JP7206925B2 - Piezoelectric composition and piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric composition and piezoelectric element Download PDF

Info

Publication number
JP7206925B2
JP7206925B2 JP2019002836A JP2019002836A JP7206925B2 JP 7206925 B2 JP7206925 B2 JP 7206925B2 JP 2019002836 A JP2019002836 A JP 2019002836A JP 2019002836 A JP2019002836 A JP 2019002836A JP 7206925 B2 JP7206925 B2 JP 7206925B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
composition
piezoelectric composition
germanium
mechanical strength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019002836A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019165200A (en
Inventor
浩輝 加藤
維子 廣瀬
正和 廣瀬
未来 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to DE102019106987.4A priority Critical patent/DE102019106987B4/en
Priority to US16/357,864 priority patent/US11005028B2/en
Priority to CN201910206876.4A priority patent/CN110282972B/en
Publication of JP2019165200A publication Critical patent/JP2019165200A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7206925B2 publication Critical patent/JP7206925B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は、圧電組成物、および、当該圧電組成物を有する圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric composition and a piezoelectric element having the piezoelectric composition.

圧電組成物は、結晶内の電荷の偏りに起因する自発分極に基づき、外部から応力を受けることにより表面に電荷が発生する効果(圧電効果)と、外部から電界が印加されることにより歪みを発生する効果(逆圧電効果)と、を有している。 Piezoelectric compositions have the effect of generating electric charges on the surface when subjected to external stress (piezoelectric effect) based on spontaneous polarization caused by the unevenness of electric charges in the crystal, and strain due to the application of an electric field from the outside. and the generated effect (inverse piezoelectric effect).

このような機械エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換できる圧電組成物を適用した圧電素子は各種分野で幅広く用いられている。たとえば、逆圧電効果を利用する圧電素子としてのアクチュエータは、印加電圧に比例して、微少な変位が精度よく得られ、かつ応答速度が速いため、たとえば、光学系部品の駆動用素子、HDDのヘッド駆動用素子、インクジェットプリンタのヘッド駆動用素子、燃料噴射弁駆動用素子に用いられている。 Piezoelectric elements to which such piezoelectric compositions capable of mutually converting mechanical energy and electrical energy are applied are widely used in various fields. For example, an actuator as a piezoelectric element that utilizes the inverse piezoelectric effect can accurately obtain minute displacement in proportion to the applied voltage and has a high response speed. It is used in head driving elements, inkjet printer head driving elements, and fuel injection valve driving elements.

また、圧電効果を利用して、微少な力や変形量を読み取るためのセンサとしても利用されている。さらに、圧電組成物は優れた応答性を有することから、交流電界を印加することで、圧電組成物自身または圧電組成物と接合関係にある弾性体を励振して共振を起こさせることも可能であり、圧電トランス、超音波モータなどとしても利用されている。 In addition, it is also used as a sensor for reading minute force and deformation using the piezoelectric effect. Furthermore, since the piezoelectric composition has excellent responsiveness, it is possible to excite the piezoelectric composition itself or an elastic body in a bonding relationship with the piezoelectric composition to cause resonance by applying an AC electric field. They are also used as piezoelectric transformers and ultrasonic motors.

一般的に、圧電組成物は多結晶体で構成されており、焼成後の強誘電体組成物に分極処理を施すことにより得られる。焼成後の強誘電体組成物では、各結晶における自発分極の向きがランダムであり、強誘電体組成物全体としては、電荷の偏りは生じておらず、圧電効果および逆圧電効果を示さない。そこで、焼成後の強誘電体組成物に抗電界以上の直流電界を印加することで、自発分極の向きを一定の方向に揃える分極処理と呼ばれる操作を行う。分極処理後の強誘電体組成物は圧電組成物としての性質を発現できる。 In general, a piezoelectric composition is composed of polycrystals, and is obtained by subjecting a fired ferroelectric composition to polarization treatment. In the ferroelectric composition after sintering, the direction of spontaneous polarization in each crystal is random, and the ferroelectric composition as a whole does not exhibit a biased charge, and does not exhibit a piezoelectric effect or an inverse piezoelectric effect. Therefore, by applying a DC electric field equal to or greater than the coercive electric field to the ferroelectric composition after sintering, an operation called polarization treatment is performed to align the direction of spontaneous polarization in a certain direction. The ferroelectric composition after polarization treatment can exhibit properties as a piezoelectric composition.

圧電組成物としては、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)とからなる鉛系圧電組成物が多く使用されている。しかしながら、鉛系圧電組成物には、融点の低い酸化鉛(PbO)が60~70重量%程度含まれており、焼成時に酸化鉛が揮発しやすい。そのため、環境負荷の観点から、圧電組成物の無鉛化が極めて重要な課題となっている。 As piezoelectric compositions, lead-based piezoelectric compositions composed of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ) are often used. However, lead-based piezoelectric compositions contain about 60 to 70% by weight of lead oxide (PbO), which has a low melting point, and lead oxide is likely to volatilize during firing. Therefore, from the viewpoint of environmental load, making the piezoelectric composition lead-free has become an extremely important issue.

鉛を全く含有しない圧電組成物としては、ビスマス層状強誘電体等が知られている。しかしながら、ビスマス層状強誘電体は、結晶異方性が大きいためにホットフォージング法により印加されたせん断応力を利用して自発分極を配向させる必要があり、生産性の点で問題がある。 Bismuth layered ferroelectrics and the like are known as lead-free piezoelectric compositions. However, since the bismuth layered ferroelectric has a large crystal anisotropy, it is necessary to orient the spontaneous polarization using the shear stress applied by the hot forging method, which poses a problem in terms of productivity.

一方、最近では環境配慮型の新たな圧電組成物として、ニオブ酸アルカリ金属系の化合物について研究が進められている。このニオブ酸アルカリ金属系の化合物に対して新たな特性を付与するために、添加成分を添加することが行われている。たとえば、特許文献1には、ニオブ酸アルカリ金属系の化合物に酸化銅が添加された圧電組成物が開示されている。また、非特許文献1には、ニオブ酸アルカリ金属系の化合物に酸化ゲルマニウムが添加された圧電組成物が開示されている。 On the other hand, recently, as a new eco-friendly piezoelectric composition, research is being conducted on alkali metal niobate-based compounds. In order to impart new properties to this alkali metal niobate-based compound, additives are added. For example, Patent Document 1 discloses a piezoelectric composition in which copper oxide is added to an alkali metal niobate compound. Non-Patent Document 1 discloses a piezoelectric composition in which germanium oxide is added to an alkali metal niobate compound.

特許4398635号公報Japanese Patent No. 4398635

K. Chen, et al, "Effects of GeO2 Addition on Sintering and Properties of (K0.5Na0.5)NbO3 Ceramics", J. Am. Ceram. Soc., 1-6 (2016)K. Chen, et al, "Effects of GeO2 Addition on Sintering and Properties of (K0.5Na0.5)NbO3 Ceramics", J. Am. Ceram. Soc., 1-6 (2016)

圧電組成物を有する圧電素子が搭載される機器の高性能化、小型化を実現するには、圧電素子の性能を維持したまま、圧電素子のサイズを小さくする必要がある。この場合、圧電組成物のサイズも小さくする必要があるが、圧電組成物のサイズが小さくなると、圧電組成物の機械的強度は低下してしまう。機械的強度が低下してしまうと、圧電組成物の加工時に不良品が発生する恐れがある。したがって、圧電組成物には良好な機械的強度を有することが求められる。 2. Description of the Related Art In order to achieve high performance and miniaturization of equipment in which a piezoelectric element having a piezoelectric composition is mounted, it is necessary to reduce the size of the piezoelectric element while maintaining the performance of the piezoelectric element. In this case, it is necessary to reduce the size of the piezoelectric composition, but if the size of the piezoelectric composition is reduced, the mechanical strength of the piezoelectric composition is reduced. If the mechanical strength is lowered, defective products may occur during processing of the piezoelectric composition. Therefore, the piezoelectric composition is required to have good mechanical strength.

