[go: up one dir, main page]

JP2017160083A - Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element - Google Patents

Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element Download PDF

Info

Publication number
JP2017160083A
JP2017160083A JP2016045724A JP2016045724A JP2017160083A JP 2017160083 A JP2017160083 A JP 2017160083A JP 2016045724 A JP2016045724 A JP 2016045724A JP 2016045724 A JP2016045724 A JP 2016045724A JP 2017160083 A JP2017160083 A JP 2017160083A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramic composition
piezoelectric
piezoelectric ceramic
piezoelectric element
coefficient
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.)
Granted
Application number
JP2016045724A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6357180B2 (en
Inventor
正人 山崎
Masato Yamazaki
正人 山崎
和昭 北村
Kazuaki Kitamura
和昭 北村
幸弘 浜口
Yukihiro Hamaguchi
幸弘 浜口
和重 大林
Kazue Obayashi
和重 大林
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.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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 NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2016045724A priority Critical patent/JP6357180B2/en
Publication of JP2017160083A publication Critical patent/JP2017160083A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6357180B2 publication Critical patent/JP6357180B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

【課題】圧電素子において、駆動状態の特性に係る評価項目(誘電正接、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等)を含む広い範囲の評価項目において高いレベルを満たし、優れた強度を実現する。【解決手段】圧電磁器組成物は、一般式(1)(PbmSrn)(Zr1−w−x−y−zTiwFexSiyAlz)O3…(1)で表わされ、0.910≦m≦0.960、0.030≦n≦0.100、0.970≦m+n≦1.060、0.453≦w≦0.497、0.006≦x≦0.017、0<y≦0.002、0<z≦0.004を満たす化合物を主成分とする。【選択図】図4In a piezoelectric element, high strength is achieved in a wide range of evaluation items including evaluation items (dielectric loss tangent, electromechanical coupling coefficients kr and kt, Curie point Tc, etc.) relating to characteristics of a driving state, and excellent strength is realized. To do. A piezoelectric ceramic composition is represented by the general formula (1) (PbmSrn) (Zr1-w-xy-zTiwFexSiyAlz) O3 (1), and 0.910 ≦ m ≦ 0.960, 0. .030 ≦ n ≦ 0.100, 0.970 ≦ m + n ≦ 1.060, 0.453 ≦ w ≦ 0.497, 0.006 ≦ x ≦ 0.017, 0 <y ≦ 0.002, 0 <z The main component is a compound satisfying ≦ 0.004. [Selection] Figure 4

Description

本発明は、磁器組成物、圧電素子、振動子、および、圧電素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a porcelain composition, a piezoelectric element, a vibrator, and a method for manufacturing a piezoelectric element.

従来、圧電磁器組成物として、チタン酸ジルコン酸鉛が知られている。このような圧電磁器組成物を用いた圧電素子では、その性能を向上させるための種々の改良がなされてきた。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛にアンチモン(Sb)を含有させることにより、機械的品質係数Qmの向上や誘電損失(誘電正接)の低減を図る構成が提案されている(例えば、特許文献1−3参照)。   Conventionally, lead zirconate titanate is known as a piezoelectric ceramic composition. Various improvements have been made to improve the performance of piezoelectric elements using such a piezoelectric ceramic composition. For example, a structure for improving mechanical quality factor Qm and reducing dielectric loss (dielectric loss tangent) by incorporating antimony (Sb) into lead zirconate titanate has been proposed (for example, Patent Documents 1-3). reference).

特公昭48−12355号公報Japanese Patent Publication No. 48-12355 特公昭55−18059号公報Japanese Patent Publication No.55-18059 特開平5−51222号公報JP-A-5-51222

しかしながら、例えば超音波振動子等の圧電振動子に用いられる圧電素子においては、機械的品質係数Qmの向上や誘電正接に加えて、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等の特性のいずれについても高いレベルを満たすことが望まれる。また、圧電素子においては、加工時の損傷を抑えるために、圧電磁器組成物の強度をより高めることが望まれている。このような、駆動状態の特性に係る評価項目(誘電正接、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等)を含む広い範囲の評価項目において高いレベルを満たす圧電素子については、充分な検討がされていなかった。   However, for example, in a piezoelectric element used for a piezoelectric vibrator such as an ultrasonic vibrator, in addition to the improvement of the mechanical quality factor Qm and the dielectric loss tangent, any of the characteristics such as the electromechanical coupling factors kr and kt and the Curie point Tc It is desirable to satisfy a high level. Moreover, in the piezoelectric element, in order to suppress damage during processing, it is desired to further increase the strength of the piezoelectric ceramic composition. Such a piezoelectric element satisfying a high level in a wide range of evaluation items including evaluation items (dielectric loss tangent, electromechanical coupling coefficients kr and kt, Curie point Tc, etc.) relating to the characteristics of the driving state has been sufficiently studied. Was not.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、圧電磁器組成物が提供される。この圧電磁器組成物は、一般式(1);(PbSr)(Zr1−w−x−y−zTiFeSiAl)O …(1);で表わされ、0.910≦m≦0.960、0.030≦n≦0.100、0.970≦m+n≦1.060、0.453≦w≦0.497、0.006≦x≦0.017、0<y≦0.002、0<z≦0.004を満たす化合物を主成分とする。
この形態の圧電磁器組成物によれば、機械的品質係数Qmの向上や誘電正接に加えて、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等の特性のいずれについても高いレベルを満たす圧電素子を得ることができ、従来にないバランスのよい圧電特性を実現することができる。また、圧電磁器組成物の強度を高めることができる。
(1) According to one aspect of the present invention, a piezoelectric ceramic composition is provided. The piezoelectric ceramic composition of the general formula (1); (Pb m Sr n) (Zr 1-w-x-y-z Ti w Fe x Si y Al z) O 3 ... (1); represented by 0.910 ≦ m ≦ 0.960, 0.030 ≦ n ≦ 0.100, 0.970 ≦ m + n ≦ 1.060, 0.453 ≦ w ≦ 0.497, 0.006 ≦ x ≦ 0.017 The main component is a compound satisfying 0 <y ≦ 0.002 and 0 <z ≦ 0.004.
According to the piezoelectric ceramic composition of this embodiment, in addition to the improvement of the mechanical quality factor Qm and the dielectric loss tangent, the piezoelectric element satisfying a high level for all of the characteristics such as the electromechanical coupling coefficients kr and kt and the Curie point Tc. It is possible to obtain a balanced piezoelectric characteristic that has not been obtained in the past. Moreover, the strength of the piezoelectric ceramic composition can be increased.

(2)上記形態の圧電磁器組成物において、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%以下であることとしてもよい。このような構成とすれば、上記圧電磁器組成物を用いて圧電振動子を作製したときに、動作時に電気エネルギが熱エネルギとして失われる損失量を抑え、発熱を抑制する効果を高めることができる。 (2) In the piezoelectric ceramic composition of the above aspect, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied may be 0.30% or less. With such a configuration, when a piezoelectric vibrator is manufactured using the piezoelectric ceramic composition, the loss of electrical energy lost as thermal energy during operation can be suppressed, and the effect of suppressing heat generation can be enhanced. .

(3)本発明の他の形態によれば、圧電素子が提供される。圧電素子は、上記(1)または(2)に記載の圧電磁器組成物と、該圧電磁器組成物に接して設けられた少なくとも一対の電極と、を備える。このような構成とすれば、機械的品質係数Qmの向上や誘電正接に加えて、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等の特性のいずれについても高いレベルを満たし、強度にも優れた圧電素子を得ることができる。 (3) According to another aspect of the present invention, a piezoelectric element is provided. A piezoelectric element includes the piezoelectric ceramic composition according to the above (1) or (2) and at least a pair of electrodes provided in contact with the piezoelectric ceramic composition. With such a configuration, in addition to the improvement of the mechanical quality factor Qm and the dielectric loss tangent, the electromechanical coupling factors kr and kt, the properties such as the Curie point Tc, etc. all satisfy a high level and have excellent strength. A piezoelectric element can be obtained.

(4)本発明の他の形態によれば、超音波振動子が提供される。超音波振動子は、上記(3)に記載の圧電素子を備える。このような構成とすれば、超音波振動子の圧電性能を高めることができると共に、発電を抑えることにより長時間安定して使用することが可能になる。 (4) According to another aspect of the present invention, an ultrasonic transducer is provided. The ultrasonic transducer includes the piezoelectric element described in (3) above. With such a configuration, it is possible to improve the piezoelectric performance of the ultrasonic transducer and to use it stably for a long time by suppressing power generation.

(5)本発明の他の形態によれば、上記(1)または(2)に記載の圧電磁器組成物の製造方法が提供される。圧電磁器組成物の製造方法は、前記主成分の原料を混合して原料混合粉末を得る混合工程と;前記原料混合粉末を仮焼して仮焼粉末を得る仮焼工程と;前記仮焼粉末を成形し、焼成する焼成工程と;を備え;前記混合工程は、アルミニウム(Al)を実質的に含有しないボールを用いてボールミルにより行なうことを特徴とする。このような構成とすれば、混合工程において、ボールに含まれるAlに起因して原料混合粉末中のAlの含有割合が増加することがなく、原料を混合する際の混合割合によって、精度良く、圧電磁器組成物の組成を調整することができる。 (5) According to the other form of this invention, the manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition as described in said (1) or (2) is provided. The method for producing a piezoelectric ceramic composition includes a mixing step of mixing raw materials of the main component to obtain a raw material mixed powder; a calcining step of calcining the raw material mixed powder to obtain a calcined powder; and the calcined powder The mixing step is performed by a ball mill using a ball substantially free of aluminum (Al). With such a configuration, in the mixing step, the content ratio of Al in the raw material mixed powder does not increase due to Al contained in the ball, and the mixing ratio when mixing the raw materials is accurate, The composition of the piezoelectric ceramic composition can be adjusted.

