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JP5129067B2 - Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and piezoelectric / electrostrictive element - Google Patents

Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and piezoelectric / electrostrictive element Download PDF

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JP5129067B2 JP2008227991A JP2008227991A JP5129067B2 JP 5129067 B2 JP5129067 B2 JP 5129067B2 JP 2008227991 A JP2008227991 A JP 2008227991A JP 2008227991 A JP2008227991 A JP 2008227991A JP 5129067 B2 JP5129067 B2 JP 5129067B2
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

本発明は、圧電/電歪磁器組成物及び当該圧電/電歪磁器組成物を用いた圧電/電歪素子に関する。   The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and a piezoelectric / electrostrictive element using the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition.

圧電/電歪アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することができるという利点を有する。特に、圧電/電歪磁器組成物の焼結体を圧電/電歪体として用いた圧電/電歪アクチュエータは、変位を精密に制御することができる他にも、電気機械変換効率が高く、発生力が大きく、応答速度が速く、耐久性が高く、消費電力が少ないという利点も有し、これらの利点を生かして、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンのインジェクタ等に採用されている。   Piezoelectric / electrostrictive actuators have the advantage that displacement can be precisely controlled on the order of submicrons. In particular, a piezoelectric / electrostrictive actuator using a sintered body of a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition as a piezoelectric / electrostrictive body can precisely control displacement, and has high electromechanical conversion efficiency. It has the advantages of high power, fast response speed, high durability, and low power consumption. Taking advantage of these advantages, it is employed in inkjet printer heads, diesel engine injectors, and the like.

圧電/電歪アクチュエータ用の圧電/電歪磁器組成物としては、従来、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)系の圧電/電歪磁器組成物が用いられていたが、焼結体からの鉛の溶出が地球環境に与える影響が強く懸念されるようになってからは、(Li,Na,K)(Nb,Ta)O3系の圧電/電歪磁器組成物も検討されている。 As a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition for a piezoelectric / electrostrictive actuator, a Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) -based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition has been conventionally used. (Li, Na, K) (Nb, Ta) O 3 -based piezoelectric / electrostrictive porcelain compositions have been studied since the elution of lead on the global environment is strongly concerned. .

また、特許文献1及び特許文献2に示すように、圧電/電歪特性を改善するためにBサイト元素としてSbを含む(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物も検討されている。 Further, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, a (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 type piezoelectric material containing Sb as a B site element in order to improve piezoelectric / electrostrictive characteristics. / Electrostrictive porcelain compositions are also being studied.

さらに、特許文献3には、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物において、Bサイト元素の原子数よりもAサイト元素の原子数を過剰にすることにより、圧電/電歪特性を向上することができることが示されている。 Further, in Patent Document 3, in the (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, the number of atoms of the A site element is set to be larger than the number of atoms of the B site element. It has been shown that the piezoelectric / electrostrictive characteristics can be improved by making it excessive.

特開2003−206179号公報JP 2003-206179 A 特開2004−244299号公報JP 2004-244299 A 国際公開第2006/095716号公報International Publication No. 2006/095716

しかし、従来の(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物では、圧電/電歪アクチュエータ用として重要な高電界印加時の電界誘起歪が必ずしも十分ではないという問題があった。 However, the conventional (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition does not necessarily have an electric field induced strain when a high electric field is applied, which is important for a piezoelectric / electrostrictive actuator. There was a problem that it was not enough.

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、高電界印加時の電界誘起歪が良好な(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 type piezoelectric / electrostrictive porcelain having good electric field induced strain when a high electric field is applied. An object is to provide a composition.

請求項1の発明は、一般式{Li(Na1−x1−y(Nb1−z−wTaSb)Oで表され、a,x,y,z及びwが、それぞれ、1<a≦1.05,0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10,0≦z≦0.5及び0.01≦w≦0.1を満たす組成を有するペロブスカイト型酸化物と、前記ペロブスカイト型酸化物に添加されたMn化合物とからなる圧電/電歪磁器組成物である。Mnは、前記ペロブスカイト型酸化物の結晶格子に取り込まれない。前記ペロブスカイト型酸化物100モル部に対する前記Mn化合物の添加量がMn原子換算で0.001モル部以上0.1モル部以下である。 The invention of claim 1 is represented by the general formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−z−w Ta z Sb w ) O 3 , and a, x, y, z And w are 1 <a ≦ 1.05, 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, 0 ≦ z ≦ 0.5 and 0.01 ≦ w ≦ 0. 1 is a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition comprising a perovskite oxide having a composition satisfying 1 and a Mn compound added to the perovskite oxide. Mn is not taken into the crystal lattice of the perovskite oxide. The amount of the Mn compound added to 100 mol parts of the perovskite oxide is 0.001 mol part or more and 0.1 mol part or less in terms of Mn atoms.

請求項2の発明は、一般式{Li (Na 1−x 1−y (Nb 1−z−w Ta Sb )O で表され、a,x,y,z及びwが、それぞれ、1<a≦1.05,0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10,0≦z≦0.5及び0.01≦w≦0.1を満たす組成を有するペロブスカイト型酸化物と、前記ペロブスカイト型酸化物に添加されたMn化合物とからなり、X線源にCu−Kαを用いたX線回折パターンにおいて、2θ=44〜47°の範囲に見られる前記ペロブスカイト化合物に由来する主要な2つのピークうち、高角側のピークから求めた面間隔に対する低角側のピークから求めた面間隔の比が1.003以上1.025以下である圧電/電歪磁器組成物である。Mnは、前記ペロブスカイト型酸化物の結晶格子に取り込まれない。前記ペロブスカイト型酸化物100モル部に対する前記Mn化合物の添加量がMn原子換算で0.001モル部以上0.1モル部以下である。 The invention of claim 2 is represented by the general formula {Li y (Na 1-x K x) 1-y} a (Nb 1-z-w Ta z Sb w) O 3, a, x, y, z And w are 1 <a ≦ 1.05, 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, 0 ≦ z ≦ 0.5 and 0.01 ≦ w ≦ 0. 1 in an X-ray diffraction pattern using a perovskite oxide having a composition satisfying 1 and a Mn compound added to the perovskite oxide, and using Cu—Kα as an X-ray source. Of the two main peaks derived from the perovskite compound found in the range, the ratio of the face spacing determined from the low angle peak to the face spacing determined from the high angle peak is from 1.003 to 1.025 It is a piezoelectric / electrostrictive porcelain composition. Mn is not taken into the crystal lattice of the perovskite oxide. The amount of the Mn compound added to 100 mol parts of the perovskite oxide is 0.001 mol part or more and 0.1 mol part or less in terms of Mn atoms.

請求項3の発明は、LiSbOの異相を含まない請求項1又は請求項2に記載の圧電/電歪磁器組成物である。 The invention of claim 3 is the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition according to claim 1 or 2 which does not contain a heterogeneous phase of LiSbO 3 .

請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の圧電/電歪磁器組成物の焼結体である圧電/電歪体膜と、前記圧電/電歪体膜の両主面上の電極膜とを備える圧電/電歪素子である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric / electrostrictive film that is a sintered body of the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition according to any one of the first to third aspects, and the piezoelectric / electrostrictive film. A piezoelectric / electrostrictive element including an electrode film on a main surface.

請求項5の発明は、前記圧電/電歪体膜がLiSbOの異相を含まない請求項4に記載の圧電/電歪素子である。 The invention of claim 5, wherein the piezoelectric / electrostrictive film is a piezoelectric / electrostrictive element according to claim 4 containing no hetero-phase of LiSbO 3.

本発明によれば、高電界印加時の電界誘起歪が良好な(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition having a good electric field induced strain when a high electric field is applied.

以下では、本発明の望ましい実施形態に係る圧電/電歪磁器組成物について説明し、しかる後に、当該圧電/電歪磁器組成物を用いたアクチュエータについて説明する。ただし、以下の説明は、本発明の圧電/電歪磁器組成物の用途がアクチュエータに限られることを意味するものではない。例えば、本発明の圧電/電歪磁器組成物をセンサ等の圧電/電歪素子に用いてもよい。   Hereinafter, a piezoelectric / electrostrictive ceramic composition according to a preferred embodiment of the present invention will be described, and then an actuator using the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition will be described. However, the following description does not mean that the application of the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition of the present invention is limited to an actuator. For example, the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition of the present invention may be used for a piezoelectric / electrostrictive element such as a sensor.

<1 圧電/電歪磁器組成物>
{組成}
本発明の望ましい実施形態に係る圧電/電歪磁器組成物は、Aサイト元素としてリチウム(Li),ナトリウム(Na)及びカリウム(K)を含み、Bサイト元素としてニオブ(Nb)及びアンチモン(Sb)を含み、Bサイト元素の総原子数に対するAサイト元素の総原子数の比(いわゆるA/B比)が1より大きいペロブスカイト型酸化物に微量のMn化合物を添加したものである。なお、このペロブスカイト型酸化物に、Aサイト元素として銀(Ag)等の1価元素をさらに含有させてもよいし、Bサイト元素としてタンタル(Ta)やバナジウム(V)等の5価元素をさらに含有させてもよい。
<1 Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition>
{composition}
A piezoelectric / electrostrictive porcelain composition according to a preferred embodiment of the present invention includes lithium (Li), sodium (Na), and potassium (K) as A site elements, and niobium (Nb) and antimony (Sb) as B site elements. ), And a perovskite oxide in which the ratio of the total number of atoms of the A site element to the total number of atoms of the B site element (so-called A / B ratio) is greater than 1, a trace amount of Mn compound is added. The perovskite oxide may further contain a monovalent element such as silver (Ag) as the A site element, or a pentavalent element such as tantalum (Ta) or vanadium (V) as the B site element. Further, it may be contained.

主成分であるペロブスカイト型酸化物の組成は、一般式{Liy(Na1-xx1-ya(Nb1-z-wTazSbw)O3で表され、a,x,y,z及びwが、それぞれ、1<a≦1.05,0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10,0≦z≦0.5及び0.01≦w≦0.1を満たすようにすることが好ましい。 The composition of the perovskite oxide as the main component is represented by the general formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−zw Ta z Sb w ) O 3 , a, x, y, z and w are 1 <a ≦ 1.05, 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, 0 ≦ z ≦ 0.5 and 0.01 ≦ w, respectively. It is preferable to satisfy ≦ 0.1.

