JP2010030810A - Piezoelectric/electrostrictive ceramics sintered compact - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータやセンサーに用いられるニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体に関する。 The present invention relates to an alkaline niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body used for actuators and sensors.
圧電/電歪アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することが出来るという利点を有する。特に、圧電/電歪セラミックス焼結体を圧電/電歪体(圧電/電歪素子)として用いた圧電/電歪アクチュエータは、上記変位を精密に制御することに加えて、電気機械変換効率が高く、発生力が大きく、応答速度が速く、耐久性が高く、消費電力が少ない、という利点も有することから、これらの利点を生かして、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンのインジェクタ等に採用されている。 Piezoelectric / electrostrictive actuators have the advantage that displacement can be precisely controlled on the order of submicrons. In particular, a piezoelectric / electrostrictive actuator using a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body as a piezoelectric / electrostrictive body (piezoelectric / electrostrictive element) has an electromechanical conversion efficiency in addition to precisely controlling the displacement. It has the advantages of high power generation, large generation force, fast response speed, high durability, and low power consumption. Therefore, these advantages are utilized in inkjet printer heads and diesel engine injectors. Yes.
このような圧電/電歪アクチュエータ用の圧電/電歪セラミックス焼結体としては、従来、チタン酸ジルコン酸鉛{Pb(Zr,Ti)O3、PZT}系の材料が用いられていたが、焼結体からの鉛の溶質が地球環境に与える影響が強く懸念されるようになってからは、ニオブ酸アルカリ系のものも検討されている(例えば、特許文献1、非特許文献1〜4を参照)。 As such a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body for a piezoelectric / electrostrictive actuator, a lead zirconate titanate {Pb (Zr, Ti) O 3 , PZT} -based material has been used. Since the influence of the lead solute from the sintered body on the global environment is strongly concerned, alkali niobate-based materials have also been studied (for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 to 4). See).
代表的な圧電/電歪セラミックス焼結体であるPZT系材料では、相境界で圧電特性が高くなることが知られている。相境界とは、組成は同じであるが結晶系が異なる2つ以上の結晶相が混在している状態のことである。例えば、Zr=Ti=0.5近傍において、正方晶と菱面体晶が共存する状態(相境界)となり、圧電特性が高くなる。 It is known that a PZT material, which is a typical piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, has high piezoelectric characteristics at the phase boundary. The phase boundary is a state in which two or more crystal phases having the same composition but different crystal systems are mixed. For example, in the vicinity of Zr = Ti = 0.5, a tetragonal crystal and a rhombohedral crystal coexist (phase boundary), and the piezoelectric characteristics are enhanced.
これに対し、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体では、正方晶と斜方晶の相境界で特性が高くなるといわれている。AサイトにKとNaのみを含む場合は、正方晶と斜方晶の相境界温度が200℃以上となるため、室温近傍での特性は低いが、LiをAサイトに置換することによって相境界温度を下げ、室温近傍の特性を高くした研究(非特許文献3を参照)が報告されてからは、Liを含む組成が主流となっている。X線回折法を用いた解析では、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の主結晶相であるペロブスカイト型酸化物の結晶系は、正方晶、又は斜方晶、又は正方晶と斜方晶の混晶、と報告されている。 On the other hand, it is said that the characteristics of an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body are enhanced at the phase boundary between tetragonal and orthorhombic. When the A site contains only K and Na, the phase boundary temperature between the tetragonal crystal and the orthorhombic crystal is 200 ° C. or higher, so the characteristics at room temperature are low, but the phase boundary is obtained by substituting Li for the A site. Since a study (see Non-Patent Document 3) in which the temperature is lowered and the characteristics near room temperature are improved (see Non-Patent Document 3), a composition containing Li has become the mainstream. In the analysis using the X-ray diffraction method, the crystal system of the perovskite oxide, which is the main crystal phase of the alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, is tetragonal, orthorhombic, or tetragonal. An orthorhombic mixed crystal has been reported.
そして、このような技術の流れを背景として、従来から、電気的特性を向上させるために、緻密化度向上(例えば、非特許文献1を参照)、元素置換(例えば、非特許文献3を参照)、配向構造改善(例えば、非特許文献4を参照)といった試みがなされている。 Then, against the background of such a technical flow, in order to improve electrical characteristics, the degree of densification has been improved (for example, see Non-Patent Document 1) and element substitution (for example, see Non-Patent Document 3). ), And an attempt to improve the alignment structure (for example, see Non-Patent Document 4).
しかしながら、これまでのニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体では、例えば電界誘起歪S4000は必ずしも十分ではなく、この電界誘起歪等の電気的特性を、更に向上させたニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体が望まれている。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、特性向上の要因となりうる新たな指標ないし項目を見出し、それを正確に評価する方法を提案し、それらの結果に基づいて、電気的特性を向上させたニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体を提供することである。 However, in the conventional alkaline niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body, for example, the electric field induced strain S4000 is not always sufficient, and the electric characteristics such as the electric field induced strain are further improved. A piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is desired. The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to find a new index or item that can be a factor for improving characteristics and propose a method for accurately evaluating it. Based on the results, an object is to provide an alkaline niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body with improved electrical characteristics.