また、圧電素子が搭載される機器は様々な環境で使用されるため、圧電素子には過酷な環境に対して高い信頼性を有していることが求められる。過酷な環境としては、たとえば、高温高湿条件が例示される。 In addition, since devices equipped with piezoelectric elements are used in various environments, the piezoelectric elements are required to have high reliability in harsh environments. Examples of severe environments include high temperature and high humidity conditions.

しかしながら、特許文献1に開示されているニオブ酸アルカリ金属系の化合物は、焼成時にアルカリ金属元素が揮発し、焼成後の圧電組成物の内部に空隙、欠陥等が生じやすく、機械的強度が低いという問題があった。ところが、特許文献1では、機械的強度については何ら評価されていない。さらに、特許文献1に開示されている焼成後の圧電組成物の内部に生じた空隙、欠陥等を通じて水分等が侵入しやすく、信頼性も低いと考えられる。 However, in the alkali metal niobate-based compound disclosed in Patent Document 1, the alkali metal element volatilizes during firing, and voids and defects tend to occur inside the piezoelectric composition after firing, resulting in low mechanical strength. There was a problem. However, Patent Document 1 does not evaluate the mechanical strength at all. Furthermore, it is considered that moisture or the like easily penetrates through voids, defects, etc. generated inside the fired piezoelectric composition disclosed in Patent Document 1, resulting in low reliability.

また、非特許文献1に開示されているニオブ酸アルカリ金属系の化合物は低温焼結が可能であることは記載されているものの、機械的品質係数Qm等の圧電特性は低く、機械的強度および信頼性は何ら評価されていない。 In addition, although it is described that the alkali metal niobate-based compound disclosed in Non-Patent Document 1 can be sintered at a low temperature, the piezoelectric properties such as the mechanical quality factor Qm are low, and the mechanical strength and No reliability has been evaluated.

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、機械的強度と圧電特性とを両立でき、しかも高い信頼性を有する圧電組成物と、その圧電組成物を備える圧電素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a highly reliable piezoelectric composition having both mechanical strength and piezoelectric properties, and a piezoelectric element comprising the piezoelectric composition. do.

上記目的を達成するため、本発明の態様は、
[1]組成式KNbOで表され、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、銅と、ゲルマニウムと、を含む圧電組成物であって、
組成式中のmが、0.970≦m≦0.999である関係を満足し、
複合酸化物1モルに対して、銅が銅元素換算でxモル%含有され、ゲルマニウムがゲルマニウム元素換算でyモル%含有されており、
xが、0.100≦x≦1.000である関係を満足し、
yが、0.000<y≦1.500である関係を満足することを特徴とする圧電組成物である。
To achieve the above objects, aspects of the present invention are:
[1] A piezoelectric composition represented by the composition formula K m NbO 3 and containing a composite oxide having a perovskite structure, copper, and germanium,
m in the composition formula satisfies the relationship 0.970 ≤ m ≤ 0.999,
x mol % of copper in terms of copper element and y mol % of germanium in terms of germanium element are contained in 1 mol of the composite oxide,
x satisfies the relationship 0.100 ≤ x ≤ 1.000,
The piezoelectric composition is characterized in that y satisfies the relationship of 0.000<y≦1.500.

[2]mが、0.991≦m≦0.999である関係を満足することを特徴とする[1]に記載の圧電組成物である。 [2] The piezoelectric composition according to [1], wherein m satisfies the relationship 0.991≤m≤0.999.

[3]組成式KNbOで表され、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、銅と、ゲルマニウムと、を含む圧電組成物であって、
圧電組成物が、ペロブスカイト構造を有する結晶粒子と、粒界とから構成され、
粒界に、ゲルマニウムが含まれていることを特徴とする圧電組成物である。
[3] A piezoelectric composition represented by the composition formula K m NbO 3 and containing a composite oxide having a perovskite structure, copper, and germanium,
The piezoelectric composition is composed of crystal grains having a perovskite structure and grain boundaries,
The piezoelectric composition is characterized in that germanium is contained in grain boundaries.

[4]粒界に、カリウム、ニオブおよび銅からなる群から選ばれる1つ以上の元素が含まれていることを特徴とする[3]に記載の圧電組成物である。 [4] The piezoelectric composition according to [3], wherein the grain boundaries contain at least one element selected from the group consisting of potassium, niobium and copper.

[5][1]から[4]のいずれかに記載の圧電組成物を含む圧電素子である。 [5] A piezoelectric element comprising the piezoelectric composition according to any one of [1] to [4].

本発明に係る圧電組成物が上記の特徴を有することにより、機械的強度と圧電特性とを両立でき、しかも高い信頼性を有する圧電組成物と、その圧電組成物を備える圧電素子を提供することができる。 The piezoelectric composition according to the present invention has the characteristics described above, so that it is possible to achieve both mechanical strength and piezoelectric properties, and to provide a highly reliable piezoelectric composition, and a piezoelectric element comprising the piezoelectric composition. can be done.

図1は、本実施形態に係る圧電素子の一例の模式的な斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of an example of a piezoelectric element according to this embodiment. 図2は、本実施形態に係る圧電素子の他の例の模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another example of the piezoelectric element according to this embodiment. 図3は、本発明の実施例に係る圧電組成物の試料断面のSTEM像である。FIG. 3 is a STEM image of a sample cross section of a piezoelectric composition according to an example of the present invention. 図4は、図3に示す点1から5におけるEDS点分析結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing EDS point analysis results at points 1 to 5 shown in FIG.

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
1.圧電素子
1.1 圧電組成物
2.圧電素子の製造方法
3.本実施形態における効果
4.変形例
Hereinafter, the present invention will be described in detail in the following order based on specific embodiments.
1. Piezoelectric element 1.1 Piezoelectric composition 2. Method for manufacturing piezoelectric element3. 4. Effect of this embodiment. Modification

(1.圧電素子)
まず、本実施形態に係る圧電組成物が適用された圧電素子について説明する。圧電素子としては、本実施形態に係る圧電組成物が適用可能な素子であれば特に制限されない。本実施形態では、たとえば、圧電トランス、薄膜センサ、圧電超音波モータが例示される。
(1. Piezoelectric element)
First, a piezoelectric element to which the piezoelectric composition according to this embodiment is applied will be described. The piezoelectric element is not particularly limited as long as it is an element to which the piezoelectric composition according to this embodiment can be applied. In this embodiment, for example, a piezoelectric transformer, a thin film sensor, and a piezoelectric ultrasonic motor are exemplified.

図1に示す圧電素子5は、板状の圧電体部1と、圧電体部1の両主面である一対の対向面1a、1bに形成された一対の電極2、3とを備えている。圧電体部1は本実施形態に係る圧電組成物から構成されており、圧電組成物の詳細は後述する。また、電極2、3に含有される導電材は特に限定されず、所望の特性、用途等に応じて任意に設定することができる。本実施形態では、金(Au)、銀(Ag)およびパラジウム(Pd)等が例示される。 A piezoelectric element 5 shown in FIG. 1 includes a plate-shaped piezoelectric body 1 and a pair of electrodes 2 and 3 formed on a pair of opposing surfaces 1a and 1b, which are both main surfaces of the piezoelectric body 1. . The piezoelectric body portion 1 is made of the piezoelectric composition according to this embodiment, and details of the piezoelectric composition will be described later. Moreover, the conductive material contained in the electrodes 2 and 3 is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to desired properties, applications, and the like. In this embodiment, gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), and the like are exemplified.