A/B比を1<aとしたのは、粒成長を促進させ、緻密化させるためである。A/B比を1≧aとしたものは、粒成長を促進させるために1100℃以上の加熱が必要となる。この場合、アルカリ成分の蒸発が起こり易くなり、組成が変動することで特性が不安定になる。A/B比を1<aとすることで、焼成温度を1100℃以下とすることができ、組成の変動を回避することができる。これは、余剰のアルカリ成分の存在により、焼成過程において異相(低融点相)が生成することが影響しているものと推察される。   The reason why the A / B ratio is 1 <a is to promote grain growth and densify. Those having an A / B ratio of 1 ≧ a require heating at 1100 ° C. or higher in order to promote grain growth. In this case, evaporation of the alkali component is likely to occur, and the characteristics become unstable due to fluctuations in the composition. By setting the A / B ratio to 1 <a, the firing temperature can be set to 1100 ° C. or less, and the variation of the composition can be avoided. This is presumed to be due to the presence of a surplus alkali component that affects the generation of a different phase (low melting point phase) during the firing process.

一方、A/B比をa≦1.05としたのは、この範囲を上回ると、誘電損失が増加し、高電界印加時の電界誘起歪が小さくなる傾向があるからである。誘電損失の増加は、高電界を印加するアクチュエータ用の圧電/電歪磁器組成物では問題が大きい。   On the other hand, the reason why the A / B ratio is set to a ≦ 1.05 is that if it exceeds this range, the dielectric loss increases and the electric field induced strain at the time of applying a high electric field tends to decrease. The increase in dielectric loss is a serious problem in a piezoelectric / electrostrictive ceramic composition for an actuator that applies a high electric field.

Sb置換量を0.01≦w≦0.1としたのは、この範囲内において、圧電/電歪特性が高くなる正方晶−斜方晶相転移温度(以下、単に「相転移温度」という)TOTを大きく変動させることなく(望ましくは50℃以下)、高電界印加時の電界誘起歪を大きくすることができるからである。特に、Sb置換量を0.01≦w≦0.05とした場合は、相転移温度TOTを殆ど変動させることなく(望ましくは10℃以下)高電界印加時の電界誘起歪を特に大きくすることができる。これは、A/B比を1<aとした場合、Sb置換量が0.01≦w≦0.05の範囲を上回ると、LiSbO3の異相が焼結体の内部に生成してペロブスカイト単相が得られなくなり相転移温度TOTが上昇傾向となるからである。 The reason why the Sb substitution amount is set to 0.01 ≦ w ≦ 0.1 is that a tetragonal-orthorhombic phase transition temperature (hereinafter simply referred to as “phase transition temperature”) in which the piezoelectric / electrostrictive characteristics become high within this range. This is because the electric field induced strain when a high electric field is applied can be increased without greatly changing TOT (preferably 50 ° C. or less). In particular, when the Sb substitution amount is set to 0.01 ≦ w ≦ 0.05, the electric field induced strain at the time of applying a high electric field is particularly increased without substantially changing the phase transition temperature TOT (desirably 10 ° C. or less). be able to. This is because, when the A / B ratio is 1 <a, when the Sb substitution amount exceeds the range of 0.01 ≦ w ≦ 0.05, a LiSbO 3 heterogeneous phase is generated inside the sintered body, and the perovskite unit This is because the phase cannot be obtained and the phase transition temperature TOT tends to increase.

K、Li及びTa量をそれぞれ0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10及び0≦z≦0.5としたのは、この範囲内でアクチュエータ用として好適な圧電/電歪磁器組成物を得ることができるからである。   The K, Li, and Ta amounts were set to 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, and 0 ≦ z ≦ 0.5, respectively. This is because an electrostrictive porcelain composition can be obtained.

例えば、xがこの範囲を下回ると、圧電/電歪特性が急激に低下する。一方、xがこの範囲を上回ると、焼結が困難になり、焼成温度を高くしなければならなくなる。焼成温度を高くすることが望ましくないのは、焼成温度を高くすると、圧電/電歪磁器組成物に含まれるアルカリ成分が蒸発し、圧電/電歪特性を安定して得ることができなくなるからである。   For example, when x is less than this range, the piezoelectric / electrostrictive characteristics are rapidly lowered. On the other hand, if x exceeds this range, sintering becomes difficult and the firing temperature must be increased. It is not desirable to increase the firing temperature because the alkali component contained in the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition evaporates and the piezoelectric / electrostrictive characteristics cannot be obtained stably when the firing temperature is increased. is there.

また、yがこの範囲を下回ると、やはり、焼結が困難になり、焼成温度を高くしなければならなくなる。一方、yがこの範囲を上回ると、異相の析出が多くなり、絶縁性が低下する。   If y is less than this range, sintering is still difficult, and the firing temperature must be increased. On the other hand, when y exceeds this range, precipitation of heterogeneous phases increases, and the insulation properties decrease.

さらに、zがこの範囲を上回ると、やはり、焼結が困難になり、焼成温度を高くしなければならなくなる。   Furthermore, if z exceeds this range, sintering is still difficult, and the firing temperature must be increased.

副成分であるMn化合物は、ペロブスカイト型酸化物100モル部に対するMn原子換算の添加量が3モル部以下となるように添加することが望ましい。Mn化合物の添加量を3モル部以下としたのは、この範囲を上回ると、誘電損失が増加し、高電界印加時の電界誘起歪が小さくなる傾向があるからである。   It is desirable to add the Mn compound, which is a subcomponent, so that the amount of Mn atom conversion relative to 100 mol parts of the perovskite oxide is 3 mol parts or less. The reason why the amount of Mn compound added is 3 mol parts or less is that if it exceeds this range, the dielectric loss increases, and the electric field induced strain when a high electric field is applied tends to decrease.

ここで、Mn化合物の添加量はごく微量でも足りる。例えば、ペロブスカイト型酸化物100モル部に対してMn原子換算で0.001モル部のMn化合物を添加したに過ぎない場合でも、焼結体の分極処理は容易になり、Sbによる置換との相乗効果により、高電界印加時の電界誘起歪も大きくすることができる。   Here, a very small amount of the Mn compound is sufficient. For example, even when only 0.001 mole part of Mn compound in terms of Mn atom is added to 100 mole parts of perovskite oxide, the sintered body can be easily polarized, and synergistic with substitution by Sb. Due to the effect, the electric field induced strain when a high electric field is applied can also be increased.

Mn化合物は、原子価が主として2価のMnの化合物であることが望ましい。例えば、酸化マンガン(MnO)やマンガンが固溶したその他の化合物であることが望ましく、ニオブ酸三リチウム(Li3NbO4)にマンガンが固溶した化合物であることが特に望ましい。ここで、「主として2価」とは、原子価が2価以外のMnの化合物を含んでいてもかまわず、最も多く含まれる原子価が2価であればよいことを意味している。Mnの原子価は、X線吸収端構造(XANES;X-ray absorption near-edge structure)により確認することができる。また、Mnは、母相であるペロブスカイト型酸化物の結晶格子に取り込まれることなく、マンガン化合物の異相を構成する元素としてセラミックス焼結体の内部に存在していることが望ましい。 The Mn compound is desirably a compound of Mn whose valence is mainly divalent. For example, manganese oxide (MnO) or another compound in which manganese is dissolved is desirable, and a compound in which manganese is dissolved in trilithium niobate (Li 3 NbO 4 ) is particularly desirable. Here, “mainly divalent” may include a compound of Mn whose valence is other than divalent, and it means that the most contained valence may be divalent. The valence of Mn can be confirmed by an X-ray absorption near-edge structure (XANES). Further, it is desirable that Mn is present in the ceramic sintered body as an element constituting a heterogeneous phase of the manganese compound without being taken into the crystal lattice of the perovskite oxide that is the parent phase.

このようなMn化合物を焼結体の内部に導入することにより、Mn化合物の添加による
ハード化を防ぐことができ、電界誘起歪を大きくすることができる。
By introducing such a Mn compound into the sintered body, hardening due to the addition of the Mn compound can be prevented, and the electric field induced strain can be increased.

{相転移温度}
(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系のペロブスカイト型酸化物及びその変性物は、一般的に言って、高温から低温に向かって立方晶、正方晶、斜方晶の順に逐次相転移するが、本発明の望ましい実施形態に係る圧電/電歪磁器組成物では、相転移温度TOTが室温の近傍となるように組成を選択することが望ましく、室温の極近傍となるように組成を選択することがさらに望ましい。相転移温度TOTが室温の近傍にあれば、高電界印加時の電界誘起歪を大きくすることができるからである。ここで、相転移温度は誘電率が温度に対して極値を持つ時の温度とする。(高温から温度を下げた時の第一のピークを立方晶−正方晶相転移温度、第二のピークを正方晶−斜方晶相転移温度とするが、測定条件により降温時と昇温時におけるピークは僅かながら異なる。ここでは、昇温時の正方晶−斜方晶相転移温度をTOTとする。)。
{Phase transition temperature}
Generally speaking, (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based perovskite oxides and modified products thereof are cubic, tetragonal, or orthorhombic from high temperature to low temperature. In the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition according to the preferred embodiment of the present invention, it is desirable to select the composition so that the phase transition temperature T OT is in the vicinity of room temperature. It is further desirable to select the composition so that This is because if the phase transition temperature TOT is in the vicinity of room temperature, the electric field induced strain at the time of applying a high electric field can be increased. Here, the phase transition temperature is a temperature at which the dielectric constant has an extreme value with respect to the temperature. (The first peak when the temperature is lowered from a high temperature is the cubic-tetragonal phase transition temperature, and the second peak is the tetragonal-orthorhombic phase transition temperature. peak at different slightly here, tetragonal during heating -. the orthorhombic phase transition temperature T OT)..

{結晶系及び格子歪}
また、本発明の望ましい実施形態に係る圧電/電歪磁器組成物では、結晶系が正方晶又は斜方晶であって、その格子歪がある程度小さくなるように組成を選択することが望ましい。具体的には、X線源にCu−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、2θ=44〜47°の範囲に見られる強度の大きい、ペロブスカイト化合物に由来する主要な2つのピークのうち、高角側のピークから求めた面間隔に対する低角側のピークから求めた面間隔の比が1.003以上1.025以下となるように組成を選択することが望ましい。ここで、結晶系が正方晶である場合、高角側のピークから求めた面間隔は(200)面の間隔に、低角側のピークから求めた面間隔は(002)面の間隔に対応し、その比はa軸方向の格子定数aに対するc軸方向の格子定数cの比c/aを意味する。即ち、結晶系が正方晶である場合、c/aが1.003以上1.025以下となるように組成を選択することが望ましい。面間隔がこれらの範囲内であれば、ドメインの回転が容易になり、高電界印加時の電界誘起歪を向上することができるからである。
{Crystal system and lattice strain}
Moreover, in the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition according to a preferred embodiment of the present invention, it is desirable to select a composition so that the crystal system is tetragonal or orthorhombic and the lattice strain is reduced to some extent. Specifically, in the X-ray diffraction pattern using Cu-Kα ray as the X-ray source, among the two main peaks derived from the perovskite compound having a large intensity found in the range of 2θ = 44 to 47 °, It is desirable to select the composition so that the ratio of the interplanar spacing obtained from the low angle peak to the interplanar spacing obtained from the high angle peak is 1.003 or more and 1.025 or less. Here, when the crystal system is a tetragonal system, the plane spacing obtained from the high-angle peak corresponds to the (200) plane spacing, and the plane spacing obtained from the low-angle peak corresponds to the (002) plane spacing. The ratio means the ratio c / a of the lattice constant c in the c-axis direction to the lattice constant a in the a-axis direction. That is, when the crystal system is tetragonal, it is desirable to select the composition so that c / a is 1.003 or more and 1.025 or less. This is because if the interplanar spacing is within these ranges, the domain can be easily rotated, and the electric field induced strain when a high electric field is applied can be improved.