研究が重ねられた結果、高分解能型X線回折装置を用いた精密測定により、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の技術分野において、これまでに認識されている正方晶、又は斜方晶ペロブスカイト型酸化物以外の未知の結晶相(第3相とよぶ)が発見された。この第3相は、これまでニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の技術分野において認識されていない結晶相である。又、併せて、その第3相を、汎用型X線回折装置でも簡便に定量化する手段が見出された。そして、定量化された第3相と電気的特性との相関を明らかにし、これをニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の開発の指針とすることを想到するに至り、以下に示す本発明が完成した。 As a result of repeated research, tetragonal crystals that have been recognized in the technical field of alkali / niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered bodies by precise measurement using a high-resolution X-ray diffractometer, or An unknown crystal phase (called third phase) other than orthorhombic perovskite oxide was discovered. This third phase is a crystal phase that has not been recognized in the technical field of alkali / niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered bodies. In addition, a means for easily quantifying the third phase with a general-purpose X-ray diffractometer has been found. Then, the correlation between the quantified third phase and the electrical characteristics was clarified, and this was used as a guideline for the development of an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body. The present invention shown has been completed.
即ち、本発明によれば、正方晶ペロブスカイト型酸化物が主結晶相であり、正方晶(002)面の回折ピークの非対称度が、1以上、3.3以下であるニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体が提供される。 That is, according to the present invention, a tetragonal perovskite oxide is the main crystal phase, and the asymmetry of the diffraction peak of the tetragonal (002) plane is 1 or more and 3.3 or less. An electrostrictive ceramic sintered body is provided.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、組成式ABO3(Aは、少なくともLi、Na、Kから選択される1つ以上の元素、Bは、少なくともNb、Taから選択される1つ以上の元素を含む)で表される材料であり、換言すれば、AサイトにLi、Na、Kからなる群から選択される少なくとも1種類のイオン、BサイトにNb、Taからなる群から選択される少なくとも1種類のイオンを含むニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体である。 An alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention has a composition formula ABO 3 (A is at least one element selected from Li, Na, and K, and B is at least Nb, Ta. In other words, at least one ion selected from the group consisting of Li, Na, and K at the A site, and Nb at the B site. An alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body containing at least one kind of ions selected from the group consisting of Ta.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体(単に、本発明に係る圧電/電歪セラミックス焼結体ともいう)の主成分は、組成式{Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−zTaz)O3(但し、0.90≦a≦1.10、0.2≦x≦0.8、0.00≦y≦0.10、0.00≦z≦0.50)で示されるものが好ましい。 The main component of the alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body according to the present invention (also simply referred to as the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body according to the present invention) is composed of the composition formula {Li y (Na 1-x K x ) 1-y } a (Nb 1-z Ta z ) O 3 (where 0.90 ≦ a ≦ 1.10, 0.2 ≦ x ≦ 0.8, 0.00 ≦ y ≦ 0.10) , 0.00 ≦ z ≦ 0.50) is preferable.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の主成分は、組成式{Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−z−wTazSbw)O3(但し、0.90≦a≦1.10、0.2≦x≦0.8、0.00≦y≦0.10、0.00≦z≦0.50、0.00<w≦0.10)で示されるものが好ましい。 The main component of the alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention is composed of the composition formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−z−w Ta z Sb w ) O 3 (provided that 0.90 ≦ a ≦ 1.10, 0.2 ≦ x ≦ 0.8, 0.00 ≦ y ≦ 0.10, 0.00 ≦ z ≦ 0.50, 0.00 <W ≦ 0.10) is preferable.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の主成分は、組成式[{Liy(Na1−xKx)1−y}1‐tBit]a(Nb1−zTaz)O3(但し、0.90≦a≦1.10、0.2≦x≦0.8、0.00≦y≦0.10、0.00≦z≦0.50、0.00<t≦0.10)で示されるものが好ましい。 The main component of the piezoelectric / electrostrictive ceramics sintered body of the alkali niobate-based according to the present invention, the compositional formula [{Li y (Na 1- x K x) 1-y} 1-t Bi t] a (Nb 1 −z Ta z ) O 3 (where 0.90 ≦ a ≦ 1.10, 0.2 ≦ x ≦ 0.8, 0.00 ≦ y ≦ 0.10, 0.00 ≦ z ≦ 0.50, 0.00 <t ≦ 0.10) is preferable.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の主成分は、組成式{Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−z−wTazSbw)O3+Bi2O3(但し、0.90≦a≦1.10、0.2≦x≦0.8、0.00≦y≦0.10、0.00≦z≦0.50、0.00<w≦0.10、0<Bi2O3≦5mol%)で示されるものが好ましい。 The main component of the alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention is composed of the composition formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−z−w Ta z Sb w ) O 3 + Bi 2 O 3 (provided that 0.90 ≦ a ≦ 1.10, 0.2 ≦ x ≦ 0.8, 0.00 ≦ y ≦ 0.10, 0.00 ≦ z ≦ 0.50) 0.00 <w ≦ 0.10, 0 <Bi 2 O 3 ≦ 5 mol%) is preferable.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、Ag、Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、及びZnからなる群から選択される少なくとも1種類の金属元素を含有するものが好ましい。これらの金属元素は、遷移金属元素または典型金属元素であり、化学的な性質が類似する第4周期の6族〜12族に属する。これらの金属元素は、酸化物等として粒界相だけでなく、粒内または異相に含有されていてもよい。 The alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention contains at least one metal element selected from the group consisting of Ag, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn. Those that do are preferred. These metal elements are transition metal elements or typical metal elements, and belong to Groups 6 to 12 of the fourth period with similar chemical properties. These metal elements may be contained not only in the grain boundary phase but also in the grains or in different phases as oxides.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、Ag、Mn、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、及びZnからなる群から選択される少なくとも1種類の金属元素を含有する場合において、主成分100mol部に対する、金属元素の含有量が3mol部以下であることが好ましい。換言すれば、これら副成分である金属元素は、ペロブスカイト型酸化物100mol部に対する金属原子換算の添加量が3mol部以下となるように含有されていることが望ましい。含有量を3mol部以下としたのは、この範囲を上回ると、誘電損失が増加し、高電界印加時の電界誘起歪が小さくなる傾向があるからである。 The alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention contains at least one metal element selected from the group consisting of Ag, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn. In this case, the content of the metal element is preferably 3 mol parts or less with respect to 100 mol parts of the main component. In other words, it is desirable that the metal elements as these subcomponents are contained so that the amount of addition in terms of metal atoms is 3 mol parts or less with respect to 100 mol parts of the perovskite oxide. The reason why the content is 3 mol parts or less is that when the content exceeds this range, the dielectric loss increases and the electric field induced strain at the time of applying a high electric field tends to decrease.