圧電体部1は、図1では直方体形状を有しているが、圧電体部1の形状は特に制限されず、所望の特性、用途等に応じて任意に設定することができる。また、圧電体部1の寸法も特に制限されず、所望の特性、用途等に応じて任意に設定することができる。 Although the piezoelectric body 1 has a rectangular parallelepiped shape in FIG. 1, the shape of the piezoelectric body 1 is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to desired characteristics, applications, and the like. Also, the dimensions of the piezoelectric body 1 are not particularly limited, and can be arbitrarily set according to desired characteristics, applications, and the like.

圧電体部1は、所定の方向に分極されている。たとえば、図1に示す圧電素子5においては、圧電体部1の厚み方向、すなわち電極2、3が対向する方向に分極されている。電極2、3には、たとえば、図示しないワイヤ等を介して図示しない外部電源が電気的に接続されており、電極2、3を介して、圧電体部1に所定の電圧が印加される。電圧が印加されると、圧電体部1において、逆圧電効果により電気エネルギーが機械エネルギーに変換され、圧電体部1が所定の方向に振動することができる。 The piezoelectric portion 1 is polarized in a predetermined direction. For example, the piezoelectric element 5 shown in FIG. 1 is polarized in the thickness direction of the piezoelectric body 1, that is, in the direction in which the electrodes 2 and 3 face each other. An external power source (not shown) is electrically connected to the electrodes 2 and 3 via wires (not shown), for example, and a predetermined voltage is applied to the piezoelectric body 1 via the electrodes 2 and 3 . When a voltage is applied, electrical energy is converted into mechanical energy in the piezoelectric body 1 by the inverse piezoelectric effect, and the piezoelectric body 1 can vibrate in a predetermined direction.

(1.1 圧電組成物)
本実施形態に係る圧電組成物は、一般式ABOで表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物を主成分として含有している。また、本実施形態に係る圧電組成物は、上記の複合酸化物に加えて、銅(Cu)およびゲルマニウム(Ge)を含有している。本実施形態では、主成分は、圧電組成物100mol%中、90mol%以上を占める成分である。
(1.1 Piezoelectric Composition)
The piezoelectric composition according to this embodiment contains a composite oxide having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 as a main component. Moreover, the piezoelectric composition according to the present embodiment contains copper (Cu) and germanium (Ge) in addition to the above composite oxide. In this embodiment, the main component is a component that accounts for 90 mol % or more in 100 mol % of the piezoelectric composition.

ペロブスカイト構造において、イオン半径の大きい元素、たとえば、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素等はABOのAサイトを占める傾向にあり、イオン半径の小さい元素、たとえば、遷移金属元素等はABOのBサイトを占める傾向にある。そして、Bサイト元素と酸素とから構成されるBO酸素八面体が互いの頂点を共有した三次元ネットワークを構成しており、このネットワークの空隙にAサイト元素が充填されることによりペロブスカイト構造が形成される。 In the perovskite structure, elements with large ionic radii, such as alkali metal elements and alkaline earth metal elements, tend to occupy the A sites of ABO3 , while elements with small ionic radii, such as transition metal elements, tend to occupy the A sites of ABO3 . It tends to occupy the B site. BO 6 oxygen octahedra composed of B-site elements and oxygen form a three-dimensional network in which the vertexes are shared with each other, and the perovskite structure is formed by filling the gaps of this network with A-site elements. It is formed.

本実施形態では、一般式ABOは、組成式KNbOで表すことができる。すなわち、Aサイト元素が、カリウム(K)であり、Bサイト元素がニオブ(Nb)である。 In this embodiment, the general formula ABO 3 can be represented by the composition formula K m NbO 3 . That is, the A-site element is potassium (K) and the B-site element is niobium (Nb).

上記の組成式中「m」は、Bサイト元素の総原子数に対するAサイト元素の総原子数の比、いわゆるA/B比を示している。すなわち、Nbの原子数に対するKの原子数の比である。本実施形態では、「m」は、0.970≦m≦0.999である関係を満足する。 In the above composition formula, "m" indicates the ratio of the total number of atoms of A-site elements to the total number of atoms of B-site elements, ie, the so-called A/B ratio. That is, it is the ratio of the number of K atoms to the number of Nb atoms. In this embodiment, "m" satisfies the relationship 0.970≤m≤0.999.

すなわち、Bサイト元素(Nb)をAサイト元素(K)よりも過剰に存在させることにより、良好な機械的強度を得ることができる。なお、「m」が上記の範囲よりも大きい場合には、得られる圧電組成物が高い潮解性を示すため、強度が著しく低く、加工に耐えることができない傾向にある。一方、「m」が上記の範囲よりも小さい場合には、得られる圧電組成物の密度が低くなり、機械的強度が低下する傾向にある。 That is, good mechanical strength can be obtained by allowing the B-site element (Nb) to exist in excess of the A-site element (K). If "m" is larger than the above range, the resulting piezoelectric composition will exhibit high deliquescence, resulting in extremely low strength and a tendency to be unable to withstand processing. On the other hand, when "m" is smaller than the above range, the resulting piezoelectric composition tends to have a low density and low mechanical strength.

「m」は、0.970以上であることが好ましく、0.991以上であることがより好ましい。一方、「m」は、0.999以下であることが好ましい。 "m" is preferably 0.970 or more, more preferably 0.991 or more. On the other hand, "m" is preferably 0.999 or less.

本実施形態に係る圧電組成物において、上記の複合酸化物1モル(100モル%)に対するCu元素換算でのCuの含有量をxモル%とすると、「x」は、0.100≦x≦1.000である関係を満足する。 In the piezoelectric composition according to the present embodiment, when the content of Cu in terms of Cu element is x mol % with respect to 1 mol (100 mol %) of the composite oxide, "x" is 0.100 ≤ x ≤ Satisfy the relation that is 1.000.

Cuが上記の範囲内で含有されていれば、その存在形態は特に制限されず、Cuは、複合酸化物を構成する結晶粒子の粒内に固溶してもよいし、粒界に存在してもよい。粒界に存在する場合には、他の元素と化合物を形成していてもよい。ただし、上記のKNbOから構成される結晶相を有する結晶粒子が多く存在することが好ましく、上記以外の異相として存在することは好ましくない。 As long as Cu is contained within the above range, its existence form is not particularly limited. may When present at grain boundaries, they may form compounds with other elements. However, it is preferable that there are many crystal grains having a crystal phase composed of K m NbO 3 as described above, and it is not preferable that crystal grains other than the above are present as a different phase.

Cuが粒内および/または粒界に存在することにより結晶粒子間の結合力が強くなり、圧電組成物の機械的強度を高めることができる。また、Cuの含有量は、上述した「m」と関係しており、Cuの含有量と「m」の範囲とを上述した範囲とすることにより、Cuが結晶粒子内に固溶または粒界に留まることが可能となりCuを含む異相が形成されにくくなる。その結果、結晶粒子間の結合力をより高めることができる。 Presence of Cu in the grains and/or at the grain boundaries strengthens the bonding force between the crystal grains, thereby increasing the mechanical strength of the piezoelectric composition. In addition, the Cu content is related to the above-described “m”, and by setting the Cu content and the range of “m” to the above-described range, Cu becomes a solid solution in the crystal grains or grain boundaries. , and a heterogeneous phase containing Cu is less likely to be formed. As a result, the bonding strength between crystal grains can be further enhanced.

