DE112018001785T5

DE112018001785T5 - Piezoelektrische zusammensetzung und piezoelektrisches element

Info

Publication number: DE112018001785T5
Application number: DE112018001785.0T
Authority: DE
Inventors: Masakazu Hirose; Yuiko HIROSE; Hiroki Katoh
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-03-21
Also published as: JPWO2018180770A1; CN110520397A; JP7078037B2; CN110520397B; DE112018001785B4; WO2018180770A1; US11659769B2; US20200243748A1

Abstract

Eine piezoelektrische Zusammensetzung, umfassend Mangan und ein komplexes Oxid
mit einer Perowskit-Struktur, die durch eine allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird, wobei
ein A-Platz-Element in ABO₃ Kalium oder Kalium und Natrium ist,
ein B-Platz-Element in ABO₃ Niob ist,
eine Konzentrationsverteilung des Mangans eine Variation hat, und
die Variation einen CV-Wert von 35% oder mehr und 440% oder weniger aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Zusammensetzung und ein piezoelektrisches Element mit derselben.
Die piezoelektrische Zusammensetzung weist, basierend auf einer spontanen Polarisation aufgrund einer Vorspannung einer elektrischen Ladung in Kristallen, einen Effekt (einen piezoelektrischen Effekt) der Erzeugung einer elektrischen Ladung auf der Oberfläche aufgrund der Aufnahme einer äußeren Beanspruchung und einen Effekt (einen inversen piezoelektrischen Effekt) der Erzeugung einer Deformation aufgrund eines Anlegens eines externen elektrischen Felds auf.
Piezoelektrische Elemente, bei denen solche piezoelektrischen Zusammensetzungen, die imstande sind, eine mechanische Verschiebung und eine elektrische Verschiebung wechselseitig umzuwandeln, finden breite Verwendung in verschiedenen Bereichen. Beispielsweise kann ein Aktor als das piezoelektrische Element durch Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekts in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung eine winzige Verschiebung mit hoher Genauigkeit bereitstellen und hat eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit. Daher kann der Aktor zum Antreiben beispielsweise einer optischen Systemkomponente, eines Kopfs eines Festplattenlaufwerks, eines Tintenstrahldruckerkopfs und eines Kraftstoffeinspritzventils verwendet werden.
Es wird auch als ein Sensor zum Ablesen eines winzigen Kraft- oder Verformungsbetrags durch Nutzung des piezoelektrischen Effekts verwendet. Da die piezoelektrische Zusammensetzung ferner eine ausgezeichnete Ansprechempfindlichkeit aufweist, kann auch Resonanz bewirkt werden, indem die piezoelektrische Zusammensetzung selbst oder ein mit der piezoelektrischen Zusammensetzung verbundener elastischer Körper durch Anlegen eines Wechselstromfelds angeregt wird. Daher wird es auch als piezoelektrischer Transformator, Ultraschallmotor usw. verwendet.
Im Allgemeinen besteht die piezoelektrische Zusammensetzung aus einem polykrystallinen Stoff und wird erhalten, indem die gebrannte ferroelektrische Zusammensetzung einem Polungsprozess unterzogen wird. Nach dem Brennen ist bei der ferroelektrischen Zusammensetzung die Richtung der spontanen Polarisation in jedem Kristall zufällig. Und die ferroelektrische Zusammensetzung als Ganze weist keine Vorspannung der elektrischen Ladung auf und zeigt nicht den piezoelektrischen Effekt oder den inversen piezoelektrischen Effekt. Indem daher ein Gleichstromfeld, das stärker als das elektrische Koerzitivfeld ist, an die gebrannte ferroelektrische Zusammensetzung angelegt wird, wird ein als Polungsprozess bezeichneter Vorgang ausgeführt, bei dem die Richtung der spontanen Polarisation in einer bestimmten Richtung ausgerichtet wird. Die ferroelektrische Zusammensetzung kann nach dem Polungsprozess Eigenschaften wie die piezoelektrische Zusammensetzung aufweisen.
Als die piezoelektrische Zusammensetzung wird häufig eine auf Blei basierende piezoelektrische Zusammensetzung verwendet, die aus Bleizirkonat (PbZrO₃) und Bleititanat (PbTiO₃) besteht. Doch enthält die auf Blei basierende piezoelektrische Zusammensetzung rund 60 bis 70 Gew.-% Bleioxid (PbO), das einen niedrigen Schmelzpunkt hat, und Bleioxid verflüchtigt sich leicht beim Brennen. Unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung ist daher die Entwicklung einer bleifreien piezoelektrischen Zusammensetzung eine äußerst wichtige Aufgabe.
Andererseits hat jüngst Forschung über eine auf Alkalimetall-Niobat basierende Verbindung als umweltfreundliche bleifreie piezoelektrische Zusammensetzung Fortschritte gemacht. Beispielsweise offenbart die folgende Patentschrift 1 eine piezoelektrische Zusammensetzung, die eine Hauptphase aus einer auf Alkalimetall-Niobat basierenden Verbindung aufweist und die ferner eine erste Oxidphase, die Si umfasst, und eine zweite Oxidphase aufweist, die ein Element der 2. Gruppe und ein Element der 4. Gruppe aufweist.
Patentschrift 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2014-177355
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um eine hohe Leistung und eine Verkleinerung einer Vorrichtung zu realisieren, in die das piezoelektrische Element, das die piezoelektrische Zusammensetzung umfasst, montiert ist, ist es erforderlich, die Größe des piezoelektrischen Elements zu verringern und zugleich die Leistungsmerkmale des piezoelektrischen Elements beizubehalten. In diesem Fall ist es auch erforderlich, die Größe der piezoelektrischen Zusammensetzung zu verringern, doch nimmt die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung mit abnehmender Größe der piezoelektrischen Zusammensetzung ab. Wird die mechanische Festigkeit verringert, können bei der Verarbeitung der piezoelektrischen Zusammensetzung fehlerhafte Produkte erzeugt werden. Daher muss die piezoelektrische Zusammensetzung eine bevorzugte mechanische Festigkeit haben und zugleich vorgegebene piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
Doch obgleich die in der obigen Patentschrift 1 offenbarte auf Alkalimetall-Niobat basierende Verbindung auf den elektromechanischen Kopplungsfaktor bewertet wurde, wurde die mechanische Festigkeit überhaupt nicht bewertet. Gemäß der auf Alkalimetall-Niobat basierenden Verbindung verflüchtigen sich die Alkalimetallelemente beim Brennen und es ist wahrscheinlich, dass beim Brennen in der piezoelektrischen Zusammensetzung Hohlräume, Fehlstellen usw. entstehen. Daher ist es sehr wichtig, dass die piezoelektrische Zusammensetzung nach dem Brennen eine vorgegebene mechanische Festigkeit aufweist.
Die Erfindung wurde in Anbetracht dieser Umstände gemacht und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine piezoelektrische Zusammensetzung, die sowohl die mechanische Festigkeit als auch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₁ realisieren kann, und ein die piezoelektrische Zusammensetzung umfassendes piezoelektrisches Element bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, ist eine piezoelektrische Zusammensetzung der Erfindung