正方晶(002)面の回折ピークの非対称度が1以上3.3以下であるニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体を得る手段としては、上記した何れかの好ましいニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体であることを条件として、(1)焼成工程において、焼成キープ工程を加える、(2)50℃以上の高温で分極する、(3)分極後に高温で熱処理する(エージング処理する)、(4)組成のコンポジット化、を挙げることが出来る。 As a means for obtaining an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body having a diffraction peak asymmetry of a tetragonal crystal (002) plane of 1 or more and 3.3 or less, any of the preferred alkali niobate-based materials described above is used. (1) In the firing process, a firing keep process is added, (2) Polarization is performed at a high temperature of 50 ° C. or higher, and (3) Heat treatment is performed at a high temperature after polarization. (Aging treatment), (4) Composite composition.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、正方晶ペロブスカイト型酸化物が主結晶相であり、正方晶(002)面の回折ピークの非対称度を1以上、3.3以下とすることにより優れた電気的特性(電界誘起歪、比誘電率、圧電定数、誘電損失等)を得ることが出来る。非対称度が小さいということは、第3相が少ないことを意味する。即ち、第3相とニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の電気的特性との相関は、第3相が少ない程、電気的特性が良いということである。 2. The alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention has a tetragonal perovskite oxide as the main crystal phase, and has a diffraction peak asymmetry of 1 or more in the tetragonal (002) plane. By setting it to 3 or less, excellent electrical characteristics (electric field induced strain, relative dielectric constant, piezoelectric constant, dielectric loss, etc.) can be obtained. A small degree of asymmetry means that the third phase is small. That is, the correlation between the third phase and the electrical characteristics of the alkaline niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body is that the smaller the third phase, the better the electrical characteristics.
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明に係る要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明に係る実施形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate, but the present invention should not be construed as being limited thereto. Various changes, modifications, improvements, and substitutions can be added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. For example, the drawings show preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited by the modes shown in the drawings or the information shown in the drawings. In practicing or verifying the present invention, the same means as described in this specification or equivalent means can be applied, but preferred means are those described below.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、正方晶(002)面の回折ピークの非対称度が、1以上、3.3以下のニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体である。そこで、先ず、以下に、未知なる第3相とその定量化手段及び非対称度の算出方法について説明する。 The alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention has an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive whose tetragonal (002) plane has a diffraction peak asymmetry of 1 to 3.3. Ceramic sintered body. Therefore, first, an unknown third phase, its quantification means, and an asymmetry calculation method will be described below.
(X線回折装置1)先ず、X線回折(XRD)プロファイルの測定に用いるX線回折装置について説明する。例えば、主として、X線源(CuKα線)、回折光学系、検出器、試料アタッチメントの4つの部分から構成された高分解能型粉末X線回折装置を用いる。回折光学系として、ブラッグ−ブレンターノ集中光学系(ゴニオメーター半径250mm)、検出器として所望のX線(CuKα線)のみに感度を有する半導体式のものを用いる。発散スリットは0.5°、散乱スリットは0.5°、受光スリットは0.1mmとする。試料アタッチメントは、試料の温度を−20℃から+100℃まで制御出来るものを用いる。試料の冷却は液体窒素で行う。試料の加熱は直熱式のPtヒーターで行い、温度はPtヒーター裏側の温度を測定し、Ptヒーターを制御する。 (X-ray diffractometer 1) First, an X-ray diffractometer used for measuring an X-ray diffraction (XRD) profile will be described. For example, a high-resolution powder X-ray diffractometer composed mainly of four parts: an X-ray source (CuKα ray), a diffractive optical system, a detector, and a sample attachment is used. A Bragg-Brentano concentrated optical system (goniometer radius 250 mm) is used as the diffractive optical system, and a semiconductor system having sensitivity only to desired X-rays (CuKα rays) is used as the detector. The diverging slit is 0.5 °, the scattering slit is 0.5 °, and the light receiving slit is 0.1 mm. A sample attachment that can control the temperature of the sample from −20 ° C. to + 100 ° C. is used. The sample is cooled with liquid nitrogen. The sample is heated by a direct heating Pt heater, and the temperature is measured on the back side of the Pt heater to control the Pt heater.
(XRDプロファイルの測定方法1)次に、高分解能型X線回折装置を用いたXRDプロファイルの測定方法について説明する。結露を防ぐために、アタッチメント内部は真空状態にしておく。そして、−20℃まで冷却し、5分間保持した後、X線回折(XRD)プロファイルを測定する。その後、4℃/分で昇温し、所定の温度に達してから、5分間保持した後、XRDプロファイルを測定する。これを繰り返しながら、+100℃までXRDプロファイルを測定する。室温以上になった時点で、真空を破り、大気圧とする。XRDプロファイルの測定は、2θ/θスキャンにより、−20℃から+100℃の状態にあるニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の表面のX線回折プロファイルを測定する。2θ/θスキャンの幅は、0.02°又は0.01°とすることが好ましい。 (XRD Profile Measurement Method 1) Next, an XRD profile measurement method using a high-resolution X-ray diffractometer will be described. To prevent condensation, the inside of the attachment is kept in a vacuum state. And after cooling to -20 degreeC and hold | maintaining for 5 minutes, an X-ray-diffraction (XRD) profile is measured. Thereafter, the temperature is raised at 4 ° C./minute, and after reaching a predetermined temperature, the temperature is held for 5 minutes, and then the XRD profile is measured. While repeating this, the XRD profile is measured up to + 100 ° C. When the temperature reaches room temperature or higher, the vacuum is broken to atmospheric pressure. The XRD profile is measured by measuring the X-ray diffraction profile of the surface of an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body at a temperature of −20 ° C. to + 100 ° C. by 2θ / θ scanning. The width of the 2θ / θ scan is preferably 0.02 ° or 0.01 °.