{原料粉末の製造}
係る圧電/電歪磁器組成物の原料粉末の製造にあたっては、まず、圧電/電歪磁器組成物の構成元素(Li,Na,K,Nb,Ta,Sb,Mn等)の素原料に分散媒を加えてボールミル等で混合する。素原料としては、酸化物、炭酸塩及び酒石酸塩等の化合物を用いることができ、分散媒としては、エタノール、トルエン、アセトン等の有機溶剤を用いることができる。そして、得られた混合スラリーから蒸発乾燥や濾過等の手法により分散媒を除去し、混合原料を得る。続いて、混合原料を600〜1300℃で仮焼することにより、原料粉末を得ることができる。なお、所望の粒子径の原料粉末を得るために、仮焼後にボールミル等で粉砕を行ってもよい。また、固相反応法ではなくアルコキシド法や共沈法により原料粉末を製造してもよい。さらに、ペロブスカイト型酸化物を合成した後にMn化合物を構成するMnを供給するMnの素原料を添加してもよい。この場合、Mnの素原料として二酸化マンガン(MnO2)を合成したペロブスカイト型酸化物に添加することが望ましい。このようにして添加された二酸化マンガンを構成する4価のMnは、焼成中に還元されて2価のMnとなり、電界誘起歪の向上に寄与する。また、Bサイト元素のコロンバイト化合物を経由してペロブスカイト型酸化物を合成してもよい。
{Manufacture of raw material powder}
In the production of the raw material powder of the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, first, a dispersion medium is added to the raw material of the constituent elements (Li, Na, K, Nb, Ta, Sb, Mn, etc.) of the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition. Add and mix with a ball mill. Compounds such as oxides, carbonates and tartrates can be used as the raw material, and organic solvents such as ethanol, toluene and acetone can be used as the dispersion medium. Then, the dispersion medium is removed from the obtained mixed slurry by a technique such as evaporation drying or filtration to obtain a mixed raw material. Subsequently, the raw material powder can be obtained by calcining the mixed raw material at 600 to 1300 ° C. In addition, in order to obtain the raw material powder of a desired particle diameter, you may grind | pulverize with a ball mill etc. after calcination. Further, the raw material powder may be produced by an alkoxide method or a coprecipitation method instead of the solid phase reaction method. Further, a raw material of Mn for supplying Mn constituting the Mn compound may be added after the perovskite oxide is synthesized. In this case, it is desirable to add to the perovskite oxide synthesized with manganese dioxide (MnO 2 ) as a raw material for Mn. The tetravalent Mn constituting the manganese dioxide added in this way is reduced during firing to divalent Mn, contributing to the improvement of the electric field induced strain. Alternatively, a perovskite oxide may be synthesized through a B-site element columbite compound.

原料粉末の平均粒子径は、0.07〜10μmであることが好ましく、0.1〜3μmであることがさらに好ましい。また、原料粉末の粒子径の調整のために、原料粉末を400〜850℃で熱処理してもよい。微細な粒子ほど他の粒子と一体化しやすいので、この熱処理を行うと、粒子径が均一な原料粉末を得ることができ、粒径が均一な焼結体を得ることができる。   The average particle diameter of the raw material powder is preferably 0.07 to 10 μm, and more preferably 0.1 to 3 μm. Moreover, you may heat-process raw material powder at 400-850 degreeC in order to adjust the particle diameter of raw material powder. Finer particles are easier to be integrated with other particles. Therefore, when this heat treatment is performed, a raw material powder having a uniform particle size can be obtained, and a sintered body having a uniform particle size can be obtained.

<2 圧電/電歪アクチュエータ>
{全体構造}
図1及び図2は、先述の圧電/電歪磁器組成物を用いた圧電/電歪アクチュエータ1,2の構造例の模式図であり、図1は、単層型の圧電/電歪アクチュエータ1の断面図、図2は、多層型の圧電/電歪アクチュエータ2の断面図となっている。
<2 Piezoelectric / electrostrictive actuator>
{Overall structure}
1 and 2 are schematic views of structural examples of the piezoelectric / electrostrictive actuators 1 and 2 using the above-described piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, and FIG. 1 shows a single-layer piezoelectric / electrostrictive actuator 1. FIG. 2 is a sectional view of the multilayer piezoelectric / electrostrictive actuator 2.

図1に示すように、圧電/電歪アクチュエータ1は、基体11の上面に、電極膜121、圧電/電歪体膜122及び電極膜123をこの順序で積層した構造を有している。圧電/電歪体膜122の両主面上の電極膜121,123は、圧電/電歪体膜122を挟んで対向している。電極膜121、圧電/電歪体膜122及び電極膜123を積層した積層体12は基体11に固着されている。   As shown in FIG. 1, the piezoelectric / electrostrictive actuator 1 has a structure in which an electrode film 121, a piezoelectric / electrostrictive film 122, and an electrode film 123 are stacked in this order on the upper surface of a substrate 11. The electrode films 121 and 123 on both main surfaces of the piezoelectric / electrostrictive film 122 are opposed to each other with the piezoelectric / electrostrictive film 122 interposed therebetween. The laminate 12 in which the electrode film 121, the piezoelectric / electrostrictive film 122 and the electrode film 123 are laminated is fixed to the substrate 11.

また、図2に示すように、圧電/電歪アクチュエータ2は、基体21の上面に、電極膜221、圧電/電歪体膜222、電極膜223、圧電/電歪体膜224及び電極膜225をこの順序で積層した構造を有している。圧電/電歪体膜222の両主面上の電極膜221,223は、圧電/電歪体膜222を挟んで対向しており、圧電/電歪体膜224の両主面上の電極膜223,225は、圧電/電歪体膜224を挟んで対向している。電極膜221、圧電/電歪体膜222、電極膜223、圧電/電歪体膜224及び電極膜225を積層した積層体22は基体21に固着されている。なお、図2には、圧電/電歪体膜が2層である場合が図示されているが、圧電/電歪体膜が3層以上となってもよい。   As shown in FIG. 2, the piezoelectric / electrostrictive actuator 2 has an electrode film 221, a piezoelectric / electrostrictive film 222, an electrode film 223, a piezoelectric / electrostrictive film 224, and an electrode film 225 on the upper surface of the substrate 21. Are stacked in this order. The electrode films 221 and 223 on both main surfaces of the piezoelectric / electrostrictive film 222 are opposed to each other with the piezoelectric / electrostrictive film 222 interposed therebetween, and the electrode films on both main surfaces of the piezoelectric / electrostrictive film 224 are disposed. 223 and 225 are opposed to each other with the piezoelectric / electrostrictive film 224 interposed therebetween. The laminate 22 in which the electrode film 221, the piezoelectric / electrostrictive film 222, the electrode film 223, the piezoelectric / electrostrictive film 224 and the electrode film 225 are laminated is fixed to the substrate 21. 2 shows a case where the piezoelectric / electrostrictive film has two layers, the piezoelectric / electrostrictive film may have three or more layers.

ここで「固着」とは、有機接着剤や無機接着剤を用いることなく、基体11,21と積層体12,22との界面における固相反応により、積層体12,22を基体11,21に接合することをいう。なお、基体と積層体の最下層の圧電/電歪体膜との界面における固相反応により積層体を基体に接合してもよい。   Here, “adhesion” means that the laminates 12 and 22 are bonded to the substrates 11 and 21 by a solid-phase reaction at the interface between the substrates 11 and 21 and the laminates 12 and 22 without using an organic adhesive or an inorganic adhesive. It means joining. The laminate may be bonded to the substrate by a solid phase reaction at the interface between the substrate and the piezoelectric / electrostrictive film at the bottom layer of the laminate.

圧電/電歪アクチュエータ1,2では、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて圧電/電歪体122,222,224が電界と垂直な方向に伸縮し、その結果として屈曲変位を生じる。   In the piezoelectric / electrostrictive actuators 1 and 2, when a voltage is applied, the piezoelectric / electrostrictive bodies 122, 222, and 224 expand and contract in a direction perpendicular to the electric field according to the applied voltage, and as a result, bending displacement is caused. Arise.

{圧電/電歪体膜}
圧電/電歪体膜122,222,224は、先述の圧電/電歪磁器組成物の焼結体である。
{Piezoelectric / electrostrictive film}
The piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224 are sintered bodies of the above-described piezoelectric / electrostrictive ceramic composition.

圧電/電歪膜122,222,224の膜厚は、0.5〜50μmであることが好ましく、0.8〜40μmであることがさらに好ましく、1〜30μmであることが特に好ましい。この範囲を下回ると、緻密化が不十分になる傾向があるからである。また、この範囲を上回ると、焼結時の収縮応力が大きくなるため、基体11,21の板厚を厚くする必要が生じ、圧電/電歪アクチュエータ1,2の小型化が困難になるからである。   The film thickness of the piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224 is preferably 0.5 to 50 μm, more preferably 0.8 to 40 μm, and particularly preferably 1 to 30 μm. This is because if it falls below this range, densification tends to be insufficient. Further, if it exceeds this range, the shrinkage stress at the time of sintering increases, so that it is necessary to increase the thickness of the substrates 11 and 21, and it becomes difficult to miniaturize the piezoelectric / electrostrictive actuators 1 and 2. is there.

{電極膜}
電極膜121,123,221,223,225の材質は、白金、パラジウム、ロジウム、金若しくは銀等の金属又はこれらの合金である。中でも、焼成時の耐熱性が高い点で白金又は白金を主成分とする合金が好ましい。また、焼成温度によっては、銀−パラジウム等の合金も好適に用いることができる。
{Electrode film}
The material of the electrode films 121, 123, 221, 223, and 225 is a metal such as platinum, palladium, rhodium, gold, silver, or an alloy thereof. Among these, platinum or an alloy containing platinum as a main component is preferable in terms of high heat resistance during firing. Also, depending on the firing temperature, an alloy such as silver-palladium can be suitably used.