また、Cuを含有させることにより、機械的品質係数Qmを向上させることができる。しかしながら、Cuの含有量が多すぎると、圧電組成物の分極処理時の電圧印加に起因するリーク電流が生じて、十分な分極が行われない場合がある。この場合には、分極が不十分となり、自発分極の向きを所定の方向に揃えることにより発揮される圧電特性は逆に低下してしまう。そこで、本実施形態では、Cuを上記の範囲内で含有させることと「m」の範囲を上述した範囲にすることで、リーク電流の発生の主原因である異相を抑制することが可能となり、結果として十分な分極処理を行うことができる。したがって、Qm向上の効果が得られるため、Qmを向上させることができる。 Moreover, the mechanical quality factor Qm can be improved by containing Cu. However, if the Cu content is too high, leakage current may occur due to voltage application during the polarization treatment of the piezoelectric composition, resulting in insufficient polarization. In this case, the polarization becomes insufficient, and the piezoelectric characteristics exhibited by aligning the direction of the spontaneous polarization in a predetermined direction are conversely deteriorated. Therefore, in the present embodiment, by containing Cu within the above range and by setting the range of "m" to the above range, it is possible to suppress the heterophase that is the main cause of the leakage current. As a result, sufficient polarization treatment can be performed. Therefore, since the effect of Qm improvement is obtained, Qm can be improved.

「x」は、0.200以上であることが好ましく、0.600以上であることがより好ましい。 "x" is preferably 0.200 or more, more preferably 0.600 or more.

本実施形態に係る圧電組成物において、上記の複合酸化物1モル(100モル%)に対するGe元素換算でのGeの含有量をyモル%とすると、「y」は、0.000<y≦1.500である関係を満足する。 In the piezoelectric composition according to the present embodiment, when the content of Ge in terms of Ge element is y mol % with respect to 1 mol (100 mol %) of the composite oxide, "y" is 0.000<y≦ Satisfy the relation that is 1.500.

Geが上記の範囲内で含有されていれば、ニオブ酸カリウム化合物特有の潮解性の発現を抑制し、高温高湿環境下においてもニオブ酸カリウム化合物系の圧電組成物は高い信頼性を発揮することができる。しかしながら、Geの含有量が多すぎると、Ge由来の異相が形成されやすくなり、圧電組成物の機械的強度が低下する傾向にある。 If Ge is contained within the above range, the expression of deliquescence peculiar to potassium niobate compounds is suppressed, and the potassium niobate compound-based piezoelectric composition exhibits high reliability even in a high-temperature and high-humidity environment. be able to. However, if the Ge content is too high, Ge-derived heterogeneous phases are likely to be formed, and the mechanical strength of the piezoelectric composition tends to decrease.

「y」は0.100以上であることが好ましく、1.000以上であることがより好ましい。 "y" is preferably 0.100 or more, more preferably 1.000 or more.

また、本実施形態に係る圧電組成物は、ペロブスカイト構造を有する結晶粒子、すなわち、複合酸化物から構成される結晶粒子と、粒界と、から構成されている。 Moreover, the piezoelectric composition according to the present embodiment is composed of crystal grains having a perovskite structure, that is, crystal grains composed of a composite oxide, and grain boundaries.

本実施形態では、Geは主に粒界に含まれている。Geが粒界に含まれることにより、圧電組成物の潮解性を抑制できると考えられる。したがって、結晶粒子の粒内へのGeの固溶量は少ないことが好ましく、Geは結晶粒子の粒内に固溶していないことがより好ましい。 In this embodiment, Ge is mainly contained in grain boundaries. It is considered that the deliquescence of the piezoelectric composition can be suppressed by including Ge in the grain boundaries. Therefore, it is preferable that the amount of solid solution of Ge in the grains of the crystal grains is small, and it is more preferable that Ge does not dissolve in the grains of the crystal grains.

本発明者らは、ニオブ酸カリウム化合物の潮解現象は、ニオブ酸カリウム化合物に含まれるカリウムが空気中の水分と水和反応した結果、その部分が脆弱となり、結晶粒子間の結合力を弱めることに起因すると推測している。 The present inventors believe that the deliquescence phenomenon of the potassium niobate compound is that the potassium contained in the potassium niobate compound undergoes a hydration reaction with moisture in the air, and as a result, that portion becomes brittle, weakening the bonding force between crystal grains. We speculate that it is caused by

本実施形態では、粒界にゲルマニウムが含まれることにより、カリウムが水和反応しやすい形態から水和反応しにくい形態に転換することが容易となり、潮解現象に基づく機械的強度の劣化を抑制できる。 In the present embodiment, the inclusion of germanium in the grain boundaries facilitates the conversion of potassium from a form that readily reacts with hydration to a form that does not easily react with hydration, thereby suppressing deterioration in mechanical strength due to the deliquescence phenomenon. .

本実施形態に係る圧電組成物は、上述した成分以外にその他の成分を含有してもよい。たとえば、上述したNbおよびCuを除く遷移金属元素(長周期型周期表における3族~11族の元素)、アルカリ土類金属元素、長周期型周期表における12族元素および長周期型周期表における13族の金属元素の内の少なくとも1種を含有していてもよい。これによりQm以外の他の圧電特性、とりわけ電気機械結合係数(k)を向上させることができるからである。 The piezoelectric composition according to this embodiment may contain other components in addition to the components described above. For example, transition metal elements other than Nb and Cu (elements of groups 3 to 11 in the long period periodic table), alkaline earth metal elements, group 12 elements in the long period periodic table and in the long period periodic table At least one of Group 13 metal elements may be contained. This is because other piezoelectric characteristics than Qm, particularly the electromechanical coupling coefficient (k), can be improved.

具体的には、希土類元素を除く遷移金属元素としては、たとえば、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)が例示される。希土類元素としては、たとえば、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)が例示される。 Specifically, examples of transition metal elements other than rare earth elements include chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo ) are exemplified. Examples of rare earth elements include yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb ), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), and ytterbium (Yb).

アルカリ土類金属元素としては、たとえば、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)が例示される。12族元素としては、たとえば、亜鉛(Zn)が例示される。13族の金属元素としては、たとえば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)が例示される。 Examples of alkaline earth metal elements include magnesium (Mg) and strontium (Sr). Examples of group 12 elements include zinc (Zn). Examples of group 13 metal elements include aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In).

なお、本実施形態にかかる圧電組成物は、不純物として鉛(Pb)を含んでいてもよいが、その含有量は圧電組成物100質量%中1質量%以下であることが好ましく、Pbを含まないことがより好ましい。低公害化、対環境性および生態学的観点から、焼成時におけるPbの揮発を最小限に抑制することができ、さらに、本実施形態に係る圧電組成物を含む圧電素子を搭載する電子機器が市場に流通し廃棄された後における環境中へのPbの放出を最小限に抑制することができるためである。 The piezoelectric composition according to the present embodiment may contain lead (Pb) as an impurity, but the content thereof is preferably 1% by mass or less in 100% by mass of the piezoelectric composition. More preferably no. From the viewpoint of pollution reduction, environmental friendliness, and ecology, the volatilization of Pb during firing can be suppressed to a minimum, and an electronic device equipped with a piezoelectric element containing the piezoelectric composition according to the present embodiment can be manufactured. This is because it is possible to minimize the release of Pb into the environment after being distributed in the market and discarded.

本実施形態に係る圧電組成物を構成する結晶粒子の平均結晶粒径は、圧電特性の発揮、機械的強度の観点から制御すればよい。本実施形態では、平均結晶粒径は、たとえば、0.5μm~20μmであることが好ましい。 The average crystal grain size of crystal grains constituting the piezoelectric composition according to this embodiment may be controlled from the viewpoint of exhibiting piezoelectric properties and mechanical strength. In this embodiment, the average crystal grain size is preferably 0.5 μm to 20 μm, for example.

(2.圧電素子の製造方法)
次に、圧電素子の製造方法の一例について以下に説明する。
(2. Manufacturing method of piezoelectric element)
Next, an example of a method for manufacturing a piezoelectric element will be described below.

まず、圧電組成物の出発原料を準備する。複合酸化物の出発原料としては、Kを含む化合物、Nbを含む化合物を用いることができる。Kを含む化合物としては、たとえば、炭酸塩、炭酸水素化合物が例示される。Nbを含む化合物としては、たとえば、酸化物が例示される。 First, starting materials for the piezoelectric composition are prepared. A compound containing K and a compound containing Nb can be used as starting materials for the composite oxide. Compounds containing K include, for example, carbonates and hydrogen carbonate compounds. Examples of compounds containing Nb include oxides.