但し、ここで説明した高分解能型X線回折装置の構成は、一例にすぎず、十分な分解能及び精度でX線回折プロファイルを測定することが出来るのであれば、他の構成を採用してもよい。 However, the configuration of the high-resolution X-ray diffractometer described here is only an example, and other configurations may be adopted as long as the X-ray diffraction profile can be measured with sufficient resolution and accuracy. Good.
(XRDプロファイルの解析1)図1は、上記の高分解能型X線回折装置を用いて測定された代表的なニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体のXRDプロファイルである。図1のXRDプロファイルを一見すると、正方晶ペロブスカイト型酸化物の単相と判断することも出来る。しかし、詳細に観察すると、正方晶ペロブスカイト型酸化物に加えて、これまで認識されていない未知相(第3相)を確認することが出来た。即ち、正方晶(002)面の回折ピークの高角側には、未知ピーク(図1を参照)が存在した。これは、強度比や2θ角度から、CuKα2線による(002)面の回折ピークではない。この未知ピークは斜方晶ペロブスカイト型酸化物に起因する可能性がある。しかしながら、室温以下で測定したXRDプロファイルより、斜方晶のピークは、先の未知ピークの角度には現れず、斜方晶(022)面と(200)面の回折ピークは、未知ピークより高角側に現れた。これらの事実より、未知ピークは斜方晶ペロブスカイト型酸化物を示すものではない。そして、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体では、組成比や置換・添加元素の有無・種類によらず、この未知ピークが検出されたことから、未知相(第3相)は、ニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体に特有の結晶相であると考えられる。 (Analysis 1 of XRD Profile) FIG. 1 is an XRD profile of a typical alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body measured using the above-described high-resolution X-ray diffractometer. At first glance, the XRD profile in FIG. 1 can be determined as a single phase of tetragonal perovskite oxide. However, when observed in detail, in addition to the tetragonal perovskite oxide, an unknown phase (third phase) that has not been recognized so far could be confirmed. That is, an unknown peak (see FIG. 1) was present on the high angle side of the diffraction peak of the tetragonal (002) plane. This is not the diffraction peak of the (002) plane due to the CuKα2 line due to the intensity ratio and 2θ angle. This unknown peak may be attributed to the orthorhombic perovskite oxide. However, from the XRD profile measured at room temperature or lower, the orthorhombic peak does not appear at the angle of the previous unknown peak, and the diffraction peaks of the orthorhombic (022) plane and (200) plane are higher than the unknown peak. Appeared to the side. From these facts, the unknown peak does not indicate an orthorhombic perovskite oxide. And in the sintered niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramics, this unknown peak was detected regardless of the composition ratio and the presence / absence / type of substitution / addition elements. It is considered that this is a crystal phase peculiar to an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.
(X線回折装置2)汎用型粉末X線回折装置でも、第3相を検出することが可能である。例えば、主としてX線源(CuKα線)、回折光学系、モノクロメーター、検出器の4つの部分から構成された粉末X線回折装置を用いる。これは、一般に最も普及している装置構成の一つである。回折光学系として、ブラッグ−ブレンターノ集中光学系(ゴニオメーター半径185mm)のものを用いる。試料と検出器の間には、カウンターモノクロメーター(結晶は湾曲型グラファイト)を設置する。これは、CuKα線以外の余分なX線(連続X線、蛍光X線、Kβ線等)を可能な限り除去するためのものである。発散スリットは1°、散乱スリットは1°、受光スリットは0.3mmとする。 (X-ray diffractometer 2) The third phase can be detected even by a general-purpose powder X-ray diffractometer. For example, a powder X-ray diffractometer mainly composed of four parts of an X-ray source (CuKα ray), a diffractive optical system, a monochromator, and a detector is used. This is one of the most popular device configurations in general. As a diffractive optical system, a Bragg-Brentano concentrated optical system (goniometer radius 185 mm) is used. A counter monochromator (the crystal is curved graphite) is installed between the sample and the detector. This is for removing as much as possible extra X-rays (continuous X-rays, fluorescent X-rays, Kβ rays, etc.) other than CuKα rays. The diverging slit is 1 °, the scattering slit is 1 °, and the light receiving slit is 0.3 mm.
(XRDプロファイルの測定方法2)次に、汎用型X線回折装置を用いたXRDプロファイルの測定方法について説明する。XRDプロファイルの測定は、2θ/θスキャンにより、室温の状態にあるニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体の表面のX線回折プロファイルを測定する。2θ/θスキャンの幅は、0.02°又は0.01°とすることが好ましい。 (XRD Profile Measurement Method 2) Next, an XRD profile measurement method using a general-purpose X-ray diffractometer will be described. The XRD profile is measured by measuring the X-ray diffraction profile of the surface of the alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body at room temperature by 2θ / θ scanning. The width of the 2θ / θ scan is preferably 0.02 ° or 0.01 °.
但し、ここで説明した汎用型X線回折装置の構成は、一例にすぎず、同等の分解能及び精度でX線回折プロファイルを測定することが出来るのであれば、他の構成を採用してもよい。 However, the configuration of the general-purpose X-ray diffractometer described here is only an example, and other configurations may be adopted as long as the X-ray diffraction profile can be measured with the same resolution and accuracy. .