(6)本発明の他の形態によれば、上記(3)に記載の圧電素子の製造方法が提供される。圧電素子の製造方法は、前記主成分の原料を混合して原料混合粉末を得る混合工程と;前記原料混合粉末を仮焼して仮焼粉末を得る仮焼工程と;前記仮焼粉末を成形して焼成し、圧電磁器組成物を得る焼成工程と;前記圧電磁器組成物の表面に、前記電極を形成するための導電性ペーストを塗布する塗布工程と;を備え;前記導電性ペーストは、実質的にケイ素(Si)を含有しないことを特徴とする。このような構成とすれば、導電性ペーストに含まれるSiに起因して、圧電素子が備える圧電磁器組成物におけるSiの含有割合が増加することがなく、原料を混合する際の混合割合によって、精度良く、圧電磁器組成物の組成を調整することができる。 (6) According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a piezoelectric element according to (3) above. The piezoelectric element manufacturing method includes a mixing step of mixing raw materials of the main component to obtain a raw material mixed powder; a calcining step of calcining the raw material mixed powder to obtain a calcined powder; and molding the calcined powder And firing to obtain a piezoelectric ceramic composition; and a coating process for applying a conductive paste for forming the electrode on the surface of the piezoelectric ceramic composition; It is characterized by containing substantially no silicon (Si). With such a configuration, due to Si contained in the conductive paste, the content ratio of Si in the piezoelectric ceramic composition included in the piezoelectric element does not increase, depending on the mixing ratio when mixing the raw materials, The composition of the piezoelectric ceramic composition can be adjusted with high accuracy.

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電磁器組成物、それを用いた圧電素子、圧電素子を備える各種の装置(ノックセンサ、超音波振動子、切削工具、超音波センサ、アクチュエータ等)、及び、圧電磁器組成物の製造方法等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms. For example, a piezoelectric ceramic composition, a piezoelectric element using the composition, and various devices including a piezoelectric element (a knock sensor, an ultrasonic vibrator, a cutting tool, an ultrasonic (Sound wave sensor, actuator, etc.) and a method of manufacturing a piezoelectric ceramic composition.

本発明の一実施形態における圧電磁器組成物の製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態としての圧電素子を示す斜視図。The perspective view which shows the piezoelectric element as one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態としての超音波振動子を示す縦断面図。1 is a longitudinal sectional view showing an ultrasonic transducer as one embodiment of the present invention. 磁器組成物の組成の、圧電特性への影響に関する実験結果を示す図。The figure which shows the experimental result regarding the influence on the piezoelectric characteristic of the composition of a porcelain composition. 係数yおよびzの誘電正接への影響を示す図。The figure which shows the influence on the dielectric loss tangent of the coefficient y and z. 超音波振動子の温度変化を経時的に測定した結果を示す図。The figure which shows the result of having measured the temperature change of the ultrasonic vibrator with time. 係数xの誘電正接への影響を示す図。The figure which shows the influence on the dielectric loss tangent of the coefficient x. 0℃〜350℃の温度範囲における比誘電率(ε33 /ε)を示す図。Shows the relative dielectric constant in the temperature range (ε 33 T / ε 0) of 0 ° C. to 350 ° C..

A.圧電磁器組成物:
本発明の一実施形態としての圧電磁器組成物は、以下に示す一般式(1)で表わされる化合物、すなわち、ペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする。
A. Piezoelectric ceramic composition:
The piezoelectric ceramic composition as one embodiment of the present invention contains a compound represented by the following general formula (1), that is, a perovskite complex oxide as a main component.

(PbSr)(Zr1−w−x−y−zTiFeSiAl)O …(1) (Pb m Sr n) (Zr 1-w-x-y-z Ti w Fe x Si y Al z) O 3 ... (1)

ここで、本実施形態の圧電磁器組成物は、上記一般式(1)において、以下を満たす。
0.910≦m≦0.960、
0.030≦n≦0.100、
0.970≦m+n≦1.060、
0.453≦w≦0.497、
0.006≦x≦0.017、
0<y≦0.002、0<z≦0.004。
Here, the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment satisfies the following in the general formula (1).
0.910 ≦ m ≦ 0.960,
0.030 ≦ n ≦ 0.100,
0.970 ≦ m + n ≦ 1.060,
0.453 ≦ w ≦ 0.497,
0.006 ≦ x ≦ 0.017,
0 <y ≦ 0.002, 0 <z ≦ 0.004.

上記一般式(1)で表わされる化合物は、ペロブスカイト型構造のAサイトに、鉛(Pb)およびストロンチウム(Sr)を有する。一般式(1)における係数m、nは、Aサイトに存在するPbとSrの比を表わす。m+nに関しては、上記組成を有する圧電磁器組成物がすべてペロブスカイト相から成る場合には、理論上はm+n=1となる。ただし、ペロブスカイト型酸化物に含まれる各元素の割合や、環境温度あるいは雰囲気に応じて、Aサイトの元素、Bサイトの元素、および酸素原子の量が、量論組成からずれることがある。そのため、本実施形態では0.970≦m+n≦1.060と規定している。   The compound represented by the general formula (1) has lead (Pb) and strontium (Sr) at the A site of the perovskite structure. The coefficients m and n in the general formula (1) represent the ratio of Pb and Sr existing at the A site. With respect to m + n, when all of the piezoelectric ceramic composition having the above composition is composed of a perovskite phase, theoretically, m + n = 1. However, depending on the ratio of each element contained in the perovskite oxide, the ambient temperature, or the atmosphere, the amount of the A-site element, the B-site element, and the oxygen atom may deviate from the stoichiometric composition. Therefore, in this embodiment, it is defined as 0.970 ≦ m + n ≦ 1.060.

上記一般式(1)において、係数mおよび係数nが、0.910≦m≦0.960、および、0.030≦n≦0.100の範囲から外れる場合には、圧電性能が十分に得られ難い場合がある。具体的には、例えば係数mが上記範囲を下回る場合には、電気機械結合係数krおよびktの値が、それぞれ、40%以下の小さな値となる可能性がある。電気機械結合係数krおよびktの値を、より大きくするという観点から、係数mは、0.920以上であることが望ましい。また、電気機械結合係数krおよびktの値を、より大きくするという観点から、係数mは、0.950未満であることが望ましく、0.930未満であることがより望ましい。   In the general formula (1), when the coefficient m and the coefficient n are out of the ranges of 0.910 ≦ m ≦ 0.960 and 0.030 ≦ n ≦ 0.100, sufficient piezoelectric performance is obtained. It may be difficult to do. Specifically, for example, when the coefficient m is below the above range, the values of the electromechanical coupling coefficients kr and kt may be small values of 40% or less, respectively. From the viewpoint of increasing the values of the electromechanical coupling coefficients kr and kt, the coefficient m is preferably 0.920 or more. Further, from the viewpoint of increasing the values of the electromechanical coupling coefficients kr and kt, the coefficient m is preferably less than 0.950, and more preferably less than 0.930.

上記一般式(1)で表わされる化合物は、ペロブスカイト型構造のBサイトに、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ケイ素(Si)およびアルミニウム(Al)を含む。一般式(1)における係数w、x、y、およびzは、それぞれ、Bサイトに存在する元素の合計モル数を1としたときの、Ti、Fe、Si、およびAlの各々の含有量のモル比を表わす。係数w、x、y、およびzが、既述した範囲から外れる場合には、圧電性能が十分に得られ難い場合がある。   The compound represented by the general formula (1) includes zirconium (Zr), titanium (Ti), iron (Fe), silicon (Si), and aluminum (Al) at the B site having a perovskite structure. The coefficients w, x, y, and z in the general formula (1) are the respective contents of Ti, Fe, Si, and Al when the total number of moles of elements existing at the B site is 1, respectively. Represents molar ratio. When the coefficients w, x, y, and z are out of the above-described ranges, it may be difficult to obtain sufficient piezoelectric performance.

係数wの値が、0.453≦w≦0.497の範囲から外れる場合には、機械的品質係数Qmの値を十分に確保できない可能性がある。機械的品質係数Qmの値をより大きく確保する観点から、wは、0.472以上であることが望ましい。また、機械的品質係数Qmの値をより大きく確保する観点から、wは、0.474以下であることが望ましい。   When the value of the coefficient w is out of the range of 0.453 ≦ w ≦ 0.497, there is a possibility that the mechanical quality factor Qm cannot be sufficiently secured. From the viewpoint of securing a larger value of the mechanical quality factor Qm, w is preferably 0.472 or more. Further, from the viewpoint of securing a larger value of the mechanical quality factor Qm, w is preferably 0.474 or less.

係数xの値が、0.006≦x≦0.017の範囲を下回る場合には、誘電損失が許容できない程度に大きくなる可能性がある。具体的には、例えば、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%を超え、あるいは200V/mmの電界印加時の誘電正接が0.40%を超える可能性がある。さらに、係数xが上記範囲よりも小さい場合には、機械的品質係数Qmの値が、1000未満の小さな値になる可能性もある。そして、係数xが上記範囲よりも大きい場合には、圧電磁器組成物におけるFeの含有量が増加するために部分的に絶縁性が低下することにより、圧電磁器組成物の製造工程における後述する分極処理時にリーク電流が流れて、圧電磁器組成物が損傷する可能性がある。   If the value of the coefficient x is below the range of 0.006 ≦ x ≦ 0.017, the dielectric loss may be increased to an unacceptable level. Specifically, for example, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied may exceed 0.30%, or the dielectric loss tangent when an electric field of 200 V / mm is applied may exceed 0.40%. Furthermore, when the coefficient x is smaller than the above range, the value of the mechanical quality factor Qm may be a small value less than 1000. When the coefficient x is larger than the above range, the insulation is partially reduced because the Fe content in the piezoelectric ceramic composition is increased, so that the polarization described later in the manufacturing process of the piezoelectric ceramic composition is performed. Leakage current flows during processing, which can damage the piezoelectric ceramic composition.

