CN113557612A - 压电陶瓷组合物 - Google Patents

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平山武
田畑周平
志村元
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Kyocera Corp
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Abstract

压电陶瓷组合物是由组成式AxBO3表示，包含占A位点的物质的量的8成以上的K和Na、以及占B位点的物质的量的7成以上的Nb的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物。该压电陶瓷组合物在B位点包含Ta和Fe。

Description

压电陶瓷组合物
技术领域
本发明涉及压电陶瓷组合物。
背景技术
已知有用于致动器、传感器、振荡器或滤波器等的压电陶瓷组合物。作为无铅的压电陶瓷组合物提出了各种铌酸钾钠系的组合物(例如专利文献1和2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-145650号公报
专利文献2：国际公开第2014/002285号
发明内容
本发明的一个方式的压电陶瓷组合物是由组成式AxBO3表示，且包含占A位点的物质的量的8成以上的K和Na、以及占B位点的物质的量的7成以上的Nb的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物，在B位点包含Ta和Fe。
附图说明
图1是表示压电陶瓷组合物的试样1～15的组成和特性的图表。
图2是表示压电陶瓷组合物的试样16～30的组成和特性的图表。
图3是表示压电陶瓷组合物的试样31～45的组成和特性的图表。
图4是表示压电陶瓷组合物的试样46～56的组成和特性的图表。
图5是用于说明Ta偏析部的示意图。
图6是表示Ta偏析部中的成分比的图表。
图7是表示压电致动器的一个例子的截面图。
具体实施方式
(压电陶瓷组合物的组成)
实施方式的压电陶瓷组合物为铌酸钾钠系(KNN系、铌酸碱系)的压电陶瓷组合物，另外，不含铅(Pb)。KNN系的压电陶瓷组合物例如由简化的组成式AxBO3表示。在A位点主要包含K(钾)和Na(钠)。在B位点主要包含Nb(铌)。x(摩尔比)例如大致为1。并且，压电陶瓷组合物具有钙钛矿结构。
更详细而言，实施方式的压电陶瓷组合物由以下的组成式表示。{(K1-u- vNauLiv)1-w-αAgwA1α}x{(Nb1-y-zTaySbz)1-β-γ-δB1βB2γFeδ}O3 (1)
上述(1)式中，A1、B1和B2为金属元素。为了慎重起见，记载为：Li为锂，Ag为银，Ta为钽，Sb为锑，Fe为铁。u、v、w、y、z、α、β、γ和δ表示摩尔比。
如上所述，A位点相对于B位点的摩尔比(x)大致为1(例如0.95以上且1.05以下)。K和Na的物质的量在A位点的物质的量中所占的比例较大。例如，K和Na在A位点所占的比例的摩尔比((1-v)×(1-w-α))可以为0.80以上、0.85以上或0.90以上。另外，Nb的物质的量在B位点的物质的量中所占的比例较大。例如，Nb在B位点所占的比例的摩尔比((1-y-z)×(1-β-γ-δ))可以为0.70以上、0.75以上或0.80以上。
K与Na的摩尔比(1-u-v：u)大致为1：1。但是，Na的物质的量也可以比K的物质的量多。即，实施方式的压电陶瓷组合物也可以为富Na的KNN。例如，u/(1-u-v)可以为1.01以上、1.1以上或1.2以上，另外，可以为1.5以下、1.4以下或1.3以下，上述下限和上限可以适宜组合。
压电陶瓷组合物在A位点除了作为碱金属的K和Na以外，还包含相同的碱金属的Li。即，实施方式的压电陶瓷组合物为铌酸钾钠锂系的压电陶瓷组合物。Li相对于K和Na的摩尔比(另一观点为Li的物质的量在A位点的物质的量中所占的比例)较小。例如，Li在A位点所占的比例的摩尔比(v×(1-w-α))可以为0.1以下、0.06以下或0.05以下。另外，Li、K和Na的物质的量在A位点的物质的量中所占的比例较大。例如，Li、K和Na在A位点中所占的比例的摩尔比(1-w-α)可以为0.90以上、0.95以上或0.98以上。压电陶瓷组合物通过包含Li，从而例如压电特性提高。
压电陶瓷组合物在B位点除了元素周期表第5族的Nb以外，还包含同样的第5族的Ta和第15族(原第5B族)的Sb。Ta和Sb相对于Nb的摩尔比(另一观点为Ta和Sb的物质的量在A位点的物质的量中所占的比例)较小。例如，Ta和Sb在B位点所占的比例的摩尔比((y+z)×(1-β-γ-δ))可以为0.25以下、0.20以下或0.16以下。另外，Nb、Ta和Sb的物质的量在B位点的物质的量中所占的比例较大。例如，Nb、Ta和Sb在B位点所占的比例的摩尔比(1-β-γ-δ)可以为0.90以上、0.97以上或0.99以上。压电陶瓷组合物通过包含Ta和/或Sb，从而例如压电特性提高。
压电陶瓷组合物在A位点除了K、Na和Li以外，还包含Ag和A1(任意的金属元素)。由已述的K、Na和Li的摩尔比的说明可以理解，Ag和A1的物质的量在A位点的物质的量中所占的比例(w和α)较小。例如，与已述的关于K等的摩尔比的说明相反，Ag和A1在A位点所占的比例的摩尔比(w+α)可以为0.10以下、0.05以下或0.02以下。压电陶瓷组合物通过在A位点包含Ag等，从而例如压电特性提高。