(XRDプロファイルの解析2)図2は、上記の汎用型X線回折装置を用いて測定された代表的なニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体のXRDプロファイルである(バックグラウンドを除去済み)。図2は、図1と同じ焼結体のXRDプロファイルである。図2では、図1とは異なり、未知ピークを明瞭には検出することが出来なかった。しかしながら、ピークの膨らみから、その存在を確認することが出来た。即ち、正方晶(002)面の回折ピークのピークトップから高角側にかけてピークが膨らんでいた(図2を参照)。高角側のピークの膨らみは、CuKα2線の影響もある。しかしながら、正方晶(002)面の回折ピークに近い2θ角度にある正方晶(200)面の回折ピークの高角側の膨らみと比べると、はるかに大きかった。この差が、第3相の存在を明確に示している。従って、これを数値化することによって、第3相の定量化が可能となる。
(
(第3相の定量化:非対称度の算出)先ず、既述のように、上記の汎用型X線回折装置と同等の分解能と精度を有するX線回折装置を用いて、XRDプロファイルを測定する。次いで、XRDプロファイルについて、バックグラウンドを計算処理により除去し、図2に示されるように、正方晶(002)と(200)面の、それぞれの回折ピークトップから、真下に線(図2では点線)を引く。そして、各ピークの半値幅を測り、これらをW1とW2とし、それぞれの回折ピークトップから真下に引いた線から、低角側の幅をW(L)1とW(L)2とし、高角側の幅をW(H)1とW(H)2とする。即ち、W(L)1+W(H)1=W1、W(L)2+W(H)2=W2、である。次いで、以下の式(図2も参照可能)を用いて、正方晶(002)面の回折ピークの非対称度を求める。正方晶(200)面のW(L)2とW(H)2の比で割ることにより、CuKα2線による非対称性を簡易的に補正することが可能である。非対称度が1のとき、第3相は無く、非対称度が1より大きくなる程、第3相が多くなると判断することが出来る。
非対称度=(W(H)1/W(L)1)/(W(H)2/W(L)2)
(Quantification of the third phase: calculation of the degree of asymmetry) First, as described above, an XRD profile is measured using an X-ray diffractometer having the same resolution and accuracy as the general-purpose X-ray diffractometer. . Next, with respect to the XRD profile, the background is removed by calculation processing, and as shown in FIG. 2, a line immediately below each diffraction peak top of the tetragonal crystal (002) and (200) planes (dotted line in FIG. 2). )pull. Then, the half width of each peak is measured, and these are set as W 1 and W 2, and the width on the low angle side is set as W (L) 1 and W (L) 2 from the line drawn directly from the top of each diffraction peak. The width on the high angle side is W (H) 1 and W (H) 2 . That is, W (L) 1 + W (H) 1 = W 1 , W (L) 2 + W (H) 2 = W 2 . Next, the asymmetry degree of the diffraction peak of the tetragonal crystal (002) plane is obtained using the following formula (also refer to FIG. 2). By dividing by the ratio of W (L) 2 and W (H) 2 on the tetragonal (200) plane, it is possible to easily correct the asymmetry due to the CuKα2 line. When the degree of asymmetry is 1, there is no third phase, and it can be determined that the third phase increases as the degree of asymmetry is greater than 1.
Asymmetry = (W (H) 1 / W (L) 1 ) / (W (H) 2 / W (L) 2 )
次に、本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体を製造する方法について、その一例を説明する。 Next, an example of the method for producing an alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention will be described.
先ず、圧電/電歪セラミックス粉末(仮焼/粉砕粉)を製造する。圧電/電歪セラミックス粉末の組成中の各金属元素の割合(モル比)を満たすように、それぞれの金属元素を含有する化合物を秤量し、ボールミル等の混合方法によりエタノール等の溶剤と混合して混合スラリーを得る。尚、それぞれの金属元素を含有する化合物の種類は特に限定されないが、各金属元素の酸化物、又は炭酸塩、又は酒石酸塩等が好適に用いられ、例えば、炭酸リチウム、酒石酸カリウム、酒石酸ナトリウム、酸化ニオブ、酸化タンタルを用いることが出来る。次いで、得られた混合スラリーを、乾燥器を使用するか、又は濾過等の操作によって乾燥し、仮焼、粉砕する。粉砕はボールミル等の方法により行えばよい。このようにして、圧電/電歪セラミックス粉末(仮焼/粉砕粉)を製造する。 First, a piezoelectric / electrostrictive ceramic powder (calcined / ground powder) is manufactured. The compound containing each metal element is weighed so as to satisfy the ratio (molar ratio) of each metal element in the composition of the piezoelectric / electrostrictive ceramic powder, and mixed with a solvent such as ethanol by a mixing method such as a ball mill. A mixed slurry is obtained. In addition, although the kind of compound containing each metal element is not particularly limited, an oxide, carbonate, or tartrate of each metal element is preferably used. For example, lithium carbonate, potassium tartrate, sodium tartrate, Niobium oxide and tantalum oxide can be used. Next, the obtained mixed slurry is dried by using a drier or by an operation such as filtration, and calcined and pulverized. The pulverization may be performed by a method such as a ball mill. In this way, a piezoelectric / electrostrictive ceramic powder (calcined / ground powder) is produced.