係数yおよび係数zの値が上記範囲を下回る場合、すなわち、本実施形態の圧電磁器組成物がSiおよびAlを含有しない場合には、圧電磁器組成物の強度を十分に確保できない可能性があり、また、圧電磁器組成物の組成を十分に均一化できない可能性がある。圧電磁器組成物の強度を高めることにより、例えば、圧電磁器組成物の製造時における加工の工程における圧電磁器組成物の損傷、具体的には欠け(チッピング)等を抑制することができる。圧電磁器組成物の強度を十分に確保する観点からは、0.001≦y、および、0.001≦zとすることが好ましい。   When the values of the coefficient y and the coefficient z are below the above range, that is, when the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment does not contain Si and Al, there is a possibility that the strength of the piezoelectric ceramic composition cannot be sufficiently secured. In addition, there is a possibility that the composition of the piezoelectric ceramic composition cannot be made sufficiently uniform. By increasing the strength of the piezoelectric ceramic composition, for example, damage to the piezoelectric ceramic composition, specifically chipping (chipping) or the like in the processing step during the production of the piezoelectric ceramic composition can be suppressed. From the viewpoint of sufficiently ensuring the strength of the piezoelectric ceramic composition, it is preferable to satisfy 0.001 ≦ y and 0.001 ≦ z.

係数yの値が0<y≦0.002の範囲を超える場合、あるいは、係数zの値が0<z≦0.004の範囲を超える場合には、圧電磁器組成物の組成を十分に均一化できず、結晶性を十分に高められない可能性がある。また、係数yの値が0<y≦0.002の範囲を超える場合、あるいは、係数zの値が0<z≦0.004の範囲を超える場合には、誘電損失が許容できない程度に大きくなる可能性がある。例えば、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%を超え、あるいは200V/mmの電界印加時の誘電正接が0.40%を超える可能性がある。誘電正接を十分に小さくする観点からは、z≦0.003であることが好ましい。係数yおよびzの値を上記範囲にして誘電損失を低く抑えることにより、圧電磁器組成物を用いて圧電振動子、例えば超音波振動子を作製したときに、圧電振動子の動作中の発熱を抑えることができる。動作中の発熱を抑制できることにより、圧電振動子を長時間安定して使用することが可能になり、入力電力の制限を抑え、冷却装置を削減あるいは不要とすることができる。   When the value of the coefficient y exceeds the range of 0 <y ≦ 0.002, or when the value of the coefficient z exceeds the range of 0 <z ≦ 0.004, the composition of the piezoelectric ceramic composition is sufficiently uniform. There is a possibility that the crystallinity cannot be sufficiently increased. Also, when the value of the coefficient y exceeds the range of 0 <y ≦ 0.002, or when the value of the coefficient z exceeds the range of 0 <z ≦ 0.004, the dielectric loss is unacceptably large. There is a possibility. For example, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied may exceed 0.30%, or the dielectric loss tangent when an electric field of 200 V / mm is applied may exceed 0.40%. From the viewpoint of sufficiently reducing the dielectric loss tangent, z ≦ 0.003 is preferable. By keeping the values of the coefficients y and z within the above ranges and suppressing the dielectric loss to a low level, when a piezoelectric vibrator, for example, an ultrasonic vibrator is manufactured using the piezoelectric ceramic composition, heat generated during the operation of the piezoelectric vibrator is generated. Can be suppressed. Since the heat generation during operation can be suppressed, the piezoelectric vibrator can be used stably for a long time, the input power limit can be suppressed, and the cooling device can be reduced or eliminated.

以上のように構成された本実施形態の圧電磁器組成物によれば、一般式(1)における各係数を既述した範囲とすることで、機械的品質係数Qmの向上や誘電正接に加えて、電気機械結合係数krおよびkt、キュリー点Tc等の特性のいずれについても高いレベルを満たす圧電磁器組成物を得ることができる。すなわち、駆動状態の特性に係る評価項目を含む広い範囲の評価項目において高いレベルを満たす圧電素子を得ることができる。具体的には、1V/mmの電界印加時の誘電正接を0.30%以下にすると共に200V/mmの電界印加時の誘電正接を0.40%以下とし、機械的品質係数Qmが1000以上であり、電気機械結合係数krおよびKtが40%を超え、キュリー点Tcを300℃以上とすることができる。これにより、従来にないバランスのよい圧電特性を実現することができる。また、一般式(1)における各係数を既述した範囲とすることで、圧電磁器組成物の強度を高めて圧電磁器組成物の損傷を抑えることができるため、得られる圧電素子の性能を高め、あるいは圧電素子を製造する際の歩留まりを高めることができる。なお、本願明細書における「誘電正接」は、周波数1kHzにおける誘電正接を指すものである。   According to the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment configured as described above, in addition to the improvement of the mechanical quality factor Qm and the dielectric loss tangent, by setting each coefficient in the general formula (1) to the range described above. In addition, a piezoelectric ceramic composition satisfying a high level of any of the characteristics such as the electromechanical coupling coefficients kr and kt and the Curie point Tc can be obtained. That is, it is possible to obtain a piezoelectric element that satisfies a high level in a wide range of evaluation items including evaluation items related to the characteristics of the driving state. Specifically, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied is 0.30% or less, the dielectric loss tangent when an electric field of 200 V / mm is applied is 0.40% or less, and the mechanical quality factor Qm is 1000 or more. The electromechanical coupling coefficients kr and Kt exceed 40%, and the Curie point Tc can be set to 300 ° C. or higher. As a result, it is possible to realize a well-balanced piezoelectric characteristic that has not been obtained conventionally. In addition, by setting each coefficient in the general formula (1) within the range described above, the strength of the piezoelectric ceramic composition can be increased and damage to the piezoelectric ceramic composition can be suppressed. Alternatively, the yield when manufacturing the piezoelectric element can be increased. The “dielectric loss tangent” in the present specification refers to the dielectric loss tangent at a frequency of 1 kHz.

本実施形態の圧電磁器組成物では、一般式(1)における各係数を制御することにより、誘電正接、機械的品質係数Qm、電気機械結合係数krおよびKt、キュリー点Tc等の特性値を変更することができる。本実施形態の圧電磁器組成物の主成分を一般式(1)で表わしたときの各係数は、例えば、圧電磁器組成物の製造時における原料の配合割合によって調整することができる。圧電磁器組成物の製造方法については後述する。また、本実施形態の圧電磁器組成物の主成分を一般式(1)で表わした時の各係数は、圧電磁器組成物についてICP発光分光分析を行なうことにより求めることができる。試料中の測定対象となる元素が1000ppm以上の場合は、ICP−AES法(ICP発光分光分析法)を用い、1000ppmよりも少ない場合は、ICP−MS法(ICP質量分析法)を用いればよい。   In the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment, by controlling each coefficient in the general formula (1), characteristic values such as dielectric loss tangent, mechanical quality factor Qm, electromechanical coupling factors kr and Kt, and Curie point Tc are changed. can do. Each coefficient when the main component of the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment is represented by the general formula (1) can be adjusted by, for example, the blending ratio of the raw materials at the time of manufacturing the piezoelectric ceramic composition. A method for producing the piezoelectric ceramic composition will be described later. Moreover, each coefficient when the main component of the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment is represented by the general formula (1) can be obtained by performing ICP emission spectroscopic analysis on the piezoelectric ceramic composition. When the element to be measured in the sample is 1000 ppm or more, the ICP-AES method (ICP emission spectroscopy) may be used, and when it is less than 1000 ppm, the ICP-MS method (ICP mass spectrometry) may be used. .

なお、本実施形態の圧電磁器組成物は、本発明の目的を阻害しない範囲で、上記主成分以外の他の成分を含有できる。他の成分としては、スズ酸鉛(PbSnO)、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、コバルトニオブ酸鉛(Pb(Co1/3Nb2/3)O)、ニッケルニオブ酸鉛(Pb(Ni1/3Nb2/3)O)、マグネシウムニオブ酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O)等が挙げられる。これらは1種のみが含有されてもよく、2種以上が含有されてもよい。なお、これらの他の成分の含有量は、圧電磁器組成物全体に対して10mol%未満とすることが好ましい。 In addition, the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment can contain components other than the main component as long as the object of the present invention is not impaired. As other components, lead stannate (Pb 2 SnO 4 ), cobalt oxide (CoO), nickel oxide (NiO), lead cobalt niobate (Pb (Co 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ), nickel niobium Lead acid (Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ), lead magnesium niobate (Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ), and the like can be given. Only 1 type may contain these and 2 or more types may contain. In addition, it is preferable that content of these other components shall be less than 10 mol% with respect to the whole piezoelectric ceramic composition.

B.圧電素子の製造方法:
図1は、上記した本実施形態の圧電磁器組成物を備える圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態では、圧電磁器組成物を固相反応法によって形成している。固相反応法とは、酸化物、炭酸塩、あるいは硝酸塩など、構成金属元素を含む化合物である原料粉末を、作製すべき酸化物の組成に応じて、上記原料粉末中の金属元素が所定の割合となるように秤量、混合した後、熱処理(焼成)を行って、所望の酸化物を合成する周知の方法である。
B. Production method of piezoelectric element:
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a piezoelectric element including the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment described above. In this embodiment, the piezoelectric ceramic composition is formed by a solid phase reaction method. The solid-phase reaction method is a method in which a raw material powder that is a compound containing a constituent metal element such as an oxide, carbonate, or nitrate is formed according to the composition of the oxide to be produced. This is a well-known method of synthesizing a desired oxide by weighing and mixing so as to obtain a ratio, followed by heat treatment (firing).