電極膜121,123,221,223,225の膜厚は、15μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがさらに好ましい。この範囲を上回ると、電極膜121,123,221,223,225が緩和層として機能し、屈曲変位が小さくなる傾向があるからである。また、電極膜121,123,221,223,225がその役割を適切に果たすためには、膜厚は、0.05μm以上であることが好ましい。   The film thicknesses of the electrode films 121, 123, 221, 223, and 225 are preferably 15 μm or less, and more preferably 5 μm or less. This is because exceeding this range, the electrode films 121, 123, 221, 223, and 225 function as relaxation layers, and the flexural displacement tends to decrease. Moreover, in order for the electrode films 121, 123, 221, 223, and 225 to appropriately fulfill their roles, the film thickness is preferably 0.05 μm or more.

電極膜121,123,221,223,225は、圧電/電歪体膜122,222,224の屈曲変位に実質的に寄与する領域を覆うように形成することが好ましい。例えば、圧電/電歪体膜122,222,224の中央部分を含み、圧電/電歪体膜122,222,224の両主面の80%以上の領域を覆うように形成することが好ましい。   The electrode films 121, 123, 221, 223, and 225 are preferably formed so as to cover regions that substantially contribute to the bending displacement of the piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224. For example, it is preferable that the piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224 are formed so as to cover regions of 80% or more of both main surfaces of the piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224, including the central portion.

{基体}
基体11,21の材質は、セラミックスであるが、その種類に制限はない。もっとも、耐熱性、化学的安定性及び絶縁性の観点から、安定された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ガラスからなる群から選択される少なくとも1種類を含むセラミックスが好ましい。中でも、機械的強度及び靭性の観点から安定化された酸化ジルコニウムがさらに好ましい。ここで、「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加によって結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニムを包含する。
{Substrate}
Although the material of the base | substrates 11 and 21 is ceramics, there is no restriction | limiting in the kind. However, from the viewpoint of heat resistance, chemical stability, and insulation, ceramics including at least one selected from the group consisting of stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, and glass. Is preferred. Among these, stabilized zirconium oxide is more preferable from the viewpoint of mechanical strength and toughness. Here, “stabilized zirconium oxide” refers to zirconium oxide in which the phase transition of the crystal is suppressed by addition of a stabilizer, and includes partially stabilized zirconium oxide in addition to stabilized zirconium oxide.

安定化された酸化ジルコニウムとしては、例えば、1〜30mol%の酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリニウム、酸化イッテルビウム若しくは酸化セリウム又は希土類金属の酸化物を安定化剤として含有させた酸化ジルコニウムをあげることができる。中でも、機械的強度が特に高い点で、酸化イットリニウムを安定化剤として含有させた酸化ジルコニウムが好ましい。酸化イットリニウムの含有量は、1.5〜6mol%であることが好ましく、2〜4mol%であることがさらに好ましい。また、酸化イットリニウムに加えて、0.1〜5mol%の酸化アルミニウムを含有させることもさらに好ましい。安定化された酸化ジルコニウムの結晶相は、立方晶と単斜晶との混合晶、正方晶と単斜晶との混合晶又は立方晶と正方晶と単斜晶との混合晶等であってもよいが、主たる結晶相が正方晶と立方晶との混合晶又は正方晶となっていることが、機械的強度、靭性及び耐久性の観点から好ましい。   Examples of stabilized zirconium oxide include zirconium oxide containing 1 to 30 mol% of calcium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, ytterbium oxide, cerium oxide, or a rare earth metal oxide as a stabilizer. it can. Of these, zirconium oxide containing yttrium oxide as a stabilizer is preferred because of its particularly high mechanical strength. The content of yttrium oxide is preferably 1.5 to 6 mol%, and more preferably 2 to 4 mol%. In addition to yttrium oxide, it is more preferable to contain 0.1 to 5 mol% of aluminum oxide. The stabilized zirconium oxide crystal phase is a mixed crystal of cubic and monoclinic, a mixed crystal of tetragonal and monoclinic, or a mixed crystal of cubic, tetragonal and monoclinic, etc. However, it is preferable from the viewpoint of mechanical strength, toughness, and durability that the main crystal phase is a mixed crystal of tetragonal crystals and cubic crystals or a tetragonal crystal.

基体11,21の板厚は、1〜1000μmが好ましく、1.5〜500μmがさらに好ましく、2〜200μmが特に好ましい。この範囲を下回ると、圧電/電歪アクチュエータ1,2の機械的強度が低下する傾向にあるからである。また、この範囲を上回ると、基体11,21の剛性が高くなり、電圧を印加した場合の圧電/電歪体膜122,222,224の伸縮による屈曲変位が小さくなる傾向があるからである。   The plate thickness of the substrates 11 and 21 is preferably 1 to 1000 μm, more preferably 1.5 to 500 μm, and particularly preferably 2 to 200 μm. This is because the mechanical strength of the piezoelectric / electrostrictive actuators 1 and 2 tends to be lower than this range. Further, if the range is exceeded, the rigidity of the substrates 11 and 21 is increased, and the bending displacement due to expansion / contraction of the piezoelectric / electrostrictive films 122, 222, and 224 when a voltage is applied tends to decrease.

基体11,21の表面形状(積層体が固着される面の形状)は、特に制限されず、三角形、四角形(長方形や正方形)、楕円形又は円形とすることができ、三角形及び四角形については角丸めを行ってもよい。これらの基本形を組み合わせた複合形としてもよい。   The surface shape of the substrates 11 and 21 (the shape of the surface to which the laminate is fixed) is not particularly limited, and may be a triangle, a rectangle (rectangle or square), an ellipse, or a circle. Rounding may be performed. It is good also as a compound form which combined these basic forms.

単層型の圧電/電歪アクチュエータ1の基体11の板厚は均一になっている。これに対して、多層型の圧電/電歪アクチュエータ2の基体21の板厚は積層体22が接合される中央部215が周縁部216よりも薄肉化されている。基体21の機械的強度を保ちつつ、屈曲変位を大きくするためである。なお、基体21を単層型の圧電/電歪アクチュエータ1に用いてもよい。   The plate thickness of the substrate 11 of the single-layer piezoelectric / electrostrictive actuator 1 is uniform. In contrast, the thickness of the base 21 of the multilayer piezoelectric / electrostrictive actuator 2 is such that the central portion 215 to which the laminate 22 is bonded is thinner than the peripheral portion 216. This is to increase the bending displacement while maintaining the mechanical strength of the base 21. The substrate 21 may be used for the single-layer piezoelectric / electrostrictive actuator 1.

なお、図3の断面図に示すように、図2に示す基体21を単位構造として、当該単位構造が繰り返される基体31を用いてもよい。この場合、単位構造の各々の上に積層体32を固着して圧電/電歪アクチュエータ3を構成する。   As shown in the sectional view of FIG. 3, the base body 21 shown in FIG. 2 may be used as a unit structure, and a base body 31 in which the unit structure is repeated may be used. In this case, the piezoelectric / electrostrictive actuator 3 is configured by fixing the laminated body 32 on each of the unit structures.

{圧電/電歪アクチュエータの製造}
単層型の圧電/電歪アクチュエータ1の製造にあたっては、まず、基体11の上に電極膜121を形成する。電極膜121は、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、PVD(Physical Vapor Deposition)、イオンプレーティング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、メッキ、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー又はディッピング等の方法で形成することができる。中でも、基体11及び圧電/電歪体膜122との接合性の観点から、スパッタリング法又はスクリーン印刷法が好ましい。形成された電極膜121は、熱処理により、基体11及び圧電/電歪体膜122と固着することができる。熱処理の温度は、電極膜121の材質や形成方法に応じて異なるが、概ね500〜1400℃である。
{Manufacture of piezoelectric / electrostrictive actuators}
In manufacturing the single-layer piezoelectric / electrostrictive actuator 1, first, the electrode film 121 is formed on the substrate 11. The electrode film 121 is formed by a method such as ion beam, sputtering, vacuum deposition, PVD (Physical Vapor Deposition), ion plating, CVD (Chemical Vapor Deposition), plating, aerosol deposition, screen printing, spraying or dipping. Can do. Among these, from the viewpoint of bonding properties with the substrate 11 and the piezoelectric / electrostrictive film 122, a sputtering method or a screen printing method is preferable. The formed electrode film 121 can be fixed to the substrate 11 and the piezoelectric / electrostrictive film 122 by heat treatment. The temperature of the heat treatment is approximately 500 to 1400 ° C., although it varies depending on the material of the electrode film 121 and the formation method.

続いて、電極膜121の上に圧電/電歪体膜122を形成する。圧電/電歪体膜122は、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、PVD(Physical Vapor Deposition)、イオンプレーティング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、メッキ、ゾルゲル、エアロゾルデポジション、スクリーン印刷、スプレー又はディッピング等の方法で形成することができる。中でも、平面形状や膜厚の精度が高く、圧電/電歪体膜を連続して形成することができる点で、スクリーン印刷法が好ましい。   Subsequently, a piezoelectric / electrostrictive film 122 is formed on the electrode film 121. The piezoelectric / electrostrictive film 122 is formed by ion beam, sputtering, vacuum deposition, PVD (Physical Vapor Deposition), ion plating, CVD (Chemical Vapor Deposition), plating, sol-gel, aerosol deposition, screen printing, spraying, dipping, or the like. It can form by the method of. Among them, the screen printing method is preferable in that the accuracy of the planar shape and the film thickness is high and the piezoelectric / electrostrictive film can be continuously formed.

さらに続いて、圧電/電歪体膜122の上に電極膜123を形成する。電極膜123は、電極膜121と同様に形成することができる。   Subsequently, an electrode film 123 is formed on the piezoelectric / electrostrictive film 122. The electrode film 123 can be formed in the same manner as the electrode film 121.

しかる後に、積層体12が形成された基体11を一体的に焼成する。この焼成により、圧電/電歪体膜122の焼結が進行するとともに、電極膜121,123が熱処理される。圧電/電歪体膜122の焼成の温度は、800〜1250℃が好ましく、900〜1200℃がさらに好ましい。この範囲を下回ると、圧電/電歪体膜122の緻密化が不十分になり、基体11と電極膜121との固着や電極膜121,123と圧電/電歪体膜122との固着が不完全になる傾向があるからである。また、この範囲を上回ると、圧電/電歪体膜122の圧電/電歪特性が低下する傾向にあるからである。また、焼成時の最高温度の保持時間は、1分〜10時間が好ましく、5分〜4時間がさらに好ましい。この範囲を下回ると、圧電/電歪体膜122の緻密化が不十分になる傾向があるからである。また、この範囲を上回ると、圧電/電歪体膜122の圧電/電歪特性が低下する傾向にあるからである。   Thereafter, the substrate 11 on which the laminate 12 is formed is integrally fired. By this firing, the piezoelectric / electrostrictive film 122 is sintered and the electrode films 121 and 123 are heat-treated. The firing temperature of the piezoelectric / electrostrictive film 122 is preferably 800 to 1250 ° C, and more preferably 900 to 1200 ° C. Below this range, densification of the piezoelectric / electrostrictive film 122 becomes insufficient, and adhesion between the substrate 11 and the electrode film 121 and adhesion between the electrode films 121 and 123 and the piezoelectric / electrostrictive film 122 are not achieved. This is because they tend to be perfect. In addition, if it exceeds this range, the piezoelectric / electrostrictive characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film 122 tend to deteriorate. The maximum temperature holding time during firing is preferably 1 minute to 10 hours, and more preferably 5 minutes to 4 hours. This is because if the thickness falls below this range, the piezoelectric / electrostrictive film 122 tends to be insufficiently densified. In addition, if it exceeds this range, the piezoelectric / electrostrictive characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film 122 tend to deteriorate.