压电陶瓷组合物在B位点除了Nb、Ta和Sb以外，还包含B1(任意的金属元素)、B2(任意的金属元素)和Fe。由已述的Nb、Ta和Sb的摩尔比的说明可以理解，B1、B2和Fe的物质的量在B位点的物质的量中所占的比例较小。例如，与已述的关于Nb等的摩尔比的说明相反，B1、B2和Fe在B位点所占的比例的摩尔比(β+γ+δ)可以为0.10以下、0.03以下或0.01以下。压电陶瓷组合物通过在B位点包含Fe等，从而例如压电特性提高。另外，Fe有助于绝缘电阻值的提高。
A1可以选自各种金属，另外，可以仅为1种金属元素，也可以为多种金属元素的组合。在后述的实施例中，作为A1，例示有Bi(铋)、La(镧)、Ce(铈)、Nd(钕)和Sm(钐)。上述之中，Bi为第15族(原第5B族)的金属。作为A1，也可以使用除了Bi以外的第5族或第15族的金属元素。另外，上述之中，La、Ce、Nd和Sm为镧系元素。作为A1，可以使用上述以外的镧系元素。
B1可以选自各种金属，另外，可以仅为1种金属元素，也可以为多种金属元素的组合。在后述的实施例中，作为B1，例示有Zn(锌)、Mg(镁)、Yb(镱)、Fe(铁)、Cu(铜)、Co(钴)和Ni(镍)。上述之中，Zn、Fe、Cu、Co和Ni为第4周期的金属元素，且除了Zn以外为过渡金属。作为B1，例如也可以使用上述以外的第4周期的过渡金属。另外，上述之中，Yb为镧系元素。作为A1，可以使用除了Yb以外的镧系元素。
B2可以选自各种金属，另外，可以仅为1种金属元素，也可以为多种金属元素的组合。在后述的实施例中，作为B2，例示有Sn(锡)、Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)、Ce(铈)、Ge(锗)、V(钒)、W(钨)、Nb(铌)、Sb(锑)和Ta(钽)。上述之中，除了Ce以外的其他元素为第4周期～第6周期且第4族～第6族、第14族(原第4B族)和第15族(原第5B族)的金属元素。作为B2，例如也可以使用上述以外的第4周期～第6周期且第4族～第6族和第14族～第16族(原第4B族～原第6B族)的金属元素(不包括Pb)。另外，上述之中，Ce为镧系元素。作为B2，可以使用除了Ce以外的镧系元素。
摩尔比(u、v、w、x、y、z、α、β、γ和δ)可以适宜设定。以下示出一个例子。0.5≤u≤0.54、0＜v≤0.06、0＜w≤0.06、0.99≤x≤1.02、0＜y≤0.12、0＜z≤0.1、0＜α≤0.0275、0＜β≤0.005、0＜γ≤0.005和0＜δ≤0.0125。
如上所述，v、w、y、z、α、β、γ和δ大于0。如果这些值大于0，则或多或少地起到在铌酸钾钠((K、Na)NbO3)中添加Li、Ag、Ta、Sb、A1、B1、B2和Fe的效果。其他的下限值和上限值基于后述的实施例。如果摩尔比在上述范围内，则例如可以得到压电特性提高的效果。
(压电陶瓷组合物的制造方法)
本实施方式的压电陶瓷组合物的制造方法除了添加到铌酸钾钠中的具体的金属元素的种类及其摩尔比以外，可以与公知的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物的制造方法相同。例如，如下所述。
首先，准备(1)式中所含的金属元素的化合物(例如氧化物)的粉末。作为这样的化合物，例如可举出K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Ag2O、Nb2O5、Ta2O5、Sb2O3、Fe2O3、Bi2O3、ZnO、SnO、SnO2、SrCO3、TiO2、SrTiO3等。
接下来，以成为(1)式的组成的方式计量(例如称量)上述各种化合物的粉末。接下来，利用球磨机将所计量的粉末在醇中进行混合(进行湿式混合。)。作为球磨机，例如可以使用ZrO2球。作为醇，例如可以使用IPA(异丙醇)。混合时间例如可以为20小时以上且25小时以下。
接下来，使上述混合物干燥后，进行混合物的预烧成。预烧成例如可以在大气中以900℃以上且1100℃以下的温度进行3小时左右。接下来，利用球磨机将该预烧物粉碎。接下来，在该粉碎物中混合粘结剂进行造粒。作为粘结剂，例如可以使用PVA(聚乙烯醇)。
接下来，将造粒后的粉体成形为任意的形状和尺寸。成形的压力例如可以设为200MPa左右。然后，对该成形体进行烧成而得到压电陶瓷组合物。烧成例如可以在大气中以1000℃以上且1250℃以下的温度进行2小时左右。然后，对于压电陶瓷组合物，可以在适宜的方向上施加适宜大小的电压而进行极化处理，用于压电致动器等。
(实施例)
关于实施方式的压电陶瓷组合物，实际制作摩尔比以及A1、B1和B2互不相同的各种试样，调查了组成对特性造成的影响。图1～图4是表示其结果的图表。
图中，“No.”一栏表示试样的编号。在此，关于试样1～56的56种试样，例示了组成和特性。“u Na”、“v Li”、“x A”、“w Ag”、“y Ta”、“z Sb”、“α”、“β”、“γ”和“δ”的栏表示各试样中的u、v、x、w、y、z、α、β、γ和δ的值。“A1”、“B1”和“B2”的栏表示各试样中的A1、B1和B2的金属元素的种类。在“A1”、“B 1”和“B2”的栏中，“-”表示未添加成为A1、B1或B2的金属元素，对应于α＝0、β＝0或γ＝0。“Fe”一栏表示各试样中的Fe的有无，如果δ＞0，则表示“Fe”，如果δ＝0，则表示“-”。需要说明的是，摩尔比的小数点以下的有效位基本上在多个试样彼此中彼此相同，但为了方便，省略末尾侧的0的表示。