圧電磁器組成物を製造する際には、まず、原料粉末を秤量し、混合する(工程T110)。原料粉末としては、例えば、酸化鉛(PbO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化チタン(TiO)、酸化ストロンチウム(SrCO)、酸化鉄(Fe)、二酸化ケイ素(SiO)、および酸化アルミニウム(Al)を用いることができる。これらの原料粉末を、一般式(1)における各係数の値に応じて秤量する。そして、これらの原料粉末にエタノールを加え、ボールミルを用いた湿式混合および粉砕を行ない、乾燥の後に原料混合粉末を得る。この工程T110が、「混合工程」に相当する。 When manufacturing a piezoelectric ceramic composition, first, raw material powder is weighed and mixed (step T110). Examples of the raw material powder include lead oxide (PbO), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), strontium oxide (SrCO 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), Alternatively, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) can be used. These raw material powders are weighed according to the value of each coefficient in the general formula (1). Then, ethanol is added to these raw material powders, wet mixing and pulverization using a ball mill are performed, and the raw material mixed powder is obtained after drying. This step T110 corresponds to a “mixing step”.

その後、得られた原料混合粉末を仮焼して粉砕し、仮焼粉末を得る(工程T120)。仮焼は、例えば、大気雰囲気下、800℃で2〜3時間行なうことができる。仮焼粉末の平均粒径は、例えば、0.6〜2.0μmとすることができる。この工程T120が、「仮焼工程」に相当する。   Thereafter, the obtained raw material mixed powder is calcined and pulverized to obtain a calcined powder (step T120). The calcination can be performed, for example, at 800 ° C. for 2 to 3 hours in an air atmosphere. The average particle diameter of the calcined powder can be set to 0.6 to 2.0 μm, for example. This process T120 corresponds to a “calcination process”.

仮焼の後、仮焼粉末から造粒粉末を作製し、得られた造粒粉末を成形して成形体を得る(工程T130)。具体的には、工程T130では、例えば、仮焼粉末にバインダ及びエタノールを加えた後に湿式混合粉砕を行ない、乾燥の後に造粒粉末を得る。そして、得られた造粒粉末を、所望の圧電磁器組成物の形状へと、一軸プレスにより成形する。圧電磁器組成物の形状は、例えば、円板状、円柱状、矩形平板状等とすることができる。成形の後に、例えば圧力150MPaでCIP処理(冷間等方静水圧プレス)を行って成形体を得る。   After calcination, a granulated powder is produced from the calcined powder, and the obtained granulated powder is molded to obtain a molded body (step T130). Specifically, in step T130, for example, after adding a binder and ethanol to the calcined powder, wet mixing and pulverization are performed, and a granulated powder is obtained after drying. And the obtained granulated powder is shape | molded by the uniaxial press to the shape of a desired piezoelectric ceramic composition. The shape of the piezoelectric ceramic composition can be, for example, a disk shape, a columnar shape, a rectangular flat plate shape, or the like. After molding, for example, CIP processing (cold isostatic pressing) is performed at a pressure of 150 MPa to obtain a molded body.

その後、得られた成形体を、仮焼温度よりも高い焼成温度で焼成して、圧電磁器組成物を得る(工程T140)。焼成は、例えば、大気雰囲気下、1000〜1400℃で2〜4時間行なうことができる。また、焼成に先立って、脱脂(バインダ等の有機物の加熱による分解)を行なってもよい。この工程T140が、「焼成工程」に相当する。   Thereafter, the obtained molded body is fired at a firing temperature higher than the calcining temperature to obtain a piezoelectric ceramic composition (step T140). Firing can be performed, for example, at 1000 to 1400 ° C. for 2 to 4 hours in an air atmosphere. Prior to firing, degreasing (decomposition by heating of an organic substance such as a binder) may be performed. This process T140 corresponds to a “firing process”.

焼成の後には、得られた焼成体を、要求される寸法精度に応じて加工して、圧電磁器組成物から成る圧電体を完成する(工程T150)。加工は、例えば平面研磨により行なえばよい。   After firing, the obtained fired body is processed according to the required dimensional accuracy to complete a piezoelectric body made of a piezoelectric ceramic composition (step T150). The processing may be performed by, for example, surface polishing.

その後、得られた圧電体の表面に導電性ペーストを塗布し、焼き付けることにより電極の取り付けを行なう(工程T160)。導電性ペーストは、例えば銀ペーストとすることができ、導電性ペーストの塗布は、例えばスクリーン印刷により行なえばよい。この工程T160は、「塗布工程」を含む。   Thereafter, an electrode is attached by applying and baking a conductive paste on the surface of the obtained piezoelectric body (step T160). The conductive paste can be a silver paste, for example, and the conductive paste can be applied by, for example, screen printing. This step T160 includes an “application step”.

電極形成の後、分極処理を行なって(工程T170)、圧電素子を完成する。分極処理は、焼成体において圧電特性を発現させるための処理であり、例えば、電極が形成された圧電体を、100〜150℃のシリコーンオイル中で、3〜5kV/mmの直流電界を印加することにより行なうことができる。   After electrode formation, polarization processing is performed (step T170) to complete the piezoelectric element. The polarization treatment is a treatment for expressing the piezoelectric characteristics in the fired body. For example, a DC electric field of 3 to 5 kV / mm is applied to the piezoelectric body on which the electrode is formed in silicone oil at 100 to 150 ° C. Can be done.

なお、工程T110においてボールミルを用いて原料粉末を湿式混合する際に、例えばアルミニウム(Al)を含有するボールを用いる場合には、圧電磁器組成物が、ボールに由来するアルミニウムを含有する可能性がある。このような場合には、工程T140の後に得られる圧電磁器組成物におけるアルミニウムの含有割合が、一般式(1)に関して記載した係数zの範囲を満たせばよい。工程T110における原料粉末の混合比率によって、圧電磁器組成物におけるアルミニウムの含有割合を精度よく制御するためには、工程T110でボールミル混合を行なう場合に用いるボールは、実質的にアルミニウムを含有しないことが望ましく、例えば、樹脂製のボールや酸化ジルコニウム(ZrO)製のボールを用いることが望ましい。なお、ボールが実質的にアルミニウムを含有しないとは、ボールにおけるアルミニウムの含有割合が、1.0wt%以下であることをいう。 In addition, when wet mixing the raw material powder using a ball mill in step T110, for example, when using a ball containing aluminum (Al), the piezoelectric ceramic composition may contain aluminum derived from the ball. is there. In such a case, the aluminum content in the piezoelectric ceramic composition obtained after step T140 should satisfy the range of the coefficient z described with respect to the general formula (1). In order to accurately control the aluminum content in the piezoelectric ceramic composition by the mixing ratio of the raw material powder in the process T110, the ball used when performing ball mill mixing in the process T110 may contain substantially no aluminum. For example, it is desirable to use a resin ball or a zirconium oxide (ZrO 2 ) ball. The phrase “the ball does not substantially contain aluminum” means that the aluminum content in the ball is 1.0 wt% or less.

また、工程T160において電極を形成するために用いる導電性ペーストが、ケイ素(Si)を含有するガラス成分を含む場合には、圧電磁器組成物が、導電性ペーストに由来するケイ素を含有する可能性がある。このような場合には、工程T160の後に圧電磁器組成物におけるケイ素の含有割合が、一般式(1)に関して記載した係数yの範囲を満たせばよい。工程T110における原料粉末の混合比率によって、圧電磁器組成物におけるケイ素の含有割合を精度よく制御するためには、工程T160で用いる導電性ペーストは、実質的にケイ素を含有しないことが望ましい。なお、導電性ペーストが実質的にケイ素を含有しないとは、導電性ペーストにおけるケイ素の含有割合が、1.0wt%以下であることをいう。   Further, when the conductive paste used to form the electrode in step T160 includes a glass component containing silicon (Si), the piezoelectric ceramic composition may contain silicon derived from the conductive paste. There is. In such a case, the silicon content in the piezoelectric ceramic composition after step T160 may satisfy the range of the coefficient y described with respect to the general formula (1). In order to accurately control the content ratio of silicon in the piezoelectric ceramic composition by the mixing ratio of the raw material powder in step T110, it is desirable that the conductive paste used in step T160 substantially does not contain silicon. In addition, that a conductive paste does not contain silicon substantially means that the content rate of the silicon in a conductive paste is 1.0 wt% or less.

C.圧電素子:
図2は、図1の製造方法に従って製造された圧電素子の一例を示す斜視図である。この圧電素子200は、工程T110〜T150に従って作製された本実施形態の圧電磁器組成物である円板状の圧電体100の上面と下面に、一対の電極301,302が取り付けられた構成を有している。
C. Piezoelectric element:
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a piezoelectric element manufactured according to the manufacturing method of FIG. The piezoelectric element 200 has a configuration in which a pair of electrodes 301 and 302 are attached to the upper and lower surfaces of a disk-shaped piezoelectric body 100 that is a piezoelectric ceramic composition of this embodiment manufactured according to steps T110 to T150. doing.

本発明の実施形態において、圧電素子は、既述した圧電磁器組成物によって構成される圧電体と、この圧電体に接して設けられた少なくとも一対の電極と、を備えていればよい。圧電体は、図2以外の種々の形状とすることができる。圧電体の形状は、例えば、円柱状、角柱状、あるいは、中央部に厚さ方向に貫通孔が設けられた柱状等の種々の形状とすることができる。なお、圧電素子は、これらの形状の圧電体が複数積層されて構成されていてもよい。   In the embodiment of the present invention, the piezoelectric element only needs to include a piezoelectric body composed of the piezoelectric ceramic composition described above and at least a pair of electrodes provided in contact with the piezoelectric body. The piezoelectric body can have various shapes other than those shown in FIG. The shape of the piezoelectric body may be various shapes such as a columnar shape, a prismatic shape, or a columnar shape in which a through hole is provided in the thickness direction in the central portion. The piezoelectric element may be configured by laminating a plurality of piezoelectric bodies having these shapes.

上記「一対の電極」は、圧電体の表面に形成された導体層である。電極は、圧電体の上面および下面の各々に形成される構成とする他、各々の電極が圧電体の同一面に形成されていてもよい。また、電極の形状、大きさ及び材質等は特に限定されず、圧電体の大きさおよび用途等により適宜定めることができる。この電極の形状は、平面状でもよく、例えば一対の電極の各々を圧電体の同一面に形成する場合には櫛歯状とすることもできる。   The “pair of electrodes” is a conductor layer formed on the surface of the piezoelectric body. The electrodes are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body, and each electrode may be formed on the same surface of the piezoelectric body. In addition, the shape, size, material, and the like of the electrode are not particularly limited, and can be appropriately determined depending on the size, use, etc. of the piezoelectric body. The shape of this electrode may be flat, and for example, when each of the pair of electrodes is formed on the same surface of the piezoelectric body, it may be comb-like.