なお、電極膜121,123の熱処理を焼成とともに行うことが生産性の観点から好ましいが、このことは、電極膜121,123を形成するごとに熱処理を行うことを妨げるものではない。ただし、電極膜123の熱処理の前に圧電/電歪体膜122の焼成を行っている場合は、圧電/電歪体膜122の焼成温度より低い温度で電極膜123を熱処理する。   Note that the heat treatment of the electrode films 121 and 123 is preferably performed together with the firing from the viewpoint of productivity, but this does not prevent the heat treatment from being performed every time the electrode films 121 and 123 are formed. However, when the piezoelectric / electrostrictive film 122 is fired before the heat treatment of the electrode film 123, the electrode film 123 is heat treated at a temperature lower than the firing temperature of the piezoelectric / electrostrictive film 122.

焼成が終わった後には、適当な条件下で分極処理を行う。分極処理は、周知の手法により行うことができ、圧電/電歪体膜122のキュリー温度にもよるが、40〜200℃に加熱して行うことが好適である。   After firing is complete, polarization treatment is performed under appropriate conditions. The polarization treatment can be performed by a well-known method, and although it depends on the Curie temperature of the piezoelectric / electrostrictive film 122, it is preferably performed by heating to 40 to 200 ° C.

なお、多層型の圧電/電歪アクチュエータ2も、形成すべき圧電/電歪膜及び電極膜の数が増える点を除いては、単層型の圧電/電歪アクチュエータ1と同様に製造することができる。   The multilayer piezoelectric / electrostrictive actuator 2 is manufactured in the same manner as the single-layer piezoelectric / electrostrictive actuator 1 except that the number of piezoelectric / electrostrictive films and electrode films to be formed is increased. Can do.

また、圧電/電歪アクチュエータ1は、積層セラミック電子部品の製造において常用されているグリーンシート積層法により製造することもできる。グリーンシート積層法においては、まず、原料粉末にバインダ、可塑剤、分散剤及び分散媒を加えてボールミル等で混合する。そして、得られたスラリーをドクターブレード法等でシート形状に成形して成形体を得る。   The piezoelectric / electrostrictive actuator 1 can also be manufactured by a green sheet laminating method that is commonly used in the production of multilayer ceramic electronic components. In the green sheet laminating method, first, a binder, a plasticizer, a dispersant and a dispersion medium are added to the raw material powder and mixed by a ball mill or the like. And the obtained slurry is shape | molded by the doctor blade method etc. in a sheet shape, and a molded object is obtained.

続いて、スクリーン印刷法等で成形体の両主面に電極ペーストの膜を印刷する。ここで用いる電極ペーストは、上述の金属又は合金の粉末に、溶媒、ビヒクル及びガラスフリット等を加えたものである。   Subsequently, a film of electrode paste is printed on both main surfaces of the molded body by a screen printing method or the like. The electrode paste used here is obtained by adding a solvent, vehicle, glass frit, or the like to the above-described metal or alloy powder.

さらに続いて、電極ペーストの膜が両主面に印刷された成形体と基体とを圧着する。   Subsequently, the molded body on which the electrode paste film is printed on both main surfaces is bonded to the substrate.

しかる後に、積層体が形成された基体を一体的に焼成し、焼成が終わった後に適当な条件下で分極処理を行う。   Thereafter, the substrate on which the laminate is formed is integrally fired, and after the firing is finished, polarization treatment is performed under appropriate conditions.

<3 圧電/電歪アクチュエータの別例>
図4〜図6は、先述の圧電/電歪磁器組成物を用いた圧電/電歪アクチュエータ4の構造例の模式図であり、図4は、圧電/電歪アクチュエータ4の斜視図、図5は、圧電/電歪アクチュエータ4の縦断面図、図6は、圧電/電歪アクチュエータ4の横断面図となっている。
<3 Another example of piezoelectric / electrostrictive actuator>
4 to 6 are schematic views of structural examples of the piezoelectric / electrostrictive actuator 4 using the piezoelectric / electrostrictive porcelain composition described above. FIG. 4 is a perspective view of the piezoelectric / electrostrictive actuator 4, FIG. FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the piezoelectric / electrostrictive actuator 4, and FIG. 6 is a transverse sectional view of the piezoelectric / electrostrictive actuator 4.

図4〜図6に示すように、圧電/電歪アクチュエータ4は、圧電/電歪体膜402と内部電極膜404とを軸Aの方向に交互に積層し、圧電/電歪体膜402と内部電極膜404とを積層した積層体410の端面412,414に外部電極膜416,418を形成した構造を有している。圧電/電歪アクチュエータ4の一部を軸Aの方向に分解した状態を示す図7の分解斜視図に示すように、内部電極膜404には、端面412に達しているが端面414には達していない第1の内部電極膜406と、端面414に達しているが端面412には達していない第2の内部電極膜408とがある。第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とは交互に設けられている。第1の内部電極膜406は、端面412において外部電極膜416と接し、外部電極膜416と電気的に接続されている。第2の内部電極膜408は、端面414において外部電極膜418と接し、外部電極膜418と電気的に接続されている。したがって、外部電極膜416を駆動信号源のプラス側に接続し、外部電極膜418を駆動信号源のマイナス側に接続すると、圧電/電歪体膜402を挟んで対向する第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とに駆動信号が印加され、圧電/電歪体膜402の厚さ方向に電界が印加される。この結果、圧電/電歪体膜402は厚さ方向に伸縮し、積層体410は全体として図4において破線で示す形状に変形する。   As shown in FIGS. 4 to 6, the piezoelectric / electrostrictive actuator 4 includes the piezoelectric / electrostrictive film 402 and the internal electrode film 404 that are alternately stacked in the direction of the axis A. It has a structure in which external electrode films 416 and 418 are formed on end faces 412 and 414 of a laminate 410 in which an internal electrode film 404 is laminated. As shown in the exploded perspective view of FIG. 7 showing a state in which a part of the piezoelectric / electrostrictive actuator 4 is disassembled in the direction of the axis A, the internal electrode film 404 reaches the end surface 412 but reaches the end surface 414. There is a first internal electrode film 406 that does not reach, and a second internal electrode film 408 that reaches the end face 414 but does not reach the end face 412. The first internal electrode films 406 and the second internal electrode films 408 are provided alternately. The first internal electrode film 406 is in contact with the external electrode film 416 at the end surface 412 and is electrically connected to the external electrode film 416. The second internal electrode film 408 is in contact with the external electrode film 418 at the end face 414 and is electrically connected to the external electrode film 418. Therefore, when the external electrode film 416 is connected to the positive side of the drive signal source and the external electrode film 418 is connected to the negative side of the drive signal source, the first internal electrode film facing the piezoelectric / electrostrictive film 402 is sandwiched. A drive signal is applied to 406 and the second internal electrode film 408, and an electric field is applied in the thickness direction of the piezoelectric / electrostrictive film 402. As a result, the piezoelectric / electrostrictive film 402 expands and contracts in the thickness direction, and the laminated body 410 as a whole is deformed into a shape indicated by a broken line in FIG.

圧電/電歪アクチュエータ4は、既に説明した圧電/電歪アクチュエータ1〜3と異なり、積層体410が固着される基体を有していない。また、圧電/電歪アクチュエータ4は、パターンが異なる第1の内部電極膜406と第2の内部電極膜408とを交互に設けることから、「オフセット型の圧電/電歪アクチュエータ」とも呼ばれる。   Unlike the piezoelectric / electrostrictive actuators 1 to 3 already described, the piezoelectric / electrostrictive actuator 4 does not have a base to which the multilayer body 410 is fixed. The piezoelectric / electrostrictive actuator 4 is also referred to as an “offset type piezoelectric / electrostrictive actuator” because the first internal electrode film 406 and the second internal electrode film 408 having different patterns are alternately provided.

圧電/電歪体膜402は、先述の圧電/電歪磁器組成物の焼結体である。圧電/電歪体膜402の膜厚は、5〜500μmであることが好ましい。この範囲を下回ると、後述のグリーンシートの製造が困難になるからである。また、この範囲を上回ると、圧電/電歪体膜402に十分な電界を印加することが困難になるからである。   The piezoelectric / electrostrictive film 402 is a sintered body of the above-described piezoelectric / electrostrictive ceramic composition. The film thickness of the piezoelectric / electrostrictive film 402 is preferably 5 to 500 μm. This is because, if it falls below this range, it will be difficult to produce a green sheet described later. Further, if it exceeds this range, it is difficult to apply a sufficient electric field to the piezoelectric / electrostrictive film 402.

内部電極膜404および外部電極膜416,418の材質は、白金、パラジウム、ロジウム、金もしくは銀等の金属またはこれらの合金である。内部電極膜404の材質は、これらの中でも、焼成時の耐熱性が高く圧電/電歪体膜402との共焼結が容易な点で白金または白金を主成分とする合金であることが好ましい。ただし、焼成温度によっては、銀−パラジウム等の合金も好適に用いることができる。   The material of the internal electrode film 404 and the external electrode films 416 and 418 is a metal such as platinum, palladium, rhodium, gold or silver, or an alloy thereof. Among these, the material of the internal electrode film 404 is preferably platinum or an alloy containing platinum as a main component from the viewpoint of high heat resistance during firing and easy co-sintering with the piezoelectric / electrostrictive film 402. . However, depending on the firing temperature, an alloy such as silver-palladium can also be suitably used.

内部電極膜402の膜厚は、10μm以下であることが好ましい。この範囲を上回ると、内部電極膜402が緩和層として機能し、変位が小さくなる傾向があるからである。また、内部電極膜402がその役割を適切に果たすためには、膜厚は、0.1μm以上であることが好ましい。   The film thickness of the internal electrode film 402 is preferably 10 μm or less. This is because if the thickness exceeds this range, the internal electrode film 402 functions as a relaxation layer and the displacement tends to be small. In order for the internal electrode film 402 to properly fulfill its role, the film thickness is preferably 0.1 μm or more.

なお、図4〜図6には、圧電/電歪体膜402が10層である場合が図示されているが、圧電/電歪体膜402が9層以下または11層以上であってもよい。   4 to 6 show the case where the piezoelectric / electrostrictive film 402 has 10 layers, the piezoelectric / electrostrictive film 402 may have 9 layers or less or 11 layers or more. .