“d31 pC/N”一栏表示各试样中的压电常数d31(pC/N)的值。为了慎重起见，d31表示在压电陶瓷组合物的极化方向上施加电压时的与极化方向正交的方向上的压电特性。d31的值越大，相对于所施加的电场的强度产生的应变、或者相对于所赋予的压力而产生的电荷越大。在该栏中，“0”表示无法极化。“R kV/mm”一栏表示绝缘电阻值(kV/mm)。
压电常数d31按照JEITA(一般社团法人电子信息技术产业协会)规定的标准(EM-4501A压电陶瓷振荡器的电气试验方法)对极化后的压电陶瓷组合物进行测定。更详细而言，使用共振***振法，利用阻抗分析仪进行测定。另外，绝缘电阻值是通过对试样施加规定的电压，测定施加中的漏电流而算出的。
试样1、9～15和26不包含(1)式所示的元素中的一部分(不满足(1)式)。与它们相比，满足(1)的试样2～8、16～25和27～56在压电常数d31和绝缘电阻值中的至少一者中，示出了比不满足(1)式的试样中的任一者都高的值。另外，在不满足(1)的试样中，在试样9～15中，压电常数d31的值小于70(pC/N)，此外，在试样9～12中，未能极化。另一方面，满足(1)式的试样，作为压电常数d31的值，均能够确保70(pC/N)以上。
综上，确认了通过使压电陶瓷组合物的组成满足(1)式，压电特性得到提高。另外，根据满足(1)式的试样的各种摩尔比的最小值和最大值，可以导出各种摩尔比的范围的一个例子。例如，根据试样16和17导出0.5≤u≤0.54。根据试样18和19导出0.02≤v≤0.06。根据试样20和21导出0.02≤w≤0.06。根据试样29和30导出0.99≤x≤1.02。根据试样22和多个试样导出0.02≤y≤0.1。根据试样28和多个试样导出0.06≤z≤0.1。根据试样2和7导出0.0045≤α≤0.0275。根据多个试样和试样45导出0.00125≤β≤0.00187。根据试样45和多个试样导出0.00063≤γ≤0.00125。根据试样2和试样7导出0.001≤δ≤0.0125。
得到最高的压电常数d31的值的是试样4和51(d31＝117pC/N)。该2个试样的绝缘电阻值比不满足(1)式的试样1、9～15和26中的任意者的绝缘电阻值都高。此外，试样4的绝缘电阻值在满足(1)式的试样中绝缘电阻值相对较高。在图1～图4中，主要示出了以该试样4为中心(基准)变更了各种摩尔比和金属元素的种类的试样的组成和特性。
从压电常数d31和绝缘电阻值的观点出发，试样4是特性最高的一个试样，因此可以对试样4的摩尔比的值加减规定的误差或偏差的允许值，导出各种摩尔比的下限值或上限值(也可以修正至此所述的下限值或上限值。)。
例如，在上述0.02≤y≤0.1的情况下，试样4中的y的值成为上限值。但是，根据仅y的值与试样4不同的试样22～25(y＝0.02～0.08)的特性可知，即使y稍微超过0.1，也能够得到与试样4和22～25同等以上的特性。因此，y的上限值可以为0.12(可以为y≤0.12。)。
β和γ的值在试样4中为0.00125，另外，在其他满足(1)式的试样中，示出包含0.00125的比较窄的范围(0.00167≤β≤0.0125、0.00063≤γ≤0.00125)。另一方面，β所涉及的B1和γ所涉及的B2与δ所涉及的Fe同样地，在B位点使钙钛矿结构产生不连续性。因此，β和γ的值的范围可以参考δ的值来设定。在此，δ可以为小于试样4的0.0025的一半的值(试样2)，另外，也可以为试样4的0.0025的5倍的值(试样7)。因此，β和γ可以与δ同样地设定为在0.00125的一半以上且5倍以下的范围、或者包含在比其窄的范围内。例如，可以为0.001≤β≤0.005和0.001≤γ≤0.005。
也可以选择满足已述的(1)式的试样中特性特别高的试样。例如，也可以选择利用压电常数d31的值为90pC/N以上且绝缘电阻值为1×109kV/mm以上的试样。这样的试样在图1～图4中为试样3～6、17、19～21、23～25、27、29～34、38～43和46～56。
试样4和22～25是仅Ta所涉及的y的值互不相同的试样。根据这些试样可以理解，通过增大y的值，能够增大压电常数d31的值。更详细而言，如果y从0.02(试样22)成为0.04(试样23)，则压电常数d31的值成为90pC/N以上。因此，压电陶瓷组合物例如也可以设为满足0.04≤y≤0.1(或0.12)的组成。
试样1～8是A1所涉及的α和Fe所涉及的δ的值互不相同的试样。根据这些试样可以理解，通过增大α和δ的值，能够增大绝缘电阻值。推测这是因为，根据后述的对于Ta偏析部的解析也可以理解，Fe所涉及的δ的值变大。然而，如果δ超过一定程度的大小(试样4)，则δ越大，压电常数d31的值越降低。因此，例如，压电陶瓷组合物也可以设为满足0.001≤δ≤0.01(d31≥90pC/N)或0.00125≤δ≤0.01(d31≥90pC/N，且绝缘电阻值为1×109kV/mm以上)的组成。
试样4和16～19是u和v的值互不相同的试样。其中，试样4和17的压电常数d31的值比试样16、18和19的压电常数d31的值大。在此，这些试样的u/v的值为：试样4：10.48、试样16：10、试样17：10.8、试样18：26.2、试样19：约8.7。
综上，例如，作为u/v的范围，可以设定包含试样4和17的u/v的值且不包含试样16、18和19的值的范围。作为这样的u/v的值的范围，例如可举出10.1以上且26.0以下、10.1以上且11.0以下、或10.48以上且10.80以下。
试样4和22～28是y和z的值互不相同的试样。其中，试样4和24、25和27的压电常数d31的值比其他试样22、23、26和28的压电常数d31的值大。