銅の出発原料としては、銅単体でもよいし、銅を含む化合物でもよい。本実施形態では、銅を含む酸化物であることが好ましい。また、ゲルマニウムの出発原料としては、銅と同様に、ゲルマニウム単体でもよいし、ゲルマニウムを含む化合物でもよい。本実施形態では、ゲルマニウムを含む酸化物であることが好ましい。 As a starting raw material of copper, copper alone or a compound containing copper may be used. In this embodiment, it is preferably an oxide containing copper. As a starting material for germanium, germanium alone or a compound containing germanium may be used as in the case of copper. In this embodiment, an oxide containing germanium is preferable.

準備した複合酸化物の出発原料を、所定の割合に秤量した後、たとえば、ボールミルを用いて、5~20時間混合を行う。混合する方法としては湿式混合でもよいし、乾式混合でもよい。湿式混合の場合、混合粉を乾燥する。続いて、混合粉または混合粉を成形して得られる成形体を、大気中において750~1050℃、1~20時間の条件で熱処理(仮焼成)を行い、複合酸化物の仮焼き粉末を得る。 After weighing the prepared starting materials of the composite oxide in a predetermined ratio, they are mixed for 5 to 20 hours using, for example, a ball mill. The mixing method may be wet mixing or dry mixing. For wet blending, dry the blended powder. Subsequently, the mixed powder or a molded body obtained by molding the mixed powder is heat-treated (calcined) in the atmosphere at 750 to 1050 ° C. for 1 to 20 hours to obtain a calcined powder of a composite oxide. .

得られた仮焼き粉末を構成する複合酸化物は、一般式KNbOで示されるペロブスカイト構造を有している。 The composite oxide constituting the obtained calcined powder has a perovskite structure represented by the general formula KNbO3 .

得られた仮焼き粉末が凝集している場合には、たとえば、ボールミルを用いて、所定時間仮焼き粉末の粉砕を行い、粉砕粉とすることが好ましい。仮焼き粉末または粉砕粉に、所定の割合に秤量した銅の出発原料およびゲルマニウムの出発原料を添加して、たとえば、ボールミルを用いて、5~20時間混合を行い、圧電組成物の混合粉を得る。混合する方法としては湿式混合でもよいし、乾式混合でもよい。湿式混合の場合、混合粉を乾燥して、圧電組成物の混合粉を得る。 When the obtained calcined powder is agglomerated, it is preferable to pulverize the calcined powder for a predetermined time using a ball mill, for example, to obtain pulverized powder. A starting raw material of copper and a starting raw material of germanium weighed in a predetermined ratio are added to the calcined powder or pulverized powder, and mixed for 5 to 20 hours using, for example, a ball mill to obtain a mixed powder of the piezoelectric composition. obtain. The mixing method may be wet mixing or dry mixing. In the case of wet mixing, the powder mixture is dried to obtain a powder mixture of the piezoelectric composition.

圧電組成物の混合粉を成形する方法は特に制限されず、所望の形状、寸法等に応じて適宜選択すればよい。プレス成形を行う場合には、圧電組成物の混合粉に、所定のバインダと、必要に応じて添加物とを添加し、所定の形状に成形して成形体を得る。また、圧電組成物の混合粉に所定のバインダ等を添加し造粒して得られる造粒粉を用いて成形体を得てもよい。必要に応じて、得られた成形体に対し、CIP等によりさらなる加圧処理を行ってもよい。 The method of molding the mixed powder of the piezoelectric composition is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the desired shape, dimensions, and the like. When performing press molding, a predetermined binder and, if necessary, additives are added to the mixed powder of the piezoelectric composition, and the mixture is molded into a predetermined shape to obtain a compact. Alternatively, a compact may be obtained by using a granulated powder obtained by adding a predetermined binder or the like to a mixed powder of the piezoelectric composition and granulating the mixture. If necessary, the obtained compact may be subjected to further pressure treatment such as CIP.

得られた成形体に脱バインダ処理を施す。脱バインダ条件としては、保持温度を好ましくは400℃~800℃、温度保持時間を好ましくは2時間~8時間とする。 The resulting compact is subjected to binder removal treatment. As the binder removal conditions, the holding temperature is preferably 400° C. to 800° C., and the temperature holding time is preferably 2 hours to 8 hours.

続いて、脱バインダ処理後の成形体を焼成する。焼成条件としては、保持温度を好ましくは950℃~1060℃、温度保持時間を好ましくは2時間~4時間、昇温および降温速度は、好ましくは50℃/時間~300℃/時間程度とし、雰囲気を好ましくは酸素含有雰囲気とする。 Subsequently, the compact after the binder removal treatment is fired. As the firing conditions, the holding temperature is preferably 950° C. to 1060° C., the temperature holding time is preferably 2 hours to 4 hours, and the temperature rising and cooling rate is preferably about 50° C./hour to 300° C./hour. is preferably an oxygen-containing atmosphere.

得られた焼結体としての圧電組成物を必要に応じて研磨し、電極ペーストを塗布して焼き付けて電極を形成する。電極を形成する方法は特に制限されず、蒸着、スパッタリング等で電極を形成してもよい。 The piezoelectric composition obtained as a sintered body is polished, if necessary, and an electrode paste is applied and baked to form an electrode. The method of forming the electrodes is not particularly limited, and the electrodes may be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.

所定の温度のオイル中で2kV/mm~5kV/mmの電界を5分間~1時間程度印加することにより、電極を形成した焼結体を分極処理する。分極処理を行った後に、自発分極が所定の方向に揃えられた圧電組成物が得られる。 By applying an electric field of 2 kV/mm to 5 kV/mm in oil at a predetermined temperature for about 5 minutes to 1 hour, the sintered body on which the electrodes are formed is subjected to polarization treatment. After the polarization treatment, a piezoelectric composition having spontaneous polarization aligned in a predetermined direction is obtained.

分極処理後の圧電組成物を、必要に応じて所定の寸法に加工し、板状の圧電体部1を形成する。次に、この圧電体部1に電極2、3を蒸着等により形成することにより、図1に示した圧電素子が得られる。 The piezoelectric composition after the polarization treatment is processed into a predetermined size as necessary to form a plate-like piezoelectric body portion 1 . Next, electrodes 2 and 3 are formed on the piezoelectric portion 1 by vapor deposition or the like, thereby obtaining the piezoelectric element shown in FIG.

(3.本実施形態における効果)
本実施形態では、圧電組成物に主成分として含まれる複合酸化物として、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸カリウムを採用し、さらに、圧電組成物に銅(Cu)およびゲルマニウム(Ge)を上記の範囲内で含有させている。
(3. Effects of this embodiment)
In this embodiment, potassium niobate having a perovskite structure is employed as the composite oxide contained as a main component in the piezoelectric composition, and copper (Cu) and germanium (Ge) are added to the piezoelectric composition within the above ranges. is contained in

上記の範囲内で含有されたCuは、複合酸化物に対して過剰に含まれないので、複合酸化物を構成する結晶粒子とは異なる異相が形成されにくい。すなわち、Cuは、複合酸化物を構成する結晶粒子の内部に固溶している、または、結晶粒子間に形成される粒界に存在している。Cuがこのような形態で存在することにより、結晶粒子間の結合力が強くなり、その結果、圧電組成物としての機械的強度が向上する。 Since Cu contained within the above range is not excessively contained in the composite oxide, it is difficult to form a different phase different from the crystal grains forming the composite oxide. That is, Cu is dissolved in the inside of the crystal grains forming the composite oxide, or exists in the grain boundaries formed between the crystal grains. Presence of Cu in such a form strengthens the bonding force between crystal grains, thereby improving the mechanical strength of the piezoelectric composition.