[1] eine piezoelektrische Zusammensetzung, die Mangan und ein komplexes Oxid mit einer Perowskit-Struktur umfasst, die durch eine allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird, wobei ein A-Platz-Element in ABO₃ Kalium oder Kalium und Natrium ist, ein B-Platz-Element in ABO₃ Niob ist, eine Konzentrationsverteilung des Mangans eine Variation hat, und die Variation einen CV-Wert von 35% oder mehr und 440% oder weniger aufweist.
[2] Die piezoelektrische Zusammensetzung nach [1], wobei ABO₃ durch eine Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ dargestellt wird, und x und y in der Zusammensetzungsformel 0,500 ≤ x ≤ 1,005, y ≤ 0,500 und 0,980 ≤ x + y ≤ 1,005 erfüllen.
[3] Die piezoelektrische Zusammensetzung nach [1] oder [2], wobei das Mangan mit einem Anteil von z Mol-% in Form von MnO₂ bezogen auf 1 Mol des komplexen Oxids enthalten ist, und z 0,50 ≤ z ≤ 2,50 erfüllt.
[4] Die piezoelektrische Zusammensetzung nach einem von [1] bis [3], umfassend Kupfer, wobei das Kupfer mit einem Anteil von n Mol-% in Form von CuO bezogen auf 1 Mol des komplexen Oxids enthalten ist, und n 0,20 ≤ n ≤ 0,80 erfüllt.
[5] Ein piezoelektrisches Element, das die piezoelektrische Zusammensetzung nach einem von [1] bis [4] umfasst.

Wenn die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Erfindung die oben genannten Eigenschaften hat, ist es möglich, eine piezoelektrische Zusammensetzung, die sowohl die mechanische Festigkeit als auch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₁ erfüllen kann, und ein piezoelektrisches Element, das die piezoelektrische Zusammensetzung umfasst, bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Beispiels eines piezoelektrischen Elements gemäß der Ausführungsform.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines anderen Beispiels des piezoelektrischen Elements gemäß der Ausführungsform.

Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage konkreter Ausführungsformen in der folgenden Reihenfolge im Einzelnen beschrieben.

1. Piezoelektrisches Element
- 1.1 Piezoelektrische Zusammensetzung
2. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elements
3. Wirkungen in der Ausführungsform
4. Abgewandelte Ausführungsformen