D.超音波振動子:
図3は、本発明の一実施形態としての超音波振動子を示す縦断面図である。この超音波振動子20は、ランジュバン型超音波振動子であり、圧電素子22と、該圧電素子22を挟持する上下一対の前面板25と裏打板26と、を備える。圧電素子22は、環状に形成された二枚の圧電体23a,23bを、その間に電極板24aを介装して積層し、かつ上側の圧電体23bの上部に電極板24bを配設して構成されている。圧電体23a,23bは、本実施形態の圧電磁器組成物によって構成されている。前面板25と裏打板26は、鉄またはアルミニウムを素材に用いて形成された円柱状金属ブロックからなる。そして、この前面板25と裏打板26との間に圧電素子22が配置され、これらが中心ボルト27によって一体に結合されている。
D. Ultrasonic transducer:
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an ultrasonic transducer as one embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer 20 is a Langevin type ultrasonic transducer and includes a piezoelectric element 22 and a pair of upper and lower front plates 25 and a backing plate 26 that sandwich the piezoelectric element 22. The piezoelectric element 22 includes two piezoelectric bodies 23a and 23b formed in an annular shape with an electrode plate 24a interposed therebetween, and an electrode plate 24b disposed above the upper piezoelectric body 23b. It is configured. The piezoelectric bodies 23a and 23b are composed of the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment. The front plate 25 and the backing plate 26 are made of cylindrical metal blocks formed using iron or aluminum as a material. And the piezoelectric element 22 is arrange | positioned between this front board 25 and the backing board 26, and these are integrally couple | bonded by the center volt | bolt 27. FIG.

前面板25と裏打板26は、圧電体23a,23bの直径に対して共に径大に形成されており、圧電体23a,23bとの当接端が、円錐部28,29を介して縮径されて圧電体23a,23bの直径と略等しくなっている。裏打板26の横断面の直径と前面板25の横断面の直径とは略同一寸法に設けられており、前面板25の外端面が超音波放射面30となっている。また、裏打板26には、裏打板26の外端面の中央部から軸線方向に沿って前面板25側へと延びる、横断面が円形の盲端孔31が形成されている。そして、かかる構成からなる超音波振動子20の全長が、所定の共振周波数の3/2波長の共振長に略一致するように設定されている。   The front plate 25 and the backing plate 26 are both formed larger in diameter than the piezoelectric bodies 23 a and 23 b, and the contact ends with the piezoelectric bodies 23 a and 23 b are reduced in diameter via the conical portions 28 and 29. Thus, the diameters of the piezoelectric bodies 23a and 23b are substantially equal. The diameter of the cross section of the backing plate 26 and the diameter of the cross section of the front plate 25 are provided with substantially the same dimensions, and the outer end surface of the front plate 25 is an ultrasonic radiation surface 30. The backing plate 26 is formed with a blind end hole 31 having a circular cross section extending from the center of the outer end surface of the backing plate 26 toward the front plate 25 along the axial direction. And the full length of the ultrasonic transducer | vibrator 20 which consists of this structure is set so that it may correspond substantially to the resonant length of 3/2 wavelength of a predetermined resonant frequency.

この超音波振動子は、圧電特性に優れた本実施形態の圧電磁器組成物によって構成される圧電素子を備える。すなわち、超音波振動子の圧電素子を構成する圧電磁器組成物として、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%以下であると共に200V/mmの電界印加時の誘電正接が0.40%以下であり、機械的品質係数Qmが1000以上であり、電気機械結合係数krおよびKtが40%を超え、キュリー点Tcが300℃以上である圧電磁器組成物を用いることができる。このように圧電性能に優れた圧電素子を用いることにより、安定した周波数で超音波を発生することが可能となる。また、強度に優れた圧電素子を用いており、さらに、動作時の発熱を抑制可能であるため、熱耐久性に優れた超音波振動子を実現できる。なお、図3の超音波振動子は、2枚の圧電体23a,23bを備えることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、超音波振動子が備える圧電体の枚数は、3枚以上の任意の枚数に設定可能である。   This ultrasonic vibrator includes a piezoelectric element constituted by the piezoelectric ceramic composition of the present embodiment having excellent piezoelectric characteristics. That is, the piezoelectric ceramic composition constituting the piezoelectric element of the ultrasonic vibrator has a dielectric loss tangent of 0.30% or less when an electric field of 1 V / mm is applied and a dielectric loss tangent of 0.2 when an electric field of 200 V / mm is applied. A piezoelectric ceramic composition having a mechanical quality factor Qm of 1000 or more, an electromechanical coupling coefficient kr and Kt of more than 40%, and a Curie point Tc of 300 ° C. or more can be used. By using a piezoelectric element having excellent piezoelectric performance in this way, it is possible to generate ultrasonic waves at a stable frequency. In addition, since the piezoelectric element having excellent strength is used and heat generation during operation can be suppressed, an ultrasonic vibrator having excellent thermal durability can be realized. Although the ultrasonic transducer of FIG. 3 includes the two piezoelectric bodies 23a and 23b, it may have a different configuration. For example, the number of piezoelectric bodies included in the ultrasonic transducer can be set to an arbitrary number of three or more.

E.変形例:
上記実施形態では、圧電素子として超音波振動子を示したが、異なる構成としてもよく、振動検知用途や、圧力検知用途、発振用途、および、圧電デバイス用途等に広く用いることが可能である。実施形態の圧電素子は、例えば、他の圧電振動子である超音波モータや超音波メスに適用することができ、あるいは、各種振動を検知するセンサ類(非共振型ノッキングセンサおよび燃焼圧センサ等)、アクチュエータ、高電圧発生装置、各種駆動装置、位置制御装置、振動抑制装置、流体吐出装置(塗料吐出及び燃料吐出等)などの各種の装置に利用することができる。
E. Variations:
In the above-described embodiment, an ultrasonic vibrator is shown as a piezoelectric element. However, it may have a different configuration, and can be widely used for vibration detection applications, pressure detection applications, oscillation applications, piezoelectric device applications, and the like. The piezoelectric element of the embodiment can be applied to, for example, an ultrasonic motor or an ultrasonic scalpel that is another piezoelectric vibrator, or sensors (non-resonant knocking sensor, combustion pressure sensor, etc.) that detect various vibrations ), Actuators, high-voltage generators, various drive devices, position control devices, vibration suppression devices, fluid discharge devices (paint discharge, fuel discharge, etc.), and the like.

図4は、サンプルS01〜サンプルS18までの18種類の圧電素子についての、各サンプルの組成の圧電特性への影響に関する実験結果を示す図である。ここでは、サンプルS01〜S03、S06〜S08、S11〜S14は実施例であり、サンプルS04、S05、S09、S10、S15〜S18は比較例である。図4では、各サンプルについての、比誘電率ε33 /ε、誘電正接(tan δ)、径方向振動の電気機械結合係数kr、厚み方向振動の電気機械結合係数kt、機械的品質係数Qm、圧電d定数d33、およびキュリー点Tcを示している。 FIG. 4 is a diagram showing experimental results regarding the influence of the composition of each sample on the piezoelectric characteristics of 18 types of piezoelectric elements from sample S01 to sample S18. Here, samples S01 to S03, S06 to S08, S11 to S14 are examples, and samples S04, S05, S09, S10, and S15 to S18 are comparative examples. In FIG. 4, relative permittivity ε 33 T / ε 0 , dielectric loss tangent (tan δ), electromechanical coupling coefficient kr for radial vibration, electromechanical coupling coefficient kt for thickness vibration, and mechanical quality factor for each sample. Qm, piezoelectric d constant d 33 , and Curie point Tc are shown.

<各サンプルの作製>
各サンプルの圧電素子は、前述した図1の工程T110〜T170に従ってそれぞれ作製した。図4に示す各元素の比率は、焼成後の圧電素子に含有される各元素の比率を実測して求めたものである。工程T130では、造粒粉末の一軸プレスにより、径が19.0mm、厚みが1.4mmの円盤状の成形体を得た。ただし、誘電正接を求めるための試料は、直径14.0mm、厚み1.0mmの円盤状とした。また、動作時の温度上昇を測定するための振動子で用いた圧電体の形状は、後述する。なお、工程T170の分極処理の後、得られた圧電素子に対して100℃で5時間熱処理を施し、24時間経過後に、各種特性評価を行なった。評価方法は、以下の通りである。
<Production of each sample>
The piezoelectric element of each sample was produced according to the above-described steps T110 to T170 in FIG. The ratio of each element shown in FIG. 4 is obtained by actually measuring the ratio of each element contained in the fired piezoelectric element. In Step T130, a disk-shaped molded body having a diameter of 19.0 mm and a thickness of 1.4 mm was obtained by uniaxial pressing of the granulated powder. However, the sample for obtaining the dielectric loss tangent was a disk having a diameter of 14.0 mm and a thickness of 1.0 mm. The shape of the piezoelectric body used in the vibrator for measuring the temperature rise during operation will be described later. In addition, after the polarization process of process T170, the obtained piezoelectric element was heat-processed at 100 degreeC for 5 hours, and various characteristics evaluation was performed after 24 hours progress. The evaluation method is as follows.

<比誘電率(ε33 /ε)>
室温にて、インピーダンスアナライザ(ヒューレットパッカード社製、HP4194A型)を用いて測定を行ない、1kHzにおける静電容量の値から算出した。なお、サンプルS01〜S18のうち、サンプルS01およびS04については、0℃〜350℃まで温度変化させる条件下においても、比誘電率(ε33 /ε)の測定を行なった。
<Relative permittivity (ε 33 T / ε 0 )>
The measurement was performed using an impedance analyzer (HP4194A type, manufactured by Hewlett-Packard Company) at room temperature, and the value was calculated from the capacitance value at 1 kHz. Among samples S01 to S18, samples S01 and S04 were measured for relative dielectric constant (ε 33 T / ε 0 ) even under conditions where the temperature was changed from 0 ° C. to 350 ° C.

