を表3に示す。なお、表3における誘電損失tanδは、室温(25℃)にて測定した結果である。
また、サンプルS5、比較例4における誘電損失tanδの温度依存性について測定を行った。結果を図4に示す。
なお、温度依存性の評価(測定)には、圧電磁器が晒される環境温度が、室温→150℃→室温→−60℃→室温に変遷する温度サイクルを用いた。図4は、この温度サイクルを2回繰り返し実施する中で、誘電損失tanδを適宜測定した結果を示している。
3. 3. Piezoelectric characteristics Table 3 shows various piezoelectric characteristic values. The dielectric loss tan δ in Table 3 is the result of measurement at room temperature (25 ° C.).
Further, the temperature dependence of the dielectric loss tan δ in Sample S5 and Comparative Example 4 was measured. The results are shown in FIG.
For the evaluation (measurement) of the temperature dependence, a temperature cycle was used in which the environmental temperature to which the pressure electromagnetic device was exposed changed from room temperature to 150 ° C. to room temperature to -60 ° C. to room temperature. FIG. 4 shows the results of appropriately measuring the dielectric loss tan δ while repeating this temperature cycle twice.

Figure 0006914151
Figure 0006914151


サンプルS1は、焼結不良であるため圧電特性を有しておらず、この点において参考例である。サンプルS13は分極不良であるため圧電特性を有しておらず、この点において参考例である。
サンプルS3〜S8は、比較例1〜4に比べて、圧電定数d33が良好であった。サンプルS10〜S12は、比較例1〜4に比べて、機械的品質係数Qmが良好であった。
比較例4は、圧電定数d33は良好であったものの、図4に示されるように、誘電損失tanδが高温になると上昇してしまう問題点があった。これに対して、実施例であるサンプルS5では、誘電損失tanδは高温になっても上昇せずに安定していた。従って、比較例4とサンプルS5は、室温での特性値は同程度であるが、比較例4は、高温での誘電損失tanδの値が大きく異なり、熱サイクルが発生するデバイスに使用する場合、耐久性に懸念がある。一方、サンプルS5は、特に熱サイクル性、耐熱性が要求される自動車等の用途に適していることが分かった。なお、実施例であるサンプルS2〜S12は、サンプルS5と同様に、いずれも誘電損失tanδが高温になっても上昇せずに安定していた。従って、サンプルS2〜S12は、熱サイクル性、熱衝撃安定性が良好である。
サンプルS2、S9に関しては、比較例4と比較して、室温での特性値は同程度であるが、高温においても誘電損失tanδが上昇せずに安定しているため、耐熱性が要求される自動車等の用途に適している。
Sample S1 does not have piezoelectric characteristics due to poor sintering, and is a reference example in this respect. Sample S13 does not have piezoelectric characteristics due to poor polarization, and is a reference example in this respect.
Samples S3 to S8 had a better piezoelectric constant d 33 than Comparative Examples 1 to 4. Samples S10 to S12 had a better mechanical quality coefficient Qm than Comparative Examples 1 to 4.
In Comparative Example 4, although the piezoelectric constant d 33 was good, as shown in FIG. 4, there was a problem that the dielectric loss tan δ increased when the temperature became high. On the other hand, in the sample S5 of the example, the dielectric loss tan δ did not increase even at a high temperature and was stable. Therefore, Comparative Example 4 and Sample S5 have similar characteristic values at room temperature, but Comparative Example 4 has a significantly different value of dielectric loss tan δ at high temperature, and when used in a device in which a thermal cycle occurs, There is concern about durability. On the other hand, it was found that the sample S5 is particularly suitable for applications such as automobiles that require thermal cycle property and heat resistance. In each of the samples S2 to S12 of the examples, similarly to the sample S5, the dielectric loss tan δ did not increase even at a high temperature and was stable. Therefore, the samples S2 to S12 have good thermodynamic cycle property and thermal shock stability.
Compared with Comparative Example 4, the samples S2 and S9 have similar characteristic values at room temperature, but are stable even at high temperatures without increasing the dielectric loss tan δ, so that heat resistance is required. Suitable for applications such as automobiles.

表3に記載された比誘電率ε33 /εと、圧電定数d33と、電気機械結合係数krの3つの特性のうちのいずれが重要となるかは、磁器組成物の用途によって異なる場合がある。例えば、比誘電率ε33 /εが大きな組成物は、コンデンサに適している。また、圧電定数d33が大きな組成物は、アクチュエータやセンサに適している。また、電気機械結合係数krが大きな組成物は、圧電トランスやアクチュエータに適している。各用途に適した圧電磁器組成物は、その用途に応じて要求される特性に応じてそれぞれ決定される。 Which of the three properties of the relative permittivity ε 33 T / ε 0 , the piezoelectric constant d 33, and the electromechanical coupling coefficient kr shown in Table 3 is important depends on the application of the porcelain composition. In some cases. For example, a composition having a large relative permittivity ε 33 T / ε 0 is suitable for a capacitor. Further, a composition having a large piezoelectric constant d 33 is suitable for an actuator or a sensor. Further, a composition having a large electromechanical coupling coefficient kr is suitable for a piezoelectric transformer or an actuator. The piezoelectric composition suitable for each application is determined according to the characteristics required for each application.