焼成後の圧電組成物は、たとえば、分極処理、圧電素子の製造時に加工される場合がある。圧電組成物が良好な機械的強度を有していなければ、加工中に圧電組成物の強度不足に起因する欠け、割れ等が生じて不良品が発生する問題が生じてしまう。このような不良品が発生すると、歩留まりが低下し高い生産性を実現できない。また、圧電組成物には、機械エネルギーおよび電気エネルギーが繰り返し印加されるので、これらに対して耐えうる強度を有する必要がある。本実施形態に係る圧電組成物は、良好な機械的強度を有しているので、加工性が良好であり、歩留まりを高めて圧電素子の生産効率を高めることができる。さらには、本実施形態に係る圧電組成物は、繰り返し印加される機械エネルギーおよび電気エネルギーに耐えうる十分な強度を有している。 The fired piezoelectric composition may be processed during, for example, polarization treatment and production of piezoelectric elements. If the piezoelectric composition does not have good mechanical strength, there will be a problem that defective products will be produced due to chipping, cracking, etc. caused by insufficient strength of the piezoelectric composition during processing. If such defective products occur, the yield decreases and high productivity cannot be achieved. In addition, since mechanical energy and electrical energy are repeatedly applied to the piezoelectric composition, it is necessary to have strength to withstand these. Since the piezoelectric composition according to the present embodiment has good mechanical strength, it has good workability, so that the yield can be increased and the production efficiency of piezoelectric elements can be improved. Furthermore, the piezoelectric composition according to this embodiment has sufficient strength to withstand mechanical energy and electrical energy that are repeatedly applied.

また、Cuが機械的品質係数Qmを向上させるという効果を有しているものの、その含有量が多くなると、圧電組成物の分極処理時におけるリーク電流が増加して、分極処理が不十分となり、逆にQmが低下してしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、Cuの含有量とともに、複合酸化物の「m」を制御することにより、異相の発生を抑制し、十分な分極処理が行えるCuの含有量の範囲を大きくして、高いQmを実現することができる。 Also, although Cu has the effect of improving the mechanical quality factor Qm, when the content of Cu increases, the leakage current increases during the polarization treatment of the piezoelectric composition, resulting in insufficient polarization treatment. On the contrary, there is a problem that Qm is lowered. Therefore, in the present embodiment, by controlling the "m" of the composite oxide together with the Cu content, the occurrence of heterogeneous phases is suppressed, and the range of the Cu content in which sufficient polarization processing can be performed is increased. High Qm can be realized.

上記の範囲内で含有されたGeは、圧電組成物の機械的強度および圧電特性を維持しつつ、高温高湿環境下における信頼性を高めることができる。 Ge contained within the above range can improve the reliability in a high-temperature and high-humidity environment while maintaining the mechanical strength and piezoelectric properties of the piezoelectric composition.

また、Geが粒界に含まれることにより、水和反応しやすいカリウムは水和反応しにくい形態に容易に転換する。その結果、潮解現象による圧電組成物の劣化が抑制され、高温高湿環境下における信頼性を高めることができる。 In addition, since Ge is included in the grain boundaries, potassium, which is easily hydrated, is easily converted into a form which is difficult to be hydrated. As a result, deterioration of the piezoelectric composition due to the deliquescence phenomenon is suppressed, and reliability in a high-temperature, high-humidity environment can be enhanced.

(4.変形例)
上述した実施形態では、圧電体部が単層である圧電素子について説明したが、圧電体部が積層された構成を有する圧電素子であってもよい。また、これらが組み合わされた構成を有する圧電素子であってもよい。
(4. Modification)
In the above-described embodiment, the piezoelectric element having a single-layered piezoelectric portion has been described, but the piezoelectric element may have a structure in which the piezoelectric portions are laminated. Alternatively, a piezoelectric element having a configuration in which these are combined may be used.

圧電体部が積層された構成を有する圧電素子としては、たとえば、図2に示す圧電素子50が例示される。この圧電素子50は、本実施形態に係る圧電組成物よりなる複数の圧電層11と複数の内部電極12とを交互に積層した積層体10を備える。この積層体10の両端部には、積層体10の内部で交互に配置された内部電極層12と各々導通する一対の端子電極21、22が形成してある。 As a piezoelectric element having a structure in which piezoelectric portions are laminated, for example, a piezoelectric element 50 shown in FIG. 2 is exemplified. This piezoelectric element 50 includes a laminate 10 in which a plurality of piezoelectric layers 11 made of the piezoelectric composition according to the present embodiment and a plurality of internal electrodes 12 are alternately laminated. A pair of terminal electrodes 21 and 22 are formed at both ends of the laminate 10 so as to be electrically connected to the internal electrode layers 12 alternately arranged inside the laminate 10 .

圧電層11の1層あたりの厚み(層間厚み)は特に限定されず、所望の特性や用途等に応じて任意に設定することができる。通常は、層間厚みは1μm~100μm程度が好ましい。圧電層11の積層数は特に限定されず、所望の特性や用途等に応じて任意に設定することができる。 The thickness of each layer (interlayer thickness) of the piezoelectric layer 11 is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to the desired characteristics, application, and the like. Usually, the interlayer thickness is preferably about 1 μm to 100 μm. The number of layers of the piezoelectric layer 11 is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to the desired properties, application, and the like.

図2に示す圧電素子50を製造する方法としては、公知の方法を用いればよく、たとえば、図2に示す積層体10となるグリーンチップを作製し、これを焼成して積層体10を得た後、積層体10に端子電極を印刷又は転写して焼成することにより製造される。グリーンチップを製造する方法としては、たとえば、ペーストを用いた通常の印刷法、シート法が例示される。印刷法およびシート法では、上述した圧電組成物の原料粉と、バインダを溶剤中に溶解したビヒクルと、を混合して塗料化したペーストを用いてグリーンチップを形成する。 As a method for manufacturing the piezoelectric element 50 shown in FIG. 2, a known method may be used. For example, a green chip that becomes the laminate 10 shown in FIG. After that, the laminate 10 is manufactured by printing or transferring the terminal electrodes to the laminate 10 and baking the laminate. Examples of methods for manufacturing green chips include a normal printing method using paste and a sheet method. In the printing method and the sheet method, a green chip is formed using a paste obtained by mixing raw material powder of the piezoelectric composition described above and a vehicle in which a binder is dissolved in a solvent to form a paste.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is by no means limited to the above embodiments, and may be modified in various ways within the scope of the present invention.

以下、実施例及び比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

まず、圧電組成物の主成分である複合酸化物(KNbO)の出発原料として、炭酸水素カリウム(KHCO)の粉末と酸化ニオブ(Nb)の粉末とを準備した。また、圧電組成物に含まれる含有成分としての銅(Cu)およびゲルマニウム(Ge)の出発原料として、酸化銅(CuO)および酸化ゲルマニウム(GeO)の粉末を準備した。 First, potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ) powder and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) powder were prepared as starting materials for composite oxide (K m NbO 3 ), which is the main component of the piezoelectric composition. Powders of copper oxide (CuO) and germanium oxide (GeO 2 ) were prepared as starting materials for copper (Cu) and germanium (Ge) as components contained in the piezoelectric composition.

準備した出発原料を、焼成後の圧電組成物(焼結体)が表1に示す組成を有するように秤量した。秤量したKHCOおよびNbの各粉末を、ボールミルにより16時間混合したのち120℃において乾燥して混合粉を得た。得られた混合粉をプレス成形して、1000℃で4時間仮焼し複合酸化物の仮焼成体を得た。続いて、この仮焼成体をボールミルにより16時間粉砕し、粉砕粉を得た。 The prepared starting materials were weighed so that the fired piezoelectric composition (sintered body) had the composition shown in Table 1. The weighed powders of KHCO 3 and Nb 2 O 5 were mixed by a ball mill for 16 hours and then dried at 120° C. to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was press-molded and calcined at 1000° C. for 4 hours to obtain a calcined composite oxide. Subsequently, this calcined body was pulverized by a ball mill for 16 hours to obtain a pulverized powder.