(Piezoelektrisches Element)
Zuerst wird ein piezoelektrisches Element beschrieben, bei dem die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform angewendet wird. Das piezoelektrische Element unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solange es ein Element ist, bei dem die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform angewendet werden kann. Bei der Ausführungsform werden ein piezoelektrischer Transformator, ein Dünnfilmsensor, ein piezoelektrischer Ultraschallmotor usw. beispielhaft angeführt.
Das in 1 dargestellte piezoelektrische Element 5 umfasst einen plattenförmigen piezoelektrischen Teil 1 und eine Paar Elektroden 2 und 3, die auf einem Paar entgegengesetzter Oberflächen 1a und 1b ausgebildet sind, die beide Hauptoberflächen des piezoelektrischen Teils 1 sind. Der piezoelektrische Teil 1 umfasst die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform. Details der piezoelektrischen Zusammensetzung werden später beschrieben. Das in den Elektroden 2, 3 enthaltene leitende Material unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann nach Belieben in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften festgelegt werden. Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd) usw. werden bei der Ausführungsform beispielhaft angeführt.
Obgleich der piezoelektrische Teil 1 in 1 die Form eines rechteckigen Parallelepipeds hat, unterliegt die Form des piezoelektrischen Teils 1 keinen besonderen Beschränkungen und kann nach Belieben in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, der Verwendung usw. festgelegt werden. Des Weiteren unterliegt die Größe des piezoelektrischen Teils 1 keinen besonderen Beschränkungen und kann nach Belieben in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, der Verwendung usw. festgelegt werden.
Der piezoelektrische Teil 1 ist in einer vorgegebenen Richtung gepolt. Beispielsweise ist er bei dem in 1 dargestellten piezoelektrischen Element 5 in der Dickenrichtung des piezoelektrischen Teils 1 polarisiert, und zwar ist er in der Richtung polarisiert, in der die Elektroden 2 und 3 einander entgegengesetzt sind. Beispielsweise ist eine externe Stromversorgung (nicht dargestellt) über Drähte oder dergleichen (nicht dargestellt) elektrisch mit den Elektroden 2, 3 verbunden und eine vorgegebene Spannung wird über die Elektroden 2, 3 an den piezoelektrischen Teil 1 angelegt. Wenn die Spannung angelegt wird, wird in dem piezoelektrischen Teil 1 eine elektrische Verschiebung durch den inversen piezoelektrischen Effekt in eine mechanische Verschiebung umgewandelt, und der piezoelektrische Teil 1 kann seitlich in einer seitlichen Richtung schwingen.
(Piezoelektrische Zusammensetzung)
Die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform umfasst das komplexe Oxid mit einer Perowskit-Struktur, die durch eine allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird, als einen Hauptbestandteil. Gemäß der Ausführungsform beträgt der Hauptbestandteil 90 Mol-% oder mehr bezogen auf 100 Mol-% der piezoelektrischen Zusammensetzung.
In der Perowskit-Struktur neigt ein Element mit einem großen Ionenradius - wie Alkalimetallelemente, Erdalkalimetallelemente - dazu, einen A-Platz von ABO₃ einzunehmen, während ein Element mit einem kleinen Ionenradius - wie Übergangsmetallelemente - dazu neigt, einen B-Platz von ABO₃ einzunehmen. Sodann bilden die BO₆-Sauerstoffoktaeder, die das B-Platz-Element und Sauerstoff umfassen, ein dreidimensionales Netzwerk, bei dem die Ecken der BO₆-Sauerstoffoktaeder gemeinsam sind, und die Perowskit-Struktur wird gebildet, indem der interstitielle Platz des Netzwerks mit dem A-Platz-Element gefüllt wird.
Bei der Ausführungsform kann die allgemeine Formel ABO₃ durch eine Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ dargestellt werden. Das heißt, dass das A-Platz-Element Kalium (K) und Natrium (Na) ist und das B-Platz-Element Niob (Nb) ist.
In der obigen Zusammensetzungsformel gibt „x“ ein Verhältnis der Anzahl von K-Atomen auf dem A-Platz an. Demgegenüber gibt „y“ ein Verhältnis der Anzahl von Na-Atomen auf dem A-Platz an. Daher gibt „x + y“ in der obigen Zusammensetzungsformel ein Verhältnis der Gesamtzahl eines A-Platz-Elements zu der eines B-Platz-Elements, das sogenannte A/B-Verhältnis, an. Es ist also ein Verhältnis der Summe der Anzahl von K-Atomen und der Anzahl von Na-Atomen zur Gesamtzahl von Nb-Atomen. Bei der Ausführungsform erfüllt „x + y“ vorzugsweise 0,980 ≤ x + y ≤ 1,005. Überdies beträgt „x + y“ noch bevorzugter 0,991 oder mehr und noch weiter bevorzugt 0,993 oder mehr. Andererseits beträgt „x + y“ noch bevorzugter 0,999 oder weniger und noch weiter bevorzugt 0,997 oder weniger.
Stellt man bei der Ausführungsform das A/B-Verhältnis der piezoelektrischen Zusammensetzung innerhalb des oben genannten Bereichs ein, können eine hohe mechanische Festigkeit und ein ausgezeichneter elektromechanischer Kopplungsfaktor k₃₁ derselben realisiert werden.
Bei der Ausführungsform erfüllt „x“ vorzugsweise 0,500 ≤ x ≤ 1,005. Überdies beträgt „x“ noch bevorzugter 0,800 oder mehr und noch weiter bevorzugt 0,980 oder mehr. Andererseits beträgt „x “ noch bevorzugter 1,000 oder weniger und noch weiter bevorzugt 0,995 oder weniger.
Bei der Ausführungsform beträgt „y“ vorzugsweise 0,500 oder weniger, noch bevorzugter 0,190 oder weniger und noch weiter bevorzugt 0,100 oder weniger. Unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung beträgt „y“ besonders bevorzugt 0,000. Man beachte, dass das A-Platz-Element nur K ist, wenn „y“ 0,000 beträgt.
Überdies umfasst die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform Mangan (Mn). Bei der piezoelektrischen Zusammensetzung der Ausführungsform ist es besser, dass Mn in Korngrenzen zwischen Kristallkörnern vorliegt, die das komplexe Oxid bilden. Das Vorliegen von Mn in den Korngrenzen stärkt die Bindung zwischen den Kristallkörnern und kann die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung erhöhen. Diese Wirkung wird größer, wenn die Anzahl der Kristallkörner, deren Bindungsstärke aufgrund der Verteilung von Mn mit einer hohen Konzentration in Korngrenzen erhöht wird, zunimmt, als wenn nur die spezifische Bindungsstärke zwischen spezifischen Kristallkörnern aufgrund des Vorliegens von Mn in spezifischen Korngrenzen erhöht wird.
Um die Anzahl der Kristallkörner zu erhöhen, deren Bindungsstärke erhöht ist, löst sich Mn nicht so viel wie möglich in den Kristallkörnern, die das komplexe Oxid bilden, und liegt Mn vorzugsweise gleichförmig mit einer hohen Konzentration in den zwischen den Kristallkörnern ausgebildeten Korngrenzen vor. Insbesondere liegt Mn vorzugsweise an einem zwischen drei oder mehr Kristallkörnern gebildeten Tripelpunkt vor. Am Tripelpunkt ist die mögliche vorhandene Menge von Mn größer als die an der zwischen zwei benachbarten Kristallkörnern gebildeten Korngrenze. Somit können drei oder mehr Kristallkörner wirksam über den Tripelpunkt gebunden werden.
Daher wird gemäß der Ausführungsform der Zustand des Vorliegens von Mn, wie oben beschrieben, als eine Variation der Mn-Konzentration in der piezoelektrischen Zusammensetzung bewertet. Die Variation kann als ein CV-Wert ausgedrückt werden. Der CV-Wert der Ausführungsform beträgt 35% oder mehr und 440% oder weniger. Außerdem beträgt der CV-Wert vorzugsweise 170% oder mehr und noch bevorzugter 250% oder mehr. Demgegenüber beträgt der CV-Wert vorzugsweise 360% oder weniger.
Durch Einstellen des CV-Werts innerhalb des oben angegebenen Bereichs kann die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung erhöht werden. Ist der CV-Wert zu hoch, enthält die piezoelektrische Zusammensetzung viele Anteile von Bestandteilen, die nicht zu den piezoelektrischen Eigenschaften beitragen, was tendenziell eine Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaften nach sich zieht.
Das Verfahren zur Berechnung des CV-Werts unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solang es imstande ist, die Mn-Konzentrationsverteilung in der piezoelektrischen Zusammensetzung zu messen. Gemäß der Ausführungsform kann der CV-Wert mittels ESMA (Elektronenstrahlmikroanalyse) wie folgt berechnet werden. Eine Flächenanalyse wird auf einem bestimmten Bereich in der Schnittfläche der gesinterten piezoelektrischen Zusammensetzung unter Verwendung einer ESMA-Vorrichtung durchgeführt, um eine Information über die vorliegende Menge (Konzentration) von Mn zu erhalten, die sich an dem Messpunkt in dem Bereich befindet.
Anhand der Information der erhaltenen Mn-Konzentration werden eine Standardabweichung σ der Mn-Konzentration und der Durchschnittswert Av der Mn-Konzentration an jedem Messpunkt in dem Bereich berechnet, und der CV-Wert wird anhand der folgenden Gleichung berechnet. $CV - Wert (%) = 100 \times (σ / Av)$
Gemäß der Ausführungsform beträgt eine Vergrößerung für die Ausführung einer Flächenanalyse vorzugsweise 200- bis 5000-fach, und vorzugsweise werden drei oder mehr Gebiete gemessen.
Eine Existenzform unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solange Mn in den Korngrenzen vorliegt, doch liegt es vorzugsweise als Entmischungsphase vor, die Mn enthält. In der Entmischungsphase kann Mn als ein Oxid von Mn vorliegen oder es kann als eine Verbindung mit einem anderen Element vorliegen.
Wenn ferner gemäß der Ausführungsform ein Anteil von Mn in Form von MnO₂ bezogen auf 1 Mol (100 Mol-%) des komplexen Oxids z Mol-% beträgt, erfüllt er vorzugsweise 0,50 ≤ z ≤ 2,50, um den CV-Wert innerhalb des oben genannten Bereichs einzustellen. Ferner beträgt „z“ noch bevorzugter 0,80 oder mehr. Andererseits beträgt „z“ noch bevorzugter 2,00 oder weniger.
Die folgenden Verfahren zum Steuern des CV-Werts, abgesehen vom Bereich der Menge von Mn, werden beispielhaft angeführt: der Bereich des durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Mn-Ausgangsrohstoffpulvers, das Mischverfahren, die Pulverisierungsbedingungen, die Brennbedingungen usw.
Des Weiteren kann die piezoelektrische Zusammensetzung der Ausführungsform Kupfer (Cu) enthalten. Wenn ein Anteil von Cu in Form von CuO bezogen auf 1 Mol (100 Mol-%) des komplexen Oxids n Mol-% beträgt, erfüllt er vorzugsweise 0,20 ≤ n ≤ 0,80. Ferner beträgt „n“ noch bevorzugter 0,30 oder mehr. Andererseits beträgt „n“ noch bevorzugter 0,75 oder weniger.