综上，作为y和z的值的范围，可以设定包含前者的试样的y和z的值且不包含后者的试样的y和z的值的范围。具体而言，试样4和24、25和27的z的值处于0.01以上且0.09以下、0.05以上且0.09以下、或0.06以上且0.08以下的范围内。另外，试样4和24、25和27的y/z的值处于0.7以上且10以下、0.9以上且1.8以下、或1.0以上且1.67以下的范围内。试样22、23、26和28不满足上述z的范围和y/z的范围中的至少一者。
试样4和31～52是作为B1和B2使用的金属元素互不相同的试样。其中，试样4、33、34、38～40、42、43和46～52的压电常数d31的值比其他试样31、32、35～37、41、44和45的压电常数d31的值大。
综上，作为B1和B2，可以选择前者的试样的金属元素。具体而言，B1可以为Zn、Mg、Fe、Cu、Co和Ni中的任1种。和/或，B2可以为Sn、Ti、Zr、Hf、Ge、Nb、Sb和Ta中的任1种。
(Ta偏析部)
图5是示意地表示使用透射型电子显微镜(TEM：Transmission ElectronMicroscope)得到的压电陶瓷组合物101的截面的图像(以下，称为TEM图像)的图。
在压电陶瓷组合物101中，会产生Ta不均匀分布的Ta偏析部103。这样的Ta偏析部103例如在TEM图像中被视觉辨认为比其他区域白的区域。在TEM图像中，Ta偏析部103与除此以外的区域的边界比较清晰，能够通过目视来区分两者(特定Ta偏析部103的范围)。
另外，也可以根据Ta的存在比来定义Ta偏析部103。例如，可以将Ta的物质的量除以Nb的物质的量而得到的比(以下，为了方便，有时记载为“Ta/Nb”。对于其他元素也是同样。)为0.5以上的区域定义为Ta偏析部103。
将压电陶瓷组合物101中的除了Ta偏析部103以外的部分称为非Ta偏析部105。以下，对Ta偏析部103与非Ta偏析部105的组成和特性的差异进行说明。
需要说明的是，在将Ta/Nb为0.5以上的区域定义为Ta偏析部103的情况下，虽然不符合Ta偏析部103的定义，但有可能在Ta偏析部103的周围存在Ta/Nb比较高的区域。这样的区域不适合作为与Ta偏析部103的比较对象。因此，作为比较对象，可以定义作为非Ta偏析部105的一部分的基准部107。
基准部107例如可以为Ta/Nb为(1)式的y/(1-y-z)以下的区域。在为了制作压电陶瓷组合物101而计量原料粉末时，Ta/Nb为(1)式所示的y/(1-y-z)。在另一观点中，Ta/Nb作为压电陶瓷组合物101整体中的平均值，成为y/(1-y-z)。但是，通过形成Ta偏析部103，从而在Ta偏析部103中，Ta/Nb变得比y/(1-y-z)大。另外，伴随与此，在非Ta偏析部105中，作为整体(平均)，Ta/Nb比y/(1-y-z)稍小。因此，可以将y/(1-y-z)以下的区域作为基准部107。
Ta偏析部103的粒径和面积可以为适宜的大小。例如，多个Ta偏析部103包含粒径为0.1μm以上的部分。有时也观察到粒径为0.5μm左右的Ta偏析部103。需要说明的是，为了慎重起见，粒径为当量圆直径，可以基于截面图像算出。另外，在压电陶瓷组合物101的任意的横截面中，多个Ta偏析部103所占的面积比例例如为1％以上。当然，多个Ta偏析部103所占的面积比例也可以小于1％。
(Ta偏析部的组成)
图6是表示对图1所示的试样1～8中的Ta偏析部103和非Ta偏析部105调查其组成和特性的结果的图表。
图中，“No.”、“d31 pC/N”和“R kV/mm”的栏也包括该栏所示的具体的值在内，与图1相同。
“Fe/Ta”一栏表示Fe和Ta的摩尔比。“富Ta”一栏表示Ta偏析部103中的摩尔比。“贫Ta”一栏表示非Ta偏析部105(基准部107)中的摩尔比。“原始数据”一栏将表示作为分析对象的区域中的各元素的相对物质的量(各元素的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例)的原始数据的值中，关于Fe的值和关于Ta的值用“/”分开表示。“比率”一栏以百分率表示使用了“原始数据”一栏的值的Fe/Ta(摩尔比)的值。
关于Sb和Ta的摩尔比，“Sb/Ta”一栏示出与上述“Fe/Ta”一栏相同的值。
用于得到图6的数值的分析如下进行。首先，使用FIB(Focused Ion Beam：聚焦离子束)装置，从压电陶瓷组合物中采样数μm～数十μm的大小的试样。从该采样的部位将宽度10μm×高度10μm的区域加工成厚度0.12μm～0.05μm左右。通过TEM观察该加工后的试样。作为TEM，使用日本电子制的JEM-2010F。另外，加速电压设为200kV。然后，一边观察比较透射电子图像与STEM(Scanning TEM：扫描透射电子显微镜)图像，一边掌握粒子、粒界面和粒内。即，区分Ta偏析部103与非Ta偏析部105。然后，对各部进行了EDX(Energy DispersiveX-ray spectrometry：能量色散X射线光谱)分析。作为EDX的装置，使用了日本电子制的JED-2300T。
需要说明的是，根据上述说明可以理解，图6中通过目视来区分Ta偏析部103与非Ta偏析部105。然而，在得到图6的EDX分析时确认了在作为分析对象的Ta偏析部103中Ta/Nb为0.5以上、在作为分析对象的非Ta偏析部105(基准部107)中Ta/Nb为y/(1-y-z)以下。
(Fe的影响)