得られた粉砕粉に対し、秤量したCuOおよびGeOの各粉末を添加して、ボールミルにより16時間混合したのち120℃において乾燥して圧電組成物の原料粉を得た。得られた圧電組成物の原料粉にバインダとしてのPVAを加えて公知の方法により造粒した。次に、得られた造粒粉をプレス成形機により196MPaの荷重を加えてプレス成形し、平板状の成形体を得た。 Weighed powders of CuO and GeO 2 were added to the pulverized powder obtained, mixed for 16 hours in a ball mill, and then dried at 120° C. to obtain raw material powder of the piezoelectric composition. PVA as a binder was added to the obtained raw material powder of the piezoelectric composition and granulated by a known method. Next, the obtained granulated powder was press-molded with a press molding machine under a load of 196 MPa to obtain a flat plate-shaped compact.

こうして得られた平板状の成形体に550℃、2時間の条件で脱バインダ処理を施した。脱バインダ処理後の成形体を、大気雰囲気下で1050℃、2時間の条件で焼成し、圧電組成物(焼結体)を得た。 The plate-like molded body thus obtained was subjected to binder removal treatment at 550° C. for 2 hours. The molded body after the binder removal treatment was fired at 1050° C. for 2 hours in an air atmosphere to obtain a piezoelectric composition (sintered body).

得られた焼結体を研磨して厚さ1.0mmの平行平板状とし、その平行平板状の焼結体の両面に銀ペーストを印刷後、800℃にて焼き付けを実施し対向銀電極を設け、電子情報技術産業協会規格のJEITA EM-4501Mに従いダイシングソーで、焼結体を長さ12mm、幅3mmに切断し、分極前試料を得た。最後に、150℃のシリコンオイル中で分極前試料に対して3kV/mmの電界を5分間印加し、圧電組成物の分極処理を行い、圧電組成物の試料(実施例1~18および比較例1~8)を得た。 The obtained sintered body was polished to form a parallel plate with a thickness of 1.0 mm, and after printing silver paste on both sides of the parallel plate-shaped sintered body, baking was performed at 800 ° C. to form a counter silver electrode. The sintered body was cut into a length of 12 mm and a width of 3 mm with a dicing saw according to JEITA EM-4501M of the Japan Electronics and Information Technology Industries Association standard to obtain a sample before polarization. Finally, an electric field of 3 kV/mm was applied to the pre-polarized sample in silicone oil at 150° C. for 5 minutes to polarize the piezoelectric composition. 1 to 8) were obtained.

得られた試料について、機械的強度および機械的品質係数Qmを以下のようにして測定した。 The obtained samples were measured for mechanical strength and mechanical quality factor Qm as follows.

両面ラップ盤とダイシングソーとにより、圧電組成物(焼結体)を研磨および切断して、長さ7.2mm、幅2.5mm、厚さ0.32mmに加工し、機械的強度測定用試料を得た。INSTRON社製5543により、支点間距離5mmの3点曲げによって機械的強度測定用試料が破壊した時の最大荷重(N)を各試料20個ずつ測定し、機械的強度を算出した。本実施例では、実用上の加工性を考慮して、機械的強度が70MPa以上である試料を良好であると判断した。結果を表1に示す。 Using a double-sided lapping machine and a dicing saw, the piezoelectric composition (sintered body) was ground and cut into a length of 7.2 mm, a width of 2.5 mm, and a thickness of 0.32 mm, and a sample for mechanical strength measurement was obtained. got Using INSTRON 5543, the maximum load (N) when the samples for mechanical strength measurement were broken by 3-point bending with a distance between fulcrums of 5 mm was measured for 20 samples, and the mechanical strength was calculated. In this example, in consideration of practical workability, samples having a mechanical strength of 70 MPa or more were judged to be good. Table 1 shows the results.

Qmは、4194A IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER(HEWLETT PACKARD製)により測定した。本実施例では、Qmが200以上である試料を良好であると判断した。結果を表1に示す。 Qm was measured by 4194A IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER (manufactured by HEWLETT PACKARD). In this example, samples with a Qm of 200 or more were judged to be good. Table 1 shows the results.

なお、表1の機械的品質係数Qmの欄において、「-」と表されている場合、圧電組成物の分極処理が十分に行えなかったか分極処理中に絶縁破壊が生じたため、所定の圧電特性が得られず、Qmが測定できなかったことを示す。 In addition, in the column of the mechanical quality factor Qm in Table 1, when "-" is indicated, the predetermined piezoelectric characteristics were not obtained because the polarization treatment of the piezoelectric composition was not sufficiently performed or dielectric breakdown occurred during the polarization treatment. was not obtained, indicating that Qm could not be measured.

さらに、機械的強度およびQmを測定した後の試料について、高温高湿環境下に曝す試験を行った後に、上記の機械的強度およびQmを測定し、試料の信頼性を評価した。具体的には、機械的強度およびQmを測定した後の試料を、室温に保たれた恒温槽に投入し、恒温槽内を、狙いの温度が85℃(±2℃の誤差まで許容)、狙いの相対湿度が85%RH(±2%の誤差まで許容)である環境とした。この環境を1000時間維持した後、当該試料を恒温槽から取り出し、上記と同様にして、機械的強度およびQmを測定した。得られた測定値から、以下に示す式により、機械的強度およびQmの劣化率を算出した。本実施例では、機械的強度が70MPa以上、かつ両方の劣化率が10%以下である試料を表1において「A」と表記し、機械的強度が70MPa未満、かつ劣化率の両方が10%以下である試料を表1において「B」と表記し、機械的強度が70MPa未満、かつ劣化率の少なくとも一方が10%超である試料、または、少なくとも一方の劣化率が測定不能である試料を表1において「C」と表記した。結果を表1に示す。
機械的強度の劣化率(%)=(高温高湿試験前の機械的強度-高温高湿試験後の機械的強度)×100/高温高湿試験前の機械的強度
Qmの劣化率(%)=(高温高湿試験前のQm-高温高湿試験後のQm)×100/高温高湿試験前のQm
Furthermore, the samples after measuring the mechanical strength and Qm were subjected to a test of exposure to a high-temperature and high-humidity environment, and then the mechanical strength and Qm were measured to evaluate the reliability of the samples. Specifically, the sample after measuring the mechanical strength and Qm is placed in a constant temperature bath kept at room temperature, and the target temperature in the constant temperature bath is 85 ° C. (with an error of ± 2 ° C.). The target relative humidity was an environment of 85% RH (with an error of ±2% allowed). After maintaining this environment for 1000 hours, the sample was taken out from the constant temperature bath, and the mechanical strength and Qm were measured in the same manner as above. From the obtained measured values, the mechanical strength and Qm deterioration rate were calculated according to the following equations. In this example, a sample with a mechanical strength of 70 MPa or more and both deterioration rates of 10% or less is indicated as "A" in Table 1, and the mechanical strength is less than 70 MPa and both deterioration rates are 10%. The following samples are denoted as "B" in Table 1, and the mechanical strength is less than 70 MPa and at least one of the deterioration rates exceeds 10%, or at least one of the deterioration rates is unmeasurable. In Table 1, it was described as "C". Table 1 shows the results.
Mechanical strength deterioration rate (%) = (mechanical strength before high temperature and high humidity test - mechanical strength after high temperature and high humidity test) x 100 / deterioration rate (%) of mechanical strength Qm before high temperature and high humidity test = (Qm before high temperature and high humidity test - Qm after high temperature and high humidity test) × 100 / Qm before high temperature and high humidity test

また、試料の断面をSTEM-EDS分析したところ、比較例5および7の試料を除き、Geが二粒子間粒界または粒界三重点に存在していることが確認できた。 Further, STEM-EDS analysis of the cross section of the sample confirmed that Ge was present at the grain boundary between two grains or the grain boundary triple point, except for the samples of Comparative Examples 5 and 7.