Solange Cu in dem oben genannten Bereich liegt, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich seiner Existenzform. Cu ist vorzugsweise in den Kristallkörnern gelöst, die das komplexe Oxid gemäß der Ausführungsform bilden, doch kann Cu zusammen mit Mn in den Korngrenzen vorliegen. Es kann eine Verbindung mit einem anderen Element bilden, falls in der Korngrenze vorhanden. Doch ist es nicht vorzuziehen, dass es als eine Sekundärphase vorliegt, die verschieden von der oben beschriebenen Kristallphase ist, die aus (K_xNa_y)NbO₃ besteht.
Durch das Vorliegen von Cu in Körnern und/oder Korngrenzen wird die Bindungsstärke zwischen den Kristallkörnern stark, und die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung kann erhöht sein.
Die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform kann die anderen Bestandteile neben den oben beschriebenen Bestandteilen enthalten. Beispielsweise können mindestens ein Metallelement der Übergangsmetallelemente (Elemente der 3. bis 11. Gruppe im langperiodischen Periodensystem) außer den oben beschriebenen Nb, Mn und Cu, die Erdalkalimetallelemente, die Elemente der 12. Gruppe im langperiodischen Periodensystem und die Elemente der 13. Gruppe im langperiodischen Periodensystem enthalten sein.
Konkret gesagt, werden als Beispiele von den Übergangsmetallelementen außer Seltenerdelementen Chrom (Cr), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Wolfram (W), Molybdän (Mo) usw. angeführt. Als das Seltenerdelement werden Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) usw. beispielhaft angeführt.
Als Erdalkalimetallelemente werden Magnesium (Mg), Strontium (Sr) usw. beispielhaft angeführt. Zu den Elementen der 12. Gruppe gehört beispielsweise Zink (Zn). Als Metallelemente der 13. Gruppe werden Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) usw. beispielhaft angeführt.
Bei der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass das komplexe Oxid mit einer Perowskit-Struktur, die durch die allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird, im Wesentlichen kein Lithium (Li) enthält. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass Li nicht als das A-Platz-Element in der Perowskit-Struktur vorliegt. Im Besonderen ist es vorzuziehen, dass in der Zusammensetzungsformel (K_xNa_yLi_a)NbO₃ „x + y + a“ 0,980 ≤ x + y + a ≤ 1,005 erfüllt und „a“ 0,010 oder weniger beträgt. Dies deshalb, weil sich Li zum Zeitpunkt des Brennens stark verflüchtigt und tendenziell Hohlräume in der piezoelektrischen Zusammensetzung nach dem Brennen verursacht.
In diesem Fall beträgt „x + y + a“ noch bevorzugter 0,991 oder mehr und noch weiter bevorzugt 0,993 oder mehr. Andererseits beträgt „x + y + a“ noch bevorzugter 0,999 oder weniger, noch weiter bevorzugt 0,997 oder weniger.
Das Vorliegen oder Nichtvorliegen von Li als das A-Platz-Element in der Perowskit-Struktur kann etwa anhand dessen bestimmt werden, ob ein Peak einer Li enthaltenden Verbindung vom Perowskit-Typ in einem mittels Röntgenbeugungsmessung erhaltenen Röntgenbeugungsdiagramm detektiert wird.
Obwohl ferner die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform Blei (Pb) als Verunreinigung enthalten kann, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise 1 Gew.-% oder weniger, und noch bevorzugter ist gar kein Pb enthalten. Unter dem Gesichtspunkt einer geringen Umweltverschmutzung, eines Umweltwiderstands und einer Ökologie ist es möglich, eine Verflüchtigung von Pb zum Zeitpunkt des Brennens zu minimieren, oder es ist möglich, die Freisetzung von Pb in die Umwelt zu minimieren, nachdem ein elektronisches Gerät, das mit dem piezoelektrischen Element bestückt ist, das die piezoelektrische Zusammensetzung der Ausführungsform enthält, zum Verkauf auf den Markt gebracht und entsorgt worden ist.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße der Kristallkörner, die die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform enthalten, kann unter dem Gesichtspunkt, piezoelektrische Eigenschaften und mechanische Festigkeit aufzuweisen, gesteuert werden. Bei der Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Kristallkorngröße beispielsweise vorzugsweise 0,5 µm bis 20 µm.
(Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elements)
Als Nächstes wird nachstehend ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Elements beschrieben.
Zuerst wird ein Ausgangsmaterial für die piezoelektrische Zusammensetzung vorbereitet. Als ein Ausgangsmaterial für das komplexe Oxid können Verbindungen, die K enthalten, oder Verbindungen, die Nb enthalten, verwendet werden, und nötigenfalls können Verbindungen verwendet werden, die Na enthalten. Beispiele der Verbindungen, die K enthalten, und der Verbindungen, die Na enthalten, sind Carbonate, Hydrogencarbonatverbindungen usw. Als die Verbindungen, die Nb enthalten, werden Oxide beispielhaft angeführt.
Ein Ausgangsmaterial für das Mangan kann Mangan allein oder eine Mangan enthaltende Verbindung sein. Bei der Ausführungsform ist es vorzugsweise ein Oxid, das Mangan enthält. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Ausgangsmaterialpulvers für Mangan liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 5 µm.
Wenn die piezoelektrische Zusammensetzung Kupfer umfasst, wird ein Ausgangsmaterial für Kupfer vorbereitet. Als das Ausgangsmaterial für Kupfer kann, wie im Fall von Mangan, Kupfer allein verwendet werden, oder es kann eine Verbindung verwendet werden, die Kupfer enthält. Bei der Ausführungsform ist ein Oxid, das Kupfer enthält, vorzuziehen.
Nach dem Abwiegen der Ausgangsmaterialien des vorbereiteten komplexen Oxids mit einem vorgegebenen Verhältnis erfolgt das Mischen für 5 bis 20 Stunden unter Verwendung etwa einer Kugelmühle. Zum Mischen kann Nassmischen oder Trockenmischen verwendet werden. Im Falle des Nassmischens wird das gemischte Pulver getrocknet. Anschließend wird das gemischte Pulver oder ein durch Verdichten des gemischten Pulvers erhaltener Grünling einer Wärmebehandlung (Kalzinierung) in Luft bei 750 bis 1050 °C für 1 bis 20 Stunden unterzogen, um kalziniertes Pulver des komplexen Oxids zu erhalten.
Das komplexe Oxid, aus dem das erhaltene kalzinierte Pulver besteht, hat eine Perowskit-Struktur, die durch die allgemeine Formel KNbO₃ oder (K,Na)NbO₃ dargestellt wird.
Wenn das erhaltene kalzinierte Pulver aggregiert ist, ist es vorzuziehen, das kalzinierte Pulver für eine vorgegebene Zeit unter Verwendung etwa einer Kugelmühle zu mahlen, um pulverisiertes Pulver zu erhalten. Das Ausgangsmaterial von Mangan oder die Ausgangsmaterialien von Mangan und Kupfer, die mit einem vorgegebenen Verhältnis abgewogen wurden, werden zu dem kalzinierten Pulver oder dem pulverisierten Pulver hinzugefügt, und das Rohmaterialpulver der piezoelektrischen Zusammensetzung wird erhalten. Das Mischverfahren der Ausführungsform ist vorzugsweise eine Kugelmühle, eine Perlmühle usw.
Das Verfahren zum Formen des Rohmaterialpulvers der piezoelektrischen Zusammensetzung unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann je nach der gewünschten Form, Größe usw. in geeigneter Weise gewählt werden. Falls Pressen durchgeführt wird, werden ein vorgegebenes Bindemittel und, falls erforderlich, Additive zum Rohmaterialpulver der piezoelektrischen Zusammensetzung hinzugefügt, und das Gemisch wird zu einer vorgegebenen Form ausgebildet, um einen Grünling zu erhalten. Des Weiteren kann der Grünling durch Verwendung von granuliertem Pulver erhalten werden, das durch Hinzufügen etwa eines vorgegebenen Bindemittels zum Rohmaterialpulver der piezoelektrischen Zusammensetzung und Granulieren desselben erhalten wird. Nötigenfalls kann der erhaltene Grünling einer weiteren Pressbehandlung etwa durch kaltisostatisches Pressen (CIP) unterzogen werden.
Der erhaltene Grünling wird einer Entbinderungsbehandlung unterzogen. Als die Entbinderungsbedingung beträgt die Haltetemperatur vorzugsweise 400 °C bis 800 °C, und die Temperaturhaltezeit beträgt vorzugsweise 2 Stunden bis 4 Stunden.
Dann wird der Grünling nach der Entbinderungsbehandlung gebrannt. Als die Brennbedingungen beträgt die Haltetemperatur vorzugsweise 950 °C bis 1060 °C, beträgt die Temperaturhaltezeit vorzugsweise 2 Stunden bis 4 Stunden, beträgt die Temperaturanstiegs- und Abkühlgeschwindigkeit vorzugsweise rund 50 °C/Stunde bis 300 °C/Stunde und ist die Atmosphäre vorzugsweise eine sauerstoffhaltige Atmosphäre. Von den Brennbedingungen kann der CV-Wert der Mn-Konzentration durch Regulieren der Haltetemperatur gesteuert werden.
Die als Sinterkörper erhaltene piezoelektrische Zusammensetzung wird nötigenfalls poliert, eine Elektrodenpaste wird aufgebracht und gebrannt, um eine Elektrode auszubilden Das Verfahren zum Ausbilden der Elektroden unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, und die Elektroden können durch Aufdampfen, Sputtern usw. ausgebildet werden.
Der Sinterkörper, auf dem die Elektrode ausgebildet ist, wird zu einer vorgegebenen Größe, wie erforderlich, verarbeitet, und ein elektrisches Feld von 2 kV/mm bis 5 kV/mm wird für rund 5 Minuten bis 1 Stunde in Öl bei einer vorgegebenen Temperatur an den Sinterkörper angelegt, um den Sinterkörper zu polen. Nach dem Polungsprozess wird eine piezoelektrische Zusammensetzung erhalten, bei der die spontane Polarisation in einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet ist.
Die piezoelektrische Zusammensetzung wird nach dem Polungsprozess zu einem plattenförmigen piezoelektrischen Teil 1 verarbeitet. Als Nächstes werden die Elektroden 2 und 3 auf dem piezoelektrischen Teil 1 etwa durch Aufdampfen ausgebildet, wodurch das in 1 dargestellte piezoelektrische Element erhalten wird.
(Wirkung bei der Ausführungsform)
Bei der Ausführungsform wird eine auf Alkalimetall-Niobat basierende Verbindung mit der Perowskit-Struktur als komplexes Oxid verwendet, das als ein Hauptbestandteil in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthalten ist, und Mangan (Mn) ist außerdem in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthalten. Der CV-Wert der Mn-Konzentration wird daher innerhalb des oben genannten Bereichs gesteuert. Wenn der CV-Wert der Mn-Konzentration innerhalb des oben genannten Bereichs liegt, weist dies darauf hin, dass ein Platz, an dem Mn mit einer hohen Konzentration vorliegt, und ein Platz, an dem Mn mit einer niedrigen Konzentration vorliegt, in der piezoelektrischen Zusammensetzung gemischt sind, das heißt, dass die Konzentrationsverteilung von Mn ungleichmäßig ist. Bei der piezoelektrischen Zusammensetzung liegt Mn nur schwer in fester Lösung in Kristallkörnern vor, die aus der auf Alkalimetall-Niobat basierenden Verbindung bestehen, und es liegt mit einer hohen Konzentration in Korngrenzen vor, die zwischen den Kristallkörnern gebildet sind.