在图6的“Fe/Ta”中，根据“富Ta的“原始数据”与“贫Ta”的“原始数据”的比较可以理解，在Ta偏析部103中，与非Ta偏析部105相比，Fe的含量(Fe的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例)大。例如，除了未添加Fe(δ＝0)的试样1以外，Ta偏析部103中的Fe的含量为非Ta偏析部105中的Fe的含量的2倍以上且6倍以下。
在图6的“Fe/Ta”中，根据“富Ta”的“原始数据”与“贫Ta”的“比率”的比较可以理解，在Ta偏析部103中，与非Ta偏析部105相比，Fe/Ta(摩尔比)小。例如，除了未添加Fe(δ＝0)的试样1以外，非Ta偏析部105中的Fe/Ta为Ta偏析部103中的Fe/Ta的超过1倍且3倍以下。
对于试样1～8，根据图1可以理解，其编号越大，作为压电陶瓷组合物整体，Fe的摩尔比(δ)越大。同样地，在Ta偏析部103和非Ta偏析部105的任意者中，试样的编号越大，Fe的含量和Fe/Ta越大。
在试样1～8中的试样2～7中，Fe/Ta为1％以上且12％以下(小数点以下四舍五入)。另外，其中，在试样3～6中，Fe/Ta为1％以上且9％以下(小数点以下四舍五入)。在Fe/Ta的值为这些范围的情况下，根据“d31 pC/N”和“R kV/mm”的栏可以理解，压电常数d31和绝缘电阻值这两者确保了一定程度的大小。
(Sb的影响)
在图6的“Sb/Ta”中，根据“富Ta”的“原始数据”与“贫Ta”的“原始数据”的比较可以理解，在Ta偏析部103中，与非Ta偏析部105相比，Sb的含量(Sb的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例)小。例如，非Ta偏析部105中的Sb的含量为Ta偏析部103中的Sb的含量的1.1倍以上且1.4倍以下。
在图6的“Sb/Ta”中，根据“T富Ta”的“比率”与“贫Ta”的“比率”的比较可以理解，在Ta偏析部103中，与非Ta偏析部105相比，Sb/Ta(摩尔比)小。例如，非Ta偏析部105中的Sb/Ta为Ta偏析部103中的Sb/Ta的6倍以上且11倍以下。
对于试样1～8，根据图1可以理解，作为压电陶瓷组合物整体的Sb的摩尔比(z)彼此相同。但是，存在Fe的摩尔比(δ)越大，Ta偏析部103中的Sb/Ta越增加的趋势。
在试样1～8中的试样2～7中，Sb/Ta为8％以上且12％以下(小数点以下四舍五入)。另外，其中，在试样3～6中，Sb/Ta为9％以上且12％以下(小数点以下四舍五入)。在Sb/Ta的值为这些范围的情况下，根据“d31 pC/N”和“R kV/mm”的栏可以理解，压电常数d31和绝缘电阻值这两者确保了一定程度的大小。
如果使原料粉末的混合物包含Ta，则形成Ta偏析部103，另外，容易与Ta结合的金属元素的摩尔比在Ta偏析部103中相对变大。换言之，例如，如果以实现(1)式的组成的方式制作压电陶瓷组合物，则形成Ta偏析部103，另外，实现与图6所示的摩尔比同样的摩尔比。然而，在压电陶瓷组合物的致密化不充分、且Ta偏析部103的粒径小的情况下，其他粒子也显眼，难以通过目视来特定Ta偏析部103。
如上所述，本实施方式的压电陶瓷组合物由组成式AxBO3表示，是包含占A位点的物质的量的8成以上的K和Na、以及占B位点的物质的量的7成以上的Nb的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物。并且，该压电陶瓷组合物在B位点包含Ta和Fe。
根据Ta的摩尔比互不相同的试样4、9～14和22～25可以理解，通过在压电陶瓷组合物中包含Ta，例如压电常数d31的值变高。即，压电特性提高。另一方面，根据试样23～25可以理解，如果压电陶瓷组合物中包含Ta，则有时绝缘电阻值下降。但是，根据包含Ta且Fe的摩尔比互不相同的试样1～8可以理解，通过在压电陶瓷组合物中包含Fe，从而能够补偿绝缘电阻值的降低。
另外，在本实施方式中，压电陶瓷组合物可以由已述的(1)式表示。(1)式的A1可以为Bi、La、Ce、Nd或Sm，或者它们的组合。(1)式的B1可以为Zn、Mg、Yb、Fe、Cu、Co或Ni，或者它们的组合。(1)式的B2可以设为Sn、Ti、Zr、Hf、Ce、Ge、V、W、Nb、Sb或Ta或者它们的组合。
如果是这样的组成，则例如如图1～图4所示，通过在压电陶瓷组合物中包含Ta和Fe，从而容易以一定程度的大小确保压电常数d31的值和绝缘电阻值。另外，通过压电陶瓷组合物为铌酸钾钠系中的铌酸钾钠锂系，从而压电特性提高。
另外，在本实施方式中，可以满足以下的不等式：0.500≤u≤0.540、0.00＜v≤0.06、0.00＜w≤0.06、0.99≤x≤1.02、0.00＜y≤0.12、0.00＜z≤0.10、0.0000＜α≤0.0275、0.000＜β≤0.005、0.000＜γ≤0.005和0.0000＜δ≤0.0125。
如果各种摩尔比满足上述范围，则例如如参照图1～图4所说明的那样，容易以一定程度的大小确保压电常数d31的值和绝缘电阻值。
特别是，在A1为Bi(铋)、B1为Zn(锌)、B2为Sn(锡)的情况下，可以满足下式：0.524≤u≤0.540、0.05≤v≤0.06、0.02≤w≤0.06、0.99≤x≤1.02、0.04≤y≤0.10、0.06≤z≤0.08、0.0050≤α≤0.0125、0.000＜β≤0.005、β＝γ、0.00125≤δ≤0.01000。在满足上述式的情况下，压电常数d31为90(更详细而言为97)pC/N以上，绝缘电阻值R确保1×109kV/mm以上的值，能够同时提高压电特性和绝缘性这两者。