<誘電正接tan δ>
誘電損失の指標である誘電正接は、室温にて、インピーダンスアナライザ(ヒューレットパッカード社製、HP4194A型)を用いて測定を行ない、周波数1kHzにおける静電容量の値から算出した。具体的には、欧州規格BS EN50324−3:2002「Method of measurement High power」に準じて評価した。誘電損失としては、1V/mmの電界印加時の誘電正接(tan δ(1V/mm))、および200V/mmの電界印加時の誘電正接(tan δ(200V/mm))を求めた。
<Dielectric loss tangent tan δ>
The dielectric loss tangent, which is an index of dielectric loss, was measured using an impedance analyzer (HP4194A type, manufactured by Hewlett-Packard Company) at room temperature, and calculated from the capacitance value at a frequency of 1 kHz. Specifically, the evaluation was performed according to European standard BS EN 50324-3: 2002 “Method of measurement High power”. As dielectric loss, a dielectric loss tangent (tan δ (1 V / mm)) when an electric field of 1 V / mm was applied and a dielectric loss tangent (tan δ (200 V / mm)) when an electric field of 200 V / mm was applied were determined.

<キュリー点Tc>
各サンプルを電気炉で加熱しながら上記インピーダンスアナライザを用いた測定により、圧電性が消失してΔf(=fp−fs)=0となる温度として求めた。なお、fpは、圧電素子の等価回路における直列共振周波数を表わし、fsは、並列共振周波数を表わす。
<Curie point Tc>
Measurement was performed using the impedance analyzer while heating each sample in an electric furnace, and the temperature was determined as the temperature at which piezoelectricity disappeared and Δf (= fp−fs) = 0. Note that fp represents the series resonance frequency in the equivalent circuit of the piezoelectric element, and fs represents the parallel resonance frequency.

<圧電特性(kr、kt、Qm、d33)>
径方向振動の電気機械結合係数kr、厚み方向振動の電気機械結合係数kt、機械的品質係数Qm、および圧電d定数d33は、電子情報技術産業協会規格(JEITA規格:Standard of Japan Electronics and Information Technology Industries Association)の規格番号EM−4501、「圧電セラミック振動子の電気的試験方法」にて評価した。
<Piezoelectric properties (kr, kt, Qm, d 33)>
The electromechanical coupling coefficient kr for radial vibration, the electromechanical coupling coefficient kt for thickness vibration, the mechanical quality factor Qm, and the piezoelectric d constant d 33 are standards of the Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA: Standard of Japan Electronics and Information). Technology Industries Association) Standard No. EM-4501, “Electrical Test Method for Piezoelectric Ceramic Vibrator”.

<曲げ強度>
曲げ強度は、「JIS R 1601」に準拠した方法によって3点曲げ強度を測定した。
<Bending strength>
As for the bending strength, a three-point bending strength was measured by a method based on “JIS R 1601”.

<振動子の温度上昇の測定>
サンプルS01、S03およびS04の圧電素子を用いて、図3と同様の超音波振動子を作製し、これらの超音波振動子に電圧を印加して作動させたときの経時的な温度変化を測定した。各々のサンプルの超音波振動子は、外形11.0mm、内径6.0mm、厚み2.0mmのリング形状の圧電体を6枚ずつ用いて作製した。超音波振動子に印加する電圧は、周波数55kHz、振幅15μmで固定した。振動速度は715mm/sec.であった。振動時の圧電素子の温度計測は、INFRARED THERMOMETER AD-5611A(株式会社エー・アンド・デイ製)を用いて行なった。
<Measurement of temperature rise of vibrator>
Using the piezoelectric elements of samples S01, S03, and S04, ultrasonic transducers similar to those shown in FIG. 3 were produced, and temperature changes over time were measured when a voltage was applied to these ultrasonic transducers. did. The ultrasonic transducer of each sample was manufactured using six ring-shaped piezoelectric bodies each having an outer diameter of 11.0 mm, an inner diameter of 6.0 mm, and a thickness of 2.0 mm. The voltage applied to the ultrasonic transducer was fixed at a frequency of 55 kHz and an amplitude of 15 μm. The vibration speed is 715 mm / sec. Met. The temperature of the piezoelectric element during vibration was measured using an INFRARED THERMOMETER AD-5611A (manufactured by A & D Co., Ltd.).

図4のサンプルS01〜S03、S06〜S08、S11〜S14は、いずれも一般式(1)における各係数に係る既述した関係を満たしている。これらのサンプルは、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%以下であると共に200V/mmの電界印加時の誘電正接が0.40%以下(本実施例では、0.30%以下)であり、機械的品質係数Qmが1000以上であり、電気機械結合係数krおよびKtが40%を超え、キュリー点Tcを300℃以上であった。すなわち、一般式(1)における各係数に係る既述した関係を満たすことにより、駆動状態の特性に係る評価項目を含む広い範囲の評価項目において高いレベルを満たす圧電素子が得られることが確認された。   All of the samples S01 to S03, S06 to S08, and S11 to S14 in FIG. 4 satisfy the above-described relationship relating to each coefficient in the general formula (1). These samples have a dielectric loss tangent of 0.30% or less when an electric field of 1 V / mm is applied and a dielectric loss tangent of 0.40% or less when an electric field of 200 V / mm is applied (in this embodiment, 0.30%). The mechanical quality factor Qm was 1000 or more, the electromechanical coupling coefficients kr and Kt exceeded 40%, and the Curie point Tc was 300 ° C. or more. That is, it is confirmed that by satisfying the above-described relationship relating to each coefficient in the general formula (1), a piezoelectric element satisfying a high level can be obtained in a wide range of evaluation items including evaluation items related to the characteristics of the driving state. It was.

これに対して、ペロブスカイト型構造のAサイトにおけるPbのモル比に係る係数mが、0.910≦m≦0.960の範囲を外れ、0.910未満であるサンプルS05では、電気機械結合係数krおよびktの値が、それぞれ40%以下の小さな値となった。さらに、サンプルS05では、圧電d定数d33の値も、180(pC/N)を下回る小さな値となった。 On the other hand, in the sample S05 in which the coefficient m related to the molar ratio of Pb at the A site of the perovskite structure is out of the range of 0.910 ≦ m ≦ 0.960 and less than 0.910, the electromechanical coupling coefficient The values of kr and kt were small values of 40% or less, respectively. Further, the sample S05, the value of the piezoelectric d constant d 33, was a small value below 180 (pC / N).

ペロブスカイト型構造のBサイトにおけるFeのモル比に係る係数xが、0.006≦x≦0.017の範囲を外れ、0.006未満であるサンプルS09およびS10では、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%より大きな値となり、機械的品質係数Qmが1000未満の小さな値となった。また、上記係数xが0.017を超えるサンプルS15では、図1の工程T170の分極処理を行なったときに、サンプルの破損が生じた。これは、Feの含有量が多いことにより、圧電磁器組成物における絶縁性が部分的に低下して、分極処理時にリーク電流が流れたためと考えられる(図4の備考欄には「分極NG」と記載)。破損したサンプルS15については、圧電特性に係る評価は行なっていない。   In samples S09 and S10 in which the coefficient x relating to the molar ratio of Fe at the B site of the perovskite structure is out of the range of 0.006 ≦ x ≦ 0.017 and less than 0.006, when an electric field of 1 V / mm is applied And the mechanical quality factor Qm was a small value of less than 1000. Further, in sample S15 in which the coefficient x exceeds 0.017, the sample was damaged when the polarization process in step T170 of FIG. 1 was performed. This is presumably because the insulation in the piezoelectric ceramic composition was partially lowered due to the large Fe content, and a leakage current flowed during the polarization treatment (“Polarization NG” is shown in the remarks column of FIG. 4). Described). The damaged sample S15 is not evaluated for piezoelectric characteristics.

ペロブスカイト型構造のBサイトにおけるSiのモル比に係る係数yが、 0<y≦0.002の範囲を外れ、0.002を超えるサンプルS04およびS09では、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%より大きな値となった。   In samples S04 and S09 in which the coefficient y related to the Si molar ratio at the B site of the perovskite structure is out of the range of 0 <y ≦ 0.002 and exceeds 0.002, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied Was greater than 0.30%.

ペロブスカイト型構造のBサイトにおけるAlのモル比に係る係数zが、0<z≦0.004の範囲を外れ、0.004を超えるサンプルS04では、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%より大きな値となった。   In the sample S04 in which the coefficient z relating to the molar ratio of Al at the B site of the perovskite structure is out of the range of 0 <z ≦ 0.004 and exceeds 0.004, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied is 0. The value was larger than 30%.

また、サンプルS01、およびサンプルS16〜S18は、係数yおよびz以外の係数の値がほぼ同じである。具体的には、サンプルS01は、係数yおよび係数zがいずれも0.001であり、サンプルS16は、係数yが0.001であって係数zが0であり、サンプルS17は、係数yが0であって係数zが0.001であり、サンプルS18は、係数yおよび係数zがいずれも0である。これらのサンプルを比較すると、サンプルS16〜S18は、サンプルS01と比べて、曲げ強度が劣り、100MPa未満の小さな値となった。さらに、このように強度が劣ることに起因して、サンプルS16〜S18は、図1の工程T150の研磨工程において、欠けが生じた(図4の備考欄参照)。これらの結果から、係数yおよび係数zがいずれも0.001以上となる割合でSiおよびAlを含有することにより、圧電磁器組成物の強度が高まることが確認された。   Sample S01 and samples S16 to S18 have substantially the same coefficient values other than coefficients y and z. Specifically, in the sample S01, both the coefficient y and the coefficient z are 0.001, in the sample S16, the coefficient y is 0.001 and the coefficient z is 0, and in the sample S17, the coefficient y is 0 and the coefficient z is 0.001, and in the sample S18, the coefficient y and the coefficient z are both 0. When these samples were compared, Samples S16 to S18 had inferior bending strength and a small value of less than 100 MPa compared to Sample S01. Furthermore, due to the inferior strength, the samples S16 to S18 were chipped in the polishing step of step T150 in FIG. 1 (see the remarks column in FIG. 4). From these results, it was confirmed that the strength of the piezoelectric ceramic composition is increased by containing Si and Al in such a ratio that both the coefficient y and the coefficient z are 0.001 or more.