圧電/電歪アクチュエータ4の製造にあたっては、まず、先述の圧電/電歪磁器組成物の原料粉末にバインダ、可塑剤、分散剤および分散媒を加えてボールミル等で混合する。そして、得られたスラリーをドクターブレード法等でシート形状に成形してグリーンシートを得る。   In manufacturing the piezoelectric / electrostrictive actuator 4, first, a binder, a plasticizer, a dispersant, and a dispersion medium are added to the raw material powder of the above-described piezoelectric / electrostrictive porcelain composition and mixed by a ball mill or the like. Then, the obtained slurry is formed into a sheet shape by a doctor blade method or the like to obtain a green sheet.

続いて、パンチやダイを使用してグリーンシートを打ち抜き加工し、グリーンシートに位置合わせ用の孔等を形成する。   Subsequently, the green sheet is punched using a punch or die to form alignment holes or the like in the green sheet.

さらに続いて、グリーンシートの表面にスクリーン印刷等により電極ペーストを塗布し、電極ペーストのパターンが形成されたグリーンシートを得る。電極ペーストのパターンには、焼成後に第1の内部電極膜406となる第1の電極ペーストのパターンと焼成後に第2の内部電極膜408となる第2の電極ペーストのパターンとの2種類がある。もちろん、電極ペーストのパターンを1種類だけとして、グリーンシートの向きをひとつおきに180°回転させることにより、焼成後に内部電極膜406,408が得られるようにしてもよい。   Subsequently, an electrode paste is applied to the surface of the green sheet by screen printing or the like to obtain a green sheet on which an electrode paste pattern is formed. There are two types of electrode paste patterns: a first electrode paste pattern that becomes the first internal electrode film 406 after firing and a second electrode paste pattern that becomes the second internal electrode film 408 after firing. . Of course, the internal electrode films 406 and 408 may be obtained after firing by using only one type of electrode paste pattern and rotating the orientation of the green sheets every other 180 °.

次に、第1の電極ペーストのパターンが形成されたグリーンシートと第2の電極ペーストのパターンが形成されたグリーンシートを交互に重ね合わせるとともに、電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを最上部にさらに重ね合わせた後に、重ね合わせたグリーンシートを厚さ方向に加圧して圧着する。このとき、グリーンシートに形成された位置合わせ用の孔の位置が揃うようにする。また、重ね合わせたグリーンシートの圧着にあたっては、圧着に使用する金型を加熱しておくことにより、加熱しながらグリーンシートを圧着するようにすることも望ましい。   Next, the green sheet on which the pattern of the first electrode paste is formed and the green sheet on which the pattern of the second electrode paste is formed are alternately stacked, and the green sheet on which the electrode paste is not applied is placed on the top. After further overlapping, the stacked green sheets are pressed in the thickness direction and pressure bonded. At this time, the positions of the alignment holes formed in the green sheet are aligned. Further, when the stacked green sheets are pressure-bonded, it is also desirable to heat the mold used for pressure bonding so that the green sheets are pressure-bonded while being heated.

このようにして得られたグリーンシートの圧着体を焼成し、得られた焼結体をダイシングソー等で加工することにより、積層体410を得ることができる。そして、焼き付け、蒸着、スパッタリング等により積層体410の端面412,414に外部電極膜416,418を形成し、分極処理を行うことにより、圧電/電歪アクチュエータ4を得ることができる。   The laminate 410 can be obtained by firing the pressure-bonded green sheet thus obtained and processing the obtained sintered body with a dicing saw or the like. The piezoelectric / electrostrictive actuator 4 can be obtained by forming the external electrode films 416 and 418 on the end faces 412 and 414 of the laminated body 410 by baking, vapor deposition, sputtering, or the like and performing polarization treatment.

以下では、本発明の圧電/電歪磁器組成物に関する実施例1〜8及び本発明の範囲外の圧電/電歪磁器組成物に関する比較例1〜8について説明する。ただし、下述する実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, Examples 1 to 8 relating to the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition of the present invention and Comparative Examples 1 to 8 relating to the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition outside the scope of the present invention will be described. However, the examples described below do not limit the scope of the present invention.

{評価用の圧電/電歪素子の製造}
評価用の圧電/電歪素子の製造にあたっては、まず、炭酸リチウム(Li2CO3)、酒石酸ナトリウム一水和物(C456Na・H2O)、酒石酸カリウム(C456K)、酸化ニオブ(Nb25)、酸化タンタル(Ta25)、酸化アンチモン(Sb23)等の素原料を、表1〜表3に示す組成となるように秤量した。表1〜表3の一覧表中のx,y,z,w及びaは、一般式{Liy(Na1-xx1-ya(Nb1-z-wTazSbw)O3中のパラメータであり、Mn量は、当該一般式で表されるペロブスカイト型酸化物100モル部に対する添加量である。
{Manufacture of piezoelectric / electrostrictive element for evaluation}
In producing a piezoelectric / electrostrictive element for evaluation, first, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), sodium tartrate monohydrate (C 4 H 5 O 6 Na.H 2 O), potassium tartrate (C 4 H) The raw materials such as 5 O 6 K), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and antimony oxide (Sb 2 O 3 ) are made to have the compositions shown in Tables 1 to 3. Weighed. X, y, z, w and a in the list of Tables 1 to 3 are represented by the general formula {Li y (Na 1−x K x ) 1−y } a (Nb 1−zw Ta z Sb w ) O 3 , the amount of Mn is the amount added relative to 100 mole parts of the perovskite oxide represented by the general formula.

Figure 0005129067
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続いて、素原料に分散媒としてアルコールを加えてボールミルで16時間混合した。さらに続いて、得られた混合原料を乾燥した後、800℃で5時間仮焼してボールミルで粉砕することを2回繰り返し、圧電/電歪磁器組成物の原料粉末を得た。なお、この原料粉末に、実施例1〜21及び比較例1については、MnO2を表1及び表3に示す添加量となるように添加した。 Subsequently, alcohol was added to the raw material as a dispersion medium and mixed for 16 hours by a ball mill. Subsequently, the obtained mixed raw material was dried, calcined at 800 ° C. for 5 hours, and pulverized with a ball mill twice to obtain a raw material powder of a piezoelectric / electrostrictive ceramic composition. Note that the raw material powder, for Examples 1 to 21 and Comparative Example 1, was added MnO 2 so that the amount shown in Table 1 and Table 3.

次に、原料粉末を粗粉砕した後、500メッシュのふるいに通して粒度調整を行った。   Next, the raw material powder was coarsely pulverized and then passed through a 500 mesh sieve to adjust the particle size.

このようにして得られた原料粉末を2.0×108Paの圧力で直径18mm、板厚5mmの円板形状に圧粉成形した。そして、圧粉成形体をアルミナ容器内に収納し、950〜1050℃で3時間焼成して焼結体(圧電/電歪体)を得た。 The raw material powder thus obtained was compacted into a disc shape having a diameter of 18 mm and a plate thickness of 5 mm at a pressure of 2.0 × 10 8 Pa. And the compacting body was accommodated in the alumina container, and it baked at 950-1050 degreeC for 3 hours, and obtained the sintered compact (piezoelectric / electrostrictive body).

続いて、焼結体を長辺12mm×短辺3mm×厚み1mmの矩形形状に加工し、600〜900℃で熱処理を行った。その後、矩形試料の両主面にスパッタリングで金電極を形成した。そして、これを室温のシリコンオイル中に浸漬し、両主面の金電極に5kV/mmの電圧を15分間印加して厚さ方向に分極処理を行った。   Subsequently, the sintered body was processed into a rectangular shape having a long side of 12 mm, a short side of 3 mm, and a thickness of 1 mm, and heat treatment was performed at 600 to 900 ° C. Thereafter, gold electrodes were formed by sputtering on both main surfaces of the rectangular sample. This was immersed in silicon oil at room temperature, and a voltage of 5 kV / mm was applied to the gold electrodes on both main surfaces for 15 minutes to perform polarization treatment in the thickness direction.

{電気特性及び温度特性}
1000℃で焼成を行った実施例1〜8及び比較例1〜8の評価用の圧電/電歪素子を用いて、圧電定数d31(pm/V)、室温及び相転移温度TOTの付近における歪率S4000(ppm)を測定した。その測定結果を表1〜表3に示す。圧電定数d31は、圧電/電歪素子の周波数−インピーダンス特性及び静電容量をインピーダンスアナライザで測定するとともに、圧電/電歪素子の寸法をマイクロメータで測定し、長辺方向伸び振動の基本波の共振周波数及び反共振周波数、静電容量並びに寸法から算出することにより得た。歪率S4000は、両主面の金電極に4kV/mmの電圧を印加したときの長辺方向の電界誘起歪を接着剤で電極に貼り付けた歪ゲージで測定することにより得た。相転移温度TOTの測定方法については後述する。
{Electrical and temperature characteristics}
Using the piezoelectric / electrostrictive elements for evaluation of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 8 fired at 1000 ° C., near the piezoelectric constant d 31 (pm / V), room temperature, and phase transition temperature T OT The distortion rate S 4000 (ppm) was measured. The measurement results are shown in Tables 1 to 3. The piezoelectric constant d 31 is a fundamental wave of the longitudinal vibration of the long side direction by measuring the frequency-impedance characteristics and capacitance of the piezoelectric / electrostrictive element with an impedance analyzer, and measuring the dimensions of the piezoelectric / electrostrictive element with a micrometer. It was obtained by calculating from the resonance frequency and antiresonance frequency, capacitance, and dimensions. Strain ratio S 4000 was obtained by measuring a strain gauge affixed to the electrode with an adhesive electric-field-induced strain in the long side direction at the time of applying a voltage of 4 kV / mm to the gold electrode on both main surfaces. A method for measuring the phase transition temperature TOT will be described later.

なお、上述の圧電/電歪磁器組成物は、少なくとも950〜1050℃の範囲内で良好に焼結することができ、970℃及び1030℃で焼成を行った圧電/電歪素子の圧電/電歪特性の傾向は、1000℃で焼成を行った圧電/電歪素子と同様であったことから、表1〜表3には、1000℃で焼成を行った圧電/電歪素子の圧電/電歪特性のみを示している。   The piezoelectric / electrostrictive porcelain composition described above can be satisfactorily sintered at least in the range of 950 to 1050 ° C., and the piezoelectric / electrostrictive element of the piezoelectric / electrostrictive element fired at 970 ° C. and 1030 ° C. Since the tendency of the strain characteristics was the same as that of the piezoelectric / electrostrictive element fired at 1000 ° C., Tables 1 to 3 show the piezoelectric / electrostrictive elements of the piezoelectric / electrostrictive element fired at 1000 ° C. Only the distortion characteristics are shown.