実施例7の試料の断面のSTEM像を図3に示す。また、図3に示すSTEM像においてEDS点分析した結果を図4に示す。EDS点分析は、図3に示す点1から5において行った。点1から3は二粒子粒界上の分析点であり、点4および5は結晶粒子上の分析点である。 A cross-sectional STEM image of the sample of Example 7 is shown in FIG. FIG. 4 shows the result of EDS point analysis of the STEM image shown in FIG. EDS point analysis was performed at points 1 to 5 shown in FIG. Points 1 to 3 are analysis points on two grain boundaries, and points 4 and 5 are analysis points on crystal grains.

Figure 0007206925000001
Figure 0007206925000001

表1より、組成式KNbOで表される複合酸化物において、「m」を上記の範囲とし、当該複合酸化物に対する銅およびゲルマニウムの含有量を上記の範囲内とすることにより、良好な機械的強度が得られ、Qmを向上させ、かつ高い信頼性が得られることが確認できた。特に、ゲルマニウムが含有されていない比較例5および7は、劣化率が大きくなることが確認できた。 From Table 1, in the composite oxide represented by the composition formula K m NbO 3 , by setting “m” within the above range and the content of copper and germanium with respect to the composite oxide within the above range, good It was confirmed that a high mechanical strength was obtained, Qm was improved, and high reliability was obtained. In particular, Comparative Examples 5 and 7, which do not contain germanium, were confirmed to have a large deterioration rate.

図3および4より、ゲルマニウムは主に粒界に含有されており、結晶粒子内はほとんど含有されていないことが確認できた。 From FIGS. 3 and 4, it was confirmed that germanium was mainly contained in grain boundaries and hardly contained in crystal grains.

本発明に係る圧電組成物は、良好な機械的強度と良好なQmとを両立でき、しかも高い信頼性を有しているので、種々の分野における圧電素子に好適に用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The piezoelectric composition according to the present invention can achieve both good mechanical strength and good Qm, and has high reliability, so that it can be suitably used for piezoelectric elements in various fields.

5… 圧電素子
1… 圧電体部
2,3… 電極
50… 圧電素子
10… 積層体
11… 圧電層
12… 内部電極層
21,22… 端子電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5... Piezoelectric element 1... Piezoelectric part 2, 3... Electrode 50... Piezoelectric element 10... Laminated body 11... Piezoelectric layer 12... Internal electrode layer 21, 22... Terminal electrode

Claims (5)

組成式KmNbO3で表され、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、銅と、ゲルマニウムと、を含む圧電組成物であって、
組成式中のmが、0.970≦m≦0.999である関係を満足し、
前記複合酸化物1モルに対して、前記銅が、銅元素換算で、xモル%含有され、前記ゲルマニウムが、ゲルマニウム元素換算で、yモル%含有されており、
前記xが、0.100≦x≦1.000である関係を満足し、
前記yが、0.000<y≦1.500である関係を満足することを特徴とする圧電組成物。
A piezoelectric composition represented by the composition formula K m NbO 3 and containing a composite oxide having a perovskite structure, copper, and germanium,
m in the composition formula satisfies the relationship 0.970 ≤ m ≤ 0.999,
With respect to 1 mol of the composite oxide, x mol % of the copper is contained in terms of copper element, and y mol % of the germanium is contained in terms of germanium element,
The x satisfies the relationship 0.100 ≤ x ≤ 1.000,
A piezoelectric composition, wherein y satisfies the relationship 0.000<y≦1.500.
前記mが、0.991≦m≦0.999である関係を満足することを特徴とする請求項1に記載の圧電組成物。 2. The piezoelectric composition according to claim 1, wherein said m satisfies the relationship 0.991≤m≤0.999. 組成式KmNbO3で表され、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、銅と、ゲルマニウムと、を含む圧電組成物であって、
組成式中のmが、0.970≦m≦0.999である関係を満足し、
前記圧電組成物が、ペロブスカイト構造を有する結晶粒子と、粒界とから構成され、
前記粒界に、前記ゲルマニウムが含まれていることを特徴とする圧電組成物。
A piezoelectric composition represented by the composition formula K m NbO 3 and containing a composite oxide having a perovskite structure, copper, and germanium,
m in the composition formula satisfies the relationship 0.970 ≤ m ≤ 0.999,
The piezoelectric composition is composed of crystal grains having a perovskite structure and grain boundaries,
The piezoelectric composition, wherein the grain boundary contains the germanium.
前記粒界に、カリウム、ニオブおよび銅からなる群から選ばれる1つ以上の元素が含まれていることを特徴とする請求項3に記載の圧電組成物。 4. The piezoelectric composition according to claim 3, wherein the grain boundaries contain one or more elements selected from the group consisting of potassium, niobium and copper. 請求項1から4のいずれかに記載の圧電組成物を含む圧電素子。
A piezoelectric element comprising the piezoelectric composition according to claim 1 .
JP2019002836A 2018-03-19 2019-01-10 Piezoelectric composition and piezoelectric element Active JP7206925B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019106987.4A DE102019106987B4 (en) 2018-03-19 2019-03-19 PIEZOELECTRIC COMPOSITION AND PIEZOELECTRIC ELEMENT
US16/357,864 US11005028B2 (en) 2018-03-19 2019-03-19 Piezoelectric composition and piezoelectric element
CN201910206876.4A CN110282972B (en) 2018-03-19 2019-03-19 Piezoelectric composition and piezoelectric element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018051589 2018-03-19
JP2018051589 2018-03-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019165200A JP2019165200A (en) 2019-09-26
JP7206925B2 true JP7206925B2 (en) 2023-01-18

Family

ID=68064414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019002836A Active JP7206925B2 (en) 2018-03-19 2019-01-10 Piezoelectric composition and piezoelectric element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7206925B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7415696B2 (en) 2020-03-16 2024-01-17 Tdk株式会社 Piezoelectric compositions and electronic components

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004244300A (en) 2003-01-23 2004-09-02 Denso Corp Piezoelectric ceramic composition, its production method, piezoelectric element, and dielectric element
JP2006028001A (en) 2004-06-17 2006-02-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Crystallographic orientation ceramic, and its manufacturing method
WO2010128647A1 (en) 2009-05-08 2010-11-11 太陽誘電株式会社 Piezoelectric ceramic, method for producing same, and piezoelectric device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004244300A (en) 2003-01-23 2004-09-02 Denso Corp Piezoelectric ceramic composition, its production method, piezoelectric element, and dielectric element
JP2006028001A (en) 2004-06-17 2006-02-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Crystallographic orientation ceramic, and its manufacturing method
WO2010128647A1 (en) 2009-05-08 2010-11-11 太陽誘電株式会社 Piezoelectric ceramic, method for producing same, and piezoelectric device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019165200A (en) 2019-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7078037B2 (en) Piezoelectric compositions and piezo elements
JP6365126B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP5842636B2 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element
CN110282972B (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP7031661B2 (en) Piezoelectric compositions and piezoelectric elements
JP7206925B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP7004183B2 (en) Piezoelectric compositions and piezoelectric elements
JP7077704B2 (en) Piezoelectric compositions and piezo elements
JP6601151B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP7415696B2 (en) Piezoelectric compositions and electronic components
JP6432329B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP6565588B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP6375955B2 (en) Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP2004292241A (en) Piezoelectric ceramic

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211001

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220519

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220524

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220722

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7206925

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150