Die oben beschriebene Konzentrationsverteilung von Mn, ermöglicht es, dass das Mn die Bindung zwischen Kristallkörnern verstärkt. Demzufolge verbessert sich die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung.
Die gebrannte piezoelektrische Zusammensetzung wird manchmal verarbeitet, beispielsweise während der Herstellung eines piezoelektrischen Elements. Wenn die piezoelektrische Zusammensetzung keine bevorzugte mechanische Festigkeit aufweist, treten Probleme wie Absplitterungen und Rissbildungen aufgrund einer unzureichenden Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung während der Verarbeitung auf und bewirken fehlerhafte Produkte. Wenn solche fehlerhaften Produkte hergestellt werden, nimmt der Ertrag ab und es kann keine hohe Produktivität erzielt werden. Da ferner eine mechanische Verschiebung und eine elektrische Verschiebung wiederholt auf die piezoelektrische Zusammensetzung angewendet werden, muss sie eine Festigkeit aufweisen, die imstande ist, diesen Verschiebungen standzuhalten. Da die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform eine bevorzugte mechanische Festigkeit aufweist, hat sie eine bevorzugte Verarbeitbarkeit, und sie kann den Ertrag verbessern und die Effizienz der Produktion des piezoelektrischen Elements steigern. Überdies hat die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform eine ausreichende Festigkeit, um einer wiederholt angewandten mechanischen Verschiebung und elektrischen Verschiebung standzuhalten.
Indem ferner der CV-Wert der Mn-Konzentration innerhalb des oben genannten Bereichs eingestellt wird, ist es möglich, den elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₁ zu erhöhen und zugleich die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung aufrechtzuerhalten. Das heißt, dass sowohl mechanische Festigkeit als auch piezoelektrische Eigenschaften der piezoelektrischen Zusammensetzung realisiert werden können. Da das in den Korngrenzen vorliegende Mn ein Bestandteil ist, der nicht zu den piezoelektrischen Eigenschaften beiträgt, kann das Mn in den Korngrenzen effizient und hoch konzentriert sein, während der Mn-Gehalt durch Einstellen des CV-Werts der Mn-Konzentration innerhalb des oben genannten Bereichs verringert wird.
Darüber hinaus kann die mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Zusammensetzung weiter erhöht werden, indem Cu als der Unterbestandteil des komplexen Oxids einbezogen wird.
(Abgewandelte Ausführungsformen)
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde das piezoelektrische Element beschrieben, bei dem der piezoelektrische Teil eine einzige Schicht ist, doch kann ein piezoelektrisches Element mit einem Aufbau verwendet werden, bei dem piezoelektrische Teile geschichtet sind. Des Weiteren kann ein piezoelektrisches Element mit einer Kombination von diesen verwendet werden.
Als das piezoelektrische Element mit einem Aufbau, bei dem piezoelektrische Teile geschichtet sind, wird beispielsweise das in 2 dargestellte piezoelektrische Element 50 erläutert. Das piezoelektrische Element 50 umfasst ein Laminat 10, bei dem mehrere piezoelektrische Schichten 11, die aus der piezoelektrischen Zusammensetzung gemäß der Ausführungsform bestehen, und mehrere innere Elektroden 12 abwechselnd geschichtet sind. Ein Paar Anschlusselektroden 21 und 22 sind an beiden Endteilen des Laminats 10 ausgebildet, um mit den inneren Elektrodenschichten 12 elektrisch verbunden zu werden, die abwechselnd in dem Laminat 10 angeordnet sind.
Die Dicke (eine Zwischenschichtdicke) für eine Schicht der piezoelektrischen Schichten 11 unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann nach Belieben in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, der Verwendung usw. festgelegt werden. Gewöhnlich beträgt die Zwischenschichtdicke vorzugsweise ungefähr 1 µm bis 100 µm. Die Schichtanzahl der piezoelektrischen Schicht 11 unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann nach Belieben in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, der Verwendung usw. festgelegt werden.
Als ein Verfahren zur Herstellung des in 2 dargestellten piezoelektrischen Elements 50 kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden. Beispielsweise wird ein Grünchip, der das in 2 dargestellte Laminat 10 sein soll, vorbereitet und gebrannt, um ein Laminat 10 zu erhalten. Dann werden Anschlusselektroden auf das Laminat 10 aufgedruckt oder übertragen und darauf gebrannt. Ein allgemeines Druckverfahren und ein Folienverfahren, bei denen jeweils Paste verwendet wird, werden beispielhaft als Verfahren zur Herstellung des Grünchips angeführt. Bei dem Druckverfahren und dem Folienverfahren wird ein Grünchip ausgebildet, indem eine Paste verwendet wird, die durch Mischen von Rohmaterialpulvern der oben beschriebenen piezoelektrischen Zusammensetzung und eines Trägers, bei dem eine Bindemittel in einem Lösungsmittel gelöst ist und der einen Lack bildet, vorbereitet wird.
Obgleich die Ausführungsform der Erfindung oben beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und es können innerhalb des Umfangs der Erfindung Abwandlungen bei verschiedenen Aspekten vorgenommen werden.
BEISPIEL
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen detaillierter beschrieben. Doch ist die Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
Zuerst wurden ein Pulver von Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃), ein Pulver von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) und ein Pulver von Nioboxid (Nb₂O₅) als Ausgangsmaterialien für das komplexe Oxid ((K_xNa_y)NbO₃) vorbereitet. Ein Pulver von Manganoxid (MnO₂) und ein Pulver von Kupferoxid (CuO) wurden ebenfalls als Ausgangsmaterialien für Mangan (Mn) und Kupfer (Cu) vorbereitet, die in der piezoelektrischen Zusammensetzung enthalten sind.
Die vorbereiteten Ausgangsmaterialien wurden derart abgewogen, dass die piezoelektrische Zusammensetzung nach dem Brennen (Sinterkörper) die in Tabelle 1 dargestellte Zusammensetzung hatte. Jedes abgewogene Pulver von KHCO₃, NaHCO₃ und Nb₂O₅ wurde mithilfe einer Kugelmühle für 16 Stunden gemischt, anschließend bei 120°C getrocknet, und es wurde gemischtes Pulver erhalten. Das erhaltene gemischte Pulver wurde gepresst, um das gemischte Pulver zu verdichten, bei 1000 °C für 4 Stunden kalziniert, und es wurde ein kalzinierter Körper des komplexen Oxids erhalten. Anschließend wurde der kalzinierte Körper mithilfe einer Kugelmühle für 16 Stunden pulverisiert, und es wurde pulverisiertes Pulver erhalten.
Jedes abgewogene Pulver von CuO und MnO₂ wurde zu dem erhaltenen pulverisierten Pulver hinzugefügt, mithilfe einer Kugelmühle für 16 Stunden gemischt, anschließend bei 120°C getrocknet, und es wurde ein Rohmaterialpulver der piezoelektrischen Zusammensetzung erhalten. PVA wurde als Bindemittel zu dem erhaltenen Rohmaterialpulver der piezoelektrischen Zusammensetzung hinzugefügt und mit einem bekannten Verfahren granuliert. Als Nächstes wurde das erhaltene granulierte Pulver mithilfe einer Pressmaschine unter einer Last von 196 MPa gepresst, und es wurde ein plattenförmiger Grünling erhalten.
Der derart erhaltene plattenförmige Grünling wurde einer Entbinderungsbehandlung bei 550 °C für 2 Stunden unterzogen. Der Grünling wurde nach der Entbinderungsbehandlung unter Luft bei 1050 °C für 2 Stunden gebrannt, und es wurde eine piezoelektrische Zusammensetzung (ein Sinterkörper) erhalten.
Der erhaltene Sinterkörper wurde poliert, um eine parallele Plattenform mit einer Dicke von 1,0 mm zu erhalten, Silberpaste wurde auf beide Seiten des parallelen plattenförmigen Sinterkörpers gedruckt und darauf bei 800 °C gebrannt, und es wurden gegenüberliegende Elektroden aus Silber bereitgestellt. Der Sinterkörper wurde dann mit einer Trennsäge auf eine Länge von 12 mm und eine Breite von 3 mm zugeschnitten. Schließlich wurde ein elektrisches Feld von 3 kV/mm an die Probe in Silikonöl bei 150 °C für 5 Minuten angelegt, um die piezoelektrische Zusammensetzung zu polen, und es wurden Proben der piezoelektrischen Zusammensetzung (Proben Nr. 1 bis 19) erhalten.
Der CV-Wert, die mechanische Festigkeit und der elektromechanische Kopplungsfaktor k₃₁ wurden in der folgenden Weise bei den erhaltenen Proben gemessen.
Der CV-Wert wurde wie folgt berechnet. Zuerst wurde die erhaltene Probe durchgeschnitten und es wurde eine Flächenanalyse auf dem Sichtfeld mit einer 500-fachen Vergrößerung auf der Schnittfläche unter Verwendung einer an ein REM (Rasterelektronenmikroskop) angeschlossenen ESMA-Vorrichtung durchgeführt. Auf der Grundlage der durch die Flächenanalyse erhaltenen Information über den Mn-Gehalt (die Mn-Konzentration) wurden die Standardabweichung σ der Mn-Konzentration und der Durchschnittswert Av der Mn-Konzentration berechnet, und der CV-Wert wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet. $CV - Wert (%) = 100 \times (σ / Av)$
In dem Beispiel wurde es als wünschenswert beurteilt, wenn eine Probe einen CV-Wert von 35% oder mehr und von 440% oder weniger aufweist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die mechanische Festigkeit wurde wie folgt gemessen. Die piezoelektrische Zusammensetzung (Sinterkörper) wurde mithilfe einer doppelseitigen Läppmaschine und einer Trennsäge zu einer Länge von 7,2 mm, einer Breite von 2,5 mm und einer Dicke von 0,32 mm verarbeitet, um eine Probe zum Messen der mechanischen Festigkeit zu erhalten. Die maximale Last (N), bei der die Probe zum Messen der mechanischen Festigkeit durch eine Dreipunktbiegung mit einem Abstand zwischen den Auflagepunkten von 5 mm brach, wurde unter Verwendung einer von INSTRON hergestellten 5543 bei allen 20 Proben gemessen. Dann wurde die mechanische Festigkeit berechnet. In dem Beispiel wurde es unter Berücksichtigung der praktischen Verarbeitbarkeit als wünschenswert beurteilt, wenn eine Probe eine mechanische Festigkeit von 80 MPa oder mehr aufweist.
Ferner wurde der elektromechanische Kopplungsfaktor k₃₁ ermittelt, indem die Resonanzfrequenz fr und die Anti-Resonanzfrequenz fa bei Raumtemperatur mithilfe eines Impedanzanalysators 4294A (hergestellt von KEYSIGHT TECHNOLOGIES) gemäß Standard JEITA EM-4501M der Japan Electronics and Information Technology Industries Association gemessen wurden. In dem Beispiel wurde es als wünschenswert beurteilt, wenn eine Probe einen k₃₁ von 14,0% oder mehr aufweist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