表1及び表2を参照して、実施例1〜3,5〜6と比較例2〜7とを対比すれば明らかなように、Sb置換量が0.01≦w≦0.10の範囲内では、一般式{Li0.06(Na0.550.450.941.01(Nb0.918-wTa0.082Sbw)O3で表されるペロブスカイト型酸化物100モル部に0.02モル部(Mn原子換算で0.02モル部)のMn化合物を添加することにより、歪率S4000を著しく向上することができる。また、実施例3,8及び比較例4から明らかなように、化学式{Li0.06(Na0.550.450.941.01(Nb0.878Ta0.082Sb0.04)O3で表されるSb置換量がw=0.04のペロブスカイト型酸化物100モル部に添加するMn化合物の添加量を0,0.02,0.1モル部(それぞれ、Mn原子換算で0,0.02,0.1モル部)の順に増加させることにより、歪率S4000を向上することができる。 With reference to Tables 1 and 2, as is clear when Examples 1 to 3 and 5 to 6 are compared with Comparative Examples 2 to 7, the Sb substitution amount is in the range of 0.01 ≦ w ≦ 0.10. In the formula, {Li 0.06 (Na 0.55 K 0.45 ) 0.94 } 1.01 (Nb 0.918-w Ta 0.082 Sb w ) O 3 is represented by 0.02 mole part (in terms of Mn atom) per 100 mole parts of perovskite oxide. The strain ratio S 4000 can be remarkably improved by adding 0.02 mol part of Mn compound. As is clear from Examples 3 and 8 and Comparative Example 4, the amount of Sb substitution represented by the chemical formula {Li 0.06 (Na 0.55 K 0.45 ) 0.94 } 1.01 (Nb 0.878 Ta 0.082 Sb 0.04 ) O 3 is w = The amount of Mn compound added to 100 mol parts of 0.04 perovskite oxide is 0,0.02,0.1 mol parts (respectively, 0.02,0.1 mol parts in terms of Mn atoms) By increasing in this order, the distortion rate S 4000 can be improved.

しかし、比較例1と比較例8とを対比すれば明らかなように、化学式{Li0.06(Na0.550.450.941.01(Nb0.798Ta0.082Sb0.12)O3で表されるSb置換量がw=0.12のペロブスカイト型酸化物100モル部に0.02モル部(Mn原子換算で0.02モル部)のMn化合物を添加しても、歪率S4000を向上することはできない。 However, as is clear from comparison between Comparative Example 1 and Comparative Example 8, the amount of Sb substitution represented by the chemical formula {Li 0.06 (Na 0.55 K 0.45 ) 0.94 } 1.01 (Nb 0.798 Ta 0.082 Sb 0.12 ) O 3 is Even if 0.02 mole part (0.02 mole part in terms of Mn atom) of Mn compound is added to 100 mole part of perovskite oxide having w = 0.12, the strain rate S4000 cannot be improved.

さらに、実施例1〜3,5よりもLi置換量を減少させ(y=0.06→0.05)Ta置換量を増加させた(z=0.082→0.160)実施例9〜12、実施例1〜3,5よりもLi置換量を増加させ(y=0.06→0.07)Ta置換量を減少させた(z=0.082→0)実施例13〜16、実施例3よりもA/B比を増減した(a=1.01→1.005〜1.03)実施例17〜19、実施例3よりもK量を増減した(x=0.45→0.3〜0.7)実施例13,14においても、なんらかの異相が生成したと考えられる実施例19を除いて、良好な歪率S4000を得ることができた。 Furthermore, the amount of Li substitution was decreased (y = 0.06 → 0.05) and the amount of Ta substitution was increased (z = 0.082 → 0.160) compared to Examples 1 to 3 and Examples 9 to 12, the Li substitution amount was increased (y = 0.06 → 0.07) and the Ta substitution amount was decreased (z = 0.082 → 0) compared with Examples 1 to 3 and Examples 13 to 16. The A / B ratio was increased / decreased from Example 3 (a = 1.01 → 1.005 to 1.03), and the K amount was increased / decreased from Examples 17 to 19 and Example 3 (x = 0.45 → 0.3 to 0.7) Also in Examples 13 and 14, a good distortion S4000 could be obtained except for Example 19 in which some kind of heterogeneous phase was considered to be generated.

加えて、実施例1〜7から明らかなように、Sb置換量が0.01≦w≦0.05の範囲内で特に良好な室温の付近における歪率S4000を得ることができる。 In addition, as is apparent from Examples 1 to 7, it is possible to obtain a particularly good strain rate S 4000 near room temperature when the Sb substitution amount is in the range of 0.01 ≦ w ≦ 0.05.

図8は、Sb置換量がw=0.02,0.04,0.05,0.06,0.08の実施例2〜6について、歪率S4000の温度変化を示す図である。 8, Sb substitution amount for Examples 2 to 6 w = 0.02,0.04,0.05,0.06,0.08, a diagram showing the temperature change of the strain ratio S 4000.

図8に示すように、一般式{Li0.06(Na0.550.450.941.01(Nb0.918-wTa0.082Sbw)O3で表されるペロブスカイト型酸化物100モル部に0.02モル部のMnO2を添加した場合、Sb置換量がw≦0.5の範囲内にあれば、Sb置換量が増加しても歪率S4000が最大となる温度はほとんど変化しないのに対して、Sb置換量が当該範囲を上回ると、Sb置換量が増加するとともに歪率S4000が最大となる温度は上昇する。このため、一般式{Li0.06(Na0.550.450.941.01(Nb0.918-wTa0.082Sbw)O3で表されるペロブスカイト型酸化物100モル部に0.02モル部のMn化合物を添加した場合、Sb置換量がw≦0.5の範囲内にあれば、温度特性を変えることなく高い歪率S4000を得ることができるのに対して、Sb置換量が当該範囲を上回ると、Sb置換量が増加するにつれて温度特性が変化する傾向となる。 As shown in FIG. 8, 0.02 mol part per 100 mol part of the perovskite oxide represented by the general formula {Li 0.06 (Na 0.55 K 0.45 ) 0.94 } 1.01 (Nb 0.918-w Ta 0.082 Sb w ) O 3 When the amount of Sb substitution is in the range of w ≦ 0.5 when the amount of MnO 2 is added, the temperature at which the strain rate S 4000 becomes maximum is hardly changed even when the amount of Sb substitution increases. When the Sb substitution amount exceeds the range, the Sb substitution amount increases and the temperature at which the strain rate S4000 becomes maximum increases. Therefore, 0.02 mol part of Mn compound is added to 100 mol part of the perovskite oxide represented by the general formula {Li 0.06 (Na 0.55 K 0.45 ) 0.94 } 1.01 (Nb 0.918-w Ta 0.082 Sb w ) O 3. When added, if the Sb substitution amount is in the range of w ≦ 0.5, a high strain rate S 4000 can be obtained without changing the temperature characteristics, whereas if the Sb substitution amount exceeds the range, As the Sb substitution amount increases, the temperature characteristics tend to change.

{X線回折パターン}
図9は、Sb置換量がw=0.02,0.04,0.05,0.06,0.08の実施例2〜6の圧電/電歪素子に用いられている焼結体のX線回折パターンを示す図である。なお、図9には、Sb置換量をw=0とした焼結体のX線回折パターンも示されている。
{X-ray diffraction pattern}
FIG. 9 shows a sintered body used in the piezoelectric / electrostrictive elements of Examples 2 to 6 in which the Sb substitution amount is w = 0.02, 0.04, 0.05, 0.06, 0.08. It is a figure which shows an X-ray diffraction pattern. FIG. 9 also shows an X-ray diffraction pattern of the sintered body in which the Sb substitution amount is w = 0.

加工した試料の12mm×3mmの表面にX線が照射されるように試料をセットし、試料のX線回折パターンを2θ/θ法により20°〜60°の範囲で測定した。X線回折パターンは、X線回折装置を用いて、Cu−Kα線を線源とし、グラファイトモノクロメータを検出器の手前に設置して測定した。X線発生条件を、35kV−30mA、スキャン幅0.02°、スキャン速度2°/分、発散スリット1°、受光スリット0.3mmとして測定し、2θ=44°〜47°の範囲に強度の大きい2つのピークが存在することを確認した。この時、高角側のピーク強度が低角側のピーク強度の約2倍である場合には、主として正方晶であり、低角側のピークが(002)面、高角側のピークが(200)面と断定することができる。   The sample was set so that X-rays were irradiated onto the 12 mm × 3 mm surface of the processed sample, and the X-ray diffraction pattern of the sample was measured in the range of 20 ° to 60 ° by the 2θ / θ method. The X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer with a Cu-Kα ray as a radiation source and a graphite monochromator installed in front of the detector. X-ray generation conditions were measured as 35 kV-30 mA, scan width 0.02 °, scan speed 2 ° / min, diverging slit 1 °, and light receiving slit 0.3 mm, and the intensity ranged from 2θ = 44 ° to 47 °. It was confirmed that two large peaks were present. At this time, when the peak intensity on the high angle side is about twice the peak intensity on the low angle side, it is mainly tetragonal, the peak on the low angle side is the (002) plane, and the peak on the high angle side is (200). It can be determined as a surface.

図9に示すように、Sb置換量が0≦w≦0.06の範囲内の場合、ペロブスカイトの正方晶に固有のX線回折パターンが観察され、焼結体の結晶系が正方晶であることがわかる。一方、Sb置換量がw=0.08の場合、ペロブスカイトの斜方晶に固有のX線回折パターンが観察され、焼結体の結晶系が斜方晶であることがわかる。   As shown in FIG. 9, when the Sb substitution amount is in the range of 0 ≦ w ≦ 0.06, an X-ray diffraction pattern specific to the tetragonal perovskite is observed, and the crystal system of the sintered body is a tetragonal crystal. I understand that. On the other hand, when the Sb substitution amount is w = 0.08, an X-ray diffraction pattern unique to the orthorhombic perovskite is observed, and it can be seen that the crystal system of the sintered body is orthorhombic.

表1〜表3には、実施例1〜21及び比較例1〜8の圧電/電歪素子に用いられている焼結体のX線回折パターンの2θ=44〜47°の範囲に見られる強度の大きい2個のピークから半値幅中点法により算出した2個の面間隔の比である格子歪パラメータも示されている。この「格子歪パラメータ」とは、格子歪の度合いを表す指標値であり、結晶系が正方晶である場合は、(200)面の面間隔に対する(002)面の面間隔の比を概ね意味する。   In Tables 1 to 3, the X-ray diffraction patterns of the sintered bodies used in the piezoelectric / electrostrictive elements of Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 8 are found in the range of 2θ = 44 to 47 °. Also shown is a lattice strain parameter, which is the ratio of the two face spacings calculated from the two strong peaks by the half-width midpoint method. This “lattice strain parameter” is an index value representing the degree of lattice strain. When the crystal system is a tetragonal system, it generally means the ratio of the (002) plane spacing to the (200) plane spacing. To do.