另外，A1也可以是La(镧)、Ce(铈)、Nd(钕)或Sm(钐)来代替Bi(铋)，在该情况下也能够得到上述效果。另外，在B2为Sn(锡)的情况下，B1即使代替Zn(锌)而为Fe(铁)、Cu(铜)或Mg(镁)，也能够得到上述效果。另外，在B1为Zn(锌)的情况下，B2为Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)或Ge(锗)来代替Sn(锡)，也能够得到上述效果。另外，在B2为Ti(钛)且B1为Mg(镁)、Fe(铁)或Cu(铜)的组合的情况下，也能够得到上述效果。
此外，在A1为Bi(铋)、B1为Co(钴)、Ni(镍)或Zn(锌)、B2为Nb(铌)、Sb(锑)或Ta(钽)的情况下，在β为γ的大致2倍的情况下，也能够得到上述效果。
另外，在本实施方式中，压电陶瓷组合物可以具有Ta不均匀分布的Ta偏析部103。Ta偏析部103中的Fe的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例可以大于作为与Ta偏析部103不同的部分(非Ta偏析部105)的至少一部分的基准部107中的Fe的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例。
在该情况下，例如，在作为绝缘电阻值降低的主要原因的Ta不均匀分布的Ta偏析部103中，减少绝缘电阻值的降低的Fe的含量相对变多。其结果是，能够有效地减少绝缘电阻值的降低。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103可以是Ta的物质的量除以Nb的物质的量而得到的比(Ta/Nb)为0.5以上的部分。
通过得到图6时的EDX确认了形成这样的Ta偏析部103。并且，如果得到这样的Ta偏析部103，则例如容易得到图6等所示的组成和特性。另外，例如，如果如上所述定义Ta偏析部103，则即使在难以通过目视特定Ta偏析部103的状况下，也能够客观地(排除任意性地)特定Ta偏析部103，进行Ta偏析部的组成的分析。
另外，在本实施方式中，基准部107可以为Ta的物质的量除以Nb的物质的量而得到的比为y/(1-y-z)以下的部分。
如果像这样定义与Ta偏析部103比较组成的部位，则例如能够客观地(排除任意性地)进行Ta偏析部103的组成与非Ta偏析部105的组成的比较。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Fe/Ta)可以小于基准部107中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比。
在该情况下，例如，能够增加Ta偏析部103中的Fe的含量，并在非Ta偏析部105中，在一定程度上确保Fe的含量，得到绝缘电阻值的增加的效果。其结果是，例如能够整体上平衡良好地使绝缘电阻值增加。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Fe/Ta)可以为0.01以上且0.12以下(小数点后第3位四舍五入)。
在该情况下，例如，根据图6中的试样2～7的值可以理解，对于压电常数d31和绝缘电阻值这两者，容易确保一定程度的大小。例如，作为压电常数d31的值，可以期待确保80(pC/N)以上的值，作为绝缘电阻值的值，可以期待确保3×108kV/mm以上的值。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Fe/Ta)可以为0.01以上且0.09以下(小数点后第3位四舍五入)。
在该情况下，例如，根据图6中的试样3～6的值可以理解，对于压电常数d31和绝缘电阻值这两者，容易确保一定程度的大小。例如，作为压电常数d31的值，可以期待确保90(更详细而言为99)pC/N以上的值，作为绝缘电阻值的值，可以期待确保1×109(更详细而言为3×109)kV/mm以上的值。
此时，非Ta偏析部105中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Fe/Ta)可以为0.04以上且0.09以下(小数点后第3位四舍五入)。
另外，在本实施方式中，可以在B位点包含Sb。Ta偏析部103中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Sb/Ta)可以小于基准部107中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比。
根据压电陶瓷组合物整体中的Sb的摩尔比(z)互不相同的试样4、26～28可以理解，Sb能够有助于压电常数d31的值和绝缘电阻值的确保这两者。但是，如果Sb的摩尔比过高，则其效果降低。作为其理由，认为Ta和Sb的合计的物质的量在B位点的物质的量中所占的比例变得过大，Nb变得不连续的部分变得过多。因此，通过在Ta偏析部103中使Sb/Ta相对较小，从而容易以一定程度的大小确保压电常数d31的值和绝缘电阻值这两者。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Sb/Ta)可以为0.08以上且0.12以下(小数点后第3位四舍五入)。
在该情况下，例如，根据图6中的试样2～7的值可以理解，对于压电常数d31和绝缘电阻值这两者，容易确保一定程度的大小。例如，作为压电常数d31的值，可以期待确保80(pC/N)以上的值，作为绝缘电阻值的值，可以期待确保3×108kV/mm以上的值。