[Tabelle 1]

Probe Nr.	(K_xNa_y)NbO₃			Bestandteil		CV-Wert der Mn-Konzentration (%)	Eigenschaften
	x	y	x+y	Mn	Cu		Mechanische Festigkeit (MPa)	Elektromechanischer Kopplungsfaktor k₃₁ (%)
	x	y	x+y	z (Mol-%)	n (Mol-%)		Mechanische Festigkeit (MPa)	Elektromechanischer Kopplungsfaktor k₃₁ (%)
1	0,995	0,000	0,995	0,10	-	35	85	19,3
2	0,995	0,000	0,995	0,50	-	170	95	18,5
3	0,995	0,000	0,995	0,80	-	250	100	17,9
4	0,980	0,000	0,980	1,60	-	300	105	15,0
5	0,991	0,000	0,991	1,60	-	290	105	17,3
6	0,993	0,000	0,993	1,60	-	300	110	17,5
7	0,995	0,000	0,995	1,60	-	310	115	17,8
8	0,997	0,000	0,997	1,60	-	310	115	17,2
9	0,999	0,000	0,999	1,60	-	300	110	17,0
10	1,005	0,000	1,005	1,60	-	300	105	14,2
11	0,995	0,000	0,995	2,00	-	360	125	16,3
12	0,995	0,000	0,995	2,50	-	440	130	14,5
13	0,805	0,190	0,995	1,60	-	300	110	19,0
14	0,500	0,495	0,995	1,60	-	280	100	22,7
15	0,995	0,000	0,995	0,10	0,50	40	100	18,1
16	0,995	0,000	0,995	0,50	0,50	180	115	17,6
17*	0,995	0,000	0,995	0,00	-	nicht ermittelt	75	24,1
18*	0,400	0,600	1,000	1,60	-	335	75	21,5
19*	0,995	0,000	0,995	3,20	-	630	130	13,0
„*“ kennzeichnet in der Tabelle ein Vergleichsbeispiel.