実施例1〜7及び比較例1に示すように、格子歪パラメータは、Sb置換量が増加するにつれて減少し、Sb置換量が0.01≦w≦0.10の範囲内では、1.003以上1.025以下となっている。   As shown in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1, the lattice strain parameter decreases as the Sb substitution amount increases, and is 1.003 when the Sb substitution amount is within the range of 0.01 ≦ w ≦ 0.10. It is 1.025 or less.

なお、(Li,Na,K)(Nb,Ta,Sb)O3系の圧電/電歪磁器組成物においては、実施例2〜6の組成以外であっても、結晶系が正方晶又は斜方晶、格子歪パラメータが1.003以上1.02以下となっていれば、ドメインの回転が容易になり、歪率S4000を向上することができる。これは、表1及び表2において圧電定数の増加と比較して、歪率S4000の増加が大きいことから推察される。実際、歪率S4000が良好な実施例9〜21においても、格子歪パラメータは、1.003以上1.025以下となっている。 In the (Li, Na, K) (Nb, Ta, Sb) O 3 -based piezoelectric / electrostrictive porcelain composition, the crystal system is tetragonal or oblique even if the composition is other than the compositions of Examples 2 to 6. If the tetragonal and lattice strain parameters are 1.003 or more and 1.02 or less, the domain can be easily rotated, and the distortion rate S4000 can be improved. This is inferred from the fact that the increase in the strain rate S 4000 is larger in Tables 1 and 2 than the increase in the piezoelectric constant. In fact, even in the strain ratio S 4000 good examples 9 to 21, the lattice strain parameter, which is 1.003 or more 1.025 or less.

また、図8に示すように、Sb置換量が0≦w≦0.06の範囲内の場合、異相に由来するピークは観察されないが、Sb置換量がw=0.08の場合、矢印で示す異相に由来するピークが観察される。この異相は、LiSbO3であると考えられる。なお、実施例6の圧電/電歪素子に用いられている焼結体の研磨面をSEM(Scanning Electron Microscope)で観察したところ、針状結晶が観察され、当該針状結晶の構成元素をEDS(energy dispersive X-ray spectrometer)で分析したところ、Sbを多く含むことがわかった。このことは、X線回折パターンで観察された異相のピークがLiSbO3に由来するものであることを裏付けている。 Further, as shown in FIG. 8, when the Sb substitution amount is in the range of 0 ≦ w ≦ 0.06, no peak derived from a heterogeneous phase is observed, but when the Sb substitution amount is w = 0.08, Peaks derived from the different phases shown are observed. This heterogeneous phase is considered to be LiSbO 3 . When the polished surface of the sintered body used in the piezoelectric / electrostrictive element of Example 6 was observed with a scanning electron microscope (SEM), needle crystals were observed, and the constituent elements of the needle crystals were EDS. Analysis with an energy dispersive X-ray spectrometer revealed that it contained a large amount of Sb. This confirms that the heterophasic peak observed in the X-ray diffraction pattern is derived from LiSbO 3 .

なお、このような異相に由来するピークが観察されるようになるSb置換量は、ペロブスカイト型酸化物の組成やMn化合物の添加量によって若干変動する。ただし、Sb置換量が0≦w≦0.05の範囲内であれば、ペロブスカイト型酸化物の組成やMn化合物の添加量にかかわらず、このような異相に由来するピークが観察されることはない。実際、実施例9〜11,13〜15,17〜21においては、LiSbO3の異相は観察されなかった。 The Sb substitution amount at which such a peak derived from a different phase is observed varies slightly depending on the composition of the perovskite oxide and the amount of Mn compound added. However, when the Sb substitution amount is in the range of 0 ≦ w ≦ 0.05, such a peak derived from a different phase is observed regardless of the composition of the perovskite oxide and the addition amount of the Mn compound. Absent. Actually, in Examples 9 to 11, 13 to 15, and 17 to 21, no LiSbO 3 heterogeneous phase was observed.

次に、実施例1〜21及び比較例1〜8の圧電/電歪素子に用いられている焼結体の相転移温度TOTを測定した。その測定結果を表1〜表3に示す。相転移温度TOTは、比誘電率ε/ε0の温度依存性をインピーダンスアナライザで測定することで求めた。この測定結果から明らかなように、Sb置換量が0.01≦w≦0.05の範囲内では、相転移温度TOTをほとんど変化させることなく、図8の説明の際に述べたように温度特性を変化させることなく歪率S4000を全体的に増加させることができる。しかし、Sb置換量がこの範囲を上回ると、相転移温度は上昇し、その結果として、温度特性が変化することで室温における歪率S4000が低下してしまう。このような相転移温度TOTの上昇は、LiSbO3の異相の発生がペロブスカイト相に含まれるLi量の減少を引き起こしたことに起因すると考えられる。 Next, the phase transition temperature T OT of the sintered bodies used in the piezoelectric / electrostrictive elements of Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 8 was measured. The measurement results are shown in Tables 1 to 3. The phase transition temperature T OT was determined by measuring the temperature dependence of the relative dielectric constant ε / ε 0 with an impedance analyzer. As apparent from the measurement results, when the Sb substitution amount is in the range of 0.01 ≦ w ≦ 0.05, the phase transition temperature TOT is hardly changed, as described in the explanation of FIG. The distortion rate S 4000 can be increased overall without changing the temperature characteristics. However, if the Sb substitution amount exceeds this range, the phase transition temperature increases, as a result, strain ratio S 4000 at room temperature by a temperature characteristic changes is reduced. Such an increase in the phase transition temperature T OT is considered to be caused by the occurrence of a different phase of LiSbO 3 causing a decrease in the amount of Li contained in the perovskite phase.

上記の説明は、すべての局面において例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。   The above description is illustrative in all aspects, and the present invention is not limited thereto. It is understood that countless variations that are not illustrated can be envisaged without departing from the scope of the present invention.

圧電/電歪アクチュエータの断面図である。It is sectional drawing of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの断面図である。It is sectional drawing of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの断面図である。It is sectional drawing of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの横断面図である。It is a cross-sectional view of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 圧電/電歪アクチュエータの一部の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a part of a piezoelectric / electrostrictive actuator. 歪率の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of a distortion. 焼結体のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of a sintered compact.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3,4 圧電/電歪アクチュエータ
122,222,224,402 圧電/電歪体膜
121,123,221,223,225 電極膜
404 内部電極膜
1, 2, 3, 4 Piezoelectric / electrostrictive actuators 122, 222, 224, 402 Piezoelectric / electrostrictive film 121, 123, 221, 223, 225 Electrode film 404 Internal electrode film

Claims (5)

一般式{LiGeneral formula {Li y (Na(Na 1−x1-x K x ) 1−y1-y } a (Nb(Nb 1−z−w1-z-w TaTa z SbSb w )O) O 3 で表され、a,x,y,z及びwが、それぞれ、1<a≦1.05,0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10,0≦z≦0.5及び0.01≦w≦0.1を満たす組成を有するペロブスカイト型酸化物と、A, x, y, z, and w are 1 <a ≦ 1.05, 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, and 0 ≦ z ≦ 0, respectively. Perovskite oxide having a composition satisfying .5 and 0.01 ≦ w ≦ 0.1;
前記ペロブスカイト型酸化物に添加されたMn化合物と、A Mn compound added to the perovskite oxide;
からなり、Consists of
Mnが前記ペロブスカイト型酸化物の結晶格子に取り込まれず、Mn is not taken into the crystal lattice of the perovskite oxide,
前記ペロブスカイト型酸化物100モル部に対する前記Mn化合物の添加量がMn原子換算で0.001モル部以上0.1モル部以下であるThe amount of the Mn compound added to 100 mol parts of the perovskite oxide is 0.001 mol part or more and 0.1 mol part or less in terms of Mn atoms.
圧電/電歪磁器組成物。Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition.
一般式{LiGeneral formula {Li y (Na(Na 1−x1-x K x ) 1−y1-y } a (Nb(Nb 1−z−w1-z-w TaTa z SbSb w )O) O 3 で表され、a,x,y,z及びwが、それぞれ、1<a≦1.05,0.30≦x≦0.70,0.02≦y≦0.10,0≦z≦0.5及び0.01≦w≦0.1を満たす組成を有するペロブスカイト型酸化物と、A, x, y, z, and w are 1 <a ≦ 1.05, 0.30 ≦ x ≦ 0.70, 0.02 ≦ y ≦ 0.10, and 0 ≦ z ≦ 0, respectively. Perovskite oxide having a composition satisfying .5 and 0.01 ≦ w ≦ 0.1;
前記ペロブスカイト型酸化物に添加されたMn化合物と、A Mn compound added to the perovskite oxide;
からなり、Consists of
X線源にCu−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、2θ=44〜47°の範囲に見られる前記ペロブスカイト化合物に由来する主要な2つのピークのうち、高角側のピークから求めた面間隔に対する低角側のピークから求めた面間隔の比が1.003以上1.025以下であり、In an X-ray diffraction pattern using Cu—Kα ray as an X-ray source, a surface obtained from a peak on the high angle side among two main peaks derived from the perovskite compound found in a range of 2θ = 44 to 47 ° The ratio of the surface interval obtained from the low angle side peak to the interval is 1.003 or more and 1.025 or less,
Mnが前記ペロブスカイト型酸化物の結晶格子に取り込まれず、Mn is not taken into the crystal lattice of the perovskite oxide,
前記ペロブスカイト型酸化物100モル部に対する前記Mn化合物の添加量がMn原子換算で0.001モル部以上0.1モル部以下であるThe amount of the Mn compound added to 100 mol parts of the perovskite oxide is 0.001 mol part or more and 0.1 mol part or less in terms of Mn atoms.
圧電/電歪磁器組成物。Piezoelectric / electrostrictive porcelain composition.
LiSbOLiSbO 3 の異相を含まない請求項1又は請求項2に記載の圧電/電歪磁器組成物。The piezoelectric / electrostrictive porcelain composition according to claim 1 or 2, wherein the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition according to claim 1 or 2 is not contained. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の圧電/電歪磁器組成物の焼結体である圧電/電歪体膜と、A piezoelectric / electrostrictive film, which is a sintered body of the piezoelectric / electrostrictive ceramic composition according to any one of claims 1 to 3,
前記圧電/電歪体膜の両主面上の電極膜と、Electrode films on both principal surfaces of the piezoelectric / electrostrictive film;
を備える圧電/電歪素子。A piezoelectric / electrostrictive element comprising:
前記圧電/電歪体膜がLiSbOThe piezoelectric / electrostrictive film is LiSbO. 3 の異相を含まない請求項4に記載の圧電/電歪素子。The piezoelectric / electrostrictive element according to claim 4, which does not include the different phase.
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