ここで、0.910≦m≦0.960を満たす実施例のサンプルの中で、m以外の係数がほぼ同じであるサンプルS06〜S08を比較すると、m=0.920であるサンプルS08は、m=0.910であるサンプルS06およびm=0.930であるサンプルS07に比べて、電気機械結合係数krおよびktの値がいずれも高かった。そのため、mを0.920以上とすること、あるいは、mを0.93未満とすることにより、電気機械結合係数krおよびktの値を、より大きくすることが可能になると考えられる。   Here, among the samples of the example satisfying 0.910 ≦ m ≦ 0.960, when the samples S06 to S08 having substantially the same coefficients other than m are compared, the sample S08 in which m = 0.920 is obtained. Compared with sample S06 where m = 0.910 and sample S07 where m = 0.930, both electromechanical coupling coefficients kr and kt were higher. For this reason, it is considered that the values of the electromechanical coupling coefficients kr and kt can be further increased by setting m to 0.920 or more, or setting m to less than 0.93.

0.453≦w≦0.497を満たす実施例のサンプルの中で、0.472≦w≦0.474を満たすサンプルS01〜S03は、機械的品質係数Qmが、1600kr以上のより大きな値を示した。そのため、wを0.472以上とすること、あるいは、wを0.474以下とすることにより、機械的品質係数Qmの値を、より大きくすることが可能になると考えられる。   Among the samples of the example satisfying 0.453 ≦ w ≦ 0.497, the samples S01 to S03 satisfying 0.472 ≦ w ≦ 0.474 have a larger mechanical quality factor Qm of 1600 kr or more. Indicated. Therefore, it is considered that the value of the mechanical quality factor Qm can be further increased by setting w to 0.472 or more or setting w to 0.474 or less.

図5は、代表的なサンプルS01〜S04について、1V/mmの電界印加時、および200V/mmの電界印加時の誘電正接を測定した結果をまとめて示す図である。サンプルS01〜S04は、一般式(1)の各係数のうち、Siのモル比に係る係数yおよびAlのモル比に係る係数zが互いに異なっており、サンプル番号が大きいほど、SiおよびAlのモル比(含有割合)が大きくなっている。図5に示すように、SiおよびAlの含有割合が大きいほど、誘電正接(周波数1kHzにおける誘電正接)の値が大きくなった。特に、SiおよびAlの含有割合がサンプルS03の条件を超えると、すなわち、係数yが0.002を超え、かつ、係数zが0.004を超えると、誘電正接の値が急激に大きくなった。そのため、SiおよびAlの含有割合をサンプルS03の条件と同等以下とすること、すなわち、係数yが0.002以下であり、かつ、係数zが0.004以下とすることにより、誘電正接の値として安定して低い値が得られることが確認された。具体的には、1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%以下の0.24%であり、200V/mmの電界印加時の誘電正接が0.40%以下という極めて低い値が実現できた。なお、いずれのサンプルにおいても、誘電正接は、1V/mmの電界印加時よりも200V/mmの電界印加時の方が大きくなった。   FIG. 5 is a diagram collectively showing the results of measuring the dielectric loss tangent of representative samples S01 to S04 when an electric field of 1 V / mm is applied and when an electric field of 200 V / mm is applied. Samples S01 to S04 are different from each other in the coefficient of the general formula (1) in that the coefficient y related to the molar ratio of Si and the coefficient z related to the molar ratio of Al are different from each other. The molar ratio (content ratio) is increasing. As shown in FIG. 5, the greater the Si and Al content ratio, the greater the value of dielectric loss tangent (dielectric loss tangent at a frequency of 1 kHz). In particular, when the content ratio of Si and Al exceeds the conditions of sample S03, that is, when the coefficient y exceeds 0.002 and the coefficient z exceeds 0.004, the value of the dielectric loss tangent increases rapidly. . Therefore, by setting the content ratio of Si and Al to be equal to or less than the conditions of the sample S03, that is, the coefficient y is 0.002 or less and the coefficient z is 0.004 or less, the value of dielectric loss tangent As a result, it was confirmed that a low value was stably obtained. Specifically, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied is 0.24%, which is 0.30% or less, and the dielectric loss tangent when an electric field of 200 V / mm is applied is 0.40% or less. Realized. In each sample, the dielectric loss tangent was larger when an electric field of 200 V / mm was applied than when an electric field of 1 V / mm was applied.

図6は、代表的なサンプルS01、S03およびS04を用いて超音波振動子を作製し、動作時の温度変化を経時的に測定した結果を示す図である。図6に示すように、サンプルS01およびS03では、継続使用時間が600時間を超えても、圧電素子温度は、40℃以下で安定していた。これに対して、サンプルS04は熱暴走して急速に温度上昇して使用不能となった。既述したように、係数yを0.002以下として、かつ、係数zを0.004以下とすることにより、誘電正接の値として安定して低い値が得られる。このようにして、圧電素子の誘電正接の値を、1V/mmの電界印加時の値が0.30%以下、あるいは、200V/mmの電界印加時の値が0.40%以下という極めて低い値とすることにより、圧電素子を組み込んだ超音波振動子の動作時における温度上昇を抑制し、長時間の安定使用を可能にする効果が得られることが確認された。   FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the temperature change during operation by fabricating an ultrasonic transducer using representative samples S01, S03, and S04. As shown in FIG. 6, in samples S01 and S03, the piezoelectric element temperature was stable at 40 ° C. or lower even when the continuous use time exceeded 600 hours. On the other hand, Sample S04 became unusable due to thermal runaway and a rapid temperature rise. As described above, by setting the coefficient y to 0.002 or less and the coefficient z to 0.004 or less, a stable low value can be obtained as the value of the dielectric loss tangent. In this way, the value of the dielectric loss tangent of the piezoelectric element is as low as 0.30% or less when a 1 V / mm electric field is applied, or 0.40% or less when a 200 V / mm electric field is applied. By setting the value, it was confirmed that the temperature rise during operation of the ultrasonic vibrator incorporating the piezoelectric element was suppressed, and the effect of enabling long-term stable use was obtained.

図7は、代表的なサンプルS01、S09〜S14について、1V/mmの電界印加時の誘電正接を測定した結果と、Feの含有割合と、の関係を示す図である。特にS10〜S14は、Siのモル比に係る係数yおよびAlのモル比に係る係数zが共に0.002である点で共通している。図7では、横軸にFeのモル比に係る係数xをとり、縦軸に誘電正接tan δをとることにより、圧電磁器組成物におけるFeの含有割合の誘電正接に対する影響を示している。図7から、Feのモル比に係る係数xの値を0.006≦x≦0.017の範囲とすることで、1V/mmの電界印加時の誘電正接を0.28%以下の低い値に抑えられることが確認された。以上より、誘電正接は、Siの含有割合(y)およびAlの含有割合(z)に加えて、さらにFeの含有割合(x)の影響を受けるといえる。なお、図7におけるサンプルS01とS13との比較より、Feのモル比に係る係数xが同じであれば、Siのモル比に係る係数yおよびAlのモル比に係る係数zは、いずれも、よりも小さい0.001とすることで、誘電正接をさらに低減できることが分かる。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the results of measuring the dielectric loss tangent of a representative sample S01, S09 to S14 when an electric field of 1 V / mm is applied, and the Fe content. In particular, S10 to S14 are common in that the coefficient y related to the molar ratio of Si and the coefficient z related to the molar ratio of Al are both 0.002. In FIG. 7, the coefficient x related to the Fe molar ratio is taken on the horizontal axis, and the dielectric loss tangent tan δ is taken on the vertical axis, so that the influence of the Fe content in the piezoelectric ceramic composition on the dielectric loss tangent is shown. From FIG. 7, by setting the value of the coefficient x related to the molar ratio of Fe within the range of 0.006 ≦ x ≦ 0.017, the dielectric loss tangent when an electric field of 1 V / mm is applied is as low as 0.28% or less. It was confirmed that From the above, it can be said that the dielectric loss tangent is further influenced by the Fe content (x) in addition to the Si content (y) and the Al content (z). From the comparison between the samples S01 and S13 in FIG. 7, if the coefficient x related to the molar ratio of Fe is the same, the coefficient y related to the molar ratio of Si and the coefficient z related to the molar ratio of Al are both It can be seen that the dielectric loss tangent can be further reduced by setting the value to 0.001 smaller than that.

図8は、代表的なサンプルS01およびS04について、0℃〜350℃の温度範囲における比誘電率(ε33 /ε)を測定した結果を示す図である。これらのサンプルを比較すると、比誘電率がピークを示すキュリー温度(キュリー点Tc)付近における比誘電率の変化率に違いがあった。すなわち、サンプルS01の半値幅は約30℃であり、サンプルS04の半値幅は約60℃であった。上記の結果より、サンプルS01の圧電磁器組成物の方が、サンプルS04よりも均一な組成および結晶により構成されており、そのため、誘電正接がより小さくなると考えられる。 FIG. 8 is a diagram showing the results of measuring the relative permittivity (ε 33 T / ε 0 ) in a temperature range of 0 ° C. to 350 ° C. for representative samples S01 and S04. When these samples were compared, there was a difference in the rate of change of the relative dielectric constant in the vicinity of the Curie temperature (Curie point Tc) at which the relative dielectric constant exhibited a peak. That is, the half width of sample S01 was about 30 ° C., and the half width of sample S04 was about 60 ° C. From the above results, it is considered that the piezoelectric ceramic composition of sample S01 is composed of a more uniform composition and crystal than sample S04, and therefore the dielectric loss tangent is smaller.