Anhand der Tabelle 1 wurde bestätigt, dass sowohl die bevorzugte mechanische Festigkeit und als auch der bevorzugte elektromechanische Kopplungsfaktor k₃₁ realisiert werden kann, indem der CV-Wert der Mn-Konzentration in der auf Alkalimetall-Niobat basierenden Verbindung mit einer Perowskit-Struktur innerhalb des oben genannten Bereichs eingestellt wird.
Des Weiteren wurde bestätigt, dass sowohl die mechanische Festigkeit als auch der elektromechanischen Kopplungsfaktor k₃₁ auf höheren Niveaus erreicht werden kann, indem „x“ und „y“ in der Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ innerhalb des oben genannten Bereichs eingestellt werden. Ferner wurde bestätigt, dass die mechanische Festigkeit weiter verbessert werden kann, indem der Cu-Gehalt innerhalb des oben genannten Bereichs eingestellt wird.
Da die piezoelektrische Zusammensetzung gemäß der Erfindung sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine bevorzugte piezoelektrische Eigenschaft erfüllen kann, kann sie in geeigneter Weise für piezoelektrische Elemente in verschiedenen Bereichen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

5: Piezoelektrisches Element
1: Piezoelektrischer Teil
2, 3: Elektroden
50: Piezoelektrisches Element
10: Mehrschichtiger Körper
11: Piezoelektrische Schicht
12: Innere Elektrodenschicht
21, 22: Anschlusselektroden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014177355 [0008]