圧電/電歪セラミックス粉末(仮焼/粉砕粉)の平均粒径は、0.1μm以上1μm以下であることが好ましい。ここで、平均粒径とは累積分布における50%径(メジアン径)とする。又、仮焼/粉砕粉には、Ag、Mn,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,及びZnからなる群から選択される少なくとも1種類の金属元素を添加することが好ましい。 The average particle diameter of the piezoelectric / electrostrictive ceramic powder (calcined / ground powder) is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less. Here, the average particle diameter is a 50% diameter (median diameter) in the cumulative distribution. Moreover, it is preferable to add at least one metal element selected from the group consisting of Ag, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn to the calcined / ground powder.
次に、仮焼/粉砕粉をペレット状に成形し焼成する。焼成の時の最高温度は950〜1100℃、最高温度を維持する時間は0.5〜6時間が好ましい。焼成は、昇温過程において、800〜950℃の範囲の一定温度で、一定時間維持する焼成キープ工程を行った後、更に昇温して焼成温度にて焼結する方法が好ましい。更に好ましくは、焼成キープ工程において、0.5〜20時間の一定時間維持するとよい。特に、キープ温度800〜900℃の範囲が、より好ましい。 Next, the calcined / ground powder is formed into a pellet and fired. The maximum temperature during firing is preferably 950 to 1100 ° C., and the time for maintaining the maximum temperature is preferably 0.5 to 6 hours. Firing is preferably performed by performing a firing keeping step of maintaining at a constant temperature in the range of 800 to 950 ° C. for a certain period of time in the temperature raising process, and then further heating and sintering at the firing temperature. More preferably, it is good to maintain for a fixed time of 0.5 to 20 hours in a baking keep process. In particular, the range of a keep temperature of 800 to 900 ° C. is more preferable.
その後、得られた焼結体を必要に応じて適当な形状(例えば、短冊状)に加工後、分極処理を行う。分極処理は、5kV/mm程度の電圧を15分以上印加して行う。 Thereafter, the obtained sintered body is processed into an appropriate shape (for example, strip shape) as necessary, and then subjected to polarization treatment. The polarization treatment is performed by applying a voltage of about 5 kV / mm for 15 minutes or more.
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
(比較例1){Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−zTaz)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01)+0.02mol%MnO2の組成からなる仮焼/粉砕粉(粒径0.2〜0.5μm、粒形状は球状)をペレット状に成形し、ペレット状試料Aを得た。このペレット状試料Aに対し、大気中において200℃/hの速度で焼成温度970℃まで昇温し、970℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Comparative Example 1) {Li y (Na 1 -x K x) 1-y} a (Nb 1-z Ta z) O 3 (x = 0.450, y = 0.060, z = 0.082, a = 1.01) +0.02 mol% MnO 2 calcined / ground powder (particle size 0.2 to 0.5 μm, particle shape is spherical) is formed into pellets to obtain a pellet sample A It was. The pellet-like sample A was heated to a firing temperature of 970 ° C. at a rate of 200 ° C./h in the atmosphere, held at 970 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h. An electrostrictive ceramic sintered body was obtained.
次に、得られた圧電/電歪セラミックス焼結体の表裏両面のXRDプロファイルを測定し、非対称度1(分極前の非対称度)を算出した。表裏の平均を非対称度1とした。 Next, XRD profiles on both the front and back surfaces of the obtained piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body were measured, and asymmetry 1 (asymmetry before polarization) was calculated. The average of the front and back was set to 1 asymmetry.
次に、圧電/電歪セラミックス焼結体を短冊状に加工した後、大気中において600℃で1時間熱処理し、加工応力を除去した。そして、25℃に保持したシリコンオイル中で5kV/mmの電圧で15分間分極処理を行い、電気的特性(電界誘起歪S4000)を評価した。電界誘起歪S4000とは、4kV/mmの電界を加えたときの31方向(電界印加方向に対して垂直方向)の歪量である。次いで、電気的特性評価後の短冊状試料の表裏両面のXRDプロファイルを測定し、非対称度2(分極後の非対称度)を算出した。表裏の平均を非対称度2とした。表1に、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a strip shape, and then heat-treated at 600 ° C. for 1 hour in the air to remove the processing stress. And the polarization process was performed for 15 minutes by the voltage of 5 kV / mm in the silicon oil hold | maintained at 25 degreeC, and the electrical property (electric field induced strain S4000) was evaluated. The electric field induced strain S4000 is a strain amount in 31 directions (a direction perpendicular to the electric field application direction) when an electric field of 4 kV / mm is applied. Next, the XRD profiles of the front and back surfaces of the strip-shaped sample after the electrical property evaluation were measured, and the asymmetry 2 (the asymmetry after polarization) was calculated. The average of the front and back sides was set to 2 asymmetry. Table 1 shows the degree of
(実施例1〜3)比較例1と同様にして得たペレット状試料Aに対し、大気中で200℃/hの速度で850℃まで昇温し、850℃で3時間(実施例1)、6時間(実施例2)、10時間(実施例3)、それぞれ保持し、焼成キープ工程を行った後、200℃/hの速度で焼成温度970℃まで昇温し、970℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Examples 1 to 3) The pellet-like sample A obtained in the same manner as in Comparative Example 1 was heated to 850 ° C. at a rate of 200 ° C./h in the atmosphere, and at 850 ° C. for 3 hours (Example 1) 6 hours (Example 2) and 10 hours (Example 3), respectively, and after carrying out the baking keep step, the temperature was raised to a baking temperature of 970 ° C. at a rate of 200 ° C./h, and then at 970 ° C. for 3 hours. After being held, it was cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h to obtain a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body.