另外，在本实施方式中，Ta偏析部103中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Sb/Ta)为0.09以上且0.12以下(小数点后第3位四舍五入)。
在该情况下，例如，根据图6中的试样3～6的值可以理解，关于压电常数d31和绝缘电阻值这两者，容易确保一定程度的大小。例如，作为压电常数d31的值，可以期待确保90(更详细而言为99)pC/N以上的值，作为绝缘电阻值的值，可以期待确保1×109(更详细而言为3×109)kV/mm以上的值。
此时，非Ta偏析部105中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比(Sb/Ta)可以为0.74以上且0.83以下(小数点后第3位四舍五入)。
另外，在本实施方式中，压电陶瓷组合物可以具有Ta偏析部103占据1％以上的面积的横截面。和/或压电陶瓷组合物可以包含粒径0.1μm以上的Ta偏析部103。
在这样的压电陶瓷组合物中，Ta偏析部103对压电陶瓷组合物的特性造成的影响比较大。因此，例如，通过满足上述Fe和/或Sb的含量和/或摩尔比的范围，增大绝缘电阻值的效果有效地发挥作用。
(应用例)
图7是表示压电陶瓷组合物的应用例的截面图。该截面图表示喷墨式的喷头11的一部分。图7的纸面下方(-D3侧)是配置记录介质(例如纸)的一侧。
喷头11例如为大致板状的构件，沿着与D3轴正交的平面具有多个图7所示的构成。喷头11的厚度(D3方向)例如为0.5mm以上且2mm以下。在喷头11的与记录介质对置的喷出面2a开口有喷出液滴的多个喷出孔3(在图7中仅示出1个。)。多个喷出孔3沿着喷出面2a二维地配置。
喷头11是通过压电元件的机械应变对液体赋予压力而喷出液滴的压电式的喷头。喷头11具有分别包含喷出孔3的多个喷出元件37，在图7中示出了一个喷出元件37。多个喷出元件37沿着喷出面2a二维地配置。
另外，在另一观点中，喷头11具有形成有供液体(墨液)流动的流路的板状的流路构件13、以及用于对流路构件13内的液体赋予压力的致动器基板15(压电致动器的一个例子)。多个喷出元件37由流路构件13和致动器基板15构成。喷出面2a由流路构件13构成。
流路构件13具有共用流路19和分别与共用流路19连接的多个独立流路17(在图7中图示1个)。各独立流路17分别具有已述的喷出孔3，另外，从共用流路19向喷出孔3依次具有连接流路25、加压室23和部分流路21。加压室23在流路构件13的与喷出面2a相反侧的面上开口。部分流路21从加压室23向喷出面2a侧延伸。喷出孔3在部分流路21的底面21a上开口。
在多个独立流路17和共用流路19中充满有液体。通过多个加压室23的容积变化而对液体赋予压力，从而从多个加压室23向多个部分流路21送出液体，从多个喷出孔3喷出多个液滴。另外，从共用流路19经由多个连接流路25向多个加压室23补充液体。
流路构件13例如是通过层叠多个板27A～27J(以下，省略为A～J。)而构成的。在板27中形成有构成多个独立流路17和共用流路19的多个孔(主要为贯通孔。也可以为凹部)。多个板27的厚度和层叠数可以根据多个独立流路17和共用流路19的形状等适宜设定。多个板27可以由适宜的材料形成。例如，多个板27由金属或树脂形成。板27的厚度例如为10μm以上且300μm以下。
致动器基板15是具有多个加压室23的范围的宽度的大致板状。致动器基板15由所谓的单压电晶片型的压电致动器构成。需要说明的是，致动器基板15也可以由双压电晶片型等其他形式的压电致动器构成。致动器基板15例如从流路构件13侧起依次具有振动板29、共用电极31、压电体层33和单独电极35。
振动板29、共用电极31和压电体层33在俯视下在多个加压室23的范围扩展。即，它们共同设于多个加压室23。单独电极35设于每个加压室23。单独电极35具有与加压室23重叠的主体部35a和从主体部35a延伸出的引出电极35b。引出电极35b有助于与未图示的信号线的连接。
压电体层33例如由本实施方式的压电陶瓷组合物构成。压电体层33的被单独电极35与共用电极31夹着的部分在厚度方向上被极化。因此，例如，如果通过单独电极35和共用电极31在压电体层33的极化方向上施加电场(电压)，则压电体层33在沿着该层的方向上进行收缩。该收缩被振动板29限制。其结果是，致动器基板15以向加压室23侧凸出的方式发生挠曲变形。进而，加压室23的容积被缩小，对加压室23的液体赋予压力。如果通过单独电极35和共用电极31向与上述相反的方向施加电场(电压)，则致动器基板15向与加压室23相反侧发生挠曲变形。
构成致动器基板15的各层的厚度和材料等可以适宜设定。如果举出一个例子，则振动板29和压电体层33的厚度可以分别为10μm以上且40μm以下。共用电极31的厚度可以为1μm以上且3μm以下。单独电极35的厚度可以为0.5μm以上且2μm以下。振动板29的材料可以是具有压电性或者不具有压电性的陶瓷材料。共用电极31的材料可以为Ag-Pd系等金属材料。单独电极35的材料可以为Au系等金属材料。
本发明的技术不限于以上的实施方式，可以以各种方式实施。
例如，压电陶瓷组合物并不限于由(1)式表示的压电陶瓷组合物。如试样14和15所示，在不满足(1)式的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物中，通过Ta的添加，压电常数d31的值也变大。另外，如实施方式的说明所示，推测由Fe的添加引起的绝缘电阻值的上升是由于Fe介于Ta之间而引起的。因此，推测在(1)式以外的组成中，通过使铌酸钾钠包含Ta和Fe，从而多少也发挥使压电常数d31的值和绝缘电阻值这两者平衡的效果。