Claims

Piezoelektrische Zusammensetzung, umfassend Mangan und ein komplexes Oxid mit einer Perowskit-Struktur, die durch eine allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird, wobei ein A-Platz-Element in ABO₃ Kalium oder Kalium und Natrium ist, ein B-Platz-Element in ABO₃ Niob ist, eine Konzentrationsverteilung des Mangans eine Variation hat, und die Variation einen CV-Wert von 35% oder mehr und 440% oder weniger aufweist.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei ABO₃ durch eine Zusammensetzungsformel (K_xNa_y)NbO₃ dargestellt wird, und x und y in der Zusammensetzungsformel 0,500 ≤ x ≤ 1,005, y ≤ 0,500 und 0,980 ≤ x + y ≤ 1,005 erfüllen.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mangan mit einem Anteil von z Mol-% in Form von MnO₂ bezogen auf 1 Mol des komplexen Oxids enthalten ist, und z 0,50 ≤ z ≤ 2,50 erfüllt.
Piezoelektrische Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend Kupfer, wobei das Kupfer mit einem Anteil von n Mol-% in Form von CuO bezogen auf 1 Mol des komplexen Oxids enthalten ist, und n 0,20 ≤ n ≤ 0,80 erfüllt.
Piezoelektrisches Element, das die piezoelektrische Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.