次に、比較例1と同様にして、非対称度1を算出し、続いて、加工、熱処理、分極処理を施した後、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表1に、焼成キープ条件(温度と時間)、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, the degree of asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 1. Subsequently, after processing, heat treatment, and polarization treatment, the electrical characteristics were evaluated, and the degree of
(比較例2){Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−z−wTazSbw)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01、w=0.040)+0.02mol%MnO2の組成からなる仮焼/粉砕粉(粒径0.2〜0.5μm、粒形状は球状)をペレット状に成形し、ペレット状試料Bを得た。このペレット状試料Bに対し、大気中において200℃/hの速度で焼成温度980℃まで昇温し、980℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Comparative Example 2) {Li y (Na 1 -x K x) 1-y} a (Nb 1-z-w Ta z Sb w) O 3 (x = 0.450, y = 0.060, z = 0.082, a = 1.01, w = 0.040) +0.02 mol% MnO 2 calcined / ground powder (particle size 0.2-0.5 μm, particle shape is spherical) in pellet form And pelletized sample B was obtained. The pellet-like sample B was heated in the atmosphere to a firing temperature of 980 ° C. at a rate of 200 ° C./h, held at 980 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h. An electrostrictive ceramic sintered body was obtained.
次に、比較例1と同様にして、非対称度1を算出した。次に、圧電/電歪セラミックス焼結体を短冊状に加工した後、大気中において900℃で1時間熱処理し、加工応力を除去した。そして、25℃に保持したシリコンオイル中で5kV/mmの電圧で15分間分極処理を行い、比較例1と同様にして、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表2に、分極温度、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 1. Next, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a strip shape, and then heat-treated at 900 ° C. for 1 hour in the air to remove the processing stress. Then, polarization treatment was performed for 15 minutes at a voltage of 5 kV / mm in silicon oil maintained at 25 ° C., and the electrical characteristics were evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 to calculate the degree of
(実施例4)比較例2と同様にして得たペレット状試料Bに対し、大気中で200℃/hの速度で880℃まで昇温し、880℃で3時間保持し、焼成キープ工程を行った後、200℃/hの速度で焼成温度980℃まで昇温し、980℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Example 4) The pellet-like sample B obtained in the same manner as in Comparative Example 2 was heated to 880 ° C at a rate of 200 ° C / h in the atmosphere and held at 880 ° C for 3 hours. After the heating, the temperature was raised to 980 ° C. at a rate of 200 ° C./h, held at 980 ° C. for 3 hours, then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h to obtain a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body. Obtained.
次に、比較例2と同様にして、非対称度1を算出し、続いて、加工、熱処理を施した後、80℃に保持したシリコンオイル中で5kV/mmの電圧で15分間分極処理を行った。続いて、大気中において、250℃で12時間熱処理(エージング処理)を施した。そして、比較例1と同様にして、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表2に、焼成キープ条件(温度と時間)、分極温度、エージング条件(温度と時間)、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, as in Comparative Example 2, the degree of asymmetry 1 was calculated, followed by processing and heat treatment, followed by polarization treatment for 15 minutes at a voltage of 5 kV / mm in silicon oil maintained at 80 ° C. It was. Subsequently, heat treatment (aging treatment) was performed at 250 ° C. for 12 hours in the air. Then, in the same manner as in Comparative Example 1, the electrical characteristics were evaluated, and the degree of
(比較例3)[{Liy(Na1−xKx)1−y}1‐tBit]a(Nb1−zTaz)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01、t=0.0005)+ 0.05mol%MnO2の組成からなる仮焼/粉砕粉(粒径0.2〜0.5μm、粒形状は球状)をペレット状に成形し、ペレット状試料Cを得た。このペレット状試料Cに対し、大気中において200℃/hの速度で焼成温度970℃まで昇温し、970℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Comparative Example 3) [{Li y (Na 1-x K x) 1-y} 1-t Bi t] a (Nb 1-z Ta z) O 3 (x = 0.450, y = 0.060 , Z = 0.082, a = 1.01, t = 0.0005) + 0.05 mol% MnO 2 calcined / ground powder (particle size 0.2 to 0.5 µm, particle shape is spherical) ) Was formed into a pellet, and a pellet-like sample C was obtained. The pellet-like sample C was heated to a firing temperature of 970 ° C. at a rate of 200 ° C./h in the atmosphere, held at 970 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h. An electrostrictive ceramic sintered body was obtained.
次に、比較例1と同様にして、非対称度1を算出した。次に、圧電/電歪セラミックス焼結体を短冊状に加工した後、大気中において900℃で1時間熱処理し、加工応力を除去した。そして、25℃に保持したシリコンオイル中で5kV/mmの電圧で15分間分極処理を行い、比較例1と同様にして、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表3に、分極温度、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 1. Next, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a strip shape, and then heat treated at 900 ° C. for 1 hour in the air to remove the processing stress. And the polarization process was performed for 15 minutes at the voltage of 5 kV / mm in the silicone oil hold | maintained at 25 degreeC, it carried out similarly to the comparative example 1, the electrical property was evaluated, and the
(実施例5)比較例3と同様にして得たペレット状試料Cに対し、大気中で200℃/hの速度で850℃まで昇温し、850℃で4時間保持し、焼成キープ工程を行った後、200℃/hの速度で焼成温度970℃まで昇温し、970℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Example 5) The pellet-like sample C obtained in the same manner as in Comparative Example 3 was heated to 850 ° C at a rate of 200 ° C / h in the atmosphere and held at 850 ° C for 4 hours. Then, the temperature was raised to a firing temperature of 970 ° C. at a rate of 200 ° C./h, held at 970 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h to obtain a piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body. Obtained.