压电陶瓷组合物除了用于致动器以外，还可以用于传感器、振荡器或滤波器等。致动器并不限于喷头所使用的致动器，也可以为各种设备所使用的致动器。
附图标记说明
101…压电陶瓷组合物、103…Ta偏析部、105…非Ta偏析部、107…基准部、15…致动器基板(压电致动器)。

Claims (15)

1.一种压电陶瓷组合物，其是由组成式AxBO3表示，包含占A位点的物质的量的8成以上的K和Na、以及占B位点的物质的量的7成以上的Nb的铌酸钾钠系的压电陶瓷组合物，其中，
所述压电陶瓷组合物在B位点包含Ta和Fe。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷组合物，其中，所述压电陶瓷组合物由组成式{(K1-u- vNauLiv)1-w-αAgwA1α}x{(Nb1-y-zTaySbz)1-β-γ-δB1βB2γFeδ}O3表示，
A1为Bi、La、Ce、Nd或Sm，或者它们的组合，
B1为Zn、Mg、Yb、Fe、Cu、Co或Ni，或者它们的组合，
B2为Sn、Ti、Zr、Hf、Ce、Ge、V、W、Nb、Sb或Ta，或者它们的组合。
3.根据权利要求2所述的压电陶瓷组合物，其中，满足以下的不等式：
0.500≤u≤0.540、
0.00＜v≤0.06、
0.00＜w≤0.06、
0.99≤x≤1.02、
0.00＜y≤0.12、
0.00＜z≤0.10、
0.0000＜α≤0.0275、
0.000＜β≤0.005、
0.000＜γ≤0.005、以及
0.0000＜δ≤0.0125。
4.根据权利要求3所述的压电陶瓷组合物，其中，A1为Bi，B1为Zn，B2为Sn，满足以下的式：
0.524≤u≤0.540、
0.05≤v≤0.06、
0.02≤w≤0.06、
0.99≤x≤1.02、
0.04≤y≤0.10、
0.06≤z≤0.08、
0.0050≤α≤0.0125、
0.000＜β≤0.005、
β＝γ、
0.00125≤δ≤0.01000。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，具有Ta不均匀分布的Ta偏析部，
所述Ta偏析部中的Fe的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例大于基准部中的Fe的物质的量在全部元素的物质的量中所占的比例，所述基准部是与所述Ta偏析部不同的部分的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的压电陶瓷组合物，其中，所述Ta偏析部是Ta的物质的量除以Nb的物质的量而得到的比为0.5以上的部分。
7.根据直接或间接引用权利要求2的权利要求6所述的压电陶瓷组合物，其中，所述基准部是Ta的物质的量除以Nb的物质的量而得到的比为y/(1-y-z)以下的部分。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，所述Ta偏析部中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比小于所述基准部中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比。
9.根据权利要求5～8中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，所述Ta偏析部中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比为0.01以上且0.12以下。
10.根据权利要求9所述的压电陶瓷组合物，其中，所述Ta偏析部中的Fe的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比为0.01以上且0.09以下。
11.根据权利要求5～10中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，在B位点包含Sb，
所述Ta偏析部中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比小于所述基准部中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比。
12.根据权利要求5～10中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，在B位点包含Sb，
所述Ta偏析部中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比为0.08以上且0.12以下。
13.根据权利要求12中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，所述Ta偏析部中的Sb的物质的量除以Ta的物质的量而得到的比为0.09以上且0.12以下。
14.根据权利要求5～13中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，具有所述Ta偏析部占1％以上的面积的横截面。
15.根据权利要求5～14中任一项所述的压电陶瓷组合物，其中，包含粒径为0.1μm以上的所述Ta偏析部。
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