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

20…超音波振動子
22…圧電素子
23a,23b…圧電体
24a,24b…電極板
25…前面板
26…裏打板
27…中心ボルト
28,29…円錐部
30…超音波放射面
31…盲端孔
100…圧電体
200…圧電素子
301,302…電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Ultrasonic vibrator 22 ... Piezoelectric element 23a, 23b ... Piezoelectric body 24a, 24b ... Electrode plate 25 ... Front plate 26 ... Backing plate 27 ... Center bolt 28, 29 ... Conical part 30 ... Ultrasonic radiation surface 31 ... Blind end Hole 100 ... piezoelectric body 200 ... piezoelectric element 301, 302 ... electrode

Claims (6)

圧電磁器組成物であって、
一般式(1)
(PbSr)(Zr1−w−x−y−zTiFeSiAl)O …(1)
で表わされ、
0.910≦m≦0.960、
0.030≦n≦0.100、
0.970≦m+n≦1.060、
0.453≦w≦0.497、
0.006≦x≦0.017、
0<y≦0.002、0<z≦0.004
を満たす化合物を主成分とすることを特徴とする圧電磁器組成物。
A piezoelectric ceramic composition comprising:
General formula (1)
(Pb m Sr n) (Zr 1-w-x-y-z Ti w Fe x Si y Al z) O 3 ... (1)
Represented by
0.910 ≦ m ≦ 0.960,
0.030 ≦ n ≦ 0.100,
0.970 ≦ m + n ≦ 1.060,
0.453 ≦ w ≦ 0.497,
0.006 ≦ x ≦ 0.017,
0 <y ≦ 0.002, 0 <z ≦ 0.004
A piezoelectric ceramic composition comprising a compound satisfying the above requirements as a main component.
請求項1に記載の圧電磁器組成物であって、
1V/mmの電界印加時の誘電正接が0.30%以下であることを特徴とする
圧電磁器組成物。
The piezoelectric ceramic composition according to claim 1,
A piezoelectric ceramic composition having a dielectric loss tangent of 0.30% or less when an electric field of 1 V / mm is applied.
圧電素子であって、
請求項1または請求項2に記載の圧電磁器組成物と、該圧電磁器組成物に接して設けられた少なくとも一対の電極と、を備えることを特徴とする
圧電素子。
A piezoelectric element,
A piezoelectric element comprising: the piezoelectric ceramic composition according to claim 1 or 2; and at least a pair of electrodes provided in contact with the piezoelectric ceramic composition.
請求項3に記載の圧電素子を備える超音波振動子。   An ultrasonic transducer comprising the piezoelectric element according to claim 3. 請求項1または請求項2に記載の圧電磁器組成物の製造方法であって、
前記主成分の原料を混合して原料混合粉末を得る混合工程と、
前記原料混合粉末を仮焼して仮焼粉末を得る仮焼工程と、
前記仮焼粉末を成形し、焼成する焼成工程と、
を備え、
前記混合工程は、アルミニウム(Al)を実質的に含有しないボールを用いてボールミルにより行なうことを特徴とする
圧電磁器組成物の製造方法。
It is a manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition according to claim 1 or 2,
A mixing step of mixing the raw materials of the main component to obtain a raw material mixed powder;
A calcining step of calcining the raw material mixed powder to obtain a calcined powder;
A calcining step of forming and calcining the calcined powder;
With
The method for producing a piezoelectric ceramic composition, wherein the mixing step is performed by a ball mill using a ball substantially free of aluminum (Al).
請求項3に記載の圧電素子の製造方法であって、
前記主成分の原料を混合して原料混合粉末を得る混合工程と、
前記原料混合粉末を仮焼して仮焼粉末を得る仮焼工程と、
前記仮焼粉末を成形して焼成し、圧電磁器組成物を得る焼成工程と、
前記圧電磁器組成物の表面に、前記電極を形成するための導電性ペーストを塗布する塗布工程と、
を備え、
前記導電性ペーストは、実質的にケイ素(Si)を含有しないことを特徴とする
圧電素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the piezoelectric element according to claim 3,
A mixing step of mixing the raw materials of the main component to obtain a raw material mixed powder;
A calcining step of calcining the raw material mixed powder to obtain a calcined powder;
A calcining step of forming and calcining the calcined powder to obtain a piezoelectric ceramic composition;
An application step of applying a conductive paste for forming the electrode on the surface of the piezoelectric ceramic composition;
With
The method for manufacturing a piezoelectric element, wherein the conductive paste contains substantially no silicon (Si).
JP2016045724A 2016-03-09 2016-03-09 Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element Active JP6357180B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016045724A JP6357180B2 (en) 2016-03-09 2016-03-09 Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016045724A JP6357180B2 (en) 2016-03-09 2016-03-09 Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017160083A true JP2017160083A (en) 2017-09-14
JP6357180B2 JP6357180B2 (en) 2018-07-11

Family

ID=59853506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016045724A Active JP6357180B2 (en) 2016-03-09 2016-03-09 Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6357180B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019171577A1 (en) * 2018-03-09 2019-09-12 東ソー・クォーツ株式会社 Opaque quartz glass and production method thereof

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07215761A (en) * 1994-01-31 1995-08-15 Hitachi Metals Ltd Piezoelectric porcelain composition and its production
JPH10279354A (en) * 1997-03-31 1998-10-20 Hitachi Metals Ltd Piezoelectric ceramic mateal and piezoelectric transformer
JP2001278661A (en) * 2000-03-31 2001-10-10 Kyocera Corp Dielectric ceramic composition and recording head for inkjet printer
JP2002167277A (en) * 2000-11-29 2002-06-11 Kyocera Corp Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same
JP2002220281A (en) * 2001-01-23 2002-08-09 Kyocera Corp Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same
JP2005101274A (en) * 2003-09-25 2005-04-14 Kyocera Corp Piezoelectric ceramics, laminated piezoelectric element using the same, and jetting apparatus
JP2005170693A (en) * 2003-12-08 2005-06-30 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric/electrostrictive ceramic composition, piezoelectric/electrostrictive material, and piezoelectric/electrostrictive film element
US20150170693A1 (en) * 2008-03-12 2015-06-18 International Business Machines Corporation Multi-channel tape head having asymmetric channel arrays

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07215761A (en) * 1994-01-31 1995-08-15 Hitachi Metals Ltd Piezoelectric porcelain composition and its production
JPH10279354A (en) * 1997-03-31 1998-10-20 Hitachi Metals Ltd Piezoelectric ceramic mateal and piezoelectric transformer
JP2001278661A (en) * 2000-03-31 2001-10-10 Kyocera Corp Dielectric ceramic composition and recording head for inkjet printer
JP2002167277A (en) * 2000-11-29 2002-06-11 Kyocera Corp Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same
JP2002220281A (en) * 2001-01-23 2002-08-09 Kyocera Corp Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same
JP2005101274A (en) * 2003-09-25 2005-04-14 Kyocera Corp Piezoelectric ceramics, laminated piezoelectric element using the same, and jetting apparatus
JP2005170693A (en) * 2003-12-08 2005-06-30 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric/electrostrictive ceramic composition, piezoelectric/electrostrictive material, and piezoelectric/electrostrictive film element
US20150170693A1 (en) * 2008-03-12 2015-06-18 International Business Machines Corporation Multi-channel tape head having asymmetric channel arrays

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019171577A1 (en) * 2018-03-09 2019-09-12 東ソー・クォーツ株式会社 Opaque quartz glass and production method thereof
JPWO2019171577A1 (en) * 2018-03-09 2020-04-16 東ソー・クォーツ株式会社 Opaque quartz glass and method for producing the same
CN111836787A (en) * 2018-03-09 2020-10-27 东曹石英股份有限公司 Opaque quartz glass and method of making the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP6357180B2 (en) 2018-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5715309B2 (en) Lead-free piezoelectric ceramic composition, piezoelectric element and apparatus using the same, and method for producing lead-free piezoelectric ceramic composition
JP4795748B2 (en) Piezoelectric actuator
JP5217997B2 (en) Piezoelectric ceramic, vibrator and ultrasonic motor
JP5647120B2 (en) Lead-free piezoelectric ceramic composition, piezoelectric element using the same, knock sensor, and method for producing lead-free piezoelectric ceramic composition
CN103649008B (en) The piezoelectric element of lead-free piezoelectric ceramic composition and manufacture method thereof, use lead-free piezoelectric ceramic composition, ultrasonic carver, ultrasonic driving apparatus and sensing device
CN103415489B (en) Piezoelectric, piezoelectric element, liquid discharging head, ultrasonic motor and dedusting device
JP5967988B2 (en) Piezoelectric material, piezoelectric element, liquid discharge head, ultrasonic motor, and dust removing device
KR101235434B1 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element made by using the same
JP4878133B2 (en) Piezoelectric actuator
JP2005008516A (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the same
JP5129067B2 (en) Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and piezoelectric / electrostrictive element
JP6357180B2 (en) Porcelain composition, piezoelectric element, vibrator, and method for manufacturing piezoelectric element
JP4338091B2 (en) Resonator
JP2011029537A (en) Multilayer electronic component and method of manufacturing the same
CN100511746C (en) Piezoelectric actuator
JP5894222B2 (en) Multilayer electronic component and manufacturing method thereof
JP5170905B2 (en) Non-resonant knock sensor
JP5018648B2 (en) Piezoelectric ceramic and resonator using the same
JP4497301B2 (en) Resonator
CN112687790A (en) Piezoelectric ceramic, method for producing same, and piezoelectric element
JP5173752B2 (en) Piezoelectric ceramic, manufacturing method thereof, and piezoelectric element
WO2005102957A1 (en) Piezoelectric porcelain composition and piezoelectric device using it
JP2007230792A (en) Piezoelectric ceramic composition

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180123

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180424

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: 20180605

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180615

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6357180

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250