次に、比較例3と同様にして、非対称度1を算出し、続いて、加工、熱処理を施した後、75℃に保持したシリコンオイル中で5kV/mmの電圧で15分間分極処理を行った。続いて、大気中において150℃で12時間熱処理(エージング処理)を施した。そして、比較例1と同様にして、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表3に、焼成キープ条件(温度と時間)、分極温度、エージング条件(温度と時間)、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, the degree of asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 3, followed by processing and heat treatment, followed by polarization treatment for 15 minutes at a voltage of 5 kV / mm in silicon oil maintained at 75 ° C. It was. Subsequently, heat treatment (aging treatment) was performed at 150 ° C. for 12 hours in the air. Then, in the same manner as in Comparative Example 1, the electrical characteristics were evaluated, and the degree of
(比較例4){Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−zTaz)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01)の組成からなる仮焼/粉砕粉(粒径0.2〜0.5μm、粒形状は球状)をペレット状に成形し、ペレット状試料Dを得た。このペレット状試料Dに対し、大気中において200℃/hの速度で焼成温度1000℃まで昇温し、1000℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Comparative Example 4) {Li y (Na 1 -x K x) 1-y} a (Nb 1-z Ta z) O 3 (x = 0.450, y = 0.060, z = 0.082, A calcined / ground powder (particle size: 0.2 to 0.5 μm, particle shape is spherical) having a composition of a = 1.01) was formed into a pellet shape, and a pellet-shaped sample D was obtained. The pellet-like sample D was heated to a firing temperature of 1000 ° C. at a rate of 200 ° C./h in the atmosphere, held at 1000 ° C. for 3 hours, and then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h. An electrostrictive ceramic sintered body was obtained.
次に、比較例1と同様にして、非対称度1を算出した。次に、圧電/電歪セラミックス焼結体を短冊状に加工した後、大気中において900℃で1時間熱処理し、加工応力を除去した。そして、比較例1と同様にして、分極処理を施した後、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表4に、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 1. Next, the piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body was processed into a strip shape, and then heat treated at 900 ° C. for 1 hour in the air to remove the processing stress. Then, in the same manner as in Comparative Example 1, after performing the polarization treatment, the electrical characteristics were evaluated, and the degree of
(実施例6、7){Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−zTaz)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01)の組成からなる仮焼/粉砕粉(母材原料粉末)と{Liy(Na1−xKx)1−y}a(Nb1−zTaz)O3(x=0.450、y=0.060、z=0.082、a=1.01)+0.02mol%MnO2の組成からなる仮焼/粉砕粉(添加材原料粉末)を用意した。母材原料粉末の粒径は0.2〜0.5μm、添加材原料粉末の粒径は1〜2μmであった。そして、母材原料粉末に対して、20vol%(実施例6)、40vol%(実施例7)となるように、それぞれ添加材を加え、乾式混合をした後、ペレット状に成形し、ペレット状試料を得た。これらペレット状試料に対し、大気中において200℃/hの速度で焼成温度1000℃まで昇温し、1000℃で3時間保持した後、200℃/hの速度で室温まで冷却し、圧電/電歪セラミックス焼結体を得た。 (Examples 6 and 7) {Li y (Na 1-x K x ) 1-y } a (Nb 1-z Ta z ) O 3 (x = 0.450, y = 0.060, z = 0. 082, a = 1.01) calcined / ground powder (base material raw material powder) and {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−z Ta z ) O 3 A calcined / ground powder (additive material powder) having a composition of (x = 0.450, y = 0.060, z = 0.082, a = 1.01) +0.02 mol% MnO 2 was prepared. The particle size of the base material powder was 0.2 to 0.5 μm, and the particle size of the additive material powder was 1 to 2 μm. And with respect to a base material raw material powder, after adding an additive so that it might become 20 vol% (Example 6) and 40 vol% (Example 7), respectively, after dry-mixing, it shape | molds in a pellet form, pellet form A sample was obtained. These pellet-like samples were heated to a firing temperature of 1000 ° C. at a rate of 200 ° C./h in the atmosphere, held at 1000 ° C. for 3 hours, then cooled to room temperature at a rate of 200 ° C./h, and piezoelectric / electrical A strain ceramic sintered body was obtained.
次に、比較例4と同様にして、非対称度1を算出し、続いて、加工、熱処理、分極処理を施した後、電気的特性を評価し、非対称度2を算出した。表4に、添加材原料粉末の量、非対称度1、2及び電界誘起歪S4000を示す。
Next, the degree of asymmetry 1 was calculated in the same manner as in Comparative Example 4, followed by processing, heat treatment, and polarization treatment, the electrical characteristics were evaluated, and the degree of
表1〜4に、製造条件、非対称度、及び圧電特性の関係が示されている。これら表1〜4に示される実施例1〜7及び比較例1〜4の結果より、非対称度(非対称度1、2)を1に近くする、即ち、第3相を減らすことによって、例えば電界誘起歪S4000と言った電気的特性を向上させることが可能なことがわかる。そして、非対称度を1に近くする、即ち、第3相を減らす手段としては、焼成キープ工程、高温分極、高温エージング処理、組成のコンポジット化が有効である。 Tables 1 to 4 show relationships among manufacturing conditions, asymmetry, and piezoelectric characteristics. From the results of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 shown in Tables 1 to 4, the asymmetry (asymmetry 1 and 2) is made close to 1, that is, by reducing the third phase, for example, the electric field It can be seen that electrical characteristics such as the induced strain S4000 can be improved. As means for reducing the degree of asymmetry close to 1, that is, reducing the third phase, a firing keeping process, high temperature polarization, high temperature aging treatment, and composition composition are effective.
本発明に係るニオブ酸アルカリ系の圧電/電歪セラミックス焼結体は、優れた電界誘起歪を示すものであり、アクチュエータ、センサー等を構成する圧電/電歪素子(圧電/電歪体)の材料として好適に利用される。 The alkali niobate-based piezoelectric / electrostrictive ceramic sintered body according to the present invention exhibits excellent electric field-induced strain, and is a piezoelectric / electrostrictive element (piezoelectric / electrostrictive body) constituting an actuator, a sensor or the like. It is suitably used as a material.
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