<他の実施形態(変形例)>
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
<Other Embodiments (Modified Examples)>
The present invention is not limited to the above examples and embodiments, and can be implemented in various embodiments without departing from the gist thereof.

100…圧電磁器
200…圧電素子
301…電極
302…電極
100 ... Pressure porcelain 200 ... Piezoelectric element 301 ... Electrode 302 ... Electrode

Claims (2)

圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系ペロブスカイト酸化物を主相とし、前記主相におけるAサイトとBサイトに同一の元素が存在し、以下の組成式(1)で表されることを特徴とする無鉛圧電磁器組成物。

(K Na Li Ca Ba Zr Ti Fe )(Nb Ba Zr Ti Fe Mg )O 3-δ …(1)

0.1000≦a≦0.8000、0.1000≦b≦0.8000、0.0050≦c≦0.0800、0.0050≦d≦0.0800、
0.0050≦e≦0.0800、0.0005≦f≦0.0050、0.0001≦g≦0.0020、0.0050≦h≦0.0500、
0.8000≦i≦0.9600、0.0020≦j≦0.0100、0.0100≦k≦0.0500、0.0050≦l≦0.0300、
0.0050≦m≦0.0300、0.0050≦n≦0.0500
σはペロブスカイト構造を構成する任意の値
a+b+c+d+e+f+g+h=1
i+j+k+l+m+n=1
The main phase is an alkaline niobate perovskite oxide having piezoelectric properties, and the same elements are present at the A and B sites in the main phase, and the lead-free composition is represented by the following composition formula (1). Piezoelectric composition.

(K a Na b Li c Ca d Ba e Zr f Ti g Fe h) (Nb i Ba j Zr k Ti l Fe m Mg n) O 3-δ ... (1)

0.1000 ≦ a ≦ 0.8000, 0.1000 ≦ b ≦ 0.8000, 0.0050 ≦ c ≦ 0.0800, 0.0050 ≦ d ≦ 0.0800,
0.0050 ≦ e ≦ 0.0800, 0.0005 ≦ f ≦ 0.0050, 0.0001 ≦ g ≦ 0.0020, 0.0050 ≦ h ≦ 0.0500,
0.8000 ≦ i ≦ 0.9600, 0.0020 ≦ j ≦ 0.0100, 0.0100 ≦ k ≦ 0.0500, 0.0050 ≦ l ≦ 0.0300,
0.0050 ≤ m ≤ 0.0300, 0.0050 ≤ n ≤ 0.0500
σ is an arbitrary value that constitutes the perovskite structure
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
i + j + k + l + m + n = 1
請求項1に記載の無鉛圧電磁器組成物で形成された圧電磁器と、
前記圧電磁器に取り付けられた電極と、を備えることを特徴とする圧電素子。
A piezoelectric porcelain formed of the lead-free pressure porcelain composition according to claim 1.
A piezoelectric element comprising an electrode attached to the pressure electromagnetic device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JPWO2024070849A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007033402A (en) * 2005-07-29 2007-02-08 Seiko Epson Corp Crystal evaluation method and crystal evaluation device
JP4563957B2 (en) * 2006-04-14 2010-10-20 株式会社デンソー Method for producing crystal-oriented ceramics
JP2007302494A (en) * 2006-05-10 2007-11-22 Denso Corp Crystal-oriented ceramic and method of manufacturing the same
JP2007302495A (en) * 2006-05-10 2007-11-22 Denso Corp Method for producing crystal-oriented ceramic
JP2009114037A (en) * 2007-11-08 2009-05-28 Denso Corp Method of manufacturing crystal oriented ceramic
JP2009114038A (en) * 2007-11-08 2009-05-28 Denso Corp Method of manufacturing crystal oriented ceramic
CN102197006B (en) * 2008-10-28 2014-10-08 株式会社村田制作所 Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic electronic product
MY166346A (en) * 2011-07-13 2018-06-25 Ngk Spark Plug Co Lead-free piezoelectric ceramic composition, method for producing same, piezoelectric element using lead-free piezoelectric ceramic composition, ultrasonic processing machine, ultrasonic drive device, and sensing device
WO2014156015A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 日本特殊陶業株式会社 Unleaded piezoelectric ceramic composition, piezoelectric element using same, device, and method for manufacturing unleaded piezoelectric ceramic composition

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